JPH06318687A - Soiウェーハの形成方法 - Google Patents

Soiウェーハの形成方法

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JPH06318687A
JPH06318687A JP5303280A JP30328093A JPH06318687A JP H06318687 A JPH06318687 A JP H06318687A JP 5303280 A JP5303280 A JP 5303280A JP 30328093 A JP30328093 A JP 30328093A JP H06318687 A JPH06318687 A JP H06318687A
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Ahmet Bindal
ビンダル アーメット
James E Currie
エドワード カリー ジェームス
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 SOIウェーハ形成のための窒化層による研
磨止めを提供する。 【構成】 方位〈100〉を有するデバイス層を絶縁基
板に至るまでウェット・エッチングして、(111)の
結晶面が横方向のエッチングをコントロールするように
し、低温CVD処理によって開口部の底に窒化層の研磨
止めを形成し、シリコン・メサの(111)の面上の側
壁が、窒化層で除去し易いようにし、化学的、機械的研
磨ステップ中に堅い物質が存在しないようにしてデバイ
ス層を1000Å以下になるように薄くし、開孔部を1
時的にポリ・シリコンの層で埋めて研磨操作中にデバイ
ス層の端に対する機械的支持を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は薄いシリコン・デバイス
層が更に薄く研磨された接合酸化層ウェーハを使ったS
OI(sillicon on insulator)集積回路の形成に関連
する。
【0002】
【従来の技術】2つのシリコン・ウェーハの間に酸化層
を接合させたSOI集積回路の分野で広範囲な研究活動
がなされてきた。2のウェーハの1つは磨滅させること
により或いはその他の方法で所望の厚にしている。市販
のウェーハは、上側のシリコン・デバイス層の公称厚さ
が2μm±0.3μmである。この分野の技術において
最終デバイスを互いに分離し、標準電圧と不純物濃度に
関して1000Å以下のデバイス層を必要とする空乏層
の大きなCMOS電界効果トランジスタ(FET)を生
成するため、長い間薄いデバイス層の開発を探求してき
た。酸素を注入し、自然位で注入酸化絶縁層(SIMO
X)を形成することによって作られた薄いデバイス層は
市販されているが、注入形絶縁体の表面には通常結晶欠
陥があり、漏電し易いデバイスとなる。
【0003】米国特許第4,735,679号は、デバ
イス・シリコンと呼ばれる上側のシリコンの薄い均一な
層を酸化絶縁体の基板上に形成する技術について述べて
いる。この特許は、リフト・オフ技術で決まる難溶性金
属の研磨止めを使ってシリコン・デバイスの均一性を定
義する技術について述べている。米国特許第4,82
4,755は、良好に制御されず、従って製造上の困難
さを伴ったRIEステップに至る濃度依存酸化処理を使
った処理について述べている。更にポリ・シリコンの側
面結晶化の使用は、トランジスタ領域に結晶構造の欠陥
ができることを意味する。
【0004】この分野の技術知識を有するものは、約1
000Åの厚さを持つSOIにおけるデバイスに関して
ウェット・エッチング処理を考えないであろう。なぜな
ら、このようなデバイスは細い線の幅(1mμ以下)を
使用し、線の幅に関してウェット・エッチングの水平エ
ッチング特性が許容度が少ないと考えられているからで
ある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ミクロン以
下のCMOS技術に対して薄い(1000Å叉はそれ以
下)のSOIを形成させる処理に関するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】これらの薄いシリコン・
メサ(mesa)を絶縁体上に形成するために、<100>
の方位に向けられたデバイス層が、エッチング液として
KOHを使い、一時的窒化層の開口部を通して酸化層ま
でエッチングされ、横方向のエッチ止めとして働くデバ
イス層の(111)の面による傾斜した側壁を有する研
磨止め開口部を形成させる。一時的窒化層を取り除いた
後、コントロールされた厚さの研磨止め窒化層が開口部
の底と側面に積層され、その後開口部の底以外の窒化層
が取り除かれ、デバイス層のメサの厚さを定義する1組
の研磨止めが開口部の底部に残され、それからシリコン
・デバイス層は、この研磨止めの高さまで研磨され、そ
のシリコン・メサにトランジスタが形成される。
【0007】
【実施例】図1及び図8は、本発明に従って形成される
過程の集積回路領域の断面を示している。図1を参照す
ると、通常の厚さを有するシリコン基板10が示されて
おり、その上に接合酸化層110がウェーハ10及び薄
くされたデバイス層200の間に帯を形成しており、こ
のデバイス層は、元はウェーハ10と同じ厚さの第2の
シリコン・ウェーハであったもので、方位<100>を
有する。デバイス層200は、市販の厚さ2μmから、
既知の技術で繰り返し酸化処理を行うことによって1μ
mまで薄くされている。1番上の層300は、公称20
00Åの厚さを有する窒化層の一時的保護層である。
【0008】図2において、層300は、研磨止めの位
置となる2つの開口部310を形成している。デバイス
層200にある開口部310の間の領域は、厚いシリコ
ン・メサであり、これが研磨されてトランジスタ、実施
例では電界効果トランジスタ、を保持するための最終シ
リコン・メサとなる。図3に示す次のステップでは、K
OH(水酸化カリュウム)のエッチング液がデバイス層
200を開口部250の底部でエッチング止めとして働
いている酸化層110に至るまでエッチングしている。
層200の傾斜した側壁は、<100>方位のシリコン
が(111)結晶面に沿って非常によいエッチング抵抗
を有するので、極めて良好なエッチング止めとなってい
る。エッチングが酸化層110に到達するまで伸びて行
き、その後、エッチングは酸化層から立ち上がっている
(111)の面で止まるので開口部250の横の寸法は
極めてうまくコントロールされる。
【0009】厚さ1μm±0.3μmの層200に関し
て、開口部310の公称幅は、面(001)に対する面
(111)の角度が54.7°であるという事実によっ
てセットされる。図3は、面(111)が完全なエッチ
ング止めでないために層300がわずかにオーバーハン
グしているところを示している。オーバーハングの大き
さは、極めて小さいものであるということは認められて
おり、通常のオーバー・エッチングであっても開口部が
容易にコントロールでき、最終シリコン・メサの位置
は、ミクロン以下の技術の標準で良く定義されている。
この分野の技術知識を有するものは、開口部の底部の所
望の幅と層200の厚さに基づいて、開口部310の必
要な幅を容易に計算できるであろう。
【0010】最終シリコン・メサの大きさは、回路の配
置と多分1つのトランジスタ当たり1つのメサから、多
くのトランジスタを有する大きなメサの範囲で決められ
る。研磨止めの大きさと密度は、メサの大きさと研磨処
理によって決められる。研磨止めの密度は、メサの「皿
状化」(dishing)を防止するようセットされる。メサ
は極端に薄いので、研磨止めの密度は高い。研磨止め
は、メサを囲むようにしても良いし、或いは大きなメサ
の内部に置いても良い。この分野の技術知識を有するも
のは、開口部を定義するとき、メサの上に少なくとも所
定の最小量の窒化層が残っていなければならないと言う
要件から設定される層200の所定の厚さに対する最小
のメサのサイズがあるということが図3から分かるであ
ろう。
【0011】例えば、もし仮に、図3の中央のメサ上に
窒化層が何も残っていないとすると、2つの開口部25
0は大きな1つの開口部に併合される。エッチングの
後、層300の残りは熱燐酸の中で取り除かれる。研磨
止め形成中に取り除かれる素材の量が少ない従来の研磨
止め処理とは対称的に、ウェット・エッチングでは、か
なりの量のデバイス層200が取り除かれる。この方法
によると素材除去処理は2つの別々のステップで行われ
る。第1は、開口部の定義処理であり、第2は化学的機
械的研磨処理である。研磨止めの密度が高いとき、研磨
処理の時より開口部定義処理の時に、より多くの素材が
除去される。図4において、窒化層350の層が、開口
部の底部でのSOIデバイスの所望の厚さに応じて、コ
ントロールされた500Åから1000Åの間の厚さに
積層されている。
【0012】開口部の側面の厚さや一般的水平面の厚さ
は、重要でない。この低圧化学気相積層(LPVD)処
理のパラメータは、既知技術の通り、全方向的で且つ均
一な窒化層を成長するようにセットされている。望まし
い積層温度は780°Cであるが、妥当な均一性は60
0℃以上で得られる。図5において、開口部250の底
部に窒化層研磨止め350を保護するため、従来のリソ
グラフ手法により、フォトレジスト360が積層され形
成されている。これは実施において誤差±0.1μmを
要する精密な作業である。この誤差は、勿論技術の進歩
につれて減少するであろう。
【0013】次に、図6に示すように、エッツチング・
ガスとしてCHF3+CF4+Arを使ったイオン反応エ
ッチング手法のより(シリコン上の終点検出を併用し
て)窒化層350が、不保護領域及び傾斜したシリコン
の表面から除去され、更にフォトレジスト360の厚さ
が365で表される残余量となるまで減少されている。
フォトレジスト365は、それぞれの開口部において研
磨止めの栓355を残して除去される。次にオプション
の処理ステップが図7に示されている。図7に示すよう
に、ポリ・シリコン370が、露出した・シリコン上に
成長した100Åの酸化層205の上に積層されてい
る。ポリ・シリコン層の厚さは重要でなく、公称では窒
化層350よりも厚い。
【0014】ポリ・シリコン層370はオプションの処
理であり、その目的は、研磨処理中に層200に対する
機械的支持を提供するためである。空洞の開口部の研磨
はシリコンの露出した端を損傷し、この損傷がデバイス
を保持するシリコンの下部へ伝幡することが知られてい
る。このような損傷は、開口部250を埋める支持層3
70によって除去される。ポリ・シリコン層370は、
窒化層研磨止め355とデバイス層200の残りの部分
の間にできた空洞の空間357を埋めるという余分な効
能もある。この埋め込みは、シリコン・メサの最終セッ
トの大きな平滑性を与える。
【0015】図8において、窒化層ボタン355を研磨
止めとして使い、従来の化学的、機械的研磨処理が行わ
れる。結果としてデバイス層200が薄くされ、シリコ
ン・メサ210のセットが研磨止め355の厚さになる
ように残され、これら研磨止めと同じ公称±50Åの均
一性が得られる。もしシリコン・メサの層200の間を
更に分離したければ、窒化層研磨止め355は除去して
も良い。ゲート392、ドレイン394及びソース39
6を有する電界効果トランジスタ390が示されてい
る。図の例では、トランジスタ390はデプリーション
(depletion)型のトランジスタで、ゲート幅0.25
μmであり、これはメサ200の厚さ500Åの5倍の
値である。
【0016】ドライ・エッチング技術に比べてウェット
・エッチングの変動幅が大きいと言うことが知られてい
るため、この技術分野の者は、このような微細寸法に関
してウェット・エッチングを考えない。ウェット・エッ
チングの使用は、必然的に最終メサ上に傾斜した側壁を
残す。これは、無駄になるシリコンの部分であり、これ
がこの技術分野のものがドライ・エッチングを好むもう
一つの理由である。最終メサは非常に薄いので、傾斜し
た側壁の領域の広さは、トランジスタの領域に比べて小
さい。本発明の利点は、ウェット・エッチング処理が、
横方向エッチングのためシリコン領域を犠牲にしないと
いうことである。通常ウェット・エッチングは、横方向
のエッチング止めがないため、シリコン・メサのような
高感応処理には考慮されない。
【0017】都合がよいことに、(111)面が完全な
エッチング止めでないことに起因して起こるオーバー・
エッチングは、何れにしても材料が後で研磨されてしま
うので害はない。従って、最初の開口部310の配列は
精密でなくて良く、この処理では1つだけ精密な配列が
必要である。本発明は、この分野の技術知識を有する者
が容易に修正できる。例えば、層300はフォトレジス
ト又は酸化層で置き換え可能である。窒化層が望ましい
けれども、エッチング・ガスを適当に変えれば、研磨止
め層は酸化層でも良い。この分野の技術知識を有する者
は、本発明の開示に照らして、本発明の修正版が容易に
実施でき、特許請求の範囲は、開示した実施例に限定す
るものでないことを理解できるであろう。
【0018】
【発明の効果】本発明によって、500Åから1000
Åの薄いシリコン・メサをSOIウェーハ上に形成させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】処理前の集積回路ウェーハの断面図。
【図2】一番上の層に開口部を形成した集積回路のウェ
ーハの断面図。
【図3】デバイス層がエッチングされたときの集積回路
ウェーハの断面図。
【図4】窒化層が図3のウェーハ上に積層されたときの
集積回路ウェーハの断面図。
【図5】開口部の底にフォトレジスト層が積層され、形
成されたときの集積回路ウェーハの断面図。
【図6】窒化層がRIE処理でエッチングされ保護部分
をのぞいて除去され、併せてフォトレジストの厚さも減
っていることを示す集積回路ウェーハの断面図。
【図7】フォトレジストが除去されポリ・シリコン層が
積層されたことを示す集積回路ウェーハの断面図。
【図8】研磨が行われ、研磨止めの厚さにシリコン・メ
サが残され、電界効果トランジスタが形成されたときの
集積回路ウェーハの断面図。
【符号の説明】 10 シリコン基板 110 酸化層 200 デバイス層 300 窒化層 355 窒化層研磨止め 365 フォトレジスト 390 電界効果トランジスタ
フロントページの続き (72)発明者 ジェームス エドワード カリー アメリカ合衆国 12545 ニューヨーク州 ワシントン ホモンディル ロード(番 地なし)

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 初期のデバイス層の厚さを有し、1組の
    最終シリコン・メサを形成するために接合SOIウェー
    ハの注入酸化層(buried oxide layer)の上に配置さ
    れ、結晶方位<100>に沿って置かれたシリコンのデ
    バイス層において、 該デバイス層の表面に保護層を積層し、 該保護層に最終研磨止めの大きさによって決まる寸法を
    有する1組の所定の開口部を形成し、 該デバイス層で該1組の研磨止め開口部を、方位〈11
    1〉方向に先立って方位<100>の方向にエッチング
    液を使って該注入酸化層に至るまでエッチングし、そこ
    では(111)の結晶面が、横方向のエッチング止めと
    して働き、該注入酸化層が垂直方向のエッチング止めと
    して働いて、該研磨止めの開口部が該デバイス層の(1
    11)結晶面上で傾斜した側壁を有し、研磨止めの開口
    部の底部が該注入酸化層の上になるようにし、 研磨止め層を該研磨止め開口部の側壁と底部に積層し
    て、該研磨止め層が該開口部の底で研磨止め厚を有する
    ようにし、 該研磨止め層の上にフォトレジストの層を積層及び形成
    して該開口部の底に保護用フォトレジスト栓が残るよう
    にし、 該研磨止めの層及び該保護栓を除去して、研磨止めの面
    を有する1組の研磨止めを、研磨止め開口部内で該傾斜
    した側壁を有する1組のシリコン・メサの間に残し、 該1組のシリコン・メサを研磨止めの表面に至るまで研
    磨して最終シリコン・メサを形成し、その結果1組の最
    終シリコン・メサが該研磨止めの厚さを有するようにす
    る、ステップから成るSOIウェーハの形成方法。
  2. 【請求項2】 上記研磨止め層を除去するステップが、
    研磨止めの開口部の底部で上記1組の研磨止めと上記1
    組のシリコン・メサの間に1組のギャップを残し、 更に上記傾斜した側壁上に分離用酸化層コーティングを
    形成し、 ポリ・シリコンの層を積層して上記窒化層の研磨止めと
    上記厚いシリコン・メサの間のギャップを埋め、 上記研磨ステップ中に、上記傾斜した側壁端の損傷を少
    なくする、ステップを含むことを特徴とする請求項1に
    記載のSOIウェーハの形成方法。
  3. 【請求項3】 上記研磨止め層が窒化層で形成され、上
    記研磨止め層を除去する上記ステップが、イオン反応エ
    ッチング手法で行われることを特徴とする請求項1に記
    載のSOIウェーハの形成方法。
  4. 【請求項4】 上記厚いシリコン・メサの上記傾斜した
    側壁が、最終シリコン・メサの上に伸張しており、上記
    デバイス層が上記1組の開口部を形成するステップと、 上記厚いシリコン・メサを研磨する上記ステップから成
    る2つのステップによって除去されることを特徴とする
    請求項3に記載のSOIウェーハの形成方法。
  5. 【請求項5】 上記厚いシリコン・メサの上記傾斜した
    側壁が、最終シリコン・メサの上に伸張しており、上記
    デバイス層が上記1組の開口部を形成するステップと、 上記厚いシリコン・メサを研磨する上記ステップから成
    る2つのステップによって除去されることを特徴とする
    請求項1に記載のSOIウェーハの形成方法。
  6. 【請求項6】 上記1組の開口部を形成する上記ステッ
    プ中、少なくとも所定の最小量の上記保護層が上記最終
    シリコン・メサの上に残るように該1組の開口部が位置
    づけられ、且つ大きさが決められることを特徴とする請
    求項5に記載のSOIウェーハの形成方法。
  7. 【請求項7】 上記研磨止め層が窒化層で形成され、上
    記研磨止め層を除去する上記ステップが、イオン反応エ
    ッチング手法で行われることを特徴とする請求項2に記
    載のSOIウェーハの形成方法。
  8. 【請求項8】 上記厚いシリコン・メサの上記傾斜した
    側壁が、最終シリコン・メサの上に伸張しており、上記
    デバイス層が上記1組の開口部を形成するステップと、 上記厚いシリコン・メサを研磨する上記ステップから成
    る2つのステップによって除去されることを特徴とする
    請求項7に記載のSOIウェーハの形成方法。
  9. 【請求項9】 上記厚いシリコン・メサの上記傾斜した
    側壁が、最終シリコン・メサの上に伸張しており、上記
    デバイス層が上記1組の開口部を形成するステップと、 上記厚いシリコン・メサを研磨する上記ステップから成
    る2つのステップによって除去されることを特徴とする
    請求項2に記載のSOIウェーハの形成方法。
  10. 【請求項10】 上記1組の開口部を形成する上記ステ
    ップ中、少なくとも所定の最小量の上記保護層が上記最
    終シリコン・メサの上に残るように該1組の開口部が位
    置づけられ、且つ大きさが決められることを特徴とする
    請求項9に記載のSOIウェーハの形成方法。
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