(57)【要約】単結晶ウェハ上に絶縁層及び表面単結晶シリコン層を順次形成したＳＯＩ構造を有するＳＯＩ基板において、ＳＯＩ層でのピット発生がなく、かつ低コストで生産性の高い製造が可能で、優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板を提供することを目的として、ＳＯＩ基板中に窒素と炭素を含有し、窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするＳＯＩ基板とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ウェハ上に絶縁層及び表面単結晶シリコン層を順次形成したＳＯＩ構造を有するＳＯＩ基板であって、該ＳＯＩ基板中に窒素と炭素を含有し、該窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、該炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするＳＯＩ基板。
【請求項２】
前記ＳＯＩ基板において、前記窒素と前記炭素が前記ＳＯＩ基板内で濃度分布を有し、前記窒素の最大濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、かつ、前記炭素の最大濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である請求項１記載のＳＯＩ基板。
【請求項３】
シリコン単結晶ウェハに酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、絶縁層である埋め込み酸化層と表面単結晶シリコン層を形成させるＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板であって、該ＳＯＩ基板中に窒素と炭素を含有し、該窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、該炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするＳＯＩ基板。
【請求項４】
前記ＳＯＩ基板における前記窒素の最大濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、かつ、前記炭素の最大濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である請求項３記載のＳＯＩ基板。
【請求項５】
前記ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析した場合、前記表面シリコン層と前記絶縁層との界面付近で窒素偏析を示す信号強度変化を有する請求項１〜４に記載のＳＯＩ基板。
【請求項６】
前記ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析した場合、前記絶縁層と前記単結晶ウェハとの界面付近で窒素偏析を示す信号強度変化を有する請求項１〜４に記載のＳＯＩ基板。
【請求項７】
前記ＳＯＩ基板が、作製前、作製途中、或いは作製後に、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理と９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理とを受けてなる請求項１〜４のいずれかに記載のＳＯＩ基板。
【請求項８】
前記ＳＯＩ基板が、シリコン単結晶ウェハに酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、絶縁層である埋め込み酸化層と表面単結晶シリコン層を形成させるＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板であって、高温熱処理の前、或いは後に、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理と９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理とを少なくとも１回受けてなる請求項３又は４に記載のＳＯＩ基板。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、シリコン基板の表面近傍に埋め込み酸化層を配し、その上に単結晶シリコン層（以下ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層とする）を形成させたＳＯＩ基板に関する。更に、本発明はＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ＩＭｐｌａｎｔｅｄ  ＯＸｙｇｅｎ）技術によるＳＯＩ基板に関するものである。
背景技術
シリコン酸化物のような絶縁物上に単結晶シリコン層を形成するＳＯＩ基板としては、ＳＩＭＯＸ基板と貼り合わせウェハが主として知られている。ＳＩＭＯＸ基板は、酸素イオンのイオン注入によって単結晶シリコン基板内部に酸素イオンを注入し、引続き行われるアニール処理によって、これら酸素イオンとシリコン原子を化学反応させて、埋め込み酸化層を形成させることにより得られるＳＯＩ基板である。
一方、貼り合わせウェハは２枚の単結晶シリコンウェハを、酸化層をはさんで接着させ、２枚のうち片方のウェハを薄膜化することにより得られるＳＯＩ基板である。
これら、ＳＩＭＯＸ基板や貼り合せウェハには、チョクラルスキー（ＣＺ）法、もしくは、磁場印加ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶が用いられる。このようなシリコン単結晶は、通常ボイド欠陥を含んでいるが、これらはＳＯＩ基板を用いたデバイス作製上問題となる。ＳＩＭＯＸ基板の場合、高温熱処理後の表面単結晶シリコン層（ＳＯＩ層）表面にボイド欠陥が露出することがあり、四角い表面ピットとして観察される。表面ピットはＳＯＩ層の膜厚変動をもたらすものであり、デバイス作製上望ましくない。また、表面ピットの一部は、ＳＩＭＯＸ基板を用いて作製したＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜信頼性を劣化させるものであり、表面ピットの無いことが望まれる。一方、貼り合せウェハにおいても、ＳＯＩ層の厚さがボイド欠陥の大きさ程度であると、ＳＯＩ層にあるボイド欠陥はＳＯＩ層を貫通するピットとなり、例えば２５ｗｔ％ＨＦ液に浸漬することで埋め込み酸化膜が溶出し、円形の窪みとなって観察される。このことから、ＨＦ欠陥と呼ばれるが、このようなＳＯＩを貫通するピットはデバイス構造そのものを破壊するものであり、ＳＯＩ層に存在しないことが望まれる。
このようなピットの発生を防ぐには、以下２つの方法が考えられる。１つは、単結晶シリコンウェハ上に、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させたエピウェハを用いる方法である。これは、エピウェハのエピ層には、ピットの起因となるボイド欠陥が無いためである。もう１つは、特開平１０−６４８３７号公報で提案されている、ＣＺ法での結晶育成時に窒素添加した単結晶シリコンウェハを用いる方法である。窒素濃度を制御することによりピットを減らす、或いは、なくすことが可能である。しかしながら、エピウェハはコスト増加が著しいために、望ましい選択ではない。一方、窒素添加単結晶シリコンウェハでは、窒素濃度が高いほどピット発生抑制の効果が高いが、窒素添加量が多いほど結晶育成時に多結晶化しやすい傾向があり、生産性・コストとのトレードオフが見られる。
本発明は、以上述べた課題を解決し、ＳＯＩ層でのピット発生がなく、かつ、低コストで生産性の高い製造が可能であり、さらに優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板を提供することを目的とする。
発明の開示
我々は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層中に発生するピットについて鋭意検討し、ＳＯＩ層でのピット発生がなく、かつ、低コストで生産性の高い製造が可能であり、さらに優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板を提供する本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、
単結晶ウェハ上に絶縁層及び表面単結晶シリコン層を順次形成したＳＯＩ構造を有するＳＯＩ基板であって、該ＳＯＩ基板中に窒素と炭素を含有し、該窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、該炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板において、前記窒素と前記炭素が前記ＳＯＩ基板内で濃度分布を有し、前記窒素の最大濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、かつ、前記炭素の最大濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
シリコン単結晶ウェハに酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、絶縁層である埋め込み酸化層と表面単結晶シリコン層を形成させるＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板であって、該ＳＯＩ基板中に窒素と炭素を含有し、該窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、かつ、該炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板における前記窒素の最大濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、かつ、前記炭素の最大濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析した場合、前記表面シリコン層と前記絶縁層との界面付近で窒素偏析を示す信号強度変化を有することを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析した場合、前記絶縁層と前記単結晶ウェハとの界面付近で窒素偏析を示す信号強度変化を有することを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板が、作製前、作製途中、或いは作製後に、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理と、９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理とを受けてなることを特徴とする。
前記ＳＯＩ基板が、シリコン単結晶ウェハに酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことにより、絶縁層である埋め込み酸化層と表面単結晶シリコン層を形成させるＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板であって、高温熱処理の前、或いは後に、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理と、９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理とを少なくとも１回受けてなることを特徴とする。
発明の実施の形態
以下に、本発明について詳細に説明する。
ＳＩＭＯＸ法による  ＳＯＩ基板の製造工程を図１Ａ〜図１Ｄを参照して簡単に説明する。図１Ａに示される如きチョコラルスキー法で製造された単結晶シリコン基板１は、図１Ｂの如く、シリコン基板１上方から酸素イオン２を高電界下でシリコン基板１の内部へ打ち込まれ、図１Ｃの如く埋め込み酸素層３がシリコン基板１内部に形成される。その後シリコン基板１は熱処理されて、シリコン基板１と埋め込まれた酸素層３とその上のシリコン層４とからなるＳＯＩ基板となる（図１Ｄ）。
このようなＳＯＩ基板は、その後半導体製造工程を経て、酸素層３上のシリコン層４を利用しかつその上に配線層５を形成して、トランジスタその他の半導体素子あるいは半導体回路が形成されることができる（図１Ｅ）。
図２は貼り合せウェハの例を示す。単結晶シリコン基板１１と絶縁層１２と表面単結晶シリコン層１３とが貼り合せられている。貼り合せは、熱拡散法などが利用できる。表面単結晶シリコン層１３は貼り合せ後、ポリシングなどで所望の厚さにして用いられる。
本発明は、単結晶ウェハ上に絶縁層及び表面単結晶シリコン層を順次形成したＳＯＩ基板のうち、ＳＯＩ基板中に所定量の窒素と炭素を含有したものである。
材料となる単結晶シリコンウェハは所望の窒素及び炭素濃度が得られていればよく、その伝導型はＰ型でもＮ型でもよい。単結晶シリコンの製造方法は、チョクラルスキー法でもフローティングゾーン法でも、どちらでも構わないが、窒素と炭素の添加しやすさ、及び、ウェハの機械的強度の観点から、チョクラルスキー法が望ましい。
貼り合せウェハの場合には、ＳＯＩ層となる方のウェハを本発明で規定するような窒素及び炭素濃度とすればよい。もう一方のウェハとしては、単結晶シリコン、ポリシリコン、石英、水晶、サファイアなどの材質を用いることも可能である。
ＳＯＩ基板中の窒素含有量が１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超であると、窒素のシリコンへの固溶限に近くなるため多結晶化しやすくなり、実用には不適である。また、炭素含有量が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超である場合も、炭素のシリコンへの固溶限に近くなるため多結晶化しやすくなり、実用には不適である。
一方、ＳＯＩ基板中の窒素の最大濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、炭素の最大濃度が５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である場合は、ピットの消滅効果が見られない。
本発明に係るＳＯＩ基板は、ＳＩＭＯＸ法あるいは貼り合せ法のいずれで製造された場合でも、熱処理を経るために、含有された窒素が外方拡散する。窒素は絶縁層とシリコンの界面に偏析するため、ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析した場合、絶縁層と単結晶ウェハとの界面付近、あるいは、表面シリコン層と絶縁層との界面付近で窒素偏析を示す信号強度変化を有することとなる。
ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の場合、例えば、加速エネルギー１８０ｋｅＶでドーズ量４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の酸素イオンを注入し、所定の深さに高濃度酸素イオン注入層を形成し、アニール温度を１３５０℃とし、Ａｒに０．５％濃度の酸素を添加した雰囲気ガス中で４時間アニールした後、酸素濃度を７０％としてさらに４時間アニールを行なう、といった工程で製造できる。しかしながら、ＳＩＭＯＸ基板の製造条件については、特にこれに限定されるものではない。
金属不純物元素による汚染は、集積回路素子（デバイス）の動作不良をもたらすために、製造過程・環境をクリーン化が必要である。しかしながら、そのような汚染を完全に排除することは困難であるため、これまで集積回路用基板には、ゲッタリング能、即ち、汚染金属不純物元素をデバイス活性領域外で捕獲し無害化する機能が求められてきた。
これを具現化する手段は幾つかあるが、デバイス製造過程の低温化とともに、酸素析出物とその形成に伴い形成される欠陥、つまり、ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）が利用されている。ゲッタリングに必要とされるＢＭＤ密度は、用途等により決して一定ではないが、例えば、特開平２０００−４４３８９号公報や特開平２００１−１０２３８４号公報に見られるように、およそ１×１０８個／ｃｍ３が、その機能発現の下限値として考えられている。ＢＭＤの形成には、通常、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理と、９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理を実施することが多い。非酸化性雰囲気中８００℃４時間に引き続き１０００℃８時間の熱処理等がその一例として挙げられる。
貼り合せ法では、ＳＯＩ層となるウェハではない、もう一方のウェハに上記熱処理を施し、十分なＢＭＤを形成すればよい。上記熱処理は、貼り合せによるＳＯＩ基板作製前でも作製後でもよい。貼り合せの熱処理が、９００℃以上１１００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理であれば、これを省略し、７００℃以上１０００℃以下で５分以上２０時間以下の熱処理のみを行なってもよい。
ＳＩＭＯＸ法の場合、高温熱処理が入るために、ＳＯＩ作製前の上記熱処理では、形成したＢＭＤの一部が消失してしまうものの、当該高温熱処理中の偶発汚染の影響を排除することが可能である。前記の量の窒素と炭素を含有する場合、ＳＩＭＯＸ法における高温熱処理後でも、上記熱処理を施すことにより、十分なＢＭＤ密度が得られ、したがって、十分なゲッタリング能力が付与される。
実施例
以下、実施例で本発明を具体的に説明する。
チョクラルスキー法によりボロンドープ単結晶シリコンを育成した。特開２０００−２８１４９１号公報の実施例に準じて、窒素を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素を１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３をそれぞれ含む結晶を得、８インチ（２００ｍｍ）の単結晶ウェハを得た。
その後、従来の一般的なＳＩＭＯＸ基板の作製方法にしたがいＳＩＭＯＸ基板を作製した。即ち、加速エネルギー１８０ｋｅＶでドーズ量４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の酸素イオンを注入し、所定の深さに高濃度酸素イオン注入層を形成した。アニール温度を１３５０℃とし、Ａｒに０．５％濃度の酸素を添加した雰囲気ガス中で４時間アニールした後、酸素濃度を７０％としてさらに４時間アニールを行なった。その結果、表面シリコン層の厚みが約１６０ｎｍ、埋め込み酸化膜の厚さが約１１０ｎｍのＳＩＭＯＸ基板を得た。
基板中の窒素濃度と炭素濃度を低温の赤外吸収により調べた結果、窒素濃度は約５×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３で、炭素濃度は約１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。表面シリコン層の窒素は、２次イオン質量分析法、及び、表面の電気抵抗測定結果から、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満と評価された。また、ＳＯＩ基板を厚み方向に２次イオン質量分析法で窒素分析したところ、表面シリコン層と絶縁層との界面、及び、絶縁層と単結晶シリコンとの界面で、窒素偏析を示す窒素の信号強度にピークが観察された。
アニール後、表面酸化膜を除去した後に、光学顕微鏡により表面観察を行なったが、表面ピットの発生は観察されなかった。
さらに、８００℃１時間に引き続き、１０００℃４時間の熱処理をＡｒ中で行なったところ、赤外線トモグラフにより、表面より１０μｍ以上深いウェハ内部において、１×１０９個／ｃｍ３の欠陥が形成されたことが観察されており、十分なゲッタリング能力を有することが分かった。
一方、窒素及び炭素を添加していない通常のウェハを用いて、同じＳＩＭＯＸプロセスでＳＩＭＯＸ基板を作製した。表面酸化膜除去後に光学顕微鏡による表面観察で、約１０個／ｃｍ２の密度のピットが観察された。ピットの形状は、直径１０μｍ程度の円錐状、あるいは、四角錘状であった。このウェハをフッ酸に浸漬すると、ピットの部分から埋め込み酸化層が溶け出していく様子が観察され、ピット付近のＳＯＩ構造が破壊されていることが分かった。
また、引き続き８００℃１時間と１０００℃４時間の熱処理をＡｒ中で行なったが、赤外線トモグラフによれば、ＢＭＤはウェハ内部に観察されず検出下限以下であり、ゲッタリング能力は不十分であることが分かった。
産業上の利用可能性
以上述べたように、本発明によれば、ＳＯＩ層でのピット発生がなく、かつ、低コストで生産性の高い製造が可能で、優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板を提供でき、また、このＳＯＩ基板を用いてデバイスを作製すれば、良好な動作特性を有するデバイスを高歩留で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ〜図１ＤはシリコンウェハからＳＩＭＯＸ基板を製造する工程を示し、図１ＥはさらにＳＩＭＯＸ基板に半導体素子を形成した例を示す。
図２は貼り合わせウェハを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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