JPH08102532A - イオン注入基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】注入イオンの深さ及び注入層厚のみならず、高
度に制御されたイオン濃度分布を基板に形成する。 【構成】基板を製造する方法であって、基板ウェハにイ
オンを注入する際に、基板ウェハ上へのホモエピタキシ
ャル成長とイオン注入とを同時に行い、かつホモエピタ
キシャル成長速度及び／又はイオン注入レートを時間的
に変調させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリコンあるいはガ
リウムひ素の集積回路（ＩＣ）及び大規模集積回路（Ｌ
ＳＩ）を形成するための基板の加工方法に関し、詳しく
はイオン注入基板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ用基板及びＬＳＩ用基板の製造工程
においては、高電圧で加速したイオンを半導体に注入す
る方法が有力な手法として用いられるようになってき
た。このイオン注入法は、目的とする物質をイオン化
し、さらに、１０〜数百keVに加速して、半導体基板に
打ち込む技術である。この手法は、注入イオン量の制御
精度が高く、注入深さ分布を予測できるとともに、イオ
ンビームの走査により、大面積へのイオン注入が可能で
あるため、制御性と均一性に優れるという利点を有して
いる。そこで、現在、この手法は、ＩＣ及びＬＳＩの製
造工程において、ドナー性不純物あるいはアクセプター
性不純物をイオンとして注入し、所望の電気的特性を付
与する工程、およびシリコンウェハに酸素イオンを注入
して埋め込み酸化層を有する構造（ＳＯＩ：Silicon on
Insulator）を形成する工程で多く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、イオン平均深
さと注入深さ分布がともに、加速電圧、すなわち、注入
エネルギーによって決定され、注入エネルギーが大きけ
れば、平均深さが深く、また分布の幅も大きくなるとさ
れている( J.F.ZIEGLER, J.P.BIERSACK, U.LITTMARK
「The Stopping and Range of Ions in Solids」(Perga
mon Press) ) 。したがって、かかる有用なイオン注入
法であるが、実際にはイオンの注入深さとその分布形状
を自由自在に制御することは困難であり、所望の深度に
所望の分布形状でイオンを注入させることができなかっ
た。

【０００４】そこで、このような不都合を解決しよう
と、図９に示すように、注入エネルギーを変えて、複数
回のイオン注入Ｖ１，Ｖ２を行って、所望の分布形状に
近似する手法が考案されている。しかし、この方法で
は、図９から明らかなように依然として所望の分布形状
にイオン濃度を制御することは困難であるとともに、注
入エネルギーに対応したイオン源が必要となり、さらに
かかる注入エネルギーの変更に伴う条件設定の変更が煩
雑である。また、基板表面を通過するイオン量が多く、
基板表面付近に欠陥が生じやすい。

【０００５】また、かかる注入深さとその注入エネルギ
ーとの関係を利用して、発明者らは、先に、シリコンウ
ェハからなる基板に、一定のエネルギーの酸素イオンの
注入とシリコン原子の蒸着を同時、あるいは交互に行い
埋め込み任意の深さ域にアモルファス層を形成する方法
を開示している（特開平６−２９１６８号公報）（図１
０参照）。すなわち、基板表面を成長させることによ
り、結果としてイオン打ち込みの深さを変えてイオン注
入層Ｗ１〜Ｗｎを積層させて注入深さ分布Ｘを形成する
ものである。しかし、この方法では、層厚と深さを制御
することは可能であっても、注入深さ分布Ｘを所望の分
布形状で形成することは不可能であった。

【０００６】そこで、本発明は、注入イオンの深さ及び
注入層厚のみならず、高度に制御されたイオン濃度分布
を形成することができるイオン注入基板の製造方法を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した技術的
課題を解決するべくなされたものであり、請求項１に記
載の発明は、基板を製造する方法であって、基板ウェハ
にイオンを注入する際に、基板ウェハ上へのホモエピタ
キシャル成長とイオン注入とを同時に行い、かつホモエ
ピタキシャル成長速度及び／又はイオン注入レートを時
間的に変調させることを特徴とするイオン注入基板の製
造方法である。また、請求項２に記載の発明は、単結晶
シリコンウェハに酸素イオンを注入することにより、埋
め込み酸化層を有する基板を製造する方法において、シ
リコン原子の蒸着と酸素イオンの注入とを同時に行い、
かつシリコン原子の蒸着速度及び／又は酸素イオンの注
入レートを時間的に変調させることを特徴とするイオン
注入基板の製造方法である。また、請求項３に記載の発
明は、単結晶シリコンウェハ又は単結晶ガリウムひ素ウ
ェハにドナー性不純物イオン又はアクセプター性不純物
イオンを注入して基板を製造する方法において、前記単
結晶シリコンウェハ又は単結晶ガリウムひ素ウェハと同
物質の蒸着と前記不純物イオンの注入とを同時に行い、
かつ蒸着速度及び／又は不純物イオン注入レートを時間
的に変調させることを特徴とするイオン注入基板の製造
方法である。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。この発明
においては、単結晶成長とイオン注入とを同時に行う場
合において、最終的形成されるイオンの注入深さ分布形
状が、各瞬間での単結晶膜成長速度とイオン注入レート
とにより決定されるイオン濃度分布の総和であることに
着目したことに基づくものである。これにより、基板に
おけるイオンの深さ位置とイオン濃度分布、すなわち、
イオン濃度の制御を、イオンビームの注入エネルギーを
変化させることなく、基板ウェハ表面へのホモエピタキ
シャル成長を行うと同時に、イオンビームの照射による
注入を行い、かつイオン注入レート及び／又はホモエピ
タキシャル成長速度を時間的に変調させることにより、
達成しようとするものである。

【０００９】ここに、ホモエピタキシャル成長とは、基
板ウェハと同一の結晶を成長させるエピタキシャル成長
であり、その手段としては、真空蒸着法、化学蒸着法、
分子線エピタキシャル成長法等の公知の手段を利用する
ことができる。また、イオン注入レートとは、一定面積
当たりの単位時間当たりのイオン注入量（個数）であ
り、電流密度によって制御される。注入するイオンとし
ては、酸素、シリコン、ほう素、ひ素やリン等、通常注
入されるイオンに適用することができる。

【００１０】本発明の原理を図を用いて説明する。図１
には、例えば一定の低エネルギーでイオンを基板ウェハ
に注入した状態のイオン濃度分布図が示されている。こ
のように、低エネルギーでイオンを注入することによ
り、基板表面から一定深さｄの浅い部分に急峻な濃度勾
配を有するイオン注入層Ｐ１を形成することができる。
そして、図２に示すように、一定の速度のホモエピタキ
シャル成長を同時に行って基板ウェハ表面を成長させる
ことにより、イオンが注入される深さは、新たな基板表
面からの一定深さｄの浅い位置に移動され、そこにイオ
ン注入層Ｐ２が形成される。イオン注入層Ｐ１とイオン
注入層Ｐ２との重複した部分では、これらのこの部分に
おける各層Ｐ１、Ｐ２の注入イオン量の和が存在される
ことになる（図２の点線部分参照）。この発明では、エ
ピタキシャル成長速度、イオン注入レートのいずれか一
方、あるいは双方を時間的に変調させることにより、こ
れらのイオン注入層Ｐ１、Ｐ２等の積層状態を制御し
て、所望の形状のイオン濃度分布を形成するものであ
る。

【００１１】すなわち、図３に模式的に示すように、図
２に示す場合よりもホモエピタキシャル成長速度をより
速くすることにより、相対的にイオン注入層Ｐ１，Ｐ
２，Ｐ３の形成される深さ方向における間隔が広くな
り、深さ方向での重なりが少なくなって、この結果イオ
ン濃度一定の台形状の分布Ｒが達成される。また、図４
に示すように、図２に示す場合よりも成長速度をより遅
くすることにより、基板表面の成長速度が低下し、相対
的にイオン注入層Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の形成される間隔が
小さくなり、イオンの分布Ｓは、深さ方向に大きく重な
り、急峻な勾配を有する山状の分布となる。したがっ
て、この山状分布の勾配を利用してイオン濃度を飛躍的
に増大させ、またイオン濃度を急激に低下させることが
できる。また、以上の場合において、ホモエピタキシャ
ル成長速度の加速又は減速の程度によっても、分布形状
を調整することができる。

【００１２】同様に、図５に示すように、イオン注入レ
ートをより大きくすることにより、大きな注入イオン層
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３により飛躍的でかつ高濃度のイオン分
布Ｔを形成でき、図６に示すように、イオン注入レート
をより小さくすることにより、小さな注入イオン層Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３により緩やかでかつ濃度の低いイオン分
布を達成できる。

【００１３】さらに、ホモエピタキシャル成長速度を遅
くすると同時に、イオン注入レートを大きくすれば、さ
らに急峻なイオン濃度の増大を図ることができ、逆にイ
オン注入レートを低減すれば、より急激なイオン濃度の
低減を図ることができる。また、エピタキシャル成長濃
度を速くするとともに、イオン注入レートを小さくすれ
ば、緩やかなイオン濃度の増減を達成できる。

【００１４】このように、本発明では、ホモエピタキシ
ャル成長とイオン注入とを同時に行う際に、ホモエピタ
キシャル成長速度及び／又はイオン注入レートを時間と
ともに変調させて、各瞬間でのイオン注入層の積層状
態、あるいはイオン注入層自体の形状を変化させること
により、イオン濃度の大小、急峻あるいは緩やかなイオ
ン濃度の勾配、一定のイオン濃度の維持が可能となる。
この結果、これら各種分布形状を組み合わせることによ
り、全体として形成されるイオン濃度分布を自在に形成
することができるのである。

【００１５】このため、本発明では、注入エネルギーを
変えることなく、イオン濃度及びその深さ分布を所望の
形状に設計できる。したがって、従来の注入エネルギー
の大きさで打ち込みイオンの深さ分布形状が決まってし
まうという不都合、及び深い注入では分布の幅が広がっ
てしまうという不都合を排除して、一定のエネルギーの
イオン注入で所望の深さに所望の濃度のイオンを分布さ
せることができる。

【００１６】本発明では、基板ウェハをエピタキシャル
成長させつつ、イオンを打ち込むため、最も深い位置に
は、最初に注入したイオンが存在され、最も浅い位置に
は最後に注入したイオンが存在される。このため、大き
な注入エネルギーを用いなくても、結果として基板ウェ
ハの深部に注入イオン層を形成できる。したがって、基
板表面での結晶欠陥を生じにくくイオン分布幅の狭い低
エネルギーでのイオン注入を有効に利用できる。また、
低エネルギーでのイオン注入により、結晶欠陥を低減で
きることから、比較低温かつ短時間のアニーリングによ
り、打ち込みイオンの熱拡散を抑制しつつ、打ち込みイ
オンの励起を完全に行うことができる。

【００１７】さらに、基板表面を成長させつつイオンを
打ち込むため、高濃度の分布を形成しても基板表面を通
過するイオン量が結果として少なくすることできる。し
たがって、この点でも、基板表面での結晶欠陥を低減す
ることができる。

【００１８】また、本発明では、その時々における基板
ウェハ表面から一定深さ位置にイオンを打ち込むため、
イオン注入したその時の表面は、常に、イオン濃度が十
分に低い濃度に保たれて、良好な結晶性が確保されてい
るため、蒸着した原子は単結晶膜として堆積される。し
たがって、新たに成長された基板表面に、その後にイオ
ン注入することで埋め込みアモルファス層を形成するこ
ともできる。

【００１９】本発明を、シリコンウェハの埋め込み酸化
層に適用した場合には、台形形状の分布を形成すること
が高品質ＳＯＩ構造を形成することにおいて有効であ
り、また、浅い不純物ドープ層を形成する場合には、階
段状分布を形成することが集積回路の高密度化に有効で
ある。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、イオンの注入深さ分布形状を任意に制御
できるため、目的に応じて最適なイオン分布形状を選択
し、また、容易にそのイオン分布形状を基板ウェハに付
与することができる。したがって、デバイスの要求性能
に応じたイオン注入が可能となり、ＩＣ用基板やＬＳＩ
基板の高性能化、安定化、高集積化に貢献することがで
きる。請求項２に記載の発明によれば、単結晶シリコン
ウェハにおいて、任意の濃度分布で任意の膜厚の埋め込
み酸化層を形成することができる。したがって、かかる
埋め込み酸化層の形成により、高品質ＳＯＩ構造を容易
に形成できる。請求項３に記載の発明によれば、基板ウ
ェハの浅い部分に不純物ドープ層を形成する際におい
て、集積回路の高密度化に適した接合を容易に形成する
ことができる。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明を具現化した実施例につき、
説明する。 （実施例１）本実施例では、シリコンウェハに対して酸
素イオン注入とシリコン単結晶膜成長を同時に行ってＳ
ＯＩ構造を形成する場合について説明する。まず、シリ
コンウェハを高真空のイオン注入室内で８００℃以上に
加熱した状態で約３０分間保持して表面の酸化層や不純
物を取り除く。

【００２２】第１の工程について説明する。第１の工程
では、イオン注入室内の温度を５５０℃に下げた後、こ
のシリコンウェハに、酸素イオンを加速電圧２５ｋＶ，
電流密度２５０μＡで注入する。

【００２３】また、第１の工程では、同時にシリコンの
電子ビーム蒸着を約１ｎｍ／ｓで１５０秒続ける。この
際、シリコンの蒸着速度が酸素イオンによる基板表面の
スパッタリング速度の約２倍であるため、ウェハ表面に
シリコン単結晶膜が成長する。この工程では、基板表面
の成長は遅く、結果としてイオン注入層の形成される間
隔は小さく、重複してイオン注入層が形成された状態と
なる。これは、基板の深い位置に高濃度で急峻な山形状
の分布を形成して、全体として形成しようとするアモル
ファス層の下層側に対応する酸素濃度の急激な上り勾配
を形成するためである。

【００２４】第２の工程では、第１の工程と同様の加速
電圧及び電流密度でイオン注入を継続しつつ、蒸着速度
を約２ｎｍ／ｓに増加して、約４００秒維持した。この
工程では、基板表面の成長速度は第１の工程よりも速い
ため、イオン注入層の形成される間隔が広く、濃度がほ
ぼ一定で緩やかな山形状の濃度分布が形成される。

【００２５】さらに、第３の工程では、第１の工程と同
様のイオン注入状態を維持して、蒸着速度を１ｎｍ／ｓ
に戻して、１５０秒維持する。この工程では、第１の工
程と同様に、高濃度で急峻な勾配を有する山形状の濃度
分布が形成され、形成しようとするアモルファス層の上
層側に対応する急激な酸素濃度の下り勾配が形成され
る。そして、第４の工程では、イオン注入を停止して、
シリコン蒸着のみを１ｎｍ／ｓで継続して２５０ｎｍの
薄膜が形成する。

【００２６】このようにイオン注入された試料の温度を
室温まで下げた後、大気中に取り出し、オージェ電子分
光法で酸素の分布を測定した。この結果は、図７に示す
通りであり、アモルファス層の下層側及び上層側に急峻
な酸素濃度の界面が形成されるとともに、アモルファス
層内のほぼ全体に、酸素が一定濃度で存在され、全体と
してほぼ台形状を呈していた。なお、この濃度一定部分
の酸素濃度は、アモルファス層（ＳｉＯ₂ ）を形成する
酸素濃度に対応している。

【００２７】次に、この酸素濃度分布図とイオン注入工
程との対応について説明する。分布図のＡ部分は第１の
工程に、Ｂ部分は第２の工程に、Ｃ部分は第３の工程
に、そしてＤ部分は第４の工程に対応されている。

【００２８】このように最終的に得られたアモルファス
層の分布は、Ａ部分での高濃度で急峻な山形状の分布
と、Ｂ部分での緩やかな山形状の分布と、Ｃ部分での高
濃度で急峻な山形状の分布との総和である。すなわち、
Ａ部分の急峻な上り勾配層は、第１の工程で高濃度で急
峻な勾配の山形状のイオン注入層の下層側により形成さ
れている。なお、注入時に一時的に必要濃度を越えた酸
素イオンは上下層に拡散されるが、下層に拡散しても急
峻な勾配は維持され、上方に拡散しても、Ｂ部分の平坦
性が確保されることになる。

【００２９】また、Ｂ部分では、第１の工程で形成され
たイオン注入層と第２の工程で形成されたイオン注入層
及び第３の工程で形成されたイオン注入層とが組み合わ
されて結果として一定濃度、すなわち、アモルファス層
を形成する濃度の酸素が存在されている。

【００３０】さらに、Ｃ部分では、第３の工程で形成さ
れた高濃度で急峻な勾配の山形状のイオン注入層の上層
側により、急峻な下り勾配層が形成されている。

【００３１】この試料断面を透過型電子顕微鏡観察を行
ったところ、表面シリコン層が３００ｎｍであり、酸素
濃度が高くアモルファス化した層が３００ｎｍ形成され
ており、オージェ分光分析法の結果と対応されていた。

【００３２】このような分布形状に酸素が打ち込まれた
基板ウェハを窒素雰囲気下で、１２００℃以上の高温で
約６時間アニールを加えた。この結果形成された構造
は、表面から単結晶シリコン層、埋め込み酸化層、シリ
コン単結晶基板からなるＳＯＩ構造となっていた。ま
た、透過型電子顕微鏡観察によれば、表面単結晶シリコ
ン層中の貫通転位はほとんど観察されなかった。

【００３３】（実施例２）本実施例では、イオン注入と
ガリウムひ素単結晶成長を同時に行ってドナー不純物の
ドープ層を形成する場合について説明する。ガリウムひ
素ウェハを高真空のイオン注入室内で６００℃以上に加
熱した状態で、約３０分間維持し、表面の酸化層や不純
物を除去する。その後、第１の工程として、温度を３５
０℃以下に下げ、ガリウムとひ素をそれぞれクヌードセ
ンセル蒸発源を用いて供給し、当初０．５ｎｍ／ｓで蒸
着を開始し、その後約１ｎｍ／ｓで保持する。

【００３４】この蒸着開始と同時にシリコンイオン（Ｓ
ｉ⁺ ）を加速電圧２０ｋＶで注入を開始し、約５００秒
経過して５×１０¹⁴個／ｃｍ² の注入がされたところ
で、蒸着を終了する。

【００３５】第２の工程として、この後イオン注入をそ
のまま継続し、さらに５×１０¹⁵個／ｃｍ² の注入がさ
れたところで終了する。

【００３６】この試料の温度を室温まで下げた後、大気
中に取り出し、窒素雰囲気下で１０００℃、１０秒間の
高速熱アニールを施した。この試料を２次イオン質量分
析法でシリコン濃度の分布を測定した結果は、図８に示
すように、表面から深さ３０ｎｍまでは濃度が１×１０
²⁰ｃｍ^-3で、深さ３０ｎｍから約４００ｎｍまでは２×
１０¹⁸ｃｍ^-3というシリコン分布が得られた。

【００３７】この分布図において、Ｅ部分は、ガリウム
−ひ素の蒸着とイオン注入とをを同時に行った第１の工
程に対応され、Ｆ部分は、イオン注入のみを行った第２
の工程に対応されている。Ｅ部分においては、低い蒸着
速度から高い蒸着速度への変化により蒸着速度の変化に
より、飛躍的にシリコン濃度が立ち上げられるととも
に、引き続く一定の蒸着速度下で、平坦な濃度分布のシ
リコン層が形成されている。Ｆ部分においては、イオン
注入のみを行うことにより、基板表面から浅い部分に、
平坦部分からさらに飛躍的にシリコン濃度の高い不純物
層が形成されている。このように、本実施例ではシリコ
ン濃度を階段状に変化させることができた。なお、注入
されたシリコンはドナーとして活性化されており、集積
回路の高度化に必要とされる浅いｎ⁺ ｎ接合がガリウム
ひ素基板表面に形成することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】一定のエネルギーで基板ウェハにイオンを打ち
込んだ場合のイオン濃度分布を示す図である。

【図２】基板ウェハ表面をエピタキシャル成長させつ
つ、一定のエネルギーでイオンを打ち込んだ場合のイオ
ン濃度分布を示す図である。

【図３】図２に示す場合よりも速く基板ウェハ表面を成
長させつつ、一定のエネルギーでイオンを打ち込んだ場
合のイオン濃度分布を示す図である。

【図４】図２に示す場合よりも遅く基板ウェハ表面を成
長させつつ、一定のエネルギーでイオンを打ち込んだ場
合のイオン濃度分布を示す図である。

【図５】基板ウェハ表面をエピタキシャル成長させつ
つ、大きなイオン注入レートでイオンを打ち込んだ場合
のイオン濃度分布を示す図である。

【図６】基板ウェハ表面をエピタキシャル成長させつ
つ、イオン注入レートを小さくしてイオンを打ち込んだ
場合のイオン濃度分布を示す図である。

【図７】実施例１においてシリコン基板中に酸素イオン
を打ち込んで形成したアモルファス層を熱アニール前に
オージェ分光分析法によって測定した酸素分布図であ
る。

【図８】実施例２においてガリウムひ素基板中にシリコ
ンイオンを打ち込んで形成した不純物層の熱アニール後
に二次イオン質量分析法で測定したシリコン濃度分布で
ある。

【図９】従来において、イオン注入エネルギーを変えて
基板中にイオンを打ち込んだ場合のイオン濃度分布を示
す図である。

【図１０】従来において、基板表面をエピタキシャル成
長させつつ、イオン注入を行った場合のイオン濃度分布
を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を製造する方法であって、 基板ウェハにイオンを注入する際に、基板ウェハ上への
   ホモエピタキシャル成長とイオン注入とを同時に行い、
   かつホモエピタキシャル成長速度及び／又はイオン注入
   レートを時間的に変調させることを特徴とするイオン注
   入基板の製造方法。
2. 【請求項２】単結晶シリコンウェハに酸素イオンを注入
   することにより、埋め込み酸化層を有する基板を製造す
   る方法において、 シリコン原子の蒸着と酸素イオンの注入とを同時に行
   い、かつシリコン原子の蒸着速度及び／又は酸素イオン
   の注入レートを時間的に変調させることを特徴とするイ
   オン注入基板の製造方法。
3. 【請求項３】単結晶シリコンウェハ又は単結晶ガリウム
   ひ素ウェハにドナー性不純物イオン又はアクセプター性
   不純物イオンを注入して基板を製造する方法において、 前記単結晶シリコンウェハ又は単結晶ガリウムひ素ウェ
   ハと同物質の蒸着と前記不純物イオンの注入とを同時に
   行い、かつ蒸着速度及び／又は不純物イオン注入レート
   を時間的に変調させることを特徴とするイオン注入基板
   の製造方法。