(57)【要約】【課題】ＳＯＩ層表面ラフネス及びＢＯＸ層とＳＯＩ層の界面ラフネスを低減し、絶縁耐圧特性を向上し得る膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸウェーハを得る。【解決手段】シリコンウェーハ１１内部に第１イオン注入層１２を形成する工程と、アモルファス状態の第２イオン注入層１３を形成する工程と、ウェーハを酸素含有雰囲気中１３００℃以上シリコン融点未満の温度に保持し第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層１４とする高温熱処理工程とを含むＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、第１イオン注入層のドーズ量が１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、第２イオン注入層のドーズ量が１．０×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、第２イオン注入層を形成する工程の前にウェーハを５０℃以上２００℃未満の温度に予備加熱する工程を更に含み、引続き予備加熱温度に加熱した状態で第２イオン注入層を形成することを特徴とする。【選択図】図１
2007227424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハ(11)を２００〜６００℃に加熱した状態で、前記ウェーハ(11)表面から酸素イオンを注入して前記ウェーハ(11)表面から深さｄ1の位置に酸素濃度のピークを有する第１イオン注入層(12)を形成する工程と、
前記第１イオン注入層(12)を形成したウェーハ(11)の表面から酸素イオンを注入して前記ピーク深さｄ1よりも浅い、前記ウェーハ(11)表面から深さｄ2の位置にダメージのピークを有し、かつ前記第１イオン注入層(12)のウェーハ(11)表面側の面に連続するようにアモルファス状態の第２イオン注入層(13)を形成する工程と、
前記ウェーハ(11)を酸素含有雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第１及び第２イオン注入層(12,13)をＢＯＸ層(14)とする高温熱処理工程と
をこの順に含むＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、
前記第１イオン注入層(12)を形成する酸素イオンドーズ量が１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であり、前記第２イオン注入層(13)を形成する酸素イオンドーズ量が１．０×１０14〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であって、前記第２イオン注入層(13)を形成する工程の前に前記ウェーハ(11)を５０℃以上２００℃未満の温度に予備加熱する工程を更に含み、引続き前記予備加熱温度に加熱した状態で第２イオン注入層(13)を形成することを特徴とする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、シリコン単結晶本体に酸化膜を介して単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ(Silicon On Insulater)ウェーハを製造する方法のうち、ＳＩＭＯＸ(Separation by IMplanted OXygen)技術によるＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＯＩウェーハの製造方法には、２枚のシリコンウェーハを酸化膜を介して貼合せて形成する貼合せ法と、シリコンウェーハ表面から酸素（Ｏ2+）イオンを注入して、ウェーハ内部の所定の深さの領域に高濃度の酸素層であるイオン注入層を形成し、このウェーハに熱処理を施してイオン注入層を埋込み酸化膜（Buried OXide：以下、ＢＯＸ層という。）とするＳＩＭＯＸ法が知られている。ＳＩＭＯＸ法により作製されるＳＯＩウェーハは特にＳＩＭＯＸウェーハとよばれる。
開発当初のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は高ドーズ技術によるものであった。この高ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、シリコンウェーハに酸素原子を約２００ｋｅＶの注入エネルギで約２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入し、イオン注入したままの状態（アズ・インプラ）で、ウェーハ内部にＢＯＸ層を形成した後、高温のアニール処理を行うものである。このアニール処理によりＳＯＩ層に発生した結晶欠陥を回復でき、ＢＯＸ層を改質できる。
しかし、この高ドーズ技術により得られたＳＩＭＯＸウェーハは酸素イオンドーズ量が多いため、ＳＯＩ層に貫通転位が多く発生し、またイオン注入時間が長く製造効率が悪いなどの問題があった。この貫通転位はデバイスを作製したときに、リーク電流やヘテロ界面の劣化をもたらし、デバイス性能の向上や機能性の発現を阻害するおそれがある。
【０００３】
そこで、ＳＯＩ層に発生する貫通転位の低減及びイオン注入時間の短縮化をはかるために、低ドーズ技術が開発された。この低ドーズＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、シリコンウェーハの表面から、酸素原子を約１８０ｋｅＶの注入エネルギで、約３．５×１０17〜４．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入した後、高温熱処理を行うことでシリコンウェーハの表面に対し平行する面方向に連続してＢＯＸ層を形成するものである。ウェーハ表面に対し平行な面方向に連続するＢＯＸ層の形成は、注入エネルギが１８０ｋｅＶの場合、ドーズ量が３．５×１０17〜４．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の場合に限り可能である。このドーズ量の幅の範囲はドーズ・ウィンドウと呼ばれる。この低ドーズ技術により得られたＳＩＭＯＸウェーハは、ＳＯＩ層の貫通転位密度を低減でき、注入時間の短縮化による製造効率を向上させることができる。
しかし、この低ドーズ技術により得られたＳＩＭＯＸウェーハは、酸素イオンドーズ量が少ないため、ＢＯＸ層の膜厚が薄くなり、ＢＯＸ層の信頼性が問題となっていた。また、形成されるＢＯＸ層の膜厚が薄い場合、イオン注入時にシリコンウェーハ表面にパーティクルが付着すると、このパーティクルがマスクとなってシリコンウェーハ内に形成されたイオン注入層に注入不能部分が生じ易い。イオン注入層はアニール処理によりＢＯＸ層となるが、イオン注入不能部分はＢＯＸ層の結晶欠陥の１種であるピンホールとなって電気絶縁性を低下させる。このピンホール密度の割合が高ドーズＳＩＭＯＸウェーハと比べ高いなどの問題があった。
【０００４】
そこで、ＢＯＸ層のピンホールの発生を抑制するために、ＩＴＯＸ(Internal Thermal OXidation)技術とよばれる、イオン注入されたシリコンウェーハにアニール処理を行った後、更に高温酸素雰囲気中で酸化処理を施すＳＯＩ基板の製造方法及びＳＯＩ基板が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１に示される方法では、先ずシリコンウェーハの表面から、酸素原子を約１８０ｋｅＶの注入エネルギで、約０．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入する。次いでイオン注入層が形成されたウェーハを濃度１．０％未満の酸素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール処理してイオン注入層をＢＯＸ層とした後、更にこのウェーハを濃度１％超の高濃度の酸素を含む雰囲気中で、高温熱処理する。ウェーハを高温熱処理することにより、雰囲気中の高濃度の酸素がウェーハ表裏面からウェーハ内部に入り込んで拡散する。この酸素がＢＯＸ層界面部にＳｉＯ2として滞留し積層することで、ＢＯＸ層が成長しＢＯＸ層の厚膜化を行うことができる。このＩＴＯＸ技術により得られたＳＩＭＯＸウェーハは、ＳｉＯ2がＢＯＸ層界面部に積層することで、ＢＯＸ層に発生していたピンホールを補修し、ピンホール密度を低減できる。また、ＢＯＸ層とシリコンウェーハの界面のラフネスを改善することができる。その結果、デバイスの電気的特性を均質化できる。
しかし、このＩＴＯＸ技術による製造方法でも、酸素イオンドーズ量が約０．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ2と多いためイオン注入時間が長く、また、アニール処理に加え高温酸化処理が必要となるため、製造効率が悪く、生産性が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、イオン注入時間を短縮するために、ＭＬＤ(Modified Low Dose)技術とよばれる、アモルファス（非晶質）状態の層を含む２つのイオン注入層が形成されたウェーハに酸化処理を施すＳＯＩウェーハの製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献２に示される方法は、イオン注入を２回に分けて、各回異なる温度のウェーハに酸素原子を注入することで、ウェーハ内に高濃度の酸素層とアモルファス層という状態の異なる２つのイオン注入層を形成した後に、このウェーハを混合ガス雰囲気中で高温酸化処理するものである。
【０００６】
具体的には先ずシリコンウェーハを加熱した状態で、酸素イオンを１８５ｋｅＶの注入エネルギで２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入し、ウェーハ内部に高濃度の酸素層である第１イオン注入層を形成する。次に、このウェーハを冷却した状態で、酸素イオンを１８５ｋｅＶの注入エネルギで３×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の割合で注入し、第１イオン注入層のウェーハ表面側の面に連続するようにアモルファス状態の第２イオン注入層を形成する。また、第２イオン注入層の下部が第１イオン注入層の上部と重複することで、アモルファス層内部に高濃度の酸素が含まれる。更にこのウェーハを０．１〜１０％の酸素を含むアルゴン等の不活性雰囲気中で昇温した後、アルゴン等を含む５〜１００％の酸素の酸素含有雰囲気中で高温に保持する。この酸素含有雰囲気中での高温保持により第１イオン注入層はＢＯＸ層となる。なお、昇温時に第２イオン注入層は、そのアモルファス層内部に高濃度の酸素を含むため再結晶化が順調に進まず、多結晶、双晶、又は積層欠陥からなる高密度欠陥層となる。この欠陥層が形成された領域は酸素が析出し易いという性質をもつ。続く酸素含有雰囲気中での高温保持時に、酸素含有雰囲気中の酸素が、ウェーハ表裏面からウェーハ内部に入り込んでウェーハ内部に拡散して、この高密度欠陥層に集まりＳｉＯ2として析出する。このように内部にＳｉＯ2が析出した高密度欠陥層がＢＯＸ層となる。このため、２×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2と少量のイオンドーズ量で、その２倍の量を注入したときと同じ厚さのＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハを得ることができる。
【特許文献１】特開平７−２６３５３８号公報（請求項１、請求項６、段落［０００９］、［００１０］、［００２５］、［００２６］、図１）
【特許文献２】米国特許第５９３０６４３号公報明細書（クレーム１、明細書１ページ右欄第２カラム５行目〜４３行目、Ｆｉｇ．１（ａ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、デバイスメーカによっては、膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハを要求してくる場合もあるが、上記特許文献２に示される製造方法では、高温熱処理雰囲気中の酸素が高密度欠陥層に析出し易いため、膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハの製造が困難であった。
本発明の目的は、膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、シリコンウェーハ１１を２００〜６００℃に加熱した状態で、ウェーハ１１表面から酸素イオンを注入してウェーハ１１表面から深さｄ1の位置に酸素濃度のピークを有する第１イオン注入層１２を形成する工程と、第１イオン注入層１２を形成したウェーハ１１の表面から酸素イオンを注入してピーク深さｄ1よりも浅い、ウェーハ１１表面から深さｄ2の位置にダメージのピークを有し、かつ第１イオン注入層１２のウェーハ１１表面側の面に連続するようにアモルファス状態の第２イオン注入層１３を形成する工程と、ウェーハ１１を酸素含有雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第１及び第２イオン注入層１２、１３をＢＯＸ層１４とする高温熱処理工程とをこの順に含むＳＩＭＯＸウェーハの製造方法の改良である。
【０００９】
その特徴ある構成は、第１イオン注入層１２を形成する酸素イオンドーズ量が１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であり、第２イオン注入層１３を形成する酸素イオンドーズ量が１．０×１０14〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であって、第２イオン注入層１３を形成する工程の前にウェーハ１１を５０℃以上２００℃未満の温度に予備加熱する工程を更に含み、引続き予備加熱温度に加熱した状態で第２イオン注入層１３を形成するところにある。
この請求項１に記載されたＳＩＭＯＸウェーハの製造方法では、第１イオン注入層１２を形成する酸素イオンドーズ量を１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の少量のドーズ量とし、更に第２イオン注入層１３を形成する酸素イオンドーズ量を１．０×１０14〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の少量のドーズ量とし、第２イオン注入層１３を形成する工程の前に、ウェーハ１１を５０℃以上２００℃未満の温度に保持する予備加熱工程を含むことにより、膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＳＩＭＯＸウェーハを製造することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上述べたように、本発明によれば膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸウェーハを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、ロット内の複数のシリコンウェーハ１１表面から１回目の酸素イオンを注入して各ウェーハ１１内部に第１イオン注入層１２を形成する工程と、これらウェーハ１１を５０〜２００℃未満の温度に所定の時間保持する予備加熱工程と、これらウェーハ１１表面から２回目の酸素イオンを注入してウェーハ１１表面側の第１イオン注入層１２に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層１３を形成する工程と、それらのウェーハ１１を酸素含有雰囲気中で熱処理を施して第１及び第２イオン注入層１２，１３をＢＯＸ層１４とする高温熱処理工程とを含む。本発明の製造方法は複数枚のウェーハを１ロットとして製造することが好適である。
【００１２】
以下本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を各工程別に説明する。
＜第１イオン注入層形成工程＞
第１イオン注入層形成工程では、先ず図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ１１表面から酸素イオンを注入してウェーハ１１内部に第１イオン注入層１２を形成する。図１（ａ）に示すシリコンウェーハ１１はチョクラルスキー法で製造されることが好適である。
第１イオン注入層１２の形成は、シリコンウェーハ１１をイオン注入装置（図示せず）に収容し、図３の（ａ）領域に示すように、装置内を２００〜６００℃、好ましくは３００〜５００℃の温度に加熱した状態でウェーハ１１表面から所定の深さｄ1に酸素濃度のピークを有するように、ウェーハ１１表面から酸素イオンをビームの照射により注入することで行われる。上記装置内雰囲気は真空状態である。２００〜６００℃に加熱することで、ウェーハ１１表面が単結晶シリコンの状態を維持したままイオンを注入でき、イオン注入によるダメージが回復されながら高濃度の酸素層である第１イオン注入層１２ができる。２００℃未満ではイオン注入によるダメージが回復されないため第１イオン注入層にダメージが残り、６００℃を越えると脱ガス量が多いため、装置内の真空度が低下するという不具合が発生する。
【００１３】
ここでの酸素イオンのドーズ量は１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。酸素イオンドーズ量を１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2に限定したのは、１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満ではドーズ量が少ないため連続なＢＯＸ層を形成できないという不具合が生じ、１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えると、ドーズ量が多いためＢＯＸ層が厚くなり、また、ＳＯＩ層表面ラフネス及びＢＯＸ層とＳＯＩ層の界面ラフネス及びＢＯＸ層の絶縁破壊特性などの品質が劣化するという不具合が生じるからである。
ピーク深さｄ1はウェーハ１１表面から０．２〜０．５μｍ、好ましくは０．３〜０．４５μｍに酸素濃度のピークを有するように酸素イオンをビーム照射する。これを達成するために、注入エネルギを１００〜２００ｋｅＶ、好ましくは１２０〜１８０ｋｅＶに設定する。注入エネルギを１００〜２００ｋｅＶに限定したのは、１００ｋｅＶ未満ではイオンの打ち込みが浅く、高温熱処理時にＢＯＸ層がウェーハ表面まで形成されてＳＯＩ層が消失してしまうからである。２００ｋｅＶを越えると、酸素イオンがウェーハ表面から深く入り過ぎ、高温熱処理時にウェーハ内部に入込んで拡散してきた酸素が第１イオン注入層に到達し難く、高品質のＢＯＸ層を形成することができないからである。
なお、第１イオン注入層形成工程を終えた後は、第１イオン注入層１２が形成された各ウェーハ１１を冷却する。続いて冷却した装置内から複数のウェーハを１枚ずつ順番に取出し、洗浄、乾燥した後、再び装置内へ１枚ずつ順番に収容して、後に続く予備加熱工程に供される。
【００１４】
＜予備加熱工程＞
予備加熱工程は、図３の（ｂ）領域に示すように、第１イオン注入層１２を形成したウェーハ１１を、イオン注入装置に収容し、ランプヒータにより５０℃以上２００℃未満、好ましくは１００〜１５０℃に加熱するものである。上記装置内雰囲気は真空状態である。
上記予備加熱温度を５０℃以上２００℃未満に限定したのは、５０℃未満ではアモルファス層が厚くなるためＢＯＸ層が厚くなり、２００℃以上ではアモルファス層を形成できないため連続なＢＯＸ層を形成できないという不具合がある。
【００１５】
＜第２イオン注入層形成工程＞
第２イオン注入層形成工程では、図１（ｃ）に示すようにウェーハ１１表面から２回目の酸素イオンを注入してウェーハ１１表面側の第１イオン注入層１２に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層１３を形成する。
第２イオン注入層１２の形成は、予備加熱が施されたウェーハ１１に対し、予備加熱温度に加熱した状態を保ったままウェーハ１１表面から所定の深さｄ2にダメージのピークを有するように、ウェーハ１１表面から酸素イオンをビームの照射により注入することで行われる。上記装置内雰囲気は真空状態である。
ここでの酸素イオンのドーズ量は１．０×１０14〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、好ましくは１．０×１０15〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2である。酸素イオンのドーズ量を１．０×１０14〜１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2に限定したのは、１．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満ではアモルファス層を形成できないため連続なＢＯＸ層を形成できないという不具合が生じ、１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えるとアモルファス層が厚くなるためＢＯＸ層が厚くなるという不具合が生じるからである。
【００１６】
図２に示すように、ピーク深さｄ2はウェーハ１１表面から０．２〜０．４μｍ、好ましくは０．３〜０．３５μｍにダメージのピークを有するように酸素イオンをビーム照射する。酸素濃度のピーク深さｄ1とダメージのピーク深さｄ2は第１イオン注入層１２のウェーハ表面側の面に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層１３が形成されるように調整する。
これを達成するために、注入エネルギを１００〜２００ｋｅＶ、好ましくは１２０〜１８０ｋｅＶに設定する。また前述した第１イオン注入層１２を形成する工程における注入エネルギから上記第２イオン注入層１３を形成する工程における注入エネルギを差引いた値を０〜５０ｋｅＶ、好ましくは０〜２０ｋｅＶとする。ここで注入エネルギを１００〜２００ｋｅＶに限定したのは、１００ｋｅＶ未満ではイオンの打ち込みが浅く、高温熱処理時にＢＯＸ層がウェーハ表面まで形成されてＳＯＩ層が消失してしまうからである。２００ｋｅＶを越えると、酸素イオンがウェーハ表面から深く入り過ぎ、高温熱処理時にウェーハ内部に入込んで拡散してきた酸素が第２イオン注入層に到達し難く、高品質のＢＯＸ層を形成することができないからである。また差引いた値を０〜５０ｋｅＶに限定したのは、５０ｋｅＶを越えるとウェーハ表面に対し平行な面方向に連続するＢＯＸ層を形成し難いという不具合が発生するからである。差引いた値を０〜５０ｋｅＶに限定することで、酸素濃度ピーク深さｄ1をウェーハ１１表面から０．２〜０．５μｍ、ダメージのピーク深さｄ2をウェーハ１１表面から０．２〜０．４μｍとすることができる。
【００１７】
また、上記ウェーハ温度は、図３の（ｃ）領域に示すように、予備加熱温度の５０〜２００℃を保持した装置内温度にビームの照射熱が加わることで、１５０〜２００℃に上昇する。ウェーハ温度が２００℃を越えると２回目のイオン注入によるダメージが回復してしまうため、アモルファス層を得ることができないという不具合が発生する。このため、予備加熱温度の上限は２００℃となる。
なお、第２イオン注入層形成工程を終えた後は、第１及び第２イオン注入層１２，１３が形成された複数のウェーハを１枚ずつ順番に取出し、洗浄、乾燥した後、熱処理炉内へ１枚ずつ順番に収容して、後に続く高温熱処理工程に供される。
【００１８】
＜高温熱処理工程＞
高温熱処理工程は、図１（ｄ）に示すように、酸素含有雰囲気中でウェーハ１１に高温熱処理を施して、第１及び第２イオン注入層１２、１３をＢＯＸ層１４とするものである。
高温熱処理によるＢＯＸ層１４の形成は、第１及び第２イオン注入層１２，１３を形成したウェーハ１１が収容されているイオン注入装置からウェーハ１１を取出し、取出したウェーハ１１に洗浄等を行った後、熱処理炉内に収容し、図３の（ｄ）領域に示すように、この炉内を１３００℃以上シリコン融点未満、好ましくは１３２０〜１３５０℃まで昇温し、この温度を維持した状態でウェーハ１１を６〜３６時間、好ましくは１２〜２４時間保持し、その後室温まで冷却することで行われる。
【００１９】
上記昇温中の炉内雰囲気は、０〜５．０容積％、好ましくは０．５〜１．０容積％の酸素を含むアルゴン、窒素（Ｎ2）等の不活性ガスの混合雰囲気である。上記昇温後の炉内雰囲気は、アルゴン又は窒素等の不活性ガスを含む、５．０〜１００．０容積％好ましくは１０〜５０容積％酸素ガスの酸素含有雰囲気である。
形成するＢＯＸ層１４は、図示しないが、下部の第１ＢＯＸ層と上部の第２ＢＯＸ層からなる。昇温を始めると、高濃度の酸素層である第１イオン注入層１２の下部から酸素析出物が現れ、第１ＢＯＸ層へと変性しはじめる。また、アモルファスの第２イオン注入層１３が高密度結晶欠陥層（図示せず）に変わり始める。酸素含有雰囲気下での高温保持中、酸素含有雰囲気中の酸素が高密度結晶欠陥層に集まって析出することにより、高密度結晶欠陥層が第１ＢＯＸ層に連続する第２ＢＯＸ層へと変わる。
ここで上記炉内温度を１３００℃以上シリコン融点未満の範囲に限定したのは、１３００℃未満では酸素析出物の溶融及び結合が不十分で、高品質のＢＯＸ層を形成することができないという不具合が生じるからである。
また上記保持時間を６〜３６時間に限定したのは、６時間未満では、酸素析出物の溶融及び結合が不十分で高品質のＢＯＸ層を形成することができないという不具合が生じ、３６時間を越えると製造効率が悪くなり生産性が低下するという不具合が生じるからである。
【００２０】
このように本発明の製造方法により膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸウェーハ１０を得ることができる。また、ＳＯＩ層１５表面ラフネス及びＢＯＸ層１４とＳＯＩ層１５の界面ラフネスを低減することができ、かつ、ＢＯＸ層１４の絶縁耐圧特性も向上することができる。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、直径が３００ｍｍであり、結晶方位が＜１００＞であり、抵抗率が１０〜２０ΩｃｍであるＰ型シリコンウェーハからなるシリコンウェーハ１１を準備した。まず、各ウェーハ１１を１枚ずつ順番にイオン注入装置に収容後、装置内を真空状態にして装置内温度を４００℃に加熱した。続いてウェーハ１１表面から注入エネルギ１８０ｋｅＶ、酸素イオン（Ｏ2+）１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入し、各ウェーハ１１の内部にウェーハ１１表面から深さ０．４５μｍの位置にピークを有する第１イオン注入層１２を形成した。その後装置内温度を冷却した。
次いで、ウェーハ１１を装置内から１枚ずつ順番に取出して洗浄した。洗浄した各ウェーハ１１を乾燥した後、再び装置内へ順番に収容した。続いて、装置内温度を室温から５０℃まで予備加熱し、この温度を維持した状態でウェーハ１１表面から注入エネルギ１６０ｋｅＶ、酸素イオン（Ｏ2+）１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入し、ウェーハ１１表面側の第１イオン注入層１２に一部重複する形でウェーハ１１表面から深さ０．３μｍの位置にピークを有する第２イオン注入層１３を形成した。その後、装置内温度を冷却した。
次に、ウェーハ１１を１枚ずつ順番に装置内から取出して洗浄した。洗浄した各ウェーハ１１を乾燥した後、縦型炉へ順番に収容した。続いて、炉内温度を１３５０℃に加熱した。また、マスフローにより、炉内雰囲気を酸素５０容積％及びアルゴン５０容積％となるように制御して酸化性雰囲気とした。
この酸化性雰囲気下で炉内温度を１３５０℃に維持したまま各ウェーハ１１を１２時間保持した。これによりＢＯＸ層１４を有するＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を実施例１とした。
【００２２】
＜実施例２＞
第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を実施例２とした。
＜比較例１＞
第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例１とした。
＜比較例２＞
第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を１．７５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例２とした。
＜比較例３＞
第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例３とした。
＜比較例４＞
第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量を２．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2としたことを除き、実施例１と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０を得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例４とした。
【００２３】
＜実施例３〜実施例４＞
予備加熱温度を１００℃としたことを除き、実施例１〜実施例２と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ得た。このウェーハ１０を実施例３〜実施例４とした。
＜比較例５〜比較例８＞
予備加熱温度を１００℃としたことを除き、比較例１〜比較例４と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例５〜比較例８とした。
＜実施例５〜実施例６＞
予備加熱温度を１５０℃としたことを除き、実施例１〜実施例２と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ得た。このウェーハ１０を実施例５〜実施例６とした。
＜比較例９〜比較例１２＞
予備加熱温度を１５０℃としたことを除き、比較例１〜比較例４と同様にしてＳＩＭＯＸウェーハ１０をそれぞれ得た。このＳＩＭＯＸウェーハ１０を比較例９〜比較例１２とした。
【００２４】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例１２のＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層及びＢＯＸ層の厚さを分光エリプソメータを用いて計測した。また、ＳＯＩ層表面の平方根平均ラフネス（Ｒｍｓ：Root mean square roughness）をＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）により観察した。また、各ＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層を除去してＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面ラフネスＲｍｓをＡＦＭにより観察した。更に、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性を絶縁耐圧試験装置を用いて評価した。これらの結果を図５〜図７にそれぞれ示す。なお、ＢＯＸ層が形成されなかったウェーハについては図５〜図７には結果を反映していない。
【００２５】
図５（ａ）及び図５（ｂ）より明らかなように、ドーズ量が１．７５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のとき、ＳＯＩ層表面ラフネスＲｍｓ及びＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面ラフネスＲｍｓがともに、それぞれの予備加熱温度のグラフ上で極大値を示した。また、予備加熱温度が高くなるほど、ラフネスが小さくなる傾向がみられた。これらの傾向がみられるのは、ＢＯＸ層の成長方法に依るものである。
ＢＯＸ層の成長は、小さな酸素析出物がより大きな酸素析出物に集まって吸収され消滅することであり、これをオストワルト成長という。第１イオン注入層を形成するための第１イオンドーズ量が多いとき、第１ＢＯＸ層を構成する酸素析出物がメインとなって第２ＢＯＸ層を構成する酸素析出物を吸収することでＢＯＸ層が成長する。逆に第１イオンドーズ量が少ないとき、第２ＢＯＸ層を構成する酸素析出物がメインとなって第１ＢＯＸ層を構成する酸素析出物を吸収してＢＯＸ層が成長する。メインとサブが定まる場合、オストワルト成長は順調に進行する。
しかし、第１イオンドーズ量が１．７５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2前後である場合、第１及び第２ＢＯＸ層の酸素析出物の大きさが略等しくなり両者が拮抗することで、ＢＯＸ層形成のメインとサブが定まらず、オストワルト成長が順調に進行しない。このためＢＯＸ層内部にうねりができ、ＢＯＸ層とＳＯＩ層の界面ラフネスが大きくなる。またＳＯＩ層表面にこのうねりが波及するため、表面ラフネスも大きくなる。
また、ドーズ量が２．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を越えると、第１ＢＯＸ層を構成する酸素析出物が第２ＢＯＸ注入層を構成する酸素析出物を吸収し、オストワルト成長が順調に進行する。このため、ラフネスは小さくなる。しかし、イオンドーズ量が増加するために膜厚の薄いＢＯＸ層を得られない。
一方、ドーズ量が１．２５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満では、ドーズ量が少ないため、ウェーハ１１表面に対し平行な面方向に連続するＢＯＸ層を得ることができなくなる。
【００２６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）からは、第１イオンドーズ量が１．７５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のとき、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性の絶縁破壊電圧及び絶縁破壊電界の値が極小値を示した。また、予備加熱温度が高くなるほど、絶縁耐圧特性が向上する傾向がみられた。
図７（ａ）及び図７（ｂ）から明らかなように、第１イオンドーズ量が多いほど、ＳＯＩ層の厚さ及びＢＯＸ層の厚さがともに厚くなる傾向を示した。また、予備加熱温度が高くなるほど、ＳＯＩ層の厚さ及びＢＯＸ層の厚さがともに薄くなる傾向がみられた。
上記実施例１〜実施例６及び比較例１〜比較例１２の結果から、ＳＯＩ層表面ラフネス及びＢＯＸ層とＳＯＩ層の界面ラフネスを低減することができ、かつ、ＢＯＸ層の絶縁耐圧特性も向上し得る膜厚の薄いＢＯＸ層を有するＭＬＤ−ＳＩＭＯＸウェーハを得られることが判った。このうちイオンドーズ量が１．２５〜１．５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2と少量かつ予備加熱温度が１００〜１５０℃と高いとき、特にＢＯＸ層の膜厚が薄く、ラフネスの小さい、良好なＳＩＭＯＸウェーハが得られることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を示す図である。
【図２】本発明のＳＩＭＯＸウェーハ内部の第１イオン注入層と第２イオン注入層のピーク及び分布を示す図１（ｃ）のＡ部拡大図である。
【図３】本発明の実施形態の図１（ａ）〜図１（ｄ）に対応する温度と時間のプロファイルを示す図である。
【図４】（ａ）は第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量と予備加熱温度のＳＯＩ層表面ラフネスとの関係を示す図であり、（ｂ）はイオンドーズ量と予備加熱温度のＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面ラフネスとの関係を示す図である。
【図５】（ａ）は第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量と予備加熱温度のＢＯＸ層の絶縁破壊電圧との関係を示す図であり、（ｂ）はイオンドーズ量と予備加熱温度のＢＯＸ層の絶縁破壊電界との関係を示す図である。
【図６】（ａ）は第１イオン注入層形成工程でのイオンドーズ量と予備加熱温度のＳＯＩ層厚さとの関係を示す図であり、（ｂ）はイオンドーズ量と予備加熱温度のＢＯＸ層厚さとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ＳＩＭＯＸウェーハ
１１  シリコンウェーハ
１２  第１イオン注入層
１３  第２イオン注入層
１４  ＢＯＸ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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【図６】
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