JP2009105315A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

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Yuuji Tobisaka
優二 飛坂
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Abstract

【課題】ＳＯＩ基板製造プロセスの一貫した低温化を図ること。
【解決手段】ＳＯＩ基板に設けるゲート酸化膜を、４５０℃以下の温度で成長させた低温熱酸化膜１３とＣＶＤ法による酸化膜１４を積層させたものとする。熱酸化膜１３は１００Å以下の薄膜であるから、４５０℃以下の低温であっても充分である。下地の熱酸化膜１３により界面準位等の構造的欠陥が抑制されるとともに、当該熱酸化膜上に形成されたＣＶＤ酸化膜１４によってゲート酸化膜の厚み調整が可能となる。このような手法によれば、従来の一般的なシリコン酸化膜形成装置を用いてゲート酸化膜を低温形成することが可能となり、ＳＯＩ基板製造プロセスの一貫した低温化が図られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明絶縁性基板上にシリコン膜を有する半導体基板の製造方法に関する。
半導体デバイスの高性能化を可能とする半導体基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が注目を浴びている（例えば、特許文献１や非特許文献１を参照）。これは、ＳＯＩ構造を採用して単結晶シリコン薄膜下に酸化膜を埋め込むことにより、寄生容量を低減し、動作速度を向上させ、消費電力を抑えることが可能となるためである。
ＳＯＩ基板を光デバイスとして利用する場合にはシリコン基板と貼り合わせる支持基板は透明絶縁性基板であることが必要となるが、そのような基板としては石英基板やサファイア基板の他、低コスト化の観点からホウ珪酸ガラス基板や結晶化ガラス基板なども検討されている。
しかし、これらの透明絶縁性基板は、シリコン結晶と熱膨張係数が大きく異なるため、ＳＯＩ基板の製造工程が高温プロセスを含む場合には、貼り合わせ基板やＳＯＩ基板が割れたり欠けたりするという問題が生じる。このため、ＳＯＩ基板の製造工程全般における低温化望まれており、特に、透明絶縁性基板上にＳＯＩ膜を形成した後にゲート酸化膜を形成する工程は低温化を図る必要がある。
近年では、高温を要する熱酸化に代わる低温酸化技術として、高濃度オゾンを用いた酸化法（非特許文献２）やマイクロ波励起プラズマによる酸化法（非特許文献３）も提案されているが、これらの手法は何れも、従来の装置とは異なる特殊な酸化システムを必要とする。
特許第３０４８２０１号公報 A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106). 黒河明他「高濃度オゾンで形成した極薄シリコン酸化膜の界面構造」（電子技術総合研究所彙報、第６３巻、第１２号、p.501-507、2000年）． 大見忠弘他「マイクロ波励起Kr/O2プラズマによるシリコン酸化膜の低温形成」『応用物理』（第６９巻、第１０号、p.1200-1204、2000年）．
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の一般的なシリコン酸化膜形成装置を用いて低温で形成されたゲート酸化膜を備えたＳＯＩ基板を提供することにある。
このような課題を解決するために、本発明の半導体基板の製造方法は、シリコン基板の主面に水素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、透明絶縁性基板と前記シリコン基板の少なくとも一方の主面にプラズマ処理を施す表面処理工程と、前記透明絶縁性基板と前記シリコン基板の主面同士を貼り合わせる工程と、前記貼り合せ基板の前記シリコン基板からシリコン薄膜を機械的剥離して前記透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を有するＳＯＩ基板とする剥離工程と、前記ＳＯＩ基板の前記シリコン膜を平坦化処理する工程と、前記平坦化後のシリコン膜表面を４５０℃以下の温度で熱酸化して１００Å以下の酸化膜を形成する工程と、前記熱酸化膜上にＣＶＤ法で酸化膜を堆積してゲート酸化膜を形成する工程とを備えている。
前記ＣＶＤ法による酸化は、例えば、Ｎ２ＯとＳｉＨ４の混合ガス、Ｏ２とＳｉＨ４の混合ガス、又はＴＥＯＳガスの少なくとも１種のガスにより行なわれる。
本発明の半導体基板の製造方法は、前記ＣＶＤ法による酸化膜の形成の後に水素を０．１〜４モル％の濃度で含有する不活性化ガス雰囲気中で熱処理する工程を更に備えていることが好ましい。
また、前記剥離工程の前に、前記貼り合せ基板を１００〜３００℃の温度で熱処理する工程を備えるようにしてもよい。
本発明で用いられる透明絶縁性基板は、例えば、石英基板、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板である。
本発明では、ＳＯＩ基板に形成するゲート酸化膜を、４５０℃以下の温度で成長させた低温熱酸化膜とＣＶＤ法による酸化膜を積層させたものとしたので、下地の熱酸化膜により界面準位等の構造的欠陥が抑制されるとともに、当該熱酸化膜上に形成されたＣＶＤ酸化膜によってゲート酸化膜の厚み調整が可能となる。このような手法によれば、従来の一般的なシリコン酸化膜形成装置を用いてゲート酸化膜を低温形成することが可能となり、ＳＯＩ基板製造プロセスの一貫した低温化が図られる。
以下に、本発明の半導体基板の製造方法を実施例により説明する。なお、以下の実施例において透明絶縁性基板を石英基板として説明するが、本発明で用いられる透明絶縁性基板は、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、結晶化ガラス基板などであってもよい。
図１は、本発明の半導体基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。図１（Ａ）に図示されたシリコン基板１０は一般には単結晶Ｓｉ基板であり、支持基板は石英基板２０である。ここで、単結晶Ｓｉ基板１０は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキ法）により育成された一般に市販されているＳｉ基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。なお、この単結晶Ｓｉ基板１０の表面（貼り合せ面）には、例えば熱酸化などの方法によって予め酸化膜が形成されていてもよい。
貼り合わされる単結晶Ｓｉ基板１０および石英基板２０の直径は同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、石英基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。
先ず、Ｓｉ基板１０の温度が４００℃を超えない状態（４００℃以下）に保持される条件下で、単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオンを注入する（図１（Ａ））。このイオン注入面が後の「接合面（貼り合せ面）」となる。水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に均一なイオン注入層１１が形成される（図１（Ｂ））。イオン注入工程中のＳｉ基板１０の温度を４００℃以下に保持することとすると、いわゆる「マイクロキャビティ」の発生を顕著に抑制することができる。なお、本実施例では、水素イオン注入時の単結晶Ｓｉ基板１０の温度は２００℃以上４００℃以下に設定されている。
水素のイオン注入時のドーズ量は、ＳＯＩ基板の仕様等に応じて、例えば１×１０１６〜４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲で適当な値が選択される。なお、従来より、水素イオンのドーズ量が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を越えるとその後に得られるＳＯＩ層の表面荒れが生じるとされ、７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度のドーズ量に設定するのが一般的である。しかし、本発明者らの検討によれば、従来法において生じるとされていた上記イオン注入条件で生じるＳＯＩ層の表面荒れの原因は、水素イオンのドーズ量そのものではなく、シリコン薄膜を剥離してＳＯＩ層を得るために採用されている比較的高温（例えば５００℃）の熱処理工程中で生じる水素の拡散現象にあることが明らかとなった。
したがって、本発明のように、水素イオン注入工程を含む一貫した低温プロセス化が図られる場合には、水素イオン注入工程中はもとより、剥離工程も低温で実行されることとなり、当該剥離処理工程中での水素原子の拡散は著しく抑制されるため、高いドーズ量の水素イオン注入を施したとしてもＳＯＩ層の表面荒れを生じさせることはない。本発明者らは種々のドーズ量で水素イオン注入を施してＳＯＩ層の表面荒れへの影響を調査したが、４００℃以下の低温熱処理でシリコン薄膜の剥離を実行する限り、少なくとも４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２までのドーズ量での表面荒れは認められなかった。
イオン注入層１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）はイオン注入時の加速電圧により制御され、どの程度の厚さのＳＯＩ層を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば、平均イオン注入深さＬを０．５μｍ以下とし、加速電圧５０〜１００ＫｅＶなどとする。なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。
この水素イオン注入後、単結晶Ｓｉ基板１０の接合面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理を施す（図１（Ｃ））。なお、このプラズマ処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものであり、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の双方の接合面に施してもよく、石英基板２０の接合面にのみ施してもよい。つまり、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の何れか一方の接合面に施せばよい。
このプラズマ処理は、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入して実行する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがある。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。
このような表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の表面を接合面として密着させて貼り合わせる（図１（Ｄ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理により表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。
なお、図１（Ｄ）の貼り合わせ工程に続いて、剥離工程の前に、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０とを貼り合わせた状態で、１００〜３００℃の温度で熱処理する工程を設けるようにしてもよい。この熱処理工程は、単結晶シリコン基板１０と石英基板２０との接合強度を高めるという効果を得ることを主な目的とするものである。
この熱処理工程時の温度を３００℃以下と設定する主な理由は、上述した「マイクロキャビティ」の発生を防ぐことに加え、単結晶シリコンと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶シリコン基板１０ならびに石英基板２０の厚みを考慮したことによる。
なお、この熱処理には、水素イオンの注入量によっては、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の両基板間の熱膨張係数差に起因する熱応力を生じさせてイオン注入層１１内のシリコン原子の化学結合を弱化させるという副次的な効果も期待できる。
このような処理に続いて、貼り合わされた基板に何らかの手法により外部衝撃を付与して単結晶シリコンのバルクからシリコン膜を機械的に剥離して、石英基板２０上にシリコン膜（ＳＯＩ膜）１２を備えた半導体基板（ＳＯＩ基板）が得られる（図１（Ｅ））。なお、シリコン膜（ＳＯＩ膜）１２の剥離のための外部からの衝撃付与の手法としては種々のものがあり得るが、本実施例ではこの剥離は加熱なしに実行している。
このようにして得られたＳＯＩ膜の剥離後の表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定したところ、ＲＭＳの平均値は５ｎｍ以下と良好であった。また、ＳＯＩ膜の基板面内バラつき（ＰＶ）は４ｎｍ以下であった。このような比較的平滑な剥離面が得られる理由は、従来の熱剥離とは剥離メカニズムが異なるためである。
得られたＳＯＩ基板の表面（ＳＯＩ膜表面）はＣＭＰ研磨が施されて平坦化され、更に洗浄されて清浄面とされる。
本発明のＳＯＩ基板はゲート酸化膜を備えており、当該酸化膜は下記の２つの工程で形成される。先ず、ＳＯＩ膜１２の清浄面を４５０℃以下の低い温度で熱酸化し、１００Å以下の薄い下地の熱酸化膜１３が形成される（図１（Ｆ））。一般的な熱酸化膜は９００℃以上の温度を必要とするが、本発明では、熱酸化膜１３は１００Å以下の薄い膜とすることから、４５０℃以下の低温であっても充分である。例えば、４５０℃でドライ酸化法により１２時間熱酸化した場合には、８５Åの熱酸化膜が得られた。
次に、熱酸化膜１３の上に、ＣＶＤ法により、６００℃以下の温度で酸化膜１４を更に堆積する（図１（Ｇ））。この酸化膜１４と熱酸化膜１３がゲート酸化膜となる。ＣＶＤ法による酸化用ガスとしては、例えば、Ｎ２ＯとＳｉＨ４の混合ガス、Ｏ２とＳｉＨ４の混合ガス、或いはＴＥＯＳガスなどを用いることができる。
このような構造のゲート酸化膜は、下地の熱酸化膜１３により界面準位等の構造的欠陥が抑制されるとともに、当該熱酸化膜上に形成されたＣＶＤ酸化膜１４によって厚みの調整が可能であるという利点がある。このような酸化手法を採用することにより、最適なゲート酸化膜厚が得られると同時に、ゲート酸化膜の形成プロセスが一貫して低温で実行されることとなるため、熱膨張率が異なる材料から成る複合基板（石英基板、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板上にシリコン膜を備えた基板）のシリコン膜中の結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。
なお、熱酸化膜１３およびＣＶＤ酸化膜１４中の構造的欠陥を電気的に不活性化することを目的として、ＣＶＤ酸化膜１４の形成の後に、水素を０．１〜４モル％の濃度で含有する不活性化ガス雰囲気中で熱処理する工程を更に設けるようにしてもよい。反応速度は基本的に水素の分圧に比例するために、水素濃度についての下限は特にないが（酸化時間を長くすればよい）、現実的には０．１モル％以上が望ましい。上限に関して言えば、爆発限界（水素濃度４モル％以下）のフォーミングガスが取り扱いが容易である。
本発明により、従来の一般的なシリコン酸化膜形成装置を用いてゲート酸化膜を低温形成することが可能となり、ＳＯＩ基板製造プロセスの一貫した低温化が図られる。
本発明の半導体基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。
符号の説明
１０ シリコン基板
１１ イオン注入層
１２ シリコン膜（ＳＯＩ膜）
１３ 熱酸化膜
１４ ＣＶＤ酸化膜
２０ 石英基板

Claims (5)

  1. シリコン基板の主面に水素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、
    透明絶縁性基板と前記シリコン基板の少なくとも一方の主面にプラズマ処理を施す表面処理工程と、
    前記透明絶縁性基板と前記シリコン基板の主面同士を貼り合わせる工程と、
    前記貼り合せ基板の前記シリコン基板からシリコン薄膜を機械的剥離して前記透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を有するＳＯＩ基板とする剥離工程と、
    前記ＳＯＩ基板の前記シリコン膜を平坦化処理する工程と、
    前記平坦化後のシリコン膜表面を４５０℃以下の温度で熱酸化して１００Å以下の酸化膜を形成する工程と、
    前記熱酸化膜上にＣＶＤ法で酸化膜を堆積してゲート酸化膜を形成する工程と、
    を備えている半導体基板の製造方法。
  2. 前記ＣＶＤ法による酸化は、Ｎ２ＯとＳｉＨ４の混合ガス、Ｏ２とＳｉＨ４の混合ガス、又はＴＥＯＳガスの少なくとも１種のガスにより行なわれる請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
  3. 前記ＣＶＤ法による酸化膜の形成の後に水素を０．１〜４モル％の濃度で含有する不活性化ガス雰囲気中で熱処理する工程を更に備えている請求項１又は２に記載の半導体基板の製造方法。
  4. 前記剥離工程の前に、前記貼り合せ基板を１００〜３００℃の温度で熱処理する工程を備えている請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
  5. 前記透明絶縁性基板は、石英基板、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板の何れかである請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体基板の製造方法。
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