JP4823128B2 - Manufacturing method of semiconductor substrate - Google Patents
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Description
本発明は、SOI構造と同様の効果を有する半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate having the same effect as an SOI structure.
近年、DRAM等の電子デバイスにおいては、よりいっそうの高速化や省電力化が求められている。高速化や省電力化を実現するための1つの手段として、通常用いられているシリコン基板(バルクシリコン基板)の代わりに、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いることがあげられる。 In recent years, electronic devices such as DRAMs are required to have higher speed and power saving. One means for realizing high speed and low power consumption is to use an SOI (Silicon On Insulator) substrate instead of the normally used silicon substrate (bulk silicon substrate).
SOI基板は絶縁領域上にシリコン領域が存在するという構造を持った基板であって、その形成方法にはいくつもの種類があり、例えば貼り合わせ法、SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)法、ELTRAN(Epitaxial Layer TRANsfer)法などがある。 An SOI substrate is a substrate having a structure in which a silicon region exists on an insulating region, and there are various types of formation methods, such as a bonding method, a SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) method, an ELTRAN (Epitaxial). Layer TRANsfer) method.
しかしながら、従来のSOI基板の形成方法はコストがかかるため、DRAM等の民生用電子デバイスには向いていなという問題があった。さらに、欠陥の少ないシリコン領域(素子形成領域)を形成することが困難であるため、バルクシリコン基板を用いた場合に比べて、十分な信頼性が得られないという問題もあった。 However, since the conventional method for forming an SOI substrate is expensive, there is a problem that it is not suitable for a consumer electronic device such as a DRAM. Furthermore, since it is difficult to form a silicon region (element formation region) with few defects, there is a problem that sufficient reliability cannot be obtained as compared with the case of using a bulk silicon substrate.
上述の如く、電子デバイスのさらなる高性能化は、SOI基板を用いることにより実現可能であるが、コストや信頼性の点で問題があった。 As described above, higher performance of electronic devices can be realized by using an SOI substrate, but there are problems in terms of cost and reliability.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その代表たる目的は、コストの上昇や、信頼性の低下を招かずに形成できるSOI構造と同様の効果を有する半導体基板の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a representative object thereof is a method of manufacturing a semiconductor substrate having the same effect as an SOI structure that can be formed without causing an increase in cost or a decrease in reliability. It is intended to provide.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明に係る半導体基板の製造方法は、半導体基板の表面に複数の第1のトレンチを形成する工程と、前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチを1つの平板状の空洞に変える工程とを有することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention includes a step of forming a plurality of first trenches on a surface of the semiconductor substrate, and heat-treating the semiconductor substrate, thereby forming the plurality of first trenches into one flat plate shape. And a step of converting into a cavity.
また、本発明に係る他の半導体基板の製造方法は、半導体基板の表面に、複数の第1のトレンチを形成するとともに、前記第1のトレンチよりも開口面が広い第3のトレンチを形成する工程と、前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチと前記第3のトレンチとを、平板状の空間領域を有し、かつ前記半導体基板の表面に開口面を有する閉じていない1つの空洞に変える工程と、前記空洞の内部を絶縁膜で埋め込む工程とを有することを特徴とする。 In another semiconductor substrate manufacturing method according to the present invention, a plurality of first trenches are formed on a surface of the semiconductor substrate, and a third trench having a wider opening surface than the first trench is formed. And a step of applying heat treatment to the semiconductor substrate, thereby closing the plurality of first trenches and the third trenches so as to have a flat space region and an opening surface on the surface of the semiconductor substrate. And a step of changing the cavity into a single cavity, and a step of filling the inside of the cavity with an insulating film.
これらの半導体基板の製造方法の好ましい形態は以下の通りである。 The preferable form of the manufacturing method of these semiconductor substrates is as follows.
(1)平板状の空洞を形成した後、半導体基板の表面に平板状の空洞に達する第2のトレンチを形成する工程と、第2のトレンチおよび平板状の空洞の内部を絶縁膜で埋め込む工程とをさらに有する。 (1) A step of forming a second trench reaching the plate-like cavity on the surface of the semiconductor substrate after forming the plate-like cavity, and a step of filling the inside of the second trench and the plate-like cavity with an insulating film And further.
(2)平板状の空洞を形成した後、熱酸化により平板状の空洞の内面に酸化膜を形成する。この後、必要に応じて上記(1)の工程を行う。 (2) After forming the flat cavity, an oxide film is formed on the inner surface of the flat cavity by thermal oxidation. Thereafter, the step (1) is performed as necessary.
(3)第1のトレンチの最短の間隔をD、第1のトレンチの開口面の面積と同じ面積を有する円の半径をRとした場合に、D<4Rとなるように、複数の第1のトレンチを配列形成する。 (3) When the shortest interval between the first trenches is D, and the radius of a circle having the same area as the opening surface of the first trench is R, a plurality of the first trenches are set so that D <4R. An array of trenches is formed.
(4)半導体基板としてシリコン基板を用いる。 (4) A silicon substrate is used as the semiconductor substrate.
(5)上記(4)において、減圧下かつSiO2 が還元される雰囲気で空洞を形成するための熱処理を行う。 (5) In the above (4), heat treatment is performed to form a cavity in an atmosphere in which SiO 2 is reduced under reduced pressure.
(6)上記(4)において、減圧下かつ水素雰囲気で空洞を形成するための熱処理を行う。 (6) In the above (4), heat treatment is performed to form a cavity under reduced pressure and in a hydrogen atmosphere.
(7)上記(4)において、減圧下かつ1000℃以上1200℃以下で空洞を形成するための熱処理を行う。 (7) In the above (4), heat treatment is performed to form a cavity under reduced pressure and at 1000 ° C. to 1200 ° C.
本発明の如き構成の半導体基板であれば、本発明の半導体基板の製造方法により、コストの上昇や信頼性の低下を招かずにSOIと同様の機能を有する構造を形成することができる。 With the semiconductor substrate having the structure as in the present invention, a structure having the same function as that of SOI can be formed by the semiconductor substrate manufacturing method of the present invention without causing an increase in cost and a decrease in reliability.
コストの上昇を防止できる理由は、半導体基板に形成した複数のトレンチを熱処理によって1つの空洞に変えるというシンプルなプロセスにより、SOI構造の絶縁領域を形成しているからである。 The reason why the increase in cost can be prevented is that the insulating region of the SOI structure is formed by a simple process of changing a plurality of trenches formed in the semiconductor substrate into one cavity by heat treatment.
上記のように熱処理による表面マイグレーションを利用して単結晶領域を形成できるため、初期の基板として多少の欠陥を含んだシリコン基板を使用することができる。この結果、ウェハコストを削減できる。すなわち、従来のSOI基板に比べても勿論のこと、バルク基板に形成した従来のトランジスタと比べても、コストを抑えることができる可能性がある。 As described above, since the single crystal region can be formed by utilizing surface migration by heat treatment, a silicon substrate including some defects can be used as an initial substrate. As a result, the wafer cost can be reduced. That is, there is a possibility that the cost can be reduced as compared with the conventional transistor formed on the bulk substrate as well as the conventional SOI substrate.
また、この方法では、複数のトレンチを形成した領域がSOI構造となるため、所望の領域のみSOI構造とすることができる。したがって、SOI構造が必要とされる領域のみをSOI構造を形成することで、コストの上昇をさらに抑制でき、またデバイス設計の自由度も高くなる。 Further, in this method, since a region where a plurality of trenches are formed has an SOI structure, only a desired region can have an SOI structure. Therefore, by forming the SOI structure only in the region where the SOI structure is required, an increase in cost can be further suppressed and the degree of freedom in device design is increased.
信頼性の低下を防止できる理由は、上記複数のトレンチから1つの空洞への形状変化が、半導体基板の表面エネルギーを極小にするように生じる半導体の表面マイグレーションによるものであるため、素子を形成する半導体領域の結晶性が通常の単結晶半導体と同程度となるからである。 The reason why the reduction in reliability can be prevented is that the change in shape from the plurality of trenches to one cavity is due to the surface migration of the semiconductor so as to minimize the surface energy of the semiconductor substrate. This is because the crystallinity of the semiconductor region is comparable to that of a normal single crystal semiconductor.
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本発明によれば、コストの上昇や信頼性の低下を招かずにSOI構造と同様の効果を有する半導体基板を実現できるようになる。 According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor substrate having the same effect as the SOI structure without causing an increase in cost or a decrease in reliability.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る平板状の空洞(ESS:Empty Space in Silicon)を有するシリコン基板、すなわち究極のSOI基板といえるSON(Silicon On Nothing)基板の形成方法を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a method of forming a silicon substrate having a flat cavity (ESS: Empty Space in Silicon), that is, an SON (Silicon On Nothing) substrate that can be said to be the ultimate SOI substrate, according to the first embodiment of the present invention. It is sectional drawing.
まず、図1(a)示すように、単結晶のシリコン基板1上にマスク材2を形成し、その上にフォトレジストパターン3を形成する。マスク材2については後で説明する。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に図1(b)に示すように、フォトレジストパターン3をマスクとして、異方性エッチング例えばRIEによりマスク材2をパターニングし、マスク材2にフォトレジストパターン3のパターンを転写する。
Next, as shown in FIG. 1B, the
次に図1(c)に示すように、フォトレジストパターン3を炭化して剥離した後、マスク材2をマスクとして異方性エッチング例えばRIEによりシリコン基板をパターニングして、シリコン基板の表面に複数のトレンチ4を2次元的に配列形成する。
Next, as shown in FIG. 1C, after the
ここで、トレンチ4の半径は0.2μm、深さは2μm、トレンチ4の最短の間隔(後述の図3参照)は0.8μmである。トレンチ4のレイアウトについては後で説明する
また、マスク材2は、異方性エッチングによるシリコン基板1のパターニングの際にシリコンよりもエッチングレートが十分に遅い材料が望ましく、例えば異方性エッチングにRIEを用いた場合には、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層膜などが適している。
Here, the radius of the
次にマスク材2を除去した後、減圧下(大気圧よりも低い圧力)の非酸化性雰囲気、好ましくはSiO2 を還元する雰囲気、例えば1100℃、10Torrの100%水素雰囲気中にて高温アニールを行うことにより、図1(d)を経て図1(e)に示すように、各トレンチ4の開口面が閉ざされて空洞が形成され、さらに各トレンチ4にて形成された空洞同士が一体化することによって、シリコン基板1
の内部に1つの平板状の空洞5が形成される。ここでは、熱処理温度を1100℃としたがそれよりも高くても良い。
Next, after removing the
A flat plate-
この形状変化は、シリコン基板1の表面のシリコン酸化膜が除去された後、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによるものである。
This shape change is due to the surface migration of silicon that occurs to minimize the surface energy after the silicon oxide film on the surface of the
ここで、平板状の空洞が形成されるか否かは、初期のトレンチ4のレイアウトによって決まる。本実施形態のようにトレンチ4の最短の間隔が0.8μmの場合には、図1(e)に示したように、それぞれのトレンチ4の底にて形成される空洞同士が一体化して、大きな平板状の空洞が形成される。しかし、トレンチ4の最短の間隔が0.9μmの場合には、図2に示すように、それぞれのトレンチ4において球状の空洞6が形成されるだけである。
Here, whether or not a flat cavity is formed depends on the initial layout of the
トレンチ4のレイアウトについて平面図を用いてさらに詳細に説明する。図3は、トレンチ4のレイアウトを示す平面図である。図3の各トレンチ4のレイアウトの右にはそれから形成される平板状の空洞5の平面図も示してある。各トレンチ4のレイアウトの平面図のW−W’断面図は図1(c)の断面図に相当し、各平板状の空洞5の平面図のW−W’断面図は図1(e)の断面図に相当する。
The layout of the
図において、Dはトレンチ4の間隔、Rはトレンチ4の半径を示している。なお、空洞5の短辺方向の寸法は例えば100μm程度である。また、空洞5の長辺方向の最大寸法はチップのそれと同程度であり、一方最小寸法はロジック部のMOSトランジスタ領域のそれと同程度である。
In the figure, D indicates the interval between the
本発明者らの研究によれば、D>4.5Rとした場合、平板状の空洞を形成することができず、各トレンチの下部にて球状の空洞が形成されるのみであり、D<4Rとした場合、平板状の空洞を形成することができることが分かった。なお、4R≦D≦4.5Rの場合には、平板状の空洞を形成することができたり、できなかったりする。 According to the study by the present inventors, when D> 4.5R, a flat plate-like cavity cannot be formed, and only a spherical cavity is formed below each trench, and D < In the case of 4R, it was found that a flat cavity can be formed. In the case of 4R ≦ D ≦ 4.5R, a flat plate-like cavity may or may not be formed.
したがって、図3に示した各トレンチのレイアウトにおいて、D<4Rと設定することにより、各トレンチ4の底で形成される空洞が一体化して、初期にトレンチ4の形成されていた領域下に平板状の空洞5を選択的に形成することができる。
Therefore, in the layout of each trench shown in FIG. 3, by setting D <4R, the cavities formed at the bottom of each
すなわち、本実施形態によれば、平板状の空洞5を形成したい領域のみに、D<4Rを満たすようにトレンチ4をレイアウトしておくことで、その領域下のみに平板状の空洞5を形成することができ、ウェハ面内において部分的に平板状の空洞(誘電体領域)を有するシリコン基板を形成することができる。
That is, according to the present embodiment, the
これは、ウェハ面内の所望の領域のみをSOI構造にできることを意味し、その領域では高速性、低消費電力などSOI基板のメリットを享受することができる。したがって、高価な基板であるSOI基板を用いずに、SOI基板のメリットを享受することができる。 This means that only a desired region in the wafer surface can be made into the SOI structure, and in this region, the advantages of the SOI substrate such as high speed and low power consumption can be enjoyed. Therefore, the advantages of the SOI substrate can be enjoyed without using an expensive SOI substrate.
しかも、SIMOXやELTRAN等のSOI基板とは異なり、素子を形成するシリコン領域に欠陥を生じさせることはない。何故なら、トレンチの表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって、空洞を形成しているので、素子を形成するシリコン領域の結晶性は通常の単結晶シリコンと同程度となるからである。 In addition, unlike SOI substrates such as SIMOX and ELTRAN, no defects are caused in the silicon region forming the element. Because the cavity is formed by the surface migration of silicon that minimizes the surface energy of the trench, the crystallinity of the silicon region that forms the device is comparable to that of normal single crystal silicon. is there.
このような平板状の空洞を設ける部分としては、例えば図4に示すように、高速性、低消費電力が要求される、DRAM/LOGIC混載のLOGIC部の基板中があげられる。 As a part where such a flat cavity is provided, for example, as shown in FIG. 4, there is a substrate in a LOGIC part of a DRAM / LOGIC mixed load which requires high speed and low power consumption.
なお、RIEにより複数のトレンチ4を形成した場合には、複数のトレンチ4を平板状の空洞に形状変化させるための熱処理を行う直前に、複数のトレンチ4の内面に厚さ10nm程度の熱酸化膜を形成した後、その熱酸化膜を除去することが望ましい。このような熱酸化膜の形成と除去によって、RIEにより生じたシリコン基板1のダメージを十分に除去することができる。
When the plurality of
なお、本実施形態では、トレンチ4の開口面の形状が円の場合について説明したが、矩形の場合でも同様の結果が得られる。この場合のRは、その矩形の面積と同じ面積の円の半径となる。矩形以外の他の形状の場合についても同様である。
In the present embodiment, the case where the shape of the opening surface of the
また、マスク材2を除去せずに熱処理を行っても、同様に平板状の空洞5を形成することができる。ただし、平坦化されたシリコン基板1の表面を利用するためには、基板表面の平坦化も同時に行えるマスク材2の除去後の熱処理のほうが望ましい。マスク材2を除去しないで熱処理を行っても、その後CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を追加することによって表面を平坦にすることはできる。
Further, even if heat treatment is performed without removing the
また、平板状の空洞上の基板表面は、その他の基板表面に対して少し下がっている。その理由は、各トレンチの底で形成される空洞の体積が初期のトレンチの体積よりも小さくなり、先に形成する複数のトレンチの体積に対して、形成される平板状の空洞の体積を差し引いた分だけ、基板表面が下がるからだと考えられる。なお、平板状の空洞上の基板表面は平坦である。 The substrate surface on the flat plate-like cavity is slightly lowered with respect to the other substrate surfaces. The reason is that the volume of the cavity formed at the bottom of each trench is smaller than the volume of the initial trench, and the volume of the plate-shaped cavity formed is subtracted from the volume of the plurality of trenches formed earlier. This is thought to be because the substrate surface is lowered by that much. The substrate surface on the flat plate-like cavity is flat.
これは、平板状の空洞をDRAM/LOGIC混載のLOGIC部に適用することを考えると、DRAM部とLOGIC部との境界部分に段差が生じることを意味している。すなわち、本発明を適用したDRAM/LOGIC混載であるか否かは、DRAM部とLOGIC部との境界部分に段差があるか否かである分かる。他のデバイスでも同様の段差は生じる。 This means that there is a step at the boundary between the DRAM portion and the LOGIC portion, considering that the flat cavity is applied to the LOGIC portion of the DRAM / LOGIC mixed mounting. That is, whether the DRAM / LOGIC mixed application to which the present invention is applied or not can be understood whether there is a step at the boundary between the DRAM portion and the LOGIC portion. Similar steps occur in other devices.
上記段差は、R=0.2μm、D=0.8μmの場合には、0.1μm以下となる。この程度の段差であれば問題なく露光できる。今の技術では0.2μm以下であれば問題なく露光できる。 The step is 0.1 μm or less when R = 0.2 μm and D = 0.8 μm. Such a level difference allows exposure without problems. With the current technology, exposure can be performed without problems if it is 0.2 μm or less.
段差の影響を軽減する具体的な方法について述べる。光露光の場合、段差上ではマスク(レクチル)のパターンよりも細いパターンがレジストに転写されるので、マスク(レクチル)の段差上に対応した部分のパターンについては、予め細くなる分を見込んで幅広のパターンとすると良い。他の方法としては、電子ビーム露光を用いることがあげられる。何故なら、電子ビーム露光は光露光に比べて段差の影響を受けにくいからである。 A specific method for reducing the effect of the step will be described. In the case of light exposure, a pattern that is thinner than the mask (reticle) pattern is transferred onto the resist on the step, so that the portion of the pattern corresponding to the step on the mask (reticle) has a wider width in anticipation of being thinner. It is better to use this pattern. Another method is to use electron beam exposure. This is because electron beam exposure is less susceptible to steps than light exposure.
上述したように、ある程度の段差であればそのまま残しておいても問題はないが、その影響を無視できない場合には、平板状の空洞を形成する前に、空洞の形成領域以外の領域を予め低下する分だけ掘り下げておくか、あるいは平板状の空洞を形成した後に低下した分だけ空洞の形成領域上のみを持ち上げるか、あるいは全面をCMPにより研磨して表面を平坦化すれば良い。 As described above, if there is a certain level of difference in level, there is no problem if it is left as it is. However, if the influence cannot be ignored, an area other than the cavity formation area should be preliminarily formed before the flat cavity is formed. It suffices to dig down to the extent that it is lowered, or to lift only the area where the cavities are formed after the flat cavity is formed, or to polish the entire surface by CMP to flatten the surface.
予め低下する分だけ掘り下げる場合には、例えば平板状の空洞の形成領域をマスク例えば酸化膜で覆った状態で、RIE法により平板状の空洞を形成しない領域を選択的にエッチングしてその表面を後退させる。 In the case of digging up the amount of decrease in advance, for example, in a state where the flat cavity formation region is covered with a mask, for example, an oxide film, the surface where the flat cavity is not formed is selectively etched by RIE. Retreat.
一方、低下した分だけ持ち上げる場合には、例えば平板状の空洞の形成領域以外をマスクで覆った状態で、ジクロロシランと塩酸を用いたSiの選択エピタキシャル成長を行えば良い。 On the other hand, in the case of lifting by the lowered amount, for example, selective epitaxial growth of Si using dichlorosilane and hydrochloric acid may be performed in a state in which a region other than a flat cavity formation region is covered with a mask.
また、高温・長時間の熱処理によって平板状の空洞を形成すれば、表面全体を平坦にすることが可能である。 Further, if a flat cavity is formed by heat treatment for a long time at a high temperature, the entire surface can be flattened.
以上述べたように、本実施形態によれば、シリコンの表面マイグレーションによって、複数のトレンチを1つの平板状の空洞に変えるというシンプルかつダメージフリーなプロセスにより、誘電体領域が空洞のSOI構造を実現できる。したがって、本実施形態によれば、コストの上昇や信頼性の低下を招かずに、SOI構造を有するシリコン基板を提供できるようになる。 As described above, according to the present embodiment, an SOI structure in which the dielectric region is hollow is realized by a simple and damage-free process of changing a plurality of trenches into one flat cavity by silicon surface migration. it can. Therefore, according to the present embodiment, a silicon substrate having an SOI structure can be provided without causing an increase in cost or a decrease in reliability.
また、平板状の空洞の位置および大きさは、複数のトレンチの位置および大きさによって制御できるので、シリコン基板中の所望の領域に所望の大きさのSOI構造を容易に導入することができる。 Further, since the position and size of the flat cavity can be controlled by the position and size of the plurality of trenches, an SOI structure having a desired size can be easily introduced into a desired region in the silicon substrate.
なお、本実施形態では、シリコン基板中に1つの平板状の空洞を形成する例について説明したが、シリコン基板中に複数の平板状の空洞を形成しても良い。 In this embodiment, an example in which one flat cavity is formed in a silicon substrate has been described, but a plurality of flat cavities may be formed in a silicon substrate.
(第2の実施形態)
図5〜図7は、本発明の第2の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法を示す断面図である。なお、以下の図において、前出した図と同一符号は同一部分または相当部分を示し、その詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
5 to 7 are sectional views showing a method for manufacturing a MOS transistor according to the second embodiment of the present invention. In the following drawings, the same reference numerals as those in the previous drawings indicate the same or corresponding parts, and detailed description thereof will be omitted.
本実施形態では、シリコン基板中に平板状の空洞を形成し、この平板状の空洞上にMOSトランジスタを製造する場合について説明する。 In this embodiment, a case where a flat cavity is formed in a silicon substrate and a MOS transistor is manufactured on the flat cavity will be described.
まず、図1(a)〜図1(e)に示した第1の実施形態と同様の方法により、図5(a)に示すように、シリコン基板1内に平板状の空洞5を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a
次に図5(b)に示すように、シリコン基板1上にシリコン酸化膜7、シリコン窒化膜8、フォトレジストパターン9を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a
ここで、フォトレジストパターン9は、その開口部の少なくとも一部が空洞形成領域上に来るようにレイアウトされている。図には、開口部の全体が空洞形成領域上に来るようにレイアウトされている例が示されている。 Here, the photoresist pattern 9 is laid out so that at least a part of the opening is on the cavity forming region. The figure shows an example in which the entire opening is laid out on the cavity forming region.
次に図5(c)に示すように、フォトレジストパターン9をマスクとして、異方性エッチング例えばRIEによりシリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7を順次パターニングし、フォトレジストパターン9のパターンをシリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7に転写する。
Next, as shown in FIG. 5C, using the photoresist pattern 9 as a mask, the
次に図5(d)に示すように、フォトレジストパターン9を炭化して剥離した後、シリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7をマスクにしてシリコン基板1を異方性エッチング例えばRIEによりパターニングし、平板状の空洞5まで繋がるトレンチ10を形成する。
Next, as shown in FIG. 5D, after the photoresist pattern 9 is carbonized and peeled off, the
次に図6(e)に示すように、熱酸化により平板状の空洞5の内面にシリコン熱酸化膜11を形成する。次に同(e)に示すように、平板状の空洞5およびトレンチ10の内部を埋め込むように、シリコン酸化膜12を全面に堆積した後、平板状の空洞5およびトレンチ10の外部の不要なシリコン酸化膜をCMPにより除去して表面を平坦化する。このとき、平板状の空洞5の内部を完全にシリコン酸化膜12で埋め込む必要はなく、少なくともトレンチ10を完全に埋め込むだけでも充分である。
Next, as shown in FIG. 6E, a silicon
次に図6(f)に示すように、素子分離(STI)を形成するためのフォトレジストパターン13を形成した後、これをマスクとしてシリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7を異方性エッチング例えばRIEにより順次パターニングし、フォトレジストパターン13のパターンをシリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7に転写する。
Next, as shown in FIG. 6F, after forming a
次に図6(g)に示すように、フォトレジストパターン13を炭化して剥離した後、シリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7をマスクにしてシリコン基板1を異方性エッチング例えばRIEによりパターニングして、素子分離トレンチ14を形成する。このとき、平板状の空洞4の内面に形成した熱酸化膜11がRIEストッパーとして働く。
Next, as shown in FIG. 6G, after the
次に図6(h)に示すように、熱酸化により素子分離トレンチ14の側面にシリコン熱酸化膜15を形成した後、素子分離トレンチ14内にシリコン酸化膜16を埋め込み形成し、表面を平坦にする。
Next, as shown in FIG. 6H, after a silicon
素子分離トレンチ14の埋め込みは、例えば素子分離トレンチ14の内部を充填するようにシリコン酸化膜16を全面にCVDにより堆積した後、素子分離トレンチ14の外部の不要なシリコン酸化膜16をCMPにより除去することによって行う。
For example, after the
次に図7(i)に示すように、シリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7を除去する。シリコン窒化膜8は加熱H3 PO4 溶液、シリコン酸化膜7は弗酸溶液を用い除去する。
Next, as shown in FIG. 7I, the
次に図7(j)に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化して、その表面にゲート酸化膜17を形成する。上記熱酸化は、例えば、900℃、酸素とHClとの混合ガス雰囲気中で行う。ここでは、ゲート絶縁膜として、酸化膜を用いたが、タンタルオキサイド膜、オキシナイトライド膜等の他の絶縁膜を用いても良い。
Next, as shown in FIG. 7J, the surface of the
次に図7(k)に示すように、基板全面に導電性膜を成膜し、これをパターニングしてゲート電極18を形成する。
Next, as shown in FIG. 7K, a conductive film is formed on the entire surface of the substrate, and this is patterned to form the
導電性膜としては、例えば多結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜、金属膜があげられる。上記各多結晶シリコン膜は不純物を含んだもので、アンドープの多結晶シリコン膜よりも低抵抗のものである。 Examples of the conductive film include a polycrystalline silicon film, a laminated film of a polycrystalline silicon film and a metal silicide film, and a metal film. Each of the polycrystalline silicon films contains impurities and has a lower resistance than that of an undoped polycrystalline silicon film.
多結晶シリコン膜を用いた場合には多結晶シリコンゲート、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜を用いた場合にはポリサイドゲート、金属膜を用いた場合にはメタルゲートのMOSトランジスタがそれぞれ形成されることになる。メタルゲートの場合にはいわゆるダマシンゲートを採用すると良い(A. Yagishita et al. IEDM1998 p.785)。 A polycrystalline silicon gate when a polycrystalline silicon film is used, a polycide gate when a laminated film of a polycrystalline silicon film and a metal silicide film is used, and a metal gate MOS transistor when a metal film is used Will be formed respectively. In the case of a metal gate, a so-called damascene gate should be adopted (A. Yagishita et al. IEDM1998 p.785).
次に図7(k)に示すようにゲート電極15をマスクにしてシリコン基板1に不純物イオンを注入した後、上記不純物イオンを活性化するためのアニールを行って、浅くて低濃度の拡散層(エクステンション)19,20を形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (k), impurity ions are implanted into the
最後に、図7(l)に示すように、公知の技術(側壁残し)によりゲート側壁絶縁膜21を形成し、このゲート側壁絶縁膜21とゲート電極18をマスクにしてシリコン基板1に不純物イオンを注入した後、上記不純物イオンを活性化するためのアニールを行って、ソース拡散層22およびドレイン拡散層23を形成することでLDD構造のMOSトランジスタが完成する。
Finally, as shown in FIG. 7L, a gate side
なお、図7(k)の工程のアニールを省略し、図7(l)の工程のアニールで不純物イオンの活性化をまとめて行っても良い。 Note that the annealing in the step of FIG. 7 (k) may be omitted, and the activation of impurity ions may be performed collectively by the annealing in the step of FIG. 7 (l).
さらに、本実施形態では、トレンチ10および素子分離トレンチ14を形成する際に、シリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7からなるマスク材を用いたが、シリコンとのエッチングにおける選択比を考慮して、シリコン酸化膜7’、シリコン窒化膜8、シリコン酸化膜7からなるマスク材を用いることが望ましい。
Furthermore, in the present embodiment, when forming the
上記実施形態で説明したMOSトランジスタは、例えばDRAM/LOGIC混載のLOGICを構成するMOSトランジスタに用いると良い。この場合、LOGIC領域では高速性、低消費電力などSOIのメリットを享受できる。 The MOS transistor described in the above embodiment is preferably used for, for example, a MOS transistor constituting a DRAM / LOGIC mixed LOGIC. In this case, the advantages of SOI such as high speed and low power consumption can be enjoyed in the LOGIC region.
ここで、LOGIC領域のMOSトランジスタの製造プロセスは、DRAM領域のMOSトランジスタのそれと比べて、複数のトレンチを形成するためのエッチング工程と、複数のトレンチを1つの平板状の空洞に変える熱処理工程とが多いだけ、両者の製造プロセスは基本的に同じである。 Here, the manufacturing process of the MOS transistor in the LOGIC region includes an etching step for forming a plurality of trenches and a heat treatment step for changing the plurality of trenches into one flat cavity as compared with that of the MOS transistor in the DRAM region. However, the manufacturing process is basically the same.
したがって、従来のDRAM/LOGIC混載の製造プロセスをほぼそのまま踏襲できるので、LOGIC領域では高速性、低消費電力などSOIのメリットを享受できるDRAM/LOGIC混載を容易に実現することができる。 Therefore, since the conventional DRAM / LOGIC mixed mounting process can be followed almost as it is, the DRAM / LOGIC mixed mounting that can enjoy the advantages of SOI such as high speed and low power consumption can be easily realized in the LOGIC region.
(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法を示す断面図である。第2の実施形態では平板状の空洞をシリコン酸化膜で埋め込む方法について説明したが、本実施形態では平板状の空洞をシリコン酸化膜で埋め込まず、空洞の状態のまま残す方法について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a MOS transistor manufacturing method according to the third embodiment of the present invention. In the second embodiment, a method of filling a flat cavity with a silicon oxide film has been described, but in this embodiment, a method of leaving a flat cavity without filling it with a silicon oxide film will be described.
まず、図8(a)に示すように、図1(a)〜図1(e)に示した第1の実施形態と同様の方法により、シリコン基板1内に平板状の空洞5を形成する。
First, as shown in FIG. 8A, a plate-
次に図8(b)に示すように、熱酸化により平板状の空洞5の内面およびシリコン基板の表面にシリコン熱酸化膜24を形成する。上記熱酸化は、例えば900℃、酸素とHClとの混合ガス雰囲気中で行う。シリコン熱酸化膜22は、後工程において、図6(g)で示したようにRIE時におけるストッパーとしての役割を果たす。
Next, as shown in FIG. 8B, a silicon
次に図8(c)に示すように、シリコン基板1上にシリコン熱酸化膜24を介してシリコン窒化膜25を形成した後、その上に素子分離(STI)を形成するためのフォトレジストパターン26を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, after a
次に図8(d)に示すように、フォトレジストパターン26をマスクとして、シリコン窒化膜25、シリコン熱酸化膜24を異方性エッチング例えばRIEにより順次パターニングし、フォトレジストパターン26のパターンをシリコン窒化膜25、シリコン熱酸化膜24に転写する。
Next, as shown in FIG. 8D, using the
次にフォトレジストパターン21を剥離した後、第2の実施形態で示した図6(f)以降の工程と同様の工程を経て、図9に示すLDD構造のMOSトランジスタが完成する。
Next, after removing the
本実施形態でも第2の実施形態と同様な効果を得ることができ、さらに本実施形態では平板状の空洞5をシリコン酸化膜で埋め込む工程がないので、プロセスの簡略化を図れるという効果も得られる。
In this embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Further, in this embodiment, there is no step of filling the
(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法を示す工程断面である。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a process cross-sectional view illustrating a MOS transistor manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention.
まず、図10(a)に示すように、シリコン基板1上にマスク材2、フォトレジストパターン27を順次形成する。
First, as shown in FIG. 10A, a
ここで、フォトレジストパターン27が、第1の実施形態の図1(a)のフォトレジストパターン3と異なる点は、複数のトレンチ4に対応したパターン(開口部)の他に、そのパターンの近傍に、開口面の面積がトレンチ4よりも広いトレンチに対応したパターン(開口部)を有していることである。
Here, the
次にフォトレジストパターン27をマスクとして、異方性エッチング例えばRIEによりマスク材2をパターニングし、フォトレジストパターン27のパターンをマスク材2に転写し、その後フォトレジストパターン27を炭化して剥離する。
Next, using the
次に図10(b)に示すように、マスク材2をマスクとして異方性エッチング例えばRIEによりシリコン基板をパターニングして、シリコン基板の表面に複数のトレンチ4およびこれらのトレンチ4の近傍にそれらよりも開口面の面積が広いトレンチ28を形成する。
Next, as shown in FIG. 10B, the silicon substrate is patterned by anisotropic etching, for example, RIE, using the
次に図10(c)に示すように、マスク材2を剥離した後、減圧下の非酸化性雰囲気、例えば1100℃、10Torrの100%水素雰囲気中にて高温アニールを行うことにより、複数のトレンチ4およびトレンチ28を、平板状の空間領域を有し、かつ基板表面に開口面を有する閉じていない1つの空洞5’に変える。
Next, as shown in FIG. 10C, after the
ここでは、複数のトレンチ4に関しては、第1の実施形態で示したように、シリコンの表面マイグレーションによる形状変化を利用しているため、各トレンチ4の底部で球形の空洞が形成され、その結果として平板状の空洞が形成されるが、大きいトレンチ28の下部ではその角部のみ丸まるだけである。
Here, as for the plurality of
図12に、トレンチ4のレイアウトおよび空洞の平面図を示す。これは図3に対応する図であり、図12の左側の平面図(トレンチレイアウト)は図3の左側の平面図(トレンチレイアウト)に相当し、図12の右側の平面図(平板状の空洞)は図3の右側の平面図(平板状の空洞)に相当する。
FIG. 12 shows a layout of the
ここで、大きなトレンチ28は、以下で示すように空洞5の内面酸化用のトレンチであるため、その個数は1つ以上であれば良く、またその位置は、複数のトレンチ4の形状変化によって得られる平板状の空洞と繋がれば良いため、図12に示した位置に限定されるものではなく、複数のトレンチ4の近傍であれば任意である。そして、大きなトレンチ28の断面形状も任意である。
Here, since the
次に図10(d)に示すように、空洞5’の内面にシリコン熱酸化膜11を形成した後、空洞5’を充填するように、シリコン酸化膜12を全面に堆積する。
Next, as shown in FIG. 10D, after the silicon
次に図11(e)に示すように、空洞5’の外部の不要なシリコン酸化膜12をCMPにより除去して表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 11E, the unnecessary
次に図11(f)に示すように、シリコン酸化膜29、シリコン窒化膜30、素子分離トレンチ(STI)を形成するためのフォトレジストパターン31を基板上に順次形成する。
Next, as shown in FIG. 11F, a
次に図11(g)に示すように、フォトレジストパターン31をマスクとして、シリコン窒化膜30、シリコン酸化膜29を異方性エッチング例えばRIEにより順次パターニングし、フォトレジストパターン31のパターンをシリコン窒化膜30、シリコン酸化膜29に転写する。
Next, as shown in FIG. 11G, using the
次にフォトレジストパターン31を炭化して剥離した後、第2の実施形態で示した図6(f)以降の工程と同様の工程を経て、図13に示すLDD構造のMOSトランジスタが完成する。
Next, after the
(第5の実施形態)
本実施形態では、第1〜第4の実施形態に適用可能な改善技術について説明する。上述した平板状の空洞を有するシリコン基板(SON基板)の形成方法においては、その形成方法上どうしても空洞5の形成領域の端部に段差が生じてしまう(図14参照)。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, improvement techniques applicable to the first to fourth embodiments will be described. In the above-described method for forming a silicon substrate (SON substrate) having a flat cavity, a step is inevitably generated at the end of the formation region of the cavity 5 (see FIG. 14).
上記段差は、空洞5上のシリコン基板1上にデバイスを作製しようとした際に問題となる。例えば、段差をまたいで電極となる金属膜をパターニングする際には、設計通りにパターニングできず、その結果として配線のショートやオープン等の問題が起こる。さらに、酸化処理を行う際には、段差付近の基板内に応力が生じ、結晶欠陥等の問題が起こる。
The level difference becomes a problem when an attempt is made to produce a device on the
この種の段差を解消する方法としては、例えば、CMP法またはRIE法を用いて表面を平坦化する方法が考えられる。後者の方法は、表面が低い方の領域を酸化膜などのマスク膜で覆った状態で、表面が高い方の領域をRIE法によりエッチングし、段差を解消するという方法である。しかし、いずれもの方法も段差を解消するために、一つ以上の工程を別に追加する必要があり、工程数の増加、作製プロセスの複雑化を招いてしまう。 As a method of eliminating this type of level difference, for example, a method of flattening the surface using a CMP method or an RIE method can be considered. The latter method is a method in which a region having a lower surface is covered with a mask film such as an oxide film, and a region having a higher surface is etched by RIE to eliminate the step. However, in any of the methods, it is necessary to add one or more processes separately in order to eliminate the level difference, resulting in an increase in the number of processes and a complicated manufacturing process.
そこで、本発明では、空洞5を形成しない領域にも、予めアスペクト比の小さな複数のトレンチを配列形成しておく。このとき形成するトレンチは、トレンチの下部に空洞が形成できないようなアスペクト比の小さなトレンチ(ダミートレンチ)であり、その密度は、予測される段差を解消できるように設計する。このように設計されたトレンチを予め形成しておくことで、空洞5の形成領域端部の段差を容易に解消することができる。
Therefore, in the present invention, a plurality of trenches having a small aspect ratio are arranged in advance in a region where the
以下、図15を参照しながら上記改善技術を用いたSON基板の形成方法について説明する。 Hereinafter, a method for forming a SON substrate using the above improvement technique will be described with reference to FIG.
まず、図15(a)に示すように、第1の実施形態と同様に、シリコン基板1上にマスク材2、フォトレジストパターン3を形成し、フォトレジストパターン3をマスクとしてマスク材2をエッチングし、マスク材2にフォトレジストパターン3のパターンを転写する。
First, as shown in FIG. 15A, as in the first embodiment, a
次に図15(b)に示すように、フォトレジストパターン3を剥離した後、マスク材2をマスクとしてシリコン基板1をパターニングして、トレンチ4,4’を配列形成する。ここで、トレンチ4,4’のアスペクト比は互いに異なっており、同様に密度も互いに異なっている。アスペクト比および密度に関しては後述する。
Next, as shown in FIG. 15B, after the
次に図15(c)に示すように、シリコン酸化膜2を弗化水素水溶液により除去する。
Next, as shown in FIG. 15C, the
次にこの状態のシリコン基板1を還元性雰囲気中にて熱処理する。この熱処理により、シリコン基板1の表面エネルギーが最小になるように、シリコンの表面マイグレーションが生じる。
Next, the
その結果、トレンチ4が形成された領域の形状は図15(d)、図15(e)に示すように変化し、シリコン基板1中に板状の空洞5が形成される。このとき、空洞が形成された領域上の基板表面は、図15(a)の工程時と比べて低くなる。
As a result, the shape of the region where the
一方、トレンチ4’が形成された領域の形状は図15(d)、図15(e)に示すように変化し、トレンチ4’は消滅するが空洞5は形成されない。このとき、トレンチ4’が消滅した領域上の基板表面は、空洞が形成された領域上の基板表面と同程度低くなる。その結果、図14(b)に示したような段差を招かずに、シリコン基板1中に空洞4を形成することができる。
On the other hand, the shape of the region where the trench 4 'is formed changes as shown in FIGS. 15D and 15E, and the trench 4' disappears but the
以下、それぞれの工程について詳細に説明する。 Hereinafter, each process will be described in detail.
まず、初期のトレンチ形状に対して得られる空洞の形状および個数について、図16および図17を用いて説明する。図16に示すように、初期のトレンチ形状が円筒状の場合、得られる空洞の形状は球状である。初期の円筒状のトレンチの半径をRR とすると、球状の空洞の半径RS は1.88RR 、上下の隣り合う2つの球状の空洞間の問隔λは8.89RR となる。 First, the shape and number of cavities obtained with respect to the initial trench shape will be described with reference to FIGS. 16 and 17. As shown in FIG. 16, when the initial trench shape is cylindrical, the resulting cavity has a spherical shape. If the initial radius of the cylindrical trenches and R R, the radius R S of the spherical cavity is 1.88R R, is Toi隔λ between cavities of the two spherical adjacent vertical become 8.89R R.
したがって、図17に示すように、初期の円筒状のトレンチの深さLを空洞の間隔λで割ることで、得られる空洞の個数が見積られる。本発明者等は、半径RR =0.2μmのトレンチを形成し、その深さLを1μmと2μmとに変えて調べてみた。 Therefore, as shown in FIG. 17, the number of cavities obtained can be estimated by dividing the depth L of the initial cylindrical trench by the cavity interval λ. The inventors of the present invention formed a trench with a radius R R = 0.2 μm, and examined it by changing the depth L to 1 μm and 2 μm.
その結果、同じ条件の熱処理、例えば、水素雰囲気中、1100℃、10Torr、10minに対して、深さが1μmの場合には、トレンチが消失して基板表面が単に平坦化されるだけであった。一方、深さが2μmの場合には、球状の空洞が1つ形成された。この結果は、図17に示すグラフから見積られる空洞の個数と一致しており、図17を用いて空洞の個数を試算できることを確認した。 As a result, when the depth was 1 μm for heat treatment under the same conditions, for example, 1100 ° C., 10 Torr, 10 min in a hydrogen atmosphere, the trench disappeared and the substrate surface was simply flattened. . On the other hand, when the depth was 2 μm, one spherical cavity was formed. This result was consistent with the number of cavities estimated from the graph shown in FIG. 17, and it was confirmed that the number of cavities could be estimated using FIG.
次に形成するトレンチのアスペクト比、密度について述べる。トレンチ4は、空洞5を基板1内に形成するためのものである。そのためには、トレンチ4のアスペクト比を5以上とする必要がある。また、管状または板状の空洞5を形成するためには、トレンチ4を線状または格子状に予め配列しておく必要がある。その際のトレンチ4同士の間隔Dはトレンチ4の半径Rに対して、D<4Rとなるように設定する必要がある。
Next, the aspect ratio and density of the trench to be formed will be described. The
一方、トレンチ4’は、空洞5を形成するときに生じる段差を解消するためのものであ。そのためには、シリコン基板1内に空洞を生じないように、トレンチ4’のアスペクト比を3以下とする必要がある。また、トレンチ4’の密度は、段差の大きさにより決められる。例えば、半径0.2μm、深さ2μmのトレンチ4’を、その密度を単位面積当たり1.6個(/μm2 )として形成した際には、空洞5を形成した後の段差は0.12μmであった。この場合、例えば、半径0.5μm、深さ2μmのトレンチ4’を、その密度を0.76個(/μm2 )として形成すれば良いことになる。
On the other hand, the
以上述べたように、本実施形態によれば、空洞となるトレンチを配列形成するときに、空洞とならないようにアスペクト比および密度が設計された複数のダミートレンチを同時に配列形成することで、工程数の増加、作製プロセスの複雑化を招かずに、シリコン基板中の空洞の形成領域端に生じる段差を容易に解消することができる。ここでは、空洞の形状が特に板状の場合について説明したが、他の形状でも良い。すなわち、ここで述べた方法は、段差が生じる空洞であればその形状に関係無く有効である。 As described above, according to the present embodiment, when forming trenches to be cavities, a plurality of dummy trenches whose aspect ratio and density are designed so as not to be cavities are simultaneously formed, thereby forming a process. The step generated at the end of the cavity formation region in the silicon substrate can be easily eliminated without increasing the number and complicating the manufacturing process. Here, the case where the shape of the cavity is particularly plate-like has been described, but other shapes may be used. That is, the method described here is effective regardless of its shape as long as it is a cavity where a step is generated.
(第6の実施形態)
本実施形態では、第1〜第4の実施形態に適用可能な他の改善技術について説明する。上述した平板状のESSを有するSON基板の形成方法において、大面積のESSを形成する場合、平板状のESSがつぶれてしまうという問題がある。
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, other improvement techniques applicable to the first to fourth embodiments will be described. In the above-described method for forming a SON substrate having a flat ESS, when a large-area ESS is formed, the flat ESS is crushed.
具体的には、ESS幅が20μmと小さい場合は、図18(a)に示すように、平板状のESSはつぶれないが、ESS幅が180μmと大きい場合には、図18(b)およびその拡大図である図18(c)に示すように、平板状のESSがつぶれてしまう。なお、図15において、トレンチをESSに変えるための熱処理は、100%水素雰囲気中での1100℃、10Torr、10minの熱処理とした。 Specifically, when the ESS width is as small as 20 μm, the flat ESS is not crushed as shown in FIG. 18A, but when the ESS width is as large as 180 μm, FIG. As shown in FIG. 18C, which is an enlarged view, the flat ESS is crushed. In FIG. 15, the heat treatment for changing the trench to ESS was 1100 ° C., 10 Torr, 10 min in a 100% hydrogen atmosphere.
本発明者等の鋭意研究によれば、以下に詳説するように、つぶれないサイズのESSを求めるのに有効な計算式を見出し、さらにトレンチをESSに変えるための熱処理を工夫することにより、ESS幅を大きくしても、ESSをつぶれないようにできることが明らかになった。 According to the earnest research by the present inventors, as will be described in detail below, by finding an effective calculation formula for obtaining an ESS of a size that does not collapse, and by devising a heat treatment for changing the trench to ESS, ESS It became clear that even if the width was increased, the ESS could not be crushed.
まず最初に、ESS構造の強度を計算した結果について説明する。図19に上記計算に用いたESS構造のモデルを示す。ESS幅をa(μm)、ESS奥行きをb(μm)、ESS上のシリコン層の厚さをt(μm)とする。この時、シリコン層の撓みδ(μm)は式(1)にて表される。 First, the results of calculating the strength of the ESS structure will be described. FIG. 19 shows a model of the ESS structure used for the above calculation. Assume that the ESS width is a (μm), the ESS depth is b (μm), and the thickness of the silicon layer on the ESS is t (μm). At this time, the deflection δ (μm) of the silicon layer is expressed by the equation (1).
δ=αPa4 /Et3 …(1)
ここで、Pはシリコン層にかかる荷重を表す。Eはヤング率を表し、シリコンの場合、E=0.13(N/μm2 )である。αはESS構造(=b/a)によって変わる無次元の係数であり、ESS構造が長方形でb/a≧2の場合には、0.0284であり、ESSが正方形でb/a=1の場合には、0.0138で与えられる。以下の計算では、b/a≧2の場合について示す。
δ = αPa 4 / Et 3 (1)
Here, P represents a load applied to the silicon layer. E represents Young's modulus, and in the case of silicon, E = 0.13 (N / μm 2 ). α is a dimensionless coefficient that varies depending on the ESS structure (= b / a). When the ESS structure is rectangular and b / a ≧ 2, it is 0.0284, and the ESS is square and b / a = 1. In this case, it is given by 0.0138. The following calculation shows the case of b / a ≧ 2.
まず、シリコン層にかかる荷重として、自重を考えてみた。t=1μm、a=180μmのESS構造に対して、自重による撓みを計算した結果、δ=5.2×10-6(μm)と非常に小さく、無視できる程度であることが分かった。さらに、より大きな構造としてa=1mmとして試算したところ、δ=5×10-3(μm)と大面積のESS構造の場合にも、自重による撓みは十分に小さいことが分かった。以上の計算結果から、自重による形状変化はほとんど影響ないことが分かった。 First, the self-weight was considered as a load applied to the silicon layer. As a result of calculating the deflection due to its own weight with respect to the ESS structure with t = 1 μm and a = 180 μm, it was found that δ = 5.2 × 10 −6 (μm) was very small and negligible. Furthermore, when a larger structure was estimated as a = 1 mm, it was found that the deflection due to its own weight was sufficiently small even in the case of an ESS structure having a large area of δ = 5 × 10 −3 (μm). From the above calculation results, it was found that the shape change due to its own weight has almost no effect.
次に、ESS内部の圧力と大気の圧力との差による荷重を考えてみた。ESS内部の圧力は、ESS形成時の熱処理時の圧力と同等かそれ以下である。したがって、例えば熱処理の圧力が10Torrである場合には、ほぼ大気圧(1.013×10-7(N/μm2 ))の荷重がかかることになる。 Next, the load due to the difference between the pressure inside the ESS and the atmospheric pressure was considered. The pressure inside the ESS is equal to or less than the pressure during the heat treatment during the ESS formation. Therefore, for example, when the heat treatment pressure is 10 Torr, a load of almost atmospheric pressure (1.013 × 10 −7 (N / μm 2 )) is applied.
そこで、自重の計算の場合と同様に、t=1μm、a=180μmのESSに対して、大気圧荷重による撓みを計算した。その結果、δ=23.2μmと大きく、ESSが押しつぶされてしまうことが分かった。これに対して、a=20μmとESS幅を小さくした場合には、δ=3.5×10-3μmと圧力荷重による形状変化も無視できることが分かった。このことは、図18に示した結果と良く一致しており、式(1)を用いてつぶれを回避できるサイズを有するESSを設計することができることを意味している。 Therefore, similarly to the calculation of the dead weight, the bending due to the atmospheric pressure load was calculated for the ESS of t = 1 μm and a = 180 μm. As a result, it was found that δ was as large as 23.2 μm and the ESS was crushed. On the other hand, when a = 20 μm and the ESS width was reduced, it was found that δ = 3.5 × 10 −3 μm and the shape change due to the pressure load could be ignored. This is in good agreement with the result shown in FIG. 18, and means that an ESS having a size capable of avoiding the collapse can be designed using Equation (1).
次に式(1)を用いて実際にどの程度の大きさのESSが実現可能か試算してみた。図20に、シリコン層の厚さtが0.1μmと1μmの場合において、プレート幅(ESS幅)に対してどの程度撓むか計算した結果を示す。 Next, using formula (1), it was estimated how much ESS can actually be realized. FIG. 20 shows a calculation result of how much the silicon layer is bent with respect to the plate width (ESS width) when the thickness t of the silicon layer is 0.1 μm and 1 μm.
図20から、シリコン層の厚さtが1μmと厚い場合には、ESS幅を20μmとした場合にも、シリコン層の撓みδは十分に小さいことが分かる。これに対して、シリコン層の厚さtが0.1μmと薄い場合には、ESS幅が10μmの場合でも0.1μm以上撓んでしまうことが分かる。ESSの厚さはシリコン層の厚さtと同程度であることから、ESSが押しつぶされてしまうことが予想できる。すなわち、シリコン層の厚さtが0.1μmの場合には、ESS幅が8μm程度以上の大きさのESSは実現不可能であることが分かった。 FIG. 20 shows that when the thickness t of the silicon layer is as thick as 1 μm, the deflection δ of the silicon layer is sufficiently small even when the ESS width is 20 μm. On the other hand, when the thickness t of the silicon layer is as thin as 0.1 μm, it can be seen that even when the ESS width is 10 μm, the silicon layer is bent by 0.1 μm or more. Since the thickness of the ESS is approximately the same as the thickness t of the silicon layer, it can be expected that the ESS will be crushed. That is, it was found that when the thickness t of the silicon layer is 0.1 μm, an ESS having an ESS width of about 8 μm or more cannot be realized.
本発明者等は、大面積のESSを形成する方法として、図21に示すプロセスシーケンスが有効であることを見出した。すなわち、ESS構造を形成するための第1の熱処理を行った後、チャンバーを開放することなく連続して第2の熱処理を行い、ESS内部の圧力を調整する。 The present inventors have found that the process sequence shown in FIG. 21 is effective as a method for forming a large-area ESS. That is, after performing the first heat treatment for forming the ESS structure, the second heat treatment is continuously performed without opening the chamber, and the pressure inside the ESS is adjusted.
第1の熱処理はESSを形成するための処理である。そのため、第1の熱処理は、シリコン基板の表面でSiの表面マイグレーションの生じやすい高温・減圧下の条件で行うことが望ましく、例えば1100℃、10Torr、10minの条件下で行えば良い。熱処理の雰囲気は非酸化性の雰囲気であれば良く、例えば100%水素雰囲気が望ましい。 The first heat treatment is a process for forming an ESS. Therefore, the first heat treatment is desirably performed under conditions of high temperature and reduced pressure at which Si surface migration easily occurs on the surface of the silicon substrate. For example, the first heat treatment may be performed under conditions of 1100 ° C., 10 Torr, and 10 minutes. The atmosphere for the heat treatment may be a non-oxidizing atmosphere, and for example, a 100% hydrogen atmosphere is desirable.
第2の熱処理はESS内部の圧力を調整するための処理である。そのため、第2の熱処理は、低温・高圧下の条件で行うことが望ましい。熱処理の雰囲気はシリコン中での拡散係数が大きい元素を含む雰囲気、例えば水素を含む雰囲気あるいは100%水素雰囲気が望ましい。水素の拡散係数D(cm2 /s)は、式(2)で与えられる。 The second heat treatment is a process for adjusting the pressure inside the ESS. Therefore, the second heat treatment is desirably performed under conditions of low temperature and high pressure. The atmosphere for the heat treatment is preferably an atmosphere containing an element having a large diffusion coefficient in silicon, for example, an atmosphere containing hydrogen or a 100% hydrogen atmosphere. The hydrogen diffusion coefficient D (cm 2 / s) is given by equation (2).
D=4.2×10-5exp(−0.56/kT) …(2)
kはボルツマン定数、Tは絶対温度(K)である。式(2)により、200℃における水素の拡散長は60秒で1μmと見積もられる。したがって、200℃と低温の熱処理でも水素はESS内部まで拡散することができ、その結果としてESS内部の圧力を効果的に可変することができる。すなわち、第2の熱処理を水素雰囲気中で行うことで、ESS内部の圧力を熱処理時の圧力と同等の圧力に変えることができる。
D = 4.2 × 10 −5 exp (−0.56 / kT) (2)
k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature (K). From equation (2), the diffusion length of hydrogen at 200 ° C. is estimated to be 1 μm in 60 seconds. Therefore, hydrogen can diffuse to the inside of the ESS even at a low temperature of 200 ° C. As a result, the pressure inside the ESS can be effectively varied. That is, by performing the second heat treatment in a hydrogen atmosphere, the pressure inside the ESS can be changed to a pressure equivalent to the pressure during the heat treatment.
また、理想気体の法則(PV=nRT)より、温度に比例して圧力も減少してしまうことを考えると、第2の熱処理中における降温過程で圧力が低くなってしまう。そのため、第2の熱処理は、予め加圧下で行うことが望ましい。例えば、第2の熱処理の温度を600℃とした場合には、600℃での熱処理の圧力を3気圧とすれば良い。 Further, considering that the pressure also decreases in proportion to the temperature from the ideal gas law (PV = nRT), the pressure is lowered during the temperature lowering process during the second heat treatment. Therefore, it is desirable to perform the second heat treatment under pressure in advance. For example, when the temperature of the second heat treatment is 600 ° C., the heat treatment pressure at 600 ° C. may be 3 atm.
以上述べたようにESS内部の圧力を第2の熱処理により調整することで、ESS内部の圧力と大気の圧力との圧力差による荷重を低減または無くすことができるため、より大面積のESS構造を形成することができるようになる。また、デバイス作製のためにSON層を薄くしても、ESSが押しつぶされること無くその形状を保ったまま、SON層上に素子を形成することが可能となる。 As described above, by adjusting the pressure inside the ESS by the second heat treatment, the load due to the pressure difference between the pressure inside the ESS and the atmospheric pressure can be reduced or eliminated. Can be formed. Further, even if the SON layer is thinned for device fabrication, it is possible to form elements on the SON layer while maintaining the shape of the ESS without being crushed.
(第7の実施形態)
SON基板のESS上のシリコン層(SON層)にトランジスタを作製する場合、SON基板のメリットを十分に引き出すためには、SON層の厚さを0.1μm以下にする必要がある。しかし、大面積のSON層の厚さを薄くした場合、上述した通りに、圧力荷重によりSON層が大きく撓んでしまう。
(Seventh embodiment)
In the case where a transistor is formed on a silicon layer (SON layer) on the ESS of the SON substrate, the thickness of the SON layer needs to be 0.1 μm or less in order to fully exploit the advantages of the SON substrate. However, when the thickness of the large-area SON layer is reduced, as described above, the SON layer is greatly bent by the pressure load.
図22に、式(1)を用いた計算により求めた、SON層の厚さと撓み量との関係を示す。SON層のESS幅は20μmとした。図22から、SON層の厚さを1μmとして作製した後には、その撓みは無視できるほど小さいのに対して、SON層の厚さを0.1μmまで薄くした場合には、撓み量は1μm以上と大きく、ESS構造が押しつぶされてしまうことが分かる。 FIG. 22 shows the relationship between the thickness of the SON layer and the amount of deflection obtained by calculation using the formula (1). The ESS width of the SON layer was 20 μm. From FIG. 22, after the SON layer thickness is 1 μm, the deflection is negligibly small, whereas when the SON layer thickness is reduced to 0.1 μm, the deflection amount is 1 μm or more. It can be seen that the ESS structure is crushed.
上記結果を考慮すると、第2の熱処理は、第1の熱処理によりESS構造を形成した後、デバイス作製時におけるSON層の薄膜化工程の前に行うことが有効であるといえる。第2の熱処理において、ESS内部の圧力を大気圧近傍に上げておくことで、ESSが押しつぶされることなく、薄いSON層を形成することができる。 Considering the above results, it can be said that the second heat treatment is effective to be performed after forming the ESS structure by the first heat treatment and before the step of thinning the SON layer at the time of device fabrication. In the second heat treatment, by increasing the pressure inside the ESS to near atmospheric pressure, a thin SON layer can be formed without being crushed.
なお、大面積の平板状のESSのつぶれを防ぐ技術については、第15の実施形態でさらに説明する。ただし、図10に示すように、空洞の形成時に一部が開口した空洞5’を形成した場合には、圧力差による荷重を考慮しなくても良いため、自重による撓みが影響しないサイズまでの大面積を有するESSを形成することができる。
The technique for preventing the flat-area ESS from being crushed will be further described in the fifteenth embodiment. However, as shown in FIG. 10, when the
(第8の実施形態)
本実施形態は、チャネル直下にSiGe層等が埋め込まれたシリコン基板(歪み基板)と同様の効果を有し、かつ上記歪み基板が持っている問題点を解決できる、SON基板について説明する。
(Eighth embodiment)
In the present embodiment, an SON substrate is described which has the same effect as a silicon substrate (strained substrate) in which a SiGe layer or the like is buried directly under a channel and can solve the problems of the strained substrate.
まず、従来の歪み基板について説明する。LSIにおけるトランジスタの微細化の主目的の一つは、トランジスタの高速化による高性能LSIの実現である。ところが近年トランジスタのゲート長が0.1μm以下の領域に突入し、その微細化はますます困難になりつつある。 First, a conventional strained substrate will be described. One of the main objectives of transistor miniaturization in LSI is to realize a high-performance LSI by increasing the speed of transistors. However, in recent years, the transistor has entered a region where the gate length is 0.1 μm or less, and its miniaturization is becoming increasingly difficult.
このような背景の中で、微細化に頼ることのない高速化の実現方法として、シリコン基板の表面付近のチャネル直下に、例えばSiGe層などの異種組成層が埋め込まれてなる歪み基板が提案されている。 Against this background, a strained substrate in which a heterogeneous composition layer such as a SiGe layer is buried immediately below the channel near the surface of the silicon substrate has been proposed as a method for realizing high speed without relying on miniaturization. ing.
この種の歪み基板によれば、異種組成層によって基板表面付近のSiに歪みが生じ、これによりキャリア(電子または正孔)の移動度が向上し、トランジスタの高性能化を実現することが可能となる。 According to this type of strained substrate, Si in the vicinity of the substrate surface is distorted by the heterogeneous composition layer, thereby improving the mobility of carriers (electrons or holes) and realizing high performance of the transistor. It becomes.
しかし、SiGe層などの異種組成層を埋め込むことは、格子歪みによる結晶欠陥の発生という問題を招くことになる。この問題は、格子歪みを大きくするためには、SiGe層のGe濃度を高くするほど顕著になる。すなわち、従来の歪み基板においては、Geを高濃度に含有するSiGe層を、如何に結晶欠陥を発生させることなく基板内部に形成するかが、プロセス上の大きな問題となっていた。 However, embedding a different composition layer such as a SiGe layer causes a problem of generation of crystal defects due to lattice distortion. This problem becomes more prominent as the Ge concentration of the SiGe layer is increased in order to increase the lattice distortion. That is, in the conventional strained substrate, how to form the SiGe layer containing Ge at a high concentration inside the substrate without causing crystal defects has been a big problem in the process.
以下、図23を用いて、上記問題を解決できる、本発明の第8の実施形態に係るSON基板の形成方法について説明する。 Hereinafter, a method for forming a SON substrate according to the eighth embodiment of the present invention, which can solve the above problem, will be described with reference to FIG.
まず、周知のリソグラフィ法およびRIE法を用いて、図23(a)に示すように、(100)面方位を有する単結晶のシリコン基板1の表面に複数のトレンチ4を配列形成する。
First, as shown in FIG. 23A, a plurality of
次に図23(b)に示すように、水素とアルゴンとの混合雰囲気中で、圧力10Torr、1100℃、3分間の熱処理によって、シリコン基板1の表面のシリコンを流動させ、空洞3を形成する。このような熱処理にて形成された空洞3の厚さ(基板深さ方向の寸法)は1.2μm、空洞3上のシリコン層(SON層)33の厚さは0.6μmとなった。
Next, as shown in FIG. 23B, silicon on the surface of the
次に図23(c)に示すように、空洞5に達するトレンチ10を周知のフォトリソグラフィおよびエッチングを用いて形成する。トレンチ10の開口面は0.3μm×0.5μmの長方形で、トレンチ10の深さは2.5μmである。
Next, as shown in FIG. 23C, a
次に図23(d)に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化し、厚さ0.4μmのシリコン酸化膜32を形成する。このような熱酸化を行った結果、SON層33の厚さは0.6μmから0.4μmに減少した。
Next, as shown in FIG. 23D, the surface of the
最後に、図23(e)に示すように、RIE法を用いてシリコン基板1上のシリコン酸化膜32を選択的に除去し、空洞5および溝10内にシリコン酸化膜32を選択的に残置させ、SON基板が完成する。
Finally, as shown in FIG. 23E, the
このようにして得られたSON基板のSON層33内の内部応力をラマン分光法により測定したところ、250MPaの引っ張り性(tensile)応力が存在することが確認された。
When the internal stress in the
このような引っ張り性応力が発生した原因は、シリコン基板1の方がシリコン酸化膜32よりも熱膨張係数が大きいことにある。シリコン基板1を高温で酸化する際には歪みが緩和される。これに対し、高温のシリコン基板1を室温に降温する際には歪みの緩和が起きない。その結果、シリコン酸化膜32よりも相対的に熱膨張係数の大きいシリコン基板1側に引っ張り性の応力が発生する。
The cause of such tensile stress is that the
比較のために作成したシリコン酸化膜32を形成していないSON基板について、そのSON層内の内部応力を同様に測定したところ、有意な応力値は見られなかった。このことは、シリコン酸化膜32を形成するための熱酸化工程およびその後のシリコン酸化膜を空洞5およびトレンチ10内に選択的に残置するためのエッチング工程にて得られた構造が、SON層33の内部に意図的に応力場を形成する方法として有用であることを示している。
When the internal stress in the SON layer was measured in the same manner for the SON substrate on which the
さらに、本実施形態のSON基板は、SiGe層などの異種組成層を埋め込むことは行っていないので、格子歪みによる結晶欠陥の発生という問題は原理的に起こらない。 Furthermore, since the SON substrate of this embodiment does not embed a different composition layer such as a SiGe layer, the problem of generation of crystal defects due to lattice distortion does not occur in principle.
さらに、本実施形態のSON基板は、従来の酸化膜埋め込み基板(SOI基板)に比較しても有利な構造であることが見出された。従来のSOI基板であってもSOI層の下には酸化膜が存在するため、原理的には本実施形態のSON基板と同様の効果が期待できる。 Furthermore, it has been found that the SON substrate of this embodiment has an advantageous structure as compared with a conventional oxide film embedded substrate (SOI substrate). Even in the conventional SOI substrate, since an oxide film exists under the SOI layer, the same effect as that of the SON substrate of this embodiment can be expected in principle.
しかし、従来のSOI基板の場合、酸化膜がSOI層に比べて薄すぎるので、例えば酸化膜は1μm以下、SOI層は1mmであるため、酸化膜により大きな応力をSOI層内に発生させることはできない。 However, in the case of a conventional SOI substrate, since the oxide film is too thin compared to the SOI layer, for example, the oxide film is 1 μm or less and the SOI layer is 1 mm. Therefore, a large stress is generated in the SOI layer by the oxide film. Can not.
これに対して本実施形態のSON基板の場合、従来のSOI基板のSOI層に相当するSON層33の厚さが0.6μmであるため、すなわちSON層33とシリコン酸化膜32とが同程度の薄さであるため、SON層33に大きな応力を発生させることができる。
On the other hand, in the case of the SON substrate of the present embodiment, the thickness of the
図24に、本実施形態のSON基板を用いて作製したMOSトランジスタの断面図を示す。このMOSトランジスタの移動度を測定したところ、従来の通常のバルク基板上に作成したものに比べて35%の増加が見られた。さらに、SOI基板上に形成したMOSトランジスタまたは空洞の内面を酸化していないSON基板上に作成したMOSトランジスタに比べても、移動度は高かった。 FIG. 24 shows a cross-sectional view of a MOS transistor manufactured using the SON substrate of this embodiment. When the mobility of this MOS transistor was measured, an increase of 35% was observed compared to that produced on a conventional ordinary bulk substrate. Furthermore, the mobility was higher than that of the MOS transistor formed on the SOI substrate or the MOS transistor formed on the SON substrate in which the inner surface of the cavity was not oxidized.
本実施形態のSON基板上に形成したMOSトランジスタの移動度が、従来のSOI基板上に形成したMOSトランジスタのそれに比べて高い理由は、基板内部に空洞5が存在することで従来のSOI基板よりもさらに寄生容量を低減できたこと、シリコン酸化膜32によってSON層内に高い応力を有する状態を実現できたことの相乗効果によるものである考えられる。
The reason why the mobility of the MOS transistor formed on the SON substrate of this embodiment is higher than that of the MOS transistor formed on the conventional SOI substrate is that the
なお、本実施形態では空洞5の内部を酸化するために、空洞5を形成した後にトレンチ10を形成したが、図25に示す方法でも可能である。この方法では、まず図22(a)に示すように、複数のトレンチ4およびそれよりも開孔径が大きくかつ深い一つのトレンチ10を同時に形成する。その後、複数のトレンチ4を空洞に変えるための熱処理を行う。しかし、図25(b)に示すように、大きなトレンチ10の上部がふさがらないので、図23(c)に示したような開口構造の空洞が形成されることになる。この後は、図23(d)以降と同じである。なお、トレンチ4,10のレイアウトは図22(a)のものに限定されず、種々のレイアウトが採用可能である。
In this embodiment, in order to oxidize the inside of the
また、本実施形態では、空洞5およびトレンチ10の内面のみにシリコン酸化膜32を選択的に形成するために、基板表面を含む全面にシリコン酸化膜32を形成した後、基板表面上のシリコン酸化膜32を選択的に除去したが、以下のようにしても良い。すなわち、基板表面上にシリコン窒化膜等の酸化防止膜を選択的に形成した後、酸化処理により空洞内面のみを酸化するようにしても良い。
In the present embodiment, in order to selectively form the
また、本実施形態では、SON層内に引っ張り応力を発生させるために、空洞5等の内部にシリコン酸化膜32を形成したが、他の膜を形成しても良い。すなわち、単結晶シリコンと熱膨張係数の違う材料で形成された膜(異種材料膜)であれば利用可能である。さらに、単結晶シリコンと熱膨張係数が大きく違わない材料で形成された異種材料膜であっても、半導体膜側に歪みを生じさせることができれば利用可能である。以上の条件を満足すれば、空洞5の内部に形成する膜(応力発生膜)は、絶縁膜もしくは金属膜であっても構わない。
In this embodiment, the
さらに、本実施形態では、SON層33およびシリコン酸化膜32の厚さがほぼ同じ場合について説明した。シリコン酸化膜32によりSON層33内に発生する歪み量を大きくするためには、SON層33の厚さに対するシリコン酸化膜32の厚さの比は大きい程良い。しかし、この比が大きすぎると、基板強度の点で問題が生じてしまう。
Furthermore, in this embodiment, the case where the thickness of the
本発明者等の種々の実験から、SON層33等の半導体層の厚さとシリコン酸化膜等の異種材料膜との厚さとの関係は、(半導体層の厚さ)/(半導体層の厚さ+異種材料膜の厚さ)の比が0.1から0.9の範囲の値であれば良いことが明らかとなった。
From various experiments by the present inventors, the relationship between the thickness of the semiconductor layer such as the
また、本実施形態では、空洞の内壁全体にシリコン酸化膜32を形成したが、SON層33内に引っ張り応力を生じさせることができるのであれば、空洞の一部にシリコン酸化膜32等の応力発生膜を形成しても良い。
In this embodiment, the
(第9の実施形態)
本実施形態は、チャネル直下にSiGe層等が埋め込まれたシリコン基板(歪み基板)と同様の効果を有し、かつ上記歪み基板が持っている問題点を解決できる、SON基板について説明する。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, an SON substrate is described which has the same effect as a silicon substrate (strained substrate) in which a SiGe layer or the like is buried directly under a channel and can solve the problems of the strained substrate.
図26は、本発明の第9の実施形態に係るSON基板の形成方法を示す断面図である。 FIG. 26 is a cross-sectional view showing a SON substrate forming method according to the ninth embodiment of the present invention.
まず、図26(a)に示すように、周知のリソグラフィ法とRIE法を用いて複数のトレンチ4をシリコン基板1の表面に配列形成する。
First, as shown in FIG. 26A, a plurality of
次に図26(b)に示すように、Geを原子数密度比で30%含む厚さ100nmのSiGe層41を、トレンチ4の内面を被覆するように、全面にエピタキシャル成長させる。
Next, as shown in FIG. 26B, a 100 nm
次に図26(c)に示すように、圧力10-7Paの真空中での1050℃、5分間の熱処理により、シリコン基板1の表面を流動させることで、上部、下部および側部にSiGe層(埋め込みSiGe層)41aが存在する空洞5を形成する。このとき、シリコン基板1の表面にもSiGe層(在留SiGe層)41bが形成される。
Next, as shown in FIG. 26 (c), the surface of the
次に熱酸化により基板表面にシリコン酸化膜(不図示)を形成し、埋め込みSiGe層41a中のGe濃度を高くした後、上記シリコン酸化膜および在留SiGe層41bを除去する。これにより、埋め込みSiGe層41aのGe組成比を高くできる。
Next, a silicon oxide film (not shown) is formed on the substrate surface by thermal oxidation to increase the Ge concentration in the embedded
最後に、図26(d)に示すように、シリコン基板1の表面にGeを含まないシリコン層42をエピタキシャル成長させて、SON基板が完成する。
Finally, as shown in FIG. 26D, a
このようにして得られたSON基板の空洞5上のシリコン基板1およびその上のシリコン層42の応力を測定したところ、その値は80MPaであった。この結果から、埋め込みSiGe層41aを基板内部に形成することは、SON層中に意図的に応力を発生させる方法として有効であることが分かった。
When the stress of the
本実施形態では、トレンチ4を形成した後にSiGe層41をエピタキシャル成長させたが、基板全面にSiGe層41をエピタキシャル成長させた後にトレンチ4を形成しても良い。この場合、トレンチ4を形成した後、熱処理により基板表面を流動させ、空洞5および埋め込みSiGe層41aを形成する。
In this embodiment, the
また、基板表面の流動後に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成することは、埋め込みSiGe層41aのGe組成比を高めるために有効な方法であるが、必ずしも必要ではない。
In addition, forming a silicon oxide film by thermal oxidation after flowing on the substrate surface is an effective method for increasing the Ge composition ratio of the embedded
また、基板表面の流動後にエピタキシャル成長によりSi層42を形成することは、Geを含まないSON層を形成するために有効な方法であるが、デバイス応用上その必要がなければSi層42を形成する必要ない。
Further, forming the
本実施形態のSON基板は、図27に示す従来のSiGe層41cを有する基板に比べて、以下のような利点がある。
The SON substrate of this embodiment has the following advantages over the substrate having the
従来技術では、シリコン基板1上に欠陥が少なく、かつGe組成比の高いSiGe層41cを形成するために、シリコン基板41をシード(seed)としてSiGe層41cのGe組成を濃度の低い状態から高い状態まで、膜厚方向に連続的に変化させるという方法を取っていた。そのため、SiGe層41cの厚さは、数百nm程度となる。すなわち、SiGe層42を厚く形成する必要がある。
In the prior art, in order to form the
これに対して本実施形態では、従来のSiGe層41cに相当するSiGe層41aは、SiおよびSiGeの表面マイグレーションにより形成しているため(図26(c))、空洞5上のSiGe層41aには欠陥は生じない。そのため、SiGe層41aを厚く形成する必要はなく、その厚さを数十nmまで薄くすることができる。この様子を図28に示す。下に空洞5が形成されていない領域43内のシリコン基板1およびシリコン層42中には多くの欠陥が発生し、欠陥密度が高くなる。一方、素子を作成する領域である下に空洞5が形成された領域44内のシリコン基板1およびシリコン層42中には実質的に全く欠陥が発生せず、欠陥密度は十分に低くなる。
On the other hand, in this embodiment, since the
本実施形態では、異種材料膜(SiGe層41a)の材料としてSiGeを用いたが、第8の実施形態と同様に、基板材料(Si)とは異なる他の材料を用いることが可能である。
In the present embodiment, SiGe is used as the material of the dissimilar material film (
さらに、第8の実施形態と同様に、Si層42等の半導体層の厚さとSiGe層41等の異種材料膜との厚さとの関係は、(半導体層の厚さ)/(半導体層の厚さ+異種材料膜の厚さ)の比が0.1から0.9の範囲の値であれば、本発明の効果が実現されることが確認された。さらにまた、SON層内に引っ張り応力を生じさせることができるのであれば、空洞の一部にSiGe層41を形成しても良い。
Further, as in the eighth embodiment, the relationship between the thickness of the semiconductor layer such as the
(第10の実施形態)
本実施形態では、本発明のESS技術をフォトニック結晶の作製に応用した例について説明する。
(Tenth embodiment)
In this embodiment, an example in which the ESS technique of the present invention is applied to the production of a photonic crystal will be described.
屈折率の異なる材料を周期的に形成することで、フォトニック結晶を形成することができる。フォトニック結晶は、超小型光集積回路を実現するための新たな光学材料として注目されている。 A photonic crystal can be formed by periodically forming materials having different refractive indexes. Photonic crystals are attracting attention as new optical materials for realizing ultra-small optical integrated circuits.
その上、フォトニック結晶はシリコン上に形成できることから、これまでの実装上の問題を回避でき、CMOSプロセスと融合させた将来の光電子集積回路の実現が期待されている。 In addition, since the photonic crystal can be formed on silicon, it is possible to avoid the mounting problems so far and to realize a future optoelectronic integrated circuit fused with the CMOS process.
これまで、フォトニック結晶の作製方法としては多く提案されているが、特に3次元のフォトニック結晶はその製造方法が困難であった。また、屈折率の差が大きい材料の組合わせが望ましく、例えばシリコンと空気の組合わせは理想的であるが、その形成方法は非常に困難とされている。 Up to now, many methods for producing photonic crystals have been proposed, but in particular, the method for producing three-dimensional photonic crystals has been difficult. Further, a combination of materials having a large difference in refractive index is desirable. For example, a combination of silicon and air is ideal, but its formation method is very difficult.
図29に、上記問題を解決できる、本発明の第10の実施形態に係る3次元周期構造体(フォトニック結晶)の模式図を示す。図において、51はシリコン基板を示しており、このシリコン基板51内には同じサイズの球形の空洞52(奥行き方向に対して順に色を濃く示してある)が周期的に3次元的に配列されている。
FIG. 29 is a schematic diagram of a three-dimensional periodic structure (photonic crystal) according to a tenth embodiment of the present invention that can solve the above problem. In the figure,
次に本実施形態の3次元周期構造体の製造方法について、図30を用いて説明する。 Next, a manufacturing method of the three-dimensional periodic structure according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、図30(a)〜30(c)に示すように、シリコン基板51上に酸化膜などからなるマスクパターン(不図示)を形成し、このマスクパターンをマスクにして反応性イオンエッチング法によりシリコン基板51をエッチングして同じ深さ同じ開孔径のトレンチ52を2次元的に配列形成し、その後上記マスクパターンを除去する。
First, as shown in FIGS. 30A to 30C, a mask pattern (not shown) made of an oxide film or the like is formed on the
次に図30(d)〜30(f)に示すように、トレンチ52が形成されたシリコン基板51に、非酸化性の雰囲気中での高温・減圧下の熱処理を施すことで、シリコン基板51内にサイズが揃った複数の球形の空洞(ESS)53が周期的に配置した空洞パターンを形成する。具体的には、基板の深さ方向に関しては同一線上に等間隔で空洞が配列され、基板内の同一平面内に関しては格子状に空洞が配列された空洞パターンを形成する。
Next, as shown in FIGS. 30D to 30F, the
空洞53を形成するための熱処理は、シリコンの表面マイグレーションを起こすためのものである。そのため、上記熱処理前に、基板表面の自然酸化膜を完全に除去することが望ましい。自然酸化膜を十分に除去するためには、熱処理の雰囲気を非酸化性に保つことが有効である。これを容易に実現するためには熱処理の雰囲気を例えば水素100%の雰囲気とすることが望ましい。また、シリコンの表面マイグレーションを促進させるためには、10Torr以下の圧力での熱処理を行うことが望ましい。典型的な熱処理条件としては、雰囲気が100%水素雰囲気、温度が1100℃、圧力が10Torr、時間が10minがあげられる。
The heat treatment for forming the
ここでは、マスクパターンを除去した後に熱処理を行った場合について示したが、マスクパターンを除去せずに熱処理を行っても良い。ただし、この場合、熱処理後にマスクパターンを除去し、再度熱処理を行って基板表面を平坦化する必要がある。 Although the case where the heat treatment is performed after removing the mask pattern is shown here, the heat treatment may be performed without removing the mask pattern. However, in this case, it is necessary to remove the mask pattern after the heat treatment and perform the heat treatment again to planarize the substrate surface.
本実施形態の3次元周期構造体は、屈折率の異なる材料(シリコン/空洞すなわち空気)を周期的に配列したものであるため、光に対して禁制帯を有するフォトニック結晶となる。フォトニック結晶の特性の一つである波長依存性は、全て(空洞5の周期/波長)でスケールされる。したがって、空洞5の周期を使用波長に応じたもとすることにより、所望の波長で動作するフォトニック結晶を作成することができる。
The three-dimensional periodic structure according to the present embodiment is a photonic crystal having a forbidden band with respect to light since materials (silicon / cavity or air) having different refractive indexes are periodically arranged. The wavelength dependence which is one of the characteristics of the photonic crystal is scaled by all (period / wavelength of the cavity 5). Therefore, a photonic crystal that operates at a desired wavelength can be produced by setting the period of the
空洞5の周期を制御する具体的な方法としては、深さ方向の周期に関してはトレンチ52の径の大きさおよび深さを変えることがあげられる。一方、深さ方向と垂直な方向の周期に関してはトレンチ52の配列の周期を変えることがあげられる。
A specific method for controlling the period of the
以上述べたように本実施形態によれば、シリコンの表面マイグレーションを利用することで、屈折率差の大きな材料(シリコン:3.6/空気:1)の組み合わせてなる、3次元周期構造体を容易に実現することができる。この3次元周期構造体は、光を制御することができるフォトニック結晶として動作する。したがって、本実施形態の3次元周期構造体を光導波路、偏光子、プリズム等の光学素子として動作させることができる。 As described above, according to the present embodiment, by using the surface migration of silicon, a three-dimensional periodic structure composed of a combination of materials having a large refractive index difference (silicon: 3.6 / air: 1) is obtained. It can be easily realized. This three-dimensional periodic structure operates as a photonic crystal capable of controlling light. Therefore, the three-dimensional periodic structure of the present embodiment can be operated as an optical element such as an optical waveguide, a polarizer, or a prism.
さらに、上記方法によれば、空洞5の周期を1μm程度以下にすることができる。すなわち、微細な光学素子をシリコン基板中に形成することができる。これにより、光学素子とCMOSプロセスとを融合させた光電子回路を容易に作製することが可能となる。
Furthermore, according to the above method, the period of the
(第11の実施形態)
図31は、本発明の第11の実施形態に係る3次元周期構造体(フォトニック結晶)の模式図である。本実施形態が第10の実施形態と異なる点は、シリコン基板51内に、サイズ(直径)の異なる空洞53sおよび空洞53lが周期的に配列してあることにある。
(Eleventh embodiment)
FIG. 31 is a schematic diagram of a three-dimensional periodic structure (photonic crystal) according to an eleventh embodiment of the present invention. This embodiment is different from the tenth embodiment in that cavities 53 s and cavities 53 l having different sizes (diameters) are periodically arranged in the
具体的には、基板の深さ方向に関しては複数の同じサイズの球形の空洞53sまたは空洞53l(奥行き方向に対して順に色を濃く示してある)が同一線上にそれぞれ等間隔で配列され、基板内の同一平面内に関してはサイズの異なる空洞53sおよび空洞53lがそれぞれ格子状に配列されている。
Specifically, with respect to the depth direction of the substrate, a plurality of
次に本実施形態の3次元周期構造体の製造方法について、図32を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the three-dimensional periodic structure of this embodiment is demonstrated using FIG.
まず、図32(a)〜32(c)に示すように、シリコン基板51上に酸化膜などからなるマスクパターン(不図示)を形成し、このマスクパターンをマスクにして反応性イオンエッチング法によりシリコン基板51をエッチングして同じ深さで開孔径が互いに異なるトレンチ52sおよびトレンチ52lを格子状に配列形成する。その後、上記マスクパターンを除去する。
First, as shown in FIGS. 32A to 32C, a mask pattern (not shown) made of an oxide film or the like is formed on the
次に図32(d)〜32(f)に示すように、トレンチ52sおよびトレンチ52lが形成されたシリコン基板51に、非酸化性の雰囲気中での高温・減圧下の熱処理を施すことで、シリコン基板51内に深さ方向にはサイズの揃った球状の空洞53sまたは空洞53lが周期的に配列し、深さ方向と垂直な方向には異なるサイズの空洞53sおよび空洞53lが交互に周期的に配列した空洞パターンを形成する。なお、第10の実施形態で述べたように、マスクパターンを除去せずに熱処理を行っても良い。
Next, as shown in FIGS. 32D to 32F, the
このようにして得られた空洞パターンを有するシリコン基板51は、第10の実施形態と同様に光を制御することのできるフォトニック結晶とみなせ、光学素子として動作させることができる。
The
本実施形態でも、第10の実施形態と同様の方法により空洞の周期、すなわち動作波長を制御できる。さらに実施形態によれば、サイズの異なる空洞52s,52lを用いているので、そのサイズの違いを利用することにより、より広範囲に動作波長を制御することができる。 Also in this embodiment, the cavity period, that is, the operating wavelength can be controlled by the same method as in the tenth embodiment. Furthermore, according to the embodiment, since the cavities 52s and 52l having different sizes are used, the operating wavelength can be controlled in a wider range by utilizing the difference in size.
第10および第11の実施形態において、水素を含む雰囲気中での熱処理により空洞52,52s,52lを形成した場合、これらの内部には水素が残る。さらに、本発明者等の研究によれば、空洞52,52s,52lは角の取れた多面体で構成されていることを確認した。より正確には、所定の面方位を有する多面体で構成されていた。
In the tenth and eleventh embodiments, when the
さらに、多面体を構成する面の面方位がシリコン基板の主面である(100)面となす角度を調べたことによって以下のことが分かった。すなわち、多面体を構成する面は、{100}面群、{110}面群、{111}面群、{311}面群、{531}面群、{541}面群から構成されていることが明らかになった。これらの面群は表面エネルギーが低いことから、上記空洞は熱的に安定であるといえる。 Furthermore, the following was found by examining the angle formed by the plane orientation of the faces constituting the polyhedron with the (100) plane which is the main surface of the silicon substrate. That is, the faces constituting the polyhedron are composed of {100} plane group, {110} plane group, {111} plane group, {311} plane group, {531} plane group, and {541} plane group. Became clear. Since these surface groups have low surface energy, it can be said that the cavity is thermally stable.
(第12の実施形態)
ここでは、本発明のESS技術を光集積回路に適用した実施形態、特に光導波路に適用して実施形態について説明する。
(Twelfth embodiment)
Here, an embodiment in which the ESS technology of the present invention is applied to an optical integrated circuit, particularly an embodiment in which the ESS technology is applied to an optical waveguide will be described.
光集積回路技術においては、光受動素子、発光素子などの光素子はSi基板またはGaAs基板などの半導体基板上に形成され、光導波路は光素子とは別に石英(SiO2 )を主成分として形成される。したがって、光導波路と光素子との接続部においては、必然的に半導体領域中に光を伝播させる必要が生じる。 In the optical integrated circuit technology, optical elements such as optical passive elements and light emitting elements are formed on a semiconductor substrate such as a Si substrate or a GaAs substrate, and an optical waveguide is formed mainly of quartz (SiO 2 ) separately from the optical elements. Is done. Therefore, in the connection part between the optical waveguide and the optical element, it is inevitably necessary to propagate light into the semiconductor region.
半導体領域中に光を伝播させる方法の一つとして、Siの方がSiO2 よりも屈折率が大きいことを利用する方法がある。この方法は、Siで形成した光導波路の径を上記光の波長の数倍程度の5μm程度以下にし、光導波路とその周囲のSi領域との界面(Si/SiO2 界面)で光を全反射させることで、Si領域中に光を閉じ込めるというものである。 One method for propagating light in the semiconductor region is to use the fact that Si has a higher refractive index than SiO 2 . In this method, the diameter of the optical waveguide made of Si is set to about 5 μm or less, which is several times the wavelength of the light, and the light is totally reflected at the interface between the optical waveguide and the surrounding Si region (Si / SiO 2 interface). By doing so, light is confined in the Si region.
Siを主成分とする光導波路においては、その閉じ込め性を上げるために、その周囲の物質の屈折率がSiに対して低ければ低いほど望ましい。Siの屈折率は3.4であるのに対しSiO2 の屈折率は1.5である。 In an optical waveguide mainly composed of Si, the lower the refractive index of the surrounding material relative to Si, the better, in order to increase the confinement property. The refractive index of Si is 3.4, whereas the refractive index of SiO 2 is 1.5.
SiO2 よりも低い屈折率を有する媒体といえば当然真空(屈折率=1)である。現実的には真空ではなく空気を媒体とすることになる。光導波路として用いられるSi領域の周囲を空気にする方法として、例えばSOI基板を用いることが考えられるが、その実現は困難である。 A medium having a lower refractive index than SiO 2 is naturally a vacuum (refractive index = 1). In reality, air is used as a medium instead of a vacuum. For example, an SOI substrate can be used as a method of making the surroundings of the Si region used as an optical waveguide air, but it is difficult to realize this.
その理由は、SOI基板のSi領域をエッチングすることで、Siが露出した上面および側面を有するパターンは容易に形成することはできるが、SOI基板のSiO2 領域をエッチングし、上記パターンの下のSiO2 領域のみを選択的に除去することは困難であるからである。 The reason is that by etching the Si region of the SOI substrate, a pattern having a top surface and a side surface where Si is exposed can be easily formed, but the SiO 2 region of the SOI substrate is etched to This is because it is difficult to selectively remove only the SiO 2 region.
図33は、本発明の第12の実施形態に係る光導波路を示す斜視図である。図において、61は(100)面方位を有する単結晶のシリコン基板を示しており、このシリコン基板61には上面、側面および底面の周囲が空気であるSiパターン62が形成されている。
FIG. 33 is a perspective view showing an optical waveguide according to the twelfth embodiment of the present invention. In the figure,
Siパターン62とその周囲の空気は光導波路を構成している。この光導波路内には例えば波長1.4μmが伝搬する。実際の光回路では、Siパターン62の一端は図示しない光機能素子の発光部と繋がり、他端は図示しない光機能素子の受光部と繋がる。
The
このような光導波路は、今まで述べてきたESS技術を用いて容易に形成することができる。まず、公知のリソグラフィ法およびRIE法を用いて、シリコン基板61の表面に複数のトレンチを形成する。次に還元雰囲気中での高温の熱処理により、シリコンの表面マイグレーションを起こして、シリコン基板61内に大面積の空洞(ESS)を形成する。そして、公知のリソグラフィ法およびRIE法を用いて、シリコン基板の空洞上のシリコン領域(SON層)のうちSiパターン62として用いない部分を選択的に除去する。
Such an optical waveguide can be easily formed by using the ESS technology described so far. First, a plurality of trenches are formed on the surface of the
図34に従来のSOI基板を用いた光導波路の斜視図を示す。図において、61はシリコン基板、63はSiO2 層、64はシリコン基板を加工して形成したSiパターンを示している。従来のSiパターン64の上面および側面の周囲は本発明のSiパターン62と同様に空気であるが、底面は本発明のSiパターン62とは異なりSiO2 層63である。SiO2 の屈折率(=1.5)は空気の屈折率(=1.0)に比べて大きい。
FIG. 34 is a perspective view of an optical waveguide using a conventional SOI substrate. In the figure, 61 is a silicon substrate, 63 is a SiO 2 layer, and 64 is a Si pattern formed by processing a silicon substrate. Unlike the
そのため、図33に示した本発明の光導波路は、図34に示した従来の光導波路に比べて、外部に漏れ出る光量が圧倒的に少なくなり、光導波路として優れた特性(光閉じ込め特性)を持つものであるといえる。 For this reason, the optical waveguide of the present invention shown in FIG. 33 has much less light leaking to the outside than the conventional optical waveguide shown in FIG. 34, and has excellent characteristics as an optical waveguide (optical confinement characteristic). It can be said that it has something.
以上述べたように本実施形態によれば、良好な光閉じ込め特性を有する光導波路を実現でき、その結果として光損失の少ない光集積回路を実現することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, an optical waveguide having a good optical confinement characteristic can be realized, and as a result, an optical integrated circuit with little optical loss can be realized.
(第13の実施形態)
インダクタ、キャパシタ等の受動素子は、トランジスタ等の能動素子と同様に半導体基板上に形成される。受動素子と半導体基板との間の寄生容量、寄生抵抗(渦電流損:eddy-current loss)は大きい。
(13th Embodiment)
Passive elements such as inductors and capacitors are formed on a semiconductor substrate in the same manner as active elements such as transistors. The parasitic capacitance and parasitic resistance (eddy-current loss) between the passive element and the semiconductor substrate are large.
そのため、従来のインダクタ、キャパシタは、それに流れる信号の周波数が1GHz以上の高周波数になると、以下のような問題が起こる。すなわち、インダクタに関してはQ値が低くなり、キャパシタに関しては高精度なキャパシタンスを得ることが困難になるという問題が起こる。 For this reason, conventional inductors and capacitors have the following problems when the frequency of a signal flowing through them becomes 1 GHz or higher. That is, the Q value is lowered for the inductor, and it is difficult to obtain a highly accurate capacitance for the capacitor.
本発明は、上記問題を解決するために、半導体基板として平板状の空洞を有するシリコン基板を用い、そして平板状の空洞上のシリコン基板上に受動素子を形成する。このような構成であれば、受動素子と半導体基板との間の寄生容量、寄生抵抗を効果的に小さくでき、上述した問題を解決できる。 In order to solve the above problem, the present invention uses a silicon substrate having a flat cavity as a semiconductor substrate, and forms a passive element on the silicon substrate on the flat cavity. With such a configuration, the parasitic capacitance and parasitic resistance between the passive element and the semiconductor substrate can be effectively reduced, and the above-described problems can be solved.
図35に本発明を適用したインダクタを有する半導体装置の平面図および断面図を示す。また、図36に本発明を適用したMIMキャパシタを有する半導体装置の断面図を示す。図において、70はシリコン基板、71は平板状の空洞(ESS)、72はスパイラルインダクタ、73はメタル電極、74は絶縁膜、75はメタル電極をそれぞれ示している。シリコン基板70上にインダクタおよびキャパシタの両方を形成しても良い。
FIG. 35 shows a plan view and a cross-sectional view of a semiconductor device having an inductor to which the present invention is applied. FIG. 36 shows a cross-sectional view of a semiconductor device having an MIM capacitor to which the present invention is applied. In the figure, 70 is a silicon substrate, 71 is a flat cavity (ESS), 72 is a spiral inductor, 73 is a metal electrode, 74 is an insulating film, and 75 is a metal electrode. Both the inductor and the capacitor may be formed on the
平板状の空洞71を有するシリコン基板70の形成方法は、上述した実施形態のいずれの形成方法を用いて良い。このようなシリコン基板70を形成した後、従来通りにインダクタ等の受動素子、さらにはトランジスタ等の能動素子および配線層を形成する。空洞71の形成後に、受動素子等を形成する理由は、空洞71の形成には高温での熱処理が必要であるからである。
As a method of forming the
(第14の実施形態)
近年、半導体の分野においては、デバイスやモジュールの高密度化、高機能化が進んでいる。このような高密度化、高機能化に伴いデバイス等の発熱量が増大し、放熱が非常に難しくなってきている。
(Fourteenth embodiment)
In recent years, in the field of semiconductors, devices and modules have been increased in density and functionality. With such higher density and higher functionality, the amount of heat generated by devices and the like has increased, and heat dissipation has become very difficult.
従来の放熱方法の一つとして、デバイスまたはパッケージに放熱フィンを取り付け、デバイス等からの熱を熱伝導によってフィンに伝え、フィンからの熱伝導により空気中に熱を逃がす方法が知られている。しかし、上述したように発熱量が増大すると、十分な放熱効果は得られ無くなる。そこで、近年、機器全体の小型化や強制空冷(ファン)による放熱が主流となってきた。しかし、それでも必要な放熱効果を得ることが困難になってきている。 As one of conventional heat dissipation methods, a method is known in which a heat dissipation fin is attached to a device or a package, heat from the device or the like is transmitted to the fin by heat conduction, and heat is released into the air by heat conduction from the fin. However, when the amount of heat generation increases as described above, a sufficient heat dissipation effect cannot be obtained. Therefore, in recent years, heat radiation by downsizing of the entire device and forced air cooling (fan) has become mainstream. However, it is still difficult to obtain the necessary heat dissipation effect.
スーパーコンピュータ等のメインフレームにおいては、液体窒素またはフロン等の冷媒による冷却が主流である。この冷却方法を半導体デバイス等に適用することも考えられる。しかし、上記冷媒中に存在する不純物によって、端子や配線等が腐食するなどの問題が起こる。 In mainframes such as supercomputers, cooling with a refrigerant such as liquid nitrogen or chlorofluorocarbon is the mainstream. It is conceivable to apply this cooling method to a semiconductor device or the like. However, problems such as corrosion of terminals and wirings occur due to impurities present in the refrigerant.
本発明は、上記問題を解決するために、半導体基板として冷媒を流すための複数の冷却パイプを含むシリコン基板を用いる。このような構成であれば、冷却パイプに冷媒を流すことにより、高密度化、高機能化に伴うデバイス等の発熱量が増大しても、シリコン基板を効果的に冷却できるので、放熱の問題を解決できるようになる。さらに、冷媒は端子等が存在しない基板内部を流れるので、腐食の問題は起こらない。 In order to solve the above problem, the present invention uses a silicon substrate including a plurality of cooling pipes for flowing a coolant as a semiconductor substrate. With such a configuration, by flowing a coolant through the cooling pipe, the silicon substrate can be effectively cooled even if the amount of heat generated by a device or the like due to higher density and higher functionality is increased. Can be solved. Furthermore, since the refrigerant flows through the inside of the substrate where terminals and the like do not exist, the problem of corrosion does not occur.
図37に、本発明の第14の実施形態に係る冷却パイプ(冷却構造)を有するシリコン基板の斜視図を示す。図において、81はシリコン基板、82は冷却パイプをそれぞれ示している。なお、シリコン基板を冷却する際には図示しない冷媒供給機構を用意する。
FIG. 37 shows a perspective view of a silicon substrate having a cooling pipe (cooling structure) according to a fourteenth embodiment of the present invention. In the figure,
次に図38を用いて、本実施形態の冷却パイプを有するシリコン基板を用いた半導体装置の製造方法を説明する。 Next, a method of manufacturing a semiconductor device using a silicon substrate having a cooling pipe according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、Siウェハ83を用意する。図において84はスクライブラインを示している。
First, a
次に本発明のESS技術を用いて複数の平板状の空洞(中空構造)85をスクライブライン84に対して直交するように形成する。平板状の空洞85の形成方法は、上述した実施形態のいずれの形成方法を用いて良い。好ましくは、円筒状の空洞85が形成されるように、複数のトレンチのパターンを設計する。
Next, a plurality of flat cavities (hollow structures) 85 are formed so as to be orthogonal to the
その後、Siウェハの空洞85上のシリコン領域上に、必要な素子、配線等を周知の方法に従って形成し、所望の機能を有する複数の半導体装置(不図示)をSiウェハ83に形成する。
Thereafter, necessary elements, wirings, and the like are formed on the silicon region on the
最後に、スクライブライン84に沿ってSiウェハを周知の方法により切り、1枚のSiウェハ83から複数のチップを取り出す。このとき、空洞85が切断されるので、冷却パイプが同時に完成する。
Finally, the Si wafer is cut along a
(第15の実施形態)
本実施形態では、第6、第7の実施形態とは異なる、平板状のESSのつぶれを防ぐ技術について説明する。本実施形態の骨子は、空洞領域の内部につぶれを防止するためのSi柱を形成することにある。このようなSi柱は以下の方法により形成することができる。
(Fifteenth embodiment)
In the present embodiment, a technique for preventing the flat ESS from being crushed, which is different from the sixth and seventh embodiments, will be described. The essence of this embodiment is to form Si pillars for preventing crushing inside the hollow region. Such Si pillar can be formed by the following method.
まず、シリコン基板上に酸化膜などからなるマスク材を形成し、その上にフォトレジストパターンを形成する。マスク材は第1の実施形態で説明したものと同様のものが使用可能である。 First, a mask material made of an oxide film or the like is formed on a silicon substrate, and a photoresist pattern is formed thereon. The same mask material as that described in the first embodiment can be used.
次にフォトレジストパターンをマスクとして、異方性エッチング例えばRIEによりマスク材をパターニングし、マスク材にフォトレジストパターンのパターンを転写する。 Next, using the photoresist pattern as a mask, the mask material is patterned by anisotropic etching, for example, RIE, and the pattern of the photoresist pattern is transferred to the mask material.
次にフォトレジストパターンを炭化して剥離した後、パターニングされたマスク材をマスクとして異方性エッチング例えばRIEによりシリコン基板をパターニングして、シリコン基板の表面に複数のトレンチを2次元的に配列形成する。ここで、図39(a)に示すように、Si柱を形成する領域にはトレンチ4を形成しない。
Next, after carbonizing and peeling the photoresist pattern, the silicon substrate is patterned by anisotropic etching, for example, RIE, using the patterned mask material as a mask, and a plurality of trenches are two-dimensionally formed on the surface of the silicon substrate. To do. Here, as shown in FIG. 39A, the
図には1個のトレンチを取り除いた例を示したが、複数個のトレンチを取り除いても良い。取り除くトレンチの数によって、Si柱の大きさを変えることができる。 Although the figure shows an example in which one trench is removed, a plurality of trenches may be removed. The size of the Si pillar can be changed depending on the number of trenches to be removed.
最後に、マスク材2を除去した後、減圧下の還元性雰囲気中にて高温アニールを行うことにより、図39(b)に示すように、シリコン基板1の内部に1つの平板状の空洞5を形成するとともに、空洞5の内部に2つのSi柱1pを形成する。
Finally, after removing the
次にESSのつぶれを防ぐために効果的なSi柱の配置について説明する。Si柱は、空洞5の形成時または形成後の空洞5の外圧と空洞5の内圧との圧力差により、空洞5が押しつぶされることを防ぐために設けるものである。
Next, an arrangement of Si pillars effective for preventing ESS from collapsing will be described. The Si pillar is provided to prevent the
そこで、空洞5上のシリコン基板(以下、シリコン層という)の厚さt(=0.1μm、1μm)と、シリコン層の撓み量δとの関係を調べたみた。その結果を図40に示す。図から、空洞の幅に関係なく、シリコン層が薄い場合のほうが撓み量δは大きいことが分かる。
Therefore, the relationship between the thickness t (= 0.1 μm, 1 μm) of the silicon substrate (hereinafter referred to as the silicon layer) on the
撓み量δを小さくするには、例えばシリコン層の厚さが0.1μmの場合、空洞5の幅Wを5μm以下にすれば良い。この場合の撓み量δは、0.02μm以下という問題が無い大きさとなる。
In order to reduce the bending amount δ, for example, when the thickness of the silicon layer is 0.1 μm, the width W of the
より正確にその間隔を見積もるために、シリコン層の撓み計算式を用いて、シリコン層の厚さに対してどの程度の間隔でSi柱を配置すればよいか調べた。撓み量δがシリコン層の厚さの半分以下であれば、大きな影響を受けないことから、下記のシリコン層の厚さの幅wに関する不等式(3)を満たすように、Si柱を配列しておくことで問題なくESSを形成することができることが分かった。 In order to estimate the distance more accurately, it was investigated how far the Si pillars should be arranged with respect to the thickness of the silicon layer by using a deflection calculation formula of the silicon layer. If the deflection amount δ is less than half of the thickness of the silicon layer, it will not be greatly affected. Therefore, the Si pillars are arranged so as to satisfy the following inequality (3) regarding the width w of the thickness of the silicon layer. It was found that the ESS can be formed without any problems.
w≦t(E/0.0568P)1/4 (3)
ここで、Eはシリコンのヤング率(=0.13(N/μm2 ))、Pはシリコン層にかかる荷重(圧力)(N/μm2 )を示している。
w ≦ t (E / 0.0568P) 1/4 (3)
Here, E represents the Young's modulus of silicon (= 0.13 (N / μm 2 )), and P represents the load (pressure) applied to the silicon layer (N / μm 2 ).
シリコン層の厚さが0.1μmの場合、ESSのつぶれを防止するために必要なSi柱の間隔を(1)式に基づいて求めると、6.9μm以下となる。 When the thickness of the silicon layer is 0.1 μm, the distance between the Si pillars necessary for preventing the collapse of the ESS is calculated based on the formula (1), and is 6.9 μm or less.
以上述べたように、シリコン層が薄くても、空洞5内にSi柱1pを形成することで、空洞5の外圧と空洞5の内圧との圧力差による、空洞5のつぶれを効果的に抑制できるようになる。これにより、より大面積の空洞5を有するSON基板を実現できるようになる。さらに、SON基板の設計の自由度が高くなる。
As described above, even if the silicon layer is thin, the collapse of the
本発明者等は、図41に示すように、上から見た形状が円形である平板状の空洞5を有するSON基板について、シリコン層の撓み量を見積もってみた。
As shown in FIG. 41, the present inventors have estimated the amount of deflection of the silicon layer with respect to the SON substrate having a
この場合、最大の撓みは円の中心に生じ、シリコン層の撓み量δは次式(4)で与えられる。 In this case, the maximum deflection occurs at the center of the circle, and the deflection amount δ of the silicon layer is given by the following equation (4).
δ=0.0108Pa4 /(Et3 ) (4)
ここで、aは直径(μm)、tはシリコン層の厚さ(μm)を示している。
δ = 0.0108 Pa 4 / (Et 3 ) (4)
Here, a represents the diameter (μm), and t represents the thickness of the silicon layer (μm).
図41に示したSON基板のシリコン層の撓み量を、上から見た形状が矩形である平板状の空洞を有するSON基板のそれと比較してみる。 The amount of bending of the silicon layer of the SON substrate shown in FIG. 41 will be compared with that of a SON substrate having a flat plate-like cavity whose shape viewed from above is rectangular.
直径が矩形の短辺の長さと同じである円板の場合の最大撓み量は、矩形の場合の最大撓み量の3/8倍である。すなわち、円形の場合、その直径を1.27倍にすると、矩形の場合と同じ大きさの撓みが生じる。しかしながら、矩形の場合には長辺の長さを大きくしても、最大撓み量が増大することはないため、矩形のほうがより大面積の空洞を形成することができる。 The maximum amount of deflection in the case of a disc having the same diameter as the short side of the rectangle is 3/8 times the maximum amount of deflection in the case of a rectangle. That is, in the case of a circular shape, if the diameter is increased by 1.27 times, the same amount of bending as in the case of a rectangular shape occurs. However, in the case of a rectangle, even if the length of the long side is increased, the maximum amount of bending does not increase, so that a cavity with a larger area can be formed in the rectangle.
(第16の実施形態)
図42は、本発明の第16の実施形態に係る圧力センサを示す図である。
(Sixteenth embodiment)
FIG. 42 is a diagram showing a pressure sensor according to a sixteenth embodiment of the present invention.
図中、91は主面が{100}のn型SON基板、92はn型SON基板91中の矩形状の空洞、931 〜934 は空洞92の周辺部上の基板表面に形成された、ブリッジ回路を構成するゲージ抵抗としてのp型拡散層、94は配線としての基板表面に形成された高不純物濃度のp+ 型拡散層、95はAl等の金属からなる金属配線をそれぞれ示している。金属配線95は、n型SON基板91上に形成された図示しない絶縁膜に開口された接続孔を介して、p+ 型拡散層94に接続している。
In the figure, 91 is n-type SON substrate main surface is {100}, 92 rectangular cavity in the n-
本実施形態の圧力センサは、空洞92の外気圧と空洞92の内圧力との圧力差により、空洞92上のSON基板91(シリコン層)が撓むことを利用した、ダイヤフラム式半導体圧力センサである。圧力差によってシリコン層が撓むと、ピエゾ抵抗効果によってp型拡散層931 〜934 の抵抗(ゲージ抵抗)の値が変化する。この抵抗値の変化はブリッジ回路により電気信号として検出できる。これにより、シリコン層にかかる圧力を測定することが可能となる。
The pressure sensor of the present embodiment is a diaphragm type semiconductor pressure sensor that utilizes the bending of the SON substrate 91 (silicon layer) on the
空洞92は真空なので、測定される圧力は絶対圧となる。シリコン層にかかる圧力を大気圧を基準にして測定した場合には、図43に示すように、n型SON基板91の裏面に空洞92に繋がる開口部96を設ければ良い。
Since the
シリコン層の撓みの度合は、シリコン層の厚みおよびそのサイズによって変えることができる。そのため、本実施形態の圧力センサが測定できる圧力範囲は、シリコン層の厚みおよびそのサイズによって制御できる。したがって、シリコン層の厚みおよびそのサイズを適当に選ぶことにより、所望の圧力範囲を測定できる圧力センサを実現できる。 The degree of deflection of the silicon layer can be varied depending on the thickness of the silicon layer and its size. Therefore, the pressure range that can be measured by the pressure sensor of the present embodiment can be controlled by the thickness of the silicon layer and its size. Therefore, a pressure sensor capable of measuring a desired pressure range can be realized by appropriately selecting the thickness and size of the silicon layer.
図44に変形例に係る圧力センサを示す。この圧力センサは、主面が{110}のn型基板91を用いて作製したものである。主面が{100}のSON基板と、主面が{110}のSON基板とでは、その異方性によりシリコンの撓み量が同じでも、ピエゾ抵抗効果による抵抗の変化量が異なる。図43に示した圧力センサは、感度(ピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化量)が大きくなるように、p型拡散層931 〜934 のパターンを選んだものである。図45に、図43に対応した圧力センサを示す。
FIG. 44 shows a pressure sensor according to a modification. This pressure sensor is manufactured using an n-
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、シリコン基板を用いた場合について説明したが、本発明はシリコンゲルマニウム基板等の他の半導体基板に対しても有効である。すなわち、本発明によれば、シリコンに限定されない安価で信頼性の高いSOI(Semiconductor On Insulator)構造を提供することが可能となる。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, although the case where a silicon substrate is used has been described in the above embodiment, the present invention is also effective for other semiconductor substrates such as a silicon germanium substrate. That is, according to the present invention, it is possible to provide an inexpensive and highly reliable SOI (Semiconductor On Insulator) structure that is not limited to silicon.
また、上記実施形態では、2次元的に配列形成した複数のトレンチ2を熱処理によって1つの平板状の空洞に変えたが、同様な作用効果は、1次元的に配列形成した複数のストライプ状のトレンチを、熱処理によって1つの平板状の空洞に変えることによっても得られる。
Further, in the above-described embodiment, the plurality of
また、本発明のSOI構造に加えてCu配線を導入することによって、よりいっそうの高速化、省電力化を実現することができる。 Further, by introducing a Cu wiring in addition to the SOI structure of the present invention, further higher speed and power saving can be realized.
さらに、上記実施形態では、初期のトレンチ4を深さ方向に同じサイズのストレート型のトレンチを形成した場合について示したが、深さ方向にくびれを持つボトルシェイプトレンチを形成しても良い。すなわち、トレンチの深さ方向に対して、最小の断面積を有する平面がトレンチの底で無いことを特徴とするトレンチを形成しても良い。このような形状のトレンチを形成しても、トレンチ4を用いた場合と同様に、平板状の空洞を効果的に形成することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the
さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, if the problem to be solved by the invention can be solved, the configuration from which the constituent requirements are deleted can be extracted as an invention. . In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…シリコン基板、2…マスク材、3…フォトレジストパターン、4…溝(第1の溝)、5…平板状の空洞、5’…閉じていない空洞、6…球状の空洞、7…シリコン酸化膜、8…シリコン窒化膜、9…フォトレジストパターン、10…溝(第2の溝)、11…シリコン熱酸化膜、12…シリコン酸化膜、13…フォトレジストパターン、14…素子分離溝、15…シリコン熱酸化膜、16…シリコン酸化膜、17…ゲート酸化膜、18…ゲート電極、19,20…エクステンション、21…ゲート側壁絶縁膜、22…ソース拡散層
23…ドレイン層、24…シリコン熱酸化膜、25…シリコン窒化膜、26,27…フォトレジストパターン、28…溝(第3の溝)、29…シリコン酸化膜、30…シリコン窒化膜、31…フォトレジストパターン、32…シリコン酸化膜、33…SON層、41…SiGe層、42…シリコン層、43…下に空洞5が形成されていないSi領域、44…下に空洞5が形成されているSi領域、51…シリコン基板、52…トレンチ、53…球状の空洞、61…シリコン基板、62…Siパターン、63…SiO2 層、64…Siパターン、70…シリコン基板、71…平板状の空洞、72…スパイラルインダクタ、73…メタル電極、74…絶縁膜、75…メタル電極、81…シリコン基板、82…冷却パイプ、83…Siウェハ、84…スクライブライン、85…平板状の空洞(中空構造)、91…SON基板、92…矩形状の空洞、931 〜934 …p型拡散層(ゲージ抵抗)、94…p+ 型拡散層(配線)、95…金属配線、96…開口部。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチを1つの平板状の空洞に変える工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Forming a plurality of first trenches on a surface of a semiconductor substrate;
And a step of changing the plurality of first trenches into one flat cavity by performing a heat treatment on the semiconductor substrate.
前記第2のトレンチおよび前記平板状の空洞の内部を絶縁膜で埋め込む工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。 Forming a second trench reaching the flat cavity on the surface of the semiconductor substrate after forming the flat cavity;
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, further comprising: filling the second trench and the flat cavity with an insulating film.
前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチと前記第3のトレンチとを、平板状の空間領域を有し、かつ前記半導体基板の表面に開口面を有する閉じていない1つの空洞に変える工程と、
前記空洞の内部を絶縁膜で埋め込む工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Forming a plurality of first trenches on the surface of the semiconductor substrate and forming a third trench having a wider opening than the first trench;
By applying heat treatment to the semiconductor substrate, the plurality of first trenches and the third trench are not closed 1 having a flat space region and having an opening surface on the surface of the semiconductor substrate. The process of turning it into two cavities,
And filling the inside of the cavity with an insulating film.
前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチを1つの空洞に変え、かつ前記複数の第4のトレンチを消滅させ、これらの第4のトレンチおよび前記空洞が形成された領域を含む前記半導体基板の表面を平坦にする工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Forming a plurality of first trenches having an aspect ratio of 5 or more and a plurality of fourth trenches having an aspect ratio of 3 or less on the surface of the semiconductor substrate;
By applying heat treatment to the semiconductor substrate, the plurality of first trenches are changed into one cavity, and the plurality of fourth trenches are extinguished, and the fourth trench and the cavity are formed. And a step of flattening the surface of the semiconductor substrate comprising: a method of manufacturing a semiconductor substrate.
前記半導体基板に第1の熱処理を施すことによって、前記複数の第1のトレンチを1つの空洞に変える工程と、
前記半導体基板に第2の熱処理を施し、前記空洞の内部の圧力を変えることによって、前記半導体基板が存在する雰囲気の圧力と前記空洞の内部の圧力との差を小さくする工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Forming a plurality of trenches on the surface of the semiconductor substrate;
Changing the plurality of first trenches into one cavity by applying a first heat treatment to the semiconductor substrate;
Applying a second heat treatment to the semiconductor substrate, and changing a pressure inside the cavity to reduce a difference between an atmospheric pressure in which the semiconductor substrate exists and a pressure inside the cavity. A method of manufacturing a semiconductor substrate.
前記半導体基板に熱処理を施すことによって、前記複数のトレンチを1つの平板状の空洞に変える工程と、
前記半導体基板をエッチングし、前記空洞上の前記半導体基板の一部を選択的に残して、上面、側面および底面の周囲が空間である、光を通す導波路としての半導体領を前記半導体基板に組み込むように形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 Forming a plurality of trenches on the surface of the semiconductor substrate;
Changing the plurality of trenches into one flat cavity by applying heat treatment to the semiconductor substrate;
Etching the semiconductor substrate, selectively leaving a part of the semiconductor substrate on the cavity, and forming a semiconductor region as a waveguide through which light passes through the space around the top surface, the side surface, and the bottom surface of the semiconductor substrate. And a step of forming the semiconductor substrate so as to be incorporated.
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