(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の表面に所定の深さでトレンチを形成する段階と、
前記トレンチを含む半導体素子の表面上に窒化膜ライナー層を形成する段階と、
前記窒化膜ライナー層上に均一に分布されたガス分布領域を形成する段階と、
前記ガス分布領域を形成した後に、前記トレンチを充填して絶縁層を形成する段階とを含み、
前記ガス分布領域を形成する段階は、オゾンガスを注入する段階を含むことを特徴とするトレンチ隔離領域の形成方法。
【請求項２】
前記オゾンガスを注入する段階は、３秒間、５０００ｓｃｃｍのオゾンガスを注入する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチ隔離領域の形成方法。
【請求項３】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階は、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルを同時に注入する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチ隔離領域の形成方法。
【請求項４】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階は、５０００ｓｃｃｍのオゾンガス及び８０ｍｇのＴＥＯＳケミカルを少なくとも１秒間同時に注入する段階を含むことを特徴とする請求項３に記載のトレンチ隔離領域の形成方法。
【請求項５】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階は、５０００ｓｃｃｍのオゾンガス及び８０ｍｇのＴＥＯＳケミカルを１００秒間同時に注入する段階を含むことを特徴とする請求項４に記載のトレンチ隔離領域の形成方法。
【請求項６】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階は、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルを同時に注入することによって、前記ガス分布領域とオゾンガス及びＴＥＯＳケミカルとの間の表面反応が界面で開始され、成長して均一の密度を有する絶縁層が形成されることを特徴とする請求項３に記載のトレンチ隔離領域の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に半導体素子内に、半導体素子を電気的に隔離し且つ密度が向上したトレンチ隔離領域を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
素子隔離技術は、隣接する素子と素子を電気的に隔離するものであって、高集積半導体回路の設計及び実行において重要な役目をする。これらの高集積半導体回路の設計が微細になるに応じて、素子隔離技術はだんだん発展してきた。半導体基板に隔離領域を形成するため、局部酸化膜（LOCal Oxidation of Silicon; LOCOS）方法及び薄いトレンチ隔離（Shallow Trench Isolation; STI）方法が使用されている。
【０００３】
ＬＯＣＯＳ技術は、他の素子隔離方法に比べて比較的簡単であるため、幅広く使用されてきた。しかしながら、ＬＯＣＯＳ技術は、いくつかの限界がある。特に、２５６Ｍ ＤＲＡＭ素子等の高集積素子に適用する場合、酸化膜の薄膜化及び寄生パンチスルーが一層深刻になる。
【０００４】
図１乃至図６は、従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。図１に示すように、パッド酸化膜パターン１２及びシリコン窒化膜パターン１４は、トレンチ隔離領域として半導体基板の一部を露出するように、パッド酸化膜及びシリコン窒化膜をパターニングすることにより形成される。
【０００５】
次いで、図２に示すように、エッチングマスクとしてシリコン窒化膜パターン１４を用いて約３０００乃至約５０００Åの深さで半導体基板をエッチングすることにより、トレンチ１６を形成する。
【０００６】
次いで、図３に示すように、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）装置（図示せず）を用いて前記トレンチ１６を含む半導体基板上にシリコン窒化膜ライナー層１８を形成する。
【０００７】
次いで、図４に示すように、オゾンガス及びＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho-Silicate）ケミカルをＣＶＤ装置内に同時に注入することにより、トレンチ１８内のシリコン窒化膜ライナー層１８上に、ＨＴ−ＵＳＧ（High Temperature-Undoped Silicate Glass; HT-USG）材料よりなる絶縁材料層２０を形成する。
【０００８】
次いで、図５に示すように、前記シリコン窒化膜１４の表面が露出するように、公知の機械化学的研磨（Chemical-Mechanical Polishing; CMP）により絶縁材料層２０をエッチングすることにより、第１絶縁層２２を形成する。
【０００９】
次いで、パッド酸化膜パターン１２及び窒化膜パターン１４を除去することにより、図６に示すように、半導体基板１０のシリコン窒化膜ライナー層１８上に第２絶縁層２４が形成される。トレンチ１６上に形成されたシリコン窒化膜ライナー層１８と、ＨＴ−ＵＳＧ材料の第２絶縁層２４とを含むトレンチ隔離領域は、界面において第２絶縁層２４の一部が剥がれ、半導体素子に損傷を招く。図６のＡ部分を図１４に詳細に示す。
【００１０】
図１４は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真で見られる半導体素子のフィールド領域とアクティブ領域の一部を示す拡大平面図である。
【００１１】
図１４では、フィールド領域とアクティブ領域を隔離するトレンチ隔離領域の損傷部分を、黒塗りで示す。この損傷部分の詳細については、本発明に係る図１５と関連して後述する。
【００１２】
このように、絶縁層の損傷は、界面での熱膨張係数の差異から生ずるストレスに起因したものである。また、絶縁層の損傷は、相対的に低密度のＨＴ−ＵＳＧ材料が後続のイオン注入工程で再び損傷されることにより発生することができる。すなわち、隔離領域の形成初期から、シリコン窒化膜ライナー層上に絶縁層が均一に成長しなくて、シリコン窒化膜ライナー層と絶縁層の界面で絶縁層が剥がれることになる。このため、半導体素子の電気的特性が劣化し、損傷部分で漏洩電流が発生する。従って、半導体素子が誤動作するおそれがあり、半導体素子の信頼性を低下させる。
【００１３】
米国特許第５，８８２，９８２号公報には、半導体基板にトレンチを形成するために、数種のガスを所定の条件下で注入してエッチングする工程が開示されている。また、米国特許第５，８８５，８８３号公報には、均一の密度を有する絶縁層を形成するため、トレンチの側壁に補強酸化膜を形成する技術が開示されている。しかし、追加に他のガスを注入することなく、ただ従来のガスを制御することだけで、均一の密度を有するトレンチ隔離領域を得ることができる技術は未だ開示されていない実情である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のＳＴＩ技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、トレンチ上に均一のガス分布領域を形成して、均一の密度を有する絶縁層を成長させることにより、シリコン窒化膜ライナー層上に形成された絶縁層が界面で剥れる損傷を防止するトレンチ隔離領域の形成方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるトレンチ隔離領域の形成方法は、半導体素子の表面に所定の深さでトレンチを形成する段階と、前記トレンチを含む半導体素子の表面上に窒化膜ライナー層を形成する段階と、前記窒化膜ライナー層上に均一に分布されたガス分布領域を形成する段階と、前記ガス分布領域を形成した後に、前記トレンチを充填して絶縁層を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００１６】
前記ガス分布領域は、オゾンガスを注入することにより形成されることが好ましい。前記ガス分布領域は、約５０００ｓｃｃｍのオゾンガスを約３秒間注入することにより形成される。
【００１７】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階は、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルを同時に注入することにより形成されることが好ましい。より好ましくは、約５０００ｓｃｃｍのオゾンガス及び約８０ｍｇのＴＥＯＳケミカルを約１００秒間同時に注入する。
【００１８】
前記ガス分布領域を形成した後、前記トレンチを充填する段階では、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルを同時に注入することによって、前記ガス分布領域とオゾンガス及びＴＥＯＳケミカルとの間の表面反応が界面で開始され、成長して均一の密度を有する絶縁層が形成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるトレンチ隔離領域の形成方法について詳細に説明する。
【００２０】
図７乃至図１３は、本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。図７に示すように、パッド酸化膜パターン３２及びシリコン窒化膜パターン３４は、トレンチ隔離領域として半導体基板３０の一部を露出するように、パッド酸化膜及びシリコン窒化膜をパターニングすることにより形成される。
【００２１】
次いで、図８に示すように、エッチングマスクとしてシリコン窒化膜パターン３４を用いて約３０００乃至約５０００Åの深さで半導体基板３０をエッチングすることにより、トレンチ３６を形成する。
【００２２】
次いで、図９に示すように、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）装置（図示せず）を用いて前記トレンチ３６を含む半導体基板３０上にシリコン窒化膜ライナー層３８を形成する。
【００２３】
次いで、図１０に示すように、ＣＶＤ装置内にオゾンガスを注入することにより、シリコン窒化膜ライナー層３８上にガス分布領域３９を形成する。この工程は、本実施例においての特徴的な工程であって、オゾンガスを１乃至３秒間注入して、窒化膜ライナー層３８上に均一に分布されるようにする工程である。このように分布されたオゾンガスは、未だ反応しない状態であって、すなわちオゾンガスが酸素に解離されなく、窒化膜ライナー層３８上に均一に分布されてガス分布領域３９を維持している状態てある。
【００２４】
次いで、図１１に示すように、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルをＣＶＤ装置内に同時に注入することにより、トレンチ３６内のシリコン窒化膜ライナー層３８上に、高温ＵＳＧ材料よりなる絶縁材料層４０を形成する。この工程は、図１０の工程後、１乃至１００秒間継続して行われる。この際、図１０の工程でオゾンガスを注入して均一に形成されたガス分布領域３９の表面から反応が開始され、均一のＵＳＧ膜が得られる。このＵＳＧ膜よりなる絶縁材料層４０がトレンチ３６を充填することになる。
【００２５】
次いで、図１２に示すように、前記シリコン窒化膜３４の表面が露出するように、図１１に示す絶縁材料層４０をエッチングすることにより、第１絶縁層４２を形成する。その後、窒化膜パターン３４及びパッド酸化膜パターン３２を除去して、図１３に示すように、第２絶縁層４４を形成することにより、窒化膜ライナー層３８と第２絶縁層４４とより構成される電気的絶縁領域としてのトレンチ隔離領域を形成する。
【００２６】
図１３のＢ部分を図１５に詳細に示す。図１５は、ＳＥＭ写真で見られる半導体素子のフィールド領域とアクティブ領域の一部を示す拡大平面図である。図１５から明らかなように、フィールド領域５２とアクティブ領域５４間の界面に形成されたトレンチ隔離領域においてＢ部分の位置には、何らの損傷がないことがわかる。図１４及び図１５を比較すると、本発明と従来の技術間には、明確な差異がある。すなわち、本実施例によると、フィールド領域５２とアクティブ領域５４を隔離するトレンチ隔離領域が均一に成長し、素子の隔離が確実に行われる。これに対して、従来の技術によると、図１４に示すように、例えば、矢印で示したトレンチ隔離領域の一部が黒塗りで表示されており、これは、破壊現象（breakdown phenomenon）が発生していることを立証する。図１４に示した損傷部分が素子全般にかけて存在するため、素子の誤動作が発生し、素子の信頼性が低下する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、トレンチ隔離領域を形成する場合、まず、ガス分布領域を均一に分布させ、その後、オゾンガス及びＴＥＯＳケミカルを同時に注入することにより、均一のトレンチ隔離領域を得ることができる。従って、隔離領域を形成する工程において、界面に剥がれ現象が生じない。これにより、界面での電流漏洩現象が防止され、電気的特性が向上する。また、本発明による半導体素子の信頼性が従来品に比べて増大する。
【００２８】
また、本発明によると、窒化膜ライナー層と絶縁層とから構成されるトレンチ隔離領域は、窒化膜ライナー層と絶縁層間の密着度が著しく増加し、よって均一の密度を有するトレンチ隔離領域が得られる。
【００２９】
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の種々の形態で実施することができる。前述の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例のみに限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図２】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図３】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図４】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図５】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図６】従来のＳＴＩ技術によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図７】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図９】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図１３】本発明の一実施例によるトレンチ隔離領域の形成方法を示す中間構造の概略断面図である。
【図１４】図６の半導体素子のフィールド領域及びアクティブ領域をＳＥＭ写真により示した拡大図である。
【図１５】図１３の半導体素子のフィールド領域及びアクティブ領域をＳＥＭ写真により示した拡大図である。
【符号の説明】
３０  半導体基板
３２  パッド酸化膜パターン
３４  窒化膜パターン
３６  トレンチ
３８  窒化膜ライナー層
３９  ガス分布領域
４０  絶縁材料層
４２  第１絶縁層
４４  第２絶縁層
５２  フィールド領域
５４  アクティブ領域
【図１】
0003911382.tif 000002
【図２】
0003911382.tif 000003
【図３】
0003911382.tif 000004
【図４】
0003911382.tif 000005
【図５】
0003911382.tif 000006
【図６】
0003911382.tif 000007
【図７】
0003911382.tif 000008
【図８】
0003911382.tif 000009
【図９】
0003911382.tif 000010
【図１０】
0003911382.tif 000011
【図１１】
0003911382.tif 000012
【図１２】
0003911382.tif 000013
【図１３】
0003911382.tif 000014
【図１４】
0003911382.tif 000015
【図１５】
0003911382.tif 000016