JP2005086041A

JP2005086041A - 半導体ウェーハのイオン注入方法

Info

Publication number: JP2005086041A
Application number: JP2003317458A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nishihata; 秀樹西畑; Nobuyuki Morimoto; 信之森本
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】
半導体ウェーハの表面から元素イオンを注入する際に、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルなどをイオン注入装置を用いて除去する。
【解決手段】
半導体ウェーハの表面から所定の元素イオンを注入して、この表面から所定深さ位置に元素イオン注入層を形成する。このイオン注入工程は、複数の分割注入過程を有する。そして、少なくとも最初の分割注入過程の後にイオン照射工程が実行される。または、最後の分割注入過程の後にイオン照射工程が実行される。この結果、半導体ウェーハの表面から所定深さ位置に元素イオン注入層を形成されるとともに、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルが除去される。付着したごみによるイオン注入不良を防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体ウェーハのイオン注入方法、詳しくはＳＯＩウェーハ表面のパーティクルを除去できる半導体ウェーハのイオン注入方法に関する。

ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハは、従来の半導体ウェーハに比べ、素子間の分離、素子と基板間の寄生容量の低減、３次元構造が可能といった優越性があり、高速・低消費電力のＬＳＩに使用されている。
ＳＯＩウェーハの作製方法は、主として２つの作製方法が存在する。すなわち、酸化膜が形成された一枚の半導体ウェーハに、もう一枚の半導体ウェーハを貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この貼り合わせウェーハを研削・研磨して、ＳＯＩ層を形成する貼り合わせ法と、半導体ウェーハ表面に酸素イオンを注入して、酸化膜を形成するとともに、薄膜のＳＯＩ層を形成するＳＩＭＯＸ法とが挙げられる。上記貼り合わせ法には、半導体ウェーハの表面に水素イオンを注入し、ＳＯＩ層を切り出すスマートカット法が含まれている。また、半導体ウェーハをイオン注入装置の外へ一旦取り出して洗浄し、再度、そのウェーハをイオン注入装置へ戻す技術も開示されている（特許文献１参照）。

特許第３１６７５４２号公報

上記スマートカット法およびＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウェーハの作製方法には、ＳＯＩ層を備えたＳＯＩウェーハを作製するために、半導体ウェーハの表面から元素イオンを注入するイオン注入工程を有している。しかし、ＳＯＩウェーハの作製時には、微小のパーティクル（ごみなど異物）が空気中に存在する。そのため、半導体ウェーハの表面に酸化膜が形成されると、その酸化膜が親水面となり、パーティクルの付着を誘起する。この結果、半導体ウェーハの表面に、パーティクルが付着する。
例えば、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製時に、半導体ウェーハの表面にパーティクルが付着してしまう。そして、パーティクルが付着した状態で、半導体ウェーハの表面から水素イオンを注入する。すると、このパーティクルがマスクとなり、水素イオンの注入を妨げてしまう。これにより、半導体ウェーハ表面のパーティクルの直下部はイオンの未注入領域となる。この後、イオンの未注入領域が存在した状態で、半導体ウェーハを熱処理する。この結果、上記水素イオンの未注入領域のために、半導体ウェーハの一部が全面において完全に剥離することができないという問題が生じていた。

また、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウェーハの作製は、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルを除去するために、以下の方法を行っていた。すなわち、ＳＩＭＯＸ法のイオン注入工程は、複数のイオン注入過程を有していた。まず、最初の酸素イオン注入過程を行い、この最初のイオン注入過程の後に、半導体ウェーハをイオン注入装置からこの装置の外へ取り出す。次いで、この取り出された半導体ウェーハを、ＳＣ−１洗浄液などを使用したウェット洗浄で、この表面に付着しているパーティクルを除去する。この後、この半導体ウェーハを再度イオン注入装置に戻して、さらに、２回目の酸素イオン注入過程を行っていた。
そのため、半導体ウェーハをイオン注入装置の外へ一旦取り出して洗浄し、再度、そのウェーハをイオン注入装置へ戻す手間が生じ、この手間がＳＯＩウェーハ作製工程のスループットを低下させていた。

この発明は、半導体ウェーハの表面から元素イオンを注入する際に、イオン注入装置を使用して半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルなどを除去する半導体ウェーハのイオン注入方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、半導体ウェーハをイオン注入装置の外へ一旦取り出して洗浄し、また、そのウェーハをイオン注入装置へ戻す手間を省くことにより、ＳＯＩウェーハ作製工程のスループットの向上を図る半導体ウェーハのイオン注入方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハの表面から所定の元素イオンを注入して、この表面から所定深さ位置に元素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、所定の元素イオンを半導体ウェーハの表面に照射して、この表面に付着した付着異物を除去するイオン照射工程とを含む半導体ウェーハのイオン注入方法である。

請求項１に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法にあっては、半導体ウェーハの表面から所定元素イオンを注入するイオン注入工程と、半導体ウェーハに所定の元素イオンを照射するイオン照射工程と有している。これにより、半導体ウェーハの表面から所定深さ位置に元素イオン注入層が形成されるとともに、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルが半導体ウェーハから除去される。
また、イオン照射工程は、イオン注入工程で使用したイオン注入装置を用いて行うことができる。このため、パーティクルが表面に付着した半導体ウェーハをイオン注入装置から洗浄装置に移して洗浄し、再度、このウェーハをイオン注入装置に戻すという手間が省ける。

半導体ウェーハとしては、シリコンウェーハ、ゲルマニウムウェーハ、ＳｉＣウェーハなどを採用することができる。
スマートカット法のイオン注入工程においては、半導体ウェーハの所定深さ位置にイオン注入層を形成するために、水素イオンが半導体ウェーハの表面から注入される。また、ＳＩＭＯＸ法のイオン注入工程においては、所定厚さの酸化膜を形成するために、酸素イオンが半導体ウェーハの表面から注入される。
半導体ウェーハに元素イオンを注入するイオン注入装置は限定されない。半導体ウェーハに元素イオンを注入する注入加速度および注入量も限定されない。
また、半導体ウェーハに照射する元素イオンは限定されない。水素イオンでもよいし、酸素イオンでもよい。または、ヘリウムイオンでもよいし、アルゴンイオンでもよい。原子量の小さい元素イオンを照射すると、半導体ウェーハ内の結晶に転位が発生しない。
半導体ウェーハに注入する元素イオンと、半導体ウェーハに照射する元素イオンとは、同種の元素イオンでもよいし、または、異種の元素イオンでもよい。

請求項２に記載の発明は、上記イオン注入工程は複数の分割注入過程を有し、上記イオン照射工程は、少なくとも最初の分割注入過程の後、または、最後の分割注入過程の後に実行される請求項１に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法である。
上記イオン注入工程は複数回に分割した注入過程を有している。すなわち、目標とするドーズ量を複数回に分割する。そして、１回のイオン注入では、この分割したドーズ量の元素イオンを半導体ウェーハの表面から注入する。複数回に分割されたドーズ量は全て同じ量に分割しても良いし、異なっていても良い。イオン注入過程の回数も限定されない。
イオン照射の工程は、少なくとも最初の分割注入過程の後、または、最後の分割注入過程の後に実行してもよく、この照射の回数は限定されない。

請求項２に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法にあっては、イオン注入工程は複数の分割注入過程を有し、上記イオン照射工程は、少なくとも最初の分割注入過程の後、または、最後の分割注入過程の後に実行される。これにより、同じイオン注入装置を使用して、半導体ウェーハの表面から所定深さ位置に元素イオン注入層を形成することができるとともに、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルも除去することができる。また、１つのイオン注入過程の実行の後、同じイオン注入装置内でウェーハの設置角度などを変えて、再びイオン注入過程を実行することもできる。

請求項３に記載の発明は、上記半導体ウェーハの表面に酸化膜が形成され、上記イオン照射工程で半導体ウェーハに注入される元素イオンの最大の深さ位置が、半導体ウェーハ表面に形成された酸化膜内になるよう、元素イオンを半導体ウェーハの表面に照射する請求項１または請求項２に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法である。

請求項３に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法にあっては、半導体ウェーハに注入する元素イオンの最大の深さ位置が、半導体ウェーハの表面に形成された酸化膜内になるよう、元素イオンを照射する。これにより、照射される元素イオンが、酸化膜の厚さより深く半導体ウェーハのバルクに注入されることはなく、しかも半導体ウェーハ表面に付着したパーティクルは、イオン照射により、その半導体ウェーハ表面から除去される。

請求項４に記載の発明は、上記イオン照射工程でイオン照射する元素イオンは、水素イオン、ヘリウムイオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１つである請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法である。

請求項４に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法にあっては、半導体ウェーハに元素イオンを照射してパーティクルを除去する元素イオンは、水素イオン、酸素イオン、ヘリウムイオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１つである。これらの元素イオンであれば、原子量が小さく、化学的に不活性で他の元素と化合する傾向をもたない。

この発明によれば、半導体ウェーハ内に所定の元素イオンを注入するイオン注入工程と、ウェーハ表面に所定の元素イオンを照射するイオン照射工程とを有している。これにより、半導体ウェーハの表面から所定深さ位置に元素イオン注入層が形成されるとともに、半導体ウェーハの表面に付着したパーティクルが半導体ウェーハ表面から除去される。
また、イオン照射工程は、イオン注入工程と同じイオン注入装置によって行うことができる。このため、パーティクルが表面に付着した半導体ウェーハをイオン注入装置から洗浄装置に移して洗浄し、この後、このウェーハを再度イオン注入装置に戻すという手間が省ける。
さらに、最初のイオン注入過程後イオン照射を実行し、その後、次のイオン注入を行うことにより、次のイオン注入では未注入領域の発生を阻止することができる。つまり、２回目のイオン注入の前にイオン照射による表面クリーニングを行うことで、２回目のイオン注入での未注入領域の発生を完全に防止することができる。

以下、この発明の実施例を、図１、２を参照して説明する。ここでは、スマートカット法およびＳＩＯＭＯＸ法を用いたＳＯＩ層を形成する半導体ウェーハのイオン注入方法について説明する。

まず、スマートカット法による半導体ウェーハのイオン注入方法について説明する。本実施例に係るスマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法は、図１に示すような工程図で行われる。
まず、ＣＺ法により育成され、ボロンがドーパントとされたシリコンインゴットからスライスした鏡面シリコンウェーハを２枚準備する。これらのシリコンウェーハを、一方を活性層用ウェーハとして、他方を支持用ウェーハとする。そして、活性層用ウェーハとなるシリコンウェーハの表面に酸化膜を形成する。酸化膜の形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを装入し、これを所定時間、所定温度に加熱することにより行われる。このとき、形成される酸化膜の厚さは１５０ｎｍである。ここまでの工程は、一般的なスマートカット法のＳＯＩウェーハの作製工程と同じである。

次に、この活性層用ウェーハに対しては、以下の通りイオン注入工程およびイオン照射工程が施される。これらの工程について図１を参照して説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、酸化膜が形成された活性層用ウェーハを、例えば、ＳＣ−１洗浄液を用いてウェット洗浄する。次いで、この活性層用ウェーハをイオン注入装置の真空チャンバの中にセットする。
そして、図１（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハの表面から酸化膜を介して、まず目標ドーズ量の半分のドーズ量の水素イオンを注入する（第１の水素イオン注入過程）。この水素イオン注入時、その加速電圧は、５０ｋｅＶ、ドーズ量は２．５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。この結果、水素イオンは、活性層用ウェーハの表面から所定深さの位置まで注入され、この結果、活性層用ウェーハの所定深さ位置（シリコン基板中の所定深さ範囲）にイオン注入層が形成される。
次いで、図１（ｃ）に示すように、同一のイオン注入装置を用いて、活性層用ウェーハ表面からアルゴンイオンを照射する。このとき、活性層用ウェーハ内に注入されるアルゴンイオンの最大の深さの位置が、上記酸化膜内になるように、アルゴンイオンを照射する。このとき、照射するイオンの加速電圧は５ｋｅＶで、ドーズ量は５．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。この結果、アルゴンイオンが活性層用ウェーハ表面に付着したパーティクル（上記第１の注入過程で付着した異物）に衝突して、このパーティクルを活性層用ウェーハ表面から除去する。
この後、図１（ｄ）に示すように、活性層用ウェーハの表面より酸化膜を介して残り半分のドーズ量の水素イオンを注入する（第２の水素イオン注入過程）。注入条件は上記第１の水素イオン注入過程と同じである。
上記実施例では、水素イオン注入工程を、第１のイオン注入過程と第２のイオン注入過程との２過程に分割して行ったが、これに限られず、３回以上の分割注入過程にて構成することもできる。
また、活性層用ウェーハに第１の過程で水素イオンを注入した後、アルゴンイオン照射を行い（表面のクリーニング）、この後、イオン注入装置のウェーハ設置角度を変えて、再び活性層用ウェーハに第２の水素イオン注入過程を実行することもできる。この場合、ウェーハ全面に均一にイオン注入層を形成することが容易となる。
最後に、図１（ｅ）に示すように、ＳＣ−１洗浄液を用いて、この活性層用ウェーハをウェット洗浄する。そして、そのウェーハ表面から異物を除去する。

次に、貼り合わせ工程から仕上げまでの工程を説明する。以下の工程は一般的なスマートカット法のＳＯＩウェーハの作製工程と同じである。
上述の工程を経て水素イオンが注入された活性層用ウェーハを、その表面（酸化膜表面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハの鏡面に貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に所定厚さの酸化膜が介在された貼り合わせウェーハが形成される。このとき、イオン照射工程およびウェット洗浄工程により、貼り合わせ面からはパーティクルが除去されている。このため、パーティクルによるボイドと呼ばれる未結合部分が発生することはない。
そして、この貼り合わせウェーハを略５００℃で熱処理する。すると、貼り合わせウェーハのイオン注入層においては水素ガスのバブルが形成される。そして、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として、貼り合わせウェーハの一部（活性層用ウェーハの一部）が剥離する。この剥離される位置は、上記水素イオン注入層の深さ、すなわちイオン注入エネルギにより決定される。
この後、剥離されずに残った活性層用ウェーハ部分と支持用ウェーハとを強固に結合するための熱処理を行う。熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間の条件で行う。
最後に、ＳＯＩ層表面を研削し、この研削面を鏡面研磨してＳＯＩ層の薄膜化処理を行い、スマートカット法によるＳＯＩウェーハを完成させる。

次に、スマートカット法のＳＯＩウェーハの作製工程において、水素イオンを照射するタイミングを変えた実験を行った。すなわち、
（１）水素イオン注入前に水素イオンの照射工程を行う（比較例）
（２）最初の水素イオンの注入過程後に水素イオンを照射する（本発明の実験例）
（３）イオン照射によるクリーニングを行わない場合（従来法）
について、パーティクル欠陥のクリーニング効果を確認した。この結果を以下の表に示す。
なお、表に示す欠陥率は、イオン照射工程を行った場合の半導体ウェーハ全面に存在するパーティクルの数を、イオン照射工程を行わない場合（従来法）の半導体ウェーハ全面に存在するパーティクルの数で徐した値である。

この実験（表１）の結果により、最初の水素イオンの注入過程の後に、水素イオンによるイオン照射（実験例）を行えば、従来法に比べ、半導体ウェーハに付着したパーティクルが低減されることが確認された。

次に、この発明をＳＩＭＯＸ法による半導体ウェーハのイオン注入方法について適用した例を説明する。本実施例に係るＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウェーハの作製方法は、図２に示す工程で行われる。
まず、ＣＺ法により育成されたシリコンインゴットからスライスされたシリコンウェーハを準備する。このシリコンウェーハには公知のプロセスを経てその表面が鏡面化されている。
そして、図２（ａ）に示すように、このシリコンウェーハを、例えば、ＳＣ−１洗浄液を用いてウェット洗浄する。
次いで、シリコンウェーハをイオン注入装置の真空チャンバの中にセットする。そして、図２（ｂ）に示すように、シリコンウェーハの表面から目標ドーズ量の半分の量の酸素イオンを注入する（第１の酸素イオン注入過程）。この酸素イオン注入での加速電圧は、２００ｋｅＶ、ドーズ量は２．０Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。この結果、酸素イオンは、シリコンウェーハの所定深さ位置にまで注入される。
次いで、図２（ｃ）に示すように、同じイオン注入装置を用いて、このシリコンウェーハにアルゴンイオンを照射する。このとき照射されるイオンの加速電圧は５ｋｅＶ、ドーズ量は５．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。これにより、上記酸素イオン注入過程でシリコンウェーハ表面に付着したパーティクルは、アルゴンイオンのイオン照射により、シリコンウェーハ表面から除去される。
この後、図２（ｄ）に示すように、同じイオン注入装置内で、このシリコンウェーハに上記と同条件で、残り半分のドーズ量の酸素イオンの注入を行う（第２の酸素イオン注入過程）。
さらに、図２（ｅ）に示すように、ＳＣ−１洗浄液を用いて、このシリコンウェーハをウェット洗浄する。
さらに、図２（ｆ）に示すように、ＳＩＭＯＸアニールを行い、この後、一般のＳＩＭＯＸ法の工程に則りＳＯＩウェーハの作製を完了させる。

この発明の実施例に係るスマートカット法における半導体ウェーハのイオン注入方法を示す工程図である。この発明の実施例に係るＳＩＭＯＸ法における半導体ウェーハのイオン注入方法を示す工程図である。

Claims

半導体ウェーハの表面から所定の元素イオンを注入して、この表面から所定深さ位置に元素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、
所定の元素イオンを半導体ウェーハの表面に照射して、この表面に付着した付着異物を除去するイオン照射工程とを含む半導体ウェーハのイオン注入方法。
上記イオン注入工程は複数の分割注入過程を有し、上記イオン照射工程は、少なくとも最初の分割注入過程の後、または、最後の分割注入過程の後に実行される請求項１に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法。
上記半導体ウェーハの表面に酸化膜が形成され、上記イオン照射工程で半導体ウェーハに注入される元素イオンの最大の深さ位置が、半導体ウェーハ表面に形成された酸化膜内になるよう、元素イオンを半導体ウェーハの表面に照射する請求項１または請求項２に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法。
上記イオン照射工程でイオン照射する元素イオンは、水素イオン、ヘリウムイオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１つである請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体ウェーハのイオン注入方法。