JPH07169828A - 絶縁体上のシリコンの基板内の漏れ電流の減少 - Google Patents

絶縁体上のシリコンの基板内の漏れ電流の減少

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JPH07169828A
JPH07169828A JP6141869A JP14186994A JPH07169828A JP H07169828 A JPH07169828 A JP H07169828A JP 6141869 A JP6141869 A JP 6141869A JP 14186994 A JP14186994 A JP 14186994A JP H07169828 A JPH07169828 A JP H07169828A
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pipe
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wafer
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Keith A Joyner
エイ.ジョイナー ケイス
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 SIMOXプロセス中に埋め込み層内に形成
される埋め込みパイプに起因する、表面層と基板シリコ
ンとの間の漏れ電流を減少させる方法と構造を提示す
る。 【構成】 この発明は陽極酸化法を用いてこれらのパイ
プ内のシリコンをエッチする方法で、望ましい実施態様
は、表面層(例えばシリコン34)を電解質溶液(例え
ば薄いHF酸38)に接触させる段階と、前記基板(例
えばシリコン30)と溶液の間に電位差を発生させて、
漏れパイプ(例えばシリコン36)を通して埋め込み絶
縁体層(例えばSiO2 32)内に電流を流す段階を含
み、これにより溶液は漏れパイプ上にある表面シリコン
の一部をエッチし、また漏れパイプ内のシリコンをエッ
チして、基板と表面層の間の前記漏れ電流路を減少させ
る。漏れ電流はSIMOXデバイスの性能に対して有害
なので、パイプ内のシリコンを除去することによりデバ
イスの性能が向上し、歩留まりが増える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は一般に集積回路に関
し、より詳しくは絶縁体上のシリコン(silicon-on-insu
lator)の基板内の漏れ電流を減らすことに関する。
【0002】
【従来の技術】イオン注入は、半導体層に不純物を添加
するための、拡散に代わる方法である。一般にイオン注
入は、数キロボルトで加速したイオンをシリコンなどの
固体の表面に打ち込むプロセスであり、代表的な拡散プ
ロセスにおけるイオンとは異なり、室温で行うことがで
きる。一般にイオン注入は、ウエーハの表面下に注入す
る材料の濃度を最大にすることができる。一般に、注入
した不純物は正しい格子位置にはなく、また多くは電気
的に不活性なので、高温アニーリングを行って結晶の欠
陥を修理し、不純物を電気的に活性化することが多い。
【0003】一般に、シリコンへの酸素の注入は、例え
ば超大規模集積回路デバイスに用いることのできる絶縁
体上のシリコン(SOI)基板を作るのに望ましいプロ
セスである。この酸素の注入による分離(SIMOX)
プロセスは、一般に次の3段階を含む。 A) 標準のシリコンウエーハをクリーンルーム環境で
洗浄して、ごみがついていればこれを実質的に除去す
る。 B) 比較的高エネルギーで(例えば2X1018/cm
2 の酸素原子を200keVで)ウエーハの表面下に酸
素を注入する。 C) ウエーハを高温(例えば約1300℃以上で6時
間)でアニーリングして、注入による損傷を修理しまた
埋め込み酸素層を形成する。
【0004】SIMOXウエーハは、バルク・シリコン
ウエーハに比べて次の利点のいくつかを持つので関心が
高い。 A) 放射硬度(radiation hardness)がよい。 B) 高速性がある。 C) 高温で動作する。 D) 低電力である。 E) 応用によってはプロセスのコストが低い。 F) サブミクロンの設計法の実現が容易である。
【0005】最近SIMOXウエーハの質が改善され、
更に入手しやすい処理装置が開発されたので、SIMO
X技術への関心が非常に高まった。マイケル・A・ゲラ
(Michael A. Guerra) による「SIMOX技術の現
状」、ソリッドステート・テクノロジー、1990年1
1月、75−78ページに、SIMOX技術とこの分野
の進歩が説明されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】過去10年間にSIM
OXの材料の質は格段に改善されたが、SIMOX構造
には転移、積層欠陥、埋め込み酸化物不連続などのいく
つかの欠点がまだ残っている。これらについては、J.
マーゲイル(Margail) 他による「SIMOX構造の欠
点:プロセスの依存性」、マテリアルス・サイエンス・
アンド・エンジニアリング、1992年1月20日、2
7−36ページ、に詳細に説明されている。
【0007】埋め込み酸化物不連続(buried oxide disc
ontinuities)を今後「パイプ」または「漏れパイプ」と
呼ぶが、これは表面の粒子によって起こり、粒子はシャ
ドー効果により埋め込み酸化物層のイオンビーム合成を
変える。SIMOX材料は、埋め込み酸化物を通るこれ
らのパイプすなわち導電性シリコンチャンネルのかなり
の濃度を持つことがある。パイプは埋め込み酸化物の質
を低下させ、特に表面シリコンと埋め込み酸化物との間
の誘電絶縁効率を低下させて、SIMOX材料上で処理
した回路の歩留まりに影響を与える。例えば埋め込み酸
化物層の絶縁特性を実質的に変えるので、パイプはその
上に作るデバイス内の漏れ電流を大きくする。埋め込み
絶縁物の固有の漏れは非常に小さいが、パイプが一つあ
ると漏れはミリアンペア程度になる。従って、パイプを
実質的に変えまたは除去してこの漏れ電流を減らし、性
能を改善することが望ましくまた有益である。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、SIMOX
プロセス中にできるパイプに起因する、表面シリコンと
基板シリコンとの間の漏れ電流を実質的に減少させる方
法と構造を提示する。この問題の新しい解決法は、陽極
酸化法を用いてこれらのパイプ内のシリコンをエッチす
ることである。ここで「陽極酸化」とは、イオン流によ
り導電する液体または固体を使うことである。このプロ
セスの一つの利点は、パイプ内のシリコンを実質的に除
去して、パイプを通って表面シリコンと基板シリコンの
間に流れる漏れ電流をほとんどまたは全くなくすること
である。一般に漏れ電流はSIMOXデバイスの性能を
損なうので、パイプ内のシリコンを全て除去することは
一般にSIMOXデバイスの性能を改善し歩留まりを増
加させる。
【0009】この発明の1実施態様は酸素の注入による
分離の構造であって、シリコン基板と、シリコン基板の
上に重なりかつシリコン漏れパイプをほとんどまたは全
く持たない埋め込み絶縁層と、埋め込み絶縁層の上に重
なる表面シリコン層と、表面層から埋め込み絶縁層を通
して基板に延びる一つまたは複数のエッチしたチャンネ
ルとを備え、基板と表面層との間の漏れ電流は、実質的
にエッチしないシリコン漏れパイプを持つSIMOX構
造の漏れ電流より小さい。
【0010】この発明の1実施態様を形成する方法は、
SIMOXウエーハ内の一つまたは複数の漏れパイプ内
でのシリコンのエッチングに関連する。この漏れパイプ
は、埋め込み絶縁層を通して基板と表面層を接続するも
のである。この方法は表面層を電解質溶液に接触させる
段階と、基板と溶液の間に電位差を発生させて漏れパイ
プを通して電流を流す段階を含む。この溶液はウエーハ
と溶液の間に所定の電位差がなければ表面層をエッチし
ないが、ウエーハと溶液の間に前記電位差があれば表面
層をエッチする。これにより溶液は漏れパイプの上にあ
る表面シリコンの一部をエッチし、また漏れパイプ内の
シリコンをエッチして、漏れパイプからシリコンをエッ
チすることにより基板と表面層との間の漏れ電流路を減
少させる。
【0011】これは明らかに、漏れパイプ内のシリコン
をエッチングで除去し、表面層からシリコン基板への漏
れ電流路を実質的に減少させる初めてのSIMOX構造
である。この新しいSIMOX法および構造は、低漏れ
電流の歩留まりを増やすという利点がある。また集積回
路を製作する前にエッチングを行うので、このプロセス
は埋め込み絶縁体の漏れの大きいウエーハを除去するの
に用いることができる。この改善したSIMOX構造
は、低漏れ電流の応用(例えば電池を電源とするシステ
ムや宇宙開発応用)に特に有益である。
【0012】
【実施例】この発明の新規な特長は特許請求の範囲に規
定されている。しかし、この発明自身と他の特長や利点
は、以下の図に関連して詳細な説明を読めばよく理解で
きる。図1は、代表的なSIMOXウエーハの断面を示
す。ここで400nmの埋め込みSiO2 32と250
nmの表面シリコン層34が、SIMOXプロセスを用
いてシリコン基板30上に形成されている。図2は、埋
め込みSiO2 層32を通る漏れパイプ36を持つSI
MOXウエーハの断面を示す。このような漏れパイプ3
6は、SIMOXイオン注入中にウエーハの表面上にあ
る粒子によって作られる。アニーリング後は、埋め込み
SiO2 層32の固有の漏れは一般に非常に低いが、漏
れパイプ36のために表面シリコン層34からシリコン
基板30への電流漏れはミリアンペア程度になる。
【0013】図3−図8に、漏れパイプ内のシリコンを
エッチングして除去して非導電性のエッチされたチャン
ネルを残したSIMOX構造を持つ、この発明の望まし
い実施態様を形成する方法を示す。陽極酸化法を用いて
漏れパイプ36内および付近のシリコンを選択的に除去
し、表面層34の残りの部分は実質的に影響を受けない
ようにすることができる。図3は、電気的に接地した薄
いHF酸38を表面シリコン層34の表面に接触させた
様子を示す。酸38の濃度は十分に低いので、この条件
では、表面層34のエッチングは実質的に起こらない。
しかし基板30に正(または負)の電圧をかけると、酸
38と基板30の間に電界が発生して、導電性の漏れパ
イプ36を通して電流が流れる。
【0014】図4は、正電圧を基板30にかけた後のウ
エーハを示す。電解液38を通って電流が流れとシリコ
ンに化学変化が起こり、エッチしてシリコンを除去し、
エッチされたチャンネル40の始めの部分を形成する。
表面シリコン34のこの分解エッチングは、主として漏
れパイプ36のすぐ上の領域に集中する。その理由は、
ここが一般に電流密度が最も大きい領域だからである。
これは、表面シリコン34の抵抗率が一般に高いために
一般に電流は漏れパイプ36の上の狭いチャンネルに集
中するからである。
【0015】図5と図6は、エッチされたチャンネル4
0が漏れパイプ36に向かって成長する過程を示す。表
面シリコン34のエッチングは自己抑制的である。漏れ
パイプ36の上の表面シリコン34を貫いてエッチング
が終わると、もうそこを通って電流が流れないので、残
りの表面シリコン34の横方向のエッチングは無視でき
る。この点以後にシリコンのエッチングが行われるのは
パイプ36内だけであり、同時にパイプ36の縁にある
埋め込みSiO2 32がわずかにエッチされる。HF酸
38は薄いので、SiO2 32のエッチングは遅く、経
験的には埋め込みSiO2 32のエッチングの速さは通
常の熱酸化の速さの約半分である。
【0016】図7は、酸38がパイプを下の基板30ま
でエッチした後のエッチされたチャンネル40を示す。
パイプの下のシリコンのエッチングは、ウエーハに十分
な電圧がかかっている間は一般に継続する。基板30の
エッチングは自己抑制的ではない。従ってこのプロセス
の時間は、パイプ36を実質的に除去するがその下の基
板30は余り除去しないように決めなければならない。
この時間は一般に実験的に決められる。一般に、漏れパ
イプを事実上非導電性にするには、漏れパイプを完全に
または部分的にエッチしてよい。
【0017】図8はこの陽極酸化法から得られる構造
で、表面シリコン34と埋め込みSiO2 32を通って
開いた非導電性チャンネル40を示す。一般にチャンネ
ルをSiO2 またはSi3 4 で満たしても非導電性で
ある。一般に集積回路(IC)の製作過程を通して狭い
非導電性チャンネルは非導電性のままであり、一般に低
漏れ電流デバイスができる。一般に表面シリコンは電気
的に開になるが、これは漏れパイプによって短絡して多
くの問題を起こすよりも一般に望ましい。
【0018】別の実施態様において、図9は異なるエッ
チング条件(例えばエッチング液の濃度や電流)を用い
てエッチした漏れパイプの断面を示す。パイプを通って
実質的に透明なチャンネルを形成するのではなく、エッ
チング条件を修正して、部分的にエッチされた漏れパイ
プ44の上部に多孔性のシリコン層42を生成する。図
10では、この多孔性シリコン材を酸化してSiO2
6の「栓」を形成し、SiO2 46はエッチされたチャ
ンネルの上部を満たして、漏れパイプに起因する漏れ電
流の量を実質的に減らす。
【0019】図11−図13に、SIMOXウエーハを
陽極酸化する各種の方法を示す。図11は酸38と電極
56を備え、ウエーハ48を保持するクランプ52と、
酸38がウエーハ48の裏面に接触しないようにするた
めにウエーハ48の前面に絶縁シール54を設けた、槽
50を示す。
【0020】別の実施態様において、図12はウエーハ
48の表面に接する酸38の小さなたまりと接触するよ
うに設けた平面電極58を示す。絶縁スペーサ60によ
り、酸38をウエーハ上に保ち、平面電極58を支え
る。
【0021】更に別の実施態様において、図13は図1
2と同様な構造を示すが、平面電極58は底部にあって
酸38を支え、ウエーハ48は上部にあって酸38とス
ペーサ60に接触する。
【0022】次の表は、いくつかの実施態様とその図の
概観を示す。
【表1】
【0023】これまでいくつかの望ましい実施態様につ
いて説明した。この発明は、上に説明したものとは異な
っていても特許請求の範囲内にある実施態様を含むもの
である。ここに説明した構造に関連して、これらの構造
への電気的接続は、抵抗的、整流的、容量的、直接また
は間接、中間回路経由またはその他であってよい。製作
に用いるものは離散要素でも完全な集積回路でもよい。
一般に、前記の望ましいまたは特定の例は、他の別の例
より望ましいものである。
【0024】この発明について例示の実施態様に関連し
て説明したが、この説明は制限的な意味に解釈してはな
らない。例示の実施態様の各種の変形や組み合わせや、
またこの発明の他の実施態様は、この説明を参照すれば
この技術に精通した人には明かである。従って特許請求
の範囲は、このような変形や実施態様を全て含むもので
ある。
【0025】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) SIMOXウエーハ内の一つまたは複数のシリ
コン漏れパイプからシリコンをエッチする方法であっ
て、前記ウエーハはシリコン基板と、前記基板の上に重
なる埋め込み絶縁体層と、前記埋め込み絶縁体の上に重
なる表面シリコン層とを備え、前記漏れパイプは前記埋
め込み絶縁体を通して前記基板と前記表面層とを接続
し、前記方法は、a. 前記表面層を電解質溶液に接触
させ、前記溶液は前記ウエーハと前記溶液の間に所定の
電位差がなければ前記表面層を実質的にエッチしない
が、前記ウエーハと前記溶液の間に前記電位差があれば
前記表面層をエッチし、b. 前記ウエーハと前記溶液
の間に前記電位差を発生させて、前記漏れパイプを通し
て電流を流し、これにより前記溶液は前記漏れパイプの
上に実質的にある前記表面シリコンの一部をエッチし、
更に、前記漏れパイプ内の前記シリコンを実質的にエッ
チして、前記漏れパイプからのシリコンのエッチングに
より前記基板と前記表面層との間の漏れ電流を実質的に
減少させる、ことを含む方法。
【0026】(2) 前記ウエーハ内の実質的に全ての
前記シリコン漏れパイプをエッチする、第1項記載の方
法。 (3) 前記方法は、前記電解質溶液への前記接触の前
に前記表面層の上にパターン化した絶縁マスクを形成し
て、前記ウエーハの前記マスクした部分は実質的に電解
エッチングを受けないことを更に含む、第1項記載の方
法。
【0027】(4) 前記所定の電位差および前記電解
質溶液は、前記表面シリコンの前記エッチングにより前
記エッチされた漏れパイプの上および部分的な内部に多
孔性シリコンを形成し、次に前記多孔性シリコンを酸化
するように選択される、第1項記載の方法。 (5) 前記埋め込み絶縁体は二酸化珪素である、第1
項記載の方法。 (6) 前記埋め込み絶縁体は窒化珪素である、第1項
記載の方法。 (7) 前記埋め込み絶縁体の厚さは10nmから60
0nmまでの間である、第1項記載の方法。
【0028】(8) 前記表面層の厚さは50nmから
450nmまでの間である、第1項記載の方法。 (9) 前記電解質溶液は薄いHF酸である、第1項記
載の方法。 (10) 前記ウエーハは前記電解質溶液に対して正で
ある、第1項記載の方法。 (11) 前記ウエーハは前記電解質溶液に対して負で
ある、第1項記載の方法。
【0029】(12) 酸素の注入による分離の構造で
あって、シリコン基板と、前記基板上にあり、シリコン
漏れパイプをほとんどまたは全く持たない埋め込み絶縁
体層と、前記絶縁体の上に重なる表面シリコン層と、前
記表面層から前記埋め込み絶縁体層を通して下の前記基
板に延びる一つまたは複数のエッチされたチャンネルで
あって、これにより前記基板と前記表面層との間の漏れ
電流が、実質的にエッチされていないシリコン漏れパイ
プを持つSIMOX構造の漏れ電流より実質的に少なく
なるように構成されたチャンネルと、を備える構造。
【0030】(13) 前記埋め込み絶縁体は二酸化珪
素である、第12項記載の構造。 (14) 前記埋め込み絶縁体は窒化珪素である、第1
2項記載の構造。 (15) 前記埋め込み絶縁体の厚さは10nmから6
00nmまでの間である、第12項記載の構造。 (16) 前記表面層の厚さは50nmから450nm
までの間である、第12項記載の構造。 (17) 前記エッチされたチャンネルは実質的にSi
2 で満たされている、第12項記載の構造。 (18) 前記エッチされたチャンネルは実質的にSi
3 4 で満たされている、第12項記載の構造。
【0031】(19) 酸素の注入による分離の基板で
あって、下部のシリコン層と、前記基板上に重なってシ
リコン漏れパイプをほとんどまたは全く持たない埋め込
み絶縁体層と、前記埋め込み絶縁体の上に重なる表面シ
リコン層と、前記表面層から前記埋め込み絶縁体層を通
して下の前記下部層に延びる一つまたは複数のエッチさ
れたチャンネルとを備える基板と、前記基板上に形成さ
れる一つまたは複数の電子デバイスと、を備える集積回
路。
【0032】(20) この発明は、SIMOXプロセ
ス中に埋め込み層内に形成される埋め込みパイプに起因
する、表面層と基板シリコンとの間の漏れ電流を実質的
に減少させる方法と構造を提示する。この問題の新しい
解決法は、陽極酸化法を用いてこれらのパイプ内のシリ
コンをエッチすることである。この発明の望ましい実施
態様は、表面層(例えばシリコン34)を電解質溶液
(例えば薄いHF酸38)に接触させる段階と、前記基
板(例えばシリコン30)と前記溶液の間に電位差を発
生させて、漏れパイプ(例えばシリコン36)を通して
埋め込み絶縁体層(例えばSiO2 32)内に電流を流
す段階を含み、これにより溶液は漏れパイプ上に実質的
にある表面シリコンの一部をエッチし、また漏れパイプ
内のシリコンをエッチして、基板と表面層の間の前記漏
れ電流路を実質的に減少させる。漏れ電流は一般にSI
MOXデバイスの性能に対して有害なので、パイプ内の
シリコンをきれいに除去することは、SIMOXデバイ
スの性能を向上させ、歩留まりを増やす。
【図面の簡単な説明】
この発明の新規な特長は特許請求の範囲に規定されてい
る。しかし、この発明自身と他の特長や利点は、以下の
図に関連して詳細な説明を読めばよく理解できる。
【図1】代表的なSIMOXウエーハ内の主要な3層の
断面図。
【図2】代表的なSIMOXウエーハ内の漏れパイプの
断面図。
【図3】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図4】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図5】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図6】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図7】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図8】SIMOXウエーハの埋め込み酸化物層内のパ
イプから材料を除去する方法を示す断面図。
【図9】エッチング空隙を多孔性シリコン層で覆ってい
る、エッチされた漏れパイプの断面図。
【図10】エッチング空隙をSiO2 の栓で覆ってい
る、エッチされた漏れパイプの断面図。
【図11】電解液の槽の中でエッチされるSIMOXウ
エーハの断面図。
【図12】SIMOXウエーハをエッチングする別の方
法の断面図。
【図13】SIMOXウエーハをエッチングする別の方
法の断面図。
【符号の説明】 30 シリコン基板 32 埋め込みSiO2 34 表面シリコン層 36 漏れパイプ 38 HF酸 40 チャンネル 42 多孔性シリコン層 44 漏れパイプ 46 SiO2 の栓 48 ウエーハ 50 槽 52 クランプ 54 絶縁シール 56 電極 58 平面電極 60 絶縁スペーサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/00 301 S 27/12 F H01L 21/306 L

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SIMOXウエーハ内の一つまたは複数
    のシリコン漏れパイプからシリコンをエッチする方法で
    あって、前記ウエーハはシリコン基板と、前記基板の上
    に重なる埋め込み絶縁体層と、前記埋め込み絶縁体の上
    に重なる表面シリコン層とを備え、前記漏れパイプは前
    記埋め込み絶縁体を通して前記基板と前記表面層とを接
    続し、前記方法は、 a. 前記表面層を電解質溶液に接触させ、前記溶液は
    前記ウエーハと前記溶液の間に所定の電位差がなければ
    前記表面層を実質的にエッチしないが、前記ウエーハと
    前記溶液の間に前記電位差があれば前記表面層をエッチ
    し、 b. 前記ウエーハと前記溶液の間に前記電位差を発生
    させて、前記漏れパイプを通して電流を流し、これによ
    り前記溶液は前記漏れパイプの上に実質的にある前記表
    面シリコンの一部をエッチし、更に前記漏れパイプ内の
    前記シリコンを実質的にエッチして、前記漏れパイプか
    らのシリコンのエッチングにより前記基板と前記表面層
    との間の漏れ電流を実質的に減少させる、 ことを含む方法。
  2. 【請求項2】 酸素の注入による分離構造であって、 シリコン基板と、 前記基板上にあり、シリコン漏れパイプをほとんどまた
    は全く持たない埋め込み絶縁体層と、 前記絶縁体の上に重なる表面シリコン層と、 前記表面層から前記埋め込み絶縁体層を通して下の前記
    基板に延び、そのため前記基板と前記表面層との間の漏
    れ電流が、実質的にエッチされていないシリコン漏れパ
    イプを持つSIMOX構造の漏れ電流より実質的に少な
    い、一つまたは複数のエッチされたチャンネルと、 を備える構造。
JP6141869A 1993-06-24 1994-06-23 絶縁体上のシリコンの基板内の漏れ電流の減少 Pending JPH07169828A (ja)

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