JP4075602B2 - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法及びｓｉｍｏｘウェーハ - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウェーハの製造方法に関し、特にＩＧ（Intrinsic Gettering）層を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハの製造方法の１つにＳＩＭＯＸ法（非特許文献１）がある。
ＳＩＭＯＸ技術の開発当初の考え方は、スタート基板に加速エネルギー約２００ｋｅＶで、約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ の酸素原子をイオン注入して、アズ・インプラで化学量論的な埋め込み酸化膜（以下、埋め込み酸化膜を「ＢＯＸ（Buried Oxide）」という。）を形成した後、ＳＯＩ層の結晶性回復、ＢＯＸ層の改質のために熱処理を施すというもので、この製造方法によるＳＩＭＯＸウェーハは高ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれる。
しかし、この高ドーズＳＩＭＯＸウェーハでは、ＳＯＩ層に貫通転位が多いことや、酸素イオンの注入時間が長く製造コストが高いことなどの問題があった。
【０００３】
そこで、ＳＯＩ層の貫通転位低減やコスト低減について多くの検討が行われ、低ドーズＳＩＭＯＸ（非特許文献２）技術が開発された。この低ドーズＳＩＭＯＸ技術では、加速エネルギー１８０ｋｅＶの場合、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ の酸素原子をイオン注入した後、１％未満の酸素濃度の雰囲気中で熱処理を施すことによって、注入した酸素から連続なＢＯＸ層を形成する。ここで、１％未満の酸素を含む雰囲気中で熱処理するのは、低酸素濃度雰囲気での熱処理によりＳＯＩ層からの酸素の外方拡散を促進し酸素析出物等の欠陥を抑制するためであり、また若干の酸素含有によりウェーハ表面の荒れが抑制されるためである。
この連続なＢＯＸ層の形成は、加速エネルギー１８０ｋｅＶの場合、ドーズ量が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ 程度の場合に限って可能であるため、このドーズ量はドーズ・ウィンドウと呼ばれる。
【０００４】
しかし、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハではＢＯＸ層の厚さが薄いためＢＯＸの信頼性が問題となり、そこで開発されたのがＩＴＯＸ（非特許文献３；特許文献１）技術である。
ＩＴＯＸ技術とは、１％未満の酸素を含む雰囲気中で熱処理し、注入した酸素イオンのドーズ量から計算される膜厚のＢＯＸ層を形成した後に、１％以上の酸素含有雰囲気中で熱処理を施し、ＢＯＸ層を厚膜化する技術である。
【０００５】
また、特許文献２において、酸素分圧が１〜１０％の雰囲気で熱処理を施すことによって、ＢＯＸ層を厚膜化しないで、ＢＯＸの信頼性を向上する技術が開示されている。
しかし、これらの高品質化されたＳＩＭＯＸウェーハであっても、高品質なデバイスを形成するためには、デバイス形成領域から重金属不純物を除去・低減するためのゲッタリング能力が必要である。
【０００６】
また特許文献３において、ＳＩＭＯＸウェーハにＩＧ効果を付与する方法が提案されている。このＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、酸素イオンを注入したのち、水素雰囲気または酸素を少量含む窒素雰囲気で１２００〜１３００℃の温度で６〜１２時間の熱処理を施したのち、低温から高温へ段階的または連続的に温度を上昇させて熱処理を施すというものである。
【０００７】
【非特許文献１】
K.Izumi et al.:Electron.Lett.14(1978)593
【非特許文献２】
S.Nakashima et al.:J.Mater.Res.8(1993)523
【非特許文献３】
Internal Thermal Oxidation、S.Nakashima et al.:Proc.1994 IEEE International SOI Conference(1994)71
【特許文献１】
特開平７−２６３５３８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５７３２９号公報
【特許文献３】
特開平７−１９３０７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、イオン注入後に高温熱処理を施した後、低温から高温への熱処理を施せば、ＩＧ層の形成が可能である。しかし、ＢＯＸ層を形成する熱処理時の雰囲気が水素雰囲気または酸素を少量含む雰囲気であったため、ＳＩＭＯＸウェーハのスタート基板が低酸素濃度の場合にはＩＧ層を形成できないという問題があった。
また、特許文献３の実施例１ではＩＧ層を形成する熱処理を乾燥酸素雰囲気中で行なっており、ＳＯＩ層にＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault）が発生する可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＳＩＭＯＸウェーハのスタート基板が低酸素濃度であってもＩＧ層を形成できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することを目的としている。また、本発明の目的はＳＯＩ層にＯＳＦを発生させることなくＩＧ層を形成できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することである。具体的には、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、ＢＯＸ層（埋め込み酸化膜）下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＳＩＭＯＸウェーハを提供することを目的としている。
ここで、セコエッチピット密度とは、セコエッチングにより顕在化したピットを光学顕微鏡でカウントした欠陥密度であり、ＳＯＩ層中の欠陥評価をおこなう場合は、エッチング代がＳＯＩ層以下に制限されてしまうので、希釈セコ液とＨＦ溶液によるエッチングを組み合わせてピットを形成させるものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは、熱処理雰囲気の酸素をＳＩＭＯＸウェーハのＩＧ層形成に効果的に利用できる条件について鋭意検討した。その結果、ＢＯＸ層を形成する熱処理時の雰囲気を高酸素濃度の雰囲気にして、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込み、ＩＧ層形成に寄与させるようにすれば、スタート基板が低酸素濃度であっても、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＩＧ層の形成が可能であることを発見した。また、ＩＧ層を形成する際の雰囲気を非酸化性雰囲気に規定して、ＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性をなくすことによって、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度を１×１０４個／ｃｍ ２ 以下にできることを知見し、本発明を完成した。
【００１１】
本発明は、初期酸素濃度が１×１０ １８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下の低酸素濃度のシリコンウェーハに酸素イオンを注入する酸素注入工程と、熱処理を施す工程とを備える低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
前記酸素注入工程が、１５０ＫｅＶの加速エネルギでドーズ量３×１０ １７ ／ｃｍ ２ の 低ドーズで酸素イオンを注入するとともに、
前記熱処理工程として、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気で１３２０〜１３５０℃に設定された状態で、６〜１２時間の熱処理を施し、埋め込み酸化膜を形成すると共に熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込む高酸素濃度熱処理工程と、
酸素濃度が１％以下の非酸化性雰囲気で２．５℃／ｍｉｎ以下で降温する熱処理を施し、ＳＯＩ層中の酸素を外方拡散する酸素外方拡散工程と、
非酸化性雰囲気で５００〜６５０℃程度で２時間保持し、そこから上昇させて８００〜８５０℃程度として４時間保持する熱処理を施し、ＳＯＩ層にＯＳＦを発生させることなく埋め込み酸化膜下側にＩＧ層を形成する非酸化性熱処理工程と、を有し、
前記非酸化性熱処理工程の温度条件としては、段階的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、５０〜１００℃の段階で順次上昇させ、最終温度を８００〜８５０℃程度までとするか、または、連続的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で、最終温度を８００〜８５０℃程度とし、
前記熱処理後の前記ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以下であり、かつ、埋め込み酸化膜下側でウェーハ表面から１５０μｍに位置する前記ＩＧ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以上であることにより上記課題を解決した。
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハにおいて、上記に記載の製造方法により製造された手段を採用することもできる。
【００１２】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込むためには雰囲気中の酸素濃度が高いことが必要であり、酸素濃度が低い場合には酸素がシリコンウェーハ中に内方拡散しないので、酸素濃度の下限を５％とした。また、その後のＳＯＩ層中の酸素を外方拡散する工程では、酸素濃度が低いことが必要であり、酸素濃度が高い場合には酸素がＳＯＩ層から外方拡散しないので、酸素濃度の上限を１％とした。また、ＩＧ層を形成するための熱処理において、熱処理雰囲気が酸化性雰囲気の場合にはＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性があったので、熱処理雰囲気を非酸化性雰囲気に規定した。
【００１３】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、高温ほど酸素の固溶度が高くなり、シリコンウェーハ中の酸素濃度を高くできるので、前記熱処理のうち酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気における熱処理温度を１３００℃以上とした。
【００１４】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハにおいては、上記のような製造方法によって製造されるため、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、埋め込み酸化膜下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされる。これは、ＩＧ層を形成するための熱処理において、ＳＯＩ層にＯＳＦを発生させないためであり、また、デバイスプロセスにおいてデバイス形成領域の重金属不純物を除去・低減できるＩＧ層を有しているので、高品質なデバイスの形成に適している。
【００１５】
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハは、熱処理によりウェーハ表面から内方拡散した酸素をＩＧ層の形成に利用するので、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内に形成できるので、デバイス形成領域近傍にＩＧ層が形成されておりゲッタリングのために有利である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及びＳＩＭＯＸウェーハの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法における製造工程の流れをウェーハの模式的な部分断面によって示す説明図、図２はそのフローチャートである。
【００１８】
本実施形態の製造方法においては、図２に示すように、シリコンウェーハ１に酸素イオンを注入する工程Ｓ１と、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気で熱処理を施しＢＯＸ層３を形成するとともに熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込む工程Ｓ２と、酸素濃度が１％以下の熱処理雰囲気で熱処理を施しＳＯＩ層４中の酸素を外方拡散する工程Ｓ３と、非酸化性雰囲気で熱処理を施しＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させることなく埋め込み酸化膜３下側にＩＧ層５を形成する工程Ｓ４と、を含む。
【００１９】
酸素注入工程Ｓ１においては、酸素イオンをシリコンウェーハ１に注入することにより、図１（ａ）に示すように酸素の高濃度層２を形成する。このとき、例えば１５０ＫｅＶの加速エネルギでドーズ量３×１０１７／ｃｍ２ の酸素イオンをシリコンウェーハ１表面から注入し、表面から少し内部へ入った領域に酸素の高濃度層２を形成する。
【００２０】
次に、高酸素濃度熱処理工程Ｓ２においては、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気として、１３００℃以上、より好ましくは １３２０〜１３５０℃に設定された状態で、６〜１２時間の熱処理を施し、図２（ｂ）のＢＯＸ層３を形成する。これによって、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込むことになる。
なお、このとき、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気での熱処理であるから、ウェーハ１表面にも表面酸化膜６が形成される。
【００２１】
その後、酸素外方拡散工程Ｓ３として、熱処理雰囲気を例えば、窒素ガスや アルゴンガス等とされる非酸化性雰囲気に変更してから２．５℃／ｍｉｎ以下で降温する。これによって、図２（ｂ）のＳＯＩ層４中の酸素を外方拡散することができる。
【００２２】
その後、非酸化性熱処理工程Ｓ４として、この窒素ガスやアルゴンガス等とされる非酸化性雰囲気のままで、熱処理を施し、図２（ｂ）のように、ＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させることなくＢＯＸ層３の下側にＩＧ層５を形成する。
ここで、非酸化性熱処理工程Ｓ４の温度条件としては、例えば、段階的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、５０〜１００℃の段階で順次上昇させ、最終温度を８００〜８５０℃程度までとするか、または、連続的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で、最終温度を８００〜８５０℃程度とする方法を採用することが可能である。
【００２３】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハは、上述した製造方法によって製造された結果、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上となっている。
また、本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハにおいて、同様に、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内にある。
【００２４】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、高酸素濃度熱処理工程Ｓ１において酸素濃度の下限を５％としたことにより、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込むことが可能となる。その結果、酸素がシリコンウェーハ１中に内方拡散して、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされ、ＳＩＭＯＸウェーハで充分なＩＧ効果を得ることが可能となる。
同時に、高酸素濃度熱処理工程Ｓ１において熱処理温度を１３００℃以上としたことにより、酸素の固溶度をより高め、シリコンウェーハ１中の酸素濃度をさらに高くすることができる。
【００２５】
また、その後の酸素外方拡散工程Ｓ３においては、酸素濃度の上限を１％としたことにより、ＳＯＩ層４中の酸素を充分外方に拡散することが可能となる。
さらに、非酸化性熱処理工程Ｓ４において、熱処理雰囲気を非酸化性雰囲気に規定したことにより、ＩＧ層５を形成する際にＳＯＩ層４にＯＳＦが発生することを防止できる。これにより、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４ 個／ｃｍ２ 以下であり、かつ、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上にすることができる。
【００２６】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハにおいては、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされることにより、充分なＩＧ効果を有し、デバイス形成領域の重金属不純物を除去・低減できるＩＧ層５を具備するとともに、ＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させないことにより、デバイス形成領域における欠陥密度を低減することが可能となり、高品質なデバイスの形成に適したものとすることができる。
【００２７】
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハは、熱処理によりウェーハ表面から内方拡散した酸素を利用するので、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内に形成できるので、デバイス形成領域近傍にＩＧ層が形成されておりゲッタリングのために有利となり、高品質化を図ることが可能となる。
【００２８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
（実施例１）
初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＣＺ（Czochoralski ）シリコンウェーハ（ウェーハＡとする。）と、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＭＣＺ（Magnetic-field-applied CZ）シリコンウェーハ（ウェーハＢとする。）の２種類のシリコンウェーハを準備した。この２種類のウェーハに、上述したように酸素注入工程Ｓ１と、高酸素濃度熱処理工程Ｓ２とを施した。
【００３０】
その後、窒素ガス雰囲気とし、酸素外方拡散工程Ｓ３として降温するとともに、ＩＧ層５を形成する非酸化性熱処理工程Ｓ４として、ウェーハＡとウェーハＢの両者に、６５０℃で２時間保持、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で上昇し、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施した。ウェーハ表面に表面酸化膜６が付いたまま熱処理を施した。
【００３１】
その後、ウェーハを璧開して、セコエッチングにより結晶欠陥を評価した。
図３および図４に、ウェーハＡとウェーハＢの光学顕微鏡による断面写真をそれぞれ示す。
図３に示す初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低酸素濃度のウェーハであっても、ウェーハ表面から約１００μｍ程度の位置にＩＧ層５が形成されていることが分かる。ここで、セコエッチピット密度は、ウェーハＡが２．６×１０４／ｃｍ２、ウェーハＢが１．５×１０４／ｃｍ２であった。なお、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度は、ウェーハＡ、ウェーハＢともに１×１０３／ｃｍ２以下であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及びＳＩＭＯＸウェーハによれば、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込み、ＩＧ層形成に寄与させるようにしたので、スタート基板が低酸素濃度であっても、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＩＧ層の形成が可能であり、また、ＩＧ層を形成する際の雰囲気を非酸化性雰囲気に規定したので、ＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性がなくなり、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度を１×１０４個／ｃｍ２以下にでき、高品質なデバイスの形成に適したＳＩＭＯＸウェーハを製造できるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの一実施形態を製造工程ごとに示す説明断面図であり、（ａ）酸素注入工程、（ｂ）熱処理工程後に対応するものである。
【図２】 本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法における一実施形態を示すフローチャートである。
【図３】 本発明の実施例におけるＩＧ層を形成する熱処理として、６５０℃で２時間保持、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施したウェーハで、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のウェーハのセコエッチング後の光学顕微鏡による断面写真である。
【図４】 本発明の実施例におけるＩＧ層を形成する熱処理として、６５０℃で２時間保持、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施したウェーハで、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のウェーハのセコエッチング後の光学顕微鏡による断面写真である。
【符号の説明】
１ シリコンウェーハ
２ 酸素の高濃度層
３ ＢＯＸ層
４ ＳＯＩ層
５ ＩＧ層
６ 表面酸化膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウェーハの製造方法に関し、特にＩＧ（Intrinsic Gettering）層を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハの製造方法の１つにＳＩＭＯＸ法（非特許文献１）がある。
ＳＩＭＯＸ技術の開発当初の考え方は、スタート基板に加速エネルギー約２００ｋｅＶで、約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ の酸素原子をイオン注入して、アズ・インプラで化学量論的な埋め込み酸化膜（以下、埋め込み酸化膜を「ＢＯＸ（Buried Oxide）」という。）を形成した後、ＳＯＩ層の結晶性回復、ＢＯＸ層の改質のために熱処理を施すというもので、この製造方法によるＳＩＭＯＸウェーハは高ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれる。
しかし、この高ドーズＳＩＭＯＸウェーハでは、ＳＯＩ層に貫通転位が多いことや、酸素イオンの注入時間が長く製造コストが高いことなどの問題があった。
【０００３】
そこで、ＳＯＩ層の貫通転位低減やコスト低減について多くの検討が行われ、低ドーズＳＩＭＯＸ（非特許文献２）技術が開発された。この低ドーズＳＩＭＯＸ技術では、加速エネルギー１８０ｋｅＶの場合、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ の酸素原子をイオン注入した後、１％未満の酸素濃度の雰囲気中で熱処理を施すことによって、注入した酸素から連続なＢＯＸ層を形成する。ここで、１％未満の酸素を含む雰囲気中で熱処理するのは、低酸素濃度雰囲気での熱処理によりＳＯＩ層からの酸素の外方拡散を促進し酸素析出物等の欠陥を抑制するためであり、また若干の酸素含有によりウェーハ表面の荒れが抑制されるためである。
この連続なＢＯＸ層の形成は、加速エネルギー１８０ｋｅＶの場合、ドーズ量が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ 程度の場合に限って可能であるため、このドーズ量はドーズ・ウィンドウと呼ばれる。
【０００４】
しかし、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハではＢＯＸ層の厚さが薄いためＢＯＸの信頼性が問題となり、そこで開発されたのがＩＴＯＸ（非特許文献３；特許文献１）技術である。
ＩＴＯＸ技術とは、１％未満の酸素を含む雰囲気中で熱処理し、注入した酸素イオンのドーズ量から計算される膜厚のＢＯＸ層を形成した後に、１％以上の酸素含有雰囲気中で熱処理を施し、ＢＯＸ層を厚膜化する技術である。
【０００５】
また、特許文献２において、酸素分圧が１〜１０％の雰囲気で熱処理を施すことによって、ＢＯＸ層を厚膜化しないで、ＢＯＸの信頼性を向上する技術が開示されている。
しかし、これらの高品質化されたＳＩＭＯＸウェーハであっても、高品質なデバイスを形成するためには、デバイス形成領域から重金属不純物を除去・低減するためのゲッタリング能力が必要である。
【０００６】
また特許文献３において、ＳＩＭＯＸウェーハにＩＧ効果を付与する方法が提案されている。このＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、酸素イオンを注入したのち、水素雰囲気または酸素を少量含む窒素雰囲気で１２００〜１３００℃の温度で６〜１２時間の熱処理を施したのち、低温から高温へ段階的または連続的に温度を上昇させて熱処理を施すというものである。
【０００７】
【非特許文献１】
K.Izumi et al.:Electron.Lett.14(1978)593
【非特許文献２】
S.Nakashima et al.:J.Mater.Res.8(1993)523
【非特許文献３】
Internal Thermal Oxidation、S.Nakashima et al.:Proc.1994 IEEE International SOI Conference(1994)71
【特許文献１】
特開平７−２６３５３８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５７３２９号公報
【特許文献３】
特開平７−１９３０７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、イオン注入後に高温熱処理を施した後、低温から高温への熱処理を施せば、ＩＧ層の形成が可能である。しかし、ＢＯＸ層を形成する熱処理時の雰囲気が水素雰囲気または酸素を少量含む雰囲気であったため、ＳＩＭＯＸウェーハのスタート基板が低酸素濃度の場合にはＩＧ層を形成できないという問題があった。
また、特許文献３の実施例１ではＩＧ層を形成する熱処理を乾燥酸素雰囲気中で行なっており、ＳＯＩ層にＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault）が発生する可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＳＩＭＯＸウェーハのスタート基板が低酸素濃度であってもＩＧ層を形成できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することを目的としている。また、本発明の目的はＳＯＩ層にＯＳＦを発生させることなくＩＧ層を形成できるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することである。具体的には、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、ＢＯＸ層（埋め込み酸化膜）下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＳＩＭＯＸウェーハを提供することを目的としている。
ここで、セコエッチピット密度とは、セコエッチングにより顕在化したピットを光学顕微鏡でカウントした欠陥密度であり、ＳＯＩ層中の欠陥評価をおこなう場合は、エッチング代がＳＯＩ層以下に制限されてしまうので、希釈セコ液とＨＦ溶液によるエッチングを組み合わせてピットを形成させるものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは、熱処理雰囲気の酸素をＳＩＭＯＸウェーハのＩＧ層形成に効果的に利用できる条件について鋭意検討した。その結果、ＢＯＸ層を形成する熱処理時の雰囲気を高酸素濃度の雰囲気にして、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込み、ＩＧ層形成に寄与させるようにすれば、スタート基板が低酸素濃度であっても、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＩＧ層の形成が可能であることを発見した。また、ＩＧ層を形成する際の雰囲気を非酸化性雰囲気に規定して、ＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性をなくすことによって、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度を１×１０４個／ｃｍ ２ 以下にできることを知見し、本発明を完成した。
【００１１】
本発明は、初期酸素濃度が１×１０ １８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下の低酸素濃度のシリコンウェーハに酸素イオンを注入する酸素注入工程と、熱処理を施す工程とを備える低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
前記酸素注入工程が、１５０ＫｅＶの加速エネルギでドーズ量３×１０ １７ ／ｃｍ ２ の 低ドーズで酸素イオンを注入するとともに、
前記熱処理工程として、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気で１３２０〜１３５０℃に設定された状態で、６〜１２時間の熱処理を施し、埋め込み酸化膜を形成すると共に熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込む高酸素濃度熱処理工程と、
酸素濃度が１％以下の非酸化性雰囲気で２．５℃／ｍｉｎ以下で降温する熱処理を施し、ＳＯＩ層中の酸素を外方拡散する酸素外方拡散工程と、
非酸化性雰囲気で５００〜６５０℃程度で２時間保持し、そこから上昇させて８００〜８５０℃程度として４時間保持する熱処理を施し、ＳＯＩ層にＯＳＦを発生させることなく埋め込み酸化膜下側にＩＧ層を形成する非酸化性熱処理工程と、を有し、
前記非酸化性熱処理工程の温度条件としては、段階的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、５０〜１００℃の段階で順次上昇させ、最終温度を８００〜８５０℃程度までとするか、または、連続的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で、最終温度を８００〜８５０℃程度とし、
前記熱処理後の前記ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以下であり、かつ、埋め込み酸化膜下側でウェーハ表面から１５０μｍに位置する前記ＩＧ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以上であることにより上記課題を解決した。
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハにおいて、上記に記載の製造方法により製造された手段を採用することもできる。
【００１２】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込むためには雰囲気中の酸素濃度が高いことが必要であり、酸素濃度が低い場合には酸素がシリコンウェーハ中に内方拡散しないので、酸素濃度の下限を５％とした。また、その後のＳＯＩ層中の酸素を外方拡散する工程では、酸素濃度が低いことが必要であり、酸素濃度が高い場合には酸素がＳＯＩ層から外方拡散しないので、酸素濃度の上限を１％とした。また、ＩＧ層を形成するための熱処理において、熱処理雰囲気が酸化性雰囲気の場合にはＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性があったので、熱処理雰囲気を非酸化性雰囲気に規定した。
【００１３】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、高温ほど酸素の固溶度が高くなり、シリコンウェーハ中の酸素濃度を高くできるので、前記熱処理のうち酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気における熱処理温度を１３００℃以上とした。
【００１４】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハにおいては、上記のような製造方法によって製造されるため、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、埋め込み酸化膜下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされる。これは、ＩＧ層を形成するための熱処理において、ＳＯＩ層にＯＳＦを発生させないためであり、また、デバイスプロセスにおいてデバイス形成領域の重金属不純物を除去・低減できるＩＧ層を有しているので、高品質なデバイスの形成に適している。
【００１５】
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハは、熱処理によりウェーハ表面から内方拡散した酸素をＩＧ層の形成に利用するので、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内に形成できるので、デバイス形成領域近傍にＩＧ層が形成されておりゲッタリングのために有利である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及びＳＩＭＯＸウェーハの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法における製造工程の流れをウェーハの模式的な部分断面によって示す説明図、図２はそのフローチャートである。
【００１８】
本実施形態の製造方法においては、図２に示すように、シリコンウェーハ１に酸素イオンを注入する工程Ｓ１と、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気で熱処理を施しＢＯＸ層３を形成するとともに熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込む工程Ｓ２と、酸素濃度が１％以下の熱処理雰囲気で熱処理を施しＳＯＩ層４中の酸素を外方拡散する工程Ｓ３と、非酸化性雰囲気で熱処理を施しＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させることなく埋め込み酸化膜３下側にＩＧ層５を形成する工程Ｓ４と、を含む。
【００１９】
酸素注入工程Ｓ１においては、酸素イオンをシリコンウェーハ１に注入することにより、図１（ａ）に示すように酸素の高濃度層２を形成する。このとき、例えば１５０ＫｅＶの加速エネルギでドーズ量３×１０１７／ｃｍ２ の酸素イオンをシリコンウェーハ１表面から注入し、表面から少し内部へ入った領域に酸素の高濃度層２を形成する。
【００２０】
次に、高酸素濃度熱処理工程Ｓ２においては、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気として、１３００℃以上、より好ましくは １３２０〜１３５０℃に設定された状態で、６〜１２時間の熱処理を施し、図２（ｂ）のＢＯＸ層３を形成する。これによって、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込むことになる。
なお、このとき、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気での熱処理であるから、ウェーハ１表面にも表面酸化膜６が形成される。
【００２１】
その後、酸素外方拡散工程Ｓ３として、熱処理雰囲気を例えば、窒素ガスや アルゴンガス等とされる非酸化性雰囲気に変更してから２．５℃／ｍｉｎ以下で降温する。これによって、図２（ｂ）のＳＯＩ層４中の酸素を外方拡散することができる。
【００２２】
その後、非酸化性熱処理工程Ｓ４として、この窒素ガスやアルゴンガス等とされる非酸化性雰囲気のままで、熱処理を施し、図２（ｂ）のように、ＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させることなくＢＯＸ層３の下側にＩＧ層５を形成する。
ここで、非酸化性熱処理工程Ｓ４の温度条件としては、例えば、段階的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、５０〜１００℃の段階で順次上昇させ、最終温度を８００〜８５０℃程度までとするか、または、連続的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で、最終温度を８００〜８５０℃程度とする方法を採用することが可能である。
【００２３】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハは、上述した製造方法によって製造された結果、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上となっている。
また、本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハにおいて、同様に、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内にある。
【００２４】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法においては、高酸素濃度熱処理工程Ｓ１において酸素濃度の下限を５％としたことにより、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハ１に取り込むことが可能となる。その結果、酸素がシリコンウェーハ１中に内方拡散して、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされ、ＳＩＭＯＸウェーハで充分なＩＧ効果を得ることが可能となる。
同時に、高酸素濃度熱処理工程Ｓ１において熱処理温度を１３００℃以上としたことにより、酸素の固溶度をより高め、シリコンウェーハ１中の酸素濃度をさらに高くすることができる。
【００２５】
また、その後の酸素外方拡散工程Ｓ３においては、酸素濃度の上限を１％としたことにより、ＳＯＩ層４中の酸素を充分外方に拡散することが可能となる。
さらに、非酸化性熱処理工程Ｓ４において、熱処理雰囲気を非酸化性雰囲気に規定したことにより、ＩＧ層５を形成する際にＳＯＩ層４にＯＳＦが発生することを防止できる。これにより、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４ 個／ｃｍ２ 以下であり、かつ、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上にすることができる。
【００２６】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハにおいては、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であり、かつ、ＢＯＸ層３下側のセコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上とされることにより、充分なＩＧ効果を有し、デバイス形成領域の重金属不純物を除去・低減できるＩＧ層５を具備するとともに、ＳＯＩ層４にＯＳＦを発生させないことにより、デバイス形成領域における欠陥密度を低減することが可能となり、高品質なデバイスの形成に適したものとすることができる。
【００２７】
また、本発明のＳＩＭＯＸウェーハは、熱処理によりウェーハ表面から内方拡散した酸素を利用するので、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上の領域がウェーハ表面から１５０μｍ以内に形成できるので、デバイス形成領域近傍にＩＧ層が形成されておりゲッタリングのために有利となり、高品質化を図ることが可能となる。
【００２８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
（実施例１）
初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＣＺ（Czochoralski ）シリコンウェーハ（ウェーハＡとする。）と、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＭＣＺ（Magnetic-field-applied CZ）シリコンウェーハ（ウェーハＢとする。）の２種類のシリコンウェーハを準備した。この２種類のウェーハに、上述したように酸素注入工程Ｓ１と、高酸素濃度熱処理工程Ｓ２とを施した。
【００３０】
その後、窒素ガス雰囲気とし、酸素外方拡散工程Ｓ３として降温するとともに、ＩＧ層５を形成する非酸化性熱処理工程Ｓ４として、ウェーハＡとウェーハＢの両者に、６５０℃で２時間保持、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で上昇し、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施した。ウェーハ表面に表面酸化膜６が付いたまま熱処理を施した。
【００３１】
その後、ウェーハを璧開して、セコエッチングにより結晶欠陥を評価した。
図３および図４に、ウェーハＡとウェーハＢの光学顕微鏡による断面写真をそれぞれ示す。
図３に示す初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低酸素濃度のウェーハであっても、ウェーハ表面から約１００μｍ程度の位置にＩＧ層５が形成されていることが分かる。ここで、セコエッチピット密度は、ウェーハＡが２．６×１０４／ｃｍ２、ウェーハＢが１．５×１０４／ｃｍ２であった。なお、ＳＯＩ層４のセコエッチピット密度は、ウェーハＡ、ウェーハＢともに１×１０３／ｃｍ２以下であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法及びＳＩＭＯＸウェーハによれば、熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込み、ＩＧ層形成に寄与させるようにしたので、スタート基板が低酸素濃度であっても、セコエッチピット密度が１×１０４個／ｃｍ２以上のＩＧ層の形成が可能であり、また、ＩＧ層を形成する際の雰囲気を非酸化性雰囲気に規定したので、ＳＯＩ層にＯＳＦが発生する可能性がなくなり、ＳＯＩ層のセコエッチピット密度を１×１０４個／ｃｍ２以下にでき、高品質なデバイスの形成に適したＳＩＭＯＸウェーハを製造できるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの一実施形態を製造工程ごとに示す説明断面図であり、（ａ）酸素注入工程、（ｂ）熱処理工程後に対応するものである。
【図２】 本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造方法における一実施形態を示すフローチャートである。
【図３】 本発明の実施例におけるＩＧ層を形成する熱処理として、６５０℃で２時間保持、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施したウェーハで、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のウェーハのセコエッチング後の光学顕微鏡による断面写真である。
【図４】 本発明の実施例におけるＩＧ層を形成する熱処理として、６５０℃で２時間保持、８００℃で４時間保持、１０００℃で１６時間保持する熱処理を施したウェーハで、初期酸素濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のウェーハのセコエッチング後の光学顕微鏡による断面写真である。
【符号の説明】
１ シリコンウェーハ
２ 酸素の高濃度層
３ ＢＯＸ層
４ ＳＯＩ層
５ ＩＧ層
６ 表面酸化膜
Claims (2)
- 初期酸素濃度が１×１０ １８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下の低酸素濃度のシリコンウェーハに酸素イオンを注入する酸素注入工程と、熱処理を施す工程とを備える低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
前記酸素注入工程が、１５０ＫｅＶの加速エネルギでドーズ量３×１０ １７ ／ｃｍ ２ の 低ドーズで酸素イオンを注入するとともに、
前記熱処理工程として、酸素濃度が５％以上の熱処理雰囲気で１３２０〜１３５０℃に設定された状態で、６〜１２時間の熱処理を施し、埋め込み酸化膜を形成すると共に熱処理雰囲気中の酸素をシリコンウェーハに取り込む高酸素濃度熱処理工程と、
酸素濃度が１％以下の非酸化性雰囲気で２．５℃／ｍｉｎ以下で降温する熱処理を施し、ＳＯＩ層中の酸素を外方拡散する酸素外方拡散工程と、
非酸化性雰囲気で５００〜６５０℃程度で２時間保持し、そこから上昇させて８００〜８５０℃程度として４時間保持する熱処理を施し、ＳＯＩ層にＯＳＦを発生させることなく埋め込み酸化膜下側にＩＧ層を形成する非酸化性熱処理工程と、を有し、
前記非酸化性熱処理工程の温度条件としては、段階的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、５０〜１００℃の段階で順次上昇させ、最終温度を８００〜８５０℃程度までとするか、または、連続的な熱処理方法として、５００〜６５０℃程度から出発し、０．２℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎの勾配で、最終温度を８００〜８５０℃程度とし、
前記熱処理後の前記ＳＯＩ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以下であり、かつ、埋め込み酸化膜下側でウェーハ表面から１５０μｍに位置する前記ＩＧ層のセコエッチピット密度が１×１０ ４ 個／ｃｍ ２ 以上であることを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。 - 請求項１に記載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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