JP2006216632A - Ｓｏｉウエハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁膜上にシリコン等の半導体層が設けられた構造を有する全面あるいは部分ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハの製造方法に関する。

ＳＯＩウエハの製造方法として、まず、図３−１に示すようにシリコン基板１１の表面に酸化膜１２を形成したウエハ１３が用いられる。このウエハ１３に図３−２に示すようにフォトリソグラフィ技術を用いて酸化膜１２を選択的に開口エッチングすることにより、複数の開口部１４が形成される。その後、図３−３に示すように、ウエハ１３上にシリコンエピタキシャル層１５の成長形成が行われる。ここで、エピタキシャル成長は、まず、酸化膜１２の開口部１４内のシリコン基板１１上から始まり、酸化膜１２上に突出するまではシリコン基板１１面に垂直な縦方向への成長が行われ、酸化膜１２の厚さを超えると、酸化膜１２の面方向、すなわち横方向にも成長するようになる。エピタキシャル成長は、その後、図３−４に示すように酸化膜１２がシリコンエピタキシャル層１５で完全に覆われるまで行われる。その後、図示はしないが、必要に応じ、開口部１４に対応する位置のシリコンエピタキシャル層１５の表面から、シリコン基板１１が露出するまで選択的にエッチングして形成された開口に、新たにシリコン酸化膜を埋め込むことにより、シリコンエピタキシャル層１５をシリコン基板１１から電気的に絶縁された完全ＳＯＩ構造とするようにしてもよい。さらに前記開口へのシリコン酸化膜の埋め込み時に、同時形成された埋め込み部以外の不要な酸化膜をフッ酸緩衝液（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ ＨＦ）等によりウェットエッチングした後、シリコンエピタキシャル層１５の表面をＣＭＰ（化学的機械的研磨装置）などにより研磨して平坦化することにより、ＳＯＩウエハが完成する。以上説明したＳＯＩウエハの製造方法はよく知られている方法である（特許文献１）。

前述のＳＯＩウエハ製造工程で表面の平坦化方法として、エピタキシャル成長後に表面研磨を行う具体的な方法などは既によく知られた方法（特許文献２）でもあるので、ここではこれ以上詳細を説明しない。
シリコン基板に多数のトレンチ（溝）を形成し、そのトレンチ内にシリコン基板と異なる導電型のシリコン単結晶をエピタキシャル成長させて前記トレンチを埋め込む方法が公開されている。その方法によれば、エピタキシャル成長層の界面に発生し易い結晶欠陥を抑える方法として、シリコンのエッチングガスとエピタキシャル成長させるためのジクロロシランガスとを同時に流しながらエピタキシャル成長を行う方法、およびジクロロシランガスとエッチングガスを交互に供給して成長を行う方法等が示されている（特許文献３）。
特開平５−１１４５６３号公報 特開平３−２９２７２３号公報 特開２００４−２７３７４２号公報

しかしながら、前述したように、ＳＯＩウエハの製造方法では、図３−４のように、シリコンのエピタキシャル成長層１５が酸化膜１２の開口部１４の上端を越えると、横方向すなわち酸化膜１２の面方向にもエピタキシャル成長が始まり、酸化膜１２上で隣接するエピタキシャル層１５が相互に接触するようになる。その結果、接触部近傍にボイド１６や結晶欠陥１７を生じ易くなるという問題がある。
前記ボイド１６については、エピタキシャル層１５の上部成長速度が酸化膜１２に近い下部より速い場合、成長と共にオーバーハング形状が著しくなり、その状態で隣接するエピタキシャル層が相互に接触することにより、閉じ込められた下部空間がボイド１６となる。このオーバーハングの度合いは、前述のように成長層１５の上下における成長速度の差に依存し、隣接する成長層との隙間および成膜ガスの付着確率によって決まる。成長速度の差は、一般に、隙間が小さくなるほど、また、付着確率が高くなるほど大きくなる。従って、隣接する成長層が相互に接触してから全面成膜されるような場合に、前記オーバーハング形状が著しくなり易く、その結果、巻き込まれたボイドなどが問題にされやすいのである。

また、前記結晶欠陥７の発生については、シリコンエピタキシャル層５の表面のラフネス（凹凸）は成長時間とともに大きくなる傾向があり、このような凹凸のある成長面同士が接触すると、凸部接触面を中心に結晶欠陥が発生しやすくなるので、接触界面近傍に結晶欠陥が発生することは避けがたい現象であった。
本発明は、以上述べた問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリコンエピタキシャル成長層における、表面ラフネスの解消と上下層の成長速度差に基づいて形成されるオーバーハング形状の解消とを図ることにより、ＳＯＩウエハ製造工程において問題となっていたボイドや結晶欠陥の発生を抑えることのできるＳＯＩウエハの製造方法を提供することである。これにより、ＳＯＩウエハを用いた高性能デバイスの製造が可能になる。

特許請求の範囲の請求項１記載の本発明によれば、シリコン基板表面に開口部を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記開口部に露出する前記シリコン基板表面からシリコンエピタキシャル層を形成する第一成膜工程と、前記シリコンエピタキシャル層が前記酸化膜上で相互に接触する前の段階における前記シリコンエピタキシャル層の端部を、上に開いた傾斜角の形状にするための気相エッチング工程と、前記シリコンエピタキシャル層を相互接触させて前記シリコン基板上の全面に成膜する第二成膜工程と、前記全面成膜されたシリコンエピタキシャル層を表面研磨して平坦化する平坦化工程とを含むＳＯＩウエハの製造方法とすることにより、前記目的は達成される。
特許請求の範囲の請求項２記載の本発明によれば、前記開口部が島状または格子状である特許請求の範囲の請求項１のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。

特許請求の範囲の請求項３記載の本発明によれば、前記第一成膜工程と前記気相エッチング工程が複数回行われる特許請求の範囲の請求項１または２記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項４記載の本発明によれば、前記気相エッチング工程で、隣接するシリコンエピタキシャル層の端部を上に開いた傾斜角の形状にするために成膜ガスとエッチングガスとを同時に流す特許請求の範囲の請求項１記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項５記載の本発明によれば、前記気相エッチング工程における成膜ガス流量を徐々に減らし、気相エッチングガスの流量を徐々に増加させるように制御する特許請求の範囲の請求項４記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。

特許請求の範囲の請求項６記載の本発明によれば、前記成膜ガスがクロルシランガスを主ガスとして含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項７記載の本発明によれば、気相エッチングガスがＨＣｌガスを含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項８記載の本発明によれば、前記シリコンエピタキシャル層の全面成膜後、ＳＯＩウエハを平坦化する工程の前後で、水素を含んだ１０００℃以上のガス雰囲気中でアニールする工程を設ける特許請求の範囲の請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法とすることが好ましい。

本発明は、言い換えると、島状または格子状に成長した段階のシリコンエピタキシャル層がさらに成長して酸化膜面上で相互に接触して全面成膜される前に成膜ガスの供給を停止し、気相エッチングガスを導入してシリコンエピタキシャル層のオーバーハング部を除去することを特徴とするのである。この気相エッチング反応はエピタキシャル層の上部の方が下部より大きくなるため、酸化膜の主面に対して上方に開いた傾斜角形状にエッチングされる。従って、隣接するシリコンエピタキシャル層のオーバーハング形状を解消し、断面が台形状になった状態で、再度エピタキシャル成長を行って隣接層を接触させて全面成膜をさせることにより、ボイドの巻き込みを防ぐことができる。また、この際、シリコンエピタキシャル層の表面のエッチングにより表面ラフネスも抑制されて平滑になるので、接触界面近傍における結晶欠陥をも抑制したシリコンエピタキシャル層を形成することができる。また、前述の気相エッチングとエピタキシャル成長工程の組み合わせを１回のみでなく、複数回繰り返して、最適な台形形状にした後に全面に膜を成長させる工程とすることも好ましい。

異なる方法としては、成膜ガスとエッチングガスを同時に制御しながら供給してシリコンエピタキシャル成長を行う方法がある。この際、シリコンエピタキシャル層が相互に接触する直前に、成膜ガス流量に対するエッチングガスの流量比率を高くするように制御すると、効率的に接触時のオーバーハング形状を解消させることができるので好ましい。その後、前述とほぼ同様に台形状の状態でシリコンエピタキシャル層を全面成膜させることにより、ボイドと結晶欠陥を抑制する効果を得ることができる。
さらに、エピタキシャル層が全面に形成された後、シリコンエピタキシャル層表面を平坦化する工程の前後に、界面に存在するなお存在する結晶欠陥を消滅させるために、水素を含んだガス雰囲気中で高温アニールを行うことも望ましい。

本発明によれば、シリコエピタキシャル成長層における、表面ラフネスの解消と上下層の成長速度差に基づいて形成されるオーバーハング形状の解消とを図ることにより、ＳＯＩウエハ製造工程において問題となっていたボイドや結晶欠陥の発生を抑えたＳＯＩウエハの製造方法を提供することができる。

以下、本発明のＳＯＩウエハの製造方法について、図を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図１−１乃至図１−６は本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程をウエハの断面図により示したものである。図２は、本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる第二の実施例にかかるガスの流量プロファイル図である。

第一の実施例について説明する。まず、図１−１に示すようにシリコン基板１の表面に公知の方法により熱酸化膜２を３０〜３００ｎｍの厚さに形成する。続いて、よく知られた通常のフォトリソグラフィ技術により、複数の開口部４を形成する（図１−２）。この開口部４内のシリコン基板表面はシリコンエピタキシャル成長のシード面となる。
図面では、開口部の平面パターンを示していないが、ウエハ３全体としては、チップ化できるような周期的な構造であれば、一チップ内のパターンは溝、格子状あるいは小円あるいは正方形のドット状の何れでも良い。次に、開口部４を形成したウエハ３を図示しないエピタキシャル成長装置に搬入し、ウエハ３の酸化膜２側の表面にシリコンエピタキシャル層５を形成する。シリコンエピタキシャル層５を形成するための代表的なプロセスガスは、主ガスをジクロロシランあるいはトリクロロシランとし、水素ガスをキャリアガスとして用い、必要に応じて、ドーピングガスを添加したものを用いる。反応圧力を１００〜７６０Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３Ｐａ）とし、ウエハ温度１０００℃程度としてシリコンエピタキシャル層５を開口部４内のシリコン基板１面から成長させる。シリコンエピタキシャル層５の成長が、ウエハ面内の一チップパターン内に島状に配置された開口部４内において縦方向に始まり、開口部４を超えると、酸化膜２の面方向すなわち横方向にも成長する。隣接するシリコンエピタキシャル層５相互間の距離が接近して接触する前に主ガスの導入を停止する（図１−３）。

この段階では、二つの島状のシリコンエピタキシャル層はガスの付着確率に応じて図１−３に示すように、オーバーハング６が発生する。また、シリコンエピタキシャル層の表面のラフネス（図示せず）も大きくなっている。次に、エッチングガスとして塩化水素ガス（ＨＣｌ）を導入してシリコンエピタキシャル層表面の気相エッチングを行う。シリコンエピタキシャル層は上部の方がエッチングレートが高いため、図１−４のようにシリコンエピタキシャル層の端部の形状は、上方に開いたテーパー形状（台形状の断面）８となり、オーバーハング６が解消され、表面ラフネスも小さくなる。
前記エッチングガス（ＨＣｌ）導入を停止し、再度、前記主ガスを導入してシリコンエピタキシャル成長させることによりボイドレスなシリコンエピタキシャル層が全面に形成される（図１−５）。但し、前記ＨＣｌによる１回の気相エッチング工程で、オーバーハングを解消するには不十分な場合は、前記気相エッチング工程とシリコンエピタキシャル成長工程を交互に複数回繰り返すことによりオーバーハングの解消された良好な膜が形成される。

こうして得られる膜にはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等で観察されるようなボイドは存在しないが、なお、接触界面の近傍に結晶欠陥７が存在する場合がある。また、シリコンエピタキシャル層の内部応力も大きい。そこで、シリコンエピタキシャル層の表面平坦化工程の前に水素を導入し、ウエハ温度を１０００℃以上の温度でアニールを行うことにより、欠陥密度と内部応力を減少させることができる。最後に、ＣＭＰ装置に搬入し、表面に残されたＶ字状の凹部９の平坦化処理を行うことでＳＯＩウエハの製造が完了する（図１−６）。なお、さらに、シリコンエピタキシャル層の表面平坦化工程の後に、前述と同様な水素アニール処理を施してもよい。

次に、第二の実施例について説明する。この実施例では、シリコンエピタキシャル成長工程は前述の第一の実施例と同様である。隣接するシリコンエピタキシャル層が相互に接触する前に、前記端部のオーバーハング形状を解消するために行われる気相エッチング工程において、図２の供給ガスの流量プロファイル図に示すように、シリコンエピタキシャル層の端部の形状改善領域では、成膜ガスをストップせずに、流量を減らし、エッチングガスとしての塩化水素ガスを同時に流しながら、前記端部のオーバーハング形状の改善を行うところが前記第一の実施例と異なる。このように成膜ガスとエッチングガスとの比率を適正に制御しながら同時に流すことにより、前記オーバーハングの解消後の形状をより好ましい形状にすることが可能になるメリットが得られる。さらに、図２の鎖線で示すように、接触前の成膜領域から形状改善領域に移る際に、成膜ガスの流量を徐々に減量し、エッチングガスを供給を徐々に増量するようにし、接触後再度、成長させる際に、エッチングガスを徐々に減量し、成膜ガスを徐々に増量することも好ましい。図２は、第二の実施例の一例として、シリコンエピタキシャル成長ガスであるジクロロシランガスとシリコンエッチングガスとしての塩化水素（ＨＣｌ）ガスを用いた場合の、それぞれの流量プロファイルを示す図である。

エピタキシャル成長の初期から隣接エピタキシャル層が接近するまでは、主ガスのジクロロシランの水素キャリアガスに対する比率を多くし成長レートを高くする−第一成膜工程（図２の接触前領域）。
複数の島状シリコンエピタキシャル層が接近した時点でジクロロシランの流量を減らし、エッチングガス（ＨＣｌ）を新たに導入してシリコンエピタキシャル層の端部形状を改善する−気相エッチング工程（図２の形状改善領域）。
両層が接触した後は、ＨＣｌエッチングガスの導入を停止し、再度ジクロロシランの流量を前記第一成膜工程と同程度に増やして高成長レートで全面に渡ってエピタキシャル層を成長させる。その後、前述の第一の実施例と同様の表面平坦化処理および必要に応じて高温水素アニール処理工程を行うことによりＳＯＩウエハ製造工程が完了する。以上の説明では、第一成膜工程および第二成膜工程において、エッチングガスを導入しない場合について示したが、第一成膜工程および第二成膜工程においてエッチングガスを導入しても、もちろんかまわない。

また、この第二実施例でも、必要に応じて、酸化膜の開口部４に対応する位置のシリコンエピタキシャル層５を表面からシリコン基板表面に至るまで開口し、その開口中にフィールド酸化膜を埋め込むことにより、シリコンエピタキシャル層５をシリコン基板１から電気的に絶縁させたＳＯＩウエハとすることが可能である。また、縦方向（ウエハの厚さ方向）に電流を流すパワーデバイスと制御ＩＣを１枚のチップ上に集積化する場合は、ＳＯＩ領域を全面ではなく、部分的に設ければよいことはいうまでもない。

本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その１）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その２）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その３）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その４）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その５）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その６）。 本発明のＳＯＩウエハの製造方法の第二の実施例にかかるガスの流量プロファイル図である。 従来のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その１）。 従来のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その２）。 従来のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その３）。 従来のＳＯＩウエハの製造方法にかかる製造工程を示すウエハ断面図である（その４）。

符号の説明

１…シリコン基板、
２…シリコン酸化膜、
３…シリコンウエハ、
４…開口部、
５…シリコンエピタキシャル成長層、
６…オーバーハング
７…結晶欠陥
８…傾斜角形状、台形形状（テーパー形状）
９…凹部
１６…結晶欠陥
１７…ボイド。

Claims (8)

1. シリコン基板表面に開口部を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記開口部に露出する前記シリコン基板表面からシリコンエピタキシャル層を形成する第一成膜工程と、前記シリコンエピタキシャル層が前記酸化膜上で相互に接触する前の段階における前記シリコンエピタキシャル層の端部を、上に開いた傾斜角の形状にするための気相エッチング工程と、前記シリコンエピタキシャル層を相互接触させて前記シリコン基板上の全面に成膜する第二成膜工程と、前記全面成膜されたシリコンエピタキシャル層を表面研磨して平坦化する平坦化工程とを含むことを特徴とするＳＯＩウエハの製造方法。
2. 前記開口部が島状または格子状であることを特徴とする請求項１記載のＳＯＩウエハの製造方法。
3. 前記第一成膜工程と前記気相エッチング工程が複数回行われることを特徴とする請求項１または２記載のＳＯＩウエハの製造方法。
4. 前記気相エッチング工程で、隣接するシリコンエピタキシャル層の端部を上に開いた傾斜角の形状にするために成膜ガスとエッチングガスとを同時に流すことを特徴とする請求項１記載のＳＯＩウエハの製造方法。
5. 前記気相エッチング工程における成膜ガス流量を徐々に減らし、気相エッチングガスの流量を徐々に増加させるように制御することを特徴とする請求項４記載のＳＯＩウエハの製造方法。
6. 前記成膜ガスがクロルシランガスを主ガスとして含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法。
7. 前記気相エッチングガスがＨＣｌガスを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法。
8. 前記シリコンエピタキシャル層の全面成膜後、ＳＯＩウエハを平坦化する工程の前後で、水素を含んだ１０００℃以上のガス雰囲気中でアニールする工程を設けることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＳＯＩウエハの製造方法。

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