JP3080867B2 - Soi基板の製造方法 - Google Patents
Soi基板の製造方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/76—Making of isolation regions between components
- H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
- H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
- H01L21/76243—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using silicon implanted buried insulating layers, e.g. oxide layers, i.e. SIMOX techniques
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- Element Separation (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高性能半導体集積
回路に有用な基板構造である、絶縁体上に半導体層を有
するSOI(Silicon on insulator、またはSemiconduc
tor on insulator)構造を持つSOI基板を製造するた
めの製造方法に関する。
回路に有用な基板構造である、絶縁体上に半導体層を有
するSOI(Silicon on insulator、またはSemiconduc
tor on insulator)構造を持つSOI基板を製造するた
めの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】絶縁体上に半導体活性層を有するSOI
構造の形成方法は、例えば、ジャーナル・オブ・マテリ
アル・リサーチ、第8巻、523〜534頁、1993
年(J.Mater. Res., Vol. 8, No3, pp.532-534, 1993
)に記載されている。この文献は、イオン源で作製し
た種々のイオンのうち酸素イオン(O+ )のみを質量分
離装置で分離した後、高ドーズのO+ をSi基板にイオ
ン注入し、続いてこのSi基板に高温の熱処理を施して
連続したシリコン酸化膜(SiO2 膜)を基板内部に形
成するSIMOX(Separation by implanted oxygen)
法を開示している。
構造の形成方法は、例えば、ジャーナル・オブ・マテリ
アル・リサーチ、第8巻、523〜534頁、1993
年(J.Mater. Res., Vol. 8, No3, pp.532-534, 1993
)に記載されている。この文献は、イオン源で作製し
た種々のイオンのうち酸素イオン(O+ )のみを質量分
離装置で分離した後、高ドーズのO+ をSi基板にイオ
ン注入し、続いてこのSi基板に高温の熱処理を施して
連続したシリコン酸化膜(SiO2 膜)を基板内部に形
成するSIMOX(Separation by implanted oxygen)
法を開示している。
【0003】図2に従来技術で用いられているイオン注
入器の概略を示す。プラズマ源110で形成したイオン
のうち、O+ イオンのみを質量分離器120で選択し、
この選択したO+ イオンを60kVから200kVの範
囲の加速電圧で加速した後、加速により得られたイオン
ビームで注入室130にセットしたSi基板140を走
査して、Si基板140の全面に2×1017〜2×10
18個/cm2 のイオンを注入した。
入器の概略を示す。プラズマ源110で形成したイオン
のうち、O+ イオンのみを質量分離器120で選択し、
この選択したO+ イオンを60kVから200kVの範
囲の加速電圧で加速した後、加速により得られたイオン
ビームで注入室130にセットしたSi基板140を走
査して、Si基板140の全面に2×1017〜2×10
18個/cm2 のイオンを注入した。
【0004】このSIMOX法では、集積回路に有用な
上部Si活性層の膜厚が0.5μm以下である薄膜SO
I基板を比較的容易に形成することができる。しかしな
がら、SIMOX法は、通常の集積回路製造プロセスで
行われるイオン注入に比べて、100倍以上の数の酸素
イオンを注入する必要がある。このため、SIMOX法
は、イオン注入時間が増大し、その時間を短縮するため
には大掛かりな専用装置を開発することが必要である。
その結果、製造コスト即ちSOI基板の価格の増大を招
いている。
上部Si活性層の膜厚が0.5μm以下である薄膜SO
I基板を比較的容易に形成することができる。しかしな
がら、SIMOX法は、通常の集積回路製造プロセスで
行われるイオン注入に比べて、100倍以上の数の酸素
イオンを注入する必要がある。このため、SIMOX法
は、イオン注入時間が増大し、その時間を短縮するため
には大掛かりな専用装置を開発することが必要である。
その結果、製造コスト即ちSOI基板の価格の増大を招
いている。
【0005】また、本発明に関連する種々の先行技術が
提案されている。例えば、特開平4−249323号公
報(以下、先行技術1と呼ぶ)には、SiO2 層と、こ
のSiO2 層の上に存在するSi層との界面が平坦化さ
れた、埋込絶縁膜を得ることを可能にした「シリコン基
板中に埋込絶縁膜を形成する方法」が開示されている。
すなわち、先行技術1は、シリコン基板の主表面に、該
シリコン基板の主表面から下方の位置で最大値となるよ
うな酸素濃度分布を与える第1の高エネルギーで、第1
の酸素イオンを注入する。第1の酸素イオンが注入され
たシリコン基板を熱処理し、該シリコン基板中にSiO
2 層を形成する。シリコン基板の主表面に、上記SiO
2 層と、該SiO2 層の上に存在するSi層との、界面
付近で最大値となるような酸素濃度分布を与える第2の
高エネルギーで、第2の酸素イオンを注入する。第2の
酸素イオンが注入されたシリコン基板を熱処理する。
提案されている。例えば、特開平4−249323号公
報(以下、先行技術1と呼ぶ)には、SiO2 層と、こ
のSiO2 層の上に存在するSi層との界面が平坦化さ
れた、埋込絶縁膜を得ることを可能にした「シリコン基
板中に埋込絶縁膜を形成する方法」が開示されている。
すなわち、先行技術1は、シリコン基板の主表面に、該
シリコン基板の主表面から下方の位置で最大値となるよ
うな酸素濃度分布を与える第1の高エネルギーで、第1
の酸素イオンを注入する。第1の酸素イオンが注入され
たシリコン基板を熱処理し、該シリコン基板中にSiO
2 層を形成する。シリコン基板の主表面に、上記SiO
2 層と、該SiO2 層の上に存在するSi層との、界面
付近で最大値となるような酸素濃度分布を与える第2の
高エネルギーで、第2の酸素イオンを注入する。第2の
酸素イオンが注入されたシリコン基板を熱処理する。
【0006】特開平4−356960号公報(以下、先
行技術2と呼ぶ)には、厚さが均一で、容易に制御さ
れ、しかも表面近傍に殆ど結晶欠陥のない薄いSi単結
晶層を有する「SOI基板の製造方法」が開示されてい
る。すなわち、この先行技術2に開示された製造方法
は、均一で薄い厚さを有する一つのシリコンウエファの
一面に対して酸素をイオン注入する工程と、該イオン注
入面に別のシリコンウエファを貼り合わせる工程と、該
貼り合わせる工程に伴う熱処理によって、酸素を注入し
たシリコンウエファの中に二酸化シリコン(SiO2 )
層を形成する工程とを有する。
行技術2と呼ぶ)には、厚さが均一で、容易に制御さ
れ、しかも表面近傍に殆ど結晶欠陥のない薄いSi単結
晶層を有する「SOI基板の製造方法」が開示されてい
る。すなわち、この先行技術2に開示された製造方法
は、均一で薄い厚さを有する一つのシリコンウエファの
一面に対して酸素をイオン注入する工程と、該イオン注
入面に別のシリコンウエファを貼り合わせる工程と、該
貼り合わせる工程に伴う熱処理によって、酸素を注入し
たシリコンウエファの中に二酸化シリコン(SiO2 )
層を形成する工程とを有する。
【0007】特開平5−275048号公報(以下、先
行技術3と呼ぶ)には、表面シリコン層の制御が自由に
でき、かつ良質なシリコン層を追加形成でき、さらに多
層化されたSOI構造も形成できる「酸素イオン注入装
置」が開示されている。すなわち、先行技術3では、真
空にされたイオン注入室内に単結晶シリコンウェーハを
保持し、シリコン原料から蒸発したシリコン蒸発原子が
シリコンウェーハ加熱源で加熱されたシリコンウェーハ
表面にシリコン単結晶層を気相成長させる。また、シャ
ッターはシリコン蒸発原子がシリコンウェーハ表面に到
達することを任意に遮る。そして、膜厚計がシリコン蒸
発の速度を検出し、液体窒素シュラウドが不用ガス分子
を吸着排除する。
行技術3と呼ぶ)には、表面シリコン層の制御が自由に
でき、かつ良質なシリコン層を追加形成でき、さらに多
層化されたSOI構造も形成できる「酸素イオン注入装
置」が開示されている。すなわち、先行技術3では、真
空にされたイオン注入室内に単結晶シリコンウェーハを
保持し、シリコン原料から蒸発したシリコン蒸発原子が
シリコンウェーハ加熱源で加熱されたシリコンウェーハ
表面にシリコン単結晶層を気相成長させる。また、シャ
ッターはシリコン蒸発原子がシリコンウェーハ表面に到
達することを任意に遮る。そして、膜厚計がシリコン蒸
発の速度を検出し、液体窒素シュラウドが不用ガス分子
を吸着排除する。
【0008】特開平5−335530号公報(以下、先
行技術4と呼ぶ)には、スリップライン等の欠陥が発生
しにくく、酸素を高濃度でイオンインプランテーション
した場合生ずる可能性のある欠陥の回復も可能で、更
に、多層のSOI基板を形成することも可能とする「S
OI基板の製造方法」が開示されている。すなわち、先
行技術4は、半導体基板上に結晶シリコン膜を有してい
るSOI基板の製造方法であって、半導体基板と結晶シ
リコン膜との間の絶縁部形成を、酸素のイオンインプラ
ンテーションとその後のエキシマレーザー光の照射によ
るアニールで行うとともに、その上に結晶シリコン膜を
形成し、更に必要に応じシリコン層をエピタキシャル成
長し、必要に応じ上記をくり返すSOI基板の製造方法
である。
行技術4と呼ぶ)には、スリップライン等の欠陥が発生
しにくく、酸素を高濃度でイオンインプランテーション
した場合生ずる可能性のある欠陥の回復も可能で、更
に、多層のSOI基板を形成することも可能とする「S
OI基板の製造方法」が開示されている。すなわち、先
行技術4は、半導体基板上に結晶シリコン膜を有してい
るSOI基板の製造方法であって、半導体基板と結晶シ
リコン膜との間の絶縁部形成を、酸素のイオンインプラ
ンテーションとその後のエキシマレーザー光の照射によ
るアニールで行うとともに、その上に結晶シリコン膜を
形成し、更に必要に応じシリコン層をエピタキシャル成
長し、必要に応じ上記をくり返すSOI基板の製造方法
である。
【0009】特開平5−299349号公報(以下、先
行技術5と呼ぶ)には、半導体層の結晶性に優れ、不純
物汚染の少ない極薄膜SOI基板を作製する「SOI基
板の製造方法」が開示されている。すなわち、先行技術
5では、シリコン基板表面にポリシリコン層を積層さ
せ、酸素イオンの注入によりSiO2 膜を形成し、前記
SiO2 膜上のシリコン層に対して熱処理を行ってSO
I層を形成し、SOI基板を作製している。
行技術5と呼ぶ)には、半導体層の結晶性に優れ、不純
物汚染の少ない極薄膜SOI基板を作製する「SOI基
板の製造方法」が開示されている。すなわち、先行技術
5では、シリコン基板表面にポリシリコン層を積層さ
せ、酸素イオンの注入によりSiO2 膜を形成し、前記
SiO2 膜上のシリコン層に対して熱処理を行ってSO
I層を形成し、SOI基板を作製している。
【0010】特開平6−37288号公報(以下、先行
技術6と呼ぶ)には、「高エネルギーでイオン注入し、
続いて熱処理することにより製造される、深く、薄い酸
化物層を備えたSOI構造」が開示されている。すなわ
ち、先行技術6は、深い、薄い酸化物層を備えたSOI
構造の製造方法であって、順次1015〜1016イオン/
cm2 の酸素流量における第一イオン注入工程、続いて
600〜900℃の温度における熱処理工程、2〜8×
1017イオン/cm2 の酸素流量における第二イオン注
入工程、1150〜1400℃の温度における最終熱処
理工程を行う方法を開示している。
技術6と呼ぶ)には、「高エネルギーでイオン注入し、
続いて熱処理することにより製造される、深く、薄い酸
化物層を備えたSOI構造」が開示されている。すなわ
ち、先行技術6は、深い、薄い酸化物層を備えたSOI
構造の製造方法であって、順次1015〜1016イオン/
cm2 の酸素流量における第一イオン注入工程、続いて
600〜900℃の温度における熱処理工程、2〜8×
1017イオン/cm2 の酸素流量における第二イオン注
入工程、1150〜1400℃の温度における最終熱処
理工程を行う方法を開示している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたようにSI
MOX法では、薄膜SOI基板を比較的容易に製造でき
る長所を持つが、イオン注入時間が増大し、その時間を
短縮するためには大掛かりな専用装置を開発する必要が
あり、結果的に製造コスト即ちSOI基板価格の増大を
招いている。
MOX法では、薄膜SOI基板を比較的容易に製造でき
る長所を持つが、イオン注入時間が増大し、その時間を
短縮するためには大掛かりな専用装置を開発する必要が
あり、結果的に製造コスト即ちSOI基板価格の増大を
招いている。
【0012】また、従来法では、通常のイオン注入プロ
セスに一般的な課題として、イオン注入中に基板の温度
を制御することが困難であった。
セスに一般的な課題として、イオン注入中に基板の温度
を制御することが困難であった。
【0013】上述した先行技術1〜6のいずれも、上記
SIMOX法と同様に、酸素イオンを注入してSOI基
板を製造する技術を開示しているに過ぎない。
SIMOX法と同様に、酸素イオンを注入してSOI基
板を製造する技術を開示しているに過ぎない。
【0014】本発明は、SIMOX法の上記課題を克服
し、簡便な装置で低価格のSOI基板を製造する方法お
よび製造装置を提供することを目的とする。
し、簡便な装置で低価格のSOI基板を製造する方法お
よび製造装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は以下に
示す本発明によって達成される。即ち、本発明によれ
ば、酸素原子を含む分子をプラズマ室内でイオンにプラ
ズマ解離する工程と、質量分離せずに加速電極を用いて
前記プラズマ室内で生成されたイオンのうち正イオンも
しくは負イオンの全てを所定のエネルギーをもつ加速イ
オンに加速する工程と、この加速イオンを反応室内に設
置されたシリコン基板上に照射する工程と、シリコン基
板に熱処理を加えることでシリコン基板内部にシリコン
酸化膜を形成する工程とを含むSOI基板の製造方法が
得られる。
示す本発明によって達成される。即ち、本発明によれ
ば、酸素原子を含む分子をプラズマ室内でイオンにプラ
ズマ解離する工程と、質量分離せずに加速電極を用いて
前記プラズマ室内で生成されたイオンのうち正イオンも
しくは負イオンの全てを所定のエネルギーをもつ加速イ
オンに加速する工程と、この加速イオンを反応室内に設
置されたシリコン基板上に照射する工程と、シリコン基
板に熱処理を加えることでシリコン基板内部にシリコン
酸化膜を形成する工程とを含むSOI基板の製造方法が
得られる。
【0016】上記製造方法において、酸素原子を含む分
子の代わりに、窒素原子を含む分子、酸素原子を含む分
子および窒素原子を含む分子、或いは酸素原子と窒素原
子の両方を含む分子を用いても良い。この場合、シリコ
ン基板内部にはシリコン酸化膜の代わりに、シリコン窒
化膜或いはシリコン酸窒化膜が形成される。酸素原子を
含む分子としてO2 分子及びH2 O分子のいずれか一方
或いは両方を用いることができる。窒素原子を含む分子
としてN2 分子及びNH3 分子のいずれか一方或いは両
方を用いることができる。また、酸素原子と窒素原子の
両方を含む分子としてN2 O分子及びNO分子のいずれ
か一方或いは両方を用いることができる。さらに、プラ
ズマ室内で酸素原子を含む分子あるいは窒素原子を含む
分子あるいは酸素原子と窒素原子の両方を含む分子と同
時に、この分子を希釈するガスを加えるようにしても良
い。この希釈ガスとしては、H2 あるいはHe、Ar、
Kr、Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活
性ガスを用いることができる。さらに、イオン照射中の
シリコン基板の温度を所望の温度に制御することが望ま
しい。
子の代わりに、窒素原子を含む分子、酸素原子を含む分
子および窒素原子を含む分子、或いは酸素原子と窒素原
子の両方を含む分子を用いても良い。この場合、シリコ
ン基板内部にはシリコン酸化膜の代わりに、シリコン窒
化膜或いはシリコン酸窒化膜が形成される。酸素原子を
含む分子としてO2 分子及びH2 O分子のいずれか一方
或いは両方を用いることができる。窒素原子を含む分子
としてN2 分子及びNH3 分子のいずれか一方或いは両
方を用いることができる。また、酸素原子と窒素原子の
両方を含む分子としてN2 O分子及びNO分子のいずれ
か一方或いは両方を用いることができる。さらに、プラ
ズマ室内で酸素原子を含む分子あるいは窒素原子を含む
分子あるいは酸素原子と窒素原子の両方を含む分子と同
時に、この分子を希釈するガスを加えるようにしても良
い。この希釈ガスとしては、H2 あるいはHe、Ar、
Kr、Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活
性ガスを用いることができる。さらに、イオン照射中の
シリコン基板の温度を所望の温度に制御することが望ま
しい。
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】以下に、本発明によって、低コストでSO
I基板を得ることができる作用について詳細に説明す
る。
I基板を得ることができる作用について詳細に説明す
る。
【0021】本発明では、従来技術と異なり、プラズマ
室内で形成されたすべてのイオンのうち、正イオン(も
しくは負イオン)のみを加速電極の極性で選択し加速し
た後、反応室内でシリコン基板に照射させる。したがっ
て、通常のイオン注入と異なり、質量分離器が不要で、
装置が大幅に簡便となり、プロセスの低コスト化に寄与
する。さらに、質量分離を伴うイオン注入では、通常細
い(最大でも10×100mm程度)ビームとして取り
出されるイオンを走査してシリコン基板全面に注入する
のに対して、本発明では、質量分離を行わない為、ビー
ムにする必要がなく、その結果、大面積への一括照射が
可能になる。さらに、本発明では、質量分離に伴うイオ
ン電流の損失がないこともあわせて、単位照射量あたり
の所要時間を短縮でき、低コスト化を達成できる。
室内で形成されたすべてのイオンのうち、正イオン(も
しくは負イオン)のみを加速電極の極性で選択し加速し
た後、反応室内でシリコン基板に照射させる。したがっ
て、通常のイオン注入と異なり、質量分離器が不要で、
装置が大幅に簡便となり、プロセスの低コスト化に寄与
する。さらに、質量分離を伴うイオン注入では、通常細
い(最大でも10×100mm程度)ビームとして取り
出されるイオンを走査してシリコン基板全面に注入する
のに対して、本発明では、質量分離を行わない為、ビー
ムにする必要がなく、その結果、大面積への一括照射が
可能になる。さらに、本発明では、質量分離に伴うイオ
ン電流の損失がないこともあわせて、単位照射量あたり
の所要時間を短縮でき、低コスト化を達成できる。
【0022】次に、本発明について、例えばO2 分子を
プラズマ室内で解離する場合を例に挙げて説明する。こ
の場合、プラズマ室内の雰囲気を十分に清浄に保てば、
形成されるプラズマイオンは0+ とO2 + のみである。
通常プラズマ解離プロセスでは、ガス圧や印加電力等の
種々のパラメータを変化させることで、生じるイオンの
生成比を変化させることが可能である。例えば、O2 +
イオンに対して0+ イオンの数を数倍から数十倍にする
ことができる。したがって、例えば、O2 + イオンに対
して数倍の0+ イオンを生成し、通常のSIMOX法と
同様の加速電圧でシリコン基板に照射し、SIMOX法
と同様の熱処理を加えれば、より簡便で安価な方法でS
IMOX法によるもとの同等のSOI基板を作製するこ
とができる。この際に、0+ イオンの数分の1の割合で
導入されたO2 + イオンは、シリコン中で特に電気的な
悪影響を及ぼすものではない。また、O2 + イオンの大
部分は、照射後の高温熱処理プロセスで、0+ イオンが
凝集して形成されたSiO2 膜に拡散吸収されるか、基
板外部に拡散し放出される。
プラズマ室内で解離する場合を例に挙げて説明する。こ
の場合、プラズマ室内の雰囲気を十分に清浄に保てば、
形成されるプラズマイオンは0+ とO2 + のみである。
通常プラズマ解離プロセスでは、ガス圧や印加電力等の
種々のパラメータを変化させることで、生じるイオンの
生成比を変化させることが可能である。例えば、O2 +
イオンに対して0+ イオンの数を数倍から数十倍にする
ことができる。したがって、例えば、O2 + イオンに対
して数倍の0+ イオンを生成し、通常のSIMOX法と
同様の加速電圧でシリコン基板に照射し、SIMOX法
と同様の熱処理を加えれば、より簡便で安価な方法でS
IMOX法によるもとの同等のSOI基板を作製するこ
とができる。この際に、0+ イオンの数分の1の割合で
導入されたO2 + イオンは、シリコン中で特に電気的な
悪影響を及ぼすものではない。また、O2 + イオンの大
部分は、照射後の高温熱処理プロセスで、0+ イオンが
凝集して形成されたSiO2 膜に拡散吸収されるか、基
板外部に拡散し放出される。
【0023】したがって、本発明の方法および装置を用
いることによって、従来法であるSIMOX法に比べ
て、はるかに安価なプロセスで同等の品質を持つSOI
基板を作製することが可能となる。
いることによって、従来法であるSIMOX法に比べ
て、はるかに安価なプロセスで同等の品質を持つSOI
基板を作製することが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して詳細に説明する。
図面を参照して詳細に説明する。
【0025】図1を参照して、本発明の一実施形態で用
いたSOI基板の製造装置(イオン照射装置)について
説明する。本製造装置は、プラズマ室用真空容器10
と、加速電極20と、反応室30と、Si基板40のプ
ロセス中の温度を制御するための加熱源50とから構成
されている。プラズマ室用真空容器10はRFを透過す
る材質、例えばシリコン酸化物とシリコン窒化物とシリ
コン酸窒化物のいずれか或は複数の材料などからなり、
反応室30の内壁はすべてSiの板で覆われており、プ
ラズマ室用真空容器10で母分子から解離されたイオン
以外の汚染物質がSi基板40に混入しないようにして
いる。プラズマ室用真空容器10に導入された母分子か
ら解離されたすべてのイオンは、加速電極20の極性に
したがって正イオンもしくは負イオンのすべてが所望の
エネルギーをもつ加速イオンに加速され、温度制御され
たSi基板40に照射される。
いたSOI基板の製造装置(イオン照射装置)について
説明する。本製造装置は、プラズマ室用真空容器10
と、加速電極20と、反応室30と、Si基板40のプ
ロセス中の温度を制御するための加熱源50とから構成
されている。プラズマ室用真空容器10はRFを透過す
る材質、例えばシリコン酸化物とシリコン窒化物とシリ
コン酸窒化物のいずれか或は複数の材料などからなり、
反応室30の内壁はすべてSiの板で覆われており、プ
ラズマ室用真空容器10で母分子から解離されたイオン
以外の汚染物質がSi基板40に混入しないようにして
いる。プラズマ室用真空容器10に導入された母分子か
ら解離されたすべてのイオンは、加速電極20の極性に
したがって正イオンもしくは負イオンのすべてが所望の
エネルギーをもつ加速イオンに加速され、温度制御され
たSi基板40に照射される。
【0026】ここで、プラズマ室用真空容器10と反応
室30が加速電極20で分離されているのが重要であ
る。従来のいわゆるプラズマドーピングのようにSi基
板をプラズマ中に配置し、Si基板もしくは基板ホルダ
ーに電圧を印加する方法では、加速イオンのエネルギー
を揃えることが困難であり、結果的に急俊な界面を持つ
良好なSOI構造は得られない。
室30が加速電極20で分離されているのが重要であ
る。従来のいわゆるプラズマドーピングのようにSi基
板をプラズマ中に配置し、Si基板もしくは基板ホルダ
ーに電圧を印加する方法では、加速イオンのエネルギー
を揃えることが困難であり、結果的に急俊な界面を持つ
良好なSOI構造は得られない。
【0027】
【実施例】(実施例1) 次に、本発明の第1の実施例について説明する。まず、
6インチ、P型、1〜10Ω・cm、(100)Si基
板40を2組用意し、その一方のSi基板40に対して
図1に示したイオン照射装置を用いてイオン照射を行っ
た。照射条件は、プラズマ室用真空容器10内でO2 分
子を図1に示すようなリング状高周波電極60,70を
設けた装置にてプラズマ解離し、得られた正イオンをす
べて加速電極20で60kVから200kVの範囲の加
速電圧で加速して加速イオンを得、この加速イオンを反
応室30内に設置したSi基板40にイオン照射した。
照射中のSi基板40を加熱源50を用いて加熱し、S
i基板30の温度を室温から600℃の範囲に制御し
た。イオン照射の際の照射電流は約5〜100μA/c
m2 で、20分から5時間の範囲の照射時間でイオン照
射を行った。
6インチ、P型、1〜10Ω・cm、(100)Si基
板40を2組用意し、その一方のSi基板40に対して
図1に示したイオン照射装置を用いてイオン照射を行っ
た。照射条件は、プラズマ室用真空容器10内でO2 分
子を図1に示すようなリング状高周波電極60,70を
設けた装置にてプラズマ解離し、得られた正イオンをす
べて加速電極20で60kVから200kVの範囲の加
速電圧で加速して加速イオンを得、この加速イオンを反
応室30内に設置したSi基板40にイオン照射した。
照射中のSi基板40を加熱源50を用いて加熱し、S
i基板30の温度を室温から600℃の範囲に制御し
た。イオン照射の際の照射電流は約5〜100μA/c
m2 で、20分から5時間の範囲の照射時間でイオン照
射を行った。
【0028】このようにして得たSOI基板と、図2に
示した従来の製造方法(製造装置)で得られたSOI基
板とを次のようにして比較した。2組のSOI基板をO
2 10%含有Ar雰囲気で1350℃、4時間の熱処理
を施し、透過型電子顕微鏡やX線トポグラフ法を用いて
その詳細を評価した。2組のSOI基板の比較により、
イオン照射された全イオンの約80〜90%がO+ イオ
ン(残りはO2 + イオンと考えられる)だったと仮定す
ると、同じO+ イオンのドーズで形成した通常のSIM
OX法により得られたSOI基板と同等のSOI構造が
イオン照射で得られた。得られたSOI基板の活性層の
電気的な性質にも特に遜色はなく、したがってイオン照
射で導入された余分なO+ イオンは、高温熱処理中に基
板外もしくはSiO2 に拡散したと考えられる。
示した従来の製造方法(製造装置)で得られたSOI基
板とを次のようにして比較した。2組のSOI基板をO
2 10%含有Ar雰囲気で1350℃、4時間の熱処理
を施し、透過型電子顕微鏡やX線トポグラフ法を用いて
その詳細を評価した。2組のSOI基板の比較により、
イオン照射された全イオンの約80〜90%がO+ イオ
ン(残りはO2 + イオンと考えられる)だったと仮定す
ると、同じO+ イオンのドーズで形成した通常のSIM
OX法により得られたSOI基板と同等のSOI構造が
イオン照射で得られた。得られたSOI基板の活性層の
電気的な性質にも特に遜色はなく、したがってイオン照
射で導入された余分なO+ イオンは、高温熱処理中に基
板外もしくはSiO2 に拡散したと考えられる。
【0029】以上に説明したように、イオン照射法を用
いても通常のSIMOX法と同等の品質のSOI基板が
得られた。用いた装置は、図1と図2に示したように、
イオン照射法の方がはるかに単純であり、したがって装
置コストが低減された。さらにイオン照射法では、基板
1枚あたりの処理時間が通常のSIMOX法に比べて1
/2〜1/10で同じ構造が得られたため、スループッ
トの観点からもプロセスコストの低減が達成された。
いても通常のSIMOX法と同等の品質のSOI基板が
得られた。用いた装置は、図1と図2に示したように、
イオン照射法の方がはるかに単純であり、したがって装
置コストが低減された。さらにイオン照射法では、基板
1枚あたりの処理時間が通常のSIMOX法に比べて1
/2〜1/10で同じ構造が得られたため、スループッ
トの観点からもプロセスコストの低減が達成された。
【0030】さらに、イオン照射中の基板温度に関して
は、特に低加速エネルギーの加速イオンでイオン照射を
行った際に、照射中の基板温度を500℃以上に制御す
ることで、SOI活性層に結晶欠陥の少なく良好な膜が
得られた。これに対して、イオン注入による従来のSI
MOX法では、注入中の基板温度の制御が困難であり、
結果的に本発明よりもSOI基板の品質が劣った。
は、特に低加速エネルギーの加速イオンでイオン照射を
行った際に、照射中の基板温度を500℃以上に制御す
ることで、SOI活性層に結晶欠陥の少なく良好な膜が
得られた。これに対して、イオン注入による従来のSI
MOX法では、注入中の基板温度の制御が困難であり、
結果的に本発明よりもSOI基板の品質が劣った。
【0031】なお、ここで述べたイオン照射や熱処理
は、あくまでも一例を示したにすぎず、条件が限定され
ているわけではない。また、次の第2の実施例でも述べ
るように、プラズマ解離される分子もO2 に限定され
ず、他の分子でも同様の効果が得られる。
は、あくまでも一例を示したにすぎず、条件が限定され
ているわけではない。また、次の第2の実施例でも述べ
るように、プラズマ解離される分子もO2 に限定され
ず、他の分子でも同様の効果が得られる。
【0032】 (実施例2) 上記第1の実施例の場合と同様に、第2の実施例では、
O2 分子の代わりにH2 O分子を用い、プラズマ室用真
空容器10内でH2 O分子をプラズマ解離し、得られた
正イオンをすべて加速電極20で60kVから200k
Vの範囲の加速電圧で加速して加速イオンを得、この得
られた加速イオンを反応室30内に設置したSi基板4
0にイオン照射した。他の条件も第1の実施例と同様
に、照射中のSi基板40を加熱源50を用いて加熱し
て、Si基板40の温度を室温から600℃の範囲に制
御した。イオン照射の際の照射電流は約5〜100μA
/cm2 で、20分から5時間の範囲の照射時間でイオ
ン照射を行った。
O2 分子の代わりにH2 O分子を用い、プラズマ室用真
空容器10内でH2 O分子をプラズマ解離し、得られた
正イオンをすべて加速電極20で60kVから200k
Vの範囲の加速電圧で加速して加速イオンを得、この得
られた加速イオンを反応室30内に設置したSi基板4
0にイオン照射した。他の条件も第1の実施例と同様
に、照射中のSi基板40を加熱源50を用いて加熱し
て、Si基板40の温度を室温から600℃の範囲に制
御した。イオン照射の際の照射電流は約5〜100μA
/cm2 で、20分から5時間の範囲の照射時間でイオ
ン照射を行った。
【0033】さらに、O2 10%含有Ar雰囲気で13
50℃、4時間の熱処理を施し、透過型電子顕微鏡やX
線トポグラフ法を用いてその詳細を評価したところ、本
発明者らは、第1の実施例と同様に、第2の実施例でも
良好なSOI構造が形成されていることを確認した。H
2 O分子をプラズマ解離して得られる正イオンは、O+
イオンの他、OH+ 、H2 O+ 、H2 + 、H+ が考えら
れるが、電気的な特性にも特に大きな変化は見られなか
った。したがって、Si基板40に導入された水素原子
に由来するイオンのほとんどは、高温熱処理で基板外に
拡散したと考えられる。
50℃、4時間の熱処理を施し、透過型電子顕微鏡やX
線トポグラフ法を用いてその詳細を評価したところ、本
発明者らは、第1の実施例と同様に、第2の実施例でも
良好なSOI構造が形成されていることを確認した。H
2 O分子をプラズマ解離して得られる正イオンは、O+
イオンの他、OH+ 、H2 O+ 、H2 + 、H+ が考えら
れるが、電気的な特性にも特に大きな変化は見られなか
った。したがって、Si基板40に導入された水素原子
に由来するイオンのほとんどは、高温熱処理で基板外に
拡散したと考えられる。
【0034】また、H2 O分子の代わりに、H2 ガスで
希釈したO2 分子をプラズマ室10内で解離しても、得
られるイオン種は全く同じであり、したがって同等の効
果が得られた。この場合、希釈ガス中の分子濃度を変化
させることによって、プラズマ室10内での解離条件を
広く制御することができ、結果的にH2 O分子を解離す
る場合に比べてSOI基板の製造条件の自由度が増し
た。
希釈したO2 分子をプラズマ室10内で解離しても、得
られるイオン種は全く同じであり、したがって同等の効
果が得られた。この場合、希釈ガス中の分子濃度を変化
させることによって、プラズマ室10内での解離条件を
広く制御することができ、結果的にH2 O分子を解離す
る場合に比べてSOI基板の製造条件の自由度が増し
た。
【0035】 (実施例3) 第3の実施例では、他の条件は第1の実施例と全く同じ
で、N2 分子をプラズマ解離してイオン照射を行った。
これにより、Si基板40内部にSi窒化膜(Si3 N
4 )が形成された。Si窒化膜はSi酸化膜(SiO2
膜)と同様に絶縁性であり、SOI基板としてSi酸化
膜が埋め込まれたのと同等の効果が得られる。
で、N2 分子をプラズマ解離してイオン照射を行った。
これにより、Si基板40内部にSi窒化膜(Si3 N
4 )が形成された。Si窒化膜はSi酸化膜(SiO2
膜)と同様に絶縁性であり、SOI基板としてSi酸化
膜が埋め込まれたのと同等の効果が得られる。
【0036】また、N2 O分子をプラズマ解離して同様
のプロセスを行うと、Si酸窒化膜(SiON膜)が形
成された。Si酸窒化膜もSi酸化膜やSi窒化膜と同
様に絶縁性であり、SOI基板の構成要素となり得る。
のプロセスを行うと、Si酸窒化膜(SiON膜)が形
成された。Si酸窒化膜もSi酸化膜やSi窒化膜と同
様に絶縁性であり、SOI基板の構成要素となり得る。
【0037】尚、本発明は上記実施例に限定せず、本発
明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能
なのは言うまでもない。例えば、上記実施例では、イオ
ンとして正イオンを使用しているが、負イオンでも良い
のは勿論である。また、希釈ガスとしては、H2 の代わ
りに、He、Ar、Kr、Xeの中から選択された少な
くとも一種類の不活性ガスを用いても良い。さらに、プ
ラズマ室用真空容器10は、例えば、シリコン酸化物ま
たはシリコン窒化物またはシリコン酸窒化物のようなR
Fを透過する材質からなることが好ましい。また、反応
室30の室壁を覆う防護壁の材料としては、シリコンの
他に、シリコン酸化物若しくはシリコン窒化物若しくは
シリコン酸窒化物を使用しても良い。
明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能
なのは言うまでもない。例えば、上記実施例では、イオ
ンとして正イオンを使用しているが、負イオンでも良い
のは勿論である。また、希釈ガスとしては、H2 の代わ
りに、He、Ar、Kr、Xeの中から選択された少な
くとも一種類の不活性ガスを用いても良い。さらに、プ
ラズマ室用真空容器10は、例えば、シリコン酸化物ま
たはシリコン窒化物またはシリコン酸窒化物のようなR
Fを透過する材質からなることが好ましい。また、反応
室30の室壁を覆う防護壁の材料としては、シリコンの
他に、シリコン酸化物若しくはシリコン窒化物若しくは
シリコン酸窒化物を使用しても良い。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来のSIMOX法に比べて、簡便で低コストなプロセス
で、良好なSOI構造を形成することができる。
来のSIMOX法に比べて、簡便で低コストなプロセス
で、良好なSOI構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるSOI基板の製造装
置(イオン照射装置)を示す概略図である。
置(イオン照射装置)を示す概略図である。
【図2】従来技術で用いられているイオン注入器を示す
概略図である。
概略図である。
10 プラズマ室用真空容器 20 加速電極 30 反応室 40 Si基板 50 加熱源 60,70 リング状高周波電極 110 プラズマ源 120 質量分離器 130 注入室 140 Si基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沼沢 陽一郎 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 土居 陽 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機株式会社内 (72)発明者 丹上 正安 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−106512(JP,A) 特開 昭58−64034(JP,A) 特開 昭62−5641(JP,A) 特開 平2−277776(JP,A) 特開 平2−274879(JP,A) Japanese Journal of Applied Physic s,Vol.30,No.10,Octob er 1991,pp.2427−2431 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/12 H01L 21/265 H01L 21/84 H01L 21/76
Claims (21)
- 【請求項1】 酸素原子を含む分子をプラズマ室内でイ
オンにプラズマ解離する工程と、 前記工程後に加速電極を用いて前記プラズマ室内で生成
された前記イオンのうち正イオンもしくは負イオンの全
てを所定のエネルギーをもつ加速イオンに加速する工程
と、 該加速イオンを反応室内に設置されたシリコン基板に照
射する工程と、 該シリコン基板に熱処理を加えることで該シリコン基板
内部にシリコン酸化膜を形成する工程とを含むSOI基
板の製造方法。 - 【請求項2】 前記酸素原子を含む分子としてO2分子
及びH2O分子のいずれか一方或いは両方を用いる、請
求項1に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項3】 前記プラズマ室内で前記酸素原子を含む
分子と同時に、当該分子を希釈するガスを加えることを
特徴とする、請求項1または2に記載のSOI基板の製
造方法。 - 【請求項4】 前記希釈ガスとしてH2を用いることを
特徴とする、請求項3に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項5】 前記希釈ガスとしてHe、Ar、Kr、
Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活性ガス
を用いることを特徴とする、請求項3に記載のSOI基
板の製造方法。 - 【請求項6】 窒素原子を含む分子をプラズマ室内でイ
オンにプラズマ解離する工程と、 前記工程後に加速電極を用いて前記プラズマ室内で生成
された前記イオンのうち正イオンもしくは負イオンの全
てを所定のエネルギーをもつ加速イオンに加速する工程
と、 該加速イオンを反応室内に設置されたシリコン基板に照
射する工程と、 該シリコン基板に熱処理を加えることで該シリコン基板
内部にシリコン窒化膜を形成する工程とを含むSOI基
板の製造方法。 - 【請求項7】 前記窒素原子を含む分子としてN2分子
及びNH2分子のいずれか一方或いは両方を用いる、請
求項6に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項8】 前記プラズマ室内で前記窒素原子を含む
分子と同時に、当該分子を希釈するガスを加えることを
特徴とする、請求項6または7に記載のSOI基板の製
造方法。 - 【請求項9】 前記希釈ガスとしてH2を用いることを
特徴とする、請求項8に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項10】 前記希釈ガスとしてHe、Ar、K
r、Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活性
ガスを用いることを特徴とする、請求項8に記載のSO
I基板の製造方法。 - 【請求項11】 酸素原子を含む分子および窒素原子を
含む分子を同時にプラズマ室内でイオンにプラズマ解離
する工程と、 前記工程後に加速電極を用いて前記プラズマ室内で生成
された前記イオンのうち正イオンもしくは負イオンの全
てを所定のエネルギーをもつ加速イオンに加速する工程
と、 該加速イオンを反応室内に設置されたシリコン基板に照
射する工程と、 該シリコン基板に熱処理を加えることで該シリコン基板
内部にシリコン酸窒化膜を形成する工程とを含むSOI
基板の製造方法。 - 【請求項12】 前記酸素原子を含む分子としてO2分
子及びH2O分子のいずれか一方或いは両方を用い、前
記窒素原子を含む分子としてN2分子及びNH3分子のい
ずれか一方或いは両方を用いる、請求項11に記載のS
OI基板の製造方法。 - 【請求項13】 前記プラズマ室内で前記酸素原子を含
む分子および前記窒素原子を含む分子と同時に、これら
分子を希釈するガスを加えることを特徴とする、請求項
11または12に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項14】 前記希釈ガスとしてH2を用いること
を特徴とする、請求項13に記載のSOI基板の製造方
法。 - 【請求項15】 前記希釈ガスとしてHe、Ar、K
r、Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活性
ガスを用いることを特徴とする、請求項13に記載のS
OI基板の製造方法。 - 【請求項16】 酸素原子と窒素原子の両方を含む分子
をプラズマ室内でイオンにプラズマ解離する工程と、 前記工程後に加速電極を用いて前記プラズマ室内で生成
された前記イオンのうち正イオンもしくは負イオンの全
てを所定のエネルギーをもつ加速イオンに加速する工程
と、 該加速イオンを反応室内に設置されたシリコン基板に照
射する工程と、 該シリコン基板に熱処理を加えることで該シリコン基板
内部にシリコン酸窒化膜を形成する工程とを含むSOI
基板の製造方法。 - 【請求項17】 前記酸素原子と窒素原子の両方を含む
分子として、N2O分子およびNO分子のいずれか一方
あるいは両方を用いる、請求項16に記載のSOI基板
の製造方法。 - 【請求項18】 前記プラズマ室内で前記酸素原子と前
記窒素原子の両方を含む分子と同時に、当該分子を希釈
するガスを加えることを特徴とする、請求項16または
17に記載のSOI基板の製造方法。 - 【請求項19】 前記希釈ガスとしてH2を用いること
を特徴とする、請求項18に記載のSOI基板の製造方
法。 - 【請求項20】 前記希釈ガスとしてHe、Ar、K
r、Xeの中から選択された少なくとも一種類の不活性
ガスを用いることを特徴とする、請求項18に記載のS
OI基板の製造方法。 - 【請求項21】 イオン照射中の前記シリコン基板の温
度を所望の温度に制御することを特徴とする、請求項1
〜20のいずれか1つに記載のSOI基板の製造方法。
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