JP5090638B2

JP5090638B2 - Ｓｏｉ基板を製造する方法

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Publication number: JP5090638B2
Application number: JP2005333619A
Authority: JP
Inventors: 奉均高; 哲弥中井; 敬山田; 毅司浜本
Original assignee: Sumco Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Sumco Corp; Toshiba Corp
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP2007142135A

Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ(Separation by IMplanted OXygen)法によりシリコン基板内部に部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板を製造する方法に関するものである。

従来、シリコン基板内部に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板は、高速、低消費電力デバイス用基板への使用が期待されている。このうち、シリコン基板内部に全面ではなく、部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板（以下、「部分ＳＯＩ基板」と呼ぶ。）はアナログ、ロジック、メモリ混載のシステムＬＳＩにおいて、例えばロジック部のみを埋込み酸化膜のＳＯＩ領域に形成し、埋込み酸化膜がないバルクＳｉ部分にメモリ部を製造できることなどから重要視されている。
この種の部分ＳＯＩ基板の製造方法（ＳＩＭＯＸ基板の製造方法）として、次のような方法（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。即ち、図５に示すように、先ず基板２（基板２はシリコン単結晶棒の軸に直交する面で切出される。）の表面にマスク酸化膜４を形成し（図５（ａ））、このマスク酸化膜４の表面にフォトリソグラフィによりパターニングしたレジスト層６を形成する（図５（ｂ）及び（ｃ））。次いでマスク酸化膜４を異方性エッチングによりパターニングし（図５（ｄ）及び（ｅ））、レジスト層６を除去した後に（図５（ｆ））、基板２を洗浄する。次に基板２の表面に酸素イオン７を注入した後に（図５（ｇ））、基板２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬してマスク酸化膜４を除去する（図５（ｈ））。更にアルゴン及び酸素の混合ガス、或いは窒素及び酸素の混合ガスの雰囲気中で１３００℃以上に所定時間保持してアニール処理して埋込み酸化膜３を形成した後に（図５（ｉ））基板２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬してマスク酸化膜４を除去する（図５（ｊ））。
特開平５−８２５２５号公報（請求項２）

しかし、上記従来の特許文献１に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、図５（ｉ）及び（ｊ）に示すように、酸素イオン７の注入後のアニール処理時に、埋込み酸化膜３となる酸素イオン領域９が体積膨張するため、ＳＯＩ領域となる基板表面２ａが、バルク領域となる基板表面２ｂより膨らむため、表面酸化層８を除去した後の基板２表面に段差が形成されてしまう不具合があった。
また、上記従来の特許文献１に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、図５（ｇ）に示すように、酸素イオン７の注入時に、ＳＯＩ領域となる基板表面２ａに酸素イオン７のスパッタリングにより局所的に窪み２ｃが形成され、アニール処理後の埋込み酸化膜３の厚さが局所的に変化したり、或いは図５（ｊ）に示すようにアニール処理後に埋込み酸化膜３が基板２表面に露出するおそれもあった。
また、上記従来の特許文献１に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、酸素イオン注入時にマスク酸化膜における上縁周囲が拡張するように変形する場合があった。この変形によりマスク酸化膜の一部がそのマスク酸化膜により覆われていないＳＯＩ領域となる部分にはみ出してしまうと、注入される酸素イオンの注入深さが変化するおそれがあった。
更に、上記従来の特許文献１に記載されたＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、酸素イオン注入後のアニール処理時に、埋込み酸化膜となる酸素イオン領域の周囲部分が酸素イオン領域の中央部分より酸化が進んで体積膨張する問題点もあった。即ち、基板の表面に注入された酸素イオンは、注入後においてその周囲部分が基板の表面に露出することはないけれども、その後のアニール処理時において酸素イオン領域の周囲部分には、その表面から酸素が供給されるとともにその周囲からも酸素が供給される。このため、酸素が表面方向からのみ供給される中央部分と比較して、酸素イオン領域の周囲部分は酸素の供給量が多くなり、アニール処理時に中央部分より酸化が進んで、アニール処理後の埋込み酸化膜の周囲部分は中央部分より厚さが増大し、この厚さの増大が進むと、その周囲部分が基板表面に露出する問題点があった。

本発明の第１の目的は、ＳＯＩ領域となる基板表面を、バルク領域となる基板表面と容易にかつ精度良く同一面にすることができる、ＳＯＩ基板を製造する方法を提供することにある。
本発明の第２の目的は、埋込み酸化膜の厚さを均一にすることができるとともに、埋込み酸化膜が基板表面に露出するのを防止できる、ＳＯＩ基板を製造する方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、酸素イオン注入時にマスク酸化膜の上縁周囲の拡張変形を阻止することにより、酸素イオンの注入深さを均一にすることができる、ＳＯＩ基板を製造する方法を提供することにある。
本発明の第４の目的は、ＳＯＩ領域となる基板表面のうちマスク酸化膜の側面に接する境界領域から酸素が侵入するのを阻止することにより、埋込み酸化膜の周囲が基板の表面に露出するのを確実に防止できる、ＳＯＩ基板を製造する方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図３に示すように、シリコン基板１２の表面に部分的にマスク酸化膜１９を形成する工程と、マスク酸化膜１９を介して基板１２の表面に酸素イオン１６を注入する工程と、基板１２をアニール処理して基板１２の内部に埋込み酸化膜１３を形成する工程とを含むＳＯＩ基板を製造する方法において、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、マスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程と、このマスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程の後にＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜４２を形成する工程とを更に含むことを特徴とする。
この請求項１に記載されたＳＯＩ基板を製造する方法では、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、マスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程と、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜４２を形成する工程とを更に含むので、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜４２により被覆せずに露出した状態でアニール処理すると、アニール処理時に中央部分より酸化が進んで、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の周囲部分は中央部分より厚さが増大し、その周囲部分が基板表面１２ａに露出するおそれがあるけれども、この請求項１に係る発明では、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜４２により被覆したため、この境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜１３の周囲が基板１２の表面に露出するのを確実に防止できる。

請求項２に係る発明は、図４に示すように、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜５２を形成する工程と、このバッファ膜５２を形成する工程の後にマスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程とを更に含むことを特徴とする。
この請求項２に記載されたＳＯＩ基板を製造する方法では、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜５２を形成する工程と、マスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程とを更に含むので、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜４２により被覆せずに露出した状態でアニール処理すると、アニール処理時に中央部分より酸化が進んで、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の周囲部分は中央部分より厚さが増大し、その周囲部分が基板表面１２ａに露出するおそれがあるけれども、この請求項２に係る発明では、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面とがバッファ膜５２により被覆されているため、またマスク酸化膜１９の薄膜化に、レジスト層を用いず異方性エッチングより容易な等方性エッチングを用いても、マスク酸化膜１９の側面がエッチングされていないため、上記境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜１３の周囲が基板１２の表面に露出するのを確実に防止できる。

以上述べたように、本発明によれば、酸素イオンを注入する工程とアニール処理する工程との間に、マスク酸化膜を所定の厚さにエッチングした後に、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面のうちマスク酸化膜の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜の側面とにバッファ膜を形成したので、ＳＯＩ領域となる基板表面のうち薄膜化したマスク酸化膜の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜の側面がバッファ膜により被覆されているため、この境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜の周囲が基板の表面に露出するのを確実に防止できる。
更に酸素イオンを注入する工程とアニール処理する工程との間に、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面のうちマスク酸化膜の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜の側面とにバッファ膜を形成した後に、マスク酸化膜を所定の厚さにエッチングすれば、ＳＯＩ領域となる基板表面のうち薄膜化したマスク酸化膜の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜の側面とがバッファ膜により被覆されているため、またマスク酸化膜の薄膜化に、レジスト層を用いず異方性エッチングより容易な等方性エッチングを用いても、マスク酸化膜の側面がエッチングされていないため、上記境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜の周囲が基板の表面に露出するのを確実に防止できる。

次に本発明を実施するための最良の形態を参考の形態とともに図面に基づいて説明する。
＜第１の参考の形態＞
図１（ｋ）に示すように、ＳＯＩ基板１１はシリコン基板１２と、この基板１２の内部に形成された埋込み酸化膜１３とを有する。基板１２はチョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶棒の軸に直交する面［シリコン単結晶の結晶構造の（１００）面］に沿って薄板状に切出される。また埋込み酸化膜１３は次のようにして形成される。なお、基板はＣＺ法ではなく、フローティング・ゾーン（ＦＺ）法等により育成されたシリコン単結晶棒又はシリコン単結晶板から切出してもよい。

先ず基板１２の表面に表面酸化膜１４を形成する（図１（ａ））。この表面酸化膜１４はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）であり、基板１２を熱酸化することにより、又はＣＶＤ法（化学気相成長法）により形成される。また表面酸化膜１４の厚さは２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、好ましくは５００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内に形成される。表面酸化膜１４の厚さを２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲に限定したのは、２００ｎｍ未満では後述する酸素イオン１６が表面酸化膜１４を通過して基板１２に注入されるおそれがあり、１０００ｎｍ以下で酸素イオン１６を十分に遮断することができるからである。次いで表面酸化膜１４の表面にフォトリソグラフィにより所定のパターンのレジスト層１７を形成する（図１（ｂ）及び（ｃ））。このレジスト層１７をフォトマスク１８を用いて露光し（図１（ｂ））、現像及びリンスを経て、レジスト層１７に所定のパターンが形成される（図１（ｃ））。

上記レジスト層１７をマスクにして表面酸化膜１４を基板１２の表面に対して垂直方向に異方性エッチングを行う（図１（ｄ））。異方性エッチングはこの第１の参考の形態では反応性イオンエッチングである。反応性イオンエッチングでは、図示しないが反応室内に設置された２枚の対向電極のうち下側電極に基板を載せ、これらの電極に高周波電圧を印加してプラズマを誘起することで、ＣＦ₄又はＳＦ₆等のエッチングガスより反応性の高いラディカルイオン核種を形成し、プラズマ及び基板１２間に生じる自己バイアス電位差により基板１２に数十から数百ｅＶの上記ラディカルイオンが入射し、このラディカルイオンによるスパッタリング作用と化学反応の両方の効果で表面酸化膜１４のエッチングが進行する。このため表面酸化膜１４の内周縁はアンダカットのない垂直なエッチング形状となる。なお、異方性エッチングとして、ＥＣＲプラズマエッチングを用いてもよい。エッチング終了後、硫酸過水等によりレジスト層１７を除去し、エッチングされずに基板表面に残存した表面酸化膜１４からなる厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍのマスク酸化膜１９を基板１２の表面に部分的に形成し（図１（ｅ））、その後、洗浄する。

次にマスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに、マスク酸化膜１９の形成されたバルク領域となる基板表面１２ｂより深い凹部１２ｃを形成する。このＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに所定の深さの凹部１２ｃを形成する工程は、この第１の参考の形態では、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに熱酸化膜２１を形成する工程である（図１（ｆ））。即ち、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａを熱酸化してその表面に熱酸化膜２１を形成することにより、マスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに、マスク酸化膜１９の形成されたバルク領域となる基板表面１２ｂより深い所定の深さの凹部１２ｃが形成される。この凹部１２ｃの深さは、後述するアニール処理後に形成される埋込み酸化膜１３の体積膨張分であり、予め実験等により求められる。具体的には、上記凹部１２ｃの深さは、基板１２に注入された酸素イオン領域２０の厚さと、アニール処理により酸素イオン領域２０が体積膨張して形成された埋込み酸化膜１３の厚さとの差であり、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の厚さの３０〜８０％、好ましくは５５％である。通常、埋込み酸化膜１３は２０〜２００ｎｍの範囲内の所定厚さに形成されるが、埋込み酸化膜１３の厚さが２０ｎｍである場合、上記凹部１２ｃの深さは６〜１６ｎｍ、好ましくは１１ｎｍに形成され、埋込み酸化膜１３の厚さが２００ｎｍである場合、上記凹部１２ｃの深さは１０５〜１１５ｎｍ、好ましくは１１０ｎｍに形成される。ここで、上記凹部１２ｃの深さを埋込み酸化膜１３の厚さの３０〜８０％の範囲に限定したのは、上記熱酸化膜２１を通して基板１２内に酸素イオン１６を注入することができるとともに、アニール処理後のＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとの間に生じる段差を無くすためである。なお、上記段差の全くない状態が最良であるけれども、熱酸化膜２１の目標厚さに対する誤差や埋込み酸化膜１３の目標厚さに対する誤差等により僅かに段差を生じる場合があり、この段差が３０ｎｍ以下であれば、後工程のフォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるのを防止できる。

次にマスク酸化膜１９をマスクにして基板１２の表面に酸素イオン１６を注入する（図１（ｇ）及び（ｈ））。このときの酸素イオン１６の注入条件は注入量が１×１０¹⁷／ｃｍ²〜２×１０¹⁸／ｃｍ²、好ましくは２×１０¹⁷／ｃｍ²〜５×１０¹⁷／ｃｍ²であり、注入エネルギが２０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ、好ましくは６０ｋｅＶ〜１８０ｋｅＶである。酸素イオン１６の注入後、ウエットエッチング（等方性エッチング）により基板１２表面のマスク酸化膜１９及び熱酸化膜２１を除去する（図１（ｉ））。これによりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに上記凹部１２ｃが露出する。酸素イオン注入時に、この酸素イオン注入に伴ってスパッタリングが発生するけれども、熱酸化膜２１によりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが被覆されるので、このＳＯＩ領域となる基板表面１２ａがスパッタリングにより局所的にエッチングされるのを防止できる。酸素イオン注入後、基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して、表面のマスク酸化膜１９及び熱酸化膜２１を除去し、更にこの基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を行う（図１（ｊ））。酸化性雰囲気とは、不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気を含み、アルゴン及び酸素の混合ガス雰囲気、或いは窒素及び酸素の混合ガス雰囲気が例示される。この場合における酸化性雰囲気は、酸素１００容量％を含み、酸素の好ましい含有量は０．５〜９０容量％であり、更に好ましい含有量は４０〜７０容量％である。酸素含有率が０．５％未満では後述するアニール時に基板１２の表面における酸化が期待できないからである。

このアニール処理により基板１２の酸素イオン領域２０の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜１３を形成する際に、埋込み酸化膜１３となる酸素イオン領域が体積膨張して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが膨らんで凹部１２ｃを埋めるように隆起し、図１（ｊ）に示すように、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａがバルク領域となる基板表面１２ｂと同一面になる。同時に基板１２の表面には、アニール処理による酸化層２２が形成される。上記アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して酸化層２２を除去すると（図１（ｋ））、ＳＯＩ基板１１の表面は段差がなく平坦になる。このようにアニール処理後のＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとを容易にかつ精度良く同一面にすることができる。これにより上記ＳＯＩ基板１１をフォトリソグラフィ工程において露光しても、そのフォーカスがずれるのを防止できる。
なお、上述のように、凹部１２ｃを形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程との間に、熱酸化により形成される熱酸化膜２１にて上記凹部１２ｃを埋めることにより、酸素イオン注入に伴って発生するスパッタリングによりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが局所的にエッチングされるのを防止できるので、埋込み酸化膜１３の厚さを均一にすることができるとともに、埋込み酸化膜１３が基板１２表面に露出しない。この結果、アニール処理により形成された基板１２表面の酸化層２２のエッチング時に埋込み酸化膜１３がエッチングされないので、基板１２にパーティクルの発生源となる穴が形成されることはない。

＜第２の参考の形態＞
図２には第２の参考の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この第２の参考の形態では、マスク酸化膜１９を形成する工程と酸素イオン１６を注入する工程の間に、マスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとマスク酸化膜１９の上面及び側面にバッファ膜３２を形成する工程を更に含む。具体的には、レジスト層１７をマスクにして表面酸化膜１４を基板１２の表面に対して垂直方向に異方性エッチングを行った（図２（ｄ））後であって、酸素イオン１６を注入する（図２（ｆ））前に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとマスク酸化膜１９の上面及び側面に窒化ケイ素からなるバッファ膜３２を形成する。このバッファ膜３２の厚さは５〜５００ｎｍ、好ましくは２０〜２００ｎｍである。ここで、バッファ膜３２の厚さを５〜５００ｎｍの範囲に限定したのは、５ｎｍ未満では後述するアニール時に境界領域から酸素が侵入するのを防止できず、５００ｎｍを越えるとデバイス設計上デッドスペースが増えるからである。なお、バッファ膜を窒化ケイ素ではなく、ポリシリコン又はαシリコン等により形成してもよい。次いでマスク酸化膜１９をマスクにして基板１２の表面に酸素イオン１６を注入する（図２（ｆ））。酸素イオン１６の注入条件は第１の参考の形態と同一である。酸素イオン１６の注入時に、酸素イオン注入に伴ってスパッタリングが発生するけれども、バッファ膜３２によりＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが被覆されるので、このＳＯＩ領域となる基板表面１２ａがスパッタリングにより局所的にエッチングされるのを防止できる。また酸素イオン１６の注入時に、マスク酸化膜１９の上縁周囲がＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの上方に拡張するように変形する場合があるけれども、マスク酸化膜１９の側面に形成されたバッファ膜３２が上記拡張変形を阻止するので、酸素イオン１６の注入深さを均一にすることができる。

次に、マスク酸化膜１９上面のバッファ膜３２を除去した後に、マスク酸化膜１９を薄膜化する。具体的には、後述するアニール時にＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに形成される酸化膜３４ａとバルク領域となるの基板表面１２ｂに新たに形成される酸化膜３４ｂの厚さの差（酸化膜３４ａの厚さ−酸化膜３４ｂの厚さ）が、後述する埋込み酸化膜１３の厚さの０．７〜１．３倍、好ましくは０．９〜１．１倍になるようにマスク酸化膜１９を薄膜化する。そしてこの第２の参考の形態では、図２（ｇ）及び（ｈ）に示すように、基板１２の表面のマスク酸化膜１９を薄膜化して薄いマスク酸化膜１９を形成する場合を示し、マスク酸化膜１９を異方性エッチングすることによりそのマスク酸化膜１９を薄膜化する。上記マスク酸化膜１９の異方性エッチングは、マスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａにレジスト層３３を形成した（図２（ｇ））後に行われる。レジスト層３３の形成はレジスト層１７と同一の手順により行われる。具体的に説明すると、バッファ膜３２が形成された基板１２の表面全体にフォトリソグラフィによりレジスト層を形成し、このレジスト層をフォトマスクを用いて露光し、現像及びリンスを経て、マスク酸化膜１９上に形成されたレジスト層を除去し、マスク酸化膜１９の側面のレジスト層３３と、マスク酸化膜１９が形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａにレジスト層３３とを残存させる。

図２（ｈ）に示すように、このレジスト層３３をマスクにして基板１２の表面に対して垂直に異方性エッチングを行い、マスク酸化膜１９上面のバッファ膜３２を全て除去した後に、マスク酸化膜１９を薄膜化して、厚さが後述する埋込み酸化膜１３の厚さ以上の薄膜化したマスク酸化膜１９を形成する。異方性エッチングはこの第２の参考の形態では反応性イオンエッチングである。ここで、薄膜化したマスク酸化膜１９の厚さを埋込み酸化膜１３の厚さの０．７〜１．３倍の範囲に限定したのは、０．７倍未満では後述するアニール時に薄膜化したマスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが薄膜化したマスク酸化膜１９の形成されているバルク領域となる基板表面１２ｂより高くなり、その段差以上ではフォトリソグラフィ工程でのフォーカスずれの問題が生じるからであり、１．３倍を越えると逆に後述するアニール時に薄膜化したマスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが薄膜化したマスク酸化膜１９の形成されているバルク領域となる基板表面１２ｂより低くなり、その段差以上ではフォトリソグラフィ工程でのフォーカスずれの問題が生じるからである。マスク酸化膜１９を薄膜化した後に、硫酸過水等によりレジスト層３３を除去し、更に熱リン酸やフッ酸等のエッチング液に浸漬してバッファ膜３２を除去し、洗浄する。なお、この第２の参考の形態では、マスク酸化膜上面のバッファ膜を除去し、マスク酸化膜を薄膜化する手段として異方性エッチングを用いたが、上記除去手段及び薄膜化手段として、ウエットエッチング等の等方性エッチングを用いてもよい。

次に、基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を、第１の参考の形態と同様に行う（図２（ｊ））。このアニール処理により、基板１２内の酸素イオン１６が注入された酸素イオン領域２０の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜３を形成する際に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが上記酸素イオン領域２０の体積膨張、即ち酸素イオン領域２０の厚さ方向の膨らみにより隆起して、図２（ｊ）に示すように、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとに段差が生じる。一方、アニール処理は基板１２を炉の内部に水平に配置することにより行われるため、基板１２の表面は酸化して酸化層３４が形成される。この酸化層３４の形成は、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成されていない基板表面１２ａ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されたＳＯＩ領域となる基板表面１２ａで速く進行し、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成された基板表面１２ｂ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されていないバルク領域となる基板表面１２ｂで遅く進行する。この結果、埋込み酸化膜１３が形成された状態でその酸化層３４は、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの厚層部分３４ａと、バルク領域となる基板表面１２ｂの薄層部分３４ｂとを有する。従って、アニール処理により酸素イオン領域２０が体積膨張してＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが隆起して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとの間に段差が生じるけれども、その段差は、基板１２上に形成された酸化層３４の厚層部分３４ａと薄層部分３４ｂとの差として吸収される。

アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して薄膜化したマスク酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層３４を除去する（図２（ｋ））。すると、埋込み酸化膜１３が体積膨張して基板１２の表面に形成された段差は、酸化層３４の厚層部分３４ａ及び薄層部分３４ｂを除去することにより殆ど或いは全く無くなり、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとの段差を０〜３０ｎｍにすることができる。このＳＯＩ基板を用いることにより、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。

＜第１の実施の形態＞
図３には本発明の第１の実施の形態を示す。図３において図１と同一符号は同一部品を示す。
この第１の実施の形態では、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、マスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程と、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜４２を形成する工程とを更に含む。具体的には、酸素イオン１６を注入した（図３（ｅ））後に、マスク酸化膜１９を薄膜化する。即ち、後述するアニール時にＳＯＩ領域となる基板表面１２ａに形成される酸化膜３４ａとバルク領域となる基板表面１２ｂに新たに形成される酸化膜３４ｂの厚さの差（酸化膜３４ａの厚さ−酸化膜３４ｂの厚さ）が、後述する埋込み酸化膜１３の厚さの０．７〜１．３倍、好ましくは０．９〜１．１倍になるようにマスク酸化膜１９を薄膜化する。そしてこの第１の実施の形態では、図３（ｆ）及び（ｇ）に示すように、基板１２の表面のマスク酸化膜１９を薄膜化して薄いマスク酸化膜１９を形成する場合を示し、マスク酸化膜１９を異方性エッチングすることによりそのマスク酸化膜１９を薄膜化する。上記マスク酸化膜１９の異方性エッチングは、マスク酸化膜１９の形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａにレジスト層４３を形成した（図３（ｆ））後に行われる。レジスト層４３の形成は、レジスト層１７と同一の手順により行われる。

具体的に説明すると、マスク酸化膜１９が部分的に形成された基板１２の表面全体にフォトリソグラフィによりレジスト層４３を形成し、このレジスト層４３を図示しないフォトマスクを用いて露光し、現像及びリンスを経て、マスク酸化膜１９上に形成されたレジスト層４３を除去し、マスク酸化膜１９が形成されていないＳＯＩ領域となる基板表面１２ａにレジスト層４３を残存させる。この状態でレジスト層４３をマスクにして基板１２の表面に対して垂直に異方性エッチングを行い、マスク酸化膜１９を薄膜化する。異方性エッチングはこの第１の実施の形態では反応性イオンエッチングである。ここで、薄膜化したマスク酸化膜１９の厚さを埋込み酸化膜１３の厚さの０．７〜１．３倍の範囲に限定した理由は第２の参考の形態と同一の理由に基づく。マスク酸化膜１９を薄膜化した後、硫酸過水等によりレジスト層３３を除去し（図３（ｇ））、洗浄する。なお、この第１の実施の形態では、マスク酸化膜を薄膜化する手段として異方性エッチングを用いたが、上記薄膜化手段として、ウエットエッチング等の等方性エッチングを用いてもよい。

次にＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと薄膜化したマスク酸化膜１９の上面及び側面とに、窒化ケイ素からなるバッファ膜３２を形成する。このバッファ膜３２の厚さは５〜５００ｎｍ、好ましくは２０〜２００ｎｍである。バッファ膜３２の厚さを５〜５００ｎｍの範囲に限定したのは、上記第２の参考の形態と同一の理由に基づく。なお、バッファ膜を窒化ケイ素ではなく、ポリシリコン又はαシリコン等により形成してもよい。この状態でレジスト層４６を形成する。このレジスト層４６の形成は、バッファ膜４２が形成された基板１２の表面全体にフォトリソグラフィによりレジスト層を形成し、このレジスト層をフォトマスクを用いて露光し、現像及びリンスを経て、薄膜化したマスク酸化膜１９上に形成されたレジスト層と、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの中央部分に形成されたレジスト層４３とを除去し、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域上にのみレジスト層４６を残存させる。上記境界領域の所定幅は、０．１〜５μｍ、好ましくは０．２〜１μｍに設定される。ここで、レジスト層４６を残存させる境界領域の幅を０．１〜５μｍの範囲に限定したのは、０．１μｍ未満ではアニール時に境界領域から酸素が侵入するのを防止できず、５μｍを越えるとデバイス設計上デッドスペースが増えるからである。図３（ｉ）に示すように、このレジスト層４６をマスクにして基板１２の表面に対して垂直に異方性エッチングを行い、薄膜化したマスク酸化膜１９上面のバッファ膜４２と、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの中央部分のバッファ膜４２とを除去する。異方性エッチングはこの第１の実施の形態では反応性イオンエッチングである。なお、異方性エッチングではなく、ウエットエッチング等の等方性エッチングにより、薄膜化したマスク酸化膜上面のバッファ膜と、ＳＯＩ領域となる基板表面の中央部分のバッファ膜とを除去してもよい。これにより、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちの境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面とがバッファ膜４２により被覆される（図３（ｊ））。

この状態で基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を、第１の参考の形態と同様に行う（図３（ｋ））。このアニール処理により、基板１２内の酸素イオン１６が注入された酸素イオン領域２０の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜１３を形成する際に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが上記酸素イオン領域２０の体積膨張のうち酸素イオン領域２０の厚さ方向の膨らみにより隆起して、図４（ｋ）に示すように、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとに段差が生じる。

一方、アニール処理は基板１２を炉の内部に水平に配置することにより行われるため、基板１２の表面は酸化して酸化層４４が形成される。この酸化層４４の形成は、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成されていない基板表面１２ａ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されたＳＯＩ領域となる基板表面１２ａで速く進行し、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成された基板表面１２ｂ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されていないバルク領域となる基板表面１２ｂで遅く進行する。この結果、埋込み酸化膜１３が形成された状態でその酸化層４４は、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの厚層部分４４ａと、バルク領域となる基板表面１２ｂの薄層部分４４ｂとを有する。従って、アニール処理により酸素イオン領域２０が体積膨張してＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが隆起して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとの間に段差が生じるけれども、その段差は、基板１２上に形成された酸化層４４の厚層部分４４ａと薄層部分４４ｂとの差として吸収される。またＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜４２により被覆せずに露出した状態でアニール処理すると、埋込み酸化膜１３の周囲部分にその上下面から酸素が供給されるとともにその周囲からも酸素が供給されるため、酸素が上下方向からのみ供給される中央部分と比較して、埋込み酸化膜１３の周囲部分は酸素の供給量が多くなり、アニール処理時に中央部分より酸化が進んで、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の周囲部分は中央部分より厚さが増大し、その周囲部分が基板表面１２ａに露出するおそれがある。しかし、この第１の実施の形態では、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面がバッファ膜４２により被覆されているため、この境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜１３の周囲が基板１２の表面に露出するのを確実に防止できる。

アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２を熱リン酸やフッ酸等のエッチング液に浸漬してバッファ膜４２を除去し、更に上記基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して薄膜化したマスク酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層４４を除去する（図３（ｍ））。すると、埋込み酸化膜１３が膨張して基板１２の表面に形成された段差は、酸化層４４の厚層部分４４ａとともに除去され、酸化層４４の薄層部分４４ｂが除去される際に、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとの段差を０〜３０ｎｍにすることができる。このＳＯＩ基板４１を用いることにより、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。

＜第２の実施の形態＞
図４には本発明の第２の実施の形態を示す。図４において図１と同一符号は同一部品を示す。
この第２の実施の形態では、酸素イオン１６を注入する工程とアニール処理する工程との間に、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域とマスク酸化膜１９の側面とにバッファ膜５２を形成する工程と、マスク酸化膜１９を所定の厚さにエッチングする工程とを更に含む。具体的には、酸素イオン１６を注入した（図４（ｅ））後に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとマスク酸化膜１９の上面及び側面とに、窒化ケイ素からなるバッファ膜５２を形成する。このバッファ膜５２の厚さは５〜５００ｎｍ、好ましくは２０〜２００ｎｍである。バッファ膜５２の厚さを５〜５００ｎｍの範囲に限定したのは、上記第２の参考の形態と同一の理由に基づく。なお、バッファ膜を窒化ケイ素ではなく、ポリシリコン又はαシリコン等により形成してもよい。この状態でレジスト層５３を形成する。このレジスト層５３の形成は、バッファ膜５２が形成された基板１２の表面全体にフォトリソグラフィによりレジスト層を形成し、このレジスト層をフォトマスクを用いて露光し、現像及びリンスを経て、マスク酸化膜１９上に形成されたレジスト層と、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの中央部分に形成されたレジスト層４３とを除去し、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちマスク酸化膜１９の側面に接する所定幅の境界領域上にのみレジスト層５３を残存させる。上記境界領域の所定幅は、０．１〜５μｍ、好ましくは０．２〜１μｍに設定される。ここで、レジスト層５３を残存させる境界領域の幅を０．１〜５μｍの範囲に限定したのは、第１の実施の形態のレジスト層を残存させる境界領域の幅と同一の理由に基づく。図４（ｇ）に示すように、このレジスト層５３をマスクにして基板１２の表面に対して垂直に異方性エッチングを行い、マスク酸化膜１９上面のバッファ膜５２と、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの中央部分のバッファ膜５２とを除去する。異方性エッチングはこの第２の実施の形態では反応性イオンエッチングである。なお、異方性エッチングではなく、ウエットエッチング等の等方性エッチングにより、マスク酸化膜上面のバッファ膜と、ＳＯＩ領域となる基板表面の中央部分のバッファ膜とを除去してもよい。これにより、ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面１２ａのうちの境界領域とマスク酸化膜１９の側面とがバッファ膜５２により被覆される（図４（ｈ））。

この状態でマスク酸化膜１９を薄膜化する。具体的には、厚さが後述する埋込み酸化膜１３の厚さの０．７〜１．３倍、好ましくは０．９〜１．１倍にマスク酸化膜１９を薄膜化する。そしてこの第２の実施の形態では、図４（ｈ）及び（ｉ）に示すように、基板１２の表面のマスク酸化膜１９を薄膜化して薄いマスク酸化膜１９を形成する場合を示し、マスク酸化膜１９をウエットエッチング（等方性エッチング）することによりそのマスク酸化膜１９を薄膜化する。具体的には、基板１２をフッ酸水溶液に浸漬して、マスク酸化膜１９を薄膜化する。このとき、マスク酸化膜１９の側面がバッファ膜５２により被覆されているため、マスク酸化膜１９の側面のエッチングを抑制できる。マスク酸化膜１９を薄膜化した後、洗浄する。なお、この第２の実施の形態では、マスク酸化膜を薄膜化する手段としてウエットエッチング（等方性エッチング）を用いたが、上記薄膜化手段として、反応性エッチング等の異方性エッチングを用いてもよい。

この状態で基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を、第１の参考の形態と同様に行う（図４（ｊ））。このアニール処理により、基板１２内の酸素イオン１６が注入された酸素イオン領域２０の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜３を形成する際に、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのみが上記酸素イオン領域２０の体積膨張のうち酸素イオン領域２０の厚さ方向の膨らみにより隆起して、図４（ｊ）に示すように、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとに段差が生じる。

一方、アニール処理は基板１２を炉の内部に水平に配置することにより行われるため、基板１２の表面は酸化して酸化層５４が形成される。この酸化層５４の形成は、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成されていない基板表面１２ａ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されたＳＯＩ領域となる基板表面１２ａで速く進行し、薄膜化したマスク酸化膜１９が形成された基板表面１２ｂ、即ち埋込み酸化膜１３が形成されていないバルク領域となる基板表面１２ｂで遅く進行する。この結果、埋込み酸化膜１３が形成された状態でその酸化層５４は、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａの厚層部分５４ａと、バルク領域となる基板表面１２ｂの薄層部分５４ｂとを有する。従って、アニール処理により酸素イオン領域２０が体積膨張してＳＯＩ領域となる基板表面１２ａが隆起して、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａとバルク領域となる基板表面１２ｂとの間に段差が生じるけれども、その段差は、基板１２上に形成された酸化層５４の厚層部分５４ａと薄層部分５４ｂとの差として吸収される。またＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜５２により被覆せずに露出した状態でアニール処理すると、埋込み酸化膜１３の周囲部分にその上下面から酸素が供給されるとともにその周囲からも酸素が供給されるため、酸素が上下方向からのみ供給される中央部分と比較して、埋込み酸化膜１３の周囲部分は酸素の供給量が多くなり、アニール処理時に中央部分より酸化が進んで、アニール処理後の埋込み酸化膜１３の周囲部分は中央部分より厚さが増大し、その周囲部分が基板表面１２ａに露出するおそれがある。しかし、この第２の実施の形態では、ＳＯＩ領域となる基板表面１２ａのうち薄膜化したマスク酸化膜１９の側面に接する境界領域と薄膜化したマスク酸化膜１９の側面をバッファ膜５２により被覆されているため、またマスク酸化膜１９の薄膜化に、レジスト層を用いず異方性エッチングより容易な等方性エッチングを用いても、マスク酸化膜１９の側面がエッチングされていないため、上記境界領域から酸素が侵入するのを阻止できる。この結果、埋込み酸化膜１３の周囲が基板１２の表面に露出するのを確実に防止できる。

アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２を熱リン酸やフッ酸等のエッチング液に浸漬してバッファ膜５２を除去し、更に上記基板１２をフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して薄膜化したマスク酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層５４を除去する（図４（ｋ））。すると、埋込み酸化膜１３が膨張して基板１２の表面に形成された段差は、酸化層５４の厚層部分５４ａとともに除去され、酸化層５４の薄層部分５４ｂが除去される際に、埋込み酸化膜１３を形成したＳＯＩ領域となる基板表面１２ａと、埋込み酸化膜１３を形成していないバルク領域となる基板表面１２ｂとの段差を０〜３０ｎｍにすることができる。このＳＯＩ基板を用いることにより、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。

第１参考形態のＳＯＩ基板を製造する方法を工程順に示す断面図である。第２参考形態を示す図１に対応する断面図である。本発明の第１実施形態を示す図１に対応する断面図である。本発明の第２実施形態を示す図１に対応する断面図である。従来例を示す図１に対応する断面図である。

符号の説明

１１，３１，４１，５１ＳＯＩ基板
１２シリコン基板
１２ａＳＯＩ領域となる基板表面
１２ｂバルク領域となる基板表面
１２ｃ凹部
１３埋込み酸化膜
１６酸素イオン
１９マスク酸化膜
２１熱酸化膜
３２，４２，５２バッファ膜

Claims

シリコン基板(12)の表面に部分的にマスク酸化膜(19)を形成する工程と、前記マスク酸化膜(19)を介して前記基板(12)の表面に酸素イオン(16)を注入する工程と、前記基板(12)をアニール処理して前記基板(12)の内部に埋込み酸化膜(13)を形成する工程とを含むＳＯＩ基板を製造する方法において、
前記酸素イオン(16)を注入する工程と前記アニール処理する工程との間に、前記マスク酸化膜(19)を所定の厚さにエッチングする工程と、
前記マスク酸化膜(19)を所定の厚さにエッチングする工程の後に前記ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面(12a)のうち前記マスク酸化膜(19)の側面に接する所定幅の境界領域と前記マスク酸化膜(19)の側面とにバッファ膜(42)を形成する工程と
を更に含むことを特徴とするＳＯＩ基板を製造する方法。
シリコン基板(12)の表面に部分的にマスク酸化膜(19)を形成する工程と、前記マスク酸化膜(19)を介して前記基板(12)の表面に酸素イオン(16)を注入する工程と、前記基板(12)をアニール処理して前記基板(12)の内部に埋込み酸化膜(13)を形成する工程とを含むＳＯＩ基板を製造する方法において、
前記酸素イオン(16)を注入する工程と前記アニール処理する工程との間に、前記ＳＯＩ領域となるシリコン基板表面(12a)のうち前記マスク酸化膜(19)の側面に接する所定幅の境界領域と前記マスク酸化膜(19)の側面とにバッファ膜(52)を形成する工程と、
前記バッファ膜(52)を形成する工程の後に前記マスク酸化膜(19)を所定の厚さにエッチングする工程と
を更に含むことを特徴とするＳＯＩ基板を製造する方法。
バッファ膜(32,42,52)を窒化ケイ素、ポリシリコン又はαシリコンのいずれかにより形成する請求項１又は２記載のＳＯＩ基板を製造する方法。