JP2006108605A - フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、トレンチの形成後に行われる酸化工程によってトレンチ内側壁のシリコン基板が破れるディスロケーション現象を防止して素子特性を向上させることが可能なフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及びこれを用いたフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法は、トレンチの形成された半導体基板を提供する段階と、HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって酸化工程を行って前記トレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成する段階とを含む構成としたことを特徴とする。
【選択図】 図4

Description

本発明は、フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜(wall oxide)形成方法及び素子分離膜形成方法に係り、特に、トレンチ(trench)の形成後に行われる酸化工程の熱的ストレス(thermal stress)によってトレンチ内側壁の半導体基板が破れるディスロケーション(dislocation)現象を防止して素子特性を向上させることが可能な、フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及びこれを用いたフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法に関する。
最近、電気的にプログラム(program)と消去(erase)が可能であり、一定の周期でデータ(data)を再作成するリフレッシュ(refresh)機能が不要なフラッシュメモリ素子の需要が増加している。そして、多くのデータを記憶することが可能な大容量メモリ素子の開発のために、メモリ素子の高集積化技術についての研究が活発に行われている。ここで、プログラムとは、データをメモリセルに書き込む動作をいい、消去とは、メモリセルに書き込まれたデータを除去する動作をいう。
フラッシュメモリ素子では、隣接した素子(例えば、セル及びトランジスタ)をお互い電気的に分離させるためにSTI(Shallow Trench Isolation)工程を用いて素子分離膜を形成している。普遍的に、STI工程は、基板上にパッド酸化膜とパッド窒化膜を形成した後、トレンチエッチング工程を行って基板内にトレンチを形成し、このトレンチが埋め込まれるように絶縁膜を蒸着して素子分離膜を形成する工程によって行われる。
このようなSTI工程では、トレンチエッチング工程後、トレンチエッチング工程によって損傷するトレンチの内側壁を補償し、あるいはアクティブ領域(active region)の面積を制御するために、トレンチの内側壁に対して行われるウォール酸化工程(wall oxidation)を含んでいる。このようなウォール酸化工程によってトレンチの内側壁にはウォール酸化膜が形成される。
一般に、ウォール酸化工程は、ファーネス(furnace)方式で行われるが、工程時に高い熱的ストレスを誘発させ、これによりトレンチの上・下部地域でシリコンの側壁部位が破れるディスロケーション現象が発生している。このようなディスロケーション現象は、後続の熱処理工程時に漏れ電流が流れる経路を誘発させて素子特性を低下させる原因となっている。また、後続のソース及びドレイン領域を形成するためのイオン注入工程の際、ソース及びドレイン領域が形成されるべきアクティブ領域で欠点を誘発させる原因となる。
したがって、本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、トレンチの形成後に行われる酸化工程によってトレンチ内側壁のシリコン基板が破れるディスロケーション現象を防止して素子特性を向上させることが可能な、フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及びこれを用いたフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明のある観点によれば、トレンチの形成された半導体基板を提供する段階と、HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって酸化工程を行って前記トレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成する段階とを含む、フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法が提供される。
また、上記目的を達成するための本発明の他の観点によれば、パッド酸化膜が形成された半導体基板を提供する段階と、前記パッド酸化膜上にパッド窒化膜を蒸着する段階と、前記パッド窒化膜及び前記パッド酸化膜をエッチングすると同時に、前記半導体基板上の一部をリセス(recess)させて第1トレンチを形成する段階と、前記第1トレンチの内側壁にスペーサを形成する段階と、HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって第1酸化工程を行い、前記スペーサを介して露出される前記半導体基板の上部を酸化処理する段階と、前記第1トレンチよりも深く前記半導体基板をエッチングして第2トレンチを形成する段階と、HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって第2酸化工程を行って前記第2トレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成する段階と、前記第2トレンチが埋め込まれるように素子分離膜を形成する段階とを含む、フラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法が提供される。
本発明によれば、トレンチの形成後にISSG酸化方式を用いてトレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成することにより、トレンチの上下部コーナー部位におけるファセット(facet)の形成を抑制して全体的にトレンチの上部でラウンディングを形成することができ、比較的低温で短時間にISSG酸化工程を行うことにより、長時間酸化工程によるストレスを減少させてディスロケーション現象の発生を抑制させることができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施例を詳細に説明する。ところが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、お互い異なる様々な形態で変形できる。本実施例は、本発明の開示を完全にし、当該分野で通常の知識を有する者に本発明を十分理解させるために提供される。
図1〜図5は、本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示した断面図である。ここでは、説明の便宜上、NANDフラッシュメモリ素子を一例として説明する。一方、図1〜図5に示した「Cell」はメモリセルが形成されるセル領域を示し、「HV」はメモリセルを駆動させるための高電圧トランジスタが形成される高電圧領域を示し、「LV」は低電圧トランジスタが形成される低電圧領域を示す。
図1(a)を参照すると、前処理洗浄工程処理の施された半導体基板10を提供する。ここで、前処理洗浄工程は、DHF(Diluted HF;例えば50:1の割合でHOにて希釈されたHF溶液)で洗浄した後、SC−1(NHOH/H/HO溶液が所定の割合で混合された溶液)で洗浄し、或いはBOE(Buffer Oxide Etchant;例えば100:1または300:1の割合でHOにて希釈されたHFとNHFの混合溶液[HFとNHFの割合は1:4〜1:7])で洗浄した後、SC−1で洗浄することができる。
その後、半導体基板10上にスクリーン酸化膜(図示せず)を形成する。ここで、前記スクリーン酸化膜は、後続の工程で行われるウェル(well)及びしきい値電圧イオン注入工程の際に半導体基板10の界面(surface)が損傷することを防止するために形成される。
その次、半導体基板10内にイオン注入工程を行ってウェル(図示せず)を形成する。半導体基板10がp型基板の場合、前記ウェルはTNウェル(Triple N-well)またはPウェル(P-well)からなる。TNウェルはリン(Phosphorus)を用いたイオン注入工程を行って形成し、Pウェルは硼素(Boron)を用いたイオン注入工程を行って形成する。
その後、チャネル(channel)を形成するために半導体基板10にしきい値電圧イオン注入工程を行う。
次いで、半導体基板10上に酸化膜11を形成する。ここで、酸化膜11はセル領域Cellと低電圧領域LVに比べて高電圧領域HVでさらに厚く形成される。一例として、酸化膜11の形成方法を簡略に説明する。まず、ウェット酸化工程を行ってセル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVのオープンされたマスクを用いたウェット酸化工程をもう一回行って高電圧領域HVに厚く酸化膜11を形成する。このような酸化膜11は750℃〜800℃の温度範囲内でウェット酸化工程を行った後、900℃〜910℃の温度範囲でNを用いたアニール工程を行って形成することができる。
一方、前記工程段階では説明の便宜上説明されていないが、前記工程段階を行う過程中に少なくとも1回以上DHFとSC−1を用いて洗浄工程を行うことができる。
以下、説明の便宜上、セル領域Cellに形成された酸化膜11はパッド酸化膜11aとし、低電圧領域LVに形成された酸化膜11は低電圧ゲート酸化膜11bとし、高電圧領域HVに形成された酸化膜11は高電圧ゲート酸化膜11cとする。
図1(b)を参照すると、パッド酸化膜11a、低電圧ゲート酸化膜11b及び高電圧ゲート酸化膜11cを含む全体構造上にパッド窒化膜12を蒸着する。パッド窒化膜12はLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法で蒸着することができる。ここで、パッド窒化膜12は500Å〜600Åの厚さに蒸着する。好ましくは550Åの厚さに蒸着する。
その後、パッド窒化膜12上に後続のエッチング工程を行うために、ハードマスク(hard mark)を蒸着する。この際、ハードマスクは、DCS−HTO(DiChloroSilane(SiH2Cl2)-High Temperature Oxide)膜13とSiON膜14の積層構造で形成する。ここで、DCS−HTO膜13は、パッド窒化膜12が損傷することを防止するための一環として蒸着し、その厚さは250Å〜350Åの厚さ、好ましくは300Åの厚さである。そして、SiON膜14は550Å〜650Åの厚さ、好ましくは600Åの厚さに蒸着する。
図1(c)を参照すると、セル領域Cellと高電圧領域HV間の段差を減少させる一方、ハードマスクを含む全体構造の上部を平坦化するためにCMP(Chemical Mechanical Polishing)方式で平坦化工程を行う。ここで、平坦化工程は、CMP方式以外に、場合によってはブランケット(blanket)またはエッチバック(etchback)法で行うこともできる。
図2(a)を参照すると、ハードマスクを含む全体構造上にフォトレジスト(photoresist)を塗布した後、フォトマスク(photo mask)を用いた露光工程及び現像工程を順次行ってフォトレジストパターン(photoresist pattern)(図示せず)を形成する。
その後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行ってハードマスクをパターニングする。前記フォトレジストパターンはストリップ工程によって除去される。
その次、パターニングされたハードマスクをエッチングマスクとして用いたエッチング工程を行ってパッド窒化膜12及び酸化膜11をエッチングする。この際、同時に半導体基板10上の一部がリセスされるように行うことが好ましい。前記エッチング工程によって半導体基板10上の一部がリセスされる第1トレンチ15が形成される。
図2(b)を参照すると、第1トレンチ15が形成された全体構造上の段差に沿ってスペーサ用絶縁膜16を蒸着する。この際、スペーサ用絶縁膜16は、MTO(Middle Temperature Oxide)膜で形成することができる。その他、スペーサ用絶縁膜16はTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)、SOG(Spin On Glass)及びUSG(Un-doped Silicate Glass)のいずれか一つで形成することができる。
図3(a)を参照すると、異方性で全面エッチング工程を行って第1トレンチ15の内側壁にスペーサ16aを形成した。この際、全面エッチング工程は、ブランケット方式で行うことができる。このような全面エッチング工程によって、スペーサ16aは、パターニングされるハードマスク、パッド窒化膜12、酸化膜11及び半導体基板10上の一部の内側壁に形成される。
図3(b)を参照すると、スペーサ16aを介してその間に露出される半導体基板10の上部に対してISSG(In Situ Steam Generation)酸化方式によって酸化(処理)工程を行う。この際、ISSG酸化工程は、HとOの雰囲気で行う。ここで、ISSG酸化工程を行う理由は後続のトレンチエッチング工程によって形成される第2トレンチ(図4(a)の「17」参照)の上部コーナー部位をラウンディング(rounding)処理するためである。
図4(a)を参照すると、トレンチエッチング工程を行って露出される半導体基板10をエッチングして第1トレンチ15よりも深い第2トレンチ17を形成する。これにより、セル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVにはそれぞれ多数の第2トレンチ17が形成される。ここで、第2トレンチ17は、メモリセル及び/またはトランジスタがお互い電気的に独立するように、孤立(isolation)特性確保の可能な深さで形成することが好ましい。
一方、トレンチエッチング工程後、図3(b)で施されたISSG酸化工程によってスペーサ16aの下部と結合する第2トレンチ17の上部コーナー部位(A部位)はラウンディング形態を有する。
図4(b)を参照すると、第1トレンチ15と第2トレンチ17に対してISSG酸化工程を行って第2トレンチ17の内側壁にウォール酸化膜18を形成する。この際、ウォール酸化膜18は、15Å以上、且つ30Å以下の厚さに形成される。ここで、ISSG酸化工程はHとOの雰囲気で850℃以上、且つ1000℃以下の温度と1torr以上、且つ10torr以下の圧力で行う。そして、ISSG酸化工程におけるHとO雰囲気は、Oリッチ雰囲気となるように設定する。すなわち、OがHより多い量となるようにする。好ましくは、全体混合割合でOの混合割合が33%以上、且つ60%以下となるようにし、或いはHの混合割合を0.5%以上、且つ33%以下となるようにする。これはOが酸化率(Oxidation rate)に多くの影響を及ぼすためである。ISSG酸化工程をHとOの雰囲気で行う場合、その反応式は下記反応式1のとおりである。
〔反応式1〕
+O→HO+O+OH
前記反応式1に示すように、HとOの反応によって発生するOとOHラジカル(radical)は酸化率を制御する。
ウォール酸化膜18を形成するために行われるISSG酸化工程は、一般的なファーネス工程によってクリスタルオリエンテーション効果(crystal orientation effect)を減少させることができる。
一方、以下では、ウォール酸化膜18をファーネス工程(ファーネス装備利用)で形成する場合と、本発明の好適な実施例のようにISSG酸化方式で形成する場合、第2トレンチ17の上部コーナー部位におけるウォール酸化膜18のプロファイルを説明する。
図6(a)は本発明の好適な実施例によって1050℃の温度で行われたISSG工程によって形成されたウォール酸化膜Bを示す図、図6(b)はファーネス装備を用いてO雰囲気で1100℃の温度で行われるドライ(dry)ファーネス工程によって形成されたウォール酸化膜Cを示す図、図6(c)はファーネス装備を用いて950℃の温度で行われるウェット(wet)ファーネス工程によって形成されたウォール酸化膜Dを示す図である。
図6(a)〜図6(c)に示すように、本発明の好適な実施例に係るISSG酸化方式で形成されたウォール酸化膜Bがファーネス装備を用いて形成されたウォール酸化膜C、Dに比べてトレンチの上部コーナーにおけるプロファイル特性が良いことが分かる。勿論、本発明の好適な実施例に係るISSG酸化方式の場合には、ファーネス工程で行う場合よりも低い温度で行うことができ、それだけ熱的ストレスを減少させることもできる。
一方、ウォール酸化膜18を形成するためのISSG工程は、場合によってDHF(またはBOE)とSC−1を用いた洗浄工程を行ってスペーサ16aを全て除去した後行うこともできる。
図5を参照すると、ウォール酸化膜18を含む全体構造の上部に第1及び第2トレンチ15、17が埋め込まれるように素子分離膜用絶縁膜19を蒸着する。この際、絶縁膜19はHDP(High Density Plasma)酸化膜で形成するが、第1及び第2トレンチ15、17の内部にボイド(void)が発生しないようにギャップフィリング(gap filling)させることが好ましい。この際、絶縁膜19は、4000Å〜10000Å程度の厚さに蒸着することができる。
その後、絶縁膜19に対して平坦化工程を行って全体上部を平坦化する。この際、平坦化工程はCMP(Chemical Mechanical Polishing)方式で行うが、ハードマスクが一定の厚さにリセスされるように行うか、完全にハードマスクが除去されるようにパッド窒化膜12の一部がリセスされる範囲まで行うこともできる。
その次、平坦化された全体構造の上部面について洗浄工程を行う。この際、洗浄工程は、平坦化工程の際に損傷した部位を補償し、或いは全体構造上の表面に存在する不要な物質などを除去するためにDHFとSC−1を用いて行う。
その後、図示してはいないが、リン酸(HPO)を用いたエッチング工程を行って、平坦化工程後に残留したハードマスク及び/またはパッド窒化膜12を完全除去する。この際、エッチング工程は酸化膜11をエッチング停止層として半導体基板10が損傷しないように行うことが好ましい。
次いで、絶縁膜19のEFT(Effective Field Thickness)を50Å〜150Å程度の厚さに制御するために、DHFとSC−1を用いた洗浄工程をさらに行うこともできる。これにより、セル領域Cell、低電圧領域LV及び高電圧領域HVには素子分離膜が形成される。
以上説明した本発明の技術的思想は、好適な実施例で具体的に記述されたが、これら実施例は、本発明を説明するためのもので、制限するものではないことに注意すべきである。また、本発明は、当該分野で通常の知識を有する者であれば、発明の技術的思想の範囲内で様々な実施が可能であることを理解できよう。
本発明の活用例として、フラッシュメモリ素子のウォール酸化膜(wall oxide)形成方法及び素子分離膜形成方法に適用することが出来、特に、トレンチ(trench)の形成後に行われる酸化工程の熱的ストレス(thermal stress)によってトレンチ内側壁の半導体基板が破れるディスロケーション(dislocation)現象を防止して素子特性を向上させることが可能なフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及びこれを用いたフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法に適用出来る。
本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示す断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示す断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示す断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示す断面図である。 本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法及び素子分離膜形成方法を説明するために示す断面図である。 (a)は本発明の好適な実施例に係るフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法によって形成されたウォール酸化膜を示すTEM(Transmission Electron Microscope)写真、(b)及び(c)はファーネス装備を用いたファーネス工程によって形成されたウォール酸化膜を示すTEM写真である。
符号の説明
10…半導体基板
11…酸化膜
11a…パッド酸化膜
11b…低電圧ゲート酸化膜
11c…高電圧ゲート酸化膜
12…パッド窒化膜
13…DCS−HTO膜
14…SiON膜
15…第1トレンチ
16…スペーサ用絶縁膜
16a…スペーサ
17…第2トレンチ
18…ウォール酸化膜
19…素子分離膜用絶縁膜

Claims (14)

  1. (a)トレンチの形成された半導体基板を提供する段階と、
    (b)HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって酸化工程を行って前記トレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成する段階とを含むフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  2. 前記ISSG酸化方式は、850℃以上、且つ1000℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  3. 前記ISSG酸化方式は、1torr以上、且つ10torr以下の圧力で行うことを特徴とする請求項1または請求項2記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  4. 前記HとOの雰囲気は、Oリッチ雰囲気であることを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  5. 前記HとOの雰囲気における前記Oの混合割合は、33%以上、且つ60%以下であることを特徴とする請求項4記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  6. 前記HとOの雰囲気における前記Hの混合割合は、0.5%以上、且つ33%以下であることを特徴とする請求項4記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  7. 前記ウォール酸化膜は、15Å以上、且つ30Å以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子のウォール酸化膜形成方法。
  8. (a)パッド酸化膜の形成された半導体基板を提供する段階と、
    (b)前記パッド酸化膜上にパッド窒化膜を蒸着する段階と、
    (c)前記パッド窒化膜及び前記パッド酸化膜をエッチングすると同時に、前記半導体基板上の一部をリセスさせて第1トレンチを形成する段階と、
    (d)前記第1トレンチの内側壁にスペーサを形成する段階と、
    (e)HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって第1酸化工程を行い、前記スペーサを介して露出される前記半導体基板の上部を酸化処理する段階と、
    (f)前記第1トレンチよりも深く前記半導体基板をエッチングして第2トレンチを形成する段階と、
    (g)HとOの雰囲気でISSG酸化方式によって第2酸化工程を行って前記第2トレンチの内側壁にウォール酸化膜を形成する段階と、
    (h)前記第2トレンチが埋め込まれるように素子分離膜を形成する段階と、
    を含むことを特徴とするフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  9. 前記第1及び第2酸化工程は、850℃以上、且つ1000℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項8記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  10. 前記第1及び第2酸化工程は、1torr以上、且つ10torr以下の圧力で行うことを特徴とする請求項8または請求項9記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  11. 前記HとOの雰囲気は、Oリッチ雰囲気であることを特徴とする請求項8記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  12. 前記HとOの雰囲気におけるOの混合割合は、33%以上、且つ60%以下であることを特徴とする請求項11記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  13. 前記HとOの雰囲気における前記Hの混合割合は、0.5%以上、且つ33%以下であることを特徴とする請求項11記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
  14. 前記ウォール酸化膜は、15Å以上、且つ30Å以下の厚さに形成されることを特徴とする請求項8記載のフラッシュメモリ素子の素子分離膜形成方法。
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