(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に前記半導体基板の所定領域を露出させる第１絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記露出された半導体基板を蝕刻してトレンチ領域を形成する段階と、
前記トレンチ領域の側壁及び底に熱酸化膜を形成する段階と、
前記トレンチ領域の側壁に形成された熱酸化膜の表面及び前記第１絶縁膜パターンの側壁にスペーサを形成する段階と、
前記熱酸化膜を等方性蝕刻して前記スペーサの下部及び前記トレンチ領域の下部側壁の間にボイドを形成する段階及び、
前記スペーサにより囲まれた領域に第２絶縁膜パターンを形成する段階を含むことを特徴とするボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項２】
前記第１絶縁膜パターンはパッド酸化膜パターン及びパッド窒化膜パターンが順次に積層されたことを特徴とする請求項１に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項３】
前記スペーサは窒化膜よりなることを特徴とする請求項１に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項４】
前記第２絶縁膜パターンを形成する段階は、
前記ボイドが形成された結果物の全面に前記スペーサにより囲まれた領域を満たす第２絶縁膜を形成する段階及び、
前記第１絶縁膜パターンが露出されるまで前記第２絶縁膜を平坦化させることによって前記スペーサにより囲まれた領域に第２絶縁膜パターンを形成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項５】
前記第２絶縁膜はドープされない酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項６】
前記第２絶縁膜を平坦化させる方法は、エッチバック工程またはＣＭＰ工程を利用することを特徴とする請求項４に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項７】
前記スペーサを形成する段階以後に、
前記スペーサが形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域の底に前記熱酸化膜の厚さより厚い犠牲酸化膜を形成する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項８】
前記第２絶縁膜パターンを形成する段階以後に、
前記第１絶縁膜パターンを除去する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項９】
半導体基板上に前記半導体基板の所定領域を露出させる第１絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記露出された半導体基板を蝕刻してトレンチ領域を形成する段階と、
前記トレンチ領域の側壁及び底に熱酸化膜を形成する段階と、
前記トレンチ領域の側壁に形成された熱酸化膜の下部表面上にスペーサを形成する段階と、
前記熱酸化膜を等方性蝕刻して前記スペーサの上部と前記トレンチ領域の上部側壁の間及び前記スペーサの下部と前記トレンチ領域の下部側壁の間にボイドを形成する段階及び、
前記第１絶縁膜パターン及び前記スペーサにより囲まれた領域に第２絶縁膜パターンを形成する段階を含むことを特徴とするボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１０】
前記第１絶縁膜パターンはパッド酸化膜パターン及びパッド窒化膜パターンが順次に積層されたことを特徴とする請求項９に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１１】
前記スペーサは窒化膜よりなることを特徴とする請求項９に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１２】
前記第２絶縁膜パターンを形成する段階は、
前記熱酸化膜を等方性蝕刻して前記スペーサの上部と前記トレンチ領域の上部側壁の間及び前記スペーサの下部と前記トレンチ領域の下部側壁の間にボイドが形成された半導体基板の全面に前記第１絶縁膜パターン及び前記スペーサにより囲まれた領域を満たす第２絶縁膜を形成する段階及び、
前記第１絶縁膜パターンが露出されるまで前記第２絶縁膜を平坦化させることによって前記第１絶縁膜パターン及び前記スペーサにより囲まれた領域に第２絶縁膜パターンを形成する段階を含むことを特徴とする請求項９に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１３】
前記第２絶縁膜はドープされない酸化膜であることを特徴とする請求項１２に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１４】
前記第２絶縁膜を平坦化させる方法は、エッチバック工程またはＣＭＰ工程を利用することを特徴とする請求項１２に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【請求項１５】
前記第２絶縁膜パターンを形成する段階以後に、
前記第１絶縁膜パターンを除去する段階をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載のボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の素子分離膜形成方法に係り、特にボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の集積度が増加するほど素子分離膜は益々重要になる。素子分離膜の特性は大きく物理的な特性と電気的な特性に区別される。素子分離膜の物理的な特性は半導体素子の集積度と直接的に関連があり、電気的な特性は半導体素子の信頼性と直接的に関連がある。従って、最近高集積半導体素子に適合した素子分離方法にトレンチ素子分離方法が広く採択されている。
従来のトレンチ素子分離方法は、半導体基板の所定領域を蝕刻してトレンチ領域を形成する段階と、前記トレンチ領域内に絶縁物質よりなる素子分離膜を形成する段階を含む。しかし、後続熱工程を実施すると、前記素子分離膜と接触する半導体基板の表面に欠陥が生ずる。このような欠陥は、素子分離膜及び半導体基板の熱膨張係数の差に起因するストレスにより生ずる。特に、このようなストレスはトレンチ領域の下部コーナ部分に集中され、半導体素子の接合漏れ電流を増加させる。これにより、半導体素子の誤動作が誘発されたり電力消耗が増加される。
前述したトレンチ素子分離方法の問題点を解決するためにトレンチ領域の下部コーナ部分を丸く形成する方法がＳ．Ｎａｄａｈａｒａ等によって提案されたことがある（Ｓ．ＮＡＤＡＨＡＲＡ  ｅｔ  ａｌ、  ＳＳＤＭ、  １９８７、  ｐｐ３２７−３３０）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、素子分離領域に加わるストレスをより効果的に減少させうるボイドを有するトレンチ素子分離膜形成方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の一実施例によると、本発明はまず、半導体基板上に前記半導体基板の所定領域を露出させる第１絶縁膜パターンを形成する。ここで、前記第１絶縁膜パターンは順次に積層されたパッド酸化膜パターン及びパッド窒化膜パターンよりなる。次に、前記露出された半導体基板を蝕刻してトレンチ領域を形成し、前記トレンチ領域が形成された結果物を熱酸化させてトレンチ領域の側壁及び底に熱酸化膜を形成する。前記熱酸化膜はトレンチ領域を形成する時半導体基板に加わた蝕刻損傷を直すために形成する。引続き、前記熱酸化膜が形成された結果物全面に絶縁膜、例えば窒化膜を形成する。そして、絶縁膜を異方性蝕刻して前記トレンチ領域の側壁に形成された熱酸化膜表面及び前記第１絶縁膜パターンの側壁にスペーサを形成する。この時、前記トレンチ領域の底に形成された熱酸化膜は露出される。次いで、前記スペーサが形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域の底に前記熱酸化膜の厚さより厚い犠牲酸化膜を形成する。前記犠牲酸化膜を形成すると、トレンチ領域の下部コーナ部分が丸く形成される。ここで、前記犠牲酸化膜を形成する工程は必要によって省略することもできる。次に、前記犠牲酸化膜が形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液、例えばフッ酸溶液または緩衝酸化膜蝕刻溶液（ＢＯＥ溶液）に浸して前記犠牲酸化膜を除去することはもちろん、トレンチ領域の下部側壁に形成された熱酸化膜を蝕刻する。このように犠牲酸化膜及び熱酸化膜を等方性蝕刻すると、スペーサの下部及びトレンチ領域の下部側壁の間にボイドが形成される。次いで、前記スペーサにより囲まれた領域に第２絶縁膜パターンを形成する。この時、前記第２絶縁膜パターンはドープされない酸化膜より形成することが望ましい。このように第２絶縁膜パターンを形成すると、前記ボイドはそのまま残存する。前記ボイドは後続熱工程を実施する時、第２絶縁膜パターンに加わるストレスと半導体基板に加わるストレスをお互い緩衝させる役割をする。引続き、前記第１絶縁膜パターンを除去してお互い隣りあうトレンチ領域間の半導体基板、即ち活性領域を露出させる。
【０００５】
前記目的を達成するための本発明の他の実施例によると、本発明はまず、半導体基板上に前記半導体基板の所定領域を露出させる第１絶縁膜パターンを形成する。ここで、前記第１絶縁膜パターンは順次に積層されたパッド酸化膜パターン及びパッド窒化膜パターンよりなる。次に、前記露出された半導体基板を蝕刻してトレンチ領域を形成する。引続き、前記トレンチ領域が形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域の側壁及び底に熱酸化膜を形成する。前記熱酸化膜を形成する理由はトレンチ領域を形成するための蝕刻工程時半導体基板に加わた蝕刻損傷を直すためである。
次いで、前記熱酸化膜が形成された結果物全面に絶縁膜、例えば窒化膜を形成し、これを異方性蝕刻して前記トレンチ領域の側壁に形成された熱酸化膜の表面にスペーサを形成する。この時、前記異方性食蝕工程を過度に実施して前記第１絶縁膜パターン側壁はもちろん前記トレンチ領域の側壁に形成された熱酸化膜の上部を露出させるスペーサを形成する。次に、前記スペーサが形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液に浸して前記露出された熱酸化膜の上部及びトレンチ領域の底に形成された熱酸化膜を除去することはもちろん、前記スペーサの上部及びトレンチ領域の上部側壁間と前記スペーサの下部及びトレンチ領域の下部側壁間にボイドを形成する。
次いで、第１絶縁膜パターン及びスペーサにより囲まれた領域を満たす第２絶縁膜パターンを形成する。この時、前記ボイド内部は第２絶縁膜パターンにより満たされなく空いている空間に残存する。このように形成されたボイドは後続熱工程を実施する時第２絶縁膜パターンに加わるストレスと半導体基板に加わるストレスをお互い緩衝させる役割をする。引続き、前記第１絶縁膜パターンを除去してお互い隣るトレンチ領域間の半導体基板、即ち活性領域を露出させる。
【０００６】
前述した本発明によると、トレンチ領域内にボイドを有する第２絶縁膜パターンを形成することにより、後続熱工程を実施する時半導体基板に加わるストレスと第２絶縁膜パターンに加わるストレスをお互い緩衝させうる。従って、トレンチ領域をめぐる半導体基板の表面にディスロケーションのような結晶欠陥が生ずることを抑制させうる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
図１乃至図４は本発明の一実施例を説明するための断面図である。
【０００８】
図１はトレンチ領域Ｔを形成する段階を説明するための断面図である。まず、半導体基板１の上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順次に形成する。次に、前記パッド窒化膜及びパッド酸化膜を連続的にパタニングして前記半導体基板の所定領域を露出させるパッド酸化膜パターン３及びパッド窒化膜パターン５を形成する。ここで、前記パッド酸化膜パターン３及びパッド窒化膜パターン５は第１絶縁膜パターン６を構成する。次いで、前記露出された半導体基板１を選択的に乾式蝕刻してトレンチ領域Ｔを形成する。
図２は熱酸化膜７及びスペーサ９を形成する段階を説明するための断面図である。具体的に説明すると、前記トレンチ領域Ｔが形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域Ｔの側壁及び底に熱酸化膜７を形成する。次に、前記熱酸化膜７が形成された結果物全面に絶縁膜、例えば窒化膜を形成する。次いで、前記絶縁膜を異方性蝕刻して前記第１絶縁膜パターン６の側壁及び前記トレンチ領域Ｔの側壁に形成された熱酸化膜７の表面にスペーサ９を形成する。このようにスペーサを形成すると、トレンチ領域Ｔの底に形成された熱酸化膜７は露出される。
【０００９】
図３は本発明の特徴要素であるボイドＶ及び第２絶縁膜パターン１１を形成する段階を説明するための断面図である。詳細に説明すると、前記スペーサ９が形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液、例えばフッ酸溶液または緩衝酸化膜蝕刻溶液ＢＯＥに所定時間浸して前記熱酸化膜７を等方性蝕刻する。このように熱酸化膜７が等方性蝕刻されると、トレンチ領域Ｔの底が露出されることはもちろん、スペーサ９の下部及びトレンチ領域Ｔの下部側壁間にボイドＶが形成される。またこの時、スペーサ９の上部及びトレンチ領域Ｔの上部側壁間に熱酸化膜パターン７ａが残存する。次に、前記ボイドＶが形成された結果物全面にスペーサ９により囲まれた領域を満たす第２絶縁膜を形成する。ここで、前記第２絶縁膜はＣＶＤ工程によるドープされない酸化膜より形成することが望ましい。このように第２絶縁膜を形成すると、前記ボイドＶの内部は第２絶縁膜により満たされなく空いている空間に残存する。次いで、前記第１絶縁膜パターン６が露出されるまで前記第２絶縁膜を平坦化させてスペーサ９により囲まれた領域を満たす第２絶縁膜パターン１１を形成する。ここで、前記第２絶縁膜を平坦化させる方法にエッチバック工程または化学的機械的研磨工程（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰ工程と記す）が使われうる。前記ボイドＶは後続熱工程が実施される時第２絶縁膜パターン１１に加わるストレスと半導体基板１に加わるストレスをお互い緩衝させる役割をする。
図４は素子分離膜１１ａを形成する段階を説明するための断面図である。もう少し詳細に説明すると、前記第２絶縁膜パターン１１が形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液及び窒化膜蝕刻溶液に順次に浸して前記パッド窒化膜パターン５を除去する。引続き、前記パッド酸化膜パターン３を酸化膜蝕刻溶液で除去してその下の半導体基板、即ち活性領域を露出させる。このように活性領域を露出させると、前記第２絶縁膜パターン１１は酸化膜蝕刻溶液により蝕刻される。従って、図４に示したように活性領域の表面とほとんど一致する高さを有する素子分離膜１１ａが形成される。
【００１０】
前述したように本発明の一実施例によると、トレンチ領域の下部コーナにボイドが形成される。従って、後続熱工程を実施する時素子分離膜に加わるストレスと半導体基板に加わるストレスが緩衝される。結果的に、トレンチ領域の側壁に決定欠陥が生ずる現象を抑制させうる。
【００１１】
図５乃至図７は本発明の他の実施例を説明するための断面図である。ここで、第１絶縁膜パターン６、トレンチ領域Ｔ、熱酸化膜７、及びスペーサ９を形成する段階は図１及び図２から説明した方法と同一である。
【００１２】
図５は犠牲酸化膜ＯＸを形成する段階を説明するための断面図である。具体的に説明すると、前記スペーサ９が形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域Ｔの底に熱酸化膜７より厚い犠牲酸化膜ＯＸを形成する。このように犠牲酸化膜ＯＸを形成すると、図５に示したようにトレンチ領域Ｔの下部コーナＣが丸く形成される。トレンチ領域Ｔの下部コーナは後続熱工程を実施する時ストレスが集中される部分であるので、結晶欠
陥が最も多く生ずる部分である。従って、前述したようにトレンチ領域Ｔの下部コーナを丸く形成すると、ストレスをより緩和させうる。
【００１３】
図６はボイドＶ及び第２絶縁膜パターン１１を形成する段階を説明するための断面図である。詳細に説明すると、前記犠牲酸化膜ＯＸが形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液に所定時間浸して、前記トレンチ領域Ｔの底を露出させると同時に前記熱酸化膜７を等方性蝕刻する。このように熱酸化膜７を等方性蝕刻すると、スペーサ９の下部とトレンチ領域Ｔの下部側壁間にボイドＶが形成される。そして、前記スペーサ９の上部とトレンチ領域Ｔの上部側壁間に熱酸化膜パターン７ａが残存する。次に、前記ボイドＶが形成された結果物全面に前記スペーサ９により囲まれた領域を満たす第２絶縁膜、例えばドープされない酸化膜を形成する。次いで、前記第１絶縁膜パターン６が露出されるまで前記第２絶縁膜をエッチバック工程または化学機械的研磨ＣＭＰ工程で平坦化させてスペーサ９により囲まれた領域を満たす第２絶縁膜パターン１１を形成する。この時、ボイドＶは第２絶縁膜パターン１１により満たされなく空いている空間に残存する。前記ボイドＶは前述した第１実施例と同じように後続熱工程を実施する時ストレスを緩衝させる役割をする。
【００１４】
図７は素子分離膜１１ａを完成させる段階を説明するための断面図であって、図４から説明した方法と同じ方法で前記第１絶縁膜パターン６を除去する。これにより、前記第２絶縁膜パターン１１が蝕刻されて活性領域の表面とほとんど一致する高さを有する素子分離膜１１ａが形成される。
【００１５】
前述したように本発明の他の実施例によると、トレンチ領域の下部にボイドが形成されることはもちろん、トレンチ領域の下部コーナが丸く形成される。これにより、後続熱工程を実施する時トレンチ領域の下部コーナーに集中されるストレスをより緩和させうる。
【００１６】
図８乃至図１１は本発明のさらに他の実施例を説明するための断面図である。
図８は第１絶縁膜パターン５６及びトレンチ領域Ｔを形成する段階を説明するための断面図である。まず、半導体基板５１上にパッド酸化膜及びパッド窒化膜を順次に形成する。次いで、前記パッド窒化膜及びパッド酸化膜を連続的にパタニングして前記半導体基板５１の所定領域を露出させるパッド酸化膜パターン５３及びパッド窒化膜パターン５５を形成する。ここで、前記パッド酸化膜パターン５３及びパッド窒化膜パターン５５は第１絶縁膜パターン５６を構成する。次に、前記第１絶縁膜パターン５６により露出された半導体基板５１の所定領域を乾式蝕刻してトレンチ領域Ｔを形成する。
【００１７】
図９は熱酸化膜５７及びスペーサ５９を形成する段階を説明するための断面図である。具体的に説明すると、前記トレンチ領域Ｔが形成された結果物を熱酸化させて前記トレンチ領域Ｔの側壁及び底に熱酸化膜５７を形成する。ここで、前記熱酸化膜５７を形成する目的はトレンチ領域Ｔを形成する時半導体基板５１に加わった蝕刻損傷を直すためである。次いで、前記熱酸化膜５７が形成された結果物全面に絶縁膜、例えば窒化膜を形成し、この絶縁膜を異方性蝕刻して前記熱酸化膜５７の下部側壁を覆うスペーサ５９を形成する。この時、前記スペーサ５９を形成するための異方性食蝕工程は過度蝕刻を実施して前記第１絶縁膜パターン５６の側壁はもちろん、前記熱酸化膜５７の上
部側壁を露出させるべきである。
【００１８】
図１０はボイドＶ及び第２絶縁膜パターン６１を形成する段階を説明するための断面図である。詳細に説明すると、前記スペーサ５９が形成された結果物を酸化膜蝕刻溶液、例えばフッ酸溶液または緩衝酸化膜蝕刻溶液に所定時間浸して前記熱酸化膜５７を等方性蝕刻する。このように熱酸化膜５７を等方性蝕刻すると、トレンチ領域Ｔの底が露出されることはもちろん、スペーサ５９の上部とトレンチ領域Ｔの上部側壁間及びスペーサ５９の下部とトレンチ領域Ｔの下部側壁間にボイドＶが形成される。この時、スペーサ５９の中央部及びトレンチ領域Ｔの中央側壁間に熱酸化膜パターン５７ａが形成される。そして、パッド酸化膜パターン５３も等方性蝕刻されてパッド窒化膜パターン５５の縁部下にもボイドＶ、即ちアンダーカット領域が形成できる。次に、前記ボイドＶが形成された結果物全面に第２絶縁膜、例えばドープされない酸化膜を形成する。この時、前記ボイドＶ内部は第２絶縁膜により満たされなく空いている空間に残存する。次いで、前記第１絶縁膜パターン５６が露出されるまで第２絶縁膜をエッチバック工程または化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程で平坦化させて前記第１絶縁膜パターン５６及びスペーサ５９により囲まれた領域を満たす第２絶縁膜パターン６１を形成する。
図１１は素子分離膜６１ａを完成する段階を説明するための断面図であって、図４から説明した方法と同じ方法で前記第１絶縁膜パターン５６を除去する。これにより、前記第２絶縁膜パターン６１が蝕刻されて活性領域の表面とほとんど一致する高さを有する素子分離膜６１ａが形成される。
【００１９】
前述したように本発明のさらに他の実施例による素子分離膜形成方法によると、トレンチ領域の下部及び上部にボイドが形成される。従って、後続熱工程を実施する時素子分離膜に加わるストレス及び半導体基板に加わるストレスをお互い緩衝させうる。
【００２０】
本発明は前記実施例に限らず当業者の水準からその変形及び改良が可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、トレンチ領域内にストレスを緩衝させうるボイドを有する素子分離膜が形成される。従って、トレンチ領域の側壁及び底に結晶欠陥が生ずる現象を抑制させうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の一実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の一実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の一実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施例による素子分離膜形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
３，５３…パッド酸化膜パターン
５，５５…パッド窒化膜パターン
６，５６…第１絶縁膜パターン
７，５７…熱酸化膜
７ａ，５７ａ…熱酸化膜パターン
９，５９…スペーサ
１１，６１…第２絶縁膜パターン
１１ａ，６１ａ…素子分離膜
５１…半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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