JPH04249323A - シリコン基板中に埋込絶縁膜を形成する方法 - Google Patents
シリコン基板中に埋込絶縁膜を形成する方法Info
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- JPH04249323A JPH04249323A JP1458091A JP1458091A JPH04249323A JP H04249323 A JPH04249323 A JP H04249323A JP 1458091 A JP1458091 A JP 1458091A JP 1458091 A JP1458091 A JP 1458091A JP H04249323 A JPH04249323 A JP H04249323A
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Landscapes
- Local Oxidation Of Silicon (AREA)
- Element Separation (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、一般に、シリコン基
板中に埋込絶縁膜を形成する方法に関するものであり、
より特定的には、埋込絶縁膜とこの埋込絶縁膜の上に存
在するシリコン層との界面が平坦化されるように改良さ
れた方法に関する。
板中に埋込絶縁膜を形成する方法に関するものであり、
より特定的には、埋込絶縁膜とこの埋込絶縁膜の上に存
在するシリコン層との界面が平坦化されるように改良さ
れた方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】埋込絶縁膜を有するシリコン基板は、将
来のＶＬＳＩの基板として注目されている。
来のＶＬＳＩの基板として注目されている。
【０００３】図２の左側の図は、酸素イオン注入のドー
ズ量を関数として示した、埋込酸化膜の展開図であり、
その結晶状態を模式的に示したものである。図２の右側
の図は、１２５０℃以上の温度で、アニールを行なった
ときの、酸素分布の様子を示した図である。
ズ量を関数として示した、埋込酸化膜の展開図であり、
その結晶状態を模式的に示したものである。図２の右側
の図は、１２５０℃以上の温度で、アニールを行なった
ときの、酸素分布の様子を示した図である。
【０００４】図２の左側の図を参照して、酸素が化学量
論的濃度の４．４×１０２２／ｃｍ３ を超えると、酸
素は分布の裾野に向かって急に拡散していき、シリコン
を酸化して、ＳｉＯ２ を形成する。さらに図２の右側
の図を参照して、高温のアニールを加えると、Ｓｉ層１
ａ，２中の酸素はＳｉＯ２ 層３側へ拡散して析出し、
ＳｉＯ２ 層３は厚みを増すとともに、Ｓｉ層１ａ，２
中から、微小なＳｉＯ２ 析出物は姿を消す。結果とし
て、Ｓｉ層１ａ，２／ＳｉＯ２ 層３界面は、急峻にな
る。
論的濃度の４．４×１０２２／ｃｍ３ を超えると、酸
素は分布の裾野に向かって急に拡散していき、シリコン
を酸化して、ＳｉＯ２ を形成する。さらに図２の右側
の図を参照して、高温のアニールを加えると、Ｓｉ層１
ａ，２中の酸素はＳｉＯ２ 層３側へ拡散して析出し、
ＳｉＯ２ 層３は厚みを増すとともに、Ｓｉ層１ａ，２
中から、微小なＳｉＯ２ 析出物は姿を消す。結果とし
て、Ｓｉ層１ａ，２／ＳｉＯ２ 層３界面は、急峻にな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｓｉ層
２中には、残留酸素および注入欠陥に起因する貫通転移
が、アニール中に多数発生し、アニール後も、この貫通
転移が残留し、結晶品質に影響を与えている。
２中には、残留酸素および注入欠陥に起因する貫通転移
が、アニール中に多数発生し、アニール後も、この貫通
転移が残留し、結晶品質に影響を与えている。
【０００６】図３は、酸素注入量と転移密度との関係お
よび酸素注入量と埋込酸化膜の厚みとの関係を示した図
である。図３から明らかなように、貫通転移の発生状況
は注入電圧を固定すれば、注入量によく対応しており、
注入量を減じるほど、貫通転移の発生量は減る傾向にあ
る。このことを利用して、マルチ注入（多段注入）が既
に、開発され、報告されている。図４を参照して、たと
えば、２００ＫｅＶで、０．７〜１×１０１８／ｃｍ２
程度の酸素イオンをシリコン基板１の表面に注入する
。その後、アニールして、欠陥の回復とＳｉＯ２ 層３
の析出を図った後、さらに、同電圧で同じレベルのイオ
ン注入とアニールを繰り返し、欠陥の少ない、Ｓｉ層２
を上層に有する埋込ＳｉＯ２ 構造を形成する。このマ
ルチ注入法では、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面が非常
に急峻で、Ｓｉ層２内の転移密度も１０３ ／ｃｍ２
以下の極めて良質の、埋込絶縁層を有するシリコン基板
が得られる。
よび酸素注入量と埋込酸化膜の厚みとの関係を示した図
である。図３から明らかなように、貫通転移の発生状況
は注入電圧を固定すれば、注入量によく対応しており、
注入量を減じるほど、貫通転移の発生量は減る傾向にあ
る。このことを利用して、マルチ注入（多段注入）が既
に、開発され、報告されている。図４を参照して、たと
えば、２００ＫｅＶで、０．７〜１×１０１８／ｃｍ２
程度の酸素イオンをシリコン基板１の表面に注入する
。その後、アニールして、欠陥の回復とＳｉＯ２ 層３
の析出を図った後、さらに、同電圧で同じレベルのイオ
ン注入とアニールを繰り返し、欠陥の少ない、Ｓｉ層２
を上層に有する埋込ＳｉＯ２ 構造を形成する。このマ
ルチ注入法では、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面が非常
に急峻で、Ｓｉ層２内の転移密度も１０３ ／ｃｍ２
以下の極めて良質の、埋込絶縁層を有するシリコン基板
が得られる。
【０００７】しかしながら、このマルチ注入法において
も、図４に示すように、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面
が滑らかに波打ち、上層のＳｉ層２の厚さが不均一にな
るという問題点が残されていた。このＳｉ層２の厚みの
不均一性は、この層にＭＯＳデバイスを形成した場合、
特性のばらつきの原因となり、回路動作のマージンにも
制限を与えることになり、問題であった。
も、図４に示すように、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面
が滑らかに波打ち、上層のＳｉ層２の厚さが不均一にな
るという問題点が残されていた。このＳｉ層２の厚みの
不均一性は、この層にＭＯＳデバイスを形成した場合、
特性のばらつきの原因となり、回路動作のマージンにも
制限を与えることになり、問題であった。
【０００８】すなわち、薄膜ＳＯＩ／ＭＯＳトランジス
タの場合、完全に空乏化したモードでは、次式に示すし
きい値電圧ＶＡ において、Ｑｂが膜厚に応じて変化し
、この膜厚変化が、ＶＡ のばらつきに寄与するのであ
る。
タの場合、完全に空乏化したモードでは、次式に示すし
きい値電圧ＶＡ において、Ｑｂが膜厚に応じて変化し
、この膜厚変化が、ＶＡ のばらつきに寄与するのであ
る。
【０００９】
【数１】
【００１０】次に、上記のマルチ注入法において、どう
して、Ｓｉ層２の厚みが不均一になるのかを、図を参照
しながら、さらに詳細に説明する。
して、Ｓｉ層２の厚みが不均一になるのかを、図を参照
しながら、さらに詳細に説明する。
【００１１】図５（ａ）を参照して、シリコン基板１に
、初段のイオン注入を行なう。この初段のイオン注入直
後には、注入領域１０内では、ピーク位置においても、
酸素濃度はＳｉＯ２ の正規組成に満たないので、Ｓｉ
Ｏ２は形成されない。しかし、図５（ｂ）を参照して、
１３００℃以下の熱処理時には、欠陥などを核として、
ＳｉＯ２ の析出（図中、１１はＳｉＯ２ 析出物を表
わす）が促進される。このＳｉＯ２ 析出物１１の析出
核は、必ずしも、注入酸素のピーク位置に存在するので
はなく、注入時の欠陥の多い表面側に多く存在する。
、初段のイオン注入を行なう。この初段のイオン注入直
後には、注入領域１０内では、ピーク位置においても、
酸素濃度はＳｉＯ２ の正規組成に満たないので、Ｓｉ
Ｏ２は形成されない。しかし、図５（ｂ）を参照して、
１３００℃以下の熱処理時には、欠陥などを核として、
ＳｉＯ２ の析出（図中、１１はＳｉＯ２ 析出物を表
わす）が促進される。このＳｉＯ２ 析出物１１の析出
核は、必ずしも、注入酸素のピーク位置に存在するので
はなく、注入時の欠陥の多い表面側に多く存在する。
【００１２】続いて、図５（ｃ）を参照して、１３２５
℃で２時間アニールすると、大きな析出核同士がつなが
り、連続的なＳｉＯ２ 層３が形成される。このとき、
酸素の不足は、ＳｉＯ２ 層中に、多数のＳｉ島１２を
取込むことで、解消される。しかし、ＳｉＯ２ 層３は
連続的ではあっても、元の析出核の中心位置が異なるの
で、表面のＳｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面は、大き
な析出核の包絡線のようにうねることになる。
℃で２時間アニールすると、大きな析出核同士がつなが
り、連続的なＳｉＯ２ 層３が形成される。このとき、
酸素の不足は、ＳｉＯ２ 層中に、多数のＳｉ島１２を
取込むことで、解消される。しかし、ＳｉＯ２ 層３は
連続的ではあっても、元の析出核の中心位置が異なるの
で、表面のＳｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面は、大き
な析出核の包絡線のようにうねることになる。
【００１３】図５（ｄ）を参照して、次段のイオン注入
を行なう。このイオン注入においては、欠陥を増加させ
ない程度に注入量が抑制される。したがって、イオン注
入された酸素は、Ｓｉ島１２を酸化するためにのみ消費
され、Ｓｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面の凹凸を修正
するには至らない。その結果、このマルチ注入法におい
ては、Ｓｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面が平坦化され
ないのである。
を行なう。このイオン注入においては、欠陥を増加させ
ない程度に注入量が抑制される。したがって、イオン注
入された酸素は、Ｓｉ島１２を酸化するためにのみ消費
され、Ｓｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面の凹凸を修正
するには至らない。その結果、このマルチ注入法におい
ては、Ｓｉ層２とＳｉＯ２ 層３との界面が平坦化され
ないのである。
【００１４】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、ＳｉＯ２ 層とＳｉ層との界
面が平坦化されるように改良された、シリコン基板中に
埋込絶縁膜を形成する方法を提供することにある。
るためになされたもので、ＳｉＯ２ 層とＳｉ層との界
面が平坦化されるように改良された、シリコン基板中に
埋込絶縁膜を形成する方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明は、シリコン基
板中に、埋込絶縁膜を形成する方法に係るものである。 まず、シリコン基板の主表面に、該シリコン基板の主表
面から下方の位置で最大値となるような酸素濃度分布を
与える第１の高エネルギで、第１の酸素イオンを注入す
る。上記第１の酸素イオンが注入された上記シリコン基
板を熱処理し、上記シリコン基板中にＳｉＯ２ 層を形
成する。シリコン基板の主表面に、上記ＳｉＯ２ 層と
、該ＳｉＯ２層の上に存在するＳｉ層との、界面付近で
最大値となるような酸素濃度分布を与える第２の高エネ
ルギで、第２の酸素イオンを注入する。上記第２の酸素
イオンが注入された上記シリコン基板を熱処理する。
板中に、埋込絶縁膜を形成する方法に係るものである。 まず、シリコン基板の主表面に、該シリコン基板の主表
面から下方の位置で最大値となるような酸素濃度分布を
与える第１の高エネルギで、第１の酸素イオンを注入す
る。上記第１の酸素イオンが注入された上記シリコン基
板を熱処理し、上記シリコン基板中にＳｉＯ２ 層を形
成する。シリコン基板の主表面に、上記ＳｉＯ２ 層と
、該ＳｉＯ２層の上に存在するＳｉ層との、界面付近で
最大値となるような酸素濃度分布を与える第２の高エネ
ルギで、第２の酸素イオンを注入する。上記第２の酸素
イオンが注入された上記シリコン基板を熱処理する。
【００１６】この発明の好ましい実施態様によれば、上
記第１の酸素イオンの上記最大値は、ＳｉＯ２ の正規
組成に達しない濃度以下になるように設定される。また
、上記第２の酸素イオンの上記最大値濃度は、ＳｉＯ２
の正規組成に達しない濃度以下になるように設定され
る。
記第１の酸素イオンの上記最大値は、ＳｉＯ２ の正規
組成に達しない濃度以下になるように設定される。また
、上記第２の酸素イオンの上記最大値濃度は、ＳｉＯ２
の正規組成に達しない濃度以下になるように設定され
る。
【００１７】また、上記第１の高エネルギＥ１ と上記
第２の高エネルギＥ２ は、以下の関係を有するのが好
ましい。
第２の高エネルギＥ２ は、以下の関係を有するのが好
ましい。
【００１８】
【数２】
【００１９】
【作用】この発明によれば、イオン注入の電圧を変化さ
せて、酸素イオンの注入を少なくとも２回行なうので、
平坦なＳｉ／ＳｉＯ２ 界面が得られる。
せて、酸素イオンの注入を少なくとも２回行なうので、
平坦なＳｉ／ＳｉＯ２ 界面が得られる。
【００２０】
【実施例】以下、この発明の一実施例を、図について説
明する。
明する。
【００２１】図１は、この発明の一実施例の工程を、断
面図で示したものである。図１（ａ）を参照して、第１
段目の酸素イオン注入を、たとえば、２００ＫｅＶで１
×１０１８／ｃｍ２ ，５５０〜６５０℃の基板加熱状
態で行なう。このイオン注入量では、酸素はシリコン基
板１表面からおよそ４５００Åをピークに分布する（図
中、１０は酸素注入領域を表わしている）が、正規組成
には至らず、ＳｉＯ２ は形成されない。なお、正規組
成を得るには、１．３５×１０１８／ｃｍ２ 程度必要
である。
面図で示したものである。図１（ａ）を参照して、第１
段目の酸素イオン注入を、たとえば、２００ＫｅＶで１
×１０１８／ｃｍ２ ，５５０〜６５０℃の基板加熱状
態で行なう。このイオン注入量では、酸素はシリコン基
板１表面からおよそ４５００Åをピークに分布する（図
中、１０は酸素注入領域を表わしている）が、正規組成
には至らず、ＳｉＯ２ は形成されない。なお、正規組
成を得るには、１．３５×１０１８／ｃｍ２ 程度必要
である。
【００２２】図１（ｂ）を参照して、シリコン基板１を
１３２５℃、Ａｒ／Ｏ２ 雰囲気で、２時間アニールす
ると、シリコン基板１中にＳｉＯ２層３が形成される。 このとき、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面は揺らいでお
り、またＳｉＯ２ 層３の中には、Ｓｉ島１２が多数存
在する。なお、Ｓｉ層３とＳｉＯ２ 層３との界面の、
表面からの平均の位置は、およそ３５００Åである。
１３２５℃、Ａｒ／Ｏ２ 雰囲気で、２時間アニールす
ると、シリコン基板１中にＳｉＯ２層３が形成される。 このとき、Ｓｉ層２／ＳｉＯ２ 層３界面は揺らいでお
り、またＳｉＯ２ 層３の中には、Ｓｉ島１２が多数存
在する。なお、Ｓｉ層３とＳｉＯ２ 層３との界面の、
表面からの平均の位置は、およそ３５００Åである。
【００２３】図１（ｃ）を参照して、シリコン基板表面
から３５００Åに、ほぼ分布のピークがくるように、第
２段目の酸素イオン注入の、加速電圧を１５０ＫｅＶに
設定する。注入量は、臨界注入量１．０５×１０１８／
ｃｍ２ に対して、７×１０１７／ｃｍ２ に設定する
。第２回目のイオン注入では、独立の注入量としては、
注入中にＳｉＯ２ を形成できる注入量ではない。しか
し、すでにＳｉＯ２ 層３が形成されている領域に、酸
素イオンを注入するために、注入された酸素は、速やか
にＳｉＯ２ 層３とＳｉ層２との界面へ移動し、その界
面で、Ｓｉと反応し、ＳｉＯ２ を形成する。その結果
、Ｓｉ／ＳｉＯ２ 界面を表面側へ移動させるとともに
、ＳｉＯ２ 内部のＳｉ島１２も酸化して、十分な厚み
のＳｉＯ２ 層３を形成することができる。
から３５００Åに、ほぼ分布のピークがくるように、第
２段目の酸素イオン注入の、加速電圧を１５０ＫｅＶに
設定する。注入量は、臨界注入量１．０５×１０１８／
ｃｍ２ に対して、７×１０１７／ｃｍ２ に設定する
。第２回目のイオン注入では、独立の注入量としては、
注入中にＳｉＯ２ を形成できる注入量ではない。しか
し、すでにＳｉＯ２ 層３が形成されている領域に、酸
素イオンを注入するために、注入された酸素は、速やか
にＳｉＯ２ 層３とＳｉ層２との界面へ移動し、その界
面で、Ｓｉと反応し、ＳｉＯ２ を形成する。その結果
、Ｓｉ／ＳｉＯ２ 界面を表面側へ移動させるとともに
、ＳｉＯ２ 内部のＳｉ島１２も酸化して、十分な厚み
のＳｉＯ２ 層３を形成することができる。
【００２４】図１（ｄ）を参照して、１３２５℃，２時
間のアニールによって、表面Ｓｉ層２中の酸素も、Ｓｉ
Ｏ２ 層３側へ移動し、界面でＳｉＯ２ として析出す
るとともに、表面積を最小にして安定化するべく、Ｓｉ
／ＳｉＯ２ 界面の凹凸が消え、平坦化される。
間のアニールによって、表面Ｓｉ層２中の酸素も、Ｓｉ
Ｏ２ 層３側へ移動し、界面でＳｉＯ２ として析出す
るとともに、表面積を最小にして安定化するべく、Ｓｉ
／ＳｉＯ２ 界面の凹凸が消え、平坦化される。
【００２５】なお、上記実施例では、第１回目の酸素イ
オンの注入電圧を２００ＫｅＶとし、第２回目の注入電
圧を１５０ＫｅＶとした場合を例示したが、この発明は
これに限られるものでなく、次の関係式を有する注入電
圧を選ぶことにより、適切な処理が行なえる。なお、式
中において、Ｅ１ は第１回目の加速電圧、Ｅ２ は第
２回目の加速電圧である。
オンの注入電圧を２００ＫｅＶとし、第２回目の注入電
圧を１５０ＫｅＶとした場合を例示したが、この発明は
これに限られるものでなく、次の関係式を有する注入電
圧を選ぶことにより、適切な処理が行なえる。なお、式
中において、Ｅ１ は第１回目の加速電圧、Ｅ２ は第
２回目の加速電圧である。
【００２６】
【数３】
【００２７】酸素イオンの注入量は、それぞれ、次の式
を満足するものが好ましい。
を満足するものが好ましい。
【００２８】
【数４】
【００２９】熱処理については１３００℃以上の温度で
行なうのが好ましい。雰囲気は、アルゴンと酸素の混合
気体を用いる。
行なうのが好ましい。雰囲気は、アルゴンと酸素の混合
気体を用いる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したとおり、この発明によれば
、イオン注入の電圧を変化させて、酸素イオンの注入を
少なくとも２回行なうので、平坦なＳｉ／ＳｉＯ２ 界
面が得られる。また、膜厚の均一な表面Ｓｉ層が形成さ
れるので、完全空乏型のＳＯＩ／ＭＯＳＦＥＴの特性の
均一性が向上し、安定した回路動作マージンが得られる
という効果を奏する。
、イオン注入の電圧を変化させて、酸素イオンの注入を
少なくとも２回行なうので、平坦なＳｉ／ＳｉＯ２ 界
面が得られる。また、膜厚の均一な表面Ｓｉ層が形成さ
れるので、完全空乏型のＳＯＩ／ＭＯＳＦＥＴの特性の
均一性が向上し、安定した回路動作マージンが得られる
という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の工程を断面図で表わしたも
のである。
のである。
【図２】酸素イオン注入時の結晶状態を示す図である。
【図３】表面Ｓｉ層の転位密度および埋込酸化膜の厚み
の、酸素注入量依存性を示した図である。
の、酸素注入量依存性を示した図である。
【図４】従来のマルチ注入法により埋込酸化膜を形成し
た、シリコン基板の断面図である。
た、シリコン基板の断面図である。
【図５】従来のマルチ注入法によって、シリコン基板中
に埋込酸化膜を形成する方法の工程を、断面図で示した
ものである。
に埋込酸化膜を形成する方法の工程を、断面図で示した
ものである。
１ シリコン基板
２ Ｓｉ層
３ ＳｉＯ２ 層
１０ 酸素注入領域
Claims (1)
- 【請求項１】 シリコン基板の主表面に、該シリコン
基板の主表面から下方の位置で最大値となるような酸素
濃度分布を与える第１の高エネルギで、第１の酸素イオ
ンを注入する工程と、前記第１の酸素イオンが注入され
た前記シリコン基板を熱処理し、それによって前記シリ
コン基板中にＳｉＯ２ 層を形成する工程と、前記シリ
コン基板の主表面に、前記ＳｉＯ２ 層と、該ＳｉＯ２
層の上に存在するＳｉ層との、界面付近で最大値とな
るような酸素濃度分布を与える第２の高エネルギで、第
２の酸素イオンを注入する工程と、前記第２の酸素イオ
ンが注入された前記シリコン基板を熱処理する工程と、
を備えた、シリコン基板中に埋込絶縁膜を形成する方法
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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1991
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