(57)【要約】【課題】半導体装置の信頼性の劣化を抑制しつつ、トレンチ内の内壁酸化膜に多量の窒素を導入する。【解決手段】シリコン基板１の素子分離領域に形成したトレンチ２の内壁を酸化して内壁酸化膜３を形成する。当該内壁酸化膜３に対しては、熱窒化処理とラジカル窒化処理との２つの窒化処理が行われる。熱窒化処理によって内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍に第１窒化層３ａが形成され、ラジカル窒化法によって内壁酸化膜３の表面に第２窒化層３ｂが形成される。前記熱窒化処理においては、活性領域に形成される半導体素子の信頼性が生じない程度に、導入する窒素の量を抑制する。【選択図】図１
2006024895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内壁を酸化して内壁酸化膜を形成する工程と、
前記内壁酸化膜に窒素を導入する工程と、
前記トレンチ内に分離絶縁膜を埋め込み形成する工程とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記窒素を導入する工程は、
前記内壁酸化膜の比較的深い位置に窒素を導入する第１の導入工程と、
前記内壁酸化膜の比較的浅い位置に窒素を導入する第２の導入工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１の導入工程は、窒素を含むガスを用いた熱窒化法により前記内壁酸化膜と前記半導体基板との界面近傍を窒化する工程であり、
前記第２の導入工程は、窒素のラジカル種を用いたラジカル窒化法により前記内壁酸化膜を窒化する工程である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内壁に窒素を導入する第１の導入工程と、
前記窒素が導入された前記トレンチの内壁を酸化して内壁酸化膜を形成する工程と、
前記内壁酸化膜に窒素を導入する第２の導入工程と、
前記トレンチ内に分離絶縁膜を埋め込み形成する工程とを備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１の導入工程は、窒素を含むガスを用いた熱窒化法もしくは、窒素のラジカル種を用いたラジカル窒化法により前記トレンチの内壁を窒化する工程であり、
前記第２の導入工程は、窒素のラジカル種を用いたラジカル窒化法により前記内壁酸化膜を窒化する工程である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか記載の半導体装置の製造方法であって、
前記分離絶縁膜によって規定された第１および第２活性領域上面を酸化して第１のシリコン絶縁膜を形成する工程と、
前記第２活性領域上面の前記第１のシリコン絶縁膜を除去し、その後、当該第２活性領域上面を酸化して第２のシリコン絶縁膜を形成する工程とをさらに備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか記載の半導体装置の製造方法であって、
前記分離絶縁膜によって規定された第１および第２活性領域上面を酸化して第１のシリコン絶縁膜を形成し、その上に第１導電膜を堆積する工程と、
前記第１活性領域の前記第１導電膜をパターニングすることにより第１ゲート電極を当該第１活性領域上に形成する工程と、
前記第１ゲート電極の形成後に前記第１活性領域を覆うレジストを形成し、それをマスクにして前記第２活性領域上の前記第１のシリコン絶縁膜および前記第１導電膜を除去する工程と、
前記第２活性領域上面を酸化して第２のシリコン絶縁膜を形成し、その上に第２導電膜を堆積する工程と、
前記第２活性領域の前記第２導電膜をパターニングすることにより第２ゲート電極を当該第２活性領域上に形成する工程とをさらに備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体基板に形成されたトレンチと、
前記トレンチの内壁に形成された内壁酸化膜と、
前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備え、
前記内壁酸化膜は、少なくとも一部に窒素を含んでおり、
前記内壁酸化膜の厚さ方向に対する前記窒素の濃度分布は、２つのピークを有している
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
半導体基板に形成されたトレンチと、
前記トレンチの内壁に形成された内壁酸化膜と、
前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備え、
前記内壁酸化膜は、その全体に窒素を含んでおり、
前記内壁酸化膜内における前記窒素の濃度分布は、前記内壁酸化膜の表面近傍にピークを有している
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体基板に形成されたトレンチと、
前記トレンチの内壁に沿って形成された第１の窒化層と、
前記第１の窒化層より前記トレンチの内側に形成された第２の窒化層と、
前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか記載の半導体装置であって、
前記半導体基板において前記分離絶縁膜により規定された第１および第２活性領域と、
前記第１活性領域上面に形成された第１ゲート酸化膜を含む第１トランジスタと、
前記第２活性領域上面に形成され前記第１ゲート酸化膜と異なる厚さの第２ゲート酸化膜を含む第２トランジスタとを備える
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、半導体素子間の分離構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の素子間を分離する素子分離構造として、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）などのトレンチ分離が広く知られている。従来、トレンチ分離は一般的に次の工程により形成されていた。
（ａ）シリコン基板の素子分離領域を選択的にエッチングしてトレンチを形成する
（ｂ）シリコン基板の表面を酸化することでトレンチの内壁に内壁酸化膜を形成する
（ｃ）トレンチ内に酸化膜を埋め込み形成して分離酸化膜を形成する
半導体装置の製造工程において、トレンチ分離を形成した後に、シリコン基板の熱酸化処理を含む工程が行われるのは通常である。例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを有する半導体装置の製造工程では、シリコン基板にトレンチ分離を形成した後で、当該シリコン基板の主表面を熱酸化してゲート酸化膜を形成する。トレンチ分離形成後の熱酸化処理の際に、トレンチ内壁の酸化がさらに進行すると、その部分の体積が増大してトレンチ分離の周囲に圧縮応力が発生する。その結果、トレンチ分離で規定される活性領域（素子形成領域）に結晶欠陥が発生し、そこに形成された半導体素子のリーク電流が増大してしまう。上記工程（ｂ）は、その問題を抑制する目的で、分離酸化膜の形成前にトレンチ内壁を予め酸化処理しておくものである。
【０００３】
また、内壁酸化膜に対して、ＮＯガスやＮＨ3ガス等を用いた熱窒化処理を行うことで窒素を導入する（即ち、内壁酸化膜の一部を窒化酸化膜にする）技術もある。内壁酸化膜に窒素が導入されていると、トレンチ分離形成後の熱酸化処理において、分離酸化膜を通過した酸化剤が内壁酸化膜も通過してシリコン基板に達するのが抑制される。つまり、トレンチ分離形成後に、トレンチ内壁の酸化が進行して体積が増大することが抑えられる。この効果は、内壁酸化膜に導入する窒素量が多いほど高くなる。
【０００４】
内壁酸化膜を熱窒化処理する場合、窒素は主に内壁酸化膜とシリコン基板との界面付近など、比較的深い位置に導入される。そのため、内壁酸化膜の下のシリコン基板の表面にまで窒素が導入されてしまう。内壁酸化膜に導入する窒素量が多いほど上述の効果は高くなるが、シリコン基板の表面に多量の窒素が導入されると、例えばゲート酸化膜を形成するためにシリコン基板表面を酸化する際にその進行が妨げられ、ゲート酸化膜の活性領域端（後で示す図１（ｂ）および図２における領域Ｃ）で所望の膜厚が得られなくなる問題（薄膜化：Thinning）が生じる。また、シリコン基板とゲート酸化膜との界面に、窒素に起因する準位が形成されてしまう問題も生じる。それらの問題は、ゲート酸化膜の耐圧や Ｑｂｄ値 (破壊電荷量)の劣化や、キンク現象の発生を招くため、半導体装置の信頼性を低下させる要因となる。
【０００５】
一方、内壁酸化膜の窒化に伴いシリコン基板表面に窒素が導入されるのを避けるために、ラジカル窒化法を用いて内壁酸化膜の表面部のみに窒化酸化膜層を形成する技術も提案されている（例えば特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４７５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、内壁酸化膜に導入する窒素の量を増すほどトレンチ内壁の酸化に起因する結晶欠陥の発生が抑えられ、半導体素子のリーク電流を抑制できる。この利点は、半導体装置の微細化および低消費電力化が望まれている近年では特に重要である。しかし、シリコン基板に導入された窒素は、半導体素子の信頼性の劣化の要因となり得る。つまり、内壁酸化膜への窒素の導入に関しては、結晶欠陥の抑制と信頼性の向上とは二律背反の関係にある。また、上記特許文献１の手法では、分離酸化膜形成後における酸化量が多い場合には、酸化剤が基板に到達するのを抑制する効果は十分ではなかった。
【０００８】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、トレンチ分離構造を備える半導体装置において、信頼性の劣化を抑制しつつ、トレンチ内の内壁酸化膜に多量の窒素を導入することが可能な半導体装置およびその製造方法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】
【０００９】
本発明の第１の局面である半導体装置の製造方法は、半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内壁を酸化して内壁酸化膜を形成する工程と、前記内壁酸化膜に窒素を導入する工程と、前記トレンチ内に分離絶縁膜を埋め込み形成する工程とを備える半導体装置の製造方法であって、前記窒素を導入する工程は、前記内壁酸化膜の比較的深い位置に窒素を導入する第１の導入工程と、前記内壁酸化膜の比較的浅い位置に窒素を導入する第２の導入工程とを含むものである。
【００１０】
本発明の第２の局面である半導体装置の製造方法は、半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内壁に窒素を導入する第１の導入工程と、前記窒素が導入された前記トレンチの内壁を酸化して内壁酸化膜を形成する工程と、前記内壁酸化膜に窒素を導入する第２の導入工程と、前記トレンチ内に分離絶縁膜を埋め込み形成する工程とを備えるものである。
【００１１】
本発明の第３の局面である半導体装置は、半導体基板に形成されたトレンチと、前記トレンチの内壁に形成された内壁酸化膜と、前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備え、前記内壁酸化膜は、少なくとも一部に窒素を含んでおり、前記内壁酸化膜の厚さ方向に対する前記窒素の濃度分布は、２つのピークを有しているものである。
【００１２】
本発明の第４の局面である半導体装置は、半導体基板に形成されたトレンチと、前記トレンチの内壁に形成された内壁酸化膜と、前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備え、前記内壁酸化膜は、その全体に窒素を含んでおり、前記内壁酸化膜内における前記窒素の濃度分布は、前記内壁酸化膜の表面近傍にピークを有しているものである。
【００１３】
本発明の第５の局面である半導体装置は、半導体基板に形成されたトレンチと、前記トレンチの内壁に沿って形成された第１の窒化層と、前記第１の窒化層より前記トレンチの内側に形成された第２の窒化層と、前記トレンチ内に埋め込まれた分離絶縁膜とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来よりも多くの窒素を内壁酸化膜に導入することが可能になる。従って、分離酸化膜形成後の熱酸化処理（例えば半導体基板上面へのゲート酸化膜の形成）でトレンチの内壁の酸化が進行することが抑制され、体積の増大を防止でき、半導体素子が形成される活性領域における結晶欠陥の発生が抑えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜実施の形態１＞
図１および図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。図１（ａ），（ｂ）は共にＭＯＳトランジスタの断面図であり、図２はその上面図である。また図１（ａ）は図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面（即ち、ゲート長方向の断面）、図１（ｂ）は同じくＢ−Ｂ線に沿った断面（即ち、ゲート幅方向の断面）にそれぞれ対応している。なお、これらの図を通して、同じ要素には同一符号を付している。
【００１６】
図１（ａ），（ｂ）に示すが如く、シリコン基板１には、ゲート酸化膜１０１、ゲート電極１０２、サイドウォール１０３およびソース／ドレイン領域１０４から成るＭＯＳトランジスタが形成されている。当該ＭＯＳトランジスタが形成される活性領域（素子形成領域）は、素子分離領域に形成されたトレンチ２およびそれに埋め込まれた分離酸化膜４を備えるトレンチ分離によって規定されている。
【００１７】
トレンチ２の内壁には内壁酸化膜３が形成されている。内壁酸化膜３のシリコン基板１との界面近傍および分離酸化膜４との界面近傍には窒素が導入されており、それぞれ第１窒化層３ａおよび第２窒化層３ｂを形成している。即ち、内壁酸化膜３の厚さ方向に対する窒素の濃度分布は、シリコン基板１との界面近傍という比較的深い位置に第１のピークを有し、分離酸化膜４との界面近傍という比較的浅い位置に第２のピークを有している。第１のピークは、第２のピークよりも低くすることが好ましい（詳細は後述する）。なお、本明細書においては、内壁酸化膜中の窒素を含む層をも含めて「内壁酸化膜」と称している。
【００１８】
図３〜図６は、図１の半導体装置の形成方法を示す図である。以下、これらの図に基づいて本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
【００１９】
まず、従来のトレンチ分離の形成工程と同様に、シリコン基板１上にシリコン酸化膜２００およびシリコン窒化膜２０１を順次形成し、分離酸化膜４を形成する素子分離領域の上方が開口するようパターニングする。パターニングされたシリコン酸化膜２００およびシリコン窒化膜２０１をマスクにするエッチングにより、シリコン基板１の素子分離領域にトレンチ２を形成し、その後当該トレンチ２の内壁を含むシリコン基板１の表面を酸化することで内壁酸化膜３を形成する（図３）。なお、本明細書においては、内壁酸化膜中の窒素を含む層をも含めて「内壁酸化膜」と称している。
【００２０】
そして、窒素を含むガスを用いた熱窒化法により、内壁酸化膜３を窒化する。熱窒化法で使用可能なガスとしては、例えばＮＯガス、Ｎ2Ｏガス、ＮＨ3ガスなどが知られている。特に、ＮＯガスおよびＮ2Ｏガスを用いてシリコン基板上の酸化膜を窒化する場合には、窒化は主に酸化膜とシリコン基板との界面で進行する。本実施の形態では、このＮＯガスやＮ2Ｏガスなどを用いることで、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍に第１窒化層３ａを形成する（図４）。即ちこの工程で、内壁酸化膜３内の比較的深い位置に窒素濃度の第１のピークが形成される。
【００２１】
但し、上述のように、内壁酸化膜３と分離酸化膜４との界面近傍に多量の窒素が導入されると、ゲート酸化膜１０１の活性領域端（図１（ｂ）および図２に符号Ｃで示す部分）における薄膜化の問題や、ゲート酸化膜１０１とシリコン基板１との界面に窒素に起因する準位が形成される問題が生じるので、この熱窒化法で導入する窒素の量はそのような問題がＭＯＳトランジスタの特性を阻害しない程度に制限する必要がある。
【００２２】
続いて、窒素のラジカル種を用いたラジカル窒素法により、内壁酸化膜３をさらに窒化する。窒素のラジカル種の生成手法としては、プラズマを用いた手法が知られている。ラジカル種は、他の原子や分子と直ちに化学結合を形成するため、表面での反応性が高い。そのため、内壁酸化膜３の表面に第２窒化層３ｂが形成される（図５）。即ちこの工程で、内壁酸化膜３内の比較的浅い位置に窒素濃度の第２のピークが形成される。
【００２３】
内壁酸化膜３の表面（図１の内壁酸化膜３と分離酸化膜４との界面）付近には、多量の窒素が導入されても、上記薄膜化の問題や、窒素に起因する準位形成の問題は伴わないので、このラジカル窒素法では、導入する窒素の量は制限する必要はない。
【００２４】
このように、内壁酸化膜３に窒素を導入する工程は、内壁酸化膜３の比較的深い位置に窒素を導入する第１の導入工程と、それよりも浅い位置に窒素を導入する第２の導入工程とから成っている。そして、第１の導入工程で内壁酸化膜３に導入する窒素の量は、第２の導入工程で導入する量よりも少なくしている。結果として、内壁酸化膜３内の窒素の濃度分布は、比較的深い位置の第１のピークは、それよりも浅い位置に第２のピークよりも低くなる。
【００２５】
その後、トレンチ２内を含むシリコン基板１の全面にシリコン酸化膜を堆積し、トレンチ２内以外の余剰な部分をエッチングあるいはＣＭＰ法により除去することで、当該トレンチ２内に分離酸化膜４を埋め込み形成する。さらにシリコン窒化膜２０１およびシリコン酸化膜２００も除去してシリコン基板１の主表面を露出させる（図６）。
【００２６】
そして、露出したシリコン基板１の上面を熱酸化してシリコン酸化膜を形成し、その上にポリシリコン等の電極材を堆積してそれらをパターニングすることで、ゲート酸化膜１０１およびゲート電極１０２を形成する。さらに、ゲート電極１０２の側面にサイドウォール１０３を形成し、イオン注入によりシリコン基板１内にソース／ドレイン領域１０４を形成する。それにより図１の如く、シリコン基板１の活性領域にＭＯＳトランジスタが形成される。
【００２７】
本実施の形態によれば、内壁酸化膜３に窒素を導入する工程を、内壁酸化膜３の比較的深い位置に窒素を導入する第１の導入工程と、それよりも浅い位置に窒素を導入する第２の導入工程とによって行うので、従来の手法よりも多くの窒素を内壁酸化膜３に導入することが可能になる。従って、その後の熱酸化処理（ゲート酸化膜１０１の形成）の際に酸化剤が基板に到達するのを抑制でき、トレンチ２の内壁の酸化が進行することが抑制される。従って、体積の増大を防止でき、活性領域における結晶欠陥の発生が抑えられる。
【００２８】
また、上記第１の導入工程においては、内壁酸化膜３と分離酸化膜４との界面近傍に導入される窒素の量を低く抑えているので、ゲート酸化膜１０１の形成の際におけるシリコン基板１上面の活性領域端の残留窒素量は少なくなる。従って、ゲート酸化膜１０１の活性領域端（図１（ｂ）および図２に符号Ｃで示す部分）での薄膜化の問題を解決でき、且つ、ゲート酸化膜１０１とシリコン基板１との界面に窒素に起因する準位が形成される問題も解決できる。一方、第２の導入工程においては、内壁酸化膜３の表面に導入する窒素の量を制限する必要はなく、多くするほど上記の効果が得られる。つまり、本実施の形態によれば、内壁酸化膜３と分離酸化膜４との界面近傍への窒素の過度な導入を防止して半導体装置の信頼性を保ちつつ、内壁酸化膜３に多量の窒素を導入して活性領域における結晶欠陥の発生を抑制することが可能になる。
【００２９】
図７は、本発明の効果を説明するための実験結果を示すグラフである。当該実験では、まずサンプルとしてのシリコン基板の表面に酸化膜を形成し、それに所定量の窒素を導入した。そして当該酸化膜に対して熱酸化による再酸化処理を行ない、その前後における酸化膜厚の変化量を観察した。酸化膜厚の測定は、光学膜厚測定器により行なった。グラフの横軸は、再酸化処理においてモニタウエハのシリコン基板が酸化される酸化膜厚（再酸化膜厚）を示しており、縦軸は当該再酸化処理の前後における酸化膜の膜厚差を示している。実験は、比較的少量の窒素を導入する熱窒化（熱窒化Ａ）のみを施した酸化膜（酸化膜Ａ）、比較的多量の窒素を導入する熱窒化（熱窒化Ｂ）のみを施した酸化膜（酸化膜Ｂ）、前記熱窒化Ａに加えてラジカル窒化を施した酸化膜（酸化膜Ｃ）のそれぞれに対して行なった。
【００３０】
図７のグラフに示すように、酸化膜Ｂは、酸化膜Ａに比べ再酸化処理による酸化膜厚の増加が抑制されていることが分かる。また、ラジカル窒化では酸化膜の表面に窒化層が形成されるので、酸化膜Ｃとシリコン基板との界面には、酸化膜Ａの場合と同程度（酸化膜Ｂの場合よりも少ない）の窒素量しか導入されないが、酸化膜Ｃでは酸化膜Ｂと同等の結果が得られた。つまり、酸化膜とシリコン基板との界面に導入する窒素を制限しても、本発明のように酸化膜表面にも窒素を導入してやれば、再酸化処理における酸化膜の体積増大を抑制する効果が高くなることが分かる。それにより、本発明において上述の効果が得られることが確められた。
【００３１】
本実施の形態では、内壁酸化膜３に窒素を導入する工程において、第１の導入工程を、第２の導入工程よりも前に行なったが、それらの導入工程はどちらを先に行なってもよく、共に同様の効果が得られる。
【００３２】
なお、第１の導入工程では、ＮＯガスやＮ2Ｏガスを用いた熱窒化処理を行なうことで、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍に窒素濃度のピーク（第１のピーク）を形成したが、そのピークは必ずしも内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍である必要はない。例えば、第１の導入工程としてＮＨ3ガスを用いた熱窒化処理を行なってもよい。ＮＨ3を用いた場合には、窒化は内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍だけでなく内壁酸化膜３の内部でも生じるので、窒素濃度のピークが内壁酸化膜３の中央近傍になることもある。
【００３３】
また、第２の導入工程では、ラジカル窒化処理を行なうことで、内壁酸化膜３の表面部に窒素濃度のピーク（第２のピーク）を形成したが、そのピークも必ずしも内壁酸化膜３の表面部に形成される必要はなく、第１の導入工程よりも浅い位置に形成されればよい。
【００３４】
即ち、第１の導入工程および第２の導入工程でそれぞれ形成される窒素濃度ピークの位置の少なくともいずれか一方が、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面に重なっていなければ本発明の効果が得られる。また、第１および第２の導入工程での窒素の導入手法も、熱窒化法およびラジカル窒化法に限定されるものではく、例えばイオン種を用いた手法などを使用してもよい。
【００３５】
＜実施の形態２＞
本発明に係る半導体装置の製造方法においては、内壁酸化膜３が形成されるトレンチ２の内壁に窒素を導入する工程が２回行われる。例えば実施の形態１では、まずトレンチ２の内壁に内壁酸化膜３をし、その後に、窒素を導入する２つの工程（比較的深い位置に窒素を導入する第１の導入工程、並びに、比較的浅い位置に窒素を導入する第２の導入工程）を行った。
【００３６】
しかし本発明においては、窒素を導入する２つの工程を必ずしも内壁酸化膜３の形成工程の後に行う必要は無い。実施の形態２では、それら第１および第２の導入工程のうちいずれか一方を内壁酸化膜３を形成する前に行う。
【００３７】
即ち本実施の形態の半導体装置の製造方法においては、まず（内壁酸化膜３の形成前の）トレンチ２の内壁に窒素を導入してを形成する第１の導入工程を行う。次いで、窒素が導入されたトレンチ２の内壁を酸化して内壁酸化膜３を形成する工程を行う。そして、内壁酸化膜３が形成されたトレンチ２の内壁に再び窒素を導入する第２の導入工程を行う。
【００３８】
このように第１の導入工程、内壁酸化膜３の形成工程、第２の導入工程の順に行う場合、第１の導入工程によりトレンチ２の内壁に導入された窒素は、その後に内壁酸化膜３が形成される過程で、当該内壁酸化膜３の全体に拡散し、内壁酸化膜３の表面側からシリコン基板１との界面側に向かって窒素の濃度は徐々に低下する。そのため、第１の導入工程での窒素の導入深さは、内壁酸化膜３内での窒素の最終的な濃度分布に殆ど依存しない。従って、第１の導入工程に用いる手法は、熱窒化法、ラジカル窒化法、イオン種を用いた手法などの何れであってもよい。
【００３９】
一方、第２の導入工程に用いる手法としては、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍に多量の窒素が導入されることを防止するためにラジカル窒化法を用いる。その場合、第２の導入工程で導入される窒素は、内壁酸化膜３の表面近傍に導入されるので、結果として、内壁酸化膜３内における窒素の濃度分布はトレンチ内壁の表面近傍にピークを有することとなる。
【００４０】
従って本実施の形態において内壁酸化膜３に導入された窒素は、内壁酸化膜３の内部全体に拡散し、且つ、内壁酸化膜３の表面近傍で濃度が高くなることとなる。つまり実施の形態１と同様に、内壁酸化膜３には従来よりも多くの窒素を導入でき、且つ、内壁酸化膜３と分離酸化膜４との界面近傍に導入される窒素の量が低く抑えられる。従って、本実施の形態においても実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４１】
また本実施の形態においては、第１の導入工程で導入した窒素は内壁酸化膜３の全体に拡散し、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍にピークを作らないので、ゲート電極の薄膜化の問題の抑制に関しては、実施の形態１よりも高い効果が期待できる。
【００４２】
なお上述したように、本実施の形態における第２の導入工程としては、ラジカル窒化法を用いることが望ましいが、熱窒化法やイオン種を用いた手法などであってもよい。第１の導入工程で導入された窒素が内壁酸化膜３の全体に拡散しているため、第２の導入工程で導入する必要がある窒素の量は、窒素の導入を１回で行う従来の手法よりも少量でよく、例えば第２の導入工程に熱窒化法を用いたとしても、ゲート電極の活性領域端での薄膜化の問題や窒素に起因する準位形成の問題は抑制されるからである。
【００４３】
＜実施の形態３＞
本実施の形態においては、本発明の適用が効果的な具体例を示す。
【００４４】
図８は、実施の形態３に係る半導体装置の構造を示す図であり、フラッシュメモリ装置のメモリセル領域および周辺回路領域の断面を示している。より具体的には、図８の左半分はメモリセル領域のトランジスタ（以下「メモリトランジスタ」）におけるゲート幅方向の断面を示しており、右半分は周辺回路のトランジスタ（以下「周辺トランジスタ」）におけるゲート幅方向の断面を示している。
【００４５】
図８のように、この半導体装置のメモリセル領域および周辺回路領域には、実施の形態１（図１参照）に示したものと同様の素子分離構造が形成されている。即ちシリコン基板１に形成されたトレンチ２内には活性領域を規定する分離酸化膜４が形成されており、当該トレンチ２の側壁には、第１窒化層３ａおよび第２窒化層３ｂを含む内壁酸化膜３が形成されている。以下、図８において分離酸化膜４により規定された活性領域のうち、メモリセル領域のものを「第１活性領域」、周辺回路領域のものを「第２活性領域」と称す。
【００４６】
図８の如く、メモリトランジスタは、第１活性領域の上面に形成されたトンネル酸化膜３０１（第１ゲート酸化膜）を含んでおり、当該トンネル酸化膜３０１上にフローティングゲート３０２（第１ゲート電極）、ＯＮＯ（Oxide-Nitride-Oxide）膜３０３およびコントロールゲート３０４を有する、いわゆるスタックトゲートトランジスタである。
【００４７】
一方、周辺トランジスタは、メモリトランジスタのトンネル酸化膜３０１よりも厚いゲート酸化膜４０１（第２ゲート酸化膜）およびその上に形成されたゲート電極４０２（第２ゲート電極）を含んでいる。ゲート酸化膜４０１は、高耐圧化のため、メモリトランジスタのトンネル酸化膜３０１よりも厚く形成される。
【００４８】
図９および図１０は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。同図において、図８に示したものと同じ要素には同一符号を付してある。
【００４９】
まず実施の形態１と同様の方法により、第１窒化層３ａおよび第２窒化層３ｂを含む内壁酸化膜３、並びに分離酸化膜４を形成し、それによってメモリセル領域および周辺回路領域のそれぞれに第１活性領域および第２活性領域を形成する。
【００５０】
そして第１および第２活性領域上面を含む全面に、トンネル酸化膜３０１となるシリコン酸化膜（以下「第１酸化膜」と称す）を形成し、その上にフローティングゲート３０２となる例えばポリシリコン膜（以下「第１導電膜」と称す）を堆積する。次いで、第１活性領域の第１酸化膜および第１導電膜をパターニングしてフローティングゲート３０２を第１活性領域上に形成し、その上にＯＮＯ膜３０３を形成する（図９）。図９の如く、この段階では周辺回路領域の第２活性領域上には第１酸化膜、第１導電膜がパターニングされずに残存している。
【００５１】
次に、第１活性領域を含むメモリセル領域のみを覆うレジスト３０５を形成し、それをマスクとして第２活性領域に形成された上記の第１酸化膜および第１導電膜を除去する（図１０）。
【００５２】
そしてレジスト３０５を除去した後、第２活性領域上に周辺トランジスタのゲート酸化膜４０１となるシリコン酸化膜（以下「第２酸化膜」と称す）を形成する。この第２酸化膜は、第１酸化膜（トンネル酸化膜３０１）よりも厚く形成する。次いで、全面に例えばポリシリコン膜（以下「第２導電膜」と称す）を形成してパターニングすることにより、メモリトランジスタのコントロールゲート３０４および周辺トランジスタのゲート電極４０２を形成する。その後、所定のイオン注入プロセスによりメモリトランジスタおよび周辺トランジスタのソースドレイン（不図示）を形成して、図８の構造を有するのフラッシュメモリセルおよび周辺回路が形成される。
【００５３】
以上のように、本実施の形態に係るフラッシュメモリ装置の製造方法では、周辺トランジスタが形成される第２活性領域の上面は、分離酸化膜４の形成後に２回の酸化工程（第１酸化膜の形成工程および第２酸化膜の形成工程）が施される。また上述のように、周辺トランジスタの高耐圧化のため、第２酸化膜により形成されるゲート酸化膜４０１は、トンネル酸化膜３０１（第１酸化膜）よりも厚く形成する必要がある。
【００５４】
即ち、このようなフラッシュメモリ装置の製造工程においては、分離酸化膜４の形成後の第２活性領域の酸化量は非常に多い。その場合は特に、酸化剤が分離酸化膜４および内壁酸化膜３を通してシリコン基板１に到達するのを充分に抑制する必要がある。そうでなければ、第２活性領域の周囲のトレンチ２の内壁の酸化が進行し、当該第２活性領域に圧縮応力が発生して結晶欠陥が発生し、リーク電流の増大を招いていしまうからである。上述のように従来の手法では、分離酸化膜形成後における酸化量が多い場合には、酸化剤が基板に到達するのを抑制する効果は十分ではなかった。
【００５５】
実施の形態１で説明したように、本発明によれば内壁酸化膜３には第１窒化層３ａと第２窒化層３ｂとが形成されており、従来の手法よりも多くの窒素が導入されている。そのため本実施の形態のフラッシュメモリ装置の製造方法のように、第２活性領域の酸化量が多い場合にも、酸化剤がシリコン基板１に到達するのを十分に抑制できる。
【００５６】
また本発明においては、内壁酸化膜３とシリコン基板１との界面近傍に導入される窒素の量を低く抑えているので、シリコン基板１上面の第１および第２活性領域端の残留窒素量は少ない。従って、トンネル酸化膜３０１およびゲート酸化膜４０１の活性領域端での薄膜化の問題を解決でき、且つ、トンネル酸化膜３０１およびゲート酸化膜４０１とシリコン基板１との界面に窒素に起因する準位が形成されにくいので、フラッシュメモリ装置の動作信頼性の劣化は抑制される。特にフラッシュメモリ装置では、トンネル酸化膜３０１の信頼性はデバイスの電気的特性上重要であり、本発明の適用が効果的である。
【００５７】
なお本実施の形態においては、内壁酸化膜３および分離酸化膜４を、実施の形態１と同様の方法で形成したものとして説明したが、実施の形態２の方法で形成したものであってもよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構造を示す上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の効果を説明するためのグラフである。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  シリコン基板、２  トレンチ、３  内壁酸化膜、３ａ  第１窒化層、３ｂ  第２窒化層３ｂ、４  分離酸化膜。
【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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【図９】
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【図１０】
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