KR100707592B1 - 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법에 관한 것으로, 트렌치의 상단 모서리 형태를 개선하여 반도체 소자의 특성 저하를 방지하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 패드 질화막을 부분적으로 식각하여 트렌치의 상단 모서리를 노출시킨 후, 트렌치 내부에 매립 감광막으로 보호막을 형성하고 트렌치 상단 모서리 부위를 선택적으로 식각한다. 이때, 매립 감광막은 식각에 의한 트렌치 표면의 물리적 손상을 방지한다. 이어서, 매립 감광막과 라이너 산화막을 제거하고 다시 라이너 산화막을 형성한다. 트렌치 상단 모서리는 식각 공정에 의해 경사진 형태를 가지며 라이너 산화막의 제거 공정과 재형성 공정에 의해 더욱 완만하고 둥근 형태로 바뀐다. 따라서 트렌치 상단 모서리의 형태가 효과적으로 개선되어 GOI 불량과 같은 반도체 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다.

트렌치 소자 분리, 트렌치 상단 모서리, GOI(gate oxide integrity), 트렌치 매립 보호막, 플라즈마 건식 식각, 라이너 산화막

Description

반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법{Method of Forming Trench Isolation Layer of Semiconductor Device}

도 1은 종래 기술에 따른 트렌치 소자 분리막의 불량을 보여주는 주사 전자 현미경 사진.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 소자 분리막의 형성 방법을 나타내는 단면도.

<도면에 사용된 참조 번호의 설명>

20: 실리콘 기판 21: 패드 산화막

22: 패드 질화막 23: 트렌치

24, 27: 라이너 산화막 25: 트렌치 상단 모서리

26, 26a: 감광막 28: 매립 산화막

본 발명은 반도체 소자 제조 기술에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 트렌치 상단 모서리의 형태를 둥글게 만들어 반도체 소자의 특성 저하를 방지할 수 있는 트렌치 소자 분리막 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 소자 분리 기술로서 트렌치를 이용한 소자 분리(STI; shallow trench isolation) 기술이 널리 이용되고 있다. 트렌치 소자 분리 기술은 실리콘 기판에 트렌치를 형성하고 트렌치 내부를 산화막으로 매립하여 소자 분리막을 형성하는 기술이다. 트렌치 소자 분리막은 소자 분리 특성이 우수하고 점유 면적도 작기 때문에 기존의 소자 분리막에 비하여 상대적으로 반도체 소자의 집적도 향상에 유리하다.

종래 기술에서 트렌치 소자 분리막을 형성하는 방법은 다음과 같다. 우선, 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 형성한 후, 감광막 패턴을 이용하여 패드 질화막, 패드 산화막, 실리콘 기판을 연속적으로 식각한다. 이에 따라 실리콘 기판에는 트렌치가 형성된다. 이어서, 트렌치의 표면에 라이너 산화막을 형성한 후, 패드 질화막을 부분적으로 식각하여 트렌치 상부 모서리 쪽을 노출시키고 불산을 이용하여 라이너 산화막을 제거한다. 그리고 나서, 다시 라이너 산화막을 형성하기 위한 열산화 공정을 진행하고, 트렌치 내부를 매립하도록 산화막을 두껍게 증착한 후 평탄화 공정을 거쳐 트렌치 소자 분리막을 완성한다.

이와 같은 종래의 트렌치 소자 분리막 형성 방법에서 자주 생기는 불량 중의 하나가 트렌치 상단의 모서리가 날카롭게 되는 것이다. 도 1은 이를 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 트렌치(10) 상단의 모서리(11)가 날카로운 형태를 가지게 되면, 후속 산화 공정에서 트렌치 모서리(11) 부분의 산화막(12) 두께가 얇 아지는 현상이 발생한다. 국부적으로 얇아진 산화막(12) 부위에는 전기장이 집중되고, 그에 따라 GOI(gate oxide integrity) 등과 같은 반도체 소자의 특성이 저하된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래의 트렌치 소자 분리막 형성 방법은 불산을 이용하여 라이너 산화막을 제거한 후 다시 라이너 산화막을 형성하는 방식을 채택하고 있지만, 그럼에도 불구하고 트렌치(10) 상단의 모서리(11) 형태는 만족할 만한 수준으로 개선되지 않고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 트렌치 상단 모서리의 형태를 개선하여 반도체 소자의 특성 저하를 방지할 수 있는 트렌치 소자 분리막 형성 방법을 제공하기 위한 것이다.

위 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법은, (a) 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 형성하는 단계와, (b) 패드 질화막과 패드 산화막과 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 실리콘 기판의 소자 분리 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, (c) 트렌치의 표면을 따라 라이너 산화막을 형성하는 단계와, (d) 트렌치의 상단 모서리 쪽을 노출시키기 위하여 패드 질화막을 부분적으로 식각하는 단계와, (e) 트렌치 내부에 매립 보호막을 형성하는 단계와, (f) 트렌치의 상단 모서리가 경사진 형태가 되도록 트렌치의 상단 모서리 부위를 선택적으로 식각하는 단계와, (g) 매립 보호막을 제거하는 단계와, (h) 트렌치 내부를 메우도록 매립 산화막을 증착하고 매립 산화 막을 평탄화하는 단계, 및 (i) 패드 질화막과 패드 산화막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법은 (g) 단계 후에 라이너 산화막을 제거하고 트렌치의 표면을 따라 제2 라이너 산화막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 트렌치 소자 분리막 형성 방법에 있어서, (e) 단계의 매립 보호막은 감광막인 것이 바람직하며, 이때 (e) 단계는 트렌치를 채우도록 감광막을 형성하는 단계와, 노광, 현상을 통하여 감광막의 상부를 부분적으로 제거하는 단계로 이루어질 수 있다.

본 발명의 트렌치 소자 분리막 형성 방법에서, (f) 단계는 CF 계열의 가스를 이용한 저전력 플라즈마 건식 식각을 이용할 수 있다.

실시예

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 소자 분리막의 형성 방법을 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 실리콘 기판(20) 위에 패드 산화막(21)과 패드 질화막(22)을 순차적으로 형성하고 감광막 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 이어서, 감광막 패턴을 이용하여 패드 질화막(22)과 패드 산화막(21)과 실리콘 기판(20)을 순차적으로 식각한다. 따라서 실리콘 기판(20)의 소자 분리 영역에는 소정 깊이의 트렌치(23)가 형성된다. 이때의 식각 공정은 예컨대 반응성 이온 식각(RIE)을 이용하며, 트렌치(23)는 수천Å의 깊이로 형성한다.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 트렌치(23)의 표면을 따라 라이너 산화막(24, liner oxide)을 형성한다. 라이너 산화막(24)은 트렌치 식각에 따른 표면 손상을 회복시키기 위하여 예컨대 열산화 공정을 이용하여 수십Å 내지 수백Å의 두께로 형성한다.

계속해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 패드 질화막(22)을 부분적으로 식각하여 제거한다. 이때의 식각 공정은 트렌치(23)의 상단 모서리(25) 쪽을 노출시키기 위한 것으로, 예컨대 트렌치(23)의 상단 모서리(25) 쪽을 노출시키기 위해 패드 질화막(22) 상에서 트렌치(23)의 상단 모서리(25) 부분을 오픈하여 구비된 감광막 패턴을 통한 습식 식각을 이용하여 진행한다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 트렌치(23)를 채우도록 감광막(26)을 두껍게 형성한다. 감광막(26)은 이후 진행될 플라즈마 건식 식각으로부터 트렌치(23)의 표면을 보호하기 위한 보호막으로, 감광막 대신에 다른 유기물질을 이용할 수도 있다.

계속해서, 감광막(26)의 상부를 부분적으로 제거함으로써, 도 6에 도시된 바 와 같이, 트렌치(23) 내부에만 매립 감광막(26a)을 남긴다. 감광막의 부분적인 제거 공정은 노광, 현상을 통하여 가능하며, 노광량을 적절히 조절함으로써 트렌치 상단 모서리(25) 부위를 노출시킬 수 있다.

이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 트렌치 상단 모서리(25) 부위를 선택적으로 식각한다. 이에 따라 트렌치 상단 모서리(25) 쪽의 산화막(21, 24)과 실리콘 기판(20)이 부분적으로 제거되면서 트렌치 상단 모서리(25)는 경사진 형태가 된다. 트렌치 상단 모서리(25) 부위가 식각되는 동안 트렌치(23)의 표면은 매립 감광막(26a)에 의하여 보호되므로 물리적 손상이 방지된다. 이 단계의 식각 공정은 예컨대 CF 계열의 가스를 이용한 저전력 플라즈마 건식 식각을 이용할 수 있다. 또한, 플라즈마 건식 식각은 산화막 식각과 실리콘 기판 식각의 두 단계로 이루어질 수 있다.

트렌치 상단 모서리의 식각 후, 트렌치(23) 내부의 매립 감광막(26a)을 모두 제거한다. 이 공정은 예컨대, 산소 플라즈마를 이용하여 진행할 수 있다. 그리고 나서, 불산을 이용하여 라이너 산화막(24)을 제거하고, 다시 열산화 공정을 통하여 도 8에 도시된 바와 같이 제2의 라이너 산화막(27)을 형성한다. 라이너 산화막(24)을 제거할 때, 트렌치 상단 모서리(25)에서도 제거 작용이 일어나면서 경사진 형태가 어느 정도 둥근 형태로 바뀐다. 계속해서 제2 라이너 산화막(27)을 형성하는 산화 공정에서 트렌치 상단 모서리(25) 쪽의 실리콘이 소모되면서 더욱더 둥근 형태로 바뀌게 된다.

이어서, 기존의 방법과 마찬가지로 트렌치(23) 내부를 완전히 메우도록 매립 산화막(28)을 두껍게 증착하고 평탄화한 후, 패드 질화막(22)과 패드 산화막(21)을 제거하여 트렌치 소자 분리막의 형성 공정을 완료한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법은 트렌치 상단 모서리 부위를 선택적으로 식각한 후, 라이너 산화막을 제거하고 다시 라이너 산화막을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 트렌치 상단 모서리는 식각 공정에 의해 경사진 형태를 가지게 되고 라이너 산화막의 제거 공정과 재형성 공정에 의해 더욱 완만하고 둥근 형태로 바뀌게 된다. 따라서 트렌치 상단 모서리의 형태가 효과적으로 개선되어 GOI 불량과 같은 반도체 소자의 특성 저하를 방지할 수 있다. 한편, 트렌치 상단 모서리 부위가 식각되는 동안 트렌치의 표면은 매립 감광막에 의하여 보호되므로 플라즈마 건식 식각에 의한 물리적 손상이 방지된다.

본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (5)

1. (a) 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 형성하는 단계;

   (b) 상기 패드 질화막과 상기 패드 산화막과 상기 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 상기 실리콘 기판의 소자 분리 영역에 트렌치를 형성하는 단계;

   (c) 상기 트렌치의 표면을 따라 라이너 산화막을 형성하는 단계;

   (d) 상기 트렌치의 상단 모서리 쪽을 노출시키기 위하여 상기 패드 질화막을 부분적으로 식각하는 단계;

   (e) 상기 트렌치 내부에 매립 보호막을 형성하는 단계;

   (f) 상기 트렌치의 상단 모서리가 경사진 형태가 되도록 상기 트렌치의 상단 모서리 부위를 선택적으로 식각하는 단계;

   (g) 상기 매립 보호막을 제거하는 단계;

   (h) 상기 트렌치 내부를 메우도록 매립 산화막을 증착하고 상기 매립 산화막을 평탄화하는 단계; 및

   (i) 상기 패드 질화막과 상기 패드 산화막을 제거하는 단계;

   를 포함하는 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (g) 단계 후, 상기 라이너 산화막을 제거하고 상기 트렌치의 표면을 따 라 제2 라이너 산화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 (e) 단계의 상기 매립 보호막은 감광막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 (e) 단계는 상기 트렌치를 채우도록 상기 감광막을 형성하는 단계와, 노광, 현상을 통하여 상기 감광막의 상부를 부분적으로 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 (f) 단계는 CF 계열의 가스를 이용한 저전력 플라즈마 건식 식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 트렌치 소자 분리막 형성 방법.

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