KR20000057899A - Shallow trench isolation planarization using self aligned isotropic etch - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 반도체 소자 제조 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집적 회로에서의 아이솔레이션 구조물의 평탄화 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention generally relates to the field of semiconductor device manufacturing, and more particularly, to a planarization method of an isolation structure in an integrated circuit.
아이솔레이션을 위해 형성되는 얕은 트렌치들을 채우는 데 사용되는 산화물 또는 다른 물질을 평탄화시키는 데 화학-기계적 연마(CMP)가 사용된다. 반도체 소자 제조에서 CMP에 이용되는 가장 일반적인 방법은 반도체 웨이퍼를 마운팅 패드를통해 캐리어(회전될 수 있거나 회전되지 않을 수 있슴)에 부착시킨 후 이 웨이퍼의 노출면을 연마 패드(회전 또는 비회전 플레이튼 상에 장착되어짐)와 접촉되게 함으로써 연마시키는 것이다. 따라서, 웨이퍼 표면과 연마 패드 간의 기계적인 마모로 인해 웨이퍼 표면이 연마되어지게 된다. 연마를 촉진시키고 이러한 공정에서 유리되어진 임의 입자들을 제거시키기 위해, 웨이퍼 표면과 연마 패드 간에 슬러리를 도입시킬 수 있다. 슬러리가 웨이퍼 표면과 상호 작용함으로써 웨이퍼를 보다 용이하게 연마시킬 수 있으며, 이러한 연마 단계 중에 웨이퍼로부터 유리되어진 물질들은 과잉 슬러리가 가져갈 것이다.Chemical-mechanical polishing (CMP) is used to planarize oxides or other materials used to fill shallow trenches formed for isolation. The most common method used for CMP in semiconductor device fabrication is to attach a semiconductor wafer to a carrier (which may or may not be rotated) through a mounting pad and then expose the exposed surface of the wafer to a polishing pad (rotating or non-rotating platen) And is polished by contact with the substrate). Thus, mechanical wear between the wafer surface and the polishing pad causes the wafer surface to be polished. Slurry may be introduced between the wafer surface and the polishing pad to facilitate polishing and remove any particles liberated in this process. The slurry can more easily polish the wafer by interacting with the wafer surface, and any material liberated from the wafer during this polishing step will be taken away by the excess slurry.
집적 회로에서 소자들 간에서의 적절한 아이솔레이션를 달성하기 위해, 쉘로우 트렌치 아이솔레이션(Shallow Trench Isolation; STI)로서 공지된 기술을 사용한다. 이 기술에서는, 실리콘 표면 내에 얕은 트렌치를 형성한 후 이 트렌치를 통상적으로 피착된 산화물로 이루어지는 절연 물질로 채운다. 이 피착된 산화물은 콘포멀 특성을 가져 실리콘 표면의 윤곽들을 추종하게 됨으로써 소자들이 제조되어질 트렌치내와 실리콘 표면 상에 동일한 두께의 산화물막이 형성된다.In order to achieve proper isolation between devices in an integrated circuit, a technique known as shallow trench isolation (STI) is used. In this technique, after forming a shallow trench in the silicon surface, the trench is filled with an insulating material, which is usually made of deposited oxide. This deposited oxide has conformal properties to follow the contours of the silicon surface so that an oxide film of the same thickness is formed on the silicon surface and in the trench in which the devices are to be manufactured.
소자 제조의 후속으로서 플래너 표면을 달성하기 위해, 통상적으로 CMP를 이용하여 트렌치 내의 산화물은 남겨두면서 소자들을 포함하게 될 실리콘 표면들 상에 형성된 산화물을 제거시킨다. 이들 실리콘 표면들은 집적 회로 전반에 걸쳐 불균일하게 분포되어 있어 집적 회로 밀도의 범위를 조절하여 균일한 플래너 표면을 형성시킬 수 있는 공정을 필요로 한다. 이와 같은 집적 회로 전반에 걸친 실리콘 표면들의 불균일한 분포와 산화물 연마 시에 사용되는 대부분의 CMP 실리카 슬러리의 (질화물에 대한 산화물의)전형적인 낮은 선택도로 인해 큰 트렌치를 포함하는 영역에서 상당한 디싱(dishing), 분리된 작은 실리콘 표면들에 대한 손상 및, 큰 실리콘 영역 또는 어레이로부터의 산화물의 불완전한 제거가 발생할 수 있다. 이러한 변동을 줄이기 위해 더미 실리콘 표면을 사용할 수 있으나, 웨이퍼 전반에 걸치며 다이 내의 충전된 산화물 두께의 변동은 여전히 매우 높다. 전형적으로, 이러한 변화를 극복하기 위해서는, 단기간의 연마 동안 CMP를 이용하여 쉽사리 제거되는 실리콘 표면의 엣지 주변의 여분의 산화물만을 남겨둔 채 실리콘 표면 상의 산화물을 에칭 백하여 외관 상의 패턴 밀도를 감소시키는 패터닝된 에칭 백을 사용한다. 이러한 방법은 포토리소그래피 패터닝 레벨의 부가로 인해 집적 회로의 제조에 상당한 비용을 가중시킨다. 따라서, STI의 평탄화를 위해 비용을 증가시키지 않고 패터닝된 에칭 백의 복잡성을 증가시키지 않으면서 CMP의 한계를 극복하기 위한 방법이 필요하다. 본 발명은 패터닝 단계를 필요로 하지 않으며 임의 회로 밀도를 조절할 수 있는 방법을 제공한다.To achieve the planar surface as a result of device fabrication, CMP is typically used to remove oxides formed on silicon surfaces that will contain devices while leaving oxide in the trench. These silicon surfaces are unevenly distributed throughout the integrated circuit, requiring a process that can control the range of integrated circuit density to form a uniform planar surface. Significant dishing in regions containing large trenches due to the non-uniform distribution of silicon surfaces throughout this integrated circuit and the typical low selectivity (of oxide to nitride) of most CMP silica slurries used in oxide polishing. Damage to separated small silicon surfaces and incomplete removal of oxides from large silicon regions or arrays can occur. Dummy silicon surfaces can be used to reduce this variation, but variations in the thickness of the oxides filled in the die across the wafer are still very high. Typically, to overcome this change, a patterned pattern is used to etch back oxide on the silicon surface to reduce the pattern density on the appearance, leaving only the excess oxide around the edge of the silicon surface easily removed using CMP during short term polishing. Etch back is used. This method adds significant cost to the fabrication of integrated circuits due to the addition of photolithographic patterning levels. Thus, there is a need for a method to overcome the limitations of CMP without increasing the cost for planarization of the STI and without increasing the complexity of the patterned etch back. The present invention does not require a patterning step and provides a method by which arbitrary circuit density can be adjusted.
본 발명은 집적 회로에서 사용하는 플래너 아이솔레이션 구조물을 형성하는 방법을 포함한다.The present invention includes a method of forming a planar isolation structure for use in an integrated circuit.
본 발명의 일 실시예는 반도체 기판에 아이솔레이션 구조물을 형성하기 위해, 상기 기판 내의 트렌치들을 에칭하여 상기 트렌치들 간에 실질적으로 에칭되지 않은 상기 기판의 영역을 형성하는 단계와, 상기 트렌치들을 실질적으로 충전시키는 상면을 갖는 충전재를 피착시키는 단계와, 상기 충전재의 상기 상면 상에 에칭 장벽을 형성하는 단계와, 상기 실질적으로 에칭되지 않은 상기 기판 영역 상에 위치되어진 상기 에칭 장벽의 부분들을 제거시켜 상기 충전재의 부분들을 노출시키는 단계와, 상기 충전재의 상기 노출 부분들을 제거시키는 단계와, 상기 충전재를 평탄화시키는 단계를 포함하는 방법이다. 바람직하게는, 상기 에칭 장벽을 제거시키는 단계는 선택적 에칭 공정을 이용하고, 상기 선택적 에칭 공정은 충전재 에칭 속도보다 높은 에칭 장벽의 에칭 속도를 갖는다.One embodiment of the present invention provides a method of forming an isolation structure in a semiconductor substrate, the steps of etching trenches in the substrate to form regions of the substrate that are substantially etched away between the trenches and substantially filling the trenches. Depositing a filler having a top surface, forming an etch barrier on the top surface of the filler, and removing portions of the etch barrier located on the substantially unetched substrate region; Exposing the mold, removing the exposed portions of the filler, and planarizing the filler. Preferably, removing the etch barrier uses a selective etch process, the selective etch process having an etch rate of the etch barrier higher than the filler etch rate.
본 발명의 장점은 임의 회로 밀도를 위한 플래너 아이솔레이션 구조물을 공수를 줄이면서 형성하는 것이다.An advantage of the present invention is the formation of planar isolation structures for arbitrary circuit densities with reduced man-hours.
본 발명의 상기 장점 및 기타 장점들은 첨부된 도면에 관련한 명세서를 참조함으로써 당업자라면 쉽사리 인식할 수 있을 것이다.The above and other advantages of the present invention will be readily appreciated by those skilled in the art by reference to the specification in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 얕은 트렌치와 트렌치 충전 산화 구조물을 도시하는 실리콘 웨이퍼의 단면도.1 is a cross-sectional view of a silicon wafer showing shallow trenches and trench fill oxide structures.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예를 도시하는 단면도.2A-2E are cross-sectional views illustrating one embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 방법을 도시하는 흐름도.3 is a flow diagram illustrating a method of one embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: 실리콘 기판100: silicon substrate
101: 트렌치101: trench
103: 충전재103: filling material
106: 콘포멀 에칭 장벽106: conformal etch barrier
지금부터 도 1, 도 2a 내지 도 2e 및 도 3을 참조하면서 본 발명을 기술하기로 한다. 당업자라면 본 발명의 이점을 막의 평탄화를 필요로 한는 다른 구조물에도 적용시킬 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.The present invention will now be described with reference to FIGS. 1, 2A-2E and 3. Those skilled in the art will appreciate that the advantages of the present invention can be applied to other structures that require planarization of the film.
실리콘 기판(100)은 단결정 실리콘일 수 있으며 다수의 트렌치(101)를 갖는 단결정 기판 상에 형성된 에피택셜 실리콘층이 도 1에서 도시된다. 질화물막(102)이 형성되어 패터닝되고 실리콘을 에칭하여 트렌치(101)를 형성한다. 잘화물막은 소자들이 제조되어질 에칭되지 않은 실리콘 표면(108)을 보호하는 역할도 한다. 트렌치들을 충전시키고 에칭되지 않은 실리콘 표면(108) 상에 차후에 제조될 임의 소자들 간의 절연을 제공하기 위해 콘포멀 절연 충전재(103)를 형성한다. 이 콘포멀 절연 충전재(103)는 화학 기상 피착된(CVD) 실리콘 산화물, PECVD TEOS, HDP 산화물, 옥시니트라이드 또는 특성이 동일한 임의 절연 물질일 수 있다. 충전재(103)의 콘포멀 특성으로 도 1에서 도시된 위상이 형성된다. 충전재(108)는 트렌치들(105)을 충전(전형적으로 약 0.3 내지 0.6㎛ 깊이)시키지만, 에칭되지 않은 실리콘 표면(108) 상에도 트렌치(105) 내의 막 두께와 동일한 두께의 막을 형성시킬 것이다. 에칭되지 않은 실리콘 표면들(104)이 밀접하게 배치되어 있는 영역에서는, 충전재는 실리콘 표면들 전체에 걸쳐 상대적으로 플랫한 표면을 형성시킬 것이다. 에칭되지 않은 실리콘 표면들(107)이 분리되어 있는 영역에서는, 충전재(103)는 에칭되지 않은 실리콘 표면(108)과 트렌치(101)의 위상과 콘포멀하게 될 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는, 충전재(103)로서 CVD 산화물을 사용한다. 이 실시예의 경우, 충전재(103)의 선택적인 치밀화는 산소, 질소, 알곤 또는 이들 가스의 임의 화합을 포함하는 분위기 중에서 500℃ 내지 1500℃의 온도 범위 내에서 산화물을 어닐링시킴으로써 행해진다.The silicon substrate 100 may be monocrystalline silicon and an epitaxial silicon layer formed on the single crystal substrate having a plurality of trenches 101 is shown in FIG. 1. The nitride film 102 is formed and patterned to etch silicon to form the trench 101. The well-deposited film also serves to protect the unetched silicon surface 108 from which the devices will be fabricated. A conformal insulating filler 103 is formed to fill the trenches and to provide insulation between any of the devices that will be fabricated later on the unetched silicon surface 108. This conformal insulating filler 103 may be chemical vapor deposited (CVD) silicon oxide, PECVD TEOS, HDP oxide, oxynitride or any insulating material having the same properties. The phase shown in FIG. 1 is formed due to the conformal properties of the filler 103. Filler 108 fills trenches 105 (typically about 0.3-0.6 μm deep), but will also form a film on the unetched silicon surface 108 that is the same thickness as the film thickness in trench 105. In areas where the non-etched silicon surfaces 104 are closely disposed, the filler will form a relatively flat surface throughout the silicon surfaces. In the region where the unetched silicon surfaces 107 are separated, the filler 103 will conform to the phase of the unetched silicon surface 108 and the trench 101. In one embodiment of the present invention, CVD oxide is used as the filler 103. For this embodiment, selective densification of the filler 103 is done by annealing the oxide within a temperature range of 500 ° C. to 1500 ° C. in an atmosphere containing oxygen, nitrogen, argon or any combination of these gases.
도 3의 단계(302)에서는, 충전재(103)의 표면 상에 충전재(103)의 등방성 에칭제에 대해 내성을 갖는 얇은 콘포멀 에칭 장벽을 형성한다. 이러한 얇은 콘포멀 에칭 장벽(106)은 도 2a에 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 실리콘 이산화물을 포함하는 충전재(103)를 위해, 에칭 장벽(106)은 50Å 내지 4000Å 막의 실리콘 질화물, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 금속, 중합체(예를 들어, paraleneTM) 또는 이들의 임의 화합물로 이루어진다. 단계(304)에서는, 실리콘 표면(104, 107) 상의 에칭 장벽(106)은 CMP 또는 다른 적당한 기술을 이용하여 제거시킨다. 이로써 생성된 구조물이 도 2b에서 도시된다. 에칭 장벽(106)의 아래에 있는 충전재(103)의 단지 최소량만이 이 단계에서 제거되는 것이 바람직하다. CMP 슬러리의 전형적인 선택도는 질화물과 산화물 각각에 대해서는 1 : 1이고, 폴리실리콘과 산화물 각각에 대해서는 10 : 1이다.In step 302 of FIG. 3, a thin conformal etch barrier is formed on the surface of filler 103 that is resistant to the isotropic etchant of filler 103. This thin conformal etch barrier 106 is shown in FIG. 2A. In one embodiment of the present invention, for the filler 103 comprising silicon dioxide, the etch barrier 106 may be a silicon nitride, polycrystalline silicon, amorphous silicon, metal, polymer (e.g., paralene ™ ) of 50-4000 microns film. Or any compound thereof. In step 304, the etch barrier 106 on the silicon surfaces 104, 107 is removed using CMP or other suitable technique. The resulting structure is shown in FIG. 2B. It is desirable that only the minimum amount of filler 103 below the etch barrier 106 be removed at this stage. Typical selectivity of CMP slurries is 1: 1 for nitrides and oxides respectively and 10: 1 for polysilicon and oxides respectively.
단계(306)에서는, 충전재(103)를 등방성으로 에칭시킨다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 충전재(103)를 습식 회학 에칭이나 건식 플라즈-기재 에칭, 또는 이들의 임의 결합에 의해 등방성으로 제거시킬 수 있다. 도 2c에서는 이방성 에칭 후의 구조물을 도시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, CVD 실리콘 산화물 충전재(103) 및 실리콘 질화물 또는 다결정 실리콘 에칭 장벽(106)에 대한 에칭제로서 묽은 HF 용액(완충 또는 비완충)을 사용할 수 있다. HF 농도의 상한 및 하한은 저농도 범위에서의 반응 속도와 고농도 범위에서의 충전재에 대한 에칭제의 등방성에 따라 결정될 것이다. HF 희석액의 실제 농도 범위는 0.25% 내지 15%이지만, 농도는 이러한 범위에만 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, CVD 실리콘 산화물 충전재(103) 및 실리콘 질화물 또는 폴리실리콘 에칭 장벽(106)이 사용되면 플라즈마-기재 에칭을 사용하여 등방성 에칭을 행할 수 있다. 이 경우, 에칭은 플로로카본 기재 화학 약품(예를 들어, CHF2/CF4/Ar, C2F6, C3F8, 또는 CHF3)을 사용하는 플라즈마 에칭제로 행해질 수 있다.In step 306, the filler 103 is isotropically etched. In another embodiment of the present invention, the filler 103 may be isotropically removed by wet chemical etching, dry plasma-based etching, or any combination thereof. 2C shows the structure after anisotropic etching. In one embodiment of the present invention, dilute HF solution (buffered or unbuffered) may be used as an etchant for CVD silicon oxide filler 103 and silicon nitride or polycrystalline silicon etch barrier 106. The upper and lower limits of the HF concentration will be determined by the reaction rate in the low concentration range and the isotropy of the etchant to the filler in the high concentration range. The actual concentration range of the HF diluent is 0.25% to 15%, but the concentration is not limited to this range. In other embodiments, isotropic etching may be performed using plasma-based etching if CVD silicon oxide filler 103 and silicon nitride or polysilicon etch barrier 106 are used. In this case, the etching can be done with a plasma etchant using a fluorocarbon based chemical (eg, CHF 2 / CF 4 / Ar, C 2 F 6 , C 3 F 8 , or CHF 3 ).
단계(308)는 선택 단계로서 습식 화학 에칭 또는 플라즈마-기재 에칭을 이용하여 나머지 에칭 장벽(106)을 제거시키는 단계를 포함한다. 단계(308)를 수행하지 않을 경우, 구조물(106)의 나머지 부분들은 CMP 단계(310)에서 제거될 것이다. 그러나, 이것은 스크래칭 또는 오염을 유발시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, CVD 실리콘 산화물 충전재 및 폴리실리콘 에칭 장벽에 대해서는 핫(hot) 인산이 적당한 습식 화학 에칭제가 될 것이다. 두 경우에, 에칭 공정은 상당량의 충전재를 제거시킴이 없이 에칭 장벽을 제거시켜야 한다. 이 단계가 행해진 결과로서 생성된 구조물이 도 2d에 도시되어 있다.Step 308 includes removing the remaining etch barrier 106 using wet chemical etching or plasma-based etching as an optional step. If step 308 is not performed, the remaining portions of structure 106 will be removed in CMP step 310. However, this may cause scratching or contamination. In another embodiment, hot phosphoric acid will be a suitable wet chemical etchant for CVD silicon oxide fillers and polysilicon etch barriers. In both cases, the etching process must remove the etch barrier without removing a significant amount of filler. The resulting structure is shown in FIG. 2D as a result of this step.
단계(310)에서, CMP를 사용하여 나머지 웨이퍼 표면을 평탄화시킴으로써 실리콘 표면(108)을 피복하는 나머지 충전재를 제거시킨다. 결과적으로 생성된 구조물이 도 2e에서 도시된다. 이로써 표준 처리 기술을 이용하여 집적 회로를 완성시킬 수 있다,In step 310, the remaining filler surface covering silicon surface 108 is removed by planarizing the remaining wafer surface using CMP. The resulting structure is shown in FIG. 2E. This allows the use of standard processing techniques to complete the integrated circuit.
비록 본 발명을 상기 실시예에 대해서만 기술 및 도시하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 본 명세서를 참조함으로써 본 발명의 상기 실시예 이외에 여러 수정 및 변형 실시예를 실시할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 이러한 임의 변형 실시예들을 모두 포함하는 것으로 광의적으로 해석해야 한다.Although the present invention has been described and illustrated only with respect to the above embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. Those skilled in the art will recognize that various modifications and variations of the present invention may be made by reference to the present specification. Therefore, the appended claims should be construed broadly as including all such modifications.
Claims (34)
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Legal Events
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20000203 |
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