(57)【要約】【課題】本発明の目的は、エネルギーの異なる酸素イオンビームを同一のシリコンウエハに注入することにより、低加速電圧による注入で、極薄ＳＯＩと厚いＢＯＸを形成するウエハの処理方法を提供することにある。【解決手段】本発明では、上記課題を解決するために、それぞれ異なったエネルギーの酸素イオンビームを、同一のウエハに注入することを特徴とする。【効果】上記方法によれば、半分程度の加速電圧で、同等の厚さのＳＯＩとＢＯＸのＳＩＭＯＸウエハを製造できるので、注入装置の低価格化が可能になる。【選択図】　図１
2004006763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハに酸素イオンを注入した後に高温熱処理することにより、シリコンウエハ中に酸化膜を形成するウエハの処理方法において、
前記シリコンウエハに対し、エネルギーが１２０ｋｅＶ未満の第一の酸素イオンと、エネルギーが１２０ｋｅＶ以上１８０ｋｅＶ以下の第二の酸素イオンを注入することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第一の酸素イオンと第二の酸素イオンは、同一のシリコンウエハに注入されることを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記第一と第二の酸素イオンを同時に前記シリコンウエハに注入することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項４】
シリコンウエハに酸素イオンを注入し、アルゴン雰囲気中で前記酸素イオンが注入されたシリコンウエハの高温熱処理を行うことで、シリコンウエハ内に埋め込み酸化膜層を形成し、当該高温熱処理が行われたシリコンウエハを酸素雰囲気中で高温熱処理を行うことで、前記埋め込み酸化膜層上のシリコン層を薄膜化すると共に、前記埋め込み酸化膜を厚膜化するウエハの処理方法であって、
異なる少なくとも２つのエネルギーの酸素イオンを注入し、異なる深さの埋め込み酸化膜層を形成し、当該異なる深さの埋め込み酸化膜層が、合わせて１５０ｎｍ以上の酸化膜層となると共に、前記シリコン層が２０ｎｍ以下となるような条件で、前記２つのエネルギーの酸素を注入し、前記アルゴン雰囲気中と前記酸素雰囲気中での高温熱処理を行うことを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記シリコン層を１３０ｎｍ以上減少させるように、前記酸素雰囲気中での高温熱処理を行うことを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記高温熱処理によって、前記シリコン層を１３０ｎｍ以上減少させたときに、前記１５０ｎｍ以上の酸化膜層が形成されるような深さに、前記埋め込み酸化膜層を形成することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項７】
請求項４において、
前記ウエハの処理方法で形成された酸化膜層とシリコン層を有するシリコンウエハ。
【請求項８】
シリコンウエハに酸素イオンを注入した後に高温熱処理することにより、シリコンウエハ中に酸化膜を形成するウエハの処理方法において、
前記シリコンウエハに対し、異なる少なくとも２つのエネルギーのイオンを注入してシリコンウエハ内に、埋め込み酸化膜層を形成するウエハの処理方法であって、前記２つのエネルギーは、前記埋め込み酸化膜層の重なり、或いは埋め込み酸化膜層間の距離が、前記埋め込み酸化膜層の厚さの１０％以下であるように、前記イオン注入条件を調整することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記少なくとも２つのエネルギーのイオンは、同一のシリコンウエハに注入されることを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１０】
請求項８において、
前記少なくとも２つのエネルギーのイオンを同時に前記シリコンウエハに注入することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１１】
請求項８において、
前記２つのエネルギーの１つを１２０ｋｅＶ未満、他の１つを１２０ｋｅＶ以上１８０ｋｅＶ以下とすることを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１２】
請求項８において、
前記２つのエネルギーの１つを１５０ｋＶ以上１９０ｋＶ以下とし、他の１つを１９０ｋｅＶ以上２４０ｋｅＶ以下とすることを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１３】
シリコンウエハに酸素イオンを注入した後に高温熱処理することにより、シリコンウエハ中に酸化膜を形成するウエハの処理方法において、
前記シリコンウエハに対し、異なる少なくとも２つのエネルギーのイオンを注入してシリコンウエハ内に、埋め込み酸化膜層を形成するウエハの処理方法であって、前記２つのエネルギーの差を、３０ｋｅＶ以上７０ｋｅＶ以下とすることを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記シリコンウエハの電位を調整することで、シリコンウエハに到達するイオンのエネルギーを調整することを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１５】
シリコンウエハに酸素イオンを注入し、アルゴン雰囲気中で前記酸素イオンが注入されたシリコンウエハの高温熱処理を行うことで、シリコンウエハ内に埋め込み酸化膜層を形成し、当該高温熱処理が行われたシリコンウエハを酸素雰囲気中で高温熱処理を行うことで、前記埋め込み酸化膜層上のシリコン層を薄膜化すると共に、前記埋め込み酸化膜を厚膜化するウエハの処理方法であって、
１３０ｎｍ以上の深さに埋め込み酸化膜層が形成される注入条件で、第１の酸素イオンを注入するステップと、
前記酸素雰囲気中での高温熱処理によって、前記シリコン層を１３０ｎｍ以上減少させたときに、前記第１の酸素イオン層と合わせて所定の厚さ以上の酸化膜が形成されるような条件で、第２の酸素イオンを注入するステップを備えたことを特徴とするウエハの処理方法。
【請求項１６】
イオン源と、当該イオン源から引出されたイオンの中から酸素イオンを抽出するための質量分離部と、当該質量分離部によって抽出された酸素イオンが注入される試料を保持するホルダと、当該ホルダを含む空間を真空雰囲気とする注入室と、前記試料に到達するイオンのエネルギーを制御する制御装置を備えたイオン注入装置において、
前記制御装置は、前記ホルダに保持された同一試料に対し、異なる２つのエネルギーの酸素イオンを注入するようにエネルギーを制御すると共に、当該酸素エネルギーの１つを９０ｋｅＶ以上とし、他の１つを１２０ｋｅＶ以上とすることを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウエハの処理方法に係り、特に、埋め込み酸化膜の上に設けられたシリコンオンインシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、以下、ＳＯＩと略記）の厚さが１００ｎｍ以下の極薄ＳＯＩを形成するのに好適なウエハの処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速半導体素子を作るために、近年、極薄ＳＯＩが用いられている（例えば非特許文献１参照）。また、非特許文献２によれば、素子の微細化に伴い、ＳＯＩの薄膜化が進む。極薄ＳＯＩの製法の一つとして、ＳＩＭＯＸ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｏｘｉｇｅｎ）法がある。
【０００３】
従来のＳＩＭＯＸ法は、例えば、非特許文献３に記載されている。それによれば、先ず、シリコンウエハに酸素イオンビームを照射する。その後、アルゴン雰囲気中での高温熱処理（以下、アニールと略記）することにより、ウエハ中に埋め込み酸化膜層（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ、以下、ＢＯＸと略記）を形成する。次に、酸素雰囲気中で高温熱処理（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ、以下ＩＴＯＸと略記）を施し、酸化によりＳＯＩを薄膜化すると共に、ＳＯＩとＢＯＸの膜質を改善する。これにより、極薄のＳＯＩを形成する。
【０００４】
また、特許文献１では、酸素イオン注入中にＳｉの表面が削れるため、これを補正するために酸素イオンのエネルギーを変えて注入している。
【０００５】
また、特許文献２ではＢＯＸを形成するために、酸素イオンを注入した後にアニールを実施し、更にエネルギーを変えるか、表面のシリコン層を除去して前記ＢＯＸ層の下側に酸素イオンを注入し、再度アニールを実施してＢＯＸを厚膜化している。
【０００６】
また、特許文献３では、高ドーズＳＩＭＯＸプロセスにおいて、酸素イオンを注入し、アニールを実施してＢＯＸを形成した後、このＢＯＸの表面に密度ピークが来るように、エネルギーを変えた酸素イオンビームを注入して、再度アニールを実施している。
【０００７】
また、特許文献４では、酸素イオンの注入深さと注入イオン量を連続的あるいは段階的に変えて、酸素原子濃度分布が一つの極大値を持つようにし、この極大値を１．０×１０２２個／ｃｍ２以上４．０×１０２２個／ｃｍ２以下としている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許公報第５０８０７３０号
【特許文献２】
特開２００２−２８９５５２号公報
【特許文献３】
特開平４−２４９３２３号公報
【特許文献４】
特開平７−２０１９７５号公報
【非特許文献１】
日経ＭＩＣＲＯ　ＤＥＶＩＣＥＳ（２００２年２月号７５−８８頁）
【非特許文献２】
ＩＴＲＳ（ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＲＯＡＤＭＡＰ　ＦＯＲ　ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ　２００１
ＥＤＩＴＩＯＮ，ＦＲＯＮＴ　ＥＮＤ　ＰＲＯＣＥＳＳ）
【非特許文献３】
「Ｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｌｏｗ−Ｄｏｓｅ　ＳＩＭＯＸ　Ｗａｆｅｒｓ」，Ｓａｄａｏ　ＮＡＫＡＳＨＩＭＡ著，ＩＥＩＣＥ　ＴＲＡＮＳ．ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，ＶＯＬ．　Ｅ８０−Ｃ，ＮＯ．３　ＭＡＲＣＨ　１９９７，３６４−３６９頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１〜３に紹介されているようなＳＩＭＯＸ法には、次の問題点がある。即ち、酸素イオンの注入エネルギーによって、極薄ＳＯＩと厚いＢＯＸの組み合わせを実現するためには、加速電圧を上げて、ＩＴＯＸを長時間かけることになる。このため、装置の大型化／コストアップの問題が生じる。
【００１０】
例えば、注入エネルギーが１８０ｅＶでドーズ量が３．７×１０１７ｃｍ−２の酸素イオン注入を行ったシリコンウエハに、酸素１％，アルゴン９９％の雰囲気中で、１３５０℃，４時間の熱処理を施した場合、厚さ３３５ｎｍのＳＯＩ層と８７ｎｍのＢＯＸ層が形成される。図９に示すように、これに長時間のＩＴＯＸを施すことにより、ＳＯＩ層は薄膜化されると共に、ＢＯＸ層は厚膜化される。例えば、ＳＯＩ層を２０ｎｍまで薄膜化すると、ＢＯＸ層は１３０ｎｍまで厚膜化される。ＩＴＯＸの処理時間が長すぎると、ＳＯＩ層は消滅してしまうために、
ＩＴＯＸによる厚膜化には限界がある。
【００１１】
注入エネルギーを増大することにより、酸素イオンの注入深さは深くなるので、熱処理後に形成されるＳＯＩ層は厚くなる。即ちシリコン表面からより深い位置にＢＯＸ層が形成される。従って前述の例よりも長時間ＩＴＯＸ処理を施せるために、ＢＯＸの厚膜化が可能となる。
【００１２】
例えば注入エネルギーが２４０ｋｅＶでドーズ量４×１０１７ｃｍ−２の酸素イオン注入を行ったシリコンウエハに熱処理を施した場合、厚さ４５０ｎｍのＳＯＩ層と９０ｎｍのＢＯＸ層が形成される。これにＩＴＯＸ処理を施すことにより、
ＳＯＩ層を２０ｎｍまで薄膜化すると、ＢＯＸ層は１６０ｎｍまで厚膜化される。
【００１３】
このように、上記文献では、ＢＯＸ層を厚膜化しようとすると、注入エネルギーを大きくする必要がある。即ち、イオンビームの加速電圧が大きくなるため、その分、絶縁距離を大きくとる必要があり、結果として装置が大型化する。また、ウエハ生産のスループットを大きくするための一つの手段として、注入電流の大電流化がある。加速電圧を一定として、大電流化をはかることは、ウエハに投入されるエネルギーが増大することになる。これは熱変形や歪、更にはウエハの割れを引き起こしかねない。
【００１４】
以上のように同一の厚さの極薄ＳＯＩ／厚膜ＢＯＸを有するウエハを生産できるのであれば、低エネルギー注入機の方が、各部の絶縁距離を小さくすることができるので、装置を小型化できる。また、高エネルギー注入機と同一の注入パワーであれば、注入電流を大電流化することができる。従って、短時間で所定のドーズ量を注入できるので、スループットを向上できる。
【００１５】
それゆえ、低電圧注入機の方が経済性に優れている。ところが上記方法では、注入エネルギーを小さくすると、逆にＢＯＸが薄膜化されてしまい、所定の厚さのＢＯＸ層を形成することができないという問題があった。
【００１６】
また、特許文献１に開示の技術によれば、連続した埋め込み酸化膜を形成することができるが、それを厚膜化することができない。特許文献２に開示の技術によれば、酸素イオンの注入とアニ−ルを繰り返して実施し、また、ウエハの表面除去などの工程が入るため、ウエハ生産のスループットが低下し大幅なコスト上昇を招いてしまう。また、ＢＯＸを通して注入するために、ＢＯＸに固定電荷が残ってしまうという問題もある。
【００１７】
また特許文献３も同様に、酸素イオンの注入とアニ−ルを繰り返して実施するために、スループットが低下する他、約半数の酸素イオンがＢＯＸ中に進入するため固定電荷が残りやすい。また、高ドーズＳＩＭＯＸプロセスのため、酸素イオン注入量が大きくスループットが小さいという問題がある。
【００１８】
さらに特許文献４では、一回の注入ではＢＯＸ層が形成されないような低ドーズ注入を、エネルギーを変えて多数回実施し、ＢＯＸが形成されるようなドーズ量まで積算させているが、この場合一回の注入で生ずる欠陥分布も同様に深さを変えて積算され、結果として、イオン注入分布と欠陥分布が広範囲に重なってしまう。これにより、熱処理時に注入された酸素が前記欠陥に補足され、酸素原子のシリコン内の拡散係数が実質的に低下する。このため、Ｓｉ−Ｏなどの化学的に未結合なダンクリングボンドが多数残り、化学組成論的な意味での連続ＳｉＯ２層が形成されにくい。このため、ＢＯＸ層の耐電圧が熱酸化膜と比較して劣るという問題があった。
【００１９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、加速電圧を上げてＩＴＯＸを長時間かけることなく、つまり、装置が大型化／コストアップのすることなく、極薄ＳＯＩと厚いＢＯＸの組み合わせを実現できるウエハの処理方法を提供するにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、異なるエネルギーの酸素イオンを同一のウエハに注入することを特徴とする。これにより、シリコンウエハ中に注入された酸素イオンの分布を広げることができるので、低い加速電圧でも、厚い
ＢＯＸを形成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明実施例を、図面を用いて説明する。図８は本発明を適用する酸素イオン注入装置の概略を説明する図である。
【００２２】
図８を用いて説明する酸素イオン注入装置は、主にイオン源，質量分離磁石，後段加速管，四重極レンズ，偏向磁石，注入室により構成される。注入室中にはウエハを保持するためのウエハホルダが設けられており、ウエハはこれに搭載される。注入室は、注入中は真空に保持される。注入中は、ウエハは回転もしくは回転及び振り子運動をし、酸素イオンビームが均一に注入される。尚、後段加速管は必ずしも必要ではない。
【００２３】
次に、本酸素イオン注入装置の動作・機能について説明する。イオン源には電子サイクロトロン共鳴磁場を発生させるためのコイルが設けられると共に、真空ポンプにより排気されている。ここに酸素ガスを導入し、マイクロ波を入射すると酸素プラズマが生成される。
【００２４】
酸素イオンはイオン源の引き出し電極より数１０〜百数１０ｋｅＶのエネルギーに加速され、イオン源から出射する。イオン源から出射した酸素イオンビームは一価の酸素イオン，酸素分子イオン，二価の酸素イオンなどを含むので、一価の酸素イオンビームのみを得る為に質量分離磁石を用いる。分離された一価の酸素イオンビームは後段加速管により更に高エネルギーに加速され、更に四重極レンズによりビーム形状を整形される。
【００２５】
その後、後段加速管で発生したイオンを取り除く為に、偏向磁石により軌道を曲げられ、注入室に入射する。注入室内では、図示はしていないが、ウエハに注入される酸素イオンの分布をウエハ面内で均一化する為に、前記ウエハを固定するホルダに対し、回転運動と振り子運動を加えている。因みに、この振り子運動の代わりに、酸素イオンビームを走査しても良い。
【００２６】
本実施例装置は、図示しない制御装置を備えており、上記各構成要素に与える印加電圧，電流を制御している。またこの制御装置は図示しない記憶装置を備え、以下に説明する如きステップでイオンが注入されるように、前記加速手段やウエハホルダの動作を制御するようなプログラムが記憶されている。
【００２７】
また、制御装置は、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の所望の厚さを入力することによって、酸素ビームのエネルギーを自動的に選択するように構成しても良い。この選択は、以下に説明するような、イオンのエネルギーに対する注入深さ変化量や、
ＩＴＯＸ予定時間に対するＳＯＩ膜厚，ＢＯＸ膜厚の変化量を予め記憶させておき、所望のパラメータを入力することで、他の非所望のパラメータを決定するようなプログラムを備えることで達成される。
【００２８】
計算によって得られた、酸素イオンの注入深さの加速電圧依存性を図２に示す。図２にはアルゴン雰囲気中で、１３５０℃，４時間のアニールの後に得られたＳＯＩの厚さを〇印で示した。
【００２９】
該図から明らかな如く、加速電圧を上げることにより酸素イオンの注入深さは深くなり、これにより、アニール後のＳＯＩは厚くなる。したがって、厚いＳＯＩ層を形成するためには、加速電圧を増大する必要があることが判る。
【００３０】
次に、シリコンウエハに注入された酸素イオンの分布と加速電圧の関係を図３に示す。該図から明らかな如く、酸素イオンの広がりとアニール後のＢＯＸの厚さは対応しているので、厚いＢＯＸを形成するためには、加速電圧を大きくする必要があることが判る。
【００３１】
図４，図５には、ＩＴＯＸの時間とＳＯＩの膜厚の減少量、およびＢＯＸの増加量を示す。即ち、ＩＴＯＸによりＳＯＩは薄膜化し、ＢＯＸは厚膜化する。
ＢＯＸ膜の品質を確保するためには、ＢＯＸを厚くすることが必要であるが、
ＩＴＯＸを長時間かけすぎてしまうとＳＯＩが消滅してしまうので、ＢＯＸを厚くするためには、注入エネルギーを増大してより深く酸素を注入し、厚いＳＯＩを形成する必要がある。
【００３２】
このように、従来の技術では、ＢＯＸの信頼性を高めるために、これを厚膜化しようとすると、加速電圧を増大する必要があった。これは注入装置のコスト増大を引き起こす。注入装置を低価格化するためには、加速電圧の低電圧化が必須である。ところが、注入電圧を下げると酸素イオンの注入深さが浅くなり、ＢＯＸを厚膜化できないためにＢＯＸの信頼性を向上できないという問題があった。
【００３３】
そこで、本発明では、この問題を解決するために、同一のウエハに異なるエネルギーを持つ酸素イオンビームを注入するものである。これにより、シリコンウエハ中に注入された酸素イオンの分布を、アニ−ル後の埋め込み酸化膜がつながるように広げられるので、低い加速電圧でも厚いＢＯＸ層を形成することができる。
【００３４】
特に、それぞれのエネルギーで注入された酸素イオンによって形成されるＢＯＸ層の重なり、もしくは離間距離が前記ＢＯＸ層の１０％以内であるように注入エネルギーとドーズ量を選定したことを特徴とする。
【００３５】
これを次に説明する。図１０は簡単のために２段の注入を例に取り説明する。３段以上の場合も全く同様である。図１０（ａ），（ｂ）に示すように、１段目の注入のみを単独に実施し、熱処理を施した場合に形成されるＢＯＸ層をＢ１，Ｂ１の厚さをＤ１と記す。また、図１０（ｃ），（ｄ）に示すように、２段目の注入のみを単独に実施し、熱処理を施した場合に形成されるＢＯＸ層をＢ２，
Ｂ２の厚さをＤ２と記す。
【００３６】
図１０（ｅ）は図１０（ｂ）と（ｄ）に記載のＢ１とＢ２の位置関係を重ね描きにより明示したものである。このＢ１，Ｂ２の離間距離がＤ１，Ｄ２の小さい方の概ね１０％以下であるか、Ｂ１，Ｂ２の重畳距離がＤ１，Ｄ２の小さい方の概ね１０％以下であれば、２段の注入後に前記熱処理を施すことにより、連続したＢＯＸ層を形成できる。
【００３７】
逆に、上記範囲を外れると、連続したＢＯＸ層は形成されない。Ｂ１，Ｂ２の離間距離がＤ１，Ｄ２の小さい方の１０％を超えると、２層のＢＯＸ層が形成され、Ｂ１，Ｂ２の重畳距離がＤ１，Ｄ２の小さい方の１０％を超えるとシリコン島がＢＯＸ層に包含されるようになる。
【００３８】
更に、本方式では、図１１に示すように欠陥分布と注入された酸素分布の重なりが小さいので、前記特許文献４と異なり、前記熱処理時に酸素が欠陥に拘束されにくい。それ故、熱酸化膜に極めて近い耐電圧特性を有するＢＯＸ層を形成することができる。
【００３９】
以下、具体的な例を用いて説明する。一例として、ＳＯＩの厚さが２０ｎｍ、ＢＯＸの厚さが１６０ｎｍ程度のＳＯＩを形成する条件を求める。これまでの実験から、ＩＴＯＸによりＳＯＩの厚さを１３０ｎｍ以上減少させるときに、十分な膜質のＳＯＩ，ＢＯＸが得られている。このときの、必要なＩＴＯＸ時間は図４から約３時間、また、ＢＯＸ膜厚増加量は図５から約２９ｎｍであるので、アニール直後のＢＯＸ膜厚は１３１ｎｍ程度、同じくＳＯＩは１５０ｎｍが必要となる。ドーズ量は図６から決められる。この様なＢＯＸ，ＳＯＩを形成するためには、
ＳＴＥＰ１　加速電圧　　９０ｋｅＶ，ドーズ量２．３×１０１７ｃｍ−２で注入
ＳＴＥＰ２　　〃　　１２０ｋｅＶ　　　　２．８　　　〃
とすれば良い。
【００４０】
これを次に説明する。図１，図２からＳＴＥＰ１でＳＯＩの厚さ１５０ｎｍで、ＢＯＸの厚さ５７ｎｍが得られることがわかる。また、ＳＴＥＰ２を適用すると、ＳＯＩの厚さ２０７ｎｍでＢＯＸの厚さ７０ｎｍが得られるので、ＳＴＥＰ１で形成されるＢＯＸの下側に、更にＢＯＸを形成できる。即ち、ＢＯＸの厚さとして、５７＋７０＝１２７ｎｍが得られる。ＩＴＯＸで２９ｎｍ程度厚膜化されるので、ＢＯＸの厚さとして、１２７＋２９＝１５６ｎｍが得られる。
【００４１】
以上、ＳＴＥＰ１，ＳＴＥＰ２、及びＩＴＯＸを適用することにより、２０ｎｍのＳＯＩと１６０ｎｍ程度のＢＯＸを得ることができる。更に、厚いＢＯＸが必要な場合は、ＳＴＥＰ１，２共に加速電圧を若干増大させれば良い。
【００４２】
この例からも分かるように、一段目の注入によって形成されるＢＯＸ層と二段目の注入によって形成されるＢＯＸ層の離間距離と重畳距離は注入エネルギーの差によって表現することが可能である。以下に、２段の注入を例に取り説明する。低い方の注入エネルギーを横軸にとり、縦軸に連続ＢＯＸ層が形成されるために必要なエネルギー差、即ち、高い方の注入エネルギーと低いほうの注入エネルギーの差をとると、図１２の如くなる。
【００４３】
ここで、図１２に示された縦軸方向の幅は、ドーズ量によってエネルギー差が異なることを示している。即ち、ドーズウインドウの下限にて注入する場合は、Ｄ１，Ｄ２は小さいので、注入エネルギー差を大きくしなければならない。逆に、ドーズウインドウの上限にて注入する場合は、Ｄ１，Ｄ２は大きいので、注入エネルギー差を小さくしなければならない。
【００４４】
ＬＳＩ製造に必要となる表面ラフネスを実現するためには、ある一定量のＩＴＯＸ処理が必要である。経験上はＩＴＯＸ処理により、ＳＯＩ層の厚みを１００ｎｍ以上減少させないとＳＯＩ層の表面上で１０μｍ×１０μｍの範囲で０．７ｎｍ以下の平均ラフネスを実現できない。したがって、図２より注入エネルギーの下限は７０ｋｅＶである。このときのエネルギー差の下限は図１２より２５ｋｅＶである。したがって、これ以下のエネルギー差で連続ＢＯＸ層が形成されるような条件では、ＳＯＩ層のラフネスがＬＳＩ製造に適合しない。尚、更に好ましい条件は、下限のエネルギーが９０ｋｅＶであり、対応するエネルギー差は３０
ｋｅＶである。また、このエネルギー差は注入エネルギーの増大に応じて大きくなるが、一般的に構成可能な大電流酸素イオン注入機での注入エネルギーは３００ｋｅＶ以下であるので、上限のエネルギー差は９０ｋｅＶである。現状、入手可能なイオン注入機のエネルギーは２４０ｋｅＶであるので、この場合は７０ｋｅＶである。
【００４５】
上記、１２０／９０ｋｅＶの注入を１段で実現しようとすると、加速電圧の高電圧化が必要となる。具体的には、２２０ｋｅＶの加速電圧と長時間のＩＴＯＸが必要になる。２２０ｋｅＶの加速電圧で注入すると、ＳＯＩの厚さは４２７ｎｍ、ＢＯＸの厚さは１０４ｎｍとなる。これに１２時間５０分のＩＴＯＸを施すことにより、ＳＯＩは２０ｎｍに薄膜化され、ＢＯＸは１６０ｎｍ程度に厚膜化される。
【００４６】
この様に、二つの加速電圧を用いることにより、加速電圧の大幅な低電圧化が図れる。この例では、２つの加速電圧の場合を示したが、三つ以上でも可能である。ただし、あまり頻繁に電圧を変えると、運転手順が複雑になる。
【００４７】
この様に、それぞれのエネルギーで注入された酸素イオンによって形成されるＢＯＸが隣り合って形成されるようにエネルギーと注入量を決定することにより、低い加速電圧におけるＢＯＸの厚膜化が可能となる。上記例ではＢＯＸ厚さが１６０ｎｍの場合を示したが、エネルギーを変えるか、もしくは３段以上の注入を行うことにより、ＢＯＸの厚さとして、２００ｎｍ以上の厚膜化も可能となる。以下に、このような例を示す。
【００４８】
第二の実施例はＢＯＸ膜厚を約２０５ｎｍにするものである。この場合は、第一の実施例と同様の検討を行うことにより、図７に示すように、次の条件が得られる。即ち、第一の注入は注入エネルギー２４０ｋｅＶ、注入ドーズ量４×１０１７ヶ／ｃｍ２で実施する。これは熱処理後にシリコン表面からの深さ４４５ｎｍの位置に厚さ８５ｎｍのＢＯＸが形成される条件である。
【００４９】
次に、注入エネルギー１９０ｋｅＶ、注入ドーズ量３．７×１０１７ヶ／ｃｍ２の注入を実施する。これは熱処理後に、前記ＢＯＸの直上、即ち、深さ３６０ｎｍの位置に厚さ８５ｎｍのＢＯＸを形成する条件である。以上の注入を実施することにより、アルゴン１０リットル／分，酸素０．１リットル／分程度の流量のガスが導入されている雰囲気中で、温度１３５０℃で４時間の熱処理後に厚さ３６０ｎｍのＳＯＩと厚さ１７０ｎｍのＢＯＸが形成される。
【００５０】
図４から７時間程度のＩＴＯＸを施すことにより、ＳＯＩ膜厚は２６０ｎｍ減少する。ＢＯＸの膜厚増加量は３５ｎｍ程度あるので、ＩＴＯＸ後のＢＯＸ膜厚として約２０５ｎｍが得られる。
【００５１】
上記、２４０／１９０ｋｅＶの注入を１段の注入で実現しようとすると、注入エネルギーの更なる大エネルギー化が必要となる。具体的には、３５０ｋｅＶの注入エネルギーと２０時間を越える長時間のＩＴＯＸが必要になる。
【００５２】
上記、二つの実施例から分かるように、注入される酸素イオンのエネルギーを小さくすれば、それぞれの注入される酸素イオンのエネルギーの差も小さくなる。
【００５３】
また、３段以上の注入も同様の手順で実施すればよい。例えば、前記第二の実施例に更に三つ目の注入として、加速エネルギー１５５ｋｅＶ，注入ドーズ量３．０×１０１７ヶｃｍ−２の酸素イオン注入を実施すれば、厚さ２８１ｎｍのＳＯＩ層と厚さ２４９ｎｍ程度のＢＯＸ層を形成することができる。
【００５４】
上記に示したイオン注入は、例えば、エネルギーの異なる複数本のイオンビームを同時に一枚のウエハに注入しても良い。例えば、図８ではウエハホルダに保持された複数枚のウエハの一枚に一本のビームが照射するのみであるが、もう一本のビームを同時に別のウエハに注入しても良い。また、ウエハの電位を時間的に変えることにより、酸素イオンビームがウエハに注入されるときのエネルギーを実効的に変えても良い。また、必ずしもエネルギーが大きい酸素イオンビームを先に注入する必要は無い。
【００５５】
本実施例の方法、及び装置では、多段注入により厚膜ＢＯＸを形成するための必要十分条件を満足することができる。本実施例によれば、２０ｎｍ以下の極薄ＳＯＩと１５０ｎｍ以上の厚膜ＢＯＸを安定的に、かつ、容易に形成できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＳＩＭＯＸ法を低加速電圧で行うことが可能となるので、安価な注入装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウエハの処理方法を示す工程図である。
【図２】酸素イオンの注入深さの加速電圧依存性を示す特性図である。
【図３】シリコンウエハに注入された酸素イオンの分布と加速電圧との関係を示す特性図である。
【図４】酸素雰囲気中での高温熱処理（ＩＴＯＸ）の時間とＳｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）の膜厚の減少量との関係を示す特性図である。
【図５】酸素雰囲気中での高温熱処理（ＩＴＯＸ）の時間と埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ）の膜厚の増加との関係を示す特性図である。
【図６】ドーズ量と加速電圧との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第二の実施例を示す説明図である。
【図８】本発明の適用対象である酸素イオン注入機の概略を示す図である。
【図９】ＩＴＯＸによりＳＯＩ層薄膜化を示す図である。
【図１０】本発明の処理法を示す、説明図である。
【図１１】（ａ）は本発明の酸素注入分布と欠陥分布を示す図である。（ｂ）は公知例特開平７−２０１９７５号の酸素分布と欠陥分布を示す図である。
【図１２】エネルギー差と注入エネルギーの関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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