JP2010118382A - Ｓｉｍｏｘウェーハの結晶欠陥の低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減すること。
【解決手段】ウェーハの表面からＢＯＸ層１２よりも設定深さの範囲のシリコン層１３までイオンを注入する第１の工程と、第１の工程で得られたウェーハを加熱してイオンが注入された部位の結晶性を回復させる第２の工程とを含む。ここで、第１の工程は、異なる注入エネルギでイオンを複数回注入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）ウェーハの結晶欠陥の低減方法に係り、特に、ＳＩＭＯＸウェーハの埋め込み酸化膜下のシリコン層に存在する結晶欠陥を改善する技術に関する。

従来、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造方法の一つとして、シリコンウェーハの少なくとも一方の表面から酸素イオンを注入し、引き続き高温熱処理を行うことにより、注入された酸素イオンから埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層という。）を形成するＳＩＭＯＸ法が知られている。このようにして製造されたＳＩＭＯＸウェーハは、通常、表面の酸化膜が除去された状態でデバイスメーカに出荷され、ＳＯＩ層とその下のＢＯＸ層がデバイス製造のプロセスにおいて活用されている。

ところで、近年、ＳＩＭＯＸウェーハの製造工程の高温熱処理プロセスにおいて、ウェーハ内の酸素析出物が消滅する際に多数の結晶欠陥、つまり空孔型の積層欠陥（ＳＦ：Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）がＢＯＸ層下のシリコン層（シリコン基板）の所定の深さ領域に残留することが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。

これに対し、従来、シリコン層は、デバイス製造のプロセスにおいて殆ど活用されることがなかったため、このようなシリコン層に残留する結晶欠陥について特に対策が講じられることはなかった。

Ｊ．Ｊａｂｌｏｎｓｋｉ、他２名，「ＧＥＴＴＥＲＩＮＧ ＬＡＹＥＲ ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＩＮ ＬＯＷ−ＤＯＳＥ ＳＩＭＯＸ ＷＡＦＥＲＳ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １９９５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳＯＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９５年１０月，第３４−３５頁

しかしながら、上述したシリコン層に残留する結晶欠陥は、デバイスの微細化に伴い、無視できない問題となってきている。その第１の理由としては、デバイスの製造プロセスにおいて、ウェーハの活用領域がそれまでのＳＯＩ層とＢＯＸ層に限らず、シリコン層にまで広がってきていることが挙げられる。これは、例えばＢＯＸ層の層厚の極薄化に伴って見られる傾向である。

また、第２の理由としては、デバイスの微細化が進み、その設計基準の寸法が例えば４５ｎｍ以降になってくると、デバイスの製造プロセスの高温熱処理時において、ウェーハ全体の温度を制御して拡散距離を短くするため、熱処理時間の短いレーザスパイクアニール（以下、ＬＳＡという。）等の極短時間（数ｓｅｃ）の熱処理が導入されるようになってきたことが挙げられる。

このＬＳＡにより熱処理が施されたウェーハは、ウェーハ表面にレーザ光が照射されて熱が与えられ、急速に昇降温がなされるため、ウェーハの厚さ方向の温度差に伴って熱応力が生じ、結晶欠陥、特にスリップ転位が生じ易くなる。ここで、ＳＯＩウェーハのシリコン層に結晶欠陥が多く残存していると、その後のＬＳＡの熱処理時においてシリコン層にスリップ転位が多く発生し、結果として内部歪によるウェーハの反り変形が生じるおそれがある。このようなウェーハの反り変形は、デバイスプロセスに悪影響を与え、歩留まりを低下させる要因となる。

これに対し、本発明者らは、特願２００８−２２９５８４（以下、先願という。）において、ＳＯＩウェーハのＢＯＸ層下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減するため、ウェーハの表面からＢＯＸ層下のシリコン層にイオンを注入する工程と、この工程で得られたウェーハを加熱してイオンが注入された部位の結晶性を回復させる工程とを含むＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法について提案している。

上記の先願は、シリコン層に注入したイオンを結晶欠陥と衝突させることにより、その後の熱処理において結晶欠陥の結晶性を回復し易くすることを特徴としている。例えば、イオンドーズ量を１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、注入エネルギを２１６ｋｅＶとして、シリコンウェーハに酸素イオンを注入した後、このウェーハを１２００℃で１時間熱処理することにより、シリコン層の所定の深さ領域の結晶欠陥密度を１×１０^７／ｃｍ^２以下まで低減することが可能となる。

このように、先願の発明によれば、シリコン層の結晶欠陥を所定のレベルまで低減することができる。しかしながら、その後の調査によると、シリコン層にはわずかな結晶欠陥が依然として残存していることが確認され、この残存する結晶欠陥がデバイスの製造プロセスへ与える影響が懸念される。そのため、先願の発明については、さらなる改良の余地がある。

本発明は、ＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減することを課題とする。

本発明者らは、先願のイオン注入条件について評価するため、先願のイオンの注入条件に基づいてウェーハの表面からシリコン層まで酸素イオンを注入し、このイオンが注入されたウェーハについて、ＢＯＸ層とシリコン層の境界から２００ｎｍの深さ領域の酸素濃度の分布を調べたところ、深さ方向における酸素濃度の分布に偏りが生じていることが判明した。このことから、本発明者らは、シリコン層の深さ方向で酸素濃度の分布を均一にすることができれば、結晶欠陥をさらに低減できるものと考え、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、イオン注入を複数回に分け、それぞれのイオン注入時の注入エネルギを異ならせることを特徴とする。このようにすれば、シリコン層の所定の深さ領域において、イオンを深さ方向で均一に供給できるため、深さ方向における酸素濃度の分布を均一にすることができる。

ここで、本発明による結晶欠陥の低減効果を確認するため、先ず、本発明の各イオン注入時のドーズ量の合計を先願のイオン注入時のドーズ量と一致させると共に異なる注入エネルギでイオンの注入を複数回行った。その後、シリコン層の所定の深さ領域における深さ方向の酸素濃度の分布を調査し、酸素濃度の分布が均一化されていることを確認した。次に、このウェーハを熱処理し、シリコン層の所定の深さ領域の結晶欠陥密度を調査したところ、先願の結晶欠陥密度よりも減少していることが確認された。このことから、シリコン層の所定の深さ領域に対し異なる注入エネルギでイオンを分割して注入し、深さ方向における酸素濃度の分布を均一化させることにより、結晶欠陥をより高い効率で低減できることが明らかになった。また、このように異なる注入エネルギで複数回のイオン注入を行うことにより、酸素濃度の分布を均一にすることができるため、結晶欠陥を低減するために注入する合計のドーズ量を低減できるという効果も確認された。

すなわち、本発明は、ＳＩＭＯＸウェーハの埋め込み酸化膜下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減する方法であって、ウェーハの表面から埋め込み酸化膜よりも設定深さの範囲のシリコン層までイオンを注入する第１の工程と、この第１の工程で得られたウェーハを加熱してイオンが注入された部位の結晶性を回復させる第２の工程とを含み、第１の工程は、異なる注入エネルギでイオンを複数回注入することを特徴とする。このように、異なる注入エネルギでイオン注入を複数回行うことにより、シリコン層の深さ方向に分布する結晶欠陥に対し、注入したイオンを均等に衝突させることができるため、熱処理によって、より多くの結晶欠陥の結晶性を回復させることができる。

また、本発明は、ＳＩＭＯＸウェーハの埋め込み酸化膜下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減する方法であって、ウェーハの表面からシリコン層に注入したイオンを結晶欠陥に衝突させてこの結晶欠陥を壊す第１の工程と、この第１の工程で得られたウェーハを加熱してシリコン層を再結晶させる第２の工程とを含み、第１の工程は、異なる注入エネルギでイオンを複数回注入することを特徴とする。

この場合において、第１の工程は、例えば、シリコン層に注入するイオンを酸素イオンとするとき、ＳＩＭＯＸウェーハの温度が５０℃以下の状態からイオンの注入を開始し、各イオン注入時の条件は、イオンドーズ量を１×１０^１５〜１．５×１０^１６、注入エネルギを１５０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶとする。ここで、イオンドーズ量は、シリコン層に残存する結晶欠陥の密度やイオン注入の回数等に応じて定められ、注入エネルギは、注入するイオンの元素の種類や注入する深さ等によって定められる。このような条件で第１の工程を処理することにより、シリコン層に存在する結晶欠陥を効率的に壊すことができる。また、第１の工程においては、結晶欠陥にイオンを衝突させて壊れた形態を保持するため、イオン注入前のウェーハの温度は低い方が好ましく、例えば５０℃以下に設定することが望ましい。

また、第１の工程でシリコン層に注入するイオンは、特に限定されるものではないが、注入設備のコストやデバイス品質に与える影響などを考慮して、元素周期表の水素からアルゴンまでの元素のうちいずれかのイオンであることが望ましい。

また、第２の工程は、ウェーハを１１５０℃〜１３５０℃の温度に加熱するものとする。このような高温状態にウェーハを加熱することにより、熱力学的にも結晶欠陥の再結晶化が容易に進行し、短時間で結晶性の回復を行うことが可能となる。

本発明によれば、ＳＩＭＯＸウェーハのＢＯＸ層下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用したＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法を説明する図である。本発明の結晶欠陥の低減方法は、ＳＩＭＯＸ法により製造されたＳＩＭＯＸウェーハを対象としている。ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法は、シリコンウェーハに酸素イオンを注入する工程と、このウェーハに所定の熱処理を行う工程とを含んで構成され、これらの工程を含んで製造されたＳＩＭＯＸウェーハであれば、各工程の条件が異なるものであっても、本発明の対象とすることができる。したがって、ＭＬＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｌｏｗ Ｄｏｓｅ）法やＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ ＯＸｉｄａｔｉｏｎ）法等によって製造されたＳＩＭＯＸウェーハにおいても、本発明の対象とすることができる。

本実施の形態では、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法により製造されたＳＩＭＯＸウェーハを例として説明する。ＭＬＤ法−ＳＩＭＯＸ法については周知の技術であるため、ここでは、その製造方法について簡単に述べ、具体的な製造条件については適宜省略する。

ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法では、酸素イオン注入を２回に分けて、各回異なる温度のウェーハに酸素原子を注入することで、ウェーハ内に高濃度の酸素層とアモルファス層という状態の異なる２つのイオン注入層を形成し、このウェーハを混合ガス雰囲気中で高温酸化処理するものである。

まず、１回目のイオン注入工程では、シリコンウェーハを加熱した状態で、酸素イオンを所定量注入し、ウェーハ内部に高濃度の第１イオン注入層を形成する。次に、このウェーハを冷却した状態で、酸素イオンを所定量注入し、第１イオン注入層のウェーハの表面側に連続するようにアモルファス状態の第２イオン注入層を形成する。そしてこのウェーハを所定量の酸素を含むアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で昇温した後、酸素の濃度を高くした不活性ガス雰囲気中で高温に保持することにより、第１イオン注入層はＢＯＸ層となる。また、昇温時に第２イオン注入層は、アモルファス層内部に高濃度の酸素を含むため再結晶化が順調に進まず高密度の欠陥層となる。この欠陥層が形成された領域には、酸素が析出し易いため、酸素雰囲気中で高温保持することにより、雰囲気中の酸素がウェーハ内部に拡散し、欠陥層に酸素析出物となって集まることで、ＢＯＸ層となる。この方法によれば、注入酸素量から予想されるよりも厚みのあるＢＯＸ層を形成することができる。

このような工程を経て製造されたウェーハの内部には、ＢＯＸ層が形成され、ＢＯＸ層の上（表面側）にはＳＯＩ層、ＢＯＸ層の下（裏面側）にはシリコン基板となるシリコン層がそれぞれ形成される。なお、ＳＯＩ層の上、つまりウェーハの表面部分には表面酸化膜が形成される。

ところで、このようなＳＩＭＯＸ法の製造時において、ウェーハに注入された酸素は、ウェーハの内部で酸化物となって析出し、ウェーハの高温熱処理時に酸素が拡散して析出物が消滅することで、ＢＯＸ層下のシリコン層には、結晶格子が抜けた状態の空孔型の積層欠陥（ＳＦ：Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ）が発生することが報告されている。このような結晶欠陥、つまり、空孔型の積層欠陥（以下、ＳＦと略す。）は、デバイスプロセスに悪影響を与え、歩留まりを低下させる要因となることについては、既に述べたとおりである。

そこで、本発明者らは、先ず、上述した方法により得られたＳＩＭＯＸウェーハについて、シリコン層の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察したところ、ＢＯＸ層とシリコン層との境界から約２００ｎｍまでのシリコン層の深さ範囲にＳＦが集中して形成されることが確認された。これらの構造を詳しく調べてみると、ＳＦは、約５０ｎｍの四角錐型と約１０ｎｍの四面体型の２種類からなり、ＳＦ密度は、四角錐型が２〜４×１０^６／ｃｍ^２、四面体型が５〜１０×１０^８／ｃｍ^２となっていた。ここで、ＳＦ密度とは、上記の深さ領域のうち、任意の深さにおいて、ウェーハの平面方向と平行な面における単位面積当りの結晶欠陥の個数を示す。

本発明では、このようなＳＦ密度を低減してシリコン層の品質を改善させるため、以下の方法を提供するものである。すなわち、本発明の空孔型ＳＦの低減方法は、ウェーハの表面からＢＯＸ層よりも設定深さのシリコン層の深さ領域に向けてイオンを複数回注入するイオン注入工程と、イオン注入工程で得られたウェーハを加熱してイオンが注入された部位の結晶性を回復させる熱処理工程とを含んで構成される。ここで、イオン注入工程では、各イオン注入時における注入エネルギがそれぞれ異なるように設定する。

以下、本発明が適用される実施形態について各工程別に詳細に説明する。図１（ａ）に示すように、ＳＩＭＯＸウェーハは、上面側から表面酸化膜１０、ＳＯＩ層１１、ＢＯＸ層１２、シリコン層１３（シリコン基板）より構成される。シリコン層１３には、ＢＯＸ層１２とシリコン層１３との境界より設定深さ範囲に、四角錐型のＳＦ１４と、四面体型のＳＦ１５が層状に点在している。この場合、例えば、表面酸化膜厚０〜２００ｎｍ、ＳＯＩ層厚１０〜１００ｎｍ、ＢＯＸ層厚１０〜２００ｎｍとする。

（表面酸化膜）
表面の酸化膜はなくてもよいが、パーティクルのマスクとしてあった方が好ましい。また、酸化膜厚は注入する深さに合わせて調整することも可能である。表面酸化膜は、ＳＩＭＯＸを形成するアニール時に形成された酸化膜をエッチングして用いることもできるが、新たに形成することも可能である。

（イオン注入工程）
イオン注入工程は、得られたＳＩＭＯＸウェーハを洗浄、乾燥した後にイオン注入装置に収容し、真空状態で、図１（ｂ）に示すように、ウェーハ表面からウェーハ内部に酸素イオン１６を注入することにより、酸素イオンをＳＦ１４，１５と衝突させて、その結晶構造を壊すものである。

ここで、酸素イオン１６は、ウェーハ内に注入された後に、シリコン層１３に存在するＳＦ１４，１５と衝突させるため、少なくともシリコン層１３の深さ領域１３ａに到達するために必要なエネルギが付与される。深さ領域１３ａは、ＢＯＸ層１２とシリコン層１３との境界から例えば２００ｎｍの深さ領域を示している。このため、酸素イオン１６の注入エネルギは、例えば１５０〜２２０ｋｅＶの範囲で設定することが好ましい。このような注入エネルギを酸素イオンに付与することにより、酸素イオンは、深さ領域１３ａに到達し、その一部がＳＦ１４，１５と衝突する。これにより、空孔型の積層欠陥を有するＳＦの結晶構造が少なからず崩され、望ましくは、ＳＦの欠陥構造が完全に破壊される。

酸素イオン１６のドーズ量は、深さ領域１３ａに存在するＳＦ１４，１５の欠陥密度によって定められるが、各イオン注入時において、例えば、１×１０^１５〜１．５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²の範囲で設定することが好ましい。これは、ドーズ量が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²未満では、注入量が少ないため、結晶の壊れ方が不十分であり、後工程の熱処理を行っても、結晶欠陥が改善されないＳＦが多く残るという不具合が生じ、ドーズ量が１．５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²を超えると、シリコン層１３に注入される酸素イオンが多くなり、例えば、熱処理後においてもシリコン層１３に酸素析出物が残存するという不具合が生じるおそれがあるためである。

また、酸素イオン１６の注入時（注入前）において、ウェーハの温度は、例えば５０℃以下の低温状態とすることが好ましい。これはイオン注入が開始されると、ウェーハの温度が上昇し、注入中に再結晶化が進むために、十分に欠陥を消滅させることができなくなるためである。

ここで、酸素イオン１６の注入は、複数回、好ましくは３回に分けて注入し、注入エネルギは、毎回異なるように設定する。注入エネルギは、上述した範囲で、段階的に小さくなるように設定してもよいし、段階的に大きくなるように設定してもよい。このように注入エネルギを変化させてイオン注入を繰り返すことにより、深さ領域１３ａにおいて、酸素イオン１６を深さ方向に分散させて注入することができるため、深さ方向で均一な酸素イオン１６の注入量を確保することができる。これにより、酸素イオン１６とＳＦ１４，１５との衝突効率が向上し、熱処理後のＳＦの低減率を向上させることができる。

また、本実施形態では、酸素イオンを注入する例について述べたが、イオン注入の目的はウェーハに注入したイオンをＳＦと衝突させてその結晶構造を壊すことにあるため、酸素以外の元素のイオンを注入しても同様の効果を得ることが可能である。この場合、Ｓｉ元素そのものを注入することが最も好ましいが、デバイスに影響を与えない不活性ガスのアルゴンやネオンの元素をイオン注入することが好適である。ここで、選択した元素には、少なくともシリコン層１３の深さ領域１３ａに到達するだけの注入エネルギを与える必要があり、例えば、酸素よりも重い元素の場合は、酸素イオンの場合よりも注入エネルギを多く与える必要があり、反対に軽い元素の場合は、酸素イオンの場合よりも注入エネルギを少なくすることができる。そして、結晶を壊すためにはドーズ量等で調整する必要がある。なお、本実施形態では、注入エネルギは、１５０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶとしたが、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の薄膜化が進むことにより必要な深さが浅くなるため、注入エネルギもその深さに応じて下げることが必要となる。

（熱処理工程）
熱処理工程は、イオン注入装置から取り出されたＳＩＭＯＸウェーハを洗浄、乾燥した後、熱処理炉内に収容し、酸素含有雰囲気中でウェーハに高温熱処理を施して、欠陥構造が壊れたＳＦ１４，１５の結晶性を回復、つまりシリコン層１３の正常な結晶構造に変化させるものである。

ここで、熱処理工程は、少なくとも欠陥構造が壊れたＳＦ１４，１５の結晶性を回復させるのに必要な温度に加熱する必要があり、例えば、シリコン層１３の再結晶温度に加熱する。具体的には、炉内を１１５０℃〜シリコン融点未満、好ましくは、１１５０℃〜１３５０℃まで昇温し、この温度を保持した状態でウェーハを１〜５時間保持し、その後室温まで冷却することにより行われる。これは、熱処理温度が１１５０℃未満では、シリコン層１３の加熱温度が低いため、酸素析出物が残ったり、結晶性の回復が不十分になるという不具合が生じるからである。また昇温中の炉内雰囲気は、０〜５.０容積％の酸素を含むアルゴン又は窒素等の不活性ガスの混合雰囲気である。このようにイオン注入後のウェーハに高温熱処理を施すことにより、イオン注入工程により少なくとも元の結晶構造が崩れた状態となっているＳＦは、高温熱処理を施すことで、図１（ｃ）に示すように、欠陥構造がシリコン層の正常な結晶構造に回復される。

このように本実施形態によれば、異なる注入エネルギでイオンを複数回注入することにより、ＳＩＭＯＸウェーハのシリコン層の深さ領域１３ａに存在する空孔型のＳＦを、深さ方向で均一にシリコン層の正常な結晶構造に回復させ、結晶欠陥を大幅に低減することができるため、デバイスの製造プロセスにおいて、シリコン層がデバイスに活用されても、不具合が生じることがなく、また、デバイスの製造工程でウェーハにＬＳＡのような極短時間の熱処理を施してもスリップの発生を抑制してウェーハの反り変形を抑制することができ、デバイスの歩留まり低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、はじめに、シリコンウェーハに酸素イオンの注入回数が異なる３種類のウェーハについて、熱処理前の状態で、シリコン層の所定の深さ領域における深さ方向の酸素濃度分布を調査した。図２は、酸素イオン注入後、熱処理前のウェーハのシリコン層の深さ方向における酸素濃度の分布を説明する図であり、横軸は、ＢＯＸ層とシリコン層の境界からの深さ（ｎｍ）、縦軸は、酸素濃度（／ｃｍ^３）をそれぞれ表している。図中の矢印Ａで示した領域は、ＢＯＸ層とシリコン層の境界から２００ｎｍの深さ領域（以下、ＳＦ発生領域Ａという。）を示している。

ここで、上記の３種類のウェーハの作製方法について説明する。先ず、用意したシリコンウェーハを洗浄、乾燥した後にイオン注入装置に収容し、ウェーハの温度を５０℃に保温する。そして、注入エネルギを２１６ｋｅＶに固定し、イオンドーズ量を１．３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²として、酸素イオンを注入する。このとき、イオン注入時にイオン注入装置の電流検出部より検出された電流値は３０ｍＡであった。このようにして得られたウェーハをウェーハａとする。

一方、ウェーハａとは別に、注入エネルギを２１６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶの順に段階的に減らし、各イオン注入時のイオンドーズ量をいずれも６．５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とし、２回のイオン注入の合計のイオンドーズ量をウェーハａのイオンドーズ量と同じにして酸素イオンを注入する。その他の条件は、ウェーハａの場合と同じである。このようにして得られたウェーハをウェーハｂとする。

さらに、ウェーハａ、ｂとは別に、注入エネルギを２１６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、１５０ｋｅＶの順に段階的に減らし、各イオン注入時のイオンドーズ量をそれぞれ７×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とし、３回のイオン注入の合計のイオンドーズ量をウェーハａのイオンドーズ量と同じにして酸素イオンを注入する。その他の条件は、ウェーハａの場合と同じである。このようにして得られたウェーハをウェーハｃとする。

このようにして得られたウェーハａ，ウェーハｂ，ウェーハｃについて、シリコン層の深さ方向における酸素濃度の分布を、ＳＩＭＳを用いて測定した。ＳＩＭＳは、２次イオン質量分析装置であり、試料に１次イオンビームを照射して、質量分離された二次イオンの数を数えることによって、試料の化学組成や同位体組成を調べることができる。また、１次イオンのスパッタリング効果により、試料の深さ方向の組成分析が可能となる。測定した結果を図２に示す。ここで、ウェーハａ，ウェーハｂ，ウェーハｃの酸素濃度分布をそれぞれ線ａ，線ｂ，線ｃで示す。図２の結果から、イオン注入が１回のウェーハａは、ＳＦ発生領域Ａにおいて、酸素濃度のピークが発生し山型に分布しているのに対し、イオン注入の回数が多くなると、深さ方向における酸素濃度の変化率が小さくなる傾向がみられた。この傾向から、注入エネルギの異なるイオン注入の回数が増えるほど、酸素イオンが深さ方向で均一に分散して供給されることがわかる。

次に、ウェーハａとウェーハｃについて、ＳＦ発生領域ＡにおけるＳＦ密度を評価するため、上述した条件でイオン注入して得られたウェーハａ，ウェーハｃをイオン注入装置から取り出し、それぞれ洗浄、乾燥した後に熱処理炉に収容し、１２００℃まで昇温した状態で１時間保持し、その後室温まで冷却した。続いて、熱処理炉から取り出したウェーハａ，ウェーハｃについて、それぞれＳＦ発生領域Ａにおけるシリコン層の横断面及び縦断面をＴＥＭにより観察（約６万倍）し、ＴＥＭ像により確認されたＳＦの個数からＳＦ密度を求めた。その結果、ウェーハａについては、１×１０^７／ｃｍ^２よりも小さく１×１０^６／ｃｍ^２よりも大きい値であったのに対し、ウェーハｃについては、ＴＥＭ像からＳＦが完全に消失し、１×１０^６／ｃｍ^２未満の値であることが確認された。

（実施例２）
本実施例では、ウェーハｃの３回のイオン注入の合計のイオンドーズ量を少なくした条件で酸素イオンを注入した後、熱処理して得られたウェーハについて、ＳＦ密度を評価した。ここで、注入エネルギは、ウェーハｃと同様、２１６ｋｅＶ、１８０ｋｅＶ、１５０ｋｅＶの順に段階的に減らし、各イオン注入時のイオンドーズ量はいずれも２×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とし、３回のイオン注入の合計のイオンドーズ量を６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とした。その他の熱処理を含めた条件は、実施例１のウェーハａ，ウェーハｃの場合と同じである。このようにして得られたウェーハをウェーハｄとする。

ここで、ウェーハｄのＳＦ密度を求めた結果を熱処理後のウェーハｃのＳＦ密度と共に□の記号で表して図３に示す。図３は、ウェーハに注入する酸素イオンのドーズ量とＳＦ密度の関係を説明する図であり、横軸は、酸素イオンドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）、縦軸はシリコン層の深さ領域のＳＦ密度（／ｃｍ²）をそれぞれ表している。各ウェーハの酸素イオンドーズ量は、３回のイオン注入の合計量を示している。また、ＳＦ密度の深さ領域とは、図２のＳＦ発生領域Ａを意味する。□の記号の下向きの矢印はＳＦ密度が１×１０^６／ｃｍ²未満であることを表している。この結果から、ウェーハｄは、ウェーハｃと同様、ＳＦ密度が１×１０^６／ｃｍ^２未満となることがわかった。

（比較例１）
本比較例では、注入エネルギを２１６ｋｅＶに固定し、イオンドーズ量が異なる５種類のイオン注入条件で、それぞれ１回だけイオン注入した後、熱処理して得られたウェーハについて、ＳＦ密度を評価した。ここで、イオンドーズ量は、４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、８×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²の５種類とした。その他の熱処理を含めた条件は、実施例１のウェーハａ，ウェーハｃの場合と同じである。このようにして得られた５種類のウェーハについて、それぞれＳＦ密度を求めた結果を○の記号で表して図３に示す。○の記号の下向きの矢印は、ＳＦ密度が１×１０^７／ｃｍ²未満、１×１０^６／ｃｍ²以上の範囲であることを表している。

図３の結果から、ＳＦ密度は酸素イオンのドーズ量の増加と共に減少する傾向がみられたが、酸素イオンのドーズ量を２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ²まで増やしても、ＳＦ密度を１×１０^６／ｃｍ²未満に減少させることはできなかった。

以上の結果から明らかなように、イオン注入を１回で行った場合には、イオンドーズ量を増やしてもＳＦ密度が１×１０^６／ｃｍ^２未満にならないのに対し、異なる注入エネルギで複数回のイオン注入を行い、イオンドーズ量を分散させて注入すれば、複数回のイオン注入の合計のイオンドーズ量を減らしても、ＳＦ密度を１×１０^６／ｃｍ^２未満まで低減できることがわかった。このように、異なる注入エネルギでイオンを分割して注入することにより、注入したイオンをより効率的に結晶欠陥の低減に利用することができる。

本発明を適用したＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法を説明する図である。 酸素イオンの注入回数と、ＢＯＸ層とシリコン層の境界からの深さ方向における酸素濃度の分布との関係を説明する図である。 酸素イオンのドーズ量とＳＦ密度との関係、及び、酸素イオンの注入回数とＳＦ密度との関係を説明する図である。

符号の説明

１０ 表面酸化膜
１１ ＳＯＩ層
１２ ＢＯＸ層
１３ シリコン層
１３ａ 深さ領域
１４ ＳＦ（四角錐型）
１５ ＳＦ（四面体型）
１６ 酸素イオン
Ａ ＳＦの発生領域

Claims (5)

1. ＳＩＭＯＸウェーハの埋め込み酸化膜下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減する方法であって、
   前記ウェーハの表面から前記埋め込み酸化膜よりも設定深さの範囲の前記シリコン層までイオンを注入する第１の工程と、該第１の工程で得られた前記ウェーハを加熱して前記イオンが注入された部位の結晶性を回復させる第２の工程とを含み、
   前記第１の工程は、異なる注入エネルギで前記イオンを複数回注入することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法。
2. ＳＩＭＯＸウェーハの埋め込み酸化膜下のシリコン層に存在する結晶欠陥を低減する方法であって、
   前記ウェーハの表面から前記シリコン層に注入したイオンを前記結晶欠陥に衝突させて該結晶欠陥を壊す第１の工程と、該第１の工程で得られた前記ウェーハを加熱して前記シリコン層を再結晶させる第２の工程とを含み、
   前記第１の工程は、異なる注入エネルギで前記イオンを複数回注入することを特徴とするＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法。
3. 前記第１の工程は、前記シリコン層に注入するイオンを酸素イオンとするとき、前記ＳＩＭＯＸウェーハの温度が５０℃以下の状態から前記イオンの注入を開始し、各イオン注入時のイオンドーズ量を１×１０^１５〜１．５×１０^１６、前記注入エネルギを１５０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶとすることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法。
4. 前記第１の工程で前記シリコン層に注入するイオンは、元素周期表の水素からアルゴンまでの元素のうちいずれかのイオンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法。
5. 前記第２の工程は、前記ウェーハを１１５０℃〜１３５０℃の温度に加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＩＭＯＸウェーハの結晶欠陥の低減方法。

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