JP4844077B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、トレンチ構造をＭＯＳゲートとして使用する半導体装置の製造方法に関するものである。

トレンチ（溝）構造をＭＯＳゲートとして用いる半導体装置において、トレンチはシリコン基板をその表面からエッチングを行うことで形成される。すると、シリコン基板の表面に形成されるトレンチ開口部のコーナーやシリコン基板の内部に形成されるトレンチ底部のコーナーは、直角、もしくは、鋭角のような角張った形状となることがある。

トレンチ開口部のコーナーやトレンチ底部のコーナーがこのような角張った形状であると、その部分に著しく電界が集中してゲート酸化膜の劣化が進行しやすいため、ゲート酸化膜が絶縁破壊しやすい傾向がある。
さらにはコーナーがこのような角張った形状であると、トレンチ開口部のコーナーやトレンチ底部のコーナー、及び、それらのコーナーの近傍に形成されるゲート酸化膜の膜厚は、それ以外の部分に形成されるゲート酸化膜の膜厚と比べて薄くなることがある。周知の通り、ゲート酸化膜が薄く形成された部分は、ゲート酸化膜が厚く形成された部分に比べて高電界となるため、絶縁破壊しやすい傾向がある。
例えば、特開平７−２６３６９２号公報（特許文献１）には、膜厚が均一なゲート酸化膜を形成するために、予め、トレンチ開口部のコーナーやトレンチ底部のコーナーに丸みを帯びた緩やかな面を形成する発明が開示されている。

特許文献１に開示された発明によると、トレンチ内壁面に犠牲酸化膜を形成する工程をそれぞれ異なる環境の下で２回行うことで、トレンチ開口部のコーナーやトレンチ底部のコーナーに丸みを形成している。

すなわち、第１の犠牲酸化膜を形成する工程は１０００℃以上（第１の温度）の酸素雰囲気中で行われ、これにより主としてトレンチ開口部のコーナーに丸みが形成される。また、第２の犠牲酸化膜を形成する工程は９５０℃（第２の温度）の水蒸気雰囲気中で行われ、これにより主としてトレンチ底部のコーナーに丸みが形成される。
特開平７−２６３６９２号公報

ところで、発明者等の知見によると、第２の犠牲酸化膜８の形成を、特許文献１に記載された温度である９５０℃（第２の温度）で行うと、第２の犠牲酸化膜８がトレンチ開口部のコーナー６ａ近傍で著しく薄膜化する。この時、この第２の犠牲酸化膜形成に伴うシリコンの喰われが、第１の犠牲酸化膜を形成する工程で形成されたトレンチ開口部のコーナー６ａの丸み（曲率半径）が減少するように作用する（図４傍線矢印方向）。

上述した通り、トレンチ開口部のコーナー６ａの丸みが減少するとその部分に著しく電界が集中し、さらにその程度が悪化して直角、もしくは、鋭角のような角張った形状になると、上記に加えて特開平７−２６３６９２号に記載される如く、トレンチ内壁面にゲート酸化膜を形成した時にその膜厚が薄くなり、好ましくない。

そこで、本発明の目的とするところは、トレンチ内壁面に第２の犠牲酸化膜を形成するにあたり、トレンチ開口部のコーナーの丸みを著しく減少することなく、且つ、トレンチ底部のコーナーに丸みをを帯びた緩やかな面を形成することができる半導体装置の製造方法、及び、半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る半導体装置の製造方法は、
シリコン基板にトレンチを形成する第１の工程と、
第１の温度による熱酸化を行って、トレンチの内壁面からシリコン基板の表面に沿って伸延した第１の犠牲酸化膜を膜厚１００ｎｍとなるように形成する第２の工程と、
第１の犠牲酸化膜を除去する第３の工程と、
第３の工程の後に、第２の温度による熱酸化を行って、トレンチの内壁面からシリコン基板の表面に沿って伸延した第２の犠牲酸化膜を膜厚５０ｎｍとなるように形成する第４の工程と、
第２の犠牲酸化膜を除去する第５の工程と、
第２の犠牲酸化膜が除去されたトレンチの内壁面からシリコン基板の表面に沿ってゲート酸化膜を形成する第６の工程とを含み、
第４の工程は、酸素雰囲気中又は水蒸気雰囲気中において行われ、
第１の温度は、１１５０℃であり、
第２の温度は、１０８０℃よりも高く、１１２０℃以下であり、
第２の犠牲酸化膜を形成する前のトレンチ開口部の曲率半径と第２の犠牲酸化膜を形成した後のトレンチ開口部の曲率半径比（第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）は１．０よりも大きく、
第２の犠牲酸化膜を形成する前のトレンチ底部の曲率半径と第２の犠牲酸化膜を形成した後のトレンチ底部の曲率半径比（第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）は１．０よりも大きいことを特徴とする。

これにより、トレンチ開口部のコーナーの丸みを著しく損なうことなく、第２の犠牲酸化膜を形成することができる（第４の工程）。また、トレンチ底部のコーナーに丸みを帯びた緩やかな面が形成される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。

図１（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態における半導体装置の製造方法を工程順に示した半導体装置の断面図である。図１において、参照番号１はシリコン基板、２は熱酸化膜、３はシリコン窒化膜、４はフォトレジスト膜マスク、５はトレンチ形成領域、６はトレンチ、６ａはトレンチ６の開口部のコーナー、６ｂはトレンチ６の底部のコーナー、６ｃはトレンチ６の側壁、６ｄはトレンチ６の底部、７は第１の犠牲酸化膜、８は第２の犠牲酸化膜、９はゲート酸化膜（シリコン酸化膜）を示している。なお、参照番号は付さないが、トレンチ６の開口部のコーナー６ａ、底部のコーナー６ｂ、側壁６ｃ、及び、底部６ｄを総称して、トレンチ６の内壁面と言う。

図１（ａ）に示す工程において、シリコン基板１の表面に、熱酸化により厚さ約５００Å程度の熱酸化膜２（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ等）を形成する。その後、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、熱酸化膜２の全面に、ストッパ層となる厚さ約１５０〜２００ｎｍのシリコン窒化膜３（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）を形成する。

次いで、図１（ｂ）に示す工程において、フォトリソグラフィー工程により、シリコン基板１の表面の半導体素子を形成しようとする活性領域を覆うとともに、トレンチ６を形成しようとする領域を開口したフォトレジスト膜マスク４を形成する。その後、フォトレジスト膜マスク４を用いたドライエッチングにより、シリコン窒化膜３、及び、熱酸化膜２をパターニングして、シリコン基板１のうちトレンチ６を形成しようとする領域５を露出する。

次いで、図１（ｃ）に示す工程において、アッシング等の方法によりフォトレジスト膜マスク４を除去する。その後に、パターンニングされたシリコン窒化膜３をマスクとして、シリコン基板１に対してドライエッチングを施して、シリコン基板１の露出している領域５にシリコン基板１の表面に開口部、シリコン基板１の内部に底部６ｄを備えたトレンチ６を形成する。本工程実施後におけるトレンチ６の拡大図を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すように、トレンチ開口部のコーナー６ａ、及び、トレンチ底部のコーナー６ｂは、共に角張った形状となる。また、トレンチ内壁面には、図示しないダメージ層（多結晶部）が生じている。

次いで、図１（ｄ）に示す工程において、シリコン窒化膜３をリン酸によるエッチングで除去し、その後、熱酸化膜２を希ＨＦ（弗酸）によるエッチングで除去する。なお、熱酸化膜２、及び、シリコン窒化膜３が除去されたことにより、シリコン基板１の表面が露出する。

次いで、図１（ｅ）に示す工程において、酸素雰囲気中の９７０℃以上の第１の温度（例えば、１１５０℃）による熱酸化により、トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に、厚さが５０〜２００ｎｍ程度、例えば、約１００ｎｍの第１の犠牲酸化膜７を形成する。この時、第１の犠牲酸化膜７は、上述したトレンチ６の内壁面に生じたダメージ層（多結晶部）を取り込む。

ここで、第１の温度を９７０度以上と設定したのは、９７０度はトレンチ開口部のコーナー６ａ、及び、その近傍に形成する第１の犠牲酸化膜７がその温度で粘性流動し始めるため、その内部応力が緩和されることで、トレンチ開口部のコーナー６ａに丸みを形成するように作用する温度だからである。なお、本工程においては、第１の温度を１１５０度とした。この温度は、第１の犠牲酸化膜７の粘性流動がさらに活発化するため内部応力が速やかに緩和されて、トレンチ開口部のコーナー６ａに丸みを形成するのに最も好適な温度のためである。

したがって、第１の温度において、第１の犠牲酸化膜７は粘性流動するため、酸化速度の低下を招く内部応力の増加が抑制される。特に、トレンチ開口部のコーナー６ａでは、第１の犠牲酸化膜７の粘性流動による内部応力の緩和を受けて、トレンチ６の側壁６ｃや底部６ｄよりも豊富に酸化剤が供給されることによる酸化速度が速い状態が維持される。すると、第１の犠牲酸化膜７は、トレンチ開口部のコーナー６ａが丸みを帯びた緩やかな面となるように作用する。

この後、トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に形成された第１の犠牲酸化膜７は、希ＨＦ（弗酸）により除去される。この時、第１の犠牲酸化膜７が取り込んだダメージ層（多結晶部）も除去される。すると、トレンチ６の内壁面は平滑化し、後述する図１（ｇ）に示す工程で形成するゲート酸化膜９の膜厚の均一化に寄与する。

本工程実施後におけるトレンチ６の拡大図を図３（ｂ）に示す。トレンチ開口部のコーナー６ａには、丸みを有する緩やかな面が形成されているものの、トレンチ底部のコーナー６ｂは、角張った部分が残っている。

次いで、図１（ｆ）に示す工程において、酸素雰囲気中の第２の温度による熱酸化により、トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に、厚さが５０〜２００ｎｍ程度、例えば、約５０ｎｍとなるように第２の犠牲酸化膜８を形成する。第２の温度は、第２の犠牲酸化膜８に粘性流動が発生するものの、その粘性流動が第１の温度（例えば、１１５０℃）ほど活発ではない温度、例えば、１０５０℃に設定される。

第２の温度をこのように設定することにより、凹コーナーの故にトレンチ６の側壁６ｃや底部６ｄよりも高い内部応力となるトレンチ底部のコーナー６ｂ及びその近傍で、その高い内部応力を緩和しすぎることがないため、トレンチ底部のコーナー６ｂに残っていた角張った部分に丸みを形成できると共に、第１の犠牲酸化膜を形成する工程で形成されたトレンチ開口部のコーナー６ａの丸み（曲率半径）の減少を抑制できる。なお、第２の犠牲酸化膜を形成する雰囲気は酸素雰囲気中に限定されず、例えば、水蒸気雰囲気中でもよい。

この後、トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に形成された第２の犠牲酸化膜８は、希ＨＦ（弗酸）により除去される。

本工程実施後におけるトレンチ６の拡大図を図３（ｃ）に示す。トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に第２の温度で第２の犠牲酸化膜８を形成することにより、トレンチ開口部のコーナー６ａの丸みが著しく減少することなく、トレンチ底部のコーナー６ｂは丸みを有する緩やかな面が形成されている。

次いで、図１（ｇ）に示す工程において、例えば、約１０００℃の酸素雰囲気中で熱酸化を行って、トレンチ６の内壁面、及び、シリコン基板１の表面に、６００Å程度の厚さのゲート酸化膜９を形成する。なお、図１（ａ）〜（ｆ）に示す製造工程を経ているため、本工程において形成するゲート酸化膜９の膜厚は、ほぼ均一となる。

ところで、図１（ｇ）に示す工程後の製造工程についての説明及び図示は省略するが、例えば、Ｐドープポリシリコン膜をＬＰ−ＣＶＤ法を用いてトレンチ６を埋め戻すと共にシリコン基板１の表面に堆積する工程、シリコン基板１の表面に堆積したＰドープポリシリコン膜をフォトレジスト膜マスクを用いてドライエッチングすることで、所望の位置を選択的に除去してゲート電極を形成する工程、ソース・ドレイン、層間絶縁膜、配線、パッシベーション膜を形成する工程等、を経てトレンチ構造をＭＯＳゲートとして使用する半導体装置を完成する。

次に、発明者等が鋭意実験を行って得られた実験結果を図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）について説明する。図２（ａ）は、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程（図１（ｆ）に示す工程）を実施する前後におけるトレンチ底部のコーナー６ｂの曲率半径比（第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）を縦軸に、第２の犠牲酸化膜８を形成するための熱酸化工程を実施する時の温度（第２の温度）を横軸に示したグラフである。

図２（ａ）に示すように、第２の温度が約１１２０℃を超える設定の場合、トレンチ底部のコーナー６ｂの曲率半径比は約１．０である。これは、第２の温度が約１１２０℃を超える環境下において第２の犠牲酸化膜８を形成するための熱酸化工程を行うと、その熱酸化工程を行う前と比べて、トレンチ底部のコーナー６ｂの曲率半径（丸み）は、ほとんど変化しないことを表している。

これに対して、第２の温度を約１１２０℃以下に設定した場合、トレンチ底部のコーナー６ｂの曲率半径比は１．０を超えている。これは、第２の温度が約１１２０℃以下の環境下において、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を行うと、その熱酸化工程を行う前と比べて、トレンチ底部のコーナー６ｂの曲率半径（丸み）が増加することを表している。

つまり、図２（ａ）は、第２の温度にかかわらず、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を行っても、トレンチ底部のコーナー６ｂの丸みが減少することがないことを表している。

続いて、図２（ｂ）について説明する。図２（ｂ）は、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を実施する前後の、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比（第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）を縦軸に、第２の犠牲酸化膜８を形成する工程を実施する時の温度（第２の温度）を横軸に示したグラフである。

図２（ｂ）に示すように、第２の温度を約１０８０℃以下に設定した場合、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比は１．０以下である。これは、例えば、第２の温度を約１０００℃に設定すると、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比は約０．３であり、さらに、第２の温度を約９７０℃以下に設定すると、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比は約０．２である。つまり、図２（ｂ）は、第２の温度を約１０８０℃以下に設定して、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を実施すると、その熱酸化工程を実施する前と比べて、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径（丸み）が減少することを表している。

これに対して、第２の温度が約１０８０℃を超える設定の場合、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比が１．０を超えている。これは、第２の温度を約１０８０℃以上に設定して、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を実施すると、その熱酸化工程を実施する前と比べて、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径（丸み）が増加することを表している。

つまり、図２（ｂ）は、第２の犠牲酸化膜８を形成する熱酸化工程を行うことで、トレンチ開口部のコーナー６ａの丸みの増加、あるいは、丸みの減少は第２の温度に依存することを表している。

そこで、発明者等は、図２（ａ）、及び、図２（ｂ）に示される実験結果に基づいて、第２の犠牲酸化膜８を形成するにあたり、トレンチ底部のコーナー６ｂに丸みを形成しつつ、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径（丸み）が著しく低下することを抑えることができる第２の温度の範囲を、１０００℃以上、１１２０℃以下とし、好ましくは１０００℃以上、１１００℃以下、さらに好ましくは１０００℃以上、１０８０℃以下と設定した。

この温度範囲において第２の犠牲酸化膜８を形成すれば、トレンチ開口部のコーナー６ａの曲率半径比が著しく低下することがない。これにより、電界がゲート酸化膜９の特定の部分に集中して絶縁破壊することを防止できる。さらに、ゲート酸化膜９の劣化の進行を防止できるため、半導体装置の特性や信頼性を高めることもできる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。

本発明の実施形態における半導体装置の製造方法を工程順に示した半導体装置の断面図であり、(ａ）は、シリコン基板に熱酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した図、（ｂ）は、フォトレジストマスクを形成した図、（ｃ）は、トレンチを形成した図、（ｄ）は、マスクを除去してシリコン基板の表面を露出した図、（ｅ）は、第１の犠牲酸化膜を形成した図（ｆ）は、第２の犠牲酸化膜を形成した図、（ｇ）は、ゲート酸化膜を形成した図、である。 第２の犠牲酸化膜を形成する工程を行う時の第２の温度と第２の犠牲酸化膜を形成する工程の前後におけるトレンチの開口部のコーナーの曲率半径比との関係を示した図であり、（ａ）は、第２の犠牲酸化膜を形成する工程の前後におけるトレンチの底部のコーナーの曲率半径比と第２の温度との関連を示したグラフであり、（ｂ）は、第２の犠牲酸化膜を形成する工程の前後におけるトレンチの開口部のコーナーの曲率半径比と第２の温度との関連を示したグラフである。 半導体装置のトレンチの拡大図であり、（ａ）は、第１の犠牲酸化膜を形成する前の図、（ｂ）は第２の犠牲酸化膜を形成する前の図、（ｃ）は第２の犠牲酸化膜を形成、除去した後の図である。 半導体装置のトレンチ開口部のコーナーに角張りが発生する様子を示した、半導体装置の断面図である。

符号の説明

１・・・シリコン基板、２・・・熱酸化膜、３・・・シリコン窒化膜、４・・・フォトレジスト膜マスク、５・・・トレンチ形成領域、６・・・トレンチ、６ａ・・・トレンチ６の開口部のコーナー、６ｂ・・・トレンチ６の底部のコーナー、６ｃ・・・トレンチ６の側壁、６ｄ・・・トレンチ６の底部、７・・・第１の犠牲酸化膜、８・・・第２の犠牲酸化膜、９・・・ゲート酸化膜（シリコン酸化膜）

Claims (1)

1. シリコン基板にトレンチを形成する第１の工程と、
   第１の温度による熱酸化を行って、前記トレンチの内壁面から前記シリコン基板の表面に沿って伸延した第１の犠牲酸化膜を膜厚１００ｎｍとなるように形成する第２の工程と、
   前記第１の犠牲酸化膜を除去する第３の工程と、
   前記第３の工程の後に、第２の温度による熱酸化を行って、前記トレンチの内壁面から前記シリコン基板の表面に沿って伸延した第２の犠牲酸化膜を膜厚５０ｎｍとなるように形成する第４工程と、
   前記第２の犠牲酸化膜を除去する第５の工程と、
   前記第２の犠牲酸化膜が除去された前記トレンチの内壁面から前記シリコン基板の表面に沿ってゲート酸化膜を形成する第６の工程とを含み、
   前記第４の工程は、酸素雰囲気中又は水蒸気雰囲気中において行われ、
   前記第１の温度は、１１５０℃であり、
   前記第２の温度は、１０８０℃よりも高く、１１２０℃以下であり、
   前記第２の犠牲酸化膜を形成する前の前記トレンチ開口部の曲率半径と前記第２の犠牲酸化膜を形成した後の前記トレンチ開口部の曲率半径比（前記第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／前記第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）は１．０よりも大きく、
   前記第２の犠牲酸化膜を形成する前の前記トレンチ底部の曲率半径と前記第２の犠牲酸化膜を形成した後の前記トレンチ底部の曲率半径比（前記第２の犠牲酸化膜を形成した後の曲率半径／前記第２の犠牲酸化膜を形成する前の曲率半径）は１．０よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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