(57)【要約】【課題】制御性良くＳＯＮ構造を形成すること。【解決手段】シリコン基板３０１に開口部３０２を形成し、側壁酸化膜３０５を形成する。そして、開口部内の側壁に、側壁結晶成長層３０７を成長し、研磨によって平坦化を行う。これによって、空洞３１１を持つ、局所的なＳＯＮ構造が形成できる。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に開口部を製造する工程と、前記開口部内部の側壁の一部に、前記開口部の深さ方向に対して垂直な方向に結晶成長を行う工程によって、前記シリコン基板内に空洞を形成することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体基板の製造方法において、前記開口部を形成する前のシリコン基板の最表面に酸化膜が存在している事を特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記開口部の側壁は少なくとも一対の対向する｛１００｝面を含み、前記開口部の深さが前記対向する｛１００｝面の間隔よりも深いことを特徴とする請求項１及び２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記結晶成長を行う工程の後に、研磨によって前記シリコン基板表面を平坦化する工程を含む請求項１及び２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
シリコン基板に開口部を製造する工程と、前記開口部の内部の側壁を酸化膜で覆う工程と、前記酸化膜をエッチングして前記開口部内部の側壁の一部にシリコンが露出した領域を形成する工程と、前記開口部内部のシリコンが露出した領域に、前記開口部の深さ方向に対して垂直な方向に結晶成長を行う工程によって、前記シリコン基板内に空洞を形成することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体基板の製造方法において、前記開口部を形成する前のシリコン基板の最表面に酸化膜が存在している事を特徴とする半導体基板の製造方法。
【請求項７】
請求項５及び６記載の半導体結晶の製造方法において、前記開口部の深さ方向に対して垂直な方向に行う結晶成長は、超高真空化学気相堆積法によって塩素原子を含有する原料ガスを供給して行うことを特徴とする半導体結晶の製造方法。
【請求項８】
前記開口部の側壁は少なくとも一対の対向する｛１００｝面を含み、前記開口部の深さが前記対向する｛１００｝面の間隔よりも深い事を特徴とする請求項５から７に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記結晶成長を行う工程の後に、研磨によって前記シリコン基板表面を平坦化する工程を含む請求項５から７に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から９記載のシリコン基板上に作製した半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部空洞を有する半導体基板の製造方法、並びにこの半導体基板を用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に代表されるモバイルコミュニケーション機器の市場が大きくなっている。このような機器に搭載される半導体デバイスには、低消費電力化や高速化が強く求められている。このような要求に答えるための技術的取り組みの一つとして、半導体基板技術がある。この技術の中で最も良く知られており、一部で実用化されているのがＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造をもつ基板である。これは、Ｓｉ基板の表面のすぐ下に、ＳｉＯ２からなる絶縁物層を配置し、素子の接合容量を小さくする事によって、低消費電力化や高速化を実現しようというものである。また、ＳＯＩよりさらに高性能な半導体素子を実現できる構造として、ＳＯＮ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｎｏｔｈｉｎｇ）構造を有する基板が考案されている。これは、上述のＳＯＩにおけるＳｉＯ２層を、空洞に置き換えたもので、空洞部の誘電率がＳｉＯ２に比べて小さいため、ＳＯＩ構造を凌ぐ半導体装置を製造する事ができるとして期待されている。
【０００３】
図１は、従来のＳＯＮ構造を有する基板の作製方法である。この方法では、断面図である図１に示すように、Ｓｉ基板１０１に高いアスペクト比を有する開口部１０２を作っておき、この基板を水素雰囲気中で１０００℃以上の高温に加熱する。すると、表面付近のＳｉ原子がマイグレーションして、最終的に平面図である図２のような、空洞１０３を有するＳＯＮ構造が実現できる。そして、ＳＯＮ領域に例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等を構築すれば、高速で低消費電力のデバイスが作製できる。
【０００４】
２つ目の従来のＳＯＮ構造の製造方法を図２を使って説明する。この方法では、まず、図３に示すように、Ｓｉ基板２０１上に形成されたＳｉＧｅ層２０２の上にチャネル層２０３とゲート酸化膜２０４とゲート２０５とソースドレイン引き出し２０６を有するＭＯＳＦＥＴの原型をあらかじめ形成しておく。その後、ＳｉＧｅ層２０２を選択的にエッチングし、図１２のように、空洞２０６を形成する。このような手法によってＳＯＮ構造を有する電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を形成する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４４２７６号公報
【非特許文献１】
Ｍ．Ｊｕｒｃｚａｋ  ｅｔ．ａｌ，１９９９  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈ．  Ｄｉｇ．  Ｔｅｃｈ．  Ｐａｐｅｒｓ，  ２９  （１９９９）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の第１のＳＯＮ構造の製造方法では、特に薄いＳＯＮ層を形成する時に、厚さの制御が困難である。さらに、局所的に空洞を形成したい場合の位置の制御性もそれほど高くない。また、第２の方法では、一旦、デバイスの基本構成を形成後にデバイス下部を除去する必要があるため、製造方法が複雑となってしまう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、基板に開口部を形成し、その開口部内壁の一部に、開口部の深さ方向に対して垂直に表面に結晶成長する事で、膜厚や位置の制御良く比較的簡便にＳＯＮ構造を有する基板を作製する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図３を使って説明する。まず、断面図である図５のように、Ｓｉ基板にフォトリソグラフィーを使ってレジストでパターンニングし、ドライエッチングを行う。これにより、図６に示すようなＳｉ基板３０１に開口部３０３を形成する。なお、図６の開口部３０３の向かい合う側面は、例えば（００１）面と（００−１）面となるように、図５の工程の段階でレジストをパターンニングしておく。さらに、開口部３０３の深さは幅（（００１）面と（００−１）面の間隔）より深くしておく（理由については後述）。ここでは開口部３０３の幅を例えば０．８μｍとし、開口部３０３の深さを例えば１．５μｍとしておく。
【０００９】
次に、図７のように、Ｓｉ基板全面に堆積酸化膜３０４を堆積し、開口部３０３の内壁を酸化膜で覆う。そして、ドライエッチングによって堆積酸化膜３０４を削る。この時、側壁酸化膜３０５が基板表面から少し後退して、開口部３０３の上部に側壁Ｓｉ露出部３０６ができた所でエッチングを停止する。この時、側壁Ｓｉ露出部３０６の長さ、つまり基板表面から側壁酸化膜のトップまでの長さを例えば０．６μｍ程度としておく（側壁Ｓｉ露出部３０６の長さについても後述）。
【００１０】
次に、基板を例えば超高真空化学気相堆積（ＵＨＶ−ＣＶＤ）装置に導入し、例えばＳｉの原料ガスとしてはＳｉＨ２Ｃｌ２をＧｅの原料ガスとしてはＧｅＨ４ガスを使ってシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）結晶を成長する。すると、図９に示すような結晶成長が起こる。すなわち、側壁Ｓｉ露出部３０６には図面において左右方向に側壁結晶成長層３０７が成長し、基板表面には基板表面結晶成長層３０８が成長する。この時、結晶成長層には、ファセット面３１０が現れる。これは、通常｛１１１｝面からなる。なお、結晶成長は側壁の左右から成長してきた側壁結晶成長層３０７が接合した段階で終了すればよい。
【００１１】
一方で開口部３０３の内部では、開口部３０３の底部から開口部底部結晶成長層３０９が成長するが、側壁酸化膜３０５からは直接の結晶成長は起こらない。これは、上述のようにＳｉの原料ガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を用いており、ＳｉＯ２上への結晶の堆積を阻止する働きをする塩素が含まれているためである。以上のような工程によって、空洞３１１を有するような構造が形成できる。
【００１２】
なお、ここでは好適な例として、Ｓｉの原料ガスとしてはＳｉＨ２Ｃｌ２を用いた場合について述べたが、ＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６ガスを用いても良い。但しこの場合、連続的もしくは間欠的にＣｌ２ガスを結晶成長装置に供給する必要がある。この塩素の働きによってＳｉＯ２以外の面に選択的に結晶成長が起こるのである。また、成長する結晶は必ずしも、ＳｉＧｅある必要はなく、Ｓｉやシリコンゲルマニウムカーボン（ＳｉＧｅＣ）やシリコンカーボン（Ｓｉ：Ｃ）であっても良い。
【００１３】
そして最後に図９の状態の基板をＣＭＰ（化学機械研磨）によって削り、図１０に示すように基板表面を平坦化する。以上の工程によって、空洞３１１を有するＳＯＮ構造が形成できる。
【００１４】
なお、空洞３１１の上部のＳＯＮ層３１２の厚さは、図８の側壁Ｓｉ露出部３０６と側壁酸化膜３０５を形成したときに、調整できる。すなわち、厚いＳＯＮ層を作製したい時は、側壁Ｓｉ露出部３０６の長さを長くすれば良いし、逆に薄いＳＯＮ層を作製したい時は、側壁Ｓｉ露出部３０６の長さを短くすれば良い。但し、下記に説明するように、側壁Ｓｉ露出部３０６の長さを短くしすぎると、ＳＯＮ構造が作製できない。
【００１５】
そして例えば、図１１のように、チャネル層３１３としてＳｉを堆積し、その上にゲート酸化膜３１４を形成し、ゲート３１５を形成し、ソース３１６とドレイン３１７を形成すれば、ＳＯＮ構造のＭＯＳＦＥＴが作製可能となる。
【００１６】
上述の開口部３０３を形成する工程（図６）で、開口部３０３の深さを幅より大きくしておくと述べた。これは、図９の工程で、図面上で側壁の左右から成長してきた側壁結晶成長層３０７がつながる前に、開口部３０３の底部から成長している開口部３０３の底部結晶成長層３０９が空洞３１１を埋めつくしてしまい、ＳＯＮ構造とならないからである。
【００１７】
次に、図８の説明で述べた、側壁Ｓｉ露出部の３０６の長さと、開口部３０３の幅の関係について図１２を参照しながら説明する。図１２のように、Ｓｉ基板４０１に幅ｗの開口部３０３を形成し、側壁酸化膜４０２のトップ（最上部の部分）とＳｉ基板４０１の表面までの距離ａが非常に短い場合を考える。この距離ａが非常に短い場合、この図のように側壁結晶成長層４０３は｛１１１｝ファセット面に覆われてしまい、側壁結晶成長層４０３の結合が非常に起こりにくい状況が生じてしまう（｛１１１｝面の成長速度は非常に遅いため左右から成長してきた結晶の結合がなかなか起こらない）。このような状況にならないためには、側壁結晶成長層４０３が完全に｛１１１｝面に覆われてしまう前に結合すればよいのであるから、
ｗ／２＜ｂ
となる。
【００１８】
ここで、ｂ＝ａ／２・ｔａｎｑ  の関係があり、本実施の形態で考えている構造においては、側壁は｛１００｝面であり、ファセット面は｛１１１｝面であるから両者の角度ｑは、５４．７°である。従って、
ｗ＜ａ・ｔａｎ（５４．７°）〜１．４ａ
となる。
【００１９】
以上の結果から、ｗ＜１．４ａであれば、側壁結晶成長層４０３は容易につながって空洞ができる。
【００２０】
なお、上述の実施の形態では、表面に何の処理も施していないＳｉ基板に開口部３０３を形成し、ＳＯＮを作製したが、図１３に示すように、Ｓｉ基板５０１上に熱酸化膜５０２を形成しておき、その後開口部５０３を形成しても良い。この場合も堆積酸化膜５０４を堆積し（図１４）、ドライエッチングによって堆積酸化膜５０４を削り、側壁酸化膜５０５と側壁Ｓｉ露出部５０６とを形成する。この時、基板表面の熱酸化膜５０２は、堆積酸化膜５０４よりもエッチング速度が遅いので図１５に示したように、基板表面に残存したような状態が実現できる。この後、上記の実施の形態と同様に、塩素を含むガスによって結晶成長を行う。すると、基板表面の残存酸化膜５０７の上と側壁酸化膜５０５上には、結晶成長が起こらず、図１６のような空洞５１０を有するＳＯＮ構造が実現できる。この工程の後、ＣＭＰによって平坦化の作業を行っても良いが、この場合、基板表面に余計な結晶堆積層がないため、ＣＭＰによる平坦化を行わずとも素子形成が可能となる。
【００２１】
なお、上記の実施の形態では、開口部３０３・５０３の側面として（００１）面と（００−１）面を想定したが、これは側壁への結晶成長において、成長速度が最も早い面方位が｛１００｝であるからと理由だけによるものである。従って、必ずしもこれらの面を選ぶ必要はない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、位置制御、膜厚制御に富んだＳＯＮ構造を簡便に作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＳＯＮ基板の製造方法を説明する断面図
【図２】従来のＳＯＮ基板の製造方法を説明する平面図
【図３】従来のＳＯＮ構造を有するＭＯＳＦＥＴの製造方法を説明する図
【図４】従来のＳＯＮ構造を有するＭＯＳＦＥＴの製造方法を説明する図
【図５】実施の形態を説明するための図
【図６】実施の形態を説明するための図
【図７】実施の形態を説明するための図
【図８】実施の形態を説明するための図
【図９】実施の形態を説明するための図
【図１０】実施の形態を説明するための図
【図１１】実施の形態を説明するための図
【図１２】実施の形態を補足説明するための図
【図１３】変形例を説明するための図
【図１４】変形例を説明するための図
【図１５】変形例を説明するための図
【図１６】変形例を説明するための図
【符号の説明】
１０１：Ｓｉ基板
１０２：開口部
１０３：空洞
２０１：Ｓｉ基板
２０２：ＳｉＧｅ層
２０３：チャネル層
２０４：ゲート酸化膜
２０５：ゲート
２０６：ソースドレイン引き出し
３０１：Ｓｉ基板
３０３：開口部
３０４：堆積酸化膜
３０５：側壁酸化膜
３０６：側壁Ｓｉ露出部
３０７：側壁結晶成長層
３０８：基板表面結晶成長層
３１０：ファセット面
３１１：空洞
３１２：ＳＯＮ層
３１３：チャネル層
３１４：ゲート酸化膜
３１５：ゲート
３１６：ソース
３１７：ドレイン
４０１：Ｓｉ基板
４０２：側壁酸化膜
４０３：側壁結晶成長層
５０１：Ｓｉ基板
５０２：熱酸化膜
５０３：開口部
５０４：堆積酸化膜
５０５：側壁酸化膜
５０６：側壁Ｓｉ露出部
５０７：残存酸化膜
５１０：空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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