JP2007281120A - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法及び該方法により得られたｓｉｍｏｘウェーハ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ低減できるＳＩＭＯＸウェーハを得る。
【解決手段】シリコンウェーハ１１内部に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２を形成する工程とアモルファスの第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することにより第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層１５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イオン注入層形成工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層形成工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とすることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】シリコンウェーハ１１内部に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２を形成する工程とアモルファスの第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することにより第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層１５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イオン注入層形成工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層形成工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とすることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、シリコン単結晶本体に酸化膜を介して単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ(Silicon On Insulater)ウェーハを製造する方法のうち、ＳＩＭＯＸ(Separation by IMplanted OXygen)技術によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及び該方法により得られたＳＩＭＯＸウェーハに関するものである。
従来、ＳＯＩウェーハの製造方法には、２枚のシリコンウェーハを酸化膜を介して貼合せて形成する貼合せ法と、シリコンウェーハ表面から酸素（Ｏ+）イオンを注入して、ウェーハ内部の所定の深さの領域に高濃度の酸素を含んだ単結晶のイオン注入層を形成し、このウェーハに熱処理を施してイオン注入層を埋込み酸化膜（Buried OXide：以下、ＢＯＸ層という。）とするＳＩＭＯＸ法が知られている。ＳＩＭＯＸ法により作製されるＳＯＩウェーハは特にＳＩＭＯＸウェーハとよばれる。
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等の問題があった。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等の問題があった。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。
そこで、ＳＯＩ層に発生する貫通転位の低減及びイオン注入時間の短縮化をはかるために、低ドーズ技術が開発された。この低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、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３．５×１０17〜４．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入した後、高温熱処理を行うことでシリコンウェーハの表面に対し平行する面方向に連続してＢＯＸ層を形成するものである。ウェーハ表面に対し平行な面方向に連続するＢＯＸ層の形成は、注入エネルギが１８０ｋｅＶの場合、ドーズ量が３．５×１０17〜４．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合に限り可能である。このドーズ量の幅の範囲はドーズ・ウィンドウとよばれる。この低ドーズ技術により得られたＳＩＭＯＸウェーハは、ＳＯＩ層の貫通転位密度を低減でき、注入時間の短縮化による製造効率を向上させることができる。
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部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等の問題があった。
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部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等の問題があった。
そこで、ＢＯＸ層におけるピンホールの発生を抑制するために、ＩＴＯＸ(Internal Thermal OXidation)技術とよばれる、イオン注入されたシリコンウェーハにアニール処理を行った後、更に高温酸素雰囲気中で酸化処理を施すＳＯＩ基板の製造方法及びＳＯＩ基板が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
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、約１８０ｋｅＶの注入エネルギで、酸素イオンを約４×１０17ａｔｏｍｓ／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％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、高温酸化処理する。ウェーハを高温酸化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４×１０17ａｔｏｍｓ／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、約１８０ｋｅＶの注入エネルギで、酸素イオンを約４×１０17ａｔｏｍｓ／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％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、高温酸化処理する。ウェーハを高温酸化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４×１０17ａｔｏｍｓ／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。
そこで、イオン注入時間を短縮するために、ＭＬＤ(Modified Low Dose)技術とよばれる、アモルファス（非晶質）の層を含む２つのイオン注入層が形成されたウェーハに酸化処理を施すＳＯＩウェーハの製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に示される方法は、イオン注入を２回に分け、それぞれ温度を変えてウェーハに酸素イオンを注入することで、ウェーハ内部に高濃度の酸素を含んだ単結晶の層とアモルファスの層という、結晶状態が異なる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。
特許文献２に示される方法は、イオン注入を２回に分け、それぞれ温度を変えてウェーハに酸素イオンを注入することで、ウェーハ内部に高濃度の酸素を含んだ単結晶の層とアモルファスの層という、結晶状態が異なる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。
具体的には、先ずシリコンウェーハを加熱した状態で、酸素イオンを１８５ｋｅＶの注入エネルギで２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入し、ウェーハ内部に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層を形成する。次にこのウェーハを冷却した状態で、酸素イオンを１８５ｋｅＶの注入エネルギで３×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入し、第１イオン注入層のウェーハ表面側の面に連続するようにアモルファスの第２イオン注入層を形成する。第２イオン注入層の下部が高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層の上部と重複することで、アモルファスの第２イオン注入層内部に高濃度の酸素が含まれる。更にこのウェーハを０．５〜５％の酸素を含むアルゴン等の不活性雰囲気中で昇温した後、アルゴン等を含む５〜１００％の酸素含有雰囲気中で高温に保持する。この酸素含有雰囲気中での高温保持により第１イオン注入層はＢＯＸ層となる。
一方、昇温時に第２イオン注入層は、そのアモルファスのイオン注入層内部に高濃度の酸素を含むため再結晶化が順調に進まず、多結晶、双晶、又は積層欠陥からなる高密度欠陥層となる。この欠陥層が形成された領域は酸素が析出し易いという性質をもつため、昇温後の一定温度による保持中に酸素含有雰囲気中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ウェーハ内部で拡散して、この高密度欠陥層に集まりＳｉＯ2として析出する。このように内部にＳｉＯ2が析出した高密度欠陥層がＢＯＸ層となる。このため、２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2と少量のイオンドーズ量で、その２倍の量を注入したときと同じ厚さのＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハを得ることができる。
特開平７−２６３５３８号公報（請求項１、請求項６、段落［０００９］、［００１０］、［００２５］、［００２６］、図１）
米国特許第５９３０６４３号公報明細書（クレーム１、明細書１ページ右欄第２カラム５行目〜４３行目、Ｆｉｇ．１（ａ））
一方、昇温時に第２イオン注入層は、そのアモルファスのイオン注入層内部に高濃度の酸素を含むため再結晶化が順調に進まず、多結晶、双晶、又は積層欠陥からなる高密度欠陥層となる。この欠陥層が形成された領域は酸素が析出し易いという性質をもつため、昇温後の一定温度による保持中に酸素含有雰囲気中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ウェーハ内部で拡散して、この高密度欠陥層に集まりＳｉＯ2として析出する。このように内部にＳｉＯ2が析出した高密度欠陥層がＢＯＸ層となる。このため、２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2と少量のイオンドーズ量で、その２倍の量を注入したときと同じ厚さのＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハを得ることができる。
しかし、上記特許文献２に示される製造方法により得られたＳＩＭＯＸウェーハでは、ＳＯＩ層表面のラフネス及びＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面のラフネスがシリコンウェーハの表面ラフネスと比べて大きくなってしまうため、シリコンウェーハ表面では測定できる大きさのパーティクルをＳＩＭＯＸウェーハ表面では測定することができないという問題があった。
本発明の目的はＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ低減できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及び該方法により得られたＳＩＭＯＸウェーハを提供することにある。
本発明の目的はＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ低減できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及び該方法により得られたＳＩＭＯＸウェーハ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、シリコンウェーハ１１を２００〜６００℃に加熱した状態で、ウェーハ１１表面から第１ドーズ量の酸素イオンを第１注入エネルギにより注入してウェーハ１１表面から第１深さの位置に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２を形成する工程と、第１イオン注入層１２を形成したウェーハ１１を加熱温度より低い温度である室温から２００℃に冷却した状態でウェーハ１１の表面から第２ドーズ量の酸素イオンを第２注入エネルギにより注入して第１深さよりも浅い、ウェーハ１１表面から第２深さの位置に、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の第２イオン注入層１３を形成する工程と、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６〜３６時間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１５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の改良である。
その特徴ある構成は、第１イオン注入層１２を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするところにある。
その特徴ある構成は、第１イオン注入層１２を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするところにある。
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を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとすることで、ウェーハ１０表面から比較的深い位置に第１イオン注入層１２が形成される。このため、高温熱処理工程において、第１イオン注入層１２から変成した第１ＢＯＸ層１５ａが酸素含有雰囲気中の酸素が寄与する第２ＢＯＸ層１５ｂよりも先に形成され、ＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが小さくなる。この結果、ＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓを低減できる。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、第１イオン注入層１２を形成する工程での酸素イオン注入が、２段〜３段の複数段に分けてイオン注入が行われ、その注入順が高いエネルギから低いエネルギの順であって、複数段の酸素イオン注入における第１注入エネルギの平均値が１６５〜２４０ｋｅＶであることを特徴とする。
この請求項２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を形成する工程での酸素イオン注入を２段〜３段の複数段に分けてイオン注入を行うことで、イオン注入領域内部において酸素析出物が分散析出する確率が高くなり、シリコンが取り残される確率も低くなるため、シリコン島の発生を低減することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、第２イオン注入層１３を形成する工程での酸素イオン注入が、２段〜３段の複数段に分けてイオン注入が行われ、その注入順が低いエネルギから高いエネルギの順であることを特徴とする。
この請求項３に記載されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法では、第２イオン注入層１３を形成する工程での酸素イオン注入を２段〜３段の複数段に分けてイオン注入を行うことで、アモルファスの第２イオン注入層１３を厚膜化でき、ＢＯＸ層１５を厚膜化できる。
この請求項２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を形成する工程での酸素イオン注入を２段〜３段の複数段に分けてイオン注入を行うことで、イオン注入領域内部において酸素析出物が分散析出する確率が高くなり、シリコンが取り残される確率も低くなるため、シリコン島の発生を低減することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、第２イオン注入層１３を形成する工程での酸素イオン注入が、２段〜３段の複数段に分けてイオン注入が行われ、その注入順が低いエネルギから高いエネルギの順であることを特徴とする。
この請求項３に記載されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法では、第２イオン注入層１３を形成する工程での酸素イオン注入を２段〜３段の複数段に分けてイオン注入を行うことで、アモルファスの第２イオン注入層１３を厚膜化でき、ＢＯＸ層１５を厚膜化できる。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２注入エネルギが、第１イオン注入層１２を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギであって、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が１０〜３０ｋｅＶであることを特徴とする。
この請求項４に記載されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法では、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２注入エネルギを、第１イオン注入層１２を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギとし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を１０〜３０ｋｅＶとすることで、ＢＯＸ層１５形成領域の幅が広くなるために、酸素析出物密度が低下し、ＢＯＸ層１５内部にシリコン島が発生するのを低減できる。
請求項５に係る発明は、図１に示すように、上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法で製造されたＳＩＭＯＸウェーハである。
この請求項５に記載されたＳＩＭＯＸウェーハはＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓがそれぞれ４Å以下であり、かつＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性が７ＭＶ／ｃｍ以上である。
この請求項４に記載されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法では、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２注入エネルギを、第１イオン注入層１２を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギとし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を１０〜３０ｋｅＶとすることで、ＢＯＸ層１５形成領域の幅が広くなるために、酸素析出物密度が低下し、ＢＯＸ層１５内部にシリコン島が発生するのを低減できる。
請求項５に係る発明は、図１に示すように、上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法で製造されたＳＩＭＯＸウェーハである。
この請求項５に記載されたＳＩＭＯＸウェーハはＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓがそれぞれ４Å以下であり、かつＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性が７ＭＶ／ｃｍ以上である。
以上述べたように、本発明の製造方法によれば第１イオン注入層を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層１３を形成する工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたので、ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ低減できる。
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。
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、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ウェーハ１１内部に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２を形成する工程と、このウェーハ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の第２イオン注入層１３を形成する工程と、そのウェーハ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１５とする高温熱処理工程とを含む。
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、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ウェーハ１１内部に高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２を形成する工程と、このウェーハ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の第２イオン注入層１３を形成する工程と、そのウェーハ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１５とする高温熱処理工程とを含む。
以下本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を各工程別に説明する。
＜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内部に高濃度の酸素を含んだ第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。
１段注入による第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、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表面から第１深さの位置にピークを有するように、ウェーハ１１表面から第１ドーズ量の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を含んだ第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ウェーハ１１表面にダメージが残り、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。
＜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内部に高濃度の酸素を含んだ第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。
１段注入による第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、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表面から第１深さの位置にピークを有するように、ウェーハ１１表面から第１ドーズ量の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を含んだ第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ウェーハ１１表面にダメージが残り、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。
上記酸素イオンの第１ドーズ量は２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは２．３×１０17〜２．７×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2に限定したのは、２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満ではラフネスが大きくなるという不具合が生じ、３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えると、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性が劣化するという不具合が生じるからである。
またウェーハ１１表面から４００〜６００ｎｍ、好ましくは４５０〜５５０ｎｍを目標として第１深さにイオン注入のピークを有する第１イオン注入層１２をウェーハ１１表面に平行に形成する。これを達成するために、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶ、好ましくは１７５〜２２０ｋｅＶに設定する。第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶに設定したのは、１６５ｋｅＶ未満では、ＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面及びＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが増加してしまうからである。また２４０ｋｅＶを越えると以下の２つの不具合が生じるからである。第一には特殊なイオン注入装置が必要になるからであり、第二には酸素イオンがウェーハ１１表面から深く入り過ぎ、 所望の膜厚のＳＯＩ層１６を形成するためには、非常に長時間の高温酸化処理が必要になるからである。
またウェーハ１１表面から４００〜６００ｎｍ、好ましくは４５０〜５５０ｎｍを目標として第１深さにイオン注入のピークを有する第１イオン注入層１２をウェーハ１１表面に平行に形成する。これを達成するために、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶ、好ましくは１７５〜２２０ｋｅＶに設定する。第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶに設定したのは、１６５ｋｅＶ未満では、ＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面及びＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが増加してしまうからである。また２４０ｋｅＶを越えると以下の２つの不具合が生じるからである。第一には特殊なイオン注入装置が必要になるからであり、第二には酸素イオンがウェーハ１１表面から深く入り過ぎ、 所望の膜厚のＳＯＩ層１６を形成するためには、非常に長時間の高温酸化処理が必要になるからである。
なお、図３に示すように、この１段注入による第１イオン注入層１２のピーク周辺部は幅が狭く、後の高温熱処理時に酸素析出物が析出する酸素析出物密度が高く、裾野帯は幅が広く、後の高温熱処理時に酸素析出物が析出する酸素析出物密度が低い（イオン注入ａ）。酸素析出物密度のばらつきにより、第１イオン注入層１２内部で酸素析出物が分散析出する。酸素析出物密度が高いとシリコンが取り残される。この結果イオン注入領域内部にシリコンが点在することで第１ＢＯＸ層１５ａにシリコン島が多く発生するという問題がある。このため、この第１イオン注入層形成工程では、酸素イオン注入を１段注入ではなく、２段〜３段の複数段、好ましくは２段に分けて行ってもよい。この場合、第１注入エネルギの平均値を１６５〜２４０ｋｅＶとする。注入順は高いエネルギから低いエネルギの順が好ましい。その理由は、注入の後半に導入されたダメージは残存するので、下記する第２注入エネルギの値を第１注入エネルギの値よりも相対的に小さくする効果と同様の効果が得られるからである。
具体的には例えば、２段注入により第１イオン注入層１２の形成を行うものとし、１段目の注入エネルギを１８４ｋｅＶとし（イオン注入ｂ1）、続いて２段目の注入エネルギを１７６ｋｅＶとして（イオン注入ｂ2）、ウェーハ１１表面から各段ごとの第１ドーズ量の酸素イオンをビームの照射により注入する。
上記１段目の酸素イオンの第１ドーズ量は１．０×１０17〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１．１５×１０17〜１．３５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。上記２段目の酸素イオンの第１ドーズ量は１．０×１０17〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１．１５×１０17〜１．３５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。イオン注入ｂ１とイオン注入ｂ２を合算した第１ドーズ量は、イオン注入ａの第１ドーズ量に等しい。この２段注入のイオン注入ｂ1とイオン注入ｂ2が融合し、１８４ｋｅＶと１７６ｋｅＶの平均値である１８０ｋｅＶの注入エネルギでイオン注入した場合と同じ第１深さに、ピークを有する第１イオン注入層１２が形成される（イオン注入ｂ）。
この２段注入による第１イオン注入層１２のピーク周辺部はイオン注入ａよりも幅が広く、酸素析出物密度が低い。このため、第１イオン注入層１２内部にシリコンが取り残されにくいため、シリコン島の発生を低減することができる。
上記１段目の酸素イオンの第１ドーズ量は１．０×１０17〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１．１５×１０17〜１．３５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。上記２段目の酸素イオンの第１ドーズ量は１．０×１０17〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１．１５×１０17〜１．３５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。イオン注入ｂ１とイオン注入ｂ２を合算した第１ドーズ量は、イオン注入ａの第１ドーズ量に等しい。この２段注入のイオン注入ｂ1とイオン注入ｂ2が融合し、１８４ｋｅＶと１７６ｋｅＶの平均値である１８０ｋｅＶの注入エネルギでイオン注入した場合と同じ第１深さに、ピークを有する第１イオン注入層１２が形成される（イオン注入ｂ）。
この２段注入による第１イオン注入層１２のピーク周辺部はイオン注入ａよりも幅が広く、酸素析出物密度が低い。このため、第１イオン注入層１２内部にシリコンが取り残されにくいため、シリコン島の発生を低減することができる。
更に第１イオン注入層形成工程における酸素イオン注入を２段〜３段の複数段で行う場合、１段目のエネルギから２段目のエネルギを差引いた値を１２ｋｅＶ以内、好ましくは８ｋｅＶ以内に設定する。１段目のエネルギが後段のエネルギよりも大きいほうが、ＢＯＸ層１５を厚膜化でき、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性を向上できる。
なお、１段又は複数段によりイオン注入を行って第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が形成されたウェーハ１１を加熱温度よりも低い温度である室温から２００℃まで冷却する。続いて冷却した装置内からウェーハを取出し、洗浄、乾燥した後、再び装置内へ収容して、後に続く第２イオン注入層形成工程に供される。
なお、１段又は複数段によりイオン注入を行って第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が形成されたウェーハ１１を加熱温度よりも低い温度である室温から２００℃まで冷却する。続いて冷却した装置内からウェーハを取出し、洗浄、乾燥した後、再び装置内へ収容して、後に続く第２イオン注入層形成工程に供される。
＜第２イオン注入層形成工程＞
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表面側の高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２に連続してアモルファスの第２イオン注入層１３を形成する。第２イオン注入層１３は第１イオン注入層１２の上部と重複することで、内部に高濃度の酸素を含むアモルファスの層である。
第２イオン注入層１３の形成は、第１深さよりも浅い、ウェーハ１１表面から第２深さの位置に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。
上記酸素イオンの第２ドーズ量は１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１×１０15〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2に限定したのは、１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満ではアモルファス状態の第２イオン注入層１３が形成されないという不具合が生じ、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えるとビームの照射時間が長くなるためウェーハ１１の温度が上昇し過ぎるという不具合が生じるからである。
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表面側の高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２に連続してアモルファスの第２イオン注入層１３を形成する。第２イオン注入層１３は第１イオン注入層１２の上部と重複することで、内部に高濃度の酸素を含むアモルファスの層である。
第２イオン注入層１３の形成は、第１深さよりも浅い、ウェーハ１１表面から第２深さの位置に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。
上記酸素イオンの第２ドーズ量は１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１×１０15〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2に限定したのは、１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満ではアモルファス状態の第２イオン注入層１３が形成されないという不具合が生じ、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えるとビームの照射時間が長くなるためウェーハ１１の温度が上昇し過ぎるという不具合が生じるからである。
またウェーハ１１表面から２５０〜５００ｎｍ、好ましくは３００〜４００ｎｍを目標として、第２深さにイオン注入のピークを有し、第１深さにイオン注入のピークを有する第１イオン注入層１２のウェーハ表面側の面に連続するようにアモルファスの第２イオン注入層１３をウェーハ１１表面と平行に形成する。これを達成するために、第２注入エネルギを第１注入エネルギよりも低い１３５〜２３０ｋｅＶ、好ましくは１４５〜２２０ｋｅＶに設定する。
なお、この第２イオン注入層形成工程では、酸素イオン注入を１段注入ではなく、２段〜３段の複数段、好ましくは２段に分けて行ってもよい。この場合、第２注入エネルギの平均値を１３５〜２３０ｋｅＶとする。注入順は低いエネルギから高いエネルギの順が好ましい。その理由は、低いエネルギから高いエネルギの順で注入したほうが、ＢＯＸ層１５を厚膜化でき、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性を向上できるからである。
なお、この第２イオン注入層形成工程では、酸素イオン注入を１段注入ではなく、２段〜３段の複数段、好ましくは２段に分けて行ってもよい。この場合、第２注入エネルギの平均値を１３５〜２３０ｋｅＶとする。注入順は低いエネルギから高いエネルギの順が好ましい。その理由は、低いエネルギから高いエネルギの順で注入したほうが、ＢＯＸ層１５を厚膜化でき、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性を向上できるからである。
第２注入エネルギの値をある一定以上の数値の幅をもって第１注入エネルギの値よりも相対的に小さくしていくことで、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が大きくなり、第１イオン注入層１２と第２イオン注入層１３のピーク間距離が長くなる。このためＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが大きくなり、ＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びウェーハのＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが大きくなってしまうという不具合が生じる。また同様に、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が大きくなると、ＢＯＸ層１５形成領域の幅も広くなる。このため第１及び第２イオン注入層１２、１３内部の酸素析出物密度が低下し、ＢＯＸ層１５内部にシリコン島が発生するのを低減できる。上記２つの理由から、ラフネスを低減しかつＢＯＸ層１５内部にシリコン島が発生するのを低減するために、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を１０〜３０ｋｅＶ、好ましくは１０〜２０ｋｅＶに設定する。
このように第２注入エネルギを第１イオン注入層１２を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギとし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を１０〜３０ｋｅＶとすることで、ＳＩＭＯＸウェーハ１０のＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びウェーハのＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓのそれぞれをより低減でき、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性が向上したＳＩＭＯＸウェーハ１０を得ることができる。
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が形成されたウェーハ１１を装置内から取出し、洗浄、乾燥した後、熱処理炉内に収容して、後に続く高温熱処理工程に供される。
このように第２注入エネルギを第１イオン注入層１２を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギとし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を１０〜３０ｋｅＶとすることで、ＳＩＭＯＸウェーハ１０のＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びウェーハのＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓのそれぞれをより低減でき、ＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性が向上したＳＩＭＯＸウェーハ１０を得ることができる。
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が形成されたウェーハ１１を装置内から取出し、洗浄、乾燥した後、熱処理炉内に収容して、後に続く高温熱処理工程に供される。
＜高温熱処理工程＞
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１５とするものである。形成されるＢＯＸ層１５は図２（ｃ）に示すように、高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２が変成して形成された第１ＢＯＸ層１５ａと、この第１ＢＯＸ層１５ａの上部に形成され、熱処理の酸素含有雰囲気中の酸素がアモルファスの第２イオン注入層１３に寄与することで、第２イオン注入層１３が変成して形成された第２ＢＯＸ層１５ｂから構成されている。
高温熱処理による第１ＢＯＸ層１５ａ及び第２ＢＯＸ層１５ｂ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を熱処理炉内（図示せず）に収容し、この炉内を１３００℃〜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。
上記炉内温度を１３００℃〜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１５を形成することができないからである。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１５を形成することができず、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からである。上記昇温中の炉内雰囲気は、０．５〜５．０容積％、好ましくは０．５〜１．０容積％の酸素を含むアルゴン、窒素（Ｎ2）等の不活性ガスの混合雰囲気である。上記昇温後の炉内雰囲気は、アルゴン又は窒素等の不活性ガスを含む、５〜１００容積％、好ましくは１０〜５０容積％酸素ガスの酸素含有雰囲気である。
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１５とするものである。形成されるＢＯＸ層１５は図２（ｃ）に示すように、高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２が変成して形成された第１ＢＯＸ層１５ａと、この第１ＢＯＸ層１５ａの上部に形成され、熱処理の酸素含有雰囲気中の酸素がアモルファスの第２イオン注入層１３に寄与することで、第２イオン注入層１３が変成して形成された第２ＢＯＸ層１５ｂから構成されている。
高温熱処理による第１ＢＯＸ層１５ａ及び第２ＢＯＸ層１５ｂ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を熱処理炉内（図示せず）に収容し、この炉内を１３００℃〜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。
上記炉内温度を１３００℃〜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１５を形成することができないからである。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１５を形成することができず、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からである。上記昇温中の炉内雰囲気は、０．５〜５．０容積％、好ましくは０．５〜１．０容積％の酸素を含むアルゴン、窒素（Ｎ2）等の不活性ガスの混合雰囲気である。上記昇温後の炉内雰囲気は、アルゴン又は窒素等の不活性ガスを含む、５〜１００容積％、好ましくは１０〜５０容積％酸素ガスの酸素含有雰囲気である。
具体的には、図２（ａ）に示すように、先ず、昇温を始めると、高濃度の酸素を含んだ第１イオン注入層１２の下部から酸素析出物（ＳｉＯ2）が成長し、第１ＢＯＸ層１５ａへと変成しはじめる。一方、アモルファスの第２イオン注入層１３は内部に高濃度の酸素を含むため、再結晶化が順調に進まず、多結晶、双晶、又は酸化誘起積層欠陥を含む高密度欠陥層１４に変わりはじめる。この高密度欠陥層１４が形成された領域は酸素が析出し易いという性質をもつ。次いで、図２（ｂ）に示すように、昇温後の一定温度による保持中、酸素含有雰囲気中の酸素がウェーハ１１表裏面からウェーハ１１内部に入り込んでウェーハ１１内部で拡散し、高密度欠陥層１４に集まってＳｉＯ2として析出する。このようにして、高密度欠陥層１４は第１ＢＯＸ層１５ａに連続する第２ＢＯＸ層１５ｂへと変わる。これにより、図２（ｃ）に示すように、第１ＢＯＸ層１５ａ及び第２ＢＯＸ層１５ｂが形成される。
ＢＯＸ層１５の成長とは、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イオン注入層形成工程における第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ未満の低い値のときは、ウェーハ１１表面から浅い位置に第１イオン注入層１２及び第２イオン注入層１３が形成される。このため酸素含有雰囲気中の酸素が、ＢＯＸ層１５を構成する酸素析出物の形成に寄与する割合が高くなり、第１ＢＯＸ層１５ａと第２ＢＯＸ層１５ｂが拮抗して、ＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが大きくなり、ラフネスＲｍｓが大きくなると考えられる。このＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面に生じたラフネスＲｍｓがＳＯＩ層１６表面に影響を与え、ＳＯＩ層１６表面のラフネスも大きくなると考えられる。
他方、第１イオン注入層形成工程における第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ以上の高い値のときは、ウェーハ１０表面から比較的深い第１深さに第１イオン注入層１２及び第２イオン注入層１３が形成される。
このため図２（ａ）に示すように、昇温中及び昇温後の一定温度による保持の初期において、第１ＢＯＸ層１５ａが先に形成され、第２ＢＯＸ層１５ｂのＢＯＸ層１５を構成する酸素析出物の形成に寄与する割合が低くなる。この結果第１ＢＯＸ層１５ａと第２ＢＯＸ層１５ｂが拮抗せず、ＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが小さくなるためにラフネスＲｍｓが小さくなると考えられる。
上記理由により、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶと高く設定し、第２注入エネルギを第１注入エネルギよりも低いエネルギに設定した。
第１イオン注入層形成工程における第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ未満の低い値のときは、ウェーハ１１表面から浅い位置に第１イオン注入層１２及び第２イオン注入層１３が形成される。このため酸素含有雰囲気中の酸素が、ＢＯＸ層１５を構成する酸素析出物の形成に寄与する割合が高くなり、第１ＢＯＸ層１５ａと第２ＢＯＸ層１５ｂが拮抗して、ＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが大きくなり、ラフネスＲｍｓが大きくなると考えられる。このＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面に生じたラフネスＲｍｓがＳＯＩ層１６表面に影響を与え、ＳＯＩ層１６表面のラフネスも大きくなると考えられる。
他方、第１イオン注入層形成工程における第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ以上の高い値のときは、ウェーハ１０表面から比較的深い第１深さに第１イオン注入層１２及び第２イオン注入層１３が形成される。
このため図２（ａ）に示すように、昇温中及び昇温後の一定温度による保持の初期において、第１ＢＯＸ層１５ａが先に形成され、第２ＢＯＸ層１５ｂのＢＯＸ層１５を構成する酸素析出物の形成に寄与する割合が低くなる。この結果第１ＢＯＸ層１５ａと第２ＢＯＸ層１５ｂが拮抗せず、ＢＯＸ層１５形成領域の深さ方向のばらつきが小さくなるためにラフネスＲｍｓが小さくなると考えられる。
上記理由により、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶと高く設定し、第２注入エネルギを第１注入エネルギよりも低いエネルギに設定した。
このように本発明の製造方法によって得られたＳＩＭＯＸウェーハは、ＳＯＩ層１６表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びウェーハのＳＯＩ層１６とＢＯＸ層１５との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ低減することができる。ラフネスＲｍｓを低減することでウェーハ１０表面のパーティクルを測定することができる。またＢＯＸ層１５の絶縁破壊特性も向上することができるＳＩＭＯＸウェーハ１０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詳しく説明する。
＜実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２＞
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。先ず、ウェーハ１１を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。
次いでウェーハ１１表面から第１注入エネルギにより酸素イオン（Ｏ+）を２．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の第１ドーズ量でイオン注入し、ウェーハ１１表面から第１深さ０．４〜０．５μｍ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室温の状態にまで冷却した。
＜実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２＞
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。先ず、ウェーハ１１を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。
次いでウェーハ１１表面から第１注入エネルギにより酸素イオン（Ｏ+）を２．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の第１ドーズ量でイオン注入し、ウェーハ１１表面から第１深さ０．４〜０．５μｍ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室温の状態にまで冷却した。
次にウェーハ１１を装置内から取出して洗浄した。洗浄したウェーハ１１を乾燥した後、再び装置内へ収容した。続いて、ウェーハ１１表面から第１注入エネルギの値よりも１０ｋｅＶ低い第２注入エネルギにより酸素イオン（Ｏ+）を６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の第２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表面から第２深さ０．３〜０．４μｍ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、装置内温度を室温の状態にまで冷却した。
更にウェーハ１１を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、縦型炉へ収容した。続いて、炉内温度を１３００℃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素含有雰囲気とした。
この酸素含有雰囲気下で炉内温度を１３００℃に維持したままウェーハ１１を８時間保持した。これによりＢＯＸ層１５を有するＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。
上記第１注入エネルギの値をそれぞれ１６０ｋｅＶ、１６４ｋｅＶ、１６８ｋｅＶ、１７２ｋｅＶ、１７６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、１８４ｋｅＶ、及び１８８ｋｅＶとし、上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２とした。
更にウェーハ１１を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、縦型炉へ収容した。続いて、炉内温度を１３００℃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素含有雰囲気とした。
この酸素含有雰囲気下で炉内温度を１３００℃に維持したままウェーハ１１を８時間保持した。これによりＢＯＸ層１５を有するＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。
上記第１注入エネルギの値をそれぞれ１６０ｋｅＶ、１６４ｋｅＶ、１６８ｋｅＶ、１７２ｋｅＶ、１７６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、１８４ｋｅＶ、及び１８８ｋｅＶとし、上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２とした。
＜実施例２−１〜実施例２−４＞
第１イオン注入層形成工程においてイオン注入を１段注入から２段注入に変更し、１段目の酸素イオン（Ｏ+）を１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、２段目の酸素イオン（Ｏ+）を１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とし、１段目及び２段目の第１注入エネルギがとる平均値をそれぞれ１７２ｋｅＶ、１７６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、及び１８４ｋｅＶとし、１段目の第１注入エネルギから２段目の第１注入エネルギを差引いた値をそれぞれ８ｋｅＶとしたことを除き、実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２と同様にして、ＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例２−１〜実施例２−４とした。
＜実施例３−１〜実施例３−２＞
第１イオン注入層形成工程において、第１注入エネルギを２０５ｋｅＶとし、第１ドーズ量の酸素イオン（Ｏ+）を２．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とし、第２イオン注入層形成工程において、第２注入エネルギを上記第１注入エネルギ２０５ｋｅＶから１５ｋｅＶ、２０ｋｅＶをそれぞれ差引いた値とし、第２ドーズ量の酸素イオン（Ｏ+）を６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２と同様にして、ＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例３−１〜実施例３−２とした。
第１イオン注入層形成工程においてイオン注入を１段注入から２段注入に変更し、１段目の酸素イオン（Ｏ+）を１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、２段目の酸素イオン（Ｏ+）を１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とし、１段目及び２段目の第１注入エネルギがとる平均値をそれぞれ１７２ｋｅＶ、１７６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、及び１８４ｋｅＶとし、１段目の第１注入エネルギから２段目の第１注入エネルギを差引いた値をそれぞれ８ｋｅＶとしたことを除き、実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２と同様にして、ＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例２−１〜実施例２−４とした。
＜実施例３−１〜実施例３−２＞
第１イオン注入層形成工程において、第１注入エネルギを２０５ｋｅＶとし、第１ドーズ量の酸素イオン（Ｏ+）を２．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とし、第２イオン注入層形成工程において、第２注入エネルギを上記第１注入エネルギ２０５ｋｅＶから１５ｋｅＶ、２０ｋｅＶをそれぞれ差引いた値とし、第２ドーズ量の酸素イオン（Ｏ+）を６×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２と同様にして、ＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。上記方法で得られたＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ実施例３−１〜実施例３−２とした。
＜比較試験及び評価＞
実施例１−１〜実施例３−２及び比較例１−１〜比較例１−２のＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）により測定した。またＢＯＸ層の絶縁破壊特性を絶縁破壊試験装置を用いて評価した。更にＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層を水酸化カリウム（ＫＯＨ）でエッチングしてＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをＡＦＭにより測定した。これらの結果を図４〜図７に示す。図４は、実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２を示し、図５は、実施例２−１〜実施例２−４を示し、図６と図７は、実施例３−１〜実施例３−２を示す。
実施例１−１〜実施例３−２及び比較例１−１〜比較例１−２のＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）により測定した。またＢＯＸ層の絶縁破壊特性を絶縁破壊試験装置を用いて評価した。更にＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層を水酸化カリウム（ＫＯＨ）でエッチングしてＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをＡＦＭにより測定した。これらの結果を図４〜図７に示す。図４は、実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２を示し、図５は、実施例２−１〜実施例２−４を示し、図６と図７は、実施例３−１〜実施例３−２を示す。
図４（ａ）の実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２の近似線から明らかなように、第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが４Å以下の値を示した。図４（ｂ）の実施例１−１〜実施例１−６及び比較例１−１〜比較例１−２の近似線から明らかなように、第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが４Å以下の値を示した。以上より第１注入エネルギが１６５ｋｅＶ未満では測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが４Åを越えてしまうため、第１注入エネルギを１６５ｋｅＶ以上とするとよいことが判った。
図５（ａ）の実施例２−１〜実施例２−４の近似線から明らかなように、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが４Å以下の値を示した。図５（ｂ）の実施例２−１〜実施例２−４の近似線から明らかなように、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが３Å以下の値を示した。以上より第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ未満では測定領域１０μｍ角のＳＯＩ層表面ラフネスＲｍｓが４Åを越えてしまうため、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値を１６５ｋｅＶ以上とするとよいことが判った。
図５（ａ）の実施例２−１〜実施例２−４の近似線から明らかなように、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが４Å以下の値を示した。図５（ｂ）の実施例２−１〜実施例２−４の近似線から明らかなように、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ以上のとき、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが３Å以下の値を示した。以上より第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値が１６５ｋｅＶ未満では測定領域１０μｍ角のＳＯＩ層表面ラフネスＲｍｓが４Åを越えてしまうため、第１注入エネルギの１段目と２段目の平均値を１６５ｋｅＶ以上とするとよいことが判った。
図６（ａ）の実施例３−１〜実施例３−２の結果から、第１注入エネルギが２０５ｋｅＶの場合、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が１５ｋｅＶのときＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが２．８Åの値を示した。一方、２０ｋｅＶのとき３．５Åの値を示した。図６（ｂ）の実施例３−１〜実施例３−２の結果から、第１注入エネルギが２０５ｋｅＶの場合、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が１５ｋｅＶのときＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓが２Åの値を示した。一方、２０ｋｅＶのとき３Åの値を示した。
図７の実施例３−１〜実施例３−２の結果から、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が大きいほどＢＯＸ層の絶縁破壊特性が向上する傾向がみられた。
図７の実施例３−１〜実施例３−２の結果から、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値が大きいほどＢＯＸ層の絶縁破壊特性が向上する傾向がみられた。
上記実施例１−１〜実施例３−２及び比較例１−１〜比較例１−２の結果から、第１イオン注入層を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、第２イオン注入層を形成する工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とすることによって、ＳＯＩ層表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓをそれぞれ４Å以下に低減でき、ＢＯＸ層の絶縁破壊特性を向上できるＳＩＭＯＸウェーハを得られることが判った。
特に、第２イオン注入層を形成する工程での第２注入エネルギを、第１イオン注入層を形成する工程での第１注入エネルギよりも低い値とし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を所望の範囲とすることによってＢＯＸ層の絶縁破壊特性が向上する傾向がみられた。
特に、第２イオン注入層を形成する工程での第２注入エネルギを、第１イオン注入層を形成する工程での第１注入エネルギよりも低い値とし、第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を第１注入エネルギから第２注入エネルギを差引いた値を所望の範囲とすることによってＢＯＸ層の絶縁破壊特性が向上する傾向がみられた。
１０ ＳＩＭＯＸウェーハ
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
１５ ＢＯＸ層
１６ ＳＯＩ層
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
１５ ＢＯＸ層
１６ ＳＯＩ層
Claims (5)
- 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)表面から第１ドーズ量の酸素イオンを第１注入エネルギにより注入して前記ウェーハ(11)表面から第１深さの位置に高濃度の酸素を含んだ第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)を前記加熱温度より低い温度である室温から２００℃に冷却した状態で前記ウェーハ(11)の表面から第２ドーズ量の酸素イオンを第２注入エネルギにより注入して前記第１深さよりも浅い、前記ウェーハ(11)表面から第２深さの位置に前記ウェーハ(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６〜３６時間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(15)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)を形成する工程での第１ドーズ量を２×１０17〜３×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とするとき、第１注入エネルギを１６５〜２４０ｋｅＶとし、前記第２イオン注入層(13)を形成する工程での第２ドーズ量を１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2とすることを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。 - 第１イオン注入層(12)を形成する工程での酸素イオン注入が、２段〜３段の複数段に分けてイオン注入が行われ、その注入順が高いエネルギから低いエネルギの順であって、前記複数段の酸素イオン注入における第１注入エネルギの平均値が１６５〜２４０ｋｅＶであることを特徴とする、請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 第２イオン注入層(13)を形成する工程での酸素イオン注入が、２段〜３段の複数段に分けてイオン注入が行われ、その注入順が低いエネルギから高いエネルギの順であることを特徴とする、請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 第２イオン注入層(13)を形成する工程での第２注入エネルギが、前記第１イオン注入層(12)を形成する工程での第１注入エネルギよりも低いエネルギであって、前記第１注入エネルギから前記第２注入エネルギを差引いた値が１０〜３０ｋｅＶであることを特徴とする、請求項１ないし３いずれか１項に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法で製造されたＳＩＭＯＸウェーハであって、前記ウェーハのＳＯＩ層(16)表面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓ及び前記ウェーハのＳＯＩ層(16)とＢＯＸ層(15)との界面における測定領域１０μｍ角のラフネスＲｍｓがそれぞれ４Å以下であり、かつ前記ＢＯＸ層(15)の絶縁破壊特性が７ＭＶ／ｃｍ以上であることを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハ。
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