JP2010199569A - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入時に保持されるウェーハ面内の温度が不均一になることを抑制してＳＯＩ層とＢＯＸ層双方の面内における膜厚を均一にする。
【解決手段】ＳＩＭＯＸウェーハ製造における酸素イオン注入工程において、ウェーハ保持手段の内部又は裏面に通路を形成し、この通路に加熱流体を流して前記ウェーハ保持手段と接触する前記ウェーハの外周部を加熱しながら酸素イオン注入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ(Separation by Implanted Oxygen)ウェーハのＳＯＩ(Silicon on Insulator)層及びＢＯＸ（Buried Oxide）層の面内の厚さ均一性を改善できる、酸素イオン注入装置用ウェーハ保持手段を用いるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関するものである。

ＳＩＭＯＸ技術は、イオン注入装置により酸素イオンをシリコン基板に一定の深さに注入した後、高温熱処理により埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層という）を形成するとともにＢＯＸ層上部に該当するＳＯＩ層の結晶性を回復させることによりＳＩＭＯＸウェーハを製造する技術である。現在、市販されているＳＩＭＯＸウェーハの製造方法はＭＬＤ(Modified Low Dose)法と呼ばれ、この方法では酸素イオン注入を２段階に分けて行う（例えば、特許文献１参照。）。１回目の酸素イオン注入はシリコンウェーハを加熱して行い、続く２回目の酸素イオン注入はシリコンウェーハの温度を室温程度に下げて行う。１回目の酸素イオン注入では、シリコンウェーハを加熱しながら酸素イオン注入を行うことで、シリコンウェーハ表面を単結晶に維持したまま酸素の高濃度層を形成する。２回目の酸素イオン注入は温度を下げて行うことでアモルファス層を形成する。続いて、酸素とアルゴンの混合ガス中で高温熱処理をすることによりＢＯＸ層及びＳＯＩ層が形成され、ＳＯＩ構造が形成される。

この方法では、２回目の室温での酸素イオン注入によりシリコンウェーハにアモルファス層及びその上層に欠陥層を形成し、その後酸素濃度を２段階に変えて高温熱処理を行うＩＴＯＸ(Internal Oxidation)技術により酸素析出を効果的に促進し、ＢＯＸ層の品質を良好にしている。即ち、上記高温熱処理工程において、欠陥層は酸素の拡散を促進する役割を果たしている。その後の研究・開発により酸素イオン注入条件の検討が行なわれた結果、１回目の酸素イオン注入においてシリコンウェーハを加熱し、２回目のイオン注入において１回目の酸素イオン注入時のウェーハ加熱温度よりも低い温度で予備加熱を行う方法により、ウェーハの表面ラフネス及びＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面ラフネスが改善されることが明らかになっている（例えば、特許文献２参照。）。

現在、ＳＩＭＯＸウェーハ製造に用いられている酸素イオン注入装置では、ウェーハをウェーハ保持手段の裏面と接触せずに或いは極一部に限って接触させ、ウェーハの外周部を保持ピンなどにより固定する形態のウェーハ保持手段を用いている。このような形態のウェーハ保持手段を用いた場合、ウェーハを加熱する手段としてウェーハの裏面に設けられた加熱用ヒータにより加熱し、ウェーハの温度を上昇させてイオン注入を行う。しかしながら、このようなウェーハ裏面をウェーハ保持手段に接触させずに、或いは極一部に限って接触させてウェーハの外周部を保持するタイプのウェーハ保持手段では、加熱中或いはイオン注入中に発生した熱が保持ピンから逃げ、このピンの放熱効果によりピン付近のウェーハの温度が他の部分と比べて低下するため、ウェーハの温度が不均一になる問題が発生している。この温度の不均一性が最終的に形成されるＳＯＩ層とＢＯＸ層の膜厚分布を悪くする。この問題を解決するために、保持ピンに熱伝導性が低い材料を使い、熱放散を抑制する試みが行われている。その一つに、保持ピンの材質として熱電伝導性の低い熱硬化性樹脂を用いる発明が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。また、別の改善方法として、ウェーハ接触部分に加熱ヒータを盛り込み、部分加熱を行う発明が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。

一方、被処理体の載置台が設けられた蓋体により装置本体の開口部を気密に閉じ、こうして閉じられた気密雰囲気を真空排気した後、載置台の中に形成された流路に冷媒を流して載置台上の被処理体を冷却しながらこの被処理体に対してイオン注入処理を行い、イオン注入処理後に気密雰囲気を大気圧雰囲気に戻して蓋体を開き、載置台上の被処理体を交換するイオン注入装置が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。このイオン注入装置では、流路に熱媒を供給するための熱媒供給手段が設けられる。また蓋体が開いている間に、制御部が冷媒に代えて熱媒供給手段よりの熱媒を流路に供給するように流路内の流体を切替え制御するように構成される。このように構成されたイオン注入装置では、蓋体が開いているときに、熱媒供給手段からの熱媒を流路に供給して載置台が加熱されるので、載置台表面への水分の吸着が低減される。この結果、蓋体を閉じた後の真空排気に要する時間を短縮できるようになっている。

米国特許第５，９３０，６４３号明細書（クレーム１、６、７、１４及び１５） 特開２００７−５５６３号公報（請求項１及び２、段落［００１１］〜［００１７］、図２及び図３） 特表２００７−５１１８９９号公報（請求項１、１７、１９及び２１、段落［００１３］〜［００１５］、［００４５］〜［００４９］） 特開２００７−５９２６２号公報（請求項１〜３、段落［００１７］〜［００２２］） 特開平９−２７４６２号公報（請求項２、段落［０００８］）

上述したように、ＳＩＭＯＸウェーハの製造における酸素イオン注入工程において、酸素イオン注入中に発生した熱がウェーハ保持手段の保持ピンから逃げ、ピン付近のウェーハの温度が他の部分と比べて低下してウェーハの面内の温度分布が不均一になり、その結果、最終的に形成されるＳＯＩ層とＢＯＸ層の膜厚分布を悪くすることが問題になっている。特に、ＭＬＤ法における２回目の温度を下げて行う酸素イオン注入工程において、この問題が顕著になっている。これに対する対策が上記特許文献３及び４に開示されている。

しかし、上記特許文献３に示された発明では、熱硬化性樹脂を使っても熱伝導率がゼロではないので、ウェーハ保持部よりの熱放散を完全に遮断することができず、根本的な解決手段になっていないのが現状である。また、上記特許文献４に示された発明では、部分ヒータを使うだけでは正確に接触部分だけを加熱することが難しいといった問題がある。更に、上記特許文献５に示された発明では、イオン注入時に被処理体を保持する載置台が加熱されるのではなく冷却されるため、ウェーハ面内の温度が更に不均一になる問題点があった。

本発明の目的は、イオン注入時に保持されるウェーハ面内の温度が不均一になることを抑制してＳＯＩ層とＢＯＸ層の双方の面内における膜厚を均一にするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、一方の端面に底壁が設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバと、上記チャンバに収納され複数枚のウェーハを同一円周上に間隔をあけて保持することにより上記ウェーハを公転可能にするウェーハ保持手段と、上記チャンバの開口部をシール部材により気密を保って閉止する円板状のキャップとを備えたイオン注入装置を用いて上記ウェーハに酸素イオン注入を行うＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、上記ウェーハ保持手段の内部又は裏面に通路を形成し、この通路に加熱流体を流して上記ウェーハ保持手段と接触する上記ウェーハの外周部を加熱しながら酸素イオン注入することを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に加熱流体が水又はオイルであることを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に加熱流体の温度が２０℃以上８０℃以下であることを特徴とする。

本発明の第４の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に加熱流体を貯蔵するタンクと、このタンク内の加熱流体を加熱するヒータと、上記タンク内の加熱流体の温度を検出する温度センサと、上記温度センサの検出出力に基づいて上記ヒータを制御するコントローラと、加熱流体をタンクからウェーハ保持手段に循環させるポンプとを備えた加熱流体供給装置を用いて、上記ウェーハ保持手段の通路に加熱流体を流してウェーハの外周部を加熱することを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更にウェーハへの全ての酸素イオン注入工程或いは一部の酸素イオン注入工程で、ウェーハ保持手段の通路に加熱流体を流すことを特徴とする。

本発明の第６の観点は、第４の観点に基づく発明であって、更にウェーハ保持手段が、ウェーハ保持基板と、その裏面に取り付けられ内部にＵ字形状の加熱流体の通路を有するアームと、ウェーハ保持基板の外周表面に取り付けられウェーハ外周部を載せるための１つの先端ステージと、２つの側端ステージと、ウェーハを固定するために先端ステージ上に設置される先端保持ピンと、側端ステージ上に設置される側端保持ピンとを備え、通路が、アームの基端から先端に向いかつアームの一側縁に沿って延びる往路と、アームの先端から基端に向いかつアームの他側縁に沿って延びる復路と、往路の先端と復路の基端とを接続するＵ字形状の接続路とを有し、往路がウェーハ保持板に取付けられた２つの側端ステージのうちの一方の側端ステージに接近して設けられ、復路が２つの側端ステージのうちの他方の側端ステージに接近して設けられ、接続路がウェーハ保持板に取付けられた先端ステージに接近して設けられることを特徴とする。

本発明の第１の観点の方法では、ＳＩＭＯＸウェーハの製造における酸素イオン注入工程において、ウェーハ保持手段の通路に加熱流体を流すことにより、ウェーハ保持手段の保持部からウェーハの熱が放散するのを抑制することができるため、ウェーハ外周部の温度が安定に保持され、ウェーハ面内の温度が不均一になるのを抑制することができる。このことにより、ＳＩＭＯＸウェーハに形成されるＳＯＩ層とＢＯＸ層の面内の膜厚均一性が改善される。

本発明実施形態のウェーハ保持手段の平面図である。 図１のＡ-Ａ線断面図である。 図１のＢ-Ｂ線断面図である。 本発明実施形態のイオン注入装置の断面構成図である。 本発明実施形態のウェーハ保持手段と加熱流体供給装置の模式図である。 実施例１のＳＯＩ層の面内膜厚分布を示した図である。 比較例１のＳＯＩ層の面内膜厚分布を示した図である。 実施例１のＢＯＸ層の面内膜厚分布を示した図である。 比較例１のＢＯＸ層の面内膜厚分布を示した図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図４に示すように、酸素イオン注入装置２１には、一方の端面に底壁が設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバ２６と、チャンバの開口部を閉止する円板状のキャップ２７と、ウェーハ保持手段１１と、複数個のウェーハ保持手段を保持する固定板２２とが設置される。この固定板２２の外周には１３個のウェーハ保持手段１１が等間隔に設置される（図５参照）。この固定板２２はチャンバ２６の底壁中央に回転可能に挿入された回転軸２３に固定され、この回転軸２３にモータ２４が接続される。この回転軸２３は床に対して水平に設置されている。

図１、図２及び図３に示すように、酸素イオン注入装置のウェーハ保持手段１１はウェーハ保持基板１３と、その裏面に取り付けられ内部にＵ字形状の加熱流体の通路１６を有するアーム１４と、ウェーハ保持基板１３の外周表面に取り付けられウェーハ外周部を載せるための１つの先端ステージ１７と、２つの側端ステージ１８，１８と、ウェーハを固定するために先端ステージ１７上に設置される先端保持ピン１９と、側端ステージ１８，１８上に設置される側端保持ピン２０，２０とを備える。通路１６は、アーム１４の基端から先端に向いかつアーム１４の一側縁に沿って延びる往路１６ａと、アーム１４の先端から基端に向いかつアーム１４の他側縁に沿って延びる復路１６ｂと、往路１６ａの先端と復路１６ｂの基端とを接続するＵ字形状の接続路１６ｃとを有する（図１〜図３及び図５）。往路１６ａはウェーハ保持板１３に取付けられた２つの側端ステージ１８，１８のうちの一方の側端ステージ１８に接近して設けられ、復路１６ｂは２つの側端ステージ１８，１８のうちの他方の側端ステージ１８に接近して設けられ、接続路１６ｃはウェーハ保持板１３に取付けられた先端ステージ１７に接近して設けられる。

図５に示すように１３個のウェーハ保持手段１１には加熱流体供給装置３１が接続される。図５の右側部分は、１３個のウェーハ保持手段１１を裏面から視た図である。１３個のウェーハ保持手段１１のそれぞれの通路１６の出入り口は直列に接続される。この直列に接続された通路１６の加熱流体出口には図５の左側部分に示される加熱流体供給装置３１の加熱流体導入口３９がパイプで接続され、直列に接続された通路１６の入口には加熱流体供給装置３１の加熱流体導出口４０がパイプで接続される。加熱流体供給装置３１は、加熱流体３３を貯蔵するタンク３２と、このタンク内の加熱流体を加熱するヒータ３７と、上記タンク内の加熱流体の温度を検出する温度センサ３４と、この温度センサの検出出力に基づいて上記ヒータを加熱する出力を制御するコントローラ３６と、加熱流体３３をタンク３２からウェーハ保持手段１１に循環させるポンプ３８とを備える。この加熱流体３３には、温水を用いることが、取り扱いが容易であるため好ましい。また、シリコーン油、ダウサムＡ（Dowtherm A：ダウケミカル社の登録商標）などのオイルを用いることもできる。これは、もっと広い範囲の温度領域（ダウサムＡの場合は１５〜２５７℃）で液体として存在し、極めて安定だからである。加熱流体３３の温度は２０℃以上８０℃以下の所定温度にすることが好ましい。下限値未満であると加熱効果が乏しく、上限値を超えるとウェーハに過剰な熱を与えるためである。更に好ましい温度は、３０〜７０℃である。

次に、このような構成のイオン注入装置２１を用いたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を説明する。先ず、図４に示すイオン注入装置２１のチャンバ２６の開口部を開放した状態で、１３個のウェーハ保持手段１１に１３枚のウェーハ１２を固定する。具体的には、図１、図２及び図３に示すウェーハ保持手段１１のウェーハ保持基板１３の表面に平行にウェーハ１２を移し、ウェーハ外周部を先端ステージ１７及び側端ステージ１８，１８の上に載せた後、ウェーハ外周部を先端保持ピン１９及び側端保持ピン２０，２０に当てて固定する。

次に、チャンバ２６の開口部にキャップ２７を取り付け、チャンバ内部を真空ポンプにより真空引きする。真空度が到達真空度に達した後、図５に示す加熱流体供給装置３１を作動させる。一方、図４に示すイオン注入装置２１のモータ２４を作動させて固定板２２に取り付けられた１３個のウェーハ保持手段１１を公転させる。モータ２４が回転軸２３を回転駆動することにより固定板２２が回転し、この回転により１３個のウェーハ保持手段１１が回転軸２３を中心に公転する。この公転によりウェーハ１２はウェーハ保持手段１１の先端保持ピン１９、及び２ヶ所の側端保持ピン２０，２０により保持され、かつ遠心力により先端保持ピン１９に押しつけられるため落下することはない。

前述の加熱流体供給装置３１の運転により、温度制御された加熱流体３３がウェーハ保持手段１１の通路１６を循環する。また、加熱流体供給装置３１の温度センサ３４の検出出力に基づいてコントローラ３６がヒータ３７を加熱する出力を制御し、タンク３２内部の加熱流体３３を所定の温度に保持する。

この状態でウェーハ１２に酸素イオンを注入し、加熱流体供給装置３１からウェーハ保持手段１１の通路１６を加熱流体３３が循環することによって、先端ステージ１７及び側端ステージ１８，１８を介して先端保持ピン１９及び側端保持ピン２０，２０が加熱される。即ち、加熱流体３３が一方の側端ステージ１８に接近して設けられた往路１６ａを通過することにより、一方の側端ステージ１８を介して一方の側端保持ピン２０が効率良く加熱され、加熱流体３３が先端ステージ１７に接近して設けられた接続路１６ｃを通ることにより、先端ステージ１７を介して先端保持ピン１９が効率良く加熱され、更に加熱流体３３が他方の側端ステージ１８に接近して設けられた復路１６ｂを通ることにより、他方の側端ステージ１８を介して他方の側端保持ピン２０が効率良く加熱される。その結果、酸素イオン注入時に発生するウェーハの熱が先端保持ピン１９及び側端保持ピン２０，２０から放散しなくなり、ウェーハの温度が不均一になることが抑制される。

本発明の方法は、ＳＩＭＯＸウェーハ製造時の酸素イオン注入工程において、全ての酸素イオン注入工程で用いても良いし、一部の酸素イオン注入工程のみで用いても構わない。とりわけ、ＭＬＤ法による２回目の酸素イオン注入工程において本発明の方法を用いると、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の面内の膜厚均一性を向上させる効果が顕著に得られるので好ましい。

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＞
図４に示すように、イオン注入装置２１のチャンバ２６内にある１３個のウェーハ保持手段１１に、１回目の酸素イオン注入を行った１３枚のシリコンウェーハ１２をセットし、キャップ２７を取り付けてチャンバ２６を真空ポンプにより到達真空度１×１０^-4Ｐａになるまで真空引きした。その後、図５に示す加熱流体供給装置３１を作動させた。なお、１回目の酸素イオン注入は、ウェーハ加熱温度３５０℃、加速エネルギ２００ｋｅＶ、酸素イオン注入量２．５×１０¹⁷原子／ｃｍ²で行った。次に、イオン注入装置２１のモータ２４を作動させ、１３個のウェーハ保持手段１１を回転軸２３を中心に３５０ｒｐｍで公転させた。加熱流体供給装置３１の作動により、加熱流体３３が１３個のウェーハ保持手段１１の通路を循環した。この時、加熱流体供給装置３１における加熱流体３３の設定温度を７０℃にし、設定温度±１℃になるように温度センサ３４及びコントローラ３６によりヒータの出力を制御して、加熱流体の温度を調節した。この状態でシリコンウェーハ１２に２００ｋｅＶの加速エネルギで５×１０¹⁵原子／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。２回目の酸素イオン注入終了後、１３枚のシリコンウェーハ１１を取り出して高温熱処理炉に移し、酸素分圧５０％のアルゴン及び酸素の混合ガス中で１３５０℃に１５時間保持する高温熱処理を行った。このようにして、ＳＩＭＯＸウェーハを合計１３枚作製した。

＜比較例１＞
酸素イオン注入工程において、ウェーハ保持手段１１に加熱流体３３を循環させなかった以外は、実施例１と同様な条件でＳＩＭＯＸウェーハを合計１３枚作製した。

＜比較試験及び評価＞
実施例１と比較例１のＳＩＭＯＸウェーハについて、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の面内の膜厚分布をそれぞれ求めた。具体的には、ウェーハ全面のＳＯＩ層の部分及びウェーハ全面のＢＯＸ層部分の各厚さを測定し、その膜厚分布をマップにした。これらを図６、図７、図８及び図９に示す。更に、平均膜厚（Å）、及び最大厚さから最小厚さを引いた値である膜厚レンジ（Å）をマップ上部に示した。図６及び図７は、各々実施例１及び比較例１における代表的なＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層の面内膜厚分布のマップである。また、図８及び図９は、各々実施例１及び比較例１における代表的なＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層の面内膜厚分布のマップである。なお、上記の膜厚測定は、KLA-Tencor社製のＡＳＥＴ−Ｆ５ｘ装置を用い、ウェーハ周縁から３ｍｍ幅の部分を除いた中央部分の５７ポイント／ウェーハで行った。

比較例１（図７及び図９）から明らかなように、先端保持ピンと２ヶ所の側端保持ピン付近のＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚がともに顕著に大きくなる傾向が見られた。一方、実施例１（図６及び図８）から明らかなように、先端保持ピンと２ヶ所の側端保持ピン付近のＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚が顕著に大きくなる傾向は見られなかった。具体的には、実施例１と比較例１のＳＯＩ層の膜厚レンジ（図６及び図７）で比較すると、実施例１が１５．３Å、比較例１が４１．２Åであった。また、実施例１と比較例１のＢＯＸ層の膜厚レンジ（図８及び図９）で比較すると、実施例１が２３．６Å、比較例１が５１．８Åであった。これらのことから、比較例１に比べ、実施例１ではＳＯＩ層の膜厚レンジもＢＯＸ層の膜厚レンジもともに比較例１より小さくなっていた。即ち、比較例１の方法と比べて実施例１の方法はウェーハ全体の膜厚むらが低減され、面内における膜厚均一性が向上したことが判った。

１１ ウェーハ保持手段
１２ ウェーハ
１６ 加熱流体の通路
２１ イオン注入装置
２６ チャンバ
２７ キャップ
３１ 加熱流体供給装置
３２ タンク
３３ 加熱流体
３４ 温度センサ
３６ コントローラ
３７ ヒータ
３８ ポンプ

Claims (6)

1. 一方の端面に底壁が設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバと、前記チャンバに収納され複数枚のウェーハを同一円周上に間隔をあけて保持することにより前記ウェーハを公転可能にするウェーハ保持手段と、前記チャンバの開口部をシール部材により気密を保って閉止する円板状のキャップとを備えたイオン注入装置を用いて前記ウェーハに酸素イオン注入を行うＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
   前記ウェーハ保持手段の内部又は裏面に通路を形成し、この通路に加熱流体を流して前記ウェーハ保持手段と接触する前記ウェーハの外周部を加熱しながら酸素イオン注入することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
2. 加熱流体が水又はオイルである請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
3. 加熱流体の温度が２０℃以上８０℃以下である請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
4. 加熱流体を貯蔵するタンクと、このタンク内の加熱流体を加熱するヒータと、前記タンク内の加熱流体の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出出力に基づいて前記ヒータを制御するコントローラと、加熱流体をタンクからウェーハ保持手段に循環させるポンプとを備えた加熱流体供給装置を用いて、前記ウェーハ保持手段の通路に加熱流体を流してウェーハの外周部を加熱する請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
5. ウェーハへの全ての酸素イオン注入工程或いは一部の酸素イオン注入工程で、ウェーハ保持手段の通路に加熱流体を流す請求項１記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
6. ウェーハ保持手段が、ウェーハ保持基板と、その裏面に取り付けられ内部にＵ字形状の加熱流体の通路を有するアームと、前記ウェーハ保持基板の外周表面に取り付けられウェーハ外周部を載せるための１つの先端ステージと、２つの側端ステージと、前記ウェーハを固定するために前記先端ステージ上に設置される先端保持ピンと、前記側端ステージ上に設置される側端保持ピンとを備え、
   前記通路が、前記アームの基端から先端に向いかつ前記アームの一側縁に沿って延びる往路と、前記アームの先端から基端に向いかつ前記アームの他側縁に沿って延びる復路と、前記往路の先端と前記復路の基端とを接続するＵ字形状の接続路とを有し、
   前記往路が前記ウェーハ保持板に取付けられた２つの側端ステージのうちの一方の側端ステージに接近して設けられ、前記復路が２つの側端ステージのうちの他方の側端ステージに接近して設けられ、前記接続路がウェーハ保持板に取付けられた先端ステージに接近して設けられる請求項４記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。