KR20040001511A - Method for forming isolation film in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 소자분리막 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HDP CVD 산화막 증착시 발생하는 버블 결함(bubble defect)을 방지할 수 있는 반도체 소자의 소자분리막 형성방법이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a device isolation film of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a device isolation film of a semiconductor device capable of preventing bubble defects generated during deposition of an HDP CVD oxide film.
일반적으로, 실리콘 기판에 형성되는 반도체 소자는 개개의 회로 패턴들을 전기적으로 분리하기 위한 소자분리막을 포함한다. 특히 반도체 소자가 고집적화되고 미세화 되어감에 따라 각 개별 소자의 크기를 축소시키는 것뿐만 아니라 소자 분리막의 축소에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In general, a semiconductor device formed on a silicon substrate includes a device isolation film for electrically separating individual circuit patterns. In particular, as semiconductor devices become highly integrated and miniaturized, research on the reduction of device isolation layers as well as the size of each individual device is being actively conducted.
고집적화된 반도체 장치의 소자 분리에 적합한 기술로는 트렌치를 이용한 소자분리방법, 예컨대 섈로우 트렌치 분리방법(Shallow Trench Isolation: 이하, STI)이 제안되었다.As a technique suitable for device isolation of highly integrated semiconductor devices, a device isolation method using trenches, such as a shallow trench isolation method (STI), has been proposed.
종래 기술에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.A device isolation film forming method of a semiconductor device according to the prior art will be described as follows.
종래 기술에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 먼저 포토리소그래피 공정기술을 이용한 마스크 공정 및 식각 공정으로 실리콘 기판을 선택적으로 제거하여 트렌치(trench)를 형성한다. 다음으로, 상기 트렌치(trench)를 고밀도 플라즈마 화하기상증착 산화막(HDP CVD Oxide)으로 매립하여 소자분리막을 완성하는 것이다.In the method of forming a device isolation layer of a semiconductor device according to the prior art, first, a silicon substrate is selectively removed by a mask process and an etching process using a photolithography process technology to form a trench. Next, the trench is filled with a high density plasma vapor deposition oxide (HDP CVD Oxide) to complete the device isolation film.
그러나, 종래 기술에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.However, the method of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the prior art has the following problems.
종래 기술에 있어서는 반도체 소자, 특히 DRAM 소자의 리프레쉬 타임(refresh time) 향상을 위하여 트렌치 식각후 소자분리막 재료인 HDP CVD 산화막 형성전에 얇은 질화막을 먼저 형성하여 최종적으로 소자분리막 구조를 ONO (oxide-nitride-oxide)고 구현한다.In the prior art, in order to improve the refresh time of semiconductor devices, particularly DRAM devices, a thin nitride film is first formed before the formation of the HDP CVD oxide film, which is the material of the device isolation film after trench etching, and finally the device isolation structure is turned on (oxide-nitride-). oxide).
이와 같은 ONO 구조를 형성하는 데 있어서는 HDP CVD 산화막과 하부의 질화막과의 응력 불일치로 인하여 질화막이 들뜨거나 또는 질화막 및 HDP CVD 산화막이 함께 들뜨는 현상, 즉 버블 결함(bubble defect)이 발생하여 소자분리 역할을 다하지 못한다는 문제점이 있었다.In forming the ONO structure, the nitride film is lifted due to the stress mismatch between the HDP CVD oxide film and the lower nitride film, or the nitride film and the HDP CVD oxide film are lifted together, that is, bubble defects, that is, device separation roles. There was a problem that can not be done.
또한, HDP CVD 공정은 증착 압력이 수 mTorr인 반면에 일반적인 PECVD 공정은 수 Torr이기 때문에 상대적으로 강한 이온 충돌(ion bombardment) 현상이 발생한다. 따라서, HDP CVD 산화막 증착 초기에 이러한 이온 충돌 현상으로 인해 급격한 온도 상승 변화를 거치면서 응력 불일치 현상이 가속화되고 있다.In addition, since HDP CVD process has a deposition pressure of several mTorr while a typical PECVD process is several Torr, relatively strong ion bombardment occurs. Therefore, the stress mismatch phenomenon is accelerated due to the rapid temperature rise change due to the ion collision phenomenon in the early stage of HDP CVD oxide film deposition.
종래 이의 해결을 위하여 HDP CVD 산화막과 하부 질화막 사이에 응력 완충막을 추가하여 실시하는 방법이 제안된 바 있었으나, 응력 완충막으로 인하여 트렌치가 좁아져서 HDP CVD 산화막의 원할한 갭 필(gap fill)을 방해한다는 문제가 있었다. 따라서, 되도록 얇은 막을 HDP CVD 산화막 증착전에 증착하여야 하나 얇은 막 형성 자체가 어렵고 또한 얇을수록 응력 완충 역할을 하기 어려운 문제점이 있었다.In order to solve this problem, a method of adding a stress buffer layer between the HDP CVD oxide layer and the lower nitride layer has been proposed, but the trench is narrowed due to the stress buffer layer, thereby preventing a smooth gap fill of the HDP CVD oxide layer. There was a problem. Therefore, a thin film should be deposited prior to HDP CVD oxide deposition, but it is difficult to form a thin film itself.
이에 본 발명은 HDP CVD 산화막 증착전 단계에서 하부막의 온도 변화를 최소화하여 질화막과 HDP CVD 산화막과의 응력 불일치 현상을 억제할 수 있는 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention provides a method of forming a device isolation layer of a semiconductor device capable of suppressing a stress mismatch between a nitride film and an HDP CVD oxide film by minimizing the temperature change of the lower layer in the HDP CVD oxide film deposition step.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도.1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of forming an isolation layer in a semiconductor device according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10; 반도체 기판20,20a; 패드 산화막10; Semiconductor substrates 20 and 20a; Pad oxide
30,30a; 제1질화막40; 트렌치30,30a; First nitride film 40; Trench
50,50a; 측벽 산화막60,60a; 제2질화막50,50a; Sidewall oxide films 60 and 60a; Second nitride film
70; HDP CVD 산화막70a; 소자분리막70; HDP CVD oxide film 70a; Device Separator
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 반도체 기판상에 패드 산화막과 제1질화막을 순차로 형성하는 단계; 상기 제1질화막과 패드 산화막 및 기판을 선택적으로 제거하여 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치 내면에 측벽 산화막을 형성하는 단계; 상기 트렌치 내면을 포함하여 상기 기판 상면에 제2질화막을 형성하는 단계; 상기 제2질화막의 열응력을 억제하기 위하여 상기 기판을 열처리하는 단계; 상기 트렌치가 매립되도록 상기 기판 전면상에 HDP CVD 산화막을 형성하는 단계; 상기 제1질화막이 노출되도록 상기 HDP CVD 산화막을 화학기계적 연마로 평탄화시키는 단계; 및 상기 제1질화막을 인산으로 제거하고 상기 패드 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A device isolation film forming method of a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of sequentially forming a pad oxide film and a first nitride film on a semiconductor substrate; Selectively removing the first nitride layer, the pad oxide layer, and the substrate to form a trench; forming a sidewall oxide layer on an inner surface of the trench; Forming a second nitride film on the upper surface of the substrate including the inner surface of the trench; Heat-treating the substrate to suppress thermal stress of the second nitride film; Forming an HDP CVD oxide film on the entire surface of the substrate such that the trench is buried; Planarizing the HDP CVD oxide film by chemical mechanical polishing to expose the first nitride film; And removing the first oxide film with phosphoric acid and removing the pad oxide film.
본 발명에 의하면, HDP CVD 산화막 증착전 단계에서 하부막의 온도 변화를 최소화하여 질화막과 HDP CVD 산화막과의 응력 불일치 현상을 억제할 수 있어 버블 결함을 방지할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to suppress the stress mismatch between the nitride film and the HDP CVD oxide film by minimizing the temperature change of the lower layer in the HDP CVD oxide film deposition step, thereby preventing bubble defects.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 도시한 단면도이다.1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of forming an isolation layer in a semiconductor device according to the present invention.
본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘(Si)과 같은 반도체 기판(10)상에 패드 산화막(20)과 제1질화막(30)을 순차로 형성한다.In the method of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the present invention, as shown in FIG. 1, a pad oxide film 20 and a first nitride film 30 are sequentially formed on a semiconductor substrate 10 such as silicon (Si). do.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 마스크 공정 및 식각 공정으로 상기 제1질화막(30)과 패드 산화막(20) 및 기판(10)을 선택적으로 제거하여 소자분리막이 형성될 트렌치(40)를 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2, the trench 40 may be formed by selectively removing the first nitride layer 30, the pad oxide layer 20, and the substrate 10 by a mask process and an etching process. do.
그다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(40) 내면을 포함한 기판(10)상의 결과물, 즉 패터닝된 패드 산화막(20a) 측면 및 패터닝된 제1질화막(30a) 표면상에 측벽 산화막(50)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3, the sidewall oxide film 50 is formed on the substrate 10 including the inner surface of the trench 40, that is, on the side surface of the patterned pad oxide film 20a and on the surface of the patterned first nitride film 30a. ).
계속하여, 상기 트렌치(40) 내면을 포함한 상기 기판(10) 상면에 제2질화막(60)을 형성한 다음에 상기 기판(10)에 대해 열처리를 실시한다.Subsequently, a second nitride film 60 is formed on the upper surface of the substrate 10 including the inner surface of the trench 40, and then the substrate 10 is heat treated.
상기 열처리는 후속하는 HDP CVD 산화막(70) 증착후 상기 제2질화막(60)의 급격한 응력 변화를 방지하기 위하여 실시하는 것으로 다음과 같이 크게 2가지 요소를 주안점으로 한다.The heat treatment is performed to prevent a sudden stress change of the second nitride film 60 after the deposition of the subsequent HDP CVD oxide film 70.
첫째로, 후속하는 HDP CVD 산화막(70)이 증착되기 이전에 상기 기판(10)을 충분히 가열하여 상기 제2질화막(60)의 열응력(thermal stress)을 최대한 억제하도록 한다. 이러한 방법으로서, 상기 HDP CVD 산화막(70) 증착전에 동일한 챔버내에서 증착하여 사용하는 일반적인 가스를 이용한 플라즈마 온도로써 상기 기판(10) 표면을 가열한다.First, the substrate 10 is sufficiently heated before the subsequent HDP CVD oxide layer 70 is deposited to maximize the thermal stress of the second nitride layer 60. In this manner, the surface of the substrate 10 is heated by a plasma temperature using a common gas that is deposited and used in the same chamber before the HDP CVD oxide film 70 is deposited.
이때 가열하는 온도는 HDP CVD 산화막(70) 증착시의 온도까지 가열한다. 상기 기판(10)의 온도가 이러한 온도로 도달한 후 연속적으로 HDP CVD 산화막(70)을 증착하는 것이 중요하다.At this time, the heating temperature is heated up to the temperature at the time of HDP CVD oxide film 70 deposition. It is important to deposit the HDP CVD oxide film 70 continuously after the temperature of the substrate 10 has reached this temperature.
상기 기판(10)의 가열을 효율적으로 하기 위하여 가열시 사용하는 가스는 주로 아르곤을 포함한 스퍼터링 가스를 이용하지만, 이물질이 발생할 경우를 대비하여 약간의 O2를 동시에, 예를 들어, 스퍼터링 가스와 O2의 비율을 10;1 이하로 하여 사용할 수 있다.In order to efficiently heat the substrate 10, the gas used for heating mainly uses a sputtering gas including argon, but in the case of foreign matters, some O 2 is simultaneously used, for example, the sputtering gas and O The ratio of 2 can be used as 10: 1.
또한, 가열가스의 플라즈마 방전시에 사용하는 FR 파워(power)는 HDP CVD 산화막(70) 증착시 사용하는 것보다 높게 설정하여 가열 온도를 높인다. 일단 HDP CVD 산화막(70)의 증착이 시작되면 상기 기판(10) 하부에 인가되는 바이어스 RF 파워의 영향으로 인하여 이온 충돌(ion bombardment) 현상이 강하게 발생하여 상기 기판(10)의 온도가 급격히 상승하게 된다.In addition, the FR power used in the plasma discharge of the heating gas is set higher than that used in the deposition of the HDP CVD oxide film 70 to increase the heating temperature. Once deposition of the HDP CVD oxide film 70 is started, an ion bombardment phenomenon occurs strongly due to the influence of the bias RF power applied to the lower portion of the substrate 10 so that the temperature of the substrate 10 is rapidly increased. do.
따라서, 본격적으로 HDP CVD 산화막(70) 증착이 시작되기 전의 가열과정에서 사용하는 플라즈마 방전시 인가하는 RF 파워를 높게 설정한다.Therefore, the RF power applied during the plasma discharge used in the heating process before the deposition of the HDP CVD oxide film 70 starts in earnest is set high.
한편, 급격한 온도 상승 및 스퍼터링 가스 자체의 이온 충돌 효과에 의한 응력 변화가 발생하지 않도록 하기 위하여 가열시에는 상기 기판(10) 하부에 인가하는 바이어스 RF 파워를 사용하지 않는다.On the other hand, the bias RF power applied to the lower portion of the substrate 10 is not used during heating in order to prevent the stress change due to the sudden temperature rise and the ion collision effect of the sputtering gas itself.
둘째로, 상기 제2질화막(60) 자체의 산화를 방지하는 것이다. HDP CVD 산화막(70) 형성 공정은 고진공 및 고밀도 플라즈마를 사용하는 증착 공정이으로 이온 충돌 현상이 강하다. 따라서, 미량의 산소 이온이 상기 제2질화막(60)에 침투되면서 제2질화막(60) 상부가 질산화막으로 변하여 최초의 제2질화막(60)의 응력이 급격히 변화하는 요인으로 작용하게 된다. 따라서, 상기한 바와 같이 미량의 O2가스를 사용하여야 한다.Secondly, the oxidation of the second nitride film 60 itself is prevented. The HDP CVD oxide film 70 formation process is a deposition process using high vacuum and high density plasma, and the ion collision phenomenon is strong. Therefore, as a small amount of oxygen ions penetrate into the second nitride film 60, the upper portion of the second nitride film 60 is changed into a nitrification film, which acts as a factor in which the stress of the first second nitride film 60 changes rapidly. Therefore, a trace amount of O 2 gas must be used as described above.
한편, 상기 제2질화막(60)상에 별도의 산화막, 예를 들어 CVD 산화막(미도시)을 더 추가적으로 형성할 수 있다.Meanwhile, an additional oxide film, for example, a CVD oxide film (not shown) may be further formed on the second nitride film 60.
그다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(40)가 충분히 매립되도록 상기 기판(10) 전면상에 HDP CVD 산화막(70)을 증착공정으로 형성한다. 이때, 상기 제2질화막(60)광의 응력 불일치를 해소하기 위하여 상기 HDP CVD 산화막(70)의 응력을 조절한다.Next, as shown in FIG. 4, the HDP CVD oxide film 70 is formed on the entire surface of the substrate 10 by the deposition process so that the trench 40 is sufficiently buried. In this case, the stress of the HDP CVD oxide film 70 is adjusted to solve the stress mismatch of the light of the second nitride film 60.
응력 조절은 산화막의 갭 필 특성을 향상시키기 위하여 사용하는 바이어스 RF 파워를 조절함으로써 이룰 수가 있다. 이러한 바이어스 RF 파워 세기의 상한은 상기 제2질화막(60)의 두께가 얇을수록 인가되는 FR 파워는 약하게 인가하여 상기 HDP CVD 산화막(70) 자체의 응력을 조절한다.The stress control can be achieved by adjusting the bias RF power used to improve the gap fill characteristics of the oxide film. As the upper limit of the bias RF power intensity is applied, the thinner the thickness of the second nitride film 60 is, the weaker FR power is applied to control the stress of the HDP CVD oxide film 70 itself.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 패드 질화막(30a)이 노출되도록 상기 HDP CVD 산화막(70)을 화학기계적 연마(CMP)로 평탄화시킨다. 그런다음, 상기 패드 질화막(30a)을 인산을 이용하여 제거한다. 계속하여, 상기 패드 산화막(20a)을 제거하여 소자분리막(70a)을 완성한다.Next, as shown in FIG. 5, the HDP CVD oxide film 70 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP) so that the pad nitride film 30a is exposed. Then, the pad nitride film 30a is removed using phosphoric acid. Subsequently, the pad oxide film 20a is removed to complete the device isolation film 70a.
본 발명의 원리와 정신에 위배되지 않는 범위에서 여러 실시예는 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 뿐만 아니라 용이하게 실시할 수 있다. 따라서, 본원에 첨부된 특허청구범위는 이미 상술된 것에 한정되지 않으며, 하기 특허청구범위는 당해 발명에 내재되어 있는 특허성 있는 신규한 모든 사항을 포함하며, 아울러 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 균등하게 처리되는 모든 특징을 포함한다.Various embodiments can be easily implemented as well as self-explanatory to those skilled in the art without departing from the principles and spirit of the present invention. Accordingly, the claims appended hereto are not limited to those already described above, and the following claims are intended to cover all of the novel and patented matters inherent in the invention, and are also common in the art to which the invention pertains. Includes all features that are processed evenly by the knowledgeable.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법에 따른면 HDP CVD 산화막 증착전 단계에서 하부막의 온도 변화를 최소화하여 질화막과 HDP CVD 산화막과의 응력 불일치 현상을 억제할 수 있어 버블 결함을 방지할 수 있고, 또한 추가적인 응력 완충막을 사용하지 않기 때문에 HDP CVD 산화막의 갭 필 마진을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the method of forming a device isolation layer of the semiconductor device according to the present invention, the stress mismatch between the nitride film and the HDP CVD oxide film can be suppressed by minimizing the temperature change of the lower layer in the step before the deposition of the surface HDP CVD oxide film. Since defects can be prevented and an additional stress buffer film is not used, the gap fill margin of the HDP CVD oxide film can be secured.
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