JP3091800B2 - Soi基板の製造方法 - Google Patents

Soi基板の製造方法

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JP3091800B2
JP3091800B2 JP04331426A JP33142692A JP3091800B2 JP 3091800 B2 JP3091800 B2 JP 3091800B2 JP 04331426 A JP04331426 A JP 04331426A JP 33142692 A JP33142692 A JP 33142692A JP 3091800 B2 JP3091800 B2 JP 3091800B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、SOI基板の製造方
法に関し、特に、SIMOX(Separation
by IMplanted OXygenの略)法によ
るSOI基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を形
成したウェハーは、SOI(Silicon On I
nsulatorの略)と言われ、この単結晶シリコン
薄膜上にMOS(Metal Oxide Semic
onductorの略)型電界効果トランジスタのよう
な半導体素子を形成すると、寄生容量の低減及び電流駆
動能力の増大によって、素子の高速化が図れることや、
短チャネル効果が低減されるという効果がある。従来、
SOI構造を形成するために多くの手法が提案されてお
り、高濃度の酸素イオンをシリコン基板に注入してSO
I構造を形成するというSIMOX法もその一つであ
る。以下、SIMOX法について説明する。
【0003】SIMOX法とは、例えば、シリコン基板
に、酸素イオンを加速エネルギー200keV、ドーズ
量2.0×1018/cm2 で注入し、その後、1300
℃以上の高温でAr/O2 またはN2 /O2 の混合気体
中で十分に熱処理をすることにより、シリコン基板内部
に直接埋め込み膜(SiO2 膜)を形成する方法であ
る。図4(a)〜(c)は、SIMOX法によるSOI
基板の製造方法を示す工程図である。図4(a)はシリ
コン基板を示す図であり、1はシリコン基板である。図
4(b)は、シリコン基板1に対して、酸素イオンを注
入する工程を示した図である。シリコン基板1を500
〜600℃に加熱した状態で、シリコン基板1の上面か
ら酸素イオン2を、例えば、加速エネルギー200ke
V,ドーズ量2.0×1018/cm2 で注入する。酸素
イオン2を注入することで、シリコン基板1と酸素イオ
ン2の反応により、埋め込み絶縁膜(以下、SiO2
と称す)3が形成される。4は、SiO2 膜3上にある
シリコン層である。図4(c)は、図4(b)での酸素
イオン2注入後の熱処理を行う工程を示す図である。例
えば、1300℃以上の高温で、Ar/O2 雰囲気中で
5時間程度の熱処理を行うことにより、酸素イオン2の
注入で生じた欠陥を消失させ、結晶性の回復により、単
結晶シリコン層(以下、SOI層と称す)5を形成す
る。しかし、シリコン基板1では酸素イオン2が高注入
量で注入されるため、種々の欠陥が発生しており、10
00℃以上の熱処理によってもこれらの欠陥は消失しな
い。逆に、高温の熱処理によって、これらの微小な欠陥
は成長し、線状の欠陥となってシリコン層4の表面から
シリコン層4とSiO2 膜3との境界面にまで達する。
これは貫通転位6と呼ばれる。さらに、熱処理の時に、
Ar/O2 雰囲気中との反応を防ぐために、図4(d)
に示すように、シリコン基板1の表面に保護膜7(Si
2 )を形成させる場合もある。
【0004】次に、SOI基板を製造するのに採用され
ているイオン注入条件について下記に記述する。図5
は、酸素イオン2注入量に対するシリコン基板1中の酸
素濃度を表す図である。ここでは、加速エネルギーを2
00keVとする。図において、酸素イオン2の注入量
が少ないと、酸素はシリコン基板1内でガウス分布をと
り、シリコン基板1中でSiO2 膜3は形成されない。
しかし、酸素イオン2の注入量が、シリコン基板1中で
SiO2 膜3が形成されるのに必要な臨界注入量(1.
35×1018/cm2 )以上になると、注入ピーク付近
の酸素濃度が、SiO2 中に含まれる1cm3 当たりの
酸素原子の数、即ち、SiO2 の化学量論的濃度(4.
4×1022/cm3 )を越える。そのため、過剰の酸素
は分布の裾野に向かって拡散してゆき、シリコン基板1
と反応してSiO2 を形成し、シリコン基板1内で急峻
な界面のSiO2 膜3を得ることができる。この時の反
応を式で表すと次のようになる。 xSi+2Oi→SiO2 +(x−1)Sii ……………………(1) (Oi:格子間酸素、Sii:格子間シリコン)ここ
で、格子間酸素とは格子の間に割り込んだ他の原子とは
結合していない酸素原子であり、格子間シリコンとは格
子の間に割り込んだ他の原子とは結合していないシリコ
ン原子である。臨界注入量以上の酸素イオン2を注入す
ることにより、SiO2 は生成されるが、同時に起こる
体積増加を緩和するために格子間シリコンの放出が起こ
る。この格子間シリコンは、シンクとなるシリコン基板
1の表面に吸収される。しかし、酸素イオン2の注入量
の増加に伴い、発生する格子間シリコンの数が増加し、
やがて、過剰の格子間シリコンは互いに合体して、シリ
コン層4の層中に欠陥として残る。この欠陥が、後の熱
処理の段階で、シリコン基板1の表面とSiO2 膜3と
の間に固定された貫通転位6として安定化し、シリコン
基板1の結晶品質を劣化させる原因となる。
【0005】貫通転位6の密度は、イオン注入条件に依
存している。図6はSOI層中の転位密度の酸素イオン
注入量および加速電圧依存性を示した図である。図6に
示すように、酸素イオンの注入量が増加するほど、ま
た、加速電圧が低いほど転位密度は増加する傾向にあ
る。そこで、貫通転位6を発生させずに良質なSiO2
膜3を形成させるために、注入量と欠陥密度の相関性を
利用したマルチイオン注入(多段注入)法がある。この
方法は、転位密度を低減させるために、従来に比べて注
入量を低くして(0.5〜1.0×1018/cm2 )酸
素イオン注入を行い、次に熱処理により結晶性の回復と
SiO2 の析出を図った後、所定の注入量を得るため
に、この注入・熱処理の工程を数回繰り返す方法であ
る。この方法では、Si/SiO2 界面が非常に急峻
で、SOI層内の転位密度も103 /cm2以下のきわ
めて良質のSiO2 膜を有するSOI基板が実現でき
る。しかし、この方法では、プロセスが煩雑化するため
商業的な量産に適さない。
【0006】また、SOI基板が薄膜SOI/MOS型
電界効果トランジスタ作成用基板として用いられるため
には、SOI層の膜厚が1000Å以下であることが要
求される。図7は、SOI層の膜厚の酸素イオン注入量
および加速電圧依存性を示した図である。SOI層の膜
厚は図7に示すように、酸素イオン注入量が増加するほ
ど、また、加速電圧が低いほど薄くすることができる。
しかし、これらの条件は、いずれも転位密度を増加させ
るため、SOI層の膜厚と転位密度の両方を満足させる
手法はまだ開発されていない。さらに、SIMOX法に
おけるイオン注入および熱処理の工程においては、シリ
コン基板1が装置から不純物汚染を受けるという問題が
残されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
製造方法によるSOI基板においては、貫通転位が残留
したり、不純物で汚染されたりするため、結晶品質が劣
り、該SOI基板上にMOS型電界効果トランジスタを
作成すると、ゲート酸化膜形成時にゲート酸化膜に欠陥
や不純物が取り込まれることによる耐圧不良や、空乏層
内に存在する欠陥により発生した発生電流による消費電
力の増加をひきおこし、デバイスの特性を劣化させると
いう問題点があった。さらに、貫通転位を残留させず
に、膜厚1000Å以下の薄膜SOI層を得ることがで
きないため、薄膜SOI/MOS型電界効果トランジス
タ作成用基板に適さないという問題点があった。
【0008】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、SOI層の結晶性および不純物汚
染を改善し、かつ、SOI層の膜厚を1000Å以下に
形成することのできるSOI基板の製造方法を提供する
ことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係るシリコン
基板の製造方法は、シリコン基板の第1の表面に多結晶
シリコン層を積層させる工程と、前記シリコン基板の第
1の表面からイオン注入を行い、シリコン基板中にシリ
コン酸化膜を形成させる工程と、前記多結晶シリコン層
とシリコン酸化膜との間のシリコン層に対し、熱処理を
行う工程とを備えたものである。
【0010】また、前記多結晶シリコン層の代わりに、
アモルファスシリコン層を積層させたものである。
【0011】さらに、この発明に係るシリコン基板の製
造方法は、シリコン基板の第1の表面からイオン注入を
行い、シリコン基板中に第1のシリコン酸化膜を形成さ
せる工程と、前記第1のシリコン酸化膜上のシリコン層
の表面の素子形成領域外に第2のシリコン酸化膜を形成
させる工程と、前記シリコン層の表面及び第2のシリコ
ン酸化膜の表面に多結晶シリコン層を積層させる工程
と、前記多結晶シリコン層を積層させた後に前記シリコ
ン層に対し、熱処理を行う工程と、前記熱処理工程の後
に前記シリコン酸化膜をストッパー膜として前記多結晶
シリコン層を研磨除去する工程と、前記研磨除去する工
程の後に前記シリコン層の表面に残されている多結晶シ
リコン層を選択エッチングによって除去する工程とを備
えたものである。
【0012】
【作用】この発明の製造方法では、シリコン基板の第1
の表面に多結晶層を積層させてから、前記シリコン基板
中にシリコン酸化膜を形成させるイオン注入を行い、イ
オン注入の後に熱処理を行うので、SiO2 の形成に伴
ってシリコン酸化膜上のシリコン層内に発生する多量の
格子間シリコンを多結晶層内の結晶粒界が吸収し、前記
シリコン層内で貫通転位が発生するのを防止できる。ま
た、多結晶層の膜厚により、酸素イオンの注入深さを浅
くし、薄膜SOI層を形成できる。
【0013】また、イオン注入の後に第1のシリコン酸
化膜上のシリコン層の表面の素子形成領域外に第2のシ
リコン酸化膜を形成し、前記シリコン層の表面及びシリ
コン酸化膜の表面に多結晶層を積層させてからシリコン
層に対して熱処理を行うので、上述したように素子形成
領域下のシリコン層内で貫通転位が発生するのを防止で
きる。さらに、前記第2のシリコン酸化膜をストッパー
膜として前記多結晶層を研磨除去し、前記シリコン層の
表面に残されている多結晶層を選択エッチングによって
除去するので、多結晶層と第2のシリコン酸化膜との研
磨速度の違いにより第2のシリコン酸化膜がストッパー
層となり、多結晶層の膜厚を第2のシリコン酸化膜の膜
厚と同じ厚さに薄く形成できるので、多結晶層のエッチ
ング時間を短くすることができ、多結晶層のエッチング
に伴ってシリコン層がオーバーエッチングされるのを防
止できる。よって、シリコン層の膜厚を均一にすること
ができる。
【0014】
【実施例】実施例1.図1は、この発明の一実施例を示
すSOI基板の製造方法を示す工程図である。図におい
て、1〜5は、従来技術と同一または相当する部分を示
す。8はポリシリコン層である。次に、製造工程につい
て説明する。基本的な製造工程は従来技術で述べたもの
とほぼ同一であるので、従来技術と異なる点のみを説明
する。図1(a)に示すように、酸素イオン注入前にシ
リコン基板1表面にポリシリコン層を積層させる。図1
(b)に示すように、酸素イオン2を注入させることに
より、SiO2 膜3が形成される。4はSiO2 膜3上
のシリコン層である。次に図1(c)に示すように、1
300℃程度の熱処理を行うと、シリコン層4の結晶性
改善が行われ、SOI層5が得られる。熱処理後、図1
(d)に示すように、表面のポリシリコン層8を選択エ
ッチング除去することにより、結晶性の改善された良質
のSOI基板が得られる。
【0015】このポリシリコン層8には、格子間シリコ
ンのシンクと成り得る結晶粒界が多数存在している。イ
オン注入時および熱処理時のSiO2 の形成に伴って発
生する多量の格子間シリコンを吸収することができ、欠
陥の発生、成長を大幅に抑制できる。例えば、酸素イオ
ンを加速エネルギー200keV、ドーズ量2.0×1
18/cm2 の注入条件で作成したSOI層5の転位密
度は、従来の1.0×108 /cm2 から1.0×10
3 /cm2 程度に大幅に低減でき、著しく結晶性が改善
される。
【0016】次に、SOI層5の薄膜化について記述す
る。図1(b)に示すように、ポリシリコン層8を通過
させて、酸素イオン2が注入されるので、酸素イオン2
の侵入深さは、ポリシリコン層8がない場合に比べ、ポ
リシリコン層8膜厚分だけ浅くなる。例えば、酸素イオ
ンを加速エネルギー200keV、ドーズ量2.0×1
18/cm2 の条件で注入すると、図6より、約200
0ÅのSOI層5が形成されるが、この発明において
は、ポリシリコン層8の膜厚を所望の膜厚のSOI層5
が得られるように設定することにより、容易にSOI層
の膜厚を1000Å以下の薄膜に形成させることができ
る。例えば、ポリシリコン層8の膜厚を1500Åに設
定することにより、膜厚500Åの薄膜SOI層5を得
ることが可能である。
【0017】さらに、ポリシリコン層8をシリコン基板
1に積層すると、シリコン中の不純物をゲッタリングす
る作用がある。よって、この積層したポリシリコン層8
は、イオン注入および熱処理時に混入されている不純物
をゲッタリングし、SOI層5中の不純物を大幅に低減
することが可能である。
【0018】この実施例においては、従来技術で示した
マルチイオン注入法のように工程が煩雑でないため、量
産性に優れた製造方法である。また、SOI基板5の上
にMOS型電界効果トランジスタを構成した場合、ゲー
ト酸化膜の耐圧不良は改善され、リーク電流の1つの原
因である転位により発生した発生電流が減少するので、
ソースドレイン間の接合リーク電流が低減され、消費電
力を減らすことができる。
【0019】実施例2.上記実施例1では、酸素イオン
注入から熱処理の工程まで同一のポリシリコン層を用い
たが、図2(a)に示すように、酸素イオン注入後さら
にポリシリコン層8を積層しても、また、図2(b)〜
(c)に示すように酸素イオン注入後、いったんポリシ
リコン層8を除去し、新しくポリシリコン層8を積層し
てもよく、上記実施例1と同様の効果を奏する。
【0020】実施例3.さらに、転位密度低減と不純物
汚染低減の効果のみを考えれば、酸素イオン注入時ある
いは熱処理時のどちらか一つの工程のみポリシリコン層
8を積層して処理を行っても上記効果を得ることが可能
である。
【0021】実施例4.上記実施例1では、格子間シリ
コンのシンクおよび酸素イオン侵入深さ制御のためにポ
リシリコン層8を積層した場合について述べたが、表面
層は格子間シリコンのシンクとなれば他の材料の多結晶
層またはアモルファス層(アモルファスシリコン層を含
む)およびシリコン表面にダメージ処理を施したもので
もよく、上記実施例1と同様の効果を奏する。
【0022】実施例5.また、上記実施例1では、シリ
コン半導体基板と、イオン注入原子として酸素を用いて
説明したが、イオン注入法により、半導体基板中に絶縁
物を形成できるものであれば、いずれの半導体基板とイ
オン原子を用いても同様の効果が得られることはいうま
でもない。
【0023】実施例6.図3はこの発明の他の実施例を
示すSOI基板の製造方法を示す工程図である。図にお
いて、1〜5は、従来技術と同一または相当する部分を
示す。8はポリシリコン層、9はSiO2 薄膜、10は
素子形成領域である。次に、製造工程について説明す
る。基本的な製造工程は、従来技術で述べたものとほぼ
同一であるので、従来技術と異なる点のみを説明する。
まずはじめに図3(a)に示すように、酸素イオン2を
加速エネルギー150keV、ドーズ量2.0×1018
/cm2 で注入させ、SiO2 膜3を形成する。4はS
iO2 膜3上のシリコン層である。次に、図3(b)お
よび(c)に示すように、通常のパターニングの技法を
用いて素子形成領域外に膜厚300ÅのSiO2 薄膜9
を形成し、素子形成領域10を露出させる。さらに図3
(d)に示すように、シリコン基板1の全表面に膜厚5
000Åのポリシリコン層8を積層させ、その後、図3
(e)に示すように、シリコン層4に対し、Ar+1%
2 の雰囲気中で1300℃、6時間の熱処理を行う。
該熱処理によって、シリコン層4の結晶性は改善され、
膜厚1000ÅのSOI層5が得られる。次に、図3
(f)に示すように、SiO2 薄膜9をストッパー層と
して、ポリシリコン層8を研磨除去する。次に、図3
(g)に示すように、SiO2 薄膜9を選択エッチング
により除去し、膜厚300Åのポリシリコン層8を残
す。さらに、図3(h)に示すように、ポリシリコン層
8を選択エッチングにより除去し、結晶性の改善された
良質のSOI基板を形成する。
【0024】本実施例の製造方法においては、SOI層
5の膜厚が1000Åに形成されるような酵素イオン注
入条件を採用したとしても、シリコン層4上に積層され
たポリシリコン層8の作用(実施例1に詳細記述)によ
り、SOI層5中に貫通転位が発生するのを抑制するこ
とができ、結晶性の改善されたSOI層5を得ることが
できる。さらに、SiO2薄膜9のストッパー層の効果
によりポリシリコン層8の膜厚を300Åと薄くするこ
とができ、これにより、ポリシリコン層8のエッチング
時間を短くすることができるので、ポリシリコン層8の
エッチングに伴ってSOI層がオーバーエッチングされ
るのを防止できる。よって、上記実施例1よりもSOI
層5の膜厚均一性が良好なSOI基板を得ることができ
る。
【0025】従来の製造方法によるSOI基板の転位密
度が1.0×108 /cm2 であるのに対し、本実施例
を採用することにより作成されたSOI基板の転位密度
は1.0×103 /cm2 である。つまり、従来に比べ
て、SOI基板の転位密度は大幅に低減され、結晶性も
著しく改善されることになる。さらに、膜厚均一性につ
いてであるが、本実施例を採用することにより、ポリシ
リコン層8を用いない従来の製造方法によるSOI基板
の膜厚均一性と同程度の0.1±0.01μmと良好に
することができる。
【0026】実施例7.上記実施例6では、SiO2
膜9を選択エッチングにより除去した後に、ポリシリコ
ン層8を選択エッチングにより除去したが、ポリシリコ
ン層8を選択エッチングした後に、SiO2 薄膜9を選
択エッチングしても実施例6と同様に、結晶性の改善さ
れた良質のSOI基板を形成できる。
【0027】
【発明の効果】以上のように、この発明のSOI基板の
製造方法によれば、シリコン基板表面に多結晶シリコン
層を積層させてから熱処理を行うことにより、欠陥の発
生源である格子間シリコンのシンクを供給することがで
き、さらに多結晶シリコン層は不純物のゲッタリング作
用をもつことから、積層させた多結晶シリコン層に欠陥
をトラップし、後に除去することにより下層の半導体層
そのものに欠陥や不純物(金属等)を残さず、不純物汚
染の少ない結晶性の優れた膜厚1000Å以下のSOI
層を持つSOI基板を得られる。
【0028】また、シリコン基板表面の素子形成領域外
に、ストッパー膜としてのSiO2薄膜を形成した後に
多結晶シリコン層を積層させ、多結晶シリコン層を研磨
除去し、さらにシリコン基板上に残された多結晶シリコ
ン層を選択エッチングすることにより、多結晶シリコン
層の選択エッチングの時間を短くすることができるの
で、多結晶シリコン層の選択エッチングに伴うSOI層
のオーバーエッチングを防止でき、膜厚均一性が良好な
SOI基板を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1を示すSOI基板の製造工
程図である。
【図2】この発明の実施例2を示すSOI基板の製造工
程図である。
【図3】この発明の実施例6を示すSOI基板の製造工
程図である。
【図4】SIMOX法による従来のSOI基板の製造工
程図である。
【図5】酸素イオン注入量に対するシリコン基板中の酸
素濃度を表す図である。
【図6】SOI層中の転位密度の酸素イオン注入量およ
び加速電圧依存性を示した図である。
【図7】SOI層の膜厚の酸素イオン注入量および加速
電圧依存性を示した図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 酸素イオン 3 埋め込み絶縁膜(SiO2 膜) 4 シリコン層 5 単結晶シリコン層(SOI層) 6 貫通転位 8 ポリシリコン層 9 SiO2 薄膜 10 素子形成領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 正 伊丹市瑞原4丁目1番地 三菱電機株式 会社 エル・エス・アイ研究所内 (56)参考文献 特開 平2−237033(JP,A) 特開 平4−737(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 H01L 21/76 H01L 27/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板の第1の表面に多結晶シリ
    コン層を積層させる工程と、 前記シリコン基板の第1の表面からイオン注入を行い、
    シリコン基板中にシリコン酸化膜を形成させる工程と、 前記多結晶シリコン層とシリコン酸化膜との間のシリコ
    ン層に対し、熱処理を行う工程とを備えたことを特徴と
    するSOI基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記多結晶シリコン層の代わりに、アモ
    ルファスシリコン層を積層させることを特徴とする請求
    項第1項記載のSOI基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 シリコン基板の第1の表面からイオン注
    入を行い、シリコン基板中に第1のシリコン酸化膜を形
    成させる工程と、 前記第1のシリコン酸化膜上のシリコン層の表面の素子
    形成領域外に第2のシリコン酸化膜を形成させる工程
    と、 前記シリコン層の表面及び第2のシリコン酸化膜の表面
    に多結晶シリコン層を積層させる工程と、 前記多結晶シリコン層を積層させた後に前記シリコン層
    に対し、熱処理を行う工程と、 前記熱処理工程の後、前記第2のシリコン酸化膜をスト
    ッパー膜として前記第2のシリコン酸化膜表面まで前記
    多結晶シリコン層を研磨除去する工程と、 前記研磨除去する工程の後に前記第1のシリコン酸化膜
    上の前記シリコン層の表面に残されている多結晶シリコ
    ン層を選択エッチングによって除去する工程とを備えた
    ことを特徴とするSOI基板の製造方法。
JP04331426A 1992-02-18 1992-12-11 Soi基板の製造方法 Expired - Lifetime JP3091800B2 (ja)

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DE69333173T DE69333173T2 (de) 1992-02-18 1993-02-17 Verfahren zur Herstellung eines Substrates mit einer Halbleiterschicht auf einem Isolator
US08/444,590 US5616507A (en) 1992-02-18 1995-05-19 Method of manufacturing substrate having semiconductor on insulator

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