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JP2006140521A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2006140521A
JP2006140521A JP2006002024A JP2006002024A JP2006140521A JP 2006140521 A JP2006140521 A JP 2006140521A JP 2006002024 A JP2006002024 A JP 2006002024A JP 2006002024 A JP2006002024 A JP 2006002024A JP 2006140521 A JP2006140521 A JP 2006140521A
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Japan
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film
trench
semiconductor substrate
manufacturing
oxide film
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Ceased
Application number
JP2006002024A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuyoshi Mizushima
一嘉 水嶌
Kenji Yoneda
健司 米田
Michiichi Matsumoto
道一 松元
Katsuyoshi Kamihisa
勝義 上久
Yasuyuki Kamata
泰幸 鎌田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】 窒化物などの副次的な構成物の形成を防止したトレンチ分離技術を提供し、以て信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板上1にシリコン酸化膜2、ポリシリコン膜3及びシリコン窒化膜4を順次形成した後、トレンチ5を形成する。次に、基板を1050℃でドライ酸化し、トレンチコーナーを丸める。続いて800〜950℃でのパイロ酸化を行うことにより、ドライ酸化でトレンチ5のコーナー部に生じた窒化層10を酸化する。窒化層10はシリコン酸化膜2と同時にフッ酸系エッチ液で除去できるので、ゲート酸化膜8の膜質劣化を防ぐことができる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with improved reliability by providing a trench isolation technique that prevents formation of secondary components such as nitride.
A silicon oxide film 2, a polysilicon film 3, and a silicon nitride film 4 are sequentially formed on a semiconductor substrate 1 and then a trench 5 is formed. Next, the substrate is dry oxidized at 1050 ° C. to round the trench corners. Subsequently, by performing pyro oxidation at 800 to 950 ° C., the nitride layer 10 generated at the corner portion of the trench 5 by dry oxidation is oxidized. Since the nitride layer 10 can be removed simultaneously with the silicon oxide film 2 with a hydrofluoric acid-based etchant, film quality deterioration of the gate oxide film 8 can be prevented.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、トレンチ分離技術を用いた半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a trench isolation technique.

半導体基板にトレンチを形成して素子分離用絶縁膜を形成するSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離技術は、LOCOS(LOcal Oxidation of Silicon)に代わり、頻繁に用いられるようになっている。   An element isolation technique such as STI (Shallow Trench Isolation) for forming a trench in a semiconductor substrate to form an element isolation insulating film is frequently used instead of LOCOS (LOcal Oxidation of Silicon).

このような、トレンチ分離技術を用いた従来の半導体装置の製造方法の一例を図を用いて説明する。   An example of a conventional method for manufacturing a semiconductor device using the trench isolation technique will be described with reference to the drawings.

図10(a)〜(d)及び図11(a)〜(c)は、従来のMOSトランジスタの製造方法の一部を示す断面図である。   10 (a) to 10 (d) and FIGS. 11 (a) to 11 (c) are cross-sectional views showing a part of a conventional MOS transistor manufacturing method.

まず、図10(a)に示す工程で、Si(シリコン)などからなる半導体基板101を準備する。次に、熱酸化法により半導体基板101上に厚さ20nmのシリコン酸化膜102を形成する。続いて、減圧CVD法により、シリコン酸化膜102上に厚さ50nmのポリシリコン膜103を、ポリシリコン膜103上に厚さ150nmのシリコン窒化膜104を順次成長させる。   First, in the step shown in FIG. 10A, a semiconductor substrate 101 made of Si (silicon) or the like is prepared. Next, a silicon oxide film 102 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor substrate 101 by a thermal oxidation method. Subsequently, a 50 nm thick polysilicon film 103 and a 150 nm thick silicon nitride film 104 are sequentially grown on the silicon oxide film 102 by low pressure CVD.

次に、図10(b)に示す工程で、シリコン窒化膜104の上に、半導体装置の素子領域となる領域を被覆し、素子分離領域を開口部とするレジスト膜(図示せず)を形成する。そして、このレジスト膜をマスクとしてプラズマエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜104,ポリシリコン膜103及びシリコン酸化膜102を貫通し、半導体基板101上に設けられた深さ300nmのトレンチ105を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 10B, a resist film (not shown) is formed on the silicon nitride film 104 so as to cover a region to be an element region of the semiconductor device and have an element isolation region as an opening. To do. Then, by performing plasma etching using this resist film as a mask, a trench 105 having a depth of 300 nm provided on the semiconductor substrate 101 is formed through the silicon nitride film 104, the polysilicon film 103, and the silicon oxide film 102. .

次に、図10(c)に示す工程で、レジスト膜を除去した後、基板を1050℃、O2雰囲気下でドライ酸化し、半導体基板101及びポリシリコン膜103のうち、トレンチ105の部分に、SiO2からなる厚さ30nmの被覆酸化膜106を成長させる。ここで、高温下で基板のドライ酸化を行うのは、トレンチ105のコーナー部を「丸める」ためである。より具体的には、トレンチ105のコーナー部を丸めることにより、半導体基板101の曲率半径を十分確保して、鋭角化を防ぐためである。これにより、トレンチ105のコーナー部においても被覆酸化膜106の厚みを均一にできる。また、半導体基板101の曲率半径を十分に確保して電界集中を防止しているので、トレンチのコーナー部分でもゲート絶縁膜108の絶縁耐圧を確保することができる。また、ドライ酸化には、トレンチ105の形成時に損傷を受けた部分を酸化することでリーク電流の低減を図る意味もある。 Next, in the step shown in FIG. 10C, after removing the resist film, the substrate is dry-oxidized at 1050 ° C. in an O 2 atmosphere to form the trench 105 in the semiconductor substrate 101 and the polysilicon film 103. Then, a coating oxide film 106 made of SiO 2 and having a thickness of 30 nm is grown. Here, the reason why the substrate is dry-oxidized at a high temperature is to “round” the corner portion of the trench 105. More specifically, the corner portion of the trench 105 is rounded to ensure a sufficient radius of curvature of the semiconductor substrate 101 and prevent sharpening. Thereby, the thickness of the coating oxide film 106 can be made uniform also in the corner portion of the trench 105. In addition, since the electric field concentration is prevented by sufficiently securing the radius of curvature of the semiconductor substrate 101, the withstand voltage of the gate insulating film 108 can be ensured even at the corner portion of the trench. The dry oxidation also has a meaning of reducing the leakage current by oxidizing the damaged portion when the trench 105 is formed.

ここで、本工程でのドライ酸化の条件について説明する。   Here, conditions for dry oxidation in this step will be described.

図12は、従来のMOSトランジスタの製造方法において、被覆酸化膜の成長条件を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing the growth conditions of the coating oxide film in the conventional MOS transistor manufacturing method.

まず、基板を加熱炉に入れ、図12に示すように、20L/min(2×104mL/min)で窒素(N2)ガスを供給しながら800℃で20分間、基板を処理する。ここで、「基板」とは、半導体基板101とその上に設けられた層の全体を意味している。 First, the substrate is put into a heating furnace, and the substrate is processed at 800 ° C. for 20 minutes while supplying nitrogen (N 2 ) gas at 20 L / min (2 × 10 4 mL / min) as shown in FIG. Here, the “substrate” means the entire semiconductor substrate 101 and the layers provided thereon.

続く期間Aでは、窒素の流量を20L/minとしたまま40分かけて、基板温度を1100℃まで上昇させる。   In the subsequent period A, the substrate temperature is raised to 1100 ° C. over 40 minutes with the nitrogen flow rate kept at 20 L / min.

次に、期間Bでは、窒素の供給を停止し、代わりに流量10L/min(1×104mL/min)で酸素(O2)ガスを供給し、1100℃で10分間基板をドライ酸化する。これにより、トレンチが形成されたポリシリコン膜103の露出部と半導体基板101の露出部が酸化されるとともに、トレンチコーナー部では、この高温での成長によって被覆酸化膜106が粘性流動を起こしてコーナー部における応力を緩和する。この応力緩和によってコーナー部における被覆酸化膜の成長速度の低下を防止でき、半導体基板の角を丸めることができる。
なお、ドライ酸化の温度は、1100℃に限らず1050℃以上あるいは被覆酸化膜106(ここではシリコン酸化膜)の粘性流動温度(1050℃〜1100℃程度)以上であればよく、特にシリコン酸化膜の粘性流動温度より100℃高い温度であれば好ましい。また、酸素と同時に希釈用の窒素やアルゴン(Ar)を供給してもよい。
Next, in period B, supply of nitrogen is stopped, and oxygen (O 2 ) gas is supplied at a flow rate of 10 L / min (1 × 10 4 mL / min) instead, and the substrate is dry-oxidized at 1100 ° C. for 10 minutes. . As a result, the exposed portion of the polysilicon film 103 in which the trench is formed and the exposed portion of the semiconductor substrate 101 are oxidized, and in the trench corner portion, the coating oxide film 106 causes a viscous flow due to the growth at this high temperature. Relieve stress at the part. This stress relaxation can prevent the growth rate of the coating oxide film in the corner portion from being lowered, and the corners of the semiconductor substrate can be rounded.
Note that the temperature of dry oxidation is not limited to 1100 ° C., but may be 1050 ° C. or higher or the viscous flow temperature (about 1050 ° C. to 1100 ° C.) of the coating oxide film 106 (here, silicon oxide film). It is preferable that the temperature is 100 ° C. higher than the viscous flow temperature. Nitrogen or argon (Ar) for dilution may be supplied simultaneously with oxygen.

次に、期間Cでは、酸素の供給を停止し、再び流量20L/minで窒素を供給しながら80分間かけて800℃まで基板温度を下げる。そして、窒素の流量をそのままにして、800℃で20分間保持する。   Next, in period C, the supply of oxygen is stopped, and the substrate temperature is lowered to 800 ° C. over 80 minutes while supplying nitrogen again at a flow rate of 20 L / min. And it hold | maintains at 800 degreeC for 20 minute (s), leaving the nitrogen flow rate as it is.

以上のようにしてドライ酸化が行われる。   Dry oxidation is performed as described above.

ドライ酸化に次いで、図10(d)に示す工程で、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより、基板上に厚さ600nm程度のSiO2膜107を形成する。その後、基板を窒素雰囲気下、1000℃以上で熱処理し、SiO2膜107の応力を十分に緩和する。 Following the dry oxidation, in a step shown in FIG. 10D, a SiO 2 film 107 having a thickness of about 600 nm is formed on the substrate by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. Thereafter, the substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere to sufficiently relax the stress of the SiO 2 film 107.

次いで、図11(a)に示す工程で、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりシリコン窒化膜104が露出するまでSiO2膜107を研磨し、基板上面を平坦化する。これにより、トレンチ105を埋め、SiO2からなる素子分離用絶縁膜107aを形成する。 Next, in the step shown in FIG. 11A, the SiO 2 film 107 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the silicon nitride film 104 is exposed, and the upper surface of the substrate is planarized. Thereby, the trench 105 is filled, and an element isolation insulating film 107a made of SiO 2 is formed.

続いて、図11(b)に示す工程で、リン酸を用いてシリコン窒化膜104を除去した後、NH4OH(アンモニア水)/H22(過酸化水素)混合液を用いてポリシリコン膜103を除去する。次に、半導体基板101の所定の領域に拡散層(図示せず)を形成した後、フッ酸系のエッチング用薬剤を用いてシリコン酸化膜102を除去する。 Subsequently, in the step shown in FIG. 11B, the silicon nitride film 104 is removed using phosphoric acid, and then the mixture is mixed with NH 4 OH (ammonia water) / H 2 O 2 (hydrogen peroxide) mixed solution. The silicon film 103 is removed. Next, after a diffusion layer (not shown) is formed in a predetermined region of the semiconductor substrate 101, the silicon oxide film 102 is removed using a hydrofluoric acid-based etching agent.

次に、図11(c)に示す工程で、半導体基板101上に熱処理などによりゲート絶縁膜108を形成し、ゲート絶縁膜108上にトランジスタのゲート電極109を形成する。この後、イオン注入やサイドウォールの形成など、種々の工程を経て従来のMOSトランジスタが完成する。
特開平08−335668号公報 特開平2001−7194号公報
Next, in a step illustrated in FIG. 11C, the gate insulating film 108 is formed over the semiconductor substrate 101 by heat treatment or the like, and the gate electrode 109 of the transistor is formed over the gate insulating film 108. Thereafter, a conventional MOS transistor is completed through various processes such as ion implantation and sidewall formation.
Japanese Patent Laid-Open No. 08-335668 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-7194

従来の半導体装置の製造方法によれば、上述のように、隣接する活性領域間を電気的に分離することができる。   According to the conventional method for manufacturing a semiconductor device, adjacent active regions can be electrically separated as described above.

ところで、従来の半導体装置の製造方法においては、図10(c)に示す工程で基板をドライ酸化する際、半導体基板101のうちトレンチ105のコーナー部にシリコン窒化物からなる窒化層110が生じる。この窒化層110は、シリコン窒化膜104中に微量に残留するアンモニア(NH3)が被覆酸化膜106の形成時に脱離し、半導体基板101と反応することにより生じると考えられる。 By the way, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device, when the substrate is dry-oxidized in the step shown in FIG. 10C, a nitride layer 110 made of silicon nitride is formed in the corner portion of the trench 105 in the semiconductor substrate 101. The nitride layer 110 is considered to be generated by a slight amount of ammonia (NH 3 ) remaining in the silicon nitride film 104 being detached during the formation of the coating oxide film 106 and reacting with the semiconductor substrate 101.

窒化層110はフッ酸系の薬液に対して耐性を持つので、図11(b)に示すように、フッ酸系薬液を使用してシリコン酸化膜102の除去と同時に窒化層110を除去することができない。このため、ゲート絶縁膜108は窒化層110上に成長することになる。すると、ゲート絶縁膜108のうち窒化層110の上の部分は膜厚が薄くなるなどして電界印加時の絶縁耐性が低下し、半導体装置の信頼性が低下するという不具合が生じる。   Since the nitride layer 110 is resistant to a hydrofluoric acid chemical solution, the nitride layer 110 is removed simultaneously with the removal of the silicon oxide film 102 using a hydrofluoric acid chemical solution as shown in FIG. I can't. For this reason, the gate insulating film 108 grows on the nitride layer 110. As a result, a portion of the gate insulating film 108 above the nitride layer 110 is thinned, resulting in a decrease in insulation resistance when an electric field is applied, resulting in a decrease in reliability of the semiconductor device.

窒化層110の形成を阻害する方法として、被覆酸化膜106の成長温度を1000℃以下に抑えることによりシリコン窒化膜104からのNH3の脱離を抑制する方法が考えられる。しかし、この方法によればトレンチ105のコーナーの曲率半径が小さくなって鋭角化し、それによってゲート絶縁膜108の信頼性は低下してしまう。ゲート絶縁膜108の信頼性の低下は、引いては半導体装置の信頼性低下につながる。 As a method of inhibiting the formation of the nitride layer 110, a method of suppressing the detachment of NH 3 from the silicon nitride film 104 by suppressing the growth temperature of the covering oxide film 106 to 1000 ° C. or less can be considered. However, according to this method, the radius of curvature of the corner of the trench 105 becomes smaller and sharper, thereby reducing the reliability of the gate insulating film 108. A decrease in the reliability of the gate insulating film 108 leads to a decrease in the reliability of the semiconductor device.

以上のように、従来のトレンチ分離技術によれば、十分な信頼性を有する半導体装置が得られない場合があった。   As described above, according to the conventional trench isolation technique, a semiconductor device having sufficient reliability may not be obtained.

本発明の目的は、半導体基板上に窒化膜など副次的な構成物の形成が防止されたトレンチ分離技術を提供し、以て信頼性を向上させた半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a trench isolation technique in which formation of secondary components such as a nitride film on a semiconductor substrate is prevented, thereby providing a semiconductor device with improved reliability.

本発明の第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(a)と、上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(b)と、上記半導体基板を熱酸化することにより、上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(c)と、上記工程(c)での熱酸化よりも酸化力の強い雰囲気中で上記半導体基板を熱酸化し、上記被覆酸化膜をさらに成長させる工程(d)と、上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(e)とを含んでいる。   According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, there is provided a step (a) of forming a silicon nitride film above a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate, and penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film. (B) forming a trench extending into the semiconductor substrate, and thermally oxidizing the semiconductor substrate to oxidize the inner wall of the trench in the semiconductor substrate and form a coating oxide film surrounding the trench. The step (c), the step (d) in which the semiconductor substrate is thermally oxidized in an atmosphere having a stronger oxidizing power than the thermal oxidation in the step (c) to further grow the coating oxide film, and the trench are insulated. And (e) forming an element isolation insulating film after filling with a body.

この方法により、工程(c)において半導体基板のトレンチのコーナー部に副次的にシリコン窒化膜が形成される場合でも、より酸化力の強い熱酸化によりシリコン窒化膜が酸化されるので、後の工程で半導体基板上のシリコン酸化膜と同時に除去することが可能になる。その結果、素子分離用絶縁膜の形成後に、半導体基板上に膜厚及び膜質が均一なゲート絶縁膜を形成することが可能になる。つまり、本発明の第1の半導体装置の製造方法によれば、ゲート絶縁膜の信頼性を高め、ひいてはMISFETなどのゲート絶縁膜を有する半導体装置の動作の信頼性を向上させることが可能になる。   With this method, even when a silicon nitride film is formed in the corner portion of the trench of the semiconductor substrate in the step (c), the silicon nitride film is oxidized by thermal oxidation having a stronger oxidizing power. In the process, the silicon oxide film on the semiconductor substrate can be removed at the same time. As a result, a gate insulating film having a uniform thickness and film quality can be formed on the semiconductor substrate after the element isolation insulating film is formed. In other words, according to the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is possible to improve the reliability of the gate insulating film and thus improve the operation reliability of the semiconductor device having the gate insulating film such as MISFET. .

上記工程(c)での熱酸化は、酸素を含む乾燥雰囲気中で行われるドライ酸化、水蒸気を含む雰囲気中で行われる熱酸化、または酸素とハロゲンガスを含む熱酸化のうちいずれか1つであり、上記半導体基板の温度を1050℃以上1200℃以下にして行なうことにより、副次的に生じた窒化膜を速やかに酸化することができる。また、工程(b)でトレンチの内壁に生じた結晶欠陥を修復すると共に被覆酸化膜の厚みを均一化し、トレンチのコーナー部を丸めることができる。   The thermal oxidation in the step (c) is any one of dry oxidation performed in a dry atmosphere containing oxygen, thermal oxidation performed in an atmosphere containing water vapor, or thermal oxidation containing oxygen and a halogen gas. In addition, when the temperature of the semiconductor substrate is set to 1050 ° C. or more and 1200 ° C. or less, the secondary nitride film can be oxidized quickly. In addition, the crystal defects generated on the inner wall of the trench in the step (b) can be repaired, the thickness of the coating oxide film can be made uniform, and the corner of the trench can be rounded.

上記工程(d)での熱酸化は、水素及び酸素を含む雰囲気下で行なうパイロジェニック酸化であることにより、工程(c)においてトレンチのコーナー部に副次的にシリコン窒化物が形成される場合でも、速やかにこのシリコン窒化物を酸化することができる。   When the thermal oxidation in the step (d) is pyrogenic oxidation performed in an atmosphere containing hydrogen and oxygen, silicon nitride is formed in the corner portion of the trench in the step (c). However, this silicon nitride can be oxidized quickly.

上記工程(d)では、雰囲気中にハロゲンガスをさらに含むことにより、被覆酸化膜の成長を進める際に膜厚制御性を向上させることができる。   In the step (d), by further including a halogen gas in the atmosphere, the film thickness controllability can be improved when the growth of the coating oxide film is advanced.

上記工程(d)の熱酸化は、酸素を含む雰囲気中1×105Pa以上の圧力下で、上記半導体基板の温度を700℃以上1000℃以下として行なうことが好ましい。 The thermal oxidation in the step (d) is preferably performed under a pressure of 1 × 10 5 Pa or higher in an oxygen-containing atmosphere at a temperature of the semiconductor substrate of 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

上記工程(d)では、酸素及び水素を含む雰囲気中でのランプアニーリングによって熱酸化を行い、上記酸素と上記水素とを上記半導体基板上で反応させることで酸素ラジカルを生じさせることにより、短時間で強力に酸化することができるので、工程(c)で副次的にシリコン窒化物が生じた場合でも速やかに酸化することができる。   In the step (d), thermal oxidation is performed by lamp annealing in an atmosphere containing oxygen and hydrogen, and oxygen radicals are generated by reacting the oxygen and hydrogen on the semiconductor substrate. Thus, even if silicon nitride is produced as a secondary in step (c), it can be oxidized quickly.

上記工程(d)での上記被覆酸化膜の膜厚の増加分は、5nm以上20nm以下であることにより、半導体基板のうちトレンチのコーナー部にシリコン窒化膜が形成される場合にも該シリコン窒化膜を十分に酸化することができる。   The increase in the thickness of the coating oxide film in the step (d) is not less than 5 nm and not more than 20 nm, so that the silicon nitride film is formed even when a silicon nitride film is formed at the corner of the trench in the semiconductor substrate. The film can be sufficiently oxidized.

本発明の第2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(a)と、上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(b)と、少なくとも酸素及び酸素ラジカルを含む雰囲気下において、上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(c)と、上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(d)とを含んでいる。   According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step (a) of forming a silicon nitride film above a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate, and penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film. (B) forming a trench extending into the semiconductor substrate, and oxidizing the inner wall of the trench in the semiconductor substrate to form a covering oxide film surrounding the trench in an atmosphere containing at least oxygen and oxygen radicals And a step (d) of forming an isolation insulating film after filling the trench with an insulator.

この方法により、工程(c)でシリコン窒化膜にNH3などが残留する場合に、NH3の拡散よりも速やかに被覆酸化膜を形成することができるので、トレンチのコーナー部での窒化物の形成を抑制することができる。このため、素子分離用絶縁膜の形成後に半導体基板上に窒化物が残存することがないので、例えば、膜質の良好なゲート絶縁膜を形成することが可能となる。すなわち、本発明の第2の半導体装置の製造方法によれば、ゲート絶縁膜の信頼性の向上を図ることができる。 According to this method, when NH 3 or the like remains in the silicon nitride film in the step (c), the covering oxide film can be formed more rapidly than the diffusion of NH 3 , so that the nitride at the corner portion of the trench can be formed. Formation can be suppressed. For this reason, since nitride does not remain on the semiconductor substrate after the element isolation insulating film is formed, for example, a gate insulating film with good film quality can be formed. That is, according to the second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the reliability of the gate insulating film can be improved.

上記工程(c)では、水素をさらに含む雰囲気中でのランプアニーリングによって熱酸化を行い、上記酸素と上記水素とを上記半導体基板上で反応させることで上記酸素ラジカルを生じさせることにより、短時間のうちに急速に酸化を行うことができるので、トレンチのコーナー部での窒化物の形成を抑制することができる。   In the step (c), thermal oxidation is performed by lamp annealing in an atmosphere further containing hydrogen, and the oxygen radicals are generated by reacting the oxygen and the hydrogen on the semiconductor substrate. In particular, since oxidation can be performed rapidly, formation of nitrides at the corners of the trench can be suppressed.

上記工程(c)での熱酸化は、オゾンをさらに含む雰囲気中で行なうことによってもトレンチのコーナー部での窒化物の形成を抑制することができる。   The thermal oxidation in the step (c) can also suppress the formation of nitride at the corners of the trench by performing it in an atmosphere further containing ozone.

上記工程(c)で、上記酸素ラジカルは酸素プラズマによって生じさせてもよい。   In the step (c), the oxygen radical may be generated by oxygen plasma.

上記工程(c)では、上記半導体基板の温度を1050℃以上1150℃以下にすることにより、半導体基板のうち、トレンチのコーナー部を丸めることができると共に、成長速度の低下がなく、より均一な膜厚の被覆酸化膜を成長させることができる。   In the step (c), by setting the temperature of the semiconductor substrate to 1050 ° C. or more and 1150 ° C. or less, the corner portion of the trench can be rounded out of the semiconductor substrate, and the growth rate is not lowered and more uniform. A coating oxide film having a thickness can be grown.

本発明の第3の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(a)と、上記工程(a)の後に、N2,Arまたは不活性ガスを含む雰囲気中で上記半導体基板の熱処理を行って上記シリコン窒化膜中に残留するNH3を放出させる工程(b)と、上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(c)と、上記半導体基板を熱酸化することにより上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(d)と、上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(e)とを含んでいる。 According to a third method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step (a) of forming a silicon nitride film over a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate, and N 2 , Ar after the step (a). Or a step (b) of performing a heat treatment of the semiconductor substrate in an atmosphere containing an inert gas to release NH 3 remaining in the silicon nitride film, penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film, and A step (c) of forming a trench extending into the semiconductor substrate, and a step of oxidizing the inner wall of the trench in the semiconductor substrate by thermally oxidizing the semiconductor substrate to form a covering oxide film surrounding the trench (d) And a step (e) of forming an element isolation insulating film after filling the trench with an insulator.

この方法により、工程(b)で窒化層中に残留するNH3を放出させているので、工程(d)において、トレンチのコーナー部に窒化物が副次的に形成されるのを防ぐことができる。 By this method, NH 3 remaining in the nitride layer is released in the step (b), so that in the step (d), it is possible to prevent the nitride from being formed in the corner portion of the trench. it can.

上記工程(b)では、上記半導体基板を1000℃以上1200℃以下で熱処理することが好ましい。   In the step (b), the semiconductor substrate is preferably heat-treated at 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less.

本発明の第1〜第3の半導体装置の製造方法において、上記工程(a)は、上記シリコン酸化膜の形成後、上記シリコン窒化膜の形成前に、上記シリコン窒化膜からの応力を緩和するためのバッファ層を上記シリコン酸化膜の上に形成する工程をさらに含み、且つ、上記シリコン窒化膜を上記バッファ層の上に形成することにより、シリコン酸化膜がシリコン窒化膜からの応力の影響を受けるのを防ぐことができる。   In the first to third methods of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step (a) relieves stress from the silicon nitride film after the formation of the silicon oxide film and before the formation of the silicon nitride film. Forming a buffer layer on the silicon oxide film, and forming the silicon nitride film on the buffer layer, so that the silicon oxide film has an effect of stress from the silicon nitride film. You can prevent it.

また、本発明の第1〜第3の半導体装置の製造方法において、上記バッファ層はポリシリコンまたはアモルファスシリコンから構成されていることが好ましい。   In the first to third semiconductor device manufacturing methods of the present invention, it is preferable that the buffer layer is made of polysilicon or amorphous silicon.

本発明の第4の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方に、リフラクトリー金属からなり、NH3の通過を抑制する機能を有する第1のバリア層を形成する工程(a)と、上記工程(a)の後、上記第1のバリア層の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(b)と、上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(c)と、上記半導体基板を熱酸化することにより上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(d)と、上記工程(d)の後、上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(e)とを含んでいる。 According to a fourth method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a first barrier layer made of refractory metal and having a function of suppressing the passage of NH 3 is formed above a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate. After the step (a) and the step (a), a step (b) of forming a silicon nitride film above the first barrier layer, and penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film, the semiconductor A step (c) of forming a trench extending into the substrate; and a step (d) of oxidizing the inner wall of the trench in the semiconductor substrate by thermally oxidizing the semiconductor substrate to form a covering oxide film surrounding the trench. And after the step (d), a step (e) of forming an element isolation insulating film after filling the trench with an insulator.

この方法により、窒化層にNH3が残留する場合でも、第1のバリア層がNH3の通過を抑制するので、工程(c)において、半導体基板のトレンチのコーナー部に副次的に窒化物が形成するのを防ぐことができる。このため、素子分離用絶縁膜の形成後に半導体基板上に窒化物が残存することがないので、膜質が良好で信頼性の高いゲート絶縁膜を形成することが可能となる。 By this method, even when NH 3 remains in the nitride layer, the first barrier layer suppresses the passage of NH 3 , so in step (c), the nitride is secondarily formed at the corner of the trench of the semiconductor substrate. Can be prevented from forming. For this reason, no nitride remains on the semiconductor substrate after the element isolation insulating film is formed, so that it is possible to form a highly reliable and highly reliable gate insulating film.

上記工程(a)の前に、上記シリコン酸化膜の上に上記シリコン窒化膜からの応力を緩和するためのバッファ層を形成する工程をさらに含むことにより、シリコン酸化膜がシリコン窒化膜からの応力の影響を受けるのを防ぐことができる。   Before the step (a), the method further includes a step of forming a buffer layer on the silicon oxide film to relieve stress from the silicon nitride film, whereby the silicon oxide film receives stress from the silicon nitride film. Can be prevented from being affected.

上記バッファ層はポリシリコンまたはアモルファスシリコンから構成されていることが好ましい。   The buffer layer is preferably made of polysilicon or amorphous silicon.

上記工程(a)の前、上記バッファ層の形成後に、上記バッファ層と上記第1のバリア層とが接触するのを防ぐための第2のバリア層を上記バッファ層の上に形成する工程をさらに含むことにより、バッファ層と第1のバリア層が互いに反応するような場合であってもトレンチのコーナー部に窒化物が形成されるのを防ぐことができる。   Before the step (a), after the buffer layer is formed, a step of forming a second barrier layer on the buffer layer for preventing the buffer layer and the first barrier layer from contacting each other. By further including, even if the buffer layer and the first barrier layer react with each other, nitrides can be prevented from being formed at the corners of the trench.

上記第1のバリア層の材料としてTiを用い、上記第2のバリア層としてTiNを用いることが好ましい。   It is preferable to use Ti as the material of the first barrier layer and TiN as the second barrier layer.

本発明の半導体装置の製造方法では、トレンチを埋める素子分離用絶縁膜を形成する際の被覆酸化膜の形成工程において、基板の処理温度を1050℃以上とするドライ酸化と、これに続けて処理温度を800℃以上950℃以下とするパイロ酸化とを行なう。これにより、ドライ酸化時にトレンチのコーナー部に生じた窒化膜がパイロ酸化時に酸化されるので、半導体基板上のシリコン酸化膜と同時に除去可能となる。その結果、膜質の良好なゲート絶縁膜を形成することができるので、本発明の半導体装置の製造方法によれば、従来よりも信頼性の高い半導体装置を提供することができる。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the formation process of the covering oxide film when forming the insulating film for element isolation filling the trench, the dry oxidation for setting the processing temperature of the substrate to 1050 ° C. or higher and the subsequent processing are performed. Pyrooxidation is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. As a result, the nitride film generated at the corner of the trench during dry oxidation is oxidized during pyro-oxidation, so that it can be removed simultaneously with the silicon oxide film on the semiconductor substrate. As a result, a gate insulating film with good film quality can be formed. Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device with higher reliability than the conventional one can be provided.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態として、ポリシリコン層をバッファ層としてSTIを設けたMOSトランジスタの製造方法を説明する。
(First embodiment)
As a first embodiment of the present invention, a method of manufacturing a MOS transistor provided with an STI using a polysilicon layer as a buffer layer will be described.

図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。   1A to 1D and 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図1(a)に示す工程で、シリコンからなる半導体基板1を準備する。次に、熱酸化法により半導体基板1上に厚さ20nmのシリコン酸化膜2を形成する。続いて、減圧CVD法により、シリコン酸化膜2上に厚さ50nmのポリシリコン膜3を、ポリシリコン膜3上に厚さ150nmのシリコン窒化膜4を順次成長させる。なお、このポリシリコン膜3は、シリコン窒化膜4からの応力を緩和するバッファ層として機能する。   First, in the process shown in FIG. 1A, a semiconductor substrate 1 made of silicon is prepared. Next, a silicon oxide film 2 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a 50 nm thick polysilicon film 3 and a 150 nm thick silicon nitride film 4 are sequentially grown on the silicon oxide film 2 by low pressure CVD. The polysilicon film 3 functions as a buffer layer that relieves stress from the silicon nitride film 4.

次に、図1(b)に示す工程で、シリコン窒化膜4の上に、半導体装置の素子領域となる領域を被覆し、素子分離領域を開口部とするレジスト膜(図示せず)を形成する。そして、このレジスト膜をマスクとしてプラズマエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜4,ポリシリコン膜3及びシリコン酸化膜2を貫通し、半導体基板1上に設けられた深さ300nmのトレンチ5を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 1B, a resist film (not shown) is formed on the silicon nitride film 4 so as to cover a region to be an element region of the semiconductor device and to have an element isolation region as an opening. To do. Then, by performing plasma etching using this resist film as a mask, a trench 5 having a depth of 300 nm provided on the semiconductor substrate 1 is formed through the silicon nitride film 4, the polysilicon film 3, and the silicon oxide film 2. .

次に、図1(c)に示す工程で、レジスト膜を除去した後、基板を加熱炉内にセットする。そして、基板を1050℃、あるいはシリコン酸化膜の粘性流動温度(1050℃以上1100℃以下)よりも0〜100℃程度高い温度に加熱し、O2雰囲気下でドライ酸化する。これによって、半導体基板1及びポリシリコン膜3のうち、トレンチ5が設けられた部分に、SiO2からなる厚さ15nm以上35nm以下の被覆酸化膜6を成長させる。これにより、半導体基板1のうちトレンチ5のコーナー部は丸く加工される。 Next, in the step shown in FIG. 1C, after removing the resist film, the substrate is set in a heating furnace. Then, the substrate is heated to 1050 ° C. or a temperature higher by about 0 to 100 ° C. than the viscous flow temperature (1050 ° C. to 1100 ° C.) of the silicon oxide film, and dry-oxidized in an O 2 atmosphere. Thereby, a coating oxide film 6 made of SiO 2 and having a thickness of 15 nm to 35 nm is grown on the portion of the semiconductor substrate 1 and the polysilicon film 3 where the trench 5 is provided. Thereby, the corner portion of the trench 5 in the semiconductor substrate 1 is processed into a round shape.

また、トレンチ5のコーナー部付近では、半導体基板1とシリコン酸化膜2との間にシリコン窒化物からなる窒化層10が生じる。なお、ドライ酸化はO2雰囲気下で行っているが、窒素やアルゴンでO2を希釈してもよい。 In the vicinity of the corner portion of the trench 5, a nitride layer 10 made of silicon nitride is generated between the semiconductor substrate 1 and the silicon oxide film 2. Although dry oxidation is performed in an O 2 atmosphere, O 2 may be diluted with nitrogen or argon.

次に、図1(d)に示す工程で、800〜950℃で基板のパイロ酸化を行い、本工程により増加する被覆酸化膜の膜厚が5nm以上20nm以下になるまで追加酸化を行う。なお、本明細書で「パイロ酸化」とは、いわゆるパイロジェニック酸化のことを指す。ここで、パイロ酸化におけるSiの酸化速度はドライ酸化での酸化速度に比べて非常に大きいので、窒化層10は酸化される。そのため、図1(d)には窒化層10が示されていない。また、シリコン窒化膜4の露出面も同時に参加されるが、酸化膜の膜厚は十分薄い(〜1nm)ので、図示していない。なお、本工程は、図1(c)に示すドライ酸化と同じ加熱炉内で行われる。   Next, in the step shown in FIG. 1D, the substrate is pyrooxidized at 800 to 950 ° C., and additional oxidation is performed until the film thickness of the coating oxide film increased by this step reaches 5 nm to 20 nm. In this specification, “pyrooxidation” refers to so-called pyrogenic oxidation. Here, since the oxidation rate of Si in pyro-oxidation is much higher than the oxidation rate in dry oxidation, the nitride layer 10 is oxidized. Therefore, the nitride layer 10 is not shown in FIG. Further, the exposed surface of the silicon nitride film 4 is also participated at the same time, but the oxide film thickness is not shown because it is sufficiently thin (˜1 nm). In addition, this process is performed in the same heating furnace as the dry oxidation shown in FIG.1 (c).

ここで、図1(c)に示すドライ酸化と、図1(d)に示すパイロ酸化の条件について説明する。   Here, conditions for dry oxidation shown in FIG. 1C and pyro-oxidation shown in FIG.

図3は、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法において、ドライ酸化及びパイロ酸化の条件を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing conditions for dry oxidation and pyrooxidation in the method of manufacturing a MOS transistor of this embodiment.

まず、基板を加熱炉に入れ、図3に示すように、20L/min(2×104mL/min)の窒素を供給しながら800℃で20分間、基板を処理する。 First, the substrate is put into a heating furnace, and the substrate is processed at 800 ° C. for 20 minutes while supplying nitrogen of 20 L / min (2 × 10 4 mL / min) as shown in FIG.

続く期間Aでは、窒素の流量を20L/minとしたまま40分かけて、基板温度を1100℃まで上昇させる。   In the subsequent period A, the substrate temperature is raised to 1100 ° C. over 40 minutes with the nitrogen flow rate kept at 20 L / min.

次に、期間Bでは、窒素の供給を停止し、代わりに流量10L/min(1×104mL/min)で酸素を供給し、1100℃で10分間基板をドライ酸化する。これにより、トレンチが形成されたポリシリコン膜3の露出部と半導体基板1の露出部が酸化されるとともに、トレンチコーナー部では、この高温での成長によって被覆酸化膜6が粘性流動を起こしてコーナー部における応力を緩和する。この応力緩和によりコーナー部における被覆酸化膜6の成長速度の低下を防止でき、半導体基板1の角を丸めることができる。なお、ドライ酸化の温度は、1100℃に限らず1050℃以上、あるいは被覆酸化膜6(ここではシリコン酸化膜)の粘性流動温度(1050℃〜1100℃程度)より約100℃高い温度で、1200℃以下であることが好ましい。ここで、ドライ酸化の温度が1050℃を下回ると、トレンチのコーナー部に引っ張り応力がかかって薄膜化することがある。また、SiO2の融点が1250℃であることから、製造工程における上限温度は1200℃が好ましい。 Next, in period B, supply of nitrogen is stopped, and oxygen is supplied at a flow rate of 10 L / min (1 × 10 4 mL / min) instead, and the substrate is dry-oxidized at 1100 ° C. for 10 minutes. As a result, the exposed portion of the polysilicon film 3 in which the trench is formed and the exposed portion of the semiconductor substrate 1 are oxidized, and in the trench corner portion, the coating oxide film 6 causes a viscous flow due to the growth at this high temperature. Relieve stress at the part. This stress relaxation can prevent a decrease in the growth rate of the coating oxide film 6 in the corner portion, and the corners of the semiconductor substrate 1 can be rounded. The temperature of dry oxidation is not limited to 1100 ° C., but is 1050 ° C. or higher, or about 100 ° C. higher than the viscous flow temperature (about 1050 ° C. to 1100 ° C.) of the coating oxide film 6 (here, silicon oxide film). It is preferable that it is below ℃. Here, if the temperature of dry oxidation is lower than 1050 ° C., a tensile stress may be applied to the corner portion of the trench, resulting in a thin film. Moreover, since the melting point of SiO 2 is 1250 ° C., the upper limit temperature in the production process is preferably 1200 ° C.

また、酸素と同時に希釈用の窒素やアルゴン(Ar)を供給してもよい。また、水蒸気やハロゲンガス(HCl、Cl2等Clを含むガス)、またはオゾンなどを加えてもよい。ハロゲンガスを加えることで金属系の不純物が取り除かれるので、膜厚制御性が良好になる。 Nitrogen or argon (Ar) for dilution may be supplied simultaneously with oxygen. Further, water vapor, halogen gas (a gas containing HCl such as HCl, Cl 2 ), ozone, or the like may be added. By adding a halogen gas, metal impurities are removed, so that the film thickness controllability is improved.

次に、期間Cでは、酸素の供給を停止し、再び流量20L/minで窒素を供給しながら80分間かけて850℃まで基板温度を下げる。   Next, in period C, the supply of oxygen is stopped, and the substrate temperature is lowered to 850 ° C. over 80 minutes while supplying nitrogen again at a flow rate of 20 L / min.

次いで、期間Dでは、窒素の供給を止め、流量10L/minで酸素を、流量2L/minで水素を加熱炉内にそれぞれ供給する。そして、基板温度を850℃のまま10分間保持し、基板を追加酸化する。これにより、窒化層10が酸化され、フッ酸系の薬剤で除去可能な状態になる。なお、ここでは追加酸化の温度を850℃としているが、700℃以上1000℃以下の温度であれば窒化層10を速やかに酸化できる。なお、1000℃を上限とするのは、この温度を超えると新たに窒化層が生じてしまうからである。また、ここで、水蒸気、ハロゲンガス、オゾンなどを雰囲気中に添加してもよい。   Next, in the period D, supply of nitrogen is stopped, oxygen is supplied at a flow rate of 10 L / min, and hydrogen is supplied into the heating furnace at a flow rate of 2 L / min. Then, the substrate temperature is kept at 850 ° C. for 10 minutes, and the substrate is additionally oxidized. As a result, the nitride layer 10 is oxidized and becomes removable with a hydrofluoric acid chemical. Although the temperature of the additional oxidation is 850 ° C. here, the nitride layer 10 can be oxidized quickly if the temperature is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The upper limit is set to 1000 ° C. because a new nitride layer is formed when the temperature is exceeded. Here, water vapor, halogen gas, ozone, or the like may be added to the atmosphere.

次に、酸素及び水素の供給を停止するとともに窒素を流量20L/minで供給し、10分かけて800℃まで基板温度を下げる。続いて、窒素の流量をそのままにして、800℃で20分間保持する。   Next, supply of oxygen and hydrogen is stopped and nitrogen is supplied at a flow rate of 20 L / min to lower the substrate temperature to 800 ° C. over 10 minutes. Subsequently, the nitrogen flow rate is kept as it is, and the temperature is maintained at 800 ° C. for 20 minutes.

以上のようにして、ドライ酸化及びパイロ酸化が行われる。   As described above, dry oxidation and pyrooxidation are performed.

次に、図2(a)に示す工程で、CVD法などにより、基板上に厚さ600nm程度、あるいはトレンチ5を埋めるのに十分な膜厚のSiO2膜7を形成する。その後、基板を窒素あるいはアルゴン雰囲気下、1000℃以上で熱処理し、SiO2膜7の応力を十分に緩和する。 Next, in the step shown in FIG. 2A, the SiO 2 film 7 having a thickness of about 600 nm or sufficient to fill the trench 5 is formed on the substrate by CVD or the like. Thereafter, the substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher in a nitrogen or argon atmosphere to sufficiently relax the stress of the SiO 2 film 7.

次いで、図2(b)に示す工程で、CMPによりシリコン窒化膜4が露出するまでSiO2膜7を研磨し、基板上面を平坦化する。これにより、トレンチ5を埋め、SiO2からなる素子分離用絶縁膜7aを形成する。 Next, in the step shown in FIG. 2B, the SiO 2 film 7 is polished by CMP until the silicon nitride film 4 is exposed, and the upper surface of the substrate is flattened. As a result, the trench 5 is filled and an element isolation insulating film 7a made of SiO 2 is formed.

続いて、図2(c)に示す工程で、リン酸を用いてシリコン窒化膜4を除去した後、NH4OH/H22混合液を用いてポリシリコン膜3を除去する。次に、半導体基板1の所定の領域に不純物拡散層(図示せず)を形成した後、フッ酸系のエッチング用薬剤を用いてシリコン酸化膜2及び酸化された窒化層10(図示せず)を除去する。 2C, after removing the silicon nitride film 4 using phosphoric acid, the polysilicon film 3 is removed using an NH 4 OH / H 2 O 2 mixed solution. Next, after forming an impurity diffusion layer (not shown) in a predetermined region of the semiconductor substrate 1, a silicon oxide film 2 and an oxidized nitride layer 10 (not shown) using a hydrofluoric acid-based etching agent are used. Remove.

次に、図2(d)に示す工程で、半導体基板1上に熱処理などによりゲート絶縁膜8を形成し、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。この後、イオン注入やサイドウォールの形成など、種々の工程を経て本実施形態のMOSトランジスタが完成する。   Next, in the step shown in FIG. 2D, the gate insulating film 8 is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8. Thereafter, the MOS transistor of this embodiment is completed through various processes such as ion implantation and sidewall formation.

本実施形態のMOSトランジスタの製造方法によれば、ドライ酸化とパイロ酸化とを組み合わせることにより、半導体基板1のうちトレンチのコーナー部を丸めることができ、且つ窒化層10を除去することもできる。   According to the manufacturing method of the MOS transistor of this embodiment, the corner portion of the trench in the semiconductor substrate 1 can be rounded and the nitride layer 10 can be removed by combining dry oxidation and pyrooxidation.

図1(c)に示すドライ酸化工程で一旦は半導体基板1上に窒化層10が形成される。しかし、続くパイロ酸化により窒化層10が酸化されるため、図2(c)に示す工程で窒化層10はシリコン酸化膜2と同時に容易に除去される。そのため、図2(d)に示す工程では厚さの均一なゲート絶縁膜8を形成することができる。この結果、ゲート絶縁膜8のうち素子分離用絶縁膜7a付近からの電流のリークを従来に比べて大幅に低減することができるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   A nitride layer 10 is once formed on the semiconductor substrate 1 in the dry oxidation process shown in FIG. However, since the nitride layer 10 is oxidized by the subsequent pyrooxidation, the nitride layer 10 is easily removed simultaneously with the silicon oxide film 2 in the step shown in FIG. Therefore, the gate insulating film 8 having a uniform thickness can be formed in the step shown in FIG. As a result, the leakage of current from the vicinity of the element isolation insulating film 7a in the gate insulating film 8 can be significantly reduced as compared with the prior art, so that the reliability of the semiconductor device can be improved.

また、本実施形態の半導体装置の製造方法は、MOSトランジスタに限らずゲート絶縁膜がSiO2以外の材料から構成されるMISFETの場合にも非常に有効である。これは、他の実施形態についても同様である。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is very effective not only for MOS transistors but also for MISFETs in which the gate insulating film is made of a material other than SiO 2 . The same applies to other embodiments.

なお、本実施形態のパイロ酸化において、酸素と水素の流量比は5:1となっているが、それ以外の比率であってもよい。   In the pyrooxidation of this embodiment, the flow rate ratio of oxygen to hydrogen is 5: 1, but other ratios may be used.

また、本実施形態の半導体装置の製造方法においては、ポリシリコン膜3をバッファ層として用いたが、アモルファスシリコンなど、これ以外の材料をバッファ層の材料として用いることもできる。さらに、バッファ層を設けないような場合でも本実施形態の方法を用いて信頼性の向上した半導体装置を製造することができる。これは以下の実施形態でも同様である。   In the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the polysilicon film 3 is used as the buffer layer. However, other materials such as amorphous silicon can be used as the buffer layer material. Further, even when the buffer layer is not provided, a semiconductor device with improved reliability can be manufactured using the method of this embodiment. The same applies to the following embodiments.

また、本実施形態の半導体装置の製造方法において、図1(d)に示すパイロ酸化に代えて、1×105Pa以上の高圧下でドライ酸化を行っても窒化層10を酸化することができる。 Further, in the method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment, the nitride layer 10 can be oxidized even if dry oxidation is performed under a high pressure of 1 × 10 5 Pa or more instead of the pyrooxidation shown in FIG. it can.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態として、被覆酸化膜6の形成をランプ加熱を用いた酸化により行なうMOSトランジスタの製造方法を説明する。
(Second Embodiment)
As a second embodiment of the present invention, a description will be given of a method of manufacturing a MOS transistor in which the coating oxide film 6 is formed by oxidation using lamp heating.

図4(a)〜(d)は、本実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程の一部を示す断面図である。なお、図1及び図2と共通の部材については同一の符号で示す。   4A to 4D are cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of the MOS transistor according to this embodiment. In addition, about the member which is common in FIG.1 and FIG.2, it shows with the same code | symbol.

図4(a)に示す工程で、シリコンからなる半導体基板1を準備する。次に、熱酸化法により半導体基板1上に厚さ20nmのシリコン酸化膜2を形成する。続いて、減圧CVD法により、シリコン酸化膜2上に厚さ50nmのポリシリコン膜3を、ポリシリコン膜3上に厚さ150nmのシリコン窒化膜4を順次成長させる。   In the step shown in FIG. 4A, a semiconductor substrate 1 made of silicon is prepared. Next, a silicon oxide film 2 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a 50 nm thick polysilicon film 3 and a 150 nm thick silicon nitride film 4 are sequentially grown on the silicon oxide film 2 by low pressure CVD.

次に、図4(b)に示す工程で、シリコン窒化膜4の上に、半導体装置の素子領域となる領域を被覆し、素子分離領域を開口部とするレジスト膜(図示せず)を形成する。そして、このレジスト膜をマスクとしてプラズマエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜4,ポリシリコン膜3及びシリコン酸化膜2を貫通し、半導体基板1上に設けられた深さ300nmのトレンチ5を形成する。なお、ここまでの工程は第1の実施形態と同様である。   Next, in the step shown in FIG. 4B, a resist film (not shown) is formed on the silicon nitride film 4 so as to cover a region to be an element region of the semiconductor device and to have an element isolation region as an opening. To do. Then, by performing plasma etching using this resist film as a mask, a trench 5 having a depth of 300 nm provided on the semiconductor substrate 1 is formed through the silicon nitride film 4, the polysilicon film 3, and the silicon oxide film 2. . The steps so far are the same as those in the first embodiment.

次に、図4(c)に示す工程で、レジスト膜を除去した後、水素と酸素を供給する条件でRTA(Rapid Thermal Annealing)を行なう。この際の基板温度は1050℃以上1150℃以下であることが好ましい。ここで、基板温度が1050を下回ると被覆酸化膜6の粘性流動が起こりにくく、コーナー部の丸めが不十分になる。また、基板温度は1150℃を超えて1200℃以下であってもよいが、半導体基板において熱応力による歪みが大きくなるため、結晶欠陥が生じやすくなる。   Next, in the step shown in FIG. 4C, after removing the resist film, RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed under the condition of supplying hydrogen and oxygen. In this case, the substrate temperature is preferably 1050 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. Here, when the substrate temperature falls below 1050, the viscous flow of the coating oxide film 6 hardly occurs, and the corner portion is not sufficiently rounded. Further, although the substrate temperature may be higher than 1150 ° C. and 1200 ° C. or lower, distortion due to thermal stress increases in the semiconductor substrate, so that crystal defects are likely to occur.

以上の工程により、被覆酸化膜6が半導体基板1のトレンチ5の内壁部分に形成される。   Through the above steps, the coating oxide film 6 is formed on the inner wall portion of the trench 5 of the semiconductor substrate 1.

ここで、本工程におけるRTAの条件について説明する。   Here, RTA conditions in this step will be described.

図5は、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法において、図4(c)に示すRTAの条件を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing the RTA conditions shown in FIG. 4C in the MOS transistor manufacturing method of the present embodiment.

まず、基板をランプ加熱用装置に入れ、流量10mL/minで酸素を供給し基板温度を400℃で30秒間保持する。   First, the substrate is placed in a lamp heating apparatus, oxygen is supplied at a flow rate of 10 mL / min, and the substrate temperature is held at 400 ° C. for 30 seconds.

次に、図5に示す期間Aでは、酸素の流量を10mL/minとしたまま90秒かけて基板温度を1100℃まで上昇させる。   Next, in period A shown in FIG. 5, the substrate temperature is raised to 1100 ° C. over 90 seconds with the oxygen flow rate kept at 10 mL / min.

続いて、期間Bでは、酸素の流量を10mL/minとしたまま流量5mL/minで水素を供給し、1100℃で300秒間基板の加熱処理を行なう。この時の装置内の圧力は1.33×103Pa以上1.01×105Pa以下(10Torr以上760Torr以下)とする。また、温度範囲は1100℃に限らず、1050℃以上1150℃以下であればよい。また、水素:酸素の流量比(水素流量/酸素流量)も0.05以上0.5以下の範囲にあれば、被覆膜厚のウエハ面内での均一性を良好にできるので、好ましい。 Subsequently, in period B, hydrogen is supplied at a flow rate of 5 mL / min with the oxygen flow rate kept at 10 mL / min, and the substrate is heated at 1100 ° C. for 300 seconds. The pressure in the apparatus at this time is 1.33 × 10 3 Pa or more and 1.01 × 10 5 Pa or less (10 Torr or more and 760 Torr or less). The temperature range is not limited to 1100 ° C., and may be 1050 ° C. or more and 1150 ° C. or less. A hydrogen: oxygen flow rate ratio (hydrogen flow rate / oxygen flow rate) in the range of 0.05 or more and 0.5 or less is preferable because the uniformity of the coating film thickness within the wafer surface can be improved.

ランプ加熱用装置内では加熱炉と違い、基板以外の温度は高温にならないため、供給された酸素と水素は基板の表面に達するまでは反応せず、基板表面で反応して酸素ラジカルを発生する。酸素ラジカルは反応性が非常に高いため、シリコン窒化膜4の露出部、ポリシリコン膜3の露出部、半導体基板1のトレンチ5が設けられた部分などが急速に酸化される。このため、被覆酸化膜6が形成されると同時にトレンチ5のコーナー部が丸められる。   In the lamp heating apparatus, unlike the furnace, the temperature other than the substrate does not become high, so the supplied oxygen and hydrogen do not react until they reach the surface of the substrate, but react on the substrate surface to generate oxygen radicals. . Since the oxygen radical is very reactive, the exposed portion of the silicon nitride film 4, the exposed portion of the polysilicon film 3, the portion where the trench 5 of the semiconductor substrate 1 is provided, etc. are rapidly oxidized. For this reason, the corner portion of the trench 5 is rounded simultaneously with the formation of the coating oxide film 6.

なお、本工程では半導体基板1の酸化速度が十分に速く、且つ加熱時間が短いため、シリコン窒化膜4からのNH3の脱離が生じにくくなっており、半導体基板1とシリコン酸化膜2の間に窒化膜は生じない。仮に、窒化膜が生じたとしても速やかに酸化される。。 In this step, since the oxidation rate of the semiconductor substrate 1 is sufficiently high and the heating time is short, it is difficult for NH 3 to be detached from the silicon nitride film 4. There is no nitride film between them. Even if a nitride film is formed, it is rapidly oxidized. .

次に、期間Cでは、30秒かけて400℃まで基板温度を下げる。この際には、酸素及び水素の供給を停止し、窒素を10mL/minの流量で供給する。そして、窒素の流量を10mL/min、基板温度400℃にしたまま30秒間保持する。   Next, in period C, the substrate temperature is lowered to 400 ° C. over 30 seconds. At this time, supply of oxygen and hydrogen is stopped, and nitrogen is supplied at a flow rate of 10 mL / min. And it hold | maintains for 30 second, making the flow volume of nitrogen 10 mL / min and the substrate temperature of 400 degreeC.

以上のようにして、RTAによる被覆酸化膜6の形成が行われる。   As described above, the coating oxide film 6 is formed by RTA.

次に、図4(d)に示すように、基板上にSiO2を堆積した後、窒素雰囲気下1000℃以上で基板の熱処理をする。次いで、CMPにより基板上面を平坦化してSiO2からなる素子分離用絶縁膜7aを形成する。続いて、リン酸を用いてシリコン窒化膜4を除去した後、NH4OH/H22混合液を用いてポリシリコン膜3を除去する。次に、半導体基板1の所定の領域に不純物拡散層(図示せず)を形成した後、フッ酸系のエッチング用薬剤を用いてシリコン酸化膜2を除去する。次に、半導体基板1上に熱処理などによりゲート絶縁膜8を形成し、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。 Next, as shown in FIG. 4D, after depositing SiO 2 on the substrate, the substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere. Then, an element isolation insulating film 7a of SiO 2 substrate top surface is flattened by CMP. Subsequently, after removing the silicon nitride film 4 using phosphoric acid, the polysilicon film 3 is removed using an NH 4 OH / H 2 O 2 mixed solution. Next, after forming an impurity diffusion layer (not shown) in a predetermined region of the semiconductor substrate 1, the silicon oxide film 2 is removed using a hydrofluoric acid-based etching agent. Next, the gate insulating film 8 is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8.

この後、イオン注入やサイドウォールの形成など、種々の工程を経て本実施形態のMOSトランジスタが完成する。なお、図4(c)以降の工程は、第1の実施形態と同様である。   Thereafter, the MOS transistor of this embodiment is completed through various processes such as ion implantation and sidewall formation. The steps after FIG. 4C are the same as those in the first embodiment.

本実施形態のMOSトランジスタの製造方法によれば、被覆酸化膜6の形成時に半導体基板1のうち、トレンチ5のコーナー部付近に窒化膜が生じないので、ゲート絶縁膜8の膜厚を均一にすることができ、電流のリークなどの不具合を抑制することができる。すなわち、本実施形態の製造方法によれば、信頼性の高いMOSトランジスタを製造することができる。   According to the MOS transistor manufacturing method of the present embodiment, no nitride film is formed near the corner of the trench 5 in the semiconductor substrate 1 when the covering oxide film 6 is formed, so that the gate insulating film 8 has a uniform thickness. It is possible to suppress problems such as current leakage. That is, according to the manufacturing method of this embodiment, a highly reliable MOS transistor can be manufactured.

なお、本実施形態ではMOSトランジスタを製造する例を示したが、同様の方法で信頼性の高いMISトランジスタなどの半導体装置を製造することもできる。   In the present embodiment, an example in which a MOS transistor is manufactured has been described. However, a semiconductor device such as a highly reliable MIS transistor can be manufactured by a similar method.

また、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法では、図4(c)に示す工程で酸素と水素の反応により酸素ラジカルを発生させたが、高周波放電等の手段により(酸素)プラズマを発生させ、そのプラズマ中に含まれる酸素ラジカルを利用してもよい。
酸素プラズマによって酸素ラジカルを発生させてもよい。また、酸素とオゾンを含む雰囲気中で被覆酸化膜6の形成を行なうこともできる。
In the MOS transistor manufacturing method of this embodiment, oxygen radicals are generated by the reaction of oxygen and hydrogen in the step shown in FIG. 4C, but (oxygen) plasma is generated by means such as high-frequency discharge, You may utilize the oxygen radical contained in the plasma.
Oxygen radicals may be generated by oxygen plasma. Further, the coating oxide film 6 can be formed in an atmosphere containing oxygen and ozone.

なお、本実施形態で説明した、RTAによって酸素ラジカルを発生させる酸化方法を、第1の実施形態のパイロ酸化の代わりに用いることもできる。また、酸素プラズマ処理や、オゾンと酸素を含む雰囲気中での処理などによってもドライ酸化により生じた窒化膜10(図1参照)を酸化することができるので、後の工程で窒化膜10を除去することができる。   Note that the oxidation method for generating oxygen radicals by RTA described in this embodiment can be used instead of the pyrooxidation of the first embodiment. Further, since the nitride film 10 (see FIG. 1) generated by dry oxidation can be oxidized by oxygen plasma treatment or treatment in an atmosphere containing ozone and oxygen, the nitride film 10 is removed in a later step. can do.

(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態として、シリコン窒化膜4の形成後の基板に熱処理を加えるMOSトランジスタの製造方法を説明する。
(Third embodiment)
As a third embodiment of the present invention, a method of manufacturing a MOS transistor in which a heat treatment is performed on the substrate after the formation of the silicon nitride film 4 will be described.

図6(a)〜(d)は、本実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程の一部を示す断面図である。   6A to 6D are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing process of the MOS transistor according to this embodiment.

まず、図6(a)に示す工程で、シリコンからなる半導体基板1を準備する。次に、熱酸化法により半導体基板1上に厚さ20nmのシリコン酸化膜2を形成する。続いて、減圧CVD法により、シリコン酸化膜2上に厚さ50nmのポリシリコン膜3を、ポリシリコン膜3上に厚さ150nmのシリコン窒化膜4を順次成長させる。   First, the semiconductor substrate 1 made of silicon is prepared in the step shown in FIG. Next, a silicon oxide film 2 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a 50 nm thick polysilicon film 3 and a 150 nm thick silicon nitride film 4 are sequentially grown on the silicon oxide film 2 by low pressure CVD.

次いで、窒素またはアルゴン雰囲気で基板を1100℃で熱処理し、シリコン窒化膜4中に残留するNH3を外部に放出させる。この熱処理の条件を以下に説明する。 Next, the substrate is heat-treated at 1100 ° C. in a nitrogen or argon atmosphere, and NH 3 remaining in the silicon nitride film 4 is released to the outside. The conditions for this heat treatment will be described below.

図7は、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法において、図6(a)に示す熱処理の条件を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the heat treatment conditions shown in FIG. 6A in the MOS transistor manufacturing method of the present embodiment.

まず、基板を加熱炉に入れ、流量20L/minで窒素を供給し、800℃で20分間保持する。なお、窒素の供給量は、熱処理全体を通して20L/minを維持する。   First, the substrate is put into a heating furnace, nitrogen is supplied at a flow rate of 20 L / min, and held at 800 ° C. for 20 minutes. Note that the supply amount of nitrogen is maintained at 20 L / min throughout the heat treatment.

次いで、基板温度を40分かけて800℃から1100℃まで上昇させる。   Next, the substrate temperature is raised from 800 ° C. to 1100 ° C. over 40 minutes.

続いて、基板温度を1100℃にしたまま30分間熱処理を行なう。これにより、シリコン窒化膜4中に残留していたNH3が脱離が速やかに進む。なお、ここでの基板温度は、1100℃に限らず1000℃以上1200℃以下であればよい。 Subsequently, heat treatment is performed for 30 minutes while keeping the substrate temperature at 1100 ° C. Thereby, the elimination of NH 3 remaining in the silicon nitride film 4 proceeds promptly. Note that the substrate temperature here is not limited to 1100 ° C. and may be 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less.

次に、80分かけて基板温度を1100℃から800℃まで下げる。その後、基板を800℃で20分間処理する。   Next, the substrate temperature is lowered from 1100 ° C. to 800 ° C. over 80 minutes. Thereafter, the substrate is treated at 800 ° C. for 20 minutes.

以上のようにして、基板の熱処理が行われる。なお、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法において、これ以降の工程は従来の方法と同様である。   As described above, the heat treatment of the substrate is performed. In the MOS transistor manufacturing method of this embodiment, the subsequent steps are the same as the conventional method.

すなわち、図6(b)に示す工程で、プラズマエッチングによってシリコン窒化膜4,ポリシリコン膜3及びシリコン酸化膜2を貫通し、半導体基板1上に設けられた深さ300nmのトレンチ5を形成する。   That is, in the step shown in FIG. 6B, a trench 5 having a depth of 300 nm provided on the semiconductor substrate 1 is formed through the silicon nitride film 4, the polysilicon film 3, and the silicon oxide film 2 by plasma etching. .

次に、図6(c)に示す工程で、基板を加熱炉内にセットし、基板を1050℃、あるいはシリコン酸化膜の粘性流動温度よりも約100℃高い温度に加熱し、O2雰囲気下でドライ酸化する。これによって、半導体基板1及びポリシリコン膜3のうち、トレンチ5が設けられた部分に、SiO2からなる厚さ15nm〜35nmの被覆酸化膜6を成長させる。これにより、半導体基板1のうちトレンチ5のコーナー部は丸く加工される。本実施形態においては、図6(a)に示す工程でシリコン窒化膜4中のNH3を脱離させているので、本工程で半導体基板1のトレンチ5のコーナー部に窒化膜を生じることがない。 Next, in the step shown in FIG. 6 (c), the substrate was set in a heating furnace to heat the substrate 1050 ° C., or a temperature higher about 100 ° C. than viscous flow temperature of the silicon oxide film, O 2 atmosphere Oxidize with dry. Thereby, a coating oxide film 6 made of SiO 2 and having a thickness of 15 nm to 35 nm is grown on the portion of the semiconductor substrate 1 and the polysilicon film 3 where the trench 5 is provided. Thereby, the corner portion of the trench 5 in the semiconductor substrate 1 is processed into a round shape. In the present embodiment, NH 3 is removed from the silicon nitride film 4 in the step shown in FIG. 6A, so that a nitride film may be formed at the corner of the trench 5 of the semiconductor substrate 1 in this step. Absent.

次に、図6(d)に示すように、基板上にSiO2を堆積した後、窒素雰囲気のもと、1000℃以上で基板の熱処理をする。次いで、CMPにより基板上面を平坦化してSiO2からなる素子分離用絶縁膜7aを形成する。続いて、リン酸を用いてシリコン窒化膜4を除去した後、NH4OH/H22混合液を用いてポリシリコン膜3を除去する。次に、半導体基板1の所定の領域に不純物拡散層(図示せず)を形成した後、フッ酸系のエッチング用薬剤を用いてシリコン酸化膜2を除去する。次に、半導体基板1上に熱処理などによりゲート絶縁膜8を形成し、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。 Next, as shown in FIG. 6D, after depositing SiO 2 on the substrate, the substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere. Then, an element isolation insulating film 7a of SiO 2 substrate top surface is flattened by CMP. Subsequently, after removing the silicon nitride film 4 using phosphoric acid, the polysilicon film 3 is removed using an NH 4 OH / H 2 O 2 mixed solution. Next, after forming an impurity diffusion layer (not shown) in a predetermined region of the semiconductor substrate 1, the silicon oxide film 2 is removed using a hydrofluoric acid-based etching agent. Next, the gate insulating film 8 is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8.

この後、イオン注入やサイドウォールの形成など、種々の工程を経て本実施形態のMOSトランジスタが完成する。なお、図6(c)以降の工程は、第1及び第2の実施形態と同様である。   Thereafter, the MOS transistor of this embodiment is completed through various processes such as ion implantation and sidewall formation. The processes after FIG. 6C are the same as those in the first and second embodiments.

本実施形態のMOSトランジスタの製造方法によれば、図1(a)に示す工程でシリコン窒化膜4中の残留NH3を放出させているので、図6(c)に示すドライ酸化の際、トレンチ5のコーナー部での窒化膜の形成が防止されている。このため、膜質が良好で、厚さの均一性が良好なゲート絶縁膜8が形成される。その結果、ゲート絶縁膜8の耐圧性の向上が図られるので、従来に比べより信頼性の高いMOSトランジスタが得られる。ここで言う耐圧性の向上とは、絶縁破壊を起こす際の印加電圧、いわゆる初期耐圧の向上と、電界を印加し続けた場合に絶縁破壊に至るまでの時間の延長、いわゆる信頼性の改善との両方を含んでいる。加えて、ゲート絶縁膜8からの電流リークの低減する効果もある。 According to the manufacturing method of the MOS transistor of this embodiment, the residual NH 3 in the silicon nitride film 4 is released in the step shown in FIG. 1A. Therefore, during the dry oxidation shown in FIG. Formation of a nitride film at the corner of the trench 5 is prevented. For this reason, the gate insulating film 8 with good film quality and good thickness uniformity is formed. As a result, the withstand voltage of the gate insulating film 8 is improved, so that a MOS transistor with higher reliability than the conventional one can be obtained. The improvement in breakdown voltage here means improvement in applied voltage at the time of dielectric breakdown, so-called initial breakdown voltage, extension of time until dielectric breakdown when electric field is continuously applied, so-called improvement in reliability. Including both. In addition, there is an effect of reducing current leakage from the gate insulating film 8.

なお、本実施形態ではMOSトランジスタを製造する例を示したが、同様の方法でMISトランジスタを製造することもできる。   In the present embodiment, an example in which a MOS transistor is manufactured is shown, but a MIS transistor can also be manufactured in the same manner.

また、本実施形態の方法を第1または第2の実施形態の方法と組み合わせてより確実に窒化膜の形成を防ぐこともできる。つまり、トレンチ5の形成前に熱処理によってシリコン窒化膜4中のNH3を放出させた後、第1の実施形態の追加酸化や第2の実施形態のRTAなどを行ってもよい。 Further, the formation of the nitride film can be prevented more reliably by combining the method of the present embodiment with the method of the first or second embodiment. That is, NH 3 in the silicon nitride film 4 may be released by heat treatment before the trench 5 is formed, and then additional oxidation in the first embodiment, RTA in the second embodiment, or the like may be performed.

なお、図6(a)に示す熱処理はN2またはアルゴン雰囲気下で行ったが、Heなどの不活性ガス雰囲気で行ってもよい。 The heat treatment shown in FIG. 6A is performed in an N 2 or argon atmosphere, but may be performed in an inert gas atmosphere such as He.

(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態として、シリコン窒化膜4中の下方にNH3の拡散を防止するためのバリア層を設けるMOSトランジスタの製造方法を説明する。
(Fourth embodiment)
As a fourth embodiment of the present invention, a method of manufacturing a MOS transistor in which a barrier layer for preventing diffusion of NH 3 is provided below the silicon nitride film 4 will be described.

図8(a)〜(d)及び図9(a)〜(c)は、本実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程の一部を示す断面図である。   FIGS. 8A to 8D and FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of the MOS transistor according to this embodiment.

まず、図8(a)に示す工程で、シリコンからなる半導体基板1を準備する。次に、熱酸化法により半導体基板1上に厚さ20nmのシリコン酸化膜2を形成する。続いて、減圧CVD法により、シリコン酸化膜2上に厚さ50nmのポリシリコン膜3を成長させる。   First, the semiconductor substrate 1 made of silicon is prepared in the step shown in FIG. Next, a silicon oxide film 2 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a polysilicon film 3 having a thickness of 50 nm is grown on the silicon oxide film 2 by low pressure CVD.

続いて、スパッタ法によりポリシリコン膜3の上に厚さが10nmのTiN(窒化チタン)膜11を、TiN膜11上に厚さ10nmのTi膜12を順次成長させる。そして、減圧CVD法により厚さ150nmのシリコン窒化膜4をTi膜12の上に形成する。ここで、TiN膜11はTi膜12がポリシリコン膜3と反応してサリサイド化すること防止するバリア層として設けられるが、場合によっては設けられないこともある。またTi膜12は、シリコン窒化膜4を成長する際にNH3によってその上面側が窒化されてTiNとなることで、NH3に対するバリア層として機能する。そのため、Ti膜12の膜厚の範囲は5nm〜30nmとする。これは、TiN層を除いてTiの領域が残存できるだけの膜厚である。 Subsequently, a TiN (titanium nitride) film 11 having a thickness of 10 nm is sequentially grown on the polysilicon film 3 and a Ti film 12 having a thickness of 10 nm is sequentially grown on the TiN film 11 by sputtering. Then, a silicon nitride film 4 having a thickness of 150 nm is formed on the Ti film 12 by low pressure CVD. Here, the TiN film 11 is provided as a barrier layer that prevents the Ti film 12 from reacting with the polysilicon film 3 to salicide, but may not be provided in some cases. The Ti film 12 functions as a barrier layer against NH 3 by nitriding the upper surface side with NH 3 to become TiN when the silicon nitride film 4 is grown. Therefore, the film thickness range of the Ti film 12 is 5 nm to 30 nm. This is a film thickness that allows the Ti region to remain except for the TiN layer.

次に、図8(b)に示す工程で、半導体装置の素子領域となる領域を被覆し、素子分離領域を開口部とするレジスト膜(図示せず)をシリコン窒化膜4の上に形成する。そして、このレジスト膜をマスクとしてプラズマエッチングを行うことにより、シリコン窒化膜4、Ti膜12、TiN膜11、ポリシリコン膜3及びシリコン酸化膜2を貫通し、半導体基板1上に設けられた深さ300nmのトレンチ5を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 8B, a resist film (not shown) is formed on the silicon nitride film 4 so as to cover a region to be an element region of the semiconductor device and to have an element isolation region as an opening. . Then, by performing plasma etching using this resist film as a mask, the silicon nitride film 4, the Ti film 12, the TiN film 11, the polysilicon film 3, and the silicon oxide film 2 are penetrated to form a depth provided on the semiconductor substrate 1. A trench 5 having a thickness of 300 nm is formed.

次に、図8(c)に示す工程で、レジスト膜を除去した後、基板を加熱炉内にセットする。そして、基板を1050℃、あるいはシリコン酸化膜の粘性流動温度よりも約100℃高い温度に加熱し、O2雰囲気下でドライ酸化する。これによって、半導体基板1及びポリシリコン膜3のうち、トレンチ5の内壁に、SiO2からなる厚さ15nm〜35nmの被覆酸化膜6を成長させる。これにより、半導体基板1のうちトレンチ5のコーナー部は丸く加工される。なお、ドライ酸化はO2雰囲気下で行っているが、窒素やアルゴンでO2を希釈してもよい。また、被覆酸化膜6の膜厚はトレンチコーナーにおける曲率半径を十分確保できる膜厚であれば15〜35nmの範囲外でもよい。 Next, in the step shown in FIG. 8C, after removing the resist film, the substrate is set in a heating furnace. Then, the substrate is heated to 1050 ° C. or about 100 ° C. higher than the viscous flow temperature of the silicon oxide film, and dry-oxidized in an O 2 atmosphere. Thus, a coating oxide film 6 made of SiO 2 and having a thickness of 15 nm to 35 nm is grown on the inner wall of the trench 5 in the semiconductor substrate 1 and the polysilicon film 3. Thereby, the corner portion of the trench 5 in the semiconductor substrate 1 is processed into a round shape. Although dry oxidation is performed in an O 2 atmosphere, O 2 may be diluted with nitrogen or argon. Further, the film thickness of the coating oxide film 6 may be outside the range of 15 to 35 nm as long as it can secure a sufficient radius of curvature at the trench corner.

本実施形態のMOSトランジスタの製造方法によれば、本工程でシリコン窒化膜から脱離したNH3がTi膜12と反応することによって捕捉されるので、Ti膜12の下方へのNH3の拡散が抑制されている。従って、半導体基板1とシリコン酸化膜2との間での窒化膜の形成も抑制される。 According to the manufacturing method of the MOS transistor of the present embodiment, NH 3 desorbed from the silicon nitride film in this step is trapped by reacting with the Ti film 12, so that NH 3 diffuses below the Ti film 12. Is suppressed. Therefore, formation of a nitride film between the semiconductor substrate 1 and the silicon oxide film 2 is also suppressed.

次に、図8(d)に示す工程で、CVD法などにより、基板上に厚さ600nm程度、あるいはトレンチ5を埋めるのに十分な膜厚のSiO2膜7を形成する。その後、基板を窒素あるいはアルゴン雰囲気下、1000℃以上で熱処理し、SiO2膜7の応力を十分に緩和する。 Next, in the step shown in FIG. 8D, the SiO 2 film 7 having a thickness of about 600 nm or sufficient to fill the trench 5 is formed on the substrate by CVD or the like. Thereafter, the substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher in a nitrogen or argon atmosphere to sufficiently relax the stress of the SiO 2 film 7.

次いで、図9(a)に示す工程で、CMPによりシリコン窒化膜4が露出するまでSiO2膜7を研磨し、基板上面を平坦化する。これにより、トレンチ5を埋め、SiO2からなる素子分離用絶縁膜7aを形成する。 Next, in the step shown in FIG. 9A, the SiO 2 film 7 is polished by CMP until the silicon nitride film 4 is exposed, and the upper surface of the substrate is flattened. As a result, the trench 5 is filled and an element isolation insulating film 7a made of SiO 2 is formed.

続いて、図9(b)に示す工程で、リン酸を用いてシリコン窒化膜4を除去した後、過酸化水素を用いてTi膜12及びTiN膜11を除去する。また、NH4OH/H22混合液を用いてポリシリコン膜3を除去する。次に、半導体基板1の所定の領域に不純物拡散層(図示せず)を形成した後、フッ酸系のエッチング用薬剤を用いてシリコン酸化膜2を除去する。 Subsequently, in the step shown in FIG. 9B, after the silicon nitride film 4 is removed using phosphoric acid, the Ti film 12 and the TiN film 11 are removed using hydrogen peroxide. Further, the polysilicon film 3 is removed using a NH 4 OH / H 2 O 2 mixed solution. Next, after forming an impurity diffusion layer (not shown) in a predetermined region of the semiconductor substrate 1, the silicon oxide film 2 is removed using a hydrofluoric acid-based etching agent.

次に、図2(d)に示す工程で、半導体基板1上に熱処理などによりゲート絶縁膜8を形成し、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。この後、イオン注入やサイドウォールの形成など、種々の工程を経て本実施形態のMOSトランジスタが完成する。   Next, in the step shown in FIG. 2D, the gate insulating film 8 is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8. Thereafter, the MOS transistor of this embodiment is completed through various processes such as ion implantation and sidewall formation.

本実施形態のMOSトランジスタの製造方法によれば、上述のように素子分離用絶縁膜7a付近の半導体基板1上に窒化膜が形成されないので、均一な膜厚と良好な膜質を有するゲート絶縁膜8を設けることが可能になる。このため、ゲート絶縁膜8からのリーク電流が低減され、動作の信頼性が向上したMOSトランジスタを製造することが可能になる。   According to the manufacturing method of the MOS transistor of this embodiment, since the nitride film is not formed on the semiconductor substrate 1 in the vicinity of the element isolation insulating film 7a as described above, the gate insulating film having a uniform film thickness and good film quality. 8 can be provided. For this reason, a leak current from the gate insulating film 8 is reduced, and a MOS transistor with improved operational reliability can be manufactured.

なお、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法において、Ti膜12に代えてTi以外のリフラクトリー金属を用いてもよい。例えば、Ta(タンタル)、Co(コバルト)などのリフラクトリー金属はNH3と反応して窒化物を形成するため、Tiと同様にNH3に対するバリア層の材料とすることができる。 In the MOS transistor manufacturing method of this embodiment, a refractory metal other than Ti may be used instead of the Ti film 12. For example, since refractory metals such as Ta (tantalum) and Co (cobalt) react with NH 3 to form nitrides, they can be used as a material for a barrier layer against NH 3 as with Ti.

また、本実施形態において、ポリシリコン層3を設けない場合でも従来に比べて信頼性の高いゲート絶縁膜を有する半導体装置を製造することができる。この場合には、Ti膜12がシリサイド化されることはないので、TiN膜11の形成を省略することができる。   Further, in the present embodiment, even when the polysilicon layer 3 is not provided, it is possible to manufacture a semiconductor device having a gate insulating film with higher reliability than conventional. In this case, since the Ti film 12 is not silicided, the formation of the TiN film 11 can be omitted.

また、素子分離用絶縁膜の形成時にTi膜12及びTiN膜11を設ける本実施形態の製造方法を、第1〜第3の実施形態と組み合わせてもよい。   Further, the manufacturing method of the present embodiment in which the Ti film 12 and the TiN film 11 are provided at the time of forming the element isolation insulating film may be combined with the first to third embodiments.

(a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、パイロ酸化を行う工程までを示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows to the process of performing pyrooxidation in the manufacturing method of the MOS transistor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、ゲート電極を形成する工程までを示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows to the process of forming a gate electrode in the manufacturing method of the MOS transistor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、ドライ酸化及びパイロ酸化の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of dry oxidation and pyrooxidation in the manufacturing method of the MOS transistor which concerns on 1st Embodiment. (a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程の一部を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the MOS transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、図4(c)に示すRTAの条件を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing RTA conditions shown in FIG. 4C in the MOS transistor manufacturing method according to the second embodiment. (a)〜(d)は、本発明の第3の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程の一部を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the MOS transistor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 第3の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、図6(a)に示す熱処理の条件を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the heat treatment conditions shown in FIG. 6A in the MOS transistor manufacturing method according to the third embodiment. (a)〜(d)は、本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、SiO2膜を形成するまでの工程を示す断面図である。(A) ~ (d) is a method of manufacturing a MOS transistor according to a fourth embodiment of the present invention, it is a cross-sectional view showing the steps required to form a SiO 2 film. (a)〜(c)は、本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法において、ゲート電極を形成するまでの工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the process until it forms a gate electrode in the manufacturing method of the MOS transistor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. (a)〜(d)は、従来のMOSトランジスタの製造方法において、SiO2膜を形成するまでの工程を示す断面図である。(A) ~ (d) is the manufacturing method of the conventional MOS transistor is a sectional view showing the steps required to form a SiO 2 film. (a)〜(c)は、従来のMOSトランジスタの製造方法において、ゲート電極を形成するまでの工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the process until it forms a gate electrode in the manufacturing method of the conventional MOS transistor. 従来のMOSトランジスタの製造方法において、被覆酸化膜の成長条件を示す図である。It is a figure which shows the growth conditions of a coating oxide film in the manufacturing method of the conventional MOS transistor.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 シリコン酸化膜
3 ポリシリコン膜
4 シリコン窒化膜
5 トレンチ
6 被覆酸化膜
7 SiO2
7a 素子分離用絶縁膜
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10 窒化層
11 TiN膜
12 Ti膜
1 semiconductor substrate 2 silicon oxide film 3 polysilicon film 4 silicon nitride film 5 trench 6 coated oxide film 7 SiO 2 film 7a isolation insulating film 8 the gate insulating film 9 gate electrode 10 nitride layer 11 TiN film 12 Ti film

Claims (9)

半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(a)と、
上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(b)と、
少なくとも酸素及び酸素ラジカルを含む雰囲気下において、上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(c)と、
上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(d)とを含む半導体装置の製造方法。
Forming a silicon nitride film above a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate;
Forming a trench penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film and reaching the semiconductor substrate;
A step (c) of oxidizing the inner wall of the trench in the semiconductor substrate and forming a covering oxide film surrounding the trench in an atmosphere containing at least oxygen and oxygen radicals;
And (d) forming a device isolation insulating film after filling the trench with an insulator.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)では、水素をさらに含む雰囲気中でのランプアニーリングによって熱酸化を行い、上記酸素と上記水素とを上記半導体基板上で反応させることで上記酸素ラジカルを生じさせることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
In the step (c), thermal oxidation is performed by lamp annealing in an atmosphere further containing hydrogen, and the oxygen radicals are generated by reacting the oxygen and the hydrogen on the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)での熱酸化は、オゾンをさらに含む雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 2,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thermal oxidation in the step (c) is performed in an atmosphere further containing ozone.
請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)で、上記酸素ラジカルは酸素プラズマによって生じさせることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step (c), the oxygen radical is generated by oxygen plasma.
請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)では、上記半導体基板の温度を1050℃以上1150℃以下にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
In the step (c), the temperature of the semiconductor substrate is set to 1050 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower.
半導体基板上に設けられたシリコン酸化膜の上方にシリコン窒化膜を形成する工程(a)と、
上記工程(a)の後に、N2,Arまたは不活性ガスを含む雰囲気中で上記半導体基板の熱処理を行って上記シリコン窒化膜中に残留するNH3を放出させる工程(b)と、
上記シリコン窒化膜及び上記シリコン酸化膜を貫通し、上記半導体基板内に至るトレンチを形成する工程(c)と、
上記半導体基板を熱酸化することにより上記半導体基板のうち上記トレンチの内壁を酸化し、上記トレンチを囲む被覆酸化膜を形成する工程(d)と、
上記トレンチを絶縁体で埋めてから素子分離用絶縁膜を形成する工程(e)とを含む半導体装置の製造方法。
Forming a silicon nitride film above a silicon oxide film provided on a semiconductor substrate;
(B) after the step (a), performing a heat treatment of the semiconductor substrate in an atmosphere containing N 2 , Ar or an inert gas to release NH 3 remaining in the silicon nitride film;
Forming a trench penetrating the silicon nitride film and the silicon oxide film and reaching the semiconductor substrate;
A step (d) of oxidizing the inner wall of the trench in the semiconductor substrate by thermally oxidizing the semiconductor substrate and forming a covering oxide film surrounding the trench;
And (e) forming an element isolation insulating film after filling the trench with an insulator.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(b)では、上記半導体基板を1000℃以上1200℃以下で熱処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 6,
In the step (b), the semiconductor substrate is heat-treated at 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower.
請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)は、上記シリコン酸化膜の形成後、上記シリコン窒化膜の形成前に、上記シリコン窒化膜からの応力を緩和するためのバッファ層を上記シリコン酸化膜の上に形成する工程をさらに含み、
且つ、上記シリコン窒化膜を上記バッファ層の上に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The step (a) includes a step of forming a buffer layer on the silicon oxide film for relieving stress from the silicon nitride film after forming the silicon oxide film and before forming the silicon nitride film. In addition,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon nitride film is formed on the buffer layer.
請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
上記バッファ層はポリシリコンまたはアモルファスシリコンから構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 8,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the buffer layer is made of polysilicon or amorphous silicon.
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