JP4167565B2 - 部分soi基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は部分SOI基板の製造方法に関する。
1つのMOSFETと1つのキャパシタとからなるメモリセルを有するDRAMは、高集積化に適していることから、安価な大容量メモリとして広範な用途に用いられている。特に近年、ロジックとDRAMとを同一の半導体チップに集積してシステム性能を向上するシステムLSIへの要求が高まっている。一方、MOSFETを中心に構成するロジック回路の高性能化を図るため、従来のシリコン基板ではなく、薄膜SOI基板上に形成したSOI MOSFETが脚光をあび、すでに高性能ロジック用途に製品化が始まっている。このような流れの中で、SOIによる高性能ロジックチップにDRAMを混載させたシステムLSIの開発が急務となっている。
しかしながら、SOI MOSFETは、通常の使用においてはチャネルが形成されるボディ領域の電位が浮いているため、次のような問題が生じる。すなわち、いわゆる基板浮遊効果により、回路動作に伴うリーク電流やしきい値などの特性変動を生ずる。したがって、DRAMのセルトランジスタやセンスアンプ回路などのようなリーク電流レベル、しきい値ばらつき、ノイズ等に対する要求が厳しい回路への適用には不向きであった。基板浮遊を根本から解決するには、MOSFETパターンに対しボディ部からの引き出し素子領域とコンタクトとを設けて、ボディ電位を制御する必要がある。この場合には、セル面積やセンスアンプ部の面積などが大幅に増大してしまい、DRAMの最大の特長である高集積性を損なってしまう問題があった。
こうした問題を回避するため、SOI基板上に非SOI領域を設けることにより、基板浮遊効果と相性の悪い回路部を非SOI領域に形成する方法(部分SOI)が種々提案されている。そのうちの一つは、図1に示すように、シリコン基板に部分的に酸素イオンを打ち込んで熱処理することにより、部分的に埋め込み酸化膜を形成する方法である(例えば、特許文献1および非特許文献2参照)。まず、図1(a)に示すように、シリコン基板1上の所定の領域に熱酸化膜マスク2を形成する。次いで、この熱酸化膜マスク2を介して、図1(b)に示すように酸素イオン3をシリコン基板1に注入する。その後、熱処理を施すことにより、図1(c)に示すようにシリコン基板1のSOI領域Bに埋め込み酸化膜4が形成される。
しかしながら、この方法には、図1(c)に示されるようにいくつかの問題が付随している。埋め込み酸化膜4とシリコン基板1とにおける熱膨張係数の差に起因して、埋め込み酸化膜4の膨張により非SOI領域Aに結晶欠陥12が発生する。このため、非SOI領域Aの品質は、半導体素子を形成するのに十分に高くはない。また、SOI領域Bと非SOI領域Aとの境界には、段差11が生じ、これを平坦化するためのプロセスが別途必要とされる。
特開平10−303385号公報 Symposium on VLSI2000 p.66
本発明は、非SOI領域における欠陥が抑制され、平坦な表面を有する部分SOI基板を簡便に製造する方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる部分SOI基板の製造方法は、半導体基板の所定の領域にマスクを形成する工程と、
前記半導体基板の露出領域の表面を等方性エッチングにより除去して凹部を形成し、前記マスクの端部を前記半導体基板上に突出させる工程と、
前記半導体基板に酸素イオンを注入する工程と、
前記半導体基板を加熱処理して、前記半導体基板の内部に、均一な膜厚の第1の埋め込み酸化膜と傾斜および曲率を有する不均一な厚さの第2の埋め込み酸化膜とからなる埋め込み酸化膜を形成するとともに、前記半導体基板の表面に熱酸化膜を形成する工程と、
前記半導体基板表面の前記熱酸化膜および前記マスクを除去する工程と
を具備することを特徴とする。
本発明の一態様によれば非SOI領域における欠陥が抑制され、平坦な表面を有する部分SOI基板を簡便に製造する方法が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
(実施形態1)
図2を参照して、本実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板1上に1000Å程度の膜厚でシリコン熱酸化膜を形成する。シリコン熱酸化膜の膜厚は、酸化ガス種、酸化温度、酸化時間等により適宜選択することができ、500〜2000Åの範囲内とすればよい。酸素イオンを注入する予定領域の熱酸化膜をパターニングにより除去して、図2(a)に示すようにシリコン熱酸化膜マスク2を形成する。
次に、シリコン基板1の露出領域Zを等方性エッチングにより除去して、表面に凹部を形成する。例えば、高温/減圧下でシリコン基板表面に塩酸ガスを吹き付けることによって、等方性エッチングを行なうことができる。このとき、シリコン基板1の露出領域の表面が等方的に除去されるので、熱酸化膜マスク2の端部には、図2(b)に示すようにひさし状の突出部2aが形成される。
例えば、温度900〜1000℃、圧力10〜30Torr、塩酸ガス流量=0.2〜0.3slmの条件で、1〜5分間エッチングを行なうことによって、0.1〜0.5μmの深さでシリコン基板1が削られる。このとき、シリコン基板1の表面は、熱酸化膜マスク2の端部から0.1〜0.5μm程度内側まで除去される。
後の工程において、露出した表面を有するシリコン基板1の領域に絶縁膜が埋め込まれて、SOI領域が形成される。熱酸化膜マスク2に覆われ、かつエッチング除去されていないシリコン基板1の領域は、非SOI領域(バルクSi領域)となる。さらに、SOI領域と非SOI領域との間には、後述する境界領域が形成される。
シリコン基板1の表面を除去する深さを調整することによって、埋め込み酸化膜を形成した後のSOI領域での基板の盛り上がりを相殺することが可能となる。0.1〜0.5μmの深さでシリコン基板1の表面が除去されていれば、その効果が得られる。
露出領域の表面が除去されたシリコン基板1に対して、図2(c)に示すように、酸素イオン3を照射する。酸素イオン3の照射条件は、例えば、基板温度400〜500℃、加速電圧150〜180keVで1×1017〜4×1017(atoms/cm2)とすることができる。
シリコン基板の主面に対して斜めに酸素イオン3を照射することによって、酸素イオン3は熱酸化膜マスク2の突出部2aの下側(境界領域)にも照射される。ただし、この領域に打ち込まれる酸素イオン3量は、SOI領域よりも少ないものとなる。酸素イオン3を照射する角度は、基板の主面に直交する方向に対して55°程度の角度をもって酸素イオン3を照射すればよい。なお、酸素イオンの照射角度が60°より大きい場合には、熱酸化膜マスク2の突出部2aの下側(境界領域)に照射される酸素イオン3量が少なくなるおそれがある。したがって、基板の主面に直交する方向に対して50〜60°程度の範囲内となるよう、酸素イオン3を照射する角度を調節することが望まれる。
その後、シリコン基板1を熱処理することによって、酸素イオン3が打ち込まれた基板内部の領域には酸化膜が形成される。埋め込み酸化膜の膜厚、および形成される深さは、条件を適宜選択することにより決定することができる。例えば、Ar雰囲気下、1300℃で4〜10時間の熱処理を施した場合には、シリコン基板1表面から約300nmの深さに、80nmの膜厚で埋め込み酸化膜が形成される。また、酸素雰囲気下で熱処理を行なった場合には、シリコン基板1表面から約170nm深さに、約100nmの膜厚で埋め込み酸化膜層を形成することができる。
熱処理を行なうことによって、シリコン基板1の露出面も酸化されて熱酸化膜(図示せず)が形成される。こうした熱酸化膜を、例えば弗酸等により熱酸化膜マスク2とともに除去することによって、図3に示すように、シリコン基板1内の所定に深さに酸化膜4が埋め込まれた部分SOI基板を形成することができる。
図示する部分SOI基板においては、SOI領域Bでは、一定の深さに均一な膜厚の酸化膜(第1の埋め込み酸化膜)4aが形成されており、非SOI領域Aには酸化膜は形成されていない。また、SOI領域Bと非SOI領域Aとの間の境界領域Cにおいては、傾斜をもった酸化膜(第2の埋め込み酸化膜)4bが不連続に埋め込まれている。この境界領域Cでは、打ち込まれている酸素イオン3量が少ないため、第2の埋め込み酸化膜4bは均一な厚さとならない。その深さも、図示するように、SOI領域Bから非SOI領域Aに向けて徐々に浅くなる。このように境界領域Cにおける第2の埋め込み酸化膜4bは、曲率をもって形成されているといえる。
なお、従来の部分SOI基板では、図1(c)に示したように、埋め込み酸化膜4が形成されたSOI領域Bと非SOI領域Aとが隣接している。このため、埋め込み酸化膜4の膨張により非SOI領域Aに結晶欠陥12が発生するという問題があった。これに対して、本発明の実施形態かかる部分SOI基板においては、非SOI領域に生じる応力を軽減することができるため、非SOI領域に導入される結晶欠陥を抑制することが可能となる。
境界領域Cにおける埋め込み酸化膜4の形状は、酸素イオンの注入条件やアニール条件によって調整することができる。例えば、熱処理時間が5時間未満と比較的短い場合には、図3に示したように埋め込み酸化膜4は不連続な形状で形成される。こうした形状の埋め込み酸化膜は、SOI層上に形成したトランジスタのボディ領域の電位を基板電位で制御できる点で有利である。また、熱処理時間が8時間以上と比較的長い場合には、図4に示すように連続した形状になる。この場合には、SOI層上に形成した半導体素子と半導体基板との寄生容量を低減でき素子がより高速動作することができるという利点がある。いずれの形状の場合も、境界領域Cの幅は1〜5μmであることが好ましい。1μm未満の場合には、SOI領域Bと非SOI領域Aとの間に境界領域を設けた効果を充分に得ることが困難となる。一方、5μmを越えると、半導体素子の集積密度が損なわれるおそれがある。なお、境界領域Cの幅は、シリコン基板の除去深さ、酸素イオン3の打ち込み角度等により所望の範囲内に制御することができる。
また、図5に示すように、第2の埋め込み酸化膜4bが、境界領域Cの非SOI領域側端部においてシリコン基板1の表面に突き抜けていてもよい。こうした構造の場合には、SOI領域Bおよび境界領域CにおけるSOI層5は、第1および第2の埋め込み酸化膜4によってシリコン基板1と完全に絶縁されている。そのため、SOI層5上にLOGIC素子を作製した際には、基板との容量結合が低減されて動作速度が向上する。この場合には、いわゆるSOIウェーハ上に作製された素子と同様に動作をすることになる。
一方、図3あるいは図4に示すような構造の場合には、SOI層5とシリコン基板1とは絶縁されていない。このため、例えば、SRAMやDRAMなど基板浮遊効果に弱い素子などをSOI層5上に作製することができる。
以上のようにSOI層5上に作製する素子に応じて、埋め込み絶縁膜4の形状を適宜決定することができ、得られる素子の特性を十分に引き出すことが可能となる。
こうして作製された部分SOI基板の非SOI領域(バルクSi領域)A上にMOSトランジスタを形成することによって、本発明の実施形態にかかる半導体装置が得られる。
図6は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置を表わす断面図である。図示するように、部分SOI基板における非SOI領域Aには、約1.0μmの深さまで5.0×1017(atoms/cm3)の濃度で不純物としてのボロンを注入して、p型ウェル21を形成した。さらに、TEOSにより一対の素子分離絶縁膜24を形成して、素子領域を画定した。この素子領域内に、ゲート絶縁膜25を介してゲート電極26を形成し、1.0×1018〜1.0×1020(atoms/cm3)の濃度で不純物としてのリンをイオン注入して、n型の拡散層22を形成した。拡散層22の接合深さは0.2μmとし、接合面積は0.1μm2とした。
さらに、常法によりソース/ドレイン電極27を形成して、図6に示す半導体装置が完成する。
本発明の実施形態にかかる半導体装置は、特定形状の埋め込み酸化膜が形成された境界領域を有する部分SOI基板が用いられるので、リーク電流を低減することが可能となる。
図3乃至5に示したような本発明の実施形態にかかるSOI基板は、種々の方法により製造することができる。
(実施形態2)
図7を参照して、本実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板1上に1000Åのシリコン熱酸化膜2形成し、さらに1000Åの窒化シリコン膜6を形成する。窒化シリコン膜8の膜厚は、成膜温度や成膜時間等に応じて適宜選択することができ、500〜1500Åの範囲内とすればよい。なお、すでに説明したように、シリコン熱酸化膜2の膜厚は500〜2000Åの範囲内とすればよい。酸素イオンを注入する予定領域の熱酸化膜/窒化シリコン膜をパターンニングにより除去して、図7(a)に示すようにマスクを形成する。
次に、熱酸化処理を施して、図7(b)に示すように約0.2μmの熱酸化膜7をシリコン基板1の露出領域Zに形成する。ここで形成される熱酸化膜7は、引き続いて除去されて、シリコン基板1の露出領域表面に凹部が形成される。このため、0.2〜1.0μm程度の膜厚で熱酸化膜7が形成されるように、熱酸化の条件を設定することが好ましい。熱酸化膜7の膜厚が0.2μm未満の場合には、埋め込み酸化膜形成後のSOI層の盛り上がりを相殺するのが難しくなるおそれがある。一方、1.0μmを越えると、埋め込み酸化膜形成後にSOI領域の表面を非SOI領域の表面と同じ高さにするのが困難になる。
こうして形成された熱酸化膜7は、例えば弗酸等により図7(c)に示すように除去される。その結果、シリコン基板1の露出領域の表面には凹部が形成される。マスクに接する部分においては、シリコン基板1の表面は傾斜をもって除去される。後の工程では、この傾斜部分に特定の形状の酸化膜が埋め込まれて境界領域が形成される。なお、前述の実施形態1において説明したように、0.1〜0.5μmの深さでシリコン基板1の表面が除去されていれば、埋め込み酸化膜を形成した後のSOI領域での基板の盛り上がりを相殺することが可能となる。
露出領域の表面が除去されたシリコン基板1に対して、図7(d)に示すように、酸素イオン3を照射する。酸素イオン3の照射条件は、例えば、基板温度400〜500℃、加速電圧150〜180keVで1×1017〜4×1017(atoms/cm2)とすることができる。
ここでは、図7(d)に示すように、熱酸化膜2および窒化シリコン膜6からなるマスクの端面が揃っているので、酸素イオン3は、基板1表面に対して垂直な方向から注入することができる。
なお、基板1の露出面に熱酸化膜7を形成する際の条件や、この熱酸化膜7を除去する際の条件によっては、図8(a)に示すように、シリコン熱酸化膜2の端部も同時に除去されて、窒化シリコン膜6の端部が突出した構造となることがある。この場合には、図8(b)に示すように、基板主面に対して斜めの方向から酸素イオン3を打ち込むことが望まれる。これによって、基板1内部に注入される酸素イオンの量や深さを、所望の範囲に制御することができる。なお、斜めに照射する場合、酸素イオンの角度は、すでに説明したような理由から、基板の主面に直交する方向に対して50〜60°程度とすることが好ましい。
その後、上述したような条件でシリコン基板1を熱処理することによって、酸素イオン3が打ち込まれた基板内部の所定の領域には酸化膜が形成される。シリコン基板1の露出面も酸化されて、熱酸化膜が形成される。この熱酸化膜を、すでに説明したような手法によりマスクとともに除去することによって、図3乃至5に示したような部分SOI基板が作製される。
本実施形態の方法により作製された部分SOI基板においても、境界領域では、シリコン基板1表面がイオン打ち込み方向に対して傾いているため、実施形態1の場合と同様の効果が得られる。すなわち、境界領域に打ち込まれている酸素イオン3量が少ないため、第2の埋め込み酸化膜4bは均一な厚さとならない。その深さも、SOI領域から非SOI領域に向けて徐々に浅くなり、曲率をもって埋め込み酸化膜が形成される。このため、非SOI領域に生じる応力が軽減され、非SOI領域に導入される結晶欠陥を抑制することが可能となる。
(実施形態3)
図9を参照して、本実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を説明する。
まず、シリコン基板1上に1000〜5000Åの熱酸化膜2を形成し、さらに1000Åの窒化シリコン膜6を形成する。窒化シリコン膜6の膜厚は、すでに説明したような範囲内とすることができる。酸素イオンを注入する予定領域の熱酸化膜/窒化シリコン膜をパターンニングにより除去して、図9(a)に示すようにマスクを形成する。
次に、熱酸化膜2を等方的にエッチングして、図9(b)に示すように、熱酸化膜2の端面に傾斜を設ける。等方性エッチングは、例えば弗酸等を用いたウェットエッチングにより行なうことができる。熱酸化膜2の傾斜端部の下方におけるシリコン基板1には、後述するように境界領域が形成される。
窒化シリコン膜6を燐酸等により選択的に除去した後、図9(c)に示すように、熱酸化膜2をマスクとして酸素イオン3を照射する。酸素イオン3の照射条件は、例えば、基板温度400〜500℃、加速電圧150〜180keVで1×1017〜4×1017(atoms/cm2)とすることができる。酸化膜端部の形状により酸素イオン3を打ち込む量および範囲を制御することから、本実施形態においては、シリコン基板1の主面に対して垂直に酸素イオン3を注入することが好ましい。
熱酸化膜2の端部においては、その膜厚が徐々に薄くなっているため、シリコン基板1に注入される酸素イオンの濃度も傾斜をもって変化する。
その後、上述したような条件でシリコン基板1を熱処理することによって、酸素イオン3が打ち込まれた基板内部の所定の領域には、図9(d)に示すように酸化膜4が形成される。シリコン基板1の露出面も酸化されて、熱酸化膜8が形成される。この熱酸化膜8を、すでに説明したような手法によりマスク2とともに除去することによって、図3乃至5に示したような部分SOI基板が作製される。
本実施形態の方法により作製された部分SOI基板においても、境界領域では、シリコン基板1表面がイオン打ち込み方向に対して傾いているため、実施形態1の場合と同様の効果が得られる。すなわち、境界領域に打ち込まれている酸素イオン3量が少ないため、第2の埋め込み酸化膜4bは均一な厚さとならない。その深さも、SOI領域から非SOI領域に向けて徐々に浅くなり、曲率をもって埋め込み酸化膜が形成される。このため、非SOI領域に生じる応力が軽減され、非SOI領域に導入される結晶欠陥を抑制することが可能となる。
(実施形態4)
本発明の実施形態にかかる半導体装置における電気的特性を、以下のように評価した。
図10を参照して、電気的特性の評価方法を説明する。まず、実施形態1乃至3で作製された部分SOI基板を用いて、前述の図6に示したように本発明の実施形態にかかる半導体装置を作製した。なお、境界領域Cの非SOI領域側端部から、pn接合までの距離dは、0μm、0.5μm、1μmと変化させた。さらに、ウェル電極28を基板1上に形成し、電源30を介してソース/ドレイン電極27と接続した。pn接合に2V〜4Vの逆バイアスを印加して、1μÅ以上のリーク電流が流れた接合を不良とした。この不良の割合から、ソースドレイン−ウェル間の接合リーク電流特性を評価した。このとき、空乏層は、それぞれ約0.25μm〜0.4μm伸びていた。
比較のため、図1(c)に示したような従来の部分SOI基板を用いた以外は同様の手法により、従来の半導体装置を作製して、同様にソースドレイン−ウェル間の接合リーク電流特性を評価した。
図11に、ソースドレイン−ウェル間の接合リーク電流特性を示す。本発明の実施形態にかかる半導体装置においては、いずれの部分SOI基板を用いた場合でも、不良の割合は2%〜8%と少ない。これに対して、従来例の半導体装置では、50%〜70%程度の不良が発生している。
また、境界領域の非SOI領域側端とソース/ドレイン領域との距離dは、大きい方が接合リーク電流は減少することがわかる。特に、境界領域の非SOI領域側端からソース/ドレイン領域までの距離dが0.5μm以上と大きい場合には、接合リーク電流の流れる接合は2%以下に減少した。
以上の結果から、本発明の実施形態にかかる方法により作製された部分SOI基板は、バルクSi(非SOI)領域における欠陥が極めて少ないことが確認された。
本発明により、非SOI領域の結晶性が良好な部分SOI基板を作製することができ、リーク電流の低減されたSOI MOSFETが得られる。
従来の部分SOI基板の製造方法を表わす工程断面図。 本発明の一実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を表わす工程断面図。 本発明の一実施形態にかかる方法により製造された部分SOI基板を表わす断面図。 本発明の他の実施形態にかかる方法により製造された部分SOI基板を表わす断面図。 本発明の他の実施形態にかかる方法により製造された部分SOI基板を表わす断面図。 本発明の一実施形態にかかる半導体装置を表わす断面図。 本発明の他の実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を表わす工程断面図。 本発明の他の実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を表わす工程断面図。 本発明の他の実施形態にかかる部分SOI基板の製造方法を表わす工程断面図。 部分SOI基板を用いた半導体装置の電気的特性の評価方法を説明する図。 部分SOI基板を用いた半導体装置の電気的特性を表わすグラフ図。
符号の説明
1…シリコン基板,2…熱酸化膜マスク,3…酸素イオン,4…埋め込み酸化膜,4a…第1の埋め込み酸化膜,4b…第2の埋め込み酸化膜,5…SOI層,6…シリコン窒化膜,7…熱酸化膜(犠牲酸化),8…熱酸化膜(ITOX),11…SOI領域と非SOI領域との段差,12…結晶欠陥,21…ウェル,22…ソース/ドレイン領域,23…チャネル,24…素子分離絶縁膜,25…ゲート酸化膜,26…ゲート電極,27…ソース/ドレイン電極,28…ウェル電極,30…電源,d…境界領域の非SOI領域側端からソース/ドレイン領域までの距離,A…バルクSi(非SOI)領域,B…SOI領域,C…境界領域,Z…露出領域。

Claims (6)

  1. 半導体基板の所定の領域にマスクを形成する工程と、
    前記半導体基板の露出領域の表面を等方性エッチングにより除去して凹部を形成し、前記マスクの端部を前記半導体基板上に突出させる工程と、
    前記半導体基板に酸素イオンを注入する工程と、
    前記半導体基板を加熱処理して、前記半導体基板の内部に、均一な膜厚の第1の埋め込み酸化膜と傾斜および曲率を有する不均一な厚さの第2の埋め込み酸化膜とからなる埋め込み酸化膜を形成するとともに、前記半導体基板の表面に熱酸化膜を形成する工程と、
    前記半導体基板表面の前記熱酸化膜および前記マスクを除去する工程と
    を具備することを特徴とする部分SOI基板の製造方法
  2. 前記半導体基板の等方性エッチングは、ガスを用いて行なわれることを特徴とする請求項1に記載の部分SOI基板の製造方法
  3. 前記ガスは塩酸ガスであることを特徴とする請求項に記載の部分SOI基板の製造方法
  4. 前記酸素イオンは、前記半導体基板の主面に対して垂直に注入されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の部分SOI基板の製造方法
  5. 前記酸素イオンは、前記半導体基板の主面に対して斜めに注入されることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1項に記載の部分SOI基板の製造方法
  6. 前記凹部は、0.1〜0.5μmの深さで前記半導体基板の表面に形成されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の部分SOI基板の製造方法
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