(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンウエハに酸素をイオン注入した後に、該ウエハを熱処理をすることにより、ＳＯＩ構造を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法であって、前記熱処理が前後２段階で行なわれると共に、前段階の熱処理雰囲気が窒素、熱処理温度が１１００℃以上１２５０℃以下、熱処理雰囲気圧力が０．１ＭＰａ以上、熱処理時間が６０秒以下であり、後段階の熱処理雰囲気が酸化性雰囲気であることを特徴とする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】
本発明は、酸素イオンの注入とその後の熱処理によってＳＯＩ構造を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化シリコンの絶縁層上に単結晶のシリコン層を持つＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板は、低消費電力で高速動作するデバイスの基板として用いられている。このＳＯＩ基板の製造方法には、貼り合せ法による方法、酸化シリコン上に多結晶シリコン層を形成し、熱処理によりこの多結晶シリコン層を単結晶シリコン層に変化させる方法、イオン注入と熱処理による方法がある。単結晶シリコン基板にイオン注入法によって酸素を注入し、その後、熱処理によって、注入した酸素をシリコンと反応させ、酸化シリコン層を形成する方法は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）法とよばれている。この方法は、例えば、特開平９-２９３８４６号公報にあるように、１８０ｋｅＶ、５５０℃で酸素イオンを単結晶シリコン基板に注入し、引き続いて、アルゴンガス中に酸素を０．５ｖｏｌ％添加した雰囲気で１３５０℃に加熱し、４時間のアニールを行う。この方法によって、シリコン基板中に埋め込み酸化シリコン層が、また、その上に単結晶のシリコン層が形成されたＳＯＩ構造が形成される。さらには、特開平７-２６３５３８号公報にあるように、上記のアニールに引き続いて、酸素を５０ｖｏｌ％以上添加したアルゴンまたは酸素１００ｖｏｌ％雰囲気中で１３５０℃に加熱し、４時間程度のアニールを実施し、結晶欠陥数が少なく、絶縁耐圧特性に優れた埋め込み酸化層を形成する場合もある。
【０００３】
上記の方法で製造されたＳＩＭＯＸ基板は表面を酸化シリコン膜が覆い、その下に単結晶シリコン層（ＳＯＩ層と呼ぶ）、さらにその下に埋め込み酸化層が存在する構造となっている。ＳＩＭＯＸ基板にデバイスを作成する際には、表面の酸化シリコン層を除去して、ＳＯＩ層にデバイスを形成する。
【０００４】
しかし、Ｓ．Ｎａｋａｓｈｉｍａらの報告（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ＲｅｓｅａｒｃｈＢ５５，１９９１，ｐ．８４７-８５１）によれば、上記の方法で製造されたＳＩＭＯＸ基板では、ＳＯＩ層内に表面から埋め込み酸化層まで到達する貫通転位が発生することが知られている。ＳＩＭＯＸ基板の製造中に、いったん発生した貫通転位は、熱処理をおこなっても容易に除去できない。ＳＩＭＯＸ基板は、ＳＯＩ層にデバイスを形成して用いられるが、上記の貫通転位は、接合リーク等のデバイス不良を誘発するという問題がある。
【０００５】
ＳＩＭＯＸ基板の製造において、ＳＯＩ層の貫通転位は、次のようにして発生する。すなわち、単結晶シリコン基板に酸素を注入して引き続き熱処理する際に、注入した酸素がシリコンと反応して酸化シリコンとなり、格子間シリコンが発生する。この格子間シリコンがＳＯＩ層中に積層欠陥を形成し、熱処理中に転位に変化するというものである。
【０００６】
上記のような貫通転位の発生原因に鑑み、ＳＩＭＯＸ製造工程における貫通転位の発生を抑制する方法として、特開平１１-４０５１２号公報では、酸素イオンを注入した後、１２５０℃未満の温度で、水素など還元性雰囲気でアニールすることにより、表面酸化膜の形成を抑制することで、格子間シリコンがＳＯＩ層中に残留しないようにする方法がとられている。しかし、この方法では、還元性雰囲気での熱処理をしすぎると埋め込み酸化膜が分解するという問題があり、これを回避するには還元性雰囲気中での熱処理時間を経験的に決めなければならないという工程管理上の手間を要する。また、水素雰囲気での熱処理を可能にするための設備にかかるコストが大きいという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題に鑑み、本発明では、ＳＩＭＯＸ基板のＳＯＩ層での貫通転位の発生を、低コストで抑制する製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のＳＩＭＯＸ基板の製造方法では、シリコンウエハ基板に酸素イオンを注入した後に、熱処理によって埋め込み酸化層を形成する際に、この熱処理を前後２段階で行い、前段階の熱処理雰囲気を窒素、熱処理温度を１１００℃以上１２５０℃以下、熱処理雰囲気温度を０．１ＭＰａ以上、熱処理時間を６０秒以下とし、後段階の熱処理雰囲気を酸化性雰囲気とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるＳＩＭＯＸ基板の製造方法の実施形態を、図１を参照して具体的に説明する。
【００１０】
まず、図１の▲１▼は単結晶シリコン基板１１に、イオン注入器によって酸素を注入する工程である。この工程では、酸素イオンの注入エネルギーは１００ｋｅＶから２００ｋｅＶで、注入量は１×１０17個／ｃｍ2から５×１０17個／ｃｍ2である。この工程により、単結晶シリコン基板１１の表面から所定の深さに高濃度の酸素が存在する領域１２を形成する。
【００１１】
図１の▲２▼は、前段熱処理工程であって、図１の▲１▼の工程で酸素を注入した単結晶シリコン基板１１を窒素中で熱処理する工程である。一般に、窒素ガスは、シリコンに対しては不活性で、反応性に乏しいと考えられているが、例えば、Ｍ．Ｊａｃｏｂらの報告（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，Ｖｏｌ．５７，ｐ．３４９-３５４（１９９７））にあるように、シリコンウエハを窒素雰囲気中で熱処理すると、１１００℃以上の高温では、表面から空孔が導入されることが知られている。熱処理工程▲２▼は、この現象を応用したものであり、シリコン基板１１を窒素雰囲気中で高温加熱することにより、単結晶シリコン基板１１の表面から空孔１４を単結晶シリコン基板１１に導入する。また、高濃度酸素の存在領域１２で、シリコンと酸素が反応し、酸化シリコンの粒子１３を形成する。
【００１２】
上記工程▲２▼の窒素雰囲気中で熱処理する場合の温度は、１１００℃未満では、空孔の導入は起こらないため、熱処理温度は１１００℃以上であることが望ましい。また、熱処理温度が１２５０℃を超えるとシリコン基板１１からシリコンが蒸発し、ＳＯＩ層が消失するので、熱処理温度は１２５０℃以下であることが望ましい。したがって、本発明のＳＩＭＯＸ基板製造法では、上記工程▲２▼の熱処理温度は１１００℃以上１２５０℃以下が望ましい。
【００１３】
また、上記の熱処理では、上述したように、シリコンの蒸発を防ぐため加熱温度は１２５０℃以下であることが好ましいが、空孔１４の導入効率は高温ほど高い。したがって、熱処理工程▲２▼での加熱温度は、シリコンの蒸発が防止できる上限の１２５０℃以下で、可能な限り高い温度に設定することが望ましい。また、窒素の圧力が０．１ＭＰａ未満であると、加熱温度が１２５０℃以下であっても、シリコンの蒸発を引き起こすことがあるため、熱処理する雰囲気のガス圧力は０．１ＭＰａ以上が好ましい。
【００１４】
さらに、酸素を注入した基板を窒素雰囲気中で熱処理する場合、加熱時間が６０秒を超過すると、ＳＯＩ表面に針状の窒化シリコンが成長し、ＳＯＩ表面が粗くなる。これを防止するため、熱処理する時間は６０秒以下が好ましい。
【００１５】
図１の▲３▼は、後段熱処理工程である。この工程▲３▼では、単結晶シリコン基板１１を、１２００℃以上の温度で酸化性雰囲気中で加熱する。この雰囲気ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスで、この際、酸素濃度は０．５ｖｏｌ％以上が好ましく、また、酸素濃度を１００ｖｏｌ％としてもよい。この工程では、工程▲２▼において形成した酸化シリコンの粒子１３同士を互いに結合させて、埋め込み酸化層１６を形成する。また、この工程▲３▼によって、加熱雰囲気ガスから酸素を埋め込み酸化層１６に供給し、埋め込み酸化層１６の厚さを増加させるとともに、単結晶シリコン基板１１の表面に表面酸化層１７を形成させ、埋め込み酸化層１６と表面酸化層１７の間にＳＯＩ層１８を形成する。工程▲３▼の酸化熱処理時間は、埋め込み酸化層１６、ＳＯＩ層１８、表面酸化層１７のそれぞれの厚さが、所望の厚さになるまで継続する。
【００１６】
上述したＳＩＭＯＸ基板の製造方法において、図１の工程▲２▼では、単結晶シリコン基板１１の表面から空孔１４を導入すると同時に、図１の工程▲１▼で注入した酸素をシリコンと反応させ、酸化シリコンの粒子１３を形成する。このとき、酸素とシリコンの反応によって、格子間シリコン１５が発生する。この格子間シリコン１５は、工程▲２▼で導入した空孔１４とＳＯＩ層中で結合して消滅する。これにより、ＳＯＩ層中での格子間シリコンの残留が防止でき、ＳＯＩ層中の貫通転位の発生を抑制できる。
【００１７】
【実施例】
本発明のＳＩＭＯＸ基板の製造法により、ＳＯＩ層の転位の発生を抑制する効果を具体的な実施例によって説明する。
【００１８】
（実施例）
面方位（１００）のＣＺタイプＰ型単結晶シリコン基板に、加速エネルギー１８０ｋｅＶで、酸素イオンを４×１０17個／ｃｍ2注入した。前段の熱処理として、この単結晶シリコン基板を、０．１ＭＰａの窒素雰囲気中で、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃でそれぞれ６０秒間加熱した。引き続き後段の熱処理として、この単結晶シリコン基板を、それぞれ酸素濃度０．５ｖｏｌ％の酸素とアルゴンの混合ガス中で、１３５０℃で４時間加熱した。
【００１９】
（比較例）
上記の実施例と比較するため、比較例として、同じ単結晶シリコン基板を前段の熱処理を行なわず、酸素濃度０．５ｖｏｌ％の酸素とアルゴンの混合ガス中で、１３５０℃で４時間加熱した。
【００２０】
【表１】
0004598241.tif 000002
【００２１】
表１に、上記実施例と比較例により製造したＳＩＭＯＸウエハの転位密度を測定した結果を示す。前段の熱処理を行なわなかった比較例では、ＳＯＩ中には６×１０4個／ｃｍ2以上の転位が存在していた。一方、本発明の実施例では、実施例に比べて格段に転位密度は低下していた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によるＳＩＭＯＸ基板の製造方法によれば、格子間シリコンと導入された空孔とが結合して消滅することによりＳＯＩ層中での格子間シリコンの残留が防止でき、低コストでＳＯＩ層中の貫通転位の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるＳＩＭＯＸ基板の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１１  単結晶シリコン基板
１２  高濃度酸素の存在領域
１３  酸化シリコン粒子
１４  空孔
１５  格子間シリコン
１６  埋め込み酸化層
１７  表面酸化層
１８  ＳＯＩ層
【図１】
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