(57)【要約】本発明は、少なくとも、シリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該シリコンウエーハに前記酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変える酸化膜形成熱処理を行って、埋め込み酸化膜上にＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを製造する方法において、前記シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、前記製造されるＳＯＩウエーハが有する埋め込み酸化膜の厚さよりも厚くなるようにして埋め込み酸化膜の形成を行い、その後、該埋め込み酸化膜を形成したシリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法である。これにより、ＳＩＭＯＸ法を用いて、膜厚が薄くかつ完全性の高い埋め込み酸化膜を有し、またＳＯＩ層の結晶性及び表面品質が極めて良好な高品質のＳＯＩウエーハを製造できるＳＯＩウエーハの製造方法が提供される。
2004075298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、シリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該シリコンウエーハに前記酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変える酸化膜形成熱処理を行って、埋め込み酸化膜上にＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを製造する方法において、前記シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、前記製造されるＳＯＩウエーハが有する埋め込み酸化膜の厚さよりも厚くなるようにして埋め込み酸化膜の形成を行い、その後、該埋め込み酸化膜を形成したシリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で１０００℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項３】
前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理雰囲気中に含まれる酸素の濃度を１０ｐｐｍ以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項４】
前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理において使用されるウエーハボート及び／または熱処理チューブの材質を、Ｓｉ、ＳｉＣ、または少なくともこれらが内壁面にコートされたものとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項５】
前記シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、前記酸化膜形成熱処理を行った後、該シリコンウエーハに埋め込み酸化膜の内部酸化処理を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項６】
前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行った後、さらに犠牲酸化処理を行い、ＳＯＩ層の膜厚調整を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法により製造されたＳＯＩウエーハ。
【請求項８】
前記ＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜厚が５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項７に記載のＳＯＩウエーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳＯＩウエーハを製造する方法及びその方法で製造されたＳＯＩウエーハに関する。
【背景技術】  近年、絶縁体上にシリコン層（ＳＯＩ層）が形成されたＳＯＩ構造を有するＳＯＩウエーハが、デバイスの高速性、低消費電力性、高耐圧性、耐環境性等に優れていることから、電子デバイス用の高性能ＬＳＩ用ウエーハとして特に注目されている。
このＳＯＩウエーハを製造する代表的な方法として、貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  ｏｘｙｇｅｎ）法等がある。貼り合わせ法とは、ＳＯＩ層を形成するボンドウエーハと支持基板となるベースウエーハのうちの少なくとも一方に酸化膜を形成し、その形成した酸化膜を介してボンドウエーハとベースウエーハとを貼り合わせた後、ボンドウエーハを薄膜化することによってＳＯＩウエーハを製造する方法である。
また、ＳＩＭＯＸ法とは、シリコンウエーハに酸素イオンを注入した後、熱処理を行うことによってシリコンウエーハ中に埋め込み酸化膜を形成することによってＳＯＩウエーハ（ＳＩＭＯＸウエーハ）を製造する方法である。より具体的に説明すると、例えば図２に示すように、先ず、鏡面研磨等が施されたシリコンウエーハ１１を準備し（工程（ａ’））、続いて工程（ｂ’）で５００℃程度に熱せられたシリコンウエーハ１１の一方の主表面からウエーハ内部に酸素イオン（Ｏ＋）のイオン注入を行って酸素イオン注入層１２を形成する。このとき、イオン注入条件としては、注入エネルギーを通常１５０〜２００ｋｅＶとし、また酸素イオンのドーズ量は、連続した埋め込み酸化膜を形成するために１．５×１０１８／ｃｍ２以上程度の高いドーズ量を必要とする。
その後、工程（ｃ’）においてウエーハに形成した酸素イオン注入層１２を埋め込み酸化膜１３に変える酸化膜形成熱処理を、例えば不活性ガス雰囲気中で１３００℃以上の温度で行うことによって、埋め込み酸化膜１３上にＳＯＩ層１４が形成されたＳＯＩウエーハ１５を製造することができる。
このようにＳＩＭＯＸ法により製造されたＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層や埋め込み酸化膜の膜厚が酸素イオン注入を行う際のイオン注入エネルギーやドーズ量により決まるため、優れた膜厚均一性を容易に得ることができるという利点を有し、また上記の貼り合わせ法のように２枚のウエーハを必要とせずに１枚のシリコンウエーハからＳＯＩウエーハを製造することができるため、比較的低コストでの製造が可能である。
しかしながら、ＳＩＭＯＸ法を用いて上記のように高ドーズ量で酸素イオンの注入を行った場合、埋め込み酸化膜の完全性を高めることができるものの、大量の酸素イオンが通過したウエーハ表面にダメージが導入されるため、酸化膜形成熱処理を行う際にＳＯＩ層に高密度に貫通転位が発生し易く、良好な結晶品質を有するＳＯＩ層が得られにくいという問題があった。
このような問題を解決するために、様々な研究及び検討が重ねられてきた。その中で、低ドーズ量の酸素イオン注入でも連続した埋め込み酸化膜が形成できることが見出され、貫通転位密度の低いＳＯＩウエーハを製造できることが可能となった（ＳＯＩの科学、ＵＣＳ半導体基盤技術研究会編集、リアライズ社発行、ｐ．２６−３０参照）。このとき、酸素イオンのドーズ量は約４×１０１７／ｃｍ２に限定されるため、このドーズ量の範囲はドーズウインドウとして知られている。
しかしながら、このような低ドーズ量で形成された埋め込み酸化膜は、貫通転位を低減することはできるものの、埋め込み酸化膜の絶縁不良を引き起こすピンホールが形成されやすく、高ドーズ量で形成した埋め込み酸化膜に比べて埋め込み酸化膜の品質が低いものであった。
そこで、低ドーズ量のイオン注入によって形成された埋め込み酸化膜の品質を改善するために様々な方法が提案されている。例えば、通常の酸化膜形成熱処理を行った後に、引き続き高温酸素雰囲気中で酸化処理を行う、いわゆる内部酸化処理（以下、ＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）処理と記載する場合がある）により、埋め込み酸化膜の品質を高める方法が提案されている（特許第３０３６６１９号公報参照）。このように低ドーズ量で酸素イオン注入を行うＳＩＭＯＸ法にＩＴＯＸ処理を付加することによって、埋め込み酸化膜が厚膜化されてその品質が改善され、ピンホール密度が低く埋め込み酸化膜の完全性が高められた高品質のＳＩＭＯＸウエーハを製造することが可能となった。
ところが、近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、より高品質のＳＯＩウエーハの製造が望まれており、例えば厚さの薄い埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハが求められいる。さらに、今後、ＳＯＩウエーハが有する埋め込み酸化膜の厚さは、１００ｎｍから５０ｎｍ、あるいはそれ未満へとさらに薄くなる方向に進むと考えられる。
しかしながら、上記のようにＳＩＭＯＸ法を用いてＳＯＩウエーハを製造する際に、例えば、連続した埋め込み酸化膜を形成するために必要となる高ドーズ量で酸素イオンの注入を行った場合、ＳＯＩウエーハに形成される埋め込み酸化膜の厚さはどうしてもある厚さ以上になってしまい、上記のような厚さの薄い埋め込み酸化膜を形成することはできなかった。
また、酸素イオンの注入を約４×１０１７／ｃｍ２（ドーズウインドウ）の低ドーズ量で行ってＳＯＩウエーハの製造を行う場合では厚さの薄い埋め込み酸化膜を形成できるものの、酸化膜の品質が低いために上記のように埋め込み酸化膜の品質を向上させるＩＴＯＸ処理を行う必要があり、シリコンウエーハ中の埋め込み酸化膜は厚膜化されて厚いものとなってしまう。したがって、ＳＩＭＯＸ法により、完全性が高くかつ近年要求されるような膜厚の薄い埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハを製造することは極めて困難であった。
さらに、上記ＳＩＭＯＸ法により製造されたＳＯＩウエーハは、前述の貼り合わせ法により製造したＳＯＩウエーハに比べて、膜厚均一性及び製造コストの点で優れているものの、ＳＯＩ層に存在する結晶欠陥が多くＳＯＩ層の結晶性に劣り、またＳＯＩ層の表面粗さも大きいという問題がある。そのため、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウエーハの製造では、ＳＯＩ層の結晶性の向上及び表面品質の向上も望まれている。
【発明の開示】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＳＩＭＯＸ法を用いて、膜厚が薄くかつ完全性の高い埋め込み酸化膜を有し、またＳＯＩ層の結晶性及び表面品質が極めて良好な高品質のＳＯＩウエーハを製造できるＳＯＩウエーハの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも、シリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該シリコンウエーハに前記酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変える酸化膜形成熱処理を行って、埋め込み酸化膜上にＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを製造する方法において、前記シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、前記製造されるＳＯＩウエーハが有する埋め込み酸化膜の厚さよりも厚くなるようにして埋め込み酸化膜の形成を行い、その後、該埋め込み酸化膜を形成したシリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法が提供される。
このように、ＳＩＭＯＸ法を用いてＳＯＩウエーハを製造する方法において、シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、一旦製造されるＳＯＩウエーハにおいて所望される埋め込み酸化膜の厚さよりも厚くなるようにして埋め込み酸化膜の形成を行い、その後シリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、例えば１００ｎｍ以下、さらに５０ｎｍ未満といった膜厚が薄くかつ完全性が高められた埋め込み酸化膜を有する高品質のＳＯＩウエーハを容易に製造することができる。また、上記のように熱処理によって埋め込み酸化膜の膜厚を減少させるので、膜厚が減少した部分は還元されて結晶性が良好なシリコン層となり、さらに、埋め込み酸化膜厚を減ずる熱処理の間にその結晶性が良好なシリコン層を種としてＳＯＩ層が固層成長するのでＳＯＩ層の結晶性が極めて良好となり、また同時にＳＯＩ層の表面粗さも向上して表面品質を改善することができる。
このとき、前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で１０００℃以上の温度で行うことが好ましい。
このような条件で酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、効果的に酸化膜の厚さを減少させて、所望の薄い厚さを有する埋め込み酸化膜を確実に得ることができるとともに、ＳＯＩ層の結晶性及び表面品質も確実に改善することができる。
また、前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理雰囲気中に含まれる酸素の濃度を１０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う際に、熱処理雰囲気中に１０ｐｐｍを超える濃度で酸素が含まれていると、熱処理中にＳＯＩウエーハの表面がエッチングされてＳＯＩ層の表面粗さや膜厚均一性が悪化する恐れがある。したがって、このように埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理雰囲気中に含まれる酸素の濃度を１０ｐｐｍ以下とすることによって、熱処理中にウエーハ表面がエッチングされることを防止して、優れた表面粗さ及び膜厚均一性を有するＳＯＩ層が形成されたＳＯＩウエーハを製造することができる。
さらに、前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理において使用されるウエーハボート及び／または熱処理チューブの材質を、Ｓｉ、ＳｉＣ、または少なくともこれらが内壁面にコートされたものとすることが好ましい。
このように、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理において、ウエーハボート及び／または熱処理チューブの材質が主成分として酸素を含まないＳｉ、ＳｉＣ、または少なくともこれらが内壁面にコートされたものを使用すれば、熱処理雰囲気中の酸素濃度を低く維持することができるため、上述のように埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の際にウエーハ表面で生じるエッチングを確実に防止することができる。
また、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法では、前記シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、前記酸化膜形成熱処理を行った後、該シリコンウエーハに埋め込み酸化膜の内部酸化処理を行うことが好ましい。
このように、シリコンウエーハに酸化膜形成熱処理を行った後に埋め込み酸化膜の内部酸化処理、すなわちＩＴＯＸ処理を追加して埋め込み酸化膜を形成する様にすれば、埋め込み酸化膜の厚さを製造されるＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜の厚さより厚くすることが容易に可能となる。さらに、例えば低ドーズ量で酸素イオンを注入して埋め込み酸化膜を形成する場合では、このＩＴＯＸ処理を行うことによって埋め込み酸化膜の品質を向上させて、埋め込み酸化膜の完全性が高く極めて高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
また、前記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行った後、さらに犠牲酸化処理を行い、ＳＯＩ層の膜厚調整を行うことが好ましい。
このように、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理後に、さらにＳＯＩ層に熱酸化膜を形成し、その酸化膜を除去する、いわゆる犠牲酸化処理を行うことによって、酸素イオン注入によってＳＯＩウエーハの表面に生じているダメージ層を除去でき、またＳＯＩ層の結晶品質を一層高めつつ、ＳＯＩ層の膜厚調整を行うことができる。
そして、本発明によれば、上記本発明のＳＯＩウエーハの製造方法により製造されたＳＯＩウエーハを提供することができる。
本発明のＳＯＩウエーハの製造方法により製造されたＳＯＩウエーハであれば、膜厚が薄くかつ完全性の高い埋め込み酸化膜を有し、またＳＯＩ層の結晶性及び表面品質が極めて良好な高品質のＳＩＭＯＸウエーハとすることができる。
特に、本発明では、前記ＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜厚が５０ｎｍ未満とすることができる。
このように、本発明のＳＯＩウエーハは、従来では製造が困難とされていた埋め込み酸化膜厚が５０ｎｍ未満である非常に高品質のＳＩＭＯＸウエーハとすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、ＳＩＭＯＸ法を用いて、埋め込み酸化膜の膜厚が薄くかつ完全性も高く、またＳＯＩ層の結晶性及び表面品質が極めて良好な高品質のＳＯＩウエーハを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係るＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示したフロー図である。
図２は、従来のＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウエーハの製造方法を示したフロー図である。
図３は、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理時間と埋め込み酸化膜の厚さ減少量の関係、及びＳＯＩウエーハに形成されているＳＯＩ層の厚さと埋め込み酸化膜の厚さ減少量の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
半導体デバイスの高集積化により、ＳＯＩウエーハに形成される埋め込み酸化膜には１００ｎｍ以下といった膜厚が薄いものが求められており、さらに将来的には、埋め込み酸化膜の薄膜化への要求は一層進み、例えば５０ｎｍあるいはそれ未満の２０ｎｍ、１０ｎｍといった厚さの埋め込み酸化膜厚を有するＳＯＩウエーハの製造が求められることが考えられる。
しかしながら、ＳＩＭＯＸ法を用いてＳＯＩウエーハを製造する場合、前述のように必然的に埋め込み酸化膜の膜厚は厚くなってしまうため、従来のＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩウエーハの製造では、膜厚が薄くかつ完全性の高い埋め込み酸化膜を有する高品質のＳＯＩウエーハを製造することは出来なかった。
そこで、本発明者等は、ＳＩＭＯＸ法を用いて埋め込み酸化膜の膜厚が薄くかつ完全性が高められたＳＯＩウエーハを製造するための方法について鋭意研究及び検討を重ねた。その結果、シリコンウエーハに埋め込み酸化膜を形成する際に、一旦最終的に製造されるＳＯＩウエーハが有する埋め込み酸化膜の厚さよりも厚くなるようにして埋め込み酸化膜の形成を行い、その後、この厚く埋め込み酸化膜を形成したシリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、ＳＩＭＯＸ法で製造されるＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜の膜厚を減少させることができること、さらにそれによって、従来よりも膜厚が薄くかつ完全性が高い埋め込み酸化膜を有しており、ＳＯＩ層の結晶性及び表面品質も極めて良好な高品質のＳＯＩウエーハが製造できることを見出し、本発明を完成させた。
以下、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法について、ＳＩＭＯＸ法により低ドーズ量（ドーズウインドウ）で酸素イオンの注入を行って埋め込み酸化膜を形成する場合を例に挙げて、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ここで、図１は、本発明に係るＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩウエーハを製造する方法の一例を示すフロー図である。
先ず、鏡面研磨が施されたシリコンウエーハ１を準備する（工程（ａ））。このようにシリコンウエーハに鏡面研磨が施されていれば、ウエーハの鏡面研磨面における平坦性が製造されるＳＯＩウエーハにほぼ維持されるため、高い平坦性を有するＳＯＩウエーハを得ることができる。
続いて、工程（ｂ）で５００℃程度に加熱したシリコンウエーハ１の一方の主表面から酸素イオン（Ｏ＋）を所定の深さにイオン注入して酸素イオン注入層２を形成する。このとき、イオン注入条件は特に限定されるものではないが、例えば、注入エネルギーは一般的に広く用いられている１５０〜２００ｋｅＶ程度とし、またドーズ量はその後行う酸化膜形成熱処理において貫通転位の発生を防止するために約４．０×１０１７／ｃｍ２の低ドーズ量にしてイオン注入を行う。このとき、必要に応じて、酸素イオンの注入を分割して行うこともできる。
シリコンウエーハ１に酸素イオン注入層２を形成した後、工程（ｃ）において酸素イオン注入層２を埋め込み酸化膜３に変える酸化膜形成熱処理を行う。酸化膜形成熱処理の熱処理条件は、酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変えることができれば特に限定されるものではないが、例えば、酸素濃度が１％以下のアルゴンガス雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点以下の温度で３〜６時間の熱処理を行うことによって、埋め込み酸化膜３を形成することができる。このとき、埋め込み酸化膜３は、酸素イオンのドーズ量が低いため、膜厚が薄くまたピンホールが形成され易い。
次に、工程（ｄ）において、埋め込み酸化膜の品質を向上させるために、シリコンウエーハに埋め込み酸化膜の内部酸化処理（ＩＴＯＸ処理）を行う。例えば、埋め込み酸化膜３を形成したシリコンウエーハに酸素ガス雰囲気中、１１５０℃〜シリコン融点未満の温度で数時間のＩＴＯＸ処理を行うことによって、シリコンウエーハ内に厚膜化した埋め込み酸化膜４を形成することができる。このようにＩＴＯＸ処理を行うことにより、埋め込み酸化膜のピンホールを減少させるとともにＳＯＩ層と埋め込み酸化膜との界面粗さも改善して、品質の優れた埋め込み酸化膜を得ることができる。
尚、工程（ｃ）の酸化膜形成熱処理直後の埋め込み酸化膜３の厚さが、最終的に製造されるＳＯＩウエーハで要求される埋め込み酸化膜の厚さよりも厚い場合には、前記ＩＴＯＸ処理は必ずしも必要ではないが、この場合であってもＩＴＯＸ処理を追加することにより、埋め込み酸化膜の品質を向上させることができる。
また、このようにシリコンウエーハにＩＴＯＸ処理を行った場合、ウエーハ表面には熱酸化膜５が形成される。
その後、ウエーハ表面に形成されている熱酸化膜５をエッチングや化学的機械的研磨等によって除去した後、工程（ｅ）で膜厚の厚い埋め込み酸化膜４が形成されているシリコンウエーハに埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う。このように埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、膜厚が所望の厚さまで減少した埋め込み酸化膜６とこの埋め込み酸化膜６上にＳＯＩ層７とを有するＳＯＩウエーハ８を製造することができる。この最終的に得られるＳＯＩウエーハ８の埋め込み酸化膜６の厚さは、製品規格により決定されるものであり、本発明では１００ｎｍ以下、さらには５０ｎｍ以下、また５０ｎｍ未満の非常に薄い埋め込み酸化膜を形成することができる。
尚、上記フローではＩＴＯＸ処理の後に埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行ったが、埋め込み酸化膜を減ずる熱処理の後にＩＴＯＸ処理を行ったり、これらを繰り返し行って埋め込み酸化膜質をさらに高めることも可能である。
また、本発明は、このように熱処理を行って埋め込み酸化膜の膜厚を減少させるので、膜厚が減少した部分は還元されて結晶性が良好なシリコン層となり、さらにこの熱処理の間にその結晶性が良好なシリコン層を種としてＳＯＩ層が固層成長するのでＳＯＩ層の結晶性を向上させることができ、また同時にＳＯＩ層の表面粗さも向上させてその表面品質を改善することもできる。
尚、この埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う際に、ＩＴＯＸ処理によって形成された熱酸化膜５がウエーハ表面に残存していると、埋め込み酸化膜の膜厚を減少させ難い。したがって、シリコンウエーハの表面に酸化膜が形成されている場合は、上記のようにウエーハ表面の酸化膜を除去して、ウエーハ表面に酸化膜が無い状態で埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うのが好ましい。
また、上記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理条件は必要に応じて決定することができ、特に限定されるものではないが、例えば水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス雰囲気下で１０００℃以上、好ましくは１１００℃以上、より好ましくは１１５０℃以上の温度で行う。このような熱処理条件で酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、効果的に埋め込み酸化膜の厚さを減少させて、製品規格となる例えば１０〜８０ｎｍのような１００ｎｍ未満の厚さを有する埋め込み酸化膜を容易に得ることができる。
ここで、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理の熱処理時間と埋め込み酸化膜の厚さ減少量の関係、及びＳＯＩウエーハに形成されているＳＯＩ層の厚さと埋め込み酸化膜の厚さ減少量の関係について調べた実験結果について示す。
先ず、熱処理時間と埋め込み酸化膜の厚さ減少量の関係を調べるために、ＩＴＯＸ処理後、ウエーハ表面に形成されている熱酸化膜を除去して、埋め込み酸化膜上に２７６ｎｍの厚さのＳＯＩ層を有するシリコンウエーハを３枚用意した。次に、それぞれのシリコンウエーハにアルゴンガス１００％雰囲気下、１２００℃で１、２、４時間の熱処理時間で埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行った後、各熱処理条件における埋め込み酸化膜の厚さ減少量を測定した。この埋め込み酸化膜の厚さ減少量の測定は、熱処理前後のシリコンウエーハの埋め込み酸化膜の厚さを多層膜分光エリプソメーター（ＳＯＰＲＡ社製）を用いて測定することによって行った。
その結果、図３に示したように、熱処理時間が長くなるにつれて埋め込み酸化膜の厚さ減少量が大きくなることがわかった。また、図３には示してないが、同じ熱処理時間の場合では、熱処理温度が高くなるほど埋め込み酸化膜の厚さの減少量が大きく、１０００℃未満の温度では酸化膜の厚さ減少量が非常に小さかった。
次に、埋め込み酸化膜上に１６０ｎｍの厚さのＳＯＩ層を有するシリコンウエーハを用意し、そのシリコンウエーハにアルゴンガス１００％雰囲気下、１２００℃で１時間の埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行い、上記と同様にして埋め込み酸化膜の厚さ減少量を測定した。その測定結果も図３に併せて示す。
図３から明らかであるように、埋め込み酸化膜上に形成するＳＯＩ層の厚さを２７６ｎｍから１６０ｎｍへと薄くすることによって、熱処理における埋め込み酸化膜の厚さ減少量が大きくなっており、ＳＯＩ層の膜厚に応じて埋め込み酸化膜の厚さ減少量が変化することがわかる。したがって、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うときは、埋め込み酸化膜上に形成されているＳＯＩ層の厚さも制御して、熱処理条件を決定することが望ましい。
また、上記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う際、熱処理雰囲気中に含まれる酸素の濃度が１０ｐｐｍより高い場合、熱処理中にＳＯＩウエーハの表面がエッチングされてＳＯＩ層の表面粗さや膜厚均一性が悪化する恐れがある。したがって、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う際、熱処理雰囲気中に含まれる酸素の濃度を１０ｐｐｍ以下とすることが好ましく、それによって、熱処理中にＳＯＩウエーハの表面がエッチングされることを防止して、優れた表面粗さ及び膜厚均一性を有するＳＯＩ層が形成されたＳＯＩウエーハを製造することができる。
また、上記埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行う際に用いられる熱処理装置は特に限定されるものではなく、一般的に用いられている熱処理装置を用いることができる。しかしながら、ウエーハを保持するウエーハボートや反応室を形成する熱処理チューブに例えば通常よく使用されている石英ボートや石英チューブを用いると、それらに主成分として含まれている酸素の影響により、上述したようにＳＯＩウエーハの表面がエッチングされてＳＯＩ層の表面粗さや膜厚均一性が悪化する恐れがある。
したがって、本発明の埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理において使用されるウエーハボート及び／または熱処理チューブの材質は、主成分として酸素を含まないＳｉ、ＳｉＣ、または少なくともこれらが内壁面にコートされたものを使用することが好ましい。このような材質のウエーハボートや熱処理チューブを使用することによって、熱処理雰囲気中の酸素濃度を低く維持して、熱処理の際にウエーハ表面で生じるエッチングを確実に防止することができる。
さらに、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法では、上記の埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行った後にＳＯＩ層に熱酸化膜を形成し、その酸化膜を除去するという、いわゆる犠牲酸化処理を行うことが好ましい。
例えば、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行った後に、酸化性雰囲気下の熱処理を行ってＳＯＩ層の表面に酸化膜を形成し、その後、ＳＯＩ層の表面に形成した酸化膜をＨＦを含む水溶液でエッチングして除去するようにすれば良い。このようにＨＦを含む水溶液でエッチングするようにすれば、酸化膜のみがエッチングにより除去され、犠牲酸化によりダメージや重金属等の汚染物を除去したＳＯＩウエーハを得ることができる。
このように埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理後にさらに犠牲酸化処理を行うことによって、酸素イオン注入によってＳＯＩウエーハの表面に生じているダメージ層を確実に除去でき、さらにＳＯＩ層の結晶品質を一層高めつつＳＯＩ層の膜厚調整を行うことができるため、より高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
以上のような方法でＳＯＩウエーハを製造することによって、品質が安定するある程度厚い埋め込み酸化膜を一旦形成し、その後埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行って埋め込み酸化膜の厚さを減少させるので、埋め込み酸化膜の厚さが薄くかつ完全性が高く、またＳＯＩ層の結晶性及び表面品質も極めて良好な高品質のＳＯＩウエーハを容易に製造することができる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】  鏡面研磨が施された直径２００ｍｍのシリコンウエーハを用意し、ＳＩＭＯＸ法により製品規格として８０ｎｍの厚さの埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハの製造を行った。
先ず、５００℃程度に加熱したシリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入エネルギーが１８０ｋｅＶ、ドーズ量が４×１０１７／ｃｍ２の条件でイオン注入して、ウエーハ内に酸素イオン注入層を形成した。続いて、酸化膜形成熱処理を酸素濃度が０．５％のアルゴンガス雰囲気下、１３５０℃で４時間行って、シリコンウエーハ内の酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変えた後、ＩＴＯＸ処理をアルゴンガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気下（酸素濃度７０％）、１３５０℃で４時間行って、シリコンウエーハ内の埋め込み酸化膜を厚膜化した。
次に、ウエーハ表面に形成されている熱酸化膜をＨＦを含む水溶液でエッチング除去した後、得られたシリコンウエーハにアルゴンガス雰囲気下（酸素濃度１０ｐｐｍ以下）、１２００℃で４時間の埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行い、埋め込み酸化膜の厚さを３０ｎｍ減少させて８０ｎｍの厚さの埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハを製造した。
（比較例１）
鏡面研磨が施された直径２００ｍｍのシリコンウエーハを用意し、先ず、５００℃程度に加熱したシリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入エネルギーが１８０ｋｅＶ、ドーズ量が４×１０１７／ｃｍ２の条件でイオン注入して、酸素イオン注入層を形成した。続いて、酸化膜形成熱処理を酸素濃度が０．５％のアルゴンガス雰囲気下、１３５０℃で４時間行って、シリコンウエーハ内の酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変えた後、ＩＴＯＸ処理をアルゴンガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気下（酸素濃度７０％）、１３５０℃で４時間行い、シリコンウエーハ内の埋め込み酸化膜を厚膜化して１１０ｎｍの厚さの埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハを製造した（埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理は行わない）。
（比較例２）
鏡面研磨が施された直径２００ｍｍのシリコンウエーハを用意し、先ず、５００℃程度に加熱したシリコンウエーハの一方の主表面から酸素イオンを注入エネルギーが１８０ｋｅＶ、ドーズ量が４×１０１７／ｃｍ２の条件でイオン注入して、酸素イオン注入層を形成した。続いて、酸化膜形成熱処理を酸素濃度が０．５％のアルゴンガス雰囲気下、１３５０℃で４時間行うことによって、シリコンウエーハ内の酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜に変えて８０ｎｍの厚さの埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハを製造した（ＩＴＯＸ処理、及び埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理は行わない）。
上記実施例１及び比較例１、２で製造したＳＯＩウエーハについて、各ＳＯＩウエーハをＨＦ水溶液に浸漬した後、それぞれのＳＯＩウエーハのＳＯＩ層に形成されたＨＦ欠陥及び埋め込み酸化膜に形成されたピンホールを光学顕微鏡で観察してその密度を測定した。これらの測定結果を、上記のＳＯＩウエーハの製造条件とともに以下の表１に示す。
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表１に示したように、本発明のＳＯＩウエーハ（実施例１）は、埋め込み酸化膜の膜厚が８０ｎｍと薄いにも関わらず、従来のＩＴＯＸ処理を行ったＳＩＭＯＸウエーハ（比較例１）と同等の品質の埋め込み酸化膜を有していることが分かる。それに対して、比較例２のＳＯＩウエーハは、８０ｎｍの膜厚の埋め込み酸化膜を形成するためにＩＴＯＸ処理を行わなかったので、埋め込み酸化膜にピンホールが顕著に発生してしまい、埋め込み酸化膜の品質が非常に低いものであった。
また、実施例１及び比較例１と同条件でＳＯＩウエーハを再度それぞれ作製した後、さらに犠牲酸化処理を行って３０ｎｍ以下の厚さのＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを製造した。そして、上記と同様に各ＳＯＩウエーハのＨＦ欠陥密度を測定し、その比較を行ったところ、両ＳＯＩウエーハにほとんど差異はみられなかった。すなわち、本発明のＳＯＩウエーハは、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理によりＳｉＯ２が還元されてＳＯＩ層となった領域においても、十分な結晶性が得られていることが確認できた。
【実施例２】  上記実施例１と同一条件により作製された８０ｎｍの厚さの埋め込み酸化膜を有するＳＯＩウエーハを複数枚用意し、これらに、アルゴンガス雰囲気下（酸素濃度１０ｐｐｍ以下）で１２００℃の埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を、熱処理時間を調整して追加することにより、最終的な埋め込み酸化膜厚が４０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍ、５ｎｍのＳＯＩウエーハが得られた。そして、これらのＳＯＩウエーハについても、実施例１と同様にＨＦ欠陥密度およびピンホール密度を測定した結果、実施例１および比較例１と同等であることがわかった。
このように、本発明によれば、ＳＯＩウエーハを作製する際に２枚のウエーハを必要とする貼り合わせ法を用いずに、１枚のウエーハからＳＯＩウエーハが作製できるＳＩＭＯＸ法を採用した場合であっても、従来のＳＩＭＯＸ法では得ることのできなかった埋め込み酸化膜厚が５０ｎｍ未満である高品質のＳＯＩウエーハを得ることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
例えば、上記実施の形態においては、主に酸素イオンを低ドーズ量（ドーズウインドウ）で注入することによってＳＯＩウエーハの製造を行っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、高ドーズ量で酸素イオン注入を行ってＳＯＩウエーハを製造する場合にも同様に適用することができる。例えば、高ドーズ量で酸素イオンを注入して所望の厚さよりも膜厚を厚くして埋め込み酸化膜を形成した後、埋め込み酸化膜の厚さを減ずる熱処理を行うことによって、所望の膜厚の薄い埋め込み酸化膜が形成されたＳＩＭＯＸウエーハを製造すことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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