JP2004363495A

JP2004363495A - 半導体基板

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Publication number: JP2004363495A
Application number: JP2003162784A
Authority: JP
Inventors: Reiko Yoshimura; 玲子吉村; Tsukasa Tada; 宰多田; Koji Sensai; 宏治泉妻; Kazuhiko Kashima; 一日兒鹿島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP4515719B2

Abstract

【課題】不純物金属が半導体装置の活性層として機能する半導体層（ＳＯＩ層）に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができるＳＯＩ構造の半導体基板を提供。
【解決手段】不純物金属を捕獲するためのゲッタリングサイト１０を内部に有する支持基板１と、その支持基板１上に配置され、シリコンよりも酸素との単結合エネルギーが大きい元素の酸化物を含む埋め込み絶縁膜２と、その埋め込み絶縁膜２上に配置された半導体層（ＳＯＩ層）３とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＯＩ構造を有する半導体基板に係り、特に半導体層（ＳＯＩ層）内に混入した不純物金属の捕獲（ゲッタリング）技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デバイス特性に有害な不純物金属を不活性化するためのゲッタリングは古くから行われている。半導体装置に用いる半導体基板としてのＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板は、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板上に、埋め込み絶縁膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を介して半導体層（ＳＯＩ層）を有した構造である。このため、ＳＯＩ層内に混入した不純物金属を支持基板側の捕獲場（ゲッタリングサイト）で捕獲しようとすると、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）等の数種の不純物金属はＳｉＯ_２膜中を拡散して通過するが、他の多くの不純物金属群はＳｉＯ_２膜中を通過しにくい。ＳｉＯ_２膜を通過しにくい不純物金属は、ＳＯＩ層中あるいはＳＯＩ層とＳｉＯ_２膜との界面付近で滞ってしまい、リーク不良等の原因となる。
【０００３】
ＳｉＯ_２膜を通過しにくい不純物金属群に対しては、ＳＯＩ層とＳｉＯ_２膜との界面付近にゲッタリングサイトを形成し、ＳＯＩ層側で不純物金属を捕獲する手法が提案されている。例えば、ＳｉＯ_２膜との境界面となるＳＯＩ層の底面に予め機械的損傷を与えてゲッタリングサイトを形成する手法がある（例えば、特許文献１参照。）。また、例えばＳＯＩ層とＳｉＯ_２膜との界面に沿って複数の微小空隙が設けられた単一層領域を形成して、この単一層領域でＳｉＯ_２膜中での拡散速度が遅い鉄（Ｆｅ）等の不純物金属を捕獲する手法がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３４７２１号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００２−３５９２４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄膜化が進んだＳＯＩ基板においては、不純物金属をＳＯＩ層とＳｉＯ_２膜との界面で捕獲した場合、半導体層（ＳＯＩ層）が薄いために、界面で捕獲された不純物金属の影響が半導体装置の活性層となる半導体層の表面近傍まで及んでしまい、歩留まりが低下する可能性がある。即ち、ＳＯＩ基板において、厚さが３００μｍ〜１ｍｍ程度あるバルク基板のような、不純物金属が半導体層の表面（活性層）に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができなかった。
【０００７】
上記問題点を鑑み、本発明は、不純物金属が半導体装置の活性層として機能する半導体層に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができるＳＯＩ構造の半導体基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）不純物金属を捕獲するためのゲッタリングサイトを内部に有する支持基板と、（ロ）その支持基板上に配置され、シリコンよりも酸素との単結合エネルギーが大きい元素の酸化物を含む埋め込み絶縁膜と、（ハ）その埋め込み絶縁膜上に配置された半導体層とを備える半導体基板であることを要旨とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、構成要素の厚みと幅との関係、各構成要素の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る半導体基板は、図１に示すように、不純物金属を捕獲するためのゲッタリングサイト１０を内部に有する支持基板１と、支持基板１上に配置され、Ｓｉよりも酸素（Ｏ）との単結合エネルギーが大きい元素Ｍの酸化物（Ｍ−Ｏ）を含む埋め込み絶縁膜２と、埋め込み絶縁膜２上に配置された半導体層（ＳＯＩ層）３を備えるＳＯＩ構造の基板である。支持基板１としては、厚さ１０μｍ〜１ｍｍ程度の、チョクラルスキー法（ＣＺ）法、フローティングゾーン（ＦＺ）法等により成長された単結晶Ｓｉ基板あるいはそれにアニール処理を施したもの等が使用可能である。支持基板１は、その内部に設けられた多数のゲッタリングサイト１０を有する。ゲッタリングサイト１０は、半導体層（ＳＯＩ層）３内に混入される不純物金属（Ｍｄ）を捕獲する。ゲッタリングサイト１０としては、例えば、支持基板１としての初期酸素濃度５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のＣＺ法Ｓｉ基板中の酸素析出により発生したＳｉＯ_２析出物、転位及び積層欠陥等の微小欠陥等が採用できる。また、支持基板１の埋め込み絶縁膜２と接する側と反対側の面（裏面）に高濃度燐拡散層を設けてゲッタリングサイトとしても良い。ゲッタリングサイト１０としては、他にも、イオン注入とその後の熱処理により支持基板１内に形成された多数の空隙（マイクロキャビティ）であっても良い。また、半導体層（ＳＯＩ層）３は、厚さ数ｎｍ〜１０μｍ程度の単結晶半導体層であり、少なくともその一部はトランジスタ等の半導体素子を形成する活性層として機能する。特にＳＯＩ層としてはＳｉ単結晶層が好適である。
【００１１】
埋め込み絶縁膜２は、厚さ１０ｎｍ〜１０μｍ程度であり、ＳｉよりもＯとの単結合エネルギーが大きい元素Ｍの酸化物（Ｍ−Ｏ）からなる材料を含む。上述したようなＭ−Ｏ系の埋め込み絶縁膜２を構成する特定の元素Ｍとして、例えば、図９の後段に示すハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）及びランタン（Ｌａ）等のＭ−Ｏ単結合エネルギーの大きい酸化物が使用可能である。具体的には、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（アルミナ；Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）及び、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）等がＭ−Ｏ系の酸化物として挙げられる。
【００１２】
また、埋め込み絶縁膜２として、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ及びＬａのいずれか同士の合金の酸化物も採用可能である。具体的には、ｘ，ｙ，ｚ＝１，２，３，・・・・・として、酸化アルミニウムハフニウム（Ｈｆ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚ）、酸化ジルコニウムハフニウム（Ｈｆ_ｘＺｒ_ｙＯ_ｚ）、酸化アルミニウムジルコニウム（Ｚｒ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚ）、酸化アルミニウムチタン（Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚ）、酸化ジルコニウムチタン（Ｔｉ_ｘＺｒ_ｙＯ_ｚ）、酸化ハフニウムチタン（Ｔｉ_ｘＨｆ_ｙＯ_ｚ）、酸化アルミニウムタンタル（Ｔａ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚ）、酸化ジルコニウムタンタル（Ｔａ_ｘＺｒ_ｙＯ_ｚ）、酸化ハフニウムタンタル（Ｔａ_ｘＨｆ_ｙＯ_ｚ）、酸化チタンタンタル（Ｔａ_ｘＴｉ_ｙＯ_ｚ）、酸化アルミニウムランタン（Ｌａ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚ）、酸化ジルコニウムランタン（Ｌａ_ｘＺｒ_ｙＯ_ｚ）、酸化ハフニウムランタン（Ｌａ_ｘＨｆ_ｙＯ_ｚ）、酸化チタンランタン（Ｌａ_ｘＴｉ_ｙＯ_ｚ）及び、酸化タンタルランタン（Ｌａ_ｘＴａ_ｙＯ_ｚ）等が挙げられる。
【００１３】
更に、埋め込み絶縁膜２として、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ及びＬａのいずれかのシリケートを用いても良い。具体的には、Ｈｆシリケート（Ｈｆ−Ｓｉ−Ｏ系）、Ｚｒシリケート（Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ系）、Ａｌシリケート（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、Ｔｉシリケート（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ系）、Ｔａシリケート（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系）、Ｌａシリケート（Ｌａ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＨｆＺｒシリケート（Ｈｆ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＨｆＡｌシリケート（Ｈｆ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＺｒＡｌシリケート（Ｚｒ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴｉＨｆシリケート（Ｔｉ−Ｈｆ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴｉＡｌシリケート（Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴｉＺｒシリケート（Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴａＨｆシリケート（Ｔａ−Ｈｆ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴａＡｌシリケート（Ｔａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴａＺｒシリケート（Ｔａ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＴａＴｉシリケート（Ｔａ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＬａＨｆシリケート（Ｌａ−Ｈｆ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＬａＡｌシリケート（Ｌａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＬａＺｒシリケート（Ｌａ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｏ系）、ＬａＴｉシリケート（Ｌａ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ系）及び、ＬａＴａシリケート（Ｌａ−Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系）等が挙げられる。更には、上述したＨｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ及びＬａの単体や合金の酸化物並びにシリケート等を混合した材料も埋め込み絶縁膜２として用いることができる。以上のように、埋め込み絶縁膜２としては、不純物金属Ｍｄが埋め込み絶縁膜２内をより容易に拡散して通過できるように、Ｏとの単結合エネルギーがＳｉより大きい元素又は合金の酸化物若しくはシリケートを用いることが好ましい。
【００１４】
図１に示した半導体層（ＳＯＩ層）３内に混入した不純物金属Ｍｄの捕獲工程において、不純物金属Ｍｄは、埋め込み絶縁膜２中を拡散して（通過して）、支持基板１のゲッタリングサイト１０により捕獲される。ここで、Ｏとの単結合エネルギーがＳｉよりも大きい不純物金属Ｍｄは、従来の埋め込み絶縁膜であるＳｉＯ_２膜中ではＳｉ−Ｏ結合に容易に挿入し、Ｓｉ−Ｍｄ−Ｏ結合等を形成して安定化する。このため、不純物金属ＭｄはＳｉＯ_２膜中で容易に捕捉され拡散速度が小さくなるので、ＳｉＯ_２膜を通過しにくかった。
【００１５】
一方、図１に示した埋め込み絶縁膜２は、図９に示すようにＳｉ−Ｏ結合よりも大きい単結合エネルギーのＭ−Ｏ結合からなる。このため、Ｍ−Ｏ結合よりも小さな結合エネルギーとなる不純物金属Ｍｄが埋め込み絶縁膜２中でＭ−Ｏ結合を断ち切って挿入することはエネルギー的に不利であり起こりにくい。図９は、各種金属元素（Ｍ）とＯとの単結合エネルギーの計算値をＳｉ−Ｏ単結合エネルギーの計算値とともに示す。ここでは、ベックの３変数交換ポテンシャル，リー・ヤン・パールの相関ポテンシャル（Ｂ３ＬＹＰ）の補正を用いた密度汎関数法（ＤＦＴ）に基づき、Ｍ−Ｏ結合が単結合となるように価数に応じて水素原子を付加したクラスターモデルを用いて第一原理的手法による電子状態計算を行った結果を示す。図９に示すように、Ｈｆ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝５９０．４４ｋＪ／ｍｏｌ）及びＡｌ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝４７０．００ｋＪ／ｍｏｌ）がＳｉ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝３９８．０５ｋＪ／ｍｏｌ）に比べて大きく、Ｈｆ，Ａｌの酸化物からなる埋め込み絶縁膜２内を、不純物金属Ｍｄが容易に拡散して通過できることが確認できる。更に、Ｚｒ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝５９８．０２ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｔａ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝５０５．２６ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｌａ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝４９５．３８ｋＪ／ｍｏｌ）及びＴｉ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝４８１．１０ｋＪ／ｍｏｌ）も、Ｓｉ−Ｏ単結合エネルギーよりも顕著に大きい。したがって、Ｚｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｌａ酸化物及びＴｉ酸化物等も、有力な埋め込み絶縁膜２の材料であることがわかる。
【００１６】
図９から、Ｃｕ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝２１１．１７ｋＪ／ｍｏｌ）が非常に小さいので、不純物金属ＭｄとしてのＣｕがＨｆ−Ｏ結合やＡｌ−Ｏ結合を含む埋め込み絶縁膜には捕捉されることなく通過可能であることがわかる。更に、Ｆｅ−Ｏ単結合エネルギー（ΔＥ＝４２１．２０ｋＪ／ｍｏｌ）はＳｉ−Ｏ単結合エネルギーに比べて大きいが、Ｆｅが不純物金属Ｍｄである場合でも、Ｈｆ−Ｏ結合やＡｌ−Ｏ結合を含む埋め込み絶縁膜２には捕捉されることなく通過可能であることがわかる。同様に、Ａｌ−Ｏ単結合エネルギーはＳｉ−Ｏ単結合エネルギーよりも大きいが、Ａｌが不純物金属ＭｄであってもＨｆ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ等には捕捉されることなく通過可能であることがわかる。なお、図１に示した埋め込み絶縁膜２の材料が、図９に示されたＳｉ−Ｏ単結合エネルギーよりＭ−Ｏ単結合エネルギーが大きい元素Ｍの酸化物Ｍ−Ｏのみに限定されないのは勿論である。
【００１７】
図９から明らかなように、多くの不純物金属Ｍｄは埋め込み絶縁膜２中に捕捉されることなく拡散して通過できる。したがって、実用的に問題となる不純物金属Ｍｄは、半導体層（ＳＯＩ層）３から埋め込み絶縁膜２を通過して支持基板１へと容易に移動することができ、支持基板１内のゲッタリングサイト１０による捕獲が可能となる。即ち、支持基板１側で不純物金属Ｍｄを有効に捕獲可能となり、不純物金属Ｍｄが半導体層（ＳＯＩ層）３に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができる。よって、不純物金属Ｍｄによる半導体層（ＳＯＩ層）３への影響を防止でき、歩留まりも向上できる。なお、上述した支持基板１、埋め込み絶縁膜２及び半導体層（ＳＯＩ層）３の厚さは一例であって特に限定されず、用途に応じてそれぞれ適宜選択可能である。
【００１８】
（第１の製造方法）
次に、図２を用いて、図１に示した半導体基板の第１の製造方法を説明する。
【００１９】
（イ）まず、図２（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉの活性層側基板３ａを用意する。例えば、活性層側基板３ａとして、面方位（１００）、抵抗率０．１〜５０Ωｃｍ、初期酸素濃度１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＣＺ法−ｐ型（ボロン）Ｓｉ基板を用いる。そして、活性層側基板３ａ上に、Ｓｉ−Ｏ結合よりも単結合エネルギーが大きいＭ−Ｏ結合を有する酸化物を含む埋め込み絶縁膜２を、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等により堆積する。埋め込み絶縁膜２として、図９に示すように種々のＭ−Ｏ結合酸化物が使用可能であるが、ここでは、厚さ５０ｎｍのＨｆＯ_２膜を形成するとする。
【００２０】
（ロ）次に、図２（ｂ）に示すように、埋め込み絶縁膜２上から活性層側基板３ａの厚さに応じた条件で水素イオン（Ｈ^＋）や希ガス等のイオン種を注入する。例えば、ドーズ量３×１０^１６〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２でイオン注入する。この結果、活性層側基板３ａ内にイオン注入条件に応じた深さの位置にイオン注入層４が形成される。イオン注入層４はイオン注入損傷を受けた領域であり、後に分離層として機能する。なお、図２（ｂ）ではイオン注入層４を相対的に注入イオン濃度が高い層領域として模式的に示しており、現実にはイオン注入層４の上下の界面が目視できるわけではない。
【００２１】
（ハ）次に、図２（ｃ）に示すような、ＣＺ法で形成された初期酸素濃度１．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度含む単結晶Ｓｉの支持基板１を別途用意する。この支持基板１を６００〜９００℃程度で１０〜６０分間程度熱処理して、支持基板１内に混入していた酸素を微小欠陥として析出させ、ゲッタリングサイト１０とする。酸素の析出物をゲッタリングサイト１０とする他にも、支持基板１に、例えば燐イオン（Ｐ^＋）を注入エネルギー１００ＫｅＶ、ドーズ量５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で注入後、アニールして形成された不純物領域をゲッタリングサイト１０としても良い。そして、支持基板１と図２（ｂ）に示した埋め込み絶縁膜２とを向かい合わせ、室温（２５℃程度）、大気圧下で図２（ｃ）に示すように貼り合わせる。
【００２２】
（ニ）次に、例えば酸化性雰囲気中、５００〜８００℃程度、５〜３０分間程度の熱処理や、物理的な外力の付加等により、イオン注入層４の内部や周辺に亀裂を生じさせ、活性層側基板３ａの上層をイオン注入層４を境界として活性層側基板３ａの下層から分離する。この結果、図２（ｄ）に示すように、埋め込み絶縁膜２上に残存した活性層側基板３ａの下層が半導体層（ＳＯＩ層）３となる。その後、例えば窒素雰囲気中、９００〜１２００℃程度、３０〜１２０分間で熱処理して、埋め込み絶縁膜２と支持基板１との貼り合わせ強度を増加させる。最後に、必要に応じてエッチング、研磨及び高温熱処理等を行い、半導体層（ＳＯＩ層）３の表面に残存したイオン注入層４ａを除去し、半導体層（ＳＯＩ層）３の表面を平滑化する。以上のような工程により、ＨｆＯ_２膜を埋め込み絶縁膜２とする半導体基板Ａを用意する。埋め込み絶縁膜２としては、ＣＶＤ法により形成された厚さ５０ｎｍのＨｆＯ_２膜を用いた。更に、比較のために、第１の製造方法と同様な手法で、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を埋め込み絶縁膜とする比較用半導体基板も用意した。
【００２３】
（第２の製造方法）
図１に示した半導体基板は、上述した第１の製造方法に特に限定されず、種々の方法により実現できる。以下に、図３及び図４を用いて、第２の製造方法を説明する。
【００２４】
（イ）まず、図３（ａ）に示すように、活性層側基板３ａを用意する。活性層側基板３ａとして、例えば、面方位（１００）、抵抗率０．００５〜０．０５Ωｃｍ、初期酸素濃度１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のＣＺ法−ｐ型（ボロン）Ｓｉ基板を用いる。そして、図３（ｂ）に示すように、陽極化成法により活性層側基板３ａの表面から所定の深さまでの領域を多孔質化し、多孔質層３ｃを形成する。この多孔質層３ｃは、０．０１μｍ程度の多数の微細孔（図示省略）を有し、脆弱な構造であるので、後に分離層としてはたらく。引き続き、図３（ｃ）に示すように、多孔質層３ｃ上にＣＶＤ法等により単結晶Ｓｉを半導体層（ＳＯＩ層）３としてエピタキシャル成長させる。
【００２５】
（ロ）一方、図４（ｄ）に示すような、ＣＺ法で形成された初期酸素濃度１．５×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度含む支持基板１を用意する。この支持基板１を６００〜９００℃程度で、１０〜６０分間程度熱処理して支持基板１内の酸素による微小欠陥を析出させ、これをゲッタリングサイト１０とする。そして、図９を参照して、支持基板１上に、Ｓｉ−Ｏ結合よりも大きい単結合エネルギーのＭ−Ｏ結合の酸化物を含む埋め込み絶縁膜２をＣＶＤ法や原子層堆積法（ＡＬＤ法）等により成長させる。ここでは、ＳＯＩ構造の半導体基板Ｂとして厚さ５０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を、ＳＯＩ構造の半導体基板Ｃとして厚さ５０ｎｍのＨｆＳｉＯ膜をそれぞれ埋め込み絶縁膜２として堆積させたものを用意する。ＨｆＳｉＯ膜は、Ｈｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）の割合を９０％とし、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で堆積する。
【００２６】
（ハ）次に、埋め込み絶縁膜２と、図３（ｃ）に示した半導体層（ＳＯＩ層）３とを向かい合わせ、図４（ｅ）に示すように貼り合わせる。そして、ウォータージェットにより活性層側基板３ｂを多孔質層３ｃの部分から図４（ｆ）に示すように分離する。他にも、平面研削盤等を用いた研削等により、活性層側基板３ｂを除去しても良い。その後、フッ酸（ＨＦ）等のエッチング液を用いたエッチング等により、半導体層（ＳＯＩ層）３の表面に残存していた多孔質層３ｄを除去する。最後に、高温水素熱処理して、半導体層（ＳＯＩ層）３の表面を平滑化する。以上のようにして、Ａｌ_２Ｏ_３膜を埋め込み絶縁膜２として用いた半導体基板Ｂ，ＨｆＳｉＯ膜を埋め込み絶縁膜２として用いた半導体基板Ｃを得る。
【００２７】
（定量分析による評価）
上述した本発明の実施の形態に係る埋め込み絶縁膜２を有する３種類の半導体基板Ａ〜Ｃ及び、ＳｉＯ_２膜を埋め込み絶縁膜とする比較用半導体基板の合計４種類に対して、Ｆｅ，Ｃｕ，白金（Ｐｔ），Ａｌをスピンコート法で１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の濃度で強制汚染をそれぞれ行った。そして、１０００℃で８時間、続けて４１０℃で４５分間の拡散を行った後、徐冷却した。このようにして得られた半導体基板Ａ〜Ｃ及び比較用半導体基板のそれぞれについて、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｌ濃度を誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）により定量分析した。
【００２８】
図５〜図８においてそれぞれ、横軸には、左から半導体層、埋め込み絶縁膜及び、支持基板の領域を示す。縦軸には、強制汚染により半導体基板Ａ〜Ｃ及び比較用半導体基板の半導体層内に混入された不純物金属Ｍｄ（Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｔ及びＡｌ）の捕獲（拡散）工程後の濃度を示す。図５〜図７にそれぞれ示すように、Ｆｅ、Ｐｔ及びＡｌは、半導体基板Ａ〜ＣのＨｆＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜及びＨｆＳｉＯ膜をそれぞれ容易に通過できるので、ＨｆＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜及びＨｆＳｉＯ膜中のそれぞれのＦｅ、Ｐｔ及びＡｌ濃度が、図８に示したＳｉＯ_２膜中の濃度と比較して格段に低いことがわかる。また、図５〜図８に示すように、半導体基板Ａ〜Ｃ及び比較用半導体基板のいずれの場合も半導体層及び埋め込み絶縁膜中でＣｕ濃度が低く、支持基板中でＣｕ濃度が高いので、ＨｆＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＨｆＳｉＯ膜及びＳｉＯ_２膜中を容易に拡散して通過できることがわかる。これは、図９に示すようにＣｕがＦｅ、Ｐｔ及びＡｌよりもＳｉとの単結合エネルギーが小さいためである。このように、本発明の実施の形態に係る半導体基板Ａ〜Ｃによれば、不純物金属Ｍｄが埋め込み絶縁膜２を容易に拡散して通過できるので、比較用半導体基板よりも不純物金属Ｍｄの捕獲効果が格段に高いことがわかる。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、ＳｉＯ_２膜中を通過しにくい不純物金属群も、図１に示した埋め込み絶縁膜２を容易に通過することが可能となった。したがって、不純物金属Ｍｄを支持基板１側で捕獲することが可能となり、不純物金属Ｍｄが半導体層（ＳＯＩ層）３に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができる。図１に示した半導体基板を用いれば、高性能化のために多量の新規材料元素の導入が予見される次世代及び次々世代のＬＳＩや個別半導体デバイスに十分対応することができる。
【００３０】
（第１の変形例）
本発明の実施の形態の第１の変形例に係る半導体基板は、図１０に示すように、支持基板１と埋め込み絶縁膜２との間に配置された支持側シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ膜）２ａと、埋め込み絶縁膜２と半導体層（ＳＯＩ層）３との間に配置された活性層側シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ膜）２ｂとを更に備える点が、図１に示した半導体基板と異なるＳＯＩ構造の基板である。支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂとしては、例えば膜厚０．５〜１ｎｍ程度の極薄のＳｉＯ_２膜等がそれぞれ採用可能である。なお、支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂとしては、ＳｉＯ_２膜に限定されるものではない。他は、図１に示した半導体基板と同様の構成である。
【００３１】
図１０に示すように、支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂを０．５〜１ｎｍ程度に極薄とすることにより、半導体層（ＳＯＩ層）３に混入した不純物金属Ｍｄが支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂに捕捉される確率は小さい。このため、不純物金属Ｍｄは、図１に示した半導体基板のような単層の埋め込み絶縁膜２のみの場合と大差なく活性層側シリコン酸化膜２ｂ、埋め込み絶縁膜２及び支持側シリコン酸化膜２ａを容易に通過でき、支持基板１のゲッタリングサイト１０において捕獲できる。したがって、図１０に示す半導体基板においても、図１に示した半導体基板と同様に、不純物金属Ｍｄが半導体層（ＳＯＩ層）３に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができる。更に、極めて薄い支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂを形成することにより、凹凸の少ない良好な界面遷移層を形成することが可能となる。
【００３２】
第１の変形例に係る半導体基板の製造方法は、例えば、上述した第１の製造方法において、図２（ａ）に示した活性層側基板３ａを用意した後に、活性層側基板３ａ上に、ＣＶＤ法等により活性層側シリコン酸化膜２ｂ、埋め込み絶縁膜２、支持側シリコン酸化膜２ａを順に且つ、連続的に形成する。この後の工程は、上述した第１の製造方法の図２（ｂ）以降の手順と実質的に同様である。
【００３３】
（第２の変形例）
本発明の実施の形態の第２の変形例に係る半導体基板は、図１１に示すように、支持基板１と、支持基板１上に配置された埋め込み絶縁膜２と、埋め込み絶縁膜２上に配置された埋め込み半導体層５と、埋め込み半導体層５上に配置された半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘとを備える歪ＳＯＩ構造の基板である。埋め込み半導体層５としては、膜厚が数１０ｎｍ程度で、半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘと格子定数が異なる例えばシリコンゲルマニウム層（Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層）等の単結晶からなる半導体層が使用可能である。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘは、Ｓｉの格子定数ａ＝０．５４３ｎｍ、Ｇｅの格子定数ａ＝０．５６６ｎｍであるので、Ｇｅの組成ｘに応じて０．５４３〜０．５６６ｎｍの間の格子定数を有する。半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘは、図１に示した半導体層（ＳＯＩ層）３と同様に例えば単結晶Ｓｉ層等からなる半導体層である。他は、図１に示した半導体基板と同様の構成と同様であるので、重複した説明を省略する。
【００３４】
半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘは、その格子定数と異なる格子定数を有する埋め込み半導体層５の結晶格子に影響されて歪む。半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘの結晶格子が歪むことによりバンド構造が変化し、半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘ内の電子や正孔の移動速度を増すことができる。この結果、半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘにチャネル部を形成するトランジスタ等の半導体素子を高速化及び低消費電力化することが可能となる。また、歪ＳＯＩ構造の半導体基板であっても、図１に示したＳＯＩ構造の半導体基板の場合と同様に、不純物金属Ｍｄが埋め込み絶縁膜２を通過できるので、支持基板１側で不純物金属Ｍｄを有効に捕獲可能となり、不純物金属Ｍｄが半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘに影響を与えない効果的な捕獲を行うことができる。なお、埋め込み半導体層５として、半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘよりも格子定数の大きなＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を示したが、半導体層（歪ＳＯＩ層）３ｘよりも格子定数の小さな層であっても良い。
【００３５】
第２の変形例に係る半導体基板の製造方法は、例えば、上述した第１の製造方法において、図２（ｃ）に示した活性層側基板３ａを用意した後に、Ｈ２ガス、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス及びゲルマン（ＧｅＨ_４）ガス等を用いたＣＶＤ法等により活性層側基板３ａ上にＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を埋め込み半導体層５としてエピタキシャル成長させる。そして、埋め込み半導体層５の上に埋め込み絶縁膜２を堆積する。この後の工程は、上述した第１の製造方法の手順と実質的に同様である。
【００３６】
（その他の実施の形態）
なお、上述したこの開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、本発明の実施の形態においては、Ｓｉ−Ｏ単結合エネルギー及びＭ−Ｏ単結合エネルギーを第一原理的手法による分子軌道計算によって算出して比較したが、比較方法はこれに限るものではない。
【００３７】
また、図１０に支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂを有する半導体基板を説明したが、支持側シリコン酸化膜２ａ及び活性層側シリコン酸化膜２ｂのいずれか一方のみを有する半導体基板でも良い。また、図１１に示した半導体基板において、埋め込み絶縁膜２と埋め込み半導体層５との間に、単結晶Ｓｉ層や、図１０に示した活性層側シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）２ｂを更に備えていても良く、これらを順次積層しても良い。また、図１１に示した半導体基板において、不純物金属Ｍｄが容易に拡散できる程度の厚さであれば、例えばＳｉにヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）及びダイヤモンド（Ｃ）等のＳｉと共有結合半径の異なる元素を５×１０^１９〜１０^２１ｃｍ^−３若しくはこれ以上の高濃度に添加した埋め込み半導体層等、埋め込み絶縁膜２と半導体層３ｘの間に種々の埋め込み半導体層を積層しても良い。
【００３８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論であり、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、不純物金属が半導体装置の活性層として機能する半導体層に影響を与えない効果的な捕獲を行うことができるＳＯＩ構造の半導体基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体基板の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体基板の第１の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体基板の第２の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体基板の第２の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図５】本発明の実施例としての半導体基板Ａに金属を強制汚染させた場合の金属分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例としての半導体基板Ｂに金属を強制汚染させた場合の金属分布を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例としての半導体基板Ｃに金属を強制汚染させた場合の金属分布を示すグラフである。
【図８】ＳｉＯ_２膜を埋め込み絶縁膜として用いた比較用半導体基板に金属を強制汚染させた場合の金属分布を示す図である。
【図９】原子間の単結合エネルギーの計算結果を示す表である。
【図１０】本発明の実施の形態の第１の変形例に係る半導体基板の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態の第２の変形例に係る半導体基板の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…支持基板（単結晶Ｓｉ層）
２…埋め込み絶縁膜
２ａ…支持側シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ膜）
２ｂ…活性層側シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ膜）
３…半導体層（ＳＯＩ層）
３ａ，３ｂ…活性層側基板
３ｃ，３ｄ…多孔質層
３ｘ…半導体層（歪ＳＯＩ層）
４，４ａ…イオン注入層
５…埋め込み半導体層（ＳｉＧｅ層）
１０…ゲッタリングサイト

Claims

不純物金属を捕獲するためのゲッタリングサイトを内部に有する支持基板と、
該支持基板上に配置され、シリコンよりも酸素との単結合エネルギーが大きい元素の酸化物を含む埋め込み絶縁膜と、
該埋め込み絶縁膜上に配置された半導体層
とを備えることを特徴とする半導体基板。
前記埋め込み絶縁膜は、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、チタン、タンタル及びランタンのいずれかの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
前記埋め込み絶縁膜は、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、チタン、タンタル及びランタンのいずれかのシリケートを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体基板。
前記支持基板と前記埋め込み絶縁膜との間に配置された支持側シリコン酸化膜と、
前記埋め込み絶縁膜と前記半導体層との間に配置された活性層側シリコン酸化膜
との少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板。
前記埋め込み絶縁膜と前記半導体層の間に配置された、前記半導体層と格子定数が異なる埋め込み半導体層を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体基板。