JPH0249466A - Ｓｏｉ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、シリコン（Ｓｉ）酸化膜等の絶縁膜上に単結
晶Ｓｉ膜を形成するＳＯＩ　（シリコンオンインシュレ
ータ（Ｓ　１ｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉ　ｎ５ｕｌａｔｏｒ
）　）基板の製造方法に係り、特に、膜厚の均一性およ
び結晶性が良好で、かつ、膜中の不純物濃度が素子形成
に必要な濃度となっているＳｏ工基板の製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

近年、シリコン酸化膜上に厚さ０．１−程度の単結晶Ｓ
ｉ膜（ＳＯＩ）を形成し、このＳｉ膜にＭＯＳＦＥＴを
形成すると、バルク上に形成したＭＯＳＦＥＴに比して
相互コンダクタンスｇ、が増大し、短チヤネル効果が抑
制され、さらに１１１ｍ程度のＳｉ膜を用いたＳＯＩ基
板において見られたキンク現象が生じない等の利点が生
ずることが明らかとなり、注目されている。

このような５ＯＩｔｉ−ＬＳＩ基板に適用するためには
、次の条件を満足することが必要である。すなわち、■
Ｓｉ膜の膜厚の均一性が良好であること、■Ｓｉ膜の結
晶性が良好であること、■Ｓｉ膜中の不純物濃度が素子
を形成するのに適した値となっていること、である。

従来のＳＯ工基板を実現する方法としては、３つの方法
が提案されている。

第６図（ａ）、（ｂ）は、従来のＳ○■基板を実現する
第１の方法を示す工程断面図である。

すなわち、従来の第１の方法では、Ｓｉ基板６１上に形
成したＳ　ｉ　Ｏ，膜６２上に非晶質あるいは多結晶Ｓ
ｉ膜６３を形成した後、レーザビームあるいは電子ビー
ム等のエネルギービーム６４を矢印のように走査してア
ニールを行ない、Ｓｉ膜６３を単結晶化させて単結晶膜
６５を形成しく第６図（ａ））、次に、ドライエツチン
グ法あるいは酸化法等を利用してＳｉ膜６５を薄層化し
てＳＯＩ基板を実現する（第６図（ｂ））。

しかし、この方法では、上記条件■の適正な不純物濃度
については満足するが、条件■の膜厚の均一性について
は、エネルギービームアニールに特有のＳｉ膜の波打ち
現象が生じるため、広範囲にわたる膜厚の均一性の確保
が困難であり、また、条件■の結晶性についても再結晶
時に生じる結晶粒界の存在あるいは結晶軸の回転現象等
に起因して良好な結晶性を得ることができない。

第７図（ａ）〜（ｃ）は、従来のＳＯＩ基板を実現する
第２の方法を示す工程断面図である。

すなわち、従来の第２の方法では、ｎ＋あるいはｐ＋基
板７１上にｎ−あるいはｐ−のエピタキシャル層７２を
形成し、Ｓ　ｉ　Ｏ２膜７３を形成した後、この基板７
４をＳｉ基板７５上にＳｉｎ、膜７６が形成された別の
基板７７に公知の方法を用いて接着しく第７図（ａ））
、次に、ｎ＋あるいはｐ＋基板７１を、高不純物濃度の
Ｓｉ基板のエッチレイトが低不純物濃度のＳｉ基板より
大きい（すなわち、エツチング速度が速い）硝酸・弗酸
・酢酸の混合液によってエツチング除去し、ｎ−あるい
はｐ−のエピタキシャル層７２を残す方法である。

この方法では、条件■、■につぃては満足するが、■の
膜厚の均一性については、硝酸・弗酸・酢酸の混合液を
用いてエツチングを行なうと。

１００人程以下微細な凹凸が生ずる欠点があり、また、
高不純物濃度と低不純物濃度におけるエッチレイトも最
大１００倍程度であるため、高不純物濃度部分のＳｉ膜
厚に上２゜０−の厚さむらがあった場合、エツチング後
、±３００Å以上の厚さむらが生じることになり、ｎ−
あるいはｐ−のエピタキシャル層を１０００人（０、１
、ｃａａ　）以下にする場合には、無視できない結果と
なる。さらに、この方法では、エピタキシャル成長法を
使用するが、この工程は、製造費用を著しく増大させる
ため、Ｓ○工基板を高価なものにする欠点がある。

次に、第３の方法であるが、最近、エピタキシャル成長
法を用いない方法として、ボロンをドープしたｐ”Ｓｉ
基板の表面を酸化し、Ｓｉ基板とＳ　ｉ　Ｏ，膜の偏析
を利用してＳｉ基板の表面のみにｐ−層を形成し、この
ｐ−層を残す方法が提案された。第８図は、この方法に
ついて示す図である。

しかし、この方法により得られるｐ−層は、１０１″ロ
ー３程度のものであり、素子形成に必要な１０１７Ｃ１
１−’以下の不純物濃度のＳｉ層を得ることは困難であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、従来のＳＯＩ構造においては、Ｓｉ膜厚
の均一性、Ｓｉ膜の結晶性、Ｓｉ膜中の不純物濃度のす
べてにおいて適正な技術は存在しなかった。

本発明の目的は、このような３つの条件をすべて満足す
る薄膜Ｓｉ膜を有するＳ○工基板を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のＳＯＩ基板の製造方法は、Ｓｉからなる第１の
基板の主面上にｐ＋不純物ドープ層を形成する工程と、
上記ｐ＋不純物ドープ層上に絶縁膜を介在させて、Ｓｉ
基板、あるいは少なくとも上記第１の基板側の表面層が
絶縁物からなる第２の基、板を形成する工程と、上記第
１の基板の上記ｐ＋不純物ドープ層以外のＳｉ部分を選
択的に除去する工程と、上記第２の基板とは反対側から
上記ｐ′″不純物ドープ層の一部を酸化することにより
該Ｓｉ層の薄層化および不純物濃度低減を行なう工程を
少なくとも含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明では、従来の第２の方法ではＳｉのエツチングに
硝弗酸系のエツチング液を用いるのではなく、アルカリ
性のエツチング液を用いることが可能なため５例えばｐ
−とｐ＋どのエッチレイトが硝弗酸系のエツチング液の
数倍以上が得られ、結果として極めて膜厚の均一性の良
いＳｉ膜を得ることができる。

また、従来の第２の方法と同様にＳｉウェハの接着技術
を用いることが可能なので、再結晶を行なう従来の第１
の方法と異なり、良好な結晶性を有するＳｉ膜を得るこ
とができる。

さらに、ｐゝＳｉ層を薄層化するために酸化を行ない、
これによりＳｉの薄層化とｐ＋層中のボロン濃度の低減
を行なっており、これは従来の第３の方法でも行なって
いるが、これと異なるのは、本発明では、ｐ＋層は既に
ＳＯＩ構造となっているため、ボロンの総量が一定であ
り、従来の第３の方法のように、ｐ＋基板の表面を酸化
した場合に比べて酸化によるボロン濃度の低減を効果的
に行なうことができ、Ｓｉ層中の不純物濃度を素子を形
成するのに適した値にすることができる。

このように１本発明のＳｏ工基板の製造方法では、条件
■、■、■のすべてを満たすことができる。

〔実施例〕

第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施例のＳＯＩ基
板の製造工程を示す断面図である。

まず、半導体主面が（１００）面であるＳ−ｉ基板１を
用意する６次に、このＳｉ基板工の主面上に、表面から
の深さ１ｔｌＩｍの不純物濃度が１０”Ｑｌ−’以上と
なるように設定されたｐ２ボロンドープ層２を形成する
（第１図（ａ））、このｐ＋ボロンドープ廖２の形成方
法としては、ボロンのイオン注入法あるいはＢＮ（窒化
ボロン）の拡散法等を用いればよい６例えば、イオン注
入法では、注入エネルギーが４０ｋｅＶ、注入量がＩ　
ＸＩＯ”ａ＋＋−”および１１００℃、３０分程度のア
ニールにより実現できる。また、ＢＮ拡散法では、１０
５０”Ｃ１２，７時間の拡散条件により実現できる０次
に、ｐ＋ボロンドープＪｔＩ２の上にＳ　ｉ　Ｏ，膜、
およびＢＰＳＧｇ４（ボロ・フォスフォ・シリケート・
ガラスニホウ−リン珪酸ガラス）（Ｂ　ｏｒｏ−Ｐ　ｈ
ｏｓｐｈｏ−Ｓ　１ｌｉｃａｔｅＧ　１ａｓｓ）　）を
形成する。

次に、基板５とは別に、Ｓｉ基板６の表面にＳ　ｉ　Ｏ
，膜７が形成された基板９を用意しく第１図（ｂ））、
両者（５と９）をＢＰＳＧ膜４．８を用いて接着する（
第１図（ｃ））、この接着方法としては、公知の技術を
用いることができる６ただし、形成したｐ＋ボロンドー
プ層２の不純物濃度分布の変化を少なくするため、低温
で接着することが必要であり、ここではＢＰＳＧを接着
剤として用いた。この場合、９１層２へＢＰＳＧ層４か
ら不純物が拡散するのを防止するため、ｐ＋層２の表面
にＳ　ｉ　Ｏ，膜３を形成する必要がある。

次に、基板５のｐ＋層２以外の部分（Ｓｉ基板１）をエ
ツチング除去して薄層化する（第１図（ｄ））。この方
法としては、まず、１０−上２−の膜厚まで機械的な研
磨により薄層化し、次に、エチレンジアミン１７ｍ　Ｑ
、ピテカテコール３ｇ、水８　ｍ　Ｑの組成比のアルカ
リ系の混合液を１００℃に加熱したものを使用した。こ
の混合液は、ｐｎ−あるいはｎ”Ｓｉ層に対するエツチ
ング速度は、０．５４７＠ｉｎ程度であるが、１０”ａ
ｓ−’以上のボロン濃度のｐ＋層に対しては、エツチン
グ速度は１０人／ｍｉｎ以下であり、エッチレイトとし
ては５００倍以上が得られる。このため、上２−の厚さ
のばらつきを持つ基板を±４０人のばらつきに低減でき
、膜厚の均一性が向上できる。このようにして１．０−
±４０人のｐ”Ｓｉ層２を有するＳＯＩ構造が得られる
（第１図（ｅ））。

次に、この基板を１０００℃の加湿酸素（ウェット０、
）雰囲気中で２３時間５５分酸化する。この酸化条件に
より、膜厚２．０−のＳ　ｉ　Ｏ２膜１１が形成される
（第１図（ｆ））、よく知られているように、Ｓｉは酸
化されることにより、２．２倍の膜厚となるため、膜厚
２．ＯＩｊｍのＳｉＯ□膜を形成するには、０．９１−
のＳｉ層が必要であり、本実施例では、結果として膜厚
９００人のＳ　ｉ　Ｎ２が残っている。このＳｉ層２の
ボロン濃度を測定した結果、３〜４Ｘ１０’″’Ｃｍ−
’であった。すなわち、膜厚１．０−のボロン高濃度層
を酸化することにより薄層化しながら、かつ、偏析効果
を利用してボロンを吸出することにより、膜厚９００人
で、３〜４　Ｘ　１０”　ａｓ−’のボロン濃度のＳｉ
層を有するＳ○工基板が実現できた。ここで、酸化の進
行によりボロン濃度がどのように減少していくかを調べ
るため、酸化の各段階におけるボロン濃度分布の測定を
行なった。

その結果を第２図〜第５図に示す。第２図は。

ＳｉＯ□膜の膜厚ｔが０．５−のときであり、Ｓｉ膜中
のボロン濃度は多少低下しているが、まだ、７　Ｘ　１
０”　ａｎ−’程度ある。また、第３図は、ＳｉＯ２膜
厚しが１．０４のときであり、Ｓｉ膜中のボロン濃度は
３Ｘ１０”■−３程度となっている。第４図は、Ｓ　ｉ
　Ｏ，膜厚しが１．５−のときであり、このときでも、
Ｓｉ膜中のボロン濃度は１０１′ａｎ−’近くある。し
かし、第５図に示すＳｉ○２膜厚ｔが２．０．のときは
、ボロン濃度は１０１７ａｎ−”以下に低下している。

これらのデータから残りのＳｉ膜厚が少ないほど、ボロ
ン濃度の低下が大きいことがわかる。これは、Ｓｉ膜厚
がＳＯＩ構造上に限定されているために生ずる現象であ
り、ＳＯＩ構造でない場合は、偏析によってボロン濃度
を大きく減少させることは困難である。

上記実施例では、酸化前のｐ”Ｓｉ層２の厚さを１．０
ｐとしたために、ｐゝＳｉ層２を酸化することによりｐ
”Ｓｉ層２の厚さを０．１７ａ＋に低減するのに、２３
時間５５分を要した。この酸化時間をより短くするため
に、酸化前のｐ”Ｓｉ層２の厚さを０．４８ｕｍとした
場合の結果を以下に示す。第１図（ａ）〜（ｆ）に示し
たｐ”Ｓｉ層２を得る工程と異なるのは、第１図（ａ）
における２４′ボロンド一プ層２の形成条件であり、こ
こではＢＮ（窒化ボロン）拡散法により、１０５０℃、
１．０時間の拡散条件とした。これにより、第１図（ｅ
）において、厚さ０．４８．のｐ”Ｓｉ層２を得た。ｐ
＋Ｓｉ層２のボロン濃度の低減化とＳｉ膜の薄層化のた
めの酸化条件は、１０００℃の加湿酸素雰囲気中で、１
６時間４０分の酸化時間であり、その結果、Ｓｉ膜厚は
８００人となった。

第９図〜第１２図に、ｐ”Ｓｉ／１２の酸化の進行に伴
って該Ｓｉ膜厚が減少する様子と、酸化によりＳｉ膜中
のボロン濃度が減少する様子を示す。

第９図〜第１２図は、それぞれ、酸化の進行に伴うＳｉ
膜中のボロン濃度とＳｉ膜下のＳ　ｉ　Ｏ２膜（第１図
（ｆ）の３）中のボロン濃度の測定結果を示す図である
。第９図は、酸化前（第１図（ｅ）の状態）を示し、第
１０図は、膜厚３０００人のＳ　ｉ　Ｏ２膜を形成した
後を示し、第１１図は、膜厚６５００人のＳｉＯ□膜を
形成した後を示し、第１２図は、膜厚８８００人のＳｉ
Ｏ□膜を形成した後を示す。これらの図から、酸化の進
行に伴って、Ｓ　ｉ　Ｏ２膜中のボロン濃度が５ｉ−Ｓ
ｉｎ２界面で増加していることがわかる。これは、酸化
熱処理中にＳｉ膜中のボロンが偏析によりＳｉｎ、膜中
にわずかに拡散したためであり、本方法の１つの特徴を
示すものである。第１２図に示すＳｉ膜中のボロン濃度
は４　Ｘ　１０１１０ｌ７”になっており、素子形成が
可能な濃度となっていることがわかる。

ボロン濃度をさらに低下させるには、第２〜５図および
第９図〜第１２図の結果から初期ｐゝ膜の膜厚を１．０
７ｍ以上にし、酸化時間を長くすることが有効であるこ
とがわかる。

また、ボロン濃度の低下のためには、酸化したＳ　ｉ　
Ｏ２膜（第１図（ｆ）の１１）を除去し、ｐ＋層上にノ
ンドープの非晶質あるいは多結晶Ｓｉ膜等を形成し、熱
処理によりボロンを拡散させた後。

酸化により後で形成したＳｉ層を除去することも効果的
である。

次に、第１図により形成したＳ○工基板を用いてｎチャ
ネルＭＯ８ＦＥＴを形成し、その特性を測定した。この
ＭＯＳＦＥＴの特性は、バルク上に形成したＭＯＳＦＥ
Ｔに比べて５１．５倍以上の相互コンダクタンスｇｍの
値が得られており、Ｓ○工溝構造特長を示している。

このように、本実施例のＳＯＩ基板の製造方法では、膜
厚を決定する要因が、■ボロンによるｐ＋層の形成、■
エチレンジアミン・ピロカテコール・水のアルカリ系の
混合液によるウェットエッチ、■酸化による薄層化、の
３点にあり、いずれも膜厚の制御性に優れており、かつ
、従来のＬＳＩの製造工程を導入しやすい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されることがない
ことは言うまでもない。例えば、上記実施例では、ＢＰ
ＳＧによりＳｉ基板どうしを接着したが、方法、材質は
、これに限定されることなく、ＢＰＳＧを他の絶縁物に
変えての接着法、あるいは多結晶Ｓｉまたは絶縁物を厚
く堆積することによる基板を使用することができる。す
なわち、ｐ＋層を形成した第１のＳｉ基板上に別のＳｉ
基板あるいは少なくとも表面層が絶縁層である第２の基
板を形成し、最終的にｐ＋層の下に絶縁膜が形成された
ＳＯＩ構造が得られればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明ＳＯＩ基板の製造方法では
、Ｓｉ基板とｐ＋層とのエッチレイトが大きいアルカリ
性のエツチング液を用いることができ、Ｓｉ膜厚の均一
性が向上できる。また、Ｓｉウェハの接着技術を用いる
ことができ、再結晶を行なう必要がないので、Ｓｉ膜の
結晶性を向上できる。また、ｐ＋層の酸化によりＳｉの
薄層化とｐ＋層中のボロン濃度の低減を同時に行ない、
かつ、ｐ＋層は既にＳＯＩ構造となっているため、不純
物濃度の低減を効果的に行なうことができ、Ｓｉ層の不
純物濃度を素子を形成するのに適した値にすることがで
きる。さらに、Ｓｉ膜厚を決定する要因が、■ｐ＋不純
物層の形成、■アルカリ系のエツチング液を用いたエツ
チング、■酸化による薄層化、の３点にあり、いずれも
膜厚の制御性に優れており、かつ、従来のＬＳＩの製造
工程を導入しやすく、また高価なエピタキシャル成長を
用いなくてもよいので、大量生産による安価なＳＯＩ構
造が製造できるため、今後のＳｏ工基板を用いたＬＳＩ
の実現に効果がある′。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施例のＳＯ工基
板の製造工程を示す断面図、第２図〜第５図は、それぞ
れ、ｐ”Ｓｉ膜の酸化の進行に伴う該Ｓｉ膜中のボロン
濃度の減少の状態を示す図、第６図（ａ）、（ｂ）は、
従来のｓｏｒ基板の第１の製造方法を示す工程断面図、
第７図（ａ）、（ｂ）は、従来の第２のＳＯＩ基板の製
造方法を示す工程断面図、第８図は、従来の第３の製造
方法について説明するための図、第９図〜第１２図は、
それぞれ、ｐ”Ｓｉ膜の酸化の進行に伴う該Ｓｉ膜中の
ボロン濃度とＳｉ膜下のＳｉｎ、膜中のボロン濃度の測
定結果を示す図である。 １・・・Ｓｉ基板 ２・・・ｐゝボロンドープ層 ３．７・・・Ｓｉｎ、膜 ４．８．１０　・Ｂ　Ｐ　Ｓ　Ｇ膜 ５・・・第１の基板 ６・・・Ｓｉ基板 ９・・・第２の基板 １１・・・Ｓ　ｉ　Ｏ２膜 ６１・・・Ｓｉ基板 ６２・・ＳｉＯ２膜 ６３・・・非晶質あるいは多結晶Ｓｉ膜６４・・・エネ
ルギービーム ６５・・・Ｓｉ膜 ７１・・・ｎ＋あるいはｐ＋基板 ７２・・・ｎ−あるいはｐ−のエピタキシャル層７３・
・・５ｉ０２膜 ７４・・・第１の基板 ７５・・・Ｓｉ基板 ７６　・＝　Ｓ　ｘ　Ｏｚ膜 ７７・・・第２の基板 特許出願人　日本電信電話株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｓｉからなる第１の基板の主面上にｐ＾＋不純物ド
   ープ層を形成する工程と、上記ｐ＾＋不純物ドープ層上
   に絶縁膜を介在させてＳｉ基板あるいは少なくとも上記
   第１の基板側の表面層が絶縁物からなる第２の基板を形
   成する工程と、上記第１の基板の上記ｐ＾＋不純物ドー
   プ層以外のＳｉ部分を選択的に除去する工程と、上記第
   ２の基板とは反対側から上記ｐ＾＋不純物ドープ層の一
   部を酸化することにより該Ｓｉ層の薄層化および不純物
   濃度低減を行なう工程を少なくとも含むことを特徴とす
   るＳＯＩ基板の製造方法。