JPH0319218A - Ｓｏｉ基板の作成方法及び作成装置 - 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） 本発明は分子線成長法をもちいたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　ｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の作成方法に関する
。

（従来の技術） ＳＯＩ技術は絶縁性基板上にＳｉの単結晶を形成する技
術で、近年精力的に研究が進められている。ＳＯＩ基板
を形成する方法には １）レーザービームもしくは電子ビームでＳｉＯＺ上に
形戊したポリシリコンを溶融し再結晶化させる方法、 ２）気相や液相成長を用いてシード部からＳｉＯ２上へ
横方向成長させる方法、（ＥＬＯ）、 ３）酸素イオンをシリコン単結晶基板に注入し、表面単
結晶層の下に酸素高濃度層を作り、その後の加熱によっ
て酸素高濃度層をＳｉＯ２層に変化させる方−法（ＳＩ
ＭＯＸ）、 等が提案されている。それぞれの方法には長所と短所が
あるが、この中でＳＩＭＯＸは、スループットが高く、
もともと単結晶基板を用いるために結晶性も優れており
、一層のＳＯＩ層を作る上で有望な方法である。ＳＩＭ
ＯＸでは上層に十分な厚さのＳｉ単結晶層を確保し、し
かも下層に厚いＳｉＯ２層を形戒するため、１００ｋｅ
Ｖ以上の高速イオンを多量に注入しなければならない。

注入直後の酸素のプロファイルは第３図ａ）のようにな
る。酸素の分布は、高速のイオン注入のためガウス分布
に近いものになる。

この後、高温の熱処理を行うと、ＳｉＯ２が形威され、
第３図ｂ）に示すように酸素の分布も急峻となる。しか
し、この時の熱処理温度は酸素を拡散させなければなら
ないので高く、１４００°ＣとＳｉの融点に近い。この
様な高温ではＳｉ中の不純物は全て拡散してしまうため
、８ＩＭＯＸの技術はデバイスプロセスの始めにしか使
えない。また、酸素を長い距離拡散させて再分布させる
ため、Ｓｉ単結晶中にはＳｉＯ２のクラスター、−Ｓｉ
Ｏ中にはＳｉのクラスターを生じや２ すくこれが欠陥の原因となっている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめて、
厚さを精密に制御されたシリコン酸化膜上に、厚さを精
密に制御された良質のシリコン単結晶を低温で作成する
方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、真空槽内にシリコン単結晶を表面に持つ基板
を配し、この基板表面を清浄化した後に、シリコン分子
線を照射しながら、酸素イオンもしくは酸素イオンを含
む酸素分子線を同時に注入することにより酸素を高濃度
に含んだシリコン層からなる酸素高濃度層を形戒する工
程と、シリコン分子線を照躬することによりシリコン層
を形戒する工程と、加熱によって前記酸素高濃度層を酸
化シリコン層に変化させる工程とを備えてなることを特
徴とするＳＯＩ基板の作戊方法であり、分子線或長装置
において、基板に電位をかけることができ、シリコン分
子線発生用として電子銃式蒸着装置と酸素イオン発生用
としてプラズマイオン源をそなえてなることを特徴とす
るＳＯＩ基板の作成装置である。

（作用） 初めに、本発明の原理について説明する。

ＳＩＭＯＸ技術のにおいて、イオン注入後に高温、長時
間の熱処理を必要とするのは第３図に示した様に、高速
で注入された酸素イオンの広がったプロファイルを再分
布させＳｉと８１０２の界面を急峻するためと考えられ
る。

通常のＳｉの熱酸化が８００〜９００°Ｃで可能である
ことから考えて、注入された格子間酸素をＳｉＯ２に変
えるためには、８００〜９００°Ｃのアニールで十分で
あると考えられる。従って、ＳＩＭＯＸ技術において、
イオン注入後の酸素プロファイルが、はじめから第２図
ｂ）に示すように急峻であれば、１４００°ＣというＳ
ｉの融点に近い高温アニールを行わなくてもＳＯＩ基板
の形戒が可能であると考えられる。

そこで、発明者は、注入後の酸素のプロファイルの広が
りを少なくするため、酸素イオンの加速を１〜５ｋｅＶ
に下げ、超高真空中で清浄化したＳｉ単結晶表面に注入
したところ酸素イオンは数十Ａ結晶内入って止まり、厚
さ数十Ａの最表面層は単結晶の状態であり、しかもＳｉ
分子線をこの裏面に酸素イオンと同時に照射すると、最
表面層は単結晶の状態で酸素高濃度注入層の厚さを増加
させることが可能なことを見出した。これは次のような
原理に基ずく。固体中に打込まれた酸素イオンは基板原
子核との衝突及び価電子との相互作用によって運動エネ
ルギーを失い、固体内に静止する。これら２つの減速機
構は独立の現象として扱って良く、またそれぞれの阻止
能は入射エネルギーが一定であれば変化しない。従って
、表面から、イオンが静止するまでの平均的な深さ（Ｐ
ｒｏｊｅｃｔｅｄ　ｒａｎｇｅ）は酸素イオンの加速が
一定であれば変化しない。そこで、酸素イオンを注入し
なからＳｉ分子線を照射すると、最表面は単結晶なので
飛来したＳｉ分子はエビタキシャル或長し、最上層のＳ
ｉ単結晶層の厚さが増加する。

このとき、Ｓｉ表面にはイオン源から放出される中性の
酸素分子も飛来するが、成長温度が７００’Ｃ以上であ
ればエビタキシャル層中には取り込まれない。

酸素イオンのＰｒｏｊｅｃｔｅｄ　ｒａｎｇｅは一定な
ので酸素高濃度層も表面方向に威長じて行く（第１図ａ
）及びｂ））。このようにして形成された酸素高濃度層
は、その厚さが厚くなってもＳｉ単結晶層との界面での
酸素プロファイルの広がりが、加速１〜５ｋｅＶで注入
した時と同じで極めて急峻である。また、酸素高濃度層
の厚さが所定の厚さになったあとは、酸素イオンの供給
を止めれば、最表面単結晶層のエビタキシャル情報を引
き継いで、酸素の全く入らないＳｉ単結晶層をＭＢＥ或
長ずることができる（第１図ｅ））。以上のようにして
形威された酸素高濃度注入層を持った基板を８００°Ｃ
で加熱すると酸素高濃度注入層はＳＺＯ２に変化し、通
常のＳＩＭＯＸ技術と比較して極めて低温でＳＯＩ基板
が形成できる（第１図ｄ））。

次に、発明者は以上のような原理に基づたＳＯＩ基板の
形戒を行うための装置を考案した。第２図に示すように
本装置は真空槽内にＳｉ分子線或長用のＥガン蒸着器と
酸素イオン形戒用のＥＣＲイオン源を備え、Ｓｉ基板に
高圧を印加できることが特徴である。

ＥＣＲイオン源は１０　　Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中でも
プラズマを発生させることができ、またイオン電流量も
多い。この様に高真空中でもイオンを発生できるため、
Ｓｉのエビタキシャル成長中に同時に酸素イオンの照射
が可能となった。また、イオンの加速はＳｉ基板にプラ
スの高圧を印加することによって行う。この様にすると
、ＥＣＲイオン源からの酸素イオンをほとんどとすべて
基板に集めることができ効率的である。また、表面近傍
では電気力線は表面に垂直方向に揃い、イオンは表面に
垂直に入射する。基板として表面の面方位が正確にチャ
ンネノング方位と一致しているウエハーを使えば、入射
酸素イオンは基板内でチャンネリングを起こし、最表面
単結晶層へのダメージを低減することができる。

（実施例） 発明の実施例について具体的に説明する。実験は４０ｃ
ｃの電子銃式Ｓｉ蒸着器とＥＣＲプラズマイオン源を備
えたＭＢＥ装置を用いて行った。試料ウエハーには４イ
ンチｎ型Ｓｉ（１００）０．０１〜０．０２Ωｃｍ基板
を用いた。試料ウエハーはＲＣＡ洗浄後、形戊室内に搬
送しＩＯＡのａ−Ｓｉを堆積後、８００°０１分間の清
浄化を行い、清浄面を出した。基板温度をＳＯＩ基板形
戒温度７００°Ｃに下げた後、ＥＣＲイオン源から電流
密度１ｐＡ／ｃｍの酸素イオンを基板に照射し、同時に
電子銃式Ｓｉ蒸着器から、１．０Ａ／ｓのＳｉ分子線を
照射した。

このとき、基板にプラス５ｋｅＶの電圧を印加した。

形戒室内の酸素分圧はＩ　Ｘ　１０　　Ｔｏｒｒであっ
た。Ｓｔ０２の膜厚が所定の値に達したところで酸素イ
オンの照射をやめ、Ｓｉの分子線エビタキシャル威長を
行った。この後、基板温度を８０００Ｃ上げ、３０分間
の真空中熱処理を行った。

第４図はＩＯＯＯＡの酸素高濃度層と、その上に１００
０人のＳｉ単結晶層を或長じた基板中の酸素濃度の深さ
分布をＳＩＭＳにより調べたものである。高温熱処理を
行っていないにもかかわらず、プロファイルは極めて急
峻である。遷移領域幅を数十Ａであった。酸素のプロフ
ァイルは８００’Ｃ３０分の熱処理後もほとんど変化し
なかった。第５図ａ）、ｂ）は第４図に示したサンプル
の上層シリコン層と下層基板との間のリーク電流を８０
０°Ｃの熱処理を行わないものと行ったもので比較した
ものである。熱処理を行わないものではリーク電流が多
いが、行ったものでは少なく、熱酸化膜を用いその上に
形威したボリシリコンをレーザーアニールによって再結
晶化させたものとほぼ同じレベルであった。以上の結果
より、後の熱処理によって酸素高濃度層はＳｉＯに２ 変化し、熱酸化膜を使ったものと遜色のないＳＯＩ基板
が形威されていることが分かった。また熱処理温度は６
００°Ｃ以上であれば、発明の効果が得られる。ただし
再現性を考慮すれば８００６Ｃ以上で熱処理することが
望ましいが、熱処理と同時に光照射などを行なえば、低
温熱処理でも再現性の良い結果が得られる。熱処理雰囲
気も水素、窒素など通常の熱処理の条件であれば良い。

なお、本実施例ではシリコンウェハーを対象トしたが、
本発明の方法は表面にのみシリコンが存在するＳＯＳ（
Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板や更に
一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒ）基板等にも当然適用できる。

（発明の効果） 以上、詳細に述べた通り本発明によれば酸化膜形戒の目
的でＳｉ中に注入する酸素の分布を急峻なものとするこ
とが注入層すなわち酸素高濃度層の厚さによらずできる
。また酸素高濃度層とこの上に形威されたシリコンとの
界面も急峻となる。したがって従来の熱処理工程で必要
とされた界面を急峻にするためのプロセスは必要ない。

このため酸素高濃度層を酸化膜に変化させるための熱処
理は低温で行うことが可能となる。厚さを精密に制御さ
れたシリコン酸化膜上に、厚さを精密に制御された良質
のシリコン単結晶を低温で作成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理の概念図、第２図は、本発明の
装置の概念図、第３図は、従来例を示す図、第４図は、
実施例で成長したＳＯＩ基板中の酸素濃度の深さ分布を
示す図、第５図は、上層シリコン層と下層基板との間の
リーク電流を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空槽内にシリコン単結晶を表面に持つ基板を配し
   、この基板表面を清浄化した後に、シリコン分子線を照
   射しながら、酸素イオンもしくは酸素イオンを含む酸素
   分子線を同時に照射することにより酸素を高濃度に含ん
   だシリコン層から成る酸素高濃度層を形成する工程と、
   シリコン分子線を前記酸素高濃度層上に照射することに
   よりシリコン層を形成する工程と、加熱によって前記酸
   素高濃度層を酸化シリコン層に変化させる工程とを備え
   てなることを特徴とするＳＯＩ基板の作成方法。 ２、分子線成長可能な真空槽と前記真空槽内に配置され
   基板に電位をかけるための手段と、前記真空槽に連結さ
   れたシリコン分子線発生用電子銃式蒸着装置と酸素イオ
   ン発生用プラズマイオン源とを備えてなることを特徴と
   するＳＯＩ基板の作成装置。