JPH07201975A - 半導体基板の製造方法および製造装置 - Google Patents
半導体基板の製造方法および製造装置Info
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- JPH07201975A JPH07201975A JP5337894A JP33789493A JPH07201975A JP H07201975 A JPH07201975 A JP H07201975A JP 5337894 A JP5337894 A JP 5337894A JP 33789493 A JP33789493 A JP 33789493A JP H07201975 A JPH07201975 A JP H07201975A
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、シリコン基板に酸素イオンを注入
することにより厚さ９０ｎｍ以上の連続した埋め込み酸
化膜と転位の数が１０3 個／ｃｍ2 未満の単結晶シリコ
ン層からなる高品質なＳＯＩ型半導体基板を製造する方
法を提供する。 【構成】 一連の酸素イオン注入の逐一の平均注入深さ
と注入イオン量を連続的あるいは段階的に変え、酸素原
子濃度分布が深さ方向には１つの極大値を有せしめ、一
定深さ面内では均一にし、酸素原子濃度の最大値を好ま
しくは２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×
１０22原子／ｃｍ3 以上とし、全酸素イオン注入量を得
たい埋め込み酸化膜の厚さに４．４８×１０22をかけた
量にし、さらに、埋め込み酸化膜形成のために１３００
℃以上の温度の熱処理を酸素イオン注入が終了した後に
行うことにより高品質なＳＯＩ半導体基板が製造でき
る。
することにより厚さ９０ｎｍ以上の連続した埋め込み酸
化膜と転位の数が１０3 個／ｃｍ2 未満の単結晶シリコ
ン層からなる高品質なＳＯＩ型半導体基板を製造する方
法を提供する。 【構成】 一連の酸素イオン注入の逐一の平均注入深さ
と注入イオン量を連続的あるいは段階的に変え、酸素原
子濃度分布が深さ方向には１つの極大値を有せしめ、一
定深さ面内では均一にし、酸素原子濃度の最大値を好ま
しくは２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×
１０22原子／ｃｍ3 以上とし、全酸素イオン注入量を得
たい埋め込み酸化膜の厚さに４．４８×１０22をかけた
量にし、さらに、埋め込み酸化膜形成のために１３００
℃以上の温度の熱処理を酸素イオン注入が終了した後に
行うことにより高品質なＳＯＩ半導体基板が製造でき
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン基板に酸素イ
オンを注入してシリコンオンインシュレータ（以下、Ｓ
ＯＩと記す）型の半導体基板を製造する方法に関するも
のである。
オンを注入してシリコンオンインシュレータ（以下、Ｓ
ＯＩと記す）型の半導体基板を製造する方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】半導体基板の内部にイオン注入により絶
縁層を形成せしめることは特公昭４９−３９２３３号公
報に開示された良く知られた技術である。従来、単結晶
シリコン基板に酸素イオンを注入することにより基板内
部に絶縁物であるシリコン酸化膜（以下、「埋め込み酸
化膜」と呼ぶ。）を形成すると同時に、埋め込み酸化膜
上に基板表面全面にわたって均一な厚さを有する単結晶
シリコン層を形成する方法として以下に記載した方法が
ある。
縁層を形成せしめることは特公昭４９−３９２３３号公
報に開示された良く知られた技術である。従来、単結晶
シリコン基板に酸素イオンを注入することにより基板内
部に絶縁物であるシリコン酸化膜（以下、「埋め込み酸
化膜」と呼ぶ。）を形成すると同時に、埋め込み酸化膜
上に基板表面全面にわたって均一な厚さを有する単結晶
シリコン層を形成する方法として以下に記載した方法が
ある。
【０００３】特公昭６２−１２６５８号公報には、２０
０℃以上の温度に保った単結晶シリコン基板内部に酸素
を均一な絶縁層中の酸素濃度（４．５×１０22個／ｃｍ
3 ）の１．５倍以上の濃度となるようにイオン注入する
ことにより、埋め込み酸化膜と表面の単結晶シリコン層
との界面を急峻とする方法が開示されている。しかし、
この方法には、表面の単結晶シリコン層中の転位が１０
5 個／ｃｍ2 以上となる欠点がある。
０℃以上の温度に保った単結晶シリコン基板内部に酸素
を均一な絶縁層中の酸素濃度（４．５×１０22個／ｃｍ
3 ）の１．５倍以上の濃度となるようにイオン注入する
ことにより、埋め込み酸化膜と表面の単結晶シリコン層
との界面を急峻とする方法が開示されている。しかし、
この方法には、表面の単結晶シリコン層中の転位が１０
5 個／ｃｍ2 以上となる欠点がある。
【０００４】特開昭６２−１８８２３９号公報ならびに
米国特許４，６７６，８４１には、シリコン基板に酸素
イオンを、注入エネルギーが１００ないし４００ｋｅＶ
の範囲で、注入量が５×１０17ないし５×１０18イオン
／ｃｍ2 の範囲で注入し、少なくとも１３００℃の温度
で６時間ないし１０分間、窒素雰囲気中で熱処理するこ
とにより、単結晶シリコン層と埋め込み酸化膜との境界
に非化学量論的二酸化シリコンが存在しない鋭い境界を
得る方法が開示されている。しかし、この方法には、表
面の単結晶シリコン層中の転位が１０3 個／ｃｍ2 以上
となったり、また、連続な埋め込み酸化膜ができなかっ
たりするという欠点がある。
米国特許４，６７６，８４１には、シリコン基板に酸素
イオンを、注入エネルギーが１００ないし４００ｋｅＶ
の範囲で、注入量が５×１０17ないし５×１０18イオン
／ｃｍ2 の範囲で注入し、少なくとも１３００℃の温度
で６時間ないし１０分間、窒素雰囲気中で熱処理するこ
とにより、単結晶シリコン層と埋め込み酸化膜との境界
に非化学量論的二酸化シリコンが存在しない鋭い境界を
得る方法が開示されている。しかし、この方法には、表
面の単結晶シリコン層中の転位が１０3 個／ｃｍ2 以上
となったり、また、連続な埋め込み酸化膜ができなかっ
たりするという欠点がある。
【０００５】特開昭６４−１７４４号公報には、多数の
連続する酸素または窒素イオンの注入がシリコン基板
に、同じエネルギーで、１．５×１０18イオン／ｃｍ2
以下の量で行われ、各注入後に８００℃以上、基板の溶
融温度以下の高温度で基板をアニールし、それぞれ酸素
または窒素の埋め込み絶縁膜を形成する方法が開示され
ている。しかしながら、この方法では、表面の単結晶シ
リコン層中の転位が１０5 個／ｃｍ2 以下にはなるが、
１０3 個／ｃｍ2 以下とはならないという欠点がある。
連続する酸素または窒素イオンの注入がシリコン基板
に、同じエネルギーで、１．５×１０18イオン／ｃｍ2
以下の量で行われ、各注入後に８００℃以上、基板の溶
融温度以下の高温度で基板をアニールし、それぞれ酸素
または窒素の埋め込み絶縁膜を形成する方法が開示され
ている。しかしながら、この方法では、表面の単結晶シ
リコン層中の転位が１０5 個／ｃｍ2 以下にはなるが、
１０3 個／ｃｍ2 以下とはならないという欠点がある。
【０００６】特開平２−１９１３５７号公報には、予め
シリコンイオンを酸素イオンの濃度が１０21個／ｃｍ3
となる深さ（２つあるうちの浅い方）に１０18個／ｃｍ
3 以上注入して非晶質化した後に、酸素イオンを注入す
ることにより、酸素イオン注入におけるチャネリングを
防ぐとともに、空孔や過剰酸素を注入シリコンによって
消滅させることによって空孔や過剰酸素によって誘起さ
れる表面シリコン層中の結晶欠陥の発生を防ぐ方法が開
示されている。しかしながら、この方法では、埋め込み
酸化膜の形成反応過程で発生する格子間のシリコン原子
と過剰な注入シリコン原子とによってかえって表面の単
結晶シリコン層中の転位が増加するという欠点がある。
シリコンイオンを酸素イオンの濃度が１０21個／ｃｍ3
となる深さ（２つあるうちの浅い方）に１０18個／ｃｍ
3 以上注入して非晶質化した後に、酸素イオンを注入す
ることにより、酸素イオン注入におけるチャネリングを
防ぐとともに、空孔や過剰酸素を注入シリコンによって
消滅させることによって空孔や過剰酸素によって誘起さ
れる表面シリコン層中の結晶欠陥の発生を防ぐ方法が開
示されている。しかしながら、この方法では、埋め込み
酸化膜の形成反応過程で発生する格子間のシリコン原子
と過剰な注入シリコン原子とによってかえって表面の単
結晶シリコン層中の転位が増加するという欠点がある。
【０００７】特開平３−２４０２３０号公報には、シリ
コン基板に、第１の注入エネルギーで酸素イオンを注入
した後、第１の熱処理、具体的にはＡｒ雰囲気中で、１
３２０℃、６時間の熱処理を施すことにより第１の埋め
込み酸化膜を形成し、引き続き、第１の注入エネルギー
より低い第２の注入エネルギーで第１の注入量より少な
い酸素イオンを注入した後、第１の熱処理と同様の第２
の熱処理を施すことにより第１の埋め込み酸化膜の上に
重ねて第２の埋め込み酸化膜を形成することにより、酸
素イオンの注入量を減らして結晶欠陥の発生を防ぎ、か
つ、所定の膜厚の埋め込み酸化膜の上に薄い表面単結晶
シリコン層を得る方法が開示されている。しかしなが
ら、この方法では、所定の膜厚の埋め込み酸化膜を得る
ための酸素イオン注入量を減らすことはできず、また表
面の単結晶シリコン層中の転位密度も１０3 個／ｃｍ2
以上となる。
コン基板に、第１の注入エネルギーで酸素イオンを注入
した後、第１の熱処理、具体的にはＡｒ雰囲気中で、１
３２０℃、６時間の熱処理を施すことにより第１の埋め
込み酸化膜を形成し、引き続き、第１の注入エネルギー
より低い第２の注入エネルギーで第１の注入量より少な
い酸素イオンを注入した後、第１の熱処理と同様の第２
の熱処理を施すことにより第１の埋め込み酸化膜の上に
重ねて第２の埋め込み酸化膜を形成することにより、酸
素イオンの注入量を減らして結晶欠陥の発生を防ぎ、か
つ、所定の膜厚の埋め込み酸化膜の上に薄い表面単結晶
シリコン層を得る方法が開示されている。しかしなが
ら、この方法では、所定の膜厚の埋め込み酸化膜を得る
ための酸素イオン注入量を減らすことはできず、また表
面の単結晶シリコン層中の転位密度も１０3 個／ｃｍ2
以上となる。
【０００８】特開平４−２４９３２３号公報には、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
の高エネルギーで第１の酸素イオンを注入し、その後該
シリコン基板を熱処理して該シリコン基板中に埋め込み
酸化膜を形成し、次に該シリコン基板の主表面に、該埋
め込み酸化膜とその上に存在する表面シリコン層との界
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
の高エネルギーで第２の酸素イオン注入をし、その後、
該シリコン基板を熱処理することにより、埋め込み酸化
膜と表面の単結晶シリコン層との界面を平坦にする方法
が開示されている。しかしながら、この方法では、表面
の単結晶半導体シリコン層中の転位が１０3 個／ｃｍ2
以上となる欠点がある。
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
の高エネルギーで第１の酸素イオンを注入し、その後該
シリコン基板を熱処理して該シリコン基板中に埋め込み
酸化膜を形成し、次に該シリコン基板の主表面に、該埋
め込み酸化膜とその上に存在する表面シリコン層との界
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
の高エネルギーで第２の酸素イオン注入をし、その後、
該シリコン基板を熱処理することにより、埋め込み酸化
膜と表面の単結晶シリコン層との界面を平坦にする方法
が開示されている。しかしながら、この方法では、表面
の単結晶半導体シリコン層中の転位が１０3 個／ｃｍ2
以上となる欠点がある。
【０００９】特開平４−２６４７２４号公報には、シリ
コン基板に酸素イオンを加速エネルギー１５０ｋｅＶ以
上２００ｋｅＶ以下で注入量０．２５×１０18イオン／
ｃｍ2 以上０．５０×１０18イオン／ｃｍ2 以下または
０．８０×１０18イオン／ｃｍ2 以上１．３０×１０18
イオン／ｃｍ2 以下を注入し、引き続き１３００℃以上
の高温で熱処理することにより、表面の単結晶シリコン
層中の転位が１０3 個／ｃｍ2 以下となる方法が開示さ
れている。しかしながら、Ｊ・Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．、
Ｖｏｌ．８（１９９３）、ｐｐ．５２３−５３４にＳ．
Ｎａｋａｓｈｉｍａらが開示しているように、この方法
には、次に挙げる欠点がある。酸素イオン注入量が０．
３×１０18イオン／ｃｍ2 以下の場合には必ずしも連続
な埋め込み酸化膜が形成されず、かつ、埋め込み酸化膜
上の単結晶シリコン層中に１０3個／ｃｍ2 以上の転位
が発生する。この転位はＳＯＩ構造上に作った半導体デ
バイスの電流リークなどの原因となって、半導体デバイ
スの特性を劣化させる。また、酸素イオン注入量が０．
４×１０18イオン／ｃｍ2 以上１．２×１０18イオン／
ｃｍ2 以下の場合にはシリコン粒を包含した不完全なシ
リコン酸化膜となる。シリコン粒を包含した埋め込み酸
化膜は絶縁破壊耐圧が低く、ＳＯＩ構造の上に作られた
半導体デバイスの特性を劣化させることになる。また、
酸素イオン注入量が１．２×１０18イオン／ｃｍ2 を越
える場合には埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中に
１０3 〜１０9 個／ｃｍ2 の転位が発生する。酸素イオ
ン注入量が０．３×１０18イオン／ｃｍ2 以上０．４×
１０18イオン／ｃｍ2 以下の場合には、埋め込み酸化膜
上の単結晶シリコン層中の転位は１０3 個／ｃｍ2 以下
となり、かつ、シリコン粒が包含されない連続な埋め込
み酸化膜が得られるが、この場合には、埋め込み酸化膜
の厚さがおよそ７０から９０ｎｍに限定されるという欠
点がある。このことに関連して、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．、Ｖｏｌ．７０（１９９１）、ｐｐ．３６０５−３
６１２にＹ．Ｌｉらが連続な埋め込み酸化膜が形成でき
る臨界酸素イオン注入量を酸素イオンの飛程の関数とし
て議論しており、また、Ｍａｅｒ．Ｓｃｉ，Ｅｎｇ．、
Ｂ１２（１９９２）、ｐｐ．４１−４５にＡ．Ｋ．Ｒｏ
ｂｉｎｓｏｎらがシリコン粒を包含しない埋め込み酸化
膜が得られ、かつ転位が少ない単結晶シリコン層が得ら
れる酸素イオン注入量について注入エネルギーが７０ｋ
ｅＶのときは０．３３×１０18イオン／ｃｍ2 であると
開示している。
コン基板に酸素イオンを加速エネルギー１５０ｋｅＶ以
上２００ｋｅＶ以下で注入量０．２５×１０18イオン／
ｃｍ2 以上０．５０×１０18イオン／ｃｍ2 以下または
０．８０×１０18イオン／ｃｍ2 以上１．３０×１０18
イオン／ｃｍ2 以下を注入し、引き続き１３００℃以上
の高温で熱処理することにより、表面の単結晶シリコン
層中の転位が１０3 個／ｃｍ2 以下となる方法が開示さ
れている。しかしながら、Ｊ・Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．、
Ｖｏｌ．８（１９９３）、ｐｐ．５２３−５３４にＳ．
Ｎａｋａｓｈｉｍａらが開示しているように、この方法
には、次に挙げる欠点がある。酸素イオン注入量が０．
３×１０18イオン／ｃｍ2 以下の場合には必ずしも連続
な埋め込み酸化膜が形成されず、かつ、埋め込み酸化膜
上の単結晶シリコン層中に１０3個／ｃｍ2 以上の転位
が発生する。この転位はＳＯＩ構造上に作った半導体デ
バイスの電流リークなどの原因となって、半導体デバイ
スの特性を劣化させる。また、酸素イオン注入量が０．
４×１０18イオン／ｃｍ2 以上１．２×１０18イオン／
ｃｍ2 以下の場合にはシリコン粒を包含した不完全なシ
リコン酸化膜となる。シリコン粒を包含した埋め込み酸
化膜は絶縁破壊耐圧が低く、ＳＯＩ構造の上に作られた
半導体デバイスの特性を劣化させることになる。また、
酸素イオン注入量が１．２×１０18イオン／ｃｍ2 を越
える場合には埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中に
１０3 〜１０9 個／ｃｍ2 の転位が発生する。酸素イオ
ン注入量が０．３×１０18イオン／ｃｍ2 以上０．４×
１０18イオン／ｃｍ2 以下の場合には、埋め込み酸化膜
上の単結晶シリコン層中の転位は１０3 個／ｃｍ2 以下
となり、かつ、シリコン粒が包含されない連続な埋め込
み酸化膜が得られるが、この場合には、埋め込み酸化膜
の厚さがおよそ７０から９０ｎｍに限定されるという欠
点がある。このことに関連して、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．、Ｖｏｌ．７０（１９９１）、ｐｐ．３６０５−３
６１２にＹ．Ｌｉらが連続な埋め込み酸化膜が形成でき
る臨界酸素イオン注入量を酸素イオンの飛程の関数とし
て議論しており、また、Ｍａｅｒ．Ｓｃｉ，Ｅｎｇ．、
Ｂ１２（１９９２）、ｐｐ．４１−４５にＡ．Ｋ．Ｒｏ
ｂｉｎｓｏｎらがシリコン粒を包含しない埋め込み酸化
膜が得られ、かつ転位が少ない単結晶シリコン層が得ら
れる酸素イオン注入量について注入エネルギーが７０ｋ
ｅＶのときは０．３３×１０18イオン／ｃｍ2 であると
開示している。
【００１０】特開平４−７３７号公報には、膜厚が４０
０ｎｍ程度に十分厚い埋め込み酸化膜上に膜厚が８０ｎ
ｍ程度に十分薄いシリコン層を簡単に得る方法として、
シリコン基板上にシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化
膜からなるキャップ膜を形成し、次いで、そのチャップ
膜を介してシリコン基板内部に酸素イオンを注入し、次
いで、熱処理を施すことにより埋め込み酸化膜を形成
し、熱処理の前あるいは後にチャップ膜を除去する方法
が開示されている。しかし、この方法によって、常に連
続で均一な埋め込み酸化膜や転位の少ない単結晶シリコ
ン層が得られる訳ではない。
０ｎｍ程度に十分厚い埋め込み酸化膜上に膜厚が８０ｎ
ｍ程度に十分薄いシリコン層を簡単に得る方法として、
シリコン基板上にシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化
膜からなるキャップ膜を形成し、次いで、そのチャップ
膜を介してシリコン基板内部に酸素イオンを注入し、次
いで、熱処理を施すことにより埋め込み酸化膜を形成
し、熱処理の前あるいは後にチャップ膜を除去する方法
が開示されている。しかし、この方法によって、常に連
続で均一な埋め込み酸化膜や転位の少ない単結晶シリコ
ン層が得られる訳ではない。
【００１１】米国特許５，０８０，７３０には、シリコ
ン基板に酸素あるいは窒素をイオン注入する際に、イオ
ンビームによるシリコン基板に表面の浸食を補償するよ
うに注入エネルギーを低減させることにより、シリコン
基板の同じ位置にイオンが注入されるようにして幅の狭
い埋め込み酸化膜を得る方法と、イオンビームによるシ
リコン基板の表面の浸食を補償するように注入エネルギ
ーを増加させることにより幅の広い埋め込み絶縁膜を得
る方法が開示されている。しかし、この方法によっても
常に連続で均一な任意の厚さの埋め込み絶縁膜と転位の
少ない単結晶シリコン層が得られるわけではない。
ン基板に酸素あるいは窒素をイオン注入する際に、イオ
ンビームによるシリコン基板に表面の浸食を補償するよ
うに注入エネルギーを低減させることにより、シリコン
基板の同じ位置にイオンが注入されるようにして幅の狭
い埋め込み酸化膜を得る方法と、イオンビームによるシ
リコン基板の表面の浸食を補償するように注入エネルギ
ーを増加させることにより幅の広い埋め込み絶縁膜を得
る方法が開示されている。しかし、この方法によっても
常に連続で均一な任意の厚さの埋め込み絶縁膜と転位の
少ない単結晶シリコン層が得られるわけではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、シリコン基板に酸素イオンを注入してＳＯ
Ｉ型の半導体基板を製造する方法において、絶縁物であ
る埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位の数が
１０3 個／ｃｍ2 未満となり、かつ、シリコン粒が包含
されない連続した埋め込み酸化膜が得られる製造方法を
提供することにある。さらに、９０ｎｍ以上の厚さを有
する該埋め込み酸化膜が得られる製造方法を提供するこ
とにある。
する課題は、シリコン基板に酸素イオンを注入してＳＯ
Ｉ型の半導体基板を製造する方法において、絶縁物であ
る埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位の数が
１０3 個／ｃｍ2 未満となり、かつ、シリコン粒が包含
されない連続した埋め込み酸化膜が得られる製造方法を
提供することにある。さらに、９０ｎｍ以上の厚さを有
する該埋め込み酸化膜が得られる製造方法を提供するこ
とにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明が提供する解決手
段を図１Ａ、Ｂ、Ｃと図２Ａ、Ｂで説明する。本発明
は、図１Ａに示すようにシリコン基板１の主表面から酸
素イオンを注入し、その後、熱処理を施すことによって
図１Ｃに示すようにイオン注入により多数の結晶欠陥が
生じた表面のシリコン層２を結晶欠陥の少ない単結晶シ
リコン層２’に変え、また、酸素イオン注入領域３に注
入した酸素原子と基板のシリコン原子とを反応せしめて
連続で均質なシリコン酸化膜すなわち埋め込み酸化膜
３’を形成する際の注入条件などを以下のようにするこ
とを特徴としている。すなわち、 （１）図１Ｂに示すように一連の酸素イオンの注入によ
って得られる酸素原子濃度の深さ方向の分布５が、単一
の極大値を有し、極大値の前後で連続的に減少するよう
に、逐一の酸素イオン注入４の平均注入深さと注入イオ
ン量とを連続的あるいは段階的に変えて注入する。
段を図１Ａ、Ｂ、Ｃと図２Ａ、Ｂで説明する。本発明
は、図１Ａに示すようにシリコン基板１の主表面から酸
素イオンを注入し、その後、熱処理を施すことによって
図１Ｃに示すようにイオン注入により多数の結晶欠陥が
生じた表面のシリコン層２を結晶欠陥の少ない単結晶シ
リコン層２’に変え、また、酸素イオン注入領域３に注
入した酸素原子と基板のシリコン原子とを反応せしめて
連続で均質なシリコン酸化膜すなわち埋め込み酸化膜
３’を形成する際の注入条件などを以下のようにするこ
とを特徴としている。すなわち、 （１）図１Ｂに示すように一連の酸素イオンの注入によ
って得られる酸素原子濃度の深さ方向の分布５が、単一
の極大値を有し、極大値の前後で連続的に減少するよう
に、逐一の酸素イオン注入４の平均注入深さと注入イオ
ン量とを連続的あるいは段階的に変えて注入する。
【００１４】（２）酸素原子濃度分布５の極大値は、こ
れは最大値でもあるが、４．０×１０22原子／ｃｍ3 以
下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上にし、好ましく
は２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０
22原子／ｃｍ3 以上にし、一連の酸素イオン注入の全注
入量（単位はイオン／ｃｍ2 ）は得たい埋め込み酸化膜
の厚さ（単位はｃｍ）に４．４８×１０22をかけた量に
する。
れは最大値でもあるが、４．０×１０22原子／ｃｍ3 以
下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上にし、好ましく
は２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０
22原子／ｃｍ3 以上にし、一連の酸素イオン注入の全注
入量（単位はイオン／ｃｍ2 ）は得たい埋め込み酸化膜
の厚さ（単位はｃｍ）に４．４８×１０22をかけた量に
する。
【００１５】（３）酸素イオンの注入深さを変えること
を、注入エネルギーを変えること、図２Ａに示すように
シリコン基板１の表面６を除去すること、図２Ｂに示す
ようにシリコン基板１の表面に膜７を堆積することによ
って行なう。
を、注入エネルギーを変えること、図２Ａに示すように
シリコン基板１の表面６を除去すること、図２Ｂに示す
ようにシリコン基板１の表面に膜７を堆積することによ
って行なう。
【００１６】（４）一連の酸素イオン注入が終了した後
に化学量論的な埋め込み酸化膜３’と結晶欠陥の少ない
単結晶シリコン層２’を形成するために１３００℃以上
の高温で熱処理を行なう。
に化学量論的な埋め込み酸化膜３’と結晶欠陥の少ない
単結晶シリコン層２’を形成するために１３００℃以上
の高温で熱処理を行なう。
【００１７】
【作用】シリコン基板に酸素イオンを注入することによ
り基板表面全面にわたって均一な厚さを有する単結晶シ
リコン層を絶縁物である埋め込み酸化膜上に形成する方
法において、埋め込み酸化膜上の半導体シリコン層中の
転位の密度と酸素イオンの注入量との関係をＳ．Ｎａｋ
ａｓｈｉｍａらがＪ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．、Ｖｏｌ．
８（１９９３）、ｐｐ．５２３−５３４に報告してい
る。本発明者が埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中
の転位の発生について具に調べた結果、単結晶シリコン
層中の転位の数は必ずしも酸素イオンの注入量に依存し
ているのではなく、本質的にはシリコン基板内に注入さ
れた酸素原子の最大濃度に依存することが明かとなっ
た。シリコン基板中に酸素イオンの注入を続けていく
と、シリコン基板中の酸素原子濃度が増加し、酸素原子
濃度が４．０×１０22原子／ｃｍ3を越えると、図４Ｂ
に示すようにＳｉＯ2 相にシリコンがミクロに混合した
非化学量論的なシリコン酸化膜２２の形成が認められ、
さらに酸素原子濃度が４．４８×１０22原子／ｃｍ3 に
達すると化学量論的なシリコン酸化膜が形成される。シ
リコン基板中に非化学量論的シリコン酸化膜２２が形成
された後にさらに酸素イオンを注入すると熱処理後の埋
め込み酸化膜３’上の単結晶シリコン層２’中の転位２
３の密度が急速に増加することが明かになったのであ
る。転位の増加は、化学量論的なシリコン酸化膜の形成
後の酸素イオン注入によっても同様に認められる。図４
Ａにシリコン基板内部の注入した酸素原子濃度の最大値
と転位密度との関係を示した。酸素原子濃度が４．０×
１０22原子／ｃｍ3 以下の場合、すなわち、酸素イオン
注入中に非化学量論的シリコン酸化膜の形成も認められ
ない場合には転位密度は１０3 個／ｃｍ2 未満であり、
反対に酸素原子濃度が４．０×１０22原子／ｃｍ3 を越
える場合、すなわち、非化学量論的シリコン酸化膜の形
成あるいは化学量論的シリコン酸化膜の形成が認められ
る場合には、転位密度は１０3 個／ｃｍ2 以上である。
り基板表面全面にわたって均一な厚さを有する単結晶シ
リコン層を絶縁物である埋め込み酸化膜上に形成する方
法において、埋め込み酸化膜上の半導体シリコン層中の
転位の密度と酸素イオンの注入量との関係をＳ．Ｎａｋ
ａｓｈｉｍａらがＪ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．、Ｖｏｌ．
８（１９９３）、ｐｐ．５２３−５３４に報告してい
る。本発明者が埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中
の転位の発生について具に調べた結果、単結晶シリコン
層中の転位の数は必ずしも酸素イオンの注入量に依存し
ているのではなく、本質的にはシリコン基板内に注入さ
れた酸素原子の最大濃度に依存することが明かとなっ
た。シリコン基板中に酸素イオンの注入を続けていく
と、シリコン基板中の酸素原子濃度が増加し、酸素原子
濃度が４．０×１０22原子／ｃｍ3を越えると、図４Ｂ
に示すようにＳｉＯ2 相にシリコンがミクロに混合した
非化学量論的なシリコン酸化膜２２の形成が認められ、
さらに酸素原子濃度が４．４８×１０22原子／ｃｍ3 に
達すると化学量論的なシリコン酸化膜が形成される。シ
リコン基板中に非化学量論的シリコン酸化膜２２が形成
された後にさらに酸素イオンを注入すると熱処理後の埋
め込み酸化膜３’上の単結晶シリコン層２’中の転位２
３の密度が急速に増加することが明かになったのであ
る。転位の増加は、化学量論的なシリコン酸化膜の形成
後の酸素イオン注入によっても同様に認められる。図４
Ａにシリコン基板内部の注入した酸素原子濃度の最大値
と転位密度との関係を示した。酸素原子濃度が４．０×
１０22原子／ｃｍ3 以下の場合、すなわち、酸素イオン
注入中に非化学量論的シリコン酸化膜の形成も認められ
ない場合には転位密度は１０3 個／ｃｍ2 未満であり、
反対に酸素原子濃度が４．０×１０22原子／ｃｍ3 を越
える場合、すなわち、非化学量論的シリコン酸化膜の形
成あるいは化学量論的シリコン酸化膜の形成が認められ
る場合には、転位密度は１０3 個／ｃｍ2 以上である。
【００１８】複数回に分けて酸素イオン注入と熱処理を
繰り返し行なうような場合に、ある回数目の酸素イオン
注入後にシリコン基板内部の酸素原子濃度が４．０×１
０２２原子／ｃｍ３ を越えていなくても、次の熱処理
中の酸素原子の移動によって熱処理後の酸素原子濃度が
４．０×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合がある。その
ような場合に次の回数目の酸素イオン注入を行なうと埋
め込み酸化膜上の半導体シリコン膜中の転位密度は１０
3 個／ｃｍ2 以上となる。したがって、一連の酸素イオ
ン注入の途中で埋め込み酸化膜とその上の単結晶シリコ
ン層とを形成するための熱処理を施すことは避けるべき
である。埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位
密度を１０3 個／ｃｍ2 未満とするために、本発明で
は、酸素イオンをシリコン基板に注入している途中にお
いて、シリコン基板中の酸素原子濃度の最大値を４．０
×１０22原子／ｃｍ3 以下に保ち、かつ、埋め込み酸化
膜とその上の単結晶シリコンとを形成するための１３０
０℃以上の熱処理を一連の酸素イオン注入が終了した後
に行なう。
繰り返し行なうような場合に、ある回数目の酸素イオン
注入後にシリコン基板内部の酸素原子濃度が４．０×１
０２２原子／ｃｍ３ を越えていなくても、次の熱処理
中の酸素原子の移動によって熱処理後の酸素原子濃度が
４．０×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合がある。その
ような場合に次の回数目の酸素イオン注入を行なうと埋
め込み酸化膜上の半導体シリコン膜中の転位密度は１０
3 個／ｃｍ2 以上となる。したがって、一連の酸素イオ
ン注入の途中で埋め込み酸化膜とその上の単結晶シリコ
ン層とを形成するための熱処理を施すことは避けるべき
である。埋め込み酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位
密度を１０3 個／ｃｍ2 未満とするために、本発明で
は、酸素イオンをシリコン基板に注入している途中にお
いて、シリコン基板中の酸素原子濃度の最大値を４．０
×１０22原子／ｃｍ3 以下に保ち、かつ、埋め込み酸化
膜とその上の単結晶シリコンとを形成するための１３０
０℃以上の熱処理を一連の酸素イオン注入が終了した後
に行なう。
【００１９】シリコン基板に酸素イオンを注入すること
に引き続いて該シリコン基板に熱処理を施すことによっ
て注入した酸素原子と基板のシリコン原子とが反応して
形成される埋め込み酸化膜の形態とイオン注入後の酸素
原子濃度との関係を具に調べた結果、図５Ａに示すよう
に埋め込み酸化膜の形態が酸素原子濃度の最大値に依存
することが明かとなった。酸素原子濃度の最大値が４．
０×１０22原子／ｃｍ3 を越える範囲２７では均一な連
続した埋め込み酸化膜あるいは上下の単結晶シリコン基
板との界面近傍にわずかなシリコン粒子を包含する連続
した埋め込み酸化膜が形成する。酸素原子濃度の最大値
が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 より多くかつ４．０×
１０22原子／ｃｍ3 以下である範囲２６ではシリコン粒
子を包含した埋め込み酸化膜が形成する。また、酸素原
子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下か
つ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上である範囲２５では
均一な連続した埋め込み酸化膜が形成する。酸素原子濃
度の最大値が１．０×１０22原子／ｃｍ3 未満である範
囲２４では、不連続な埋め込み酸化膜が形成する。イオ
ン注入した酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原
子／ｃｍ3 を越えるような場合に、酸素原子濃度が２．
２５×１０22原子／ｃｍ3 より多くかつ４．０×１０22
原子／ｃｍ3 以下である領域は、オージェ電子分光分析
像でみると、図５Ｂに示すように、明瞭にＳｉＯ2 に富
んだ領域２８とＳｉに富んだ領域２９とがミクロに混合
したものからなっており、このような混合層３０を１３
００℃以上の温度で熱処理すると、Ｓｉに富んだ領域２
９に存在する酸素原子がＳｉＯ2 に富んだ領域２８に取
り込まれて、ＳｉＯ2 に富んだ領域２８を中心にして埋
め込み酸化膜２８’が成長する一方で、Ｓｉに富んだ領
域２９は酸素原子濃度が固溶度程度になったシリコン粒
子２９’となって埋め込み酸化膜２８’に囲まれて残
る。シリコン粒子の大きさが十分に小さい場合には、高
温の熱処理を十分長く行なうことによりシリコン粒子は
埋め込み酸化膜中に固溶・拡散して消滅するが、通常の
場合はシリコン粒子２９’は残存する。イオン注入した
酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3
以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3以上である場合に
は、酸素イオンを注入した領域はオージェ電子分光分析
像でもＳｉＯ2 に富んだ領域とＳｉに富んだ領域との区
別がほとんど認められない層となっており、この層を１
３００℃以上の温度で熱処理するとシリコン粒子を包含
しない埋め込み酸化膜が得られる。酸素原子濃度の最大
値が１．０×１０22原子／ｃｍ3 未満の場合には、１３
００℃以上の温度の熱処理によって化学量論的な埋め込
み酸化膜が形成する過程において、ＳｉＯ2 析出物の大
きさの数倍の大きさの隣接領域から酸素原子を集めなけ
ればならない。１３００℃以上の温度で安定なＳｉＯ2
析出物のサイズは数１０ｎｍ以上であることから、深さ
方向の隣接領域のみから酸素原子を集めただけでは安定
なサイズにならないため、横方向の隣接領域からも酸素
原子を集めなければならないことがある。このような場
合には、酸素原子を取られた横方向の隣接領域はシリコ
ン層として残るので、ＳｉＯ2 析出物は連続した埋め込
み酸化膜に成長できない。したがって、シリコン粒子を
包含しない連続した埋め込み酸化膜を得るため、本発明
では、注入した酸素原子濃度の最大値を２．２５×１０
22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以
上とする。
に引き続いて該シリコン基板に熱処理を施すことによっ
て注入した酸素原子と基板のシリコン原子とが反応して
形成される埋め込み酸化膜の形態とイオン注入後の酸素
原子濃度との関係を具に調べた結果、図５Ａに示すよう
に埋め込み酸化膜の形態が酸素原子濃度の最大値に依存
することが明かとなった。酸素原子濃度の最大値が４．
０×１０22原子／ｃｍ3 を越える範囲２７では均一な連
続した埋め込み酸化膜あるいは上下の単結晶シリコン基
板との界面近傍にわずかなシリコン粒子を包含する連続
した埋め込み酸化膜が形成する。酸素原子濃度の最大値
が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 より多くかつ４．０×
１０22原子／ｃｍ3 以下である範囲２６ではシリコン粒
子を包含した埋め込み酸化膜が形成する。また、酸素原
子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下か
つ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上である範囲２５では
均一な連続した埋め込み酸化膜が形成する。酸素原子濃
度の最大値が１．０×１０22原子／ｃｍ3 未満である範
囲２４では、不連続な埋め込み酸化膜が形成する。イオ
ン注入した酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原
子／ｃｍ3 を越えるような場合に、酸素原子濃度が２．
２５×１０22原子／ｃｍ3 より多くかつ４．０×１０22
原子／ｃｍ3 以下である領域は、オージェ電子分光分析
像でみると、図５Ｂに示すように、明瞭にＳｉＯ2 に富
んだ領域２８とＳｉに富んだ領域２９とがミクロに混合
したものからなっており、このような混合層３０を１３
００℃以上の温度で熱処理すると、Ｓｉに富んだ領域２
９に存在する酸素原子がＳｉＯ2 に富んだ領域２８に取
り込まれて、ＳｉＯ2 に富んだ領域２８を中心にして埋
め込み酸化膜２８’が成長する一方で、Ｓｉに富んだ領
域２９は酸素原子濃度が固溶度程度になったシリコン粒
子２９’となって埋め込み酸化膜２８’に囲まれて残
る。シリコン粒子の大きさが十分に小さい場合には、高
温の熱処理を十分長く行なうことによりシリコン粒子は
埋め込み酸化膜中に固溶・拡散して消滅するが、通常の
場合はシリコン粒子２９’は残存する。イオン注入した
酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3
以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3以上である場合に
は、酸素イオンを注入した領域はオージェ電子分光分析
像でもＳｉＯ2 に富んだ領域とＳｉに富んだ領域との区
別がほとんど認められない層となっており、この層を１
３００℃以上の温度で熱処理するとシリコン粒子を包含
しない埋め込み酸化膜が得られる。酸素原子濃度の最大
値が１．０×１０22原子／ｃｍ3 未満の場合には、１３
００℃以上の温度の熱処理によって化学量論的な埋め込
み酸化膜が形成する過程において、ＳｉＯ2 析出物の大
きさの数倍の大きさの隣接領域から酸素原子を集めなけ
ればならない。１３００℃以上の温度で安定なＳｉＯ2
析出物のサイズは数１０ｎｍ以上であることから、深さ
方向の隣接領域のみから酸素原子を集めただけでは安定
なサイズにならないため、横方向の隣接領域からも酸素
原子を集めなければならないことがある。このような場
合には、酸素原子を取られた横方向の隣接領域はシリコ
ン層として残るので、ＳｉＯ2 析出物は連続した埋め込
み酸化膜に成長できない。したがって、シリコン粒子を
包含しない連続した埋め込み酸化膜を得るため、本発明
では、注入した酸素原子濃度の最大値を２．２５×１０
22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以
上とする。
【００２０】イオン注入した酸素原子濃度の最大値が
２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22
原子／ｃｍ3 以上である場合においても、酸素原子濃度
の深さ方向の分布および横方向の分布に複数のピークを
有する場合には、熱処理を施すことによって、シリコン
粒子を包含した埋め込み酸化膜あるいは不連続な埋め込
み酸化膜を形成する場合がある。これを図６で説明す
る。図６中で実線は、酸素イオン注入直後のシリコン基
板中の酸素原子濃度分布を示し、点線は１３００℃以上
の温度で熱処理を施した後のシリコン基板中の酸素原子
濃度分布を示す。シリコン基板内に固溶度を越えて存在
する酸素原子は熱処理によって容易にシリコン酸化物と
して析出するが、酸素原子濃度が周囲より高い点、すな
わち、酸素原子濃度が極大ピークをとる点３１、３２か
ら優先的に析出、そして成長する。析出物の成長が進
み、析出物の周囲のシリコン基板中の酸素原子濃度が固
溶度程度まで減少すると、熱処理温度で決まる臨界サイ
ズ以下の小さい析出物は再固溶し、臨界サイズ以上の大
きな析出物に酸素原子が取り込まれていく。臨界サイズ
以上の析出物が複数残る場合には、析出物の領域３３と
析出物の領域３４の間に酸素原子濃度が固溶度程度に減
少したシリコン層の領域３５が残るために連続な埋め込
み酸化物が形成されないことがある。したがって、均一
な深さに一様でかつ連続した埋め込み酸化膜を形成する
ためには、イオン注入した酸素原子濃度の深さ方向の分
布が単一の極大ピークを有し、かつ、該極大ピークの前
後で連続的に減少し、かつ、横方向の分布すなわち深さ
一定の面内における分布が一様であることが望ましい。
２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22
原子／ｃｍ3 以上である場合においても、酸素原子濃度
の深さ方向の分布および横方向の分布に複数のピークを
有する場合には、熱処理を施すことによって、シリコン
粒子を包含した埋め込み酸化膜あるいは不連続な埋め込
み酸化膜を形成する場合がある。これを図６で説明す
る。図６中で実線は、酸素イオン注入直後のシリコン基
板中の酸素原子濃度分布を示し、点線は１３００℃以上
の温度で熱処理を施した後のシリコン基板中の酸素原子
濃度分布を示す。シリコン基板内に固溶度を越えて存在
する酸素原子は熱処理によって容易にシリコン酸化物と
して析出するが、酸素原子濃度が周囲より高い点、すな
わち、酸素原子濃度が極大ピークをとる点３１、３２か
ら優先的に析出、そして成長する。析出物の成長が進
み、析出物の周囲のシリコン基板中の酸素原子濃度が固
溶度程度まで減少すると、熱処理温度で決まる臨界サイ
ズ以下の小さい析出物は再固溶し、臨界サイズ以上の大
きな析出物に酸素原子が取り込まれていく。臨界サイズ
以上の析出物が複数残る場合には、析出物の領域３３と
析出物の領域３４の間に酸素原子濃度が固溶度程度に減
少したシリコン層の領域３５が残るために連続な埋め込
み酸化物が形成されないことがある。したがって、均一
な深さに一様でかつ連続した埋め込み酸化膜を形成する
ためには、イオン注入した酸素原子濃度の深さ方向の分
布が単一の極大ピークを有し、かつ、該極大ピークの前
後で連続的に減少し、かつ、横方向の分布すなわち深さ
一定の面内における分布が一様であることが望ましい。
【００２１】次に、連続な埋め込み酸化膜の膜厚を増や
す方法について説明する。埋め込み酸化膜の膜厚（単位
はｃｍ）は単位面積当たりの酸素イオン注入量（単位は
イオン／ｃｍ2 ）を４．４８×１０22で除した値にほぼ
等しくなるので、埋め込み酸化膜の厚さを増やすには酸
素イオン注入量を増やせば良い。しかしながら、従来技
術で行われているように、酸素イオンの注入エネルギー
を固定して注入量を増やしていく場合には、James F.Gi
bbons, William S.Johnson, Steven W.Mylroie著”ＰＲ
ＯＪＥＣＴＥＤ ＲＡＮＧＥ ＳＴＡＴＩＳＴＩＣＳ”
(Dowden, Hutchingon & Ross, Inc.発行）２２頁（４．
２）式に示されているように、注入されたイオンの濃度
の最大値はおよそ０．４φ／σ（ここで、φはイオン注
入量、σはイオン注入深さの標準偏差である。）となる
ので、ある注入量以上では酸素原子の最大濃度が２．２
５×１０22原子／ｃｍ3 を越えてしまう。例えば、５５
０℃に保ったシリコン基板に酸素イオンをエネルギー２
００ｋｅＶで注入する場合、注入した酸素原子濃度の最
大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 に到達する酸素イ
オン注入量はおよそ５×１０17イオン／ｃｍ2 であり、
このとき、熱処理によって得られる埋め込み酸化膜の厚
さはおよそ１１２ｎｍである。酸素原子の最大濃度が
２．２５×１０22原子／ｃｍ3 を越えた場合は、上で説
明したように、埋め込み酸化膜はシリコン粒子を包含し
た膜になってしまうので、単純には酸素イオン注入量を
増やせない。酸素原子濃度の最大値を２．２５×１０22
原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上
の範囲に保ちながら酸素イオン注入量を増やす本発明の
方法を図１で説明する。図１中の点線４は平均注入深さ
が異なる個々の注入に対応した酸素原子濃度の深さ方向
の分布を示し、実線５は個々の注入を加算累積した酸素
原子濃度の深さ方向の分布を示す。このように、平均注
入深さを段階的あるいは連続的に変えながら一連の酸素
イオン注入を行ない、その際に、加算累積した酸素原子
濃度の最大値が上に述べた範囲に入るように、かつ、全
酸素イオン注入量が所定の膜厚の埋め込み酸化膜を得る
のに必要な注入量になるように逐一の平均注入深さに対
応する注入イオン量を制御する。平均注入深さを変えな
がらイオン注入することによって深さ方向に幅広く注入
でき、低い酸素原子濃度の最大値でもって所定の膜厚の
埋め込み酸化膜を得るに必要な注入量を確保することが
可能となる。これを実施する場合、上に記述したよう
に、加算累積した酸素原子濃度の深さ方向の分布が単一
の極大ピークを有し、かつ、横方向の分布は一様である
ようにすることが望ましい。
す方法について説明する。埋め込み酸化膜の膜厚（単位
はｃｍ）は単位面積当たりの酸素イオン注入量（単位は
イオン／ｃｍ2 ）を４．４８×１０22で除した値にほぼ
等しくなるので、埋め込み酸化膜の厚さを増やすには酸
素イオン注入量を増やせば良い。しかしながら、従来技
術で行われているように、酸素イオンの注入エネルギー
を固定して注入量を増やしていく場合には、James F.Gi
bbons, William S.Johnson, Steven W.Mylroie著”ＰＲ
ＯＪＥＣＴＥＤ ＲＡＮＧＥ ＳＴＡＴＩＳＴＩＣＳ”
(Dowden, Hutchingon & Ross, Inc.発行）２２頁（４．
２）式に示されているように、注入されたイオンの濃度
の最大値はおよそ０．４φ／σ（ここで、φはイオン注
入量、σはイオン注入深さの標準偏差である。）となる
ので、ある注入量以上では酸素原子の最大濃度が２．２
５×１０22原子／ｃｍ3 を越えてしまう。例えば、５５
０℃に保ったシリコン基板に酸素イオンをエネルギー２
００ｋｅＶで注入する場合、注入した酸素原子濃度の最
大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 に到達する酸素イ
オン注入量はおよそ５×１０17イオン／ｃｍ2 であり、
このとき、熱処理によって得られる埋め込み酸化膜の厚
さはおよそ１１２ｎｍである。酸素原子の最大濃度が
２．２５×１０22原子／ｃｍ3 を越えた場合は、上で説
明したように、埋め込み酸化膜はシリコン粒子を包含し
た膜になってしまうので、単純には酸素イオン注入量を
増やせない。酸素原子濃度の最大値を２．２５×１０22
原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上
の範囲に保ちながら酸素イオン注入量を増やす本発明の
方法を図１で説明する。図１中の点線４は平均注入深さ
が異なる個々の注入に対応した酸素原子濃度の深さ方向
の分布を示し、実線５は個々の注入を加算累積した酸素
原子濃度の深さ方向の分布を示す。このように、平均注
入深さを段階的あるいは連続的に変えながら一連の酸素
イオン注入を行ない、その際に、加算累積した酸素原子
濃度の最大値が上に述べた範囲に入るように、かつ、全
酸素イオン注入量が所定の膜厚の埋め込み酸化膜を得る
のに必要な注入量になるように逐一の平均注入深さに対
応する注入イオン量を制御する。平均注入深さを変えな
がらイオン注入することによって深さ方向に幅広く注入
でき、低い酸素原子濃度の最大値でもって所定の膜厚の
埋め込み酸化膜を得るに必要な注入量を確保することが
可能となる。これを実施する場合、上に記述したよう
に、加算累積した酸素原子濃度の深さ方向の分布が単一
の極大ピークを有し、かつ、横方向の分布は一様である
ようにすることが望ましい。
【００２２】酸素イオンを注入する深さ方向の位置を変
える方法としては、酸素イオンの注入エネルギーを変え
る方法、図２Ａに示すようにシリコン基板の表面のシリ
コン層６を除去しながら注入する方法、図２Ｂに示すよ
うにシリコン基板の表面に膜７を堆積しながら注入する
方法、あるいはこれらの方法を組み合わせた方法、など
を用いることができる。シリコン基板の表面のシリコン
層６を除去する具体的な方法としては、砥粒や水酸化カ
リウム水溶液などを用いた研磨あるいは研削、塩素ガス
や六フッ化硫黄ガスや四フッ化炭素ガスなどを用いたプ
ラズマエッチング、アンモニアと過酸化水素の混合水溶
液や硝酸とフッ酸の混合水溶液や水酸化カリウム水溶液
などを用いた湿式エッチングなどが適している。シリコ
ン基板の表面に堆積する膜７の構成元素は、酸素イオン
が膜７を通してシリコン基板中に注入される過程でノッ
クオン現象によって膜７の構成元素がシリコン基板内に
打ち込まれるため、シリコン基板上に作り込まれる半導
体電子デバイスの動作特性に悪影響を及ぼさない元素で
あることが望ましい。金属元素などは半導体電子デバイ
スの動作に悪影響を及ぼす深い準位をシリコン基板中に
形成するので好ましくない。また、炭素や窒素はシリコ
ン基板中に結晶欠陥を発生させやすいので好ましくな
い。膜７の望ましい構成元素はシリコンと酸素であり、
膜７はシリコン膜やシリコン酸化膜あるいはこれらの複
合膜であることが望ましい。
える方法としては、酸素イオンの注入エネルギーを変え
る方法、図２Ａに示すようにシリコン基板の表面のシリ
コン層６を除去しながら注入する方法、図２Ｂに示すよ
うにシリコン基板の表面に膜７を堆積しながら注入する
方法、あるいはこれらの方法を組み合わせた方法、など
を用いることができる。シリコン基板の表面のシリコン
層６を除去する具体的な方法としては、砥粒や水酸化カ
リウム水溶液などを用いた研磨あるいは研削、塩素ガス
や六フッ化硫黄ガスや四フッ化炭素ガスなどを用いたプ
ラズマエッチング、アンモニアと過酸化水素の混合水溶
液や硝酸とフッ酸の混合水溶液や水酸化カリウム水溶液
などを用いた湿式エッチングなどが適している。シリコ
ン基板の表面に堆積する膜７の構成元素は、酸素イオン
が膜７を通してシリコン基板中に注入される過程でノッ
クオン現象によって膜７の構成元素がシリコン基板内に
打ち込まれるため、シリコン基板上に作り込まれる半導
体電子デバイスの動作特性に悪影響を及ぼさない元素で
あることが望ましい。金属元素などは半導体電子デバイ
スの動作に悪影響を及ぼす深い準位をシリコン基板中に
形成するので好ましくない。また、炭素や窒素はシリコ
ン基板中に結晶欠陥を発生させやすいので好ましくな
い。膜７の望ましい構成元素はシリコンと酸素であり、
膜７はシリコン膜やシリコン酸化膜あるいはこれらの複
合膜であることが望ましい。
【００２３】一連の酸素イオン注入における逐一の平均
注入深さと注入イオン量とを決める具体的な方法を図３
Ａで説明する。演算装置８に、酸素イオンの注入エネル
ギー、注入イオン量ならびに表面シリコン層の除去量を
入力すると、その条件でシリコン基板に酸素イオンを注
入したときのシリコン基板中の酸素原子濃度分布１５が
出力されるプログラムを組み込む。また、演算装置８に
は、シリコン表面に堆積した膜の物質名ならびに膜厚と
酸素イオンの注入エネルギーならびに注入イオン量を入
力すると、その膜の上からシリコン基板にその条件で酸
素イオンを注入した時のシリコン基板中の酸素原子濃度
分布１５が出力されるプログラムも組み込む。演算装置
８に組み込まれたプログラムでは、酸素イオン注入中に
シリコン表面やシリコン表面に堆積した膜がイオンビー
ムによって、浸食消耗する影響、シリコン基板の結晶方
位とイオンビームの注入方向によって生じるチャンネリ
ング、イオン注入中のシリコン基板温度の影響も考慮さ
れる。演算装置８において、酸素注入エネルギーや注入
イオン量などの一連の酸素イオン注入における逐一注入
条件１４の入力からシリコン基板中の酸素原子濃度分布
１５を出力する方法としては、予め実験や計算で求めて
記憶させておいたものを取り出して出力する方法でも、
またその場で計算により求めて出力する方法でも良い。
演算装置９には、一連の酸素イオン注入条件に対して演
算装置８から出力される個々の酸素原子濃度分布１５を
入力すると、それらを加算累積した酸素原子濃度分布１
６を出力するプログラムを組み込む。演算装置１０に
は、演算装置９から出力される一連の酸素イオン注入に
ついて加算累積された酸素原子濃度分布１６と得たい酸
素原子濃度分布１７とを入力すると、その両者が一致し
ているか否かを比較判定して、その判定結果ならびに両
者の差１８を出力するプログラムを組み込む。演算装置
１１には、演算装置１０から出力される判定結果と加算
累積された酸素原子濃度分布と得たい酸素原子濃度分布
との差１８を入力すると、判定結果が一致の場合は、そ
の時の一連の酸素イオン注入条件１９、すなわち、注入
エネルギー、注入イオン量、シリコン基板表面に堆積す
る膜の物質名と膜厚、あるいはシリコン表面の除去量な
どが出力され、判定が不合格の場合は、加算累積された
酸素原子濃度分布１６と得たい酸素原子濃度分布１７と
の差が縮小する方向に修正した一連の酸素イオン注入条
件２０を出力するプログラムを組み込む。演算装置１１
から出力される修正した一連の酸素イオン注入条件２０
は演算装置８の入力としてフィードバックする。演算装
置８〜１１を接続し、演算装置８に一連の酸素イオン注
入条件１４の初期値を入力し、また演算装置１０に得た
い酸素原子濃度分布１７を入力すると、演算装置１１か
ら最適な一連の酸素イオン注入条件１９が決定されて出
力される。
注入深さと注入イオン量とを決める具体的な方法を図３
Ａで説明する。演算装置８に、酸素イオンの注入エネル
ギー、注入イオン量ならびに表面シリコン層の除去量を
入力すると、その条件でシリコン基板に酸素イオンを注
入したときのシリコン基板中の酸素原子濃度分布１５が
出力されるプログラムを組み込む。また、演算装置８に
は、シリコン表面に堆積した膜の物質名ならびに膜厚と
酸素イオンの注入エネルギーならびに注入イオン量を入
力すると、その膜の上からシリコン基板にその条件で酸
素イオンを注入した時のシリコン基板中の酸素原子濃度
分布１５が出力されるプログラムも組み込む。演算装置
８に組み込まれたプログラムでは、酸素イオン注入中に
シリコン表面やシリコン表面に堆積した膜がイオンビー
ムによって、浸食消耗する影響、シリコン基板の結晶方
位とイオンビームの注入方向によって生じるチャンネリ
ング、イオン注入中のシリコン基板温度の影響も考慮さ
れる。演算装置８において、酸素注入エネルギーや注入
イオン量などの一連の酸素イオン注入における逐一注入
条件１４の入力からシリコン基板中の酸素原子濃度分布
１５を出力する方法としては、予め実験や計算で求めて
記憶させておいたものを取り出して出力する方法でも、
またその場で計算により求めて出力する方法でも良い。
演算装置９には、一連の酸素イオン注入条件に対して演
算装置８から出力される個々の酸素原子濃度分布１５を
入力すると、それらを加算累積した酸素原子濃度分布１
６を出力するプログラムを組み込む。演算装置１０に
は、演算装置９から出力される一連の酸素イオン注入に
ついて加算累積された酸素原子濃度分布１６と得たい酸
素原子濃度分布１７とを入力すると、その両者が一致し
ているか否かを比較判定して、その判定結果ならびに両
者の差１８を出力するプログラムを組み込む。演算装置
１１には、演算装置１０から出力される判定結果と加算
累積された酸素原子濃度分布と得たい酸素原子濃度分布
との差１８を入力すると、判定結果が一致の場合は、そ
の時の一連の酸素イオン注入条件１９、すなわち、注入
エネルギー、注入イオン量、シリコン基板表面に堆積す
る膜の物質名と膜厚、あるいはシリコン表面の除去量な
どが出力され、判定が不合格の場合は、加算累積された
酸素原子濃度分布１６と得たい酸素原子濃度分布１７と
の差が縮小する方向に修正した一連の酸素イオン注入条
件２０を出力するプログラムを組み込む。演算装置１１
から出力される修正した一連の酸素イオン注入条件２０
は演算装置８の入力としてフィードバックする。演算装
置８〜１１を接続し、演算装置８に一連の酸素イオン注
入条件１４の初期値を入力し、また演算装置１０に得た
い酸素原子濃度分布１７を入力すると、演算装置１１か
ら最適な一連の酸素イオン注入条件１９が決定されて出
力される。
【００２４】上記の説明では、演算装置１０の１つの入
力を得たい酸素原子濃度分布１７としたが、これに代え
て、本発明が規定するところの酸素原子濃度分布が満足
すべき条件を入力としても良い。この場合、演算装置１
０には、演算装置９から出力される一連の酸素イオン注
入について加算累積された酸素原子濃度分布１６と本発
明が規定するところの酸素原子濃度分布が満足すべき条
件１７とを入力すると、加算累積された酸素原子濃度分
布１６が本発明が規定することろの酸素原子濃度分布が
満足すべき条件１７を満たしているか否かを比較判定し
て、その判定結果と両者の差１８を出力するプログラム
を組み込む。これに伴い、演算装置１１には、演算装置
１０から出力される判定結果と加算累積された原子濃度
分布と本発明が規定するところの酸素原子濃度分布が満
足すべき条件との差１８を入力すると、判定結果が一致
の場合は、決定された一連の酸素イオン注入における逐
一の注入条件１９を、判定が不合格の場合は、加算累積
された酸素原子濃度分布１６と本発明が規定するところ
の酸素原子濃度分布が満足すべき条件１７との差が縮小
する方向に修正した一連の酸素イオン注入条件２０を出
力するプログラムを組み込む。以上の説明では、演算装
置８〜１１は別個のものとして説明したが、適当に共通
化したり、さらに分割化することもできる。
力を得たい酸素原子濃度分布１７としたが、これに代え
て、本発明が規定するところの酸素原子濃度分布が満足
すべき条件を入力としても良い。この場合、演算装置１
０には、演算装置９から出力される一連の酸素イオン注
入について加算累積された酸素原子濃度分布１６と本発
明が規定するところの酸素原子濃度分布が満足すべき条
件１７とを入力すると、加算累積された酸素原子濃度分
布１６が本発明が規定することろの酸素原子濃度分布が
満足すべき条件１７を満たしているか否かを比較判定し
て、その判定結果と両者の差１８を出力するプログラム
を組み込む。これに伴い、演算装置１１には、演算装置
１０から出力される判定結果と加算累積された原子濃度
分布と本発明が規定するところの酸素原子濃度分布が満
足すべき条件との差１８を入力すると、判定結果が一致
の場合は、決定された一連の酸素イオン注入における逐
一の注入条件１９を、判定が不合格の場合は、加算累積
された酸素原子濃度分布１６と本発明が規定するところ
の酸素原子濃度分布が満足すべき条件１７との差が縮小
する方向に修正した一連の酸素イオン注入条件２０を出
力するプログラムを組み込む。以上の説明では、演算装
置８〜１１は別個のものとして説明したが、適当に共通
化したり、さらに分割化することもできる。
【００２５】注入エネルギーによって注入深さを変える
場合には、図３Ｂに示すように、図３Ａの演算装置の出
力１９を酸素イオン注入装置の制御器１２に入力するこ
とによって、酸素イオン注入装置の効率的な運転ができ
る。必要な場合には、演算装置の出力１９と酸素イオン
注入装置の制御器の入力２１との間に変換器１３を介し
て、注入エネルギーをイオンビームの加速電圧に、注入
イオン量をイオンビーム電流と注入時間に変換すること
も良い。
場合には、図３Ｂに示すように、図３Ａの演算装置の出
力１９を酸素イオン注入装置の制御器１２に入力するこ
とによって、酸素イオン注入装置の効率的な運転ができ
る。必要な場合には、演算装置の出力１９と酸素イオン
注入装置の制御器の入力２１との間に変換器１３を介し
て、注入エネルギーをイオンビームの加速電圧に、注入
イオン量をイオンビーム電流と注入時間に変換すること
も良い。
【００２６】
実施例１ シリコン基板に全注入量６．７２×１０17イオン／ｃｍ
2 の酸素イオンをエネルギーを段階的に変えながら注入
し、シリコン基板中に厚さ約１５０ｎｍの埋め込み酸化
膜を得た例である。まず、一連の酸素イオン注入後に得
る加算累積した酸素原子濃度の深さ方向の分布をガウス
分布、すなわち、Ｃ（ｚ）＝Ｃo ／（２π）0.5 σ×ｅ
ｘｐ（−（ｚ−ｚo)2 ／２σ2 ）とした。ここで、Ｃ
（ｚ）は深さｚでの酸素原子濃度、Ｃo は単位面積当た
りの全イオン注入量、σは分布の標準偏差、ｚo は酸素
原子濃度が最大となる深さである。この例では、Ｃo ＝
６．７２×１０17イオン／ｃｍ2 、σ＝１２４ｎｍ、ｚ
o ＝３００ｎｍとした。酸素原子の最大濃度はＣo ／
（２π）0.5 σであるので、２．１６×１０22原子／ｃ
ｍ3 である。次に、酸素イオンの注入エネルギーを１１
０、１４０、１７０、２００ｋｅＶの４段階とし、各々
の注入エネルギーでの酸素イオン注入量を１．４０×１
０17、１．６０×１０17、１．７８×１０17、１．９４
×１０17イオン／ｃｍ2 として、温度を６００℃に保っ
たシリコン基板に一連の酸素イオン注入を行なった。そ
の際、シリコン基板に注入された酸素原子濃度の横方向
の分布を均一にするために、酸素イオンビームをシリコ
ン基板表面全面にわたって均一に走査した。酸素注入後
のシリコン基板中の酸素原子濃度の深さ方向の分布を２
次イオン質量分析法により測定した結果を図７に示す。
ほぼ、予め予定したガウス分布に一致した分布が得ら
れ、酸素原子濃度の最大値は２．１６×１０22原子／ｃ
ｍ3 となっている。このシリコン基板を電気炉に入れ、
酸素を０．５％含むアルゴンガス雰囲気中で温度１３３
０℃で６時間熱処理した。熱処理後、このシリコン基板
をフッ化水素酸水溶液に浸漬して、熱処理中に成長した
表面の厚さ約８２ｎｍのシリコン酸化膜で除去し、この
シリコン基板の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察し
た。その結果、最表面に厚さ約２１３ｎｍの単結晶シリ
コン層、その下に厚さ約１５０ｎｍの埋め込み酸化膜、
その下にシリコン基板が観察された。埋め込み酸化膜は
連続かつ均質であり、シリコン粒子の包含も認められな
かった。最表面の単結晶シリコン層中の転位密度を計数
するために、最表面の単結晶シリコン層の上にさらに厚
さ約５μｍの単結晶シリコン層を熱ＣＶＤ法によってエ
ピタキシャル成長させた後、ライトエッチング液に９０
秒浸漬して、結晶欠陥を顕在化させた。光学顕微鏡下で
転位密度を計数した結果は６００ヶ／ｃｍ2 であった。
本例では、一連の酸素イオン注入後に得る加算累積した
酸素原子濃度の深さ方向の分布をガウス分布にとった
が、本発明では、単一の極大値を有する連続的な分布で
あれば良い。
2 の酸素イオンをエネルギーを段階的に変えながら注入
し、シリコン基板中に厚さ約１５０ｎｍの埋め込み酸化
膜を得た例である。まず、一連の酸素イオン注入後に得
る加算累積した酸素原子濃度の深さ方向の分布をガウス
分布、すなわち、Ｃ（ｚ）＝Ｃo ／（２π）0.5 σ×ｅ
ｘｐ（−（ｚ−ｚo)2 ／２σ2 ）とした。ここで、Ｃ
（ｚ）は深さｚでの酸素原子濃度、Ｃo は単位面積当た
りの全イオン注入量、σは分布の標準偏差、ｚo は酸素
原子濃度が最大となる深さである。この例では、Ｃo ＝
６．７２×１０17イオン／ｃｍ2 、σ＝１２４ｎｍ、ｚ
o ＝３００ｎｍとした。酸素原子の最大濃度はＣo ／
（２π）0.5 σであるので、２．１６×１０22原子／ｃ
ｍ3 である。次に、酸素イオンの注入エネルギーを１１
０、１４０、１７０、２００ｋｅＶの４段階とし、各々
の注入エネルギーでの酸素イオン注入量を１．４０×１
０17、１．６０×１０17、１．７８×１０17、１．９４
×１０17イオン／ｃｍ2 として、温度を６００℃に保っ
たシリコン基板に一連の酸素イオン注入を行なった。そ
の際、シリコン基板に注入された酸素原子濃度の横方向
の分布を均一にするために、酸素イオンビームをシリコ
ン基板表面全面にわたって均一に走査した。酸素注入後
のシリコン基板中の酸素原子濃度の深さ方向の分布を２
次イオン質量分析法により測定した結果を図７に示す。
ほぼ、予め予定したガウス分布に一致した分布が得ら
れ、酸素原子濃度の最大値は２．１６×１０22原子／ｃ
ｍ3 となっている。このシリコン基板を電気炉に入れ、
酸素を０．５％含むアルゴンガス雰囲気中で温度１３３
０℃で６時間熱処理した。熱処理後、このシリコン基板
をフッ化水素酸水溶液に浸漬して、熱処理中に成長した
表面の厚さ約８２ｎｍのシリコン酸化膜で除去し、この
シリコン基板の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察し
た。その結果、最表面に厚さ約２１３ｎｍの単結晶シリ
コン層、その下に厚さ約１５０ｎｍの埋め込み酸化膜、
その下にシリコン基板が観察された。埋め込み酸化膜は
連続かつ均質であり、シリコン粒子の包含も認められな
かった。最表面の単結晶シリコン層中の転位密度を計数
するために、最表面の単結晶シリコン層の上にさらに厚
さ約５μｍの単結晶シリコン層を熱ＣＶＤ法によってエ
ピタキシャル成長させた後、ライトエッチング液に９０
秒浸漬して、結晶欠陥を顕在化させた。光学顕微鏡下で
転位密度を計数した結果は６００ヶ／ｃｍ2 であった。
本例では、一連の酸素イオン注入後に得る加算累積した
酸素原子濃度の深さ方向の分布をガウス分布にとった
が、本発明では、単一の極大値を有する連続的な分布で
あれば良い。
【００２７】実施例２ 実施例１と同様に、シリコン基板に全注入量２．２４×
１０17イオン／ｃｍ2の酸素イオンをエネルギーを段階
的に変えながら注入し、シリコン基板中に厚さ約５０ｎ
ｍの埋め込み酸化膜を得た例である。酸素イオンの注入
エネルギーを６０、８０、１００、１２０ｋｅＶの４段
階とし、各々の注入エネルギーでの酸素イオン注入量を
４．３５×１０16、５．２６×１０16、６．０５×１０
16、６．７４×１０16イオン／ｃｍ2 として一連の酸素
イオン注入を行った。酸素注入後のシリコン基板中の酸
素原子濃度の深さ方向の分布を図８に示す。酸素原子濃
度の最大値は深さ約１１０ｎｍのところで１．０１×１
０22原子／ｃｍ3 となっている。このシリコン基板を電
気炉に入れ、酸素を０．５％含むアルゴンガス雰囲気中
で温度１３３０℃で６時間熱処理したところ、厚さ約５
８ｎｍの単結晶シリコン層と厚さ約５０ｎｍの連続かつ
均質な埋め込み酸化膜からなるＳＯＩ構造が得られた。
単結晶シリコン層の転位密度は約５００ヶ／ｃｍ2 であ
った。
１０17イオン／ｃｍ2の酸素イオンをエネルギーを段階
的に変えながら注入し、シリコン基板中に厚さ約５０ｎ
ｍの埋め込み酸化膜を得た例である。酸素イオンの注入
エネルギーを６０、８０、１００、１２０ｋｅＶの４段
階とし、各々の注入エネルギーでの酸素イオン注入量を
４．３５×１０16、５．２６×１０16、６．０５×１０
16、６．７４×１０16イオン／ｃｍ2 として一連の酸素
イオン注入を行った。酸素注入後のシリコン基板中の酸
素原子濃度の深さ方向の分布を図８に示す。酸素原子濃
度の最大値は深さ約１１０ｎｍのところで１．０１×１
０22原子／ｃｍ3 となっている。このシリコン基板を電
気炉に入れ、酸素を０．５％含むアルゴンガス雰囲気中
で温度１３３０℃で６時間熱処理したところ、厚さ約５
８ｎｍの単結晶シリコン層と厚さ約５０ｎｍの連続かつ
均質な埋め込み酸化膜からなるＳＯＩ構造が得られた。
単結晶シリコン層の転位密度は約５００ヶ／ｃｍ2 であ
った。
【００２８】実施例３ シリコン基板に全注入量１．０×１０18イオン／ｃｍ2
の酸素イオンを注入エネルギーを３４５ｋｅＶから８５
ｋｅＶまで連続的に変えながら注入し、シリコン基板中
に厚さ約２２３ｎｍの埋め込み酸化膜を得た例である。
酸素イオン注入のビーム電流を一定に保つことにより単
位時間当たりの注入量は一定にし、注入エネルギーを掃
引する速さを変えることにより、刻々の注入エネルギー
に対する注入量を図９Ａのように連続的に変化させた。
酸素注入後のシリコン基板中の酸素原子濃度の深さ方向
の分布を２次イオン質量分析法により測定した結果を図
９Ｂに示す。酸素イオンの平均注入深さは約４１３ｎ
ｍ、酸素原子の最大濃度は約２．１４×１０22原子／ｃ
ｍ3 である。このシリコン基板を１３８０℃の酸素濃度
０．５％のアルゴンガス雰囲気中で４時間熱処理したと
ころ、厚さ約３０２ｎｍの単結晶シリコン層と厚さ約２
２３ｎｍの連続かつ均質な埋め込み酸化膜からなるＳＯ
Ｉ構造が得られ、単結晶シリコン層の転位密度は約７０
０ヶ／ｃｍ2 であった。
の酸素イオンを注入エネルギーを３４５ｋｅＶから８５
ｋｅＶまで連続的に変えながら注入し、シリコン基板中
に厚さ約２２３ｎｍの埋め込み酸化膜を得た例である。
酸素イオン注入のビーム電流を一定に保つことにより単
位時間当たりの注入量は一定にし、注入エネルギーを掃
引する速さを変えることにより、刻々の注入エネルギー
に対する注入量を図９Ａのように連続的に変化させた。
酸素注入後のシリコン基板中の酸素原子濃度の深さ方向
の分布を２次イオン質量分析法により測定した結果を図
９Ｂに示す。酸素イオンの平均注入深さは約４１３ｎ
ｍ、酸素原子の最大濃度は約２．１４×１０22原子／ｃ
ｍ3 である。このシリコン基板を１３８０℃の酸素濃度
０．５％のアルゴンガス雰囲気中で４時間熱処理したと
ころ、厚さ約３０２ｎｍの単結晶シリコン層と厚さ約２
２３ｎｍの連続かつ均質な埋め込み酸化膜からなるＳＯ
Ｉ構造が得られ、単結晶シリコン層の転位密度は約７０
０ヶ／ｃｍ2 であった。
【００２９】実施例４ シリコン基板の表面をエッチングにより削ることによっ
て、酸素イオンの注入深さを変え、全酸素イオン量２．
０×１０17／ｃｍ2 を注入エネルギー６０ｋｅＶで注入
し、シリコン基板中に厚さ約４４ｎｍの埋め込み酸化膜
を得た例である。酸素イオンを５×１０16イオン／ｃｍ
2 注入する毎にシリコン基板をアンモニアと過酸化水素
の混合水溶液に浸漬してシリコン基板表面を１０ｎｍを
湿式化学エッチングによって取り除き、引き続き残りの
注入量を注入した。酸化イオン注入後のシリコン基板中
の酸素原子濃度の深さ方向の分布を図１０に示す。酸素
原子濃度の最大は深さ約１００ｎｍにあり、最大濃度は
約１．５５×１０22原子／ｃｍ3 であった。シリコン基
板表面をエッチングで取り除いたことと、酸素イオン注
入中にシリコン基板表面がイオンビームによってスパッ
タリングされたこととによって注入イオン量の約２．５
％がシリコン基板表面とともに取り去られた。このシリ
コン基板を１３３０℃の酸素濃度０．５％のアルゴンガ
ス雰囲気中で６時間熱処理したところ、厚さ約４９ｎｍ
の単結晶シリコン層と厚さ約４４ｎｍの連続かつ均質な
埋め込み酸化膜からなるＳＯＩ構造が得られた。単結晶
シリコン層の転位密度は約４００ヶ／ｃｍ2 であった。
て、酸素イオンの注入深さを変え、全酸素イオン量２．
０×１０17／ｃｍ2 を注入エネルギー６０ｋｅＶで注入
し、シリコン基板中に厚さ約４４ｎｍの埋め込み酸化膜
を得た例である。酸素イオンを５×１０16イオン／ｃｍ
2 注入する毎にシリコン基板をアンモニアと過酸化水素
の混合水溶液に浸漬してシリコン基板表面を１０ｎｍを
湿式化学エッチングによって取り除き、引き続き残りの
注入量を注入した。酸化イオン注入後のシリコン基板中
の酸素原子濃度の深さ方向の分布を図１０に示す。酸素
原子濃度の最大は深さ約１００ｎｍにあり、最大濃度は
約１．５５×１０22原子／ｃｍ3 であった。シリコン基
板表面をエッチングで取り除いたことと、酸素イオン注
入中にシリコン基板表面がイオンビームによってスパッ
タリングされたこととによって注入イオン量の約２．５
％がシリコン基板表面とともに取り去られた。このシリ
コン基板を１３３０℃の酸素濃度０．５％のアルゴンガ
ス雰囲気中で６時間熱処理したところ、厚さ約４９ｎｍ
の単結晶シリコン層と厚さ約４４ｎｍの連続かつ均質な
埋め込み酸化膜からなるＳＯＩ構造が得られた。単結晶
シリコン層の転位密度は約４００ヶ／ｃｍ2 であった。
【００３０】実施例５ シリコン基板の表面に化学蒸着により多結晶シリコン膜
を堆積することによって、酸素イオンの注入深さを変
え、全酸素イオン量８．０×１０17イオン／ｃｍ2 を注
入エネルギー２００ｋｅＶで注入し、シリコン基板中に
厚さ約１７８ｎｍの埋め込み酸化膜を得た例である。酸
素イオンを１×１０17イオン／ｃｍ2 注入する毎にシリ
コン基板の表面に約６０ｎｍの多結晶シリコン膜を化学
蒸着によって堆積し、引き続き残りの注入量を注入し
た。酸素イオン注入後のシリコン基板中の酸素原子濃度
の深さ方向の分布を図１１に示す。酸素原子濃度の最大
は深さ約２２０ｎｍにあり、最大濃度は約１．８０×１
０22原子／ｃｍ3 であった。このシリコン基板を１３３
０℃の酸素濃度０．５％のアルゴンガス雰囲気中で６時
間熱処理したところ、厚さ約１３５ｎｍの単結晶シリコ
ン層と厚さ約１７８ｎｍの連続かつ均質な埋め込み酸化
膜からなるＳＯＩ構造が得られた。単結晶シリコン層の
転位密度は約４００ヶ／ｃｍ2 であった。
を堆積することによって、酸素イオンの注入深さを変
え、全酸素イオン量８．０×１０17イオン／ｃｍ2 を注
入エネルギー２００ｋｅＶで注入し、シリコン基板中に
厚さ約１７８ｎｍの埋め込み酸化膜を得た例である。酸
素イオンを１×１０17イオン／ｃｍ2 注入する毎にシリ
コン基板の表面に約６０ｎｍの多結晶シリコン膜を化学
蒸着によって堆積し、引き続き残りの注入量を注入し
た。酸素イオン注入後のシリコン基板中の酸素原子濃度
の深さ方向の分布を図１１に示す。酸素原子濃度の最大
は深さ約２２０ｎｍにあり、最大濃度は約１．８０×１
０22原子／ｃｍ3 であった。このシリコン基板を１３３
０℃の酸素濃度０．５％のアルゴンガス雰囲気中で６時
間熱処理したところ、厚さ約１３５ｎｍの単結晶シリコ
ン層と厚さ約１７８ｎｍの連続かつ均質な埋め込み酸化
膜からなるＳＯＩ構造が得られた。単結晶シリコン層の
転位密度は約４００ヶ／ｃｍ2 であった。
【００３１】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
４０ｎｍから２００ｎｍ以上の厚さの均質で連続な埋め
込み酸化膜を有し、かつ埋め込み酸化膜上の単結晶シリ
コン膜中の転位密度が１０3 個／ｃｍ2 以下である高品
質なＳＯＩ構造を有する半導体基板を製造することがで
きる。したがって、この半導体基板を用いて、例えば、
相補型ＭＩＳトランジスタあるいはバイポーラトランジ
スタなどのシリコン半導体デバイスを製造すると、リー
ク電流の少ない、また、絶縁耐圧に優れた高性能なデバ
イスが実現できる。
４０ｎｍから２００ｎｍ以上の厚さの均質で連続な埋め
込み酸化膜を有し、かつ埋め込み酸化膜上の単結晶シリ
コン膜中の転位密度が１０3 個／ｃｍ2 以下である高品
質なＳＯＩ構造を有する半導体基板を製造することがで
きる。したがって、この半導体基板を用いて、例えば、
相補型ＭＩＳトランジスタあるいはバイポーラトランジ
スタなどのシリコン半導体デバイスを製造すると、リー
ク電流の少ない、また、絶縁耐圧に優れた高性能なデバ
イスが実現できる。
【図１】 図１Ａは、本発明による半導体基板の製造方
法を説明する工程の断面図である。図１Ｂは、本発明に
よる半導体基板の製造方法においてイオン注入した酸素
原子濃度分布がとるべき条件を説明する図面である。図
１Ｃは、本発明による半導体基板の製造方法を説明する
工程の断面図である。
法を説明する工程の断面図である。図１Ｂは、本発明に
よる半導体基板の製造方法においてイオン注入した酸素
原子濃度分布がとるべき条件を説明する図面である。図
１Ｃは、本発明による半導体基板の製造方法を説明する
工程の断面図である。
【図２】 図２Ａは、本発明による半導体基板の製造方
法において酸素イオンの注入深さを変える第２の方法を
説明する工程の断面図である。図２Ｂは、本発明による
半導体基板の製造方法において酸素イオンの注入深さを
変える第３の方法を説明する工程の断面図である。
法において酸素イオンの注入深さを変える第２の方法を
説明する工程の断面図である。図２Ｂは、本発明による
半導体基板の製造方法において酸素イオンの注入深さを
変える第３の方法を説明する工程の断面図である。
【図３】 図３Ａは、本発明による半導体基板の製造方
法において一連の酸素イオンの注入深さと注入イオン量
を決める方法を説明する図面である。図３Ｂは、本発明
による半導体基板の製造方法において一連の酸素イオン
の注入深さと注入イオン量を決めて酸素イオン注入装置
を制御する方法を説明する図面である。
法において一連の酸素イオンの注入深さと注入イオン量
を決める方法を説明する図面である。図３Ｂは、本発明
による半導体基板の製造方法において一連の酸素イオン
の注入深さと注入イオン量を決めて酸素イオン注入装置
を制御する方法を説明する図面である。
【図４】 図４Ａは、酸素原子濃度の最大値と埋め込み
酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位密度との関係を示
す特性図である。図４Ｂは、酸素原子濃度の最大値が４
×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合の酸素イオン注入後
の基板の断面図である。図４Ｃは、酸素原子濃度の最大
値が４×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合の熱処理後の
基板の断面図である。
酸化膜上の単結晶シリコン層中の転位密度との関係を示
す特性図である。図４Ｂは、酸素原子濃度の最大値が４
×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合の酸素イオン注入後
の基板の断面図である。図４Ｃは、酸素原子濃度の最大
値が４×１０22原子／ｃｍ3 を越える場合の熱処理後の
基板の断面図である。
【図５】 図５Ａは、酸素原子濃度の最大値と埋め込み
酸化膜の形態との関係を示す区分図である。図５Ｂは、
酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3
より多く４×１０22原子／ｃｍ3 以下である場合の酸素
イオン注入後の基板の断面図である。図５Ｃは、酸素原
子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 より多
く４×１０22原子／ｃｍ3 以下である場合の熱処理後の
基板の断面図である。
酸化膜の形態との関係を示す区分図である。図５Ｂは、
酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3
より多く４×１０22原子／ｃｍ3 以下である場合の酸素
イオン注入後の基板の断面図である。図５Ｃは、酸素原
子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 より多
く４×１０22原子／ｃｍ3 以下である場合の熱処理後の
基板の断面図である。
【図６】 酸素原子濃度の分布曲線の形状が埋め込み酸
化膜の形態に及ぼす影響を説明する図面である。
化膜の形態に及ぼす影響を説明する図面である。
【図７】 本発明による半導体基板の製造方法の第１の
実施例を説明する図面である。
実施例を説明する図面である。
【図８】 本発明による半導体基板の製造方法の第２の
実施例を説明する図面である。
実施例を説明する図面である。
【図９】 図９Ａは、本発明による半導体基板の製造方
法の第３の実施例において酸素イオンの注入エネルギー
と酸素イオンの注入量との関係を説明する図面である。
図９Ｂは、本発明による半導体基板の製造方法の第３の
実施例を説明する図面である。
法の第３の実施例において酸素イオンの注入エネルギー
と酸素イオンの注入量との関係を説明する図面である。
図９Ｂは、本発明による半導体基板の製造方法の第３の
実施例を説明する図面である。
【図１０】 本発明による半導体基板の製造方法の第４
の実施例を説明する図面である。
の実施例を説明する図面である。
【図１１】 本発明による半導体基板の製造方法の第５
の実施例を説明する図面である。
の実施例を説明する図面である。
１…半導体シリコン基板、 ２…イオン注入により生じた結晶欠陥を多数含むシリコ
ン層、 ２’…単結晶シリコン層、 ３…酸素イオンの注入領域、 ３’…化学量論的シリコン酸化膜すなわち埋め込み酸化
膜、 ４…注入深さが異なる個々のイオン注入で得られる酸素
原子濃度分布、 ５…一連の個々のイオン注入を加算累積した酸素原子濃
度分布、 ６…取り除く表面シリコン層、 ７…シリコン基板に堆積した膜、 ８，９，１０，１１…演算装置、 １２…酸素イオン注入装置の制御器、 １３…変換器、 １４…演算装置８の入力すなわち一連の酸素イオン注入
条件すなわち注入エネルギー、注入イオン量、シリコン
基板表面に堆積する膜の物質名と膜厚、シリコン表面の
取り除き量、 １５…演算装置８の出力で演算装置９の入力すなわちシ
リコン基板中の酸素原子濃度分布、 １６…演算装置９の出力で演算装置１０の入力すなわち
一連の酸素イオン注入について加算累積した酸素原子濃
度分布、 １７…演算装置１０の入力すなわち得たい酸素原子濃度
分布あるいは本発明が規定するところの酸素原子濃度分
布が満足すべき条件、 １８…演算装置１０の出力で演算装置１１の入力すなわ
ち演算装置１０から出力される判定結果と加算累積され
た原子濃度分布と本発明が規定するところの酸素原子濃
度分布が満足すべき条件との差、 １９…決定した一連の酸素イオン注入条件、 ２０…修正した一連の酸素イオン注入条件、 ２１…酸素イオン注入装置の制御器の入力、 ２２…非化学量論的なシリコン酸化膜、 ２３…転位、 ２４…酸素原子濃度の最大値が１．０×１０22原子／ｃ
ｍ3 未満である範囲、 ２５…酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／
ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上である
範囲、 ２６…酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／
ｃｍ3 より多くかつ４．０×１０22原子／ｃｍ3 以下で
ある範囲、 ２７…酸素原子濃度の最大値が４．０×１０22原子／ｃ
ｍ3 を越える範囲、 ２８…ＳｉＯ2 に富んだ領域、 ２８’…シリコン粒子を包含した埋め込み酸化膜、 ２９…Ｓｉに富んだ領域、 ２９’…シリコン粒子、 ３０…ＳｉＯ2 に富んだ領域２８とＳｉに富んだ領域２
９との混合層、 ３１，３２…酸素原子濃度が極大ピークをとる点、 ３３，３４…析出物の領域、 ３５…シリコン層の領域。
ン層、 ２’…単結晶シリコン層、 ３…酸素イオンの注入領域、 ３’…化学量論的シリコン酸化膜すなわち埋め込み酸化
膜、 ４…注入深さが異なる個々のイオン注入で得られる酸素
原子濃度分布、 ５…一連の個々のイオン注入を加算累積した酸素原子濃
度分布、 ６…取り除く表面シリコン層、 ７…シリコン基板に堆積した膜、 ８，９，１０，１１…演算装置、 １２…酸素イオン注入装置の制御器、 １３…変換器、 １４…演算装置８の入力すなわち一連の酸素イオン注入
条件すなわち注入エネルギー、注入イオン量、シリコン
基板表面に堆積する膜の物質名と膜厚、シリコン表面の
取り除き量、 １５…演算装置８の出力で演算装置９の入力すなわちシ
リコン基板中の酸素原子濃度分布、 １６…演算装置９の出力で演算装置１０の入力すなわち
一連の酸素イオン注入について加算累積した酸素原子濃
度分布、 １７…演算装置１０の入力すなわち得たい酸素原子濃度
分布あるいは本発明が規定するところの酸素原子濃度分
布が満足すべき条件、 １８…演算装置１０の出力で演算装置１１の入力すなわ
ち演算装置１０から出力される判定結果と加算累積され
た原子濃度分布と本発明が規定するところの酸素原子濃
度分布が満足すべき条件との差、 １９…決定した一連の酸素イオン注入条件、 ２０…修正した一連の酸素イオン注入条件、 ２１…酸素イオン注入装置の制御器の入力、 ２２…非化学量論的なシリコン酸化膜、 ２３…転位、 ２４…酸素原子濃度の最大値が１．０×１０22原子／ｃ
ｍ3 未満である範囲、 ２５…酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／
ｃｍ3 以下かつ１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上である
範囲、 ２６…酸素原子濃度の最大値が２．２５×１０22原子／
ｃｍ3 より多くかつ４．０×１０22原子／ｃｍ3 以下で
ある範囲、 ２７…酸素原子濃度の最大値が４．０×１０22原子／ｃ
ｍ3 を越える範囲、 ２８…ＳｉＯ2 に富んだ領域、 ２８’…シリコン粒子を包含した埋め込み酸化膜、 ２９…Ｓｉに富んだ領域、 ２９’…シリコン粒子、 ３０…ＳｉＯ2 に富んだ領域２８とＳｉに富んだ領域２
９との混合層、 ３１，３２…酸素原子濃度が極大ピークをとる点、 ３３，３４…析出物の領域、 ３５…シリコン層の領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 辰雄 山口県光市大字島田3434番地 新日本製鐵 株式会社光製鐵所内
Claims (15)
- 【請求項１】 シリコン基板にその主表面から酸素イオ
ンを注入してＳＯＩ型の半導体基板を製造する方法にお
いて、該シリコン基板に注入された酸素原子の濃度の最
大値が４．０×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ１．０×１
０22原子／ｃｍ3 以上となるように酸素イオンを注入す
ることを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 【請求項２】 シリコン基板に注入された酸素原子の濃
度の最大値が２．２５×１０22原子／ｃｍ3 以下かつ
１．０×１０22原子／ｃｍ3 以上となるように酸素イオ
ンを注入することを特徴とする請求項１に記載の半導体
基板の製造方法。 - 【請求項３】 酸素イオンの注入によって得られるシリ
コン基板中の酸素原子濃度の深さ方向の分布が、単一の
極大値を有し、該極大値の前後で連続的に減少すること
を特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の製
造方法。 - 【請求項４】 酸素イオンの注入によって得られるシリ
コン基板中の酸素原子濃度の一定深さの面内における分
布が均一であることを特徴とする請求項３に記載の半導
体基板の製造方法。 - 【請求項５】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さと
該平均注入深さに対応する注入イオン量とを連続的ある
いは段階的に変えて一連の酸素イオン注入をすることを
特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体
基板の製造方法。 - 【請求項６】 全酸素イオン注入量（単位はイオン／ｃ
ｍ2 ）を得たい埋め込み酸化膜の厚さ（単位はｃｍ）に
４．４８×１０22をかけた量にすることを特徴とする請
求項１ないし５のいずれかに記載の半導体基板の製造方
法。 - 【請求項７】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さを
イオン注入エネルギーを変えることによって変えること
を特徴とする請求項５に記載の半導体基板の製造方法。 - 【請求項８】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さを
シリコン基板の表面を除去することによって変えること
を特徴とする請求項５に記載の半導体基板の製造方法。 - 【請求項９】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さを
シリコン基板の表面に膜を堆積することによって変える
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体基板の製造方
法。 - 【請求項１０】 シリコン基板の表面に堆積する膜の構
成元素がシリコンあるいはシリコンと酸素であることを
特徴とする請求項９に記載の半導体基板の製造方法。 - 【請求項１１】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さ
と注入イオン量に対応した個々の酸素原子濃度の深さ方
向の分布を一連の酸素イオン注入について加算累積した
酸素原子濃度の深さ方向の分布と予め決めた酸素原子濃
度の深さ方向の分布とを比較し、両者が一致するように
逐一の酸素イオン注入の平均注入深さとを注入イオン量
とを決めることを特徴とする請求項５に記載の半導体基
板の製造方法。 - 【請求項１２】 逐一の酸素イオン注入の平均注入深さ
と注入イオン量に対応した個々の酸素原子濃度の深さ方
向の分布を一連の酸素イオン注入について加算累積した
酸素原子濃度の深さ方向の分布を請求項１、請求項２、
請求項３、請求項４および請求項６が規定するところの
酸素原子濃度ならびにその分布が満たすべき条件と比較
し、該加算累積した酸素原子濃度の深さ方向の分布が該
条件を満足するように逐一の酸素イオン注入の平均注入
深さと注入イオン量とを決めることを特徴とする請求項
５に記載の半導体基板の製造方法。 - 【請求項１３】 酸素イオン注入が終了した後に埋め込
み酸化膜形成のために１３００℃以上の高温で熱処理を
行なうことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに
記載の半導体基板の製造方法。 - 【請求項１４】 第１の演算装置が一連のイオン注入の
逐一のイオン注入条件を入力とし、該逐一のイオン注入
条件に対する基板中の注入原子濃度分布を出力とし、 第２の演算装置が、第１の演算装置の出力を入力とし、
逐一のイオン注入条件に対する基板中の注入原子濃度分
布を一連のイオン注入について加算累積した注入原子濃
度分布を出力とし、 第３の演算装置が第２の演算装置の出力を第１の入力と
し、得たい注入原子濃度分布あるいは請求項１、請求項
２、請求項３、請求項４および請求項６が規定するとこ
ろの注入原子濃度ならびにその分布が満たすべき条件の
いずれかを第２の入力とし、第１の入力が第２の入力に
一致するかあるいは満足するかの判定結果を第１の出力
とし、第１の入力と第２の入力との差異を第２の出力と
し、 第４の演算装置が第３の演算装置の第１の出力を第１入
力とし、第３の演算装置の第２の出力を第２入力とし、
決定した一連のイオン注入の逐一のイオン注入条件を第
１の出力とし、第２の入力が小さくなるように修正した
一連のイオン注入の逐一のイオン注入条件を第２の出力
とし、 第４の演算装置の第２の出力を第１の演算装置の入力と
する、 上記記載の第１から第４の演算装置を有する請求項１１
および１２に記載の半導体基板の製造方法を実現する半
導体基板の製造装置。 - 【請求項１５】 第４の演算装置の第１の出力をイオン
注入装置の制御器の入力とすることを特徴とする請求項
１４に記載の半導体基板の製造装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05337894A JP3139904B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 半導体基板の製造方法および製造装置 |
| US08/666,287 US5918151A (en) | 1993-12-28 | 1994-12-28 | Method of manufacturing a semiconductor substrate and an apparatus for manufacturing the same |
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