JPH10223551A - Soi基板の製造方法 - Google Patents

Soi基板の製造方法

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JPH10223551A
JPH10223551A JP9027894A JP2789497A JPH10223551A JP H10223551 A JPH10223551 A JP H10223551A JP 9027894 A JP9027894 A JP 9027894A JP 2789497 A JP2789497 A JP 2789497A JP H10223551 A JPH10223551 A JP H10223551A
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temperature heat
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Atsushi Ogura
厚志 小椋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、従来技術のよるSIMOXの問題
点を克服し、低ドーズのイオン注入を用いても連続な酸
化膜の形成を可能とすることにより、結晶欠陥のより少
ないSIMOX基板を製造する方法を提供することを目
的とする。 【解決手段】 Si基板にドーズ量3×1017/cm2
以下の酸素イオンを注入する工程と、このSi基板を1
250℃以下の温度で40分以上の熱処理を行う低温熱
処理工程と、この低温熱処理工程の後に、このSi基板
を1300℃以上の温度で熱処理する高温熱処理工程と
を含むSOI基板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、次世代LSIの基
板材料として有望な、絶縁体上に半導体層を有するSO
I、(Si on insulator)基板の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】絶縁体上に半導体活性層を有するSOI
構造の形成方法の1つに、例えばジャーナル・オブ・マ
テリアル・リサーチ、8巻、523〜534頁、199
3年(J.Mater.Res.,Vol.8,No.
3,pp.523〜534,1993)にあるように、
高ドーズの酸素イオン(O+)をSi基板にイオン注入
し、続いて高温の熱処理を施して連続な酸化膜(SiO
2膜)を基板内部に形成するSIMOX(Separa
tion by implanted oxygen)
法がある。
【0003】この方法では、比較的簡便にSOI基板を
得ることができるが、デバイスを作成する領域である上
部Si活性層に結晶欠陥が残留する欠点を持つ。残留結
晶欠陥の密度は、注入酸素イオンの量(ドーズ)に依存
し、高ドーズの場合には低ドーズの場合に比べて多数の
結晶欠陥が残留する。したがって、結晶欠陥を低減する
ためには、注入酸素イオンのドーズを低くすることが必
要となるが、例えば180KeVで3〜4×1017/c
2以下の低ドーズの酸素イオンを注入した場合には、
その後の高温熱処理で連続な酸化膜が形成されず、電流
リークの経路となって良好なデバイス特性が得られない
という欠点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術のよるSIMOXの問題点を克服し、低ドーズ
のイオン注入を用いても連続な酸化膜の形成を可能とす
ることにより、結晶欠陥のより少ないSIMOX基板を
製造する方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、Si基板にド
ーズ量3×1017/cm2以下の酸素イオンを注入する
工程と、このSi基板を1250℃以下の温度で40分
以上の熱処理を行う低温熱処理工程と、この低温熱処理
工程の後に、このSi基板を1300℃以上の温度で熱
処理する高温熱処理工程とを含むSOI基板の製造方法
に関する。
【0006】本発明によって、低ドーズでも連続な酸化
膜の形成が可能となり、結晶欠陥の少ないSIMOX基
板が得られる作用について述べる。
【0007】本発明者が、SIMOX法によるSOI構
造の形成メカニズムを詳細に検討したところ、180K
eVの加速エネルギーでは、ほぼ1.2×1018/cm
2以上のドーズでは、イオン注入直後の状態ですでに連
続な酸化膜が形成されており、その後の高温熱処理でさ
らに周辺の酸素原子が集まりSOI構造が完成すること
が確認された。
【0008】それに対して1.2×1018/cm2以下
の低ドーズでは、イオン注入直後には微小な酸化物島が
点在していて、その後の高温熱処理で酸化物島のある物
は成長しある物は消滅して、成長した酸化物島はさらに
合体して大きくなることが確認された。しかし、連続な
酸化膜が形成されるためには、イオン注入直後の酸化物
島の密度と分布が適当である必要があり、例えば3×1
17/cm2以下のドーズでは連続な酸化膜が形成され
ず、電流リークの原因となり良好なSOIデバイスが作
製できない。
【0009】本発明者は、さらに詳細な検討を行った結
果、高温熱処理を行う前にあらかじめ1250℃以下の
低温で40分以上熱処理を行うことによって、微小な酸
化物島析出の核を高密度に発生させることができ、その
後に高温熱処理を行うと酸化膜が連続に形成されること
を見いだした。これは、1300℃以上の高温に比べ
て、1250℃以下の低温では、より小さな酸化物島析
出核であっても、熱力学的に安定に存在することが可能
で、そして40分以上保持することにより成長し、13
00℃以上でも安定に存在しうる大きさになっているた
めであると考えられる。従って、本発明によれば従来不
可能であった3×1017/cm2以下のドーズで連続な
酸化膜の形成が可能となり、結晶欠陥の少ない良好なS
IMOX−SOI基板を得ることができる。
【0010】また、従来よりさらに低ドーズでのSOI
基板の形成が可能になることは、イオン注入時間の短縮
が可能であることを意味し、プロセスコストの低減効果
も同時に得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の酸素イオン注入のドーズ
量としては、表面に過度に結晶欠陥を生じさせない程度
であり、通常3×1017/cm2以下、好ましくは2×
1017/cm2以下である。また、ドーズ量が少な過ぎ
ても連続な酸化膜の形成が難しくなるので、通常は、1
×1015/cm2以上、の範囲で適宜選択する。また、
イオンの加速速度は、イオン注入する深さに合わせて適
宜選択することができる。
【0012】低温熱処理工程は、1250℃以下の温度
で40分以上の処理工程であり、処理温度に合わせて処
理時間を調整する。処理温度が低すぎると核の成長に長
時間必要になり実用的でなくなるので、通常300℃以
上とすることが好ましい。また、特に一定温度で行う必
要はなく、低温から所定温度まで昇温してもよい。
【0013】この処理は、窒素、アルゴン等の不活性ガ
ス雰囲気、これら不活性ガスと酸素の混合雰囲気、また
は純酸素雰囲気で行うことができる。特に酸素を0.5
〜100%含む雰囲気で処理すると低温熱処理時間が短
縮できる利点がある。この場合、温度が高い場合に酸素
濃度が高すぎると表面が酸化エッチングされるので、酸
素濃度は処理温度を考慮して適宜設定することが好まし
い。
【0014】一方、高温熱処理工程は、1300℃以上
の温度で処理する工程であり、この工程により基板内に
連続する酸化膜が形成される。処理温度は実用上140
0℃程度以下である。この処理は、窒素、アルゴン等の
不活性ガス雰囲気、これら不活性ガスと酸素の混合雰囲
気で行うことができる。
【0015】また、本発明においてはこの高温熱処理の
後に、さらに1300℃以上で1%以上の酸素を含む雰
囲気で熱処理をしても良い。この工程はSi基板の表面
を酸化する他、基板内部に形成された連続な酸化膜の膜
厚も増加する。その際に、特に連続な酸化膜の中でも酸
化物島が合体した領域で微小なSi含有量の多い領域を
選択的に酸化し、酸化膜質の向上が得られる。本発明の
方法では、特に多数の酸化物島の合体過程が含まれてい
るため、このようなプロセスは良質なSOI構造を得る
ために有効である。この工程は、前記の高温熱処理と別
個の工程として行うことができるが、高温熱処理工程後
に引き続き酸素濃度を増加すること等により連続して行
うことができる。
【0016】
【実施例】以下本発明の実施例について図面を用いて詳
細に説明する。図1は本発明の実施を説明するための模
式図、図2は従来技術を説明するための模式図である。
【0017】[実施例1]6インチ(100)Si基
板、P型1〜10Ω・cmを複数枚用意し(図1のSi
基板10)、酸素原子を180KeVで2×1017/c
2イオン注入した。 次に、N2雰囲気中で一つの基板
については300℃で10時間、また別の基板について
は1250℃で1時間というように、それぞれの基板を
300〜1250℃の間の温度で、1〜10時間の低温
熱処理を行った。この段階で、試料には高密度の酸化物
島析出核20が形成されている。
【0018】次に、O20.5%含有Ar雰囲気で13
50℃で5時間の高温熱処理を行った。その後この基板
を透過型電子顕微鏡(TEM)やX線トポグラフ法を用
いてその構造を詳細に評価した。その結果、第1図に示
すような連続な酸化膜40が形成されていた。これは、
低温熱処理により高密度の酸化物島析出核が生成し、そ
の後の高温熱処理中に酸素が集合し成長した酸化物島が
互いに合体して連続な酸化膜40となったものである。
【0019】また、活性層30の結晶欠陥密度は10個
/cm2以下であり、通常の方法で連続な酸化膜が形成
される酸素イオン注入量の多い場合の100〜1000
個/cm2に比べて少なかった。
【0020】なお、ここで述べたイオン注入や熱処理
は、あくまでも一例を示したにすぎず、条件が限定され
ているわけではない。たとえば、低温熱処理を高温熱処
理と同じO20.5%含有Ar雰囲気で行っても同様な
効果が確認され、この場合には途中で雰囲気ガスを切り
替えることなく、同一の熱処理炉で連続な処理が可能と
なる。
【0021】[比較例1]実施例1において、低温熱処
理を行うことなく、直ちに高温熱処理を行った以外は実
施例1を繰り返した。その結果、図2に示すように不連
続な酸化物島220のみが観察された。これは、低温熱
処理を行っていない試料では酸化物島の形成密度が小さ
いために互いに合体できずに不連続な酸化物島220が
形成されたためと考えられる。
【0022】[実施例2]実施例1と同様の基板を複数
枚用意し、低温熱処理工程をO2を0.5〜100%含
むArまたはN2中で、それぞれの基板を300〜12
50℃の間の温度で、40分〜2時間の条件で行った以
外は実施例1と同様にSOI基板を作製した。 その結
果実施例1と同様に連続な酸化膜が形成されていた。こ
の実施例のように酸素濃度の高い雰囲気での熱処理は、
酸化物島析出核の形成を助長するため、実施例1に比べ
て短時間の低温熱処理でも、実施例1と同様の効果が得
られた。 また試料の結晶欠陥密度は実施例1と同様に
10個/cm2以下と従来の方法に比べて少なかった。
【0023】[比較例2]実施例2において、低温熱処
理を行うことなく、直ちに高温熱処理を行った以外は実
施例2を繰り返した。その結果、不連続な酸化物島22
0のみが観察された。
【0024】[実施例3]実施例1において、低温熱処
理工程を、O2を0.5〜100%含むArまたはN2
で、室温から1250℃まで昇温速度1〜20℃/分で
昇温しながら行った以外は実施例1を繰り返した。
【0025】その結果実施例1と同様に、基板内に連続
な酸化膜が形成されていた。また、一定温度に保っての
低温熱処理に比べて、昇温しながらの熱処理では酸化物
島析出核の形成を助長するため、他の条件が同一である
ものと比較すると短時間の処理でも同様の効果が得られ
た。また結晶欠陥密度は実施例1と同様に10個/cm
2以下と従来の方法に比べて少なかった。
【0026】[実施例4]実施例1から3に示した条件
で、高温熱処理を加えた後のSi基板に、さらに130
0℃以上、例えば1350℃で、ArまたはN2中にO2
を1%以上、例えば5%含む雰囲気での30分〜3時間
の熱処理を加えた。この結果さらに良質なSOI構造を
得ることができた。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術のよるSIM
OXの問題点を克服し、低ドーズのイオン注入を用いて
も連続な酸化膜の形成を可能とすることにより、結晶欠
陥のより少ないSIMOX基板を製造する方法を提供す
ることができる。また、本発明によれば、酸素イオン注
入のドーズ量が小さいために、プロセスコストも同時に
低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を説明するための模式図であ
る。
【図2】従来技術を説明するための模式図である。
【符号の説明】
10 Si基板 20 酸化物島析出核 30 活性層 40 連続な酸化膜 110 Si基板 210 Si基板 220 不連続な酸化物島

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si基板にドーズ量3×1017/cm2
    以下の酸素イオンを注入する工程と、 このSi基板を1250℃以下の温度で40分以上の熱
    処理を行う低温熱処理工程と、 この低温熱処理工程の後に、このSi基板を1300℃
    以上の温度で熱処理する高温熱処理工程とを含むSOI
    基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記低温熱処理工程における処理雰囲気
    が、0.5%以上の酸素を含む雰囲気であることを特徴
    とする請求項1記載のSOI基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記低温熱処理工程おける処理温度が、
    1250℃以下の範囲で低温から高温に連続的に変化す
    ることを特徴とする請求項1記載のSOI基板の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 前記高温熱処理工程の後、1300℃以
    上で1%以上の酸素を含む雰囲気で熱処理をする工程を
    さらに含むことを特徴とする請求項1記載のSOI基板
    の製造方法。
JP9027894A 1997-02-12 1997-02-12 Soi基板の製造方法 Pending JPH10223551A (ja)

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