JP2007103619A

JP2007103619A - Ｓｏｉ基板の製造方法

Info

Publication number: JP2007103619A
Application number: JP2005290705A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nakai; 哲弥中井
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-04
Also published as: JP5239117B2; US7632735B2; US20070077718A1

Abstract

【課題】ＳＯＩ領域とバルク領域の間の表面段差が無く、かつ、ＢＯＸ層エッジ部の基板表面突き出しが無いことによる基板表面の空洞が無い部分ＳＯＩ基板を形成させること。
【解決手段】シリコン単結晶からなるシリコン基板１中に酸化層１９が部分的に埋め込まれたＳＯＩ基板２３の製造方法において、シリコン基板中に酸素イオンを注入して酸化層１９を形成する前に、シリコン基板１の酸化層１９（１７）に対応する領域の表面高さが他の領域の表面高さよりも高い段差８を形成する。この方法によれば、製品のＳＯＩ基板２３のＳＯＩ領域とバルク領域の間の表面段差が無く、かつ、ＢＯＸ層エッジ部の基板表面突き出しが無いことによる基板表面の空洞が無い部分ＳＯＩ基板を形成させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板中に酸化層が部分的に埋め込まれた構造のＳＯＩ基板の製造方法に関する。

近年、高性能トランジスタの半導体基板として、シリコン単結晶の基板中に、部分的に酸素イオンを注入し、所定の熱をかけるアニール処理を施すことで、シリコン基板内部に酸化層、つまりＢＯＸ（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｄｅ）層からなる絶縁層を埋め込ませたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が注目されている。このＳＯＩ基板の応用として、基板内部に部分的にＢＯＸ層に対応する領域（以下、ＳＯＩ領域という。）を形成した部分ＳＯＩ基板が知られている。これは、例えば、アナログ、ロジック、メモリ混載のシステムＬＳＩにおいて、ロジック部のみをＳＯＩ領域に形成し、それ以外の領域（以下、バルク領域という。）にメモリ部を形成することができる点で、重要視されている。

ところで、このようなＳＯＩ構造の基板を製造する場合、アニール処理においてＢＯＸ層が形成される過程でＢＯＸ層の体積が膨張して基板の表面が膨らみ、段差が生じるおそれがある。すなわち、段差が生じた基板の表面に半導体装置を形成すると、フォトリソグラフィ工程でフォーカスがずれるなどの問題が生じる場合がある。

そこで、シリコン基板の表面の一部分、つまりバルク領域を表面酸化膜でマスキングした状態で、ＳＯＩ領域にイオンを注入し、次いで、この表面酸化膜を薄層化してから酸化性雰囲気中でアニール処理し、基板中にＢＯＸ層を形成させるＳＯＩ基板の製造方法が知られている（特許文献１参照。）。すなわち、ＳＯＩ領域の基板表面には、アニール処理中に表面酸化層が形成され、この層はＢＯＸ層の形成により表面側に持ち上がるが、バルク領域には所定厚みの酸化膜を有するため、結果として段差量は緩和される。これにより、アニール後の工程で酸化膜や表面酸化層を除去すれば、比較的平坦な基板面を得ることができる。

特開２００４−１９３１８５号公報

しかしながら、特許文献１の製造方法で得られたシリコン基板についてみると、アニール中は、上述したように、ＢＯＸ層が形成される際にＢＯＸ層が膨張して基板の表面が膨らむ一方、基板の表面では酸素が拡散して酸化が進行し、表面酸化層が形成される。特にＢＯＸ層エッジ部分では酸素がバルク領域からも拡散することにより酸化が促進される結果、ＢＯＸ層エッジ部の膜厚が厚くなるという問題があった。つまり、表面酸化層の形成度合いによっては、厚くなったＢＯＸ層エッジ部が基板表面にまで達して表面酸化層と繋がり、その表面酸化層を除去することによって、基板表面に突き出たＢＯＸ層が表面酸化層と共にオーバーエッチングされることにより基板表面に空洞が生じ、デバイス作製時にパーティクル発生などの悪影響を与えるおそれがある。

本発明は、ＢＯＸ層エッジ部を基板表面に達するような厚膜化することを防ぎ、シリコン基板の内部に酸化層、つまりＢＯＸ層を形成させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、シリコン単結晶からなるシリコン基板中に酸化層、つまりＢＯＸ層が部分的に埋め込まれたＳＯＩ基板の製造方法において、シリコン基板中に酸素イオンを注入してＢＯＸ層を形成する前に、シリコン基板のＢＯＸ層に対応する領域の表面高さが他の領域の表面高さよりも高い段差を形成することを特徴とする。

すなわち、シリコン基板に酸素イオンを注入する前に、シリコン基板に段差を設けておき、表面高さの高い領域から酸素イオンを注入し、次いで、アニール処理を施してシリコン基板内にＢＯＸ層を形成する。ここで、シリコン基板のＢＯＸ層に対応する領域の表面は、他の領域よりも高く形成されるため、アニール中に酸化して表面酸化層が深さ方向に進行しても、段差の突出した領域内に収めることができるため、製品としてのＳＯＩ基板の表面に凹みが形成されることを抑制できる。したがって、デバイスの特性を低下させることなく、シリコン基板の内部にＢＯＸ層を形成させることができる。

なお、この段差の高さは、所定のアニール条件により形成される表面酸化層の成長領域（深さ方向）とできるだけ一致するように設定しておくことが好ましい。これによれば、アニール後に表面のシリコン酸化物を除去することにより、段差を解消することができる。

この場合において、シリコン基板の酸化層に対応する領域の表面にレジスト膜を形成してマスクし、このレジスト膜以外の領域のシリコン基板表面をドライエッチングにより除去することにより段差を容易に形成することができる。なお、エッチングは必ずしもドライエッチングに限られるものではない。

ところで、酸素イオンの注入時において、シリコン基板の表面は、例えば、酸素イオンのスパッタ作用により削られて凹みが生じるおそれがある。そこで、本発明では、段差を形成してから酸素イオンを注入するまでの間、段差の表面に始めに酸化膜を形成後、窒化膜を形成し、ＢＯＸ層に対応する領域以外の他の領域の窒化膜の上にマスク酸化膜を形成するようにしている。このように、基板表面に窒化膜を形成することで、マスク酸化膜を形成していない基板の突状部の表面は、窒化膜により保護されてスパッタ作用による角部の凹みなどが抑制され、デバイスの特性低下をより確実に防ぐことができる。

また、例えば、アニール時において、ＢＯＸ層の端部に対向する段差の低い面、つまり、ＢＯＸ層に対応する領域以外の他の領域の基板表面に窒化膜を形成しておくことで、該領域の基板表面からの酸素の侵入及び拡散を防ぎ、表面酸化層の形成およびＢＯＸ層エッジ部の厚膜化を抑制することができる。このため、例えば、アニールの後、表面酸化層を除去しても、ＢＯＸ層エッジ部の厚膜化により基板表面に突き出ることはないので、ＢＯＸ層のオーバーエッチングによるシリコン基板内に空洞などを生じることがなく、デバイス作製時のパーティクル発生等の不具合をより確実に防ぐことができる。

ここで、酸素イオン注入後においては、具体的に、ＢＯＸ層に対応する領域の窒化膜を除去する第１の除去工程と、第１の除去工程の後にシリコン基板を酸化性雰囲気で熱処理してシリコン基板中にＢＯＸ層を形成し、かつシリコン基板の前記ＢＯＸ層に対応する領域の表面に表面酸化層を形成するアニール工程と、アニール工程の後にシリコン基板上の窒化膜、表面酸化層及びマスク酸化膜を除去する第２の除去工程とを含む方法とすることが好ましい。

本発明によれば、ＳＯＩ領域とバルク領域の間の表面段差を抑制する事ができ、かつ、ＢＯＸ層エッジ部の基板表面への突き出しにより基板表面の空洞を生じさせることなくシリコン基板の内部にＢＯＸ層を形成させることができる。

以下、本発明を適用してなるＳＯＩ基板の製造方法の実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなるＳＯＩ基板の製造方法を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｈ）は、各主要製造工程の終了後の部分断面図である。

本実施形態のＳＯＩ基板の製造方法は、まず、図１の（ａ）に示すように、水平に配置された単結晶シリコン基板１の表面にリソグラフィで形成したパターンにしたがって有機系のレジスト膜３を形成する。単結晶シリコン基板１は、例えば、ＣＺ法により引き上げて得られたシリコン単結晶棒を軸に直交する面（シリコン単結晶の結晶構造の（１００）面）に沿って薄板状に切り出して得られる。なお、単結晶シリコン基板は、ＣＺ法に限らず、例えば、ＦＺ法などにより得られたシリコン単結晶棒またはシリコン単結晶板から切り出してもよい。また、基板表面にシリコンをエピタキシャル成長させたエピ基板でも良い。

次に、図１の（ｂ）に示すように、レジスト膜３をマスクとして、例えば、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）等のエッチングにより、単結晶シリコン基板１の水平面に対して垂直方向に異方性エッチングを行なう。ここで、レジスト膜３が形成される部分の深さ方向の領域、つまりＳＯＩ領域５は、後工程においてイオンが注入される領域となる。このＳＯＩ領域５は、両側から隣接するバルク（Ｂｕｌｋ）領域７に挟まれて形成されている。本工程で、バルク領域７がエッチングされる深さは、例えば、０．２〜０．３μｍであり、これが単結晶シリコン基板１の表面に形成される凸状部８の段差量となる。この段差量は、例えば、後述するＢＯＸ層が形成される膜厚等に基づいて適宜決められる。なお、エッチングは、本実施形態のようにドライエッチングが好ましいが、ウェットエッチングとしてもよい。

次に、図１の（ｃ）に示すように、レジスト膜３を除去後、ＣＶＤ法により単結晶シリコン基板１の表面全体に、シリコン酸化膜９（例えば、厚さ２０ｎｍ）を形成し、さらにその上から、シリコン窒化膜１１（例えば、厚さ５０〜１００ｎｍ）を形成する。そして、このシリコン窒化膜１１の上から再びシリコン酸化膜１３（例えば、厚さ１μｍ）を堆積させる。このようにして、単結晶シリコン基板１の表面には、最終的にシリコン酸化膜１３によるマスク膜が形成される。

次に、図１の（ｄ）に示すように、ＳＯＩ領域５に対向するシリコン酸化膜１３をリソグラフィ技術によりＲＩＥなどのエッチングにより除去し、シリコン酸化膜１５によるマスクを形成する。ここで、ＳＯＩ領域５の表面、つまり凸状部８の上端部と側面部には、シリコン窒化膜１１が形成された状態になっている。

続いて、図１の（ｅ）に示すように、単結晶シリコン基板１の上方側から垂直に酸素イオンを注入する。このとき、酸素イオンの注入条件は、例えば、注入量が１×１０^１７〜２×１０^１８／ｃｍ^２、好ましくは、２×１０^１７〜５×１０^１７／ｃｍ^２であり、注入エネルギが２０〜２４０ｋｅＶ、好ましくは、６０〜２００ｋｅＶである。酸素イオンはシリコン酸化膜１５でマスクされていないＳＯＩ領域５内に注入され、所定の深さ範囲にとどまった状態（１７）となる。

次に、図１の（ｆ）に示すように、凸状部８の上端面のシリコン窒化膜１１をＲＩＥなどのエッチングにより除去する。そして、図１の（ｇ）に示すように、シリコン窒化膜１１が除去された状態で、高温（例えば、１２００〜１３００℃）の酸化性雰囲気中で所定時間アニールし、ＳＯＩ領域５中に注入された酸素をシリコンと結合させて、ＢＯＸ層１９を形成させる。一方、シリコン酸化膜１５でマスクされていないＳＯＩ領域５の凸状部８は、表面側から酸化性ガスによってバルク領域７のシリコン窒化膜１１の水平深さ付近まで酸化され、シリコン酸化層２１となる。

次に、図１の（ｈ）に示すように、シリコン酸化層２１、シリコン酸化膜１５、シリコン窒化膜１１、シリコン酸化膜９を所定のエッチングにより除去し、表面が所定の平坦度を有するＳＯＩ基板２３を得る。なお、ここでのエッチングは、例えば、ウェットエッチングとすることが好ましい。

ここで、上述したＳＯＩ基板の製造方法において、本実施形態の特徴となる構成とその作用について説明する。まず、本実施形態では、単結晶シリコン基板１に酸素イオンを注入する前に、ＳＯＩ領域５の表面がバルク領域７の表面よりも高い段差の凸状部８を形成するようにしている。このため、イオン注入後のアニール時においてＳＯＩ領域の表面が酸化され、シリコン酸化層２１が形成されても、そのシリコン酸化層２１を凸状部８の範囲内に留めることができるため、アニール後に全て酸化膜となった凸状部８を除去することにより、製品となるＳＯＩ基板２３の表面には、ＳＯＩ領域とバルク領域の間で表面段差が生じることがないので、フォトリソグラフィ工程でフォーカスがずれるなどの問題が生じることはない。ここで、段差量は任意に設定することができるが、例えば、アニール条件によって変化するシリコン酸化層２１の形成領域やＢＯＸ層膜厚、このシリコン酸化層１２を除去するエッチング処理時間などに応じて適宜設定することができる。

また、本実施形態において、凸状部８の高さつまり段差量は、例えば、０．２〜０．３μｍであるため、イオン注入時のスパッタ作用により凸状部８の角部が削られると、ＳＯＩ基板２３の表面に凹みが生じるおそれがある。そのため、ＳＯＩ領域５の凸状部８にシリコン窒化膜１１を形成させた状態で、酸素イオン注入を行なっている。これにより、例えば、凸状部８の角部はシリコン窒化膜１１によって保護されるため、スパッタ作用により角部の凹み量などが低減され、デバイスの特性低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、バルク領域７の表面にシリコン窒化膜１１を形成させた状態でアニールを行なっている。このため、バルク領域７の表面からシリコン素地への酸素の拡散を抑制することができ、特にＢＯＸ層エッジ部分では酸素がバルク領域からも拡散することにより酸化が促進される結果、ＢＯＸ層エッジ部の膜厚が厚くなるという問題を解決することができる。よって、ＢＯＸ層エッジ部が基板表面に突き出ることを抑制できるため、基板表面に空洞が生じることがなく、デバイス作製時にパーティクル発生などの悪影響を与えることがない。なお、シリコン窒化膜１１の下地には、シリコン酸化膜９を形成することが好ましい。これによれば、シリコン素地にシリコン窒化膜１１を直接形成するよりもストレスを緩和することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、酸素イオンの注入前に、単結晶シリコン基板１のＳＯＩ領域５の表面に段差の凸状部８を形成し、ＳＯＩ領域５に酸素イオンを注入した後、アニールを施しているため、製品のＳＯＩ基板２３は、ＳＯＩ領域５とバルク領域の間に表面段差を生じることがなく、フォトリソグラフィ工程でフォーカスがずれるなどの問題を防ぐことができる。加えて、酸素イオンの注入前に基板の表面にシリコン窒化膜を形成しているため、酸素イオンの注入時にＳＯＩ領域５の表面に凹みが形成されることを防ぎ、かつ、アニール時にバルク領域７の表面のシリコン素地に酸素が拡散することを抑制することができる。その結果、ＢＯＸ層エッジ部の厚膜化による基板表面への突き出しを抑制できた。これにより製品となるＳＯＩ基板２３のデバイス作製時に基板表面に空洞を生じる事がないので、パーティクル発生などの悪影響を防ぐことができる。

本実施形態を適用してなるＳＯＩ基板の製造方法を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｈ）は、各主要製造工程の終了後の部分断面図である。

符号の説明

１単結晶シリコン基板
３レジスト膜
５ＳＯＩ領域
７バルク（Ｂｕｌｋ）領域
９,１３,１５シリコン酸化膜
１１シリコン窒化膜
１９ＢＯＸ層
２１シリコン酸化層
２３ＳＯＩ基板

Claims

シリコン単結晶からなるシリコン基板中に酸化層が部分的に埋め込まれたＳＯＩ基板の製造方法において、前記シリコン基板中に酸素イオンを注入して前記酸化層を形成する前に、前記シリコン基板の前記酸化層に対応する領域の表面高さが他の領域の表面高さよりも高い段差を形成することを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記段差は、前記シリコン基板の前記酸化層に対応する領域の表面にレジスト膜を形成し、該レジスト膜以外の領域の前記シリコン基板表面をドライエッチングにより除去して形成することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記段差を形成してから前記酸素イオンを注入するまでの間、前記段差の表面に始めに酸化膜を形成後、窒化膜を形成し、前記他の領域の前記窒化膜の上にマスク酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記酸素イオンの注入後は、前記酸化層に対応する領域の前記窒化膜を除去する第１の除去工程と、前記第１の除去工程の後に前記シリコン基板を酸化性雰囲気で熱処理して前記シリコン基板中に前記酸化層を形成し、かつ前記シリコン基板の前記酸化層に対応する領域の表面に表面酸化層を形成するアニール工程と、前記アニール工程の後に前記シリコン基板上の前記窒化膜、前記表面酸化層及び前記マスク酸化膜を除去する第２の除去工程とを含むことを特徴とする請求項３に記載のＳＯＩ基板の製造方法。