KR19990025541A

KR19990025541A - 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법

Info

Publication number: KR19990025541A
Application number: KR1019970047206A
Authority: KR
Inventors: 이금주; 손홍성
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-04-06
Also published as: KR100486210B1

Abstract

트랜치 프로파일의 식각 경사도를 완만하게 조절하여 트랜치 소자분리막에서 발생하는 보이드(void) 결함을 억제할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법에 관하여 개시한다. 이를 위하여 본 발명은 트랜치 식각을 위한 마스크 패턴을 형성한 후, 불산(HF) 처리를 추가로 진행하지 않고, 황산스트립과 65 ±10 ℃에서의 RCA사의 SC1 세정만을 진행하여 마스크 패턴의 모양을 조절한다. 이에 따라 트랜치 식각공정에서 발생하는 폴리머를 트랜치 식각 과정에서 스페이서와 같이 활용함으로써 트랜치 프로파일을 이중 식각된 형상으로 완만하게 구성할 수 있다.

Description

프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트랜치 소자분리 공정에서 수행하는 세정방법에 관한 것이다.

메모리 셀 또는 트랜지스터와 같은 개별소자가 형성되는 활성영역과, 소자가 형성되지 않는 영역인 비활성영역을 분리하는 소자분리 공정(Isolation Process)은 반도체 소자의 특성 및 신뢰성에 많은 영향을 끼친다. 그 이유는 메모리 셀이나 트랜지스터와 같은 소자는 동작시에 서로 완전한 격리(isolation)되어야 누설전류(leakage current)가 발생하지 않고, 신뢰성있는 동작을 하기 때문이다. 특히 반도체 소자가 점차 고집적화 됨에 따라 소자분리 공정의 중요성은 더욱 부각되고 있는 실정이다. 이러한 소자분리 방법은 고집화 추세에 부응하여 국부적 산화에 의한 소자 분리 방법(LOCOS: Local Oxidation Isolation), 선택적 폴리실리콘의 산화에 의한 소자 분리 방법(SEPOX: Selective Poly Silicon Oxidation) 그리고 트랜치 소자분리 방법(Trench Isolation) 등의 다양한 방법으로 변화되었다. 상기 소자분리 방법에서 트랜치 소자분리 방법은 반도체 기판(substrate)을 식각하여 트랜치를 형성하고, 식각된 트랜치에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 산화막을 침적하여 트랜치 내부를 매립한 다음, 화학기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)를 통하여 반도체 기판에 음각으로 소자분리막을 형성하는 기술이다. 이러한 트랜치 소자분리 방법은 최근에 급속히 발전하는 CMP 기술과 함께 250 메가(mega) 이상 1 기가(giga) 디램(DRAM)급의 고집적화된 반도체 소자에 주로 응용되고 있다.

도 1 내지 도 4는 종래기술에 의한 트랜치 소자분리 공정의 세정방법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(50)에 패드산화막(52)을 형성한 후, 질화막(54)과 절연막(56)의 복합막으로 된 마스크층을 적층한다. 이어서, 상기 마스크층 위에 반사방지막(ARC: Anti Refractive Coating, 58)을 적층한다. 상기 반사방지막(58)에 포토레지스트를 도포하고 사진 및 식각공정을 진행하여 마스크층을 패터닝하여 트랜치 식각을 위한 마스크 패턴(60)을 형성한다. 이어서, 약 145℃에서 황산 스트립(H₂SO₄)을 진행하여 잔류하는 포토레지스트를 제거하고, 이어서 RCA사에서 개발된 SC1(Standard Cleaning 1) 세정을 진행한다. 이때, 세정액으로는 수산화암모늄(NH₄OH)과 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)이 1:4:20의 비율로 섞인 용액을 사용하고, 세정조건으로는 40℃에서 약 10분간 진행한다. 이어서, 50%의 불산(HF)이 순수 증류수(DI water)에 200:1의 비율로 희석된 세정액으로 90초간 세정을 실시하고, 65℃에서 10분간 RCA사에서 개발된 SC1을 진행한다. 여기서, 상기 황산 스트립부터 2차 RCA SC1 세정까지 공정이 진행되는 동안에 질화막(54)의 측면 식각은 거의 이루어지지 않고, 질화막(54) 위에 있는 절연막(56) 및 반사방지막(58)만이 140∼150Å의 범위로 소모(consume)가 발생된다. 따라서, 마스크 패턴(60)은 계단형의 프로파일(profile)을 갖게된다.

도 2는 상기 도 1의 결과물에서 반사방지막(58)을 제거한 후, 마스크 패턴(60)을 이용하여 반도체 기판(50)의 일부를 식각하여 소자분리막이 형성될 트랜치(62)를 형성하였을 때의 단면도이다. 이때, 마스크 패턴(60)을 이용하여 하부의 반도체 기판(50)에 트랜치(62)를 형성하는 과정에서 폴리머(polymer, 64)는 주로 마스크 패턴(60)의 계단형 프로파일이 형성된 영역인 질화막(54)과 절연막(56)의 경계에서 윗부분으로 절연막(56) 측벽에만 쌓이게 된다. 따라서, 폴리머(64)가 질화막(54)의 측벽에서 전혀 스페이서(spacer)의 역할을 하지 못한다. 그 결과, 트랜치(62)의 프로파일은 오목한 형상이 아닌 직선에 가까운 식각경사도(etching slop)를 갖게 된다.

도 3은 상기 도 2의 공정을 진행한 반도체 기판을 주사전자 현미경으로 촬영한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 트랜치(trench) 프로파일(profile)이 오목한 형태가 아니라, 직선에 가까운 식각경사도(etching slope)로 형성된 모습을 보여준다.

도 4는 상기 트랜치가 형성된 반도체 기판에 CVD 산화막(66)을 적층하여 트랜치(62) 내부를 매립하는 형상을 도시한 단면도이다. CVD 산화막은 트랜치(62)의 바닥과 측벽에 동시에 형성이 되면서 트랜치(62)의 가운데 부분에서 보이드(void, 68)가 형성되는 모습을 보여준다. 이러한 보이드(68)는 CVD 산화막(66)의 적층을 완료하고 화학기계적 연마(CMP)를 진행하는 과정에서 트랜치 소자분리막의 표면에 드러날 경우에, 다음과 같은 문제점을 유발시킨다. ① 트랜치 소자분리막 위에 형성되는 게이트 라인에 단락결함(short defect)을 유발시키거나, ② 소자 격리(isolation) 불량에 기인한 트랜지스터의 특성 저하 및 반도체 소자의 신뢰성을 떨어뜨린다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 트랜치 식각시, 마스크 패턴의 모양을 조절하여 식각되는 트랜치의 프로파일을 개선하고, 이로 인하여 트랜치 소자분리막에 발생하는 보이드를 억제할 수 있는 세정방법을 제공하는데 있다.

도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 반도체 기판, 102: 패드산화막,

104: 질화막, 106: 절연막,

108: 반사방지막, 110: 마스크 패턴,

112: 폴리머(polymer), 114: 트랜치,

116: 트랜치 프로파일의 이중 식각 형상.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판에 패드산화막을 형성하는 단계와, 상기 패드산화막 위에 마스크층을 형성하는 단계와, 활성영역을 정의하기 위해 상기 마스크층을 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 마스크층에 RCA SC1(Standard Cleaning 1)을 실시하는 단계와, 상기 RCA SC1이 진행된 마스크 패턴을 이용하여 반도체 기판에 트랜치를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜치 프로파일(trench profile)을 개선할 수 있는 세정방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 마스크층 위에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 구비하고, 상기 RCA SC1 세정을 실시하기 전에 황산 스트립(H₂SO₄)을 하는 단계를 더 구비하는 것이 적합하다.

바람직하게는, 상기 마스크층은 질화막과 고온 산화막과 같은 절연막의 복합층을 형성하는 것이 적합하고, 상기 반사방지막은 옥시나이트라이드(SiON)를 사용하여 형성하고, 상기 RCA SC1을 진행하는 조건은 수산화암모늄(NH₄OH)과 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)이 1:4:20의 비율로 섞인 용액을 세정액으로 사용하여 65 ±10℃의 온도에서 5∼15분간 진행하는 것이 적합하다.

본 발명에 따르면, 트랜치를 형성하는 마스크 패턴의 모양을 조절하여 식각되는 트랜치의 프로파일을 개선하고, 이로 인하여 트랜치 소자분리막에 발생하는 보이드를 억제할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 반도체 기판(100) 위에 패드산화막(102)을 형성한 후, 질화막(Si₃N₄)과 절연막으로 구성된 마스크층(104, 106) 및 반사방지막(ARC, 108)을 순차적으로 적층하였을 때의 단면도이다. 여기서, 절연막(106)은 800℃ 이상의 고온에서 웨이퍼를 놓고 산소, 수증기와 같은 산화성 가스를 공급하여 반도체 기판(100)의 표면에 산화막을 구성한 형태인 고온산화막(HTO: High Temperature Oxide)을 사용하는 것이 적합하고, 반사방지막(108)은 후속되는 마스크층(104, 106)을 패터닝할 때, 빛의 간섭으로 인한 패턴 불량을 억제하기 위한 막질로서 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 사용하여 형성하는 것이 적합하다.

도 6은 상기 반사방지막(108) 상에 포토레지스트를 도포(coating)하고, 사진 및 식각공정을 진행하여 패드산화막(102)을 포함한 마스크층(104, 106)을 패터닝하여 마스크 패턴(110)을 형성하였을 때의 단면도이다. 이어서, 황산 스트립 공정을 진행하여 사진 및 식각공정에서 사용된 포토레지스트를 제거하고, RCA사에서 개발된 SC1 세정공정을 진행한다.

상기 RCA사의 SC1 세정공정을 진행하는 조건을 상세히 설명하면, 수산화암모늄(NH₄OH)과 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)이 1:4:20의 비율로 섞인 용액을 세정액으로 사용하여 65 ±10℃의 온도에서 5∼15분간 진행한다. 종래기술에서는 상기 RCA사의 SC1 세정공정에 연속해서 90초간의 불산(HF) 처리와 2차 RCA SC1 처리를 진행하여 불산처리 과정에서 질화막(104)과 절연막(106)과의 식각율 차이로 인하여 그 경계면에서 계단형의 문턱이 형성되었다. 그러나, 본 실시예에서는 단지 RCA SC1 세정온도를 40℃에서 65 ±10℃로 변화하여 2차 불산(HF) 세정을 하지 않고 마스크 패턴(110)에 대한 세정을 진행함으로써, 질화막(104)과 절연막(106)의 경계면에서 형성되는 계단모양의 문턱을 없앨 수 있다. 이것은 질화막(104)과 절연막(106), 예컨대 고온산화막과의 식각율의 차이가 적은 세정방법을 적용했기 때문이다. 상기 모양이 조절된 마스크 패턴(110)은 후속 트랜치 식각 공정에서 발생하는 폴리머(112)를 반도체 기판(100)의 바닥과 질화막(104) 측벽에 쌓이게 하는 역할을 한다. 따라서, 상기 질화막(104)의 측벽에 쌓인 폴리머(112)는 마치 식각 스페이서(etching spacer)와 같은 역할을 수행하여 후속공정에서 형성되는 트랜치의 프로파일을 개선할 수 있는 중요한 수단이 된다.

도 7은 상기 반사방지막(108)을 제거한 다음, 마스크 패턴(110)을 이용하여 하부 반도체 기판(100)의 일부분을 식각하여 트랜치(114)를 형성한 단면도이다. 여기서, 트랜치(114)를 식각 과정에서 발생하는 폴리머(polymer)가 질화막(104)의 측벽 및 반도체 기판(100)의 바닥에 형성되면, 폴리머(polymer)는 일종의 식각 스페이서(etching spacer)와 같은 역할을 하게 된다. 그리고 이 부분의 반도체 기판(100)에 대한 식각을 방해하게 된다. 따라서, 트랜치(114)의 프로파일은 완만한 식각경사도(etching slope)를 가지게 되고, 완만한 식각 경사도(etching slope)는 마치 트랜치(114) 프로파일에 이중 식각된 형상(116)으로 남게 된다.

도 8은 상기 도 5에서 도 7까지 공정을 진행한 결과물을 주사전자 현미경(SEM)을 촬영한 SEM 사진이다. 여기서, 이중 식각된 형상으로 구성된 트랜치 프로파일의 완만한 경사를 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 완만한 트랜치 프로파일의 경사는 후속되는 CVD 산화막과 같은 절연막을 사용하여 트랜치를 매립하는 과정에서 트랜치(114)의 가운데 부분에서 발생하는 보이드(void)를 억제하는 강력한 수단이 된다. 그러므로, 트랜치(114)를 매립하는 절연막에서 발생하는 보이드를 억제하여, 게이트 라인의 단락결함(short defect)을 억제하고, 소자 격리(isolation) 불량에 기인한 트랜지스터의 특성저하 및 신뢰성이 떨어지는 문제를 개선할 수 있다.

실시예

아래의 표 1은 종래기술에 의한 세정방법, 즉 황산스트립과 RCA SC1을 1차 실시하고, 불산처리와 2차 RCA SC1을 실시하는 방법 대신에 본 발명에 따른 황산 스트립과 변형된 온도에서의 1차 RCA SC1 세정만을 적용하였을 때의 마스크 패턴과 트랜치의 임계치수(CD: Critical Dimension)을 측정한 결과이다.

세 정 방 법	ADI CD	마스크 패턴형성후 CD	트랜치 형성후CD
종래기술	190	180	126
본 발명	186	179	99

상기 표 1에서 임계치수(CD)의 단위는 ㎚이며, ADI(After Development Inspection) CD는 현상을 진행한 후의 임계치수(CD) 검사값이다. 상기 표 1에서 세정방법의 변화에 따른 임계치수(CD)의 변화를 살펴보면, 본 발명에서 임계치수(CD)의 변화가 더 큰 것을 알 수 있다. 이것은 마스크 패턴의 모양을 조절하여, 트랜치 식각과정에서 발생하는 폴리머를 스페이서로 이용한 결과에 기인한 것이다. 즉, 마스크 패턴 형성 후 임계치수(CD)와 트랜치 형성후 임계치수(CD)간에 차이가 트랜치의 프로파일을 이중 식각 형상을 구성하게 된다. 따라서, 트랜치 프로파일에 완만한 식각경사도의 형성이 가능하고, 이는 트랜치를 매립하는 절연막, 예컨대 CVD 산화막의 보이드(void)를 억제하는 수단이 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함이 명백하다.

따라서, 상술한 본 발명에 따르면, 트랜치 식각을 위한 마스크 패턴 모양을 조절하여 트랜치의 프로파일을 개선함으로써 트랜치를 매립하는 절연막에서 발생하는 보이드를 억제할 수 있다.

Claims

반도체 기판에 패드산화막을 형성하는 단계;

상기 패드산화막 위에 마스크층을 형성하는 단계;

활성영역을 정의하기 위해 상기 마스크층을 패터닝하는 단계;

상기 패터닝된 마스크층에 RCA SC1(Standard Cleaning 1)을 실시하는 단계;

상기 RCA SC1이 진행된 마스크 패턴에 불산(HF) 처리를 수행하지 않고 반도체 기판에 트랜치를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜치 프로파일(trench profile)을 개선할 수 있는 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 마스크층은 질화막(Si₃N₄) 위에 절연막이 형성된 복합막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제2항에 있어서,

상기 절연막은 고온산화막(HTO)을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 마스크층 위에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제4항에 있어서,

상기 반사방지막은 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 RCA SC1을 실시하는 온도는 65 ±10℃의 범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 RCA SC1을 실시하는 시간은 5∼15분의 범위로 실시하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 RCA SC1은 세정액으로 수산화암모늄(NH₄OH)과 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)이 1:4:20의 비율로 섞인 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.
제1항에 있어서,

상기 RCA SC1을 실시하기 전에 황산(H₂SO₄) 스트립을 진행하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 프로파일을 개선할 수 있는 트랜치 소자분리 공정의 세정방법.