(57)【要約】【課題】  ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低減すること。【解決手段】  シリコンウェーハ１を加熱して酸素イオンを注入し、シリコンウェーハ１の内部に酸素の高濃度層２を形成する第１の工程と、第１の工程で得られたシリコンウェーハ１に酸素イオンを注入してシリコンウェーハ１にアモルファス層３を形成する第２の工程と、第２の工程で得られたシリコンウェーハ１を熱処理して埋め込み酸化膜、つまりＢＯＸ層４を形成するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、第２の工程は、第１の工程の加熱温度よりも低い設定温度にシリコンウェーハ１を予備加熱して酸素イオンを注入するようにする。【選択図】    図１
2007005563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハを加熱して酸素イオンを注入し、前記シリコンウェーハの内部に酸素の高濃度層を形成する第１の工程と、該第１の工程で得られた前記シリコンウェーハに酸素イオンを注入して前記シリコンウェーハにアモルファス層を形成する第２の工程と、該第２の工程で得られた前記シリコンウェーハを熱処理して埋め込み酸化膜を形成するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、前記第２の工程は、前記第１の工程の加熱温度よりも低い設定温度に前記シリコンウェーハを予備加熱して前記酸素イオンを注入することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項２】
シリコンウェーハを３００℃以上に加熱して酸素イオンを注入し、前記シリコンウェーハの内部に酸素の高濃度層を形成する第１の工程と、該第１の工程で得られた前記シリコンウェーハに酸素イオンを注入して前記シリコンウェーハにアモルファス層を形成する第２の工程と、該第２の工程で得られた前記シリコンウェーハを熱処理して埋め込み酸化膜を形成するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、前記第２の工程は、３００℃未満の設定温度に前記シリコンウェーハを予備加熱して前記酸素イオンを注入することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、前記酸素イオンの注入を複数回に分けて注入することを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程は、前記複数回の前記酸素イオン注入のエネルギが異なることを特徴とする請求項３に記載のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）ウェーハの製造方法に関し、特に、ＭＬＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｌｏｗ  Ｄｏｓｅ）法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩウェーハの製造方法として、ＳＩＭＯＸ法が知られている。この方法によれば、例えば、加速エネルギを約２００ｋｅＶとし、ドーズ量が約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の酸素原子をイオン注入して高温で熱処理することにより、埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ）層という。）を形成することができる。このＳＩＭＯＸ法は、ドーズ量と注入エネルギを精度よく制御できるため、ＢＯＸ層の厚みやＳＯＩ層の膜厚を所定の厚みで均一に形成することができる。
【０００３】
例えば、ドーズ量が１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の基板は、高ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれ、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下の基板は、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハと呼ばれる。後者は、前者と比べて貫通転位の発生が少なく、酸素イオンの注入時間を短縮できるため、高品質かつ低コストのＳＯＩ基板を製造することができる。しかし、ドーズ量を低減すると、ＢＯＸ層の厚さが薄くなり、ＢＯＸ層の信頼性が低下するおそれがある。
【０００４】
そこで、開発された技術として、ＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）技術が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。このＩＴＯＸ技術によれば、酸素イオンのドーズ量により計算される理論的膜厚となる熱処理を濃度１％未満の酸素を含むアルゴンガス雰囲気中で行った後、１％以上の酸素を含むアルゴンガス雰囲気中で熱処理を施すことにより、ＢＯＸ層を厚膜化することができる。
【０００５】
このＩＴＯＸ技術の導入により、ＢＯＸ層の厚膜化、ＢＯＸ層のピンホール低減、ＳＯＩ層（基板表面のシリコン単結晶層）表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面の凹凸、つまりラフネスを低減することができ、低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの品質を大幅に向上できる。しかし、この技術を導入した低ドーズＳＩＭＯＸ法においても、酸素イオンのドーズ量は多いため、イオン注入時間が１バッチ当たり数時間もかかることに加えて、ＩＴＯＸ処理つまり所定の熱処理工程が必要になるため、生産性が低下して製造コストが増加するという問題がある。
【０００６】
一方、ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、酸素イオンを２回に分けて注入する方法が知られている（特許文献２参照。）。この２段階の酸素イオン注入では、シリコンウェーハを加熱した状態で高濃度の酸素イオン注入を行い、続いて、シリコンウェーハを室温程度に冷却して酸素イオン注入を行なう。すなわち、１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを加熱することで、シリコンウェーハ表面をシリコンの単結晶のまま維持し、２回目の酸素イオン注入では、シリコンウェーハを低温に維持することでアモルファス層を形成する。そして、このシリコンウェーハを高温で酸化処理することにより、ＳＯＩ構造が形成される。
【０００７】
この方法によれば、イオン注入後の熱処理によって、アモルファス層から多結晶、双晶、積層欠陥からなる高密度欠陥層が形成され、この欠陥層が形成された領域は酸素が析出しやすいことから、酸素イオンのドーズ量から予想される理論厚さの２倍程度の厚さまでＢＯＸ層を厚くすることができる。加えて、ＩＴＯＸ技術よりも酸素イオンのドーズ量を低減できるため、生産性が向上し、製造コストを低減できる。この方法で製造されたＳＩＭＯＸウェーハは、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸと呼ばれる。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２６３５３８号公報
【特許文献２】米国特許第５９３０６４３号明細書
【非特許文献１】中嶋定夫、他６名，「Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ  ｉｎ  ａ  ＳＩＭＯＸ  Ｗａｆｅｒ  ｂｙ  Ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  １９９４  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＳＯＩ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９４年，第７１−７２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の製造方法に限らず、ＳＯＩウェーハは、いくつかの製造工程を経る過程でシリコン基板の表面に欠陥が生じたり、表面にパーティクル（塵埃など）が付着することがある。これらの不具合を残したまま後工程に進めると、デバイスとしての歩留まりが低下するおそれがある。そのため、ＳＯＩウェーハは、基板表面を洗浄し乾燥した後、例えば、ウェーハ表面に光を照射して、表面検査装置などでパーティクルを検出する検査が行なわれている。
【００１０】
しかしながら、上記のＭＬＤ−ＳＩＭＯＸでは、ＢＯＸ層が形成されると、ＳＯＩ層の表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスが大きくなる現象が生じる。このため、パーティクルの検査においてウェーハ表面の粗さとパーティクルとを識別できなくなるおそれがある。
【００１１】
本発明は、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明者らは、シリコンウェーハの温度を室温程度に下げて行なう２回目の酸素イオン注入の条件について鋭意検討した結果、例えば、１回目の酸素イオン注入の後室温程度に低下したシリコンウェーハを所定温度まで昇温して予備加熱した状態で、２回目の酸素イオン注入を行なうことにより、アモルファスの形成が抑制され、ＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低減できることを知見した。
【００１３】
そこで、本発明は、シリコンウェーハを加熱して酸素イオンを注入し、シリコンウェーハの内部に酸素の高濃度層を形成する第１の工程と、第１の工程で得られたシリコンウェーハに酸素イオンを注入してシリコンウェーハにアモルファス層を形成する第２の工程と、第２の工程で得られたシリコンウェーハを熱処理して埋め込み酸化膜を形成するＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、第２の工程は、第１の工程の加熱温度よりも低い設定温度にシリコンウェーハを予備加熱して酸素イオンを注入することを特徴としている。
【００１４】
この場合において、例えば、第１の工程の加熱温度を３００℃以上とし、第２の工程の加熱温度を３００℃未満としてもよい。
【００１５】
また、シリコンウェーハを予備加熱した状態で２回目の酸素イオンを注入すると、予備加熱しない場合と比べて、熱処理後のＢＯＸ層は薄膜化する。そこで、２回目の酸素イオンの注入は、複数回に分けて注入するようにする。これによれば、アモルファス層の深さ方向の形成領域が拡がるため、ＢＯＸ層を厚膜化することができる。なお、複数回のイオン注入は、いずれも予熱加熱温度で行うようにする。
【００１６】
この場合において、酸素イオンの注入エネルギは、いずれも異なることが好ましい。酸素イオンの注入エネルギは、イオンの注入深さと相関するため、例えば、酸素イオンの注入エネルギの差を大きくすると、酸素イオンの注入深さの分布が大きくなりアモルファス層が厚膜化され、それに伴い、ＢＯＸ層を厚膜化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ（以下、適宜、ＳＩＭＯＸウェーハという。）の製造方法の実施形態について図を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の説明図である。図２は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入時の予備加熱温度とＳＯＩ表面ラフネスとの関係を示す図である。図３は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入時の予備加熱温度とＳＯＩ層／ＢＯＸ層界面との関係を示す図である。図４は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入を複数回行なう場合の注入回数とＢＯＸ層厚さとの関係を示す図である。図５は、本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入を複数回行なう場合のエネルギ変化の態様とＢＯＸ層厚さとの関係を示す図である。
【００２０】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、シリコンウェーハ１に酸素イオンを注入する工程と、熱処理する工程とを含み、酸素イオンの注入は２段階に分けて行う。１回目の酸素イオンの注入は、シリコンウェーハ１を、例えば３００℃以上、好ましくは、３００〜６００℃に加熱した状態で、酸素イオンのドーズ量を２×１０１６〜４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、好ましくは、３×１０１６〜３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、加速エネルギを１８０ｋｅＶ、好ましくは、１４０〜２２０ｋｅＶの範囲で行なう。２回目の酸素イオン注入は１回目の酸素イオンの注入後、例えば、室温付近まで冷却したシリコンウェーハ１を３００℃未満の予熱温度に加熱した状態で、酸素イオンのドーズ量を１×１０１４〜５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、好ましくは、１×１０１５〜１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、加速エネルギを１８０ｋｅＶ、好ましくは、１４０〜２２０ｋｅＶの範囲で行なう。
【００２１】
図１の（ａ）は、酸素イオンの注入後のウェーハ断面を表しており、矢印は酸素イオンを注入する様子を模式的に表している。１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハ１を比較的高温に加熱することで、シリコンウェーハ１の表面を単結晶のまま維持して酸素の高濃度層２を形成し、２回目の酸素イオン注入では、１回目の酸素イオン注入時よりも低い温度に予備加熱することで、アモルファス層３を形成する。
【００２２】
図１の（ｂ）は、熱処理後に得られたＳＩＭＯＸウェーハの断面を表している。熱処理工程においては、酸素と不活性ガスが設定比率となる混合ガス雰囲気中で、熱処理温度を１３００℃以上、好ましくは１３２０〜１３５０℃に設定し、６〜１２時間の熱処理を施すことにより、ＢＯＸ層４を形成する。ここで、混合ガスの酸素分圧比や熱処理時間を調節することにより、表面酸化膜５の厚さを調節し、ＳＯＩ層６の厚さを制御することができる。酸素と混合する不活性ガスとしては、窒素またはアルゴンを使用する。
【００２３】
次に、アモルファス層３を形成する２回目の酸素イオン注入時におけるシリコンウェーハ１の予備加熱がＳＯＩ層表面及びＳＯＩ層とＢＯＸ層４との界面に及ぼす影響について、図２，３を用いて説明する。
【００２４】
シリコンウェーハ１を６０℃，９０℃，１２０℃の予備加熱温度にそれぞれ加熱した状態で２回目の酸素イオンを注入し、熱処理した状態のＳＯＩ層表面、及び、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネス（Å、ｒｍｓ）を図２，３に示す。いずれも１回目の酸素イオンのドーズ量は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギは１７０ｋｅＶ、２回目の酸素イオンのドーズ量は６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、注入エネルギは１６０ｋｅＶとした。また、ラフネスの測定は、対象となる表面又は界面において１０μｍ角の範囲をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、セイコーインスツルメンツ製；ＳＰＡ−３６０）を用いて行なった。
【００２５】
図２，３から明らかなように、いずれの予備加熱温度においても、予備加熱を行なわない（３０℃）場合と比べて、ＳＯＩ層６表面、及び、ＳＯＩ層６とＢＯＸ層４との界面のラフネスが低減され、特に、予備加熱温度が９０℃のとき、ラフネスが最小となる。この理由は明確ではないが、予備加熱温度によって、アモルファス層の深さ方向の形成領域幅、もしくは、アモルファス層の質、つまりアモルファス層中のアモルファスシリコンと結晶シリコンの体積分率が変化したことによるものと考えられる。
【００２６】
次に、アモルファス層３を形成する２回目の酸素イオン注入において、酸素イオンを最大３回まで分割して注入した場合のＢＯＸ層４の厚さ（Å）について図４を用いて説明する。予備加熱温度はいずれも９０℃とし、酸素イオンのドーズ量を６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２として一括注入した場合と、３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ずつ２回注入した場合と、２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ずつ３回注入した場合について、それぞれＢＯＸ層４の厚さの評価を行なった。なお、その他の条件は、図２，３の場合と同様とした。
【００２７】
図４から明らかなように、トータルの酸素イオンのドーズ量は同じでも、分割して注入する回数が増えるほどＢＯＸ層４の厚みが大きくなることが判る。これは、酸素イオンを注入するとシリコンウェーハの温度が予備加熱温度より上昇するため、１回よりも複数回に分けて注入する方が、シリコンウェーハの温度上昇を抑制できることに起因している。
【００２８】
次に、アモルファス層３を形成する２回目の酸素イオン注入において、酸素イオンを複数回に分割して注入し、それぞれの注入エネルギが異なる場合のＢＯＸ層４の厚さ（Å）について、図５を用いて説明する。予備加熱温度を９０℃とし、１５２〜１６４ｋｅＶのエネルギの範囲、つまり１〜３回目の注入時において、それぞれ１５６ｋｅＶ，１５８ｋｅＶ，１６０ｋｅＶとした場合と、１５４ｋｅＶ，１５８ｋｅＶ，１６２ｋｅＶとした場合と、１５２ｋｅＶ，１５８ｋｅＶ，１６４ｋｅＶとした場合、および比較としてエネルギを一定とした場合について、それぞれＢＯＸ層４の厚さの評価を行なった。なお、その他の条件は、図２，３の場合と同様とした。
【００２９】
図５から明らかなように、酸素イオンの注入エネルギの差が大きくなるほど、ＢＯＸ層４の厚みが大きくなることが判る。すなわち、酸素イオンの注入エネルギは、酸素イオンの注入深さと相関するため、エネルギ差を設けることにより、アモルファス層３が深さ方向の異なる領域に形成され、この結果、ＢＯＸ層４を厚膜化することができる。
【００３０】
以上述べたように、２回目の酸素イオン注入において、例えば、室温程度に冷却されたウェーハを所定の予備加熱温度に加熱することにより、ＳＯＩ層６表面、及び、ＳＯＩ層６とＢＯＸ層４との界面のラフネスを低減することができる。ここで、本実施形態では、１回目の酸素イオン注入後、室温付近まで自然冷却した状態から所定の温度に予備加熱する例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、１回目の酸素イオン注入後、予備加熱温度まで冷却された時点で２回目の酸素イオンを注入するようにしてもよい。
【００３１】
本実施形態では、予備加熱温度を３００℃未満としているが、好ましくは、３０〜２００℃、さらに好ましくは、５０〜１５０℃に設定するようにする。
【００３２】
また、２回目の酸素イオン注入回数を複数回に分けて行なうことにより、トータルの酸素イオンのドーズ量は同じでも、ＢＯＸ層４の厚みを大きくすることができる。ここで、各イオン注入時の予備加熱温度は、いずれも所望の予備加熱温度に設定されるが、酸素イオン注入によりウェーハの温度は徐々に高温となる。このため、ウェーハの温度は、アモルファス層３が形成される範囲として、例えば、上限温度を３００℃、好ましくは、２００℃の範囲に設定し、所定の温度範囲で酸素イオンを注入することが好ましい。
【００３３】
また、２回目の酸素イオン注入時に酸素イオンを複数回に分割して注入し、それぞれの注入エネルギに差異を設けること、特に、注入エネルギの差を大きく設定することで、ＢＯＸ層４の厚みを一層大きくすることができる。ここで、注入エネルギの差は、５〜３０ｋｅＶ、好ましくは、１０〜２０ｋｅＶとする。
【００３４】
本実施形態のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法によれば、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸのＳＯＩ層表面、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面のラフネスを低減することができる。これにより、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸの表面に付着するパーティクルや欠陥を検査において確実に検出することができる。また、所定の厚みを有するＢＯＸ層を形成することができるため、デバイス特性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の説明図であり、（ａ）は酸素イオンの注入後のウェーハ断面、（ｂ）は熱処理後に得られたＳＩＭＯＸウェーハの断面を表している。
【図２】本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入時の予備加熱温度とＳＯＩ表面ラフネスとの関係を示す図である。
【図３】本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入時の予備加熱温度とＳＯＩ層／ＢＯＸ層界面との関係を示す図である。
【図４】本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入を複数回行なう場合の注入回数とＢＯＸ層厚さとの関係を示す図である。
【図５】本発明を適用してなるＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法の２回目の酸素イオン注入を複数回行なう場合のエネルギ変化の態様とＢＯＸ層厚さとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  シリコンウェーハ
２  酸素の高濃度層
３  アモルファス層
４  ＢＯＸ層
５  酸化膜
６  ＳＯＩ層
【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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