(57)【要約】【課題】  トレンチが深い場合にも、トレンチ構造近傍に高い応力が生じない半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置であって、トレンチ２０内に、基板に対して圧縮応力を有する絶縁層２４、２６、２８と、基板に対して引っ張り応力を有する絶縁層２５、２７とが、深さ方向に交互に繰り返し積層されている構造を有する半導体装置１０。隣接する絶縁層同士で応力が打ち消されるので、トレンチ近傍に高い応力が生じることが抑制される。また、トレンチが深い場合には、絶縁層の積層数を増加させればよく、個々の絶縁層の厚さを増す必要がない。このため、個々の絶縁層で生じる応力（圧縮応力、引っ張り応力）が増大せず、深いトレンチに対しても十分に応力を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチ内に、基板に対して圧縮応力を有する絶縁層と、基板に対して引っ張り応力を有する絶縁層とが、深さ方向に交互に繰り返し積層されている構造を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トレンチ内に絶縁体が充填されている構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、トレンチ内に酸化シリコン（絶縁体）が充填されたトレンチ構造を有する半導体装置が開示されている。このようにトレンチ内に酸化シリコンを充填すると、酸化シリコンから半導体層（基板）に応力が作用する。例えば、プラズマＣＶＤ法によりトレンチ内に酸化シリコンを形成すると、酸化シリコンから半導体層に圧縮応力が作用する。トレンチ構造近傍の半導体層に応力が作用すると、半導体層に歪みが生じ、半導体層内部に結晶欠陥が生じる。半導体層の内部に結晶欠陥が生じると、電流リークや半導体素子の誤動作が生じるおそれがある。したがって、半導体素子を、トレンチ構造から物理的に離れた位置に形成する必要があった。
上記の問題を解決する技術として、特許文献２の技術が開示されている。特許文献２には、トレンチ内に、基板に対して圧縮応力を有する酸化シリコン層と、基板に対して引っ張り応力を有する酸化シリコン層からなる２層の酸化シリコン層を形成したトレンチ構造を有する半導体装置が開示されている。このようにトレンチ内に２層の酸化シリコン層を形成することで、それぞれの酸化シリコン層で生じる応力を打ち消し合い、トレンチ構造近傍に生じる応力を低減することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１４２７８号
【特許文献２】特開２００７−１８９１１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２の技術によれば、トレンチ構造近傍に生じる応力を低減することができる。しかしながら、特許文献２の技術では、トレンチの内面に沿って引っ張り応力を有する酸化シリコン層が形成されており、その引っ張り応力を有する酸化シリコン層の内側に圧縮応力を有する酸化シリコン層が充填されている。この技術を深いトレンチに適用すると、各酸化シリコン層が深さ方向に長く延設される。このように、各酸化シリコン層が長く延設されると、各酸化シリコン層で生じる応力が大きくなる。このため、隣接する酸化シリコン層の間で応力が打ち消されるように作用したとしても、トレンチ構造近傍に生じる応力を十分に低減することができない。すなわち、特許文献２の技術は、深いトレンチ構造に適用したときに、十分な効果が得られないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、トレンチが深い場合にも、トレンチ構造近傍に高い応力が生じない半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体装置は、トレンチ内に、基板に対して圧縮応力を有する絶縁層と、基板に対して引っ張り応力を有する絶縁層とが、深さ方向に交互に繰り返し積層されている構造を有する。
この半導体装置では、圧縮応力を有する絶縁層（以下、第１絶縁層という）と引っ張り応力を有する絶縁層（以下、第２絶縁層という）が隣接して配置されているため、各絶縁層で生じる応力が隣接する絶縁層によって打ち消され、トレンチ構造近傍に生じる応力が低減される。また、第１絶縁層と第２絶縁層が深さ方向に交互に繰り返し積層されているため、それぞれの絶縁層の厚さ（トレンチの深さ方向の幅）を薄くすることができる。すなわち、深いトレンチ構造を形成する場合には、第１絶縁層と第２絶縁層の積層数を増やすことで、個々の絶縁層を厚くすることなくトレンチ構造を形成することができる。したがって、それぞれの絶縁層で生じる応力は小さい。したがって、深いトレンチ構造であっても、トレンチ構造近傍の応力を十分に低減することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体装置では、トレンチ構造近傍に生じる応力が低減されている。したがって、応力によって半導体層中に結晶欠陥が形成されることが抑制される。このため、本発明の半導体装置は、トレンチ構造近傍に半導体素子を形成しても、電流リークや誤動作等の結晶欠陥に起因する不具合が生じ難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施形態に係る半導体装置について説明する。本実施形態の半導体装置１０は、図１に示すトレンチ素子分離構造を有する。なお、本実施形態の半導体装置１０はトレンチ素子分離構造に特徴を有しているため、半導体装置１０のその他の構造の詳細については説明を省略する。
【０００９】
図１に示すように、半導体装置１０は、シリコン層１４と、埋め込み絶縁層（酸化シリコン層）１６と、シリコン層１８とを積層したＳＯＩ基板１２を有している。シリコン層１４には、トレンチ素子分離構造が形成されている。なお、半導体装置１０は、トレンチ素子分離構造に特徴を有しているので、その詳細を説明するために図１ではトレンチ素子分離構造が形成されているシリコン層１４を実際より厚く記述している。以下に、トレンチ素子分離構造について説明する。
【００１０】
シリコン層１４には、その上面から埋め込み絶縁層１６まで達するトレンチ２０が形成されている。トレンチ２０の内面には、窒化膜（窒化シリコン膜）２２が形成されている。トレンチ２０内には、酸化シリコン層２４〜２８が充填されている。酸化シリコン層２４、２６、２８は、圧縮応力を有する酸化シリコン層である。酸化シリコン層２５、２７は、引っ張り応力を有する酸化シリコン層である。すなわち、酸化シリコン層２４、２６、２８からシリコン層１４に圧縮応力が作用し、酸化シリコン層２５、２７からシリコン層１４に引っ張り応力が作用している。酸化シリコン層２４〜２８は、下側から、酸化シリコン層２４、酸化シリコン層２５、酸化シリコン層２６、酸化シリコン層２７、酸化シリコン層２８の順で積層された状態で形成されている。すなわち、トレンチ２０内には、圧縮応力を有する酸化シリコン層２４、２６、２８と、引っ張り応力を有する酸化シリコン層２５、２７とが、深さ方向に交互に積層されている。トレンチ２０近傍のシリコン層１４の上面は、フィールド絶縁膜（酸化シリコン膜）２９及びキャップ絶縁膜（酸化シリコン膜）３０によって覆われている。トレンチ素子分離構造によって、ＳＯＩ基板１２に形成されている半導体素子が互いに絶縁されている。
【００１１】
上記のトレンチ素子分離構造では、トレンチ２０内に、圧縮応力を有する酸化シリコン層２４、２６、２８と、引っ張り応力を有する酸化シリコン層２５、２７とが隣接して配置されている。このため、酸化シリコン層２４、２６、２８の圧縮応力と、酸化シリコン層２５、２７の引っ張り応力とが逆方向に作用し、互いに打ち消し合う。このため、トレンチ素子分離構造近傍のシリコン層１４内に高い応力は生じていない。これによって、シリコン層１４内に結晶欠陥が形成されることが抑制されている。
【００１２】
また、このトレンチ素子分離構造では、トレンチ２０内に酸化シリコン層２４〜２８が積層されているため、酸化シリコン層２４〜２８のそれぞれの厚さ（深さ方向の幅）は比較的薄い。このため、個々の酸化シリコン層２４〜２８で生じる応力が小さい。これによって、シリコン層１４に作用する応力がより低減されている。また、トレンチ２０が深い場合には、圧縮応力を有する酸化シリコン層と引っ張り応力を有する酸化シリコン層の積層数を増やすことで、個々の酸化シリコン層の厚さを増すことなくトレンチ２０内を酸化シリコンで充填することができる。したがって、トレンチ２０をより深く形成してもシリコン層１４内に生じる応力を十分に低減することができる。
【００１３】
また、このトレンチ素子分離構造では、トレンチ２０の内面に窒化膜２２が形成されている。窒化膜２２は、シリコン層１４に対して引っ張り応力を作用させる。酸化シリコン層２４、２６、２８の圧縮応力は、酸化シリコン層２５、２７の引っ張り応力より大きくなり易い。本実施形態のトレンチ素子分離構造では、トレンチ２０の内面に引っ張り応力を有する窒化膜２２を形成することによって、酸化シリコン層２４、２６、２８の圧縮応力がシリコン層１４に作用することをさらに抑制している。これによって、シリコン層１４に作用する応力がより低減されている。
【００１４】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。
最初にＳＯＩ基板１２を熱酸化処理することによって、図２に示すように、シリコン層１４の表面にフィールド絶縁膜２９を形成する。
【００１５】
次に、ＲＩＥ法によってフィールド絶縁膜２９とシリコン層１４を上面側からエッチングする。これによって、図３に示すように、フィールド絶縁膜２９の表面から埋め込み絶縁膜１６まで達するトレンチ２０を形成する。
【００１６】
トレンチ２０を形成したら、図４に示すように、プラズマＣＶＤ法によってＳＯＩ基板１２の表面に窒化膜２２を形成する。この際、トレンチ２０の内面にも窒化膜２２が形成される。このときのプラズマＣＶＤ法では、反応ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）と窒素（Ｎ２）を用いる。プラズマＣＶＤ法で反応ガスが反応する際には、プラズマ内で水素ラジカルが生成される。生成された水素ラジカルは、窒化膜２２中に取り込まれ易い。プラズマＣＶＤ法によれば、他の方法（減圧ＣＶＤ法等）に比べて水素含有量が高い窒化膜２２を形成することができる。
【００１７】
窒化膜２２を形成したら、ＳＯＩ基板１２に対して水素アニール処理（水素を含有するガス雰囲気内での熱処理）を行う。水素アニール処理を行うと、窒化膜２２中の水素が、トレンチ２０近傍のシリコン層１４内に拡散する。シリコン層１４内に拡散した水素は、シリコン層１４内のダングリングボンド（結晶欠陥の一種）と結合する。これによって、ダングリングボンドが終端される。
【００１８】
水素アニール処理を実施したら、図５に示すように、プラズマＣＶＤ法（より詳細には、高密度プラズマＣＶＤ法）によってＳＯＩ基板１２上に酸化シリコン層２４を堆積させる。プラズマＣＶＤ法は、高アスペクト比のトレンチに対する埋め込み性が高い。したがって、トレンチ２０内に酸化シリコン層２４が充填される。酸化シリコン層２４を形成したら、フッ酸を用いて、ＳＯＩ基板１２の上面側から酸化シリコン層２４をエッチングする。これによって、図６に示すように、トレンチ２０の底部に所定厚さの酸化シリコン層２４を残存させ、残りの酸化シリコン層２４を除去する。プラズマＣＶＤ法によってトレンチ２０内に形成した酸化シリコン層２４は、シリコン層１４に対して圧縮応力を作用させる。すなわち、トレンチ２０内の酸化シリコン層２４は、圧縮応力を有する酸化シリコン層となる。
【００１９】
次に、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）をトレンチ２０内に塗布する。ＳＯＧを塗布したら、ＳＯＩ基板１２を熱処理し、塗布したＳＯＧを硬化させる。これによって、トレンチ２０内（酸化シリコン層２４上）に酸化シリコン層２５を形成する。酸化シリコン層２５を形成したら、フッ酸を用いて、ＳＯＩ基板１２の上面側から酸化シリコン層２５をエッチングする。これによって、トレンチ２０内に所定厚さの酸化シリコン層２５を残存させ、残りの酸化シリコン層２５を除去する。
【００２０】
次に、トレンチ２０内（酸化シリコン層２５上）に酸化シリコン層２６を形成する。酸化シリコン層２６は、酸化シリコン層２４と同様にして形成する。すなわち、プラズマＣＶＤ法によって酸化シリコン層２６を堆積し、エッチングによって酸化シリコン層２６の厚さを調節する。酸化シリコン層２６は、圧縮応力を有する酸化シリコン層となる。
【００２１】
次に、トレンチ２０内（酸化シリコン層２６上）に酸化シリコン層２７を形成する。酸化シリコン層２７は、酸化シリコン層２５と同様にして形成する。すなわち、ＳＯＧを塗布し、塗布したＳＯＧを硬化させることによって酸化シリコン層２７を形成し、エッチングによって酸化シリコン層２７の厚さを調節する。酸化シリコン層２７は、引っ張り応力を有する酸化シリコン層となる。
【００２２】
次に、トレンチ２０内（酸化シリコン層２７上）に酸化シリコン層２８を形成する。酸化シリコン層２８は、酸化シリコン層２４と同様にして形成する。すなわち、プラズマＣＶＤ法によって酸化シリコン層２８を堆積し、エッチングによって酸化シリコン層２８の厚さを調節する。酸化シリコン層２８は、引っ張り応力を有する酸化シリコン層となる。酸化シリコン層２８のエッチングは、酸化シリコン層２８の上面がＳＯＩ基板１２の上面と略等しい高さとなるように実施する。これによって、図７に示すように、トレンチ２０内に酸化シリコン層２４〜２８による積層構造が形成される。
なお、プラズマＣＶＤ法によって形成された酸化シリコン層は、ＳＯＧの塗布によって形成された酸化シリコン層に比べて、エッチングレートが低い。このため、酸化シリコン層２８をエッチングする際にエッチングレートが低くなり、酸化シリコン層２８の上面の高さをＳＯＩ基板の上面の高さに略一致させることが容易である。
【００２３】
酸化シリコン層２４〜２８の積層構造を形成したら、高温のリン酸を用いたウェットエッチングによって、図８に示すように、表面に露出している窒化膜２２を除去する。その後、トレンチ２０の上端近傍（酸化シリコン層２７上）に、ＣＶＤ法等によってキャップ絶縁膜３０を形成する。これによって、図１に示すトレンチ素子分離構造が完成する。
【００２４】
以上のようにしてトレンチ素子分離構造を形成し、その他の必要な構造を従来公知の方法によって形成することで、トレンチ素子分離構造を備えた半導体装置が製造される。
なお、上述した製造方法では、トレンチ２０の内面にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜２２を形成する。プラズマＣＶＤ法により形成した窒化膜２２は、水素を高濃度に含有する。したがって、窒化膜２２内の水素が、トレンチ２０近傍のシリコン層１４内に拡散し、シリコン層１４内のダングリングボンドを終端させる。このように、ダングリングボンドを終端させることで、シリコン層１４内にリーク電流が生じることを抑制することができる。特に、上述した製造方法では、窒化膜２２を形成した後に、水素アニール処理を行う。これによって、シリコン層１４内への水素の拡散が促進される。したがって、より多くのダングリングボンドを終端させることが可能であり、リーク電流をより抑制することができる。
【００２５】
以上に説明したように、本実施形態のトレンチ素子分離構造、及び、その形成方法を適用することによって、トレンチ素子分離構造近傍のシリコン層１４内に結晶欠陥が生じることを抑制することができる。このため、トレンチ素子分離構造のより近くの位置に半導体素子を形成することが可能となる。このため、半導体素子をより高密度に集積して形成することが可能となり、半導体装置の小型化が可能となる。
【００２６】
なお、上述した実施形態ではトレンチ素子分離構造について説明したが、本発明は素子分離を目的とするトレンチ構造に限られず、その他の目的に用いるトレンチ構造にも適用することができる。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】トレンチ素子分離構造の断面図。
【図２】フィールド絶縁膜２９形成後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図３】トレンチ２０形成後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図４】窒化膜２２形成後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図５】酸化シリコン層２４堆積後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図６】酸化シリコン層２４エッチング後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図７】酸化シリコン層２８エッチング後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【図８】窒化膜２２エッチング後のＳＯＩ基板１２の断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１０：半導体装置
１２：ＳＯＩ基板
１４：シリコン層
１６：埋め込み絶縁層
１８：シリコン層
２０：トレンチ
２２：窒化膜
２４〜２８：酸化シリコン層
２９：フィールド絶縁膜
３０：キャップ絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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