KR19990011893A - Isolation Area Formation Method - Google Patents

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김완식
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문정환
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Abstract

격리영역 형성방법에 관한 것으로 특히, STI구조의 트랜치를 일반적인 산화막을 이용하여 보이드(void)없이 채울 수 있도록한 격리영역 형성방법에 관한 것이다. 이와 같은 격리영역 형성방법은 반도체기판상에 제 1 및 제 2 절연막을 차례로 형성하는 단계, 격리영역의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판을 일정깊이 식각하여 트랜치를 형성하는 단계, 상기 트랜치내의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판의 측면에 측벽 스페이서를 형성하는 단계, 상기 트랜치를 포함한 상기 반도체기판 전면에 제 3 절연막을 형성하는 단계, 상기 3 절연막을 평탄화하여 상기 제 2 절연막의 상측면을 노출시키는 단계, 상기 제 2 절연막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for forming an isolation region, and more particularly, to an isolation region formation method in which a trench of an STI structure can be filled without a void by using a general oxide film. The isolation region forming method may include sequentially forming first and second insulating layers on a semiconductor substrate, etching the second and first insulating layers and the semiconductor substrate in a predetermined depth to form a trench, and forming a trench in the trench. Forming sidewall spacers on side surfaces of the second and first insulating films and the semiconductor substrate; forming a third insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench; and planarizing the three insulating films to form an upper surface of the second insulating film. Exposing the light and selectively removing the second insulating film.

Description

격리영역 형성방법Isolation Area Formation Method

본 발명은 격리영역 형성방법에 관한 것으로 특히, STI구조의 트랜치를 일반적인 산화막을 이용하여 보이드(void)없이 채울수 있도록한 격리영역 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming an isolation region, and more particularly, to a method for forming an isolation region in which a trench of an STI structure can be filled without a void using a general oxide film.

반도체 소자가 점차로 고집적화 됨에 따라 그에 따른 여러가지 방법중 소자격리영역(Field Region)과 소자형성영역 즉, 활성영역(Active Region)의 크기를 축소하는 방법들이 제안되고 있다. 일반적인 소자격리영역의 형성기술로는 로코스(LOCOS : LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 사용하였다. 이러한 로코스 공정을 이용한 격리영역 형성공정은 그 공정이 간단하고 재현성이 우수하다는 장점이 있어 많이 사용되고 있다. 그러나 소자가 점차로 고집적화 함에 따라 로코스 공정으로 격리영역을 형성하는 경우 로코스로 형성된 격리산화막의 특징인, 활성영역으로 확장되는 격리산화막 에지부의 버드비크(Bird Beak) 발생때문에 활성영역의 면적이 축소되어 64MB급 이상의 디램(DRAM : Dynamic Random Access Memory) 소자에서 사용하기에는 적합하지 못한 것으로 알려져 있다. 그래서 종래 로코스를 이용한 격리영역의 형성방법에는 버드비크의 생성을 방지하거나 또는 버드비크를 제거하여 격리영역을 축소하고 활성영역을 늘리는 등의 어브밴스드 로코스(Advanced LOCOS) 공정이 제안되어 64MB 또는 256MB급 디램의 제조공정에서 사용되었다. 그러나 이러한 어드밴스드 로코스를 사용한 격리영역의 형성공정도 셀영역의 면적이 0.2μm2이하를 요구하는 기가(GIGA)급 이상의 디램 에서는 격리영역이 차지하는 면적이 크다는 문제점과 로코스 공정으로 형성되는 필드 산화막이 실리콘 기판과의 계면에서 형성되면서 실리콘 기판의 농도가 필드 산화막과 결합으로 인해 낮아지게 되어 결과적으로 누설전류가 발생하는 등의 문제점이 발생하여 격리영역의 특성이 나빠지므로 기가(GIGA) 디램급 이상의 격리영역 형성방법으로 격리영역의 두께 조절이 용이하고 격리 효과를 높일수 있는 트랜치(trench)를 이용한 격리영역 형성방법이 제안되었다.As semiconductor devices are increasingly integrated, methods of reducing the size of a device isolation region and a device formation region, that is, an active region, have been proposed. A LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) process was used as a technique for forming a device isolation region. The isolation region forming process using the LOCOS process has been widely used because of its advantages that the process is simple and excellent in reproducibility. However, as the device is increasingly integrated, the area of the active region is reduced due to the occurrence of bird beaks in the edge of the isolation oxide that extends into the active region, which is a characteristic of the isolation oxide formed by the LOCOS process. It is not suitable for use in DRAMs of more than 64MB. Therefore, in the conventional method of forming an isolation region using LOCOS, an advanced LOCOS process is proposed such as preventing the formation of bud beak or removing the bud beak to reduce the isolation region and increase the active region. Or in the manufacturing process of 256MB DRAM. However, in the process of forming the isolation region using the advanced advanced process, the area of the isolation region is large in the GIGA class or more DRAM which requires the area of the cell region to be 0.2 μm 2 or less and the field oxide film formed by the LOCOS process. As the silicon substrate is formed at the interface with the silicon substrate, the concentration of the silicon substrate is lowered due to the combination with the field oxide film, and as a result, a leakage current is generated, resulting in poor isolation characteristics. As a method of forming an isolation region, a method of forming an isolation region using a trench which can easily control the thickness of the isolation region and increase the isolation effect has been proposed.

이와 같은 종래 격리영역 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.This conventional isolation region formation method will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1a 내지 도 1f는 종래 격리영역 형성공정 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views of a conventional isolation region forming process.

먼저, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(1)상에 산화막(2)을 형성한다.First, as shown in FIG. 1A, an oxide film 2 is formed on a semiconductor substrate 1.

도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 산화막(2)상에 질화막(3)을 형성한다.As shown in FIG. 1B, a nitride film 3 is formed on the oxide film 2.

도 1c에 나타낸 바와 같이, 격리영역을 정의하여 격리영역의 질화막(3) 및 산화막(2)을 선택적으로 패터닝(포토리소그래피공정 + 식각공정)한다. 계속해서 상기 반도체기판(1)을 일정깊이 식각하여 트랜치(4)를 형성한다.As shown in Fig. 1C, the isolation region is defined to selectively pattern the nitride film 3 and the oxide film 2 in the isolation region (photolithography process + etching process). Subsequently, the semiconductor substrate 1 is etched to a certain depth to form a trench 4.

도 1d에 나타낸 바와 같이, 상기 트랜치(4)를 포함한 상기 반도체기판(1) 전면에 소자격리용 산화막(5)을 증착한다. 이때, 트랜치(4)의 단차피복성(STEP COVERAGE) 때문에 트랜치(4)가 완전히 채워지지 않고 보이드(6)가 형성되었다. 이와 같은 보이드(6)는 반도체소자의 고집적화가 진행될수록 그 발생 가능성이 높아지는 것으로, 트랜치(4)의 종횡비(ASPECT RATIO)가 커질수록 소자격리용 산화막(5)이 트랜치(4)내에 완전히 채워지지 않고 보이드(VOID)를 발생시킬 가능성은 점점 높아진다. 특히, 상기 트랜치(4)의 경사가 가파르게 형성되었을 경우에는 그와 같은 문제가 더욱 심각하다.As shown in FIG. 1D, an oxide isolation film 5 for isolation of the device is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 including the trench 4. At this time, due to the step coverage of the trench 4, the trench 4 is not completely filled and the void 6 is formed. The higher the integration of the semiconductor device, the higher the probability of occurrence of such voids 6. As the aspect ratio (ASPECT RATIO) of the trench 4 increases, the isolation layer 5 is not completely filled in the trench 4. The likelihood of generating VOID is increasing. In particular, such a problem is more serious when the inclination of the trench 4 is formed steeply.

도 1e에 나타낸 바와 같이, 화학기계적경면연마법(CMP : Chemical Mechanical Polishing)을 사용하여 상기 소자격리용 산화막(5) 및 질화막(3)을 연마하여 상기 소자격리용 산화막(5)은 상기 트랜치(4)내에 격리막(5a)으로 형성하고 질화막(3)도 소정 두께만 남도록 연마한다.As shown in FIG. 1E, the device isolation oxide film 5 and the nitride film 3 are polished by using chemical mechanical polishing (CMP), and the device isolation oxide film 5 is formed in the trench (CMP). 4) It is formed in the isolation film 5a, and the nitride film 3 is also polished so that only a predetermined thickness remains.

도 1f에 나타낸 바와 같이, 상기 질화막(3)을 완전히 제거한다.As shown in Fig. 1F, the nitride film 3 is completely removed.

종래 격리영역 형성방법에 반도체소자가 고집적화함에 따라 트랜치의 종횡비가 크고 트랜치의 경사가 가파르게 형성되어 있어 트랜치내에 산화막을 채워 격리막을 형성하는 공정시 보이드(VOID)의 발생가능성이 높아 격리막으로서의 신뢰도를 저하시키는 문제점이 있었다.As semiconductor devices are highly integrated in the conventional isolation region formation method, the aspect ratio of the trench is high and the slope of the trench is steep, so that the occurrence of voids during the process of forming the isolation layer by filling the oxide film in the trench increases the reliability of the isolation layer. There was a problem letting.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 격리영역 형성방법의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 격리막을 형성할 트랜치내에 측벽 스페이서를 형성한후 격리막을 형성하므로 보이드없이 트랜치를 채울수 있도록한 격리영역 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the conventional method for forming an isolation region as described above, so that the isolation layer is formed after forming sidewall spacers in the trench to form the isolation layer, thereby providing an isolation region formation method capable of filling the trench without voids. Its purpose is to.

도 1a 내지 도 1f는 종래 격리영역 형성공정 단면도1A to 1F are cross-sectional views of a conventional isolation region forming process.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명 격리영역 형성공정 단면도Figure 2a to 2h is a cross-sectional view of the isolation region forming process of the present invention

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

11 : 반도체기판 12 : 제 1 절연막11 semiconductor substrate 12 first insulating film

13 : 제 2 절연막 14 : 트랜치13 second insulating film 14 trench

15a : 측벽 스페이서 16a : 격리막15a: sidewall spacer 16a: separator

본 발명에 따른 격리영역 형성방법은 반도체기판상에 제 1 및 제 2 절연막을 차례로 형성하는 단계, 격리영역의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판을 일정깊이 식각하여 트랜치를 형성하는 단계, 상기 트랜치내의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판의 측면에 측벽 스페이서를 형성하는 단계, 상기 트랜치를 포함한 상기 반도체기판 전면에 제 3 절연막을 형성하는 단계, 상기 3 절연막을 평탄화하여 상기 제 2 절연막의 상측면을 노출시키는 단계, 상기 제 2 절연막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함한다.In the method of forming an isolation region according to the present invention, the steps of sequentially forming a first and a second insulating film on a semiconductor substrate, forming a trench by etching a predetermined depth of the second, first insulating film and the semiconductor substrate of the isolation region, Forming sidewall spacers on side surfaces of the second and first insulating films and the semiconductor substrate in the trench; forming a third insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench; planarizing the third insulating film to Exposing an upper side, and selectively removing the second insulating film.

이와 같은 본 발명 격리영역 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Such a method for forming an isolation region of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명 격리영역 형성공정 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views of the isolation region forming process of the present invention.

먼저, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(11)상에 제 1 절연막(12)을 형성한다. 이때, 산화막으로 형성한다.First, as shown in FIG. 2A, the first insulating film 12 is formed on the semiconductor substrate 11. At this time, an oxide film is formed.

도 2b에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 절연막(12)상에 제 2 절연막(13)을 형성한다. 이때, 상기 제 2 절연막(13)은 상기 제 1 절연막(12)과 식각선택비가 다른 물질을 사용하여 형성하며 바람직하게는 질화막으로 형성한다.As shown in FIG. 2B, a second insulating film 13 is formed on the first insulating film 12. In this case, the second insulating layer 13 is formed of a material having a different etching selectivity from the first insulating layer 12, and preferably formed of a nitride layer.

도 2c에 나타낸 바와 같이, 격리영역을 정의하여 격리영역의 제 2 절연막(13) 및 제 1 절연막(12)을 선택적으로 패터닝(포토리소그래피공정 + 식각공정)한다. 계속해서, 상기 격리영역의 상기 반도체기판(11)을 일정깊이 식각하여 트랜치(14)를 형성한다. 이때, 상기 격리영역은 반도체소자간의 격리를 위한 격리막을 형성할 영역이다.As shown in FIG. 2C, the isolation region is defined to selectively pattern the second insulating film 13 and the first insulating film 12 in the isolation region (photolithography process + etching process). Subsequently, the semiconductor substrate 11 in the isolation region is etched to a predetermined depth to form a trench 14. In this case, the isolation region is a region for forming an isolation layer for isolation between semiconductor devices.

도 2d에 나타낸 바와 같이, 상기 트랜치(14)내의 상기 반도체기판(11) 표면 및 제 1, 제 2 절연막(12)(13)의 표면을 따라서 제 3 절연막(15)을 형성한다. 이때, 상기 제 3 절연막(15)은 저압화학기상증착(LPCVD : Low Pressure Chemical Vapour Deposition)법을 사용하여 산화물과 질화물중 어느 하나로 형성하며, 산화물로 형성할 경우에는 HLD(High Temperature Low Pressure Dielectric)막으로 형성한다. 또한, USG(Undoped Silicate Glass)막으로 형성하여도 무방하다. 그리고, 상기 제 3 절연막(15)을 상기 트랜치(14)를 포함한 전면에 형성하기전에 상기 트랜치(14)내의 상기 반도체기판(11)의 표면을 산화(oxidation)한후 증착한다(도시하지 않음). 그와 같은 이유는 트랜치(14)를 형성하기 위한 식각공정시 발생한 반도체기판(11)의 식각 데미지를 회복하고, 누설전류의 발생을 억제하기 위한 것이다.As shown in FIG. 2D, a third insulating film 15 is formed along the surface of the semiconductor substrate 11 and the surfaces of the first and second insulating films 12 and 13 in the trench 14. In this case, the third insulating layer 15 is formed of one of an oxide and a nitride by using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, and when formed of an oxide, high temperature low pressure dielectric (HLD) Form into a film. It may also be formed of a USG (Undoped Silicate Glass) film. Before the third insulating film 15 is formed on the entire surface including the trench 14, the surface of the semiconductor substrate 11 in the trench 14 is oxidized and deposited (not shown). The reason for this is to recover the etching damage of the semiconductor substrate 11 generated during the etching process for forming the trench 14 and to suppress the occurrence of leakage current.

도 2e에 나타낸 바와 같이, 상기 제 3 절연막(15)을 에치백하여 상기 트랜치(14)내의 상기 제 2, 제 1 절연막(13)(12) 및 반도체기판(11)의 측면에 측벽 스페이서(15a)를 형성한다. 이때, 상기 반도체기판(11)의 식각 데미지를 방지하기 위하여 측벽 스페이서(15a)에 대한 에치백 공정시 트랜치(14)하부의 반도체기판(11)이 노출되지 않도록 언더 에치(under etch) 할 수 있다. 이때, 상기한 바와 같은 측벽 스페이서(15a)의 형성으로 트랜치(14)의 경사가 완만하게 됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 2E, the sidewall spacers 15a are etched back on the sidewalls of the second and first insulating layers 13 and 12 and the semiconductor substrate 11 in the trench 14. ). In this case, in order to prevent the etch damage of the semiconductor substrate 11, during the etch back process of the sidewall spacer 15a, the semiconductor substrate 11 under the trench 14 may be under etched so as not to be exposed. . At this time, it can be seen that the inclination of the trench 14 is gentle due to the formation of the sidewall spacers 15a as described above.

도 2f에 나타낸 바와 같이, 상기 트랜치(14) 및 측벽 스페이서(15a)를 포함한 제 2 절연막(13) 전면에 제 4 절연막(16)을 형성한다.As shown in FIG. 2F, a fourth insulating film 16 is formed on the entire surface of the second insulating film 13 including the trench 14 and the sidewall spacers 15a.

도 2g에 나타낸 바와 같이, 화학기계적경면연마법으로 상기 제 4 절연막(16) 및 제 2 절연막(13)을 연마하여 상기 제 4 절연막(16)은 상기 트랜치(14)내에 격리막(16a)으로 형성하고, 상기 제 2 절연막(13)은 소정 두께만 남긴다.As shown in FIG. 2G, the fourth insulating film 16 and the second insulating film 13 are polished by chemical mechanical mirror polishing to form the insulating film 16a in the trench 14. In addition, the second insulating layer 13 leaves only a predetermined thickness.

도 2h에 나타낸 바와 같이, 상기 제 2 절연막(13)을 완전히 제거한다.As shown in Fig. 2H, the second insulating film 13 is completely removed.

본 발명에 따른 격리영역 형성방법에 있어서는 STI구조의 트랜치내에 측벽 스페이서 형상의 절연막을 형성하여 트랜치내의 경사가 완만해진다음 절연막을 이용한 절연막 증착공정을 실시하므로 보이드(void)없이 트랜치를 채울수 있어 신뢰도 높은 격리영역 형성방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.In the method for forming an isolation region according to the present invention, an insulating film having a sidewall spacer shape is formed in the trench of the STI structure so that the inclination in the trench is smoothed. There is an effect that can provide a method for forming an isolation region.

Claims (2)

반도체기판상에 제 1 및 제 2 절연막을 차례로 형성하는 단계;Sequentially forming first and second insulating films on the semiconductor substrate; 격리영역의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판을 일정깊이 식각하여 트랜치를 형성하는 단계;Etching the second and first insulating layers and the semiconductor substrate in the isolation region to form a trench; 상기 트랜치내의 상기 제 2, 제 1 절연막 및 반도체기판의 측면에 측벽 스페이서를 형성하는 단계;Forming sidewall spacers on side surfaces of the second and first insulating films and the semiconductor substrate in the trench; 상기 트랜치를 포함한 상기 반도체기판 전면에 제 3 절연막을 형성하는 단계;Forming a third insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the trench; 상기 3 절연막을 평탄화하여 상기 제 2 절연막의 상측면을 노출시키는 단계;Planarizing the third insulating film to expose an upper surface of the second insulating film; 상기 제 2 절연막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 격리영역 형성방법.And selectively removing the second insulating film. 제 1 항에 있어서, 상기 측벽 스페이서는 산화물과 질화물중 어느 하나로 형성함을 특징으로 하는 격리영역 형성방법.The method of claim 1, wherein the sidewall spacer is formed of one of an oxide and a nitride.
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