(57)【要約】【課題】トレンチの上・下部コーナー部分に不活性イオンを注入して非晶質化することにより、従来の短所を解消することのできる半導体素子の素子分離膜形成方法を提供する。【解決手段】シリコーン基板上にマスクパターンを形成した後、露出した部分のシリコーン基板を所定の深さまでエッチングして浅いトレンチを形成する段階と、前記トレンチ上・下部コーナー部分のシリコーン基板に不活性イオンを注入する段階と、前記エッチングによる被害を補償するために前記トレンチの側壁を酸化させる段階と、前記トレンチを埋め戻すために全体上面に酸化膜を形成した後、前記酸化膜と前記マスクパターンの一部とを除去して平坦化する段階と、残留マスクパターンを除去する段階とを含む。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコーン基板上にマスクパターンを形成した後、露出した部分のシリコーン基板を所定の深さまでエッチングして浅いトレンチを形成する段階と、
前記トレンチ上・下部コーナー部分のシリコーン基板に不活性イオンを注入する段階と、
前記エッチングによる被害を補償するために前記トレンチの側壁を酸化させる段階と、
前記トレンチが埋め込まれるように全体上面に酸化膜を形成した後、前記酸化膜と前記マスクパターンの一部とを除去して平坦化する段階と、
残留マスクパターンを除去する段階とを含むことを特徴とする半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項２】
前記マスクパターンは、パッド酸化膜とパッド窒化膜とからなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項３】
前記パッド酸化膜は、８００℃以上、且つ９００℃以下の温度、１Ｔｏｒｒ以上、且つ２．５Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１３０ｓｃｃｍ以上、且つ２００ｓｃｃｍ以下：７０ｓｃｃｍ以上、且つ９０ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＨ２Ｏ＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で５０Å以上、且つ１５０Å以下の厚さに形成することを特徴とする請求項２記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項４】
前記パッド窒化膜は、７００℃以上、且つ９００℃以下の温度、２．５Ｔｏｒｒ以上、且つ４Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１２０ｓｃｃｍ以上、且つ１５０ｓｃｃｍ以下：１５０ｓｃｃｍ以上、且つ１８０ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＳｉＨ４＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で１０００Å以上、且つ１３０００Å以下の厚さに形成することを特徴とする請求項２記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項５】
前記トレンチは、１０００Å以上、且つ５０００Å以下の深さに形成し、底面と側壁間の角度を８０°以上、且つ８５°以下にすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項６】
前記不活性イオンは、アルゴン（Ａｒ）であるのを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項７】
前記不活性イオンは、２°以上、且つ４°以下の傾斜角及び４０Å以上、且つ６０Å以下の深さに注入することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項８】
前記トレンチの側壁は、８００℃以上、且つ９００℃以下の温度、１．８Ｔｏｒｒ以上、且つ４Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１２０ｓｃｃｍ以上、且つ１４０ｓｃｃｍ以下：８０ｓｃｃｍ以上、且つ１００ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＨ２Ｏ＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で５０Å以上、且つ２００Å以下の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項９】
前記トレンチの側壁は、９５０℃以上、且つ１０５０℃以下の温度、１．２Ｔｏｒｒ以上、且つ２．２Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１１０ｓｃｃｍ以上、且つ１４０ｓｃｃｍ以下：１８０ｓｃｃｍ以上、且つ２３０ｓｃｃｍ以下の割合で混合した　Ｎ２Ｏ＋Ｏ２の気体雰囲気下で５０Å以上、且つ２００Å以下の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項１０】
前記酸化膜は、高密度プラズマ酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【請求項１１】
前記平坦化は、化学的機械的研磨法で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の素子分離膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は浅いトレンチ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ）を用いた半導体素子の素子分離膜形成方法に係り、さらに詳しくはトレンチのコーナー部分で発生される角化現象を防止できるようにした半導体素子の素子分離膜形成方法に関する。
【０００２】
半導体メモリ素子の集積度が増加するに伴い、メモリセルの大きさも減少する。よって、近来になってフラッシュメモリ素子を具現するにあたって、ウェーハ当りメモリセルの割合を確保するために浅いトレンチを用いた素子分離膜を形成する。
【０００３】
また、最近はセルの大きさに比べ、より長いチャンネル長さを確保するために、浅いトレンチを用いた素子分離膜を形成し、同時に自己整合型浮遊ゲート（Ｓｅｌｆ　Ａｌｉｎｇｎｅｄ　Ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ｇａｔｅ）を形成する。
【０００４】
既存の工程では、図１（ａ）に示すようにシリコーン基板１上にパッド酸化膜２及びパッド窒化膜３を形成した後、素子分離領域のシリコーン基板１が露出するようにパッド窒化膜３及びパッド酸化膜２をパターニングし、露出した部分のシリコーン基板１をエッチングして浅いトレンチ４を形成する。エッチングによる被害を補償するためにトレンチ４の側壁を酸化させた後、全体上面に高密度プラズマ（Ｈｉｇｈ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｐｌａｓｍａ）酸化膜５を形成してトレンチ４を埋め込む。次いで、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法で酸化膜５とパッド窒化膜３を平坦化した後、残留パッド窒化膜３及びパッド酸化膜２を除去し、図１（ｂ）の如くトレンチ４内に素子分離膜５を形成する。
【０００５】
ところで、前述した従来の方法では、前記トレンチ４形成後に行われる酸化工程において、トレンチ４の上部コーナー部分（Ａ部分）、すなわち前記パッド酸化膜２とシリコーン１との界面での酸素（Ｏ２）の拡散速度は低下し、また、前記トレンチ４の下部コーナー部分（Ｂ部分）でのシリコーン結晶面は、底が１００面、側壁が０１０面、コーナーが１１１面で相互に異なるので、横方向の酸化速度と縦方向の酸化速度とが異なる。このため、図１（ｃ）の如くトレンチ４の上・下部コーナー部分（Ｃ及びＤ部分）で角化現象が生ずる。前記角化現象が生じた場合、ゲート酸化膜（図示せず）を形成すると、トレンチ４の上部コーナー部分で薄いゲート酸化膜が形成されるので、電場が印加されたとき、コーナー部分で電場の大きさが選択的に増加する電場集中効果が発生し、これにより漏洩電流が増大し素子の電気的特性が低下する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明はトレンチを形成した後、トレンチの上・下部コーナー部分に不活性イオンを注入して非晶質化することにより、前述した従来の短所を解消することのできる半導体素子の素子分離膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、シリコーン基板上にマスクパターンを形成した後、露出した部分のシリコーン基板を所定の深さまでエッチングして浅いトレンチを形成する段階と、前記トレンチ上・下部コーナー部分のシリコーン基板に不活性イオンを注入する段階と、前記エッチングによる被害を補償するために前記トレンチの側壁を酸化させる段階と、前記トレンチが埋め込まれるように全体上面に酸化膜を形成した後、前記酸化膜と前記マスクパターンの一部とを除去して平坦化する段階と、残留マスクパターンを除去する段階とを含むことを特徴とする。
【０００８】
前記不活性イオンはアルゴン（Ａｒ）であり、２°以上、且つ４°以下の傾斜角及び４０Å以上、且つ６０Å以下の深さに注入することを特徴とする。
【０００９】
前記トレンチの側壁は８００℃以上、且つ９００℃以下の温度、１．８Ｔｏｒｒ以上、且つ４Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１２０ｓｃｃｍ以上、且つ１４０ｓｃｃｍ以下：８０ｓｃｃｍ以上、且つ１００ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＨ２Ｏ＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で５０Å以上、且つ２００Å以下の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
図１（ｃ）の如くトレンチ上・下部コーナー部分で発生する角化現象は、パッド酸化膜とシリコーンとの界面での遅い酸化速度と、トレンチ下部コーナー部分での横方向酸化速度と縦方向酸化速度との差とにより発生する。従って、トレンチ上・下部コーナー部分での酸化速度を増加させると、角化現象を防止することができるようになる。
【００１１】
酸化速度は酸素（Ｏ２）とシリコーン（Ｓｉ）間の固相拡散により最大の影響を受ける。よって、本発明はトレンチを形成した上、シリコーン基板内に固有原子間ダングリングボンド力（Ｄａｎｇｌｉｎｇ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ａｂｉｌｉｔｙ）を低下させることができるほどのエネルギーで不活性イオンを注入してトレンチ上・下部コーナー部分を非晶質化させる。非晶質化した部分でのシリコーン原子間の活性化エネルギーは低いので結合力が減少し、シリコーン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ２）の反応速度が増加し、これにより酸化速度を増加できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
図２及び図３は本発明に係る半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
【００１４】
図２（ａ）はシリコーン基板１１上にマスクパターンとなるパッド酸化膜１２とパッド窒化膜１３を逐次形成した後、素子分離領域のシリコーン基板１１が露出するようにパターニングし、露出した部分のシリコーン基板１１を所定の深さまでエッチングして浅いトレンチ１４を形成した状態を示す断面図である。
【００１５】
前記パッド酸化膜１２は８００℃以上、且つ９００℃以下の温度、１Ｔｏｒｒ以上、且つ２．５Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１３０ｓｃｃｍ以上、且つ２００ｓｃｃｍ以下：７０ｓｃｃｍ以上、且つ９０ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＨ２Ｏ＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で湿式酸化により形成し、５０Å以上、且つ１５０Å以下の厚さに形成する。この際、湿式工程を用いると、シリコーン基板１１との界面で発生する点欠陷の密度を１０２＃／ｍ３〜１０３＃／ｍ３以下に減少させることができる。
【００１６】
前記パッド窒化膜１３は７００℃以上、且つ９００℃以下の温度、２．５Ｔｏｒｒ以上、且つ４Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１２０ｓｃｃｍ以上、且つ１５０ｓｃｃｍ以下：１５０ｓｃｃｍ以上、且つ１８０ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＳｉＨ４＋Ｎ２Ｏ気体雰囲気下で減圧化学的気相成長法（ＬＰＣＶＤ）法で形成し、１０００Å以上、且つ１３０００Å以下の厚さに形成するが、化学組成比をＳｉ３Ｎ４に調節し、パッド酸化膜１２との界面で形成される圧縮応力を１０２ｄｙｎｅ／ｃｍ２〜１０３ｄｙｎｅ／ｃｍ２以下にすることにより、リフティング（Ｌｉｆｔｉｎｇ）を防止する。
【００１７】
また、前記トレンチ１４は１０００Å以上、且つ５０００Å以下の深さに形成するが、幾何学的構造に係わる因子で、底面と側壁間の角度を８０°以上、且つ８５°以下にする。
【００１８】
図２（ｂ）は前記トレンチ１４の上・下部コーナー部分のシリコーン基板１１に不活性イオンを注入する状態を示す断面図である。同図に示すように、不活性イオンが注入された部分のシリコーン基板１１が非晶質化される。
【００１９】
前記不活性イオンとしてはアルゴン（Ａｒ）を使用し、固有原子間ダングリングボンド力を低下させることができるほどのエネルギー及び４０Å以上、且つ６０Å以下の深さ（Ｒｐ）に注入し、また、イオン注入角度を２°以上、且つ４°以下の傾斜角度に調節して前記トレンチ１４上・下部コーナー部分のシリコーン基板１１に注入する。
【００２０】
図２（ｃ）はエッチングによる被害を補償するために湿式または乾式酸化により前記トレンチ１４の側壁を酸化させた状態を示す断面図である。同図に示すように、イオン注入によりトレンチ１４の表面部が非晶質化されるにつれ、シリコーン（Ｓｉ）の活性化エネルギーが低下し、これにより結合力が減少し、シリコーン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ２）の反応速度が増加する。よって、酸化速度が増加し、トレンチ１４コーナー部分（Ｅ）での角化現象が防止される。
【００２１】
前記湿式酸化工程は８００℃以上、且つ９００℃以下の温度、１．８Ｔｏｒｒ以上、且つ４Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１２０ｓｃｃｍ以上、且つ１４０ｓｃｃｍ以下：８０ｓｃｃｍ以上、且つ１００ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＨ２Ｏ＋Ｎ２Ｏの気体雰囲気下で行われ、酸化膜を５０Å以上、且つ２００Å以下の厚さに成長させる。
【００２２】
前記乾式酸化工程は９５０℃以上、且つ１０５０℃以下の温度、１．２Ｔｏｒｒ以上、且つ２．２Ｔｏｒｒ以下の圧力及び１１０ｓｃｃｍ以上、且つ１４０ｓｃｃｍ以下：１８０ｓｃｃｍ以上、且つ２３０ｓｃｃｍ以下の割合で混合したＮ２Ｏ＋Ｏ２気体雰囲気下で行われ、酸化膜を５０Å以上、且つ２００Å以下の厚さ（深さ）に成長させる。
【００２３】
図３は前記トレンチ１４が埋め込まれるように全体上面に酸化膜１５を形成した後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法で前記酸化膜１５とパッド窒化膜１３とを平坦化した後、残留パッド窒化膜１３及びパッド酸化膜１２を除去し、前記トレンチ１４内に素子分離膜１５を形成した状態を示す断面図である。前記酸化膜１５はシリコーン基板１１との接着強度を倍加するために乾式または湿式酸化により形成し、遺伝特性が高い高密度プラズマ（ＨＤＰ）酸化膜を使用する。
【００２４】
本発明には前記不活性ドーパントとしてアルゴン（Ａｒ）が使用される。前記アルゴン（Ａｒ）はシリコーン（Ｓｉ）に対して不活性であるので他の化合物を生成しない。また、シリコーン（Ｓｉ）格子に捕捉された（Ｔｒａｐ）アルゴン（Ａｒ）は別途の熱工程を経ることなく、トレンチ内に埋め込まれた酸化膜の密度を高めるための熱処理｛９００℃〜１０００℃のＮ２＋Ａｒ（１００ｓｃｃｍ〜１４０ｓｃｃｍ：１００ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ）及び１．５Ｔｏｒｒ〜３Ｔｏｒｒの圧力条件で行われる｝時に除去され、シリコーン基板１１内のアルゴン（Ａｒ）の濃度は５〜７　×１０４＃／ｃｍ３以下に維持される。
【００２５】
また、トレンチ１４形成に使用されたパッド酸化膜１２とパッド窒化膜１３を不活性イオン注入時にマスクとして用いることにより、別途のマスク工程を必要としない。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明はトレンチを形成した後、シリコーン基板内の固有原子間のダングリングボンド力を低下させることができるほどのエネルギーで不活性イオンを注入し、トレンチ上・下部コーナー部分のシリコーン基板を非晶質化する。非晶質化された部分におけるシリコーン原子間の活性化エネルギーは低いので、結合力が減少してシリコーン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ２）との反応速度が増加し、これにより酸化速度が増加する。
【００２７】
酸化速度が増加すると、トレンチコーナー部分での角化現象が防止され、これにより薄いゲート酸化膜の形成が防止され、したがって電場の集中による漏洩電流の発生が防止される。また、角化現象によりトレンチ上・下部コーナー部で発生する転位（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、双晶（Ｔｗｉｎ）などの線欠陥が防止され、素子分離膜でのＧＯＩ、降伏（Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性が向上することにより、素子の信頼度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は従来半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
【図２】本発明に係る半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
【図３】本発明に係る半導体素子の素子分離膜形成方法を説明するための素子の断面図である。
【符号の説明】
１及び１１　シリコーン基板
２及び１２　パッド酸化膜
３及び１３　パッド窒化膜
４及び１４　トレンチ
５及び１５　素子分離膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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