(57)【要約】【課題】ストライプパターンが無く、膜厚が均一なシリコン単結晶層を有するＳＩＭＯＸ基板の製法を提供する。シリコン層の膜厚の管理を容易とする。【解決手段】単結晶シリコン基板を５００℃に加熱し、これに酸素イオンを、加速エネルギ５０〜２４５ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１６〜２×１０１８ｃｍ−２の条件でイオン注入する。この結果、シリコン基板の所定深さ位置に埋込ダメージ層が形成される。次に、基板を３００℃以下に冷却し、５０〜２４５ｋｅＶ、２×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１７ｃｍ−２の条件で酸素イオン注入する。この結果、アモルファス層が形成される。次に、基板を９００℃程度でアニールする。この結果、アモルファス層が多結晶又は欠陥を有する単結晶となる。さらに、１１００℃以上でのアニールにより連続する埋込酸化膜が形成される。ＳＩＭＯＸ基板のシリコン単結晶厚さは２００ｎｍ以下となる。【選択図】　　　　図２
2004055694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板を加熱して酸素イオンを注入する第１のイオン注入工程と、
第１のイオン注入工程後にこの単結晶基板の温度を３００℃以下へ冷却してから行うイオン注入によりアモルファス層を形成する第２のイオン注入工程と、
このアモルファス層をアニールにより多結晶又は欠陥を有する単結晶とする工程と、
更なるアニールによりこの多結晶又は欠陥を有する単結晶の位置する所に連続する酸化膜を形成する工程とを備えたＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、
上記第２のイオン注入工程では、上記単結晶基板の表面から、５０〜２４５ｋｅＶのエネルギーで、イオン注入量が２×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１７ｃｍ−２の条件で酸素イオンを注入するＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
【請求項２】
上記第１のイオン注入工程では、酸素イオンを加速エネルギー５０〜２４５ｋｅＶ、イオン注入量１×１０１６〜２×１０１８ｃｍ−２の条件で注入するＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＳＯＩ基板の製造方法、詳しくは低ドーズＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　ＩＭｐｌａｎｔｅｄ　ＯＸｙｇｅｎ）基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低ドーズＳＩＭＯＸ基板は、当初、埋め込み酸化膜の絶縁性などの品質に問題があった。しかし、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入し、不活性ガス雰囲気中で高温熱処理するアニール処理を行って埋め込み酸化膜を形成した後に、高温酸素雰囲気中で酸化処理を施すことで、埋め込み酸化膜を厚膜化できるようになった（特許第３０３６６１９号）ことにより、実用化への道が開かれた。
しかしながら、この技術においては、表面のシリコン単結晶層と埋め込み酸化膜との界面から発生する転位の密度が高いという問題があった。この転位密度は、上記界面からシリコン単結晶層表面に向かうにつれて急激に減少するため、シリコン単結晶層膜厚が厚い場合には、このＳＩＭＯＸ基板を用いて作製するデバイスへの影響は非常に小さく、実用上問題とならなかった。
しかしながら、近年のシリコン単結晶層薄膜化の進展に伴って、上記界面から表面まで突き抜ける転位の密度が高くなるため実用上問題となってきた。
これに対し、埋め込み酸化膜を効率的に強化するとともに、シリコン単結晶層の転位密度を大幅に低減する低ドーズＳＩＭＯＸ製造方法が開発された（米国特許第５９３０６４３号、同第６２５９１３７Ｂ１、同第６０９０６８９号、同第６２２２２５３Ｂ１、同第６０４３１６６号、同第６２０４５４６Ｂ１）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この新しい低ドーズＳＩＭＯＸ製造方法においても、埋め込み酸化膜品質や転位密度以外の面で、明解に解決されていない３つの問題がある。第１の問題は、シリコン単結晶層表面に観察されるストライプパターン（ドーズむらによるシリコン単結晶層不均一）、第２の問題は、主にＳＩＭＯＸ基板外周部に見られるシリコン単結晶層膜厚異常（イオン注入中のウェーハ温度むらによるシリコン単結晶層不均一）、第３の問題は、ＳＩＭＯＸ基板製造におけるプロセス再現性の低さである。
第１の問題であるストライプパターンは、イオン注入機のイオンビーム面積が、注入すべきシリコン基板面積より小さいことに遠因がある。シリコン基板全面に均一にイオンを注入するために、通常、イオンビームとシリコン基板とを相対的にスキャンする方法が用いられているが、完全に均一な注入を実現するのは難しい。特に、スキャン回数が少ない場合にはスキャン方向にストライプパターンが発生することになる。
第２の問題である膜厚異常は、膜厚がイオン注入中の基板温度に敏感であることが主要因である（詳細後述）。イオン注入機の加熱方法や基板ホルダ構造を最適化すれば、イオン注入中の基板内温度分布を略均一にできるが、酸素イオン用注入装置の基板支持は、通常、基板エッジを部分的に保持する構造となっており、その保持部から熱が逃げるため保持部の基板温度が局所的に低下することになる。この場合、その保持部周辺領域で膜厚異常が発生する。
第３の問題であるプロセス再現性の低さは、プロセス変動が大きい条件を使用することに原因がある。
そこで、本発明者らは鋭意研究の結果、上記のイオン注入機起因の問題を最小化でき、かつ、変動が小さなプロセスを開発した。これにより、ストライプパターンが全く無く、膜厚均一性が良く、さらに再現性も良好な低ドーズＳＩＭＯＸ基板の製造方法を確立した。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、ストライプパターンが無く、かつ、膜厚が均一なシリコン単結晶層を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法を提供することを、その目的としている。
また、本発明は、シリコン単結晶層の膜厚の管理が容易となるＳＩＭＯＸ基板の製造方法を提供することを、その目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
イオン注入工程におけるドーズ量は製造されるＳＩＭＯＸの品質に直接影響する。よって、基板面内でのドーズ量のムラは、製造されるＳＩＭＯＸの面内均質性の観点から重要であることが知られている。
一方、大口径ＳＩＭＯＸウエーハ製造用酸素イオン注入装置においては、ビームスキャン型を採用するのが一般的である。また、コスト上の問題から一般にＳＩＭＯＸ製造用酸素注入装置においては、高スループットを目標に高イオン電流化の開発が進められてきた。
上記の低ドーズＳＩＭＯＸ製造の改良法（米国特許第５９３０６４３号、同第６２５９１３７Ｂ１、同第６０９０６８９号、同第６２２２２５３Ｂ１、同第６０４３１６６号、同第６２０４５４６Ｂ１）は、比較的高温に基板を加熱して高ドーズ量の酸素イオンを注入した後に、基板温度を下げて更に低ドーズ量の酸素イオンを注入することが特徴である。ところが、この後半の少ないドーズ量の注入を基板全面で均一に注入するというのは、高イオン電流のスキャン方式の場合、スキャン回数が少なくなるため、特に上記の低ドーズの改良法ではＳＩＭＯＸ基板のシリコン単結晶層の膜厚均一性が悪化し、ビームスキャン方向にストライプパターンを生じるという不具合があった。
また、ＳＩＭＯＸ製造の酸素イオン注入中の基板温度は、例えばランプヒーターによって加熱して調整することが一般的である。ところが、熱伝導により基板を保持している周辺部では、熱伝導により保持部から熱が散逸するため、温度が下がることに起因する均一性劣化を生じるという不具合があった。
発明者らは、上記ドーズ量と基板温度とに関して検討を行い、以下の知見を得た。図１に第２のイオン注入工程のドーズ量とシリコン単結晶層膜厚との関係と、その基板温度依存性を示す。なお、ここでの基板温度とは、イオン注入を開始する前にＰＩＤ制御等により温度調節を行いながら基板を加熱する場合の設定値である。イオン注入は、基板加熱を始めて十分に温度が安定したことを確認してから開始した。設定温度０℃では、実際のイオン注入直前の基板温度は室温である。なお、イオン注入時の基板温度は、酸素イオンビームによる加熱によりその基板温度が上昇しているものと考えられるが、一般に真空中の正確な測定は困難である。
この図より、第２のイオン注入工程でのドーズ量が２×１０１５ｃｍ−２以上では、２×１０１５ｃｍ−２未満の場合よりも、ドーズ量に対するシリコン単結晶層膜厚の依存性が小さくなることがわかる。このことは、本工程での各目的のドーズ量におけるウェーハ面内のドーズ量の小さなムラが、ドーズ量が２×１０１５ｃｍ−２以上では、２×１０１５ｃｍ−２未満の場合よりも、シリコン単結晶層膜厚のムラとして大きく顕在化しやすいことを示している。
また、本工程での基板温度の小さなムラが、ドーズ量が２×１０１５ｃｍ−２以上では、２×１０１５ｃｍ−２未満の場合よりも、シリコン単結晶層膜厚のムラとして大きく顕在化しやすいことを示している（図１の０℃，１００℃，１５０℃の場合の各膜厚の差を参照；なお図中膜厚は相対値である）。
一方、上記の米国特許第５９３０６４３号及び同第６２５９１３７Ｂ１では、上記第２のイオン注入工程のドーズ量を約１×１０１４ｃｍ−２以上で約１×１０１６ｃｍ−２以下と述べた上で、望ましくは約３×１０１４ｃｍ−２以上で約２×１０１５ｃｍ−２以下としている。また、米国特許第６０９０６８９号及び同第６２２２２５３Ｂ１では、請求項において上記第２のイオン注入工程のドーズ量を約１×１０１４ｃｍ−２以上で約１×１０１６ｃｍ−２以下としているが、Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＲＢＳ）Ｓｐｅｃｔｒｕｍの分析結果も本文中に引用しており、そこで第２のイオン注入工程のドーズ量としては１×１０１５ｃｍ−２から２×１０１５ｃｍ−２の間がもっとも最適値に近いと結論している。また、米国特許第６０４３１６６及び同第６２０４５４６Ｂ１では、上記第２のイオン注入工程のドーズ量を約１×１０１４ｃｍ−２以上で約２×１０１５ｃｍ−２以下と述べている。
しかしながら、本発明者らは上述したように、上記の低ドーズＳＩＭＯＸ製造の改良法（米国特許第５９３０６４３号、同第６２５９１３７Ｂ１、同第６０９０６８９号、同第６２２２２５３Ｂ１、同第６０４３１６６号、同第６２０４５４６Ｂ１）におけるシリコン単結晶層の不均一やストライプの原因を検討し、このシリコン単結晶層の不均一やストライプは、上記第２のイオン注入工程のドーズ量が２×１０１５ｃｍ−２未満では不充分なために生じていることを知見したものである。
そこで、請求項１に記載の発明は、半導体単結晶基板を加熱して酸素をイオン注入する第１のイオン注入工程と、第１のイオン注入工程後に基板温度が３００℃以下へ冷却してから行うイオン注入によりアモルファス層を形成する第２のイオン注入工程と、このアモルファス層をアニールにより多結晶又は欠陥を有する単結晶とする工程と、更なるアニールによりこの多結晶又は欠陥を有する単結晶の位置する所に連続する酸化膜を形成する工程とを備えたＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、上記第２のイオン注入工程では、上記単結晶基板の表面から、５０〜２４５ｋｅＶのエネルギーで、ドーズ量が２×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１７ｃｍ−２の条件で酸素イオンを注入するＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、上記第１のイオン注入工程で、酸素イオンを加速エネルギー５０〜２４５ｋｅＶ、イオン注入量１×１０１６〜２×１０１８ｃｍ−２の条件で注入する請求項１に記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、まず、第１のイオン注入により単結晶基板の所定深さ位置に埋込ダメージ層を形成する。次に、第２のイオン注入によりアモルファス層を形成する。次に、このアモルファス層を酸化（アニール；例えば８００〜１２００℃）することにより、連続した埋込酸化層またはこの埋込酸化層を作製するための中間構造層を形成する。さらにアニール（例えば１１００℃〜１４２０℃：シリコンの融点）することで中間構造層を連続した埋込酸化層とする。すなわち、一連のアニールは連続して行うこともできる。
そして、この第２のイオン注入では、上記単結晶基板の表面から、５０〜２４５ｋｅＶのエネルギーで、ドーズ量を２×１０１５ｃｍ−２〜１×１０１７ｃｍ−２の条件で酸素イオンを注入する。この結果、表面から所定深さ位置に埋込酸化層が形成されたＳＩＭＯＸ基板が製造される。これにより、転位密度を増加させること無く、ストライプパターンの問題が解消され、かつ膜厚の均一なシリコン単結晶層を有したＳＩＭＯＸ基板を得ることができる。また、本製造方法は、ＳＩＭＯＸ製造におけるドーズ量や酸素注入時の基板温度マージンが広く、再現性にも優れる。また、酸素イオンのドーズ量が１×１０１７ｃｍ−２を越えた場合は、第１のイオン注入条件と近似し、コストメリットが図れない。
請求項２に記載の発明によれば、上記第１のイオン注入工程では、酸素イオンを加速エネルギー５０〜２４５ｋｅＶ、注入量１×１０１６〜２×１０１８ｃｍ−２を注入する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図２を参照して説明する。
まず、所定厚さの半導体単結晶基板１０を準備する。この基板上には、シリコンやシリコンゲルマニウムなどのエピ単結晶層が成長されていても良い。なお、基板の厚さ、口径などは不問であり、その表面はベア単結晶層であっても、酸化されていてもよい。
次に、第１のイオン注入により単結晶基板１０の所定深さ位置に酸素イオンを打ちこむ。（Ａ）はこの状態を示す。この第１のイオン注入に際して単結晶基板１０を加熱する（例えば４８０〜６５０℃）ことで、埋め込まれた、Ｓｉダメージクラスタや格子間ＳｉとＳｉ原子の空孔を多量に含む、埋込ダメージ層１１を形成する。第１のイオン注入工程では、完成するＳＩＭＯＸ基板のシリコン単結晶厚さを２００ｎｍ以下にする場合、通常酸素イオンが加速エネルギー５０〜２４５ｋｅＶ、注入量１×１０１６〜２×１０１８ｃｍ−２を注入する。図中１２はシリコン単結晶層となるべき部分を示す。２４５ｋｅＶより高いエネルギーで打ち込むことで所望の厚さより厚くできたシリコン単結晶に対し、ＳＩＭＯＸ完成後に薄くする工程を加えることは技術的に可能であるが、大半のシリコン単結晶をＳＩＭＯＸ完成後に薄くすることはコスト的に有利ではない。なお、使用するイオン注入装置は公知のものを使用する。
次に、第２のイオン注入によりアモルファス層１３を形成する。このアモルファス層１３は、第１及び第２注入を同一エネルギーの酸素イオン注入で実施した場合、第１のイオン注入工程で形成される埋込ダメージ層１１に隣接してその上方に所定厚さに形成される。具体的には、第１のイオン注入後に単結晶シリコン基板１０を３００℃以下まで冷却し、上記単結晶シリコン基板１０の表面から、５０〜２４５ｋｅＶのエネルギーで注入を行う。酸素イオンの注入量は２×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−２である。また、使用するイオン注入装置は公知のものを使用する。（Ｂ）はこの状態を示す。
次に、このアモルファス層１３は熱的に不安定であるため、比較的低温のアニールにより（例えば８００〜１２００℃）、多結晶層又は欠陥を多く含んだ単結晶を含む中間層１４へと容易に変化する。また、注入された酸素イオンはこのアニールにより連続する埋め込み酸化膜１１を形成し始める。（Ｃ）はこの状態を示す。アニール装置及びアニール条件については公知のものを使用する。なお、これらの変化は次に述べる高温アニールの室温からの昇温中にも進行する。
さらに、この単結晶基板１０を酸素雰囲気で上記低温アニールよりは高温のアニールを施す（例えば１１００℃以上でシリコンの融点未満）ことで、雰囲気から上記中間構造層１４を通した酸素の拡散により埋め込み酸化膜が厚膜化し、上記中間層を埋め込み酸化膜１１側から酸化していき、最終的に一体化した連続埋込酸化層１１となる。（Ｄ）はこの状態を示す。使用装置及びこの酸化条件については公知のものを使用する。なお、この酸化条件は、コスト上の見地より通常、完成させるＳＩＭＯＸのシリコン単結晶層膜厚を考慮して決定される。
【０００８】
以下、実験例を示す。
「シリコンウェーハ１」
通常のｐ型鏡面ウェーハを使用した。また、各工程では公知のイオン注入装置、アニール装置を使用した。ウェーハ２，３についても同じ条件である。その他についても上記米国特許において公知の工程等を用いている。
第１注入工程：１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：３８０℃、２．７６Ｅ１７／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
第２注入工程：第１注入工程後に一度室温まで冷却した後、
１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：１２０℃、３．００Ｅ１５／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
アニール工程：酸素雰囲気中、１３２０℃、１５時間
以上の条件で作製したＳＩＭＯＸ基板について、以下の検査を行った。
ストライプ（蛍光灯下目視）：確認されず。
シリコン単結晶膜厚測定（３００ｍｍウェーハ面内１２１点分光エリプソ測定）：
膜厚平均値：６０７．７Ａ（オングストローム）、膜厚Ｒａｎｇｅ（最大値−最小値）：３４．０Ａ（オングストローム）、
Ｓｅｃｃｏ欠陥密度：２Ｅ１ｃｍ−２
「シリコンウェーハ２」
第１注入工程：１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：３８０℃、２．７６Ｅ１７／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
第２注入工程：第１注入後に一度室温まで冷却後
１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：１２０℃、４．００Ｅ１５／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
アニール工程：酸素雰囲気中、１３２０℃、１５時間
以上の条件で作製したＳＩＭＯＸ基板について、以下の検査を行った。
ストライプ（蛍光灯下目視）：確認されず
シリコン単結晶膜厚測定（３００ｍｍウェーハ面内１２１点分光エリプソ測定）：
膜厚平均値：６２２．２Ａ（オングストローム）、膜厚Ｒａｎｇｅ（最大値−最小値）：３４．０Ａ（オングストローム）、
「比較例（シリコンウェーハ３）」
第１注入工程：１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：３８０℃、２．７６Ｅ１７／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
第２注入：第１注入後に一度室温まで冷却後、
１６３ｋｅＶ、プレヒート加熱設定：１２０℃、１．５０Ｅ１５／ｃｍ２の条件で酸素イオンを注入する。
モニター基板実測温度：約１７８℃
アニール工程：酸素雰囲気中、１３２０℃、１５時間
以上の条件で作製したＳＩＭＯＸ基板について、以下の検査を行った。
ストライプ（蛍光灯下目視）：あり
シリコン単結晶膜厚測定（３００ｍｍウェーハ面内１２１点分光エリプソ測定）：膜厚平均値：５０９．５Ａ、膜厚Ｒａｎｇｅ（最大値−最小値）：２２６．７Ａ
Ｓｅｃｃｏ欠陥密度（典型値）：１Ｅ１〜１Ｅ５ｃｍ−２
【０００９】
【効果】
この発明によれば、シリコン単結晶層における転位密度を増加させること無く、ストライプパターンの問題が解消され、膜厚の均一なシリコン単結晶層を有したＳＩＭＯＸ基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の根拠となる第２の注入工程におけるドーズ量とシリコン単結晶層膜厚との関係およびその基板温度依存性についての実験データである。
【図２】この発明の一実施例に係るＳＩＭＯＸ基板の製造方法を示すフローシートである。
【符号の説明】
１０　単結晶基板、
１１　埋込ダメージ層、
１３　アモルファス層、
１４　中間層。
【図１】
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【図２】
2004055694.tif 000004