JPH0479372A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、Ｓ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　１ｎｓ
ｕｌａｔｏｒ）型半導体基板の性能向上を意図した半導
体基板の製造方法に関する。

Ｂ、従来の技術 ＳＯＩは絶縁物上に半導体膜、特にＳｉ膜を設けた基板
構造を指し、このＳＯＩ型半導体基板の製造方法として
、Ｓ　Ｉ　Ｍ　ＯＸ　（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙｉ
ｍｐｌａｎｔｅｄ　ｏｘｙｇｅｎ　）と呼ばれる方法が
ある。これはＳｉ基板の所定深さ領域に酸素をイオン注
入し、その領域にＳｉ０２層を形成させる技術であり、
イオン注入を用いるため、制御性と再現性に優れている
。歴史的には、１９６６年にＷＡＴＡＮＡＢＥらがイオ
ン注入によるＳｉ酸化膜の形成を次に示す文献１に発表
し、１９７８年にＩＺＵＭＩらがこれを利用することに
より、注入酸素による絶縁分離法としてＳＩＭＯＸ法を
文献２に発表して以来、多くの研究が行われている。

「文献Ｉ　Ｊ　　：　Ｍ、Ｗａｔａｎａｂｅ、ａｎｄ　
Ａ、ＴＯＯｉ　：　”Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉ
ｎ２ｆｉ１ｍｓ　ｂｙ　ｏｘｙｇｅｎ−ｉｏｎ　ｂｏｌ
Ｉｂａｒｄ−ｍｅｎｔ”、　Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐ
ｈｙｓ、、ｖｏｌ、５．ｐｐ、７３７−７３８（１「文
献２　ｊ　Ｋ、Ｉｚｕｍｉ、Ｍ、Ｄｏｋｅｎ、ａｎｄ　
）１．Ａｒ１ｙｏｓｈｉ：ＣＪ、Ｏ，Ｓ、ＤＥＶＩＣＥ
Ｓ　ＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ　ＯＮ　ＢＵＲＩＥＤ　Ｓｉ
ｎ□ＬＡＹＥＲ５ＦＯＲＭＥＤ　　ＢＹ　　０ＸＹＧＥ
Ｎ　　ＩＭＰＬＡＮＴＡ丁ＩＯＮ　　ＩＮＴＯ５ＩＬＩ
ＣＯＮ、”、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、、　１４．
１８．ｐ、５９３（１９７８）　。

ＳＩＭＯＸによる基板製造方法を第２図（ａ）〜（ｄ）
を用いて説明する。

第２回（ａ）の工程 まず、シリコン基板１に酸素イオン（Ｏ“）を高濃度（
例えば、１０１８個／Ｃｍ２以上）にイオン注入する。

このとき、イオン注入された酸素原子２はｘ印で表され
、その分布は第２図（ｂ）に示すようにガウス分布とな
る。

第２図（Ｃ）の工程 次いで、このシリコン基板１を高温処理すると、第２図
（ｄ）に示すように酸素原子２の分布が狭く高密度にな
り、酸素原子２は基板１の構成原子であるシリコンと化
合し、酸化シリコン膜を形成する。この結果、第２図（
ｃ）に示すように埋め込み型酸化膜３とシリコン単結晶
薄膜４が形成され、ＳＯＩ型半導体基板が形成されるこ
とになる。

ここで、特に高温熱処理後の酸素原子分布に注目すると
、次に示す文献３から引用した第３図に示すように酸素
イオン注入量により酸素原子分布が変化し、注入量の多
い方が分布のテイルがシャープになっている。

［文献３　Ｊ　Ｓ、Ｍａｅｙａｍａ、ａｎｄ　Ｋ、Ｋａ
ｊｉｙａｍａ：　５ｕｒｆａｃｅＳｉｌｉｃｏｎ　Ｃｒ
ｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ　ａｎｄ　Ａｎｏｍａｌｏｕｓ
　Ｃｏｍｐ−ｏｓｉｔｉｏｎ　Ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｏｆ
　Ｂｕｒｉｅｄ　５ｉｎ２ａｎｄ　Ｓｉ、、Ｎ４Ｌａｙ
ｅｒｓ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　Ｏｘｙｇｅｎ　
ａｎｄ　ＮｉｔｏｒｏｇｅｎＩｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
　ｉｎ　５ｉｌｉｃｏｎ　”、　Ｊｐｎ、　Ｊ、Ａｐｐ
ｌ。

Ｐｈｙｓ、、ｖｏｌ、２１．Ｐｐ、７４４−７５１（１
９８２）これは、酸素自身がある濃度以上となるとその
周辺から酸素を集める効果が生じることに起因する。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような従来の半導体基板の製造方法
にあっては、酸素イオンの注入量によって酸素原子分布
のテイルのシャープさが決まる構成となっていたため、
次のような問題点があった。

すなわち、さらにテイルをシャープにし、表面単結晶半
導体膜中の酸素原子濃度を下げようとする場合、酸素原
子の注入量を極端に大きくする必要があり、その結果、
注入後に表面領域に残存する酸素量が多くなって結果的
に熱処理後の残存量も多くなってしまう。したがって、
結晶の欠陥が多くなる可能性がある。

また、ＳＩＭＯＸ法においては、酸素原子分布のシャー
プなテイルを得るためには、以下の文献４に示すように
１２００″Ｃ以上の熱処理温度が必要である。したがっ
て、イオン注入された酸素のピーク付近で酸素の集中お
よび析出が始まると同時に、酸素濃度のより少ない部分
においてもある確率をもって酸素析出が起こるため、完
全なる単結晶層を得るために充分でない。すなわち、単
結晶の品質が低下する。

加えて、１２００°Ｃ以上の熱処理は、プロセスとして
困難であり、熱処理炉に極端な償却コストがかかり、結
果として製造コストが上昇する。

さらに、イオン注入時間も極端に増大し、その結果、イ
オン注入装置も同様に償却コストがかかって半導体基板
の製造コストが大幅に上昇する。

「文献４」吉野　明、笠間　邦彦、浜野　部室、小林　
敬三：　　ｒｓＩＭＯＸ構造における酸素原子の再配列
過程に対する熱処理温度の効果」、第３４回応用物理学
関係連合講演会予稿集、ｐ本発明の目的は、イオン注入
量の減少と熱処理温度の低温化を図り、高品質の表面単
結晶を持つＳＯＩ型半導体基板を低コストで製造するこ
とにある。

００課題を解決するための手段 本発明は、半導体基板の一部または全部に該基板の構成
原子と化合して絶縁物を形成する第１の不純物を添加す
る工程と、電気的に不活性な第２の不純物を絶縁層形成
領域にドープする工程と、基板を熱処理して第２の不純
物がドープされた絶縁層形成領域で該基板の構成原子と
第１の不純物を化合させ、表面に単結晶の半導体層を残
して絶縁層形成領域に埋め込み型の絶縁膜を形成する工
程とを含むものである。

８０作用 半導体基板に予め該基板の構成原子と化合して絶縁物を
形成する不純物（例えば、酸素）を添加しておき、ゲッ
タリング作用のある不純物（例えば、炭素）をイオン注
入し、その後、熱処理してＳＯＩ構造の基板が製造され
る。

したがって、イオン注入量が少なくて済み、結晶欠陥が
少なくなる。また、熱処理温度がＳＩＭＯＸ法より低く
なり、結局、単結晶層の酸素析出が抑えられ、コストも
低下する。その結果、高品質の表面単結晶を持つＳＯＩ
型半導体基板を低コストで製造できる。

Ｆ、実施例 第１図（ａ）〜（ｆ）により本発明の一実施例を説明す
る。

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明による半導体基板製造方
法のプロセスを示す図である。以下、順を追って説明す
る。

第１図（ａ）の工程 まず、シリコン基板１１にシリコン原子と化合して絶縁
膜を作る不純物、例えば酸素原子１２を２　Ｘ　１０ｉ
ｓｃ　ｍ−３程度添加する。例えば、シリコンインゴッ
トの引上げ時にドープする方法により第１図（ｂ）に示
すような酸素濃度と深さの関係が得られる。

第１図（ｃ）の工程 次いで、シリコン基板１１に電気的に不活性でかつ酸素
原子の移動をアシストする効果のある不純物、例えば炭
素原子１３を２　Ｘ　１０１Ｇｃ　ｍ−”程度イオン注
入する。このとき、炭素原子１３の注入深さはＳＯ工膜
が完成したときの絶縁膜の深さと同程度にしておく。例
えば、１００ｋｅｖでイオン注入すると、炭素原子１３
の分布は第１図（ｄ）に示すような分布となる。

第１図（ｅ）の工程 最後に、１０００°Ｃ程度の熱処理を行うことにより、
酸素原子１２の移動および酸素原子１２とシリコン原子
の化合を行わせ、埋め込み型酸化膜１４およびシリコン
単結晶薄膜１５を形成してＳＯＩ型半導体基板が完成す
る。このとき、埋め込み型酸化膜１４の分布は第１図（
ｆ）に示すようになる。

この発明に係るＳＯＩ型半導体基板製造方法では、第１
図（ｄ）に示すようにガウス分布状にイオン注入された
炭素原子１３によって、従来のＳＩＭＯＸ法に比べて低
コストで結晶欠陥が少なく、かつシャープなテイルのＳ
　ｉ　０２層を有するＳ○工基板を得るものであるが、
以下にそのメカニズムを考案する。

注入された炭素イオンはゲッタリングのもとになるゲッ
タリングセンタとして有効であると考えられる。炭素イ
オン注入領域へ引き寄せられた酸素原子１２は容易に結
晶シリコン原子と結合し、酸化シリコンとして析出する
。そして、これに引き寄せられてさらに未析出の酸素原
子１２が移動してくる。この反応により炭素イオン注入
領域に埋め込み型酸化膜１４が形成されることになる。

本発明においては、テイル領域の酸素原子１２は速やか
にゲッタリングセンタのある部分に移動するため、酸素
原子分布のテイル領域のシャープさが改善されると同時
しこ、表面単結晶半導体層内の銀や銅などの望ましくな
い不純物もゲッタリングされて極めて良質の結晶層を得
ることができる。

また、本発明においては、ゲッタリングセンタとなる炭
素のイオン注入量は、以下に示す文献５に示されている
ように、２　ｘｌ　０１Ｇ　Ｃｍ−２程度であり、従来
のＳＩＭＯＸ法による酸素イオンの注入量に比べて少な
くてすむ。その結果、表面単結晶半導体層内の結晶欠陥
を低く抑えることができ、イオン注入装置にかかる償却
費用を少なくすることができる。したがって、低コスト
に半導体基板を製造することができる。さらに、そのイ
オン注入条件によって埋め込み型酸化膜１４の深さや厚
みを限定することも可能である。

また、炭素イオン注入後の熱処理は、文献５に記載され
ているように、１０００”　Ｃ程度でよく、従来のＳＩ
ＭＯＸ法に比べ低温化を可能とすることができる。その
結果、表面単結晶半導体層内の酸素析出を抑えることが
でき、プロセスとしても容易で安価となる。

さらに、本実施例しこおいて、炭素イオン注入後の熱処
理は１段階しか示さなかったが、熱処理温度を２段階以
上とると、次に示す効果がある。

すなわち、例えば最初１０００’Ｃ程度で熱処理を行う
と、炭素原子等の第２の不純物のゲッタリング効果によ
って酸素原子の集中、析出が起こると同時に、表面単結
晶半導体層となるべき領域の僅かな銀や銅などの望まし
くない不純物は第２の不純物をドープした部分へ集めら
れる。続いて、１１００°Ｃ程度の温度において熱処理
を行うことによって、より完全な表面シリコン層の結晶
化と酸素の集中による完全なる絶縁膜層の形成が行われ
ることになる。ここでは、１ｏｏｏ′ｃ、１１００”Ｃ
の温度の例を述べたが、従来イントリンシックゲッタリ
ングと呼ばれる方法として知られる段階的な温度処理を
併用することによってより効果を増すことができる。

また、本実施例において、熱処理する前に炭素イオン注
入領域に酸素をイオン注入すると、埋め込み絶縁層領域
の酸素濃度が高められ、熱処理によって、より完全なる
絶縁膜層の形成が行われることになり、効果を増すこと
ができる。

以上、本発明による製造方法で得られたＳ○工半導体基
板を用いると、従来のＳＩＭＯＸ法によるＳ○■半導体
基板を用いた場合に比べ、不良品率を約５０％削減する
ことができた。

なお、本実施例におけるシリコン基板に添加する酸素濃
度、炭素のイオン注入条件および炭素のイオン注入後の
熱処理条件は一例に過ぎず、これ以外のこの付近の条件
であれば相応の効果がある。

また、シリコンと化合してＭｍ物となる不純物として酸
素原子を用いたが、窒素あるいは炭素に置き換えるか、
もしくは酸素と窒素の両方であってもよい。

さらに、ゲッタリングセンタとなる不純物として炭素原
子を用いたが、以下の文献６および特開昭６０−３１２
３１号公報に示されているように。

この不純物は炭素に限らず、窒素、酸素、シリコン、ゲ
ルマニウム、スズ、アルゴン、キセノン、クリプトンお
よびネオンのうちのいずれかの１種または複数であって
もよい。

「文献５　Ｊ　：　Ｈ，！ｊｏｎｇ、　Ｎ、ｌｉ、Ｃｈ
ｅｕｎｇ、Ｐ、に、Ｃｈｕ、Ｊ、Ｌｉｕ。

ａｎｄ　　Ｊ、Ｗ、Ｍａｙｅｒ：　　Ｐｒｏｘｉｍｉｔ
ｙ　　ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ　　ｗｉｔｈｍｅｇａ−ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ−ｖｏｌｔ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｏｘ
ｙｇｅｎ　　１ｌＩｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ　”、Ａｐ
ｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、５２．ｐｐ、＋
０２「文献６　Ｊ　：　ＨＪｏｎｇ、　ａｎｄ　Ｎ、Ｗ
、Ｃｈｅｕｎｇ：　Ｇｅｔｔｅｒｉ−ｎｇ　ｏｆ　ｇｏ
ｌｄ　ａｎｄ　ｃｏｐｐｅｒ　ｔｉｉｔｈ　ｉｍｐｌａ
ｎｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｉｎ　５ｉｌｉｃｏｎ　”、
Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、５２．ｐｐ
。

Ｇ１発明の効果 本発明によれば、イオン注入後の熱処理温度を従来より
低くすることができ、また、さらにテイルをシャープに
したり、表面シリコン単結晶薄膜中の酸素原子濃度を下
げて結晶欠陥の発生を抑止したりする必要のある場合で
あっても、イオン注入量を極端に大きくする必要がなく
、その結果、結晶欠陥の非常に少ない表面単結晶薄膜を
持つ半導体基板を低コストに製造することができるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明に係る半導体基板の製造
方法の一実施例を説明する図、第２図（ａ）〜（ｄ）は
従来の半導体基板の製造プロセスを説明する図、第３図
は従来の半導体基板の製造方法における酸素原子分布の
酸素イオン注入量依存性を示す図である。 １１：シリコン基板　１２：酸素原子 １３：炭素原子　　　１４：埋め込み型酸化膜１５：シ
リコン単結晶薄膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板の一部または全部に該基板の構成原子と化合
   して絶縁物を形成する第１の不純物を添加する工程と、 電気的に不活性な第２の不純物を絶縁層形成領域にドー
   プする工程と、 前記基板を熱処理して前記第２の不純物がドープされた
   前記絶縁層形成領域で該基板の構成原子と第１の不純物
   を化合させ、表面に単結晶の半導体層を残して前記絶縁
   層形成領域に埋め込み型の絶縁膜を形成する工程とを含
   むことを特徴とする半導体基板の製造方法。