JPH01191440A - 誘電体分離基板の製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多数の半導体単結晶島領域を誘電体層で相互
に分離し、且つ該半導体多結晶支持体によって一体固定
した半導体素子又はそれちの集積によりなる回路素子用
の所謂誘電体分離基板の製造方法に関し、特に前記半導
体単結晶島領域の分離のために利用される分離溝に多結
晶を析出・充填するに際し、分離溝中の多結晶層中に空
隙を残すことのない完全な充填層を形成する誘電体分離
基板の製造方法に関する。

〔従来の技術Ｊ 従来半導体集積回路装置における個々の素子の分離につ
いては、比較的工程が簡単で且つ制御の容易な拡散層に
よるｐｎ接合分離が広く行われているが、ｐｎ接合部に
おける分離容量が大きく、集積回路の高周波性に悪影響
を与え、回路の動作速度が遅くなるという欠点があり、
他の提案として誘電体層で分離する誘電体分離方式があ
る。この方式は、寄生容量や分能耐圧の点では、理想的
な絶縁分離法である。

このような誘電体分離法で製造された分離基板は通常、
第３図＜１ｌｌ）に示されるＷ４造になっている。すな
わち第３図（Ｉ［）に示されるようにシリコン単結晶の
島からなる各素子１ａ、ｌｂは二酸化ケイ素等の酸化膜
からなる誘電体絶縁膜３によって絶縁され、さらに多結
晶シリコン層等からなる支持体層４によって基板全体が
保持される。

このような誘電体分離基板は、通常以下のように製造さ
れる。

第３図に示す単結晶シリコンウェーハ１の主表面は、＋
Ｌｏｏｔからなっている。該主表面はその表面準位、そ
の他の理由で（１００）面が選択されるが、選択エッチ
によって該主表面に分離溝の寸法形状を制御するために
も＋ｉｏｏ＋が分離溝を形成する加工面として好ましい
性質を持っている。該主表面にまず最初に化学腐蝕処理
により、通常断面Ｖ字型の溝が選択的にエツチングされ
、希望する網目状のパターンが形成される。更にこの工
程を詳述すると、かかる分離溝を形成する際に、シリコ
ンウェーハ表面に約１μｍ程度の酸化シリコン層を熱酸
化によって形成し、次いでフォトリソ工程で分離溝の網
目状パターンのためのシリコンウェーハ表面を露出し、
例えば８０℃前後に温めたＫＯＨ水溶液でアルカリ異方
性エツチングを行う、（１００）、（１１０）面のエツ
チングは（１１１）面に対し、著しく早い異方性エツチ
ングが行われる。一般に断面構造は、１字型でその側面
は（１１１）面で深さＴとその開孔巾Ｗとの間にはＴ＝
０．７０７Ｗの関係がある。深さＴは最終的に半導体単
結晶島領域の深さを決めるが、低圧素子用としでは例え
ば１０μｍ、高耐圧用としては、６０μｍが選ばれ、１
００μｍを超えることはない、第３図（Ｉ＞の２ａは、
分離溝の断面のみを示す、このようにして、分離溝が網
目状パターンに形成されたシリコンウェーハ面は熱酸化
を受け、２〜３μｍの厚いシリコン酸化膜で被覆される
。このシリコン酸化膜は誘電体分離として電気的絶縁分
離の主役となる。第３図（Ｉ）の３がこれを示す、該シ
リコン酸化膜の上には、例えばＳ　ｉ　ＨＣｊ　　或い
はＳ　ｉ　ＣＡ　４の水素ガスによる稀釈ガス雰囲気中
で該シリコン化合物を熱分解してシリコン原子を多結晶
状に析出沈着せしめられる。多結晶層の厚さは２００μ
ｍから場合によっては５００μｍ以上に析出させる。第
３図（Ｉ［）は、多結晶シリコン支持体層４を形成した
状態を示す０次いで他方の主表面側から機械的な研磨又
は化学腐蝕或いは両者を併用して、シリコンウェーハ１
の大部分を除去し、高精度の平坦に仕上げ、その除去に
は前述分離溝２ａの誘電体絶縁膜３を超えて多結晶シリ
コン層支持体Ｍ４の一部が露出するまで行われる。この
プロセスによってシリコン単結晶島領域が電気的に完全
に分離され、尚且つ後の集積回路製造工程に使用可能な
ように、平面上に多結晶シリコン層により一体固定され
る。第３図（ＩＩ［）のｌａ、ｌｂはこれらシリコン単
結晶領域を示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の誘電体分離基板の製造方法において、通
常分ｖａ′ａの断面構造は、■溝型に形成されるが、場
合によってはその深さＴに対し開孔部の巾Ｗが大きく、
Ｗ＝２〜３Ｔであり、その断面Ｗ４造か逆台形を有する
。かかる逆台形の分離溝は、選択エツチングを途中で止
めれば、底面が（１００）よりなる平坦部を形成して、
容易に加工は可能である。第１図（Ｉ）に示されるよう
に通常の１字型の分離溝２ａとは別に逆台形の四部２ｂ
を形成する場合がこれに相当する。

かかる逆台形分離溝２ｂは、第１図（ＩＩＩ）に示す４
ａとなり、最終的な誘電体分離基板において、シリコン
単結晶島領域と並列して誘電体層を介して、通常の多結
晶露出層４ｂとは異なり、広面積に多結晶層を露出する
。かかる大きな多結晶露出面４ａは、集積回路チップ毎
に、或いはシリコンウェーへの特定の場所に形成されて
マスク合わせの基準位置としたり、シリコン単結晶層の
研磨除去に際しての除去量の制御、換言すればシリコン
単結晶島領域の深さの制御に用いたりする。また集積回
路製造工程の前工程終了後、各チップにダイシングによ
り分離する際の分離帯とするための特に巾広の多結晶露
出面を必要とする場合にも効果的に利用される。

分離溝を形成し、更に誘電体絶縁膜を被覆した後のシリ
コン多結晶の気相成長に際し、通常の断面Ｖ字型の分離
溝はその成膜条件によらず、他の平面部分と同じ状態で
緻密なそして空隙のない多結晶の成膜が可能であるが、
かかる分離溝の断面形状が逆台形となり、例えばその深
さＴに対し、開化部巾のＷｆｆｉＷ＝２〜３Ｔとなる場
合には、多結晶シリコン層の析出条件によって、特に分
離溝内部において、即ち第１図の四部２ｂのほぼ中央部
か上方に亙って空隙を生じてしまう不都合がある。これ
は第４図の空隙部５で示されている。第４図のその他の
数字は第１〜３図の意味するとこと同じである。

かかる現象は、分離溝の構造が特にシリコンウェーハの
主表面とその側面が５７．７４°の角をなし、この主表
面と側面との交叉する部分で、特にシリコン多結晶の成
長が促進するためであると考えられる。第２図及び第４
図には、多結晶シリコン層支持体層４の中に多数の直線
からなる組織が画かれているが、これは多結晶の成長す
る方向を示し、直線間は多結晶粒の粒界と考えてよい。

この観察かられかるように多結晶はその表面の形状に従
って均一な成長速度でその被覆層の厚さを増すのではな
く、ミクロな結晶核が点在し、これからの面に対し、略
直角方向成長と、これらからの横方向への成長との組合
せであることも観察される０分離溝の寸法がＷ＝２〜３
Ｔの場合には、分離溝部の各部の多結晶成長には微妙な
制御が必要で前述した分離溝の上端近傍の成長に比較し
て、その底部の成長が著しく差が生ずる場合があり、第
４図に示す空隙部５を生じる。

かかる空隙部５の発生は、最終工程で単結晶シリコンを
研磨し、シリコン単結晶を島状領域に分離した際、露出
多結晶面に凹みが生じ、集積回路製造工程でかかる誘電
体分離基板が各種の処理を受ける際、チップの破壊の原
因になったり、また不純物を捕捉して集積回路基板とし
て著しい不利益を生ずる。

本発明は、このような問題点を解決すべく創案されたも
のであり、その目的とするところは半導体単結晶島領域
の分離のために利用される分離溝の断面寸法が、開孔部
の巾Ｗ＝２〜３Ｔ（Ｔは清の深さ）の場合にかかる逆台
形分離溝ＩＪに空隙部を発生することのない均質な多結
晶シリコン層支持体層を形成する！！！遣法を提供する
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するための本発明は、＋１００＋面
を主表面とするシリコン単結晶ウェーハの一方の主表面
を部分的に除去して、少なくとも該主表面に平行な平坦
底面を有する開孔部ｉＪと深さの比が２乃至３倍の分離
溝を形成し、該分離溝部分を含めて、前面に誘電体絶縁
膜を設け、この上に多結晶シリコン層支持体層を気相成
長させ、更に他の主表面側を上記分離溝に達するまで除
去し、シリコン単結晶島領域を分離形成するに際し、上
記多結晶シリコン層支持体層の成膜速度を反応温度１１
００〜１２８０°Ｃにおいて２．５〜５μｍ／ｎｉｎの
範囲に選定する誘電体分離基板の製造方法を提供する。

〔作用〕

前述する特殊な目的のために、断面逆台形の分離溝に誘
電体絶縁膜例えば熱酸化によってシリコン酸化膜の２〜
５μｍの薄膜を形成した後、多結晶シリコンの成膜条件
として１１００〜１２８０℃の析出温度で、多結晶シリ
コンの析出条件（成膜速度）を２．５〜５μｍ／１Ｉｉ
ｎとなるよう、シリコン化合物例えばトリクロロシラン
のガス濃度を調節して制御すれば、断面逆台形の分離溝
の形状寸法がその開孔部の巾Ｗに対し、その深さＴの関
係がＷ＝２〜３Ｔの場合においても、全く多結晶シリコ
ン層の特に分離溝内部において全く空隙を発生しない。

Ｗ／Ｔの比が２未満においては、特に多結晶シリコンの
成膜条件に注意を払う必要はない、Ｗ／Ｔの比が３を超
えると同様に成膜条件に特に制限はない。

Ｗ／Ｔの比が２〜３の間においては、分ｌ１ｉｉ溝の特
に底部の多結晶シリコンの析出と、該側面上端部のそれ
の比が重要で、析出速度（成膜速度）を少なくとも２．
５μｍ／ｎｉｎ以上に選定することにより、分離溝底部
の析出速度（成膜速度）を増大させ、これに比して上記
上端部近傍の多結晶シリコンの析出速度が増大せず、両
者が調和し分離溝中の多結晶の完全充填が可能となる。

多結晶シリコンの成膜速度が約５μｍ／ｌ１ｉｎをこえ
ると、空隙部は発生しないが多結晶シリコンを析出した
後のシリコンウェーハのソリが著しく大きくなり好まし
くない。

例えば３００μｍの多結晶シリコン層の被膜後のソリは
２インチの直径で３００μｍの厚さのシンコンウェーハ
を基板として用いた場合２００μｍにも達する。このよ
うにソリが大きくなると次工程の研磨の際にこのソリが
原因でシリコン単結晶層の研磨除去が低精度になり、シ
リコン単結晶島領域の深さが均一とはならない、またこ
のソリは単結晶の再配列による自己収縮と、膨張係数が
単結晶に比し大きいことにより起るが、これは単結晶内
部に多数の転位やスリップラインを発生し、好ましくな
い。

反応温度が低く、例えば９００　”Ｃよりも低いと、シ
リコン化合物の熱分解が遅くなり、このために２．５μ
ｍ／ｌ１ｉｎ以上の多結晶シリコン析出が不可能となり
、分離溝の多結晶充填が不完全となる。

また、分解によって遊離したＳｉ原子か結晶化せず無定
形状態となったり、また、たとえ結晶粒として単結晶し
たとしても、そのサイズが小さすぎたり、結晶粒相互の
接着が不充分で、強固な多結晶支持体層の形成が実現さ
れない、また反応温度が高く、例えば１３００℃を超え
ると、ハロゲン元素を含むシリコン化合物を用いる場合
には、熱分解の結果生じた副生成物が逆に析出しな多結
晶層を化学的に浸蝕し、総合的には高析出度が実現され
ない６本願の温度範囲はかかる理由から採用されたもの
で、温度範囲が１１００℃乃至１２８０℃の範囲であれ
ば、上記のような不都合は全く生じない０本願では、シ
リコン化合物としてもモノシランＳｉＨ４の使用も可能
であるが、この場合は気相で分解しないようモノシラン
が出来るだけ低温の状態で本願温度範囲に保持されたシ
リコン基板に接触される工夫が必要である。モノシラン
を使用する場合には、ハロゲン元素を含むシリコン化合
物と異なり、析出速度は高反応温度においても多結晶層
の浸蝕がないが、それ自身が低温例えば６００℃程度で
分解するので、１３００℃のような反応温度を採用する
ことは、実際上技術的な困難がある。モノシランが気相
で分解すると、シリコン析出層は無定形であったり、機
械的強度が不足したりして本願の目的とする誘電体分ｉ
ｌＩ！基板の支持体としては好ましくない。

また、シリコン基板温度が１３００℃になると融点に近
いので、シリコン単結晶島領域の単結晶の結晶質を劣化
させる原因になるので好ましくない。

〔実施例〕

以下、本発明の誘電体分離基板の製造方法の一実施例を
第１図に沿って説明する。

第１図（Ｉ）（ｎ）（Ｉ）は製造方法を順次経時的に示
したものである。

単結晶シリコンウェーハ１の一方の＋１０］主表面に所
定のパターン形状のエツチングマスクを形成した後、エ
ツチングにより所定の分離溝、例えば第１図（Ｉ）に示
されるような断面が７字形状の分離溝２ａ、＠面逆台形
状の幅広の分離溝２ｂを形成する。断面逆台形状の幅広
の分′Ｈ溝２ｂは、ウェーハ主表面にほぼ平行な平坦底
面を有し、開孔部の巾Ｗと深さＴの比Ｗ／Ｔは２〜３で
ある。

上記のエツチングマスクは、通常、単結晶シリコンウェ
ーハの一方の面を１１００〜１２００℃にｆｉ酸化し、
シリコン酸化膜（１４０〜１．５μｍ）を形成し、この
上に所定のパターンの７オトレジスト膜を形成し、シリ
コン酸化膜を選択的に除去した後の残部が用いられる。

さらに、分離溝２ａ、２ｂを含む全面の上に誘電体絶縁
膜３が形成される。誘電体絶縁ＩＩ！３は、通常絶縁用
シリコン酸化膜からなり、１１００〜１２００℃程度の
再加熱によって生成する。この膜厚は２〜５μｍ程度で
ある。

この誘電体絶縁膜３の上には、第１図（ＩＩ）に示すよ
うな多結晶シリコン層支持体層４が形成され分離溝２ａ
、２ｂは完全に埋没される。多結晶シリコン層支持体層
４は気相反応によって成長形成され、その成膜速度は２
．５〜５μｍ／＋ｉｎ、より好ましくは３〜４．５μｍ
／ｌｉｎである。この値が２．５μｍ　／ｍｉｎ未満で
あると前述したように、断面逆台形状の分離溝２ｂが埋
没される箇所に空隙部が発生してしまい、また５μｍ／
ｌｉｎをこえると基板にソリが生じてしまうという不都
合かある。気相反応に用いられる原料ガスとしては、水
素ガスとＳ　ｉＨｘ　Ｃ，！！　　　　（ｘ＝ｏ〜４の
−ｘ 整数の何れか一つ）で示されるシリコン化合物、例えば
、Ｓ　Ｉ　Ｃｊ　　、Ｈ８Ｉ　Ｃｊ　　、Ｓ　ｉ　Ｈ４
、Ｈ２Ｓ　Ｉ　Ｃｊ　２のいずれか１種以上の混合ガス
が用いられる。

シリコン化合物の濃度は１〜５■０１％、より好ましく
は２〜３ＶＯＩ％である。この値が１■０１％未満であ
ると、上記の成膜速度の下限値未満となるため空隙部が
発生し、また５■０１％をこえると上記成膜速度の上限
値をこえ、上記と同様に空隙部が発生し、さらには基板
にソリが生じてしまう。

析出のための基板の反応温度は１１００〜１２８０℃と
することが好ましい、この範囲をはずれると上述したよ
うに本願所望の多結晶シリコンが析出できない。

このように形成された多結晶シリコン層支持体層４の厚
さは通常３００〜５００μｍ程度である。

通常最初のシリコン単結晶基板の厚さにほぼ等しい、そ
の後、さらに単結晶シリコンウェーハ１の他方の主表面
側を上記分離溝に達するまで研磨ないしエツチングで除
去することによって第１図（Ｉ［［）に示すように単結
晶シリコンの個々の島に分離形成することができる。な
お、多結晶シリコン層支持体層４の上には、さらに公知
の種々の屑を積層してもよい。

本発明の製造方法をさらに詳細に説明するため以下に具
体的実験例を示す。

尺１週 面方位（１００）、直径１１００ｎ、厚さ５００μｍ、
比抵抗１０Ω口のｎ型単結晶シリコンウェーハ１の一主
表面を熱酸化してＳ　１０２膜を形成し、Ｓ　ｉＯ２Ｗ
Ａをホトエツチングで選択的に除去し、残部をエツチン
グマスクにして分離溝を形成する。その後全面に誘電体
絶縁膜３として３μｍ厚のシリコン酸化膜（Ｓ　ｌ　０
２　）を再び加熱生成させる。分Ｍ泊は第１図（Ｉ）に
示されるようにＶ字形状の溝２ａおよび逆台形状のｆｉ
２ｂの２種頚作製した。１字形状の溝２ａの幅は５７μ
ｍ、深さは４０μｍとし、逆台形状のｆｉ２ｂの底およ
び上面の幅はそれぞれ１００μｍ、４３μｍ、深さは４
０μｍとした。分離溝の斜面は（１１１）面あるいはこ
れに近い面が現われる０次いで気相反応炉中で、以下の
成膜条件のもとに多結晶シリコン層支持体層４を誘電体
絶縁［３上に形成しな。

原料ガス：Ｈ２＋Ｈ８１Ｃ，ｇ３ （Ｈ３ｉ　Ｃｊ　３濃度は２．８ｖｏ１％）反応温度：
１１７０℃ 成膜速度：　３．２μｍ／ｆｌｉｎ 原料ガス：Ｈ２＋Ｈ２Ｓ１Ｃ１２ （Ｈ２ｓ　ｉｃｉ　２濃度は３．５ｖｏ１％）反応温度
：１２２０℃ 成膜速度：　３　、１　μｍ／ｌｉｎ 条　　３　（） 原料ガス：　Ｈ２＋ＨＳ　ｉ　Ｃｊ　３（Ｈ３ｉＣｊ３
１度は６．０ＶＯ１％）反応温度：１１５０℃ 成膜速度＝６μｍ／ｎｉｎ 成　　　　　４ 原料ガス：Ｈ２＋Ｈ３ｉＣＪ３ （Ｈ３ｉ　ＣＪＩ　３濃度は２．０ＶＯ１％）反応温度
：１１００℃ 成膜速度：２μｍ／Ｉｌｉｎ このように種々の成膜条件で多結晶シリコン層支持体層
４を５００μｍ厚さに形成した後に、単結晶シリコンウ
ェーへの他方の主表面を所定の位置まで研磨し、単結晶
シリコンの個々の島に分離した。このようにして得られ
た種々のサンプルについて以下の評価を行った。

（１）分離溝表面（多結晶露出７Ｅｌ）に発生した空隙
部の有無を顕ｆｆ１ｆｉで観察し、確認しな、結果を以
下の表に示す。

本発明の成膜条件１および２によるサンプルについては
、第２図に示されるように空隙部を発生させることなく
逆台形分離溝、２ｂを多結晶シリコン層で埋没させるこ
とができた。

なお、成膜条件３で行なったサンプルについては、空隙
部の発生以外にさらに基板のソリの発生も確認された。

〔発明の効果〕

以上、本発明の具体的実験例により本発明の効果は明ら
かである。

すなわち、多結晶シリコン層支持体層４を所定の成膜条
件で形成することによって、単結晶シリコンウェーハの
一方の面に、例えば逆台形状の分離溝、特に開孔部巾と
深さの比が２〜３である分離溝を形成した場合であって
も、第２図に示されるように分離溝の凹部に空隙部を発
生させることなく埋没させることができる。

これにより、シリコン単結晶を島状領域に分離した際、
露出多結晶面に凹みが生じることがなくなるなめ、集積
回路製造工程でかかる誘電体分離基板が各種の処理を受
ける際、チップの破壊の原因も発生せず、また不純物を
捕捉して集積回路基盤として著しい不利益を受けること
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の誘電体分離基板の製造方法を説明す
るための各工程での基板断面図、第２図は、本発明の効
果を具体的に示した基板部分断面図、第３図は、従来の
誘電体分離基板の製造方法を説明するための各工程での
基板断面図および第４図は従来の製造方法の問題点を説
明するための基板部分断面図を示したものである。 １・・・シリコンウェーハ、２ａ・・・Ｖ字形状分離溝
、２ｂ・・・逆台形状分離溝、３・・・誘電体絶縁膜、
４・・・多結晶シリコン層支持体層。 出願人代理人　　石　　川　　泰　　男第１図 第　　２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｛１００｝面を主表面とするシリコン単結晶ウェーハの
   一方の主表面を部分的に除去して、少なくとも該主表面
   に平行な平坦底面を有する開孔部巾と深さの比が２乃至
   ３倍の分離溝を形成し、該分離溝部分を含めて、前面に
   誘電体絶縁膜を設け、この上に多結晶シリコン層支持体
   層を気相成長させ、更に他の主表面側を上記分離溝に達
   するまで除去し、シリコン単結晶島領域を分離形成する
   に際し、上記多結晶シリコン層支持体層の成膜速度を反
   応温度１１００〜１２８０℃において２．５〜５μｍ／
   ｍｉｎの範囲に選定することを特徴とする誘電体分離基
   板の製造方法。