JP2007067321A - Ｓｉｍｏｘ基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン層表面のピット状欠陥発生のきわめて少ないＳＩＭＯＸ基板、およびさらに内部に十分なゲッタリングサイトを有するＳＩＭＯＸ基板の提供。
【解決手段】育成条件により無欠陥領域を拡大させたＣＺ法によるシリコン単結晶から採取した、ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域で、Ｃｕデコレーション法による評価でＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として検知され、かつ選択エッチングによるフローパターンとしては検出されないウェーハを用いたＳＩＭＯＸ基板であり、最大の欠陥サイズが０．０９μｍ以下にするのが望ましい。さらに初期酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以上で、基板内部にゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成させた上記のＳＩＭＯＸ基板である。
【選択図】図４

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）により製造されたシリコン単結晶から得られたウェーハを基板に用い、絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する半導体集積回路基板に関し、さらに詳しくは、シリコンウェーハに表面から酸素イオンを注入して、内部に埋め込み酸化物絶縁層を形成させたＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）基板およびその製造方法に関するものである。

絶縁体上に単結晶シリコン層を形成させたＳＯＩ構造を有する基板は、従来のシリコン単結晶基板に比し、素子間の完全分離が可能でデバイスの微細化、高信頼性化が容易、素子と基板間の寄生容量が低減されるので高速化が可能であり、３次元構造化が簡易で高集積化や多機能化が容易である、といった特徴がある。このため、ＬＳＩの高集積化、高速化、高消費電力化に、より一層活用されていくと考えられている。

ＳＯＩ基板の主要な製造方法としては、貼り合わせ法とＳＩＭＯＸ法とがある。貼り合わせ法は２枚の単結晶ウェーハを用い、表面に形成させた酸化膜を介して接着させ、この酸化膜層を絶縁層とし、片方のウェーハを所望の厚さまで研磨して素子を形成させてシリコン活性層とする。この場合、研磨では均一な厚さの薄いシリコン層を実現することが困難であるため、酸化膜の下に予め水素イオンを注入した層を所定深さに形成させておき、貼り合わせた後、水素ガスを析出させ亀裂を発生させて分割するスマートカット法が開発されている。

貼り合わせ法の場合、素子を形成させるシリコン層は、品質が保証された単結晶ウェーハを用いれば、それをそのまま絶縁膜上に現出させることができるという利点がある。しかし、その製造工程が煩雑であり、２枚のウェーハを要するなど製造コストの増大が避けがたい。

ＳＩＭＯＸ法は、単結晶のシリコンウェーハの表面から特定深さに酸素イオンを高濃度に注入し、その後の高温熱処理にてシリコンと結合させて酸化シリコンの絶縁層を形成させる。注入エネルギーの制御により絶縁層の深さは容易に制御でき、貼り合わせ法のように２枚のウェーハは必要がなく、工程も簡単で製造コストを低くすることができる。

しかしながら、酸素イオンの注入によって表面直下に形成される埋め込み酸化物層の量や質は、イオン注入量（ドーズ量）や注入条件に大きく依存する。通常、イオン注入量には最適範囲があり、イオン注入による結晶欠陥の発生量が少なく、かつ高温熱処理後に連続した均一な埋め込み酸化物層が形成される最適ドーズ量は２．５×１０¹⁷〜５．０×１０¹⁷／ｃｍ²の範囲であることが見出されている。

酸素イオン注入後、一般的には１．０％以下の酸素を含む大気圧のアルゴン中など希ガス雰囲気中で１３００℃以上に加熱し、埋め込み酸化物層を形成させる。しかし、上記の低ドーズイオン注入といわれるドーズ量では、絶縁体層の厚さが必ずしも十分でなく、電気絶縁性に劣ることがあるため、酸化物層形成処理に引き続いて、同じ温度にて雰囲気中の酸素濃度を例えば３０％以上に上昇させて酸化処理をおこない、埋め込み酸化物層の膜厚を厚くしている。

特許文献１には、高温酸化処理による埋め込み酸化物層の膜厚増加法が、同時に表面の酸化を進行させ、シリコン活性層を薄くしてしまうことに対する対策法の発明が開示されている。これは、高温酸化処理に先立って、シリコン活性層の上にエピタキシャル成長、ポリシリコン成長あるいはアモルファスシリコン成長などにより、処理によって酸化するシリコン分を予め形成させておき、処理後に十分な厚さのシリコン活性層が残存するようにしたものである。

また、ＳＩＭＯＸ基板における埋め込み酸化物層の絶縁不良の原因として、用いるシリコンウェーハのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥があるとして、特許文献２には、表面から埋め込み酸化物層が形成される深さまでの領域に直径換算で０．１μｍ以上のボイドまたはＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）が存在しないシリコン単結晶ウェーハを用いる方法の発明が提示されている。このボイドまたはＣＯＰ欠陥のない領域を有するウェーハは、０．４μｍ以上のエピタキシャル層の形成、不純物が５ｐｐｍ以下の希ガス雰囲気中での１０００〜１３００℃意時間以上の加熱処理、あるいは引き上げ速度が０．８ｍｍ／ｍｉｎ以下で育成した単結晶からの採取、により得ている。

これは、主として通常用いられるシリコンウェーハを素材とし、十分な埋め込み酸化物層とより健全なシリコン活性層を有するＳＩＭＯＸ基板の製造に関するものであるが、素材となるウェーハを採取する単結晶の育成の段階から、特にＳＩＭＯＸ用として配慮されたものもある。

例えば、特許文献３に開示された発明は、窒素を１×１０¹⁴〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含有させた単結晶を用いる方法である。酸素イオンを注入後、１３００℃以上の融点近い温度に加熱して埋め込み酸化物層を形成させ、さらに酸素分圧を上げて酸化物層の厚膜化をおこなうと、基板表面にサーマルピットと呼ばれる大きさ１０μｍ程度の四角錐あるいは円錘状のくぼみが多数発生する。

サーマルピットは埋め込み酸化物層上のシリコン単結晶の厚さを変化させるばかりでなく、しばしば埋め込み酸化物層をも貫通しＳＯＩ構造を破壊する。サーマルピットはＳＩＭＯＸ基板の適用拡大に対する一つの大きな問題であるが、窒素を添加すると、このサーマルピットの発生が抑制されるとしている。

近年のデバイスの高集積化、微細化の要求から、ＣＺ法で育成された単結晶から得られるウェ−ハに対する品質向上が重要となり、ＣＯＰや転位クラスターなどのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の存在しない無欠陥ウェーハの製造がおこなわれている。

ＣＺ法により、シリコン単結晶を育成する際、引き上げ速度が速ければＣＯＰのようなシリコン原子が不足する空孔リッチの欠陥が生じやすく、引き上げ速度が遅ければシリコン原子が過剰な転位クラスター形の欠陥が発生しやすい。特許文献４に開示された発明技術の説明によれば、引き上げ速度をＶｍｍ／ｍｉｎとし、凝固直後の温度域における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配をＧ℃／ｍｍとすると、Ｖ／Ｇが特定の値の範囲ではＣＯＰ欠陥も転位クラスター欠陥も発生しない領域が現れ、その領域の中にいわゆるリング状のＯＳＦ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｉｎｄｕｃｅｄｅ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）が発生する部分が存在するという。

図１は、これらの欠陥の発生状況を模式的に説明する図である。この図は通常のＣＺ法で、引き上げ速度を連続的に変化させて育成した単結晶を、引き上げ軸に沿って縦断し、その断面においてＣｕデコレーションによるＸ線トポグラフ法にて微小欠陥の存在を観察し、その分布を示したものである。

単結晶から採取されるウェーハの面は引き上げ軸に垂直なので、同図から分かるように、引き上げ速度の大きい場合の単結晶では、周辺にＯＳＦ発生領域があって中央部はＣＯＰ欠陥が主となるウェーハが得られ、引き上げ速度が小さい場合は全面が転位クラスター発生領域であるウェーハが得られる。ＣＯＰ発生領域と転位クラスター発生領域との間には、酸素析出促進領域、リング状ＯＳＦ発生領域、酸素析出促進領域および酸素析出抑制領域等と示した領域が現れるが、これらはいずれもＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の存在しない無欠陥領域である。

転位クラスター欠陥は大きさが１０μｍ程度と大きく、この欠陥上に集積回路が形成されると不良品になる。これに対しＣＯＰ欠陥は大きさが０．１〜０．２μｍ程度であり、ウェーハの熱処理によってある程度消滅させることが可能で、単結晶の引き上げ速度は速く生産性を向上させることができ、内部ゲッタリング作用を有する析出物を形成させることができる等の理由から、従来より通常のウェーハでは図１に示したＡ〜Ｂの速度範囲、すなわち中央部の大部分はＣＯＰが生じやすく、リング状ＯＳＦが周辺あるいはウェーハ面には現れない領域となる引き上げ速度で製造されてきた。

前述の通り、無欠陥領域はＶ／Ｇが特定の範囲にあるときに出現する。通常の単結晶育成の場合、融液から引き上げられる単結晶は外周面から冷却されるので、内部よりも外周面近傍の方が垂直方向の温度勾配Ｇが大きくなる。このため、無欠陥領域は引き上げ速度Ｖの大きい時には外周面に近いところ、引き上げ速度の小さい時には中央部に現れる。

前記図１に見られるように、通常の単結晶引き上げ条件では、ウェーハの一部に無欠陥領域は出現させることはできるが、ウェーハの全面を無欠陥領域にすることはできない。これに対し、シリコン単結晶の融液からの育成引き上げの際、凝固直後の単結晶内部の引き上げ軸方向の温度勾配を、結晶中心部は大きく外周部は小さくなるように、炉内の結晶冷却部分（ホットゾーン）の構造を種々工夫した育成装置を使用することにより、前記図１に見られる無欠陥領域の、水平方向への拡大が種々検討されてきた。無欠陥領域が引き上げ軸に対し水平方向に拡大できれば、全面無欠陥領域のウェーハが採取できる単結晶が得られる。

例えば、特許文献５に開示された発明の方法をみると、融点から１３７０℃までの温度域で、単結晶の引き上げ軸方向の温度勾配が、中心部はＧｃ、外周部はＧｅとするとき、Ｇｃが２．８℃／ｍｍ以上で、かつＧｃ／Ｇｅを１以上、すなわち１．２〜１．５程度として引き上げ育成をおこなう。このような引き上げ中の結晶内温度分布は、引き上げ直後の単結晶の周辺に配置した熱遮蔽体、冷却体、あるいはるつぼ内壁面または融液表面からの輻射の利用により制御する。

その結果、前記図１と同様な方法にて調査した欠陥分布の引き上げ速度による変化は、一例として図２に示すようになる。このような欠陥分布の得られるホットゾーン構造の育成装置を用いて単結晶内の温度分布を制御し、Ｅ〜Ｆの速度範囲にて育成をおこなうことにより、全長にわたって無欠陥領域の単結晶が得られ、全面が無欠陥のウェーハを得ることができる。

特開２０００−２９４５１３号公報 特開２０００−６８４８９号公報 特開平１０−６４８３７号公報 特開平８−３３０３１６号公報 特開２００２−１８７７９４号公報

前述の通り、ＳＩＭＯＸ基板は、貼り合わせ法によるＳＯＩ基板に比較して、工程が簡単でより低コストで製造できる利点がある。しかし、素子を形成させるシリコン活性層の品質に関しては、絶縁酸化膜埋め込みの酸素イオン注入のために損傷を受けやすく、貼り合わせＳＯＩ基板より劣る傾向がある。

そこで、シリコン活性層の品質をより向上させるために、イオン注入条件の改良、種々の熱処理の適用あるいは素材単結晶の改良等がおこなわれてきたが、必ずしも十分なものは得られていない。また、エピタキシャル層を形成させることも提案されており、それによって良好な活性層を得ることができるが、ＳＩＭＯＸ基板の特徴である工程が簡単で低コストにて製造できる利点が無くなってしまう。

本発明は、上記ＳＩＭＯＸ法の利点を生かし、より健全なシリコン活性層の形成された、特にシリコン層表面に発生し大きな問題となるピット状欠陥発生のきわめて少ないＳＩＭＯＸ基板、および内部に十分なゲッタリングサイトとなるＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）を有するＳＩＭＯＸ基板とその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の要旨は次のとおりである。
（１）ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶から得られたウェーハをＳＩＭＯＸにより形成したＳＯＩ基板であって、ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域からなり、前記ＯＳＦまたはＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に起因する表面シリコン活性層に生じる欠陥を低減させたことを特徴とするＳＩＭＯＸ基板である。
（２）ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶から得られたウェーハをＳＩＭＯＸにより形成したＳＯＩ基板であって、ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域からなり、Ｃｕデコレーション法による評価でＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として検出され、かつ選択エッチングによるフローパターン評価としては検出されないウェーハを基板として用いることを特徴とするＳＩＭＯＸ基板である。

このＳＩＭＯＸ基板において、そのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の最大サイズは、例えばＯＰＰ装置を用いて０．０９μｍ以下とするのが望ましい。一方、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の密度は、ＳＩＭＯＸ後の表面欠陥に影響を及ぼすことがないので特に限定する必要がない。
（３）初期酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以上であるウェーハを用いることを特徴とする上記（１）または（２）のＳＩＭＯＸ基板である。
（４）基板内部にゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成させたことを特徴とする上記（１）〜（３）いずれかのＳＩＭＯＸ基板である。
（５）３００〜５５０℃に加熱したウェーハに１回または複数回に分けて酸素イオンを注入し、その後１３００℃以上の加熱を施して内部に絶縁酸化膜を形成させることにより、ＳＯＩ層内のＯＳＦやＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させることを特徴とする上記（１）〜（４）いずれかのＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
（６）３００〜５５０℃に加熱して酸素イオンを注入したウェーハに、さらに室温から３００℃の温度として酸素イオンを注入し、その後１３００℃以上の加熱を施して内部に絶縁酸化膜を形成させることを特徴とする上記（１）〜（４）いずれかのＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。
（７）酸素イオンを注入して内部に絶縁酸化膜を形成させる処理をおこなった後、さらに４００〜９００℃での加熱処理および９００〜１２５０℃での加熱処理を施すことを特徴とする上記（１）〜（４）いずれかのＳＩＭＯＸ基板の製造方法である。

本発明のＳＩＭＯＸ基板は、表面のシリコン活性層に生じるピット等の欠陥が、貼り合わせＳＯＩ基板、あるいは表面にエピタキシャル層を形成させたＳＩＭＯＸ基板と同程度に少なく、内部にゲッタリング作用を有する十分なＢＭＤを有している。その上、製造工程または製造コストは通常のＳＩＭＯＸと大きくは変わらず、今後ますます高性能化を要望される半導体基板として効果的に利用できる。

本発明者はＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造において、埋め込み酸化物層上部のシリコン活性層の欠陥を少なくしその品質を向上させる方法について種々検討を行った。

ＳＩＭＯＸ法による基板のシリコン活性層には、イオン通過のためと考えられる損傷や、埋め込み酸化層の膜厚増加酸化処理の表面酸化膜除去後の表面に、大きいものでは１０μｍにもなる埋め込み酸化物層にまで達するサーマルピットと呼ばれる角錘または円錐状のくぼみが、数十〜数百個発生する。

サーマルピットについては、前述の特許文献３に記載の窒素を含有させたウェーハを用いても、ピットの大きさを低減する効果はあるが、その数を減少させるには至らないようであった。ＳＯＩ基板のシリコン活性層の厚さは、回路の微少化によりさらに薄くなる傾向にあり、このような欠陥の大きさばかりでなく、その数を十分低減させる必要がある。

サーマルピットの発生位置を調べていくと、用いた基板に生じていたＣＯＰ欠陥の発生位置と多くの場合一致している。しかし、ＣＯＰ欠陥の大きさが小さい場合には、サーマルピットは発生せず欠陥は消滅していた。このことは、埋め込み酸化物層形成の熱処理の際、欠陥が小さければ消滅させることができると推定された。

無欠陥ウェーハ製造のため、ホットゾーンを改良した育成装置を用い、引き上げ速度を連続的に低下させて単結晶を育成した場合の、引き上げ軸に平行な断面で見たＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の分布は、例えば、前述の図２のようになる。

このような育成装置にて、引き上げ速度を前記図２のＥ〜Ｆの間に設定して育成をおこなえば、いわゆる無欠陥ウェーハを採取できる単結晶が得られる。これより引き上げ速度を低下させて転位クラスター発生領域にまで至ると、大きな転位クラスター欠陥が発生し実用に供し得るウェーハは得られない。一方、引き上げ速度をＥより速くすると、リング状ＯＳＦの発生する領域がウェーハ内に入り込んでくるようになり、さらに速くすると、リング状ＯＳＦの発生領域はウェーハの外周部に移行し、中央部はＣＯＰ欠陥の発生しやすい領域になる。

このため、無欠陥ウェーハの製造には、通常、単結晶全体が無欠陥となるようにＥ〜Ｆの引き上げ速度が選ばれる。しかしながら、この育成装置により育成をおこなうと、リング状ＯＳＦが入り込んだ場合やリング状ＯＳＦがウェーハ外周に移行した場合でも、全面にわたってＣＯＰ欠陥が小さくしかも少ないウェーハの得られる単結晶になる。

そこで、ＣＯＰ欠陥の大きさに着目し、前記図２に示された種々の速度で引き上げた単結晶によるウェーハを用いて、酸素イオンを注入し、酸化物形成処理および酸化物層厚膜化処理をおこなってＳＩＭＯＸ基板を作製し、表面のシリコン活性層の欠陥を調査した。

その結果、ＯＳＦリングがウェーハ内部に現れる、前記図２のＤ〜Ｅ領域である場合でも、ＯＳＦリングが外周近傍にあり中央部にＣＯＰ欠陥が現れるＣ〜Ｄ領域となる場合でも、ＣＯＰ欠陥の大きさが小さければ、欠陥の少ない良好なシリコン活性層を有するＳＩＭＩＯＸ基板の得られることを見いだしたのである。

このような知見に基づき、さらに限界条件を明らかにして、本発明を完成させることができた。

すなわち、本発明のＳＩＭＯＸ基板は、育成条件により無欠陥領域を拡大させたＣＺ法によるシリコン単結晶から採取し、ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域で、かつＣＯＰなどＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の最大の欠陥サイズが０．０９μｍ以下であるウェーハを基板として用いるものとする。

ＳＩＭＯＸ基板としての、イオン注入、酸化物層形成処理および酸化物層厚膜化処理は、通常採用されているものでよい。さらに、この注入後ウェーハ温度を２００℃以下の低温とし、ドーズ量を減らしたイオン注入を追加すれば、酸化膜の健全性の増加の効果も得られる。

注入酸素イオンの酸化物形成は、例えば１．０％以下の酸素を含む希ガス雰囲気中で１３００℃以上に加熱しておこない、酸化物層の厚膜化処理は１０％を超える酸素を含む希ガス雰囲気中加熱にておこなえばよい。

本発明のＳＩＭＯＸ基板では、基板に用いるウェーハはホットゾーンを改良して無欠陥領域を拡大させた育成装置による単結晶から採取する。無欠陥ウェーハ作製用にホットゾーンを改良した育成装置による単結晶は、前記図１と図２との比較から分かるように、それから採取したウェーハの面内欠陥分布の均一性がすぐれている。さらに、リング状ＯＳＦに近接した部分では、ＣＯＰなどのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が小さくその数が少ない。

このような単結晶において、基板に用いるウェーハはＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大きさが、最大のものでも０．０９μｍ以下である。ここで、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥とは、Ｃｕデコレーション法により検出されるものであり、選択エッチングによるフローパターン欠陥は含まないものである。

基板のウェーハに存在する最大欠陥の大きさを０．０９μｍ以下とするのは、０．０９μｍを超える欠陥は、イオン注入後の１３００℃を超える加熱処理で消滅せず、サーマルピットの原因になるからである。また、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、酸素イオン注入により損傷を受けると考えられるが、小さくなければ高温加熱処理で消滅するようである。

なお、欠陥は小さいほど消滅しやすく、最大欠陥の大きさも好ましくは０．０５μｍ以下、さらに好ましくは０．０３ミクロンである。

最大欠陥の大きさが０．０９μｍ以下である領域は、ホットゾーンが同じであるとすれば、その引き上げ速度範囲は前記図２のＣからＦまでの間である。その間には、Ｃ〜ＤのＯＳＦリング発生位置が結晶の外周近傍になる領域、Ｄ〜ＥのＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＥ〜ＦのＯＳＦリングが消滅した領域がある。

無欠陥ウェーハの製造では、通常、前記図２の単結晶製造条件において、Ｅ〜Ｆの領域が用いられ、Ｄ〜ＥあるいはＣ〜Ｄの領域条件の単結晶は使用されない。これは、ＣＯＰ欠陥やＯＳＦによる悪影響を極力回避するためである。しかしながら、実際の製造作業において、引き上げ中の単結晶を部分的にＥ〜Ｆ領域にすることはできても、全長にわたって実現させる育成条件の制御はきわめて厳しく、単結晶の口径が大きくなるほど十分な制御は困難になってくる。このため、無欠陥ウェーハの良品歩留まりは高くなく、コスト上昇の原因になっている。

ところが、ＳＩＭＯＸ基板として、この無欠陥ウェーハ製造の手法による単結晶を用いた場合、無欠陥ウェーハとしては、不良品であるＤ〜ＥあるいはＣ〜Ｄの領域条件となった単結晶のウェーハも、良好なベース用基板となることがわかった。

すなわち、基板としては、Ｅ〜Ｆの無欠陥領域ばかりでなくＣ〜Ｅの領域で作られたウェーハでも、良好なシリコン活性層を有するＳＩＭＯＸ基板が得られるのである。

これは、酸素イオン注入後にはイオン注入された領域で単結晶が崩れているが、シリコン基板表面および極近傍のみが単結晶部が残っており、高温加熱処理で再結晶化することにより、活性層が単結晶に変化するのにともない、イオン注入で損傷を受けたＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も同時に結晶化したためと思われた。

そこで欠陥検査装置（Ｍａｇｉｃｓ）を用い、欠陥の大きさと酸素イオン注入の有無について、高温酸化処理前後の欠陥分布を調査した結果、酸素イオン注入のない場合、欠陥の大きさが小さくても高温酸化処理後消失せずに残る場合が多いが、酸素イオンを注入すると、イオンが通過した部分においては、欠陥の大きさが小さければ消滅することがわかった。

これは、低温の酸素イオン注入は、イオンの通過跡に多結晶化やアモルファス化の影響を残し、当然にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥も損傷を受けるが、融点近くまで加熱されるとこれら多結晶化ややアモルファス化した部分は、再結晶が促進される効果があり、そのために欠陥が消滅したものと思われる。また、ＯＳＦ発生領域では、このような高温加熱により、ＯＳＦ核が縮小し消滅する。

このように、従来、無欠陥ウェーハの製造においては使用されない、リング状ＯＳＦの発生領域が中央部からウェーハの周辺よりかなり中へ入った位置に現れる前記図２のＤ〜Ｅ領域や、ＣＯＰ発生領域がウェーハ中央部に現れるＣ〜Ｄ領域まで、良好なＳＩＭＯＸ基板になし得ることは、基板のウェーハを採取する単結晶の育成条件が緩和され、歩留まりが大きく向上することによって製造コストが大幅に低下する結果となる。

前記図２に示したＣ〜Ｆの速度範囲は、育成する単結晶の口径や用いるホットゾーンの構造により異なるので、単結晶の口径と育成装置により引き上げ速度を変化させた単結晶の育成をおこない、引き上げ速度範囲を確認する必要がある。用いる装置にて確認されたＣ〜Ｆの速度範囲は、育成チャンスが異なっても概ね同じである。

また、ホットゾーンを改良した無欠陥単結晶の育成装置にて、ＣＯＰ欠陥の大きさの縮小や、無欠陥領域の拡大等の目的で、水素含有雰囲気下での単結晶育成、融液への窒素ドープ、あるいはホットゾーンに水冷構造を組み込む、等の方法が提案されているが、いずれの方法においても、最大のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の大きさが０．０９μｍ以下である、無欠陥領域およびそれに隣接した領域で育成されたウェーハであれば、本発明の効果を発揮させることができる。

次に、シリコン活性層の重金属汚染を排除する目的で、ＳＩＭＯＸ基板内部にイントリンシック・ゲッタリング・サイトを確保したい場合には、基板ウェーハの酸素濃度を６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以上とするのがよい。

ウェーハ中の酸素は、ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）として析出させれば、ゲッタリング・サイトになる。その酸素濃度を６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以上とするのは、ウェーハ基板の強度を確保し、かつ十分なＢＭＤを形成させるためである。上限は特には限定しないが、健全なウェーハであるためには自ずから限定される。

ウェーハ基板の酸素濃度が低くてもよいのは、酸素イオンを注入して酸化物層を形成させてから、高酸素雰囲気での高温加熱処理により酸化物層の厚膜化処理をおこなうからである。この高温酸化により、酸素の内方拡散が進行するが、その際に基板内部の酸素濃度が高くなる。

図３は、高酸素雰囲気での高温加熱処理による酸素濃度増加の例を示す図である。これは、熱処理前のウェーハ中の酸素濃度を測定しておき、これを大気圧の酸素４０％を含むアルゴン雰囲気中で、１３２０℃、１０時間の加熱をおこなった後、表面の酸化膜を除去してウェーハ表面近くのシリコン中の酸素濃度の増加分を調べた結果である。シリコン中の酸素濃度はＦＴ−ＩＲ（赤外線透過法）により求めている。

図３から明らかなように、基板のウェーハ中の酸素濃度は低いほど厚膜化処理における酸素増加量は大きく、基板ウェーハ中の酸素濃度が低くても、酸素析出物形成に十分な酸素濃度に達する。

ゲッタリングサイトになるＢＭＤの析出処理は、酸素イオン注入後、上記の酸化物層形成処理をおこなった基板にておこなえばよい。例えば、４００〜９００℃にて４〜４８時間加熱し、次いで９００〜１２５０℃にて１〜４８時間加熱する。雰囲気は、窒素、酸素、希ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いればよい。

なお、酸素析出物のサイズは２００ｎｍ以下、望ましくは１５０ｎｍ以下、さらに望ましくは１００ｎｍ以下にするのがよい。すなわち、最近のデバイスプロセスでは急速加熱処理（ＲＴＰ）が主流になり、この熱処理時にＳＩＭＯＸ基板内に極めて大きな熱応力が発生することから、酸素析出物から転位を発生させる恐れがある。このため、酸素析出物のサイズを限定するのが望ましく、発明者らの実験では約５ＭＰａ相当の熱応力を基板に付加させると、約２００ｎｍの酸素析出物サイズから転位が発生することを確認している。

始めの４００〜９００℃の加熱は、酸素析出核形成のためのもので、４００℃未満の温度では、酸素の拡散が遅く核の形成が不十分、９００℃を超える温度では溶解度が増すためいずれも十分な核が形成されないおそれがある。次の９００〜１２５０℃の加熱は、形成された核を成長させ大きくするためのもので、９００未満では成長速度が遅く、１２５０℃を超えると酸素が再固溶し、いずれも十分なＢＭＤが形成できない。

なお、酸素析出物の核を効果的に得る方法として、単結晶の育成時に炭素をドープしてもよい。

〔実施例１〕
比較例として、通常のＣＺ法で得られた単結晶による口径２００ｍｍのウェーハ、そのウェーハ表面上に厚さ５μｍのシリコンエピタキシャル膜を成長させたウェーハ、および本発明例として、無欠陥ウェーハが得られるようにホットゾーンを改良した育成装置により得られた単結晶から採取したウェーハを用意し、ＳＩＭＯＸ基板を作製した。

ＳＩＭＯＸ基板の作製条件は、まず基板ウェーハの加熱温度を４００℃とし、加速エネルギー１４０ｋｅＶ、ドーズ量４．０×１０¹⁷／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。次いでウェーハの温度を室温まで下げ、同じ加速エネルギーにて２桁少ないドーズ量の酸素イオン注入をおこなった。

イオン注入後、７００℃で炉内に装入し、１３２０℃まで昇温させた後、１％酸素残部アルゴンの大気圧雰囲気下で５時間保持した。次いで酸素を４０％とし１０時間保持してから、冷却して炉から取り出した。

表１に用いた基板のウェーハの状況を示す。比較に用いた試番１および２は、通常のＣＺ法による単結晶から得られたウェーハを用いており、最小のＣＯＰ欠陥のサイズは０．１２μｍで、欠陥密度は１．０×１０⁵個／ｃｍ²を超えていた。この試番１の場合、表面の酸化膜除去後のＳＩＭＯＸ基板表面のピット欠陥を光学顕微鏡で調べると、１個／ｃｍ²を超えていた。また同じウェーハを用い、表面にシリコンエピタキシャル膜を形成させた試番２のＳＩＭＯＸ基板では、ピット欠陥は０．１個／ｃｍ²を下回っていた。

試番３〜６は、無欠陥ウェーハを得るための育成装置を用いて製造した単結晶から採取したウェーハによるものであり、試番３は前記図２のＣより上部の領域、試番４は同様にＣ〜Ｄの領域、試番５はＤ〜Ｅの領域、試番６はＥ〜Ｆの領域条件にて育成した単結晶によるウェーハである。

試番３のＣＯＰ欠陥の最大サイズは０．１１μｍであり、それ以外の領域では０．０９μｍ以下であった。これらのウェーハより作製したＳＩＭＯＸ基板のピット欠陥は、試番３は１個／ｃｍ²以上であったが、試番４〜６はいずれも０．１個／ｃｍ²を下回っていた。

試番７〜１０は、試番３〜６と同じ育成装置にて、装置内雰囲気に水素を６％添加して引き上げを行ったものである。同じ条件で育成を行った結果、前記図２のＣより上部の領域でもＣＯＰ欠陥の最大サイズが０．０９μｍ以下になっていた。これらウェーハについて、同じイオン注入を２回行ってＳＩＭＯＸ基板にしたが、ピット欠陥は、いずれも０．１個／ｃｍ²を下回っていた。

試番１および試番３のＳＩＭＯＸ基板について、欠陥検査装置（Ｍａｇｉｃｓ）を用いて欠陥の分布を調査した。結果を図４に示す。試番１では、多数の欠陥が観察され、酸素注入前のウェーハのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の発生位置と対比してみると、ほぼ同じ位置に対応する点にこれらの欠陥が発生していることが確認された。試番３では、ＳＩＭＯＸ基板の欠陥数は僅かであり、しかも酸素注入前の欠陥位置とは無関係で、別の要因により生じたものと思われた。

以上のように、本発明のＳＩＭＯＸ基板のピット欠陥は、表面にエピタキシャル膜を形成させたウェーハと同程度であるといえる。
〔実施例２〕
実施例１の試番３のＳＩＭＯＸ基板を用い、５００℃に加熱した炉に投入後、昇温速度０．３℃／分で７００℃に上げ１時間保持した。次いで、昇温速度３℃／分で１０００℃とし、８時間保持した。冷却後基板を劈開しライトエッチング液中に２分間浸漬し、酸素析出物密度を光学顕微鏡にて観察した。その結果、酸素析出物密度は１×１０¹⁰／ｃｍ³以上であることが確認できた。
〔実施例３〕
初期酸素濃度６．５×１０¹⁷／ｃｍ³の、Ｅ〜Ｆ領域条件で育成されたウェーハを用い、実施例１と同じ条件でＳＩＭＯＸ基板を作製した。これを４００℃に加熱した炉に投入後、昇温速度０．２℃／分で９００℃に上げ１時間保持した。次いで１０００℃で１６時間保持後冷却し、劈開後ライトエッチ液に浸漬後、劈開面の光学顕微鏡観察にて酸素析出物密度を測定した結果、５．０×１０⁹／ｃｍ³以上であることが確認された。

本発明のＳＩＭＯＸ基板およびその製造方法によれば、表面のシリコン活性層に生じるピット等の欠陥が、貼り合わせＳＯＩ基板、あるいは表面にエピタキシャル層を形成させたＳＩＭＯＸ基板と同程度に少なく、内部にゲッタリング作用を有する十分なＢＭＤを有している。その上、製造工程または製造コストは通常のＳＩＭＯＸと大きく変わることがない。これにより、今後ますます高性能化を要望される半導体基板として、広く利用することができる。

シリコン単結晶引き上げ時の、引き上げ速度と結晶欠陥の発生位置との一般的な関係を、引き上げ速度を徐々に低下させて育成した単結晶の断面の欠陥分布状態にて模式的に説明した図である。 凝固直後の単結晶の引き上げ方向の温度勾配が、結晶中心部（Ｇｃ）よりも結晶周辺部（Ｇｅ）の方が小さい（Ｇｃ＞Ｇｅ）ホットゾーン構造をもつ育成装置、すなわち無欠陥ウェーハ作製用単結晶育成装置により引き上げをおこなった単結晶について、図２と同じ方法にて説明した図である。 高温酸化加熱処理をおこなったときのシリコンウェーハ中の初期酸素濃度と、加熱処理による酸素増加量との関係を示す図である。 ＳＩＭＯＸ基板表面で観察されるピット欠陥の分布を示した図である。

Claims (8)

1. チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶から得られたウェーハをＳＩＭＯＸにより形成したＳＯＩ基板であって、
   ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域からなり、
   前記ＯＳＦまたはＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に起因する表面シリコン活性層に生じる欠陥を低減させたことを特徴とするＳＩＭＯＸ基板。
2. チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶から得られたウェーハをＳＩＭＯＸにより形成したＳＯＩ基板であって、
   ＯＳＦリング発生位置が結晶の外周にある領域、ＯＳＦリング発生位置が中心から外周にわたって存在する領域、またはＯＳＦリングが消滅した領域からなり、
   Ｃｕデコレーション法による評価でＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として検知され、かつ選択エッチングによるフローパターンとしては検出されないウェーハを基板に用いることを特徴とするＳＩＭＯＸ基板。
3. 上記基板のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の最大サイズが０．０９μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＳＩＭＯＸ基板。
4. 初期酸素濃度が６．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以上であるウェーハを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＳＩＭＯＸ基板。
5. 基板内部にゲッタリングサイトとなる酸素析出物を形成させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＳＩＭＯＸ基板。
6. ３００〜５５０℃に加熱したウェーハに１回または複数回に分けて酸素イオンを注入し、その後１３００℃以上の加熱を施して内部に絶縁酸化膜を形成させることにより、ＳＯＩ層内のＯＳＦやＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を消滅させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
7. ３００〜５５０℃に加熱して酸素イオンを注入したウェーハに、さらに室温から３００℃の温度として酸素イオンを注入し、その後１３００℃以上の加熱を施して内部に絶縁酸化膜を形成させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
8. 酸素イオンを注入して内部に絶縁酸化膜を形成させる処理をおこなった後、さらに４００〜９００℃での加熱処理および９００〜１２５０℃での加熱処理を施すことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＳＩＭＯＸ基板の製造方法。
   

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