(57)【要約】【課題】簡単でコスト効率のよいシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板構造およびその製造方法を提供すること。【解決手段】勾配のある多孔質Ｓｉを酸化することによってＳＯＩ基板構造を製造する方法が提供される。この勾配のある多孔質Ｓｉは、まずＳｉ含有基板に（ｐ型またはｎ型の）ドーパントを注入し、活性化アニール・ステップを使用してこのドーパントを活性化し、次にこの注入され活性化されたドーパント領域をＨＦ含有溶液中で陽極酸化することによって形成される。この勾配のあるＳｉは、比較的粗い上面層およびこの上面層の直下に埋まっている微細な多孔質層を有する。続く酸化ステップにより、この微細な埋め込み多孔質層は埋め込み酸化膜に変えられ、粗い上面層は、Ｓｉ原子の表面マイグレーションによって固体のＳｉ含有オーバ層に融合する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気孔率の勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を提供するステップと、
前記勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を酸化して、均一な埋め込み酸化膜層およびＳｉ含有オーバ層を備えるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成するステップとを含む、シリコン・オン・インシュレータ基板構造の製造方法。
【請求項２】
前記提供ステップが、Ｓｉ含有基板にドーパントを注入するステップと、前記Ｓｉ含有基板内の前記ドーパントを活性化させて、活性化されたドープ領域を形成するステップと、次いで前記活性化されたドープ領域を陽極酸化プロセスにかけるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーパントがｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ドーパントがＧａ、Ａｌ、Ｂ、およびＢＦ２からなる群から選択されたｐ型ドーパントである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ｐ型ドーパントがＢであり、前記Ｂは１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶのエネルギ、および５×１０１５〜５×１０１６原子／ｃｍ２の注入量で注入される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ｐ型ドーパントがＢＦ２であり、前記ＢＦ２は５００ｋｅＶ〜２５００ｋｅＶのエネルギ、および５×１０１５〜５×１０１６原子／ｃｍ２の注入量で注入される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記活性化ステップがアニール・ステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記アニール・ステップが炉アニール、高速熱アニール、およびスパイク・アニールからなる群から選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アニール・ステップが、６００℃以上の温度で１５分以上の間、希ガス雰囲気、酸化性雰囲気あるいはそれらの混合雰囲気の存在下で実施される炉アニール・ステップである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記アニール・ステップが、８００℃以上の温度で５分以下の間、希ガス雰囲気、酸化性雰囲気あるいはそれらの混合雰囲気の存在下で実施される高速熱アニール（ＲＴＡ）・ステップである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記アニール・ステップが、９００℃以上の温度で１秒以下の間、希ガス雰囲気、酸化性雰囲気あるいはそれらの混合雰囲気の存在下で実施されるスパイク・アニール・ステップである、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記陽極酸化プロセスがＨＦ含有溶液の存在下で実施される、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記陽極酸化プロセスが０．０５〜５０ミリアンペア／ｃｍ２の電流密度で定電流源を使用して実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記多孔質Ｓｉ含有領域が０．０１％以上の気孔率である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記多孔質Ｓｉ含有領域が、気孔率のより高い多孔質Ｓｉからなる上部領域と気孔率のより低い多孔質Ｓｉからなる下部領域を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記提供ステップの後、前記酸化の前にＳｉ含有基板上にキャップ層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記キャップ層がＳｉ含有材料を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸化が６５０℃〜１３５０℃の温度で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化により前記Ｓｉ含有オーバ層上に表面酸化膜が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記多孔質Ｓｉ含有領域が離散アイランドを備え、前記ＳＯＩ構造の前記埋め込み酸化膜が熱酸化膜の離散アイランドを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記提供ステップおよび酸化ステップを任意の回数繰り返して多層Ｓｉオン・インシュレータ材料を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記酸化の前に、湿潤酸素雰囲気中での酸化を含む予備酸化ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記予備酸化ステップが６００℃〜１２００℃の温度で実施される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
水素雰囲気中での熱アニール・ステップを含む後酸化ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記後酸化ステップが９００℃〜１２００℃の温度で実施される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ドーパント注入ステップの前または後に前記Ｓｉ含有基板への中性イオン注入ステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項２７】
前記中性イオンがＳｉ、Ｎｅ、Ｓｎ、Ｂｉ、またはＸｅを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記中性イオン注入ステップにより前記Ｓｉ含有基板中にアモルファス領域が形成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記中性イオンがＳｉであり、前記注入ステップが、室温または室温未満の温度で、１×１０１５原子／ｃｍ２〜１×１０１６原子／ｃｍ２のＳｉ注入量、２００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの注入エネルギを使用して実施される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
Ｓｉ含有基板中に注入され活性化されたドーパント領域を含む構造を提供するステップと、
前記ドープ領域をＨＦ陽極酸化プロセスで気孔率の勾配のある多孔質Ｓｉ含有領域に変換するステップと、
前記勾配のある多孔質Ｓｉ含有領域を含む構造を湿式熱酸化プロセスにかけるステップと、
前記多孔質Ｓｉ含有領域を含む前記構造を酸化して、均一な埋め込み酸化膜層およびＳｉ含有オーバ層を備えるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成するステップと、
前記ＳＯＩ構造を水素雰囲気で実施される後酸化熱アニールにかけるステップとを含むＳｉオン・インシュレータの製造方法。
【請求項３１】
パターン形成された気孔率の勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を提供するステップと、
前記パターン形成された勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を酸化して、均一な埋め込み酸化膜層およびＳｉ含有オーバ層を備えるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成するステップとを含む、パターン形成されたＳｉオン・インシュレータの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板構造の製造方法に関し、より詳細には、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板構造の製造方法に関する。本発明の方法は、シリコン集積回路（ＩＣ）業界にとって魅力的な極めて低コストのＳＯＩ材料を提供する。本発明の方法によって提供されるＳＯＩ材料は、３００ｍｍまで拡大可能である。
【背景技術】
【０００２】
今日のマイクロエレクトロニクスＩＣ産業では、半導体デバイスは、ミクロン（１０-６ｍ）さらにはナノメートル（１０-９ｍ）スケールまでも小型化されており、それ自体は、半導体基板またはウェハの上表面層上に作製される。上面デバイス層の下の基板のバルクは、物理的な支持基板またはヒート・シンクとなること以上の目的を持たない。事実、このデバイス層とバルクとの間の電気的および電子的な結合は、場合によっては極めて有害になることがある。
【０００３】
ＳＯＩ技術では、ＳＯＩ層およびバルク基板層が埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）と言われる連続的な絶縁層によって分離される。このデバイス層（すなわちＳＯＩ層）の分離（separation）または素子分離（isolation）は、たとえば、接合容量および接合リークの低下、耐電離放射線性、耐電気ノイズ性および耐熱性の増大、耐ＣＭＯＳラッチアップ性などを含む重要な利益、および性能改善をもたらすことができる。しかし、ＳＯＩ構造の形成は容易なことではない。
【０００４】
数十年にわたる研究開発の結果、ほんのわずかな方法だけが商業的に実現可能であることが判った。その１つ、ＢＥＳＯＩ（bond-and-etch-back SOI）と称する方法では、２枚のＳｉウェハを表面で酸化させ、これらの酸化表面をボンディングし、続いてこの２枚のボンディングされたウェハの１枚をエッチングして薄いＳＯＩデバイス層を形成する。この従来技術の方法およびその変形方法では、ウェハ表面をボンディングする前に酸化するので、埋め込み酸化膜は所望のどんな厚さにも作製することができる。しかし、ボンディングされた界面の不純物、およびエッチバック法で薄く均一なＳｉオーバ層を実現することの難しさが主な問題点である。「Ｓｉオーバ層」および「ＳＯＩ層」の用語は、本出願ではほとんど同じ意味で使用することがある。
【０００５】
別のＳＩＭＯＸ（酸素注入による分離）と称する周知の方法では、選択した注入量の酸素イオンを直接Ｓｉウェハ中に注入し、続いてこのウェハを酸素雰囲気中で、注入した酸素が連続的な埋め込み酸化膜層に変換されるような高温でアニールする。このＳＩＭＯＸ中の埋め込み酸化膜層の厚さは、注入酸素量および熱酸化条件によってほぼ決まる。さらに、ＳＩＭＯＸでは、熱酸化中、Ｓｉオーバ層は所望の厚さまで薄くなり、熱処理後、表面酸化膜は剥ぎ取られる。
【０００６】
通常、ＳＩＭＯＸでは、基板とＳｉオーバ層を分離する低欠陥の連続した埋め込み酸化膜を形成するには、３×１０１７ｃｍ-２〜５×１０１７ｃｍ-２程度の酸素注入量が必要である。ある妥当な時間でこの高水準の酸素イオンの注入を促進するために、ＳＩＭＯＸ用の高電流（イオン）注入装置が追加の費用をかけて特別に建設された。Ｓｉ基板がより大きいウェハ寸法までスケールアップしてくるにつれて、スケールアップした高電流注入装置および注入プロセス自体が高コストになることが深刻な問題になってくる。
【０００７】
多孔質ＳｉはＨＦ含有水溶液中で電解的陽極酸化によって形成される。白金製などの耐ＨＦ性の電極は、負にバイアスがかかっており、低濃度または高濃度にｐドープされたＳｉ基板は正にバイアスがかかっている。得られた、Ｓｉウェハ層の表面内に形成された多孔質Ｓｉ層の体積損失で測定した気孔率は、電流および電圧に比例し、ＨＦ濃度に反比例する。この形成された多孔質Ｓｉ層の深さは、ある所与のドーパント濃度の場合、陽極酸化時間に比例する。しかし、多孔質Ｓｉの実際の構造は、上記のパラメータの他にドーパントおよび欠陥の型および濃度の非常に複雑な関数である。多孔質Ｓｉ材料に共通の特性は、高密度の気孔に伴う巨大な表面積である。単位体積当たりのこの表面積は１００〜２００ｍ２／ｃｍ３と見積もられる。この広い表面積が存在することにより、多孔質Ｓｉは、酸素などの雰囲気ガスとの化学反応を大変起こし易くなる。多孔質Ｓｉの酸化速度は、バルクＳｉのそれよりも1桁大きいことが判っている。このため、多孔質Ｓｉが酸化膜分離用の良好な候補となっている。
【０００８】
ＦＩＰＯＳ（多孔質酸化シリコンによる完全な分離）と称する周知の方法では、パターン形成処理と、それに続くＨＦ陽極酸化を使用してシャローＳｉアイランドを囲み、続いて多孔質Ｓｉを酸化させて完全に分離したＳｉアイランドを生じさせることによって多孔質Ｓｉが形成される。酸化した多孔質Ｓｉは良好な分離をもたらすが、一般に、Ｓｉアイランドに比べて厚過ぎ、かつ横方向に不均一である。この不均一性によって、Ｓｉウェハが反り、Ｓｉアイランド中に多くの酸化誘導欠陥が形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術のＳＯＩ基板製造方法での上記の欠点に鑑み、比較的簡単で高コストでない新規の改善されたＳＯＩ基板構造形成方法を提供することが引き続き必要とされている。
【００１０】
したがって、本発明の１つの目的は、簡単でコスト効率のよいシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板構造の製造方法を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、注入損傷を低減させ、酸化誘導の応力および歪みを低減させることによって、欠陥レベルの低減したＳＯＩ基板構造の製造方法を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、３００ｍｍまで拡大可能なＳＯＩ基板構造の簡単でコスト効率のよい製造方法を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、ウェハ・ボンディングおよび酸素注入あるいはその両方を使用しないＳＯＩ基板構造の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらおよびその他の目的および利点は、気孔率の勾配のある（graded）多孔質Ｓｉを酸化することによってＳＯＩ基板構造が作製される方法を使用することによって実現できる。この勾配のある多孔質Ｓｉは、比較的粗い上面層およびこの上面層の下に埋め込んだ微細な多孔質層を備える。次の酸化ステップによって、この微細な埋め込み多孔質層は埋め込み酸化膜に変換され、粗い上面層はＳｉ原子の表面マイグレーションによって固体のＳｉ含有オーバ層中に溶け込む。このＳｉ上面層の多くは容易に取り除くことができる熱酸化物になり、それによって埋め込み酸化膜の上に薄いＳｉオーバ層だけが残される。
【００１５】
本発明の方法で全面注入を使用する場合、気孔率の勾配のある多孔質ＳｉはＳｉ含有基板の表面上で空間的に横方向に均一であり、表面の全ての領域から酸化が均一に起きるので埋め込み酸化膜は均一であり、Ｓｉオーバ層には比較的応力がかからない。
【００１６】
本発明の方法は、上記のＳＩＭＯＸ法に勝るいくつかの追加の利益を提供する。そのような利益の１つは、高コストの高電流注入装置を使用しないことである。関連する利益は、注入に伴う損傷が低減されることである。さらに、酸化誘導の応力および歪みが小さい。というのは、酸化の際、多孔質ＳｉはバルクＳｉよりも体積の膨張が少ないからである。
【００１７】
具体的にまたおおまかにいって、本発明の方法は、
気孔率の勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を提供するステップと、
この勾配のある多孔質Ｓｉ含有構造を酸化して均一な埋め込み酸化膜層およびＳｉ含有オーバ層を備えたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）を形成するステップとを含む。
【００１８】
本発明では、気孔率の勾配のある多孔質Ｓｉは、まずＳｉ含有基板中にドーパント（ｐ型またはｎ型）を注入し、活性化アニール・ステップを使用してドーパントを活性化し、その後、注入され活性化されたドーパント領域をＨＦ含有溶液中で陽極酸化することによって形成される。
【００１９】
本発明の一実施形態では、不連続な酸化膜と連続的な酸化膜を含む中間的なＳＯＩ構造を作製するために短時間の酸化アニール・ステップを使用した。２つの異なる酸化膜を連続的な単一の埋め込み酸化膜領域に変換するためにさらにアニールを実施してもよい。
【００２０】
他の実施形態では、２つの異なる注入ステップ、すなわちデュアル注入を用いた。この２つの注入ステップの一方は構造中にｎ型またはｐ型のドーパントを注入するステップを含み、他方の注入ステップは構造中に損傷形成をもたらし、Ｓｉに対しては中性であるイオンを構造中に注入するステップを含む。この中性イオン注入では、構造中にアモルファス領域が形成されることも、されないこともある。これらの２つの注入ステップの順序としては、（Ａ）ｎ型またはｐ型のドーパントを注入し、続いて中性イオンを注入することもでき、あるいは（Ｂ）中性イオンを注入し、続いてｎ型またはｐ型のドーパントを注入することもできる。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態では、上記のように２つの注入ステップを実施し、その注入ピークの範囲が互いにほぼ重なり合う。
【００２２】
本発明の方法によって提供される構造は、所望の厚さのＳｉ含有オーバ層、Ｓｉ含有オーバ層の直下の均一な埋め込み酸化膜層、および埋め込み酸化膜の下のＳｉ含有基板を備えるＳＯＩ基板構造である。このＳｉ含有オーバ層はほぼ無欠陥で、薄い（約１００ｎｍ程度よりも薄い）。本発明の方法を使用して形成されるこの埋め込み酸化膜層は、均一であり厚さが約５０〜２００ｎｍの範囲である。本発明で使用する「均一」という用語は、埋め込み酸化膜層がＳｉ含有オーバ層およびＳｉ含有下地基板と連続的な界面を有し、ウェハ全体にわたる厚みのばらつきが埋め込み酸化膜の厚み全体の２０％未満であるものを指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、Ｓｉ含有オーバ層の下に均一な埋め込み酸化膜層を備えるＳＯＩ基板構造の簡単で低コストの方法を提供するものであり、次に本願に添付の図面を参照してより詳細に説明する。添付の図面中、同じまたは対応する構成要素は同じ参照番号で表す。
【００２４】
まず、図１に示す初期構造を参照すると、この初期構造は、内部にドーパント領域１２が形成されたＳｉ含有基板１０を備える。本明細書中「Ｓｉ含有基板」という用語は少なくともシリコンを含む半導体材料を指す。このようなＳｉ含有基板の例示的な例としては、それだけには限らないが、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅＣ、ｅｐｉ−Ｓｉ／Ｓｉ、ｅｐｉ−Ｓｉ／ＳｉＣ、ｅｐｉ−Ｓｉ／ＳｉＧｅ、およびその内部に形成された任意の数の埋め込み絶縁（すなわち、連続、非連続または連続と非連続の組合せ）領域を含むことのできるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）またはＳｉＧｅオン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）が含まれる。このＳｉ含有基板は未ドープでもよくドープされていてもよい。Ｓｉ含有基板１０中へのドープは低濃度（ドーパント濃度：１×１０１７原子／ｃｍ３未満）でもよく、高濃度（ドーパント濃度：１×１０１７原子／ｃｍ３以上）でもよい。
【００２５】
より具体的なＳｉ含有基板の例としては、ｐ＋基板、ｎドープ基板、ｐ−ｅｐｉ／ｐ−基板、ｐ−ｅｐｉ／ｎ−基板、ｐ＋ｅｐｉ／ｐ−基板、ｐ＋ｅｐｉ／ｎ基板、ｎ−ｅｐｉ／ｐ−基板、ｎ＋ｅｐｉ／ｐ−基板、ｐ＋ＳｉＧｅ／ｐ−Ｓｉ、またはｐ＋、ｐ−ＳＯＩが含まれる。ドープＳｉ含有半導体基板１０を使用した一実施形態では、このＳｉ含有半導体基板１０がｐ＋基板であることが好ましい。エピ層を基板の上面上に形成する場合、このエピ層は当業者に知られた従来のエピタキシャル成長法を使用して形成される。
【００２６】
このドープ領域１２は、イオン注入によりＳｉ含有基板１０中に形成されたｎ型ドーパント領域またはｐ型ドーパント領域のどちらかである。一実施形態では、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、ＢＦ２などのｐ型ドーパントを使用する。これらのｐ型ドーパントのうちでＢおよびＢＦ２が特に好ましい。
【００２７】
本発明のこのステップ中、注入されるドーパント濃度は注入されるドーパントの型に応じて様々に変わり得る。ｎ型ドーパントの場合は、注入されるドーパント濃度は一般に、約１×１０１７〜約１×１０２１原子／ｃｍ３であり、ｐ型ドーパントの場合も、注入されるドーパント濃度は一般に、約１×１０１７〜約１×１０２１原子／ｃｍ３である
【００２８】
本発明によれば、ドーパント濃度のピークが基板の上部表面より下のある所定の深さになるように、ｎ型またはｐ型ドーパントをＳｉ含有基板１０中に注入する。より具体的には、注入条件は基板の上表面より測定して約２５０〜約１５００ｎｍの深さの深い注入領域を形成するのに十分なものである。好ましい実施形態では、約１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶのエネルギのホウ素、および約５００ｋｅＶ〜２５００ｋｅＶのエネルギのＢＦ２を使用して注入領域１２を形成することができる。このＢおよびＢＦ２の注入量は約５×１０１５〜約５×１０１６原子／ｃｍ２である。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態では、Ｓｉ含有基板１０中に損傷を形成させる中性イオンを上記のドーパント注入と共に使用する。本発明中では、「中性イオン」という用語はＳｉ含有基板１０と相互作用しない任意のイオンを指す。このような中性イオンの例示的な例としては、それだけには限らないが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｎｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｘｅ等が含まれる。好ましくは、Ｓｉを中性イオンとして使用する。この中性イオンは、多孔質なＳｉ領域を形成する助けになると考えられる損傷形成を引き起こす。損傷領域はドーパント領域の上、下、または中に形成される。この中性イオンは、ドーパント注入ステップの前でも、後でも注入することができる。注入条件および使用する中性イオンに対応して、この注入ステップによりＳｉ含有基板１０中にアモルファス化領域が形成されることがある。一実施形態では、中性イオンのピークを、２つの注入が互いに重なり合うようにドーパント・イオンの注入ピークに一致させる。
【００３０】
この任意選択の中性イオン注入ステップの条件は、使用するイオンおよびそのイオンの所望の深さに応じて様々に変わり得る。好ましい実施形態では、通常の室温以下で約２００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶのエネルギ、および約１×１０１４〜約１×１０１６原子／ｃｍ２の注入量でＳｉを注入する。この２つの注入、すなわちデュアル注入は、それを使用したとき、熱酸化中に使用する条件に応じて単一またはダブルのＳＯＩ構造を形成することができる。
【００３１】
次に、ドーパント領域１２内のドーパントを活性化させてホール（ｐ型ドーパントの場合）および電子（ｎ型ドーパントの場合）を形成するように、図１の構造をアニールする。アニール後の構造を図２に示す。図２中、参照番号１４はアニール後に形成された活性化されたドーパント注入領域を指す。一般に、アニール温度が高くなると、より多くのドーパント・イオンが活性化され、同時にこのドーパント・イオンがより多く拡散して注入プロファイルが広がる。本発明によれば、少なくとも濃度ピークのドーパント・イオンがほとんど活性化される温度でアニール・ステップを実施しなければならない。濃度ピークの周囲の領域中では、ドーパント・イオンは一般に、完全には活性化されず、したがってＳｉ格子領域が注入損傷により依然としていくらか不整合のままであることを示している。場合によっては、キャリアのプロファイルが、不活性ドーパントのためにピークと谷を含むようになることもある。
【００３２】
本発明のこの時点で使用するアニールとしては炉アニール、高速熱アニール、またはスパイク・アニールを含めることができる。炉アニールを使用するときは、一般的に６００℃以上の温度で約１５分以上の間、炉アニールを実施する。好ましくは、炉アニールを約６５０℃〜約８００℃の温度で、約１５〜約２５０分の時間、実施する。この炉アニールは、一般的に、たとえば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２およびこれらの混合ガスを含めた希ガス雰囲気または酸化性雰囲気ガスあるいはその両方の存在下で実施する。
【００３３】
高速熱アニール（ＲＴＡ）を使用するときは、一般的に、約８００℃以上の温度で、約５分以下の時間、ＲＴＡを実施する。好ましくは、約９００℃〜約１０５０℃の温度で、約５〜約３０秒の時間、ＲＴＡを実施する。この高速熱アニールは、一般的に、たとえば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２およびこれらの混合ガスを含めた希ガス雰囲気または酸化性雰囲気ガスあるいはその両方の存在下で実施する。
【００３４】
スパイク・アニールを実施するときは、一般的に、約９００℃以上の温度で、約１秒以下の時間、スパイク・アニールを実施する。好ましくは、約９００℃〜約１１００℃の温度で、スパイク・アニールを実施する。このスパイク・アニールは、一般的に、たとえば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２およびこれらの混合ガスを含めた希ガス雰囲気または酸化性雰囲気ガスあるいはその両方の存在下で実施する。
【００３５】
上記の様々なアニール技法のうちで、炉アニールを使用することが好ましい。ドーパントがＢであり、炉アニールを使用するとき、約６５０℃で、２〜３時間、アニールを実施することが好ましい。
【００３６】
次に図３に示すように、図２に示す構造を、活性化されたドーパント領域１４を多孔質領域１６に変換させることができる電解的な陽極酸化プロセスにかける。図３に示す構造は、勾配のある多孔質のＳｉ含有構造と称することができる。この多孔質Ｓｉ領域１６は、キャリアおよび損傷プロファイルを密接に反映する構造を備える。すなわち、残留注入損傷が高くキャリア濃度が低い領域は、粗い多孔質構造になり、キャリア濃度が高い領域は微細な多孔質構造になる。したがって、この多孔質構造は均一ではなく、勾配が付いている。
【００３７】
微細な多孔質領域１６ｂは主に、多孔質領域１６の下部に存在し、粗い多孔質領域１６ａは主に、多孔質領域１６の上部に存在する。微細な多孔質領域１６ｂは、粗い多孔質Ｓｉ領域１６ａに比べて密度が大きい（すなわち、より少ない数の気孔を含有する）。粗い多孔質Ｓｉは表面積が、極めて大きいので、酸化を含めてどんなタイプの表面反応も、微細な多孔質Ｓｉよりもより速く起きるはずである。
【００３８】
陽極酸化プロセスは、やはりＨＦ含有溶液中に置かれた電極に対して構造に電気的バイアスをかけながら、図２に示す構造をＨＦ含有溶液中に浸漬することによって実施される。このようなプロセスでは、この構造は、一般に電池の正極として働き、Ｓｉなどの別の半導体材料または金属が、負極として使用される。
【００３９】
一般に、ＨＦ陽極酸化によって、ドープ単結晶Ｓｉが多孔質Ｓｉに変換される。その形成速度およびそのようにして形成された多孔質Ｓｉの性質（気孔率、微細構造）は、材料特性、すなわちドープ型およびドープ濃度、ならびに陽極酸化プロセス自体の反応条件（電流密度、バイアス、照度、およびＨＦ含有溶液中の添加剤）によって決まる。具体的には、より高濃度のドープ領域内では、多孔質Ｓｉが大幅に高い効率で形成され、したがって活性化ドーパント領域１４が効率的に多孔質Ｓｉに変換される。
【００４０】
一般に、本発明で形成された多孔質Ｓｉ領域１６は、約０．０１％以上の気孔率である。この多孔質Ｓｉ領域１６の深さは、構造の最上表面から多孔質Ｓｉの最上表面まで測定して約５０ｎｍ以上である。
【００４１】
「ＨＦ含有溶液」という用語は、高濃度ＨＦ（４９％）、高濃度のＨＦおよび酢酸、ＨＦと水の混合物、ＨＦとメタノール、エタノール、プロパノールなどの一価アルコールの混合物、または少なくとも1種の界面活性剤を混合したＨＦを含む。ＨＦ溶液中に存在する界面活性剤の量は、一般に４９％ＨＦを使用した場合、約１〜約８０％である。
【００４２】
活性化ドーパント領域１４を勾配のある多孔質Ｓｉ領域１６に変換する、この陽極酸化プロセスは、約０．０５〜約５０ミリアンペア／ｃｍ２の電流密度で動作する定電流源を用いて実施する。試料の照明のために任意選択で光源を使用することもできる。より好ましくは、約０．１〜約５ミリアンペア／ｃｍ２の電流密度で動作する定電流源を用いて本発明の陽極酸化プロセスを実施する。
【００４３】
この陽極酸化プロセスは、一般に、室温で実施され、あるいは室温より高い温度を使用することもできる。陽極酸化プロセスに続いて、構造を一般に脱イオン水ですすぎ、乾燥する。
【００４４】
本発明の任意選択の実施形態では、本発明のこの時点で多孔質領域１６を含有するＳｉ含有基板１０上に任意選択のキャップ層１８を形成する。この任意選択のキャップ層１８を備える構造を、たとえば図４に示す。本発明で使用するこの任意選択のキャップ層１８は、たとえばエピタキシャルＳｉ（ｅｐｉ−Ｓｉ）、ＳｉＧｅ、アモルファスＳｉ（ａ：Ｓｉ）、単結晶もしくは多結晶Ｓｉ、またはそれらの任意の組合せを含めて、任意のＳｉ含有材料を含む。上記の様々なＳｉ材料のうちで、任意選択のキャップ層１８としてｅｐｉ−ＳｉまたはＳｉＧｅを使用することが好ましい。
【００４５】
任意選択のキャップ層１８は、それが存在するとき、厚さ約１〜約１００ｎｍ、より好ましくは厚さ約１〜約５０ｎｍである。任意選択のキャップ層１８は、上記のエピタキシャル成長法を含めた周知の堆積法を用いて形成する。
【００４６】
次いで、任意選択のキャップ層１８の有無に拘わらず、このようにして形成された多孔質Ｓｉ領域１６を含む構造を、多孔質Ｓｉ領域１６を埋め込み酸化膜領域２０に変換する温度で乾式熱酸化法を用いて加熱すなわちアニールする。埋め込み酸化膜領域２０およびＳｉ含有オーバ層２２を備える、こうして得られた構造を、たとえば図５に示す。この加熱ステップ中に層２２上に酸化膜層２４が形成されることに留意されたい。この表面酸化膜層、すなわち酸化膜層２４は、かならずしも常にではないが一般に、シリコンに比べて酸化膜を高度に選択的に除去するＨＦなどの化学的エッチャントを使用する従来の湿式エッチング法を用いて、加熱ステップの後で構造から除去する。図６に、表面酸化膜層２４を除去した後の構造を示す。
【００４７】
本発明によれば、微細な多孔質Ｓｉ領域は埋め込み酸化膜領域２０に変換され、粗い多孔質Ｓｉ領域は通常、単結晶Ｓｉに融合し、次いでＳｉ含有オーバ層２２に融合する。埋め込み酸化膜およびＳｉ含有オーバ層の厚さは、熱酸化条件を調節することによって所望の値に制御することができる。
【００４８】
本発明の加熱ステップの後で形成されるこの表面酸化膜２４の厚さは、約１０〜約１０００ｎｍ、より典型的には約２０〜約５００ｎｍになることがある。
【００４９】
具体的には、本発明の加熱ステップは、約６５０℃〜約１３５０℃の温度、より好ましくは約１２００℃〜約１３２５℃の温度で実施される乾式熱酸化法である。本発明のいくつかの実施形態では、特に、破断したすなわち不連続な埋め込み酸化膜と連続した酸化膜が望まれるときは、６５０℃より低温で熱酸化を実施することができる。一般に、本発明のこの実施形態の場合は、破断した埋め込み酸化膜は、約１２５０℃〜約１３２５℃の温度で熱酸化を実施することによって形成することができる。破断した埋め込み酸化膜と連続した酸化膜を含む構造を単一の埋め込み酸化膜構造に変換する際に、上記の一般的な温度範囲内でさらにアニールを実施することもできる。
【００５０】
さらに、本発明の加熱ステップは、Ｏ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、オゾン、空気、他の同様な酸素含有ガスなどの酸素含有ガスの少なくとも１種を含む酸化性雰囲気中で実施する。この酸素含有ガスは（Ｏ２とＮＯの混合ガスのように）互いに混合してもよく、あるいはＨｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｘｅ、Ｋｒ、またはＮｅなどの希ガスで希釈することもできる。希釈雰囲気を使用したとき、この希釈雰囲気は約０．５〜約１００％の酸素含有ガスを含有し、残りは最大１００％までの希ガスである。
【００５１】
この加熱ステップは、約１２５０℃〜約１３２５℃の温度で、通常約１０〜約１８００分間、より好ましくは約６０〜約６００分間実施することができる。加熱ステップは、単一の目標温度で実施することもでき、あるいは様々なランプ・レートおよびソーク・タイムを用いて様々なランプおよびソーク・サイクルで実施することもできる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態では、予備酸化ステップを実施する。この予備酸化ステップは、水蒸気等の湿式酸素雰囲気中、約６００℃〜約１２００℃の温度で、より好ましくは約８００℃〜約１０００℃の温度で実施する。予備酸化ステップは、多孔質Ｓｉが大きなＳｉ粒に合体する前に、より速い速度で多孔質Ｓｉを酸化膜に変換する点で有利である。
【００５３】
過剰のドーパント・イオンを注入する本発明の別の実施形態では、大気圧または減圧の水素雰囲気中で、酸化後の熱アニールを使用してＳｉ含有オーバ層中のドーパントのレベルを低減させることができる。このような酸化後のプロセスを実施する場合、水素雰囲気中のこの熱アニールを約９００℃〜約１２００℃の温度で、より好ましくは約１０００℃〜約１０５０℃の温度で実施する。水素雰囲気の例としては、希ガスを含む混合ガスまたは希ガスを含まない混合ガスを含めて、Ｈ２、ＮＨ４、またはそれらの混合ガスが含まれる。Ｓｉ含有オーバ層中のドーパント・イオンの濃度は、上記の酸化後の熱アニールを使用して２桁より多く減少させることができる。
【００５４】
本発明によれば、Ｓｉ含有オーバ層２２の厚さは、約１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは約１００〜約５００ｎｍである。本発明で形成されたＳｉ含有オーバ層２２は、ほぼ欠陥がないことに留意されたい。加熱ステップ中に形成された埋め込み酸化膜層２０の厚さは約１００〜約２００ｎｍである。埋め込み酸化膜層２０は、Ｓｉ含有オーバ層２２との滑らかで連続した界面を有する。
【００５５】
上記のように、本発明のこの時点で表面酸化膜層２４を剥ぎ取って、たとえば図６に示すＳｉオン・インシュレータ基板材料を提供することもできる。
【００５６】
上記に示した図１〜図６中のパターン形成していない構造に加えて、本発明ではパターン形成した構造を形成することも企図している。このパターン形成した構造およびそれを形成する方法を、たとえば図７〜９に示す。具体的には、図７は、Ｓｉ含有基板１０に注入し活性化したドーパント領域１４の離散的で分離したアイランドを形成した、本実施形態の初期構造を示す。注入され活性化されたドーパント領域１４の離散的で分離したアイランドは、マスクされたイオン注入法を使用して形成することができる。
【００５７】
次いで、図８の構造を、上記の陽極酸化プロセスにかける。上記のように、この陽極酸化プロセスでは基板中に多孔質Ｓｉ領域１６が形成される。次に、図示しないが、任意選択のキャップ層を構造上に形成することもできる。
【００５８】
次いで、任意選択のキャップ層の有無に拘わらず、この構造を上記で説明したアニール・ステップにかけて、たとえば図９に示す構造を得る。参照番号１０、２０、２２は上記で説明したのと同じ意味であり、表面酸化膜層２４はこの構造から除去されていることに留意されたい。
【００５９】
図１０、１１に、同一構造内にダブルＳＯＩ層が形成されている本発明の別の代替実施形態を示す。図６に示す構造を提供する際、このダブルＳＯＩ層は、まず上記の諸ステップを実施して形成する。この構造を提供した後で、注入され活性化されたドーパント１４’を含むＳｉ含有基板１０’を構造上に形成する。図１０にこの構造を示す。次に、陽極酸化およびアニール・ステップを繰り返して、たとえば図１１に示す構造を提供する。図１１では、第２埋め込み酸化膜層２０’が形成され、かつ第２Ｓｉ含有オーバ層２２’が形成されている。同じ処理を多数回繰り返して多層のＳＯＩ構造を提供することができる。この多層ＳＯＩ層は全て連続していることもあり、不連続なこともあり、あるいはそれらの組合せとして存在することもある。
【００６０】
図１２に、本発明の方法を使用して作製した多孔質Ｓｉ構造の実際のＳＥＭ像を示す。この多孔質Ｓｉ構造は、ｐ−／ｐ＋Ｓｉ基板中に約２×１０１６ｃｍ−２の注入量を用いて２２０ｋｅＶでＢを注入し、続いて６５０℃で２時間４５分アニールすることによって調製したものである。次いで、注入され活性化された基板をＨＦ（４９％）中で、１分以内の間、陽極酸化して、図１２に示す多孔質Ｓｉを提供した。図１２に示した構造は、注入されたＢのプロファイルのピーク領域に対応する明確なバンドを有する微細な多孔質Ｓｉからなる勾配のある上側領域を備える。次いで、上記で説明したように、図１２に示したこの多孔質Ｓｉ構造を酸化して、ＳＯＩ構造にすることもできる。
【００６１】
図１３に、Ｂ＋注入によって形成された多孔質Ｓｉから成るＳＯＩ構造のＳＥＭ像を示す。この多孔質Ｓｉ構造を形成する際に使用した注入条件は、以下のとおりであった。Ｂ＋注入、注入量：２×１０１６原子／ｃｍ２、注入エネルギ：２２０ｋｅＶ。上記の条件を使用して陽極酸化を実施した。ドーパント活性化ステップは、多孔質Ｓｉを形成する前に６５０℃で２時間４５分、実施した。ＳＯＩ構造は以下の４層を備える。（ｉ）表面から破断した埋め込み酸化膜（ＢＯＸ１とする）まで延びる最上層のＳｉ層、（ｉｉ）破断した埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ１とする）、（ｉｉｉ）破断した酸化膜（ＢＯＸ１）と連続した酸化膜（ＢＯＸ２）の間に挟まれたＳｉ層、および（ｉｖ）連続した埋め込み酸化膜（ＢＯＸ２とする）。さらに酸化を実施して上記の層（ｉ）および（ｉｉ）を消費し、それによって連続したＢＯＸ層（上記の層（ｉｖ））の上に単一のＳｉ層（上記の層（ｉｉｉ））を備えるＳＯＩ構造がもたらされた。
【００６２】
図１４に、デュアル注入法を用いて調製した高度処理（engineered）多孔質Ｓｉ構造のＳＥＭを示す。具体的には、このデュアル注入法は以下のステップを含んでいた。Ｂ＋注入：２２０ｋｅＶ、２×１０１６原子／ｃｍ２、Ｓｉ＋注入：２２０ｋｅＶ、２×１０１５原子／ｃｍ２。陽極酸化は上記の条件を用いて実施した。多孔質Ｓｉの２本のバンドがＳＥＭ顕微鏡写真中に存在する。第１のバンドは注入したＳｉ＋プロファイルのピーク領域に対応し、第２のバンドは注入したホウ素プロファイルのピーク領域に対応する。
【００６３】
図１５に、デュアル注入による多孔質Ｓｉ構造の高度処理によって形成されたダブルＳＯＩ構造のＳＥＭを示す。図１５に示す構造を形成する際に以下の条件を使用した。Ｂ＋：１８０ｋｅＶ、２×１０１６原子／ｃｍ２、Ｓｉ＋：２２０ｋｅＶ、２×１０１５原子／ｃｍ２。図示したように、この構造は２つのＳＯＩ層および２つのＢＯＸ領域を備える。ＢＯＸ１は図１４の多孔質Ｓｉの第１のバンドに対応し、ＢＯＸ２は図１４の多孔質Ｓｉの第２のバンドに対応する。図１４の表面Ｓｉのいくらかは、連続した埋め込み酸化膜領域を形成するのに必要なアニール酸化によって消費された。
【００６４】
図１６に、デュアル注入によって高度処理した多孔質Ｓｉ含有構造のＳＥＭを示す。この構造は形成する際に以下の条件を使用して形成した。Ｂ＋：１６０ｋｅＶ、２×１０１６原子／ｃｍ２、Ｓｉ＋：２２０ｋｅＶ、２×１０１５原子／ｃｍ２。Ｂ＋およびＳｉ＋の注入条件は、Ｂ＋およびＳｉ＋の投影飛程が互いに一致するように選択した。したがって、図１４の多孔質Ｓｉバンドは、この場合互いに重なり、その結果単一の多孔質Ｓｉバンドであるが高密度の気孔を備える単一の多孔質Ｓｉバンドがもたらされた。
【００６５】
図１７に、デュアル注入によって調製した単一のＳＯＩのＳＥＭを示す。この構造は、以下の条件：（Ｂ＋：１５０ｋｅＶ、２×１０１６原子／ｃｍ２、Ｓｉ＋：２２０ｋｅＶ、２×１０１５原子／ｃｍ２）を使用し、その後に、上記で説明したようにドーパント活性化アニール、多孔質Ｓｉ形成および高温アニールを行うことによって形成した。埋め込み酸化膜層の位置は、図８の高密度Ｓｉのバンドの位置に対応する。
【００６６】
本発明では、その好ましい実施形態について具体的に示し説明してきたが、本発明の範疇および精神から逸脱することなく、上述の、並びに他の形式および細部に対する変更を加え得ることは当業者には理解されよう。したがって、本発明は、ここに説明し示したとおりのものに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図２】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図３】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図４】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図５】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図６】本発明の基本的な処理ステップを示す（断面で見た）絵画図である。
【図７】本発明の代替実施形態を示す（断面で見た）絵画図である。
【図８】本発明の代替実施形態を示す（断面で見た）絵画図である。
【図９】本発明の代替実施形態を示す（断面で見た）絵画図である。
【図１０】本発明の別の代替実施形態を示す（断面で見た）絵画図である。
【図１１】本発明の別の代替実施形態を示す（断面で見た）絵画図である。
【図１２】本発明の埋め込み多孔質Ｓｉ構造の断面ＳＥＭ像である。
【図１３】本発明のＳＯＩ基板構造で、内部に不連続な、すなわち破損した酸化膜、および連続的な酸化膜が形成された構造の断面ＳＥＭ像である。
【図１４】デュアル注入の使用により実現された本発明の高度処理Ｓｉ含有構造の断面ＳＥＭ像である。
【図１５】デュアル注入による多孔質Ｓｉの高度処理によって調製された本発明のダブルＳＯＩ基板構造の断面ＳＥＭ像である。
【図１６】デュアル注入により実現された本発明の高度処理されたＳｉ含有構造の断面ＳＥＭ像である。
【図１７】デュアル注入による本発明のＳＯＩ基板構造の断面ＳＥＭ像である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  Ｓｉ含有基板
１０’  Ｓｉ含有基板
１２  ドーパント領域
１４  活性化ドーパント領域
１４’  活性化ドーパント領域
１６  多孔質Ｓｉ領域
１６ａ  微細な多孔質Ｓｉ領域
１６ｂ  粗い多孔質Ｓｉ領域
１８  キャップ層
２０  埋め込み酸化膜領域
２０’  第２埋め込み酸化膜層
２２  Ｓｉ含有オーバ層
２２’  第２Ｓｉ含有オーバ層
２４  表面酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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