(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離溝を形成したシリコンからなる半導体基板の雰囲気温度を昇温して同素子分離溝の形成された基板の少なくとも開口上端部に熱酸化処理を施す半導体装置の製造方法において、
前記熱酸化処理を施す雰囲気温度への昇温を非酸化性雰囲気中で行う第１の工程と、
前記熱酸化処理を施す雰囲気温度への昇温に先立ち、前記熱酸化処理によって形成される酸化膜の膜厚よりも薄い膜厚を有する酸化膜を予め形成する第２の工程を含み、
前記第１の工程では、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度が９５０〜１１５０℃であって、形成する酸化膜の膜厚が１０〜５０ｎｍであり、
前記第２の工程では、熱処理温度が６５０〜９００℃であって、形成する酸化膜の膜厚が２〜６ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記熱酸化処理は、奇ガス及び窒素ガスの少なくとも一つのガスからなる非酸化性ガスで酸素を希釈した酸素雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱酸化処理は、酸素雰囲気にハロゲン系のガスを添加して行われることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記熱酸化処理を施す雰囲気温度での熱酸化処理の後に、非酸化性雰囲気中で降温させる第３の工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に素子分離溝を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化に伴い、その微細加工技術はますます重要になってきている。それら微細加工技術の１つとして、半導体装置内の各半導体素子を分離する素子分離技術がある。そして、この素子分離技術としては、高集積化に伴い、トレンチ分離といわれる手法が用いられることが多くなってきている。
【０００３】
このトレンチ分離は、半導体基板に素子分離溝（トレンチ）を形成するとともに、この形成したトレンチの内部に絶縁物等を埋め込んだものであり、このトレンチ内に埋め込まれた絶縁物等により、その両側の素子領域が分離される。
【０００４】
ところで、半導体基板をエッチングしてトレンチを形成すると、この形成したトレンチの開口上端部にはコーナ部が形成される。そして、このコーナ部には電界や応力が集中するなど、ストレスが生じやすい等の理由から、トレンチの形成に伴う半導体装置としての特性の劣化が新たな問題となっている。このため従来より、トレンチ形成後、これを熱酸化することによってこのコーナ部に起因するストレスを除去することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、熱酸化処理を施すことでトレンチの開口上端部は丸められ、ストレスを除去することはできる。ただし、この熱酸化処理は高温で行う必要があるため、その処理環境の設定が難しく、例えば熱酸化処理を行う装置内の温度を予め同熱酸化処理を行う温度に上昇させた後、これに半導体基板を挿入した場合には、同基板にそりやスリップ転位が発生するおそれがある。一方、こうした基板のそりやスリップ転位の発生を抑制すべく、この熱酸化処理を行う装置を比較的低温に維持した状態で半導体基板を挿入し、その後、同装置内の温度を昇温するようにした場合には、基板の開口上端部を丸めるのに十分な温度となる前に基板が酸化されてしまい、同開口上端部の丸めを十分に行うことができなくなるおそれがある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体基板の品質を維持しつつ、これに形成した素子分離溝を形成した後、その開口上端部を好適に丸めることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、素子分離溝を形成したシリコンからなる半導体基板の雰囲気温度を昇温して同素子分離溝の形成された基板の少なくとも開口上端部に熱酸化処理を施す半導体装置の製造方法において、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度への昇温を非酸化性雰囲気中で行う第１の工程と、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度への昇温に先立ち、前記熱酸化処理によって形成される酸化膜の膜厚よりも薄い膜厚を有する酸化膜を予め形成する第２の工程を含み、前記第１の工程では、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度が９５０〜１１５０℃であって、形成する酸化膜の膜厚が１０〜５０ｎｍであり、前記第２の工程では、熱処理温度が６５０〜９００℃であって、形成する酸化膜の膜厚が２〜６ｎｍであることをその要旨とする。
【０００８】
低温において基板が酸化されると、酸化に伴う体積膨張に起因して基板に応力が発生する。特に、素子分離溝の形成された基板の開口上端部において同基板の上面及び側面の２方向から基板が酸化される場合には、この開口上端部に生じる応力は特に顕著なものとなる。
【０００９】
この点、上記製造方法によれば、熱酸化処理を施す雰囲気温度への昇温を非酸化性雰囲気中で行うために、低温において半導体基板に酸化膜が形成されることに起因した応力の発生を緩和することができるようになる。したがって、効率よく熱酸化処理によって半導体基板の開口上端部を丸めることができるようになる。
【００１０】
この場合、前記第１の工程では、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度が９５０〜１１５０℃であって、形成する酸化膜の膜厚が１０〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００１３】
上記製造方法では、非酸化性雰囲気中で昇温されたときに生じるおそれのあるサーマルエッチングによる半導体基板面の劣化を好適に抑制することもできる。また、例えば窒素雰囲気中で昇温が行われたときに生じる熱窒化を好適に抑制することができるようになる。
【００１４】
なお、このように薄い膜厚を有する酸化膜を形成する際には、熱処理温度が６５０〜８００℃であって、その膜厚が２〜６ｎｍであることが望ましい。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱酸化処理は、奇ガス及び窒素ガスの少なくとも一つのガスからなる非酸化性ガスで酸素を希釈した酸素雰囲気中で行われることをその要旨とする。
【００１７】
上記製造方法によれば、奇ガス及び窒素ガスの少なくとも一つのガスからなる非酸化性ガスで酸素を希釈した酸素雰囲気中で熱酸化処理が行われるために、熱酸化膜の成膜量の制御性を向上させることができるようになる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記熱酸化処理は、酸素雰囲気にハロゲン系のガスを添加して行われることをその要旨とする。
【００１９】
上記製造方法によれば、酸素雰囲気にハロゲン系のガスを添加して昇温後の熱酸化処理を行うことで、開口上端部の丸め酸化を促進することができるようになる。なお、この場合、丸め酸化を好適に行うことのできる温度を低下させることもできる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載の発明において、前記熱酸化処理を施す雰囲気温度での熱酸化処理の後に、非酸化性雰囲気中で降温させる第３の工程を更に備えることをその要旨とする。
【００２１】
上記製造方法によれば、昇温後の熱酸化処理の後に、非酸化性雰囲気中で降温させるために、降温時の熱酸化膜の生成を好適に抑制することができるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法について、その一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
はじめに、本実施形態にかかる半導体基板へのトレンチの形成手順について、図１に基づいて説明する。
すなわち、このトレンチ手順においては、図１（ａ）に示すように、まずシリコンからなる半導体基板１０上に、シリコン酸化膜２１及びシリコン窒化膜２２を成膜する。
【００２４】
次に、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン２３を形成し、このレジストをマスクとしてシリコン窒化膜２２やシリコン酸化膜２１をエッチングする。更に、図１（ｃ）に示すようにレジストパターン２３を除去した後、シリコン窒化膜２２をマスクとして半導体基板１０をエッチングすることで、トレンチ１１を形成する。
【００２５】
なお、上記シリコン酸化膜２１は、シリコン窒化膜２２とシリコンからなる半導体基板１０とを接触させると半導体基板１０に欠陥が生じるおそれがあるため用いられるものであって、その膜厚は５０Å〜４００Åであることが望ましく、本実施形態にあっては、２００Åの膜厚にて成膜する。
【００２６】
上記手順にてトレンチ１１を形成した場合、図１（ｃ）に示されるように、半導体基板１０の開口上端部Ｃにおいてコーナ部が形成される。そして、このコーナ部に電界が集中するなど、ストレスが生じやすいために、半導体装置の特性劣化が生じるおそれがあることは上述したとおりである。
【００２７】
このコーナ部を除去して半導体基板１０の開口上端部Ｃを丸めるために、本実施形態においては、トレンチ１１による半導体基板１０の開口部に熱酸化処理を施すことにしている。この熱酸化処理を施す温度としては、熱酸化処理によって形成されるシリコン酸化膜の粘性係数が十分に低下する温度である９５０℃〜１１５０℃であることが望ましい。このように粘性係数が十分に低下する温度領域で開口上端部Ｃに熱酸化処理を施すことで、前記開口上端部Ｃを効率よく丸めることができるようになる。
【００２８】
これに際して本実施形態においては、上記トレンチ１１を形成した半導体基板を、６５０℃〜８００℃の温度領域において、薄い酸化膜を成膜した後、非酸化性雰囲気中において開口上端部Ｃを丸めるために適した上記温度領域まで昇温するようにしている。すなわち、予め薄い酸化膜を成膜することで、半導体基板１０がほとんど酸化されることのない非酸化性雰囲気にて昇温を行う場合に生じるおそれのある熱窒化やサーマルエッチング等を抑制する。そして、非酸素性雰囲気にて昇温後に熱酸化処理によって上記開口上端部Ｃの丸めを行う。このように低温域において形成される酸化膜厚を抑制することで、十分に昇温された後に施される熱酸化処理によって開口上端部Ｃの丸めを効率よく行うことができるようになる。
【００２９】
ここで、本実施形態における半導体基板１０の開口上端部Ｃの熱酸化処理手順について、図２を参照しつつ更に詳述する。図２は、本実施形態における半導体基板１０の周辺の温度環境の推移を示す図である。
【００３０】
すなわち、本実施形態においては、先の図１（ｃ）に示したように半導体基板１０にトレンチ１１を形成した後、半導体基板１０の開口部に２．０〜６．０ｎｍのシリコン酸化膜を形成するようにしている。具体的には、同トレンチ１１の形成後、６５０〜８００℃の比較的低温領域において、抵抗加熱のバッチ式電気炉である熱処理装置内に半導体基板１０を挿入する。この挿入に際しては、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスや窒素（Ｎ2）等、半導体基板１０を酸化する能力のない非酸化性ガスに微量の酸素（Ｏ2）を添加した雰囲気中で行うようにしている。このときの酸素濃度は０．２〜２５％であることが望ましく、本実施形態においては１０％としている。このように半導体基板１０を酸化することのできる成分を微量に含んだ雰囲気中で、半導体基板１０を熱処理装置へ挿入することによって、２．０〜６．０ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。
【００３１】
上記２．０〜６．０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した後、図２に示されるように、ほとんど半導体基板１０を酸化する能力のない非酸化性雰囲気中において、上記熱処理装置内を９５０〜１１５０℃の温度に昇温する。この非酸化性雰囲気は、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスや、窒素（Ｎ2）等、半導体基板１０を酸化する能力のない非酸化性ガスを主成分とする。
【００３２】
次に、熱処理装置内の雰囲気を、半導体基板１０を酸化する能力を有する酸化性雰囲気に切り替え熱酸化処理を施すことで、１０ｎｍ〜５０ｎｍの酸化膜を形成する。この酸化性雰囲気としては、上記非酸化性ガスで酸素を希釈した雰囲気であることが望ましい。この際、酸素濃度は２．０〜３５％であることが望ましく、本実施形態においては１０％とした。
【００３３】
上記態様にて、１０ｎｍ〜５０ｎｍの酸化膜を形成した後、図２に示すように熱処理装置内の雰囲気を上記非酸化性雰囲気に切り替え、６５０〜８００℃まで降温する。
【００３４】
このように低温領域における酸化膜の形成を抑制して高温領域において上記開口上端部Ｃの丸め酸化を効率的に行うことで、酸化膜の膜厚をさほど厚くすることなく、十分に開口上端部Ｃを丸めることができるようになる。ここで図３に基づいて、本実施形態と従来の手法による熱酸化処理との相違について説明する
すなわち、図３（ａ）に模式的に示されるように、本実施形態においては半導体基板１０の開口部に形成される熱酸化膜１２の大半は高温環境下で形成された酸化膜であり、これによって開口上端部Ｃは好適に丸められる。一方、従来のように、酸化性雰囲気中で昇温を行う場合には、図３（ｂ）に模式的に示されるように、半導体基板１１０の開口部に形成される熱酸化膜１１２のうち、十分に昇温される以前の低温環境下で形成される酸化膜の比率が増大する。このときには、低温で形成される酸化膜に起因した応力によって半導体基板１１０の開口上端部Ｃ’の丸めが十分に行われない。
【００３５】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）非酸素性雰囲気において昇温した後に熱酸化処理を施すことで、半導体基板１０の開口上端部Ｃの丸めを効率よく行うことができるようになる。
【００３６】
（２）昇温前に低温環境下で薄い酸化膜を形成することで、窒素雰囲気中で昇温等を行う場合であれ、熱窒化を好適に抑制することができるようになる。また、昇温前に予め半導体基板１０の表面がわずかに酸化されていた場合に生じるおそれのあるサーマルエッチングも好適に抑制することができる。
【００３７】
（３）昇温後の熱酸化処理による開口上端部Ｃの丸めを行った後、非酸化性雰囲気によって降温することで、降温時の酸化膜の形成を好適に抑制することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施形態においては、非酸化性ガスとしてアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスや窒素（Ｎ2）を用いたが、これに限られない。ここで、希ガスのみを用いるようにすれば、昇温時において熱窒化が生じるおそれはなくなるため、熱窒化の抑制としては昇温前に薄い酸化膜を形成する必要が無くなる。
【００３９】
・上記実施形態においては、昇温前に薄い酸化膜の形成を行ったが、トレンチ１１形成後の半導体基板１０が微量に酸化されていないなどの理由からサーマルエッチングの影響が無視できる場合や、上記のように熱窒化のおそれが無視できる場合にはこれを形成しなくてもよい。
【００４０】
・上記実施形態では、上記非酸化性ガスで酸素を希釈した雰囲気によって昇温後の熱酸化処理を施したが、これに限られない。非酸化性ガスで酸素を希釈した雰囲気を用いるのは、酸化膜の形成の制御性を高めるなどの理由からであり、酸素ガス雰囲気中において酸化膜の形成を十分に制御することができるなら、希釈する必要はない。
【００４１】
・また、上記非酸化性ガスで酸素を希釈した雰囲気に微量の水蒸気（Ｈ2Ｏ）を添加してもよい。
・更に、上記非酸化性ガスで酸素を希釈した雰囲気に塩化水素（ＨＣｌ）、塩素（Ｃｌ2）、四塩化炭素（ＣＣｌ4）、二塩化メタン（ＣＨ2Ｃｌ2）等のＣｌ系ハロゲンガスや、三フッ化窒素（ＮＦ3）等のＦ系ハロゲンガスなどのハロゲン系ガスを添加してもよい。
【００４２】
ここで、たとえば、Ｃｌ系ハロゲンガスを添加すると酸化剤の拡散係数が増大し、立体角の大きな上記開口上端部Ｃの酸化が進む。このＣｌ系ハロゲンガスの酸化剤に対する濃度は１．０〜１０％であることが望ましい。また、Ｆ系ハロゲンガスの添加によって酸化起因の応力が緩和される。このＦ系ハロゲンガスの酸化剤に対する濃度は、０．０００５〜０．１％であることが望ましい。
【００４３】
・上記実施形態においては、熱処理装置として抵抗加熱のバッチ式電気炉を用いたが、これに限られず、例えばランプ加熱の枚葉式急速熱処理装置（ＲＴＰ：Rapid Thermal Processer）等でもよい。
【００４４】
・また、先の図１に示したトレンチ１１の形成方法についても任意である。
・更に、図１（ｃ）の状態で熱酸化処理を行う必要もなく、例えば開口上端部Ｃ付近のシリコン窒化膜２２をエッチングした後に熱酸化処理を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】トレンチ形成手順の一例を示す断面図。
【図２】本発明にかかる半導体装置の製造方法を具体化した一実施形態について、その製造手順の一例を示すタイムチャート。
【図３】本実施形態における熱酸化膜と従来の熱酸化膜とを模式的に対比させた断面図。
【符号の説明】
１０、１１０…半導体基板、１１…トレンチ、１２、１１２…熱酸化膜、２１…シリコン酸化膜、２２…シリコン窒化膜、２３…レジストパターン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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