(57)【要約】【課題】  酸素イオン注入の前後いずれかで、所定ドーズ量の水素イオンを注入することにより、低温短時間でアニール処理したとしても、SOI表面等のラフネスを同等以上に改善できるSIMOXウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】酸素イオンを注入する工程を有するSIMOXウェーハの製造方法において、前記酸素イオン注入工程の前後いずれかで、水素イオンを、1015〜1017／cm２のドーズ量で注入する工程を有する。【選択図】図１
2007281316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオンを注入する工程を有するSIMOXウェーハの製造方法において、
前記酸素イオン注入工程の前後いずれかで、水素イオンを、1015〜1017／cm２のドーズ量で注入する工程を有することを特徴とするSIMOXウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記水素イオンは、前記酸素イオンの注入深さと同等位置になる加速エネルギで注入される請求項１記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記水素イオン注入工程は、前記酸素イオン注入工程の後に行われる請求項１または２記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記酸素イオン注入工程が、200〜650℃の比較的高温で（１〜10）×1017／cm２の高ドーズ量で酸素イオンを注入した後、アモルファス領域を形成するため、低温で（１〜10）×1015／cm２の低ドーズ量で酸素イオンを注入する２段注入工程である請求項３記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記高温高ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ１）は、100〜250keVであり、前記低温低ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ２）は、100〜250keVであり、かつ、これら加速エネルギの差（Ｅ１−Ｅ２）が５〜30keVである請求項４記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記酸素イオン注入工程が、200〜650℃の比較的高温で（１〜10）×1017／cm２の高ドーズ量で酸素イオンを注入する高温高ドーズ工程のみの１段注入工程である請求項３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、高速、低消費電力なSOI（Silicon on Insulator）デバイスを形成するための埋め込み酸化膜（Buried Oxide）を有する薄膜SOIウェーハに関するものであり、より詳細には、ウェーハ表面に酸素イオンをイオン注入により打ち込んだ後、高温でアニールをすることにより埋め込み酸化膜を形成した、SIMOX（Separation by Implanted Oxygen）ウェーハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばSIMOXウェーハのような薄膜SOIウェーハの製造方法としては、主として、高ドーズ量の酸素イオン（16Ｏ＋）をイオン注入する工程を含む、いわゆる高ドーズSIMOX形成法と、該高ドーズSIMOX形成法の場合と比べて一桁程度低いドーズ量で、酸素イオンをイオン注入した後、高酸素を含む酸化雰囲気でアニールを行い工程を含む、いわゆる低ドーズSIMOX形成法の２種類が知られている。
【０００３】
さらに近年、低ドーズSIMOX形成法の中で、最後の酸素イオン注入工程を、室温付近で低ドーズ量で注入を行う、いわゆるＭＬＤ（Modified Low Dose）法が開発され、量産提供が成されている。
高ドーズSIMOX形成法は、典型的には、酸素（16Ｏ＋）イオンを、加速エネルギー：150keV、ドーズ量：1.5×1018／cm2超え、基板温度：500℃の条件下で注入し、その後、1300℃超えの温度で、酸素を0.5〜２％含むアルゴン（Ar）あるいは窒素（N２）雰囲気で、10〜20時間のアニールを行う方法である（例えば非特許文献１等）。
【非特許文献１】K.Izumi et al. Electron. Lett.(UK)vol.14(1978)p593）
【０００４】
また、低ドーズSIMOX形成法は、この欠点を改善するための方法であり、典型的には、酸素（16Ｏ＋）イオンを、加速エネルギー：150keV超え、ドーズ量：４×1017〜１×1018／cm2、基板温度：400〜600℃の条件下で注入し、その後、1300℃超えの温度で、30〜60％酸素とアルゴン（Ar）との酸化雰囲気で高温内部酸化（Internal Thermal Oxidation：略して「ITOX」ともいう。）工程を含むアニール工程を行うことによって、埋め込み酸化膜（BOX）を厚膜化するとともに大幅な品質向上を実現することができる。（例えば非特許文献２等）。
【非特許文献２】S. Nakashima et al. Proc. IEEE int. SOI Conf. (1994) p71-72）
【０００５】
さらに、ＭＬＤ（Modified Low Dose）形成法は、Low dose SIMOXの改善版として開発され、従来の高温（400℃〜650℃）での酸素注入工程の後に、さらに室温で１桁低いドーズ量の酸素注入を行い、アモルファス層を表面に形成する方法である（例えば非特許文献３および特許文献１等）。この形成法によると、1.5×1017〜6×1017／cm2の広い低ドーズ量の範囲から、連続なBOX成長が可能であり、また、その後のITOXプロセスにおいても、従来のITOXの1.5倍の速度で内部酸化が可能になった。結果として、BOX膜は、熱酸化膜に極めて近くなり大幅な品質の改善が成された。通常、このMLD形成法では、SOI層中の酸素量を下げるために、ITOX工程の後に、10〜20時間程度、酸素を0.5〜２％含むAr雰囲気によってアニールを行うことが普通である。
【非特許文献３】O.W.Holland et al. Appl.Phys.Lett.(USA)vol. 69 (1996) p574
【特許文献１】米国特許第5930643号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらのSIMOX形成法は、いずれも高温のアニール工程を含み、特に、最終工程のアニール条件が、最終的なSIMOXウェーハの品質を大きく作用することが知られている。通常、SIMOXのアニール工程の最後は、酸素を0.1%〜２％程度含むAr雰囲気で、1300℃以上温度で10〜20時間の熱処理が行われる。この熱処理によって、SOI層に残った残留欠陥、酸素析出物等が消滅し、また、BOX中の酸素析出物が成長し、互いに合体することでBOX中の欠陥も消滅し、また、SOIとBOXとの界面のラフネスが改善され、その結果として、表面のラフネスも改善されることが知られている。
【０００７】
しかしながら、上述した従来のSIMOX形成法では、いずれもこのようなラフネス改善効果（平坦化）を実現するためには、極めて高温でかつ長時間のアニール工程が必要であるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、低温短時間でアニール処理したとしても、他の品質を悪化させることなく、SOI層の表面、およびSOI層とBOX膜の界面の双方のラフネスを同等以上に改善（小さく）して平坦化した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】
【０００９】
本発明者らは、低温、短時間のアニール工程でも十分なラフネス改善効果を得るための検討について行ったところ、前記酸素イオン注入の前後いずれかで、所定ドーズ量の水素イオンを注入することにより、BOX酸化膜の粘性が低下することを見出すとともに、この粘性の低下によって、酸素析出物の合体、成長、平坦化が加速促進され、従来より低温、短時間のプロセスで大幅なラフネス改善が可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は、以下の通りである。
（１）酸素イオンを注入する工程を有するSIMOXウェーハの製造方法において、
前記酸素イオン注入工程の前後いずれかで、水素イオンを、1015〜1017／cm２のドーズ量で注入する工程を有することを特徴とするSIMOXウェーハの製造方法。
【００１１】
（２）前記水素イオンは、前記酸素イオンの注入深さと同等位置になる加速エネルギで注入される上記（１）記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【００１２】
（３）前記水素イオン注入工程は、前記酸素イオン注入工程の後に行われる上記（１）または（２）記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【００１３】
（４）前記酸素イオン注入工程が、200〜650℃の比較的高温で（１〜10）×1017／cm２の高ドーズ量で酸素イオンを注入した後、アモルファス領域を形成するため、低温で（１〜10）×1016／cm２の低ドーズ量で酸素イオンを注入する２段注入工程である上記（３）記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【００１４】
（５）前記高温高ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ１）は、100〜250keVであり、前記低温低ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ２）は、100〜250keVであり、かつ、これら加速エネルギの差（Ｅ１−Ｅ２）が０〜30keVである上記（４）記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【００１５】
（６）前記酸素イオン注入工程が、200〜650℃の比較的高温で（１〜10）×1017／cm２の高ドーズ量で酸素イオンを注入する高温高ドーズ工程のみの１段注入工程である上記（３）記載のSIMOXウェーハの製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前記酸素イオン注入の前後いずれかで、所定ドーズ量の水素イオンを注入することにより、従来のSIMOX形成法に比べて、低温短時間でアニール処理したとしても、他の品質を悪化させることなく、SOI表面、およびSOIとBOXとの界面の双方のラフネスを同等以上に改善（小さく）して平坦化したSIMOXウェーハの製造が可能である。
【発明の実施の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に従うSIMOXウェーハの製造方法の主要工程を説明するための図であり、図中１はシリコン基板、２は酸素イオン注入層、３は表面シリコン層および４は埋め込み酸化層（BOX層）である。
【００１８】
本発明のSIMOXウェーハの製造方法は、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面に酸素イオン（Ｏ＋イオン）を注入する工程を有するSIMOX形成法であれば適用することができ、かかるSIMOX形成法としては、具体的には、高ドーズSIMOX形成法、低ドーズSIMOX形成法およびＭＬＤ形成法が挙げられる。
【００１９】
そして、本発明の構成上の主な特徴は、前記酸素イオン注入工程の前後いずれかで、水素イオンを、1015〜1017／cm２のドーズ量で注入する工程を有すること、好ましくは、前記水素イオンを、前記酸素イオンの注入深さと同等位置になる加速エネルギで注入することにあり、この構成を採用することによって、従来のSIMOX形成法に比べて、低温短時間でアニール処理したとしても、他の品質を悪化させることなく、SOI表面、およびSOIとBOXとの界面の双方のラフネスを同等以上に改善（小さく）して平坦化することができる。
【００２０】
一般に、SIMOX形成法においては、注入された酸素は、その後のアニール工程において、注入ダメージを核として酸素析出物を形成し、やがてそれらが合体し、加えて、ITOX工程において外部から供給される酸素による埋め込み酸化膜の形成も加わって、やがて平坦なBOX膜が形成され、SOI/BOX界面の平坦化も図れるものと考えられている。SOI/BOX界面の平坦な状態は、平衡状態で安定な状態（、つまり、自由エネルギー（Free energy）の低い状態）であり、かかる状態を達成するには、従来のSIMOX形成法では、アニール工程を、高温長時間、具体的には1300℃以上、10時間以上で行うことが必須であると考えられていた。
【００２１】
これに対し、本発明では、通常の酸素イオン注入に加えて、1015〜1017／cm２のドーズ量の水素イオン注入を行うことにより、水素がBOX酸化膜中に取り込まれる結果、BOXの粘性が低下することで、BOX酸化膜の平坦化を、極めて低温、短時間で達成することができる。
【００２２】
また、水素イオンのドーズ量を限定した理由は、水素イオンのドーズ量が1015／cm２未満だと、酸化膜の粘性低下という効果が顕著に認められなくなるからであり、また、水素イオンのドーズ量が1017／cm２超えだと、シリコン中にボイドが形成される結果として、ウェーハの剥離が生じることが懸念されるからである。
【００２３】
特に、本発明は、水素イオンを、前記酸素イオンの注入深さと同等位置になる加速エネルギで注入することが、水素がBOX酸化膜中に有効に取り込まれる点で好ましい。なお、ここで水素イオンの注入深さを酸素イオンの注入深さと「同等位置」としたのは、水素は拡散係数が大きく、酸素イオンの注入深さ位置（BOX膜の）を基準として±150ｎｍ程度離れた深さ位置であれば十分許容される範囲であるため、かかる範囲を含めるためである。
【００２４】
次に、本発明に従うSIMOXウェーハの製造方法を、３種類のSIMOX形成法の中で、特にＭＬＤ形成法にそれぞれ適用した場合の実施形態について具体的に説明する。
【００２５】
図１（ａ）、（ｂ）には、酸素イオン注入工程の後に水素イオン注入工程を行う場合の実施形態を示してあるが、その変形例として、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上記水素イオン注入工程の後に酸素イオン注入工程を行うことも可能である。ただし、酸素イオン注入工程にて、基板を200℃以上の高温に加熱した状態で酸素イオンを注入する場合には、先に水素イオンを注入すると、基板内に一旦埋め込まれた水素が、酸素イオン注入時に外方拡散して埋め込み水素量が減少しやすくなるため、かかる場合には、水素イオン注入工程は、酸素イオン注入工程の後に行うのが好ましい。
【００２６】
なお、水素イオン注入を行った後に酸素イオンを注入する工程を有するSOI基板の製造方法については、特許第3097827号公報に開示されている。しかしながら、特許第3097827号公報記載の方法は、水素イオンを注入し、その後、高温（800〜1400℃）でアニール処理をして、水素原子を放出して基板内部に空孔を形成した後に酸素イオンを注入することにより、空孔に酸素原子が侵入してSiOxを形成する結果として、埋め込みシリコン酸化層を安定して形成するものであって、本発明法のように、水素の注入効果として、BOXの粘性を変化させて、BOX膜の平坦化を図るという技術を開示するものではない。
【００２７】
また、水素イオンと酸素イオンを、適宜選択した順番で基板表面に注入する工程を有するSOI基板の製造方法については、特開2000−31079号公報に開示されている。しかしながら、特開2000−31079号公報記載の方法は、転位密度低減の効果を狙っているものであり、ラフネス改善条件としては不十分であるという問題点がある。また、酸素イオン注入時には基板を500℃に昇温しており、この場合、水素イオン注入を行った後に酸素イオンを注入する工程だと、基板内に一旦埋め込まれた水素が、酸素イオン注入時に外方拡散して本発明の効果を十分に奏することができなくなるおそれもある。
【００２８】
本発明法のＭＬＤ形成法への適用（発明例）
次に、本発明法をＭＬＤ形成法に適用した場合を説明する。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明法をＭＬＤ形成法に適用した場合のウェーハの断面構成を示したものである。
【００２９】
この方法では、まず、酸素（16Ｏ＋）イオンを、加速エネルギー：100〜250keV、ドーズ量：（１〜10）×1017／cm2、基板温度：200〜650℃の条件下で注入する高温高ドーズ工程の後、加速エネルギー：100〜250keV、ドーズ量：(１×10)×1015／cm2、基板温度：20〜150℃の低温の条件下で注入する低温低ドーズ工程を行う（２段注入工程）。
【００３０】
次いで、水素（Ｈ＋）イオンを、前記酸素イオンの注入深さと同等位置になる加速エネルギ、具体的には、100〜250keV、ドーズ量：1015〜1017／cm2、基板温度：20〜150℃の条件下で注入し、これにより、基板表面にアモルファス層を形成する（水素イオン注入工程）。
【００３１】
その後、酸素を45体積％含むアルゴン雰囲気にて、1250〜1300℃の温度で５〜10時間のITOX処理を行った後、酸素を0.5〜２％含むアルゴン（Ar）あるいは窒素（N２）雰囲気にて、1300〜1350℃の温度で、５〜10時間の低温かつ短時間のアニールを行うことにより、SOI表面、およびSOIとBOXとの界面の双方ともに平坦化したSIMOXウェーハを得ることができる。
【００３２】
また、かかる本発明方法において、酸素イオン注入工程（２段注入工程）の前に水素イオン注入工程を行ってもよいが、酸素イオン注入工程にて、基板を200℃以上の高温に加熱した状態で酸素イオンを注入する場合には、先に水素イオンを注入すると、基板内に一旦埋め込まれた水素が、酸素イオン注入時に外方拡散して埋め込み水素量が減少しやすくなるため、かかる場合には、水素イオン注入工程は、酸素イオン注入工程の後に行うのが好ましい。
【００３３】
さらに、この発明方法においては、水素イオンのドーズ量（好適には５×1016〜１×1017／cm2）によっては、水素注入がアモルファス層の形成を促す効果をも有するため、かかる効果が十分に得られる場合には、２段注入工程中の低温低ドーズ工程を省略することができる。
【００３４】
また、上記２段注入工程を採用する場合には、前記高温高ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ１）を100〜250keV、前記低温低ドーズ工程における酸素イオン注入時の加速エネルギ（Ｅ２）を100〜250keVとし、かつ、これら加速エネルギの差（Ｅ１−Ｅ２）が５〜30keVの範囲であることが好ましい。５keV未満だと、BOX酸化膜の耐圧が低下するという問題があり、30keV超えだと、SOI表面およびSOI/BOX界面のラフネスが悪化するという問題があるからである。
【００３５】
上述したところは、この発明の実施形態の代表例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明に従う方法を用いてSIMOXウェーハを試作し、SOI表面と、SOIとBOXの界面でのラフネスを評価したので以下で説明する。
【００３７】
（試験例）
試験例は、酸素イオンを、加速エネルギー：170keV、ドーズ量：2.5×1017／cm2、基板温度：400℃の条件下で注入の後、加速エネルギー：155keV、ドーズ量：2×1015／cm2、基板温度：25℃（室温）の条件下で注入し、次いで、水素イオンを、加速エネルギ：35keV、基板温度：25℃（室温）の条件下で（0.1〜100）×1015／cm2の範囲内で異なるドーズ量で注入し、その後、酸素４５体積％を含むアルゴン雰囲気にて1320℃の温度で10時間のITOX処理を行った後、酸素を２％含むアルゴン雰囲気にて、1350℃の温度で、５、７、10時間のアニールを行うことにより、SIMOXウェーハを得た。
【００３８】
（従来例）
参考のため、上記試験例において、水素イオン注入工程を有さない製造方法を、従来例とした。
【００３９】
（評価方法）
SOI層の表面と、SOI層とBOX膜の界面におけるラフネスは、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、10μm×10μmのサイズに関して測定を行い、二乗平均平方根(Ｒms)値を求め、この値により評価した。
【００４０】
SOI層の表面のラフネスを測定する場合には、前処理として、希釈ＨＦ中で1分程度処理した後、水洗・乾燥を行った。また、SOI層とBOX膜の界面を測定する場合には、前処理として、希釈ＨＦ中で1分程度処理し、水洗・乾燥を行った後、ＫＯＨ水溶液中に10分間浸漬して、SOI層を除去した後、水洗・乾燥を行った。
二乗平均平方根(Ｒms)値は、平均表面レベルからの垂直方向（Ｚ方向）の変位をＺｉとする下記式により求めた。
記
Ｎ    
Ｒms＝√（１／Ｎ）ΣＺｉ
ｉ＝１
ここで、Ｎは測定点数であり、
Ｎ    
ΣＺｉ＝０を満足する。
ｉ＝１
表1にSOI層の表面およびSOI層とBOX膜の界面におけるラフネスの測定結果を示す。
【００４１】
【表１】
2007281316.tif 000003
【００４２】
表１に示す結果から、試験例のうち、水素イオンのドーズ量が、（１〜100）×1015／cm２の場合に、５時間のアニール処理でも、従来例に比べて、SOI層表面およびSOI層とBOX膜の界面の双方におけるラフネスの値が同等以上であり、SOI層表面およびSOI層とBOX膜の界面の双方ともに平坦化が図れている。改善傾向にあり、比較的短時間のアニールでも良好なラフネスが得られている。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、前記酸素イオン注入の前後いずれかで、所定ドーズ量の水素イオンを注入することにより、従来のSIMOX形成法に比べて、低温短時間でアニール処理したとしても、他の品質を悪化させることなく、SOI表面、およびSOIとBOXとの界面の双方のラフネスを同等以上に改善（小さく）して平坦化したSIMOXウェーハの製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明に従うSIMOXウェーハの製造方法の主要工程を説明するための模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明に従う別のSIMOXウェーハの製造方法の主要工程を説明するための模式図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明に従う他のSIMOXウェーハの製造方法の主要工程を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  シリコン基板
２  酸素イオン注入層
３  表面シリコン層
４  埋め込み酸化層（BOX層）
５  水素イオン注入層
６  第１酸素イオン注入層
７  第２酸素イオン注入層
【図１】
2007281316.tif 000004
【図２】
2007281316.tif 000005
【図３】
2007281316.tif 000006