JP6812992B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は絶縁膜上に形成された半導体層を有する、ＳＯＩウェーハの製造方法に関するものである。

絶縁層上にシリコン層等の半導体層を有する基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハとして知られている。ＳＯＩウェーハの製造方法として幾つかの方法が知られている。

特許文献１には、ＳＩＭＯＸウェーハ（ＳＩＭＯＸ法で作製されたＳＯＩウェーハ）に形成する埋め込み酸化膜（ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層）を厚膜化し、埋め込み酸化膜のピンホールを低減し、又は、埋め込み酸化膜とその上のシリコン単結晶層との界面の平坦度を向上させる方法が開示されている。この方法は、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入した後に、不活性ガス雰囲気中でアニール処理することにより埋め込み酸化膜を形成し、その埋め込み酸化膜により表面の単結晶シリコン層を絶縁分離する。この方法では、アニール処理によって埋め込み酸化膜の厚さが酸素イオン注入量により計算される理論的な膜厚になった後に、基板に高温酸素雰囲気中で酸化処理を施す。アニール処理後の高温酸化では、濃度１％を超える酸素を供給し、１１５０℃以上かつ単結晶シリコン基板の融点温度未満の温度で該基板に酸化処理を施して、埋め込み酸化膜の上に更に酸化膜を形成する。これにより埋め込み酸化膜が厚膜化し、元の埋め込み酸化膜のピンホールが補修され、埋め込み酸化膜の界面の凹凸も平坦化される。この高温酸化処理は、ＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）と呼ばれる。

しかしながら、この方法はイオン注入により酸素を注入する方法を採用しており、注入酸素の飛程近傍に注入酸素により生成した点欠陥が存在する。これの影響により、ＩＴＯＸ処理を行っても、完全な酸化膜とはならずに、ピンホールが生成されたり、また酸化膜が完全に形成されずに、酸化膜中にシリコンが残留するシリコン島が形成されることで、ＢＯＸ層が完全な絶縁膜として機能することができないという問題を抱えている。

特許文献２には、多孔質体の上に非多孔質半導体層を有する基板を準備する準備工程と、上記基板に酸化処理を施すことにより、上記多孔質体の少なくとも一部を酸化させて埋め込み酸化膜に変化させる酸化工程を経て作製される、ＳＯＩウェーハが記載されている。具体的には、ＨＦ溶液中にシリコン基板を浸漬し、陽極酸化を行うことで、多孔質シリコン、いわゆるポーラスシリコン層を形成する。この上に、シリコンエピ成長を行った後に、酸化処理を行うことで、ポーラス層を酸化し、ＢＯＸ酸化膜とすることで、ＳＯＩウェーハとする方法である。

この方法は、多孔質層の上に、シリコンエピ成長を行う必要があり、無欠陥層を形成することが困難である。また、ポーラスシリコンを形成する際に、ＨＦ溶液中で処理を行う必要があるが、陽極側をシリコン基板として、陰極材の準備が必要であるが、ＨＦに対して耐性があり、かつ電気分解に強い材料となると、白金以外の材料を選択することができず、装置の作製上非常に困難を伴う。

特許文献３には、貼り合わせ法が開示されている。具体的には、表面酸化膜のない表面活性シリコン層側単結晶シリコン基板と、厚さ１００ｎｍ以下の表面酸化膜を有するベース側単結晶シリコン基板とを貼り合わせ、アニールにより貼り合わせを完了する。次に、表面活性シリコン層側単結晶シリコン基板の表面を研磨し、厚さ１．０μｍ程度の活性層を形成する。次に、このようにして得られるＳＯＩウェーハを、１％を超えるＯ２ガス雰囲気中において１１５０℃以上かつ基板の融点未満の温度で数時間酸化処理することで埋め込み酸化膜を成長させ、表面活性シリコン層と埋め込み酸化膜との界面を貼り合わせ面から移動形成することを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法である。

また、貼り合わせ法の他の製法として、軽元素である水素イオンをイオン注入して酸化膜付きのシリコンウエーハと貼り合わせたのちに、５００℃前後の低温で熱処理して、水素イオン注入層で剥離を行いＳＯＩ構造とする、いわゆるＳｕｍａｒｔＣｕｔ（登録商標）法もある。現在のＳＯＩウェーハは、これらの貼り合わせを用いた手法にて作製されるものが主流であるが、作製方法から分かるように、２枚の基板から１枚の基板を作製することで、コストがかかってしまうという問題がある。

特開平７−２６３５３８号 特開２００５−２２９０６２号 特開平８−２２２７１５号

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、１枚のシリコンウェーハから、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層に欠陥をできるだけ含まないＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明では、単結晶シリコン基板にＢＯＸ層及びＳＯＩ層が形成された構造を含むＳＯＩウェーハの製造方法であって、単結晶シリコン基板にレーザー照射を行い、前記単結晶シリコン基板の内部の一部の領域をポリシリコン化させることによって、ポリシリコン層を形成する工程、前記レーザー照射を行った前記単結晶シリコン基板を酸化性雰囲気下で酸化熱処理をすることで、前記単結晶シリコン基板の表面及び前記ポリシリコン層を酸化して、表面酸化膜及びＢＯＸ層を形成する工程、及び前記表面酸化膜を除去する工程、を含むＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。

この方法によれば、１枚の単結晶シリコン基板からＳＯＩウェーハを作製することが可能となる。またイオン注入を使用しないことから、イオン注入欠陥の影響も排除することが可能である。

この場合、前記レーザーの焦点位置を調整することにより前記ＳＯＩ層の厚さを調整することができる。

また、前記レーザーの焦点深度を変化させて前記ポリシリコン層の厚さを調整することによって、前記ＢＯＸ層の厚さを調整することができる。

このような方法とすることで、製造条件の設定がしやすく、またＳＯＩ層やＢＯＸ層の厚さ精度が高いＳＯＩウェーハの製造方法となる。

以上説明したように、本発明により、１枚のシリコン基板から、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層に欠陥をできるだけ含まない高品質のＳＯＩウェーハを簡便に作製することが可能となる。

本発明のＳＯＩウェーハの製造方法のフローの一例をウェーハの概略図とともに示した図である。 実施例における、ポリシリコン層が形成された単結晶シリコン基板の断面ＳＥＭ像である。 実施例における、ＳＯＩウェーハの断面ＳＥＭ像である。

上述のように、１枚のシリコンウェーハから、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層に欠陥をできるだけ含まないＳＯＩウェーハの製造方法の開発が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、単結晶シリコン基板にレーザー処理を施し、基板内部にポリシリコン層を形成し、これを酸化してＢＯＸ層を形成することにより、ＳＯＩウェーハを製造できるとともに、このようにして製造されたＳＯＩウェーハであれば、１枚のウェーハから作製され安価であり、かつ、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層に欠陥を含まないＳＯＩウェーハとなることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、単結晶シリコン基板にＢＯＸ層及びＳＯＩ層が形成された構造を含むＳＯＩウェーハの製造方法であって、単結晶シリコン基板にレーザー照射を行い、前記単結晶シリコン基板の内部の一部の領域をポリシリコン化させることによって、ポリシリコン層を形成する工程、前記レーザー照射を行った前記単結晶シリコン基板を酸化性雰囲気下で酸化熱処理をすることで、前記単結晶シリコン基板の表面及び前記ポリシリコン層を酸化して、表面酸化膜及びＢＯＸ層を形成する工程、及び前記表面酸化膜を除去する工程、を含むＳＯＩウェーハの製造方法である。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法の概略フローを示す。まず、単結晶シリコン基板１を準備する（図１（Ａ））。単結晶シリコン基板１の表面には、予め表面保護のため薄い酸化膜を形成していてもよい。単結晶シリコン基板１にレーザー照射を行い、基板の内部の一部の領域をポリシリコン化し、ポリシリコン層２を形成する（図１（Ｂ））。次に、レーザー照射した単結晶シリコン基板１´に、酸化性雰囲気下で酸化熱処理を行い、単結晶シリコン基板１´の表面及びポリシリコン層２を酸化して、表面酸化膜３、ＢＯＸ層４を形成するとともに、ＳＯＩ層５もあわせて形成される（図１（Ｃ））。酸化熱処理の後、ＳＯＩウェーハ６´の表面酸化膜３を除去することにより、ＳＯＩウェーハ６を製造することができる（図１（Ｄ））。

ここで、ポリシリコン層は空隙を多く含むために、単結晶シリコンの層よりも酸化速度が速い。このため、酸化熱処理において、酸化性雰囲気下に直接露出している単結晶シリコン基板の表面部分だけではなく、基板内部のポリシリコン層においても酸化反応が進む。一方、単結晶シリコン基板表面とポリシリコン層の間の領域は酸化性雰囲気下に直接さらされておらず、かつ、酸化反応も遅いため、酸化熱処理を行った後も、単結晶シリコンの状態を保っている。したがって、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法では、ＳＯＩ層を形成することができる。

また、準備する単結晶シリコン基板には、デバイス製造プロセスでドーパントイオンをイオン注入する際のスクリーン酸化と同様に、単結晶シリコン基板の表面に薄い酸化膜を形成しておくことで、単結晶シリコン基板への汚染を低減することが可能である。

レーザー照射は、単結晶シリコン基板を室温にして行ってもよいし、例えば、４００℃程度に加熱した状態で行ってもよい。この際、温度を高くし過ぎなければ、ポリ粒径（ポリシリコン層内の多結晶の粒径）が大きくなりすぎて、次の工程（酸化熱処理）で十分な酸化速度が得られなくなるようなこともない。このため、レーザー照射時の温度は８００℃以下とすることが好ましい。

レーザー照射は、ＹＡＧレーザーのような高出力レーザーでは、所定の深さ位置だけではなく、それ以外の半導体ウェーハ部分にも熱エネルギーが伝達する可能性がある。そのために、低出力レーザーである、例えば、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザを用いることがより好ましい。

この場合、前記レーザーの焦点位置を調整することにより前記ＳＯＩ層の厚さを調整することができる。

また、前記レーザーの焦点深度を変化させて前記ポリシリコン層の厚さを調整することによって、前記ＢＯＸ層の厚さを調整することができる。

またこのレーザー照射時の焦点位置と焦点深度でＳＯＩ層厚が決まるが、この際、酸化熱処理で表面側も酸化されることを予め考慮し、狙いのＳＯＩ厚さよりも深く（厚くＳＯＩ層が形成されるように）設定することが好ましい。

このような方法とすることで、非常に製造条件の設定がしやすく、また精度よくＢＯＸ層やＳＯＩ層を形成できるので、高品質のＳＯＩウェーハの製造方法となる。

レーザー照射後に、酸化熱処理を行う。この酸化熱処理は、レーザー照射で生成したポリシリコン層を十分に酸化しきる時間行うことができ、所要時間はポリシリコン層の厚さに依存する。酸化熱処理の際、最初に形成した薄い酸化膜（スクリーン酸化膜）は、スクリーン酸化膜としての機能を考えれば、酸化膜表面に汚染がある可能性があるので、あらかじめ除去しておくことが好ましい。さらに、酸化温度であるが、レーザー照射時に４００℃付近で加熱した場合、また加熱を積極的に行っていない場合でも、シリコン基板内部に存在する酸素原子が酸素ドナーを形成し、局所的、ないしはウェーハ全体の抵抗率が変化している可能性がある。このドナー消去も考慮して、酸化温度は８００℃以上の高温を使用することが好ましい。

酸化熱処理が完了したら、最後に表面に形成された酸化膜（表面酸化膜）を除去することで、ＳＯＩウェーハの製造工程が終了する。

このようにして作製されたＳＯＩウェーハは、１枚のウェーハから作製されることから安価であり、本ＳＯＩウェーハを用いて製造された半導体装置も安価で供給されることが期待される。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例］
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞の単結晶シリコン基板を準備した。まずこれをＰｙｒｏ雰囲気下、９００℃・１０分の酸化処理を行い、表面に２０ｎｍの薄い酸化膜を形成した。次にチタンサファイアレーザーを用い、ビーム波長を１０８０ｎｍとして、ビーム径を約２μｍ、パルス幅を１ｎｓｅｃ、１パルスのエネルギーを１００ｍＪとしてレーザー照射処理を行い、深さ２μｍに約２００ｎｍのポリ層（ポリシリコン層）を形成した（図２）。その後、Ｐｙｒｏ雰囲気下、１１００℃の酸化熱処理でポリ層を約４５０ｎｍの酸化膜に変化させた。その際、ウェーハ表面には約１０００ｎｍの表面酸化膜が形成されたので、最後にバッファードフッ酸で表面酸化膜を除去してＳＯＩウェーハとした（図３）。

その後、ＳＯＩウェーハ上に直径５ｍｍのＡｕ電極を形成し、１００点の素子について、ＢＯＸ耐圧を測定したところ、平均で３５０Ｖの破壊電圧を示し、最小破壊電圧は３２５Ｖと比較例での測定結果と比べて良好であり、欠陥の少ないＢＯＸ層が形成されていることが分かる。

［比較例］
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞の単結晶シリコン基板を準備した。この基板に酸素のイオン注入を行い、１３５０℃で４時間アニールして作製したＳＩＭＯＸウェーハに、直径５ｍｍのＡｕ電極を形成し、１００点の素子について、ＢＯＸ耐圧を測定したところ、平均で３１５Ｖの破壊電圧を示し、最小破壊電圧は１９５ＶとＢＯＸ膜欠陥に起因する不良が観察された。

以上のように、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法であれば、１枚のシリコンウェーハから、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層に欠陥をできるだけ含まないＳＯＩウェーハを高品質、低コストで製造できることが明らかになった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１、１´…単結晶シリコン基板、 ２…ポリシリコン層、 ３…表面酸化膜、
４…ＢＯＸ層、 ５…ＳＯＩ層、 ６、６´…ＳＯＩウェーハ。

Claims (3)

1. 単結晶シリコン基板にＢＯＸ層及びＳＯＩ層が形成された構造を含むＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   単結晶シリコン基板にレーザー照射を行い、前記単結晶シリコン基板の内部の一部の領域をポリシリコン化させることによって、ポリシリコン層を形成する工程、
   前記レーザー照射を行った前記単結晶シリコン基板を酸化性雰囲気下で酸化熱処理をすることで、前記単結晶シリコン基板の表面及び前記ポリシリコン層を酸化して、表面酸化膜及びＢＯＸ層を形成する工程、及び
   前記表面酸化膜を除去する工程、
   を含むことを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 前記レーザーの焦点位置を調整することにより前記ＳＯＩ層の厚さを調整することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 前記レーザーの焦点深度を変化させて前記ポリシリコン層の厚さを調整することによって、前記ＢＯＸ層の厚さを調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。