JP2007502541A - Ｓｉｍｏｘ・ｓｏｉシリコン基板中の内部ゲッタリング - Google Patents

Abstract

【課題】デバイス層内での金属不純物の濃度が低減されたＳＯＩウェハーを生み出すための、強化された方法を提供する。
【解決手段】本発明は、金属不純物を遮蔽するための内部ゲッタリング層を備えたＳＯＩウェハーを形成する方法を提供する。より詳しく言うと、本発明のある実施の形態では、金属不純物を遮蔽するための複数の部位は、シリコン基板に選択されたドーズ量の酸素イオンを打ち込むことによってシリコン基板内に形成される。ある実施の形態では、結晶シリコンのエピタキシャル層は、基板上に形成され、連続的な埋め込まれた酸化物層は、例えば、ＳＩＭＯＸプロセスを用いて、エピタキシャル層内に生み出される。
【選択図】図１

Description

開示の内容

〔背景技術〕
本発明は、大まかに言って、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ：silicon-on-insulator）基板の形成方法に関し、さらに詳しく言えば、基板中に存在する金属不純物を遮蔽するための内部部位を備えたシリコン・オン・インシュレーター基板の形成方法に関する。

ＳＯＩウェハーは、さまざまな半導体電子デバイスを生み出すための開始基板としてますます共通したものとなってきた。ＳＯＩウェハーは、典型的には、連続的な埋め込まれた酸化シリコン層の上のシリコン基板中に形成されたデバイス層を含み、連続的な埋め込まれた酸化シリコン層は、デバイス層をシリコン基板のその他の部分から分離している。埋め込まれた酸化シリコン層は、例えば、頭字語ＳＩＭＯＸ（Separation by Implantation of Oxygen）として一般的に知られている方法を用いて、生み出すことができる。さまざまな集積回路を、デバイス層内に製造することができる。そのような集積回路は、典型的には、トランジスタまたは論理ゲートなどの、数千個の、または、数百万個でさえもの、デバイスを含んでいる。

しかし、シリコンウェハーは、典型的には、数ある中でも特に銅、ニッケル、鉄、金、クロム、または銀などの、金属不純物を含んでいる。微量のそのような金属不純物が、ウェハーが切り出されるシリコンインゴット内に存在することがある。さらに、ＳＯＩウェハーを製造する間またはその後のウェハーのＩＣ処理に用いられる、イオンインプランター、高温炉、または、その他のウェハー処理器具でのウェハーの後続の処理は、ウェハーを、これらの器具の金属製コンポーネントに源を発する、および／または、プロセスガスおよび／またはその他の化学物質中に存在する汚染物質に源を発する、金属不純物にさらすことがある。

半導体ＩＣの製造で日常的に用いられる高温度では、これらの金属不純物は、シリコン基板を通して急速に拡散し、デバイス層中に捕獲される。所定の閾値を超えたそのような金属不純物のデバイス層内での濃度は、ｐｎ接合の漏れ電流およびブレークダウン電圧、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁物の完全性、および、バイポーラデバイスの電流利得などの、デバイス層内に形成された半導体デバイスの特に重要な特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

ウェハー中の金属不純物の濃度を低くするための当業者によって用いられているひとつの方法は、ウェハーの背面に多結晶シリコン層を形成するものである。そのような多結晶シリコン層は、移動性の金属不純物に対する析出領域として働く。しかし、そのような多結晶層が形成されたウェハーは、「ポリバック（poly-back）」ウェハーと呼ばれることが多く、それらのウェハーを、集積回路デバイスの製造業者にとって望ましくないものとするいくつかの制約を有している。例えば、多結晶シリコンの表面は、本質的に粗く、ＩＣを製造する間に処理環境からの微粒子汚染物質をより捕獲しやすい。さらに、多結晶層の不均一な地形（topography）が、ポリバック層での微粒子汚染物質の測定を実行不可能なものとしている。そのようなウェハーが処理中に積み重ねられると、ポリバック層によって捕獲された微粒子が、実際のデバイスが形成されている隣接するウェハーの前面にも放たれる。いくつかのＳＯＩウェハーの製造業者と同様に、多くの従来のウェハー製造業者は、磨かれた上面および磨かれた背面の両方を備えた「二重に磨かれた」ウェハーの方を選んで、ポリバックのアプローチを完全に放棄してしまった。

ポリバックウェハーの別の不利益な点は、多結晶の表面の粗い表面の地形が、リソグラフィを用いるためのウェハーの正確な位置決めを実行不可能にしていることである。

したがって、ポリバックウェハーの望ましくない特性が、ウェハーデバイスの分野で、特にＳＩＭＯＸウェハーの製造で、金属汚染物質を低減するための新たなアプローチを必要としている。

この故に、デバイス層内での金属不純物の濃度が低減されたＳＯＩウェハーを生み出すための強化された方法が必要とされている。

〔発明の概要〕
ある態様では、本発明は、半導体基板中に存在する金属不純物を遮蔽するために、半導体基板内に遮蔽部位を生み出す方法を提供する。本発明のその方法は、基板の上側部分を基板の大部分から電気的に絶縁するための、例えば、シリコン基板内の二酸化シリコン層などの、遮蔽部位とは別個の、基板内の絶縁層を形成することを可能にする。その絶縁層は、例えば、酸素などの、選択されたドーズ量のイオンを、基板に打ち込んで、埋め込まれた酸素が豊富な層を基板内に生成することによって、生み出される。その後、基板が、例えば、約１１００度から約１４００度までの範囲内の温度で、約数時間に亘って保持されることによって、焼き鈍しされ、酸素が豊富な層内に、遮蔽部位によって形成されたゲッタリング（gettering）領域とは別の、連続的な埋め込まれた酸化物層が生み出される。

遮蔽部位は、基板を約３０ｋｅＶから約３００ｋｅＶまでの範囲内の、より好ましくは、約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンビームにさらして、その基板内に約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約１×１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内の、より好ましくは、約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素イオンを打ち込むことによって、基板内に生み出される。対照的に、酸素が豊富な領域は、例えば、基板を約４０ｋｅＶから約２１０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンビームにさらして、約１０¹⁶ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素を基板に打ち込むことによって、形成される。

酸素が、ゲッタリング領域および絶縁層の両方を形成するのに用いられる場合、不連続な配列の金属遮蔽部位がゲッタリング領域に形成されるように、より低いドーズ量が内部ゲッタリングの目的のために好ましく、一方、酸素が豊富な層が連続的な埋め込まれた酸化物絶縁層として一体化するように、より高いドーズ量が逆の理由から望ましいことが、明らかであろう。

別の態様では、本発明は、その中に、本明細書ではゲッタリング部位とも呼ばれる、金属不純物を遮蔽するための複数の部位が生み出されているシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）ウェハーを形成する方法を提供する。その方法は、例えば、酸素イオンを基板に打ち込むことによって、基板表面の下にゲッタリング部位を生み出すことを必要とする。次に、結晶シリコンのエピタキシャル層が、基板の表面の上に成長させられ、連続的な埋め込まれた絶縁層が、例えば、二酸化シリコン層が、エピタキシャル層内に形成される。

関連したある態様では、酸素の打ち込みによる分離として一般に知られた方法（ＳＩＭＯＸ）が、エピタキシャル層内の連続的な二酸化シリコン層を形成するために用いられる。例えば、埋め込まれた酸化物層は、約１０¹⁶ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素イオンをエピタキシャル層に打ち込み、続いて、その基板を高温度で、例えば、約１１００度から約１４００度までの範囲内の温度で、焼き鈍しすることで、形成される。

別の態様では、半導体基板内に絶縁層を生み出すための本発明の方法は、基板の背面を通して所定のドーズ量の酸素イオンを打ち込んで、背面の下に複数のゲッタリング部位を生み出す過程を含む。次に、シリコンのエピタキシャル結晶層が、基板の上面、すなわち、背面とは反対側の基板表面に成長させられる。次に、連続的な埋め込まれた酸化物層が、例えば、ＳＩＭＯＸプロセスを用いて、エピタキシャル層内に生み出される。

別の態様では、本発明は、第１のドーズ量の酸素をウェハーに打ち込むことによって、シリコンウェハー内に金属不純物を遮蔽するための第１の集合の部位を形成して、ＳＯＩ基板を生み出す方法を提供する。次に、第２の集合の遮蔽部位が、ウェハー内に、好ましくは、第１のドーズ量と異なる第２のドーズ量の酸素イオンを打ち込むことによって生み出される。その後、シリコンのエピタキシャル層が、ウェハー上に成長させられて、連続的な埋め込まれた酸化物層が、エピタキシャル層内に生み出される。第１の集合の遮蔽部位は、基板を、選択されたエネルギーの、例えば、約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビームにさらすことによって生み出され、第２の集合の遮蔽部位は、基板を、異なるエネルギーの酸素イオンのビームにさらすことによって生み出される。

本発明は、以下に簡単に説明される関連する図面と共に以下の詳細な記載を参照することによって、さらに理解される。

〔詳細な説明〕
本発明は、金属不純物を遮蔽し、それによって、ウェハーの上側層内に形成されたデバイスの質を高めるために、ＳＯＩウェハー内に、典型的にはウェハーのデバイス層の下の深さで、遮蔽部位を生み出す方法を提供する。簡単に言えば、本発明の方法は、そのような遮蔽部位を、酸素などのイオンをウェハーに打ち込んで、金属不純物のための遮蔽部位として作用する、酸化物の析出および／または関連する構造上の欠陥を形成することによって、生み出す。そのような内部遮蔽部位に加えて、本発明のＳＯＩウェハーは、エピタキシャル成長させられた結晶シリコン層をも含み、前記結晶シリコン層の中に、例えばＳＩＭＯＸプロセスを用いて、連続的な埋め込まれた酸化層が生み出される。

より詳しく言うと、図１および図２Ａを参照すると、本発明のある実施の形態では、最初の過程１０では、あるドーズ量の酸素イオンがシリコン基板１２に打ち込まれて、以下により詳しく記載されるように、基板内に存在するニッケル、鉄、または、クロム、銅の原子などの金属不純物を優先的に遮蔽する複数の部位１４が、基板の上面１６の下に形成される。酸素は、基板を、約３０ｋｅＶから約３００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの、より好ましくは、約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビーム１８で衝撃することによって、打ち込まれる。打ち込まれた酸素イオンのドーズ量は、約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約１×１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内であり、より好ましくは、約５×１０¹⁶ｃｍ^-2から約２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内である。大まかに言って、打ち込まれる酸素のドーズ量は、形成された析出が、典型的には高温度で実施される後続の焼き鈍しに耐えることができるように、十分に高く選択される。

さまざまな市販されているイオン打ち込み装置が、この打ち込み過程で用いられてよい。例えば、アメリカ合衆国マサチューセッツ州デンバーのアイビス・テクノロジー・コーポレーション（Ibis technology corporation）から商標ＩＢＩＳ２０００で市販されているイオン打ち込み装置が用いられてよい。

選択された深さを中心とした基板の上面の下に分布する打ち込まれた酸素イオンは、金属不純物を遮蔽するための不均質析出部位として役立つ転位などの、酸素の析出および／または関連する構造上の結晶の欠陥を生み出す。言い換えれば、金属不純物は、ＳｉＯ₂ が析出し、および／または、関連した構造上の結晶の欠陥が形成された基板の領域で、優先的に析出する。遮蔽部位１４でのそのような金属不純物の析出は、基板のその他の部分での、例えば、基板の上面１６の近傍の部分での、金属不純物の濃度を有益に低減する。そのような不純物の遮蔽は、本明細書では、ゲッタリング過程と呼ばれ、ゲッタリング部位が形成された基板の領域は、本明細書では、ゲッタリング層と呼ばれる。しかし、本発明の好ましい実施の形態では、ゲッタリング層は、連続的な層ではなく、例えば、金属不純物の析出のための有効な表面積を増加させる酸素の析出および／または関連する構造上の欠陥の形態で、複数の分離した遮蔽部位を含むことが、理解されなければならない。別の少し好ましい実施の形態では、イオンの打ち込みで生み出された遮蔽部位は、以下により詳しく記載されるように、基板が後続の焼き鈍し過程にさらされたときに、一体化して連続的なまたは準連続的な層を形成してもよい。

図１および図２Ｂを参照すると、ゲッタリング部位１４を形成した後に、ステップ２０では、結晶シリコンの層２２が、例えば、エピタキシャルプロセスによって、基板上面１６上に成長させられる。この結晶シリコン層は、本明細書では、エピ層と呼ばれ、例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）などの公知の付着方法を用いて、生み出すことができる。エピ層２２の厚みは、例えば、約０．５μｍから約１０μｍまでの範囲に亘ることができる。以下により詳しく記載されるように、エピ層は結晶シリコンの領域を提供し、その領域内では、埋め込まれた絶縁層が、例えば、埋め込まれた酸化物層が、デバイスが形成されるエピ層の上側部分を、基板のその他の部分から電気的に絶縁するために形成されることができる。

エピタキシャル層を形成する間、基板は、典型的には、例えば、約９００度から約１２００度までの範囲内の温度の、高温度にさらされる。そのような高温度は、エピ層の形成を容易にするだけでなく、前の打ち込み過程で生み出された析出部位を安定化させることもできる。

本発明のいくつかの実施の形態では、基板は、必要な場合には、ゲッタリング部位を安定化させるために、ゲッタリング部位が形成された後で、エピタキシャル層２２が生み出される前に、焼き鈍しされてよい。基板のそのような焼き鈍しは、基板を約７００度から約１３００度までの範囲内の温度で維持することによって、行うことができる。

図１、図２Ｃ、および、図２Ｄを参照すると、この例示的な実施の形態では、ステップ２４で、連続的な埋め込まれた酸化物層２６は、当業者に良く知られたＳＩＭＯＸ方法を用いることによって、エピ層２２内に生み出される。例えば、図２Ｃを参照すると、例えば、約１０¹⁶ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素イオンが、エピ層を約４０ｋｅＶから約２１０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンビーム２８にさらすことによって、エピ層に打ち込まれる。イオンの打ち込みは、エピ層２２内に酸素の析出の島を含む埋め込まれた酸素が豊富な層３０を生み出す。この実施の形態では、エピ層へのイオンの打ち込みは単一のステップで実施されるが、別の実施の形態では、イオンの打ち込みは、複数のステップによって達成されてもよく、各ステップでは、合計の打ち込まれたドーズ量が約１０¹⁶ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内になるように、選択されたドーズ量の酸素がエピ層に打ち込まれる。次に、基板は、例えば、約１１００度から約１４００度までの範囲内の温度の、高温度で実施される焼き鈍しプロセスにさらされて、酸素が豊富な層内の酸化物の析出が、エピ層の上面２２ａの下に埋め込まれた連続的な酸化物層２６として一体化されるように、酸素が豊富な層３０内の酸素イオンおよびエピ層のシリコン原子の間の化学結合を形成する。焼き鈍しステップは、例えば、約１％から１００％までの範囲内の酸素濃度の、例えばアルゴンなどの、不活性ガスの雰囲気中で、実施される。

しかし、上述したように最初の打ち込みステップで生み出された析出部位１４は、基板が、連続的な埋め込まれた酸化物層２６を形成する間に典型的にさらされる高い焼き鈍し温度に耐えるよう、十分に安定である。

連続的な酸化物層２６は、エピ層２２の上側領域２２ｂを、基板のその他の部分から分離しかつ電気的に絶縁する絶縁層として作用する。バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタのようなさまざまな電子デバイスを、上側領域２２ｂ内に形成することができ、上側領域２２ｂは、本明細書ではデバイス層とも呼ばれる。したがって、上記のプロセスは、エピ層内に形成された連続的な埋め込まれた酸化物層、および金属不純物がその中に優先的に遮蔽される複数の析出部位で形成されたゲッタリング層、を備えたＳＯＩウェハーを生み出す。

上述したように、遮蔽部位１４の各々は、酸化物の析出、および／または、関連する構造上の欠陥として形成され、酸化物の析出および構造上の欠陥は、基板中に存在するニッケル、銅、クロム、または、鉄などの金属不純物の原子を捕獲し、ウェハーがＩＣ製造プロセスのさまざまなステップの間にさらされる熱処理の間に、これらの原子が遮蔽部位から出るのを防止するエネルギー障壁を生み出す。これらの遮蔽部位での金属のこのような析出は、基板の上面の近傍で金属が析出することを有益に抑制し、したがって、デバイス層での金属汚染物質の濃度を低減する。デバイス層中の金属汚染物質の濃度がかなり低減されたことは、次に、例えば、電子デバイスに関連する漏れ電流を低減することなどにより、デバイス層に形成された電子デバイスの性能を高める。

一方、本発明の教示に基づいて形成される遮蔽部位がない場合、金属不純物は、基板中に拡散し、例えば、基板が後続の集積回路（ＩＣ）製造手順で典型的にさらされる高温ステップの間に、連続的な酸化物層２６中にさえ拡散することができる。例えば、これらのＩＣステップのいくつかは、基板を４５０度を超える温度にさらし、その温度では、金属不純物の移動度が増加し、それによって、金属不純物が容易にデバイス層へ移動するようになる。デバイス層内に金属不純物が存在することは、次に、デバイス層内に形成されたデバイスの性能を低下させる。

ＳＯＩウェハー内の金属不純物に対する内部遮蔽部位を生み出すための、本発明の上記の方法の効力を示すために、図３Ａは、本発明の上記の実施の形態に基づく内部ゲッタリング部位が生み出されたＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度に関連する実験データを示している。より詳しく言うと、これらの測定は、ゲッタリング層が、本発明の方法に基づいて、１．７×１０¹⁷ｃｍ^-2のドーズ量の酸素イオンを、約２１０ｋｅＶのエネルギーの酸素イオンビームにさらすことによってウェハーに打ち込んで、生み出されたシリコンウェハーで実施された。次に、エピ層、および、エピ層内の連続的な埋め込まれた酸化物層が、本発明の上記の教示に基づいてウェハー上に形成された。

ニッケル不純物の濃度のこれらの測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）として広く知られた方法を用いて実施された。当業者には知られているように、ＳＩＭＳでは、調査の対象となるサンプルが、真空チャンバ内に配置され、一次イオンとして知られている高エネルギーイオンで衝撃される。一次イオンは、サンプルの表面近くの原子層を突き通して、原子同士の衝突の連鎖を誘起し、衝突の連鎖が、次に、二次イオンとして知られる、原子および／または分子の、一般にスパッタリングと呼ばれる、表面近くの原子層からの放出を引き起こす。これらの二次イオンが、質量分析装置を用いて分析され、表面近くの原子層の元素の組成に関する情報が得られる。

図３Ｂは、連続的な埋め込まれた酸化物層が形成されたエピタキシャル層を備えているが、部位１４（図２Ａ）のような内部ゲッタリング部位を全く含まない、シリコンウェハー中のニッケルの濃度を測定して得られた対照データを示している。さらに、対照ウェハーは、多結晶背面を含んでいない。図３Ａに示された実験データを、図３Ｂに示された対照データと比較すると、内部ゲッタリング部位を備えたＳＯＩウェハーが、対照ウェハーに比べてずっと低いニッケルの濃度を示していることが分かる。より詳しく言うと、図３Ａのデータは、基板の上面から深さ約０．５μｍまで延在する基板の領域中のニッケルの濃度が約２×１０¹¹原子／ｃｍ² であることを示し、一方で対照ウェハー中の対応するニッケルの濃度は約９×１０¹¹原子／ｃｍ² である。内部ゲッタリング部位を備えたＳＯＩウェハー内の約２．５μｍの深さで観測されたピーク値３２は、ゲッタリング層内の酸化物の析出および／または関連する構造上の欠陥によってニッケルが遮蔽された結果、上昇したゲッタリング部位中のニッケル濃度に相当することが分かる。さらに、図３Ａおよび図３Ｂの両方での³⁰Ｓｉおよび²⁹Ｓｉに対応するデータは、較正の目的のために取得した。言い換えれば、基板内に形成されたゲッタリング層では、本明細書では、ゲッタリング層およびデバイス層中の合わせたニッケルの濃度に対するゲッタリング層中のニッケルの濃度の比率で定義される、ゲッタリング効率は約６０％である。

図４は、ゲッタリング部位が、より低い打ち込み酸素ドーズ量、すなわち、約５×１０¹⁶ｃｍ^-2の酸素ドーズ量を用いて、本発明の上記の実施の形態の教示に基づいて生み出された別のＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度に関連する実験データを示している。図４に示されたデータを、図３Ａおよび図３Ｂに示されたデータと比較すると、より低い酸素ドーズ量を用いて形成されたゲッタリング層は、１．７×１０¹⁷（図３Ａ）というより高い打ち込み酸素ドーズ量を用いて形成されたゲッタリング層のゲッタリング効率に比べて、僅かに低いゲッタリング効率ではあるが、ニッケル不純物の濃度を低減するのに有効であることが分かる。例えば、ウェハーの上面から深さ約２．５μｍまで延在するこのウェハーの領域中のニッケルの濃度が、約２．８×１０¹¹原子／ｃｍ² であるのに対して、ゲッタリング部位がより高い酸素ドーズ量の１．７×１０¹⁷ｃｍ^-2を用いて形成されたウェハー中の対応するニッケル濃度は、約２×１０¹¹原子／ｃｍ² である。

いずれの特定の理論にも限定されることなく、ゲッタリング部位がより低い酸素ドーズ量（図４）を用いて生み出されたウェハーによって示される、より低いゲッタリング効率は、形成された析出部位の個数がより少ないこと、および／または、エピ層を形成する間またはエピ層内の連続的な埋め込まれた酸化物層を形成する間に基板が高い焼き鈍し温度にさらされたときに、これらの析出部位によって示される低い安定性が原因であろう。

上記の測定は、本発明の教示に基づいて形成されたゲッタリング層の効力を示す目的のためのみに提供され、本発明の上記の方法を用いてＳＯＩウェハー中の金属不純物の濃度の最適な低減を提供することを意図するものでないことが理解されなければならない。より詳しく言うと、金属不純物の濃度は、ゲッタリング部位を形成するためにウェハーに打ち込まれる酸素イオンのドーズ量などのさまざまな変数を変えることによって、より大きく低減されるであろう。

別の実施の形態では、金属不純物を遮蔽するための複数のゲッタリング部位が、基板背面を通してイオンを打ち込むことによって、シリコン基板内に生み出される。例として、図５Ａは、シリコン基板３８の上面３８ａの上に形成されたエピタキシャル成長させられたシリコン層３６、および例えばＳＩＭＯＸ方法を用いてエピ層内に生み出された連続的な埋め込まれた酸化物層４０を備えた、本発明のこの態様に基づいて形成されたＳＯＩウェハー３４を模式的に示している。さらに、ＳＯＩウェハーは、底面３８ｂ、すなわち、上面の反対側の表面で本明細書では基板の背面ともよばれる表面の下に配置された、金属不純物を遮蔽するための複数の内部部位４２を含んでいる。遮蔽部位４２は、選択された深さ、例えば、数十分の一μｍの深さを中心にして、背面３８ｂの下に分布していてよく、約０．１μｍから約１μｍまでの範囲内の幅で基板の領域３８ｃに亘って広がっていてよい。

図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ＳＯＩ基板３４を形成するためのある例示的な方法では、ステップ４４で、あるドーズ量の酸素イオンが、シリコン基板３８の背面３８ｂを約３０ｋｅＶから約３００ｋｅＶまでの範囲内の、より好ましくは、約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビームにさらすことによって、背面３８ｂを通して打ち込まれる。上記の実施の形態でのように、打ち込まれる酸素のドーズ量は、約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内にあり、より好ましくは、約５×１０¹⁶ｃｍ^-2から約２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内とすることができる。打ち込まれた酸素イオンは、遮蔽部位４２に相当する複数の酸化物の析出および／または関連する構造上の欠陥を生み出す。

続いて、別のステップ４６では、エピ層３６は、上述されたように、例えば、公知のＣＶＤプロセスを用いて、基板３８の上面３８ａ上に形成される。これに続いて、ステップ４８では、連続的な埋め込まれた酸化物層４０が、ＳＩＭＯＸプロセスを用いて、エピ層３６内に形成される。例えば、約１０¹⁶ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素イオンが、エピ層の上面３６ａの下に打ち込まれ、続いて、高温度の、例えば、約１１００度から約１４００度までの範囲内の温度の、焼き鈍し過程が行われて、連続的な埋め込まれた酸化物層４０を形成することができる。

こうして、上記のプロセスは、その背面の近傍のゲッタリング層、および、エピ層３６の上面の下の連続的な埋め込まれた酸化物層４０、を備えたＳＯＩウェハー３４を生み出す。連続的な埋め込まれた酸化物層４０は、その中にデバイスが形成されるエピ層の上側部分を、ウェハーのその他の部分から分離する。

上記の実施の形態でのように、内部の遮蔽部位すなわちゲッタリング部位４２は、基板中に存在する金属不純物を優先的に析出させるようにし、それによって、基板のその他の部分でのこれらの金属不純物の濃度を低減している。上述したように、デバイス層での金属不純物の濃度のそのような低減は、デバイス層内に形成されるデバイスの性能を大きく高めることができるので、とりわけ重要である。

ＳＯＩ基板３４を生み出すための上記の例示的な方法では、ゲッタリング部位はエピ層が形成される前に生み出されているが、当然ながら別の実施の形態では、エピ層および連続的な酸化物層が最初に生み出されて、次に、ゲッタリング層が、上述されたように基板背面を通したイオン打ち込みによって形成されてもよい。

図６は、ＳＩＭＳ方法を用いて得られた例示的な実験データを示していて、その実験データは、基板３４（図５Ａ）の部位４２のような、イオン打ち込みによってシリコンウェハーの背面の下に形成された、金属不純物を遮蔽するための、ゲッタリング部位の効率を示している。これらの測定は、ゲッタリング部位が、ウェハーの背面を約２１２ｋｅＶのエネルギーの酸素イオンのビームにさらして１．７×１０¹⁷ｃｍ^-2のドーズ量の酸素イオンを基板に打ち込むことによって生み出された、ウェハー上で実施された。次に、エピ層が、基板上面の上にエピタキシャル成長させられて、続いて、ＳＩＭＯＸプロセスによって、連続的な埋め込まれた酸化物層が、エピ層の上面の下に形成された。

図６に示されたデータを、図３Ｂに示された対照データと比較すると、基板の背面の近傍にゲッタリング部位を有するウェハー中のニッケルの濃度が、大きく低減されていることが分かる。例えば、対照データがエピタキシャル層の上面から深さ約０．５μｍまで延在するウェハーの領域中で約９．２×１０¹¹原子／ｃｍ² のニッケル濃度を示す一方、ウェハーの背面の近傍にゲッタリング部位を含むように本発明の上記の実施の形態に基づいて形成されたＳＯＩウェハーの対応するデータは、約１．６×１０¹¹原子／ｃｍ² の、ずっと低減されたニッケル濃度を示している。

本発明のいくつかの実施の形態では、内部ゲッタリング部位をシリコンウェハーの背面の下に形成した後に、連続的な埋め込まれた酸化物層が、ウェハーの上面の上にエピタキシャル層を形成せずに、ウェハーの上面の下に生み出される。

本発明のいくつかの実施の形態では、複数のゲッタリング部位が、好ましくは異なるエネルギーで実施される２つの別個のイオン打ち込み過程を用いて、ウェハー中に生み出される。例として、図７および図８Ａを参照すると、最初のステップ５０では、ウェハー５２は、約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内の、より好ましくは、約５×１０¹⁶ｃｍ^-2から約１．５×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内のドーズ量の酸素をウェハー５２に打ち込むために、約３０ｋｅＶから約３００ｋｅＶまでの範囲内の、より好ましくは約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビーム５４にさらされる。打ち込まれた酸素イオンは、ウェハーの上面の下の選択された深さでピーク値を有する例示的な曲線５６のような分布曲線を示す。この打ち込みステップは、複数の酸素の析出および／または関連する構造上の欠陥５８を、打ち込み曲線５６と同程度のウェハーの深さの範囲内に生み出す。

図７および図８Ｂを参照すると、次に、ステップ６０で、約５×１０¹⁵ｃｍ^-2から約１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内の、より好ましくは、約５×１０¹⁶ｃｍ^-2から約２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内の別のドーズ量の酸素イオンが、典型的には、第１の打ち込みステップで用いられたエネルギーよりも低い、異なるエネルギーの酸素イオンのビームにウェハーをさらすことで、ウェハーに打ち込まれる。第２の打ち込みステップの酸素ビームのエネルギーは、約３０ｋｅＶから約３００ｋｅＶまでの範囲内にあり、より好ましくは、約１２０ｋｅＶから約２２０ｋｅＶまでの範囲内とすることができる。この例では、第２の打ち込みステップは、第２の打ち込みステップで打ち込まれたイオンの分布を示す曲線６４と同程度のウェハーの深さの範囲に亘って分布した複数の酸素の析出および／または構造上の欠陥６２を生み出す。この第２の集合の酸素の析出および／または構造上の欠陥を含むこの領域は、本明細書では、第２のゲッタリング層と呼ばれる。第１および第２のゲッタリング層が、ある程度重なっていても、または、実質的に空間的に分離していてもよいことが、理解されなければならない。さらに、上述された実施の形態と同じように、両ゲッタリング層の遮蔽部位は、好ましくは、連続的な酸化物層を形成するのではなく、基板中に存在する金属不純物の析出のためのより広い析出面積を提供するように、分離した析出の形態をとる。

図７、図８Ｃ、および、図８Ｄを参照すると、２つのゲッタリング層を形成した後に、ステップ６６では、シリコンのエピタキシャル層６８が、例えば、公知の付着方法を用いて、上述されたように、基板上面の上に形成される。次に、連続的な埋め込まれた酸化物層７０が、例えば、ＳＩＭＯＸプロセスを用いて、エピ層の上面の下の選択された深さで生み出される。

例として、図９は、ゲッタリング部位が上述されたように２つのイオン打ち込みステップを用いて生み出された、本発明の方法に基づく例示的なＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度に関連する実験データを示している。ＳＯＩウェハーのゲッタリング部位は、最初に、約２１２ｋｅＶのエネルギーの酸素ビームにウェハーをさらすことによって、ウェハーに約７×１０¹⁶ｃｍ^-2のドーズ量の酸素イオンを打ち込み、次に、約１５０ｋｅＶのエネルギーの酸素ビームにウェハーをさらすことによって、ウェハーに１×１０¹⁷ｃｍ^-2の別のドーズ量の酸素イオンを打ち込んで、生み出された。例示されたデータは、約０．４μｍの深さでのこのウェハー中のニッケルの濃度が、約３×１０¹⁰原子／ｃｍ² であることを示している。前述された実験データと同様に、この実験データは、異なるエネルギーで実行される複数の打ち込みステップによる本発明のＳＯＩウェハーで得られる最適なゲッタリング効率を提供することを意図するものでないことが、理解されなければならない。より詳しく言うと、打ち込みエネルギーおよび／または打ち込まれる酸素のドーズ量は、基板内に存在する金属不純物を遮蔽する際の、生み出されたゲッタリング部位の効率を最適化するように、上記の範囲内で変えられてよい。さらに、本発明の上記の実施の形態では、２つの打ち込みステップが用いられたが、別の実施の形態では、３つ以上の打ち込みステップが、好ましくは異なるエネルギーで、用いられて、金属不純物を遮蔽するための３つ以上のゲッタリング層が生み出されてよい。

出願人は、ゲッタリング効率は、一つの打ち込みステップによるよりも、異なるエネルギーの２つの打ち込みステップによってゲッタリング部位が形成されたウェハーの方が、典型的に、より高いことを見出した。

本発明の上記の実施の形態はシリコンウェハーについて記載されたが、本発明の上述された方法は、シリコン・ゲルマニウム基板のような、別のタイプの半導体基板中の金属不純物を遮蔽するためにゲッタリング層を形成するのに用いることもできる。

当業者は、さまざまな変形が本発明の範囲を逸脱せずに上記の実施の形態に行えることを適正に認識するはずである。

〔実施の態様〕
この発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（１）（ａ）基板に酸素イオンを打ち込んで、埋め込まれた酸素が豊富な領域を生み出し、そして、前記基板を焼き鈍しして前記基板の前記酸素が豊富な領域内に連続的な埋め込まれた酸化物層を生み出すことによって、または、（ｂ）基板表面上に結晶シリコンのエピタキシャル層を成長させ、前記エピタキシャル層に酸素イオンを打ち込んで、埋め込まれた酸素が豊富な領域を生み出し、そして、前記エピタキシャル層を焼き鈍しして前記結晶エピタキシャルシリコン層の前記酸素が豊富な領域内に連続的な埋め込まれた酸化物層を生み出すことによって、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）構造を形成する方法において、
別のゲッタリングドーズ量のイオンを前記基板に打ち込んで、前記基板中に存在する金属不純物を遮蔽するための複数の部位を生み出す過程を具備する、
シリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法。
（２）前記実施態様（１）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記複数の遮蔽部位が、前記打ち込まれたイオンの前記基板との相互作用によって生み出された析出部位および／または関連する構造上の欠陥を含む、 方法。
（３）前記実施態様（１）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
遮蔽部位を生み出すための前記別のゲッタリングドーズ量のイオンとして酸素イオンを選択する過程をさらに具備する、 方法。
（４）前記実施態様（３）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記遮蔽部位が、酸素の析出を含む、 方法。
（５）前記実施態様（３）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記別のゲッタリングドーズ量の酸素イオンを打ち込む過程が、３０ｋｅＶから３００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビームに前記基板をさらす過程を含む、 方法。

（６）前記実施態様（３）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記遮蔽部位を生み出すために打ち込まれる酸素の別のゲッタリングドーズ量を、５×１０¹⁵ｃｍ^-2から１×１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内となるように選択する過程をさらに具備する、 方法。
（７）前記実施態様（６）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記遮蔽部位を生み出すために打ち込まれる酸素の別のゲッタリングドーズ量を、５×１０¹⁶ｃｍ^-2から２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内となるように選択する過程をさらに具備する、 方法。
（８）前記実施態様（１）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記基板に別のゲッタリングドーズ量のイオンを打ち込む前記過程が、前記連続的な埋め込まれた酸化物層を形成する前に行われる、 方法。
（９）前記実施態様（１）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記基板に別のゲッタリングドーズ量のイオンを打ち込む前記過程が、前記ゲッタリングドーズ量を、埋め込まれた酸素が豊富な領域を形成するためにイオンが打ち込まれた前記基板の表面とは別の前記基板の表面に打ち込む過程をさらに含む、 方法。
（１０）前記実施態様（１）ないし（９）のいずれかに記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
別のゲッタリングドーズ量のイオンを前記基板に打ち込む前記過程が、
前記基板内に第１のドーズ量の酸素イオンを打ち込むために、前記基板を第１のエネルギーを備えた酸素イオンのビームにさらすことによって、第１の集合の遮蔽部位を生み出す過程と、
前記基板内に第２のドーズ量の酸素イオンを打ち込むために、前記基板を前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーを備えた酸素イオンのビームにさらすことによって、第２の集合の遮蔽部位を生み出す過程と、
をさらに含む、 する方法。

（１１）前記実施態様（１０）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記第１のゲッタリング酸素ドーズ量が、２×１０¹⁵ｃｍ^-2から５×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、 方法。
（１２）前記実施態様（１０）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記第２のゲッタリング酸素ドーズ量が、２×１０¹⁵ｃｍ^-2から５×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、 方法。
（１３）前記実施態様（１０）記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
前記第１のゲッタリング酸素ドーズ量および前記第２のゲッタリング酸素ドーズ量の合計が、４×１０¹⁵ｃｍ^-2から１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、 方法。
（１４）前記実施態様（１）ないし（１３）のいずれかに記載の方法によって形成された、シリコン・オン・インシュレーター構造。

本発明のある実施の形態に基づく内部ゲッタリング層を備えたＳＯＩウェハーを形成するためのさまざまな過程を示すフロー図である。 本発明のある実施の形態に基づく基板の中に金属不純物を遮蔽するための複数の部位が形成された基板の模式図である。 内部ゲッタリング層を備えたＳＯＩ基板を形成するための本発明のある実施の形態の方法の一つの過程での図２Ａの基板上にエピタキシャル結晶シリコン層を形成する様子を示す模式図である。 基板の中に埋め込まれた酸素が豊富な層を生み出すために図２Ｂの基板を酸素イオンのビームにさらす様子を示す模式図である。 図２Ｃの基板を高温度で焼き鈍しすることによって、内部ゲッタリング層を備えた本発明のある実施の形態に基づいて形成されたＳＯＩウェハーを示す模式図である。 内部ゲッタリング層を備えた本発明のＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度を示す例示的な実験データを示す図である。 基板の表面上に生み出されたエピタキシャル層内に形成された連続的な埋め込まれた酸化物層を備え、金属不純物を遮蔽するためのゲッタリング層を備えていない、ＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度を示す対照データを示す図である。 内部ゲッタリング層を備えた本発明の別のＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度を示す例示的な実験データを示す図である。 基板の背面の下のゲッタリング層を備え、背面とは反対側の基板の上面に形成されたエピタキシャルシリコン層内の連続的な埋め込まれた酸化物層を備えた、本発明の別の実施の形態に基づいて形成されたＳＯＩウェハーを示す図である。 図５Ａに模式的に示されたＳＯＩウェハーを生み出すための例示的な過程を示すフロー図である。 ウェハーの背面の近傍に内部ゲッタリング層が本発明の教示に基づいて生み出された、図５Ａのウェハーのような、ＳＯＩウェハー中のニッケル不純物の濃度を示す例示的な実験データを示す図である。 ゲッタリング部位が、好ましくは異なるドーズ量およびエネルギーで実施される複数のイオン打ち込み過程によってシリコン基板内に形成された、本発明のある実施の形態の過程を示すフロー図である。 ゲッタリング層が本発明のある実施の形態に基づいてイオン打ち込みによって形成されたウェハーを示す模式図である。 ウェハー内に別のゲッタリング層を生み出すための第２のイオン打ち込みの後の図８Ａのウェハーを示す模式図である。 ウェハー上のエピタキシャル層の形成の後の図８Ｂのウェハーを示す模式図である。 ＳＩＭＯＸプロセスを用いてエピタキシャル層内に連続的な埋め込まれた酸化物層を形成した後の図８Ｃのウェハーを示す模式図である。 ２つのゲッタリング層が形成された、図８Ｄのウェハーのような、本発明のウェハー中のニッケル不純物の濃度を示す例示的な実験データを示す図である。

符号の説明

１２ シリコン基板
１４ 遮蔽部位
１６ 基板の上面
１８ 酸素イオンビーム
２２ エピ層
２２ａ エピ層の上面
２２ｂ 上側領域
２６ 酸化物層
２８ 酸素イオンビーム
３４ ＳＯＩウェハー
３６ エピ層
３６ａ エピ層の上面
３８ シリコン基板
３８ａ 上面
３８ｂ 底面
３８ｃ 基板の領域
４０ 酸化物層
４２ 遮蔽部位
５２ ウェハー
５４ 酸素イオンのビーム
５６ 曲線
５８ 複数の酸素の析出および／または構造上の欠陥
６２ 複数の酸素の析出および／または構造上の欠陥
６４ 曲線
６８ エピタキシャル層
７０ 酸化物層

Claims (14)

1. （ａ）基板に酸素イオンを打ち込んで、埋め込まれた酸素が豊富な領域を生み出し、そして、前記基板を焼き鈍しして前記基板の前記酸素が豊富な領域内に連続的な埋め込まれた酸化物層を生み出すことによって、または、（ｂ）基板表面上に結晶シリコンのエピタキシャル層を成長させ、前記エピタキシャル層に酸素イオンを打ち込んで、埋め込まれた酸素が豊富な領域を生み出し、そして、前記エピタキシャル層を焼き鈍しして前記結晶エピタキシャルシリコン層の前記酸素が豊富な領域内に連続的な埋め込まれた酸化物層を生み出すことによって、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）構造を形成する方法において、
   別のゲッタリング（gettering）ドーズ量のイオンを前記基板に打ち込んで、前記基板中に存在する金属不純物を遮蔽するための複数の部位を生み出す過程を具備する、
   シリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法。
2. 請求項１記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記複数の遮蔽部位が、前記打ち込まれたイオンの前記基板との相互作用によって生み出された析出部位および／または関連する構造上の欠陥を含む、方法。
3. 請求項１記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   遮蔽部位を生み出すための前記別のゲッタリングドーズ量のイオンとして酸素イオンを選択する過程をさらに具備する、方法。
4. 請求項３記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記遮蔽部位が、酸素の析出を含む、方法。
5. 請求項３記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記別のゲッタリングドーズ量の酸素イオンを打ち込む過程が、３０ｋｅＶから３００ｋｅＶまでの範囲内のエネルギーの酸素イオンのビームに前記基板をさらす過程を含む、方法。
6. 請求項３記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記遮蔽部位を生み出すために打ち込まれる酸素の別のゲッタリングドーズ量を、５×１０¹⁵ｃｍ^-2から１×１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内となるように選択する過程をさらに具備する、方法。
7. 請求項６記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記遮蔽部位を生み出すために打ち込まれる酸素の別のゲッタリングドーズ量を、５×１０¹⁶ｃｍ^-2から２×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内となるように選択する過程をさらに具備する、方法。
8. 請求項１記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記基板に別のゲッタリングドーズ量のイオンを打ち込む前記過程が、前記連続的な埋め込まれた酸化物層を形成する前に行われる、方法。
9. 請求項１記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
   前記基板に別のゲッタリングドーズ量のイオンを打ち込む前記過程が、前記ゲッタリングドーズ量を、埋め込まれた酸素が豊富な領域を形成するためにイオンが打ち込まれた前記基板の表面とは別の前記基板の表面に打ち込む過程をさらに含む、方法。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
    別のゲッタリングドーズ量のイオンを前記基板に打ち込む前記過程が、
    前記基板内に第１のドーズ量の酸素イオンを打ち込むために、前記基板を第１のエネルギーを備えた酸素イオンのビームにさらすことによって、第１の集合の遮蔽部位を生み出す過程と、
    前記基板内に第２のドーズ量の酸素イオンを打ち込むために、前記基板を前記第１のエネルギーとは異なる第２のエネルギーを備えた酸素イオンのビームにさらすことによって、第２の集合の遮蔽部位を生み出す過程と、
    をさらに含む、方法。
11. 請求項１０記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
    前記第１のゲッタリング酸素ドーズ量が、２×１０¹⁵ｃｍ^-2から５×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、方法。
12. 請求項１０記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
    前記第２のゲッタリング酸素ドーズ量が、２×１０¹⁵ｃｍ^-2から５×１０¹⁷ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、方法。
13. 請求項１０記載のシリコン・オン・インシュレーター構造を形成する方法において、
    前記第１のゲッタリング酸素ドーズ量および前記第２のゲッタリング酸素ドーズ量の合計が、４×１０¹⁵ｃｍ^-2から１０¹⁸ｃｍ^-2までの範囲内であるように選択される、方法。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法によって形成された、シリコン・オン・インシュレーター構造。

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