JP2006237455A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子形成領域を確実に支えることができ、寄生容量の増加を防止して素子の消費電力を低減することが困難であった。
【解決手段】空洞部１３は、基板１１表面の少なくとも１つの素子形成領域１２に対応して基板１１内に形成されている。複数のトレンチ１４は、空洞部１３に連通され、素子形成領域１２を他の素子形成領域から部分的に分離する。酸化膜１５は、トレンチ１４周囲の基板１１及び素子形成領域１２に形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＳＯＮ（Silicon on Nothing）構造を用いた半導体装置とその製造方法に関する。
半導体装置の低消費電力化や動作速度の高速化を図るため、基板内に形成した空洞上に素子形成領域を形成したＳＯＮ構造が注目されている。微細なＳＯＮ構造を形成する方法として、基板内に浅いトレンチの素子分離領域（ＳＴＩ）を形成し、この後、基板内にイオンを注入して微細な複数の空洞を形成し、次いで、熱処理により空洞を成長させて互いに結合し、ＳＴＩに接する大きな空洞を形成する技術が開発されている（例えば特許文献１参照）。この製造方法の場合、先にＳＴＩを形成した後、基板内にＳＴＩに接する空洞を形成するため、空洞上の素子形成領域はＳＴＩに支えられ、落下を防止できる。
また、基板に複数のトレンチを形成し、この後、熱処理によりトレンチ表面を融解してトレンチ表面にシリコン層を形成することにより、複数のトレンチが一体化され、基板内にトレンチの径より大きな空洞を形成する技術が知られている。このように、先に空洞を形成した場合、この周囲にトレンチ形状の素子分離領域を形成する際、空洞に接して素子形成領域を囲むトレンチを形成しようとすると、素子形成領域が支えを失い落下してしまう。このため、空洞に接して素子分離領域を形成することが困難であった。そこで、空洞の周囲に素子形成領域を支持する基板部位を残しながら、素子形成領域を連続的に囲むトレンチ形状の素子分離領域を形成することが考えられる。しかし、この場合、たとえ素子形成領域を支持していた基板部位をその後絶縁化したとしても、素子形成領域において空洞下のシリコン基板と空洞で分離されない部分が存在する。このため、寄生容量が増加し、素子の消費電力を低減することが困難であった。
特開２００３−３３２５４０号公報
本発明は、素子形成領域を確実に支えることができ、寄生容量の増加を防止し、素子の消費電力を低減することが可能なＳＯＮ構造の半導体装置とその製造方法を提供する。
本発明の一態様の半導体装置は、基板表面の少なくとも１つの素子形成領域に対応して前記基板内に形成された空洞部と、前記空洞部に連通され、前記素子形成領域周囲の前記基板内に形成された複数のトレンチと、前記各トレンチの周囲に形成され、前記素子形成領域を連続して囲む酸化膜とを具備している。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、基板内に空洞部を形成し、前記基板表面から前記基板内に前記空洞部に連通された複数のトレンチを形成し、前記複数のトレンチ周囲の前記基板を酸化することにより、前記空洞部上の前記基板表面を連続して囲む酸化膜を形成することを特徴とする。
本発明によれば、素子形成領域を確実に支えることができ、寄生容量の増加を防止し、素子の消費電力を低減することが可能なＳＯＮ構造の半導体装置とその製造方法を提供できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１、図２は、第１の実施形態に係る半導体装置を示している。この半導体装置は、例えばパワーＭＯＳトランジスタ又はパワーバイポーラトランジスタに適用される。
図１、図２において、シリコン基板１１の内部には、素子形成領域１２の下方に対応して空洞部１３が形成されている。素子形成領域１２の周囲には、複数のトレンチ１４が互いに所定間隔離間して形成されている。各トレンチ１４の周囲には素子形成領域１２及び空洞部１３に接して、素子分離領域１７を構成する例えばシリコン酸化膜１５が連続的に形成されている。このシリコン酸化膜１５は、図２に示すように、空洞部１３の内面にも形成され、空洞部１３内のシリコン酸化膜１５ａと各トレンチ１４の周囲のシリコン酸化膜１５は一体とされている。このため、素子形成領域１２は、その底部において、比誘電率が“１”の空洞部１３により空洞部１３下の基板１１から電気的に分離され、且つその周囲とは、シリコン酸化膜１５により電気的に分離されている。したがって、寄生容量を低減でき、素子の消費電力を低減できる。また、各トレンチ１４の内部には、熱膨張率がシリコンとほぼ等しい例えばポリシリコン膜１６が埋め込まれている。このため、例えば素子形成時の熱処理において、トレンチ１４や酸化膜１５に欠陥が生じることを防止できる。
図３乃至図１０は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示している。
先ず、シリコン基板１１上の素子形成領域に対応して、複数のトレンチが規則的に、且つ密集して形成される。すなわち、図３に示すように、基板１１上にマスク材としての例えばシリコン酸化膜２１が形成され、このシリコン酸化膜２１が図示せぬレジストパターンをマスクとしてエッチングされる。このようにして、シリコン酸化膜２１がパターニングされる。この後、レジストパターンが除去され、シリコン酸化膜２１をマスクとして基板１１が例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングされ、複数のトレンチ２２が形成される。これらトレンチ２２の開口部の平面形状は例えば円形であり、アスペクト比は例えば７程度である。トレンチ２２間の間隔は、トレンチの径をＲとした場合、例えば３．７６Ｒ以下に設定される。
次に、図４に示すように、水素（Ｈ２）の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ程度の条件で熱処理することにより、トレンチ２２の表面が融解され、素子形成領域１２が形成されるとともに、複数のトレンチ１４が一体化され、素子形成領域１２下部の基板中に空洞部１３が形成される。
この後、図５に示すように、基板１１の全面にマスク材としてのシリコン酸化膜２３が形成される。このシリコン酸化膜２３を図示せぬレジストパターンを用いて例えばＲＩＥによりエッチングし、シリコン酸化膜２３によるマスクが形成される。このとき、空洞部１３上の素子形成領域１２を支える柱となる部分にシリコン酸化膜２３を残し、後に形成されるトレンチの一側面が空洞部１３の内側になるようにレジストをパターニングする。このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥによりシリコン酸化膜２３をエッチングし、この後、レジストを剥離する。次いで、パターニングされたシリコン酸化膜２３をマスクとしてＲＩＥにより複数のトレンチ１４を形成する。このとき、トレンチ１４は空洞部１３と連通する。しかし、トレンチ１４相互間に複数のシリコンの柱２４が存在するため、素子形成領域１２はこの柱２４に支えられ、落下することを防止できる。この柱２４の幅は、素子形成領域１２を保持する観点からは広いほうがよいが、柱２４の幅を広くし過ぎた場合、寄生容量が増加するおそれがある。また、柱２４の幅を広くした場合、後の柱２４を全て酸化する工程において、酸化膜の膜厚を厚くする必要が生じ、素子形成領域１２にストレスが加わり欠陥が発生し易い。このため、柱２４の幅は、レジストパターンの形成、シリコン酸化膜２３のパターニング及びトレンチ１４の形成における最小寸法により規定されることが望ましい。現状において、この最小寸法は例えば０．３μｍである。
次に、図７、図８に示すように、シリコン酸化膜２３が除去される。この後、シリコンの柱２４を全て酸化させるため、基板１１が酸化雰囲気中で熱処理され、トレンチ１４及び空洞部１３の内部、さらに、基板１１の表面が酸化される。ここでは、例えば柱２４の幅の１．０倍以上の膜厚を有するシリコン酸化膜１５が形成される程度の熱処理を行なえばよい。これは、シリコンの柱２４を構成するシリコンが酸素と結合するため、シリコンの柱２４を全て酸化させた後に複数のトレンチ１４間で得られる酸化膜１５の膜厚は、熱処理前におけるシリコンの柱２４の幅の２倍程度となることによる。このようにして素子形成領域１２の周囲において、素子分離領域１７を構成するシリコン酸化膜１５が、複数のトレンチ１４間でシリコンの柱２４が酸化されてなるシリコン酸化膜１５の１／２以上程度の膜厚で形成される。
その後、図９、図１０に示すように、全面に例えばポリシリコン膜１６が形成される。このとき、トレンチ１４内をポリシリコン膜１６により完全に埋め込む必要はない。寄生容量を低減させるためには、トレンチ１４の内部にポリシリコン膜１６を形成しないほうがよい。しかし、トレンチ１４の内部を完全に空洞とした場合、後の熱処理工程において、シリコン酸化膜１５や素子形成領域１２に欠陥が発生するおそれがある。これを防止するため、シリコンと熱膨張率がほぼ等しいポリシリコン膜１６をトレンチ１４内に形成している。したがって、熱ストレスの影響が少ない範囲であれば、このポリシリコン膜１６はトレンチ１４の上部を閉塞する程度形成されればよく、トレンチ１４の内部に空孔が生じていてもよい。
次いで、図１、図２に示すように、トレンチ１４の外部に位置するポリシリコン膜１６が例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）により除去され、基板１１上のシリコン酸化膜１５が例えばウェットエッチングにより除去される。このようにして、トレンチ１４がポリシリコン膜１６により埋め込まれる。
この後、素子形成領域１２に図示せぬ例えばＭＯＳトランジスタあるいはバイポーラトランジスタが形成される。
上記第１の実施形態によれば、基板１１内に形成した空洞部１３の周囲に部分的に基板１１を残して複数のトレンチ１４を形成し、これらトレンチ１４の側面にシリコン酸化膜１５を形成することにより、空洞部１３上の素子形成領域１２の周囲に連続して素子形成領域１２に接した素子分離領域１７を形成している。このため、素子形成領域１２の周囲はシリコン酸化膜１５からなる素子分離領域１７により隣接する素子形成領域から分離され、素子形成領域１２の底部は比誘電率が“１”の空洞部１３により空洞部１３下の基板１１から分離されている。したがって、素子形成領域１２とシリコン基板１１との間の寄生容量を小さくすることができ、消費電力を低減できる。
また、トレンチ１４の相互間に形成された柱２４の幅は、トレンチを形成する際の最小寸法により規定され得る。この最小寸法は、例えば０．３μｍ程度である。この幅の柱２４を酸化する場合、トレンチ１４の両側から酸化することができるため、トレンチの一側面に形成されるシリコン酸化膜１５の膜厚については、柱２４を酸化して得られる酸化膜厚未満、換言すれば、酸化後におけるトレンチ１４の相互間の距離の１／２倍以上１倍未満に抑えることが可能であり、具体的に酸化膜厚は０．３μｍ程度でよい。このため、シリコン酸化膜１５を形成するための熱処理を短時間で行うことができ、基板１１に対する結晶欠陥の発生を低減できる。
さらに、各トレンチ１４は、シリコンと同等の熱膨張率を有するポリシリコンにより埋め込まれている。このため、熱処理においてトレンチ１４に欠陥が生じることを防止できる。
尚、トレンチの埋め込み材料としては、ポリシリコンに限定されるものではなく、素子形成領域１２に欠陥が発生しなければ、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により形成されたシリコン酸化膜を用いることも可能である。
（第２の実施形態）
図１１、図１２は、第２の実施形態を示している。第１の実施形態は、１つの空洞部に対応した１つの素子形成領域の周囲に素子分離領域を形成する場合について説明した。これに対して、第２の実施形態は、１つの空洞部に対応した複数の素子形成領域を分離する素子分離領域を同時に形成する場合を示している。
図１１、図１２は、基板１１内に２つの素子形成領域１２−１，１２−２を形成した場合を示している。この場合、先ず、基板１１内に、素子形成領域１２−１，１２−２に対応した大きさを有する１つの空洞部１３を形成する。空洞部１３の形成方法は、第１の実施形態と同様である。次に、素子形成領域１２−１，１２−２の周囲に対応して複数のトレンチ１４を形成する。このとき、第１の実施形態と同様に、トレンチ１４の相互間にシリコンの一部が残っているため、素子形成領域１２−１，１２−２の落下を防止できる。
尚、図１１には、素子形成領域１２−１、１２−２の相互間に形成されるトレンチ１４についてもシリコンの柱を一部残した場合を示した。しかし、素子形成領域１２−１、１２−２の周囲に形成された複数のトレンチ１４の相互間に残されたシリコンの柱だけで２つの素子形成領域１２−１、１２−２を確実に支えることができるようであれば、素子形成領域１２−１、１２−２の相互間のトレンチ１４はシリコンの柱を残す必要はなく、図１３に示すように、連続的なトレンチ１４−１としてもよい。
この後、第１の実施形態と同様にして、トレンチ１４、１４−１の周囲の基板１１に素子分離領域１７を構成するシリコン酸化膜１５が形成され、トレンチ１４、１４−１内がポリシリコン膜１６により埋め込まれる。
上記第２の実施形態によれば、複数の素子形成領域１２−１，１２−２に対応した大きさの空洞部１３を予め形成し、これら素子形成領域１２−１，１２−２の周囲に複数のトレンチ１４、１４−１を形成した後、トレンチ１４、１４−１周囲のシリコンを酸化することにより、複数の素子形成領域１２−１、１２−２と素子分離領域１７を同時に形成することができる。
しかも、複数のトレンチ１４、１４−１を各素子形成領域１２−１、１２−２の周囲に互いに所定間隔離間して形成し、これらトレンチ１４、１４−１の間にシリコンの柱を残している。したがって、同時に複数の素子形成領域１２−１、１２−２及び素子分離領域１７を形成する場合においても、素子形成領域１２−１、１２−２を確実に支えることができ、素子形成領域１２−１、１２−２の落下を防止できる。
また、第２の実施形態は、複数の素子形成領域１２−１、１２−２に対応して広い空洞部１３を形成している。一般に、狭い空洞部１３の場合、後の熱処理においてシリコンが融解した場合、表面エネルギーが小さくなるよう空洞部１３の断面形状が円形状となり易い。このような円形状の空洞部１３は、寄生容量が増加することが知られている。しかし、第２の実施形態のように、広い空洞部１３を形成した場合、熱処理後も空洞部１３の断面形状をほぼ矩形に保持することができる。したがって、寄生容量の増加を抑制することができる。
尚、上記第１、第２の実施形態は、ＳＴＩのような微細なトレンチを用いた素子に適用することも可能である。したがって、第１、第２の実施形態は、パワーＭＯＳトランジスタ、パワーバイポーラトランジスタなどの高耐圧素子に限定されるものではなく、ロジック回路等に適用することも可能である。
さらに、上記第２の実施形態は、３つ以上の素子形成領域に対応して空洞部を形成した場合に適用可能であることは言うまでもない。
その他、本発明の要旨を変えない範囲で種々変形実施可能なことは勿論である。
第１の実施形態に係る半導体装置を示す平面図。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿った断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図。 図３に続く製造工程を示す断面図。 図４に続く製造工程を示す平面図。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。 図５，図６に続く製造工程を示す平面図。 図７に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。 図７、図８に続く製造工程を示す平面図。 図９に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図。 第２の実施形態を示す平面図。 図１１に示すＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図。 第２の実施形態の変形例を示す平面図。
符号の説明
１１…シリコン基板、１２、１２−１、１２−２…素子形成領域、１３…空洞部、１４、１４−１…トレンチ、１５…シリコン酸化膜、１６…ポリシリコン膜、１７…素子分離領域。

Claims (5)

  1. 基板表面の少なくとも１つの素子形成領域に対応して前記基板内に形成された空洞部と、
    前記空洞部に連通され、前記素子形成領域周囲の前記基板内に形成された複数のトレンチと、
    前記各トレンチの周囲に形成され、前記素子形成領域を連続して囲む酸化膜と
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記トレンチ内に形成され、前記トレンチを埋め込む埋め込み材料をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記酸化膜の膜厚は、前記複数のトレンチ相互間の距離の１／2以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 基板内に空洞部を形成し、
    前記基板表面から前記基板内に前記空洞部に連通された複数のトレンチを形成し、
    前記複数のトレンチ周囲の前記基板を酸化することにより、前記空洞部上の前記基板表面を連続して囲む酸化膜を形成する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 前記トレンチ内を埋め込み材により埋め込むことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
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