JPH09219444A - 浅い溝アイソレーション構造内に結晶質窒化珪素被膜の薄膜を形成する方法及びサブミクロンの集積回路デバイス用の浅い溝アイソレーション構造 - Google Patents
浅い溝アイソレーション構造内に結晶質窒化珪素被膜の薄膜を形成する方法及びサブミクロンの集積回路デバイス用の浅い溝アイソレーション構造Info
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- JPH09219444A JPH09219444A JP8267699A JP26769996A JPH09219444A JP H09219444 A JPH09219444 A JP H09219444A JP 8267699 A JP8267699 A JP 8267699A JP 26769996 A JP26769996 A JP 26769996A JP H09219444 A JPH09219444 A JP H09219444A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 集積回路デバイスにおける浅い溝アイソレー
ション(STI)構造内に結晶質窒化珪素(Si3N4)
被膜の薄膜を形成する方法を提供する。 【解決手段】 低圧化学蒸気析出法(LPCVVD)に
よって5〜10nm厚さのSi3N4被膜をSTI構造内
に720〜780℃の温度で析出させ、かつSi3N4被
膜の析出直後に、高温の高速熱アニールを1050〜1
100℃で60秒間実施してSi3N4被膜をアモルファ
ス状態から結晶質状態に転化する。 【効果】 得られた結晶質Si3N4は、析出したままの
アモルファスSi3N4よりも低い電子トラップ密度を有
する。厚さの制御範囲が大きくなる。
ション(STI)構造内に結晶質窒化珪素(Si3N4)
被膜の薄膜を形成する方法を提供する。 【解決手段】 低圧化学蒸気析出法(LPCVVD)に
よって5〜10nm厚さのSi3N4被膜をSTI構造内
に720〜780℃の温度で析出させ、かつSi3N4被
膜の析出直後に、高温の高速熱アニールを1050〜1
100℃で60秒間実施してSi3N4被膜をアモルファ
ス状態から結晶質状態に転化する。 【効果】 得られた結晶質Si3N4は、析出したままの
アモルファスSi3N4よりも低い電子トラップ密度を有
する。厚さの制御範囲が大きくなる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはサブミ
クロンの集積回路の製造方法、詳細にはO2バリア被膜
としての浅い溝アイソレーション(STI)構造内に薄
い窒化珪素(Si3N4)被膜を施す方法に関する。
クロンの集積回路の製造方法、詳細にはO2バリア被膜
としての浅い溝アイソレーション(STI)構造内に薄
い窒化珪素(Si3N4)被膜を施す方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン集積回路機能及び生産高に影響
する最も重要なパラメータの1つは、デバイス処理中に
シリコン基板内部に発生する応力の量である。シリコン
(Si)の機械的降伏強さを越える応力は、Si結晶欠
陥(例えばディスロケーション及びスタッキング欠陥)
を形成し、デバイス性能及び歩留りに悪影響を及ぼす。
応力の顕著な原因は、電子デバイスのアイソレーション
プロセスで起こる。浅い溝アイソレーション(STI)
は、0.5μm以下で設計されたパターンのために使用
される。この方法は、 1)“浅い(shallow)”溝(即ち0.5μm以下)のエ
ッチング、 2)エッチング直後の酸化物薄膜の成長、 3)トレンチへの誘電体(即ち析出した酸化物)の充
填、 4)誘電体の酸化又は不活性雰囲気内での高温アニール
の使用のいずれかによる、誘電体の緻密化(desifyin
g)及び 5)誘電体の平坦化 を包含する。
する最も重要なパラメータの1つは、デバイス処理中に
シリコン基板内部に発生する応力の量である。シリコン
(Si)の機械的降伏強さを越える応力は、Si結晶欠
陥(例えばディスロケーション及びスタッキング欠陥)
を形成し、デバイス性能及び歩留りに悪影響を及ぼす。
応力の顕著な原因は、電子デバイスのアイソレーション
プロセスで起こる。浅い溝アイソレーション(STI)
は、0.5μm以下で設計されたパターンのために使用
される。この方法は、 1)“浅い(shallow)”溝(即ち0.5μm以下)のエ
ッチング、 2)エッチング直後の酸化物薄膜の成長、 3)トレンチへの誘電体(即ち析出した酸化物)の充
填、 4)誘電体の酸化又は不活性雰囲気内での高温アニール
の使用のいずれかによる、誘電体の緻密化(desifyin
g)及び 5)誘電体の平坦化 を包含する。
【0003】デバイス形状はその寸法を縮小続けてお
り、一方応力は面積に反比例するので、アイソレーショ
ン処理中の応力を可能な限り減少させることは最も重要
なことである。
り、一方応力は面積に反比例するので、アイソレーショ
ン処理中の応力を可能な限り減少させることは最も重要
なことである。
【0004】256メガバイト(MB)ダイナミック・
ランダム・アクセス・メモリー(DRAM)チップは、
コンデンサアレー内の種々のトランジスタを隔離するた
めに“深い(deep)”溝アレー(コンデンサとして)及
びSTIを使用する。トレンチ・コンデンサアレー内の
Si結晶欠陥を排除するためには基板内で成長する酸化
物の量の制限が必要であることが確認されている。Si
基板内の酸素O2を“ブロックアウト”するために一般
に使用される方法は、STI内に酸化物薄膜を成長させ
た直後に、低圧化学蒸気析出(LPCVD)によって析
出させた窒化珪素(Si3N4)薄膜(<5nm)を使用
することである。Si3N4薄膜は5μm以下であると記
載されている。この厚さ制限の理由は、この薄膜は熱燐
酸浴(例えばパッドSi3N4を除去するため)並びにフ
ッ化水素酸浴(例えばパッドSi3N4除去するため)内
でエッチング耐性を有するべきであることが判明した。
STI溝内でSi3N4ライナーとして使用されるLPC
VD−Si3N4厚膜は、熱燐酸内で急速にエッチングさ
れることが判明した。
ランダム・アクセス・メモリー(DRAM)チップは、
コンデンサアレー内の種々のトランジスタを隔離するた
めに“深い(deep)”溝アレー(コンデンサとして)及
びSTIを使用する。トレンチ・コンデンサアレー内の
Si結晶欠陥を排除するためには基板内で成長する酸化
物の量の制限が必要であることが確認されている。Si
基板内の酸素O2を“ブロックアウト”するために一般
に使用される方法は、STI内に酸化物薄膜を成長させ
た直後に、低圧化学蒸気析出(LPCVD)によって析
出させた窒化珪素(Si3N4)薄膜(<5nm)を使用
することである。Si3N4薄膜は5μm以下であると記
載されている。この厚さ制限の理由は、この薄膜は熱燐
酸浴(例えばパッドSi3N4を除去するため)並びにフ
ッ化水素酸浴(例えばパッドSi3N4除去するため)内
でエッチング耐性を有するべきであることが判明した。
STI溝内でSi3N4ライナーとして使用されるLPC
VD−Si3N4厚膜は、熱燐酸内で急速にエッチングさ
れることが判明した。
【0005】Si3N4ライナーと関連した1つの問題
は、該ライナーが電子をトラップする傾向を有すること
であった。Si3N4ライナーの電荷トラッピング挙動
(インターフェース及びバルク)は、DRAMsのセン
スアンプリファイヤー(即ち“サポート回路”)におけ
るSTI境界漏れ(Nウェル・ツウ・Nウェル)を強化
する、従って高い予備電流を惹起することが観察され
た。最近のデータは明らかに、Si3N4ライナーが限界
電圧(Vt)を低下させかつ接合漏れを10の数乗程度
増大することを示している。
は、該ライナーが電子をトラップする傾向を有すること
であった。Si3N4ライナーの電荷トラッピング挙動
(インターフェース及びバルク)は、DRAMsのセン
スアンプリファイヤー(即ち“サポート回路”)におけ
るSTI境界漏れ(Nウェル・ツウ・Nウェル)を強化
する、従って高い予備電流を惹起することが観察され
た。最近のデータは明らかに、Si3N4ライナーが限界
電圧(Vt)を低下させかつ接合漏れを10の数乗程度
増大することを示している。
【0006】Si3N4ライナーによりトラップされる電
荷の量を確認するために、(1)熱成長酸化物(SiO
2-10nm)、(2)LPCVD-Si3N4(4nm)
及び(3)10nmSiO2/10nmLPCVD-Si
3N4からなるブランケットウエーハ実験用ろうが分析さ
れた。アルミニウムをドットマスクを介して絶縁被膜上
に析出させることにより、簡単な金属-絶縁体半導体が
製造された。C−V測定(低周波数及び高周波数)が実
施され、その結果、(1)Si3N4被膜だけは酸化物よ
りもほぼ10の二乗大きい電荷トラッピング状態を含有
する(即ち1012対1010)、及び(2)酸化物とSi
3N4の組合せは電荷トラッピング状態の密度を限界的に
のみ低下させる(例えば〜5×1011対1010)ことが
判明した。理想的には、電荷をトラップせず、なおかつ
熱燐酸及びフッ化水素酸に対して耐性であるSi3N4薄
膜を発生又は析出させることは最良である。
荷の量を確認するために、(1)熱成長酸化物(SiO
2-10nm)、(2)LPCVD-Si3N4(4nm)
及び(3)10nmSiO2/10nmLPCVD-Si
3N4からなるブランケットウエーハ実験用ろうが分析さ
れた。アルミニウムをドットマスクを介して絶縁被膜上
に析出させることにより、簡単な金属-絶縁体半導体が
製造された。C−V測定(低周波数及び高周波数)が実
施され、その結果、(1)Si3N4被膜だけは酸化物よ
りもほぼ10の二乗大きい電荷トラッピング状態を含有
する(即ち1012対1010)、及び(2)酸化物とSi
3N4の組合せは電荷トラッピング状態の密度を限界的に
のみ低下させる(例えば〜5×1011対1010)ことが
判明した。理想的には、電荷をトラップせず、なおかつ
熱燐酸及びフッ化水素酸に対して耐性であるSi3N4薄
膜を発生又は析出させることは最良である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、析出したままの(as-deposited)LPCVD−Si
3N4よりも低密度のトラッピング中心を含有し、かつ
O2バリヤー被膜として極めて有効であり、しかも熱燐
酸及びフッ化水素酸に対して耐性を有するSi3N4薄膜
を提供することである。
は、析出したままの(as-deposited)LPCVD−Si
3N4よりも低密度のトラッピング中心を含有し、かつ
O2バリヤー被膜として極めて有効であり、しかも熱燐
酸及びフッ化水素酸に対して耐性を有するSi3N4薄膜
を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、STI
構造内にO2バリヤーとして薄い結晶質Si3N4被膜が
施される。該結晶質Si3N4は、析出したままのLPC
VD−Si3N4よりも、低密度のトラッピング中心を含
有し、かつ熱燐酸及びフッ化水素酸腐食に対して良好な
耐性を有し、かつO2バリヤー被膜として極めて有効で
ある。事実、結晶質Si3N4が低い密度のトラッピング
中心を有し、若干の場合には全く、現行のSTI技術で
使用される析出したままのLPCVD−Si3N4被膜に
より惹起される寄生トランジスタを防止する。更に、現
行の技術で明記されている制限的厚さとは異なり、本発
明は、STI溝内でO2バリヤー被膜として使用される
べき結晶質LPCVD−Si3N4厚さの大きな範囲(例
えば5nm〜10nm)を可能にする。このことは製造
における厚さ制御可能性のために大きな処理窓を可能に
する。
構造内にO2バリヤーとして薄い結晶質Si3N4被膜が
施される。該結晶質Si3N4は、析出したままのLPC
VD−Si3N4よりも、低密度のトラッピング中心を含
有し、かつ熱燐酸及びフッ化水素酸腐食に対して良好な
耐性を有し、かつO2バリヤー被膜として極めて有効で
ある。事実、結晶質Si3N4が低い密度のトラッピング
中心を有し、若干の場合には全く、現行のSTI技術で
使用される析出したままのLPCVD−Si3N4被膜に
より惹起される寄生トランジスタを防止する。更に、現
行の技術で明記されている制限的厚さとは異なり、本発
明は、STI溝内でO2バリヤー被膜として使用される
べき結晶質LPCVD−Si3N4厚さの大きな範囲(例
えば5nm〜10nm)を可能にする。このことは製造
における厚さ制御可能性のために大きな処理窓を可能に
する。
【0009】
【実施例】以下に図面を参照して、実施例につき本発明
の前述のかつその他の目的、態様及び利点を詳細に説明
する。
の前述のかつその他の目的、態様及び利点を詳細に説明
する。
【0010】図1のA,B及びCには、本発明に基づき
STI溝内に結晶化されたSi3N4を形成する方法が
示されている。図1のAで、狭い溝がエッチングされた
後に、薄い熱酸化物(典型的には厚さ10nm)をエッ
チングダメージを除去するために成長させる。次に、図
1のBで、Si3N4薄膜(5〜10nm)をSTI溝内
の熱成長した酸化物層の上面に析出させる。次いで、図
1のCで、LPCVD−Si3N4を典型的には720〜
780℃の温度で析出させる、そのようにして一般にア
モルファス状態で析出させる。析出の直後、純粋な窒素
(RTN)又はアンモニア(NH4)内での高温の高速
熱アニールを実施する。LPCVD−Si3N4の結晶化
は1050℃開始しかつ60秒程度のアニール時間に亙
り実施する。1050℃よりも高い温度及び/又は60
秒よりも長いアニール時間は、LPCVD−Si3N4の
更なる結晶化及び粒子成長を惹起することがある。付加
的に、より厚いLPCVD−Si3N4(10nmまで)
は、1100℃未満の温度で結晶化することができる。
このことはRYN工程中のウエーハ・ワーページ(wafe
r warpage)の制限及びウエーハエッジに沿ったスリッ
プライン形成のために極めて重要である。
STI溝内に結晶化されたSi3N4を形成する方法が
示されている。図1のAで、狭い溝がエッチングされた
後に、薄い熱酸化物(典型的には厚さ10nm)をエッ
チングダメージを除去するために成長させる。次に、図
1のBで、Si3N4薄膜(5〜10nm)をSTI溝内
の熱成長した酸化物層の上面に析出させる。次いで、図
1のCで、LPCVD−Si3N4を典型的には720〜
780℃の温度で析出させる、そのようにして一般にア
モルファス状態で析出させる。析出の直後、純粋な窒素
(RTN)又はアンモニア(NH4)内での高温の高速
熱アニールを実施する。LPCVD−Si3N4の結晶化
は1050℃開始しかつ60秒程度のアニール時間に亙
り実施する。1050℃よりも高い温度及び/又は60
秒よりも長いアニール時間は、LPCVD−Si3N4の
更なる結晶化及び粒子成長を惹起することがある。付加
的に、より厚いLPCVD−Si3N4(10nmまで)
は、1100℃未満の温度で結晶化することができる。
このことはRYN工程中のウエーハ・ワーページ(wafe
r warpage)の制限及びウエーハエッジに沿ったスリッ
プライン形成のために極めて重要である。
【0011】結晶質Si3N4の典型的な形態は、図2及
び図3に示されている。図2及びず3は、それぞれ、1
100℃でアニールした10nmSiO2/4nmSi3
N4絶縁体対の明視野透過型電子顕微鏡写真(TEM)
及び相応する電子回折パターンである。1100℃で、
Si3N4被膜は大部分が結晶質であることが見られる。
しかしながら、1050℃では、被膜の大部分がアモル
ファスであることが明らかであるが、Si3N4の小さな
結晶が観察される。1050℃と1100℃でアニール
した試料の電子回折分析は、低温度-六方晶(α)Si3
N4相であることを示す。
び図3に示されている。図2及びず3は、それぞれ、1
100℃でアニールした10nmSiO2/4nmSi3
N4絶縁体対の明視野透過型電子顕微鏡写真(TEM)
及び相応する電子回折パターンである。1100℃で、
Si3N4被膜は大部分が結晶質であることが見られる。
しかしながら、1050℃では、被膜の大部分がアモル
ファスであることが明らかであるが、Si3N4の小さな
結晶が観察される。1050℃と1100℃でアニール
した試料の電子回折分析は、低温度-六方晶(α)Si3
N4相であることを示す。
【0012】LPCVD−Si3N4の結晶化被膜は、析
出したままのLPCVD−Si3N4の結晶化被膜と比較
すると極めて低いトラップ密度を有する。高温度アニー
ルで(1050℃〜1150℃)で結晶化した10nm
SiO2/4nmSi3N4絶縁体対のC−V測定の結果
は、トラップ密度が最低で1桁の程度低下したことを示
す。更に、結晶化したLPCVD−Si3N4被膜は、熱
燐酸及びフッ化水素酸の対して著しく高いエッチング耐
性を有することを示す。エッチング速度の調査から、結
晶化したLPCVD−Si3N4被膜は最低でも析出した
ままのLPCVD−Si3N4よりも熱燐酸中で45%低
いエッチング速度及び純粋なフッ化水素酸内で30%程
低いエッチング速度を有することが判明した。
出したままのLPCVD−Si3N4の結晶化被膜と比較
すると極めて低いトラップ密度を有する。高温度アニー
ルで(1050℃〜1150℃)で結晶化した10nm
SiO2/4nmSi3N4絶縁体対のC−V測定の結果
は、トラップ密度が最低で1桁の程度低下したことを示
す。更に、結晶化したLPCVD−Si3N4被膜は、熱
燐酸及びフッ化水素酸の対して著しく高いエッチング耐
性を有することを示す。エッチング速度の調査から、結
晶化したLPCVD−Si3N4被膜は最低でも析出した
ままのLPCVD−Si3N4よりも熱燐酸中で45%低
いエッチング速度及び純粋なフッ化水素酸内で30%程
低いエッチング速度を有することが判明した。
【0013】本発明を唯一の有利な実施例で説明して来
たが、本発明は、特許請求の範囲に記載の思想及び範囲
内で変更して実施できることは、当業者にとって自明の
ことである。
たが、本発明は、特許請求の範囲に記載の思想及び範囲
内で変更して実施できることは、当業者にとって自明の
ことである。
【図1】A,B及びCは、SIT構造内への結晶質Si
3N4薄膜の形成プロセスを示す。
3N4薄膜の形成プロセスを示す。
【図2】結晶質Si3N4の明視野透過型電子顕微鏡写真
である。
である。
【図3】TEMの電子回折パターンの写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバート ホー アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ワシン トンヴィル バーネット ウエイ 7 (72)発明者 エルヴィン ハマール ドイツ連邦共和国 エマーティング アー ダルベルト−シュティフター−シュトラー セ 21 (72)発明者 デイヴィッド エム ドブツィンスキー アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ホープ ウエル ジャンクション シェナンドー ロード 29 (72)発明者 ヨット ヘルベルト パルム アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ワッピ ンガーズ フォールズ タウン ヴュー ドライヴ 207 (72)発明者 スティーヴン フガルディ アメリカ合衆国 コネチカット ニュー ミルフォードミーティングハウス テラス 31 (72)発明者 アトゥル アジメラ アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ワッピ ンガー エリザベス テラス 22 (72)発明者 ジェームズ イー モーズマン アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ドーヴ ァー プレインズ メイフラワー アヴェ ニュー 51 (72)発明者 サミュエル シー ラマク アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ワッピ ンガーズ フォールズ ウインスロープ コート 32 ビー
Claims (7)
- 【請求項1】 集積回路デバイスにおける浅い溝アイソ
レーション(STI)構造内に結晶質窒化珪素(Si3
N4)被膜の薄膜を形成する方法において、 低圧化学蒸気析出法(LPCVVD)によって5〜10
nm厚さのSi3N4被膜をSTI構造内に720〜78
0℃の温度で析出させ、かつSi3N4被膜の析出直後
に、高速熱アニールを1050〜1150℃でほぼ60
秒間実施してSi3N4被膜をアモルファス状態から結晶
質状態に変換させること特徴とする、浅い溝アイソレー
ション構造内に結晶質窒化珪素被膜の薄膜を形成する方
法。 - 【請求項2】 STI構造を、 シリコン基板内に0.5μm以下の浅い溝をエッチング
し、かつエッチングしたトレンチ内に薄膜熱酸化物をほ
ぼ10nmの厚さに成長させて、エッチングダメージを
除去することにより形成する、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 アニール温度が1100℃である、請求
項1記載の方法。 - 【請求項4】 高速熱アニールを純粋窒素内で実施す
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 高速熱アニールをアンモニア内で実施す
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 サブミクロンの集積回路デバイス用の改
良された浅い溝アイソレーション(STI)構造におい
て、 シリコン基板内のエッチングされた0.5μm以下の浅
い溝及び前記浅い溝内の5〜10nmの薄い結晶質Si
3N4被膜からなること特徴とする、サブミクロンの集積
回路デバイス用の浅い溝アイソレーション構造。 - 【請求項7】 更に、前記浅い溝をエッチング内に成長
させたほぼ10nmの厚さの薄い熱酸化物被膜を有し、
前記薄い結晶質Si3N4被膜が薄い熱酸化物上に形成さ
れている、請求項6記載の改良された浅い溝アイソレー
ション構造。
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TW (1) | TW306040B (ja) |
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