JPS63142655A - 埋込みSiO↓2層を含む装置の製造方法 - Google Patents

埋込みSiO↓2層を含む装置の製造方法

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JPS63142655A JP62296260A JP29626087A JPS63142655A JP S63142655 A JPS63142655 A JP S63142655A JP 62296260 A JP62296260 A JP 62296260A JP 29626087 A JP29626087 A JP 29626087A JP S63142655 A JPS63142655 A JP S63142655A
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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】 本日の ・ 野 本発明は半導体デバイスの製作方法、特に絶縁体上のシ
リコン(SOI)技術及びSOIデバイスに係る。
14Δ11 SOIデバイスは通常のシリコンデバイスに比べ潜在的
に利点(たとえば接合容量の減少、耐放射性の増強)を
もつことが知られている。S○エヘテロ構造を生成する
ためのいくつかの技術、特に第1図に概略的に示される
型のS i/5in2/Siヘテロ構造を生成するため
のいくつかの技術は知られている。
そのようなヘテロ構造を生成するための周知の技術の中
に、酸素の注入技術があり、本明細書はそのようなヘテ
ロ構造を形成するためのこの特定の技術(″注入酸素に
よる分離′″と呼ばれることがある)に係る。S I 
M OX技術については、たとえばピー・エル・エフ・
ヘメント(P、L、F、Hemment)、マテリアル
ズ・リサーチ・ソサイアティ・シンポジア(Mater
ialsResearch 5ociety 鉦匣姐圏
)、プロシーディングズ、第53巻、207−221頁
(1986)を参照のこと。
当業者には一般的に行われているように、SIMOX技
術は、基体内に化学量論的に酸素の多い領域が形成され
るように、シリコン基体(典型的な場合、Siウェハ)
中に十分高ドーズの酸素を注入することを含む。このこ
とにより、シリコン基体中の酸素の分布は、シリコン原
子当り少くとも2個の酸素原子という最大濃度に到達す
ることを意味する。典型的な注入ドーズは2X10”酸
素原子/■2である。(エネルギー依存性の)臨界ドー
ズφ。は与えられた注入エネルギーに対し、化学量論的
組成の注入が起こる最小ドーズである。たとえばφ。は
200 kaVの場合、φ0は約1.4 X 101s
m−2である。
従来技術の化学量論的組成の注入はSio2の比較的厚
い(典型的な場合約0.3μm又はそれ以上)層と、比
較的薄い(たとえば約0.1μm)シリコンの上部層を
生じる。いくつかの理由により、低注入ドーズを用いた
り、より薄い埋込み酸化物層を有するSOIウェハを生
成できることが望ましいであろう。低ドーズは、それら
が一般にSi基体中に生じる損傷が少く、可能な歩留り
を高めるため望ましい。より薄い酸化物層は、従来技術
の(厚い)埋込み酸化物層を用いたデバイスに比べ、バ
ックバイアス分離電圧の低いデバイスを可能にする。
単に注入ドーズを化学量論的組成注入領域、すなわち酸
素の最大濃度がどこでもシリコン原子当り2個の酸素原
子以下である注入領域が形成されるφ。以下に減らすこ
とにより、これらの、所望の結果を得ようとする試みが
なされた。たとえば、ジエイ・ステメノス(J、 St
oemenos)らアプライド・フィジックス”レター
ズ(7助り士郵Letters)第48(21)巻、1
470−1472頁(1986)を参照のこと。これら
の著者は酸素を臨界ドーズ(1,3X10”an−”、
200keV)より(わずかたけ)低く注入することに
より、分散したSiアイランドを有する酸素の多い層が
形成され、そのような試料を1150℃で2時間アニー
ルすると、Siを荒く分散させ、S i / S i○
2界面付近のSi上部層中にSio2の析出物を生じる
ことを報告している。そのようなウェハは一般にデバイ
ス製作には許されない。ステメノスらはまた、そのよう
なウェハを1300 ’Cで6時間アニーリングすると
、5in2析出物を含まないSi上部層が生じるが、著
しい量の分散したSiアイランドを含む埋込み5i02
層が生じることも報告している。そのようなアイランド
はもし、MOSデバイスがそのようなSOIウェハ中に
形成されると、重畳されたフロー・−ティングゲートと
して働く可能性のあることが知られている。従って、そ
のような従来技術のSIMOXウェハは典型的な場合、
デバイス製作には許容されない。
一般に、2つの異なる状況を特定することができる。も
しシリコン基板が臨界値以下のイオン注入中、比較的低
い名目温度(典型的な場合約350’C以下)にあるな
らば、適当な熱処理によって比較的均一な薄いSio、
層が形成でき、シリコン上部層の再結晶化が起こりうる
。しかし、これらの条件下において、S i / S 
i O□界面に隣接した上部層の領域は、一般に著しい
双晶を生じ、ヘテロ構造をデバイス製作には不適当なも
のとする。それに対し、もし臨界値以下の注入中基板が
比較的高い名目温度(すなわち典型的な場合、約350
℃以上)にあるなら、その後の熱処理で一般に分散した
Si領域を含む不均一な埋込みSiO2層を形成し、シ
リコン上部層はまた典型的な場合分散した第2の相(S
io2)領域を含む。この例においても、この方法では
典型的な場合デバイス製作に有用なヘテロ構造は生じな
い。
低ドーズ注入及び比較的薄い埋込みS i02層を有す
るSIMOXへテロ構造に付随した潜在的な利点をみる
と、埋込み5i02層にSiアイランドが無く、Si上
部層の欠陥密度が比較的低くデバイス品質をもつS L
/ S i○2/ S iへテロ構造を信頼性よく生成
する化学量論的組成の(臨界)注入以下の技術がかなり
重要である。本明細書はそのような技術について明らか
にする。
本又匪勿又豊 従来技術の臨界以下の注入法の欠点を除ける注入法を発
見した。本発明の方法は臨界以下の注入を含み、更に少
くとも一度の無秩序化の注入を含み、その後適当な熱処
理が行われ1本質的に均一な比較的薄い埋込みS i0
2層とデバイス級(典型的な場合Xm、、<5%)のS
iの上部層を有するS i / 5in2/ S iヘ
テロ構造を生成することができる。
広い点で本発明の方法は任意の適当な酸素注入技術によ
り形成されたS i / S i○2/Siヘテロ構造
中の埋込みS i O,層に隣接したシリコン上部層の
少くとも一部を適当な方法で無秩序化することと、それ
に続く適当な熱処理を含む。本発明の方法の詳細は、以
下で詳細に述べるように、中でも酸素注入中の基板温度
に依存する。
本発明の好ましい実施例において、方法はあらかじめ決
められた結晶方向と主表面を有する単結晶Si基体を準
備すること、Si基本中に酸素の多い層が形成されるよ
う主表面を通してSi基体中に臨界ドーズ以下の酸素を
注入し、相対的に低酸素濃度のシリコン上部層をその上
に有するようにすることを含む。
更に、実施例は本質的に化学量論的組成の埋込みSiO
2層が酸素の多い層から形成され、Si上部層の少くと
もある程度の材料はあらかじめ決められた結晶方向を有
するように。
酸素注入Si基体の熱処理を含む。実施例は更に主表面
を通して、Siイオンを注入することを含み、ドーズは
S i O2層層上上層界面付近の少くとも上部層材料
を本質的に無秩序化するのに有効で、注入されたSi基
体を、デバイス級の上部層材料が本質的にあらかじめ決
められた結晶方向をもち、埋込み5i02層/上部層界
面付近の欠陥密度が比較的低くなるように、熱処理する
ことを含む。
発明の実施例 第1図は、ここで対称とする型のSOIへテロ構造(1
0)を概略的に示す。 SiO2層(11)は単結晶S
i基体中に埋込まれる。
Si上部!(12)はデバイスに適した品質をもち、本
質的にSi基体の最初の格子方向を維持していることが
望ましい。
第2図は本発明のプロセスの2つの異なる実施例のフロ
ーチャートを組合せたものである。この中で、左及び右
の分枝は、それぞれ相対的に名目温度が低い場合及び高
い場合の臨界値以下の酸素注入にあてはまる。
当業者には認識されるであろうが、臨界値以下の注入の
前に、基板(典型的な場合(100)面)の主表面を清
浄化するか他の方法により前処理する。そのような技術
は周知であり、ここでは議論しない。注入は適当な真空
中で行うことを認識する必要がある。
たとえば、臨界値以下の注入ドーズは、約3×1017
ないし約7 X 1017w1素イオン/a112 の
範囲が有利であることを我々は見出した。しかし、この
範囲は考えられる限界ではない。なぜならば、より高い
臨界ドーズはしばしば用いると有利であり、一方より低
いドーズでも有用な埋込み5i02層を生じる可能性が
ある。
現在、好ましい実施例(第2図の左側の分枝に対応)に
おいて、臨界値以下の酸素注入中の名目上の基板温度は
、比較的低く典型的な場合く350℃である。″名目上
の″基板温度というのは、ビームの加熱効果が無い場合
の基板の温度を意味する。たとえば、典型的な場合Si
ウェハは与えられた温度に保たれたステンレススチール
ブロックに固定される。ブロックの温度は名目上の基板
温度と考えられる。
第2図の左側の分枝に示されるように(低温の)臨界値
以下の酸素注入に続いて、酸素の多い注入層から本質的
に化学量論的組成のS i O2が形成されるよう、適
当な熱処理が行われる6そのような熱処理は典型的な場
合アモルファスSiを再結晶化させる低温アニール(た
とえば500ないし800℃、好ましくは700℃を越
えない温度で30分ないし3時間)を含むと有利である
。加熱処理はまた適当に長い時間、たとえば3時間以上
、典型的な場合1200℃以上の温度の高温アニールも
含む。当業者には認識されるであろうが、アニーリング
時間はアニーリング温度に逆比例する。わずかな実験で
典型的な場合、適当な時間/温度の組合せを決めるのに
十分であろう。現在、上で述べたように二段階熱処理が
好ましいが、他の7二−リングプログラム(たとえば、
温度のゆっくりした傾斜上昇、高温での浸透又は単純な
高温アニール)も有用である可能性がある。
当業者には明らかであろうが、熱処理は非酸化条件又は
不活性雰囲気下で行うのが有利である。従来技術は高温
アニール中Si上部層を保護するための手段として、比
較的厚い(たとえば500nm)酸化物キャップ層を形
成することを知っている。我々は高温アニール中Si上
部層を保護するための有利な技術を考案した。現在我々
が好ましいと考えるその技術は、アニールを主成分とし
て少くとも一種類の不活性ガス(たとえば99%のAr
)と、少数成分(たとえば1%)として酸素を含む雰囲
気中で行うことを含む。酸素濃度は熱処理中薄い(たと
えば20nm)保護SiO2をゆっくり成長させる効果
がある。この薄い保護層が存在すると、アニーリングを
名目上非酸化状態(真空又は不活性ガス雰囲気)中で行
う時しばしば起こるSi上部層のへこみと、アニーリン
グをより高い酸化状態中で行った時起こる厚い酸化物層
の成長の両方を防止する。
第2図の左側の分枝に示されるように、高温アニールの
後、シリコン基体に無秩序化のイオン注入を行う。無秩
序化の注入は約100℃以下の名目基板温度で行うと有
利であることを我々は見出した。典型的な場合、基板は
名目上室温で、基板を約液体窒素温度(77°K)に冷
却した時も、良好な結果を得た。無秩序化注入中の比較
的低い基板温度は、注入で生じた格子欠陥がなまるのを
防止できると信じられるが、ある種の条件下では、約1
00℃以上の名目基板温度も許容しうる。
たとえば、無秩序化注入中シリコンイオンを注入し、ド
ーズはたとえば3xlO14Si/an”である。現在
特に有用なSiドーズは典型的な場合2X1014ない
しlXl01s/釧2の範囲である。臨界値以下の酸素
注入及び無秩序化注入の両方に、それぞれ200keV
及び400keVの注入エネルギーを用いた。
しかし、広範囲のエネルギー、たとえば100keVな
いし約2 M e Vが有用と期待される。
更に無秩序化注入はSi注入である必要はない。たとえ
ばAr又は他の稀ガス注入はある種の条件下では使用で
きる可能性がある。
無秩序化注入の機能は、少くとも埋込みSiO2層との
界面に隣接したシリコン上部層の領域をアモルファス化
することであると信じられる。 しかし、典型的な場合
埋込みS i O,層との界面に隣接した底部シリコン
層の領域も、アモルファス化される。典型的な場合シリ
コン基体の主表面に隣接した部分である最上部Si層の
一部は、シリコン上部層の方向性ある単結晶再成長のた
めの種となるよう、結晶のまま残るのが望ましい。
好ましい実施例(第2図の左側の分枝)において、必要
な無秩序化注入に続いて、適当な熱処理が行われる。た
とえば、処理は比較的低温(〜600℃、〉1時間)の
アニールを含む。より一般的には、500−800 ’
C(700℃を越えないことが好ましい)の範囲のアニ
ーリング温度が有用と考えられるが、ある種の条件下で
はこの範囲外の温度におけるアニーリングでも、デバイ
ス品質のSi上部層材料の再成長を起こせる可能性があ
る。
このアニーリング処理の後、ヘテロ構造はデバイスプロ
セスで出会う熱処理に対して安定である。
好ましさの程度はやや低いが、本発明のもう一つの実施
例の方法(第2図の右側の分枝)は、比較的高い名目上
の温度(典型的な場合少くとも約350℃)における酸
素注入と、それに続く上で述べた型の第1の無秩序化注
入を含む。第1の無秩序化注入が完了したのに続き、注
入されたSi基体は現在好ましい実施例について述べた
のと本質的に同様に熱処理される。この熱処理に続いて
、必要に応じて無秩序化注入を行うと有利である。第2
の無秩序化注入の条件は典型的な場合、第1の無秩序化
注入と同様である。必要に応じて行う第2の無秩序化注
入に続いて、一般に現在好ましい実施例について述べた
型の低温アニールが行われる。
適当な熱処理が完了した後、典型的な場合本発明に従う
S○エウエハは周知の方法により、デバイス製作に適し
たものになっている。
そのような方法については、例えばディー・エイチ・エ
リオツド(D、H,Elliott)、集積回路製作技
術(7C,Lrcuit Fabrication胆吐
匣臆旺)、マグロ−ヒル(1982)を参照のこと。
本発明に従う電子デバイスの例(エンハンスメント型n
−チャネルMQSトランジスタ)が第3図に示されてい
る。ここで層(11)は埋込みS i 02層で、(1
2)はSi上部層の一部である。上部層の一部分はp形
にドープされ、2つの付属部分はn+である。酸化物領
域(31)は(12)を他のデバイスから分離し、電極
用窓を規定し、ゲート絶縁体となる働きをし、すべて通
常の方式による。
数字(32)はソース、ゲート及びドレイン金属接触を
さす。
簸上板:(100)面の単結晶Siウェハを通常のプロ
セスで浄化し、イオン注入機のターゲツト室中のステン
レススチールブロックに固定した。スチールブロックを
名目上100℃にし、3X1017酸素/■2を170
keVで注入したところ、はぼガウス分布(最大値の深
さ約370nm、半値幅約180nm)をもつ酸素の多
い層が形成された。ウェハは管状炉に移され、600℃
に2時間、アルゴン+1%酸素中に1390℃で30分
保たれた。アニールの結果、酸素の多い注入層から約6
0nmの厚さの酸化物層が形成され、両界面に双晶Si
が生じた。このようにして生じたウェハのRBSスペク
トルを標準的な手段[2’MeV He”、 (100
)及び(100)から5°オフ]で得たので、第4図に
示す。
周知のように、そのようなスペクトルはスペクトルから
導出された周知の量X m i□を含み、薄い結晶層の
品質を示す標準的な尺度である。
曲線(40)及び(41)はそれぞれランダム信号及び
チャネル信号で、埋込み酸化物層は本質的に化学量論的
組成で、Si上部層の表面に近い部分は単結晶材料、S
 i / S i O□界面領域は欠陥密度が高いこと
を示している。透過電子顕微鏡によると、欠陥の多い領
域には高密度の双晶のあることが示された。RBSの次
に、ウェハは再び注入機に移され、3×1014シリコ
ン/an2(400keV)を注入し。
ウェハは名目上液体N2温度においた。無秩序化したウ
ェハのRBS信号が第5図に示されている。この図で曲
線(50)及び(51)はランダム信号及びチャネル信
号である。5L02層に隣接したSiのアモルファス化
とアモルファス化した領域がほとんどSi表面まで延び
ていることが明らかである。RBSに続いてウェハは真
空中600℃で2時間アニールした。その後のRBSの
結果も第5図に示されている。ここで曲線(52)は第
2の低温アニール後のウェハのチャネル信号である。
結晶品質、特にSi上部層の品質改善が非常に明らかで
ある。特に、SiO2/Si上部層界面には本質的に欠
陥がなく、上部層はデバイス製作用の品質をもち、X□
ITlは約3%であった。ウェハを電子顕微鏡で調べた
ところ、埋込み5i02層は本質的に連続でSiアイラ
ンドが無く、境界は急峻で、Si上部層中に双晶は無い
ことが確認された。
第■例: 第2のSOIウェハを第1例で述べたのと本
質的に同様に準備したが、以下のことが異なる。すなわ
ち、臨界値以下の酸素注入中の名目上のウェハ温度は5
00℃、酸素注入(4X10”酸素/am2.200 
keV)に続いて無秩序化Si注入(名目温度30℃。
I X 10”/am”、 460 keV)を行い、
熱処理後、第2の無秩序化注入(上と同じ条件)を行い
、次に600℃のアニールを行った。
このようにして形成されたベテロ構造は、本質的に第1
例で述べたものと同様であった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に従うSOIへテロ構造を概略的に示す
図; 第2図は本発明の方法の2つの実施例における主なプロ
セス工程を概略的にフローチャートで示す図; 第3図は本発明に従うSOIウェハ上に形成された半導
体デバイスの例を概略的に示す図; 第4図及び第5図はS○エヘテロ構造の例のラザフォー
ド後方散乱スペクトロスコピー(RBS)スペクトルを
示す図である。 [主要部分の符号の説明] 10・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・S
○エヘテロ構造11・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・S i O,M12・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Si上部層FIG、 1 FIO,3 FIG、  2 FIG、  4 エネルギー(MeV) チャネル FIG、 5 チャネル

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、a)主表面及び結晶方位を有する単結晶Si基体を
    準備すること; b)Si基体中に埋込まれた酸素の多い層が形成され、
    Si上部層をその上に有するように、主表面を通してS
    i基体中に酸素を注入すること; c)酸素の多い層から埋込まれたSiO_2層が形成さ
    れるように、酸素を注入したSi基体を熱処理すること
    ; d)製品の製作を完了することを含むSi基体内に埋込
    まれたSiO_2の層を含む装置の製造方法において、 e)酸素注入は臨界値以下の酸素注入であり、該方法は
    更に f)得られたSi上部層がSiO_2/上部層界面で欠
    陥密度が比較的低いデバイス製作に適した上部層である
    ように、b)に続いて無秩序化の注入と熱処理を行うこ
    とを含むことを特徴とする方法。 2、特許請求の範囲第1項に記載された方法において、
    無秩序化の注入はSiイオンの注入を含み、その場合S
    i基体は無秩序化注入中約100℃より低い名目上の温
    度に保たれることを特徴とする方法。 3、特許請求の範囲第2項に記載された方法において、
    無秩序化注入中約2×10^1^4ないし約1×10^
    1^5Si/cm^2が注入され、Siイオンは約0.
    1MeVないし約2MeVの範囲のエネルギーをもつこ
    とを特徴とする方法。 4、特許請求の範囲第1項に記載された方法において、
    臨界値以下の酸素注入中Si基体は約350℃より低い
    名目温度に保たれ、無秩序化注入は工程c)に続いて行
    われ、Si基体は無秩序化注入中約100℃より低い名
    目上の温度に保たれることを特徴とする方法。 5、特許請求の範囲第4項に記載された方法において、
    工程c)は約1200℃より高い温度でSi基体をアニ
    ーリングすることを含み、工程f)の熱処理は無秩序化
    注入に続いて約500ないし約700℃の範囲の温度で
    Si基体をアニーリングすることを含むことを特徴とす
    る方法。 6、特許請求の範囲第5項に記載された方法において、
    工程c)は更に約500℃ないし700℃の範囲の温度
    でSi基体をアニーリングすることを含むことを特徴と
    する方法。 7、特許請求の範囲第1項に記載された方法において、
    Si基体は臨界値以下の酸素注入中、約350℃より低
    い名目上の温度に保たれ、工程c)の前に第1の無秩序
    化注入が行われ、第1の無秩序化注入中Si基体は約1
    00℃より低い名目上の温度に保たれることを特徴とす
    る方法。 8、特許請求の範囲第7項に記載された方法において、
    工程c)は約1200℃より高い温度でのSi基体のア
    ニーリングを含むことを特徴とする方法。 9、特許請求の範囲第8項に記載された方法において、
    方法は更に第2の無秩序化注入を含み、それは工程c)
    に続いて行われ、第2の無秩序化注入に続いて約500
    ℃ないし約700℃の範囲の温度におけるSi基体のア
    ニールが行われることを特徴とする方法。 10、特許請求の範囲第8項に記載された方法において
    、工程c)は更に約500℃ないし約700℃の範囲の
    温度でSi基体をアニーリングすることを含むことを特
    徴とする方法。 11、特許請求の範囲第1項に記載された方法において
    、工程c)は比較的薄いSiO_2層のゆっくりした成
    長を起こすのに適した雰囲気にSi基体を接触させるこ
    とを含むことを特徴とする方法。 12、特許請求の範囲第11項に記載された方法におい
    て、雰囲気は主成分として不活性ガスを、少数成分とし
    て酸素を含むことを特徴とする方法。
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