본 발명에 따른 하나의 관점에 의하면, 표면에 소자 분리 홈이 형성된 반도체 기판과; 상기 소자 분리 홈 내에 형성된 소자 분리 절연막 -상기 소자 분리 절연막은, 도포막 및 상기 도포막 상에 형성된 실리콘 산화막을 포함함- 과; 상기 소자 분리 홈과 상기 소자 분리 절연막 사이에 형성된 산화막- 상기 산화막은, 상기 도포막과 상기 실리콘 산화막의 경계부에 대응한 상기 소자 분리 홈의 측면 상의 부분이, 상기 측면 상의 다른 부분보다도 두꺼운 막 두께를 포함함- 을 포함하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 두번째 관점에 의하면, 표면에 소자 분리 홈이 형성된 반도체 기판과; 상기 소자 분리 홈 내에 형성된 소자 분리 절연막 -상기 소자 분리 절연막은 도포막 및 상기 도포막 상에 형성된 실리콘 산화막을 포함함- 과; 상기 소자 분리 홈과 상기 소자 분리 절연막 사이에 형성된 라이너막 -상기 라이너막은 상기 소자 분리 홈의 상부 측면 상의 부분이 위로 향하여 얇게 되는 막 두께를 포함함- 을 포함하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 세번째 관점에 의하면, 반도체 기판의 표면에 소자 분리 홈을 형성하는 공정과; 상기 소자 분리 홈 내를 도포막으로 매립하는 공정과; 상기 도포막의 막 수축율이 소정 이하 및 상기 도포막의 밀도가 소정 이하로 되는 조건 중 적어도 한 쪽의 조건에서, 상기 도포막을 가열하는 공정과; 웨트 에칭을 이용한 에치백에 의해, 상기 소자 분리 홈 내의 상기 도포막의 상부를 제거하는 공정과; 상기 소자 분리 홈 내가 매립되도록, 상기 반도체 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 공정과; CMP 프로세스를 이용하여 상기 실리콘 산화막을 평탄화하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
도 1 내지 도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법의 공정을 도시하는 단면도이다.
본 실시예는, 실리콘 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트 전극을 형성하기 전에, STI를 형성하는 경우의 예이다.
본 실시예의 제조 방법은, 샬로 트렌치 내에 폴리 실라잔막을 매립하는 공정과, 웨트 에칭 기술을 이용한 에치백에 의해, 샬로 트렌치 내의 폴리 실라잔막의 상부를 제거하는 공정과, 폴리 실라잔막 상의 샬로 트렌치 내를 HDP 실리콘 산화막에 의해 매립하는 공정을 포함하고 있다.
상기 제조 방법에 의해, HDP 실리콘 산화막에 의해 STI 상부가 보호되는 구조가 얻어진다. 이에 의해, 멀티 게이트 옥사이드 프로세스와 같이, STI가 복수회 웨트 에칭에 노출되는 경우에도, 폴리 실라잔막의 에칭(STI의 저하)은 억제된다. 이하, 본 실시예의 상세 내용에 대하여 설명한다.
[도 1]
우선, 실리콘 기판(101) 상에 실리콘 열 산화막(102)이 형성되고, 그 후 실리콘 열 산화막 상에 CMP의 연마스토퍼로 되는 실리콘 질화막(103)이 형성된다. 실리콘 열 산화막(102)의 막 두께는, 예를 들면 5 ㎚, 실리콘 질화막(103)의 막 두께는, 예를 들면 180 ㎚이다.
다음으로, 기판 전체면 상에 RIE(Reactive Ion Etching) 프로세스 시의 마스크로 되는 CVD 실리콘 산화막이 형성되고, 그 후 상기 CVD 실리콘 산화막 상에 포토레지스트막이 도포된다.
다음으로, 통상의 리소그래피 프로세스에 의해 상기 포토레지스트막이 가공되고, 그 후 가공된 포토레지스트막(레지스트 패턴)을 마스크로 하여, RIE 프로세스에 의해, 상기 CVD 실리콘 산화막이 에칭되고, 하드 마스크가 형성된다. 그 후 상기 포토레지스트막은, 애셔 프로세스, 및 황산 과산화수소수 혼합액을 이용한 에 칭 프로세스에 의해 제거된다.
다음으로, 상기 하드 마스크(상기 CVD 실리콘 산화막)를 마스크로 하여, RIE 프로세스에 의해, 실리콘 질화막(103), 실리콘 열 산화막(102), 실리콘 기판(101)이 순차적으로 에칭되고, 실리콘 기판(101)의 표면에 에칭 깊이 350 ㎚의 홈(샬로 트렌치)이 형성된다. 그 후, 불산 증기에 의해, 상기 하드 마스크가 선택적으로 제거된다.
다음으로, 상기 샬로 트렌치의 내면(측면 및 저면)이 열 산화되고, 상기 내면 상에 두께 3 ㎚의 실리콘 열 산화막(104)이 형성된다.
이상의 공정을 거쳐, 샬로 트렌치와 그 내면을 피복하는 실리콘 열 산화막을 포함하는 STI용의 아이솔레이션 홈(105)이 형성된다. 도 1에는, 분리 폭이 상이한 3종류의 홈 영역을 포함하는 아이솔레이션 홈(105)이 도시되어 있다.
[도 2]
다음으로, 기판 전체면 상에 두께 650 ㎚의 폴리 실라잔막(106)이 스핀 코팅법을 이용하여 형성된다. 폴리 실라잔막(106)의 형성은 구체적으로는 이하와 같이 행해진다.
우선, 과수소화 실라잔(퍼하이드로 실라잔) 중합체[(SiH2NH)n]가 키시렌, 딥틸에테르 등 내에 분산되어, 과수소화 실라잔 중합체 용액이 생성되고, 그 후 상기 과 수소화 실라잔 중합체 용액이 스핀 코팅법에 의해, 실리콘 기판(101)의 표면 상에 도포된다. 액체의 도포이기 때문에, 본 실시예와 같은 고 어스팩트비의 아이솔 레이션 홈(105)의 내부에도, 보이드(미충전)나 시임(이음매 형상의 미충전)이 발생하지 않고, 상기 과수소화 실라잔 중합체를 포함하는 도포막이 매립된다.
스핀 코팅법의 조건은, 예를 들면 실리콘 기판(101)의 회전 속도가 1000 rpm, 실리콘 기판(101)의 회전 시간이 30초, 과수소화 실라잔 중합체 용액의 적하량이 2 cc 이다. 상기 조건에서, 두께 650 ㎚의 폴리 실라잔막(106)이 얻어진다.
다음으로, 상기 도포막에 대하여 소정의 열 처리가 행하여짐에 따라, 상기 도포막이 저불순물 농도의 폴리 실라잔막(106)으로 바뀌어진다.
구체적으로는, 우선 상기 도포막이 형성된 실리콘 기판(101)이 핫플레이트 상에서, 150 ℃에서 가열되고, 계속해서 실리콘 기판(101)이 불활성 가스 분위기 내에서 3분동안 베이킹됨으로써, 과수소화 실라잔 중합체 용액 내의 용매가 휘발된다. 이 상태에서는, 도포막 내에는, 용매 기인의 탄소 혹은 탄화수소가 불순물로서 수 퍼센트 내지 십수 퍼센트 정도 잔존하고 있다.
다음으로, 250 ℃ 내지 350 ℃의 수증기 분위기 중에서, 상기 도포막에 대하여 열 처리가 행하여진다. 상기 열 처리에 의해, 상기 도포막 내의 불순물 탄소나 탄화수소가 제거되고, 또한 상기 도포막 내의 Si-N 결합의 대부분이 Si-O 결합으로 전환된다. 이 반응은, 전형적으로는, 이하에 기재한 바와 같이 진행된다.
SiH2NH + 2O → SiO2 + NH3
이 반응 및 열 수축에 의해, 상기 도포막이 치밀화되어, CMP 가공을 행할 수 있는 폴리 실라잔막(106)(소자 분리 절연막)이 얻어진다.
[도 3]
다음으로, 실리콘 질화막(103)을 스토퍼로서, CMP 프로세스에 의해, 폴리 실라잔막(106)이 연마되고, 아이솔레이션 홈(105)의 내부에만 폴리 실라잔막(106)이 잔존된다.
[도 4]
다음으로, 100 : 1 희석 불산을 이용한 웨트 에칭에 의해, 폴리 실라잔막(106)이 300 ㎚ 에치백된다. 이 때, 후술하는 도 6의 공정에서, 아이솔레이션 홈 내에 HDP 실리콘 산화막(108)이 용이하게 매립되도록, 아이솔레이션 홈 내의 분리 폭이 상이한 복수의 홈 영역 내에서도, 폴리 실라잔막(106)은 등속으로 에치백되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 만약 좁은 아이솔레이션 홈(105) 내의 폴리 실라잔막(106)이, 넓은 아이솔레이션 홈(105) 내의 폴리 실라잔막(106)보다도 많이 에치백된다고 하면, 넓은 아이솔레이션 홈(105) 내에서 충분한 깊이까지 에치백할 수 없거나, 혹은 좁은 아이솔레이션 홈(105) 내에서 에치백량이 지나치게 많아, HDP 실리콘 산화막이 충분히 매립되지 않을 것으로 예상되기 때문이다.
본 실시예의 경우, 도 2의 공정에서, 250 ℃ 이상 350 ℃ 이하의 온도로 설정된 수증기 분위기 중에서, 폴리 실라잔막(106)이 가열되고 있으므로, 아이솔레이션 홈 내의 분리 폭이 상이한 복수의 홈 영역 내에서, 폴리 실라잔막(106)은 등속으로 에치백된다. 이하, 이 점에 대하여 다시 설명한다.
웨트 에칭 레이트는, 폴리 실라잔막의 원자수 밀도에 강하게 의존한다. 폴리 실라잔막의 원자수 밀도는, 상기 수증기 분위기 중에서의 열 처리의 온도에 강하게 의존한다.
도 9에, 폴리 실라잔막에 대한 열 처리의 온도(열 처리 온도)와, 좁은 홈(약 70 ㎚) 및 넓은 홈(약 1 미크론) 내에 매립된 폴리 실라잔막의 실리콘 열 산화막에 대한 웨트 에칭 레이트 비(선택비)의 관계를 나타낸다. 상기 열 처리는 수증기 분위기에서 행해졌다. 에칭 용액으로서는 100 : 1의 희석 불산이 이용된다.
도 10에 상기 열 처리 온도와 폴리 실라잔막의 원자수 밀도의 관계를 도시한다.
도 11에 상기 열 처리 온도와 폴리 실라잔막의 수축율의 관계를 도시한다.
도 9로부터, 상기 열 처리 온도를 250 ℃ 내지 350 ℃ 내의 범위로 설정함으로써, 실리콘 열 산화막에 대한 폴리 실라잔막의 선택비(웨트 에칭 레이트)는 10 이상으로 되고, 또한 좁은 홈 및 넓은 홈 내의 폴리 실라잔막을 동일한 레이트로 웨트 에칭할 수 있는 것을 알았다. 동일한 결과는, 실리콘 열 산화막을 CVD 실리콘 산화막으로 바꾸어도 얻어졌다.
도 10으로부터, 상기 열 처리 온도를 250 ℃ 내지 350 ℃ 내의 범위로 설정함으로써, 폴리 실라잔막의 수축율을 10% 이하로 할 수 있는 것을 알았다. 즉, 좁은 홈 및 넓은 홈 내의 폴리 실라잔막을 동일한 레이트로 웨트 엣칭할 수 있도록 하기 위해서는, 폴리 실라잔막의 수축율이 10% 이하로 되는 조건에서, 수증기 분위기 중에서 폴리 실라잔막을 가열하면 되는 것을 알았다.
도 11로부터, 상기 열 처리 온도를 250 ℃ 내지 350 ℃ 내의 범위로 설정함으로써, 폴리 실라잔막의 원자수 밀도를 6.O × 1022 ㎝-3 이하로 할 수 있는 것을 알았다. 즉, 좁은 홈 및 넓은 홈 내의 폴리 실라잔막을 동일한 레이트로 웨트 에칭할 수 있도록 하기 위해서는, 폴리 실라잔막의 원자수 밀도가 6.O × 1022 ㎝-3 이하로 되는 조건에서, 수증기 분위기 중에서 폴리 실라잔막을 가열하면 되는 것을 알았다.
즉, 본 발명자들은, SOG막의 일종인 폴리 실라잔막의 열 처리를 연구함으로써, 샬로 트렌치 폭에 의하지 않고 폴리 실라잔막을 등속 에치백할 수 있고, 또한 실리콘 열 산화막이나 CVD 실리콘 산화막에 대하여 10배 이상의 고선택비를 갖고, 폴리 실라잔막을 에칭할 수 있는 것을 발견하였다.
또한, 열 처리 온도가 350 ℃보다 낮은 경우, 좁은 홈 및 넓은 홈 내에 매립된 폴리 실라잔막의 웨트 엣칭 레이트는 동일하지만, 열 처리 온도가 250 ℃보다도 낮은 경우, 폴리 실라잔막의 웨트 에칭 레이트가 너무 빠르기 때문에, 가공 형상의 제어는 매우 곤란하였다.
여기서 상기 폴리 실라잔막의 열 처리로서, 280 ℃의 수증기 분위기 중에서 1 시간의 산화(열 처리)를 행한 경우, 폴리 실라잔막(106)의 원자수 밀도 5.9 × 1022 ㎝-3, 폴리 실라잔막(106)의 수축율 7.5%, 100 : 1의 희석 불산 웨트 에칭에서의 열 산화막에 대한 선택비 20이 실현되었다.
상기 조건의 열 처리를 행한 후에, 폴리 실라잔막(106)을 웨트 에칭으로 에치백한 결과, 아이솔레이션 홈의 분리 폭에 의하지 않는 등속 에칭이 실현되어, 폴리 실라잔막(106)의 잔여 막 두께를 거의 일정한 250 ㎚로 하는 것이 가능하였다.
도 28 및 도 29에, 폴리 실라잔막의 에치백이, RIE 프로세스 등의 드라이브 프로세스에 의해 행하여진, 비교예의 시료의 단면도를 도시한다.
도 28에 도시한 바와 같이 폴리 실라잔막(404)의 에치백이 드라이 프로세스에 의해 행해지는 경우, CMP 스토퍼의 실리콘 질화막(406)도 에칭된다. 그 때문에, 2회 CMP를 행하는 경우의 CMP의 제어성이 저하된다.
또한, 도 29에 도시한 바와 같이 STI 측벽이 역 테이퍼 형상으로 된다. 그 때문에, 상기 역 데이퍼 형상의 부분 내에, 게이트 전극으로 되는 다결정 실리콘막이 남기 쉽게 된다. 이에 의해, 쇼트 불량이 발생하기 쉽게 된다.
또한, 도 28, 도 29에서, 참조 부호 401은 실리콘 기판, 참조 부호 402, 403은 실리콘 열 산화막을 나타내고 있다.
도 30 및 도 31에 웨트 에칭에 의해, SOG막(404)의 에치백이 행하여진, 비교예의 시료의 단면도를 도시한다.
SOG막(404)의 웨트 에칭 레이트는 분리 폭에 의존한다. 즉, 좁은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 웨트 에칭 레이트는, 넓은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 웨트 에칭 레이트보다도 빠르게 된다.
그 때문에, 좁은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 에치백 후의 막 두께가 우선되는 제어를 행하면, 넓은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 에치백 후의 막 두께를 충분히 작게 할 수 없다. 그 결과, 도 30에 도시한 바와 같이 멀티옥사이드 형성 공정에서 넓은 홈 영역에 노출된 SOG막(404)이 에칭된다.
한편, 넓은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 에치백 후의 막 두께가 우선되는 제어를 행하면, 좁은 홈 영역 내의 SOG막(404)의 에치백 후의 막 두께가 지나치게 작 아진다. 그 결과, 도 31에 도시한 바와 같이 HDP 실리콘 산화막(405)의 성막 시에 보이드(407)가 발생하여 버린다.
[도 5]
다음으로, 확산로를 이용한 750 ℃의 드라이 산화에 의해, 두께 3 ㎚의 실리콘 열산화막(107)이 형성된다. 이 때, 폴리 실라잔막(106)의 상면과 아이솔레이션 홈의 측면의 실리콘 기판(101)의 계면 근방에는 버즈빅이 발생하고, 상기 계면 근방에는 두께 4 ㎚의 실리콘 열 산화막(107)이 형성된다.
즉, 상기 계면 근방에서 국소적으로 두껍게 되는, 버즈빅 형상을 갖는 실리콘 열 산화막(107)이 형성된다. 후공정에서 폴리 실라잔막(106) 상에 HDP 실리콘 산화막(108)이 형성된다. 아이솔레이션 홈과 소자 분리 절연막(폴리 실라잔막(106), HDP 실리콘 산화막(108)) 사이에는, 실리콘 열 산화막(104, 107)이 형성되는 것으로 된다. 따라서, 실리콘 열 산화막(104, 107)의 막 두께는, 폴리 실라잔막(106)과 HDP 실리콘 산화막(108)의 경계부에 대응한 아이솔레이션 홈의 측면의 부분 위에서, 해당 측면 상의 다른 부분 위보다도 두껍다. 상기 버즈빅 형상을 얻기 위해서는, 750 ℃ 등의 저온에서의 드라이 산화가 필요하다.
또한, 비교예의 시료로서, 실리콘 열 산화막(107) 대신에, 900 ℃의 수증기 래디컬 산화에 의해, 버즈빅의 발생이 억제된 두께 3 ㎚의 실리콘 산화막을 포함하는 시료도 작성하였다.
[도 6]
다음으로, 핫 인산 중에서 실리콘 질화막(103)이 5 ㎚ 에치백되고, 실리콘 질화막(103)의 가로 방향으로의 돌출부가 제거된다. 그 후, 두께 500 ㎚의 HDP 실리콘 산화막(108)이 전체면에 퇴적되고, 아이솔레이션 홈 내가 HDP 실리콘 산화막(108)에 의해 완전하게 매립된다.
[도 7]
다음으로, CMP 프로세스에 의해, HDP 실리콘 산화막(108)이 평탄화된다. 다음으로, 웨트 에칭에 의해, HDP 실리콘 산화막(108)이 에치백되어, 원하는 높이를 갖는 HDP 실리콘 산화막(108)이 형성된다. 다음으로, 핫 인산 중에서, 실리콘 질화막(103)이 제거되고, STI 영역이 형성된다.
웨트 엣칭 시에, STI 상부는, HDP 실리콘 산화막(108)에 의해 보호된다. 이에 의해, 멀티옥사이드 프로세스와 같이, STI가 복수회 웨트 에칭에 노출되는 경우에도, STI의 저하는 발생되기 어렵게 된다.
그 후, 주지의 트랜지스터 등의 소자를 형성하는 공정이 이어지고, 도 8a 및 도 8b에 도시하는 반도체 장치가 얻어진다. 상기 트랜지스터는, 예를 들면 트렌치 DRAM 또는 트렌치 DRAM 혼재(혼재 LSI) 내의 메모리 셀 내의 트랜지스터이다.
도 8a 및 도 8b에서, Tr은 트랜지스터, 참조 부호 111은 익스텐션을 포함하는 소스/드레인, 참조 부호 112는 PMD(pre-metal dielectrics)라고 하는 절연막, 참조 부호 113은 컨택트 플러그, 참조 부호 114는 메탈 배선(제1 배선층), 참조 부호 115는 ILD(Interlayer dielectric)라고 하는 절연막(제1 ILD 층), 참조 부호 116은 컨택트 플러그, 참조 부호 117은 메탈 배선(제2 배선층), 참조 부호 118은 ILD라고 하는 절연막(제2 ILD 층)이다.
본 발명자들은, 본 실시예 및 상기 버즈빅의 발생이 억제된 비교예의 시료의 정션 리크를 평가하였다. 그 결과, 본 실시예의 경우, 정션 리크가 10 fA㎛(5 V 인가 시)인 데 대하여, 비교예의 시료인 경우, 정션 리크는 22 fA㎛(5 V 인가 시)이었다. 즉, 본 실시예에 따르면, 정션 리크를 비교예의 1/2 이하로 할 수 있으며, 정션 리크를 충분히 억제할 수 있는 것이 분명해졌다.
상기 결과가 얻어진 이유로서는, 본 실시예의 경우, 버즈빅을 발생시킨 것에 의해, 폴리 실라잔막과 HDP 실리콘 산화막의 계면의 불연속성에 기인하는 응력 집중이 완화되어, 그 결과로서 결정 결함이 억제된 것을 생각할 수 있다.
도 32에, 비교예의 시료의 단면도를 도시한다. 비교예의 경우, SOG막(404)과 HDP 실리콘 산화막(405)의 막질의 상위에 의해 발생하는 응력(압축 응력, 인장 응력)의 영향으로, SOG막(404)과 HDP 실리콘 산화막(405)의 계면 근방에 응력이 집중한다. 이 응력 집중에 의해, 비교예의 경우, 정션 리크가 야기된다.
(제2 실시예)
도 12 내지 도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법의 공정을 도시하는 단면도이다.
본 실시예는, 실리콘 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트 전극을 형성한 후에, STI를 형성하는 경우(게이트 사전 형성 구조의 경우)의 예이다.
게이트 사전 형성 구조의 경우, 게이트 단부에서의 전계 집중 등을 억제하는 것이 가능하게 된다고 하는 이점이 있는 반면, STI 형성 시의 열 공정에 의해, 게이트 산화막이 열 열화하거나, 혹은 게이트 산화막의 단부에 버즈빅이 발생하는 문 제가 발생하기 쉽다.
본 실시예에서는, 아이솔레이션 홈(샬로 트렌치) 내가 폴리 실라잔막에 의해 매립되기 전에, 아이솔레이션 홈의 내면(측면 및 저면) 상에 HTO막이 형성된다.
이에 의해, 게이트 산화막이 보호됨과 동시에, HDP 실리콘 산화막의 매립이 용이하게 행해진다. 이하, 본 실시예의 상세 내용에 대하여 설명한다.
[도 12]
우선, 실리콘 기판(201) 상에 게이트 산화막(202)이 형성되고, 그 후 게이트 산화막(202) 상에, 게이트 전극으로 되는 두께 150 ㎚의 다결정 실리콘막(203), CMP 프로세스 시의 연마 스토퍼로 되는 두께 100 ㎚의 실리콘 질화막(204)이 순차적으로 형성된다.
다음으로, 기판 전체면 상에 RIE 프로세스 시의 마스크로 되는 CVD 실리콘 산화막이 형성되고, 그 후 상기 CVD 실리콘 산화막 상에 포토레지스트막이 도포된다.
다음으로, 통상의 리소그래피 프로세스에 의해 포토레지스트막이 가공되고, 그 후 해당 가공된 포토레지스트막(레지스트 패턴)을 마스크로 하여 RIE 프로세스에 의해 상기 실리콘 산화막이 에칭되고, 하드 마스크가 형성된다. 그 후, 상기 포토레지스트막은, 애셔 및 황산 과산화수소수 혼합액을 이용한 에칭 프로세스에 의해 제거된다.
다음으로, 상기 하드 마스크(CVD 실리콘 산화막)를 마스크로 하여, RIE 프로세스에 의해, 실리콘 질화막(204), 다결정 실리콘막(203), 게이트 산화막(202), 실 리콘 기판(201)이 순차적으로 에칭되어, 실리콘 기판(201)의 표면에 에칭 깊이 200 ㎚의 홈(샬로 트렌치)이 형성된다. 그 후. 불산 증기에 의해, 상기 하드 마스크가 선택적으로 제거된다.
다음으로, 상기 홈의 내면(실리콘 기판(201) 및 다결정 실리콘막(203)의 노출면)이 열 산화되어, 이 내면 상에 두께 4 ㎚의 실리콘 열 산화막(205)이 형성된다.
이상의 공정을 거쳐, STI용의 아이솔레이션 홈(206)이 형성된다.
[도 13]
다음으로, 기판 전체면 상에 라이너막으로서의 두께 15 ㎚의 HTO(High Temperature Oxide)막(207)이 형성된다. HTO막(207)은, 예를 들면 SiH4과 N2O를 소스 가스에 이용한 CVD 프로세스에 의해 형성된다. 라이너막으로서 실리콘 질화막을 이용하여도 상관없다. 또한, HTO막(207) 이외의 산화막도 사용 가능하다. 라이너막을 이용함으로써 응력의 영향이 경감된다. 이에 의해, 양호한 STI 형상을 실현하는 것이 가능하게 된다.
[도 14]
다음으로, 기판 전체면 상에 두께 600 ㎚의 폴리 실라잔막(208)으로 되는 도포막이 스핀 코딩법을 이용하여 형성된다. 상기 도포막의 형성 방법은, 제1 실시예의 도포막의 형성 방법과 동일하다
다음으로, 250 ℃ 내지 350 ℃의 수증기 분위기 중에서, 상기 도포막에 대하 여 열 처리가 행하여진다. 본 실시예에서는, 상기 열 처리로서, 300 ℃의 수증기 분위기 중에서 30분간의 열 처리를 행하였다.
상기 열 처리에 의해, 상기 도포막 내의 불순물 탄소나 탄화수소가 제거되고, 또한 상기 도포막 내의 Si-N 결합의 대부분이 Si-O 결합으로 전환된다. 이 반응은 전형적으로는, 이하에 기재한 바와 같이 진행한다.
SiH2 NH + 2O → SiO2 + NH3
이 반응 및 열수축에 의해, 상기 도포막이 치밀화되어, CMP 가공을 행할 수 있는 폴리 실라잔막(208)이 얻어진다.
[도 15]
이어서, 실리콘 질화막(204)을 스토퍼로서, CMP 프로세스에 의해, 폴리 실라잔막(208) 및 HTO막(207)이 연마되고, 아이솔레이션 홈(206)의 내부에만 폴리 실라잔막(208)이 잔존된다.
[도 16]
이어서, 100 : 1 희석 불산을 이용한 웨트 에칭에 의해, 폴리 실라잔막(208)이 350 ㎚ 에치백된다. 이 때, 후술하는 도 17의 공정에서, 아이솔레이션 홈 내에, HDP 실리콘 산화막(209)이 용이하게 매립되도록, 아이솔레이션 영역의 폭에 상관없이, 폴리 실라잔막(208)은 등속으로 에치백되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 혹시 좁은 아이솔레이션홈 내의 폴리 실라잔막(208)이, 넓은 아이솔레이션홈 내의 폴리 실라잔막(208)보다도 많이 에치백된다고 하면, 넓은 아이솔 레이션 홈 내로 충분한 깊이까지 에치백할 수 없거나, 혹은 좁은 아이솔레이션 홈 내로 에치백량이 너무 많아, HDP 실리콘 산화막이 충분히 매립되지 않을 것으로 예상되기 때문이다.
본 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 도 14의 공정에서, 300 ℃의 수증기 분위기 중에서 30분간의 산화(열 처리)를 폴리 실라잔막(208)에 대하여 행하였다. 이러한 경우, 폴리 실라잔막(208)의 원자수 밀도 5.9 × 1022 ㎝-3, 폴리 실라잔막(208)의 수축량 8.0 %, 100 : 1의 희석 불산 웨트 에칭에서의 열 산화막에 대한 선택비 15, HTO막에 대한 선택비 12가 실현되었다.
상기 열 산화막에 대한 선택비는 아이솔레이션 홈의 복수의 분리 폭이 상이한 홈 영역에서 동일하며, 폴리 실라잔막(208)의 잔막량은 150 ㎚이었다. 이에 의해, 폴리 실라잔막(208)은 게이트 산화막(202)의 하면보다도 낮은 위치까지 후퇴한 것이 된다. 게이트 산화막(202)의 하면보다도 낮은 위치까지 폴리 실라잔막(208)을 후퇴시킴으로써, 도포막의 불순물 등의 영향으로부터 게이트 산화막(202)을 보호할 수 있다.
상기 선택비가 실현됨으로써, 폴리 실라잔막(208)을 웨트 에칭에 의해 에치백한 후에도, 게이트 산화막(202)의 측면에는 5 ㎚ 이상의 HTO막(207)이 잔존한다. 이 잔존한 HTO막(207)에 의해, 게이트 사전 형성의 경우에 있어서, 게이트 산화막이, 에칭액(멀티 게이트 옥사이드 프로세스)에 의해, 침식되는 것은 억제된다.
또한, 폴리 실라잔막(208)의 에치백은, RIE 프로세스 등의 드라이 프로세스 를 이용하지 않고 행해지므로, 게이트 산화막의 단부에 플라즈마 손상이 발생하지는 않는다.
[도 17]
다음으로, 두께 500 ㎚의 HDP 실리콘 산화막(209)이 전체면에 퇴적되고, 아이솔레이션 홈 내이 HDP 실리콘 산화막(209)에 의해 완전하게 매립된다. 이 때, 남은 HTO막(207)은, 아이솔레이션 홈의 상부 측면 상의 부분이 위를 향하여, 막 두께가 얇게 된다. 그 결과, HDP 실리콘 산화막(209)이 매립되는 홈은, 테이퍼 형상을 갖는 것으로 된다. 이에 의해, 보이드의 발생이 억제된, HDP 실리콘 산화막(209)의 매립이 용이하게 행해진다.
또한, 비교예의 시료로서, 도 20에 도시한 바와 같이 본 실시예와 마찬가지의 형상을 갖는 아이솔레이션 홈의 내면 상에, 라이너막으로서 두께 15 ㎚의 LPCVD 실리콘 질화막(210)이 형성된 시료도 작성하였다. 상기 비교예의 시료는, STI 영역의 중앙부 내에 작은 보이드(211)가 발생하고 있는 것이 확인되었다.
[도 18]
다음으로, CMP 프로세스에 의해, HDP 실리콘 산화막(209)이 평탄화된다. 다음으로, 웨트 에칭에 의해, HDP 실리콘 산화막(209)이 에치백되어, 원하는 높이를 갖는 HDP 실리콘 산화막(209)이 형성된다. 다음으로, 핫 인산 속에서, 실리콘 질화막(204)이 제거되어, STI 영역이 형성된다.
그 후, 주지의 트랜지스터 등의 소자를 형성하는 공정이 계속되고, 도 19a 및 도 19b에 도시하는 반도체 장치가 얻어진다. 상기 트랜지스터는, 예를 들면 트 렌치 DRAM 또는 트렌치 DRAM 혼재(혼재 LSI) 내의 메모리셀 내의 트랜지스터이다.
도 19a 및 도 19b에서, Tr은 트랜지스터, 참조 부호 211은 익스텐션을 포함하는 소스/드레인, 참조 부호 212는 PMD라고 불리는 절연막, 참조 부호 213은 컨택트 플러그, 참조 부호 214는 메탈 배선(제1 배선층), 참조 부호 215는 절연막(제1 ILD 층), 참조 부호 216은 컨택트 플러그, 참조 부호 217은 메탈 배선(제2 배선층), 참조 부호 218은 절연막(제2 ILD 층)이다.
(제3 실시예)
도 21 내지 도 26은. 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법의 공정을 도시하는 단면도이다.
본 실시예는, 제2 실시예와 마찬가지로, 실리콘 기판 상에 게이트 산화막 및 게이트 전극을 형성한 후에, STI를 형성하는 경우(게이트 사전 형성 구조인 경우)의 예이다. 본 실시예에서는, 제2 실시예와 상이하고, 폴리 실라잔막의 도포 막 두께가 제어된다. 이에 의해, 제1 실시예 및 제2 실시예에서는 2회 필요한 CMP 프로세스를, 1회로 행할 수 있도록 된다. 이하, 본 실시예의 상세 내용에 대하여 설명한다.
[도 21]
우선, 제2 실시예와 마찬가지로, 실리콘 기판(301) 상에 게이트 산화막(302), 게이트 전극으로 되는 두께 100 ㎚의 다결정 실리콘막(303), CMP의 연마 스토퍼로 되는 두께 50 ㎚ 실리콘 질화막(304)이 형성된다.
여기서, 제2 실시예와 상이하고, 실리콘 질화막(304)의 막 두께가 얇은 이유 는, 이하와 같다. 본 실시예의 방법에서는, CMP 공정이 1회밖에 없다. 그 때문에, 실리콘 질화막(304)의 막 두께가 얇아도, 실리콘 질화막(304)은 연마 스토퍼로서의 기능을 완수하기 때문이다.
다음으로, 리소그래피 프로세스 및 RIE 프로세스에 의해, 실리콘 질화막(304), 다결정 실리콘막(303), 게이트 산화막(302), 실리콘 기판(301)이 순차적으로 가공되고, 실리콘 기판(301)의 표면에 에칭 깊이 200 ㎚의 홈(샬로 트렌치)이 형성되고, 또한 상기 홈의 내면 상에 두께 4 ㎚의 실리콘 열 산화막(305)이 열 산화에 의해 형성된다.
이상의 공정을 거쳐, STI용의 아이솔레이션 홈(306)이 형성된다.
[도 22]
다음으로, 제2 실시예와 마찬가지로, 기판 전체면 상에 라이너막으로서의 두께 15 ㎚의 HTO막(307)이 형성된다. 라이너막으로서 실리콘 질화막을 이용하여도 상관없다. 또한, HTO막(307) 이외의 산화막도 사용 가능하다. 라이너막을 이용함 으로써 응력의 영향이 경감된다. 이에 의해, 양호한 STI 형상을 실현하는 것이 가능하게 된다.
[도 23]
다음으로, 기판 전체면 상에 두께 200 ㎚의 폴리 실라잔막(308)으로 되는 도포막이 스핀 코팅법을 이용하여 형성된다. 상기 도포막의 형성 방법은, 제1 실시예의 도포막의 형성 방법과 동일하다.
이 때, 폴리 실라잔막(308)으로 되는 도포막을 얇게 형성함으로써, 좁은 아 이솔레이션 홈 속은 폴리 실라잔막(308)에 의해 거의 완전하게 매립되지만, 넓은 아이솔레이션 홈 속은 폴리 실라잔막(308)에 의해 부분적으로만 매립된다.
이어서, 250 ℃ 내지 350 ℃의 수증기 분위기 중에서, 상기 도포막에 대하여 열 처리가 행하여진다. 본 실시예에서는, 상기 열 처리로서, 300 ℃의 수증기 분위기 중에서 30분간의 산화를 행하였다.
상기 열 처리에 의해, 상기 도포막 내의 불순물 탄소나 탄화수소가 제거되고, 또한 상기 도포막 내의 Si-N 결합의 대부분을 Si-O 결합으로 전환한다. 이 반응은, 전형적으로는 이하에 기재한 바와 같이 진행한다.
SiH2 NH + 2O → SiO2 + NH3
이 반응 및 열수축에 의해, 상기 도포막이 치밀화되어, CMP 가공을 행할 수 있는 폴리 실라잔막(308)이 얻어진다.
[도 24]
다음으로, 100 : 1 희석 불산을 이용한 웨트 에칭에 의해, 폴리 실라잔막(308)이 250 ㎚ 에치백된다. 이 때, 아이솔레이션 홈의 폭에 상관없이, 폴리 실라잔막(308)은 등속으로 에치백된다. 이에 의해, 좁은 아이솔레이션 홈 내에는 폴리 실라잔막(308)이 150 ㎚ 잔존하여, 아이솔레이션 홈의 바닥 상승이 실현된다. 한편, 넓은 아이솔레이션 홈 내의 폴리 실라잔막(308)은 거의 완전하게 제거된다.
본 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 도 23의 공정에서, 300 ℃의 수증기 분위기 중에서 30분간의 산화(열 처리)를 폴리 실라잔막(308)에 대하여 행하였다. 이 경우, 폴리 실라잔막(308)의 원자수 밀도 5.9 × 1022 ㎝-3, 폴리 실라잔막(308)의 수축량 8.0%, 100 : 1의 희석 불산 웨트 에칭에서의 열 산화막에 대한 선택비 15, HTO막(307)에 대한 선택비 12가 실현되었다.
상기 선택비가 실현됨으로써, 폴리 실라잔막(308)을 웨트 에칭에 의해 에치백한 후에도, 게이트 산화막(302)의 측면에는 5 ㎚ 이상의 HTO막(307)이 잔존한다. 이 잔존한 HTO막(307)에 의해·게이트 산화막이 에칭액에 의해 침식되는 것은 방지된다. 또한, 넓은 아이솔레이션 홈으로서는 폴리 실라잔막(308)과 HTO막(307)의 선택비가 충분히 확보되어 있기 때문에, 기판 표면이 노출되지 않고(넓은 아이솔레이션 홈 바닥부에서 HTO 잔막 2 ㎚ 이상), 폴리 실라잔막(308)만이 제거되었다.
[도 25]
다음으로, 두께 500 ㎚의 HDP 실리콘 산화막(309)이 전체면에 퇴적되어, 아이솔레이션 홈 내가 HDP 실리콘 산화막(309)에 의해 완전하게 매립된다. 이 때, 남은 HTO막(307)은, 아이솔레이션 홈의 상부 측면 상의 부분이 위를 향하여, 막 두께가 얇게 된다. 그 결과, HDP 실리콘 산화막(309)이 매립되는 홈은, 테이퍼 형상을 갖는 것으로 되므로, 보이드리스의 매립이 용이하게 행해진다.
[도 26]
다음으로, CMP 프로세스에 의해, HDP 실리콘 산화막(309) 및 HTO막(307)이 평탄화된다. 다음으로, 웨트 에칭에 의해, HDP 실리콘 산화막(309)이 에치백되어, 원하는 높이를 갖는 HDP 실리콘 산화막(309)이 형성된다. 다음으로, 핫 인산 속에 서, 실리콘 질화막(303)이 제거되어, STI 영역이 형성된다.
그 후, 주지의 트랜지스터 등의 소자를 형성하는 공정이 계속되고, 도 27a 및 도 27b에 도시하는 반도체 장치가 얻어진다. 상기 트랜지스터는, 예를 들면 트렌치 DRAM 또는 트렌치 DRAM 혼재(혼전 LSI) 중 메모리셀 내의 트랜지스터이다.
도 27a 및 도 27b에서, Tr은 트랜지스터, 참조 부호 311은 익스텐션을 포함하는 소스/드레인, 참조 부호 312는 PMD라고 불리는 절연막, 참조 부호 313은 컨택트 플러그, 참조 부호 314는 메탈 배선(제1 배선층), 참조 부호 315는 절연막(제1 ILD 층), 참조 부호 316은 컨택트 플러그, 참조 부호 317은 메탈 배선(제2 배선층), 참조 부호 318은 절연막(제2 ILD층)이다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시예에서는, 반도체 기판으로서 실리콘 기판을 이용하였지만, 다른 반도체 기판을 이용하여도 상관없다. 예를 들면, SOI 기판이나, 액티브 에리어 내에 SiGe 영역을 포함하는 반도체 기판을 이용하여도 상관없다.
또한, 상기 실시예에서는, 도포막으로서는 폴리 실라잔막을 이용하였지만, 본 발명에 규정되는 막 밀도를 갖는 막, 혹은 본 발명에 규정되는 라이너막에 대한 웨트 에칭 레이트 선택비를 갖는 막이면, 상이한 약액으로 형성되는 도포막을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는, 도포막으로서는 폴리 실라잔막을 이용하였지만, 폴리 실라잔막 이외의 실리카계 피막 형성용 도포막을 이용하여도 상관없다. 이 경우에도, 폴리 실라잔막인 경우와 마찬가지로, 상기 실리카계 피막 형성용 도포막 으로 소자 분리 홈 내를 매립하고, 그 후 상기 실리카계 피막 형성용 도포막의 막 수축율이 소정 이하로 되는 조건 및 상기 실리카계 피막 형성용 도포막의 밀도가 소정 이하로 되는 조건 중 적어도 한 쪽의 조건에서, 상기 실리카계 피막 형성용 도포막을 가열하는 열 처리 공정을 행함으로써, 소자 분리 홈의 폭에 상관없이, 상기 실리카계 피막 형성용 도포막의 에칭 레이트를 거의 일정하게 할 수 있다.
이상, 실시예들을 통하여 본 발명을 설명하였지만, 추가의 장점 및 변경이 가능하다는 것은 본 기술 분야에 숙련된 자에게는 자명한 것이다. 따라서, 본 발명은 모든 점에서 상술한 설명 및 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위는 상기한 실시예의 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 정의되며, 또한 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 의도되어야 한다.