KR0168198B1 - Method for forming trench isolation on a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
트렌치 측벽의 일부에만 불순물 영역을 형성하여 접합 정전용량 및 누설전류를 감소시키는 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법이 개시되었다. 본 발명은 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막을 패터닝함으로써 상기 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 절연막 패턴을 형성하는 단계, 상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 반도체 기판을 식각함으로써 제1 트렌치를 형성하는 단계, 상기 제1 트렌치를 둘러싸는 불순물 영역을 형성하는 단계, 및 상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 제1 트렌치를 식각함으로써 트렌치 측벽 상부에 잔여 불순물 영역이 형성된 제2트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 상기 잔여 불순물 영역이 카운터 도핑에 의하여 소멸되므로 상기 잔여 불순물 영역과 상기 활성영역이 접하는 계면이 존재하지 않으므로 접합계면에서의 접합 정전용량 및 누설전류의 발생을 방지할 수 있다.A method of trench isolation of a semiconductor device is disclosed in which an impurity region is formed only in a portion of a trench sidewall to reduce junction capacitance and leakage current. The present invention provides a method of forming an insulating film on a semiconductor substrate, forming an insulating film pattern to expose a predetermined region of the semiconductor substrate by patterning the insulating film, and etching the exposed semiconductor substrate using the insulating film pattern as an etching mask. Forming a first trench, forming an impurity region surrounding the first trench, and etching the first trench using the insulating layer pattern as an etch mask to form a second trench in which residual impurity regions are formed on the trench sidewalls. It provides a trench type device isolation method for a semiconductor device comprising the step of forming a. According to the present invention, since the residual impurity region is extinguished by counter doping, there is no interface between the residual impurity region and the active region, thereby preventing generation of junction capacitance and leakage current at the junction interface.
Description
제1도 내지 제5도는 종래 기술에 의한 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 to 5 are cross-sectional views illustrating a trench type device isolation method of a semiconductor device according to the prior art.
제6도 내지 제11도는 본 발명에 의한 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 설명하기 위한 단면도들이다.6 to 11 are cross-sectional views illustrating a trench type device isolation method of a semiconductor device according to the present invention.
본 발명은 트렌치를 이용한 반도체 장치의 소자분리 방법에 관한 것으로, 특히 트렌치 측벽의 일부에만 불순물 영역을 형성하여 접합 정전용량 및 누설전류를 감소시키는 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device isolation method of a semiconductor device using trenches, and more particularly, to a trench type device isolation method of a semiconductor device in which an impurity region is formed only in a portion of a trench sidewall to reduce junction capacitance and leakage current.
반도체 장치의 소자간 분리방법은 로커스(local oxidation of silicon, LOCOS) 소자분리 방법과 트랜치(trench)형 소자분리 방법으로 크게 나눌 수 있다.The device isolation method of a semiconductor device can be classified into a local oxidation of silicon (LOCOS) device isolation method and a trench type device isolation method.
로커스 소자분리 방법은 공정이 단순하고 넓은 부위와 좁은 부위를 동시에 소자 분리를 할 수 있다는 장점을 갖고 있지만, 버즈 비크(bird's beak)가 형성되어 소자분리영역의 폭이 넓어져서 소오스/드레인 영역의 전용면적을 감소시킨다. 또한 필드 산화막 형성 시 산화막의 가장자리에 열 팽창계수의 차이에 따른 응력이 집중됨으로서 실리콘 기판에 결정 결함이 발생하여 누설전류가 많게된다.Locus device isolation method has the advantage of simple process and the ability to separate devices at large and narrow areas at the same time, but a bird's beak is formed to increase the width of the device isolation area to dedicate the source / drain area. Reduce the area. In addition, when the field oxide film is formed, stress is concentrated at the edge of the oxide film due to the difference in thermal expansion coefficient, so that a crystal defect occurs in the silicon substrate, thereby increasing the leakage current.
따라서, 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법에 대한 요구가 늘어나고 있다. 그러나 트렌치형 소자분리를 구현함에 있어서 가장 큰 문제점 중의 하나는 트렌치 측벽과 인접하는 채널 영역에 국부적으로 강한 전계가 형성되어 낮은 게이트 전압에서도 쉽게 반전(inversion)되어 소오스/드레인 사이에 흐르는 전류를 증가시키는 것이다. 따라서 트랜지스터의 문턱전압이 낮아지는 역협폭효과(inverse narrow width effect)가 발생한다.Therefore, there is an increasing demand for a trench type isolation method for semiconductor devices. However, one of the biggest problems in implementing trench type isolation is that a locally strong field is formed in the channel region adjacent to the trench sidewalls, which easily inversions at low gate voltages and increases the current flowing between the source and drain. will be. As a result, an inverse narrow width effect occurs in which the threshold voltage of the transistor is lowered.
이러한 문제를 해결하기 위하여 트렌치 형성 이후에 트렌치 측벽에 기판과 같은 형의 불순물을 주입하는 방법[ G. Fuse, et. al A Practical Trench Isolation Technology With a Novel Planarization Process IEDM, 1987, p732-735] 및 트렌치 형성 이전에 트렌치가 형성될 부분보다 깊고 넓게 불순물 영역을 형성한 후 트렌치를 형성하는 방법 (미국 특허번호 ; 제 5,118,636 호)이 제시된 바 있다.To solve this problem, a method of implanting impurities, such as a substrate, into the trench sidewalls after trench formation [G. Fuse, et. al A Practical Trench Isolation Technology With a Novel Planarization Process IEDM, 1987, p732-735] and a method of forming a trench after forming an impurity region deeper and wider than a portion where a trench is to be formed before trench formation (US Pat. No. 5,118,636). Has been presented.
제1도 내지 제5도는 상술한 미국 특허 제 5,118.636 호에 기술되어 있는 종래 기술에 의한 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 to 5 are cross-sectional views for explaining a trench type device isolation method of a semiconductor device according to the prior art described in the aforementioned US Patent No. 5,118.636.
제1도는 패드 절연막 패턴(20) 및 식각 저지층 패턴(30)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 먼저 반도체 기판(10) 상에 패드 절연막 및 식각 저지층을 순차적으로 형성한다. 이어서 상기 패드 절연막 및 식각 저지층을 패터닝함으로써 상기 반도체 기판(10)의 소정 영역을 노출시키는 패드 절연막 패턴(20) 및 식각 저지층 패턴(30)을 형성한다.1 is a cross-sectional view for describing a step of forming the pad insulating layer pattern 20 and the etch stop layer pattern 30. First, a pad insulating film and an etch stop layer are sequentially formed on the semiconductor substrate 10. Subsequently, the pad insulating layer and the etch stop layer are patterned to form a pad insulating layer pattern 20 and an etch stop layer pattern 30 exposing a predetermined region of the semiconductor substrate 10.
제2도는 불순물 영역(40)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 먼저 상기 패드 절연막 패턴(20) 및 상기 식각 저지층 패턴(30)을 이온주입 마스크로하여 상기 노출된 반도체 기판 상에 불순물을 주입함으로써 상기 노출된 반도체 기판의 폭 보다 더 넓은 폭을 갖는 불순물 영역(40)을 형성한다. 이때 상기 불순물 영역(40)은 상기 반도체 기판(10)과 같은 도전형의 불순물을 상기 반도체 기판(10)에 도핑된 불순물 농도보다 더 높은 농도로 도핑한다.FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the step of forming the impurity region 40. First, an impurity is formed on the exposed semiconductor substrate using the pad insulating film pattern 20 and the etch stop layer pattern 30 as ion implantation masks. By implanting the impurity region 40 having a width wider than the width of the exposed semiconductor substrate. In this case, the impurity region 40 may dopants of the same conductivity type as the semiconductor substrate 10 to a concentration higher than that of the impurity doped in the semiconductor substrate 10.
제3도는 트렌치(50) 및 잔여 불순물 영역(60)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 먼저 상기 식각 저지층 패턴(30)을 식각 마스크로하여 상기 불순물 영역(40)을 이방성 식각함으로써 둘레에 잔여 불순물 영역(60)을 갖는 트렌치(50)를 형성한다.3 is a cross-sectional view illustrating a process of forming the trench 50 and the residual impurity region 60. First, an anisotropic etching of the impurity region 40 using the etch stop layer pattern 30 as an etch mask is performed. A trench 50 having residual impurity regions 60 is formed in the trenches.
제4도는 소자분리층(70)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 먼저 상기 트렌치(50)가 형성된 기판 전면에 트렌치 필링(filling) 물질층을 형성한다. 이어서 상기 트렌치 필링 물질층을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 방법으로 평탄화시키고 식각 저지층 패턴(30) 및 패드 절연막 패턴(20)을 순차적으로 제거함으로써 상기 트렌치(50) 내부에 트렌치 필링 물질층 패턴(70)을 형성한다.FIG. 4 is a cross-sectional view for describing the forming of the device isolation layer 70. First, a trench filling material layer is formed on the entire surface of the substrate on which the trench 50 is formed. Next, the trench filling material layer is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method, and the etch stop layer pattern 30 and the pad insulating layer pattern 20 are sequentially removed, thereby forming the trench filling material layer pattern inside the trench 50. Form 70.
제5도는 활성영역(80) 및 잔여 불순물 영역(60a)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 상기 트렌치 필링 물질층 패턴(70)을 이온주입 마스크로하여 상기 트렌치 필링 물질층 패턴(70)이 형성된 기판 전면에 불순물을 주입함으로써 활성영역 (80)을 형성한다. 이때 상기 활성 영역(80)은 카운터 도핑(counterdoping) 즉, 상기 잔여 불순물 영역(60)과는 반대의 도전형을 갖는 불순물을 상기 잔여 불순물 영역(60) 형성 시 보다 더 높은 농도로 주입하여 형성한다. 따라서 상기 잔여 불순물 영역(60) 상부가 일부 소멸된 잔여 불순물 영역 (60a)이 형성된다.FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an operation of forming the active region 80 and the remaining impurity region 60a. The trench filling material layer pattern 70 is formed by using the trench filling material layer pattern 70 as an ion implantation mask. The active region 80 is formed by implanting impurities into the entire surface of the formed substrate. In this case, the active region 80 is formed by counter doping, that is, by implanting impurities having a conductivity type opposite to that of the residual impurity region 60 at a higher concentration than when the residual impurity region 60 is formed. . Therefore, the remaining impurity region 60a in which the upper part of the residual impurity region 60 is partially removed is formed.
따라서 상기 활성영역(80)과 상기 잔여 불순물 영역(60a) 사이에는 접합이 존재하게 되고 이에 따라 접합 정전용량이 발생한다. 또한 상기 잔여 불순물 영역(60a) 및 상기 활성영역(80)은 고농도로 도핑되어 있으므로 그 접합 계면에서 높은 전계의 집중이 발생되어 누설전류가 증가한다.Therefore, a junction exists between the active region 80 and the residual impurity region 60a, thereby generating a junction capacitance. In addition, since the residual impurity region 60a and the active region 80 are heavily doped, the concentration of a high electric field occurs at the junction interface to increase the leakage current.
상술한 종래 기술에 의한 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법에 의하면, 상기 활성영역(80)과 접하는 잔여 불순물 영역(60a)에 의하여 접합 커패시턴스 및 누설전류가 증가하는 문제점이 있다.According to the above-described trench type device isolation method of a semiconductor device, there is a problem in that the junction capacitance and the leakage current are increased by the residual impurity region 60a in contact with the active region 80.
따라서 본 발명의 목적은 접합 커패시턴스 및 누설전류를 감소시킬 수 있는 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a trench type device isolation method for a semiconductor device capable of reducing junction capacitance and leakage current.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
반도체 소자분리 방법에 있어서,In the semiconductor device separation method,
반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
상기 절연막을 패터닝함으로써 상기 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 절연막 패턴을 형성하는 단계;Forming an insulating film pattern that exposes a predetermined region of the semiconductor substrate by patterning the insulating film;
상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 반도체 기판을 식각함으로써 제1 트렌치를 형성하는 단계;Forming a first trench by etching the exposed semiconductor substrate using the insulating layer pattern as an etching mask;
상기 제1 트렌치를 둘러싸는 불순물 영역을 형성하는 단계; 및Forming an impurity region surrounding the first trench; And
상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 제1 트렌치를 식각함으로써 트렌치 측벽 상부에 잔여 불순물 영역이 형성된 제2 트렌치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 제공한다.And etching the first trenches using the insulating layer pattern as an etch mask to form second trenches having residual impurity regions formed on upper sidewalls of the trenches.
이하 본 발명의 바람직한 실시예을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제6도 내지 제11도는 본 발명에 의한 반도체 장치의 트렌치형 소자분리방법을 설명하기 위한 단면도들이다.6 to 11 are cross-sectional views illustrating a trench type device isolation method of a semiconductor device according to the present invention.
제6도는 패드 절연막 패턴(21) 및 식각 저지층 패턴(31)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 먼저 반도체 기판(11) 상에 절연막(도시되지 않음), 예컨데 패드 절연막 및 식각 저지층을 순차적으로 형성한다. 여기서 상기 패드 절연막 및 식각 저지층은 각각 열산화막 및 실리콘 나이트라이드(SiNx)로 형성할 수 있다. 이어서 상기 절연막을 패터닝함으로써 상기 반도체 기판(11)의 소정 영역을 노출시키는 절연막 패턴을 형성한다. 여기서 상기 절연막 패턴은 패드 절연막 패턴(21) 및 식각 저지층 패턴(31)으로 구성된다.6 is a cross-sectional view for describing a step of forming the pad insulating layer pattern 21 and the etch stop layer pattern 31. First, an insulating film (not shown), for example, a pad insulating film and an etch stop layer, are sequentially formed on the semiconductor substrate 11. The pad insulating layer and the etch stop layer may be formed of a thermal oxide layer and silicon nitride (SiNx), respectively. Subsequently, the insulating film is patterned to form an insulating film pattern that exposes a predetermined region of the semiconductor substrate 11. The insulating layer pattern may include a pad insulating layer pattern 21 and an etch stop layer pattern 31.
제7도는 제1 트렌치(41) 및 불순물 영역(51)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 먼저 상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 노출된 반도체 기판을 식각함으로써 제1 트렌치(41)를 형성한다.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a process of forming the first trenches 41 and the impurity regions 51. First, the exposed semiconductor substrates are etched using the insulating layer pattern as an etch mask. Form.
이어서 이온주입 공정 및 고체 또는 기체 소스를 이용한 확산공정 중에서 선택된 어느 하나의 공정으로 상기 제1 트렌치(41)를 둘러싸는 불순물 영역(51)을 형성한다. 이때 이온주입 공정으로 상기 불순물 영역을 형성할 경우에는 이온주입 입사각에 변화를 주면서 진행하는 것이 바람직하다.Subsequently, the impurity region 51 surrounding the first trench 41 is formed by any one selected from an ion implantation process and a diffusion process using a solid or gas source. In this case, when the impurity region is formed by the ion implantation process, it is preferable to proceed with a change in the ion implantation incident angle.
또한 상기 불순물 영역(51)은 상기 반도체 기판(11)과 같은 도전형의 불순물을 상기 반도체 기판(11)에 도핑되어 있는 불순물 농도보다 더 높은 농도로 도핑하여 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the impurity region 51 may be formed by doping a conductive impurity such as the semiconductor substrate 11 to a concentration higher than that of the impurity doped in the semiconductor substrate 11.
제8도는 제2 트렌치(61) 및 잔여 불순물 영역(71)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 상기 절연막 패턴을 식각 마스크로하여 상기 제1 트렌치(41)를 일정 깊이만큼 더 식각함으로써 트렌치 측벽 상부에만 잔여 불순물 영역(71)이 형성된 제2 트렌치(61)를 형성한다.FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a step of forming the second trench 61 and the remaining impurity region 71. The trench is further etched by a predetermined depth using the insulating layer pattern as an etching mask. A second trench 61 in which residual impurity regions 71 are formed only on the sidewalls is formed.
제9도는 트렌치 필링 물질층(81)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 상기 제2 트렌치(61)가 형성된 기판 전면에 트렌치 필링 물질층(81), 예컨데 CVD 산화막을 형성한다.FIG. 9 is a cross-sectional view for describing a step of forming the trench filling material layer 81. A trench filling material layer 81, for example, a CVD oxide layer is formed on the entire surface of the substrate on which the second trench 61 is formed.
제10도는 트렌치 필링 물질층 패턴(91)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도로서, 상기 트렌치 필링 물질층(81)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 방법을 사용하여 평탄화시키고 습식식각 방법을 사용하여 상기 절연막 패턴을 순차적으로 제거함으로써 상기 제2 트렌치 (61) 내부에 트렌치 필링 물질층 패턴(91)을 형성한다.FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a step of forming the trench filling material layer pattern 91. The trench filling material layer 81 is planarized using a method such as chemical mechanical polishing (CMP), and a wet etching method is used. The trench filling material layer pattern 91 is formed in the second trench 61 by sequentially removing the insulating layer pattern.
제11도는 활성영역(101)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.11 is a cross-sectional view for describing a step of forming the active region 101.
상기 활성영역(101)을 형성하기 앞서 도면에는 제시되지 않았지만 상기 트렌치 필링 물질층 패턴(91)을 형성한 후에 도전막을 증착한다.Although not shown in the drawing prior to forming the active region 101, a conductive film is deposited after the trench filling material layer pattern 91 is formed.
이어서 상기 도전막을 패터닝하여 게이트 전극을 형성한다.Subsequently, the conductive film is patterned to form a gate electrode.
다음에 상기 게이트 전극 및 상기 트렌치 필링 물질층 패턴(91)을 이온주입 마스크로하여 상기 게이트 전극이 형성된 기판 전면에 불순물을 주입함으로써 상기 제2 트렌치(61)와 인접한 반도체 기판 표면에 활성영역 (101)을 형성한다.Next, an impurity is implanted into the entire surface of the substrate on which the gate electrode is formed using the gate electrode and the trench filling material layer pattern 91 as an ion implantation mask, thereby forming an active region 101 on the surface of the semiconductor substrate adjacent to the second trench 61. ).
이 때 상기 활성영역(101)은 상기 잔여 불순물 영역(71)과 반대의 도전형의 불순물을 상기 잔여 불순물 영역(71)에 도핑되어 있는 불순물 농도보다 더 높은 농도로 주입하여 형성한다. 또한 상기 활성영역(101)은 상기 잔여 불순물 영역(71)을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 잔여 불순물 영역 (71)은 상기 활성영역(101) 형성 시 카운터 도핑되어 소멸된다.In this case, the active region 101 is formed by injecting impurities of a conductivity type opposite to the residual impurity region 71 to a concentration higher than the impurity concentration doped in the residual impurity region 71. In addition, the active region 101 preferably includes the residual impurity region 71. Therefore, the residual impurity region 71 is counter-doped and disappears when the active region 101 is formed.
한편 상기 게이트 전극이 이온주입 마스크 역할을 하므로 상기 게이트 전극 아래 부분에는 상기 활성영역이(101)이 형성되지 않는다.Meanwhile, since the gate electrode serves as an ion implantation mask, the active region 101 is not formed under the gate electrode.
따라서 상기 잔여 불순물 영역(71)이 그대로 남아있는다.Therefore, the residual impurity region 71 remains as it is.
이상 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 게이트 전극의 아래 부분 즉, 채널 영역과 인접하는 트렌치 측벽에는 상기 잔여 불순물 영역(71)이 존재하므로 역협폭효과(inverse narrow width effect)를 방지할 수 있다. 또한 상기 활성영역(101)과 접하는 트렌치 측벽의 상기 잔여 불순물 영역(71)은 카운터 도핑에 의하여 소멸되므로 상기 잔여 불순물 영역(71)과 상기 활성영역(101)이 접하는 계면이 존재하지 않는다. 따라서 접합계면에서의 접합 정전용량 및 누설전류의 발생을 방지할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, since the residual impurity region 71 exists in the lower portion of the gate electrode, that is, in the trench sidewall adjacent to the channel region, the inverse narrow width effect is prevented. can do. In addition, since the residual impurity region 71 of the trench sidewall contacting the active region 101 is extinguished by counter doping, there is no interface between the residual impurity region 71 and the active region 101. Therefore, it is possible to prevent the generation of junction capacitance and leakage current at the junction interface.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명이 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 가능함은 명백하다.The present invention is not limited only to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical idea.
Claims (7)
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KR1019950049705A KR0168198B1 (en) | 1995-12-14 | 1995-12-14 | Method for forming trench isolation on a semiconductor device |
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1995
- 1995-12-14 KR KR1019950049705A patent/KR0168198B1/en not_active IP Right Cessation
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