KR0167252B1 - Method for forming isolation on a semiconductor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 집적회로의 소자격리(isolation)방법에 관한 것으로, 소자격리 영역의 기판 표면이 노출되도록 반도체 기판의 액티브 영역에 패드 산화막/폴리 실리콘/제1 실리콘 질화막 구조의 액티브 패턴을 형성하는 공정과; 노출된 기판을 등방성 식각하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 증착하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 이방성 식각처리하는 공정 및; 열산화하여 격리막을 성장시키는 공정을 구비하여 소자 제조를 완료하므로서, 1) 실리콘 질화막의 두께를 충분히 높이지 않고도 질화막의 강도를 향상시킬 수 있어 좁은 폭을 갖는 액티브 패턴의 장방향 버즈 비크 성장을 억제할 수 있으며, 2) 격리막을 리세스시키기 위하여 실리콘 기판을 리무트 플라즈마 방식의 화학적 건식 식각법으로 식각하므로서 등방성이고 스무스한 리세스 프로파일 및 저 손상(low damage) 실리콘 기판을 유지할 수 있어 격리막의 프로파일 개선 및 결정 결함의 발생 가능성을 낮출 수 있게 되어 공정 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되고, 3) 제2 실리콘 질화막을 로드-락(load-lock) 챔버에서 얇은 두께로 증착하므로써, 실리콘 기판에 생기는 자연산화막의 성장을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 산화 공정시, 상기 질화막을 완전히 산화시킬 수 있어 제2 실리콘 질화막으로 인한 기판의 스트레스를 최소화면서도 버즈 비크의 성장 억제 및 격리막의 프로파일 개선등을 실현할 수 있어 액티브 소자의 전기적 특성(예컨대, 정션 리키지, 임계전압 특성)을 개선할 수 있게 된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for isolating a device in a semiconductor integrated circuit. and; Isotropically etching the exposed substrate; Depositing a second silicon nitride film; Anisotropically etching the second silicon nitride film; Comprising the process of thermally oxidizing the isolation film to complete the device manufacturing, 1) the strength of the nitride film can be improved without sufficiently increasing the thickness of the silicon nitride film to suppress the growth of the long direction buzz beak of the narrow active pattern 2) the silicon substrate is etched by a lith plasma type chemical dry etching method to recess the isolation layer, thereby maintaining an isotropic, smooth recess profile and low damage silicon substrate. It is possible to improve the process reliability by reducing the possibility of improvement and the occurrence of crystal defects, and 3) the natural oxide film formed on the silicon substrate by depositing the second silicon nitride film in a thin thickness in the load-lock chamber. Not only minimize the growth of the nitride film but also completely oxidize the nitride film during the oxidation process. It is possible to minimize the stress of the substrate due to the second silicon nitride film and to suppress the growth of the buzz beak and improve the profile of the isolation film, thereby improving the electrical characteristics of the active device (e.g., junction leakage, threshold voltage characteristics). do.

Description

반도체 집적회로의 소자격리방법Device isolation method of semiconductor integrated circuit

제1도는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 다이아고날 액티브(diagonal active)에서의 옥시데이션 현상 및 패턴 위치에 따른 버즈 비크 형상을 도시한 평면도.1 is a plan view showing a buzz beak shape according to the oxidization phenomenon and pattern position in the diagonal active of the semiconductor device according to the prior art.

제2도는 제1도의 장방향으로 과성장된 버즈 비크 형상을 도시한 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view showing a buzz beak shape overgrown in the longitudinal direction of FIG.

제3(a)도 내지 제3(c)도는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 NCL(nitride-clad-LOCOS) 소자격리방법을 도시한 공정수순도.3 (a) to 3 (c) are process flowcharts showing a method for isolating a nitride-clad-LOCOS (NCL) device of a semiconductor device according to the prior art.

제4(a)도 내지 제4(c)도는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 PBR(poly-buffer-recessed) 로커스 소자격리방법을 도시한 공정수순도.4 (a) to 4 (c) are process flowcharts showing a poly-buffer-recessed locus device isolation method of a semiconductor device according to the prior art.

제5(a)도 내지 제5(e)도는 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자격리방법을 도시한 공정수순도.5 (a) to 5 (e) are process flowcharts showing the device isolation method of the semiconductor device according to the present invention.

제6도는 H2/O2분위기에서 습식 산화시, 온도에 따른 질화막의 산화 두께 변화를 도시한 그래프.6 is a graph showing changes in the oxidation thickness of a nitride film with temperature during wet oxidation in an H 2 / O 2 atmosphere.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 반도체 기판 12 : 패드 산화막10 semiconductor substrate 12 pad oxide film

14 : 폴리 실리콘 16 : 제1 실리콘 질화막14 polysilicon 16 first silicon nitride film

18 : 감광막 패턴 20 : 제2 실리콘 질화막18 photosensitive film pattern 20 second silicon nitride film

22 : 격리막22: separator

본 발명은 반도체 집적회로의 소자격리(isolation)방법에 관한 것으로, 특히 고집적화된 반도체 소자에 적용 가능하도록 설계된 반도체 집적회로의 소자격리방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device isolation method for a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a device isolation method for a semiconductor integrated circuit designed to be applicable to highly integrated semiconductor devices.

전자산업의 발달로 인하여 고품위, 다기능, 고용량의 정보처리를 위한 반도체 칩(chip)이 요구됨에 따라 제반 요구조건을 동시에 만족시킬 수 있을 뿐 아니라 칩의 생산성 향상면에도 기여할 수 있는 기술로서, 소자의 집적화 기술이 널리 이용되고 있다.As the development of the electronics industry demands semiconductor chips for high-quality, multi-function, and high-capacity information processing, not only can they satisfy all the requirements at the same time, but also contribute to the improvement of chip productivity. Integration technology is widely used.

일반적인 반도체 모스(metal-oxide-semiconductor:이하, MOS라 한다) 소자에 있어서의 고집적화를 가능케하는 가장 중요한 기술로는, 단위소자와 소자를 전기적으로 고립시키는 소자격리 기술을 들 수 있는데, 그 대표적인 기술이 바로 로커스(이하, LOCOS라 한다)법이다.The most important technology that enables high integration in a general semiconductor metal-oxide-semiconductor (hereinafter referred to as MOS) device is a device isolation technology that electrically isolates a device from a device. This is the Locus method.

상기 LOCOS법의 전형적인 기술은, 실리콘 기판에 정의된 활성영역에 열처리(oxidation)시 스트레스 완충역할을 할 패드(pad) 산화막과, 활성 영역의 산화를 방지하기 위한 실리콘 질화막의 단순 적층 형태 예컨대, Si3N4/SiO2구조의 박막을 형성한 뒤, 이를 열처리하여 소자를 격리토록 한 것이다.A typical technique of the LOCOS method is a simple stacked form of a pad oxide film that will act as a buffer for stress during oxidation on an active region defined in a silicon substrate, and a silicon nitride film for preventing oxidation of the active region, for example, Si. After forming a thin film of 3 N 4 / SiO 2 structure and heat treatment to isolate the device.

상기 기술은 최소선폭(액티브 패턴과 액티브 패턴 간의 최소거리)이 1.0㎛(1메가 DRAM 소자)인 반도체의 소자격리 기술로는 별 어려움 없이 사용되어 왔으나, 0.8㎛ 이하의 최소선폭(4메가 DRAM 소자)을 갖는 소자 개발을 시작하면서 LOCOS 방법의 한계론이 대두되었다.The above technique has been used without any difficulty as a device isolation technology of a semiconductor having a minimum line width (minimum distance between an active pattern and an active pattern) of 1.0 μm (1 mega DRAM device), but has a minimum line width of less than 0.8 μm (4 mega DRAM device). The development of LOCOS methodology began with the development of devices with).

따라서 기존의 LOCOS 법을 개선한 좀더 진보된(advanced) 형태의 LOCOS 기술이 활발히 개발되고 있으며, 이는 향후 256M DRAM 수준의 소자 양산 기술로도 사용되어질 전망이다.Therefore, more advanced LOCOS technology is being actively developed to improve the existing LOCOS method, which is expected to be used as a mass production technology of 256M DRAM level in the future.

그러나 아직까지는 64M DRAM급 이상의 반도체 소자의 소자격리 양산기술이 미 확립된 상태이다.However, device isolation mass production technology for semiconductor devices of 64M DRAM level or more has not yet been established.

이는 소자격리 기술이 단순히 액티브와 액티브 간격의 최소화 요구가 아닌 소자의 복잡한 집적화(integration) 측면에 있어서의 최적화 요구를 만족해야 하기 때문이다.This is because device isolation technology must satisfy the optimization requirements in terms of complex integration of the device, rather than simply minimizing the active and active spacing.

즉, 소자의 집적화에 따라 액티브와 액티브 간의 간격만이 줄어든 것이 아니고 액티브 자체의 특성 사이즈(feature size)도 크게 줄어들게 되므로, 액티브 패턴의 모든 방향(폭(width)과 길이(length) 방향)에서의 정밀한(critical) 버즈 비크(bird's beak)의 감소와, 액티브 에지(edge)에서의 버즈 비크 종단면도(profile)의 유리한 제어가 요구된다.In other words, as the integration of the device, not only the distance between the active and the active is reduced, but also the feature size of the active itself is greatly reduced. Therefore, in all directions (width and length directions) of the active pattern Reduction of critical bird's beak and advantageous control of the buzz beak profile at the active edge are required.

특히, 장방향 액티브(액티브의 길이방향)에서 패턴 폭이 0.5㎛ 이하 (64M DRAM급 액티브 패턴)일 경우에는 격리막 형성시, 제3도에 도시된 평면도에서 알 수 있듯이 산화가 2-차원(2-dimensional)으로 일어나, 액티브 패턴에 대해 장방향으로는 a만큼, 폭방향으로는 b만큼 버즈 비크 성장이 활성화되어 실질적인 액티브 영역이 그 만큼 줄어들게 되고, 또한 산화막 마스킹 역할을 하는 실리콘 질화막(e)이 두께가 얇을 경우에는 제4도에 도시된 단면도에서 알 수 있듯이, 산화막(d)의 부피(volume) 팽창에 따른 질화막과 기판 사이의 스트레스(c)로 인하여 상기 질화막의 기계적 강도가 약해지게 되어 질화막의 리프트-오프(lift-off)가 발생되므로 장방향 패턴 에지 부분의 마스크층이 들뜬 상태가 되어 버즈 비크 성장이 활발하게 일어나는 현상이 야기되기 때문에 이에 대한 충분한 배려가 있어야 한다.Particularly, when the pattern width is 0.5 μm or less (64M DRAM-class active pattern) in the long direction active (active length direction), the oxidation is two-dimensional (2) as shown in the plan view shown in FIG. and the silicon nitride film e, which acts as an oxide mask, is activated by buzz beak growth activated by a in the long direction and b in the width direction with respect to the active pattern. When the thickness is thin, as can be seen in the cross-sectional view shown in FIG. 4, the mechanical strength of the nitride film is weakened due to the stress (c) between the nitride film and the substrate due to the expansion of the volume of the oxide film (d). As the lift-off occurs, the mask layer of the long pattern edge portion is excited, which causes the phenomenon of active buzz beak growth. Care should be sufficient.

뿐만 아니라 액티브 패턴과 액티브 패턴 간의 간격이 0.5㎛ 스페이스(space) 이하로 되면, 이 스페이서를 트랜지스터의 채널로하는 기생 필트 트랜지스터(field transistor)의 기하학적인 채널 길이가 줄어들게 되므로, 이로 인해 임계전압(threshold voltage)과 펀치쓰루전압(punch through voltage)이 저하되는 심각한 문제가 발생하게 된다.In addition, when the distance between the active pattern and the active pattern is less than 0.5 μm, the geometric channel length of the parasitic field transistor that uses this spacer as a channel of the transistor is reduced, which causes a threshold voltage. Serious problems arise, such as a drop in voltage and punch through voltage.

따라서, 필드 트랜지스터의 임계전압과 펀치쓰루전압을 향상시키기 위해서는 격리막의 두께를 소정 두께 이상으로 높여주어야 하나, 이와 같이 하였을 경우에는 그에 따른 반대 급부, 즉 버즈 비크 길이의 증대 및 LOCOS 후의 높은 표면 토폴로지(topology)에 따른 이후 패턴 형성 공정시의 사진식각(photolithography) 적용의 어려움 등이 예상되므로, 소자격리 기술의 개발은 기 언급된 여러 문제를 최적화할 수 있도록 다음과 같은 방향으로 이루어져야 한다.Therefore, in order to improve the threshold voltage and the punch-through voltage of the field transistor, the thickness of the isolation layer must be increased to a predetermined thickness or more, but in this case, the opposite benefits, that is, the increase in the buzz beak length and the high surface topology after LOCOS ( Difficulty in applying photolithography in the pattern formation process according to the topology) is expected. Therefore, the development of device isolation technology should be conducted in the following directions to optimize the aforementioned problems.

즉, 액티브 패턴의 모든 방향에서의 버즈 비크 감소와, 필드 트랜지스터의 임계전압과 펀치쓰루전압을 만족시키기 위한 기하학적인 기생 필드 트랜지스터의 채널 길이 증대 및, 소자격리 공정 후 기판 표면의 토폴로지 등이 개선되도록 기술 개발이 진행되어야 한다.That is, to reduce the buzz beak in all directions of the active pattern, increase the channel length of the geometric parasitic field transistor to satisfy the threshold voltage and the punch-through voltage of the field transistor, and improve the topology of the substrate surface after the device isolation process. Technology development should proceed.

버즈 비크를 줄이기 위한 종래 기술로는, 폴리 실리콘 층을 기판 위의 패드 산화막과 질화학 사이에 두는 폴리 실리콘 버퍼드 LOCOS 기술과, 액티브 기판의 패드 산화막 상의 실리콘 질화막 패턴 측벽에 실리콘 질화막 스페이서를 두는 측벽 스페이서(side wall spacer) LOCOS 기술 등이 있으며, 필드 트랜지스터의 채널 길이 증대 및 기판의 표면 토폴로지 개선을 위한 기술로는 리세스된 격리막(field oxide recessed) LOCOS 기술 등이 있다.Conventional techniques for reducing buzz bees include a polysilicon buffered LOCOS technique, which places a polysilicon layer between the pad oxide layer and the niche chemistry on the substrate, and a sidewall having the silicon nitride spacer on the silicon nitride pattern sidewalls on the pad oxide layer of the active substrate. Side wall spacer (LOCOS) technology, and the like to increase the channel length of the field transistor and to improve the surface topology of the substrate includes a field oxide recessed (LOCOS) technology.

그러나 이들 기술들은 아직 집적도 측면에서 많은 개선이 요구되고 있는 실정이다.However, these technologies still require a lot of improvement in terms of density.

최근에 소개된 대표적 기술로는 제3도에 도시된 NCL(nitride-clad-LOCOS) 소자격리 공정을 들 수 있는데, 상기 공정은 먼저, 제3(a)도에 도시된 바와 같이 기판(s) 상에 액티브 패턴을 형성한 후 제1 실리콘 질화막(5)과 기판(s) 사이에 존재하는 패드 산화막(1)을 HF에 담구어 시리콘 질화막의 언더컷(undercut)을 만들고, 이후 제3(나)도에 도시된 바와 같이 제2 실리콘 질화막(5')으로 상기 패턴을 크래딩(clading)한 뒤, 제3(다)도에 도시된 바와 같이 격리영역(7)이 형성될 부위의 질화막(5')을 식각하고 1000℃에서 습식 산화하여 5000Å 두께의 격리막(7)을 형성하므로써 소자 제조를 완료하도록 하고 있다.Representative techniques recently introduced include a NCL (nitride-clad-LOCOS) device isolation process shown in FIG. 3, which is first used as a substrate (s) as shown in FIG. After the active pattern is formed on the pad oxide film 1 between the first silicon nitride film 5 and the substrate s, the silicon oxide film is undercut by dipping into the HF to form an undercut. After the cladding the pattern with the second silicon nitride film 5 ', as shown in FIG. 3, the nitride film of the portion where the isolation region 7 is to be formed, as shown in FIG. 5 ') is etched and wet oxidized at 1000 DEG C to form an isolation film 7 with a thickness of 5000 mV to complete device fabrication.

즉, 상기 공정은 패드 산화막(1)을 통한 산소의 확산 경로를 차단하거나, 또는 액티브 패턴 위의 질화막(5)의 기계적 강도를 높여 액티브 패턴의 장방향 에지에서의 질화막 리프트-오프에 의한 버즈 비크 성장의 가속화를 억제토록 한 방식으로 소자를 제조한 것이다.In other words, the process is performed by blocking the diffusion path of oxygen through the pad oxide film 1, or by increasing the mechanical strength of the nitride film 5 on the active pattern, the buzz beak due to the nitride film lift-off at the long edge of the active pattern. The device was manufactured in such a way as to inhibit the acceleration of growth.

반면, 또 다른 기술로는 제4도에 도시된 PBR(poly-buffer-recessed) LOCOS 소자격리 공정을 들 수 있는데, 상기 기술은 필드 트랜지스터의 채널 길이를 증대시키고 격리막의 표면 토폴리지를 개선하기 위하여 필드 영역의 기판을 식각한 후 산화시켜 격리막을 리세스되도록 형성하되, 기판 리세스에 따른 버즈 비크의 성장이 활성화되는 문제를 해결하기 위하여 제2 질화막을 식각된 기판의 측벽에 코팅토록 한 기술로, 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, another technique is the poly-buffer-recessed (PBR) LOCOS isolation process shown in FIG. 4, which increases the channel length of the field transistor and improves the surface topology of the separator. After etching the substrate in the field region and oxidizing the isolation layer to be recessed, the second nitride layer is coated on the sidewall of the etched substrate in order to solve the problem of the growth of the buzz beak caused by the substrate recess. In detail, it is as follows.

먼저, 제4(a)도에 도시된 바와 같이 기판의 스트레스를 줄이기 위하여 기판(S) 위에 패드 산화막(1)을 성장시킨 후, 폴리 실리콘(3)과 제1 질화막인 Si3N4(5)을 순차적으로 화학기상증착(CVD)하고, 격리영역이 형성될 부위의 질화막(5)과 폴리 실리콘(3) 및 패드 산화막(1)을 식각한 뒤, 상기 기판(s)을 25-200㎚의 깊이까지 식각한다.First, as shown in FIG. 4 (a), the pad oxide film 1 is grown on the substrate S in order to reduce the stress of the substrate, and then Si 3 N 4 (5) is used as the polysilicon 3 and the first nitride film. ) Is sequentially chemical vapor deposition (CVD), the nitride film (5), the polysilicon (3) and the pad oxide film (1) of the region where the isolation region will be formed are etched, and then the substrate (s) is 25-200 nm. Etch to the depth of.

이어서 액티브 영역의 양 측벽 및 기판의 격리영역에 다시 패드 산화막(1')을 성장시킨 후 250Å 두께의 제2 질화막(5')을 증착하고, 식각된 기판의 측벽에 상기 제2 질화막이 남도록 식각하여 제4(b)도에 도시된 바와 같은 패턴을 형성한다. 이 상태에서 열처리하여 격리막(7)을 성장시키면 제4(c)도에 도시된 바와 같은 패턴을 얻게 된다.Subsequently, the pad oxide layer 1 'is grown on both sidewalls of the active region and the isolation region of the substrate, and a second nitride layer 5' having a thickness of 250 Å is deposited, and the second nitride layer remains on the sidewall of the etched substrate. To form a pattern as shown in FIG. 4 (b). When the separator 7 is grown by heat treatment in this state, a pattern as shown in FIG. 4 (c) is obtained.

그러나 집적화 측면의 최적화를 시도한 상기 공정을 통해 제조된 소자 역시 다음과 같은 문제점을 가진다.However, the device manufactured through the above process, which attempts to optimize the integration, also has the following problems.

NCL 공정을 통해 제조된 소자의 경우는 첫째, 액티브 영역의 질화막 두께(예컨대, 1400Å)가 너무 얇아 상기 액티브 패턴의 장방향 에지 부위에서 질화막의 높은 기계적 강도를 얻을 수 없기 때문에 기 언급한 질화막의 리프트-오프 현상이 발생할 가능성이 크며 둘째, 제2 실리콘 질화막 밑에 55Å 두께의 산화막(f)이 존재하므로 이 산화막을 통한 확산을 차단할 수 없어 버즈 비크 성장을 효과적으로 억제할 수 없고, 셋째, 기판을 리세스 하지 않은 관계로 인하여 기 언급된 필드 트랜지스터의 충분한 채널 길이의 확보가 어려워 높은 펀치 쓰루 전압을 얻기가 힘들며 넷째, LOCOS 후 기판 표면의 토폴로지가 열악하여 이후 공정에서 패턴 형성을 위한 사진식각공정 적용상의 어려움이 뒤따르게 된다.In the case of the device fabricated through the NCL process, first, the nitride film thickness of the active region (for example, 1400 μs) is too thin to obtain the high mechanical strength of the nitride film at the long edge portion of the active pattern. -Off phenomenon is likely to occur, and secondly, since the oxide film f having a thickness of 55 밑에 is present under the second silicon nitride film, the diffusion through the oxide film cannot be blocked, so that the growth of the buzz beak cannot be effectively suppressed, and third, the substrate is recessed. It is difficult to obtain a high punch-through voltage because it is difficult to secure sufficient channel length of the field transistor mentioned above. Fourth, it is difficult to apply a photolithography process to form a pattern in a subsequent process because the topology of the substrate surface is poor after LOCOS. This is followed.

또한, PBR LOCOS 공정을 통해 제조된 소자의 경우는 첫째, 기판의 식각을 수직으로 하여 산화진행시 모서리 부분에 스트레스가 집중되어 결정 결함의 발생 가능성이 크며 둘째, 제2 실리콘 질화막 밑의 패드 산화막(1')을 사용하여야 하므로 기 언급된 산화막을 통한 산소 확산의 억제가 어려워 버즈 비크 제어가 힘들고 셋째, 2차 실리콘 질화막의 두께가 250Å으로 두껍고 수직한 측면을 따라 존재하므로 산화공정 후 상기 질화막이 산화막 위에 치켜 올라온 형상을 가지게 되어 격리막의 프로파일(profile)을 불량하게 만들므로 트랜지스터의 임계전압 특성이 저하되며 넷째, 격리막 종단면의 불량으로 LOCOS 이후의 HF 세정(cleaning) 공정시 산화막이 일부 제거될 때 액티브의 에지 영역이 노출될 가능성이 있어 소자의 신뢰성을 저하시키게 된다.In addition, in the case of a device manufactured through the PBR LOCOS process, first, the etching of the substrate is vertical, and stress is concentrated on the corners during the oxidation process, so that crystal defects are likely to occur. Second, the pad oxide film under the second silicon nitride film ( It is difficult to control oxygen diffusion through the aforementioned oxide film because it is difficult to control the buzz beak. Third, since the thickness of the second silicon nitride film is along the thick and vertical side with 250 Å, the nitride film is oxidized after the oxidation process. It has the shape raised above, which makes the profile of the isolation film bad, which lowers the threshold voltage characteristics of the transistor. Fourth, when the oxide film is partially removed during the HF cleaning process after LOCOS due to the failure of the isolation film end face. The edge region of is likely to be exposed, reducing the reliability of the device.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 64M DRAM 이상 급 즉, 0.4㎛ 이하의 액티브 폭과 0.5㎛ 이하의 액티브와 액티브 간의 스페이스를 요하는 반도체 소자의 공정 집적도를 최적화할 수 있도록 이루어진 반도체 집적회로의 소자격리방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, so as to optimize the process integration of semiconductor devices requiring 64M DRAM or more, that is, active width less than 0.4㎛ and active and active space below 0.5㎛ An object of the present invention is to provide a device isolation method for a semiconductor integrated circuit.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 집적회로의 소자격리방법은, 소자격리 영역의 기판 표면이 노출되도록 반도체 기판의 액티브 영역에 패드 산화막/폴리 실리콘/제1 실리콘 질화막 구조의 액티브 패턴을 형성하는 공정과; 노출된 기판을 등방성 식각하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 증착하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 이방성 식각하는 공정 및; 열산화하여 격리막을 성장시키는 공정을 구비하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The device isolation method of the semiconductor integrated circuit according to the present invention for achieving the above object, the active pattern of the pad oxide film / polysilicon / first silicon nitride film structure in the active region of the semiconductor substrate so that the substrate surface of the device isolation region is exposed Forming a; Isotropically etching the exposed substrate; Depositing a second silicon nitride film; Anisotropically etching the second silicon nitride film; And thermally oxidizing the separator to grow the separator.

상기 공정 결과, 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.As a result of this process, the reliability of the semiconductor element can be improved.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 좁은(narrow) 액티브 폭에 따른 액티브 패턴의 장방향 에지부의 2차원 산화에 의한 격리막의 심한 버즈 비크(bird's beak) 문제, 액티브와 액티브 간의 좁은 스페이스로 인해 야기되는 채널 길이 감소에 따른 필드 트랜지스터의 임계전압 및 펀치쓰루전압 저하 문제, 격리막의 토폴로지와 프로파일에 따른 소자격리 이후 공정에서의 사진식각시의 CD(critical dimension) 변화(variation) 및 액티브 트랜지스터의 임계전압 변화 문제, 소오스/드레인의 정션 리키지(junction leakage) 문제 등을 종합적으로 개선할 수 있도록 최적화 시킨 로커스계 소자분리 방법으로, 이를 실현하기 위해 본 발명에서 도입한 몇가지 특징을 살펴보면 다음과 같다.The present invention relates to a severe bird's beak problem of the separator due to the two-dimensional oxidation of the long edge portion of the active pattern according to the narrow active width, and the field due to the decrease in the channel length caused by the narrow space between the active and the active. Degradation of threshold voltage and punch-through voltage of transistor, critical dimension variation of photoetching process after device isolation according to isolation topology and profile, threshold voltage change of active transistor, source / drain A locus-based device isolation method optimized to comprehensively improve a junction leakage problem and the like, and looks at some of the features introduced in the present invention.

우선, 본 발명에서는 1) 액티브 위의 산화 마스크층(oxidation masking layer)을 기존의 질화막/산화막(Si3N4/SiO2) 구조 대신 질화막/폴리 실리콘/산호막(Si3N4/poly-Si/SiO2) 구조로 변경하므로써 실리콘 질화막의 두께를 높이지 않고도 기계적 강도를 높일 수 있게 하였으며, 2) 좁은 액티브의 장방향에서 취약한 버즈 enchroachment를 해결하기 위하여 높은 기계적 강도를 갖는 마스크층 측벽의 폴리 실리콘을 측면 리세스(lateral recess)시킨 뒤 얇은 두께의 실리콘 질화막으로 크램핑(clamping)하였으며, 3) 격리막(field oxide)의 리세스 및 프로파일을 개선하기 위하여 등방성 식각(isotropic etching)으로 기판을 스무스(smooth)하게 식각함과 아울러 열산화 공정시 실리콘 질화막이 충분히 산화될 수 있도록 매우 얇은 질화막을 측벽 보호막(side wall passivation)으로 사용하였고, 또한 4) 액티브 기판 위의 폴리 실리콘층 도입, 리무트 플라즈마 방식에 의한 화학적 건식식각을 이용한 기판의 등방성 식각 및, 열산화 공정 중의 측벽 보호를 위한 얇은 두께의 제2 실리콘 질화막 채택 등으로 인해 소자격리 공정시 발생되는 스트레스를 최소화함과 아울러 스트레스 발생에 따르는 기판 결정결함의 발생 확율을 최소화시켜 주도록 하고 있다.First, in the present invention, 1) the oxidation masking layer (active mask) on the active layer instead of the conventional nitride film / oxide film (Si 3 N 4 / SiO 2 ) structure of the nitride film / polysilicon / coral film (Si 3 N 4 / poly- The Si / SiO 2 ) structure allows the mechanical strength to be increased without increasing the thickness of the silicon nitride film, and 2) the polysilicon of the sidewall of the mask layer having high mechanical strength to solve the weak buzz enchroachment in the narrow active long direction. The silicon was lateral recessed and then clamped with a thin silicon nitride film. 3) The substrate was smoothed by isotropic etching to improve the recess and profile of the field oxide. A very thin nitride film was used as sidewall passivation so that the silicon nitride film could be sufficiently oxidized during the thermal oxidation process. 4) Device isolation process due to introduction of polysilicon layer on the active substrate, isotropic etching of the substrate using chemical dry etching by the lime plasma method, and the adoption of a thin second silicon nitride film for protecting the sidewalls during the thermal oxidation process In addition to minimizing the stress generated during the process, the probability of occurrence of substrate crystal defects caused by stress is minimized.

이러한 특징을 갖도록 이루어진 반도체 소자의 소자격리방법을 제5(a)도 내지 제5(e)도에 도시된 공정수순도를 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.A device isolation method of a semiconductor device having such a feature will be described in detail with reference to the process steps shown in FIGS. 5 (a) to 5 (e).

먼저, 일반적인 반도체 제조공정에 따라 실리콘 기판(10)에 웰(well)을 형성하고, 그 표면에 150Å 두께의 패드 산화막(12)을 900℃에서 건식산화(dry O2) 방식으로 성장시켜 제5(a)도에 도시된 바와 같은 패턴을 형성한다.First, the general according to the semiconductor manufacturing process and form a well (well) on the silicon substrate 10, was on the surface grown by dry oxidation (dry O 2) how the pad oxide film 12 of a 150Å thick at 900 ℃ fifth (a) forms a pattern as shown in FIG.

이어서, 제5(b)도에 도시된 바와 같이 상기 패드 산화막(12) 상에 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition:이하, LPCVD라 한다)법으로 300Å 두께의 폴리 실리콘(14) 및 1400Å 두께의 제1 실리콘 질화막(16)을 순차적으로 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 5 (b), the polysilicon 14 having a thickness of 300 kPa and the 1400 kPa by low pressure chemical vapor deposition (hereinafter referred to as LPCVD) method on the pad oxide film 12 are described. A first silicon nitride film 16 having a thickness is deposited sequentially.

그 다음, 제5(c)도에 도시된 바와 같이 사진식각공정을 이용하여 상기 제1 실리콘 질화막(16) 상에 액티브 영역과 소자격리 영역을 구분하는 감광막 패턴(18)을 형성하고, 상기 감광막 패턴(18)을 마스크로 제1 실리콘 질화막(16)과, 폴리 실리콘(14) 및, 패드 산화막(12)을 순차적으로 제거하여 제5(d)도에 도시된 바와 같이 소자격리 영역의 실리콘 기판이 노출되도록 한다.Next, as shown in FIG. 5 (c), a photoresist pattern 18 is formed on the first silicon nitride layer 16 to distinguish an active region and a device isolation region by using a photolithography process. Using the pattern 18 as a mask, the first silicon nitride film 16, the polysilicon 14, and the pad oxide film 12 are sequentially removed, and as shown in FIG. 5 (d), the silicon substrate in the device isolation region. To be exposed.

이때, 상기 제1 실리콘 질화막(16)은, CHF3/CF4화학액(chemistry)을 이용한 반응성이온식각(reactive ion etching:이하, RIE라 한다)법으로 식각되며, 상기 폴리 실리콘(14)은 HBr/Cl2를 이용한 RIE법으로 식각되고, 상기 패드 산화막(12)은 다시 CHr3/CF4화학액을 이용한 RIE로 식각된다.In this case, the first silicon nitride layer 16 is etched by reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) using a CHF 3 / CF 4 chemistry, and the polysilicon 14 is and it etched by RIE method using a HBr / Cl 2, the pad oxide film 12 is etched back by RIE using the CHr 3 / CF 4 chemistry solution.

이후, 제5(e)도에 도시된 바와 같이 상기 감광막 패턴(18)을 H2O2/H2SO4수용액에 담구어 제거하고, 리무트 플라즈마 방식을 이용한 화학적 건식 식각(chemical dry etching)법이나 또는 습식 식각(wet etching)법으로 노출된 실리콘 기판(10)을 300-500Å 두께로 등방성(isotropic) 식각한다.Subsequently, as shown in FIG. 5 (e), the photoresist pattern 18 is immersed in an aqueous solution of H 2 O 2 / H 2 SO 4 , and then removed, and chemical dry etching is performed using a remove plasma method. The silicon substrate 10 exposed by the method or the wet etching method is isotropically etched to a thickness of 300-500 Å.

이때, 상기 제1 실리콘 질화막(16)과 열산화막(12) 사이의 노출된 폴리 실리콘(14) 측벽이 기판과 동시에 수평 방향으로 등방성 식각이 이루어지나, 리무트 플라즈마 화학적 건식 식각 방식에 의해 식각이 이루어지므로 이 경우, 실리콘 기판(10)은 아무런 물리적 혹은 화학적 손상(damage)을 받지 않는다.At this time, the exposed sidewalls of the polysilicon 14 between the first silicon nitride layer 16 and the thermal oxide layer 12 may be isotropically etched in the horizontal direction simultaneously with the substrate, but the etching may be performed by a lith plasma chemical dry etching method. In this case, the silicon substrate 10 is not subjected to any physical or chemical damage.

계속해서, 제5(f)도에 도시된 바와 같이 로드-락(load-lock) 챔버를 갖는 LPCVD 장치(DJ-815V, KoKuSai CO.)를 이용하여 상기 패턴 전면에 30-100Å 두께 범위(예컨대, 80Å)의 얇은 제2 실리콘 질화막(20)을 증착한다.Subsequently, using the LPCVD apparatus (DJ-815V, KoKuSai CO.) Having a load-lock chamber as shown in FIG. , 80 GHz) thin second silicon nitride film 20 is deposited.

이와 같은 로드-락 챔버를 갖는 LPCVD 장치를 이용하여 제2 실리콘 질화막을 증착하는 것은, 실리콘 질화막 증착 전 단계에서 실리콘 기판에 생기는 자연산화막의 성장을 최소화하기 위함이다.The deposition of the second silicon nitride film using the LPCVD apparatus having such a load-lock chamber is to minimize the growth of the native oxide film on the silicon substrate before the silicon nitride film deposition step.

그 다음, 제5(g)도에 도시된 바와 같이 CHF3/CF2화학액을 사용하여 RIE 방식으로 상기 제2 실리콘 질화막을 이방성(anisotropic) 식각한다.Next, as shown in FIG. 5 (g), the second silicon nitride film is anisotropically etched by RIE using a CHF 3 / CF 2 chemical solution.

이후 채널 스톱 이온(channel stop ion)의 이온주입(implantation)은 n웰과 p웰 영역을 구분하여 열산화 공정 바로 전 단계에서 실시하여도 되고, 격리막을 완전히 성장시키고 난 이후에 실시하여도 무방하다.Thereafter, implantation of channel stop ions may be performed just before the thermal oxidation process by dividing the n well and p well regions, or may be performed after the isolation membrane has been completely grown. .

다음으로, 제5(h)도에 도시된 바와 같이 열산화 공정을 H2/O2분위기에서 35분간 950℃ 이상의 온도로 진행하여 4000Å 두께의 격리막(field oxide)(22)을 성장시킨다.Next, as shown in FIG. 5 (h), a thermal oxidation process is performed at a temperature of 950 ° C. or higher for 35 minutes in an H 2 / O 2 atmosphere to grow a 4000 μm thick field oxide 22.

이때, 제2 실리콘 질화막(20)은 기판 측벽에서 아주 느리게 산화되면서 측벽으로의 산화막 성장을(oxide growth rate)을 낮추며, 4000Å 두께의 격리막이 성장되는 동안 완전히 산화된다.At this time, the second silicon nitride film 20 is oxidized very slowly at the sidewalls of the substrate and lowers the oxide growth rate to the sidewalls, and is completely oxidized while the isolation film having a thickness of 4000 Å is grown.

따라서, 열산화 온도는 제2 실리콘 질화막(20)의 두께를 고려하여 두께가 두꺼울 경우는 상대적으로 높은 온도에서 상기 공정을 진행시켜 주어야 한다.Therefore, when the thermal oxidation temperature is thick considering the thickness of the second silicon nitride film 20, the process should be performed at a relatively high temperature.

이는 제6도에 도시된 그래프에서 알 수 있듯이 열산화시 제2 실리콘 질화막(20)이 충분히 산화되어야 하기 때문이다.This is because the second silicon nitride film 20 should be sufficiently oxidized during thermal oxidation as can be seen in the graph shown in FIG.

마지막으로, 제5(e)도에 도시된 바와 같이 제1 실리콘 질화막(16)을 핫 인산(H3PO4)에 담구어 제거하고, 이어 폴리 실리콘(14) 및 제2 실리콘 질화막(20)의 산화에 의해 형성된 열산화막(20')을 제거하여 본 공정을 완료한다. 이후의 공정은 일반적인 반도체 제조공정에 따라 진행된다.Finally, as shown in FIG. 5 (e), the first silicon nitride film 16 is immersed in hot phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and then removed, followed by the polysilicon 14 and the second silicon nitride film 20. This process is completed by removing the thermal oxide film 20 'formed by oxidation of. Subsequent processes proceed according to the general semiconductor manufacturing process.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 1) 실리콘 질화막의 두께를 충분히 높이지 않고도 질화막의 강도를 향상시킬 수 있어 좁은 폭을 갖는 액티브 패턴의 장방향 버즈 비크 성장을 억제시킬 수 있으며, 2) 격리막을 리세스시키기 위하여 실리콘 기판을 리무트 플라즈마 방식의 화학적 건식 식각법으로 식각하므로써 등방성이고 스무스한 리세스 프로파일 및 저 손상(low damage) 실리콘 기판을 유지할 수 있어 격리막의 프로파일 개선 및 결정 결함의 발생 가능성을 낮출 수 있게 되어 공정 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되고, 3) 제2 실리콘 질화막을 로드-락 챔버에서 얇은 두께로 증착하므로써, 실리콘 기판에 생기는 자연산화막의 성장을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 산화 공정시, 상기 질화막을 완전히 산화시킬 수 있어 제2 실리콘 질화막으로 인한 기판의 스트레스를 최소화하면서도 버즈 비크의 성장 억제 및 격리막의 프로파일 개선등을 실현할 수 있어 액티브 소자의 전기적 특성(예컨대, 정션리키지, 임계전압 특성)을 개선할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, 1) the strength of the nitride film can be improved without sufficiently increasing the thickness of the silicon nitride film, so that the growth of the long direction buzz beak of the active pattern having a narrow width can be suppressed; The silicon substrate is etched by the dry plasma chemical dry etching method to recess to maintain an isotropic and smooth recess profile and a low damage silicon substrate, thereby improving the profile of the isolation layer and the possibility of crystal defects. 3) by depositing the second silicon nitride film in a thin thickness in the load-lock chamber, it is possible to minimize the growth of the natural oxide film on the silicon substrate and also during the oxidation process, The nitride film can be completely oxidized, and thus the substrate of the second silicon nitride film While minimizing the less it is possible to realize such improvement of the growth profile, suppressed and separation films of buzz beak is possible to improve the electrical characteristics of the active elements (for example, junction leakage, the threshold voltage characteristics).

Claims (11)

소자격리 영역의 기판 표면이 노출되도록 반도체 기판의 액티브 영역에 패드 산화막/폴리 실리콘/제1 실리콘 질화막 구조의 액티브 패턴을 형성하는 공정과; 노출된 기판을 등방성 식각하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 증착하는 공정과; 제2 실리콘 질화막을 이방성 식각하는 공정 및; 열산화하여 격리막을 성장시키는 공정을 구비하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.Forming an active pattern of a pad oxide film / polysilicon / first silicon nitride film structure in an active region of the semiconductor substrate so that the substrate surface of the device isolation region is exposed; Isotropically etching the exposed substrate; Depositing a second silicon nitride film; Anisotropically etching the second silicon nitride film; And thermally oxidizing the separator to grow the isolation layer. 제1항에 있어서, 상기 노출된 기판은 화학적 건식 식각법이나 습식 식각법으로 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.The method of claim 1, wherein the exposed substrate is etched by a chemical dry etching method or a wet etching method. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노출된 기판은 300-500Å 깊이로 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.3. The method of claim 1 or 2, wherein the exposed substrate is etched to a depth of 300-500 microns. 제1항에 있어서, 상기 액티브 패턴은 패드 산화막/비정질 실리콘/제1 실리콘 질화막 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.2. The method of claim 1, wherein the active pattern is formed of a pad oxide film / amorphous silicon / first silicon nitride film structure. 제1항에 있어서, 상기 제2 실리콘 질화막은 로드-락 챔버를 갖는 화학기상증착장비를 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.2. The method of claim 1, wherein the second silicon nitride film is deposited using chemical vapor deposition equipment having a load-lock chamber. 제1항에 있어서, 상기 제2 실리콘 질화막은 원하는 두께의 격리막 성장이 완료되는 싯점에서 100% 산화될 수 있는 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.2. The method of claim 1, wherein the second silicon nitride film is deposited to a thickness that can be 100% oxidized at the point where the growth of the separator of the desired thickness is completed. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 제2 실리콘 질화막은 100Å 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.7. The method of claim 1 or 6, wherein the second silicon nitride film is formed to a thickness of about 100 GPa or less. 제1항에 있어서, 격리막 형성을 위한 상기 열산화 공정은 950℃ 이상의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.The device isolation method of claim 1, wherein the thermal oxidation process for forming a separator is performed at a temperature of 950 ° C. or higher. 제1항에 있어서, 상기 폴리, 실리콘은 노출된 기판의 등방성 식각 공정시 노출된 측벽이 함께 등방성 식각되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.The method of claim 1, wherein the poly and silicon are isotropically etched together in an isotropic etching process of the exposed substrate. 제1항에 있어서, 상기 제2 실리콘 질화막은 열산화시 모두 열산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.2. The method of claim 1, wherein the second silicon nitride film is formed of a thermal oxide film during thermal oxidation. 제1항 또는 제10항에 있어서, 상기 반도체 집적회로의 소자격리방법은 격리막 성장 후 제1 실리콘 질화막과 폴리 실리콘 및 열산화막을 제거하는 공정을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로의 소자격리방법.The method of claim 1, wherein the device isolation method of the semiconductor integrated circuit further comprises removing the first silicon nitride film, the polysilicon, and the thermal oxide film after the isolation layer is grown. Device isolation method.
KR1019950024923A 1995-08-12 1995-08-12 Method for forming isolation on a semiconductor KR0167252B1 (en)

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