JPH10500254A - 半導体基板中に埋め込まれた酸化物層を備えた低転位密度構造の製造プロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低転位密度のエピタキシー構造を製造するためのこのプロセスは、半導体材料から形成された基板（４）中に酸化物層（６）を組み込む構造に関するもので、順次、基板（４）中への少なくとも１回の酸素イオンのイオン注入と、基板の状態を良くするための少なくとも１回の熱処理と、基板上への半導体材料のエピタキシー層（１４）の成長と、この構造から転位（８）を消滅させるための第２回目の熱処理を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体基板中に埋め込まれた酸化物層を備えた低転位密度構造の製造プロセス 技術分野 本発明は、半導体基板中に埋め込まれた酸化物層を備えた低転位密度構造の製 造プロセスに関するものである。より、詳しくは、酸素のイオン注入による分離 （Separation by IMplantation of OXygenすなわちSIMOX）として知られる酸素 イオン注入プロセスを用いた、絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ）構造の製造プロセ スに関するものである。この発明はマイクロエレクトロニクスの分野において多 数の応用が可能であり、特に、相補型の金属ー酸化膜構造の半導体すなわちＣＭ ＯＳ型の集積回路の製造において多数の応用が可能である。従来技術 ＳＩＭＯＸを含むＳＯＩ構造に関する技術の発展過程において、主な目的の一 つは、結晶欠陥の密度を低減することである。 ＳＩＭＯＸ型のＳＯＩ構造における結晶欠陥、特に転位は、確かに主要な問題 点の一つといえる。ＳＯＩ構造は、シリコン層を有し、その結晶欠陥は、ある素 子や回路を製造する際の障害になり、または少なくとも制限となる。 これは集積密度が非常に重要となる、バイポーラ型の素子、接合型電界効果ト ランジスタ（ＪＦＥＴ）素子、そしてＣＭＯＳ ＵＬＳＩ（超大規模集積回路） 用素子の先端技術への応用に対して特に言えることである。 この明細書の最後には、半導体材料層のエピタキシーの結果として生じる、Ｓ ＯＩ型の構造の欠陥のふるまいの例を示す文献（１）、（２）および（３）が挙 げられている。 文献（１）においてＬｉａｗらは、シリコンのエピタキシーにより、転位を欠 陥の間にトラップし、シリコン層中の欠陥密度を、かなり減少させることが可能 であると結論付けている（１８．２μｍのエピタキシーに対して、欠陥密度が２ ．５ｘ１０⁷ｃｍ^-2から４ｘ１０⁶ｃｍ^-2に減少する）。 このメカニズムは、高い欠陥密度の場合にのみ有効である。転位が、垂直方向 に対して３５度傾いていることを考慮して簡単に計算すると、１μｍのエピタキ シー中で、欠陥密度は２ｘ１０⁷ｃｍ^-2を越えなければならず、そのために、２ つの転位間に相互作用が働く可能性は残ってしまう。Ｌｉｅｗらは、生成された 層の品質は、エピタキシーに先立つ前熱処理には関係しないと結論している。 文献（２）も同様な結論に達している。すなわち、高い転位密度（１０⁹ｃｍ^{- 2} ）をもつ試料において、５μｍ厚のエピタキシーにより、転位密度（１０⁸ｃｍ^-2 ）をわずかに低くすることが可能となることを示している。 これら異なる研究は、高い転位密度（１０⁷ｃｍ^-2以上）の場合には、十分な シリコン厚さ（４μｍ以上）のエピタキシーにすれば、転位密度をわずかに減少 させることができる示している。一方、文献（３）では、結晶成長されたシリコ ンの厚さが薄い場合には、欠陥密度の改善が起こらないことを示している。 それゆえ、これら全ての場合に関して、使うことができる唯一のメカニズムは 、転位間のトラッピングメカニズムであるといえる。 ＳＩＭＯＸプロセスにより得られた構造中での転位には、本質的に２つの原因 があるようにみえる。この原因とは、１つは基板の表面準位であり、そしてもう １つは、埋め込み層と半導体材料の間の界面における阻害領域における準位であ る。 本発明の目的は、従来の構造における転位密度と比較して、極めて低い転位密 度を備えた構造を可能とするプロセスを提案することである。発明の詳細な説明 要は、この発明は、特に、低い転位密度を有するエピタキシー構造を作るプロ セスに関するものである。この構造は、半導体材料の基板中に酸化物層を備えた 構造であり、そして、この製造プロセスは順次、次のような連続プロセスを含ん でいる。すなわち、 １．埋め込み酸化物層を形成するために、基板表面を通して、基板中に酸素イ オンを、少なくとも１回イオン注入する。 ２．半導体材料の融点以下の温度において、基板の状態を良くするための、少 なくとも一回の第１熱処理を行う。 ３．基板表面上への半導体材料のエピタキシーと、そして ４．不安定なエネルギー配置構造中の、転位の大部分を除去するために、基板 の半導体材料の融点およびエピタキシー層の材料の融点以下の温度での、第２熱 処理であって、 第１熱処理或いは第２熱処理のうち少なくとも１回の熱処理は、イオン注入に より形成された全ての凝結酸化物を、十分に消滅させることができるような温度 で行われる。これにより転位を解放して、第２熱処理において再結合させること ができる。 基板への酸素のイオン注入は、ＳＩＭＯＸプロセスの基礎段階を形成する。加 速された酸素イオンは、原子状態のイオンＯ⁺または分子状態のイオンＯ₂ ⁺のど ちらかでイオン注入される。注入は、１段階或いは数段階で起こる。この場合、 イオン注入の段階は、アニーリングプロセスと交互に行われる。従って、このプ ロセスは、イオン注入と第１熱処理のプロセスとを、数回繰り返し、そして交互 に行うことに等しい。文末の参考文献（４）は、この関係を示している。 本発明のプロセスは、本質的に少なくとも１回の第１熱処理と、エピタキシー と、第２熱処理の段階と、を関連させたものを含む。これらの各段階は本質的で あり、そしてこのプロセスの効率を決定するものである。 第１熱処理（プレアニーリングとも呼ばれる。）は、この半導体材料の状態を 良くするためのものである。この材料の状態を良くするということは、イオン注 入された酸素の再分布、材料中にすでに存在している転位の再分布や、一定の数 のストレスの解放といった、いくつかのことが改善される。しかしながら、新た な転位も生じる。この第１熱処理、すなわちプレアニーリングは、１つ以上の独 立したプロセスとして考えることもできるし、或いは、エピタキシープロセスの 一環として考えることもできる。この第１熱処理は、後者と考えると、制御され た雰囲気中において基板を加熱することにより行われるエピタキシープロセスに 先だって、材料の状態を良くし、準備をし、きれいにする段階としてとらえるこ とができる。 第１回目の熱処理の後には、基板の表面準位は良質なエピタキシーができるよ うになる。このエピタキシーに用いられる半導体材料は、酸素がイオン注入され る基板の材料と同じであることが好ましい。そして、特に、この材料（エピタキ シーの材料）はＳｉ基板の場合にはシリコンである。もちろん、他の材料も用い られる。 基板表面上に現れる結晶欠陥は、エピタキシーにより成長される層中に伝搬す る。この転位は、前記エピタキシー層を横切り、そしてエピタキシー層の厚さの 増加に伴って、転位の長さが長くなる。 転位のエネルギーは、その長さに直接比例するが、その結果エピタキシーの間 にエネルギーは増加する。それゆえ、エピタキシーにより転位密度は減少しない が、その代わりに、前記転位を不安定なエネルギー配置に置くことになる。この 関係で、エピタキシー層の厚さは、少なくとも０．０５μｍ以上が望ましく、約 １μｍが好ましい。そうすれば、転位は十分減少する。 本発明の特徴によれば、第１熱処理または第２熱処理のうち少なくとも一回は 、１２００℃以上の温度又はそれ以上の温度で、そして約１３００℃で行うこと が望ましい。その結果、特にシリコンの構造においては、転位密度を１０⁵個／ ｃｍ²以下にすることが可能である。 第２熱処理により、不安定な配置に放出される転位の大部分を除去することに より、より低いエネルギー準位に向けてエネルギーを放出するのに必要なエネル ギーが供給される。この現象は、熱的に活性化され、その結果、温度が高いほど その効果は大きくなる。例として、シリコン基板上のシリコンエピタキシーでは 、エピタキシー段階の後に１３２０℃で６時間の熱処理を施すことにより、転位 密度は、少なくとも１／１０以下に減少する。 本発明の他の特徴と利点は、以下の添付図面を参照にして説明されるように、 図面および記載から明らかであるが、以下の記載に限定されることはない。図面の簡単な説明 図１は、基板中へのイオン注入と、それに続く第１熱処理により生じた構造を 模式的に説明する図面である。 図２は、本発明によるシリコン層のエピタキシー段階を示す図である。 図３は、第２熱処理後に得られる最終構造を示す図である。 図４は、第１熱処理の時間と、第１熱処理の異なった温度との関数として、最 終構造の転位密度をｃｍ^-2で表したグラフである。 図５は、第１熱処理の時間と、異なる条件下におけるエピタキシーを経た構造 に対して、最終構造の転位密度をｃｍ^-2で表したグラフである。 図６は、第１熱処理を時間と、異なる熱処理温度との関数として、最終構造の 転位密度の変化をｃｍ^-2で表したグラフであり、図４の構造のものとは異なる条 件下においてエピタキシーを行ったものである。 図７は、エピタキシー層の層厚をμｍで表したものの関数として、最終構造の 転位密度をｃｍ^-2で表したグラフである。 図８は、異なる結晶品質の基板を用いた場合の、第１熱処理を時間で表したも のの関数として、最終構造の転位密度をｃｍ^-2で表したグラフである。発明の実施の形態のプロセスに関する詳細な説明 図１は、本発明のプロセスに従ってイオン注入をし、第１回熱処理を行った後 に得られた構造を示している。 本プロセスの第１段階は、埋め込み酸化物層６を形成するために、基板４（す なわち例えば単結晶シリコン）中に、基板表面３を越えて酸素イオンＯ⁺或いは Ｏ₂ ⁺をイオン注入するプロセスからなっている。 特別な場合には、その注入層は、シリコン中に埋め込まれた小さな酸素の集合 体により構成される１つのゾーンから連続したゾーンへと変化することができる 。 酸素の注入ドーズは、好ましくは１０¹⁵ｃｍ^-2以上であり、この条件下では例 えば約１．８ｘ１０¹⁸ｃｍ^-2である。イオン注入のエネルギーは、約２００ｋｅ Ｖである。これらの条件下において第１熱処理を行った後には、４００ｎｍの厚 さの埋め込み層層を得ることが可能である。 本プロセスの第２段階は、第１熱処理から成っている。この熱処理により、埋 め込み酸化物層６を組み込んで、基板を、シリコン層１０と基板４との２つの部 分とに分ける。 前記第２熱処理或いはプレアニーリングの間には、この構造は、半導体の融点 以下であるが、基板の状態を良くするのに適した温度、例えば１３２０℃まで上 げられる。その時の加熱時間は６時間である。第１熱処理においては、温度はそ れ自体それほど臨界的なものではなく、８００℃から１４０５℃の間で変えられ ることは指摘しておくべきだろう。温度が低いほど、熱処理時間は長くなる。 異なる温度で熱処理しても、熱処理時間を合わせれば同じ結果が得られるので ある。 熱処理温度を変化させると、異なるメカニズムが現れる。約９５０℃から１２ ００℃の中間的な熱処理温度においては、酸素のイオン注入の後に生じる小さな シリカの凝結物のみが溶解する。ＳｉとＳｉＯ₂の界面１２においては、多くの 転位を、その間にトラップする大きな凝結物もある。表面上に形成された転位の みが、酸素のイオン注入２の間に形成されたリコンストラクション欠陥に起因す るものであり、或いは、界面１２に近い欠陥領域から発散したものである。この ゾーンは、アニーリング後に、転位を引き起こすのに十分なほど、その界面に近 い。１３００℃を越える高い熱処理温度においては、Ｓｉ層中には、もはやシリ カの凝結物は存在せず、標準的なＳＩＭＯＸプロセス（イオン注入量１．８ｘ１ ０¹⁸Ｏ⁺イオン・ｃｍ^-2）では、転位８は、シリコン層を貫通しており、その密 度は１０⁵から１０⁶ｃｍ^-2である。高い温度で熱処理すると熱的に活性化され、 その系は熱平衡（準平衡）状態へと進行することが可能となる。 先に示したように、上記平衡状態への進行は、ある一定のストレスの解放を伴 い、さらに転位８の再分布或いは新たな転位の出現を招く。 本プロセスの次の段階は、図２に示されている。埋め込み酸化物層６が前もっ て形成されている基板４の表面３上に、シリコン層１４がエピタキシーにより形 成される。 シリコン層１４の厚さは、例えば１μｍ程度であり、本プロセスが適切な効果 を有するためには、常に０．０５μｍを越える。表面３上に形成される転位８は 、明らかにエピタキシーの最中にシリコン層１４中に伸びる。 酸素イオンが表面３を通ってイオン注入される、その基板の表面３の状態、特 に、汚染の問題、酸素の有無、および結晶方位が、正確に制御されると、転位密 度は、１０⁵ｃｍ^-2になる。結晶欠陥の主なソースは、酸化物層６とシリコン層 １０との界面１２における阻害層からエピタキシー層１４が増えるに従って多く なる転位である。 エピタキシーの後、欠陥のない構造に第２熱処理を行い、最終的に図３のよう な結果が得られる。この場合には、転位の数が少なく、その長さはエピタキシー 中に長くなり、そのエネルギー状態は不安定になり、前記転位は、この第２熱処 理により消える。 この第２熱処理は、８００から１４００℃の温度範囲で行い、熱処理時間は、 ある選択された熱処理温度において、同様に変化させている。この構造では、例 えば、１３２０℃で約６時間の熱処理を行っている。 上記の異なるパラメータの重要性をより良く示すために、異なる実験において 、転位の数に及ぼす影響に関して分析してみることは大切である。上記のように 、第１熱処理における熱処理時間と熱処理温度のと相関は、非常に重要である。 第１熱処理時間の関数として、図４のグラフでは、横軸を時間の単位で示して おり、最終構造における１ｃｍ²当たりの転位の数Ｄを、縦軸に示している。こ こで、第１熱処理の温度は、それぞれ１１８５℃（４．１）、１２８５℃（４． ２）、 １３２０℃（４．３）である。これらの測定は、バレル型の装置中において形成 された１μｍの層１４の試料についてなされたものであり、圧力は１．２ｘ１０³ Ｐａ（９０Ｔｏｒｒ）、第２熱処理は、１３２０℃で６時間である。第１熱処 理の時間と温度の両方が、最終的な転位の数の減少に影響を与えることは明かで ある。 特に興味深い結果としては、１３２０℃で６時間の第１熱処理を行ったものに ついて、最終的な構造の転位密度が、約１／１０になっていることが挙げられる 。 第１熱処理温度が１１８５℃のものについては、転位の数があまり減少してい ない。後で明かになるが、この結果は、エピタキシーの条件（装置、プロセス） によって大きく影響される。 これは図５において特によく示されるが、この図５では、第１熱処理の時間を 横軸にとり、第２熱処理の後の最終構造における転位密度Ｄを縦軸にとっている 。 図５の実験において、第１熱処理は、１１８５℃で行われ、第２熱処理は、１ ３２０℃で６時間であり、エピタキシー厚は１μｍである。曲線５．１と５．２ は、エピタキシー層を、それぞれ低圧において操作するバレル型の装置と、大気 圧において操作する単葉式の装置によって成長したものに対する結果を示したも のである。 エピタキシー成長の種類に関わらず、そのプロセスが機能的であるのは明かで ある。けれども、転位の数を効果的に減少させるのに必要な熱処理の仕方、例え ば第１熱処理のＴ−ｔ（温度−時間）の関係は、エピタキシーの条件によって変 化させることができる。 図４では、１１８５℃での第１熱処理における転位の減少量は小さいけれども 、図５に示すように、曲線５．１と５．２の場合には、同じ第１熱処理時間（２ ０ 時間）であるのに転位の減少は高く、１／１０程度である。これらの結果におけ る差は、特に、異なるエピタキシー条件によるものである（ガスの種類、プリベ ーク、温度上昇その他）。 それゆえ、これに関連して、エピタキシーのプロセスは、基板表面の調整のた めの熱処理あるいはプリベークを含み、本発明の第１熱処理に影響を与えたり、 これを修正したりすることができることに注意するべきである。 第１熱処理の温度は、それ自身このプロセスの有効性に決定的な影響を与える ものではないが、本発明に従って基板の条件を整えれば、図６との関係で明かで あるが、このプロセスの効果は、第１熱処理の温度を高くするほど高くなる。図 ６は、その縦軸に、この構造の最終的な転位密度をＤ／ｃｍ²で表したものであ り、この場合の第１熱処理温度はそれぞれ、９５０℃（曲線６．１）、１１８５ ℃（曲線６．２）、そして１２００℃（曲線６．３）の熱処理を経たものである 。 第１熱処理の時間は、時間（ｈｏｕｒｓ）の単位で横軸に示されている。エピ タキシーの段階は、大気圧下、単葉式の装置内で行われ、１μｍのエピタキシー 厚に成長される。第２熱処理は１２３０℃で６時間である。これらの条件下、第 １熱処理である、９５０℃、２時間の熱処理は、最終構造において十分な転位密 度の減少を観測するためには適当でない。けれども、１１８５℃と１２００℃に おいては、転位の減少はすぐに十分になる。 図６と図４・５を比較すると明らかだが、第１熱処理を１１８５℃（４．１、 ５．２、および６．２）としても、かなり異なる結果が観測される。この現象は 、これらのグラフに対応するテストが、特に異なるエピタキシー条件で行われた という事実に起因するものである。 １つのＳｉ構造を用い、第１熱処理と第２熱処理を１３００℃で行ったプロセ スの性能例をみると、より良く理解でき、また転位の消滅機構に与える温度の影 響を良く説明できる。 この例において、酸素のイオン注入と１３００℃の第１熱処理の後に、上部の シリコン層中に存在する転位はすべて貫通しており(are all of through nature )、これらの転位の端部は、表面とＳｉ／ＳｉＯ₂の界面との間に存在している。 化学の成果によるこれら転位の研究は、転位は対を成しているということを示 している。これらの対は非常に特殊な、選択的な方向に揃って配置されている。 第２熱処理は、転位の配置を変化させることはないので、この配置は安定であ る。それゆえ、２つの転位の間には対を作ろうとする相互作用が存在する。 エピタキシーの後においても、転位はまだ対を成しており、転位密度は、まだ 同じである。けれども、この対は、もはや好ましい配置をしていない。それゆえ 、エピタキシーが転位の配置を修正し、転位が対を作ろうとする相互作用の中で 、十分に減少させることができる。それで、この転位は、不安定な配置になる。 それゆえ、この系にエネルギーを与え、より低いエネルギー準位へ向けて系を遷 移させるために必要なエネルギーを与えるために、第２熱処理を行えば良い。こ の第２熱処理において、転位は移動し、一定数の転位は、再結合する。そして、 転位密度が減少する。 このプロセスの中で、転位は再結合により消滅する。この目的のために、これ らの転位が移動できることが必要である。すなわち転位は、例えば上部のＳｉ層 中の酸化物の凝縮物のような欠陥においてトラップされずに、移動することが必 要である。このことが、プロセス中において、２つの熱処理のうち少なくとも１ つの熱処理において、全ての酸化物の凝縮物（ＳｉＯ₂）が、確実に消滅するの に適した温度で、熱処理を行うことの重要性を示している。 このプロセスの結果に影響を及ぼすもう一つのパラメータは、エピタキシー層 の層厚である。前述のように、エピタキシーの目的は、転位の長さを長くするこ とであり、これにより転位は、不安定なエネルギー配置の状態に置かれることに なる。 エピタキシー層の厚さの影響を評価するために、単葉式の装置で大気圧下、テ ストが行われた。この時の第１熱処理の温度は、１１８５℃であり、熱処理時間 は２０時間である。そして、第２熱処理の温度は、１３２０℃であり、時間は６ 時間である。図７では、異なる構造において、横軸にμｍ単位で示した異なるエ ピタキシーの厚さによる、転位密度／ｃｍ²の変化を縦軸に示している。 この測定によれば、プロセスにおいて比較的薄いエピタキシー層が成長された としても、エピタキシー層の厚さが１μｍかそれ以上にも達する構造における転 位密度の減少と同等の減少が得られることがわかる。 図８は、出発材料、例えば用いる基板の品質の影響を明らかにしている。この 図には、第１熱処理の時間を時間の単位で表したものに対して、最終的な転位密 度Ｄ／ｃｍ²、すなわち、試料に第２熱処理を施した後（曲線８．１）の転位密 度を示したものである。そして、これの最初の転位密度、すなわち、前記第２熱 処理の前の転位密度は、約１０⁶ｃｍ^-2である。試料（曲線８．２）の場合には 、最初の転位密度は約１０⁵cｍ^-2である。第２熱処理は、１３２０℃で６時間行 われ、厚さ１μｍのエピタキシーが、大気圧下単葉式の装置で行われた。各々の 場合において、第１熱処理は、１１８５℃で２０時間行われ、転位密度は少なく ともそれぞれ１／１０以下に減少した。 最後に、本発明のプロセスによれば、高い結晶の品質を備えたＳＯＩ構造を得 ることが可能となる。一定のパラメータ、特に、温度のパラメータを選ぶことに より、そのような構造に適した、異なる製造装置におけるプロセスを最適化する こともできる。これにより、多くの応用に対して簡単で経済的な性能向上が可能 となる。 この説明においては、次に挙げる文献を参照した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．低転位密度のエピタキシャル構造を製造するためのプロセスであって、前記 構造は、半導体材料基板（４）中に酸化物層（６）を有し、 埋め込み酸化物層を形成するために、基板の表面（３）を通して基板（４）中 に酸素イオン（２）を少なくとも１回注入するプロセスと、 半導体材料の融点以下の温度において、基板に対して、状態を良好にするため の、少なくとも一回の第１熱処理を行うプロセスと、 基板の表面上に半導体材料層（１４）のエピタキシーを行うプロセスと、 不安定なエネルギー配置にある、この構造中の大部分の転位を消滅させるため の、基板の半導体材料およびエピタキシー層の半導体材料の融点以下の温度で、 第２熱処理を施すプロセスとを有し、 少なくとも第１熱処理または第２熱処理のいずれかにおいては、第２熱処理の 間に再結合する転位（８）を解放するために、イオン注入において形成された酸 化物の凝集物の全てを、実質的に消滅させることを可能とする温度で、熱処理が されることを特徴とする、低転位密度のエピタキシャル構造を製造するためのプ ロセス。 ２．前記半導体材料がシリコンであることを特徴とする請求項１記載のプロセス 。 ３．前記第１熱処理の温度が８００から１４０５℃の間で行われることを特徴と する請求項２記載のプロセス。 ４．請求項２または３記載のプロセスであって、第２熱処理の温度が、８００か ら１４０５℃の間であることを特徴とするプロセス。 ５．請求項１から４までのいずれかに記載されたプロセスであって、転位密度を １０⁵個／ｃｍ²以下にするために、第１熱処理または第２熱処理のうち、少なく とも一方は、１２００℃以上望ましくは約１３００℃で行われることを特徴とす るプロセス。 ６．請求項１から５までのいずれかに記載されたプロセスであって、半導体材料 のエピタキシー層は０．０５μｍ以上の厚さであることを特徴とするプロセス。