(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)半導体の基板上に第１物質層、第２物質層及び第３物質層を順番に形成する段階と、
b)前記第３物質層、第２物質層及び第１物質層を蝕刻して素子分離領域が形成される半導体の基板を露出させる第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを形成する段階と、
c)前記第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを蝕刻マスクとして前記半導体の基板を蝕刻して所定の幅を有するトレンチを形成する段階と、
d)前記第２物質層パターンのみを選択的に蝕刻して第２物質層パターン間の間隔を前記トレンチの幅より広める段階と、
e)前記トレンチを埋め立て、前記第３物質層パターンの上に所定の厚みで絶縁層を形成する段階と、
f)前記第３物質層パターンの表面をストッパとして前記絶縁層を平坦化する段階と、
g)前記第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを順番に取り除いて素子分離領域を完成する段階とを含むことを特徴とするトレンチ素子分離方法。
【請求項２】
前記第２物質層は前記第１物質層及び第３物質層の蝕刻選択比より大きい蝕刻比を有する物質からなることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項３】
前記第１物質層は酸化膜からなり、第２物質層は窒化膜からなることを特徴とする請求項２に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項４】
前記第３物質層は多結晶シリコン膜を用いて形成されることを特徴とする請求項３に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項５】
前記c)段階は反応性イオン蝕刻方法を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項６】
前記d)段階の前に、
d-1)前記トレンチの内部に酸化膜を形成させる段階と、
d-2)前記第２物質層パターン及び第３物質層パターンの表面に形成された酸化膜を取り除く段階とを更に具備することを特徴とする請求項１に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項７】
前記d-2)段階はフッ化水素酸溶液を用いて行われることを特徴とする請求項６に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項８】
前記d)段階は湿式蝕刻方法を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項９】
前記湿式蝕刻方法はリン酸溶液を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項１０】
前記リン酸溶液を用いた湿式蝕刻方法は１４０〜１６０℃で１０〜２０分間行われることを特徴とする請求項９に記載のトレンチ素子分離方法。
【請求項１１】
前記f)段階はＣＭＰ、エッチバック、またはＣＭＰとエッチバックとを組み合わせた方法のうち何れか一つにより行われることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ素子分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトレンチを用いた半導体装置の素子分離方法に係り、特にトレンチを埋め立てているフィールド酸化膜の縁部のプロファイルを改善することにより、素子の特性の向上された半導体装置を得られるトレンチ素子分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置が高集積化かつ微細化されるに伴い、素子分離領域の縮小問題は更に重要性を増している。素子分離領域の形成工程は半導体装置の製造段階において初期段階の工程である。従って、素子分離領域の大きさは活性領域の大きさ及び後工程段階の工程マージンを左右する。よって、素子分離領域はチップサイズの縮小に比例して縮められるべきである。
【０００３】
一般的に、半導体装置の製造に広く用いられる、選択的酸化による素子分離方法（ＬＯＣＯＳ）は工程が簡単な長所を有する。しかしながら、選択的な熱酸化時に生成されるバーズビークにより素子分離領域が拡大されてしまう。よって、ＬＯＣＯＳ法を高集積装置に適用することは難しい。
前記ＬＯＣＯＳ方法の問題点を改善するために、トレンチを用いた素子分離方法が提案された。トレンチ素子分離方法は熱酸化工程を用いないので、バーズビークが形成されることをやや減らし得る。かつ、シリコン基板にトレンチを形成しその内部を酸化膜等の絶縁物質にて埋め立てて素子分離領域を形成する。従って、トレンチ素子分離領域がＬＯＣＯＳ素子分離領域と同一な幅を有しても、トレンチ素子分離方法は更に効果的に素子を分離することができる。
【０００４】
以下、従来の技術による半導体装置のトレンチ素子分離方法を図１乃至図６に基づき説明する。
まず、図１を参照すると、半導体の基板１０上にパッド酸化膜１２、窒化膜１４を順番に蒸着する。前記窒化膜１４はトレンチの形成時に活性領域を守る。次いで、窒化膜１４の上にトレンチの形成される領域をするフォトレジストパターン１６を形成する。
【０００５】
次に、図２のように前記フォトレジストパターン１６を蝕刻マスクとして窒化膜１４及びパッド酸化膜１２を順番に蝕刻して窒化膜パターン１４Ａ及びパッド酸化膜パターン１２Ａを形成した後、前記半導体基板１０を乾式蝕刻して所定の深さのトレンチ１７を形成する。
次いで、図３に示されているように、前記フォトレジストパターン１６を取り除いた後、前記トレンチ１７を埋め立て前記窒化膜パターン１４Ａの上に所定の厚みで酸化膜１８を化学気相蒸着方法にて形成する。
【０００６】
次に、図４のように窒化膜パターン１４Ａの表面をストッパとして用いる化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程にて酸化膜１８を平坦化して酸化膜パターン１８Ａを形成する。
次いで、図５のように窒化膜パターン１４Ａとパッド酸化膜パターン１２Ａを取り除いてトレンチ素子分離領域１８Ａを形成する。引き続き、図５に示されたような結果物に対して犠牲酸化工程や洗浄工程を施すことにより、図６のようなトレンチ素子分離領域１８Ｂを完成する。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】
ところが、前記従来のトレンチ素子分離方法では、犠牲酸化工程や洗浄工程のためにトレンチを埋め立てている酸化膜の縁部も蝕刻されるので、図６の参照符号Ａのようなプロファイルが現れる。
即ち、活性領域と素子分離領域の境界部分で素子分離領域が傾斜して形成されるので、その境界領域でゲート酸化膜が薄まり、電界集中現象が発生する。かつ、後続工程で形成される上部絶縁膜にもストレスを与えるようになり、漏れ電流が発生して素子の特性を低下させる問題点がある。
【０００８】
本発明は改善されたプロファイルを有する素子分離領域を形成できる半導体装置のトレンチ素子分離方法を提供するにその目的がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明によるトレンチ素子分離方法はa)半導体の基板上に第１物質層、第２物質層及び第３物質層を順番に形成する段階と、b)前記第３物質層、第２物質層及び第１物質層を蝕刻して素子分離領域が形成される半導体の基板を露出させる第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを形成する段階と、c)前記第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを蝕刻マスクとして前記半導体の基板を蝕刻して所定の幅を有するトレンチを形成する段階と、d)前記第２物質層パターンのみを選択的に蝕刻して第２物質層パターン間の間隔を前記トレンチの幅より広める段階と、e)前記トレンチを埋め立て、前記第３物質層パターンの上に所定の厚みで絶縁層を形成する段階と、f)前記第３物質層パターンの表面をストッパとして前記絶縁層を平坦化する段階と、g)前記第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを順番に取り除いて素子分離領域を完成する段階とを含むことを特徴とする。
【００１１】
前記第２物質層の蝕刻選択比は前記第１物質層及び第３物質層の蝕刻選択比より大きいことが望ましく、更に望ましくは前記第１物質層は酸化膜からなり、第２物質層は窒化膜からなることが望ましい。
なお本願第２参考例によるトレンチ素子分離方法は、a)半導体の基板上に第１物質層、第２物質層及び第３物質層を順番に形成する段階と、b)前記第３物質層、第２物質層及び第１物質層を蝕刻して素子分離領域が形成される半導体の基板を露出させる第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを形成する段階と、c)前記第３物質層パターン、第２物質層パターン及び第１物質層パターンを蝕刻マスクとして前記半導体基板を蝕刻して所定の幅を有するトレンチを形成する段階と、d)前記第２物質層パターンのみを選択的に蝕刻して第２物質層パターン間の間隔を前記トレンチの幅より広める段階と、e)前記トレンチを埋め立て、前記第３物質層パターンの上に所定の厚みで絶縁層を形成する段階と、f)前記第２物質層パターンの表面をストッパとして用いて前記絶縁層を平坦化する段階と、g)第２物質層パターン及び第１物質層パターンを順番に取り除いて素子分離領域を完成する段階とを含むことを特徴とする。
【００１２】
前記第２物質層の蝕刻選択比は前記第１物質層及び第３物質層の蝕刻選択比より大きいことが望ましく、更に望ましくは前記第１物質層は酸化膜からなり、第２物質層は窒化膜からなることが望ましい。
かつ、前記c)段階は反応性イオン蝕刻方法を用いて行われることが望ましい。
なお、前記d)段階の前に、d-1)前記トレンチの内部に酸化膜を形成させる段階と、d-2)前記第２物質層パターンの表面に形成された酸化膜を取り除く段階とを更に具備することが望ましい。かつ、前記d-2)段階はフッ化水素酸溶液を用いて行われる。
【００１３】
更に、前記d)段階は湿式蝕刻方法により行われ、特に１４０〜１６０℃で１０〜２０分間リン酸溶液を用いて行われることが望ましい。
かつ、前記f)段階はＣＭＰ、エッチバック、ＣＭＰとエッチバックとを組み合わせた方法のうち何れか一つにより行われることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。本発明は後述される実施例に限られず、多様な形態で具現される。かつ、本実施例は本発明を完全に開示し、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために供されるものである。添付した図面において、各種膜と領域の厚みは内容を理解し易くするために強調された。なお、膜が他の膜又は基板の上に存在すると言われる場合は、他の膜又は基板の真上に存在するか層間膜が存在することを示す。
【００１５】
（参考例）
図７を参照すると、半導体の基板１００上に第１物質層１０２及び第１物質層１０２より大きい蝕刻選択比を有する第２物質層１０４を順番に形成する。前記第１物質層１０２は後続工程でストレスバッファー及び活性領域を守る役割を果たし、前記第２物質層１０４は後続の平坦化工程時にストッパの役割を果たす。前記第１物質層１０２は酸化膜を用いて１００〜２００Åの厚みで形成し、第２物質層１０４は窒化膜を用いて約２０００〜３０００Åの厚みで形成することが望ましい。次に、前記第２物質層１０４上にトレンチ領域をするフォトレジストパターン１０６を形成する。
【００１６】
図８を参照すると、前記フォトレジストパターン１０６を蝕刻マスクとして前記第２及び第１物質層１０４，１０２を順番に異方性蝕刻して第２及び第１物質層パターン１０４Ａ，１０２Ａを形成する。
図９を参照すると、前記フォトレジストパターン１０６、前記第２及び第１物質層パターン１０４Ａ，１０２Ａをマスクとして前記半導体基板１００を異方性蝕刻して３５００〜４０００Å程度の深さとＷ１の幅を有するトレンチ１０７を形成する。
【００１７】
かつ、本発明は前記トレンチ１０７の形成時に基板に発生した損傷を回復しトレンチ１０７の表面を平らにするために、トレンチ１０７の形成された結果物の全面に酸化膜（図示せず）を形成させる段階を更に含むことができる。この際、形成される酸化膜の厚みは１００〜３００Å程度が望ましい。酸化膜の形成後、フッ化水素酸（ＨＦ）溶液に約３００秒だけ結果物を処理して、基板内のトレンチ１０７の表面に形成された酸化膜をそのまま残存させ第２物質層パターン１０４Ａの表面に形成された酸化膜だけを取り除く。
【００１８】
図１０を参照すると、前記フォトレジストパターン１０６を取り除いた後、前記第２物質層パターン１０４Ａのみを選択的に蝕刻する溶液、例えば１４０〜１６０℃で１０〜２０分だけリン酸溶液（Ｈ3ＰＯ4）で結果物を処理することにより、第２物質層パターン１０４Ｂ間の間隔Ｗ２をトレンチ１０７の幅Ｗ１より広める。例えば、１５０℃で１５分だけリン酸溶液を用いて処理すると、前記第２物質層パターン１０４Ａの厚みが約１８００Å程度に薄くなり、第２物質層パターン１０４Ａ間の間隔Ｗ２はトレンチ１０７の幅Ｗ１より１４００Å程度広くなる。
【００１９】
図１１を参照すると、前記トレンチ１０７を埋め立て前記第２物質層パターン１０４Ｂ上に所定の厚みで第３物質層１０８を化学気相蒸着方法にて形成する。前記第３物質層１０８は絶縁層、例えばシリコン酸化膜を用いて約５０００〜７０００Å程度の厚みで形成することが望ましい。
図１２を参照すると、前記第２物質層パターン１０４Ｂをストッパとして用い、ＣＭＰ、エッチバック、ＣＭＰとエッチバックを組み合わせた方法のうち何れか一つを用いて前記第３物質層１０８を平坦化してトレンチ埋立物質パターン１０８Ａを形成する。
【００２０】
図１３を参照すると、前記第２物質層パターン１０４Ｂを乾式蝕刻又はリン酸溶液を用いた湿式蝕刻のうち何れか一つを用いて取り除くことにより、トレンチ埋立物質パターン１０８Ｂと第１物質層パターン１０２Ａを残す。
最後に、前記第１物質層パターン１０２Ａを取り除き、図１４に示されたように優れたプロファイルを有するトレンチ素子分離領域１０８Ｃを完成する。
【００２１】
即ち、本発明では平坦化されたトレンチ埋立物質パターン１０８Ａのうちトレンチ１０７の入り口の上に形成された部分の長さＷ２がトレンチの幅Ｗ１より広い。従って、前記第２及び第１物質層パターン１０４Ｂ, １０２Ａを取り除くための湿式蝕刻時に前記トレンチ埋立物質パターン１０８Ａが一部蝕刻されても活性領域は露出されない。よって、トレンチ埋立物質パターン１０８Ａの縁領域が蝕刻されることに起因して活性領域が露出される問題点を防止することができる。
【００２２】
（第１実施例）
図１５を参照すると、半導体の基板２００上に第１物質層２０２及び第１物質層２０２より大きい蝕刻選択比を有する第２物質層２０４、第２物質層２０４より小さい蝕刻選択比を有する第３物質層２０６を順番に形成する。前記第１物質層２０２は酸化膜を用いて１００〜２００Åの厚みで、第２物質層２０４は窒化膜を用いて約２０００〜３０００Åの厚みで、第３物質層２０６は多結晶シリコン層を用いて約７００〜１２００Åの厚みで形成する。次いで、第３物質層２０６の上にトレンチ領域をするフォトレジストパターン２０８を形成する。
【００２３】
図１６を参照すると、前記フォトレジストパターン２０８を蝕刻マスクとして前記第３、第２及び第１物質層２０６，２０４，２０２を順番に異方性蝕刻して第３、第２及び第１物質層パターン２０６Ａ，２０４Ａ，２０２Ａを形成する。
図１７を参照すると、前記フォトレジストパターン２０８、前記第３、第２及び第１物質層パターン２０６Ａ，２０４Ａ，２０２Ａをマスクとして前記半導体基板２００を異方性蝕刻して約３５００〜４０００Å程度の深さとＷ１の幅を有するトレンチ２０９を形成する。この際、トレンチ２０９の深さは必要に応じて調整できる。
【００２４】
この際、前記トレンチ２０９の形成時に基板に発生した損傷を回復しトレンチ２０９の表面を平らにするために、トレンチ２０９の形成された結果物の全面に酸化膜（図示せず）を形成させる段階を更に含むことができる。この際、形成される酸化膜の厚みは１００〜３００Å程度が望ましい。酸化膜の形成後、フッ化水素酸（ＨＦ）溶液に約３００  秒だけ結果物を処理して、基板内のトレンチ３０９の表面に形成された酸化膜をそのまま残存させ第２物質層パターン２０４Ａと第３物質層パターン２０６Ａの表面に形成された酸化膜だけを取り除く。
【００２５】
図１８を参照すると、前記フォトレジストパターン２０８を取り除いた後、前記第２物質層パターン２０４Ａのみを部分的に蝕刻する溶液、例えば１４０〜１６０℃で１０〜２０分だけリン酸溶液（Ｈ3ＰＯ4）で結果物を処理し、第２物質層パターン２０４Ｂ間の間隔Ｗ２がトレンチ２０９の幅Ｗ１より広まるようにアンダーカットを形成する。例えば、１５０℃で１５分だけリン酸溶液を用いて処理すると、トレンチ２０９の幅Ｗ１より１４００Å程度広い間隔Ｗ２を有する第２物質層パターン２０４Ｂが得られる。
【００２６】
この際、前記第１物質層パターン２０２Ａと第３物質層パターン２０６Ａは前記第２物質層パターン２０４Ｂより小さい蝕刻選択比を有するので、ほとんど蝕刻されない。従って、図１８に示されたように第２物質層パターン２０２Ｂのみが蝕刻されてアンダーカットを形成するようになる。
図１９を参照すると、化学気相蒸着方法（ＣＶＤ）にて前記トレンチ２０９を埋め立て、前記第３物質層パターン２０６Ａ上に所定の厚みで第４物質層２１０を形成する。前記第４物質層２１０は絶縁層、例えばシリコン酸化膜を用いて約５０００〜７０００Å程度の厚みで形成する。
【００２７】
図２０を参照すると、前記第３物質層パターン２０６Ａをストッパとして用い、ＣＭＰ、エッチバック、ＣＭＰとエッチバックを組み合わせた方法のうち何れか一つを用いて前記第４物質層２１０を平坦化してトレンチ埋立物質パターン２１０Ａを形成する。
図２１を参照すると、前記第３物質層パターン２０６Ａを乾式蝕刻又は硝酸（ＨＮＯ3 ）、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）、フッ化水素酸（ＨＦ）及び蒸留水の混合溶液を用いた湿式蝕刻を用いて取り除いた後、第２物質層パターン２０４Ｂを乾式蝕刻又はリン酸溶液を用いた湿式蝕刻のうち何れか一つを用いて取り除くことにより、トレンチ埋立物質パターン２１０Ｂと第１物質層パターン２０２Ａを残す。
【００２８】
最後に、前記第１物質層パターン２０２Ａを取り除き、図２２に示されたように優れたプロファイルを有するトレンチ素子分離領域２１０Ｃを完成する。
即ち、第１実施例では参考例と同様に、トレンチ埋立物質パターン２１０Ａのうちトレンチ２０９の入り口の上に形成された部分の長さＷ２がトレンチの幅Ｗ１より広い。従って、前記第３、第２及び第１物質層パターン２０６Ａ，２０４Ｂ，２０２Ａを取り除くための湿式蝕刻時に前記トレンチ埋立物質パターン２１０Ａが一部蝕刻されても活性領域は露出されない。
【００２９】
（第２参考例）
第２参考例は第１実施例の図１５乃至図１９に示されている工程と同一な工程を用いて第４物質層２１０Ａまで形成する。但し、第３物質層２０６が酸化膜から形成されるという点で第２実施例と異なる。
次いで、図２３に示されているように、第４物質層２１０を平坦化するトレンチ埋立物質パターン２１０Ｄを形成する。この際、平坦化工程のストッパとして第３物質層パターン２０６Ａではなく第２物質層パターン２０４Ｂを用いるという点で第２実施例と異なる。引き続き、第２実施例と同一な工程を通して前記第２物質層パターン２０４Ａ及び第１物質層パターン２０２Ａを取り除いて図２４に示されているようなトレンチ素子分離領域２１０Ｅを形成する。
【００３０】
【発明の効果】
以上、基板上に形成されたトレンチ領域をする物質層パターンにアンダーカットを形成した後、トレンチに絶縁物質を埋め立てる。従って、トレンチを埋め立てた後、トレンチをし活性領域を守る物質層パターンを蝕刻する時、活性領域と接するトレンチの縁部の蝕刻に起因してトレンチの縁部に隣接した活性領域が露出されることを防止することができる。よって、素子分離領域の縁部のプロファイルを向上させることができる。結果的に、素子分離領域の縁部に電界が集中される問題点が防止され、後続工程で形成される上部の絶縁膜が受けるストレスも減少し、素子の特性の向上された半導体装置を製造することができる。
【００３１】
本発明は前記実施例に限られず、本発明が属した技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により多くの変形が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図３】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図４】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図５】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図６】  従来の技術によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図７】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図８】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図９】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１０】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１１】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１２】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１３】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１４】  本発明の参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１５】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１６】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１７】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１８】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図１９】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２０】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２１】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２２】  本発明の第１実施例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２３】  本発明の第２参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【図２４】  本発明の第２参考例によるトレンチ素子分離方法を示す断面図である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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