KR100475271B1 - A method for forming a field oxide of semiconductor device - Google Patents

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KR100475271B1
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Abstract

본 발명은 반도체소자의 소자분리막 형성방법에 관한 것으로, The present invention relates to a method of forming a device isolation film of a semiconductor device,

트렌치형 소자분리막 형성공정시 실시되는 트렌치 식각공정시 트렌치의 측벽 및 저부가 이루는 각에 의하여 유발되는 전기장의 집중으로 인해 반도체소자의 전기적 특성이 열화되는 현상을 방지하기 위하여, In order to prevent the electrical characteristics of the semiconductor device from deteriorating due to the concentration of the electric field caused by the angle formed by the sidewalls and the bottom of the trench during the trench etching process performed during the trench type isolation layer forming process,

트렌치 식각공정시 RF 전력이나 RF 바이어스를 단계적으로 감소시키며 실시하는 RF 바이어스 스텝 다운 기술로 트렌치의 측벽과 저부가 만나는 부분이 라운딩 되어 반도체소자의 전기적 특성을 향상시키고 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.RF bias step-down technology that reduces RF power or RF bias step by step during the trench etching process, rounding the side where the sidewall and bottom of the trench meet to improve the electrical characteristics of the semiconductor device, thereby improving the characteristics and reliability of the semiconductor device It is a technology that can be done.

Description

반도체소자의 소자분리막 형성방법{A method for forming a field oxide of semiconductor device}A method for forming a field oxide of semiconductor device

본 발명은 반도체소자의 소자분리막 형성방법에 관한 것으로, 특히 트렌치형 소자분리막의 형성공정시 실시되는 식각공정으로 트렌치의 저부와 측벽이 이루는 각이 적어져 직각 또는 예각으로 유발되는 현상으로 인한 유발되는 누설전류을 감소시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다 The present invention relates to a method of forming a device isolation film of a semiconductor device, and more particularly, an etching process performed during the formation of a trench type device isolation film, which is caused by a phenomenon caused by a right angle or an acute angle due to a decrease in the angle between the bottom and sidewalls of the trench. It is about a technology that can reduce the leakage current

고집적화라는 관점에서 소자의 집적도를 높이기 위해서는 각각의 소자 디맨젼 ( dimension ) 을 축소하는 것과, 소자간에 존재하는 분리영역 ( isolation region ) 의 폭과 면적을 축소하는 것이 필요하며, 이 축소정도가 셀의 크기를 좌우한다는 점에서 소자분리기술이 메모리 셀 사이즈 ( memory cell size ) 를 결정하는 기술이라고 할 수 있다.In order to increase the integration of devices from the viewpoint of high integration, it is necessary to reduce each device dimension and to reduce the width and area of isolation regions existing between devices. Device isolation technology determines the memory cell size in terms of size.

소자분리절연막을 제조하는 종래기술로는 절연물 분리방식의 로코스 ( LOCOS : LOCal Oxidation of Silicon, 이하에서 LOCOS 라 함 ) 방법, 실리콘기판상부에 산화막, 다결정실리콘층, 질화막순으로 적층한 구조의 피.비.엘. ( Poly - Buffed LOCOS, 이하에서 PBL 이라 함 ) 방법, 기판에 홈을 형성한 후에 절연물질로 매립하는 트렌치 ( trench ) 방법 등이 있다.Conventional techniques for manufacturing device isolation insulating films include LOCOS (LOCOS: LOCOS) method, an oxide film, a polysilicon layer, and a nitride film on a silicon substrate. B.L. (Poly-Buffed LOCOS, hereinafter referred to as PBL) method, a trench method of embedding an insulating material after forming a groove in the substrate, and the like.

도 1 및 도 2 는 종래기술에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도와 그에 따라 형성된 사진을 도시한다.1 and 2 illustrate a cross-sectional view illustrating a method of forming a device isolation layer of a semiconductor device according to the related art and a photograph formed thereon.

도 1을 참조하면, 반도체기판(11) 상부에 패드산화막(13)을 형성하고, 상기 패드산화막(13) 상부에 질화막(15)을 형성한다. Referring to FIG. 1, a pad oxide film 13 is formed on a semiconductor substrate 11, and a nitride film 15 is formed on the pad oxide film 13.

그리고, 소자분리마스크를 이용한 식각공정으로 상기 질화막(15)과 패드산화막(13) 및 일정두께의 반도체기판(11)을 식각하여 상기 반도체기판(11)에 트렌치(17)를 형성한다. In addition, the trench 17 is formed in the semiconductor substrate 11 by etching the nitride layer 15, the pad oxide layer 13, and the semiconductor substrate 11 having a predetermined thickness by an etching process using an element isolation mask.

이때, 상기 식각공정은 200 ∼ 400 와트의 RF 전력과 10∼20 mTorr 의 압력을 갖는 조건에서 Cl2, HBr, O2 의 조합 가스를 이용하여 실시하되, Cl2 또는 HBr에서 발생되는 할로겐 계 래디컬 ( halogen species radical ) 의 화학적 반응과 플라즈마 내에 존재하는 양이온의 충격 효과를 중첩적으로 나타내며 진행된다. At this time, the etching process is carried out using a combination gas of Cl2, HBr, O2 under conditions having an RF power of 200 to 400 Watts and a pressure of 10 to 20 mTorr, halogen radicals generated from Cl2 or HBr It proceeds superimposed on the chemical reaction of radicals) and the impact effect of cations present in the plasma.

상기 트렌치(17)의 단면 프로파일은 상기 두 팩터 ( factor ), 즉 래디컬 재반응 ( radical reaction ) 및 이온 충격 ( ion bombardment ) 이 어떻게 조절되는가에 따라 결정된다. The cross-sectional profile of the trench 17 is determined by how the two factors, namely radical reaction and ion bombardment, are controlled.

상기 식각공정의 경우 구조적인 특징상 상기 트렌치(17)의 측벽과 저부가 교차하는 영역(A)에서의 지오메트리 ( geometry ) 효과에 의해 야기되는 전기장의 집중 현상이 유발되어 이온 충격의 증가 현상을 완전히 제거하기 어렵다. 이로 인하여, 깍아진 면의 바텀 프로파일 ( faceted bottom profile ) 이 유발되거나 인버스리 라운디드 프로파일 ( inversely rounded profile ) 이 유발되어 소자의 전기적 특성이 열화된다. 이때, 상기 인버스트 라운디드 프로파일은 마이크로 트렌치 현상이라 하기도 한다. In the case of the etching process, due to the structural characteristics, the phenomenon of concentration of the electric field caused by the geometry effect in the region A where the sidewall and the bottom of the trench 17 intersect is induced, thereby completely eliminating the increase of ion bombardment. Difficult to do This results in a faceted bottom profile or an inversely rounded profile that degrades the device's electrical properties. In this case, the inverted rounded profile may be referred to as a micro trench phenomenon.

후속공정으로 상기 트렌치(17)를 매립하는 평탄화된 절연막(도시안됨)으로 소자분리막(도시안됨)을 형성한다. In a subsequent process, an isolation layer (not shown) is formed of a planarized insulating film (not shown) filling the trench 17.

도 2를 참조하면, 상기 도 1 과 같이 트렌치의 저부와 측벽이 만나는 부분(A)가 각을 이루고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the portion A where the bottom of the trench and the sidewall meet each other as shown in FIG. 1.

상기한 바와 같이 종래기술에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법은, 트렌치를 형성하기 위한 건식 식각 공정시 트렌치의 저부와 측벽이 각을 이루며 형성되되, 심한 경우 마이크로 트렌치를 형성하여 전기장의 집중으로 인한 누설전류가 유발되어 반도체소자의 특성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다. As described above, in the method of forming a device isolation layer of a semiconductor device according to the prior art, the bottom and sidewalls of the trench are formed at an angle in a dry etching process for forming a trench, but in a severe case, micro trenches are formed due to concentration of an electric field. There is a problem that the leakage current is caused to deteriorate the characteristics and reliability of the semiconductor device.

본 발명의 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, RF 바이어스 스텝 다운 ( RF bias step down ) 기술을 이용하여 라운딩 바텀 프로파일 ( rounding bottom profile ) 을 형성함으로써 전기장의 집중 현상을 방지하고 그에 따른 누설전류의 발생을 방지하여 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 반도체소자의 소자분리막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems of the prior art of the present invention, by forming a rounding bottom profile using the RF bias step down technique to prevent the concentration of the electric field and accordingly leakage current It is an object of the present invention to provide a method for forming a device isolation film of a semiconductor device to prevent the occurrence of the semiconductor device to improve the characteristics and reliability of the semiconductor device.

이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법은, In order to achieve the above object, a device isolation film forming method of a semiconductor device according to the present invention,

반도체기판의 활성영역 상에 패드산화막 및 질화막의 적층구조를 형성하는 공정과,Forming a stacked structure of a pad oxide film and a nitride film on an active region of a semiconductor substrate;

소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 질화막, 패드산화막 및 일정두께의 반도체기판을 식각하여 트렌치를 형성하되, RF 전력을 단계적으로 감소시켜 식각함으로써 트렌치 내의 저부와 측벽이 만나는 부분을 라운딩시키는 공정을 포함하는 것과,In the photolithography process using an isolation mask, a trench is formed by etching the nitride film, the pad oxide film, and the semiconductor substrate having a predetermined thickness, and the RF power is gradually reduced to etch to round the portion where the bottom and sidewalls meet in the trench. Including,

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상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, ICP 타입의 건식 식각 장비를 이용하는 경우 100 ∼ 1000 와트의 바텀 바이어스 ( bottom bias ) 조건으로 식각공정을 시작하고 소정 시간 간격으로 RF 바이어스 값을 일정 값만큼 감소시켜 실시하는 것과,The etching process using the RF bias is performed by starting the etching process with a bottom bias condition of 100 to 1000 watts when the dry etching equipment of the ICP type is used, and decreasing the RF bias value by a predetermined value at predetermined time intervals. To do that,

상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, Cl2를 식각가스로 사용하여 실시하거나 HBr 및 Ar 의 혼합가스를 사용하여 실시하는 것과,The etching process using the RF bias may be performed using Cl 2 as an etching gas or using a mixed gas of HBr and Ar,

상기 RF 전력을 이용한 식각공정은, 200 ∼ 400 와트의 RF 전력과 10∼20 mTorr 의 압력을 갖는 조건에서 1차 식각하고 일정시간 후에 100 ∼ 300 와트 정도로 감소시켜서 2차 식각하는 것을 특징으로 한다. The etching process using the RF power is characterized in that the first etching under conditions having a 200 to 400 watts RF power and a pressure of 10 to 20 mTorr, the second etching is reduced to about 100 to 300 watts after a predetermined time.

또한, 이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성밥법은, In addition, the device isolation film forming method of the semiconductor device according to the present invention to achieve the above object,

반도체기판의 활성영역 상에 패드산화막 및 질화막의 적층구조를 형성하는 공정과,Forming a stacked structure of a pad oxide film and a nitride film on an active region of a semiconductor substrate;

소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 질화막, 패드산화막 및 일정두께의 반도체기판을 다단계로 식각하여 트렌치를 형성하되, In the photolithography process using an isolation mask, a trench is formed by etching the nitride layer, the pad oxide layer, and the semiconductor substrate having a predetermined thickness in multiple steps.

최초식각공정에서의 RF 바이어스를 동일하게 하고 식각 챔버의 압력을 증가시키거나 동일 압력에서 RF 바이어스를 감소시키는 2가지 기술을 조합하여 반도체 기판을 식각함으로써 트렌치 내의 저부와 측벽이 만나는 부분을 라운딩시키는 공정을 포함하는 것과,Rounding the bottom and sidewall junctions in the trench by etching the semiconductor substrate using a combination of two techniques that equalize the RF bias in the initial etching process and increase the pressure in the etching chamber or reduce the RF bias at the same pressure. To include,

상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은,The etching process using the RF bias,

ICP 타입의 건식 식각 장비를 이용하는 경우 100 ∼ 1000 와트의 바텀 바이어스 ( bottom bias ) 조건으로 식각공정을 시작하고 소정 시간 간격으로 RF 바이어스 값을 일정 값만큼 감소시켜 실시하는 것과,In case of using ICP type dry etching equipment, the etching process is started under the condition of 100 to 1000 Watt bottom bias, and the RF bias value is decreased by a predetermined value at predetermined time intervals.

상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, Cl2를 식각가스로 사용하여 실시하거나 HBr 및 Ar 의 혼합가스를 사용하여 실시하는 것을 특징으로 한다. The etching process using the RF bias may be performed using Cl 2 as an etching gas or using a mixed gas of HBr and Ar.

한편, 본 발명의 원리는,On the other hand, the principle of the present invention,

소자분리를 위한 트렌치 식각공정시 RF 바이어스를 단계적으로 감소시키며 건식 식각공정을 실시하거나,Step by step to reduce the RF bias during the trench etching process for device isolation and dry etching process,

동일 RF 바이어스에서 챔버 압력을 증가시킴으로써 By increasing the chamber pressure at the same RF bias

트렌치 저부 및 측벽이 연결되는 부분이 라운딩되어 전기장의 집중으로 인한 소자의 전기적 특성 열화를 방지하고 그에 따른 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 기술에 관한 것이다. The bottom portion of the trench and the side wall are connected to each other to prevent the deterioration of the electrical characteristics of the device due to the concentration of the electric field and to thereby improve the characteristics and reliability of the device.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3 및 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도이다. 3 and 4 are cross-sectional views illustrating a method of forming an isolation layer in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 3 을 참조하면, 반도체기판(21) 상부에 패드산화막(23)을 형성하고, 상기 패드산화막(23) 상부에 질화막(25)을 형성한다. Referring to FIG. 3, a pad oxide film 23 is formed on the semiconductor substrate 21, and a nitride film 25 is formed on the pad oxide film 23.

그리고, 소자분리마스크를 이용한 식각공정으로 상기 질화막(25)과 패드산화막(23) 및 일정두께의 반도체기판(21)을 식각하여 상기 반도체기판(21)에 트렌치(27)를 형성한다. In addition, the trench 27 is formed in the semiconductor substrate 21 by etching the nitride layer 25, the pad oxide layer 23, and the semiconductor substrate 21 having a predetermined thickness by an etching process using an element isolation mask.

이때, 상기 식각공정은 RF 바이어스 또는 RF 전력을 감소시키면서 실시한다. At this time, the etching process is performed while reducing the RF bias or RF power.

상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, ICP 타입의 건식 식각 장비를 이용하는 경우 100 ∼ 1000 와트의 바텀 바이어스 ( bottom bias ) 조건으로 식각공정을 시작하고 일정 시간 이후에 최초 RF 바이어스 값보다 작은 값에서 추가적으로 반도체기판을 식각한 다음, 다시 감소된 RF 바이어스 값에서 식각을 진행하는 공정을 반복하여 진행한다. In the etching process using the RF bias, when the ICP type dry etching equipment is used, the etching process starts with a bottom bias condition of 100 to 1000 watts, and after a predetermined time, the semiconductor is additionally formed at a value smaller than the initial RF bias value. After the substrate is etched, the process of etching at the reduced RF bias value is repeated.

상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, Cl2를 식각가스로 사용하여 실시하거나 HBr 및 Ar 의 혼합가스를 사용하여 실시한다. The etching process using the RF bias is performed using Cl 2 as an etching gas or using a mixed gas of HBr and Ar.

상기 RF 전력을 이용한 식각공정은, RF 전력 및 챔버 압력 조건을 단일 조건이 아니라 2 단계 이상의 조건에서 건식 플라즈마 식각공정으로 실시한다. In the etching process using the RF power, the RF power and the chamber pressure conditions are performed by a dry plasma etching process under two or more conditions instead of a single condition.

첫째 단계는, 통상의 종래 기술과 비슷한 수준인 200 ∼ 400 와트의 RF 전력과 10∼20 mTorr 의 압력을 갖는 조건에서 실시한다. The first step is carried out under conditions with a RF power of 200-400 watts and a pressure of 10-20 mTorr, which is comparable to conventional prior art.

둘째 단계는, 일정시간 후에 100 ∼ 300 와트 정도로 감소시켜서 일정시간 반도체 기판을 식각하고, RF 전력을 더욱 감소시켜 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성한다.In a second step, the semiconductor substrate is etched after a predetermined time by about 100 to 300 watts, and the semiconductor substrate is etched by further reducing the RF power to form a trench.

상기한 트렌치 식각공정은, 지오메트리 효과에 의한 전기장 집중 현상을 최소화시킴과 동시에 래디컬 재반응에 의한 측벽 보호 효과를 향상시킬 수 있어 트렌치(27)의 측벽 및 저부가 만나는 부분(B)이 라운딩되어 형성된다.The trench etching process minimizes electric field concentration due to the geometry effect and improves the sidewall protection effect due to the radical re-reaction, so that the side portion (B) where the sidewalls and the bottom of the trench 27 meet meet is rounded. .

도 4 를 참조하면, 상기 도 3 과 같이 트렌치의 저부와 측벽이 만나는 부분(C)이 라운딩 되어 전기장의 집중 현상을 방지함으로써 소자의 전기적 특성 열화를 방지할 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that as shown in FIG. 3, the portion C where the bottom and sidewalls of the trench meet each other is rounded to prevent deterioration of electric characteristics of the device by preventing concentration of electric fields.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법은, RF 바이어스를 단계적으로 감소시켜 식각하거나 동일 RF 바이어스에서 챔버 압력을 증가시켜 식각함으로써 트렌치의 저부 및 측벽이 만나는 부분을 라운딩 되도록 하여 소자의 전기적 특성 열화를 방지하고 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, the method of forming a device isolation film of the semiconductor device according to the present invention may reduce the RF bias stepwise to etch or increase the chamber pressure at the same RF bias to etch to round the portion where the bottom and sidewalls of the trench meet. There is an effect to prevent the deterioration of the electrical characteristics of the device and thereby to improve the characteristics and reliability of the semiconductor device.

도 1 은 종래기술에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a device isolation film forming method of a semiconductor device according to the prior art.

도 2 는 종래기술에 따라 형성된 반도체소자의 소자분리막을 도시한 사진.2 is a photograph showing a device isolation film of a semiconductor device formed according to the prior art.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a method of forming an isolation layer in a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 반도체소자의 소자분리막을 도시한 사진.4 is a photograph showing a device isolation film of a semiconductor device formed according to an embodiment of the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

11,21 : 반도체기판 13,23 : 패드산화막11,21: semiconductor substrate 13,23: pad oxide film

15,25 : 질화막 17,27 : 트렌치15,25: nitride film 17,27: trench

Claims (7)

반도체기판의 활성영역 상에 패드산화막 및 질화막의 적층구조를 형성하는 공정과,Forming a stacked structure of a pad oxide film and a nitride film on an active region of a semiconductor substrate; 소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 질화막, 패드산화막 및 일정두께의 반도체기판을 식각하여 트렌치를 형성하되,A trench is formed by etching the nitride layer, the pad oxide layer, and the semiconductor substrate having a predetermined thickness by a photolithography process using an isolation mask. RF 전력을 단계적으로 감소시켜 식각함으로써 트렌치 내의 저부와 측벽이 만나는 부분을 라운딩시키는 공정을 포함하는 반도체소자의 소자분리막 형성방법.A method of forming an isolation layer in a semiconductor device, the method comprising: rounding a portion where a bottom portion and a sidewall meet in a trench by etching by gradually reducing RF power. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 RF 전력을 이용한 식각공정은, 200 ∼ 400 와트의 RF 전력과 10∼20 mTorr 의 압력을 갖는 조건에서 1차 식각하고 일정시간 후에 100 ∼ 300 와트로 감소시켜서 2차 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 소자분리막 형성방법.In the etching process using the RF power, the semiconductor is characterized in that the first etching under the conditions of 200 to 400 watts RF power and a pressure of 10 to 20 mTorr and the second etching by reducing to 100 to 300 watts after a certain time Device isolation film formation method of the device. 반도체기판의 활성영역 상에 패드산화막 및 질화막의 적층구조를 형성하는 공정과,Forming a stacked structure of a pad oxide film and a nitride film on an active region of a semiconductor substrate; 소자분리 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 질화막, 패드산화막 및 일정두께의 반도체기판을 다단계로 식각하여 트렌치를 형성하되, In the photolithography process using an isolation mask, a trench is formed by etching the nitride layer, the pad oxide layer, and the semiconductor substrate having a predetermined thickness in multiple steps. 최초식각공정에서의 RF 바이어스를 동일하게 하고 식각 챔버의 압력을 증가시키거나 동일 압력에서 RF 바이어스를 감소시키는 2가지 기술을 조합하여 반도체 기판을 식각함으로써 트렌치 내의 저부와 측벽이 만나는 부분을 라운딩시키는 공정을 포함하는 반도체소자의 소자분리막 형성방법.Rounding the bottom and sidewall junctions in the trench by etching the semiconductor substrate using a combination of two techniques that equalize the RF bias in the initial etching process and increase the pressure in the etching chamber or reduce the RF bias at the same pressure. Device isolation film forming method of a semiconductor device comprising a. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은,The etching process using the RF bias, ICP 타입의 건식 식각 장비를 이용하는 경우 100 ∼ 1000 와트의 바텀 바이어스 ( bottom bias ) 조건으로 식각공정을 시작하고 소정 시간 간격으로 RF 바이어스 값을 일정 값만큼 감소시켜 반도체기판을 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 소자분리막 형성방법.In the case of using the ICP type dry etching equipment, the semiconductor substrate is etched by starting the etching process with a bottom bias condition of 100 to 1000 watts and decreasing the RF bias value by a predetermined value at predetermined time intervals. Device isolation film formation method of the device. 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, wherein 상기 RF 바이어스를 이용한 식각공정은, Cl2를 식각가스로 사용하여 실시하거나 HBr 및 Ar 의 혼합가스를 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 소자분리막 형성방법.The etching process using the RF bias is performed using Cl2 as an etching gas or a method of forming a device isolation film of a semiconductor device, characterized in that performed using a mixture of HBr and Ar gas.
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