(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板に酸素イオン注入し、その後の熱処理を行うことにより埋め込み酸化膜を形成するSIMOX基板の製造方法において、イオン注入後の基板表面に酸素の外方拡散を抑制するキャップ膜を形成した後、埋め込み酸化膜を形成する熱処理を行うSIMOX基板の作製方法であって、
前記キャップ膜の膜厚により単結晶シリコン層の厚みを制御し、
この際、前記キャップ膜が、シリコンの酸化膜であり、
前記キャップ膜の厚みが100nm超、2000nm未満であることを特徴とするSIMOX基板の作製方法。
【請求項２】
前記埋め込み酸化膜を形成する熱処理の熱処理温度が1300℃以上である請求項１記載のSIMOX基板の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶シリコン基板中に絶縁性の埋め込み酸化膜を形成するSIMOX基板の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低消費電力、高速デバイスに利用する目的で、単結晶基板中に絶縁膜を埋め込むSOI基板が開発されている。SOI基板の製造技術の一つとして、SIMOX基板がある。SIMOX基板とは、単結晶基板に酸素イオンを注入して、その後の高温熱処理を行うことで、基板内の所定の深さに埋め込み酸化膜を形成する技術である。SIMOX基板は、その他の作製方法である貼り合わせSOI基板と比較して、研摩加工を伴うことなく、均一厚みのデバイス活性領域を形成することができる。また、不純物の無害化能力が高い(高いゲッタリング特性を持つ)などの特徴を有する。
【０００３】
しかしながら、単結晶基板に酸素をイオン注入し、アニール処理によって作製されるSIMOX基板には、以下のような課題がある。
単結晶層と埋め込み酸化膜層の界面に凹凸があり、デバイス特性にばらつきが生じる。一般には、後段の酸化性雰囲気における長時間の熱処理により改善されるが、単結晶層の酸化による消費が激しく狙いの単結晶厚みを確保することが困難となる。
【０００４】
酸素イオン注入がパーティクルなどの存在により不完全になると、埋め込み酸化膜中にピンホールが発生し、電気絶縁性は低下する。これも後段の酸化性雰囲気における長時間熱処理により改善されるが、上記と同様の理由により問題がある。
以上のような理由により、埋め込み酸化膜の電気絶縁性を確保しつつ、単結晶シリコン層の膜厚を維持することがこれまで困難であった。
【０００５】
注入後に100nm以下のキャップ酸化膜を堆積することで転位を低減する方法については以前に報告がある。キャップ酸化膜を堆積後、1100℃/6時間のAr雰囲気下での熱処理を行い、1300℃の熱処理を行う。この熱処理中で、キャップ
酸化膜/SOI界面では、シリコンの酸化に伴い、以下の反応が進行する。
【０００６】
【化１】
0005008799.tif 000002
【０００７】
(過剰な格子間シリコンの界面への放出、SiOの外方拡散)
ここで、100nm以下の酸化膜の場合、SiOがキャップ酸化膜中を拡散し、系外に放出される。これ以上厚い酸化膜では、SiOの拡散バリアとして作用してしまうとされている。また、後段の1300 ℃超熱処理により、残留するSiOx析出物を除去することを狙っている。SiOの放出に伴って発生するVacancyは、BOX成長の際に発生する格子間シリコンと対消滅し、過剰な格子間シリコンによる貫通転位の発生を抑制すると期待される(特開平6-283420)。
【０００８】
しかし、100nm以下の薄い酸化膜では、酸素を含む雰囲気における高温熱処理において、酸素に対する十分な内方拡散抑止効果がなく、単結晶シリコン層の厚みを確保することが困難であった。
【０００９】
【発明が解決しようとしている課題】
そこで、本発明は上述した従来の問題点を解決すべく、基板中の単結晶シリコン層の消費をできるだけ小さくして、健全な埋め込み酸化膜層を形成可能なSIMOX基板の作製方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に関わるSIMOX基板は、酸素イオン注入とその後のアニールの中間に基板表面にキャップ膜を形成する工程を加えることで、適切な厚みの単結晶シリコン層/埋め込み酸化膜層を形成することを特徴とする。
【００１１】
請求項1に記載の発明は、単結晶基板に酸素イオン注入し、その後の熱処理を行うことにより埋め込み酸化膜を形成するSIMOX基板の製造方法において、イオン注入後の基板表面に酸素の外方拡散を抑制するキャップ膜を形成した後、埋め込み酸化膜を形成する熱処理を行うSIMOX基板の作製方法であって、前記キャップ膜の膜厚により単結晶シリコン層の厚みを制御し、この際、前記キャップ膜が、シリコンの酸化膜であり、前記キャップ膜の厚みが100nm超、2000nm未満であることを特徴とするSIMOX基板の作製方法を提供するものである。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、前記埋め込み酸化膜を形成する熱処理が、不活性ガスに対して0.5体積%以上5体積%以下の少量の酸素が含有された雰囲気で、熱処理温度が1300℃以上である請求項1記載のSIMOX基板の作製方法を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係わるSIMOX基板の作製方法は、キャップ膜層を有することを特徴とする。このキャップ膜の存在により、後段の酸化性雰囲気における高温熱処理において、単結晶シリコン層の酸化を抑制するとともに、イオン注入により導入された酸素の外方拡散をも抑制する。Deal-Groveモデルにおける反応律速から拡散律速へ遷移する膜厚について結論は得られていないのが現状であるが、100nm超のキャップ膜を堆積することにより、単結晶シリコン層の酸化がかなり抑制される。従って、注入した酸素イオンは、効率的に埋め込み酸化膜形成に寄与し、キャップ膜により、単結晶シリコン層の酸化が抑制されることで、単結晶シリコン層を十分な厚みで保持しつつ、埋め込み酸化膜を形成することができる。
【００１７】
キャップ膜の膜質としては、酸素の外方拡散を抑制できるものであれば良く、特に制限するものではないが、酸化膜及び/又は窒化膜が酸化抑制効果の面でも、膜形成、膜剥離の容易さからも好適である。膜の形成は、スパッタ法、化学気相蒸着法、オゾン水を利用する方法、オゾンガスを利用する方法、ゾルゲル法、レーザーアブレーション法、イオンビーム法、クラスターイオンビーム法などを利用することができる。また、これら方法と試料加熱を組み合わせたり、オゾンを用いる場合は、紫外線ランプ、レーザを用いて活性化した原子状酸素を試料表面に供給して効率的に酸化を促進してもよい。
【００１８】
また、キャップ膜厚を変化させることにより、単結晶シリコン層の厚みを自由に制御することができる。キャップ膜の厚みを厚くすることで、酸化の抑制効果は増大し、単結晶シリコン層の厚みを厚く残すことができる。
【００１９】
一方、埋め込み酸化膜は、系外からの酸素の内方拡散が抑制されると同時に、注入により導入された酸素の外方拡散が抑制されるため、注入酸素の埋め込み酸化膜形成への寄与が大きくなる。従って、外方拡散による酸素の不足分を後段の酸化性雰囲気における高温熱処理に期待する必要がない。よって、単結晶シリコン層の厚みを多く確保しながら、埋め込み酸化膜を従来なみに確保することが可能となる。なお、埋め込み酸化膜を形成する熱処理の熱処理温度が1300℃以上であり、好ましくは1300℃〜1380℃の範囲である。
【００２０】
一方、本発明は、キャップ酸化膜厚を100nm超にすることで、単結晶シリコン膜厚と埋め込み酸化膜厚との比を大幅に増加させることを特徴としている。100nm以下では、高温熱処理後の単結晶シリコン膜の消費量が、キャップ膜を堆積しない試料と比較してあまり変化がなく、厚い単結晶シリコン層を確保したい場合には、キャップ膜堆積の工程を一工程付与する利点が小さい。一方、厚いキャップ膜、例えば500nmのキャップ膜を用いると、注入後に1350℃/8時間、0.5%O2-Ar雰囲気において、表面酸化膜の増分は57nmに抑えられ、キャップ膜のない場合の236nmと比較すると、著しく単結晶シリコン層の消費を抑制することができる。一方、埋め込み酸化膜厚は、キャップ酸化膜ありで80nm、ないもので82nmとほとんど差が生じない。このように、単結晶シリコン層を厚く残すことができるため、高酸化性雰囲気における熱処理のプロセスマージンを格段に向上できる。また、実施例で詳しく述べるが、100nm超のキャップ膜を用いても、無転位の単結晶シリコン層を形成することが可能である。しかし、キャップ酸化膜厚が2000nmを越えると、埋め込み酸化膜中にSi島が発生しやすくなる。従って、酸化膜をキャップ膜に用いる場合、100nm超、2000nm未満とするのが適当である。
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明に係わるSIMOX基板の実施例に基づいて説明する。図1〜図3は、本発明の実施例を説明する工程図である。
【００２３】
工程は、真空中にて、単結晶基板を550℃〜650℃に加熱し、加速電圧180keV、ドーズ量0.4×1018ions/cm2の条件で、酸素イオン(O+)を注入する(図1)。この後、単結晶シリコン基板のイオン注入側の面に、キャップ膜(SiO2及び/又はSi3N4)を形成する(図2)。次に、低酸素分圧下(例えば、0.5%O2-Ar)で1350℃まで昇温し、例えば8時間保持する熱処理を施す(図3)。
【００２４】
この結果、キャップ膜により、雰囲気からの酸素の拡散は抑制され、かつ注入された酸素イオンは系外に放出されることなく、埋め込み酸化膜形成に効率的に消費される。
【００２５】
ここで、注入酸素イオンの拡散挙動と熱処理時の雰囲気から導入される酸素の挙動を区別するために、18O+イオンを180keV、0.4×1018ions/cm2注入した試料を作製した。
【００２６】
表1に、実施例1〜3として本発明を用いた例を、比較例1として従来のキャップ膜を利用しないものの結果を示す。比較例1は、従来どおりに注入後、キャップ酸化膜を堆積せず、低酸素分圧下(0.5%O2-Ar)で昇温し、1350℃で8時間保持したものである。また、実施例1は、注入後、RFマグネトロンパッタ装置を用いて、ターゲットにSiO2を用いて、O2(30体積%)-Ar雰囲気(5×10-3Torr)にて、酸化膜を50nm堆積させ、同様の熱処理を施したもの、実施例2は、酸化膜を150nm堆積させ、同様の熱処理を行ったものである。また、実施例3は、500nmのキャップ酸化膜を堆積させた後、同様の熱処理を行ったものである。
【００２８】
【表１】
0005008799.tif 000003
【００２９】
この熱処理後の埋め込み酸化膜厚は、比較例とほぼ等しい値となっていることがわかる。よって、キャップ酸化膜厚500nmの範囲においては、キャップ酸化膜厚の厚みに関わらず、埋め込み酸化膜厚は80nm〜83nmの範囲内となることがわかった。
【００３０】
一方、熱処理後の残存単結晶シリコン層の厚みには、大きな違いが生じている。同一の熱処理条件である比較例1では、残存単結晶シリコン膜厚が245nmであるのに対して、キャップ酸化膜を50nm堆積させた実施例1では、252nmの単結晶シリコン層が残存している。また、150nm堆積させた実施例2では、301nmの単結晶シリコン層厚が確保されている。更に、500nm堆積させた実施例２では、348nmの単結晶シリコン層が残存している。埋め込み酸化膜厚がほぼ同じで、キャップ膜厚を十分厚くすることで、50nmから130nm程度の単結晶シリコン層が、消費されることなく、残存させることができることがわかる。
【００３２】
この現象は、埋め込み酸化膜中の16O/Ototalの比からも理解できる。キャップ膜を堆積しない比較例1では、埋め込み酸化膜中の16O/Ototal比は67.8%で、実に2/3は、後段の熱処理により導入された酸素により、埋め込み酸化膜が形成されることを示している。即ち、注入酸素の外方拡散、雰囲気ガス中の酸素の内方拡散が活発に起り、その結果、表面酸化膜を成長させながら埋め込み酸化膜の酸素の交換反応が起っていると考えられる。
【００３３】
一方、本発明のキャップ膜を堆積した場合、雰囲気からの酸素の内方拡散が律速となり、容易に単結晶シリコン層界面まで到達しない。よって、表面酸化膜厚はさほど成長せず、注入酸素も外方拡散あるいは交換が進まぬまま、埋め込み酸化膜を形成することになる。よって、キャップ酸化膜50nm の場合、16O/Ototal比は65.1%、150nmの場合は50.3%、500nmの場合、44.3%となり、18Oの比率が上がっている。以上のように、キャップ酸化膜の効果で、系外の酸素の試料内への供給が抑制され、その結果、単結晶シリコン層が消費されることなく単結晶シリコン層/埋め込み酸化膜層/シリコン基板構造が形成される。
【００３５】
図4に、比較例１、実施例3の断面透過電子顕微鏡観察結果を示す。観察結果からも、単結晶シリコン層の厚みに顕著な差が現れていることがわかる。また、比較例1と同様に、実施例3においても単結晶シリコン層中に酸素析出物や転位等は観察されていない。また、転位密度の測定結果から、103cm-2程度まで転位密度が低減されている。これは、キャップ膜が単結晶シリコン相の酸化を抑制しているため、酸化に伴う格子間シリコンの単結晶シリコン相への放出が抑制されたことにより、転位の発生が抑えられたためであると考えられる。
【００３６】
これは、特開平6-283420のようなキャップ酸化膜堆積後の多段の熱処理を施さないため、堆積したキャップ膜中に存在する多量の欠陥等を経由してSiOが系外に放出されたことや、表面の酸化抑止に伴う格子間シリコンの放出の低減によるものと考えられる。このことが、厚膜キャップ膜の適用を可能とし、単結晶シリコン層/埋め込み酸化膜層の膜厚比を格段に向上させることを可能にした。
【００３７】
【発明の効果】
本発明により、SIMOX基板の単結晶シリコン層/埋め込み酸化膜層の膜厚比を、イオン注入装置の条件を変化させることなく、大きく改善することができる。また、所望の単結晶シリコン層の厚みをキャップ膜の種類や膜厚により制御することも可能である。このキャップ膜を用いる本発明は、従来用いられる低酸素分圧下の熱処理+高酸素分圧下熱処理という2段以上の熱処理も必要としない。よって、熱処理プロセスのより一層の簡略化も併せて可能とした。これにより、単結晶シリコン中に存在する酸素析出物の消失を促進する後段の低酸素分圧下での熱処理工程や、埋め込み酸化膜のピンホール解消やシリコン島の消失に効果のある高酸素分圧下での高温熱処理工程に対して、幅広いプロセスマージンを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係わるSIMOX基板の製造方法の一工程を示す断面図(酸素イオン注入工程)
【図２】  本発明の一実施例に係わるSIMOX基板の製造方法の一工程を示す断面図(キャップ膜堆積工程)
【図３】  本発明の一実施例に係わるSIMOX基板の製造方法の一工程を示す断面図(熱処理工程)
【図４】  熱処理後の断面透過電子顕微鏡写真
【符号の説明】
1: 酸素イオン
2:シリコンウエハ
3:イオン注入層
4:残留単結晶シリコン層
5:キャップ膜
6:単結晶シリコン層
7:埋め込み酸化膜
【図１】
0005008799.tif 000004
【図２】
0005008799.tif 000005
【図３】
0005008799.tif 000006
【図４】
0005008799.tif 000007