JP3995286B2 - Simox基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の技術分野】
本発明は、SIMOX基板の製造方法に係り、特に、SIMOX基板に形成する埋めこみ酸化膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、単結晶シリコン基板中に酸化シリコンなどの絶縁体を埋めこみ形成し、単結晶シリコン基板と表面の半導体層とを絶縁分離した構造の半導体基板はSOI(Silicon on Insulator)と呼ばれており、種々の半導体デバイスの製造に用いられている。このSOI基板の製造には、一般的に貼り合わせ法によるもの、酸素イオンなどを表面から所定の深さに注入し酸化膜を形成するイオン注入法によるもの、絶縁膜上に多結晶薄膜を形成してこれを熱処理により単結晶化するもの、成膜条件を制御して絶縁膜上に単結晶薄膜を形成するものなどがある。これらの方法のうちイオン注入によるものは、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)と呼ばれており、単結晶シリコン基板中に高濃度の酸素イオンを注入しその後の高温アニール処理でシリコンと酸素とを反応させてシリコン基板内部に埋めこみ酸化膜を形成させるようにしたものである。
【0003】
SIMOX基板の形成工程において、酸素イオン注入直後では、化学的に安定なSiO2 の他に、結合状態が不安定なSi−O化合物が混在しており、境界面が急峻な埋めこみ酸化膜を形成するには図1に示すように単結晶シリコン基板1にイオン注入をおこなった後、1100℃から1350℃の温度で数時間アニールする必要がある。即ち、図20に示すように表面単結晶シリコン層(以下表面シリコン層と称す)3の表面から所定の深さに、埋めこみ酸化膜2すなわち安定なSiO2 を形成するための高温アニール処理が必要とされている。
【0004】
このようなSIMOX基板では、酸素イオンの注入によってシリコン基板表面下に形成される埋めこみ酸化膜の組成、膜質はイオン注入量(ドーズ量)に依存していることが知られており、界面が急峻な埋めこみ酸化膜を形成するために、一般的に4・1017/cm2から2・1018/cm2程度の酸素注入量が必要である。しかしドーズ量が増すと表面単結晶シリコン層に結晶欠陥が発生するという問題があった( S.Nakashima and K.Izumi,J.Mater.Res.,Vol.8,No.3,523(1993))。
【0005】
例えば通常は、図1に示すように、180KeV、550℃で4・1017/cm2 程度のイオン注入を行い、この後、Ar+0.5%のO2 雰囲気中で1350℃で4時間の高温アニール処理を行うようにしている。そして、このようにして得られたSIMOX基板に対し低いドーズ量で結晶欠陥数が少なく良好な埋めこみ酸化膜を形成するために、更にAr+50%から100%のO2 雰囲気中で図21に示すように1350℃4時間程度の高温酸化処理を行うITOX(Internal Thermal Oxidation) 工程が提案されている(特開平7ー263538号公報)。この方法によれば、埋めこみ酸化膜厚を厚くすることができるとともに、埋めこみ酸化膜2中のピンホール密度を低くすることができ、更には埋めこみ酸化膜界面の平坦度を改善することができる。
【0006】
しかしながら、ITOX工程を経ても、図22に示すように埋めこみ酸化膜2の内部にはシリコン島6が残留し、これが絶縁耐圧の向上を阻む大きな問題となっている。また、通常高温アニール処理後の測定によれば、表面シリコン層3と埋めこみ酸化膜2との界面に形成される欠陥には四面体形状のものとピラミッド型のものがあり、一方表面シリコン層3内部に形成される欠陥は四面体形状のものがあり、これらを総称して複合積層欠陥(SFC)5という。この表面シリコン層3内部のSFC密度は108/cm2 検出されている。また、 これにさらにITOX工程を施した場合、SFC密度は2・107/cm2 と低減はされる。しかしながら半導体装置の高集積化・微細化は進む一方であり、MOSデバイスのゲート長が0.1μm程度以下となり、ゲート長がこれらの結晶欠陥の大きさと同程度となると、これらSFCに起因するリークの発生は免れ得ないものとなってくると考えられる。そこでさらなるSFC密度の低減が望まれることになる。
【0007】
従来の方法では、ゲート長が0.1μm以下のMOSデバイスの形成に十分対応できるように、表面シリコン層の結晶欠陥密度を十分に低減し、かつ信頼性の高い埋めこみ酸化膜を得るのは極めて困難であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のSIMOX基板の製造方法においては、ゲート長が0.1μm以下のMOSデバイスの形成に対応できる程度に、SFC密度を十分に低減することは困難であるという問題があった。
【0009】
このように、表面のシリコン層内部および埋めこみ酸化膜との界面での欠陥や埋めこみ酸化膜内部のシリコン島を充分に低減することができないという問題があった。
【0010】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、表面シリコン層内、および埋めこみ酸化膜との界面でのSFC密度を低減することを目的とする。
また本発明の他の目的は、埋めこみ酸化膜の内部にシリコン島が残留することなく、信頼性の高いSIMOX基板を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、単結晶シリコン表面に酸素イオンを注入した後高温アニール処理を行うに際し、高温アニール処理工程の初期に酸素分圧を高めにして熱処理を行う酸素分圧窓工程を含むことを特徴とする。
【0012】
すなわち、本発明の第1では、単結晶シリコン基板表面に酸素イオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入のなされた単結晶シリコン基板に対し低濃度の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理工程を実行することにより、前記単結晶シリコン基板表面から所定の深さに、埋めこみ酸化膜を形成するSIMOX基板の製造方法において、前記高温アニール処理工程の初期に、酸素析出物の解離速度を緩和するとともに酸素析出物の解離を阻害しない程度の解離平衡状態を維持するように、前記酸素を含む不活性ガス中の酸素分圧を高めにして熱処理を行う酸素分圧窓工程を含むことを特徴とする。
【0013】
望ましくは、前記高温アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で、単結晶シリコン基板を処理する工程であることを特徴とする。
【0014】
さらに望ましくは、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は0.5%より大きくかつ10%未満であることを特徴とする。
【0015】
望ましくは、前記高温アニール処理工程は、1350℃で処理する工程であって、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は5%より大きく10%未満であることを特徴とする。
【0016】
本発明の第2では、前記単結晶シリコン表面に酸素イオンを注入した後、高温アニール処理を行うに際し、SFC密度が107/cm2以下となるように、酸素分圧を高めにして熱処理を行う酸素分圧窓工程を含むことを特徴とする。
【0017】
望ましくは、前記酸素分圧窓工程は、SFC密度が107/cm2以下であってかつシリコン島密度が1・106/cm2 以下となるように、酸素分圧を高めにして熱処理を行う工程であることを特徴とする。
【0018】
また望ましくは、前記高温アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で、単結晶シリコン基板を処理する工程であることを特徴とする。
【0019】
更に望ましくは、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は0.5%より大きくかつ10%未満であることを特徴とする。
【0020】
更に望ましくは、前記高温アニール処理工程は、1350℃で処理する工程であって、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は、5%より大きく10%未満であることを特徴とする。
【0021】
本発明の第3では、 前記高温アニール処理工程の初期に前記酸素分圧を高めにして熱処理を行う酸素分圧窓工程と、この後0.5%程度の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理を行い、埋めこみ酸化膜を形成する高温主アニール工程と、 50%から100%の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温酸化処理を行うITOX工程とを含むことを特徴とする。
【0022】
ITOX工程は、1350℃程度以上で数時間の高温酸化処理であるが、1350℃3〜4時間程度であることが望ましい。
【0023】
望ましくは、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は0.5%より大きくかつ10%未満であることを特徴とする。
【0024】
本発明者は種々の実験の結果から、酸素分圧を高めていくと、SFC密度は減少傾向にある一方、酸素析出物が増大するが、両者がともに小さくなる酸素分圧領域が存在することを発見し、高温アニール処理に先立ち、この酸素分圧窓工程を実行することにより、表面シリコン層中のSFC密度を大幅に低減することができる。また埋めこみ酸化膜中のシリコン島密度の低いSOI基板を得ることが可能となる。
【0025】
ここで、酸素分圧を高めに設定するが、酸素析出物の解離速度を緩和するとともに酸素析出物の解離を阻害しない程度の解離平衡状態を維持するように、設定する。また、この時の酸素分圧の上限の設定については、酸素析出物の解離によって生成される酸素量とシリコン基板内に供給される酸素量との和が、表面酸化膜および埋めこみ酸化膜の形成に消費される酸素量よりも大きくなリ過ぎないように、かつ酸素析出物の解離を阻害する解離平衡状態を持つ程には高めないようにする。 なおこの酸素分圧窓工程の酸素分圧は温度あるいはイオン注入条件などによって最適範囲はわずかにずれることがあるが、0.5%より大きくかつ10%未満とするのが望ましく、10%以上になると、酸素析出物の解離速度が小さくなりすぎ、熱処理を行っても表面シリコン層から酸素析出物が完全に除去され得なくなる。一方0.5%以下であると、シリコン島が増加する。
【0026】
かかる方法によれば、検出されるSFC密度は3・106/cm2となる。この値は従来検出されていたSFC密度が、108/cm2程度であったのに対し、大幅に減少していることがわかる。
【0027】
これは、以下に示すような理由によるものと考えられる。SIMOX基板の形成における埋めこみ酸化膜の形成の最終段階の熱処理工程に相当する1350℃の等温アニール工程の最初の2時間は、表面シリコン層に形成された酸素析出物の解離段階に相当すると考えられる。この工程では、種々の実験結果から、酸素分圧が0.5%である時は、酸素析出物の解離によって得られる酸素原子の一部は、熱酸化膜の形成に消費される。従って埋めこみ酸化膜中にシリコン島が残留する可能性が増える。更にこの場合、酸素析出物の解離が急速であることによって空孔が過飽和の状態になり、SFCの生成される可能性が増大する。そこで熱酸化膜の形成に消費される酸素原子量を越えるように酸素分圧が0.5%より大きくして酸素過剰雰囲気を構成することにより、シリコン島の残留を低減するとともにSFC密度の低減をはかることが可能となるものと考えられる。一方酸素分圧10%以上になると、酸素析出物が表面シリコン層に残留する理由は、解離平衡によって、酸素析出物の解離速度が大幅に小さくなり、表面シリコン層内における酸素析出物が、熱処理工程によって完全に除去されなくなるためであると考えられる。
【0028】
これは、酸素析出物の解離によって生成される空孔が結晶欠陥生成の核となっていると考えられ、本発明は、この空孔生成速度を小さくすることにより、結晶欠陥が生成されるのを抑制しようとするものである。そこで解離平衡を考慮し、酸素分圧を高めることにより、酸素析出物の解離速度を小さくし、これにより、結晶欠陥の生成を抑制する。
【0029】
前記高温アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で、単結晶シリコン基板を処理することにより、信頼性の高いSIMOX基板を得ることができる。 1300℃未満では酸素析出物の解離速度が小さくなる。従って、実用的な熱処理時間では酸素析出物は完全に除去されない。
【0030】
また望ましくは、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧を0.5%より大きくかつ10%未満とすれば、上記温度範囲では十分にSFC密度を低減することができるとともに埋めこみ酸化膜中のシリコン島密度も低減することができる。
【0031】
また、高温アニール処理工程を、1350℃とし、酸素分圧窓工程の酸素分圧を5%より大きく10%未満とした時、SFC密度を更に減少させることができる。
【0032】
更に、またこのような酸素分圧窓工程を実行したものに対し、ITOX工程を施した場合、SFC密度は8・105/cm2程度に減少する。ちなみに酸素分圧窓工程を実行しないでITOX工程を施した場合、SFC密度は2・107/cm2程度であった。
【0033】
【実施例】
以下、本発明の実施例のSIMOX基板の製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0034】
本発明実施例は、単結晶シリコン表面に酸素イオンを注入した後高温アニール処理を行うに際し、高温アニール処理工程の初期に酸素分圧を高めにして熱処理を行う酸素分圧窓工程を含むことを特徴とする。すなわちこの工程では図1に示すように、180KeV、550℃で4・1017/cm2 程度のイオン注入を行い、この後図2に示すように、Ar+1.8%のO2 雰囲気中で1350℃2時間の中間アニール処理を行った後Ar+0.5%のO2 雰囲気中で1350℃2時間の高温アニール処理を行うようにしている。
【0035】
このようにして得られたSIMOX基板では、SFC密度は、2・107/cm2程度ンとなっており、シリコン島も減少している。このように本発明実施例の方法によれば、従来に比べ大幅にこれらの欠陥が減少していることがわかる。また表面シリコン層の酸素析出物密度も十分に低減されている。
【0036】
次に、同様にしてイオン注入を行った単結晶シリコン基板に対し、酸素分圧窓工程における酸素分圧を変化させた時の状態変化を観察した。ここで、図4は、イオン注入の高温アニール開始時の状態を示すTEM写真である。そして、中間段階すなわち酸素分圧窓工程を開始してから0.5時間後の状態と高温アニール工程を終了した段階(終了段階) におけるシリコン基板の断面状態を示す TEM写真を図5(a)、(b)から 図9(a)、(b)に示す。ここで、各図において (a) は中間段階、(b)は高温アニール処理を終了した段階のTEM写真であり、図5(a)、(b)から図9(a)、(b)にはそれぞれ、Xを 0.5%、1.8%、10%、30%、70%とした時の結果を示す 。この図から明らかなように、 Xを0.5%、1.8%としたときは、 図5(a)及び(b)及び図6(a)及び(b) に示すように、図4に示した高温アニール開始時の状態に比べ表面のシリコン層内の酸素析出物は減少しており、転位もなく良好なSIMOX基板が形成されている。一方、図7(a)及び(b)から図9(a)及び(b)では、酸素析出物の残留や転位が検出される。
【0037】
また、図10に酸素分圧(横軸)と、結晶欠陥密度(縦軸)との関係を測定した結果を示す。図中、黒丸は酸素析出物を示し、白丸はSFCを示す。この図からも酸素分圧(Ar+X%O2)Xを0.5%より大きく10%未満とした時、酸素析出物密度が低減し、またSFC密度も少なくなっていることがわかる。更にXを5%より大きく10%未満とした時、酸素析出物密度もSFC密度も小さくなっていることがわかる。ここで熱処理温度は1350℃であった。
また、図11に、この時の埋めこみ酸化膜中のシリコン島密度を測定した結果を示す。この図から、Xを0.5%から5%としたときシリコン島密度は十分に少なくなっている。Xが 5%を越えると、下がる傾向にあり、図には示していないが十分に少なくなっている。
【0038】
更に図12は中間段階すなわちAr+X%O2で1350℃、30分の酸素分圧窓工程を行った後、酸素含有量と、析出物密度及び析出物の平均粒径との関係を測定した結果を示す。また 図13は高温アニール工程終了後すなわち終了段階の酸素析出物密度及び酸素析出物の平均粒径との関係を測定した結果を示す。
【0039】
また図14乃至図16は、それぞれ各段階における表面シリコン層中に残留する酸素析出物の密度、酸素析出物の平均粒径、及び酸素濃度を示す図である。 これらの結果から酸素(Ar+X%O2)Xを0.5%より大きく10.0%未満とした時、析出物密度も析出物の平均粒径も酸素濃度も終了段階で十分に小さくなっていることがわかる。
【0040】
また、図17に、酸素分圧(Ar+X%O2)Xを0.5%、10%及び70%とした時のイオン注入表面からの深さ(横軸)と酸素濃度(縦軸)との関係を測定した結果を示す。この結果からも、Xを0.5%、10%とした場合、酸素濃度が急峻に変化し、良好な埋めこみ酸化膜が形成されている事がわかる。
【0041】
次に図18にその高温アニール工程にITOX工程を加えた熱処理工程のプロファイルを示すように、このようにして得られたSIMOX基板の一部に対して更にAr+50%から100%のO2 雰囲気中で1350℃3時間程度の高温酸化処理を行ういわゆるITOX工程をおこなった場合その前後のSFC密度の変化を図19に示す。この結果からも、ITOX工程によって何れも大幅に低減されることがわかる。 なお、高温アニール工程における温度あるいは時間、また、高温アニール工程の初期段階における温度あるいは時間最適酸素分圧はイオン注入条件あるいは他の条件によっていくらかは変動することがある。
【0042】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、高温アニール処理に先立ち、酸素分圧窓工程を実行することにより、SFC及びシリコン島の少ないSIMOX基板を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法で用いられるイオン注入工程を説明する図
【図2】本発明実施例の高温アニール工程のプロファイルを示す図
【図3】本発明実施例及び比較例の高温アニール工程のプロファイルを示す図
【図4】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における高温アニール開始時の結晶構造を示すTEM写真
【図5】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における中間段階(a) 及び終了段階 (b)の結晶構造を示すTEM写真
【図6】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における中間段階(a) 及び終了段階(b)の結晶構造を示すTEM写真
【図7】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における中間段階(a) 及び終了段階(b)の結晶構造を示すTEM写真
【図8】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における中間段階(a) 及び終了段階(b)の結晶構造を示すTEM写真
【図9】本発明実施例のSIMOX基板の製造方法における中間段階(a) 及び終了段階(b)の結晶構造を示すTEM写真
【図10】酸素分圧(横軸)と、結晶欠陥密度(縦軸)との関係を測定した結果を示す図
【図11】酸素分圧(横軸)と、埋めこみ酸化膜中のシリコン島密度(縦軸)との関係を測定した結果を示す図
【図12】中間段階の、酸素分圧と、析出物密度及び析出物の平均粒径との関係を測定した結果を示す図
【図13】終了段階の析出物密度および析出物の平均粒径との関係を測定した結果を示す図
【図14】各段階における表面シリコン層中に残留する酸素析出物の密度を測定した結果を示す図
【図15】各段階における表面シリコン層中に残留する酸素析出物の平均粒径を測定した結果を示す図
【図16】各段階における表面シリコン層中に残留する酸素濃度(縦軸)を測定した結果を示す図
【図17】酸素分圧を変化したときのイオン注入表面からの深さ(横軸)と酸素濃度(縦軸)との関係を測定した結果を示す図
【図18】高温アニール工程後にITOX工程を行う場合の熱処理工程を示す説明図
【図19】ITOX工程をおこなった場合その前後のSFC密度の変化を示す説明図
【図20】従来のSIMOX基板の製造工程における高温アニール工程を示す説明図
【図21】従来のSIMOX基板の製造工程におけるITOX工程を行う場合の熱処理工程を示す説明図
【図22】従来のSIMOX基板における欠陥を示す説明図
【符号の説明】
1 単結晶シリコン基板
2 埋めこみ酸化膜
3 表面シリコン層
4 酸化シリコン膜
5 SFC
6 シリコン島
Claims (6)
- 単結晶シリコン基板表面に酸素イオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入のなされた単結晶シリコン基板に対して酸素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール処理工程を実行することにより、前記単結晶シリコン基板表面から所定の深さに、埋めこみ酸化膜を形成するSIMOX基板(Separation by Implanted Oxygen)の製造方法において、
前記アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で前記単結晶シリコン基板を処理する高温アニール処理工程であり、
前記高温アニール処理工程の初期に、前記酸素を含む不活性ガス中の酸素分圧を0.5%より大きく10%未満として熱処理を行う酸素分圧窓工程と、
前記酸素分圧窓工程後、0 . 5%の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理を行い、埋めこみ酸化膜を形成する高温主アニール工程と
を含むことを特徴とするSIMOX基板の製造方法。 - 前記高温アニール処理工程は、1350℃で処理する工程であって、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は5%より大きくかつ10%未満であることを特徴とする請求項1記載のSIMOX基板の製造方法。
- 単結晶シリコン基板表面に酸素イオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入のなされた単結晶シリコン基板に対して酸素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール処理工程を実行することにより、前記単結晶シリコン基板表面から所定の深さに、埋めこみ酸化膜を形成するSIMOX基板の製造方法において、
前記アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で前記単結晶シリコン基板を処理する高温アニール処理工程であり、
前記単結晶シリコン表面に酸素イオンを注入した後高温アニール処理を行うに際し、該高温アニール処理の初期に、埋めこみ酸化膜上部に位置する表面単結晶シリコン層中のSFC(複合積層欠陥)密度が107/cm2以下となるように、酸素分圧を0.5%より大きく10%未満として熱処理を行う酸素分圧窓工程と、
前記酸素分圧窓工程後、0 . 5%の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理を行い、埋めこみ酸化膜を形成する高温主アニール工程と
を含むことを特徴とするSIMOX基板の製造方法。 - 前記酸素分圧窓工程は、シリコン島密度が1・106/cm2 以下となるように、酸素分圧を5%より大きく10%未満として熱処理を行う工程であることを特徴とする請求項3記載のSIMOX基板の製造方法。
- 前記高温アニール処理工程は、1350℃で処理する工程であって、前記酸素分圧窓工程の酸素分圧は5%より大きくかつ10%未満であることを特徴とする請求項3記載のSIMOX基板の製造方法。
- 単結晶シリコン基板表面に酸素イオンを注入するイオン注入工程と、イオン注入のなされた単結晶シリコン基板に対して酸素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール処理工程を実行することにより、前記単結晶シリコン基板表面から所定の深さに、埋めこみ酸化膜を形成するSIMOX基板の製造方法において、
前記アニール処理工程は、1300℃以上であって、単結晶シリコンの融点に満たない温度で前記単結晶シリコン基板を処理する高温アニール処理工程であり、
前記高温アニール処理工程は、
初期に前記酸素分圧を0.5%より大きく10%未満として熱処理を行う酸素分圧窓工程と、
前記酸素分圧窓工程後、0.5%の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理を行い、埋めこみ酸化膜を形成する高温主アニール工程と、
50%から100%の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で高温酸化処理を行うITOX(Internal Thermal Oxidation)工程と
を含むことを特徴とするSIMOX基板の製造方法。
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