JP2004266276A - トレンチ形成方法及びこれを利用した半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の寸法のトレンチを容易に形成することができるトレンチ形成方法及びこれを利用した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に絶縁膜を形成し、絶縁膜上にフォトレジストパターンを形成した後、フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて絶縁膜に第１寸法を有するトレンチを形成し、トレンチを含む絶縁膜を第２食刻工程を通じて食刻し、第２寸法を有する拡張されたトレンチを形成する。第１食刻工程を通じてマスクであるフォトレジストパターンの構造的な安定性を保持しながら、第１寸法を有するトレンチを形成した後、半導体基板または絶縁膜の種類により相異する組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を通じてトレンチの寸法を拡張させることができる。従って、拡張さされた構造を有するトレンチ内に、要求される金属配線や素子分離膜またはコンタクトなどを正確に形成することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、トレンチ形成方法及びこれを利用した半導体装置の製造方法に関し、より詳細には第１食刻工程を通じて絶縁膜または基板にまずトレンチを形成した後、第２食刻工程でトレンチの寸法を拡張することによって、所望の寸法のトレンチを容易に形成することができるトレンチ形成方法及びこれを利用した半導体装置の製造方法に関するものである。

一般に、ＲＡＭ（Ｒａｎｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）チップのメモリー能力は経験則であるムーア（Ｍｏｏｒｅ）の法則により表現される。ムーア（Ｍｏｏｒｅ）の法則はメモリーチップの一般的な傾向を表すものとして、ＲＡＭチップのメモリー容量が大体３年毎に４倍程度ずつ増加するというものである。約４倍程度のメモリー容量の増加は、新しいチップが出現するたびに、素子のサイズの減少と同時にシリコンチップの長さの増加により行われる。シリコンチップ内に集積される素子の大きさが段々小さくなるにつれて、連結ラインの相対的距離も減少される。

しかし、連結ラインの間の距離が減少されるとライン同士で互いに影響を与え始め、連結ラインの間の距離が所定の値以下になると半導体素子全体の信号遅延を惹起する。半導体チップの信号処理速度を向上させるための方案の１つとして、配線に使用される金属の比抵抗を減少させることが要求される。

最近では、半導体素子の連結ラインの材料として約２．６６μΩｃｍの比抵抗を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用してきた。しかし、１９９８年ＩＢＭ（「ＩＢＭ」は登録商標）社が約１．６５μΩｃｍの、アルミニウムに比べてずっと低い比抵抗を有する銅を利用して金属配線を形成する方法を開示して以来、現在は銅を利用して半導体素子の金属配線を形成する方法、並びに金属‐絶縁体‐金属（ＭＩＭ）キャパシターのような半導体素子を製造する方法に対して多くの研究が進行されつつある。現在、銅を金属配線やキャパシターの下部電極またはコンタクトに使用するダマシン工程においては、まず、絶縁膜にフォトリソグラフィ工程を通じて所定の寸法にトレンチを形成した後、前記絶縁膜に形成されたトレンチ内に化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程を利用して銅層を形成する方法が一般に利用されている。このようなトレンチを利用して素子分離膜、金属配線またはキャパシターを形成する方法は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などの複数の文献に開示されている。

図１及び図２は、従来のトレンチ形成方法を示す断面図である。
図１を参照すると、シリコンウェーハである半導体基板１０上に酸化物乃至窒化物からなる絶縁膜１５を形成した後、半導体装置の金属配線のためのトレンチを形成するために絶縁膜１５上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布する。このとき、半導体基板１０上にはトランジスターのような構造物が備えられる。

続いて、前記フォトレジスト膜を露光及び現像して絶縁膜１５上にフォトレジストパターン２０を形成する。この場合、絶縁膜１５に適切な幅と深さを有するトレンチを形成するためには、トレンチを形成する間マスクとして使用されるフォトレジストパターン２０が所定の幅と高さを有することが必要である。即ち、フォトレジストパターン２０の高さがあまり低いと、絶縁膜１５にトレンチが完全に形成される前にフォトレジストパターン２０が全部消耗される可能性があるため、フォトレジストパターン２０の間に露出する絶縁膜１５を食刻してトレンチを形成する間にフォトレジストパターン２０が完全に消耗されないように、フォトレジストパターン２０は所定の値以上の高さを有しなければならない。また、フォトレジストパターン２０の幅があまり広いと、絶縁膜１５に形成されるトレンチの幅が相対的に狭くなるので、絶縁膜１５上に形成されるトレンチの幅を考慮してフォトレジストパターン２０は所定の値以下の幅を有しなければならない。図１に示すように、一般的にトレンチを形成するためにフォトレジストパターン２０は、約３以上の高いアスペクト比（フォトレジストパターン２０の幅（ｗ）に対する高さ（ｈ）の比）を有して絶縁膜１５上に形成される。

しかし、図２に示すように、フォトレジストパターン２０が３以上の高いアスペクト比を有する場合にはフォトレジストパターン２０の構造的安定性が弱化されて、フォトレジストパターン２０が崩れる現像が発生する可能性が非常に高くなる。これを解決するためにフォトレジストパターン２０の幅を増加させる場合には、これに比例して、フォトレジストパターン２０をマスクにして絶縁膜１５に形成されるトレンチの幅が狭くなるので、トレンチにダマシン工程を通じて金属配線を形成することにおいて難しい問題点が発生する。

前記フォトレジストパターン２０が崩れた状態で絶縁膜１５を食刻して絶縁膜１５にトレンチを形成する場合には、トレンチの位置や寸法を調節することが殆ど不可能であるため、結局半導体装置の不良を惹起し、半導体製造工程の数率を低下させる原因となる。また、前述した従来のフォトレジストパターン２０を利用してトレンチを形成する工程を通じてはトレンチの寸法を正確に調節しにくいので、このようなトレンチにダマシン工程で銅からなる金属配線を形成する場合には、絶縁膜１５上に所望するサイズの金属配線を形成しにくい短所がある。さらに、フォトレジストパターン２０が倒れた状態で後続工程を実施すると、絶縁膜や金属配線に細条（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）が発生して、後続工程で深刻な不良を引き起こす可能性が大きく増大する問題点が発生する。

米国特許第６，２５９，１２８号明細書 米国特許第６，４６１，９１４号明細書 韓国特許出願公開第２００３−１０５０７号公報 韓国特許出願公開第２００３−２８０３号公報

本発明の第１目的は、第１食刻工程を通じて一次的に絶縁膜または基板にまず、第１寸法を有するトレンチを形成した後、第２食刻工程を通じてトレンチが第２寸法を有するようにすることで、所望の寸法のトレンチを形成することができるトレンチ形成方法を提供することにある。

本発明の第２目的は、前記トレンチ形成方法を利用して、基板の上部に要求されるサイズを有する導電性パターンを正確に形成することができる導電性パターン形成方法を提供することにある。
本発明の第３目的は、前記トレンチ形成方法を利用して、正確な寸法を有する金属配線やキャパシターの下部電極またはコンタクトを容易に形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

前述した本発明の第１目的を達成するための本発明のトレンチ形成方法によると、基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上にフォトレジストパターンを形成した後、前記フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記絶縁膜に第１寸法を有するトレンチを形成し、前記トレンチを含む前記絶縁膜を第２食刻工程を通じて食刻して、第２寸法を有する拡張されたトレンチを形成する。このとき、前記絶縁膜は酸化物、窒化物またはフッ化物で構成され、前記第２食刻工程は酸化物またはフッ化物を食刻するためにフッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び脱イオン水（Ｈ_２Ｏ）を含む食刻溶液を使用して実施するか、または窒化物を食刻するためにフッ化水素、燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）及び脱イオン水を含む食刻溶液を使用して実施する。また、前記食刻溶液は前記拡張されたトレンチ内に形成される金属の酸化を防止するためにベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）のような酸化防止剤をさらに含むことができる。

また、前述した本発明の第１目的を達成するための本発明の素子分離膜形成方法によると、基板上にフォトレジストパターンを形成し、前記フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記基板に第１寸法のトレンチを形成した後、前記トレンチを含む前記基板を第２食刻工程で食刻して、第２寸法を有する拡張されたトレンチを形成し、前記拡張されたトレンチ内を埋立てる酸化膜を形成する。

前述した本発明の第２目的を達成するための本発明の導電性パターン形成方法によると、基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜にフォトレジストパターンを形成した後、前記フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記絶縁膜に第１幅を有するトレンチを形成する。続いて、前記トレンチを含む前記絶縁膜を第２食刻工程を通じて食刻して、前記第１幅より広い第２幅を有する拡張されたトレンチを形成した後、前記拡張されたトレンチ内に導電性パターンを形成する。

前述した本発明の第３目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法によると、半導体基板上に、第１導電性パターンが形成された第１絶縁膜を形成し、前記第１絶縁膜上に少なくとも１つの阻止膜及び第２絶縁膜を交互に形成した後、前記第２絶膜上に第１フォトレジストパターンを形成し、前記第１フォトレジストパターンをマスクとして利用して前記阻止膜及び前記第２絶縁膜を食刻し、前記第１導電性パターンを露出させるバイアホールを形成する。続いて、前記第１フォトレジストパターンを除去した後、前記第２絶縁膜上に第２フォトレジストパターンを形成し、前記第２フォトレジストパターンをマスクとして利用して前記阻止膜及び前記第２絶縁膜を食刻し、前記バイアホール上に第１幅を有するトレンチを形成する。続いて、前記トレンチを含む前記第２絶縁膜を食刻して、第２幅を有する拡張されたトレンチを形成した後、前記バイアホール及び前記拡張されたトレンチにそれぞれ第２導電性パターン及び第３導電性パターンを形成する。

本発明によると、フォトリソグラフィ工程のような第１食刻工程を通じて、マスクであるフォトレジストパターンの構造的な安定性を保持しながら第１寸法を有するトレンチを形成した後、半導体基板または絶縁膜の種類により相異する組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を通じてトレンチの寸法を拡張させることができる。従って、拡張された構造を有するトレンチ内に、要求されるサイズの金属配線や素子分離膜またはコンタクトなどを正確に形成することができるので、トレンチの形成のためのフォトレジストパターンの崩れにより惹起される半導体装置の不良を防止して、半導体装置の信頼性を改善すると共に製造工程の数率を向上させることができる。

以下、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。
（第一実施例）
図３から図５は、本発明の第一実施例によるトレンチ形成方法を説明するための断面図である。

図３に示すように、トランジスター構造物（図示せず）を含む半導体基板５０上に熱酸化法や化学気相蒸着方法を通じて酸化物、窒化物またはフッ化物からなる絶縁膜５５を形成する。前記絶縁膜５５を構成する酸化物としては中温酸化物ＭＴＯ、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｃａｔｅ）、ＢＰＳＧ、ＵＳＧなどが使用され、フッ化物としてはＦＳＧ（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇａｌｓｓ）、シリコン酸フッ化物（ＳｉＯＦ）などが利用される。また、絶縁膜５５はシリコン窒化物（ＳｉｘＮｙ）やシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）のような窒化物からなる。この場合、絶縁膜５５は基板５０上に位置するトランジスター構造物を被覆しながら形成される。

続けて、絶縁膜５５上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後、露光及び現像工程を通じて前記フォトレジスト膜をパターニングしてフォトレジストパターン６０を形成する。このとき、後述するようにトレンチの寸法拡張工程が実施されるので、絶縁膜５５上に形成されるフォトレジストパターン６０は従来の場合よりずっと小さいアスペクト比を有する。即ち、本実施例によるフォトレジストパターン６０は図１に示した従来のフォトレジストパターン２０の幅ｗに比べて相対的に広い幅ｗ’を有する一方、従来のフォトレジストパターン２０の高さｈに対しては相対的に低い高さｈ’を有する。本実施例によるフォトレジストパターン６０は小さいアスペクト比を有するのでその構造的な安定性が改善されており、フォトレジストパターン６０が崩れる現像を防止することができる。

図４に示すように、フォトレジストパターン６０をマスクとして利用して絶縁膜５５を部分的に食刻し、絶縁膜５５に第１寸法を有するトレンチ６５を形成する。即ち、フォトレジスト６０を利用する第１食刻工程を通じて第１寸法を有するトレンチ６５を形成する。このとき、絶縁膜５５に形成されるトレンチ６５は第１幅ｗ１と第１深さｄ１を有する。一般的に、トレンチ６５内に形成される金属配線が約１５００〜２４００Å程度の幅を有する場合にはトレンチ６５の第１幅ｗ１は約１０００〜１２００Åになる。従って、トレンチ６５を形成する間にマスクとして使用されるフォトレジストパターン６０の幅ｗ’は従来に比べて約８００〜１０００Åほど拡張され、フォトレジストパターン６０は安定的な構造を有することができる。一方、トレンチ６５の第１深さｄ１は絶縁膜５５の厚さに相応して任意に調節することができる。しかし、このようなトレンチ６５の第１幅ｗ１及び第１深さｄ１は絶縁膜５５の厚さ及びトレンチ６５に形成される金属配線の寸法により変更される。

続いて、前記第１寸法を有するトレンチ６５が形成された絶縁膜５５に対して、絶縁膜５５の材質により相異する食刻溶液を使用する第２食刻工程を実施する。この場合、前記第２食刻工程はウェットベンチ（ｗｅｔ ｂｅｎｃｈ）方式、シングルスピンステイション方式、または化学スピンステイション方式で実施される。

本実施例において、絶縁膜５５が酸化物またはフッ化物からなる場合にはフッ素を含む食刻溶液を使用して、トレンチ６５を含む絶縁膜５５を食刻する。望ましくは、前記食刻溶液はフッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び脱イオン水（Ｈ_２Ｏ）を含有する。このとき、前記食刻溶液のうちフッ化水素に対するフッ化アンモニウムの体積比は約１：１〜１０程度になり、フッ化水素に対する過酸化水素の体積比は約１：１〜１０になる。また、前記食刻溶液のうちフッ化水素に対する脱イオン水の体積比は約１：１００〜５００になる。このような組成を有する食刻溶液は約４０〜６０Å/分程度の食刻速度で絶縁膜５５を食刻する。一方、絶縁膜５５が窒化物からなる場合にはフッ化水素、燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）及び脱イオン水を含む食刻溶液を使用して、トレンチ６５を含む絶縁膜５５を食刻する。さらに、前記トレンチ６５内に形成される金属配線が銅からなる場合には、前記食刻溶液は銅で構成された金属配線の酸化を防止するためにベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）のような酸化防止剤をさらに含むことができる。

前記ウェットベンチ方式で第２食刻工程を実施する場合、トレンチ６５が形成された絶縁膜５５を含む基板５０を、絶縁膜５５の種類により前述した組成を有する食刻溶液が収容されている貯蔵槽に浸す方法で絶縁膜５５を食刻する。このとき、約２５〜５０枚位の基板を同時に処理することによって、前記第２食刻工程に必要とされる時間を短縮することができる。前記シングルスピンステイション方式で第２食刻工程を実施する場合には、回転可能なチャック上に、トレンチ６５を含む絶縁膜５５が形成された基板５０を配置した後、基板５０を回転させながら基板５０上に前述した組成を有する食刻溶液を噴射して絶縁膜５５を食刻する。また、前記化学スピンステイション方式で第２食刻工程を実施するとき、約２５〜５０枚位の基板５０をシリンダ型ステイション内に配置した後、各基板５０を回転させながら基板５０上に前記食刻溶液を噴射して、基板５０上に形成されたトレンチ６５を含む絶縁膜５５を食刻する。

図５に示すように、前述した第２食刻工程を通じて、第１幅ｗ１と第１深さｄ１を含む第１寸法を有するトレンチ６５が第２寸法を有するようにトレンチ６５の幅が拡張される。即ち、第２食刻工程を実施することにより、トレンチ６５の第２幅ｗ２は第１食刻工程によって形成された第１幅ｗ１より広く拡張される。例えば、トレンチ６５が約１０００〜１２００Åの第１幅ｗ１を有する場合、トレンチ６５内面の食刻速度が約４０〜６０Å/分程度であるため約６〜１０分第２食刻工程を実施すると、トレンチ６５の第２幅ｗ２を約１５００〜２４００Åに拡張してトレンチ６５内に所望のサイズの金属配線を形成することができる。一方、前記第２食刻工程によるトレンチ６５の第２深さｄ２は前記第２食刻工程の間に絶縁膜５５の上部も食刻されるので、第１食刻工程による第１深さｄ１と実質的に同一に保持される。このように、寸法が正確に調節されたトレンチ６５内にダマシン工程を通じて金属配線を形成する場合には、要求されるサイズを有する金属配線を容易に形成することができる。

本実施例によると、フォトリソグラフィ工程のような第１食刻工程を通じて、マスクであるフォトレジストパターンの構造的な安定性を保持しながら、第１寸法を有するトレンチを形成した後、絶縁膜の種類により相異する組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を通じて、トレンチが拡張された第２寸法を有するようにする。従って、トレンチ内に形成される金属配線のサイズに応じて正確に制御された寸法を有するトレンチを形成することができる。

（第二実施例）
図６から図９は、本発明の第二実施例による半導体基板の素子分離膜形成方法を示す断面図である。
図６に示すように、シリコンからなる半導体基板８０に、セル領域及び周辺回路領域を限定する素子分離膜を形成するためのトレンチ９０を形成する。即ち、基板８０上にフォトレジスト膜（図示せず）を形成し、露光及び現像を工程を通じて前記フォトレジスト膜をパターニングして基板８０の素子分離膜が形成される部分を露出させるフォトレジストパターン８５を形成する。

続いて、フォトレジストパターン８５をマスクとして利用して、フォトリソグラフィ工程である第１食刻工程を通じて半導体基板８０を部分的に食刻することによって、半導体基板８０に第１寸法を有するトレンチ９０を形成する。
図７に示すように、前記第１食刻工程を通じて第１幅及び第１深さｄ１の第１寸法を有するトレンチ９０が形成された半導体基板８０を、第２食刻工程で食刻する。この場合、トレンチ９０の第１幅ｗ１はトレンチ９０に形成される素子分離膜の幅より狭く形成される。前述したように、前記第２食刻工程はウェットベンチ方式、シングルスピンステイション方式または化学スピンステイション方式で実施される。

本実施例において、シリコンからなる半導体基板８０を食刻する第２食刻工程は、フッ化水素、硝酸（ＨＮＯ_３）及び脱イオン水（Ｈ_２Ｏ）を含む食刻溶液を使用して実施する。この場合、前記食刻溶液は約４０〜６０Å/分程度の食刻速度で半導体基板８０を食刻して、半導体基板８０に形成されているトレンチ９０の幅を拡張する。前記第２食刻工程の時間を調節して半導体基板８０に所望するサイズのトレンチ９０を形成することができるので、トレンチ９０内に形成される素子分離膜も正確な寸法で形成することができる。

図８に示すように、前記第２食刻工程を通じて、第１幅ｗ１と第１深さｄ１を含む第１寸法を有するトレンチ９０が第２幅ｗ２と第２深さｄ２を有するようにトレンチ９０の幅が拡張される。つまり、第１寸法を有するトレンチ９０が形成された半導体基板８０に対して前記第２食刻工程を実施することによって、トレンチ９０の第２幅ｗ２は前記第１食刻工程により形成された第１幅ｗ１より広く拡張される。例えば、トレンチ９０が約１０００〜２０００Åの第１幅ｗ１を有する場合、トレンチ９０を含む半導体基板８０の食刻速度が約４０〜６０Å/分程度であるため約５〜１０分第２食刻工程を実施すると、トレンチ９０の第２幅ｗ２を約２２００〜３２００Åに拡張して、トレンチ９０内に所望の寸法の素子分離膜を形成することができる。このとき、前記第２食刻工程によるトレンチ９０の第２深さｄ２は、前記第２食刻工程の間に半導体基板８０の上部も食刻されるので第１食刻工程による第１深さｄ１と実質的に同一になる。

図９に示すように、第２幅ｗ２及び第２深さｄ２の第２寸法に拡張されたトレンチ９０を含む半導体基板８０上に化学気相蒸着方法を通じて酸化膜（図示せず）を形成した後、前記酸化膜をエッチバック工程または化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程で食刻して、前記トレンチ９０内に半導体基板８０をセル領域と周辺回路領域とに区分する素子分離膜９５を形成する。

本実施例によると、第１食刻工程を通じて第１寸法を有するトレンチを形成した後、第２食刻工程を通じて第１寸法より拡張された第２寸法を有するトレンチを形成する。このようなトレンチ内に素子分離膜を形成することで、半導体基板に要求される寸法を有する素子分離膜を正確に形成することができる。

（第三実施例）
図１０から図１２は、本発明の第三実施例による導電性パターンの形成方法を示す断面図である。
図１０に示すように、トランジスター構造物（図示せず）が備えられた半導体基板１００上に化学気相蒸着方法を通じて酸化物、窒化物またはフッ化物からなる絶縁膜１０５を形成する。この場合、絶縁膜１０５は中温酸化物、ＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ＵＳＧなどのシリコン酸化物、ＦＳＧまたはシリコン酸フッ化物のようなフッ化物、あるいはシリコン窒化物やシリコン酸窒化物のような窒化物からなる。前記絶縁膜１０５は半導体基板１００上に位置するトランジスター構造物を被覆するように形成され、エッチバックまたは化学機械的研磨工程を通じて絶縁膜１０５の上部を平坦に形成することができる。

続いて、絶縁膜１０５上にスピンコーティング工程でフォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後、露光及び現像工程を通じて前記フォトレジスト膜をパターニングして絶縁膜１０５上にフォトレジストパターン１１０を形成する。
続いて、フォトレジストパターン１１０をマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記絶縁膜１０５を部分的に食刻することで、絶縁膜１０５に第１幅ｗ１を有するトレンチを形成する（図１１参照）。トレンチ１１５内に形成されるビットラインのような金属配線やキャパシターの下部電極、コンタクトまたはパッドなどとして機能する導電性パターンが約１５００〜２４００Åの幅を有する場合には、トレンチ１１５の第１幅ｗ１は約１０００〜１２００Å程度になる。本実施例によると、後続してトレンチ１１５の寸法を拡張する工程を実施するので、絶縁膜１０５上に形成されるフォトレジストパターン１１０は前述したように従来の場合よりずっと小さいアスペクト比を有する。従って、フォトレジストパターン１１０が崩れないで絶縁膜１０５上に安定的に形成される。

図１１に示すように、第１幅ｗ１を有するトレンチ１１５が形成された絶縁膜１０５に対して、絶縁膜１０５の材質によりそれぞれ相異する食刻溶液を使用する第２食刻工程を実施して、トレンチ１１５が第１幅ｗ１より広い第２幅ｗ２を有するようにトレンチ１１５の幅を拡張する。前記第２食刻工程はウェットベンチ方式、シングルスピンステイション方式、または化学スピンステイション方式で実施され、これらの工程に対しては前述した実施例と同様である。

本実施例において、絶縁膜１０５が酸化物やフッ化物からなる場合にはフッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を含む食刻溶液を使用して、トレンチ１１５を含む絶縁膜１０５を食刻する。また、絶縁膜１０５が窒化物からなる場合にはフッ化水素、燐酸及び脱イオン水を含む食刻溶液を使用して、トレンチ１１５を含む絶縁膜１０５を食刻する。このとき、前記食刻溶液は約４０〜６０Å/分程度の食刻速度で絶縁膜１０５を食刻するので、例えばトレンチ１１５が約１０００〜１２００Åの第１幅ｗ１を有する場合、約６〜１０分第２食刻工程を実施しながらトレンチ１１５の第２幅ｗ２を約１５００〜２４００Åに拡張しすると、トレンチ１１５内に同一な寸法を有する導電性パターンを正確に形成することができる。一方、トレンチ１１５内に銅からなる導電性パターンを形成する場合には、前記食刻溶液は導電性パターンの酸化を防止するためにトレンチ１１５の表面で不溶性被膜を形成して金属を保護するベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）のような酸化防止剤をさらに含むことができる。

図１２に示すように、前記第２食刻工程を通じて拡張された第２幅ｗ２を有するトレンチ１１５を満たしながら、絶縁膜１０５上にスパッタリング方法、化学気相蒸着方法、電気鍍金方法などを利用して導電層（図示せず）を形成する。この場合、前記導電層は銅、ダングステン、アルミニウム、チタン、チタン窒化物などからなる。

続いて、エッチバック工程または化学機械的研磨工程で絶縁膜１０５上に形成された導電層を研磨して、トレンチ１１５内に半導体装置の金属配線、電極、コンタクト、パッドなどとして機能する導電性パターン１２０を形成する。
本実施例によると、フォトリソグラフィ工程である第１食刻工程を通じて、マスクであるフォトレジストパターンを安定的な構造に形成し、相対的に狭い第１幅を有するトレンチを形成した後、絶縁膜の種類により多様な組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を通じて相対的に広い第２幅を有するトレンチを形成する。従って、拡張された幅を有するトレンチ内に、要求されるサイズを有する導電性パターンを形成することができる。

（第四実施例）
図１３から図１７は、本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施例において、デュアルダマシン工程を利用した半導体装置の製造方法を説明する。

半導体装置において、デュアルダマシン構造（ｄｕａｌ ｄａｍａｓｃｅｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、下部の導電体との電気的な連結のためのコンタクトが形成される部分であるバイアホールと、金属配線が形成される部分であるトレンチとが形成された構造である。このようなデュアルダマシン構造は大体バイアホールを先に形成した後トレンチを形成する方法、トレンチを先に形成した後バイアホールを形成する方法、またはバイアホール及びトレンチを同時に形成する方法に区分される。本実施例においてはバイアホールを先に形成しトレンチを形成する方法を中心にデュアルダマシン工程を利用した半導体装置の製造方法を説明する。

図１３に示すように、まず、半導体基板１５０上にメモリーセル領域と周辺回路領域を限定する素子分離膜（図示せず）を形成した後、素子分離膜により定義されるセル領域上に一般的なトランジスター製造工程によってトランジスター構造物（図示せず）を形成する。前記素子分離膜は図６から図９に示したような工程により基板１５０に第１トレンチ（図示せず）を形成し第１トレンチに酸化膜を形成する工程で形成することができる。また、前記素子分離膜は一般的な熱酸化法、シリコン部分酸化法またはシャロートレンチ素子分離方法（ＳＴＩ）で形成することもできる。

続いて、トランジスター構造物を含む半導体装基板１５０上に酸化物、フッ化物または窒化物で構成された第１絶縁膜１５５を形成した後、フォトリソグラフィ工程である第１食刻工程を通じて第１絶縁膜１５５の所定部分を食刻して第１絶縁膜１５５に第２トレンチ１６０を形成する。

続けて、前述したように第１絶縁膜１５５に、膜の種類により相異する組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を実施して、第２トレンチ１６０の幅を拡張させる。本実施例において、第２食刻工程の間使用される食刻溶液及びこれによる第２トレンチ１６０拡張の効果は前述した実施例と同一であるため、これについての説明は省略する。

図１４に示すように、前記第２トレンチ１６０を満たしながら第１絶縁膜１５５上にスパッタリング工程、化学気相蒸着工程、電気鍍金工程などを利用して第１導電層（図示せず）を形成した後、前記第１導電層をエッチバックまたは化学機械的研磨工程で研磨して、第２トレンチ１６０を埋立てその上面が露出する第１導電性パターン１６５を形成する。

続けて、第１導電性パターン１６５を含む第１絶縁膜１５５上にシリコン炭化物のような炭素化合物または窒化物を含む非酸化物系物質を使用して第１阻止膜１７０を形成した後、第１阻止膜１７０の上部に酸化物、窒化物またはフッ化物からなる第２絶縁膜１７５を形成する。第１阻止膜１７０は後続して実施される第３トレンチ及びバイアホールを形成するための食刻工程でその下に位置する第１導電性パターン１６５を保護する役割をする。この場合、第２絶縁膜１７５は第１絶縁膜１５５と同一な物質を使用して形成されるが、第１絶縁膜１５５及び第２絶縁膜１７５は互いに相異する物質からなることもできる。前記第２絶縁膜１７５には後続工程で第１導電性パターン１６５に電気的に連結されるコンタクトが位置するバイアホールが形成されるため、第２絶縁膜１７５は隣接するバイアホールを互いに電気的に絶縁させる役割をする。

図１５に示すように、第２絶縁膜１７５上に順次にシリコン窒化物またはシリコン炭化物のような炭素化合物乃至窒化物からなる第２阻止膜１８０と、酸化物からなる第３絶縁膜１８５とを形成する。第３絶縁膜１８５には第２絶縁膜１７５に形成されるバイアホールと部分的に連通されて金属配線が位置する第３トレンチが形成される。このとき、第３絶縁膜１８５は隣接する第３トレンチを互いに電気的に絶縁させる役割をする。一方、前記第２阻止膜１８０は第３絶縁膜１８５に第３トレンチを形成するために第３絶縁膜１８５を食刻する工程の間、正確な地点まで食刻が実施されるように食刻終了点を表示する。しかし、全体的な半導体装置の製造工程の簡略化のために第２阻止膜１８０は形成されない場合もある。

続いて、前記第３絶縁膜１８５上に酸化物またはフッ化物を使用してギャッピング膜１９０を形成する。例えば、ギャッピング膜１９０はドーピングされていないシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）、ＰＥ‐ＯＸ、ＵＳＧまたはＴＥＯＳを使用して形成するだけではなく、フッ化物であるシリコン酸化物（ＳｉＯＦ）を使用して形成することもできる。

続けて、前記ギャッピング膜１９０上に第１フォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後、第１フォトレジスト膜を露光及び現像工程を通じてパターニングすることで、ギャッピング膜１９０上にバイアホール２００を形成するための第１フォトレジストパターン１９５を形成する。

続いて、第１フォトレジストパターン１９５をマスクとして使用して、その下に第１導電性パターン１６５が位置する第１阻止膜１７０の一部が露出するようにギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５、第２阻止膜１８０及び第２絶縁膜１７５を部分的に食刻して、第２絶縁膜１７５にコンタクトが位置するバイアホール２００を形成する。

図１６に示すように、アッシング及びストリッピング工程で第１フォトレジストパターン１９５を除去した後、ギャッピング膜１９０上に第２フォトレジスト膜（図示せず）を塗布する。
続いて、前記第２フォトレジスト膜を露光及び現像して前記バイアホール２００及びバイアホール２００の周辺のギャッピング膜１９０を露出させる第２フォトレジストパターン２０５を形成する。

続けて、第２フォトレジストパターン２０５をマスクとして利用するフォトリソグラフィ工程である第１食刻工程を通じて、前記ギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５、第２阻止膜１８０及び第１阻止膜１７０を部分的に食刻して、第１導電層性パターン１６５を露出させる一方前記バイアホール２００より広い面積を有しバイアホール２００に連通される第３トレンチ２１０を形成する。このとき、第３トレンチ２１０は前記第１食刻工程を通じて相対的に狭い幅に形成される。

図１７に示すように、前記第２フォトレジストパターン２０５を除去した後、前述したようにギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５及び第２阻止膜１８０の種類により異なる組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を実施して、第３トレンチ２１０の幅を拡張させる。このとき、ギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５及び第２阻止膜１８０の膜により選択される食刻溶液によって、ギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５及び第２阻止膜１８０が同時に食刻されるか順次に食刻される。また、第２食刻工程に使用される食刻溶液により第２絶縁膜１７５をギャッピング膜１９０、第３絶縁膜１８５または第２阻止膜１８０と同時に食刻するか順次に食刻して、バイアホール２００の直径も共に増加させることができる。本実施例において、前記第３トレンチ２１０の寸法を増加させる過程とその効果は前述した実施例と同一であるため省略する。

続けて、拡張された幅を有する第３トレンチ２１０及びバイアホール２００を満たしながら、前記ギャッピング膜１９０上に銅、アルミニウム、ダングステン、チタンなどのような金属をスパッタリング方法、化学気相蒸着方法または電気鍍金方法を用いて蒸着して第２導電層を形成した後、第３絶縁膜１８５が露出するまで前記第２導電層をエッチバックまたは化学機械的研磨工程で研磨して、バイアホール２００及び第３トレンチ２１０に第１導電性パターン１６５に電気的に連結される第２導電性パターン２１５及び第３導電性パターン２２０を同時に形成する。従って、デュアルダマシン構造を含む半導体装置が形成される。このとき、第２導電性パターン２１５は半導体装置のビットラインのような金属配線に当り、第３導電性パターン２２０は金属配線を相互連結させるためのコンタクトに当る。前記第２導電層を研磨する間に第３絶縁膜１８５上のギャッピング膜１９０は全部除去される。

本発明によると、フォトリソグラフィ工程のような第１食刻工程を通じて、マスクであるフォトレジストパターンの構造的な安定性を保持しながら第１寸法を有するトレンチを形成した後、半導体基板または絶縁膜の種類により相異する組成を有する食刻溶液を使用する第２食刻工程を通じてトレンチの寸法を拡張させることができる。従って、拡張された構造を有するトレンチ内に、要求されるサイズの金属配線や素子分離膜またはコンタクトなどを正確に形成することができる。その結果、トレンチの形成のためのフォトレジストパターンの崩れにより惹起される半導体装置の不良を防止することができるので、半導体装置の信頼性を改善すると同時に製造工程の数率を向上させることができる。

以上、本発明の実施例を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明の実施例を修正または変更できる。

従来のトレンチ形成方法を示す断面図である。 従来のトレンチ形成方法を示す断面図である。 本発明の第一実施例によるトレンチ形成方法を示す断面図である。 本発明の第一実施例によるトレンチ形成方法を示す断面図である。 本発明の第一実施例によるトレンチ形成方法を示す断面図である。 本発明の第二実施例による素子分離膜形成方法を示す断面図である。 本発明の第二実施例による素子分離膜形成方法を示す断面図である。 本発明の第二実施例による素子分離膜形成方法を示す断面図である。 本発明の第二実施例による素子分離膜形成方法を示す断面図である。 本発明の第三実施例による導電性パターンの形成方法を示す断面図である。 本発明の第三実施例による導電性パターンの形成方法を示す断面図である。 本発明の第三実施例による導電性パターンの形成方法を示す断面図である。 本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第四実施例による半導体装置の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

５０ 半導体基板、５５ 絶縁膜、６０ フォトレジストパターン、６５ トレンチ、８０ 半導体基板、８５ フォトレジストパターン、９０ トレンチ、９５ 素子分離膜、１００ 半導体基板、１０５ 絶縁膜、１１０ フォトレジストパターン、１１５ トレンチ、１２０ 導電性パターン、１５０ 半導体基板、１５５ 第１絶縁膜、１６０ 第２トレンチ、１６５ 第１導電性パターン、１７０ 第１阻止膜、１７５ 第２絶縁膜、１８０ 第２阻止膜、１８５ 第３絶縁膜、１９５ 第１フォトレジストパターン、２００ バイアホール、２０５ 第２フォトレジストパターン、２１０ 第３トレンチ、２１５ 第２導電性パターン、２２０ 第３導電性パターン

Claims (25)

1. 基板上に絶縁膜を形成する段階と、
   前記絶縁膜にフォトレジストパターンを形成する段階と、
   第１食刻工程を通じて、前記フォトレジストパターンをマスクとして利用して前記絶縁膜に第１寸法を有するトレンチを形成する段階と、
   第２食刻工程を通じて前記トレンチを含む前記絶縁膜を食刻し、第２寸法を有する拡張されたトレンチを形成する段階と、
   を含むことを特徴とするトレンチ形成方法。
2. 前記第２食刻工程前に前記フォトレジストパターンを除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のトレンチ形成方法。
3. 前記第１寸法は第１幅及び第１深さを含み、前記第２寸法は前記第１幅より広い第２幅と、前記第１深さと実質的に同一な第２深さとを含むことを特徴とする請求項１記載のトレンチ形成方法。
4. 前記絶縁膜は、酸化物、窒化物及びフッ化物からなるグループから選択されたいずれか１つを使用して形成することを特徴とする請求項１記載のトレンチ形成方法。
5. 前記第２食刻工程は、ウェットベンチ方式、シングルスピンステイション方式または化学スピンステイション方式のいずれかで実施されることを特徴とする請求項４記載のトレンチ形成方法。
6. 前記第２食刻工程は、酸化物またはフッ化物を食刻する食刻溶液を使用して実施することを特徴とする請求項４記載のトレンチ形成方法。
7. 前記食刻溶液は、フッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び脱イオン水（Ｈ_２Ｏ）を含むことを特徴とする請求項６記載のトレンチ形成方法。
8. 前記食刻溶液は、フッ化水素（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び脱イオン水を１：１〜１０：１〜１０：１００〜５００の体積比で含有することを特徴とする請求項７記載のトレンチ形成方法。
9. 前記食刻溶液は、４０〜６０Å/分の食刻速度で前記絶縁膜を食刻することを特徴とする請求項７記載のトレンチ形成方法。
10. 前記食刻溶液は、前記拡張されたトレンチ内に形成される金属層の酸化を防止するための酸化防止剤を含むことを特徴とする請求項６記載のトレンチ形成方法。
11. 前記酸化防止剤は、ベンゾトリアゾールを含むことを特徴とする請求項１０記載のトレンチ形成方法。
12. 前記第２食刻工程は、窒化物を食刻する食刻溶液を使用して実施することを特徴とする請求項４記載のトレンチ形成方法。
13. 前記食刻溶液は、フッ化水素、燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）及び脱イオン水を含むことを特徴とする請求項１２記載のトレンチ形成方法。
14. 前記食刻溶液は、前記拡張されたトレンチ内に形成される金属層の酸化を防止するための酸化防止剤を含むことを特徴とする請求項１２記載のトレンチ形成方法。
15. 前記酸化防止剤は、ベンゾトリアゾールを含むことを特徴とする請求項１４記載のトレンチ形成方法。
16. 基板上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記基板に第１寸法を有するトレンチを形成する段階と、
    前記トレンチを含む前記基板を第２食刻工程で食刻し、第２寸法を有する拡張されたトレンチを形成する段階と、
    前記拡張されたトレンチ内を埋立てる酸化膜を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の素子分離膜形成方法。
17. 前記酸化膜を形成する段階は、
    前記トレンチを満たしながら前記基板上に酸化膜を形成する段階と、
    前記基板上の酸化膜を除去し、前記トレンチ内を前記酸化膜で埋立てる段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１６記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
18. 前記第２食刻工程は、シリコンを食刻する食刻溶液を利用して実施することを特徴とする請求項１６記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
19. 前記食刻溶液は、フッ化水素、硝酸（ＮＨＯ_３）及び脱イオン水を含むことを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の素子分離膜形成方法。
20. 基板上に絶縁膜を形成する段階と、
    前記絶縁膜上にフォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記フォトレジストパターンをマスクとして利用する第１食刻工程を通じて前記絶縁膜に第１幅を有するトレンチを形成する段階と、
    前記トレンチを含む前記絶縁膜を第２食刻工程を通じて食刻し、第２幅を有する拡張されたトレンチを形成する段階と、
    前記拡張されたトレンチ内に導電性パターンを形成する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の導電性パターン形成方法。
21. 前記絶縁膜が酸化物またはフッ化物を含むとき、前記第２食刻工程はフッ化水素、フッ化アンモニウム、過酸化水素及び脱イオン水を含む食刻溶液を使用して実施することを特徴とする請求項２０記載の半導体装置の導電性パターン形成方法。
22. 前記絶縁膜が窒化物を含むとき、前記第２食刻工程はフッ化水素、燐酸及び脱イオン水を含む食刻溶液を使用して実施することを特徴とする請求項２０記載の半導体装置の導電性パターン形成方法。
23. 前記導電性パターンは、銅またはアルミニウムを含むことを特徴とする請求項２０記載の半導体装置の導電性パターン形成方法。
24. 前記第２食刻工程は、前記導電性パターンの酸化を防止するためにベンゾトリアゾールを含む食刻溶液を使用して実施することを特徴とする請求項２３記載の半導体装置の導電性パターン形成方法。
25. 第１導電性パターンが形成された第１絶縁膜を半導体基板上に形成する段階と、
    前記第１絶縁膜上に少なくとも１つの阻止膜及び第２絶縁膜を交互に形成する段階と、
    前記第２絶縁膜上に第１フォトレジストパターンを形成する段階と、
    前記第１フォトレジストパターンをマスクとして利用して前記阻止膜及び前記第２絶縁膜を食刻し、前記第１導電性パターンを露出させるバイアホールを形成する段階と、
    前記第１フォトレジストパターンを除去した後、前記第２絶縁膜上に第２フォトレジストパターンを形成し、前記第２フォトレジストパターンをマスクとして利用して前記阻止膜及び前記第２絶縁膜を食刻し、前記バイアホール上に第１幅を有するトレンチを形成する段階と、
    前記トレンチを含む前記第２絶縁膜を食刻し、第２幅を有する拡張されたトレンチを形成する段階と、
    前記バイアホール及び前記拡張されたトレンチにそれぞれ第２導電性パターン及び第３導電性パターンを形成する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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