JPS61198744A - デバイスの製造方法 - 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】 本発明は誘電的に分離された電気デバイスの製作に係る
。

技術背景 集積回路のようなほとんどの電子要素において、本質的
に単結晶シリコンすなわちたとえばそれぞれ転位又は積
層欠陥のような線状及び平面状欠陥の全欠陥が１０８Ｃ
ｒｎ−２以下であるシリコンの領域間に、横方向の分離
が生成される。この分離は単結晶シリコン領域間に、分
離される単結晶材料の活性領域の深さにほぼ等しい厚さ
を有する電気的に絶縁性材料の領域を挿入することによ
り、実現される。

（活性領域は電子デバイス構造を含むように修正された
単結晶シリコンの部分である。活性領域は一般的な電圧
デバイスの場合、典型的には１μｍの厚さである。）あ
るいは、ｐ−ｎ障壁はデバイス領域を分離する。このよ
うにして、一つの単結晶領域すなわち一活性領域中に形
成されるトランジスタ及び他のデバイスは、電気的に分
離され、第２の活性領域中のデバイスと相互作用するの
が防止される。

しかし、主要ないくつかの用途においては、横方向の分
離のみでは不十分である。たとえば、例によっては、動
作に用いられる電圧は、分離活性領域間の相互作用を起
させるのに十分な大きさである。この相互作用は、−活
性領域下の荷電キャリヤが下の基板に浸透し、横方向分
離領域下の基板を横切シ、第２の活性領域に上ることに
より生じる。二つの活性領域間のそのような好ましくな
い電気的相互接続を防止するため、横方向の分離に加え
垂直方向の電気的分離が用いられる。垂直方向の分離は
いくつか又は共通してほとんどすべての単結晶シリコン
領域下に、電気的に絶縁性の材料をおくことにより、行
える。このような方法により、高電圧においてさえ、活
性領域間の相互作用が防止される。

垂直方向の分離Ｆｉまた、一層の信頼性が望ましい各目
上の電圧で動作するデバイス中で用いると有利である。

垂直方向の分離を作るのに絶縁性材料を加えると、熱プ
ロセス又はイオン化放射により下の基板中に形成された
電子正孔対が、活性領域に移動するのが防止され、従っ
てこの領域中の電子デバイスによる情報処理中に誤りが
導入されるのが防止される。加えて、垂直方向の分離は
容量を減し、従ってよシ速いデバイス動作を可能にする
。

横方向及び垂直方向の分離の両方を有する要素を生成す
るために、各種プロセスが用いられてきた。たとえば、
誘電体分離プロセスについては、ケイ・イー・ビーン（
Ｋ、　Ｅ。

Ｂｅａｎ　）　　及びダヴリュ・アール・ランヤン（Ｗ
、　Ｒ，Ｒｕｎｙａｎ　）らにより、ジャーナル・オブ
・ザ・エレクトロケミカルソサイアテイ（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｅｔｒｏｅｈｅｍｉｅａｌ　
５ｏｃｉｅｔｙ）１２４（１）、５Ｃ（１９７７）に述
べられている。このプロセスは非常に低い欠陥密度を有
するシリコン基板を用いることを含む。シリコン基板は
第１図中のシリコン酸化′ｆｔＪ３のような絶縁性材料
で被覆され、たとえばフォトリングラフィとそれに続く
化学エツチングのような通常の技術により、孔５が酸化
物中に形成される。次に、溝７が誘電体材料中の孔の下
のシリコンの露出した部分中に、エッチされる。必要が
あれば、Ｎ＋シリコン８の領域が溝γ上に生成される。

Ｎ＋シリコンはシリコン酸化物のような絶縁体９で被覆
される。

絶縁体は再び多結晶シリコン１０の層で被覆される。生
じた構造が第１図中のＩＦに示されている。次に構造全
体を反転し、ＩＧに示された構造が得られるまで、シリ
コン基板は削シ落される。この構造において、残った高
品質シリコンは１２で示され、絶縁層は１４及び１５に
より示され、多結晶シリコンは１６で示されている。従
って、最終的な構造は電気的な絶縁性材料上に、単結晶
シリコン１２を有する。

第１図のプロセスで製作工程が行われるにつれ、基板は
、各種の変形を受ける。一般に、ｌ）たとえば凹状態又
は凸状態の曲り又は２）波状の変形が観測されている。

両方の変形が望ましくない。前者は自動的な加工を制限
し、ＤＩ基板の機械的プロセス上の歩留りに影響を与え
、一方後者は歪により導入された欠陥ｙｃよシ、歩留ｐ
を本質的に減少させるまたとえば、第１Ｅ図から１２図
の領域１ｏをつけ加える例のように、多結晶シリコンを
成長させることは、第２図に示されるように、基板中に
本質的な曲シを発生させることが報告されている。（テ
ィー・スズキ（Ｔ、　５ｕｚｕｋｉ　）ら、ジャーナル
・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ンサイアティ（Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃ−一一一一喝−−
−剛−−■■−−閣■■■−ｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　
７．１２４．１７７Ｎ（１９７７）を参照のこと。）こ
の曲りは成長プロセスから生じる多結晶粒径の本質的な
増加によるとされて込る。第３図に例が子宮れる波状の
変形は第１Ｇ図中に示された構造が、活性領域１２中に
デバイスゲート酸化物を生成するために、酸化雰囲気に
露出された時、観測書れている。

波状変形に伴う欠陥を回復させるため釦、基板の多結晶
領域１６は、シリコン酸化物領域の形成前に、シリコン
窒化物層で被覆サレる。（このプロセスに対し、１９７
７年４月１２日付与されたティー・スズキ（Ｔ、　５ｕ
ｚｕｋｉ　）らによる米国特許４，０１７，３４１号を
参照のこと。）シリコン窒化物によるキャップは第３図
の変形を本質的に減すが、第２図中に示さレルよ５な曲
シの変形を増す。加えて、シリコン窒化物工程を用いる
ことは、シリコン窒化物の堆積と、電気的接触及び熱的
接触の形成を可能にするための、この層の最終的な除去
を必要とする。

発明の要約 誘電的に分離されたデバイスの形成において、用いられ
る特定の処理工程を通して、波形変形が避けられ、＃Ｊ
シもかなシ減少する。

この工程は、微小粒径多結晶シリコン領域を有する基板
を、平均表面粒径寸法を本質的に拡大するのに十分な温
度に加熱することを必要とする。このために必要な＠度
と処理時間の適渦な組合せは、結晶学的な構造、薄膜の
歪、もし存在するならばドーパントの濃度及び熱処理前
の多結晶粒径の大きさに依存して増す。変換可能な材料
の例は、最初１２００ｔ：　テＳｉ、　ＨＣｌ３　テ化
学気相堆積（ＣＶＤ）Ｌ、続１、Ｑて１１５０℃”？’
　ｓｔＨＣ１３を堆積することにより形成した多結晶領
域である。この材料は平均粒径サイズが、一般的に約１
４１０℃、約１分の温度／時間組合せで、約Ｉμｍから
Ｌｏｌｌ、、以上になる。多結晶シリコンを形成するほ
とんどの方法の場合、波形変形の減少を伴いながら多結
晶粒径を本質的に増すには、少くとも１３００１：の温
度が必要である。加えて、粒径の増加にもががわらず、
スズキ（５ｕｚｕｋｉ　）　　の報告とは反対に、多結
晶シリコンを含む基板の曲りは増加せず、事実基板の曲
りは小さくなる。すなわち、基板の曲率中径は増加する
。従って、先の報告とは異シ、特殊な技術による多結晶
領域の粒径の増加は、基板の波形変形の本質的な防止と
ともに、曲りをかなり減少させる。

有利な一実施例の所望のプロセスは、たとえば、タング
ステンハロゲン光源を用いて、電磁放射で基板を輻射加
熱することにより、達成される。多結晶粒径の十分な増
力Ｕは、１分という短い時間で実現される。従って、本
発明のプロセス（支）付随した歩留シの上昇という望ま
しい結果は、処理工程の増加を最小にしたまま達成され
る。

実施例の説明 微小又は非常に微小な粒径の多結晶シリコンの領域を有
する基板の存在下で、シリコン酸化物を形成することに
伴う波形効果は、多結晶シリコン表面の粒径を増すため
に用いられる熱処理により、避けられる。（本発明の目
的のため、非常に微小な粒径の領域及び微小な粒径領域
は、デバイスの活性領域から最も離れた多結晶領域の表
面で、それぞれ４μｍ及び１０μｍ以下の平均粒径をも
つものである。波形の形態は、基板の主表面に垂直な仮
想平面により作られる基板表面の少くとも一つの断面中
の、基板周辺以外に１個以上の局部的な極値があシ、断
面積におけるこれら極値間の最大の高さの差が、２５μ
ｍ以上である場合である。）はとんどの方法により形成
される多結晶シリコン領域の場合、１３００℃以上の温
度に加熱することにより、結晶粒径の所望の成長が起る
。加熱工程は多結晶シリコン領域形成後、デバイス活性
領域上への酸化物領域の生成前に行われる。所望の加熱
を行うのに、各種の技術が使用できる。用いる熱源によ
らず、多結晶領域は所望の温度に加熱され、デバイス活
性領域から最も遠い多結晶領域の表面における平均多結
晶粒径が、少くとも１０μｍになるまで、この温度に保
たれる。たとえば、オーエンス（Ｏｕｗｅｎｓ）及びハ
イリガズ（Ｈｅｉ　ｊｌｉｇｅｒｓ　）　　によりアプ
ライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ。

Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）、２６．５６９頁
（１９７５）に述べられているように、太陽電池に関連
して議論された加熱技術が有用である。そのような対流
加熱技術及び伝導加熱技術の場合、３０分ないし１０時
間の範囲の温度に対し八一般に１２００ないし１３７０
℃の温度が、所望の粒径拡大のために必要である。伝導
又は対流により生じる１３７０℃以上の温度も除かれな
いが、伝導又は対流加熱技術は制御及び汚染の難点を生
じる。これらの難点は、０．２μｍないし２０μｍの波
長範囲の電磁放射を用い、基本的に基板の片側のみに放
射を入射させることにより加熱すると避けられる。

（両側への放射加熱も除外されないが、一般に他の加熱
機構に付随した難点を、完全に除くわけではない。）入
射電磁放射により誘導される加熱の場合、１４１０ない
し１３６５℃の範囲の温度では、一般に５ないし６０分
の範囲の時間が必要である。（たとえば電子ビーム、直
空紫外又はＸ線のような粒子ビームを用いることも除外
されないが、直空中で行われ、従って不便である。加え
て、マイクロ波放射も除外されない。） 典型的な場合、有利な結晶成長は１３００℃以上、好ま
しくけ１４００℃以上、最も好ましくは１４１０℃の温
度に、基板温度を比較的均一に高めることにより得られ
る。（比較的均一な加熱において、基板表面に渡る温度
の二乗根平均偏差は、１０パーセントを越えてはならな
い）典型的な場合、温度は１秒車シ１０ないし２０℃の
範囲の速度で上昇させると、良い結果が得られる。所望
の結果を得るために、１３００℃以上の温度が一般に適
しているが、典型的な場合、温度が高ければ高いほど、
より速くこの結果が得られる。

多結晶シリコン領域を本質的に溶融させること、すなわ
ち多結晶シリコン層全厚の２０パ一セント以上の多結晶
領域の深さまで溶融させることは、避けるべきである。

しかし、シリコンの融点に本質的に等価な温度も許容さ
れ、許容されない溶融を起すことなく用いることができ
、事実有利である。伝導又は対流加熱に関して、一度融
点に達すると、融解は多結晶シリコン領域ｆｆ：通して
、急速に進む。

従って、これらの加熱方法において、温度を融点よりわ
ずかに下に保つことは、有利である。放射加熱の場合、
融点のわずかに士の温度が用いられ、溶融深さの規定も
、例外とされない。そのような温度は電磁放射により、
表面の溶融が始るまで、温度を徐々に上昇させることに
より実現される。ジー・ケイ・セラー（Ｇ、　Ｋ、　Ｃ
ｅ１ｌｅｒ　）らにより、アプライド・フィジックス・
レターズ（Ａｐｐ　１　ｉ　ｅ　ｄ　匹二ｒｃｓ、Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ　）、　４３．８６８頁（１９８３）に報告
されているように、このプロセスにより、シリコンの融
点に等しいかそれ以上の温度が、本質的な溶融領域を生
じることなく実現される。典型的な場合、溶融領域を制
限す′ることは、放射加熱において、一般に入射パワー
密度を溶融閾値の２０パーセントを越えない値まで、増
すことにより実現される。

過当な熱処理の後、デバイス活性領域中のシリコン酸化
物構造が、ニス・シー（Ｓ、５ｚｅ）編、ＶＬＳ　Ｉ技
術、マグロ−ヒル、１９８３中でエル・シー・パリロー
（Ｌ、　Ｃ，Ｐａｒｒ目１ｏ　）により、第１１章４４
５−５０５頁に述べられているような通常の技術により
、生成される。次に、デバイスをやはシシ−（Ｓｚｅ　
）による上で引用した文献中に述べられているような通
常の技術で完成させる。高電圧デバイスの場合、製作プ
ロセスは同じであるが、デバイス構造の例は、バレンチ
ン（Ｂａｌ　１ａｎｔｙｎｅ）らにより、ベル・ラボラ
トリーズ・レコード（−シ」ユＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅ
ｓ　Ｒｅｃｏｒｄ　）、１９８２年４月、９１−９４頁
に述べられている。

以下の例は本発明の例である。

第１例 二酸化シリコン被覆Ｖ溝を有するシリコン基板を用いた
。このシリコン基板は直径１００間で、２００Ω−備の
抵抗率を有し、ｐ形で、（Ｚｏｏ）結晶方位の主表面を
もち、浮遊帯法で作成した。シリコン基板は結晶学的な
選択エッチャントを用いて、溝を形成した。このエッチ
ャントは最初１６４８グラムのＫＯＨを３６３０−の水
に解かし、続いて４８５ゴのイソプロピルアルコールを
、ＫＯＨ水溶液に加えることにより、作成した。混合物
は約８０℃に加熱した。（イソプロピルアルコールは８
０℃においても水溶液中には完全には解けなかった。そ
のため加えたアルコールの一部は分解した相を形成し、
それは水溶性の部分上に浮いた。各エツチングの前に、
過度の量が分離していないことを確認するために、アル
コール層の体積を視察で検証すべきである。）基板はこ
の混合液中での処理のため、最初約３０秒間、ＨＦＩと
水１５の混合物中に浸すことにより、準備した。

基板は最初１０５０℃に加熱されていた炉中に入れるこ
と釦より、シリコン酸化物パターンでマスクした。９８
℃に加熱されたバブラ全通して酸素をバブルさせ、この
ように水で飽和した酸素を炉中に導入することにより、
炉内に酸化雰囲気を生成した。酸素による基板の処理は
、０．５μｍ厚のシリコン酸化物層が生じるまで、８０
分間続けた。

ＡＺＩＩＩポジ形レジスト（シプレー社の専売品）の１
μｍ厚の層を、シリコン酸化物層上に、スピン形成した
。レジストはその表面に接触させたマスクを通して、水
銀ランプに露出させた。マスクは５０ないし５００μｍ
に変化する間隔で分離された大きさの異る一連の透明長
方形から成った。レジストは市販の現像液で現像した。

次に露出した酸化物領域は、基板をＨＦの緩衝液中に、
３０分間浸すことにより、エツチング除去した。レジス
トは市販のレジスト除去剤を用いて除去し、基板は過酸
化水素／硫酸処理と、付随した洗浄及び乾燥工程により
、清浄化した。次に、基板は、脱イオン水中に約２分間
浸し、直ちに水／ＫＯＨ／アルコール混合物中に浸すこ
とにより洗浄した。混合液中の基板は、基板の主表面に
垂直方向に、１分当り１μｍをわずかに越える速度で進
むエツチングを受けた。

６０μｍのエッチ深さが所望であったので、基板は混合
液中に１時間よりわずかに短い時間保持し、次に取り出
した。基板は再び脱イオン水中で約２分間洗い、加熱さ
れた乾燥窒素の雰囲気中で、スピン乾燥させた。エツチ
ングは結晶面に従い、（１１１）面を向いた側壁を有す
るＶ型空胴が生じた。このように生成した溝は（１１１
）面で区切られ、それらの長軸は（１１０）方向に沿っ
た。溝は５０ないし５００μｍの間の距離で分離され、
約６０μｍの深さを有した。

Ｖ〜溝上の二酸化シリコン被膜は、約３．７５μｍの厚
さであった。被膜は基板を１２４０℃に加熱された炉内
に導入することにより、形成された。炉の雰囲気は、９
８℃に加熱芒れた水バブラ全通して酸素をバブルさせる
水で飽和した酸素を炉中に導入することにより作った。

酸素による基板の処理は、２２時間続き、３．’７５μ
ｍ厚の二酸化シリコンの層が生成した。

基板を７プライド・マテリアルズ社により販売されてい
るＡＭＶ−１２００ＣＶＤ反応容器の試料ホルダに移し
た。基板はＶ溝表面を露出して置いた。乾燥窒素、次に
乾燥水素で系を清浄化した。乾燥水素中で１２０’Ｏ℃
に基板を加熱した。水素流は１分当り９５リツトルの流
速となるよう調整した。１分画９１８グラムの速度のト
リクロロシランの流れに、１分当り６リツトルの水素を
混合し、１分当り９５リツトルの水素流と組合せ、約１
０分間続け、約２７μｍのシリコンを成長させた。トリ
クロロシランの流れを、１分当シ３７グラムの流れに増
した。温度は１１５０℃に下げた。トリクロロシランの
流れは約２時間と２３分続け、堆積した多結晶シリコン
の全厚は、７３９μｍであった。次に、トリクロロシラ
ンの流れを止めた。堆積室は乾燥水素で１分間清浄化し
、加熱を停止し、乾燥水素雰囲気中で、基板を冷却させ
た。

多結晶シリコン材料は約３０秒間ｆ（Ｆ　１及び水１５
の混合液中に浸し、２分間脱イオン水中で洗浄し、乾燥
窒素中で乾燥させることにより、清浄化、洗浄及び乾燥
を行った。

次に、基板を放射加熱炉の試料ホルダに移した。この炉
は相互に分離され、石英板で封じられた２個の容器から
成った。基板は水冷黒化アルミニウムオーブン底上的１
．２７　ｃｍ（０，５インチ）の下部容器中の３個の石
英ピン上に置いた。上部容器は金メツキ反射器下に支持
された一列のタングステン−ハロゲンランプを含んだ。

両方の容器は２５．４Ｘ３１．７５ｏｎ　（１０Ｘ　１
２．５インチ）の横方向寸法を有した。ランプの過熱と
早い劣化を避けるため、十分閉じられた上部容器に空気
を強制的に流し、それは石英の下部壁とともに、本質的
に風のトンネルとなる。マイクロプロセッサにより制御
された３個の位相−角点火パワー源が、ランプにパワー
を供給した。基板がランプに面したキャップ層とともに
挿入された後、炉は冷却され、ランプの空冷が始ｐ１オ
ーブン底の水冷が始った。試料室では空気雰囲気を用い
た。

段階的に温度を上げた。オーブンの全放射パワーの０．
５パーセント、すなわち約１５０ＫＷの０．５パーセン
トの加熱を最初用い、各段階は最後の段階の放射加熱の
レベルまで、全パワーの０．５パーセントづつを加える
ことにより作った。各工程の後、温度は光パイロメータ
を用いて検出された。二つの時間的に隣接した段階でパ
イロメータにより測定される温度上昇を、前の二つの時
間的段階での温度上昇と比較した。すなわち、第４図中
のＡで示される上昇を、第４図中のＢで示される上昇と
比較した。ＡがＢの５分の１よシ小さいか等しい時、溶
融が始まシ、パワーはそれ以上増加させず、最終段階の
レベルに保った。

この最終温度における５分間の処理の後、平均粒径は約
３０μｍであった。基板端部及び中心間の高さの差は、
基板が熱処理を受けた時、０．０５ｆ３備（２３ミル）
から０．０３　ｍ（１２ミル）まで変化した。

第２例 第１例のプロセスに従ったが、第１例で用い第５図で示
された粒径構造とは異り、第５図中の第２例と印された
粒径構造を生じるくり返し法により、多結晶シリコン層
を形成したことが異る。平均表面粒径に対する最終温度
の効果が、第６図に示されている。（表面粒径は表面に
おいて表面に平行に測定された粒径を横切る距離である
。）この熱処理とそれに伴う粒径の増加により、波形変
形は本質的に完全に避けられた。

【図面の簡単な説明】

第１図は基板処理のプロセスを示す図、第２及び３図は
処理中得られる基板構造を示す図、 第４及び６図は本発明のプロセスに含まれる条件を示す
図、 第５図は本発明のプロセスに含まれる条件を示す粒子構
造の図面代用４眞である。 （主要部分の符号の説明〕 シリコン酸化物領域・・・・・・・・・８．９多結晶シ
リコン領域・・・・・・・・・・・・１０出　願　人　
：　アメリカン　テレフォン　アンドテレグラフ　カム
パニー ｌｕ　Ｚ 口Ｇ、　３ ＦＩＧ、　４ ０・ 時間（分）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）単結晶シリコン領域及びシリコン酸化物領域を
   含むシリコン基板上に多結晶シ リコン領域を、前記シリコン酸化物領域 が前記多結晶領域と前記単結晶領域の間 にはさまれるようにして形成する工程； ｂ）少くとも１０μｍの前記多結晶シリコ ン領域の平均表面粒径を生じるのに充分 な時間及び温度に、前記基板を加熱する 工程；及び ｃ）前記単結晶シリコン領域中にデバイス を形成する工程； を含む誘電的に分離されたデバイスの製造 方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記加
   熱工程は伝導により行われるこ とを特徴とするデバイスの製造方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記加
   熱工程は輻射により行われるこ とを特徴とするデバイスの製造方法。 ４、特許請求の範囲第３項記載の方法において、、前記
   輻射加熱工程は前記多結晶シリコン領域の温度を少くと
   も１３００℃まで上 昇させることを特徴とするデバイスの製造 方法。 ５、特許請求の範囲第４項記載の方法において、前記多
   結晶領域温度は少くとも１４１０℃に上昇させることを
   特徴とするデバイス の製造方法。 ６、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記加
   熱工程は対流により行うことを 特徴とするデバイスの製造方法。