KR19990074005A - 웰 영역으로부터의 불순물 확산을 방지하는 트렌치 소자분리방법 - Google Patents

Abstract

웰 영역으로부터 필드 영역으로의 불순물 확산을 방지하기 위한 트렌치 소자 분리 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에서는 반도체 기판상에 상기 반도체 기판의 상면을 일부 노출시키는 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 마스크층을 식각 마스크로 하여 상기 반도체 기판의 노출된 부분을 건식 식각하여 트렌치 영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 질소 성분을 함유하는 도판트 확산 방지막을 형성하는 단계와, 상기 트렌치 영역 내에 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

웰 영역으로부터의 불순물 확산을 방지하는 트렌치 소자 분리 방법

본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 웰 영역으로부터 필드 영역으로의 불순물 확산을 방지하기 위한 트렌치 소자 분리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 장치의 소자 분리 방법으로써 널리 이용되는 선택적 산화에 의한 소자분리(LOCal Oxidation of Silicon; 이하, "LOCOS"라 칭함)법은 측면산화에 의한 버즈비크(Bird's beak) 현상, 버퍼층의 응력에 의한 실리콘 기판의 결정 결함 및 채널 저지를 위해 이온 주입된 불순물의 재분포 등의 문제로 반도체 장치의 전기적 특성 향상 및 고집적화 추세에 난점이 되고 있다.

이러한 LOCOS법의 문제점을 개선하기 위한 방법의 하나로서 트렌치 소자 분리 방법이 제안되었다. 트렌치 소자 분리 방법에서는 이온 주입 공정에 의하여 형성되는 N⁺활성 영역 및 P-웰과 P⁺활성 영역 및 N-웰의 누설 전류 특성이 문제가 되며, 이를 개선하기 위하여 많은 기술들이 개발되어 있다.

트렌치 소자 분리 방법에 의하여 소자 분리를 행하는 데 있어서, 필드 영역에서 식각에 의하여 형성된 트렌치 영역을 매립하기 위하여 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 형성되는 산화막을 이용한다. 일반적으로, CVD 방법에 의하여 형성된 산화막으로 필드 산화막을 형성하면 누설 전류 특성에 불리하게 작용한다. 이를 해결하기 위하여, 통상적으로는 기판을 식각하여 트렌치 영역을 형성한 후 상기 트렌치 영역을 산화막으로 매립하기 전에 열산화 공정에 의하여 상기 트렌치 영역의 내벽에 열산화막을 얇게 형성한다.

그러나, 후속의 반도체 소자 제조 공정에서 고온 열처리 공정을 거치면서 기판의 활성 영역에 이온 주입된 붕소 성분이 필드 산화막 쪽으로 확산되어 P⁺활성 영역의 접합 깊이가 얕아지게 되고, 그에 따라 P⁺활성 영역의 접합 누설 전류 특성이 열화되는 현상이 발생되고 있다.

또한, 기판상의 활성 영역 표면과 트렌치 산화막에 의하여 형성된 필드 영역 표면에 동시에 노출되는 콘택을 형성하는 경우에는 상기 콘택이 활성 영역과 필드 영역상에 동시에 걸쳐있게 되는 구조로 된다. 이 때, 상면에 상기 콘택이 걸쳐있는 P⁺활성 영역에서 상기한 바와 같이 보론 성분의 확산에 의하여 접합 깊이가 얕아져 있는 경우에는 상기 콘택으로부터 N-웰로의 누설 전류가 많아지는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제를 해결하고자 하는 것으로, 기판의 활성 영역에 이온 주입된 붕소 성분이 필드 산화막 쪽으로 외방 확산(out diffusion)되는 것을 방지할 수 있는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법을 제공하는 것이다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트렌치 소자 분리 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반도체 기판, 12 : 패드 산화막 패턴

14 : 질화막 패턴, 20 : 마스크층

30 : 확산 방지막, 40 : 트렌치 매립용 산화막

42 : 필드 산화막, 50 : 버퍼 산화막

62 : N형 불순물 주입 영역, 64 : P형 불순물 주입 영역

66 : P+ 불순물 주입 영역, 68 : N+ 불순물 주입 영역

62a : N-웰, 64a : P-웰

66a : P+ 활성 영역, 68a : N+ 활성 영역

A : 활성 영역, F : 필드 영역

T : 트렌치 영역

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 트렌치 소자 분리 방법에서는 반도체 기판상에 상기 반도체 기판의 상면을 일부 노출시키는 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 마스크층을 식각 마스크로 하여 상기 반도체 기판의 노출된 부분을 건식 식각하여 트렌치 영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 질소 성분을 함유하는 도판트 확산 방지막을 형성하는 단계와, 상기 트렌치 영역 내에 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 마스크층은 아래로부터 순차로 적층된 패드 산화막 패턴과 질화막 패턴을 포함한다.

상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는 질소 및 산소 함유 가스를 사용하여 열산화 공정을 행한다. 상기 질소 및 산소 함유 가스는 NO 및 N₂O로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스이다.

또는, 도판트 확산 방지막 형성 단계는 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 열산화막을 형성하는 단계와, 질소 및 산소 함유 가스를 사용하여 상기 열산화막에 대하여 열산화 공정을 행하는 단계를 포함할 수 있다.

다른 방법으로서, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 열산화막을 형성하는 단계와, 상기 열산화막에 질소 원자를 도핑하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 도핑 단계는 상기 열산화막이 형성된 결과물을 질소 함유 가스를 사용하여 열처리하거나, 상기 열산화막 내에 질소를 이온 주입하는 단계를 포함한다.

또는, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계에서는 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 산화 질화막(oxynitride film)을 형성한다. 상기 산화 질화막 형성 단계 후에 상기 산화 질화막을 열산화시키는 단계를 더 포함하는 것도 가능하다.

상기 필드 산화막 형성 단계는 상기 도판트 확산 방지막이 형성된 결과물상에 상기 트렌치 영역의 내부 및 상기 마스크층의 상면을 덮도록 트렌치 매립용 산화막을 형성하는 단계와, 상기 마스크층의 상면이 노출될 때까지 상기 트렌치 매립용 산화막을 평탄화하는 단계와, 상기 마스크층을 제거하는 단계를 포함한다.

상기 트렌치 매립용 산화막은 CVD 방법에 의하여 형성되고, 상기 평탄화 단계는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법에 의하여 행한다.

상기 필드 산화막 형성 단계 후에 상기 반도체 기판의 활성 영역상에 버퍼 산화막을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 활성 영역에 도판트를 이온 주입하여 불순물 주입 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 트렌치 소자 분리 방법에 의하여 필드 산화막이 형성되었을 때 P⁺활성 영역에서 접합 깊이가 얕아지는 일이 없고, 그에 따라 접합 누설 전류 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트렌치 소자 분리 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1은 반도체 기판(10)상에 마스크층(20)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 먼저, 반도체 기판(10)상에 300Å 이하의 두께를 가지는 패드 산화막패턴(12)과 2,000Å 이하의 두께를 가지는 질화막 패턴(14)을 차례로 형성하여 상기 반도체 기판(10)의 상면을 일부 노출시키는 마스크층(20)을 형성한다.

도 2는 트렌치 영역(T)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 상기 마스크층(20)을 식각 마스크로 하여 상기 반도체 기판(10)의 노출된 부분을 선택적으로 건식 식각하여 소정의 깊이, 예를 들면 약 10,000Å 이하의 깊이를 가지는 트렌치 영역(T)을 형성한다.

도 3은 상기 트렌치 영역(T) 내에 도판트 확산 방지막(30)을 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 구체적으로 설명하면, 상기 트렌치 영역(T)의 측벽 및 저면에 질소 성분을 함유하는 도판트 확산 방지막(30)을 형성한다. 상기 도판트 확산 방지막(30)은 후속 공정에서 활성 영역 표면에 이온 주입된 도판트, 즉 붕소 성분이 상기 트렌치 영역 내의 필드 산화막으로 확산되는 것을 방지하기 위하여 형성하는 것이다.

상기 도판트 확산 방지막(30)을 형성하기 위하여, 질소 및 산소 함유 가스, 예를 들면 NO 또는 N₂O 가스를 사용하여 열산화 공정을 행한다.

또는, 상기 도판트 확산 방지막(30)을 형성하기 위하여, 먼저 통상의 경우에서와 같이 상기 트렌치 영역(T)의 측벽 및 저면에 열산화 공정에 의하여 열산화막을 얇게 형성한 후, 질소 및 산소 함유 가스, 예를 들면 NO 또는 N₂O 가스를 사용하여 상기 열산화막에 대하여 추가적으로 열산화 공정을 행한다.

상기 도판트 확산 방지막(30)을 형성하기 위한 다른 방법으로서, 먼저 통상의 경우에서와 같이 상기 트렌치 영역(T)의 측벽 및 저면에 열산화 공정에 의하여 열산화막을 얇게 형성한 후, 이와 같이 얻어진 열산화막 내에 질소 원자를 도핑한다. 열산화막 내에 질소 원자를 도핑하기 위하여, 상기 열산화막이 형성된 결과물을 질소 함유 가스, 예를 들면 NH₃가스를 사용하여 열처리하는 방법 또는 상기 열산화막 내에 질소를 이온 주입하는 방법을 이용할 수 있다.

상기 도판트 확산 방지막(30)을 형성하기 위한 또 다른 방법으로서, 상기 트렌치 영역(T)의 측벽 및 저면에 CVD(ChemicalVapor Deposition) 방법에 의하여 산화 질화막(oxynitride film)을 형성한다. 경우에 따라서, 상기 산화 질화막이 형성된 결과물에 대하여 열산화 공정을 추가로 행할 수 있다.

도 4는 상기 트렌치 영역(T)을 매립하기 위한 트렌치 매립용 산화막(40)을 형성하는 단계를 나타낸다. 상기 도판트 확산 방지막(30)이 형성된 결과물에서 상기 트렌치 영역(T) 내부 및 상기 마스크층(20)의 상면을 덮도록 트렌치 매립용 산화막(40)을 소정의 두께로 CVD 방법에 의하여 형성한다.

도 5는 필드 산화막(42)을 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 상기 마스크층(20)의 질화막 패턴(14)을 식각 저지층으로 하여 상기 질화막 패턴(14)의 상면이 노출될 때까지 상기 트렌치 매립용 산화막(40)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법에 의하여 평탄화한다. 그 후, 상기 노출된 질화막 패턴(14)을 질화막 식각 용액으로 제거한 후, 상기 패드 산화막 패턴(12)을 산화막 식각 용액으로 제거하여, 반도체 기판(10) 표면 즉 활성 영역(A)을 노출시킨다. 그 결과, 활성 영역(A)의 표면 높이와 대략 일치하는 높이를 가지는 필드 산화막(42)에 의하여 필드 영역(F)이 형성된다.

도 6은 상기 활성 영역(A)에 이온 주입을 행하는 단계를 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 열산화 공정에 의하여 상기 활성 영역(A) 표면에 이온 주입을 위한 버퍼 산화막(50)을 형성한다. 그 후, 상기 버퍼 산화막(50)을 통하여 상기 반도체 기판(10) 내에 불순물을 이온 주입함으로써 N형 불순물 주입 영역(62) 및 P형 불순물 주입 영역(64)을 형성하고, P+ 불순물 주입 영역(66) 및 N⁺불순물 주입 영역(68)을 형성한다.

도 7을 참조하면, 고온 열처리 공정을 통하여 상기와 같이 이온 주입된 불순물을 활성화시켜서 N-웰(62a) 및 P-웰(64a)을 형성하고, P⁺활성 영역(66a) 및 N⁺활성 영역(68a)을 형성한다. 그 결과, 상기 P⁺활성 영역(66a)에서 도판트, 즉 붕소 성분의 확산이 상기 도판트 확산 방지막(30)에 의하여 차단되어 상기 P⁺활성 영역(66a)의 접합 깊이가 얕아지지 않는다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 트렌치 산화막에 의한 소자 분리시에 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 질소를 함유하는 도판트 확산 방지막을 형성하므로, 후속 공정에서 고온으로 열처리하는 경우에도 P⁺활성 영역에서 도판트, 예를 들면 붕소 성분이 필드 산화막으로 확산되는 것이 방지된다. 따라서, P⁺활성 영역에서 접합 깊이가 얕아지는 일이 없고, 그에 따라 접합 누설 전류 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 활성 영역 표면과 필드 영역 표면에 동시에 노출되는 콘택을 형성하여 상기 콘택이 활성 영역과 필드 영역상에 동시에 걸쳐있게 되는 구조를 형성하는 경우에도, 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 도판트 확산 방지막이 형성되어 있으므로, 상면에 상기 콘택이 걸쳐있는 P⁺활성 영역에서 보론 성분이 필드 산화막으로 확산되지 않아서 접합 깊이가 얕아지지 않는다. 따라서, 상기 콘택으로부터 N-웰로의 누설 전류가 많아지는 문제를 해결할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (15)

1. 반도체 기판상에 상기 반도체 기판의 상면을 일부 노출시키는 마스크층을 형성하는 단계와,

   상기 마스크층을 식각 마스크로 하여 상기 반도체 기판의 노출된 부분을 건식 식각하여 트렌치 영역을 형성하는 단계와,

   상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 질소 성분을 함유하는 도판트 확산 방지막을 형성하는 단계와,

   상기 트렌치 영역 내에 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크층은 아래로부터 순차로 적층된 패드 산화막 패턴과 질화막 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는 질소 및 산소 함유 가스를 사용하여 열산화 공정을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 질소 및 산소 함유 가스는 NO 및 N₂O로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는

   상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 열산화막을 형성하는 단계와,

   질소 및 산소 함유 가스를 사용하여 상기 열산화막에 대하여 열산화 공정을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 질소 및 산소 함유 가스는 NO 및 N₂O로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 가스인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는

   상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 열산화막을 형성하는 단계와,

   상기 열산화막에 질소 원자를 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 도핑 단계는 상기 열산화막이 형성된 결과물을 질소 함유 가스를 사용하여 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 도핑 단계는 상기 열산화막 내에 질소를 이온 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 도판트 확산 방지막 형성 단계는 상기 트렌치 영역의 측벽 및 저면에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의하여 산화 질화막(oxynitride film)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 산화 질화막 형성 단계 후에

    상기 산화 질화막을 열산화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 필드 산화막 형성 단계는

    상기 도판트 확산 방지막이 형성된 결과물상에 상기 트렌치 영역의 내부 및 상기 마스크층의 상면을 덮도록 트렌치 매립용 산화막을 형성하는 단계와,

    상기 마스크층의 상면이 노출될 때까지 상기 트렌치 매립용 산화막을 평탄화하는 단계와,

    상기 마스크층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 트렌치 매립용 산화막은 CVD 방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 평탄화 단계는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법에 의하여 행하는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 필드 산화막 형성 단계 후에

    상기 반도체 기판의 활성 영역상에 버퍼 산화막을 형성하는 단계와,

    상기 반도체 기판의 활성 영역에 도판트를 이온 주입하여 불순물 주입 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.