JP4598241B2 - Simox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、酸素イオンの注入とその後の熱処理によってSOI構造を形成するSIMOX基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化シリコンの絶縁層上に単結晶のシリコン層を持つSOI(SiliconOn Insulator)基板は、低消費電力で高速動作するデバイスの基板として用いられている。このSOI基板の製造方法には、貼り合せ法による方法、酸化シリコン上に多結晶シリコン層を形成し、熱処理によりこの多結晶シリコン層を単結晶シリコン層に変化させる方法、イオン注入と熱処理による方法がある。単結晶シリコン基板にイオン注入法によって酸素を注入し、その後、熱処理によって、注入した酸素をシリコンと反応させ、酸化シリコン層を形成する方法は、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法とよばれている。この方法は、例えば、特開平9-293846号公報にあるように、180keV、550℃で酸素イオンを単結晶シリコン基板に注入し、引き続いて、アルゴンガス中に酸素を0.5vol%添加した雰囲気で1350℃に加熱し、4時間のアニールを行う。この方法によって、シリコン基板中に埋め込み酸化シリコン層が、また、その上に単結晶のシリコン層が形成されたSOI構造が形成される。さらには、特開平7-263538号公報にあるように、上記のアニールに引き続いて、酸素を50vol%以上添加したアルゴンまたは酸素100vol%雰囲気中で1350℃に加熱し、4時間程度のアニールを実施し、結晶欠陥数が少なく、絶縁耐圧特性に優れた埋め込み酸化層を形成する場合もある。
【0003】
上記の方法で製造されたSIMOX基板は表面を酸化シリコン膜が覆い、その下に単結晶シリコン層(SOI層と呼ぶ)、さらにその下に埋め込み酸化層が存在する構造となっている。SIMOX基板にデバイスを作成する際には、表面の酸化シリコン層を除去して、SOI層にデバイスを形成する。
【0004】
しかし、S.Nakashimaらの報告(Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchB55,1991,p.847-851)によれば、上記の方法で製造されたSIMOX基板では、SOI層内に表面から埋め込み酸化層まで到達する貫通転位が発生することが知られている。SIMOX基板の製造中に、いったん発生した貫通転位は、熱処理をおこなっても容易に除去できない。SIMOX基板は、SOI層にデバイスを形成して用いられるが、上記の貫通転位は、接合リーク等のデバイス不良を誘発するという問題がある。
【0005】
SIMOX基板の製造において、SOI層の貫通転位は、次のようにして発生する。すなわち、単結晶シリコン基板に酸素を注入して引き続き熱処理する際に、注入した酸素がシリコンと反応して酸化シリコンとなり、格子間シリコンが発生する。この格子間シリコンがSOI層中に積層欠陥を形成し、熱処理中に転位に変化するというものである。
【0006】
上記のような貫通転位の発生原因に鑑み、SIMOX製造工程における貫通転位の発生を抑制する方法として、特開平11-40512号公報では、酸素イオンを注入した後、1250℃未満の温度で、水素など還元性雰囲気でアニールすることにより、表面酸化膜の形成を抑制することで、格子間シリコンがSOI層中に残留しないようにする方法がとられている。しかし、この方法では、還元性雰囲気での熱処理をしすぎると埋め込み酸化膜が分解するという問題があり、これを回避するには還元性雰囲気中での熱処理時間を経験的に決めなければならないという工程管理上の手間を要する。また、水素雰囲気での熱処理を可能にするための設備にかかるコストが大きいという問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題に鑑み、本発明では、SIMOX基板のSOI層での貫通転位の発生を、低コストで抑制する製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のSIMOX基板の製造方法では、シリコンウエハ基板に酸素イオンを注入した後に、熱処理によって埋め込み酸化層を形成する際に、この熱処理を前後2段階で行い、前段階の熱処理雰囲気を窒素、熱処理温度を1100℃以上1250℃以下、熱処理雰囲気温度を0.1MPa以上、熱処理時間を60秒以下とし、後段階の熱処理雰囲気を酸化性雰囲気とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるSIMOX基板の製造方法の実施形態を、図1を参照して具体的に説明する。
【0010】
まず、図1の▲1▼は単結晶シリコン基板11に、イオン注入器によって酸素を注入する工程である。この工程では、酸素イオンの注入エネルギーは100keVから200keVで、注入量は1×1017個/cm2から5×1017個/cm2である。この工程により、単結晶シリコン基板11の表面から所定の深さに高濃度の酸素が存在する領域12を形成する。
【0011】
図1の▲2▼は、前段熱処理工程であって、図1の▲1▼の工程で酸素を注入した単結晶シリコン基板11を窒素中で熱処理する工程である。一般に、窒素ガスは、シリコンに対しては不活性で、反応性に乏しいと考えられているが、例えば、M.Jacobらの報告(Solid State Phenomena,Vol.57,p.349-354(1997))にあるように、シリコンウエハを窒素雰囲気中で熱処理すると、1100℃以上の高温では、表面から空孔が導入されることが知られている。熱処理工程▲2▼は、この現象を応用したものであり、シリコン基板11を窒素雰囲気中で高温加熱することにより、単結晶シリコン基板11の表面から空孔14を単結晶シリコン基板11に導入する。また、高濃度酸素の存在領域12で、シリコンと酸素が反応し、酸化シリコンの粒子13を形成する。
【0012】
上記工程▲2▼の窒素雰囲気中で熱処理する場合の温度は、1100℃未満では、空孔の導入は起こらないため、熱処理温度は1100℃以上であることが望ましい。また、熱処理温度が1250℃を超えるとシリコン基板11からシリコンが蒸発し、SOI層が消失するので、熱処理温度は1250℃以下であることが望ましい。したがって、本発明のSIMOX基板製造法では、上記工程▲2▼の熱処理温度は1100℃以上1250℃以下が望ましい。
【0013】
また、上記の熱処理では、上述したように、シリコンの蒸発を防ぐため加熱温度は1250℃以下であることが好ましいが、空孔14の導入効率は高温ほど高い。したがって、熱処理工程▲2▼での加熱温度は、シリコンの蒸発が防止できる上限の1250℃以下で、可能な限り高い温度に設定することが望ましい。また、窒素の圧力が0.1MPa未満であると、加熱温度が1250℃以下であっても、シリコンの蒸発を引き起こすことがあるため、熱処理する雰囲気のガス圧力は0.1MPa以上が好ましい。
【0014】
さらに、酸素を注入した基板を窒素雰囲気中で熱処理する場合、加熱時間が60秒を超過すると、SOI表面に針状の窒化シリコンが成長し、SOI表面が粗くなる。これを防止するため、熱処理する時間は60秒以下が好ましい。
【0015】
図1の▲3▼は、後段熱処理工程である。この工程▲3▼では、単結晶シリコン基板11を、1200℃以上の温度で酸化性雰囲気中で加熱する。この雰囲気ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスで、この際、酸素濃度は0.5vol%以上が好ましく、また、酸素濃度を100vol%としてもよい。この工程では、工程▲2▼において形成した酸化シリコンの粒子13同士を互いに結合させて、埋め込み酸化層16を形成する。また、この工程▲3▼によって、加熱雰囲気ガスから酸素を埋め込み酸化層16に供給し、埋め込み酸化層16の厚さを増加させるとともに、単結晶シリコン基板11の表面に表面酸化層17を形成させ、埋め込み酸化層16と表面酸化層17の間にSOI層18を形成する。工程▲3▼の酸化熱処理時間は、埋め込み酸化層16、SOI層18、表面酸化層17のそれぞれの厚さが、所望の厚さになるまで継続する。
【0016】
上述したSIMOX基板の製造方法において、図1の工程▲2▼では、単結晶シリコン基板11の表面から空孔14を導入すると同時に、図1の工程▲1▼で注入した酸素をシリコンと反応させ、酸化シリコンの粒子13を形成する。このとき、酸素とシリコンの反応によって、格子間シリコン15が発生する。この格子間シリコン15は、工程▲2▼で導入した空孔14とSOI層中で結合して消滅する。これにより、SOI層中での格子間シリコンの残留が防止でき、SOI層中の貫通転位の発生を抑制できる。
【0017】
【実施例】
本発明のSIMOX基板の製造法により、SOI層の転位の発生を抑制する効果を具体的な実施例によって説明する。
【0018】
(実施例)
面方位(100)のCZタイプP型単結晶シリコン基板に、加速エネルギー180keVで、酸素イオンを4×1017個/cm2注入した。前段の熱処理として、この単結晶シリコン基板を、0.1MPaの窒素雰囲気中で、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃でそれぞれ60秒間加熱した。引き続き後段の熱処理として、この単結晶シリコン基板を、それぞれ酸素濃度0.5vol%の酸素とアルゴンの混合ガス中で、1350℃で4時間加熱した。
【0019】
(比較例)
上記の実施例と比較するため、比較例として、同じ単結晶シリコン基板を前段の熱処理を行なわず、酸素濃度0.5vol%の酸素とアルゴンの混合ガス中で、1350℃で4時間加熱した。
【0020】
【表1】
【0021】
表1に、上記実施例と比較例により製造したSIMOXウエハの転位密度を測定した結果を示す。前段の熱処理を行なわなかった比較例では、SOI中には6×104個/cm2以上の転位が存在していた。一方、本発明の実施例では、実施例に比べて格段に転位密度は低下していた。
【0022】
【発明の効果】
本発明によるSIMOX基板の製造方法によれば、格子間シリコンと導入された空孔とが結合して消滅することによりSOI層中での格子間シリコンの残留が防止でき、低コストでSOI層中の貫通転位の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるSIMOX基板の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
11 単結晶シリコン基板
12 高濃度酸素の存在領域
13 酸化シリコン粒子
14 空孔
15 格子間シリコン
16 埋め込み酸化層
17 表面酸化層
18 SOI層
Claims (1)
- 単結晶シリコンウエハに酸素をイオン注入した後に、該ウエハを熱処理をすることにより、SOI構造を形成するSIMOX基板の製造方法であって、前記熱処理が前後2段階で行なわれると共に、前段階の熱処理雰囲気が窒素、熱処理温度が1100℃以上1250℃以下、熱処理雰囲気圧力が0.1MPa以上、熱処理時間が60秒以下であり、後段階の熱処理雰囲気が酸化性雰囲気であることを特徴とするSIMOX基板の製造方法。
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