(57)【要約】【課題】従来の素子分離構造の形成方法では、トレンチ５内を埋込んだＮＳＧ膜８は、比較的吸湿しやすいために、化学機械研磨（ＣＭＰ）などの際に吸湿膨張し、シリコン基板１にトレンチ５の有無による表裏面のアンバランスに起因する不所望な機械的ストレスを生じさせた。特に、トレンチ５が密集する領域では、この機械的ストレスは無視できない大きさとなり結晶欠陥を生じさせるおそれがあった。【解決手段】本発明の素子分離構造の形成方法は、シリコン基板１にトレンチ５を形成するトレンチ形成工程と、トレンチ５内を、３回に分けて埋込むように第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３を分割成長させる酸化膜分割成長工程と、分割成長毎に、各ＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３を高温加熱する熱処理工程と、シリコン基板１の表面を平坦化する表面平坦化工程とを含むことを特徴とする素子分離構造の形成方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
半導体基板にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチ内を、複数回に分けて埋込むように酸化膜を成長させる酸化膜分割成長工程と、
前記酸化膜の分割成長毎に、前記酸化膜を熱処理する熱処理工程と、
前記半導体基板の表面を平坦化する表面平坦化工程とを含むことを特徴とする素子分離構造の形成方法。
【請求項２】
最後の酸化膜分割成長後の熱処理は、前記表面平坦化工程の後に行うことを特徴とする請求項１に記載の素子分離構造の形成方法。
【請求項３】
最後の酸化膜分割成長後の熱処理の温度は、それまでの酸化膜分割成長毎に行った熱処理の温度よりも高い温度であることを特徴とする請求項１、または、請求項２に記載の素子分離構造の形成方法。
【請求項４】
前記トレンチ形成工程後に、前記トレンチ内壁に熱酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程を、さらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の素子分離構造の形成方法。
【請求項５】
前記酸化膜分割成長の回数は、３回であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の素子分離構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程における素子分離構造の形成方法に関し、特に、トレンチを形成し、そのトレンチ内を絶縁膜で埋込む素子分離構造の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上に形成する素子を電気的に分離する技術として、半導体基板にトレンチを形成し、そのトレンチ内を絶縁膜で埋込む素子分離構造（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：ＳＴＩ）が知られている。
【０００３】
従来の素子分離構造の形成方法の一例を図４，図５に示す。図４，図５は、工程順を示す断面図である。
【０００４】
先ず、図４（ａ）に示すように、例えば、シリコン基板１上に熱酸化法により、厚さ約１１０Åのシリコン熱酸化膜２を形成し、続けて、ＣＶＤ法により、厚さ約３０００Åのシリコン窒化膜３、およびその上に厚さ約３０００ÅのＮＳＧ膜４（ノンドープのＳｉＯ２膜；Ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を堆積させる。
【０００５】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチングにより、シリコン熱酸化膜２，シリコン窒化膜３，ＮＳＧ膜４をパターニングしてトレンチ形成用のエッチングマスクを形成する。
【０００６】
次に、図４（ｃ）に示すように、そのエッチングマスクを用いて、シリコン基板１をドライエッチングし、例えば、深さ５μｍ，幅１μｍ程度のトレンチ５（ＤＴＩ；Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を形成する。尚、このときにＮＳＧ膜４もいっしょにエッチング除去される。
【０００７】
次に、図４（ｄ）に示すように、熱酸化法によりトレンチ４内壁に約６００Åのシリコン熱酸化膜６を形成し、ドライエッチングでのトレンチ５内壁の損傷を補償するとともにトレンチ５のコーナを丸めて応力を緩和させる。そして、その上にトレンチ５内部の酸化防止膜としての約８００Åのシリコン窒化膜７を形成する。
【０００８】
次に、図５（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法により、厚さ約１２０００Åの厚いＮＳＧ膜８（ノンドープのＳｉＯ２膜；Ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を堆積させトレンチ５内を完全に埋込む。ここで、ＮＳＧ膜８の表面は、トレンチ５を反映した凹凸形状となる。
【０００９】
次に、図５（ｆ）に示すように、シリコン窒化膜３をストッパとしてＮＳＧ膜８の一部を化学機械研磨（ＣＭＰ）し除去する。
【００１０】
次に、図５（ｇ）に示すように、シリコン窒化膜３をホットリン酸でウェットエッチングし除去する。
【００１１】
次に、図５（ｈ）に示すように、シリコン窒化膜７とＮＳＧ膜８の一部とをウェットエッチングし、ＮＳＧ膜８の表面とシリコン基板１の表面とが平坦になるようにする。
【００１２】
このようにして、トレンチ５内をＮＳＧ膜８で埋込んだ素子分離構造が完成する。（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】
特開２００２−２８９６８３号公報  （第３頁、０００３〜０００９段落、図７，図８）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の素子分離構造の形成方法の場合、トレンチ５内を埋込んだＮＳＧ膜８は、比較的吸湿しやすいために、化学機械研磨（ＣＭＰ）などの際に吸湿膨張し、シリコン基板１にトレンチ５の有無による表裏面のアンバランスに起因する不所望な機械的ストレスを生じさせた。特に、トレンチ５が密集する領域では、この機械的ストレスは無視できない大きさとなり結晶欠陥を生じさせるおそれがあった。
【００１４】
本発明の目的は、トレンチ内を埋込んだ酸化膜が吸湿膨張し、半導体基板内にトレンチの有無による表裏面のアンバランスに起因する不所望な機械的ストレスを生じさせるおそれがない素子分離構造の形成方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の素子分離構造の形成方法は、
少なくとも、
半導体基板にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
トレンチ内を、複数回に分けて埋込むように酸化膜を成長させる酸化膜分割成長工程と、
酸化膜の分割成長毎に、酸化膜を熱処理する熱処理工程と、
半導体基板の表面を平坦化する表面平坦化工程とを含むことを特徴とする素子分離構造の形成方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の素子分離構造の形成方法の一例を図１〜図３に示す。図１〜図３は、工程順を示す断面図である。尚、図４，図５と同一部分には同一符号を付す。
【００１７】
先ず、図１（ａ）に示すように、例えば、シリコン基板１上に熱酸化法により、厚さ約１１０Åのシリコン熱酸化膜２を形成し、続けて、ＣＶＤ法により、厚さ約３０００Åのシリコン窒化膜３、およびその上に厚さ約３０００ÅのＮＳＧ膜４（ノンドープのＳｉＯ２膜；Ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を堆積させる。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチングにより、シリコン熱酸化膜２，シリコン窒化膜３，ＮＳＧ膜４をパターニングしてトレンチ形成用のエッチングマスクを形成する。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示すように、そのエッチングマスクを用いて、シリコン基板１をドライエッチングし、例えば、深さ５μｍ，幅１μｍ程度のトレンチ５（ＤＴＩ；Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を形成する。尚、このときにＮＳＧ膜４もいっしょにエッチング除去される。
【００２０】
次に、図１（ｄ）に示すように、熱酸化法によりトレンチ４内壁に約６００Åのシリコン熱酸化膜６を形成し、ドライエッチングでのトレンチ５内壁の損傷を補償するとともにトレンチ５のコーナを丸めて応力を緩和させる。そして、その上にトレンチ５内部の酸化防止膜としての約８００Åのシリコン窒化膜７を形成する。
【００２１】
次に、トレンチ５内を、３回に分割してＮＳＧ膜で埋め込む。
【００２２】
先ず、図２（ｅ）に示すように、１回目の酸化膜分割成長として、ＣＶＤ法により、トレンチ５内を途中まで埋込む厚さ約３０００Åの第１のＮＳＧ膜１０１（ノンドープのＳｉＯ２膜；Ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）を成長させ、その後、１回目の高温加熱（熱処理温度；８５０℃程度）を行う。この熱処理により、第１のＮＳＧ膜１０１は、高密度化され硬度が増し吸湿しにくくなる。尚、トレンチ５内壁は、シリコン熱酸化膜６およびシリコン窒化膜７により保護されていることに加えて、第１のＮＳＧ膜１０１の厚さは比較的薄いため、この熱処理による第１のＮＳＧ膜１０１の収縮に起因するトレンチ５内壁への機械的ストレスは小さく問題とならない。
【００２３】
次に、図２（ｆ）に示すように、２回目の酸化膜分割成長として、ＣＶＤ法により、さらに、トレンチ５内を途中まで埋込む厚さ約３０００Åの第２のＮＳＧ膜１０２を成長させ、その後、２回目の高温加熱（処理温度；８５０℃程度）を行う。この熱処理により、第２のＮＳＧ膜１０２は高密度化され、硬度が増し吸湿しにくくなる。尚、トレンチ５内壁は、シリコン熱酸化膜６，シリコン窒化膜７，第１のＮＳＧ膜１０１により保護されていることに加えて、第２のＮＳＧ膜１０２の厚さは比較的薄いため、この熱処理による第２のＮＳＧ膜１０１の収縮に起因するトレンチ５内壁への機械的ストレスは小さく問題とならない。
【００２４】
次に、図２（ｇ）に示すように、ＣＶＤ法により、厚さ約６０００Åの第３のＮＳＧ膜１０３を形成し、トレンチ５内を完全に埋込む。ここで、第３のＮＳＧ膜１０３の表面はトレンチ５を反映した凹凸形状となる。
【００２５】
その後、３回目の高温加熱（処理温度；９５０℃程度）を行う。ここで、この３回目の高温加熱の処理温度（９５０℃程度）は、１，２回目の高温加熱の処理温度（８５０℃程度）よりも高くして、第３のＮＳＧ膜１０３を高密度化し吸湿しにくくするとともに、既存の第１，２のＮＳＧ膜１０１，１０２の高密度化をさらに完全なものとする。尚、３回目の高温加熱の処理温度（９５０℃程度）を１，２回目の高温加熱の処理温度（８５０℃程度）よりも高くできるのは、トレンチ５内壁が、既に一定の厚みを持つ高密度化済みの第１，２のＮＳＧ膜１０１，１０２で埋込まれているためであり、３回目の高温加熱による第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３の収縮に起因するトレンチ５内壁への機械的ストレスは小さく問題とならない。
【００２６】
次に、図３（ｈ）に示すように、シリコン窒化膜３をストッパとして第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３の一部を化学機械研磨（ＣＭＰ）し除去する。
【００２７】
次に、図３（ｉ）に示すように、シリコン窒化膜をホットリン酸でウェットエッチングし除去する。
【００２８】
次に、図３（ｊ）に示すように、シリコン窒化膜７と第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３の一部をウェットエッチングし、第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３の表面と、シリコン基板１の表面とが平坦になるようにする。
【００２９】
このようにして、トレンチ５内を第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３で埋込んだ素子分離構造が完成する。
【００３０】
上記のように、トレンチ５内を３回に分割して、比較的薄い第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３で埋込み、分割成長毎に高温加熱することで、厚いＮＳＧ膜を一度に高温加熱した場合に生じる大きな機械的ストレスを発生させることなく、トレンチ５内の第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３を高密度化させ吸湿性を抑制するため、化学機械研磨（ＣＭＰ）などの工程で、第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３が吸湿膨潤してシリコン基板１内に不所望な機械的ストレスを生じさせることを防止でき、その結果、結晶欠陥を生じさせるおそれがない。
【００３１】
尚、上記では、最後（３回目）の酸化膜分割成長の直後に、３回目の高温加熱を行う構成で説明したが、化学機械研磨（ＣＭＰ）を容易にするため、第３のＮＳＧ膜１３を高密度化させる前に、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うようにしてもよい。この場合、化学機械研磨（ＣＭＰ）後に、３回目の高温加熱を行うことになり、第３のＮＳＧ膜１０３が化学機械研磨（ＣＭＰ）の際に吸湿膨潤する危険性があるが、既に、一定の厚みを持つ高密度化済みの第１，２のＮＳＧ膜１０１，１０２が存在するため、トレンチ５内に大きな機械的ストレスを与える心配はない。
【００３２】
また、上記では、トレンチ５形成後、トレンチ５内壁にシリコン熱酸化膜６およびシリコン窒化膜７を形成する構成で説明したが、本発明では、第１のＮＳＧ膜１０１を形成後、すぐに、高温加熱して高密度化させるため、この第１のＮＳＧ膜１０１がトレンチ５内壁に対して保護膜の役目をする。このため、従来、トレンチ５内に形成していたシリコン熱酸化膜６およびシリコン窒化膜７を形成せずに工程短縮を図る構成としてもよい。
【００３３】
また、上記では、酸化膜分割成長の回数を３回とし、各成長の酸化膜厚さの比を、１：１：２（３０００Å，３０００Å，６０００Å）で説明したが、分割回数および厚さの比は、これに限るものではない。但し、工程数の増加を考慮すると分割回数は３回程度がよい。また、１，２回目の高温加熱の温度を低目（８５０℃程度）とし、最後（３回目）の高温加熱の温度を高目（９５０℃程度）とすると、トレンチ５内に大きな熱ストレスを与えることなく、第１，２，３のＮＳＧ膜１０１，１０２，１０３を確実に高密度化できてよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の素子分離構造の形成方法によると、トレンチ内を埋込む酸化膜を分割成長させ、成長毎に高温加熱するため、厚い酸化膜を一度に高温加熱した場合に比べてトレンチ内に大きな機械的ストレスを与えることなく酸化膜の高密度化が図れ、トレンチ内の酸化膜が吸湿膨潤して半導体基板内部に不所望な機械的ストレスを生じさせることを防止できる。また、最後に分割成長させた酸化膜を化学機械研磨（ＣＭＰ）後に高温加熱すると、化学機械研磨（ＣＭＰ）が容易でよい。また、最後の高温加熱の温度を高目とし、それまでに施す高温加熱の温度を低目とすると、トレンチ内壁に大きな熱ストレスを与えることなく、かつ、酸化膜の高密度化が確実に行える。また、最初に分割成長させた酸化膜を形成後、すぐに、高温加熱して高密度化させるため、この酸化膜がトレンチ内壁に対して保護膜の役目をするので、従来、トレンチ内に形成していた熱酸化膜や窒化膜の形成を省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の素子分離構造の形成方法の一例の断面図
【図２】本発明の素子分離構造の形成方法の一例の断面図
【図３】本発明の素子分離構造の形成方法の一例の断面図
【図４】従来の素子分離構造の形成方法の一例の断面図
【図５】従来の素子分離構造の形成方法の一例の断面図
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  シリコン熱酸化膜
３  シリコン窒化膜
４，８  ＮＳＧ膜
５  トレンチ
６  シリコン熱酸化膜
７  シリコン窒化膜
１０１  第１のＮＳＧ膜
１０２  第２のＮＳＧ膜
１０３  第３のＮＳＧ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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