JPH10503886A - シリコンコンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 シリコンコンデンサを形成するために、ｎドープされたシリコン基板（１）内に孔開口を形成し、その表面にドーピングにより導電領域（４０）を形成し、その表面に誘電層（６）及び導電層（７）を備える。導電領域（４０）のドーピングにより惹起されるシリコン基板（１）の機械的歪みを補償するために、導電領域（４０）をゲルマニウムでドープされた層から拡散するゲルマニウムで付加的にドープする。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコンコンデンサの製造方法 欧州特許出願第０５２８２８１号明細書からシリコンコンデンサは公知である 。このコンデンサはｎドープされたシリコン基板を有しており、その表面は基板 が陽極として接続されているフッ化物含有酸電解液中で電気化学的エッチングに より特徴のあるパターンを施されている。この電気化学的エッチングの際に基板 の表面に多少規則的に配設されている孔パターンが形成される。孔パターンは１ ：１０００の範囲までのアスペクト比を有する。孔パターンの表面には誘電層及 び導電層が設けれられている。導電層、誘電層及びシリコン基板はコンデンサを 構成し、孔パターンにより生じる表面積の増加により１００μＦＶ／ｍｍ³まで の比キャパシタンスが達成される。基板の導電率を高めるために孔パターンの表 面にｎ⁺ドープされた領域を設けることが提案されている。 一般にシリコンコンデンサはシリコンウェハ内に形成される。その際シリコン ウェハのたわみが認められ、これが３００μｍまでの深さを有する孔パターンの 表面のｎ⁺ドープ領域により機械的歪みと結び付く。このシリコンウェハのたわ みはリソグラフィ、ウェハの薄層化及び個別化のようなシリコンコンデンサを容 器に組み込む際に必要となるその後の処理工程で問題を生じる。 エイ・フクハラその他による「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｃｒｙｓｔ．」１９８０年、第 １３巻、第３１〜３３頁からシリコン結晶における機械的歪みの補償に関する研 究が知られている。ゲルマニウムの付加的ドーピングにより補整することのでき るドーパント濃度にほぼ比例する歪みが観察される。深さ１〜５μｍの層はゲル マニウム及び／又はホウ素でドープされる。ゲルマニウムは拡散により打ち込ま れるが、その際１４７３Ｋの温度で１４日間の回復期間を要する。 アー・ホイベルガー著「マイクロメカニズム」シュプリンガー・フェアラーク 、１９８９缶、第２１６〜２３６頁から、マイクロメカニズムにおいてエッチン グストップ層として使用されエピタキシによりシリコン基板上に成長させられホ ウ素を高度にドープされたシリコン層が基板のたわみの原因となり、これは例え ば ゲルマニウムをホウ素ドープされた層に付加的に打ち込むことにより補償される ことが知られている。 本発明の課題は、シリコンコンデンサの別の製造法を提供し、シリコン基板の たわみを回避し、製造プロセスに使用できるようにすることにある。 この課題は本発明により請求項１に記載の方法により解決される。本発明の実 施態様は従属請求項から明かである。 本発明方法では、ｎドープされたシリコン基板の主面内に電気化学的エッチン グにより多数の孔開口が形成される。電気化学的エッチングは特にフッ化物含有 酸電解液中で行われ、主面はこの電解液と接触して電解液とシリコン基板との間 に電圧が印加され、シリコン基板が陽極として接続される。その際主面に対向す るシリコン基板の裏側が照射される。 孔開口の表面に沿って電気的に活性なドーパントを含む導電領域が形成される 。これに関連して導電領域の導電率を決定するドーパントは電気的に活性なドー パントといわれる。電気的に活性なドーパントとしては特に燐、ホウ素又は砒素 が使用される。 孔開口の表面上には、ゲルマニウムでドープされた層が作られ、この層により 導電領域がゲルマニウムでドープされる。 第１の実施態様によれば、導電領域はゲルマニウムでドープされた層からゲル マニウムの拡散により形成される。１４００Ｋの温度でのゲルマニウムドープ層 からの拡散の際にゲルマニウムは４〜２５時間で０．２〜０．５μｍの深さまで 拡散される。１４７３Ｋの温度では０．５６時間後に０．２μｍの拡散長が、ま た３．５時間後に０．５μｍの拡散長が達成される。このような拡散時間は製造 プロセスとして是認し得るものである。 有利にはゲルマニウムでドープされた層は、常圧でのＣＶＤ析出（ＡＰＣＶＤ ）でＧｅ（ＯＣＨ₃）₄及びＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄を含むプロセスガスの使用下に析 出されるシリケートガラスから形成される。これらのプロセスガス及びＯ₃の使 用下に製造されるゲルマニウムでドープされたシリケートガラスは、エス・フィ ッシャーその他による「固体テクノロジー」１９９３年９月、第５５〜６４頁か ら公知である。これは中間酸化物として提案されたものである。これをゲルマ ニウムの拡散源として使用する可能性はこの文献には記載されていない。本発明 方法では析出の際にＯ₂又はＯ₃が添加される。Ｏ₂の使用はプロセスの簡素化を 意味する。Ｏ₃を使用した場合にはエッジ被覆が改善される。 導電領域を形成するためにゲルマニウム及び電気的に活性なドーパントを同時 に孔開口の表面内に拡散することは本発明の枠内にある。 電気的に活性なドーパントの拡散長がゲルマニウムのそれよりも大きい場合に は、ゲルマニウムを適当な時間先行して拡散させ、導電領域内のゲルマニウムと 電気的に活性なドーパントのドーピング分布をほぼ重複させると有利である。こ れは例えば、ゲルマニウムでドープされた層上にゲルマニウムを拡散するための 先行時間後、電気的に活性なドーパント、特に燐、ホウ素又は砒素でドープされ たシリケートガラス層を施し、この層から電気的に活性なドーパントを拡散する ようにして行わわる。或はまた電気的に活性なドーパントは気相からの拡散によ り打ち込むこともできる。 機械的歪みを最小にするために、ゲルマニウムの拡散及び電気的に活性なドー パントの拡散を繰り返し実施することは本発明の枠内にある。そのため特にドー パント源として使用された層を除去し、再度施すことが行われる。 ゲルマニウムでドープされた層は、導電領域の表面上に誘電層及びその上に導 電層を施す前に除去される。導電層及び導電領域にはそれぞれ接触部が設けられ る。これらの接触部は主面の範囲にも主面及び背面上にも設置可能である。本発 明の他の実施態様によれば、孔開口の表面上にエピタキシによりゲルマニウムで ドープされたシリコン層が成長させられる。そのためエピタキシの際にゲルマニ ウムを含む化合物、特にＧｅＨ₄が添加される。ゲルマニウムでドープされた層 は１０〜１００ｎｍの厚さに成長させると有利である。引続き電気的に活性なド ーパントが気相拡散又は電気的に活性なドーパントを備えられた層からの拡散に より打ち込まれる。その際導電領域はエキタキシで成長させられたシリコン層及 び孔開口の隣接する表面に形成される。電気的に活性なドーパントを拡散するた めの温度及び時間は、分散するゲルマニウム分布を電気的に活性なドーパントの 分布と合致するように選択される。 別の実施態様によれば、電気的に活性なドーパントはエピタキシ中に格子内に 打ち込まれる。 ゲルマニウムと電気的に活性なドーパントとの著しく異なる拡散長を補整する ために、ゲルマニウムでドープされたシリコン層上にエピタキシにより別のドー プされていないシリコン層を電気的に活性なドーパントを打ち込む前に析出する と有利である。 本発明のこの実施態様では、ゲルマニウムでドープされたシリコン層及び場合 によってはエピタキシにより成長させられた別のシリコン層は導電領域の一部と して孔開口の表面上に残留する。引続き導電領域の表面上に誘電層及び導電層が 施される。 本発明方法においては、ゲルマニウムのドーピングにより電気的に活性なドー パントのドーピングによって惹起された導電領域内の機械的歪みが補整される。 即ち孔開口の深さが３００μｍまであり、一般に使用されるシリコンウェハの全 層厚が６００μｍであるので、導電領域内の機械的歪みはウェハの顕著なたわみ と結び付く。機械的歪みは、ドーピングの際にシリコン結晶内の置換格子位置に 電気的に活性なドーパント原子が打ち込まれ、その共有結合半径がシリコン原子 のそれとは異なることにより生じる。燐原子はシリコン結晶内で例えば相応する シリコン原子よりも６％小さい共有結合半径を有するので、結晶格子の収縮が生 じる。このような作用はドーパント濃度が高くなればなる程大きくなる。 格子の歪みは置換密度を高める恐れがある。多数のシリコンコンデンサが１つ のシリコンウェハ内に形成されるならば、これがウェハのたわみを招く。例えば 従来のリソグラフィ装置のような一般に使用されている製造装置は専ら平坦な基 板用に設計されているので、最大限の製造歩留りを得るには処理上生じる基板ウ ェハのたわみを回避することが重要である。 本発明方法では電気的に活性なドーパントによる格子の障害はゲルマニウムの 付加的ドーピングにより補整される。その際ドーピング濃度はたわみを回避する ように互いに調整される。１．１×１０²⁰ｃｍ^-3のホウ素濃度の場合それに対し て８×１０²⁰ｃｍ^-3のゲルマニウム濃度が必要である。歪みが弾性である限りこ れらの２つの濃度間に直線的関係が存在し、即ちホウ素濃度が低い場合には相応 してゲルマニウム濃度を低くする必要がある。例えば燐を１×１０²⁰ｃｍ^-3の濃 度で使用した場合にはゲルマニウムの濃度は約１．２×１０²⁰ｃｍ^-3で十分であ る。最大限の弾性歪みが約５×１０^-4のΔ１max／１を越えない限り、必要とさ れる濃度はほぼ比例する。しかし格子の不適合又は弾性限度を越えることにより たわみを回避するために他の濃度比も必要となり得る。 ゲルマニウムは、１つには電気的に中性であり、他方ではシリコン中に高い可 溶性を示し、シリコン結晶内で一般にシリコンデバイスの製造に使用される電気 的に活性なドーパントのホウ素及び燐よりも大きな共有結合半径を有するという 利点を有する。 本発明を実施例及び図面に基づき以下に詳述する。 図１は孔開口を有するシリコン基板を示す。 図２はゲルマニウムドープ層の被着及びゲルマニウムの拡散後のシリコン基板 を示す。 図３は電気的に活性なドーパントでドープされた層の被着及びこのドーパント を拡散した後のシリコン基板を示す。 図４は誘電層及び導電層の析出及び導電層及び導電領域に対する接触部の形成 後のシリコン基板を示す。 図５は表面にゲルマニウムドープ層を成長させた孔開口を有するシリコン基板 を示す。 図６はもう１つのドープされていないシリコン層を成長させ、導電領域を形成 するために電気的に活性なドーパントを打ち込んだ後のシリコン基板を示す。 図７は誘電層及び導電層の析出後のシリコン基板を示す。 ５Ω×ｃｍの比抵抗を有するｎドープされた単結晶シリコンからなるシリコン 基板１の主面１１に電気化学的エッチングにより多数の孔開口２を設ける（図１ 参照）。 主面１１を電解液と接触させる。電解液としては例えば６重量％のフッ化水素 酸（ＨＦ）を使用する。シリコン基板１は陽極として３Ｖの電位を印加される。 シリコン基板１を主面１１に対向する背面１２から照射する。その際電流密度は １０ｍＡ／ｃｍ²に調整される。電気化学的エッチングの際にｎドープされたシ リコン層内の少数キャリアは電解液と接触している主面１１に移動する。主面１ １に空間電荷帯域が形成される。主面１１内のたわみ範囲の電界強度はその外側 よりも大きいので、少数キャリアは優先的にこれらの箇所に移動する。それによ り主面１１がパターン化される。最初は小さな非平坦性がエッチングにより深く なるにつれて少数キャリアはそこに移動し、益々この箇所へのエッチング作用が 強くなる。 孔開口２はそれぞれの表面内に統計的分布で存在する主面１１内の非平坦部か ら成長し始める。孔開口２の均一な分布を達成するためには、主面１１に電気化 学的エッチングの前に後の電気化学的エッチングの際にエッチングの核の作用を する非平坦部を適切に設けると有利である。これらの非平坦部は例えば従来のフ ォトリソグラフィ法により形成することができる。 約１８０分のエッチング時間後に孔開口２は１７５μｍの深さで２μｍの直径 を有する。引続きシリコン基板１を徹底的に水で洗浄する。 常圧でのＣＶＤ法でゲルマニウムでドープされた層３を析出する。ゲルマニウ ムドープ層３はＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄、Ｇｅ（ＯＣＨ₃）₄及びＯ₃を含有するプロセ スガスの使用下にドープされたシリケートガラスから形成される。その際常圧及 び３００℃〜５００℃の範囲の温度に調整される。ゲルマニウムドープ層３は１ ００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さで析出される（図２参照）。 １４００Ｋの熱処理中に２５時間の拡散時間でゲルマニウムドープ領域４が形 成される。 ゲルマニウムドープ層３上に続いてＣＶＤ法で電気的に活性なドーパントでド ープされた層５を析出する（図３参照）。電気的に活性なドーパントとしては例 えばホウ素又は燐を使用する。ドープ層５は例えば１００ｎｍの厚さで析出され る。更に１４００Ｋでの別の熱処理で電気的に活性なドーパント及びゲルマニウ ムを一緒に更に打ち込む。２．５時間の拡散時間後ゲルマニウムと電気的に活性 なドーパントのドーピング分布が合致し、導電領域４０を形成する。ホウ素の場 合これには約９時間かかる。この導電領域４０内のドーピング濃度は１．１×１ ０²⁰ｃｍ^-3のホウ素と８×１０²⁰ｃｍ^-3のゲルマニウム又は１×１０²⁰ｃｍ^-3の 燐と１．２×１０²⁰ｃｍ^-3のゲルマニウムに調整される。それにより一方ではド ープされた領域４０にシリコンコンデンサ内にコンデンサ電極を形成するのに十 分な導電率が得られ、また他方ではシリコン基板１のたわみが効果的に回避され る。導電領域４０の深さは例えば０．５μｍである。 ゲルマニウムでドープされた層３及びドープ層５は１０重量％のフッ化水素酸 で除去される。 引続きシリコンコンデンサを製造するために誘電層６及び導電層７を施し、パ ターン化する（図４参照）。誘電層６を有利にはＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄を組合わせ て形成することによりＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂の層順を有する多重層として 形成する。即ちこの材料は大表面のコンデンサに対して十分に小さい欠陥密度を 有するからである。導電層７を例えばｎ⁺ドープされたポリシリコンから形成す る。導電層７の表面上に第１の接触部８を、誘電層６及び導電層７のパターン化 により露出されたドープ領域４０の表面上に第２の接触部９を施す。第１の接触 部８及び第２の接触部９は例えばアルミニウムから形成される。 別の実施例ではシリコン基板１′の主面１１′内に図１について記載したよう に電気化学的エッチングにより孔開口２′を形成する（図５参照）。シリコン基 板１′の比抵抗及び孔開口２′の寸法は図１について記載したものに相当する。 エピタキシ反応炉内で孔開口２′の表面上にゲルマニウムでドープされた厚さ １０〜１００ｎｍのシリコン層３′を成長させる。 エピタキシはＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＧｅＨ₄及び不活性キャリアガスの使用下に５７ ５℃の温度及び６６．７Ｐａの圧力（０．５トル）で行われる。ＳｉＨ₂Ｃｌ₂と ＧｅＨ₄の混合比はゲルマニウムドープ層２′がゲルマニウムを１０原子％含む ように調整される。 引続きＳｉＨ₂Ｃｌ₂及び不活性キャリアガスの使用下にエピタキシ反応炉内で ドープされていないシリコン層４′を例えば２０ｎｍの厚さに成長させる（図６ 参照）。その際エピタキシ反応炉内は温度６５０℃及び圧力６６．７Ｐａ（０． ５トル）に保持される。 引続き電気的に活性なドーパント例えばホウ素又は燐を、ドープされていない シリコン層４′及びゲルマニウムでドープされたシリコン層３′内に拡散させる 。これは例えば燐又はボランの使用下に気相拡散により行われる。その際１４０ ０ Ｋの温度が保持される。電気的に活性なドーパントを拡散させる際にゲルマニウ ムでドープされたシリコン層３′内のゲルマニウム分布の分散が生じる。その際 ゲルマニウムはドープされていないシリコン層４′内にもシリコン基板１′の隣 接する表面にも拡散される。拡散温度及び時間は電気的に活性なドーパントが厳 密にゲルマニウム程度にシリコン基板１′内に拡散されるように調整される。そ れにより孔開口の表面にドープされた領域５′が形成される。ゲルマニウムと電 気的に活性なドーパントのドーピング分布はドープされていないシリコン層４′ 、ゲルマニウムでドープされたシリコン層３′及びドープされた領域５′にわた り、これらは連帯して導電領域４０′を形成する。 電気的に活性なドーパントの拡散は相応してドープされたシリケートガラス層 の析出及びシリケートガラスからの拡散によっても実施可能であるが、シリケー トガラス層は拡散後再度除去することを必要とする。 シリコンコンデンサは例えばＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂からなる誘電層６′ 及び例えばｎ⁺ドープされたポリシリコンからなる導電層７′の析出により製造 される（図７参照）。引続き導電層７′及び導電領域４０′に金属接触部を備え る（図示せず）。これらの接触部は両方とも主面１１′の範囲に配設され、その 際誘電層６′及び導電層７′を相応してパターン化することが必要となる。或は １個の接触部を導電層上の主面の範囲内に、また１個の接触部を主面１１′に対 向する背面に配設することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シエーフアー、ヘルベルト ドイツ連邦共和国 デー−85635 ヘーエ ンキルヒエン−ジーゲルツブルン レルヒ エンシユトラーセ 33

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ｎドープされたシリコン基板（１）の主面（１１）に電気化学的エッチン グにより多数の孔開口（２）を形成し、 乳開口（２）の表面に沿って電気的に活性なドーパントを備えられた導電領域 （４０）を形成し、 孔開口（２）の表面上にゲルマニウムでドープされた層（３）を形成し、この 層により導電領域（４０）をゲルマニウム（４）でドープし、 導電領域（４０）の表面上に誘電層（６）及び導電層（７）を施し、 導電層（７）及び導電領域（４０）にそれぞれ接触部（８、９）を設ける 少なくとも１個のシリコンコンデンサの製造方法。 ２． 導電領域（４０）をゲルマニウムでドープされた層（３）からの拡散によ りゲルマニウム（４）でドープする請求項１記載の方法。 ３． ゲルマニウムでドーされたプ層（３）を常圧でのＣＶＤ析出によりＧｅ（ ＯＣＨ₃）₄及びＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄を含有するプロセスガスの使用下に析出する 請求項２記載の方法。 ４． 孔開口（２′）の表面上にエピタキシによりシリコン層（３′）を形成し 、この層をゲルマニウムを含む化合物を添加することによりエピタキシでその場 でゲルマニウムをドープする請求項１記載の方法。 ５． エピタキシによりゲルマニウムをドープされたシリコン層（３′）上に別 のドープされないシリコン層（４′）を成長させ、 ゲルマニウムをドープされたシリコン層（３′）、ドープされないシリコン層 （４′）及び乳開口（２′）の隣接する表面（５′）内に導電領域（４０′）を 形成する 請求項４記載の方法。 ６． 電気的に活性なドーパントを電気的に活性なドーパントでドープされた層 （５）からの拡散により導電領域（４０）内に打ち込む請求項１乃至５の１つに 記載の方法。 ７． 導電領域（４０）が燐５．１０¹⁹ｃｍ^-3〜８．１０²⁰ｃｍ^-3及びゲルマニ ウム５．１０¹⁹ｃｍ^-3〜５．１０²¹ｃｍ^-3又はホウ素３．１０¹⁹ｃｍ^-3〜３．１ ０²⁰ｃｍ^-3及びゲルマニウム５．１０¹⁹ｃｍ^-3〜５．１０²¹ｃｍ^-3のドーパント 濃度を有する請求項１乃至６の１つに記載の方法。 ８． 孔開口（２）を形成するための電気化学的エッチングをフッ化物含有酸電 解液中で実施し、この電解液と主面（１１）を接触させ、シリコン基板（１）を 陽極として接続するようにして電解液とシリコン基板（１）との間に電圧を印加 し、 主面（１１）に対向するシリコン基板（１）の背面（１２）を電気化学的エッ チング中に照射する 請求項１乃至７の１つに記載の方法。 ９． 直径０．５μｍ〜１０μｍの範囲及び深さ５０μｍ〜３００μｍの範囲の 孔開口（２）を形成し、その際これらの孔開口（２）が３０〜３００の範囲のア スペクト比を有する請求項８記載の方法。 １０． 誘電層（６）をＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄との組合わせの形成によりＳｉＯ₂／ Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂の層順を有する多重層として形成する請求項１乃至９の１つ に記載の方法。 １１．導電層（７）をドープされたポリシリコンからの気相析出により形成する 請求項１乃至１０の１つに記載の方法。