JPH1079356A

JPH1079356A - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JPH1079356A
Application number: JP25375796A
Authority: JP
Inventors: Mina Saito; 美奈斎藤; Jaburonsukii Jarosurou; ジャブロンスキージャロスロウ; Keiji Miyamura; 佳児宮村; Tatsuhiko Katayama; 達彦片山
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素イオン注入による埋込酸化膜を形成する
に際してシリコン島を発現させることなく、もって電気
的絶縁性に優れた半導体基板を得る。【解決手段】単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入
した後、不活性ガス雰囲気中で高温熱処理するアニール
処理を行うことにより埋込酸化膜を形成する半導体基板
の製造方法である。イオン注入量２．８×１０¹⁷cm^-2以
上３．２×１０¹⁷cm^-2以下で酸素イオン注入を行い、前
記酸素イオン注入工程に続いて１３００℃以上シリコン
融点以下の温度でアニールを行った後、１３００℃以上
以上シリコン融点以下の温度で酸化処理を行う。前記酸
化処理は低濃度酸素雰囲気から高濃度酸素雰囲気まで段
階的または連続的に濃度を増加して行えばよい。また、
前記イオン注入加速エネルギを１５０keＶ以上とするこ
とで、前処理による表面シリコン層が無くなることを防
止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板の製造方
法に係り、特に酸素イオン注入により単結晶シリコン基
板中に絶縁層を形成する半導体基板の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、素子が形成される単結晶シリコ
ン層を絶縁体上に形成するＳＯＩ（Silicon-On-Insulat
or）構造が理想的であるとされているが、単結晶シリコ
ン基板にＳｉＯ₂ の絶縁膜を形成する技術の一つにＳＩ
ＭＯＸ（Separation-by-IMplanted OXygen）がある。Ｓ
ＩＭＯＸ基板は、単結晶シリコン基板に高濃度の酸素イ
オン（¹⁶Ｏ⁺ ）を注入して前記基板内の所定の深さに高
濃度酸素イオン注入層を形成し、これを１１００〜１３
５０℃の温度で数時間アニールすることによって前記高
濃度酸素イオン注入層を埋込酸化膜すなわちＳｉＯ₂ の
絶縁膜に変化させるものである。このようなＳＩＭＯＸ
基板は、貼り合わせウェーハのように表面の単結晶シリ
コン層を研磨加工せずに均一な厚さの活性領域層とする
ことができる利点がある。

【０００３】ところで、従来のＳＩＭＯＸ構造の半導体
基板において、単結晶シリコン基板表面からの酸素イオ
ン注入によって表面下に形成される埋込酸化膜の組成や
質はイオン注入量（ドーズ量）に依存する。加速エネル
ギ１８０keＶで酸素イオンを注入し、その後、１３５０
℃でアニールする場合、埋込酸化膜の界面が急俊で基板
中に連続した層とするためには、イオン注入量が３．５
×１０¹⁷cm^-2以上５．０×１０¹⁷cm^-2未満、または７．
０×１０¹⁷cm^-2を越える酸素イオンの注入量が必要とさ
れていた（S.Nakashima and K.Izumi, J.Mater. Res.,
8,523(1993))。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
法では、作成したＳＩＭＯＸ基板の埋込酸化膜中には、
ドーズ量４．０×１０¹⁷cm^-2では、１０⁷cm^-2のシリコ
ン島が存在してしまい、また、ドーズ量３．５×１０¹⁷
cm^-2ではアニールに４０時間をも要し、実用的でないと
いう問題があった。このシリコン島は埋込酸化膜を部分
的に薄くしてしまうために、埋込酸化膜の電気的絶縁性
の劣化を引き起こし、半導体基板としての機能を損なう
欠点となっていた（S.Nakashima, M.Harada, and T.Tsu
chiya, 1993 IEEE SOI Couf. Proc., P.14(1993))。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に着目し、酸
素イオン注入による埋込酸化膜を形成するに際してシリ
コン島を発現させることなく、もって電気的絶縁性に優
れた半導体基板の製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体基板の製造方法は、単結晶シリ
コン基板に酸素イオンを注入した後、高温熱処理するア
ニール処理を行うことにより埋込酸化膜を形成する半導
体基板の製造方法において、イオン注入量２．８×１０
¹⁷cm^-2以上３．２×１０¹⁷cm^-2以下で酸素イオン注入を
行い、前記酸素イオン注入工程に続いて１３００℃以上
シリコン融点以下の温度でアニールを行った後、１３０
０℃以上以上シリコン融点以下の温度で酸化処理を行う
ように構成したものである。

【０００７】この場合において、前記酸化処理は低濃度
酸素雰囲気から高濃度酸素雰囲気まで段階的または連続
的に濃度を増加して行うようにすればよい。また、酸化
処理を行うためには、前記酸素イオンの注入の加速エネ
ルギを１５０keＶ以上とし、表面から０．３μｍ以上深
く埋込酸化膜を形成することが望ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る半導体基板
の製造方法の具体的実施形態を図面を参照して詳細に説
明する。

【０００９】本発明は、連続した埋込酸化膜を形成する
ためには、酸素イオン注入量が３．５×１０¹⁷cm^-2以上
とすることが必要であるものの、酸素イオン注入量の減
少させると、埋込酸化膜中のシリコン島の密度が小さく
なることを見出したことに起因する。すなわち、通常の
酸素イオン注入量として３．５×１０¹⁷cm^-2以上の注入
をなすと、図３に示すように、シリコン島は７×１０⁶c
m^-2以上の密度であるが、注入量を連続した埋込酸化膜
を形成できない注入量である３．２×１０¹⁷cm-²以下と
すると、シリコン島は検出レベル以下の４×１０⁵cm^-2
のオーダとなることが見出されたものである。

【００１０】一方、単結晶シリコン基板を製造するに際
して、酸素イオンの注入後にアニールを行うが、このア
ニールに引き続き、高温酸化を行うことで、埋込酸化膜
の増膜作用があることが知られている。

【００１１】そこで、本発明では、絶縁破壊電圧を低下
させる原因となるシリコン島の発現が生じないように、
酸素イオンのドーズ量を低くすることにより予め不連続
な埋込酸化膜を形成し、これを後の高温酸化処理によっ
て膜成長させることにより、不連続部分を埋め込んで最
終的に連続した埋込酸化膜を形成させるようにしたもの
である。

【００１２】以下に、図１に示した製造工程を示すフロ
ーチャートにしたがって、本発明に係る半導体基板の製
造方法の詳細を説明する。

【００１３】第１工程は、図１（１）に示すように、酸
素イオン注入で、イオン注入装置を用いて単結晶シリコ
ン基板１に酸素イオン¹⁶Ｏ⁺ を所定の深さに注入する。
これは酸素イオン注入量が２．８×１０¹⁷／ｃｍ²〜
３．２×１０¹⁷／ｃｍ² となる範囲とし、シリコン島が
発生しないドーズ量とする。加速エネルギに従って所定
の深さ位置に高濃度酸素イオン注入層２が形成される
が、後の工程で表面シリコン層を残すようにするため
に、イオン注入エネルギは１５０keＶ以上とした。表層
部が表面シリコン層３となる。

【００１４】第２工程はアニール処理であり、図１
（２）示しており、表面荒れを防ぐために、０．５％酸
素のＡｒガス雰囲気で８５０℃に保持された炉内に基板
を入れ、１３５０℃の温度に昇温して行う。このアニー
ル処理により結晶の安定化が行われ、高濃度酸素イオン
注入層２は埋込酸化膜４に変化する。この工程では、酸
素イオンのドーズ量が低いので、埋込酸化膜４は連続し
ない不連続酸化膜となる。このアニール処理に先立っ
て、ＣＶＤ装置を用いて単結晶シリコン基板１の表面に
ＳｉＯ₂ のアニール保護膜を形成する工程をいれてもよ
い。

【００１５】第３工程は第１高温酸化処理で、単結晶シ
リコン基板１を１３５０℃以上、シリコン融点温度未満
の温度範囲で数時間加熱する。このときのＯ₂ ガス濃度
は７０％とされている。図１（３）に示すように、この
第１高温酸化処理により、不連続埋込酸化膜４を基点と
して成長を開始し、不連続部分５を埋めるように成長す
る。

【００１６】第４工程は第２高温酸化処理であり、第３
工程を経た基板を、１３５０℃以上、シリコン融点温度
未満の温度範囲で数時間、加熱する。このときのＯ₂ ガ
ス濃度は１００％とされている。図１（４）に示すよう
に、この第２高温酸化処理によって、不連続部分は完全
に消滅し、所定の深さ位置に連続した埋込酸化膜６が形
成される。特に、この第２高温酸化処理は、酸化膜とシ
リコンとの界面の平坦性に影響し、第１高温酸化処理の
段階から高濃度酸化を行うことにより、平坦性が悪化す
ることを回避している。第３工程と第４工程の高温酸化
は酸素濃度を低濃度から高濃度に移行させればよく、濃
度差は３０％程度の差で充分であり、基本的には前記濃
度差を確保して段階的あるいは連続的に変化を与える高
温酸化を行えばよい。

【００１７】

【実施例】次に、本発明を適用した一実験例について述
べる。（１）酸素イオン注入：単結晶シリコン基板に、加速エ
ネルギー１８０keＶでドーズ量２．８×１０¹⁷／ｃｍ²
の酸素イオンを注入し、所定の深さに高濃度酸素イオン
注入層を形成した。（２）アニール：アニール温度を１３５０℃とし、０．
５％の濃度のＯ₂ を含むＡｒ雰囲気中、埋め込み酸化膜
を形成させた。（３）高温酸化：酸化温度を１３５０℃とし、７０％の
Ｏ₂を含むＡｒ雰囲気中、３時間の第１高温酸化処理を
なし、その後に、Ｏ₂濃度を１００％にして２時間の第
２高温酸化を行った。

【００１８】〈比較例〉単結晶シリコン基板に、加速エ
ネルギー１８０keＶでドーズ量３．６×１０¹⁷／ｃｍ²
の酸素イオンを注入し、その後、０．５％の濃度のＯ₂
を含むＡｒ雰囲気中で１３５０℃で４時間、アニールを
行って埋込酸化膜を形成した。酸素イオンのドーズ量を
３．６×１０¹⁷／ｃｍ²で行った比較例では、シリコン
島密度は１０⁷／cm²程度であったが、上記本発明方法で
製造した半導体基板では４×１０⁵／ｃｍ²以下（検出限
界）に低減した。なお、アニール後、埋込酸化膜は７０
ｎｍで、２．４×１０⁴／ｃｍ²のシリコンパイプが存在
しているが、高温酸化後は埋込酸化膜厚は９１ｎｍに増
加し、シリコンパイプ密度は２０cm^-2以下となる。この
シリコンパイプ密度はイオン注入時に、ウェーハ上に付
着したパーティクルの密度に依存し、従来技術によるも
のと同程度である。

【００１９】上記のようにアニール後高温酸化処理を施
した半導体基板の埋め込み酸化膜について、絶縁破壊電
圧の比較図を図３に示す。本発明により得られた埋込酸
化膜の絶縁破壊電圧は８ＭＶ／ｃｍであるのに対し、通
常のＳＩＭＯＸの場合（従来例１）には４ＭＶ／ｃｍで
あり、埋込酸化膜を高温酸化処理により増膜させて形成
した埋込酸化膜の場合（従来例２）には５．５ＭＶ／ｃ
ｍであり、本発明の効果が明確である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸素イオンを加速エネルギ１５０keＶ以上、イオン注入
量２．８×１０¹⁷cm^-2以上３．２×１０¹⁷cm^-2以下で酸
素イオン注入を行い、前記酸素イオン注入工程に続いて
１３００℃以上シリコン融点以下の温度でアニールを行
った後、１３００℃以上シリコン融点以下の温度で酸化
処理を行い、また、前記酸化処理は低濃度酸素雰囲気か
ら高濃度酸素雰囲気まで段階的または連続的に濃度を増
加して行うように構成したので、酸素イオン注入による
埋込酸化膜を形成するに際してシリコン島を発現させる
ことなく、もって電気的絶縁性に優れた半導体基板を製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体基板の製造工程を示すフロ
ーチャートである。

【図２】本発明と従来例の埋込酸化膜の絶縁破壊電圧の
比較実験例である。

【図３】酸素イオンの注入量と埋込酸化膜中のシリコン
島密度の関係を示す図である。

【符号の説明】

１単結晶シリコン基板２高濃度酸素イオン注入層３表面シリコン層４不連続埋込酸化膜５不連続部６連続埋込酸化膜

フロントページの続き (72)発明者片山達彦神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金属株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入
した後、高温熱処理するアニール処理を行うことにより
埋込酸化膜を形成する半導体基板の製造方法において、イオン注入量２．８×１０¹⁷cm^-2以上３．２×１０¹⁷cm
^-2以下で酸素イオン注入を行い、前記酸素イオン注入工
程に続いて１３００℃以上シリコン融点以下の温度でア
ニールを行った後、１３００℃以上以上シリコン融点以
下の温度で酸化処理を行うことを特徴とする半導体基板
の製造方法。
【請求項２】前記酸化処理は低濃度酸素雰囲気から高
濃度酸素雰囲気まで段階的または連続的に濃度を増加し
て行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の
製造方法。
【請求項３】前記イオン注入時のイオン加速エネルギ
は１５０keＶ以上であることを特徴とする請求項１また
は２に記載の半導体基板の製造方法。