(57)【要約】【課題】  素子分離用トレンチエッチング後に所定の洗浄工程を実施してトレンチ側壁の粗さを改善でき、ＰＥＴ工程を省略して均一な側壁酸化膜を形成できる半導体素子の素子分離膜の形成方法を提供すること。【解決手段】  本発明は、半導体基板上にトンネル酸化膜、導電膜及びハードマスク膜を順に形成する段階と、前記ハードマスク膜上に素子分離領域を開放する感光膜パターンを形成する段階と、前記感光膜パターンをエッチングマスクとするエッチング工程を実施し、前記ハードマスク膜、前記導電膜、前記トンネル酸化膜及び前記半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、前記感光膜パターンを除去した後、前記トレンチ形成のためのエッチング工程時発生した副産物を除去するための第１洗浄工程を実施する段階と、側壁酸化工程を実施して前記トレンチ内に側壁酸化膜を形成する段階と、全体構造上にフィールド酸化膜を蒸着した後、前記ハードマスク膜を停止膜とする平坦化工程を実施して、前記ハードマスク膜を除去して素子分離膜を形成する段階とを備える。【選択図】      図６
2005175421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にトンネル酸化膜、導電膜及びハードマスク膜を順に形成する段階と、
前記ハードマスク膜上に素子分離領域を開放する感光膜パターンを形成する段階と、
前記感光膜パターンをエッチングマスクとするエッチング工程を実施し、前記ハードマスク膜、前記導電膜、前記トンネル酸化膜及び前記半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、
前記感光膜パターンを除去した後、前記トレンチ形成のためのエッチング工程の際発生した副産物を除去するための第１洗浄工程を実施する段階と、
側壁酸化工程を実施して前記トレンチ内に側壁酸化膜を形成する段階と、
全体構造上にフィールド酸化膜を蒸着した後、前記ハードマスク膜を停止膜とする平坦化工程を実施し、前記ハードマスク膜を除去して素子分離膜を形成する段階と、
を備える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】
前記第１洗浄工程は、ＢＦＮ(Ｂ[Piranha(Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２)]＋Ｆ(５０:１ Dilute ＨＦ)＋Ｎ[ＳＣ-１(ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ)]）を利用して実施し、ＨＦディップアウトタイムを１秒乃至３０秒にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の素子分離膜の形成方法。
【請求項３】
前記第１洗浄工程の後、
ＣＬＮ Ｎ(ＳＣ-１(ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ)）を利用した第２洗浄工程を実施する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１に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関し、さらに詳細にはＮＡＮＤフラッシュ素子の自己整列セロウトレンチパターンの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体基板上にトランジスタを形成するため、半導体基板には電気的に通電可能な活性領域と電気的に通電されることを防止し素子を互いに分離する素子分離領域とを形成する。素子分離領域の半導体基板の一部をエッチングし、これを埋め込んで素子分離膜を形成する。
【０００３】
従来の素子分離領域の半導体基板をエッチングした後、トレンチ側壁の薄いエッチングのためのＰＥＴ（Post Etch Treatment）工程を実施する。ＰＥＴ工程時に発生するカーボン系のポリマーにより非正常な層が形成されて後続酸化工程の際、不均一な酸化が発生される。
【０００４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、従来の工程による側壁損傷を説明するためのＴＥＭ（Transmission Electron Microscope；透過電子顕微鏡）写真である。
【０００５】
図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すれば、素子分離用トレンチを形成した後、後続クリーニング工程を実施すれば、エッチング工程により露出された半導体基板に損傷が発生する。このようなトレンチ内部の半導体基板の損傷により素子分離膜特性に悪影響を及ぼすようになる。
【０００６】
図２は従来のＰＥＴ処理後のカーボン系の非正常な層が形成されたＴＥＭ写真である。図３は従来の側壁酸化膜の不均一性を説明するためのＴＥＭ写真である。図４は従来の側壁酸化膜に対するＴＥＭ（Transmission Electron Microscope；透過電子顕微鏡）ＥＤＳ（Energy disperse X-ray spectra；エネルギー分散型Ｘ線分析装置）の分析表である。
【０００７】
図２乃至図４を参照すれば、従来の素子分離工程により素子分離エッチングを介してトレンチを形成し、ＰＥＴ工程を進むとカーボン系の非正常な層がトレンチ内部に生成される。このような非正常層が形成されたトレンチ内部に側壁酸化工程を実施すれば、非常に不均一な側壁酸化膜が形成されて、目標とするトレンチ形状を形成することが困難であるという問題が発生する。また、エッチングによる損傷を減少させることができなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、素子分離用トレンチエッチング後に所定の洗浄工程を実施してトレンチ側壁の粗さを改善でき、ＰＥＴ工程を省略して均一な側壁酸化膜を形成できる半導体素子の素子分離膜の形成方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体基板上にトンネル酸化膜、導電膜及びハードマスク膜を順に形成する段階と、前記ハードマスク膜上に素子分離領域を開放する感光膜パターンを形成する段階と、前記感光膜パターンをエッチングマスクとするエッチング工程を実施し、前記ハードマスク膜、前記導電膜、前記トンネル酸化膜及び前記半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、前記感光膜パターンを除去した後、前記トレンチ形成のためのエッチング工程時発生した副産物を除去するための第１洗浄工程を実施する段階と、側壁酸化工程を実施して前記トレンチ内に側壁酸化膜を形成する段階と、全体構造上にフィールド酸化膜を蒸着した後、前記ハードマスク膜を停止膜とする平坦化工程を実施して、前記ハードマスク膜を除去して素子分離膜を形成する段階とを備える半導体素子の素子分離膜の形成方法を提供する。
【００１０】
好ましくは、前記第１洗浄工程は、ＢＦＮ（Ｂ[Piranha（Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２）]＋Ｆ（５０:１ Dilute ＨＦ）＋Ｎ[ＳＣ−１（ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ）]）を利用して実施し、ＨＦディップアウトタイムを１秒乃至３０秒にすることができる。
【００１１】
また、好ましくは、前記第１洗浄工程後、ＣＬＮ Ｎ（ＳＣ−１（ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ））を利用した第２洗浄工程を実施する段階をさらに備えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明は素子分離用トレンチを形成した後、ＢＦＮを利用した後続クリーニング工程によりポリマー膜を除去し、ＳＣ−１のみを利用した前処理洗浄工程を実施した後、側壁酸化を実施することにより、トレンチ側壁の粗さの不良を改善でき、ポリマーの除去を容易にできる。
【００１３】
また、従来のＰＥＴ（Post Etch Treatment）工程を省略し素子分離膜の製造工程を単純化できる。
【００１４】
また、側壁酸化工程前にＣＬＮ Ｎを利用した前処理洗浄工程により、半導体基板に注入されたドーパントのアウトディフュージョンを抑制できる。
【００１５】
また、トレンチの上部コーナーにスループを形成し、トレンチコーナーに望みの厚さより小さく蒸着されるゲート酸化膜薄膜化（Gate Oxide Thinning）現象を防止でき、目標とする臨界寸法だけの活性領域を確保できるため、素子の電気的特性を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付した図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
しかし、本発明は以下に開示する実施の形態に限定されるものでなく、互いに異なる多様な形態に具現でき、但し本実施の形態は本発明の開示が完全になるように通常の知識を有した者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面上の同じ符号は同じ要素を示す。
【００１８】
図５及び図６は、本発明に係る素子分離膜の形成方法を説明するための断面図である。図５（ａ）を参照すれば、半導体基板１０にウェルとしきい電圧調節のためのイオン注入を実施することにより、ウェルとしきい電圧調節イオン層（図示せず）とを形成する。ウェルはトリプルウェル、Ｎウェル及びＰウェルを形成することが好ましい。
【００１９】
前記ウェルとしきい電圧調節イオン層とが形成された半導体基板１０上にトンネル酸化膜２０、導電膜３０及びハードマスク膜４０を順に形成する。
【００２０】
トンネル酸化膜２０の蒸着前にＨ２ＯとＨＦとの混合比率が５０:１であるＤＨＦ（Dilute ＨＦ）とＮＨ４ＯＨ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏから構成されたＳＣ−１（Standard Cleaning−１）を利用したり、ＮＨ４ＦとＨＦとの混合比率が１００:１乃至３００:１であるＢＯＥ（Buffered Oxide Etch）とＮＨ４ＯＨ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏから構成されたＳＣ−１を利用して前処理洗浄工程を実施できる。
【００２１】
洗浄工程後、トンネル酸化膜２０を乾式または湿式酸化方式により７５０℃乃至８５０℃の温度で７０Å乃至１００Åの厚さに形成することが好ましい。トンネル酸化膜２０の形成後、９００℃乃至９１０℃の温度範囲でＮ２Ｏガスを利用して１０分乃至２０分間アニールを行い、続いてＮ２ガスを利用したアニールを追加行って半導体基板１０との界面欠陥密度を最小化することが好ましい。
【００２２】
導電膜３０は、後続工程によりフローティングゲートの一部として用いられるポリシリコン膜を使用することが好ましい。導電膜３０は、５００℃乃至５５０℃の温度と０.１torr乃至３.０torrの圧力下で低圧化学気相蒸着法（Low Pressure ＣＶＤ； ＬＰＣＶＤ）方式でＳｉＨ４ガスまたはＳｉ２Ｈ６ガスを利用して、ドープされない非晶質シリコン薄膜を２５０Å乃至５００Åの厚さに形成することが好ましい。
【００２３】
ハードマスク膜４０は、窒化膜系列の物質膜を使用して後続トレンチエッチングの際、下部の構造物を保護するようにすることが好ましい。ハードマスク膜４０として、ＬＰ-ＣＶＤ方法により９００Å乃至１２００Åの厚さの窒化膜を形成することが好ましい。
【００２４】
図７は本発明に係る素子分離用トレンチを形成した後のＴＥＭ写真である。図５（ｂ）及び図７を参照すれば、素子分離用トレンチ５５を形成するための素子分離領域を開放する感光膜パターン５０をハードマスク膜４０上に形成した後、感光膜パターン５０をエッチングマスクとするエッチング工程を実施することにより、ハードマスク膜４０、導電膜３０、トンネル酸化膜２０及び半導体基板１０を順にエッチングして素子分離用トレンチ５５を形成する。
【００２５】
前記において、３０００Å乃至１００００Åの厚さの感光膜を塗布した後、素子分離用マスクを利用した写真エッチング工程を実施して感光膜パターン５０を形成することが好ましい。トレンチ５５は、所定の角度のスループ（８０°乃至８８°）を有するように形成することが好ましい。トレンチ５５の上部コーナー部位に１００Å乃至２００Å程度の幅を有する傾斜角を与えることが好ましい。この場合、トレンチ５５の内部にポリマー膜５８が形成される（図７参照）。
【００２６】
図６（ａ）を参照すれば、所定のストリップ工程により感光膜パターン５０を除去した後、トレンチ側壁の粗さを安定化し、トレンチ形成のためのエッチング工程の際発生した副産物である残留するポリマー膜５８を除去するための第１洗浄工程を実施する。
【００２７】
第１洗浄工程は、ＢＦＮ（Ｂ[Piranha（Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２）]＋Ｆ（５０:１ Dilute ＨＦ）＋Ｎ[ＳＣ−１（ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ）]）を利用した洗浄を実施することが好ましい。ＢＦＮを利用した第１洗浄工程の際、ＨＦディップアウトタイムを（ＨＦ Dip Out Time）を３０秒以内（１秒乃至３０秒）に最小化することが好ましい。これは洗浄工程時露出された半導体基板１０及びトンネル酸化膜２０がエッチングされる現象を防止できる。
【００２８】
図８（ａ）は本発明に係る側壁酸化後のトレンチ上部のＴＥＭ写真であり、図８（ｂ）は側壁酸化後のトレンチ下部のＴＥＭ写真である。
【００２９】
図６（ｂ）、図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照すれば、第１洗浄工程の後、前処理第２洗浄工程を実施した後、トレンチ５５側壁のエッチング損傷（Damage）を補償するための側壁酸化工程を実施してトレンチ５５内に側壁酸化膜６０を形成する。全体構造上にフィールド酸化膜を蒸着した後、ハードマスク膜４０を停止膜とする平坦化工程を実施し、ハードマスク膜４０を除去して素子分離膜（図示せず）を形成する。
【００３０】
第２洗浄工程は、ＣＬＮ Ｎ（ＳＣ−１（ＮＨ４ＯＨ/Ｈ２Ｏ２/Ｈ２Ｏ））を利用して実施することが好ましい。ＳＣ−１のみを利用してクリーニング工程を実施することにより、ＨＦディップアウトに過度露出により既にイオン注入されているドーパントのアウトガシング（Out-Gassing）を制御し、後続工程により均一な側壁酸化膜６０が形成されるようにすることが効果的である。前処理洗浄工程後、トレンチ５５の形成時、側壁が受けた損傷（Damage）を補償しトレンチ５５の上部コーナーのラウンド（Rounding）処理と活性領域臨界寸法（Critical Dimension；ＣＤ）とを低減するため、側壁酸化工程を実施して３０Å乃至１００Åの厚さの均一な側壁酸化膜６０を形成することが好ましい（図８（ａ）及び図８（ｂ）参照）。また、側壁酸化工程は、７００℃乃至９００℃の温度範囲内で乾式または湿式酸化方式により側壁酸化膜６０を形成し、高温工程（１０００℃以上、１０００℃乃至１１００℃）適用時既に注入されたドーパントのアウトディフュージョン（Out Diffusion）を制御し、トレンチ５５の上部コーナーをラウンドをすることが好ましい。
【００３１】
フィールド酸化膜は、トレンチ５５が形成された全体構造の上部に後続平坦化工程のマージンを考慮して４０００Å乃至６０００Åの厚さのＨＤＰ（High Density Plasma）酸化膜を蒸着し、トレンチ５５の内部に空いた空間が形成されないように埋め込むことが好ましい。平坦化工程はハードマスク膜４０を停止膜とする化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing）を実施することが好ましい。この場合、平坦化工程の平坦化ターゲットを調節して素子分離膜の高さを調節できる。平坦化工程後、燐酸（Ｈ３ＰＯ４）水溶液を利用した窒化膜ストリップ工程を実施してハードマスク膜４０を除去することが好ましい。
【００３２】
尚、本発明は、上記した本実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の工程による側壁損傷を説明するためのＴＥＭ写真である。
【図２】従来のＰＥＴ処理後のカーボン系の非正常層が形成されたＴＥＭ写真である。
【図３】従来の側壁酸化膜の不均一性を説明するためのＴＥＭ写真である。
【図４】従来の側壁酸化膜に対するＴＥＭ ＥＤＳの分析表である。
【図５】本発明に係る素子分離膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明に係る素子分離膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明に係る素子分離用トレンチを形成した後のＴＥＭ写真である。
【図８】（ａ）は本発明に係る側壁酸化後のトレンチ上部のＴＥＭ写真であり、（ｂ）は本発明に係る側壁酸化後のトレンチ下部のＴＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３４】
１０      半導体基板
２０      トンネル酸化膜
３０      導電膜
４０      ハードマスク膜
５０      感光膜パターン
５５      素子分離膜
５８      ポリマー膜
６０      側壁酸化膜
【図１】
2005175421.tif 000003
【図２】
2005175421.tif 000004
【図３】
2005175421.tif 000005
【図４】
2005175421.tif 000006
【図５】
2005175421.tif 000007
【図６】
2005175421.tif 000008
【図７】
2005175421.tif 000009
【図８】
2005175421.tif 000010