JP3141938B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特に半導体装置の溝埋め込み型素子分離領域
の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の溝埋め込み型素子分離領域
の形成においては、素子間を分離するパターンの大き
さ、形状、密度などに依存しないで、ウエハ全面におい
て高い平坦性を有する素子分離領域を形成することが重
要である。

【０００３】このため、酸化膜の平坦化性が高い化学的
機械研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎ
ｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いて素子分離領域
を平坦化する手法が採用されている。

【０００４】しかしながら、この手法では、素子間を分
離するパターンの大きさ、形状、密度などにより埋め込
み酸化膜の研磨速度に差が生じるパターン依存性が発生
する。その結果、チップ内やウエハ面内において素子分
離パターンに凹凸が生じ、素子間でのリーク電流の増大
や耐圧低下という電気特性の劣化が起こることになり、
素子分離領域形成技術としては十分とは言えない。

【０００５】そこで例えば、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏ
ｆ １９９６ ＣＭＰ−ＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ、ｐｐ２４９−２５５．（１９９６）には、パターン
依存性の発生しやすい研磨法において、全体の埋め込み
酸化膜の研磨速度を均一化して凹凸の発生を抑制するこ
とを目的とした、ダミーパターンを用いる手法が開示さ
れている。

【０００６】この従来技術を，以下に図面を参照しなが
ら説明する。図３は、この従来技術を製造工程順に示し
た縦断面図である。

【０００７】まず、図３（ａ）に示すように、シリコン
基板１０１上に厚さ７０〜１００Åの酸化膜１０２、お
よび厚さ１５００〜２０００Åの窒化膜より構成される
ストッパ膜１０３を順次形成する。

【０００８】続いて図３（ｂ）のように、ＰＲやドライ
エッチング等の既知の手法により、後に素子分離パター
ンとなる領域のストッパ膜１０３および酸化膜１０２を
選択的に除去し、さらに露出したシリコン基板１０１を
エッチングして、所定の深さの素子分離溝１０５を開口
する。ストッパ膜１０３および酸化膜１０２の残る領域
は後に素子形成領域となるが、これには半導体装置の動
作には関係しないダミー拡散層１０９が含まれている。

【０００９】続いて、図３（ｃ）のように、素子分離溝
１０５の側壁部を熱酸化して側壁酸化膜１０６を形成
し、さらに素子分離溝１０５を含むシリコン基板１０１
全面にＣＶＤ法により埋め込み酸化膜１０７を堆積し
て、素子分離溝１０５を埋め込む。

【００１０】そして図３（ｄ）のように、化学的機械研
磨法（ＣＭＰ）により埋め込み酸化膜１０７をストッパ
膜１０３が露出するまで研磨・除去し、さらにストッパ
膜１０３および酸化膜１０２を除去して、シリコン基板
の所定の領域に素子形成領域１０８を露出させるもので
ある。

【００１１】このＣＭＰでは、研磨するパターンの大き
さ、形状、密度などにより埋め込み酸化膜の研磨速度に
差が生じるパターン依存性が発生する。これは、研磨パ
ッドの弾性変形やスラリー中の研磨粒子の流動性などに
起因すると言われている。

【００１２】しかしながら、これらの依存性を緩和でき
るように、あらかじめダミー拡散層をパターン内部に配
置することにより、埋め込み酸化膜１０７を研磨する際
のパターン依存性を緩和することができるので、最終的
に素子分離パターンに生じる凹凸の低減には一応の効果
を奏している。しかしながら、それも充分と言うわけで
はなく、パターンによってはディッシングやエロージョ
ンに代表されるような凹部１１０が埋め込み酸化膜に生
じてしまうと言う欠点がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このパターン内部に事
前にダミー拡散層を配置する従来技術の手法は、プロセ
ス技術に対してはプロセスマージンの拡大など、プラス
の因子として働く。一方、逆に回路レイアウトやマスク
設計と言った設計技術分野に対してはマイナスの因子と
して働くと言う問題をもたらしている。というのも、設
計ルールの微細化および回路の大容量化と、チップ面積
低減とを同時に満足しようとした場合、事前に配置する
ダミー拡散層の大きさや形状、配置場所に対する制約が
大きくなるために、回路レイアウトが複雑かつ困難とな
り、またマスク設計に必要な工数も増大するからであ
る。

【００１４】しかも半導体装置の種類によって、ＣＭＰ
に対して効果的なダミー拡散層の大きさ、形状および配
置場所が大きく異なるため、設計技術に対する負荷がさ
らに大きくなることとなる。

【００１５】そのため、半導体装置の微細化にともな
い、ダミー拡散層の配置は、その適用が困難となって行
くという問題を発生する。

【００１６】そこで、本発明の主な目的は、素子分離パ
ターンの大きさ、形状、配置状態（密度）などに依存し
ない、高い平坦化性を有する埋め込み酸化膜の研削・研
磨法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、“研磨のパタ−ン依存性を緩和するよう
なダミ−拡散層をあらかじめパタ−ン内部に配置してお
く”という従来法の構成に対して、“（１）半導体基板
上に酸化膜およびストッパ膜を順次形成する工程と、
（２）ストッパ膜上の、後に素子形成領域となる所定の
領域に、素子領域マスクを形成する工程と、（３）該酸
化膜および該ストッパ膜の所定の領域に該半導体基板の
所定の深さまで達する素子分離溝を開口する工程と、
（４）該素子分離溝の側壁部を酸化する工程と、（５）
該素子分離溝を埋め込み酸化膜により埋設する工程と、
（６）セリウム酸化物の焼結体より構成される砥石と、
セリウム酸化物を主成分とするスラリ−を用いて行なわ
れる機械的研削により該埋め込み酸化膜が平坦化される
まで研削・除去する工程と、（７）続いて化学的機械研
磨により該ストッパ膜が露出するまで該埋め込み酸化膜
を研磨・除去する工程と、（８）該ストッパ膜および該
酸化膜を除去して、該半導体基板の所定領域の表面部を
露出させる工程とを、この順序に有すること”を特徴と
している。

【００１８】すなわち、本発明においては、パターン依
存性の生じやすい化学的機械研磨を行う前に、埋め込み
酸化膜を、パターン依存性が出にくく、平坦化性が高い
機械的研削法によりあらかじめ除去して平坦にする工程
を設けている。この機械的研削工程は、埋め込み酸化膜
をあらかじめ平坦化しておくことにより、パターンのな
い酸化膜を研磨するのと同じ状態にして、研磨のパター
ン依存性を生じさせないという役目を果たしている。

【００１９】従って、どのような大きさ、形状、配置状
態（密度）を有する素子分離パターンにおいても、凹凸
のない平坦化特性が得られるという、本発明の優れた作
用が達成されるのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明方法の実施に際して、スト
ッパ膜は窒化膜あるいは多結晶シリコン膜のいずれかに
より構成されていることが好ましい。

【００２１】また、機械的研削は、好ましくは砥石を用
いて行われる。

【００２２】また、機械的研削は、好ましくはセリウム
酸化物の焼結体より構成される砥石と、セリウム酸化物
を主成分とするスラリーを用いて行われる。

【００２３】また、機械的研削により埋め込み酸化膜を
除去する工程においては、埋め込み酸化膜の研削量が堆
積した埋め込み酸化膜の膜厚よりも５００Åから３００
０Å少ないことが好ましい。

【００２４】本発明の上記および他の目的、特徴および
利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本
発明の実施の形態を以下の実施例により更に詳述する
が、本発明はこれらの実施例に依って限定されるもので
はない。

【００２５】

【実施例】[実施例1]図１を参照すると、この図面には
本発明の一実施例としての製造工程を、製造工程順に示
した縦断面図が示されている。

【００２６】まず図１（ａ）に示すように、シリコン基
板１０１上に厚さ１００Åの酸化膜１０２を熱酸化法に
より形成し、さらにその上層に厚さ１５００Åの窒化膜
より構成されるストッパ膜１０３をＣＶＤ法により形成
した。そしてＰＲ法によりストッパ膜１０３上の、後に
素子形成領域となる所定の領域に、素子領域マスク１０
４を形成した。続いてドライエッチング法により、露出
しているストッパ膜１０３および酸化膜１０２を選択的
に除去し、さらに露出したシリコン基板１０１をエッチ
ングして、深さが３０００〜５０００Åの素子分離溝１
０５を開口した。ストッパ膜１０３および酸化膜１０２
が残る、素子領域マスク１０４で覆われている領域は、
後に素子形成領域となるが、これにはダミーの拡散層な
どは含まれていない。

【００２７】続いて、図１（ｂ）のように、素子領域マ
スク１０４を除去後、素子分離溝１０５の側壁部を熱酸
化法により１００から２００Åの厚みで酸化することに
より側面酸化膜１０６を形成し、さらにＣＶＤ法により
素子分離溝１０５を含むシリコン基板１０１全面に埋め
込み酸化膜１０７を５０００〜７０００Åの厚み堆積し
て、素子分離溝１０５を埋め込んだ。すると埋め込み酸
化膜１０７には下地のパターンを反映した凹凸が生じ
る。

【００２８】そして図１（ｃ）のように、機械的研削法
により埋め込み酸化膜１０７を４０００〜６０００Åの
厚さ分だけ研削・除去して、埋め込み酸化膜１０７上を
平坦化した。この機械的研削法にはシリコンウエハの裏
面研削と同様の装置および手法を用いる。この手法は物
理的な要素により研削が行われるが、研削砥石の弾性変
形量が、化学的機械研磨法（ＣＭＰ）に用いる研磨パッ
ドと比較して極めて少ないことから、パターン依存性が
少なく、高い平坦性を得やすい。しかし研削砥石は機械
的強度も高いため、研削条件によってはスクラッチなど
が発生しやすいので、これについての注意を要する。

【００２９】そしてさらに図１（ｄ）に示すように、化
学的機械研磨法（ＣＭＰ法）により、平坦化された埋め
込み酸化膜１０７の残り１０００Åを研磨し、ストッパ
膜１０３を露出させた。そしてストッパ膜１０３を加熱
したリン酸で、その下層の酸化膜１０２を弗酸により、
それぞれ除去して、シリコン基板１０１上の所定の領域
に素子形成領域１０８を露出させた。

【００３０】このＣＭＰでは、下地の埋め込み酸化膜１
０７が平坦化されているために、研磨のパターン依存性
を生じにくく、また研磨量も少ないため、従来のＣＭＰ
の問題点であったパターン依存性に起因する凹凸の発生
を克服することができる。また、もし仮に研削工程で埋
め込み酸化膜１０７にスクラッチなどの欠陥が発生して
しまった場合でも、このＣＭＰ工程および後工程のウエ
ットエッチング処理により、スクラッチを除去すること
ができる。

【００３１】[実施例2]上記の実施例において、ストッ
パ膜を多結晶シリコン、埋め込み酸化膜の研削工程をス
ラリーを用いる手法で構成することができる。そのため
の構成を、本発明の第２の実施例として、図２に示す。
この図面には本発明の第2の実施例としての製造工程の
施形態を、製造工程順に示した縦断面図が示されてい
る。。 まず図２（ａ）に示すように、シリコン基板１
０１上に厚さ１００Åの酸化膜１０２を熱酸化法により
形成し、さらにその上層に厚さ１５００Åの多結晶シリ
コン膜より構成されるストッパ膜１０３をＣＶＤ法によ
り形成した。そしてＰＲ法によりストッパ膜１０３上
の、後に素子形成領域となる所定の領域に、素子領域マ
スク１０４を形成した。続いてドライエッチング法によ
り、露出しているストッパ膜１０３および酸化膜１０２
を選択的に除去し、さらに露出したシリコン基板１０１
をエッチングして、深さが３０００〜５０００Åの素子
分離溝１０５を開口した。ストッパ膜１０３および酸化
膜１０２が残る、素子領域マスク１０４で覆われている
領域は、後に素子形成領域となるが、これには第１の実
施例の場合と同様にダミーの拡散層は含まれていない。

【００３２】続いて、図２（ｂ）のように、素子領域マ
スク除去後、素子分離溝１０５の側壁部を熱酸化法によ
り１００から２００Åの厚みで酸化して側面酸化膜１０
６を形成し、さらにＣＶＤ法により素子分離溝１０５を
含むシリコン基板１０１全面に埋め込み酸化膜１０７を
５０００〜７０００Åの厚み堆積して、素子分離溝１０
５を埋め込んだ。すると埋め込み酸化膜１０７には下地
のパターンを反映した凹凸が生じる。

【００３３】そして図2（ｃ）のように、機械的研削法
により埋め込み酸化膜１０７を４０００〜６０００Åの
厚さ分だけ研削・除去して、埋め込み酸化膜１０７上を
平坦化した。この機械的研削法は、セリウム酸化物（Ｃ
ｅＯ）の焼結体より構成される円状の砥石と、ＣｅＯを
主成分とするスラリーを用いて行われるもので、シリコ
ン基板１０１がセットされた自転式の研削ステージを水
平方向に移動しながら、１００〜５００ｒｐｍで回転し
ている円状の砥石に接触させ、この接触部分にＣｅＯを
主成分とするスラリーを供給するものである。この手法
は物理的な要素により研削が行われ、また円状焼結体砥
石の研削中における弾性変形量も、化学的機械研磨法
（ＣＭＰ法）に用いる研磨パッドと比較して極めて少な
いことから、パターン依存性が極めて少なく、高い平坦
性を得やすい。しかもスクラッチなどの欠陥も発生しに
くいと言う利点を有する。しかし、この手法では、スト
ッパ膜に対しては、研削の選択比（埋め込み酸化膜とス
トッパ膜の研削速度比）があまり高くないため、ストッ
パ膜による研削量の制御が難しいので、これについての
注意を要する。

【００３４】さらに図２（ｄ）に示すように、化学的機
械研磨法（ＣＭＰ法）により、平坦化された埋め込み酸
化膜１０７の残り１０００Åを研磨し、ストッパ膜１０
３を露出させた。そしてストッパ膜１０３および、その
下層の酸化膜１０２をウエットエッチング法により、そ
れぞれ除去して、シリコン基板１０１上の所定の領域に
素子形成領域１０８を露出させた。

【００３５】このＣＭＰでは、下地の埋め込み酸化膜１
０７が平坦であるために研磨のパターン依存性を生じに
くく、またその研磨量も少ないため、従来のＣＭＰの問
題点であったパターン依存性に起因する凹凸の発生を防
止することができる。また、下層のストッパ膜に対する
研磨の選択比も高いため、研磨量の制御も容易である、
という効果が得られることとなり、本発明の目的が達成
される。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸化膜除去にパターン依存性が極めて少なく、その平坦
化性は極めて高いが、除去量の制御性のあまり高くない
機械的研削法と、酸化膜除去量の制御性は高いが除去特
性にパターンが依存する化学的機械研磨法を、埋め込み
酸化膜の除去段階によって適切に使い分けるという基本
構成に基づき、ダミーの拡散層を使用せずに、パターン
依存性がなく高い平坦性を有する素子分離パターンを、
高い制御性のもとで形成できることを実現した、半導体
装置の溝埋め込み型素子分離領域の製造方法が提供され
る。 なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発
明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更さ
れ得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における製造工程を示す
縦断面図で、（ａ）から（ｄ）へと、その順序を示す。

【図２】本発明の第２の実施例における製造工程を示す
縦断面図で、（ａ）から（ｄ）へと、その順序を示す。

【図３】従来の発明の製造工程を示す縦断面図で、
（ａ）から（ｄ）へと、その順序を示す。

【符号の説明】

１０１ シリコン基板 １０２ 酸化膜 １０３ ストッパ膜 １０４ 素子領域マスク １０５ 素子分離溝 １０６ 側壁酸化膜 １０７ 埋め込み酸化膜 １０８ 素子形成領域 １０９ ダミー拡散層 １１０ 凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/76 H01L 21/304 622 H01L 21/316

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の製造方法であって、 （１）半導体基板上に酸化膜およびストッパ膜を順次形
   成する工程と、 （２）ストッパ膜上の、後に素子形成領域となる所定の
   領域に、素子領域マスクを形成する工程と、 （３）該酸化膜および該ストッパ膜の所定の領域に該半
   導体基板の所定の深さまで達する素子分離溝を開口する
   工程と、 （４）該素子分離溝の側壁部を酸化する工程と、 （５）該素子分離溝を埋め込み酸化膜により埋設する工
   程と、 （６）セリウム酸化物の焼結体より構成される砥石と、
   セリウム酸化物を主成分とするスラリ−を用いて行なわ
   れる機械的研削により該埋め込み酸化膜が平坦化される
   まで研削・除去する工程と、 （７）続いて化学的機械研磨により該ストッパ膜が露出
   するまで該埋め込み酸化膜を研磨・除去する工程と、 （８）該ストッパ膜および該酸化膜を除去して、該半導
   体基板の所定領域の表面部を露出させる工程とを、 この順序に有することを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記ストッパ膜が、窒化膜あるいは多結
   晶シリコン膜のいずれかより構成されることを特徴とす
   る請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記機械的研削により前記埋め込み酸化
   膜を除去する工程において、前記埋め込み酸化膜の研削
   量が堆積した埋め込み酸化膜の膜厚よりも５００Åから
   ３０００Å少ないことを特徴とする請求項１に記載の半
   導体装置の製造方法。