KR20060000481A - Method for forming isolation layer of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 방법은, 액티브영역과 필드영역이 정의된 실리콘 기판을 제공하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 상기 필드영역을 노출시키는 패드산화막과 패드질화막을 차례로 형성하는 단계; 상기 노출된 기판의 필드영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 결과의 기판 전면에 매립산화막을 형성하는 단계; 상기 매립산화막 및 패드질화막을 소정 두께로 씨엠피하여 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막의 상부를 제거하여 상기 트렌치의 상부 코너를 노출시키는 단계; 상기 트렌치의 상부 코너에 인접한 기판과 패드산화막 및 패드질화막을 일부 식각하여 상기 트렌치의 상부 코너를 1차 라운딩시키는 단계; 상기 잔류된 패드질화막을 제거하는 단계; 상기 잔류된 패드산화막을 이온주입 마스크로 이용하여 상기 트렌치 상부 코너에 산소 이온주입공정을 실시하는 단계; 및 상기 산소 이온주입공정이 완료된 트렌치의 상부 코너에 산화공정을 실시하여 상기 트렌치의 상부 코너를 2차 라운딩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a device isolation film forming method of a semiconductor device that can improve the reliability of the device. The disclosed method comprises the steps of providing a silicon substrate having active and field regions defined therein; Sequentially forming a pad oxide film and a pad nitride film exposing the field region on the silicon substrate; Etching a field region of the exposed substrate to form a trench; Forming a buried oxide film over the resulting substrate; Forming a device isolation film by CMPing the buried oxide film and the pad nitride film to a predetermined thickness; Removing an upper portion of the isolation layer to expose an upper corner of the trench; First rounding the upper corner of the trench by partially etching the substrate, the pad oxide layer, and the pad nitride layer adjacent to the upper corner of the trench; Removing the remaining pad nitride film; Performing an oxygen ion implantation process on the upper corner of the trench using the remaining pad oxide film as an ion implantation mask; And performing a oxidation process on the upper corner of the trench in which the oxygen ion implantation process is completed, to secondary round the upper corner of the trench.
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.1A to 1C are cross-sectional views of processes for explaining a method of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the related art.
도 2는 종래의 기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view for explaining a problem according to the prior art.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.3A to 3F are cross-sectional views illustrating processes of forming a device isolation film of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on main parts of drawing
20 : 실리콘 기판 21 : 패드산화막20
22 : 패드질화막 23 : 트렌치22: pad nitride film 23: trench
21a : 패터닝된 패드산화막 22a : 패터닝된 패드질화막21a: patterned
24 : 매립산화막 25 : N2 어닐 공정24: buried oxide film 25: N2 annealing process
24a : 소자분리막 26 : 산소 이온주입 공정24a: device separator 26: oxygen ion implantation process
B : 라운딩 프로파일B: rounding profile
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 소자의 신뢰성을 향상시키기 위한 반도체 소자의 소자분리막 형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a device isolation film of a semiconductor device for improving the reliability of the device.
반도체 기술의 진보와 더불어, 반도체 소자의 고속화 및 고집적화가 급속하게 진행되고 있고, 이에 수반해서 패턴의 미세화 및 패턴 칫수의 고정밀화에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 이러한 요구는 소자 영역에 형성되는 패턴은 물론 상대적으로 넓은 영역을 차지하는 소자분리막에도 적용된다. 이것은 고집적 소자로 갈수록 소자 영역의 폭이 감소되고 있는 추세에서 상대적으로 소자 영역의 폭을 증가시키기 위해서는 소자분리 영역의 폭을 감소시켜야만 하기 때문이다. With the progress of semiconductor technology, the speed and the high integration of semiconductor devices are progressing rapidly, and with this, the demand for refinement | miniaturization of a pattern and high precision of a pattern dimension is increasing. This requirement applies not only to patterns formed in device regions, but also to device isolation films that occupy a relatively large area. This is because the width of the device region must decrease in order to increase the width of the device region in the trend that the width of the device region is decreasing toward the highly integrated device.
여기서, 기존의 소자분리막은 로코스(LOCOS) 공정에 의해 형성되어져 왔는데, 상기 로코스 공정에 의한 소자분리막은, 주지된 바와 같이, 그 가장자리 부분에서 새부리 형상의 버즈-빅(bird's-beak)이 발생되기 때문에 소자분리막의 면적을 증대시키면서 누설전류를 발생시키는 단점이 있다.Here, a conventional device isolation film has been formed by a LOCOS process, and the device isolation film by the LOCOS process, as is well known, has a bird's-beak having a beak shape at its edge portion. Since it is generated, there is a disadvantage in that a leakage current is generated while increasing the area of the device isolation film.
따라서, 상기 로코스 공정에 의한 소자분리막의 형성방법을 대신해서, 적은 폭을 가지면서 우수한 소자 분리 특성을 갖는 STI(shallow trench isolation) 공정을 이용한 소자분리막의 형성방법이 제안되었고, 현재 대부분의 반도체 소자는 STI 공정을 적용해서 소자분리막을 형성하고 있다. Therefore, instead of the method of forming a device isolation film by the LOCOS process, a method of forming a device isolation film using a shallow trench isolation (STI) process having a small width and excellent device isolation characteristics has been proposed. The device is an STI process to form a device isolation film.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 기술에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating processes of forming a device isolation film of a semiconductor device according to the related art.
상기 STI 공정을 적용한 종래의 반도체 소자의 소자분리막 형성방법에 대하여 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다. A method of forming an isolation layer of a conventional semiconductor device to which the STI process is applied will be briefly described with reference to FIGS. 1A to 1C.
종래의 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 먼저, 액티브영역(미도시)과 필드영역(미도시)이 정의된 실리콘 기판(10) 상에 패드산화막(11)과 패드질화막(12)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 패드산화막(11)은 100~150Å의 두께로 형성하고, 상기 패드질화막(12)은 1500~2000Å의 두께로 형성한다. In the method of forming a device isolation film of a conventional semiconductor device, as shown in FIG. 1A, first, a
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 필드영역을 노출시키도록 상기 패드질화막과 패드산화막을 패터닝한다. 다음으로, 상기 노출된 기판(10)의 필드영역을 식각하여 트렌치(13)를 형성한다. 이때, 도 1a에서 미설명된 도면부호 11a는 패터닝된 패드산화막을 나타낸 것이고, 12a는 패터닝된 패드질화막을 나타낸 것이다. Subsequently, as illustrated in FIG. 1B, the pad nitride film and the pad oxide film are patterned to expose the field region of the
그런다음, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 트렌치(13) 표면에 상기 트렌치(13)의 상부 코너(top corner)를 라운딩(rounding)시키기 위한 산화공정을 실시한다. 여기서, 상기 산화 공정은 1100℃의 온도에서 습식 산화(wet oxidation)공정을 실시하여 200Å의 두께를 갖는 희생산화막(sacrificial oxide)(미도시)이 형성되도록 한다. Then, although not shown in the figure, an oxidation process is carried out to round the top corner of the
계속해서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 결과의 기판 전면에 상기 트렌치(13)를 매립시키도록 매립산화막(gap-fill oxide)(14)을 형성한다. 이때, 상기 매립산화막(14)으로는 HDP(high density plasma) 산화막을 이용하여 5000~6000Å의 두께로 형성한다. 이어, 상기 HDP 산화막으로 이루어진 상기 매립산화막(14)을 치밀화시키기 위한 N2 어닐(anneal) 공정(15)을 실시한다. 이때, 상기 N2 어닐 공정(15)은 1000℃의 온도에서 30분 동안 실시한다. Subsequently, as shown in FIG. 1C, a gap-
그리고나서, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 패드질화막이 노출될 때까지 상기 매립산화막을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing ; 이하, 씨엠피)하여 소자분리막을 형성한 후, 상기 패드질화막과 패드산화막을 제거한다. Then, although not shown in the drawing, the buried oxide film is chemically mechanically polished (CMP) until the pad nitride film is exposed to form an isolation layer, and then the pad nitride film and the pad oxide film are formed. Remove
도 2는 종래의 기술에 따른 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a problem according to the prior art.
종래의 기술에서는 트렌치의 상부 코너 라운딩을 위한 습식 산화공정을 실시하더라도, 이에 따른 라운딩 효과가 그다지 크지 않기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(13)의 상부 코너 부분이 샤프(sharp)한 프로파일(A)을 갖게 된다. In the prior art, even if a wet oxidation process for rounding the upper corner of the trench is performed, the rounding effect thereof is not so large. As shown in FIG. 2, the upper corner portion of the
이에, 후속 게이트 산화막 형성시 게이트 시닝(thinning) 현상이 유발되어 트랜지스터의 드레인 전류와 드레인 전압 특성상에 험프(hump) 현상이 나타나게 되고, 소자의 작동에 요구되는 전원전압(Vcc)이 게이트에 인가되었을 때 상기 트렌치(13) 상부 코너 부분에서 전기장의 크기가 선택적으로 증가되는 전기장 집중 효과가 발생하게 되므로, 누설 전류가 증대되어 소자의 GOI(gate oxide integrity) 특성이 열화된다. 이에, 소자의 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생된다. As a result, gate thinning occurs during subsequent gate oxide film formation, resulting in a hump phenomenon in the drain current and drain voltage characteristics of the transistor, and a power supply voltage Vcc required to operate the device may be applied to the gate. When the electric field concentration effect is generated in which the size of the electric field is selectively increased in the upper corner portion of the
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 트렌치 상부 코너의 라운딩 프로파일을 개선시킴으로써, 소자의 GOI 특성 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, by improving the rounding profile of the upper corner of the trench, to provide a device isolation film forming method of a semiconductor device that can improve the GOI characteristics and reliability of the device. The purpose is.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 액티브영역과 필드영역이 정의된 실리콘 기판을 제공하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 상기 필드영역을 노출시키는 패드산화막과 패드질화막을 차례로 형성하는 단계; 상기 노출된 기판의 필드영역을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 결과의 기판 전면에 매립산화막을 형성하는 단계; 상기 매립산화막 및 패드질화막을 소정 두께로 씨엠피하여 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막의 상부를 제거하여 상기 트렌치의 상부 코너를 노출시키는 단계; 상기 트렌치의 상부 코너에 인접한 기판과 패드산화막 및 패드질화막을 일부 식각하여 상기 트렌치의 상부 코너를 1차 라운딩시키는 단계; 상기 잔류된 패드질화막을 제거하는 단계; 상기 잔류된 패드산화막을 이온주입 마스크로 이용하여 상기 트렌치 상부 코너에 산소 이온주입공정을 실시하는 단계; 및 상기 산소 이온주입공정이 완료된 트렌치의 상부 코너에 산화공정을 실시하여 상기 트렌치의 상부 코너를 2차 라운딩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming an isolation layer of a semiconductor device, the method including: providing a silicon substrate having active and field regions defined therein; Sequentially forming a pad oxide film and a pad nitride film exposing the field region on the silicon substrate; Etching a field region of the exposed substrate to form a trench; Forming a buried oxide film over the resulting substrate; Forming a device isolation film by CMPing the buried oxide film and the pad nitride film to a predetermined thickness; Removing an upper portion of the isolation layer to expose an upper corner of the trench; First rounding the upper corner of the trench by partially etching the substrate, the pad oxide layer, and the pad nitride layer adjacent to the upper corner of the trench; Removing the remaining pad nitride film; Performing an oxygen ion implantation process on the upper corner of the trench using the remaining pad oxide film as an ion implantation mask; And performing a oxidation process on the upper corner of the trench in which the oxygen ion implantation process is completed, to secondary round the upper corner of the trench.
여기서, 상기 소자분리막의 상부를 제거하는 단계는, HF 용액을 이용하여 100~150Å의 두께만큼 제거한다. 그리고, 상기 1차 라운딩 공정은, SC-1(NH4OH/H2O2/H20) 용액을 식각 용액으로 이용하여 80℃의 온도에서 10분 동안 식각하여 진행한다. 또한, 상기 산소 이온주입 공정은, O2를 이온주입 소스로 이용하여 3E15이온/㎠의 도우즈 및 30KeV의 에너지로 실시한다. Here, the step of removing the upper portion of the device isolation film, using a HF solution to remove by a thickness of 100 ~ 150Å. In addition, the first rounding process is performed by etching for 10 minutes at a temperature of 80 ℃ using the SC-1 (NH4OH / H2O2 / H20) solution as an etching solution. In addition, the oxygen ion implantation step is performed using a dose of 3E15 ion / cm 2 and an energy of 30 KeV using O 2 as an ion implantation source.
(실시예)(Example)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating processes of forming a device isolation film of a semiconductor device according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소자분리막 형성방법은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저, 액티브영역(미도시)과 필드영역(미도시)이 정의된 실리콘 기판(20) 상에 패드산화막(21)과 패드질화막(22)을 차례로 형성한다. 이때, 상기 패드산화막(21)은 100~150Å의 두께로 형성하고, 상은 패드질화막(22)은 1500~2000Å의 두께로 형성한다. In the method of forming an isolation layer of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3A, first, a pad is formed on a
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(20)의 필드영역을 노출시키도록 상기 패드질화막과 패드산화막을 패터닝한다. 그런후에, 상기 노출된 기판(20)의 필드영역을 식각하여 소정 깊이의 트렌치(23)를 형성한다. 이때, 도 3b에서 미설명된 도면부호 21a는 패터닝된 패드산화막, 22a는 패터닝된 패드질화막을 각각 나타낸 것이다. Subsequently, as shown in FIG. 3B, the pad nitride film and the pad oxide film are patterned to expose the field region of the
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 결과의 기판 전면에 상기 트렌치(23)를 매립시키도록 매립산화막(24)을 형성한다. 이때, 상기 매립산화막(24)으로는 HDP 산화막을 이용하여 5000~6000Å의 두께로 형성한다. Next, as shown in FIG. 3C, a buried
이어, 상기 HDP 산화막으로 이루어진 상기 매립산화막(24)를 치밀화시키기 위한 N2 어닐 공정(25)을 실시한다. 이때, 상기 N2 어닐 공정(25)은 1000℃의 온도 에서 30분 동안 실시한다. Next, an
그리고나서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 매립산화막 및 패터닝된 패드질화막(22a)을 소정 두께로 씨엠피하여 소자분리막(24a)을 형성한다. Then, as shown in FIG. 3D, the buried oxide film and the patterned
그런다음, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 소자분리막(24a)의 상부를 제거하여 상기 트렌치(23)의 상부 코너를 노출시킨다. 여기서, 상기 소자분리막(24a)의 상부를 제거할 때에 HF 용액을 이용하여 100~150Å의 두께만큼 제거한다. Next, as shown in FIG. 3E, the upper portion of the
계속해서, 상기 트렌치(23)의 상부 코너에 인접한 기판(20)과 패드산화막(21) 및 패드질화막을 일부 식각하여 상기 트렌치(23)의 상부 코너를 1차 라운딩시킨다. 여기서, 상기 1차 라운딩 공정은, SC-1(NH4OH/H2O2/H20) 용액을 식각 용액으로 이용하여 80℃의 온도에서 10분 동안 식각하여 진행한다. Subsequently, the
그리고나서, 인산 용액을 이용하여 상기 잔류된 패드질화막을 제거한 후에, 상기 잔류된 패드산화막(21a)을 이온주입 마스크로 이용하여 상기 트렌치(23)의 상부 코너에 산소 이온주입 공정(26)을 실시한다. 이때, 상기 산소 이온주입 공정(26)은 O2를 이온주입 소스로 이용하여 3E15이온/㎠의 도우즈(dose) 및 30KeV의 에너지로 실시한다. Then, after removing the remaining pad nitride film using a phosphoric acid solution, an oxygen
한편, 상기 산소 이온주입 공정(26)은 후속에서 실시될 습식 산화공정에 의한 트렌치(23) 상부 코너의 라운딩 효과를 최대로 얻게하도록 하는 역할을 한다. On the other hand, the oxygen
이후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 산소 이온주입이 완료된 트렌치(23)의 상부 코너에 산화공정(미도시)을 실시하여 상기 트렌치(23)의 상부 코너를 2차 라운딩시킨다. 여기서, 상기 산화공정은 H2와 O2를 이용한 습식 산화공정을 1100℃ 의 온도에서 실시하여 200Å의 두께를 갖는 희생산화막(미도시)이 형성되도록 한다. Thereafter, as illustrated in FIG. 3F, an oxidation process (not shown) is performed at the upper corner of the
이와 같이 하면, 상기 트렌치(23) 상부 코너의 최종 라운딩 프로파일(B)이 종래에 비해 개선되므로 후속의 게이트 산화막을 형성할 때에, 게이트 시닝(thinning) 현상이 발생되는 것을 막을 수 있다. In this way, the final rounding profile B of the upper corner of the
이상에서와 같이, 본 발명은 트렌치 내에 소자분리막을 형성한 다음, 상기 트렌치 상부 코너가 노출되도록 소자분리막의 상부를 일부 제거하고 나서, 상기 노출된 트렌치의 상부 코너에 해당하는 기판을 식각한 후에, 산소 이온주입 및 산화공정을 차례로 실시함으로써, 상기 트렌치 상부 코너의 라운딩 프로파일을 종래에 비해 개선시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, after forming the device isolation layer in the trench, and removing a portion of the upper portion of the device isolation layer to expose the upper corner of the trench, and then etching the substrate corresponding to the upper corner of the exposed trench, By sequentially performing the oxygen ion implantation and the oxidation process, the rounding profile of the trench upper corner can be improved as compared with the conventional one.
따라서, 후속의 게이트 산화막을 형성할 때에, 게이트 시닝(thinning) 현상이 발생되는 것을 막을 수 있으므로, 소자의 GOI 특성을 개선시켜 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. Therefore, the gate thinning phenomenon can be prevented from occurring when the subsequent gate oxide film is formed, so that the GOI characteristics of the device can be improved, thereby improving the reliability of the device.
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