KR20030002352A - Method for Self-Aligned Shallow Trench Isolation and Method of manufacturing Non-Volatile Memory Device comprising the same - Google Patents

Method for Self-Aligned Shallow Trench Isolation and Method of manufacturing Non-Volatile Memory Device comprising the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for isolating a self-aligned shallow trench and a method for fabricating a non-volatile memory device by using the same are provided to form simultaneously a gate and an active region by using a self-aligned shallow trench isolation method. CONSTITUTION: An oxide layer is formed on a semiconductor substrate(100). The first conductive layer is formed on the oxide layer. A stopping layer is formed on the first conductive layer. A hard mask layer and an anti-reflective layer are formed on the stopping layer. A mask pattern is formed by etching the anti-reflective layer and the hard mask layer. A gate oxide layer(102), the first floating gate pattern(104), and a stopping layer pattern are formed by patterning the stopping layer, the first conductive layer, and the oxide layer. A trench(110) is formed by etching the substrate(100) neighboring to the first floating gate pattern(104). A sidewall of the first floating gate pattern(104) is rounded. A trench oxide layer is formed on an inner face of the trench(110). A field oxide layer is formed in the inside of the trench(110). The second floating gate pattern(118) is formed by removing a conductive layer of the field oxide layer. An ONO dielectric layer(120) is formed on the whole surface of the above structure. A control gate layer(122) is formed on the dielectric layer(120). A stack type gate structure is formed by etching the control gate layer(122), the dielectric layer(120), and the second floating gate pattern(118) and the first floating gate pattern.

Description

자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법 및 이를 이용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법{Method for Self-Aligned Shallow Trench Isolation and Method of manufacturing Non-Volatile Memory Device comprising the same}Method for Self-Aligned Shallow Trench Isolation and Method of manufacturing Non-Volatile Memory Device comprising the same}

본 발명은 소자분리 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 게이트와 액티브 영역을 동시에 형성하기 위한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리(self-aligned shallow trench isolation; SA-STI) 방법 및 이를 이용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device isolation method and a method of fabricating a semiconductor device using the same, and more particularly, self-aligned shallow trench isolation (SA-STI) for simultaneously forming a gate and an active region. ) And a method of manufacturing a nonvolatile memory device using the same.

고집적 메모리 장치의 제조에 있어서, 셀의 집적도는 메모리 셀의 레이아웃 및 임계 치수의 축소에 따른 상기 레이아웃의 비례축소능력(scalability)에 의해 주로 결정된다. 임계 치수가 서브-마이크론 영역 이하로 축소됨에 따라, 레이아웃의 비례축소능력(scalability)은 제조 공정의 해상도(resolution) 및 설계용 마스크에 의한 얼라인먼트 공차에 의해 제한되어진다. 마스크의 얼라인먼트는 공정시 웨이퍼의 상부에 마스크를 위치시키는 기계적 기술 및 마스크의 상부에 패턴을 일관되게 인쇄하는 기술에 의해 제한된다. 얼라인먼트 공차가 축적되면 어레이의 레이아웃시 미스얼라인먼트 에러가 유발되기 때문에, 칩 설계에서 얼라인먼트 공차를 제어하기 위해서는 얼라인먼트 임계 마스크를 보다 적게 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 소위 “자기정렬(self-aligned)” 공정 단계가 개발되어왔다.In the manufacture of highly integrated memory devices, the degree of integration of the cells is mainly determined by the layout of the memory cells and the scalability of the layout as the critical dimension shrinks. As the critical dimension shrinks below the sub-micron region, the scalability of the layout is limited by the resolution of the manufacturing process and the alignment tolerance by the design mask. The alignment of the mask is limited by the mechanical technique of placing the mask on top of the wafer during processing and the technique of consistently printing the pattern on top of the mask. Accumulation of alignment tolerances causes misalignment errors in the layout of the array, so it is desirable to use fewer alignment threshold masks to control the alignment tolerances in chip design. Thus, so-called "self-aligned" process steps have been developed.

대부분의 고집적 메모리 설계는 어레이 내의 열 방향의 셀들 사이에 소자분리 구조를 요구하므로, 메모리 어레이의 집적도를 증가시키기 위해서는 소자분리 구조의 치수를 최소화는 것이 바람직하다. 그러나, 소자분리 구조의 크기는 소자분리 구조를 형성하기 위한 공정 및 메모리 어레이 내의 구조들에 대한 정렬에 의해 제한된다.Since most highly integrated memory designs require device isolation structures between cells in the column direction within the array, it is desirable to minimize the size of device isolation structures to increase the density of the memory array. However, the size of the device isolation structure is limited by the process for forming the device isolation structure and by the alignment of the structures in the memory array.

통상적으로, 소자분리 구조는 실리콘 부분 산화법(LOCal Oxidation of Silicon; LOCOS)과 같은 열적 필드 산화 공정을 사용하여 형성된다. LOCOS 소자분리에 의하면, 먼저 실리콘 기판 상에 산화막 및 질화막을 차례로 형성한 후, 질화막을 패터닝한다. 다음에, 패터닝한 질화막을 산화 방지 마스크로 사용하여 실리콘 기판을 선택적으로 산화시켜 필드 산화막을 형성한다. LOCOS 소자분리에 의하면, 실리콘 기판의 선택적 산화시 마스크로 사용되는 질화막 하부에서 산화막의 측면으로 산소가 침투하면서 필드 산화막의 끝부분에 버즈 비크(bird′s beak)가 발생하게 된다. 이러한 버즈 비크에 의해 필드 산화막이 버즈 비크의 길이만큼 액티브 영역으로 확장되기 때문에, 액티브 영역의 폭이 감소되어 소자의 전기적 특성이 열화된다.Typically, device isolation structures are formed using thermal field oxidation processes such as LOCal Oxidation of Silicon (LOCOS). According to LOCOS device isolation, first, an oxide film and a nitride film are sequentially formed on a silicon substrate, and then the nitride film is patterned. Next, the silicon substrate is selectively oxidized using the patterned nitride film as an oxidation mask to form a field oxide film. According to the LOCOS device isolation, a bird's beak is generated at the end of the field oxide film as oxygen penetrates to the side of the oxide film under the nitride film used as a mask for selective oxidation of the silicon substrate. Since the field oxide film is extended to the active area by the length of the buzz beak by such a buzz beak, the width of the active area is reduced to deteriorate the electrical characteristics of the device.

이에 따라, 초고집적 반도체 장치에서는 셸로우 트렌치 소자분리(STI) 구조가 각광받고 있다. STI 공정에 의하면, 실리콘 기판을 식각하여 트렌치를 형성한 후, 트렌치를 채우도록 산화막을 증착한다. 다음에, 산화막을 에치백(etch back) 또는 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 방법으로 식각하여 트렌치의 내부에 필드 산화막을 형성한다.Accordingly, a shallow trench isolation (STI) structure is in the spotlight in the ultra-high density semiconductor device. According to the STI process, after the silicon substrate is etched to form a trench, an oxide film is deposited to fill the trench. Next, the oxide film is etched by etch back or chemical mechanical polishing (CMP) to form a field oxide film in the trench.

상술한 LOCOS 방법이나 STI 방법은 공통적으로 소자분리 영역을 정의하기 위한 마스크 단계와 이 영역에 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함한다. 소자분리 구조를 형성한 후에는, 메모리 셀들을 형성하기 위한 마스크 단계들이 수행된다. 따라서, 소자분리 구조의 형성에 수반되는 얼라인먼트 공차와 메모리 셀의 레이아웃에 수반되는 얼라인먼트 공차가 결합하여 소자의 동작에 치명적인 영향을 미치는 미스얼라인먼트를 유발하게 된다.The above-described LOCOS method or STI method commonly includes a mask step for defining a device isolation region and a field oxide film formed in the region. After forming the device isolation structure, mask steps for forming memory cells are performed. Therefore, the alignment tolerance accompanying the formation of the device isolation structure and the alignment tolerance associated with the layout of the memory cell are combined to cause misalignment that has a fatal effect on the operation of the device.

이러한 얼라인먼트 문제를 해결하기 위한 한 방법으로서, 불휘발성 메모리 장치에 있어서 LOCOS 소자분리 구조를 플로팅 게이트에 자기정렬하여 형성하는 방법이 제시되어 있다. 또한, STI 구조를 플로팅 게이트에 자기정렬하여 형성하는 방법이 미합중국 특허 제6,013,551호(issued to Jong Chen) 등에 개시되어 있다. 이 방법들에 의하면, 전하의 저장에 사용되는 플로팅 게이트와 액티브 영역이 하나의 마스크를 사용하여 동시에 정의되므로 액티브 영역과 플로팅 게이트 간에 자기정렬을 제공한다.As one method for solving the alignment problem, a method of self-aligning and forming a LOCOS device isolation structure in a floating gate in a nonvolatile memory device is proposed. Further, a method of self-aligning and forming an STI structure in a floating gate is disclosed in US Pat. No. 6,013,551 issued to Jong Chen and the like. According to these methods, the floating gate and the active region used for the storage of the charge are defined at the same time using one mask, thereby providing self-alignment between the active region and the floating gate.

불휘발성 메모리 장치는 한번 데이터를 입력하면 시간이 지나도 그 상태를 유지할 수 있는 특성을 갖는데, 최근에는 전기적으로 데이터의 입·출력이 가능한 플래쉬 메모리에 대한 수요가 늘고 있다. 플래쉬 메모리 장치에서 데이터를 저장하는 메모리 셀은, 실리콘 기판의 상부에 터널 산화막을 개재하여 형성된 플로팅 게이트와, 플로팅 게이트의 상부에 유전막을 개재하여 형성된 컨트롤 게이트의 스택형 게이트 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 플래쉬 메모리 셀에서 데이터의 저장은 컨트롤 게이트와 기판에 적절한 전압을 인가하여 플로팅 게이트에 전자를 집어넣거나 빼냄으로써 이루어진다. 이때, 유전막은 플로팅 게이트에 충전된 전하 특성을 유지시키고 컨트롤 게이트의 전압을 플로팅 게이트에 전달하는 역할을 한다.Non-volatile memory devices have characteristics that can maintain their state over time once data is input. Recently, there is an increasing demand for a flash memory that can electrically input and output data. A memory cell for storing data in a flash memory device has a floating gate structure formed of a floating gate formed on top of a silicon substrate via a tunnel oxide film and a control gate formed of a control gate formed on top of the floating gate through a dielectric film. In flash memory cells having such a structure, data is stored by applying an appropriate voltage to the control gate and the substrate to insert or draw electrons into the floating gate. In this case, the dielectric layer maintains charge characteristics charged in the floating gate and transfers the voltage of the control gate to the floating gate.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리를 갖는 플래쉬 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a flash memory device having a conventional self-aligned shallow trench device isolation.

도 1a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 물질로 이루어진 반도체 기판(10) 상에 산화막, 제1 폴리실리콘층 및 질화막(도시하지 않음)을 차례로 증착한다. 상기 산화막은 플래쉬 메모리 셀의 터널 산화막, 즉 게이트 산화막으로 제공되고, 상기 제1 폴리실리콘층은 플로팅 게이트로 제공된다. 상기 질화막은 후속하는 화학 기계적 연마(CMP) 공정시 연마 저지막으로 제공된다.Referring to FIG. 1A, an oxide film, a first polysilicon layer, and a nitride film (not shown) are sequentially deposited on a semiconductor substrate 10 made of a semiconductor material such as silicon. The oxide film is provided as a tunnel oxide film, that is, a gate oxide film of a flash memory cell, and the first polysilicon layer is provided as a floating gate. The nitride film serves as an abrasive stopper film in a subsequent chemical mechanical polishing (CMP) process.

이어서, 하나의 마스크를 사용하는 사진식각 공정을 통해 상기 질화막, 제1 폴리실리콘층 및 산화막을 차례로 건식 식각하여 게이트 산화막(12), 제1 플로팅 게이트 패턴(14) 및 질화막 패턴(18)을 형성한다. 계속해서, 상기 마스크를 사용하여 제1 플로팅 게이트 패턴(14)에 인접한 기판(10)의 상부를 식각하여 트렌치(20)를 형성한다. 즉, 하나의 마스크를 이용한 트렌치 공정에 의해 액티브 영역과 플로팅 게이트를 동시에 정의한다.Subsequently, the nitride layer, the first polysilicon layer, and the oxide layer are sequentially dry-etched through a photolithography process using one mask to form the gate oxide layer 12, the first floating gate pattern 14, and the nitride layer pattern 18. do. Subsequently, the trench 20 is formed by etching the upper portion of the substrate 10 adjacent to the first floating gate pattern 14 using the mask. That is, the active region and the floating gate are simultaneously defined by a trench process using one mask.

도 1b를 참조하면, 트렌치 식각 공정 동안에 고에너지의 이온 충격으로 야기된 실리콘 손상(damage)을 큐어링하고 누설 전류의 발생을 억제하기 위하여 트렌치(20)의 노출된 부분을 산화 분위기에서 열처리한다. 그러면, 노출된 실리콘과 산화제와의 산화 반응에 의해, 트렌치(20)의 바닥면과 측벽을 포함하는 내면 상에 트렌치 내벽산화막(22)이 형성된다.Referring to FIG. 1B, the exposed portion of trench 20 is heat treated in an oxidizing atmosphere to cure silicon damage caused by high energy ion bombardment during the trench etching process and to suppress the generation of leakage currents. Then, the trench inner wall oxide film 22 is formed on the inner surface including the bottom surface and the sidewall of the trench 20 by an oxidation reaction between the exposed silicon and the oxidant.

상기 산화 공정시 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 하부에서 게이트 산화막(12)의 측면으로 산화제(oxidant)가 침투하여 도 2에 도시한 바와 같이 버즈비크(b)가 형성된다. 또한, 산화시에는 산화막의 부피 팽창이 계속적으로 일어나는데, 실리콘 기판(10)과 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 표면에서만 산화가 진행되므로 제1 플로팅 게이트 패턴(14)과 게이트 산화막(12) 간의 계면 엣지 및 실리콘 기판(10)과 게이트 산화막(12) 간의 계면 엣지에서는 산화에 의한 부피 팽창이 한정된다. 따라서, 이들 계면 엣지에서는 부피 팽창으로 인한 스트레스가 집중되어 산화제의 확산이 느려짐으로써 산화가 억제된다(도 2의 c 참조). 도 2에서, 참조부호 a는 상기 트렌치 내벽산화막(22)을 형성하기 위한 산화 공정 전의 프로파일을 나타낸다.During the oxidation process, an oxidant penetrates into the side surface of the gate oxide layer 12 under the first floating gate pattern 14 to form a burj beek b as shown in FIG. 2. In addition, during the oxidation, the volume expansion of the oxide film occurs continuously. Since the oxidation proceeds only on the surfaces of the silicon substrate 10 and the first floating gate pattern 14, the gap between the first floating gate pattern 14 and the gate oxide film 12 is increased. At the interface edge and at the interface edge between the silicon substrate 10 and the gate oxide film 12, volume expansion due to oxidation is limited. Therefore, at these interfacial edges, stress due to volume expansion is concentrated to slow the diffusion of the oxidant, thereby inhibiting oxidation (see FIG. 2C). In Fig. 2, reference numeral a denotes a profile before an oxidation process for forming the trench inner wall oxide film 22.

그 결과, 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 바닥 엣지부분이 외부로 굴곡되면서 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 측벽이 포지티브 기울기(positive slope)를 갖게 된다. 여기서, 측벽이 포지티브 기울기를 갖는다는 것은 에천트에 대하여 측벽이 침식되는 기울기를 갖는다는 것을 의미한다. 즉, 도시한 바와 같이, 질화막 패턴(18)의 바로 아래는 질화막 패턴(18)의 존재에 의해, 산화제의 침투가 억제되어 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 측벽 상부는 네거티브 기울기를 갖게 되지만, 측벽 하부는 바닥 에지부분이 외부로 굴곡되어 메사 구조물의 측벽과 같이 기판 상부 방향에서 도입되는 에천트에 대하여 침식되거나 하부 막질의 저지막으로서 작용하게 되는 포지티브 기울기를 갖게 된다.As a result, the bottom edge portion of the first floating gate pattern 14 is bent to the outside, and the sidewall of the first floating gate pattern 14 has a positive slope. Here, the sidewall having a positive slope means that the sidewall has an inclination with respect to the etchant. That is, as shown, the penetration of the oxidant is suppressed by the presence of the nitride film pattern 18 immediately below the nitride film pattern 18, so that the upper portion of the sidewall of the first floating gate pattern 14 has a negative slope, The bottom of the sidewall has a positive slope where the bottom edge portion is bent outward and erodes or acts as a barrier of the lower film quality with respect to the etchant introduced from the upper direction of the substrate, such as the sidewall of the mesa structure.

도 1c를 참조하면, 상기 트렌치(20)를 채우도록 화학 기상 증착(chemicalvapor deposition; CVD) 방법으로 갭매립(gap-fill) 산화막(23)을 형성한 후, 상기 질화막 패턴(18)의 상부 표면이 노출될 때까지 상기 갭매립 산화막(23)을 화학 기계적 연마(CMP)에 의해 제거한다. 그 결과, 트렌치(20)의 내부에 필드 산화막(24)이 형성된다.Referring to FIG. 1C, after a gap-fill oxide layer 23 is formed by chemical vapor deposition (CVD) to fill the trench 20, the upper surface of the nitride layer pattern 18 is formed. The gap buried oxide film 23 is removed by chemical mechanical polishing (CMP) until it is exposed. As a result, the field oxide film 24 is formed inside the trench 20.

도 1d를 참조하면, 인산 스트립 공정으로 상기 질화막 패턴(18)을 제거하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 표면을 노출시킨다. 이어서, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(14) 및 필드 산화막(24) 상에 플로팅 게이트로 사용될 제2 폴리실리콘층을 증착한다. 상기 제2 폴리실리콘층은 제1 플로팅 게이트 패턴(14)과 전기적으로 접촉하며, 후속 공정에서 형성될 유전막의 면적을 증가시키는 역할을 한다.Referring to FIG. 1D, the nitride film pattern 18 is removed by a phosphoric acid strip process to expose a surface of the first floating gate pattern 14. Subsequently, a second polysilicon layer to be used as a floating gate is deposited on the first floating gate pattern 14 and the field oxide layer 24. The second polysilicon layer is in electrical contact with the first floating gate pattern 14, and serves to increase the area of the dielectric film to be formed in a subsequent process.

이어서, 사진식각 공정에 의해 상기 필드 산화막(24) 상의 제2 폴리실리콘층을 부분적으로 제거하여 제2 플로팅 게이트 패턴(26)을 형성한 후, 결과물의 전면에 ONO(산화막/질화막/산화막) 유전막(28) 및 컨트롤 게이트층(30)을 차례로 형성한다. 상기 컨트롤 게이트층(30)은 통상 도핑된 폴리실리콘층과 텅스텐 실리사이드층이 적층된 폴리사이드 구조로 형성한다.Subsequently, the second polysilicon layer on the field oxide film 24 is partially removed by a photolithography process to form a second floating gate pattern 26, and then an ONO (oxide / nitride / oxide) dielectric film is formed on the entire surface of the resultant. 28 and the control gate layer 30 are sequentially formed. The control gate layer 30 is typically formed of a polyside structure in which a doped polysilicon layer and a tungsten silicide layer are stacked.

그런 다음, 셀프-얼라인 게이트 식각 공정으로 상기 컨트롤 게이트층(30), 유전막(28), 그리고 제2 및 제1 플로팅 게이트 패턴(26, 14)을 차례로 건식 식각하여 불휘발성 메모리 장치의 스택형 게이트 구조를 완성한다.Then, the control gate layer 30, the dielectric layer 28, and the second and first floating gate patterns 26 and 14 are sequentially dry-etched by a self-aligned gate etching process to stack the nonvolatile memory device. Complete the gate structure.

이때, 도 1b의 A와 같이 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 측벽 하부가 포지티브 기울기를 갖고 있으므로 건식 식각 공정의 이방성 식각 특성(즉, 수직 방향으로만 식각이 진행되는 특성)에 의해 제1 플로팅 게이트 패턴(14)의 필드 산화막(24)으로 마스킹되어진 부위가 식각되지 않고 남아있게 된다. 따라서, 필드 산화막(24)과 액티브 영역 간의 표면 경계를 따라 라인 형태의 폴리실리콘 잔류물(residue)(14a)이 남게 된다. 이 폴리실리콘 잔류물(14a)은 인접한 플로팅 게이트 간에 브리지(bridge)를 형성하여 소자의 전기적 불량(fail)을 유발하게 된다.In this case, as shown in FIG. 1B, since the lower portion of the sidewall of the first floating gate pattern 14 has a positive slope, the first floating is performed by the anisotropic etching characteristic of the dry etching process (that is, the etching proceeds only in the vertical direction). The portion masked by the field oxide film 24 of the gate pattern 14 remains unetched. Thus, a line-shaped polysilicon residue 14a is left along the surface boundary between the field oxide film 24 and the active region. This polysilicon residue 14a forms a bridge between adjacent floating gates, causing electrical failure of the device.

따라서, 본 발명의 제1의 목적은 소자의 전기적 불량을 방지할 수 있는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a self-aligned shallow trench device isolation method capable of preventing electrical failure of the device.

본 발명의 제2의 목적은 플로팅 게이트 측벽의 포지티브 기울기를 방지할 수 있는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 제공하는데 있다.It is a second object of the present invention to provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device capable of preventing the positive slope of the floating gate sidewall.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 공정을 적용한 플래쉬 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a flash memory device to which a conventional self-aligned shallow trench device isolation process is applied.

도 2는 도 1b의 A 부분의 확대 단면도이다.FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of portion A of FIG. 1B.

도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 공정을 적용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device to which a self-aligned shallow trench device isolation process according to a first embodiment of the present invention is applied.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 공정을 적용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device to which a self-aligned shallow trench device isolation process according to a second embodiment of the present invention is applied.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100, 200 : 반도체 기판102, 202 : 게이트 산화막100, 200: semiconductor substrate 102, 202: gate oxide film

104, 204 : 제1 플로팅 게이트 패턴104, 204: First floating gate pattern

206 : 버퍼막 패턴108, 208 : 저지막 패턴206: buffer film pattern 108, 208: low film pattern

109, 209 : 마스크 패턴110, 210 : 트렌치109, 209: mask pattern 110, 210: trench

112, 212 : 트렌치 내벽산화막114 : 갭매립 산화막112, 212: trench inner wall oxide film 114: gap buried oxide film

116, 216 : 필드 산화막118 : 제2 플로팅 게이트 패턴116 and 216: Field oxide film 118: Second floating gate pattern

120 : 유전막122 : 컨트롤 게이트층120 dielectric film 122 control gate layer

상기한 본 발명의 제1의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판 상에 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 제1 도전층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전층 상에 저지막을 형성하는 단계; 하나의 마스크를 사용하여 상기 저지막, 제1 도전층 및 산화막을 식각하여 산화막 패턴, 제1 도전층 패턴 및 저지막 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크를 사용하여 상기 제1 도전층 패턴에 인접한 상기 기판의 상부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 어닐링을 실시하여 상기 제1 도전층 패턴의 측벽을 라운딩시키는 단계; 상기 트렌치의 내면을 산화시켜 상기 트렌치의 내면 상에 트렌치 내벽산화막을 형성하는 단계; 및 상기 트렌치의 내부에 필드 산화막을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치소자분리 방법을 제공한다.In order to achieve the first object of the present invention described above, the present invention comprises the steps of forming an oxide film on a semiconductor substrate; Forming a first conductive layer on the oxide film; Forming a stop layer on the first conductive layer; Etching the barrier layer, the first conductive layer, and the oxide layer using one mask to form an oxide layer pattern, a first conductive layer pattern, and a barrier layer pattern; Etching the upper portion of the substrate adjacent to the first conductive layer pattern using the mask to form a trench; Performing annealing to round sidewalls of the first conductive layer pattern; Oxidizing an inner surface of the trench to form a trench inner wall oxide layer on the inner surface of the trench; And forming a field oxide film inside the trench.

상기한 본 발명의 제2의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판 상에 게이트 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 플로팅 게이트용 제1 도전층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전층 상에 저지막을 형성하는 단계; 하나의 마스크를 사용하여 상기 저지막, 제1 도전층 및 게이트 산화막을 패터닝하여 상기 제1 도전층으로부터 제1 플로팅 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크를 사용하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴에 인접한 상기 기판의 상부를 식각하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴과 정렬되는 트렌치를 형성함으로써 상기 기판에 액티브 영역을 정의하는 단계; 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴의 측벽을 라운딩시키는 단계; 상기 트렌치의 내면을 산화시켜 상기 트렌치의 내면 상에 트렌치 내벽산화막을 형성하는 단계; 상기 트렌치의 내부에 필드 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 제1 플로팅 게이트 패턴 상에 유전막 및 컨트롤 게이트층을 차례로 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the second object of the present invention, the present invention comprises the steps of forming a gate oxide film on a semiconductor substrate; Forming a first conductive layer for floating gate on the oxide film; Forming a stop layer on the first conductive layer; Patterning the stop layer, the first conductive layer, and the gate oxide layer using one mask to form a first floating gate pattern from the first conductive layer; Defining an active region on the substrate by etching the upper portion of the substrate adjacent the first floating gate pattern using the mask to form a trench aligned with the first floating gate pattern; Performing annealing to round sidewalls of the first floating gate pattern; Oxidizing an inner surface of the trench to form a trench inner wall oxide layer on the inner surface of the trench; Forming a field oxide film inside the trench; And sequentially forming a dielectric film and a control gate layer on the first floating gate pattern.

본 발명에 의하면, 트렌치의 측벽 산화 전에 수소(H2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 이용한 어닐링을 실시하여 제1 도전층 패턴(즉, 제1 플로팅 게이트 패턴)의 측벽을 라운딩시킨다. 그러면, 상기 트렌치의 측벽 산화시 제1 플로팅 게이트 패턴의 중간 부분으로부터 하단부까지의 측벽이 포지티브 기울기로 경사지는 것을 보상할 수 있다. 또한, 상기 어닐링에 의해 제1 플로팅 게이트 패턴의 상부와 하부 엣지가모두 라운딩되므로, 트렌치의 측벽 산화시 부피 팽창에 따른 스트레스가 감소되어 버즈비크가 억제된다. 따라서, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴의 측벽이 포지티브 기울기를 갖는 것을 방지하여 후속하는 게이트 식각시 게이트 잔류물에 의해 소자의 전기적 불량이 유발되는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention, annealing using hydrogen (H 2 ) or argon (Ar) gas is performed before the sidewall oxidation of the trench to round the sidewalls of the first conductive layer pattern (ie, the first floating gate pattern). Then, when the sidewalls of the trench are oxidized, the sidewalls from the middle portion to the bottom portion of the first floating gate pattern may be compensated for inclination with a positive slope. In addition, since both an upper edge and a lower edge of the first floating gate pattern are rounded by the annealing, stress due to volume expansion during sidewall oxidation of the trench is reduced, thereby suppressing buzz beak. Accordingly, the sidewall of the first floating gate pattern may be prevented from having a positive slope, thereby preventing an electrical failure of the device caused by the gate residue during subsequent gate etching.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1Example 1

도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 공정을 적용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device to which a self-aligned shallow trench device isolation process according to a first embodiment of the present invention is applied.

도 3a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 기판(100) 상에 산화막 또는 옥시나이트라이드막(oxynitride)을 약 50∼100Å의 두께로 얇게 성장시켜 셀 트랜지스터의 게이트 산화막(또는 터널 산화막)으로 사용될 산화막(101)을 형성한다. 이어서, 상기 산화막(101) 상에 플로팅 게이트로 사용될 폴리실리콘 또는 비정질실리콘을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법에 의해 약 300∼1000Å의 두께로 형성하고, 통상의 도핑 방법, 예컨대 POCl3확산, 이온주입, 또는 인-시튜 도핑에 의해 고농도의 N형 불순물로 도핑시킴으로써 제1 도전층(103)을 형성한다.Referring to FIG. 3A, an oxide film or an oxynitride film is thinly grown on a semiconductor substrate 100 such as silicon to a thickness of about 50 to 100 microseconds to be used as a gate oxide film (or tunnel oxide film) of a cell transistor ( 101). Subsequently, polysilicon or amorphous silicon to be used as a floating gate on the oxide film 101 is formed by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method to a thickness of about 300 to 1000 GPa, and a conventional doping method such as POCl 3 diffusion and ion The first conductive layer 103 is formed by doping with a high concentration of N-type impurities by implantation or in-situ doping.

여기서, 제1 도전층(103)을 비정질상으로 증착하면서 인-시튜 도핑시킬 경우, 후속 공정의 열다발(thermal budget)에 의해 비정질상에서 결정상으로의 결정입자 변화로 그 하부의 게이트 산화막을 열화시킬 수 있다. 따라서, 제1 도전층(103)을 600℃ 이상의 온도에서 결정상으로 인-시튜 도핑하면서 증착하는 것이 위상 변화가 적어 스트레스 측면에서 안정적이다.Here, in-situ doping while depositing the first conductive layer 103 in an amorphous phase may deteriorate the gate oxide film thereunder due to the change of crystal grains from the amorphous phase to the crystalline phase by a thermal budget of a subsequent process. have. Therefore, depositing the first conductive layer 103 while in-situ doping the crystal phase at a temperature of 600 ° C. or more is stable in terms of stress due to a small phase change.

이어서, 상기 제1 도전층(103) 상에 저압 화학 기상 증착 방법으로 질화막을 약 1000∼2000Å의 두께로 증착하여 후속하는 화학 기계적 연마 공정시 연마 저지막으로 제공되는 저지막(107)을 형성한다.Subsequently, a nitride film is deposited on the first conductive layer 103 by a low pressure chemical vapor deposition method to a thickness of about 1000 to 2000 GPa to form a blocking film 107 which serves as an abrasive stop film in a subsequent chemical mechanical polishing process. .

이어서, 상기 저지막(107) 상에 산화물로 이루어진 하드 마스크층 및 SiON으로 이루어진 반사 방지층(도시하지 않음)을 차례로 형성한다. 상기 반사 방지층은 후속하는 사진 공정시 빛의 난반사를 방지하는 역할을 하며, 후속하는 트렌치 형성공정시 제거된다.Subsequently, a hard mask layer made of an oxide and an antireflection layer made of SiON (not shown) are sequentially formed on the blocking film 107. The anti-reflection layer serves to prevent diffuse reflection of light in a subsequent photographic process and is removed in a subsequent trench formation process.

플로팅 게이트를 정의하기 위한 사진식각 공정에 의해 상기 반사 방지층 및 하드 마스크층을 건식 식각하여 마스크 패턴(109)을 형성한다.The mask pattern 109 is formed by dry etching the anti-reflection layer and the hard mask layer by a photolithography process for defining a floating gate.

도 3b를 참조하면, 상기 마스크 패턴(109)을 식각 마스크로 이용하여 상기 저지막(107), 제1 도전층(103) 및 산화막(101)을 차례로 건식 식각하여 게이트 산화막(102), 제1 플로팅 게이트 패턴(104), 저지막 패턴(108)을 형성한다.Referring to FIG. 3B, the blocking layer 107, the first conductive layer 103, and the oxide layer 101 are sequentially dry-etched using the mask pattern 109 as an etching mask to sequentially gate gate oxide layer 102 and first gate. The floating gate pattern 104 and the blocking layer pattern 108 are formed.

계속해서 상기 마스크 패턴(109)을 이용하여 제1 플로팅 게이트 패턴(104)에 인접한 기판(100)의 상부를 약 2000∼5000Å 정도의 깊이로 식각하여 트렌치(110)를 형성한다. 이때, 상기에서 임의로 형성된 반사 방지층이 제거되고 상기 마스크 패턴(109)도 소정 두께만큼 식각된다.Subsequently, the trench 110 is formed by etching the upper portion of the substrate 100 adjacent to the first floating gate pattern 104 to a depth of about 2000 to 5000 microns using the mask pattern 109. At this time, the anti-reflective layer arbitrarily formed above is removed and the mask pattern 109 is also etched by a predetermined thickness.

결과적으로, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(109)들은 트렌치(110)에 의해 분리된다. 상기 트렌치(110)의 형성 공정에 의하면, 하나의 마스크를 사용하여 액티브 영역과 플로팅 게이트를 동시에 정의하므로 액티브 영역과 플로팅 게이트 간에 자기정렬이 얻어진다.As a result, the first floating gate patterns 109 are separated by the trench 110. According to the process of forming the trench 110, since the active region and the floating gate are simultaneously defined using one mask, self-alignment is obtained between the active region and the floating gate.

도 3c를 참조하면, 수소(H2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 이용한 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 측벽을 라운딩시킨다. 바람직하게는, 상기 수소(H2) 가스를 이용한 어닐링은 750∼950℃ 정도의 온도 및 10∼40torr 정도의 압력에서 약 1∼30리터의 수소 가스를 사용하여 실시한다.Referring to FIG. 3C, annealing using hydrogen (H 2 ) gas or argon (Ar) gas is performed to round the sidewalls of the first floating gate pattern 104. Preferably, the annealing using the hydrogen (H 2 ) gas is performed using about 1 to 30 liters of hydrogen gas at a temperature of about 750 to 950 ° C. and a pressure of about 10 to 40 torr.

상술한 바와 같이 750∼950℃ 정도의 온도에서 어닐링을 실시하면, 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 엣지부에 존재하는 실리콘들이 그 측면부나 상부면으로 이동(flow)되어 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 측벽이 라운딩된다(B 참조).As described above, when annealing is performed at a temperature of about 750 ° C. to 950 ° C., silicon existing in an edge portion of the first floating gate pattern 104 flows to a side portion or an upper surface thereof, and the first floating gate pattern is flowed. The sidewall of 104 is rounded (see B).

도 3d를 참조하면, 상술한 어닐링을 실시한 후, 트렌치 식각 공정 동안에 고에너지의 이온 충격으로 야기된 실리콘 손상을 제거하고 누설 전류의 발생을 방지하기 위하여 상기 트렌치(110)의 내면을 산화성 분위기에서 처리한다. 그러면, 상기 트렌치(110)의 내면, 즉, 바닥면과 측벽을 따라 약 10∼500Å의 두께, 바람직하게는 30 내지 40Å의 두께로 트렌치 내벽산화막(112)이 형성된다.Referring to FIG. 3D, after the annealing described above, the inner surface of the trench 110 is treated in an oxidizing atmosphere to remove silicon damage caused by high energy ion bombardment during the trench etching process and to prevent leakage current. do. Then, the trench inner wall oxide layer 112 is formed along the inner surface of the trench 110, that is, about 10 to about 500 kPa, preferably about 30 to about 40 kPa, along the inner surface of the trench 110.

이와 같이 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 측벽 쪽에 곡률을 형성한 후 트렌치 측벽산화를 실시하면, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 중간 부분으로부터 하단부까지의 측벽이 포지티브 기울기로 경사지는것을 보상할 수 있다. 또한, 상술한 고온 어닐링에 의해 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 상부 및 하부 엣지가 모두 라운딩되므로, 트렌치 측벽산화시 부피 팽창으로 인한 스트레스가 감소되어 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 하부에서 버즈비크가 억제된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 바닥 에지부분이 외부로 굴곡되는 현상이 일어나지 않으므로, 최종적으로 얻어지는 플로팅 게이트가 양호한 프로파일을 갖게 된다.When annealing is performed to form curvatures on the sidewalls of the first floating gate pattern 104 and then trench sidewall oxidation, the sidewalls from the middle portion to the lower end of the first floating gate pattern 104 are inclined positively. Can compensate for inclination. In addition, since both the upper and lower edges of the first floating gate pattern 104 are rounded by the above-described high temperature annealing, stress due to volume expansion during trench sidewall oxidation is reduced, so that the lower portion of the first floating gate pattern 104 is reduced. Burj Beek is suppressed. Therefore, according to the present invention, since the bottom edge portion of the first floating gate pattern 104 is not bent outwardly, the floating gate finally obtained has a good profile.

도 3e를 참조하면, 상기 트렌치(110)를 채우도록 USG, O3-TEOS USG 또는 고밀도 플라즈마(HDP) 산화막과 같은 갭 매립 특성이 우수한 산화막을 화학 기상 증착 방법에 의해 약 5000Å의 두께로 증착하여 갭매립 산화막(112)을 형성한다. 바람직하게는, SiH4, O2및 Ar 가스를 플라즈마 소오스로 이용하여 고밀도 플라즈마를 발생시킴으로써 고밀도 플라즈마 산화막을 형성한다. 이때, 트렌치(110)의 내부에 균열이나 보이드가 생성되지 않도록 고밀도 플라즈마 산화막의 갭 매립 능력을 향상시켜 트렌치(110)를 매립한다.Referring to FIG. 3E, an oxide film having excellent gap filling properties such as USG, O 3 -TEOS USG, or high density plasma (HDP) oxide film is deposited to a thickness of about 5000 kPa by a chemical vapor deposition method to fill the trench 110. A gap buried oxide film 112 is formed. Preferably, a high density plasma oxide film is formed by generating a high density plasma using SiH 4 , O 2 and Ar gases as the plasma source. At this time, the trench 110 is embedded by improving the gap filling capability of the high density plasma oxide film so that cracks or voids are not formed in the trench 110.

상기 갭매립 산화막(112) 상에 Si(OC2H5)4를 소오스로 하는 플라즈마 방식에 의해 PE-TEOS로 이루어진 캡핑 산화막(도시하지 않음)을 증착할 수도 있다. 또한, 필요한 경우에, 갭매립 산화막(112)을 치밀화(densification)하여 후속하는 세정 공정에 대한 습식 식각율을 낮추기 위하여 약 800∼1050℃의 고온 및 불활성 가스 분위기 하에서 어닐링을 실시할 수 있다.A capping oxide film (not shown) made of PE-TEOS may be deposited on the gap buried oxide film 112 by a plasma method using Si (OC 2 H 5 ) 4 as a source. Further, if necessary, annealing may be performed under a high temperature and inert gas atmosphere of about 800 to 1050 ° C. in order to densify the gap filling oxide film 112 to lower the wet etch rate for the subsequent cleaning process.

이어서, 상기 저지막 패턴(108)의 상부 표면까지 상기 갭매립 산화막(112)을에치백 또는 화학 기계적 연마(CMP) 방법으로 제거하여 상기 트렌치(110)의 내부에 필드 산화막(114)을 형성한다.Subsequently, the gap buried oxide layer 112 is removed to the upper surface of the blocking layer pattern 108 by an etch back or chemical mechanical polishing (CMP) method to form a field oxide layer 114 in the trench 110. .

도 3f를 참조하면, 인산 스트립 공정으로 상기 저지막 패턴(108)을 제거한 후, 노출된 버퍼막 패턴(106)을 건식 식각으로 제거하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(104)을 노출시킨다. 이어서, 불산을 함유한 에천트로 기판을 미리 약 30초 정도 세정하는 공정(pre-cleaning)을 실시한다. 상술한 공정의 결과로, 상기 필드 산화막(114)이 소정 두께만큼 습식 식각된다.Referring to FIG. 3F, after the blocking layer pattern 108 is removed by a phosphate strip process, the exposed buffer layer pattern 106 is removed by dry etching to expose the first floating gate pattern 104. Subsequently, the substrate is cleaned with an etchant containing hydrofluoric acid for about 30 seconds in advance. As a result of the above-described process, the field oxide film 114 is wet etched by a predetermined thickness.

도 3g를 참조하면, 상기 플로팅 게이트 패턴(104) 및 필드 산화막(114) 상에 폴리실리콘이나 비정질실리콘을 저압 화학 기상 증착 방법에 의해 약 1000∼3000Å의 두께로 증착하고 통상의 도핑 방법에 의해 고농도의 N형 불순물로 도핑시킴으로써, 제1 플로팅 게이트 패턴(104)에 전기적으로 접촉되는 제2 도전층을 형성한다. 상기 제2 도전층은 후속 공정에서 형성될 유전막의 면적을 증가시키기 위해 형성하는 것으로, 가능한 한 두껍게 형성하는 것이 바람직하다. SA-STI 구조의 플래쉬 메모리 셀에 의하면 액티브 영역에 자기정렬되어 형성되는 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 면적이 기존의 플로팅 게이트 면적보다 작아지므로, 커플링 계수를 높게 유지하기 위하여 제2 도전층을 추가적으로 증착하여 플로팅 게이트의 측벽 높이를 증가시킴으로써 유전막의 면적을 크게 만든다.Referring to FIG. 3G, polysilicon or amorphous silicon is deposited on the floating gate pattern 104 and the field oxide film 114 to a thickness of about 1000 to 3000 kPa by a low pressure chemical vapor deposition method, and high concentration by a conventional doping method. By doping with an N-type impurity, a second conductive layer in electrical contact with the first floating gate pattern 104 is formed. The second conductive layer is formed to increase the area of the dielectric film to be formed in a subsequent step, and is preferably formed as thick as possible. According to the flash memory cell of the SA-STI structure, since the area of the first floating gate pattern 104 formed by self-alignment in the active region is smaller than the existing floating gate area, the second conductive layer is used to maintain a high coupling coefficient. Is deposited to increase the sidewall height of the floating gate to increase the area of the dielectric film.

이어서, 통상적인 사진식각 공정으로 상기 필드 산화막(114) 상의 제2 도전층을 부분적으로 제거하여 제2 플로팅 게이트 패턴(118)을 형성한다. 그러면, 워드라인 방향을 따라 이웃하는 셀의 플로팅 게이트들이 서로 분리된다.Subsequently, the second conductive layer on the field oxide layer 114 is partially removed by a conventional photolithography process to form a second floating gate pattern 118. Then, floating gates of neighboring cells are separated from each other along the word line direction.

도 3h를 참조하면, 상기 결과물의 전면에 플로팅 게이트에 충전된 전하 특성을 유지시키고 컨트롤 게이트의 전압을 플로팅 게이트에 전달하기 위한 ONO 유전막(120)을 형성한다. 상기 유전막(120)은 열산화 공정으로 형성할 수도 있고, 저압 화학 기상 증착 방법으로 형성할 수도 있다. 저압 화학 기상 증착 공정으로 상기 유전막(120)을 형성할 경우에는, 열산화막과 동일한 특성을 얻기 위하여 NO 또는 N2O 분위기에서 어닐링을 수행한다.Referring to FIG. 3H, an ONO dielectric layer 120 is formed on the front of the resultant to maintain charge characteristics charged in the floating gate and to transfer a voltage of the control gate to the floating gate. The dielectric film 120 may be formed by a thermal oxidation process or may be formed by a low pressure chemical vapor deposition method. When the dielectric film 120 is formed by a low pressure chemical vapor deposition process, annealing is performed in an NO or N 2 O atmosphere in order to obtain the same characteristics as the thermal oxide film.

이어서, 상기 유전막(120) 상에 N+형으로 도핑된 폴리실리콘층과 텅스텐 실리사이드(WSix), 티타늄 실리사이드(TiSix), 탄탈륨 실리사이드(TaSix)와 같은 금속 실리사이드층이 적층된 컨트롤 게이트층(122)을 형성한다. 바람직하게는, 상기 컨트롤 게이트층(122)의 폴리실리콘층은 약 1000Å의 두께로 형성하고, 금속 실리사이드층은 약 1000∼1500Å의 두께로 형성한다.Subsequently, the control gate layer 122 in which a polysilicon layer doped with N + type and a metal silicide layer such as tungsten silicide (WSix), titanium silicide (TiSix), and tantalum silicide (TaSix) are stacked on the dielectric layer 120. To form. Preferably, the polysilicon layer of the control gate layer 122 is formed to a thickness of about 1000 kPa, and the metal silicide layer is formed to a thickness of about 1000 to 1500 kPa.

그런 다음, 셀프-얼라인 게이트 식각 공정으로 상기 컨트롤 게이트층(122), 유전막(120), 그리고 제2 및 제1 플로팅 게이트 패턴(118, 114)을 차례로 건식식각하여 불휘발성 메모리 장치의 스택형 게이트 구조를 완성한다.Then, the control gate layer 122, the dielectric layer 120, and the second and first floating gate patterns 118 and 114 are sequentially dry-etched by a self-aligned gate etching process to stack the nonvolatile memory device. Complete the gate structure.

상술한 건식식각 공정시 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 측벽이 포지티브 기울기를 갖고 있지 않으므로, 제1 플로팅 게이트 패턴(104)의 노출되어진 부위가 완전히 제거되어 필드 산화막(116)과 액티브 영역 간의 표면 경계에 실리콘 잔류물이 형성되지 않는다.Since the sidewalls of the first floating gate pattern 104 do not have a positive slope during the dry etching process, the exposed portion of the first floating gate pattern 104 is completely removed, thereby providing a surface between the field oxide layer 116 and the active region. No silicon residue is formed at the boundary.

실시예 2Example 2

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제2 실시예에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 공정을 적용한 불휘발성 메모리 장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device to which a self-aligned shallow trench device isolation process according to a second embodiment of the present invention is applied.

도 4a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 기판(200) 상에 셀 트랜지스터의 게이트 산화막(또는 터널 산화막)으로 사용될 산화막 및 플로팅 게이트로 사용될 제1 도전층(도시하지 않음)을 차례로 형성한다.Referring to FIG. 4A, an oxide film to be used as a gate oxide film (or a tunnel oxide film) of a cell transistor and a first conductive layer (not shown) to be used as a floating gate are sequentially formed on a semiconductor substrate 200 such as silicon.

이어서, 상기 제1 도전층 상에 버퍼막(도시하지 않음)을 상기 산화막과 대체적으로 동일한 두께로 형성한다. 바람직하게는, 상기 버퍼막은 산화막을 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD) 또는 플라즈마-증대 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PE-CVD)에 의해 증착하여 형성한다.Subsequently, a buffer film (not shown) is formed on the first conductive layer to have a thickness substantially the same as that of the oxide film. Preferably, the buffer film is formed by depositing an oxide film by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD).

상기 버퍼막 상에 질화물로 이루어진 저지막(도시하지 않음)을 형성한 후, 상기 저지막 상에 액티브 영역을 정의하는 마스크 패턴(209)을 형성한다. 이어서, 상기 마스크 패턴(209)을 식각 마스크로 이용하여 상기 저지막, 버퍼막, 제1 도전층 및 산화막을 차례로 건식 식각하여 게이트 산화막(202), 제1 플로팅 게이트 패턴(204), 버퍼막 패턴(206) 및 저지막 패턴(208)을 형성한다.After forming a blocking film (not shown) made of nitride on the buffer film, a mask pattern 209 defining an active region is formed on the blocking film. Subsequently, the blocking layer, the buffer layer, the first conductive layer, and the oxide layer are sequentially dry-etched using the mask pattern 209 as an etching mask to form a gate oxide layer 202, a first floating gate pattern 204, and a buffer layer pattern. 206 and a blocking film pattern 208 are formed.

계속해서 상기 마스크 패턴(209)을 이용하여 제1 플로팅 게이트 패턴(204)에 인접한 기판(200)의 상부를 소정 깊이로 식각하여 트렌치(210)를 형성한다. 이때, 상기에서 임의로 형성된 반사 방지층이 제거되고 상기 마스크 패턴(209)도 소정 두께만큼 식각된다. 상기 트렌치(210)의 형성 공정에 의하면, 하나의 마스크를 사용하여 액티브 영역과 플로팅 게이트를 동시에 정의하므로 액티브 영역과 플로팅 게이트 간에 자기정렬이 얻어진다.Subsequently, the trench 210 is formed by etching the upper portion of the substrate 200 adjacent to the first floating gate pattern 204 to a predetermined depth using the mask pattern 209. At this time, the anti-reflective layer arbitrarily formed above is removed and the mask pattern 209 is also etched by a predetermined thickness. According to the process of forming the trench 210, since the active region and the floating gate are simultaneously defined using one mask, self-alignment is obtained between the active region and the floating gate.

도 4b를 참조하면, 수소(H2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스를 이용한 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 측벽을 라운딩시킨다. 바람직하게는, 상기 수소(H2) 가스를 이용한 어닐링은 750∼950℃ 정도의 온도 및 10∼40torr 정도의 압력에서 약 1∼30리터의 수소 가스를 사용하여 실시한다.Referring to FIG. 4B, the sidewall of the first floating gate pattern 204 is rounded by annealing using hydrogen (H 2 ) gas or argon (Ar) gas. Preferably, the annealing using the hydrogen (H 2 ) gas is performed using about 1 to 30 liters of hydrogen gas at a temperature of about 750 to 950 ° C. and a pressure of about 10 to 40 torr.

상술한 바와 같이 750∼950℃ 정도의 온도에서 어닐링을 실시하면, 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 엣지부에 존재하는 실리콘들이 그 측면부나 상부면으로 이동(flow)되어 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 측벽이 라운딩된다.As described above, when annealing is performed at a temperature of about 750 ° C. to 950 ° C., silicon existing in an edge portion of the first floating gate pattern 204 flows to a side surface or an upper surface thereof, and the first floating gate pattern is formed. The sidewall of 204 is rounded.

도 4c를 참조하면, 상술한 어닐링을 실시한 후, 트렌치 식각 공정 동안에 고에너지의 이온 충격으로 야기된 실리콘 손상을 제거하고 누설 전류의 발생을 방지하기 위하여 상기 트렌치(210)의 내면을 산화성 분위기에서 처리한다. 그러면, 상기 트렌치(210)의 바닥면과 측벽을 따라 트렌치 내벽산화막(212)이 형성된다.Referring to FIG. 4C, after the annealing described above, the inner surface of the trench 210 is treated in an oxidizing atmosphere to remove silicon damage caused by high energy ion bombardment during the trench etching process and to prevent leakage current. do. Then, the trench inner wall oxide layer 212 is formed along the bottom surface and sidewalls of the trench 210.

이와 같이 고온 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 측벽 쪽에 곡률을 형성한 후 트렌치 측벽산화를 실시하면, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 중간 부분으로부터 하단부까지의 측벽이 포지티브 기울기로 경사지는 것을 보상할 수 있다.When the high temperature annealing is performed to form curvatures on the sidewalls of the first floating gate pattern 204 and the trench sidewall oxidation is performed, the sidewalls from the middle portion to the lower end of the first floating gate pattern 204 are positive. Inclination can be compensated for by inclination.

또한, 상술한 고온 어닐링에 의해 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 상부및 하부 엣지가 모두 라운딩되어 있으므로, 트렌치 측벽산화시 부피 팽창으로 인한 스트레스가 감소되어 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 하부에서 게이트 산화막(202)의 측면으로 산화제(또는 산화성 가스)가 침투하여 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 하부에 발생하는 제1 버즈비크가 억제된다. 이와 동시에, 저지막 패턴(208)의 하부에서 버퍼막 패턴(206)의 측면으로 산화제가 침투하여 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 상부에 발생하는 제2 버즈비크도 억제된다. 따라서, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 측벽은 거의 평탄한 기울기를 갖게 된다.In addition, since both the upper and lower edges of the first floating gate pattern 204 are rounded by the above-described high temperature annealing, stress due to volume expansion during trench sidewall oxidation is reduced, so that the lower portion of the first floating gate pattern 204 is reduced. In this case, an oxidant (or an oxidizing gas) penetrates into the side surface of the gate oxide film 202, thereby suppressing a first buzz beneath the first floating gate pattern 204. At the same time, the second buzz beak that is generated in the upper portion of the first floating gate pattern 204 by the oxidant penetrating into the side of the buffer film pattern 206 under the blocking film pattern 208 is also suppressed. Thus, the sidewall of the first floating gate pattern 204 has an almost flat slope.

도 4d를 참조하면, 상기 트렌치(210)를 채우도록 예컨대, 고밀도 플라즈마(HDP) 산화막(도시하지 않음)을 화학 기상 증착 방법에 의해 증착한 후, 상기 저지막 패턴(208)의 상부 표면까지 상기 고밀도 플라즈마 산화막을 에치백 또는 화학 기계적 연마(CMP) 방법으로 평탄화하여 상기 트렌치(210)의 내부에 필드 산화막(216)을 형성한다.Referring to FIG. 4D, for example, a high density plasma (HDP) oxide film (not shown) is deposited by a chemical vapor deposition method to fill the trench 210, and then, to the upper surface of the stop layer pattern 208. The high density plasma oxide film is planarized by etching back or chemical mechanical polishing (CMP) to form a field oxide film 216 inside the trench 210.

도 4e를 참조하면, 인산 스트립 공정으로 상기 저지막 패턴(208)을 제거한 후, 노출된 버퍼막 패턴(206)을 건식 식각으로 제거하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)을 노출시킨다. 이때, 상기 필드 산화막(216)도 소정 두께만큼 습식 식각된다. 그런 다음, 상기 버퍼막 패턴(206)에 의해 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 상부에 형성되는 제2 버즈비크로 인해 유발될 수 있는 게이트 패터닝 불량을 방지하기 위하여 상기 필드 산화막(216)을 소정 두께만큼 습식 식각한다. 그러면, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 높이보다 상기 필드 산화막(216)의 높이가 낮아지게 된다.Referring to FIG. 4E, after the blocking layer pattern 208 is removed by a phosphate strip process, the exposed buffer layer pattern 206 is removed by dry etching to expose the first floating gate pattern 204. In this case, the field oxide layer 216 may also be wet-etched by a predetermined thickness. Then, the field oxide layer 216 may be removed to prevent gate patterning defects that may be caused by a second buzz be formed on the first floating gate pattern 204 by the buffer layer pattern 206. Wet etching by a predetermined thickness. Then, the height of the field oxide layer 216 is lower than the height of the first floating gate pattern 204.

이어서, 도시하지는 않았으나, 상술한 본 발명의 제2 실시예와 동일한 방법으로 상기 제1 플로팅 게이트 패턴(204)과 접촉하는 제2 플로팅 게이트 패턴, 유전막 및 컨트롤 게이트층을 차례로 형성한 후, 셀프-얼라인 게이트 식각 공정으로 상기 컨트롤 게이트층, 유전막, 그리고 제2 및 제1 플로팅 게이트 패턴을 차례로 건식 식각하여 불휘발성 메모리 장치의 스택형 게이트 구조를 완성한다.Subsequently, although not shown, the second floating gate pattern, the dielectric layer, and the control gate layer which are in contact with the first floating gate pattern 204 are sequentially formed in the same manner as the second embodiment of the present invention. An alignment gate etching process sequentially dry-etchs the control gate layer, the dielectric layer, and the second and first floating gate patterns to complete the stacked gate structure of the nonvolatile memory device.

상술한 건식식각 공정시 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 측벽이 포지티브 기울기를 갖고 있지 않으므로, 제1 플로팅 게이트 패턴(204)의 노출되어진 부위가 완전히 제거되어 필드 산화막(216)과 액티브 영역 간의 표면 경계에 실리콘 잔류물이 형성되지 않는다.Since the sidewalls of the first floating gate pattern 204 do not have a positive slope during the dry etching process, the exposed portions of the first floating gate pattern 204 are completely removed, thereby providing a surface between the field oxide layer 216 and the active region. No silicon residue is formed at the boundary.

다음의 [표 1]은 0.15㎛의 임계치수(critical dimension; CD)를 갖는 실리콘 패턴들에 대해 수소 어닐링을 실시한 직후, 각 실리콘 패턴의 곡률 반경을 측정한 데이터들을 나타낸다.Table 1 below shows data obtained by measuring the radius of curvature of each silicon pattern immediately after hydrogen annealing was performed on silicon patterns having a critical dimension (CD) of 0.15 μm.

곡률 반경Radius of curvature 적용 막질(도핑가스의 유량비)어닐링 온도Application film quality (flow rate ratio of doping gas) Annealing temperature 언도프드폴리실리콘Undoped Polysilicon 저농도 도프드 폴리실리콘(SiH4:PH3= 1000:8)Low concentration doped polysilicon (SiH 4 : PH 3 = 1000: 8) 본 발명의플로팅 게이트 (SiH4:PH3= 1000:19)Floating Gate of the Invention (SiH 4 : PH 3 = 1000: 19) 고농도 도프드 폴리실리콘(SiH4:PH3= 500:50)Highly Doped Polysilicon (SiH 4 : PH 3 = 500: 50) 언도프드실리콘 기판Undoped Silicon Substrate 800℃800 ℃ 300∼350Å300 to 350 Å 350∼400Å350-400 yen 200∼250Å200 to 250 Å 20∼50Å20-50 Å 100∼140Å100 to 140 Å 850℃850 ℃ 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow 250∼300Å250 to 300 Å 700∼800Å700 to 800 Å 900℃900 ℃ 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow 오버플로우Overflow

상기 [표 1]을 참조하면, 폴리실리콘막의 도핑 레벨이 낮아질수록 수소 어닐링에 따른 곡률 반경의 증가가 커지고, 실리콘 기판에 비해 폴리실리콘막의 곡률 반경 증가가 더욱 큼을 알 수 있다. 또한, 어닐링 온도가 너무 높으면 폴리실리콘막의 측벽 라운딩이 과도하게 되어 곡률 반경이 오버-플로우(over-flow)된다. 따라서, 플로팅 게이트로 사용되는 폴리실리콘막의 도핑 레벨을 조절하면, 약 800℃의 온도에서 실시하는 어닐링에 의해 원하는 곡률 반경을 얻을 수 있으므로 소자의 전기적 특성을 열화시키지 않으면서 플로팅 게이트의 측벽이 포지티브 기울기를 갖는 것을 방지할 수 있다.Referring to [Table 1], as the doping level of the polysilicon film is lowered, the increase in the radius of curvature due to hydrogen annealing increases, and the increase in the radius of curvature of the polysilicon film is greater than that of the silicon substrate. In addition, if the annealing temperature is too high, the sidewall rounding of the polysilicon film becomes excessive and the radius of curvature is over-flowed. Therefore, if the doping level of the polysilicon film used as the floating gate is adjusted, the desired curvature radius can be obtained by annealing performed at a temperature of about 800 ° C., so that the sidewalls of the floating gate are inclined positively without degrading the electrical characteristics of the device. It can be prevented to have.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 트렌치의 측벽 산화 전에 수소(H2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 이용한 어닐링을 실시하여 제1 도전층 패턴(즉, 제1 플로팅 게이트 패턴)의 측벽을 라운딩시킨다. 그러면, 상기 트렌치의 측벽 산화시 제1 플로팅 게이트 패턴의 중간 부분으로부터 하단부까지의 측벽이 포지티브 기울기로 경사지는 것을 보상할 수 있다. 또한, 상기 어닐링에 의해 제1 플로팅 게이트 패턴의 상부와 하부 엣지가 모두 라운딩되므로, 트렌치의 측벽 산화시 부피 팽창에 따른 스트레스가 감소되어 버즈비크가 억제된다. 따라서, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴의 측벽이 포지티브 기울기를 갖는 것을 방지하여 후속하는 게이트 식각시 게이트 잔류물에 의해 소자의 전기적 불량이 유발되는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the sidewalls of the first conductive layer pattern (ie, the first floating gate pattern) are rounded by annealing using hydrogen (H 2 ) or argon (Ar) gas before the sidewalls of the trench are oxidized. . Then, when the sidewalls of the trench are oxidized, the sidewalls from the middle portion to the bottom portion of the first floating gate pattern may be compensated for inclination with a positive slope. In addition, since both the upper and lower edges of the first floating gate pattern are rounded by the annealing, stress due to volume expansion during sidewall oxidation of the trench is reduced, thereby suppressing the burj beak. Accordingly, the sidewall of the first floating gate pattern may be prevented from having a positive slope, thereby preventing an electrical failure of the device caused by the gate residue during subsequent gate etching.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.

Claims (15)

반도체 기판 상에 산화막을 형성하는 단계;Forming an oxide film on the semiconductor substrate; 상기 산화막 상에 제1 도전층을 형성하는 단계;Forming a first conductive layer on the oxide film; 상기 제1 도전층 상에 저지막을 형성하는 단계;Forming a stop layer on the first conductive layer; 하나의 마스크를 사용하여 상기 저지막, 제1 도전층 및 산화막을 식각하여 산화막 패턴, 제1 도전층 패턴 및 저지막 패턴을 형성하는 단계;Etching the barrier layer, the first conductive layer, and the oxide layer using one mask to form an oxide layer pattern, a first conductive layer pattern, and a barrier layer pattern; 상기 마스크를 사용하여 상기 제1 도전층 패턴에 인접한 상기 기판의 상부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;Etching the upper portion of the substrate adjacent to the first conductive layer pattern using the mask to form a trench; 어닐링을 실시하여 상기 제1 도전층 패턴의 측벽을 라운딩시키는 단계;Performing annealing to round sidewalls of the first conductive layer pattern; 상기 트렌치의 내면을 산화시켜 상기 트렌치의 내면 상에 트렌치 내벽산화막을 형성하는 단계; 및Oxidizing an inner surface of the trench to form a trench inner wall oxide layer on the inner surface of the trench; And 상기 트렌치의 내부에 필드 산화막을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.And forming a field oxide layer in the trench. 제1항에 있어서, 상기 어닐링은 수소(H2) 가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 1, wherein the annealing is performed using hydrogen (H 2 ) gas. 제2항에 있어서, 상기 수소 가스는 1∼30리터 정도로 사용하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 2, wherein the hydrogen gas is used in an amount of about 1 to 30 liters. 제2항에 있어서, 상기 어닐링은 750∼950℃ 정도의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 2, wherein the annealing is carried out at a temperature of about 750 ~ 950 ℃ self-aligned shallow trench device isolation method. 제2항에 있어서, 상기 어닐링은 10∼40torr 정도의 압력에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 2, wherein the annealing is carried out at a pressure of about 10 to 40 torr. 제1항에 있어서, 상기 어닐링은 아르곤(Ar) 가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 1, wherein the annealing is performed using argon (Ar) gas. 제1항에 있어서, 상기 질화막을 형성하는 단계 전에, 상기 제1 도전층 상에 산화물로 이루어진 버퍼막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법.The method of claim 1, further comprising forming a buffer film of an oxide on the first conductive layer before forming the nitride film. 반도체 기판 상에 게이트 산화막을 형성하는 단계;Forming a gate oxide film on the semiconductor substrate; 상기 산화막 상에 플로팅 게이트용 제1 도전층을 형성하는 단계;Forming a first conductive layer for floating gate on the oxide film; 상기 제1 도전층 상에 저지막을 형성하는 단계;Forming a stop layer on the first conductive layer; 하나의 마스크를 사용하여 상기 저지막, 제1 도전층 및 게이트 산화막을 패터닝하여 상기 제1 도전층으로부터 제1 플로팅 게이트 패턴을 형성하는 단계;Patterning the stop layer, the first conductive layer, and the gate oxide layer using one mask to form a first floating gate pattern from the first conductive layer; 상기 마스크를 사용하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴에 인접한 상기 기판의 상부를 식각하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴과 정렬되는 트렌치를 형성함으로써 상기 기판에 액티브 영역을 정의하는 단계;Defining an active region on the substrate by etching the upper portion of the substrate adjacent the first floating gate pattern using the mask to form a trench aligned with the first floating gate pattern; 어닐링을 실시하여 상기 제1 플로팅 게이트 패턴의 측벽을 라운딩시키는 단계;Performing annealing to round sidewalls of the first floating gate pattern; 상기 트렌치의 내면을 산화시켜 상기 트렌치의 내면 상에 트렌치 내벽산화막을 형성하는 단계;Oxidizing an inner surface of the trench to form a trench inner wall oxide layer on the inner surface of the trench; 상기 트렌치의 내부에 필드 산화막을 형성하는 단계; 및Forming a field oxide film inside the trench; And 상기 제1 플로팅 게이트 패턴 상에 유전막 및 컨트롤 게이트층을 차례로 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.And sequentially forming a dielectric film and a control gate layer on the first floating gate pattern. 제8항에 있어서, 상기 어닐링은 수소(H2) 가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.The method of claim 8, wherein the annealing is performed using hydrogen (H 2 ) gas. 제9항에 있어서, 상기 수소 가스는 1∼30리터 정도로 사용하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the hydrogen gas is used in an amount of about 1 to 30 liters. 제9항에 있어서, 상기 어닐링은 750∼950℃ 정도의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.The method of claim 9, wherein the annealing is performed at a temperature of about 750 ° C. to 950 ° C. 10. 제9항에 있어서, 상기 어닐링은 10∼40torr 정도의 압력에서 실시하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the annealing is performed at a pressure of about 10 to 40 torr. 제8항에 있어서, 상기 어닐링은 아르곤(Ar) 가스를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.The method of claim 8, wherein the annealing is performed using argon (Ar) gas. 제8항에 있어서, 상기 질화막을 형성하는 단계 전에, 상기 제1 도전층 상에 산화물로 이루어진 버퍼막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.The method of claim 8, further comprising forming a buffer film made of an oxide on the first conductive layer before forming the nitride film. 제8항에 있어서, 상기 유전막을 형성하는 단계 전에,The method of claim 8, wherein before the forming of the dielectric layer, 상기 제1 플로팅 게이트 패턴 및 필드 산화막 상에 플로팅 게이트용 제2 도전층을 형성하는 단계; 및Forming a second conductive layer for the floating gate on the first floating gate pattern and the field oxide layer; And 상기 필드 산화막 상의 상기 제2 도전층을 부분적으로 제거하여 제2 플로팅 게이트 패턴을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 장치의 제조방법.And partially removing the second conductive layer on the field oxide layer to form a second floating gate pattern.
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