KR20090123505A - Method of forming an isolation layer in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법에 관한 것으로, 특히 SOD(Spin On Dielectric) 방식을 이용한 트렌치 갭 필(Gap-Fill) 공정 시, 플로팅 게이트용 도전막의 측벽 손실을 방지할 수 있는 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a device isolation layer of a semiconductor device, and more particularly, to a sidewall loss of a conductive film for a floating gate during a trench gap fill process using a spin on dielectric (SOD) method. It relates to a device isolation film forming method.
반도체 소자의 고집적화에 따라 소자 분리막 형성 공정이 더욱더 어려워지고 있다. 이에 따라, 반도체 기판에 트렌치를 형성한 후 이를 매립하는 STI(Shallow Trench Isolation) 방법을 이용하여 소자 분리막을 형성하고 있다. 한편, STI 방법에도 여러 가지 방법이 있는데 그 중에서 반도체 기판 상에 적층된 터널 절연막, 폴리실리콘막 및 하드 마스크막을 순차적으로 식각하여 트렌치를 형성하고, 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상에 산화막을 형성하는 방법이 예컨대 NAND형 플래시 메모리 소자에 적용되고 있다. 그러나, 고집적화된 소자의 경우, 트렌치의 입구 폭에 비해 트렌치 깊이가 깊기 때문에 큰 종횡비(Aspect Ratio)로 인해 기존에 사용하였던 고밀도 플라즈마(High Density Plasma; HDP) 산화막으로는 보이드(Void) 없이 트렌치를 완전히 갭 필(Gap-Fill)하여 소자 분리막을 형성하기가 더욱더 어려워지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 보이드 없이 트렌치를 갭 필하기 위해 사용되는 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.As the semiconductor devices are highly integrated, the process of forming a device isolation layer is becoming more difficult. Accordingly, an isolation layer is formed by using a shallow trench isolation (STI) method in which a trench is formed in a semiconductor substrate and then embedded. On the other hand, there are a number of methods for the STI method, among which a tunnel insulating film, a polysilicon film and a hard mask film stacked on a semiconductor substrate are sequentially etched to form a trench, and an oxide film is formed on the entire structure to fill the trench. This is applied to, for example, a NAND flash memory device. However, in the case of highly integrated devices, since the trench depth is deeper than the inlet width of the trench, the trench is formed without a void using a high density plasma (HDP) oxide film that has been used due to the large aspect ratio. It is becoming more difficult to form a device isolation film by fully gap filling. In order to solve this problem, research is being actively conducted on materials used to gap fill trenches without voids.
상기 문제를 해결하기 위한 방법 중에 PSZ(Polysilazane)를 이용한 SOD(Spin On Dielectric) 방식으로 트렌치를 완전히 갭 필하는 방법이 있다. PSZ 물질은 점도가 낮아 물처럼 흐르는 성질을 가지기 때문에 트렌치를 완전히 갭 필할 수 있다. 이와 같이 PSZ 물질로 소자 분리막을 형성할 경우 갭 필에는 유리하지만 신뢰성 문제에 있어서 취약하다. 이로 인해, 최근에는 PSZ 계열의 물질을 도포한 후 이를 큐어링(Curing)한 다음 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정으로 평탄화하고, 이후에 습식 에치백(Wet Etchback) 공정으로 PSZ막의 두께를 낮춰 후속한 갭 필 마진을 확보한 다음 적정 두께의 HDP 산화막을 증착하는 공정을 반복 실시하여 소자 분리막을 형성하고 있다.Among the methods for solving the above problem, there is a method of completely gap filling the trench by a spin on dielectric (SOD) method using polysilazane (PSZ). The PSZ material has a low viscosity and flows like water, so the trench can be completely gap filled. As such, when the device isolation layer is formed of the PSZ material, it is advantageous for the gap fill but is weak in reliability. For this reason, recently, PSZ-based materials are coated, cured, and then planarized by chemical mechanical polishing (CMP), followed by wet etchback process. By lowering the subsequent gap fill margin to secure a subsequent gap to form an appropriate thickness of the HDP oxide film is repeated to form a device isolation film.
그러나, PSZ 물질은 내부에 불순물과 수분이 많이 함유되어 있어 터널 절연막과 인접하게 형성될 경우 터널 절연막이 열화된다. 따라서, PSZ막 하부에 HDP 산화막을 라이너(Liner) 형태로 형성하여 터널 절연막이 PSZ막 내부에 함유되어 있는 불순물로 인해 오염되는 것을 방지한다. 하지만, 신뢰성 확보를 위한 HDP 산화막 형성 시 플라즈마 데미지(Plasma Damage)에 의해 플로팅 게이트용 폴리실리콘막의 측벽이 손실(Loss)되는 문제가 발생한다. 이는 플로팅 게이트 면적의 감소에 의한 커플링 비(Couplig Ratio) 저하를 초래하여 소자의 동작 특성을 저하시킨다.However, the PSZ material contains a lot of impurities and moisture therein so that the tunnel insulation film is deteriorated when the PSZ material is formed adjacent to the tunnel insulation film. Accordingly, the HDP oxide film is formed under the PSZ film in the form of a liner to prevent the tunnel insulating film from being contaminated by impurities contained in the PSZ film. However, when forming the HDP oxide layer to secure the reliability, a problem occurs in that the sidewall of the floating silicon polysilicon layer is lost due to plasma damage. This results in a decrease in coupling ratio due to the reduction of the floating gate area, thereby lowering the operation characteristics of the device.
본 발명은 SOD(Spin on Dielectric) 방식을 이용한 트렌치 갭 필(Gap-Fill) 공정 시, 플로팅 게이트용 도전막의 측벽에 HTO(High Temperature Oxide)막과 질화막이 적층된 이중 구조의 라이너 절연막 형성을 통해 후속한 갭 필 확보를 위한 습식 식각 및 HDP 산화막 증착 과정에서 플로팅 게이트용 도전막의 측벽 손실을 방지할 수 있는 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법을 제공함에 있다.In the trench gap fill process using a spin on dielectric (SOD) method, the present invention provides a double layer liner insulating film in which a high temperature oxide (HTO) film and a nitride film are stacked on the sidewalls of a conductive film for a floating gate. A method of forming a device isolation layer of a semiconductor device capable of preventing sidewall loss of a conductive film for a floating gate during wet etching and HDP oxide deposition in order to secure a gap fill.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법은, 소자 분리 마스크를 이용한 식각 공정으로 반도체 기판의 소자 분리 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 측벽 산화막, 제1 및 제2 라이너 절연막 및 제1 절연막을 순차적으로 형성하여 트렌치를 채우는 단계와, 제1 절연막을 식각하여 제1 절연막의 일부를 트렌치 하부에 잔류시키는 단계와, 잔류된 제1 절연막 및 제2 라이너 절연막 상에 제2 및 제3 절연막을 형성하여 트렌치를 채우는 단계와, 제3 절연막을 제거하는 단계 및 잔류된 제2 절연막 상에 제4 절연막을 형성하여 트렌치를 채우는 단계를 포함한다.In an embodiment, a method of forming a device isolation layer of a semiconductor device may include forming a trench in an isolation region of a semiconductor substrate by an etching process using a device isolation mask, a sidewall oxide layer, first and second liner insulating layers, Forming a first insulating film sequentially to fill the trench; etching the first insulating film to leave a portion of the first insulating film under the trench; and forming a second insulating film on the remaining first insulating film and the second liner insulating film. Forming an insulating film to fill the trench; removing the third insulating film; and forming a fourth insulating film on the remaining second insulating film to fill the trench.
상기에서, 트렌치 형성 후, 반도체 기판의 활성 영역에 터널 절연막, 도전막 및 소자 분리 마스크의 적층막이 형성된다. In the above, after the trench is formed, a laminated film of a tunnel insulating film, a conductive film and an element isolation mask is formed in the active region of the semiconductor substrate.
제1 라이너 절연막은 HTO(High Temperature Oxide; HTO)막으로 형성된다.The first liner insulating layer is formed of a high temperature oxide (HTO) film.
HTO막은 디클로로실란(SiH2Cl2, dichlorosilane; DCS) 가스를 실리콘 소스로 사용하는 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법으로 형성된다.The HTO film is formed by a Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) method using dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 , dichlorosilane; DCS) gas as a silicon source.
제2 라이너 절연막은 질화막으로 형성된다.The second liner insulating film is formed of a nitride film.
상기 제2 라이너 절연막은 상기 제1 절연막의 식각 공정 및 상기 제2 절연막의 증착 과정에서 상기 터널 절연막의 측벽에 형성된 상기 제2 라이너 절연막이 제거될 수 있는 두께로 형성된다.The second liner insulating layer is formed to a thickness such that the second liner insulating layer formed on sidewalls of the tunnel insulating layer may be removed during the etching process of the first insulating layer and the deposition process of the second insulating layer.
제2 라이너 절연막은 30 내지 60Å의 두께로 형성된다.The second liner insulating film is formed to a thickness of 30 to 60 kPa.
제1 및 제3 절연막은 SOD(Spin on Dielectric) 절연막으로 형성된다. SOD 절연막은 PSZ(Polysilazane)막으로 형성된다. PSZ막은 PSZ 물질을 코팅한 후 제1 및 제2 큐어링(Curing)한 다음 어닐링(Annealing)하여 형성된다.The first and third insulating films are formed of a spin on dielectric (SOD) insulating film. The SOD insulating film is formed of a PSZ (Polysilazane) film. The PSZ film is formed by coating the PSZ material, followed by first and second curing and annealing.
코팅은 350 내지 400℃의 온도에서 스핀 코팅(Spin Coating) 방식으로 실시된다. 제1 큐어링은 촉매 수증기 발생(Catalytic Water Vapor Generator; c-WVG) 방식을 이용하여 300 내지 500℃의 온도에서 실시된다. 제2 큐어링은 촉매 수증기 발생 방식을 이용하여 550 내지 700℃의 온도에서 실시된다. 어닐링은 N2 가스 분위기의 850 내지 1000℃의 온도에서 실시된다.Coating is carried out by spin coating at a temperature of 350 to 400 ℃. The first curing is performed at a temperature of 300 to 500 ° C. using a catalytic water vapor generator (c-WVG) method. The second curing is carried out at a temperature of 550-700 ° C. using catalytic steam generation. Annealing is carried out at a temperature of 850 to 1000 ° C. in an N 2 gas atmosphere.
제1 및 제3 절연막은 습식 식각 공정으로 식각되거나 또는 제거된다.The first and third insulating layers are etched or removed by a wet etching process.
습식 식각 공정은 BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 HF 용액을 사용하는 습식 에치백(Wet Etch Back) 공정으로 실시된다.The wet etch process is performed by a wet etch back process using a buffered oxide etchant (BOE) or HF solution.
제1 절연막을 식각하는 과정에서 제2 라이너 절연막의 측벽 일부가 함께 식각된다.A portion of the sidewalls of the second liner insulating layer is etched together in the process of etching the first insulating layer.
제3 절연막을 제거하는 과정에서 제2 절연막의 측벽이 함께 식각되어 소자 분리 영역의 종횡비가 증가된다.In the process of removing the third insulating layer, sidewalls of the second insulating layer are etched together to increase the aspect ratio of the device isolation region.
제2 및 제4 절연막은 HDP(High Density Plasma) 산화막으로 형성된다.The second and fourth insulating films are formed of HDP (High Density Plasma) oxide films.
제2 절연막 증착 시 제1 라이너 절연막의 측벽에 잔류된 제2 라이너 절연막이 산화된다.During deposition of the second insulating layer, the second liner insulating layer remaining on the sidewall of the first liner insulating layer is oxidized.
라이너 절연막에 의해 제1 절연막의 식각 공정 및 제2 절연막의 증착 과정에서 도전막의 측벽이 보호된다.The sidewalls of the conductive film are protected by the liner insulating film during the etching of the first insulating film and the deposition of the second insulating film.
본 발명은 SOD(Spin on Dielectric) 방식을 이용한 트렌치 갭 필(Gap-Fill) 공정 시, 플로팅 게이트용 도전막의 측벽에 HTO(High Temperature Oxide)막과 질화막이 적층된 이중 구조의 라이너 절연막 형성을 통해 후속한 갭 필 확보를 위한 습식 식각 및 HDP 산화막 증착 과정에서 플로팅 게이트용 도전막의 측벽 손실을 방지하여 플로팅 게이트의 면적 감소에 의한 커플링 비(Couplig Ratio) 저하를 억제함에 따라 소자의 동작 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.In the trench gap fill process using a spin on dielectric (SOD) method, the present invention provides a double layer liner insulating film in which a high temperature oxide (HTO) film and a nitride film are stacked on the sidewalls of a conductive film for a floating gate. Prevents sidewall loss of the conductive film for the floating gate during wet etching and HDP oxide deposition to secure the gap fill, thereby reducing the coupling ratio due to the reduction of the floating gate area, thereby degrading the operation characteristics of the device. Can be prevented.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 보다 상세히 설명 한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below, but should be understood by those of ordinary skill in the art. It is preferred that the present invention be interpreted as being provided to more fully explain the invention.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플래시 메모리 소자의 소자 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of forming a device isolation layer of a flash memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 터널 절연막(102), 플로팅 게이트용 도전막(104) 및 소자 분리 마스크(106)를 순차적으로 형성한다. 터널 절연막(102)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성할 수 있으며, 이 경우 산화(Oxidation) 공정으로 형성할 수 있다. 바람직하게, 터널 절연막(102)은 습식 산화(Wet Oxidation) 공정을 이용하여 70 내지 80Å의 두께로 형성하며, 후속 공정인 N2O 가스 분위기에서 실시하는 어닐링 공정을 통해 터널 절연막(102) 내에 질소(Nitrogen; N)를 포함시켜 트랩 밀도(Trap Density)를 줄이고 신뢰성을 향상시킨다. 플로팅 게이트용 도전막(104)은 플래시 메모리 소자의 플로팅 게이트(Folating Gate)로 사용하기 위한 것으로, 폴리실리콘막, 금속층 또는 이들의 적층막으로 형성할 수 있으며, 바람직하게 도프트 폴리실리콘(Doped Polysilicon)막으로 형성할 수 있다. 플로팅 게이트용 도전막(104)은 터널 절연막(102)과 이후에 형성될 플로팅 게이트(미도시) 간 계면에서의 불순물(예를 들어, 인(P))의 농도를 낮추기 위해 언도프트 폴리실리콘(Undoped Polysilicon)막과 도프트 폴리실리콘막의 적층 구조 로 형성하는 것이 더욱 바람직하며, 500 내지 550℃의 온도에서 300 내지 1500Å 정도의 두께로 형성할 수 있다. 플로팅 게이트용 도전막(104)을 형성한 후에는 열처리 공정을 실시하여 도프트 폴리실리콘막으로부터 언도프트 폴리실리콘막으로 불순물을 확산시킨다. 열처리 공정은 급속열처리(Rapid Thermal Process; RTP) 공정으로 실시할 수 있다.Referring to FIG. 1A, a tunnel
소자 분리 마스크(106)는 후속한 트렌치 형성 시 식각 마스크로 사용하고, 플로팅 게이트용 도전막(104)의 상부 손실(loss)을 방지하기 위한 것으로, 버퍼 절연막(미도시), 하드 마스크용 질화막(108) 및 하드 마스크용 산화막(110)의 적층 구조로 형성할 수 있다. 버퍼 절연막 및 하드 마스크용 산화막(110)은 생략 가능하며, 이를 형성할 경우에는 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법을 이용한 산화막으로 각각 약 30 내지 100Å의 두께, 100 내지 400Å의 두께로 형성할 수 있다. 하드 마스크용 질화막(108)은 후속한 소자 분리막 형성을 위한 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정에서 연마 정지막으로 사용하기 위하여 질화막 계열의 물질로 형성하며, LPCVD 방법을 이용하여 300 내지 1000Å의 두께로 형성할 수 있다.The
이어서, 소자 분리 영역의 소자 분리 마스크(106), 플로팅 게이트용 도전막(104), 터널 절연막(102) 및 반도체 기판(100)의 일부를 식각하여 트렌치(112)를 형성한다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 소자 분리 마스크(106) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포하고 노광 및 현상 공정을 실시하여 소자 분리 영역의 소자 분리 마스크(106)를 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이어 서, 포토레지스트 패턴을 이용한 식각 공정으로 소자 분리 마스크(106)의 소자 분리 영역을 식각한다. 이후, 포토레지스트 패턴을 제거한다. 계속해서, 소자 분리 마스크(106)를 이용한 식각 공정으로 플로팅 게이트용 도전막(104) 및 터널 절연막(102)을 식각한다. 이로써, 소자 분리 영역의 반도체 기판(100)이 노출된다. 소자 분리 마스크(106), 플로팅 게이트용 도전막(104) 및 터널 절연막(102)을 식각하는 과정에서 소자 분리 마스크(106)의 하드 마스크용 산화막(110)도 일정 두께만큼 식각된다. 이어서, 노출된 소자 분리 영역의 반도체 기판(100)을 일정 깊이 식각한다. 이로써, 소자 분리 영역에 트렌치(112)가 형성된다. 이렇게, 트렌치(112)는 반도체 기판(100)에 ASA-STI(Advanced Self Align-Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 형성하는 것이 바람직하다.Next, the
도 1b를 참조하면, 트렌치(112)를 형성하기 위한 식각 공정에 의해 발생된 데미지(Damage)를 보상하기 위하여 측벽 산화(Wall Oxidation) 공정을 실시한다. 이때, 측벽 산화 공정은 소자 분리 마스크(106)의 산화를 돕고 터널 절연막(102)의 양끝에서 발생하는 스마일링(Smiling) 현상을 최소화하기 위하여 래디컬 산화(Radical Oxidation) 공정으로 실시하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1B, a wall oxidization process is performed to compensate for damage generated by an etching process for forming the
이로써, 래디컬 산화 공정을 통해 트렌치(112)의 측벽 및 저면 뿐만 아니라 노출된 터널 절연막(102), 플로팅 게이트용 도전막(104) 및 소자 분리 마스크(106)의 표면이 소정의 두께만큼 산화되어 식각 손상층(미도시)이 측벽 산화막(114)으로 형성된다. 측벽 산화막(114)은 터널 절연막(102)의 스마일링을 억제하면서 충분한 트렌치(112)에 대한 데미지 보상이 될 수 있도록 20 내지 100Å의 두께로 형성할 수 있다.Accordingly, the surface of the exposed
이어서, 트렌치(112)의 일부가 채워지도록 트렌치(112)를 포함한 측벽 산화막(114) 상에 이중 구조의 라이너 절연막(120)을 형성한다. 라이너 절연막(120)은 제1 및 제2 라이너 절연막(116, 118)의 적층막으로 형성한다. 이때, 제1 절연막(116)은 이후에 형성될 PSZ(Polysilazane)막의 큐어링(Curing) 공정 시 아웃가싱(Out Gasing) 되는 H2 또는 SiH2의 침해 및 도즈 이온 이동(Dose Ion Moving) 등에 의해 터널 절연막(102)이 열화되는 것을 방지하기 위하여 신뢰성이 검증된 물질을 이용하여 형성해야 한다. 또한, 후속한 갭 필 마진(Gap-Fill Margin) 확보 및 식각 선택비를 확보할 목적으로 진행하는 습식 식각(Wet Etch) 공정 시 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽이 손실되는 것을 방지하기 위하여 PSZ막보다 낮은 식각 속도비를 갖는 물질을 이용하여 라이너 형태로 형성한다. 이를 위해, 제1 라이너 절연막(116)은 PSZ막에 비해 낮은 식각 속도비를 갖고, 스텝 커버리지(Step Coverage) 특성이 비교적 우수한 고온산화(High Temperature Oxide; HTO)막으로 형성한다. HTO막은 디클로로실란(SiH2Cl2, dichlorosilane; DCS) 가스를 실리콘 소스로 사용하여 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 방법으로 형성하며, 이후에 형성될 불순물을 많이 포함하는 PSZ막과 터널 절연막(102)과의 접촉을 최대한 억제할 수 있도록 50 내지 300Å의 두께로 형성할 수 있다. 이러한 HTO막은 후속한 써멀 버짓(Thermal Budget)에 의해 식각 비가 약간 감소되는 특징을 갖는다.Next, the
제2 라이너 절연막(118)은 후속한 갭 필 마진 확보 및 식각 선택비를 확보할 목적으로 진행하는 습식 식각 공정 시 제1 라이너 절연막(116)의 손실을 억제하여 최종적으로 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽이 손실되는 것을 방지하기 위한 것으로, PSZ막보다 낮은 식각 속도비를 갖는 물질을 이용하여 라이너 형태로 형성한다. 바람직하게, 제2 라이너 절연막(118)은 질화물 계열의 물질을 이용한 질화막으로 형성하며, 600 내지 750℃의 온도에서 후속한 습식 식각 공정 및 HDP 산화막 증착 공정에 의해 터널 절연막(102) 측벽의 질화막이 모두 제거될 수 있도록 30 내지 60Å의 두께로 형성한다.The second
종래에는 PSZ막을 이용한 트렌치 갭 필 공정 시 신뢰성 확보를 위해 플로팅 게이트용 도전막의 측벽에 HDP 산화막을 형성했기 때문에 HDP 산화막 증착 시 플라즈마 데미지(Plasma Damage)에 의해 플로팅 게이트용 폴리실리콘막의 측벽이 손실되는 문제가 발생하였다. 또한, 라이너 절연막으로 질화막의 단일막을 사용할 경우 후속한 HDP 산화막 증착 공정에서 질화막이 완전히 산화될 타겟(Target)을 얻기 힘들고, 얻었다고 해도 HDP 산화막 증착에 의해 산화되는 질화막의 두께 마진이 작아 산화막의 품질이 중요한 터널 절연막의 측벽에 질화막이 잔존하여 신뢰성에 취약한 구조를 가졌다.Conventionally, since the HDP oxide film is formed on the sidewall of the conductive film for the floating gate to secure the reliability during the trench gap fill process using the PSZ film, the sidewall of the floating gate polysilicon film is lost by the plasma damage when the HDP oxide film is deposited. Occurred. In addition, when a single film of a nitride film is used as the liner insulating film, it is difficult to obtain a target to completely oxidize the nitride film in the subsequent HDP oxide film deposition process, and even if obtained, the thickness of the nitride film oxidized by the HDP oxide film deposition is small. The nitride film remained on the sidewall of this important tunnel insulating film, and had a structure vulnerable to reliability.
하지만, 본 발명에서는 LPCVD를 이용한 HTO막과 질화막의 이중 구조로 라이너 절연막(120)을 형성한다. 이에 따라, 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽에 HTO막을 증착하는 과정에서 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽이 손실되는 것을 방지한다. 또한, 터널 절연막(102)의 측벽에 질화막이 직접 맞닿거나 잔존하는 것 을 방지하면서 후속한 갭 필 마진 확보를 위한 습식 식각 공정 및 HDP 산화막 증착 공정의 공정 마진을 확보하여 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽이 손실되는 것을 방지할 수 있다. 이는 HDP 산화막 증착 전에 미리 증착된 질화막이 HDP 산화막 증착 시 플라즈마에 의해 산화되어 플로팅 게이트용 도전막(104) 측벽의 어택(Attack)을 방지하는 버퍼 역할을 수행하기 때문이다. 그리고, 질화막 증착 전 먼저 증착해주는 HTO막은 질화막이 HDP 산화막 증착에 의해 손실되는 량이 오버(over)될 경우에도 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽을 보호하는 2차 버퍼 역할을 수행해 주기 때문이다.However, in the present invention, the
도 1c를 참조하면, 트렌치(112)가 채워지도록 트렌치(112)를 포함한 라이너 절연막(120) 상에 제1 절연막(122)을 형성한다. 제1 절연막(122)은 유동성이 있어 트렌치(112)의 매립 특성이 가장 우수한 SOD(Spin on Dielectric) 절연막으로 형성한다. SOD 절연막을 형성하기 위하여 PSZ(polysilazane) 계열의 케미컬(Chemical)을 사용할 수 있다. 따라서, SOD 절연막은 PSZ막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1C, the first insulating
제1 절연막(122)을 PSZ막으로 형성할 경우, PSZ 물질을 코팅한 후 큐어링(Curing)한 다음 어닐링하여 형성한다. 코팅 공정은 350 내지 400℃의 온도에서 PSZ 물질이 3000 내지 6000Å 정도의 두께를 갖도록 스핀 코팅(Spin Coating) 방식을 이용하여 실시할 수 있다. PSZ 물질의 코팅 공정을 실시할 때에는 물질 자체의 점도가 낮아 흐르는 성질이 있으므로 트렌치(112)를 보이드(Void) 없이 채울 수 있다.When the first insulating
PSZ막은 내부의 불순물 및 수분을 많이 포함하고 있기 때문에 이를 제거하고 식각 비를 높이기 위해 제1 및 제2 큐어링 공정을 연속적으로 실시한 다음 최종적으로 어닐링 공정을 실시하여 형성할 수 있다. 제1 큐어링 공정은 촉매 수증기 발생(Catalytic Water Vapor Generator; c-WVG) 방식을 이용하여 300 내지 500℃의 온도에서 실시할 수 있다. 이때, 제1 큐어링 공정 완료 후, Si, H 및 N으로 이루어진 PSZ 물질에서 N이 탈착되고, H가 O로 치환되어 SiO2막으로 이루어지는 고형화된 PSZ막이 형성된다. 제2 큐어링 공정은 c-WVG 방식을 이용하여 550 내지 700℃의 온도에서 실시할 수 있다. 어닐링 공정은 N2 가스 분위기의 850 내지 1000℃의 온도에서 실시할 수 있다. 제2 큐어링 공정 및 어닐링 공정 후에는 PSZ막이 더욱 치밀화되어 PSZ막의 식각 비를 제어할만한 수준으로 낮출 수 있다.Since the PSZ film contains a lot of impurities and moisture therein, the PSZ film may be formed by continuously performing the first and second curing processes and then performing an annealing process in order to remove them and increase the etching ratio. The first curing process may be performed at a temperature of 300 to 500 ° C. using a catalytic water vapor generator (c-WVG) method. At this time, after completion of the first curing process, N is desorbed from the PSZ material composed of Si, H, and N, and H is substituted with O to form a solidified PSZ film formed of a SiO 2 film. The second curing process may be performed at a temperature of 550 to 700 ° C using the c-WVG method. The annealing step can be carried out at a temperature of 850 to 1000 ° C. in an N 2 gas atmosphere. After the second curing and annealing processes, the PSZ film may be further densified to lower the etching ratio of the PSZ film to a controllable level.
PSZ막은 HDP 산화막에 비하여 매립 특성은 매우 양호하나, 습식 에천트(wet etchant)에 대해 식각 속도가 빨라 후속한 공정에서 사용되는 습식 에천트에 노출되게 되면 급격하게 손실되어 소자적인 문제가 유발되는 단점이 있다. 이에, 후속 공정에서 PSZ막이 노출되지 않도록 PSZ막의 두께를 낮출 필요가 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.PSZ film has better landfill characteristics than HDP oxide film, but its etching rate is faster than that of wet etchant, and it is rapidly lost when exposed to wet etchant used in subsequent processes. There is this. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the PSZ film so that the PSZ film is not exposed in a subsequent step. This will be described later.
이어서, 하드 마스크용 질화막(108)이 노출되는 시점까지 측벽 산화막(114), 라이너 절연막(120) 및 제1 절연막(122)에 대한 평탄화 공정을 실시하여 트렌치(112)가 형성된 소자 분리 영역에만 측벽 산화막(114), 라이너 절연막(120) 및 제1 절연막(122)을 잔류시킨다. 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 이용하여 실시하는 것이 바람직하며, 하드 마 스크용 질화막(108)을 연마 정지막으로 하여 실시한다.Next, the planarization process is performed on the
도 1d를 참조하면, 트렌치(112) 저면을 바텀 업(bottom-up) 시켜 소자 분리 영역의 종횡비가 증가되도록 제1 절연막(122)의 일부를 식각한다. 식각 공정은 습식 식각 공정으로 실시하며, 바람직하게 습식 에치백(Wet Etch Back) 공정으로 실시할 수 있다. 습식 에치백 공정 시 식각액으로는 BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 HF 용액을 사용할 수 있다. 이때, 습식 에치백 공정은 후속한 갭 필 마진을 확보하고, 식각 선택비를 확보할 목적으로 공정 시간을 적절히 조절하여 제1 절연막(122)이 활성 영역의 반도체 기판(100) 표면보다 낮아지도록 실시한다.Referring to FIG. 1D, a portion of the first insulating
따라서, 식각 공정에 의해 제2 라이너 절연막(118)보다 식각 비가 높은 제1 절연막(122)이 빠르게 식각되어 트렌치(112) 하부에만 제1 절연막(122)이 잔류됨으로써 트렌치(112) 저면이 바텀 업 되어 소자 분리 영역의 종횡비가 증가되므로 후속한 증착 공정의 갭 필 마진이 확보된다. 한편, 제1 절연막(122) 식각 과정에서 제2 라이너 절연막(118)의 측벽이 일부 두께만큼 함께 식각될 수 있다. 하지만, 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽에는 제1 절연막(122)보다 식각 비가 낮은 제1 및 제2 라이너 절연막(116, 118)이 형성되므로 제1 절연막(122) 식각 시 플로팅 게이트용 도전막(104)은 노출되지 않고 제1 라이너 절연막(116) 및 잔류된 제2 라이너 절연막(118)에 의해 보호되게 된다.Accordingly, the first insulating
이어서, 트렌치(112)의 일부가 채워지도록 잔류된 제1 절연막(122), 잔류된 제2 라이너 절연막(118), 제1 라이너 절연막(116) 및 하드 마스크용 질화막(108) 상에 라이너 형태의 제2 절연막(124)을 형성한다. 바람직하게, 제2 절연막(124)은 고밀도플라즈마(High Density Plasma; HDP) 산화막을 이용하여 150 내지 1000Å의 두께로 형성할 수 있다. HDP 산화막으로 이루어진 제2 절연막(124)은 HDP 방식의 증착 특성상 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽에서보다 잔류된 제1 절연막(122) 상부 및 플로팅 게이트용 도전막(104)의 상부에서 두껍게 형성된다.Subsequently, the first insulating
특히, HDP 산화막으로 이루어진 제2 절연막(124) 증착 시에는 HDP 산화막과 맞닿는 부분에 잔류된 제2 라이너 절연막(118)이 모두 산화되므로 터널 절연막(102)의 측벽에는 제2 라이너 절연막(118)이 남지 않게 된다.In particular, when the second
도 1e를 참조하면, 트렌치(112)가 채워지도록 트렌치(112)를 포함한 제2 절연막(124) 상에 제3 절연막(126)을 형성한다. 제3 절연막(126)은 유동성이 있어 트렌치(112)의 매립 특성이 가장 우수한 SOD 절연막으로 형성한다. 이때, SOD 절연막을 형성하기 위하여 PSZ 계열의 케미컬을 사용할 수 있다. 따라서, SOD 절연막은 PSZ막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1E, the third insulating
제3 절연막(126)을 PSZ막으로 형성할 경우, PSZ 물질을 코팅한 후 큐어링한 다음 어닐링하여 형성할 수 있다. 코팅 공정은 350 내지 400℃의 온도에서 PSZ 물질이 3000 내지 6000Å 정도의 두께를 갖도록 스핀 코팅 방식을 이용하여 실시할 수 있다. PSZ 물질의 코팅 공정을 실시할 때에는 물질 자체의 점도가 낮아 흐르는 성질이 있으므로 트렌치(112)를 보이드 없이 채울 수 있다.When the third insulating
PSZ막은 내부의 불순물 및 수분을 많이 포함하고 있기 때문에 이를 제거하고 식각 비를 높이기 위해 제1 및 제2 큐어링 공정을 연속적으로 실시한 다음 최종적으로 어닐링 공정을 실시하여 형성한다. 제1 큐어링 공정은 촉매 수증기 발생(c- WVG) 방식을 이용하여 300 내지 500℃의 온도에서 실시할 수 있다. 이때, 제1 큐어링 공정 완료 후, Si, H 및 N으로 이루어진 PSZ 물질에서 N이 탈착되고, H가 O로 치환되어 SiO2막으로 이루어지는 고형화된 PSZ막이 형성된다. 제2 큐어링 공정은 c-WVG 방식을 이용하여 550 내지 700℃의 온도에서 실시할 수 있다. 어닐링 공정은 N2 가스 분위기의 850 내지 1000℃의 온도에서 실시할 수 있다. 제2 큐어링 공정 및 어닐링 공정 후에는 PSZ막이 더욱 치밀화되어 PSZ막의 식각 비를 제어할만한 수준으로 낮출 수 있다.Since the PSZ film contains a lot of impurities and moisture therein, the first and second curing processes are successively performed to remove the impurities and increase the etching ratio, and then the annealing process is finally performed. The first curing process may be performed at a temperature of 300 to 500 ° C. using a catalytic steam generation (c-WVG) method. At this time, after completion of the first curing process, N is desorbed from the PSZ material composed of Si, H, and N, and H is substituted with O to form a solidified PSZ film formed of a SiO 2 film. The second curing process may be performed at a temperature of 550 to 700 ° C using the c-WVG method. The annealing step can be carried out at a temperature of 850 to 1000 ° C. in an N 2 gas atmosphere. After the second curing and annealing processes, the PSZ film may be further densified to lower the etching ratio of the PSZ film to a controllable level.
이어서, 하드 마스크용 질화막(108)이 노출되는 시점까지 제3 절연막(126)을 평탄화하여 트렌치(112)가 형성된 영역에만 제3 절연막(126)을 잔류시킨다. 평탄화 공정은 CMP 공정을 이용하여 실시하는 것이 바람직하며, 하드 마스크용 질화막(108)을 연마 정지막으로 하여 실시한다.Subsequently, the third
도 1f를 참조하면, 소자 분리 영역의 종횡비가 증가되도록 제3 절연막(도 1e의 126)을 식각하여 제거한다. 식각 공정은 습식 식각 공정으로 실시할 수 있으며, 바람직하게 습식 에치백 공정으로 실시할 수 있다. 습식 에치백 공정 시 식각액으로는 BOE 또는 HF 용액을 사용할 수 있다. 제3 절연막(126)의 습식 에치백 공정은 후속한 갭 필 마진을 확보하기 위하여 공정 시간을 적절히 조절하여 제3 절연막(126)을 모두 제거하는 조건으로 실시한다. 이 경우, 식각 공정에 의해 제2 절연막(124)보다 식각 비가 높은 제3 절연막(도 1e의 126)이 식각되면서 제2 절연막(124)의 측벽이 함께 식각되어 제1 라이너 절연막(116)의 측벽 일부가 노출된다. 이로써, 측벽에서의 일부 제2 절연막(124)이 제거되고, 트렌치(112) 저면의 제1 절연막(124) 상부에만 제2 절연막(124)이 잔류되어 소자 분리 영역의 종횡비가 증가된다.Referring to FIG. 1F, the third insulating
이어서, 트렌치(112)가 채워지도록 트렌치(112)를 포함한 잔류된 제2 절연막(124) 상에 제4 절연막(128)을 형성한다. 제4 절연막(128)은 HDP 산화막으로 형성한다. HDP 산화막으로 제4 절연막(128)을 형성하더라도 트렌치(112) 저면이 바텀 업되어 소자 분리 영역의 종횡비가 감소됨에 따라 보이드 없이 트렌치(112)를 갭 필 할 수 있다.Next, a fourth
상기한 바와 같이, 본 발명은 SOD 방식을 이용한 트렌치(112) 갭 필 공정 시, 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽에 HTO막과 질화막이 적층된 이중 구조의 라이너 절연막(120) 형성을 통해 후속한 갭 필 확보를 위한 습식 식각 및 HDP 산화막 증착 과정에서 식각 마진을 확보하여 플로팅 게이트용 도전막(104)의 측벽 손실을 방지할 수 있다. 이에 따라, 이후에 형성될 플로팅 게이트의 면적이 감소되는 것을 방지하여 셀의 커플링 비(couplig ratio) 저하를 방지함으로써 소자의 동작 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, during the gap fill process of the
본 발명은 상기에서 서술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 상기의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms, and the above embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to completely convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to inform you. Therefore, the scope of the present invention should be understood by the claims of the present application.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플래시 메모리 소자의 소자 분리막 형성 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of forming a device isolation layer of a flash memory device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 102 : 터널 절연막100
104 : 플로팅 게이트용 도전막 106 : 소자 분리 마스크 104: conductive film for floating gate 106: device isolation mask
108 : 하드 마스크용 질화막 110 : 하드 마스크용 산화막108: nitride film for hard mask 110: oxide film for hard mask
112 : 트렌치 114 : 측벽 산화막112
116 : 제1 라이너 절연막 118 : 제2 라이너 절연막116: first liner insulating film 118: second liner insulating film
120 : 라이너 절연막 122 : 제1 절연막120
124 : 제2 절연막 126 : 제3 절연막124: second insulating film 126: third insulating film
128 : 제4 절연막128: fourth insulating film
Claims (21)
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KR1020080049627A KR20090123505A (en) | 2008-05-28 | 2008-05-28 | Method of forming an isolation layer in semiconductor device |
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KR1020080049627A KR20090123505A (en) | 2008-05-28 | 2008-05-28 | Method of forming an isolation layer in semiconductor device |
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2008
- 2008-05-28 KR KR1020080049627A patent/KR20090123505A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |