JP3932442B2 - Soi基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、特に、素子分離膜を備えたSOI(Silicon−On−Insulator)基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化かつ高性能化に伴い、バルクシリコンからなるシリコン基板の代わりに、SOI基板を用いた半導体集積技術が注目されつつある。SOI基板は、支持手段のベース層と素子の形成される半導体層との間に埋め込み酸化膜が介在した構造であって、SOI基板上に形成された半導体素子は、完全な素子分離、寄生容量の減少、高速動作が可能であるという利点を有する。
【0003】
従来、SOI基板の製造方法としては、SIMOX(seperation by implantedoxygen)法とボンディング法が用いられている。SIMOX法を用いたSOI基板の製造方法では、まず、バルクシリコンからなるシリコン基板を備え、酸素イオンが前記シリコン基板の上部表面から所定の深さでイオン注入される。しかる後、シリコン基板は、酸素イオンとシリコンとが反応するように、アニーリングされ、その結果、埋め込み酸化膜が、前記シリコン基板がベース層と半導体層に分離されるように、前記シリコン基板内に形成される。しかしながら、SIMOX法を用いたSOI基板の製造方法は、素子の形成される半導体層の厚さを調節し難く、かつ作製時間が長いという短所がある。
【0004】
ボンディング法を用いたSOI基板の製造方法では、まず、支持手段のベースシリコン層を備え、埋め込み酸化膜が前記ベースシリコン層上に形成される。次に、素子の形成される半導体シリコン層が前記埋め込み酸化膜上にボンディングされた後、所望の厚さの半導体層が得られるように、前記半導体シリコン層が、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程により後面研磨される。ボンディング法を用いたSOI基板の製造方法は、SIMOX法と比較して、半導体層の厚さを容易に調節でき、かつ製造時間が短いという利点がある。しかも、SOI基板を製造する間、半導体層に素子分離膜が備えられるので、公知の半導体製造工程にて素子分離膜を形成するための工程を省略させることができるという利点もある。
【0005】
図1から図4は、ボンディング法を用いた従来技術によるSOI基板の製造方法を説明するための工程断面図であって、順にその製造方法を説明する。まず、図1に示すように、支持手段のベースシリコン層1を備え、第1酸化膜2が前記ベースシリコン層1上に形成される。
【0006】
次に、図2に示すように、半導体シリコン層3を備え、トレンチ4は公知のエッチング工程にて前記半導体シリコン層3の上部表面に形成される。ここで、前記トレンチ4は素子の形成される半導体層の厚さと類似している深さを持つ。第2酸化膜5は前記トレンチ4を完全に埋め込まれる程度の厚さで形成される。
【0007】
続いて、図3に示すように、ベース層1と半導体シリコン層3は、第1酸化膜2と第2酸化膜5とがコンタクトされるようにボンディングされた後、ベースシリコン層1と半導体シリコン層3との間のボンディング強度が増加するようにアニーリングされる。
【0008】
さらに、図4に示す、半導体シリコン層3が、トレンチ4に埋め込まれた第2酸化膜5を研磨停止層としてCMP工程により後面研磨され、その結果、ベースシリコン層1と、前記ベースシリコン層1上に配置された埋め込み酸化膜7と、前記埋め込み酸化膜7上に配置され、素子分離膜8を持つ半導体層3aとを含むSOI基板10が得られる。
【0009】
一般に、SOI基板上に形成される半導体素子の特性は、素子の形成される半導体層の厚さの均一度に大きく依存する。よって、ボンディング法を用いてSOI基板を製造する場合には、半導体層の厚さの均一度を確保することがより重要である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、半導体シリコン層に素子分離膜を形成した後、半導体層を得るために、CMP工程を用いて前記半導体シリコン層を研磨すれば、図4に示すように、半導体層3aの表面でわん状変形(dishing:D)現象が発生し、この様なわん状変形により半導体層3aの厚さは不均一になる。よって、前記半導体層3aに素子を形成する場合には、素子特性の向上が期待できない。
【0011】
従って、本発明の目的は、半導体層の表面でわん状変形が発生することを防止することで、前記半導体層の厚さの均一度が向上できるSOI基板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の本発明の実施例によるSOI基板の製造方法は、ベースシリコン層と半導体シリコン層を提供する段階;前記ベースシリコン層上に埋め込み酸化膜を形成する段階;前記半導体シリコン層内に不純物層を形成する段階;前記半導体シリコン層にトレンチを形成する段階;前記ベースシリコン層上の埋め込み酸化膜と前記半導体シリコン層のトレンチの形成面がコンタクトされるように、前記ベースシリコン層と半導体シリコン層をボンディングする段階;所望の厚さの半導体層が得られかつ前記トレンチの底面部が露出するように、前記半導体シリコン層をエッチバックする段階;前記トレンチ以外の半導体層上にエッチング停止層を形成する段階;前記半導体層とエッチング停止層との積層物間の領域が埋め込まれる厚さで酸化膜を形成する段階;前記エッチング停止層を用いて前記酸化膜をエッチングすることにより、前記半導体層とエッチング停止層との積層物間の領域に酸化膜からなる素子分離膜を形成する段階;及び、前記エッチング停止層を除去する段階を含み、前記不純物層はホウ素イオン層である。
【0013】
【発明の実施の形態】
図5に示すように、支持機能を行うベースシリコン層11を備え、埋め込み酸化膜12として500〜10,000Å厚さを持つ熱酸化膜が、前記ベースシリコン層11の一側面を熱酸化させることにより形成される。前記埋め込み酸化膜12は、熱酸化工程による熱酸化膜の代りに、CVD(Chemical Vapor Deposition)によるBPSG膜、O 3 −TEOS膜、高密度プラズマ酸化膜のうちで選択される一つのCVD酸化膜で形成する事も出来る。
【0014】
次に、図6に示すように、素子形成のための半導体シリコン層13を備え、ホウ素イオン層14が、前記半導体シリコン層13内に前記半導体シリコン層13の上部表面から第1深さで形成される。前記ホウ素イオン層14は、半導体シリコン層13内にホウ素イオンを10〜200keVのエネルギー、及び1.0×1015〜3.0×1016dose/cm 2 のイオン注入量でイオン注入した後、ホウ素イオンのイオン注入された半導体シリコン層13を、所定温度でアニーリングすることにより形成される。トレンチ15は、公知のエッチング工程により前記半導体シリコン層13の上部表面に形成される。前記トレンチ15は、前記第1深さを持つホウ素イオン層14より深い第2深さで形成される。
【0015】
続いて、図7に示すように、ベースシリコン層11と半導体シリコン層13は、前記ベースシリコン層11上に形成された埋め込み酸化膜12と、トレンチの形成された半導体シリコンの上部表面とがコンタクトされるように、7.5×10ー1〜7.5×10ー4の真空下でボンディングされる。その後、ボンディングされたベースシリコン層11と半導体シリコン層13との間のボンディング強度が増加するように、800〜1,200℃の温度、窒素または酸素雰囲気下で30〜120分間アニーリングされる。一方、ベースシリコン層11と半導体シリコン層13をボンディングする以前に、それぞれのボンディング表面が新水性を持つように、NH 4 OH、H 2 O 2 、H 2 0が1:4:20の体積比で混合した第1溶液、またはH 2 SO 4 、H 2 Oが4:1の体積比で混合した第2溶液で洗浄したり、あるいは第1溶液と第2溶液により連続的に洗浄したいりする。
【0016】
続いて、図8に示すように、半導体シリコン層13は、その後面が、公知のCMPまたはエッチバック工程の一つ、望ましくはCMP工程によりトレンチの底面部に隣接した部分まで1次研磨される。この時、トレンチ15の底面部の上部に残っている半導体シリコン層13の厚さは、1,000〜30,000Åとなるようにするのが望ましい。
【0017】
続いて、図9に示すように、1次研磨された半導体シリコン層13の後面は、ホウ素イオン層14が露出するまで、ウェットエッチング工程により除去される。ここで、ウェットエッチング工程は、NH 4 OH、H 2 O 2 、H 2 Oが1〜2:0〜0.02:1〜5の体積比で混合したエッチング液を用いて行い、NH 4 OHの代りにKOHが混合したエッチング液を用いる事も出来る。エッチング工程の結果、半導体シリコン層13に形成されたトレンチ15は露出し、残っている半導体シリコン層13は、前記トレンチ15により分離され、この時、半導体シリコン層13はホウ素イオン層14により均一な厚さを持つようになる。
【0018】
続いて、図10に示すように、半導体シリコン層の後面は、ホウ素イオン層が除去されるように、CMP工程にて2次研磨することにより、半導体層13aが得られる。前記2次CMP工程は、チャックテーブル(Chuck Table)の回転速度が10〜30rpm、スピンドル(Spindle)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の条件下で行われる。続いて、前記半導体層13aは、その表面上に残っているホウ素イオンを完全に除去し、特に、前述した工程の間に損なわれた結晶性を回復させるために、800〜1,300℃の温度及び水素雰囲気下で30〜120分間アニーリングされる。
【0019】
続いて、図11に示すように、シリコン窒化膜16は、トレンチが十分に埋め込まれる程度の厚さ、例えば500〜5,000Åの厚さで蒸着された後、前記トレンチにより分離された半導体層13a間の領域を除いた半導体層13a上のみに残っているように、エッチングされる。ここで、半導体層13a上に残っているシリコン窒化膜16は、後続工程のエッチング工程時にエッチング停止層としての機能を行う。
【0020】
続いて、図12に示すように、シリコン酸化膜17は、シリコン窒化膜16と半導体層13a間の空間を十分に埋め込まれる程度の厚さ、例えば1,000〜20,000Åの厚さで蒸着される。
【0021】
続いて、図13に示すように、シリコン酸化膜17が、シリコン窒化膜16をエッチング停止層としてエッチバック工程によりエッチングされる。ここで、半導体13aとシリコン窒化膜16との積層物間に残っているシリコン酸化膜は素子分離膜17aとなる。
【0022】
続いて、図14に示すように、エッチング停止層として用いたシリコン窒化膜は除去され、その結果、素子分離膜17aを備えたSOI基板20が得られる。
【0023】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ホウ素イオン層を用いて研磨工程を行うため、均一な厚さの半導体層が得られる。また、半導体層を得た後に素子分離膜を形成するため、前記半導体層の表面でわん状変形が発生されることが防止できる。よって、半導体層の厚さの均一度が向上できるので、この様なSOI基板の半導体層に形成される素子の特性向上も期待できる。
【0024】
尚、本発明の好適な一実施例を図示して説明したが、本発明は前記の実施例に限らず、当該発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に実施・変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ボンディング法を用いた従来技術によるSOI基板の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図2】図1の次の工程を示す工程断面図である。
【図3】図2の次の工程を示す工程断面図である。
【図4】図3の次の工程を示す工程断面図である。
【図5】本発明の実施例による素子分離膜を備えたSOI基板の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図6】図5の次の工程を示す工程断面図である。
【図7】図6の次の工程を示す工程断面図である。
【図8】図7の次の工程を示す工程断面図である。
【図9】図8の次の工程を示す工程断面図である。
【図10】図9の次の工程を示す工程断面図である。
【図11】図10の次の工程を示す工程断面図である。
【図12】図11の次の工程を示す工程断面図である。
【図13】図12の次の工程を示す工程断面図である。
【図14】図13の次の工程を示す工程断面図である。
【符号の説明】
11 ベースシリコン層
12 埋め込み酸化膜
13 半導体シリコン層
14 ホウ素イオン層
15 トレンチ
13a 半導体層
16 シリコン窒化膜
17 シリコン酸化膜
17a 素子分離膜
20 SOI基板
Claims (15)
- ベースシリコン層と半導体シリコン層を提供する段階;前記ベースシリコン層上に埋め込み酸化膜を形成する段階;前記半導体シリコン層内に不純物層を形成する段階;前記半導体シリコン層にトレンチを形成する段階;前記ベースシリコン層上の埋め込み酸化膜と前記半導体シリコン層のトレンチの形成面がコンタクトされるように、前記ベースシリコン層と半導体シリコン層をボンディングする段階;所望の厚さの半導体層が得られかつ前記トレンチの底面部が露出するように、前記半導体シリコン層をエッチバックする段階;前記トレンチ以外の半導体層上にエッチング停止層を形成する段階;前記半導体層とエッチング停止層との積層物間の領域が埋め込まれる厚さで酸化膜を形成する段階;前記エッチング停止層を用いて前記酸化膜をエッチングすることにより、前記半導体層とエッチング停止層との積層物間の領域に酸化膜からなる素子分離膜を形成する段階;及び、前記エッチング停止層を除去する段階を含み、前記不純物層はホウ素イオン層であることを特徴とするSOI基板の製造方法。
- 前記ホウ素イオン層は、前記半導体シリコン層内にホウ素イオンを、10〜200keVのエネルギー、及び1.0×1015〜3.0×1016dose/cm 2 のイオン注入量でイオン注入する段階;及びホウ素イオンのイオン注入された前記半導体シリコン層をアニーリングする段階を行って形成することを特徴とする請求項1記載のSOI基板の製造方法。
- 前記ホウ素イオン層は、前記トレンチより浅い深さで形成されることを特徴とする請求項1記載のSOI基板の製造方法。
- 前記ベースシリコン層と半導体シリコン層をボンディングする以前に、前記ベースシリコン層と半導体シリコン層のボンディング表面を親水性処理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基板の製造方法。
- 前記新水性処理は、NH4OH、H2O2、H20が1:4:20の体積比で混合した第1溶液、またはH2SO4、H2Oが4:1の体積比で混合した第2溶液で洗浄したり、あるいは第1溶液と第2溶液で連続的に洗浄したりすることを特徴とする請求項4記載のSOI基板の製造方法。
- 前記ベースシリコン層と半導体シリコン層をボンディングした後に、前記ベースシリコン層と半導体シリコン層との間のボンディング強度を高めるためにアニーリング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基板の製造方法。
- 前記アニーリングは、800〜1,200℃の温度、窒素または酸素雰囲気下で30〜120分間行うことを特徴とする請求項6記載のSOI基板の製造方法。
- 前記半導体シリコン層の一部厚さを除去する段階は、トレンチ底面部に隣接した部分まで、前記半導体シリコン層の後面を1次研磨する段階;前記ホウ素イオン層をエッチング停止層として1次研磨した半導体シリコン層の後面をエッチングする段階;及び所望の厚さの半導体層が得られるように、前記ホウ素イオン層を含んで前記半導体シリコン層の後面を2次研磨する段階からなることを特徴とする請求項3記載のSOI基板の製造方法。
- 前記半導体シリコン層をエッチングする段階は、NH4OH、H2O2、H2Oが1〜2:0〜0.02:1〜5の体積比で混合したエッチング液を用いたウェットエッチング工程にて行うことを特徴とする請求項8記載のSOI基板の製造方法。
- 前記半導体シリコン層をエッチング段階は、NH4OH、H2O2、H2Oが混合したエッチング液を用いたウェット工程にて行うことを特徴とする請求項8記載のSOI基板の製造方法。
- 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、前記スピンドルの回転速度が20〜40rpmの条件下で行うことを特徴とする請求項8記載のSOI基板の製造方法。
- 前記半導体シリコン層の一部厚さを除去する段階後に、半導体層上に残っているホウ素イオンを除去し、前記半導体層の結晶性を回復させるためにアニーリングする段階をさらに含むことを特徴とする請求項8記載のSOI基板の製造方法。
- 前記アニーリングは、800〜1,300℃の温度、水素雰囲気下で30〜120分間行うことを特徴とする請求項12記載のSOI基板の製造方法。
- 前記エッチング防止膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項1記載のSOI基板の製造方法。
- 前記エッチング防止膜は、前記トレンチが埋め込まれる厚さでシリコン窒化膜を形成する段階、及び前記トレンチが露出するように、前記シリコン窒化膜をパターニングする段階を行って形成することを特徴とする請求項14記載のSOI基板の製造方法。
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