(57)【要約】【課題】埋め込みシリコン酸化膜形成のためのイオン注入時およびその熱処理時だけでなく、デバイス工程での熱処理時にも、金属不純物を十分にゲッタリング可能なＳＩＭＯＸ基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】バルク層１３に形成された高濃度ボロン層１４に１×１０１３／ｃｍ２以上の密度でイオン注入されたボロンと、このボロンのイオン注入に起因するシリコン単結晶基板１０の裏面側部のシリコン格子の乱れとにより、デバイス工程の熱処理時、ＳＩＭＯＸ基板２０の内部の金属不純物ｃが十分にゲッタリングされる。その結果、埋め込みシリコン酸化膜を形成するための酸素イオン注入時およびその熱処理時だけでなく、デバイス工程での熱処理時にも、重金属汚染ｃをなくすことができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面シリコン層とバルク層との間に、イオン注入および熱処理により埋め込みシリコン酸化膜が形成されたＳＩＭＯＸ基板において、
前記バルク層が、１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を含有しているＳＩＭＯＸ基板。
【請求項２】
シリコン単結晶基板の裏面から１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でボロンをイオン注入するボロンイオン注入工程と、
該ボロンのイオン注入後、前記シリコン単結晶基板の表面から酸素イオンを注入し、所定の深さでこの酸素をシリコンと結合させる酸素イオン注入工程と、
該酸素のイオン注入後、前記シリコン単結晶基板を熱処理し、前記酸素とシリコンとの結合部分に埋め込みシリコン酸化膜を形成するとともに、前記シリコン単結晶基板の表面側に表面シリコン層を形成する一方、前記シリコン単結晶基板の裏面側に、前記イオン注入されたボロンを溶融および結合して得られた高濃度ボロン層を含むバルク層を形成する熱処理工程とを備えた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ＳＩＭＯＸ基板およびその製造方法、詳しくは所定の密度でバルク層の内部に形成したボロン層により、埋め込みシリコン酸化膜を形成するための酸素イオン注入時およびその熱処理時だけでなく、デバイス工程での熱処理時にも、不純物を十分にゲッタリング可能なＳＩＭＯＸ基板の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコン基板上に構成されるＬＳＩの高集積化、多機能化の要請が厳しくなるにつれ、各素子間の分離が重要な課題となっている。その解決方法の一つとして、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が開発されている。
それまでのＬＳＩは、厚さ５００〜８００μｍを有するシリコンウェーハの表層（十数μｍの厚さ）に、電気回路素子が集積されていた。これに対してＳＯＩ基板は、デバイスを形成するＳＯＩ層と、これを裏面側から支持する支持基板用ウェーハとの間に、厚さ約０．１μｍ〜数μｍの埋め込み酸化膜（シリコン酸化膜）を介在させたものである。
ＳＯＩ基板では、埋め込み酸化膜によって各デバイス間が完全に分離されている。そのため、３次元構造による多機能化を含むデバイスの高集積化が図れ、またソフトエラーも低減して信頼性が高まる。さらには、消費電力も低減する。
【０００３】
このようなＳＯＩ基板の一種として、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎ）基板が開発されている。ＳＩＭＯＸ基板は、表面シリコン層、埋め込みシリコン酸化膜およびバルク層という３つの層により構成されている。
ＳＩＭＯＸ基板の製造方法にあっては、例えば酸素イオンを３０〜２００ｋｅＶに加速し、これを表面側からシリコン単結晶基板の内部に１０１８ａｔｍｓ／ｃｍ３の密度でイオン注入する。この注入された酸素イオンは、所定の深さまで侵入してエネルギーを失い酸素原子となる。そのとき、酸素原子とシリコン原子とが反応し、ＳｉＯ２を含むシリコン酸化物が生成する。次に、１１００℃以上の熱処理（以下、高温アニール）により酸素とシリコンとを十分に反応させ、ＳｉＯ、Ｓｉ２Ｏ３などの結合状態が弱い低級酸化物の結合力を強化し、絶縁体層である埋め込み酸化膜を形成する。この埋め込み酸化膜の厚さは、酸素イオンの注入量によって決定される。ここでいう結合とは、共有結合、イオン結合、金属結合といった分子や結晶を形成する原子またはイオン間の結合である。
ＳＩＭＯＸ法によれば、１枚のシリコン単結晶基板によりＳＯＩ基板が得られ、シリコン酸化膜の表層の均一な深さ位置に埋め込みシリコン酸化膜を形成することができる。さらには、十分に表面研磨したシリコン単結晶基板を用いれば、後に再研磨する必要がないといった利点がある。
【０００４】
ところで、ＳＩＭＯＸ基板の表面シリコン層に半導体デバイスを形成するデバイス工程では、表面シリコン層に対する金属不純物（鉄、銅、ニッケルなど）の汚染度合いが重要視される。それだけではなく、ＳＩＭＯＸ基板の特有の課題として、イオン注入工程および続く高温アニール工程で重金属汚染が発生し、これが問題となる。これらの工程での重金属汚染によって製品出荷後も表面シリコン層に金属不純物が残留すると、表面シリコン層の表面近傍に欠陥や電気的な準位が形成され、デバイスの特性が劣化する。これにより、デバイス工程での歩留りが低下する。そのため、ＳＩＭＯＸ基板においては、イオン注入からデバイス工程までの継続したゲッタリング効果が求められることになる。
従来、このような重金属汚染の対策として、シリコン単結晶基板の内部に、前記金属不純物のゲッタリングサイトとなる酸素析出物などを形成するＩＧ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）処理、および、基板裏面に金属不純物をゲッタリングする多結晶シリコン膜などを堆積するＥＧ（Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ　Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）処理などが知られている。酸素析出物とは、熱処理過程でシリコン中に存在する酸素がＳｉＯ２として析出したものである。その大きさは１０〜５００ｎｍ程度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＧによる金属不純物のゲッタリングでは、ほとんどの酸素析出物が高温アニール時の熱によって溶体化する。その結果、デバイス工程で必要なゲッタリングサイト（ＩＧ）が確保されにくかった。
また、ＥＧによるゲッタリングでは、高温アニール時の熱により多結晶シリコンが単結晶化し、ゲッタリングができなくなるおそれがあった。
【０００６】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、あらかじめシリコン単結晶基板の裏面からボロンをイオン注入し、その後、シリコン単結晶基板を熱処理してボロンに起因する高濃度ボロン層を形成することで、金属不純物のゲッタリング効果がイオン注入工程からデバイス工程まで継続することを知見し、この発明を完成させた。
【０００７】
【発明の目的】
この発明は、デバイス工程での熱処理時に、金属不純物を十分にゲッタリングすることができるＳＩＭＯＸ基板を提供することを、その目的としている。
また、この発明は、イオン注入工程、高温アニール工程およびデバイス工程の各熱処理時に、金属不純物を十分にゲッタリングすることができる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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、表面シリコン層とバルク層との間に、イオン注入および熱処理により埋め込みシリコン酸化膜が形成されたＳＩＭＯＸ基板において、前記バルク層が、１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層を含有しているＳＩＭＯＸ基板である。
表面シリコン層の厚さは、例えば０．０１〜０．３μｍである。
また、埋め込みシリコン酸化膜の厚さは、例えば０．１〜０．５μｍである。好ましいボロンのドーズ量は１×１０１４〜５×１０１４／ｃｍ２である。１×１０１３／ｃｍ２未満では、金属不純物のゲッタリング効果が不十分である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、シリコン単結晶基板の裏面から１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でボロンをイオン注入するボロンイオン注入工程と、該ボロンのイオン注入後、前記シリコン単結晶基板の表面から酸素イオンを注入し、所定の深さでこの酸素をシリコンと結合させる酸素イオン注入工程と、該酸素のイオン注入後、前記シリコン単結晶基板を熱処理し、前記酸素とシリコンとの結合部分に埋め込みシリコン酸化膜を形成するとともに、前記シリコン単結晶基板の表面側に表面シリコン層を形成する一方、前記シリコン単結晶基板の裏面側に、前記イオン注入されたボロンを溶融および結合して得られた高濃度ボロン層を含むバルク層を形成する熱処理工程とを備えたＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
【００１０】
【作用】
請求項１に記載のＳＩＭＯＸ基板によれば、バルク層の高濃度ボロン層に１×１０１３／ｃｍ２以上の密度でイオン注入されたボロンと、このイオン注入に起因したシリコン単結晶基板の裏面側部のシリコン格子の乱れとにより、デバイス工程の熱処理時、ＳＩＭＯＸ基板の内部の金属不純物が十分にゲッタリングされ、デバイス工程の熱処理時における重金属汚染をなくすことができる。
【００１１】
また、請求項２に記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法によれば、酸素イオン注入前に、金属不純物のゲッタリングが可能なように、ボロンを１×１０１３／ｃｍ２以上の密度でシリコン単結晶基板の裏面側に注入しておく。これにより、酸素のイオン注入時、シリコン単結晶基板内の金属不純物がボロンと、このボロンのイオン注入に伴う転位とにより十分にゲッタリングされる。その結果、酸素イオン注入時の重金属汚染をなくすことができる。
続く、高温アニール時では、注入された酸素とシリコンとの結合部分に埋め込みシリコン酸化膜が形成される。また、バルク層の内部では、イオン注入されたボロンが溶融および結合し、高濃度ボロン層が形成される。このとき、高濃度ボロン層の一部によって、高温アニール時のシリコン単結晶基板内の金属不純物を十分にゲッタリングすることができる。しかも、この高濃度ボロン層は、引き続きデバイス工程の熱処理時における金属不純物のゲッタリングサイトとなる。これにより、イオン注入時、高温アニール時およびデバイス工程における各熱処理時において、金属不純物を十分にゲッタリングすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例に係るＳＩＭＯＸ基板およびその製造方法を説明する。図１は、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。図２は、この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の表面におけるイオン注入後の銅濃度を示すグラフである。図３は、この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の高温アニール後の表面における銅濃度を示すグラフである。図４は、この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の表面におけるデバイス形成工程を想定した模擬試験における銅濃度を示すグラフである。
この実施例によれば、初期酸素濃度が１４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単結晶シリコンインゴットを、ＣＺ法により引き上げる。その後、得られた単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、ラッピング、鏡面研磨などを施し、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍの鏡面仕上げされたシリコン単結晶基板１０を用意する（図１（ａ））。
【００１３】
次に、中電流イオン注入装置を使用して、１００ｋｅＶの加速電圧により、シリコン単結晶基板１０の内部に、その裏面側からボロンイオンを１０１４／ｃｍ２のドーズ量で注入する（図１（ｂ））。ボロンイオンの注入深さは約０．５μｍである。その後、シリコン単結晶基板を表裏反転し、１００ｋｅＶの加速電圧により、シリコン単結晶基板１０の内部に、その表面側から酸素イオンを１０１８ａｔｍｓ／ｃｍ３で注入する（図１（ｃ））。酸素イオンの注入深さは約０．５μｍである。このとき、シリコン単結晶基板１０内の金属不純物ｃがボロンａと、このボロンａのイオン注入に伴うシリコン単結晶基板１０の裏面側の部分に発生した転位とにより、十分にゲッタリングされる。その結果、酸素イオン注入時の重金属汚染をなくすことができる。
【００１４】
そして、シリコン単結晶基板１０をあらかじめ７００℃に保持した熱処理炉に投入し、１３２０℃で１０時間、高温アニールを施す（図１（ｄ））。これにより、注入された酸素とシリコンとが結合して酸化物ｂが析出された部分に埋め込みシリコン酸化膜１２が形成される。その結果、シリコン単結晶基板１０の表面側に表面シリコン層１１が形成される一方、シリコン単結晶基板１０の裏面側に、イオン注入されたボロンａに起因して高濃度ボロン層１４を含有したバルク層１３が形成される（図１（ｅ））。埋め込みシリコン酸化膜１２の膜厚は約０．３μｍ、高濃度ボロン層１４の膜厚は約０．３μｍ、ボロン濃度は約１０１８ｃｍ３である。
高温アニール時、熱処理炉内の金属不純物ｃがシリコン単結晶基板１０の露出面に付着し、これを汚染する。しかしながら、約１０１８ｃｍ３という高濃度ボロン層１４の一部がゲッタリングサイトとなり、熱処理炉からシリコン単結晶基板１０に移行し、シリコン単結晶基板１０の内部に熱拡散された金属不純物ｃを十分にゲッタリングすることができる。
【００１５】
この高濃度ボロン層１４は、高温アニールに引き続いて、デバイス工程の熱処理時における金属不純物ｃのゲッタリングサイトとなる。以上のことから、イオン注入時、高温アニール時、デバイス工程における各熱処理時において、金属不純物ｃを十分にゲッタリングすることができる。
こうして、シリコン単結晶基板１０の表面側に表面シリコン層１１（厚さ約０．２μｍ）、シリコン単結晶基板の裏面側にバルク層１３、バルク層１３の内部に高濃度ボロン層１４（厚さ約０．３μｍ）が分離・形成されたＳＩＭＯＸ基板２０が得られる。その後、炉内温度が７００℃になるまで冷却し、得られたＳＩＭＯＸ基板２０を炉内より取り出す。
【００１６】
得られたＳＩＭＯＸ基板２０は、バルク層１３内に１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でイオン注入された高濃度ボロン層１４が形成されている。そのため、デバイス工程における熱処理時に、ＳＩＭＯＸ基板２０の内部に含まれる銅、ニッケルといった金属不純物ｃを十分にゲッタリングすることができる。その結果、デバイス工程の熱処理時における重金属汚染がなくなる。
また、一実施例では、あらかじめシリコン単結晶基板１０の裏面からボロンを１０１４／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入し、その後、シリコン単結晶基板１０を熱処理して高濃度ボロン層１４を形成するようにしている。そのため、金属不純物ｃのゲッタリング効果をイオン注入工程からデバイス工程まで継続させることができる。
さらに、高温アニール工程では、シリコン単結晶基板１０を１３２０℃、１０時間熱処理するようにしたので、シリコン単結晶基板１０の内部に高品質の埋め込みシリコン酸化膜１２と高品質の高濃度ボロン層１４とを同時に形成することができる。
【００１７】
ここで、図２，図３の各グラフに基づき、一実施例により得られたＳＩＭＯＸ基板（本発明）と、酸素のイオン注入だけでボロンをイオン注入しなかった従来のＳＩＭＯＸ基板とに対して、イオン注入後または高温アニール後に行った銅汚染の試験結果をそれぞれ報告する。汚染の度合いは、原子吸光法による測定で求めた。
図２のグラフには、この発明のＳＩＭＯＸ基板および従来のＳＩＭＯＸ基板に対して、一実施例と同じ条件で所定のイオン注入を施し、その後、室温で１０日間保持し、各ＳＩＭＯＸ基板の表面の銅濃度をそれぞれ測定したときの結果を示す。図２のグラフから明らかなように、この発明のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、試験例１，２として示す）には、イオン注入後、銅がほとんど検出されなかった。これに対して、従来のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、比較例１，２として示す）には、イオン注入後、銅が５〜７×１０１０／ｃｍ２の濃度で検出された。すなわち、この試験結果は、この発明のＳＩＭＯＸ基板が従来のＳＩＭＯＸ基板に比べて、イオン注入時のＩＧ効果に優れていることを示している。
【００１８】
図３のグラフには、この発明のＳＩＭＯＸ基板および従来のＳＩＭＯＸ基板に対して、一実施例と同じ条件で所定のイオン注入および高温アニールを施した後、室温で１０日間保持し、各ＳＩＭＯＸ基板の表面の銅濃度を測定したときの結果を示す。
図３のグラフから明らかなように、この発明のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、試験例１，２として示す）には、イオン注入後、銅がほとんど検出されなかった。これに対して、従来のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、比較例１，２として示す）には、イオン注入後、銅が１０×１０１０／ｃｍ２の濃度で検出された。この試験結果は、この発明のＳＩＭＯＸ基板が従来のＳＩＭＯＸ基板に比べて、高温アニール時のＩＧ効果に優れていることを示している。
【００１９】
次に、図４のグラフに基づき、この発明のＳＩＭＯＸ基板および従来のＳＩＭＯＸ基板に対して、デバイス工程における銅のＩＧ効果を判断するために行った銅の強制汚染試験の結果を報告する。
すなわち、この発明のＳＩＭＯＸ基板の表面および従来のＳＩＭＯＸ基板の表面を、あらかじめ１×１０１２／ｃｍ２の濃度の銅で汚染する。次に、デバイス工程に相当する熱処理を施して銅を拡散させた。それから、これを室温で１０日間保持した後、原子吸光法により、各ＳＩＭＯＸ基板の表面に対して、銅による汚染度合いを測定した。
図４のグラフに示すように、この発明のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、試験例１，２として示す）には、表面の銅濃度は検出限界値以下であった。これに対して、従来のＳＩＭＯＸ基板の場合（図中、比較例１，２として示す）には、銅が汚染量の１／２相当の４〜６×１０１１／ｃｍ２程度も検出された。この試験結果から、デバイス工程においても、この発明のＳＩＭＯＸ基板はＩＧ効果に優れていることが判明した。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に記載のＳＩＭＯＸ基板によれば、ＳＩＭＯＸ基板のバルク層が、１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量の高濃度ボロン層を含有するので、デバイス工程の熱処理時、金属不純物を十分にゲッタリングすることができる。
【００２１】
また、請求項２に記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法によれば、酸素イオン注入前に、ボロンを１×１０１３／ｃｍ２以上のドーズ量でイオン注入するので、酸素イオン注入時に金属不純物を十分にゲッタリングすることができる。しかも、熱処理時に形成された高濃度ボロン層をゲッタリングサイトとして、この熱処理時およびデバイス形成工程の熱処理時において、金属不純物をそれぞれ十分にゲッタリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の表面におけるイオン注入後の銅濃度を示すグラフである。
【図３】この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の高温アニール後の表面における銅濃度を示すグラフである。
【図４】この発明および従来法により製造されたＳＩＭＯＸ基板の表面におけるデバイス形成工程を想定した模擬試験における銅濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　シリコン単結晶基板、
１１　表面シリコン層、
１２　埋め込みシリコン酸化膜、
１３　バルク層、
１４　高濃度ボロン層、
２０　ＳＩＭＯＸ基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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