JP2005175390A - Ｓｉｍｏｘ基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高抵抗であってかつデバイス工程における抵抗率の低下を防ぐ。
【解決手段】ＳＩＭＯＸ基板は、シリコンウェーハ１１内部に酸素イオンを注入した後、熱処理して埋込みシリコン酸化層１２が形成され、その表面にＳＯＩ層１３が形成される。バルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であって、その抵抗率が１００Ωｃｍ以上である。製造方法は、ウェーハ内部に酸素イオンを注入する工程と、第１次熱処理により、ウェーハ表面及び裏面に酸化膜１１ａ，１１ｂを形成し、埋込みシリコン酸化層１２を形成し、酸化膜と埋込みシリコン酸化層との間にＳＯＩ層を形成する工程と、第２次熱処理により、バルク層に酸素析出核を形成する工程と、第３次熱処理により、酸素析出核を酸素析出物に成長させてバルク層中の残留酸素濃度を１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に低減する工程と、酸化膜を除去する工程とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ内部に酸素イオンを注入した後、熱処理することによりウェーハ表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成してそのウェーハ表面にＳＯＩ層を形成したＳＩＭＯＸ基板及びその製造方法に関するものである。

現在、シリコン超ＬＳＩの高集積化は着実に進展しており、トランジスタが構築されるシリコン基板は一段と高品質が要求されている。そして極限にまで微細化されたデバイスの機能を十分に引き出すためには、ＳＯＩ（Silicon on Insulator)構造が最適であると言われている。ＳＯＩとしては、ＳＩＭＯＸ(Separation by Implanted Oxygen)、貼り合わせウェーハ、固相エピウェーハなどについて研究開発が進められているが、ＳＩＭＯＸ技術はイオン注入と高温熱処理を繰り返すことで、表面単結晶領域の結晶性が近年著しく向上し、厚さ０．１μｍ程度のシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）を形成することも容易になりつつあり、最も有望なＳＯＩの一つとされている。

一方、従来から高耐圧パワーデバイスやサイリスタ等のパワーデバイス用には、高抵抗率のフローティングゾーン法（ＦＺ法）により製造されたシリコンウエーハが使用されてきた。しかし、ＦＺ法では直径２００ｍｍのシリコンウエーハを作製することは困難であり、３００ｍｍ以上になると現状の技術では不可能である。また、通常のＦＺウエーハの面内抵抗率分布は、マクロの抵抗率分布およびミクロの抵抗率分布いずれの場合もＣＺウエーハに比べて劣る。

これに対しチョクラルスキー法（ＣＺ法）は、抵抗率の面内分布に優れたウエーハが作製できる上、直径が２００ｍｍおよび３００ｍｍの大口径ウエーハも既に作製されており、さらに、４００ｍｍあるいはそれ以上についても十分に作製可能と考えられるので、ＣＺ法によるシリコンウエーハが将来的に有望である。特に近年、移動体通信用の半導体デバイスや、最先端のＣ−ＭＯＳデバイスでは寄生容量の低下が必要であり、このために大直径で高抵抗率のシリコンウエーハが必要となる。また、信号の伝送ロスやショットキーバリアダイオードにおける寄生容量の低下に高抵抗率の基板を用いることの効果が報告されている。そのため、ＣＺ法で高抵抗率（少なくとも１００Ω・ｃｍ）のウエーハを製造する方法が必要とされている。

しかし、ＣＺ法では、石英製のルツボを使用していることからシリコン結晶中に酸素（格子間酸素）が少なからず混入する。このような酸素原子は通常単独では電気的に中性であるが、３５０〜５００℃程度の低温熱処理が施されると複数個の原子が集まって電子を放出して電気的に活性な酸素ドナーとなる。そのため、ＣＺ法により得られたウエーハに、後にデバイス工程等で３５０〜５００℃程度の熱処理が施されると、この酸素ドナーの形成により高抵抗率ＣＺウエーハの抵抗率が低下してしまう問題がある。

この点を解消するために、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成してウエーハに加工し、そのウエーハに酸素析出熱処理を行なって、ウエーハ中の残留格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下とするシリコンウエーハの製造方法（例えば、特許文献１参照。）が提供されている。この製造方法では、チョクラルスキー法により、１００Ω・ｃｍ以上の高抵抗率であって、初期格子間酸素濃度が１０〜２５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ：日本電子工業振興協会）の高酸素濃度のシリコンウエーハを作製して、この高抵抗率ＣＺウエーハに対し酸素析出熱処理を行ない、残留格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下の低酸素濃度とすることにより、シリコンウエーハの格子間酸素を析出させて、電気的に活性な酸素ドナーとなることを防ぎ、ウエーハの抵抗率の低下を防ぐことができるとしている。

しかし、この方法によれば高抵抗のウェーハが得られるものの、このウェーハを用いて高抵抗のバルク層を有するＳＩＭＯＸ基板を得ることができない不具合があった。即ち、ＳＩＭＯＸ基板は、シリコンウェーハの内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニール処理してこのシリコンウェーハの表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成し、その表面側のＳｉ層を活性領域とさせた基板である。そして、具体的な値を示すと、従来０．４×１０¹⁸／ｃｍ²〜１８×１０¹⁸／ｃｍ²程度の高濃度の酸素イオンを注入した後、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中で１３００〜１３５０℃で５〜６時間アニール処理していた。従って、酸素析出熱処理を行なったウェーハを用いてＳＩＭＯＸ基板を得ると、アニール処理時における高温下で酸素析出物が分解し、格子間酸素としてシリコン結晶中に再び混入してしまう不具合があった。これらの酸素原子は後のデバイス工程で行われる３５０〜５００℃程度の低温熱処理で活性な酸素ドナーとなり、そのデバイス工程の低温熱処理でそのウエーハの抵抗率が低下してしまう問題がある。

一方、デバイス工程の高温熱処理の過程でウェーハ内に酸素析出物が形成されるように、シリコン単結晶基板に酸素イオンを高エネルギで加速して注入したのち、基板を水素雰囲気または酸素を少量含む窒素含有ガス雰囲気中で、１２００〜１３００°Ｃの温度で６〜１２時間の熱処理を施したのち、更に、低温から高温へ段階的または連続的に温度を上昇させて熱処理を施す半導体基板の製造方法（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。この製造方法では、ＳＩＭＯＸ基板を得るために行われるアニール処理時に酸素析出物が分解してシリコン結晶中に混入した格子間酸素を、その後に行う熱処理により酸素析出核としておくものである。このようにして得られたＳＩＭＯＸ基板における酸素析出核は、その後のデバイス工程で行われる高温熱処理によって酸素析出物に成長し、十分なゲッタリング効果を得ることができる。
再公表特許ＷＯ００／５５３９７号公報（特許請求の範囲） 特開平７−１９３０７２号公報（特許請求の範囲）

しかし、上述のようにＳＩＭＯＸ基板に酸素析出核を形成しておいて、その後のデバイス工程における高温熱処理でその酸素析出核を酸素析出物にする基板では、初期に準備されるウェーハが高抵抗ウェーハでなく、このウェーハを熱処理したとしてもバルク層の高抵抗化は図られない不具合がある。また、埋込み酸化層形成後に酸素析出核形成のための熱処理を行うだけであって、酸素析出物に成長させる熱処理を行っていないことから、デバイス工程で酸素析出物にならない場合にはウエーハの抵抗率が低下してしまう問題点がある。特に近年におけるデバイスプロセスでの熱処理温度は１０００℃以下の低温化の傾向にあり、酸素析出物が十分に形成されず残留酸素濃度も十分に低減されずバルク層の高抵抗化が図られない場合が多いものと考えられる。
本発明の目的は、高抵抗であって、デバイス工程における抵抗率の低下を防ぐことができるＳＩＭＯＸ基板及びその製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１（ａ）及び（ｅ）に示すように、ＣＺシリコンウェーハ１１内部に酸素イオンを注入した後、熱処理することによりウェーハ１１表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層１２が形成され、ウェーハ１１表面にＳＯＩ層１３が形成されたＳＩＭＯＸ基板の改良である。
その特徴ある構成は、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることを特徴とする。
この請求項１に記載されたＳＩＭＯＸ基板では、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるので、高抵抗率の基板である。そしてバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であるので、デバイス工程においてシリコンウエーハ１１の格子間酸素が電気的に活性な酸素ドナーとなっても、その濃度は低いため、ウエーハの抵抗率の低下を防ぐことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、バルク層１４の炭素濃度が５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であることを特徴とする。
この請求項２に記載されたＳＩＭＯＸ基板では。デバイス工程において生じる酸素ドナーの濃度を十分に低くすることができ、ウエーハの抵抗率の低下を有効に防ぐことができる。

請求項３に係る発明は、図１に示すように、１００Ωｃｍ以上の抵抗率と１３×１０¹⁷〜１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の酸素濃度を有するＣＺシリコンウェーハ１１内部に酸素イオンを注入する工程と、ウェーハ１１を酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１２５０〜１４００℃の温度で第１次熱処理することにより、ウェーハ表面及び裏面に酸化膜１１ａ，１１ｂを形成し、ウェーハ表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層１２を形成し、酸化膜１１ａと埋込みシリコン酸化層１２との間にＳＯＩ層１３を形成する工程と、第１次熱処理したウェーハ１１を酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態又は酸化膜１１ａ，１１ｂを除去した状態で窒素含有ガス雰囲気中、第２次熱処理することにより、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４に酸素析出核を形成する工程と、第２次熱処理したウェーハ１１を窒素含有ガス雰囲気中で第３次熱処理することにより、バルク層１４に形成された酸素析出核を酸素析出物に成長させてバルク層１４中の残留酸素濃度を１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下に低減する工程と、第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂを除去する工程とを含むＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
この請求項３に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板を得ることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、酸素イオン注入前のＣＺシリコンウェーハ１１が炭素ドープウェーハであって、ウェーハ１１が５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）の炭素濃度を有し、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度で３時間以上行われ、第３次熱処理が９００〜１１００℃の温度で２時間以上行われることを特徴とする。
この請求項４に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、抵抗率を低下させる酸素ドナーのデバイス工程における生成を抑制することができる。この原因は明確に解明されていないが、以下のように考えられている。

即ち、酸素ドナーは酸素原子が４〜２０個集合したＯｎクラスターであり、４００〜５００℃で生成する。この請求項３に係る発明では、炭素ドープウェーハを用いるので、電気的に不活性な酸素ドナーの前駆体であるＯ₂クラスターにドープされた炭素が捕獲され、Ｃ−Ｏ₂クラスターが生成する。この為、それ以降の電気的に活性なＯｎ（ｎ≧４）クラスターの生成が抑制される。そしてウェーハ１１が５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の炭素濃度を有するので、酸素ドナーの生成を十分に抑制することができる。
また、炭素ドープウェーハ１１の第２次熱処理は６００〜１０００℃の温度で３時間以上行われ、第３次熱処理が９００〜１１００℃の温度で２時間以上行われるので、比較的小さなサイズの酸素ドナーや第２熱処理時に生成する酸素析出物の初期形態と考えられるニュードナーが、その後の第３熱処理によって成長又は分解して不活性化するため、酸素ドナーの生成を有効に抑制することができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明であって、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度範囲内の一定の温度で３時間以上保持することにより行われることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項４に係る発明であって、第２次熱処理が６００℃から１０００℃の一部の温度範囲又は全ての温度範囲において１℃／分以上の速度で昇温することにより行われることを特徴とする。
この請求項５及び請求項６に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、ドープされた炭素をＯ₂クラスターに十分に捕獲させることができ、酸素ドナーの生成を有効に抑制することができる。

請求項７に係る発明は、請求項３に係る発明であって、酸素イオン注入前のＣＺシリコンウェーハ１１が炭素非ドープウェーハであって、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度で５時間以上行われ、第３次熱処理が６００〜１１００℃の温度で２時間以上行われることを特徴とする。
この請求項７に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、ＣＺシリコンウェーハ１１が炭素非ドープウェーハであるため、酸素ドナーの前駆体であるＯ₂クラスターに炭素を捕獲させて電気的に活性なＯｎ（ｎ≧４）クラスターの生成を抑制することができない。しかし、この請求項６に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度で５時間以上行われ、第３次熱処理が６００〜１１００℃の温度で２時間以上行われるので、格子間酸素は比較的多量に酸素析出物として析出し、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板を得ることができる。この結果、デバイス工程においてバルク層１４に酸素ドナーが大量に生成されることは回避され、酸素ドナーが大量に生成されることに起因するウエーハの抵抗率の低下を防ぐことができる。
ここで、この明細書において「ＣＺシリコンウェーハ」とは、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスすることにより作製されたウェーハをいうものとする。

本発明のＳＩＭＯＸ基板では、埋込みシリコン酸化層より下方のバルク層の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下、好ましくは７×１０¹⁷〜１０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であって、バルク層の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるので、デバイス工程においてシリコンウエーハの格子間酸素が電気的に活性な酸素ドナーとなっても、その濃度は低いため、ウエーハの抵抗率の低下を防ぐことができる。
そして、１００Ωｃｍ以上の抵抗率と１３×１０¹⁷〜１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の酸素濃度を有するシリコンウェーハ内部に酸素イオンを注入する工程と、ウェーハを酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１２５０〜１４００℃の温度で第１次熱処理することにより、ウェーハ表面及び裏面に酸化膜を形成し、ウェーハ表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成し、酸化膜と埋込みシリコン酸化層との間にＳＯＩ層を形成する工程と、第１次熱処理したウェーハを酸化膜を残した状態又は酸化膜を除去した状態で窒素含有ガス雰囲気中、第２次熱処理することにより、埋込みシリコン酸化層より下方のバルク層に酸素析出核を形成する工程と、第２次熱処理したウェーハを第３次熱処理することにより、バルク層に形成された酸素析出核を酸素析出物に成長させてバルク層中の残留酸素濃度を１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下に低減する工程と、第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜を除去する工程とを含むＳＩＭＯＸ基板の製造方法であれば、埋込みシリコン酸化層より下方のバルク層の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板を比較的容易に得ることができる。

この場合、酸素イオン注入前のシリコンウェーハが炭素ドープウェーハであって、ウェーハが５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）の炭素濃度を有するようにすれば、電気的に不活性な酸素ドナーの前駆体であるＯ₂クラスターにドープされた炭素が捕獲され、Ｃ−Ｏ₂クラスターが生成して酸素ドナーの生成を十分に抑制することができる。また、炭素ドープウェーハの第２次熱処理を６００〜１０００℃の温度で３時間以上行い、第３次熱処理が９００〜１１００℃の温度で２時間以上行うことにより、比較的小さなサイズの酸素ドナーや第２熱処理時に生成する酸素析出物の初期形態と考えられるニュードナーが、その後の第３熱処理によって成長又は分解して不活性化させることができ、酸素ドナーの生成を有効に抑制することができる。そして、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度範囲内の一定の温度で３時間以上保持するか、或いは、第２次熱処理が６００℃から１０００℃の一部の温度範囲又は全ての温度範囲において１℃／分以上の速度で昇温することにより行われれば、埋込みシリコン酸化層より下方のバルク層に酸素析出核を有効に形成することができる。

逆に、酸素イオン注入前のシリコンウェーハが炭素非ドープウェーハである場合には、第２次熱処理を６００〜１０００℃の温度で５時間以上行い、第３次熱処理を６００〜１１００℃の温度で２時間以上行うことにより、比較的多くの格子間酸素を酸素析出物として析出させることができ、シリコンウェーハが炭素非ドープウェーハであっても、埋込みシリコン酸化層より下方のバルク層の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板を得ることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、ＣＺシリコンウェーハ１１内部に酸素イオンを注入した後、熱処理することによりウェーハ１１表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層が形成され、そのウェーハ１１表面にＳＯＩ層が形成されたＳＩＭＯＸ基板に関するものである。そして、図１に示すように、本発明におけるＳＩＭＯＸ基板の製造方法は、酸素イオンを注入した後のウェーハ１１を３段階に熱処理し、その後研磨するものである。これらの各工程を以下に示す。

（１）酸素イオン注入工程
先ず図１（ａ）に示すように、ＣＺシリコンウェーハ１１を準備してこのウェーハ１１に酸素イオンを注入する。準備するＣＺシリコンウェーハ１１は１００Ωｃｍ以上の抵抗率と１３×１０¹⁷〜１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の酸素濃度を有するものが準備される。抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることを必要とするのは、本発明の目的が、高抵抗のバルク層１４を得ることにあるからである。また、本発明のシリコンウェーハは磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法）のような格子間酸素濃度を低下させるＣＺ法ではなく、通常のＣＺ法であるため、酸素濃度は１３×１０¹⁷〜１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の範囲にある。この抵抗率は、５００Ωｃｍ以上であることが好ましく、この抵抗率の上限は１０００Ωｃｍ以下であることが好ましい。

この準備するシリコンウェーハ１１は炭素ドープウェーハ１１であることが好ましい。この場合のウェーハ１１は５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の炭素濃度を有することが好ましい。このような炭素ドープウェーハ１１であれば、電気的に不活性な酸素ドナーの前駆体であるＯ₂クラスターにドープされた炭素が捕獲され、Ｃ−Ｏ₂クラスターが生成され、バルク層１４における抵抗率を低下させる酸素ドナーの生成を十分に抑制することができる。

そして準備されたこのようなシリコンウェーハ１１の内部に酸素イオンを注入する。この酸素イオンの注入は従来から行われている手段と同一の手段により行われる。そして、最終的に得られたＳＩＭＯＸ基板におけるＳＯＩ層１３の厚さが１０〜４００ｎｍ、好ましくは５０〜１００ｎｍになるように、ウェーハ１１表面から所定の深さの領域に酸素イオンが注入される。ＳＯＩ層１３の厚さが１０ｎｍ未満であるとＳＩＯ層１３の厚さを制御することが困難であり、ＳＯＩ層１３の厚さが４００ｎｍを越えると生産コストの上昇を招く不具合がある。

（２）第１熱処理工程
次に図１（ｂ）に示すように、酸素イオンが注入されたウェーハ１１を酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１２５０〜１４００℃の温度で第１次熱処理する。不活性ガスとしてはアルゴンガスや窒素ガスが挙げられる。従って、この第１次熱処理のガス雰囲気は、酸素とアルゴンの混合ガス、又は酸素と窒素の混合ガスであることが好ましい。そして、この第１次熱処理の熱処理時間は１〜２０時間、好ましくは１０〜２０時間であることが好ましい。
この第１次熱処理により、ウェーハ１１表面及び裏面には酸化膜１１ａ，１１ｂが形成され、ウェーハ１１表面から所定の深さの領域には埋込みシリコン酸化層１２が形成される。更に、表側の酸化膜１１ａと埋込みシリコン酸化層１２との間にはＳＯＩ層１３が形成される。

（３）第２熱処理工程
次に図１（ｃ）に示すように、第１次熱処理したウェーハ１１を酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で又は酸化膜１１ａ，１１ｂを除去した状態で窒素含有ガス雰囲気中、第２次熱処理する。酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で第２次熱処理を行うと、ＳＯＩ層１３の厚さが減少したり、ばらつきを生じずに好ましい。この理由は、第一に酸化性ガス雰囲気中で第２次熱処理を行うと、酸化膜１１ａ、１１ｂが更に成長することにより、ウェーハ表面のシリコンが消費され、第二に水素やアルゴンガス雰囲気中で第２次熱処理を行うと、酸化膜１１ａ、１１ｂが除去され、続いてＳＯＩ層がエッチングされてしまうからである。
一方、ＳＯＩ層１３の厚さが比較的厚い場合にはＳＯＩ層１３の厚さが減少しても所定の厚さのＳＯＩ層１３が得られるので、酸化膜１１ａ，１１ｂを除去した状態で第２次熱処理を行っても良い。この第２次熱処理のガス雰囲気は窒素ガス１００％が好ましく、窒素ガスに少量の酸素ガス（３％程度）を混合したガス雰囲気であっても良い。

また、第２次熱処理は６００〜１０００℃の温度で３時間以上行われることが好ましい。この第２次熱処理は６５０〜７５０℃の温度で４時間以上行われることが更に好ましい。この場合、この第２次熱処理は一定の温度で３時間以上好ましくは４〜８時間保持するか、或いは、６００℃から１０００℃の一部の温度範囲又は全ての温度範囲において１℃／分以上の速度、好ましくは１〜２℃／分の速度で昇温することにより行われることが好ましい。
そして、この第２次熱処理の熱処理条件は、デバイス工程での配線工程における熱処理条件により具体的に特定される。例えば、デバイス工程での配線工程における熱処理条件が４５０℃で１２時間であるような比較的厳しい場合に、この第２熱処理条件は６５０〜７５０℃の温度で８〜１６時間であることが好ましく、デバイス工程での配線工程における熱処理条件が４００℃で１時間であるような比較的弛やかな場合に、この第２熱処理条件は６５０〜７５０℃の温度で４〜８時間であることが好ましい。
この第２熱処理により、炭素ドープウェーハ１１を用いる場合には、電気的に不活性な酸素ドナーの前駆体であるＯ₂クラスターにドープされた炭素が捕獲され、Ｃ−Ｏ₂クラスターが生成され電気的に活性なＯｎ（ｎ≧４）クラスターの生成が抑制される。

（４）第３熱処理工程
次に図１（ｄ）に示すように、第２次熱処理したウェーハ１１を第３次熱処理する。この第３次熱処理は窒素含有ガス雰囲気中で、９００〜１１００℃の温度で２時間以上行われることが好ましい。酸化膜を残した状態で第３次熱処理する理由は、第２次熱処理の場合と同じである。そして、この第３次熱処理の温度は９５０〜１０５０℃であることが更に好ましく、その熱処理時間は４〜８時間であることが更に好ましい。また、酸化膜を除去した状態で第３次熱処理を行う場合には、第３次熱処理の雰囲気は窒化珪素膜の形成を防止するため、窒素ガスに少量の酸素ガスを混合したガス雰囲気が好ましい。

そして、この第３次熱処理の熱処理条件は、デバイス工程での配線工程における熱処理条件により具体的に特定される。例えば、デバイス工程での配線工程における熱処理条件が４５０℃で１２時間であるような場合に、この第３次熱処理条件は９５０〜１０５０℃の温度で６〜８時間であることが好ましく、デバイス工程での配線工程における熱処理条件が４００℃で１時間であるような場合に、この第３次熱処理条件は９５０〜１０５０℃の温度で２〜４時間であることが好ましい。この第３次熱処理のガス雰囲気は窒素ガス１００％が好ましく、窒素ガスに少量の酸素ガス（３％程度）を混合したガス雰囲気であっても良い。
これにより、比較的小さなサイズの酸素ドナーや第２次熱処理時に生成する酸素析出物の初期形態と考えられるニュードナーが、この第３次熱処理によって成長又は分解して不活性化する。このため、酸素ドナーの生成は有効に抑制される。

（５）酸化膜１１ａ，１１ｂ除去工程
最後に図１（ｅ）に示すように、第３次熱処理したウェーハ１１表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをフッ酸等により除去する。これにより、ウェーハ１１表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層１２が形成され、そのウェーハ１１表面にＳＯＩ層１３が形成されたＳＩＭＯＸ基板であって、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板が得られる。
このＳＩＭＯＸ基板では、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるので、高抵抗率の基板といえる。そしてバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であるので、デバイス工程においてシリコンウエーハ１１の格子間酸素が電気的に活性な酸素ドナーとなっても、その濃度は低いため、ウエーハの抵抗率の低下を防ぐことができる。

なお、上述した実施の形態では、シリコンウェーハ１１が炭素ドープウェーハである場合を説明したが、酸素イオン注入前のシリコンウェーハ１１は炭素非ドープウェーハ１１であっても良い。但し、酸素イオン注入前のシリコンウェーハ１１が炭素非ドープウェーハ１１である場合には、第２次熱処理を６００〜１０００℃の温度で５時間以上行い、第３次熱処理を６００〜１１００℃の温度で２時間以上行うことが好ましい。このような条件であれば第２熱処理で埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４に酸素析出核が形成され、第３熱処理でバルク層１４に形成された酸素析出核が酸素析出物に成長し、バルク層１４中の残留酸素濃度は１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下に低減する。従って、シリコンウェーハ１１が炭素非ドープウェーハであっても、埋込みシリコン酸化層１２より下方のバルク層１４の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、バルク層１４の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であるＳＩＭＯＸ基板を得ることができる。

次に、本発明の実施例を比較例とともに図面に基づいて詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１（ａ）に示すように、５００Ωｃｍの抵抗率と１５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の酸素濃度を有する厚さが７２５μｍのＣＺシリコンウェーハ１１を準備した。このウェーハ１１を５００〜６００℃に加熱し、この状態でシリコンウェーハ１１の所定の領域（例えば、基板表面から約０．４μｍの領域）に次の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。
加速電圧： １７０ ｋｅＶ
ビーム電流： ４０〜５０ ｍＡ
ドーズ量： １．８×１０¹⁸／ｃｍ²
イオン注入後に、図１（ｂ）に示すように、ウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中、１３５０℃の一定温度で、１０時間第１次熱処理を行った。その第１次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｃ）に示すように、表面の酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で窒素ガス１００％雰囲気中、７００℃一定温度で、８時間第２次熱処理を行った。その後この第２次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｄ）に示すように、窒素ガス１００％雰囲気中、１０００℃の一定温度で、８時間第３次熱処理を行った。その後この第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをＨＦ溶液で除去してＳＩＭＯＸ基板を得た。このＳＩＭＯＸ基板を実施例１とした。この熱処理条件を表１に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同一のＣＺシリコンウェーハ１１を準備し、このウェーハ１１に実施例１と同一の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。その後このウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中、１３５０℃の一定温度で、１０時間第１次熱処理を行った。その第１次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｃ）に示すように、表面の酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で窒素ガス１００％雰囲気中、６００℃から１０００℃の全ての温度範囲において１℃／分の速度で昇温することにより約７時間第２次熱処理を行った。その後この第２次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｄ）に示すように、窒素ガス１００％雰囲気中、１０００℃の一定温度で、８時間第３次熱処理を行った。その後この第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをＨＦ溶液で除去してＳＩＭＯＸ基板を得た。このＳＩＭＯＸ基板を実施例２とした。この熱処理条件を表１に示す。

＜実施例３＞
実施例１と同一のＣＺシリコンウェーハ１１を準備し、このウェーハ１１に実施例１と同一の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。その後このウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中、１３５０℃の一定温度で、１０時間第１次熱処理を行った。その第１次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｃ）に示すように、表面の酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で窒素ガス１００％雰囲気中、６００℃から１０００℃の一部の温度範囲において２℃／分の速度で昇温することにより約４時間第２次熱処理を行った。その後この第２次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｄ）に示すように、窒素ガス１００％雰囲気中、１０００℃の一定温度で、８時間第３次熱処理を行った。その後この第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをＨＦ溶液で除去してＳＩＭＯＸ基板を得た。このＳＩＭＯＸ基板を実施例３とした。この熱処理条件を表１に示す。

＜比較例１＞
実施例１と同一のＣＺシリコンウェーハ１１を準備し、このウェーハ１１に実施例１と同一の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。その後このウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中、１３５０℃の一定温度で、１０時間第１次熱処理を行った。その第１次熱処理したウェーハ１１を、図１（ｃ）に示すように、表面の酸化膜１１ａ，１１ｂを残した状態で窒素ガス１００％雰囲気中、７００℃の一定温度で、８時間第２次熱処理を行った。その後この第２次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをＨＦ溶液で除去してＳＩＭＯＸ基板を得た。このＳＩＭＯＸ基板を比較例１とした。この熱処理条件を表１に示す。

＜比較例２＞
実施例１と同一のＣＺシリコンウェーハ１１を準備し、このウェーハ１１に実施例１と同一の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。その後このウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中、１３５０℃の一定温度で、１０時間第１次熱処理を行った。この第１次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜１１ａ，１１ｂをＨＦ溶液で除去してＳＩＭＯＸ基板を得た。このＳＩＭＯＸ基板を比較例２とした。この熱処理条件を表１に示す。

＜評価＞
実施例１〜４及び比較例１，２の各ＳＩＭＯＸ基板におけるバルク層の酸素濃度をフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）により測定した。その結果を表１に示す。

また、実施例１〜４及び比較例１，２の各ＳＩＭＯＸ基板を４５０℃で１時間熱処理した。この熱処理により発生した酸素ドナー量を四探針法により抵抗率の変化を測定した。この熱処理による発生した酸素ドナー密度を図２に示す。
表１から明らかなように、シリコンウェーハを３段階に分けて熱処理を行った実施例１〜３におけるＳＩＭＯＸ基板では、そのバルク層の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下となって、高抵抗のＳＩＭＯＸ基板が得られることが分かる。
また、近年のデバイス工程における配線ではその熱処理が低温・短時間化され、ほぼ４００℃以下で１時間以内であることから、ＳＩＭＯＸ基板を４５０℃で１時間熱処理することはかなり厳しい条件と考えられる。しかし。図２の結果からすると、このように厳しい条件の場合でも、発生した酸素ドナーは比較的低い値を示しており、デバイス工程における抵抗率の低下を十分に防ぐことができるものと考えられる。

本発明実施形態のＳＩＭＯＸ基板の製造工程を示す図である。 実施例のＳＩＭＯＸ基板に発生した酸素ドナー量を示す図である。

符号の説明

１０ ＳＩＭＯＸ基板
１１ シリコンウェーハ
１１ａ，１１ｂ 酸化膜
１２ 埋込みシリコン酸化層
１３ ＳＯＩ層
１４ バルク層

Claims (7)

1. ＣＺシリコンウェーハ(11)内部に酸素イオンを注入した後、熱処理することにより前記ウェーハ(11)表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層(12)が形成され、前記ウェーハ(11)表面にＳＯＩ層(13)が形成されたＳＩＭＯＸ基板において、
   前記埋込みシリコン酸化層(12)より下方のバルク層(14)の酸素濃度が１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下であって、前記バルク層(14)の抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることを特徴とするＳＩＭＯＸ基板。
2. バルク層(14)の炭素濃度が５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である請求項１記載のＳＩＭＯＸ基板。
3. １００Ωｃｍ以上の抵抗率と１３×１０¹⁷〜１８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）の酸素濃度を有するＣＺシリコンウェーハ(11)内部に酸素イオンを注入する工程と、
   前記ウェーハ(11)を酸素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１２５０〜１４００℃の温度で第１次熱処理することにより、前記ウェーハ表面及び裏面に酸化膜(11a,11b)を形成し、前記ウェーハ表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層(12)を形成し、前記酸化膜(11a)と前記埋込みシリコン酸化層(12)との間にＳＯＩ層(13)を形成する工程と、
   前記第１次熱処理したウェーハ(11)を前記酸化膜(11a,11b)を残した状態で又は前記酸化膜(11a,11b)を除去した状態で窒素含有ガス雰囲気中、第２次熱処理することにより、前記埋込みシリコン酸化層(12)より下方のバルク層(14)に酸素析出核を形成する工程と、
   前記第２次熱処理したウェーハ(11)を窒素含有ガス雰囲気中で第３次熱処理することにより、前記バルク層(14)に形成された酸素析出核を酸素析出物に成長させて前記バルク層(14)中の残留酸素濃度を１３．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９）以下に低減する工程と、
   前記第３次熱処理したウェーハ表面及び裏面の酸化膜(11a,11b)を除去する工程と
   を含むＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
4. 酸素イオン注入前のＣＺシリコンウェーハ(11)が炭素ドープウェーハであって、前記ウェーハ(11)が５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＡＳＴＭ Ｆ１２３−１９８１）の炭素濃度を有し、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度で３時間以上行われ、第３次熱処理が９００〜１１００℃の温度で２時間以上行われる請求項３記載の製造方法。
5. 第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度範囲内の一定の温度で３時間以上保持することにより行われる請求項４記載の製造方法。
6. 第２次熱処理が６００℃から１０００℃の一部の温度範囲又は全ての温度範囲において１℃／分以上の速度で昇温することにより行われる請求項４記載の製造方法。
7. 酸素イオン注入前のＣＺシリコンウェーハ(11)が炭素非ドープウェーハであって、第２次熱処理が６００〜１０００℃の温度で５時間以上行われ、第３次熱処理が６００〜１１００℃の温度で２時間以上行われる請求項３記載の製造方法。
   

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