KR20040060198A - Method for forming shallow trench isolation of semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트렌치의 상부 모서리 부분을 라운딩되게 형성하며 트렌치 분리막이 트렌치의 라운딩 된 모서리 부분을 커버하는 영역을 확보하도록 한 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a shallow trench separator of a semiconductor device, and more particularly, to form a rounded corner of an upper corner of a trench and to secure an area covering the rounded corner of the trench. A method of forming a shallow trench separator is disclosed.
주지와 같이, 반도체 소자에는 트랜지스터(transistor), 캐패시터(capacitor) 등의 단위 소자로 된 셀들이 반도체 소자의 용량에 따라 한정된 면적내에 다수개가 집적되는데, 이러한 셀들은 서로 독립적인 동작 특성을 위하여 전기적인 격리가 필요하다.As is well known, in semiconductor devices, a plurality of cells including unit devices such as transistors and capacitors are integrated in a limited area according to the capacity of the semiconductor devices, and these cells are electrically connected for mutually independent operation characteristics. Isolation is required.
따라서, 이러한 셀들간의 전기적인 격리를 위한 방편으로서, 실리콘 기판을 리세스(recess)하고 필드 산화막을 성장시키는 실리콘 부분 산화(LOCal Oxidation of Silicon; LOCOS)와, 웨이퍼(wafer)를 수직방향으로 식각하여 절연 물질로 매립하는 셀로우 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation; STI)가 잘 알려져 있다.Accordingly, as a means for electrical isolation between these cells, a LOCal Oxidation of Silicon (LOCOS) that recesses a silicon substrate and grows a field oxide layer, and a wafer is vertically etched. Shallow Trench Isolation (STI), which is embedded in an insulating material, is well known.
이 중에서 STI는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching ; RIE)이나 플라즈마 식각과 같은 건식 식각 기술을 사용하여 좁고 깊은 트렌치를 만들고, 그 속에 절연막을 채우는 방법으로 실리콘 웨이퍼에 트렌치를 만들어 절연물을 집어넣기 때문에 버즈 비크와 관련된 문제가 없어진다. 또한 절연막이 채워진 트렌치는 표면을 평탄하게 하므로 소자 분리 영역이 차지하는 면적이 작아서 미세화에 유리한 방법이다.Among them, STI uses a dry etching technique such as reactive ion etching (RIE) or plasma etching to make narrow and deep trenches, and fills an insulating layer with a trench to insulate the silicon wafer so that an insulator is buzzed. The problem with the viking is eliminated. In addition, since the trench filled with the insulating film is flattened, the area occupied by the device isolation region is small, which is advantageous for miniaturization.
이와 같이, 소자 활성 영역의 확보 측면에서 유리한 STI는 접합 누설 전류면에서도 LOCOS에 비해 향상된 특성을 보이고 있다.As described above, STI, which is advantageous in terms of securing an active region of the device, exhibits improved characteristics compared to LOCOS in terms of junction leakage current.
도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.1A to 1G are cross-sectional views of a device for describing a method of forming a trench trench isolation layer of a semiconductor device according to the related art.
도 1a를 참조하면, 소자간 분리를 위한 트렌치를 형성하고자 하는 실리콘 기판(11)상에 산화막(13)을 형성하며, 산화막(13)상에 질화막(15)을 적층한다. 그 위에 식각 마스크로서 사용할 물질인 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트층(17)을 형성한 후 포토레지스트층(17)을 패터닝하여 식각하고자 하는 부분을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성한다.Referring to FIG. 1A, an oxide film 13 is formed on a silicon substrate 11 to form a trench for isolation between devices, and a nitride film 15 is stacked on the oxide film 13. A photoresist, which is a material to be used as an etching mask, is applied thereon to form the photoresist layer 17, and then the photoresist layer 17 is patterned to form a photoresist pattern exposing portions to be etched.
도 1b를 참조하면, 포토레지스트층(17)을 식각 마스크로 하여 질화막(15)과산화막(13)을 실리콘 기판(11)이 노출될 때까지 선택적으로 건식 식각하며, 실리콘 기판(11)의 노출 부분을 소정 두께로 건식 식각하여 트렌치(T)를 형성한다.Referring to FIG. 1B, using the photoresist layer 17 as an etching mask, the nitride film 15 and the oxide film 13 are selectively dry-etched until the silicon substrate 11 is exposed, and the silicon substrate 11 is exposed. The portion is dry etched to a predetermined thickness to form a trench T.
도 1c를 참조하면, 포토레지스트층(17)을 제거한 후 세정 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1C, a cleaning process is performed after removing the photoresist layer 17.
도 1d를 참조하면, STI 라이너 산화(Liner Oxidation) 공정을 수행, 즉 열공정을 통해 트렌치(T)의 표면을 성장시켜 트렌치 라이너 산화막(19)을 형성하며, 트렌치(T)를 포함한 구조물 전면에 트렌치 충진(trench filling) 물질을 증착하여 트렌치 분리막(21)을 형성한다.Referring to FIG. 1D, an STI Liner Oxidation process is performed, that is, a surface of the trench T is grown through a thermal process to form the trench liner oxide layer 19, and the front surface of the structure including the trench T is formed. A trench filling material is deposited to form the trench separator 21.
도 1e를 참조하면, 트렌치 분리막(21)이 형성된 전체 구조물 위에 식각 마스크로서 사용할 물질인 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트층(23)을 형성한 후 포토레지스트층(23)을 패터닝하여 트렌치 영역을 제외한 활성화 영역을 노출시키는 역 트렌치 패턴을 형성한다.Referring to FIG. 1E, a photoresist layer 23 is formed by applying a photoresist, which is a material to be used as an etching mask, on the entire structure on which the trench isolation layer 21 is formed, and then patterning the photoresist layer 23 to exclude the trench region. A reverse trench pattern is formed that exposes the active region.
도 1f를 참조하면, 포토레지스트층(23)을 식각 마스크로 하여 트렌치 분리막(21)을 질화막(15)이 노출될 때까지 선택적으로 건식 식각한다.Referring to FIG. 1F, the trench isolation layer 21 is selectively dry etched until the nitride layer 15 is exposed using the photoresist layer 23 as an etching mask.
도 1g를 참조하면, 트렌치 분리막(21)에 대하여 화학적기계적연마(CMP) 공정을 수행하여 트렌치(T)의 상부 영역에 존재하는 트렌치 분리막(21)을 제거하며, 질화막(15)을 습식 식각하여 제거하고, 이온 주입 등의 여러 공정을 거친 후 게이트 산화막을 성장시키기 전 사전 세정 공정을 진행한다.Referring to FIG. 1G, the chemical mechanical polishing (CMP) process is performed on the trench separation membrane 21 to remove the trench separation membrane 21 present in the upper region of the trench T, and the wet etching of the nitride layer 15 is performed by wet etching. After the removal, and after various steps such as ion implantation, a pre-cleaning step is performed before the gate oxide film is grown.
한편, 근래에는 반도체 장치의 집적도가 높아지면서 기판 상에 형성되는 패턴들의 단차가 커지고 패턴들 간의 간격도 매우 좁아졌다. 이에 도 1c 및 도 1d에 나타낸 바와 같이 트렌치의 상부 모서리 부분이 보통 각이 지게 되므로 트렌치 내부에 절연물을 채우는 갭필(Gap Fill) 과정에서 절연물이 잘 채워지지 않으며 누설 전류가 발생할 가능성이 높다.On the other hand, in recent years, as the degree of integration of semiconductor devices is increased, the steps of patterns formed on the substrate become larger and the spacing between the patterns becomes very narrow. 1C and 1D, since the upper edge portion of the trench is usually angled, the insulator is not filled well and a leakage current is likely to occur during the gap fill process of filling the insulator in the trench.
아울러, 역 트렌치 패턴 형성시에 패턴이 정확하게 얼라인(Align)되면 문제가 없지만 약간의 미스얼라인(Misalign)이 발생될 우려가 있으며, 이에 트렌치 영역을 제외한 활성화 영역을 노출시키는 식각 공정에서 도 1g와 같이 STI 침식 현상이 발생하여 이후 게이트 산화 공정 및 폴리 식각 공정에서 잔류물이 남게되어 전기적 쇼트를 유발하여 제품의 치명적 손실을 발생시킬 수 있었다. 즉 종래의 기술은 STI 영역의 얼라인 마진이 없어 약간의 패턴 미스얼라인 발생으로도 STI 코너 부분에서 트렌치 분리막의 침식 현상이 발생하는 문제점이 있었다.In addition, if the pattern is correctly aligned when forming the reverse trench pattern, there is no problem, but there is a possibility of slight misalignment. Accordingly, in the etching process of exposing the active region except for the trench region, FIG. As such, STI erosion occurred and residues were left in the gate oxidation process and the poly etching process, thereby causing an electrical short, thereby causing a fatal loss of the product. That is, the prior art has a problem that the trench separation erosion phenomenon occurs in the corner portion of the STI even with a slight pattern misalignment because there is no alignment margin of the STI region.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 그 목적하는 바는 트렌치의 상부 모서리 부분을 라운딩되게 형성하며 트렌치 분리막이 트렌치의 라운딩 된 모서리 부분을 커버하는 영역을 확보함으로써, 누설 전류의 발생을 방지하며 STI 영역의 식각을 위한 패턴 형성시 미스얼라인에 대한 마진을 충분히 갖도록 하여 이후 게이트 산화 공정 및 폴리 식각 공정에서 잔류물에 의한 전기적 쇼트의 발생 우려가 해소되도록 하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve such a conventional problem, and its purpose is to form a rounded upper corner portion of the trench and to ensure an area where the trench separator covers the rounded corner portion of the trench, The purpose is to prevent the occurrence and to have sufficient margin for misalignment when forming the pattern for etching the STI region so that there is no concern about the occurrence of electrical shorts due to residues in the gate oxidation process and the poly etching process. .
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 트렌치 형성 방법은, 실리콘 기판상에 산화막과 질화막을 적층한 후 그 위에 식각 마스크를 도포하여 패터닝하는 단계와, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 질화막과 산화막을 상기 실리콘 기판이 노출될 때까지 선택적으로 이방성 식각하는 단계와, 상기 식각마스크를 이용하여 상기 질화막과 산화막을 등방성 식각하여 상기 질화막의 측면으로도 식각이 이루어지도록 하며, 상기 질화막이 등방성 식각되는 동안 상기 실리콘 기판도 리세스되어 상기 실리콘 기판의 노출 부위에 모서리 부분이 라운딩 된 상부 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판의 상기 상부 트렌치 영역을 소정 두께로 건식 식각하여 완전한 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함한 구조물 전면에 트렌치 충진 물질을 증착하여 상기 트렌치의 라운딩 된 모서리 부분을 커버하는 트렌치 분리막을 형성하는 단계를 포함한다.The trench forming method of the semiconductor device according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of laminating an oxide film and a nitride film on a silicon substrate and applying and patterning an etch mask thereon, the nitride film using the etch mask Selectively anisotropically etching the oxide film until the silicon substrate is exposed, and isotropically etches the nitride film and the oxide film using the etching mask to etch the side surface of the nitride film, and the nitride film is isotropically etched. Forming a top trench having a corner portion rounded at an exposed portion of the silicon substrate, and dry etching the upper trench region of the silicon substrate to a predetermined thickness by using the etching mask. Forming a complete trench, the trench By the deposition of the trench fill material over the structure, including a step of forming a trench isolation film that covers the rounded corner portion of the trench.
도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도,1A to 1G are cross-sectional views of a device for describing a method of forming a trench trench separator of a semiconductor device according to the prior art;
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.2A to 2H are cross-sectional views of a device for explaining a method of forming a trench trench separator of a semiconductor device according to the present invention.
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.There may be a plurality of embodiments of the present invention. Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This embodiment allows for a better understanding of the objects, features and advantages of the present invention.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체 소자의 셀로우 트렌치 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views of devices for describing a method of forming a trench trench isolation layer in a semiconductor device according to the present invention.
도 2a를 참조하면, 소자간 분리를 위한 트렌치를 형성하고자 하는 실리콘 기판(101)상에 산화막(103)을 형성하며, 산화막(103)상에 질화막(105)을 적층한다. 그 위에 식각 마스크로서 사용할 물질인 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트층(107)을 형성한 후 포토레지스트층(107)을 패터닝하여 식각하고자 하는 부분을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성한다.Referring to FIG. 2A, an oxide film 103 is formed on a silicon substrate 101 on which a trench for isolation between devices is to be formed, and a nitride film 105 is stacked on the oxide film 103. A photoresist, which is a material to be used as an etching mask, is applied thereon to form the photoresist layer 107, and then the photoresist layer 107 is patterned to form a photoresist pattern exposing portions to be etched.
도 2b를 참조하면, 포토레지스트층(107)을 식각 마스크로 하여 질화막(105)과 산화막(103)을 실리콘 기판(101)이 노출될 때까지 선택적으로 건식 식각한다.이때 CF4/CHF3/O2 등의 가스를 이용하여 이방성 식각 특성을 갖도록 한다.Referring to FIG. 2B, the nitride film 105 and the oxide film 103 are selectively dry-etched until the silicon substrate 101 is exposed using the photoresist layer 107 as an etching mask. In this case, CF4 / CHF3 / O2 or the like is performed. It has an anisotropic etching characteristic using the gas of.
도 2c를 참조하면, 포토레지스트층(107)을 식각 마스크로 하고 등방성 식각 특성이 강한 SF6/C2F6/O2 조합의 가스를 사용하여 질화막(105)과 산화막(103)을 플라즈마 식각한다. 바람직하기로는 SF6 0∼150cc, C2F6 0∼50cc, O2 0∼50cc 사이의 가스량을 사용한다.Referring to FIG. 2C, the nitride film 105 and the oxide film 103 are plasma-etched using a gas of SF6 / C2F6 / O2 combination having a strong isotropic etching characteristic using the photoresist layer 107 as an etching mask. Preferably, the gas amount between SF6 0 to 150 cc, C2F6 0 to 50 cc and O2 0 to 50 cc is used.
이때, 등방성 식각 특성에 의하여 질화막(105)의 측면으로도 식각이 이루어져 도 1b에 나타낸 바와 같은 종래 기술에 따른 트렌치와 비교할 때에 보다 넓은 폭을 갖게 된다. 아울러 측면의 질화막(105)이 등방성 식각되는 동안 바닥의 실리콘 기판(101)도 약간 리세스(Recess)되어 실리콘 기판(101)의 노출 부위에는 모서리 부분(R)이 라운딩 된 상부 트렌치(T')가 형성된다. 즉 실리콘 기판(101)의 모서리 부분이 SF6 가스와의 등방성 반응으로 인해 경사지게 식각되는 것이다.At this time, etching is also performed on the side surface of the nitride film 105 by the isotropic etching characteristic, and thus has a wider width when compared with the trench according to the prior art as shown in FIG. 1B. In addition, while the nitride layer 105 of the side is isotropically etched, the bottom silicon substrate 101 is also slightly recessed, and the upper trench T ′ having the corner portion R rounded at the exposed portion of the silicon substrate 101. Is formed. That is, the edge portion of the silicon substrate 101 is etched obliquely due to the isotropic reaction with the SF6 gas.
도 2d를 참조하면, 포토레지스트층(107)을 식각 마스크로 하여 실리콘 기판(101)의 노출 부분, 즉 상부 트렌치(T')를 소정 두께로 건식 식각하여 완전한 트렌치(T2)를 형성한다. 이때 Cl2, BCl3, HBr 조합의 가스를 사용하여 경사(Taper) 식각 특성을 갖도록 한다.Referring to FIG. 2D, the entire trench T2 is formed by dry etching the exposed portion of the silicon substrate 101, that is, the upper trench T ′ to a predetermined thickness, using the photoresist layer 107 as an etching mask. In this case, a gas having a combination of Cl2, BCl3, and HBr is used to have a taper etching characteristic.
도 2e를 참조하면, 포토레지스트층(107)을 제거한 후 세정 공정을 수행하며, STI 라이너 산화(Liner Oxidation) 공정을 수행, 즉 열공정을 통해 트렌치(T)의 표면을 성장시켜 트렌치 라이너 산화막(109)을 형성한다. 그리고 트렌치(T)를 포함한 구조물 전면에 트렌치 충진(trench filling) 물질을 증착하여 트렌치 분리막(111)을 형성한다. 여기서 본 발명에 따라 형성된 트렌치(T)는 입구의 폭이 넓고 상부모서리에 라운딩 영역을 포함하므로 트렌치 충진 공정을 용이하게 수행할 수 있다.Referring to FIG. 2E, after the photoresist layer 107 is removed, a cleaning process is performed, and an STI liner oxidation process is performed, that is, the surface of the trench T is grown through a thermal process to form a trench liner oxide film ( 109). In addition, a trench filling material is deposited on the entire surface of the structure including the trench T to form the trench isolation layer 111. The trench T formed in accordance with the present invention has a wide inlet width and a rounding area in the upper corner, so that the trench filling process can be easily performed.
도 2f를 참조하면, 트렌치 분리막(111)이 형성된 전체 구조물 위에 식각 마스크로서 사용할 물질인 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트층(113)을 형성한 후 포토레지스트층(113)을 패터닝하여 트렌치 영역을 제외한 활성화 영역을 노출시키는 역 트렌치 패턴을 형성한다.Referring to FIG. 2F, a photoresist layer 113 is formed by applying a photoresist, which is a material to be used as an etching mask, on the entire structure on which the trench isolation layer 111 is formed, and then patterning the photoresist layer 113 to exclude the trench region. A reverse trench pattern is formed that exposes the active region.
도 2g를 참조하면, 포토레지스트층(113)을 식각 마스크로 하여 트렌치 분리막(111)을 질화막(105)이 노출될 때까지 선택적으로 건식 식각한다.Referring to FIG. 2G, the trench isolation layer 111 is selectively dry-etched until the nitride layer 105 is exposed using the photoresist layer 113 as an etching mask.
도 2h를 참조하면, 트렌치 분리막(111)에 대하여 화학적기계적연마(CMP) 공정을 수행하여 트렌치(T)의 상부 영역에 존재하는 트렌치 분리막(111)을 제거하며, 질화막(105)을 습식 식각하여 제거하고, 이온 주입 등의 여러 공정을 거친 후 게이트 산화막을 성장시키기 전 사전 세정 공정을 진행한다.Referring to FIG. 2H, a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed on the trench isolation layer 111 to remove the trench isolation layer 111 present in the upper region of the trench T, and wet etching the nitride layer 105. After the removal, and after various steps such as ion implantation, a pre-cleaning step is performed before the gate oxide film is grown.
여기서, 도 2h에 나타낸 바와 같이 본 발명의 트렌치(T)는 입구의 폭이 넓어 트렌치 분리막(111)이 트렌치(T)의 라운딩 된 모서리 부분(R)을 커버하고 있음을 알 수 있다. 따라서 역 트렌치 패턴 형성시에 약간의 미스얼라인(Misalign)이 발생되더라도 트렌치 영역을 제외한 활성화 영역을 노출시키는 식각 공정에서 도 2h와 같이 STI 침식 현상이 발생되지 않는다. 즉 STI 영역의 식각을 위한 패턴 형성시 미스얼라인에 대한 마진을 충분히 가질 수 있다.Here, as shown in FIG. 2H, the trench T of the present invention has a wide inlet width, so that the trench separation membrane 111 covers the rounded corner portion R of the trench T. Referring to FIG. Therefore, even if a slight misalignment occurs during the formation of the reverse trench pattern, the STI erosion does not occur as shown in FIG. 2H in the etching process of exposing the active region except for the trench region. That is, when forming a pattern for etching of the STI region, the margin for the misalignment may be sufficient.
상기에서는 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.In the above description, but limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
전술한 바와 같이 본 발명은 트렌치의 상부 모서리 부분이 라운딩되게 형성되므로 트렌치 갭필 공정을 용이하게 수행할 수 있으며 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다.As described above, in the present invention, since the upper edge portion of the trench is rounded, the trench gapfill process can be easily performed and leakage current can be prevented.
아울러, 트렌치 분리막이 트렌치의 라운딩 된 모서리 부분을 커버하는 영역을 확보함으로써 STI 영역의 식각을 위한 패턴 형성시 미스얼라인에 대한 마진을 충분히 가질 수 있으며, 이후 게이트 산화 공정 및 폴리 식각 공정에서 잔류물에 의한 전기적 쇼트의 발생 우려가 해소되는 효과가 있다.In addition, the trench separator may have a region covering the rounded corners of the trench to sufficiently have a margin for misalignment when forming a pattern for etching the STI region, and then residues in the gate oxidation process and the poly etching process. There is an effect that the fear of occurrence of electrical short by
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