JP6174756B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体製造技術に関し、特に、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板の製造方法に関する。
シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板は、集積回路を製造するための基板の１種である。現在広く適用されているバルクシリコン基板に比べて、ＳＯＩ基板は、ＳＯＩを使った集積回路は寄生容量が小さい、高集積密度、少ない短チャネル効果および速度が速い、などのいくつかの利点を有し、集積回路におけるデバイスの絶縁層分離を行って寄生ラッチ効果を取り除くことが可能となる。
現時点での３種のより成熟したＳＯＩ基板の製造方法には、酸素注入分離技術（ＳＩＭＯＸ）プロセス、シリコンウエハボンディングプロセス、スマートカットプロセスが挙げられる。しかし、デバイスの性能に影響を及ぼすＳＯＩ基板の現在の製造方法の技術にはまだ不十分な点がある。
したがって、本発明の目的は、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板およびその製造方法を提供することであり、これにより、水素アニーリングプロセスを実施しなくてもＳＯＩ基板上に形成されたデバイスの欠陥を画定することが可能となる。
上述問題を解決するために、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板の製造方法は、第１の基板を用意して第１の誘電体層を第１の基板上に形成するステップと、重水素イオンを第１の基板に注入して重水素不純物層を所定の深さで第１の基板中に形成するステップと、第２基板を用意して第２の誘電体層を第２の基板上に形成し、第１の誘電体層と結合するステップと、アニーリングプロセスを実行して重水素不純物層中にマイクロバブルを形成するステップと、重水素不純物層から第１の基板を切断してＳＯＩ基板を得るステップとを含む。
本開示の一態様では、第２の基板はＳＯＩ基板のシリコン基板と見なされ、第１の誘電体層および第２の誘電体層はＳＯＩ基板の絶縁層と見なされ、また、重水素不純物層と第１の誘電体層との間の第１の基板の一部はＳＯＩ基板の上部シリコン層と見なされる。
本開示の一態様では、上部シリコン層は重水素イオンを有する。
本開示の一態様では、製造方法は、上部シリコン層上に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うステップをさらに含む。
本開示の一態様では、所定の深さは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
本開示の一態様では、第１の誘電体層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含み、第１の誘電体層の厚さは０．１ｎｍ〜２００ｎｍである。
本開示の一態様では、重水素イオンを第１の基板に注入する際の重水素イオンの注入出力は１ＫｅＶ〜５００ＫｅＶで、重水素イオンの不純物濃度は１．０ｘ１０１４／ｃｍ３〜１．０ｘ１０１８／ｃｍ３である。
本開示の一態様では、重水素イオンを第１の基板に注入するステップは、重水素プラズマ浸漬イオンを第１の基板に注入するステップ含み、この場合、重水素プラズマ浸漬イオンの注入出力は５００ｅＶ〜５ＫｅＶで、重水素プラズマ浸漬イオンの不純物濃度は１．０ｘ１０１４／ｃｍ３〜１．０ｘ１０１８／ｃｍ３である。
本開示の一態様では、第２の誘電体層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含み、第２の誘電体層の厚さは０．０５ｎｍ〜１０ｎｍである。
本開示の一態様では、第１の誘電体層は、３００〜４００セ氏温度（℃）で第２の誘電体層に結合される。
本開示の一態様では、アニーリングプロセスが６００〜８００セ氏温度（℃）で行われる。
代表的実施形態では、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板が提供される。ＳＯＩ基板は、シリコン基板、シリコン基板上に形成された絶縁層および絶縁層上に形成された上部シリコン層を含み、上部シリコン層は重水素イオンを有し、上部シリコン層は重水素イオンを有する。
本発明の方法は、重水素イオンを第１の基板中に注入することを含む。重水素イオンの質量は大きいので、重水素イオンはアニーリングプロセス後でもまだ第１の基板中に存在しており、そのため、ＳＯＩ基板の上部シリコン層は重水素イオンを有する。
本発明でＳＯＩ基板上にゲート酸化層またはインターフェースなどのデバイスを形成する場合、重水素イオンは拡散し、インターフェース上にダングリングボンドで結合してより安定な構造を得ることが可能となる。しかも、重水素イオンにより、デバイスに存在する欠陥が除去されて、水素アニーリングなしでホットキャリアトンネル電界効果を回避することが可能となる。したがって、本発明の方法は、製造プロセスを単純化し、デバイス性能および信頼性を高める。
前述の代表的実施形態は、限定するものではなく、本明細書で記載の他の実施形態中に選択的に組み込むことが可能である。代表的実施形態は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読むことにより、さらに容易に理解されよう。
本開示の一実施形態によるシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ） 基板の製造方法のフローチャーチである。 本開示の一実施形態による第１の基板を示す断面図である。 本開示の一実施形態による、第１の基板中への重水素イオンの注入を示す断面図である。 本開示の一実施形態による、第２の誘電体層に接合された第１の誘電体層を示す断面図である。 本開示の一実施形態による、重水素不純物層中に形成されたマイクロバブルを示す断面図である。 本開示の一実施形態による、重水素不純物層からの第１の基板の切断を示す断面図である。
本発明のシリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板およびその製造方法の、図面と連動させた以下の詳細な説明は、好ましい実施形態を提示するものである。当業者なら、本明細書で記載の本発明を修正して本発明の有利な効果を実現することができることを理解されたい。したがって、以下の説明は、当業者にはよく知られたこととして理解されるべきであるが、本発明を限定するものと見なされるべきではない。
本発明の考え方の要点は、ＳＯＩ基板およびその製造方法を提供することである。方法は、重水素イオンを第１の基板中に注入することを含む。重水素イオンの質量は大きいので、重水素イオンはアニーリングプロセス後でもまだ第１の基板中に存在しており、そのため、ＳＯＩ基板の上部シリコン層は重水素イオンを有する。
本発明でＳＯＩ基板上にゲート酸化層またはインターフェースなどのデバイスを形成する場合、重水素イオンは拡散し、インターフェース上にダングリングボンドで結合してより安定な構造を得ることが可能となる。さらに、重水素イオンにより、デバイスに存在する欠陥が除去されて、水素アニーリングなしでホットキャリアトンネル電界効果を回避することが可能となる。したがって、本発明の方法は、製造プロセスを単純化し、デバイス性能および信頼性を高める。
以下の説明は、本発明のＳＯＩ基板およびその製造方法の図面と併せて記載される。図１は、本開示の一実施形態によるＳＯＩ基板の製造方法のフローチャートであり、図２〜６は、それぞれ製造方法の各ステップの断面図を示し、方法は下記を含む。
ステップＳ１の実施
図２を参照する。第１の基板１００が用意されており、この図で、第１の基板１００は単結晶シリコン基板であり、第１の誘電体層１１０が第１の基板１００上に形成される。本実施形態では、第１の誘電体層１１０は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにより形成可能である。
第１の誘電体層１１０は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むことが可能で、第１の誘電体層１１０の厚さは０．１ｎｍ〜２００ｎｍ、例えば、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍまたは１５０ｎｍであってよい。
ステップＳ２の実施
図３では、重水素イオンＤ＋の第１の基板１００への注入が実施される。重水素イオンＤ＋は水素の同位体であるが、水素より質量が大きいことは理解されよう。本実施形態では、重水素イオンＤ＋の第１の基板１００中への注入後に、重水素不純物層１２０が所定の深さで第１の基板１００中に形成され、この場合、所定の深さＨは５０ｎｍ〜２００ｎｍであってよい。さらに、重水素イオンＤ＋を第１の基板１００に注入する場合の重水素イオンＤ＋の注入出力は１ＫｅＶ〜５００ＫｅＶ、例えば、１０ＫｅＶ、５０ＫｅＶ、１００ＫｅＶ、２００ＫｅＶ、３５０ＫｅＶまたは４５０ＫｅＶであってよく、重水素イオンＤ＋の不純物濃度は１．０ｘ１０１４／ｃｍ３〜１．０ｘ１０１８／ｃｍ３、例えば、１．２ｘ１０１４／ｃｍ３、２．０２ｘ１０１５／ｃｍ３，または３．５ｘ１０１７／ｃｍ３であってよい。
加えて、重水素イオンＤ＋を第１の基板１００に注入するステップは、重水素プラズマ浸漬イオンを第１の基板１００に注入するステップを含み、この場合、重水素プラズマ浸漬イオンの注入出力は５００ｅＶ〜５ＫｅＶで、重水素プラズマ浸漬イオンの不純物濃度は１．０ｘ１０１４／ｃｍ３〜１．０ｘ１０１８／ｃｍ３である。微量の重水素イオンＤ＋が、重水素不純物層１２０および第１の誘電体層１１０の両方に存在することに留意されたい。
ステップＳ３の実施
図４を参照する。第２の基板２００が用意されており、この図では、第２の基板２００は単結晶シリコン基板で、第２の誘電体層２１０が第２の基板２００上に形成されている。本実施形態では、第２の誘電体層２１０は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにより形成可能である。第２の誘電体層２１０はＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌＮを含むことが可能で、第２の誘電体層２１０の厚さは０．０５ｎｍ〜１０ｎｍであってよい。
第１の誘電体層１１０は、３００〜４００セ氏温度（℃）で第２の誘電体層２１０に結合可能で、その結果、第１の誘電体層１１０が第２の誘電体層２１０にさらに堅固に接合可能である。本実施形態では、第１の誘電体層１１０および第２の誘電体層２１０は、ＳＯＩ基板の絶縁層と見なされ、それらは同一材料から作製されても、または異なった材料から作製されてもよい。
ステップＳ４の実施
図５では、結合プロセス後に、第１の誘電体層１１０および第２の誘電体層２１０の構築物に対するアニーリングプロセスが実施される。重水素不純物層１２０中の重水素イオンＤ＋がアニーリングを受けた後に、重水素不純物層１２０中にマイクロバブルが形成される。それにより、重水素不純物層１２０中に多孔性で結合の緩い構造が形成され、これは、その後に第１の基板１００を切断するのに都合がよい。本実施形態では、重水素不純物層１２０は６００〜８００℃でアニーリングされる。さらに、重水素イオンは水素イオンより大きいために、重水素イオンＤ＋はアニーリングプロセス後でも第１の基板第１の基板１００中に存在している。
ステップＳ５の実施
図６では、カッティングナイフにより重水素不純物層１２０からの第１の基板１００の切断が実施され、第２の基板２００から第１の基板１００が取り除かれてＳＯＩ基板３００が得られる。第２の基板２００はＳＯＩ基板３００のシリコン基板と見なされ、第１の誘電体層１１０および第２の誘電体層２１０はＳＯＩ基板３００の絶縁層３２０と見なされることは理解されよう。
重水素不純物層１２０と第１の誘電体層１１０との間の第１の基板１００の一部は、ＳＯＩ基板３００の上部シリコン層３１０と見なされる。本実施形態では、第１の基板１００の切断後、ＳＯＩ基板３００の製造方法は、上部シリコン層３１０に対し化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを実施して、切取りプロセスから生じた上部シリコン層３１０の不均一な表面を除去することをさらに含む。加えて、切断後の第１の基板１００’は、その後のＳＯＩ基板の製造に再利用可能である。
図６を参照する。ＳＯＩ基板３００はシリコン基板２００、シリコン基板２００上に形成された絶縁層３２０および絶縁層３２０上に形成されて上部シリコン層３１０を含み、ＳＯＩ基板３００は上述の製造方法により製造される。本実施形態では、シリコン基板２００は第２のシリコン基板であり、絶縁層３２０は第１の誘電体層１１０および第２の誘電体層２１０を含む。第１の誘電体層１１０および第２の誘電体層２１０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。
上部シリコン層３１０は第１の基板１００の一部であり、上部シリコン層３１０は重水素イオンを有する。したがって、本発明でＳＯＩ基板上にゲート酸化層またはインターフェースなどのデバイスを形成する場合、重水素イオンは拡散し、インターフェース上にダングリングボンドで結合してより安定な構造を得ることが可能となる。しかも、重水素イオンにより、デバイスに存在する欠陥が除去されて、水素アニーリングなしでホットキャリアトンネル電界効果を回避することが可能となる。したがって、本発明の方法は、製造プロセスを単純化し、デバイス性能および信頼性を高める。
特に、重水素イオンの質量は大きいので、重水素イオンはアニーリングプロセス後でもまだ第１の基板中に存在しており、そのため、ＳＯＩ基板の上部シリコン層は重水素イオンを有する。
本発明でＳＯＩ基板上にゲート酸化層またはインターフェースなどのデバイスを形成する場合、重水素イオンは拡散し、インターフェース上にダングリングボンドで結合してより安定な構造を得ることが可能となる。しかも、重水素イオンにより、デバイスに存在する欠陥が除去されて、水素アニーリングなしでホットキャリアトンネル電界効果を回避することが可能となる。したがって、本発明の方法は、製造プロセスを単純化し、デバイス性能および信頼性を高める。
開示原理に従って種々の実施形態を今まで記載してきたが、それらは例示の目的のみで提示され、限定するものではないことを理解されたい。したがって、代表的実施形態（単一または複数）の広がりと範囲は、上述した実施形態によって限定されるべきではなく、本開示に由来する請求項およびそれらの等価物によってのみ定められるべきである。さらに、上記利点および特徴が記載実施形態で提供されているが、これは請求項の適用を、上記利点のいずれかまたはその全てを実現する工程および構造に限定するものではない。
さらに、本明細書においてセクションの見出しは、米国特許法施行規則３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．１．７７の規定するにしたがって、あるいは編成上の目印として提供されるものである。これらの見出しは、本開示から生じ得るいずれかの請求項で定める発明（単一または複数）を制限したりまたは特徴づけたりしないものとする。
具体的には、「背景技術」に記載された技術に関する記述により、技術が、本開示におけるいずれかの発明（単一または複数）に対する先行技術であることを承認するものと解釈されるべきではない。更に、本開示においては、単数形での「発明」に対するいずれの言及も、本開示における新規性が１つのみである、ということを主張するために使用されるべきではない。
複数の発明は、本開示に由来するマルチクレームの制限にしたがって記述することができる。したがって、このような請求項は、発明（単一または複数）およびそれらの等価物を定め、それにより保護される。全ての場合において、これらの請求項の範囲は、本開示に照らして、固有の利点が考慮されるべきであり、本明細書の見出しによって制約されてはならない。

Claims (6)

  1. シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）基板の製造方法であって、
    第１の基板を用意して前記第１の基板上に第１の誘電体層を形成するステップと、
    重水素イオンを前記第１の基板中に注入して前記第１の基板中に所定の深さで重水素不純物層を形成するステップと、
    第２の基板を用意して前記第２の基板上に第２の誘電体層を形成し、前記第１の誘電体層と結合するステップと、
    アニーリングプロセスを実施して前記重水素不純物層中にマイクロバブルを形成するステップと、
    前記重水素不純物層から前記第１の基板を切断して前記ＳＯＩ基板を得るステップと、を含み、
    前記重水素イオンを前記第１の基板中に注入する場合、前記重水素イオンの注入出力が１ＫｅＶ〜５００ＫｅＶであり、前記重水素イオンの前記不純物濃度が１．０ｘ１０ １４ ／ｃｍ ３ 〜１．０ｘ１０ １８ ／ｃｍ ３ であり、
    前記アニーリングプロセスが、６００〜８００セ氏温度（℃）で行われる、
    方法。
  2. 前記第２の基板が前記ＳＯＩ基板のシリコン基板と見なされ、前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層が前記ＳＯＩ基板の絶縁層と見なされ、前記重水素不純物層と前記第１の誘電体層との間の前記第１の基板の一部が前記ＳＯＩ基板の上部シリコン層と見なされ、前記上部シリコン層が前記重水素イオンを有する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記上部シリコン層上に化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含み、前記第１の誘電体層の厚さが０．１ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記第２の誘電体層の厚さが０．０５ｎｍ〜１０ｎｍであり、前記所定の深さが５０ｎｍ〜２００ｎｍである、請求項１に記載の方法。
  5. 前記重水素イオンを前記第１の基板に注入するステップが、重水素プラズマ浸漬イオンを前記第１の基板に注入するステップを含み、この場合、前記重水素プラズマ浸漬イオンの前記注入出力が５００ｅＶ〜５ＫｅＶであり、前記重水素プラズマ浸漬イオンの前記不純物濃度が１．０ｘ１０１４／ｃｍ３〜１．０ｘ１０１８／ｃｍ３である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１の誘電体層が、３００〜４００セ氏温度（℃）で前記第２の誘電体層に結合される、請求項１に記載の方法。
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