JP2008192851A - 合せマークおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合せマークの検出時における位置の特定を容易にする手段を提供する。
【解決手段】合せマークが、シリコン基板と、シリコン基板のおもて面に形成された凹部と、凹部のシリコン基板のおもて面との角部から離間して形成されたエピタキシャル層と、凹部の内面とエピタキシャル層のまでの間の前記シリコン基板のおもて面とに形成された酸化膜と、酸化膜上に形成された多結晶シリコン層とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、膜厚の厚いエピタキシャル層を形成するシリコン基板のパターン合せに用いる合せマークおよびその製造方法に関する。

モータ駆動や各種電源用ＩＣ等のパワーデバイスにおいては、駆動に必要な耐圧の確保や寄生抵抗成分の削減のために膜厚の厚いエピタキシャル層が用いられている。
このような厚いエピタキシャル層を形成するシリコン基板においては、シリコン基板のおもて面にＰ型またはＮ型の高濃度埋込層を島状に形成しておき、エピタキシャル層の形成後に、エピタキシャル層上に形成される半導体素子と、高濃度埋込層との位置合せを正確に行う必要があり、シリコン基板に合せマークとなる凹部を形成してこれを基準に高濃度埋込層と、エピタキシャル層上に形成される半導体素子の各パターンとの位置合せを行っているが、エピタキシャル層が厚い場合には、シリコン基板上に形成された凹部とエピタキシャル成長後にエピタキシャル層上に形成される凹部との間に位置ずれ（パターンシフトという。）が生じ、正確な位置合せが困難になるという問題が生ずる。

例えば、図６に示すように、シリコン基板５１のおもて面に形成された高濃度埋込層５２から離間させて合せマークとして用いる凹部５３を形成した後に、厚いエピタキシャル層５４を形成すると、エピタキシャル層５４上に形成される凹部５３ａは、図６に破線の矢印で示す方向にシフトして形成され、パターンシフトが生ずる。
この場合に、シリコン基板のおもて面の結晶面が、＜１００＞面に対して２〜５度のオフセットアングルが設定されたものである場合に、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）をソースガスとした常圧条件でのエピタキシャル成長では、１μｍ当り０．３μｍ程度のシフト量が観測されている。

このパターンシフトを防止するために、従来の合せマークは、シリコン基板上に合せマークとなる凹部を形成し、高濃度埋込層を形成した後に、比較的低温度で薄い第１のエピタキシャル層を形成し、その後に高温度で厚い第２のエピタキシャル層を形成して凹部のパターンシフトを防止している（例えば、特許文献１参照。）。
また、シリコン基板上に合せマークの形成に用いる多結晶シリコン層を形成し、多結晶シリコン層上にシリコン窒化膜を形成して合せマークに用いる多結晶シリコン層上の領域を除く領域のシリコン窒化膜を除去し、残留したシリコン窒化膜を基準に高濃度埋込層を形成した後に、残留させたシリコン窒化膜等を除去してシリコン基板および残留させたシリコン窒化膜下の多結晶シリコン層を露出させ、エピタキシャル成長により、シリコン基板上には単結晶シリコンからなるエピタキシャル層を形成し、残留させた多結晶シリコン層上に形成される多結晶シリコン層をエピタキシャル層から突出させて合せマークとして用いているものもある（例えば、特許文献２参照。）。

更に、シリコン基板上に部分的に酸化膜を残留させ、高濃度埋込層を形成した後に、酸化膜上を除くシリコン基板上の領域にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成して、シリコン基板上に部分的に残留させた酸化膜を合せマークとして用いているものもある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００２−３４３９５６号公報（第３頁段落００２０−第４頁段落００２４、第３図、第４図） 特開平７−１５３６６９号公報（第３頁段落００１３−第４頁段落００１８、第１図） 特開２００１−１６８００７号公報（第３頁段落００１４−００２７、第１図、第２図）

一般に、エピタキシャル成長における成長速度は、結晶面毎に異なり、＜１００＞面の成長速度が最も速く、＜１１１＞面の成長速度が最も遅い。
このため、図７に示すように、２点鎖線で示すシリコン基板５１に形成した凹部５３のシリコン基板５１との角部には成長に伴って＜１１１＞面が現出し、図７に示す変形が生じ、エピタキシャル層５４上に形成される凹部５３ａの角部にダレが形成される。

しかしながら、上述した従来の特許文献１の技術においては、シリコン基板上に合せマークとなる凹部を形成し、薄い第１のエピタキシャル層を形成した後に高温度で厚い第２のエピタキシャル層を形成しているため、厚いエピタキシャル層を形成したときに、エピタキシャル層上に形成される凹部の角部に結晶面の成長速度の差に起因するダレが形成され、凹部の角部が不鮮明になって、レーザ光線等により合せマークを検出するときに正確な位置の特定が困難になるというという問題がある。

また、一般にエピタキシャル成長における単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度は異なり、シリコン基板のおもて面が＜１００＞面の場合は、単結晶シリコンが多結晶シリコンより速く成長する。また多結晶シリコンの成長方向は結晶粒により異なるので、厚いエピタキシャル層を形成すると、単結晶シリコンが多結晶シリコンを横方向に押し、その押圧量が多結晶シリコンの成長方向によりバラツキ、単結晶シリコンが多結晶シリコンとの界面に細かな凹凸が形成される。

特許文献２の技術においては、残留させた多結晶シリコン層上にエピタキシャル成長時に形成される多結晶シリコン層を、単結晶シリコンからなるエピタキシャル層から突出させて合せマークを形成しているため、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差および多結晶シリコンの成長方向の多様性に起因して凸部の角部に細かな凹凸が形成され、突出させた単結晶シリコンの角部が不鮮明になって合せマークの検出時における正確な位置の特定が困難になるというという問題がある。

特許文献３の技術においては、シリコン基板上の酸化膜上を除く領域にエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成して、シリコン基板上に部分的に残留させた酸化膜を合せマーク形成しているため、ソースガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）等を用いた選択性のないエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成すると、酸化膜上に多結晶シリコンが形成され、特許文献２と同様の問題が生ずる。

また、ソースガスにジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等を用いたシリコン上にのみエピタキシャル層が形成される選択性を有するエピタキシャル成長によりエピタキシャル層を形成すると、エピタキシャルラテラルオーバーグロース（酸化膜上等へのエピタキシャル層の横成長）によって酸化膜の角部が覆われ、酸化膜の角部が不鮮明になって合せマークの検出時における正確な位置の特定が困難になるというという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、合せマークの検出時における位置の特定を容易にする手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、合せマークが、シリコン基板と、該シリコン基板のおもて面に形成された凹部と、該凹部の前記おもて面との角部から離間して形成されたエピタキシャル層と、前記凹部の内面と前記エピタキシャル層のまでの間の前記シリコン基板のおもて面とに形成された酸化膜とを備えることを特徴とする。
また、合せマークが、シリコン基板と、該シリコン基板のおもて面に形成された凹部と、該凹部の前記おもて面との角部から離間して形成されたエピタキシャル層と、前記凹部の内面と前記エピタキシャル層のまでの間の前記シリコン基板のおもて面とに形成された酸化膜とを備え、前記酸化膜上に、多結晶シリコン層が形成されていることを特徴とする。

これにより、本発明は、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差、多結晶シリコンの成長方向の多様性、および結晶面の成長速度の差による凹部への影響を確実に排除して、酸化膜に形成された凹部の角部を鮮明なものとすることができ、合せマークの検出時における正確な位置の特定を容易に行うことができるという効果が得られる。
また、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差、多結晶シリコンの成長方向の多様性、および結晶面の成長速度の差に起因する凹部の変形を排除して、酸化膜上の多結晶シリコン層に形成された凹部の角部を鮮明なものとすることができ、合せマークの検出時における正確な位置の特定を容易に行うことができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明による合せマークおよびその製造方法の実施例について説明する。

図１、図２は実施例１の合せマークの製造方法を示す説明図である。
本実施例の合せマークは、図２（Ｐ７）に示すように、シリコン基板１のおもて面１ａに、Ｐ型またはＮ型の導電性不純物を高濃度に拡散させた高濃度埋込層２を形成し、高濃度埋込層２から所定の距離で離間させて凹部３を形成し、その凹部３の側面および底面（内面という。）と、その周囲のシリコン基板１のおもて面１ａ、つまり凹部３のシリコン基板１のおもて面１ａとの角部から一定の間隔で離間させて形成されたエピタキシャル層４までの間のシリコン基板１のおもて面１ａに酸化膜５を形成し、その酸化膜５上に多結晶シリコン層６を形成して構成され、凹部３により形成された多結晶シリコン層６の凹部３ａの角部を基準として、その後の各工程における位置合せを行うものである。

この場合に、凹部３のシリコン基板１のおもて面１ａとの角部からエピタキシャル層４の端部までの一定の間隔は、形成されるエピタキシャル層４の膜厚以上の間隔に設定される。エピタキシャル層４の膜厚より狭い間隔で設定すると、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差および多結晶シリコンの成長方向の多様性に起因する歪みの影響が凹部３の角部により形成された多結晶シリコン層６の角部に及ぶ虞があるからである。

なお、高濃度埋込層２の端部から凹部３の角部までの所定の距離は、これらの間が明確に離間しており、かつ凹部３の角部が基準として利用するに足る精度で形成されていればよい。
以下に、図１、図２を用い、Ｐで示す工程に従って本実施例の合せマークの製造方法について説明する。

Ｐ１（図１）、おもて面１ａの結晶面を＜１００＞面（２〜５度程度のオフセットアングルを設けたものを含む。）としたシリコン基板１の所定の領域に高濃度埋込層２を形成し、熱酸化法によりシリコン基板１のおもて面１ａに、膜厚５００Å（オングストローム）程度の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる熱酸化膜（第１のシリコン酸化膜）１１を形成する。

次いで、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により熱酸化膜１１上に膜厚１０００Å程度の窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるシリコン窒化膜１２を成膜し、そのシリコン窒化膜１２上にプラズマＣＶＤ法により膜厚２０００Å程度の酸化シリコンからなるプラズマ酸化膜（第２のシリコン酸化膜）１３を形成する。
Ｐ２（図１）、プラズマ酸化膜１３上に、フォトリソグラフィにより高濃度埋込層２から所定の距離で離間させて１辺３０μｍ程度の矩形の開口を有するレジストマスクを形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、プラズマ酸化膜１３、シリコン窒化膜１２、熱酸化膜１１、およびシリコン基板１のおもて面１ａをエッチングしてシリコン基板１のおもて面１ａに２μｍ程度の深さの凹部３を形成し、剥離剤により前記のレジストマスクを除去する。

Ｐ３（図１）、熱燐酸（Ｈｏｔ−Ｈ_２ＰＯ_４）等を用いた窒化シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングにより、前記異方性エッチングにより形成されたシリコン窒化膜１２の端面を選択的にサイドエッチングして、熱酸化膜１１とプラズマ酸化膜１３との間にシリコン窒化膜１２を３μｍ程度エッチングした空洞１４を形成する。
Ｐ４（図１）、空洞１４の形成後に、フッ酸（ＨＦ）等の酸化シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングによりプラズマ酸化膜１３を全て除去すると共に、シリコン窒化膜１２下を含む熱酸化膜１１を選択的にエッチングして、つまり空洞１４に露出している熱酸化膜１１のエッチングとその先のシリコン窒化膜１２下の熱酸化膜１１を選択的にサイドエッチングしてシリコン基板１のおもて面１ａを凹部３の角部から１０μｍ程度露出させる。

Ｐ５（図１）、露出させたシリコン窒化膜１２をマスクとして、熱酸化法により凹部３の内面および露出させたシリコン基板１のおもて面１ａに、熱酸化膜１１より厚い膜厚（本実施例では、２５００Å程度）の酸化膜５を形成する。
Ｐ６（図２）、酸化膜５の形成後に、熱燐酸等によるウェットエッチングにより、シリコン窒化膜１２を全て除去し、その後に、５％フッ酸に２分間浸漬するウェットエッチングにより酸化膜５および熱酸化膜１１をエッチングして、熱酸化膜１１下のシリコン基板１のおもて面１ａを露出させる。

このとき、本実施例の酸化膜５は、熱酸化膜１１より厚い膜厚を有しているので、凹部３の内面およびその周囲のシリコン基板１のおもて面に酸化膜３が残留し、シリコン基板１に形成した凹部３により酸化膜５に凹部３ｂが形成される。
Ｐ７（図２）、熱酸化膜１１下のシリコン基板１のおもて面１ａを露出させた後に、ソースガスをモノシランまたはトリクロルシラン等とした水素ガス雰囲気中でのエピタキシャル成長により、露出させたシリコン基板１のおもて面１ａ上に単結晶シリコンからなる膜厚５μｍ程度のエピタキシャル層４を形成すると共に、酸化膜５上に多結晶シリコンからなる多結晶シリコン層６を形成する。

これにより、シリコン基板１に形成した凹部３により多結晶シリコン層６に凹部３ａが形成され、この凹部３ａの角部を基準に、その後の各工程における位置合せが行われる。
このように、本実施例の合せマークとして用いる凹部３ａは、エピタキシャル層４の端部から一定の間隔を開けてシリコン基板１に形成された凹部３の内面およびその周囲に形成された酸化膜５上の多結晶シリコン層６に形成されているので、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差、および多結晶シリコンの成長方向の多様性に起因する歪みが凹部３ａの角部に及ぶことはなく、結晶面の成長速度の差に起因する凹部３ａの角部のダレが形成されることもないため、凹部３ａの角部が鮮明になって合せマークの検出時における正確な位置の特定を容易に行うことができる。

また、フォトリソグラフィ工程（上記工程Ｐ２）を１回行えば、その後は自己整合的に多結晶シリコン層６に凹部３ａを形成することができるので、合せマークの形成における製造負荷を軽減することができ、製造コストの増加を最小限に抑制することができる。
以上説明したように、本実施例では、シリコン基板のおもて面に形成された凹部の角部から離間して形成されたエピタキシャル層のまでの間のシリコン基板のおもて面および凹部の内面に酸化膜を形成し、この酸化膜上に多結晶シリコン層を形成するようにしたことによって、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差、多結晶シリコンの成長方向の多様性、および結晶面の成長速度の差に起因する凹部の変形を排除して、酸化膜上の多結晶シリコン層に形成された凹部の角部を鮮明なものとすることができ、合せマークの検出時における正確な位置の特定を容易に行うことができる。

図３は実施例２の合せマークを示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の合せマークは、図３に示すように、上記実施例１と同様にして形成された凹部３のシリコン基板１のおもて面１ａとの角部から一定の間隔で離間させて形成されたエピタキシャル層４までの間のシリコン基板１のおもて面１ａと、凹部３との内面に酸化膜５を形成して構成され、凹部３により形成された酸化膜５の凹部３ｂ角部を基準として、その後の各工程における位置合せを行うものである。

この場合に、凹部３のシリコン基板１のおもて面１ａとの角部からエピタキシャル層４の端部までの一定の間隔は、実施例１と同様に設定される。エピタキシャル層４の膜厚より狭い間隔で設定すると、エピタキシャルラテラルオーバーグロースによって、凹部３の角部により形成された酸化膜５の角部が覆われてしまう虞があるからである。
なお、高濃度埋込層２の端部から凹部３の角部までの所定の距離は、実施例１と同様である。

このような、酸化膜５の凹部３ｂは、以下のように製造される。
上記実施例１の工程Ｐ１〜Ｐ６と同様にして、熱酸化膜１１下のシリコン基板１のおもて面１ａを露出させると共に、凹部３の内面およびその周囲のシリコン基板１のおもて面に酸化膜３が残留させて、シリコン基板１に形成した凹部３により酸化膜５に凹部３ｂ形成した後に、シリコン上にのみエピタキシャル層が選択的に形成される選択性を有するエピタキシャル成長（ソースガスをジクロルシラン等とした減圧下のエピタキシャル成長等）により、露出させたシリコン基板１のおもて面１ａ上に単結晶シリコンからなる膜厚５μｍ程度のエピタキシャル層４を形成する。

このようにすれば、酸化膜５上には多結晶シリコンが形成されず、実施例１の工程Ｐ６で形成された酸化膜５の凹部３ｂをそのままの状態で残存させることができ、この凹部３ｂの角部を基準に、その後の各工程における位置合せを行うことができる。
このように、本実施例の合せマークとして用いる凹部３ｂは、エピタキシャル層４の端部から一定の間隔を開けてシリコン基板１に形成された凹部３の内面およびその周囲に形成された酸化膜５に形成されているので、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差や、多結晶シリコンの成長方向の多様性、結晶面の成長速度の差による影響を全く受けることがなく、凹部３ｂの鮮明な角部により合せマークの検出時における正確な位置の特定を更に容易に行うことができる。

また、実施例１と同様にフォトリソグラフィ工程を１回行えば、その後は自己整合的に酸化膜５に凹部３ｂを形成することができるので、合せマークの形成における製造負荷を軽減することができ、製造コストの増加を最小限に抑制することができると共に、多結晶シリコン層６を除去するためのフォトリソグラフィ、エッチング工程が不要になり、合せマークの製造方法の簡素を図ることができる。

以上説明したように、本実施例では、シリコン基板のおもて面に形成された凹部の角部から離間して形成されたエピタキシャル層のまでの間のシリコン基板のおもて面および凹部の内面に酸化膜を形成するようにしたことによって、単結晶シリコンと多結晶シリコンとの成長速度の差、多結晶シリコンの成長方向の多様性、および結晶面の成長速度の差による凹部への影響を確実に排除して、酸化膜に形成された凹部の角部を鮮明なものとすることができ、合せマークの検出時における正確な位置の特定を、更に容易に行うことができる。

なお、本実施例においては、おもて面１ａの結晶面を＜１００＞面としたシリコン基板１を例に説明したが、おもて面１ａの結晶面を＜１１１＞面としたシリコン基板１の場合には、他の製造方法により、本実施例の合せマークを製造することが可能になる。
以下に、図４にＰＡで示す工程に従って、本実施例合せマークの他の製造方法について説明する。

ＰＡ１、上記実施例１の工程Ｐ１〜Ｐ７と同様にして、熱酸化膜１１下の露出させたシリコン基板１のおもて面１ａ上に単結晶シリコンからなる膜厚５μｍ程度のエピタキシャル層４を形成すると共に、酸化膜５上に多結晶シリコンからなる多結晶シリコン層６を形成して多結晶シリコン層６に凹部３ａを形成する。
ＰＡ２、水酸化カリウム（ＫＯＨ）またはヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_２・ＨＸおよびＮ_２Ｈ_２・２ＨＸ）の水溶液を用いた多結晶シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチング（例えば、水酸化カリウムを６０℃で用いた場合の＜１１１＞面と多結晶シリコンのエッチングレートの選択比は１：６０になる。）により多結晶シリコン層６を選択的にエッチングして、酸化膜５上の多結晶シリコン層６を全て除去する。

これにより、酸化膜５の凹部３ｂを露出させることができ、露出させた凹部３ｂの角部を基準に、その後の各工程における位置合せを行うことができる。
このようにしても、フォトリソグラフィ工程を増加させることなく、おもて面１ａの結晶面を＜１１１＞面としたシリコン基板１における本実施例の合せマークを製造することができる。

実施例１の合せマークの製造方法を示す説明図 実施例１の合せマークの製造方法を示す説明図 実施例２の合せマークを示す説明図 実施例２の合せマークの他の製造方法を示す説明図 エピタキシャル成長による凹部のパターンシフトを示す説明図 結晶面の成長速度の差に起因するダレを示す説明図

符号の説明

１、５１ シリコン基板
１ａ おもて面
２、５２ 高濃度埋込層
３、３ａ、３ｂ、５３、５３ａ 凹部
４、５４ エピタキシャル層
５ 酸化膜
６ 多結晶シリコン層
１１ 熱酸化膜（第１のシリコン酸化膜）
１２ シリコン窒化膜
１３ プラズマ酸化膜（第２のシリコン酸化膜）
１４ 空洞

Claims (6)

1. シリコン基板と、該シリコン基板のおもて面に形成された凹部と、該凹部の前記おもて面との角部から離間して形成されたエピタキシャル層と、前記凹部の内面と前記エピタキシャル層のまでの間の前記シリコン基板のおもて面とに形成された酸化膜とを備えることを特徴とする合せマーク。
2. 請求項１において、
   前記酸化膜上に、多結晶シリコン層が形成されていることを特徴とする合せマーク。
3. シリコン基板のおもて面に、第１のシリコン酸化膜を形成する工程と、
   該第１のシリコン酸化膜上に、シリコン窒化膜を形成する工程と、
   該シリコン窒化膜上に、第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、
   異方性エッチングにより、前記第２のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、第１のシリコン酸化膜、および前記シリコン基板のおもて面をエッチングしてシリコン基板のおもて面に凹部を形成する工程と、
   窒化シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングにより、前記異方性エッチングにより形成されたシリコン窒化膜の端面を選択的にエッチングする工程と、
   該シリコン窒化膜のエッチング後に、酸化シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングにより前記第２のシリコン酸化膜を除去すると共に、前記シリコン窒化膜下を含む前記第１のシリコン酸化膜を選択的にエッチングして前記シリコン基板のおもて面を露出させる工程と、
   前記シリコン窒化膜をマスクとして、前記凹部の内面および露出させたシリコン基板のおもて面に、前記第１のシリコン酸化膜より厚い酸化膜を形成する工程と、
   窒化シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングにより、前記シリコン窒化膜を除去する工程と、
   該シリコン窒化膜の除去後に、ウェットエッチングにより前記酸化膜および第１のシリコン酸化膜をエッチングして、前記酸化膜を残留させると共に、前記第１のシリコン酸化膜下の前記シリコン基板のおもて面を露出させる工程と、を備えることを特徴とする合せマークの製造方法。
4. 請求項３において、
   第１のシリコン酸化膜下の前記シリコン基板のおもて面を露出させた後に、エピタキシャル成長により、前記露出させたシリコン基板のおもて面上にエピタキシャル層を形成すると共に、前記酸化膜上に多結晶シリコン層を形成する工程を備えることを特徴とする合せマークの製造方法。
5. 請求項４において、
   前記シリコン基板のおもて面の結晶面を＜１１１＞面とし、
   前記酸化膜上の多結晶シリコン層を、多結晶シリコンを選択的にエッチングするウェットエッチングにより除去する工程を備えることを特徴とする合せマークの製造方法。
6. 請求項３において、
   第１のシリコン酸化膜下の前記シリコン基板のおもて面を露出させた後に、シリコン上にのみエピタキシャル層が選択的に形成されるエピタキシャル成長により、前記露出させたシリコン基板のおもて面上にエピタキシャル層を形成する工程を備えることを特徴とする合せマークの製造方法。