(57)【要約】【課題】半導体基板に形成されたトンネル酸化膜の縁部にスマイリング現象が生じることを防止するとともにトレンチの上部コーナーを丸く形成することができるため、その結工程の信頼性及び素子の電気的な特性を向上させることが可能な半導体素子の素子分離膜の形成方法。【解決手段】素子分離領域にトレンチが形成された半導体基板を提供する段階と、蒸着チャンバー内で蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度まで昇温する間に酸化工程によりトレンチの側壁及び底面を酸化させて酸化膜を形成する段階と、蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度に達すると、蒸着チャンバー内で絶縁物質を蒸着してトレンチを埋め込む段階と、化学機械的な研磨工程により絶縁物質をトレンチにのみ残留させて素子分離膜を形成する段階とを含む。【選択図】図２
2006190936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子分離領域にトレンチが形成された半導体基板を提供する段階と、
蒸着チャンバー内で前記蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度まで昇温する間に酸化工程により前記トレンチの側壁及び底面を酸化させて酸化膜を形成する段階と、
前記蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度に達すると、前記蒸着チャンバー内で絶縁物質を蒸着して前記トレンチを埋め込む段階と、
化学機械的な研磨工程により前記絶縁物質を前記トレンチにのみ残留させて素子分離膜を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項２】
半導体基板上にトンネル酸化膜、ポリシリコン層、バッファ酸化膜及びパッド窒化膜を順次に形成する段階と、
前記パッド窒化膜、前記バッファ酸化膜、前記ポリシリコン層及び前記トンネル酸化膜をエッチングして前記半導体基板の素子分離領域を露出させる段階と、
前記半導体基板の前記素子分離領域にトレンチを形成する段階と、
蒸着チャンバー内で前記蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度まで昇温する間に酸化工程により前記トレンチの側壁及び底面を酸化させて酸化膜を形成する段階と、
前記蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度に達すると、前記蒸着チャンバー内で絶縁物質を蒸着して前記トレンチを埋め込む段階と、
化学機械的な研磨工程により前記絶縁物質を前記トレンチにのみ残留させて素子分離膜を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項３】
前記トレンチを形成した後、
前記トレンチの内壁に発生したエッチングダメージを緩和させるために、酸素雰囲気中で後エッチング処理工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項４】
前記酸化膜を形成する前に、
ＨＦ溶液を用いた１次洗浄及びＮＨ４ＯＨを用いた２次洗浄を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項５】
前記酸化工程は、前記蒸着チャンバーの内部温度を３００℃〜５００℃まで昇温させる間に行われることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項６】
前記酸化工程は、５秒〜１５０秒間行われることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項７】
前記酸化工程の際に、前記蒸着チャンバーの内部温度が昇温する間に酸素とヘリウムが供給されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項８】
前記酸化工程の際に、２０００Ｗ〜４０００Ｗの低周波パワーが印加されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項９】
前記酸化膜は、１０Å〜８０Åの膜厚に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項１０】
前記化学機械的な研磨工程は、全ての物質に対して同じ研磨率を持つ低い選択比のスラリーを使って１次研磨を行った後、前記絶縁物質に対して高い選択比を持つ高選択比スラリーを使って２次研磨を行う方法を取ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の素子分離膜の形成方法に係り、特に、浅いトレンチ分離(ShallowTrench Isolation；ＳＴＩ)構造を有する半導体素子の素子分離膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＴＩ構造を有する素子分離膜は、素子分離領域の半導体基板を所定の深さだけエッチングしてトレンチを形成した後、トレンチを絶縁物質により埋め込む方法によって形成される。ところが、この方法により素子分離膜を形成する場合、バーズビークが生じることは防止できるものの、素子分離膜の側面にストレスによるハンプ(Hump)が生じ、その結果、素子の電気的な特性に悪影響を及ぼすことがある。
【０００３】
ＳＴＩ構造を有する素子分離膜を形成する方法について説明すれば、次の通りである。
【０００４】
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、従来のＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子の素子分離膜の形成方法を説明するための素子の断面図である。
【０００５】
図１（ａ）に示すように、半導体基板１０１にウェル（図示せず）を形成し、トランジスタやフラッシュメモリセルのしきい値電圧を調節するためのイオン注入工程を行った後、半導体基板１０１上の全面にトンネル酸化膜１０２を形成し、フローティングゲートを形成するためのポリシリコン層１０３を形成する。そして、ポリシリコン層１０３の上にバッファ酸化膜１０４及びパッド窒化膜１０５を順次に形成する。
【０００６】
図１（ｂ）に示すように、素子分離領域のパッド窒化膜１０５、バッファ酸化膜１０４、ポリシリコン層１０３及びトンネル酸化膜１０２を順次にエッチングして半導体基板１０１の素子分離領域を露出させる。次いで、露出した素子分離領域の半導体基板１０１を所定の深さまでエッチングしてトレンチ１０６を形成する。このとき、トレンチ１０６は、側壁が７５°〜８５°の傾斜角を持つべく形成する。
【０００７】
図１（ｃ）に示すように、トレンチ１０６を形成した後に洗浄工程を行い、酸素（Ｏ２）雰囲気中で後エッチング処理(Post Etching Treatment；ＰＥＦ)工程を行うことにより、トレンチ１０６の側壁及び底面に加えられたエッチングダメージを補償する。
【０００８】
次いで、エッチングダメージを補償するだけではなく、トレンチ１０６に形成される絶縁物質との界面特性及び接着特性を高めるために、炉内で酸素雰囲気の乾式酸化方式により側壁酸化(Wall oxidation)工程を行い、トレンチ１０６を含む全体の構造上に酸化膜１０７を形成する。
【０００９】
図１（ｄ）に示すように、トンネル酸化膜１０２、ポリシリコン層１０３及びパッド窒化膜１０５間の間隙とトレンチ（図１（ｃ）における１０６）が完全に埋め込まれるべく全体の上部に絶縁物質層（図示せず）を形成する。このとき、好ましくは、絶縁物質層は、高密度プラズマ(High Density Plasma；ＨＤＰ)酸化物から形成する。絶縁物質層を形成した後には化学機械的な研磨を行い、パッド窒化膜１０５上の絶縁物質層を除去する。これにより、酸化膜１０７と絶縁物質層よりなる素子分離膜１０８が形成される。
【００１０】
以上の工程において、乾式酸化工程によりトレンチの上部コーナー１０６ａが丸く形成され、その結果、電界の集中が防止可能となる。しかしながら、トンネル酸化膜１０２の縁部が厚くなるスマイリング現象が起こるため、トレンチの上部コーナー１０６ａを丸く形成し難くなるという不都合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、素子分離膜を形成するために絶縁物質を蒸着するチャンバーにおいて、絶縁物質を蒸着するために昇温する予熱(Pre heating)区間中に酸化工程を行ってトレンチの内壁を酸化させることにより、半導体基板に形成されたトンネル酸化膜の縁部にスマイリング現象が生じることを防止するとともにトレンチの上部コーナーを丸く形成することができるため、工程の信頼性及び素子の電気的な特性を向上させることが可能な半導体素子の素子分離膜の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の実施例に係る半導体素子の素子分離膜の形成方法は、素子分離領域にトレンチが形成された半導体基板を提供する段階と、蒸着チャンバー内で蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度まで昇温する間に酸化工程によりトレンチの側壁及び底面を酸化させて酸化膜を形成する段階と、蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度に達すると、蒸着チャンバー内で絶縁物質を蒸着してトレンチを埋め込む段階と、化学機械的な研磨工程により絶縁物質をトレンチにのみ残留させて素子分離膜を形成する段階とを含む。
【００１３】
本発明の他の実施例に係る半導体素子の素子分離膜の形成方法は、半導体基板の上にトンネル酸化膜、ポリシリコン層、バッファ酸化膜及びパッド窒化膜を順次に形成する段階と、パッド窒化膜、バッファ酸化膜、ポリシリコン層及びトンネル酸化膜をエッチングして半導体基板の素子分離領域を露出させる段階と、半導体基板の素子分離領域にトレンチを形成する段階と、蒸着チャンバー内で蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度まで昇温する間に酸化工程によりトレンチの側壁及び底面を酸化させて酸化膜を形成する段階と、蒸着チャンバーの内部温度が蒸着温度に達すると、蒸着チャンバー内で絶縁物質を蒸着してトレンチを埋め込む段階と、化学機械的な研磨工程により絶縁物質をトレンチにのみ残留させて素子分離膜を形成する段階とを含む。
【００１４】
ここで、トレンチを形成した後、トレンチの内壁に加えられたエッチングダメージを緩和させるために、酸素雰囲気中で後エッチング処理工程を行う段階をさらに含んでもよい。
【００１５】
また、酸化膜を形成する前に、ＨＦ溶液を用いた１次洗浄及びＮＨ４ＯＨを用いた２次洗浄を行う段階をさらに含んでもよい。
【００１６】
酸化工程は、蒸着チャンバーの内部温度を３００℃〜５００℃まで昇温させる間に行われ、５秒〜１５０秒間行われる。そして、酸化工程の際に、蒸着チャンバーの内部温度が昇温する間に酸素とヘリウムが供給され、酸化工程時の際に、２０００Ｗ〜４０００Ｗの低周波パワーが加えられる。
【００１７】
酸化膜は、１０Å〜８０Åの膜厚に形成される。
【００１８】
化学機械的な研磨工程は、全ての物質に対して同じ研磨率を有する低い選択比のスラリーを使って１次研磨を行った後、絶縁物質に対して高い選択比を有する高選択比スラリーを使って２次研磨を行う方法を取る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、素子分離膜を形成するために絶縁物質を蒸着するチャンバーにおいて、絶縁物質を蒸着するために温度を昇温させる予熱(Pre heating)区間中に酸化工程を行ってトレンチの内壁を酸化させて半導体基板に形成されたトンネル酸化膜の縁部にスマイリング現象が生じることを防止するとともにトレンチの上部コーナーを丸く形成することができ、その結果、工程の信頼性及び素子の電気的な特性を向上させることができる。
【００２０】
また、酸化工程と素子分離膜の形成工程が同じチャンバー内で時間の遅延無しに連続的に行えるので、工程時間を短縮することができ、酸化膜と素子分離膜間の界面特性を一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、これらの実施例は様々な形に変形できるが、本発明の範囲を限定するものではない。これらの実施例は、本発明の開示を完全にし、当該技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇をより完全に知らせるために提供されるものである。本発明の範囲は本願の特許請求の範囲によって理解されるべきである。
【００２２】
一方、ある膜が他の膜または半導体基板の‘上’に在るあるいは接触していると記載される場合、前記ある膜は、前記他の膜または半導体基板に直接接触して存在することもでき、あるいはそれらの間に第３の膜が挟まれることもできる。また、図面において、各層の厚さまたは大きさは、説明の便宜および明確性のために誇張された。図面上において、同一の符号には同一の要素を付する。
【００２３】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の実施例に係る半導体素子の素子分離膜の形成方法を説明するための素子の断面図である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、半導体基板２０１にウェル（図示せず）を形成し、トランジスタやフラッシュメモリセルのしきい値電圧を調節するためのイオン注入工程を行った後、半導体基板２０１の全面にトンネル酸化膜２０２とフローティングゲートを形成するためのポリシリコン層２０３を順次に形成する。そして、このポリシリコン層２０３の上にバッファ酸化膜２０４及びパッド窒化膜２０５を順次に形成する。このとき、パッド窒化膜２０５は、５００Å〜６００Åの膜厚に形成する。
【００２５】
一方、パッド窒化膜２０５の上にはハードマスク（図示せず）が１０００Å〜２０００Åの膜厚に形成される。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、素子分離領域のパッド窒化膜２０５、バッファ酸化膜２０４、ポリシリコン層２０３及びトンネル酸化膜２０２を順次にエッチングして半導体基板２０１の素子分離領域を露出させる。次いで、露出した素子分離領域の半導体基板２０１を所定の深さまでエッチングしてトレンチ２０６を形成する。このとき、トレンチ２０６は２０００Å〜１５０００Åの深さに形成され、その側壁は７５°〜８５°の傾斜角を有するべく形成される。
【００２７】
図２（ｃ）に示すように、トレンチ２０６を形成した後に洗浄工程を行い、酸素（Ｏ２）の雰囲気中でＰＥＴ工程を行うことにより、トレンチ２０６の側壁及び底面に加えられたエッチングダメージを補償、緩和する。
【００２８】
次いで、洗浄工程を行う。このとき、洗浄工程は、ＨＦ溶液を使って１次洗浄を行った後、ＮＨ４ＯＨを使って２次洗浄を行う方式を取る。ここで、ＨＦ溶液としては、好ましくは、純水(ＤI water)により４０：１〜６０：１で希釈したものを使用する。そして、全体の洗浄工程は、１秒〜１分間行う。
【００２９】
エッチングダメージを補償、緩和するだけではなく、トレンチ２０６に形成される絶縁物質との界面特性及び接着特性を高めるために、酸化工程によりトレンチ２０６を含む全体構造の上に酸化膜２０７を形成する。このとき、従来では酸化工程を炉内で行っていたが、本発明においては酸化工程を蒸着チャンバーで行う。以下、これについて詳細に説明する。
【００３０】
後続の工程において、素子分離膜を形成するために絶縁物質を蒸着する蒸着チャンバー内でトレンチ２０６の側壁及び底面を酸化させるための酸化工程を行うが、蒸着温度までチャンバーの内部温度を昇温させる予熱区間中に酸化工程を行う。通常、上温区間中には窒素ガスが注入されるが、酸化工程を行うために、窒素ガスに代えて酸素ガスとヘリウムガスを供給する。このとき、酸素ガスとヘリウムガスの供給量は１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍに設定する。一方、予熱区間中には２０００Ｗ〜４０００Ｗの低周波パワーを印加し、酸素プラズマを生じさせて５秒〜１５０秒間、３００℃〜５００℃までチャンバーの内部温度を昇温させながら酸化工程を行う。
【００３１】
以上の方法により酸化膜２０７を１０Å〜８０Åの膜厚に形成する。
【００３２】
蒸着チャンバー内で予熱区間中に酸化工程を行えば、パッド窒化膜２０５の側壁の下部はほとんど酸化されず、トレンチの上部コーナー２０６ａが酸化される。これにより、トンネル酸化膜２０２の縁部が厚くなるスマイリング現象が防止でき、その結果、トレンチの上部コーナー２０６ａを丸く形成できる。
【００３３】
図２（ｄ）に示すように、トンネル酸化膜２０２、ポリシリコン層２０３及びパッド窒化膜２０５間の間隙とトレンチ（図２（ｃ）における２０６）が完全に埋め込まれるべく全体の上部に絶縁物質層（図示せず）を形成する。絶縁物質層は、酸化膜２０７が形成された後に供給ガスだけを変えて時間の遅延なしに連続的に形成することができる。一方、好ましくは、絶縁物質層は、高密度のプラズマ(high Density Plasma；ＨＤＰ)酸化物から４０００Å〜６０００Åの膜厚に形成する。
【００３４】
絶縁物質層を形成した後には、化学機械的な研磨を行い、パッド窒化膜２０５上の絶縁物質層を除去する。これにより、酸化膜２０７と絶縁物質層よりなる素子分離膜２０８が形成される。このとき、化学機械的な研磨工程としては、全ての物質に対する研磨率が同じである低選択比スラリー(Low Selectivity Slurry；ＬＳＳ)を使って１次研磨を行った後、絶縁層に対して高い選択比を有する高選択比スラリー(High Selectivity Slurry；ＨＳＳ）を使って２次研磨を行う方法を取る。
【００３５】
次いで、図面には示していないが、パッド窒化膜２０５及びトンネル酸化膜２０２を除去する。このとき、ＢＯＥ(BufferedOxide Etchant)を用いるエッチング工程を２００秒〜４００秒間行い、あるいはＨ３ＰＯ４溶液を用いるエッチング工程を１０分〜３０分間行ってパッド窒化膜２０５を除去してもよく、またＢＯＥを用いるエッチング工程を２００秒〜４００秒間行った後、Ｈ３ＰＯ４溶液を用いるエッチング工程を１０分〜３０分間行ってパッド窒化膜２０５を除去してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の素子分離膜の形成方法を説明する素子の断面図。
【図２】本発明の実施例に係る素子分離膜の形成方法を説明する素子の断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０１、２０１    半導体基板
１０２、２０２    トンネル酸化膜
１０３、２０３    ポリシリコン層
１０４、２０２    バッファ酸化膜
１０５、２０５    パッド窒化膜
１０６、２０６    トレンチ
１０６ａ、２０６ａ    トレンチの上部コーナー
１０７、２０７    酸化膜
１０８、２０８    素子分離膜
【図１】
2006190936.tif 000003
【図２】
2006190936.tif 000004