JP4501263B2 - Soi基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁層上にSi層を形成したSOI(Silicon-On-Insulator)基板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のSOI基板は超高集積回路(ULSI)基板として注目されている。このSOI基板の製造方法には、▲1▼シリコン基板同士を絶縁層を介して貼り合わせる方法、▲2▼シリコン基板の内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニール処理してこのシリコン基板表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成し、その表面側のSi層を活性領域とするSIMOX法(特開平7−263538号公報)、▲3▼シリコン基板に水素イオンを注入した後に、このシリコン基板をイオン注入面を重ね合わせ面として支持基板に貼り合わせ、この積層体を500℃を越える温度に昇温して上記シリコン基板を水素イオンの注入領域で支持基板から分離することにより、支持基板の表面にSi層を形成する水素イオン注入分離法(特開平5−211128号公報)、▲4▼シリコン基板表面に多孔質Si層及びSi単結晶層を介してSiO2層を形成し、このシリコン基板をSiO2層を重ね合わせ面として支持基板に貼り合わせ、更に上記シリコン基板及び多孔質Si層を高圧水流ではぎ取る高圧水流分離法(T.Yoneyama,US Patent,5371037,US filed:August 9.1991,US patented December 6.1994)などが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の貼り合わせ法、SIMOX法、水素イオン注入分離法及び高圧水流分離法では、Si層の厚さがそれぞれ2μm以上、0.05〜0.2μm、0.2〜2μm及び0.2〜2μm程度の範囲に限定される不具合があった。
また、上記従来の貼り合わせ法、水素イオン注入分離法及び高圧水流分離法では、製造プロセスが比較的複雑であり、工数が増大する問題点があった。
更に、上記従来のSIMOX法では、シリコン酸化層及びSi層の界面の粗さが比較的大きい問題点があった。
【0004】
本発明の第1の目的は、製造プロセスが単純であり、量産に適した、SOI基板の製造方法を提供することにある。
本発明の第2の目的は、Si層及びSi1-xGexO2層の界面を平滑にすることができる、SOI基板の製造方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、パーティクルや金属汚染の管理を容易に行うことができる、SOI基板の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、図1に示すように、シリコン基板11表面にSi1-yGey層14(但し、0.05≦y≦0.75)をエピタキシャル成長させて堆積する工程と、Si1-yGey層14表面にSi層13をエピタキシャル成長させて堆積する工程と、Si1-yGey層14及びSi層13を堆積したシリコン基板11を熱酸化処理することによりSi1-yGey層14を酸化してSi1-xGexO2層12(但し、0≦x≦0.5)に変化させる工程とを含むSOI基板の製造方法であって、Si1-yGey層14の堆積中に酸素ガスを導入することによりSi1-yGey層14に酸素を含ませることを特徴とする。
この請求項1に記載されたSOI基板の製造方法では、従来の貼り合わせ法、水素イオン注入分離法及び高圧水流分離法と比較して、製造プロセスが単純であり、量産に適し、製造コストを低減することができる。またSi1-yGey層14及びSi層13をLPCVD法等によりエピタキシャル成長させるため、均一にかつ厚さを限定することなく堆積でき、更に結晶性の良好な(結晶欠陥の極めて少ない)Si層13を形成することができる。また製造プロセスが単純であるため、SOI基板10内のパーティクルや金属汚染の管理を容易に行うことができる。更にSi1-yGey層14に酸素を含んでいるため、Si1-yGey層14が速やかに酸化されてSi1-xGexO2層12になる。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、SOI基板10はシリコン基板11と、このシリコン基板11表面に形成されたSi1-xGexO2層12と、Si1-xGexO2層12表面に形成されたSi層13とを備える。上記シリコン基板11及びSi層13はいずれも単結晶体である。またSi1-xGexO2層12のSi1-xGexO2におけるGe原子の数xは0≦x≦0.5、好ましくは0≦x≦0.05に設定される。xを上記範囲に限定したのは、0.5を越えると酸化膜耐圧が低下するからである。なお、上記Si1-xGexO2層12はxがゼロであるSiO2層であることが絶縁層として好ましい。
【0008】
このように構成されたSOI基板10の製造方法を説明する。
先ずシリコン基板11(面方位(001)或いは(111)の単結晶基板)表面に減圧化学気相成長法(LPCVD法),超高真空化学気相成長法(UHV−CVD法),ガスソース分子線エピタキシー法(GSMBE法),分子線エピタキシー法(MBE法)等によりSi1-yGey層14をエピタキシャル成長させて堆積する(図1(b))。ここで上記Si1-yGey層14のSi1-yGeyにおけるGe原子の数yは0.05≦y≦0.75、好ましくは0.1≦y≦0.5に設定される。yを上記範囲に限定したのは、0.05未満では本発明の効果、特にゲルマニウムが存在するために、熱処理によりSi1-yGey層14であった領域が酸化されて絶縁層であるSi1-xGexO2層12に変化し易いという効果が得られ難いという不具合があり、0.75を越えると欠陥が生じ易いという不具合があるからである。またLPCVD法によるSi1-yGey層14の成膜条件は温度が600〜800℃、圧力が20〜100Torr、水素流量が10〜50slm(standard リットル/分)、SiH4流量が20〜500sccm(standard cc/分)、GeH4流量が0.01〜20sccmであることが好ましい。
【0009】
次いで上記Si1-yGey層14表面にLPCVD法,超高真空化学気相成長法(UHV−CVD法),ガスソース分子線エピタキシー法(GSMBE法),分子線エピタキシー法(MBE法)等によりSi層13をエピタキシャル成長させて堆積する(図1(c))。ここでLPCVD法によるSi層13の成膜条件は温度が600〜1000℃、圧力が20〜100Torr、水素流量が10〜50slm、SiH4流量が20〜500sccmであることが好ましい。Si層13の成膜にはSiH2Cl2,Si2H6等の原料ガスを用いてもよい。Si1-yGey層14のエピタキシャル成長時に酸素(O2)ガスを導入することにより、Si1-yGey層14に酸素を含ませる工程では、Si1-yGey層14への酸素の含有量が1×1020〜2×1022atoms/ccとなるように酸素ガスを導入することが好ましい。
【0010】
次に上記シリコン基板11を熱酸化炉に入れて熱処理する。この熱処理の条件は次の通りであることが好ましい。先ず不活性ガス雰囲気で700〜900℃の範囲の所定温度に昇温した熱酸化炉にシリコン基板を入れる。次いで1〜100体積%の酸素を含む不活性ガス雰囲気或いは酸素雰囲気で、2〜10℃/分の昇温速度で1300〜1350℃の所定温度まで昇温し、この温度に0〜5時間保持する。次に1300〜1350℃の範囲の所定温度に保持した状態で炉内を100体積%酸素雰囲気にして1〜5時間保持する。更に1300〜1350℃の所定温度に保持した状態で炉内を1〜100体積%の酸素を含む不活性ガス雰囲気に戻した後、或いは酸素雰囲気のまま、2〜10℃/分の降温速度で700〜900℃の所定温度まで降温する。この熱処理によりSi1-yGey層14であった領域が酸化されて絶縁層であるSi1-xGexO2層12に変化するとともに、Si層13表面に表面酸化層15(SiO2層)が形成される(図1(d))。上記SOI基板10をHFエッチングして表面酸化膜15を除去することにより、SOI基板10の製造が完了する(図1(e))。
【0011】
このようなSOI基板10の製造方法は従来の貼り合わせ法、水素イオン注入分離法及び高圧水流分離法と比較して、製造プロセスが単純であり、量産に適し、製造コストを低減することができる。またSi1-yGey層14及びSi層13をLPCVD法等によりエピタキシャル成長させるため、均一に堆積できる。この結果、Si層13を精度良くかつ広い厚さ範囲で制御できるとともに、Si層13及びSi1-xGexO2層12の界面を平滑にすることができ、また結晶晶性の良好な(結晶欠陥の極めて少ない)Si層13を形成することができる。更に製造プロセスが単純であるため、SOI基板10内のパーティクルや金属汚染の管理を容易に行うことができる。
【0012】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
<実施例1>
図1に示すように、先ずシリコン基板11(面方位(001)の単結晶基板)表面にLPCVD法によりSi1-yGey層14(但し、0.05≦y≦0.75)をエピタキシャル成長させて堆積した(図1(b))。このSi1-yGey層14の成膜条件は温度が780℃、圧力が50Torr、水素流量が50slm、SiH4流量が30sccm、GeH4流量が5.7sccmであった。次いで上記Si1-yGey層14表面にLPCVD法によりSi層13をエピタキシャル成長させて堆積した(図1(c))。このSi層13の成膜条件は温度が780℃、圧力が50Torr、水素流量が50リットル/sccm、SiH4流量が60sccmであった。ここでSi1-yGey層14及びSi層13の厚さを分光エリプソメトリ(物体表面で反射される楕円偏光を観測することにより、物体自身並びに物体表面に付着した層や薄膜の厚さを調べる方法)により測定したところ、それぞれ0.12μm及び0.4μmであった。またSi1-yGey層14中のGe濃度を分光エリプソメトリ法により測定したところ30atomic%であった。更にSi1-yGey層14のエピタキシャル成長時に酸素(O2)ガスを導入することにより、Si1-yGey層14に酸素が1.0×1020atoms/cc入っていた。
【0013】
次に上記シリコン基板11を熱酸化炉に入れて熱処理した。この熱処理の条件は次の通りであった。先ずアルゴンガス雰囲気で800℃に昇温された熱酸化炉にシリコン基板を入れ、次いで1.5体積%の酸素を含むアルゴンガス雰囲気にガスを置換した。次に5℃/分の昇温速度で1320℃まで昇温し、1320℃に保持した状態で炉内を100体積%酸素雰囲気にして4時間保持した。更に1350℃に保持した状態で炉内を1.5体積%の酸素を含むアルゴンガス雰囲気に戻した後に、5℃/分の降温速度で800℃まで降温した。熱処理後のシリコン基板11を下記のように分析したところ、Si1-yGey層14であった領域がSiO2層(Si1-xGexO2層12のxにゼロを代入)に変化し、Si層13表面にも表面酸化層15(SiO2層)が観察された(図1(d))。しかし、SiO2層と表面酸化層15との間のSi層13であった領域は結晶性の良好な(結晶欠陥の極めて少ない)Si層13に保たれていた。
【0014】
上記SOI基板10について、分光エリプソメトリにより表面酸化層15、Si層13及びSiO2層の厚さを測定したところ、それぞれ0.5μm、0.1μm及び0.27μmであった。また分光エリプソメトリによりSOI基板10の面内21点測定を行ったところ、上記各層の厚さはほぼ均一であり、その誤差は1%程度であった。
また上記SOI基板10をセコエッチングした後にHFエッチングして、Si層13の結晶欠陥の分布を調べたところ、結晶欠陥の極めて少ない良好な結晶性を確認できた。Si層13の結晶性については、SOI基板10の断面の透過型電子顕微鏡(TEM)による観察、及びSOI基板10のX線トポグラフィによる測定で確認できた。
【0015】
また表面酸化層15を除去する前の状態でSOI基板10の表面粗さを原子間力顕微鏡(AFM)により観察した。一方、SiO2層及びSi層13間の界面の粗さをHFエッチングにより表面酸化層15を取り除き、KOHエッチングによりSi層13を取除いた後に、原子間力顕微鏡により観察した。この結果、SOI基板10の表面粗さ及びSiO2層及びSi層13間の界面の粗さはいずれも平滑であった。
またSOI基板10の内部にSiO2層が形成されていることは、二次イオン質量分析法(SIMS:数keV〜20keVのエネルギを有する一次イオンで資料表面の微小点を衝撃し、表面物質をスパッタイオン化して、質量分析で分析する方法)による酸素の深さ分布測定により確認できた。更にオージェ電子分光法(AES:高エネルギの電子線を試料表面に放射することにより原子が励起されてオージェ電子を放出し、このオージェ電子のスペクトルを測定することにより試料表面近傍に存在する元素を分析する方法)/X線光電子分光法(ESCA:試料表面に特性X線を照射することにより光電子が励起され、この光電子を分析して試料表面の組成及び電子結合状態を調べる方法)による測定では、SiO2層のストイキオメトリがGeを全く含まないSiO2のみの化学量論値であることを確認できた。
【0016】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シリコン基板表面にSi1-xGexO2層を形成し、Si1-xGexO2層表面にSi層を形成したので、Si層及びSi1-xGexO2層の界面が平滑でSi層の厚さが均一である良好なSOI基板となる。
またシリコン基板表面にSi1-yGey層をエピタキシャル成長させて堆積し、Si1-yGey層表面にSi層をエピタキシャル成長させて堆積し、上記シリコン基板を熱酸化処理することによりSi1-yGey層を酸化してSi1-xGexO2層に変化させ、更にSi1-yGey層の堆積中に酸素ガスを導入することによりSi1-yGey層に酸素を含ませれば、従来の貼り合わせ法等と比較して、製造プロセスが単純であり、量産に適し、製造コストを低減することができる。またSi1-yGey層及びSi層をLPCVD法等によりエピタキシャル成長させるため、均一に堆積できる。この結果、Si層を精度良く制御できるとともに、Si層及びSi1-xGexO2層の界面を平滑にすることができ、更に結晶性の良好な(結晶欠陥の極めて少ない)Si層を形成することができる。また製造プロセスが単純であるため、SOI基板内のパーティクルや金属汚染の管理を容易に行うことができる。更にSi1-yGey層に酸素を含んでいるため、Si1-yGey層が速やかに酸化されてSi1-xGexO2層になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態のSOI基板の製造手順を示す工程図。
【符号の説明】
10 SOI基板
11 シリコン基板
12 Si1-xGexO2層
13 Si層
14 Si1-yGey層
15 表面酸化層(SiO2層)
Claims (1)
- シリコン基板(11)表面にSi1-yGey層(14)(但し、0.05≦y≦0.75)をエピタキシャル成長させて堆積する工程と、
前記Si1-yGey層(14)表面にSi層(13)をエピタキシャル成長させて堆積する工程と、
前記Si1-yGey層(14)及び前記Si層(13)を堆積した前記シリコン基板(11)を熱酸化処理することにより前記Si1-yGey層(14)を酸化してSi1-xGexO2層(12)(但し、0≦x≦0.5)に変化させる工程と
を含むSOI基板の製造方法であって、
前記Si1-yGey層(14)の堆積中に酸素ガスを導入することにより前記Si1-yGey層(14)に酸素を含ませることを特徴とするSOI基板の製造方法。
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