JP3985537B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜が形成された構成の半導体装置の製造方法に関し、特にゲート絶縁膜の形成前にトレンチ側壁のクリーニング処理およびトレンチコーナー部の丸め処理をおこなうトレンチMOS型半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、トレンチMOS型半導体装置の製造方法として、半導体基板の表面層にトレンチを形成した後、それにつづいてゲート絶縁膜を形成する方法が知られている。図20〜図22は、従来の半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【0003】
従来は、まずシリコン半導体基板1の表面上に所望のパターンのシリコン酸化膜2を形成し、これをマスクとしてトレンチエッチングをおこない、シリコン半導体基板1にトレンチ3を形成する(図20)。このとき、トレンチ側壁にSiO2系の側壁保護膜4が生成されるため、トレンチエッチングにつづいて、HF系エッチング液を用いて側壁保護膜4を除去する。また、シリコン酸化膜2も除去する(図21)。その後、ゲート絶縁膜5を形成し、トレンチ3内を多結晶シリコン6で埋める(図22)。そして、ソース・ドレインの形成等をおこなうことにより、トレンチMOS型半導体装置が形成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の製造方法では、側壁保護膜4を除去するためのエッチング液がトレンチ3内に十分に入り込まないことがあり、側壁保護膜4を完全に取り除くことができず、残渣7として残ることがある。残渣7が残ると、均質のゲート絶縁膜5を形成することができないという問題点がある。
【0005】
また、従来は、トレンチコーナー部の曲率半径が小さく、トレンチコーナー部が尖っており、かつ、トレンチ側壁に凹凸を有するため、ゲート絶縁膜が局所的に薄くなるおそれがある。このように、ゲート絶縁膜に局所的に薄い部分があると、ゲート絶縁膜の耐圧が低くなり、また耐圧のバラツキが大きくなるという問題点がある。これらの原因によって、従来のトレンチMOS型半導体装置の歩留まりは50%以下である。
【0006】
ところで、特開平9−260312号公報には、トレンチエッチング時にトレンチ底面に発生する残渣を低減するため、あらかじめ半導体基板を水素アニール処理して、基板内酸素濃度を低減しておく方法が開示されている。また、特開平10−284588号公報には、トレンチの埋め込み後に水素アニール処理により基板表面を平坦化する方法が開示されている。しかし、いずれの公報も、側壁保護膜の不完全な除去による残渣、またはトレンチ側壁の平坦化については言及していない。
【0007】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、トレンチ側壁にゲート絶縁膜を形成する前に、トレンチ内部の残渣を除去する処理、トレンチ側壁を平坦化する処理、およびトレンチコーナー部を丸める処理を制御性よく、かつ再現性よくおこなうことが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面層にトレンチを形成し、該トレンチの側壁に生成された保護膜を除去した後、該トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を形成する前に、950℃以上1050℃以下の温度で水素アニールをおこない、前記トレンチ側壁のクリーニング処理および前記トレンチコーナー部の丸め処理をおこなうことを特徴とする。
【0009】
この発明によれば、水素アニールによる酸化膜のエッチング作用により、トレンチ内の残渣が除去される。また、水素アニール時の、シリコン原子の表面拡散作用により、トレンチ側壁が平坦化され、またトレンチコーナー部が丸められる。
【0010】
この発明において、トレンチ側壁のクリーニング処理時には、水素の濃度は50%以上100%以下であり、圧力は常圧であり、アニール時間は5秒以上30秒以下であることを特徴とする。この発明によれば、酸化膜に対する十分なエッチング効果が得られる。
【0011】
また、この発明において、トレンチコーナー部の丸め処理時には、水素の分圧は1000ppm以上100%以下であり、圧力は10mTorr以上760Torr以下であり、アニール時間は1分以上10分以下であることを特徴とする。この発明によれば、トレンチにボーイングによる逆テーパーが形成されない範囲で、シリコン原子の表面拡散が起こる。
【0012】
また、この発明において、局所的にシリコン原子の表面拡散を抑制するマスクを設けることを特徴とする。この発明によれば、マスクにより遮蔽されていない領域でシリコン原子の表面拡散が起こり、コーナー部が丸まる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態1.
図1〜図5は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。まず、シリコン半導体基板11に、通常のMOS型半導体装置の形成プロセスにしたがって、図示しないウェル等を形成する。ついで、シリコン半導体基板11の表面上にマスクとなるたとえばシリコン酸化膜12を形成する(図1)。
【0014】
つづいて、シリコン酸化膜12の表面上に、トレンチ形成領域を開口させたパターンのフォトレジスト等のマスクを形成する。このレジストマスクを用いてシリコン酸化膜12のエッチングをおこない、所定のトレンチパターンを有するマスクを形成する(図2)。そして、このマスクを用いて、たとえば反応性イオンエッチング等による異方性エッチングによってシリコン半導体基板11のエッチングをおこない、トレンチ13を形成する。その際、トレンチ側壁にはSiO2系の側壁保護膜14が生成される(図3)。つぎに、HF系エッチング液等を用いてエッチングをおこない、側壁保護膜14およびシリコン酸化膜12を除去する。つづいて、水洗およびスピン乾燥をおこなう。
【0015】
つぎに、常圧で、950℃以上1050℃以下の高温で水素アニール処理を短時間、たとえば5秒以上30秒以下の時間でおこなう。水素アニールによる酸化膜のエッチング作用により、トレンチ内部に取りきれずに残ったSiO2系の残渣、および基板表面やトレンチ内面の自然酸化膜が除去される。このときの水素濃度は、エッチング効果を確保するために50%以上100%以下であるのが望ましい。また、この処理により、トレンチ側壁が平坦化され、側壁表面の荒れの発生が抑制される。また、トレンチエッチング時のダメージの回復も進む。
【0016】
つづいて、10mTorr以上760Torr以下の圧力で、950℃以上1050℃以下の高温で水素アニール処理を1分以上10分以下の時間でおこなう。このときの水素の分圧は1000ppm以上100%以下である。この水素アニール中にシリコン原子の表面拡散が起こり、トレンチ側壁131,132がさらに平坦化するとともに、トレンチコーナー部133,134,135,136が丸まる(図4)。
【0017】
その後、ゲート絶縁膜15を形成し、トレンチ13内に多結晶シリコン16を埋め込む(図5)。そして、特に図示しないが、ソース・ドレインの形成、層間絶縁膜、配線、およびパッシベーション膜を形成することによって、図示しないトレンチMOS型半導体装置が完成する。なお、水素アニール処理前のトレンチ内部に残渣が少ない場合には、後半の水素アニール処理のみで有効である。
【0018】
ここで、残渣を除去するための水素アニール処理を常圧でおこなうのは、酸化膜のエッチング効果が大きいため、スループットの点で有利であるという理由からである。図6に、酸化膜のエッチングレートと水素アニールの圧力との関係を示す。図6より、圧力が200Torrの場合にはエッチングレートが1.4nmであるのに対して、常圧すなわち760Torrでは1.5nmであり、常圧のほうが酸化膜のエッチング効果が大きいのは明らかである。
【0019】
図7は、上述した水素アニール処理後のトレンチ側壁表面の粗さを示す図であり、図8は、水素アニール処理前のトレンチ側壁表面の粗さを示す図である。両図を比べることにより、トレンチ形成後に水素アニール処理をおこなうことによって、トレンチ側壁が平坦化されることが確認される。
【0020】
また、コーナー部を丸めるための水素アニール処理を1050℃以下の温度でおこなうのは、高温過ぎると、トレンチ形状にボーイングによる逆テーパーが形成されるようになり、それによって図9に示すようなトレンチ形状が図10に示すような形状となってしまうからである。図9は、トレンチエッチング後、すなわち水素アニール処理前のトレンチの断面写真の模式図である。図10は、1150℃で水素アニール処理をおこなった後のトレンチの断面写真の模式図である。図10に示すような逆テーパーのトレンチ形状になると、トレンチ13内を多結晶シリコン16で埋め込んだときにす(空間)ができるという不都合が生じる。
【0021】
また、コーナー部を丸めるための水素アニール処理時間が長すぎる場合にも、図10に示すように、トレンチ形状にボーイングによる逆テーパーが形成されてしまう。したがって、このときの処理時間は上述したように1〜10分が適当である。
【0022】
上述した実施の形態1によれば、トレンチ13を形成し、側壁保護膜14を除去した後、水素アニール処理をおこなうことにより、酸化膜のエッチング作用によりトレンチ内の残渣を除去することができ、また、シリコン原子の表面拡散作用により、トレンチ側壁131,132を平坦化し、トレンチコーナー部133,134,135,136を丸めることができる。したがって、ゲート耐圧のバラツキが抑制されるとともに、ゲート耐圧が向上するので、半導体装置の信頼性が向上し、さらに歩留まりが改善されるという効果が得られる。
【0023】
実施の形態2.
図11〜図13は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。実施の形態2では、実施の形態1と同様にしてトレンチ13を形成した後、基板表面のトレンチコーナー部133,134をどの程度の曲率で丸めるかということに応じて、シリコン酸化膜12をトレンチの縁から後退させる(図11)。なお、図11では側壁保護膜は省略されている。
【0024】
そして、この状態で実施の形態1と同様にして950〜1050℃の温度で水素アニール処理をおこなう(図12)。その際、基板表面に残ったシリコン酸化膜12は、シリコン原子の表面拡散を抑制するマスクとなり、このマスクにより遮蔽された領域ではシリコン原子の表面拡散が抑制される。
【0025】
その後、シリコン酸化膜12を取り除く(図13)。そして、実施の形態1と同様にしてゲート絶縁膜の形成、トレンチ13の埋め込み、ソース・ドレイン、層間絶縁膜、配線、およびパッシベーション膜の形成をおこない、図示しないトレンチMOS型半導体装置が完成する。
【0026】
ここで、水素アニール処理の温度が1100℃以上になると、図14に示すトレンチ要部の断面写真の模式図のように、シリコン酸化膜12とシリコン半導体基板11との境界部でSiOが形成され蒸発するため、ノッチ18が形成されるという不都合が生じる。ノッチ18が形成されると、あとにつづく工程に悪影響を及ぼす。したがって、実施の形態2でも、水素アニール処理の適当な温度範囲は950〜1050℃である。
【0027】
上述した実施の形態2によれば、シリコン酸化膜12よりなるマスクにより遮蔽されていない領域でシリコン原子の表面拡散が起こるので、基板表面のトレンチコーナー部133,134を所望の曲率で、制御性よく、また再現性よく丸めることができる。
【0028】
実施の形態3.
図15〜図19は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。実施の形態3では、実施の形態1と同様にしてトレンチ13を形成した後(図15)、たとえばシリコン酸化膜12を付けたまま、トレンチ側壁を平坦化するための水素アニール処理を、常圧で950〜1050℃の高温で5〜30秒間おこなう(図15)。
【0029】
その後、たとえばトレンチ内面および基板表面に沿ってシリコン窒化膜21を形成する(図16)。つづいて、追加のトレンチエッチングをおこない、トレンチ底面のコーナー部135,136をどの程度の曲率で丸めるかということに応じて、トレンチ側壁のシリコン窒化膜21がトレンチ底面よりも浅くなるようにする(図17)。
【0030】
そして、この状態で実施の形態1と同様に、10mTorr〜760Torrの圧力で、950〜1050℃の温度で1〜10分間の水素アニール処理をおこなう(図18)。このときの水素の分圧は1000ppm〜100%である。その際、トレンチ側壁のシリコン窒化膜21は、シリコン原子の表面拡散を抑制するマスクとなり、このマスクにより遮蔽された領域ではシリコン原子の表面拡散が抑制される。
【0031】
その後、シリコン酸化膜12およびシリコン窒化膜21をフッ酸系のエッチング液により取り除く(図19)。そして、実施の形態1と同様にしてゲート絶縁膜の形成、トレンチ13の埋め込み、ソース・ドレイン、層間絶縁膜、配線、およびパッシベーション膜の形成をおこない、図示しないトレンチMOS型半導体装置が完成する。
【0032】
上述した実施の形態3によれば、シリコン窒化膜21よりなるマスクにより遮蔽されていない領域でシリコン原子の表面拡散が起こるので、トレンチ底面のトレンチコーナー部135,136を所望の曲率で、制御性よく、また再現性よく丸めることができる。
【0033】
以上において本発明は上述した実施の形態1〜3に限らず、種々変更可能である。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、水素アニールによる酸化膜のエッチング作用により、トレンチ内の残渣を除去することができる。また、水素アニール時の、シリコン原子の表面拡散作用により、トレンチ側壁を平坦化し、トレンチコーナー部を丸めることができる。また、シリコン原子の表面拡散を抑制するマスクにより遮蔽されていない領域でシリコン原子の表面拡散が起こり、コーナー部が丸まるので、トレンチコーナー部の丸め処理を制御性よく、かつ再現性よくおこなうことができる。したがって、ゲート耐圧のバラツキが抑制されるとともに、ゲート耐圧が向上するので、半導体装置の信頼性が向上し、さらに歩留まりが改善されるという効果が得られる。試作の結果によれば、歩留まりを90%まで改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図6】酸化膜のエッチングレートと水素アニールの圧力との関係を示す特性図である。
【図7】水素アニール処理後のトレンチ側壁表面の粗さを模式的に示す図である。
【図8】水素アニール処理前のトレンチ側壁表面の粗さを示す図である。
【図9】水素アニール処理前のトレンチ形状を示す断面写真の模式図である。
【図10】1150℃での水素アニール処理によってボーイングによる逆テーパーが形成されたトレンチ形状を示す断面写真の模式図である。
【図11】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図12】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図13】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図14】1100℃以上での水素アニール処理によってノッチが発生した状態のトレンチ要部を示す断面写真の模式図である。
【図15】本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図16】本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図17】本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図18】本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図19】本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図20】従来の半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図21】従来の半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【図22】従来の半導体装置の製造方法により製造されるトレンチMOS型半導体装置の製造途中の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
11 シリコン半導体基板
12 シリコン原子の表面拡散を抑制するマスク(シリコン酸化膜)
13 トレンチ
131,132 トレンチ側壁
133,134,135,136 トレンチコーナー部
14 側壁保護膜
15 ゲート絶縁膜
16 多結晶シリコン
21 シリコン原子の表面拡散を抑制するマスク(シリコン窒化膜)
Claims (4)
- 半導体基板の表面層にトレンチを形成する工程と、
950℃以上1050℃以下の温度で水素アニールをおこない、前記トレンチ側壁のクリーニング処理をおこなう工程と、
前記トレンチ内面および前記半導体基板表面に沿ってシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記トレンチ側壁のシリコン窒化膜が前記トレンチ底面よりも浅くなるようにエッチングをおこなう工程と、
950℃以上1050℃以下の温度で水素アニールをおこない、前記トレンチコーナー部の丸め処理をおこなう工程と、
前記トレンチの側壁のシリコン窒化膜を除去した後、該トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を形成する工程と、
を含んだことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニング処理時には、水素の濃度は50%以上100%以下であり、圧力は常圧であり、アニール時間は5秒以上30秒以下であ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。
- 前記コーナー丸め処理時には、水素の分圧は1000ppm以上100%以下であり、圧力は10mTorr以上760Torr以下であり、アニール時間は1分以上10分以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 局所的にシリコン原子の表面拡散を抑制するマスクを設けることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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