KR20010002305A - Shallow trench isolation manufacturing method - Google Patents
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Abstract
트렌치 상부 에지 부분의 코너 라운딩 취약에 의한 소자 분리 특성 저하 및 누설 전류 발생을 방지하기 위하여, 실리콘웨이퍼 상에 패드 산화막과 질화막을 형성하고, 모트 식각하여 트렌치를 형성한 후, 실리콘웨이퍼를 산화막 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 패드 산화막 측벽을 식각하며, 실리콘 습식 식각 세정하여 트렌치 내벽의 실리콘웨이퍼를 식각하여 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼를 라운딩되게 한다. 이후, 실리콘웨이퍼를 열산화하여 트렌치 내벽에 라이너 산화막을 성장시키고, 절연막을 증착하여 트렌치를 매입한 후, 질화막을 버퍼층으로 절연막을 평탄화하고, 질화막을 제거함으로써 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 완성한다. 이와 같이 실리콘웨이퍼를 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼를 라운딩한 상태에서 열산화하여 트렌치 내벽에 라이너 산화막을 열성장시키므로, 트렌치 상부 에지에서의 양호한 코너 라운딩 프로파일을 얻을 수 있어 전계 집중에 따른 채널 리키지 및 소자 분리 특성 저하 등을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 반도체 소자 제조 공정의 수율을 향상시킬 수 있다.In order to prevent deterioration of device isolation and leakage current due to weak corner rounding of the trench upper edge portion, a pad oxide film and a nitride film are formed on the silicon wafer, and a trench is formed by mort etching, followed by wet etching the silicon wafer. The silicon oxide sidewall of the trench upper edge portion may be etched to etch the silicon oxide sidewall of the trench, and the silicon wafer of the trench inner edge portion may be etched to wet the silicon oxide sidewall of the trench. Thereafter, the silicon wafer is thermally oxidized to grow a liner oxide film on the inner wall of the trench, an insulating film is deposited to fill the trench, and the nitride film is planarized with a buffer layer, and the nitride film is removed to complete the shallow trench for semiconductor device isolation. . In this way, the silicon wafer is wet-etched and thermally oxidized while the silicon wafer at the upper edge portion of the trench is rounded to thermally grow the liner oxide film on the inner wall of the trench, so that a good corner rounding profile at the upper edge of the trench can be obtained to concentrate the electric field. In addition, the reliability of the semiconductor device may be improved by preventing channel leakage and deterioration of device isolation characteristics, and the yield of the semiconductor device manufacturing process may be improved.
Description
본 발명은 반도체 소자를 제조하는 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자의 제조 공정중 반도체 소자와 소자 간을 전기적으로 격리하기 위한 얕은 트렌치(shallow trench isolation, STI)를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a shallow trench isolation (STI) for electrically isolation between the semiconductor device and the device during the manufacturing process of the semiconductor device. .
일반적으로 반도체 소자를 분리하는 방법으로는 선택적 산화법으로 질화막을 이용하는 LOCOS(local oxidation of silicon) 소자 분리 방법이 이용되어 왔다.In general, a method of separating a semiconductor device has been used a local oxidation of silicon (LOCOS) device separation method using a nitride film as a selective oxidation method.
LOCOS 소자 분리 방법은 질화막을 마스크로 해서 실리콘웨이퍼 자체를 열 산화시키기 때문에 공정이 간소해서 산화막의 소자 응력 문제가 적고, 생성되는 산화막질이 좋다는 큰 이점이 있다.Since the LOCOS device isolation method thermally oxidizes the silicon wafer itself using a nitride film as a mask, the process is simple and there is a great advantage that the device stress problem of the oxide film is small, and the oxide film produced is good.
그러나, LOCOS 소자 분리 방법을 이용하면 소자 분리 영역이 차지하는 면적이 크기 때문에 미세화에 한계가 있을 뿐만 아니라 버즈 비크(bird's beak)가 발생하게 된다.However, when the LOCOS device isolation method is used, the area occupied by the device isolation region is not only limited in miniaturization but also causes a bird's beak.
이러한 것을 극복하기 위해 LOCOS 소자 분리 방법을 대체하는 기술로서 트렌치 소자 분리(STI ; shallow trench isolation)가 있다. 트렌치 소자 분리에서는 실리콘웨이퍼에 트렌치를 만들어 절연물을 집어넣기 때문에 소자 분리 영역이 차지하는 면적이 작아서 미세화에 유리하다.In order to overcome this, a trench trench isolation (STI) technique is an alternative to the LOCOS isolation scheme. In trench device isolation, since trenches are made in silicon wafers to insulate the insulating material, the area occupied by device isolation regions is small, which is advantageous for miniaturization.
그러면, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 종래 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 제조하는 방법을 설명한다.1A to 1D, a method of manufacturing a shallow trench for separating a conventional semiconductor device will be described.
먼저 도 1a에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1)를 열산화하여 열산화막인 패드 산화막(2)을 성장시키고, 그 상부에 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 질화막(3)을 증착한다. 그리고, 질화막(3) 상부에 트렌치 식각을 위한 모트(moat) 패턴을 형성한 후, 모트 패턴을 마스크로 드러난 질화막(3)과 패드 산화막(2)을 식각하여 제거하고, 다시 드러난 실리콘웨이퍼(1)를 건식 식각에 의해 목표 두께 만큼 식각하여 반도체 소자 분리 영역에 얕은 트렌치를 형성(모트 식각)하고, 질화막 상부의 모트 패턴을 제거한다.First, as shown in FIG. 1A, the silicon wafer 1 is thermally oxidized to grow a pad oxide film 2, which is a thermal oxidation film, and the nitride film 3 is formed on the upper portion by chemical vapor deposition (CVD). Deposit. In addition, after forming a moat pattern for trench etching on the nitride layer 3, the nitride layer 3 and the pad oxide layer 2 exposed as a mask are etched and removed, and the silicon wafer 1 again exposed. ) Is etched to a target thickness by dry etching to form a shallow trench (mot etching) in the semiconductor device isolation region, and to remove the mott pattern on the nitride film.
그 다음 도 1b에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1)를 열산화하여 열산화막인 라이너(liner) 산화막(4)을 형성한다. 이때, 질화막(3)이 형성된 활성 영역 즉, 반도체 소자가 형성될 영역의 실리콘웨이퍼에서는 열산화막인 라이너 산화막이 성장하지 못하며, 실리콘이 드러난 트렌치 내벽에만 열산화막인 라이너 산화막이 성장된다.1B, the silicon wafer 1 is thermally oxidized to form a liner oxide film 4, which is a thermal oxide film. At this time, in the silicon wafer of the active region where the nitride film 3 is formed, that is, the region in which the semiconductor device is to be formed, the liner oxide film, which is a thermal oxide film, cannot grow, and the liner oxide film, which is a thermal oxide film, is grown only on the inner wall of the trench where silicon is exposed.
그 다음 도 1c에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(1) 전면에 상압 화학 기상 증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD)에 의해 산화막 등의 절연막(5)을 두껍게 증착하여 트렌치를 완전히 매입하고, 세정하여 실리콘웨이퍼(1) 후면의 불순물을 제거한 후, 어닐링(annealing)하여 절연막(5)의 밀도를 증가시킴으로써 집적 회로에서 반도체 소자 분리를 위한 절연 특성을 가지도록 한다. 그리고, 절연막(5) 상부에 모트 패턴과 반대 형상의 패턴 즉, 리버스(reverse) 모트 패턴을 형성하고, 리버스 모트 패턴을 마스크로 드러난 절연막(5)을 식각하여 질화막이 드러나도록 한 후, 리버스 모트 패턴을 제거한다.Then, as shown in FIG. 1C, an insulating film 5 such as an oxide film is thickly deposited by atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) on the entire surface of the silicon wafer 1 to completely fill the trench, and to clean it. By removing impurities on the back surface of the silicon wafer 1 and then annealing to increase the density of the insulating film 5 to have an insulating property for semiconductor device isolation in an integrated circuit. Then, a pattern having a shape opposite to that of the mort pattern, that is, a reverse mort pattern is formed on the insulating layer 5, and the nitride film is exposed by etching the insulating layer 5 having the reverse mort pattern as a mask to expose the reverse mort. Remove the pattern.
그 다음 도 1d에 도시한 바와 같이, 질화막(도 1c의 3)을 버퍼층으로 절연막(5)을 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정에 의해 평탄화한 후, 활성 영역 실리콘웨이퍼 상부에 잔류하는 질화막을 제거함으로써 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 완성한다.Then, as shown in FIG. 1D, the insulating film 5 is planarized by a nitride film (3 in FIG. 1C) using a buffer layer by chemical mechanical polishing (CMP) process, and then remains on top of the active region silicon wafer. By removing the nitride film, a shallow trench for semiconductor device isolation is completed.
이와 같이 종래의 방법에 의해 제조된 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치에서는 반도체 소자 동작을 위한 게이트 전압 인가시, 트렌치 상부 에지(edge) 부분에 전계가 집중되므로 SILC(stress induced leakage) 등의 채널 리키지(channel leakage)가 발생하여 반도체 소자의 신뢰성을 저하시키게 된다. 따라서, 이러한 것을 방지하기 위하여 트렌치 상부 에지 부분을 라운딩되게 형성하고 있으며, 특히 코너 라운딩의 프로파일(profile)을 좋게 형성하기 위하여, 라이너 산화막 성장을 위한 열산화시 클로린(clorine, Cl)을 포함하여 열산화와 동시에 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼가 식각되도록 하여 코너 라운딩을 형성한다. 그러나, 이 방법은 트렌치 상부 에지 코너의 라운딩이 미흡하고, 실리콘웨이퍼와 라이너 산화막의 계면에 클로린이 잔류하게 되므로 후속 열공정이 있을 경우, 클로린에 의한 오염에 의해 리키지가 발생하게 되는 문제점이 있다.As described above, in a shallow trench for isolation of semiconductor devices manufactured by a conventional method, when a gate voltage is applied for operation of a semiconductor device, an electric field is concentrated on the upper edge portion of the trench, so channel channeling such as stress induced leakage (SILC) is performed. (channel leakage) occurs to reduce the reliability of the semiconductor device. Therefore, in order to prevent this, the trench upper edge portion is formed to be rounded, and particularly, in order to form a good profile of corner rounding, thermal oxidation including clorine (Cl) for thermal oxidation for liner oxide film growth is performed. Simultaneously with oxidation, the silicon wafer in the trench upper edge portion is etched to form corner rounding. However, this method has a problem that the rounding of the upper edge corner of the trench is insufficient, and chlorine remains at the interface between the silicon wafer and the liner oxide film, so that there is a problem that the chlorine is generated by contamination by chlorine when there is a subsequent thermal process.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 트렌치 상부 에지 부분의 코너 라운딩 취약에 의한 소자 분리 특성 저하 및 누설 전류 발생을 방지하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to prevent degradation of device isolation characteristics and leakage current caused by weak corner rounding of the trench upper edge portion.
도 1a 내지 도 1d는 종래 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이고,1A to 1D are process diagrams schematically illustrating a method of manufacturing a shallow trench for separating a conventional semiconductor device,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따라 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.2A-2F are schematic diagrams illustrating a method of manufacturing a shallow trench for semiconductor device isolation in accordance with the present invention.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 트렌치 식각 이후, 실리콘웨이퍼를 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼를 라운딩되게 한 후, 실리콘웨이퍼를 열산화하여 트렌치 내벽에 라이너 산화막을 열성장시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, after the trench etching, wet etching the silicon wafer to make the silicon wafer of the upper edge portion of the trench rounded, and then thermally oxidizes the silicon wafer to thermally grow the liner oxide film on the inner wall of the trench. It is characterized by.
상기 실리콘웨이퍼의 습식 식각 세정은 실리콘웨이퍼 전면을 산화막 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 패드 산화막 측벽을 식각하고, 실리콘 습식 식각 세정하여 트렌치 내벽의 드러난 실리콘웨이퍼를 식각하는 것을 특징으로 한다.The wet etch cleaning of the silicon wafer is characterized by etching the pad oxide film sidewall of the trench upper edge by wet etching the entire surface of the silicon wafer and etching the exposed silicon wafer of the inner wall of the trench by wet etching the silicon wafer.
상기 산화막 습식 식각 세정에 의해 식각되는 패드 산화막의 식각 량은 500Å 이하가 되도록 하며, 상기 실리콘 습식 식각 세정에 의해 식각되는 실리콘웨이퍼의 식각 량은 500Å 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.The etching amount of the pad oxide layer etched by the oxide wet etching cleaning may be 500 kPa or less, and the etching amount of the silicon wafer etched by the silicon wet etching cleaning is 500 kPa or less.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따라 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.2A-2F are schematic diagrams illustrating a method of manufacturing a shallow trench for semiconductor device isolation in accordance with the present invention.
먼저 도 2a에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11)를 열산화하여 열산화막인 패드 산화막(12)을 성장시키고, 그 상부에 화학 기상 증착에 의해 질화막(13)을 증착한다. 그리고, 질화막(13) 상부에 트렌치 식각을 위한 모트 패턴을 형성한 후, 모트 패턴을 마스크로 드러난 질화막(13)과 패드 산화막(12)을 식각하여 제거하고, 다시 드러난 실리콘웨이퍼(11)를 건식 식각에 의해 목표 두께 만큼 식각하여 반도체 소자 분리 영역에 얕은 트렌치를 형성(모트 식각)하고, 질화막 상부의 모트 패턴을 제거한다.First, as shown in FIG. 2A, the silicon wafer 11 is thermally oxidized to grow a pad oxide film 12, which is a thermal oxide film, and a nitride film 13 is deposited thereon by chemical vapor deposition. After forming a mort pattern for trench etching on the nitride layer 13, the nitride layer 13 and the pad oxide layer 12 exposed as the masks are etched and removed, and the exposed silicon wafer 11 is dried. By etching, the trench is etched to a target thickness to form a shallow trench in the semiconductor device isolation region (mot etching) to remove the mott pattern on the nitride film.
그 다음 도 2b와 도 2c에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11)를 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼(11) 및 패드 산화막(12) 측벽을 식각하여 트렌치 상부 에지 부분을 라운딩되게 형성한다.2B and 2C, the silicon wafer 11 is wet etched to etch the sidewalls of the silicon wafer 11 and the pad oxide layer 12 of the trench upper edge to round the trench upper edge. Form.
즉, 도 2b에서 도시한 바와 같이, 산화막 습식 식각 세정 공정에 의해 트렌치 상부 에지 부분의 패드 산화막(12) 측벽을 소정 폭(L) 만큼 습식 식각 세정하여 제거한다. 이때, 산화막 습식 식각 세정에 의해 제거되는 트렌치 상부 에지 부분의 패드 산화막(12) 측벽 폭(L) 즉, 산화막 습식 식각 세정 공정에 의해 식각되는 패드 산화막의 식각량은 500Å 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이후, 도 2c에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11)를 실리콘 습식 식각 세정한다. 이때, 실리콘 습식 식각 세정 공정에 의해 제거되는 실리콘웨이퍼의 식각량은 500Å 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그러면, 실리콘이 드러난 트렌치 내벽 및 패드 산화막이 제거되어 실리콘이 노출된 트렌치 에지 부분의 실리콘웨이퍼가 습식 식각 세정되며, 그에 따라 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼는 종래와는 달리 라운딩된 프로파일을 갖게된다.That is, as illustrated in FIG. 2B, the sidewalls of the pad oxide film 12 of the trench upper edge portion are wet-etched and removed by a predetermined width L by an oxide wet etching cleaning process. In this case, the pad oxide film 12 sidewall width L of the upper portion of the trench oxide that is removed by wet etching of the oxide film, that is, the etching amount of the pad oxide film that is etched by the oxide wet etching cleaning process may be 500 kPa or less. . Thereafter, as shown in FIG. 2C, the silicon wafer 11 is subjected to silicon wet etching cleaning. At this time, it is preferable that the etching amount of the silicon wafer removed by the silicon wet etching cleaning process is 500 kPa or less. Then, the trench inner wall and the pad oxide layer where the silicon is exposed are removed to wet-etch the silicon wafer of the trench edge portion where the silicon is exposed, so that the silicon wafer of the trench upper edge portion has a rounded profile unlike the related art.
그 다음 도 2d에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11)를 열산화하여 열산화막인 라이너 산화막(14)을 형성한다. 이때, 질화막(13)이 형성된 활성 영역 즉, 반도체 소자가 형성될 영역의 실리콘웨이퍼에서는 열산화막인 라이너 산화막이 성장되지 못하고, 실리콘이 드러난 트렌치 내벽에만 열산화막인 라이너 산화막이 성장되며, 트렌치 상부 에지 부분에서도 종래와는 달리 실리콘웨이퍼가 라운딩된 상태에서 라이너 산화막이 열성장되므로 트렌치 상부 에지 부분에서의 코너 라운딩 프로파일이 양호하게 된다.Then, as shown in FIG. 2D, the silicon wafer 11 is thermally oxidized to form a liner oxide film 14 which is a thermal oxide film. At this time, in the silicon wafer of the active region where the nitride layer 13 is formed, that is, the region in which the semiconductor device is to be formed, the liner oxide layer, which is a thermal oxide film, cannot be grown, and the liner oxide layer, which is a thermal oxide film, is grown only in the trench inner wall where the silicon is exposed. Unlike in the prior art, since the liner oxide film is thermally grown in the state where the silicon wafer is rounded, the corner rounding profile in the trench upper edge portion is good.
그 다음 도 2e에 도시한 바와 같이, 실리콘웨이퍼(11) 전면에 상압 화학 기상 증착에 의해 산화막 등의 절연막(15)을 두껍게 증착하여 트렌치를 완전히 매입하고, 세정하여 실리콘웨이퍼(11) 후면의 불순물을 제거한 후, 어닐링하여 절연막(15)의 밀도를 증가시킴으로써 집적 회로에서 반도체 소자 분리를 위한 절연 특성을 가지도록 한다. 그리고, 절연막(15) 상부에 모트 패턴과 반대 형상의 패턴 즉, 리버스 모트 패턴을 형성하고, 리버스 모트 패턴을 마스크로 드러난 절연막(15)을 식각하여 질화막이 드러나도록 한 후, 리버스 모트 패턴을 제거한다.Next, as shown in FIG. 2E, an insulating film 15 such as an oxide film is thickly deposited by atmospheric pressure chemical vapor deposition on the entire surface of the silicon wafer 11 to completely fill the trench, and to clean the impurities to back the silicon wafer 11. After removing the annealing, the annealing is performed to increase the density of the insulating layer 15 so as to have insulating characteristics for separating semiconductor elements from the integrated circuit. Then, a pattern having a shape opposite to that of the mort pattern, that is, a reverse mort pattern is formed on the insulating layer 15, and the insulating mortar pattern is exposed by etching the insulating mortar pattern to expose the nitride film, and then the reverse mort pattern is removed. do.
그 다음 도 2f에 도시한 바와 같이, 질화막(도 2e의 13)을 버퍼층으로 절연막(15)을 화학 기계적 연마 공정 등에 의해 평탄화한 후, 활성 영역 실리콘웨이퍼 상부에 잔류하는 질화막을 제거함으로써 반도체 소자 분리를 위한 얕은 트렌치를 완성한다.Then, as shown in FIG. 2F, the nitride film (13 in FIG. 2E) is planarized with a buffer layer, and the insulating film 15 is planarized by a chemical mechanical polishing process or the like, and then the semiconductor device is separated by removing the nitride film remaining on the active region silicon wafer. Complete the shallow trench for the
이와 같이 본 발명은 트렌치 식각 이후, 실리콘웨이퍼를 습식 식각 세정하여 트렌치 상부 에지 부분의 실리콘웨이퍼를 라운딩한 상태에서 실리콘웨이퍼를 열산화하여 트렌치 내벽에 라이너 산화막을 열성장시키므로, 트렌치 상부 에지에서의 양호한 코너 라운딩 프로파일을 얻을 수 있어 전계 집중에 따른 채널 리키지 및 소자 분리 특성 저하 등을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 반도체 소자 제조 공정의 수율을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention thermally grows the liner oxide film on the trench inner wall by thermally oxidizing the silicon wafer in the state where the silicon wafer of the trench upper edge is rounded by wet etching cleaning the silicon wafer after the trench etching. The corner rounding profile can be obtained to prevent channel package and device isolation characteristics from deteriorating due to electric field concentration, thereby improving the reliability of the semiconductor device and improving the yield of the semiconductor device manufacturing process.
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| KR1019990022053A KR20010002305A (en) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Shallow trench isolation manufacturing method |
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| KR1019990022053A KR20010002305A (en) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Shallow trench isolation manufacturing method |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20040050554A (en) * | 2002-12-10 | 2004-06-16 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of forming an isolation layer in a semiconductor device |
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- 1999-06-14 KR KR1019990022053A patent/KR20010002305A/en not_active Ceased
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