JP5541069B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、SON(Silicon−On−Nothing)構造をアライメントマークとして用いた半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using an SON (Silicon-On-Nothing) structure as an alignment mark.
半導体装置を製造する場合に、複数回のフォトリソグラフィー工程がある。その場合、半導体基板であるシリコンウェハの表面に形成した凹部のアライメントマークに基づいて各種のパターニングの位置合わせが行なわれる。 In manufacturing a semiconductor device, there are a plurality of photolithography processes. In that case, various patterning alignments are performed based on the alignment marks of the recesses formed on the surface of the silicon wafer as the semiconductor substrate.
図30に示すように、SON構造102の空洞103上に任意のデバイス構造の素子(例えば、拡散分離層105で囲まれた横型のMOSトランジスタ104など)を形成する場合にも、凹部(トレンチ112a)のアライメントマーク112をシリコンウェハ101の表面に形成する必要がある。通常、このアライメントマーク112のトレンチ112aはSON構造102を形成するための図示しない微細なホールトレンチと同時に形成される。図中の符号で105は拡散分離層、106はシリコン層、107はソース層、108はドレイン層、109はゲート電極、110はソース電極および111はドレイン電極である。
As shown in FIG. 30, when an element having an arbitrary device structure (for example, a
図31は、SON構造の形成方法を説明した要部工程図である。シリコンウェハ101に微細なホールトレンチ113を形成する(図31(a))。つぎに、水素雰囲気(還元雰囲気)で高温減圧の雰囲気中でアニール処理することによって、ホールトレンチ113の表面のシリコンが表面エネルギーを最小にするように流動し、ホールトレンチ113の内部空間114が球状に変形する。これにより、ホールトレンチ113の開口部が次第に塞がるようにシリコン層115が形成される(図31(b))。さらに、隣接するホールトレンチ113の内部空間114が互いに結合することによって、一つの大きな空洞103が形成される。この空洞103と空洞103上の塞がったシリコン層116でSON構造102が形成される(図31(c))。この塞がったシリコン層116は、その周囲のバルク基板(空洞が形成されないシリコンウェハ101)との境界部分117において支持されている。このようにしてSON構造102が形成されることは知られている(特許文献1など参照)。
FIG. 31 is a main part process diagram explaining the method for forming the SON structure. A
このSON構造102の形成と同時に図30に示す凹部のアライメントマーク112がシリコンウェハ101の表面に形成される。そのとき、このアライメントマーク112となるトレンチ112aは、その表面が塞がらないように幅広に形成される。
Simultaneously with the formation of the
また、MOSFETにおいて、オン抵抗と耐圧のトレードオフが改善できるSJ(Super Junction:超接合)−MOSFETが近年注目されている。
図32は、SJ−MOSFETの要部断面図である。このSJ−MOSFET120は、アライメントマーク130形成後のシリコンウェハ121にエピタキシャル成長による成膜122とイオン注入によるカラム123形成のためのパターニングを繰り返し行って形成される。側面の点線はシリコンウェハ121に形成された凹部のアライメントマーク130である。尚、図中の符号で124はウェル層、125はソース層、126はゲート電極、127はソース電極、128はドレイン層および129はドレイン電極である。
Further, in recent years, attention has been focused on SJ (Super Junction) -MOSFET, which can improve the trade-off between on-resistance and breakdown voltage.
FIG. 32 is a cross-sectional view of a principal part of the SJ-MOSFET. The SJ-
また、特許文献2では、基板上に形成されたアライメントマークをレーザービームの反射回折光によって検出する方法において、アライメントマークのエッジにより反射する被検出光を検出するセンサ部と、該センサ部に隣接して被検出光の方向と直角方向のノイズ光を検出するセンサ部とを備え、ノイズ光を検出するセンサ部のノイズ信号と、被検出光を検出するセンサ部の検出信号とを、いずれか一方を反転させて加算することで、カラーフィルタの製造工程で生じるアライメントミスを低減させることが記載されている。
Further, in
また、特許文献3では、シリコン基板の上部両側に形成された素子分離絶縁膜、素子分離絶縁膜の間のシリコン基板表面に順に形成されたゲート絶縁膜とゲート電極、ゲート絶縁膜と素子分離絶縁膜の間のシリコン基板上部に形成されたソース領域とドレイン領域、ゲート絶縁膜下部のシリコン基板内部に形成されたブリスター、ブリスターとソース領域及びドレイン領域によって取り囲まれるシリコン基板内部のシリコンチャンネルを含み、ブリスターを水素またはヘリウムイオンで形成することで、バルク(bulk)構造及びSOI構造の短所を同時に改善することができるSON構造を利用したMOSFET及びその製造方法が記載されている。
Further, in
また、特許文献4では、半導体記憶装置の製造方法において、半導体基板に複数のトレンチを形成し、半導体基板を水素雰囲気中において熱処理することによって、複数のトレンチの上部の開口を塞ぎつつ該複数のトレンチの下部の空間を互いに結合し、空洞上に設けられた半導体層を形成し、素子分離形成領域にある半導体層をエッチングし、半導体層の側面および底面に絶縁膜を形成し、半導体層の下の空洞に電極材料を充填し、素子分離形成領域における電極材料上に絶縁膜を形成することによって素子分離を形成し、半導体層上にメモリ素子MCを形成することを具備することで、従来の設計環境を活用することができ、製造コストの低い半導体記憶装置およびその製造方法を提供できることが記載されている。
Further, in
また、非特許文献1では、SON構造の上にトランジスタを形成し、SON構造を分離層の一部として利用することが記載されている。
Non-Patent
しかし、前記のSON構造102の素子のアライメントマーク112は、SON形成後に多少マーク崩れが生じる。そのため、露光機側の認識性が悪化し高精度な位置合わせは困難になる。
However, the
図33は、SON構造の素子のアライメントマーカを含む要部断面図であり、同図(a)はアライメントマーカ用の凹部(トレンチ112a)と素子直下に配置されるSON構造となるホールトレンチの要部断面図、同図(b)は水素雰囲気で高温減圧でのアニール処理後の要部断面図である。同図(b)に示すように、アニール処理した後のアライメントマークにパターン崩れが生じる。
FIG. 33 is a cross-sectional view of a main part including an alignment marker of an element having a SON structure. FIG. 33A shows a main part of a recess (
また、図34は、SJ−MOSFETのエピタキシャル成長工程でのアライメントマークの要部断面図であり、同図(a)はエピタキシャル成長前のアライメントマークの図、同図(b)はエピタキシャル成長後のアライメントマークの図、同図(c)はアライメントマークを再度形成した図である。 FIG. 34 is a cross-sectional view of the main part of the alignment mark in the epitaxial growth process of the SJ-MOSFET. FIG. 34 (a) shows the alignment mark before epitaxial growth, and FIG. 34 (b) shows the alignment mark after epitaxial growth. FIG. 6C is a diagram in which alignment marks are formed again.
図34(b)に示すように、エピタキシャル成長毎にアライメントマーク130の形状崩れが生じ、位置合わせ精度が悪化したり、アライメントマーク130が消失して位置合わせができなくなる。このため、マーク崩れや消失を抑えるためにエピタキシャル成長レートを抑制したり、同図(c)のようにアライメントマーク130aを再形成する必要がある。尚、図中の符号で121はシリコンウェハであり、131はエピタキシャル層である。
As shown in FIG. 34B, the shape of the
また、従来の凹部のアライメントマークでは、フォトリソグラフィー工程でレジストが凹部に残留して素子の信頼性を低下させる場合がある。
また、特許文献1〜4と非特許文献1のいずれにも、SON構造をフォトリソグラフィー工程のアライメントマークとして用いることは記載されていない。
Further, in the conventional recess alignment mark, the resist may remain in the recess during the photolithography process, thereby reducing the reliability of the element.
Neither
この発明の目的は、前記の課題を解決して、フォトリソグラフィー工程で、凹部のアライメントマークにレジストが残留することを考慮する必要がない半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that solves the above-described problems and does not need to consider that a resist remains on an alignment mark in a recess in a photolithography process.
また、SON構造上に素子を形成する半導体装置の製造方法において、SON構造とこのSON構造上の素子を正確に位置合わせできる半導体装置の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which an element is formed on a SON structure and the SON structure and an element on the SON structure can be accurately aligned.
また、SJ−MOSFETなどのように、パターニングとエピタキシャル成長を繰り返して製造される半導体装置の製造方法において、アライメントマークのパターン崩れや消失を考慮せずに正確な位置合わせができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 In addition, in a method for manufacturing a semiconductor device such as SJ-MOSFET, which is manufactured by repeating patterning and epitaxial growth, a method for manufacturing a semiconductor device capable of performing accurate alignment without taking into account pattern collapse or disappearance of alignment marks. It is to provide.
また、前記のアライメントマークの検出にシリコンウェハを透過する透過型レーザを用いる半導体装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using a transmission laser that transmits a silicon wafer for the detection of the alignment mark.
前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明によれば、半導体ウェハの無効領域に微細なホールトレンチを多数形成する工程と、アニール処理により前記ホールトレンチの上部を塞ぎつつ該ホールトレンチの各空間を互いに結合して一つの大きな空洞であるSON構造を形成する工程と、前記SON構造をフォトリソグラフィーのアライメントマークとして用い、前記半導体ウェハに半導体素子を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a process of forming a large number of fine hole trenches in an ineffective region of a semiconductor wafer, and an upper portion of the hole trenches by an annealing process. Forming a SON structure which is one large cavity by bonding the spaces of the hole trenches together while closing the substrate, and forming a semiconductor element on the semiconductor wafer using the SON structure as an alignment mark for photolithography And a method of manufacturing a semiconductor device.
また、特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記無効領域が、ダイシングラインの箇所もしくは該ダイシングライン外の前記半導体ウェハのデッドスペースであるとよい。
According to the invention described in
また、特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記アライメントマークが、前記半導体ウェハを透過する波長を有するレーザで検出されるとよい。 According to a third aspect of the present invention, the alignment mark may be detected by a laser having a wavelength that transmits the semiconductor wafer.
また、特許請求の範囲の請求項4に記載の発明によれば、請求項3に記載の発明において、前記レーザが、赤色レーザもしくは赤外線レーザであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項5に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記アライメントマークとなるSON構造が、半導体素子を構成するSON構造と同時に形成されるとよい。
According to the invention described in
According to the invention described in
また、特許請求の範囲の請求項6に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記アライメントマークとなるSON構造が、超接合素子の多段エピタキシャル成長層に形成されるカラム同士の位置合わせおよび該カラムと該カラムに接続するウェル層の位置合わせに用いられるとよい。
According to the invention described in
また、特許請求の範囲の請求項7に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記アニール処理が、100%水素雰囲気で、温度が1000℃〜1200℃の範囲、圧力が133Pa〜2660Paの範囲で行なわれるとよい。
Further, according to the invention described in
この発明によると、フォトリソグラフィー工程で従来のようにアライメントマークにレジストが残留することを考慮する必要がなくなり、素子の信頼性の向上させることができる。 According to the present invention, it is not necessary to consider that the resist remains on the alignment mark as in the prior art in the photolithography process, and the reliability of the element can be improved.
また、シリコンウェハのダイシングラインなどの無効領域の内部にSON構造のアライメントマークを形成し、このアライメントマークを赤色レーザ(透過型レーザ)で認識することで、SON構造上に素子を形成する場合や繰り返しのエピタキシャル成長で素子を形成する場合に正確な位置合わせをすることができる。 In addition, an SON structure alignment mark is formed inside an ineffective area such as a dicing line of a silicon wafer, and an element is formed on the SON structure by recognizing the alignment mark with a red laser (transmission type laser). When an element is formed by repeated epitaxial growth, accurate alignment can be performed.
また、SON構造をアライメントマークにすることで、従来、エピタキシャル成長時に発生していたアライメントマークの形状崩れを考慮する必要がなくなり、エピタキシャル成長レートを向上できて、製造工程でのスループットを向上させることができる。 In addition, by using the SON structure as an alignment mark, it is not necessary to consider the shape deformation of the alignment mark that has conventionally occurred during epitaxial growth, the epitaxial growth rate can be improved, and the throughput in the manufacturing process can be improved. .
また、従来のようにアライメントマークの再形成などのプロセスが不要となり、製造プロセスの短縮化を図ることができる。 Further, a process such as re-formation of the alignment mark as in the prior art becomes unnecessary, and the manufacturing process can be shortened.
実施の形態を以下の実施例で説明する。 Embodiments will be described in the following examples.
図1〜図5は、この発明の第1実施例の半導体装置の製造方法を示す工程図であり、工程順に示す要部製造工程断面図である。この半導体装置の製造方法は、SON構造のアライメントマークの形成方法とこのアライメントマークを認識する方法について説明したものである。 1 to 5 are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and are cross-sectional views of main part manufacturing processes shown in the order of steps. This method for manufacturing a semiconductor device describes a method for forming an alignment mark having a SON structure and a method for recognizing the alignment mark.
まず、図1に示すように、主面1aが(001)面のシリコンウェハ1(半導体基板)上に、例えば、1μm程度の膜厚の酸化膜2を形成する。ここでは、主面1aを(001)面としたが、違う面方位の場合もある。
First, as shown in FIG. 1, an
つぎに、図2に示すように、酸化膜2上にレジストマスク3を被覆し、このレジストマスク3により酸化膜2をエッチングしてパターニングし、アライメントマーク9形成のための酸化膜マスク2aを形成する。
Next, as shown in FIG. 2, a resist
つぎに、図3に示すように、この酸化膜マスク2aにより、シリコンウェハ1のダイシングライン4の表面層を選択的にエッチングして、SON構造11のアライメントマーク9となる多数のホールトレンチ5を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, the surface layer of the
図6は、ホールトレンチ5について示した図であり、同図(a)はダイシングライン4を示したシリコンウェハ1の平面図、同図(b)は同図(a)のA部に示すダイシングライン4の拡大図、同図(c)は同図(b)のB部に形成されるホールトレンチ5の配置図である。尚、図中の符号で7はチップ内の活性領域、8はこの活性領域7に形成されるホールトレンチである。1個のホールトレンチ5、8の寸法は、例えば、縦L1=1μm程度、横L2=1μm程度、深さT=5μm程度(図3参照)、間隔Q=0.5μm程度である。尚、このホールトレンチ5、8の形状は四角形以上の多角形や円形とする。また、その寸法は、例えば、四角形や円形の場合、縦L1、横L2または直径が0.4μm〜1.5μm程度の範囲、間隔Qは0.4μm〜1.5μm程度の範囲、深さTは5μm〜10μm程度の範囲がよい。また、ホールトレンチ5、8は格子点の配置が正方形となった正方形配置(図6(c)の配置)や格子点の位置の配置が正三角形となった正三角形配置とするとよい。
6A and 6B are diagrams showing the
また、ホールトレンチ5はダイシングライン4から外れた箇所で、例えば、図6(a)に示すように、チップ内で不要となる箇所(デットスペース6)に形成しても構わない。
また、素子を形成する活性領域7に形成されるSON構造23(例えば、図8参照)のホールトレンチ8はアライメントマーク9となるSON構造11のホールトレンチ5と同一寸法で同時に形成される。
Further, the
Further, the
つぎに、図4に示すように、温度が1000℃から1200℃、圧力が133Pa(1Torr)〜2660Pa(20Torr)の範囲の高温減圧下の100%水素雰囲気中の処理炉11aでアニール処理を0.5時間〜2時間程度行い、ホールトレンチ5の上部を塞ぎつつこのホールトレンチ5の各空間を互いに結合して一つの大きな空洞10であるSON構造11のアライメントマーク9を形成する。また、図6で示す活性領域7下に形成されるホールトレンチ8も同時にアニール処理されて、図8で示すような一つの空洞22で構成されるSON構造23が形成される。
Next, as shown in FIG. 4, the annealing treatment is performed in a
図7は、アライメントマークの一例の要部平面図であり、同図(a)はアニール前のホールトレンチの配置図、同図(b)はアニール後でSON構造を形成した図である。同図(a)において、点線9aは同図(b)のアライメントマーク9となるホールトレンチ5が形成される領域を示す。ホールトレンチ5はこの十字の点線9aの内側全域に配置されるが、ここではその一部を示した。
FIG. 7 is a plan view of the main part of an example of an alignment mark, where FIG. 7A is a layout diagram of hole trenches before annealing, and FIG. 7B is a diagram in which a SON structure is formed after annealing. In FIG. 9A, a
アライメントマーク9としては、図7で示すように、十字が描かれたパターンを例に挙げた。アニール処理後形成されるアライメントマーク9の大きさは、例えば、パターンの幅W=4μm〜6μm程度、十字の腕の長さL=10μm〜15μm程度、空洞の深さP=1μm〜2μm程度(図4参照)であり、通常のシリコンウェハの表面に形成される凹部のアライメントマークとほぼ同じ大きさである。このアライメントマーク9の大きさと形状は、勿論、任意に設定できる。尚、図7(a)では、ホールトレンチ5は一部のみ記載した。
As the
また、前述したSON構造11、23形成時のアニール処理の温度範囲と圧力範囲を外れると、SON構造11の形成が困難になる。温度が1000℃未満の場合には、ホールトレンチ5に挟まれたシリコン壁(図6(c)の間隔Qで示す箇所)の変形量が少なくなり各ホールトレンチ5の上部空間が塞がり難くなる。また、温度が1200℃超の場合には、空洞10が潰れて形成されないことがある。また、圧力は減圧にするほど好ましいが、133Pa未満にすることは現在の処理装置では限界である。また、圧力を2660Pa超にすると、ホールトレンチ5に挟まれたシリコン壁の変形量が少なくなり各ホールトレンチ5の上部空間を塞ぐのに時間が掛かり過ぎる。しかし、アニール処理時の圧力に関しては、常圧でもSON構造11が形成されることは発明者により確認されている。また、本実施例では、100%水素雰囲気でのアニール処理について示すが、そのほかにも、希ガスと水素からなる雰囲気または水素を含む還元性雰囲気でもよい。その他の水素を含まないものでもアニール処理時の雰囲気としては、超高真空、希ガス雰囲気、還元性雰囲気であれば、SON構造を形成することができる。
Further, if the temperature range and pressure range of the annealing process at the time of forming the
つぎに、図5に示すように、シリコンウェハ1を透過する波長のレーザ(例えば、赤色レーザ)を用いて、露光機12にセットされたレチクルマスク17に形成されたアライメントマーク18とシリコンウェハ1に形成されたアライメントマーク9との位置合わせを行う。
Next, as shown in FIG. 5, the
この位置合わせで、シリコンウェハ1が位置決めされるとシリコンウェハ1に形成される素子の位置決めも露光機12により自動的に行なわれる。図5においては、SON構造11のアライメントマーク9の検出はつぎのようにして行なう。
In this alignment, when the
露光機12に設置された波長が670μm程度の赤色レーザの出射部13から出射される出射光14をシリコンウェハ1の表面に入射する。この入射光14の一部はアライメントマーク9となるSON構造11の空洞10上で反射して反射光16になる。他は透過光114aとなって空洞10下のシリコンウェハ1内を通過する。反射光16は露光機11に設置された検出部15で捉えられる。捉えられた反射光16の反射強度の変化からアライメントマーク9を検出する。赤色レーザの入射をシリコンウェハ1の裏面から行なって、その反射強度の変化からアライメントマーク9を検出する場合もある。また、赤色レーザの透過強度の変化を利用して行なう場合もある。
The
また、赤色レーザの代わりに赤外線レーザや赤色LED(発光ダイオード)などを用いても構わない。この場合は出射部13と検出部15はそれらに対応できるように変更する。
Further, an infrared laser, a red LED (light emitting diode), or the like may be used instead of the red laser. In this case, the
このSON構造11のアライメントマーク9を用いることで、SON構造上に素子を形成する製造プロセスやエピタキシャル成長を多数回行う製造プロセスにおいて、アライメントマークの形状崩れや消失を考慮する必要がなくなる。
By using the
その結果、エピタキシャル成長を多数回行う製造プロセスにおいては、エピタキシャル成長レートを向上できて、製造工程でのスループットを向上させることができる。
また、従来のようにアライメントマークの再形成などの製造プロセスが不要となり、製造プロセスの短縮化を図ることができる。
As a result, in the manufacturing process in which epitaxial growth is performed many times, the epitaxial growth rate can be improved, and the throughput in the manufacturing process can be improved.
In addition, a manufacturing process such as re-formation of an alignment mark as in the prior art becomes unnecessary, and the manufacturing process can be shortened.
また、フォトリソグラフィー工程でアライメントマークにレジストが残留することを考慮する必要がなくなる。後述する実施例2や実施例3の素子以外の素子を製造する際のフォトリソグラフィ工程にもこのSON構造11のアライメントマーク9を用いることで、レジスト残りを無くすることができて素子の信頼性を高めることができる。
Further, it is not necessary to consider that the resist remains on the alignment mark in the photolithography process. By using the
つぎに、このアライメントマーク9を用いて、SON構造上のMOSトランジスタや多段エピタキシャル層のSJ−MOSFETなどの素子を形成する場合の実施例について以下に説明する。
Next, an embodiment in which an element such as a MOS transistor having a SON structure or a multistage epitaxial layer SJ-MOSFET is formed using the
図8〜図17は、この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法を示す工程図であり、工程順に示す要部製造工程断面図である。この半導体装置はSON構造と拡散分離層で構成された絶縁分離構造を有する横型のMOSトランジスタの例である。これはSON構造をSOI(Silicon On Insulator)構造の代わり利用した絶縁分離構造の半導体装置の例である。 8 to 17 are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and are cross-sectional views of main part manufacturing processes shown in the order of steps. This semiconductor device is an example of a lateral MOS transistor having an insulating isolation structure composed of a SON structure and a diffusion isolation layer. This is an example of a semiconductor device having an insulating isolation structure in which the SON structure is used in place of an SOI (Silicon On Insulator) structure.
まず、図8に示すように、SON構造11のアライメントマーク9と、素子形成箇所の下にSON構造23を同時に形成したn型のシリコンウェハ21を用意する。アライメントマーク9となるSON構造11と、素子直下に形成されるSON構造23を同時に形成することで、製造コストを低減できる。尚、図8はSON構造11,23を形成したシリコンウェハ21の要部断面図であり、同図(a)は全体図、同図(b)は同図(a)のC部の拡大断面図である。図中の符号の10はアライメントマーク9となる空洞であり、22はSON構造23の空洞である。。
First, as shown in FIG. 8, an
つぎに、図9に示すように、シリコンウェハ21上にエピタキシャル成長でシリコンウェハ21より低濃度で単結晶のn型で低濃度のシリコン層24を形成する。SON構造23の空洞22上のシリコン層24を貫通し空洞22に達するp型の拡散分離層25(高濃度の拡散層)を形成する。この拡散分離層25はアライメントマーク9で位置合わせされて空洞22上のシリコン層24とSON構造23のシリコン層26(薄膜)を取り囲むように形成される。アライメントマーク9の認識は、前記したように、赤色レーザで行なう。図10以降は図9(b)に相当する要部断面図である。
Next, as shown in FIG. 9, a single-crystal n-type and low-
つぎに、図10に示すように、拡散分離層25で取り囲まれたシリコン層24の上面にゲート酸化膜となる酸化膜27と選択酸化膜28を形成する。
つぎに、図11に示すように、全面にゲート電極となるポリシリコン29を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, an
Next, as shown in FIG. 11,
つぎに、図12に示すように、レジスト塗布装置のスピンナー台30にシリコンウェハ21をセットし、ポリシリコン29上にレジスト31を塗布し、その後このレジスト31を硬化させる。
Next, as shown in FIG. 12, a
つぎに、図13に示すように、レジスト31で被覆されたシリコンウェハ1を露光機32にセットする。続いて、シリコンウェハ21に形成されたSON構造11のアライメントマーク9に露光機32から、例えば、波長が670nmの赤色レーザの入射光33を照射して、その反射光34の反射強度の変化により、露光機32にセットされたレチクルマスク35のアライメントマーク36とシリコンウェハ21のSON構造11のアライメントマーク9との位置決めを行う。この位置決めはSON構造23上のシリコン層24に素子が確実に形成できるようにシリコンウェハ21を位置決めするためのものである。赤色レーザはシリコンウェハ21の表面から入射させ、その反射強度の変化でこの位置決めが行なわれる。勿論、裏面から照射してその反射強度の変化で位置決めしても構わない。
Next, as shown in FIG. 13, the
つぎに、図14に示すように、位置決めされたシリコンウェハ21上のレジスト31に露光機32から出射される露光用の光37をレチクルマスク35を通して照射しレジスト31を露光する。この露光でレチクルマスク35に形成されたパターン35aがレジスト31に投影される。露光機32としては、例えば、1ショット毎に露光箇所が移動するステッパ装置などを用いる。ここではレジスト31はネガレジストの場合を示す(光が当たった箇所にレジストが残る)。勿論、ボジレジストを用いる場合もある。
Next, as shown in FIG. 14, the resist 31 on the positioned
つぎに、図15に示すように、露光が終わったシリコンウェハ21を取り出し、シリコンウェハ上のレジストをエッチングでパターニングしてレジストマスク38を形成する。
つぎに、図16に示すように、レジストマスク38によりポリシリコン29をエッチングしてゲート電極39を形成した後、レジストマスク38を除去する。
Next, as shown in FIG. 15, the exposed
Next, as shown in FIG. 16, after the
つぎに、図17に示すように、ゲート電極39と選択酸化膜28をマスクとして、リンまたは砒素などのn型の不純物をイオン注入し、その後熱拡散してソース層41とドレイン層42を形成する。その後、ゲート電極39下を除いてゲート酸化膜27を除去し、ソース電極43とドレイン電極44を形成する。続いて、点線で示すダイシングライン45に沿ってシリコンウェハ21を切断してチップ化し、側面が拡散分離層25で囲まれ底部がSON構造23の空洞22である絶縁分離層を有する横型のMOSトランジスタが形成される。図では一つのMOSトランジスタが形成されているが、実デバイスでは多数の素子が拡散分離層25で囲まれたシリコン層24に形成されてIC(集積回路)を構成する。
Next, as shown in FIG. 17, an n-type impurity such as phosphorus or arsenic is ion-implanted using the
このように、図17に示すように、SON構造23を絶縁分離層の底部として用いると、底部の分離が空洞22であるため、図18に示すように、SOI基板50(酸化膜52による絶縁分離層)に形成した横型のMOSFETと比べて、分離容量を小さくできる。その結果、SON構造23上に素子を形成することで、半導体装置の高速性能を高めることができる。但し、図18の符号において、51はシリコン基材、53はシリコン層、54は拡散分離層、55は選択酸化膜、56はゲート絶縁膜、57はゲート電極、58はソース層、59はドレイン層、58aはソース電極および59aはドレイン電極である。
Thus, as shown in FIG. 17, when the
尚、ここでは素子として横型のMOSトランジスタの例を挙げたがこれに限るものではなく、任意の素子を複数個SON構造23上のシリコン層24に形成することができる。また、前記したシリコン層24は単結晶層であるが、ポリシリコン層などの場合もある。
Here, an example of a horizontal MOS transistor has been described as an element, but the present invention is not limited to this, and a plurality of arbitrary elements can be formed on the
図19〜図29は、この発明の第3実施例の半導体装置の製造方法を示す工程図であり、工程順に示す要部製造工程断面図である。この半導体装置はプレーナ型ゲート構造を有する600V耐圧のSJ−MOSFETの例である。 FIGS. 19 to 29 are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, and are cross-sectional views of main part manufacturing processes shown in the order of steps. This semiconductor device is an example of a 600V withstand voltage SJ-MOSFET having a planar gate structure.
まず、図19に示すように、SON構造11のアライメントマーク9を形成したn型のシリコンウェハ61上にバッファ層となるn型のシリコン層62を形成する。このシリコン層61はシリコンウェハ61より不純物濃度が低いエピタキシャル層である。図中の符号で10はSON構造11の空洞、22はSON構造23の空洞である。尚、図19はシリコンウェハ61のアライメントマーク9を示す断面図であり、同図(a)は全体図、同図(b)は同図(a)のD部の拡大図である。
First, as shown in FIG. 19, an n-
つぎに、図20に示すように、このシリコン層62上にこのシリコン層62より低濃度のエピタキシャル層63の成膜とパターニング処理を行った後、pカラム構造を形成するために、例えば、ドーズ量1.0×1013cm-2でボロンイオン71(p型の不純物)のイオン注入70をレジストマスク69で行う。レジストマスク69のパターニング処理においては、SON構造11のアライメントマーク9を用い、シリコンウェハ61を透過する波長を持つ、例えば、670nmの赤色レーザ72を用いて図示しないレチクルマスクとシリコンウェハ61に形成されるSON構造11のアライメントマーク9の位置合わせを行う。この時の赤色レーザ72の入射光72aはシリコンウェハ61の表面から行なう。勿論、裏側から行なう場合もある。尚、図中の符号の72bは反射光である。
Next, as shown in FIG. 20, after forming and patterning an
つぎに、図21において、このエピタキシャル成長工程とSON構造11のアライメントマーク9を用いたパターニング処理およびボロンイオン71のイオン注入70を複数回繰り返す。ここでは、5回(エピタキシャル層63〜67)の例を示したがこれに限るものではない。また、図示しないが、ボロンイオン71のイオン注入70前にエピタキシャル層63〜67の全面にリンイオンのイオン注入を行う。尚、レジストマスク69の形成と除去はエピタキシャル層を形成する度に繰り返し、その都度アライメントマーク9による位置合わせを行なう。
Next, in FIG. 21, the epitaxial growth process, the patterning process using the
つぎに、図22に示すように、エピタキシャル層67上に最上層のエピタキシャル層75を形成する。この段階でエピタキシャル成長は7回行われる。この回数は後述するように素子耐圧に依存する。
Next, as shown in FIG. 22, the
つぎに、図23に示すように、熱処理することで、p型のカラム構造73とn型のカラム構造74を形成する。ここでは、p型のカラム構造73と接するn型の半導体層のことをn型のカラム構造74と呼ぶことにする。このp型のカラム構造73は、n型のカラム構造74に囲まれた柱状をしており、n型のカラム構造74の内部に形成される。これはn型のカラム構造74という「海」にp型のカラム構造73の「柱」が林立しているようなものである。このp型のカラム構造74の深さSはここでは50μm程度である。また、この積層されて形成されるp型のカラム構造73とn型のカラム構造74において、これらのカラム構造73,74が接する垂直方向のpn接合は、SON構造11のアライメントマーク9を利用することによって、正確に形成される。
Next, as shown in FIG. 23, a p-
前記したp型のカラム構造73の深さS(50μm)は、600V耐圧の場合であり、素子耐圧が高くなると、このp型のカラム構造73の深さSはさらに深くなる。その場合、n型のエピタキシャル層の形成回数は多くなり、全体のn型のエピタキシャル層の厚さはさらに厚くなる。
The depth S (50 μm) of the p-
尚、前記の熱処理でp型のカラム構造73はシリコン層62とn型のエピタキシャル層75に食い込んで形成される。
つぎに、図24に示すように、この最上層のn型のエピタキシャル層75上にゲート酸化膜となる酸化膜76を形成し、これらの酸化膜76上にゲート電極となるポリシリコン77を形成する。
The p-
Next, as shown in FIG. 24, an
つぎに、図25に示すように、SON構造11のアライメントマーク9を用いて、レジストマスク78を形成し、このレジストマスク78を用いてポリシリコン77をパターニングし、ゲート電極79を形成する。
Next, as shown in FIG. 25, a resist
つぎに、図26に示すように、ゲート電極79とレジスト80をマスクとして、p型のカラム構造上でこのp型のカラム構造73に接続するp型のウェル層81をボロンのイオン注入と熱拡散により形成する。SON構造11のアライメントマーク9を用いることで、ゲート電極79の位置、p型のカラム構造73の位置およびp型のウェル構造81の位置を正確に決めることができる。p型のウェル層81を形成するときの熱処理でp型のカラム構造73は最上層のエピタキシャル層75に伸び行き、p型ウェル層81と接続する。
Next, as shown in FIG. 26, using the
つぎに、図27に示すように、ゲート電極79とレジスト82をマスクとしてn型のソース層83を形成する。
つぎに、図28に示すように、層間絶縁膜84(BPSG)、絶縁膜85、ソース表面電極86、ならびに表面保護膜87を形成する。その後、シリコンウェハ61の裏面61aをバックグラインド(裏面研削)してエピタキシャル層を含むシリコンウェハ61の厚みRを675μm程度から280μm程度まで薄くする。
Next, as shown in FIG. 27, an n-
Next, as shown in FIG. 28, an interlayer insulating film 84 (BPSG), an insulating
つぎに、図29に示すように、シリコンウェハ61の裏面61aにn型のドレイン層88とドレイン裏面電極89を形成した後、ダイシングライン90に沿ってシリコンウェハ61を切断してチップ化し、600V耐圧のSJ−MOSFETが完了する。この切断によってSON構造11のアライメントマークの箇所はチップ91から切り離される。尚、チップ91の外周部92の矢印の範囲93に図示しない耐圧構造部を形成する。また、シリコンウェハ61が高濃度である場合はこのシリコンウェハ61がドレイン層の働きをする。その場合には、ドレイン裏面電極89との接触抵抗を小さくするために、ドレイン層88ではなく高濃度のコンタクト層を形成する場合もある。
Next, as shown in FIG. 29, after an n-
前記したように、SON構造11のアライメントマーク9を用いることで、複数回のエピタキシャル層の形成を行い各エピタキシャル層に不純物の拡散層を選択的に形成する場合でもアライメントマーク9の形状崩れや消失を考慮する必要がない。その結果、エピタキシャル成長レートを従来より向上できて、製造工程でのスループットを向上させることができる。
As described above, by using the
また、従来のようにアライメントマークの再形成などの製造プロセスが不要となるため、製造プロセスの短縮化を図ることができる。
また、実施例3ではプレーナ型のSJ−MOSFETの例を説明したが、図示しないトレンチ型のSJ−MOSFETにも適用できることは勿論である。
In addition, since a manufacturing process such as re-formation of an alignment mark is not required as in the prior art, the manufacturing process can be shortened.
In the third embodiment, an example of a planar SJ-MOSFET has been described. However, it is needless to say that the present invention can also be applied to a trench SJ-MOSFET (not shown).
1、21、61 シリコンウェハ
1a 主面
2 酸化膜
2a 酸化膜マスク
3 レジストマスク
4、45、90 ダイシングライン
5 ホールトレンチ(アライメントマークの箇所に形成される)
6 デットスペース
7 活性領域
8 ホールトレンチ(活性領域に形成される)
9 アライメントマーク
9a 点線(十字)
10 空洞(アライメントマーク)
11 SON構造(アライメントマーク)
11a 処理炉
12 露光機
13 出射部
14、33、72a 入射光
14a 透過光
15 検出部
16、34、72b 反射光
17、35 レチクルマスク
18 アライメントマーク(レチクルマスク)
22 空洞(活性領域のSON構造)
23 SON構造(活性領域)
24、62 シリコン層
25 拡散分離層
26 シリコン層(SON構造の空洞上のシリコン薄膜)
27 酸化膜
28 選択酸化膜
29、77 ポリシリコン
30 スピンナー台
31、80、82 レジスト
32 露光機
35a パターン(レチクルマスク)
36 アライメントマーク(レチクルマスク)
37 露光用の光
38,69、78 レジストマスク
39、79 ゲート電極
40、84 層間絶縁膜
41 ソース層
42 ドレイン層
43 ソース電極
44 ドレイン電極
61a 裏面
63〜67,75 エピタキシャル層
70 イオン注入
71 ボロンイオン
72 赤色レーザ
73 p型のカラム構造
74 n型のカラム構造
76 ゲート酸化膜
81 p型のウェル層
83 n型のソース層
85 絶縁膜
86 ソース表面電極
87 表面保護膜
88 n型のドレイン層
89 ドレイン裏面電極
91 チップ
92 外周部
93 範囲
1, 21, 61
6
9
10 cavity (alignment mark)
11 SON structure (alignment mark)
DESCRIPTION OF
22 Cavity (SON structure of active region)
23 SON structure (active region)
24, 62
27
36 Alignment mark (reticle mask)
37 Light for
Claims (7)
アニール処理により前記ホールトレンチの上部を塞ぎつつ該ホールトレンチの各空間を互いに結合して一つの大きな空洞であるSON(Silicon On Nothing)構造を形成する工程と、
前記SON構造をフォトリソグラフィーのアライメントマークとして用い、前記半導体ウェハに半導体素子を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a large number of fine hole trenches in the ineffective region of the semiconductor wafer;
A step of forming an SON (Silicon On Notifying) structure which is one large cavity by combining the spaces of the hole trenches with each other while closing the upper portion of the hole trenches by an annealing process;
Using the SON structure as an alignment mark for photolithography and forming a semiconductor element on the semiconductor wafer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the annealing treatment is performed in a 100% hydrogen atmosphere at a temperature in a range of 1000 ° C. to 1200 ° C. and a pressure in a range of 133 Pa to 2660 Pa. 3.
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