KR20050063266A - Method for forming shallow trench isolation in semiconductor device processing - Google Patents

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Abstract

반도체 장치의 트렌치 소자 분리 방법이 개시되어 있다. 반도체 기판에서 필드 형성 영역을 식각하여 소자 분리용 트렌치를 형성한다. 상기 트렌치의 측벽을 산화시켜 내벽 산화막을 형성한다. 상기 기판을 질화시켜 상기 내벽 산화막 및 상기 내벽 산화막과 트렌치 계면에 질화물을 형성한다. 상기 트렌치 내부를 부분적으로 채우도록 제1 산화막을 형성한다. 상기 제1 산화막의 일부분을 식각한다. 이어서, 상기 일부 식각된 제1 산화막 상에, 상기 트렌치 내부를 완전히 채우도록 제2 산화막을 형성한다. 상기 방법에 의해, 보이드 및 실리콘 소모 없이 소자 분리할 수 있다. A method of separating trench elements in a semiconductor device is disclosed. The field forming region is etched in the semiconductor substrate to form a trench for device isolation. The side wall of the trench is oxidized to form an inner wall oxide film. The substrate is nitrided to form nitride at the inner wall oxide layer and the trench interface with the inner wall oxide layer. A first oxide layer is formed to partially fill the trench. A portion of the first oxide film is etched. Subsequently, a second oxide layer is formed on the partially etched first oxide layer to completely fill the trench. By this method, the device can be separated without void and silicon consumption.

Description

반도체 장치 제조에서 트렌치 소자 분리 방법{Method for forming shallow trench isolation in semiconductor device processing} Method for forming shallow trench isolation in semiconductor device processing

본 발명은 소자 분리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 장치에서 액티브 영역과 필드 영역을 분리하기 위한 트렌치 소자 분리 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a device isolation method. More specifically, the present invention relates to a trench isolation method for separating the active region and the field region in a semiconductor device.

대부분의 고집적 메모리 설계는 어레이 내의 열 방향의 셀들 사이에 소자분리 구조를 요구하므로, 메모리 어레이의 집적도를 증가시키기 위해서는 소자분리 구조의 치수를 최소화는 것이 바람직하다. 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.

종래의 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.Conventional 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, 최근의 반도체 장치에서는 셸로우 트렌치 소자분리(STI) 구조가 사용되고 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 used in recent semiconductor devices. 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.

그런데, 반도체 장치가 고집적화됨에 따라, 액티브 영역 및 필드 영역의 사이즈가 매우 축소되고 있으며, 이에 따라 상기 필드 영역을 형성하기 위한 트렌치의 폭은 매우 좁아지고 그 깊이는 상대적으로 깊어지고 있다. 상기와 같이, 트렌치의 종횡비(aspect ratio)가 증가됨에 따라, 트렌치 내에 보이드 또는 오버행 없이 산화막을 매립하는 것이 매우 어려워지고 있다.However, as the semiconductor devices are highly integrated, the sizes of the active regions and the field regions are greatly reduced, and accordingly, the widths of the trenches for forming the field regions are very narrow and their depths are relatively deep. As described above, as the aspect ratio of the trench is increased, it is very difficult to fill the oxide film without voids or overhangs in the trench.

상기 트렌치와 같은 단차부 내에 산화막을 보이드 없이 매립하기 위해, 2회 이상의 공정으로 산화막을 증착시키기도 한다. 상기 방법은 예컨대, 대한민국 공개 특허 2003-0012112호 및 2003-0058671호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 산화막을 수회에 걸쳐 수행하는 동안 기판에 가해지는 처리 공정 예컨대 산소 플라즈마 처리 또는 연마 공정에 의해 실리콘 기판이 손상되는 문제가 발생될 수 있다. In order to fill the oxide film without voids in the stepped portion such as the trench, the oxide film may be deposited in two or more steps. Such a method is disclosed, for example, in Korean Patent Publication Nos. 2003-0012112 and 2003-0058671. However, a problem may occur that the silicon substrate is damaged by a treatment process applied to the substrate while performing the oxide film several times, such as an oxygen plasma treatment or a polishing process.

또한, 상기 트렌치 소자 분리 공정을 수행하는 중에, 상기 트렌치의 측벽에 노출되어 있는 실리콘 기판 부위가 공정 수행 중에 부분적으로 제거될 수 있으며, 이러한 실리콘 소모로 인해 액티브 영역의 사이즈가 국부적으로 차이가 발생하게 된다. 상기 액티브 영역의 사이즈 차이로 인해 각 셀들 내에 형성되는 반도체 소자의 특성 차이가 발생하게 된다. 특히 70㎚ 이하의 디자인룰을 갖는 불휘발셩 메모리 장치의 경우, 약간의 실리콘 소모에 의해서도 셀 트렌지스터의 문턱 전압 산포가 발생되어 프로그램 불량이 발생된다. In addition, during the trench isolation process, a portion of the silicon substrate exposed to the sidewall of the trench may be partially removed during the process, and the size of the active region may locally vary due to the silicon consumption. do. Due to the difference in size of the active region, a difference in characteristics of the semiconductor device formed in each cell occurs. In particular, in the case of a nonvolatile memory device having a design rule of 70 nm or less, the threshold voltage distribution of the cell transistor is generated even by a small amount of silicon consumption, resulting in program failure.

따라서, 본 발명의 목적은 트렌치 내에 산화막을 보이드 없이 매립하면서, 트렌치 측벽의 반도체 기판 소모가 감소되는 트렌치 소자 분리 방법을 제공하는데 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a trench element isolation method in which an oxide film is buried in a trench without voids, and semiconductor substrate consumption of the trench sidewalls is reduced.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판에서 필드 형성 영역을 식각하여 소자 분리용 트렌치를 형성한다. 상기 트렌치의 측벽을 산화시켜 내벽 산화막을 형성한다. 상기 기판을 질화시켜 상기 내벽 산화막 및 상기 내벽 산화막과 트렌치 계면에 질화물을 형성한다. 상기 트렌치 내부를 부분적으로 채우도록 제1 산화막을 형성한다. 상기 제1 산화막의 일부분을 식각한다. 이어서, 상기 일부 식각된 제1 산화막 상에, 상기 트렌치 내부를 완전히 채우도록 제2 산화막을 형성한다. In order to achieve the above object, the present invention forms a trench for device isolation by etching the field formation region in the semiconductor substrate. The side wall of the trench is oxidized to form an inner wall oxide film. The substrate is nitrided to form nitride at the inner wall oxide layer and the trench interface with the inner wall oxide layer. A first oxide layer is formed to partially fill the trench. A portion of the first oxide film is etched. Subsequently, a second oxide layer is formed on the partially etched first oxide layer to completely fill the trench.

소자 분리용 트렌치는, 식각 부위를 정의하기 위한 마스킹 단계와 기판 식각 단계를 수행하여 형성된다. The device isolation trench is formed by performing a masking step and a substrate etching step to define an etching site.

구체적으로, 상기 트렌치는 반도체 기판 상에 패드 산화막 및 하드 마스크막을 형성한 후 이를 패터닝하여 패드 산화막 패턴 및 하드 마스크막 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 패턴들을 식각마스크로 사용하여 노출된 기판 부위를 식각하여 형성할 수 있다. Specifically, the trench is formed on the semiconductor substrate and then patterned to form a pad oxide layer and a hard mask layer to form a pad oxide layer pattern and a hard mask layer pattern. Subsequently, the exposed substrate portion may be etched using the patterns as an etch mask.

또다른 방법으로, 상기 트렌치는 반도체 기판 상에 패드 산화막을 형성하고, 상기 패드 산화막 상에 제1 도전층을 형성한다. 상기 제1 도전층 상에 하드 마스크막을 형성한다. 상기 하드 마스크막, 상기 제1 도전층 및 상기 패드 산화막을 식각하여 패드 산화막 패턴, 제1 도전층 패턴 및 질화막 패턴을 형성한다. 상기 패턴들을 식각마스크로 사용하여 노출된 상기 기판 부위를 식각하여 형성한다. 상기 방법은 불휘발성 메모리 장치에서 적용할 수 있으며, 상기 패드 산화막은 터널 산화막으로 제공되고, 상기 제1 도전층 패턴은 플로팅 게이트로 제공된다. Alternatively, the trench forms a pad oxide film on the semiconductor substrate and a first conductive layer on the pad oxide film. A hard mask film is formed on the first conductive layer. The hard mask layer, the first conductive layer, and the pad oxide layer are etched to form a pad oxide layer pattern, a first conductive layer pattern, and a nitride layer pattern. The exposed portions of the substrate may be etched by using the patterns as etching masks. The method can be applied to a nonvolatile memory device, wherein the pad oxide film is provided as a tunnel oxide film, and the first conductive layer pattern is provided as a floating gate.

상기 기판의 질화 공정은 NH3 플라즈마 처리 공정에 의해 수행한다.The nitriding process of the substrate is performed by an NH 3 plasma treatment process.

상기 제1 산화막 및 제2 산화막은 고밀도 플라즈마 증착 방법에 의해 형성된다. 상기 고밀도 플라즈마 증착 방법에 의해 형성되는 산화막은 막이 치밀하고 갭필 특성이 우수하다. The first oxide film and the second oxide film are formed by a high density plasma deposition method. The oxide film formed by the high density plasma deposition method has a dense film and excellent gap fill characteristics.

상기 제1 산화막은 상기 트렌치 내부를 50% 이상 채운다. The first oxide layer fills the trench more than 50%.

이어서, 상기 제1 산화막을 식각할 때는 습식 식각 공정으로 수행한다. 상기 공정은 제1 산화막 증착 시의 불규칙한 증착물을 제거하고, 이후의 산화막 증착 시에 갭필이 잘 이루어지도록 트렌치 입구 부위를 확장하기 위한 것이다. Subsequently, when etching the first oxide film, a wet etching process is performed. The process is intended to remove irregular deposits during the deposition of the first oxide and to extend the trench inlet so that the gap fill works well during subsequent deposition of the oxide.

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 1a 내지 도 1g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 트렌치 소자 분리 방법을 나타내는 단면도들이다. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a trench device isolation method according to a first embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 기판(10)에 웰 형성 및 포켓 p-웰 형성 등과 같은 이온 임플란트 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1A, an ion implant process such as well formation and pocket p-well formation is performed on a semiconductor substrate 10 such as silicon.

상기 실리콘 기판(10) 상에, 실리콘 산화물을 약 50∼100Å의 두께로 얇게 성장시켜 패드 산화막(12)을 형성한다. On the silicon substrate 10, a silicon oxide is thinly grown to a thickness of about 50 to 100 GPa to form a pad oxide film 12.

상기 패드 산화막(12) 상에 하드 마스크막 및 연마 저지막으로서 제공되는 실리콘 질화막을 약 1500 내지 3000Å의 두께로 형성한다. A silicon nitride film, which serves as a hard mask film and a polishing stopper film, is formed on the pad oxide film 12 to a thickness of about 1500 to 3000 kPa.

이어서, 상기 실리콘 질화막 상에 실리콘 산화 질화물(SiON)을 반사 방지층(미도시)을 형성한다. 상기 반사 방지층은 후속하는 사진 공정시 빛의 난반사를 방지하는 역할을 하며, 후속하는 트렌치 형성 공정시에 대부분 제거된다.Subsequently, silicon oxynitride (SiON) is formed on the silicon nitride film to form an antireflection layer (not shown). The anti-reflection layer serves to prevent diffuse reflection of light in a subsequent photographic process and is mostly removed in a subsequent trench formation process.

이어서, 사진식각 공정에 의해 상기 반사 방지층 및 실리콘 질화막을 건식 식각하여, 하드 마스크 패턴(14)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(14)을 이용하여 상기 패드 산화막(12)을 식각하고, 계속하여 노출된 기판(10) 부위를 약 1500 내지 5000Å 정도의 깊이로 식각하여 트렌치(20)를 형성한다. 이때, 상기에서 임의로 형성된 반사 방지층이 제거되고 상기 하드 마스크 패턴(14)도 소정 두께만큼 식각된다.Subsequently, the anti-reflection layer and the silicon nitride film are dry-etched by the photolithography process to form the hard mask pattern 14. The pad oxide layer 12 is etched using the hard mask pattern 14, and then the exposed portion of the substrate 10 is etched to a depth of about 1500 to 5000 내지 to form the trench 20. At this time, the anti-reflective layer arbitrarily formed above is removed and the hard mask pattern 14 is also etched by a predetermined thickness.

도 1b를 참조하면, 상기 트렌치 식각 공정을 수행하는 동안에 고에너지의 이온 충격으로 야기된 실리콘 손상을 제거하고, 후속 공정에서 형성되어질 갭 매립 산화막으로부터 실리콘 기판(10)으로 탄소 또는 도판트들의 이동을 차단하여 누설 전류의 발생을 방지하기 위하여, 상기 트렌치(20)의 내면 즉, 트렌치 바닥면과 측벽상에 트렌치 내벽 산화막(22)을 형성한다. 상기 트렌치 내벽 산화막(22)은 약 20 내지 300Å 정도의 두께로 형성한다. Referring to FIG. 1B, silicon damage caused by high energy ion bombardment during the trench etching process is removed, and the movement of carbon or dopants from the gap buried oxide film to the silicon substrate 10 to be formed in a subsequent process is performed. In order to cut off and prevent leakage current, a trench inner wall oxide layer 22 is formed on the inner surface of the trench 20, that is, on the trench bottom and sidewalls. The trench inner wall oxide layer 22 is formed to a thickness of about 20 to about 300 kPa.

상기 트렌치 내벽 산화막(22)은 열산화 공정 또는 화학 기상 증착 방법에 의해 형성할 수 있다. 상기 열산화 공정을 수행하는 경우에는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(20) 내면에 노출되어 있는 실리콘과 산소가 반응하여 실리콘 산화막이 형성되기 때문에, 상기 트렌치 내면의 실리콘 노출 부위에만 선택적으로 트렌치 내벽 산화막(22)이 형성된다. 반면에, 상기 화학 기상 증착 방법을 수행하는 경우에는, 도시하지는 않았으나, 상기 트렌치(20) 내면 뿐 아니라, 상기 패드 산화막(12) 및 하드 마스크 패턴(14)의 노출된 표면에도 산화막이 형성된다.The trench inner wall oxide layer 22 may be formed by a thermal oxidation process or a chemical vapor deposition method. In the thermal oxidation process, as shown in FIG. 1B, since silicon oxide film is formed by reacting silicon exposed to the inner surface of the trench 20 with oxygen, only the silicon exposed portion of the inner surface of the trench is selectively selected. As a result, a trench inner wall oxide film 22 is formed. On the other hand, when performing the chemical vapor deposition method, although not shown, the oxide film is formed not only on the inner surface of the trench 20 but also on the exposed surfaces of the pad oxide film 12 and the hard mask pattern 14.

도시하지는 않았으나, 상기 트렌치 내벽 산화막(22) 상에 중온 산화막(MTO)을 약 100Å정도로 얇게 더 형성할 수도 있다. Although not shown, a middle temperature oxide (MTO) may be further thinly formed on the trench inner wall oxide layer 22 to about 100 GPa.

도 1c를 참조하면, 상기 트렌치 내벽 산화막(22)이 형성되어 있는 결과물에 NH3 가스를 이용한 플라즈마 처리 공정을 수행한다.Referring to FIG. 1C, a plasma treatment process using NH 3 gas is performed on the resultant product on which the trench inner wall oxide layer 22 is formed.

상기 NH3 플라즈마에 의한 질화 처리 공정을 수행하면, 질소가 상기 트렌치 내벽 산화막(22) 내로 확산하면서 상기 트렌치(20) 내벽의 실리콘이 질화되어, 상기 트렌치 내벽 산화막(22)과 트렌치(20) 내벽의 실리콘 사이의 계면에 실리콘 질화물(24)이 형성된다. 이 때, 상기 트렌치 내벽 산화막(22)내에도 질소 성분이 일부 남아있을 수 있다. 상기 트렌치 내벽 산화막(22)과 트렌치(20) 내벽의 실리콘 사이의 계면에 형성되는 실리콘 질화물(24)은 후속의 식각 공정 시에 트렌치(20) 내벽의 실리콘이 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.When the nitriding treatment process using the NH 3 plasma is performed, silicon of the inner wall of the trench 20 is nitrided while nitrogen diffuses into the trench inner wall oxide layer 22, thereby forming the inner wall of the trench inner wall oxide layer 22 and the trench 20. Silicon nitride 24 is formed at the interface between the silicon. At this time, some nitrogen components may remain in the trench inner wall oxide layer 22. The silicon nitride 24 formed at the interface between the trench inner wall oxide layer 22 and the silicon of the inner wall of the trench 20 serves to prevent the silicon of the inner wall of the trench 20 from being etched during the subsequent etching process.

도 1d를 참조하면, 상기 트렌치(20)를 부분적으로 채우도록 제1 산화막(30)을 증착한다. 구체적으로, 상기 제1 산화막(30)은 상기 트렌치(20) 내부를 50% 이상 채워지도록 형성한다. 상기 제1 산화막(30)은 갭 매립 특성이 우수하면서도 막이 치밀한 실리콘 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 제1 산화막은 고밀도 플라즈마 증착에 의한 산화막(이하, HDP 산화막)으로 형성한다. Referring to FIG. 1D, a first oxide layer 30 is deposited to partially fill the trench 20. Specifically, the first oxide layer 30 is formed to fill 50% or more of the inside of the trench 20. The first oxide film 30 is preferably formed of a silicon oxide film having excellent gap filling characteristics and a dense film. To this end, the first oxide film is formed of an oxide film (hereinafter referred to as HDP oxide film) by high density plasma deposition.

상기 HDP 산화막을 형성하는 공정을 간단히 설명하면, 증착 소오스 가스로 예컨대 SiH4 및 산소 가스를 제공한다. 그리고, 상기 증착 가스를 이온화시키기 위한 소오스 파워 및 상기 이온화된 소오스 가스가 기판 내로 대부분 제공되도록 상기 소오스 가스의 직진성을 향상시키기 위하여 제공되는 바이어스 파워가 가해진다. 또한, 증착 챔버 내의 압력을 최대한 낮추어 상기 증착 가스들의 직진성을 향상시킨다. 따라서, 상기 증착 가스들이 단차부 내부에까지 제공되기가 쉬우므로 상기 단차부 내부에 차곡 차곡 산화막이 증착될 수 있어서, 상기 HDP 산화막은 갭 매립 특성이 매우 우수하다.Briefly describing the process of forming the HDP oxide film, for example, SiH 4 and oxygen gas are provided as deposition source gases. A source power for ionizing the deposition gas and a bias power provided to enhance the straightness of the source gas are applied such that the ionized source gas is provided mostly in the substrate. In addition, the pressure in the deposition chamber is lowered as much as possible to improve the straightness of the deposition gases. Therefore, since the deposition gases are easily provided even inside the stepped portion, the top-level oxide film may be deposited inside the stepped portion, and thus the HDP oxide layer has excellent gap filling characteristics.

상기 증착 가스들 중에서 일부분은 챔버 내에서 이온화되어 증착되는 막의 상부면을 스퍼터링 식각함으로서, 최종 형성되는 상기 HDP막의 상부면은 약 45°각도를 갖는 뾰족한 형상이 된다. Some of the deposition gases are sputter-etched on the top surface of the film to be ionized and deposited in the chamber, so that the top surface of the HDP film that is finally formed has a sharp shape having an angle of about 45 °.

상기와 같이, 트렌치 깊이의 일부분만을 1차로 갭필하기 때문에, 상기 트렌치의 종횡비가 증가되더라도 제1 산화막(30) 내에 보이드의 형성을 최소화할 수 있다. As described above, since only a portion of the trench depth is first gap-filled, formation of voids in the first oxide layer 30 may be minimized even if the aspect ratio of the trench is increased.

도 1e를 참조하면, 상기 제1 산화막(30a)을 부분적으로 등방성 식각한다. 상기 등방성 식각에 의해, 상기 하드 마스크 패턴(14) 상에 형성되어 있는 제1 산화막(30a)의 두께를 낮춘다. 또한, 상기 트렌치(20) 내부에 매립되어 있는 제1 산화막(30a)의 상부를 제거함으로서, 상기 트렌치(20) 내부에 제1 산화막(30a)을 남기면서도 상기 트렌치(20) 입구를 확장시킨다. 또한, 상기 공정에 의해 상기 제1 산화막(30a) 증착시에 발생한 불규칙한 증착물을 제거된다. Referring to FIG. 1E, the first oxide layer 30a is partially isotropically etched. By the isotropic etching, the thickness of the first oxide film 30a formed on the hard mask pattern 14 is lowered. In addition, by removing an upper portion of the first oxide film 30a embedded in the trench 20, the inlet of the trench 20 is expanded while leaving the first oxide film 30a inside the trench 20. In addition, by the above process, irregular deposits generated during the deposition of the first oxide film 30a are removed.

상기 등방성 식각은 습식 식각 공정을 포함한다. 상기 등방성 식각 공정을 수행함으로서, 상기 트렌치 입구 부위가 확장되어 이 후의 산화막 증착 공정을 더욱 용이하게 수행할 수 있다.The isotropic etching includes a wet etching process. By performing the isotropic etching process, the trench inlet portion may be extended to further facilitate the subsequent oxide deposition process.

상기 등방성 식각 공정 시에 상기 트렌치(20)의 측벽에 증착되어 있는 제1 산화막(30) 및 트렌치 내벽 산화막(22)까지 전부 제거될 수 있다. 그러나, 상기 트렌치 내벽 산화막(22) 및 트렌치 측벽의 실리콘 사이 계면에 형성되어 있는 질화물(24)이 상기 트렌치 측벽의 실리콘을 캡핑하고 있으므로, 상기 트렌치(20) 측벽 부위는 거의 소모되지 않는다. 따라서, 상기 트렌치(20) 측벽 부위의 소모로 인한 액티브 영역 감소 등의 문제가 거의 발생되지 않는다. During the isotropic etching process, all of the first oxide layer 30 and the trench inner wall oxide layer 22 deposited on the sidewalls of the trench 20 may be removed. However, since the nitride 24 formed at the interface between the trench inner wall oxide film 22 and the silicon of the trench sidewalls caps the silicon of the trench sidewalls, the sidewall portions of the trench 20 are hardly consumed. Therefore, a problem such as reduction of an active area due to exhaustion of the sidewall portion of the trench 20 is hardly generated.

도 1f를 참조하면, 상기 식각된 제1 산화막(30a)이 채워져있는 트렌치(20) 내에 제2 산화막(32)을 완전히 채운다. 상기 제2 산화막(32)은 갭 매립 특성이 우수하면서도 막이 치밀하여 절연 특성이 우수한 실리콘 산화막 예컨대 USG, O3-TEOS USG 또는 고밀도 플라즈마(HDP) 산화막으로 형성한다.Referring to FIG. 1F, the second oxide layer 32 is completely filled in the trench 20 in which the etched first oxide layer 30a is filled. The second oxide film 32 is formed of a silicon oxide film such as USG, O 3 -TEOS USG, or a high-density plasma (HDP) oxide film having excellent gap filling properties and a dense film having excellent insulating properties.

도 1g를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(14)이 노출되도록 상기 제1 및 제2 산화막(30a, 32a)을 연마하여 트렌치(20) 내를 매립하는 필드 산화막(34)을 형성한다. Referring to FIG. 1G, the first and second oxide films 30a and 32a are polished to expose the hard mask pattern 14 to form a field oxide film 34 filling the trench 20.

상기 공정에 의하면, 트렌치 내에 산화막을 보이드 없이 매립하면서, 트렌치 측벽의 반도체 기판 소모가 거의 발생되지 않도록 소자 분리막을 형성할 수 있다. According to the above process, the element isolation film can be formed so that almost no semiconductor substrate consumption of the trench sidewalls is generated while the oxide film is buried without voids in the trench.

실시예 2 Example 2

도 2a 내지 도 2d는 불휘발성 메모리 장치에서 본 발명에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법을 나타내는 단면도들이다. 2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of separating a self-aligned shallow trench device according to the present invention in a nonvolatile memory device.

도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(100)에 웰 형성 및 포켓 p-웰 형성 등과 같은 이온 임플란트 공정을 수행한다. 그리고, 상기 기판(100) 상에 터널 산화막(102)을 30 내지 100Å의 두께로 형성한다. Referring to FIG. 2A, an ion implantation process such as well formation and pocket p-well formation is performed on the silicon substrate 100. Then, the tunnel oxide film 102 is formed on the substrate 100 to a thickness of 30 ~ 100Å.

상기 터널 산화막(102) 상에 플로팅 게이트로 사용되기 위한 폴리실리콘막을 300 내지 1000Å의 두께로 형성한다. 상기 폴리실리콘막은 통상의 도핑 방법, 예컨대 POCl3 확산, 이온주입, 또는 인-시튜 도핑에 의해 고농도의 N형 불순물로 도핑한다.A polysilicon film for use as a floating gate is formed on the tunnel oxide film 102 to a thickness of 300 to 1000 Å. The polysilicon film is doped with a high concentration of N-type impurities by conventional doping methods such as POCl 3 diffusion, ion implantation, or in-situ doping.

상기 폴리실리콘막 상에 질화 실리콘을 LPCVD 방법으로 약 100∼3000Å의 두께, 바람직하게는 600Å의 두께로 증착하여 연마 저지막을 형성한다. 이어서, 상기 연마 저지막 상에 실리콘 산화물로 이루어지는 하드 마스크막을 형성한다. 이어서, 상기 하드 마스크막 상에 실리콘 산화 질화물(SiON)로 이루어지는 반사 방지막(미도시)을 더 형성한다. 상기 반사 방지막은 포토 패터닝시 난반사를 방지하기 위한 막으로서, 공정 편의상 형성하지 않을 수도 있다. Silicon nitride is deposited on the polysilicon film to a thickness of about 100 to 3000 mm 3, preferably 600 mm 3, by LPCVD to form a polishing stopper film. Next, a hard mask film made of silicon oxide is formed on the polishing stopper film. Subsequently, an antireflection film (not shown) made of silicon oxynitride (SiON) is further formed on the hard mask film. The anti-reflection film is a film for preventing diffuse reflection during photo patterning, and may not be formed for process convenience.

상기 반사 방지막 및 하드 마스크막을 통상의 사진 식각 공정에 의해 패터닝하여 하드 마스크 패턴(108)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(108)을 형성한 후, 상기 하드 마스크막의 패터닝 시에 사용한 포토레지스트 패턴을 스트립한다. The anti-reflection film and the hard mask film are patterned by a general photolithography process to form a hard mask pattern 108. After the hard mask pattern 108 is formed, the photoresist pattern used for patterning the hard mask film is stripped.

상기 하드 마스크 패턴(108)을 식각 마스크로 사용하여 상기 연마 저지막, 폴리실리콘막 및 터널 산화막을 순차적으로 식각하여, 터널 산화막(102), 폴리실리콘막 패턴(104) 및 연마 저지막 패턴(106)을 형성한다. 이어서, 상기 기판(100)을 1500 내지 5000Å의 두께로 식각하여 필드 영역을 형성하기 위한 트렌치(120)를 형성한다. 상기 식각중에 상기 반사 방지막은 대부분 제거된다. Using the hard mask pattern 108 as an etch mask, the polishing stop layer, the polysilicon layer, and the tunnel oxide layer are sequentially etched to form the tunnel oxide layer 102, the polysilicon layer pattern 104, and the polishing barrier layer pattern 106. ). Subsequently, the substrate 100 is etched to a thickness of 1500 to 5000Å to form a trench 120 for forming a field region. Most of the anti-reflection film is removed during the etching.

상기 설명한 방법에 의해 트렌치를 형성하는 경우, 플로팅 게이트 전극과 액티브 영역이 셀프 얼라인되는 장점이 있다. When the trench is formed by the above-described method, there is an advantage in that the floating gate electrode and the active region are self-aligned.

도 2b를 참조하면, 상기 트렌치 식각 공정 동안에 고에너지의 이온 충격으로 야기된 실리콘 손상을 제거하고, 후속 공정에서 형성되어질 갭매립 산화막으로부터 실리콘 기판(100)으로의 탄소 또는 도판트들의 이동을 차단하여 누설 전류의 발생을 방지하기 위하여 상기 트렌치(120)의 내면 즉, 트렌치 바닥면과 측벽상에 트렌치 내벽 산화막(122)을 형성한다. 상기 트렌치 내벽 산화막(122)은 약 20 내지 300Å 정도의 두께로 형성한다. Referring to FIG. 2B, the silicon damage caused by the high energy ion bombardment during the trench etching process is removed, and the movement of carbon or dopants from the gap buried oxide film to the silicon substrate 100 to be formed in a subsequent process is blocked. In order to prevent the occurrence of leakage current, the trench inner wall oxide layer 122 is formed on the inner surface of the trench 120, that is, the trench bottom and sidewalls. The trench inner wall oxide film 122 is formed to a thickness of about 20 to about 300 kPa.

상기 트렌치 내벽 산화막(122)은 열산화 공정 또는 화학 기상 증착 방법에 의해 형성할 수 있다. 상기 열산화 공정을 수행하는 경우에는, 도시된 바와 같이, 상기 트렌치 내면에 노출되어 있는 실리콘과 산소가 반응하여 실리콘 산화막이 형성되기 때문에, 상기 트렌치 내면의 실리콘 기판 및 폴리실리콘 부위에만 선택적으로 트렌치 내벽 산화막(122)이 형성된다. 반면에, 상기 화학 기상 증착 방법을 수행하는 경우에는, 도시하지는 않았으나, 노출된 표면 전 영역에 산화막이 형성된다. The trench inner wall oxide film 122 may be formed by a thermal oxidation process or a chemical vapor deposition method. In the thermal oxidation process, as illustrated, since silicon and oxygen are reacted with silicon exposed to the inner surface of the trench to form a silicon oxide film, the trench inner wall is selectively formed only on the silicon substrate and the polysilicon portion of the trench inner surface. An oxide film 122 is formed. On the other hand, in the case of performing the chemical vapor deposition method, although not shown, an oxide film is formed on the entire exposed surface area.

도 2c를 참조하면, 상기 트렌치 내벽 산화막(122)이 형성되어 있는 결과물에 NH3 가스를 이용한 플라즈마 처리 공정을 수행한다.Referring to FIG. 2C, a plasma treatment process using NH 3 gas is performed on the resultant product on which the trench inner wall oxide film 122 is formed.

상기 NH3 플라즈마에 의한 질화 처리 공정을 수행하면, 질소가 상기 트렌치 내벽 산화막(122) 내로 확산하면서 상기 트렌치 내벽의 실리콘 노출 부위가 질화되어, 상기 트렌치 내벽 산화막(122)과 트렌치(120) 내벽에 노출된 기판의 실리콘 사이의 계면에 실리콘 질화물(124)이 형성된다. 또한, 상기 트렌치 내벽 산화막(122)과 폴리실리콘 패턴(104) 사이의 계면에도 실리콘 질화물(124)이 형성된다. 이 때, 상기 트렌치 내벽 산화막(122)내에도 질소 성분이 일부 남아있을 수 있다. 상기 트렌치 내벽 산화막(122)과 트렌치 내벽의 실리콘 사이의 계면에 형성되는 실리콘 질화물(124)은 후속의 식각 공정 시에 트렌치 내벽까지 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.When the nitriding treatment process using the NH 3 plasma is performed, the silicon exposed portion of the trench inner wall is nitrided while nitrogen diffuses into the trench inner wall oxide film 122, so that the trench inner wall oxide film 122 and the trench 120 are formed in the inner wall of the trench 120. Silicon nitride 124 is formed at the interface between the silicon of the exposed substrate. In addition, silicon nitride 124 is also formed at the interface between the trench inner wall oxide film 122 and the polysilicon pattern 104. At this time, some nitrogen components may remain in the trench inner wall oxide film 122. The silicon nitride 124 formed at the interface between the trench inner wall oxide film 122 and the silicon in the trench inner wall serves to prevent etching to the trench inner wall in a subsequent etching process.

도 2d를 참조하면, 도 1d 내지 도 1g에 설명한 것과 동일한 공정을 수행하여 트렌치 소자 분리막을 형성한다. Referring to FIG. 2D, the trench isolation layer is formed by performing the same process as described with reference to FIGS. 1D to 1G.

이하에서 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 트렌치 내부를 50% 이상 채워지도록 제1 산화막(130)을 형성한다. 상기 제1 산화막(130)은 갭 매립 특성이 우수하면서도 막이 치밀하여 절연 특성이 우수한 실리콘 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 제1 산화막(130)은 고밀도 플라즈마 증착에 의한 산화막(이하, HDP 산화막)으로 제공한다. In more detail below, the first oxide layer 130 is formed to fill 50% or more of the inside of the trench. The first oxide film 130 may be formed of a silicon oxide film having excellent gap filling characteristics and a dense film and excellent insulating properties. To this end, the first oxide film 130 is provided as an oxide film (hereinafter referred to as HDP oxide film) by high density plasma deposition.

이어서, 상기 제1 산화막(130)을 부분적으로 등방성 식각한다. 상기 등방성 식각에 의해, 상기 하드 마스크 패턴 상에 형성되어 있는 제1 산화막(130)의 두께를 낮춘다. 또한, 상기 트렌치 내부에 매립되어 있는 제1 산화막(130)의 상부가 제거되어, 상기 트렌치 내부에 제1 산화막(130)을 남기면서도 상기 트렌치 입구를 확장시킨다. 또한, 상기 제1 산화막(130) 증착시에 발생한 불규칙한 증착물을 제거된다. 상기 등방성 식각 공정은 습식 식각 공정을 포함한다. Subsequently, the first oxide layer 130 is partially isotropically etched. By the isotropic etching, the thickness of the first oxide film 130 formed on the hard mask pattern is lowered. In addition, an upper portion of the first oxide film 130 embedded in the trench is removed to extend the trench inlet while leaving the first oxide film 130 inside the trench. In addition, irregular deposits generated during the deposition of the first oxide layer 130 are removed. The isotropic etching process includes a wet etching process.

이어서, 상기 제1 산화막(130)이 부분적으로 채워져있는 트렌치 내에 제2 산화막(132)을 완전히 채운다. 상기 제2 산화막(132)은 갭 매립 특성이 우수하면서도 막이 치밀하여 절연 특성이 우수한 실리콘 산화막 예컨대 USG, O3-TEOS USG 또는 고밀도 플라즈마(HDP) 산화막으로 형성한다.Subsequently, the second oxide film 132 is completely filled in the trench in which the first oxide film 130 is partially filled. The second oxide film 132 is formed of a silicon oxide film such as USG, O 3 -TEOS USG, or a high density plasma (HDP) oxide film having excellent gap filling properties and having a dense film and excellent insulating properties.

이어서, 상기 연마 저지막 패턴(106)이 노출되도록 상기 하드 마스크 패턴(108),제1 및 제2 산화막(130, 132)을 연마하여 트렌치 내를 매립하는 필드 산화막(134)을 형성한다. Subsequently, the hard mask pattern 108 and the first and second oxide layers 130 and 132 are polished to expose the polishing stop layer pattern 106 to form a field oxide layer 134 to fill the trench.

상기 공정에 의하면, 불휘발성 메모리 장치에서 플로팅 게이트와 액티브 영역이 자기정렬되도록 소자 분리막을 형성할 수 있다. 또한, 트렌치 내에 산화막을 보이드 없이 매립하면서, 트렌치 측벽의 반도체 기판 소모가 거의 발생되지 않도록 소자 분리막을 형성할 수 있다. According to the above process, the isolation layer may be formed such that the floating gate and the active region are self-aligned in the nonvolatile memory device. Further, while the oxide film is buried without voids in the trench, the device isolation film can be formed so that the semiconductor substrate consumption of the trench sidewalls is hardly generated.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 장치의 트렌치 소자 분리 공정 시에 트렌치 내에 보이드 없이 산화막을 매립할 수 있다. 또한, 트렌치의 측벽에 노출되어 있는 실리콘의 소모를 최소화함으로서, 액티브 영역을 기판 전 영역에서 균일한 사이즈로 형성할 수 있다. 때문에, 상기 액티브 영역 상에 형성되는 반도체 단위 소자의 동작 특성 산포를 균일하게 유지할 수 있다. 특히, 최근의 70㎜이하 디자인룰을 갖는 반도체 장치에서는 미세한 액티브 영역의 차이에 의해서도 반도체 단위 소자의 동작 특성의 차이가 크게 발생되므로 본 발명의 방법에 의한 소자 분리막 형성이 매우 유용하다. As described above, according to the present invention, the oxide film can be buried without voids in the trench during the trench element isolation process of the semiconductor device. In addition, by minimizing the consumption of silicon exposed to the sidewalls of the trench, the active region may be formed to have a uniform size in the entire region of the substrate. Therefore, the distribution of operating characteristics of the semiconductor unit element formed on the active region can be maintained uniformly. In particular, in a semiconductor device having a design rule of 70 mm or less, a large difference in operating characteristics of a semiconductor unit element is generated even by a small difference in active regions, and thus device isolation film formation by the method of the present invention is very useful.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 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.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 트렌치 소자 분리 방법을 나타내는 단면도들이다. 1A to 1G are cross-sectional views illustrating a trench device isolation method according to a first embodiment of the present invention.

도 2a 내지 도 2d는 불휘발성 메모리 장치에서 본 발명에 의한 자기정렬된 셸로우 트렌치 소자분리 방법을 나타내는 단면도들이다. 2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of separating a self-aligned shallow trench device according to the present invention in a nonvolatile memory device.

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

10, 100 : 실리콘 기판 12 : 패드 산화막10, 100: silicon substrate 12: pad oxide film

14 : 하드 마스크 패턴 20, 120 : 트렌치14: hard mask pattern 20, 120: trench

22, 122 : 트렌치 내벽 산화막 24, 124 : 실리콘 질화물22, 122: trench inner wall oxide film 24, 124: silicon nitride

30, 130 : 제1 산화막 32, 132 : 제2 산화막30, 130: first oxide film 32, 132: second oxide film

Claims (6)

반도체 기판에서 필드 영역 부위를 식각하여 소자 분리용 트렌치를 형성하는 단계;Etching the field region in the semiconductor substrate to form a trench for device isolation; 상기 트렌치의 측벽을 산화시켜 내벽 산화막을 형성하는 단계;Oxidizing the sidewalls of the trench to form an inner wall oxide film; 상기 기판을 질화시켜 상기 내벽 산화막 및 상기 내벽 산화막과 트렌치 계면에 질화물을 형성하는 단계;Nitriding the substrate to form nitride at the inner wall oxide layer and the trench interface with the inner wall oxide layer; 상기 트렌치 내부를 부분적으로 채우도록 제1 산화막을 형성하는 단계; Forming a first oxide layer to partially fill the trench; 상기 제1 산화막의 일부분을 등방성 식각하는 단계; 및Isotropically etching a portion of the first oxide film; And 상기 부분 식각된 제1 산화막 상에, 상기 트렌치 내부를 완전히 채우도록 제2 산화막을 형성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법. And forming a second oxide film on the partially etched first oxide film to completely fill the trench. 제1항에 있어서, 상기 기판의 질화 공정은 NH3 플라즈마 처리 공정에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.The method of claim 1, wherein the nitriding of the substrate is performed by an NH 3 plasma treatment process. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화막은 고밀도 플라즈마 증착 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.The method of claim 1, wherein the first oxide film is formed by a high density plasma deposition method. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화막은 상기 트렌치 내부를 50% 이상 채우는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법. The method of claim 1, wherein the first oxide layer fills at least 50% of the inside of the trench. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화막은 습식 식각 공정에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법. The method of claim 1, wherein the first oxide layer is etched by a wet etching process. 제1항에 있어서, 상기 제2 산화막은 USG, O3-TEOS USG 또는 고밀도 플라즈마(HDP) 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 트렌치 소자 분리 방법.The method of claim 1, wherein the second oxide layer is formed of a USG, O 3 -TEOS USG, or a high density plasma (HDP) oxide layer.
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