JP5374805B2 - Ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速、低消費電力なSOI（Silicon on Insulator）デバイスを形成するため の埋め込み酸化膜（Buried Oxide：BOX）を有する薄膜SOIウェーハに関するものであり、より詳細には、ウェーハ表面に酸素イオンをイオン注入により打ち込んだ後、高温でアニールをすることにより埋め込み酸化膜を形成した、SIMOX（Separation by Implanted Oxygen ）ウェーハの製造方法に関するものである。

薄膜SOIウェーハの製造方法としては、従来から、酸素注入時におけるドーズ量が高い、いわゆる高ドーズSIMOX法と、この高ドーズSIMOX法に比べて一桁程度低いドーズ量で酸素イオンを注入した後、高酸素雰囲気下でアニールを行う、いわゆる低ドーズSIMOX法の２種類が知られている。

さらに、近年では、低ドーズSIMOX法において、最後の酸素イオン注入を、室温付近で低ドーズ量で行うことによりアモルファス層を形成し、より低ドーズでのBOX形成を可能にした、いわゆるMLD（Modified Low Dose）法が開発され、ウェーハの量産に貢献している。

高ドーズSIMOX法は、典型的には、酸素イオンを、加速エネルギー：150keV、ドーズ量：1.5×10¹⁸cm^-2超え、基板温度：500℃程度の条件で注入し、その後、1300℃超えの温度で、酸素を体積％で0.5〜２％含むアルゴン（Ar）あるいは窒素（N₂）雰囲気中で、４〜８時間程度のアニールを行う方法である（例えば非特許文献１）。
しかしながら、この高ドーズSIMOX法は、注入時間が極めて長く、スループットが悪いことの他、SOI層の転位密度が１×10⁵〜１×10⁷cm^-2と極めて高いという問題があった。
「K.Izumi et al. Electron. Lett.(UK)vol.14（1978）p.593」

また、低ドーズSIMOX法は、上記した高ドーズSIMOX法の欠点を改善したもので、典型的には、酸素イオンを、加速エネルギー：150keV超え、ドーズ量：４×10¹⁷〜１×10¹⁸cm^-2、基板温度：400〜600℃程度の条件で注入し、その後のアニールを、1300℃超えの温度で、30〜60％の酸素を含むアルゴン雰囲気下で行い、このアニール工程における酸素の内部酸化（Internal Thermal Oxidation：略して「ITOX」ともいう）によって、埋め込み酸化膜（BOX）を厚膜化すると共に、貫通転位密度を低減するなど、大幅な品質向上を実現させている（例えば非特許文献２）。
「S. Nakashima et al. Proc. IEEE int. SOI Conf.(1994）p.71〜72」

さらに、MLD法は、低ドーズSIMOX法の改良版として開発されたもので、従来の高温（400〜650℃）での酸素注入後に、さらに室温で１桁低いドーズ量の酸素注入を行い、アモルファス層を埋め込み酸化膜（BOX）表面に形成する方法である（例えば非特許文献３および特許文献１）。
この方法によると、1.5×10¹⁷〜６×10¹⁷cm^-2という広い低ドーズ量範囲で、連続なBOX成長が可能であり、また、その後のITOXプロセスにおいても、従来のITOXの1.5倍の速度で内部酸化が可能になった。その結果、BOX膜は、熱酸化膜に極めて近くなり、大幅な品質の改善が達成された。通常、このMLD法では、SOI層中の酸素量を下げるために、ITOX工程の後に、５〜10時間程度、酸素を0.5〜２％含むAr雰囲気中においてアニールを行うのことが一般的である。
「O.W.Holland et al. Appl.Phys.Lett.(USA)vol. 69（1996）p.574」 米国特許第5930643号公報

上記したSIMOX形成法は、すべて高温のアニール工程を含み、特にこのアニール条件が、最終的なSIMOXウェーハの品質を大きく作用することが知らている。通常、SIMOXのアニール工程の最後は、酸素を体積％で0.1〜２％程度含むAr雰囲気中において、1300℃以上の温度で、５時間から数10時間にわたる熱処理が行われる。この熱処理によって、ITOX工程でSOI層に内方拡散した酸素が外方拡散することによりSOI層中の酸素が十分に低下し、SOI層に残った残留欠陥、酸素析出物等が消滅し、また、BOX中の酸素析出物が成長し、互いに合体することでBOX中の欠陥も消滅し、さらに良好なSOI/BOX界面が形成されることが知られている。
しかしながら、SOI層表面のラフネスに関しては、従来の方法では必ずしも安定して良好な特性は得られていなかった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、SIMOX形成法によってSOIウェーハを製造するに際し、表面ラフネスを大幅に改善したSIMOXウェーハの有利な製造方法を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねたところ、アニール中の酸素濃度およびSi基板の切断角度、特にアニール中の酸素濃度によって、アニール中に形成される表面の結晶構造（ステップ／テラス）の状態が大きく変化し、それに伴いSOI層表面のラフネスも変化することの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）Si基板の表面に、酸素イオンを注入後、高温アニール処理を行うことによって、SIMOXウェーハを製造するに際し、該高温アニール処理を、酸素を体積％で10〜70％含む内部酸化（ITOX）処理後に、温度：1290℃以上1380℃未満、時間：５時間以上40時間未満の条件で行うものとし、さらに、該高温アニール処理の少なくとも最終段階：１時間について、その雰囲気を、ArまたはN₂に対して、体積％で３％超 10％以下の酸素を含む雰囲気とする一方、該最終段階の前段階の酸素濃度は最終段階よりも低い体積％で１〜３％の濃度とすることを特徴とするSIMOXウェーハの製造方法。

（２）前記Si基板の切断角度が0.2°以下であることを特徴とする上記（１）に記載のSIMOXウェーハの製造方法。

（３）前記SIMOXウェーハの製造方法が、MLD（Modified Low Dose）法であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のSIMOXウェーハの製造方法。

本発明によれば、各種の品質に優れ、特に、SOI表面のラフネスが極めて良好なSIMOXウェーハを得ることができる。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
酸素イオンを注入後に行う高温のアニール工程において、シリコン表面は酸化が進み、厚い酸化膜が形成される。この時に、酸化膜直下のシリコン表面では、酸化過程における溶解度の増大（enhanced solubility）が生じ、この温度での飽和酸素濃度よりも高い酸素濃度が実現される（文献：U.Gosele etal, Appl.Phys. Lett.67, 241 (1995)）。一方、BOX酸化膜直上のシリコン表面は、ほぼこの温度での飽和濃度の酸素が存在している。従って、SOI層の上下で濃度勾配が生じ、酸素は内部へ拡散（内方拡散：in-diffusion）し、BOX成長が生じる。

しかしながら、この時のアニール雰囲気中の酸素濃度があまりにも低いと、逆に表面での溶解度の増大は起こらずに、酸素が反対に外部へ拡散（外方拡散：Out-diffusion）する。この外方拡散が生じると、それにつれて、表面酸化膜近傍の酸素も乖離して、表面のシリコン原子が自由に動けるようになり、表面の再構成が起こり、表面に酸化膜が存在しても、真空中、不活性ガス中のベアシリコンの表面と同様にステップ／テラス構造が出現することが報告されている（文献：D. J. Bottomley et al Phys. Rev. B, 66, 35301(2002)）。

そこで、発明者らは、このような現象がSIMOX形成時におけるSOI層表面のラフネスに及ぼす影響について検討したところ、SIMOXウェーハにおいても、このステップ／テラス構造（段差状の表面構造）が生じ、その結果、AFMで測定した表面ラフネスの値が著しく劣化することが究明された。
上記したような、アニール中の酸素濃度によって、アニール中に形成されるシリコン表面の結晶構造（ステップ／テラス）が大きく変化し、それによりSOI層表面のラフネスが劣化することは、本発明ではじめて見出した事項である。

また、この傾向は、SIMOXを形成する時のシリコン基板の切断角度（Miscut angle）が大きいほど顕著であることも明らかになった。ここに、切断角度とは、切断面が、面方位(100)からずれる角度のことを意味する。
なお、シリコン基板のMiscut angleがSOI表面ラフネスに大きな影響を与えることはすでに知られている（米国特許第6531411号公報）が、特にアニール時の雰囲気によってこの傾向が顕著に現れることについては、従来、知られていなかった。

そして、発明者らの研究によれば、体積％で酸素を３％超含むAr雰囲気またはN₂雰囲気中でアニールを行うと、酸素の外方拡散は起こらず、表面の再構成が起きることもないことが判明した。一方、酸素濃度の上限については、酸素濃度が10％を超える雰囲気中でアニールを行うと今度は反対に酸素の内方拡散によるITOX工程が進み、SOI層の酸素濃度が高くなりすぎて、その後のデバイスプロセスで酸素析出などの問題を起こす可能性が高くなることが判明した。
そこで、本発明では、両者のバランスの取れた条件として、アニール雰囲気中に含有させるべき酸素量として体積％で３％超 10％以下の範囲に規定したのである。

また、上記のアニール処理は、温度：1290℃以上 1380℃未満、時間：５時間以上 40時間未満の条件で行うことが好ましい。というのは、アニール温度が1290℃未満、またアニール時間が５時間未満では、表面および界面のラフネスが悪化するという問題が生じ、一方アニール温度が1380℃超、またアニール時間が40時間超では、生産性が低下するという問題が生じるからである。

なお、酸素の内方拡散、外方拡散が、うまくバランスする酸素の比率は、アニール温度によって変化することが考えられる。すなわち、アニール温度が高い時は、酸化工程が進みやすいため比較的低い酸素％でも内方拡散が優勢になる。しかしながら、表面のステップ／テラス構造の形成は温度が高い場合に起こり易い。従って、これら両者の効果を考慮して、酸素濃度を調整することが重要である。

SIMOXの典型的なアニール工程は、図１に示すように、比較的高酸素濃度のITOX工程の後に、比較的低酸素濃度のアニール工程の組み合わせで行われるが、本発明のアニール条件についても、この様な組み合わせで適用されることが望ましい。

また、本発明に従う酸素濃度を調整したアニール処理は、必ずしもアニールの全工程に適用する必要はなく、少なくとも最終段階：１時間について適用すれば良い。というのは、シリコンの表面状態が決定されるのは、主にアニール工程の最終段階だからである。
なお、最終段階の前段階の酸素濃度については、最終段階よりも幾分低い１〜３％とすることが必要である。

また、本発明では、SIMOXを形成する時のシリコン基板の切断角度は0.2°以下程度とすることが好ましい。というのは、シリコン基板の切断角度が0.2°を超えると、表面および界面のラフネスが著しく劣化するからである。

さらに、本発明のSIMOXプロセスは、高ドーズ法、低ドーズ法およびMLD（Modified Low Dose）法のいずれにも適用可能であるが、とりわけMLD法に適用して好適である。

以下、本発明を、MLD法によるSIMOXプロセスに適用した場合について述べる。
切断角度を0.1〜0.2°で変化させたSi基板に対し、酸素イオンの注入を、まず、加速エネルギー：170keV、ドーズ量：2.5×10¹⁷cm^-2、基板温度：400℃の条件で行い、その後、室温で、ドーズ量：２×10¹⁵cm^-2のイオン注入を行った。ついで、1320℃、10時間のITOXプロセスの後に、1350℃、10時間のアニールプロセスを、酸素を種々の割合で含有するAr雰囲気中で行った。また、一部については、本発明に従い、アニール工程の最終段階１時間のみ、雰囲気中酸素濃度を３％超10％以下に調整した最終段階アニール処理を行った。

かくして得られたSIMOXウェーハの表面ラフネスおよび表面酸素濃度について調べた結果を表１に示す。
なお、SOI表面のラフネスは、AFM(Atomic Force Microprobe)を用いて、10μm×10μmのサイズに関して測定を行い、Rms（Root Mean Squre）値で表示した。また、表面酸素濃度は、Secondary Ion Microprobe Spectroscopy(SIMS)で測定した。

同表に示したとおり、Ar雰囲気中の酸素濃度が低くなると、表面ラフネスが悪化傾向にあることが明らかである。一方で、表面酸素濃度の値は、Ar雰囲気中の酸素濃度が増えるにつれて高くなることが分かる。この両者から、最適な酸素範囲が分かり、好適には体積％で４％超 10％以下の範囲である。

ITOX工程をそなえるアニール工程のアニール条件を示す模式図である。

Claims (3)

1. Si基板の表面に、酸素イオンを注入後、高温アニール処理を行うことによって、SIMOXウェーハを製造するに際し、該高温アニール処理を、酸素を体積％で10〜70％含む内部酸化（ITOX）処理後に、温度：1290℃以上1380℃未満、時間：５時間以上40時間未満の条件で行うものとし、さらに、該高温アニール処理の少なくとも最終段階：１時間について、その雰囲気を、ArまたはN₂に対して、体積％で３％超 10％以下の酸素を含む雰囲気とする一方、該最終段階の前段階の酸素濃度は最終段階よりも低い体積％で１〜３％の濃度とすることを特徴とするSIMOXウェーハの製造方法。
2. 前記Si基板の切断角度が0.2°以下であることを特徴とする請求項１に記載のSIMOXウェーハの製造方法。
3. 前記SIMOXウェーハの製造方法が、MLD（Modified Low Dose）法であることを特徴とする請求項１または２に記載のSIMOXウェーハの製造方法。

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