KR20030091232A - Isolation method of semiconductor devices using trench - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법에 관한 것으로, 특히 산화 촉진 이온을 이용하여 반도체 기판을 선택적으로 산화함으로써 산화막이 활성 영역 내로 침투하게 하는 방법과 등방성 식각을 이용하여 활성 영역의 하부에도 절연막을 충진시킬 수 있는 반도체 소자 분리 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of separating semiconductor devices using trenches, in particular, a method of selectively oxidizing a semiconductor substrate using oxidation promoting ions so that the oxide film penetrates into the active region and an insulating film in the lower portion of the active region using isotropic etching. The present invention relates to a semiconductor device separation method that can be filled.
반도체 소자의 고집적화가 진행됨에 따라 소자 격리 영역을 줄이고 활성 영역을 더 많이 확보하려는 노력이 다방면에서 진행되고 있다. 그 중에서 대표적인 것이 얇은 트렌치 격리(shallow trench isolation) 기술이라고 할 수 있다. 얇은 트렌치 격리 기술은 소자들을 격리시키기 위하여 반도체 기판에 트렌치를 형성한다음, 산화막 등의 절연막을 트렌치에 매립하는 방법을 기본적인 원리로 하고 있다. 따라서 얇은 트렌치 격리 기술에 의하면 LOCOS(LOCal Oxidation of silicon) 방법에서와는 달리 버즈 비크(bird's beak)에 의한 활성 영역의 축소가 생기지 않고, 이 외에도 산화막 등을 매립한 다음 평탄화 기술을 이용하여 반도체 기판의 표면을 평탄하게 하는 것이 가능하므로 후속 공정에 있어서 유리하다.As semiconductor devices are highly integrated, efforts have been made to reduce device isolation regions and to secure more active regions. A representative one of them is a thin trench isolation technology. The thin trench isolation technique is based on a method of forming a trench in a semiconductor substrate to isolate devices, and then embedding an insulating film such as an oxide film in the trench. Therefore, according to the thin trench isolation technology, unlike the LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) method, the reduction of the active area by bird's beak does not occur. It is possible to flatten it, which is advantageous for the subsequent process.
그러나, 얇은 트렌치 격리 기술은 상기한 장점에도 불구하고 몇 가지 단점이 있어서 고집적화를 완전하게 뒷받침하지는 못하고 있다. 그 중에서 대표적인 것이 정션(junction)으로부터 전류(current)가 누설(leakage)된다는 점이며, 또한 정션 커패시턴스 즉 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)에 의하여 소자의 신뢰도가 떨어진다는 점이다. 특히, 디램(DRAM) 소자에서 정션으로부터 전류의 누설이 발생되고 기생 커패시턴스가 증가하게 되면, 소자가 데이터를 보유하는 시간이 크게 감소하게 될 뿐만 아니라 소자의 동작 속도가 저하되는 등의 문제가 발생하게 된다.However, the thin trench isolation technique has several drawbacks, despite the above advantages, which do not fully support high integration. A representative one of them is that current leaks from the junction, and the reliability of the device is lowered by the junction capacitance, that is, the parasitic capacitance. In particular, if a leakage of current from a junction and a parasitic capacitance increase in a DRAM device, the time required for the device to retain data is greatly reduced, and the operation speed of the device is degraded. do.
전류의 누설에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면, 디램 셀에 특정 데이터를 보관하기 위해서는 셀에 저장된 데이터를 주기적으로 리프레시(refresh)시켜 주는 것이 반드시 필요하다. 누설되는 전류가 많은 경우에는 데이터를 보유하는 시간이 짧아지기 때문에 리프레시를 더 자주 해야만 하는데 그러면 그만큼 전력 소모도 많아진다. 또한 리프레시를 하는 동안에는 읽기/쓰기(read/write)를 할 수가 없으므로 반도체 소자의 스피드가 저하된다.Looking at the leakage of the current in more detail, it is necessary to periodically refresh the data stored in the cell in order to store specific data in the DRAM cell. If there is a lot of leakage current, the data holding time will be shorter, so you will have to refresh more often, which will consume more power. In addition, since the read / write cannot be performed during the refresh, the speed of the semiconductor device is reduced.
상기한 문제를 해결하기 위해서 제시된 종래의 기술들을 크게 분류하면 두 가지로 나눌 수 있다. 하나가 셀 커패시터에 충전(charged) 되어 있는 전하가 빠져나가는 누설 경로(leakage path)를 차단하여 누설 전류를 줄이는 것이며, 나머지 하나는 셀 커패시터의 면적을 증대시킴으로써 충전(charge)되는 전하량 자체를 증가시키는 것이다. 전체적인 관점에서 볼 때는 상기한 두 가지 조건을 모두 충족시킬 수 있는 구조 즉 커패시터의 용량을 가능한 크게 만들고 이 커패시터로부터 전하가 빠져나가는 주요 누설 경로를 찾아서 전하의 누설을 최소한으로 줄일 수 있는 구조를 갖추는 것이 최선의 방법이다.The conventional techniques presented to solve the above problems can be divided into two categories. One is to reduce the leakage current by blocking the leakage path through which the charge charged to the cell capacitor escapes, and the other is to increase the amount of charged charge itself by increasing the area of the cell capacitor. will be. From a general point of view, it is necessary to have a structure that can satisfy both of the above conditions, that is, to make the capacity of the capacitor as large as possible and to find the main leakage path through which the charge escapes from the capacitor and to minimize the leakage of charge. It's the best way.
그러나 셀 커패시터의 면적을 증대시키는 방법은 소자의 크기가 제한되어 있기 때문에 일정한 한계에 도달해 있다고 볼 수 있다. 따라서 많은 연구가 전류 누설을 줄이려는 방향으로 집중되고 있다.However, the method of increasing the area of the cell capacitor has reached a certain limit because of the limited size of the device. Therefore, much research is focused on reducing current leakage.
도1은 종래의 기술에 따른 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법에 의해 형성된 반도체 소자의 평면도이고, 도2는 도1의 AA'라인(도2의 좌측 그림) 및 BB'라인(도2의 우측 그림)을 따라 절단한 단면도이다.1 is a plan view of a semiconductor device formed by a semiconductor device isolation method using a trench according to the prior art, and FIG. 2 is a line AA ′ (left side of FIG. 2) and BB ′ line (right side of FIG. 2) of FIG. 1. Is a cross-sectional view taken along
도1 및 도2를 참조하면, 반도체 기판(110)은 활성 영역(10)과 소자 격리 영역이 각각 트렌치에 매립된 절연막(116)에 의하여 구분되어 있으며, 웰 및 소스/드레인 영역(118)이 활성 영역(10) 내에 각각 형성되어 정션을 이루고 있다. 그리고 반도체 기판(110)상에는 게이트 산화막(130)과 다수의 게이트 전극 패턴(132, 134)이 형성되어 있으며, 게이트 전극 패턴(132, 134)의 측벽에는 게이트 스페이서(236)가 형성되어 있다.1 and 2, the semiconductor substrate 110 is divided by an insulating layer 116 in which the active region 10 and the device isolation region are embedded in the trench, respectively, and the well and the source / drain regions 118 are separated from each other. It is formed in each of the active regions 10 to form a junction. A gate oxide layer 130 and a plurality of gate electrode patterns 132 and 134 are formed on the semiconductor substrate 110, and gate spacers 236 are formed on sidewalls of the gate electrode patterns 132 and 134.
도면에는 도시되지 않았지만, 반도체 소자가 디램 소자인 경우에는 도2의 게이트 패턴(132, 134)이 형성된 다음에는 비트 라인(미도시)을 형성한 다음 커패시터가 정션이 형성되어 있는 곳의 위쪽 위치에 형성되며, 커패시터는 콘택을 통하여 반도체 기판과 전기적으로 연결이 된다.Although not shown in the drawing, in the case where the semiconductor device is a DRAM device, after the gate patterns 132 and 134 of FIG. 2 are formed, a bit line (not shown) is formed, and then a capacitor is positioned above the junction. The capacitor is electrically connected to the semiconductor substrate through the contact.
도2를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 기술에 의하여 형성된 소자 격리 영역을 포함한 반도체 소자의 경우에는 활성 영역(10)내의 정션이 기판(110)과 접촉하는 면적이 넓기 때문에, 이 부분에서 커패시터에 저장된 전하가 정션을 통해 기판으로 누설되는 문제가 발생한다.As can be seen from Fig. 2, in the case of a semiconductor device including a device isolation region formed by a conventional technique, the area in which the junction in the active region 10 is in contact with the substrate 110 is large. There is a problem that the charge stored in the leakage through the junction to the substrate.
또한, 소자의 미세화로 셀 트랜지스터가 주변 셀들의 동작에 방해를 받아 오류를 발생시킬 가능성이 증가하는데 이를 방지하기 위해서는 일정 정도 이상의 문턱 전압(threshold voltage)을 유지해주어야 한다. 높은 문턱 전압을 유지하기 위해서는 기판에 주입되는 불순물의 도핑 농도를 높여 주어야 한다. 그런데 도핑 농도를 높여 주는 것은 상기한 전류의 누설을 더 많이 초래할 뿐만 아니라 정션 커패시턴스 또한 증가시키게 되므로 반도체 소자의 리프레시 특성이 더욱 나빠진다.In addition, the miniaturization of the device increases the possibility that a cell transistor may interfere with the operation of neighboring cells, thereby causing an error. To prevent this, a threshold voltage must be maintained at a certain level or more. In order to maintain a high threshold voltage, it is necessary to increase the doping concentration of impurities injected into the substrate. However, increasing the doping concentration not only causes more leakage of the above-mentioned current, but also increases the junction capacitance, which results in worse refresh characteristics of the semiconductor device.
따라서 상기한 문제점을 해결하여 디램 소자의 리프레시 특성을 개선하기 위해서는 정션이 기판과 접촉하는 면적을 줄여서, 정션을 통하여 전류가 누설되는 것을 최소한으로 줄일 필요성이 대두된다.Therefore, in order to solve the above problem and improve the refresh characteristics of the DRAM device, there is a need to reduce the area in which the junction contacts the substrate, thereby minimizing leakage of current through the junction.
본 발명이 이룩하고자 하는 기술적 과제는 정션을 통한 누설 전류를 감소시킬 수 있고 정션 커패시턴스를 줄일 수 있는 구조로 되어 있는 반도체 소자를 보다 개선된 공정으로 형성할 수 있는 소자 격리 영역을 포함하고 있는 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION A technical problem to be solved by the present invention is a trench including a device isolation region capable of forming a semiconductor device having a structure capable of reducing leakage current through a junction and reducing junction capacitance in an improved process. It is to provide a semiconductor device separation method used.
도1은 종래의 기술에 따른 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법에 의해 형성된 반도체 소자의 평면도,1 is a plan view of a semiconductor device formed by a semiconductor device isolation method using a trench according to the prior art;
도2는 도1의 AA'라인(도2의 좌측 그림) 및 BB'라인(도2의 우측 그림)을 따라 절단한 단면도,FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the AA 'line (left side of FIG. 2) and BB' line (right side of FIG. 2) of FIG. 1;
도3은 본 발명에 따른 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법에 의해 형성된 반도체 소자의 평면도,3 is a plan view of a semiconductor device formed by a semiconductor device isolation method using a trench in accordance with the present invention;
도4 내지 도9는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 소자 분리방법을 공정 순서에 따라 보여주는 단면도로서, 도4 내지 도9의 좌측 그림은 도3의 AA'라인을 따라, 도4 내지 도9의 우측 그림은 도3의 BB'라인을 따라 절단한 단면도, 및4 through 9 are cross-sectional views illustrating a method of separating a semiconductor device in accordance with a first embodiment of the present invention, according to a process sequence. The left side of FIGS. 4 through 9 are along the AA ′ line of FIG. 3. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB 'of FIG. 3, and
도10 내지 도15는 본 발명의 제2실시예에 따른 반도체 소자 분리방법을 공정 순서에 따라 보여주는 단면도로서, 도10 내지 도15의 좌측 그림은 도3의 AA'라인을 따라, 도10 내지 도15의 우측 그림은 도3의 BB'라인을 따라 절단한 단면도이다.10 to 15 are cross-sectional views illustrating a method of separating a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention, in order of processing. The left-side view of FIGS. 10 to 15 is along the AA ′ line of FIG. 3. 15 is a cross-sectional view taken along the line BB 'of FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 20 : 활성 영역110, 210, 310 : 반도체 기판10, 20: active region 110, 210, 310: semiconductor substrate
116, 216, 316 : 트렌치 충진 절연막116, 216, 316: trench filling insulating film
118, 218, 318 : 소스/드레인 영역118, 218, 318: source / drain regions
130, 230, 330 : 게이트 산화막132, 232, 332 : 게이트 전극130, 230, 330: gate oxide film 132, 232, 332: gate electrode
134, 234, 334 : 캡핑막134, 234, 334 capping film
136, 236, 336 : 게이트 스페이서136, 236, 336: Gate spacer
212 : 산화 촉진 이온 주입층212 oxidation promoting ion implantation layer
214 : 활성 영역 침투 산화막214: active area penetration oxide film
222, 322 : 패드 산화막222, 322: pad oxide film
224, 324 : 트렌치 형성용 질화막224, 324: nitride film for trench formation
326 : 활성 영역 보호용 스페이서326: Active area protection spacer
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법은 반도체 기판 내에 산화 촉진 이온을 주입하여 반도체 기판의 표면으로부터 일정한 깊이를 갖는 산화 촉진 이온 주입층을 형성하는 단계와 반도체 기판상에 활성 영역과 트렌치 형성 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계와 마스크 패턴을 식각마스크로 사용하여 산화 촉진 이온 주입층이 노출될 때까지 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와 노출된 상기 산화 촉진 이온 주입층을 선택적으로 산화하여 활성 영역 내로 침투하는 산화막을 형성하는 단계 및 트렌치를 절연막으로 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor device isolation method using a trench according to the present invention for achieving the above technical problem is a step of forming an oxidation-promoting ion implantation layer having a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate by implanting oxidation-promoting ions into the semiconductor substrate Forming a mask pattern defining an active region and a trench forming region on the substrate; forming a trench by etching the semiconductor substrate until the oxidation-promoting ion implantation layer is exposed using the mask pattern as an etching mask; Selectively oxidizing the oxidation promoting ion implantation layer to form an oxide film that penetrates into the active region and filling the trench with an insulating film.
산화 촉진 이온 주입층은 상기 트렌치가 형성되는 깊이보다 얕게 형성할 수 있다.The oxidation promoting ion implantation layer may be formed to be shallower than the depth at which the trench is formed.
산화 촉진 이온 주입층에 주입되는 산화 촉진 이온으로는 불소(fluorine) 이온을 사용할 수 있다.Fluorine ions may be used as the oxidation promoting ions to be injected into the oxidation promoting ion implantation layer.
트렌치를 충진하는 절연막으로 산화막을 사용할 수 있다.An oxide film can be used as the insulating film filling the trench.
반도체 소자는 디램(DRAM)소자일 수 있다.The semiconductor device may be a DRAM device.
그리고 활성 영역을 침투하는 산화막은 커패시터 노드 정션의 하부에 형성할 수 있다.An oxide film penetrating the active region may be formed under the capacitor node junction.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 트렌치를 이용한 다른 반도체 소자 분리 방법은 반도체 기판상에 활성 영역과 트렌치 격리 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계와 마스크 패턴을 식각마스크로 사용하여 반도체기판을 소스/드레인이 형성될 깊이까지 식각하는 단계와 마스크 패턴 및 활성 영역의 측면에 활성 영역 보호용 스페이서를 형성하는 단계와 마스크 패턴 및 활성 영역 보호용 스페이서를 식각 마스크로 사용하여 트렌치 격리 영역의 반도체 기판을 식각하는 단계와 반도체 기판을 등방성 식각하여 활성 영역의 하부까지 침투하는 트렌치를 형성하는 단계 및 트렌치를 절연막으로 충진하는 단계를 포함하여 구성된다.Another semiconductor device isolation method using a trench according to the present invention for achieving the above technical problem is to form a mask pattern defining an active region and a trench isolation region on the semiconductor substrate and using the mask pattern as an etching mask Etching the substrate to a depth where a source / drain is to be formed, forming an active region protection spacer on the side of the mask pattern and the active region, and using the mask pattern and the active region protection spacer as an etching mask, the semiconductor substrate in the trench isolation region And etching the semiconductor substrate to form a trench that penetrates into the lower portion of the active region, and filling the trench with an insulating layer.
트렌치를 충진하는 절연막은 산화막을 사용할 수 있다.An oxide film may be used as the insulating film filling the trench.
활성 영역 보호용 스페이서는 질화막으로 형성할 수 있다.The active area protection spacer may be formed of a nitride film.
반도체 소자는 디램(DRAM)소자일 수 있다.The semiconductor device may be a DRAM device.
활성 영역으로 침투하는 절연막은 커패시터 노드 정션의 하부에 형성할 수 있다.An insulating layer penetrating into the active region may be formed under the capacitor node junction.
본 발명에 의하면 정션의 하부에 산화막 또는 절연막이 형성된다. 따라서 정션 누설 전류 및 정션 커패시턴스를 감소시킬 수 있다. 그리고 산화 촉진 이온을 소정의 깊이에 먼저 주입하여 이를 선택적으로 산화시켜서 산화막을 형성하므로, 산화막의 두께 및 깊이를 용이하게 조절할 수 있다. 그리고 단순화된 공정이 적용되므로 공정도 용이하고 생산 비용을 절감시킬 수 있다.According to the present invention, an oxide film or an insulating film is formed under the junction. Thus, the junction leakage current and junction capacitance can be reduced. And since the oxidation promoting ion is first implanted at a predetermined depth and selectively oxidized to form an oxide film, the thickness and depth of the oxide film can be easily adjusted. And because the simplified process is applied, the process is easy and production costs can be reduced.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to enable the technical spirit of the present invention to be thoroughly and completely disclosed, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layer regions are exaggerated for clarity. In addition, where a layer is said to be "on" another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. Like numbers refer to like elements throughout the specification.
도3 내지 도9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따라서 트렌치 격리를 이용하여 반도체 소자 분리 영역을 형성하는 방법과 그 후에 게이트 패턴 및 소스/드레인 영역을 형성하는 과정을 보여주기 위하여 공정 순서에 따라서 도시한 도면들이다. 여기서 도3은 도9의 반도체 소자에 대한 평면도이고, 도4 내지 도8은 도3의 AA'라인(도4 내지 도9의 좌측 그림) 및 BB'라인(도4 내지 도9의 우측 그림)을 따라 절단한 단면도들이다.3 through 9 illustrate a method of forming a semiconductor device isolation region using trench isolation and subsequently forming a gate pattern and a source / drain region according to a first preferred embodiment of the present invention. Therefore, the drawings are shown. FIG. 3 is a plan view of the semiconductor device of FIG. 9, and FIGS. 4 to 8 are lines AA 'of FIG. 3 (left side of FIGS. 4 to 9) and BB' lines (right side of FIGS. 4 to 9). Sections cut along the side.
도3을 참조하면, 도1과는 달리 활성 영역(20)이 점선으로 구분되어 있는 것을 볼 수 있다. 활성 영역(20)의 가장 자리부분(22)은 소정의 깊이에 활성 영역 침투 산화막이 형성되어 있는 부분으로서 본 발명은 이러한 산화막을 활성 영역(20)의 하부에 형성함으로써 전류의 누설을 방지하고 정션 커패시턴스를 줄일 수 있게 된다. 이하에서는 공정 순서에 따라서 산화촉진 이온 주입층을 형성하여 활성 영역의 하부에 침투하는 산화막을 형성하는 트렌치를 이용한 반도체 소자 분리 방법에 대하여 살펴보기로 한다.3, unlike FIG. 1, it can be seen that the active region 20 is divided by a dotted line. The edge portion 22 of the active region 20 is a portion in which an active region penetrating oxide film is formed at a predetermined depth, and the present invention forms such an oxide film under the active region 20 to prevent leakage of current and to junction. Capacitance can be reduced. Hereinafter, a method of separating a semiconductor device using a trench for forming an oxide promoting ion implantation layer according to a process sequence to form an oxide film penetrating the lower portion of an active region will be described.
도4를 참조하면, 반도체 기판(210)에 이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 소정의 깊이에 산화 촉진 이온을 주입하여 산화 촉진 이온 주입층(212)을 형성한다. 산화 촉진 이온으로는 불소(fluorine)이온, 또는 염소(chlorine)이온 등이 사용될 수 있다. 산화 촉진 이온 주입층(212)이 형성되는 깊이는 소스/드레인 영역이 형성되는 깊이와 소자 격리를 위하여 트렌치가 형성되는 깊이를 함께 고려하여 결정된다. 즉, 트렌치를 형성한 경우에 산화 촉진 이온 주입층(212)이 트렌치의 측면에 노출되어야 하며, 또한 산화 촉진 이온 주입층(212)이 산화하여 형성된 산화막이 소스/드레인 정션의 일부를 차단할 수 있어야 한다. 산화 촉진 이온의 주입으로 손상된 결정 격자는 어닐링으로 치유한다.Referring to FIG. 4, the oxidation promoting ion implantation layer 212 is formed by implanting oxidation promoting ions at a predetermined depth into the semiconductor substrate 210 using ion implantation. As the oxidation promoting ion, fluorine ions or chlorine ions may be used. The depth at which the oxidation promoting ion implanted layer 212 is formed is determined in consideration of the depth at which the source / drain regions are formed and the depth at which the trench is formed for device isolation. That is, when the trench is formed, the oxidation promoting ion implantation layer 212 should be exposed to the side of the trench, and the oxide film formed by the oxidation promotion ion implantation layer 212 may be able to block a portion of the source / drain junction. do. Crystal lattice damaged by the implantation of oxidation promoting ions is cured by annealing.
도5를 참조하면, 실리콘 기판(210)의 표면을 산화하여 패드 산화막(222)을 형성한 다음, 그 위에 하드 마스크로 사용할 트렌치 형성용 질화막(224)을 증착한다. 그 다음에 활성 영역과 소자 격리 영역인 트렌치를 형성하기 위하여 포토레지스트를 도포한 다음에 이를 포토 리소그라피 공정을 이용하여 패터닝한 다음에 트렌치를 형성할 영역 상의 트렌치 형성용 질화막(224), 패드 산화막(222) 및 실리콘 기판(210)을 차례대로 식각하여 트렌치를 형성한다. 식각되는 실리콘 기판(210)의 깊이는 산화 촉진 이온 주입층(212)을 노출시킬 수 있도록 산화 촉진 이온 주입층(212)의 깊이보다 같거나 깊게 하는 것이 바람직하다. 즉, 소자 격리 영역의 실리콘 기판을 식각하여 트렌치를 형성한 경우에, 소자 격리 영역의 산화 촉진 이온 주입층(212)의 전부 또는 일부는 식각되고 활성 영역에 형성되어 있는 산화 촉진 이온 주입층(212)은 트렌치의 측부에 노출되도록 하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, the surface of the silicon substrate 210 is oxidized to form a pad oxide film 222, and then a trench forming nitride film 224 to be used as a hard mask is deposited thereon. Then, a photoresist is applied to form trenches, which are active regions and device isolation regions, and then patterned using a photolithography process, followed by a trench forming nitride film 224 and a pad oxide film on the region where the trenches are to be formed. The 222 and the silicon substrate 210 are sequentially etched to form trenches. The depth of the silicon substrate 210 to be etched is preferably equal to or deeper than the depth of the oxidation promoting ion implantation layer 212 to expose the oxidation promoting ion implantation layer 212. That is, in the case where the trench is formed by etching the silicon substrate in the device isolation region, all or part of the oxidation promotion ion implantation layer 212 in the device isolation region is etched and formed in the active region. ) Is preferably exposed to the sides of the trench.
도6을 참조하면, 산화 촉진 이온 주입층(212)이 형성되어 있는 곳의 실리콘 기판만이 선택적으로 산화되어 활성 영역 침투 산화막(214)이 형성되어 있다. 활성영역 침투 산화막(214)은 열산화 공정을 실시함으로써 형성되는데, 산화 촉진 이온 예컨대 불소 이온이 주입되어 있는 반도체 기판 부분이 다른 부분에 비하여 먼저 산화 반응을 일으켜서 이 부분에만 선택적으로 산화막을 형성시키게 된다.Referring to Fig. 6, only the silicon substrate where the oxidation promoting ion implantation layer 212 is formed is selectively oxidized to form an active region penetrating oxide film 214. The active region penetrating oxide film 214 is formed by performing a thermal oxidation process. A portion of the semiconductor substrate into which oxidation promoting ions such as fluorine ions are implanted causes an oxidation reaction first to form an oxide film only in this portion. .
따라서 상기한 구조를 가진 반도체 소자에서는, 후속공정에서 불순물을 주입하여 소스/드레인 영역(218)을 형성하더라도 정션이 기판과 접촉하는 면적이 상기한 산화막으로 인하여 줄어들기 때문에 전류의 누설이 발생하는 경로가 감소하게 된다. 또한 누설되는 전류가 감소하게 되면 소스/드레인을 형성하기 위하여 주입하는 불순물의 양도 감소시킬 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 선택적인 산화막 형성 공정은 산화막이 형성되는 깊이, 두께의 조절이 가능할 뿐만이 아니라 제조 공정이 단순하다. 즉 상기한 방법에서는 주입되는 산화 촉진 이온의 양과 주입 에너지 등의 조건만 조절함으로써 산화 촉진 이온 주입층이 형성되는 깊이, 두께 등의 조절이 가능하며 결국 활성 영역 내로 침투하는 산화막의 두께, 깊이를 용이하게 조절할 수가 있다.Therefore, in the semiconductor device having the above-described structure, even if impurities are implanted in a subsequent process to form the source / drain regions 218, a path where current leakage occurs because the area where the junction contacts the substrate is reduced by the oxide film. Will decrease. In addition, when the leakage current decreases, the amount of impurities injected to form the source / drain may be reduced. The selective oxide film forming process according to the present invention is not only capable of controlling the depth and thickness at which the oxide film is formed, but also the manufacturing process is simple. That is, in the above method, the depth, thickness, etc. of forming the oxidation-promoting ion implantation layer can be controlled by controlling only the amount of the oxidation-promoting ions to be implanted and the implantation energy, and the thickness and depth of the oxide film penetrating into the active region can be easily controlled. Can be adjusted.
다음으로, 도7을 참조하면, 셀들을 전기적으로 격리시키기 위하여 절연막(216) 예컨대, 산화막을 사용하여 트렌치를 충진한다. 그리고 나서 트렌치 충진 절연막(316), 잔존하는 활성 영역 상의 트렌치 형성용 질화막(224) 및 패드 산화막(222)을 제거하고 반도체 기판을 평탄화하여 소자 격리 영역을 완성한다.Next, referring to FIG. 7, the trench is filled using an insulating film 216, for example, an oxide film, to electrically isolate the cells. Then, the trench filling insulating layer 316, the trench forming nitride film 224 and the pad oxide film 222 on the remaining active regions are removed and the semiconductor substrate is planarized to complete the device isolation region.
도8을 참조하면, 소자 격리 영역과 활성 영역으로 구분되어 있는 반도체 기판상에 게이트 절연막(230), 도핑된 폴리 실리콘막 및 캡핑막을 순차적으로 증착한 다음, 포토 리소그라피 공정을 이용하여 게이트 패턴(232, 234)을 형성한다. 그리고 도9를 참조하면, 반도체 기판(210)에 이온을 주입하여 소스와 드레인(218)을 형성한 다음 절연막을 사용하여 게이트 스페이서(236)를 형성함으로써 셀 트랜지스터를 완성한다.Referring to FIG. 8, a gate insulating layer 230, a doped polysilicon layer, and a capping layer are sequentially deposited on a semiconductor substrate divided into a device isolation region and an active region, and then a gate pattern 232 is formed using a photolithography process. , 234). Referring to FIG. 9, a cell transistor is completed by implanting ions into the semiconductor substrate 210 to form a source and a drain 218 and then forming a gate spacer 236 using an insulating layer.
도3 및 도10 내지 도15는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 트렌치 격리를 이용하여 반도체 소자 분리 영역을 형성하는 방법과 그 후에 게이트 패턴 및 소스/드레인 영역을 형성하는 과정을 보여주기 위하여 공정 순서에 따라서 도시한 도면들이다. 여기서 도3은 도15의 반도체 소자에 대한 평면도이며, 도10 내지 도15는 도3의 AA'라인(도4 내지 도9의 좌측 그림) 및 BB'라인(도4 내지 도9의 우측 그림)을 따라 절단한 단면도들이다.3 and 10 to 15 are processes to show a method of forming a semiconductor device isolation region using trench isolation and a process of subsequently forming a gate pattern and a source / drain region according to a second embodiment of the present invention. The figures are shown in order. 3 is a plan view of the semiconductor device of FIG. 15, and FIGS. 10 to 15 are lines AA '(left side of FIGS. 4 to 9) and BB' lines (right side of FIGS. 4 to 9) of FIG. Sections cut along the side.
도10을 참조하면, 실리콘 기판(310)의 표면을 산화하여 패드 산화막(322)을 형성한 다음, 그 위에 하드 마스크로 사용할 트렌치 형성용 질화막(324)을 증착한다. 그 다음에 활성 영역과 소자 격리 영역인 트렌치를 형성하기 위하여 포토레지스트를 도포한 다음에 이를 포토 리소그라피 공정을 이용하여 패터닝한다. 즉, 트렌치를 형성할 영역 상의 트렌치 형성용 질화막(324), 패드 산화막(322) 및 실리콘 기판(310)을 차례대로 1단계 식각한다. 식각되는 실리콘 기판(310)의 깊이는 소스/드레인 영역(318, 도15참조)이 형성될 깊이 정도인데, 그 이유는 후술한다.Referring to FIG. 10, the surface of the silicon substrate 310 is oxidized to form a pad oxide film 322, and then a trench forming nitride film 324 to be used as a hard mask is deposited thereon. A photoresist is then applied to form trenches, the active and device isolation regions, and then patterned using a photolithography process. That is, the trench forming nitride film 324, the pad oxide film 322, and the silicon substrate 310 on the region where the trench is to be formed are sequentially etched one step. The depth of the silicon substrate 310 to be etched is about the depth at which the source / drain regions 318 (see FIG. 15) are to be formed, which will be described later.
도11을 참조하면, 활성 영역(20) 및 마스크 패턴(322, 324)의 측벽에 이 분야에 증착 및 식각 공정 등을 이용하여 활성 영역 보호용 스페이서(326)를 형성한다. 활성 영역 보호용 스페이서(326)는 질화막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 그 다음으로 도12를 참조하면, 마스크 패턴(322, 324) 및 활성 영역 보호용 스페이서(326)를 식각 마스크로 사용하여 트렌치 형성 영역의 반도체 기판만을 이방성 식각하여 트렌치가 형성되는 깊이까지 2단계 식각을 한다.Referring to FIG. 11, the spacer 326 for protecting the active region is formed on the sidewalls of the active region 20 and the mask patterns 322 and 324 using a deposition and etching process in this field. The active area protection spacer 326 is preferably formed using a nitride film. Next, referring to FIG. 12, using the mask patterns 322 and 324 and the active area protection spacer 326 as an etch mask, anisotropic etching of only the semiconductor substrate in the trench formation region is performed to perform two-step etching to a depth at which the trench is formed. do.
도13을 참조하면, 트렌치의 깊이까지 식각된 반도체 기판에 대하여 다시 등방성 식각을 실시하여 트렌치를 완성한다. 그 결과, 활성 영역 보호용 스페이서(326)가 형성되어 있는 활성 영역(20)의 상부는 식각으로부터 보호되나, 그 하부의 활성 영역(20)은 소정의 깊이까지 식각되어 제거되므로 트렌치가 활성 영역의 하부까지 침투하게 된다. 식각으로부터 보호된 활성 영역(20)의 부분은 후속되는 공정에서 소스/드레인이 형성될 영역이므로 이 부분이 식각이 되어서는 안되며, 이것이 1단계 식각을 한 후에, 활성 영역 보호용 스페이서(326)를 형성하고 그 다음 트렌치의 깊이까지 2단계 식각을 실시하는 이유이다.Referring to FIG. 13, the trench is subjected to isotropic etching again to the semiconductor substrate etched to the depth of the trench. As a result, the upper portion of the active region 20 in which the active region protection spacer 326 is formed is protected from etching, but since the lower active region 20 is etched away to a predetermined depth, the trench is removed from the lower portion of the active region. It will penetrate until. Since the portion of the active region 20 protected from etching is the region where the source / drain is to be formed in a subsequent process, this portion should not be etched, and after this one-step etching, the active region protection spacer 326 is formed. And then perform a two-step etch to the depth of the trench.
도14를 참조하면, 활성 영역의 하부까지 침투해 있는 트렌치에 대하여 트렌치 충진 절연막(316)을 충진한다. 트렌치 충진 절연막(316)은 산화막을 사용하는 것이 일반적이다. 그리고 나서 트렌치 충진 절연막(316), 잔존하는 활성 영역 상의 트렌치 형성용 질화막(224) 및 패드 산화막(222)을 제거하여 반도체 기판을 평탄화하여 소자 격리 영역을 완성한다.Referring to FIG. 14, the trench filling insulating layer 316 is filled with the trench penetrating to the lower portion of the active region. The trench filling insulating layer 316 generally uses an oxide film. Then, the trench filling insulating layer 316, the trench forming nitride film 224 and the pad oxide film 222 on the remaining active regions are removed to planarize the semiconductor substrate to complete the device isolation region.
도15의 공정은 도8을 참조하여 앞에서 기술한 공정과 동일하므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.Since the process of FIG. 15 is the same as the process described above with reference to FIG. 8, description thereof will be omitted here.
도8 및 도15의 공정이 완료된 다음에, 디램 소자를 완성하기 위해서는 도면에는 도시하지 않았으나 층간 절연막을 도포하고 비트 라인을 형성한다. 그리고 상기한 공정에서 활성 영역 침투 산화막(214, 316)이 형성되어 있는 부분의 반도체기판 상부에 커패시터 노드를 형성하고, 커패시터 유전막, 상부 전극 및 금속 배선을 형성하는 공정을 순차적으로 진행하게 된다. 이와 같은 방법으로 완성된 디램 소자에서는 커패시터 노드의 정션 하부에 산화막 또는 절연막이 형성되어 있으므로 정션과 기판이 접촉하는 면적이 줄어들게 되고 커패시터로부터의 전하가 누설되는 경로가 줄어든다. 따라서 누설되는 전류량이 감소하게 되면 디램 소자의 리프레시 특성을 개선할 수 있으며, 소자의 동작 속도 또한 향상시킬 수 있다.After the process of FIGS. 8 and 15 is completed, in order to complete the DRAM device, although not shown, an interlayer insulating film is coated and a bit line is formed. In the above process, the capacitor node is formed on the semiconductor substrate in the portion where the active region penetrating oxide films 214 and 316 are formed, and the capacitor dielectric film, the upper electrode, and the metal wiring are sequentially formed. In the DRAM device completed in this manner, since the oxide film or the insulating film is formed under the junction of the capacitor node, the contact area between the junction and the substrate is reduced and the path from which the charge from the capacitor leaks is reduced. Therefore, when the amount of leakage current decreases, the refresh characteristic of the DRAM device may be improved, and the operation speed of the device may be improved.
본 발명에 의하면 정션의 하부에 활성 영역 침투 산화막 또는 절연막이 형성되므로 정션 누설 전류를 감소시킬 수 있고, 아울러 소스/드레인 영역을 형성하기 위하여 주입하는 불순물의 양을 감소시킬 수 있으므로 기생 커패시턴스를 감소시킬 수 있는 반도체 소자를 형성할 수 있다. 또한, 트렌치 침투 산화막이 형성되는 깊이와 두께를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만이 아니라, 그 공정도 단순화 할 수 있기 때문에 제조기간 및 제조 비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, since the active region penetrating oxide film or the insulating film is formed below the junction, the junction leakage current can be reduced, and the amount of impurities injected to form the source / drain regions can be reduced, thereby reducing the parasitic capacitance. A semiconductor device can be formed. In addition, not only the depth and thickness of the trench penetrating oxide film may be easily adjusted, but also the process may be simplified, thereby reducing manufacturing period and manufacturing cost.
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