(57)【要約】【課題】ＳＯＩ基板を用いて浅溝素子分離構造（ＳＴＩ構造）を形成する時、熱酸化により生じるベンディングを単純かつ短い工程で、珪素膜に大きな応力を掛けることなく抑える浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造を提供する。【解決手段】ＳＴＩ構造５０１を作る際に露出したＢＯＸ膜１０２中に珪素イオンを注入し、ＳＴＩ構造５０１の領域にあるＢＯＸ膜１０２の領域に珪素過剰領域６０１を形成する。続けてアニールとして熱酸化を行うと、ＳＴＩ構造５０１の領域にあるＢＯＸ膜１０２領域に浸入してきた酸化種は珪素過剰領域６０１にある結合手が切れた珪素と反応するため消費され、酸化種はＳＴＩ構造５０１の領域にのみ留まり、ＢＯＸ膜１０２での酸化種の拡散は抑制される。そのため単結晶珪素膜１０３のＢＯＸ膜１０２側の珪素が酸化することで生じるベンディングの発生が抑制される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体もしくは誘電体からなる支持体上に第１酸化珪素膜を有し、さらに前記第１酸化珪素膜上に半導体膜を有する基板を用いた浅溝素子分離構造の製造方法であって、前記半導体膜上に第２酸化珪素膜を形成する工程と、前記第２酸化珪素膜上に窒化珪素膜を形成する工程と、前記窒化珪素膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜をパターニングする工程と、前記レジスト膜をマスクとして、前記窒化珪素膜と前記第２酸化珪素膜と前記半導体膜をエッチングにより除去する工程と、前記レジスト膜をマスクとして、前記第１酸化珪素膜中に珪素をイオン注入する工程と、前記レジスト膜を除去する工程と、前記基板を酸化雰囲気中に置く工程と、を行うことを特徴とする浅溝素子分離構造の製造方法。
【請求項２】
前記半導体膜の組成は、珪素もしくは、珪素とゲルマニウムもしくは、珪素とゲルマニウムと炭素、のいずれかの元素の組み合わせを用いていることを特徴とする請求項１に記載の浅溝素子分離構造の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の製造方法で製造された浅溝素子分離構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜上に半導体膜を具備している基板を用いて、各半導体素子を電気的に分離するための、浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上にある珪素）基板を用いた半導体素子の素子分離構造の形成手段としてＳＴＩ（Shallow Trench Isolation：浅溝素子分離）技術が知られている。
【０００３】
背景技術として、ＳＯＩ基板に、ＳＴＩ構造を形成する手順として一般に知られているものについて説明する。
【０００４】
まず、珪素膜に１０ｎｍ程度のストレス緩和用酸化珪素膜を熱酸化法で形成した後、１００ｎｍ程度の窒化珪素膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により形成する。次に窒化珪素膜上にレジスト膜を塗布し、パターニングを行いレジストの所望の領域を開口させる。
【０００５】
次に、このレジストをマスクとして、窒化珪素膜、酸化珪素膜、珪素膜をドライエッチングにより除去する。このドライエッチングにより、ＢＯＸ（Buried OXide：埋め込み酸化物、埋め込み酸化珪素膜を意味する）膜がＳＴＩ領域では露出する。
【０００６】
次に、アッシング等の手段でレジストを除去した後、熱酸化処理を行うことで、珪素膜側面がドライエッチングにより受けたダメージを修復する。この際、ドライエッチングによりダメージを受けている珪素膜側面が酸化される。しかし、ＢＯＸ膜は酸化雰囲気を通すため、ＳＴＩ構造近傍の珪素膜は下面ＢＯＸ膜側からも酸化され、後述するベンディングという現象を引き起こす。
【０００７】
ベンディングを抑えたＳＴＩ構造の製造方法としては、例えば特許文献１にあるように、ＢＯＸ膜と珪素膜との界面に、酸化種の拡散係数が酸化珪素膜と比べ小さい窒化珪素膜を形成し、ＳＴＩ構造近傍でのバーズビーク発生を抑え、ベンディングを防ぐ手段が提案されている。
【０００８】
また、特許文献２にあるように、ダミーサイドウォール工程や、ＣＭＰ工程などを駆使してＢＯＸ膜と珪素膜の領域を酸化珪素で充填して熱処理し、ベンディングを防ぐ手段が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１１８１６５号公報
【特許文献２】特開２００３−６８８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ベンディングという現象は、以下のような機構で発生している。
【００１１】
ドライエッチングで露出したＳＯＩ基板上のＢＯＸ膜は酸化雰囲気を通すため、酸化雰囲気は気相中からＢＯＸ膜を通して珪素膜ＢＯＸ側にも供給される。そのためＳＴＩ構造近傍の珪素膜は下面ＢＯＸ膜側からも酸化される。
【００１２】
珪素が酸化して酸化珪素になるとき、体積が約２倍に膨張するため、ＳＴＩ構造近傍の、ＢＯＸ側の珪素膜が酸化すると、珪素膜は、ＳＴＩ構造近傍では、肥厚したＢＯＸ膜により持ち上げられる形で応力が珪素膜にかかることとなる。
【００１３】
この応力により、珪素膜はＢＯＸ膜から持ち上げられる形に変形する。このように、酸化により生ずる応力により珪素膜が変形する現象をベンディングと呼んでいる。
【００１４】
ベンディングを防ぐ技術としては、前述したように特許文献１及び特許文献２に記載されている技術が知られている。
【００１５】
しかしながら、特許文献１に示されている技術を用いた場合、窒化珪素は酸化珪素に比べヤング率が高い、すなわち硬いため、熱処理などで発生する応力は、あまり緩和されずに珪素膜にかかることとなる。従って珪素膜中に欠陥や転移を発生させるおそれがある。
【００１６】
また、特許文献２に示されている技術を用いた場合、製造工程が複雑であり、スループットが低くなるおそれがある。また、珪素膜上面のみを酸化しているため、珪素膜側面に残されているダメージが十分修復されないおそれもある。
【００１７】
そこで、本発明は、このような問題点を解決し、単純かつ短い工程で、珪素膜に大きな応力を掛けることなくベンディングを抑える浅溝素子分離構造の製造方法及び浅溝素子分離構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の素子分離構造の製造方法は、半導体もしくは誘電体からなる支持体上に第１酸化珪素膜を有し、さらに前記第１酸化珪素膜上に半導体膜を有する基板を用いた浅溝素子分離構造の製造方法であって、前記珪素膜上に第２酸化珪素膜を形成する工程と、前記第２酸化珪素膜上に窒化珪素膜を形成する工程と、前記窒化珪素膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜をパターニングする工程と、前記レジスト膜をマスクとして、前記窒化珪素膜と前記第２酸化珪素膜と前記半導体膜をエッチングにより除去する工程と、前記レジスト膜をマスクとして、前記第１酸化珪素膜中に珪素をイオン注入する工程と、前記レジスト膜を除去する工程と、前記基板を酸化雰囲気中に置く工程と、を行うことを特徴とする。
【００１９】
この製造方法によれば、素子分離溝をエッチングにより形成してその溝の底面に露出した素子分離構造の、第１酸化珪素膜としてのＢＯＸ膜中に珪素がイオン注入により打ち込まれるため、ＢＯＸ膜は珪素過剰な酸化珪素膜となる。また、イオン注入によって打ち込まれた珪素は、結合手が切れた状態で存在しているため、反応性が強い。そのため、基板を酸化雰囲気中に置いたとき、ＢＯＸ膜を通して拡散してくる酸化種は、イオン注入により打ち込まれた珪素から消費し酸化珪素となり、ＢＯＸ膜と同化していく。従って、気相中からＢＯＸ膜を通して供給された酸化種は、ＢＯＸ膜に打ち込まれた珪素を酸化し終わるまで半導体膜を殆ど酸化することがない。そのため、半導体膜の酸化による体積膨張によるベンディングの発生が抑えられる。また、エッチングにより受けた半導体膜側面の損傷を酸化することで修復することができる。
【００２０】
また、本発明の素子分離構造の製造方法は、前記半導体膜の組成は、珪素もしくは、珪素とゲルマニウムもしくは、珪素とゲルマニウムと炭素、のいずれかの元素の組み合わせを用いていることを特徴とする。
【００２１】
この製造方法によれば、半導体膜に珪素を含むため、半導体膜は酸化により酸化珪素に変化する。ここで、酸化ゲルマニウム、酸化炭素は蒸気圧が高いため、気相中に拡散し散逸するため、酸化珪素膜が残されることとなる。酸化珪素膜は珪素膜と比べヤング率が低い、すなわち柔らかいため、酸化雰囲気での処理中に、ＢＯＸ膜に打ち込まれたベンディング抑制のための珪素が消費されることで、若干のベンディングが発生しても、珪素膜にかかる応力は酸化膜の変形により緩和されるため、信頼性の高い素子分離構造を得ることができる。
【００２２】
また、本発明の素子分離構造は、上記素子分離構造の製造方法で製造されている。
【００２３】
この構成によれば、ベンディングに起因するリーク電流を効果的に抑えることができ、回路素子間を電気的にほぼ完全に分離する機能を有する素子分離構造を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
図１〜図８は本実施形態で使用する半導体素子の製造工程を示す工程断面図である。まず、図１について簡単に説明する。
【００２６】
図１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上の珪素）構造を持つＳＯＩ基板の断面図である。珪素ウェハ１０１上にＢＯＸ（Buried OXide：埋め込み酸化物、埋め込み酸化珪素膜を意味する）膜１０２、単結晶珪素膜１０３が形成されたＳＯＩ構造を持つＳＯＩ基板１００の断面図である。ＳＯＩ基板１００を起点として、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation：浅溝素子分離）技術を用いた素子分離構造を製造する。
【００２７】
図２は、酸化珪素膜成膜後の工程断面図である。図１で示した単結晶珪素膜１０３上に、１０ｎｍの厚さを持つ酸化珪素膜２０１を熱酸化方法で成膜したものである。酸化珪素膜２０１は後述する窒化珪素膜３０１と、単結晶珪素膜１０３との間に介在し、窒化珪素膜３０１からの単結晶珪素膜１０３への応力を緩和するために成膜されている。
【００２８】
図３は酸化珪素膜上に窒化珪素膜を成膜した後の工程断面図である。応力緩和のために成膜された酸化珪素膜２０１上に１００ｎｍの厚みを持つ窒化珪素膜３０１を形成したものである。窒化珪素膜３０１は、後述するＳＴＩ構造５０１の酸化雰囲気でのアニール中に、単結晶珪素膜１０３の上面の酸化を防止するために形成されている。
【００２９】
図４は、素子分離領域のみ開口するように露光・現像工程を行った後の工程断面図である。レジスト４０１は、窒化珪素膜３０１上に塗布されている。レジスト４０１の塗布後、素子分離領域のみ開口するように露光・現像工程を行っており、レジスト４０１は、素子分離を行う領域では取り除かれている。
【００３０】
図５は、レジストをマスクとしてドライエッチングを行った後の工程断面図である。レジスト４０１をマスクとして、窒化珪素膜３０１、酸化珪素膜２０１、単結晶珪素膜１０３をドライエッチングにて除去し、ＳＴＩ構造５０１の溝部が形成されている。
【００３１】
図６は、イオン注入を行っている時の工程断面図である。ＢＯＸ膜にレジスト４０１をマスクとして、単結晶珪素膜１０３のベンディングを抑制するために、ＢＯＸ膜１０２に珪素のイオン注入を行っている。珪素のイオン注入に用いるエネルギーは５０ｋｅＶ、ドーズ量は１．３×１０17ｃｍ-2の条件を用いる。この工程により、ＳＴＩ構造５０１下のＢＯＸ膜１０２中では、過剰に珪素原子が存在する珪素過剰領域６０１が形成される。なお、珪素のドーズ量１．３×１０17ｃｍ-2は、酸化珪素膜厚に換算すると約５０ｎｍとなる。すなわちこのイオン注入条件では、５０ｎｍ以下の酸化珪素膜を形成する処理では、ベンディングをほぼ抑えることが可能となる。
【００３２】
図７は、珪素イオン注入後、レジストをアッシングで取り除いた後の工程断面図である。
【００３３】
ＳＴＩ構造５０１の下のＢＯＸ膜１０２中には、珪素原子が過剰に注入されている珪素過剰領域６０１が形成されている。
【００３４】
図８は、ドライエッチングで損傷を受けた領域の損傷を回復するため、酸化雰囲気でのアニールを行った後の工程断面図である。酸化雰囲気でのアニール条件は、アルゴンで９：１に希釈した酸素雰囲気で行い、炉の温度は１１００℃、反応時間は１１０分で行っている。この熱処理条件は、酸化速度モニタに用いられている図示せぬ単結晶珪素基板上に５０ｎｍの酸化膜厚の酸化珪素膜を形成する条件に相当する。
【００３５】
ＳＴＩ構造５０１の下のＢＯＸ膜１０２中には、珪素原子が過剰に注入されている珪素過剰領域６０１が形成されている。拡散によりＢＯＸ膜１０２中に浸入した酸素は過剰な珪素原子と反応するため、ＳＴＩ構造５０１直下のＢＯＸ膜１０２中にある珪素過剰領域６０１で酸素は消費される。従って、ＳＴＩ構造５０１の周辺への酸素の浸入は抑制され、ＳＴＩ構造５０１の下にあるＢＯＸ膜１０２のみが厚膜化し、ＳＴＩ構造５０１の周辺での単結晶珪素膜１０３の酸化が抑制され、単結晶珪素膜１０３のベンディングが抑えられている。また、この酸化工程により、珪素過剰領域６０１の珪素は酸化され、酸化珪素となり、珪素過剰領域６０１は消失する。
【００３６】
以上の工程を行うことで、ＳＯＩ基板１００を使用し、ＳＴＩ技術を用いながら、単結晶珪素膜１０３のベンディングを抑えたＳＴＩ構造を得ることができる。
【００３７】
このＳＴＩ構造５０１は、単結晶珪素膜１０３のベンディングをほぼ完全に抑えて形成されているため、リーク電流の絶対値を小さくできた。また、リーク電流が応力という制御困難なパラメータに支配されていないことから、リーク電流のばらつきが小さい、安定した素子分離構造を得ることができた。さらに、欠陥が殆ど発生しないことから、信頼性にも優れた素子分離構造を得ることができた。
【００３８】
なお、同一の熱処理条件で、珪素のドーズ量のみを約半分の５．６×１０16ｃｍ-2に減らした場合、２５ｎｍ分の酸化処理までは、ベンディングを抑えることができるが、残りの２５ｎｍ分の酸化についてはベンディングが発生する。しかしながら、ベンディングの量は珪素イオン注入を行わない場合と比べ、ベンディング量を半分に抑えることができ、酸化時に発生する応力を大きく減少させることができる。また、単結晶珪素膜１０３が酸化されると、酸化珪素になるが、酸化珪素は珪素に比べヤング率が低い、すなわち柔らかいため、単結晶珪素膜１０３に加わる応力は緩和される。
【００３９】
次に、本実施形態の効果について記述する。
【００４０】
（１）ＳＴＩ構造５０１下のＢＯＸ膜１０２中では、過剰に珪素原子が存在する珪素過剰領域６０１が形成されている。拡散によりＢＯＸ膜１０２中に浸入した酸素は珪素過剰領域６０１に存在する過剰な珪素原子と反応するため、ＳＴＩ構造５０１直下のＢＯＸ膜１０２中にある珪素過剰領域６０１で酸素は消費される。従って、ＳＴＩ構造５０１の周辺への酸素の浸入は抑制され、ＳＴＩ構造５０１の下にあるＢＯＸ膜１０２のみが厚膜化し、ＳＴＩ構造５０１の周辺での単結晶珪素膜１０３の酸化が抑制され、単結晶珪素膜１０３のベンディングが抑えられる。
【００４１】
（２）単結晶珪素膜１０３が酸化されると、酸化珪素になるが、酸化珪素は珪素に比べヤング率が低い、すなわち柔らかいため、単結晶珪素膜１０３に加わる応力は緩和される。
【００４２】
（３）単結晶珪素膜１０３にかかる応力が緩和されるため、電気的なリークを抑えられ、かつ信頼性にすぐれた浅溝素子分離構造を得ることができる。
＜変形例＞
・前記実施形態では、支持体として珪素ウェハを用いたが、これは勿論石英やガラスを用いても良い。特に、透過型液晶装置へ本発明の技術を応用する場合には、透明な支持体であるガラスや石英を用いることが特に有効である。
【００４３】
・前記実施形態では、半導体膜として単結晶珪素を用いた例について説明したが、これは勿論多結晶珪素やアモルファス珪素、あるいは珪素中にゲルマニウムを含む単結晶や多結晶やアモルファス、あるいは珪素中にゲルマニウムと炭素とを含む単結晶や多結晶やアモルファスを用いても良い。特に、表示端末に用いられる大型の基板を用いる場合、多結晶珪素やアモルファス珪素を使うことが特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ＳＯＩ基板の断面図。
【図２】熱酸化膜を形成したＳＯＩ基板の工程断面図。
【図３】窒化膜を形成した後のＳＯＩ基板の工程断面図。
【図４】レジストの露光・現像を行った後のＳＯＩ基板の工程断面図。
【図５】ドライエッチングでＳＴＩ領域を開口した後のＳＯＩ基板の工程断面図。
【図６】酸化珪素膜に珪素のイオン注入を行った後のＳＯＩ基板の工程断面図。
【図７】レジストをアッシングにより除去した後の工程断面図。
【図８】酸化雰囲気でのアニ−ルを行った後の工程断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１００…基板としてのＳＯＩ基板、１０１…支持体としての珪素ウェハ、１０２…第１酸化珪素膜としてのＢＯＸ膜、１０３…半導体膜としての単結晶珪素膜、２０１…第２酸化珪素膜としての酸化珪素膜、３０１…窒化珪素膜、４０１…レジスト、５０１…ＳＴＩ構造、６０１…珪素過剰領域。
【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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