JP2664460B2 - SOI thin manufacturing method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成したSO
I膜の製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an SO film in which a single crystal silicon film is formed on an insulating film.
The present invention relates to a method for manufacturing an I film.
一般に、絶縁膜上に単結晶シリコン膜を形成したSOI
膜は、狭い領域での素子分離が行なえ、浮遊容量の低減
やラツチアツプの防止が可能であるという優れた特徴を
有するため、集積回路の高速化，高集積化，高性能化を
図ることができ、従来のSi基板に代わる集積回路の基板
材料として注目され、盛んに研究開発が進められてい
る。Generally, SOI with single crystal silicon film formed on insulating film
The film has excellent characteristics that element isolation can be performed in a narrow area, and that stray capacitance can be reduced and lapping can be prevented. Therefore, high speed, high integration, and high performance of an integrated circuit can be achieved. It has attracted attention as a substrate material for integrated circuits replacing the conventional Si substrate, and has been actively researched and developed.
ところで、このようなSOI膜の製造において、絶縁膜
上に単結晶シリコン（以下ｃ−Siという）膜を形成する
手法が種々提案されており、そのひとつに横方向固相エ
ピタキシヤル成長（以下Ｌ−SPEという）法があり、こ
れはｃ−Si基板上にSiO2等の絶縁膜をパターン形成し、
この絶縁膜上に非晶質シリコン（以下ａ−Siという）膜
を堆積した後、約600℃のアニールによりａ−Si膜を縦
方向から横方向に固相成長させて単結晶化し、絶縁膜上
にｃ−Si膜を形成し、SOI膜を作製するものである。By the way, in the production of such an SOI film, various techniques for forming a single crystal silicon (hereinafter referred to as c-Si) film on an insulating film have been proposed, and one of them is a lateral solid phase epitaxy (hereinafter referred to as L-type). -SPE), which is a method of patterning an insulating film such as SiO 2 on a c-Si substrate,
After depositing an amorphous silicon (hereinafter referred to as a-Si) film on the insulating film, the a-Si film is monocrystallized by annealing at about 600 ° C. so that the a-Si film is solid-phase grown from a vertical direction to a horizontal direction. An SOI film is formed by forming a c-Si film thereon.
ところで、このようなＬ−SPE法によるｃ−Si膜の形
成では、ａ−Si膜に何もドープしない場合にはＬ−SPE
距離が10μｍにも満たないため、Ｌ−SPE距離の拡大を
図るために、従来ａ−Si膜にリン〔Ｐ〕高濃度をドープ
することが行われている。Incidentally, in the formation of the c-Si film by the L-SPE method, when the a-Si film is not doped with anything, the L-SPE film is formed.
Since the distance is less than 10 μm, the a-Si film is conventionally doped with a high concentration of phosphorus [P] to increase the L-SPE distance.
このように、Ｐを３×1020cm-3の高濃度にドープする
と、例えばApplied Physics Letters Vol.46（３）,1Fe
bruary1985PP268−270において報告されているように、
多結晶核成長の原因となる結晶核の発生が抑制されるた
め、Ｌ−SPE距離が大幅に増大し、大面積のｃ−Si膜を
形成することが可能となる。As described above, when P is doped at a high concentration of 3 × 10 20 cm −3 , for example, Applied Physics Letters Vol. 46 (3), 1Fe
As reported in bruary1985PP268-270,
Since the generation of crystal nuclei causing the growth of polycrystal nuclei is suppressed, the L-SPE distance is greatly increased, and a large-area c-Si film can be formed.
しかし、このように高濃度のＰを含有したｃ−Si膜を
デバイスの能動層として用いることはできず、このｃ−
Si膜を能動層として使用するためには、Ｐ濃度を1015cm
-3程度にする必要がある。However, a c-Si film containing such a high concentration of P cannot be used as an active layer of a device.
In order to use a Si film as an active layer, the P concentration must be 10 15 cm.
It needs to be around -3 .
一方、特開昭63−192223号公報に記載のように、Ｌ−
SPEによるｃ−Si膜上に、Ｐ濃度の低いｃ−Si膜をエピ
タキシヤル成長させ、これを能動層として用いることが
考えられている。On the other hand, as described in JP-A-63-192223,
It has been considered that a c-Si film having a low P concentration is epitaxially grown on a c-Si film by SPE and used as an active layer.
前記のように、Ｐ濃度の高いｃ−Si膜上にエピタキシ
ャルｃ−Si膜を形成する場合、800℃程度に加熱する必
要があるため、オートドーピングや固相拡散によって下
層のｃ−Si膜から上層のｃ−Si膜にＰが移動し、その結
果エピタキシャルｃ−Si膜のＰ濃度プロフアイルは第３
図中の実線に示すようになり、そのＰ濃度はほぼ1017cm
-3程度となり、能動層として用いるにはＰ濃度が高くな
りすぎるという問題点がある。As described above, when forming an epitaxial c-Si film on a c-Si film having a high P concentration, it is necessary to heat to about 800 ° C., so that the lower c-Si film is removed by auto-doping or solid-phase diffusion. P moves to the upper c-Si film, and as a result, the P concentration profile of the epitaxial c-Si film becomes third.
As shown by the solid line in the figure, the P concentration is approximately 10 17 cm.
-3, and there is a problem that the P concentration becomes too high for use as an active layer.
なお、第３図はSIMS分析による深さ方向のＰ濃度プロ
フアイルであり、横軸は上層のエピタキシヤルｃ−Si膜
の表面からの深さを示し、縦軸はＰ濃度を示す。FIG. 3 shows a P concentration profile in the depth direction by SIMS analysis. The abscissa indicates the depth from the surface of the upper epitaxial c-Si film, and the ordinate indicates the P concentration.
また、このエピタキシヤルｃ−Si膜に実際にデバイス
を作成する場合にも、950℃程度で数時間の熱処理が行
われるため、最終的にデバイスを作成した後のエピタキ
シヤルｃ−Si膜のＰ濃度はさらに上昇し、例えば950℃,
8時間の熱処理後のＰ濃度プロフアイルは第３図中の破
線に示すようになり、エピタキシヤルｃ−Si膜のＰ濃度
は1019cm-3にまで上昇する。Also, when a device is actually formed on this epitaxial c-Si film, a heat treatment is performed at about 950 ° C. for several hours, so that the P-type of the epitaxial c-Si film after the device is finally formed. The concentration further increases, for example, 950 ° C,
The P concentration profile after the heat treatment for 8 hours is as shown by the broken line in FIG. 3, and the P concentration of the epitaxial c-Si film increases to 10 19 cm −3 .
本発明は、前記の点に留意してなされ、SOI膜のＰを
含有したｃ−Si膜のＰ濃度を低減できるようにすること
を目的とする。The present invention has been made in consideration of the above points, and has as its object to reduce the P concentration of a c-Si film containing P of an SOI film.
前記目的を達成するために、絶縁膜上にリンを含有し
た単結晶シリコン膜を形成したSOI膜の製造方法におい
て、本発明では、 前記シリコン膜上に熱酸化によりシリコン酸化膜を形
成し，又は前記シリコン膜上にシリコン酸化膜を堆積形
成したのちアニールする工程と、前記シリコン酸化膜を
除去する工程と、前記シリコン膜の表層部を除去する工
程とを含むことを特徴としている。In order to achieve the above object, in a method for manufacturing an SOI film in which a phosphorus-containing single crystal silicon film is formed on an insulating film, in the present invention, a silicon oxide film is formed on the silicon film by thermal oxidation, or The method is characterized by including a step of annealing after depositing and forming a silicon oxide film on the silicon film, a step of removing the silicon oxide film, and a step of removing a surface portion of the silicon film.
〔作用〕 以上のような構成において、リンを含有した単結晶シ
リコン膜上に熱酸化によるシリコン酸化膜を形成し、又
はこの単結晶シリコン膜上にシリコン酸化膜を堆積形成
したのちアニールすることにより、単結晶シリコン膜の
シリコン酸化膜との界面付近にリン原子が移動して溜る
ため、単結晶シリコン膜のシリコン酸化膜の界面付近以
外の領域におけるリン濃度は当初より大幅に低下し、そ
の後シリコン酸化膜及び単結晶シリコン膜の表層部を除
去することによつて、リン濃度の高い部分が除去され、
単結晶シリコン膜のリン濃度は大幅に減少する。[Operation] In the above configuration, a silicon oxide film is formed by thermal oxidation on a single crystal silicon film containing phosphorus, or a silicon oxide film is deposited on this single crystal silicon film and then annealed. Since phosphorus atoms move and accumulate in the vicinity of the interface between the single crystal silicon film and the silicon oxide film, the phosphorus concentration in the region other than the vicinity of the interface between the single crystal silicon film and the silicon oxide film is greatly reduced from the beginning, and thereafter, By removing the surface portion of the oxide film and the single crystal silicon film, a portion having a high phosphorus concentration is removed,
The phosphorus concentration of the single crystal silicon film is greatly reduced.
ところで、シリコン−シリコン酸化膜界面におけるＰ
原子の移動については、Journal of Electrochemical S
ociety,Vol.128,No.5,May1981,PP1101−1106においてす
でに報告されており、前記した如く、熱酸化処理又は堆
積シリコン酸化膜のアニール処理を施こすことによつ
て、シリコンのシリコン酸化膜との界面付近にリン原子
が移動し、リン原子が溜る。By the way, P at the silicon-silicon oxide film interface
For the transfer of atoms, see the Journal of Electrochemical S
OCT, vol. 128, No. 5, May 1981, PP1101-1106, and as described above, a silicon oxide film of silicon is formed by performing a thermal oxidation treatment or an annealing treatment of a deposited silicon oxide film. Phosphorus atoms move near the interface with and accumulate phosphorus atoms.
実施例について第１図及び第２図を参照して説明す
る。An embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
まず、第１図（ａ）に示すように、Si基板（１）上に
絶縁膜としてのシリコン酸化膜（以下SiO2膜という）
（２）をパターン形成し、Si基板（１）に露出面（３）
を形成し、SiO2膜（２）上及び露光面（３）上にａ−Si
膜（４）を形成する。First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide film (hereinafter, referred to as an SiO 2 film) as an insulating film is formed on a Si substrate (1).
(2) pattern formation, exposed surface (3) on Si substrate (1)
Formed on the SiO 2 film (2) and the exposed surface (3).
A film (4) is formed.
つぎに、第１図（ｂ）に示すように、ａ−Si膜（４）
にＰをイオン注入し、Ｐ濃度を３×1020cm-3としたの
ち、同図（ｃ）に示すように、N2雰囲気中で600℃,12時
間以上のアニールを行い、ａ−Si膜（４）をＬ−SPEに
より単結晶化し、ｃ−Si膜（５）を形成する。このと
き、ｃ−Si膜（５）のＰ濃度は、３×1020cm-3と高濃度
のままである。Next, as shown in FIG. 1 (b), the a-Si film (4)
The P ions are implanted into, after the P-concentration 3 × 10 20 cm -3, as shown in FIG. (C), 600 ° C. in a N 2 atmosphere, annealing is performed for more than 12 hours, a-Si The film (4) is monocrystallized by L-SPE to form a c-Si film (5). At this time, the P concentration of the c-Si film (5) remains as high as 3 × 10 20 cm −3 .
さらに、このｃ−Si膜（５）をRCA法により十分に洗
浄したのち、第１図（ｄ）に示すように、dry−O2雰囲
気中で基板温度900℃,8分間の熱酸化を行い、ｃ−Si膜
（５）に厚さ30Å程度のSiO2膜（６）を形成する。Further, after sufficiently cleaning the c-Si film (5) by the RCA method, as shown in FIG. 1 (d), thermal oxidation is performed in a dry-O 2 atmosphere at a substrate temperature of 900 ° C. for 8 minutes. An SiO 2 film (6) having a thickness of about 30 ° is formed on the c-Si film (5).
この熱酸化処理により、ｃ−Si膜（５）のSiO2膜
（６）との界面付近にＰ原子が移動して溜る。By this thermal oxidation treatment, P atoms move and accumulate near the interface between the c-Si film (5) and the SiO 2 film (6).
つぎに、第１図（ｅ）に示すように、緩衝フツ酸溶液
中でSiO2膜（６）をエツチングし、SiO2膜（６）を除去
したのち、ｃ−Si膜（５）を十分に水洗し、同図（ｆ）
に示すように、SF6ガスを用いた反応性イオンエツチン
グ〔RIE〕により、ｃ−Si膜（５）の表層部を除去し、
Ｐ原子が溜つて高濃度になつた部分を除去する。Next, as shown in FIG. 1 (e), after etching the SiO 2 film (6) in a buffered hydrofluoric acid solution to remove the SiO 2 film (6), the c-Si film (5) is (F)
As shown in (1), the surface layer of the c-Si film (5) was removed by reactive ion etching [RIE] using SF 6 gas.
The portion where P atoms accumulate and become highly concentrated is removed.
ここで、RIEの条件は、真空度0.03Torr,RFパワー50W,
エツチング時間20秒であり、エツチングレートは約300
Å/minである。Here, the RIE conditions are as follows: vacuum degree 0.03 Torr, RF power 50 W,
Etching time is 20 seconds and etching rate is about 300
Å / min.
従つて、以上説明した第１図（ｄ）〜（ｆ）の工程に
より、ｃ−Si膜（５）のＰ濃度を低減することができ、
必要に応じ、これらの工程を繰り返すことによつてＰ濃
度を所望の値まで低減することが可能となる。Therefore, the P concentration of the c-Si film (5) can be reduced by the steps of FIGS. 1 (d) to (f) described above,
If necessary, the P concentration can be reduced to a desired value by repeating these steps.
そして、このような工程により形成したｃ−Si膜
（５）上に、ｃ−Si膜をエピタキシヤル成長させたの
ち、SIMS分析による深さ方向へのＰ濃度プロフアイルを
調べた結果、第２図中の実線に示すようになり、このデ
ータから明らかなように、Ｌ−SPEによるｃ−Si膜
（５）のＰ濃度は1018cm-3程度と当初よりも低く、その
上層のエピタキシヤルｃ−Si膜のＰ濃度もせいぜい1014
〜1016cm-3である。ただし、第２図の横軸は上層のエピ
タキシヤルｃ−Si膜の表面からの深さ、縦軸はＰ濃度で
ある。Then, after a c-Si film was epitaxially grown on the c-Si film (5) formed by such a process, as a result of examining the P concentration profile in the depth direction by SIMS analysis, As shown by the solid line in the figure, as is clear from this data, the P concentration of the c-Si film (5) by L-SPE was lower than that of the beginning, about 10 18 cm -3, and the epitaxial layer in the upper layer The P concentration of the c-Si film is at most 10 14
~ 10 16 cm -3 . In FIG. 2, the horizontal axis represents the depth from the surface of the upper epitaxial c-Si film, and the vertical axis represents the P concentration.
さらに、このエピタキシヤルｃ−Si膜にデバイスを作
成するために、例えば950℃,8時間の熱処理を施こした
後のＰ濃度プロフアイルは第２図中の破線に示すように
なり、エピタキシヤルｃ−Si膜のＰ濃度は1015〜1017cm
-3であり、従来より２〜４桁もＰ濃度を低減することが
できる。Further, in order to form a device on this epitaxial c-Si film, the P concentration profile after, for example, heat treatment at 950 ° C. for 8 hours is as shown by the broken line in FIG. The P concentration of the c-Si film is 10 15 to 10 17 cm.
-3 , and the P concentration can be reduced by two to four orders of magnitude.
このように、ｃ−Si膜（５）のＰ濃度を第１図（ｄ）
〜（ｆ）の工程によつて大幅に低減できるため、このｃ
−Si膜（５）上にｃ−Si膜をエピタキシヤル成長させて
も、従来に比べ、ｃ−Si膜（５）のＰ濃度はもとより、
エピタキシヤルｃ−Si膜のＰ濃度も大幅に低減すること
ができる。Thus, the P concentration of the c-Si film (5) was changed as shown in FIG.
(F) can greatly reduce the number of steps.
-Even if the c-Si film is epitaxially grown on the -Si film (5), the P-concentration of the c-Si film (5) as well as the
The P concentration of the epitaxial c-Si film can also be significantly reduced.
また、ｃ−Si膜（５）のＰ濃度をさらに低減するに
は、第１図（ｄ）〜（ｅ）の工程を繰り返せばよく、繰
り返し数を多くして、Ｐ濃度を1015cm-3まで低減するこ
とにより、ｃ−Si膜（５）をデバイスの能動層として使
用することも可能となる。Further, in order to further reduce the P concentration of the c-Si film (5), the steps of FIGS. 1 (d) to (e) may be repeated, and the number of repetitions is increased to increase the P concentration to 10 15 cm − By reducing the number to 3, it becomes possible to use the c-Si film (5) as the active layer of the device.
なお、前記実施例では、SiO2膜（６）を熱酸化により
形成することによつて、ｃ−Si膜（５）のSiO2膜（６）
との界面付近へＰ原子を移動させるようにしたが、ｃ−
Si膜（５）上にSiO2膜を堆積形成し、その後1000℃以上
の温度でアニールすることによつて、Ｐ原子を移動させ
るようにしても、本発明を同様に実施することができ
る。In the above embodiment, Yotsute that SiO 2 film (6) is formed by thermal oxidation, the SiO 2 film of the c-Si film (5) (6)
P atoms were moved to the vicinity of the interface with
The present invention can be similarly implemented by moving a P atom by depositing and forming an SiO 2 film on the Si film (5) and thereafter annealing at a temperature of 1000 ° C. or more.
また、SOI膜における絶縁膜は、前記したSiO2膜
（２）に限るものではない。Further, the insulating film in the SOI film is not limited to the above-mentioned SiO 2 film (2).
本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載する効果を奏する。Since the present invention is configured as described above,
The following effects are obtained.
リンを含有した単結晶シリコン膜上に、熱酸化により
シリコン酸化膜を形成し，又はシリコン酸化膜を堆積形
成したのちアニールすることにより、単結晶シリコン膜
のシリコン酸化膜との界面付近にリン原子が移動して溜
り、単結晶シリコン膜のこの界面付近以外の領域におけ
るリン濃度が当初より大幅に低下するため、その後シリ
コン酸化膜及び単結晶シリコン膜のリン濃度の高い表層
部をエツチング等により順次除去することにより、絶縁
膜上の単結晶シリコン膜のリン濃度を大幅に低減するこ
とができ、この単結晶シリコン膜をデバイスの能動層と
して使用することが可能となり、さらにこの上に能動層
用の単結晶シリコン膜をエピタキシヤル成長させても、
従来のように上層のエピタキシヤル成長膜のリン濃度が
高くなることがなく、集積回路の基板材料として優れた
SOI膜を提供することができる。A silicon oxide film is formed by thermal oxidation on a phosphorus-containing single crystal silicon film, or a silicon oxide film is deposited and then annealed, so that phosphorus atoms are formed near the interface between the single crystal silicon film and the silicon oxide film. Moves and accumulates, and the phosphorus concentration in a region other than the vicinity of the interface of the single crystal silicon film is greatly reduced from the beginning. Then, the surface layer portions of the silicon oxide film and the single crystal silicon film having a high phosphorus concentration are sequentially etched by etching or the like. By removing it, the phosphorus concentration of the single crystal silicon film on the insulating film can be greatly reduced, and this single crystal silicon film can be used as an active layer of a device. Even if the single crystal silicon film of the above is epitaxially grown,
The phosphorous concentration of the upper epitaxial growth film does not increase as in the past, making it an excellent substrate material for integrated circuits.
An SOI film can be provided.
第１図及び第２図は本発明のSOI膜の製造方法の１実施
例を示し、第１図（ａ）〜（ｆ）は製造工程の断面図、
第２図は深さ方向のＰ濃度プロフアイルを示す図、第３
図は従来例の深さ方向のＰ濃度プロフアイルを示す図で
ある。 （２）……SiO2膜、（５）……ｃ−Si膜、（６）……Si
O2膜。1 and 2 show one embodiment of a method for manufacturing an SOI film according to the present invention, and FIGS. 1 (a) to 1 (f) are cross-sectional views of a manufacturing process.
FIG. 2 is a diagram showing a P concentration profile in the depth direction, and FIG.
The figure shows a conventional P concentration profile in the depth direction. (2) ...... SiO 2 film, (5) ...... c-Si film, (6) ...... Si
O 2 membrane.
フロントページの続き (72)発明者 長沢 秀治 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−185015（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ, Ｖｏｌ．128，Ｎｏ．５ （1981−５．) ｐ．1101−1106Continuation of the front page (72) Inventor Hideharu Nagasawa 2-18-18 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (56) References JP-A-63-185015 (JP, A) Journal of Electric chemical Society, Vol. 128, No. 5 (1981-5.) P. 1101-1106
Claims (1)
膜を形成したSOI膜の製造方法において、 前記シリコン膜上に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成
し，又は前記シリコン膜上にシリコン酸化膜を堆積形成
したのちアニールする工程と、前記シリコン酸化膜を除
去する工程と、前記シリコン膜の表層部を除去する工程
とを含むことを特徴とするSOI膜の製造方法。1. A method of manufacturing an SOI film in which a phosphorus-containing single crystal silicon film is formed on an insulating film, wherein a silicon oxide film is formed on the silicon film by thermal oxidation, or a silicon oxide film is formed on the silicon film. A method for manufacturing an SOI film, comprising: annealing after depositing and forming a film; removing the silicon oxide film; and removing a surface layer of the silicon film.
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| JP4127789A JP2664460B2 (en) | 1989-02-20 | 1989-02-20 | SOI thin manufacturing method |
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| JPH02219215A JPH02219215A (en) | 1990-08-31 |
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| Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．１２８，Ｎｏ．５ （１９８１−５．） ｐ．１１０１−１１０６ |
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| JPH02219215A (en) | 1990-08-31 |
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