JP3539102B2

JP3539102B2 - トレンチ分離型半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP3539102B2
Application number: JP33225796A
Authority: JP
Inventors: 一郎伊藤; 昭二三浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: JPH10173041A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トレンチ分離型半導体基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トレンチ分離型半導体基板の製造方法として、基板の反りを低減するための技術が、特開平７−１５３８３５号公報に開示されている。この技術を詳しく説明すると、図１７に示すように、基板３０上にトレンチ分離されたシリコン層３１を備えた半導体基板３２を製造するには、まず、図１０に示すように、シリコン酸化膜３３を介して２枚のシリコン基板３４，３５が接合されたＳＯＩウェハ３６を用意し、図１１に示すように、ウェハ３６の表面および裏面にシリコン酸化膜３７，３８を形成するとともに、シリコン酸化膜３７，３８の表面にシリコン窒化膜３９，４０を形成する。そして、図１２に示すように、シリコン窒化膜３９の上にシリコン酸化膜４１を形成し、さらに、ウェハ３６の裏面のシリコン窒化膜４０を除去した後、シリコン酸化膜４１とシリコン窒化膜３９とシリコン酸化膜３７の所定領域を開口し、この開口部を通してシリコン基板３４をドライエッチングして溝４２を形成する。引き続き、溝４２の側壁に熱酸化膜４３を形成する。この際、シリコン窒化膜４０を除去しているので、１０００℃前後の熱処理が施されてもウェハが反ることもない。引き続き、図１３に示すように、シリコン酸化膜４１の表面およびシリコン酸化膜３８の表面にポリシリコン膜４４，４５を形成し、図１４に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりポリシリコン膜４４に対しエッチバックして溝４２以外のポリシリコン膜４４を除去する。すると、図１５に示すようになり、さらに、フッ素溶液によるウェットエッチングによりシリコン基板３４の上のシリコン酸化膜４１を除去する。この際、ウェハの裏面はポリシリコン膜４５によりシリコン酸化膜３８が保護されている。そして、図１６に示すようにＲＩＥによりポリシリコン膜４４の上面を除去し（２回目のエッチバック）、キャップ用酸化膜４６を形成し、シリコン基板３４の上のシリコン窒化膜３９とシリコン酸化膜３７を除去することにより、図１７の半導体基板３２を得る。ここで、ウェハ裏面のシリコン酸化膜３８の存在により以後の高温雰囲気下においても基板の反りが防止され、素子への結晶欠陥が発生し特性劣化が生じたり、ウェハが割れたり、加工時に加工装置にウェハが固定できなかったり、あるいは、装置内でウェハが搬送できなくなったりする等の不具合が発生することがない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法ではエッチングの自由度がない。つまり、図１４のポリシリコンエッチングを、表面のみをエッチングする異方性エッチング（ＲＩＥ）で行う必要があった。即ち、例えば、シリコン酸化膜４１上にエッチ残りが発生しないようにすべく、ポリシリコンエッチングを異方性エッチングではなくて等方性エッチングにより行おうとすると、図１４のポリシリコン膜４４のエッチング時に、裏面のポリシリコン膜４５もエッチングされウェハの裏面のシリコン酸化膜３８も除去され裏面のシリコン基板３５が露出してしまい、先に述べた高温雰囲気下においてウェハの反りが発生してしまう。換言すれば、従来方式においては裏面のシリコン酸化膜３８がエッチングされないように異方性エッチングを用いなければならず自由度が無かった。
【０００４】
そこで、この発明の第１の目的は、新規なる方法にて基板の反りを低減することができるようにする。又、第２の目的は、第１の目的に加え、更にポリシリコンのエッチ残りを防止する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、第１工程により、第１のシリコン層と第２のシリコン層との間にシリコン酸化膜を挟んだ基板に対し、第１のシリコン層の表面に第１のシリコン酸化膜が形成されるとともに第２のシリコン層の表面に第２のシリコン酸化膜が形成され、第２工程により、第１のシリコン酸化膜の表面に第１のシリコン窒化膜が形成されるとともに第２のシリコン酸化膜の表面に第２のシリコン窒化膜が形成される。そして、第３工程により、第１のシリコン窒化膜の表面に第３のシリコン酸化膜が形成され、第４工程により、第３のシリコン酸化膜と第１のシリコン窒化膜と第１のシリコン酸化膜における所定領域がエッチングされてトレンチパターン用開口部が形成されるとともに、このトレンチパターン用開口部から第１のシリコン層がエッチングされて当該第１のシリコン層に溝が形成される。引き続き、第５工程により、溝内を含む第３のシリコン酸化膜の表面に第１のポリシリコン膜が成膜されるとともに第２のシリコン窒化膜の表面に第２のポリシリコン膜が成膜され、第６工程により、エッチングにより溝内の第１のポリシリコン膜を除く第３のシリコン酸化膜の表面の第１のポリシリコン膜が除去されるとともに第２のポリシリコン膜が除去される。さらに、第７工程により、第２のシリコン窒化膜が除去される。
【０００６】
ここで、第６工程におけるポリシリコン膜の除去の際に、第２のシリコン窒化膜を残した状態でポリシリコン膜のエッチングが行われ、第２のシリコン窒化膜により第２のシリコン酸化膜が保護され、第２のシリコン酸化膜が消失することはなく、この第２のシリコン酸化膜の存在により以後の高温雰囲気下においても基板の反りが防止できる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、第６工程でのポリシリコン膜のエッチングを等方性エッチングにより行うと、第３のシリコン酸化膜の表面において第１のポリシリコン膜が残ることが防止できる（エッチ残りを防止できる）。このように、等方性エッチングを用いることができポリシリコンエッチングの自由度を上げることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明によれば、第７工程は、第１および第２のシリコン窒化膜を同時に除去でき、別々に除去する場合に比べ、工程の簡略化が図られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２を用意し、シリコン酸化膜３を介在した状態で両シリコン基板１，２を直接接合する。その結果、貼り合わせによるＳＯＩ基板（ウェハ）４、即ち、第１のシリコン層と第２のシリコン層との間にシリコン酸化膜を挟んだ基板となる。
【００１０】
そして、図２に示すように、熱酸化法によりＳＯＩウェハ４の表面および裏面にシリコン酸化膜（パッド酸化膜）５，６を形成する。さらに、図３に示すように、ＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜５の表面にシリコン窒化膜７を形成するとともに、シリコン酸化膜６の表面にシリコン窒化膜８を形成する。このとき、１０００℃のアニール処理によりシリコン酸化膜５，６が緻密化される。
【００１１】
引き続き、図４に示すように、シリコン窒化膜７の表面にシリコン酸化膜９を形成する。
その後、ホトリソグラフィー技術とドライエッチング（ＲＩＥ）を用いてシリコン酸化膜９とシリコン窒化膜７とシリコン酸化膜５に対し所定領域を除去しトレンチパターン用開口部１０を形成する。さらに、シリコン酸化膜９とシリコン窒化膜７とシリコン酸化膜５をマスクとしたドライエッチング（ＲＩＥ）によりシリコン基板１の所定領域を除去して溝１１を形成する。この溝１１が素子分離のためのトレンチとなる。
【００１２】
そして、溝１１の内壁面を、プラズマエッチング法を用いて１０００Å程度除去する。さらに、溝１１の内壁面に熱酸化膜１２を形成する。ここで、本実施の形態においては、裏面のシリコン窒化膜８は除去されずに残っている。
【００１３】
引き続き、図５に示すように、ＬＰＣＶＤ法により、シリコン酸化膜９の表面にポリシリコン膜１３を堆積するとともにシリコン窒化膜８の表面にポリシリコン膜１４を堆積する。ここで、溝１１内はポリシリコン膜１３により充填される。
【００１４】
次に、図６に示すように、等方性ドライエッチングによりシリコン酸化膜９の上に堆積したポリシリコン膜１３を除去する（エッチバックする）。ここで、等方性ドライエッチングとは、具体的には、例えば、反応性ガスとして、ＣＦ₄＋Ｏ₂あるいはＣＦ₄＋Ｏ₂＋Ｎ₂を用いる。この等方性ドライエッチングにより基板４の裏面のポリシリコン膜１４も除去される。この等方性ドライエッチングにおいてシリコン窒化膜８でシリコン酸化膜６が保護され、シリコン酸化膜６が消失することはない。つまり、等方性ドライエッチング前においてポリシリコン膜１４／シリコン窒化膜８／シリコン酸化膜６の積層体となっていた状態から、シリコン窒化膜８をエッチングストッパとしたエッチングによりポリシリコン膜１４が除去される。図６はウェハの一部を示す断面図であるが、ウェハの全体を図７に示す。
【００１５】
そして、図８に示すように、フッ素溶液をエッチング液としたウェットエッチングにより、シリコン酸化膜９を除去する。この時、ウェハ裏面のシリコン窒化膜８によりシリコン酸化膜６が保護される。さらに、等方性ドライエッチングにより溝１１内のポリシリコン膜１３のうちのシリコン窒化膜７よりも上方にあるポリシリコン膜１３を除去する（２回目のエッチバックを行う）。その後、溝１１内のポリシリコン膜１３の上面に熱酸化膜（キャップ酸化膜）１５を形成する。この時、１０００℃前後の高温雰囲気になるが、シリコン窒化膜８が残っており、シリコン基板２が露出することなくウェハ（基板）の反りが防止される。
【００１６】
引き続き、基板（ウェハ）４の表面のシリコン窒化膜７と裏面のシリコン窒化膜８とを除去する。このとき、シリコン窒化膜７とシリコン窒化膜８とは同時に除去でき、従来方式においては別の工程にて削除していたものが１工程でよくなり、工程の簡素化が図られる。
【００１７】
その後、図９に示すように、溝１１にて分離されたシリコン基板１を露出させるべくシリコン酸化膜５を除去する。
このようにして、シリコン基板２の上にシリコン酸化膜３を介して溝１１にて分離された多数のシリコン基板１を備えた半導体基板が製造される。そして、この半導体基板に各種のデバイス（トランジスタ等）が形成され、各種半導体装置として用いられる。
【００１８】
本実施の形態では、エッチング残りが発生しにくい等方性エッチングを用いて表面ポリシリコン（１３）のエッチング並びに裏面ポリシリコン（１４）の除去を行っている。これにより、従来の異方性エッチング（ＲＩＥ）を用いた場合において発生していたエッチング残りの発生を抑制できる。
【００１９】
又、従来方法では、ポリシリコン成膜前までに除去していた裏面のシリコン窒化膜８を残し、図５のようにポリシリコン／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の構造とし、ポリシリコン（１４）とシリコン酸化膜（６）の間にシリコン窒化膜（８）が存在することにより裏面のポリシリコン除去時にシリコン面が露出すること無く１０００℃前後の熱処理時のウェハの反りの発生が回避される。つまり、シリコン窒化膜８が無いと、ポリシリコンとシリコン酸化膜のエッチング速度に大きな差が無く、ポリシリコンの厚さに比べシリコン酸化膜が薄いため（１／１００〜１／５０程度）、シリコン酸化膜も除去され裏面のシリコン基板が露出し、１０００℃前後の熱処理でウェハの反りが発生してしまうが、本実施の形態においてはシリコン窒化膜８が残っておりウェハの反りが防止できる。
【００２０】
このように、本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）第１のシリコン基板１（第１のシリコン層）と第２のシリコン基板２（第２のシリコン層）との間にシリコン酸化膜３を挟んだＳＯＩ基板４に対し、第１のシリコン基板１の表面に第１のシリコン酸化膜５を形成するとともに第２のシリコン基板２の表面に第２のシリコン酸化膜６を形成し（第１工程）、第１のシリコン酸化膜５の表面に第１のシリコン窒化膜７を形成するとともに第２のシリコン酸化膜６の表面に第２のシリコン窒化膜８を形成し（第２工程）、第１のシリコン窒化膜７の表面に第３のシリコン酸化膜９を形成し（第３工程）、第３のシリコン酸化膜９と第１のシリコン窒化膜７と第１のシリコン酸化膜５における所定領域をエッチングしてトレンチパターン用開口部１０を形成するとともに、このトレンチパターン用開口部１０から第１のシリコン基板１をエッチングして当該シリコン基板１に溝１１を形成し（第４工程）、溝１１内を含む第３のシリコン酸化膜９の表面に第１のポリシリコン膜１３を成膜するとともに第２のシリコン窒化膜８の表面に第２のポリシリコン膜１４を成膜し（第５工程）、エッチングにより溝１１内の第１のポリシリコン膜１３を除く第３のシリコン酸化膜９の表面の第１のポリシリコン膜１３を除去するとともに第２のポリシリコン膜１４を除去し（第６工程）、第２のシリコン窒化膜８を除去する（第７工程）。
【００２１】
ここで、第６工程におけるポリシリコン膜の除去の際に、第２のシリコン窒化膜８を残した状態でポリシリコン膜のエッチングが行われ、第２のシリコン窒化膜８により第２のシリコン酸化膜６が保護され、第２のシリコン酸化膜６が消失することはなく、この第２のシリコン酸化膜６の存在により以後の高温雰囲気下においても基板の反りが防止できる。即ち、ウェハの裏側に成膜されるシリコン窒化膜８を、図６の工程終了後において、１０００℃前後の熱処理の前までに除去することで従来加工と同様の反りの発生が回避できる。
（ロ）第６工程でのポリシリコン膜のエッチングを等方性エッチングにより行うと、第３のシリコン酸化膜９の表面において第１のポリシリコン膜１３が残ることが防止できる（エッチ残りを防止できる）。このように、等方性エッチングを用いることができポリシリコンエッチングの自由度を上げることができる。
（ハ）第７工程は、第１および第２のシリコン窒化膜７，８を同時に除去するので、別々に除去する場合に比べ、工程の簡略化が図られる。
【００２２】
これまで説明してきた実施の形態以外にも、次に示す形態にて実施してもよい。
ポリシリコン膜１３のエッチバックは、異方性エッチング（ＲＩＥ）により行ってもよい。この場合において、裏面がポリシリコン／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造となることで、ポリシリコンエッチング後において追加エッチングを行った場合にも当該エッチングも異方性という制約を外すことができる。つまり、ポリシリコンエッチングを異方性エッチング（ＲＩＥ）で行ってエッチ残りが発生した場合に、その除去を目的とする追加のエッチングを行う場合において、従来方法では除去能力の弱い異方性エッチングに限るという制約があるが、本実施の形態においては、ポリシリコン／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造としているので、追加のエッチングとして除去能力の弱い異方性エッチングに限るという制約を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図２】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図３】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図４】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図５】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図６】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図７】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図８】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図９】トレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１０】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１１】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１２】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１３】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１４】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１５】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１６】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【図１７】従来のトレンチ分離型半導体基板の製造工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
１…第１のシリコン層としての第１のシリコン基板、２…第２のシリコン層としての第２のシリコン基板、３…シリコン酸化膜、４…ＳＯＩ基板、５…第１のシリコン酸化膜、６…第２のシリコン酸化膜、７…第１のシリコン窒化膜、８…第２のシリコン窒化膜、９…第３のシリコン酸化膜、１０…トレンチパターン用開口部、１１…溝、１３…第１のポリシリコン膜、１４…第２のポリシリコン膜。

Claims

第１のシリコン層と第２のシリコン層との間にシリコン酸化膜を挟んだ基板に対し、前記第１のシリコン層の表面に第１のシリコン酸化膜を形成するとともに前記第２のシリコン層の表面に第２のシリコン酸化膜を形成する第１工程と、
第１のシリコン酸化膜の表面に第１のシリコン窒化膜を形成するとともに第２のシリコン酸化膜の表面に第２のシリコン窒化膜を形成する第２工程と、
第１のシリコン窒化膜の表面に第３のシリコン酸化膜を形成する第３工程と、
第３のシリコン酸化膜と第１のシリコン窒化膜と第１のシリコン酸化膜における所定領域をエッチングしてトレンチパターン用開口部を形成するとともに、このトレンチパターン用開口部から前記第１のシリコン層をエッチングして当該第１のシリコン層に溝を形成する第４工程と、
前記溝内を含む第３のシリコン酸化膜の表面に第１のポリシリコン膜を成膜するとともに第２のシリコン窒化膜の表面に第２のポリシリコン膜を成膜する第５工程と、
エッチングにより前記溝内の第１のポリシリコン膜を除く第３のシリコン酸化膜の表面の第１のポリシリコン膜を除去するとともに前記第２のポリシリコン膜を除去する第６工程と、
前記第２のシリコン窒化膜を除去する第７工程と
を備えたことを特徴とするトレンチ分離型半導体基板の製造方法。
前記第６工程でのポリシリコン膜のエッチングは等方性エッチングである請求項１に記載のトレンチ分離型半導体基板の製造方法。
前記第７工程は、前記第１および第２のシリコン窒化膜を同時に除去するものである請求項１に記載のトレンチ分離型半導体基板の製造方法。