(57)【要約】【課題】酸素イオン注入時のウェーハ温度むらに着目し、ＳＯＩ層の膜厚均一性を向上させる。【解決手段】シリコンウェーハに酸素イオンを注入する工程と、酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程とを有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整する。特には、シリコンウェーハに高温で酸素イオンを注入し、前記ウェーハ内部に高濃度の酸素イオン注入層を形成する第１のイオン注入工程と、前記第１のイオン注入工程で得られたシリコンウェーハに低温で酸素イオンを注入し、アモルファス層を形成する第２のイオン注入工程と、酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程と、を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、少なくとも前記第２のイオン注入工程の酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整する。【選択図】図３
2011109047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハに酸素イオンを注入する工程と、酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程とを有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項２】
シリコンウェーハに高温で酸素イオンを注入し、前記ウェーハ内部に高濃度の酸素イオン注入層を形成する第１のイオン注入工程と、
前記第１のイオン注入工程で得られたシリコンウェーハに低温で酸素イオンを注入し、アモルファス層を形成する第２のイオン注入工程と、
酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程と、
を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
少なくとも前記第２のイオン注入工程の酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整することを特徴とする請求項１に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度が低下した部分で少なく調整することを特徴とする請求項１または２に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記シリコンウェーハの温度低下部分が、シリコンウェーハを保持するウェーハ保持部およびその周辺部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記酸素イオン注入量を、酸素イオン注入時のビーム走査速度によって調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法、特にはＭＬＤ法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＩＭＯＸウェーハのような薄膜ＳＯＩウェーハの製造方法としては、主として、高ドーズ量の酸素イオン（１６Ｏ＋）を注入する工程を含む、いわゆる高ドーズＳＩＭＯＸ法と、該高ドーズＳＩＭＯＸ法の場合と比べて一桁程度低いドーズ量で、酸素イオンを注入した後、高酸素を含む酸化雰囲気でアニールを行う工程を含む、いわゆる低ドーズＳＩＭＯＸ法の２種類が知られている。
【０００３】
さらに近年、低ドーズＳＩＭＯＸ法の中で、最後の酸素イオン注入工程を、低温付近において低ドーズ量で行う、いわゆるＭＬＤ（Modified Low Dose）法が開発され、量産提供が成されている。
高ドーズＳＩＭＯＸ法は、典型的には、酸素（１６Ｏ＋）イオンを、加速エネルギー１５０ｋｅＶ、ドーズ量１．５×１０１８個／ｃｍ２超、基板温度５００℃の条件下で注入し、その後、１３００℃超の温度で、酸素を０．５〜２％含むアルゴン（Ａｒ）あるいは窒素（Ｎ２）雰囲気にて、４〜８時間のアニールを行う方法である。しかし、この方法では、注入時間が極めて長く、スループットが悪いこと、ＳＯＩ層の転位密度が１×１０５個／ｃｍ２〜１×１０７個／ｃｍ２と極めて高いなどの問題点があった（例えば非特許文献１等）。
【０００４】
この問題点を改善するための低ドーズＳＩＭＯＸ法では、例えば、酸素（１６Ｏ＋）イオンを、加速エネルギー１５０ｋｅＶ超、ドーズ量４×１０１７個／ｃｍ２〜１×１０１８個／ｃｍ２、基板温度４００〜６５０℃の条件下で注入し、その後、１３００℃超の温度で、酸素を３０〜６０％含むアルゴン（Ａｒ）雰囲気でアニールを行い、アニール中の酸素の内部酸化（Internal Oxidation、略して「ＩＴＯＸ」ともいう）によって、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）を厚くするとともに大幅な品質向上を実現することができる（例えば非特許文献２等）。
【０００５】
さらに、低ドーズＳＩＭＯＸ法の改善版としてＭＬＤ（Modified Low Dose）法が開発された。このＭＬＤ法では、従来の高温（４００〜６５０℃）で酸素注入層を形成した後に、低温（２０〜１５０℃）で１桁低いドーズ量の酸素注入を行い、アモルファス層を酸素注入層の表面に形成する方法である（例えば非特許文献３および特許文献１等）。この方法によると、１．５×１０１７個／ｃｍ２〜６×１０１７個／ｃｍ２の広い低ドーズ量の範囲から、連続なＢＯＸ成長が可能であり、また、その後のＩＴＯＸプロセスにおいても、従来のＩＴＯＸの１．５倍の速度での内部酸化が可能になる。結果として、ＢＯＸ層は、熱酸化膜に極めて近くなり大幅な品質の改善が成された。通常、このＭＬＤ法では、ＳＯＩ層中の酸素量を下げるために、ＩＴＯＸ工程の後に、５〜１０時間程度、酸素を０．５〜２％含むＡｒ雰囲気によってアニールを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第5930643号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K.Izumi et al. Electron. Lett.(UK)vol.14(1978)p593）
【非特許文献２】S. Nakashima et al. Proc. IEEE int. SOI Conf. (1994) p71-72）
【非特許文献３】O.W.Holland et al. Appl.Phys.Lett.(USA)vol. 69 (1996) p574
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ＳＩＭＯＸウェーハにおいて、ＳＯＩ層の膜厚は最も重要な仕様である。なぜなら、ＳＯＩ層の膜厚は、その後のデバイスプロセスの条件、デバイス特性に大きな影響を及ぼすためである。このＳＯＩ層の膜厚について、厚みが均一であること、具体的には厚み分布が±２ｎｍ程度に収まる均一性（すなわち、膜厚のばらつきが２ｎｍ以内であること）が要求されているが、さらに近年ではデバイスの微細化により要求仕様は今後±０．５ｎｍ程度の均一性になるものと考えられている。
近年の本発明者等による研究により、酸素イオン注入時のウェーハ温度がＳＯＩ層の厚みに影響すること、すなわち、酸素イオン注入時にウェーハ温度が不均一であると、ＳＯＩ層の厚みが不均一になることが明らかとなった（例えば特開２００９−７６５０６号公報）。
本発明者等は、ＳＯＩ層の膜厚の均一性を達成すべくさらに鋭意研究したところ、特に、ＭＬＤ法において、ＳＯＩ層の膜厚均一性は、高温での酸素イオン注入後に行う低温での酸素イオン注入時のウェーハ温度の均一性に依存すること、具体的には、低温での酸素イオン注入時のウェーハ温度が不均一な場合、酸素イオン注入により形成されるアモルファス層の厚みが不均一となり、最終的にＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層の厚みが不均一となることを知見した。
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、酸素イオン注入時のウェーハ温度むらに着目しこの影響を排除して、ＳＯＩ層の膜厚均一性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）シリコンウェーハに酸素イオンを注入する工程と、酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程とを有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【００１０】
「酸素イオン注入量を温度むらに応じて調整する」とは、シリコンウェーハにおいて部分的に温度低下部分が存在するとき、その温度差に応じて酸素イオン注入量を調整することであり、具体的には、シリコンウェーハの温度が低い部分の酸素イオン注入量を、シリコンウェーハのその他の部分の酸素イオン注入量に比べて減少させることである。
【００１１】
（２）シリコンウェーハに高温で酸素イオンを注入し、前記ウェーハ内部に高濃度の酸素イオン注入層を形成する第１のイオン注入工程と、
前記第１のイオン注入工程で得られたシリコンウェーハに低温で酸素イオンを注入し、アモルファス層を形成する第２のイオン注入工程と、
酸素イオン注入したシリコンウェーハをアニールする工程と、
を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
少なくとも前記第２のイオン注入工程の酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度むらに応じて調整することを特徴とする上記（１）に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【００１２】
なお、ＭＬＤ法におけるイオン注入時の温度はＭＬＤ法の一般に従えばよい。例えば、第１のイオン注入工程の温度は４００℃〜６５０℃、第２のイオン注入工程の温度は２０℃〜１５０℃が好適である。
【００１３】
（３）前記酸素イオン注入量を、シリコンウェーハの温度が低下した部分で少なく調整することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【００１４】
（４）前記シリコンウェーハの温度低下部分が、シリコンウェーハを保持するウェーハ保持部およびその周辺部であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【００１５】
（５）前記酸素イオン注入量を、酸素イオン注入時のビーム走査速度によって調整することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、酸素イオン注入時のウェーハ温度むらに着目し、ＳＯＩ層の膜厚均一性を向上させるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を説明するための図である。
【図２】シリコンウェーハ保持具によって保持されたシリコンウェーハを示す図である。
【図３】シリコンウェーハと酸素イオン注入のためのイオンビームを示す図である。
【図４】イオンビームのその他の走査方法を説明するための図である。
【図５】本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を説明するための図である。
【図６】酸素イオン注入量とＳＯＩ膜厚レンジとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を説明するための図である。
図１（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１に高温（４００℃〜６５０℃）で酸素イオン（１６Ｏ＋）を注入し、シリコンウェーハ１の内部に高濃度の酸素イオン注入層２を形成する（第１のイオン注入工程）。この第１のイオン注入工程におけるイオン注入条件は、例えば、加速エネルギー：１００〜２５０ｋｅＶおよびドーズ量：１×１０１７個／ｃｍ２〜１×１０１８個／ｃｍ２である。
次に、図１（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１に低温（２０℃〜１５０℃）で酸素イオン（１６Ｏ＋）を注入し、酸素イオン注入層２の表面にアモルファス層３を形成する（第２のイオン注入工程）。この第２のイオン注入工程におけるイオン注入条件は、例えば、加速エネルギー：１００〜２５０ｋｅＶ、ドーズ量：１×１０１５個／ｃｍ２〜１×１０１６個／ｃｍ２である。
その後、酸素を含むアルゴン雰囲気にて、１３００℃の温度で５〜１０時間のＩＴＯＸ処理を行った後、酸素を含むアルゴン（Ａｒ）あるいは窒素（Ｎ２）雰囲気にて、１３００℃の温度で、５〜１０時間のアニールを行うことにより、図１（ｃ）に示すように、ＢＯＸ層４およびＳＯＩ層５を有するＳＩＭＯＸウェーハ６が得られる。
【００１９】
上述した工程において、シリコンウェーハ１はシリコンウェーハ保持具によって保持されている。具体的には、図２に示すように、シリコンウェーハ１の端面が、シリコンウェーハ保持具１０の３箇所の保持ピン１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって接触されることにより、シリコンウェーハ１はシリコンウェーハ保持具１０によって保持されている。上述した工程において、シリコンウェーハ１はヒーターあるいはビーム照射により加熱されているが、保持ピン１０ａ、１０ｂ、１０ｃに接するシリコンウェーハ１の部分（以下、ウェーハ保持部と称する）では、これらの保持ピン１０ａ、１０ｂ、１０ｃの熱伝導により、シリコンウェーハ１のその他の部分に比べて温度が低下している。それゆえ、ウェーハ保持部では、イオン注入時に作製されるアモルファス層がピン接触部分以外の部分に比し厚くなり、その結果、当該部分でのＳＯＩ層が厚くなるため、シリコンウェーハ１全体として厚みが不均一になっていた。
なお、温度が低下するとアモルファス層が厚膜化するのは注入層のシリコンの再結晶化が遅れるためである。
そこで、本発明においては、温度低下に起因してアモルファス層の膜厚が増加する部分（ウェーハ保持部）につき、当該部分への酸素イオン注入量を減少させることにより、温度低下による膜厚増加分を相殺し、結果としてシリコンウェーハの膜厚の均一性を向上させる。以下、イオン注入量の調整手法について具体的に説明する。
【００２０】
図３に、シリコンウェーハ１と、ここに照射する酸素イオン注入のためのイオンビーム２０を示す。ビーム２０は、シリコンウェーハ１の一方（図に正対して左端）から他方(図に正対して右側)まで走査させる。ここで、シリコンウェーハ保持具１０の保持ピン１０ａに接するウェーハ保持部１ａにおいて、イオンビーム２０の走査速度を、その他の部位での走査速度に比して増加させる。すなわち、図３（ａ）から図３（ｂ）に至る期間のように、イオンビーム２０がウェーハ保持部１ａに重なる領域ではイオンビーム２０の走査速度を増加させる。一方、図３（ｂ）から図３（ｃ）に至る期間のように、イオンビーム２０がウェーハ保持部１ａに重ならない領域ではイオンビーム２０の走査を本来の設定速度で行う。ここで、注入工程における加速エネルギーおよびドーズ量は一定であるので、イオンビーム２０の走査速度を調節することにより、シリコンウェーハ１に注入される酸素イオンの量を調節することができる。このように、ウェーハ保持部１ａに注入される酸素イオンの量を他の部分に比して減少させることにより、この部分での温度低下に起因するアモルファス層の膜厚増加を相殺し、他の部分との均一性を保つことができる。
【００２１】
また、酸素イオン注入量は、ウェーハ保持部１ａにおいて、他の部分より２０％低減することが好ましいことが、後述する実施例から明らかとなった。なお、酸素イオン注入量の低減率は、酸素イオン注入の際のシリコンウェーハの加熱温度、シリコンウェーハの材質、保持ピンの材質、シリコンウェーハ保持具の構成等によって異なるため、適宜設定することができる。
【００２２】
また、ウェーハ保持部１ａにおいてと同様に、保持ピン１０ｂ、１０ｃに接するウェーハ保持部においても、イオンビーム２０の走査速度を、その他の部位での走査速度に比して増加させ、酸素イオン注入量を減少させることが好ましい。
【００２３】
また、本発明は、イオンビーム２０を走査するビームスキャン方式の他、ビームライン固定でシリコンウェーハを走査するメカニカルスキャン方式を用いることもできる。また、バッチ式、枚葉式のいずれの方法にも用いることができる。
また、図４に示すように、シリコンウェーハの径より小さい径のビームを用いて２次元スキャンを行うこともできる。
また、イオンビームの走査速度を一定にして、加速エネルギーおよびドーズ量を変更することもできる。
【００２４】
シリコンウェーハにおける温度むらが生じる要因として、上述した保持ピンに起因するものの他、ウェーハの外縁部は、ウェーハのその他の部分と比較して温度が低い場合がある。この場合、図４の方法での走査方法を用いてウェーハの外縁部での走査速度を早くすることにより、注入量を調節し、厚さの不均一を解消することができる。
また、本発明では、保持ピンの温度むらが生じていることを課題としてこれを解決すべく、保持ピンの位置の酸素イオン注入量を調整したが、シリコンウェーハをイオン注入機に設置した後にシリコンウェーハの温度を測定し、温度むらが生じている部分を特定し、この部分のイオン注入量を変えるようにスキャン速度を調節することもできる。
【００２５】
本発明に従うＳＩＭＯＸウェーハの製造方法について、ＭＬＤ法に適用した場合を説明してきたが、高ドーズＳＩＭＯＸ法やＭＬＤ法以外の低ドーズＳＩＭＯＸ法にも応用可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、ＭＬＤ法による本発明の実施例を説明する。
第１のイオン注入工程では、シリコンウェーハ１を４００℃に加熱して、加速エネルギーを２１６ｋｅＶで２．６×１０１７個／ｃｍ２の酸素イオンをシリコンウェーハに注入した。
第２のイオン注入工程では、ウェーハを１００℃以下まで冷却後、加速エネルギー２００ｋｅＶで２．０×１０１５個／ｃｍ２の酸素イオンをシリコンウェーハに注入する。このとき、保持ピン１０ａに接するシリコンウェーハ１の部分が保持部１ａである（図５（ａ））。
次に、シリコンウェーハ１を１８０°回転させ、シリコンウェーハ保持具１０に設置し、同様に酸素イオンをシリコンウェーハ１に注入する。このとき、保持ピン１０ａに接するシリコンウェーハ１の部分が保持部１ａ’である（図５（ｂ））。第２のイオン注入工程では４．０×１０１５個／ｃｍ２の酸素イオンがシリコンウェーハに注入されている。
続いて１３００℃で酸素とアルゴンの混合ガス雰囲気中でアニールを施し、ＳＩＭＯＸウェーハを作製した。
次に、このＳＩＭＯＸウェーハ面内のＳＯＩ層の厚みを分光エリプソメータで測定しＳＯＩ膜厚レンジを評価した。このＳＯＩ膜厚レンジとは、ＳＩＭＯＸウェーハ面内の所定の５７点の測定位置における最大値と最小値の差を意味する。
【００２７】
上記プロセスで作製した従来例ウェーハのＳＯＩ膜厚レンジは１．６ｎｍであった。ＳＯＩ膜厚レンジの悪化要素はウェーハ面内の保持部１ａ、１ａ’の位置であり、保持部１ａ、１ａ’の温度が低いため、この部分のＳＯＩ層が厚くなっている。
【００２８】
発明例ウェーハ１において、上記プロセスの第２のイオン注入工程の酸素イオン注入において、ウェーハ面内における保持部１ａ、１ａ’の注入量を従来例ウェーハの場合より２０％減少させた条件で注入した。このときのＳＯＩ膜厚レンジは１．０ｎｍだった。ＳＯＩ膜厚レンジの悪化要素だったウェーハ保持部周りの膜厚不均一は解消されていた。
【００２９】
発明例ウェーハ１と同様の方法で、発明例ウェーハ２〜６について、酸素イオン注入量を従来例ウェーハと比較して減少させてＳＯＩ膜厚レンジを評価した結果を表１および図６に示す。
従来例ウェーハ対比の酸素イオン注入量について、−２０％までは、注入量を減らすにつれてＳＯＩ膜厚レンジは改善するが、−２５％のとき（発明例ウェーハ４）は従来例ウェーハと同等であり、−２５％超では悪化する。これは、保持部１ａ、１ａ’において、保持ピンの熱伝導による温度低下に起因するＳＯＩ層の厚み増大分よりも、注入量減少による厚み減少分の方が上回るからである。以上より、酸素イオン注入量は、ウェーハ保持部において、他の部分より２０％低減することが好ましいことが分かる。
【００３０】
【表１】
2011109047.tif 000003
【符号の説明】
【００３１】
１    シリコンウェーハ
２    酸素イオン注入層
３    アモルファス層
４    ＢＯＸ層
５    ＳＯＩ層
１０  シリコンウェーハ保持具
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  保持ピン
２０  イオンビーム
【図１】
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【図２】
2011109047.tif 000005
【図３】
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【図４】
2011109047.tif 000007
【図５】
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【図６】
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