KR100656281B1 - Method for gapfilling in semiconductor device using deposition-etch-etch-deposition - Google Patents
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Abstract
본 발명은 DED(Deposition Etch Deposition) 방식을 이용한 갭필 공정시에 부족한 식각량으로 인해 초래되는 보이드나 과도한 식각량으로 인해 초래되는 하부막의 손상을 방지할 수 있는 반도체소자의 갭필 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 반도체소자의 갭필 방법은 반도체 기판에 갭이 구비된 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴 상에 제1HDP산화막을 증착하여 상기 갭을 일부 갭필하는 단계, 상기 제1HDP산화막을 두 번에 걸쳐 부분적으로 식각하여 상기 갭의 갭필입구를 넓히면서 높이가 낮아진 제1HDP산화막을 잔류시키는 단계, 및 상기 잔류시킨 제1HDP산화막 상에 상기 갭을 완전히 갭필하도록 제2HDP산화막을 증착하는 단계를 포함하고, 위와 같이 본 발명은 DEED(Deposition Etch Etch Deposition) 방식을 이용하여 갭필공정을 진행하므로써 ED 방식의 갭필마진 부족을 개선하여 보이드없이 갭필할 수 있는 효과가 있다.
The present invention is to provide a gap fill method of a semiconductor device capable of preventing damage to the void caused by the insufficient amount of etching during the gap fill process using the DED (Deposition Etch Deposition) method or the lower layer caused by excessive etching amount. According to an embodiment of the present invention, a gap fill method of a semiconductor device may include forming a pattern having a gap on a semiconductor substrate, depositing a first HDP oxide layer on the pattern to partially fill the gap, and covering the first HDP oxide layer twice. Partially etching to leave the first HDP oxide film having a lower height while widening the gap inlet of the gap, and depositing a second HDP oxide film to completely gapfill the gap on the remaining first HDP oxide film, as described above. In the present invention, the gap fill margin of the ED method is insufficient due to the gap fill process using the DEED (Deposition Etch Etch Deposition) method. There is an effect that can be improved gaeppil without voids.
HDP, 갭필, 보이드, DED, DEEDHDP, Gapfill, Void, DED, DEED
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 DED 방식을 이용한 트렌치 매립 방법을 도시한 도면,1A to 1C illustrate a trench filling method using a DED method according to the prior art;
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 트렌치 갭필 방법을 도시한 공정 단면도,2A to 2E are cross-sectional views illustrating a trench gapfill method of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1HDP USG의 높이, 바닥 두께 및 넓이를 정량화한 도면.
3 is a view quantifying the height, bottom thickness and width of the first HDP USG according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 반도체 기판 22 : 패드산화막21
23 : 패드질화막 24 : 트렌치23: pad nitride film 24: trench
25 : 측벽산화막 26 : 라이너질화막25 side
27 : 라이너산화막 28, 28a, 28b : 제1HDP USG27:
29 : 제2HDP USG
29: Second HDP USG
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 갭필 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing techniques, and more particularly, to a gap fill method for semiconductor devices.
반도체 소자가 고집적화되면서 디자인 룰(design rule)이 점점 작아지고 있다. 특히, 소자분리공정(Isolation) 중의 하나인 STI(Shallow Trench Isolation) 공정시에 트렌치를 매립하는 경우에 있어서 점점 작아지는 CD(Critical Demension)로 인해 트렌치의 종횡비(aspect ratio)가 점점 커지고 있다. 이러한 높은 종횡비를 갖는 트렌치를 채우기 위한 다양한 갭필(gap-fill) 방법들과 물질들이 제안되고 있다. As semiconductor devices are highly integrated, design rules are becoming smaller. In particular, in the case of filling the trench during the shallow trench isolation (STI) process, which is one of the device isolation processes, the aspect ratio of the trenches is gradually increased due to the smaller CD (critical depth). Various gap-fill methods and materials have been proposed to fill these high aspect ratio trenches.
일반적으로 갭필에 사용되는 물질은 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), O3-TEOS USG(Tetra Ethyl Ortho Silicate Undoped Silicate Glass), 고밀도플라즈마산화막(HDP oxide) 등이 있다. 그러나, BPSG는 800℃ 이상의 고온 리플로우(reflow) 공정이 필요하며 습식 식각시 식각량이 많아서 작은 트렌치를 갭필하기에는 부적합하다. 그리고, O3-TEOS USG은 BPSG보다 적은 열부담(thermal budget)을 갖지만 갭필 특성이 불량하여 고집적 반도체 소자에는 적용할 수 없다.Generally, materials used for the gapfill include BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass), O 3 -TEOS USG (Tetra Ethyl Ortho Silicate Undoped Silicate Glass), and high density plasma oxide (HDP oxide). However, BPSG requires a high temperature reflow process of 800 ° C. or higher and is not suitable for gapfilling small trenches due to the large amount of etching during wet etching. In addition, the O 3 -TEOS USG has a less thermal budget than the BPSG, but the gap fill property is poor and thus cannot be applied to a highly integrated semiconductor device.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도입된 것이 적은 열부담과 우수한 갭필 특성을 갖는 고밀도플라즈마산화막(이하, 'HDP 산화막'이라고 약칭)이다. 이때, HDP 산화막은 주로 언도우프드 실리콘산화막(Undoped silicon oxide), 즉, HDP USG(High Density Plasma Undoped Silicate Glass)이다.In order to solve this problem, a high-density plasma oxide film (hereinafter referred to as 'HDP oxide film') having less heat load and excellent gap fill characteristics has been introduced. In this case, the HDP oxide film is mainly an undoped silicon oxide, that is, HDP USG (High Density Plasma Undoped Silicate Glass).
상기한 HDP USG는 주로 헬륨베이스(He-base) HDP USG을 이용하는데, 헬륨베이스 HDP USG은 트렌치 갭필에 한계가 있다. 이는 셀크기 감소 및 소자분리 높이가 증가함에 따라 종횡비(Aspect ratio)가 높아지기 때문이다.The HDP USG mainly uses helium-based (He-base) HDP USG, which has a limited gap gap fill. This is because the aspect ratio increases as the cell size decreases and the device isolation height increases.
헬륨 가스를 이용한 트렌치 갭필 방법으로는 종횡비 기준 4∼5:1 수준까지 가능하나, 향후 80nm급 고집적 소자에서는 종횡비가 7:1 이상이 요구되므로 갭필 한계에 도달하여 어려움이 있다. Trench gap fill method using helium gas is possible up to 4-5: 1 aspect ratio standard, but in the future 80nm class high density device requires aspect ratio of 7: 1 or more, there is a difficulty to reach the gap fill limit.
그리고, 헬륨베이스 HDP USG은 증착 특성상 트렌치 입구에 오버행(Over hang)이 형성되어 갭필이 불완전하게 되어 보이드(void)를 형성시키는 문제가 있다.In addition, helium-based HDP USG has a problem in that an overhang is formed in the trench inlet due to the deposition characteristic, so that the gap fill is incomplete, thereby forming a void.
이러한 트렌치 갭필의 어려움을 해결하기 위해 식각 기능이 있는 NF3 가스를 이용한 DED(Deposition-Etch-Deposition) 방식이 제안되었다.In order to solve the difficulty of trench gapfill, a DED (Deposition-Etch-Deposition) method using an NF 3 gas having an etching function has been proposed.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 DED 방식을 이용한 트렌치 매립 방법을 도시한 도면이다.1A to 1C are diagrams illustrating a trench filling method using a DED method according to the prior art.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11) 상에 패드산화막(12)과 패드질화막(13)의 순서로 적층된 패드패턴을 형성한 후, 패드질화막(13)을 하드마스크로 실리콘기판(11)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(14)를 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, a pad pattern laminated in the order of the
이어서, 트렌치(14)의 바닥 및 측벽에 측벽산화막(15)을 형성한 후, 전면에 라이너질화막(16)과 라이너산화막(17)을 차례로 증착한다.Subsequently, after forming the
다음으로, 고밀도플라즈마장비에서 제1HDP USG(18)을 증착하여 트렌치(14)를 일부 갭필한다. Next, the
도 1b에 도시된 바와 같이, 세정 가스(Cleaning gas)로 사용되어 왔던 NF3 가스를 흘려주어 증착된 제1HDP USG(18)을 일부 식각해주므로써 제1HDP USG(18)의 형상을 후속 트렌치(14) 갭필에 용이한 형상으로 만든다. 따라서, NF3 가스에 의해 후속 트렌치(14) 매립에 용이한 형상을 갖는 제1HDP USG(18a)이 잔류한다.As shown in FIG. 1B, the
이후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 제1HDP USG(18a)을 포함한 전면에 제2HDP USG(19)을 증착하여 트렌치(14)를 완전히 갭필한다.Thereafter, as illustrated in FIG. 1C, the
상기와 같은 DED 방식을 이용한 트렌치 갭필 공정(DED HDP USG)은 헬륨베이스 HDP USG에 비해 보이드 발생 정도가 감소하는 효과가 있으나, 여전히 보이드가 발생되는 것을 피할 수 없다.The trench gap fill process (DED HDP USG) using the DED method as described above has an effect of reducing the generation of voids compared to helium-based HDP USG, but it is still inevitable that voids are generated.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 종래기술은 NF3 가스를 이용한 식각 공정시, NF3가 갖는 고유식각특성(화학적식각 또는 등방성식각)에 의해 제1HDP USG(18)의 측면만을 식각하는 특성을 보여, 여전히 제1HDP USG(18)의 높이를 낮추지 못하는 실정이다. 즉, 제1HDP USG(18) 증착후 트렌치(14)의 입구를 'W1'에서 'W2'로 넓힐 수는 있으나, 제1HDP USG(18)의 높이는 여전히 최초 증착시의 높이 'H1'을 유지한다.Referring to FIGS. 1B and 1C, the prior art has a characteristic of etching only a side surface of the
위와 같이, 높이가 감소되지 않는 상태, 특히 첨점을 갖는 식각량 부족 상태에서 후속으로 제2HDP USG(19)를 증착하는 경우, 스텝커버리지 마진이 부족하여 보 이드(도 1c의 'v' 참조)가 발생하게 된다.As described above, when the
더욱이, 보이드 발생 정도가 웨이퍼내 위치별(탑, 센터, 바텀)로 다르고, 진행되는 웨이퍼 수에 따라 다르게 나타나는 문제가 있다.Furthermore, there is a problem in that the degree of void generation is different for each position in the wafer (top, center, bottom), and varies depending on the number of wafers being processed.
그리고, 종래기술은 제2HDP USG의 갭필을 용이하게 진행하기 위해 제1HDP USG의 식각량을 과도하게 가져가면, 라이너산화막과 라이너질화막이 손실되는 문제가 있다.In addition, the prior art has a problem that if the etching amount of the first HDP USG is excessively taken to facilitate the gap fill of the second HDP USG, the liner oxide film and the liner nitride film are lost.
결국, 종래기술은 DED 방식의 식각공정에서 식각되는 타겟을 어떻게 설정하느냐가 매우 중요한 변수로 작용한다. 그러나, 공정 조건상에서 최적의 타겟을 설정하였다 하더라도 식각공정이 매우 불안정하고, 80nm급 소자에서 거의 갭필마진 한계에 도달하였기 때문에 보이드가 발생하거나 라이너산화막과 라이너질화막이 손실되는 것을 피할 수 없다.
As a result, in the prior art, how to set the target to be etched in the DED etching process is a very important variable. However, even if the optimum target is set under the process conditions, the etching process is very unstable, and since the gap gap margin is almost reached in the 80 nm device, voids or loss of the liner oxide film and the liner nitride film cannot be avoided.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, DED 방식을 이용한 갭필 공정시에 부족한 식각량으로 인해 초래되는 보이드나 과도한 식각량으로 인해 초래되는 하부막의 손상을 방지할 수 있는 반도체소자의 갭필 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention is proposed to solve the above problems of the prior art, a semiconductor that can prevent the damage of the lower layer caused by the void or excessive etching amount caused by the insufficient amount of etching during the gap fill process using the DED method It is an object of the present invention to provide a gap fill method of a device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 갭필 방법은 반도체 기 판에 갭이 구비된 패턴을 형성하는 단계, 상기 패턴 상에 제1HDP산화막을 증착하여 상기 갭을 일부 갭필하는 단계, 상기 제1HDP산화막을 두 번에 걸쳐 부분적으로 식각하여 상기 갭의 갭필입구를 넓히면서 높이가 낮아진 제1HDP산화막을 잔류시키는 단계, 및 상기 잔류시킨 제1HDP산화막 상에 상기 갭을 완전히 갭필하도록 제2HDP산화막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1HDP산화막의 두 번에 걸친 식각은 상기 갭의 입구를 넓히도록 상기 제1HDP산화막을 1차 식각하는 단계, 및 상기 제1HDP산화막의 높이를 낮추도록 상기 1차 식각된 제1HDP산화막을 2차 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 1차 식각은 화학적식각을 수반하는 가스를 이용하여 진행하고, 상기 2차 식각은 물리적스퍼터링을 수반하는 가스와 화학적식각을 수반하는 가스를 혼합하여 진행하는 것을 특징으로 하며, 상기 1차 식각은 NF3를 이용하고, 상기 2차 식각은 NF3와 O2의 혼합가스를 이용하는 것을 특징으로 한다.The gap fill method of the semiconductor device of the present invention for achieving the above object is a step of forming a pattern having a gap on the semiconductor substrate, by depositing a first HDP oxide film on the pattern to partially fill the gap, the first HDP Partially etching the oxide film twice to leave the first HDP oxide film having a lower height while widening the gap opening of the gap, and depositing a second HDP oxide film to completely gap fill the gap on the remaining first HDP oxide film. Wherein the second etching of the first HDP oxide film comprises first etching the first HDP oxide film to widen an opening of the gap, and lowering the height of the first HDP oxide film. And secondary etching the etched first HDP oxide layer, wherein the primary etching is performed using a gas accompanying chemical etching. And, the second etching is characterized in that it proceeds by mixing the gas accompanying the gas and the chemical etching which involves physical sputtering, and wherein the primary etch using a NF 3, the second etching is NF 3 and O It is characterized by using a mixed gas of 2 .
또한, 본 발명의 반도체소자의 갭필 방법은 반도체 기판 내에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 제1HDP산화막을 증착하여 상기 트렌치를 일부 갭필하는 단계, 상기 트렌치의 갭필 입구를 넓히도록 상기 제1HDP산화막을 1차 인시튜 식각하는 단계, 상기 제1HDP산화막의 높이를 낮추도록 상기 1차 인시튜 식각된 제1HDP산화막을 2차 인시튜 식각하는 단계, 및 상기 2차 식각된 제1HDP산화막 상에 상기 트렌치를 완전히 갭필하도록 제2HDP산화막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 1차 인시튜 식각은 NF3를 메인가스로 이용하여 진행하는 것을 특징으로 하고, 상기 2차 인시튜 식각은 NF3, He 및 O2를 혼합하여 진행하는 것을 특징으로 한다.The gapfill method of the semiconductor device of the present invention may include forming a trench in a semiconductor substrate, depositing a first HDP oxide film on the semiconductor substrate to partially gapfill the trench, and widening the gapfill opening of the trench. Etching the oxide film in-situ first, etching the first in-situ-etched first HDP oxide film in-situ secondly to lower the height of the first HDP oxide film, and on the second-etched first HDP oxide film. And depositing a second HDP oxide layer to completely gap fill the trench, wherein the first in situ etching is performed using NF 3 as a main gas, and the second in situ etching is NF. 3, characterized in that it proceeds by mixing He and O 2.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
후술하는 본 발명은 종횡비가 큰 갭을 DED 방식을 이용하여 HDP USG로 갭필할 때, DED 방식의 식각공정을 두 단계로 나누어 진행하는 DEED(Deposition-Etch-Etch-Deposition) 방식을 제안한다.The present invention to be described later proposes a Deposition-Etch-Etch-Deposition (DEED) method in which a gap having a large aspect ratio is gapfilled with HDP USG using a DED method.
나중에 자세히 설명하겠지만, DEED 방식은 제1HDP USG 증착 공정, NF3를 이용한 1차 인시튜 식각 공정, NF3와 O2를 이용한 2차 인시튜 식각 공정, 제2HDP USG 증착 공정으로 구성된다. 여기서, 1차 인시튜 식각 공정은 NF3가 가지고 있는 화학적 성질을 이용한 화학적 식각이고, 2차 인시튜 식각 공정은 NF3에 의한 화학적식각과 O2가 갖고 있는 물리적스퍼터링을 이용한 식각이다.As will be described in detail later, the DEED method includes a first HDP USG deposition process, a first in situ etching process using NF 3 , a second in situ etching process using NF 3 and O 2, and a second HDP USG deposition process. Here, the first in situ etching process is a chemical etching using the chemical properties of NF 3 , the second in situ etching process is a chemical etching by NF 3 and the etching using physical sputtering O 2 has.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 트렌치 갭필 방법을 도시한 공정 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a trench gapfill method of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21) 상에 패드산화막(22)과 패드질화막(23)을 차례로 형성한 후, 패드질화막(23) 상에 감광막을 도포하고 노광 및 현상하여 소자분리영역을 정의하는 ISO 마스크(도시 생략)를 형성한다.
As shown in FIG. 2A, after the
이어서, ISO 마스크를 식각배리어로 패드질화막(23)과 패드산화막(22)을 식각하여 반도체 기판(21) 표면을 노출시킨다. 다음에, ISO 마스크를 제거한 후, 패드질화막(23)을 하드마스크로 이용하여 반도체 기판(21)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(24)를 형성한다.Subsequently, the
다음에, 트렌치(24) 식각시 발생된 손상을 제거하기 위해 측벽산화(Wall oxidation)를 실시하여 트렌치(24)의 바닥 및 측벽에 측벽산화막(25)을 형성한다.Next, the
다음으로, 측벽산화막(25)이 형성된 트렌치(24)를 포함한 전면에 라이너질화막(Liner nitride, 26)과 라이너산화막(Liner oxide, 27)을 차례로 형성한다. 이때, 라이너질화막(26)은 반도체 기판(21)이 받는 스트레스를 완화시켜 리프레시 특성을 개선하기 위한 것이며, 라이너산화막(27)은 후속 HDP 공정시 라이너질화막(26)이 산화 및 식각되는 것을 방지하기 위한 것이다.Next, a
위와 같은 라이너산화막(27)까지 증착된 후 트렌치(24)의 종횡비는 5:1 이상이 되고, 이러한 높은 종횡비를 갖는 트렌치(24)를 매립하기 위해 고밀도플라즈마방식(HDP)의 산화막을 증착하여 트렌치(24)를 매립한다. 예를 들어, 라이너산화막(27)이 형성된 반도체 기판(21)을 고밀도플라즈마증착 챔버로 이송시킨 후, 트렌치(24)를 매립하는 HDP USG를 증착한다. 잘 알려진 바와 같이, 고밀도플라즈마방식의 증착 공정은 스퍼터(sputter) 식각과 산화막 증착(Deposition)이 동시에 수행되어 갭필 특성이 우수하다. 따라서, 스퍼터식각을 발생시키는 비활성 가스로 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)을 이용하며, 산화막 증착 가스로 실레인(SiH4)과 산소(O2) 가스 를 이용한다.After deposition to the
이하, HDP USG 증착은 DEED 방식을 이용한다.Hereinafter, HDP USG deposition uses a DEED method.
먼저, DEED 방식의 첫번째 단계(Deposition)인 제1HDP USG 증착 공정을 진행한다.First, the first HDP USG deposition process, which is a first step of the DEED method, is performed.
도 2b에 도시된 바와 같이, 트렌치(24)를 일부 매립하는 제1HDP USG(28)을 증착한다. 이때, 증착 가스는 실레인(SiH4), 산소(O2) 및 헬륨(He)을 혼합하여 사용하고, 이웃한 제1HDP USG(28)의 첨점들이 서로 붙지 않는 증착두께 범위내에서 제1HDP USG(28)의 높이를 최대한 올릴 수 있는 있는 파워를 사용한다.As shown in FIG. 2B, a
예를 들면, 실레인(SiH4)의 유량은 50sccm∼70sccm, 산소(O2)의 유량은 70sccm∼90sccm, 헬륨(He)의 유량은 400sccm∼600sccm 범위로 유지한다. 상기한 증착가스의 유량 외에 제1HDP USG(28)의 낮은 증착속도를 얻기 위해 바이어스파워(Bias power)의 조절이 수반되어야 하는데, 바이어스 파워(또는 HF(High Frequency) 파워)는 500W∼700W 범위내에서 인가한다. 한편, 플라즈마 생성 및 유지를 위한 소스파워(또는 LF(Low Frequency) 파워)는 3000W∼4000W 범위로 인가한다. For example, the flow rate of silane (SiH 4 ) is maintained at 50 sccm-70 sccm, the flow rate of oxygen (O 2 ) is 70 sccm-90 sccm, and the flow rate of helium (He) is in the range of 400 sccm-600 sccm. In addition to the above-described flow rate of the deposition gas, in order to obtain a low deposition rate of the
위와 같은 조건에 의해 제1HDP USG(28)을 증착한 결과, 패드질화막(23) 상부에서의 두께가 150nm이고, 트렌치(24) 측벽에서 수평방향으로 과도증착된(over-deposited) 측벽의 두께가 60nm이며, 트렌치(24)의 바닥에서 올라온 바닥 두께가 100nm이다.
As a result of depositing the
그러나, 위와 같이 제1HDP USG(28)을 150nm 두께로 얇게 증착하였음에도 불구하고 본래 갭필될 트렌치(24)가 갖고 있던 종횡비의 감소 효과가 작기 때문에 후속 단계에서 제1HDP USG(38)의 높이(H11)를 줄이고, 넓이(W11)를 넓혀야 한다.However, despite the thin deposition of the
이러한 제1HDP USG(38)의 높이(H11) 줄임과 넓이(W11)의 넓힘을 구현하기 위해 DEED 방식의 두번째 단계인 식각(Etch) 공정을 진행하되, 두 번의 인시튜 식각공정 중에서 1차 인시튜 식각 공정을 진행한다.In order to realize the reduction of the height H11 and the width W11 of the first HDP USG 38, an etching process, which is the second step of the DEED method, is performed, but the first in-situ of the two in-situ etching processes is performed. Proceed with the etching process.
도 2c에 도시된 바와 같이, 동일한 고밀도플라즈마 챔버내에서, 즉 인시튜(In-situ)로 식각 공정을 진행하되, NF3 가스를 메인 가스로 이용하는 1차 인시튜 식각 공정을 진행한다.As shown in FIG. 2C, the etching process is performed in the same high-density plasma chamber, that is, in-situ, but the first in-situ etching process using NF 3 gas as the main gas is performed.
NF3 가스를 이용한 1차 인시튜 식각 공정은, NF3 가스를 단독으로 사용하거나 NF3와 He의 혼합가스를 이용한다. 이때, NF3의 유량은 10sccm∼150sccm, He의 유량은 500sccm∼1000sccm으로 한정한다. 여기서, 보다 나은 식각프로파일 특성을 얻기 위해 800sccm∼900sccm 유량으로 수소(H2)를 첨가할 수도 있다. 즉, 수소가스를 첨가하면 최초 증착시의 첨점을 일부 제거해주는 효과를 얻을 수 있다.The primary in-situ etching process using an NF 3 gas, using the NF 3 gas is used alone or a mixed gas of NF 3 and He. At this time, the flow rate of NF 3 is 10 sccm to 150 sccm, and the flow rate of He is limited to 500 sccm to 1000 sccm. Here, hydrogen (H 2 ) may be added at a flow rate of 800 sccm to 900 sccm to obtain better etching profile characteristics. In other words, the addition of hydrogen gas can obtain the effect of removing some of the point of the first deposition.
소스파워 및 바이어스파워는 각각 3000W∼6000W, 500W∼1500W로 사용하며, 식각 두께는 패턴 상부가 손상을 입지 않도록 평판 반도체 기판 기준으로 10nm∼50nm 정도 식각한다.Source power and bias power are used at 3000W to 6000W and 500W to 1500W, respectively, and the etching thickness is about 10 nm to 50 nm based on the flat semiconductor substrate so as not to damage the upper part of the pattern.
이와 같이, NF3 가스와 He를 동시에 흘려주면서 1차 인시튜 식각 공정을 진 행하면, NF3 가스가 갖고 있는 고유 식각특성(등방성 식각)에 의해 제1HDP USG(28)의 식각 특성이 높이 감소는 미미하지만 넓이가 넓어지는 특성을 보인다. As such, when the first in-situ etching process is performed while flowing NF 3 gas and He simultaneously, the etching characteristics of the
자세히 살펴보면, 최초 증착시의 제1HDP USG(28)이 NF3 가스에 의해 일부가 식각되어 트렌치(24)의 갭필 입구를 넓힌 제1HDP USG(38a)으로 잔류한다. 여기서, 제1HDP USG(28) 중에서 트렌치(24)의 바닥부분에 형성된 부분은 거의 식각이 되지 않고 패드질화막(23) 상부에서의 식각보다는 트렌치(24)의 측벽에서 주로 식각이 진행됨을 알 수 있다.In detail, the
따라서, 1차 인시튜 식각 공정후, 잔류하는 제1HDP USG(28a)는 최초 증착시에 비해 넓이가 'W12'로 넓어진 형태를 갖지만, 높이(H11)는 여젼히 최초 증착시와 동일한 수준을 유지한다.Therefore, after the first in situ etching process, the remaining
다음으로, DEED 방식의 식각 공정 중 두번째인 2차 인시튜 식각공정을 진행한다.Next, a second in-situ etching process, which is the second of the DEED etching processes, is performed.
도 2d에 도시된 바와 같이, 2차 인시튜 식각 공정은, NF3, He 및 O2의 혼합가스를 이용한다. 이때, NF3의 유량은 40sccm∼120sccm, He의 유량은 100sccm∼500sccm, O2의 유량은 50sccm∼160sccm으로 한정한다. 그리고, 소스파워 및 바이어스파워는 각각 3000W∼6000W, 500W∼1500W로 사용하며, 식각두께는 패턴 상부가 손상을 입지 않도록 평판 반도체 기판 기준으로 10nm∼50nm 정도 식각한다.As shown in FIG. 2D, the secondary in-situ etching process uses a mixed gas of NF 3 , He, and O 2 . At this time, the flow rate of NF 3 is 40 sccm to 120 sccm, the flow rate of He is 100 sccm to 500 sccm, and the flow rate of O 2 is limited to 50 sccm to 160 sccm. The source power and the bias power are used at 3000 W to 6000 W and 500 W to 1500 W, respectively, and the etching thickness is about 10 nm to 50 nm based on the flat semiconductor substrate so as not to damage the upper part of the pattern.
이와 같이, NF3, He 및 O2를 동시에 흘려주면서 2차 인시튜 식각 공정을 진 행하면, NF3 가스가 갖고 있는 고유 식각특성(화학적 식각)과 O2가 갖고 있는 고유 식각특성(물리적 스퍼터링)에 의해 제1HDP USG(28a)의 식각 특성이 높이가 'H12'로 감소되는 형태를 갖는다. 이때, NF3 가스는 넒이를 넓혀주기 위해 작용하는 것보다, O2 가스에 의해 식각되어 재증착되는 물질을 식각해주는 역할을 주로 하여 넓이가 감소하는 것을 방지한다. 즉, 제1HDP USG(28a)의 높이를 'H12'로 줄이는 것은 O2 가스만을 이용한 물리적 스퍼터링으로만 가능하나, 물리적스퍼터링후 발생된 물질들이 측벽에 재증착되어 넒이가 오히려 감소하는 경향이 있다. 따라서, NF3 가스를 동시에 이용하여 이렇게 재증착되는 물질을 제거해주어 1차 인시튜 식각후의 넓이 W12를 그대로 유지하도록 한다.As such, when the second in-situ etching process is performed while flowing NF 3 , He, and O 2 simultaneously, the intrinsic etching characteristics (chemical etching) of the NF 3 gas and the inherent etching characteristics (physical sputtering) of O 2 are obtained. By the etching characteristic of the
자세히 살펴보면, 1차 인시튜 식각이 진행된 제1HDP USG(28a)이 O2 가스 및 NF3 가스에 의해 일부가 식각되어 높이가 'H12'로 감소된 제1HDP USG(28b)으로 잔류한다. 여기서, 제1HDP USG(28a) 중에서 트렌치(24)의 바닥부분에 형성된 부분은 거의 식각이 되지 않고 트렌치(24)의 상부에 형성된 부분이 주로 식각됨을 알 수 있다.In detail, the
한편, 2차 인시튜 식각 공정시, 불소가 질소가 제1HDP USG(28b) 막내에서 결합되기 때문에 막의 안정성을 향상시키기 위하여 막의 반사율(reflective index)을 1.46∼1.5 범위로 유지시킨다.In the second in situ etching process, since the fluorine nitrogen is bonded in the
마지막으로, DEED 방식의 마지막 공정인 증착 공정을 진행한다. Finally, the deposition process, which is the last process of the DEED method, is performed.
도 2e에 도시된 바와 같이, 1,2차 인시튜 식각공정을 통해 높이가 현저히 감소된 제1HDP USG(28b) 상에 트렌치(24)를 완전히 매립하도록 제2HDP USG(29)을 증착한다.As shown in FIG. 2E, the
이때, 제2HDP USG(29)은 최초 증착시의 제1HDP USG(28)과 달리 증착속도가 빠른 증착조건을 이용하여, 50nm∼5000nm 두께로 증착한다.At this time, unlike the
예를 들면, 제2HDP USG(29)또한 증착가스로 실레인(SiH4), 산소(O2) 및 헬륨(He)을 혼합하여 이용하는데, 증착속도를 빠르게 하기 위해 실레인(SiH4)의 유량은 40sccm∼120sccm, 산소(O2)의 유량은 50sccm∼160sccm, 헬륨(He)의 유량은 100sccm∼500sccm 범위로 유지한다. 상기 증착가스의 유량 외에 제2HDP USG(29)의 빠른 증착속도를 얻기 위해 바이어스파워(Bias power)의 조절이 수반되어야 하는데, 바이어스 파워는 2000W∼3000W 범위로 상향시키는 것이 바람직하다. 한편, 소스파워는 4500W∼6000W 범위로 인가한다.For example, of the 2HDP USG (29) also silane (SiH 4), oxygen (O 2) and helium silane (SiH 4) to speed up the deposition rate for mixing with a (He) as a deposition gas The flow rate of 40 sccm to 120 sccm, the flow rate of oxygen (O 2 ) to 50 sccm to 160 sccm, and the flow rate of helium (He) are maintained in the range of 100 sccm to 500 sccm. In addition to the flow rate of the deposition gas, in order to obtain a fast deposition rate of the
전술한 바와 같은 일련의 제2HDP USG(29)의 증착 공정시 높은 증착속도를 구현하기 위한 증착조건을 이용하므로써 트렌치(24)의 바닥에서의 증착속도가 트렌치(24)의 측벽에서의 증착속도보다 높기 때문에 트렌치(24)를 보이드없이 충분히 갭필할 수 있다. 더불어, 1,2차 인시튜 식각공정을 통해 최초 증착시의 제1HDP USG(28)의 높이를 'H12'로 넓이는 'W12'로 감소시킨 상태이므로 제2HDP USG(29)을 보이드없이 갭필할 수 있다.The deposition rate at the bottom of the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1HDP USG의 높이, 바닥 두께 및 넓이를 정량화한 도면이다.3 is a view quantifying the height, bottom thickness and width of the first HDP USG according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제1HDP USG 증착후 1,2차 인시튜 식각공정이 진행될 때, 높이는 1차 인시튜 식각 공정까지는 거의 변화가 없다가 2차 인시튜 식각공정시 급격히 감소하고 있다.Referring to FIG. 3, when the first and second in-situ etching processes are performed after the deposition of the first HDP USG, the height is almost unchanged until the first in-situ etching process, but is rapidly decreased during the second in-situ etching process.
그리고, 바닥 두께는 증착후 1,2차 인시튜 식각 공정을 진행한 후에도 여전히 변화가 없음을 알 수 있다.And, it can be seen that the bottom thickness is still unchanged even after the first and second in situ etching processes after deposition.
마지막으로, 넓이는 증착후 1차 인시튜 식각 공정시에 감소하고, 2차 인시튜 식각 공정시에는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.Finally, it can be seen that the area decreases during the first in situ etching process after deposition and hardly changes during the second in situ etching process.
상술한 실시예에서는 소자분리를 위한 트렌치의 갭필 방법에 대해 설명하였으나, HDP USG를 갭(Gap)의 갭필 물질로 이용하는 반도체소자의 모든 갭필 공정에 적용 가능하다. 일예로, HDP USG을 이용한 층간절연막 갭필 공정에도 적용 가능하다.In the above-described embodiment, the gap fill method of the trench for device isolation has been described, but it is applicable to all gap fill processes of a semiconductor device using HDP USG as a gap fill material of a gap. For example, the present invention may be applied to an interlayer dielectric gap fill process using HDP USG.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 DEED 방식을 이용한 갭필 공정을 이용하므로써 DED 방식의 갭필마진 부족을 개선하여 보이드없이 갭필할 수 있는 효과가 있다.The present invention described above has an effect of gap gap filling without voids by improving the gap fill margin of the DED method by using the gap fill process using the DEED method.
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