JP3996732B2

JP3996732B2 - Ｓｉｍｏｘ基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP3996732B2
Application number: JP2000188259A
Authority: JP
Inventors: 啓介川村; 篤樹松村; 敏行水谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JP2002009263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板の表面近傍に埋め込み酸化層を配し、その上に単結晶シリコン層（以下ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層と記載）を形成させたＳＯＩ基板に関する。更に詳しくは、ＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔｅｄＯＸｙｇｅｎ）技術によるＳＯＩ基板及びその製造方法である。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン酸化物のような絶縁物上に単結晶シリコン層を形成するＳＯＩ基板としては、ＳＩＭＯＸウエハと貼り合わせたウエハが主として知られている。ＳＩＭＯＸウエハは、酸素イオンのイオン注入によって単結晶シリコン基板内部に酸素イオンを注入し、引続き行われるアニール処理によってこれら酸素イオンとシリコン原子を化学反応させて埋め込み酸化層を形成させることによって得られるＳＯＩ基板である。一方、貼り合わせウエハは、２枚の単結晶シリコンウエハを酸化層をはさんで接着させ、２枚のうち片方のウエハを薄膜化することによって得られるＳＯＩ基板である。
【０００３】
これらＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、高い放射線耐性とラッチアップ耐性を持ち、高信頼性を示すことに加えて、デバイスの微細化にともなうショートチャネル効果を抑制し、かつ低消費電力動作が可能となる。また、デバイス動作領域が静電容量的に基板自体から絶縁されるため信号伝達速度が向上し、デバイスの高速動作が実現できる。これらの理由により、ＳＯＩ基板は次世代ＭＯＳ−ＬＳＩ用の高機能半導体基板として期待されている。
【０００４】
これらＳＯＩ基板のうち、ＳＩＭＯＸウエハはＳＯＩ層の膜厚均一性に特に優れるという特徴を有している。ＳＩＭＯＸウエハにおいては、ＳＯＩ層として０．３μｍ以下の厚さが形成可能であり、０．１μｍ前後、さらにそれ以下の厚さのＳＯＩ層も良好に厚さ制御可能である。特に厚さ０．１μｍ以下のＳＯＩ層は完全空乏型動作のＭＯＳ−ＬＳＩ形成に適用されることが多く、その場合ＳＯＩ層自体の膜厚がＭＯＳＦＥＴ動作のしきい値電圧と比例関係があることから、高性能デバイスを歩留良く作製するにはＳＯＩ層の膜厚均一性が重要な要素となる。その観点からＳＯＩ膜厚均一性に優れるＳＩＭＯＸウエハは、次世代ＭＯＳＦＥＴ用基板として期待されている。
【０００５】
ＳＩＭＯＸ基板の作製においては、通常、単一の加速エネルギー、典型的には２００ｋｅＶ程度のエネルギーを用いて酸素イオンの注入が行われるが、その場合酸素イオンの注入量が１．５×１０¹⁸個／ｃｍ²以上の領域か、２．５〜４．５×１０¹⁷個／ｃｍ²の範囲の限られた領域のいずれかの場合においてのみ、高温熱処理後に得られるＳＩＭＯＸ構造において、連続かつ均一な品質良好な埋め込み酸化層が得られることが良く知られている（例えば、Ｓ．ＮａｋａｓｈｉｍａａｎｄＫ．Ｉｚｕｍｉ、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ、ｖｏｌ．８５２３（１９９３））。これらの酸素イオン注入量を用いて作製されたＳＩＭＯＸ基板は、慣例的に、前者の酸素イオン注入量領域を用いて作製されたものは高ドーズＳＩＭＯＸ基板、後者の酸素イオン注入量領域を用いて作製されたものは低ドーズＳＩＭＯＸ基板と呼ばれている。
【０００６】
高ドーズＳＩＭＯＸ基板と低ドーズＳＩＭＯＸ基板にはそれぞれ特徴があり、それに応じて使い分けられている。これらのうち、低ドーズＳＩＭＯＸ基板は、酸素イオン注入量が比較的少ないことから、表面シリコン層の貫通転位密度が低減されており、かつ低コストが実現可能な技術として期待されている。一方、低ドーズＳＩＭＯＸ基板は、埋め込み酸化層が薄いことによりリーク欠陥の発生頻度が高い、絶縁耐性が不十分となる確率が高い、といった問題があった。
【０００７】
この低ドーズＳＩＭＯＸ基板の埋め込み酸化層の品質改善に寄与する技術としては、高温でのＩＴＯＸ処理（ＩｎｔｅｒｎａｌＴｈｅｒｍａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ；内部酸化処理ともいう）を利用する技術が発案されている（中嶋ら、特開平７−２６３５３８号公報、あるいはＳ．Ｎａｋａｓｈｉｍａｅｔａｌ．、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ、ｖｏｌ．１４３２４４）。ＩＴＯＸ技術によれば、高温での酸化処理により基板表面に熱酸化膜が成長すると同時に、埋め込み酸化膜の上部界面にも若干量の酸化膜成長が生じ、埋め込み酸化膜の厚膜化が可能となる。その結果として、リーク欠陥の低減、絶縁耐圧の改善の双方が可能となることが報告されている。
【０００８】
一方、低ドーズＳＩＭＯＸ基板の表面シリコン層には、高ドーズＳＩＭＯＸ基板に比べて低減されたとはいえ、密度１０²〜１０⁴個／ｃｍ²程度あるいはそれ以上の貫通転位が残存しているが、このような低ドーズＳＩＭＯＸ基板の製造工程において、ＩＴＯＸ処理（内部酸化処理）を通常用いられている１３５０℃程度の高温で施した場合には、ＳＯＩ層表面に貫通転位部を中心とした直径２μｍ、深さ１０ｎｍ程度の窪みが発生することが指摘されている（Ｗ．Ｐ．Ｍａｓｚａｒａｅｔａｌ．、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ１９９７ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳＯＩＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ｐ．１８）。代表的には１００ｎｍ以下の薄いＳＯＩ厚を用いる完全空乏型のデバイスは、その動作しきい値がＳＯＩ厚に応じて変動するが、上記の窪みはＳＯＩ厚の局所的変動に影響するため、そのような基板上に完全空乏型デバイスを作製した場合、その動作性能に制約が生じる可能性があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ＩＴＯＸ技術を用いて作製した低ドーズＳＩＭＯＸ基板は、ＩＴＯＸ効果により埋め込み酸化層の品質は改善されているものの、表面シリコン層に残存する貫通転位部分において、直径２μｍ、深さ１０ｎｍ程度の窪みが発生していた。そのため、それらの基板上に、代表的には１００ｎｍ以下の薄いＳＯＩ厚を用いる完全空乏型のデバイスを形成した場合には、その動作しきい値がＳＯＩ厚の局所的変動の影響を受けるため、その動作性能向上に制約が生じる可能性があるといった問題があった。
【００１０】
本発明は、ＳＩＭＯＸ基板の製造方法における熱処理条件を詳細に規定することにより、従来型のＩＴＯＸにおけるこの問題点を克服し、より高品質なＳＩＭＯＸ基板及びその製造方法の提供を可能とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ構造形成過程における酸素イオン注入後の高温熱処理において、ＩＴＯＸ処理をある所定の温度範囲において実施すると、ＩＴＯＸ効果は確保したままＳＯＩ層表面の転位部周辺の窪み形成を回避することが可能であることを発明者らは新たに見いだした。すなわち本発明は上記課題を解決するためのＳＯＩ基板及びその製造方法に関するものであり、以下に述べる手段による。
【００１２】
すなわち本発明は、シリコン単結晶基板に酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、埋め込み酸化層および表面単結晶シリコン層を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、前記高温熱処理は、不活性ガスに酸素を２ｖｏｌ％以下の濃度で添加した雰囲気下において１３００℃以上シリコンの融点以下で第１熱処理した後、１２５０℃以下の温度で前記埋め込み酸化層のＩＴＯＸ処理をすると共に、表面単結晶シリコン層の貫通転位部分に表面凹凸が発生しないことを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
【００１４】
前記ＩＴＯＸ処理の温度は、１１５０℃以上１２５０℃以下であることがさらに望ましい。
【００１５】
前記ＩＴＯＸ処理における酸素濃度は、２０ｖｏｌ％以上であることが望ましい。
【００１６】
前記第１熱処理の温度は、１３５０℃以上シリコンの融点以下であることが望ましい。
【００１７】
また、前記製造方法により製造されたＳＩＭＯＸ基板である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による実施の形態について説明する。
【００２０】
本発明は、単結晶シリコン基板に酸素イオン注入を行った後、高温熱処理を施すことにより作製するＳＩＭＯＸ基板の製造方法のうち、高温熱処理条件に関するものである。高温熱処理の第１熱処理を不活性ガスに酸素を２ｖｏｌ％以下添加した雰囲気で行った後、酸素濃度を上昇させて行うＩＴＯＸ処理の少なくとも一部を１２５０℃以下の温度で実施する。
【００２１】
第１熱処理は、酸素イオン注入がもたらしたダメージを回復させるためには１３００℃以上単結晶シリコンの融点（約１４１４℃）以下とするのが好ましい。貫通転位などの結晶欠陥の密度低減の観点からは、１３５０℃以上単結晶シリコンの融点以下とするのがより好ましい。不活性ガスについては、代表的には、アルゴン、窒素等が挙げられるが不活性であれば特にこれらに限定されるものではない。また、本工程の処理時間については、結晶中のダメージが十分に回復される長さであれば良く特に限定されるものではないが、代表的には１〜６時間程度の時間が用いられる。
【００２２】
第１熱処理の雰囲気は、シリコン層表面の面荒れ防止の観点からは微量酸素の添加が望ましい。一方、酸素イオン注入によりもたらされたダメージは、この第１熱処理の間に回復するが、添加する酸素濃度を上げすぎるとそれらのダメージが回復される前に、そのダメージ部を核として酸素析出物が形成してしまい良好なＳＩＭＯＸ構造が形成されない。この酸素析出物の形成を防止するために、酸素の添加量は必要最小限とする必要があり、２ｖｏｌ％以下とするのが望ましい。
【００２３】
ＩＴＯＸ処理温度については、埋め込み酸化膜の上部界面に増分を生じさせるためには１１５０℃以上の温度とすることが好ましく、その一方でシリコン層表面の転位部周辺での窪み発生を抑制するためには、１２５０℃以下とする必要がある。前述の温度を用いることで転位部周辺での窪み発生が抑制される機構は以下のように考えられる。すなわち、１３５０℃のＩＴＯＸ処理においては、基板表面から内部に拡散する酸素量が十分確保可能なため、表面酸化膜とシリコン層界面での酸化反応がいわゆる反応律速となる。貫通転位の存在する箇所では反応速度定数の高い高指数面が存在するため、反応律速の条件下では転位部分で局所的な増速酸化が発生し、結果として、その部分でシリコン層に局所的な窪みが発生する。一方、ＩＴＯＸ処理温度を１３５０℃から低下させると、表面から内部に拡散する酸素量がその温度低下に応じて低下するため、表面酸化膜とシリコン層界面での酸化反応が反応律速から酸素の供給律速へと推移していく。酸化反応が酸素の供給律速となれば、その反応速度は酸化される界面の反応定数によらず酸素の供給量により一義的に決定されることになるため、反応律速の際に発生した転位部分での増速酸化は発生せず、結果としてシリコン層の局所的な窪みも抑えられることになる。酸化界面での反応を酸素の供給律速が支配的となるようにするには、ＩＴＯＸ処理温度を１２５０℃まで低下させる。
【００２４】
ＩＴＯＸ処理における酸素濃度はＩＴＯＸ効果が得られる範囲であれば良く、特に制限されるものではないが、処理時間短縮の観点からは酸素濃度を高くすることが望まれる。好ましくは２０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下、より好ましくは５０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素濃度とするのが良い。酸素濃度１００ｖｏｌ％未満の場合に混合するガスは不活性ガスであれば良く、代表的には、アルゴン、窒素、などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２５】
ＩＴＯＸ処理時間については、最終的に所望のＳＯＩ層厚さが得られるよう調整されるが、ＩＴＯＸ温度によっても変化するため一概には規定できない。ＳＯＩ層厚さとして代表的に用いられる５０ｎｍから２００ｎｍの場合、ＩＴＯＸ処理時間は３時間から８時間程度となるが、特にこの範囲に限定されるものではない。
【００２６】
高温熱処理を行う装置に関しては、所望の温度での熱処理が所望の時間実施可能であれば特に限定されるものではない。好ましい装置としては、高温熱処理炉が代表として挙げられるが、処理温度、処理時間などの性能が満足されれば、ランプアニール炉でも処理可能である。熱処理炉での処理温度、処理時間以外の条件、例えば、挿入温度、昇温速度、降温速度などについは特に制限はなく、また、昇温条件、降温条件を複数段としても良い。
【００２７】
ＳＩＭＯＸ基板製造における酸素イオン注入条件についても、特に限定されるものではない。酸素イオンのドーズ量としては、低ドーズでも高ドーズでも良いが、それ以外の条件でも良い。また、酸素イオン注入を複数回実施しても良い。代表的には、加速エネルギーとして１８０ｋｅＶを用いた場合、低ドーズとしては２．５×１０¹⁷〜４．５×１０¹⁷個／ｃｍ²の範囲、高ドーズとしては１．２×１０¹⁸個／ｃｍ²以上のドーズ量を用いると、ピンホールが少なくかつ絶縁耐圧特性に優れた埋め込み酸化膜が形成できる。また、その場合、ＳＯＩ層の結晶欠陥低減の観点からは、イオン注入中の基板温度は５００〜６００℃程度の温度とすることが望ましい。
【００２８】
本発明によれば、ＳＩＭＯＸ基板製造用に一般に用いられている加速エネルギー１５０〜２５０ｋｅＶのイオン注入機を用いて、低ドーズＳＩＭＯＸ基板を製造した場合、ＩＴＯＸ処理により品質改善した膜厚８０〜２００ｎｍの埋め込み酸化層の上に、完全空乏型動作の電界効果トランジスタを作製するのに必要となる１２０ｎｍ以下の厚さのＳＯＩ層を、その表面の凹凸を発生させずに製造することが可能となる。完全空乏型動作においてはそのしきい値電圧がＳＯＩ層の厚さに応じて変化するが、よく用いられる５０〜１２０ｎｍの厚さにおいては、厚さ１ｎｍの変化によりしきい値電圧は１０ｍＶ変化する。ＳＩＭＯＸ基板を用いた完全空乏型動作における典型的な閾値電圧は４００ｍＶであり、その変動の許容範囲は２０％程度であることから、ＳＯＩ厚変動としては８ｎｍ以下に抑えることが望ましい。本発明のＳＩＭＯＸ基板によれば、ＳＯＩ層の局所的凹凸が発生しないため、その上に形成された完全空乏型動作の電界効果トランジスタ素子において、ばらつきを抑えたしきい値電圧が実現可能となる。なお、ＳＯＩ層の厚さの下限値は特に限定されるものではないが、１０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００２９】
【実施例】
以下に、本発明の具体例を説明する。
【００３０】
シリコンウエハを７枚用意し、酸素イオン注入を基板温度５５０℃、加速電圧１８０ｋｅＶ、注入量４×１０¹⁷個／ｃｍ²にて行った。次に、これらのウエハをそれぞれ個別に熱処理炉に投入し、異なる条件で高温熱処理を行った。高温熱処理は２ステップ構成とした。第１熱処理は、全てのウエハに共通の条件を用い、温度１３５０℃、雰囲気はアルゴン＋０．５ｖｏｌ％酸素、処理時間４時間、とした。その後、アルゴンに７０ｖｏｌ％の酸素を添加した雰囲気にて、１１００〜１３５０℃の範囲で各サンプル毎に異なる温度を用いてＩＴＯＸ処理工程を実施した。処理時間は、最終的に得られるＳＯＩ層厚さが１００ｎｍとなるよう、各温度毎に調整した。
【００３１】
作製されたＳＩＭＯＸウエハは、表面酸化層をフッ酸で除去した後、分光エリプソメトリ（ＳＯＰＲＡ社、ＭＯＳＳ−ＥＳ４Ｇ）を用いてＳＯＩ層、埋め込み酸化層の厚さを測定した。各サンプルのＳＯＩ層の厚さは、前述のように熱処理時間を調整したため全てのサンプルにおいて１００ｎｍであった。埋め込み酸化層厚さは、処理温度に応じて異なる値が得られた。ＩＴＯＸ処理を行わない場合の埋め込み酸化層厚さ８５ｎｍとの差分として、ＩＴＯＸ量を導出した。
【００３２】
その後、各サンプルのＳＯＩ層表面を原子力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＤｉｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社、Ｄ−５０００）にて観察し、その凹凸を評価した。図１にＩＴＯＸ温度を１３５０℃としたサンプルのＳＯＩ層表面の断面プロファイルの観察例を、図２にＩＴＯＸ温度を１２５０℃としたサンプルのＳＯＩ層表面の断面プロファイルの観察例を示す。図１では局所的な窪みが確認され、その断面プロファイルからその深さは１２ｎｍ程度であることがわかった。図２ではプロファイル全体にラフネスは観察されたが、局所的な窪みは認められなかった。これらのサンプルをフッ酸とクロム酸を２：１の割合で混合した溶液を用いてエッチング処理を施し、ＳＯＩ層の１／２が除去されるまでエッチングを行った後、ウエハの表面を光学式顕微鏡にて観察したところ、図１で見られた局所的な窪みはシリコン層中の貫通転位部分に対応することが分かった。図２についても貫通転位の存在は確認されたため、図２においては、シリコン層表面の貫通転位部での窪みは発生していないことが確認された。また、図２で観察されたＳＯＩ層表面のラフネスは、ＳＯＩ層と埋め込み酸化層の界面ラフネス同等であることから、その界面ラフネスを投影したものであり、ＳＯＩ層の厚さには影響を及ぼしていないことも確認された。
【００３３】
ＩＴＯＸ温度を変更した７枚のサンプルについて、ＩＴＯＸ温度、ＩＴＯＸ量およびＳＯＩ層表面の窪み深さの関係を図３に示す。シリコン層表面の窪みについては、ＩＴＯＸ温度の低下とともに低減するが、１３５０℃で１２ｎｍであるのに対し、１３００℃では７ｎｍ、１２８０℃では３ｎｍまで低減し、１２５０℃以下では全く窪みが発生しないことが分かった。一方、ＩＴＯＸ量についてもＩＴＯＸ処理温度の低下とともに低減するが、１３５０℃でのＩＴＯＸ量２８ｎｍから１２５０℃の２５ｎｍまで徐々に低下するに留まっており、１２００℃で１５ｎｍ、１１５０℃で７ｎｍのＩＴＯＸ量が確保されているが、１１００℃ではＩＴＯＸ量が１ｎｍ以下で効果がないことが分かった。従って、熱処理温度１２５０℃以下においては、１１５０℃までの温度ではＩＴＯＸ効果は残るものの、シリコン層表面の窪みについては完全に回避可能であることが確認された。
【００３４】
この局所的な窪みの許容度については、使用するデバイスの種類、デバイス製造プロセスによって異なることが想像されるが、一つの指標として、ＳＯＩ層厚さのばらつきは±５％以内と言われている(１９９９ＮＴＳＲロードマップ規定値)。完全空乏型デバイス向けには薄いＳＯＩ層を有する基板を用いるため、厚さばらつきへの要求は厳しくなるが、代表的なＳＯＩ層厚１００ｎｍの場合、そのばらつきは±５ｎｍ以内に抑える必要がある。また、既に説明したように完全空乏型動作におけるしきい値電圧変動の観点からは、シリコン層厚のばらつきを最大値と最小値の差で８ｎｍ以内に抑えることが望まれる。本発明によれば、ＩＴＯＸ温度として１２５０℃以下の温度を用いれば、この局所的窪みの影響を完全に回避できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明はＳＩＭＯＸ基板の製造工程における高温熱処理工程のＩＴＯＸ処理温度を規定することにより、埋め込み酸化膜のリーク欠陥低減、絶縁耐圧向上に寄与するＩＴＯＸ効果は維持した状態で、ＳＯＩ層表面の局所的窪みを低減させ、特性良好なＳＩＭＯＸ基板の実現を可能とするもので、動作性能が良好な完全空乏型デバイスの安定製造に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩＴＯＸ温度を１３５０℃としたサンプルのＳＯＩ層表面の断面プロファイルの観察例である。
【図２】ＩＴＯＸ温度を１２５０℃としたサンプルのＳＯＩ層表面の断面プロファイルの観察例である。
【図３】本発明の実施例における評価結果である。

Claims

シリコン単結晶基板に酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、埋め込み酸化層および表面単結晶シリコン層を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、前記高温熱処理は、不活性ガスに酸素を２ｖｏｌ％以下の濃度で添加した雰囲気下において１３００℃以上シリコンの融点以下で第１熱処理をした後、１２５０℃以下の温度で前記埋め込み酸化層のＩＴＯＸ処理をすると共に、表面単結晶シリコン層の貫通転位部分に表面凹凸が発生しないことを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
前記ＩＴＯＸ処理における処理温度が１１５０℃以上１２５０℃以下であることを特徴とする請求項１記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
前記ＩＴＯＸ処理における酸素濃度が２０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
前記第１熱処理の温度が１３５０℃以上シリコンの融点温度以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法により製造されたＳＩＭＯＸ基板。