JPS60165737A - 絶縁分離基板 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体集積回路、特に、モノリシック半導体集
積回路に用いられる絶縁分離基板に関す（１） る。

〔発明の背景〕

一般にモノリシック半導体集積回路では、一つのチップ
あるいは絶縁分離基板（以下、基板と略記する。）の中
に各種、多数の集積回路素子（トランジスタ、ダイオー
ド、サイリスタ、抵抗、容１等）が形成されるので、こ
れらを電気的に絶縁分離しなければならない。

この分離の一方法として誘電体絶縁分離がある。

この方式の基板および製法を第１図に従って説明する。

まず、（、）に示すように、一つの導電型であるｎ型の
シリコン（…結晶ウェハｌを用意し、この片側面に所要
の数および形状の分離溝２をエツチングなどにより形成
する。

この分離溝２を形成した面にシリコン酸化膜などの絶縁
膜３を被着形成し、さらに、その上に気相成長反応等に
より支持領域としてのシリコン多結晶層４を成長させる
。その後、シリコン単結晶ウェハ１の表面を基準として
、シリコン多結晶層（２） 持体層４を研磨して平坦面を作り、次に、この平坦面を
基準にして反対側のシリコン昨結晶ウェハ面より分離溝
２の底部に達する位置までシリコン単結晶ウェハ１を研
磨、あるいは、エツチングで除去する。この工程を終え
ること、第１図（ｈ）に示すような基板５を得る。

このようにして得た基板５には互いに絶縁被模３により
電気的に分離された複数のシリコンｍ結晶島領域６が構
成されており、全体はシリコン多結晶支持体層４で支持
されている。これらのシリコン単結晶島領域６にそれぞ
れ所定のパターンをもって所定の不純物を拡散すること
により望むところの集積回路素子を形成する。

しかし、このような基板５では （１）分離溝を形成したシリコン単結晶ウェハ１」ユに
絶縁膜３を介してシリコン多結晶支持体層４を形成した
後に基板５はシリコン多結晶支持体層４側が凹面となる
方向に湾曲する。

（２）単結晶島領域６に集積回路素子を形成する後の熱
処理工程では逆にシリコン多結晶支持体層（３） ４側が凸面となる方向に基板５全体が湾曲する。

という重大な問題がある。

即ち、（１）の湾曲は不要なシリコン単結晶ウェハの研
磨の精度を著しくそこなう原因となったり、基板５の湾
曲がシリコン単結晶島領域６への結晶欠陥導入の要因と
なるなどの理由により製品歩留りの低下を招く。

また、（２）の湾曲は集積回路素子を形成する場合のホ
トエツチング処理の精度や均一性を阻害したり、（１）
の湾曲と同様にシリコン単結晶島領域６への結晶欠陥導
入の原因となり、やはり製品歩留りを悪くする。

このように、異種の物質を積層する誘電体絶縁分離方式
の基板が高温度（約８００〜１３００℃）の熱処理中に
湾曲する問題は本質的なものであり、この問題を解決す
ることは重要である。

近年、高集積化、基板の大口径化が進むにつれ、これら
の湾曲の問題の解決は増々大きな課題となっている。

ところで、（１）に示すシリコン多結晶支持体層（４） 成長工程で発生する湾曲を防＋ｈする方策として、多結
晶成長の原料ガスであるＨｌｌとＳｉＨｎＸｍ（Ｘは通
常ハロゲン元素、ｎ及びｍは０〜４の数値）との混合物
に不純物を添加し多結晶シリコンの微粒子を変性結晶構
造とする技術（特公昭４５−３２７３１　号公報）があ
る。

この方法によれば、１−記原料ガス中にＯｇもしくは（
’：Ｏ，，Ｎ、Ｏなどの不純物を添加すると非常に効果
のあることが実験により確認された。

しかし、このような方策を施こして変性結晶構造のシリ
コン多結晶支持体層成長後に湾曲の少ない基板を実現し
ても、シリコンｍ結晶島領域に集積回路素子を形成する
ための後の熱処理工程で。

今度は（２）のシリコン多結晶支持体層側が凸面となる
基板湾曲が生じてしまう。このことがらシリコン多結晶
支持体層形成中に原料ガスの他に不純物を添加し湾曲を
制御する方法のみでは誘電体絶縁分離方式の基板の湾曲
の問題を完全に解決する手段とはならないことがわかる
。

一方、（２）の集積回路素子形成時の湾曲の問題（５） に関して１発明者等は実験により調べた結果、次の（イ
）〜（ホ）の事柄を明らかにした。

（イ）すなわち、集積回路素子形成時の高温熱処理で生
じる湾曲はシリコン多結晶支持体層側が凸面（シリコン
東結晶島領域側が凹面）となる方向である。

（ロ）　Ｎ＋ａ　ｌ　Ａ　ｒ　＋　■１９等のガス雰囲
気中の熱処理では湾曲は起こらず、酸素ガス雰囲気中の
熱処理によってのみ生じる。

（ハ）熱処理温度が高い（５９００℃）はど、また、熱
処理時間が長い程湾曲の度合は大きい。

（ニ）酸素ガス雰囲気中の熱処理によって湾曲した基板
のシリコン多結晶支持体層表面を数μｍないし５０μｍ
エツチング等により除去すると湾曲は熱処理前の状態に
復帰する。

（ボ）シリコン−ｊｌ結晶支持体層表面をＴ　Ｍ　Ａ　
（Ｉｏｎ旧ｅｒａ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）分析した結果、
多量の酸素が検出された。

以」二の実験結果よ１１、集積回路素子を形成する場合
のＪ：うに、酸素ガス雰囲気中での高温熱処理（６） によって生じる湾曲の原因は、基板のシリコン多結晶支
持体層の表面で、シリコン多結晶粒の境界に沿って楔状
に食込むような酸化、もしくは、著しい高濃度の酸素の
拡散、あるいは、析出が起こり、これによる膨張歪がシ
リコン多結晶支持体層表面部に存在しているためである
と思われる。尚、シリコン単結晶ウェハ側表面部には多
結晶側表面に比べて酸素が侵入し難いため膨張歪は生じ
ない。

このような原因によって生じる湾曲に対する有効な方策
の一つとして、発明者らは第２図（ａ）あるいは（ｂ）
に示すようにシリコン多結晶支持体層側表面からの酸素
の侵入を防止する膜、例えば。

シリコン酸化膜（Ｓ　ｉ　Ｏ，Ｊ）　、シリコン窒化膜
（Ｓｉ３Ｎ４）等の被１１Ａ７をシリコン多結晶支持体
層表面または、表面近傍に埋設し形成する支持領域の構
成を提案（特願昭５０−９５８２４号）した。

すなわち、この提案は、シリコン単結晶支持体層を形成
する工程で発生する（１）の湾曲を気相成長の原料ガス
中に不純物を添加し、多結晶微粒子を変性結晶構造とす
ることにより防１にし、（２）の（７） 集積回路素子形成工程の酸化、拡散熱処理で発生する湾
曲はシリコン多結晶支持体層側表面近傍に酸素侵入防１
１−膜７を設けて防ぎ、モノリシック半導体集積回路の
製造工程の全体を通して湾曲のない基板を得るものであ
る。

尚、第２図（ａ）あるいは（ｂ）に示す基板の製造工程
は第１図に示す基板の製造工程ど類似しているため、そ
の説明は省略する。

８はシリコン多結晶薄層である。

しかし、発明者等は前述の提案を支持領域構成の基板に
ついて更に詳細に実験を重ね、以下の事柄を見い出した
。

（八）第２図（、）の構造の場合、酸素雰囲気中の熱処
理条件（′ＩＡ度１度量時間よっては、従来と逆にシリ
コン多結晶支持体層４側表面が凹面となる方向に湾曲す
る。

（Ｒ）第２図（ｂ）の構成の場合、酸素雰囲気中で同一
熱処理条件（温度９時間）を施こしても、酸′素侵入防
止膜７のシリコン多結晶支持体層表面側に残存するシリ
コン多結晶薄層８の厚さの大。

（８） 小により湾曲の大きさが変わる。

（Ｃ）同一熱処理条件でも不純物を添加し、形成した変
性構造のシリコン多結晶支持体層４の厚さの大、小によ
り湾曲の大きさが変わる。このことは（ａ）　、　（ｂ
）いずれの構造にも生じる。

以−ヒの実験結果から、第２図（ａ）、　（ｂ）に示し
た前述提案の基板湾曲は■変性構造のシリコン多結晶支
持体層４の熱処理による収縮により生じるシリコン多結
晶支持体層４側表面を凹面とする湾曲と■酸素侵入防止
膜７の表面上に存在するシリコン多結晶薄層８中に酸素
が侵入し生じる膨張歪によるシリコン多結晶支持体層４
側表面を凸面とする上記■と逆方向の湾極の相殺関係に
よって決まっていることがわかった。

このように第２図の基板湾曲を小さくするには素子形成
時の熱処理条件を考慮し■シリコン多結晶層厚み、■酸
素侵入防止膜７上に残存するシリコン多結晶層８の厚み
を制御する必要がある。特に、■に関しては、シリコン
多結晶層８の厚さを数μｍオーダーで正確に制御する必
要がある。

（９） この問題を解決するために、発明者等は第３図に示すよ
うな新たな基板構造を提案した（特開昭５７−１ｏ２ｏ
４４号）。即ち、変性シリコン多結晶支持体層４を形成
の後、同一反応炉内で酸化侵入防止膜７とシリコン多結
晶層８を一定間隔で数層積層した層を形成することによ
って、次の研摩工程で、単結晶１側研摩の基準面Ａがど
の位置に形成されても、常にほぼ一定量のシリコン多結
晶層８が露出するように工夫したものである。

しかし、第３図の４１ｆｆ造の基板を製作するには同一
炉内で、気相成長法によってシリコン多結晶層８と酸素
侵入防止膜７を形成する工程を付加する必要があり、工
程時間が増える。気相成長作業が繁雑になる、反応炉の
メンテナンス作業が増えるなどの難点を生じる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は製造工程における湾曲を自由に制御する
ことが可能で、結束的に基板湾曲がなく、製品歩留りを
大幅に向上できる基板を提供するにある。

（１０） 〔発明の概要〕 本発明の特徴は、シリコン多結晶支持体層表面に一定割
合の開１１領域髪もつ酸素侵入防＋１−膜を・形成し、
侵入する酸素の駄を調節す？）ことによって基板湾曲を
低減するにΔ）る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第４図に従−〕こ詳細に説明する。

まず、第４ＵｉＩ（ｓ’）に示釘ように、例えば、「１
型シリコン頃結晶ウエハ１を出光材料として選枦エツチ
ング等の方法で分Ｍ溝２を形成した後、絶縁用被膜３（
ｆＦＩＩえばＳｉｎ、膜）を全面に形成する。

次いで、（ｂ）のように−℃相化学反応によってシリコ
ン多結晶の支持体層１１を形成する。この場合、成長時
には微斌のＣＯ２ガスを混入する方法で変性シリコン多
結晶層どし、形成時に生じる湾曲を低減する。次に、星
結晶側表面を基準面とし、線Ａまで研摩し単結晶側研摩
の基準面を作成しへ−後、破線Ｂまで研摩し、昨結晶島
領域６を分離する。

この研摩工程ではＣ０２ドープ法によって支持体層形成
後の基板湾曲を低減し精度の高い研摩が可（１１） 能である。

次に、（ｃ）のように、支持体層４側表面に酸素侵入防
１１ユ膜９を形成する。膜質には、例えば、窒化シリコ
ン膜５ｊ３Ｎ４のような酸素を含まない膜とする。これ
は以下の理由による。通常、単結晶島領域にｐ−ｎ接合
を作り、回路素子を形成する場合には、最初に、Ｐ壁領
域、ｒ１型領域を選択的に形成するためのマスクとして
用いる酸化膜（Ｓ　ｉ　Ｏ，）を形成する。この熱処理
工程は通常１２００℃との高温度の酸素雰囲気中で行な
われるので支持体層の収縮や酸素侵入による膨張を生じ
る。

基板の湾曲はこの工程でほぼ飽和値に達し、以後の拡散
工程等の熱処理における変化は小さい。この傾向は、酸
化膜を厚＜　Ｌ／　ｐ　−ｎ接合保護膜に併用する場合
には熱処理条件（特に時間）が苛酷になるため顕著であ
る（高耐圧分離を目的どし、誘電体構造とするので、必
然的に酸化膜厚は厚い）。

酸化工程における熱処理条件下で酸素の侵入を防ぐため
には、膜自身が酸素侵入の防止壁になり、酸素の供給源
とならないことが必要で、このため、（１２） Ｓｉ３Ｎ４のような酸素化合物でない膜質を選ぶ必要が
ある。

次に９本発明によ−）で、（ｄ）のようにｌ！ｌ！ｍ侵
入防止ｌＩ９の一部をホｌ−１，１ソグラソとエツチン
グによって選択的に除去（７１間１−１領域ＩＯを設け
る。

この場合、膜の開口率は多結晶支持体層４のＰ／さと、
後工程の熱処理条件を考慮し実験的にめる。

また、除去のパターンは第５図に示すように開１１部分
が連続配［（ｂ）されていても、点状（ａ）であっても
どちらでも良い。また、基板裏面全面均一・分布とする
必要もない。

この構造とすることによって酸化熱処理中に基板裏面に
適度な酸素が侵入し、裏面側には膨張力が働く。この力
は、前述のように、（１）熱処理中にシリコン多結晶層
４内のグレインが再結晶し、収縮すること、及び、（８
）基板表面側のｉｌｌ結晶島領域６に主に形成されるＳ
ｉｎ、１層＋＋（基板裏面のほとんどはＳｉ３Ｎ４膜の
ため、Ｓｔ□Ｑ層は開口領域のみに形成される）の方が
多結晶層４に比べて熱膨張係数が小さいために生じる基
板裏面を（＋３） 凹面とするような力を打ち消す。

この理由によって、熱酸化後の基板湾曲を最少限に保つ
ことができる。

もちろん、酸化工程以後の湾曲の大きさや方向を考慮し
最適な基板湾曲に調節することも可能である。

酸化膜１１の所定箇所をホ１−リソグラフによる開口、
不純物の選択拡散の工程を数回繰り返し。

第４図（ｅ）のように必要な素子右形成する。

本発明は誘電体絶縁分離方式の基板だけでなく、他の絶
縁分離方式の１１：、仮にｂｉａ用できろ。

第６図はｐｎ接合絶縁分離方式の基板に適用し７た例を
示す。

先ず、ｎ型のシリ：１ン甲、結晶ウェハ１が用意され、
分離溝を作ることなく、絶縁膜３が設けられる。その後
、変性構造のシリコン多結晶支持体層４が形成された後
、不要なｑｔ結晶部分は研摩除去される。次いで、支持
体層４側面に開「１領域を持つ酸素侵入防■］―膜が形
成される。その後、酸化膜形成、ホトリソニ［、程を経
て、シリコン甲結晶にｉＪ領（１４） 域６には、■）型不純物をシリコン甲結晶ウェハ１に分
離溝のパターンに拡散し、Ｐ型分離領域１２を設ける。

各シリコン中結晶領域６とｐ型分離領域１２が作るｐ　
ｎ接合が各シリコン多結晶領域６を絶縁分離することに
なる。

第７図は空気分離絶縁分離方式の基板に適用した例を示
す。

この基板５は、第６図に示した基板５とほぼ同じ工程を
もって作られる。異なるところは、Ｐ型分離領域１２が
形成される代りに、分離溝２が設けられることにある。

この分離溝２はｐ型分離領域１２を形成する工程の代り
に、エツチングにより設けても良いが、各シリコン多結
晶島領域６に相当する部分にｐ型あるいはｎ型不純物を
拡散して集積回路素子を形成した後に形成すると、不純
物拡散時に、ホトエツチング作業やマスく形成等が精度
良く行なえる。

第８図は第４図に示した基板５と同じ誘電体絶縁分離方
式の基板５を示す。

第４図のものと異なるところは、各シリコン皐（１５） 結晶島領域６の絶縁膜３と接する部分にｎ型高不純物濃
度領域１３が形成されていることにある。

このｎ型高不純物濃度領域１３は第４図（ａ）で、分離
溝２を形成した後で■ｌ型不純物を高濃度に形成し、そ
の後、絶縁膜３を形成することにより容易に設けること
ができる。

ｎ型高不純物濃度領域１３はチャネルストッパ等として
利用される。

もちろん、第６図、第７図に示す実施例でも、このＩｌ
型高不純物濃度領域を設けることは容易である。

第６図ないし第８図に示す各実施例でも、第４図に示し
た基板と同様、基板の湾曲を正確に制御することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多結晶成長工程における湾曲１１変性
構造のシリコン多結晶支持体層により制御され、また集
積回路素子形成時の熱処理工程で生じる湾曲は、酸素侵
入防止膜の一部に設けた開口部を通して侵入する酸素に
よる膨張歪と、変性構（１６） 造のシリコン多結晶ヅ持体層の収縮歪並びに１１結晶島
領域に形成される酸化膜によって生じる歪との相殺関係
で制御され、全てのＣ程で基板湾曲を最少とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は従来の基板を製造工程順に示
す概略断面図、第２図（ａ）、　（ｂ）、第３図はそれ
ぞれ従来の改良された基板を示す概略断面図、第４図（
ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例の基板を製造工程順に
示す概略断面図、第５図〜第８図はそれぞれ本発明の異
なる実施例を示す基板の概略断面図である。 １・・・シリコン嘔結晶ウェハ、２・・・分離溝、３・
・・絶縁膜、４・・・シリコン多結晶支持体層、５・・
・基板、６・・・シリコン駄結晶島領域、７・・・酸素
侵入防止膜−膜、８・・・シリコン多結晶層、９・・・
酸素侵入防１１−膜、（１７） も１区 宅２霞 も３図 ２１ 千４図 （ｅ　） 隼５図 （ｂ） 槽６霧 率四図 １１　１Ｃ冒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相互に電気的に絶縁され、各々に集積回路素子が形
   成される複数個の半導体単結晶島領域と、この各半導体
   単結晶島領域を支持する支持領域とからなる復縁分離基
   板において。 前記支持領域は変性構造の多結晶支持体層からなり、且
   つその一方の面は前記半導体単結晶島領域に接し、他方
   の面は開口領域をもつ酸１４侵入防止膜に接する構造で
   あることを特徴とする絶縁分離基板。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記単結晶島領域
   、前記多結晶支持領域はシリコン、前記酸素侵入防止膜
   は窒化シリコン膜であることを特徴とする絶縁分離基板
   。