JP2011029618A - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法、ｓｉｍｏｘウェーハ - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な工程で再現性良く、表面平坦性を良好に保つことが可能な、部分的にＢＯＸ層を形成したＳＩＭＯＸ基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ＢＯＸ層を形成する領域を開口として、ウェーハの一面側にマスク層を形成する工程と、マスク層の開口からシリコン単結晶ウェーハに向けて所定の深さまで酸素をイオン注入し、局部的に酸素注入領域を形成する工程と、ウェーハとマスク層とをアニール処理し、酸素注入領域を酸化させてＢＯＸ層を形成するアニール工程と、アニール工程で形成されるウェーハ全体を覆う被覆酸化膜を除去する酸化膜除去工程を備え、マスク層は、少なくとも酸化物膜と、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方とを積層してなる。
【選択図】図１
【解決手段】ＢＯＸ層を形成する領域を開口として、ウェーハの一面側にマスク層を形成する工程と、マスク層の開口からシリコン単結晶ウェーハに向けて所定の深さまで酸素をイオン注入し、局部的に酸素注入領域を形成する工程と、ウェーハとマスク層とをアニール処理し、酸素注入領域を酸化させてＢＯＸ層を形成するアニール工程と、アニール工程で形成されるウェーハ全体を覆う被覆酸化膜を除去する酸化膜除去工程を備え、マスク層は、少なくとも酸化物膜と、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方とを積層してなる。
【選択図】図１
Description
本発明は、ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法および、これにより製造されたＳＩＭＯＸウェーハに関するものであり、詳しくは、ＢＯＸ層を局部的に形成したＳＩＭＯＸウェーハの表面平坦性を良好に保つ技術に関する。
シリコン単結晶ウェーハにシリコン酸化膜（ＢＯＸ層と称される）が埋込まれ、このＢＯＸ層の上層がシリコン単結晶薄膜（ＳＯＩ層と称される）で覆われたＳＯＩ(Silicon On Insulator)ウェーハは、基板部分とデバイス作製層であるＳＯＩ層とを電気的に分離することができる。このため、絶縁耐圧、寄生容量、および耐放射性能力を良好に保てると共に、基板バイアス効果が無い等の特徴がある。これによって、高速性、低消費電力、ソフトエラーフリー等の効果が期待され、次世代素子用の基板として種々の開発が行われている。
こうしたＳＯＩウェーハの製造方法としては、代表的なものに、いわゆるウェーハ貼り合わせ技術とＳＩＭＯＸ(Separation by Implanted Oxygen)技術とが挙げられる。ウェーハ貼り合わせ技術では、２枚のウェーハの片方又は両方に酸化膜を形成しておき、酸化膜を間に２枚のウェーハを貼り合わせて形成する。
一方、ＳＩＭＯＸ技術では、シリコン単結晶ウェーハに酸素をイオン注入し、アルゴンや酸素ガスの雰囲気中でアニール処理し、これにより、酸素が過飽和に含まれている酸素注入領域のＳｉを酸化させ、ＢＯＸ層に変換する。以上により、表面がＳＯＩ層で覆われ、シリコン単結晶ウェーハの内部にＢＯＸ層が埋込まれた構造のＳＩＭＯＸウェーハを得ることができる。こうしたＳＩＭＯＸ技術は、ウェーハ貼り合わせ技術のような研削・研磨の工程が不要であり、比較的簡便な工程で作製することができるという利点がある。
こうしたＳＩＭＯＸウェーハを、例えば、ロジック部やメモリ部などを備えたシステムＬＳＩの製造に用いる場合、ロジック部の形成部分だけにＢＯＸ層を形成し、メモリ部などの形成部分にはＢＯＸ層を形成しない（バルク部分と称する）ことによって、部分的にＢＯＸ層を設けたＳＩＭＯＸウェーハを用いる。これによって、後工程であるＬＳＩ製造工程を簡略化することができる。
このような、部分的にＢＯＸ層を設けたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法としては、シリコン単結晶ウェーハの一面側に、ＢＯＸ層を形成する領域を開口としてバルク部分にマスク層を成膜するという方法が知られている。これにより、酸素をイオン注入する工程で、マスク層の開口部分に対応する領域だけに酸素注入領域が形成され、バルク部分ではマスク層によるバリア効果で酸素の注入が阻止される。この後、アニール処理によってマスク層の開口部分に対応する酸素注入領域だけがＢＯＸ層に変換され、所定のパターンで部分的にＢＯＸ層が形成されたＳＩＭＯＸウェーハを得ることができる。
このような、部分的にＢＯＸ層を形成したＳＩＭＯＸウェーハの課題として、表面の平坦性が悪いという課題があった。即ち、酸素をイオン注入した酸素注入領域では、アニール処理によってシリコンを酸化させてＢＯＸ層を形成させた際に体積が増加する。例えばＳｉ＋Ｏ２＝ＳｉＯ２の酸化反応に伴い約２．２倍ほど体積が増加する。これによって、バルク部分とＢＯＸ層を形成した部分との間で、ウェーハの表面で段差が生じる。単純な計算上では、ＢＯＸ層の膜厚の約５５％の高さ分、ＢＯＸ層を形成した部分の表面が高くなることになる。こうした段差は、後工程においてフォトリソグラフィーによって回路を形成する際に、フォーカスがずれてしまうといった不具合を生じさせる。
ＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層形成部分とバルク部分との表面段差を低減させる方法として、例えば、特許文献１では、シリコン単結晶ウェーハの内部に酸素をイオン注入する工程と、アニール処理を行ってＢＯＸ層を形成する工程との間に、ＢＯＸ層への変換による厚み増加分に相当する厚みまで、マスク層を成す第一の酸化膜を薄膜化するＳＯＩ基板の製造方法が記載されている。
また、例えば、特許文献２や特許文献３には、ＢＯＸ層を形成する部分に対して酸素をイオン注入する前に、予めドライエッチングによってＢＯＸ層形成部分とバルク部分との間に、ＢＯＸ層への変換による厚み増加分に相当する段差を形成しておくＳＯＩ基板の製造方法が記載されている。
さらに、例えば、特許文献４には、ＢＯＸ層を形成する部分に対して酸素をイオン注入する前に、予め熱酸化及びドライエッチングによって、ＢＯＸ層形成部分とバルク部分との間に、ＢＯＸ層への変換による厚み増加分に相当する段差を熱酸化膜で形成しておくＳＯＩ基板の製造方法が記載されている。
しかしながら、例えば、特許文献１に記載された製造方法では、マスク層としてシリコン酸化膜を用いており、こうしたシリコンのマスク酸化膜を所定の厚みまでウエットエッチングする際に、ウェーハ面内およびウェーハ間で、マスク酸化膜の膜厚を均一性、再現性良く制御することが困難であった。また、ウエットエッチングは等方性エッチングであるため、マスク酸化膜の厚み方向に沿った側面もエッチングされてしまい、平面視したマスク酸化膜の幅あるいはマスク酸化膜の面積が小さくなってしまう現象が起きていた。さらに、この結果、マスク酸化膜が必要な領域を覆わないことで、ＢＯＸ層が表面に露出し、マスク酸化膜を除去する際に、ＢＯＸ層の露出部分が除去されて空洞が形成されてしまう可能性があり、この現象を解消したいという要求もあった。
また、例えば、特許文献２，３に記載された製造方法では、ドライエッチングによるウェーハ全面の平坦性を良好に保つことが困難であり、かつ、再現性良く膜厚制御を行うことも難しい。また、ドライエッチングを用いることによって、ウェーハの表面に物理的なダメージが残り、デバイスの特性を低下させる原因にもなる。
さらに、例えば、特許文献４に記載された製造方法では、マスク酸化膜の形成時にこの直下の領域も酸化されてしまい、サイズを一定に保つことができないという課題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な工程で再現性良く、表面平坦性を良好に保つことが可能な、部分的にＢＯＸ層が形成されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法を提供することを目的とする。また、表面平坦性が良好に保たれ、表面欠陥が少なく、部分的にＢＯＸ層が形成されたＳＩＭＯＸ基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、次のようなＳＩＭＯＸ基板の製造方法を提供する。
すなわち、本発明のＳＩＭＯＸ基板の製造方法は、シリコン単結晶ウェーハの内部に、シリコン酸化物からなるＢＯＸ層が局部的に形成されたＳＩＭＯＸウェーハを製造する方法であって、前記ＢＯＸ層を形成する領域を開口として、前記シリコン単結晶ウェーハの一面側にマスク層を形成する工程と、前記マスク層の開口から前記シリコン単結晶ウェーハに向けて所定の深さまで酸素をイオン注入し、局部的に酸素注入領域を形成する酸素注入工程と、前記シリコン単結晶ウェーハと前記マスク層とをアニール処理し、前記酸素注入領域を酸化させてＢＯＸ層を形成するアニール工程と、前記アニール工程で形成される前記シリコン単結晶ウェーハ全体を覆う被覆酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を少なくとも備え、前記マスク層は、少なくとも酸化物膜と、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方とを積層してなることを特徴とする。
すなわち、本発明のＳＩＭＯＸ基板の製造方法は、シリコン単結晶ウェーハの内部に、シリコン酸化物からなるＢＯＸ層が局部的に形成されたＳＩＭＯＸウェーハを製造する方法であって、前記ＢＯＸ層を形成する領域を開口として、前記シリコン単結晶ウェーハの一面側にマスク層を形成する工程と、前記マスク層の開口から前記シリコン単結晶ウェーハに向けて所定の深さまで酸素をイオン注入し、局部的に酸素注入領域を形成する酸素注入工程と、前記シリコン単結晶ウェーハと前記マスク層とをアニール処理し、前記酸素注入領域を酸化させてＢＯＸ層を形成するアニール工程と、前記アニール工程で形成される前記シリコン単結晶ウェーハ全体を覆う被覆酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を少なくとも備え、前記マスク層は、少なくとも酸化物膜と、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方とを積層してなることを特徴とする。
前記マスク層の酸化物膜は、シリコン酸化物から形成されてもよい。
前記マスク層は、前記シリコン単結晶ウェーハの一面側から、第一のシリコン酸化物膜、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方、第二のシリコン酸化物膜の順に積層されてもよい。
前記酸素注入工程と前記アニール工程との間には、前記マスク層から前記第二のシリコン酸化物膜を除去する酸化物膜除去工程を更に備えていてもよい。
前記マスク層は、前記シリコン単結晶ウェーハの一面側から、第一のシリコン酸化物膜、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方、第二のシリコン酸化物膜の順に積層されてもよい。
前記酸素注入工程と前記アニール工程との間には、前記マスク層から前記第二のシリコン酸化物膜を除去する酸化物膜除去工程を更に備えていてもよい。
前記酸化物膜除去工程は、ウエットエッチング法であってもよい。
前記ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方は、その下層に形成された前記酸化物膜の厚み方向の側面を覆うように、端部が前記シリコン単結晶ウェーハに向けて延びていてもよい。
前記酸化膜除去工程を経た後の、前記ＢＯＸ層の形成領域と前記マスク層の形成領域との間のシリコンウェーハ表面段差は、１０ｎｍ以下であってもよい。
前記ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方は、その下層に形成された前記酸化物膜の厚み方向の側面を覆うように、端部が前記シリコン単結晶ウェーハに向けて延びていてもよい。
前記酸化膜除去工程を経た後の、前記ＢＯＸ層の形成領域と前記マスク層の形成領域との間のシリコンウェーハ表面段差は、１０ｎｍ以下であってもよい。
また、本発明は、次のようなＳＩＭＯＸ基板を提供する。すなわち、本発明のＳＩＭＯＸ基板は、上述した本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法によれば、マスク層の一部にポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方を備えることで、アニール工程において、バルク領域に形成されるシリコン酸化膜の厚みを、ＳＯＩ領域に形成されるシリコン酸化膜の厚みよりも薄くすることができる。これにより、アニール工程で形成されるシリコン単結晶ウェーハ全体を覆う被覆酸化膜をウエットエッチング法で除去した後に、ＢＯＸ層の形成領域とマスク層の形成領域との間のシリコンウェーハ表面段差を無くして平坦に保つことができるとともに、ＢＯＸ層端部が表面に露出することを確実に防止できる。
本発明のＳＩＭＯＸウェーハによれば、バルク領域とＳＯＩ領域とで、基板の表面に段差の無い平坦な表面を備え、後工程においてフォトリソグラフィーによって回路を形成する際に、フォーカスがずれてしまうといった不具合の発生を防止することが可能になる。
以下、本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の最良の実施形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図１〜図３は、本発明によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の一例を段階的に示した説明図である。図１（ａ）に示すように、基板１１は、チョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶インゴットから薄板状に切り出されたシリコン単結晶ウェーハであればよい。また、ＣＺ法によって形成されたシリコン単結晶インゴット以外にも、例えば、フローティング・ゾーン（ＦＺ）法等により育成されたシリコン単結晶インゴットから切り出されたシリコン単結晶ウェーハを用いても良い。また、表面にシリコン単結晶膜をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェーハや、アルゴンアニール処理を行ったＡｒアニールウェーハを用いることも好ましい。
まず、基板１１（シリコン単結晶ウェーハ）にマスク層を形成する工程を説明する。最初に、基板１１（シリコン単結晶ウェーハ）の一面１１ａに表面酸化膜（第一のシリコン酸化物膜）１２を形成する（図１（ａ）参照）。この表面酸化膜１２は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２膜）からなる薄膜である。表面酸化膜１２は、基板１１を熱酸化するか、あるいはＣＶＤ法（化学気相成長法）によって形成することができる。
次に、表面酸化膜１２の表面に、表面酸化膜１２に重ねて、シリコン膜（ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方）１５を成膜する（図１（ｂ）参照）。さらに、このシリコン膜１５に重ねてレジスト層１３を形成（塗布）する（図１（ｃ）参照）。そして、このレジスト層１３を所定の形状に形成する（図１（ｄ）参照）。レジスト層１３の形状は、例えば、後工程で形成されるマスク層の形成パターンに沿って形成されれば良い。即ち、基板１１に対して酸素をイオン注入する領域（ＢＯＸ層を形成する領域）を開口とした形状に形成すればよい。
次に、このレジスト層１３をマスクとして、表面酸化膜１２、およびシリコン膜１５のエッチングを行う（図２（ａ）参照）。エッチングにあたっては、ドライエッチング、例えば反応性イオンエッチングによって行えばよい。そして、レジスト層１３を除去する（図２（ｂ）参照）。次いで、更に薄くシリコン膜１５を成膜し、表面酸化膜１２の側面１２ａも覆う形状にシリコン膜１５を形成する（図２（ｃ）参照）。この時、シリコン膜１５において、表面酸化膜１２の側面を覆っているサイドウォール部分の厚みが、例えば、１０〜２００ｎｍ、好ましくは２０〜１００ｎｍ程度になるようにシリコン膜１５を形成する。
この後、基板１１の一面１１ａに対して垂直方向に異方性エッチングを行い、マスク層形成領域以外の基板１１の一面１１ａを覆っているシリコン膜１５だけを選択的に除去する（図２（ｄ）参照）。異方性エッチングとしては、例えば、反応性イオンエッチングが挙げられる。反応性イオンエッチングでは、反応室内に設置された２枚の対向電極のうち下側電極に基板を載せる。次いで、これらの電極間に高周波電圧を印加してプラズマを誘起させ、エッチングガスから反応性の高いラディカルイオン核種を形成する。そして、プラズマと基板１１との間に生じる自己バイアス電位差により、基板１１に数十から数百ｅＶのラディカルイオンを入射させる。そして、ラディカルイオンによるスパッタリング作用と化学反応の両方の効果で基板１１の一面１１ａを覆っているシリコン膜１５だけを選択的にエッチングする。
そして、シリコン膜１５に重ねてマスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）１６を形成する（図２（ｅ）参照）。マスク酸化膜１６は、例えば、以下の方法により成膜される。まず表面酸化膜１２を含む基板１１の一面１１ａ側にシリコン酸化物（ＳｉＯ２膜）を成膜する。その後、異方性エッチングなどによって、シリコン膜１５の形成部分だけマスク酸化膜１６が残るように、シリコン酸化物（ＳｉＯ２膜）をエッチングする。なお、このマスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）１６は、特に形成しなくてもよい。
以上、図１（ａ）〜図２（ｅ）に示すマスク層を形成する工程を経て、基板１１の一面１１ａ上に、表面酸化膜（第一のシリコン酸化物膜）１２，シリコン膜（ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方）１５，およびマスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）１６を順に重ねてなるマスク層１７が形成される（図２（ｅ）参照）。
こうしたマスク層１７は、後工程で基板１１に酸素をイオン注入する領域（ＢＯＸ層を形成する領域）に開口１７ａを有する形状に形成されている。また、表面酸化膜１２，シリコン膜１５の厚みは、後工程であるアニール工程による各部の厚みの変化量に応じて、最終的にシリコン酸化膜の除去後の基板１１（シリコン単結晶ウェーハ）の表面平坦性が保たれるような最適な比率で形成する。これについては、後ほどアニール工程の説明において説明する。
次に、図３（ａ）に示すように、基板１１のうちマスク層１７の開口１７ａから露呈された領域に向けて、酸素をイオン注入する（酸素注入工程）。基板１１に向けて所定のエネルギーで酸素イオンを照射すると、開口１７ａで露呈した部分から基板１１に酸素が注入される。これにより、基板１１の一面１１ａから少し内部へ入った領域に酸素の高濃度層（酸素注入領域）１９が形成される。また、基板１１のうち、マスク層１７によって覆われた部分（バルク部分）は、酸素イオンの注入が阻止される。これにより、マスク層１７の形成パターンに倣って、部分的（局部的）に酸素の高濃度層（酸素注入領域）１９を形成することができる。
この酸素注入工程において、酸素イオンの注入条件の一例を挙げると、注入量は、１×１０１７／ｃｍ２〜２×１０１８／ｃｍ２であり、好ましくは２×１０１７／ｃｍ２〜５×１０１７／ｃｍ２である。注入エネルギーは、２０ｋｅＶ〜２４０ｋｅＶであり、好ましくは６０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶである。また、酸素イオンの注入にあたって、注入エネルギーおよび注入量を２段階以上に可変させて行っても良い。
続いて、図３（ｂ）に示すように、マスク層１７を成すマスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）１６を除去する（酸化物膜除去工程）。マスク酸化膜１６の除去は、例えば、シリコン酸化物に対して特異的に反応するウエットエッチングによって行えばよい。これにより、シリコン酸化物膜からなるマスク酸化膜１６が除去される。
表面酸化膜１２の上に、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方からなるシリコン膜１５が形成されていることにより、マスク酸化膜１６の除去時に、このシリコン膜１５がエッチングストッパーとしての役割を果たす。このため、表面酸化膜１２とシリコン膜１５との合計膜厚を、マスク酸化膜１６の除去後に残すマスク層１７の設定膜厚と同じにすることで、後工程におけるマスク層１７の膜厚を容易に、かつ再現性良く制御することが可能になる。
また、従来、マスク層を成すマスク酸化膜の除去において、ウエットエッチングに代表される等方性エッチングを行うと、マスク酸化膜の下層の表面酸化膜が側面からエッチングされて幅が減少してしまう。マスク層を成す表面酸化膜の幅が縮小すると、後工程であるアニール工程において、形成されるＢＯＸ層がマスク層で覆われなくなった領域に向けて成長し、基板の表面にＢＯＸ層の端部が露呈されるといった現象が生じる。基板の表面にＢＯＸ層の端部が露呈されると、シリコン酸化物を特異的に除去するマスク層のエッチング時に、シリコン酸化物からなるＢＯＸ層も基板の表面に露呈した端部からエッチングされてしまい、微細な孔が生じるという課題があった。
しかし、本発明では、マスク層１７としてシリコン膜１５を備え、このシリコン膜１５が、表面酸化膜１２の厚み方向に沿った側面１２ａも覆っている。従って、シリコン酸化物に対して特異的に反応するウエットエッチングなどの等方性エッチングを行っても、側面１２ａから表面酸化膜１２がエッチングされてしまうことがない。このため、マスク層１７の幅が縮小されることが無く、マスク層１７の除去後に基板１１の表面にピット等の欠陥が生じることを確実に防止できる。なお、マスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）１６を特に形成しない場合においては、こうした酸化物膜除去工程を特に行わなくても良い。
続いて、図３（ｃ）に示すように、マスク酸化膜１６が除去されて表面酸化膜１２とシリコン膜１５とからなるマスク層１７が残された基板１１をアニール処理する（アニール工程）。アニール処理の一例としては、酸化性雰囲気中で、１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持し、その後に徐冷する方法が挙げられる。酸化性雰囲気としては、不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気を含み、アルゴン及び酸素の混合ガス雰囲気、或いは窒素及び酸素の混合ガス雰囲気が例示される。酸化性雰囲気において、酸素の好ましい含有量は０．５〜９０容量％であり、更に好ましい含有量は４０〜７０容量％である。
このアニール処理により、基板１１に形成された酸素の高濃度層１９（図３（ｂ）参照）の酸化が促進される。これにより、表面がシリコン単結晶薄膜（ＳＯＩ層と称される）で覆われ、基板１１の内部に埋め込まれたＢＯＸ層（シリコン酸化膜）２１が局部的に形成される。
このようなアニール工程において、酸素の高濃度層１９が熱酸化され、ＢＯＸ層に変換されると、このＢＯＸ層２１は、熱酸化前の体積よりも膨張する。例えば、酸素の高濃度層１９がＢＯＸ層２１に変換される際に、厚みは約２．２倍程度増加する。また、シリコン単結晶から成る基板１１の一面１１ａも熱酸化され、シリコン酸化膜が形成される。
一方、基板１１のバルク領域に形成されたマスク層１７は、表面に、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方からなるシリコン膜１５を備えている。このため、熱酸化の開始後、マスク層１７においてはシリコン膜１５の酸化に酸素が消費されてから、マスク層１７の下部、即ちバルク領域の基板１１の一面１１ａが酸化され、バルク領域の単結晶シリコンウエーハ表面の酸化量は抑制される。一方、ＢＯＸ層２１の上層、即ちマスク層１７が形成されない領域（ＳＯＩ領域）の基板１１の一面１１ａ（ＳＯＩ層）は、熱酸化の開始直後から酸化が始まり、シリコン酸化膜が形成されていく。このため、バルク領域と比較して単結晶シリコンウエーハ表面の酸化量が大きい。
これにより、アニール工程を経た基板１１（シリコン単結晶ウェーハ）の表面において、バルク領域とＳＯＩ領域とを段差無く平坦にすることができる。例えば、バルク領域とＳＯＩ領域との表面段差を１０ｎｍ以下に抑えることが可能になる。
図４は、図３（ｃ）において点線で示した領域Ｐにおいて、アニール工程による基板（シリコン単結晶ウェーハ）の表面状態を模式的に示した説明図であり、図４（ａ）は、従来の製造方法を示し、図４（ｂ）は、本発明の製造方法を示している。図４（ａ）に示す従来の製造方法では、基板５１（シリコン単結晶ウェーハ）のアニール工程において、酸素の高濃度層が熱酸化され、シリコン酸化物からなるＢＯＸ層５２に変換される際に体積が膨張する。これにより、基板５１の表面５１ａにおいて、ＢＯＸ層５２の形成領域（ＳＯＩ領域）Ｅ１と、ＢＯＸ層５２が形成されない領域（バルク領域）Ｅ２との間で、ｔで示す段差が生じてしまう。従って、アニール工程後の基板５１の表面５１ａを平坦に保つことができなかった。また、ＢＯＸ層５２の端部５３が基板５１の表面に露出した。なお、図４（ａ），（ｂ）において、符号３６は被覆酸化膜を示し、符号２２はＳＯＩ層を示す。
一方、図４（ｂ）に示す本発明の製造方法では、アニール工程が開始されると、バルク領域Ｅ２では、まず、マスク層１７に形成されたシリコン膜１５の酸化に酸素が消費される。そして、ポリシリコン膜１５等が酸化されて酸化膜１５’となった後、基板１１の表面の酸化が始まる。一方、ＳＯＩ領域Ｅ１では、アニール工程の開始直後から基板１１の表面の酸化が始まる。これにより、バルク領域Ｅ２は、ＳＯＩ領域Ｅ１よりも基板１１の酸化量を抑えることが可能になる。
従って、マスク層１７に形成されたシリコン膜１５の膜厚を最適化することによって、基板１１の表面１１ａにおけるＳＯＩ領域Ｅ１と、バルク領域Ｅ２との間で、段差のない平坦な表面を得ることができる。例えば、バルク領域Ｅ２とＳＯＩ領域Ｅ１との表面段差を１０ｎｍ以下に抑えることが可能になる。さらに、ＢＯＸ層端部が基板５１の表面に露出することが防止できる。
以上のようなアニール工程の後、基板１１全体を覆う被覆酸化膜３６を、例えばウエットエッチングなどのエッチングによって除去する（酸化膜除去工程）。これにより、回路形成に応じて部分的にＢＯＸ層２１を形成したＳＩＭＯＸウェーハ４０を得ることができる（図３（ｄ）参照）。こうして得られたＳＩＭＯＸウェーハ４０では、ＳＯＩ領域Ｅ１とバルク領域Ｅ２における基板１１の表面１１ａが段差無く平坦に保たれており、例えば、ＳＯＩ領域Ｅ１とバルク領域Ｅ２における基板１１の表面段差を１０ｎｍ以下に抑えることが可能になる。
また、図３（ｃ）において、基板１１全体を覆う被覆酸化膜３６の表面を段差無く平坦にしておくことによって、被覆酸化膜３６を均一にエッチングすることができる。このため、被覆酸化膜３６の除去後のＳＯＩ領域Ｅ１とバルク領域Ｅ２における基板１１の表面１１ａを平坦に保つことが可能になる。これにより、後工程においてフォトリソグラフィーによって回路を形成する際に、フォーカスがずれてしまうといった不具合を防止することが出来る。
図５は、本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、マスク層の製造方法の他の一例を段階的に示す断面図である。この実施形態では、基板６１（シリコン単結晶ウェーハ）の一面６１ａに表面酸化膜（第一のシリコン酸化物膜）６２、シリコン膜（ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方）６５、マスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）６６を重ねて形成する（図５（ａ）参照）。
次に、マスク酸化膜６６に重ねてレジスト層６３を形成（塗布）する（図５（ｂ）参照）。そして、このレジスト層６３を所定の形状に形成する（図５（ｃ）参照）。そして、レジスト層６３をマスクとして表面酸化膜６２、シリコン膜６５、およびマスク酸化膜６６のエッチングを行う（図５（ｄ）参照）。エッチングにあたっては、例えば反応性イオンエッチングなどのドライエッチングによって行えばよい。そして、レジスト層６３を除去すれば、基板６１の一面６１ａ上に、表面酸化膜（第一のシリコン酸化物膜）６２，シリコン膜（ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方）６５，およびマスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）６６を順に重ねてなるマスク層６７が形成される（図５（ｅ）参照）。
この実施形態でのマスク層６７は、後工程において、このマスク層６７中のマスク酸化膜６６を除去する際に、表面酸化膜６２が側面からエッチングされる懸念が少ない場合に特に最適である。また、表面酸化膜が側面からエッチングされても、そのエッチング量がマスク層６７に比べて無視できる程度である場合に適している。例えば、エッチング量が０．５μｍであり、マスク層６７のサイズが１０μｍ以上である場合のように、その比が２０倍以上もあり、エッチング量が無視できる程少ない場合である。前述した実施形態と比較して、表面酸化膜６２の側面を覆うシリコン膜を形成する工程が省略されており、より一層容易、かつ少ない工程でシリコン膜６５を備えたマスク層６７を形成することができる。
なお、図５に示す実施形態において、エッチング時にシリコン膜６５およびマスク酸化膜６６だけを除去し、表面酸化膜６２は全体を基板６１の一面６１ａ上に残しておき、酸素注入工程における保護膜としても良い（図６（ａ）参照）。
また、図５に示す実施形態において、表面酸化膜６２の側面を覆うシリコン膜を形成する必要がある場合には、マスク層６７の形成後、更に全体を薄いシリコン膜６５で覆い、次いでマスク層６７が形成されない部分だけ、基板６１の一面６１ａからシリコン膜６５を除去しても良い（図６（ｂ）参照）。この図６（ｂ）に示す実施形態では、表面酸化膜６２の側面６２ａとともにマスク酸化膜６６の側面６６ａもシリコン膜６５で覆われている。しかし、シリコン膜６５は、表面酸化膜６２の側面６２ａを覆いつつ、マスク酸化膜６６の側面６６ａは覆わない形状に形成してもよい。
また、本発明において、単結晶シリコンの酸化速度とポリシリコン又はアモルファスシリコンの酸化速度がほぼ等しいと仮定すると、マスク層に形成するポリシリコン又はアモルファスシリコンの厚みは、形成されるＢＯＸ層膜厚×０．５５に設計すればよい。例えば、形成されるＢＯＸ層膜厚が２００ｎｍとすると、ＢＯＸ層形成に伴い、ＳＯＩ領域表面はバルク領域表面に比べ２００×０．５５＝１１０ｎｍ高くなる。この高さに相当するポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜をバルク領域に形成してやると、どちらの領域も１１０ｎｍのシリコンの酸化で相殺され、最終的に表面高さは同じになる。実際には、ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜の膜質、不純物濃度の影響により、単結晶シリコンの酸化速度とポリシリコン又はアモルファスシリコンの酸化速度は異なる。一方で、酸素イオン注入によるスパッタリングの影響により、ＳＯＩ領域の表面がエッチングされる。このため、ポリシリコン又はアモルファスシリコンの膜厚は、ＢＯＸ層膜厚×０．５５を目安に、実験により最適化する必要がある。
つまり、ポリシリコン又はアモルファスシリコンの膜厚は、ＢＯＸ層膜厚×０．５５で設計することが好ましく、酸素イオンエネルギーに依存しない。これとともに、酸素イオンエネルギーに対して全体のマスク層膜厚は、ポリシリコン膜又はアモルファスシリコン膜の上に形成する酸化膜の膜厚で調整することが好ましい。表１は、イオンエネルギーとマスク膜厚との関係を示す。
以下、本発明の実施例として、酸素注入工程における注入エネルギーと、必要となるマスク層の厚み範囲とを調べた結果およびその際の諸元を以下に示す。
なお、本発明例の製造工程を図７（ａ）〜（ｅ）に示すとともに、従来例の製造工程は図８（ａ）〜（ｅ）に示す。図において、先に説明した構成要素と等しい構成には、同一の符号を付している。図７（ａ），図８（ａ）は、図１、図２のマスク形成に対応し、図７（ｂ），図８（ｂ）は、図３（ａ）でのイオン注入（異なる条件で２回）に対応する。図７（ｃ），図８（ｃ）は、図３（ｂ）でのマスクエッチングに対応し、図７（ｄ），図８（ｄ）は、図３（ｃ）のアニールに対応する。図７（ｅ），図８（ｅ）は、図３（ｄ）の酸化膜エッチングに対応している。
なお、本発明例の製造工程を図７（ａ）〜（ｅ）に示すとともに、従来例の製造工程は図８（ａ）〜（ｅ）に示す。図において、先に説明した構成要素と等しい構成には、同一の符号を付している。図７（ａ），図８（ａ）は、図１、図２のマスク形成に対応し、図７（ｂ），図８（ｂ）は、図３（ａ）でのイオン注入（異なる条件で２回）に対応する。図７（ｃ），図８（ｃ）は、図３（ｂ）でのマスクエッチングに対応し、図７（ｄ），図８（ｄ）は、図３（ｃ）のアニールに対応する。図７（ｅ），図８（ｅ）は、図３（ｄ）の酸化膜エッチングに対応している。
図７（ａ）又は図８（ａ）に示されたマスク層１７又はマスク酸化膜１６を形成した。得られたマスク層１７を構成する各層及びマスク酸化膜１６の厚さを表２に示す。ここで、表２のサイドウォール厚みは、表面酸化膜１２の側面１２ａに位置するシリコン層１５の部分の厚さを示す。
次に、表３の条件で酸素イオンを注入した。ここで、従来例１と実施例１では、注入１−１と注入１―２の共通の条件で２回酸素イオンを注入した。同様に、従来例２と実施例２では、注入２−１と注入２―２の共通の条件で２回酸素イオンを注入した。従来例３と実施例３では、注入３−１と注入３―２の共通の条件で２回酸素イオンを注入した。
次に、マスク酸化膜１６をエッチングした（マスクエッチング）。マスクエッチング後の各膜厚を表４に示す。ここで、従来例では、マスク酸化膜を全て除去した。本発明例では、酸化膜１６のみ除去し、酸化膜１２とポリシリコン膜１５は残した。
次に、表５の条件でアニール処理を行った。なお、従来例１と実施例１は共通の条件で行った。同様に、従来例２と実施例２は共通の条件で行い、従来例３と実施例３は共通の条件で行った。アニール処理後、基板１１全体を覆う被覆酸化膜３６を、ウエットエッチングによって除去した。
表６は、アニール後に被覆酸化膜を除去した後のウェーハの構造を示す。表６に示すとおり、本発明によれば、ＢＯＸ層の形成領域とマスク層の形成領域との間のシリコンウェーハ表面段差を無くして平坦に保つことができるとともに、ＢＯＸ層端部がウェーハ表面に露出することが防止できた。
表２〜表６によれば、注入エネルギーと、必要となるマスク層との厚みは、ほぼ比例しており、注入エネルギーが高くなるほど、マスク層を厚く成膜する必要があることがわかった。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
１１ 基板（シリコン単結晶ウェーハ）、１２ 表面酸化膜（第一のシリコン酸化物膜）、１５ シリコン膜（ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方）、１６ マスク酸化膜（第二のシリコン酸化物膜）、１７ マスク層、１９ 酸素の高濃度層（酸素注入領域）、２１ ＢＯＸ層、４０ ＳＩＭＯＸウェーハ。
Claims (8)
- ＢＯＸ層を形成する領域を開口として、シリコン単結晶ウェーハの一面側にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層の開口から前記シリコン単結晶ウェーハに向けて所定の深さまで酸素をイオン注入し、局部的に酸素注入領域を形成する酸素注入工程と、
前記シリコン単結晶ウェーハと前記マスク層とをアニール処理し、前記酸素注入領域を酸化させてＢＯＸ層を形成するアニール工程と、
前記アニール工程で形成される前記シリコン単結晶ウェーハ全体を覆う被覆酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を少なくとも備え、
前記マスク層は、少なくとも酸化物膜と、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方とを積層してなることを特徴とする、シリコン単結晶ウェーハの内部に、シリコン酸化物からなるＢＯＸ層が局部的に形成されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。 - 前記マスク層の酸化物膜は、シリコン酸化物からな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。
- 前記マスク層は、前記シリコン単結晶ウェーハの一面側から、第一のシリコン酸化物膜、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方、第二のシリコン酸化物膜の順に積層されていることを特徴とする請求項１または２記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 前記酸素注入工程と前記アニール工程との間には、前記マスク層から前記第二のシリコン酸化物膜を除去する酸化物膜除去工程を更に備えていることを特徴とする請求項３記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 前記酸化物膜除去工程は、ウエットエッチング法であることを特徴とする請求項４記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 前記ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜のうちいずれか一方又は両方は、その下層に形成された前記酸化物膜の厚み方向の側面を覆うように、端部が前記シリコン単結晶ウェーハに向けて延びていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 前記酸化膜除去工程を経た後の、前記ＢＯＸ層の形成領域と前記マスク層の形成領域との間のシリコンウェーハ表面段差は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
- 請求項１ないし７いずれか１項記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法により製造されたことを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハ。
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