JPH06244390A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 単結晶珪素半導体基板中に存在する結晶欠陥
を低減させ、珪素酸化膜の電気絶縁耐圧を向上させる。 【構成】 半導体基板１の第１の面２から対向する第２
の面３に向けて酸素イオン注入時の基板温度を５５０℃
以上に保持し、かつ第１の加速エネルギー１００ｋｅ
Ｖ，注入量０．１×１０¹⁸ｃｍ^-2として酸素イオンの注
入を行う工程と、半導体基板１に１１５０℃以上１２５
０℃の熱処理を行い、深さＴ１，Ｒ１付近に珪素酸化物
２５，２８を形成する工程と、基板温度を５５０℃以上
に保持し、かつ第１の加速エネルギーより高い第２の加
速エネルギー２００ｋｅＶ，注入量１．６×１０¹⁸ｃｍ
^-2として酸素イオンの注入を行う工程と、半導体基板１
を１３００℃以上の温度で熱処理を行い、半導体基板１
の第１の面２から第２の面３に向けて順次第１の珪素層
６，第２の珪素層８を形成する工程とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、珪素酸化膜などの絶縁
膜上に単結晶珪素層を形成したＳＯＩ構造を有する半導
体基板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より用いられているこの種の半導体
基板の製造方法の一例を図３１および図３２に断面図で
示す。まず、図３１に示すように単結晶珪素半導体基板
（以下、半導体基板という）１の第１の面２より第２の
面３に向けて酸素イオン（Ｏ⁺）を注入して第１の珪素
酸化膜７を形成する。次にこの第１の珪素酸化膜７の膜
質改善のためおよび注入イオンが通過したために劣化し
た第１の単結晶珪素半導体層（以下、第１の珪素層とい
う）６の結晶性を回復させるためにこの酸素イオン注入
後に例えば１３００℃程度以上の高温熱処理を行う。

【０００３】しかしながら、この熱処理を行うと、図３
２に示すように第１の珪素層６を通過する多数（１０⁹
ｃｍ^-2のオーダ）の転位９が発生してしまう（文献：G.
K.Celler et al.,Apl.Phys.Lett.,48(1986)532. ）。こ
の高密度の転位９の存在が第１の珪素層６を活性層とす
るトランジスタの性能を著しく劣化させ、このため、こ
の半導体基板１中には高性能なＭＩＳトランジスタが形
成できないという問題があった。なお、図３１および図
３２において、４は第３の面、５は第４の面、８は第２
の単結晶珪素半導体層（以下第２の珪素層という）であ
る。

【０００４】この転位９を低減する方法として例えば特
願平３−４５４３５号に開示されているように酸素イオ
ンの加速エネルギーを１８０ｋｅＶとし、さらに酸素イ
オン注入量を１．２×１０¹⁸ｃｍ^-2と少なくすれば、図
３３に示すように第１の珪素層６中の転位密度は低減さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この場
合の第１の珪素酸化膜７の電気絶縁耐圧は、図３４に示
すように６０Ｖ程度以下であり、約６０Ｖを超える電気
絶縁耐圧を必要とする高耐圧のトランジスタをこの第１
の珪素層６中には製作できなかった。さらに相補形ＭＩ
Ｓトランジスタをこの第１の珪素層６に製作する場合に
は、図３５に示すように例えばｐ型のＭＩＳトランジス
タのチャネル領域２３と第２の珪素層８との間には通常
５Ｖ以上の電位差が印加される。酸素イオンの注入量を
下げると、第１の珪素酸化膜７の膜厚は小さくなり、こ
のため、チャネル領域２３の下部領域には上記電位差に
よりホールが容易に誘起され（バックチャネル効果）、
同図のｐチャネル型ＭＩＳトランジスタのソース・ドレ
イン間のリーク電流を増大させ易いという問題があっ
た。

【０００６】なお、図３５において、１は単結晶珪素半
導体基板（半導体基板）、２は第１の面、３は第２の
面、４は第３の面、５は第４の面、６は第１の単結晶珪
素半導体層（第１の珪素層）、７は第１の珪素酸化膜、
８は第２の単結晶珪素半導体層（第２の珪素層）、１０
はソース電極、１１はゲート電極、１２はドレイン電
極、１３，１４，１５，１６，１７，１８は絶縁膜、１
９はゲート酸化膜、２０はソース、２１はゲート、２２
はドレイン、２３はチャネル領域である。

【０００７】また、転位密度の増大を抑制しつつ、酸素
イオンの注入量を増加させる方法として、例えばこの酸
素イオン注入量を複数に分割し、この半導体基板の結晶
を回復させるために各々の酸素イオン注入後に熱処理を
行い、その後に次の酸素イオン注入を行う方法（分割注
入法）が提案されている（文献：A.Yoshino,Proc.5thIn
t.Symp.Silicon-On-Insulator Tech.and Devices,(199
2)321）。

【０００８】この文献によれば、第１回目の酸素イオン
注入の酸素イオンの注入量を１．０×１０¹⁸ｃｍ^-2と
し、その後、約１２８０℃の高温熱処理を行い、第２の
酸素イオン注入の注入量を０．４×１０¹⁸ｃｍ^-2とし、
その後に再度約１２８０℃の熱処理を行うことで半導体
基板中の転位は低減される。この場合には、通常の１回
の酸素イオン注入および熱処理の場合（酸素イオンの注
入量は１．４×１０¹⁸ｃｍ^-2）の転位密度（１０⁷ｃｍ
^-2）を１０⁵ｃｍ^-2の転位密度まで低減できるものの、
完全な転位発生の防止に至っていない。

【０００９】さらにこのような半導体基板の製造方法で
は、酸素イオンの注入量の総和が増加するにしたがって
この転位密度は指数関数で増大する。したがって酸素イ
オン注入で半導体基板中により厚い珪素酸化膜を形成し
ようとして酸素イオンの注入量を増加させると、上記転
位密度の値はさらに増大してしまう。例えばこの注入量
の総和を２．０×１０¹⁸ｃｍ^-2に増加させると、上記文
献によれば、分割注入法を用いても転位密度は１０⁷ ｃ
ｍ^-2まで増大し、高品質な半導体基板が得られなかっ
た。

【００１０】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、酸
素イオン注入により単結晶珪素半導体基板中に珪素酸化
膜を形成し、これによりＳＯＩ構造を有する半導体基板
の製造方法において、この半導体基板中に多数存在する
結晶欠陥を低減させ、この珪素酸化膜の電気絶縁耐圧を
向上させて高品質の半導体基板が得られる半導体基板の
製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、酸素イオン注入により単結晶珪素半
導体基板中に珪素酸化膜を形成し、これにより低転位密
度のＳＯＩ構造を実現する半導体基板の製造方法におい
て、加速エネルギーの異なった２回の酸素イオン注入お
よび各々のイオン注入後に高温の熱処理を行うものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明においては、１回目のイオン注入とそれ
に続く熱処理で単結晶半導体基板中に転位の成長を抑制
する珪素酸化物が形成され、２回目の酸素イオン注入で
珪素酸化膜が形成される。

【００１３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。 （実施例１）図１〜図７は、本発明による半導体基板の
製造方法の一実施例を説明する図であり、図１，図３，
図４，図６および図７は半導体基板１の断面図を示す。
図１において、半導体基板１の第１の面２より第２の面
３に向けて第１の酸素イオン（Ｏ⁺ ）の注入を行う。こ
の酸素イオンの注入条件として例えば加速エネルギーＥ
１（単位はｋｅＶ）を１００ｋｅＶ，注入量Ｄ１（単位
はｃｍ^-2）を０．１×１０¹⁸ｃｍ^-2とすると、酸素イオ
ン注入後のこの半導体基板１中の酸素原子の珪素原子濃
度に対する比は図２に示すようになる。

【００１４】この場合、イオン注入時の基板温度は５５
０℃以上に保持する。基板温度が例えば５００℃である
と、イオン注入時の結晶回復が十分でなく、図１の半導
体基板１内の酸素イオンが通過した領域の結晶性は著し
く劣化する。この著しく劣化した結晶性は、その後に高
温熱処理を施しても十分には回復せず、図１に第１のの
面２に達する高密度の転位が形成されてしまう。これを
避けるためにイオン注入時の基板温度を５５０℃以上と
する。

【００１５】次に第１のイオン注入後に１１５０℃以上
１２５０℃以下で第１の熱処理を行うと、図３に示すよ
うに深さＴ１（加速エネルギーＥ１での注入イオンによ
り生成された単位体積当たりの損傷量が最大となる深
さ、Ｅ１＝１００ｋｅＶでは、Ｔ１＝０．１８μｍ（文
献：J.F.Ziegler et al.,The Stopping and Range of I
ons in Solids Vol.1(Pergamon, New York,1985)）付近
およびＲ１（加速エネルギーＥ１での酸素イオンの標準
飛程、Ｅ１＝１００ｋｅＶではＲ１＝０．２４μｍ（文
献：J.F.Gibbons et al.,Projected Range Statistics
(John Wiley andSons Inc.,1975) ）付近にそれぞれ第
１の珪素酸化物２５および第２の珪素酸化物２８が析出
する。

【００１６】この熱処理温度が１１５０℃より低い場合
には、図３に示す構造が得られなかった。図３の場合、
第１の珪素酸化物２５と第２の珪素酸化物２８との間に
は転位２４が発生することがあるが、半導体基板１の第
１の面２に達する転位は形成されない。その理由は、半
導体基板１の表面付近では、注入イオンによる損傷量が
小さいことおよび深さＲ１付近に位置する第２の珪素酸
化物２８の表面で発生した転位２４は深さＴ１付近に存
在する第１の珪素酸化物２５で終端され易く、結果とし
て第１の面２まで成長しないことによる。なお、図３の
構造が実現される酸素イオンの注入量Ｄ１（ｃｍ^-2）と
して次式で表せる範囲内であれば良い。 ０．５×１０¹⁷≦Ｄ１＜５．４×１０¹⁵×Ｅ１＋２．２
５×１０¹⁷

【００１７】ここで、上式の下限値は、後述する第２の
熱処理の初期過程で発生する転位を終端するのに必要な
上記珪素酸化物が形成される注入量の最小値であり、ま
た、上式の上限値を超えると、深さＲ１で連続した珪素
酸化膜が形成される。ここでは連続した珪素酸化膜が形
成される酸素イオンの注入量を第１の酸素イオン注入で
の加速エネルギーＥ１をパラメータとして近似式で表し
ている。

【００１８】引き続き、図４に示すように第２の酸素イ
オン（Ｏ⁺ ）の注入を行うことにより、第２の珪素酸化
膜２７を形成する。この時の半導体基板１中の酸素原子
の珪素原子濃度に対する比は、図５に示すような深さ方
向に分布する。例えば第２の酸素イオンの加速エネルギ
ーをＥ２＝２００ｋｅＶ、注入量をＤ２＝１．６×１０
¹⁸ｃｍ^-2とする。この場合の第１の面２から第５の面２
９の深さは約０．３μｍで第２の珪素酸化膜２７の厚さ
は約０．３５μｍとなり、図４の構造が得られる。この
時の第２の珪素酸化膜２７の電気絶縁耐圧は、約２４０
Ｖであり、約６０Ｖを超える電気絶縁耐圧を必要とする
高耐圧トランジスタを第１の珪素層６中に形成できる。

【００１９】ここで、第２の酸素イオン注入で注意する
点は、第２の加速エネルギーＥ２を第１の加速エネルギ
ーＥ１より高くして深さＴ１付近およびＲ１付近が第２
の珪素酸化膜２７の上側、すなわち第１の珪素層６内に
位置するように選ぶ。ここでイオン注入時の基板温度は
５５０℃以上に保持することが重要であり、その理由は
第１の酸素イオン注入の場合と同じである。

【００２０】引き続き、１３００℃以上の温度で第２の
熱処理を行うと、図７に示す構造が得られる。すなわち
熱処理により図４で存在していた第１の珪素層６中の珪
素酸化物２５，２８および転位２４は消滅し、この第１
の珪素層６の結晶欠陥は著しく低減される。第１の珪素
層６の転位密度は１００個／ｃｍ² 程度以下で高品質と
なる。これは熱処理の比較的初期の段階で図６に示すよ
うに第２の珪素酸化膜２７の第５の面２９で発生した転
位２６は、深さＲ１または深さＴ１に存在していた珪素
酸化物２５，２８で終端されるために第１の面２まで成
長することができないことによる。熱処理をさらに続
け、この珪素酸化物２５，２８を溶解させると、珪素酸
化物２５，２８で終端されたこれらの転位２４は、第１
の珪素層６中に安定して存在できないために消滅してし
てしまう。結果として上述したように析出した珪素酸化
物２５，２８および転位２４の消滅した高品質の半導体
基板が得られる。

【００２１】また、第２の熱処理温度を例えば１２５０
℃とすると、析出した珪素酸化物２５，２８は熱力学的
に安定となり、溶解することができなかった。この場
合、第１の珪素層６中には珪素酸化物２５，２８ととも
に転位２４または転位２６が高密度で残存しており、高
品質な半導体基板が得られない。また、１３００℃以上
であれば、このような第１の珪素層６の品質劣化は見ら
れなかった。

【００２２】なお、前述した第１の熱処理および第２の
熱処理を、例えば酸素と窒素との混合ガス中あるいは酸
素とアルゴンとの混合ガス中で行うことも可能である。
この場合には図３，図６および図７での半導体基板１の
第１の面２および第２の面３に隣接する珪素の一部は酸
化され、酸化珪素膜となる。この時に第１の珪素酸化物
２５が位置する深さＴ１付近の珪素層が酸化膜に変えら
れない範囲の珪素酸化膜厚であれば、本発明の効果は失
われるものではない。この場合、図７の第１の珪素層６
の結晶品質をより良くするためには、第２の酸素イオン
注入工程（図４参照）の前に第１の熱処理工程で形成さ
れた第１の面２に隣接する珪素酸化膜を除去しておくこ
とが望ましい。

【００２３】また、第２の熱処理方法として２段階の熱
処理を行うことにより、図７の半導体基板を製造するこ
とが可能である。すなわち第２の熱処理の第１段階の熱
処理を１１５０℃以上１２５０℃の範囲内で実施して図
６の半導体基板１を製造し、その後、第２段階の熱処理
を１３００℃以上として図７の半導体基板を製造する
（図６の第１の珪素層６中の珪素酸化物２５，２８およ
び転位２４，２６を消滅させる工程）ことも可能であ
る。

【００２４】ここで、第１の酸素イオン注入および第２
の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ１およびＥ２の範
囲について説明する。第１の加速エネルギーを７０ｋｅ
Ｖより低くすると、第１の酸素イオン注入時の基板温度
を５５０℃以上に上げても、図３の半導体基板１におい
て転位２４の一部は第１の面２まで成長する。第１の面
２まで成長した転位はその後の図４から図７の製造工程
では取り除くことができず、このため、図７での第１の
珪素層６にはこの第１の珪素層６を貫通する転位に限っ
て残存する。第１の加速エネルギーＥ１を７０ｋｅＶよ
り低くすると、半導体基板１の第１の面２に隣接する珪
素層が注入イオンにより損傷を受け易くなることのため
に第１の面２と珪素酸化物２５との間に転位が発生し易
いものと思われる。したがって第１の酸素イオン注入の
加速エネルギーＥ１は７０ｋｅＶ以上とする。第２の酸
素イオンの加速エネルギーＥ２の範囲についても、第１
の酸素イオンの加速エネルギーＥ１の場合と同様の理由
で７０ｋｅＶ以上とする。

【００２５】以上、説明した実施例１では、酸素イオン
の加速エネルギーを変えて２回イオン注入すること、第
１の酸素イオン注入およびそれに続く第１の熱処理で析
出した珪素酸化物を形成すること、これらの珪素酸化物
が第２の酸素イオン注入およびそれに続く第２の熱処理
での初期段階で発生する転位を終端する点に特徴があ
り、さらに第２の熱処理の終了時点でこれらの転位およ
び珪素酸化物を消滅させてしまう点に特徴がある。

【００２６】（実施例２）図８〜図１４は、本発明によ
る半導体基板の製造方法の他の実施例を説明する図であ
り、図８，図１０，図１１，図１３および図１４は半導
体基板１の断面図を示し、図９および図１２はそれぞれ
図８および図１１の半導体基板１中の酸素原子の珪素原
子濃度に対する比を示している。この実施例では、図１
１の第２の酸素イオン注入の注入量Ｄ２を除いて実施例
１と同一である。図１１では、深さＲ１（第１の酸素イ
オン注入の加速エネルギーＥ１での酸素イオンの標準飛
程、単位はμｍ）付近の珪素層は、第２の酸素イオン注
入での注入イオンで珪素酸化膜に変えられ、深さＴ１
（第１の酸素イオン注入で注入イオンにより生成された
単位体積当たりの損傷量が最大となる深さ、単位はμ
ｍ）は第１の珪素層６中に位置する例を示している。図
１１で第２の酸素イオン注入量Ｄ２は、例えばこの注入
量Ｄ２を除いて第１の酸素イオンおよび第２の酸素イオ
ン注入条件を実施例１と同一とすれば、注入量Ｄ２＝
２．４×１０¹⁸ｃｍ^-2とすることができる。この場合に
は、第２の珪素酸化膜２７は約０．５６μｍと厚くで
き、その電気的絶縁耐圧は約６０Ｖより大きくなる。

【００２７】この例では、第２の熱処理の比較的初期段
階で第５の面２９で発生する転位２６（図１３参照）は
珪素酸化物２５で終端されるために半導体基板１の第１
の面２にまで成長する転位は形成されない。このため、
実施例１と同様に図１４に示すような転位密度の小さい
高品質な半導体基板１が製造できる。

【００２８】次に実施例１および実施例２の半導体基板
を製造する注入量Ｄ２の範囲について説明する。酸素イ
オンの注入量Ｄ２（ｃｍ^-2）は、次式の範囲内であれ
ば、図４または図１１の構造が実現される。 ５．４×１０¹⁵×Ｅ２＋２．２５×１０¹⁷≦Ｄ２＜（Ｒ
２−Ａ×Ｔ１）×８．９×１０¹⁸−２Ｄ１ ただし、Ｒ２は第２の酸素イオン注入の加速エネルギー
Ｅ２での酸素イオンの標準飛程、単位はμｍ、Ａ＝０．
８〜１．０である。

【００２９】ここで、上式の注入量Ｄ２の下限値は、第
２の珪素酸化膜２７が形成される注入量の最小値であ
り、第２の加速エネルギーをパラメータとして近似式で
表している。また、注入量Ｄ２の上限値は、図１１で深
さＴ１付近の第１の珪素層６に位置するようにするため
の最大の注入量である。すなわち上式の注入量を超えた
注入量Ｄ２の値を選ぶと、深さＴ１近傍の珪素層は酸化
され、珪素酸化膜に変えられてしまう。この場合には、
図１３で第１の珪素酸化物２５が存在しないために第２
の熱処理の比較的初期段階で第２の珪素酸化膜２７の第
５の面２９で発生した転位２６は容易に第１の面２まで
成長し、第１の珪素層６を貫通する安定な転位が高密度
で形成されてしまう。

【００３０】なお、実施例１の図３または図４および実
施例２の図１０または図１１の第１の珪素酸化物２５の
深さは、加速エネルギーＥ１での注入イオンにより生成
された単位体積当たりの損傷量が最大となる深さからそ
れよりも僅かに浅い深さの範囲内であることが実験的に
確認された。その値の範囲は、０．８×Ｔ１〜１．０×
Ｔ１であり、この効果を上式ではＡ×Ｔ１として取り込
まれている。

【００３１】このような方法によれは、上式の注入量Ｄ
２の範囲内で第２の酸素イオン注入での酸素イオンの注
入量を多くでき、したがって第２の酸素イオン注入によ
り厚い珪素酸化膜が形成できる。

【００３２】（実施例３）前述した実施例１において、
第１の酸素イオン注入の酸素イオン注入量Ｄ１を例えば
１．０×１０¹⁷ｃｍ^-2とし、その後の第１の熱処理を１
３００℃とすることで図３の半導体基板１を製造するこ
とができる。その後の工程は、実施例１と同一である。
この場合の第１の酸素イオン注入での酸素イオン注入量
の範囲Ｄ１（ｃｍ^-2）は、 ０．５×１０¹⁷≦Ｄ１＜２．０×１０¹⁷ であり、第１の熱処理は１２５０℃を超える温度とす
る。

【００３３】上記注入量の範囲では、注入イオンによる
総損傷量が小さく、このため、１２５０℃を超える高温
処理を施しても、図３の構造が得られるが、一方、例え
ば注入量Ｄ１＝２．０×１０¹⁷ｃｍ^-2、第１の熱処理温
度１３５０℃とすると、図１５に示すように第１の酸素
イオン注入の加速エネルギーＥ１での深さＲ１付近に限
って第２の珪素酸化物２８は形成されるものの、第１の
酸素イオン注入で注入イオンにより生成された単位体積
当たりの損傷量が最大となる深さＴ１付近には珪素酸化
物は形成されなかった。注入イオンにより導入された損
傷量がある程度大きくなると、上記高温熱処理ではその
初期段階で深さＴ１付近の珪素析出物が消滅してしまっ
たものと推定される。

【００３４】この半導体基板では、図３の第２の珪素酸
化物２８で発生した転位は、その成長を抑制する珪素酸
化物が存在しないために容易に第１の面２まで成長し、
その結果、安定な転位９が形成されてしまう。そして、
一度形成された転位９は、その後の工程では容易に取り
除くことができないため、図７で示すような高品質な半
導体基板を製造することができない。酸素イオンの注入
量が０．５×１０¹⁷ｃｍ^-2を超え２．０×１０¹⁷ｃｍ^-2
未満であれば、１３５０℃の高温熱処理を行っても深さ
Ｔ１付近には珪素酸化物が残存し、このため、このよう
な問題は起きない。また、１２５０℃以下であれば、実
施例１で示した注入量Ｄ１の範囲内では深さＴ１付近に
形成された珪素酸化物は消滅することはない。

【００３５】（実施例４）図１６〜図２２は、本発明に
よる半導体基板の製造方法の他の実施例を説明する図で
あり、図１６，図１８，図１９，図２１および図２２は
半導体基板１の断面図を示し、図１７および図２０はそ
れぞれ図１６および図１９の半導体基板１中の酸素原子
の珪素原子濃度に対する比を示している。図１６におい
て、半導体基板１の第２の面２より第２の面３に向けて
第１の酸素イオンの注入を行う。本実施例では、第１の
酸素イオンの注入で第１の珪素酸化膜７を形成する。第
１の酸素イオン注入条件として例えば加速エネルギーＥ
１を８０ｋｅＶ，注入量Ｄ１を０．７×１０¹⁸ｃｍ^-2と
すると、第１の酸素イオン注入後のこの半導体基板１の
断面構造は図１７に示すようになる。この場合、イオン
注入時の基板温度は５５０℃以上に保持する。その理由
は、実施例１で説明した通りである。また、加速エネル
ギーＥ１の範囲は７０ｋｅＶ以上であり、その理由は実
施例１で説明した通りである。

【００３６】引き続き、１１５０℃以上１２５０℃以下
で第１の熱処理を行うと、図１８に示すように深さＴ１
（加速エネルギーＥ１での注入イオンにより生成された
単位体積当たりの損傷量が最大となる深さ、Ｅ１＝８０
ｋｅＶでは、Ｔ１＝０．１４μｍ）付近に珪素酸化物２
５が析出する。この場合、第１の珪素酸化膜７の第３の
面４で転位２４が発生するが、これらの転位２４は第１
の珪素酸化物２５で終端されるために半導体基板１の第
１の面２にまで成長することはない。第１の熱処理温度
を１１５０℃より低くすると、十分な第１の珪素酸化物
２５が形成されないこと、また、第１の熱処理温度を１
２５０℃を超える温度とすると、この第１の珪素酸化物
２５が消滅してしてしまうために熱処理温度として適さ
ないのは前述した通りである。

【００３７】なお、図１８の構造が実現される酸素イオ
ンの注入量Ｄ１（ｃｍ^-2）としては次式で表せる範囲内
であれば良い。 ５．４×１０¹⁵×Ｅ１＋２．２５×１０¹⁷≦Ｄ１＜（Ｒ
１−Ａ×Ｔ１）×８．９×１０¹⁸ ただし、Ｒ１は加速エネルギーＥ１での酸素イオンの標
準飛程、単位はμｍ、Ａ＝０．８〜１．０である。ここ
で、上式の注入量Ｄ１の下限値は、第１の珪素酸化膜７
が形成される注入量、また、注入量Ｄ１の上限値は、深
さＴ１付近の珪素層が第１の珪素層内に位置する注入量
の最大値である。

【００３８】引き続き、第２の酸素イオン注入を行うこ
とにより、図１９に示すように第２の珪素酸化膜２７を
形成する。この時の半導体基板１中の酸素原子の珪素原
子濃度に対する比は図２０に示すような深さ方向の分布
となる。例えば第２の酸素イオンの加速エネルギーをＥ
２＝２００ｋｅＶ、注入量をＤ２＝１．６×１０¹⁸ｃｍ
^-2とすることにより、図１９の半導体基板が製造でき
る。この場合、イオン注入時の基板温度は５５０℃以上
に保持する。その理由は前述した通りである。また、第
２の酸素イオン注入で注意する点は、第２の加速エネル
ギーＥ２を第１の加速エネルギーＥ１より高くして深さ
Ｔ１が第２の珪素酸化膜２７の上側、すなわち第１の珪
素層６内に位置するように選ぶ点にある。

【００３９】その後、１３００℃以上の温度で第２の熱
処理を行うと、図１４の構造と同様に図２２に示すよう
な第３の珪素酸化膜３２が形成された構造が得られる。
この高品質な半導体基板が得られるのは、実施例２の図
１３および図１４の半導体基板が製造できたのと同様で
ある。

【００４０】次に第２の酸素イオン注入の注入量Ｄ２の
範囲について説明する。酸素イオンの注入量Ｄ２（ｃｍ
^-2）の範囲は次式で表せる。 （Ｒ２−Ｒ１）×８．９×１０¹⁸−Ｄ１≦Ｄ２＜（Ｒ２
−Ａ×Ｔ１）×８．９×１０¹⁸−２Ｄ１ ただし、Ｒ２は加速エネルギーＥ２での酸素イオンの標
準飛程、単位はμｍ、Ａ＝０．８〜１．０である。

【００４１】ここで、上式の注入量Ｄ２の下限値は、図
１９または図２１で第１の珪素酸化膜７と第２の珪素酸
化膜２７とが合体して一層の第３の珪素酸化膜３２を形
成し始める注入量、また、注入量Ｄ２の上限値は、図１
９で深さＴ１付近の珪素層を珪素酸化膜に変える注入量
より少ない値の最大値に相当する。深さＴ１付近の第１
の珪素酸化物２５を珪素酸化膜に変える注入量とする
と、第２の熱処理で第１の珪素層６中には高密度の転位
が発生し、高品質な半導体基板が製造できないのは前述
した通りである。

【００４２】（実施例５）図２３〜図２６は本発明によ
る半導体基板の製造方法の他の実施例を説明する図であ
り、図２３，図２５および図２６は半導体基板１の断面
図を示し、図２４は図２３の半導体基板１中の酸素原子
の珪素原子濃度に対する比を示している。この実施例５
では、図２３および図２５を実施例１の図１および図３
と同様な方法で製造する。第１の酸素イオン注入条件お
よび第１の熱処理条件は実施例１および実施例２と同一
である。図２６は図２５の工程後に第１の面２より第２
の面３に向けて半導体基板１の第１の珪素層６を厚さｄ
（単位μｍ、ただし、ｄ＜Ａ×Ｔ１、Ａ＝０．８〜１．
０、Ｔ１は第１の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ１
での注入イオンにより生成された単位体積当たりの損傷
量が最大となる深さ、単位はμｍ）だけエッチングする
工程を示している。

【００４３】この単結晶珪素層をエッチングする方法と
しては、例えば半導体基板１の第１の面２を酸化し、そ
の後、この珪素酸化を除去する方法がある。その後の製
造工程は実施例１の図４〜図７または実施例２の図１１
〜図１４の製造工程と同一である。上記単結晶珪素層の
エッチング厚さｄをｄ≧Ａ×Ｔ１とすると、図２６で第
１の珪素酸化物２５および転位２４の一部は、半導体基
板１の第７の面３１に露出してしまい、この場合には、
高品質な半導体基板は製造できない。

【００４４】本実施例の第２の酸素イオン注入の加速エ
ネルギーＥ２および注入量Ｄ２の範囲は、実施例２で示
した範囲をもとに以下ように表せる。すなわち第２の酸
素イオン注入の加速エネルギーＥ２（ｋｅＶ）は、７０
ｋｅＶ以上であり、かつ Ｒ２＞Ｒ１−ｄ である。ただし、Ｒ１は加速エネルギーＥ１での酸素イ
オンの標準飛程、単位はμｍ、Ｒ２は加速エネルギーＥ
２での酸素イオンＥ２での酸素イオンの標準飛程、単位
はμｍを満足する加速エネルギーである。

【００４５】また、第２の酸素イオン注入での酸素イオ
ンの注入量Ｄ２（ｃｍ^-2）は、 ５．４×１０¹⁵×Ｅ２＋２．２５×１０¹⁷≦Ｄ２＜（Ｒ
２−Ａ×Ｔ１＋ｄ）×８．９×１０¹⁸−２Ｄ１ である。ただし、Ｄ１は第１の酸素イオン注入の酸素イ
オンの注入量、単位はｃｍ^-2、Ａ＝０．８〜１．０を満
たす注入量である。その他の酸素イオン注入条件および
第２の熱処理条件は実施例１および実施例２と同一であ
る。

【００４６】例えば単結晶珪素層のエッチング厚ｄを
０．１μｍ、第２の酸素イオン注入の酸素イオンの注入
量を２．８×１０¹⁸ｃｍ^-2とし、その他の酸素イオン注
入条件および熱処理条件は実施例１と同一とすれば、半
導体基板１の第１の面２から約０．１７μｍの深さで約
０．６５μｍの厚い第１の珪素酸化膜を有する高品質な
半導体基板を製造できる。

【００４７】（実施例６）前述した実施例３において、
図３の工程直後に実施例５で行ったと同様に第１の面２
から第２の面３に向けて珪素層を厚さｄ（単位はμｍ、
ただし、ｄ＜Ａ×Ｔ１、Ａ＝０．８〜１．０、Ｔ１は第
１の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ１での注入イオ
ンにより生成された単位体積当たりの損傷量が最大とな
る深さ、単位はμｍ）をエッチングする工程を設け、そ
の後、図４の製造工程以降を行うことによっても図７に
示すような高品質な半導体基板１を製造できる。この場
合の第２の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ２および
注入量Ｄ２は、実施例５で示したと同様に以下に表せる
範囲内である。

【００４８】第２の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ
２（ｋｅＶ）は、７０ｋｅＶ以上であり、かつ Ｒ２＞Ｒ１−ｄ である。ただし、Ｒ１は加速エネルギーＥ１での酸素イ
オンの標準飛程、単位はμｍ、Ｒ２は加速エネルギーＥ
２での酸素イオンＥ２での酸素イオンの標準飛程、単位
はμｍを満足する加速エネルギーである。第２の酸素イ
オン注入での酸素イオンの注入量Ｄ２（ｃｍ^-2）は、 ５．４×１０¹⁵×Ｅ２＋２．２５×１０¹⁷≦Ｄ２＜（Ｒ
２−Ａ×Ｔ１＋ｄ）×８．９×１０¹⁸−２Ｄ１ である。ただし、Ｄ１は第１の酸素イオン注入の酸素イ
オンの注入量、単位はｃｍ^-2、Ａ＝０．８〜１．０を満
たす注入量、その他の酸素イオン注入条件および第２の
熱処理条件は実施例３と同一である。

【００４９】（実施例７）図２７〜図３０は、本発明に
よる半導体基板の製造方法の他の実施例を説明する図で
あり、図２７，図２９および図３０は半導体基板１の断
面図を示し、図２８は図２７の半導体基板１中の酸素原
子の珪素原子濃度に対する比を示している。この実施例
７においては、図２７および図２９の製造工程は実施例
４の図１６および図１８の製造工程と同一である。その
後、実施例５および実施例６と同様に第１の面２から珪
素層を厚さｄ（単位μｍ、ただし、ｄ＜Ａ×Ｔ１、Ａ＝
０．８〜１．０、Ｔ１は第１の酸素イオン注入の加速エ
ネルギーＥ１での注入イオンにより生成された単位体積
当たりの損傷量が最大となる深さ、単位はμｍ）だけエ
ッチングして除去する。その後の製造工程は、図１９〜
図２２と同一である。ただし、第２の酸素イオン注入の
加速エネルギーおよび注入量は次式で表せる範囲内であ
る。

【００５０】第２の酸素イオン注入の加速エネルギーＥ
２（ｋｅＶ）を７０ｋｅＶ以上としかつ Ｒ２＞Ｒ１−ｄ である。ただし、Ｒ１は加速エネルギーＥ１での酸素イ
オンの標準飛程、単位はμｍ、Ｒ２は加速エネルギーＥ
２での酸素イオンＥ２での酸素イオンの標準飛程、単位
はμｍ、を満足する加速エネルギーであり、第２の酸素
イオン注入での酸素イオンの注入量Ｄ２（ｃｍ^-2）は、 （Ｒ２−Ｒ１＋ｄ）×８．９×１０¹⁸−Ｄ１≦Ｄ２＜
（Ｒ２−Ａ×Ｔ１＋ｄ）×８．９×１０¹⁸−２Ｄ１ である。ただし、Ｄ１は第１の酸素イオン注入の酸素イ
オンの注入量、単位はｃｍ^-2、Ａ＝０．８〜１．０を満
たす注入量、その他の酸素イオン注入条件および熱処理
条件は実施例４と同一である。

【００５１】なお、本発明では、注入イオンによるスパ
ッタリング効果は小さく無視できるものとして各実施例
の説明を行ったが、第２の酸素イオン注入量Ｄ２が特に
多い場合には、その効果を取り入れた酸素イオン注入量
Ｄ２の範囲とすべきである。

【００５２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
第１の酸素イオン注入条件およびその後の第１の熱処理
条件を最適にすれば、単結晶珪素半導体基板中に転位の
成長を抑制する珪素酸化物を形成でき、このため、第２
の酸素イオン注入の酸素イオンの注入量を多くしてもこ
の半導体基板の表面まで成長する転位は発生せず、第２
の高温熱処理で珪素酸化物および珪素酸化物で終端され
た結晶欠陥（転位）を消滅させることができ、したがっ
て転位の殆どない高品質なＳＯＩ構造を有する半導体基
板を実現できるという極めて優れた効果が得られる。さ
らに本発明を用いれば、この半導体基板中の珪素酸化膜
の厚さを大きくすることができるので、この半導体基板
中に高性能な相補形ＭＩＳトランジスタおよび高電圧で
使用するトランジスタを製造することができるという極
めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体基板の製造方法の一実施例
を説明する製造工程の一断面図である。

【図２】図１の半導体基板の表面からの深さとこの半導
体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との関係
を示す図である。

【図３】図１に引き続く製造工程の一断面図である。

【図４】図３に引き続く製造工程の一断面図である。

【図５】図４の半導体基板の表面からの深さとこの半導
体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との関係
を示す図である。

【図６】図４に引き続く製造工程の一断面図である。

【図７】図６に引き続く製造工程の一断面図である。

【図８】本発明による半導体基板の製造方法の他の実施
例を説明する製造工程の一断面図である。

【図９】図８の半導体基板の表面からの深さとこの半導
体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との関係
を示す図である。

【図１０】図８に引き続く製造工程の一断面図である。

【図１１】図１０に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図１２】図１１の半導体基板の表面からの深さとこの
半導体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との
関係を示す図である。

【図１３】図１１に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図１４】図１３に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図１５】酸素イオン注入の注入量を２．０×１０¹⁷ｃ
ｍ^-2とし、その後の熱処理温度を１３５０℃とした時の
半導体基板を示す断面図である。

【図１６】本発明による半導体基板の製造方法の他の実
施例を説明する製造工程の一断面図である。

【図１７】図１６の半導体基板の表面からの深さとこの
半導体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との
関係を示す図である。

【図１８】図１６に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図１９】図１８に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図２０】図１９の半導体基板の表面からの深さとこの
半導体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との
関係を示す図である。

【図２１】図１９に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図２２】図２１に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図２３】本発明による半導体基板の製造方法の他の実
施例を説明する製造工程の一断面図である。

【図２４】図２３の半導体基板の表面からの深さとこの
半導体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との
関係を示す図である。

【図２５】図２３に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図２６】図２５に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図２７】本発明による半導体基板の製造方法の他の実
施例を説明する製造工程の一断面図である。

【図２８】図２７の半導体基板の表面からの深さとこの
半導体基板中の酸素原子の珪素原子濃度に対する比との
関係を示す図である。

【図２９】図２７に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図３０】図２９に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図３１】従来の半導体基板の製造方法の一例を説明す
る製造工程の一断面図である。

【図３２】図３１に引き続く製造工程の一断面図であ
る。

【図３３】酸素イオン注入の加速エネルギーを１８０ｋ
ｅＶとしたときの注入量と半導体基板の第１の珪素半導
体層中の転位密度との関係を示す特性図である。

【図３４】従来の半導体基板の電気絶縁耐圧と酸素イオ
ンの酸素注入との関係を示す特性図である。

【図３５】ｐチャネル型ＭＩＳトランジスタの構造を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ 単結晶珪素半導体基板（半導体基板） ２ 第１の面 ３ 第２の面 ４ 第３の面 ５ 第４の面 ６ 第１の単結晶珪素半導体層（第１の珪素層） ７ 第１の珪素酸化膜 ８ 第２の単結晶珪素半導体層（第２の珪素層） ９ 転位 １０ ソース電極 １１ ゲート電極 １２ ドレイン電極 １３ 絶縁膜 １４ 絶縁膜 １５ 絶縁膜 １６ 絶縁膜 １７ 絶縁膜 １８ 絶縁膜 １９ ゲート酸化膜 ２０ ソース ２１ ゲート ２２ ドレイン ２３ チャネル領域 ２４ 転位 ２５ 第１の珪素酸化物 ２６ 転位 ２７ 第２の珪素酸化膜 ２８ 第２の珪素酸化物 ２９ 第５の面 ３０ 第６の面 ３１ 第７の面 ３２ 第３の珪素酸化膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオンの注入により埋め込まれた珪
   素酸化膜を有する単結晶珪素半導体基板の製造方法にお
   いて、 前記単結晶珪素半導体基板の第１の面からこれと反対側
   の第２の面に向けて、前記単結晶珪素半導体基板温度を
   所定温度以上に保持した状態で、第１の加速エネルギー
   で第１の酸素イオンの注入を行う工程と、 前記単結晶珪素半導体基板に第１の熱処理を行い、前記
   単結晶珪素半導体基板の第１の加速エネルギーでの標準
   飛程付近および注入イオンにより生成された単位面積当
   たりの損傷量が最大となる深さ付近に珪素酸化物を形成
   する第１の工程と、 前記単結晶珪素半導体基板の第１の面からこれと反対側
   の第２の面に向けて、前記単結晶珪素半導体基板温度を
   所定温度以上に保持した状態で、前記第１の加速エネル
   ギーより高い第２の加速エネルギーで第２の酸素イオン
   の注入を行う第２の工程と、 前記単結晶珪素半導体基板を前記所定温度以上の温度で
   熱処理を行い、前記単結晶珪素半導体基板の第１の面か
   ら第２の面に向けて順次第１の単結晶珪素半導体層，第
   ２の単結晶珪素半導体層を形成する工程と、 からなることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記第１の工程と第
   ２の工程との間に前記単結晶珪素半導体基板の第１の面
   から第２の面に向けて前記第１の単結晶珪素半導体層を
   所定の厚さにエッチングする工程を行うことを特徴とす
   る半導体基板の製造方法。
3. 【請求項３】 酸素イオンの注入により埋め込まれた珪
   素酸化膜を有する単結晶珪素半導体基板の製造方法にお
   いて、 前記単結晶珪素半導体基板の第１の面からこれと反対側
   の第２の面に向けて、前記単結晶珪素半導体基板温度を
   所定温度以上に保持した状態で、第１の加速エネルギー
   で第１の酸素イオンの注入を行う工程と、 前記単結晶珪素半導体基板に第１の熱処理を行い、前記
   第１の加速エネルギーでの標準飛程付近および注入イオ
   ンにより生成された単位面積当たりの損傷量が最大とな
   る深さ付近にそれぞれ第１の珪素酸化物および珪素酸化
   物を形成する第１の工程と、 前記単結晶珪素半導体基板の第１の面からこれと反対側
   の第２の面に向けて、前記単結晶珪素半導体基板温度を
   所定温度以上に保持した状態で、前記第１の加速エネル
   ギーより高い第２の加速エネルギーで第２の酸素イオン
   の注入を行う第２の工程と、 前記単結晶珪素半導体基板を前記所定温度以上の温度で
   熱処理を行い、前記単結晶珪素半導体基板の第１の面か
   ら第２の面に向けて順次第１の単結晶珪素半導体層，第
   ２の単結晶珪素半導体層を形成する工程と、 からなることを特徴とする半導体基板の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記第１の工程と第
   ２の工程との間に前記単結晶珪素半導体基板の第１の面
   から第２の面に向けて前記第１の単結晶珪素半導体層を
   所定の厚さにエッチングする工程を行うことを特徴とす
   る半導体基板の製造方法。