(57)【要約】【課題】  ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時に必要以上に酸化温度を高くしなくても、酸化時にＬＯＣＯＳ酸化膜とシリコン基板との界面に生じる応力による影響を抑制できるようにする。【解決手段】  ＬＯＣＯＳ酸化膜形成工程において、ＬＯＣＯＳ酸化が行われる酸化温度までチャンバー内を加熱したのち、ＬＯＣＯＳ酸化における酸化速度を徐々に増加させるように制御する。これにより、酸化初期では酸化速度が所定の速さとなり、その後、徐々に酸化速度が速くなるようにすることができる。したがって、酸化初期の応力増加を抑制し、酸化中の最大応力値を低減させることができ、高い酸化温度としなくても、酸化中の応力による影響を低減することができる。そして、ＬＯＣＯＳ酸化膜の膜厚を容易に調整することが可能となる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板（１）の表面に、部分的に開口したマスク膜（３）を配置したのち、前記マスク膜（３）と共に前記シリコン基板（１）をチャンバー内に収容し、該チャンバー内において前記マスク膜（３）における前記開口部分を酸化することでＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成してなる半導体装置の製造方法において、
前記ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、
前記ＬＯＣＯＳ酸化が行われるＬＯＣＯＳ酸化温度まで前記チャンバー内を加熱したのち、前記ＬＯＣＯＳ酸化における酸化速度を徐々に増加させるように制御す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ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、前記ＬＯＣＯＳ酸化のガスとして水素と酸素を用い、前記水素に対する前記酸素のガス流量を徐々に減少させることで、酸化速度を徐々に増加させるように制御す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ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、前記ガス流量を段階的に制御することにより、酸化初期では酸化速度が所定の速さとなり、その後、段階的に酸化速度が速くなるようにすることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、前記ＬＯＣＯＳ酸化が行われるＬＯＣＯＳ酸化温度まで前記チャンバー内を加熱したのち、前記ＬＯＣＯＳ酸化におけるガス圧を徐々に増加させるように制御す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５】
前記ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、前記ガス圧を段階的に制御することにより、酸化初期では酸化速度が所定の速さとなり、その後、段階的に酸化速度が速くなるようにすることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子分離用のＬＯＣＯＳ酸化膜を形成してなる半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体装置において、素子間の電気的分離を図るために、シリコン基板の表面にＬＯＣＯＳ酸化膜を形成する技術が知られている。このＬＯＣＯＳ酸化膜は、シリコン基板の表面にパッド酸化膜を形成したのちシリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜をマスクとしてシリコン窒化膜の開口位置を部分的に酸化させることで形成される。
【０００３】
このようなＬＯＣＯＳ酸化膜を形成する工程において、Ｓｉの熱酸化過程では、ＳｉがＳｉＯ2に変わるために体積が膨張してＳｉＯ2／Ｓｉ界面に応力が発生する。この応力はウェハの反り、薄膜の破砕あるいは２次的な結晶欠陥を誘発しデバイス特性劣化に影響を与える。特にＬＯＣＯＳ酸化時には大きな応力が発生して結晶欠陥発生の大きな要因となっている。
【０００４】
このため、ＬＯＣＯＳ酸化時に発生する応力を低減することがウェハ工程における重要な課題の１つとなっている。そして、従来、この課題を解決するために、ＬＯＣＯＳ酸化時の応力を低減させるために酸化温度を高くする方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
このように、ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時における酸化温度を高くすることで膜の粘性が低くなり、酸化中の応力緩和効果が高まって応力が低減される。このため、上記課題を解決することが可能となる。
【非特許文献１】ULSIプロセス技術、初版、編者：原 央、発行者：山本 格、発行所：培風館、発行年月日：1997年6月10日、記載ページ102〜110
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時の酸化温度を高くすると、酸化速度が速くなるために膜厚制御が難しくなる、ＯＩＳＦ（Oxidation induced stacking fault）と呼ばれる欠陥が発生し易くなるといった問題が生じるのに加え、ＬＯＣＯＳ酸化以外の工程条件の制約から酸化温度を高くできない場合もある。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時に必要以上に酸化温度を高くしなくても、酸化時にＬＯＣＯＳ酸化膜とシリコン基板との界面に生じる応力による影響を抑制できる半導体装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、シリコン基板（１）の表面に、部分的に開口したマスク膜（３）を配置したのち、マスク膜（３）と共にシリコン基板（１）をチャンバー内に収容し、該チャンバー内においてマスク膜（３）における開口部分を酸化することでＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成してなる半導体装置の製造方法において、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、ＬＯＣＯＳ酸化が行われる酸化温度までチャンバー内を加熱したのち、ＬＯＣＯＳ酸化における酸化速度を徐々に増加させるように制御することを特徴としている。
【０００９】
このように、ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時に、ＬＯＣＯＳ酸化における酸素速度を徐々に増加させるようにしている。これにより、酸化初期では酸化速度が所定の速さとなり、その後、徐々に酸化速度が速くなるようにすることができる。したがって、酸化初期の応力増加を抑制し、酸化中の最大応力値を低減させることができ、高い酸化温度としなくても、酸化中の応力による影響を低減することができる。そして、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）の形成温度を低温度としても、応力による影響を低減できることから、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）の膜厚増加速度を遅くでき、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）の膜厚調整を容易にすることが可能となる。
【００１０】
例えば、請求項２に示されるように、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、ＬＯＣＯＳ酸化のガスとして水素と酸素を用い、水素に対する酸素のガス流量を徐々に減少させることで、酸化速度を徐々に増加させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、ＬＯＣＯＳ酸化膜（５）を形成する工程では、ガス流量を段階的に制御することにより、酸化初期では酸化速度が所定の速さとなり、その後、段階的に酸化速度が速くなるようにすることを特徴としている。このように、ガス流量を段階的に制御することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、ＬＯＣＯＳ酸化が行われるＬＯＣＯＳ酸化温度までチャンバー内を加熱したのち、ＬＯＣＯＳ酸化におけるガス圧を徐々に増加させるように制御することを特徴としている。このように、ガス圧を制御することによっても、請求項１と同様の効果を得ることができる。そして、この場合にも、請求項５に示されるように、ガス圧を段階的に制御することができる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した半導体装置の製造方法について説明する。図１は、本実施形態における半導体装置の製造工程を示したものである。以下、この図に基づいて半導体装置の製造方法について説明する。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示されるように、シリコン基板１を用意する。そして、このシリコン基板１の表面に、図１（ｂ）に示されるように、パッド酸化膜２を形成したのち、このパッド酸化膜２の表面に更にシリコン窒化膜３を形成する。
【００１７】
続いて、所定のマスクを用いて、図１（ｃ）に示されるようにシリコン窒化膜３のうち素子分離領域となる部分に開口部４を形成し、素子形成領域上にシリコン窒化膜３が残るようにする。
【００１８】
そして、こようようにパッド酸化膜２およびシリコン窒化膜３が形成されたシリコン基板１をチャンバー内に収容したのち、チャンバー内をＬａｍｐ  ｕｐによって加熱すると共に、水素Ｈ2と酸素Ｏ2をＬＯＣＯＳ酸化用のガスとして導入する。これにより、図１（ｄ）に示されるように、ＬＯＣＯＳ酸化膜５が形成される。この後、ＬＯＣＯＳ酸化膜５に囲まれた素子形成領域にトランジスタなどの素子を作りこむことで半導体装置が完成する。
【００１９】
このとき、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の形成工程を以下のようにして行っている。
【００２０】
図２は、本実施形態のＬＯＣＯＳ酸化における酸化シーケンス概要を示したものである。この図に示されるように、チャンバー内における加熱温度、つまり酸化温度は一定としておき、酸化中のガス流量を段階的に変化させる。変化させるステップ数ｎはｎ≧２である。
【００２１】
すなわち、各ステップにおいて、ステップを追うごとに徐々に酸化速度が速くなるように、水素Ｈ2と酸素Ｏ2それぞれのガス流量、具体的には酸素Ｏ2の流量を減少させ、水素Ｈ2に対する酸素Ｏ2の流量比が減少するように制御する。換言すれば、第２ステップは第１ステップよりも酸化速度が速く、第３ステップは第２ステップよりも酸化速度が速く・・・第ｎステップは第ｎ−１ステップよりも酸化速度が速くなるように、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガス流量を設定する。
【００２２】
例えば、上記ステップを４段階で行い、第１〜第４ステップに移行するにつれて、徐々に酸化速度が速くなるようにする。図３は、このように４段階のステップに分けてＬＯＣＯＳ酸化膜形成工程を行った場合について、酸化時間とＬＯＣＯＳ酸化中の応力変化の関係をシミュレーションにより計算した結果を示したものである。
【００２３】
この図に示されるように、酸化温度に関しては１０００℃一定とし、１０００℃までＬａｍｐ  ｕｐした後、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガスを導入した雰囲気下において、４００分間酸化を行い、その後、Ｌａｍｐ  ｄｏｗｎさせたものとしている。
【００２４】
また、４００分を４つのステップに区切り、それぞれ第１、第２、第３、第４ステップとし、各ステップの酸化時間をそれぞれ１００分、４０分、４０分、２２０分としている。そして、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガス流量（Ｈ2／Ｏ2）がそれぞれ１／２０［ｌ／ｍｉｎ］、１／８［ｌ／ｍｉｎ］、１／３［ｌ／ｍｉｎ］、１／１［ｌ／ｍｉｎ］としている。
【００２５】
このような酸化を行った場合、各ステップにおける平均酸化速度は、それぞれ１．１７ｎｍ／ｍｉｎ、１．３８ｎｍ／ｍｉｎ、２．０５ｎｍ／ｍｉｎ、２．４５ｎｍ／ｍｉｎとなり、酸化初期は酸化速度が遅く、ステップを追うごとに酸化速度が速くなるような設定となる。
【００２６】
ここで、熱酸化工程で発生する応力は、酸化されることによる応力の増加と粘性流動による応力緩和とのバランスによって決まる。つまり酸化による応力増加の効果が応力緩和の効果よりも大きければ応力は増加し、逆に応力緩和の効果が大きければ応力の増加は抑えられる。
【００２７】
したがって、応力を低減させるためには応力緩和の効果を高めるか、酸化による応力増加の効果を弱めるかどちらかをすればよい。
【００２８】
図４は、ガス流量を一定として酸化温度を変えた場合のＬＯＣＯＳ酸化中の応力変化をシミュレーションしたときの計算結果を示している。この図に示されるように、応力は酸化開始とともに急激に上昇して酸化初期の段階でピークとなる。上述した従来技術では、上述したように、酸化中の応力を低減させるために、酸化温度を高くしている。このため、酸化膜の粘性流動による応力緩和の効果が高まり、酸化中の応力を低減させることができると考えられる。
【００２９】
これに対し、本実施形態では、酸化温度に関しては１０００℃程度とあまり高い温度にはせず、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガス流量を調整することで、酸化速度を制御している。このようにすれば、従来、一定のガス流量で酸化していた場合は酸化開始とともに急激に応力が増加して酸化初期段階に応力のピークが発生していたのに対し、酸化初期の酸化速度を遅くすることで酸化初期の応力増加が抑制されて酸化中の最大応力値を低減させることが可能となる。
【００３０】
具体的には、図３に示したように、ガス流量を一定とした従来の方法では酸化開始から６０分で最大応力値７４０ＭＰａとなるのに対して、本発明では酸化初期に酸化速度を遅くしているために応力増加が抑えられて最大応力値は５１３ＭＰａ（酸化時間が２００分のときの値）となる。
【００３１】
このように酸化速度が段階的に速くなるようにガス流量を制御することで、酸化温度を高くすることなく、酸化中の最大応力値を低減することができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では、酸化温度に関しては１０００℃程度とあまり高い温度にはせず、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガス流量を調整することで、酸化速度を制御している。このようにすれば、酸化初期の応力増加を抑制し、酸化中の最大応力値を低減させることが可能となるため、高い酸化温度としなくても、酸化中の応力による影響を低減することができる。したがって、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の形成温度を低温度としても、応力による影響を低減できることから、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の膜厚増加速度を遅くでき、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の膜厚調整を容易にすることが可能となる。
【００３３】
なお、酸化速度を段階的に変化させることなく単純に酸化速度を遅くしただけでも応力値を低減させることができるが、この場合は所望の膜厚を得るのに時間を要する。したがって、本発明のように酸化初期は酸化速度を遅くし徐々に酸化速度を速くすることで、最大応力値を低減しつつ酸化時間も短縮することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、水素Ｈ2と酸素Ｏ2のガス流量の調整により、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の酸化速度を調整したが、同様にガス圧を段階的に変化させることによっても酸化中の最大応力値を低減することができる。具体的には、ガス圧を段階的に増加していくことにより、ＬＯＣＯＳ酸化膜５の酸化速度を徐々に速くする。このため、酸化初期の際には、酸化速度が遅くなるガス圧となるように設定し、それが酸化が進むにつれて徐々に速くなるようにする。
【００３５】
このように、ＬＯＣＯＳ酸化膜形成時のガス圧を調整することによっても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態における半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２】ＬＯＣＯＳ酸化における酸化シーケンス概要を示したタイミングチャートである。
【図３】酸化時間とＬＯＣＯＳ酸化中の応力変化の関係をシミュレーションにより計算した結果を示した図である。
【図４】ガス流量を一定として酸化温度を変えた場合のＬＯＣＯＳ酸化中の応力変化をシミュレーションしたときの計算結果を示した図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…シリコン基板、２…パッド酸化膜、３…シリコン窒化膜、
４…開口部、５…ＬＯＣＯＳ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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