JPH07297275A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH07297275A
JPH07297275A JP6081590A JP8159094A JPH07297275A JP H07297275 A JPH07297275 A JP H07297275A JP 6081590 A JP6081590 A JP 6081590A JP 8159094 A JP8159094 A JP 8159094A JP H07297275 A JPH07297275 A JP H07297275A
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JP
Japan
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film
silicon nitride
nitride film
silicon
element isolation
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JP6081590A
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Hiroaki Yokoyama
宏明 横山
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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    • H01L21/76216Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using a local oxidation of silicon, e.g. LOCOS, SWAMI, SILO introducing electrical inactive or active impurities in the local oxidation region, e.g. to alter LOCOS oxide growth characteristics or for additional isolation purpose introducing electrical active impurities in the local oxidation region for the sole purpose of creating channel stoppers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】簡素なプロセスを用い、素子分離領域を微細化
した時に生じる狭チャネル効果を抑制し、かつジャンク
ションリークを低減しデータ保持特性の向上を図り、ま
た、寄生接合容量の低減を図る。さらには、寄生MOS
トランジスタのしきい値電圧の低下を防止する。 【構成】シリコン基板1上に酸化シリコン膜2、多結晶
シリコン膜3、第1の窒化シリコン膜4を順次形成し、
フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状にパターニ
ングを行った後選択酸化を行う。その後第1の窒化シリ
コン膜4上に第2の窒化シリコン膜5を全面に形成する
ことにより素子分離領域上に選択酸化前の素子分離領域
よりも狭小な凹部を設け、しかる後にボロンイオン9注
入を行い、選択酸化シリコンによって形成された厚いフ
ィールド絶縁膜7下にP型チャネルストッパー層10を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
係り、特に半導体基板の選択酸化により形成された厚い
絶縁膜下にチャネルストッパー層を形成する半導体装置
の製造方法に関し、特にこの発明によれば狭チャネル効
果を抑制する従来プロセスの工夫と比較して製造歩留り
やコストを大幅に改善する技術を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の高集積化に伴って、使
用されるMOSトランジスタ自体の微細化と共に素子分
離領域の微細化も求められている。代表的な素子分離技
術であるLOCOS(Local Oxidation
of Silicon)法とLOPOS(Local
Oxidation of Poly Silico
n)法では素子分離領域を選択酸化して形成する。さら
に寄生MOSトランジスタのしきい値電圧を高めるため
には選択酸化により形成された厚い絶縁膜下にチャネル
ストッパー層を形成するなどの工夫が成されている。し
かしながら、これらの素子分離形成方法では、選択酸化
による厚い絶縁膜の形成ならびにチャネルストッパー層
形成のための不純物注入を自己整合(セルフアライメン
ト)的に行うため、形成されたチャネルストッパー層が
MOSトランジスタのアクティブ領域にまで食い込むこ
ととなる。
【0003】図12〜図15は、以上説明した素子間の
分離方法によって、素子間の分離がなされたLSIの製
造過程を示すウェーハの図である。図中1はシリコ基
板、2は酸化シリコン膜、3は多結晶シリコン膜、4は
窒化シリコン膜、7はフィールド絶縁膜、9はボロンイ
オン、10はP型チャネルストッパー層、11はゲート
絶縁膜、12はコンタクト用ホール、13はゲート電
極、14はN型低濃度不純物層、15は酸化シリコン膜
のサイドウォール、16はN型高濃度不純物層、17は
P型チャネルストッパー層とN型高濃度不純物層との間
の重なり部分である。
【0004】この構造のLSIでは、図12に示すよう
に、まず素子分離領域のパターニングを行い、図13に
示すようにボロンイオン9の注入を行う。その後図14
に示すように選択酸化を行う。そのため、図15に示す
ようにP型チャネルストッパー層10を形成しているボ
ロンイオン9が選択酸化時に横方向に拡散し、N型高濃
度不純物層16の一部分とP型チャネルストッパー層1
0との間に重なり部分17が形成される。このことによ
り、この重なり部分17にはp+ −N+ 接合が存在し、
寄生接合容量が増加をもたらし、ジャンクションリーク
が大きくなるためメモリの良好なデータ保持特性が得ら
れないという問題があった。また、図16の平面図に示
すように、P型チャネルストッパー層10はゲート電極
13の下部にまで食い込むため、本来のトランジスタの
チャネル幅Wが狭くなりWeとなる狭チャネル効果も生
じる。このチャネル幅の狭小化によりトランジスタの駆
動能力が低下するという問題点もあった。
【0005】この問題を解決するために、いくつかの技
術が提案された。
【0006】例えば、昭64−68943、平1−29
7837では選択酸化時のボロンイオンの横方向拡散を
防止するために選択酸化して素子分離用の厚い絶縁膜を
形成した後にボロンイオンを全面に注入する方法が提示
されている。
【0007】しかし、この方法ではトランジスタのチャ
ネル領域の下方及び将来のトランジスタのソース・ドレ
イン領域となるN型高濃度不純物の下方にもボロンイオ
ンが注入されるので、トランジスタ特性の変動、寄生接
合容量の増大といった問題点がある。
【0008】また、上記問題点を解決したもう一つの例
として、昭63−293850があり、これは選択酸化
によって素子分離用の厚い絶縁膜を形成した後にその厚
い絶縁膜上に狭い面積の開口部を設けボロンイオンを注
入するという方法を提示している。この方法によるとト
ランジスタのチャネル領域の下方にはボロンイオンが注
入されず、トランジスタ特性に影響を及ぼさないため、
従来のLOCOS法の問題点を解決している。
【0009】しかしながら、この先例の第2の実施例で
は、チャネルストッパー層を形成するためのボロンイオ
ンを注入する際、フォトレジストを使用し、自己整合
(セルフアライメント)的ではないので目ズレが生じ素
子特性のアンバランスが非常に大きくなる。また、逆に
アンバランスを生じない用に目ズレマージンを設計に見
込むと微細化に大きく支障をきたすのは明らかである。
【0010】また、先例の第1の実施例では効果及び作
用としては従来技術の問題解決となっているが、以下に
説明するようにプロセスが非常に複雑であり、製造歩留
り低下、コスト増大といった問題点がある。この先例の
技術を用いて素子分離領域を形成する製造過程を図6〜
図11により以下に説明する。
【0011】(1)シリコン基板1の表面を熱酸化し、
厚さが約20nmの酸化シリコン膜2を形成した後、C
VD技術を用い、酸化防止膜となる第1の窒化シリコ膜
4を約120nmの厚さで形成し、さらにその上にCV
D技術を用い、多結晶シリコン膜3を形成し、さらにそ
の上にCVD技術を用い、第2の窒化シリコン膜5を約
30nmの厚さで形成する。多結晶シリコン膜3の膜厚
については後述する。ここまでの過程の断面図を図6に
示す。
【0012】(2)フォトリソグラフィ技術を用い、第
2の窒化シリコン膜5、多結晶シリコン膜3、及び第1
の窒化シリコン膜4を素子形成領域にのみ残存させる。
ここまでの過程の断面図を図7に示す。
【0013】(3)CVD技術を用い、全面に後にサイ
ドウオールとなる第3の窒化シリコン膜6を約30nm
の厚さで形成する。
【0014】(4)異方性ドライエッチングを行い、前
記第1の窒化シリコン膜4、多結晶シリコン膜3、第2
の窒化シリコン膜5の側面に先の第3の窒化シリコン膜
より成るサイドウォール6が形成される。この窒化シリ
コン膜のサイドウォール6は前記第1及び第2の窒化シ
リコン膜4,5とともに、多結晶シリコン膜3の周囲を
取り囲むことにより、選択酸化時に多結晶シリコン膜3
が酸化されるのを防ぐ役割を果たす。
【0015】(5)第1の窒化シリコン膜4、多結晶シ
リコン膜3、第2の窒化シリコン膜5及び窒化シリコン
膜のサイドウォール6をマスクにして選択酸化を行い、
素子分離領域に厚いフィールド絶縁膜7を約500nm
の厚さで形成する。ここまでの過程の断面図を図8に示
す。
【0016】(6)CVD技術を用い、全面に第2の多
結晶シリコン膜を形成する。
【0017】(7)異方性ドライエッチングを行い、第
1の窒化シリコン膜4、多結晶シリコン膜3、第2の窒
化シリコン膜5の側面、すなわち窒化シリコン膜のサイ
ドウォール6の上に多結晶シリコン膜のサイドウォール
8を形成する。ここまでの過程の断面図を図9に示す。
【0018】(8)第1の窒化シリコン膜4、多結晶シ
リコン膜3、第2の窒化シリコン膜5及び窒化シリコン
膜のサイドウォール6、多結晶シリコン膜のサイドウォ
ール8をマスクにしてボロンイオン9を打ち込み、P型
チャネルストッパー層10を形成する。ここで、前記多
結晶シリコン膜3は、ボロンイオン9が素子形成領域の
シリコン基板1表面まで突き抜けないように、また多結
晶シリコン膜のサイドウォール8は再現性よく形成され
るように膜厚を比較的厚く設定する必要がある。ここま
での過程の断面図を図10に示す。
【0019】(9)多結晶シリコン膜のサイドウォール
8、窒化シリコン膜のサイドウォール6、第2の窒化シ
リコン膜5、多結晶シリコン膜3、第1の窒化シリコン
膜4、及び酸化シリコン膜2を順次除去する。
【0020】(10)通常の半導体装置製造方法に従っ
て、ゲート絶縁膜11を約20nmの厚さで形成する。
【0021】(11)フォトリソグラフィ技術を用い
て、ゲート絶縁膜11のパターニングを行いコンタクト
用ホール12を形成する。このコンタクト用ホール12
の下部は以下に述べるゲート電極形成時のリンの熱拡散
によりN型高濃度不純物層16が形成される。
【0022】(12)CVD技術を用い、ゲート絶縁膜
11上にゲート電極13を約300nmの厚さで形成す
る。このゲート電極13は、多結晶シリコンにリンを熱
拡散させ、その後高融点金属であるTiやWとシリコン
の化合物(シリサイド)をスパッタするというポリサイ
ド構造である。
【0023】(13)フォトリソグラフィ技術を用い、
ゲート電極13をパターニングし、イオン注入技術を用
いて不純物(リン)を注入することによりN型低濃度不
純物層14を形成する。
【0024】(14)CVD技術を用い、フィールド絶
縁膜7、ゲート電極13、N型低濃度不純物層14上に
酸化シリコ膜を形成する。
【0025】(15)異方性ドライエッチングを行い、
前記ゲート電極13の側面に酸化シリコン膜のサイドウ
ォール15を形成する。
【0026】(16)イオン注入技術を用い、ゲート電
極13、酸化シリコン膜のサイドウォール15をマスク
として不純物(ヒ素)を注入し、N型高濃度不純物層1
6を形成すると図11に示す構造となる。
【0027】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、素子
分離領域に選択酸化により厚い絶縁膜を形成した後に素
子分離領域上に微細な開口部を設け、しかる後にイオン
注入を行って前記厚い絶縁膜下にチャネルストッパー層
を形成するというものである。
【0028】しかしながら、この従来技術によれば、上
記したように素子分離領域上に微細な開口部を設ける
際、選択酸化を行った後、多結晶シリコン膜を全面に形
成し、ドライエッチング技術を用いてエッチバックを行
い、選択酸化のマスクパターン上に多結晶シリコン膜の
サイドウォールを形成する。このように、素子分離領域
上に微細な開口部を設ける際にドライエッチング技術に
よるエッチバックを行っているため、選択酸化によって
形成された厚い絶縁膜もエッチングされ、膜厚は形成当
初よりも薄くなる。このため、近年の素子の微細化に伴
って選択酸化によって形成される厚い絶縁膜の膜厚を薄
くした場合、エッチバックがオーバーになると、前記厚
い絶縁膜が薄くなりすぎ、寄生MOSトランジスタのし
きい値電圧が低下するという問題点がある。さらに、前
にも述べたように成膜とエッチバックプロセスを少なく
とも2度くり返す必要がありプロセスが複雑である。さ
らにエッチバックの制御が困難であり、製造歩留り低
下、コスト増大の問題がある。
【0029】本発明の目的は、P型チャネルストッパー
層とN型高濃度不純物層との間の寄生接合容量の低減、
ジャンクションリークの低減によるデータ保持特性の向
上及び狭チャネル効果によるMOSトランジスタのしき
い値電圧の上昇の抑制に加え、上記の問題点をクリアに
するためのプロセス的に簡素化された半導体装置の製造
方法を提供することにある。
【0030】
【課題を解決するための手段】本発明による素子分離形
成方法においては、シリコン基板上に酸化シリコン膜、
多結晶シリコン膜、第1の窒化シリコン膜を順次形成
し、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状にパタ
ーニングを行った後選択酸化を行う。その後第1の窒化
シリコン膜の上に第2の窒化シリコン膜を全面に形成
し、第1の窒化シリコン膜、多結晶シリコン膜及びこれ
らの側面に形成された第2の窒化シリコン膜をマスクと
して、選択酸化によって形成された素子分離用の厚い絶
縁膜下にイオン注入によりチャネルストッパー層を形成
する。
【0031】
【作用】上記手段によれば、選択酸化後に第2の窒化シ
リコン膜厚分だけ狭小化された領域にP型チャネルスト
ッパー層形成のためのボロンイオン注入を行うことがで
きる。従ってP型チャネルストッパー層の横方向への拡
散によるトランジスタ領域への影響を抑えることができ
るので狭チャネル効果の制御に効果がある。かつ横方向
への拡散が抑制されることでイオン注入のドーズ量を増
す事ができ、このため充分な素子分離能力を保持しつつ
素子分離領域を微細化でき、寄生MOSトランジスタの
しきい値電圧の低下も防止できる。また、P型チャネル
ストッパー層とN型高濃度不純物層が直接接しておら
ず、ジャンクションリークが低減されるためデータ保持
特性の向上と寄生接合容量の低減が得られる。
【0032】さらに、従来技術において詳述したように
P形チャンネルストッパー形成用のイオン注入のための
素子分離領域よりも狭生な凹部を設けるための、ドライ
エッチング技術によるエッチバックプロセスでは選択酸
化による素子分離絶縁膜の膜厚減少が生じたが、本発明
の方法ではエッチバックプロセスが不要となり、一度の
絶縁間成長だけを行えばよく、寄生MOSトランジスタ
のしきい値電圧の低下も抑えられる。
【0033】さらに上述したように絶縁膜を一度成長
し、素子分離領域よりも狭小な凹部を該領域に設けると
いう簡素なプロセスであるため、製造歩留り低減、コス
ト増大の問題もなくなる。
【0034】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1〜図5により詳
細に説明する。
【0035】(1)シリコン基板1の表面を熱酸化して
厚さが約20nmの酸化シリコン膜2を形成した後、C
VD技術にて多結晶シリコン膜3を形成し、さらにその
上にCVD法にて第1の窒化シリコン膜4を形成する。
ここで、多結晶シリコン膜3及び窒化シリコン膜4の膜
厚は、後に行うチャネルストッパー層形成のためのボロ
ンイオン9が素子形成領域のシリコン基板1表面まで突
き抜けない膜厚に設定する必要がある。ボロンのイオン
注入は加速電圧150kV,ドーズ量1.5×1013
-2で行なったがこの場合、多結晶シリコン膜3の膜厚
を80nm程度、窒化シリコン膜4の膜厚を400nm
程度に設定すればよい。ここまでの過程の断面図を図1
に示す。
【0036】(2)フォトリソグラフィ技術を用い、第
1の窒化シリコン膜4、多結晶シリコン膜3を素子形成
領域にのみ残存させる。ここまでの過程の断面図を図2
に示す。
【0037】(3)第1の窒化シリコン膜4、多結晶シ
リコン膜3をマスクにして選択酸化を行い、素子分離領
域に厚いフィールド絶縁膜7を約300nmの厚さで形
成する。ここまでの過程の断面図を図3に示す。
【0038】(4)CVD技術を用い、全面に第2の窒
化シリコン膜5を約200nmの厚さで形成する。
【0039】(5)第2の窒化シリコン膜5、第1の窒
化シリコン膜4、多結晶シリコン膜3をマスクにしてボ
ロンイオン9を打ち込み、P型チャネルストッパー層1
0を形成する。このとき、将来素子形成領域となる部分
に残存している第2の窒化シリコン膜5、第1の窒化シ
リコン膜4、多結晶シリコン膜3の総膜厚と将来素子分
離領域となる部分のフィールド絶縁膜7、第2の窒化シ
リコン膜5の総膜厚の差によって、将来素子形成領域と
なる部分にはボロンイオン9は注入されずセルフアライ
ン(自己整合)的にP型チャネルストッパー層10は形
成される。ここまでの過程の断面図を図4に示す。
【0040】(6)第2の窒化シリコン膜5、第1の窒
化シリコ膜4、多結晶シリコン膜3、及び酸化シリコン
膜2を順次除去する。
【0041】(7)通常の半導体装置製造方法に従っ
て、ゲート絶縁膜11を約20nmの厚さで形成する。
【0042】(8)フォトリソグラフィ技術を用いて、
ゲート絶縁膜11のパターニングを行いコンタクト用ホ
ール12を形成する。このコンタクト用ホール12の下
部は以下に述べるゲート電極形成時のリンの熱拡散によ
りN型高濃度不純物層16が形成される。
【0043】(9)CVD技術を用い、ゲート絶縁膜1
1上にゲート電極13を約300nmの厚さで形成す
る。このゲート電極13は、多結晶シリコンにリンを熱
拡散させ、その後高融点金属であるTiやWとシリコの
化合物(シリサイド)をスパッタするというポリサイド
構造である。
【0044】(10)フォトリソグラフィ技術を用い、
ゲート電極13をパターニングし、イオン注入技術を用
いて不純物(リン)を注入することによりN型低濃度不
純物層14を形成する。
【0045】(11)CVD技術を用い、フィールド絶
縁膜7、ゲート電極13、N型低濃度不純物層14上に
酸化シリコン膜を形成する。
【0046】(12)エッチング技術を用い、異方性ド
ライエッチングを行い、ゲート電極13の側面に酸化シ
リコ膜のサイドウォール15を形成する。
【0047】(13)イオン注入技術を用い、ゲート電
極13、酸化シリコ膜のサイドウォール15をマスクと
して不純物(ヒ素)を注入し、N型高濃度不純物層16
を形成すると図5に示す構造となる。
【0048】第1実施例では、P型チャネルストッパー
層10を形成するためのボロンイオン9注入のマスクと
なる第1の窒化シリコン膜4上の絶縁膜を第2の窒化シ
リコン膜5で形成したが、第2実施例として、第2の多
結晶シリコンで形成する。この時、第2の窒化シリコン
膜5を第2の多結晶シリコン膜に置きかえるだけ図1〜
図5に示す製造方法をそのまま用いることができる。
【0049】
【発明の効果】選択酸化後に第1の窒化シリコン膜上に
全面に絶縁膜を形成し、ドライエッチング技術によるエ
ッチバックプロセス無しに素子分離領域上に選択酸化前
の素子分離領域よりも狭小な凹部を設け、その狭小な凹
部を通して、P型チャネルストッパー層形成のためのボ
ロンイオン注入を行うことにより、P型チャネルストッ
パー層によるトランジスタ領域への影響を抑えることが
できるので、狭チャネル効果の抑制に効果があり、かつ
イオン注入のドーズ量を増す事ができ、これにより素子
分離領域を微細化しても寄生MOSトランジスタのしき
い値電圧の低下を防止でき、素子分離能力の向上を図る
ことができる。また、P型チャネルストッパー層とN型
高濃度不純物が直接接しておらず、ジャンクションリー
クが低減されるためデータ保持特性の向上が期待でき、
なおかつ寄生接合容量の低減が実現できる。
【0050】それに加えて、素子分離領域上に選択酸化
前の素子分離領域よりも狭小な凹部を設ける際に、ドラ
イエッチング技術によるエッチンバックプロセスを使用
していないので、選択酸化によって形成される厚い絶縁
膜の膜厚減少がなく、膜厚減少による寄生MOSトラン
ジスタのしきい値電圧の低下を抑えることができる。
【0051】さらに、本発明による半導体装置の製造法
は絶縁膜を一度成長し、素子分離領域上に選択酸化前の
素子分離領域よりも狭小な凹部を設けるという簡素なプ
ロセスであるため、製造歩留り低下、コスト増大の問題
もない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の製法を示す断面図であ
る。
【図2】本発明の第1実施例の製法を示す断面図であ
る。
【図3】本発明の第1実施例の製法を示す断面図であ
る。
【図4】本発明の第1実施例の製法を示す断面図であ
る。
【図5】本発明の第1実施例の製法を示す断面図であ
る。
【図6】従来技術の製法を示す断面図である。
【図7】従来技術の製法を示す断面図である。
【図8】従来技術の製法を示す断面図である。
【図9】従来技術の製法を示す断面図である。
【図10】従来技術の製法を示す断面図である。
【図11】従来技術の製法を示す断面図である。
【図12】従来技術が提示されるまでの製法を示す断面
図である。
【図13】従来技術が提示されるまでの製法を示す断面
図である。
【図14】従来技術が提示されるまでの製法を示す断面
図である。
【図15】従来技術が提示されるまでの製法を示す断面
図である。
【図16】狭チャネル効果を説明するためのトランジス
タ部の平面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 酸化シリコン膜 3 多結晶シリコン膜 4 第1の窒化シリコン膜 5 第2の窒化シリコン膜 6 窒化シリコン膜のサイドウォール 7 フィールド絶縁膜 8 多結晶シリコン膜のサイドウォール 9 ボロンイオン 10 P型チャネルストッパー層 11 ゲート絶縁膜 12 コンタクト用ホール 13 ゲート電極 14 N型低濃度不純物 15 酸化シリコン膜のサイドウォール 16 N型高濃度不純物層 17 P型チャネルストッパー層とN型高濃度不純物
層との間の重なり部分

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板上の素子分離領域に素子分
    離用絶縁膜を設けて素子間を分離する半導体装置の製造
    方法において、 一導電型のシリコン基板上に酸化シリコン膜、多結晶シ
    リコン膜、窒化シリコン膜を順に形成する工程と、前記
    窒化シリコン膜及び多結晶シリコン膜をフォトリソグラ
    フィ技術を用い、選択的に除去する工程と、選択酸化を
    行う工程と、前記窒化シリコン膜上に絶縁膜を形成し全
    面を覆う工程と、しかる後にチャネルストッパー層を形
    成するための不純物注入を行う工程とを含む半導体装置
    の製造方法。
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