DE69432604T2

DE69432604T2 - Verfahren für die herstellung eines halbleitersubstrates

Info

Publication number: DE69432604T2
Application number: DE69432604T
Authority: DE
Inventors: Masaharu Sagamihara-shi TACHIMORI; Takayuki Yano; Isao Hamaguchi; Tatsuo Nakajima
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2014-12-29
Also published as: EP0738004A4; EP0738004A1; US5918151A; WO1995018462A1; DE69432604D1; JP3139904B2; KR100199125B1; EP0738004B1; JPH07201975A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats des Silizium-auf-Isolator-Typs (der im folgenden als SOI bezeichnet wird) durch Implantieren von Sauerstoffionen in ein Siliziumsubstrat und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Die Bildung einer Isolationsschicht durch das Implantieren von Ionen in ein Halbleitersubstrat ist eine wohlbekannte Technik, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 49-39233 offenbart wird. In der Vergangenheit sind als ein Verfahren zum Implantieren von Sauerstoffionen in ein Einkristall-Siliziumsubstrat, um einen Siliziumoxidfilm, der ein elektrisch isolierendes Material ist, (der im folgenden als eine vergrabene Oxidschicht bezeichnet wird) im Substrat zu bilden und eine Einkristall-Siliziumschicht zu bilden, die über eine gesamte Oberfläche des Substrats auf der vergrabenen Oxidschicht eine gleichmäßige Dicke aufweist, die folgenden Verfahren bekannt gewesen.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 62-12658 offenbart ein Verfahren zum Ionenimplantieren von Sauerstoff in ein Einkristallsubstrat, das auf einer Temperatur von mindestens 200°C gehalten wird, so daß sich eine Konzentration ergibt, die 1,5 mal so groß wie eine Sauerstoffkonzen tration (4,5 × 10²² Ionen/cm³) in einer gleichmäßigen Isolationsschicht ist, um eine diskrete Grenze zwischen der vergrabenen Oxidschicht und der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberfläche zu bilden. Dieses Verfahren hat jedoch einen Mangel darin, daß die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberfläche mindestens 10⁵/cm² beträgt.
JP-A-62-188239 und das US-Patent Nr. 4,676,841 offenbaren ein Verfahren zum Bilden einer scharfen Grenze, die frei von nichtstöchiometrischem Siliziumdioxid ist, an der Grenze der Einkristall-Siliziumschicht und des vergrabenen Oxidfilms durch Implantieren von Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat bei Energien von 100 bis 400 KeV und einer Dosis von 5 × 10¹⁷ bis 5 × 10¹⁸ Ionen/cm² und dessen thermisches Bearbeiten in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 1300°C für sechs Stunden bis zehn Minuten. Dieses Verfahren hat jedoch einen Mangel darin, daß die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberfläche mindestens 10³/cm² beträgt und kein kontinuierlicher vergrabener Oxidfilm gebildet werden kann.
JP-A-64-17444 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer vergrabenen Oxid- oder Nitridisolationsschicht, durch Durchführen mehrerer kontinuierlicher Implantationen von Sauerstoff- oder Stickstoffionen in das Siliziumsubstrat bei derselben Energie und einer Dosis von 1,5 × 10¹⁸ Ionen/cm², und Glühen des Substrats nach jeder Implantation bei einer Temperatur, die nicht niedriger als 800°C und nicht höher als ein Schmelzpunkt des Substrats ist. Dieses Verfahren hat jedoch einen Mangel darin, daß die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht an der Oberfläche nicht mehr als 10⁵/cm² beträgt, jedoch nicht weniger als 10³/cm² beträgt.
JP-A-2-191357 offenbart ein Verfahren zum Verhindern einer Kanalbildung beim Sauerstoffionen-Implantieren durch Implantieren von Siliziumionen mit einer Konzentration von 10¹⁸ Ionen/cm³ bis zu einer solchen Tiefe, daß die Sauerstoffionen-Konzentration 10²¹ Ionen/cm³ aufweist (um einen von zwei oberflächlicher), um es amorph zu machen, und dann Implantieren von Sauerstoffionen, und Verhindern des Auftretens von Kristallfehlern in einer Oberflächen-Siliziumschicht, die durch Porenlöcher oder überschüssigen Sauerstoff verursacht werden, durch Reduzieren der Porenlöcher und des überschüssigen Sauerstoffs durch implantiertes Silizium. Jedoch hat dieses Verfahren einen Mangel darin, daß die Versetzung in der Einkristall-Siliziumschicht an der Oberfläche vielmehr infolge der Siliziumatome und der überschüssigen implantierten Siliziumatome zunimmt, die in den Gittern im Verlauf der Bildungsreaktion des vergrabenen Oxidfilms erzeugt werden.
JP-A-3-240230 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer dünnen Oberflächen-Einkristall-Siliziumschicht auf einem vergrabenen Oxidfilm einer vorbestimmten Filmdicke, während die Kristallfehlererzeugung durch Reduzierung der Sauerstoffionendosis verhindert wird, durch Anwenden eines ersten thermischen Prozesses auf das Siliziumsubstrat, in das Sauerstoffionen bei einer ersten Implantationsenergie implantiert worden sind, insbesondere Anwenden des thermischen Prozesses in einer Ar-Atmosphäre bei 1320°C für sechs Stunden, um einen ersten vergrabenen Oxidfilm zu bilden, und dann Implantieren einer kleineren Menge Sauerstoffionen als jene der ersten Implantation bei einer zweiten Implantationsenergie, die niedriger als die erste Implantationsenergie ist, und Anwenden desselben thermischen Prozesses wie jene des ersten thermischen Prozesses, um einen zweiten vergrabenen Oxidfilm zu bilden, der über dem ersten vergra benen Oxidfilm liegt. Jedoch kann dieses Verfahren die Sauerstoffionendosis nicht reduzieren, um den vergrabenen Oxidfilm der vorbestimmten Dicke zu erhalten, und die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberfläche beträgt mindestens 10³/cm².
JP-A-4-249323 offenbart ein Verfahren zum Implantieren erster Sauerstoffionen in eine Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats mit einer ersten hohen Energie, die eine Sauerstoffkonzentrationsverteilung verleiht, in der die Sauerstoffkonzentration an einer Position unter der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats maximal ist, dann thermisches Bearbeiten des Siliziumsubstrats, um einen vergrabenen Oxidfilm im Siliziumsubstrat zu bilden, dann Implantieren zweiter Sauerstoffionen in die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats bei einer zweiten hohen Energie, die eine Sauerstoffkonzentrationsverteilung verleiht, in der die Sauerstoffverteilung in einer Nähe der Grenzfläche zwischen dem vergrabenen Oxidfilm und der darüber liegenden Oberflächensiliziumschicht maximal ist, und dann thermisches Bearbeiten des Siliziumsubstrats, um die Grenzfläche zwischen dem vergrabenen Oxidfilm und der Oberflächen-Einkristall-Siliziumschicht planar zu machen. Jedoch hat dieses Verfahren einen Mangel darin, daß die Versetzungsdichte in der Oberflächen-Einkristall-Halbleitersiliziumschicht mindestens 10³/cm² beträgt.
JP-A-4-264724 offenbart ein Verfahren, um die Versetzungsdichte in der Oberflächen-Einkristall-Siliziumschicht auf 10³/cm² oder weniger zu bringen durch Implantieren von Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat mit einer Beschleunigungsenergie von 150 KeV bis 200 KeV und einer Dosis von nicht weniger als 0,25 × 10¹⁸ Ionen/cm² und nicht mehr als 0, 50 × 10¹⁸ Ionen/cm² oder nicht weniger als 0, 80 × 10¹⁸ Ionen/cm² und nicht mehr als 1,30 × 10¹⁸ Ionen/cm², und dann thermisches Bearbeiten bei einer hohen Temperatur von mindestens 1300°C. Wie jedoch durch S. Nakashima u. a. in J. Mater. Res., B. 8 (1993), S. 523–534 offenbart, weist dieses Verfahren den folgenden Mangel auf. Wenn die Sauerstoffionendosis nicht höher als 0,3 × 10¹⁸ Ionen/cm² ist, wird nicht immer ein kontinuierlicher vergrabener Oxidfilm gebildet und es werden Versetzungen von mindestens 10³/cm² in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm gebildet. Diese Versetzungen verursachen ein Stromleck von Halbleitervorrichtungen, die auf der SOI-Struktur gebildet werden, und verschlechtern die Charakteristik der Halbleitervorrichtungen. Wenn die Sauerstoffionendosis nicht kleiner als 0,4 × 10¹⁸ Ionen/cm² und nicht größer als 1,2 × 10¹⁸ Ionen/cm² ist, wird ein mangelhafter Siliziumoxidfilm gebildet, der Siliziumkörner enthält. Der vergrabene Oxidfilm, der die Siliziumkörner enthält, weist eine niedrige dielektrische Durchschlagspannung auf und verschlechtert die Charakteristik der Halbleitervorrichtungen, die auf der SOI-Struktur gebildet werden. Wenn die Sauerstoffionendosis 1,2 × 10¹⁸ Ionen/cm² überschreitet, treten Versetzungen von 10³–10⁹/cm² in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm auf. Wenn die Sauerstoffionendosis nicht kleiner als 0,3 × 10¹⁸ Ionen/cm² ist und nicht größer als 0,4 × 10¹⁸ Ionen/cm² ist, ist die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm nicht größer als 10³/cm² und der kontinuierliche vergrabene Oxidfilm, der keine Siliziumkörner enthält, wird gebildet, jedoch ist in diesem Fall die Dicke der vergrabenen Oxidschicht auf etwa 70 bis 90 nm beschränkt. In diesem Zusammenhang erläutern Y. Li u. a. in J. Appl. Phys., B. 70 (1991), S. 3605–3612 eine kritische Sauerstoffionendosis, bei der der kontinuierliche vergrabene Oxidfilm gebildet wird, als eine Funktion eines Projektionsbereichs der Sau erstoffionen. A. K. Robinson u. a offenbaren in Mater. Sci. Eng., B12 (1992), S. 41–45, daß die Sauerstoffionendosis, bei der der vergrabene Oxidfilm gebildet wird, der keine Siliziumkörner enthält, und die Einkristall-Siliziumschicht mit wenigen Versetzungen gebildet wird, 0,33 × 10¹⁸ Ionen/cm² für die Implantationsenergie von 70 KeV beträgt.
JP-A-4-737 offenbart ein Verfahren zum einfachen Bilden einer Siliziumschicht ausreichend dünner Dicke, wie 80 nm, auf einem vergrabenen Oxidfilm ausreichend großer Dicke, wie 400 nm, in dem ein Deckfilm, der einen Siliziumoxidfilm oder einen Siliziumnitridfilm aufweist, auf einem Siliziumsubstrat gebildet wird, dann Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat durch den Deckfilm implantiert werden, es dann thermisch bearbeitet wird, um einen vergrabenen Oxidfilm zu bilden, und der Deckfilm vor oder nach dem thermischen Prozeß entfernt wird. Jedoch läßt dieses Verfahren nicht immer die Bildung des kontinuierlichen und homogenen vergrabenen Oxidfilms und der Einkristall-Siliziumschicht mit wenigen Versetzungen zu.
Das US-Patent Nr. 5,080,730 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines schmalen vergrabenen Oxidfilms durch Reduzieren einer Implantationsenergie, um die Erosion der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch den Ionenstrahl zu kompensieren, wenn die Sauerstoff- oder Stickstoffionen in das Siliziumsubstrat implantiert werden, so daß die Ionen in dieselbe Position des Siliziumsubstrats implantiert werden, und ein Verfahren zur Bildung eines breiten vergrabenen Isolationsfilm durch Erhöhen der Implantationsenergie, um die Erosion der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch den Ionenstrahl zu kompensieren. Jedoch läßt dieses Verfahren nicht immer die Bildung des kontinuierlichen und homogenen vergrabenen Isolationsfilms einer Solldicke und der Einkristall-Siliziumschicht mit wenig Versetzungen zu.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Halbleitersubstrats durch Implantieren von Sauerstoffionen in ein Siliziumsubstrat bereitzustellen, in dem die Anzahl der Versetzungen in einer Einkristall-Siliziumschicht auf einem vergrabenen Oxidfilm, der ein Isolationsmaterial ist, kleiner als 10³/cm² ist, und der die Bildung des kontinuierlichen vergrabenen Oxidfilms zuläßt, der keine Siliziumkörner enthält. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren zur Bildung eines vergrabenen Oxidfilms bereitzustellen, der eine Dicke von 90 nm oder mehr aufweist.
Um die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Halbleitersubstrats der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleitersubstrats einer Ausführungsform der Erfindung weist auf: eine erste Verarbeitungseinheit zum Empfangen von Ionen-Implantationsbedingungen in einer Reihe von Ionen-Implantationsprozessen, um die implantierte Atomkonzentrationsverteilung im Substrat für jede Implantationsbedingung auszugeben, eine zweite Verarbeitungseinheit zum Empfangen der Ausgabe der ersten Verarbeitungseinheit, um eine akkumulierte Atomkonzentrationsverteilung auszugeben, die die Summe der implantierten Atomkonzentrationsverteilung im Substrat für jede Ionen-Implantationsbedingung über die Reihe von Ionen-Implantationen ist, eine dritte Verarbeitungseinheit zum Empfangen der Ausgabe der zweiten Verarbeitungseinheit als eine erste Eingabe und einer der Bedingungen, die durch eine Atomkonzentrationsverteilung erfüllt werden sollen, als eine zweite Eingabe, um festzustellen, ob die erste Eingabe zur zweiten Eingabe paßt oder nicht, und Ausgaben einer ersten Ausgabe, die die Entscheidung repräsentiert, und einer zweiten Ausgabe, die einen Unterschied zwischen der ersten Eingabe und der zweiten Eingabe repräsentiert, und eine vierte Verarbeitungseinheit zum Empfangen der ersten und zweiten Ausgaben der dritten Verarbeitungseinheit als erste bzw. zweite Eingaben, um die Reihe von Ionen-Implantationsbedingungen, die in die erste Verarbeitungseinheit eingegeben werden, als eine erste Ausgabe auszugeben, wenn die erste Ausgabe der dritten Verarbeitungseinheit bejahend ist, und eine zweite Ausgabe auszugeben, die einen Korrekturbetrag anzeigt, um eine ausgewählte der Reihe von Ionen-Implantationsbedingungen zu korrigieren, die in die erste Verarbeitungseinheit eingegeben werden, um die zweite Eingabe zu vermindern, wenn die erste Ausgabe der dritten Verarbeitungseinheit negativ ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A bis 1C zeigen Substratschnittansichten ( 1A und 1C) in einem Implantationsprozeß und eine Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung (1B) eines Substrats durch die Implantation, um eine Implantationsbedingung darzustellen, wenn Sauerstoffionen in das Substrat durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung implantiert werden,
2A und 2B stellen mehrere Verfahren zur Änderung einer Tiefenposition der Sauerstoffionen-Implantation dar,
3A und 3B zeigen Blockdiagramme einer Gestaltung einer Herstellungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4A ist eine charakteristische Kurve, die eine Beziehung zwischen einer maximalen Sauerstoffatom-Konzentration im Substrat und einer Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm zeigt,
4B und 4C zeigen Schnittansichten zum Veranschaulichen einer Änderung im Schnittzustand des Substrats durch die Änderung der maximalen Sauerstoffatom-Konzentration,
5A zeigt eine Beziehung zwischen der maximalen Sauerstoffatom-Konzentration und einer Form des vergrabenen Oxidfilms,
5B und 5C zeigen Schnittansichten des Substrats nach der Sauerstoffionen-Implantation und nach dem thermischen Prozeß, wenn die maximale Sauerstoffatom-Konzentration größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht größer als 4 × 10²² Atome/cm³ ist,
6 veranschaulicht einen Einfluß durch eine Form einer Verteilungskurve der Sauerstoffatom-Konzentration auf die Form des vergrabenen Oxidfilms,
7 zeigt eine Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration des Siliziumsubstrats, das durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird,
8 zeigt eine andere Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration des Siliziumsubstrats, das durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird,
9A zeigt einen Zustand einer Änderung der Implantationsenergie und einer Sauerstoffionendosis in der Sauerstoffionen-Implantation,
9B zeigt eine Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration des Siliziumsubstrats, wenn die Implantationsenergie geändert wird, wie in 9A gezeigt, und
10 und 11 zeigen andere Beispiele der Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration des durch die vorliegende Erfindung hergestellten Siliziumsubstrats.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Auf die beigefügten Zeichnungen bezugnehmend, wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Siliziumsubstrats erläutert.
Wie in 1A gezeigt, werden erfindungsgemäß Sauerstoffionen in eine Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats 1 implantiert, und dann wird es thermisch bearbeitet, um eine Siliziumschicht 2 der Oberfläche, die eine Anzahl von Kristallfehlern aufweist, die durch die Innenimplantation erzeugt werden, in eine Einkristall-Siliziumschicht 2' mit einer reduzierten Anzahl von Kristallfehlern zu ändern, wie in 1C gezeigt, und in einen Sauerstoffionen-Implantationsbereich 3 implantierte Sauerstoffatome werden mit Siliziumatomen des Substrats umgesetzt, und es wird eine Implantationsbedingung, um einen kontinuierlichen und homogenen Siliziumoxidfilm, das heißt eine vergrabene Oxidschicht 3' zu bilden, auf die folgende Weise bestimmt.
Eine Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsprozessen kann kontinuierlich oder intermittierend durchgeführt werden. Wenn sie kontinuierlich durchgeführt wird, wird die Sauerstoff-Implantationsbedingung, das heißt eine mittlere Implantationstiefe und eine Innendosis schrittweise oder kontinuierlich geändert, während das Implantieren fortgesetzt wird. Wenn der Sauerstoff-Implantationsprozeß kontinuierlich durchgeführt wird, und die Implantationsbedingung geändert wird, während die Implantation fortgesetzt wird, wird die Implantationsbedingung an jedem vorbestimmter Zeitpunkte in einer Prozeßausführungsperiode so bestimmt, daß eine endgültige Sauerstoff-Konzentrationsverteilung, die durch eine Reihe von Prozessen erreicht wird, die folgenden Bedingungen erfüllt:

(1) Wie in 1B gezeigt, werden in einer Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsprozessen eine mittlere Implantationstiefe und eine Innendosis der Sauerstoffionen-Implantation 4 in jedem Prozeß kontinuierlich oder schrittweise so geändert, daß eine Tiefenverteilung 5 der Sauerstoffatom-Konzentration, die durch die Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsprozessen erreicht wird, ein Maximum aufweist und vor und nach dem Maximum kontinuierlich abnimmt .
(2) Das Maximum der Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 5, das auch ein Maximalwert ist, wird auf nicht größer als 4,O × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³, und vorzugsweise nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ eingestellt, und die Gesamtdosis (in Ionen/cm²) in der Sauerstoffionen-Implantationsreihe, wird auf einen Wert einer Solldicke (in cm) des vergrabenen Oxidfilms multipliziert mal 4,48 × 10²² (in Ionen/cm³) eingestellt.
(3) Die Änderung der Implantationstiefe der Sauerstoffionen wird durch Ändern einer Implantationsenergie, Entfernen einer Oberfläche 6 des Siliziumsubstrats 1, wie in 2A gezeigt, und Abscheiden eines Films 7 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 durchgeführt, wie in 2B gezeigt.
(4) Ein thermischer Prozeß wird bei einer hohen Temperatur von mindestens 1300°C nach der Vollendung der Sauerstoffionen-Implantationsreihe durchgeführt, um einen stöchiometrischen vergrabenen Oxidfilm 3' und eine Einkristall-Siliziumschicht 2' zu bilden, die weniger Kristallfehler aufweist.

Eine Beziehung zwischen den Versetzungen in der Halbleitersiliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm und der Sauerstoffdosis im Verfahren zur Bildung der Einkristall-Siliziumschicht, die eine gleichmäßige Dicke über die gesamte Oberfläche des Substrats auf dem vergrabenen Oxidfilm aufweist, der das Isolationsmaterial ist, durch Implantieren der Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat wird durch S. Nakashima u. a. in J. Mater. Res., B. 8, (1993), S. 523–534 berichtet. Gemäß der Untersuchung der Erfinder der vorliegenden Erfindung über die Erzeugung von Versetzungen in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm ist nachgewiesen worden, daß die Anzahl der Versetzungen in der Einkristall-Siliziumschicht nicht notwendigerweise von der Dosis der Sauerstoffionen abhängt, sondern im wesentlichen von der maximalen Konzentration der Sauerstoffatome abhängt, die in das Siliziumsubstrat implantiert werden. Wenn die Sauerstoffionen-Implantation in das Siliziumsubstrat fortgesetzt wird, nimmt die Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat zu, und wenn die Sauerstoffatom-Konzentration 4,0 × 10²² Atome/cm³ überschreitet, wird die Bildung eines nichtstöchiometrischen Siliziumoxidfilms 22 beobachtet, in dem Silizium mikroskopisch mit einer SiO₂-Phase gemischt ist, wie in 4B gezeigt. Wenn die Sauerstoffatom-Konzentration 4,48 × 10²² Atome/cm³ erreicht, wird ein stöchiometrischer Siliziumoxidfilm gebildet. Es ist nachgewiesen worden, daß wenn die Sauerstoffionen nach der Bildung des nichtstöchiometrischen Siliziumoxidfilms 22 in das Siliziumsubstrat weiter implantiert werden, die Konzentration der Versetzungen 23 im einkristallinen Silizium 2' auf dem vergrabenen Oxidfilm 3' nach dem thermischen Prozeß rapide zunimmt, wie in 4C gezeigt. Die Zunahme der Versetzungen ist auch durch Sauerstoffionen-Implantation nach der Bildung des stöchiometri schen Siliziumoxidfilms nachgewiesen worden. 4A zeigt eine Beziehung zwischen einer maximalen Sauerstoffatom-Konzentration, die in das Siliziumsubstrat implantiert wird, und einer Versetzungsdichte. Wenn die Sauerstoffatom-Konzentration 4,0 × 10²² Atome/cm³ oder weniger beträgt, das heißt wenn keine Bildung des nichtstöchiometrischen Siliziumoxidfilms während der Sauerstoffionen-Implantation beobachtet wird, ist die Versetzungsdichte niedriger als 10³/cm², und wenn die Sauerstoffatom-Konzentration 4,0 × 10²² Atome/cm³ überschreitet, das heißt wenn die Bildung des nichtstöchiometrischen Siliziumoxidfilms oder die Bildung des stöchiometrischen Siliziumoxidfilms beobachtet wird, beträgt die Versetzungsdichte mindestens 10³/cm².
Wenn die Sauerstoffionen-Implantation und der thermische Prozeß in mehreren Zyklen wiederholt werden, kann die Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Implantation der Sauerstoffionen in einem Durchgang 4,0 × 10²² Atome/cm³ nicht überschreiten, jedoch kann die Sauerstoffatom-Konzentration nach dem nächsten thermischen Prozeß durch die Bewegung der Sauerstoffatome während des nächsten thermischen Prozesses 4,0 × 10²² Atome/cm³ überschreiten. In einem solchen Fall überschreitet die Versetzungsdichte im Halbleitersiliziumfilm auf dem vergrabenen Oxidfilm 10³ Versetzungen/cm², wenn die Sauerstoffionen im nächsten Durchgang implantiert werden. Folglich sollte ein thermischer Prozeß für die Bildung des vergrabenen Oxidfilms und der darüberliegenden Einkristall-Siliziumschicht im Verlauf der Reihe der Sauerstoffionen-Implantation vermieden werden. In der vorliegenden Erfindung wird, um die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf dem vergrabenen Oxidfilm unter 10³/cm² zu halten, die maximale Sauerstoffatom- Konzentration im Siliziumsubstrat während der Implantation der Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat auf höchstens 4,0 × 10²² Atome/cm³ gehalten, und der thermische Prozeß bei mindestens 1300°C, um den vergrabenen Oxidfilm und das darüberliegende Einkristallsilizium zu bilden, wird nach der Vollendung der Sauerstoffionen-Implantationsreihe durchgeführt.
Als Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Sauerstoffatom-Konzentration nach der Innenimplantation und der Form des vergrabenen Oxidfilms, der durch die Reaktion der implantierten Sauerstoffatome und der Siliziumatome gebildet wird, ist nachgewiesen worden, daß die Form des vergrabenen Oxidfilms von der maximalen Sauerstoffatom-Konzentration abhängt. In 5A wird in einem Bereich 27, wo die maximale Sauerstoffatom-Konzentration 4,0 × 10²² Atome/cm³ überschreitet, ein homogener und kontinuierlicher vergrabener Oxidfilm oder ein kontinuierlicher vergrabener Oxidfilm gebildet, der eine kleine Menge Siliziumkörner in der Nähe der Grenzflächen zu den oberen oder unteren Einkristall-Siliziumsubstraten enthält. In einem Bereich 26, wo die Sauerstoffatom-Konzentration größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht größer als 4,0 × 10²² Atome/cm³ ist, wird ein vergrabener Oxidfilm gebildet, der Siliziumkörner enthält. In einem Bereich 25, wo die maximale Sauerstoffatom-Konzentration nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ ist, wird ein homogener und kontinuierlicher vergrabener Oxidfilm gebildet. In einem Bereich 24, wo die maximale Sauerstoffatom-Konzentration kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ ist, wird ein intermittierender vergrabener Oxidfilm gebildet. Wo der Maximalwert der Sauerstoffatom-Konzentration 2,25 × 10²² Atome/cm³ überschreitet, weist ein Bereich, wo die Sauerstoffatom-Konzentration größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht größer als 4,0 × 10²² Atome/cm³ ist, eine mikroskopische Mischung eines Bereichs 28, der deutlich SiO₂-reich ist, und eines Bereichs 29 auf, der Si-reich ist, wie durch Auger-Elektronenspektroskopie zu sehen ist und wie in 5B gezeigt. Wenn eine solche Mischschicht 30 bei einer Temperatur von mindestens 1300°C thermisch bearbeitet wird, werden die Sauerstoffatome, die im Bereich 29 vorhanden sind, der Si-reich ist, in den Bereich 28 gebracht, der SiO₂-reich ist, wie in 5C gezeigt, so daß ein vergrabener Oxidfilm 28' aus dem Bereich 28 gezüchtet wird, während der Bereich 29 zu Siliziumkörnern 29' geändert wird, der die Sauerstoffatom-Konzentration in der Größenordnung der Löslichkeit im festen Zustand aufweist und hinterlassen wird, während er durch den vergrabenen Oxidfilm 28' umgeben wird. Wenn die Größe der Siliziumkörner ausreichend klein ist, werden die Siliziumkörner aufgelöst und in den vergrabenen Oxidfilm diffundiert und beseitigt, indem der thermische Hochtemperaturprozeß für eine ausreichend lange Zeit angewendet wird. Jedoch bleiben die Siliziumkörner 29' häufig übrig. Wenn der Maximalwert der Sauerstoffatom-Konzentration nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ ist, können der Bereich, der SiO₂-reich ist, und der Bereich, der Si-reich ist, in dem Bereich, in dem die Sauerstoffionen implantiert worden sind, selbst durch die Auger-Elektronenspektroskopie nicht deutlich unterschieden werden, und wenn diese Schicht bei einer Temperatur von mindestens 1300°C thermisch bearbeitet wird, wird ein vergrabener Oxidfilm gebildet, der keine Siliziumkörner enthält. Wenn die maximale Sauerstoffatom-Konzentration kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ ist, müssen im Prozeß der Bildung des stöchiometrischen vergrabenen Oxidfilms durch den thermischen Prozeß bei einer Temperatur von mindestens 1300°C Sauerstoffatome aus einem angrenzenden Bereich gesammelt werden, der mehrmals so groß wie die Größe der SiO₂-Einschlüsse ist. Da die Größe der SiO₂-Einschlüsse, die bei der Temperatur von mindestens 1300°C stabil sind, mehrere zehn nm oder größer ist, wird die stabile Größe nicht erreicht, indem die Sauerstoffatome nur aus dem in Tiefenrichtung angrenzenden Bereich gesammelt werden, und folglich kann es sein, daß die Sauerstoffatome aus dem seitlich angrenzenden Bereich gesammelt werden müssen. In einem solchen Fall bleibt der seitlich angrenzende Bereich, aus dem die Sauerstoffatome entnommen worden sind, als die Siliziumschicht zurück, so daß keine SiO₂-Einschlüsse zu einem kontinuierlich vergrabenen Oxidfilm gezüchtet werden. Folglich wird erfindungsgemäß, um den kontinuierlichen vergrabenen Oxidfilm zu erzielen, der keine Siliziumkörner enthält, der Maximalwert der implantierten Sauerstoffatomdichte auf nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ eingestellt.
Wenn der Maximalwert der Sauerstoffatom-Konzentration nicht größer als 2.25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ ist und wo es mehrere Maxima der Tiefenverteilung und der lateralen Verteilung der Sauerstoffatom-Konzentration gibt, kann der vergrabene Oxidfilm, der Siliziumkörner enthält, oder der intermittierende vergrabene Oxidfilm gebildet werden, indem der thermische Prozeß angewendet wird. Dies wird unter Bezugnahme auf 6 erläutert. In 6 zeigt eine durchgezogene Linie die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung im Siliziumsubstrat unmittelbar nach der Sauerstoffionen-Implantation, und eine unterbrochene Linie zeigt die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung im Siliziumsubstrat nach der Anwendung des thermischen Prozesses bei der Temperatur von mindestens 1300°C. Die Sauerstoffatome, die im Siliziumsubstrat über die Löslichkeit in festem Zustand hinaus vorhanden sind, werden durch den thermischen Prozeß leicht als das Siliziumoxid abgesondert. Sie werden vorzugsweise von Stellen ab gesondert bzw. ausgeschieden, die eine höhere Sauerstoffatom-Konzentration als jene des umgebenden Bereichs aufweisen, das heißt von Stellen 31 und 32, wo die Sauerstoffatom-Konzentration ein Maximum zeigt, und sie werden gezüchtet bzw. wachsen. Wenn die Absonderung bzw. Ausscheidung oder Segregation fortschreitet und die Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat um die Einschlüsse auf die Größenordnung der Löslichkeit in festem Zustand gesenkt wird, werden kleine Einschlüsse, die kleiner als eine kritische Größe sind, die durch die thermische Prozeßtemperatur bestimmt wird, aufgelöst, und die Sauerstoffatome werden in große Einschlüsse gebracht, die größer als die kritische Größe sind. Wo mehrere Einschlüsse, die größer als die kritische Größe sind, übrigbleiben, kann der kontinuierliche vergrabene Oxidfilm nicht gebildet werden, da der Bereich 35 der Siliziumschicht, in dem die Sauerstoffatom-Konzentration auf die Größenordnung der Löslichkeit in festem Zustand reduziert worden ist, zwischen dem Absonderungsbereich 33 und dem Absonderungsbereich 34 zurückbleibt. Um folglich den homogenen und kontinuierlichen vergrabenen Oxidfilm in einer gleichmäßigen Tiefe zu bilden, wird es bevorzugt, daß die Tiefenverteilung der implantierten Sauerstoffatom-Konzentration ein einziges Maximum aufweist und vor und nach dem Maximum kontinuierlich abnimmt und die laterale Verteilung, das heißt die Verteilung in einer Ebene einer konstanten Tiefe, gleichmäßig ist.
Es wird nun ein Verfahren zur Erhöhung der Filmdicke des kontinuierlichen vergrabenen Oxidfilms erläutert. Da die Filmdicke (in cm) des vergrabenen Oxidfilms im wesentlichen gleich einem Quotienten der Sauerstoffionendosis (in Ionen/cm²) dividiert durch 4,48 × 10²² (in Ionen/cm³) ist, kann die Sauerstoffionendosis erhöht werden, um die Dicke des vergrabenen Oxidfilms zu erhöhen. Wenn jedoch die Dosis erhöht wird, während die Implantationsenergie der Sauerstoffionen fest ist, wie es im Stand der Technik der Fall ist, wird die maximale Konzentration der Sauerstoffatome bei einer bestimmten Dosis 2,25 × 10²² Atome/cm³ oder mehr überschreiten, da der Maximalwert der implantierten Innenkonzentration annähernd 0,4ϕ/σ beträgt (wobei ϕ die Innendosis ist und σ eine Standardabweichung der Implantationstiefe ist), wie in der Formel (4.2) auf Seite 22 von „PROJECTED RANGE STATISTICS" von James F. Gibbons, William S. Johnson und Steven W. Mylroie (veröffentlicht von Dowden, Hutchington & Ross. Inc.) gezeigt. Wenn zum Beispiel die Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat, das auf 550°C gehalten wird, bei einer Energie von 200 KeV implantiert werden, beträgt die Sauerstoffionendosis, bei der der Maximalwert der implantierten Sauerstoffatom-Konzentration 2,25 × 10²² Atome/cm³ erreicht, annähernd 5 × 10¹⁷ Ionen/cm², und die Dicke des vergrabenen Oxidfilms, der durch den thermischen Prozeß gebildet wird, beträgt annähernd 112 nm. Wenn die maximale Konzentration der Sauerstoffatome 2,25 × 10²² Atome/cm³ überschreitet, wird es dazu kommen, daß der vergrabene Oxidfilm die Siliziumkörner enthält, wie oben beschrieben, und die Sauerstoffdosis nicht einfach erhöht werden kann. Bezugnehmend auf 1, wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung erläutert, in dem die Sauerstoffionendosis erhöht wird, während der Maximalwert der Sauerstoffatom-Konzentration auf nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ gehalten wird. Eine unterbrochene Linie 4 in 1 zeigt die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration, die den jeweiligen Implantationen entspricht, von unterschiedlichen mittleren Implantationstiefen, und eine durchgezogene Linie 5 zeigt die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration, wobei die jeweiligen Implantationen akkumuliert werden. Auf diese Weise wird die Sauerstoffionen-Implantationsreihe durchgeführt, während die mittlere Implantationstiefe schrittweise oder kontinuierlich geändert wird, und die Implantationsdosis für die jeweiligen mittleren Implantationstiefen wird so gesteuert, daß der Maximalwert der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentration in den oben beschriebenen Bereich fällt und die Gesamtsauerstoffionendosis die Dosis erreicht, die erforderlich ist, um den vergrabenen Oxidfilm einer vorbestimmten Filmdicke zu erzielen. Indem die Implantation durchgeführt wird, während die mittlere Implantationstiefe geändert wird, kann die Implantation in die Tiefenrichtung ausgedehnt vorgenommen werden, und die Dosis, die notwendig ist, um den vergrabenen Oxidfilm der vorbestimmten Filmdicke zu erzielen, kann selbst mit dem niedrigen Maximalwert der Sauerstoffatom-Konzentration vorgenommen werden. Wenn es wie oben beschrieben implementiert wird, wird es bevorzugt, daß die Tiefenverteilung der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentration ein einziges Maximum aufweist und die laterale Verteilung gleichmäßig ist.
Als ein Verfahren zur Änderung der Tiefenposition, um die Sauerstoffionen zu implantieren, kann ein Verfahren zur Änderungen der Implantationsenergie der Sauerstoffionen, ein Verfahren zum Implantieren, während die Siliziumschicht 6 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats entfernt wird, wie in 2A gezeigt, ein Verfahren zum Implantieren, während der Film 7 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden wird, wie in 2B gezeigt, oder eine Kombination dieser Verfahren verwendet werden. Als ein spezifisches Verfahren zum Entfernen der Siliziumschicht 6 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats sind Polieren oder Schleifen unter Verwendung von Schleifkörnern oder einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung, Plasmaätzen unter Verwendung von Chlorgas, Sulfathexafluoridgas oder Hexafluorethangas oder Naßätzen unter Verwendung einer wässerigen Lösung einer Mischung von Ammonium und Wasserstoffperoxid, einer wässerigen Lösung einer Mischung von Salpetersäure und Flußsäure oder einer wässerigen Lösung von Kaliumhydroxid geeignet. Die Elementarbestandteile des Films 7, der auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden wird, sind bevorzugt jene Elemente, die eine Betriebscharakteristik einer elektronischen Halbleitervorrichtung nicht nachteilig beeinflussen, die in das Siliziumsubstrat eingebaut wird, da die Elementarbestandteile des Films im Verlauf der Implantation der Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat durch den Film 7 in das Siliziumsubstrat gestoßen werden. Ein Metallelement wird nicht bevorzugt, da es einen tiefen Pegel, der den Betrieb der elektronischen Halbleitervorrichtung nachteilig beeinflußt, im Siliziumsubstrat bildet. Kohlenstoff und Stickstoff werden nicht bevorzugt, da sie wahrscheinlich die Kristallfehler im Siliziumsubstrat erzeugen. Bevorzugte Elementarbestandteile des Films 7 sind Silizium und Sauerstoff, und der Film 7 ist vorzugsweise der Siliziumfilm, der Siliziumoxidfilm oder deren Kombinationsfilm.
Bezugnehmend auf 3A, wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der mittleren Implantationstiefe und der Dosis in jedem Prozeß der Reihe der Sauerstoffionen-Implantationsprozesse erläutert. Es ist ein Programm in eine Verarbeitungseinheit 8 eingebaut, so daß wenn die Implantationsenergie der Sauerstoffionen, die Dosis und die Entfernungsmenge der Oberflächen-Siliziumschicht eingegeben werden, die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 15 im Siliziumsubstrat ausgegeben wird, wenn die Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat unter der obigen Bedingung implantiert werden. Es ist auch ein Programm in die Verarbeitungseinheit 8 eingebaut, so daß wenn der Name des Materials, das auf der Siliziumoberfläche abgeschieden wird, die Filmdicke, die Implantationsenergie der Sauerstoffionen und die Dosis eingegeben werden, die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 15 im Siliziumsubstrat ausgeben wird, wenn die Sauerstoffionen in das Siliziumsubstrat durch den Film unter der obigen Bedingung implantiert werden. In den in die Verarbeitungseinheit 8 eingebauten Programmen wird der Einfluß auf die Erosion der Siliziumoberfläche oder des Films, der auf der Siliziumoberfläche abgeschieden wird, durch den Ionenstrahl während der Implantation der Sauerstoffionen, die Kanalbildung, die durch die Kristallorientierung des Siliziumsubstrats und die Einfallrichtung des Innenstrahls verursacht wird, und der Einfluß der Siliziumsubstrattemperatur während der Innenimplantation berücksichtigt. Als ein Verfahren in der Verarbeitungseinheit 8 zum Ausgeben der Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 15 im Siliziumsubstrat aus der Eingabe der Implantationsbedingung 14 in jedem Prozeß der Reihe der Sauerstoffionen-Implantationsprozesse, wie der Sauerstoff-Implantationsenergie und der Dosis, können ein Verfahren zum Abrufen und Ausgeben der vorgespeicherten Daten, die durch ein Experiment oder durch Berechnung bestimmt werden, oder ein Verfahren zur Berechnung vor Ort durch eine vorbestimmte Formel und deren Ausgabe verwendet werden. Die Berechnungsformel, die in die Verarbeitungseinheit 8 programmiert werden soll, kann der Computersimulationscode TRIM, der durch J. F. Ziegler, J. P. Biersack und U. Littmark in „The Stopping and Ranges of Ions in Solids", B. 1, von J. F. Ziegler (veröffentlicht durch Pergamon, New York, 1985) offenbart wird, oder der Computerprogrammcode IRIS sein, der durch U. Bussmann und P. L. F. Hemment in Nucl. Instrum. methods B. 47 (1990), S. 22 offenbart wird. Sie kann auch durch ein Experiment bestimmt werden. Es ist ein Programm in eine Verarbeitungseinheit 9 eingebaut, so daß wenn die jeweiligen Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilungen 15, die aus der Verarbeitungseinheit 8 ausgegeben werden, für die Reihe von Sauerstoffion-Implantationsbedingungen eingegeben werden, die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 ausgegeben wird, die aus deren Akkumulation resultiert. Es ist ein Programm in eine Verarbeitungseinheit 10 eingebaut, so daß wenn die für die Sauerstoffionen-Implantationsreihe akkumulierte Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16, die aus der Verarbeitungseinheit 9 ausgegeben wird, und eine Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17 eingegeben werden, deren Anpassung bestimmt wird und das Anpassungsergebnis und eine Differenz 18 zwischen beiden Verteilungen ausgegeben werden. Es ist ein Programm in eine Verarbeitungseinheit 11 eingebaut, so daß wenn das Ergebnis der Bestimmung, das aus der Verarbeitungseinheit 10 ausgegeben wird, und die Differenz 18 zwischen der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung und der Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung eingegeben werden und wenn die Anpassung bestimmt wird, eine Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 19 zu dieser Zeit, das heißt die Implantationsenergie, die Dosis, der Name des Materials des Films, der auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden wird, und dessen Filmdicke oder die Entfernungsmenge der Siliziumoberfläche ausgegeben werden, und falls die Bestimmung die Fehlanpassung anzeigt, eine Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 20 ausgegeben werden, die modifiziert sind, um die Differenz 18 zwischen der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 und der Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17 zu reduzieren. Die Anzahl der Sauerstoff-Implantationsprozesse, um die Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung zu erreichen, und die Sauerstoff-Implantationsbedingung in jedem Prozeß, die anfänglich auf die Verarbeitungseinheit angewendet wird, werden durch ein Experiment beruhend auf der Differenz zur Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17 bestimmt. Welche der Reihe von Sauerstoff-Implantationsbedingungen modifiziert werden soll, wird durch ein Experiment beruhend auf dem Verglich des Zustands der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung und dem Zustand der Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17 bestimmt. Die Reihe modifizierter Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 20, die aus der Verarbeitungseinheit 11 ausgegeben werden, wird zum Eingang der Verarbeitungseinheit 8 zurückgeführt. Wenn die Verarbeitungseinheiten 8–11 verbunden sind, die Reihe der Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 14 anfänglich an der Verarbeitungseinheit 8 eingestellt wird, und die Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17 in die Verarbeitungseinheit 10 eingegeben wird, bestimmt die Verarbeitungseinheit 11 die Reihe optimaler Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 19 und gibt sie aus.
In der obigen Beschreibung ist eine der Eingaben der Verarbeitungseinheit 10 die Soll-Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 17. Alternativ kann die Bedingung, die durch die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung erfüllt wird, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, als die Eingabe verwendet werden.
Die obigen Bedingungen sind wie folgt:

(a) Die maximale Sauerstoffatom-Konzentration ist nicht größer als 4 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³.
(b) Die maximale Sauerstoffatom-Konzentration ist nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ und nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³.
(c) Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat weist ein einziges Maximum auf und nimmt vor und nach dem Maximum kontinuierlich ab.
(d) Die Verteilung der Sauerstoffatom-Konzentration in der Ebene der vorbestimmten Tiefe im Siliziumsubstrat ist gleichmäßig.
(e) Die Gesamtsauerstoffionendosis ist gleich einem Wert der Dicke (in cm) des vergrabenen Soll-Oxidfilms multipliziert mit 4,48 × 10²² (in Ionen/cm³).

In diesem Fall ist ein Programm in die Verarbeitungseinheit 10 eingebaut, so daß wenn die akkumulierte Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 für die Sauerstoffionen-Implantationsreihe, die von der Verarbeitungseinheit 9 ausgegeben wird, und die durch die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung zu erfüllende Bedingung 17, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, eingegeben werden, bestimmt wird, ob die akkumulierte Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 die durch die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung zu erfüllende Bedingung 17, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, erfüllt oder nicht, und das Ergebnis der Bestimmung und die Differenz 18 zwischen dem Wert, der der obigen Bedingung für die akkumulierte Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 entspricht, und dem Wert der obigen Bedingung, werden ausgegeben. Folglich ist ein Programm in die Verarbeitungseinheit 11 eingebaut, so daß wenn das Ergebnis der Bestimmung, das aus der Verarbeitungseinheit 10 ausgegeben wird, und die Differenz 18 zwischen der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung und der durch die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung zu erfüllenden Bedingung, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, eingegeben werden, die Implantationsbedingung 19 in der Sauerstoffionen-Implantationsreihe ausgegeben wird, wenn die Bestimmung die Anpassung anzeigt, und eine Reihe von Sauerstoffionen-Implantationsbedingungen 20, die so modifiziert sind, daß sie die Differenz zwischen der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung 16 und der durch die Sauerstoffatom-Konzentrationsverteilung zu erfüllenden Bedingung 17 reduzieren, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, ausgegeben wird, wenn die Bestimmung die Fehlanpassung anzeigt. In der obigen Beschreibung werden die Verarbeitungseinheiten 8–11 als getrennte Einheiten gezeigt, obwohl sie geeignet kombiniert oder weiter unterteilt sein können.
Wenn die Implantationstiefe durch die Implantationsenergie geändert wird, wird die effiziente Operation der Sauerstoffionen-Implantationsvorrichtung erreicht, indem die Ausgabe 19 der Verarbeitungseinheit der 3A in die Steuereinheit 12 der Sauerstoffionen-Implantationsvorrichtung eigegeben wird. Falls erforderlich, kann ein Wandler 13 zwischen dem Ausgang 19 der Verarbeitungseinheit und dem Eingang 21 der Sauerstoffionen-Implantationsvorrichtung eingefügt werden, um die Implantationsenergie in eine Beschleunigungspannung für den Innenstrahl und die Ionendosis in einen Ionenstrahlstrom und eine Implantationszeit umzuwendeln.
Es werden nun experimentelle Beispiele erläutert, wenn die Halbleitersubstrate erfindungsgemäß hergestellt wurden.
Experimentelles Beispiel 1
Sauerstoffionen mit einer Gesamtdosis von 6,72 × 10²² Ionen/cm² wurden in das Siliziumsubstrat implantiert, während die Energie schrittweise geändert wurde, um den vergrabenen Oxidfilm im Siliziumsubstrat zu bilden, der die Dicke von annähernd 150 nm aufwies. Zuerst wurde die Tiefenverteilung der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentration, die nach der Reihe von Sauerstoffionen-Implantation erreicht wird, so eingestellt, daß sie der Gaußschen Normalverteilung folgt, das heißt C(z) = Co/ (2^¼)^0,5σ·exp(–(z – zo)²/2σ²), wobei C(z) die Sauerstoffatom-Konzentration in der Tiefe z ist, Co die Gesamtdosis pro Einheitsfläche ist, σ eine Standardabweichung der Verteilung ist und zo die Tiefe ist, in der die Sauerstoffatom-Konzentration maximal ist. In diesem Beispiel sind Co = 6,72 × 10¹⁷ Ionen/cm², σ = 124 nm und zo = 300 nm. Da die maximale Sauerstoffatom-Konzentration Co/ (2^¼)^0,5σ beträgt, beträgt sie 2,16 × 10²² Atome/cm³. Dann wurde die Implantationsenergie der Sauerstoffionen auf vier Schritte von 110, 140, 170 und 200 KeV eingestellt, und die Sauerstoffdosis bei jeder Implantationsenergie wurde auf 1,40 × 10¹⁷, 1,60 × 10¹⁷, 1,78 × 10¹⁷ und 1,94 × 10¹⁷ Ionen/cm² eingestellt, und die Sauerstoffionen-Implantationsreihe wurde an dem Siliziumsubstrat durchgeführt, das auf der Temperatur von 600°C gehalten wurde. In diesem Fall wurde, um die laterale Verteilung der Sauerstoffatom-Konzentration, die in das Siliziumsubstrat implantiert wurde, gleichmäßig zu machen, der Sauerstoffionenstrahl gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats geführt. Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Sauerstoffimplantation wurde durch die Sekundärionen-Massenspektroskopie gemessen. Das Ergebnis wird in 7 gezeigt. Die Verteilung, die im wesentlichen zu der erwarteten Gaußschen Normalverteilung paßte, wurde erzielt, und die maximale Sauerstoffatom-Konzentration betrug 2,16 × 10²² Atome/cm³. Das Siliziumsubstrat wurde in einem elektrischen Ofen angeordnet, und es wurde in einer Argongasatmosphäre, die 0,5% Sauerstoff enthielt, für sechs Stunden bei einer Temperatur von 1330°C thermisch bearbeitet. Nach dem thermischen Prozeß wurde das Siliziumsubstrat in die Fluorwasserstoffsäure getaucht, um den Siliziumoxidfilm zu entfernen, der die Dicke von annähernd 82 nm auf wies, der während des thermischen Prozesses gezüchtet wurde, und die Querschnittstruktur des Siliziumsubstrats wurde durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop beobachtet. Als Ergebnis wurde eine Einkristall-Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 213 nm auf der Oberseite und ein vergrabener Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 150 nm darunter und ein Siliziumsubstrat darunter beobachtet. Der vergrabene Oxidfilm war kontinuierlich und homogen, und es wurde kein Einschluß des Siliziumkorns beobachtet. Um die Versetzungsdichte in der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberseite zu zählen, wurde eine Einkristall-Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 5 μm epitaxial durch das thermische CVD-Verfahren auf der Einkristall-Siliziumschicht auf der Oberseite gezüchtet und es wurde für 90 Sekunden in die Wright-Ätzlösung getaucht, um die Kristallfehler sichtbar zu machen. Die Versetzungsdichte wurde durch ein optisches Mikroskop gezählt, und sie betrug 600/cm². In diesem Beispiel wurde die Tiefenverteilung der akkumulierten Sauerstoffatom-Konzentration, die nach der Sauerstoffionen-Implantationsreihe erreicht wurde, als die Gaußsche Normalverteilung vorausgesetzt, obwohl es irgendeine kontinuierliche Verteilung sein kann, die ein einziges Maximum aufweist.
Experimentelles Beispiel 2
Wie im experimentellen Beispiel 1 wurden die Sauerstoffionen mit der Gesamtdosis von 2,24 × 10¹⁷ Ionen/cm² in das Siliziumsubstrat implantiert, während die Energie schrittweise geändert wurden, um den vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 50 nm im Siliziumsubstrat zu bilden. Die Implantationsenergie der Sauerstoffionen wurde auf die vier Schritte von 60, 80, 100 und 120 KeV eingestellt, und die Sauerstoffdosis bei jeder Implantationsenergie wurde auf 4,35 × 10¹⁶, 5,26 × 10¹⁶, 6,05 × 10¹⁶ und 6,74 × 10¹⁶ Ionen/cm² ein gestellt, und die Sauerstoffionen-Implantationsreihe wurde durchgeführt. Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Sauerstoffimplantation wird in 8 gezeigt. Die maximale Sauerstoffatom-Konzentration beträgt in der Tiefe von annähernd 110 nm 1,0 × 10²² Atome/cm³. Das Siliziumsubstrat wurde in dem elektrischen Ofen angeordnet und in einer Argongasatmosphäre, die 0,5% Sauerstoff enthielt, für sechs Stunden bei einer Temperatur von 1330°C thermisch bearbeitet. Als Ergebnis wurde die SOI-Struktur gebildet, die die Einkristall-Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 58 nm und den kontinuierlichen und homogenen vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 50 nm aufwies. Die Versetzungsdichte der Einkristall-Siliziumschicht betrug annähernd 500/cm².
Experimentelles Beispiel 3
Die Sauerstoffionen der Gesamtdosis von 1,0 × 10¹⁸ Ionen/cm² wurden in das Siliziumsubstrat implantiert, während die Implantationsenergie kontinuierlich von 345 KeV auf 85 KeV geändert wurde, um den vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 223 nm im Siliziumsubstrat zu bilden. Die Dosisleistung wurde konstant gehalten, indem der Strahlstrom der Sauerstoffionen konstant gehalten wurde, und die augenblickliche Dosis der Implantationsenergie wurde kontinuierlich geändert, wie in 9A gezeigt, indem die Sweeprate der Implantationsenergie geändert wurde. Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Sauerstoffimplantation wurde durch die Sekundärionen-Massenspektroskopie gemessen, und das Ergebnis wird in 9B gezeigt. Die mittlere Implantationstiefe der Sauerstoffionen betrug annähernd 413 nm, und die maximale Sauerstoffatom-Konzentration betrug annähernd 2,14 × 10²² Atome/cm³. Das Siliziumsubstrat wurde in der Argongasatmosphäre, die 0,5% Sauerstoff enthielt, für vier Stun den bei 1380°C thermisch bearbeitet. Als Ergebnis wurde die SOI-Struktur gebildet, die die Einkristall-Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 302 nm und den kontinuierlichen und homogenen vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 223 nm aufwies, und die Versetzungsdichte der Einkristall-Siliziumschicht betrug annähernd 700/cm².
Experimentelles Beispiel 4
Durch Ätzen der Oberfläche des Siliziumsubstrats wurde die Implantationstiefe der Sauerstoffionen geändert, und die Sauerstoffionen der Gesamtdosis von 2,0 × 10¹⁷ Ionen/cm² wurden bei der Energie von 60 KeV implantiert, um den vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 44 nm im Siliziumsubstrat zu bilden. Jedesmal, wenn die Sauerstoffionen bei 5 × 10¹⁶ Ionen/cm² implantiert wurden, wurde das Siliziumsubstrat in die wässerige Lösung der Mischung aus Ammonium und Wasserstoffperoxid getaucht, um die Oberfläche des Siliziumsubstrats von 10 nm durch das nasse chemische Ätzen zu entfernen, und dann wurden die restlichen Implantationen angewendet. Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Sauerstoffionen-Implantation wird in 10 gezeigt. Die maximale Sauerstoffatom-Konzentration befand sich in der Tiefe von annähernd 100 nm, und die maximale Konzentration betrug annähernd 1,55 × 10²² Atome/cm³. Durch die Entfernung der Siliziumsubstratoberfläche durch das Ätzen und das Sputtern der Siliziumsubstratoberfläche durch den Innenstrahl während der Implantation der Sauerstoffionen wurden annähernd 2,5% der Dosis zusammen mit der Siliziumsubstratoberfläche entfernt. Das Siliziumsubstrat wurde in der Argonatmosphäre, die 0,5% Sauerstoff enthielt, für sechs Stunden bei 1330°C thermisch bearbeitet. Als Ergebnis wurde die SOI-Struktur gebildet, die die Einkristall- Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 49 nm und den kontinuierlichen und homogenem ver grabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 44 nm aufwies. Die Versetzungsdichte der Einkristallschicht betrug annähernd 400/cm².
Experimentelles Beispiel 5
Durch Abscheidung eines polykristallinen Siliziumfilms auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch die chemische Gasphasenabscheidung wurde die Implantationstiefe der Sauerstoffionen geändert, und die Sauerstoffionen der Gesamtdosis von 8,0 × 10¹ Ionen/cm² wurden implantiert, um den vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 178 nm im Siliziumsubstrat zu bilden. Jedesmal, wenn die Sauerstoffionen mit 1 × 10¹ Ionen/cm² implantiert waren, wurde der polykristalline Siliziumfilm mit der Dicke von annähernd 60 nm auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch die chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden, und dann wurde die restliche Implantation angewendet. Die Tiefenverteilung der Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat nach der Implantation der Sauerstoffionen wird in 11 gezeigt. Die maximale Sauerstoffatom-Konzentration befand sich in der Tiefe von annähernd 220 nm, und die maximale Konzentration betrug annähernd 1,80 × 10²² Atome/cm³. Das Siliziumsubstrat wurde in der Argonatmosphäre, die 0,5% Sauerstoff enthielt, für sechs Stunden bei 1330°C thermisch bearbeitet. Als Ergebnis wurde die SOI-Struktur gebildet, die die Einkristall-Siliziumschicht mit der Dicke von annähernd 135 nm und den kontinuierlichen und homogenen vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von annähernd 178 nm aufwies. Die Versetzungsdichte der Einkristall-Siliziumschicht betrug annähernd 400/cm².
Industrielle Anwendbarkeit
Erfindungsgemäß kann das Halbleitersubstrat hergestellt werden, das die hohe Qualität der SOI-Struktur aufweist, die den homogenen und gleichmäßigen vergrabenen Oxidfilm mit der Dicke von 40 nm bis 200 nm oder größer aufweist, wobei die Versetzungsdichte im Einkristall-Siliziumfilm auf dem vergrabenen Oxidfilm nicht größer als 10³/cm² ist. Folglich können durch die Herstellung von Siliziumhalbleitervorrichtungen, wie komplementäre MIS-Transistoren oder bipolare Transistoren, unter Verwendung des Halbleitersubstrats Hochleistungsvorrichtungen mit einem kleineren Leckstrom und einer hohen Isolationsdurchschlagspannung erhalten werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines SOI-Halbleitersubstrats, das die Schritte aufweist: (a) Implantatieren von Sauerstoffionen in ein Siliziumsubstrat von einer Hauptoberfläche desselben; und (b) danach Anwenden eines thermischen Prozesses bei einer Temperatur von mindestend 1300°C, um einen vergrabenen Oxidfilm im Siliziumsubstrat zu bilden. wobei Schritt (a) die Durchführung einer Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen durch kontinuierliche oder schrittweise Änderung einer mittleren Implantationstiefe und einer Ionendosis aufweist; wodurch eine Tiefenverteilung einer Sauerstoffatom-Konzentration im Siliziumsubstrat durch die Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen erreicht wird, wobei die Tiefenverteilung einer Sauerstoffatom-Konzentration ein einziges Maximum aufweist und vor und nach dem Maximum kontinuierlich abnimmt; und die Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen so durchgeführt werden, daß eine resultierende maximale Sauerstoffatom-Konzentration nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ und nicht größer als 4 × 10²² Atome/cm³ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) so durchgeführt wird, daß eine maximale Sauerstoffatom-Konzentration nicht kleiner als 1,0 × 10²² Atome/cm³ und nicht größer als 2,25 × 10²² Atome/cm³ ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mittlere Implantationstiefe und die Ionendosis in jeder der Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen so bestimmt wird, daß eine Tiefenverteilung einer Sauerstoffatom-Konzentration, die erhalten wird, indem eine Tiefenverteilung einer einzelnen Sauerstoffatom-Konzentration akkumuliert wird, die der mittleren Implantationstiefe und der Ionendosis für die Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen entspricht, eine vorbestimmte Tiefenverteilung einer Sauerstoffatom-Konzentration erfüllt; und jede der Reihe von Sauerstoffionen-Implantationen entsprechend der bestimmten mittleren Implantationstiefe und der bestimmten Ionendosis durchgeführt wird.