JP2000183157A - Soiウェ―ハの製造方法 - Google Patents

Soiウェ―ハの製造方法

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JP2000183157A JP11322105A JP32210599A JP2000183157A JP 2000183157 A JP2000183157 A JP 2000183157A JP 11322105 A JP11322105 A JP 11322105A JP 32210599 A JP32210599 A JP 32210599A JP 2000183157 A JP2000183157 A JP 2000183157A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】半導体層の厚さの均一度を向上させるSOIウ
ェーハの製造方法を提供する。 【解決手段】 ベース基板11と半導体基板21を用意
し、ベース基板上に第1絶縁膜12を形成する;半導体
基板の一側面に第1深さを持つトレンチ型の第1素子分
離膜23を形成する;第1素子分離膜間に第1深さより
深い第2深さを持つトレンチ型の第2素子分離膜25を
形成する;両素子分離膜の形成された半導体基板の一側
面上に第2絶縁膜26を形成する;第1と第2絶縁膜が
接触するように、ベース基板と半導体基板を接合する;
第2素子分離膜が露出するように、該膜を研磨停止層と
して、半導体基板の他側面を1次研磨する;第2及び第
1素子分離膜が同じ深さを持つように、第2素子分離膜
をエッチングする;半導体層が形成されるように、第1
及び第2素子分離膜を研磨停止層として、半導体基板の
他側面を2次研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はSOI(Silicon-On-
Insulator)ウェーハの製造方法に関し、特に素子が形成
される半導体層の厚さの均一度を向上させるためのSO
Iウェーハの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化及び高性能
化に伴い、バルクシリコンからなる単結晶シリコンウェ
ーハの代わりに、SOIウェーハを用いた半導体集積技
術が注目されている。これは、SOIウェーハに集積さ
れた半導体素子が通常の単結晶シリコンウェーハに集積
された半導体素子と比較して、接合容量(Junction Capa
citance)の減少による高速化、しきい電圧(Threshold V
oltage)の減少による低電圧化、及び完全な素子分離に
よるラッチ-アップ(Latch-Up)の減少などの利点を持つ
ためである。
【0003】前述したSOIウェーハは、支持手段のベ
ース基板と、前記ベース基板上に配置されてボンディン
グ媒介体としての機能を行う埋め込み酸化膜と、前記埋
め込み酸化膜上に配置されて素子形成領域を提供する半
導体層との積層構造からなる。前記SOIウェーハを製
造する為に、従来はSIMOX(seperation by implant
ed oxygen)法及びボンディング法が利用されている。
【0004】SIMOX法は、シリコンウェーハ内に酸
素イオンを注入し、次に、酸素イオンとシリコンが反応
するように熱処理を行うことにより、前記シリコンウェ
ーハの表面から所定深さに前記シリコンウェーハをベー
ス基板と半導体層に分離させる埋め込み酸化膜を形成
し、その結果、ベース基板、埋め込み酸化膜、及び半導
体層の積層構造からなるSOIウェーハが得られる。ボ
ンディング法は、二枚のシリコン基板例えばベース基板
と半導体基板を、前記基板の何れか一つに形成された埋
め込み酸化膜の介在下でボンディングさせ、次に、前記
半導体基板の一部厚さを研磨して素子の形成される半導
体層を得て、その結果、ベース基板、埋め込み酸化膜、
及び半導体層の積層構造からなるSOIウェーハが得ら
れる。
【0005】ところが、SIMOX法はイオン注入によ
って形成されるため、素子が形成される半導体層の厚さ
を調節し難く、かつ工程時間が長いという欠点がある。
よって、最近は二枚のシリコン基板をボンディングさせ
るボンディング法が主に用いられている。さらに、ボン
ディング法を用いたSOIウェーハの製造方法は、その
製造工程の間に活性領域を限定する素子分離膜が備えら
れるため、公知の半導体製造工程で素子分離工程を省略
することができるという利点もある。
【0006】図1乃至図4はボンディング法を用いた従
来技術によるSOIウェーハの製造方法を説明するため
の工程断面図である。図1を参照すれば、ベース基板1
が具備され、第1酸化膜2が前記ベース基板1の一側面
上に形成される。前記第1酸化膜2は熱酸化工程により
形成された熱酸化膜である。
【0007】図2を参照すれば、バルクシリコンからな
る半導体基板3が具備され、トレンチ型の素子分離膜4
が前記半導体基板3に形成される。前記トレンチ型の素
子分離膜4は前記半導体基板3にトレンチを形成し、次
に、前記トレンチ内に酸化膜を埋め込むことにより形成
される。第2酸化膜5が前記素子分離膜4及び半導体基
板3上に形成される。前記素子分離膜4は素子形成領域
を限定する機能を行い、特に後続工程で研磨停止層とし
て利用される。
【0008】図3を参照すれば、前記ベース基板1と半
導体基板3は第1酸化膜2と第2酸化膜5がコンタクト
されるようにボンディングされる。
【0009】図4を参照すれば、半導体層3aは素子分
離膜4を研磨停止層とする化学機械研磨(Chemical Mech
anical Polishing:以下、CMP)工程にて半導体基板
3の他側表面を研磨することにより得られる。この結
果、ベース基板1と、第1及び第2酸化膜を含む埋め込
み酸化膜6と、素子分離膜4が具備された半導体層3a
との積層構造からなるSOIウェーハ10が得られる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】SOIウェーハにおい
て、半導体層の厚さの均一度は前記SOIウェーハに集
積される半導体素子の特性に重要な要素として作用す
る。則ち、半導体層は素子が形成される活性領域を提供
するため、その厚さの均一度が確保されるべきである。
しかしながら、従来のSOIウェーハの製造方法では均
一な厚さの半導体層が得られないという問題点がある。
より詳細に、半導体層は素子分離膜を研磨停止層として
半導体基板の後面を研磨することにより得られる。とこ
ろが、酸化膜とシリコン膜はそれら間の研磨選択比が異
なるため、図4に示すように、半導体層3aの中心部分
が端部に比べてその高さが低くなる様なわん状変形(dis
hing:D)により均一な厚さを有することができない。
このため、前述したSOIウェーハに集積された半導体
素子の特性は劣ることになる。
【0011】従って、本発明の目的は半導体層の厚さの
均一度を向上させることができるSOIウェーハの製造
方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、ベース基板及び半導体基板を提供する段
階;前記ベース基板上に第1絶縁膜を形成する段階;前
記半導体基板の一側面に第1深さを持つトレンチ型の第
1素子分離膜を形成する段階;前記第1素子分離膜間に
前記第1深さより深い第2深さを持つトレンチ型の第2
素子分離膜を形成する段階;前記第1及び第2素子分離
膜の形成された前記半導体基板の一側面上に第2絶縁膜
を形成する段階;前記第1と第2絶縁膜がコンタクトさ
れるように、前記ベース基板と前記半導体基板をボンデ
ィングする段階;前記第2素子分離膜が露出するよう
に、前記第2素子分離膜を研磨停止層として、前記半導
体基板の他側面を1次研磨する段階;前記第2素子分離
膜と第1素子分離膜が同じ深さを持つように、前記第2
素子分離膜をエッチングする段階;及び半導体層が形成
されるように、前記第1及び第2素子分離膜を研磨停止
層として、1次研磨した前記半導体基板の他側面を2次
研磨する段階を含むことを特徴とする。
【0013】本発明及びそれを実施できるやり方は、以
下の説明及び図面を参照することによって理解できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき、本発明の好
適実施例を詳細に説明する。図5乃至図11は、本発明
の実施例によるSOIウェーハの製造方法を説明するた
めの工程断面図である。図5を参照すれば、バルクシリ
コンからなるベース基板11が具備され、第1絶縁膜1
2が前記ベース基板11の一側面上に1,000〜10,
000Å厚さで形成される。前記第1絶縁膜12は、前
記ベース基板11の一側面を熱酸化させることにより形
成された熱酸化膜であるとか、或いは化学気相蒸着(Che
mical Vapor Deposition:以下、CVD)法にて蒸着さ
れたBPSG膜、SOG膜、O-TEOS酸化膜、高
密度プラズマ酸化膜から選択される一つの膜である。
【0015】図6を参照すれば、バルクシリコンからな
る半導体基板21が具備される。ここで、前記半導体基
板21は、素子の形成される活性領域ARと前記活性領
域ARを限定するフィールド領域FR、FRとを含
む。前記フィールド領域FR 、FRは第1フィール
ド領域FRと第2フィールド領域FRを含み、前記
第1フィールド領域FRと第2フィールド領域FR
は交互に配置される。第1トレンチ22は前記半導体基
板21の第1フィールド領域FRをエッチングするこ
とにより形成され、前記第1トレンチ22は第1深さ例
えば1,000〜3,000Å深さで形成される。
【0016】図7を参照すれば、第1素子分離膜23は
半導体基板21の第1フィールド領域FRに形成され
る。前記第1素子分離膜23は、第1トレンチ22が埋
め込まれるように、前記半導体基板21の一側面上にC
VD法にて酸化膜を蒸着し、前記半導体基板21の一側
面が露出するように、マスクを使用せず前記酸化膜をエ
ッチングすることにより形成される。ここで、前記第1
トレンチ22に埋め込まれる酸化膜はBPSG膜、SO
G膜、O-TEOS酸化膜、高密度プラズマ酸化膜か
ら選択される一つの膜が用いられる。
【0017】図8を参照すれば、第2トレンチ24は第
1素子分離膜23間の半導体基板21の第2フィールド
領域FRをエッチングすることにより形成される。前
記第2トレンチ24は第1トレンチ22よりは深い第2
深さ例えば4,000〜6,000Å深さで形成される。
【0018】図9を参照すれば、第2素子分離膜25は
半導体基板21の第2フィールド領域FRに形成され
る。前記第2素子分離膜25は、前述した第1素子分離
膜23の形成工程と同様に、第2トレンチ24が埋め込
まれるように前記半導体基板21の一側面上に酸化膜が
埋め込まれ、次に、前記半導体基板21の一側面が露出
するように、マスクを使用せず前記酸化膜をエッチング
することにより形成される。第2絶縁膜26は前記第1
及び第2素子分離膜23、25を含めた半導体基板21
の一側面上に形成される。ここで、前記第2トレンチ2
4内に埋め込まれた酸化膜と第2絶縁膜26は、BPS
G膜、SOG膜、O-TEOS酸化膜、高密度プラズ
マ酸化膜から選択される一つの膜が用いられる。
【0019】図10を参照すれば、ベース基板11と半
導体基板21は、NHOH:H:HOが1:
4:20の体積比で混合された第1溶液、あるいはH
SO :HOが4:1の体積比で混合された第2溶液
から選択される一つにより洗浄されたり、または前記両
溶液により連続的に洗浄される。前記洗浄工程は、ベー
ス基板11と半導体基板21の間のボンディング以前
に、各基板11、21のボンディング面すなわち第1絶
縁膜12と第2絶縁膜26の表面に存在するパーティク
ル(Particle)が除去され、かつ、第1絶縁膜12と第2
絶縁膜26の表面が親水性を持つように行われることで
ある。洗浄されたベース基板11と半導体基板21は、
第1絶縁膜12と第2絶縁膜26のがコンタクトされる
ように、7.5×10-1〜7.5×10-4Torrの真
空下でボンディングされ、次に、前記基板間11、21
のボンディング強度が増大するように、窒素(N)又は
酸素(O)雰囲気下で800〜1,200℃で30〜1
20分の間に熱処理される。ここで、ベース基板11と
半導体基板21の間に介在された第1及び第2絶縁膜1
2、26はSOIウェーハで埋め込み酸化膜として機能
を行う。
【0020】図11を参照すれば、半導体基板21の他
側面は第2素子分離膜25に隣接した部分まで研削さ
れ、次に、研磨停止層として機能を行う第2素子分離膜
25が露出するように1次研磨される。前記半導体基板
21に対する1次研磨は、チャックテーブル(Chuck Tab
le)の回転速度が10〜30rpm、スピンドル(Spindl
e)により加える圧力が4〜8psi、前記スピンドルの
回転速度が20〜40rpmの条件で行われる。ここ
で、半導体基板21の他側表面にわん状変形Dが発生す
る。
【0021】図12を参照すれば、露出した第2素子分
離膜25は、第1素子分離膜23と同じ高さを持つよう
に、100〜300:1の比率を持つBOE溶液により
エッチングされる。前記第2素子分離膜25のエッチン
グは、半導体層を得るための後続の研磨工程において、
前記半導体層の表面にわん状変形が発生しないようにす
るために行われる。
【0022】図13を参照すれば、素子の形成される半
導体層21aは、1次研磨した半導体基板の他側面を、
同じ高さを持つ第1及び第2素子分離膜23、25を研
磨停止層とするCMP工程により2次研磨することによ
り形成され、この結果、ベース基板11と、第1及び第
2絶縁膜12、26を含む埋め込み酸化膜30と、素子
分離膜23、25を備えた半導体層21aとの積層構造
からなるSOIウェーハ40が得られる。ここで、前記
半導体層21aは均一な厚さを持つ。詳しくは、半導体
基板21の厚さが部分的に異なるため、2研磨工程が行
われる間に、厚い半導体基板部分が薄い半導体基板部分
より多く研磨される。よって、1次研磨時に前記半導体
基板に発生したわん状変形は殆ど除去され、その結果、
半導体層21aでのわん状変形は殆ど発生しない。ま
た、わん状変形はその発生がとても少ないため、素子特
性にあまり影響しない。一方、前記2次研磨工程は前記
1次研磨工程と同様に、チャックテーブルの回転速度が
10〜30rpm、スピンドルにより加える圧力が4〜
8psi、前記スピンドルの回転速度が20〜40rp
mの条件で行われる。
【0023】
【発明の効果】以上のように、本発明のSOIウェーハ
の製造方法は、半導体基板が異なる深さを持つ素子分離
膜を研磨停止層として研磨されるため、均一な厚さを持
つ半導体層が得られる。よって、均一な厚さの半導体層
を持つSOIウェーハが製造できるため、前記SOIウ
ェーハに集積される半導体素子の特性を向上させること
ができる。
【0024】尚、本発明は、本実施例に限られるもので
はない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変
更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるSOIウェーハの製造方法を説
明するための各工程別断面図である。
【図2】従来技術によるSOIウェーハの製造方法を説
明するための各工程別断面図である。
【図3】従来技術によるSOIウェーハの製造方法を説
明するための各工程別断面図である。
【図4】従来技術によるSOIウェーハの製造方法を説
明するための各工程別断面図である。
【図5】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造方
法を説明するための各工程別断面図である。
【図6】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造方
法を説明するための各工程別断面図である。
【図7】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造方
法を説明するための各工程別断面図である。
【図8】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造方
法を説明するための各工程別断面図である。
【図9】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造方
法を説明するための各工程別断面図である。
【図10】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造
方法を説明するための各工程別断面図である。
【図11】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造
方法を説明するための各工程別断面図である。
【図12】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造
方法を説明するための各工程別断面図である。
【図13】本発明の実施例によるSOIウェーハの製造
方法を説明するための各工程別断面図である。
【符号の説明】
11 ベース基板 12 第1絶縁膜 21 半導体基板 21a 半導体層 22 第1トレンチ 23 第1素子分離膜 24 第2トレンチ 25 第2素子分離膜 26 第2絶縁皮膜 30 埋め込み酸化膜 40 SOIウェーハ

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ベース基板及び半導体基板を提供する段
    階;前記ベース基板上に第1絶縁膜を形成する段階;前
    記半導体基板の一側面に第1深さを持つトレンチ型の第
    1素子分離膜を形成する段階;前記第1素子分離膜間に
    前記第1深さより深い第2深さを持つトレンチ型の第2
    素子分離膜を形成する段階;前記第1及び第2素子分離
    膜の形成された前記半導体基板の一側面上に第2絶縁膜
    を形成する段階;前記第1と第2絶縁膜がコンタクトさ
    れるように、前記ベース基板と前記半導体基板をボンデ
    ィングする段階;前記第2素子分離膜が露出するよう
    に、前記第2素子分離膜を研磨停止層として、前記半導
    体基板の他側面を1次研磨する段階;前記第2素子分離
    膜と第1素子分離膜が同じ深さを持つように、前記第2
    素子分離膜をエッチングする段階;及び半導体層が形成
    されるように、前記第1及び第2素子分離膜を研磨停止
    層として、1次研磨した前記半導体基板の他側面を2次
    研磨する段階を含むことを特徴とするSOIウェーハの
    製造方法。
  2. 【請求項2】前記第1絶縁膜は前記ベース基板を熱酸化
    して形成させた熱酸化膜であることを特徴とする請求項
    1記載のSOIウェーハの製造方法。
  3. 【請求項3】前記第1絶縁膜は、化学気相蒸着法にて蒸
    着されたBPSG膜、SOG膜、O -TEOS酸化
    膜、高密度プラズマ酸化膜から選択される一つの膜であ
    ることを特徴とする請求項1記載のSOIウェーハの製
    造方法。
  4. 【請求項4】前記第1絶縁膜は1,000〜10,000
    Å厚さで形成されることを特徴とする請求項1記載のS
    OIウェーハの製造方法。
  5. 【請求項5】前記第1素子分離膜を形成する段階は、前
    記半導体基板の一側面に第1深さでトレンチを形成する
    段階;前記トレンチが埋め込まれるように前記半導体基
    板の一側面上に酸化膜を蒸着する段階;及び前記半導体
    基板の一側面が露出するように前記酸化膜をエッチング
    する段階を含んでなることを特徴とする請求項1記載の
    SOI素子の製造方法。
  6. 【請求項6】前記トレンチは1,000〜3,000Å深
    さで形成されることを特徴とする請求項5記載のSOI
    ウェーハの製造方法。
  7. 【請求項7】前記酸化膜は、化学気相蒸着法にて蒸着さ
    れたBPSG膜、SOG膜、O-TEOS酸化膜、高
    密度プラズマ酸化膜から選択される一つの膜であること
    を特徴とする請求項5記載のSOIウェーハの製造方
    法。
  8. 【請求項8】前記第2素子分離膜を形成する段階は、前
    記第1素子分離膜間の前記半導体基板の一側面に第2深
    さでトレンチを形成する段階;前記トレンチが埋め込ま
    れるように前記半導体基板の一側面上に酸化膜を蒸着す
    る段階;及び前記半導体基板の一側面が露出するように
    前記酸化膜をエッチングする段階を含むことを特徴とす
    る請求項1記載のSOI素子の製造方法。
  9. 【請求項9】前記トレンチは4,000〜6,000Å深
    さで形成されることを特徴とする請求項8記載のSOI
    ウェーハの製造方法。
  10. 【請求項10】前記酸化膜は、化学気相蒸着法にて蒸着
    されたBPSG膜、SOG膜、O-TEOS酸化膜、
    高密度プラズマ酸化膜から選択される一つの膜であるこ
    とを特徴とする請求項8記載のSOIウェーハの製造方
    法。
  11. 【請求項11】前記第2絶縁膜は、化学気相蒸着法にて
    蒸着されたBPSG膜、SOG膜、O -TEOS酸化
    膜、高密度プラズマ酸化膜から選択される一つの膜であ
    ることを特徴とする請求項1記載のSOIウェーハの製
    造方法。
  12. 【請求項12】前記第2絶縁膜は1,000〜10,00
    0Å厚さで形成されることを特徴とする請求項1記載の
    SOIウェーハの製造方法。
  13. 【請求項13】前記半導体基板の一側面上に第2絶縁膜
    を形成する段階と、前記ベース基板と半導体基板をボン
    ディングさせる段階との間に、前記ベース基板と半導体
    基板を洗浄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SOIウェーハの製造方法。
  14. 【請求項14】前記洗浄は、NHOH:H:H
    Oが1:4:20の体積比で混合された溶液あるいは
    SO:HOが4:1の体積比で混合された溶液
    の一つで行われることを特徴とする請求項13記載のS
    OIウェーハの製造方法。
  15. 【請求項15】前記洗浄は、NHOH:H:H
    Oが1:4:20の体積比で混合された溶液で行われ
    た後、続いて、HSO:HOが4:1の体積比で
    混合された溶液で行われることを特徴とする請求項13
    記載のSOIウェーハの製造方法。
  16. 【請求項16】前記ベース基板と半導体基板のボンディ
    ングは、7.5×10-1〜7.5×10-4Torrの真
    空下で行われることを特徴とする請求項1記載のSOI
    ウェーハの製造方法。
  17. 【請求項17】前記ベース基板と半導体基板をボンディ
    ングする段階後、前記基板間のボンディング強度が増大
    するように、窒素(N)または酸素(O)雰囲気下で8
    00〜1,200℃で30〜120分の間に熱処理する
    ことを特徴とする請求項1記載のSOIウェーハの製造
    方法。
  18. 【請求項18】前記1次研磨段階は、前記第2素子分離
    膜に隣接した部分まで前記半導体基板の他側面を研削す
    る段階;及び前記第2素子分離膜を研磨停止層として、
    前記第2素子分離膜が露出するように、研磨した前記半
    導体基板の他側面を研磨する段階を含むことを特徴とす
    る請求項1記載のSOIウェーハの製造方法。
  19. 【請求項19】前記研削した半導体基板の他側面を研磨
    する段階は、チャックテーブルの回転速度が10〜30
    rpm、スピンドルにより加える圧力が4〜8psi、
    スピンドルの回転速度Sが20〜40rpmの工程条件
    で行われることを特徴とする請求項18記載のSOIウ
    ェーハの製造方法。
  20. 【請求項20】前記第2素子分離膜は、100〜30
    0:1の比率のBOE溶液でエッチングすることを特徴
    とする請求項1記載のSOIウェーハの製造方法。
  21. 【請求項21】前記2次研磨段階は、チャックテーブル
    の回転速度が10〜30rpm、スピンドルにより加え
    る圧力が4〜8psi、スピンドルの回転速度が20〜
    40rpmの工程条件で行われることを特徴とする請求
    項1記載のSOIウェーハの製造方法。
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