JP2004235253A

JP2004235253A - 半導体基板の製造方法

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Publication number: JP2004235253A
Application number: JP2003019393A
Authority: JP
Inventors: Akito Hara; 明人原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP4531339B2

Abstract

【課題】従来よりも製造コストを安くすることができる半導体基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】酸素含有のシリコン基板１０に対して水素をイオン注入することによりシリコン基板１０に水素注入層１１を形成する工程と、水素注入層１１を形成後、シリコン基板１０に対して第１の熱処理を行う工程と、第１の熱処理後、シリコン基板１０の水素注入層の領域に酸素をイオン注入する工程と、酸素を注入後、第１の熱処理よりも高い基板温度の第２の熱処理をシリコン基板１０に対して行い、酸素を注入した領域をシリコン酸化膜１７と成す工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法による。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の製造方法に関し、より詳細には、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の一種であるＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスを製造するにはＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法により作製されたウエハをそのまま利用するのが一般的であるが、デバイスの寄生容量を減らして高速化を図るべく、ＳＯＩウエハ上に半導体デバイスを形成する方法が研究されている。
【０００３】
ＳＯＩウエハは、埋め込み酸化膜上に単結晶シリコン層が形成された構造を有し、その製造方法としては貼り付け法とＳＩＭＯＸ法とがあるが、中でもＳＩＭＯＸ法は工程数が少なく低価格で提供できる点で有利であるとされている。以下に、そのＳＩＭＯＸ法について図１を参照して説明する。図１は、従来例に係るＳＩＭＯＸ基板の製造方法について示す断面図である。
【０００４】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の所定の深さに濃度プロファイルのピークが位置するように酸素イオン２をシリコン基板１にイオン注入し、酸素注入層３を形成する。この際、酸素注入層３上のシリコン結晶は酸素イオンによりダメージを受け、シリコン結晶欠陥層４となる。
【０００５】
その後に、図１（ｂ）に示すように、基板温度を１０００℃以上とする熱処理をシリコン基板１に対して数十時間行い、酸素注入層３中の酸素とシリコンとを反応させて埋め込み酸化膜５を形成すると共に、シリコン結晶欠陥層４の欠陥を回復させてシリコン単結晶層６を形成する。
【０００６】
以上により、従来例に係るＳＩＭＯＸ基板が完成する。
【０００７】
なお、特許文献１には、炭素を含むシリコン基板又はＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法により自然に酸素が混入したシリコン基板を利用してＳＩＭＯＸ基板を製造する方法と、シリコン基板に酸素をイオン注入し、低温の前熱処理を施した後、高温のアニール熱処理を行うことによりＳＩＭＯＸ基板を製造する方法とが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−３０３１３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法では、埋め込み酸化膜５を形成するのに１０００℃以上の高温のアニールを数十時間も行う必要があるので、アニールが行われる熱処理炉の運転コストが高くなり、ひいてはＳＩＭＯＸ基板の価格を上昇させてしまう。
【００１０】
また、特許文献１に記載の方法も最終のアニール熱処理のコストについて考慮しておらず、その点で改善の余地がある。
【００１１】
本発明は係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、従来よりも製造コストを安くすることができる半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、酸素含有のシリコン基板に対して水素をイオン注入することにより、前記シリコン基板に水素注入層を形成する工程と、前記水素注入層を形成後、前記シリコン基板に対して第１の熱処理を行う工程と、前記第１の熱処理後、前記シリコン基板の前記水素注入層の領域に酸素をイオン注入する工程と、前記酸素を注入後、前記第１の熱処理よりも高い基板温度の第２の熱処理を前記シリコン基板に対して行い、前記酸素を注入した領域をシリコン酸化膜と成す工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法によって解決する。
【００１３】
次に、本発明の作用について説明する。
【００１４】
本発明によれば、酸素含有のシリコン基板に水素注入層を形成し、その後、シリコン基板に対して第１の熱処理を行う。この第１の熱処理の際、水素は、シリコン基板中の酸素とシリコンとにより形成される酸素クラスタの生成を加速させる作用を有するので、水素注入層には酸素クラスタが多数生成され、更に熱処理を進めることでその酸素クラスタを核とするシリコン酸化物が形成される。よって、酸素をシリコン基板にイオン注入するときには、シリコン酸化膜の元となるシリコン酸化物が既に或る程度形成されているので、酸素をイオン注入した後に行われる第２の熱処理を長時間行わなくとも、良質のシリコン酸化膜を形成することができる。したがって、第１の熱処理よりも高い基板温度で行われる第２の熱処理を長時間行うことによるコスト高が防止され、得られる基板の価格が従来よりも安価となる。
【００１５】
また、基板温度が段階的に昇温する第１、第２のステップのように上記第１の熱処理を多段に分けて行うことにより、熱処理の初期段階から基板温度を高温に保持する熱処理を行う場合に見られる酸素クラスタの溶融が防止され、酸素クラスタを核とするシリコン酸化物が品質良く形成される。
【００１６】
なお、このような多段処理に代えて、基板温度が低温から高温へと連続的に高くなるように第１の熱処理を行っても上記と同様の作用が奏される。
【００１７】
更に、上記水素注入層における水素の注入濃度を１０^２０ｃｍ^−３以下とすることにより、水素注入層を境にしてシリコン基板が剥離してしまうのが防止される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図２〜図３は、本発明の実施の形態に係る半導体基板の製造方法について示す断面図である。
【００１９】
最初に、図２（ａ）に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【００２０】
まず、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法により作製された初期酸素濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−３、面方位（１００）のシリコンウエハをシリコン基板１０として使用し、そのシリコン基板１０において埋め込み酸化膜を形成する領域に加速エネルギ１０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０^１４ｃｍ^−２で水素イオン１５を注入する。これにより、後で埋め込み酸化膜が形成される所定深さ、例えば数μｍ〜数十μｍの深さに水素注入層１１が形成される。
【００２１】
ここで、水素注入層１１における水素の注入濃度は１０^２０ｃｍ^−３以下であるのが好ましい。これは、濃度がこれより高いと水素注入層１１を境にしてシリコン基板１０が剥離してしまうからである。
【００２２】
なお、シリコン基板１０に含有される酸素は、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法の際、石英るつぼから溶融したシリコン中に自然に取り込まれたものであるが、その濃度は或る程度制御することが可能である。
【００２３】
上記によって注入された水素は、シリコン基板１０に含有される酸素の増速拡散を引き起こす作用があり、３００〜５００℃の温度で加熱されるとシリコン酸化物の核として機能する酸素クラスタの形成を加速する効果を有する。
【００２４】
そこで、図２（ｂ）に示すように、基板温度を３００〜５００℃、例えば４００℃としてシリコン基板１０を常圧にて窒素等の不活性雰囲気中で３時間熱処理し、水素注入層１１中に上記の酸素クラスタ１２を形成する。
【００２５】
このような第１ステップの熱処理の後に、図２（ｃ）に示すように、第１ステップよりも高い基板温度の６００℃〜７００℃、例えば６００℃でシリコン基板１０を常圧にて窒素等の不活性雰囲気中で２０時間熱処理することにより、酸素クラスタ１２をシリコン酸化物１３に成長させる。この第２のステップの熱処理の際、酸素クラスタ１２が既に形成されているので、シリコン酸化物１３が速やかに成長される。
【００２６】
その後に、図２（ｄ）に示すように、シリコン酸化物１３が成長した部分のシリコン基板１０に対して酸素イオン１８を加速エネルギ１３０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０^１８ｃｍ^−２で注入する。このとき、シリコン酸化物１３よりも上の部分のシリコン基板１０は酸素イオンによりダメージを受け、シリコン結晶欠陥層１４となる。
【００２７】
続いて、図３に示すように、基板温度を上記第１、第２のステップの最高温度よりも高い基板温度である１０００℃〜１３００℃、例えば１２８０℃にし、窒素雰囲気等の常圧の不活性雰囲気中でシリコン基板１０を１８０〜３００分程度の短時間、例えば２００分間熱処理することによりシリコン酸化物１３をより大きく成長させて、厚さが約２００ｎｍ程度の埋め込み酸化膜（シリコン酸化膜）１７とする。このアニールにおいては、シリコン結晶欠陥層１４の欠陥も回復され、埋め込み酸化膜１７の上に単結晶シリコン層１６が形成される。
【００２８】
ここまでの工程により本実施形態に係るＳＩＭＯＸ基板が完成するが、シリコン基板１０に注入された水素は最終的には基板外に抜けてしまって基板内には殆ど残存しない。この後は、得られたＳＩＭＯＸ基板上にＭＯＳトランジスタや層間絶縁層、金属配線等が形成されるが、その詳細については省略する。
【００２９】
以上説明した本実施形態によれば、酸素含有のシリコン基板１０に水素注入層１１を形成し、その水素の作用を利用して第１、第２ステップの熱処理（第１の熱処理）においてシリコン酸化物１３を速やかに形成する。よって、酸素をイオン注入する際には、埋め込み酸化膜１７の元となるシリコン酸化物１３が既に或る程度形成されているので、酸素をイオン注入した後に行われる最終の高温の熱処理（第２の熱処理）を長時間行わなくとも、良質の埋め込み酸化膜１７を形成することができる。したがって、高温の熱処理を長時間行うことによるコスト高を防止することができ、得られるＳＩＭＯＸ基板の価格を従来よりも安価にすることが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、最終の高温の熱処理は基板温度１０００℃〜１３００℃で２００分間行われるが、この様な短時間熱処理を最終熱処理として行った従来例のＳＩＭＯＸ基板は図４のようになり、本実施形態と比較して埋め込み酸化膜が荒くなってしまう。
【００３１】
また、基板温度が段階的に昇温する第１、第２のステップのように酸素注入前の熱処理を多段に分けることにより、熱処理の初期段階から基板温度を高温に保持する熱処理を行う場合に見られる酸素クラスタ１２の溶融を防止することができ、酸素クラスタ１２を核とするシリコン酸化物１３を品質良く形成することができる。
【００３２】
特に、第２のステップの基板温度は６００℃〜７００℃の範囲内にあるのが好ましく、この範囲の温度で第２ステップの熱処理を行うことで酸素クラスタ１２をシリコン酸化物１３に成長させることができる。
【００３３】
なお、このような多段の熱処理に代えて、基板温度を連続的に高くする熱処理を行っても上記と同様の利点が得られる。
【００３４】
また、上記では、酸素注入の前や後に行われる熱処理を窒素雰囲気中で行ったが、窒素と酸素との混合雰囲気や、アルゴンと酸素との混合雰囲気中でこれらの熱処理を行ってもよい。
【００３５】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【００３６】
（付記１）酸素含有のシリコン基板に対して水素をイオン注入することにより、前記シリコン基板に水素注入層を形成する工程と、
前記水素注入層を形成後、前記シリコン基板に対して第１の熱処理を行う工程と、
前記第１の熱処理後、前記シリコン基板の前記水素注入層の領域に酸素をイオン注入する工程と、
前記酸素を注入後、前記第１の熱処理よりも高い基板温度の第２の熱処理を前記シリコン基板に対して行い、前記酸素を注入した領域をシリコン酸化膜と成す工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【００３７】
（付記２）前記第１の熱処理において、前記シリコン基板の前記所定の深さにシリコン酸化物が形成されることを特徴とする付記１に記載の半導体基板の製造方法。
【００３８】
（付記３）前記第１の熱処理は、
第１の基板温度で前記水素注入層に酸素クラスタを形成する第１ステップと、
前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度で前記酸素クラスタを前記シリコン酸化物に成長させる第２ステップと、
を含む多段処理で行われることを特徴とする付記２に記載の半導体基板の製造方法。
【００３９】
（付記４）前記第１の基板温度は３００℃〜５００℃であり、前記第２の基板温度は６００℃〜７００℃であることを特徴とする付記３に記載の半導体基板の製造方法。
【００４０】
（付記５）前記第１の熱処理において、基板温度を連続的に高くすることを特徴とする付記１に記載の半導体基板の製造方法。
【００４１】
（付記６）前記第２の熱処理における基板温度を１０００℃〜１３００℃とすることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【００４２】
（付記７）前記水素注入層における水素の注入濃度を１０^２０ｃｍ^−３以下とすることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【００４３】
（付記８）前記シリコン基板は、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法で製造される際に酸素が含有されることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン基板に水素注入層を形成した後、第１の熱処理を行うことによりその水素注入層にシリコン酸化物を形成するので、酸素をイオン注入した後に行われる第２の熱処理を長時間行わなくとも良質のシリコン酸化膜を形成することができ、高温の熱処理を長時間行うことに起因するコスト高が防止され、安価な半導体基板を提供することができる。
【００４５】
また、基板温度が低温から高温へと変化するように第１の熱処理を多段処理若しくは連続処理することにより、上記の酸素クラスタが溶融してしまうのを防止できる。
【００４６】
更に、上記水素注入層における水素の注入濃度を１０^２０ｃｍ^−３以下とすることにより、水素注入層を境にしてシリコン基板が剥離するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来例に係るＳＩＭＯＸ基板の製造方法について示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る半導体基板の製造方法について示す断面図（その１）である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体基板の製造方法について示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、従来例に係るＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、最終の高温の熱処理を短時間で済ました場合の断面図である。
【符号の説明】
１、１０…シリコン基板、２、１８…酸素イオン、３…酸素注入層、４、１４…シリコン結晶欠陥層、５、１７…埋め込み酸化膜、６、１６…シリコン単結晶層、１１…水素注入層、１２…酸素クラスタ、１３…シリコン酸化物、１５…水素イオン。

Claims

酸素含有のシリコン基板に対して水素をイオン注入することにより、前記シリコン基板に水素注入層を形成する工程と、
前記水素注入層を形成後、前記シリコン基板に対して第１の熱処理を行う工程と、
前記第１の熱処理後、前記シリコン基板の前記水素注入層の領域に酸素をイオン注入する工程と、
前記酸素を注入後、前記第１の熱処理よりも高い基板温度の第２の熱処理を前記シリコン基板に対して行い、前記酸素を注入した領域をシリコン酸化膜と成す工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
前記第１の熱処理において、前記シリコン基板の前記所定の深さにシリコン酸化物が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１の熱処理は、
第１の基板温度で前記水素注入層に酸素クラスタを形成する第１ステップと、
前記第１の基板温度よりも高い第２の基板温度で前記酸素クラスタを前記シリコン酸化物に成長させる第２ステップと、
を含む多段処理で行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
前記第１の熱処理において、基板温度を連続的に高くすることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
前記水素注入層における水素の注入濃度を１０^２０ｃｍ^−３以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。