JP2007141902A

JP2007141902A - Ｓｏｉ基板の製造方法およびｓｏｉ基板

Info

Publication number: JP2007141902A
Application number: JP2005329577A
Authority: JP
Inventors: Chisa Yoshida; 知佐吉田; Tomohito Ito; 知仁伊東
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】コストが低いＳＯＩ基板の製造方法。
【解決手段】絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法において、少なくとも、シリコン単結晶基板表面にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記シリコン酸化膜の一部を後の研磨工程で研磨をストップさせるための酸化膜ストッパとして残し、他の部分のシリコン酸化膜を前記絶縁層として必要な所望の厚さまで薄膜化する酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程と、前記絶縁層に後のエピタキシャル成長工程でシリコン層成長のシードとなる領域を開口して前記シリコン単結晶基板を一部露出させる絶縁層穴あけ工程と、選択エピタキシャル成長法によりシリコン層を前記シードから酸化膜ストッパ厚さ以上にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、該エピタキシャル成長させたシリコン層を、前記酸化膜ストッパ厚さまで研磨する研磨工程と、を含むことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯＩ基板の製造方法およびＳＯＩ基板に関し、さらに詳しくはエピタキシャル成長によりＳＯＩ基板を製造する方法に関するものである。

ＳＯＩウェーハの製法には、貼り合わせ法やイオン注入剥離法、SIMOX法等が知られている。これらの方法は、いずれも工程が多く、また貼り合わせ法では二枚のウェーハが必要であることなどからコストがかかりすぎる問題があった。
一方で選択エピタキシャル成長法の技術を使って、酸化膜の上にエピタキシャル反応にてＳｉ層を堆積させＳＯＩ構造を作る手法が提案されている(例えば、特許文献１、２、３参照)。しかし、前記提案されている方法は、「トンネルエピタキシー」や「紫外線照射エッチング」等、特殊な手法を使う為、処理が複雑であり、やはりコストが高くなるという問題があった。

また、選択エピタキシャル成長によりＳＯＩ構造を形成する場合に、ＳＯＩ層が厚くなってしまうという問題もあった。すなわち、基板ウェーハを覆う酸化膜に、局所的に穴を開けて基板のシリコンを露出させ、その状態で選択エピタキシャル成長を行うと、シリコンが露出した穴の部分からシリコンのエピタキシャル成長が始まり、酸化膜の表面がシリコン単結晶で覆われる。しかし、酸化膜の幅にもよるが、全面をシリコンで覆う為には、エピタキシャル層を酸化膜幅の二分の一以上堆積する必要があり、ＳＯＩ層が厚くなってしまい、ＳＯＩ層を所望厚さに制御できないという問題があった。

特開平６−２４４１０６号公報特許第２７６２１０３号公報特許第２９６４５４６号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、従来に比べて工程が少なく、処理が簡単で、コストが低い、また、ＳＯＩ層を所望厚さに制御できるＳＯＩ基板の製造方法およびこのような製造方法で得られるＳＯＩ基板を提供することを目的としたものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法において、少なくとも、
シリコン単結晶基板表面にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記シリコン酸化膜の一部を後の研磨工程で研磨をストップさせるための酸化膜ストッパとして残し、他の部分のシリコン酸化膜を前記絶縁層として必要な所望の厚さまで薄膜化する酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程と、
前記絶縁層に後のエピタキシャル成長工程でシリコン層成長のシードとなる領域を開口して前記シリコン単結晶基板を一部露出させる絶縁層穴あけ工程と、
選択エピタキシャル成長法によりシリコン層を前記シードから酸化膜ストッパ厚さ以上にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、
該エピタキシャル成長させたシリコン層を、前記酸化膜ストッパ厚さまで研磨する研磨工程と、
を含むことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法を提供する（請求項１）。

このようにしてＳＯＩ基板を製造すれば、従来に比べて工程が少なく、処理が簡単であるし、１枚のウエーハから作製できるため、低コストでＳＯＩ基板を製造することができる。また、所望のＳＯＩ層厚さを有するＳＯＩ基板を製造することができる。

前記酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程において、前記酸化膜ストッパが前記絶縁層から、ＳＯＩ基板において必要な所望のＳＯＩ層厚さだけ突出するように残してシリコン酸化膜の薄膜化を行うことが好ましい（請求項２）。

このように、前記酸化膜ストッパが前記絶縁層から、ＳＯＩ基板において必要な所望のＳＯＩ層厚さだけ突出するように残してシリコン酸化膜の薄膜化を行えば、所望のＳＯＩ層厚さを有するＳＯＩ基板を製造することができる。

この場合、前記シリコン単結晶基板の結晶方位は＜１００＞であることが好ましい（請求項３）。

このように、結晶方位が＜１００＞であるシリコン単結晶基板を用いることで、ＳＯＩ層の結晶性およびシリコン酸化膜の膜質を良くすることができる。また、このような基板は単結晶引上げの容易性から多用されており安価で入手できるため、ＳＯＩ基板をより安価なものとすることができる。

また、本発明は、絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板であって、前記シリコン薄膜は前記絶縁層を貫通してシリコン単結晶基板に達する開口部からシリコン層がエピタキシャル成長したものであり、かつ、前記絶縁層はシリコン単結晶基板の表面上に形成されたシリコン酸化膜であり、その一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出したものであることを特徴とするＳＯＩ基板を提供する（請求項４）。

このようなＳＯＩ基板は、適切な厚さのＳＯＩ層を有し、製造コストが低いため安価なものとできる。

この場合、前記一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出したシリコン酸化膜の、前記絶縁層からの突出量が、前記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層厚さと等しいことが好ましい（請求項５）。

このようなＳＯＩ基板は、適切な厚さのＳＯＩ層を有するものとできる。

この場合、前記シリコン単結晶基板の結晶方位は＜１００＞であることが好ましい（請求項６）。

このように、結晶方位が＜１００＞であるシリコン単結晶基板を用いたＳＯＩ基板であれば、ＳＯＩ層の結晶性およびシリコン酸化膜の膜質が良い。また、このような基板は単結晶引上げの容易性から多用されており安価なため、安価なＳＯＩ基板とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＳＯＩ基板の製造を従来に比べて少ない工程で、簡単な処理で、１枚のウエーハを用いて、低コストとすることができ、かつ、所望のＳＯＩ層厚さを有するＳＯＩ基板を製造することができるＳＯＩ基板の製造方法が提供される。さらに、この製造方法で製造された高品質・低価格のＳＯＩ基板が提供される。

以下、本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明に係るＳＯＩ基板の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。

まず、結晶方位が＜１００＞のシリコン単結晶基板１を準備する（図１（ａ））。このような基板を用いることで、エピタキシャル成長されるＳＯＩ層の結晶性を良くすることができる。また、表面に形成されるシリコン酸化膜の膜質も良好なものとなる。さらに、このような基板は単結晶引上げの容易性から多用されて安価で入手できるため、ＳＯＩ基板をより安価なものとすることができる。

次に、酸化膜形成工程として、シリコン単結晶基板１上に、周知の方法（たとえば熱酸化、CVDなど）によりシリコン酸化膜２を形成する（図１（ｂ））。シリコン酸化膜２の厚さは特に限定されないが、最終的に必要とされる絶縁層の厚さ＋必要とされるＳＯＩ層の厚さ以上とされる必要がある。これは、たとえば０．０１〜１０μｍとすることができる。

次に、酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程として、シリコン酸化膜２の一部を後の研磨工程で研磨をストップさせるための酸化膜ストッパ３として残し、他の部分のシリコン酸化膜を絶縁層として必要な所望の厚さまで薄膜化して絶縁層４を形成する。酸化膜ストッパ３の形状は特に限定されないが、たとえば図１（ｃ）に示すように絶縁層４から所定厚さ突出したものとされる。

この絶縁層４からの酸化膜ストッパ３の突出量は、最終的に必要とされるＳＯＩ層の厚さ以上とされる必要がある。逆に言えば、この酸化膜ストッパ３の絶縁層４からの突出量（突出高さ）を変更することにより、ＳＯＩ層の厚さを調整することができる。すなわち、酸化膜ストッパ３が絶縁層４から、ＳＯＩ基板において必要な所望のＳＯＩ層厚さだけ突出するように残してシリコン酸化膜の薄膜化を行うことにより、所望のＳＯＩ層厚さを有するＳＯＩ基板を得ることができる。もちろん、後工程である研磨工程での取代により、ＳＯＩ層の厚さを微調整することも可能である。

さらに、絶縁層穴あけ工程として、絶縁層４に後のエピタキシャル成長工程でシリコン層成長のシードとなる領域を開口して前記シリコン単結晶基板１を一部露出させるために、開口部５を形成する（図１（ｃ））。このように単結晶である基板１を露出させることでエピタキシャル成長が可能となる。

酸化膜ストッパおよび絶縁層形成、および絶縁層穴あけの手段は特に限定されないが、たとえば周知のフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法等を用いて容易に行うことができる。また、ドライエッチング法を用いれば非常に高い精度で酸化膜の厚さを制御できる。

次に、エピタキシャル成長工程として、選択エピタキシャル成長法によりシリコン層６を前記開口部５から酸化膜ストッパ３の厚さ以上にエピタキシャル成長させる（図１（ｄ））。エピタキシャル成長の条件は特に限定されないが、たとえばシラン／水素混合ガス等を用いて基板温度８００〜１３００℃で行うことができる。

次に、研磨工程として、エピタキシャル成長させたシリコン層６の表面を、酸化膜ストッパ３の厚さまで研磨してＳＯＩ層７とする（図１（ｅ））。このような研磨としては、シリコン酸化膜に対する研磨レートがシリコンに対する研磨レートより大幅に遅いものとすればよく、これによって研磨が酸化膜ストッパ３に達した時点で研磨を終了することができる。例えば、ＳｉとＳｉＯ_２の研磨レートの比を１００：１程度となるようにすることができる。

このような研磨方法は特に限定されず、周知の研磨クロスと研磨スラリーを用いて行うことができる。たとえば、アルカリ系のスラリーを用いた化学的研磨により、アルカリに対するシリコン（シリコン層６）とシリコン酸化膜（酸化膜ストッパ３）の溶解度の差を利用して酸化膜ストッパ３の厚さまでの研磨を行うことができる。また、研磨工程は、一段階の研磨に限らず、たとえば一次研磨と仕上げ研磨を組合わせた二段以上の研磨を行ってもよい。より具体的には、たとえば、その研磨条件におけるシリコンの研磨レートから必要な取代となる研磨時間を算出して、所望の残しシリコン層厚さまで研磨を行ってもよいし、また、シリコン層厚さをモニタリングしながら研磨を行ってもよい。このような研磨をすれば、酸化膜ストッパ３より厚いシリコンは研磨により除去されるが、研磨が酸化膜に達した時点で急激に研磨レートが遅くなるので、前記算出した所定時間研磨した後は、酸化膜ストッパ３が露出しているとともに、所望厚さのＳＯＩ層７が残ることになる。

なお、上記工程は例示であり、以上の工程以外に、従来用いられている洗浄や熱処理等の工程が加わってもよく、本発明においても従来行われている種々の工程を採用し得る。

以上のような工程により、本発明に係るＳＯＩ基板を製造することができる。
以上のような工程であれば、従来の貼り合わせ法、イオン注入剥離法、SIMOX法、トンネルエピタキシー等を用いた煩雑な製造法に比べて、少ない工程数で、低コストでＳＯＩ基板を製造することができるし、ＳＯＩ層を所望の厚さに制御することもできる。

このような工程により製造されたＳＯＩ基板は、絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板であって、前記シリコン薄膜は前記絶縁層を貫通してシリコン単結晶基板に達する開口部からシリコン層がエピタキシャル成長したものであり、かつ、前記絶縁層はシリコン単結晶基板の表面上に形成されたシリコン酸化膜であり、その一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出した従来にないものである。
また、このようなＳＯＩ基板は、前記一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出したシリコン酸化膜の、前記絶縁層からの突出量が、前記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層厚さと等しいものであってもよい。

このようなＳＯＩ基板は、上述したように製造コストが低いため安価で、適切な厚さのＳＯＩ層を有するものである。

また、このようなＳＯＩ基板のシリコン単結晶基板の結晶方位が＜１００＞であれば、そのＳＯＩ層の結晶性や絶縁層の膜質が良い。

以下、本発明を実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。。
（実施例）
まず、結晶方位が＜１００＞のシリコン単結晶基板１を準備した（図１（ａ））。

次に、酸化膜形成工程として、シリコン単結晶基板１上にＣＶＤ法により基板温度を５００℃としてシリコン酸化膜２を形成した。シリコン酸化膜２の厚さは０．８μｍとした（図１（ｂ））。

次に、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程として、シリコン酸化膜２の一部を後の研磨工程で研磨をストップさせるための酸化膜ストッパ３として残し（突出量０．３μｍ）、他の部分のシリコン酸化膜を０．５μｍの厚さまで薄膜化して絶縁層４を形成した。

さらに、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、絶縁層穴あけ工程として、絶縁層４に後のエピタキシャル成長工程でシリコン層成長のシードとなる領域を開口して前記シリコン単結晶基板１を一部露出させるために、開口部５（０．３×０．３μｍ）を形成した（図１（ｃ））。

次に、エピタキシャル成長工程として、選択エピタキシャル成長法により前記開口部５からシリコン層６をエピタキシャル成長させた（図１（ｄ））。シリコン層６は、シリコン単結晶基板１からの厚さが３μｍとなるようにした。成長条件は、ＨＳｉＣｌ_３／水素混合ガスを用いて基板温度８００℃として行った。図２に、エピタキシャル成長工程におけるシリコン単結晶基板１のＳＥＭ写真を示した。図２（ｂ）は、シリコン酸化膜２上にシリコン層６が成長している過程を撮影したものであり、図２（ａ）は、さらにシリコン層６が成長してシリコン酸化膜２を完全に覆った状態を撮影したものである。

次に、研磨工程として、エピタキシャル成長させたシリコン層６を、酸化膜ストッパ３の厚さまで研磨した（図１（ｅ））。まず、一次研磨を行った。一次研磨では、スラリーとしてアルカリ系のSSS（日産化学工業（株）製）を純水で６．５倍に希釈してｐH 10.3〜10.5としたものを用い、クロスとしてSuba600E（ニッタ・ハース（株）製）を用いて以下の条件で行った。

（一次研磨）
荷重：200g/cm²
研磨時間：約４分
研磨レート比 Si：SiO₂=100：1以上
Si研磨レート：約0.58um/min
SiO₂研磨レート：約5.5nm/min

次に、仕上げ研磨を行った。仕上げ研磨では、スラリーとして、アルカリ系のＧＬＡＮＺＯＸ−３９００（（株）フジミインコーポレーテッド製）を純水で２０倍に希釈したものを用い、クロスとしてシーガル７３５５FML（東レコーテックス（株））を用いて以下の条件で行った。

（仕上げ研磨）
荷重：100g/cm²
研磨時間：８分

このような研磨を行った後、ＳＣ１洗浄を行った。ＳＣ−１洗浄液の濃度は、アンモニア３％（容量％）、過酸化水素水３％（容量％）となるように調整した。洗浄時間は５分とした。

以上の製造工程を行って、ＳＯＩ層７が０．２９μｍであるＳＯＩ基板を得た。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に係るＳＯＩ基板の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。エピタキシャル成長工程における基板のＳＥＭ写真であり、（ａ）はエピタキシャル成長後であり、（ｂ）はエピタキシャル成長過程である。

符号の説明

１…シリコン単結晶基板、２…シリコン酸化膜、３…酸化膜ストッパ、
４…絶縁層、５…開口部、６…シリコン層、７…ＳＯＩ層。

Claims

絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法において、少なくとも、
シリコン単結晶基板表面にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記シリコン酸化膜の一部を後の研磨工程で研磨をストップさせるための酸化膜ストッパとして残し、他の部分のシリコン酸化膜を前記絶縁層として必要な所望の厚さまで薄膜化する酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程と、
前記絶縁層に後のエピタキシャル成長工程でシリコン層成長のシードとなる領域を開口して前記シリコン単結晶基板を一部露出させる絶縁層穴あけ工程と、
選択エピタキシャル成長法によりシリコン層を前記シードから酸化膜ストッパ厚さ以上にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、
該エピタキシャル成長させたシリコン層を、前記酸化膜ストッパ厚さまで研磨する研磨工程と、
を含むことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記酸化膜ストッパおよび絶縁層形成工程において、前記酸化膜ストッパが前記絶縁層から、ＳＯＩ基板において必要な所望のＳＯＩ層厚さだけ突出するように残してシリコン酸化膜の薄膜化を行うことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記シリコン単結晶基板の結晶方位は＜１００＞であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
絶縁層上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板であって、前記シリコン薄膜は前記絶縁層を貫通してシリコン単結晶基板に達する開口部からシリコン層がエピタキシャル成長したものであり、かつ、前記絶縁層はシリコン単結晶基板の表面上に形成されたシリコン酸化膜であり、その一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出したものであることを特徴とするＳＯＩ基板。
前記一部が厚く前記シリコン薄膜の表面に露出したシリコン酸化膜の、前記絶縁層からの突出量が、前記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層厚さと等しいことを特徴とする請求項４に記載のＳＯＩ基板。
前記シリコン単結晶基板の結晶方位は＜１００＞であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＳＯＩ基板。