TWI321335B - Method for manufacturing simox wafer and simox wafer - Google Patents
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Description
1321335 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，係有關於 SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen)晶圓之製造方法及SIMOX晶圓，特別是有關於 對應於MLD ( Modified Low Dose )法之SIMOX晶圓之製 造方法。 本申請，係對在2005年6月13日所申請之日本專利 申請第2005-172715號主張優先權，並於此援用其內容。 【先前技術】 作爲SOI晶圓之製造方法，係被習知有SIMOX法。 若藉由此方法，則藉由例如注入能量約爲200keV，將劑 量約2xl018at〇mS/Cm2之氧原子做離子注入，並以高溫作 熱處理，則可形成塡埋氧化膜（以下，稱爲BOX(Buried Oxide)層）。此SIMOX法，由於可以用高精度控制劑量 和注入能量，因此能將BOX層之厚度或SOI層之膜厚以 特定之厚度來均勻形成。 舉例而言，劑量在l〇18atoms/cm2以上之基板，係被 稱爲高劑量SIMOX晶圓，4xl017atmos/cm2以下之基板， 則被稱爲低劑量SIMOX晶圓。後者。由於和前者相比其 貫穿差排（threading dislocation)較少發生，能縮短氧離 子之注入時間，故能製造高品質且低成本之SOI基板。然 而，舉例而言，若降低劑量，則會有BOX層之厚度變薄 ，BOX層之信賴度降低之虞。 (2) (2)1321335 於此，作爲已開發之技術，周知有所謂ITOX ( Internal thermal oxidation)的技術。（例如，參考專利文 件1，非專利文件1 )。若藉由此ITOX技術，則將能成爲 藉由氧離子之劑量所計算出的理論膜厚之熱處理，在含有 濃度不滿1%之氧氣的氬氣體環境中進行後，藉由在含有 1%濃度以上之氧氣的氬氣體環境中施加熱處理，可將 BOX層形成厚膜。 藉由導入此ITOX技術，能夠將BOX層厚膜化，減少 BOX層之針孔，並能降低SOI層（基板表面之單結晶矽層 )表面、以及SOI層和BOX層間之界面的凹凸，亦即是 降低粗度，而大幅提高低劑量SIMOX晶圓之品質。然而 ，就算是在導入此技術之低劑量SIMOX法中，亦由於氧 離子之劑量大，使每一批（batch )之離子注入時間需耗費 數小時。更進而，由於需要ITOX處理，亦即是需要特定 之熱工程處理，故會有生產性降低而增加製造成本之問題 〇 另一方面，於SIMOX晶圓之製造方法中，亦習知有 將氧離子分爲兩次來注入之方法（參考專利文件2)。此 2階段之氧離子注入，係先在將矽晶圓加熱後之狀態進行 高濃度之氧離子注入，接下來，將矽晶圓冷卻至室溫後進 行氧離子之注入。亦即是，第1回之氧離子注入，係藉由 加熱矽晶圓，將矽晶圓之表面維持爲矽之單結晶，第2回 之氧離子注入，係藉由將矽晶圓維持在低溫，形成非結晶 層。而後，此矽晶圓，係藉由在例如1 3 5 0 °C以固定時間作 (3) (3)1321335 氧化處理，形成SOI構造。 若藉由此方法，則經由離子注入後之熱處理，能由非 結晶層形成由多結晶、雙晶、層積缺陷所成之高密度缺陷 層。由於此形成有缺陷層之區域容易解析出氧，故能將 BOX層之厚度，形成爲由氧離子之劑量所推測出之理論厚 度的兩倍左右之厚度。更加上，由於能較ITOX技術更爲 減少氧離子之劑量，故能提高生產性，並減低製造成本。 以此方法所製造之SIMOX晶圓，被稱爲MLD-SIMOX。 然而，並不限定爲上述方法，SOI晶圓，會在經過一 連串之製造工程的過程中，在矽基板之表面產生缺陷，或 在表面附著有粒子（塵埃等）。若在殘留有此些之缺陷的 狀態下繼續進行工程，則會有做爲裝置之生產率降低之虞 。故而，SOI晶圓，係在將基板表面洗淨並乾燥之後，進 行有例如在晶圓表面照射光，並藉由表面檢查裝置等檢測 出粒子的檢查。 然而，上述之MLD — SIMOX中，當形成有BOX層後 ，會產生在SOI層之表面、以及在SOI層和BOX層間之 界面的粗度變大的現象。因此，在粒子檢查中，會有無法 辨別出到底是晶圓表面之粗度亦或是粒子之虞。 另一方面，於MLD - SIMOX中，若爲了使BOX層更 加厚膜化，而增加氧離子之劑量，則會有BOX層之絕緣 耐壓特性降低之虞。 發明所欲解決之課題 (4) (4)1321335 本發明，係以抑制伴隨MLD-SIMOX之BOX層的厚 膜化，而產生之SOI層表面、以及SOI層和BOX層間之 界面的粗度之增加及絕緣耐壓之降低爲課題。
(專利文件1)日本特開平7-263538號公報 (專利文件2)美國專利第5930643號說明書 (非專利文件1)中嶋定夫、他六名，「Thickness Increment of Buried Oxide in a SIMOX Wafer by High-temperature Oxidation 」 ， Proceedings 1 994 IEEE
International SOI Conference, 1 994 年，第 71— 72 頁 用以解決課題之手段 爲了解決上述之課題，本發明者們，在針對氧離子注 入後之在氧化氣體環境中之熱處理條件作檢討的結果，發 現了 ：當熱處理溫度越低時，BOX層將越厚膜化，另一方 面，當熱處理溫度越高時，在提高BOX層之絕緣耐壓的 同時，SOI層表面、及SOI層與BOX層間之界面的粗度 將降低。 【發明內容】 本發明之SIMOX晶圓之製造方法，係爲一種SIMOX 晶圓的製造方法，其特徵爲：一面將矽晶圓加熱至300 °C 以上，一面注入氧離子，於前述矽晶圓之內部形成氧之高 濃度層，將由前述氧之高濃度層之形成工程所得之前述矽 晶圓冷卻至3 0 0 °C以下，並注入氧離子以於前述矽晶圓形 (5) (5)1321335 成非晶質層，將由前述非晶質層之形成工程所得之前述矽 晶圓，在含有氧之混合氣體環境中作熱處理並形成塡埋氧 化膜，於前述塡埋層之形成工程中，前述熱處理之開始溫 度係爲未滿1 3 5 0 °C ’而以最高溫度在1 3 5 0。(：以上來加熱 〇 如此這般，藉由在初期之熱處理中以不滿1350 °C之較 爲低溫來作熱處理，使BOX層厚膜化。進而，藉由以 ^50 °C以上之較爲高溫來作熱處理，能使BOX層之絕緣 耐性提高，並使SOI層表面、及SOI層和BOX層間之界 面的粗度降低。 於本發明之SIMOX晶圓之製造方法，在前述塡埋層 之形成工程中，前述熱處理，係亦可具備有在不滿1 3 50 °C 之固定溫度的加熱。如此這般，藉由保持在不滿1350 t之 較爲低溫之區域，由於被注入晶圓之氧會作爲氧化物而被 析出而成長，故能使BOX層厚膜化。 於前述塡埋工程中，前述熱處理，係亦可具備有由前 述開始溫度起直線地又或是階段性地昇溫的加熱。舉例而 言，藉由對應於所設定之溫度範圍來適當變化昇溫之斜率 ，能針對BOX層之厚度或絕緣特性及界面之粗度等，進 行更爲嚴密之控制。 本發明之SIMOX晶圓，係具備有BOX層；和設置於 BOX層上之SOI層；和設置於表面之氧化膜，前述BOX 層之厚度係爲1 3 00A以上，且，前述BOX層之絕緣耐壓 係爲7MV / cm以上，前述SOI層之表面，以及，前述 (7) 1321335 5xl016atoms/cm2，較理想係爲 lxlO13 〜Ixl0】6atoms/cm2， 將注入能量（加速能量）設爲140〜22 OkeV之範圍，較理 想係爲1 80keV，來進行之。 圖1 A，係顯示注入氧離子後之晶圓剖面，箭頭係模 式顯示氧離子注入之模樣。第一回之氧離子注入，係藉由 將矽晶圓1加熱至較爲高溫，來將矽晶圓1之表面維持單 結晶的狀態以形成氧之高濃度層2，第2回之氧離子注入 g ，係藉由以較第1回之氧離子注入時爲低的溫度，形成非 晶質層3。 圖1 B，係顯示經由熱處理後所得之S IΜ Ο X晶圓的剖 面。於熱處理工程中，以使氧和不活性氣體成爲設定之比 例（例如，氧氣分壓比爲5 %以上）之混和氣體環境，施 加例如10〜20小時之熱處理，形成BOX(BuriedOxide; 塡埋氧化膜）層4。於本實施形態，首先以不滿1350 °C， 較理想係爲1280〜1320 °C之範圍內作特定時間之熱處理之 φ 後，一面昇溫至1 3 5 0°C以上，不到氧化矽之溶點的溫度， 一面進一步進行高溫熱處理。於此，表面氧化膜5之厚度 ，由於係經由混合氣體之氧氣分壓或熱處理時間來決定， 故經由調整混合氣體之氧氣分壓或是熱處理時間，便能控 制SOI層（Silicon Onlnsulator;基板表面之氧化矽單結 晶層）6之厚度。 作爲與氧混和之不活性氣體，係使用氮或是氬。 接下來，針對熱處理之條件作詳細說明。相對於先前 之被固定的熱處理溫度之設定條件，於本實施形態，首先 -11 - (8) (8)1321335 ，藉由以不滿1350 °C之較爲低溫來作熱處理，使高密度之 氧解析物形成而使BOX層4厚膜化。接下來，一面昇溫 至1350 °C以上，一面藉由以較爲高溫來作熱處理，改質 BOX層4，而能提高絕緣耐性，並使SOI層6表面、及 SOI層6和BOX層4間之界面的粗度降低。 於不滿1 3 5 0°C之溫度區域中，舉例而言，以熱處理之 固定之開始溫度作固定時間之熱處理（保持），藉由適當 調整熱處理（保持）之時間，使高密度之氧解析物成長， 而能控制Β Ο X層之厚度。於此，所謂開始溫度，係指將 含有5 %以上氧氣之混合氣體導入熱處理爐中，而開始矽 晶圓之氧化的溫度。於此不滿1350 °C之熱處理中，加熱環 境中之氧氣分壓比係爲5%以上，100%以下，熱處理時間 ，較爲理想係爲1〇〜20小時。另外，從室溫加熱至開始 溫度的昇溫工程中，加熱環境中之氧氣分壓比係不滿5% 〇 當從不滿1 3 5 0 °C之溫度區域昇溫至1 3 5 0°C以上之溫 度區域時，可使其直線地，或是階段性地昇溫。舉例而言 ，藉由對應於所設定之溫度範圍來適當變化昇溫之斜率， 能針對BOX層之厚度或絕緣特性及界面之粗度等，進行 更爲嚴密之控制。於此昇溫中，加熱環境中之氧氣分壓比 係爲5%以上，100%以下，昇溫速度，較爲理想係爲 0.05 〜0.5 〇C /min 〇 於1350 °C以上之溫度區域，做特定時間之熱處理（保 持）亦可。藉由此，能控制表面氧化膜5及SOI層6之厚 -12- (9) 1321335 度，進而，改質BOX層4，而能提高絕緣耐性，並使SOI 層6之表面、及SOI層6和BOX層4間之界面的粗度降 低。此時，混合氣體中之氧氣分壓’舉例而言，係以不滿 5 %爲理想》 1 3 5 0 °C以上之熱處理時間，較理想係爲5〜1 5小時。 如上述一般，在本實施形態中，於注入氧離子後之熱 處理中，由於係以氧氣濃度在5%以上之環境，將熱處理 之開始溫度設爲不滿1 3 5 0 °C，而後，昇溫至1 3 5 0 °C以上 之溫度而進行熱處理，故能將SIMOX晶圓之BOX層4厚 膜化，而能實現提高此BOX層4之絕緣耐性，並使SOI 層6之表面、及SOI層6和BOX層4間之界面的粗度降 低。 實施例 接下來，將本發明之實施例和比較例一起做說明。 (實施例1 ) 第1回之氧離子注入，係將晶圓在真空中加熱至400 °C ，以氧離子之劑量 2.6 X 1017atoms/cm2，注入能量 17 0keV來進行。接下來，第2回之氧離子注入，係以氧 離子之劑量6xl015atoms/cm2，注入能量160keV來進行。 將於此所得之晶圓，在含有5 0%之氧氣的氬氣環境下，施 加13 10°C ’ 5小時之氧化處理，接下來，以〇· 1〇。(：/分之 昇溫速度’ 一面由1310 °C昇溫至1350 °C，一面施加氧化 -13- (12) (12)1321335 此些實施例所限定。只要不脫離本發明之意旨的範圍內， 可做構成之附加 '省略、替換，及其他之變更。本發明係 不被前述之說明所限定，僅被附屬之申請範圍所限定。 【圖式簡單說明】 圖1六、18，係展示對應於適用本發明而成之1^11^0-SIMOX法的SIMOX晶圓之製造方法的說明圖。詳細而言 ，圖1 A係展示注入氧離子後之晶圓剖面，圖1 B係展示熱 處理後所得之SIMOX晶圓之剖面。 【主要元件符號說明】 1 :矽晶圓 2 :氧之高濃度層 3 :非晶質層 4 : BOX 層 5 :表面氧化膜 6 : SOI層 -16-
Claims (1)
1321335
十、申請專利範圍 第95 1 207 1 0號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國98年8月31曰修正 1.—種SIMOX晶圓的製造方法，其特徵爲： ' —面將矽晶圓加熱至300 °C以上，一面注入氧離子， φ 於前述矽晶圓之內部形成氧之高濃度層， 將由前述氧之高濃度層之形成工程所得之前述矽晶圓 冷卻至未滿3 0 0 °C，並注入氧離子以於前述矽晶圓形成非 晶質層， 將由前述非晶質層之形成工程所得之前述矽晶圓，在 含有氧之混合氣體環境中作熱處理並形成塡埋氧化膜， 於前述塡埋氧化膜之形成工程中，前述熱處理，係爲 在氧分壓比爲5%〜100%之之氛圍中的10〜20小時之熱 φ 處理，並具備有：將開始溫度設爲未滿1 3 5 0°C之一定溫度 下的熱處理、和其後之從前述一定溫度起直到1350 °C以上 而未滿矽融點之溫度爲止而直線性地或是階段性地以升溫 速度0.005〜0.5°C/min來作升溫之熱處理。 2·—種SIMOX晶圓，係以申請專利範圍第1項所記 載之SIMOX晶圓之製造方法所製造出之SIMOX晶圓，其 特徵爲，具備有： BOX層；和設置於前述BOX層上之SOI層， 前述BOX層之厚度係爲1 300人以上，且，前述BOX 1321335 層之絕緣耐壓係爲7MV/cm以上，前述SOI層之表面， 以及，前述SOI層和前述BOX層間之交界之ΙΟμιη平方的 粗糙度，係爲4Arms以下。
-2-
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