TW541601B - Method for producing an simox substrate and an simox substrate - Google Patents
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Description
541601 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） I：發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於一種於矽基板之表面附近配置埋入氧 5 化層，並於其上形成單晶矽層（以下稱SOI(Silicon-On-Insulator)層）之SOI基板。更詳而言之，即一種以SIMOX (Separation by IMplanted Oxygen)技術製造 SOI 層之方 法。 ίο 發明背景 於如矽氧化物般之絕緣物上形成單晶矽層之SOI基板 ，主要有SIM0X晶圓與貼合晶圓。SIM0X晶圓係藉由氧 離子之離子注入而於單晶矽基板内部注入氧離子，並藉由 後續進行之退火處理而使該等氧離子與矽原子行化學反應 15 後，經由形成埋入氧化層而製得之SOI基板。又，貼合晶 圓係以2片單晶矽晶圓挾氧化層而粘合，並藉由使2片中 之一片晶圓薄膜化而製得之SOI基板。 該等SOI基板中，SIM0X晶圓因可藉氧離子之注入 深度控制SOI層之膜厚，故其膜厚有均勻性特佳之特徵。 20 於SIMOX晶圓中，SOI層可形成低於〇.3μηι之厚度，亦 可有效控制在0.1 μιη左右，甚而更低厚度之SOI層。特別 是，由於厚度低於0·1 μηι之SOI層大多用於形成完全空乏 型動作之M0S-LSI上，且此時SOI層本身之膜厚與 6 541601 玖、發明說明 MOSFET動作之臨界值電壓成比例關係，因此於製作性能 齊備且成品率佳之裝置上，SOI層之膜厚均勻性乃成重要 之品質。由此觀點，貝SOI層膜厚均勻性佳之SIMOX晶 圓將成為最受期待之新一代MOSFET用基板。 5 製於SOI基板上之MOS-LSI，其裝置形成領域係藉 由插入絕緣體之埋入氧化層而與基板本體形成電性絕緣， 故可實現如前項所述之提高耐放射線性或耐閉鎖性，及低 電力消耗量、超高速動作等優異之特性。此外，如日本專 利公開公報特開平9—64320號中所載，由於裝置之形成 10 領域與基板呈電性分離之狀態，因此可減低裝置形成領域 與基板間產生之接合電容之影響，故有利於形成基頻處理 器等高速裝置。 該曰本專利公開公報特開平9—64320號中，提出將 SOI基板之支持基板之電阻值調成50Ωαη以上之高電阻， 15 作為進一步改善形成於SOI基板上之超高頻裝置之特性之 技術。又，該SOI基板係以所謂之貼合方式製造者，即， 於支持基板側使用由浮動區法製造之高電阻單晶矽基板， 並於裝置形成側使用由恰克勞斯基法製造之低電阻單晶矽 基板，再藉由將各表面進行熱氧化而形成希望厚度之氧化 20 膜並加以貼合，其後，將裝置形成側之矽基板研磨削薄至 所需之厚度。 以前述曰本專利公開公報特開平9—64320號提出之 貼合方式製成之SOI基板用之高電阻率支持基板，若如前 7 541601 玖、發明說明 述般以浮動區法雖可容易製造，但因以同方式製成之矽基 板不含氧，因而產生機械強度不足，易於產生滑移位錯， 且難以製造直徑8吋（ 200丽）以上之大口徑基板等問題 〇 5 又，由於以貼合方式製造之SOI基板係藉研磨用以構 成裝置形成部分之矽層而形成者，故亦有膜厚均勾性產生 劣化，及矽層厚度無法均勻形成0.1 μιη左右之厚度之問題 〇 於解決前者之問題上，可考慮利用以恰克勞斯基法製 10 成之單晶矽基板。以恰克勞斯機法製成之單晶矽基板因含 有1018 cm—3左右之濃度之氧，故具有優異之機械強度，並 可製造直徑8吋（ 200丽）以上之大口徑基板。又，藉由 調整晶體生長時之雜質添加量，亦可製出具有ΙΟΟΩαη以 上之電阻率之單晶矽基板（有關矽基板之電阻率與雜質濃 15 度之關係，舉例言之，可參考S.M.Sze編「Physics of Semiconductor Devices(2nd Edition)」（1981)，John Wiley & Sons，Inc·，p-32 所示）o 又，於解決後者之問題上，則可考慮藉SIMOX法製 造SOI基板。SIMOX法係藉由氧離子注入與高溫熱處理 20 而形成SOI構造，而氧之注入深度可藉離子之加速能量而 控制，因此於高溫熱處理後所得之SOI構造具有膜厚均勻 性佳之特徵，並可製造厚度在Ο.ΐμπι左右之矽層且膜厚均 勻性呈良好之狀態。 8 541601 玖、發明說明 然而，以恰克勞斯基法製成之單晶矽基板因含有微量 氧，因此若施以約500°C之較低溫之熱處理，如裝置之製 作程序中所用之A1佈線形成後之燒結處理等，將產生熱 施體（或氧氣施體），且基板之電阻率下降達數ΙΟΩαη左 5 右（關於熱施體，舉例言之，可參考USC半導體基板技 術研究會編「矽之科學」第7章第3說中所解說者）。為 減輕該影響，需降低矽結晶中之氧含量，但由於以恰克勞 斯基法熔融之矽熔液乃由石英坩堝保存，故無法完全避免 石英溶解析出於矽熔液中，且結晶中之氧濃度降低範圍亦 10 自然地產生界限。因此，於使用一般由恰克勞斯基法製成 之矽基板時，縱使基板製造後具有高電阻率，於低溫進行 之熱處理後仍會產生氧氣施體造成電阻率下降，且無法維 持南電阻率之問題。 進而，由於SIMOX法多半以1300°C以上之高溫施以 15 氧化或以氧化為基準之熱處理，因此矽基板中之氧固態溶 解度乃隨處理溫度而上昇。因此，縱使極力降低材料基板 之氧濃度，仍會造成於SIMOX製造後基板中之氧濃度上 昇，且於實施裝置製造程序中之低溫熱處理時，無法避免 因氧氣施體產生而使電阻率降低之問題。 20 本發明係用以解決具有高電阻率矽基板之SOI基板及 其製造方法中之該等問題，並可提供一種更高品質之高電 阻SOI基板。 【發明内容】 9 541601 玖、發明說明 發明概要 於利用具有高電阻率之單晶矽基板並以SIMOX法製 造SOI基板時發現，若於繼氧離子注入後實施之高溫熱處 理之最後階段，進行一以1250°C以下且在800°C以上之溫 5 度保持預定時間以上之程序，則可降低高溫熱處理時增加 之基板内部之氧濃度，且於後續之裝置製造程序中之低溫 熱處理施行後仍可維持高電阻率。即，本發明係有關於一 種可解決上述課題之SOI基板及其製造方法，並述之於下 10 即，本發明係一種製造SIM0X基板之方法，係藉由
於單晶矽基板中注入氧離子，其後並施以高溫熱處理，而 形成一埋入氧化層及一表面單晶石夕層者；該方法中包含有 一程序，即，使該單晶矽基板使用一平均電阻率在100Ω cm以上且在單晶矽之本徵電阻率以下之基板，並於高溫熱 15 處理之最後階段以1250°C以下且在800°C以上之溫度保持 一定時間者。 前述製造SIM0X基板之方法中，高溫熱處理之最後 階段之保持溫度宜在1200°C以下且在800°C以上。 前述製造SIM0X基板之方法中，高溫熱處理之最後 20 階段之保持時間在4小時以上則更為理想。 又，前述製造SIM0X基板之方法中，單晶矽基板係 以恰克勞斯基法製造者。 前述製造SIM0X基板之方法中，單晶矽基板宜使用 10 541601 玖、發明說明 平均電阻率在500Ωαη以上且在單晶矽之本徵電阻率以下 之基板。 此外，本發明並係一種以前述任一方法製造之 SIMOX基板，且該SIMOX基板經低溫熱處理後之基板部 5 分之平均電阻率係在ΙΟΟΩαη以上且在單晶矽之本徵電阻 率以下。
更理想者為，一種以前述任一方法製造之SIMOX基 板，且該SIMOX基板經低溫熱處理後之基板部分之平均 電阻率係在500Ωαη以上且在單晶矽之本徵電阻率以下。 10 圖式簡單說明 第1Α〜1Ε圖係說明由矽晶圓至SIMOX基板之製造 程序及半導體裝置之製造。 第2圖所示者係氫燒結後之基板氧濃度與基板電阻值 之關係圖表。
15 第3圖所示者係矽晶圓於熱處理溫度中之氧固溶度之 圖表。 【實施方式1 較佳實施例之詳細說明 其次，說明本發明之實施型態。 20 本發明係有關於一種於支持基板上隔著絕緣層形成半 導體層之SOI基板中，使支持基板形成高電阻率之高電阻 SOI基板。其係於材料基板中使用具有高電阻率之單晶矽 基板，並藉由SIMOX法而製造SOI基板。 11 541601 玖、發明說明 · 以SIMOX法製造SOI基板之程序可參照第ία圖〜 第1D圖加以簡單說明。如第1A圖所示之以恰克勞斯基 法製成之單晶石夕基板1，係如第1B圖般，於高電場下由 石夕基板1上方將氧離子2注入矽基板1之内部，並如第 · 5 1C圖於石夕基板1内部形成埋入氧層3。其後對石夕基板丨進 行熱處理，則形成一由矽基板1與被埋入之氧層3及其上 之石夕層4所組成之s〇I基板（第id圖）。該s〇][基板繼 而經半導體製造程序，利用氧層3上之矽層4且於其上形 _ 成佈線層5,而形成電晶體及其他半導體元件或半導體電 10 路（第1Ε圖）。 作為材料之單晶矽基板若得所需之高 電阻率即可，其 極性則可為ρ型或Ν型。導入之雜質種類並無限制，ρ型 雜質以硼為代表，而Ν型雜質則可使用磷、砷、銻等。單 曰曰石夕之製造方法可為恰克勞斯基法或浮動區法，但以基板 15之栈械強度之觀點而言，則以恰克勞斯基法為佳。單晶矽 φ 之製造條件’例如以恰克勞斯基法進行時之拉晶速度或熱 過私等並無特別之限制。於以恰克勞斯基法進行晶體生長 ' 夺亦可於石夕炫液中施加磁場。此外，基板之氧濃度亦無特 .· 別之限制。 . 關於基板之電阻率，為使形成其上之裝置獲得良好之 回頻特性，則宜使其在1〇〇Ωαη以上且在單晶矽之本徵電 "、下而更理想者則在500Ωαη以上且在單晶石夕之本 徵電阻率以下。目士 # # 卜具有该4電阻率之單晶矽即可如前述般， 12 玖、發明說明 藉由調整晶體生長時添加之雜質量而製造。 關於製造SIMQX基板之條件及氧離子注人並無特別 之限制。氧離子之劑量高低皆可，亦可加入其他條件。低 劑量係指於氧注入後進们·。c以上之高溫熱處理後而 形成埋入氧化膜之劑量，而高劑量係指不進行如此之高溫 熱處理而仍可於氧注人後形成埋人氧化膜之劑量。各劑量 範圍係注人能量之函數，且於進行多纽人時仍憑據各注 入溫度或各劑量等，例如於18〇keV $主入時，一般而言低 3.5xl0-i〇ns/cm 4.5x l〇-ions/cm ^ ^ ^ 範圍，而同樣於180keV注入時，高劑量則指約 13〇xl018iGns/em、上。又，亦可將氧離子注人分為數次 進行氧離子庄人時之基板溫度，由維持結晶性之觀點而 言宜加熱至5〇(TC〜60(rc左右，但並非以此為限。此外 ’關於用以實施氧離子注人之裝置，需可於對氧離子施加 電壓而使之加速後，由矽晶圓表面進行注入，而其裝置形 態、離子注入方式等則無特別限制。 繼氧離子注入後進行之高溫熱處理條件，除本發明所 規定之最後階段外並無特別之限制，但以回復氧離子注入 帶給結晶之損傷之觀點而言，則宜以1300°C以上之高溫 進行處理。關於熱處理之環境並無特別之限制，除氬、氮 等惰性氣體外，亦可使用氧、氫、或氬與氧、氮與氧之現 合氣體等。另，亦可藉由於熱處理中使氧分壓上昇而進行 内部氧化處理。 541601 玖、發明說明
依據本發明，則需於高溫熱處理之最後階段以1250 它以下且在800°C以上之溫度保持一定時間，其理由說明 如下。如前述，矽基板之電阻率係依低溫熱處理時產生之 氧氣施體而變化。本發明人等利用氧濃度6.0〜ΙΟ.ΟχΙΟ17 5 atoms/cm 3 (以曰本電子工業振興協會之氧濃度換算係數 算出）、熱處理前之電阻率約ΙΟΟΟΩαη之單晶矽基板，查 驗該矽基板之氧濃度與將該基板於氫環境下進行450°C且 1小時之處理後之電阻率之關係。由第2圖所示結果可知 ，隨氧濃度之增加前述低溫熱處理之氧氣施體產生量亦增 10 加，並使基板電阻率降低。基於此一結果，為於低溫熱處 理後仍可將基板之電阻率維持在ΙΟΟΩαη以上，則需使基 板中之氧濃度在7.5xl017cm_3以下。
此外，由於SIMOX基板於該製造程序中之高溫熱處 理時使用含大量氧之環境，因此基板中之氧濃度乃隨其處 15 理溫度之固態溶解度而變化。單晶矽之氧固態溶解度與溫 度之關係係顯示於第3圖（J.C.Mikkesen，Jr·，in Oxygen ，Carbon，Hydrogen and Nitrogen in Crystalline Silicon， p.19 〜30，Materials Research Society(1986))，固態溶解 度於溫度上昇時同步上昇，且於用以製造SIMOX基板之 20 高溫熱處理時一般所用之1300°C以上之溫度下亦到達 l.OxlO18 cm—3以上。因此，SIMOX基板之氧濃度無論材料 基板之氧濃度如何，將隨同溫度下之熱處理時間而產生變 化並達接近該溫度之固態溶解度。此外，氧固態溶解度因 14 541601 玖、發明說明 隨溫度降低而降低，因此若含有_於高溫熱處理之最後階 段以較最高處理溫度低之溫度保持_定之程序，則與前述 高溫熱處理時相同，可隨處理時間而使氧濃度下降至接近 - 該保持溫度之固態溶解度。單晶石夕中之氧固態溶解度，由 . 5於形成前述之7.5xl0ncm-3之溫度係約12耽，因此若含 · 有一於尚溫熱處理之最後階段以125(rc以下之溫度保持 一定時間之程序，則可使SIM〇x基板之氧濃度在 7.5x10丨7 cm_3以下。更確切地說，即宜於l2〇〇t以下。又 · ’氧濃度之下降程度’係由保持溫度中之溶氧之擴散長度 1〇與保持時間之積而決定。若將125(TC下之擴張長度考虞 在内，則保持時間宜於4小時以上，但由經濟性之觀點而 言最長處理時間以20小時左右為宜。又，關於保持溫度 * 係越低則氧固態溶解度越低，故有利於降低氧濃度，反之 - ，由於溶氧之擴散長度亦降低，故需延長保持時間。因此 15 ，保持溫度之下限以800°C為宜。 另，設於高溫熱處理之最後階段之前述程序中之環境 ，係與高溫熱處理之其餘程序同樣無特別限制，除氬、氮 _ 等惰性氣體外，亦可使用氧、氫、或氬與氧、氮與氧之混 ' 合氣體等。 -〇 有關用以進行高溫熱處理之裝置，若可於希望之溫度 下實施所需時間之熱處理即無特別之限制。理想之使用裝 置可舉高溫熱處理爐為代表，但若符合處理溫度、處理時 間等性能，亦可以燈型退火爐進行處理。熱處理爐中除處 15 541601 玖、發明說明 理溫度、處理時間外之條件，如插入溢度、昇溫速度、降 溫速度等並無特別限制，此外，昇溫條件、降溫條件亦可 分為數階段。 實施例 5 以下，說明本發明之具體實例。 藉由恰克勞斯基法將單晶石夕製成一為雜質濃度控制在 1χ1014αιΓ3以下，另一則控制在2xl〇13cnr3以下。其後， 將各結晶進行加工，製成直徑8吋（2〇〇麵）之單晶矽基 板。將製成後之矽基板之電阻率由基板裏面以四探針法測 10定時，最初由結晶加工之基板之電阻值為ιοοωοπ，另一 方由結晶加工之基板之電阻值則為5〇〇Qcm。藉由傅立葉 轉換型紅外線分光裝置測定氧濃度時，任一基板皆為 8·5χ 1017 cm一3 〇 其後，將該等矽基板各準備2片，共計4片，並以基 15 板溫度550°C、加速電壓180keV、注入量4χ1017〇ιΓ2進行 氧離子注入。之後，將以不同結晶加工而成之基板作為一 組之2片基板，分別投入高溫熱處理爐中進行熱處理。第 一組之樣本Α、Β於氬中添加有分壓〇·5%之氧之環境下 ，以溫度1350°C進行6小時之熱處理後，以5°C/分之速 20 度使溫度降至800°C，並自爐中取出。第二組之樣本C、 D於同樣之環境下以同樣溫度1350°c進行6小時之熱處理 後，以5°C/分之速度使溫度降至1250°C，並自爐中取出 。將由熱處理爐取出之SIMOX基板，以稀氟酸溶液去除 16 541601 玖、發明說明 形成於表面之氧化膜。其後，藉由光譜橢圓儀評價各層之 厚度時，樣本A及B之表面矽層之厚度為340nm，埋入 氧化層之厚度為85nm，而樣本C及D則各為330nm、 85nm。將該SIMOX基板之電阻率由基板裏面以四探針方 5 式測定時，與材料基板時相同，樣本A及C為ΙΟΟΩαη， 而樣本Β及D為500Ωαη。 繼之，將該等SIMOX基板全部再投入熱處理爐中， 並於氮中添加有4%之微量氫之環境下，施以1小時450 °C之熱處理。藉由四探針方式測定由熱處理爐取出之基板 10 各自之裏面後可確定，樣本A及B之電阻率係降至50Ω cm，而樣本C則維持在ΙΟΟΩαη，樣本D則維持在500Ω cm之高電阻。 該等結果經彙整後載於表1。 表1 樣本 以四探針測定之電阻率（Ωαη ) 備考 氫燒結前 氫燒結後 A 100 50 比較例1 B 500 50 比較例2 C 100 100 實施例1 D 500 500 實施例2 產業上之可利用性 如以上說明，本發明藉由利用一具有高電阻率之單晶 矽基板並規定製造SIMOX基板時之高溫熱處理條件，則 可提供一種適用於裝置程序等且於低溫熱處理後仍可維持 17 541601 玖、發明說明 基板之高電阻率之品質良好之高電阻SOI基板。 【圖式簡單說明】 第1A〜1E圖係說明由矽晶圓至SIM0X基板之製造 程序及半導體裝置之製造。 5 第2圖所示者係氫燒結後之基板氧濃度與基板電阻值 之關係圖表。 第3圖所示者係矽晶圓於熱處理溫度中之氧固溶度之 圖表。 【圖式之主要元件代表符號表】 1…單晶矽基板 2···氧離子 3…埋入氧層 4...石夕層 5···佈線層
Claims (1)
- 541601 拾、申請專利範圍 1· 一種製造SIMOX基板之方法，係藉由於單晶矽基板中 注入氧離子，其後並施以高溫熱處理，而形成一埋入氧 化層及一表面單晶矽層者；該方法中包含有一程序，即 ’使該單晶石夕基板使用一平均電阻率在1 〇〇Ωαη以上且 在單晶矽之本徵電阻率以下之基板，並於高溫熱處理之 最後階段以1250°c以下且在80(TC以上之溫度保持一定 時間者。 2.如申請專利範圍第1項之製造SIMOX基板之方法，其 中該高溫熱處理之最後階段之保持溫度係在12〇〇〇c以下 且在800°C以上。 3·如申請專利範圍第1或2項之製造SIMOX基板之方法 ，其中該高溫熱處理之最後階段之保持時間係在4小時 以上。 4. 如申請專利範圍第1項之製造SIM〇x基板之方法，其 中该單晶石夕基板係以恰克勞斯基法製造者。 5. 如申請專利範圍第1項之製造SIM〇x基板之方法，其 中該單晶矽基板係使用平均電阻率在5〇〇Qcm以上且在 單晶矽之本徵電阻率以下之基板。 6·種WMOX基板’係藉由申請專利範圍第1至4項中 任一項之方法而製造者，且該SIM〇x基板經低溫熱處 理後之基板部分之平均電阻率係在1〇〇Ωαη以上且在單 晶矽之本徵電阻率以下。 7· 一種SIMOX基板，係藉由申請專利範圍第5項之方法 而製造者，且該SIMOX基板經低溫熱處理後之基板部 19 541601 拾、申請專利範圍 分之平均電阻率係在500Ωαη以上且在單晶矽之本徵電 阻率以下。 20
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