KR100639195B1 - Method for forming isolation layer in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각이 진 STI의 에지에 전기장이 집중되어 야기되는 기생 트랜지스터와 누설 전류 등에 의한 소자의 오작동 및 특성 열화를 방지시킬 수 있는 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법을 개시하며, 개시된 본 발명의 방법은, 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 차례로 증착하고 ISO 마스크 및 식각 공정을 진행해서 샬로우 트랜치를 한정하는 단계와, 상기 패드 질화막을 브랭킷 식각하여 상기 샬로우 트랜치의 탑부분의 에지를 100∼200Å 정도 오픈시키는 단계와, 상기 패드 질화막을 브랭킷 식각 후, 실리콘 원자의 이동 및 변환이 가능한 분위기하에서 고온급속가열법(RTP)에 의한 어닐 공정을 진행하여 상기 샬로우 트랜치의 탑 및 바텀부분의 에지를 라운드 형상으로 형성시키는 단계와, 상기 샬로우 트랜치의 탑 및 바텀 부분의 에지를 라운드 형성으로 형성한 결과물 위에 산화막을 증착시킨 후 고농도 플라즈마(HDP) 산화막으로 트랜치 충진을 진행하고 이후 자기화를 진행하여 치밀화시키는 단계와, 상기 산화막을 증착시킨 후 치밀화시킨 결과물에 대해 화학적기계연마(CMP) 공정을 진행한 후 상기 질화막을 스트립하여 라운드된 샬로우 트랜치 코너를 가지는 소자분리막을 완성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a method of forming a device isolation film of a semiconductor device capable of preventing malfunction and deterioration of a device due to parasitic transistors and leakage currents caused by concentration of an electric field at an edge of an angled STI. Depositing a pad oxide film and a pad nitride film on a silicon substrate in turn, and performing an ISO mask and an etching process to define a shallow trench, and blanket etching the pad nitride film to obtain an edge of the top portion of the shallow trench. Opening the pad nitride film by blanket etching the pad nitride film, and performing an annealing process using a high temperature rapid heating method (RTP) under an atmosphere capable of moving and converting silicon atoms, thereby forming the top and bottom portions of the shallow trench. Forming the edges of the top and bottom portions of the shallow trenches; After depositing an oxide film on the resultant formed by the round formation, the trench is filled with a high concentration plasma (HDP) oxide film, followed by magnetization to densify, and after the oxide film is deposited and densified, chemical mechanical polishing ( And a stripping of the nitride film to complete a device isolation film having rounded shallow trench corners after the CMP process.
Description
도 1A 및 도 1B는 종래의 STI 소자 분리막 형성방법을 설명하기 위한 단면도1A and 1B are cross-sectional views illustrating a conventional STI device isolation method.
도 1C 및 도 1D는 종래의 STI 소자 분리막의 공정 확대사진도1C and 1D are process enlarged photographs of a conventional STI device separator.
도 2A 내지 도 2F는 본 발명에 의한 STI 소자 분리막 형성방법을 설명하기 위한 단면도2A to 2F are cross-sectional views illustrating a method of forming an STI device isolation film according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1, 11 : 실리콘 기판 2, 12 : 실리콘 산화막1, 11: silicon substrate 2, 12: silicon oxide film
3, 13 : 실리콘 질화막 4 : 레지스트 패턴3, 13: silicon nitride film 4: resist pattern
5 : 절연막 14 : 라이너 산화막5
15 : 고농도 플라즈마 산화막15: high concentration plasma oxide film
본 발명은 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 샬로우 트렌치 분리막(Shallow Trench Isolation: 이하, 'STI'라 칭함)의 에지(edge) 부위를 라운딩(rounding) 처리하므로써, 각이 진 STI의 에지에 전기장 이 집중되어 야기되는 기생 트랜지스터와 누설 전류 등에 의한 소자의 오작동 및 특성 열화를 방지시킨 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로, 반도체 기술의 진보와 더불어 더 나아가서는 반도체 소자의 고속화, 고집적화가 진행되고 있고, 이에 수반해서 패턴에 대한 미세화의 필요성이 점점 높아지고 있으며, 패턴의 칫수도 고정밀화가 요구되고 있다. 이는 반도체 소자에 있어서, 넓은 영역을 차지하는 소자 분리 영역에도 적용된다.In general, with the progress of semiconductor technology, the speed and the high integration of semiconductor devices are further progressed. As a result, the necessity of miniaturization of the pattern is increasing, and the dimension of the pattern is required to be highly precise. This also applies to device isolation regions that occupy a wide area in semiconductor devices.
현재의 반도체 장치의 소자 분리막으로는 로코스(LOCOS) 산화막이 대부분 이용된다. 이 로코스 방식의 소자 분리막은 기판을 선택적으로 국부 산화하여 얻어진다.LOCOS oxide films are mostly used as device isolation films of current semiconductor devices. This LOCOS device isolation film is obtained by selectively localizing a substrate.
그러나, 상기 로코스 방식의 소자 분리막은 그 가장자리 부분에 새부리 형상의 버즈빅이 발생하여, 소자 분리막의 면적을 증대시키면서 누설전류를 발생시키는 단점을 갖는다.However, the LOCOS isolation layer has a disadvantage in that a bird-shaped bird's beak is generated at an edge thereof, thereby generating a leakage current while increasing the area of the isolation layer.
따라서, 종래에는 적은 폭을 가지며, 우수한 소자 분리 특성을 갖는 STI(shallow trench isolation) 방식의 소자 분리막이 제안되었다. 도 1A 및 도 1B를 참조하여, 종래의 STI 소자 분리막 형성방법을 설명한다.Accordingly, a device isolation film having a shallow trench isolation (STI) method having a small width and excellent device isolation characteristics has been proposed. 1A and 1B, a conventional STI device isolation film forming method will be described.
먼저, 도 1A에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1)상에 버퍼 역할을 하는 실리콘 산화막(2)과 산화를 억제하는 실리콘 질화막(3)을 순차적으로 형성한다. 다음, 실리콘 질화막(3) 상부에 소자 분리 예정 영역을 노출시키기 위한 레지스트 패턴(4)을 형성한다. 이때, 레지스트 패턴(4)은 얇은 폭의 소자 분리막을 형성하기위하여 해상도가 우수한 DUV(deep ultra violet)광원을 이용하여 형성된다. 그후, 레 지스트 패턴(4)을 마스크로 하여, 실리콘 질화막(3), 실리콘 산화막(2) 및 반도체 기판(1)이 소정 깊이만큼 식각하여, 샬로우 트랜치(ST)를 형성한다. 레지스트 패턴(4)를 공지의 방법으로 제거한 후, 샬로우 트랜치(ST)내에 절연막(5)을 매립한다. 이어서, 반도체 기판(1) 표면에 있는 실리콘 질화막(3) 및 실리콘 산화막(2)을 공지의 방법으로 제거하여, STI 소자 분리막을 완성한다(도 1B). First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide film 2 serving as a buffer and a
종래의 STI 형성 방법은 ISO 마스크(mask) 및 식각을 진행한 후, STI 에지 부위의 라운딩 또는 Si 계면의 결함(defect) 및 트랩 차아지(trap charge) 감소등의 계면 특성 향상을 위해 노(furnace)를 이용하여 월(wall) SAC(Self Align Contact) 산화(1100℃ 건조 산화)와 월(wall) 산화(800℃ 습식 산화)등의 공정을 이용하여 Si 리세스 장치(Si-recess scheme)를 사용하였다. 여기서, 상기 공정 진행시에 진행된 산화막을 제거하기 위한 불화수소(HF)를 이용한 전처리 세정공정이 존재하며, 이를 통해 패드 산화막의 손실을 가져오게 된다.The conventional STI formation method is a furnace for improving the interfacial properties such as rounding of the STI edge or reducing the defect and trap charge of the Si interface after performing an ISO mask and etching. Si-recess scheme using a process such as wall SAC (Self Align Contact) oxidation (1100 ℃ dry oxidation) and wall oxidation (800 ℃ wet oxidation). Used. Here, there is a pretreatment cleaning process using hydrogen fluoride (HF) to remove the oxide film proceeded during the process, which leads to a loss of the pad oxide film.
이때, STI의 바텀(bottom) 에지(a)는 도 1C의 공정 사진 확대도에서도 볼 수 있듯이 어느 정도 라운딩 코너가 확보되지만, 패드 질화막(nitride)와 인접한 탑 코너(top corner)(b)에서는 라운딩 효과가 그다지 크지 않음을 알 수 있다(도 1C 및 도 1D 참조). At this time, the bottom edge (a) of the STI has a rounding corner secured to some extent, as shown in the enlarged process photograph of FIG. 1C, but is rounded at the top corner (b) adjacent to the pad nitride film. It can be seen that the effect is not so great (see FIGS. 1C and 1D).
상기 STI의 탑 코너(top corner)(b)에서는 계속되는 산화에 의해 패드 산화막쪽으로 산화가 지나치게 많이 진행되어 고농도 플라즈마(High Density Plasma: HDP) 산화막 충진(Gap filling) 및 자기화(densification) 진행후에 보이드가 존재하게 된다. 이는 소자에 전기장이 가해지면 이렇게 불안정한 STI 에지에 집중 되어 누설 전류가 유발되는 등 소자 특성에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다. At the top corner (b) of the STI, the oxidation proceeds too much toward the pad oxide layer due to the continuous oxidation, so that the void after high density plasma (HDP) oxide filling and densification proceeds. Will be present. This causes a problem that adversely affects the device characteristics such as when the electric field is applied to the device is concentrated on this unstable STI edge causing leakage current.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명은 STI의 에지 부위를 라운딩 처리하므로써, 각이 진 STI의 에지에 전기장이 집중되어 야기되는 기생 트랜지스터와 누설 전류 등에 의한 소자의 오작동 및 특성 열화를 방지시킨 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and the present invention is a rounding process of the edge portion of the STI, the malfunction of the device due to parasitic transistor and leakage current caused by the concentration of the electric field on the edge of the angled STI and SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a device isolation film of a semiconductor device which prevents deterioration of characteristics.
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상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 차례로 증착하고 ISO 마스크 및 식각 공정을 진행해서 샬로우 트랜치를 한정하는 단계와, 상기 패드 질화막을 브랭킷 식각하여 상기 샬로우 트랜치의 탑부분의 에지를 100∼200Å 정도 오픈시키는 단계와, 상기 패드 질화막을 브랭킷 식각 후, 실리콘 원자의 이동 및 변환이 가능한 분위기하에서 고온급속가열법(RTP)에 의한 어닐 공정을 진행하여 상기 샬로우 트랜치의 탑 및 바텀부분의 에지를 라운드 형상으로 형성시키는 단계와, 상기 샬로우 트랜치의 탑 및 바텀 부분의 에지를 라운드 형성으로 형성한 결과물 위에 산화막을 증착시킨 후 고농도 플라즈마(HDP) 산화막으로 트랜치 충진을 진행하고 이후 자기화를 진행하여 치밀화시키는 단계와, 상기 산화막을 증착시킨 후 치밀화시킨 결과물에 대해 화학적기계연마(CMP) 공정을 진행한 후 상기 질화막을 스트립하여 라운드된 샬로우 트랜치 코너를 가지는 소자분리막을 완성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법을 제공한다.
본 발명에 의한 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 있어서, 상기 고온급속가열법(RTP)에 의한 어닐 공정은 로딩 및 언로딩을 350∼500℃로 진행하며, 메인 어닐 공정을 900∼1000℃의 온도범위내에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 있어서, 상기 고온급속가열법(RTP)에 의한 어닐 공정은 0.1∼2 토르의 낮은 압력조건에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 있어서, 상기 고온급속가열법(RTP)에 의한 어닐 공정시간은 상기 공정조건에서 0.5∼5초 정도로 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a step of depositing a pad oxide film and a pad nitride film on a silicon substrate in order to define a shallow trench by performing an ISO mask and etching process, and by etching the pad nitride film by the blanket etching Opening the edge of the top portion of the low trench about 100 ~ 200Å, and after the blanket etching the pad nitride film, the annealing process by a high temperature rapid heating method (RTP) is carried out in an atmosphere that can move and convert the silicon atoms Forming an edge of the top and bottom portions of the shallow trenches in a round shape; Trench filling is performed, and then magnetization is performed to densify and deposit the oxide film. Performing a chemical mechanical polishing (CMP) process on the densified product after quenching, and stripping the nitride film to complete a device isolation film having a rounded shallow trench corner. It provides a formation method.
In the device isolation film forming method of the semiconductor device according to the present invention, the annealing process by the high temperature rapid heating method (RTP) is carried out loading and unloading to 350 ~ 500 ℃, the main annealing process is 900 ~ 1000 ℃ temperature It is characterized by advancing in the range.
In the method of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the present invention, the annealing process by the high temperature rapid heating method (RTP) is characterized in that it is carried out at a low pressure of 0.1 to 2 Torr.
In the device isolation film forming method of the semiconductor device according to the present invention, the annealing process time by the high temperature rapid heating method (RTP) is characterized in that about 0.5 to 5 seconds under the above process conditions.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명하도록 한다.
또한, 실시예를 설명하기 위한 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 사용하고 그 반복적인 설명은 생략한다.(Example)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In addition, in all the drawings for demonstrating an embodiment, the thing which has the same function uses the same code | symbol, and the repeated description is abbreviate | omitted.
도 2A 내지 도 2F는 본 발명에 의한 반도체 장치의 소자 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 2A to 2F are cross-sectional views for explaining a device isolation film formation method of a semiconductor device according to the present invention.
먼저, 실리콘 기판(11)상에 버퍼 역할을 하는 실리콘 산화막(12)을 산화 공정으로 50∼100Å 두께로 형성한 후, 상기 실리콘 산화막(12) 위에 산화를 억제하는 실리콘 질화막(Si3N4)(13)을 900∼1500Å 두께로 증착한다. 다음, 상기 실리콘 질화막(13) 상부에 소자 분리 예정 영역을 노출시키기 위한 레지스트 패턴(도시되어 있지 않음)을 형성한다. 이때, 레지스트 패턴은 얇은 폭의 소자 분리막을 형성하기위하여, 해상도가 우수한 DUV(deep ultra violet)광원을 이용하여 형성된다. 그후, 상기 레지스트 패턴을 마스크로 하여, 상기 실리콘 질화막(13), 실리콘 산화막(12) 및 반도체 기판(11)을 소정 깊이만큼 식각하여, 샬로우 트랜치(ST)를 형성한다. 그후, 상기 레지스트 패턴를 공지의 방법으로 제거하면, 도 2A에 도시된 것과 같이 STI 트랜치가 형성된다. 이때, 상기 STI 트랜치의 바텀 코너부(a)와 탑 코너부(b)는 종래의 경우에 마찬가지로 각각 각이 진 형태로 형성되어 있다.First, a
도 2B를 참조하여 다음 공정을 계속 설명한다.The following process will be explained with reference to FIG. 2B.
상기 공정 진행후, 상기 STI의 탑 코너부(b)가 오픈되도록 상기 실리콘 질화막(13)을 100∼200Å 정도의 두께로 브랭킷 식각한다. 이때, 브랭킷 식각 공정시 주의할 점은 너무 지나치게 식각할 경우 엑티브 영역이 감소하게 되므로 적당한 수준을 유지해야 한다.After the process, the
상기 공정 진행후, 수소(H2) 분위기에서 900∼1000℃의 온도 범위내로 일정압력과 일정시간동안 고온급속가열법(Rapid Thermal Process: RTP)에 의한 어닐(anneal) 공정을 실시한다. 이때, 실리콘(Si) 원자들의 이동 현상이 유발되어 도 2C에 도시한 것과 같이, STI의 바텀의 코너부분(a') 및 탑의 코너부분(b')이 모두 라운딩 처리가 이루어진다. After the above process, an annealing process is performed by a rapid thermal process (RTP) for a predetermined pressure and a predetermined time in a temperature range of 900 to 1000 ° C. in a hydrogen (H 2 ) atmosphere. At this time, the movement of silicon (Si) atoms is induced, and as shown in FIG. 2C, rounding is performed on both the bottom corner a 'and the top corner b' of the STI.
상기 공정에서 어닐공정시간을 조절하면 수십에서 수백 Å의 곡률반경을 가지는 라운딩 에지를 확보할 수 있다.By adjusting the annealing time in the above process, it is possible to secure a rounding edge having a radius of curvature of several tens to hundreds of microseconds.
이렇게 형성된 STI 트랜치 구조물 위에 Si 계면 디펙트(defect) 제거 및 트랩 차아지(trap charge) 감소를 위해 라이너(liner) 산화막(14)을 50∼150Å 정도로 증착한다(도 2D). A
상기 공정이후, 증착률이 매우 높은 고농도 플라즈마(High Density Plasma: HDP) 산화막(15)으로 트랜치를 메우고, 이후 노(furnace)를 이용하여 자기화(densification) 시키게 되면 도 2E와 같이 형성된다. 즉, 상기 HDP 산화막(15)의 트랜치 부분의 형상이 탑 코너 부분이 라운딩 형상을 갖는 상기 트랜치의 형상과 같이 형성된다.After the process, the trench is filled with a high density plasma (HDP)
그후, 화학적 물리적 연마(Chemical & Mechanical Polishing: CMP) 공정을 2회에 걸쳐 진행한 뒤 실리콘 질화막(13)을 제거하게 되면 도 2F에 도시된 것과 같이, 상기 실리콘 질화막(13)은 트랜치의 탑 코너 안쪽에 홈이 형성된 형상을 갖는 STI 구조가 완성된다.Thereafter, if the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체 장치의 소자 분리막 형성방법에 의하면, RTP 어닐로 STI 에지를 라운딩 처리함과 동시에 Si 계면 안정화를 이루게 되면 불필요한 공정(월(wall) SAC 산화(1100℃ 건조 산화)과 월(wall) 산화(800℃ 습식 산화))을 생략할 수 있을 뿐아니라, 보이드가 없는 안정된 STI 구조를 확보할 수 있다. 또한, 소자 특성에 심각한 영향을 주는 기생 트랜지스터 생성 억제와 누설전류감소 및 Id-VG 특성 등의 소자특성 개선에 따른 수율 향상을 꾀할 수 있으며, 공정시간 단축과 공정 단순화로 인한 원가절감 효과를 기대할 수 있다.As described above, according to the device isolation film forming method of the semiconductor device of the present invention, if the Si interface stabilization is achieved while the STI edge is rounded by RTP annealing, an unnecessary process (wall SAC oxidation (1100 ° C. dry oxidation) is performed. ) And wall oxidation (800 ° C wet oxidation) can be omitted, as well as a stable STI structure without voids. In addition, it is possible to improve the yield by suppressing the generation of parasitic transistors that seriously affect the device characteristics, reducing the leakage current, and improving the device characteristics such as I d -V G characteristics. You can expect
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. In addition, preferred embodiments of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention, these modifications and changes should be seen as belonging to the following claims. something to do.
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CN102456607A (en) * | 2010-10-19 | 2012-05-16 | 上海宏力半导体制造有限公司 | Manufacturing method for shallow trench isolation structure |
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KR20010108828A (en) | 2001-12-08 |
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