KR100517351B1 - 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 실리콘 기판상에 패드 산화막(Pad Oxide)과 질화막(Nitride) 그리고 트렌치(trench)를 연속적으로 형성한 후 라이너 옥사이드(Liner-Oxide)층을 형성하고 상기 라이너 옥사이드층의 트렌치 상부 코너(corner) 부분을 제거해 주는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법은 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 질화막을 형성하고 상기 질화막과 패드 산화막, 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 형성된 기판을 열산화하여 상기 트렌치 내벽에 라이너 옥사이드층을 형성하는 단계; 상기 기판 전면을 아르곤 플라즈마에 의해 식각하여 상기 트렌치 상부 코너부분의 라이너 옥사이드층 및 질화막의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 트렌치를 산화막으로 충진하는 단계로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법은 아르곤(Ar+) 플라즈마를 이용한 건식식각을 통하여 트렌치 상부 코너 부분의 라이너 옥사이드와 하부 질화막의 일부를 제거해줌으로써 트렌치의 개구부가 넓어지고, 아르곤(Ar+) 입자에 의한 라이너 옥사이드 막의 표면처리 효과에 의해 O3-TEOS 산화막과의 계면특성이 개선됨으로써 트렌치 갭필(gap-fill)이 향상되어 종래 기술에 의해 야기될 수 있는 보이드(void)의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 실리콘 기판상에 패드 산화막(Pad Oxide)과 질화막(Nitride) 그리고 트렌치(trench)를 연속적으로 형성한 후 라이너 옥사이드(Liner-Oxide) 층을 형성하고 상기 라이너 옥사이드 층의 트렌치 상부 코너(corner) 부분을 제거해 주는 방법에 관한 것이다.
종래에는, 일반적으로 반도체 소자를 분리하는 방법으로 선택적으로 질화막을 이용하는 LOCOS(Local Oxidation of Sillicon, 이하 LOCOS) 소자 분리 방법이 이용되어 왔다. LOCOS 소자 분리 방법은 질화막을 마스크로 해서 실리콘 웨이퍼 자체를 열산화시키기 때문에 공정이 간소해서 산화막의 소자 응력 문제가 적고, 생성되는 산화막질이 좋다는 이점이 있다. 그러나, LOCOS 소자 분리 방법을 이용하면 소자 분리 영역이 크기 때문에 소자의 미세화에 한계가 있을 뿐만 아니라 버즈비크(bird's beak)가 발생하게 된다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 LOCOS 소자 분리 방법을 대체하는 기술로서 트렌치 소자 분리(Shallow Trench Isolation, 이하 STI)가 있다. 트렌치 소자 분리에서는 실리콘 웨이퍼에 트렌치를 만들어 절연물을 집어넣기 때문에 소자 분리 영역이 차지하는 면적이 작아서 소자의 미세화에 유리하다. 현재 적용되는 STI 공정은 반도체 기판을 건식식각하여 트렌치를 형성한 후 건식식각으로 인한 손상을 큐어링(curing)한 후, 계면특성 및 활성영역과 소자격리 영역의 모서리 라운딩 특성을 향상시키기 위해 트렌치 내부를 열산화하여 산화막을 형성하는 공정을 진행한다. 이 후 산화막이 형성된 트렌치를 메우도록 반도체 기판 전면에 절연막을 두껍게 증착하고 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP)를 진행하여 반도체 기판을 평탄화한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 STI 공정은 고집적화된 소자일수록 소자간 간격이 좁아짐과 동시에 트렌치 기울기(Trench Slope)도 거의 직각을 이룰 수 밖에 없다. 따라서 산화막의 갭필(gap-fill)이 이루어지지 않아 보이드(void)가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한 상기 트렌치를 갭필하는 산화막으로는 갭필 특성과 평탄화 특성이 양호한 O3-TEOS(O3-TetraEthylOrthoSilicate, 이하 O3-TEOS) 상압화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, 이하 APCVD) 산화막, 고밀도 플라즈마 화학기상증착(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 산화막이 주로 사용되어 오고 있다. 상기 O3-TEOS 산화막은 하지층의 막 종류, 하지층의 막 표면 전하의 종류 및 밀도 분포에 따라 적층율 및 식각율과 표면 형상이 상이해지는 특성을 가지고 있어서 모우트 습식 에칭(Moat-Wet Etch)이나 CMP 등의 후속공정 진행시 보이드를 유발할 수 있다. 도 1에서 상기와 같은 종래의 기술에 의해 완전한 갭필이 이루어지지 않아 형성된 보이드의 단면사진을 볼 수 있다.
상기의 문제를 해결하기 위한 종래의 기술로서, 대한민국 공개특허 제 2002-9196호에는 O3-TEOS 산화막의 하지층 종류에 따라 적층률이 상이해지는 특성을 이용하고 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 표면 전체에 패드 산화막과 질화막으로 이루어진 희생막(2)을 적층하고, 상기 반도체 기판의 필드영역을 노출시키고 나머지 영역을 마스킹하는 희생막의 패턴을 형성한다. 이어, 상기 희생막의 패턴을 마스킹 막으로 이용하고 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)에 의해 상기 필드영역의 반도체 기판을 일정 깊이만큼 식각하여 트렌치(3)를 형성한다. 그런 다음, 트렌치 내의 노출된 하면부 및 측면부에 고온의 퍼니스(furnace)를 이용한 저압 화학기상증착 공정에 의해 산화막(4)을 형성한다. 이어서 상기 트렌치의 측면부에만 산화막을 남김과 아울러 상기 트렌치의 하면부 상의 다결정 실리콘막을 노출시키고 플라즈마 처리를 한다. 이렇게 하면 상기 트렌치의 측면부에서보다 하면부에서의 O3-TEOS 산화막 적층률을 높임으로써, 트렌치의 종횡비가 큰 경우에도 완전한 갭필을 이룰 수 있다. 이어서 도 2b에 도시된 바와 같이, 상압 화학기상증착공정을 이용하여 트렌치를 채울 수 있을 정도의 두꺼운 두께로 O3-TEOS 산화막을 적층하여 상기 트렌치를 갭필한다. 이어서 상기 O3-TEOS 산화막을 어닐링한 후, 도면에 도시되지 않았으나, 상기 O3-TEOS 산화막을 화학기계적 연마공정에 의해 평탄화한다. 또한, 미국 특허 US 6,387,764에서는 트렌치 내부벽에 산화막을 먼저 생성한 후 O3-TEOS를 충진하는 종래의 공정순서를 따르지 않고, CVD(Chemical Vapor Deposition)방식으로 산화막을 먼저 충진한 후에 RTP(Rapid Thermal Process) 시스템을 이용해 트렌치 내부벽에 산화막을 형성함으로써 갭필을 향상시킨다고 보고하였다. 한편 대한민국 공개특허 제 2003-43445호에는 이중경사 구조를 가지는 트렌치를 형성함으로써, 상기 트렌치 상부의 폭을 하면부의 폭보다 크게 하여 갭필 능력을 향상시키는 기술이 개시되어 있지만 공정단계가 복잡하고 그 효과가 미비하여 실효성이 적다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법은 아르곤 플라즈마를 이용한 건식식각을 통하여 트렌치 상부 코너 부분의 라이너 옥사이드층과 질화막의 일부를 제거해 줌으로써 트렌치의 개구부가 넓어지고, 아르곤 입자에 의한 리니어 옥사이드 막의 표면처리 효과에 의해 O3-TEOS 산화막과의 계면특성이 개선됨으로써 트렌치 갭필이 향상되어 종래 기술에 의해 야기될 수 있는 보이드의 발생을 억제할 수 있는 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 실리콘 기판 위에 패드 산화막과 질화막을 형성하고 상기 질화막과 패드 산화막, 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 형성된 기판을 열산화하여 상기 트렌치 내벽에 라이너 옥사이드층을 형성하는 단계; 상기 기판 전면을 아르곤 플라즈마에 의해 식각하여 상기 트렌치 상부 코너부분의 라이너 옥사이드층 및 질화막의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 트렌치를 산화막으로 충진하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 소자분리막 형성 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 3a는 STI 소자분리 공정에 관한 것이다. 실리콘 기판(10) 위에 패드 산화막(Pad Oxide)(11)과 질화막(12)을 연속적으로 증착하고 소자 분리막 형성을 위해 모우트 건식 에칭을 시행하여 트렌치 형성을 위한 질화막 패턴을 형성한 후 드러난 패드 산화막과 적정깊이의 실리콘 기판을 식각하여 트렌치를 형성한다.
다음, 도 3b는 아르곤 플라즈마를 이용해 트렌치 상부 코너를 식각하는 공정에 관한 것이다. 트렌치가 형성된 상기의 구조물을 열산화하여 트렌치 내벽에 라이너 옥사이드층을 형성한다. 상기 옥사이드층은 150 내지 300 Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이어서 아르곤 이온(14)으로 트렌치 상부 코너 부분의 라이너 옥사이드층의 일부를 제거함과 동시에 질화막의 일부를 제거하여 질화막의 패턴 폭이 트렌치 폭보다 크게 되도록 한다. 이를 통해 트렌치의 개구부가 넓어지는 효과와 더불어 아르곤 플라즈마에 의한 트렌치 내부의 라이너 옥사이드층에 표면처리 효과를 주어 결과적으로 갭필의 향상을 이룰 수 있다. 여기서 표면처리 효과란, 상기 아르곤 플라즈마에 의해 트렌치 하면부의 리니어 옥사이드층이 측면부의 옥사이드층보다 액티브(active)한 상태로 변화되어 측면부보다 상대적으로 적층률을 높일 수 있으며 결과적으로 갭필의 향상을 도모할 수 있는 실험적 효과이다. 이 때 개구부를 넓히기 위해 과도한 식각 공정을 하게 되면 STI 부분에 손상(damage)을 주게 되어 후속 공정 진행시 게이트 옥사이드(Gate-Oxide) 형성이나 다른 기능적 결함(Functional Fail)을 유발할 수 있으므로 주의하여야 한다.
다음, 도 3c는 식각이 진행된 라이너 옥사이드층 위에 STI 충진 산화막(STI-Fill Layer)(15)을 형성한 공정에 관한 것이다. 산화막의 충진은 APCVD 방식인 WJ-1000T, WJ-1500T 장비를 이용하고 O3-TEOS를 재료로 하여 8층으로 적층하는 것이 바람직하다. 도에는 도시되지는 않지만, 충진 산화막을 증착한 후 불순물을 제거하기 위해 모우트 습식 에칭을 실시하고, 증착막의 안정화를 위해 열처리를 실시한다. 이 후 후속공정을 원활히 진행하기 위한 평탄화 공정으로 CMP 공정을 진행한다.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법은 아르곤 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통하여 트렌치 상부 코너 부분의 라이너 옥사이드층과 하부 질화막의 일부를 제거해 줌으로써 트렌치의 개구부가 넓어지고, 아르곤 입자에 의한 라이너 옥사이드 층의 표면처리 효과에 의해 O3-TEOS 산화막과의 계면특성이 개선됨으로써 트렌치 갭필이 향상되어 종래 기술에 의해 야기될 수 있는 보이드의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 의해 형성된 보이드의 단면사진.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 소자분리막 형성의 공정단면도.
Claims (4)
- 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법에 있어서,실리콘 기판 위에 패드 산화막과 질화막을 형성하고 상기 질화막과 패드 산화막, 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치가 형성된 기판을 열산화하여 상기 트렌치 내벽에 라이너 옥사이드층을 형성하는 단계;상기 기판 전면을 아르곤 플라즈마에 의해 식각하여 상기 트렌치 상부 코너부분의 라이너 옥사이드층 및 질화막의 일부를 제거하는 단계; 및상기 트렌치를 산화막으로 충진하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 소자분리막 형성 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 아르곤 플라즈마를 이용한 식각은 아르곤 이온으로 라이너 옥사이드층을 표면처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 라이너 옥사이드층의 두께는 150 내지 300 Å 임을 특징으로 하는 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 트렌치 산화막의 충진은 APCVD 방식으로 충진하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 소자 분리막 형성 방법.
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KR (1) | KR100517351B1 (ko) |
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2003
- 2003-10-13 KR KR10-2003-0071029A patent/KR100517351B1/ko not_active IP Right Cessation
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