(57)【要約】  本発明は、シリコンウエハーなどの半導体基板の中に、埋め込み酸化物層（ＢＯＸ）領域を形成するための方法及びシステムを提供する。本発明の方法の一局面においは、初期ドーズ量の酸素イオンを基板に注入する一方で、基板温度を約３００℃乃至６００℃の範囲に維持する。続いて、第２ドーズ量の酸素イオンを基板に注入する一方で、基板を積極的に冷却して、基板温度を約５０℃乃至１５０℃の範囲に維持する。これらイオン注入段階に続いて、酸素を含む雰囲気中でアニール段階を実行して、基板に連続的なＢＯＸ領域を生成する。好適な一実施形態では、初期イオン注入段階は、基板を加熱する装置を含むチャンバ内で実行する一方、第２イオン注入段階は、基板を積極的に冷却する装置を備えた別のチャンバ内で実行する。アニール段階は、第３のチャンバ又は第１若しくは第２チャンバ内で実行できる。
2005509291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するための方法であって、
第１チャンバ内で、前記基板に第１ドーズ量の酸素イオンを注入しつつ、前記基板の温度を約３００℃乃至約６００℃の範囲に維持する段階と、
第２ドーズ量の酸素イオンを前記基板に注入しつつ、前記基板を積極的に冷却して、前記基板温度を概ね１５０℃未満に維持する段階と、
酸素を含む雰囲気中で前記基板をアニールして、埋め込み酸化物層を生成する段階とを含む、半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するための方法。
【請求項２】
第２ドーズ量を注入する前記段階が、前記基板温度を約５０℃乃至約１５０℃の範囲に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アニールする前記段階が、前記基板温度を約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１ドーズ量を注入する前記段階が、前記基板を加熱するための装置を備えた第１チャンバ内で、前記酸素イオンを前記基板に注入する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第２ドーズ量を注入する前記段階が、前記基板を積極的に冷却するための装置を備えた第２チャンバ内で、前記酸素イオンを前記基板に注入する段階を更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
アニールする前記段階が、前記基板を第３チャンバ内でアニールする段階を更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
注入酸素イオンの前記第１ドーズ量は、約１０１６乃至１０１８ｃｍ−２に選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
注入酸素イオンの前記第２ドーズ量は、概ね１０１３乃至５ｘ１０１５ｃｍ−２に選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１ドーズ量の酸素イオンを注入する前記段階が、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲のエネルギーを持った酸素イオンを、前記基板に照射する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第２ドーズ量の酸素イオンを注入する前記段階が、前記基板を伝導冷却して、その温度を約１５０℃未満に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板を伝導冷却する前記段階が、前記基板を気体冷却する段階を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板を伝導冷却する前記段階が、エラストマーを用いて前記基板とヒートシンクとの間に熱伝導通路を形成する段階を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記エラストマーにシリコン樹脂を選択する段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板に、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｓｉ／Ｇｅ合金の何れかを選択する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板に、４−４、３−５、又は２−６の二元又は三元化合物の何れかを選択する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記埋め込み酸化物層が、約２０ナノメートル乃至約５００ナノメートルの範囲の厚みを備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
アニールする前記段階が、前記基板温度を約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持しつつ実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
アニールする前記段階が、前記基板を、約１時間乃至約３０時間の範囲にわたってアニールする段階を更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
アニールする前記段階が、約１％乃至約１００％の範囲の酸素濃度を備えた雰囲気中で実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するためのシステムであって、
前記基板に第１ドーズ量の酸素イオンを注入するための第１チャンバであって、イオン注入時に、前記基板の温度を約３００℃乃至６００℃の範囲に維持するための加熱装置を備えた第１チャンバと、
前記基板に第２ドーズ量の酸素イオンを注入するための第２チャンバであって、イオン注入時に、前記基板チャンバを概ね１５０℃未満に維持するための冷却装置を備えた第２チャンバと、
前記第１及び第２チャンバ内でイオンを注入した前記基板をアニールするための第３チャンバであって、アニール時に、前記基板チャンバを約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持可能な加熱装置を備えた第３チャンバとを含む、半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するためのシステム。
【請求項２１】
前記第２チャンバ内の前記冷却装置が、前記基板温度を約５０℃乃至約１５０℃の範囲に維持する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記冷却装置が前記基板を伝導冷却する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１チャンバが、選択した範囲のエネルギーを持つイオンビームを発生するためのイオンビーム装置を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記イオンビームのエネルギーが、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１チャンバが、前記イオンビームを前記基板に向けるためのイオン誘導装置を更に含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２６】
前記チャンバそれぞれが、前記基板を保持するホルダを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２チャンバ内の前記ホルダが、前記基板から熱を取り除くためのヒートシンクとして機能する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記冷却装置が前記ホルダ及び前記基板に結合され、前記基板と前記ホルダとの間に熱伝導通路を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、半導体基板に埋め込み絶縁層を形成する方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、シリコンなどの半導体基板に埋め込み酸化物層を形成する方法及びシステムに関する。
【０００２】
本発明の分野において酸素注入分離技術（ＳＩＭＯＸ）として知られている技術は、シリコンなどの半導体基板に、高エネルギー酸素イオンを高ドーズ量で照射することにより、この基板に薄い埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層を形成する。典型的には、基板の結晶構造への損傷（原語：damage ）が、部分的に「自己アニール」によって回復（原語：offset）されるように、この注入処理時に基板を約４００℃乃至６００℃まで加熱する。注入に続いて、基板中の残留損傷を除去し、埋め込み酸化物層が、約８００℃以上の高温での追加アニール段階により形成される。この埋め込み酸化物層は、半導体上層をバルク半導体から分離する絶縁層として機能する。これによって、シリコン上層に、高速及び低消費電力などの優れた性能特性を備えたデバイスが形成可能となる。埋め込み酸化物層を備えたシリコン基板状に形成されたデバイス（絶縁体上半導体構造（ＳＯＩ）デバイスと呼ばれる）は、多くの技術応用分野でごく普通に用いられている。
【０００３】
埋め込み酸化物層の形成効率及びその特性を向上させるため、本発明の分野では上述の基本的なＳＩＭＯＸ工程への様々な改良が提案されている。そうした方法の一つには、初期注入段階の次に、酸素ドーズ量をかなり低くして、仕上げ（原語：touch-up）注入又は損傷工学（原語：damage engineering）注入と一般に呼ばれる２次注入段階を行うものがある。この仕上げ処理ではウエハーの加熱は停止させることが多く、イオンエネルギーの調節も可能である。仕上げ注入は、注入酸素イオンが導入された層及び／又はそれに近接した層への損傷を増大する作用がある。仕上げ注入の後は、例えば、シリコンの単結晶表面層及び二酸化ケイ素の連続埋め込み層を形成するために通常のアニール段階を実行する。仕上げ注入には多くの利点がある。例えば、酸素を含む雰囲気中でアニールを実行する場合、仕上げ注入は、損傷層に拡散した酸素原子の反応を促進し、アニール段階において拡散酸素原子を封入する層効率を向上させて、埋め込み酸化物層の連続性及び成長を向上できる。
【０００４】
しかし、埋め込み酸化物層をより効率的に形成可能とし、更に、埋め込み酸化物層の厚み及び均一性などの特性を向上させる改良ＳＩＭＯＸ処理及びシステムを提供する必要性がなお存在する。
【０００５】
発明の要約
本発明は、シリコンウエハーなどの半導体基板の中に、埋め込み酸化物層（ＢＯＸ）を形成するための方法及びシステムに関し、より詳細には、ＳＩＭＯＸ工程における仕上げ注入をより好適に実行するための方法及びシステムに関する。本発明の一局面によれば、第１ドーズ量の酸素イオンの基板への初期注入（好適には基板温度を約３００℃乃至６００℃の範囲に維持しつつ実行する）に続いて、本明細書では仕上げ注入（原語：touch-up implant）と呼ぶ段階で、第２ドーズ量の酸素イオンを基板に注入しつつ、基板を積極的に冷却して、その温度を概ね１５０℃未満、より好適には約５０℃乃至約１５０℃の範囲に維持する。その後、基板は、酸素を含む雰囲気中でアニールして、シリコン酸化物からなる埋め込み層を生成する。本明細書では「積極的な冷却」という用語は、例えばシリコンウエハーなどの基板と、所定温度に維持したヒートシンクとの間に熱通路を提供して、基板から熱を奪うことにより、基板温度が選択した範囲内の値に維持されることを指す。
【０００６】
本発明が、仕上げ注入を用いる従来のアプローチと異なる点は、積極的な冷却により、仕上げ注入時の基板温度が、好適な温度範囲内に必ず維持されることである。従来技術のシステムは、基板温度を下げるために単に加熱器をオフにしていた。こうした受動的冷却の大きな欠点は、このアプローチでは限られた度合いの冷却しか可能でないことである。注入処理自体が、もともとウエハーの加熱をもたらすものであり、補助加熱器がなくても、ウエハー温度は、従来技術の仕上げ手順全体を通して約２５０℃乃至３００℃或いはそれ以上にまで上昇する。
【０００７】
関連した局面において、第１イオン注入段階は、基板を約３００℃乃至約６００℃の温度範囲まで加熱するための装置を備えた第１チャンバ内で実行する一方、仕上げ注入は、基板温度を概ね１５０℃未満、より好適には約５０℃乃至約１５０℃の範囲に積極的に維持するために、基板に熱結合された冷却装置を含んだ第２チャンバ内で実行する。これら２つの注入段階の後に続く基板のアニールは、第３チャンバ内で実行する。
【０００８】
本発明の更なる局面では、注入イオンの第１ドーズ量は、１平方センチメートル当たり約１０１６約乃至約１０１８イオンの範囲に選択される。更に、仕上げ注入で用いる酸素ドーズ量である第２の酸素ドーズ量は、１平方センチメートル当たり約１ｘ１０１３約乃至約５ｘ１０１５イオンの範囲でよい。初期イオン注入及び仕上げ注入時の注入は、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲の、より好適には約１５０ｋｅＶ乃至約２５０ｋｅＶの範囲のエネルギーを備えた酸素イオンビームを基板に照射することにより実行する。
【０００９】
これら２つの注入段階に続く基板のアニールは、約８００℃乃至約１４００℃の温度範囲で、数時間（例えば１乃至３０時間）にわたり実行すればよい。更に、アニール用の雰囲気内の酸素濃度は、約１％乃至約１００％の範囲が可能である。
【００１０】
本発明の教示による一方法を用いて、様々な半導体基板中に埋め込み酸化物層を形成できる。そうした半導体基板には、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｓｉ／Ｇｅ合金、又は任意の４−４、３−５、２−６の二元又は三元化合物が含まれるが、それらに限定されない。
【００１１】
又、本発明の方法を用いて、窒素、シリコン、ゲルマニウム、アルゴンなどの不活性気体、又は水のイオン種を基板に注入して、埋め込み絶縁層を形成できる。こうした基板には、例えば、シリコン、ゲルマニウム、又はヒ化ガリウムが含まれる。
【００１２】
別の局面では、仕上げ注入時に基板を伝導冷却して、その温度を約５０乃至１５０℃の範囲に維持する。そうした基板の伝導冷却は、例えば、基板と選択温度に維持したヒートシンクとの間に熱伝導通路を提供して、基板からヒートシンクへの熱伝達を促進できる。熱伝導通路は、例えばヘリウムなどの気体、又はシリコン樹脂などのエラストマーにより提供できる。
【００１３】
別の局面では、本発明は、半導体基板に埋め込み酸化物層を上述のように形成する方法を実現するためのシステムを提供する。本発明のシステムは、基板に第１ドーズ量の酸素イオンを注入するのに使用可能な第１イオン注入チャンバを含むことができる。第１チャンバは、イオン注入時に、基板温度を約３００℃乃至約６００℃の範囲に維持する、ハロゲンランプなどの加熱装置を更に含むことができる。このシステムは、基板に第２ドーズ量の酸素イオンを注入するのに使用可能な第２チャンバも含むことができる。第２チャンバは、イオン注入時に基板温度を概ね１５０℃未満、より好適には約５０℃乃至約１５０℃の範囲に維持可能な、基板に結合された冷却装置を含む。更に、このシステムは、第１及び第２チャンバ内でイオンを注入した基板をアニールするための第３チャンバを含むことができる。第３チャンバは、好適には、アニール段階において、基板温度を約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持する加熱装置を含む。
【００１４】
別の局面では、第２チャンバ内の冷却装置は、基板と、例えば所定温度まで冷却された基板ホルダなどのヒートシンクとの間に熱伝導通路を提供することで、基板を伝導冷却する。熱伝導通路は、基板の少なくとも一部とヒートシンクとの間に配置した、例えばヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどの気体により提供できる。或いは、シリコン樹脂などのエラストマーが、そうした熱伝導通路を提供できる。
【００１５】
別の局面では、第１及び第２チャンバそれぞれが、例えば３０乃至５００ｋｅＶの選択範囲のエネルギーを持ったイオンを生成し、イオンを基板表面に送出して、イオンを基板表面下の選択した深さに注入するための装置を含む。
【００１６】
本発明は、次の図面を参照して下記で更に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、シリコンのような半導体基板に埋め込み酸化物（ＢＯＸ）領域を形成するための方法及びシステムを提供するもので、その形成には、２つの異なる温度状況（原語：temperature regime）で実行される少なくとも２つの異なる段階で、基板に酸素イオンを注入し、その後の酸素を含む雰囲気中で高温でのアニール段階により実行する。第１注入段階では、１平方センチメートル当たり約１０１６約乃至１０１８範囲のドーズ量の酸素イオンを基板に注入する。第２注入段階では、例えば１平方センチメートル当たり約１０１３乃至約５ｘ１０１５範囲のドーズ量の酸素イオンを基板に注入する一方、基板の温度は、概ね５０℃乃至１５０℃範囲に積極的に維持する。その後、酸素を含む雰囲気中でアニール段階を実行して、連続的なＢＯＸ領域を生成する。
【００１８】
後述する例示的な実施形態では、半導体基板にはシリコンが選択されているが、本発明の教示による一方法を用いて、それ以外の半導体基板にＢＯＸ領域を形成することも可能である。そうした基板の他の例には、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｓｉ／Ｇｅ合金、及び他の４−４、３−５、２−６の二元又は三元化合物を含むが、それらに限定されない。
【００１９】
図１のフローチャート１０を参照すると、本発明の一方法では、段階１２において、第１注入チャンバ内でシリコンなどの半導体基板に一定ドーズ量の酸素イオンを注入しつつ、基板の温度を約３００℃乃至６００℃の範囲に維持する。このイオン注入は、例えば、約３０乃至約５００ｋｅＶの範囲の、より好適には約１５０乃至約２５０ｋｅＶの範囲のエネルギーを備えた酸素イオンビームを基板に照射することにより実行する。幾つかの実施形態では、基板に照射するイオンのエネルギーは、イオンが基板に貫入し、基板表面下の、約３０００オングストローム（Ａ）乃至４５００オングストローム範囲で概ね一定深さに導入されるよう選択する。更に、この初期注入段階の注入イオンドーズ量は、１平方センチメートル当たり約１０１６約乃至１０１８イオンの範囲でよい。更に、イオンビームは、基板の照射部分を静電走査又は磁場走査して、ウエハーを実質的に均一に照射できる。
【００２０】
図２Ａを参照すると、初期イオン注入段階１２は、半導体基板２０における半導体表面下に埋め込み損傷先行層１８を形成すると理解されている。損傷層１８は、この層１８全体に分散した複数の個別のアイランドという形で、多数のＳｉＯｘ沈殿物（原語：precipate）２２を含む。ウエハーへのイオン注入は、シリコン上層にも損傷を与える。シリコン上層へのこうした損傷は、この層の上に形成されるデバイスの特性にも悪影響を与えることがある。従って、上述のように、初期注入段階では、基板を好適には例えば約３００℃乃至約６００℃の範囲の高温に維持して、注入イオンによるシリコン上層への損傷に動的アニール（原語：dynamic annealing）を施す。
【００２１】
図１のフローチャート１０を再び参照すると、初期注入段階１２に続き、段階１４では、別のドーズ量の酸素イオンを基板に注入する一方、基板温度を概ね１５０℃以下に、より好適には、約５０℃乃至約１５０℃の範囲に積極的に維持する。段階１０に類似しているが、本発明の好適な一実施形態では、段階１２の酸素イオン注入（本明細書では「仕上げ」注入と呼ぶ）は、酸素イオンのビームを基板表面に向けて照射することで実行できる。このイオンビームのエネルギーは、例えば、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲でよい。幾つかの実施形態では、仕上げ注入に用いるイオンビームのエネルギーは、イオンが、実質的に基板表面下の約３０００乃至４５００オングストロームの範囲で一定の深さで堆積するよう選択する。更に、この注入段階１４における注入イオンのドーズ量は、１平方センチメートル当たり約１０１３約乃至１０１５イオンの範囲でよい。
【００２２】
図２Ｂを参照すると、仕上げ注入段階１４は、先行層１８を更に損傷し、且つ／又は、初期注入段階１２で形成された埋め込み先行層の近傍に埋め込み損傷層４０であって、場合によっては非晶質の層４０を形成すると理解されている。酸素を含む雰囲気中で続いて実行されるアニール段階では、後に詳述するように、例えばＳｉ多結晶、マイクロツイン（原語：microtwin）、及び積層欠陥を含む高度欠陥領域が損傷／非晶質層４０に形成される。この欠陥層は、酸化アニール段階においてウエハー表面から先行層１８へ拡散した酸素原子と、先行層１８内の在来（シリコン）原子との反応を向上させ、連続的な埋め込み酸化物層を形成すると理解されている。
【００２３】
図３を参照すると、注入段階１２は、埋め込み酸化物層を半導体基板内に形成するための、本発明によるイオン注入システム２４の注入チャンバ２６内で実行できる。注入チャンバ２６は、ビーム送出アッセンブリ２８及びビーム成形装置３０を含む。ビーム送出アッセンブリ２８は、酸素イオンのビームを発生するイオン源２８ａを含むことができる。ビーム送出アッセンブリ２８は、適切に荷電したイオンを選択する磁気的分析器のようなイオン分析器２８ｂも含むことができる。加速器２８ｃは、こうしたイオンを、例えば約２００ｋｅＶなどの所望のエネルギーまで加速し、ビーム成形装置３０は、加速したイオンをイオンビーム３２に成形する。この例示的な注入チャンバ２６は、シリコンウエハーのような基板３６を、イオンビーム３２の経路上に配置するのに使用可能なホルダ３４を更に含む。
【００２４】
ビーム成形装置３０は、加速したイオンを所望のビーム形状に成形するもので、静電レンズ又は磁界レンズを用いるか、時間変化電界及び／又は磁界を用いてビームを半導体基板３６上で前後にラスタ走査し、基板を実質的に均一に照射する。
【００２５】
更に、注入チャンバ２６は、ホルダ３４に連結された装置３８を含むことができ、この装置３８は、イオン注入時には、基板温度を概ね５００乃至６００℃の範囲などの所定範囲に積極的に維持する。幾つかの実施形態では、装置３８は、例えば抵抗加熱器でよい。或いは、複数のハロゲンランプを用いて、基板を所望温度まで加熱してもよい。
【００２６】
チャンバ２６で用いられるシステムのようなイオン注入システムに関するより詳細な情報は、本明細書に引用して援用する米国特許第５，０５３，６２７号に記載されている。本発明の分野で公知の様々なイオン注入装置をチャンバ２６で用いて、初期イオン注入段階１２を実行できる。例えば、マサチューセッツ州ダンヴァーズ所在のアイビステクノロジー社（原語：Ibis Technology Corporation）が、アイビス１０００プロダクション（原語：IBIS 1000 Production）注入装置という商品名で製造するイオン注入装置をチャンバ２６で使って、イオン注入段階１２を実行できる。
【００２７】
或いは、初期イオン注入段階１２における基板の加熱は、装置３８のような加熱装置を用いなくても、イオンビームによる基板表面照射の結果として達成されることがある。すなわち、基板を積極的に加熱しなくても、基板に入射するイオンの運動エネルギーが熱に変換されて、基板温度を例えば摂氏数百度まで上昇させる。
【００２８】
図１及び図３を参照すると、上述の仕上げ注入段階１４は、初期注入段階１２に続いて、基板をチャンバ２６から取り外し、それをイオン注入システム２４の別のチャンバ４２内に配置することで実行できる。チャンバ４２はチャンバ２６に似たもので、基板３６を保持するホルダ４４と、ビーム送出アッセンブリ４６と、ビーム成形装置４８とを含む。更に、ビーム送出アッセンブリ４６は、イオン源４６ａと、分析器４６ｂと、加速器４６ｃとを含み、それらを組み合わせることで、例えば３０ｋｅＶ乃至５００ｋｅＶの所定範囲のエネルギーを備えたイオンビームを提供する。また、ビーム成形装置４８はチャンバ２６のビーム成形装置３０に似たもので、イオンを所望のビーム形状に成形する。
【００２９】
更に、イオン注入チャンバ４２は、イオン注入時には基板３６を積極的に冷却して、その温度を約５０乃至１５０℃の範囲に維持できる装置５０を含む。
【００３０】
本発明の分野で公知の様々な装置及び技術を用いて基板３６を冷却し、その温度を所望の温度範囲に維持できる。例えば、図４を参照すると、一般に伝導冷却と呼ばれる、イオン注入時に基板を積極的に冷却するある種の技法では、例えばシリコンウエハー３６の様な基板を、熱伝導媒体５２を介してホルダ４４などの冷却したホルダに熱接触させる一方、基板をイオンビーム３２に曝す。熱伝導媒体５２は、例えばヘリウム、水素、窒素、アルゴン、又は酸素などの気体でよい。或いは、この伝導媒体は、後に詳述するようなエラストマー材料でもよい。ホルダ４４は典型的には金属製であり、例えば内部を循環する水で所望温度まで冷却可能として、熱伝導により基板から熱伝導媒体５２を介して熱を奪うためのヒートシンクとして作用する。
【００３１】
図５は、本発明の分野で公知の冷却装置５４を示し、例示的なイオン注入システム２４（図３）のチャンバ内に配置して、仕上げ注入時に基板を積極的に冷却するのに用いられる。装置５４は、シリコンウエハー３６などの基板がその上に配置されるプラテン５６を含む。プラテン５６内に形成されたチャンネル５８により、水などの流体が内部を通過できる。冷却ユニット６０は、この流体をチャンネル５８内で循環させるもので、この流体を所望の温度まで冷却する。すると、冷やされた流体はプラテン５６から熱を奪って、プラテン５６を選択した温度まで冷却する。
【００３２】
ガス流動コントローラ６２は、ヘリウムのような気体を導管６４に導入し、導管６４は、その気体を、半導体ウエハー３６とプラテン５６の上面との間の境界面まで直接的又は循環溝６６を介して供給する。ウエハーとプラテン上面との間に導入された気体は、ウエハーと冷却されたプラテンとの間の熱接触を有利に促進し、従ってウエハーからプラテンへの熱伝達率を向上させる。装置５４などのウエハー冷却装置に関するより詳細な情報は、本明細書に引用して援用する米国特許第５，８２２，１７２号から入手できる。
【００３３】
図６は、仕上げ注入時に半導体基板を積極的に冷却するための、本発明のイオン注入システムで用いるのに適した別の冷却装置６８を示す。例示的な装置６８は、クランプ７２によりウエハー３６がその上で保持されるステージ７０を含む。Ｏリング７４が、ウエハー３６をステージ７０の上面に対して封止している。冷却器７６が、エチレングリコールなどの冷媒を、ステージ７０内部に形成した導管７８内で循環させて、ステージ７０を所望の温度まで冷却する。更に、導管８０が、ヘリウムのような気体をウエハー３６とステージ７０との間の空間に導入可能であり、ウエハーと冷却したステージとの間の熱伝導を向上させる。
【００３４】
例えば、図７は、シリコンウエハーなどの伝導性ウエハー３６を、静電チャック８４を用いて冷却プラテン８６に押圧保持する別の冷却装置８２を示す。チャック８４は、２つの誘電体層８４ｂ及び８４ｃに挟持された２つ以上の電気的に絶縁されたセクション（例えば、セクションＡ及びＢ）から構成された電極８４ａを含む。各誘電体層８４ｂ／８４ａは、電極８４ａのセクションと類似したセクションを備えている。極性が反対の複数のＤＣ電圧又は、互いに対して選択した位相のずれを備えた（例えば例示的な電圧ＡＣ１及びＡＣ２のような）低周波数の複数ＡＣ電圧を、電極８４ａのセクションＡ及びＢに印加して、ウエハーをクランプする。電極８４ａの異なるセクションに印加されたこれらＡＣ電圧間の位相のずれを調節して、ウエハー３６をプラテン８６にクランプする静電気力が、ウエハーにおける電荷の全般的な中性状態という条件下に維持されるようにする。これにより、ウエハーに掛けられた静電気力が、ウエハーをプラテン８６に対して保持することとなる。更に、通路８８が、気体をウエハーと誘電体層８４ｂとの間の空間に導入可能として、ウエハーから冷却したプラテンへの熱伝達を促進する。ウエハーを冷却する機構に関する付加的な詳細情報は、米国特許第５，２４４，８２０号及び第５，８２２，１７２号に記載されており、それらの内容は本明細書に引用して援用する。更に、静電チャックに関する付加的な詳細情報は、米国特許第６，１４１，２０３号に記載されており、その内容も本明細書に引用して援用する。
【００３５】
基板を積極的に気体冷却できる、チャンバ３４で使用するのに適した市販のイオン注入装置は、マサチューセッツ州グロスター所在のバリアン半導体機器アソシエーツ社（原語：Varian Semiconductor Equipment
Associates）により、ＥＨＰｉ−５００及びＶｉｉＳｔａ８１０という商品名で、マサチューセッツ州ベバリー所在のアクセリステクノロジーズ社（原語：Axcelis Technologies）により、８２５０ＨＴ、ＭＣ２、ＭＣ３、及びＧＳＧ−ＬＥという商品名で、カリフォルニア州サンタクララ所在のアプライド・マテリアルズ社（原語：Applied Materials）により、９５００及びＸＲ１２０という商品名で製造されている。当業者であれば、基板を積極的に冷却する装置を備え、且つ必要なエネルギーを持った酸素イオンを発生可能であれば、上述以外のイオン注入装置をチャンバ３４で使用して、仕上げ注入を実行できることは理解するはずである。
【００３６】
上述の冷却装置ではヘリウムのような気体を用いて、半導体基板から、冷却したプラテンのようなヒートシンクへの熱伝達を促進する。代替的な伝導冷却技法では、エラストマーの薄層を、基板と冷却したプラテンのようなヒートシンクとの間に配置して、基板からヒートシンクへの熱伝達を促進する。適切なエラストマーには、例えばＲＴＶシリコン化合物のようなシリコンを主材料とする樹脂が含まれる。ウエハー冷却に用いるエラストマーは、ウエハーの裏面（すなわち、冷却したプラテンに押しつけられる面）の微小構造に有利に適合可能であり、ウエハーと冷却したプラテンとの接触面積を増大させる。また、これによりウエハーの冷却効率が向上する。イオン注入時の基板の伝導性冷却に関する更なる詳細情報は、１９９６年に出版されたＪ．Ｆ．ツィーグラー（ZJ. F. iegler）編、「イオン注入：その科学と技術（Ion implantation: Science and Technology）」の第１０章を参照すれば入手できる。この文献は引用して援用する。
【００３７】
イオン注入の一般的実施方法は、典型的には１３のウエハーからなるバッチを、高速で回転するディスク又はホイール上に載置する。回転速度は、典型的には概ね毎分９００乃至１２００回転（ＲＭＰ）で、ホイールの直径は、典型的には４フィート以上である。この構成からは非常に大きな向心加速度が得られる。各ウエハーが載置されている受台は、典型的にはホイールの中心に向かって僅かに角度を付けて（典型的には７乃至１０度）、ウエハーを受台に押しつける向心加速度成分を発生させる。例えば、質量２８グラム（ｇ）のウエハーは、概ね２５０Ｎの総向心力を受け、４０Ｎの力で受台に押しつけられる。上述のように、ウエハー冷却にエラストマーを用いる場合は、この力がウエハーをエラストマーに緊密に結合させ、従って、ウエハーから冷却された受台への非常に効率的な熱移動（典型的には０．５Ｗ／°Ｃｃｍ２）を実現する。
【００３８】
図１のフローチャート１０を再び参照すると、仕上げ段階１４に続き、段階１６では、例えば約８００℃乃至約１４００℃の範囲の高温で基板をアニールする一方、基板を酸素を含む雰囲気に暴露する。図３に示したように、この例示的な実施形態では、基板を、仕上げ注入を行うチャンバからアニール段階を実行する別のチャンバ（例えば、システム２４のチャンバ９０）に移し入れる。アニールチャンバ内の酸素濃度は、例えば、少なくとも約１％で、好適には、約１％乃至約１００％の範囲が可能である。より好適には、アニールチャンバ内の酸素濃度は、約２０％乃至約７０％の範囲である。アニールチャンバ内で必要な酸素濃度を実現するには、様々な原子種／分子種を用いることができる。例えば、酸素源としては分子酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、又は水を用いることができる。更に、基板のアニールは、数時間の範囲（例えば約３乃至２０時間の範囲）にわたって実行できる。
【００３９】
例示的なチャンバ９０は、その内部で基板３６を保持するウエハーホルダ９２を含む。更に、チャンバ９０は、アニール段階において、基板温度を約８００℃から基板の溶融温度をやや下回る温度までの範囲に維持する加熱装置９４を含む。
【００４０】
アニール段階は、注入された酸素イオンを再分配し、それらをシリコンと化学結合させて二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の連続的な埋め込み層（すなわちＢＯＸ領域）を形成し、よって、半導体デバイスが作製可能な表面上のシリコン上層を、バルクシリコンから分離する、と理解されている。この連続的な埋め込み酸化物層は、数百ナノメートル、例えば約２０ナノメートル乃至約５００ナノメートル範囲の厚みを持つことができる。
【００４１】
上述のように、本発明は、とりわけ、厚みが増し且つ均一性が向上した埋め込み酸化物層をより効率的に形成する利点がある、仕上げ注入時における基板の積極的な冷却を教示する。上述のように、一般に、仕上げ注入段階は、後に行われる酸化性雰囲気中でのアニール段階において、埋め込み酸化物層の形成効率を向上させる。特定の理論に限定するわけではないが、この仕上げ注入は、予め形成済みの損傷先行層（すなわち、初期イオン注入段階において形成された先行層）の近傍にある半導体層を損傷し、従って、続くアニール段階の酸素が表面層を介して拡散し、初期先行層とより容易に反応可能とする。すると、注入後の酸化アニールの効率が向上し、厚みが増したＢＯＸ領域が形成される。
【００４２】
出願人は、仕上げ注入時に、基板を約５０℃乃至１５０℃範囲の温度まで積極的に冷却することが、この注入段階の効果を更に向上させうることを発見した。特に、積極的な冷却が行われないと、仕上げ注入時に基板の温度が大きく変動することがあり、例えば、イオン照射の結果として、注入損傷部がある程度の自己アニールを引き起こすほど高温になることがある。事実、ビーム出力及びシリコンの物性に基づく出願人の計算では、例えば計画どおり２０℃の室温で行った仕上げ注入時のシリコン基板の温度が、イオン照射の結果として約２５０乃至２７０℃まで上昇しうることを示している。こうした高温では、仕上げ注入を行う目的に反する、基板のある程度の自己アニールが引き起こされことがある。
【００４３】
対照的に、本発明の教示に従って基板を仕上げ注入時に積極的に冷却すると、基板の温度が、例えば、５０乃至１５０℃の所定範囲で安定可能となる。仕上げ注入時に基板温度を約５０℃乃至１５０℃の範囲に維持することは特に有利であり、その理由は、１５０℃よりかなり高い温度ではある基板の程度の自己アニールが起こり、仕上げ注入の効果を減じるからである。更に、５０℃よりかなり低い温度では、注入イオンによるシリコン上層への損傷が甚だしくなることがあり、それに続く高温アニール段階による効果的な改善が期待できない。従って、仕上げ注入時に、基板を約５０℃乃至１５０℃の温度範囲まで積極的に冷却すると、損傷蓄積及び損傷形態（原語：damage morphology）が効率的になり、これが、ＢＯＸ形成の運動学的特性（原語：kinetics）を改善して、後の酸化アニール時における埋め込み酸化物層の生成が向上する。
【００４４】
更に、仕上げ注入時の積極冷却は、基板の温度均一性の向上に繋がり、次のアニール段階において形成される埋め込み酸化物層の均一性を向上させる。
【００４５】
本発明の教示による仕上げ注入時における基板の積極冷却の利点を更に示すため、図８には、棒グラフ９６としての実験データを示した。このデータは、一定の酸素ドーズ量に関して、積極的に冷却したシリコン基板への仕上げ注入段階の処理による損傷が、同一の酸素ドーズ量による積極冷却していないシリコン基板への損傷に比べてかなり大きいことを示している。
【００４６】
特に、図８に示した熱伝導率測定値は、仕上げ注入時のイオン照射による基板への損傷程度と相関したもので、これら測定値は、積極的に冷却したシリコン基板（概ね２Ｘ１０１５ｃｍ−２の酸素イオンドーズ量が注入される）について６３００単位（原語：unit）の熱波動信号を示している。対照的に、棒グラフ９６は、積極的に冷却しない類似のシリコン基板（仕上げ注入時に同一の酸素イオンドーズ量が注入された）に関しては、概ね８００単位の熱波動信号を示している。すなわち、このデータは、仕上げ注入時に本発明の教示に従って基板を積極的に冷却すると、基板への損傷の程度が概ね一桁向上可能なことを示している。
【００４７】
更に、仕上げ注入時に基板を積極的に冷却すると、仕上げ注入における注入酸素イオンの任意ドーズ量に対して、その後の酸化アニール段階で形成されるＢＯＸ領域の厚みが増大する。例えば、図９は、初期酸素注入段階と、その後の概ね１平方センチメートル当たり２Ｘ１０１５酸素イオンのドーズ量の仕上げ注入とによって、２つのシリコンウエハーに形成されたＢＯＸ領域の平均厚みの測定値を示す。仕上げ注入に続いて、これらウエハーには、本発明の教示に従って酸化アニール段階を実行し、ＢＯＸ領域を形成した。
【００４８】
一方のウエハーは、仕上げ注入時に約５０乃至１５０℃の範囲内の温度まで積極的に冷却したが、他方のウエハーは積極的に冷却しなかった。これらＢＯＸ厚み測定は、本発明の分野で公知の方式で分光エリプソメトリーによって実行し、積極的に冷却したウエハーに形成されたＢＯＸ領域の厚みは、概ね１８００オングストロームであり、他方のウエハーに形成されたＢＯＸ領域の厚みは、概ね１３００オングストロームである。すなわち、この例では、仕上げ注入時に基板を積極的に冷却すると、ＢＯＸ領域の厚みが概ね３０％向上している。
【００４９】
当業者であれば、上述の実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく様々に修正できることは理解するはずである。例えば、基板を積極的に加熱又は冷却するための様々なイオン注入装置を、本発明によるシステムにおいて使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】半導体基板の中に埋め込み酸化物層を形成するための、本発明による様々な方法の段階を示すフローチャートである。
【図２】（Ａ）  損傷埋め込み先行層を形成するための、酸素イオンが注入された半導体基板を概略的に示す。  （Ｂ）  図２Ａに示した損傷層の近傍に位置した、本発明の教示による仕上げ注入段階により形成された損傷した層であって、場合によっては非晶質の損傷層を概略的に示す。
【図３】基板へのイオン注入に使用される２つのチャンバと、基板のアニールに用いられる３番目のチャンバとからなる３つのチャンバを備えた、本発明の教示によるシステムの略図である。
【図４】本発明の一実施形態おける仕上げ注入時に、基板を伝導冷却する技術を概略的に示す。
【図５】基板を積極的に冷却するための装置を概略的に示す。
【図６】基板を積極的に冷却するための別の装置を概略的に示す。
【図７】冷却したプラテンに基板を押圧保持する静電チャックを含んだ、基板を積極的に冷却するための更に別の装置を概略的に示す。
【図８】仕上げ注入時に積極冷却した基板への損傷と、積極冷却しない類似の基板への損傷とを比較する棒グラフである。
【図９】仕上げ注入時に積極冷却を実行する本発明の教示に従って、シリコンウエハーに形成された埋め込み酸化物層の厚さと、仕上げ注入時に積極冷却を行わずに形成された埋め込み酸化物層の厚さとを比較する棒グラフである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成15年12月17日(2003.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するための方法であって、
第１チャンバ内で、前記基板に第１ドーズ量の酸素イオンを注入しつつ、前記基板の温度を約３００℃乃至約６００℃の範囲に維持する段階と、
第２ドーズ量の酸素イオンを前記基板に注入しつつ、前記基板を積極的に冷却して、前記基板温度を約５０℃乃至約１５０℃の範囲に維持する段階と、
酸素を含む雰囲気中で前記基板をアニールして、埋め込み酸化物層を生成する段階とを含む、半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するための方法。
【請求項２】
アニールする前記段階が、前記基板温度を約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１ドーズ量を注入する前記段階が、前記基板を加熱するための装置を備えた第１チャンバ内で、前記酸素イオンを前記基板に注入する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２ドーズ量を注入する前記段階が、前記基板を積極的に冷却するための装置を備えた第２チャンバ内で、前記酸素イオンを前記基板に注入する段階を更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項５】
アニールする前記段階が、前記基板を第３チャンバ内でアニールする段階を更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項６】
注入酸素イオンの前記第１ドーズ量は、約１０１６乃至１０１８ｃｍ−２に選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
注入酸素イオンの前記第２ドーズ量は、概ね１０１３乃至５ｘ１０１５ｃｍ−２に選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１ドーズ量の酸素イオンを注入する前記段階が、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲のエネルギーを持った酸素イオンを、前記基板に照射する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第２ドーズ量の酸素イオンを注入する前記段階が、前記基板を伝導冷却して、その温度を約１５０℃未満に維持する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板を伝導冷却する前記段階が、前記基板を気体冷却する段階を更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板を伝導冷却する前記段階が、エラストマーを用いて前記基板とヒートシンクとの間に熱伝導通路を形成する段階を更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記エラストマーにシリコン樹脂を選択する段階を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板に、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｓｉ／Ｇｅ合金の何れかを選択する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板に、４−４、３−５、又は２−６の二元又は三元化合物の何れかを選択する段階を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記埋め込み酸化物層が、約２０ナノメートル乃至約５００ナノメートルの範囲の厚みを備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
アニールする前記段階が、前記基板温度を約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持しつつ実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
アニールする前記段階が、前記基板を、約１時間乃至約３０時間の範囲にわたってアニールする段階を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
アニールする前記段階が、約１％乃至約１００％の範囲の酸素濃度を備えた雰囲気中で実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するためのシステムであって、
前記基板に第１ドーズ量の酸素イオンを注入するための第１チャンバであって、イオン注入時に、前記基板の温度を約３００℃乃至６００℃の範囲に維持するための加熱装置を備えた第１チャンバと、
前記基板に第２ドーズ量の酸素イオンを注入するための第２チャンバであって、イオン注入時に、前記基板チャンバを約５０℃乃至約１５０℃の範囲に積極的に維持するための積極冷却装置を備えた第２チャンバと、
前記第１及び第２チャンバ内でイオンを注入した前記基板をアニールするための第３チャンバであって、アニール時に、前記基板チャンバを約８００℃乃至約１４００℃の範囲に維持可能な加熱装置を備えた第３チャンバとを含む、半導体基板に埋め込み酸化物層を形成するためのシステム。
【請求項２０】
前記冷却装置が前記基板を伝導冷却する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１チャンバが、選択した範囲のエネルギーを持つイオンビームを発生するためのイオンビーム装置を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記イオンビームのエネルギーが、約３０ｋｅＶ乃至約５００ｋｅＶの範囲である、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１チャンバが、前記イオンビームを前記基板に向けるためのイオン誘導装置を更に含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記チャンバそれぞれが、前記基板を保持するホルダを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第２チャンバ内の前記ホルダが、前記基板から熱を取り除くためのヒートシンクとして機能する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記冷却装置が前記ホルダ及び前記基板に結合され、前記基板と前記ホルダとの間に熱伝導通路を提供する、請求項２５に記載のシステム。
【国際調査報告】
2005509291.tif 000013
2005509291.tif 000014
2005509291.tif 000015