KR20080109151A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판 상에 측벽 산화막과 질화막을 형성하고, 상기 실리콘 기판, 측벽 산화막, 및 질화막을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치 내부에 실리콘 기판과 연결되도록 선택적 에피택셜 성장방법으로 실리콘을 일정 높이만큼 수직 성장시키고, 상기 실리콘을 포함하도록 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링하는 단계를 포함하여 제조하는 반도체 소자 제조시, 상기 트렌치 내부에 선택적 산화막 성장법(SELOX)으로 산화막을 성장시킨 후 에치백 공정을 통해 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to form a sidewall oxide film and a nitride film on a silicon substrate, to form a trench by etching the silicon substrate, the sidewall oxide film and the nitride film, and to form a silicon inside the trench. Vertically growing silicon by a predetermined height so as to be connected to a substrate, and gap-filling the inside of the trench with a field oxide film to include the silicon, wherein the selective oxide film is formed inside the trench. The present invention relates to a method of fabricating a semiconductor device, comprising: growing an oxide film by a growth method (SELOX) and then forming a field oxide film through an etch back process.
본 발명에 따라 제조된 반도체 소자는 종래 CMP 평탄화 공정을 수행하지 않고 선택적 산화막 성장법 및 에치백 공정만으로 필드 산화막을 제조하여, 높은 종횡비의 트렌치 구조에서도 보이드 발생 없이 소자 분리를 가능케 하여 소자 분리 특성을 더욱 높일 수 있다.In the semiconductor device manufactured according to the present invention, the field oxide film is manufactured using only the selective oxide film growth method and the etch back process without performing the conventional CMP planarization process, and the device isolation characteristic is improved by allowing device isolation without voids even in a high aspect ratio trench structure. It can be increased further.
Description
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 8은 제1 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다.2 to 8 are schematic views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
도 9는 본 발명의 제2 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.9 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention.
도 10 내지 도 19는 제2 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다.10 to 19 are schematic views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a second embodiment.
도 20은 본 발명의 제3 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.20 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a third embodiment of the present invention.
도 21 내지 도 29는 제3 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다.21 to 29 are schematic views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a third embodiment.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 CMP 평탄화 공정을 수행하지 않고 선택적 산화막 성장법 및 에치백 공정만으로 필드 산화막을 제조하여, 높은 종횡비의 트렌치 구조에서도 보이드 발생 없이 소자 분리를 가능케 하여 소자 분리 특성을 더욱 높일 수 있는 반도체 소자의 제조방법 에 관한 것이다.The present invention relates to a method of fabricating a semiconductor device, and more particularly, to fabricate a field oxide film using a selective oxide film growth method and an etch back process without performing a conventional CMP planarization process, and to separate devices without generating voids even in a high aspect ratio trench structure. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device that can further increase the device isolation characteristics.
반도체 장치의 고집적화를 실현하기 위해서는 반도체 장치를 구성하는 각종 반도체 소자들, 예컨대 트랜지스터, 커패시터 및 각종 배선들을 매우 좁은 영역에 형성해야 한다. 따라서 반도체 장치를 구성하는 각 구성 요소들 사이의 거리가 좁기 때문에, 각 구성 요소들 사이의 절연을 더욱 강화할 필요가 있다. In order to realize high integration of the semiconductor device, it is necessary to form various semiconductor elements constituting the semiconductor device, for example, transistors, capacitors, and various wirings in a very narrow area. Therefore, since the distance between each component which comprises a semiconductor device is narrow, it is necessary to further strengthen the insulation between each component.
종래 반도체 장치를 구성하는 반도체 소자들을 전기적으로 분리시키기 위한 수단으로서, 국소적으로 실리콘 기판을 산화시켜 형성하는 로코스(LOCOS)형 필드 산화막이 널리 사용되어 왔다.As a means for electrically separating semiconductor elements constituting a conventional semiconductor device, a LOCOS type field oxide film formed by locally oxidizing a silicon substrate has been widely used.
그러나 로코스형 필드 산화막은 그 형성 과정에서 발생하는 버즈 비크(bird's beak)로 인하여 반도체 소자들이 형성되는 활성 영역을 일부 침범하게 되므로 반도체 장치의 고집적화를 방해한다.However, the locus-type field oxide film interferes with high integration of the semiconductor device because the locus-type field oxide partially invades the active region where the semiconductor devices are formed due to a bird's beak generated in the formation process.
따라서 형성되는 영역은 적으면서 동시에 절연성이 뛰어난 필드 산화막이 필요하였다. 그 대표적인 예가 트렌치형 필드 산화막이며, 특히 얕은 트렌치형 소자 분리막(Shallow Trench Isolation, 이하, 'STI'라 함)이 널리 사용되고 있다.Therefore, a field oxide film having a small area and excellent insulation at the same time was required. A typical example thereof is a trench field oxide film, in particular, a shallow trench isolation (STI) is widely used.
STI는 반도체 기판에 활성 영역을 한정하는 트렌치를 형성하고, 이 트렌치(STI 트렌치) 내부를 절연 물질로 매립하여 소자 분리막을 형성하는 기술이다. 그러나 반도체 소자의 고집적화에 따라 0.25 ㎛이하의 CD(Critical Dimension)를 가지는 STI의 경우에는 트렌치 내부에 STI 산화물을 매립하는 갭 필링이 용이하지 않다.STI is a technique for forming a device isolation film by forming a trench defining an active region in a semiconductor substrate, and filling the inside of the trench (STI trench) with an insulating material. However, in the case of STI having a CD (Critical Dimension) of 0.25 μm or less due to the high integration of semiconductor devices, gap filling in which the STI oxide is embedded in the trench is not easy.
이에 STI의 갭 필링을 위해서 필드 산화막의 재질 및 제조 방법 등에 대한 연구가 진행되고 있다.Therefore, research on the material and manufacturing method of the field oxide film for the gap filling of the STI is in progress.
종래 필드 산화막은 TEOS(tetraethly orthosilicate), BPSG(boro-phospho-silicate-glass) 및 열산화막과 같은 절연막용 슬러리를 트렌치 내부에 매립한 후 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 'CMP'라 한다) 공정을 이용하여 평탄화 공정을 수행하여 제조한다.Conventional field oxide film is chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as 'CMP') after embedding slurry for insulating films such as tetraethly orthosilicate (TEOS), boro-phospho-silicate-glass (BPSG) and thermal oxide film in the trench. It is prepared by performing a planarization process using the process.
그러나 이러한 방법은 고집적화에 따라 트렌치의 폭이 작게 형성되는 경우 트렌치의 입구가 좁아서 상기 슬러리가 트렌치 내부에 충실히 매립되지 못한다.However, in this method, when the width of the trench is formed to be small due to high integration, the inlet of the trench is narrow so that the slurry is not faithfully embedded in the trench.
이러한 문제들을 해소하기 위해 SOG(spin-on-glass)막이 제안되었다. 상기 SOG는 도포방식으로 기판에 적층되며, 처음 액상 또는 졸(sol) 상태를 가지므로 갭 필(gap fill)특성이 좋고, 단차를 줄이는 효과를 가질 수 있다. To solve these problems, a spin-on-glass (SOG) film has been proposed. The SOG is laminated on the substrate by a coating method, and thus has a liquid or sol state for the first time, so that a gap fill property is good and the step may be reduced.
이러한 방법은 액상 또는 졸 상태로 도포됨에 따라 단차 피복성은 좋을 수 있으나, 후속 공정에서 열처리시 발생한 수소 성분 등에 의해 필드 산화막이 다공화(porous) 되는 문제가 발생하였다. 더욱이 이들 잔류 성분이 있는 다공화 상태에서 패터닝을 위한 식각 및 세정을 수행하는 경우 다공화된 부위는 타 부위에 비해 식각량이 급속히 증가하는 문제가 수반되었다.Such a method may have a high step coverage as it is applied in a liquid or sol state, but a problem arises in that the field oxide film is porous due to a hydrogen component generated during heat treatment in a subsequent process. Moreover, when performing etching and cleaning for patterning in the porous state in which these residual components are present, the porosity was accompanied with a problem that the amount of etching rapidly increased compared with other regions.
이에 TEOS, BPSG 등을 이용하여 LPCVD(Low-pressure chemical vapor deposition)나 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로도 갭 필링하는 방법이 제안되었으나, 고집적화에 따라 사이즈가 줄어들면서 어려움이 생기자 HDPCVD(High-density plasma chemical vapor deposition) 방법이 제안되었다. 그러나 이러한 방법들을 이용하여 필드 산화막을 형성하더라도 트렌치 내부에 보이 드가 형성되는 문제가 발생하였다.Therefore, gap filling method has been proposed using low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using TEOS and BPSG.However, due to high integration, HDPCVD (High) -density plasma chemical vapor deposition has been proposed. However, even when the field oxide film is formed using these methods, a problem occurs in that voids are formed in the trench.
또한 평탄화를 위해 수행하는 CMP 평탄화 공정의 경우, 슬러리(Slury) 물질로 이산화 실리콘, 이산화 세슘(Cs02), 알루미나(Al2O3), 망가니아(Mn2O3) 등의 염기성 슬러리를 사용하고 있는데, 이들을 이용하여 산화막을 식각하는데 공정이 번거로울 뿐만 아니라 연마 시간이 길어 공정이 길어지는 문제가 있다.In addition, in the case of the CMP planarization process performed for planarization, a basic slurry such as silicon dioxide, cesium dioxide (Cs0 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), and manganese (Mn 2 O 3 ) is used as a slurry material. However, there is a problem that the process is not only cumbersome to etch the oxide film using these but also a long polishing time due to a long polishing time.
이와 같이 필드 산화막의 재질 변경이나 제조 공정의 변경만으로는 STI에 갭 필링시 여전히 문제가 남아 있었다. As described above, only a change in the material of the field oxide film or a change in the manufacturing process remained a problem when gap filling the STI.
한편, 상기와 같이 필드 산화막의 재질이나 공정이 아닌 트렌치 구조 자체를 변경하여 소자 분리를 용이하게 하고자 하는 연구가 진행되었다.On the other hand, as described above, a study has been conducted to facilitate device isolation by changing the trench structure itself rather than the material or process of the field oxide film.
대한민국 공개특허 제2006-0078264호는 포토리소그래피 공정에 의한 감광막 패턴의 치수보다 작은 치수의 트렌치를 형성하기 위해 실리콘 에피택시층을 형성하는 반도체 소자를 언급하고 있다. 즉, 실리콘 에피택시층의 형성은 상대적으로 패드 질화막 및 패드 산화막의 후퇴를 의미하므로, 트렌치 입구를 넓히는 효과를 얻게 되어 STI 산화물의 매립을 보다 용이하게 하여 트렌치 상부 모서리 영역에서의 CVD(chemical vapor deposition)에 의한 산화막의 들뜸 현상(Overhang)으로 인한 보이드의 발생을 억제할 수 있다고 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0078264 refers to a semiconductor device that forms a silicon epitaxy layer to form trenches having dimensions smaller than those of the photoresist pattern by the photolithography process. That is, since the formation of the silicon epitaxy layer means the retreat of the pad nitride film and the pad oxide film relatively, the effect of widening the trench inlet is obtained, thereby facilitating the filling of the STI oxide, and thus enabling chemical vapor deposition in the upper region of the trench. It is disclosed that the generation of voids due to the overhang of the oxide film due to
Okuno 등은 종래 STI 트렌치 내부에 HDPCVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)로 절연 물질을 증착하는데 트렌치의 종횡비(aspect ratio)가 커질수록 트렌치 내부를 절연 물질이 충분히 채우지 못하고 공극이 발생하는데, 이를 해소하기 위해 Polysilazane based inorganic Spin-On-Glass(P-SOG)로 트렌치 내부를 채우는 것을 제시하고 있다(IEEE, 0-7803-9269-8, 2005). 그러나 이러한 경우 후속 공정에서 고온이 필요하고, 실리콘 옥사이드보다 질이 떨어지기 때문에 사용하지 않는다.Okuno et al. Deposit an insulating material by HDPCVD (High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) inside the STI trench. As the aspect ratio of the trench increases, the insulating material does not fill the trench sufficiently and voids occur. It is proposed to fill the trench with polysilazane based inorganic Spin-On-Glass (P-SOG) (IEEE, 0-7803-9269-8, 2005). In this case, however, high temperatures are required in subsequent processes and are not used because they are of lower quality than silicon oxide.
또한 대한민국 공개특허 제2006-119151호에서는 상부 트렌치 형성 후 등방성 건식 식각 방법에 의해 하부 트렌치가 연통된 STI 구조를 제시하고 있다. 상기 특허는 기존 STI 공정에서 발생하는 트렌치 하부에서의 전류 누설을 방지하고자 아랫부분에 한 번 더 식각을 한 후에 산화를 시켜 아랫부분이 뾰족하지 않게 만들어 소자 특성을 높인 것이다. 아랫 부분에 보이드가 형성 되어 있긴 하지만 보이드 주변이 산화막으로 완벽히 둘러 싸여 있어서 문제가 되지 않는다. In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-119151 proposes an STI structure in which a lower trench is connected by an isotropic dry etching method after forming an upper trench. In order to prevent current leakage in the lower part of the trench generated in the existing STI process, the patent etches the lower part one more time and oxidizes the lower part so that the lower part is not sharp, thereby improving the device characteristics. Although voids are formed at the bottom, it is not a problem because the voids are completely surrounded by oxide film.
따라서 갭 필링 시 보이드가 발생하지 않는 새로운 STI 구조의 분리막과, 이러한 STI 구조에 용이하게 적용할 수 있는 갭 필링 방법이 요구된다.Accordingly, there is a need for a separator of a new STI structure in which voids do not occur when gap filling and a gap filling method that can be easily applied to such an STI structure.
상기 문제를 해소하기 위한, 본 발명의 목적은 높은 종횡비의 트렌치 구조에서도 갭 필링이 용이하고, CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정을 단순화시킬 수 있으며, 소자 분리시 보이드가 발생하지 않아 소자 분리 특성이 더욱 강화된 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above problem, an object of the present invention is to facilitate gap filling even in a high aspect ratio trench structure, to simplify the process by eliminating the need for CMP planarization process, and to eliminate device voids. It is to provide a method for manufacturing an enhanced semiconductor device.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
실리콘 기판 상에 측벽 산화막과 질화막을 형성하고,Forming a sidewall oxide film and a nitride film on the silicon substrate,
상기 실리콘 기판, 측벽 산화막, 및 질화막을 식각하여 트렌치를 형성하고,Etching the silicon substrate, the sidewall oxide film, and the nitride film to form a trench,
상기 트렌치 내부에 실리콘 기판과 연결되도록 선택적 에피택셜 성장방법으로 실리콘을 일정 높이만큼 수직 성장시키고,Vertically grow silicon by a predetermined height by a selective epitaxial growth method so as to be connected to the silicon substrate inside the trench,
상기 실리콘을 포함하도록 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링하는 단계를 포함하여 제조하는 반도체 소자 제조시,In the manufacturing of a semiconductor device comprising the step of gap filling the inside of the trench with a field oxide film to include the silicon,
상기 트렌치 내부에 선택적 산화막 성장법(SELOX)으로 산화막을 성장시킨 후 에치백 공정을 통해 필드 산화막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a semiconductor device includes forming a field oxide film through an etch back process after growing an oxide film through a selective oxide film growth method (SELOX) in the trench.
상기 선택적 산화막 성장법은 600 내지 900℃에서 인 시튜(in-situ)로 오존, TEOS(Tetra Ortho Silicate) 가스, N2, PH3, BCl3 및 이들의 조합 가스를 흘려주어 트렌치 내부에 절연 물질은 증착시킨 후, 열처리하는 단계를 포함한다.The selective oxide film growth method is an in-situ at 600 to 900 ℃ flowing ozone, TEOS (Tetra Ortho Silicate) gas, N 2 , PH 3 , BCl 3 and combinations thereof to the insulating material inside the trench After the silver deposition, the step of heat treatment.
이때 증착은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced CVD), 및 고밀도 플라즈마 화학기상증착 공정(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process:HDP CVD process)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행한다.In this case, the deposition is performed by one method selected from the group consisting of CVD (Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced CVD), and High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process (HDP CVD process).
상기 필드 산화막은 실리콘 산화막 또는 실리케이트 글라스 막이고, 상기 실리케이트 글라스막은 상기 가스의 조합에 따라 Ozone activated TEOS(tetraethly orthosilicate) 막, Ozone TEOS-PSG(tetraethly orthosilicate-phospho-silicate-glass) 막, Ozone TEOS-BPSG(tetraethly orthosilicate-boro-phospho-silicate- glass) 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 형성한다.The field oxide film is a silicon oxide film or a silicate glass film, and the silicate glass film is an ozone activated tetraethly orthosilicate (TEOS) film, an ozone tetraethly orthosilicate-phospho-silicate-glass film, or an ozone TEOS- according to a combination of the gases. And form one selected from the group consisting of tetraethly orthosilicate-boro-phospho-silicate-glass (BPSG) membranes, and combinations thereof.
상기 열처리는 산소, 또는 산소를 포함하는 공기를 주입하는 산화성 분위기 하에서 300 내지 900 ℃의 온도에서 고온 산화를 수행한다.The heat treatment is a high temperature oxidation at a temperature of 300 to 900 ℃ under an oxidizing atmosphere injecting oxygen or air containing oxygen.
상기 에치백 공정은 질화막이 노출될 때까지 수행하며, 습식식각법 또는 건식식각법을 사용한다.The etch back process is performed until the nitride film is exposed, and a wet etching method or a dry etching method is used.
이때 상기 반도체 소자는 트렌치 내부 전체 또는 부분적으로 벌크 형태 또는 나노 와이어 형태의 실리콘이 형성된다.In this case, the semiconductor device is formed of silicon in the form of a bulk or a nanowire in whole or in part in the trench.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서 전체에 걸쳐 언급되는 '산화막'은 실리콘 산화막(SiO2)을 의미하고, '질화막'은 실리콘 질화막(SiN)을 의미한다.As used herein, the term “oxide film” refers to a silicon oxide film (SiO 2 ), and the term “nitride film” refers to a silicon nitride film (SiN).
본 발명에 따른 반도체 소자는 트렌치의 구조가 종래와 달리 트렌치 상, 하부의 폭을 동일하게 한 수직 프로파일 형태인 구조를 갖는다. 상기 반도체 소자는 트렌치 내부에 실리콘을 형성하여, 높은 종횡비(High aspect ratio)의 트렌치를 보이드 발생 없이 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 소자 분리 특성을 더욱 향상시킨다.The semiconductor device according to the present invention has a structure in which the structure of the trench is in the form of a vertical profile having the same width of the upper and lower portions of the trench. The semiconductor device forms silicon inside the trench, which not only separates a high aspect ratio trench without generating voids, but also further improves device isolation characteristics.
이러한 구조의 반도체 소자에 있어 필드 산화막은 트렌치 내부를 갭 필링 하기 위해 절연 물질을 매립한 후, CMP 평탄화 공정을 통해 제조된다. 그러나 이러한 방법은 공정이 복잡하고 연마 시간이 긴 문제가 있다.In the semiconductor device having such a structure, the field oxide film is manufactured through a CMP planarization process after filling an insulating material to gap fill the inside of the trench. However, this method has a problem of a complicated process and a long polishing time.
이에 본 발명에서는 종래와 같이 필드 산화막 제조시 CMP 평탄화 공정을 수 행하지 않고 선택적 산화막 성장법 및 에치백 공정을 수행함으로써 높은 종횡비의 트렌치 구조에서 공백 없이 트렌치 내부를 채울 수 있어 소자 분리 특성을 더욱 높일 뿐만 아니라 CMP 평탄화 공정이 불필요함에 따라 공정 자체가 간단해지는 잇점이 있다.Therefore, in the present invention, by performing the selective oxide film growth method and the etch back process without performing the CMP planarization process in the field oxide film manufacturing as in the prior art, it is possible to fill the inside of the trench without gaps in the high aspect ratio trench structure, thereby further improving device isolation characteristics. Rather, the CMP planarization process is unnecessary, which simplifies the process itself.
구체적으로 본 발명에 따른 반도체 소자는 Specifically, the semiconductor device according to the present invention
실리콘 기판 상에 측벽 산화막과 질화막을 형성하고,Forming a sidewall oxide film and a nitride film on the silicon substrate,
상기 실리콘 기판, 측벽 산화막, 및 질화막을 식각하여 트렌치를 형성하고,Etching the silicon substrate, the sidewall oxide film, and the nitride film to form a trench,
상기 트렌치 내부에 실리콘 기판과 연결되도록 선택적 에피택셜 성장방법으로 실리콘을 일정 높이만큼 수직 성장시키고, Vertically grow silicon by a predetermined height by a selective epitaxial growth method so as to be connected to the silicon substrate inside the trench,
상기 실리콘을 포함하도록 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링하는 단계를 포함하며,Gap filling the trench interior with a field oxide layer to contain the silicon,
특히 트렌치 내부를 갭 필링하기 위한 필드 산화막을 제조하기 위해 선택적 산화막 성장법으로 산화막을 성장시킨 후 에치백 공정을 수행한다.In particular, in order to manufacture a field oxide film for gap filling the inside of the trench, an oxide film is grown by a selective oxide film growth method, followed by an etch back process.
이러한 제조방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.The production method is described in more detail as follows.
먼저, 실리콘 기판에 측벽 산화막 및 질화막을 형성한다. 이들의 재질 및 제조방법은 본 발명에서 한정하지 않으며 공지된 바를 따른다.First, sidewall oxide films and nitride films are formed on a silicon substrate. The materials and manufacturing methods thereof are not limited to the present invention and are well known.
상기 측벽 산화막은 트렌치의 내벽을 덮도록 형성되며, 질화막의 증착 및 열 공정에서 발생되는 질화막의 스트레스가 실리콘 기판에 영향을 미치는 것을 완충하는 역할을 한다. 상기 측벽 산화막은 공지된 방법으로 제조가 가능하며, 일예로 900 내지 1100℃ 산소 분위기에서 열 산화 공정을 수행하여 10 내지 100 Å의 두께 로 형성한다.The sidewall oxide film is formed to cover the inner wall of the trench, and serves to buffer the stress of the nitride film generated in the deposition and thermal processes of the nitride film affecting the silicon substrate. The sidewall oxide film may be manufactured by a known method, and for example, may be formed to a thickness of 10 to 100 kPa by performing a thermal oxidation process in an oxygen atmosphere of 900 to 1100 ° C.
상기 질화막('STI Liner' 라고도 한다)은 측벽 산화막 상에 위치하며, 트렌치 내부에 형성된다. 상기 질화막을 형성함에 따라 후속의 선택적 산화막 성장 공정에서 실리콘과 접하는 부분에만 선택적으로 산화막이 성장할 수 있다. 즉, 질화막과 실리콘 상에 선택적 산화막 성장 공정시 1:4의 성장 속도 비율로 산화막이 성장하게 되는데, 이때 질화막 상에 산화막이 거의 성장하지 않기 때문에 별도의 CMP 공정이 필요하지 않게 된다.The nitride film (also referred to as 'STI Liner') is located on the sidewall oxide film and is formed in the trench. As the nitride film is formed, the oxide film may be selectively grown only in a portion in contact with silicon in a subsequent selective oxide film growth process. That is, during the selective oxide growth process on the nitride film and silicon, the oxide film grows at a growth rate of 1: 4. At this time, since the oxide film hardly grows on the nitride film, a separate CMP process is not required.
이러한 질화막은 디클로로실란(dichlorosilane, 이하 'DCS'라 한다, SiH2Cl2)과 아민(NH3) 가스를 소스로 이용하는 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)방법 또는 실란(SiH4)이나 아민 가스를 소스로 이용하는 PECVD(plasma-enhanced CVD)을 이용하여 측벽 산화막 상부로부터 500 내지 1000 Å의 두께로 형성한다.Such a nitride film is referred to as dichlorosilane (hereinafter referred to as 'DCS'), a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method using a silane (SiH 2 Cl 2 ) and an amine (NH 3 ) gas, or a silane (SiH 4 ) or an amine gas. Plasma-enhanced CVD (PECVD) used as a source is used to form a thickness of 500 to 1000 mW from the sidewall oxide film.
이때 측벽 산화막, 질화막 이외에 트렌치 내부에 형성되는 실리콘의 형태에 따라 별도의 질화막 및 산화막을 더욱 구비한다.In this case, in addition to the sidewall oxide film and the nitride film, a separate nitride film and an oxide film are further provided according to the form of silicon formed in the trench.
상기 실리콘 기판, 측벽 산화막, 및 질화막은 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판이 외부로 노출되도록 한다.The silicon substrate, the sidewall oxide film, and the nitride film are etched from a predetermined region to expose the silicon substrate to the outside.
상기 식각 공정은 HBr, SiF4, CF4, HeO2, Cl2, SF6 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 가스를 5 내지 100 mT의 압력에서 10 내지 60초의 시간 동안 수행한다. 이러한 조건은 단지 예시에 불과한 것으로, 형성하고자 하는 소자의 종류, 크기, 기타 다른 주변 조건들에 따라 다양하게 변화될 수 있다.The etching process is a gas selected from the group consisting of HBr, SiF 4 , CF 4 , HeO 2 , Cl 2 , SF 6 and combinations thereof for 10 to 60 seconds at a pressure of 5 to 100 mT. These conditions are merely examples and may be variously changed according to the type, size, and other ambient conditions of the device to be formed.
다음으로, 트렌치 내부에 실리콘 기판과 연결되도록 선택적 에피택셜 성장방법으로 실리콘을 일정 높이만큼 수직 성장시킨다.Next, silicon is vertically grown by a predetermined height by a selective epitaxial growth method so as to be connected to the silicon substrate inside the trench.
선택적 에피택셜 성장방법(Selective Epitaxial Growth, 이하 'SEG'라 한다)은 600 내지 900 ℃에서 인 시튜(in-situ)로 DCS, TCS(Trichlorosilane), 실란, HCl 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 반응 가스를 50 내지 200 sccm의 속도로 흘려주게 되면, 실리콘 기판으로부터 실리콘의 결정 방향을 따라 실리콘이 수직으로 성장하게 된다.Selective Epitaxial Growth (SEG) is selected from the group consisting of DCS, Trichlorosilane (TCS), silane, HCl and combinations thereof in-situ at 600 to 900 ° C. When one kind of reaction gas is flowed at a rate of 50 to 200 sccm, silicon grows vertically along the crystal direction of silicon from the silicon substrate.
이때 SEG의 공정 조건, 트렌치 내부에 형성된 절연막의 개수나 형태 등에 의해 트렌치 내부 전체 또는 부분적으로 실리콘을 형성하거나, 벌크 형태 또는 나노 와이어 형태의 실리콘을 형성한다. At this time, silicon is formed in whole or in part in the trench, or silicon in bulk or nanowire form, depending on the process conditions of the SEG, the number or shape of the insulating films formed in the trench, or the like.
다음으로, 상기 실리콘을 포함하도록 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링한다.Next, the gap is filled with a field oxide layer in the trench to include the silicon.
특히 본 발명에서는 트렌치 내부를 갭 필링하기 위한 필드 산화막을 제조하기 위해 선택적 산화막 성장법으로 산화막을 성장시킨 후 에치백(etch back) 공정을 수행한다.In particular, the present invention performs an etch back process after the oxide film is grown by a selective oxide film growth method to prepare a field oxide film for gap filling the trench.
선택적 산화막 성장법(Selective oxide deposition; 이하 'SELOX'라 한다)은 증착 방법을 통해 원료 가스를 주입하여 트렌치 내부를 갭 필링하는 산화막을 형성한다. 상기 산화막은 트렌치 내부의 실리콘과 질화막 상에 형성되며, 이때 실리콘과 질화막 상에 4:1의 성장 속도 비율로 유동이 좋은 도핑된 산화막이 선택적으로 생성된다. Selective oxide deposition (hereinafter, referred to as 'SELOX') forms an oxide film gap-filling the trench by injecting a source gas through a deposition method. The oxide film is formed on the silicon and nitride film inside the trench, where a doped oxide film with good flow rate is selectively generated on the silicon and nitride film at a growth rate of 4: 1.
상기 SELOX 공정은 600 내지 900℃에서 인 시튜(in-situ)로 오존, TEOS 가스, N2, PH3, BCl3 및 이들의 조합 가스를 흘려주어 트렌치 내부에 절연 물질은 증착시킨 후, 열처리하는 단계를 포함한다.In the SELOX process, ozone, TEOS gas, N 2 , PH 3 , BCl 3, and a combination thereof are flowed in-situ at 600 to 900 ° C. to deposit an insulating material in the trench, and then heat treatment. Steps.
상기 가스의 조합에 따라 최종 형성되는 필드 산화막의 재질이 달라진다. 구체적으로, 상기 필드 산화막은 Ozone activated TEOS(tetraethly orthosilicate) 막, Ozone TEOS-PSG(tetraethly orthosilicate-phospho-silicate-glass) 막, Ozone TEOS-BPSG(tetraethly orthosilicate-boro-phospho-silicate-glass) 막, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 형성한다.The material of the field oxide film to be finally formed varies depending on the combination of the gases. Specifically, the field oxide film may be an Ozone activated TEOS (tetraethly orthosilicate) film, an Ozone TEOS-PSG (tetraethly orthosilicate-phospho-silicate-glass) film, an Ozone TEOS-BPSG (tetraethly orthosilicate-boro-phospho-silicate-glass) film, And a combination selected from the group consisting of these.
이때 증착은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced CVD), 및 고밀도 플라즈마 화학기상증착 공정(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process; HDP CVD process)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행한다.In this case, the deposition is performed by one method selected from the group consisting of CVD (Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced CVD), and High Density Plasma Chemical Vapor Deposition process (HDP CVD process).
상기 증착으로 인해 형성된 산화막은 트렌치 내부의 실리콘 상부 및 질화막의 상부에 형성된다. 이러한 산화막은 다공성(porous)을 나타내며, 이러한 공극을 제거하기 위해 산소 존재 하에 열처리하는 치밀화(densification) 공정을 수행한다. 바람직하기로, 상기 열처리는 산소, 또는 산소를 포함하는 공기를 주입하는 산화성 분위기 하에서 600 내지 900 ℃의 온도에서 고온 산화를 수행한다.The oxide film formed by the deposition is formed on the silicon top and the nitride film inside the trench. This oxide film is porous and performs a densification process in which heat treatment is performed in the presence of oxygen to remove such pores. Preferably, the heat treatment is a high temperature oxidation at a temperature of 600 to 900 ℃ under an oxidizing atmosphere injecting oxygen or air containing oxygen.
이러한 치밀화 공정을 통해 산화막 사이에 공극이 제거되고 실리콘이 성장한 부분에 산화가 되는 동시에 산화막에 생긴 도핑 원자들이 이와 접해있는 트렌치 내부의 실리콘으로 이동한다. 그 결과 상기 실리콘이 MSE(Metallic Shield Embedded)의 효과를 나타내 반도체 소자 구동시 누설 전류(leakage current)를 감소시킨다.The densification process removes the pores between the oxide film and oxidizes the silicon grown portion, and simultaneously moves the doping atoms formed in the oxide film into the silicon inside the trench. As a result, the silicon exhibits the effect of MSE (Metallic Shield Embedded) to reduce the leakage current when driving the semiconductor device.
상기 SELOX 공정에 의해 트렌치 내부에 갭 필링된 산화막은 트렌치 내부 뿐만 아니라 질화막 상에도 존재하므로, 상기 질화막 상에 형성된 산화막만을 선택적으로 제거하기 위해 에치백 공정을 수행하여 필드 산화막을 형성한다.Since the oxide film gap-filled in the trench by the SELOX process exists not only in the trench but also on the nitride film, an etch back process is performed to selectively remove only the oxide film formed on the nitride film to form a field oxide film.
상기 에치백 공정은 산화막에 대해서만 선택성이 있는 식각액을 이용하여 수행하며, 습식 식각법 또는 건식 식각법을 이용하여 수행한다. 상기 식각액은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 공지된 바의 질화막에 대한 식각액의 사용이 가능하다. 이때 습식 식각법 및 건식 식각법의 구체적인 공정 또한 본 발명에서 특별히 언급하지 않겠으며, 공지된 바를 따른다.The etch back process is performed using an etching solution having a selectivity only to the oxide film, and is performed using a wet etching method or a dry etching method. The etchant is not particularly limited in the present invention, it is possible to use an etchant for the nitride film as known. In this case, the specific processes of the wet etching method and the dry etching method are not particularly mentioned in the present invention, and are well known.
이와 같이 SELOX 공정으로 트렌치 내부에 산화막을 형성하는 경우 후속의 에치백 공정을 통해 질화막 상의 산화막만을 간단히 제거함으로써, 종래 CMP 평탄화 공정을 수행할 필요가 없어 반도체 소자의 분리막 제조 공정이 단순화되는 잇점이 있다. 또한 높은 종횡비의 트렌치 구조에서 공백 없이 트렌치 내부를 채울 수 있어 소자 분리 특성을 더욱 높일 수 있다.As such, when the oxide film is formed inside the trench by the SELOX process, only the oxide film on the nitride film is simply removed through a subsequent etch back process, thereby eliminating the need for a conventional CMP planarization process, thereby simplifying a process of manufacturing a separator of a semiconductor device. . In addition, the high aspect ratio trench structure can fill the trench without gaps, further enhancing device isolation.
이하, 보다 구체적으로 본 발명에 따른 반도체 소자를 도면을 통해 설명한다.Hereinafter, the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 구현예에 따른 반도체 소자는Referring to FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment is
소자 분리를 위한 트렌치가 형성된 실리콘 기판(1);A
상기 실리콘 기판(1)의 트렌치 내부에 형성된 측벽 산화막(3);
상기 측벽 산화막(3) 상에 형성된 질화막(5);A
상기 질화막(5)과 접하며 트렌치 내부에 매립되도록 실리콘 기판(1)과 연결되어 수직 성장된 실리콘(7); 및
상기 실리콘(7) 형성 영역을 제외한 트렌치 내부를 갭 필링 하도록 형성된 필드 산화막(9)을 포함한다.And a
이러한 구조의 반도체 소자는 상, 하부의 폭이 동일하게 형성된 수직 프로파일 형태의 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치 내부에 실리콘(7)을 형성하여 보이드 발생 없이 소자 분리를 효과적으로 할 수 있을 뿐만 아니라 그 제조 공정도 매우 간단하여 비용 등이 저감되는 효과가 있다.The semiconductor device having such a structure forms a trench in a vertical profile shape in which upper and lower widths are equally formed, and
이러한 구조의 반도체 소자는 The semiconductor device of such a structure
(S1) 실리콘 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막을 순차적으로 형성한 후 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;(S1) sequentially forming a pad oxide film and a pad nitride film on the silicon substrate and then etching to form a trench;
(S2) 상기 트렌치 내벽에 열 산화 공정에 의해 측벽 산화막을 형성하는 단계;(S2) forming a sidewall oxide film on the inner wall of the trench by a thermal oxidation process;
(S3) 상기 측벽 산화막 상에 질화막을 증착하는 단계;(S3) depositing a nitride film on the sidewall oxide film;
(S4) 상기 트렌치 하부 영역에 있는 측벽 산화막 및 질화막의 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판을 노출시키는 단계;(S4) etching a predetermined region of the sidewall oxide film and the nitride film in the trench lower region to expose a silicon substrate;
(S5) 상기 노출된 실리콘 기판으로부터 선택적 에피택셜 성장방법(SEG)으로 실리콘을 수직 성장시키는 단계; 및(S5) vertically growing silicon from the exposed silicon substrate by a selective epitaxial growth method (SEG); And
(S6) 상기 실리콘이 형성된 영역을 제외한 트렌치 내부를 절연 물질로 갭 필링한 후 식각하여 필드 산화막을 제조하는 단계를 포함한다.(S6) forming a field oxide layer by gap filling the inside of the trench except for the region where the silicon is formed with an insulating material and then etching the gap.
특히 본 발명에서 상기 필드 산화막은 전술한 바와 같이 SELOX 공정 및 에치백 공정을 통해 제조되어 종래 CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정이 단순화될 뿐만 아니라 높은 종횡비의 트렌치를 효과적으로 갭 필링할 수 있다.In particular, in the present invention, the field oxide film is manufactured through the SELOX process and the etch back process as described above, so that the conventional CMP planarization process is unnecessary, thereby simplifying the process and effectively gap filling the high aspect ratio trench.
이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Each step will be described in more detail below.
도 2 내지 도 8은 제1 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다.2 to 8 are schematic views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
도 2를 참조하면, 실리콘 기판(1) 상에 패드 산화막(2) 및 패드 질화막(4)을 순차적으로 형성한 후, 사진 식각 공정에 의해 패드 산화막(2) 및 패드 질화막(4)의 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판(1) 내 상, 하부의 폭이 동일하게 형성된 수직 프로파일 형태의 트렌치를 형성한다(S1).Referring to FIG. 2, after the
상기 식각은 사진 식각 공정이 바람직하며, 일예로 패드 질화막(4) 상에 감광막(미도시함)을 형성한 후, 이를 마스크로 하여 상기 패드 질화막(4)과 패드 산화막(2)을 식각한 다음에, 감광막 패턴을 제거하여 실리콘 기판(1)의 표면 노출 부위를 일정 두께만큼 식각하여 트렌치를 형성한다.The etching is preferably a photolithography process. For example, after forming a photoresist film (not shown) on the
이때 패드 산화막(2)은 패드 질화막(4)의 증착 및 열 공정에서 발생되는 스트레스가 실리콘 기판(1)에 영향을 미치는 것을 완충하는 역할을 한다. 상기 패드 산화막(2)은 O2나 H2O 가스를 소스로 하는 건식 또는 습식 산화법으로 피식각층 상부로부터 50 내지 200 Å의 두께로 형성한다.In this case, the
상기 패드 질화막(4)은 후속 공정에서 산화막을 갭 필링할 때 선택적으로 산화막이 성장하지 않게 하는 정지층(stop layer)으로 이용된다. 이러한 패드 질화막(4)은 DCS와 아민(NH3) 가스를 소스로 이용하는 LPCVD 방법 또는 실란이나 아민 가스를 소스로 이용하는 PECVD을 이용하여 패드 산화막(2) 상부로부터 500 내지 1000Å의 두께로 형성한다. The
이때 필요한 경우 도 3과 같이 수소 열처리에 의한 라운딩(rounding)을 수행한다.At this time, if necessary, a rounding is performed by hydrogen heat treatment as shown in FIG. 3.
상기 라운딩은 800 내지 1000 ℃에서 30 내지 180초간 수소 열처리를 수행하여 트렌치의 코너를 둥글게 한다. 이러한 라운딩은 트렌치 표면에 존재하는 실리콘 격자들이 수소 분위기에서 급속 열처리 할 때 실리콘 격자의 이동 현상에 의하여 표면의 격자들이 새로운 결정 구조로 변화하는 것에 기인한다.The rounding is performed by hydrogen heat treatment at 800 to 1000 ° C. for 30 to 180 seconds to round the corners of the trench. This rounding is due to the change of the lattice of the surface into a new crystal structure due to the movement of the silicon lattice when the silicon lattice on the trench surface is rapidly heat-treated in the hydrogen atmosphere.
도 4를 참조하면, 열 산화 공정에 의해 트렌치 내벽에 측벽 산화막(3)을 얇게 형성한다(S2).Referring to FIG. 4, the
상기 열 산화는 900 내지 1100℃ 산소 분위기에서 수행하여 10 내지 100 Å의 측벽 산화막(3)을 형성한다.The thermal oxidation is performed in an oxygen atmosphere of 900 to 1100 ° C. to form
상기 형성된 측벽 산화막(3)은 측벽과 후속의 매립용 필드 산화막(7) 사이에 생기는 경계면의 트랩 전하(interface trap charge)를 감소시키고, top/bottom 프 로파일에 라운드가 형성되도록 한다.The formed
상기 측벽 산화막(3)은 측벽 상부로부터 10 내지 100Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The side
도 5를 참조하면, 상기 측벽 산화막(3) 상에 STI 라이너로 질화막(5)을 10 내지 100 Å의 두께로 증착한다(S3).Referring to FIG. 5, a
도 6을 참조하면, 상기 트렌치 하부 영역에 있는 측벽 산화막(3) 및 질화막(5)의 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판(1)을 노출시킨다(S4).Referring to FIG. 6, predetermined regions of the
이렇게 실리콘 기판(1)의 일부 영역만 노출하더라도 트렌치 양 옆의 액티브 영역 위에 있는 질화막(5)이 매우 두껍기 때문에 바닥이 노출되어도 상부의 질화막(5)은 여전히 남아있어 문제가 되지 않는다. Even if only a portion of the
도 7을 참조하면, 상기 노출된 실리콘 기판(1)으로부터 SEG 방법으로 실리콘(7)을 수직으로 성장시킨다(S5).Referring to FIG. 7,
이때 SEG는 노출된 실리콘 기판(1)에서부터 실리콘(7)이 서서히 성장하게 되며, 상기 실리콘(7)은 트렌치 내부 전체를 채우면서 수직으로 성장한다.At this time, the SEG gradually grows the
도 8을 참조하면, 상기 실리콘(7)이 형성된 영역을 제외한 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링한다(S7).Referring to FIG. 8, gap fills are formed in the trench except for the region in which the
이때 갭 필링은 전술한 바의 SELOX 공정 및 에치백 공정을 통해 수행하여 도 1에 도시한 제1 구현예에 따른 반도체 소자를 제조한다.At this time, the gap filling is performed through the SELOX process and the etch back process as described above to manufacture the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
이와 같이 수직 프로파일 형태의 트렌치 내부에 실리콘을 성장 형성하는 경우, 도 1과 같이 벌크 형태로 트렌치 내부 전체에 실리콘을 형성하거나, 트렌치 내 부의 일부 영역만 형성할 수 있다.As described above, when silicon is grown and formed in a trench having a vertical profile, silicon may be formed in the entire trench in a bulk form as shown in FIG. 1, or only a partial region of the trench may be formed.
도 9는 본 발명의 제2 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.9 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a second embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 제2 구현예에 따른 반도체 소자는9, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention
소자 분리를 위한 트렌치가 형성된 실리콘 기판(10);A
상기 실리콘 기판(10)의 트렌치 내부에 형성된 측벽 산화막(11);A
상기 측벽 산화막(11) 상에 형성된 질화막(13);A
상기 질화막(13) 상에 형성된 산화막(15);An
상기 산화막(15)과 접하며 트렌치 내부에 실리콘 기판(10)과 연결되어 수직 성장된 실리콘(17);
상기 실리콘(15)을 둘러싸며 트렌치 내부에 형성된 실리콘 옥사이드(19); 및Silicon oxide (19) formed in the trench surrounding the silicon (15); And
상기 실리콘(15) 및 실리콘 옥사이드(19) 형성 영역을 제외한 트렌치 내부를 갭 필링 하도록 형성된 필드 산화막(21)을 포함한다.And a
상기한 구조의 반도체 소자 또한 상, 하부의 폭이 동일하게 형성된 수직 프로파일 형태의 트렌치를 형성하고, 트렌치 내부에 실리콘을 형성하여 보이드 발생 없이 소자 분리를 효과적으로 할 수 있다.The semiconductor device having the above-described structure may also form a trench having a vertical profile in which upper and lower widths are the same, and silicon may be formed inside the trench to effectively separate the device without generating voids.
이러한 제2 구현예에 따른 반도체 소자는The semiconductor device according to the second embodiment
(SS1) 실리콘 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막을 순차적으로 형성한 후 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;(SS1) sequentially forming a pad oxide film and a pad nitride film on the silicon substrate and then etching to form a trench;
(SS2) 상기 트렌치 내벽에 열 산화 공정에 의해 측벽 산화막을 형성하는 단계;(SS2) forming a sidewall oxide film on the inner wall of the trench by a thermal oxidation process;
(SS3) 상기 측벽 산화막 상에 질화막을 증착하는 단계;(SS3) depositing a nitride film on the sidewall oxide film;
(SS4) 상기 질화막 상에 산화막을 증착하는 단계;(SS4) depositing an oxide film on the nitride film;
(SS5) 상기 산화막 상에 제2 질화막을 증착하는 단계;(SS5) depositing a second nitride film on the oxide film;
(SS6) 상기 트렌치 하부 영역에 있는 측벽 산화막, 질화막, 산화막 및 제2 질화막의 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판을 노출시키는 단계;(SS6) etching the predetermined regions of the sidewall oxide film, the nitride film, the oxide film and the second nitride film in the trench lower region to expose a silicon substrate;
(SS7) 상기 노출된 실리콘 기판으로부터 선택적 에피택셜 성장방법(SEG)으로 실리콘을 수직 성장시키는 단계; (SS7) vertically growing silicon from the exposed silicon substrate by a selective epitaxial growth method (SEG);
(SS8) 상기 실리콘과 접하는 제2 질화막을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계;(SS8) selectively etching to remove the second nitride film in contact with the silicon;
(SS9) 상기 수직 성장된 실리콘을 둘러싸도록 열 산화 공정에 의해 실리콘 옥사이드로 트렌치 내부를 매립하는 단계; 및(SS9) filling the inside of the trench with silicon oxide by a thermal oxidation process to surround the vertically grown silicon; And
(S10) 상기 실리콘 및 실리콘 옥사이드로 형성된 영역을 제외한 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링하는 단계를 거쳐 제조된다.(S10) It is manufactured by gap filling the inside of the trench except for the region formed of the silicon and silicon oxide with a field oxide film.
특히 본 발명에서 상기 필드 산화막은 전술한 바와 같이 SELOX 공정 및 에치백 공정을 통해 제조되어 종래 CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정이 단순화될 뿐만 아니라 높은 종횡비의 트렌치를 효과적으로 갭 필링할 수 있다.In particular, in the present invention, the field oxide film is manufactured through the SELOX process and the etch back process as described above, so that the conventional CMP planarization process is unnecessary, thereby simplifying the process and effectively gap filling the high aspect ratio trench.
도 10 내지 도 19는 제2 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다. 이때 (SS1) 내지 (SS3) 및 (SS10)의 단계는 제1 구현예에서 언급한 바를 따른다.10 to 19 are schematic views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a second embodiment. At this time, the steps of (SS1) to (SS3) and (SS10) are as mentioned in the first embodiment.
도 10을 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 패드 산화막(12) 및 패드 질화 막(14)을 순차적으로 형성한 후 식각하여 트렌치를 형성한다(SS1).Referring to FIG. 10, the
도 11을 참조하면, 상기 트렌치 내벽에 열 산화 공정에 의해 측벽 산화막(11)을 형성한다(SS2).Referring to FIG. 11, a
도 12를 참조하면, 상기 측벽 산화막(11) 상에 질화막(13)을 증착한다(SS3).Referring to FIG. 12, a
도 13을 참조하면, 상기 질화막(13) 상에 산화막(15)을 증착한다(SS4).Referring to FIG. 13, an
상기 산화막(15)은 후속 갭 필링을 위해 필드 산화막(21)을 형성하는 공정을 수행하기 전에 정지층으로 작용하는 질화막(13)과 필드 산화막(21)의 경계면에 발생되는 스트레스를 완화시키기 위하여 형성한다.The
상기 산화막(15)은 CVD 방법으로 형성된 HDP 산화막, 또는 PECVD 방법에 의하여 형성된 TEOS 막, USG 막 등과 같은 SOG 계열의 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 산화막은 O2 또는 H2O 가스를 이용한 건식 또는 습식 방법으로 50 내지 300 Å의 두께로 형성한다.The
도 14를 참조하면, 상기 산화막(15) 상에 제2 질화막(16)을 증착한다(SS5).Referring to FIG. 14, a
상기 제2 질화막(16)은 그 내부에 실리콘(도 9의 17)이 성장하게 되며, 추후 식각에 의해 제거되어 실리콘 옥사이드(도 9의 19)를 형성하기 위한 소정의 공간을 제공한다. 또한 이러한 제2 질화막(16)은 후속 공정에서 SEG 공정 이전에 수행하는 하이드로겐 베이크(Hydrogen bake) 공정 수행시 실리콘(도 9의 17)의 표면을 보호한다.The
상기 제2 질화막(16)은 통상의 증착방법을 이용하여 산화막(15) 상에 30 내 지 100 Å의 두께로 형성한다.The
도 15를 참조하면, 상기 트렌치 하부 영역에 있는 측벽 산화막(11), 질화막(13), 산화막(15) 및 제2 질화막(16)의 소정 영역을 식각하여 실리콘 기판(10)을 노출시킨다(SS6).Referring to FIG. 15, the
상기 식각은 제1 구현예에서 언급한 바의 방법을 따르며, 이때 상기 노출되는 실리콘 기판(10)의 폭은 50 내지 500 Å이 되도록 한다.The etching follows the method described in the first embodiment, wherein the width of the exposed
도 16을 참조하면, 상기 노출된 실리콘 기판(10)으로부터 SEG 방법을 이용하여 실리콘을 수직 성장시킨다(SS7).Referring to FIG. 16, silicon is vertically grown from the exposed
상기 SEG는 제1 구현예에서 언급한 바의 방법을 따른다. 다만 도 16에 나타낸 바와 같이, 실리콘(17)은 트렌치 끝까지 성장시킬 필요가 없다. 이는 SEG를 이용하여 현재 기술에서 달성 가능한 종횡비 영역까지만 실리콘(17)을 성장시키고, 나머지 영역은 갭 필링을 수행하는 게 공정 면에서 더욱 용이하다.The SEG follows the method as mentioned in the first embodiment. However, as shown in Fig. 16, the
추가로 SEG 이전에 실리콘 기판(10)의 산화막을 제거하기 위해 800 내지 900℃ 에서 1 내지 3분간 하이드로겐 베이크 공정을 수행한다.In addition, the hydrogen baking process is performed at 800 to 900 ° C. for 1 to 3 minutes to remove the oxide film of the
상기 하이드로겐 베이크 공정은 실리콘(17)을 수직 성장시키기 위해 선택적 에피택셜 성장 공정시 에피 성장하는 실리콘(17)과 옆의 계면과의 디펙트(defect)를 줄이는 효과가 있다.The hydrogen baking process has an effect of reducing the defect between the epitaxially grown
도 17을 참조하면, 상기 실리콘(17)과 접하는 제2 질화막(16)을 선택적으로 식각하여 제거한다(SS8).Referring to FIG. 17, the
상기 제2 질화막(16)의 제거는 인산(H3PO4)을 식각액으로 사용하고, 이때 인산은 질화막에 대한 식각비가 산화막 대비 20 내지 30배로 크기 때문에 선택적으로 제2 질화막(16)의 제거가 가능하다.The removal of the
이러한 제2 질화막(16)은 원래의 목적인 분리(isolation)하기 위한 공간을 만들어 주기 위해 형성한다. 즉 상기 제2 질화막(16)이 식각으로 인해 제거된 공간은 후속의 산화공정으로 인해 산화물인 실리콘 옥사이드(도 9의 19)로 채워진다.The
도 18을 참조하면, 상기 성장된 실리콘(17)을 둘러싸도록 열 산화 공정에 의해 실리콘 옥사이드(19)로 트렌치 내부를 매립한다(SS9).Referring to FIG. 18, the trench is filled with
상기 열 산화는 700 내지 1000 ℃에서 30 내지 90분간 산화 공정을 수행하여 실시하며, 이때 열 산화 시간은 실리콘 옥사이드(19)가 트렌치 내부를 채울 때까지 유지한다.The thermal oxidation is performed by performing an oxidation process at 700 to 1000 ° C. for 30 to 90 minutes, and the thermal oxidation time is maintained until the
도 19를 참조하면, 상기 실리콘(17) 및 실리콘 옥사이드(19)로 형성된 영역을 제외한 트렌치 내부를 필드 산화막(21)으로 갭 필링한다(SS10).Referring to FIG. 19, gaps of trenches other than regions formed of the
상기 필드 산화막에 대해선 상기 제1 구현예에서 언급한 바와 같이 SELOX 공정 후 에치백 공정을 수행함으로써 제조한다. 그 결과 종래 CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정이 단순화될 뿐만 아니라 높은 종횡비의 트렌치에 대해서도 효과적으로 갭 필링이 가능하여 반도체 소자의 분리 특성을 더욱 높인다.The field oxide film is manufactured by performing an etch back process after the SELOX process as mentioned in the first embodiment. As a result, the conventional CMP planarization process is unnecessary, which not only simplifies the process but also effectively fills gaps even for high aspect ratio trenches, thereby further increasing separation characteristics of the semiconductor device.
전술한 바의 제1 구현예 및 제2 구현예와 같이, 본 발명의 반도체 소자는 소자 분리를 위해 형성하는 트렌치 내부에 실리콘을 실리콘 기판으로부터 벌크 형태 로 수직 성장시킬 수 있으며, 상기 실리콘은 트렌치 전체 또는 일부 영역에 형성할 수 있다.Like the first and second embodiments described above, the semiconductor device of the present invention can vertically grow silicon in a bulk form from a silicon substrate in a trench formed for device isolation, and the silicon is formed in the entire trench. Or in some areas.
이러한 벌크 형태와 더불어 본 발명에 따른 반도체 소자는 트렌치 내부에 나노 와이어 형태의 실리콘을 수직으로 성장시켜 제조할 수 있다.In addition to the bulk shape, the semiconductor device according to the present invention may be manufactured by vertically growing nanowire-shaped silicon inside the trench.
도 20은 본 발명의 제3 구현예에 따른 반도체 소자를 보여주는 단면도이다.20 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device in accordance with a third embodiment of the present invention.
도 20을 참조하면, 상기 제3 구현예에 따른 반도체 소자는Referring to FIG. 20, the semiconductor device according to the third embodiment may be
소자 분리를 위한 트렌치가 형성된 실리콘 기판(50);A
상기 실리콘 기판(50)의 트렌치 내부에 형성된 측벽 산화막(51);A
상기 측벽 산화막(51) 상에 형성된 질화막(53);A
상기 질화막(53)과 접하며 트렌치 내부에 매립되도록 실리콘 기판(50)으로부터 질화막(53) 상에 수직 성장된 실리콘 나노 와이어(55); 및
상기 실리콘 나노 와이어(55)를 포함하여 트렌치를 갭 필링하도록 형성된 필드 산화막(57)을 포함한다.A
상기 제3 구현예에 따른 반도체 소자는 트렌치 내부에 실리콘 나노 와이어를 수직 성장시켜 나노 수준의 반도체 소자에도 적용하여 트렌치 내부의 보이드 발생 없이 효과적인 소자 분리를 가능케 한다.The semiconductor device according to the third embodiment may be applied to the nanoscale semiconductor device by vertically growing silicon nanowires in the trench to enable effective device isolation without generating voids in the trench.
이러한 제3 구현예에 따른 반도체 소자는The semiconductor device according to the third embodiment
(SSS1) 실리콘 기판 상에 패드 산화막 및 패드 질화막을 순차적으로 형성한 후 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;(SSS1) sequentially forming a pad oxide film and a pad nitride film on the silicon substrate and then etching to form a trench;
(SSS2) 상기 트렌치 내벽에 열 산화 공정에 의해 측벽 산화막을 형성하는 단 계;(SSS2) forming a sidewall oxide film on the inner wall of the trench by a thermal oxidation process;
(SSS3) 상기 측벽 산화막 상에 질화막을 증착하는 단계;(SSS3) depositing a nitride film on the sidewall oxide film;
(SSS4) 상기 트렌치 하부 영역의 질화막 상에 금속막을 증착하는 단계;(SSS4) depositing a metal film on the nitride film of the lower trench region;
(SSS5) 열처리를 통해 상기 금속막을 금속 입자로 전환시키는 단계;(SSS5) converting the metal film into metal particles through heat treatment;
(SSS6) 상기 금속 입자를 촉매로 하여 실리콘 나노 와이어를 수직 성장시키는 단계; (SSS6) vertical growth of silicon nanowires using the metal particles as a catalyst;
(SSS7) 상기 실리콘 나노 와이어의 팁에 존재하는 금속 입자를 평탄화 공정을 통해 제거하는 단계; 및(SSS7) removing the metal particles present at the tip of the silicon nanowires through a planarization process; And
(SSS8) 상기 수직 성장된 실리콘 나노 와이어를 둘러싸도록 트렌치 내부를 필드 산화막으로 갭 필링하는 단계를 거쳐 제조된다.(SSS8) is manufactured by gap filling the inside of the trench with a field oxide film to surround the vertically grown silicon nanowires.
특히 본 발명에서 상기 필드 산화막은 전술한 바와 같이 SELOX 공정 및 에치백 공정을 통해 제조되어 종래 CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정이 단순화될 뿐만 아니라 높은 종횡비의 트렌치를 효과적으로 갭 필링할 수 있다.In particular, in the present invention, the field oxide film is manufactured through the SELOX process and the etch back process as described above, so that the conventional CMP planarization process is unnecessary, thereby simplifying the process and effectively gap filling the high aspect ratio trench.
도 21 내지 도 29는 제3 구현예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 보여주는 모식도이다. 이때 (SSS1) 내지 (SSS3)의 단계는 제1 구현예에서 언급한 바를 따른다.21 to 29 are schematic views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with a third embodiment. At this time, the steps of (SSS1) to (SSS3) are as described in the first embodiment.
도 21을 참조하면, 실리콘 기판(50) 상에 패드 산화막(52) 및 패드 질화막(54)을 순차적으로 형성한 후 식각하여 트렌치를 형성한다(SSS1).Referring to FIG. 21, the
도 22를 참조하면, 상기 트렌치 내벽에 열 산화 공정에 의해 측벽 산화막(51)을 형성한다(SSS2).Referring to FIG. 22, a
도 23을 참조하면, 측벽 산화막(51) 상에 질화막(53)을 증착한다(SSS3).Referring to FIG. 23, a
도 24를 참조하면, 상기 트렌치 하부 영역의 질화막(53) 상에 금속막(56)을 증착한다(SSS4).Referring to FIG. 24, a
상기 금속막(56)은 통상적인 증착 방법을 이용하여 수행할 수 있으며, PVD, CVD, 전기증착(Electro deposition), 무전해 증착(Electroless deposition) 등이 가능하며, 바람직하기로 PVD 방법을 사용한다.The
상기 금속막(56)은 후속 공정에서 실리콘 나노 와이어(도 20의 55)의 촉매 역할을 하게 되는데, 이때 트렌치 내벽에 금속막(56)이 형성되는 경우 실리콘 나노 와이어(55)의 수직 성장이 곤란해진다. 이에 직선성이 높은 PVD로 금속막(56)을 증착하는 경우 트렌치 하부 영역에만 선택적으로 금속막(56)이 증착될 수 있다.The
상기 금속막(56)의 재질은 실리콘 나노 와이어(55)의 촉매로 알려진 금속 재질이면 어느 것이든 가능하며, 일예로 Au, Ni, Al, Co, Ti, Pt, Fe, Ta 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 이용하여 형성한다.The material of the
도 25를 참조하면, 열처리를 통해 금속막(56)을 금속 입자(58)로 전환시킨다(SSS5).Referring to FIG. 25, the
금속막(56)은 특정한 조건에서 열처리하는 경우 금속막(56)이 균일한 사이즈의 입자(particle 또는 droplet) 형태로 전환된다. 이러한 현상은 'Rayleigh Instability' 라 한다.When the
도 26은 Rayleigh Instability 현상을 보여주는 모식도이다. 도 26을 참조하면, (a)에서의 금속막(56)이 열처리를 통해 (b)와 같이 금속 입자(58) 형태로 전 환됨을 보여준다.26 is a schematic diagram showing a Rayleigh Instability phenomenon. Referring to FIG. 26, it is shown that the
본 발명에서는 상기 금속막(56)을 300 내지 700 ℃, 바람직하기로 400 내지 600 ℃에서 열처리하여 Rayleigh Instability 현상을 통해 금속 입자(58)로 전환시킨다.In the present invention, the
다음으로, 도 27을 참조하면, 상기 금속 입자(58)를 촉매로 하여 실리콘 나노 와이어(55)를 수직으로 성장시킨다(SSS6).Next, referring to FIG. 27, the
상기 실리콘 나노 와이어(55)는 CVD 장비를 이용하여 500 내지 900 ℃, 바람직하기로 600 내지 900 ℃의 H2 분위기에서 인-시튜(in-situ)로 반응 가스를 50 내지 400 sccm, 바람직하기로 50 내지 200 sccm의 속도로 흘려주어 성장시킨다. 상기 반응 가스는 DCS, TCS, 실란, HCl 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 이때 온도와 가스의 유량, 시간 등은 금속 촉매의 종류에 따라 달라진다.The silicon nanowires 55 are 50-400 sccm of the reaction gas in-situ in an H 2 atmosphere of 500 to 900 ° C., preferably 600 to 900 ° C., using CVD equipment. Grow by growing at a rate of 50 to 200 sccm. The reaction gas may be one selected from the group consisting of DCS, TCS, silane, HCl, and a combination thereof. At this time, the temperature, the flow rate of the gas, the time and the like depends on the type of the metal catalyst.
이때 실리콘 나노 와이어(55)는 촉매로 사용되는 금속 입자(58)를 후속 공정에서 제거하여야 하므로, 트렌치의 높이와 동등하거나 이보다 약간 높도록 형성하는 것이 바람직하다.At this time, since the
도 28을 참조하면, 상기 실리콘 나노 와이어(55)의 팁에 존재하는 금속 입자(58)를 평탄화 공정을 통해 제거한다(SS7).Referring to FIG. 28, the
도 29를 참조하면, 상기 수직 성장된 실리콘 나노 와이어(55)를 둘러싸도록 트렌치 내부를 필드 산화막(57)으로 갭 필링(SSS8)하여 도 20에 도시한 제3 구현예 의 반도체 소자를 제조한다.Referring to FIG. 29, the semiconductor device of the third exemplary embodiment illustrated in FIG. 20 is manufactured by gap filling (SSS8) the field inside of the trench with the
특히 본 발명에서 상기 필드 산화막은 전술한 바와 같이 SELOX 공정 및 에치백 공정을 통해 제조되어 종래 CMP 평탄화 공정이 불필요하여 공정이 단순화될 뿐만 아니라 높은 종횡비의 트렌치를 효과적으로 갭 필링하여 반도체 소자의 분리 특성을 향상시킨다.In particular, in the present invention, the field oxide film is manufactured through the SELOX process and the etch back process as described above, so that the conventional CMP planarization process is unnecessary, thereby simplifying the process and effectively gap filling the high aspect ratio trench to effectively isolate the semiconductor device. Improve.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자는 트렌치의 구조가 종래와 달리 트렌치 상, 하부의 폭을 동일하게 한 수직 프로파일 형태로 제작하고, 상기 트렌치 내부에 선택적 에피택셜 성장방법을 이용하여 실리콘을 수직 성장시키고 선택적 산화막 성장방법을 이용하여 실리콘 상에 선택적으로 산화막을 성장시킨 후 에치백 공정을 수행하여 종래와 같이 CMP 평탄화 공정을 수행하지 않고도 높은 종횡비의 트렌치를 보이드 발생 없이 분리하고, 공정을 단순화시킬 뿐만 아니라 소자 분리 특성을 더욱 향상시킨다.As described above, the semiconductor device according to the present invention is manufactured in the form of a vertical profile in which the structure of the trench has the same width on the trench as in the prior art, and the silicon is perpendicular to the trench by using the selective epitaxial growth method. By growing the oxide film selectively on the silicon using the selective oxide film growth method, the etch back process is performed to isolate the high aspect ratio trench without voiding and simplify the process without performing the CMP planarization process as in the prior art. In addition, the device isolation characteristics are further improved.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070057100A KR20080109151A (en) | 2007-06-12 | 2007-06-12 | Manufacturing method of semiconductor device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9768053B2 (en) | 2014-12-04 | 2017-09-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Active structures of a semiconductor device and methods of manufacturing the same |
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2007
- 2007-06-12 KR KR1020070057100A patent/KR20080109151A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20070612 |
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PG1501 | Laying open of application | ||
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