JPH0738435B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0738435B2
JPH0738435B2 JP61138527A JP13852786A JPH0738435B2 JP H0738435 B2 JPH0738435 B2 JP H0738435B2 JP 61138527 A JP61138527 A JP 61138527A JP 13852786 A JP13852786 A JP 13852786A JP H0738435 B2 JPH0738435 B2 JP H0738435B2
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groove
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forming
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10P90/19Preparing inhomogeneous wafers
    • H10P90/1904Preparing vertically inhomogeneous wafers
    • H10P90/1906Preparing SOI wafers
    • H10P90/1908Preparing SOI wafers using silicon implanted buried insulating layers, e.g. oxide layers [SIMOX]
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10WGENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W10/00Isolation regions in semiconductor bodies between components of integrated devices
    • H10W10/10Isolation regions comprising dielectric materials
    • H10W10/181Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に埋込
み絶縁物領域を有する基板上に半導体装置を形成した、
いわゆるSOI(Silicon-on-Insulator)構造を有する半
導体装置およびその製造方法に関するものである。
従来の技術 集積回路は近年高密度化,高速化,大容量化等々の点で
急速に発展している。とりわけ、高速性と低消費電力性
を兼ね備えた相補性MOS型回路(CMOSと以下略す)を基
本回路とした集積回路は、数年後には集積回路のほとん
どの分野で中心的な役割を果たすものと予測されてい
る。
こうしたCMOS技術のなかでもとりわけ将来を有望視され
ているのがSOI構造を用いたSOI-CMOS技術である。これ
は、CMOS技術にSIO構造を適用することによってラッチ
アップ現象をなくすことができ高密度化が図れること
と、寄性容量が低減でき高速、低消費電力化が図れるか
らである。
SOI構造形成方法として数多くの報告がされているが、
そのなかでも酸素または窒素をシリコン基板にイオン注
入して酸化膜層または窒化膜層を形成する方法が最も実
用化に近いところにあると考えられている。
第4図は窒素をイオン注入して埋込み窒化膜層を形成す
る際の従来のプロセスの一例を示したものである。〔例
えばG.Zimmer他;IEEEトランスアクション オン エレ
クトロンデバイス(Trans.ED,vol.ED-30,No.11,p.1515
(1983)〕まずシリコン基板1を熱酸化し、500Å程度
の酸化膜2を形成する(第4図(b))。これは窒素イ
オン注入時に生じるシリコン基板表面でのスパッタリン
グ防止および表面汚染の防止のためである。続いて加速
エネルギー150KeV,ドーズ量2×1018/cm2程度の窒素イ
オン注入を行う。この際窒素イオンは投影飛程RP約3500
Å,偏差約900Åのガウス分布に近い形状となる。次に
酸化膜2を除去した後、CVD法により数1000Åの酸化膜
3をキャップとして堆積し1100℃から1200℃の不活性ガ
ス(例えば窒素,アルゴン等)中で数時間の熱処理を行
う。この熱処理によってイオン注入した窒素原子は近傍
のシリコン原子と反応し、埋込み窒化膜領域4が形成さ
れる(第4図(C))。過剰な窒素原子は基板の表面ま
たは裏面に向って拡散し、シリコンと反応して窒化膜領
域4の一部を形成する。こうして約2500Åの窒化膜領域
4が形成され、シリコン基板1から絶縁分離されたシリ
コン領域5が得られる。
発明が解決しようとする問題点 以上の様な方法で形成したSOI構造にCMOS回路を形成し
た場合ラッチアップフリーでかつ寄生容量が小さいこと
が知られているが、他面バルク素子に比べて接合でのリ
ーク電流が大きくまた変換コンダクタンスgm(gm=ΔI
DS/ΔVDS)が小さい、素子特性のバラツキが大きい等
の問題があった。これらの原因として絶縁分離されたシ
リコン領域5に存在する結晶欠陥や歪によってキャリア
ライフタイムが短くなっていることが一因と考えられ
る。シリコン基板に酸素または窒素イオンを注入して埋
込み絶縁膜を形成した場合、絶縁膜の数10%にも及ぶ体
積膨張を生じること、さらに体積膨張にともなって生じ
るシリコン中の応力が必ずしも等方的ではないこと、に
よってこの様な歪や結晶欠陥が生じるものと考えられ
る。
問題点を解決するための手段 本発明は従来技術のこの様な問題点に鑑みてなされたも
ので、表面シリコン領域を埋込み絶縁膜に達する溝で分
離して高ドーズイオン注入による体積膨張に起因する歪
を小さくし、キャリアライフタイムの低下等の問題点を
解決しようとするものである。
本発明の半導体装置の製造方法ではシリコン基板に溝形
成した後、酸素または窒素イオンをイオン注入して埋込
み絶縁物領域を形成する。イオン注入を溝形成に先行し
て行うこともできるが、この場合に本発明の目的を達す
るためには溝形成後に充分な高温熱処理を必要とする。
溝深さは絶縁物形成にともなう体積膨張による歪を解消
するため、埋込み絶縁物領域に達するかあるいはそれ以
上であることが必要である。望ましくは大略埋込み絶縁
物領域底面に達する深さであるのが良い。溝が深すぎる
と後工程での平坦化が困難となるからである。また必要
に応じ埋込み絶縁物領域を形成して後、表面単結晶シリ
コン領域上のシリコンのエピタキシャル成長を行い、よ
り良質のSOI構造を得ることもできる。
作用 この様にシリコン基板に溝形成して酸素または窒素イオ
ン注入し埋込み絶縁物領域形成すると、絶縁物領域形成
にともなう体積膨張による歪が溝によって緩和されるた
め、結晶性の良好なSOI構造が得られる。歪の緩和のた
めにはできるだけ短い周期で溝を配置するのが望ましい
が、他方、溝を多くすると活性領域として使用できる領
域が狭くなるので埋込み絶縁膜形成条件により溝配置を
最適化することが望ましい。
実施例 以下に、本発明の半導体装置の製造方法について実施例
を用いて説明する。第1図は本発明の半導体装置の製造
方法により形成された半導体装置の一実施例を示したも
ので、CMOS(相補型MOS)インバータの横断面図であ
る。シリコン基板1中に形成された埋込み酸化膜6と埋
込み酸化膜によりシリコン基板1から分離されたSi層7,
さらにその上にエピタキシャル成長したSi層8,エピタキ
シャル層8を分割している溝9,熱酸化膜10,からなるSOI
構造中に、PMOSトランジスタのソース11,ドレイン12及
びNMOSトランジスタのソース13,ドレイン14,ゲート電極
15,Al配線16が形成されている。分離されたSi層は溝9
とその上に形成された熱酸化膜10によりストレスが緩和
されるので、その上に形成されたMOSトランジスタはバ
ルク素子並の相互コンダクタンスを有しかつ高速動作す
る。
第2図の工程断面図を用いて本実施例の半導体装置の製
造方法を説明する。第2図(a)に示す様にまずシリコ
ン基板1に酸化膜17をCVD法により約1μm堆積する。
続いて同図(b)に示す様に、フォトリソグラフィ技術
によってフォトレジストパターン(図示せず)を形成
し、これをマスクとして酸化膜17をエッチングした後、
フォトレジストを除去する。パターンニングされた酸化
膜17をマスクにシリコン基板1をエッチングし、溝9を
形成する。CVD酸化膜17及びシリコン基板1のエッチン
グには反応性イオンエッチングを用いた。CVD酸化膜17
のエッチングにはCHF3とC2F6の混合ガスをエッチングガ
スとして用い、シリコン基板1の場合にはCCl4とCl2
混合ガスを用いたが、公知の他のガスを用いても何ら問
題はない。次にCVD酸化膜17をHF系の水溶液で除去した
後、酸素イオン注入を行う(第2図(c))。酸素イオ
ン注入は加速電圧200KV,ドーズ量1.5〜2.5×1018/cm2
で行った。酸素イオン注入の後、N2中1200℃前後で数時
間熱処理をすると表面から約0.2μm深さに厚さ0.2〜0.
4μmの酸化膜6が形成された。この様にしてシリコン
基板1から分離された表面シリコン領域7は、溝9が存
在するために、熱処理の際に酸化膜6の表面が露出する
ことになり、酸化膜6形成時のストレスが緩和され、良
質の結晶性となる。次に第3図(d)の様にシリコンエ
ピタキシャル層18をCVD法により約0.5μm堆積した。表
面シリコン領域が従来に比べて良質であるから、エピタ
キシャル層18も従来に比べて良質なものになる。このエ
ピタキシャル層18及び表面シリコン領域7に公知のCMOS
プロセスを適用して第2図(e)に示すCMOS素子が完成
する。
本発明の製造方法の第2の実施例を第3図(a)〜
(d)の工程断面図を用いて説明する。
第3図(a)から(c)までは第1の実施例と同じであ
る。酸素イオン注入後熱処理し、埋込み酸化膜6を形成
したあと、多結晶シリコンを0.5〜1μm堆積してホト
レジストと多結晶シリコン等速反応性イオンエッチング
による平坦化を行う。これによって溝9は多結晶シリコ
ン19で埋められ、平坦性の良い表面が得られた。続いて
公知のCMOSプロセスを適用して第3図(d)に示すCMOS
素子が得られた。
こうして作製したMOSトランジスタを評価した結果、バ
ルク素子に比べても移動度や相互コンダクタンスは劣る
ことはなく、むしろ接合容量が小さく高密度化しやすい
というSOI構造のメリットが引き出せることが明らかと
なった。また素子間の分離領域に溝を配置することによ
って溝の占有面積を小さくすることもできるため、個々
の素子の周囲にこの様な溝を配置することも可能であ
る。
なお、第2図及び第3図に示された実施例における半導
体装置の製造方法では、まずシリコン基板1に溝9を形
成した後に酸素イオン注入を行っているが、先にシリコ
ン基板1に酸素イオン注入を行った後に溝9を形成して
も同様の効果を得ることができる。但し、この場合溝9
を形成した後に充分な高温熱処理を必要とする。さら
に、実施例では、酸素イオン注入により埋込み酸化膜を
形成する場合について述べたが、窒素イオン注入により
埋込み窒化膜を形成する場合にも本発明が適用できるこ
とは明らかである。
発明の効果 以上のように本発明によれば高密度集積した高性能SOI
構造の半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例における半導体装置の断面
図、第2図及び第3図は同半導体装置の製造方法を示す
工程断面図、第4図は従来の窒素イオン注入による埋込
み窒化膜形成方法を示す工程断面図である。 1……シリコン基板、6……埋込み酸化膜、7……分離
されたSi領域、8……シリコンエピタキシャル領域。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板に溝を形成する溝形成工程
    と、前記溝形成工程の後酸素イオンまたは窒素イオンを
    打ち込み、前記シリコン基板の前記溝の形成されていな
    い領域において前記シリコン基板表面と前記溝の底面の
    間に埋込み絶縁物領域を形成する埋込み絶縁物領域形成
    工程と、前記絶縁物領域形成工程の後前記シリコン基板
    を熱処理する熱処理工程とを有する半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項2】熱処理工程の後、エピタキシャル層を形成
    するエピタキシャル層形成工程を付加したことを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の半導体装置の製造方
    法。
  3. 【請求項3】シリコン基板に酸素イオンまたは窒素イオ
    ンを打ち込んで埋込み絶縁物領域を形成する埋込み絶縁
    物領域形成工程と、前記埋込み絶縁物領域形成工程の後
    前記埋込み絶縁物領域に到達する深さの溝を形成する溝
    形成工程と、前記溝形成工程の後前記シリコン基板を熱
    処理する熱処理工程とを有する半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】熱処理工程の後、エピタキシャル層を形成
    するエピタキシャル層形成工程を付加したことを特徴と
    する特許請求の範囲第3項記載の半導体装置の製造方
    法。
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