JP2007227424A - Simoxウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコンウェーハ11内部に第1イオン注入層12を形成する工程と、アモルファス状態の第2イオン注入層13を形成する工程と、ウェーハを酸素含有雰囲気中1300℃以上シリコン融点未満の温度に保持し第1及び第2イオン注入層をBOX層14とする高温熱処理工程とを含むSIMOXウェーハの製造方法において、第1イオン注入層のドーズ量が1.25〜1.5×1017atoms/cm2、第2イオン注入層のドーズ量が1.0×1014〜1×1016atoms/cm2、第2イオン注入層を形成する工程の前にウェーハを50℃以上200℃未満の温度に予備加熱する工程を更に含み、引続き予備加熱温度に加熱した状態で第2イオン注入層を形成することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
開発当初のSIMOXウェーハの製造方法は高ドーズ技術によるものであった。この高ドーズSIMOXウェーハの製造方法は、シリコンウェーハに酸素原子を約200keVの注入エネルギで約2×1018atoms/cm2の割合で注入し、イオン注入したままの状態(アズ・インプラ)で、ウェーハ内部にBOX層を形成した後、高温のアニール処理を行うものである。このアニール処理によりSOI層に発生した結晶欠陥を回復でき、BOX層を改質できる。
しかし、この高ドーズ技術により得られたSIMOXウェーハは酸素イオンドーズ量が多いため、SOI層に貫通転位が多く発生し、またイオン注入時間が長く製造効率が悪いなどの問題があった。この貫通転位はデバイスを作製したときに、リーク電流やヘテロ界面の劣化をもたらし、デバイス性能の向上や機能性の発現を阻害するおそれがある。
しかし、この低ドーズ技術により得られたSIMOXウェーハは、酸素イオンドーズ量が少ないため、BOX層の膜厚が薄くなり、BOX層の信頼性が問題となっていた。また、形成されるBOX層の膜厚が薄い場合、イオン注入時にシリコンウェーハ表面にパーティクルが付着すると、このパーティクルがマスクとなってシリコンウェーハ内に形成されたイオン注入層に注入不能部分が生じ易い。イオン注入層はアニール処理によりBOX層となるが、イオン注入不能部分はBOX層の結晶欠陥の1種であるピンホールとなって電気絶縁性を低下させる。このピンホール密度の割合が高ドーズSIMOXウェーハと比べ高いなどの問題があった。
特許文献1に示される方法では、先ずシリコンウェーハの表面から、酸素原子を約180keVの注入エネルギで、約0.4×1018atoms/cm2の割合で注入する。次いでイオン注入層が形成されたウェーハを濃度1.0%未満の酸素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール処理してイオン注入層をBOX層とした後、更にこのウェーハを濃度1%超の高濃度の酸素を含む雰囲気中で、高温熱処理する。ウェーハを高温熱処理することにより、雰囲気中の高濃度の酸素がウェーハ表裏面からウェーハ内部に入り込んで拡散する。この酸素がBOX層界面部にSiO2として滞留し積層することで、BOX層が成長しBOX層の厚膜化を行うことができる。このITOX技術により得られたSIMOXウェーハは、SiO2がBOX層界面部に積層することで、BOX層に発生していたピンホールを補修し、ピンホール密度を低減できる。また、BOX層とシリコンウェーハの界面のラフネスを改善することができる。その結果、デバイスの電気的特性を均質化できる。
しかし、このITOX技術による製造方法でも、酸素イオンドーズ量が約0.4×1018atoms/cm2と多いためイオン注入時間が長く、また、アニール処理に加え高温酸化処理が必要となるため、製造効率が悪く、生産性が低下するという問題があった。
特許文献2に示される方法は、イオン注入を2回に分けて、各回異なる温度のウェーハに酸素原子を注入することで、ウェーハ内に高濃度の酸素層とアモルファス層という状態の異なる2つのイオン注入層を形成した後に、このウェーハを混合ガス雰囲気中で高温酸化処理するものである。
本発明の目的は、膜厚の薄いBOX層を有するMLD−SIMOXウェーハの製造方法を提供することにある。
この請求項1に記載されたSIMOXウェーハの製造方法では、第1イオン注入層12を形成する酸素イオンドーズ量を1.25〜1.5×1017atoms/cm2の少量のドーズ量とし、更に第2イオン注入層13を形成する酸素イオンドーズ量を1.0×1014〜1.0×1016atoms/cm2の少量のドーズ量とし、第2イオン注入層13を形成する工程の前に、ウェーハ11を50℃以上200℃未満の温度に保持する予備加熱工程を含むことにより、膜厚の薄いBOX層を有するSIMOXウェーハを製造することができる。
本発明のSIMOXウェーハの製造方法は、図1(a)〜図1(d)に示すように、ロット内の複数のシリコンウェーハ11表面から1回目の酸素イオンを注入して各ウェーハ11内部に第1イオン注入層12を形成する工程と、これらウェーハ11を50〜200℃未満の温度に所定の時間保持する予備加熱工程と、これらウェーハ11表面から2回目の酸素イオンを注入してウェーハ11表面側の第1イオン注入層12に連続してアモルファス状態の第2イオン注入層13を形成する工程と、それらのウェーハ11を酸素含有雰囲気中で熱処理を施して第1及び第2イオン注入層12,13をBOX層14とする高温熱処理工程とを含む。本発明の製造方法は複数枚のウェーハを1ロットとして製造することが好適である。
<第1イオン注入層形成工程>
第1イオン注入層形成工程では、先ず図1(a)及び図1(b)に示すように、シリコンウェーハ11表面から酸素イオンを注入してウェーハ11内部に第1イオン注入層12を形成する。図1(a)に示すシリコンウェーハ11はチョクラルスキー法で製造されることが好適である。
第1イオン注入層12の形成は、シリコンウェーハ11をイオン注入装置(図示せず)に収容し、図3の(a)領域に示すように、装置内を200〜600℃、好ましくは300〜500℃の温度に加熱した状態でウェーハ11表面から所定の深さd1に酸素濃度のピークを有するように、ウェーハ11表面から酸素イオンをビームの照射により注入することで行われる。上記装置内雰囲気は真空状態である。200〜600℃に加熱することで、ウェーハ11表面が単結晶シリコンの状態を維持したままイオンを注入でき、イオン注入によるダメージが回復されながら高濃度の酸素層である第1イオン注入層12ができる。200℃未満ではイオン注入によるダメージが回復されないため第1イオン注入層にダメージが残り、600℃を越えると脱ガス量が多いため、装置内の真空度が低下するという不具合が発生する。
ピーク深さd1はウェーハ11表面から0.2〜0.5μm、好ましくは0.3〜0.45μmに酸素濃度のピークを有するように酸素イオンをビーム照射する。これを達成するために、注入エネルギを100〜200keV、好ましくは120〜180keVに設定する。注入エネルギを100〜200keVに限定したのは、100keV未満ではイオンの打ち込みが浅く、高温熱処理時にBOX層がウェーハ表面まで形成されてSOI層が消失してしまうからである。200keVを越えると、酸素イオンがウェーハ表面から深く入り過ぎ、高温熱処理時にウェーハ内部に入込んで拡散してきた酸素が第1イオン注入層に到達し難く、高品質のBOX層を形成することができないからである。
なお、第1イオン注入層形成工程を終えた後は、第1イオン注入層12が形成された各ウェーハ11を冷却する。続いて冷却した装置内から複数のウェーハを1枚ずつ順番に取出し、洗浄、乾燥した後、再び装置内へ1枚ずつ順番に収容して、後に続く予備加熱工程に供される。
予備加熱工程は、図3の(b)領域に示すように、第1イオン注入層12を形成したウェーハ11を、イオン注入装置に収容し、ランプヒータにより50℃以上200℃未満、好ましくは100〜150℃に加熱するものである。上記装置内雰囲気は真空状態である。
上記予備加熱温度を50℃以上200℃未満に限定したのは、50℃未満ではアモルファス層が厚くなるためBOX層が厚くなり、200℃以上ではアモルファス層を形成できないため連続なBOX層を形成できないという不具合がある。
第2イオン注入層形成工程では、図1(c)に示すようにウェーハ11表面から2回目の酸素イオンを注入してウェーハ11表面側の第1イオン注入層12に連続してアモルファス状態の第2イオン注入層13を形成する。
第2イオン注入層12の形成は、予備加熱が施されたウェーハ11に対し、予備加熱温度に加熱した状態を保ったままウェーハ11表面から所定の深さd2にダメージのピークを有するように、ウェーハ11表面から酸素イオンをビームの照射により注入することで行われる。上記装置内雰囲気は真空状態である。
ここでの酸素イオンのドーズ量は1.0×1014〜1.0×1016atoms/cm2、好ましくは1.0×1015〜1.0×1016atoms/cm2である。酸素イオンのドーズ量を1.0×1014〜1.0×1016atoms/cm2に限定したのは、1.0×1014atoms/cm2未満ではアモルファス層を形成できないため連続なBOX層を形成できないという不具合が生じ、1.0×1016atoms/cm2を越えるとアモルファス層が厚くなるためBOX層が厚くなるという不具合が生じるからである。
これを達成するために、注入エネルギを100〜200keV、好ましくは120〜180keVに設定する。また前述した第1イオン注入層12を形成する工程における注入エネルギから上記第2イオン注入層13を形成する工程における注入エネルギを差引いた値を0〜50keV、好ましくは0〜20keVとする。ここで注入エネルギを100〜200keVに限定したのは、100keV未満ではイオンの打ち込みが浅く、高温熱処理時にBOX層がウェーハ表面まで形成されてSOI層が消失してしまうからである。200keVを越えると、酸素イオンがウェーハ表面から深く入り過ぎ、高温熱処理時にウェーハ内部に入込んで拡散してきた酸素が第2イオン注入層に到達し難く、高品質のBOX層を形成することができないからである。また差引いた値を0〜50keVに限定したのは、50keVを越えるとウェーハ表面に対し平行な面方向に連続するBOX層を形成し難いという不具合が発生するからである。差引いた値を0〜50keVに限定することで、酸素濃度ピーク深さd1をウェーハ11表面から0.2〜0.5μm、ダメージのピーク深さd2をウェーハ11表面から0.2〜0.4μmとすることができる。
なお、第2イオン注入層形成工程を終えた後は、第1及び第2イオン注入層12,13が形成された複数のウェーハを1枚ずつ順番に取出し、洗浄、乾燥した後、熱処理炉内へ1枚ずつ順番に収容して、後に続く高温熱処理工程に供される。
高温熱処理工程は、図1(d)に示すように、酸素含有雰囲気中でウェーハ11に高温熱処理を施して、第1及び第2イオン注入層12、13をBOX層14とするものである。
高温熱処理によるBOX層14の形成は、第1及び第2イオン注入層12,13を形成したウェーハ11が収容されているイオン注入装置からウェーハ11を取出し、取出したウェーハ11に洗浄等を行った後、熱処理炉内に収容し、図3の(d)領域に示すように、この炉内を1300℃以上シリコン融点未満、好ましくは1320〜1350℃まで昇温し、この温度を維持した状態でウェーハ11を6〜36時間、好ましくは12〜24時間保持し、その後室温まで冷却することで行われる。
形成するBOX層14は、図示しないが、下部の第1BOX層と上部の第2BOX層からなる。昇温を始めると、高濃度の酸素層である第1イオン注入層12の下部から酸素析出物が現れ、第1BOX層へと変性しはじめる。また、アモルファスの第2イオン注入層13が高密度結晶欠陥層(図示せず)に変わり始める。酸素含有雰囲気下での高温保持中、酸素含有雰囲気中の酸素が高密度結晶欠陥層に集まって析出することにより、高密度結晶欠陥層が第1BOX層に連続する第2BOX層へと変わる。
ここで上記炉内温度を1300℃以上シリコン融点未満の範囲に限定したのは、1300℃未満では酸素析出物の溶融及び結合が不十分で、高品質のBOX層を形成することができないという不具合が生じるからである。
また上記保持時間を6〜36時間に限定したのは、6時間未満では、酸素析出物の溶融及び結合が不十分で高品質のBOX層を形成することができないという不具合が生じ、36時間を越えると製造効率が悪くなり生産性が低下するという不具合が生じるからである。
<実施例1>
図1に示すように、直径が300mmであり、結晶方位が<100>であり、抵抗率が10〜20ΩcmであるP型シリコンウェーハからなるシリコンウェーハ11を準備した。まず、各ウェーハ11を1枚ずつ順番にイオン注入装置に収容後、装置内を真空状態にして装置内温度を400℃に加熱した。続いてウェーハ11表面から注入エネルギ180keV、酸素イオン(O2 +)1.25×1017atoms/cm2のドーズ量でイオン注入し、各ウェーハ11の内部にウェーハ11表面から深さ0.45μmの位置にピークを有する第1イオン注入層12を形成した。その後装置内温度を冷却した。
次いで、ウェーハ11を装置内から1枚ずつ順番に取出して洗浄した。洗浄した各ウェーハ11を乾燥した後、再び装置内へ順番に収容した。続いて、装置内温度を室温から50℃まで予備加熱し、この温度を維持した状態でウェーハ11表面から注入エネルギ160keV、酸素イオン(O2 +)1.0×1016atoms/cm2のドーズ量でイオン注入し、ウェーハ11表面側の第1イオン注入層12に一部重複する形でウェーハ11表面から深さ0.3μmの位置にピークを有する第2イオン注入層13を形成した。その後、装置内温度を冷却した。
次に、ウェーハ11を1枚ずつ順番に装置内から取出して洗浄した。洗浄した各ウェーハ11を乾燥した後、縦型炉へ順番に収容した。続いて、炉内温度を1350℃に加熱した。また、マスフローにより、炉内雰囲気を酸素50容積%及びアルゴン50容積%となるように制御して酸化性雰囲気とした。
この酸化性雰囲気下で炉内温度を1350℃に維持したまま各ウェーハ11を12時間保持した。これによりBOX層14を有するSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を実施例1とした。
第1イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を1.5×1017atoms/cm2としたことを除き、実施例1と同様にしてSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を実施例2とした。
<比較例1>
第1イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を1.0×1017atoms/cm2としたことを除き、実施例1と同様にしてSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を比較例1とした。
<比較例2>
第1イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を1.75×1017atoms/cm2としたことを除き、実施例1と同様にしてSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を比較例2とした。
<比較例3>
第1イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を2.0×1017atoms/cm2としたことを除き、実施例1と同様にしてSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を比較例3とした。
<比較例4>
第1イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を2.25×1017atoms/cm2としたことを除き、実施例1と同様にしてSIMOXウェーハ10を得た。このSIMOXウェーハ10を比較例4とした。
予備加熱温度を100℃としたことを除き、実施例1〜実施例2と同様にしてSIMOXウェーハ10をそれぞれ得た。このウェーハ10を実施例3〜実施例4とした。
<比較例5〜比較例8>
予備加熱温度を100℃としたことを除き、比較例1〜比較例4と同様にしてSIMOXウェーハ10をそれぞれ得た。このSIMOXウェーハ10を比較例5〜比較例8とした。
<実施例5〜実施例6>
予備加熱温度を150℃としたことを除き、実施例1〜実施例2と同様にしてSIMOXウェーハ10をそれぞれ得た。このウェーハ10を実施例5〜実施例6とした。
<比較例9〜比較例12>
予備加熱温度を150℃としたことを除き、比較例1〜比較例4と同様にしてSIMOXウェーハ10をそれぞれ得た。このSIMOXウェーハ10を比較例9〜比較例12とした。
実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例12のSIMOXウェーハのSOI層及びBOX層の厚さを分光エリプソメータを用いて計測した。また、SOI層表面の平方根平均ラフネス(Rms:Root mean square roughness)をAFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)により観察した。また、各SIMOXウェーハのSOI層を除去してSOI層とBOX層の界面ラフネスRmsをAFMにより観察した。更に、BOX層の絶縁耐圧特性を絶縁耐圧試験装置を用いて評価した。これらの結果を図5〜図7にそれぞれ示す。なお、BOX層が形成されなかったウェーハについては図5〜図7には結果を反映していない。
BOX層の成長は、小さな酸素析出物がより大きな酸素析出物に集まって吸収され消滅することであり、これをオストワルト成長という。第1イオン注入層を形成するための第1イオンドーズ量が多いとき、第1BOX層を構成する酸素析出物がメインとなって第2BOX層を構成する酸素析出物を吸収することでBOX層が成長する。逆に第1イオンドーズ量が少ないとき、第2BOX層を構成する酸素析出物がメインとなって第1BOX層を構成する酸素析出物を吸収してBOX層が成長する。メインとサブが定まる場合、オストワルト成長は順調に進行する。
しかし、第1イオンドーズ量が1.75×1017atoms/cm2前後である場合、第1及び第2BOX層の酸素析出物の大きさが略等しくなり両者が拮抗することで、BOX層形成のメインとサブが定まらず、オストワルト成長が順調に進行しない。このためBOX層内部にうねりができ、BOX層とSOI層の界面ラフネスが大きくなる。またSOI層表面にこのうねりが波及するため、表面ラフネスも大きくなる。
また、ドーズ量が2.0×1017atoms/cm2を越えると、第1BOX層を構成する酸素析出物が第2BOX注入層を構成する酸素析出物を吸収し、オストワルト成長が順調に進行する。このため、ラフネスは小さくなる。しかし、イオンドーズ量が増加するために膜厚の薄いBOX層を得られない。
一方、ドーズ量が1.25×1017atoms/cm2未満では、ドーズ量が少ないため、ウェーハ11表面に対し平行な面方向に連続するBOX層を得ることができなくなる。
図7(a)及び図7(b)から明らかなように、第1イオンドーズ量が多いほど、SOI層の厚さ及びBOX層の厚さがともに厚くなる傾向を示した。また、予備加熱温度が高くなるほど、SOI層の厚さ及びBOX層の厚さがともに薄くなる傾向がみられた。
上記実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例12の結果から、SOI層表面ラフネス及びBOX層とSOI層の界面ラフネスを低減することができ、かつ、BOX層の絶縁耐圧特性も向上し得る膜厚の薄いBOX層を有するMLD−SIMOXウェーハを得られることが判った。このうちイオンドーズ量が1.25〜1.5×1017atoms/cm2と少量かつ予備加熱温度が100〜150℃と高いとき、特にBOX層の膜厚が薄く、ラフネスの小さい、良好なSIMOXウェーハが得られることが判った。
11 シリコンウェーハ
12 第1イオン注入層
13 第2イオン注入層
14 BOX層
Claims (1)
- シリコンウェーハ(11)を200〜600℃に加熱した状態で、前記ウェーハ(11)表面から酸素イオンを注入して前記ウェーハ(11)表面から深さd1の位置に酸素濃度のピークを有する第1イオン注入層(12)を形成する工程と、
前記第1イオン注入層(12)を形成したウェーハ(11)の表面から酸素イオンを注入して前記ピーク深さd1よりも浅い、前記ウェーハ(11)表面から深さd2の位置にダメージのピークを有し、かつ前記第1イオン注入層(12)のウェーハ(11)表面側の面に連続するようにアモルファス状態の第2イオン注入層(13)を形成する工程と、
前記ウェーハ(11)を酸素含有雰囲気中、1300℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第1及び第2イオン注入層(12,13)をBOX層(14)とする高温熱処理工程と
をこの順に含むSIMOXウェーハの製造方法において、
前記第1イオン注入層(12)を形成する酸素イオンドーズ量が1.25〜1.5×1017atoms/cm2であり、前記第2イオン注入層(13)を形成する酸素イオンドーズ量が1.0×1014〜1.0×1016atoms/cm2であって、前記第2イオン注入層(13)を形成する工程の前に前記ウェーハ(11)を50℃以上200℃未満の温度に予備加熱する工程を更に含み、引続き前記予備加熱温度に加熱した状態で第2イオン注入層(13)を形成することを特徴とするSIMOXウェーハの製造方法。
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