JP4876442B2 - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法およびｓｉｍｏｘウェーハ - Google Patents

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Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）ウェーハの製造方法及びＳＩＭＯＸウェーハに関し、特に、ＭＬＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｌｏｗ Ｄｏｓｅ）法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関する。
ＳＯＩウェーハの製造方法として、ＳＩＭＯＸ法が知られている。この方法によれば、例えば、注入エネルギを約２００ｋｅＶとし、ドーズ量が約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の酸素原子をイオン注入して高温で熱処理することにより、埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層という。）を形成することができる。このＳＩＭＯＸ法は、ドーズ量と注入エネルギを精度よく制御できるため、ＢＯＸ層の厚みやＳＯＩ層の膜厚を所定の厚みで均一に形成することができる。
例えば、ドーズ量が１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の基板は、高ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれ、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下の基板は、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれる。後者は、前者と比べて貫通転位の発生が少なく、酸素イオンの注入時間を短縮できるため、高品質かつ低コストのＳＯＩ基板を製造することができる。しかし、例えば、ドーズ量を低減すると、ＢＯＸ層の厚さが薄くなり、ＢＯＸ層の信頼性が低下するおそれがある。
そこで、開発された技術として、ＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）技術が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照。）。このＩＴＯＸ技術によれば、酸素イオンのドーズ量により計算される理論的膜厚となる熱処理を濃度１％未満の酸素を含むアルゴンガス雰囲気中で行った後、１％以上の酸素を含むアルゴンガス雰囲気中で熱処理を施すことにより、ＢＯＸ層を厚膜化することができる。
このＩＴＯＸ技術の導入により、ＢＯＸ層の厚膜化、ＢＯＸ層のピンホール低減、ＳＯＩ層（基板表面のシリコン単結晶層）表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面の凹凸、つまりラフネスを低減することができ、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの品質を大幅に向上できる。しかし、この技術を導入した低ドーズＳＩＭＯＸ法においても、酸素イオンのドーズ量は大きいため、イオン注入時間が１バッチ当たり数時間もかかることに加えて、ＩＴＯＸ処理つまり所定の熱処理工程が必要になるため、生産性が低下して製造コストが増加するという問題がある。
一方、ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、酸素イオンを２回に分けて注入する方法が知られている（特許文献２参照。）。この２段階の酸素イオン注入では、シリコンウェーハを加熱した状態で高濃度の酸素イオン注入を行い、続いて、シリコンウェーハを室温程度に冷却して酸素イオン注入を行なう。すなわち、１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを加熱することで、シリコンウェーハ表面をシリコンの単結晶のまま維持し、２回目の酸素イオン注入では、シリコンウェーハを低温に維持することでアモルファス層を形成する。そして、このシリコンウェーハを、例えば、１３５０℃で一定時間酸化処理することにより、ＳＯＩ構造が形成される。
この方法によれば、イオン注入後の熱処理によって、アモルファス層から多結晶、双晶、積層欠陥からなる高密度欠陥層が形成され、この欠陥層が形成された領域は酸素が析出しやすいことから、酸素イオンのドーズ量から予想される理論厚さの２倍程度の厚さまでＢＯＸ層を厚くすることができる。加えて、ＩＴＯＸ技術よりも酸素イオンのドーズ量を低減できるため、生産性が向上し、製造コストを低減できる。この方法で製造されたＳＩＭＯＸウェーハは、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸと呼ばれる。
特開平７−２６３５３８号公報 米国特許第５９３０６４３号明細書 中嶋定夫、他６名，「Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ ｉｎ ａ ＳＩＭＯＸ Ｗａｆｅｒ ｂｙ Ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １９９４ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳＯＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９４年，第７１−７２頁
ところで、上記の製造方法に限らず、ＳＯＩウェーハは、いくつかの製造工程を経る過程でシリコン基板の表面に欠陥が生じたり、表面にパーティクル（塵埃など）が付着することがある。これらの不具合を残したまま後工程に進めると、デバイスとしての歩留まりが低下するおそれがある。そのため、ＳＯＩウェーハは、基板表面を洗浄し乾燥した後、例えば、ウェーハ表面に光を照射して、表面検査装置などでパーティクルを検出する検査が行なわれている。
しかしながら、上記のＭＬＤ−ＳＩＭＯＸでは、ＢＯＸ層が形成されると、ＳＯＩ層の表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスが大きくなる現象が生じる。このため、パーティクルの検査においてウェーハ表面の粗さとパーティクルとを識別できなくなるおそれがある。
一方、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸにおいて、ＢＯＸ層をさらに厚膜化させるため、酸素イオンのドーズ量を増加させると、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性が低下するという問題がある。
本発明は、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＢＯＸ層の厚膜化に伴い、ＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスの増加及び絶縁耐圧の低下を抑制することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明者らは、酸素イオン注入後の酸化雰囲気における熱処理条件について鋭意検討した結果、熱処理温度が低いほど、ＢＯＸ層が厚膜化する一方、熱処理温度が高いほど、ＢＯＸ層の絶縁耐圧が向上するとともに、ＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスが低下することを知見した。
すなわち、本発明は、シリコンウェーハを３００℃以上に加熱して酸素イオンを注入し、シリコンウェーハの内部に酸素の高濃度層を形成する第１の工程と、この第１の工程で得られたシリコンウェーハを３００℃未満に冷却して酸素イオンを注入し、シリコンウェーハにアモルファス層を形成する第２の工程と、この第２の工程で得られたシリコンウェーハを熱処理して埋め込み酸化膜を形成する第３の工程とを備えるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、第３の工程は、酸素分圧比が５％以上の混合ガス雰囲気下、１２８０℃〜１３２０℃の温度域で所定時間かけて熱処理した後、１３５０℃以上シリコンの融点未満の温度域まで昇温し、該温度域で酸素分圧比が５％未満の混合ガス雰囲気下、所定時間保持することを特徴とする。
このように、熱処理の初期において１３５０℃未満の比較的低温で熱処理することにより、ＢＯＸ層を厚膜化させ、さらに、１３５０℃以上の比較的高温で熱処理することにより、ＢＯＸ層の絶縁耐圧を向上させ、ＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低下させることができる。
また、第３の工程は、直線的又は段階的に昇温させるようにしてもよい。例えば、設定された温度範囲に応じて昇温勾配を適宜変化させることにより、ＢＯＸ層の厚みや絶縁特性及び界面のラフネス等について、より厳密な制御を行うことができる。
本発明によれば、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＢＯＸ層の厚膜化に伴い、ＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスの増加及び絶縁耐圧の低下を抑制することができる。
以下、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ（以下、適宜、ＳＩＭＯＸウェーハという。）の製造方法の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の説明図である。
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、シリコンウェーハ１に酸素イオンを注入する工程と、熱処理する工程とを含み、酸素イオンの注入は２段階に分けて行う。１回目の酸素イオンの注入は、シリコンウェーハ１を、例えば３００℃以上、好ましくは、３００〜６００℃に加熱した状態で、酸素イオンのドーズ量を２×１０１６〜４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、好ましくは、３×１０１６〜３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１８０ｋｅＶ、好ましくは、１４０〜２２０ｋｅＶの範囲で行なう。２回目の酸素イオン注入は１回目の酸素イオンの注入後、例えば、室温付近まで冷却した状態で、酸素イオンのドーズ量を１×１０１４〜５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、好ましくは、１×１０１５〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１８０ｋｅＶ、好ましくは、１４０〜２２０ｋｅＶの範囲で行なう。
図１の（ａ）は、酸素イオンの注入後のウェーハ断面を表しており、矢印は酸素イオンを注入する様子を模式的に表している。１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハ１を比較的高温に加熱することで、シリコンウェーハ１の表面を単結晶のまま維持して酸素の高濃度層２を形成し、２回目の酸素イオン注入では、１回目の酸素イオン注入時よりも低い温度にすることで、アモルファス層３を形成する。
図１の（ｂ）は、熱処理後に得られたＳＩＭＯＸウェーハの断面を表している。熱処理工程においては、酸素と不活性ガスが設定比率（例えば、酸素分圧比が５％以上）となる混合ガス雰囲気で、例えば、１０〜２０時間の熱処理を施し、ＢＯＸ層４を形成する。本実施形態では、まず、熱処理を１３５０℃未満、好ましくは１２８０〜１３２０℃の範囲で所定時間かけて熱処理した後、１３５０℃以上シリコンの融点未満の温度に昇温してさらに高温の熱処理を行う。ここで、混合ガスの酸素分圧や熱処理時間を調節することにより、表面酸化膜５の厚さを調節し、ＳＯＩ層６の厚さを制御することができる。酸素と混合する不活性ガスとしては、窒素またはアルゴンを使用する。
次に、熱処理条件について詳細に説明する。本実施形態では、従来の固定された熱処理温度の設定条件に対し、まず、１３５０℃未満の比較的低温で熱処理することにより、高密度の酸素析出物を形成させてＢＯＸ層４を厚膜化させる。続いて、１３５０℃以上に昇温させて、比較的高温で熱処理を施すことにより、ＢＯＸ層４を改質し、絶縁耐圧特性の向上と、ＳＯＩ層６の表面及びＳＯＩ層６とＢＯＸ層４との界面のラフネスを低減することができる。
ここで、１３５０℃未満の温度領域において、例えば、熱処理の開始温度で一定時間保持し、保持時間を適宜調整することにより、高密度の酸素析出物を成長させて、ＢＯＸ層の厚みを制御することができる。一方、１３５０℃以上の温度領域において、所定時間保持することにより、表面酸化膜５及びＳＯＩ層６の厚みを制御することができ、更に、ＢＯＸ層４を改質し、絶縁耐圧特性の向上と、ＳＯＩ層６の表面、及びＳＯＩ層６とＢＯＸ層４との界面のラフネスを低減することができる。この場合、混合ガス中の酸素分圧比は、例えば、５％未満とすることが望ましい。
また、１３５０℃未満の温度領域から１３５０℃以上の温度領域に昇温する際には、直線的、段階的に昇温させてもよい。例えば、設定された温度範囲に応じて昇温勾配を適宜変化させることにより、ＢＯＸ層の厚みや絶縁特性及び界面のラフネス等について、より厳密な制御を行うことができる。
上述したように、本実施形態では、酸素イオン注入後の熱処理において、酸素濃度が５％以上の雰囲気で熱処理の開始温度を１３５０℃未満とし、その後、１３５０℃以上の温度に昇温して熱処理を行っているため、ＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層４を厚膜化することができ、このＢＯＸ層４の絶縁耐圧の向上と、ＳＯＩ層６の表面、及びＳＯＩ層６とＢＯＸ層４との界面のラフネスの低下を実現することができる。
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
（実施例１）１回目の酸素イオン注入は、ウェーハを真空中で４００℃に加熱し、酸素イオンのドーズ量を２．６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１７０ｋｅＶとして行い、続いて、２回目の酸素イオン注入は、酸素イオンのドーズ量を６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１６０ｋｅＶとして行なった。ここで得られたウェーハを、５０％の酸素を含むアルゴンガス雰囲気で、１３１０℃、５時間の酸化処理を施し、続いて、昇温速度を０．１０℃／分で１３１０℃から１３５０℃まで昇温しながら酸化処理を施した。その結果、ＳＯＩ層の厚さが約６００Åで、ＢＯＸ層の厚さが約１４００Åとなり、厚いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸを作製することができた。また、１０μｍ角のＳＯＩ表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスは、それぞれ３．３Å、３．９Å、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性は７．１ＭＶ／ｃｍとなり、品質的にも良好な結果が得られた。
（実施例２）１回目の酸素イオン注入は、ウェーハを真空中で４００℃に加熱し、酸素イオンのドーズ量を２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１７０ｋｅＶとして行い、続いて、２回目の酸素イオン注入は、酸素イオンのドーズ量を６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１６０ｋｅＶとして行なった。ここで得られたウェーハを、５０％の酸素を含むアルゴンガス雰囲気で、１３００℃、５時間の酸化処理を施し、続いて、昇温速度を０．１２℃／分で１３００℃から１３５０℃まで昇温しながら酸化処理を施した。その結果、ＳＯＩ層の厚さが約７００Åで、ＢＯＸ層の厚さが約１４００Åとなり、厚いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸを作製することができ、１０μｍ角のＳＯＩ表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスは、それぞれ３．７Å、２．６Å、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性は７．３ＭＶ／ｃｍとなり、品質的にも良好な結果が得られた。
（比較例１）１回目の酸素イオン注入は、ウェーハを真空中で４００℃に加熱し、酸素イオンのドーズ量を３．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１７５ｋｅＶとして行い、続いて、２回目の酸素イオン注入は、酸素イオンのドーズ量を２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギを１６０ｋｅＶとして行なった。ここで得られたウェーハを、５０％の酸素を含むアルゴンガス雰囲気で、１３２０℃、１０時間の酸化処理を施した。その結果、ＳＯＩ層の厚さが約６００Åで、ＢＯＸ層の厚さが約１５００Åとなり、厚いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸが得られた。しかし、１０μｍ角のＳＯＩ表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスは、それぞれ６．０Å、６．７Å、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性は５．１ＭＶ／ｃｍとなり、品質的には不十分な結果となった。
（比較例２）比較例１と同じ条件で酸素イオンを注入したウェーハに、５０％の酸素を含むアルゴンガス雰囲気で、１３５０℃、８時間３５分の酸化処理を施した。これは、比較例１よりも熱処理温度を高く設定したため、ＳＯＩ厚さを比較例１と同じ約６００Åにするために、酸化時間を短縮したものである。その結果、１０μｍ角のＳＯＩ表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスは、いずれも４．０Åに低減され、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性も５．７ＭＶ／ｃｍまで向上した。しかし、ＢＯＸ層の厚さが約１２００Åまで薄くなった。
以上の実施例及び比較例から明らかなように、実施例１、２の製造方法によれば、本発明の熱処理条件を施しているため、ＢＯＸ層の厚さが１３００Å以上で、絶縁耐圧が７ＭＶ／ｃｍ以上となり、さらに、ＳＯＩ表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスが４Åｒｍｓ以下となる良好なＭＬＤ−ＳＩＭＯＸを得ることができる。
本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の説明図であり、（ａ）は酸素イオンの注入後のウェーハ断面、（ｂ）は熱処理後に得られたＳＩＭＯＸウェーハの断面を表している。
符号の説明
１ シリコンウェーハ
２ 酸素の高濃度層
３ アモルファス層
４ ＢＯＸ層
５ 酸化膜
６ ＳＯＩ層

Claims (2)

  1. シリコンウェーハを３００℃以上に加熱して酸素イオンを注入し、前記シリコンウェーハの内部に酸素の高濃度層を形成する第１の工程と、該第１の工程で得られた前記シリコンウェーハを３００℃未満に冷却して酸素イオンを注入し、前記シリコンウェーハにアモルファス層を形成する第２の工程と、該第２の工程で得られた前記シリコンウェーハを熱処理して埋め込み酸化膜を形成する第３の工程とを備えるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
    前記第３の工程は、酸素分圧比が５％以上の混合ガス雰囲気下、１２８０℃〜１３２０℃の温度域で所定時間かけて熱処理した後、１３５０℃以上シリコンの融点未満の温度域まで昇温し、該温度域で酸素分圧比が５％未満の混合ガス雰囲気下、所定時間保持することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
  2. 前記第３の工程は、直線的又は段階的に昇温させることを特徴とする請求項１に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
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