KR20010005152A - 화학적 기계적 연마공정을 이용한 소자분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘기판상에 패드산화막과 확산방지막과 연마정지막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 연마정지막과 확산방지막 및 패드산화막을 선택적으로 식각하고 이에 따라 노출되는 기판부위를 식각하여 소정깊이의 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 기판전면에 산화막을 형성하는 단계, 상기 연마정지막이 노출될때까지 산화막을 CMP에 의해 한 번에 연마하여 상기 트렌치내에 매립된 필드산화막을 형성하는 단계, 및 상기 연마정지막과 확산방지막을 제거하는 단계를 포함하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법을 제공함으로써 웨이퍼의 평탄도를 월등히 개선시키고, 슬러리의 화학적 성질을 이용하여 연마선택비를 개선시킨다.

Description

화학적 기계적 연마공정을 이용한 소자분리방법{Isolation usign chemical mechanical polishing}

본 발명은 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing;CMP)를 이용한 소자분리방법에 관한 것으로, 특히 연마정지막으로 질화막 및 폴리실리콘을 증착하고 적당히 식각한 후 연마대상막을 증착하고 이를 CMP에 의해 연마함으로써 웨이퍼의 평탄도를 월등히 개선시키고, 슬러리의 화학적 성질을 이용하여 연마선택비를 개선시킬 수 있도록 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법에 관한 것이다.

반도체 제조공정에 있어서, 우선 반도체기판상에 소오스와 드레인 및 게이트전극을 형성하게 되는데 이들 각 소자를 물리적으로나 전기적으로 분리해야 하나의 완전한 트랜지스터 역할을 제대로 수행하게 된다. 최근 반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 이들 소자분리의 목적으로 실리콘기판에 실리콘 나이트라이드를 증착한 후, 노광공정을 행하고 식각하여 트렌치를 만들고 필드산화막을 증착하고 화학기계적 연마(CMP)공정을 이용하여 초과 증착된 필드산화막을 일정부분 연마하여 반도체소자를 분리 절연하는 STI(shallow trench isolation)공정을 이용하려는 노력이 진행중이다.

그러나 소자의 분리 절연을 위한 STI공정을 수행할때 화학기계적 연마공정 적용시 O₂나 H₂O등의 확산을 억제하기 위해서 증착된 패드질화막을 전부 제거하지 않는 범위 또는 조금 남기는 조건으로 연마하는 과정에서 산화막과 질화막에 대한 선택비가 작으면 연마속도 차이(연마선택비)가 크지 않다. 이로 인해 연마량 제어가 어려워져 제거 대상막을 선택적으로 연마하지 못하며, 또한 웨이퍼의 평탄화도 제어가 어렵다는 문제점이 있다. 이로 인해 패드질화막의 두께 차이가 나므로 필드산화막의 깊이가 변화하게 되어 트랜지스터 특성이 한 칩에서 심한 차이를 보이게 된다. 즉, 연마정지점을 찾기 위해 각 웨이퍼마다 두께 측정을 하여 연마시간을 일일이 정하여 그 차이를 줄여야 하므로 처리속도와 수율이 떨어지게 된다. 또한 선택비가 높은 슬러리를 사용할 경우에는 산화막 제거용 슬러리로 1차 연마한 뒤 선택비가 높은 슬러리로 2차 연마를 함으로써 웨이퍼의 평탄도가 개선되고 연마정지점을 찾기는 쉬우나, 연마를 2회로 나누어 실시하므로 두께 측정 및 슬러리 교환에 소비하는 시간이 늘러 오히려 처리속도는 떨어지게 된다.

기존의 CMP를 이용한 STI공정을 도 1a 및 1b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a에 나타낸 바와 같이 실리콘기판위에 패드산화막(1)을 형성한 후, 이위에 O₂나 H₂O등의 확산을 억제하기 위해 질화막(2)을 형성한 다음, 사진식각공정을 통해 기판 소정부위에 트렌치(3)을 형성한다. 이어서 매립특성이 뛰어난 고밀도 플라즈마 화학기상증착 산화막(4)을 기판 전면에 증착하여 트렌치를 매립한다.

다음에 도 1b에 나타낸 바와 같이 1차적으로 산화막 연마용 슬러리를 사용하여 활성영역에 일정량이 남을 정도로 화학적 기계적 연마를 행하고(5), 다시 필드산화막을 균일하게 형성하기 위하여 균일도가 좋은 조건인 높은 압력, 낮은 테이블 속도로 연마를 행한다(6). 그러나 질화막과 산화막간의 연마선택비가 낮아서 오히려 연마정지막으로 사용되는 질화막이 연마되어 필드지역이 낮아지는 공정상의 어려움과 연마의 정확도를 위하여 일일이 웨이퍼마다 시간을 정하여 연마하는 번거로움이 있었다. 그래서 1차 연마를 산화막용 슬러리로 연마한 다음, 선택비가 뛰어난 산화세륨 계통의 슬러리를 사용하여 연마정지막(2)까지 연마하여 어느 정도 필드산화막의 균일도를 확보하였으나, 선택비가 높은 산화세륨 계통의 슬러리일지라도 어느정도 이상의 선택비는 얻을 수 없으며 재현성이 부족하였다.

즉, 기존의 STI공정은 화학적 기계적 연마시 기존의 산화막 제거용 슬러리를 사용하여 연마를 행하였으나, 산화막용 슬러리의 경우 질화막과 산화막간의 선택비가 낮아서 아무리 질화막이 균일하게 연마되는 공정조건이라도 연마후에는 웨이퍼별 또는 다이별로 차이가 나타나게 되어 필드지역의 산화막이 균일하게 남아 있지 않게 되거나 오히려 활성영역보다 낮아져 후속공정을 통한 소자분리막을 형성하는데 어려움이 있었다. 선택비가 높은 산화세륨 계통의 슬러리를 사용할 경우에도 주변지역에서 분리되어 있는 활성영역의 경우에는 선택비가 나오지 않기 때문에 소자 결함의 원인이 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슬러리의 화학적 성질을 이용하여 선택비를 더욱 높일 수 있도록 연마정지막으로 질화막 상부에 폴리실리콘을 증착한 다음 연마대상막을 형성하고 산화세륨 계통의 슬러리를 사용하여 연마대상막을 연마함으로써 웨이퍼 전면 평탄화를 이루고 균일한 소자분리막을 형성할 수 있도록 하는 CMP에 의한 소자분리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMP에 의한 소자분리방법은 실리콘기판상에 패드산화막과 확산방지막과 연마정지막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 연마정지막과 확산방지막 및 패드산화막을 선택적으로 식각하고 이에 따라 노출되는 기판부위를 식각하여 소정깊이의 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 기판전면에 산화막을 형성하는 단계, 상기 연마정지막이 노출될때까지 산화막을 CMP에 의해 한 번에 연마하여 상기 트렌치내에 매립된 필드산화막을 형성하는 단계, 및 상기 연마정지막과 확산방지막을 제거하는 단계를 포함하여 구성된다.

도 1a 및 1b는 종래기술에 의한 CMP를 이용한 소자분리방법을 도시한 도면,

도 2a 및 2b는 본 발명에 의한 CMP를 이용한 소자분리방법을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

21.패드산화막 22.질화막

23.폴리실리콘 24.트렌치

25.산화막 26.연마정지지점

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2a 및 2b에 본 발명에 의한 CMP를 이용한 소자분리방법을 공정순서에 따라 도시하였다.

먼저, 도 2a에 나타낸 바와 같이 실리콘기판상에 패드산화막(21)으로서 열산화막을 10-200Å성장시키고 이위에 O₂와 H₂O의 확산방지를 위해 질화막(SiN)(22)을 LPCVD 또는 PECVD에 의해 50-2000Å 형성한다. 질화막에 포함된 Si과 N의 양은 mole% 비율로 0.5:8 - 2:2가 되도록 질화막을 형성한다. 이어서 상기 질화막(22)위에 연마정지막으로 사용될 폴리실리콘(23)을 LPCVD에 의해 50-2000Å 증착한다. 폴리실리콘 대신에 비정질실리콘을 증착하는 것도 가능하며, 폴리실리콘 또는 비정질실리콘 증착시 그 증착온도는 200-1000℃로 한다. 폴리실리콘 또는 비정질실리콘 증착전에 상기 질화막을 플라즈마로 처리하는 것도 가능하다.

이어서 사진식각공정을 통해 폴리실리콘층(23)과 질화막(22) 및 패드산화막(21)을 선택적으로 식각하고, 이에 따라 노출되는 기판부위를 식각하여 깊이 2000-5000Å의 트렌치(24)를 형성한다. 이어서 매립특성이 뛰어난 고밀도 플라즈마 화학기상증착에 의한 산화막(25)을 2000-10000Å 두께로 기판 전면에 형성한 후, 산화세륨 계통의 슬러리를 사용하여 연마정지막인 폴리실리콘층(23)까지 CMP에 의해 산화막(25)을 한 번에 연마한다(26). 상기 슬러리는 연마제 성분이 실리카(SiO₂), 세리아(CeO₂), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 타이타니아(TiO₂)등으로 구성된 것을 사용한다. 상기 산화막(25)의 연마시 슬러리 사용압력은 1-10psi로 하고, 슬러리의 연마제 농도는 0.5-30w%로 하며, 슬러리 연마제 용액의 pH는 2-13으로 하는 것이 바람직하다.

이어서 도 2b에 나타낸 바와 같이 폴리실리콘층(23)과 질화막(22)을 제거함으로써 트렌치내에 매립된 필드산화막(25)을 형성하여 소자분리를 행한다. 상기 폴리실리콘(23)은 pH가 1-13인 용액을 사용하여 제거하는바, 이 용액으로는 HCl, H₂SO₄, NH₄OH, HNO₃, HF, H₃PO₄를 각각 사용하거나 적절히 섞어서 사용한다. 상기 질화막은 pH가 1-13인 용액을 사용하여 제거하는바, 이 용액으로는 HCl, H₂SO₄, NH₄OH, HNO₃, HF를 각각 사용하거나 적절히 섞어서 사용한다.

상기 본 발명의 소자분리공정의 경우, 산화세륨 계통의 슬러리의 화학적 성질때문에 연마에 의해 폴리실리콘에 긁힘현상이 나타나는 일은 전혀 없다. 그리고 연마 타겟을 일일이 정하는 공정이 필요없으며 공정마진도 좋아 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 STI-CMP공정 적용시 연마정지막으로 질화막 및 폴리실리콘을 미리 증착하여 적당히 식각한 후 연마대상막을 증착하고 CMP를 행함으로써 웨이퍼의 평탄도를 기존 질화막을 이용한 STI-CMP에 비해 월등히 개선할 수 있고, 슬러리의 화학적 성질을 이용하여 연마선택비를 개선할 수 있다. 또한 질화막 증착시 그 두께를 줄일 수 있으므로 생산성이 향상되며 원가를 절감할 수 있다. 그리고 질화막의 두께에 따라 영향을 받는 노광공정이 폴리실리콘의 증착으로 안정화되어 더욱 미세한 패턴의 형성이 가능해진다. 따라서 폴리실리콘은 연마정지막뿐만 아니라 노광공정의 마진 증가에도 기여한다. 또한, 연마정지막의 두께가 얇으므로 필드산화막의 깊이를 조절하는 HF를 이용한 딥아웃(deep out)공정을 생략할 수 있다. 즉, 후속공정의 마진확보가 용이하며, 반도체소자의 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (22)

1. 실리콘기판상에 패드산화막과 확산방지막과 연마정지막을 차례로 형성하는 단계와,

   상기 연마정지막과 확산방지막 및 패드산화막을 선택적으로 식각하고 이에 따라 노출되는 기판부위를 식각하여 소정깊이의 트렌치를 형성하는 단계,

   상기 트렌치가 매립되도록 상기 기판전면에 산화막을 형성하는 단계,

   상기 연마정지막이 노출될때까지 산화막을 화학적기계적연마에 의해 한 번에 연마하여 상기 트렌치내에 매립된 필드산화막을 형성하는 단계, 및

   상기 연마정지막과 확산방지막을 제거하는 단계를 포함하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 패드산화막은 열산화막을 10-200Å 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 확산방지막은 O₂와 H₂O의 확산방지를 위한 것임을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 확산방지막은 질화막(SiN)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 질화막은 LPCVD 또는 PECVD에 의해 50-2000Å 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 질화막에 포함된 Si과 N의 양은 mole% 비율로 0.5:8 - 2:2인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 연마정지막은 폴리실리콘 또는 비정질실리콘을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 연마정지막은 LPCVD에 의해 50-2000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 연마정지막으로 폴리실리콘 또는 비정질실리콘을 증착할때 그 증착온도는 200-1000℃로 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 연마정지막 형성전에 상기 질화막을 플라즈마로 처리하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
11. 제1항에 있어서,

    상기 트렌치는 2000-5000Å의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
12. 제1항에 있어서,

    상기 산화막은 매립특성이 뛰어난 고밀도 플라즈마 화학기상증착에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 산화막은 2000-10000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
14. 제1항에 있어서,

    상기 산화막은 산화세륨 계통의 슬러리를 사용하여 연마하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 슬러리는 그 연마제 성분이 실리카(SiO₂), 세리아(CeO₂), 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 타이타니아(TiO₂)등으로 구성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
16. 제1항에 있어서,

    상기 산화막의 연마시 슬러리 사용압력은 1-10psi로 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
17. 제1항에 있어서,

    상기 산화막의 연마시 슬러리의 연마제 농도는 0.5-30w%로 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
18. 제1항에 있어서,

    상기 산화막의 연마시 슬러리 연마제 용액의 pH는 2-13으로 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
19. 제1항에 있어서,

    상기 연마정지막은 pH가 1-13인 용액을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
20. 제19항에 있어서,

    상기 용액으로 HCl, H₂SO₄, NH₄OH, HNO₃, HF, H₃PO₄를 각각 사용하거나 적절히 섞어서 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
21. 제1항에 있어서,

    상기 확산방지막은 pH가 1-13인 용액을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.
22. 제21항에 있어서,

    상기 용액으로 HCl, H₂SO₄, NH₄OH, HNO₃, HF를 각각 사용하거나 적절히 섞어서 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마를 이용한 소자분리방법.