JPS63104470A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板の製造方法に関し、特に大規模集
積回路に用いられる絶縁体の上に単結晶シリコン層を有
する半導体基板の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

大規模集積回路（ＬＳＩ）は、各種コンピュータや家庭
電化製品等の広い分野に用いられており、その性能は著
しく向上して来ているが、集積度が向上するにつれて、
ラッチ・アップやソフトψエラー等の信頼性に関する問
題や、消費電力や動作速度等の性能に関する問題が生じ
始めている。

これらの問題を解決するための手法として、二酸化ケイ
素（ＳｉＯｙ）の上に形成した単結晶シリコン層に半導
体装置を製造する技術が試みられている。

この、Ｓ　ｉｏｌ等の絶縁体上に単結晶シリコンを形成
する技術の１つの方法として、イオン注入技術を用いて
、通常の単結晶シリコン基板中へ高濃度の酸素原子を導
入して埋め込み酸化膜層を形成する技術（例えば、Ａｐ
ｐｌ　、Ｐｈ１ｓ、Ｌｃｔｔ　４８　（１２）。

２４　Ｍａｒｃｈ　１９８６．Ｐ７９４　　Ｂ、Ｙ、Ｍ
ａｏ　ｅｔ　ａｌ）がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来のＳＯＩ技術では、化学量論組成の埋め込
みＳｉＯｘ層を形成するために、最低限必要な量又はそ
れよシも多い量の酸素原子を、一定の注入エネルギーで
シリコン基板中へ導入した後、１０００℃以上の温度で
２時間程度の熱処理を行な工 う。イオン薮入された酸素原子は、熱処理中にシリコン
結晶内を拡散し、埋め込みＳｉｎ、を形成するが、イオ
ン注入によって発生した格子欠陥の微視的構造が原因と
なって、埋め込みＳｉｎ、層と表面シリコン層の界面及
び埋め込みＳｉｎ、層と基板シリコンとの界面の状態は
良好でない。その結果、埋め込み５ｉＯｚ層界面には界
面電荷が発生し、また表面シリコン層内には転位が発生
するため、表面シリコン層に集積回路を形成した場合、
所望の回路特性を得る事ができない。また、埋め込み５
ｉＯｚ層内の基板シリコンとの界面近傍には、シリコン
結晶が島状に閉じ込められてしまうため、これが７０−
ティングゲートと類似の作用を引き起こしてしまう可能
性が高い。さらに、上記の問題を回避しようとして、一
定の加速電圧で注入酸素濃度を増加すると、表面シリコ
ン層の厚さが減少するばかシでなく、注入後の熱処理で
固相エピタキシャル成長の種として用いる単結晶層が消
滅してしまうという欠点がある。

本発明は、従来の技術では困難であった絶縁体上単結晶
シリコンの結晶性を向上し、かつ表面シリコン層と埋め
込みＳｉｎ、層との界面状態及び埋め込みＳｉｎ２層と
基板シリコンとの界面状態を良好にし、さらに、この絶
縁体上単結晶シリコンを用いる事によって高性能かつ高
信頼性を有する大規模集積回路の実現を可能にする半導
体基板の製造方法を提供する事を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、通常の高品質単結晶シリコン基板内へ、高
濃度の酸素原子を導入する酸素イオン注入工程と、との
イオン注入工程で発生する注入損傷を回復させるための
高温熱処理工程とを有し、酸素イオン注入工程において
、加速電圧を連続的に、あるいは不連続的に変化させる
事を特徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施例の概念図で
ある。

工程（ａ）：通常の単結晶シリコン基板１０１の表面に
常圧気相成長法を用いて、厚さ５００Ａの酸化膜１０２
を形成した後、９００℃の窒素ガス中で２０分間の熱処
理を施す。

工程（ｂ）〜（Ｃ）；シリコン基板１０１の温度が５０
０℃程度になる様に制御しながら、−価の酸素原子イオ
ン１０３を注入する。加速電圧を１５０ｋＶに設定し、
ドース量が１．ＯＸ　１０１８ｏ　”／Ｊに達するまで
注入した後、全ドース量が２．５Ｘ１０１８０シーに達
するまでの間に、加速電圧を２００ｋＶまでゆつくシと
上昇させる。この時、Ｓｉｎ、層１０４とその両側に注
入損傷の激しい層１０５，１０６と注入損傷の比較的ゆ
るい層１０７，１０８とＯｌの注入を受けない層１０９
が形成される。この間に、化学量論組成の５ｉｆｔ層１
０４の形成に不要となった過剰酸素原子はＳ　ｉｏｚ層
１０４の外部へ拡散して、新らしい５ｉ０２層を形成す
るため、注入損傷の激しい層１０５　、１０６はＳｉｎ
、に変化して、Ｓｉｎ、層１０４の領域が拡大する。そ
の結果、損傷が比較的ゆるい層１０７，１０８だけが残
る。

工程（ｄ）：１２８０℃の窒素ガス中で２時間の熱処理
を施すと、注入損傷のゆるい層１０７，１０８は、単結
晶層１０９を種とした固相エピタキシャル成長によって
単結晶シリコン層１１０へ回復する。

また過剰酸素原子は酸化膜１０２を通過して外部へ拡散
する結果、転位密度及び酸素濃度が低く、かつ結晶性の
優れる単結晶シリコン層１１０が形成され、埋め込み５
ｉｆｔ層１０４との界面状態も良好になる。また、加速
電圧を固定して、同じドース量を注入した場合に、埋め
込み５ｉｎｔ層１０４内に認められる島状のシリコン結
晶は全く認められない。

第２図は、本発明の第２の実施例の概念図である。

工程（ａ）；通常の単結晶シリコン基板２０１０表面に
、常圧気相成長法を用いて、厚さ５００人の酸６一 化膜２０２を形成した後、９００℃の窒素ガス中で２０
分間の熱処理を施す。

工程（ｂ）〜（Ｃ）；シリコン基板２０１の温度が５０
０℃程度になる様に制御しながら、−価の酸素原子イオ
ン２０３を注入する。加速電圧を１５０ｋＶに設定し、
ドース量が１−５Ｘ１０”０＋／ｃｄに達するまで注入
した後、加速電圧を２００　ｋＶに変更し、さらに１．
ＯＸ　１０１８０”／−の注入を行なう。この時、Ｓｉ
ｎ、層２０４とその両側の注入損傷の激しい層２０５　
、２０６と注入損傷のゆるい層２０７，２０８と注入さ
れない層２０９が形成される。化学量論組成のＳｉｎ、
層２０４の形成に不要となった過剰酸素原子はＳｉｎ、
層２０４の外部へ拡散して、新らしいＳ　ｉＯ２層を形
成するため、Ｓ　ｉｏ、層２０４の領域が拡大する。そ
の結果、注入損傷の激しい層２０５．２０６はＳ　ｉｏ
、に変化ンし、損傷が比較的ゆるい層２０７，２０８だ
けが残る。

工程（ｄ）：１２８０℃の窒素ガス中で２時間の熱処理
を施すと、注入損傷のゆるい層２０７，２０８内に残留
していた過剰酸素原子は酸化膜２０２を通過して外部へ
拡散し、同時に単結晶層２０９を種とした固相エピタキ
シャル成長によって、注入損傷のゆるい層２０７，２０
８は良質の単結晶層２１０にガる。

また、加速電圧を固定して、同じドース量を注入した場
合に、埋め込み５ｉＯｙ層内に認められる島状のシリコ
ン結晶は全く認められず、良好な界面が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、高濃度酸素イオン注入
において、酸素イオンの加速電圧を変化させる事によシ
、注入酸素濃度分布及び注入損傷の分布を変化させてお
くため、従来１２８０℃程度の温度では実現できなかっ
た部分の注入酸素原子の再配列を可能にし、はぼ理想的
なＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔ
ｏｒ）構造を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施例の概念を
各工程順に示した断面図、第２図は本発明の第２の実施
例の概念を各工程順に示した断面図である。 １０１．２０１・・−軸・単結晶シリコン基板、１０２
゜２０２・・・・・・常圧気相成長酸化膜、１０３，２
０３・・−・・・酸素原子イオン、１０４，２０４・・
・・・・埋め込みＳ　ｉＯ。 層、１０５，１０６，２０５，２０６・・・・・・注入
損傷の激しい層、１０７，１０８，２０７，２０訃旧・
・注入損傷のゆるい層、１０９，２０９−・−非注入層
、１１０，２１０・・・表面単結晶シリコン層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高純度単結晶シリコン基板に、酸素イオンを加速するた
   めの加速電圧を連続的に、あるいは不連続的に変化させ
   て高濃度の酸素原子又は酸素分子を導入する酸素イオン
   注入工程と、９００℃以上の窒素ガス中または希ガス中
   または１Ｐａ以下の圧力の真空中で１０秒間以上の熱処
   理を行なう工程とを有することを特徴とする半導体基板
   の製造方法。