JPH05304205A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】応力集中や絶縁特性の低下を招かない構造を有
する埋込み素子分離を提供すること。 【構成】シリコン基板１に形成された溝と、この溝の内
壁面を被覆するＮ／Ｓｉ組成比が０．８の第１のシリコ
ン窒化膜３と、この第１のシリコン窒化膜２上に形成さ
れ、前記溝を埋めるＮ／Ｓｉ組成比が１．０以上の第２
のシリコン窒化膜４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は埋込み素子分離領域を有
する半導体装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器の重要部
分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達成
するようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成し
た大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。このた
め、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結び
付いている。

【０００３】ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高める
ことにより実現できる。集積度を高めるには素子分離領
域の微細化が必要である。素子分離領域の形成方法とし
ては従来よりＬＯＣＯＳ法が用いられているが、この方
法による素子分離領域の微細化かには限界が見えてき
た。

【０００４】そこで、微細な素子分離領域を形成するた
めに、ＬＯＣＯＳ法の改良を含めて数多くの方法が提案
されいるが、これらの中でも溝埋み素子分離法と呼ばれ
る方法は、微細化に有利な方法として有望しされてい
る。図１１は、この方法により形成された素子分離領域
を有する単結晶シリコン基板９１の断面図である。これ
を形成工程に従い説明すると、まず、フォトリソグラフ
ィ技術，異方性ドライエッチング等の技術を用いて素子
分離領域となる部分の基板表面に溝を形成する。次いで
熱酸化法を用いて溝の表面に応力緩衝用のシリコン酸化
膜９２を形成する。次いでＣＶＤ法を用いて溝の内部が
埋まるように基板全面にシリコン酸化膜９３を堆積す
る。最後に、異方性エッチングやウエットエッチングを
用いて基板表面のシリコン酸化膜９３をエッチング除去
し、溝の内部のみにシリコン酸化膜９３を残して素子分
離領域が完成する。しかしながら、この種の溝埋み素子
分離法には次のような問題があった。

【０００５】即ち、シリコン酸化膜９３の成膜応力が大
きいため、シリコン酸化膜９２を設けても単結晶シリコ
ン基板９１に欠陥が生じるという問題があった。特に溝
底部の単結晶シリコン基板９１に応力が集中しやすかっ
たので、基板欠陥は溝底部の単結晶シリコン基板９１に
多く発生した。このような基板欠陥は、素子特定の低下
の原因となるので防止する必要がある。また、応力に起
因する基板欠陥は、上記原因の他、シリコン酸化膜９３
の熱膨張係数と単結晶シリコン基板９１の熱膨脹係数と
の差によっても生じる。

【０００６】即ち、シリコン酸化膜９３の熱膨張係数と
単結晶シリコン基板９１の熱膨脹係数との差が大きいた
め、素子分離領域形成後の熱工程の際に、単結晶シリコ
ン基板９１に大きな応力が働き、基板欠陥が生じる。

【０００７】このような熱膨張係数の違いによる応力発
生は、熱膨張係数が単結晶シリコン基板９１のそれに近
い絶縁膜、例えば、シリコン窒化膜を用いれば防止でき
る。しかしながら、シリコン窒化膜はＳｉ／Ｎ組成比が
小さいほど成膜応力が大きくなるいう特性を持ってい
る。図１２は、このことを表しているＳｉ／Ｎ組成比と
成膜応力との関係を示す特性図である。この図からシリ
コン窒化膜として一般的であるＳｉ／Ｎ組成比が３／４
のシリコン窒化膜（Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜）を用いた場合には、
非常に大きい成膜応力（引っ張り応力）が生じることが
分かる。

【０００８】したがって、シリコン窒化膜としてＳｉ₃
Ｎ₄ 膜を用いた場合、熱膨張係数の違いによる応力によ
る基板欠陥は防止できるが、成膜時の応力による基板欠
陥は防止できないという問題を残している。

【０００９】このような問題は、図１２から分かるよう
に、Ｓｉ／Ｎ組成比をある程度大きくすれば解決ができ
るが、シリコン窒化膜はＳｉ／Ｎ組成比が大きいほど絶
縁特性が低下するという特性を持っているため、素子分
離に必要な絶縁分離能力が確保できなくなるという新た
な問題が生じる。図１３は、このことを表しているＮ／
Ｓｉ組成比（０．６，１．０）と電流密度との関係を示
す特性図である。即ち、シリコン窒化膜が２つの電極で
挾持された構成のキャパシタに電圧を印加し、シリコン
窒化膜のＮ／Ｓｉ組成比の違いによる電極の電流密度を
調べて得られた特性図である。この図からＮ／Ｓｉ組成
比が小さい場合の方が電流密度が大きくなり絶縁特性が
低下していることが分かる。また、シリコン窒化膜は、
シリコン酸化膜に比べて、単結晶シリコン基板９１との
エッチング選択比が小さく、溝埋込み用の絶縁膜として
は望ましくない性質を持っている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の溝
埋み素子分離法では、溝埋込み用の絶縁膜としてシリコ
ン酸化膜を用いていたので、溝の内部にシリコン酸化膜
を埋込む工程及び熱処理を含む工程の際に、シリコン基
板に応力が働き基板欠陥が生じるという問題があった。
また、シリコン酸化膜の代わりにシリコン窒化膜を用い
た場合には、応力に起因する基板欠陥の発生は防止でき
るが、絶縁分離能力が低下するという新たな問題が生じ
た。

【００１１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、素子分離能力の低下及
び応力による基板欠陥の発生を防止できる構造の素子分
離領域を有する半導体装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、成膜応
力が小さい第１の絶縁膜と絶縁性が高い第２の絶縁膜と
からなる２重構造の絶縁膜で素子分離領域となる溝を埋
めたことにある。

【００１３】即ち、上記の目的を達成するために、本発
明の半導体装置は、シリコン基板に形成された溝と、窒
素及び酸素の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分に
して、前記溝の少なくとも底部に設けられた第１の絶縁
膜と、窒素及び酸素の少なくとも一方の元素と珪素とを
主成分にして、前記第１の絶縁膜が設けられた前記溝を
埋める第２の絶縁膜とを有し、この第２の絶縁膜中に占
めるシリコンの比率が前記第１の絶縁膜のそれより小さ
いことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
シリコン基板に溝を形成する工程と、ＣＶＤ法を用いて
前記シリコン基板上に、窒素及び酸素の少なくとも一方
の元素と珪素とを主成分とする第１の絶縁膜を堆積し
て、前記溝の底部を前記第１の絶縁膜で被覆する工程
と、ＣＶＤ法を用いて前記シリコン基板上に、窒素及び
酸素の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分とし、膜
中に占めるシリコンの比率が前記第１の絶縁膜のそれよ
り小さい第２の絶縁膜を堆積して、前記溝の内部を埋め
る工程と、前記第１及び第２の絶縁膜をエッチングし
て、前記溝の内部に前記第１及び第２の絶縁膜を残置さ
せる工程とを有することを特徴とする。

【００１５】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
は、シリコン基板に溝を形成する工程と、前記シリコン
基板の全面に、窒素及び酸素の少なくとも一方の元素と
珪素とを主成分とする絶縁膜を堆積して前記溝を埋める
工程と、前記絶縁膜にイオン注入を行なった後、前記絶
縁膜に熱処理を施す工程と、前記絶縁膜をエッチングし
て前記溝の内部に前記絶縁膜を残置させる工程とを有す
ることを特徴とする。また、本発明の他の半導体装置の
製造方法は、開口幅に対する深さの比が所定値以上の溝
をシリコン基板に形成する工程と、ＣＶＤ法を用いて前
記シリコン基板上に、窒素及び酸素の少なくとも一方の
元素と珪素とを主成分とする絶縁膜を、前記溝の底部に
おけるシリコンの比率が、この底部より上の部分におけ
るシリコンの比率より大きくなるように堆積し、前記溝
を前記絶縁膜で埋める工程と、前記絶縁膜をエッチング
し、前記溝の内部のみに前記絶縁膜を残置させる工程と
を有することを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明の半導体装置では、少なくとも溝の底部
がシリコンの比率が大きい第１の絶縁膜で埋められるこ
とになる。シリコンの比率が大きいと応力が小さくなる
ため、溝の底部で生じやすい応力集中を緩和でき、基板
欠陥による素子特性の低下を防止できる。また、シリコ
ンの比率が大きいと絶縁特性が低下するが、本発明の場
合、第１の絶縁膜で埋められなかった溝の内部は、シリ
コンの比率が小さい、つまり、絶縁特性が良好な第２の
絶縁膜で埋められている。このため、絶縁膜全体として
は十分な絶縁特性を有する溝埋込み用絶縁膜として機能
する。したがって、素子分離能力の低下及び基板欠陥の
発生を防止できる構造の素子分離領域が得られる。

【００１７】また、本発明の半導体装置の製造方法で
は、ＣＶＤ法を用いて第１，第２の絶縁膜の成膜を行な
っているので、窒素原料ガスの流量又は酸素原料ガスの
流量を調整することでシリコンの比率を制御できる。こ
のため、容易に、溝の内壁面を応力の小さい第１の絶縁
膜で被覆でき、この第１の絶縁膜で埋められなかった溝
の内部を絶縁性の高い第２の絶縁膜で埋めることができ
る。したがって、素子分離能力の低下や基板欠陥を招く
こと無く、溝を絶縁膜で埋めることができる。

【００１８】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
では、シリコン基板の全面に絶縁膜を堆積して前記溝を
埋めた後、前記絶縁膜にイオン注入を行なっている。イ
オン注入されたシリコン窒化膜等の絶縁膜に熱処理を行
なうと絶縁特性が改善されることが知られている。この
ため、例えば、シリコンの比率が大きい、つまり、応力
の小さいシリコン窒化膜で溝を埋め、溝内部のシリコン
窒化膜にイオンが届く条件でイオン注入を行なえば、溝
上部のシリコン窒化膜だけを高絶縁化できる。したがっ
て、素子分離能力の低下や基板欠陥を招くこと無く、溝
をシリコン窒化膜等の絶縁膜で埋めることができる。

【００１９】また、本発明の他の半導体装置の製造方法
では、開口幅に対する深さの比（深さ／開口幅）が所定
値以上の溝をシリコン基板に形成している。このため、
例えば、この比を２以上にすれば、溝下部には窒素原料
ガスや酸素原料ガスの原料ガスが届き難くなり、溝上部
に供給される上記原料ガスの量を多くできる。したがっ
て、溝下部にはシリコンの比率が大きい低応力の絶縁膜
を形成でき、溝上部にはシリコンの比率が小さい高絶縁
性の絶縁膜を形成できるので、素子分離能力の低下や基
板欠陥を招くこと無く、溝をシリコン窒化膜で埋めるこ
とができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係わる素子分離領
域の形成方法を示す工程断面図である。

【００２１】まず、図１（ａ）に示すように、主面が
（１００）、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の単
結晶シリコン基板１を用意し、この単結晶シリコン基板
１の素子分離領域となる表面部分に開口幅が０．３μｍ
の溝をフォトリソグラフィなどを利用して形成する。次
いでこの単結晶シリコン基板１を９００℃、塩酸１０％
を含む酸素雰囲気中で熱酸化して、基板全面に厚さ２５
ｎｍのシリコン酸化膜２を形成する。このシリコン酸化
膜２は、基板表面の界面準位を下げたり、基板中への汚
染物混入を防止したりするために設けられるものであ
り、１ｎｍ以上の膜厚で形成するのが好ましい。また、
膜応力の点から５０ｎｍ以下の膜厚が好ましい。次いで
単結晶シリコン基板１をＬＰＣＶＤ装置に収容した後、
成膜温度７８０℃，成膜圧力０．３Ｔｏｒｒ，ジクロル
シラン流量２００ｃｃ／分，アンモニア流量１５ｃｃ／
分の条件で、Ｎ／Ｓｉ組成比０．８で、膜厚５０ｎｍの
第１のシリコン窒化膜３をシリコン酸化膜２上に堆積す
る。次いでアンモニアの流量を連続的に２００ｃｃ／分
まで増加させ、つまり、ジクロルシラン及びアンモニア
の流量を伴に２００ｃｃ／分にして、Ｎ／Ｓｉ組成比が
１．０以上，膜厚が３００ｎｍの第２のシリコン窒化膜
４を第１のシリコン窒化膜３上に堆積して溝を埋める。

【００２２】次に図１（ｂ）に示すように、溝から溢れ
たシリコン基板１上の第１，第２のシリコン窒化膜３，
４を機械研磨を用いて除去して、溝の内部のみに第１，
第２のシリコン窒化膜３，４を残す。最後に、弗化アン
モニウム溶液を用いて基板表面上のシリコン酸化膜２を
除去し、素子分離領域が完成する。

【００２３】本実施例では、溝の内壁面がＮ／Ｓｉ組成
比（０．８）が小さいシリコン窒化膜３で被覆されてい
る。Ｎ／Ｓｉ組成比が小さいシリコン窒化膜は、図１２
の説明から分かるように、成膜応力が小さいのでシリコ
ン窒化膜３の成膜応力によってシリコン基板１に欠陥が
発生し素子特性が低下するという問題は生じない。ま
た、シリコン窒化膜３で埋められなかった溝の内部は、
Ｎ／Ｓｉ組成比（１．０以上）が大きいシリコン窒化膜
４で完全に埋められている。Ｎ／Ｓｉ組成比が大きいシ
リコン窒化膜は、図１３の説明から分かるように、絶縁
特性が良いのでシリコン窒化膜３の絶縁能力の不足がシ
リコン窒化膜４で補なわれる結果、シリコン窒化膜全体
の絶縁特性は良好なものになる。また、絶縁特性は溝を
深く形成することでも改善できる。即ち、リーク電流は
溝の上下を往復する経路で流れるので、溝が深ければシ
リコン窒化膜２の絶縁特性が多少低くても実用上は問題
ない。また、シリコン基板１に働くシリコン窒化膜４の
応力はシリコン窒化膜３により低減される。

【００２４】かくして本実施例によれば、Ｎ／Ｓｉ組成
比が小さいシリコン窒化膜３とＮ／Ｓｉ組成比が大きい
シリコン窒化膜４との２重構造のシリコン窒化膜で溝を
埋めることで、十分な絶縁能力を確保できると共に、応
力集中に起因する素子特性の低下を防止でき、今後のＵ
ｌＳＩの微細化に十分対応できる素子分離領域が得られ
る。図２，図３は、本発明の第２の実施例に係わる素子
分離領域及びゲート電極の形成方法を示す工程断面図で
ある。

【００２５】まず、図２（ａ）に示すように、主面が
（１００）で、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の
単結晶シリコン基板１１を用意し、この単結晶シリコン
基板１１を８００℃，塩酸１０％を含む酸素雰囲気中で
熱酸化して基板全面に厚さ１６ｎｍのシリコン酸化膜１
２を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用いて厚さ２０
０ｎｍの多結晶シリコン膜１３をシリコン酸化膜１２上
に堆積した後、この多結晶シリコン膜１３上に厚さ１０
００ｎｍのポジ型のフォトレジスト１４を塗布する。

【００２６】次に図２（ｂ）に示すように、フォトリソ
グラフィ等を利用して素子分離領域のフォトレジスト１
４を除去する。次いで残ったフォトレジストをマスクに
用いて、異方性ドライエッチングにより、多結晶シリコ
ン膜１３，シリコン酸化膜１２、単結晶シリコン基板１
１を順次エッチングして、シリコン基板１１に溝を形成
する。

【００２７】次に図２（ｃ）に示すように、強酸などを
用いてフォトレジスト１４を除去した後、９５０℃の窒
素雰囲気中でアニールを行ない、続いて９００℃，塩酸
１０％を含む酸素雰囲気中で厚さ３５ｎｍのシリコン酸
化膜１５を基板表面及び溝の内壁面に形成する。次いで
ＬＰＣＶＤ装置を用い、Ｎ／Ｓｉ比が０．８程度で厚さ
が１０００ｎｍのシリコン窒化膜１６を全面に堆積して
溝を埋める。

【００２８】次に図３（ａ）に示すように、加速電圧１
５０ｋＶ、ドーズ量１×１０¹⁶／ｃｍ² の条件で酸素イ
オンをシリコン窒化膜１６に注入した後、酸素雰囲気中
でのアニール処理を行なう。アニール温度は、例えば、
９５０℃が良い。イオン注入したシリコン窒化膜１６に
アニール処理を施すと原子組成が変化して絶縁特性が改
善されるので、シリコン窒化膜１６の上部は絶縁特性に
優れたシリコン酸化窒化膜１７に変わる。図４は、その
ことを表す図で、イオン注入量と電流（リーク電流）と
の関係を示す特性図である。即ち、イオン注入後にアニ
ール処理（９５０℃）が施されたシリコン窒化膜が、２
つの電極で挾持された構成のキャパシタに電圧を印加
し、シリコン窒化膜中の酸素イオン量の違いによる電極
に流れる電流（リーク電流）を調べて得られた特性図で
ある。図中、曲線ａはドーズ量が０／ｃｍ² （イオン注
入なし），曲線ｂはドーズ量が５×１０¹⁸／ｃｍ² 、曲
線ｃはドーズ量が１×１０¹⁹／ｃｍ² の場合の特性曲線
である。この図から酸素イオンを注入することにより、
リーク電流が減少し絶縁特性を改善できることが分か
る。

【００２９】次に図３（ｂ）に示すように、多結晶シリ
コン膜１３をストッパに用いてシリコン窒化窒化膜１７
を機械研磨することにより、素子領域上のシリコン酸化
窒化膜１７，シリコン酸化膜１５を除去し、溝の内部だ
けにシリコン酸化窒化膜１７を残す。最後に、ＬＰＣＶ
Ｄ装置を用いて厚さ２００ｎｍの多結晶シリコン膜１８
を全面に堆積した後、多結晶シリコン膜１３，１８をパ
ターニングして素子分離領域１９とゲート電極２０とが
完成する。

【００３０】以上述べた方法によれば、溝の下部はＮ／
Ｓｉ比（０．８程度）が小さいシリコン窒化膜１６で埋
められているので、溝底部での応力集中を緩和でき、基
板欠陥による素子特性の低下を防止できる。また、溝の
上部は絶縁性の高いシリコン酸化窒化膜１７で埋められ
ているので、溝埋込み用絶縁膜の全体としての絶縁特性
は良好なものになる。更に、本実施例によれば、シリコ
ン酸化窒化膜１７の表面がシリコン酸化膜１２の表面よ
り高く形成されているので、シリコン酸化窒化膜１７の
表面とシリコン酸化膜１２の表面とが同じ高さの場合に
比べて、シリコン酸化膜１２の角部での電界集中が小さ
くなるという利点がある。図５は、本発明の第３の実施
例に係わる素子分離領域の形成方法を示す工程断面図で
ある。

【００３１】まず、図５（ａ）に示すように、主面が
（１００）で、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の
単結晶シリコン基板２１を用意し、この単結晶シリコン
基板２１を９５０℃，塩酸１０％を含む酸素雰囲気中で
熱酸化して基板全面に厚さ２５ｎｍのシリコン酸化膜２
２を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用いてシリコン
酸化膜２２上に厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜２３を
堆積した後、このシリコン酸化膜２３上に厚さ１０００
ｎｍのポジ型のフォトレジスト２４を塗布し、続いてフ
ォトリソグラフィを用いてフォトレジスト２４をパター
ニングし、素子分離領域のフォトレジスト２４を除去す
る。

【００３２】次に図５（ｂ）に示すように、残ったフォ
トレジスト２４をマスクに用いた異方性ドライエッチン
グにより、シリコン酸化膜２３，２２、単結晶シリコン
基板２１を順次エッチングして基板表面に溝を形成す
る。次いで強酸などを用いてフォトレジスト２４を除去
した後、弗化アンモニウム溶液を用いてシリコン酸化膜
２２，２３を除去する。次いで単結晶シリコン基板２１
を９００℃，塩酸１０％を含む酸素雰囲気中で熱酸化し
て基板表面及び溝の内壁面に厚さ３５ｎｍのシリコン酸
化膜２５を形成した後、ＬＰＣＶＤ装置を用いてＮ／Ｓ
ｉ比が０．８程度で、厚さが１００ｎｍのシリコン窒化
膜２６を全面に堆積して溝を埋める。

【００３３】次に図５（ｃ）に示すように、厚さ４００
ｎｍのポジ型のフォトレジスト２７を塗布した後、フォ
トリソグラフィを用いてフォトレジスト２７をパターニ
ングし、溝の上部のみにフォトレジスト２７を残す。こ
のとき、フォトレジスト２７の上面とシリコン窒化膜２
６の上面とは略同一平面にある。次いで加速電圧１００
ｋＶ，ドーズ量１×１０¹⁶／ｃｍ² の条件で弗素イオン
をシリコン窒化膜２６にイオン注入する。このイオン注
入の結果、基板表面上の弗素イオンが注入されたシリコ
ン窒化膜２６ａのエッチングレートは、弗素イオンが注
入されなかった溝内部のシリコン窒化膜２６のそれより
高くなる。

【００３４】次に図５（ｃ）に示すように、エッチング
レートの低いシリコン窒化膜２６をエッチングストッパ
に用いて、フォトレジスト２７及びエッチングレートの
高いシリコン窒化膜２６ａを除去する。最後に、溝上部
のシリコン酸化膜２６に、例えば、酸素イオンを注入し
た後にアニール処理を行ない、溝上部に絶縁性の高いシ
リコン酸化窒化膜２８を形成して素子分離領域が完成す
る。以上述べた方法によれば、シリコン窒化膜２６自身
がエッチングストッパとして働くので、余計なエッチン
グストッパを形成し、除去する手間が省ける。

【００３５】また、溝の底部はＮ／Ｓｉが小さい（０．
８程度）シリコン窒化膜２６で埋められているので、成
膜時の応力によってシリコン基板２１に欠陥が生じて素
子特性が低下するという問題は生じない。また、溝上部
は絶縁性の高いシリコン酸化窒化膜２８で埋められてい
るので、十分な素子分離特性が得られる。図６は、本発
明の第４の実施例に係わる素子分離領域の形成方法を示
す工程断面図である。

【００３６】まず、図６（ａ）に示すように、主面が
（１００）で、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の
単結晶シリコン基板３１を用意し、この単結晶シリコン
基板３１を９５０℃，塩酸１０％を含む酸素雰囲気中で
熱酸化して基板全面に厚さ２５ｎｍのシリコン酸化膜３
２を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用いてシリコン
酸化膜３２上に厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜３３を
堆積した後、このシリコン酸化膜３３上に厚さ１０００
ｎｍのポジ型のフォトレジスト３４を塗布し、続いてフ
ォトリソグラフィを用いてフォトレジスト３４をパター
ニングし、素子分離領域のフォトレジスト３４を除去す
る。

【００３７】次に図６（ｂ）に示すように、残ったフォ
トレジスト３４をマスクに用いた異方性ドライエッチン
グにより、シリコン酸化膜３３，３２、単結晶シリコン
基板３１を順次エッチングして基板表面に開口幅０．３
μｍ，深さ０．８μｍの溝を形成すると共に、後工程の
溝埋込み用絶縁膜の形成工程のときにこの溝埋込み用絶
縁膜中に巣が生じないように、基板表面に垂直な方向に
対して５°の傾斜を溝の側壁につける。次いで希薄弗化
アンモニウム溶液中でシリコン酸化膜３３及びシリコン
酸化膜２２を２０ｎｍ後退させる。これは溝埋込み用絶
縁膜により溝の開口部の角が覆われるようにするためで
ある。これにより素子分離領域が完成した後の熱工程の
際に、溝の側壁が酸化されることで生じる応力集中を防
止できる。次いで強酸などを用いてフォトレジスト３４
を除去した後、単結晶シリコン基板３１を９００℃，塩
酸１０％を含む酸素雰囲気中で熱酸化してシリコンが露
出した基板表面及び溝の内壁面に厚さ１５ｎｍのシリコ
ン酸化膜３５を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用
い、成膜温度が７８０℃，成膜圧力が０．３Ｔｏｒｒ，
原料ガスのジクロルシランの流量が２００ｃｃ／分，ア
ンモニアの流量が２０ｃｃ／分という条件で、つまり、
成膜反応が窒素についての供給律速になる条件で全面に
厚さ６００ｎｍのシリコン窒化膜３６を堆積する。この
とき、基板表面から深さ０．５μｍ程度より上の領域に
は、Ｎ／Ｓｉ組成比が０．８の絶縁性の高いシリコン窒
化膜３６ａが形成される。一方、それ以下の領域には、
溝の形状が原因して、つまり、溝のアスペクト比（深さ
／幅）が２．０以上なので十分なアンモニアが供給され
ず、Ｎ／Ｓｉ組成比が０．５程度の低応力のシリコン窒
化膜３６ｂが形成される。

【００３８】最後に、図６（ｃ）に示すように、シリコ
ン酸化膜３３をストッパに用いてシリコン窒化膜３６ａ
を機械研磨した後、弗化アンモニウム溶液を用いてシリ
コン酸化膜３３及びこれによって覆われる部分のシリコ
ン酸化膜３２を除去して素子分離領域が完成する。

【００３９】以上述べた方法によれば、溝下部のシリコ
ン窒化膜３６ｂの成膜応力が小さいので、本来応力集中
を惹起しやすい溝底部での応力集中を緩和でき、基板欠
陥による素子特性の低下を防止できる。また、溝上部に
は絶縁性の高いシリコン窒化膜３６ａが形成されている
ので、十分な分離特性が得られる。

【００４０】図７は、本発明の第５の実施例に係わる素
子分離領域の構造を示す断面図である。本実施例が第４
の実施例と異なる点は、一酸化二窒素を追加した原料ガ
スを用いてシリコン窒化膜を形成したことにある。即
ち、本実施例では、一酸化二窒素の量でシリコン窒化膜
の成膜応力及び絶縁特性を制御している。

【００４１】まず、図７（ａ）に示すように、第４の実
施例と同様な方法を用いて、単結晶シリコン基板４１上
にシリコン酸化膜４２，４３を形成した後、開口幅が
０．３μｍ，深さが１．５μｍで、基板表面に垂直な方
向に対して５°の傾斜の側壁を有する溝を形成する。

【００４２】次に図７（ｂ）に示すように、希薄弗化ア
ンモニウム溶液を用いてシリコン酸化膜４３及びその下
のシリコン酸化膜４２を２０ｎｍほど後退させる。次い
で単結晶シリコン基板４１を９００℃，塩酸１０％を含
む酸素雰囲気中で熱酸化しすることでシリコンが露出し
た基板表面及び溝の内壁面に厚さ１５ｎｍのシリコン酸
化膜４４を形成する。この後、ＬＰＣＶＤ装置を用い、
成膜温度が７８０℃，成膜圧力が０．３Ｔｏｒｒ，原料
ガスのジクロルシランの流量が２００ｃｃ／分，アンモ
ニアの流量が２０ｃｃ／分，一酸化二窒素の流量が５ｃ
ｃ／分という条件で、全面に厚さ６００ｎｍのシリコン
酸化窒化膜４５を堆積して溝を埋める。このとき、基板
表面から深さ０．５μｍ程度より上の領域には、絶縁特
性に優れたシリコン酸化窒化膜４５ａが形成され、一
方、それ以下の領域では、一酸化二窒素が溝の上部で消
費されるため、十分な一酸化二窒素が供給されず、Ｎ／
Ｓｉ組成比が０．５程度で、酸素含有量の少ない低応力
のシリコン酸化窒化膜４５ｂが形成される。

【００４３】最後に、図７（ｃ）に示すように、シリコ
ン酸化膜４３をストッパに用いてシリコン窒化膜４５を
機械研磨した後、弗化アンモニウム溶液を用いてシリコ
ン酸化膜４３及びこれによって覆われる部分のシリコン
酸化膜４２を除去して素子分離領域が完成する。

【００４４】以上述べた方法でも先の実施例と同様に、
溝下部のシリコン酸化窒化膜４５ｂの成膜応力が小さい
ので、溝底部での応力集中を緩和することができ、基板
欠陥による素子特性の低下を防止できる。また、溝上部
には絶縁性特性の良いシリコン酸化窒化膜４５ａが形成
されているので、十分な分離特性が得られる。図８，図
９は、本発明の第６の実施例に係わる素子分離領域の形
成方法を示す工程断面図である。

【００４５】まず、図８（ａ）に示すように、主面が
（１００）、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の単
結晶シリコン基板５１を、９５０℃，塩酸１０％を含む
酸素雰囲気中で熱酸化して基板全面に厚さ２５ｎｍのシ
リコン酸化膜５２を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を
用いてシリコン酸化膜５２上に厚さ１００ｎｍのシリコ
ン窒化膜５３，厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜５４を順
次堆積した後、このシリコン酸化膜５４上に厚さ１００
０ｎｍのポジ型のフォトレジスト５５を塗布し、続い
て、フォトリソグラフィ技術等を用いて素子分離領域の
フォトレジスト５５を除去する。この後、残ったフォト
レジスト５５をマスクに用いて、異方性ドライエッチン
グによりシリコン酸化膜５４、シリコン窒化膜５３を順
次エッチングする。

【００４６】次に強酸を用いてフォトレジスト５５を除
去し、続いて弗化アンモニウム溶液を用いてシリコン酸
化膜５４及び溝底部のシリコン酸化膜５２を除去する。
次いで図８（ｂ）に示すように、例えば、ＬＰＣＶＤ装
置を用いて厚さ１５０ｎｍのシリコン酸化膜５６を全面
に堆積し、続いて異方性ドライエッチングを用いてシリ
コン酸化膜５６をエッチングし、シリコン窒化膜５３に
形成された溝にシリコン酸化膜５６を埋込み基板表面を
平坦化する。

【００４７】次に図８（ｃ）に示すように、異方性ドラ
イエッチングを用いてシリコン酸化膜５６及びシリコン
窒化膜５３をマスクとしてシリコン基板５１をエッチン
グし、基板表面に開口部が０．３μｍ、深さが１．０μ
ｍで、基板表面に垂直な方向に対して５°の傾斜の側壁
を有する溝を形成する。

【００４８】次に図９（ａ）に示すように、弗化アンモ
ニウム溶液を用いてシリコン酸化膜５６を除去した後、
単結晶シリコン基板５１を９００℃，塩酸１０％を酸素
雰囲気中で熱酸化してシリコンが露出した基板表面及び
溝の内壁面に厚さ１５ｎｍのシリコン酸化膜５７を形成
する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用い、成膜温度が６８０
℃，成膜圧力が０．６Ｔｏｒｒ，２０％モノシラン８０
％ヘリウムからなるガスの流量が５００ｃｃ／分，一酸
化二窒素の流量が２０ｃｃ／分という条件で、厚さ６０
０ｎｍのシリコン酸化膜５８を全面に堆積する。このと
き、基板表面から深さ０．６μｍより上の領域には、Ｏ
／Ｓｉ組成比が約２．０の絶縁性に優れたシリコン酸化
膜５８ａが形成され、一方、それ以下の領域には、Ｏ／
Ｓｉ組成比が約１．０の低成膜応力のシリコン酸化膜５
８ｂが形成される。

【００４９】最後に、図９（ｂ）に示すように、シリコ
ン窒化膜５３をストッパに用いてシリコン酸化膜５８を
機械研磨した後、熱燐酸水溶液を用いてシリコン窒化膜
５３を除去し、続いて弗化アンモニウム溶液などを用い
てシリコン窒化膜５３の下のシリコン酸化膜５２を除去
することで、素子分離領域のみにシリコン酸化膜５８を
残存でき、素子分離領域が完成する。

【００５０】以上述べた方法によれば、溝の下部は成膜
応力が小さいシリコン酸化膜５８ｂで埋められているの
で、溝の底部の応力集中を緩和でき、基板欠陥による素
子特性の低下を防止できる。また、溝の上部は絶縁性が
高いシリコン酸化膜５８ａで埋められているので、十分
な素子分離特性が得られる。図１０は、本発明の第７の
実施例に係わる素子分離領域の形成方法を示す工程断面
図である。

【００５１】まず、図１０（ａ）に示すように、主面が
（１００）、比抵抗が４．５〜６Ωｃｍ程度のｐ型の単
結晶シリコン基板６１を用意し、この単結晶シリコン基
板６１の素子分離領域となる部分の基板表面に開口幅
０．３μｍの溝を形成する。次いでこの単結晶シリコン
基板６１を９００℃，塩酸１０％を含む酸素雰囲気中で
熱酸化して基板全面に厚さ２５ｎｍのシリコン酸化膜６
２を形成する。次いでＬＰＣＶＤ装置を用い、成膜圧力
が０．３Ｔｏｒｒ、ジクロルシランの流量が２００ｃｃ
／分、アンモニアの流量が１０ｃｃ／分という条件で厚
さ５０ｎｍのシリコン窒化膜６３をシリコン酸化膜６２
上に堆積し、続いてジクロルシラン及びアンモニアの流
量を維持しながら、流量を０ｃｃ／分から５ｃｃ／分ま
で連続的に増加させながら酸素を加え、全面に厚さ５０
ｎｍのシリコン酸化窒化膜６４を堆積する。

【００５２】次に図１０（ｂ）に示すように、シリコン
窒化膜６３をストッパに用いてシリコン酸化窒化膜６４
に機械研磨をかけて基板表面を平坦化する。最後に、素
子形成領域のシリコン窒化膜６３を除去した後、弗化ア
ンモニウム溶液などを用いて基板表面のシリコン酸化膜
６２を除去して素子分離領域が完成する。

【００５３】以上述べた方法によれば、溝の内壁面が成
膜応力の小さいシリコン窒化膜６３で埋められているの
で、このシリコン窒化膜６３の成膜の際にシリコン基板
６１に欠陥が発生し、素子特性が低下するという問題は
生じない。また、シリコン窒化膜６３で埋められなかっ
た溝の内部は、絶縁性が高いシリコン酸化窒化膜６４で
埋められているので、これらの絶縁膜は全体として十分
な絶縁特性を有する溝埋込み用絶縁膜として機能する。
また、シリコン基板６１の熱膨脹率とシリコン酸化窒化
膜６４のそれとが異なることで生じる応力がシリコン基
板６１に与える影響は、シリコン窒化膜６３より低減さ
れる。

【００５４】かくして本実施例によれば、応力が小さい
シリコン窒化膜６３と絶縁性が高いシリコン酸化窒化膜
６４との２重構造の溝埋込み用絶縁膜を用いることで、
十分な絶縁特性を確保できると共に、応力集中に起因す
る素子特性の低下を防止できる。

【００５５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、第２，第５，第７の実施例で
は、酸素ガスを用いて原料ガスである溝埋込み用絶縁膜
の特性を制御したが他のガスを用いても良い。例えば、
水素イオンのイオン注入によってエッチングレートを大
きくしても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で、種々変形して実施できる。

【００５６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、成
膜応力が小さい第１の絶縁膜と絶縁性が高い第２の絶縁
膜とからなる２重構造の絶縁膜で溝を埋めることで、素
子分離能力の低下及び応力による基板欠陥の発生を防止
でき、今後のＵｌＳＩの微細化に十分対応できる素子分
離領域が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる素子分離領域の
形成方法を示す工程断面図

【図２】本発明の第２の実施例に係わる素子分離領域及
びゲート電極の形成方法を示す前半の工程断面図

【図３】本発明の第２の実施例に係わる素子分離領域及
びゲート電極の形成方法を示す後半の工程断面図

【図４】イオン注入量と電流との関係を示す特性図

【図５】本発明の第３の実施例に係わる素子分離領域の
形成方法を示す工程断面図

【図６】本発明の第４の実施例に係わる素子分離領域の
形成方法を示す工程断面図

【図７】本発明の第５の実施例に係わる素子分離領域の
構造を示す断面図

【図８】本発明の第６の実施例に係わる素子分離領域の
形成方法を示す前半の工程断面図

【図９】本発明の第６の実施例に係わる素子分離領域の
形成方法を示す後半の工程断面図

【図１０】本発明の第７の実施例に係わる素子分離領域
の形成方法を示す工程断面図

【図１１】従来の素子分離領域の形成方法を説明するた
めの図

【図１２】Ｓｉ／Ｎ組成比と成膜応力との関係を示す特
性図

【図１３】Ｎ／Ｓｉ組成比と電流密度との関係を示す特
性図

【符号の説明】

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１…シリコン基
板、２…１２，１５，２２，２３，２５，３２，３３，
３５，４２，４３，４４，５２，５４，５７，５８，５
８ａ，５８ｂ，６２…シリコン酸化膜、３，４，１６，
２６，２６ａ，３６，３６ａ，３６ｂ，５３，６３…シ
リコン窒化膜、１３，１８，…多結晶シリコン膜、１
４，２４，２７，３４，５５…フォトレジスト、１７，
４５，４５ａ，４５ｂ，６４…シリコン酸化窒化膜、１
９…素子分離領域、２０…ゲート電極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板に形成された溝と、窒素及び
   酸素の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分にして、
   前記溝の少なくとも底部に設けられた第１の絶縁膜と、
   窒素及び酸素の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分
   にして、前記第１の絶縁膜が設けられた前記溝を埋める
   第２の絶縁膜とを有し、この第２の絶縁膜中に占めるシ
   リコンの比率が前記第１の絶縁膜のそれより小さいこと
   を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】シリコン基板に溝を形成する工程と、 ＣＶＤ法を用いて前記シリコン基板上に、窒素及び酸素
   の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分とする第１の
   絶縁膜を堆積して、前記溝の底部を前記第１の絶縁膜で
   被覆する工程と、 ＣＶＤ法を用いて前記シリコン基板上に、窒素及び酸素
   の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分とし、膜中に
   占めるシリコンの比率が前記第１の絶縁膜のそれより小
   さい第２の絶縁膜を堆積して、前記溝の内部を埋める工
   程と、 前記第１及び第２の絶縁膜をエッチングして、前記溝の
   内部に前記第１及び第２の絶縁膜を残置させる工程と、 を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】シリコン基板に溝を形成する工程と、 前記シリコン基板の全面に、窒素及び酸素の少なくとも
   一方の元素と珪素とを主成分とする絶縁膜を堆積して前
   記溝を埋める工程と、 前記絶縁膜にイオン注入を行なった後、前記絶縁膜に熱
   処理を施す工程と、 前記絶縁膜をエッチングして前記溝の内部に前記絶縁膜
   を残置させる工程と、 を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】開口幅に対する深さの比が所定値以上の溝
   をシリコン基板に形成する工程と、 ＣＶＤ法を用いて前記シリコン基板上に、窒素及び酸素
   の少なくとも一方の元素と珪素とを主成分とする絶縁膜
   を、前記溝の底部におけるシリコンの比率がこの底部よ
   り上の部分におけるシリコンの比率より大きくなるよう
   に堆積して、前記溝を前記絶縁膜で埋める工程と、 前記絶縁膜をエッチングして前記溝の内部に前記絶縁膜
   を残置させる工程とを有することを特徴とする半導体装
   置の製造方法。