KR20060001126A - Method for isolation in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자분리막과 활성영역의 경계부분에서 모우트가 발생되는 것을 방지하는데 적합한 반도체소자의 소자분리 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 소자분리 방법은 셀영역과 주변회로영역의 정의된 실리콘기판 상에 산화막, 질화막 및 산화막의 순서로 적층된 삼중구조의 패드 패턴을 형성하는 단계, 상기 패드패턴을 식각배리어로 상기 실리콘기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치를 채울때까지 상기 패드패턴 상부에 갭필절연막을 형성하는 단계, 상기 갭필절연막 중에서 상기 셀영역 상부에 형성된 부분을 일부 식각하는 단계, 상기 패드패턴의 질화막이 드러날때까지 상기 갭필절연막을 연마하는 제1CMP 공정을 진행하는 단계, 상기 제1CMP 공정후 잔류하는 질화막을 제거하면서 좀 더 평탄화를 위해 제2CMP 공정을 진행하는 단계, 및 상기 갭필절연막과 실리콘기판간의 높이를 맞추기 위한 습식식각을 진행하는 단계를 포함한다.
The present invention is to provide a device isolation method of a semiconductor device suitable for preventing the occurrence of the moat at the boundary between the device isolation layer and the active region, the device isolation method of the present invention is defined silicon of the cell region and the peripheral circuit region Forming a pad pattern having a triple structure stacked in the order of an oxide film, a nitride film, and an oxide film on the substrate; forming a trench by etching the silicon substrate using the pad pattern as an etching barrier; and forming the trench until the trench fills the trench. Forming a gap fill insulating film on the pattern, partially etching a portion of the gap fill insulating film formed on the cell region, and performing a first CMP process of polishing the gap fill insulating film until the nitride film of the pad pattern is exposed; The second CMP process is performed to further planarize while removing the nitride film remaining after the first CMP process. Step, and a step to proceed with a wet etching for adjusting the height between the gaeppil insulating film and the silicon substrate.
소자분리, 트렌치, 모우트, 패드질화막, CMP, 터치 CMP, 습식식각Device Isolation, Trench, Mouth, Pad Nitride, CMP, Touch CMP, Wet Etching
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 반도체소자의 소자분리방법을 개략적으로 도시한 도면,1A to 1E schematically illustrate a device isolation method of a semiconductor device according to the prior art;
도 2는 종래기술에 따른 모우트의 발생 상태를 나타낸 도면,2 is a view showing a state of occurrence of a moat according to the prior art,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 소자분리 방법을 도시한 공정 단면도.
3A to 3F are cross-sectional views illustrating a device isolation method of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 실리콘기판 22a : 제1패드산화막21
22b : 제2패드산화막 23 : 패드질화막22b: second pad oxide film 23: pad nitride film
24a, 24b : 트렌치 25g, 25h : 갭필절연막24a, 24b:
26 : 셀영역오픈마스크
26: cell area open mask
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 소자분리 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing techniques, and more particularly, to a device isolation method for semiconductor devices.
반도체 기술의 진보와 더불어 더 나아가서는 반도체 소자의 고속화, 고집적화가 진행되고 있다. 이에 수반해서 패턴에 대한 미세화의 필요성이 점점 높아지고 있으며, 패턴의 치수도 고정밀화가 요구되고 있다. 이는 반도체 소자에 있어서, 넓은 영역을 차지하는 소자 분리 영역에도 적용된다.In addition to the advancement of semiconductor technology, high speed and high integration of semiconductor devices is progressing. In connection with this, the necessity of refinement | miniaturization of a pattern becomes increasingly high, and the dimension of a pattern is also required for high precision. This also applies to device isolation regions that occupy a wide area in semiconductor devices.
반도체 소자의 소자분리(ISO) 공정으로는 로코스(LOCOS) 공정이 대부분 이용되었다. 그러나, 로코스 방식의 소자 분리공정은 그 가장자리 부분에 새부리 형상의 버즈빅이 발생하여, 활성영역의 면적을 감소시키면서 누설전류를 발생시키는 단점을 갖는다.As the device isolation (ISO) process of the semiconductor device, the LOCOS process is mostly used. However, the LOCOS type device isolation process has a drawback in that a bird-shaped bird's beak is generated at an edge thereof, thereby generating a leakage current while reducing the area of the active region.
현재에는 좁은 폭을 가지면서, 우수한 소자 분리 특성을 갖는 STI(shallow trench isolation) 공정이 제안되었다.At present, a shallow trench isolation (STI) process having a narrow width and excellent device isolation characteristics has been proposed.
상기한 STI 공정시 반도체기판을 플라즈마식각법으로 식각하여 트렌치를 형성하므로써 소자분리영역과 활성영역을 정의한다.In the STI process, the semiconductor substrate is etched by plasma etching to form a trench to define an isolation region and an active region.
위와 같은 소자분리영역과 활성영역은 후속 공정의 산화, 식각공정을 거치면서 공정조건에 따라 민감하게 반응을 하게 되는데, 두 영역의 경계부분 및 단차 발생에 따라 소자특성이 달라지게 된다. As described above, the device isolation region and the active region react sensitively according to the process conditions during the oxidation and etching processes of the subsequent processes, and the device characteristics vary according to the boundary portions and the step difference between the two regions.
도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 반도체소자의 소자분리방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 1A to 1E schematically illustrate a device isolation method of a semiconductor device according to the prior art.
도 1a에 도시된 바와 같이, 셀영역과 주변영역이 정의된 실리콘 기판(11) 상에 패드산화막(12)과 패드질화막(13)을 형성한 후, 패드질화막(13) 상에 소자분리용 마스크(도시 생략)를 형성한다.As shown in FIG. 1A, after forming the
다음으로, 소자분리용 마스크를 식각배리어로 패드질화막(13)을 식각하고, 소자분리용 마스크를 제거한다. 그리고 나서, 패드질화막(13)을 식각배리어로 하여 패드산화막(12)을 식각하여 실리콘 기판(11) 표면을 노출시키고, 연속해서 노출된 실리콘 기판(11)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(14a, 14b)를 형성한다. 이때, 셀영역에 형성되는 트렌치(14a)에 비해 주변영역에 형성되는 트렌치(14b)의 폭이 더 크다.Next, the
도 1b에 도시된 바와 같이, 트렌치(14a, 14b)를 채울때까지 패드질화막(13) 상부에 갭필절연막(15)을 증착한다. 이때, 셀영역과 주변영역간에 단차가 발생한다.As shown in FIG. 1B, a gap fill
도 1c에 도시된 바와 같이, 패드질화막(13)의 표면이 드러날때까지 갭필절연막(15)을 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)한다. 이때, 셀영역의 트렌치(14a)에는 제1갭필절연막(15a)이 잔류하고, 주변영역의 트렌치(14b)에는 제2갭필절연막(15b)이 잔류한다.As shown in FIG. 1C, the gap fill
도 1d에 도시된 바와 같이, 인산(H3PO4) 용액을 패드질화막(13)을 제거한다.As illustrated in FIG. 1D, the
도 1e에 도시된 바와 같이, 후속 습식식각을 진행한다. 이때, 패드산화막(12)이 모두 제거되며, 제1,2갭필절연막(15a, 15b)도 활성영역과의 높이 를 낮추기 일부가 식각된다.As shown in FIG. 1E, subsequent wet etching is performed. At this time, all of the
그러나, 종래기술은 후속 습식식각 진행이 등방성 식각을 진행함에 따라 각 갭필절연막의 모서리에서 활성영역보다 낮아지는 모우트(Moat, M)가 발생하는 문제가 있다.However, the prior art has a problem in that a moat (Mat) M, which becomes lower than an active region, occurs at the corner of each gap fill insulating layer as the subsequent wet etching proceeds isotropically.
도 2는 종래기술에 따른 모우트 발생 상태를 나타낸 도면으로서, 후속 습식식각이 등방성식각(X)을 진행하므로 모우트가 발생한다.Figure 2 is a view showing a state of generating the moat according to the prior art, the moist occurs because the subsequent wet etching proceeds isotropic etching (X).
상술한 모우트는 후속 게이트산화막 형성전에 진행되는 여러 세정 공정들에 의해 그 깊이가 더욱 깊어지고, 이처럼 모우트가 깊어지면 활성영역 모서리에서의 전계 집중에 의한 문턱전압 저하, 활성영역의 폭감소(CD loss) 및 모우트에서의 게이트전극 잔막(residue)과 같은 여러가지 문제점을 초래한다. 결국, 소자의 전기적 특성 및 수율을 악화시킨다.
The above-mentioned moat becomes deeper by various cleaning processes performed before the subsequent gate oxide film formation, and when this moat becomes deeper, the threshold voltage decreases due to electric field concentration at the edge of the active region and the width of the active region decreases (CD). loss and gate electrode residual in the moat. As a result, the electrical properties and yield of the device are deteriorated.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 소자분리막과 활성영역의 경계부분에서 모우트가 발생되는 것을 방지하는데 적합한 반도체소자의 소자분리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a device separation method of a semiconductor device suitable for preventing the occurrence of the moat at the boundary between the device isolation layer and the active region.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소자분리 방법은 셀영역과 주변회로영역의 정의된 실리콘기판 상에 산화막, 질화막 및 산화막의 순서로 적층된 삼중구조 의 패드 패턴을 형성하는 단계, 상기 패드패턴을 식각배리어로 상기 실리콘기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치를 채울때까지 상기 패드패턴 상부에 갭필절연막을 형성하는 단계, 상기 갭필절연막 중에서 상기 셀영역 상부에 형성된 부분을 일부 식각하는 단계, 상기 패드패턴의 질화막이 드러날때까지 상기 갭필절연막을 연마하는 제1CMP 공정을 진행하는 단계, 상기 제1CMP 공정후 잔류하는 질화막을 제거하면서 좀 더 평탄화를 위해 제2CMP 공정을 진행하는 단계, 및 상기 갭필절연막과 실리콘기판간의 높이를 맞추기 위한 습식식각을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1CMP 공정은 상기 패드패턴 중의 최상부의 산화막과 상기 갭필절연막을 선택적으로 연마하는 선택적 슬러리를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 선택적 슬러리는 질화막 대 산화막의 연마선택비가 1:40∼1:50인 것을 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2CMP 공정은 질화막 대 산화막의 연마선택비가 1:1인 슬러리를 이용하는 것을 특징으로 한다.
The device isolation method of the present invention for achieving the above object is to form a pad pattern of a triple structure stacked in the order of an oxide film, a nitride film and an oxide film on the silicon substrate defined in the cell region and the peripheral circuit region, the pad pattern Forming a trench by etching the silicon substrate using an etching barrier; forming a gap fill insulating layer on the pad pattern until the trench is filled; partially etching a portion of the gap fill insulating layer formed on the cell region; Performing a first CMP process of polishing the gap fill insulating layer until the nitride film of the pad pattern is exposed, proceeding a second CMP process to further planarize while removing the nitride film remaining after the first CMP process, and the gap fill And performing wet etching to match the height between the insulating film and the silicon substrate. The first CMP process is characterized by using an optional slurry for selectively polishing the top oxide film and the gap fill insulating film in the pad pattern, wherein the selective slurry has a polishing selectivity ratio of 1:40 to 1:50. The second CMP process is characterized by using a slurry in which the polishing selectivity of the nitride film to the oxide film is 1: 1.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 소자분리 방법을 도시한 공정 단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a device isolation method of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3a에 도시된 바와 같이, 셀영역과 주변회로영역이 정의된 실리콘 기판(21) 상에 제1패드산화막(22a), 패드질화막(23) 및 제2패드산화막(22b)을 순차 적으로 적층한다. 즉, 패드 구조를 삼중구조, 예컨대 산화막/질화막/산화막의 순서로 적층된 샌드위치(Sandwich) 구조의 ONO(oxide/nitride/oxide) 구조로 패드를 형성한다. 다른 방법으로, 산화막과 질화막을 여러번 번갈아 적층한 다중(Multi) 구조도 적용가능하다.As shown in FIG. 3A, the first
상기한 삼중 구조의 패드에서, 제1패드산화막(22a)과 제2패드산화막(22b)은 50Å∼200Å 두께로 형성하고, 패드질화막(23)은 20Å∼50Å 두께로 얇게 형성한다.In the pad having the above-described triple structure, the first
다음으로, 제2패드산화막(22b) 상에 소자분리영역을 정의하는 감광막패턴(도시 생략)을 형성한다. 이어서, 감광막패턴을 식각배리어로 제2패드산화막(22b), 패드질화막(23) 및 제1패드산화막(22a)을 차례로 식각하여 트렌치가 형성될 실리콘 기판(21) 표면을 노출시키는 삼중 패드 패턴(tripple pad pattern)을 형성한 후, 감광막패턴을 제거한다. 여기서, 삼중 패드패턴은 제1패드산화막(22a), 패드질화막(23) 및 제2패드산화막(22b)의 순서로 적층된 것이다.Next, a photoresist pattern (not shown) defining an isolation region is formed on the second
다음으로, 삼중 패드 패턴을 식각배리어로 노출된 실리콘 기판(21)을 1500∼4000Å 깊이로 식각하여 트렌치(24a, 24b)를 형성한다. 이때, 트렌치(24a, 24b)는 셀영역과 주변회로영역에 모두 형성되는데, 잘 알려진 바와 같이, 셀영역에 형성되는 트렌치(24a)에 비해 주변회로영역에 형성되는 트렌치(24b)의 폭이 더 크다. 이는 주로 주변회로영역에 비해 셀영역에 형성되는 트랜지스터들이 밀집(dense)되어 형성되기 때문이다.Next, the
도 3b에 도시된 바와 같이, 트렌치(24a, 24b)를 채울때까지 전면에 소자분리 막이 될 갭필절연막(25)을 증착한다. 여기서, 갭필절연막(25)은 고밀도플라즈마(High Density Plasma) 방식으로 증착한 산화막이다.As shown in FIG. 3B, a gap fill insulating film 25 is formed on the entire surface until the
다음으로, 갭필절연막(25) 상부에 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 주변회로영역을 덮고 셀영역을 오픈시키는 셀영역오픈마스크(cell region open mask, 26)를 형성한다.Next, a photoresist film is coated on the gap fill insulating film 25 and patterned by exposure and development to form a cell region
도 3c에 도시된 바와 같이, 셀영역오픈마스크(26)에 의해 노출된 셀영역 상부의 갭필절연막(25)을 일부 식각하여 단차를 낮춘다. 이와 같은 셀영역오픈마스크(26)를 이용한 갭필절연막(25)의 식각으로, 주변영역에는 최초 형성된 갭필절연막(25a)이 그대로 잔류하고, 셀영역에는 일부가 식각되어 단차가 'd'만큼 낮아진 갭필절연막(25b)이 잔류한다.As shown in FIG. 3C, the gap fill insulating layer 25 on the cell region exposed by the cell region
단차가 낮아진 셀영역의 갭필절연막(25b)은 후속 CMP 공정시에 주변회로영역의 삼중 패드 패턴이 과도연마되는 것을 방지한다. 예컨대, 셀영역 상부의 갭필절연막을 단차를 낮추지 않고 바로 후속 CMP 공정을 진행하면 상대적으로 두껍게 증착된 셀영역에 비해 주변회로지역은 셀영역이 연마되는 동안 과도 연마되고, 이는 주변회로영역의 삼중 패드패턴이 손실되는 문제를 초래한다.The gap fill insulating
도 3d에 도시된 바와 같이, 셀영역오픈마스크(26)를 제거한 후, 갭필절연막(25a, 25b)을 평탄화시키기 위한 CMP 공정을 진행한다. 이때, CMP 공정은 패드질화막(23)의 표면이 드러날때까지 진행하며, 이를 위해 산화막질인 갭필절연막(25a, 25b)과 제2패드산화막(22b)만을 선택적으로 연마하는 선택적 슬러리(Selective slurry)를 이용한다. 여기서, 선택적 슬러리는 질화막 대 산화막 의 연마선택비가 1:40∼1:50 정도인 것을 이용하며, 공지된 바와 같이, 연마선택비는 슬러리 제조시에 조절 가능한 것으로 알려져 있다.As shown in FIG. 3D, after removing the cell region
상기한 CMP 공정후에, 셀영역과 주변영역에는 각각 높이가 낮아진 갭필절연막(25c, 25d)이 잔류한다.After the above CMP process, the gap fill insulating
도 3e에 도시된 바와 같이, CMP 공정후에 잔류하고 있는 패드질화막(23a)을 제거할 목적과 좀 더 평탄화를 이루기 위하여 일반적인 슬러리(산화막과 질화막의 연마선택비가 없는 슬러리)를 이용한 CMP 공정을 진행한다. 이상의 CMP 공정을 '터치(touch) CMP' 공정이라고 한다. 따라서, 패드질화막(23a) 제거시에 갭필절연막(25c, 25d)도 동일한 연마율로 제거된다.As shown in FIG. 3E, a CMP process using a general slurry (slurry having no polishing selectivity of oxide and nitride) is performed in order to remove the pad nitride film 23a remaining after the CMP process and to achieve planarization. . The above CMP process is called a "touch CMP" process. Accordingly, the gap fill insulating
위와 같이, 잔류하고 있는 패드질화막(23a)을 모두 제거한 후에, 잔류하는 갭필절연막(25e, 25f)은 후속 습식식각을 진행하기전에 그 높이가 상대적으로 낮다. 즉, 종래 패드질화막을 트렌치 형성을 위한 목적과 CMP를 위한 목적으로 매우 두껍게 형성함에 따라 후속 습식식각시 상대적으로 과도한 식각을 유발하여 모우트가 발생했지만, 본 발명은 패드질화막을 CMP를 위한 목적으로 매우 얇게 형성함에 따라 습식식각시 식각될 갭필절연막의 식각량이 상대적으로 작다. 이로써 모우트가 발생되는 것을 방지한다.As described above, after all of the remaining pad nitride film 23a is removed, the remaining gap fill insulating
도 3f에 도시된 바와 같이, 패드질화막(23) 제거후에 잔류하고 있는 제1패드산화막(22a)을 제거하면서 갭필절연막과 활성영역간의 단차를 낮추기 위해 후속 습식식각 공정을 진행한다. 이때, 습식식각 공정은 불산(HF) 용액을 이용한다.As shown in FIG. 3F, a subsequent wet etching process is performed to lower the step between the gap fill insulating layer and the active region while removing the first
상기한 습식식각 공정시, 갭필절연막(25e, 25f)과 제1패드산화막(22a)이 동 일하게 산화막질이고, 또한 열산화막인 제1패드산화막(22a)과 HDP 방식의 갭필절연막(25e, 25f)의 습식식각률 차이가 거의 없기 때문에 모우트 발생없이 습식식각 공정을 진행할 수 있다.In the wet etching process, the gap fill insulating
최종적으로 셀영역과 주변영역의 트렌치에는 모우트가 발생되지 않은 갭필절연막(25g, 25h)이 잔류한다.Finally, gap fill insulating
한편, 제1패드산화막(22a)과 갭필절연막(25e, 25f)간의 습식식각률을 동일하게 유지하기 위해 습식식각공정전에 어닐링 공정(500℃∼900℃, 급속열처리)을 진행할 수 있다. 실질적으로 제1패드산화막(22a)과 갭필절연막(25e, 25f)간에 습식식각률은 HDP 방식의 갭필절연막(25e, 25f)이 약간 빠른 것으로 알려져 있다.On the other hand, in order to maintain the same wet etching rate between the first
다른 방법으로, 제1패드산화막(22a)과 갭필절연막(25c, 25d)간 습식식각률 차이를 고려하는 경우에는 CMP 공정후 잔류하는 패드질화막(23a)만을 선택적으로 제거하므로써 터치 CMP 공정을 생략할 수도 있다. 따라서, 패드질화막(23a) 제거후에 갭필절연막이 제1패드산화막보다 높게 잔류하고, 이로써 후속 습식식각공정시 갭필절연막이 조금 빠르게 진행되므로 모우트발생없이 활성영역을 노출시킴과 동시에 갭필절연막(25e, 25f)을 형성할 수 있다.Alternatively, when considering the difference in wet etching rates between the first
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 본 발명은 게이트산화막 공정전에 실시하는 세정 공정시에 모우트가 발생되는 것을 방지하므로 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
The present invention described above has an effect of improving the electrical characteristics of the device because it prevents the generation of the moat during the cleaning step performed before the gate oxide film process.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2004-06-30 KR KR1020040050156A patent/KR20060001126A/en not_active Application Discontinuation
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US11201156B2 (en) | 2018-01-08 | 2021-12-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor devices and methods for fabricating the same |
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