説明

半導体装置およびその製造方法

【課題】応力の発生が緩和され、かつ、良質な埋め込み構造を有する半導体装置、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第1の領域AR1、第2の領域AR2を有し、さらwに、第1の領域AR1が第1の溝TR1を、第2の領域AR2が第2の溝TR2、を有する基板の溝に絶縁膜を埋設する。このとき、第1の溝TR1、第2の溝TR2のそれぞれを、その溝の幅の相違に応じて、径の異なる第1のナノ粒子CS1、第2のナノ粒子CS2で、埋め込んで絶縁膜を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体装置の微細化の進展に伴い、その限界を緩和しつつ集積度を上げる方法として、3次元構造を形成する手法がとられている。3次元化により生じたギャップについては、通常、良質な絶縁膜であるシリコン酸化膜で埋め込むことが一般的である。
【0003】
しかしながら、3次元構造では埋め込まれる構造のアスペクト比が高く、CVD(Chemical Vapor Deposition)法など、等方的に絶縁膜を成膜する方法では、埋め込み材の充填が一様になされず、溝の中に埋め込み不良であるボイド(void)が生じることが多く、完全に埋め込むことが困難である。
【0004】
このような高アスペクト比の溝を埋め込むために、液体材料による塗布膜を用いて埋め込む技術がある。しかし、埋め込み材として用いられる塗布材料は、たとえば、ポリシラザンの有機溶媒溶液のように、塗布後の加熱による溶媒の昇華工程、さらに熱酸化によるシラザン膜からシリコン酸化膜への転換工程などを経た後に、埋め込み当初の塗布材料が、体積収縮を起こすことがある。この体積収縮は、埋め込み材や、その周辺の構造に歪みを生じさせて、応力を発生させてしまう。この応力は、半導体基板であるSi結晶に結晶欠陥を生じさせ、構造体である配線に断線を誘発し、バリアメタル、シリサイドの凝集などをも誘発するという問題があった。
【0005】
このような問題に対し、埋め込み材として、シリカ等の粒状絶縁物をイソプロピルアルコール(IPA:isopropyl alcohl)、エチレングリコール(EG:ethylene glycol)、純水等の溶媒またはこれらの混合溶媒に分散させた薬液を用いて高アスペクト比の溝を埋め込む技術も提案されている(例えば特許文献1)。しかしながら、特許文献1には、互いに幅が異なる複数の溝が基板面の異なる領域に配置されている場合の埋め込み方法については示唆すらもなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−158085号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、応力の発生が緩和され、かつ、良質な埋め込み構造を有する半導体装置、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の第1の態様によれば、
第1および第2の領域を有する基板と、
前記基板の前記第1の領域に設けられ、第1の幅を有する第1の溝と、
前記基板の前記第2の領域に設けられ、前記第1の幅よりも広い第2の幅を有する第2の溝と、
第1の直径を有する第1のナノ粒子を含み、前記第1の溝に埋設された第1の絶縁膜と、
第1のナノ粒子で前記第2の溝の底面に形成された第2の絶縁膜と、前記第1の直径よりも長い第2の直径を有する第2のナノ粒子で前記第2の絶縁膜上に形成されて前記第2の絶縁膜とともに前記第2の溝に埋設された第3の絶縁膜と、
を備える半導体装置が提供される。
【0009】
また、本発明の第2の態様によれば、
異なる幅を有する複数種類の溝を基板の表面の複数の領域に形成する工程と、
各領域における前記溝の幅に応じて選択された異なる直径を有する複数種類のナノ粒子を有機溶媒に溶かせたコロイド溶液または前記複数種類のナノ粒子を有機溶剤に分散させた懸濁液を前記基板に塗布した後に前記コロイド溶液または前記懸濁液を昇華させて前記複数種類のナノ粒子を前記溝に順次に埋め込むことにより、前記溝に絶縁膜を埋設する埋め込み工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、応力の発生が緩和され、かつ、良質な埋め込み構造を有する半導体装置、およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す略示断面図である。
【図1B】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す略示断面図である。
【図1C】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す略示断面図である。
【図1D】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す略示断面図である。
【図1E】本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す略示断面図である。
【図2】従来の技術による半導体装置の一例を示す略示断面図である。
【図3】本発明に係る半導体装置の実施の一形態を示す略示断面図である。
【図4A】本発明に係る半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示す略示断面図である。
【図4B】本発明に係る半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示す略示断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図面において、同一の部分には同一の番号を付し、重複説明は必要な場合に限り行う。
【0013】
(1)半導体装置の製造方法の第1の実施の形態
最初に、本発明に係る半導体装置の製造方法の第1の実施の形態について、図1A乃至図1Eを参照しながら説明する。本実施形態の特徴点の一つは、図1Dに示されているように、基板表面の溝の幅に応じて直径の異なるナノ粒子を埋め込む点にある。以下、順を追って説明する。
【0014】
まず、半導体装置のレイアウト設計に際し、シリコン基板Sの表面領域に、3次元構造として、第1の幅の溝パターンを配置するための領域AR1と、比較的デザインルールが緩慢であるために第1の幅よりも広い第2の幅の溝パターンを配置するための領域AR2を画定する。
【0015】
次に、シリコン基板Sの上に、ハードマスクとして熱酸化膜10およびNiT膜20を順次成膜する(図1A参照)。熱酸化膜10は、例えばシリコン基板Sの表面を酸化することにより成膜し、NiT膜20は、例えばプラズマ化学気相成長法(PECVD:lasma nhanced hemical apor eposition)により成膜する。続いて、図1Aに示すように、通常のリソグラフィー法とRIE(Reactive Ion Etching)によって、シリコン基板S中に深さ100nmの溝TR1,TR2を開口する。図1Aに示す例では、領域AR1には、例えばライン幅LW1およびスペース幅SW1がともに15nmであるライン&スペースが規則的に並ぶことにより溝TR1が形成される。そして領域AR2には、例えばスペース幅SW2が300nmであるスペースに対してライン幅LW2が60nmであるラインが規則的に並ぶことにより溝TR2が形成される。本実施形態において、領域AR1,AR2は例えば第1および第2の領域に対応し、スペース幅SW1,SW2は例えば第1および第2の幅に対応し、溝TR1,TR2は例えば第1および第2の溝に対応する。
【0016】
次に、図1Bに示すように、粒径が45nm以上に制御されたコロイダルシリカ粒CS2の有機溶媒によるコロイド溶液またはコロイダルシリカ粒CS2を有機溶剤に分散させた懸濁液を半導体基板に塗布し、150℃、60秒のベーキングを行うことにより、該コロイド溶液または懸濁液の昇華温度より高い温度で昇華させる。これによって、45nm以上のスペース幅を有する領域AR2に、コロイダルシリカ粒CS2が充填される。この一方、スペース幅が30nm以下である領域AR1には粒の粒径が大きいためコロイダルシリカ粒CS2が充填されず、溝TR1の上方に、コロイダルシリカ粒CS2が堆積された状態となる。
【0017】
続いて、図1Cに示すように、通常のCMP(Chemical Mechanical Polishing)法によって、シリコン基板S上にある余剰のコロイダルシリカCS2を取り除き、ハードマスクであるNiT膜20の表面まで研磨する。この工程により、領域AR2には、粒径45nm以上のコロイダルシリカが充填され、かつ、領域AR1では、溝TR1が開口している状態になる。
【0018】
次に、その粒径が5nm以下であるように制御されたコロイダルシリカ粒CS1の溶液を、図1Bに示す工程と同様にシリコン基板S上に塗布し、ベーキングによって、そのコロイド溶液または懸濁液を昇華させる。この工程により、図1Cに示す先の工程で開口していた領域AR1の幅15nmの溝TR1内に粒径5nm以下のコロイダルシリカ粒CS1が充填し、かつ、領域AR2には、45nm以上の粒径のコロイダルシリカ粒CS2の上部に、5nm以下のコロイダルシリカ粒CS1が堆積されることになる。本実施形態においてコロイダルシリカ粒CS1,CS2は、例えば第1および第2のナノ粒子に対応し、それぞれの粒径は例えば第1および第2の直径に対応する。
【0019】
次いで、通常のCMP法により、シリコン基板S上にある余剰のコロイダルシリカ粒CS1を取り除き、NiT膜20の表面まで研磨する。この工程により、図1Eに示すように、領域AR2の溝TR2内には、粒径45nm以上のコロイダルシリカCS2が充填されることにより絶縁膜IF11が埋設され、かつ、領域AR1のスペースには、粒径5nm以下のコロイダルシリカCS1が充填されることにより絶縁膜IF1が埋設される。
【0020】
(比較例)
図2は、比較例としての従来の技術による半導体装置の一例を示す略示断面図である。
【0021】
図2に示す半導体装置は、溝TR1,TR2にそれぞれ埋設されたシリコン酸化膜IF100,IF200を備える。シリコン酸化膜IF100,IF200は、ポリシラザンの有機溶媒による溶液を基板表面に塗布して昇華させた後に、熱酸化によりシリコン酸化膜に転換したものである。図2に示す従来の製造方法による半導体装置では、熱酸化による転換工程を経て形成されるので、埋め込み当初の塗布材料が体積収縮を起こして収縮し、埋め込み材や、その周辺の構造に歪みを生じさせて、応力を発生させる。この応力により、基板SのSi結晶に結晶欠陥を生じさせ、構造体である配線に断線を誘発し、ひいてはバリアメタル、シリサイドの凝集などを誘発することもあった。例えばNANDメモリセルのように、狭い溝が狭ピッチで配置されたライン・アンド・スペース(以下、単にL/Sという)パターンの間に、幅広の溝が挟まれている場合は、幅広の溝の端部底面近傍部分300において特に強い応力が発生していた。
【0022】
これに対して本実施形態で絶縁膜IF1,IF11となるコロイダルシリカ粒CS1,CS2は、その後の熱工程で収縮することがないため、内部応力を発生しない。また、粒径の大きなコロイダルシリカ粒ほど、その粒の構造が堅牢であって剛性が強いため、歪みを生じさせない。これにより、大きな溝において従来発生し易かった、充填材料の体積収縮による歪みを大幅に緩和することができる。この一方、コロイダルシリカは、有機化合物ではなく、SiOなので、成膜後の熱工程による炭素の脱離が抑制されるため、排出された炭素とシリコン基板Sの界面との反応で界面に炭素が残留することが少なく、汚染のおそれが低いことに加え、電荷を有していても素子分離耐圧を下げるおそれが無いというメリットがある。コロイダルシリカの詳細特性については、例えば、小松通郎、西田広泰「ナノ材料としてのコロイダルシリカの機能と応用」繊維学会誌、Vol.60, No.7, pp.P_376−P_380 (2004)を参照されたい。
【0023】
(2)半導体装置の実施の一形態
図3は、本発明に係る半導体装置の実施の一形態を示す略示断面図である。図1Eとの対比により明らかなように、本実施形態の半導体装置の特徴は、領域AR2の溝TR2が絶縁膜IF2と絶縁膜IF12との積層体で埋め込まれている点にある。絶縁膜IF2は、溝TR2の底面および側面に形成され、絶縁膜IF12は、溝TR2内で絶縁膜IF2上に形成される。本実施形態の半導体装置のその他の構成は、図1Eに示す半導体装置と実質的に同一である。
【0024】
後述する製造方法で説明するとおり、本実施形態において、絶縁膜IF2は領域AR1に埋設された絶縁膜IF1と同一の埋め込み材料コロイダルシリカ粒CS1で形成される。絶縁膜IF12は、コロイダルシリカ粒CS1よりも粒径が大きいコロイダルシリカ粒CS2で形成される。本実施形態において、絶縁膜IF1,IF2,IF12は、例えば第1乃至第3の絶縁膜にそれぞれ対応する。
【0025】
このように、本実施形態によれば、領域AR1における溝TR1と比較して溝が広い溝TR2が配置された領域AR2で、相対的に粒径の短い埋め込み材で形成される絶縁膜IF2と相対的に粒径の長い埋め込み材で形成される絶縁膜IF12でなる積層構造の絶縁膜が溝TR2に埋設される。これにより、本実施形態の半導体装置は、充填材料の体積収縮による歪みが大幅に緩和されるという、図1Eに示す半導体装置の効果を奏するものである。なお、図3では、絶縁膜IF2は、溝TR2の底面と側面の両方に形成されているが、これは、後述するように、コロイダルシリカ粒CS2の溶液または懸濁液の塗布に先立ってコロイダルシリカ粒CS1の溶液または懸濁液を塗布することに起因するものであり、例えば溝TR2の側面にまで形成される必要は無い。
【0026】
(3)半導体装置の製造方法の第2の実施の形態
図3に示す半導体装置の製造方法について、本発明に係る半導体装置の製造方法の第2の実施の形態として図面を参照しながら説明する。本実施形態において、半導体装置のレイアウト設計、シリコン基板S中への溝TR1,TR2の開口までの工程(図1A参照)は、前述した第1の実施の形態と同一であるので、重複説明を省略し、コロイダルシリカ粒CS1の溶液をシリコン基板S上に塗布する工程から説明する。
【0027】
すなわち、図4Aに示すように、本実施形態では、その粒径が45nm以上であるように制御されたコロイダルシリカ粒CS2の溶液または懸濁液の塗布に先立って、その粒径が5nm以下であるように制御されたコロイダルシリカ粒CS1の有機溶媒によるコロイド溶液またはコロイダルシリカ粒CS2を有機溶剤に分散させた懸濁液をシリコン基板S上の全面に塗布する。その際、塗布膜厚を制御して、シリコン基板S表面の平坦部において、その膜厚が30nmであるようにコーティングの回転数と有機溶剤の粘性とを調整する。
【0028】
その後、コロイダルシリカ粒CS1の溶液の溶媒の昇華温度よりも高い温度でベーキング(例えば150℃、60秒)を行い、該溶媒を昇華させる。
【0029】
これにより、スペース幅15nmの溝TR1が密集している領域AR1には、コロイダルシリカ粒CS1が、ハードマスクであるNiT膜20の上面を超える高さにまで充填されて絶縁膜IF1となり、同時に、スペース幅45nm以上の溝TR2が設けられた領域AR2には、5nm以下の粒径のコロイダルシリカ粒CS1がその底部および側面部にのみ約30nmの厚さまで充填されて絶縁膜IF2となる。
【0030】
次いで、図4Bに示すように、コロイダルシリカCS2の有機溶媒によるコロイド溶液またはコロイダルシリカ粒CS2を有機溶剤に分散させた懸濁液をシリコン基板S上の全面に塗布し、150℃、60秒のベーキングを行うことにより、有機溶媒を昇華させる。この工程により、領域AR2の絶縁膜IF1に、粒径45nm以上のコロイダルシリカCS2が充填して溝TR2が埋め込まれるとともに、領域AR1には、溝TR1に埋設された絶縁膜IF1の上方を45nm以上の粒径のコロイダルシリカCS2が堆積する。
【0031】
その後、通常のCMP法により、シリコン基板2の上にある余剰のコロイダルシリカを除去し、NiT膜20の表面まで研磨する。この研磨工程により、図3に示すように、領域AR2の溝TR2の底部および側面部に30nmの厚さにまで堆積した、5nmの粒径のシリカ粒層でなる絶縁膜IF2の上に、45nm以上の粒径のコロイダルシリカCS2が充填されて絶縁膜IF12が埋設され、かつ、領域AR1の溝TR1には、粒径5nm以下のコロイダルシリカCS1が充填されて絶縁膜IF1が埋設される。
【0032】
このように、本実施形態の製造方法によれば、歪みが大幅に緩和され、かつ、汚染の可能性が大幅に低下した半導体装置を簡易なプロセスで製造することができる。
【0033】
以上、本発明の実施の形態のいくつかについて説明したが、本発明は上記形態に限るものでは決してなく、その技術的範囲内において適宜変更して適用できることは勿論である。
【0034】
例えば上記実施形態では、幅が異なる2種類の溝TR1,TR2が配置される領域AR1,AR2を有するシリコン基板Sを取り上げて説明したが、2種類の溝TR1,TR2を取り挙げたのではあくまでも説明を簡易にするためであり、それぞれ異なる幅を有する3種類以上の溝が基板上の3つ以上の領域に形成されたものにも本発明を適用できることは勿論である。また、上記実施形態では基板としてシリコン基板を取り上げて説明したが、これに限ることなく、セラミック基板やガラス基板、SOG基板にも適用可能である。
【符号の説明】
【0035】
AR1:第1の領域
AR2:第2の領域
CS1,CS2:コロイダルシリカ粒
LW1,LW2:ライン幅
S:シリコン基板
SW1,SW2:スペース幅
TR1,TR2:溝

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1および第2の領域を有する基板と、
前記基板の前記第1の領域に設けられ、第1の幅を有する第1の溝と、
前記基板の前記第2の領域に設けられ、前記第1の幅よりも広い第2の幅を有する第2の溝と、
第1の直径を有する第1のナノ粒子を含み、前記第1の溝に埋設された第1の絶縁膜と、
第1のナノ粒子で前記第2の溝の底面に形成された第2の絶縁膜と、前記第1の直径よりも長い第2の直径を有する第2のナノ粒子で前記第2の絶縁膜上に形成されて前記第2の絶縁膜とともに前記第2の溝に埋設された第3の絶縁膜と、
を備える半導体装置。
【請求項2】
異なる幅を有する複数種類の溝を基板の表面の複数の領域に形成する工程と、
各領域における前記溝の幅に応じて選択された異なる直径を有する複数種類のナノ粒子を有機溶媒に溶かせたコロイド溶液または前記複数種類のナノ粒子を有機溶剤に分散させた懸濁液を前記基板に塗布した後に前記コロイド溶液または前記懸濁液を昇華させて前記複数種類のナノ粒子を前記溝に順次に埋め込むことにより、前記溝に絶縁膜を埋設する埋め込み工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記領域は、第1の領域と第2の領域とを含み、
前記溝は、
第1の幅を有し、前記第1の領域に形成された第1の溝と、
前記第1の幅よりも広い第2の幅を有し、前記第2の領域に形成された第2の溝と、を含み、
前記埋め込み工程は、
前記第1の幅よりも長い第1の直径を有する第1のナノ粒子を有機溶媒に溶かせた第1のコロイド溶液または前記第1のナノ粒子を有機溶剤に分散させた第1の懸濁液を前記基板に塗布した後に前記第1のコロイド溶液または前記第1の懸濁液を昇華させて前記第1のナノ粒子を前記第2の溝に埋め込む第1の埋め込み工程と、
前記第1の幅よりも短い第2の直径を有する第2のナノ粒子を有機溶媒に溶かせた第2のコロイド溶液または前記第2のナノ粒子を有機溶剤に分散させた第2の懸濁液を前記基板に塗布した後に前記第2のコロイド溶液または前記第2の懸濁液を昇華させて前記第2のナノ粒子を前記第1の溝に埋め込む第2の埋め込み工程と、
を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記第2の埋め込み工程は、前記第1の埋め込み工程に引き続いて行われることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記第1の埋め込み工程に引き続いて前記第1の溝の開口が露出するまで前記基板上の前記第1のナノ粒子を除去する工程をさらに備え、
前記第2の溶液は、露出した前記第1の溝を埋め込むように塗布されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記第1の埋め込み工程は、前記第2の埋め込み工程に引き続いて行われることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記第1のコロイド溶液または前記第1の懸濁液は、前記第1および第2の領域の全面に塗布されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。

【図1A】
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【図1B】
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【図1C】
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【図1D】
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【図1E】
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【図2】
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【図3】
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【図4A】
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【図4B】
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【公開番号】特開2011−187471(P2011−187471A)
【公開日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−47842(P2010−47842)
【出願日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】