KR20030048213A - Method of forming isolation oxide layer without penetrated boron by using epitaxial layer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에피택셜 성장층을 이용하여 붕소 침투를 방지할 수 있는 분리 산화막 형성 방법에관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a separated oxide film capable of preventing boron infiltration by using an epitaxial growth layer.
일반적으로, 반도체 집적회로 소자는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조의 단위 트랜지스터를 채용하며, 수 많은 단위 트랜지스터를 동일한 소자 내에 형성시켜 집적회로를 구현한다. 각각의 단위 트랜지스터를 전기적으로 분리시키기 위하여 분리 산화막이 사용되는데, 최근에는 얕은 트렌치 절연(Shallow Trench Isolation; STI) 방식이 일반적으로 사용되고 있다. STI 방식은 실리콘 기판에 트렌치를 형성한 후 트렌치 내부에 분리 산화막을 형성하여 단위 트랜지스터 사이를 전기적으로 분리시키는 방식이다. 이러한 STI 방식은 다른 유형의 분리 방식에 비하여 분리 영역의 넓이 및 깊이 조절이 용이한 장점이 있다.In general, a semiconductor integrated circuit device employs a unit transistor of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) structure, and implements an integrated circuit by forming a number of unit transistors in the same device. A separate oxide film is used to electrically isolate each unit transistor, and recently, a shallow trench isolation (STI) method is generally used. In the STI method, a trench is formed in a silicon substrate, and then an isolation oxide film is formed in the trench to electrically separate the unit transistors. This STI method has an advantage of easily adjusting the width and depth of the separation area compared to other types of separation methods.
STI 방식을 이용하는 종래의 분리 산화막 형성 방법은 다음과 같다.The conventional separation oxide film formation method using the STI method is as follows.
도 1a를 참조하면, 실리콘 기판(10) 위에 패드 산화막(12)과 패드 질화막(14)을 형성한 후, 소자 분리 영역으로 정의된 부분의 패드 질화막(14)과 패드 산화막(12)과 실리콘 기판(10)을 순차적으로 식각하여 트렌치(16)를 만든다. 도면에 도시되지는 않았지만, 실리콘 기판(10)에는 p-웰이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1A, after the pad oxide film 12 and the pad nitride film 14 are formed on the silicon substrate 10, the pad nitride film 14, the pad oxide film 12, and the silicon substrate in the portions defined as device isolation regions are formed. (10) is sequentially etched to form the trench 16. Although not shown in the figure, a p-well is formed in the silicon substrate 10.
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 트렌치(16)에 노출된 실리콘 기판(10)의 표면에 고온 산화에 의하여 내벽 산화막(18, liner oxide)을 형성한다. 이 내벽 산화막(18)은 트렌치(16)의 각진 모서리를 둥글게 만들기 위한 것이다.Subsequently, as shown in FIG. 1B, an inner wall oxide film 18 (liner oxide) is formed on the surface of the silicon substrate 10 exposed to the trench 16 by high temperature oxidation. This inner wall oxide film 18 is for rounding the angular edges of the trench 16.
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 트렌치를 포함하는 결과물 전면에 분리 산화막(20)을 증착한다. 분리 산화막(20)의 증착 방법은 주로 고밀도 플라즈마 화학적 기상 증착(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition; HDP-CVD) 방식이이용된다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1C, a separation oxide film 20 is deposited on the entire surface of the resultant product including the trench. As the deposition method of the separation oxide film 20, a high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD) method is mainly used.
그리고 나서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 진행하여 분리 산화막(20)의 상부를 평탄화시킴과 동시에 패드 질화막(14) 상부로부터 분리 산화막(20)을 제거한다. 이 때, 패드 질화막(14)은 연마 과정에서 연마 정지층의 역할을 수행한다. 화학적 기계적 연마 공정의 특성상 트렌치 내부에만 남게 된 분리 산화막(20)의 상부는 패드 질화막(14)의 상부보다 약간 낮은 위치까지 내려간다.Then, as shown in FIG. 1D, a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed to planarize the upper portion of the separation oxide film 20 and simultaneously remove the separation oxide film 20 from the top of the pad nitride film 14. Remove At this time, the pad nitride film 14 serves as a polishing stop layer in the polishing process. Due to the nature of the chemical mechanical polishing process, the upper portion of the isolation oxide layer 20 remaining only inside the trench is lowered to a position slightly lower than the upper portion of the pad nitride layer 14.
이상 설명한 일련의 공정을 통하여 STI 방식의 분리 산화막(20)이 완성된다. 그런데, 종래의 분리 산화막 형성 방법에서는 내벽 산화막(18)이 고온 공정에서 형성되기 때문에, 도 1e에 도시된 바와 같이, p-웰에 함유되어 있던 붕소(22, boron)가 분리 산화막(20) 안으로 확산된다. 따라서, 웰과 채널 영역에서의 붕소 농도가 감소하게 되어 NMOS의 문턱 전압이 낮아지게 된다. 이와 같은 붕소 침투 현상은 후속 열공정에서도 계속되어 소자의 정상적인 동작에 영향을 미치게 되며, 이러한 문제는 소자의 집적도가 증가하고 소자의 크기가 작아질수록 더욱 심각하게 대두된다.Through the series of processes described above, the STI separation oxide film 20 is completed. However, in the conventional separation oxide film forming method, since the inner wall oxide film 18 is formed at a high temperature process, as shown in FIG. 1E, boron 22 contained in the p-well is introduced into the separation oxide film 20. Spreads. Thus, the boron concentration in the well and channel regions is reduced, thereby lowering the threshold voltage of the NMOS. Such boron penetration continues in subsequent thermal processes, affecting the normal operation of the device, and this problem becomes more serious as the device density increases and the device size decreases.
따라서, 본 발명은 이러한 종래기술에서의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분리 산화막으로의 붕소 침투를 방지하여 반도체 소자의 전기적 특성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 분리 산화막의 형성 방법을 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems in the prior art, an object of the present invention is to prevent boron penetration into the separation oxide film to improve the electrical characteristics and reliability of the semiconductor device forming method Is to provide.
도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 분리 산화막 형성 방법을 나타내는 공정 단면도.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a separated oxide film according to the prior art.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 분리 산화막 형성 방법을 나타내는 공정 단면도.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of forming a separated oxide film according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 30: 실리콘 기판12, 32: 패드 산화막10, 30: silicon substrate 12, 32: pad oxide film
14, 34: 패드 질화막16, 36: 트렌치14, 34: pad nitride film 16, 36: trench
18: 내벽 산화막38: 에피택셜 성장층18: inner wall oxide film 38: epitaxial growth layer
20, 40: 분리 산화막22, 42: 붕소20, 40: separated oxide film 22, 42: boron
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에피택셜 성장층을 이용하여 붕소 침투를 방지할 수 있는 분리 산화막의 형성 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for forming a separated oxide film that can prevent the boron infiltration by using an epitaxial growth layer.
본 발명에 따른 분리 산화막의 형성 방법은, 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 패드 질화막을 형성하는 단계와, 소자 분리 영역으로 정의된 부분의 패드 질화막과 패드 산화막과 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 트렌치에 노출된 실리콘 기판의 표면에 선택적으로 에피택셜 성장층을 형성하는 단계와, 트렌치를 포함한 결과물 전면에 분리 산화막을 증착하는 단계와, 분리 산화막의 상부를 평탄화시킴과 동시에 패드 질화막의 상부로부터 분리 산화막을 제거하여 트렌치 내부에만 분리 산화막이 남도록 하는 단계를 포함한다.The method for forming a separation oxide according to the present invention includes forming a pad oxide film and a pad nitride film on a silicon substrate, and sequentially forming a trench by etching the pad nitride film, the pad oxide film, and the silicon substrate in a portion defined as an isolation region. Forming an epitaxially grown layer on the surface of the silicon substrate exposed to the trench, depositing a separation oxide over the entire surface of the resulting trench, planarizing the top of the separation oxide, and simultaneously Removing the separation oxide from the top so that the separation oxide remains only in the trench.
특히, 에피택셜 성장층은 후속 열공정에서 분리 산화막 쪽으로의 붕소 침투를 억제하는 것이 특징이다.In particular, the epitaxially grown layer is characterized by inhibiting boron penetration into the separation oxide film in subsequent thermal processes.
본 발명에 따른 분리 산화막 형성 방법에 있어서, 에피택셜 성장층은 실리콘-게르마늄-탄소로 이루어지는 것이 바람직하며, 550~1100℃의 온도 및 10~500mTorr의 압력에서 50~500Å의 두께로 성장될 수 있다. 또한, 에피택셜 성장층은 원자층 증착 기술, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 공정, 유기 금속 화학적 기상 증착 공정 중의 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있으며, 분리 산화막의 증착 단계는 고밀도 플라즈마 화학적 기상 증착 공정을 이용할 수 있고, 분리 산화막의 평탄화 단계는 화학적 기계적 연마 공정을 이용할 수 있다.In the separation oxide film forming method according to the present invention, the epitaxial growth layer is preferably made of silicon-germanium-carbon, and may be grown to a thickness of 50 to 500 kPa at a temperature of 550 to 1100 ° C. and a pressure of 10 to 500 mTorr. . In addition, the epitaxial growth layer may be formed using any one of an atomic layer deposition technique, a plasma enhanced chemical vapor deposition process, and an organometallic chemical vapor deposition process, and the deposition step of the separated oxide film may use a high density plasma chemical vapor deposition process. The planarization step of the separated oxide film may use a chemical mechanical polishing process.
또한, 본 발명에 따른 분리 산화막 형성 방법은, 에피택셜 성장층의 형성 단계 후, 고온 산화에 의하여 내벽 산화막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the separation oxide film forming method according to the present invention may further include forming an inner wall oxide film by high temperature oxidation after the step of forming the epitaxial growth layer.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 분리 산화막 형성 방법을 나타내는 공정 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of forming a separated oxide film according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(30) 위에 패드 산화막(32)과 패드 질화막(34)을 형성한 후, 소자 분리 영역으로 정의된 부분의 패드 질화막(34)과 패드 산화막(32)과 실리콘 기판(30)을 순차적으로 식각하여 트렌치(36)를 형성한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 실리콘 기판(30)에는 p-웰이 형성되어 있다.First, referring to FIG. 2A, after the pad oxide film 32 and the pad nitride film 34 are formed on the silicon substrate 30, the pad nitride film 34 and the pad oxide film 32 of the portion defined as an isolation region are formed. The silicon substrate 30 is sequentially etched to form the trench 36. Although not shown in the figure, a p-well is formed in the silicon substrate 30.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 트렌치(36)에 노출된 실리콘 기판(30)의 표면에 선택적으로 에피택셜 성장층(38, epitaxial growth layer)을 형성한다. 이 에피택셜 성장층(38)은 종래의 내벽 산화막(도 1의 18)을 대신하여 트렌치(36)의 각진 모서리를 둥글게 만드는 한편, 종래기술의 문제점이었던 붕소 침투 현상을 방지한다.Next, as shown in FIG. 2B, an epitaxial growth layer 38 is selectively formed on the surface of the silicon substrate 30 exposed to the trench 36. This epitaxially grown layer 38 rounds the angular corners of the trench 36 in place of the conventional inner wall oxide film (18 in FIG. 1), while preventing boron penetration, a problem of the prior art.
종래의 붕소 침투 현상은 고온 산화 공정에서 나타나는 붕소의 분리(segregation)로 인하여 발생한다. 본 발명의 에피택셜 성장층(38)은 실리콘보다 붕소에 대한 고용성(固溶性, solid solubility)이 크기 때문에, 붕소가 에피택셜 성장층(38)에 갇히는 효과를 주어 후속 열공정에 의한 붕소 침투를 억제할 수 있다.Conventional boron penetration occurs due to the segregation of boron in the high temperature oxidation process. Since the epitaxial growth layer 38 of the present invention has a higher solid solubility with respect to boron than silicon, boron is trapped in the epitaxial growth layer 38, thereby preventing boron infiltration by the subsequent thermal process. It can be suppressed.
에피택셜 성장층(38)으로는 실리콘-게르마늄-탄소(SiGeC)가 바람직하게 사용될 수 있다. SiGeC 에피택셜 성장층(38)은 약 550~1100℃의 온도 및 10~500mTorr의 압력에서 약 50~500Å의 두께로 성장시킬 수 있다. 에피택셜 성장층(38)의 형성 후, 종래의 내벽 산화막을 추가로 형성할 수도 있고 생략할 수도 있다. 에피택셜 성장층(38)은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 기술을 이용하여 형성할 수도 있으며, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD) 공정 또는 유기 금속 화학적 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MO-CVD) 공정을 사용하여 형성할 수도 있다.As the epitaxial growth layer 38, silicon-germanium-carbon (SiGeC) may be preferably used. The SiGeC epitaxial growth layer 38 may be grown to a thickness of about 50 to 500 Pa at a temperature of about 550 to 1100 ° C. and a pressure of 10 to 500 mTorr. After the epitaxial growth layer 38 is formed, a conventional inner wall oxide film may be further formed or omitted. The epitaxial growth layer 38 may be formed using atomic layer deposition (ALD) technology, and may be a plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) process or an organometallic chemical vapor deposition. It may also be formed using a (Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MO-CVD) process.
에피택셜 성장층(38)을 형성한 후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 고밀도 플라즈마 화학적 기상 증착(HDP-CVD) 공정을 이용하여 트렌치를 포함한 결과물 전면에 분리 산화막(40)을 증착한다.After the epitaxial growth layer 38 is formed, as shown in FIG. 2C, a separation oxide film 40 is deposited on the entire surface including the trench using a high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD) process.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 진행하여 분리 산화막(40)의 상부를 평탄화시킴과 동시에 패드 질화막(34) 상부로부터 분리 산화막(40)을 제거한다. 이 때, 패드 질화막(34)은 연마 과정에서 연마 정지층의 역할을 수행한다. 화학적 기계적 연마 공정의 특성상 트렌치 내부에만 남게 된 분리 산화막(40)의 상부는 패드 질화막(34)의 상부보다 약간 낮은 위치까지 내려간다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2D, a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed to planarize the upper portion of the separation oxide film 40 and to remove the separation oxide film 40 from the top of the pad nitride film 34. At this time, the pad nitride film 34 serves as a polishing stop layer in the polishing process. Due to the chemical mechanical polishing process, the upper portion of the isolation oxide layer 40 remaining only inside the trench is lowered to a position slightly lower than the upper portion of the pad nitride layer 34.
이상 설명한 일련의 공정을 통하여 얕은 트렌치 절연(STI) 방식의 분리 산화막(40)이 완성된다.Through the series of processes described above, the isolation oxide film 40 having the shallow trench isolation (STI) method is completed.
본 발명의 방법에 따르면, 분리 산화막(40) 형성 후 열공정이 진행되더라도,에피택셜 성장층(38)의 붕소 고용성이 실리콘보다 크기 때문에 분리 산화막(40) 쪽으로 확산되는 붕소가 에피택셜 성장층(38)에 갇히게 된다. 따라서, 실리콘과 산화막 사이에서 붕소 분리 현상이 크게 감소하여 채널 영역에서의 붕소 농도 변화가 작아지게 되므로 문턱 전압의 변화가 거의 없어진다.According to the method of the present invention, even if the thermal process is performed after the formation of the separation oxide film 40, since the boron solid solubility of the epitaxial growth layer 38 is greater than that of silicon, boron diffused toward the separation oxide film 40 is epitaxially grown layer 38. You are trapped in). Therefore, boron separation between silicon and the oxide film is greatly reduced and the change in boron concentration in the channel region is reduced, so that the change in threshold voltage is almost eliminated.
또한, 에피택셜 성장층(38)이 성장하면서 활성 영역이 더 확보되기 때문에, 후속 컨택 홀 공정에서 더 큰 공정 여유를 확보할 수 있는 장점도 기대할 수 있다.In addition, as the epitaxial growth layer 38 grows, more active regions are secured, and thus, an advantage of securing a larger process margin in a subsequent contact hole process may be expected.
본 발명의 방법은 NMOSFET에 적용될 경우 채널의 붕소 농도를 유지할 수 있는 효과가 있으며, PMOSFET에 적용될 경우 P+/N 접합의 붕소 농도를 유지할 수 있는 효과가 있다.The method of the present invention has the effect of maintaining the boron concentration of the channel when applied to the NMOSFET, and the effect of maintaining the boron concentration of the P + / N junction when applied to the PMOSFET.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.In the present specification and drawings, preferred embodiments of the present invention have been disclosed, and although specific terms have been used, these are merely used in a general sense to easily explain the technical contents of the present invention and to help the understanding of the present invention. It is not intended to limit the scope. It is apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.
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CN103367154A (en) * | 2012-03-31 | 2013-10-23 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Transistor and method for forming same |
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CN103367154A (en) * | 2012-03-31 | 2013-10-23 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Transistor and method for forming same |
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