JP2007142134A - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易にかつ精度良くＳＯＩ領域となる基板表面とバルク領域となる基板表面とを同一にし、埋込み酸化膜の厚さを均一にするとともに、埋込み酸化膜が基板表面に露出するのを防止する。
【解決手段】 シリコン基板１２の表面に部分的にマスク酸化膜１９を形成した後に、このマスク酸化膜を介して基板の表面に酸素イオン１６を注入し、更にこの基板をアニール処理して基板の内部に埋込み酸化膜１３を形成する。マスク酸化膜を形成する工程と酸素イオンを注入する工程の間に、マスク酸化膜の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに、マスク酸化膜の形成されたバルク領域となる基板表面１２ｂより深い所定の深さの凹部１２ｃを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ(Separation by IMplanted OXygen)法によりシリコン基板内部に部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板を製造する方法に関するものである。

従来、シリコン基板内部に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板は、高速、低消費電力デバイス用基板への使用が期待されている。このうち、シリコン基板内部に全面ではなく、部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板（以下、「部分ＳＯＩ基板」と呼ぶ。）はアナログ、ロジック、メモリ混載のシステムＬＳＩにおいて、例えばロジック部のみを埋込み酸化膜のＳＯＩ領域に形成し、埋込み酸化膜がないバルクＳｉ部分にメモリ部を製造できることなどから重要視されている。
この種の部分ＳＯＩ基板の製造方法（ＳＩＭＯＸ基板の製造方法）として、次のような方法（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。即ち、図２に示すように、先ず基板２（基板２はシリコン単結晶棒の軸に直交する面で切出される。）の表面にマスク酸化膜４を形成し（図２（ａ））、このマスク酸化膜４の表面にフォトリソグラフィによりパターニングしたレジスト層６を形成する（図２（ｂ）及び（ｃ））。次いでマスク酸化膜４を異方性エッチングによりパターニングし（図２（ｄ）及び（ｅ））、レジスト層６を除去した後に（図２（ｆ））、基板２を洗浄する。次に基板２の表面に酸素イオン７を注入した後に（図２（ｇ））、基板２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬してマスク酸化膜４を除去する（図２（ｈ））。更にアルゴン及び酸素の混合ガス、或いは窒素及び酸素の混合ガスの雰囲気中で１３００℃以上に所定時間保持してアニール処理して埋込み酸化膜３を形成した後に（図２（ｉ））、基板２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して表面酸化層８を除去する（図２（ｊ））。
特開平５−８２５２５号公報（請求項２）

しかし、上記従来の特許文献１に記載されてＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、図２（ｉ）及び（ｊ）に示すように、酸素イオン７の注入後のアニール処理時に、埋込み酸化膜３となる酸素イオン領域９が体積膨張するため、ＳＯＩ領域となる基板表面２ａが、バルク領域となる基板表面２ｂより膨らむため、表面酸化層８を除去した後の基板２表面に段差が形成されてしまう不具合があった。
また、上記従来の特許文献１に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、図２（ｇ）に示すように、酸素イオン７の注入時に、ＳＯＩ領域となる基板の表面に酸素イオン７のスパッタリングにより局所的に窪み８が形成され、アニール処理後の埋込み酸化膜３の厚さが局所的に変化したり、或いは図２（ｊ）に示すようにアニール処理後に埋込み酸化膜３が基板２表面に露出するおそれもあった。
本発明の目的は、ＳＯＩ領域となる基板表面を、バルク領域となる基板表面と容易にかつ精度良く同一面にすることができる、ＳＯＩ基板の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、埋込み酸化膜の厚さを均一にすることができるとともに、埋込み酸化膜が基板表面に露出するのを防止できる、ＳＯＩ基板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に示すように、シリコン基板１２の表面に部分的にマスク酸化膜１９を形成する工程と、マスク酸化膜１９を介して基板１２の表面に酸素イオン１６を注入する工程と、基板１２をアニール処理して基板１２の内部に埋込み酸化膜１３を形成する工程とを含むＳＯＩ基板の製造方法の改良である。
その特徴ある構成は、マスク酸化膜１９を形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程の間に、マスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに、マスク酸化膜１９の形成されたバルク領域となる基板表面１２ｂより深い所定の深さの凹部１２ｃを形成する工程を含むところにある。
この請求項１に記載されたＳＯＩ基板の製造方法では、マスク酸化膜１９を形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程との間に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａにバルク領域となる基板表面１２ｂより深い所定の深さの凹部１２ｃを形成したので、アニール処理時に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが、基板１２に注入された酸素イオン領域２０の体積膨張により隆起して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａがバルク領域となる基板表面１２ｂと同一面になる。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに凹部１２ｃをＳｉエッチング法により形成することを特徴とする。
この請求項３に記載されたＳＯＩ基板の製造方法では、マスク酸化膜１９を形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程との間に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに凹部１２ｃをＳｉエッチング法により形成したので、凹部１２ｃを精度良く形成できる。
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、凹部１２ｃを形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程との間に、ＣＶＤ法により形成される保護膜２４にて凹部１２ｃを埋める工程を含むことを特徴とする。
この請求項４に記載されたＳＯＩ基板の製造方法では、ＣＶＤ法により保護膜２４を形成し、この保護膜２４にて凹部１２ｃを埋めたので、酸素イオン注入に伴って発生するスパッタリングによりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが局所的にエッチングされるのを抑制できる。

請求項５に係る発明は、請求項３に係る発明であって、更にＳｉエッチング法がドライエッチング法であることを特徴とする。
この請求項５に記載されたＳＯＩ基板の製造方法では、凹部を形成するＳｉエッチング法として微細加工に適しているドライエッチングを用いたので、凹部を更に精度良く形成できる。
請求項６に係る発明は、請求項４に係る発明であって、更に図１に示すように、ＣＶＤ法により形成された保護膜２４が酸化膜であることを特徴とする。
この請求項６に記載されたＳＯＩ基板の製造方法では、保護膜２４がマスク酸化膜１９と同じ酸化膜であるので、保護膜２４及びマスク酸化膜１９を同一のエッチング液により同時に除去できる。

以上述べたように、本発明によれば、マスク酸化膜を形成する工程と酸素イオンを注入する工程との間に、マスク酸化膜の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面に、マスク酸化膜の形成されたバルク領域となる基板表面より深い所定の深さの凹部を形成したので、アニール処理時に、ＳＯＩ領域となる基板表面のみが、基板に注入された酸素イオン領域の体積膨張により隆起して、ＳＯＩ領域となる基板表面がバルク領域となる基板表面と同一になる。この結果、ＳＯＩ領域となる基板表面とバルク領域となる基板表面とを容易にかつ精度良く同一面にすることができるとともに、これによりその後のＳＯＩ基板のフォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるのを防止できる。
またＳＯＩ領域となる基板表面に凹部をＳｉエッチング法により形成すれば、凹部を精度良く形成でき、この凹部に保護膜をＣＶＤ法により形成して凹部を埋めれば、酸素イオン注入に伴うスパッタリングによりＳＯＩ領域となる基板表面が局所的にエッチングされることを抑制できる。この結果、埋込み酸化膜の厚さを均一にすることができるとともに、埋込み酸化膜が基板表面に露出しない。従って、アニール処理後に形成された基板表面の酸化層のエッチング時に埋込み酸化膜がエッチングされないので、基板にパーティクルの発生源となる穴が形成されることがない。
またＳｉエッチング法がドライエッチング法であれば、このエッチング法により形成される凹部を更に精度良く形成できる。
更にＣＶＤ法により形成された保護膜が酸化膜であれば、保護膜がマスク酸化膜と同じ酸化膜であるので、保護膜及びマスク酸化膜を同一のエッチング液により同時に除去でき、これにより基板の製作工数を低減できる。

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。
図１（ｋ）に示すように、ＳＯＩ基板１１はシリコン基板１２と、この基板１２の内部に形成された埋込み酸化膜１３とを有する。基板１２はチョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶棒の軸に直交する面［シリコン単結晶の結晶構造の（１００）面］に沿って薄板状に切出される。また埋込み酸化膜１３は次のようにして形成される。なお、基板はＣＺ法ではなく、フローティング・ゾーン（ＦＺ）法等により育成されたシリコン単結晶棒又はシリコン単結晶板から切出してもよい。

先ず基板１２の表面に表面酸化膜１４を形成する（図１（ａ））。この表面酸化膜１４はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）であり、基板１２を熱酸化することにより、又はＣＶＤ法（化学気相成長法）により形成される。また表面酸化膜１４の厚さは２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、好ましくは５００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内に形成される。表面酸化膜１４の厚さを２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲に限定したのは、２００ｎｍ未満では後述する酸素イオン１６が表面酸化膜１４を通過して基板１２に注入されるおそれがあり、１０００ｎｍ以下で酸素イオン１６を十分に遮断することができるからである。次いで表面酸化膜１４の表面にフォトリソグラフィにより所定のパターンのレジスト層１７を形成する（図１（ｂ）及び（ｃ））。このレジスト層１７をフォトマスク１８を用いて露光し（図１（ｂ））、現像及びリンスを経て、レジスト層１７に所定のパターンが形成される（図１（ｃ））。

上記レジスト層１７をマスクにして表面酸化膜１４を基板１２の表面に対して垂直方向に異方性エッチングを行う（図１（ｄ））。異方性エッチングはこの実施の形態では反応性イオンエッチングである。反応性イオンエッチングでは、図示しないが反応室内に設置された２枚の対向電極のうち下側電極に基板を載せ、これらの電極に高周波電圧を印加してプラズマを誘起することで、ＣＦ₄又はＳＦ₆等のエッチングガスより反応性の高いラディカルイオン核種を形成し、プラズマ及び基板１２間に生じる自己バイアス電位差により基板１２に数十から数百ｅＶの上記ラディカルイオンが入射し、このラディカルイオンによるスパッタリング作用と化学反応の両方の効果で表面酸化膜１４のエッチングが進行する。このため表面酸化膜１４の内周縁はアンダカットのない垂直なエッチング形状となる。なお、異方性エッチングとして、ＥＣＲプラズマエッチングを用いてもよい。エッチング終了後、硫酸過水等によりレジスト層１７を除去し、エッチングされずに基板表面に残存した表面酸化膜１４からなる厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍのマスク酸化膜１９を基板１２の表面に部分的に形成し（図１（ｅ））、その後、洗浄する。

次にマスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに、マスク酸化膜１９の形成されたバルク領域となる基板表面１２ｂより深い所定の深さの凹部１２ｃを形成する（図１（ｆ））。この凹部１２ｃをＳｉエッチング法により形成する。この凹部１２ｃを形成するＳｉエッチング法としては、反応性イオンエッチング法、ケミカルドライエッチング法等のドライエッチング法、或いはウエットエッチング法が挙げられるけれども、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに精度良く凹部１２ｃを形成できるドライエッチング法が好ましい。凹部１２ｃを形成した後に、ＣＶＤ法により形成される保護膜２４にて凹部１２ｃを埋める（図１（ｇ））。このＣＶＤ法により形成される保護膜２４は酸化膜（ＳｉＯ₂膜）であることが好ましい。これにより保護膜２４がマスク酸化膜１９と同じ酸化膜であるので、保護膜２４及びマスク酸化膜１９を同一のエッチング液により同時に除去できるという利点がある。

一方、上記凹部１２ｃの深さは、後述するアニール処理後に形成される埋込み酸化膜１３の体積膨張分であり、予め実験等により求められる。具体的には、上記凹部１２ｃの深さは、基板１２に注入された酸素イオン領域２０の厚さと、アニール処理により酸素イオン領域２０が体積膨張して形成された埋込み酸化膜１３の厚さとの差であり、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の厚さの３０〜８０％、好ましくは５５％である。通常、埋込み酸化膜１３は２０〜２００ｎｍの範囲内の所定厚さに形成されるが、埋込み酸化膜１３の厚さが２０ｎｍである場合、上記凹部１２ｃの深さは６〜１６ｎｍ、好ましくは１１ｎｍに形成され、埋込み酸化膜１３の厚さが２００ｎｍである場合、上記凹部１２ｃの深さは１０５〜１１５ｎｍ、好ましくは１１０ｎｍに形成される。ここで、上記凹部１２ｃの深さを埋込み酸化膜１３の厚さの３０〜８０％の範囲に限定したのは、上記保護膜２４を通して基板１２内に酸素イオン１６を注入することができるとともに、アニール処理後のＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとの間に生じる段差を無くすためである。なお、上記段差の全くない状態が最良であるけれども、保護膜２４の目標厚さに対する誤差や埋込み酸化膜１３の目標厚さに対する誤差等により僅かに段差を生じる場合があり、この段差が３０ｎｍ以下であれば、後工程のフォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるのを防止できる。

次にマスク酸化膜１９をマスクにして基板１２の表面に酸素イオン１６を注入する（図１（ｈ）及び（ｉ））。このときの酸素イオン１６の注入条件は注入量が１×１０¹⁷／ｃｍ²〜２×１０¹⁸／ｃｍ²、好ましくは２×１０¹⁷／ｃｍ²〜５×１０¹⁷／ｃｍ²であり、注入エネルギが２０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ、好ましくは６０ｋｅＶ〜１８０ｋｅＶである。酸素イオン１６の注入後、ウエットエッチングにより基板１２表面のマスク酸化膜１９及び保護膜２４を除去する（図１（ｊ））。これによりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに上記凹部１２ｃが露出する。酸素イオン注入時に、この酸素イオン注入に伴ってスパッタリングが発生するけれども、保護膜２４によりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが被覆されるので、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが上記スパッタリングにより局所的にエッチングされるのを防止できる。酸素イオン注入後、基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して、表面のマスク酸化膜１９及び保護膜２４を除去し、更にこの基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を行う（図１（ｋ））。

酸化性雰囲気とは、不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気を含み、アルゴン及び酸素の混合ガス雰囲気、或いは窒素及び酸素の混合ガス雰囲気が例示される。この場合における酸化性雰囲気は、酸素１００容量％を含み、酸素の好ましい含有量は０．５〜９０容量％であり、更に好ましい含有量は４０〜７０容量％である。酸素含有率が０．５％未満では後述するアニール時に基板１２の表面における酸化が期待できないからである。このアニール処理により基板１２の酸素イオン領域２０の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜１３を形成する際に、埋込み酸化膜１３となる酸素イオン領域２０が体積膨張して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが膨らんで凹部１２ｃを埋めるように隆起し、図１（ｋ）に示すように、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａがバルク領域となる基板表面１２ｂと同一面になる。同時に基板１２の表面には、アニール処理による酸化層２６が形成される。上記アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して酸化層２６を除去すると（図１（ｍ））、ＳＯＩ基板１１の表面は段差がなく平坦になる。このようにアニール処理後のＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとを容易にかつ精度良く同一面にすることができる。これにより上記ＳＯＩ基板１１をフォトリソグラフィ工程において露光しても、そのフォーカスがずれるのを防止できる。
なお、上述のように、凹部１２ｃを形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程との間に、ＣＶＤ法により形成される保護膜２４にて上記凹部１２ｃを埋めることにより、酸素イオン注入に伴って発生するスパッタリングによりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが局所的にエッチングされるのを防止できるので、埋込み酸化膜１３の厚さを均一にすることができるとともに、埋込み酸化膜１３が基板１２表面に露出しない。この結果、アニール処理により形成された基板１２表面の酸化層２６のエッチング時に埋込み酸化膜１３がエッチングされないので、基板１２にパーティクルの発生源となる穴が形成されることはない。

本発明実施形態のＳＯＩ基板の製造方法を工程順に示す断面図である。 従来例を示す図１に対応する断面図である。

符号の説明

１１ ＳＯＩ基板
１２ シリコン基板
１２ａ ＳＯＩ領域となる基板表面
１２ｂ バルク領域となる基板表面
１２ｃ 凹部
１３ 埋込み酸化膜
１６ 酸素イオン
１９ マスク酸化膜
２４ 保護膜

Claims (6)

1. シリコン基板(12)の表面に部分的にマスク酸化膜(19)を形成する工程と、前記マスク酸化膜(19)を介して前記基板(12)の表面に酸素イオン(16)を注入する工程と、前記基板(12)をアニール処理して前記基板(12)の内部に埋込み酸化膜(13)を形成する工程とを含むＳＯＩ基板の製造方法において、
   前記マスク酸化膜(19)を形成する工程と前記酸素イオン(16)を注入する工程の間に、前記マスク酸化膜(19)の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面(12a)に、前記マスク酸化膜(19)の形成されたバルク領域となる基板表面(12b)より深い所定の深さの凹部(12c)を形成する工程を含むことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 凹部(12c)の深さが埋込み酸化膜(13)の厚さの３０〜８０％である請求項１記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. ＳＯＩ領域となる基板表面(12a)に凹部(12c)をＳｉエッチング法により形成する請求項１記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 凹部(12c)を形成する工程と酸素イオン(16)を注入する工程との間に、ＣＶＤ法により形成される保護膜(24)にて前記凹部(12c)を埋める工程を含む請求項１記載のＳＯＩ基板の製造方法。
5. Ｓｉエッチング法がドライエッチング法である請求項３記載のＳＯＩ基板の製造方法。
6. ＣＶＤ法により形成される保護膜(24)が酸化膜である請求項４記載のＳＯＩ基板の製造方法。

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