KR20010074392A - Isolation method for semiconductor devices - Google Patents

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KR20010074392A
KR20010074392A KR1020000003438A KR20000003438A KR20010074392A KR 20010074392 A KR20010074392 A KR 20010074392A KR 1020000003438 A KR1020000003438 A KR 1020000003438A KR 20000003438 A KR20000003438 A KR 20000003438A KR 20010074392 A KR20010074392 A KR 20010074392A
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임용성
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Abstract

PURPOSE: A method for isolating a semiconductor device is provided to form a device isolation layer by forming a micro trench in order to improve operation fidelity of the trench burial by using a polysilicon as a device isolation layer. CONSTITUTION: The semiconductor device isolating method includes following steps. At first, an etching mask is formed on a predetermined portion of a semiconductor substrate(30) to expose a device isolation region. Then, the portion of the semiconductor substrate which is not protected with the etching mask is removed so as to form a perpendicular angle with respect to an etching profile to form a trench which a predetermined depth and width and having similar upper width and lower width. At third, the etching mask is removed. Then, the device isolation layer(330) is formed by burying the trench with a dielectric material. The angle of the etching profile is further greater than 85 degrees.

Description

반도체장치의 소자격리방법{Isolation method for semiconductor devices}Isolation method for semiconductor devices

본 발명은 반도체장치의 소자격리방법에 관한 것으로서, 특히, 기판의 소정 부위를 수직으로 제거하여 소자격리영역을 정의하는 0.2㎛ 이하의 폭을 갖는 트렌치를 기판에 형성하고 이를 도핑되지 않은 폴리실리콘이나 도핑되지 않은 폴리실리콘과 고온-USG를 적층 구조로 형성하여 매립하므로서 종래 기술의 얕은 트렌치형 소자격리방법의 패턴 싸이즈 한계를 극복하여 더욱 미세한 패턴을 형성하여 1 기가 이상의고집적 소자 제조에 적합하도록 한 반도체장치의 얕은 트렌치형 소자격리방법에관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device isolation method for a semiconductor device, and more particularly, to form a trench having a width of 0.2 μm or less defining a device isolation region by vertically removing a predetermined portion of the substrate, thereby forming a non-doped polysilicon or A semiconductor that is formed by burying undoped polysilicon and high-temperature-USG in a laminated structure, overcomes the pattern size limitations of the shallow trench isolation method of the prior art, and forms a finer pattern so as to be suitable for the manufacture of more than one group of highly integrated devices. It is about shallow trench isolation of devices.

반도체장치의 집적화가 거듭되면서 반도체장치의 상당한 면적을 점유하는 소자격리영역을 줄이기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.As the integration of semiconductor devices continues, technology development for reducing the device isolation region occupying a considerable area of the semiconductor device is actively progressing.

LOCOS 등의 기술들은 격리 영역 표면의 평탄도와 정밀한 디자인 룰(Design Rule) 등의 이유로 256M DRAM급 이상의 집적도를 갖는 차세대 소자의 소자격리기술로 적합하지 않게 되었다.Technologies such as LOCOS have become unsuitable for device isolation technology of next-generation devices with densities of 256M DRAM or more due to the flatness of the isolation region surface and precise design rules.

따라서, 기존의 여러 소자격리기술들의 문제점을 극복할 수 있는 BOX(buried oxide)형 얕은트렌치소자격리(shallow trench isolation) 기술이 개발되었다. BOX형 소자격리기술 반도체기판에 트렌치를 형성하고 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : 이하, CVD라 칭함) 방법으로 산화실리콘 또는 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘을 매립한 구조를 갖는다. 그러므로, 버즈 비크가 발생되지 않아 활성영역의 손실이 전혀 없으며, 또한, 산화막을 메립하고 에치 백(etch back)하여 평탄한 표면을 얻을 수 있다.Therefore, a BOX (buried oxide) type shallow trench isolation technology has been developed that can overcome the problems of various device isolation technologies. BOX type device isolation technology A trench is formed in a semiconductor substrate and has a structure in which silicon oxide or polysilicon which is not doped with impurities is embedded by chemical vapor deposition (hereinafter, referred to as CVD). Therefore, no buzz beaking occurs, there is no loss of the active region, and a flat surface can be obtained by embedding and etching back the oxide film.

그러나, 이와 같은 트렌치형 소자격리방법도 셀의 싸이즈가 더욱 축소됨에 따라 소자격리영역의 스페이스가 감소하므로, 필드 항복전압이 낮아져서 펀치-스루(punch-through)가 발생할 수 있다. 따라서, 0.2㎛ 이하의 초미세 폭을 갖는 트렌치를 형성하기 위한 방법이 요구된다.However, such a trench type device isolation method also reduces the space of the device isolation region as the cell size is further reduced, so that the field breakdown voltage is lowered and punch-through may occur. Therefore, there is a need for a method for forming a trench having an ultrafine width of 0.2 μm or less.

이와 같은 싸이즈를 갖는 차세대 소자에 종래 기술에 따른 STI 공정을 적용하면 형성되는 트렌치의 식각 프로파일이 70-80° 정도의 경사각을 갖게 되어 소자에 적합한 트렌치의 깊이를 확보하기 곤란하다.When the STI process according to the prior art is applied to a next-generation device having such a size, the etching profile of the formed trench has an inclination angle of about 70-80 °, and thus it is difficult to secure the depth of the trench suitable for the device.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도.1A to 1C are process cross-sectional views showing a device isolation method of a semiconductor device according to the prior art.

도 1a를 참조하면, 실리콘으로 이루어진 반도체기판(10) 상에 열산화 방법으로 버퍼용 패드산화막(11)을 형성하고, 이 패드산화막(11) 상에 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : 이하, CVD라 칭함) 방법으로 질화실리콘을 증착하여 식각보호막(12)을 형성한다. 이때, 패드산화막(11)은 기판과 질화막의 열적 팽창률의 차이에 기인한 스트레스를 완화시키기는 역할을 한다.Referring to FIG. 1A, a pad oxide film 11 for a buffer is formed on a semiconductor substrate 10 made of silicon by a thermal oxidation method, and chemical vapor deposition (hereinafter, CVD) is performed on the pad oxide film 11. Silicon nitride is deposited to form an etch protective film 12. In this case, the pad oxide film 11 serves to relieve stress due to the difference in thermal expansion rate between the substrate and the nitride film.

그리고, 식각보호막(12) 상에 포토레지스트를 도포한 후 소자격리영역을 한정하는 노광마스크를 사용한 노광 및 현상을 실시하여 소자격리영역 상부의 식각보호막(12) 표면을 노출시키는 포토레지스트패턴(도시안함)을 형성한다.After the photoresist is applied on the etch protection film 12, a photoresist pattern exposing and exposing the surface of the etch protection film 12 over the device isolation region by performing exposure and development using an exposure mask defining a device isolation region is illustrated. No).

그 다음, 포토레지스트패턴을 식각마스크로 이용하여 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 식각보호막 및 패드산화막을 건식식각 등의 비등방성 식각으로 제거하여 기판(10)의 소정 부위를 노출시킨다. 이때, 잔류한 식각보호막(12)은 소자격리막 형성시 CMP(chemical mechanical polishing)공정에서 기판의 활성영역이 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.Next, using the photoresist pattern as an etching mask, the etching protection film and the pad oxide film of the portion not protected by the photoresist pattern are removed by anisotropic etching such as dry etching to expose a predetermined portion of the substrate 10. At this time, the remaining etching protection layer 12 serves to prevent the active region of the substrate from being etched in the chemical mechanical polishing (CMP) process when the device isolation layer is formed.

그리고, 포토레지스트패턴을 식각마스크로 이용하여 반도체기판(10)의 노출된 소자격리영역을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 상기에서 트렌치를 반응성이온식각(Reactive Ion Etching : 이하, RIE라 칭함)이나 플라즈마 식각 등으로 이방성 식각하여 형성한다. 이때, 식각공정은 일정한 식각깊이와 식각각도를 갖도록 실시하는데, 일반적으로 식각깊이는 3000-4000° 정도이고 기판(20)의 수평면과 식각되어지는 트렌치의 측면 프로필과의 각도인 식각각도는 75-82° 정도이다. 식각각도를 소정의 각도를 갖도록 경사지게 형성하는 이유는 후속 공정에서 트렌치를 매립하기 위한 절연물질 증착시 보이드(void)가 생성되는 것을 방지하기 위해서이다.The trench is formed by etching the exposed device isolation region of the semiconductor substrate 10 to a predetermined depth by using the photoresist pattern as an etching mask. The trench is formed by anisotropic etching using reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) or plasma etching. At this time, the etching process is performed to have a constant etching depth and etching angle, the etching depth is generally about 3000-4000 ° and the etching angle which is the angle between the horizontal surface of the substrate 20 and the side profile of the trench to be etched is 75- It is around 82 °. The reason why the etching angle is formed to be inclined to have a predetermined angle is to prevent the generation of voids during deposition of an insulating material for filling trenches in a subsequent process.

따라서, 종래 기술에 따른 트렌치 형성방법을 실시하면, 소자가 초고집적화 됨에 따라 트렌치의 폭이 0.15㎛ 이하가 되면 소자설계시 요구되는 트렌치의 식각깊이를 확보하기 위해서는 트렌치의 폭이 넓어져야 하므로 이와 같은 요구 수치를 만족할 수 있는 트렌치 형성이 불가능하다.Therefore, when the trench forming method according to the prior art is implemented, when the width of the trench becomes 0.15 μm or less as the device is ultra-highly integrated, the width of the trench must be widened to secure the etching depth required for the device design. It is impossible to form trenches that can satisfy the required values.

그 다음, 포토레지스트패턴을 산소 애슁(O2ahing)으로 제거하여 질화막으로 이루어진 식각보호막(12)의 표면을 노출시킨다.Then, the photoresist pattern is removed by oxygen ashing (O 2 ahing) to expose the surface of the etching protection film 12 made of a nitride film.

그리고, 트렌치의 내부를 충분히 매립하는 두께로 절연물질층(13)을 트렌치와 식각보호막(12)상에 형성한다. 이때, 절연물질층(13)은 불순물이 도핑되지 않은 고온산화막(HT-USG) 등을 기판의 전면에 증착하여 형성한다.Then, the insulating material layer 13 is formed on the trench and the etch protective film 12 to a thickness that sufficiently fills the inside of the trench. In this case, the insulating material layer 13 is formed by depositing a high temperature oxide film (HT-USG) or the like which is not doped with impurities on the entire surface of the substrate.

도 1b를 참조하면, 트렌치내에만 절연물질층을 잔류시키기 위하여 식각보호막인 질화막의 표면이 노출되도록 절연물질층을 화학기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing)로 제거하여 트렌치에만 절연물질층(130)을 잔류시키며 기판 상부의 평탄화를 이룬다. 이때, 식각보호막(120)인 질화막의 일부도 소정 두께 제거되고 일부만 패드산화막(11) 상에 잔류한다.Referring to FIG. 1B, the insulating material layer 130 is removed by chemical mechanical polishing (CMP) so that the surface of the nitride film, which is an etch protection film, is exposed to leave the insulating material layer only in the trench. And the planarization of the top of the substrate is achieved. At this time, a part of the nitride film, which is the etch protection film 120, is also removed from the predetermined thickness and only a part of the nitride film remains on the pad oxide film 11.

도 1c를 참조하면, 식각보호막 및 패드산화막을 습식 식각 방법으로 순차적으로 제거하여 반도체기판(10)의 활성영역을 노출시키며 소자격리막(130)을 완성한다. 이때, 질화막인 식각보호막은 고온의 인산용액으로 습식제거하며, 패드산화막을 제거하고 전세정공정에서 잔류한 절연물질층(130)의 모서리 부위도 약간 제거된다.Referring to FIG. 1C, the etching protection layer and the pad oxide layer are sequentially removed by a wet etching method to expose the active region of the semiconductor substrate 10 to complete the device isolation layer 130. At this time, the etch protective film is a nitride film is wet-removed with a high temperature phosphoric acid solution, the pad oxide film is removed and the edge portion of the insulating material layer 130 remaining in the pre-cleaning process is also slightly removed.

따라서, 이와 같이 형성된 트렌치의 폭(d1)이 0.15㎛ 이하일 경우 형성되는 트렌치의 깊이가 필요한 만큼 깊게 확보되지 못하므로 소자제조시 요구되는 소자격리막을 형성할 수 없다.Therefore, when the width d1 of the trench formed as described above is 0.15 μm or less, the depth of the formed trench may not be as deep as necessary, so that an isolation layer required for device fabrication may not be formed.

이와 같이 종래 기술에 따라 0.18㎛ 이하의 트렌치 폭을 갖는 STI 방법의 문제점을 도 2에 도시하였다.Thus, the problem of the STI method having a trench width of 0.18 mu m or less according to the prior art is shown in FIG.

도 2는 종래 기술에 따라 형성되는 반도체장치의 소자격리용 트렌치 형성시의 문제점을 설명하는 기판 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a problem in forming a device isolation trench in a semiconductor device formed according to the prior art.

도 2를 참조하면, 실리콘기판(20)상에 소자격리막이 형성될 트렌치를 형성하기 위한 식각마스크(도시안함)을 사용하여 질화막으로 이루어진 식각보호막(22)과 패드산화막(21) 및 기판의 소정 부위를 식각한 모습이 도시되어 있다.Referring to FIG. 2, an etching protection film 22 made of a nitride film, a pad oxide film 21, and a substrate are formed by using an etching mask (not shown) for forming a trench in which a device isolation film is to be formed on a silicon substrate 20. The part is etched.

이때, 식각은 반응성이온(reactive ion etch) 등의 비등방성 식각으로 실시하며, 식각각도는 소정각도로 경사지게 형성한다. 이는 후속 공정에서 트렌치를 매립하기 위한 산화막 등의 절연물질층 증착시 보이드(void)가 생성되는 것을 방지하기 위해서이다.In this case, the etching is performed by anisotropic etching such as reactive ion etch, the etching angle is formed to be inclined at a predetermined angle. This is to prevent the generation of voids during deposition of an insulating material layer such as an oxide film for filling the trench in a subsequent process.

즉, 초고집적소자의 소자격리에 적합하기 위하여 요구되는 트렌치(T3)의 디멘션이 트렌치의 상부 폭과 하부 폭이 비슷하여야 하는데, 종래 기술에 따라 식각된 트렌치(T2)의 하부 폭이 식각 깊이에 반비례하여 좁아지므로 궁극적으로는 식각이 필요 깊이까지 이르지 못하고 정지된다.That is, the dimension of the trench T3 required to be suitable for device isolation of the ultra-high integrated device should be similar to the upper width and the lower width of the trench, and the lower width of the trench T2 etched according to the prior art has an etching depth. Inversely narrowing, ultimately the etch stops without reaching the required depth.

상술한 종래의 반도체장치의 소자격리방법은 트렌치 매립물질의 충전능력 한계 때문에 경사진 식각 프로파일을 갖는 트렌치를 형성하여야 하므로 트렌치 폭이 0.18㎛ 이하에서는 필요한 트렌치의 디멘션을 확보할 수 없으므로 소자에 적합한 소자격리막을 형성할 수 없고, 트렌치 폭이 0.15㎛ 이하로 요구되면 트렌치 형성시 중도에서 식각이 중단되는 현상이 발생하고, 또한, 0.18㎛ 이상에서도 필요한 식각깊이를 확보하기 곤란한 문제점이 있다.The device isolation method of the conventional semiconductor device described above has to form a trench having an inclined etching profile due to the limitation of the filling capability of the trench buried material, so that the required trench dimension cannot be secured at the trench width of 0.18 μm or less, thus suitable device for the device. If the isolation film cannot be formed, and the trench width is required to be 0.15 µm or less, the phenomenon that the etching is interrupted during the trench formation occurs, and it is difficult to secure the required etching depth even at 0.18 µm or more.

따라서, 본 발명의 목적은 기판의 소정 부위를 수직으로 제거하여 소자격리영역을 정의하는 0.2㎛ 이하의 폭을 갖는 트렌치를 기판에 형성하고 이를 도핑되지 않은 폴리실리콘이나 도핑되지 않은 폴리실리콘과 고온-USG를 적층 구조로 형성하여 매립하므로서 종래 기술의 얕은 트렌치형 소자격리방법의 패턴 싸이즈 한계를 극복하여 더욱 미세한 패턴을 형성하여 1 기가 이상의 고집적 소자 제조에 적합하도록 한 반도체장치의 얕은 트렌치형 소자격리방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to form a trench having a width of 0.2 μm or less defining a device isolation region by vertically removing a predetermined portion of the substrate, and forming the undoped polysilicon or undoped polysilicon and high temperature- A shallow trench isolation method for semiconductor devices in which USG is formed and buried to overcome the pattern size limitations of the shallow trench isolation device of the prior art to form a finer pattern to be suitable for fabricating one or more gigabytes of highly integrated devices. To provide.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체장치의 소자격리방법은 소자격리영역을 노출시키는 식각마스크를 반도체기판 상의 소정부위에 형성하는 단계와, 상기 식각마스크로 보호되지 않는 상기 반도체기판 부위를 식각프로파일이 수직에 가깝도록 제거하여 소정 깊이와 폭을 가지며 상부 폭과 하부 폭이 비슷한 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 식각마스크를 제거하는 단계와, 상기 트렌치를 절연물질로 매립하여 소자격리막을 형성하는 단계를 포함하는 공정으로 이루어진다.In order to achieve the above object, a device isolation method of a semiconductor device according to the present invention includes forming an etching mask exposing a device isolation region on a predetermined portion of a semiconductor substrate, and etching the portion of the semiconductor substrate not protected by the etching mask. Removing the profile close to vertical to form a trench having a predetermined depth and width having a similar upper width and lower width, removing the etching mask, and filling the trench with an insulating material to form a device isolation layer. It consists of a process comprising the steps.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도1A to 1C are process cross-sectional views showing a device isolation method of a semiconductor device according to the prior art.

도 2는 종래 기술에 따라 형성되는 반도체장치의 소자격리용 트렌치 형성시의 문제점을 설명하는 기판 단면도2 is a cross-sectional view illustrating a problem in forming a device isolation trench in a semiconductor device formed according to the prior art;

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도3A to 3C are process cross-sectional views showing a device isolation method for a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도4A to 4C are process cross-sectional views showing a device isolation method of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

일반적으로 트렌치를 이용하는 셀간의 격리방법으로 STI(shallow trench isolation) 또는 PGI(profile grooved isolation)을 형성하는 경우, 트렌치 매립물질로 산화실리콘(silicon oxide)을 사용한다.In general, when forming shallow trench isolation (STI) or profile grooved isolation (PGI) as an isolation method between cells using trenches, silicon oxide is used as a trench filling material.

그러나, 소자의 집적도가 더욱 증가함에 따라 한정된 공간에서 소자격리영역인 트렌치가 차지하는 공간도 감소하게 된다. 셀 싸이즈의 감소에 따른 소자격리부의 축소는 필연적으로 소자격리막이 형성되는 트렌치의 폭을 감소시키게 되므로 이에 따라 종래 기술에서와 같이 트렌치를 경사지게 형성하는 방법으로는 필요한 트렌치의 깊이를 확보할 수가 없다.However, as the integration degree of the device is further increased, the space occupied by the trench, which is a device isolation region, in a limited space is also reduced. Since the reduction of the device isolation portion due to the reduction in the cell size necessarily reduces the width of the trench in which the device isolation film is formed, thus, the trench depth may not be secured by the method of forming the trench inclined as in the prior art.

따라서, 본 발명에서는 종래의 STI에 의한 트렌치 형성공정의 한계를 극복하고 0.2㎛ 이하의폭을 갖는 초미세 소자격리영역의 형성을 가능하게 하여 1 기가급 이상의 메모리 소자제조에 적용이 가능하다. 이때, 형성되는 트렌치는 85° 이상의 수직에 가까운 식각각도를 가지며 이러한 트렌치를 도핑되지 않은 폴리실리콘 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘/USG(undoped silicate glass)로 보이드가 발생하지 않도록 매립하여 소자격리막을 형성한다.Therefore, in the present invention, it is possible to form an ultra-fine device isolation region having a width of 0.2 μm or less by overcoming the limitation of the trench formation process by the conventional STI, and thus it is applicable to the manufacture of memory devices of 1 gigabyte or more. At this time, the formed trench has an etch angle close to 85 ° or more, and the trench is buried with undoped polysilicon or undoped polysilicon / USG (undoped silicate glass) to form a device isolation layer. .

즉, 본 발명은 반도체 소자의 격리영역을 초미세 디멘션을 갖는 얕은 트렌치 형성용 식각 및 도핑되지 않은 폴리실리콘을 이용하여 형성한다.That is, the present invention forms the isolation region of the semiconductor device by using the shallow trench formation etching and the undoped polysilicon having ultra fine dimensions.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도이다.3A to 3C are process cross-sectional views showing a device isolation method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, 실리콘으로 이루어진 반도체기판(30) 상에 열산화 방법으로 버퍼용 패드산화막(31)을 형성하고, 이 패드산화막(31) 상에 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : 이하, CVD라 칭함) 방법으로 질화실리콘을 증착하여 식각보호막(32)을 형성한다. 이때, 패드산화막(31)은 기판과 질화막의 열적 팽창률의 차이에 기인한 스트레스를 완화시키기는 역할을 하고, 식각보호막(32)은 후속 공정인 평탄화 공정의 CMP(chmical mechanical polishing) 단계에서 기판의 활성영역이 식각되는 것을 보호하기 위하여 형성한다.Referring to FIG. 3A, a pad oxide film 31 for a buffer is formed on a semiconductor substrate 30 made of silicon by a thermal oxidation method, and chemical vapor deposition (hereinafter, CVD) is performed on the pad oxide film 31. Silicon nitride is deposited to form an etch protection film 32. In this case, the pad oxide layer 31 serves to relieve stress due to the difference in thermal expansion rate between the substrate and the nitride layer, and the etch protection layer 32 is formed in the CMP (chmical mechanical polishing) step of a subsequent planarization process. It is formed to protect the active area from being etched.

그리고, 식각보호막(32) 상에 포토레지스트를 도포한 후 소자격리영역을 한정하는 노광마스크를 사용한 노광 및 현상을 실시하여 소자격리영역 상부의 식각보호막(32) 표면을 노출시키는 포토레지스트패턴(도시안함)을 형성한다.After the photoresist is applied on the etch protection film 32, a photoresist pattern exposing and exposing the surface of the etch protection film 32 on the device isolation region by performing exposure and development using an exposure mask that defines the device isolation region is shown. No).

그 다음, 포토레지스트패턴을 식각마스크로 이용하여 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 식각보호막 및 패드산화막을 건식식각 등의 비등방성 식각으로 제거하여 기판(30)의 소정 부위를 노출시킨다. 이때, 잔류한 식각보호막(32)은 소자격리막 형성시 CMP공정에서 기판의 활성영역이 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.Next, using the photoresist pattern as an etching mask, the etching protection film and the pad oxide film of the portion not protected by the photoresist pattern are removed by anisotropic etching such as dry etching to expose a predetermined portion of the substrate 30. In this case, the remaining etching protection layer 32 serves to prevent the active region of the substrate from being etched in the CMP process when the device isolation layer is formed.

그리고, 포토레지스트패턴을 계속하여 식각마스크로 이용하여 반도체기판(30)의 노출된 소자격리영역을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 상기에서 트렌치를 반응성이온식각(Reactive Ion Etching : 이하, RIE라 칭함)이나 플라즈마 식각 등으로 이방성 식각하여 형성한다. 이때, 식각공정은 소자격리에 요구되는 일정한 식각깊이와 식각각도를 갖도록 실시하는데, 본 발명의 실시예에서는 기판(30)의 수평면과 식각되어지는 트렌치의 측면 프로필과의 각도인 식각각도는 85° 이상으로 거의 수직에 가깝도록 한다.The trench is formed by etching the exposed device isolation region of the semiconductor substrate 30 to a predetermined depth by using the photoresist pattern as an etching mask. The trench is formed by anisotropic etching using reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) or plasma etching. At this time, the etching process is performed to have a constant etching depth and the etching angle required for device isolation, in the embodiment of the present invention, the etching angle which is the angle between the horizontal surface of the substrate 30 and the side profile of the trench to be etched is 85 ° This makes it almost close to vertical.

식각각도를 수직에 가깝게 형성하는 이유는 필요한 식각깊이를 확보하고 후속 공정에서 트렌치를 매립하기 위한 절연물질을 도핑되지 않은 폴리실리콘 등으로 형성하므로 증착시 보이드(void)가 생성되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또한, 식각깊이는 0.1㎛ 이하로도 형성이 가능하다.The reason for forming the etching angle close to the vertical is to secure the necessary etching depth and to form an insulating material for burying the trench in a subsequent process, such as undoped polysilicon, to prevent the generation of voids during deposition. Because. In addition, the etching depth can be formed to 0.1㎛ or less.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 형성방법을 실시하면, 소자가 초고집적화 됨에 따라 트렌치의 폭이 0.15㎛ 이하가 되어도 소자설계시 요구되는 트렌치의 식각깊이와 트렌치의 폭을 동시에 확보할 수 있으므로 초미세소자격리용 트렌치 형성이 가능하다.Therefore, when the trench forming method according to the embodiment of the present invention is implemented, as the device is ultra-highly integrated, even if the trench width is 0.15 μm or less, the trench depth required for the device design and the trench width can be secured simultaneously. It is possible to form trenches for ultra-fine device isolation.

그 다음, 포토레지스트패턴을 산소 애슁(O2ahing)으로 제거하여 질화막으로 이루어진 식각보호막(32)의 표면을 노출시킨다.Then, the photoresist pattern is removed by oxygen ashing (O 2 ahing) to expose the surface of the etching protection film 32 made of a nitride film.

그리고, 트렌치의 내부를 충분히 매립하는 두께로 절연물질층(33)을 트렌치와 식각보호막(32)상에 형성한다. 이때, 절연물질층(33)은 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘을 보이드가 발생하지 않도록 증착하여 형성한다.An insulating material layer 33 is formed on the trench and the etch protection film 32 to a thickness that sufficiently fills the inside of the trench. In this case, the insulating material layer 33 is formed by depositing polysilicon that is not doped with impurities so as not to cause voids.

도 3b를 참조하면, 트렌치내에만 절연물질층을 잔류시키기 위하여 식각보호막인 질화막의 표면이 노출되도록 절연물질층을 화학기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing)로 제거하여 트렌치에만 절연물질층(330)을 잔류시키며 기판 상부의 평탄화를 이룬다. 이때, 식각보호막(320)인 질화막의 일부도 소정 두께 제거되고 일부만 패드산화막(31) 상에 잔류한다.Referring to FIG. 3B, the insulating material layer is removed by chemical mechanical polishing (CMP) so that the surface of the nitride film, which is an etch protection film, is exposed to leave the insulating material layer only in the trench. And the planarization of the top of the substrate is achieved. In this case, a part of the nitride film, which is the etch protection film 320, is also removed from the predetermined thickness, and only a part of the nitride film remains on the pad oxide film 31.

도 3c를 참조하면, 식각보호막 및 패드산화막을 습식 식각 방법으로 순차적으로 제거하여 반도체기판(30)의 활성영역을 노출시키며 소자격리막(330)을 완성한다. 이때, 질화막인 식각보호막은 고온의 인산용액으로 습식제거하며, 패드산화막을 제거하고 전세정공정에서 잔류한 절연물질층(330)의 모서리 부위도 약간 제거된다.Referring to FIG. 3C, the etch protection layer and the pad oxide layer are sequentially removed by a wet etching method to expose the active region of the semiconductor substrate 30 to complete the device isolation layer 330. At this time, the etching protective film is a nitride film is wet-removed with a high temperature phosphoric acid solution, the pad oxide film is removed and the edge portion of the insulating material layer 330 remaining in the pre-cleaning process is also slightly removed.

따라서, 이와 같이 형성된 트렌치의 폭(d3)이 0.15㎛ 이하일 경우 형성되는 트렌치의 깊이가 필요한 만큼 깊게 확보할 수 있으므로 초미세소자제조시 요구되는 소자격리막을 형성할 수 있다.Therefore, when the width d3 of the trench thus formed is 0.15 μm or less, the depth of the trench to be formed can be as deep as necessary, so that an isolation layer required for manufacturing an ultrafine device can be formed.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체장치의 소자격리방법을 도시하는 공정단면도이다.4A to 4C are process cross-sectional views showing a device isolation method of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 실리콘으로 이루어진 반도체기판(40) 상에 열산화 방법으로 버퍼용 패드산화막(41)을 형성하고, 이 패드산화막(41) 상에 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : 이하, CVD라 칭함) 방법으로 질화실리콘을 증착하여 식각보호막(42)을 형성한다. 이때, 패드산화막(41)은 기판과 질화막의 열적 팽창률의 차이에 기인한 스트레스를 완화시키기는 역할을 하고, 식각보호막(42)은 후속 공정인 평탄화 공정의 CMP(chmical mechanical polishing) 단계에서 기판의 활성영역이 식각되는 것을 보호하기 위하여 형성한다.Referring to FIG. 4A, a pad oxide film 41 for a buffer is formed on a semiconductor substrate 40 made of silicon by thermal oxidation, and chemical vapor deposition (hereinafter, CVD) is performed on the pad oxide film 41. Silicon nitride is deposited to form an etch protective film 42. At this time, the pad oxide film 41 serves to relieve stress due to the difference in thermal expansion rate between the substrate and the nitride film, and the etch protection film 42 is formed in the CMP (chmical mechanical polishing) step of the subsequent planarization process. It is formed to protect the active area from being etched.

그리고, 식각보호막(42) 상에 포토레지스트를 도포한 후 소자격리영역을 한정하는 노광마스크를 사용한 노광 및 현상을 실시하여 소자격리영역 상부의 식각보호막(42) 표면을 노출시키는 포토레지스트패턴(도시안함)을 형성한다.After the photoresist is applied on the etch protection film 42, a photoresist pattern exposing and exposing the surface of the etch protection film 42 on the device isolation area by performing exposure and development using an exposure mask that defines the device isolation area. No).

그 다음, 포토레지스트패턴을 식각마스크로 이용하여 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 식각보호막 및 패드산화막을 건식식각 등의 비등방성 식각으로 제거하여 기판(40)의 소정 부위를 노출시킨다. 이때, 잔류한 식각보호막(42)은 소자격리막 형성시 CMP공정에서 기판의 활성영역이 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.Next, using the photoresist pattern as an etching mask, the etching protection film and the pad oxide film of the portion not protected by the photoresist pattern are removed by anisotropic etching such as dry etching to expose a predetermined portion of the substrate 40. In this case, the remaining etching protection layer 42 serves to prevent the active region of the substrate from being etched in the CMP process when forming the device isolation layer.

그리고, 포토레지스트패턴을 계속하여 식각마스크로 이용하여 반도체기판(40)의 노출된 소자격리영역을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 상기에서 트렌치를 반응성이온식각(Reactive Ion Etching : 이하, RIE라 칭함)이나 플라즈마 식각 등으로 이방성 식각하여 형성한다. 이때, 식각공정은 소자격리에 요구되는 일정한 식각깊이와 식각각도를 갖도록 실시하는데, 본 발명의 실시예에서는 기판(40)의 수평면과 식각되어지는 트렌치의 측면 프로필과의 각도인 식각각도는 85° 이상으로 거의 수직에 가깝도록 한다.The trench is formed by etching the exposed device isolation region of the semiconductor substrate 40 to a predetermined depth by using the photoresist pattern as an etching mask. The trench is formed by anisotropic etching using reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) or plasma etching. In this case, the etching process is performed to have a constant etching depth and the etching angle required for device isolation, in the embodiment of the present invention, the etching angle, which is the angle between the horizontal surface of the substrate 40 and the side profile of the trench to be etched, is 85 °. This makes it almost close to vertical.

식각각도를 수직에 가깝게 형성하는 이유는 필요한 식각깊이를 확보하고 후속 공정에서 트렌치를 매립하기 위한 절연물질을 도핑되지 않은 폴리실리콘 등으로 형성하므로 증착시 보이드(void)가 생성되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또한, 식각깊이는 0.1㎛ 이하로도 형성이 가능하다.The reason for forming the etching angle close to the vertical is to secure the necessary etching depth and to form an insulating material for burying the trench in a subsequent process, such as undoped polysilicon, to prevent the generation of voids during deposition. Because. In addition, the etching depth can be formed to 0.1㎛ or less.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 형성방법을 실시하면, 소자가 초고집적화 됨에 따라 트렌치의 폭이 0.15㎛ 이하가 되어도 소자설계시 요구되는 트렌치의 식각깊이와 트렌치의 폭을 동시에 확보할 수 있으므로 초미세소자격리용 트렌치 형성이 가능하다.Therefore, when the trench forming method according to the embodiment of the present invention is implemented, as the device is ultra-highly integrated, even if the trench width is 0.15 μm or less, the trench depth required for the device design and the trench width can be secured simultaneously. It is possible to form trenches for ultra-fine device isolation.

그 다음, 포토레지스트패턴을 산소 애슁(O2ahing)으로 제거하여 질화막으로 이루어진 식각보호막(42)의 표면을 노출시킨다.Then, the photoresist pattern is removed by oxygen ashing (O 2 ahing) to expose the surface of the etching protection film 42 made of a nitride film.

그리고, 트렌치의 내부를 소정 두께로 매립하는 두께로 제 1 절연물질층(43)을 트렌치와 식각보호막(42)상에 형성한다. 이때, 제 1 절연물질층(43)은 불순물이 도핑되지 않은 폴리실리콘을 보이드가 발생하지 않도록 증착하며 트렌치를 완전히 매립하지 않도록 형성한다.Then, the first insulating material layer 43 is formed on the trench and the etch protection layer 42 to fill the inside of the trench to a predetermined thickness. In this case, the first insulating material layer 43 is formed so as not to void the polysilicon which is not doped with impurities and is formed so as not to completely fill the trench.

그 다음, 제 1 절연물질층(43)상에 트렌치를 완전히 매립하는 두께로 제 2 절연물질층(44)을 형성한다. 이때, 제 2 절연물질층(44)은 불순물이 도핑되지 않은 고온산화막(HT-USG) 등을 기판의 전면에 증착하여 형성한다.Next, a second insulating material layer 44 is formed on the first insulating material layer 43 to a thickness that completely fills the trench. In this case, the second insulating material layer 44 is formed by depositing a high temperature oxide film (HT-USG) or the like, which is not doped with impurities, on the entire surface of the substrate.

도 4b를 참조하면, 트렌치내에만 제 1 및 제 2 절연물질층을 잔류시키기 위하여 식각보호막인 질화막의 표면이 노출되도록 절연물질층을 화학기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing)로 제거하여 트렌치에만 제 1 및 제 2 절연물질층(430,440)을 잔류시키며 기판 상부의 평탄화를 이룬다. 이때, 식각보호막(420)인 질화막의 일부도 소정 두께 제거되고 일부만 패드산화막(41) 상에 잔류한다.Referring to FIG. 4B, the insulating material layer is removed by chemical mechanical polishing (CMP) so as to expose the surface of the nitride film, which is an etch protection film, in order to leave the first and second insulating material layers only in the trench. The first and second insulating material layers 430 and 440 remain to planarize the substrate. At this time, a part of the nitride film, which is the etch protection film 420, is also removed from the predetermined thickness and only a part of the nitride film remains on the pad oxide film 41.

도 4c를 참조하면, 식각보호막 및 패드산화막을 습식 식각 방법으로 순차적으로 제거하여 반도체기판(40)의 활성영역을 노출시키며 적층구조의 소자격리막(430,440)을 완성한다. 이때, 질화막인 식각보호막은 고온의 인산용액으로 습식제거하며, 전세정공정 등으로 패드산화막을 제거한다.Referring to FIG. 4C, the etch protection layer and the pad oxide layer are sequentially removed by a wet etching method to expose the active region of the semiconductor substrate 40 to complete the device isolation layers 430 and 440 having a stacked structure. At this time, the etching protective film as a nitride film is wet-removed with a high temperature phosphoric acid solution, and the pad oxide film is removed by a pre-cleaning process or the like.

따라서, 이와 같이 형성된 트렌치의 폭(d4)이 0.15㎛ 이하일 경우 형성되는 트렌치의 깊이가 필요한 만큼 깊게 확보할 수 있으므로 초미세소자제조시 요구되는 소자격리막을 형성할 수 있다.Therefore, when the width d4 of the trench thus formed is 0.15 μm or less, the depth of the trench to be formed can be as deep as necessary, so that an isolation layer required for manufacturing an ultrafine device can be formed.

따라서, 본 발명은 초미세 트렌치를 형성하여 소자격리막을 형성할 수 있으므로 1 기가급 이상의 디램등 차세대 반도체소자 제조에 적용이 가능하고, 도핑되지 않은 폴리실리콘을 소자격리막으로 이용하므로 트렌치 매립에 대한 신뢰성이 개선되어 소자격리특성을 향상시키는 장점이 있다.Therefore, the present invention can form a device isolation film by forming an ultra-fine trench can be applied to the production of next-generation semiconductor devices, such as DRAM or more than 1 gigabyte, and the reliability of the trench filling because undoped polysilicon is used as the device isolation film This improvement has the advantage of improving the device isolation characteristics.

Claims (5)

소자격리영역을 노출시키는 식각마스크를 반도체기판 상의 소정부위에 형성하는 단계와,Forming an etching mask exposing the device isolation region at a predetermined portion on the semiconductor substrate; 상기 식각마스크로 보호되지 않는 상기 반도체기판 부위를 식각프로파일이 수직에 가깝도록 제거하여 소정 깊이와 폭을 가지며 상부 폭과 하부 폭이 비슷한 트렌치를 형성하는 단계와,Removing a portion of the semiconductor substrate which is not protected by the etch mask so that an etch profile is close to a vertical to form a trench having a predetermined depth and width and a top width and a bottom width similar to each other; 상기 식각마스크를 제거하는 단계와,Removing the etching mask; 상기 트렌치를 절연물질로 매립하여 소자격리막을 형성하는 단계로 이루어진 반도체장치의 소자격리방법.Forming a device isolation film by filling the trench with an insulating material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 식각프로파일의 각도는 85° 이상인 것이 특징인 반도체장치의 소자격리방법.And an angle of the etching profile is 85 ° or more. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 절연물질은 도핑되지 않은 폴리실리콘으로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 소자격리방법.And the insulating material is formed of undoped polysilicon. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 소자격리막은 도핑되지 않은 폴리실리콘과 도핑되지 않은 실리케이트 그라스로 이루어진 적층구조로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 소자격리방법.And the device isolation film is formed in a stacked structure of undoped polysilicon and undoped silicate glass. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 트렌치의 폭은 0.20㎛ 이하로 형성하는 것이 특징인 반도체장치의 소자격리방법.The trench isolation device is characterized in that the width of 0.20㎛ or less formed.
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