JP4259708B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁層上にシリコン層を形成したＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板の製造方法に関する。更に詳しくはＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted Oxygen）技術によるＳＯＩ基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＩ基板の製造方法の１つにＳＩＭＯＸ法が知られている。ＳＩＭＯＸ法では、シリコンウェーハの表面から酸素イオンを注入した後、アニール処理することによりウェーハ表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成することにより、埋込みシリコン酸化層上に単結晶シリコン層（以下、ＳＯＩ層という。）を有するＳＯＩ基板を得ている。
上記酸素イオン注入されるシリコンウェーハは、チョクラルスキー（以下、ＣＺという。）法により作られたウェーハであって、通常結晶に起因したパーティクル（Crystal Originated Particle、以下、ＣＯＰという。）が存在する。このＣＯＰは、鏡面研磨後のシリコンウェーハをアンモニアと過酸化水素の混合液で洗浄したときにウェーハ表面に出現する結晶に起因したピットである。このウェーハをパーティクルカウンタで測定すると、このピットも本来のパーティクルとともに光散乱欠陥として検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＯＰの存在するＣＺシリコンウェーハを用いてＳＯＩ基板を製造した場合には、ＨＦ欠陥密度が増大する。ＨＦ欠陥とは、ＳＯＩ基板をＨＦ処理する際に埋込み酸化膜が局所的に浸食されるものを指し、通常、ＨＦ処理後のエッチングピットとして視認される。デバイス工程では基板に対するＨＦ処理が一般的に不可欠であるが、本来、埋込み酸化膜はその名称が示す如く端部を除き基板表面に露呈しないため、埋込み酸化膜自身はＨＦに接することなく即ち何らの影響も受けない。しかしながら例えば、基板表面に開口し且つ埋込み酸化膜に達する孔（例えばＣＯＰ）が存在するとき、これよりＨＦが流入し埋込み酸化膜を浸食するため、この部位に形成された素子に不具合を生じさせる。
【０００４】
この点を改善するために、薄膜のエピタキシャル層を積層したシリコンウェーハを用いてこのエピタキシャル層の表面から酸素イオンを注入してＳＯＩ基板を製造することが提案されているが、この方法ではエピタキシャル層を形成するための工程数が増えて煩雑化するとともにＳＯＩ基板のコストを押上げ、ＳＯＩ基板の商業的な量産に適さない。
【０００５】
本発明の目的は、ＨＦ欠陥密度が小さいＳＯＩ基板を工程数を増やさずに量産することができる製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、シリコンウェーハ１１の表面から酸素イオンを注入した後、このシリコンウェーハ１１をアニール処理してウェーハ表面から所定の深さに埋込みシリコン酸化層１２を形成するＳＯＩ基板１０の製造方法において、シリコンウェーハ１１がインゴットの引上げ速度をＶ、ホットゾーン構造でインゴット−シリコン融液の接触面の温度勾配をＧとするとき、温度勾配Ｇに対する引上げ速度Ｖの比（Ｖ／Ｇ）を格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（(Ｖ／Ｇ)₁）以上、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（(Ｖ／Ｇ)₂）以下に維持されるようにホットゾーン炉内のシリコン溶融物からインゴットを引上げ、このインゴットからスライスされた中央に空孔型点欠陥の凝集体もなく、かつ縁部分に格子間シリコン型点欠陥の凝集体もないウェーハであり、シリコンウェーハ１１が点欠陥の凝集体の検出下限値を１×１０³個／ｃｍ³とするとき、点欠陥の凝集体の数が上記検出下限値以下であり、かつ、アニール処理を１３５０℃、４時間にすることにより、ＨＦ欠陥密度が０．１個／ｃｍ ² のＳＯＩ基板を工程数を増やさずに量産することを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、点欠陥の凝集体が殆ど存在しないため、ＣＯＰに起因したＳＯＩ層のＨＦ欠陥密度を低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコンウェーハは、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からインゴットをボロンコフ（Voronkov）の理論に基づいた所定の引上げ速度プロファイルで引上げた後、このインゴットをスライスして作製される。
一般的に、ＣＺ法によりホットゾーン炉内のシリコン融液からシリコン単結晶のインゴットを引上げたときには、シリコン単結晶における欠陥として、点欠陥（point defect）と点欠陥の凝集体（agglomerates：三次元欠陥）が発生する。点欠陥は空孔型点欠陥と格子間シリコン型点欠陥という二つの一般的な形態がある。空孔型点欠陥は一つのシリコン原子がシリコン結晶格子で正常的な位置の一つから離脱したものである。このような空孔が空孔型点欠陥になる。一方、原子がシリコン結晶の格子点以外の位置（インタースチシャルサイト）で発見されるとこれが格子間シリコン点欠陥になる。
【０００８】
点欠陥は一般的にシリコン融液（溶融シリコン）とインゴット（固状シリコン）の間の接触面で形成される。しかし、インゴットを継続的に引上げることによって接触面であった部分は引上げとともに冷却し始める。冷却の間、空孔型点欠陥又は格子間シリコン型点欠陥は拡散により互いに合併して、空孔型点欠陥の凝集体（vacancy agglomerates）又は格子間シリコン型点欠陥の凝集体（interstitial agglomerates）が形成される。言い換えれば、凝集体は点欠陥の合併に起因して発生する三次元構造である。
【０００９】
空孔型点欠陥の凝集体は前述したＣＯＰの他に、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomograph Defects）又はＦＰＤ（Flow Pattern Defects）と呼ばれる欠陥を含み、格子間シリコン型点欠陥の凝集体は侵入型転位（Interstitial-type Large Dislocation、以下、ＬＤという。）呼ばれる欠陥を含む。ＦＰＤとは、インゴットをスライスして作製されたシリコンウェーハを３０分間セコ（Secco）エッチング液で化学エッチングしたときに現れる特異なフローパターンを呈する痕跡の源であり、ＬＳＴＤとは、シリコン単結晶内に赤外線を照射したときにシリコンとは異なる屈折率を有し散乱光を発生する源である。更にＬＤは、転位クラスタとも呼ばれたり、或いはこの欠陥を生じたシリコンウェーハをフッ酸を主成分とする選択エッチング液に浸漬するとピットを生じることから転位ピットとも呼ばれる。
【００１０】
ボロンコフの理論は、欠陥の数が少ない高純度インゴットを成長させるために、インゴットの引上げ速度をＶ（ｍｍ／分）、ホットゾーン構造でインゴット−シリコン融液の接触面の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）とするときに、Ｖ／Ｇ（ｍｍ²／分・℃）を制御することである。この理論では、図２に示すように、Ｖ／Ｇをよこ軸にとり、空孔型点欠陥濃度と格子間シリコン型点欠陥濃度を同一のたて軸にとって、Ｖ／Ｇと点欠陥濃度との関係を図式的に表現し、空孔領域と格子間シリコン領域の境界がＶ／Ｇによって決定されることを説明している。より詳しくは、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥濃度が上昇したインゴットが形成される反面、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型点欠陥濃度が上昇したインゴットが形成される。図２において、［Ｉ］は格子間シリコン型点欠陥が支配的であって、格子間シリコン型点欠陥が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)₁以下）を示し、［Ｖ］はインゴット内での空孔型点欠陥が支配的であって、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域（(Ｖ／Ｇ)₂以上）を示し、［Ｐ］は空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域（(Ｖ／Ｇ)₁〜(Ｖ／Ｇ)₂）を示す。領域［Ｐ］に隣接する領域［Ｖ］にはＯＳＦ核を形成する領域（(Ｖ／Ｇ)₂〜(Ｖ／Ｇ)₃）が存在する。ここでＯＳＦは酸化誘起積層欠陥（Oxidation Induced Stacking Fault）を意味し、結晶成長時にそのＯＳＦ核となる酸素析出物の微小欠陥が導入され、半導体デバイスを製造する際の熱酸化工程等で顕在化し、作製したデバイスのリーク電流の増加等の不良原因になる。
【００１１】
本発明の所定の引上げ速度プロファイルは、インゴットがホットゾーン炉内のシリコン溶融物から引上げられる時、温度勾配に対する引上げ速度の比（Ｖ／Ｇ）が格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（(Ｖ／Ｇ)₁）以上であって、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（(Ｖ／Ｇ)₂）以下に維持されるように決められる。
【００１２】
この引上げ速度のプロファイルは、実験的に基準インゴットを軸方向にスライスすることで、又はこれらの技術を組合わせることで、シミュレーションによって上記ボロンコフの理論に基づき決定される。即ち、この決定は、シミュレーションの後、インゴットの軸方向スライス及びスライスされたウェーハの確認を行い、更にシミュレーションを繰り返すことによりなされる。シミュレーションのために複数種類の引上げ速度が所定の範囲で決められ、複数個の基準インゴットが成長される。図３に示すように、シミュレーションのための引上げ速度プロファイルは１．２ｍｍ／分のような高い引上げ速度（a）から０．５ｍｍ／分の低い引上げ速度（c）及び再び高い引上げ速度（d）に調整される。上記低い引上げ速度は０．４ｍｍ／分又はそれ以下であることもあってもよく、引上げ速度（b）及び（d）での変化は線形的なものが望ましい。
【００１３】
異なった速度で引上げられ複数個の基準インゴットは各別に軸方向にスライスされる。最適のＶ／Ｇが軸方向のスライス、ウェーハの確認及びシミュレーションの結果の相関関係から決定され、続いて最適な引上げ速度プロファイルが決定され、そのプロファイルでインゴットが製造される。実際の引上げ速度プロファイルは所望のインゴットの直径、使用される特定のホットゾーン炉及びシリコン融液の品質等を含めてこれに限定されない多くの変数に依存する。
【００１４】
引上げ速度を徐々に低下させてＶ／Ｇを連続的に低下させたときのインゴットの断面図を描いてみると、図４に示される事実が分かる。図４には、インゴット内での空孔型点欠陥が支配的に存在する領域が［Ｖ］、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域が［Ｉ］、及び空孔型点欠陥の凝集体及び格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域が［Ｐ］としてそれぞれ示される。図４に示すように、インゴットの軸方向位置Ｐ₁は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ₃は格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング領域及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ₂は、本発明に関連する中央に空孔型点欠陥の凝集体もなく、縁部分に格子間シリコン型点欠陥の凝集体もないので全てパーフェクト領域である。
【００１５】
図４から明らかなように、位置Ｐ₁に対応したウェーハＷ₁は、中央に空孔型点欠陥が支配的に存在する領域を含む。位置Ｐ₃に対応したウェーハＷ₃は、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在するリング及び中央のパーフェクト領域を含む。また位置Ｐ₂に対応したウェーハＷ₂は、本発明に係るウェーハであって、中央に空孔型点欠陥の凝集体もないし、縁部分に格子間シリコン型点欠陥の凝集体もないので全てパーフェクト領域である。この空孔型点欠陥が支配的に存在する領域のパーフェクト領域に接する僅かな領域（図２の(Ｖ／Ｇ)₂〜(Ｖ／Ｇ)₃）は、ウェーハ面内でＣＯＰもＬＤも発生していない領域である。しかしこのシリコンウェーハＷ₁に対して、従来のＯＳＦ顕在化熱処理に従った、酸素雰囲気下、１０００℃±３０℃の温度で２〜５時間熱処理し、引続き１１３０℃±３０℃の温度で１〜１６時間熱処理すると、ＯＳＦを生じる。図５に示すように、ウェーハＷ₁ではウェーハの半径の１／２付近にＯＳＦリングが発生する。このＯＳＦリングで囲まれた空孔型点欠陥が支配的に存在する領域はＣＯＰが出現する傾向がある。
【００１６】
なお、ＣＯＰやＬＤなどの点欠陥の凝集体は検出方法によって検出感度、検出下限値が異なる値を示すことがあるため、本明細書においては、鏡面加工されたシリコン単結晶を無攪拌エッチングを施した後に光学顕微鏡により、観察面積とエッチング取り代との積を検査体積として観察するとき、フローパターン（空孔型欠陥）及び転位クラスタ（格子間シリコン型点欠陥）の各凝集体が１×１０^-3ｃｍ³の検査体積に対して１個欠陥が検出された場合を検出下限値（１×１０³個／ｃｍ³）とする。
【００１７】
本発明のＳＩＭＯＸ法では、点欠陥の凝集体の数がこの検出下限値以下である上述したウェーハＷ₂を用いる。図１に示すようにこの方法では、５００〜６５０℃に加熱されたシリコンウェーハ１１の表面から所定の領域に酸素イオンを加速電圧５０〜２００ｋｅＶ、ドーズ量（注入量）２×１０¹⁷〜２×１０¹⁸／ｃｍ²程度で注入する（図１（ａ））。次いで１３００℃以上の高温でＡｒとＯ₂又はＮ₂とＯ₂の混合ガス雰囲気中、５時間程度アニール処理を行い、所定の領域に注入された酸素とシリコンとの反応により埋込みシリコン酸化層１２を形成する（図１（ｂ））。ウェーハＷ₂は点欠陥の凝集体の数が検出下限値以下の極めて良質なウェーハであるため、上記方法によりウェーハ表面にＳＯＩ層１３とウェーハ内部の埋込みシリコン酸化層１２からなるＳＯＩ基板１０を作製したときに、ＨＦ欠陥密度が極めて小さいＳＯＩ層が得られる。
【００１８】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。
＜実施例１＞
原料の多結晶シリコンを融解したシリコン融液からインゴット全長が図４に示した位置Ｐ₂に対応する領域であって、図２に示したＶ／Ｇが(Ｖ／Ｇ)₁以上(Ｖ／Ｇ)₂以下の領域に入るように、インゴットを引上げた。引上げられたインゴットからスライスされたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して厚さ６２５μｍの鏡面シリコンウェーハを得た。
図１（ａ）に示すように、このシリコンウェーハ１１を５００〜６５０℃に加熱し、この状態でウェーハ１１の所定の領域（例えば、基板表面から約０．４７μｍの領域）に次の条件で酸素イオン（Ｏ⁺）を注入した。
加速電圧： １９０ｋｅＶ
ビーム電流： ５０ｍＡ
ドーズ量： １．６×１０¹⁸／ｃｍ²
イオン注入後に、図１（ｂ）に示すように、ウェーハ１１をＡｒとＯ₂の混合ガス雰囲気中で１３５０℃、４時間アニール処理を行って、上記所定の領域を埋込シリコン酸化層１２に変え、ＳＯＩ基板１０を得た。１３はＳＯＩ層である。
【００１９】
＜比較例１＞
原料の多結晶シリコンを融解したシリコン融液からインゴット全長が図４に示した位置Ｐ₁に対応する領域であって、図２に示したＶ／Ｇが(Ｖ／Ｇ)₂以上の領域に入るように、インゴットを引上げた。引上げられたインゴットからスライスされたシリコンウェーハをラッピングし、面取り加工を施した後、化学エッチング処理によりウェーハ表面のダメージを除去して厚さ６２５μｍの鏡面シリコンウェーハを得た。
このシリコンウェーハを実施例１と同様にしてＳＯＩ基板を得た。
【００２０】
＜比較評価＞
実施例１及び比較例１の各ＳＯＩ基板についてＳＯＩ層におけるＨＦ欠陥密度を次の方法により測定した。即ち、各ＳＯＩ基板から採取したサンプルを５０％ＨＦに１０分間浸漬した後、引上げ、欠陥に起因したエッチングピットを光学顕微鏡により観察し、その密度を求めた。その結果、比較例１が０．３個／ｃｍ²であったのに対して、実施例１では０．１個／ｃｍ²であり、実施例１のＳＯＩ層の欠陥に起因するエッチングピットの密度が極めて少ないことが判る。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シリコンウェーハは点欠陥の凝集体が殆ど存在しないため、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層のＨＦ欠陥密度を小さくすることができる。また従来の薄膜エピタキシャル層を積層したシリコンウェーハから作られたＳＯＩ基板と比較して工程数を増やさずにＳＯＩ基板を量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＯＩ基板の製造方法を示す部分断面図。
【図２】ボロンコフの理論を基づいた、Ｖ／Ｇ比が臨界点以上では空孔型点欠陥が優勢なインゴットが形成され、Ｖ／Ｇ比が臨界点以下では格子間シリコン型欠陥が優勢なインゴットが形成されることを示す図。
【図３】所望の引上げ速度プロファイルを決定するための引上げ速度の変化を示す特性図。
【図４】本発明による基準インゴットの空孔型点欠陥が支配的に存在する領域、格子間シリコン型点欠陥が支配的に存在する領域及びパーフェクト領域を示すＸ線トポグラフィの概略図。
【図５】図４の位置Ｐ₁に対応するシリコンウェーハＷ₁にＯＳＦリングが出現する状況を示す図。
【符号の説明】
１０ ＳＯＩ基板
１１ シリコンウェーハ
１２ 埋込みシリコン酸化層
１３ ＳＯＩ層

Claims (1)

1. シリコンウェーハ(11)の表面から酸素イオンを注入した後、前記シリコンウェーハ(11)をアニール処理して前記ウェーハ表面から所定の深さに埋込みシリコン酸化層(12)を形成するＳＯＩ基板の製造方法において、
   前記シリコンウェーハ(11)がインゴットの引上げ速度をＶ、ホットゾーン構造でインゴット−シリコン融液の接触面の温度勾配をＧとするとき、前記温度勾配Ｇに対する前記引上げ速度Ｖの比（Ｖ／Ｇ）を格子間シリコン型点欠陥の凝集体の発生を防止する第１臨界比（(Ｖ／Ｇ)₁）以上、空孔型点欠陥の凝集体をインゴットの中央にある空孔型点欠陥が支配的に存在する領域内に制限する第２臨界比（(Ｖ／Ｇ)₂）以下に維持されるようにホットゾーン炉内のシリコン溶融物からインゴットを引上げ、このインゴットからスライスされた中央に空孔型点欠陥の凝集体もなく、かつ縁部分に格子間シリコン型点欠陥の凝集体もないウェーハであり、
   前記シリコンウェーハ(11)が点欠陥の凝集体の検出下限値を１×１０³個／ｃｍ³とするとき、前記点欠陥の凝集体の数が前記検出下限値以下であり、かつ、前記アニール処理を１３５０℃、４時間にすることにより、ＨＦ欠陥密度が０．１個／ｃｍ ² のＳＯＩ基板を工程数を増やさずに量産することを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。

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