(57)【要約】【課題】  効率よく重金属汚染物質を除去することができるゲッタリング層をＳＯＩ基板に形成する。【解決手段】  本発明の一例は、酸素イオンを注入し熱処理をすることによって作成された酸素析出核を層状に形成した酸素析出層１４を、半導体中に含まれる重金属汚染不純物に対するゲッタリング層とする。この酸素析出層１４がＳＯＩ層１３と酸化絶縁膜層１２に隣接して存在する。ＳＯＩ層１３と隣接するので、酸素析出層１４のゲッタリング効果を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層と、
前記絶縁層より上層に形成され、動作素子を形成するためのシリコン層と、
前記シリコン層と前記絶縁層との間において前記シリコン層と隣接して形成され、前記シリコン層における汚染物質を捕獲する、酸素析出核を層状に形成した酸素析出層と、
を有する、ＳＯＩ基板。
【請求項２】
前記酸素析出層の酸素濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以上である、請求項１に記載のＳＯＩ基板。
【請求項３】
前記酸素析出層の酸素濃度がより好ましくは８．５×１０１７ｃｍ−３以上である、請求項２に記載のＳＯＩ基板。
【請求項４】
前記酸素析出層は前記絶縁層と隣接して形成されている、請求項１、２、３に記載のＳＯＩ基板。
【請求項５】
動作素子を形成するためのシリコン層を有するシリコン基板を準備し、
前記シリコン層と隣接する位置に前記シリコン層における汚染物質を捕獲する酸素析出核を層状に形成した酸素析出層を形成し、
前記シリコン層との間において、前記酸素析出層が形成される位置を挟む位置に絶縁層を形成する、
ＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項６】
前記酸素析出層の形成は、前記シリコン基板への酸素イオン注入を含み、前記酸素イオンは前記シリコン層の反対側から注入される、請求項５に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁層の形成は、前記シリコン基板を熱処理することによって前記シリコン基板の表面に絶縁膜を形成し、
前記酸素析出層の形成は、前記絶縁膜が形成されたシリコン基板における前記絶縁膜と前記シリコン層との界面部分に、前記酸素析出層を形成するための酸素イオンを注入する、
請求項６に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項８】
前記酸素イオンを注入する側における前記絶縁膜と前記シリコン層との界面部分に、前記酸素イオンを注入する、請求項７に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項９】
前記酸素イオンの注入後に前記シリコン基板を加熱・冷却処理し酸素析出核を層状に生成する、請求項７又は８に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項１０】
前記酸素イオンのドーズ量は、１×１０１５ｃｍ−２以上である、請求項５〜９のいずれか一項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板及びその製造方法に関し、特に、ＳＯＩ基板におけるシリコン層の汚染物質のゲッタリング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路において、動作速度の高速化が要請されている。そこで、さまざまな改良が行われているが、更なる高速化のために寄生容量の低減が不可欠となる。この寄生容量の低減には、絶縁物層上にシリコン層を形成したＳＯＩ基板技術が有望である。
【０００３】
ＳＯＩ基板技術において、ＳＯＩ層における汚染物質が問題とされている。特に、ＳＯＩ層に素子形成を行う際に、イオンビームなどの加工による重金属汚染が生じる。この重金属による汚染は、接合リークやゲート酸化膜の耐圧劣化などを引き起こす原因となり、大規模集積回路作成にあたって大きな問題となってきた。
【０００４】
Ｓｉ層内の汚染物質を除去する方法として、いくつかの方法が考えられている。例えば、結晶欠陥サイトの形成もしくはイオン注入などを行い、形成された結晶欠陥サイトや注入されたイオンにおいて、汚染重金属不純物を捕獲、固着するゲッタリング技術が知られている。従来のＳｉバルク基板では、ゲッタリングサイトを基板の裏面に形成する裏面ゲッタリング法や、Ｓｉの中に含まれる格子間酸素の析出核もしくは析出物に不純物をゲッタリングさせるイントリンシックゲッタリング法を用いる事で重金属汚染を除去してきた。
【０００５】
しかし、ＳＯＩ基板においてはＳＯＩ層と支持基板との間に絶縁酸化膜層が存在する。絶縁酸化膜層における汚染物質の移動が容易ではないため、裏面ゲッタリング法において、支持基板側にあるウェーハ裏面に存在するゲッタリング層では、効果を十分に得る事が出来ない。また、イントリンシックゲッタリング法による効果は基板におけるゲッタリングをすることは可能であるが、ＳＯＩ層内における析出核または析出物の形成は格子欠陥を伴う。ＳＯＩ層は薄いため、動作素子が形成されるＳＯＩ層表面に格子欠陥が悪影響を及ぼしてしまう。このために、ＳＯＩ基板において汚染物質の影響、特に重金属汚染の影響を除去することは困難なこととされてきた。
【０００６】
ここで、ＳＯＩ基板におけるゲッタリング層形成方法として、絶縁酸化膜層の支持基板側にポリシリコン層を形成し、この層において重金属を捕獲しようとする技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、この方法で用いられているポリシリコンでは、重金属の中でも量の多い汚染物質であるＮｉやＦｅなどが格子間を移動するのが遅いために、ほとんど捕獲することができない。また、ポリシリコン層とＳＯＩ層との間に絶縁酸化膜層が存在するため、ゲッタリングの効果が非常に小さい。さらに、ポリシリコン層を２回成長する事が必要であり、プロセス工程数の大きな増加を招いている。その上、ポリシリコン膜を使用するために通常のＳＯＩ基板に比べてウェーハの反りが大きくなり、後の拡散工程で不具合を起こす可能性が高い。
【０００７】
あるいは、絶縁酸化膜層（ＳｉＯ２層）をＳｉＯ２とＳｉの層が縞状になるようにパターニングし、支持基板側の裏面に形成されたゲッタリング層によって汚染物質を捕獲しようとする技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。汚染物質はＳｉの層を容易に通過することができ、支持基板側に従来手法によって形成されたゲッタリング層によって、重金属などの汚染物質を捕獲することができる。しかしながら、この方法においても、重金属は裏面に形成されたゲッタリング層に捕獲されなければならないので、移動度の低いＮｉやＦｅなどは捕獲が難しい。また、縞状のＳｉＯ２層では汚染物質の十分な移動を確保することができず、絶縁酸化膜層の下層側に形成された従来ゲッタリング層では、ＳＯＩ層の汚染物質を十分に捕獲することは難しいと考えられる。さらに、この方法において、パターニングにより縞状の絶縁酸化膜層を形成するため、通常のプロセスと比較して工程数が大幅に増加する。
【０００８】
又、特許文献３においては、酸素濃度の高い支持基板に熱処理を行う事で酸素析出核を形成し、この支持基板と酸化された（絶縁酸化膜層が形成された）張り合わせ基板を張り合わせ、ＳＯＩ基板を形成することを開示している。支持基板に形成された酸化析出核は、汚染物質のゲッタリングを行うことができる。この方法は、酸素析出核を用いられているため、重金属を捕獲することが可能だが、酸素析出核が分散してしまっているために、Ｓｉ基板内の重金属汚染の除去にばらつきが生じ、汚染除去できない部分が存在してしまう可能性がでてくる。また、この方法は支持基板側だけに酸化析出核が形成されており、汚染物質が絶縁酸化膜層を通り抜けにくいことを考えると、ＳＯＩ層の汚染物質を十分に取り除く事は難しいと考えられる。
【特許文献１】特開平１１−３０７４７１号公報
【特許文献２】特開平５−１２９３０９号公報
【特許文献３】特開２０００−３１４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来のＳＯＩ基板におけるゲッタリング技術では、ＳＯＩ層の汚染物質を十分に除去することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの態様に係るＳＯＩ基板は、絶縁層と前記絶縁層より上層に形成され、動作素子を形成するためのシリコン層と、前記シリコン層と前記絶縁層との間において前記シリコン層と隣接して形成され、前記シリコン層における汚染物質を捕獲する酸素析出核を層状に形成した酸素析出層を有するものである。従来の酸素析出核においては、分散して形成されていたため、格子欠陥等のひずみを制御することが不可能であったが、本発明で用いている上記酸素析出層では、ＳＯＩ層の厚み等を変化させることによって、格子欠陥等のひずみを制御することが可能である。尚、ＳＯＩ基板は、形成された動作素子を有するもの、動作素子を形成する前のＳＯＩ基板の双方を含む。
【００１１】
本発明の他の態様は、ＳＯＩ基板の製造方法であって、動作素子を形成するためのシリコン層を有するシリコン基板を準備し、前記シリコン層と隣接する位置に前記シリコン層における汚染物質を捕獲する酸素析出層を形成し、前記シリコン層との間において、前記酸素析出層が形成される位置を挟む位置に絶縁層を形成するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＳＯＩ基板におけるシリコン層の汚染物質のゲッタリング効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態を説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１４】
本実施形態のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の構造について説明する。本形態のＳＯＩ基板は、ＳＯＩ層と絶縁層との間に、ＳＯＩ層に隣接する酸素析出層を備えている。酸素析出層とＳＯＩ層との間に絶縁層が存在せず、酸素析出層がＳＯＩ層に隣接して形成されているため、ＳＯＩ層における汚染物質を効果的に捕獲、除去することができる。
【００１５】
図１は、本実施形態に係るＳＯＩ基板の構造を模式的に示す断面図である。ＳＯＩ基板１０は、支持基板１１と、支持基板１１の上に形成された絶縁層の一例である絶縁酸化膜層（埋め込み酸化膜）１２と、絶縁酸化膜層１２よりも上層に形成されたシリコン層（ＳＯＩ層）１３とを備えている。さらに、ＳＯＩ層１３と絶縁酸化膜層１２との間には、汚染物質を捕獲する、酸素析出核を含有する酸素析出層１４が形成されている。
【００１６】
支持基板１１はＳｉで形成され、支持基板１１の上層に隣接して形成された絶縁酸化膜層１２はＳｉＯ２で形成されている。ＳＯＩ層１３は、トランジスタなどの動作素子が形成される領域（動作素子形成領域）である。動作素子は、不純物導入、薄膜堆積、リソグラフィなどの技術を使用して形成される。動作素子の形成技術は半導体製造プロセスにおいて周知のものであり、説明を省略する。
【００１７】
絶縁酸化膜層１２側において、ＳＯＩ層１３と隣接して形成された、酸素析出層１４は、ＳＯＩ層１３内における汚染物質を捕獲する機能を備えている。酸素析出層は、捕獲が難しくかつ量の多い汚染物質であるＦｅ、Ｎｉなどの重金属汚染物質を、他の元素と比較してより効果的に捕獲する性質を備えている。本形態において酸素析出層を備えることによって、イオンビームなどの加工による重金属汚染物質、ＳＯＩ層１３から効果的に除去することができる。
【００１８】
図１に示すように、酸素析出層１４は、ＳＯＩ層１３に隣接して形成されている。ＳＯＩ層１３と酸素析出層１４との間に汚染物質の移動を妨げる絶縁酸化膜層１２が存在しないことから、酸素析出層１４がＳＯＩ層１３内にある汚染物質を効果的に捕獲、除去することができる。ここで、作成されるＳＯＩ基板１０の酸素析出層１４における酸素濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３、より好ましくは５．０×１０１７ｃｍ−３、特に好ましくは８．５×１０１７ｃｍ−３以上である。この酸素濃度は、素子形成前の基板形成時の濃度であり、トランジスタなどの動作素子を形成する際に行われる熱処理によって変化してしまう。しかしながら、酸素析出層１４の酸素濃度が上記範囲であることによって、素子形成等における熱処理によって消滅してしまう酸素を考慮にいれても、重金属汚染物質を確実に取りうる。このことから、酸素濃度８．５×１０１７ｃｍ−３以上の酸素析出層によって、ＳＯＩ層１３内に存在する重金属汚染物質をほぼ完全に除去することが可能となり、重金属による障害をより確実に防止することができる。
【００１９】
酸素析出層１４は、ＳＯＩ層１３に形成される動作素子への好ましくない影響を避けるため、動作素子が形成されるＳＯＩ層１３の上層側から離れていることが好ましい。図１に示すように、本形態の酸素析出層１４は、下層の絶縁酸化膜層１２と隣接して形成されている。ＳＯＩ層１３と絶縁酸化膜層１２のそれぞれとの界面を形成する位置に形成することによって、酸素析出層１４のゲッタリング効果を高めると共に、動作素子への影響を抑制することができる。
【００２０】
上記のように、本形態のＳＯＩ基板１０は、ＳＯＩ層１３と隣接する酸素析出層１４を備えているので、今まで捕獲が難しく、なおかつ量が多いＮｉやＦｅなどの重金属を、効率良く除去することができる。
【００２１】
続いて、本形態のＳＯＩ基板１０の好ましい製造方法について説明する。尚、ＳＯＩ基板１０は、以下の方法と異なる方法によって製造することも可能である。本形態の製造方法は、ＳＯＩ層に相当するシリコン層を有するシリコン基板に、イオン注入によって酸素析出層を形成する。イオン注入によって酸素析出層を形成することで、製造工程数を大きく増加することなくＳＯＩ層１３に隣接する酸素析出層１４を形成することができる。また、シリコン基板の露出面に絶縁層を形成し、その後、絶縁層と内側のシリコン層との界面にイオン注入することによって酸素析出層を形成する。これは、イオン注入を用いることによって、酸素イオンの位置を制御することが可能になるため、酸素析出核を層状に分布させることができるようになる。また、ＳＯＩ層の厚み等を制御することによって格子欠陥等のひずみをＳＯＩ層表面にまで及ぼさないようにすることが可能である。つまり、この酸素析出層が、重金属汚染物質を除去するのに効果的な役割を示している。
【００２２】
図２は、本実施形態に係るＳＯＩ基板１０の製造工程を表す図である。まず図２（ａ）に示すように、２枚のシリコン基板を用意する。１枚のシリコン基板２１には、ＳＯＩ基板１０におけるＳＯＩ層１３が形成される。このシリコン基板２１を、以下において、張り合わせＳｉ基板２１と称する。もう１枚の基板２２は、張り合わせＳｉ基板２１を支持するための支持基板１２である。
【００２３】
図２（ｂ）に示しように、まず張り合わせＳｉ基板２１に熱処理を施すことによって、張り合わせＳｉ基板２１の露出表面を酸化させる。これによって、張り合わせ基板２１の周囲には、外表面全体を覆うＳｉＯ２酸化膜２３が形成される。このＳｉＯ２酸化膜２３の一部は、最終形態のＳＯＩ基板１０における絶縁酸化膜１２として使用される。ＳｉＯ２酸化膜２３の内側には、シリコン層２４が酸化されずに残っている。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２酸化膜２３を通して、張り合わせＳｉ基板２１に酸素イオンを注入する。酸素イオンは、シリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３の界面部分に注入される。Ｓｉ層とＳｉＯ２層との界面におけるキャリア濃度の違いなどによるポテンシャルエネルギーの違いによって、界面部分は注入イオンが局在しやすい性質を持つ。このため、Ｓｉ層とＳｉＯ２層との界面部分への酸素イオンの注入を、容易に制御することができる。
【００２５】
好ましくは、投影飛程ＲpがＳｉＯ２酸化膜２３の厚みと一致する加速エネルギーで、酸素イオンを張り合わせＳｉ基板２１に注入する。その詳細を図３に示す。ここで、Ｒｐとイオン注入の加速エネルギーとの関係は下式によって表される。
【数１】
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上記の式においてＮ[ｃｍ−３]は試料の単位体積当たりの原子数、Ｍ１、Ｚ１が注入イオンの質量と原子番号、Ｍ２、Ｚ２が試料の質量と原子番号である。この酸素イオン注入によって、図３に示すようにシリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３の界面部分に、酸素濃度の高い高濃度酸素層２５が形成される。
【００２６】
このように、酸素イオン注入側のＳｉＯ２酸化膜２３とシリコン層２４の界面部分に酸素イオンを注入することによって、酸素イオンがシリコン層２４内を通過することを避けることができる。シリコン層２４はＳＯＩ基板１０のＳＯＩ層１３に相当する。シリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３のイオン注入した面側の界面に酸素イオンを注入することによって、シリコン層２４、つまりＳＯＩ層１３に酸素イオン注入による欠陥が生じることを防止し、また、上記欠陥がＳＯＩ層に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００２７】
ここで、酸素イオン注入工程において、張り合わせＳｉ基板２１にドーズ量φ＝１×１０１５ｃｍ−２以上の酸素イオンを注入することが好ましい。これによって、熱処理を施した後に十分な濃度の酸素析出が得られ（この点は後述する）、汚染物質、特に重金属によるＳＯＩ層１３の汚染を十分に除去することができる。上記のように、酸素析出層１４における酸素濃度は８．５×１０１７ｃｍ−３以上であることが特に好ましい。上記値のドーズ量を設定することによって、酸素析出層１４における上記酸素濃度を確保することができる。
【００２８】
続いて、図２（ｄ）に示すように、酸素イオンを注入した後、張り合わせＳｉ基板２１を加熱・冷却処理する。具体的には、不活性ガス、典型的には窒素雰囲気下において９００〜１１００℃の高温熱処理を施す。尚、図２（ｄ）において、図２（ｃ）に示された張り合わせＳｉ基板２１を反転している。その後、張り合わせＳｉ基板２１を、１００℃/分の割合で急激に常温まで除熱する。この除熱において、ＳｉとＳｉＯ２の熱膨張率における相違から、シリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３の界面部分にひずみ欠陥が生じる。シリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３の界面部分には高濃度酸素層２５が形成されている。このため、温度処理を施すことによって、ひずみ欠陥の位置に酸素析出核が層状に生成され、酸素析出層２６が形成される。
【００２９】
シリコン層２４とＳｉＯ２酸化膜２３に共に隣接する位置にゲッタリング層として酸素析出層２６が形成される。酸素析出層２６（酸素析出核）は、汚染物質、特にＦｅ、Ｎｉなどの重金属汚染物質を効果的に捕獲することができる。又、この界面部分においては上記高温熱処理による欠陥も生成され、上記酸素析出層２６は、この欠陥によって重金属不純物のゲッタリングも行うことができ、より高いゲッタリング効果を得ることができる。
【００３０】
その後、図２（ｅ）に示すように、張り合わせＳｉ基板２１と支持基板１１を水素結合により張り合わせる。この際、張り合わせＳｉ基板２１の酸素析出層２６側の面、つまり、張り合わせＳｉ基板２１の酸素イオン注入側の面が、支持基板１１の表面と張り合わされる。張り合わせ後、図２（ｆ）に示すように、張り合わせＳｉ基板２１をＣＭＰで研磨加工し、支持基板１１と反対側（ＳＯＩ層１３側）の露出しているＳｉＯ２酸化膜２３を除去し、シリコン層２４を必要な膜厚まで研磨する。さらに、エッジ部分のＳｉＯ２酸化膜２３の除去や面取りなどの膜張り合わせＳｉ基板２１の外周部分の加工を行い、ＳＯＩ基板１０を得る。ＳＯＩ基板１０のシリコン層２４（ＳＯＩ層１３）には、周知の半導体プロセス技術によって、動作素子が形成され、半導体回路装置が形成される。
【００３１】
以上のように、本実施形態の製造方法は、従来のＳＯＩ基板の製造工程と比較して、酸素イオン注入及び高温熱処理・除熱処理のみを追加することによって、ゲッタリング層としての酸素析出層２６を形成することができる。このため、従来のＳＯＩ基板におけるゲッタリング層形成技術と比較して工程数の大幅な増加を抑え、効率よくゲッタリング層形成することができる。また、この酸素析出層２６の酸素濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３、より好ましくは５．０×１０１７ｃｍ−３、特に好ましくは８．５×１０１７ｃｍ−３以上になっている。これは、半導体素子形成における熱処理を施して酸素濃度が変化したとしても、汚染物質を確実に捕獲しうるのに足る酸素濃度になっている。
【００３２】
尚、上記の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。例えば、製造フローの順番を変えること等である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係るＳＯＩ基板の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施形態に係るＳＯＩ基板の製造工程を説明する図である。
【図３】本実施形態に係の酸素イオン注入工程の詳細を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ＳＯＩ基板、１１  支持基板、１２  絶縁酸化膜層、１３  ＳＯＩ層、
１４  酸素析出層、２１  張り合わせＳｉ基板、２３  ＳｉＯ２酸化膜、
２４  シリコン層、２５  高濃度酸素層、２６  酸素析出層
【図１】
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【図２】
2006134925.tif 000005
【図３】
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