KR20010077267A - A Method of Isolation for Semiconductor Devices Fabrication - Google Patents

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유명종
신종훈
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윤종용
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Abstract

PURPOSE: An isolation method for manufacturing a semiconductor device is provided to increase efficiency of an isolation process and to prevent problems such as a dent, by forming a field insulation layer having desired width and depth through a simplified process as compared with a conventional shallow trench isolation(STI) process. CONSTITUTION: An insulation layer is formed on a semiconductor substrate(10). The insulation layer is patterned to form a field insulation layer. A hole is formed in a portion corresponding to an active region so that the semiconductor substrate is exposed to a bottom surface of the hole. A polysilicon layer(46) is deposited on a front surface of the substrate to fill the hole, and a planarization process is performed to expose an upper portion of the field insulation layer.

Description

반도체 장치 제조를 위한 소자 분리 방법 {A Method of Isolation for Semiconductor Devices Fabrication}A Method of Isolation for Semiconductor Devices Fabrication

본 발명은 반도체 장치 제조를 위한 소자 분리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판에 필드 분리막과 활성 영역이 분리되도록 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device isolation method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a field separator and an active region separated from a semiconductor substrate.

반도체 장치는 반도체 기판에 도체, 부도체, 반도체로 이루어진 막을 형성하고 패터닝 등의 가공을 통해 수많은 전기 전자 소자와 배선을 형성하고 결합하여형성한 것이다. 따라서, 많은 소자와 배선을 좁은 공간에 형성하면서 각각의 기능이 이루어지도록 하기 위해서는 각 소자들을 배선을 통해 외부와 연결되면서도 다른 소자들과 정확히 분리되도록 형성하여야 한다.A semiconductor device is formed by forming a film made of a conductor, a non-conductor, and a semiconductor on a semiconductor substrate, and forming and combining a large number of electrical and electronic devices and wirings through processing such as patterning. Therefore, in order to form a large number of devices and wirings in a narrow space, and to perform their respective functions, each device must be formed to be accurately separated from other devices while being connected to the outside through the wirings.

반도체 장치를 이루는 기판의 각 영역을 전기적으로 다른 영역과 분리하여 각 영역에 개별 소자를 형성할 수 있게 하는 방법으로 여러 가지 영역 분리 방법이 사용된다. 종래에 많이 사용되던 것으로 LOCOS 공정 및 그 변형이 있다. 이들 방법에서는 기판에 부분적으로 실리콘 질화막을 형성하고 패터닝한 다음 실리콘 질화막이 제거된 부분의 기판을 열산화시켜 소자 분리를 위한 절연막으로 사용한다.Various region separation methods are used as a method of forming individual devices in each region by electrically separating each region of the substrate constituting the semiconductor device from other regions. There are many LOCOS processes and variations thereof that have been used in the past. In these methods, a silicon nitride film is partially formed and patterned on the substrate, and then the substrate in which the silicon nitride film is removed is thermally oxidized and used as an insulating film for device isolation.

그러나 이들 방법에서는 절연을 위해 실리콘이 산화되어 산화막이 형성되면서 팽창 압력에 의해 실리콘 질화막 영역의 주변으로 뾰족하게 확장되어 결국 활성영역의 범위를 감소시키는 버즈 빅(bird's beak) 현상이 있었다. 소자 고집적화가 진행되면서 버즈 빅 현상은 소자 고집적화에 큰 저해요소가 되므로 새로운 소자 분리 방법이 개발되었다. 근래에 많이 사용되는 것으로 STI(Shallow Trench Isolation) 방법이 있다. 이 방법은 반도체 기판에 트랜치를 형성하고 트랜치에 절연막을 채워 넣어 필드 분리막으로 이용하는 방법이다. STI 방법을 이용하면 필드 절연막이 소자 분리의 기능에 적합하면서도 명료한 형태로 이루어져 종래의 LOCOS 방식의 필드 분리막에 비해 활성 영역을 넓힐 수 있다.However, in these methods, there was a bird's beak phenomenon in which silicon was oxidized for insulation to form an oxide film, which was sharply expanded to the periphery of the silicon nitride film region by the expansion pressure, thereby reducing the range of the active region. As device integration has progressed, the Buzz Big phenomenon has been a major deterrent to device integration. Recently used is the STI (Shallow Trench Isolation) method. In this method, a trench is formed in a semiconductor substrate and an insulating film is filled in the trench to be used as a field separator. By using the STI method, the field insulating film is suitable for device isolation and has a clear shape, thereby widening the active area as compared with the field separator of the conventional LOCOS method.

STI 방법은 기본적으로 반도체 기판에 실리콘 질화막을 형성하고, 패터닝하며, 실리콘 질화막 패턴을 식각 마스크로 기판에 트랜치를 식각으로 형성하고, 형성된 트랜치에 CVD 산화막을 채워넣고, 실리콘 질화막 마스크 위쪽의 산화막은CMP로 제거하며 최종적으로 식각 마스크로 사용한 실리콘 질화막 패턴을 대개 습식으로 제거하여 활성 영역을 노출시키는 과정을 거치게 된다.The STI method basically forms a silicon nitride film on a semiconductor substrate, patterns it, forms a trench on the substrate using an etching pattern of a silicon nitride film, fills the CVD oxide film in the formed trench, and forms an oxide film on the silicon nitride mask. The silicon nitride layer pattern, which is used as an etch mask, is finally removed by wet removal, exposing the active region.

그러나, 단순히 상술한 방법만으로 형성된 필드 절연막은 트랜치를 형성한 식각면이 손상되고 산화막이 채워지는 동안 기판에 산소가 확산되는 문제가 있어서 표면 열산화로 식각면 손상을 복구하고 실리콘 질화막 라이닝을 형성하여 산화막을 채우는 방법을 사용하게 된다. 또한, 실리콘 질화막 라이닝을 사용하는 경우 트랜치 형성용 실리콘 질화막 패턴을 제거하는 단계에서 라이닝을 상당 부분 식각하여 덴트 현상을 발생시키고 덴트는 후속 공정에서 절연상의 문제 등을 일으키므로 이를 예방하기 위한 부속적 공정이 더 실시되는 경우가 많다.However, the field insulating film formed only by the above-described method has a problem in that the trench forming the trench is damaged and oxygen diffuses into the substrate while the oxide film is filled, thereby recovering the etching surface damage by surface thermal oxidation and forming a silicon nitride film lining. The method of filling the oxide film is used. In addition, in the case of using a silicon nitride lining, a large portion of the lining is etched in the step of removing the trench forming silicon nitride pattern to cause a dent phenomenon, and the dent causes an insulation problem in a subsequent process. This is often done more.

이러한 부속적 공정들은 STI 방법을 번거롭고 비능률적인 공정으로 변화시킨다. 따라서 보다 간단하고 효과적인 소자 분리 방법이 요청되고 있다.These subsidiary processes transform the STI method into a cumbersome and inefficient process. Therefore, there is a need for a simpler and more effective device isolation method.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 활성 영역을 최대로 하면서도 종래의 STI 방법에 비해 간단하면서 효과적인 소자 분리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a device separation method which is simpler and more effective than the conventional STI method while maximizing the active area.

도1 내지 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정의 단계를 나타내는 공정 단면도이다.1 to 5 are process cross-sectional views illustrating steps of a process according to an embodiment of the present invention.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing

10: 기판 12: 절연막10 substrate 12 insulating film

14: 유기 반사 방지막 21: 포토레지스트 패턴14: organic antireflection film 21: photoresist pattern

22: 절연막 패턴 46: 폴리실리콘층22: insulating film pattern 46: polysilicon layer

56: 폴리실리콘 패턴56: polysilicon pattern

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판에 절연막을 형성하는 단계, 상기 절연막을 패터닝하여 필드 절연막을 형성하고 활성영역에 해당 하는 부분에서는 홀을 형성하여 상기 홀 저면에 반도체 기판을 노출시키는 단계, 공정 기판 전면에 폴리실리콘을 적층하여 상기 홀을 채우고 평탄화를 실시하여 상기 필드 절연막 상부를 노출시키는 단계를 구비하여 이루어진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming an insulating film on a semiconductor substrate, forming a field insulating film by patterning the insulating film, and forming a hole in a portion corresponding to an active region to expose the semiconductor substrate on the bottom of the hole. And depositing polysilicon on the entire surface of the process substrate to fill the hole and to planarize to expose the upper portion of the field insulating film.

본 발명에서 피드 절연막을 패터닝 작업을 통해 형성하기 위해서 상기 절연막 위에 유기 반사 방지막을 먼저 형성하여 사용하는 것이 바람직하다. 유기 반사 방지막은 패터닝 과정에서 사용된 포토레지스트 패턴을 제거하는 과정에서 함께 제거되어 별도의 제거 공정이 필요하지 않기 때문이다.In the present invention, in order to form a feed insulating film through a patterning operation, it is preferable to first use an organic antireflection film on the insulating film. This is because the organic anti-reflection film is removed together in the process of removing the photoresist pattern used in the patterning process so that no separate removal process is required.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 살펴보기로 한다. 도1 내지 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정의 단계를 나타내는 공정 단면도이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 5 are process cross-sectional views illustrating steps of a process according to an embodiment of the present invention.

도1은 초기 반도체 기판(10)에 절연막(12)을 형성하고 그 위에 유기 반사 방지막(14)을 형성한 상태를 나타낸다. 절연막(12)으로는 800℃ 정도의 고온에서 CVD(Chemical Vapour Deposition)로 USG(Undoped Silicate Glass)막을 형성하여 사용하였다. 절연막(12)의 두께는 형성될 필드 절연막의 필요 두께를 계산하여 형성하면 된다.FIG. 1 shows a state in which an insulating film 12 is formed on an initial semiconductor substrate 10 and an organic antireflection film 14 is formed thereon. As the insulating film 12, USG (Undoped Silicate Glass) film was formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) at a high temperature of about 800 ° C. The thickness of the insulating film 12 may be formed by calculating the required thickness of the field insulating film to be formed.

도2는 도1의 상태에서 절연막(12)의 패터닝 작업을 위해 포토레지스트 패턴(21)을 먼저 형성한 상태를 나타낸다. 먼저 포토레지스트막을 형성하고 포토마스크를 이용하여 노광을 실시하고 현상하는 과정을 통해 포토레지스트 패턴(21)이 만들어진다. 포토레지스트 패턴(21)으로 가려지는 부분은 필드 절연막이 형성될 부분이고 활성영역은 노출된다.FIG. 2 shows a state in which the photoresist pattern 21 is first formed for the patterning operation of the insulating film 12 in the state of FIG. 1. First, a photoresist pattern 21 is formed through a process of forming a photoresist film, exposing and developing using a photomask. The portion covered by the photoresist pattern 21 is a portion where the field insulating film is to be formed and the active region is exposed.

도3은 도2의 상태에서 포토레지스트 패턴(21)을 식각 마스크로 절연막 식각을 실시하여 절연막으로 이루어진 절연막 패턴(32)을 형성한 상태를 나타낸다. 이때, 절연막 식각에 앞서 노출된 유기 반사 방지막(14)이 제거된다. 식각은 절연막 형성전의 반도체 기판면이 노출될 때까지 이루어지며 일부 과식각을 실시하여 깨끗한 기판면이 드러나게 하는 것이 바람직하다. 절연막(12)이 제거된 부분은 홀을 이루고 있으며 이때 형성되는 절연막 패턴(22)이 필드 절연막이 되고, 홀 부분이 평면적으로 볼 때 활성 영역이 된다.FIG. 3 illustrates a state in which an insulating film pattern 32 made of an insulating film is formed by performing an insulating film etching with the photoresist pattern 21 using an etching mask in the state of FIG. 2. At this time, the organic anti-reflection film 14 exposed before the insulating film is removed. Etching is performed until the surface of the semiconductor substrate before the insulating film is exposed, and it is preferable to perform some overetching to expose the clean substrate surface. The portion from which the insulating film 12 is removed forms a hole. The insulating film pattern 22 formed at this time becomes a field insulating film, and the hole portion becomes an active region when viewed in plan view.

도4는 도3의 상태에서 애싱, 습식 스트립핑 또는 이들의 결합을 통해 포토레지스트 패턴(21)을 완전히 제거하고 기판(10) 전면에 폴리실리콘층(46)을 적층하여 도3에서 형성된 홀에 폴리실리콘을 채운 상태를 나타낸다. 이 과정에서 절연막 패턴(22) 위에도 폴리실리콘층(46)이 적층되며 충분한 두께를 적층시켜 상면이 평탄한 상태를 이루는 것이 바람직하다.FIG. 4 completely removes the photoresist pattern 21 through ashing, wet stripping, or a combination thereof in the state of FIG. 3, and stacks a polysilicon layer 46 on the entire surface of the substrate 10 in the hole formed in FIG. It shows the state which filled polysilicon. In this process, it is preferable that the polysilicon layer 46 is also stacked on the insulating film pattern 22, and a sufficient thickness is stacked to form a flat top surface.

도5는 도4의 상태에서 전면적인 식각을 실시하여 절연막 패턴(22) 위쪽에 쌓여있던 폴리실리콘을 제거하고 도3의 홀 공간만을 폴리실리콘 패턴(56)이 채우고 있는 상태를 나타낸다. 일반적으로 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정은 실리콘 산화막이나 텅스탠 금속막의 평탄화에 이용되며 폴리실리콘 평탄화에는 적합하지 않은 면이 있으므로 에치 백을 이용하여 평탄화 공정을 실시한다.FIG. 5 illustrates a state in which the polysilicon accumulated in the upper portion of the insulating layer pattern 22 is removed by the entire etching in the state of FIG. 4, and the polysilicon pattern 56 fills only the hole space of FIG. 3. In general, the chemical mechanical polishing (CMP) process is used to planarize a silicon oxide film or a tungsten metal film and is not suitable for polysilicon planarization, so that the planarization process is performed using an etch back.

에치 백에 의해 평탄화된 활성 영역은 다소 표면이 거칠기 때문에 게이트 절연막 형성 전에 별도의 CMP 공정을 부가하고 세정을 실시하는 것이 필요할 것이다.Since the active regions planarized by the etch back are somewhat rough, it may be necessary to add a separate CMP process and perform cleaning before forming the gate insulating film.

활성 영역에 형성된 폴리실리콘층은 전도도를 높이기 위해서는 고온의 아닐링을 거치고 댕글링(dangling) 본드를 치유하기 위한 수소 등의 불순물을 함유시키는 작업이 함께 이루어지는 것이 바람직하다.In order to increase the conductivity, the polysilicon layer formed in the active region is preferably subjected to an operation including high temperature annealing and containing impurities such as hydrogen for healing a dangling bond.

본 발명에 따르면 종래의 STI 공정에 비해 간단한 공정을 통해 원하는 폭과 깊이의 필드 절연막을 형성하여 소자 분리 공정의 효율성을 높일 수 있다. 그리고 STI와 같은 덴트 등의 문제를 방지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to increase the efficiency of the device isolation process by forming a field insulating film having a desired width and depth through a simple process compared to the conventional STI process. And problems such as dents such as STI can be prevented.

Claims (3)

반도체 기판에 절연막을 형성하는 단계,Forming an insulating film on the semiconductor substrate, 상기 절연막을 패터닝하여 필드 절연막을 형성하고 활성영역에 해당 하는 부분에서는 홀을 형성하여 상기 홀 저면에 반도체 기판을 노출시키는 단계,Patterning the insulating film to form a field insulating film, and forming a hole in a portion corresponding to an active region to expose a semiconductor substrate on the bottom of the hole; 공정 기판 전면에 폴리실리콘을 적층하여 상기 홀을 채우고, 평탄화를 실시하여 상기 필드 절연막 상부를 노출시키는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조를 위한 소자 분리 방법.Stacking polysilicon over the entire surface of the process substrate, and planarizing to expose the upper portion of the field insulating film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 필드 절연막을 패터닝하기 전에 상기 절연막 위에 유기 반사 방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조를 위한 소자 분리 방법.And forming an organic antireflection film over the insulating film before patterning the field insulating film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 평탄화를 실시하는 단계에서는 에치 백 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 제조를 위한 소자 분리 방법.And the etching back method is used in the planarization step.
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