JPS5835942A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置の製造方法

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JPS5835942A
JPS5835942A JP57098629A JP9862982A JPS5835942A JP S5835942 A JPS5835942 A JP S5835942A JP 57098629 A JP57098629 A JP 57098629A JP 9862982 A JP9862982 A JP 9862982A JP S5835942 A JPS5835942 A JP S5835942A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 本発明は、単結晶シリコンのるる領域を他の領域から誘
電体分離する方法に関する。特に、高集積化された回路
構造に関して、上記の分離領域内に基板接点を有する光
離を提供する技術に関する。
〔先行技術〕
モノリシック集積回路技術では、通常、集積回路構造体
中で種々の能動及び受動の成分を互いに分離する必要が
ある。これらの装置は、逆方向バイアスしたPN接合、
部分的な誘電体分離、及び、完全な誘電体分離によって
分離されてきた。用いられる誘電体物質は、二酸化シリ
コン等であった。
これらの能動装置及び回路に対する好ましい分離は、P
N接合分離との組合せを含むようなある型の誘電体分離
である。誘電体分離は、分離領域に対して回路成分を接
触させることを可能にし、これにより、結果として、集
積回路チップに能動及び受動の装置のより大きな実装密
度を生じるので、PN接合分離よりも実質的な利点を有
する。
ある型の誘電体分離は、分離領域が形成されることにな
っているシリコン中に、溝即ち凹所を形成することを含
む。溝の形成の間に、シリコン表面の残りの部分は、溝
を形成するために用いられるシリコンの食刻によっては
実質的に影響されない保護膜によって保護される。通常
の保護層は、窒化シリコン、二酸化シリコンのサンドイ
ンチ層である。通常の化学食刻による溝の形成に続いて
、シリコン基体は、通常の熱酸化ステップを受ける。
このステップにより、溝の表面領域のシリコンは酸化さ
れ、分離領域を形成するために、シリコンのさらに酸化
に加えて二酸化シリコンが溝を充填する。このプロセス
に関する主要な問題の1つは、6鳥のくちばしくbir
d’s  beak)”として知られているものである
”鳥のくちばし″は、溝の最上部周辺における平らでな
い二酸化シリコンの形成であり、そして窒化シリコン層
の下における溝方向の酸化により生じる。シリコンの特
定の厚さの酸化は、シリコン中へ拡大するためにほとん
ど同じ量の余分なスペースを必要とするので、そして、
5i02/Si3N4は制限されない拡大を制限するこ
とになるので、結果として、溝の縁部で二酸化シリコ7
I″/窒化シリコンの押上げを生じる。これの最終的な
結良く接触した拡散領域を続いて達成することが困難な
のに加えて、溝の周辺領域に一般的な応力を生じる。こ
の接触しない可能性は、二酸化シリコン領域の最初の目
的の主要な利点をある程度駄目にしてしまう。このプロ
セスは、米国特許第3970486号、第353423
4号、第3648125号並びに1971年6月7日出
願の米国特許出願通し番号筒150609号に、十分に
述べられている。この”鳥の(ちばし”の問題を最小に
する努力が、十分になされてきた。それらは、米国特許
第3900350号、第3958040号、第3961
990号、第3966514号、第4002!M 1号
並びに第4170492号に示されている。
埋設酸化物分離の代りの方法は、矩形形状の溝の形成を
含む、深い誘電体分離である。これは、米国特許第39
156577号、第3997378号、第41o4o8
6号、並びKrnM TDBVol、 20. No、
 1、p、t44、June 1977、” Rece
ssed  0xide  l5olationPro
cess”に示されており、反応性イオン食刻して、シ
リコン領域にぢする分離領域を形成するために溝を充填
するものである。溝の充填技術は、全て、熱酸化乃至は
化学気相付着の技術のいずれかを含み、そしてもっばら
誘電体分離として二酸化シリコンを用いる。
バイポーラ回路では、基板接点は、回路の最も低い可能
な電位の基板に電圧を印加するために用いられる。回路
動作による基板中の電流振動は、これにより、コレクタ
/基板の接合が放電されるようなパスを与える。この電
流を除去することは、コレクタ/基板のキャパシタンス
を減少させ、そして回路の性能を向上させる。米国特許
第4256514号は、このような基板接点を形成する
一方法を述べている。
電界効果トランジスタ回路についても、同様の現象が生
じる。これらの回路の動作は、基板との容量性結合を生
じる。もしこれらの電流及び電圧の振動が基板接点によ
り安定化されないなら、ある回路の動作は、結果として
回路を駄目にしてしまう可能性のある、他の回路のしき
い電圧に影響を与えることになる。
一般に、チップがソルダー・ボールでモジュール上にマ
ウントされることになっているときは、半導体チップで
は回路と同じ側に基板接点を提供することが、より容易
で信頼できる。これは、チップの背面に別個にワイヤ・
ポンドする必要を省いてくれる。通常、上側からの接点
は、基板への短絡バスを提供するために、エピタキシャ
ルの後であって、基板接点用のエピタキシャル及び表面
の拡散の前に、局所化されたサブコレクタ及び基板接点
の拡散を使用することにより、なされる。
〔本発明の要旨〕 装置の大きさ及び処理の複雑さを減少するために、本発
明は、サブコレクタが垂直な誘電体分離の凹所によって
定められる、ブランケット(blanket)・サブコ
レクタ拡散を使用する。局所化された基板接点の拡散が
エピタキシャルの前には行なわれないので、垂直な分離
構造体以外には、接点のためにサブコレクタを通る基板
へのパスは存在しない。凹所の底は穴が開けられ、そし
て基板へのこの短絡パスを提供するために、凹所は、P
+ドープされたポリシリコンで充填される。
分離構造体の一部分として形成された基板接点を有する
集積回路構造体が述べられる。集積回路構造体は、基体
中の単結晶シリコン領域を囲む誘電体分離領域のパター
ンを有する、単結晶シリコン基体から成る。誘電体分離
パターンは、集積回路の表面において、及びその下に埋
設された誘電体部分と、埋設誘電体部分の、上記基体の
表面におけるその部分とは反対の側から単結晶シリコン
基体中へ伸びる深い部分とを含む。非常にドープされた
ポリシリコンの基板接点が、分離パターンの深い部分内
に位置する。ある位置では、パターンの深い部分は、相
互接続配線がポリシリコンに電気的に接続し得るところ
で、シリコン基体の表面まで伸びている。それで、接点
がシリコン基体に電気的に接触するところで、分離の深
い部分の底への基板接点を形成することになる。種々の
集積回路装置構造体のいずれも、単結晶シリコン領域内
に組込まれ得る。これらの装置は、バイポーラ・トラン
ジスタ、電界効果トランジスタ、キャパシタ、ダイオー
ド、抵抗体等を含む。
分離構造体内に基板接点を有する集積回路構造体につい
ての誘電体分離パターンは、次に述べるような一連の方
法のステップを用いて、作られ得る。反応性イオン食刻
を防止する物質の層及びマスキング層が、この主表面上
に形成される。分離の深い部分及び基板接点が位置すべ
きところの構造体中の、マスキング層及び食刻防止層中
にパターンが形成される。実質的に垂直な側壁牽有する
凹所のパターンは、単結晶シリコン基体中へ開口を通し
て形成される。絶縁層が、凹所の表面上に形成される。
絶縁層は、異方性の反応性イオン食刻プロセスにより、
凹所の底の表面から除去される。それから、凹所を充填
し、シリコン基体の主表面を分離構造体の下側に電気的
に接飾される基板接点を形成するために、ポリシリコン
層が基板の上に付着される。基板の主表面は、凹所の領
域を除いて、ポリシリコン層を実質的に除去する食刻プ
ロセスにより、平らにされる。それからマスキング層が
、単結晶基板の主表面上に形成される。
表面の埋設分離構造体が所望されるところで、このマス
キング層には、主表面へのノくターン開口が形成される
。大抵の表面領域では、深い分離部分は、これらの開口
領域内にある。露出された単結晶基板及び深い部分内の
ポリシリコンは、埋設分離構造体を形成するために酸化
される。酸化の前に、シリコン中のパターンの食刻は、
より平らな埋設酸化物構造体の形成において役立つこと
になる。それから、マスキング層は除去される。ノ(タ
ーンの深い部分は、埋設分離)くターン領域の下に伸び
ている。さて、装置が、誘電体分離ノくターン内の単結
晶シリコン領域中に形成される。
本発明の分離構造体は、サブコレクタ、付随的なペース
、エミッタ及び抵抗体の接合等が誘電体物質へ接触する
ことを許容する。接合のこの接触は、必要とされる全体
的な接合面積を減らし、各装置に関係するキャパシタン
スを減らすことになる。これにより、性能の向上がはか
られる。さらに、装置間の距離が減少され得、従って回
路密度の増加及び性能の向上を導くことになる。結局、
エピタキシャルの前にリソグラフィ・ステップの全てを
省略することは、エピタキシャルの前の処理により起こ
されるエピタキシャル欠陥密度を減少することになるの
で、装置の歩留りを向上させる。
〔本発明の好実施例〕
さて特に第1図を参照するに、この図には、P−導電型
の半導体基板2が示されている。この実施例は、NPN
バイポーラ・トランジスタ構造体を形成する方法を述べ
ている。P N P ノ:イポーラ・トランジスタを形
成するために、反対の導電型も用いられる。半導体基体
は、典型的には・<100〉の結晶方向のシリコンであ
り、10乃至20Ω−am程度の抵抗率を有する。シリ
コン基体2は、半導体基体2の主表面にサブコレクタ領
域を形成するために、全面拡散(b 1 anke t
 diffusion)又はイオン注入のステップを受
ける。NPN型のバイポーラ・トランジスタについては
、典型的には5X’1020原子/ccの表面濃度レベ
ルを有する領域を形成するために、N型不純物が、通常
の技術により熱的に拡散される。例えば、N型不純物は
、ヒ素又はアンチモンである。代わりに、このサブコレ
クタ領域を形成するために、シリコン基体の主表面に熱
的に二酸化シリコンのスクリーンを形成し、続いて、例
えば、1.5X1Q16em  ’の量で、50KEV
のエネルギーeレベルで、ヒ素をイオン注入することに
よる、イオン注入方法が使用され得る。サブコレクタの
イオン注入領域は、例えば、約650nmの深さまで、
1100℃の温度で、ドライブ・インされる。それから
、主表面の二酸化シリコンが、フッ化水素酸の食刻液を
用いて除去される。
それから、シリコン基体は、エピタキシャル成長のチェ
ンバー内に置かれ、そして単結晶シリコン層4が基体の
主表面上に成長される。点線は、基板2とエピタキシャ
ル層4との間の最初の境界を示している。サブコレクタ
領域は、エピタキシャル成長の間にエピタキシャル層中
へ伸ヒて、N型のサブコレクタ領域6を形成する。この
エピタキシャル成長は、約1000’C乃至1200’
Cの成長温度で、5ic14/H2又はSiH4/H2
の混合ガスを用いるような通常の技術により、行なわれ
る。エピタキシャル層の厚さは、典型的には2μである
が、しかし0.5乃至10μの範囲であっても良い。
次の一連のステップが、分離パターンの深い凹所誘電体
分離部分を形成する。分離パターンは、2つの部分より
成る。即ち、集積回路表面における埋設誘電体部分、並
びに埋設部分を通って伸び、そして単結晶シリコン基板
中へ伸びる深い部分である。通常の洗浄処理後は、もは
や、表面は深い分離パターンのためのマスクの形成準備
ができている。二酸化シリコン層8が、約1[)Onm
の厚さまで、約900℃の温度で、酸素又は酸素/水素
゛十塩化水素のガス中で、熱的に成長される。それから
、窒化シリコン層1oが、約25nmの擁さまで、80
0℃の温度で、シラン及びアン至ニアの混合ガスを用い
て、化学気相付着により付着される。二酸化シリコン層
12が、例えば、14μの厚さまで、約935℃の温度
で、例えば、シラン及び酸化2窒素を用いて、化学気相
付着により、窒化シリコン層10上に付着させる。
それから、マスク14を形成するために、主表面上にレ
ジスト被覆膜を全面付着し、光学的にレジストを露光し
、そして現像して、レジストを焼成スルコトにより、レ
ジスト・マスク14が形成される。マスク中の開ロバタ
ーンは、分離の深い凹所部分及び基板接点を有すること
が所望されることになっているところに、開口が位置す
るように、選択される。さて、マスク14が、層12.
10及び8を貫通食刻するために使用される。これは、
化学的な食刻、反応性イオン食刻、又はプラズマ食刻の
ような種々の通常の食刻技術により行なわれ得る。しか
しながら、結果として深い凹所に実質的に垂直な側壁を
生じる反応性イオン食刻技術を用いることが好ましい。
好ましい反応性イオン食刻雰囲気は、CF 4 / H
2である。このガス状雰囲気では、1.4μの二酸化シ
リコンを貫通食刻するのに約35分、25μmの窒化シ
リコンを貫通食刻するのに1分、及び1[10μmの二
酸化シリコンをシリコン表面まで貫通食刻するのに2.
5分、各々かかる。さて、典型的には、酸素灰化法及び
熱硫酸/硝酸の溶液を用いて、レジスト・マスク14は
除去される。実質的に垂直な側壁を提供することになる
いずれかの食刻技術を用いて、シリコンの深い凹所が形
成される。例えば、2乃至6μの深さ、好ましくは約4
.5μの深さの凹所を形成するのにCB r F 5 
/ 02の反応性イオン7食刻プロセスを用いることが
好ましい。
誘電体分離の深い部分のパターンを完成するための深い
凹所のポリシリコン充填は、約1100nの厚さの二酸
化シリコン層18が形成されてしまうまで、1000℃
の酸素又は酸素及び水蒸気+塩化水素の雰囲気中に構造
体を置くことにより、凹所の表面を熱酸化することで始
まる。二酸化シリコン層18の残りの厚さは、約500
nmである層18の全体の厚さを得るために、さらに4
00nmの厚さまで、約800℃のシラン及び酸化2窒
素の雰囲気中で、二酸化シリコンを化学気相付着するこ
とにより形成される。十分な厚さに対しては、熱的に成
長させる二酸化シリコン・プロセスよりも、より短い時
間しかかからないので、二酸化シリコンを形成するには
、さらに化学気相付着方法を使用することが好ましい。
その上、深い凹所中に200nmよりも厚く熱成長され
た二酸化シリコンは、シリコン単結晶基板中の欠陥密度
を増加させることになる。また、この二酸化シリコン層
18の上に、窒化シリコン若しくはその他の層を化学気
相付着又はその他の方法により付着することもできる。
しかしながら、このプロセスでは、被覆膜のようなもの
を用いることは好ましくない。さて、構造体は、構造体
の水平な表面特に、深い凹所の底の二酸化シリコン層1
8を除去するための反応性イオン食刻若しくはその他の
異方性食刻の雰囲気中に置かれる。凹所の底からの膚1
8のこの除去を効果的にする好ましい食刻雰囲気は、C
F4/HJ囲気である。
さて、凹所は、ポリシリコンで充填される。ポリシリコ
ンは、2つのステップのプロセスで付着されることが好
ましい。本質的なポリシリコンが、最初に、200 n
mの厚さまで、約20分間、625℃のシラン雰囲気か
ら付着される。それから系の温度は、例えば、結果とし
て生じる領域にP+ドーピング・レベルを与えるのに十
分なホウ素のドーピングを含む、主要なポリシリコンの
付着についてのS i C/l 4 / H2の系にお
いて、1000℃まで上昇される。ポリシリコン付着の
厚さは、3μ程度である。これら2つの付着の結果、P
+デポ9フコン層2oによる凹所の充填、並びに構造体
の主要表面上へのP+ポリシリコンの付着を生じる。さ
て、構造体の表面のポリシリコンを除去しなければなら
ない。これはJ標準的な反応性イオン食刻プロセスによ
り行なわれるのが好ましい。食刻は、主表面を覆ってい
る二酸化シリコン表面で止ることになる。
さて、深い凹所分離形成のためのマスク8.10及び1
2が、除去される。二酸化シリコン層8は、CF 4 
/ H2のRIBで除去され、窒化シリコン層10は、
約85℃の燐酸で、そして二酸化シリコン層12は、C
F 4 / H2のRIEを用いて除去される。埋設誘
電体部分を形成する1つの好ましい方法は、このパター
ンが、エピタキシャル層の表面上にシリコンの酸素窒化
物(silicon−oxynitride)層を付着
することにより、形成されるものである。シリコンの酸
素窒化物は、例えば、4−On’mの厚さまで、800
℃の温度で、シラン、アンモニア及び酸化2窒素のガス
を用いる化学気相付着方法により、形成される。シリコ
ンの酸素窒化物の屈折率は、約1.67である。第2の
化学気相付着される窒化シリコンの被覆膜が、約40 
nmの厚さまで、800℃の温度でシラン及びアンモニ
アのガスを用いて、被覆膜の上に付着される。二酸化シ
リコン層が、約1[]Onmの厚さまで、約800℃の
温度でシラン及び酸化2窒素のガス雰囲気から、窒化シ
リコン層の上に付着される。単結晶シリコン基体中に誘
電体分離パターンを有することが所望されるところに開
゛口を形成するために、複合層は、標準的なリングラフ
ィ及び食刻の技術を用いてパターン化される。化学食刻
、プラズマ食刻、又は反応性イオン食刻のいずれかが、
その層を除去するために、使用され得る。
しかしながら、二酸化シリコン、窒化シリコン及び単結
晶シリコン表面までシリコンの酸素、窒化物を各々除去
するために、CF4及びH2の反応性イオン食刻雰囲気
を用いることが好ましい。さて、CB″rF 102雰
囲気を用いる反応性イオン食刻プロセスによりシリコン
を食刻することが好ましい。もちろん、その他の食刻技
術も使用され得る。シリコンの約400nmを食刻する
ことが好ましい。レジストは、例えば、酸素灰化プロセ
ス及び熱硫酸/硫酸の化学食刻を使用して、層の表面か
ら除去される。
構造体は、好ましくは約1μの厚さの二酸化シリコンを
形成するために、約1000℃で酸素乃至は水蒸気+塩
化水素の酸化雰囲気中に置かれる。前記したようなシリ
コンの酸素窒化物層をマスクとして用いることは、酸化
ステップにより形成される鳥のくちばし”を実質的に除
去するという利点を有しており、そして許容可能なレベ
ルまで1鳥の頭(bird’s  head)”を減少
させる。この結果生じる埋設誘電体分離部分は、22及
び24と示されている。バイポーラ・トランジスタのコ
レクタ・リーチ・スルーとペース・エミッタの領域の間
の表面分離として働らく埋設誘電体パターンの領域24
のような部分は、第2図かられかるように、分離の深い
凹所部分を有さない。さて、シリコンの酸素窒化物層か
ら成る埋設誘電体部分のマスクは、二酸化シリコン層を
除去するための緩衝フッ化水素酸の浸漬、並びに窒化シ
リコン層及びシリコンの酸素窒化物層を除去するための
、約120分間、約165℃の温度での燐酸の食刻を用
いて、除去される。
さて、単結晶シリコン領域中に続いて装置を形成するた
めに、基体の主表面を準備しなければならない。構造体
は、約50nmの二酸化シリコン層を形成するために、
900℃で、酸素又は酸素/水蒸気+塩化水素のガス中
で、熱的に酸化される。二酸化シリコン層30は、80
0℃でのシラン/酸化2窒素の雰囲気における二酸化シ
リコンの化学気相付着を用いて、完了される。この厚さ
は、典型的には、約350nmである層6oの全体的な
厚さに対しては、300nm程度である。
高密度のバイポーラ・トランジスタ集積回路を形成する
プロセスにより、第2図の構造体は完成する。ペース領
域が34、エミッタ領域が66、並びにコレクタ・リー
チ・スルー領域が68である。これらの領域は、周知で
ある通常の、リソグラフィ、食刻、イオン注入乃至は拡
散の技術により形成される。NPNバイポーラ・トラン
ジスタを形成するこの例では、領域36及び38はN型
であり、そしてベース領域34はP型である。もちろん
、N型領域に対してはP型領域で、並びにP型領域に対
してはN型領域で全て置換することにより、PNPバイ
ポーラ縦型トランジスタの集積回路が提供されることに
なることも、十分に理解される。
図面には示されていないが、続く一連のステップは、装
置の成分の所望の相互接続を回路中に形成するために、
通常の金属及び絶縁体の付着+リソグラフィ及び食刻の
技術を使用する、集積回路の種々の成分の配線相互接続
を含むことになる。P+ポリシリコン領域20を含む基
板接点は、ここでは示されていないが、この配線相互接
続パターンにおいて主表面から接続されることに注意す
べきだ。
もちろん、種々の集積回路装置は、基板接点成分を有す
る誘電体分離パターンを使用し得るこ゛とは明らかであ
る。第3乃至第5の各図は、集積回路構造体のその他の
領域の垂直断面を示す。第6図は、ライン2−2に沿っ
た断面で示された第2図のバイポーラ・トランジスタ構
造体と、ライ/3−6に沿った断面、で示された第3図
の、シリコン基体の主表面に達する基板接点領域20と
、ライン4−4に沿った断面で示された、ショットキ・
バリア・ダイオードを含むことになる第4図の、分離さ
れた単結晶領域と、ライン5−5に沿った断面で示され
た第5図の抵抗体とを有する集積回路構造体の平面図で
ある。第6及び第6の両図においてシリコン基体の表面
に達するように示された、深い凹所分離のP+ドープさ
れたポリシリコン部分20は、埋設誘電体分離部分の下
に存在するので表面に達しない他の深い凹所部分に接続
されていることを、理解されたい。これにより、基板接
点は、全く分離パターンであることがわかる。
電界効果トランジスタ(FET)集積回路構造体は、こ
のような誘電体分離パターンを用いることができるその
他の型の装置である。FET集積回路の場合には、エピ
タキシャル層の使用は、任意である。現時点までのとこ
ろ、エピタキシャル層は、FET集積回路においては、
一般に用いられなかった。しかしながら、このようなエ
ピタキシャル層の使用については利点がある。もちろん
、第1及び第2の両図のバイポーラ・トランジスタ集積
回路構造体中に使用されたように、FET構造体中にサ
ブコレクタ領域6を備える必要はない。
誘電体分離パターン間の単結晶シリコン領域内に、抵抗
体、キャパシタ、ダイオード等の他の有用な受動及び能
動の集積回路装置が、FET装置と共に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
第1及び第2の両図は、本発明による基板接点及びその
結果得られる構造体を有するバイボーラ・トランジスタ
の集積回路構造体を形成する1つの方法の実施例を示す
。第3乃至第5の各図は、本発明の誘電体分離構造体を
用いて形成され得る他の装置成分を示す。第6図は、第
2乃至第5の各図で形成された構造体の平面図を示す。 −2−P−半導体基体、18−二酸化シリコン層、20
−P+ポリシリコン層、22−埋設誘電体分離部分。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基体と、前記基体中で装置領域を囲む誘電
    体分離パターンでるって、前記基体の表面に設けられた
    埋設部分並びに前記埋設部分の下部表面から前記基体中
    へ伸びて設けられた深い部分を有するものと、その一端
    が実質的に前記埋設部分の下部表面と接するように前記
    深い部分内に設けられ穴前記基体への電気接点として働
    く導電性部分と、を含む集積回路構造体。
  2. (2)前記半導体基体が、単結晶シリコンであり、前記
    導電性部分が、ポリシリコンである特許請求の範囲第(
    1)項記載の集積回路構造体。
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