(57)【要約】【課題】本発明はSOIの形成の方法を提供する。本方法は，プラズマ注入工程を使用して，比較的深さの浅いところに，注入層を形成するために，酸素原子をシリコン基板に注入することに関する。基板はつぎに，薄いシリコンシード層の下に位置することになる，注入層を絶縁層に変換するために，アニールされる。デバイスが形成される高品質の単結晶を与えるために，薄いシリコンシード層上に，シリコン層をエピタキシャル成長させる。SOIは広範囲なSOI適用例において，基板として使用するに適している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
SOIを形成する方法であって，
注入領域を形成するために，プラズマ注入を使用して，酸素を基板に注入する工程と，
注入された酸素を含む絶縁層を形成するために，基板をアニールする工程と，
SOIを形成するために絶縁層にわたってシリコン層を成長させる工程と，
を含む方法。
【請求項２】
シリコン層がエピタキシャル成長による，請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板がシリコンである，請求項１に記載の方法。
【請求項４】
絶縁層が酸化シリコンからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
絶縁層が注入された酸素と基板との相互作用により形成される，請求項１に記載の方法。
【請求項６】
40keV以下の注入エネルギーを使用して酸素を注入することを含む，請求項１に記載の方法。
【請求項７】
30keV以下の注入エネルギーを使用して酸素を注入することを含む，請求項１に記載の方法
【請求項８】
注入領域の酸素濃度のピークが約300オングストロームから800オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項９】
絶縁層が，シード層の下の基板に埋め込まれる，請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
シード層の厚さが約100オングストローム以下である，請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
シード層の厚さが約30オングストロームから約100オングストロームの間である，請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
シード層には，実質的に酸素原子がない，請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
絶縁層の厚さが，約800オングストロームから2000オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
シリコン層の厚さが，約500オングストロームから2000オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
シリコン層の成長前に，エッチング処理で，基板の表目に形成された自然酸化層を除去することを含む，請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
さらに，シリコン層にひとつ以上の半導体デバイスを形成することを含む，請求項１記載の方法。
【請求項１７】
SOIを形成する方法であって，
注入領域を形成するために，プラズマ注入を使用して，酸素を基板に注入する工程と，
絶縁層を形成すべく，注入された酸素と基板との間で相互作用を起こさせるために基板をアニールする工程と，
SOI材料を製造するために，絶縁層にわたってシリコン層をエピタキシャル成長させる工程と，
を含む，方法。
【請求項１８】
基板がシリコンである，請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
絶縁層が酸化シリコンである，請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
絶縁層がシーズ層の下に埋め込まれる，請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，一般的に半導体処理に関し，特に絶縁体材上に形成されたシリコン材の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁体材上に形成されたシリコン（SOI）は絶縁体材上に形成されたシリコン層を有する。SOIは，ミクロ電子工学の分野において半導体基板として利用することができる。半導体デバイスは，たとえばシリコン層に形成することができる。さらに，SOI基板は，同じ基板上に形成されたデバイスおよび回路を他のものから有効に絶縁することができる。さらに，SOI基板はまた，デバイスの設計のための新たな可能性を示す。
【０００３】
ウエハボンディングは，たとえば，特許文献１に記載されているようなSOIを形成するための従前の技術である。ウエハボンディング技術は一般的に，第一のウエハを第二のウエハ（SOI構造を形成するために絶縁層をその表面上に形成する）に結合することに関する。しかし，ウエハボンディング技術は非常に扱いにくく，時間の浪費となる。
【特許文献１】
米国特許第5,710,057号明細書
【０００４】
酸素注入技術はまた，SOIを形成するために使用することができる。この技術は一般的に，酸素イオを，選択された注入エネルギーで，シリコン基板に向け，加速するイオン注入技術に関する。イオンは，所望の深さにわたって注入され，つぎに加熱されて，シリコン基板と反応し埋め込みシリコン酸化層（SiO2）を形成する。したがって，シリコン層の下に埋め込まれたシリコン酸化層はSOI構造を形成する。しかし，埋め込みシリコン酸化層を形成すべく，十分な濃度の酸素原子を注入するために，イオン注入技術は，比較的多くのドーズ量を使用する必要がある。ドーズ量は注入時間を掛けたビーム電流に比例する。イオン注入技術は高電流を利用できないことから，十分な濃度の注入酸素領域を形成すべく，適切なドーズ量を達成するために，長い注入時間が典型的に要求される。長い注入時間は，イオン注入技術を使用するSOI処理に対して，比較的に低いスループット（時間当たりの処理ウエハの数）をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在商業的に使用されている半導体処理の要求を満たすために，この処理が高いウエハスループットをもつようにすることが望ましい。SOIを形成するために，上記従前の技術は，商業的に使用されている半導体プロセスのスループット要求を満たすために，能力的に限界がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は，SOIを形成する方法を提供することである。本方法は，プラズマ注入工程を使用して，比較的浅い深さのところに注入領域を形成するために，シリコン基板に酸素イオンを注入することに関する。基板は，薄いシード（seed）層の下のところに，注入領域を絶縁層に変換するために，高温でアニールされる。シリコン層が好適に，デバイスが形成される領域を形成するために，薄いシリコンシード層上にエピタキャル成長で形成される。SOIは種々のSOI例にいて，基板として使用するのに適している。
【０００７】
一態様として，本発明は，SOIの形成方法を提供する。本発明は，注入領域を形成するために，プラズマ注入を使用して酸素を基板に注入すること，注入酸素を含む絶縁層を形成するために基板をアニールすること，およびSOIを形成するために絶縁層にわたってシリコン層を成長させることを含む。
【０００８】
他の態様として，本発明は，SIOを形成する方法を提供する。本方法は，注入領域を形成するために，プラズマ注入を使用して酸素を基板に注入すること，絶縁層を形成すべく，注入された酸素と基板との間で反応を生じさせるために基板をアニールすること，およびSOIを形成するために絶縁層にわたってシリコン層をエピタキシャル成長させることを含む。
【０００９】
そのほかに，本発明は高いスループットでSOIを形成する方法を提供する。高いスループットは，比較的長い注入工程に代え，比較的短いプラズマ注入およびエピタキシャル成長工程を利用することにより達成される。注入された酸素領域を形成するために，その領域が深さの浅いところに形成されることから，プラズマ注入を利用することができ，続くエピタキャル成長工程がシリコンデバイス層に対して十分な厚さを与える。プラズマ注入工程は，それがビーム電流制限により限定されないことから，十分な酸素濃度をもつ注入領域を形成するために，短い注入時間ですむ。
【００１０】
さらに，本発明は，シリコンデバイス層がエピタキシャル成長で形成させることができることから，欠陥が少ない密度および濃度をもつSOIを提供する。本発明の他の態様および特徴は，添付図面を参照して行う以下の説明から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は，絶縁体上にシリコン（SOI）を形成する方法を提供する。本方法は，プラズマ注入工程，それに続いてアニール工程を使用して，シリコン基板に，深さが比較的浅いところに，埋め込み絶縁層を形成することに関する。シリコン層が，SOIの形成のために，基板上に，たとえばエピタキシャル成長させる。このような材料は，エピタキシャルシリコン層に，半導体デバイスを形成するために，さらに処理され得る半導体ウエハとして使用することができる。
【００１２】
図１に示されているように，SOIウエハが本発明の一実施例にしたがって示されている。ウエハ10は基板12，基板上に形成された絶縁層14，および絶縁層14上に形成されたシリコン層16を含む。以下で説明されるように，シリコン層16は，半導体デバイスの基板として使用に適した，エピタキシャル層のような，高品質の単結晶の領域を含む。デバイスが形成されたとき，ウエハ10はシリコン層16内にドープ領域，シリコン層16上に他の層18（たとえば，酸化層，金属化層）などのような従前の特徴的なものを含んでもよい。
【００１３】
図２Aないし図２Eは本発明の図示の方法にしたがった，異なる処理工程の後のSOIウエハ10の断面である。
【００１４】
図２Aは，図示の方法における開始材として使用される基板12を示す。基板12はシリコン基板のような半導体処理において使用される典型的なものである。基板12の寸法はたとえば，直径が約200mmから約300mmの間で，厚さが約600ミクロンから約700ミクロンの間である。他の寸法の基板も使用できることは分かるであろう。
【００１５】
図示の方法は，プラズマ注入工程を使用して，図２Bに示されているように，注入領域24を形成するために，酸素を基板12に注入する工程を含む。プラズマ注入の間，基板12は典型的に，真空条件下で処理チェンバー内に支持される。プラズマ注入は，プラズマ（正のイオンを含む）を生成し，基板12の表面22に向けてイオンを加速することに関する。従来より知られている適当なプラズマ注入処理が使用できる。このような処理は，たとえば，パルス化された高電圧ICP（誘導結合高周波プラズマ）およびECR（電子サイクリトロンレジデンス）法を使用してプラズマを生成する。
【００１６】
一般的に，酸素プラズマはO2+およびO+イオンの両方を含む。プラズマ中のO2+のO+に対する比を制御するために，従来の技術が利用される。このような技術は，電極の幾何学形状，入力パワー，ガス圧および磁場の強度を含む，ひとつ以上の処理パラメータを調節するものである。上述した方法において，プラズマがO2+イオンまたはO+イオンのいずれかを優先的に含むように，O2+／O+の比が1.0か0に近づくことが望ましい。多くの場合，その比は，0.90以上か，約0.95以上である。他の場合では，その比は0.10以下か0.05以下である。
【００１７】
プラズマ注入工程は，特に，在来のSOI処理におけるイオン注入の時間と比較して，比較的短い注入時間で達成される。短い注入時間は，プラズマ注入が，高ビーム電流を利用することにより，適切なドーズ量を与えることから達成することができる。短い注入時間はウエハのスループットの増加をもたらす。
【００１８】
一般的に，プラズマ注入の間，基板12の温度は，熱のダメージを妨げるために，既知の冷却および/または加熱技術を使用して制御される。典型的に，その温度は約600℃から約700℃の範囲で制御される。比較的低い注入エネルギーを使用する例では利点がある。低い注入エネルギーを利用する処理は，注入時間を減少できる冷却条件を軽減する。ある実施例では，O+原子に対する注入エネルギーは，40kV以下，30kV以下またはさらに低い。
【００１９】
図２Bは，注入工程の後の基板12の断面である。注入された領域24はたとえば，基板12の格子構造，たとえば，格子間に酸素原子を存在させることで形成される。注入領域24の酸素濃度は，基板22からの距離の関数で変化する。濃度深さのプロファイルは，注入工程の処理条件に依存する。
【００２０】
図３Aは，基板12への深さを関数とした，酸素イオンの濃度を示す典型的な深さプロファイルを示す。図示の深さのプロファイルは，実施例としては好適な優先的なひとつのピーク26を含む。ひとつの優先的なピークはたとえば，所望の深さに非常によく画成された境界をもつ絶縁体14を形成するときに，利点がある。ひとつのピークは，上記したように，O2+かO+の優先したもの（たとえば90％または95％）を利用した注入処理を示す。多くの場合，優先的なピークが現れても，小さい方のピークも観測できる。
【００２１】
ピーク26は好適に，約500オングストロームの深さで最大の酸素濃度を有する。実施例では，最大の酸素濃度は，約300オングストロームから約800オングストロームの間の深さで生じる。最大の酸素濃度は，約1022原子/cm3から約5×1022原子/cm3の間である。しかし，最大の酸素濃度の特定の深さは特定の例に依存し，ここで説明される範囲の外にある。
【００２２】
注入工程の後，図示の方法は，絶縁層14を形成するために，アニール工程を含む。図２Cはアニール後の基板12の断面を示す。一般的に，ウエハは注入処理チェンバーから除去され，アニール工程のために炉に移される。炉内で，多くのウエハが，スループットを限定しないようにするため，一度にアニールされる。アニール工程は，非常によく画成された境界をもつ絶縁層14（たとえば，SiO2）を形成するために，ウエハを高温に加熱することに関する。
【００２３】
アニール工程により，注入された酸素イオンは高い酸素イオン濃度の領域へと拡散し，そこでは酸素イオンは基板と反応して，絶縁層14を形成する。酸素原子は，その原子がシリコンと化学的に反応する推進力が低濃度の領域に原子が拡散する推進力より勝ることから，高濃度の領域に拡散する。結局，低酸素イオン濃度の領域（すなわち，深さプロファイルの縁）で，酸素原子が減少し，深さのプロファイルは，比較的一定の注入酸素濃度をもつ矩形形状をもつようになる。アニールから生じた典型的な深さプロファイルが図３Bに示されている。アニール工程の温度および時間は，反応が生じるように組み合わされる。特別なアニール条件は特定の方法に依存する。典型的に，アニール温度は1200℃以上で，アニール時間は1時間以上である。しかし，他の条件も適用例に応じて使用できる。好適な実施例において，アニール温度は1350℃以上で，アニール時間は約0.5時間から4時間の間である。上述のように，多数のウエハが一度にアニールできることから，アニール時間はウエハのスループットを制限しない。
【００２４】
絶縁体14の厚さは一般的に特定の適用例によるが，注入処理条件により制御することができる。ある応用例では，厚さは約800オングストロームから2000オングストロームの間である。酸素イオンの拡散の結果，絶縁層の上および下の領域には時に，実質的に注入酸素イオンがない。特に，このことは，絶縁層14の上の薄いシリコンシード層28の形成をもたらす。ある実施例では，シード層28は100オングストローム以下の厚さをもつが，他の実施例では，50オングストローム以下の厚さをもち，さらに他の場合は約30オングストロームから100オングストロームの範囲の厚さをもつ。シード層28は好適に，欠陥の低い濃度をもつ，高品質の単結晶層である。しかし，ある実施例では，シード層28は酸素イオンを含む僅かな量の欠陥を含むことは理解されたい。下述するように，シード層28は，高品質のエピタキシャル層の付着を容易にする。
【００２５】
図２Cに示されている場合において，薄い自然酸化層30が，アニール工程および/またはプラズマ注入工程の間，基板12の表面22上に形成される。自然酸化層30はシリコン原子と，表面22がさらされる酸素原子および/またはイオンとの相互作用により形成される。自然酸化層30の厚さは，たとえば，約10オングストロームと約30オングストロームとの間である。
【００２６】
エッチング工程が，酸化層30（存在すれば）を除去するために使用できる。図２Dは，エッチング工程の後の基板12の断面を示す。下にある層にダメージを与えることなく酸化層30を十分に除去できる，従来技術のエッチング技術が使用できる。このような技術には，プラズマエッチングやウエットエッチングがある。ウエットエッチング工程が利用されると，基板12は，アニール装置（たとえば，炉）からウエットエッチングステーションに移送される。プラズマエッチング工程が使用されると，基板12は，エッチングチェンバーに移送されてもよく，もし処理チェンバーでエッチングが実施されるならば，アニール工程で使用されたのと同じ処理チェンバーに置かれたままでもよい。ある実施例では，自然酸化層30が形成されない場合もあり，他の実施例では，自然酸化層が除去されなくともよい場合もあることは理解されよう。
【００２７】
本発明は，シリコン層16（図１）を形成するためにシリコンシード層28上にエピタキシャルシリコン層32を成長させるエピタキシャル成長を含む。図２Eはエピタキシャル成長工程後の基板12の断面である。ある場合では，基板12はエピタキシャル層を成長させるために処理チェンバーに移送されてもよく，処理チェンバーがエピタキシャル成長を実施できるのであれば，前の工程から引き続き処理チェンバーに置かれたままでもよい。従来技術で知られた種々のエピタキシャル成長技術が利用できる。たとえば，エピタキシャル層32は化学蒸着（CVD）技術（基板が，高温（たとえば，700℃に加熱され，シラン（SiH4）ガスが高温度で，ウエアが配置された処理チェンバーに導入される）を使用して成長する。シランガスはシード層28上にエピタキシャル層32を形成するために，基板12の表面で反応する。シード層28の高い結晶の質は，欠陥の低い濃度をもつエピタキシャル層として，エピタキシャル層32の付着を容易にする。必要ならば，エピタキシャル層3に，従前の技術での付着の間，ｎタイプまたはｐタイプのドープが実行される。
【００２８】
エピタキシャル成長工程は所望の厚さになるまで実行される。エピタキシャル層32の厚さは一般的に，エピタキシャル層にデバイスが形成されるのに十分なものである。エピタキシャル層32はたとえば，約500オングストロームから2000オングストロームの間にある。しかし，エピタキシャル層の特定の厚さは，特定の応用例により決定される。エピタキシャル層32は好適に，欠陥の低い濃度をもつ単結晶のシリコン層である。
【００２９】
図２Aないし図２Eに示された方法は，本発明の一実施例を示すものである。図示の方法は，同業者には知られた種々の変形を含み得る。
【００３０】
図２Aないし図２Eに示された方法は，特定の適用例に必要な半導体ウエハを含む，従来より知られたようにさらに処理することができる。SOIウエハの製造に使用することができる。さらに処理することとは，第二のシリコン層16に，ドープされた領域17（図１）を形成すること，第二のシリコン層16上にさらに層18（たとえば，酸化層，金属化層）を形成することなどを含む。例として，デバイスは，限定的ではないが，部分的な空乏または完全な空乏のCMOSデバイスである。
【００３１】
ここで説明されたパラメータはすべて例示であり，実際のパラメータは本発明の方法が使用される特定の例によるものであることは分かるであろう。したがって，上記実施例は例示であり，特許請求の範囲およびそれと同等なもの内で，説明されたもの以外についても実施することができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は，本発明の一実施例にしたがって製造されてSOIウエハの断面である。
【図２】図２Aは，本発明の一実施例にしたがって，開始材として使用された基板の断面である。  図２Bは，本発明の一実施例にしたがった，プラズマ注入工程の後の基板の断面である。  図２Cは，本発明の一実施例にしたがった，アニール工程の後の基板の断面である。  図２Dは，本発明の一実施例にしたがった，エッチング工程の後の基板の断面である。  図２Eは，本発明の一実施例にしたがった，エピタキシャル成長工程の後の基板の断面である。
【図３】図３Aは，本発明の一実施例にしたがった，アニール工程の前の注入酸素についての，深さプロファイルである。  図３Bは，本発明の一実施例にしたがった，アニール工程の後の注入酸素についての，深さプロファイルである。
【図１】
2004528707.tif 000002
【図２】
2004528707.tif 000003
【図３】
2004528707.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004528707.tif 000005
2004528707.tif 000006
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2004528707.tif 000010
2004528707.tif 000011
2004528707.tif 000012
2004528707.tif 000013
2004528707.tif 000014
2004528707.tif 000015
2004528707.tif 000016
2004528707.tif 000017
2004528707.tif 000018
2004528707.tif 000019
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528707.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528707.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月17日(2003.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
SOIを形成する方法であって，
注入領域を形成するために，プラズマ注入を使用して，酸素を基板に注入する工程と，
注入された酸素を含む絶縁層を形成するために，基板をアニールする工程と，
SOIを形成するために絶縁層にわたってシリコン層を成長させる工程と，
を含む方法。
【請求項２】
シリコン層がエピタキシャル成長による，請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板がシリコンである，請求項１に記載の方法。
【請求項４】
絶縁層が酸化シリコンからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
絶縁層が注入された酸素と基板との相互作用により形成される，請求項１に記載の方法。
【請求項６】
40keV以下の注入エネルギーを使用して酸素を注入することを含む，請求項１に記載の方法。
【請求項７】
30keV以下の注入エネルギーを使用して酸素を注入することを含む，請求項１に記載の方法
【請求項８】
注入領域の酸素濃度のピークが約300オングストロームから800オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項９】
絶縁層が，シード層の下の基板に埋め込まれる，請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
シード層の厚さが約100オングストローム以下である，請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
シード層の厚さが約30オングストロームから約100オングストロームの間である，請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
シード層には，実質的に酸素原子がない，請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
絶縁層の厚さが，約800オングストロームから2000オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
シリコン層の厚さが，約500オングストロームから2000オングストロームの間にある，請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
シリコン層の成長前に，エッチング処理で，基板の表目に形成された自然酸化層を除去することを含む，請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
さらに，シリコン層にひとつ以上の半導体デバイスを形成することを含む，請求項１記載の方法。
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
（削除）
【請求項１９】
（削除）
【請求項２０】
（削除）
【国際調査報告】
2004528707.tif 000022
2004528707.tif 000023