(57)【要約】【課題】  素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置において、トレンチの壁を覆う酸化膜の薄い部分が存在せず、トレンチの表面が平坦な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  素子分離領域の表面に第１酸化膜４と窒化膜６と第２酸化膜８を順に形成し、トレンチを形成する。第２酸化膜８を除去するとともにトレンチの側壁に露出している第１酸化膜４を除去する。トレンチ側壁の半導体基板２を熱処理して酸化し、第３酸化膜１４を形成する。トレンチの内部に多結晶シリコン１６を堆積してエッチバックを行う。多結晶シリコン１６の表面に形成された凹部１８の内壁を熱処理して酸化し、第４酸化膜を形成する。その後、窒化膜６を除去する。第３酸化膜１４と第１酸化膜４が重なる部分が形成されるとともに凹部１８の底面のみでなく側壁も熱酸化されて第４酸化膜が形成される。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置を製造する方法であり、
少なくとも隣接する素子形成領域の間に位置する半導体基板の表面を覆う第１酸化膜を形成する工程と、
前記第１酸化膜の表面に窒化膜を形成する工程と、
その窒化膜の表面に第２酸化膜を形成する工程と、
その第２酸化膜の表面に、隣接する素子形成領域の間を伸びる開孔を持つレジスト膜を形成する工程と、
そのレジスト膜をマスクにして前記第２酸化膜と窒化膜と第１酸化膜を異方性エッチングして前記半導体基板に至るトレンチ浅部を形成するトレンチ浅部形成工程と、
前記第２酸化膜をマスクにして前記半導体基板を異方性エッチングして前記半導体基板内を伸びるトレンチ深部を形成するトレンチ深部形成工程と、
前記トレンチ深部形成工程後に酸化膜を等方性エッチングして前記第２酸化膜を除去するとともに前記トレンチ浅部の側壁に露出している範囲の前記第１酸化膜を除去して後退させる等方性エッチング工程と、
前記等方性エッチング工程後に前記トレンチ深部の内壁に露出している前記半導体基板を熱処理して前記トレンチ深部の内壁に第３酸化膜を形成する第３酸化膜形成工程と、
前記第３酸化膜形成工程後に前記トレンチ浅部とトレンチ深部の内部に多結晶シリコンを堆積させる堆積工程と、
前記窒化膜をマスクとして前記多結晶シリコンを異方性エッチングして前記トレンチ浅部とトレンチ深部の内部に堆積した多結晶シリコンの表面の一部に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記多結晶シリコンを熱処理して前記凹部の表面に第４酸化膜を形成する第４酸化膜形成工程と、
前記第４酸化膜形成工程後に前記窒化膜を除去する工程を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記等方性エッチング工程で、第３酸化膜形成工程で形成される第３酸化膜の厚みよりも薄く第１酸化膜を等方性エッチングするとともに、前記窒化膜を残留させることを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記凹部形成工程において、前記第４酸化膜形成工程で前記凹部の側方に位置する多結晶シリコンが第４酸化膜形成工程で酸化物に変化し、しかも第４酸化膜形成工程で前記凹部が酸化物で充填される大きさの凹部を形成することを特徴とする請求項１または２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、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
隣接する素子形成領域の間に素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置の開発が進められている。素子分離用のトレンチを形成することによって、素子間の相互作用の発生を防止しながら、高集積化、高耐圧化などを実現することができる。
【０００３】
図１５〜２２に、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置２００の従来の製造方法の一例を示す。
図１５に示すように、少なくとも隣接する素子形成領域３２、３２の間の領域３４（以下、素子分離領域３４と記載する）に位置するシリコン基板５２の表面を覆う第１シリコン酸化膜５４を形成する。第１シリコン酸化膜５４は、ＬＯＣＯＳ法によって形成されており、素子分離領域３４で厚く形成されている。
次に、図１６に示すように、第１シリコン酸化膜５４の表面にシリコン窒化膜５６を形成する。さらにシリコン窒化膜５６の表面に、素子分離領域３４内を伸びる開孔６１を持つレジスト膜６０を形成する。
次に、図１７に示すように、レジスト膜６０をマスクにしてシリコン窒化膜５６と第１シリコン酸化膜５４を異方性エッチングしてシリコン基板５２に至るトレンチ浅部６２ａを形成する
次に、図１８に示すように、シリコン窒化膜５６をマスクにしてシリコン基板５２を異方性エッチングしてシリコン基板５２内を伸びるトレンチ深部６２ｂを形成する。図１７と図１８に示す工程によって、トレンチ６２が形成される。
【０００４】
次に、図１９に示すように、トレンチ６２の内壁に露出しているシリコン基板５２を熱処理してトレンチ６２の内壁に第３シリコン酸化膜６４を形成する。
次に、図２０に示すように、トレンチ６２の内部に多結晶シリコン６６を堆積させる。
次に、シリコン窒化膜５６をマスクとして多結晶シリコン６６を異方性エッチングしてトレンチ６２の内部に堆積した多結晶シリコン６６の表面を第１シリコン酸化膜５４の下方に窪ませる。すなわち凹部６８を形成する。
次に、図２１に示すように、多結晶シリコン６６を熱処理して多結晶シリコン６６の表面に第４シリコン酸化膜７０を形成する。
次に、図２２に示すように、シリコン窒化膜５６を除去することで、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置２００を製造することができる。素子分離領用のトレンチ内には、導電性の多結晶シリコン６６が絶縁性の酸化シリコン膜５４、６４、７０で覆われた状態で収容される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の製造方法で製造した半導体装置２００では、シリコン基板５２と第１シリコン酸化膜５４の界面に、第３シリコン酸化膜６４の厚みが薄い部分（図２０に示す参照符号７２）が存在する。これは、熱酸化の際に酸化膜の表面は熱酸化されないため、シリコン基板５２と第１シリコン酸化膜５４の界面に近づくにつれて第３シリコン酸化膜６４が成長しにくくなるためである。このように第３シリコン酸化膜６４の厚みが薄い部分７２が存在すると、半導体装置２００の耐圧が低下する可能性がある。
【０００６】
さらに、半導体装置２００では、多結晶シリコン６６と第１シリコン酸化膜５４の界面に第４シリコン酸化膜７０の厚みが薄い部分（図２２に示す参照符号７４）が存在する。すなわち、素子分離用トレンチの表面の両側に窪みが生じる。これは多結晶シリコン６６を異方性エッチングして形成する凹部６８の側壁に、第１シリコン酸化膜５４が存在するためである。凹部６８の側壁がシリコン酸化膜で覆われていると、凹部６８の側壁に近づくにつれて第４シリコン酸化膜７０が成長しにくくなる。このように第４シリコン酸化膜７０の厚みが薄い部分７４が存在すると、トレンチ６２の表面に電極を形成した際に、電極を形成する金属がシリコン基板５２に達して短絡する可能性がある。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決する。すなわち、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置において、トレンチの壁を覆う酸化膜の厚みが薄い部分が存在せず、素子分離用のトレンチ形成部分の表面が平坦な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】
本発明では、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置を製造する方法を提供する。
本発明の製造方法では、半導体基板の表面に第１酸化膜を形成する。第１酸化膜は、少なくとも素子分離領域の表面を覆うように形成する。第１酸化膜が素子形成領域の表面までをも覆っていてもよい。
本方法では、第１酸化膜の表面に窒化膜を形成する。窒化膜は酸化されない材料であればよい。窒化膜は少なくとも素子分離領域の表面を覆うように形成する。
本方法では、窒化膜の表面に第２酸化膜を形成する。第２酸化膜は少なくとも素子分離領域の表面を覆うように形成する。
本方法では、第２酸化膜の表面に、素子分離領域内を伸びる開孔を持つレジスト膜を形成する。開孔は素子分離領域に沿って縦方向または横方向に連続して伸びている。
【０００９】
本方法では、レジスト膜をマスクにして第２酸化膜と窒化膜と第１酸化膜を異方性エッチングして半導体基板に至るトレンチ浅部を形成する（トレンチ浅部形成工程）。その後、表面のレジスト膜を除去してもよい。
本方法では、第２酸化膜をマスクにして半導体基板を異方性エッチングして半導体基板内を伸びるトレンチ深部を形成する（トレンチ深部形成工程）。トレンチ浅部形成工程とトレンチ深部形成工程によってトレンチが形成される。
【００１０】
本方法では、トレンチを形成した後に酸化膜を等方性エッチングして第２酸化膜を除去するとともにトレンチ浅部の側壁に露出している範囲の第１酸化膜を除去して後退させる（等方性エッチング工程）。等方性エッチング工程では、第２酸化膜が完全に除去される。第１酸化膜のトレンチ浅部の側壁に露出している範囲が除去され、トレンチ開孔部の窒化膜の張り出し部分よりも後退する。トレンチの内部では第１酸化膜が後退した部分に半導体基板の表面が露出する。
本方法では、等方性エッチング工程後にトレンチ深部の内壁に露出している半導体基板を熱処理してトレンチ深部の内壁に第３酸化膜を形成する（第３酸化膜形成工程）。半導体基板の表面が露出している部分では上面からも酸素が供給される。そのため、半導体基板と第１酸化膜の界面ではトレンチの側壁から横方向へ伸びる熱酸化が進行しやすい。その結果、半導体基板と第１酸化膜の界面では第１酸化膜と第３酸化膜が垂直方向に重なる部分が形成される。
【００１１】
本方法では、第３酸化膜形成工程後にトレンチの内部に多結晶シリコンを堆積させる（堆積工程）。トレンチを充填した多結晶シリコンはさらに窒化膜の表面上にも堆積する。
本方法では、窒化膜をマスクとして多結晶シリコンを異方性エッチングしてトレンチの内部に堆積した多結晶シリコンの表面の一部に凹部を形成する（凹部形成工程）。堆積した多結晶シリコンをエッチバックすることにより、オーバーエッチングした部分に凹部が形成される。表面には窒化膜の張り出しが形成されているため、窒化膜の開孔をマスクとして異方性エッチングすると凹部の側壁には多結晶シリコンが存在する。
【００１２】
本方法では、多結晶シリコンを熱処理して凹部の表面に第４酸化膜を形成する（第４酸化膜形成工程）。凹部の内壁は全て多結晶シリコンで形成されている。そのため、熱酸化の際に凹部の底面からのみではなく側壁からも熱酸化が進行する。その結果、凹部は第４酸化膜で充填され、トレンチの表面が平坦になる。
本方法では、第４酸化膜形成工程後に窒化膜を除去する。
上記の結果、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置において、トレンチの壁を覆う酸化膜の厚みが薄い部分が存在せず、素子分離用のトレンチ形成部分の表面が平坦な半導体装置を製造することができる。
【００１３】
本方法では、等方性エッチング工程で、第３酸化膜形成工程で形成される第３酸化膜の厚みよりも薄く第１酸化膜を等方性エッチングするとともに、窒化膜を残留させることが好ましい。第３酸化膜形成工程で形成される第３酸化膜が、等方性エッチング工程でエッチングする第１酸化膜のエッチング距離より小さい場合、半導体基板と第１酸化膜の界面で第１酸化膜と第３酸化膜が重ならない可能性がある。その結果、第３酸化膜の厚みが薄い部分が形成されてしまう。さらに、等方性エッチング工程で窒化膜を残留させない場合、表面に窒化膜の張り出しが形成されない。その結果、凹部形成工程後の凹部の側壁が多結晶シリコンではなく第１酸化膜となり、熱酸化の際に凹部の側壁近傍で第４酸化膜が成長しにくくなる可能性がある。上記要件を満たしていると、第１酸化膜と第３酸化膜の境界で十分な厚みの酸化膜が成長し、トレンチの上面を覆う酸化膜が平坦化する。
【００１４】
本方法では、凹部形成工程において、凹部の側方に位置する多結晶シリコンが酸化物に変化し、しかも第４酸化膜形成工程で凹部が酸化物で充填される大きさの凹部を形成することが好ましい。凹部が酸化物で充填される大きさでない場合、第４酸化膜が凹部の大きさに対して不十分あるいは過剰となり、表面が平坦に形成されない可能性が残る。凹部が酸化物で充填される大きさであれば、凹部が酸化物で充填され、トレンチの表面が平坦に形成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法によると、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置であって、トレンチの壁を覆う酸化膜の厚みが薄い部分が存在しない半導体装置を製造することができる。さらに、素子分離用のトレンチ形成部分の表面が平坦な半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）  素子形成領域の間に位置する素子分離領域に厚いフィールド酸化膜を形成するとともに、そのフィールド酸化膜が形成されている範囲に素子分離用のトレンチを形成する。
【実施例】
【００１７】
（第１実施例）
図１〜図９に、本発明の第１実施例である半導体装置１００の製造方法を示す。
まず、図１に示すように、隣接する素子形成領域３２、３２の間に位置する素子分離領域３４のシリコン基板２の表面にＬＯＣＯＳ法によって第１シリコン酸化膜４（フィールド酸化膜４）を形成する。第１シリコン酸化膜４は、素子形成領域３２で薄く、素子分離領域３４で厚い。
次に、図２に示すように、第１シリコン酸化膜４の表面に気相成長法によってシリコン窒化膜６を形成する。
次に、シリコン窒化膜６の表面に気相成長法によって第２シリコン酸化膜８を形成する。
次に、図２に示すように、第２シリコン酸化膜８の表面に、素子分離領域３４内を伸びる開孔１１を持つレジスト膜１０を形成する。
次に、図３に示すように、レジスト膜１０をマスクにして、第２酸化膜８とシリコン窒化膜６と第１シリコン酸化膜４を異方性エッチングしてシリコン基板２に至るトレンチ浅部１２ａを形成する。エッチング材料としては、シリコン酸化物とシリコン窒化物をエッチングできる材料（例えばＣＦ４など）を用いる。その後、アッシングによりレジスト膜１０を除去する。
次に、図４に示すように、表面を覆っている第２シリコン酸化膜８をマスクにして、シリコン基板２を異方性エッチングしてシリコン基板２内を伸びるトレンチ深部１２ｂを形成する。図３と図４に示す工程によってトレンチ１２が形成される。
【００１８】
次に、図５に示すように、トレンチ１２を形成した後に酸化膜４、８をエッチングして第２シリコン酸化膜８を除去するとともに、トレンチ１２の側壁に露出している範囲の第１シリコン酸化膜４を除去して第１シリコン酸化膜４の露出面を後退させる。第２シリコン酸化膜８は完全に除去される。シリコン窒化膜６には、トレンチに臨む部分において、張り出し部分が形成される。このとき、シリコン窒化膜６よりもシリコン酸化膜４、８に対するエッチング選択比が高く、本工程後にシリコン窒化膜４が残存するエッチング材料であれば、シリコン酸化膜４、８がエッチングされるとともにシリコン窒化膜６がエッチングされるエッチング材料を用いてもよい。
次に、図６に示すように、トレンチ１２の内壁に露出しているシリコン基板２を熱処理してトレンチ深部１２の内壁に第３シリコン酸化膜１４を形成する。シリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分では、第３シリコン酸化膜１４と第１シリコン酸化膜４が重なる部分が形成される。すなわちトレンチの内壁から酸化が進行するだけでなく、第１シリコン酸化膜４が後退することで露出したシリコン基板２の上面（図５で示す参照符号２ａ）からも酸化が進行するために、第３シリコン酸化膜１４と第１シリコン酸化膜４の境界に厚い酸化膜が形成される。
【００１９】
次に、トレンチ１２の内部に多結晶シリコン１６を堆積させる。トレンチ１２を充填した多結晶シリコン１６はさらにシリコン窒化膜６の表面上にも堆積する。
次に、図７に示すように、シリコン窒化膜６をマスクとして多結晶シリコン１６を異方性エッチングしてトレンチ１２の内部に堆積した多結晶シリコン１６の表面の一部に凹部１８を形成する。堆積した多結晶シリコン１６をエッチバックすることで、オーバーエッチングした部分に凹部１８が形成される。トレンチ１２の開孔部にはシリコン窒化膜６の張り出しが形成されているため、凹部１８の側壁には多結晶シリコン１６が存在している。
【００２０】
次に、図８に示すように、多結晶シリコン１６を熱処理して凹部１８の表面に第４シリコン酸化膜２０を形成する。凹部１８の内壁は全て多結晶シリコン１６であるため、凹部１８の底面からのみではなく側壁からも熱酸化が進行する。凹部１８は熱酸化によって第４シリコン酸化膜２０で充填される大きさに形成されている。凹部１８は熱処理後に第４シリコン酸化膜２０で充填され、トレンチ１２の表面は平坦に形成される。また凹部１８の側壁も完全に酸化する。
次に、図９に示すように、表面のシリコン窒化膜６を除去する。シリコン窒化膜６の除去方法はドライエッチング法でもよいしウェットエッチング法でもよい。
【００２１】
上記の結果、素子分離用のトレンチが形成されている半導体装置１００を製造することができる。半導体装置１００は、トレンチ１２を覆う第３シリコン酸化膜１４の厚みが薄い部分が存在せず、素子分離用のトレンチ１２形成部分の表面が平坦である。
【００２２】
図１０に、半導体装置１００の一部の斜視図を示す。半導体装置１００は隣接する素子形成領域３２、３２の間に素子分離領域３４が形成されている。表面には素子分離領域３４に沿って縦方向及び横方向に伸びるフィールド酸化膜４が形成されている。トレンチ１２はフィールド酸化膜４の厚い部分に形成されており、導電性の多結晶シリコン１６は接地して用いられる。そのため、隣接する素子形成領域３２、３２の間で電気的な影響を及ぼし合うことがない。
【００２３】
図１１に、半導体装置１００の熱処理前のシリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分の拡大図を示す。参照符号ａは等方性エッチング工程で第１シリコン酸化膜４がエッチングされる距離を示す。
図１２に、半導体装置１００の熱処理後のシリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分の拡大図を示す。参照符号ｂは第４シリコン酸化膜の厚みを示す。
半導体装置１００では、ａとｂの間にｂ×４０％＜ａ＜ｂ×９０％の関係が成り立つ。このとき、図１２に示すように、シリコン基板２と第１シリコン酸化膜が厚く重なる部分２２が形成される。
【００２４】
図１３に、ａがｂ×４０％より小さい場合の熱処理後のシリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分の拡大図を示す。この場合、第１シリコン酸化膜４が後退することによって露出するシリコン基板２の上面の範囲が小さいため、熱酸化の際にシリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分に供給される酸素量が少ない。その結果、熱処理後、図１３に示すように、第１シリコン酸化膜４と第３シリコン酸化膜１４が厚く重なる部分が形成されない。
【００２５】
図１４に、ａがｂ×９０％より大きい場合の熱処理後のシリコン基板２と第１シリコン酸化膜４の界面部分の拡大図を示す。この場合、第１シリコン酸化膜４が後退することによって露出するシリコン基板２の上面の範囲が大きすぎるため、熱処理時にシリコン基板２が側方へ熱酸化されて形成される第３シリコン酸化膜１４が第１シリコン酸化膜４の下面に届かない。その結果、熱処理後、図１４に示すように、第１シリコン酸化膜４と第３シリコン酸化膜１４が厚く重なる部分が形成されない。
【００２６】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、第１酸化膜はＬＯＣＯＳ法で形成したものに限定されない。また第１酸化膜、第２酸化膜はシリコン酸化膜に限定されない。窒化膜はシリコン窒化膜に限定されず、熱処理時に熱酸化されない材料であればよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（１）を示す。
【図２】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（２）を示す。
【図３】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（３）を示す。
【図４】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（４）を示す。
【図５】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（５）を示す。
【図６】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（６）を示す。
【図７】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（７）を示す。
【図８】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（８）を示す。
【図９】第１実施例の半導体装置１００を製造する工程（９）を示す。
【図１０】半導体装置１００の斜視図の一部を示す。
【図１１】半導体装置１００の熱処理前のシリコン基板と第１シリコン酸化膜の界面部分について拡大図を示す。
【図１２】半導体装置１００の熱処理後のシリコン基板と第１シリコン酸化膜の界面部分について拡大図を示す。
【図１３】シリコン基板と第１シリコン酸化膜の界面部分について熱処理後の他の形態を示す。
【図１４】シリコン基板と第１シリコン酸化膜の界面部分について熱処理後の他の形態を示す。
【図１５】従来の半導体装置２００を製造する工程（１）を示す。
【図１６】従来の半導体装置２００を製造する工程（２）を示す。
【図１７】従来の半導体装置２００を製造する工程（３）を示す。
【図１８】従来の半導体装置２００を製造する工程（４）を示す。
【図１９】従来の半導体装置２００を製造する工程（５）を示す。
【図２０】従来の半導体装置２００を製造する工程（６）を示す。
【図２１】従来の半導体装置２００を製造する工程（７）を示す。
【図２２】従来の半導体装置２００を製造する工程（８）を示す。
【符号の説明】
【００２８】
２、５２：シリコン基板
２ａ：シリコン基板の上面
４、５４：第１シリコン酸化膜（フィールド酸化膜）
６、５６：シリコン窒化膜
８、５８：第２シリコン酸化膜
１０、６０：レジスト膜
１１：開孔
１２、６２：トレンチ
１２ａ、６２ａ：トレンチ浅部
１２ｂ、６２ｂ：トレンチ深部
１４、６４：第３シリコン酸化膜
１６、６６：多結晶シリコン
１８、６８：凹部
２０、７０：第４シリコン酸化膜
２２、７２：第３シリコン酸化膜の厚みが薄い部分
３２：素子形成領域
３４：素子分離領域
７４：第４シリコン酸化膜の厚みが薄い部分
１００：実施例１の半導体装置
２００：従来の半導体装置
ａ：等方性エッチング工程でのエッチング距離
ｂ：第３シリコン酸化膜の厚み
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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