JPH1041241A

JPH1041241A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1041241A
Application number: JP19740896A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ueda; 多加志上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】１０００℃付近の水素雰囲気中での熱処理では
結晶性の回復や埋め込み酸化膜の膜質向上に対しては温
度が低いので十分ではない。一方、高温で行うと、ＳＯ
Ｉ層と埋め込み酸化膜界面の酸化膜までが還元除去さ
れ、埋め込み酸化膜の特性が悪くなる。【解決手段】シリコン基板１を酸化して酸化膜２を形成
後、酸素のイオン注入する。次に、アルゴン雰囲気中で
熱処理をおこなって、埋め込み酸化膜４を形成するとと
もに、表面シリコン層５の結晶欠陥を回復させる。次
に、酸素雰囲気中でアニールを行う。次に、シリコン基
板１の表面の酸化膜２をＨＦ系エッチャントで除去し、
拡散炉を用いて、９５０℃の水素雰囲気中で３０分間の
熱処理を行い、表面シリコン層５の格子間酸素の還元除
去を行った。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、詳しくは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎ
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の表層シリコン層のプロセス
誘起欠陥発生の核となる格子間酸素を減少させる方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＳＯＩ基板は将来のＵＬＳＩ基板
として注目されている。このＳＯＩ基板の製造方法に
は、シリコン基板同士を絶縁膜を介し貼り合わせる方
法、絶縁性基板又は絶縁性薄膜を表面に有する基板の上
にシリコン薄膜を堆積させる方法、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐ
ａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｇｅ
ｎ）法などがある。このＳＩＭＯＸ法は、シリコン基板
の内部に絶縁層を埋め込む方法の１つであって、具体的
にはシリコン基板内部に高濃度の酸素イオンを注入した
後、高温でアニール処理して、このシリコン基板表面か
ら所定の深さに埋め込みシリコン酸化膜を形成し、その
表面側のシリコン層（ＳＯＩ層）を活性領域とする方法
である。

【０００３】従来、この方法では、シリコンウエハに
０．４〜１５×１０¹⁸／ｃｍ²程度の高濃度の酸素イオ
ンを注入した後、１０００〜１４００℃で数時間熱処理
していた。この熱処理により、注入された酸素はシリコ
ンと反応してシリコン酸化膜となり、また、注入による
シリコン結晶のダメージは回復するが、雰囲気ガスによ
り、その他にこのシリコンウエハに対して種々の影響が
生じる。

【０００４】特開昭６４−７２５３３号公報には、酸素
イオン注入後、１０５０℃、水素雰囲気で熱処理を行
い、不必要に注入された酸素を除去し、且つ、注入領域
を絶縁層へ変化させている。また、特開平８−４６１６
１号公報には、アルゴンと酸素との混合ガスでは表面シ
リコンの欠陥が消失しいくいので、表面に保護膜を形成
し、１３５０℃の高温で水素の熱処理を行っている。ま
た、酸素イオン注入の際、表面にパーチクルがついてい
ると、酸素イオンが注入されないか、或いは注入量が不
足して、埋め込み酸化膜の電気絶縁性が悪くなるのを改
良するため、特開平７−２６３５３８号公報では、１３
５０℃で、アルゴンと酸素との混合ガスで熱処理を行っ
た後に、酸素の雰囲気で熱処理を行い、埋め込み酸化膜
の厚さを増加させ、その電気絶縁性を改良している。こ
の酸素の熱処理は、埋め込み酸化膜の厚さを増加させる
ので酸素イオンの注入量を下げることもできるし、ＳＯ
Ｉ層と埋め込み酸化膜との界面の平坦性を向上させる利
点もある。

【０００５】また、シリコンウエハを水素雰囲気中で熱
処理し、表面層の結晶品質の改善を行う技術は、Ｙ．Ｓ
ａｔｏらによって、「Ｅｘｔ．Ａｂｓｔ．１８ｔｈＩ
ｎｔ．Ｃｏｎｆ．ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃ
ｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｊｐｎ．Ｓｏｃ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｔｏｋｙｏ（１９８６）ｐ５２
９」に報告されている。この技術によれば、シリコンウ
エハを高温で水素でアニールすることにより、誘起欠陥
の核となる格子間酸素を外方拡散させ、酸素濃度を低減
させ、且つ、シリコン内部にゲッタリングサイトを形成
し、表層に分布する微小欠陥や不純物金属等を内部に捕
獲し、結晶品質を改質するものである。

【０００６】ところが、この技術をＳＯＩ構造のシリコ
ンウエハに適用するには、問題がある。それは、高温処
理で拡散した水素が表面シリコン層下の酸化膜を還元
し、表面シリコン層と酸化膜との界面特性が劣化する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸素イ
オン注入後、アルゴンで熱処理を行うと、イオン注入領
域は酸化膜となり、また、注入された酸素の一部は外方
拡散するが、ＳＯＩ層の格子間、特に埋め込み膜の界面
近傍には注入された酸素の一部が残存する。この酸素は
以後の半導体装置に製造工程の熱処理で、欠陥の発生の
要因となる。また、酸素の場合、特開平７−２６３５３
８号公報に示されるように、酸素イオン注入時に表面に
パーティクルがついていると酸素が注入されない、又は
注入量が不足し、埋め込み酸化膜の電気絶縁性が劣化す
る場合があるが、酸素雰囲気中によるアニールを行えば
埋め込み酸化膜の厚さの増加が見られる。

【０００８】一方、水素雰囲気中での熱処理では、結晶
性向上のため、ダングリングボンドの終結や格子間にお
ける酸素の還元に有効であるが、酸素イオン注入後、水
素アニールを行うと、イオン注入によってアモルファス
状態になったＳＯＩ層では注入欠陥の回復の際に水素で
還元されて生じるＨ₂Ｏに起因した結晶欠陥（ＯＳＦ）
が発生すること、及び埋め込み酸化膜領域内は完全なシ
リコン酸化膜となっていないので、多数のＳｉ−ＯＨ基
が存在することになり、埋め込み酸化膜の絶縁破壊耐圧
が低下する危惧が生じる。

【０００９】また、１０００℃付近の水素雰囲気中での
熱処理では結晶性の回復や埋め込み酸化膜の膜質向上に
対しては温度が低いので十分ではない。一方、高温で行
うと、上述したように、ＳＯＩ層内の格子間酸素の還元
除去以外に、埋め込み酸化膜界面の酸化膜までが還元除
去され、埋め込み酸化膜の特性が悪くなる。

【００１０】一方、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気
での熱処理後、酸素雰囲気で熱処理する方法でも、最後
の工程が酸素雰囲気である限り、格子間に酸素が残留
し、欠陥（主として、ＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｉ
ｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔｓ））の
発生源となる可能性がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の半導体装
置の製造方法は、シリコン基板に酸素をイオン注入し、
不活性ガス雰囲気中で、所定の温度で熱処理することに
より、埋め込み酸化膜及び該埋め込み酸化膜上の表面シ
リコン層を形成する第１工程と、該第１工程後、水素雰
囲気中での熱処理での雰囲気温度、又は水素プラズマ処
理での基板温度を、上記表面シリコン層の格子間酸素が
水素と還元反応を起こす温度以上で、且つ、上記埋め込
み酸化膜の酸素が水素と還元反応を起こす温度より低い
温度にして、上記熱処理又はプラズマ処理を行う第２工
程とを有することを特徴とするものである。

【００１２】また、請求項２記載の半導体装置の製造方
法は、上記第１工程と第２工程との間に酸素雰囲気の熱
処理を行うことを特徴とする、請求項１記載の半導体装
置の製造方法である。

【００１３】更に、請求項３記載の半導体装置の製造方
法は、上記第２工程において、熱処理又はプラズマ処理
を、水素と不活性ガスとの混合ガスによる熱処理又は水
素と不活性ガスとの混合ガスのプラズマ処理とすること
を特徴とする、請求項１又は請求項２記載の半導体装置
の製造方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づいて本発
明について詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施の形態の半導体装置
の製造工程図であり、図２は本発明の効果の説明に供す
る、本実施の形態の工程で作製したＳＯＩ基板の酸素濃
度をＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析法）
で評価したデータを示す図である。図１において、１は
シリコン基板、２は熱酸化膜、３は注入された酸素イオ
ン、４は埋め込み酸化膜、５は表面シリコン層（ＳＯＩ
層）を示す。

【００１６】本発明は、ＳＯＩ基板の表面シリコン層の
格子間酸素を低減し、埋め込み酸化膜の特性を良くする
手段として、まず、高温（雰囲気温度１３００〜１４０
０℃）でアルゴン等の不活性ガスの雰囲気による熱処理
を行うことにより、酸素注入領域を埋め込み酸化膜にす
るとともに、表面シリコン層の結晶性の回復を行う。次
に、同様の高温（雰囲気温度１３００〜１４００℃）で
酸素雰囲気の熱処理を行い、埋め込み酸化膜の界面及び
膜質の改良を行う。

【００１７】そしてその後、上述の熱処理温度より低い
雰囲気温度（８００〜１０００℃）で水素雰囲気の熱処
理を行い、さらに表面シリコン層の結晶性が回復される
ともに、表面シリコン層内に残存している固溶する格子
間酸素は、この熱エネルギーによって拡散し、表面シリ
コン層表面で水素による還元をうけてＨ₂Ｏとなり、大
気中に放出される。

【００１８】この際、表面シリコン層中に格子間酸素の
濃度勾配が生じて、格子間酸素の表面シリコン層表面へ
の拡散が加速され、還元除去され、更に濃度勾配が大き
くなるというループが繰り返し起きて、格子間酸素が減
少していくことになる。ここで、格子間酸素の拡散と表
面シリコン層中に拡散した水素による埋め込み酸化膜界
面の絶縁膜の還元が同時に生じるため、埋め込み酸化膜
の還元を抑制するため、水素の高温熱処理には問題があ
り、水素雰囲気中の熱処理の際の雰囲気温度は、８００
〜１０００℃が適当である。即ち、８００℃以下では充
分な格子間酸素の還元が行われず、１０００℃以上で
は、埋め込み酸化膜の還元が生じる。

【００１９】また、水素のプラズマ処理を行っても同様
の効果が得られる。この場合、ＳＯＩ層は水素プラズマ
にさらされて温度が上昇するので、ＳＯＩ基板の基板温
度を７００〜１０００℃とする。理由は、上述の雰囲気
温度の限定理由と同じである。

【００２０】次に、図１を用いて、本発明の第１の実施
の形態の半導体装置の製造工程を説明する。

【００２１】まず、シリコン基板１を酸化して５０ｎｍ
の酸化膜２を形成後、酸素イオン（¹⁶Ｏ⁺）を注入エネ
ルギーを１４０ｋｅｖ、ドーズ量を４×１０¹⁷ｃｍ^-2で
イオン注入する（図１（ａ））。この際の酸素イオンの
平均飛程Ｒｐは、シリコン基板中の表面から２９５ｎｍ
の箇所になる。

【００２２】次に、アルゴン雰囲気中で、雰囲気温度を
１３５０℃で４時間の熱処理をおこなって、注入酸素を
反応させて埋め込み酸化膜４を形成するとともに、表面
シリコン層５の結晶欠陥を回復させる。これにより、埋
め込み酸化膜４の厚さが７０ｎｍ、表面シリコン層５の
厚さが２６０ｎｍのＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板が形
成される。（図１（ｂ））。

【００２３】次に、酸素雰囲気中で、雰囲気温度を１３
５０℃で引き続き４時間の酸化アニールを行い、埋め込
み酸化膜４の特性を改善させた。即ち、この酸素による
熱処理工程では、アルゴンによる熱処理工程で減少した
格子間酸素は１０¹⁸ｃｍ^-3オーダーへ増加するが、埋め
込み酸化膜４の膜厚は１０５ｎｍと少し増加して、埋め
込み酸化膜４の電気的特性や界面状態は向上する。表面
の酸化膜２の厚さは３１０ｎｍとなり、表面シリコン層
５の厚さは１３０ｎｍとなる（図１（ｃ））。

【００２４】次に、このシリコン基板１の表面の酸化膜
２をＨＦ系エッチャントで除去し、拡散炉を用いて、水
素雰囲気中で、雰囲気温度を９５０℃で３０分間の熱処
理を行い、表面シリコン層５の格子間酸素の還元除去を
行った（図１（ｄ））。

【００２５】上記熱処理工程は最後に水素による熱処理
を行っているが、先に水素による熱処理を行うことは、
酸素注入や酸素アニールで、格子間酸素が再び増加する
ことになり、好ましくない。

【００２６】尚、上記実施例での酸素雰囲気の熱処理で
は、表面シリコン層５の減少が生じるが、埋め込み酸化
膜の特性が完全で無くての良い場合は、酸素雰囲気によ
る熱処理を行わなくてもよい。

【００２７】この処理によって、図２に示すように、表
面シリコン層中の格子間酸素濃度を１０²⁰ｃｍ^-3オーダ
ーからおよそ２桁小さい１０¹⁸ｃｍ^-3オーダーに低減で
きた。

【００２８】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。

【００２９】この実施の形態は、第１の実施の形態にお
ける水素雰囲気中熱処理をプラズマ処理で行うものであ
る。即ち、埋め込み酸化膜が形成されたＳＯＩ基板をプ
ラズマ処理装置内に装填し、水素ガス（流量１０〜３０
ｓｃｃｍ）を流しながら、圧力が１０Ｔｏｒｒになるよ
うに排気した。続いて、基板を９００℃（７００〜１０
００℃の範囲で適用可能。）まで加熱し、１分間保持し
た後、周波数を２．４５ＧＨｚ、パワーを１ｋＷ程度の
マイクロ波によって励起した水素プラズマに該ＳＯＩ基
板を２分間程度さらした後、プラズマ発生を停止し、そ
の温度のまま、ガスをアルゴンに換えて、５分間保持し
た。このアルゴンによる熱処理で、Ｈ₂プラズマによる
ダメージは、アニールされ、表面シリコン層（〜３００
Å）の結晶性は回復することになる。

【００３０】この処理によって、第１の実施の形態とほ
ぼ同様に、表面シリコン層中の格子間酸素濃度を１０²⁰
ｃｍ^-3オーダーからおよそ２桁小さい１０¹⁸ｃｍ^-3オー
ダーに低減できた。

【００３１】尚、上述の第１の実施の形態における水素
雰囲気中の熱処理を水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲
気中での熱処理に換える、又は、第２の実施の形態にお
ける水素プラズマ処理を水素と不活性ガスとの混合ガス
のプラズマ処理に換えることにより、水素の分圧を小さ
くし（具体的には、分圧は（Ｈ₂／不活性ガス）＝０．
０１〜０．５が適当である。）、さらなる埋め込み酸化
膜の膜厚の低減の抑制に効果があり、埋め込み酸化膜の
膜厚が薄い場合には、膜厚低減量が小さくても影響があ
るので特に効果がある。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用いることにより、従来の高温水素アニールでは、達成
できなかったＳＯＩ層中の格子間酸素を低減することが
できる。具体的には、図２に示すように、酸素はＳＩ
ＭＳプロファイル中の破線のように分布していたが、９
５０℃の水素還元処理により、デバイス活性領域である
表面シリコン層の格子間酸素濃度を２桁以上低減でき
た。

【００３３】そして、従来技術の水素アニール法で発生
するゲッタリングサイトのような欠陥網はＳＯＩ層内部
には発生せず、また、比較的低温で且つ短時間で処理す
るため、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層との界面が還元され
ることがない。

【００３４】したがって、本発明を用いることによっ
て、ＳＯＩ層中の格子間酸素濃度を低減できるために、
トランジスタ製造工程における熱ストレスやＣＶＤ膜等
の応力ストレス又は、それらが集中する部分によって誘
発される酸素誘起欠陥の発生格が減少し、結果として誘
起欠陥が減少することになる。また、欠陥に対するマー
ジンが増え、プロセスの安定化が図れる。

【００３５】また、請求項２記載の本発明を用いること
により、更に埋め込み酸化膜の特性が向上する。更に、
請求項３記載の本発明を用いることにより、更に埋め込
み酸化膜の膜減りを抑制することができる。

【００３６】以上より、ジャンクションリーク電流低減
やライフタイムの増加、ゲート酸化膜の信頼性が向上
し、デバイスの低消費電力化、高速化、歩留まりの増加
等に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造
工程図である。

【図２】本発明の効果の説明に供する図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２熱酸化膜３注入された酸素イオン４埋め込み酸化膜５表面シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板に酸素をイオン注入し、不
活性ガス雰囲気中で、所定の温度で熱処理することによ
り、埋め込み酸化膜及び該埋め込み酸化膜上の表面シリ
コン層を形成する第１工程と、該第１工程後、水素雰囲気中での熱処理での雰囲気温
度、又は水素プラズマ処理での基板温度を、上記表面シ
リコン層の格子間酸素が水素と還元反応を起こす温度以
上で、且つ、上記埋め込み酸化膜の酸素が水素と還元反
応を起こす温度より低い温度にして、上記熱処理又はプ
ラズマ処理を行う第２工程とを有することを特徴とす
る、半導体装置の製造方法。
【請求項２】上記第１工程と第２工程との間に酸素雰
囲気の熱処理を行うことを特徴とする、請求項１記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項３】上記第２工程において、熱処理又はプラ
ズマ処理を、水素と不活性ガスとの混合ガスによる熱処
理又は水素と不活性ガスとの混合ガスのプラズマ処理と
することを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の半
導体装置の製造方法。