(57)【要約】【課題】埋込み酸化膜を形成した部分と形成しない部分における基板表面の段差を減少させる。【解決手段】シリコン単結晶からなる基板１２の表面に部分的に厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍの第１酸化膜１７を形成した状態で酸素イオン２２を注入する工程と、基板１２を１３００℃以上でアニール処理して基板１２の内部に埋込み酸化膜１３を形成する工程とを含む。酸素イオン２２を注入する工程とアニール処理する工程の間に、第１酸化膜１７を薄層化して厚さが埋込み酸化膜以上の第２酸化膜１９を形成するか又は第１酸化膜１７と同一の部分に第１酸化膜１７に代えて第２酸化膜を形成する工程を含む。第２酸化膜は、第１酸化膜をエッチングして形成することが好ましく、そのエッチングは、第１酸化膜でマスクされていない基板の表面にレジスト層２１を形成した後に行うことが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶からなる基板（１２）の表面に部分的に厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍの第１酸化膜（１７）を形成した状態で酸素イオン（２２）を注入する工程と、前記基板（１２）を１３００℃以上でアニール処理して前記基板（１２）の内部に埋込み酸化膜（１３）を形成する工程とを含むＳＯＩ基板の製造方法において、
前記酸素イオン（２２）を注入する工程と前記アニール処理する工程の間に、前記基板（１２）の表面の前記第１酸化膜（１７）を薄層化して厚さが前記埋込み酸化膜（１３）以上の第２酸化膜（１９）を形成するか又は前記第１酸化膜（１７）と同一の部分に前記第１酸化膜（１７）に代えて厚さが前記第１酸化膜（１７）未満であって前記埋込み酸化膜（１３）以上の第２酸化膜（１９）を形成する工程を含む
ことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項２】
第２酸化膜（１９）の形成が、第１酸化膜（１７）を異方性エッチングすることにより前記第１酸化膜（１７）を薄層化することにより行われる請求項１記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項３】
第１酸化膜（１７）の異方性エッチングが、第１酸化膜（１７）でマスクされていない基板（１２）の表面にレジスト層（２１）を形成した後に行われる請求項２記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項４】
アニール処理は、酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持することにより行われる請求項１ないし３いずれか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項５】
シリコン単結晶からなる基板（１２）の内部に埋込み酸化膜（１３）が形成されたＳＯＩ基板において、
前記埋込み酸化膜（１３）を形成した部分と形成しない部分における前記基板（１２）表面の段差が０〜３０ｎｍであることを特徴とするＳＯＩ基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）法によりシリコン基板内部に部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌｓｔｅｒ）基板の製造方法及びその方法により得られたＳＯＩ基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン基板内部に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板は、高速、低消費電力用デバイス用基板への使用を期待されている。このうち、シリコン基板内部に全面ではなく、部分的に埋込み酸化膜を有するＳＯＩ基板（以下、「部分ＳＯＩ基板」と呼ぶ。）はアナログ、ロジック、メモリ混載のシステムＬＳＩにおいて、例えばロジック部のみを埋込み酸化膜のＳＯＩ領域に形成し、埋込み酸化膜がないバルクＳｉ部分にメモリ部を製造するなどができることなどから重要視されている。
【０００３】
この種の部分ＳＯＩ基板の製造方法として、次のような方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。即ち、図２に示すように、先ずシリコン基板２（基板２はシリコン単結晶棒の軸に直交する面で切出される。）の表面に表面酸化膜４を形成し（図２（ａ））、この表面酸化膜４の表面にフォトリソグラフィによりパターニングしたレジスト層６を形成する（図２（ｂ）及び（ｃ））。次いで表面酸化膜４を異方性エッチングによりパターニングし（図２（ｄ））、レジスト層６を除去した後に（図２（ｅ））、基板２を洗浄する。次に基板２の表面の垂線に対して７度傾けた方向から酸素イオン７を基板２に注入し（図２（ｆ））、基板２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して表面酸化膜４を除去する（図２（ｇ））。そしてアルゴン及び酸素の混合ガス、或いは窒素及び酸素の混合ガスの雰囲気中で１３００℃以上に所定時間保持してアニール処理して埋込み酸化膜３を形成する（図２（ｈ））。その後、基板２を再びフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬し、アニールの際に基板２表面に形成された酸化膜５を除去している（図２（ｉ））。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−８２５２５号公報（請求項２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の埋込み酸化膜の形成方法では、アニール処理して埋込み酸化膜３を形成する際にその体積が約２．２倍に膨張して基板２の表面が膨らみ、図２（ｈ）及び（ｉ）に示すように、埋込み酸化膜３を形成した部分と形成しない部分における基板２の表面に少なくとも３０ｎｍを超える段差が生じてしまう不具合があった。そして、この段差を有する基板２の表面に半導体装置を形成するとフォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれる問題があった。
本発明の目的は、埋込み酸化膜を形成した部分と形成しない部分における基板２の表面における段差を減少させ、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消し得るＳＯＩ基板の製造方法及びＳＯＩ基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、シリコン単結晶からなる基板１２の表面に部分的に厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍの第１酸化膜１７を形成した状態で酸素イオン２２を注入する工程と、基板１２を１３００℃以上でアニール処理して基板１２の内部に埋込み酸化膜１３を形成する工程とを含むＳＯＩ基板の製造方法の改良である。
その特徴ある点は、酸素イオン２２を注入する工程とアニール処理する工程の間に、基板１２の表面の第１酸化膜１７を薄層化して厚さが埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成するか又は第１酸化膜１７と同一の部分に第１酸化膜１７に代えて厚さが第１酸化膜１７未満であって埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成する工程を含むところにある。
請求項５に係る発明は、シリコン単結晶からなる基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成されたＳＯＩ基板の改良である。
その特徴ある構成は、埋込み酸化膜１３を形成した部分と形成しない部分における基板１２表面の段差が０〜３０ｎｍであるところにある。
【０００７】
この請求項１に係るＳＯＩ基板の製造方法では、アニール処理により基板１２の表面は酸化して酸化層２３が形成され、この酸化層２３は、第２酸化膜１９でマスクされていない部分、即ち埋込み酸化膜１３が形成された部分で早く、第２酸化膜１９でマスクされている部分で遅く進行する。従って、埋込み酸化膜１３が形成された状態でその酸化層２３は、埋込み酸化膜１３が形成された部分における厚膜部分２３ａと、第２酸化膜１９でマスクされている部分における薄膜部分２３ｂとを有する。よって、アニール処理により酸化膜１３は膨張して基板１２の表面が膨らむけれども、その段差は、その時基板１２に形成される酸化層２３の厚膜部分２３ａと薄膜部分２３ｂとの差として吸収される。この結果、アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、第２酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層２３を除去することにより、埋込み酸化膜１３が膨張して基板１２の表面に形成された段差は、酸化層２３の厚膜部分２３ａとともに除去され、酸化層２３の薄膜部分２３ｂが除去される際に、埋込み酸化膜１３を形成した部分と形成しない部分における基板１２の表面における段差を０〜３０ｎｍにすることができる。
この請求項５に係るＳＯＩ基板では、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、第２酸化膜１９の形成が、第１酸化膜１７を異方性エッチングすることによりその第１酸化膜１７を薄層化することにより行われるＳＯＩ基板の製造方法である。
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明であって、第１酸化膜１７の異方性エッチングが、第１酸化膜１７でマスクされていない基板１２の表面にレジスト層２１を形成した後に行われるＳＯＩ基板の製造方法である。
この請求項２に係るＳＯＩ基板の製造方法では、第２酸化膜１９の形成が比較的容易になり、請求項３に係るＳＯＩ基板の製造方法では、第１酸化膜１７のエッチング時における基板１２表面がエッチングされることを防止することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、アニール処理は、酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持することにより行われるＳＯＩ基板の製造方法である。
この請求項４に係るＳＯＩ基板の製造方法では、アニール処理により酸化膜１３が膨張することにより生じる基板１２表面の膨らみ量と、基板１２に形成される酸化層２３の厚膜部分２３ａと薄膜部分２３ｂとの差を一致させて、埋込み酸化膜１３を形成した部分と形成しない部分における基板１２の表面における段差を有効に解消させることができる。
ここで、この明細書において「酸化性雰囲気」とは、不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気を含む。この場合における酸化性雰囲気は、酸素１００容量％を含み、酸素の好ましい含有量は０．５〜９０容量％であり、更に好ましい含有量は４０〜７０容量％である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（ｋ）に示すように、ＳＯＩ基板１１はシリコン基板１２と、この基板１２の内部に形成された埋込み酸化膜１３とを有する。基板１２はチョクラルスキー（ＣＺ）法により育成されたシリコン単結晶棒の軸に直交する面［シリコン単結晶の結晶構造の（１００）面］に沿って薄板状に切出される。また埋込み酸化膜１３は次のようにして形成される。なお、基板はＣＺ法ではなく、フローティング・ゾーン（ＦＺ）法等により育成されたシリコン単結晶棒又はシリコン単結晶板から切出してもよい。
【００１１】
先ず基板１２の表面に表面酸化膜１４を形成する（図１（ａ））。この表面酸化膜１４はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）であり、基板１２を熱酸化することにより、又は化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成される。また表面酸化膜１４の厚さは２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲、好ましくは５００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内に形成される。表面酸化膜１４の厚さを２００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲に限定したのは、２００ｎｍ未満では後述する酸素イオン２２が表面酸化膜１４を通過して基板１２に注入されるおそれがあり、１０００ｎｍ以下で酸素イオンを十分に遮断することができるからである。次いで表面酸化膜１４の表面にフォトリソグラフィにより所定のパターンのレジスト層１６を形成する（図１（ｂ）及び（ｃ））。このレジスト層１６をフォトマスク１８を用いて露光し（図１（ｂ））、現像及びリンスを経て、レジスト層１６に所定のパターンが形成される（図１（ｃ））。
【００１２】
上記レジスト層１６をマスクにして表面酸化膜１４を基板１２の表面に対して垂直方向に異方性エッチングを行う（図１（ｄ））。異方性エッチングはこの実施の形態では反応性イオンエッチングである。反応性イオンエッチングでは、図示しないが反応室内に設置された２枚の対向電極のうち下側電極に基板を載せ、これらの電極に高周波電圧を印加してプラズマを誘起することで、ＣＦ４又はＳＦ６等のエッチングガスより反応性の高いラディカルイオン核種を形成し、プラズマ及び基板１２間に生じる自己バイアス電位差により基板１２に数十から数百ｅＶの上記ラディカルイオンが入射し、このラディカルイオンによるスパッタ作用と化学反応の両方の効果で表面酸化膜１４のエッチングが進行する。このため表面酸化膜１４の内周縁はアンダカットのない垂直なエッチング形状となる。なお、異方性エッチングとして、ＥＣＲプラズマエッチングを用いてもよい。エッチング終了後、硫酸過水等によりレジスト層１６を除去し、エッチングされずに基板表面に残存した表面酸化膜１４からなる厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍの第１酸化膜１７を基板１２の表面に部分的に形成し（図１（ｅ））、その後、洗浄する。
【００１３】
次に第１酸化膜１７をマスクにして基板１２の表面に垂直に酸素イオン２２を注入する（図１（ｆ））。このときの酸素イオン２２の注入条件は注入量が１×１０１７／ｃｍ２〜２×１０１８／ｃｍ２、好ましくは２×１０１７／ｃｍ２〜５×１０１７／ｃｍ２であり、注入エネルギが２０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ、好ましくは６０ｋｅＶ〜１８０ｋｅＶである。
【００１４】
次に、基板１２の表面の第１酸化膜１７を薄層化して厚さが後述する埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成するか、又は第１酸化膜１７と同一の部分にその第１酸化膜１７に代えて厚さが第１酸化膜１７未満であって埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成する。そしてこの実施の形態では、図１（ｇ）及び（ｈ）に示すように、基板１２の表面の第１酸化膜１７を薄層化して第２酸化膜１９を形成する場合を示し、第１酸化膜１７を異方性エッチングすることによりその第１酸化膜１７を薄層化する。そして、第１酸化膜１７の異方性エッチングは、第１酸化膜１７でマスクされていない基板１２の表面にレジスト層２１を形成した後に行われる（図１（ｇ））。レジスト層２１の形成は先に説明したレジスト層１６と同一の手順により行われる。具体的に説明すると、第１酸化膜１７が一部に形成された基板１２の表面全体にフォトリソグラフィによりレジスト層２１を形成し、このレジスト層２１を図示しないフォトマスクを用いて露光し、現像及びリンスを経て、第１酸化膜１７上に形成されたレジスト層２１を除去し、第１酸化膜１７でマスクされていない基板１２の表面にレジスト層２１を残存させる。このようにして、第１酸化膜１７でマスクされていない基板１２の表面にレジスト層２１を形成する。
【００１５】
図１（ｈ）に示すように、このレジスト層２１をマスクにして第１酸化膜１７を基板１２の表面に対して垂直方向に異方性エッチングを行い、その第１酸化膜１７を薄層化して厚さが後述する埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成する。異方性エッチングはこの実施の形態では反応性イオンエッチングである。第２酸化膜１９の厚さを埋込み酸化膜１３以上に限定したのは、埋込み酸化膜１３未満では後述するアニール時に基板１２の表面における酸化速度が速くなるからであり、第１酸化膜１７以上であると後述するアニール時に基板１２の表面における酸化が期待できなくなるからである。第１酸化膜１７を薄層化して第２酸化膜１９を形成した後、硫酸過水等によりレジスト層２１を除去し、洗浄する。なお、上記では第１酸化膜１７を薄層化する手段として異方性エッチングに言及しているが、この薄層化はそれに限定されるものではなく、ウエットエッチングを用いても良い。
【００１６】
次に、基板１２を酸化性雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持した後に徐冷するアニール処理を行う（図１（ｊ））。酸化性雰囲気とは、不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気を含み、アルゴン及び酸素の混合ガス雰囲気、或いは窒素及び酸素の混合ガス雰囲気が例示される。この場合における酸化性雰囲気は、酸素１００容量％を含み、酸素の好ましい含有量は０．５〜９０容量％であり、更に好ましい含有量は４０〜７０容量％である。酸素含有率が０．５％未満では後述するアニール時に基板１２の表面における酸化が期待できないからである。
【００１７】
このアニール処理により基板１２の酸素イオン２２が注入された部分の酸化が促進されて、基板１２の内部に埋込み酸化膜１３が形成される。この埋込み酸化膜３を形成する際に、その酸化膜１３は膨張して基板１２の表面が膨らみ、図１（ｊ）に示すように、埋込み酸化膜３を形成した部分と形成しない部分における基板２の表面に段差が生じる。
【００１８】
一方、アニール処理は基板１２を炉の内部に水平に配置することにより行われるため、基板１２の表面は酸化して酸化層２３が形成される。この酸化層２３は、第２酸化膜１９でマスクされていない部分、即ち埋込み酸化膜１３が形成された部分で早く、第２酸化膜１９でマスクされている部分で遅く進行する。この結果、埋込み酸化膜１３が形成された状態でその酸化層２３は、埋込み酸化膜１３が形成された部分における厚膜部分２３ａと、第２酸化膜１９でマスクされている部分における薄膜部分２３ｂとを有する。従って、アニール処理により酸化膜１３は膨張して基板１２の表面が膨らむけれども、その段差は、基板１２に形成される酸化の厚膜部分２３ａと薄膜部分２３ｂとの差として吸収される。
【００１９】
アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、上記基板１２をフッ酸アンモニウム水溶液及びフッ酸の混合液（エッチング液）に浸漬して第２酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層２３を除去する（図１（ｋ））。すると、埋込み酸化膜１３が膨張して基板１２の表面に形成された段差は、酸化層２３の厚膜部分２３ａとともに除去され、酸化層２３の薄膜部分２３ｂが除去される際に、埋込み酸化膜１３を形成した部分と形成しない部分における基板１２の表面における段差を０〜３０ｎｍにすることができる。
【００２０】
即ち、酸素イオン２２を注入する工程とアニール処理する工程の間に、基板１２の表面の第１酸化膜１７を薄層化して厚さが埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成するか又は第１酸化膜１７と同一の部分に第１酸化膜１７に代えて厚さが第１酸化膜１７未満であって埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成する工程を含ませるので、アニール処理により埋込み酸化膜１３が形成された状態で生じる基板１２の表面における段差は、その時基板１２に形成される酸化層２３の厚膜部分２３ａと薄膜部分２３ｂとの差として吸収される。この結果、アニール処理により埋込み酸化膜１３を形成した後、第２酸化膜１９及びアニール時に基板１２の表面に新たに形成された酸化層２３を除去することにより、埋込み酸化膜１３を形成した部分と形成しない部分における基板１２の表面における段差を０〜３０ｎｍにすることができる。そしてこの段差が０〜３０ｎｍのＳＯＩ基板は、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。
【００２１】
なお、上述した実施の形態では、基板１２の表面の第１酸化膜１７を薄層化して厚さが埋込み酸化膜１３以上の第２酸化膜１９を形成する例を説明したが、第２酸化膜１９は第１酸化膜１７と同一の部分に第１酸化膜１７に代えて形成しても良い。
また、上述した実施の形態では、第１酸化膜１７の異方性エッチングが、第１酸化膜１７でマスクされていない基板１２の表面にレジスト層２１を形成した後に行われる例を示したが、第１酸化膜１７のエッチング時における基板１２表面がエッチングされることを防止し得る限り、このレジスト層２１を形成することなく、第１酸化膜１７の異方性エッチングを行ってもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸素イオンを注入する工程とアニール処理する工程の間に、基板の表面の第１酸化膜を薄層化して厚さが埋込み酸化膜以上の第２酸化膜を形成するか又は第１酸化膜と同一の部分に第１酸化膜に代えて厚さが第１酸化膜未満であって埋込み酸化膜以上の第２酸化膜を形成する工程を含ませたので、アニール処理により酸化膜は膨張して基板の表面が膨らむけれども、その段差は、その時基板に形成される酸化層の厚膜部分と薄膜部分との差として吸収することができる。この結果、アニール処理により埋込み酸化膜を形成した後、第２酸化膜及びアニール時に基板の表面に新たに形成された酸化層を除去することにより、埋込み酸化膜が膨張して基板の表面に形成された段差は、酸化層の厚膜部分とともに除去され、酸化層の薄膜部分が除去される際に、埋込み酸化膜を形成した部分と形成しない部分における基板の表面における段差を０〜３０ｎｍにして、フォトリソグラフィ工程においてフォーカスがずれるという不具合を解消することができる。
【００２３】
また、第２酸化膜を形成する工程が、第１酸化膜を異方性エッチングすることにより第１酸化膜を薄層化することであれば、その第２酸化膜の形成が比較的容易になり、第１酸化膜の異方性エッチングが、第１酸化膜でマスクされていない基板の表面にレジスト層を形成した後に行われれば、第１酸化膜のエッチング時における基板表面がエッチングされることを防止することができる。
更に、アニール処理は、酸化性雰囲気中で、１３００〜１３８０℃の温度範囲内で２〜２０時間保持することにより行われれば、アニール処理により酸化膜が膨張することにより生じる基板表面の膨らみ量と、基板に形成される酸化層の厚膜部分と薄膜部分との差を一致させて、埋込み酸化膜を形成した部分と形成しない部分における基板の表面における段差を確実に０〜３０ｎｍにさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態ＳＯＩ基板のＳＯＩ構造素子の製造方法を工程順に示す断面図。
【図２】従来例を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
１１  ＳＯＩ基板
１２  基板
１３  埋込み酸化膜
１７  第１酸化膜
１９  第２酸化膜
２１  レジスト層
２２  酸素イオン
【図１】
2004193185.tif 000003
【図２】
2004193185.tif 000004