JP2004288790A

JP2004288790A - Ｓｏｉ基板の製造方法及びｓｏｉ基板

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Publication number: JP2004288790A
Application number: JP2003077438A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takeno; 博竹野; Tomohiko Ota; 友彦太田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】ＳＯＩ基板の製造時にＢＯＸ層の膜厚を容易に制御し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧を向上させるとともにＳＯＩ層に発生する貫通転位を低減して、所望のＢＯＸ層厚を有する高品質のＳＯＩ基板を効率的に製造することのできるＳＯＩ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、単結晶シリコン基板の一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該単結晶シリコン基板に酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜層に変化させる酸化膜形成熱処理を行ってＳＯＩ基板を製造する方法において、少なくとも前記酸化膜形成熱処理を行う前に、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを形成しておくことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶シリコン基板の内部に埋め込み酸化膜層（以下、ＢＯＸ層と呼ぶことがある）が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を製造する方法に関するものであり、特に単結晶シリコン基板に酸素のイオン注入を行い、その後に熱処理を行ってシリコン基板内部にＢＯＸ層を形成するＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）法によるＳＯＩ基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の基板の一つとして、絶縁膜であるシリコン酸化膜の上にシリコン層（以下、ＳＯＩ層と呼ぶことがある）を形成したＳＯＩ基板がある。このＳＯＩ基板は、デバイス作製領域となるウエーハ表層部のＳＯＩ層が埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）により基板内部と電気的に分離されているため、寄生容量が小さく、耐放射性能力が高いなどの特徴を有する。そのため、高速・低消費電力動作、ソフトエラー防止などの効果が期待され、高性能半導体素子用の基板として有望視されている。
【０００３】
このＳＯＩ基板を製造する代表的な方法として、ウエーハ貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法が挙げられる。ウエーハ貼り合わせ法は、例えば２枚の単結晶シリコン基板（シリコンウエーハ）のうちの一方の表面に熱酸化膜を形成した後、この形成した熱酸化膜を介して２枚のウエーハを密着させ、結合熱処理を施すことによって結合力を高め、その後に片方のウエーハを鏡面研磨等により薄膜化することによってＳＯＩ基板を製造する方法である。
【０００４】
一方、ＳＩＭＯＸ法は、単結晶シリコン基板の内部に酸素をイオン注入し、その後に高温熱処理（酸化膜形成熱処理）を行って注入した酸素とシリコンとを反応させてＢＯＸ層を形成することによってＳＯＩ基板を製造する方法である。
【０００５】
具体的には、例えば、５００℃程度に熱せられた単結晶シリコン基板に対し、一方の表面から酸素イオン（一般的にはＯ^＋）を注入する。イオン注入条件としては、一般的に１５０〜２００ｋｅＶの加速電圧とし、酸素ドーズ量は１〜２×１０^１８／ｃｍ^２程度以上を注入する高ドーズとする場合と、それ以下の低ドーズとする場合に分けられる。酸素イオンを注入した後は、例えば酸素を１％以下含む不活性ガス中で、高温の酸化膜形成熱処理（一般的に１３００℃以上）を行うことにより、注入した酸素（酸素イオン注入層）を厚さが２２０ｎｍ〜４４０ｎｍ程度の酸化膜（ＢＯＸ層）に変化させることができる。
【０００６】
このようなＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造では、上記のウエーハ貼り合わせ法と比較すると、製造工程が簡略であること、また２枚のウエーハを必要とせずに１枚の単結晶シリコン基板から製造することができるので比較的低コストでの製造が可能であること、さらに注入エネルギーによって酸素注入深さを制御することができるのでＳＯＩ層の膜厚均一性に優れることなどの利点を有している。そのため、ＳＩＭＯＸ法で製造されたＳＩＭＯＸ基板は、例えばＳＯＩ層が５０ｎｍ以下となる完全空乏型のトランジスタの材料等として期待されている。
【０００７】
しかしながら、このＳＩＭＯＸ基板におけるＢＯＸ層は、ウエーハ貼り合わせ法で形成される熱酸化膜と比べて絶縁耐圧が劣り、またＳＯＩ層表面の表面粗さ、及びＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面（以下、ＳＯＩ／ＢＯＸ界面ということがある）の界面粗さが大きいといった問題がある。
【０００８】
さらに、高ドーズ量でのＳＩＭＯＸ基板の製造では、ＢＯＸ層の完全性を高めることができるものの、ＳＯＩ層にはＳＯＩ／ＢＯＸ界面から基板表面に抜ける貫通転位が高密度に発生する。このＳＯＩ層に発生する貫通転位はリークの原因となるため、高ドーズＳＩＭＯＸ基板はデバイス活性層となるＳＯＩ層の品質が低いという大きな問題があった。
【０００９】
そこで、このようなＳＯＩ層での貫通転位の発生を低減させるために、貫通転位密度は酸素ドーズ量に依存することが見出され、低ドーズ量で酸素イオン注入を行ってＳＩＭＯＸ基板を製造する低ドーズＳＩＭＯＸ技術が開発された（特許文献１）。このように低ドーズ量でＳＩＭＯＸ法を行う場合、連続した均一なＢＯＸ層を得るために酸素のドーズ量は３．５〜４×１０^１７／ｃｍ^２程度であることが必要とされ、酸素イオン注入後に酸化膜形成熱処理を行って形成されるＢＯＸ層の厚さは８０ｎｍ〜９０ｎｍ程度に限定される。このようなドーズ量の範囲は、ドーズウインドウとして知られている。
【００１０】
しかし、このような低ドーズ量でＳＩＭＯＸ基板を製造した場合、貫通転位密度は高ドーズ量の場合と比較して数桁低減されるものの、それでもなおＳＯＩ層には貫通転位が１０^２／ｃｍ^２オーダー程度の密度で発生していた。さらに、酸素ドーズ量が低いためにＢＯＸ層が薄くなり、その絶縁耐圧が低くなるという問題があった。
【００１１】
このような低ドーズＳＩＭＯＸ法でのＢＯＸ層の絶縁耐圧低下の問題を解決する技術として、例えば、酸化膜形成熱処理を行ってＢＯＸ層を形成した後、さらに高温酸素雰囲気下での酸化熱処理によりＢＯＸ層を成長させるＩＴＯＸ（ＩｎｔｅｒｎａｌＴｈｅｒｍａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎ）処理がある（特許文献２）。
【００１２】
具体的に説明すると、このＩＴＯＸ処理は、低ドーズ条件での酸素のイオン注入後、例えば酸素分圧が１％未満の雰囲気下、１３００℃以上で数時間の酸化膜形成熱処理を行ってＢＯＸ層を形成した後、さらに酸素分圧が７０％程度の雰囲気下、１３００℃以上で数時間の酸化熱処理を行なうことによって、ＢＯＸ層を成長させて厚膜化することができる。このＩＴＯＸ処理により、ＢＯＸ層の絶縁耐圧が向上し、さらにＳＯＩ／ＢＯＸ界面が平坦化され、またＳＯＩ層表面の表面粗さも改善されるという効果が得られる。また、ＳＯＩ層表面に酸化膜が成長することによりＳＯＩ層が消費され、薄膜のＳＯＩ層が得られるという利点も持ち合わせている。
【００１３】
また、低ドーズＳＩＭＯＸ法やＩＴＯＸ処理の応用的な技術として、低ドーズ量での酸素イオン注入後に、さらに低ドーズ量の酸素を室温でイオン注入したり、シリコンなどの酸素以外の元素と酸素をイオン注入することで、結晶をアモルファス化してＢＯＸ層の成長を促進させるという試みも多くなされている（特許文献３及び特許文献４等）。
これらのＩＴＯＸ処理やその他の応用的な技術によれば、ＢＯＸ層の絶縁耐圧を通常の低ドーズＳＩＭＯＸ法に比べて向上させることができるものの、ＳＯＩ層の貫通転位密度は１０^２／ｃｍ^２オーダーと依然高く、更なる改善が望まれている。
【００１４】
さらに現在、ＳＯＩ基板には、絶縁耐圧を高くするために厚いＢＯＸ層が望まれる場合がある一方で、デバイス動作時の熱伝導を良くするために薄いＢＯＸ層が望まれる場合もあることから、ＢＯＸ層の膜厚を広い範囲、例えば５０〜２００ｎｍの範囲で制御して、所望のＢＯＸ層厚を有するＳＯＩ基板を製造できる技術が必要とされている。
【００１５】
しかしながら、従来のＳＩＭＯＸ法で形成されるＢＯＸ層の厚さは上述のように一定の範囲に限定されてしまい、ＢＯＸ層の膜厚を広い範囲で制御することができなかった。また、上記ＩＴＯＸ処理を用いてＢＯＸ層を厚膜化する場合、ウエーハ表面で数百ｎｍの厚みの表面酸化膜が成長する条件であってもＢＯＸ層の膜厚増加は数十ｎｍ程度であり、ＳＯＩ層の膜厚を制御する都合上ＢＯＸ層の厚膜化による膜厚制御には限界があった。また、このＩＴＯＸ処理は、例えばＳＯＩ層の膜厚を一定に維持しながらＢＯＸ層の膜厚だけを独立に制御することはできないという問題もあった。
さらに、上述したその他の応用的な技術を用いたとしても、ＢＯＸ層の膜厚を例えば５０〜２００ｎｍの広い範囲で制御することはできなかった。
【００１６】
このようなＢＯＸ層の膜厚を広い範囲で制御できない理由としては、ＳＯＩ層に発生する貫通転位やＢＯＸ層内にシリコンが取り残された状態のシリコン島の増加を避けるために、酸素ドーズ量を自由に選択できないことにある。すなわち、例えば２００ｎｍ程度のＢＯＸ層厚が得られるように酸素ドーズ量を高くしてＢＯＸ層の形成を行うと、ＢＯＸ層内にシリコン島が発生してＢＯＸ層の実質的な膜厚が薄くなり絶縁耐圧が低下するとともにＳＯＩ層の貫通転位密度が著しく増加しＳＯＩ層の品質が劣化する問題があった。また一方、ＢＯＸ層が５０ｎｍ程度の膜厚となるように酸素ドーズ量を低くしてＢＯＸ層を形成する場合、連続的なＢＯＸ層を形成することが難しくなるとともにＳＯＩ層の貫通転位密度が増加し、品質の劣化を招いてしまう（非特許文献１）。
【００１７】
また、ＳＯＩ層の品質を劣化させずにＢＯＸ層を厚膜化する方法として、最初の酸素イオン注入後に、最初の高温熱処理を実施してＢＯＸ層を形成した後に、第二回目以降の酸素イオン注入を、注入酸素分布の最大位置がそれまでに形成されているＢＯＸ層とその下部の基板との界面よりも下側に配置されるようにして実施し、その後高温熱処理を実施することを繰り返す方法が開示されている（特許文献５）。
【００１８】
この方法によれば、イオン注入する合計の酸素ドーズ量を増加させることにより、ＳＯＩ層の品質を低下させずに、ＢＯＸ層を膜厚化してＢＯＸ層品質を向上させることが可能となる。しかし、このようにしてＳＯＩ基板の製造を行うと、製造工程が非常に複雑になり、生産性が低下するという問題点があった。
【００１９】
【特許文献１】
特開平４−２６４７２４号公報
【特許文献２】
特開平７−２６３５３８号公報
【特許文献３】
特開昭６３−２１７６５７号公報
【特許文献４】
米国特許第５，９３０，６４３号
【特許文献５】
特開２００２−２８９５５２号公報
【非特許文献１】
Ｓ．ＮａｋａｓｈｉｍａａｎｄＫ．Ｉｚｕｍｉ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．８，５２３（１９９３）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、ＳＩＭＯＸ基板の製造においては、ＳＯＩ層の貫通転位密度を一層低減するとともにＢＯＸ層の絶縁耐圧を向上させること、さらにＢＯＸ層の膜厚を広い範囲で制御して所望のＢＯＸ層厚を有するＳＯＩ基板を製造することが重要な課題となっている。そこで、本発明は、ＳＯＩ基板の製造時にＢＯＸ層の膜厚を容易に制御し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧を向上させるとともにＳＯＩ層に発生する貫通転位を低減して、所望のＢＯＸ層厚を有する高品質のＳＯＩ基板を効率的に製造することのできるＳＯＩ基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも、単結晶シリコン基板の一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該単結晶シリコン基板に酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜層に変化させる酸化膜形成熱処理を行ってＳＯＩ基板を製造する方法において、少なくとも前記酸化膜形成熱処理を行う前に、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを形成しておくことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法が提供される（請求項１）。
【００２２】
このように、ＳＯＩ基板を製造する際に、少なくとも酸化膜形成熱処理を行う前に単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを形成しておけば、酸化膜形成熱処理でＢＯＸ層を形成する際に体積膨張により生じる歪みを緩和するために格子間シリコンがＢＯＸ層や基板表面からＳＯＩ層に放出されるが、この放出された格子間シリコンを基板表面の表面キンクに結合させて吸収させることができる。そのため、単結晶シリコン基板に酸素イオン注入する際に所望のＢＯＸ層厚が得られるように酸素ドーズ量を広い範囲で変化させても、酸化膜形成熱処理の際に格子間シリコンの放出が抑制されないため、歪みが十分に緩和されて貫通転位の発生を低減することができ、またＢＯＸ層で酸素析出物の成長と結合を促進でき、シリコン島の発生も低減できる。また、酸素析出物の成長と結合が十分になされることにより、ＳＯＩ／ＢＯＸ界面が平坦化され、それを反映したＳＯＩ層表面の表面粗さも小さくなる。したがって、所望のＢＯＸ層厚を有し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧が優れており、ＳＯＩ層の貫通転位密度も小さい非常に高品質のＳＯＩ基板を容易にまた効率的に製造することができる。
【００２３】
このとき、前記表面キンクを、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面を｛１００｝面に対して傾けることによって形成しておくことが好ましく（請求項２）、特に前記表面キンクを、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面を｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾けることによって形成しておくことが好ましい（請求項３）。
【００２４】
このように、単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面を｛１００｝面に対して傾けて形成することにより、単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを容易に形成することができる。特に、単結晶シリコン基板の表面を｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾けることによって、表面キンクを単結晶シリコン基板表面に高密度に形成できるので、表面キンクでより多くの格子間シリコンを吸収することが可能となり、貫通転位の発生が一層低減された極めて高品質のＳＯＩ基板を製造することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、単結晶シリコン基板として｛１００｝面に対して傾斜した面方位を有するものを使用し、該単結晶シリコン基板に、少なくとも、単結晶シリコン基板の一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、前記形成した酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜層に変化させる酸化膜形成熱処理を行うことによってＳＯＩ基板を製造することを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法が提供される（請求項４）。
【００２６】
このように、｛１００｝面に対して傾斜した面方位を有する単結晶シリコン基板に酸素イオン注入層を形成し、その後酸化膜形成熱処理を行ってＳＯＩ基板を製造すれば、酸化膜形成熱処理の際に単結晶シリコン基板の表面には表面キンクが形成されているので、ＳＯＩ層に放出される格子間シリコンを基板表面の表面キンクに吸収させることができる。したがって、上述のように所望のＢＯＸ層厚を有し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧が優れており、ＳＯＩ層の貫通転位密度も小さい非常に高品質のＳＯＩ基板を容易にまた効率的に製造することができる。
【００２７】
このとき、前記単結晶シリコン基板として｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものを使用することが好ましい（請求項５）。
このように、単結晶シリコン基板として｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものを使用すれば、単結晶シリコン基板の表面に表面キンクが高密度に形成されているため、貫通転位の発生が一層低減された極めて高品質のＳＯＩ基板を製造することができる。しかも、このような基板であれば、作製も極めて容易である。
【００２８】
そして、本発明によれば、上記本発明のＳＯＩ基板の製造方法により製造されたＳＯＩ基板を提供することができる（請求項６）。
本発明のＳＯＩ基板の製造方法により製造されたＳＯＩ基板であれば、所望のＢＯＸ層厚を有し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧が優れており、ＳＯＩ層の貫通転位密度も非常に小さく、さらにはＳＯＩ／ＢＯＸ界面の界面粗さ及びＳＯＩ層表面の表面粗さも小さい非常に高品質のＳＯＩ基板とすることができる。
【００２９】
さらに、本発明は、シリコン支持基板上に埋め込み酸化膜層とＳＯＩ層とが順次積層された構造を有するＳＯＩ基板であって、前記埋め込み酸化膜層が酸素をイオン注入して形成されたものであり、かつ前記シリコン支持基板及びＳＯＩ層が｛１００｝面に対して傾斜した面方位を有するものであることを特徴とするＳＯＩ基板を提供するものである（請求項７）。
【００３０】
このようなＳＯＩ基板であれば、所望のＢＯＸ層厚を有し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧が優れており、ＳＯＩ層の貫通転位密度も非常に小さく、さらにはＳＯＩ／ＢＯＸ界面の界面粗さ及びＳＯＩ層表面の表面粗さも小さい非常に高品質のＳＯＩ基板とすることができる。
【００３１】
このとき、前記シリコン支持基板及びＳＯＩ層が｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものであることが好ましい（請求項８）。
このように、シリコン支持基板及びＳＯＩ層が｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものであれば、貫通転位の発生が一層低減された極めて高品質のＳＯＩ基板となる。また、材料基板の入手も容易であることから、安価なものとなる。
尚、本発明において、｛ｈｋｌ｝及び（ｈｋｌ）、また＜ｕｖｗ＞及び［ｕｖｗ］の記載は一般の定義通りであり、例えば｛１００｝は、（１００）、（０１０）、（００１）等の結晶面の総称を表すものであり、また例えば＜１００＞は、［１００］、［０１０］、［００１］等の結晶方位の総称を表すものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来行われているＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造では、前述のように、ＳＯＩ層の貫通転位密度を一層低減するとともにＢＯＸ層の絶縁耐圧を向上させること、またＢＯＸ層の膜厚を広い範囲で制御して所望のＢＯＸ層厚を有するＳＯＩ基板を製造することが重要な課題となっている。
【００３３】
そこで、本発明者等は、このような課題を解決するために、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造について鋭意実験及び検討を重ねて、以下に示すような考察を行った。
通常、ＳＩＭＯＸ法により製造されたＳＯＩ基板のＢＯＸ層は、酸素イオン注入後に酸化膜形成熱処理を行った際に、酸素イオン注入層でシリコン酸化物の析出物（酸素析出物と呼ぶことがある）が形成され、それが成長し結合することによって形成される。このとき、酸素析出物の成長は大きな体積膨張を伴い、その体積膨張によって基板に生じる歪みは、格子間シリコンを放出することにより緩和される。
【００３４】
しかし、高温で熱処理を行ってＢＯＸ層を形成する際には、単結晶シリコン基板の表面でもシリコン酸化膜が成長することになり、基板表面側からも格子間シリコンが基板内部に放出される。その結果、ＢＯＸ層での酸素析出物の成長により放出された格子間シリコンやシリコン基板表面の酸化により放出された格子間シリコンが狭いＳＯＩ層内に閉じ込められて、ＳＯＩ層内で格子間シリコンが過剰な状態となることが考えられる。そのため、更なる格子間シリコンの放出が抑制されて歪みが緩和されなくなるので、ＢＯＸ層での酸素析出物の成長が抑制されてしまい、そしてこの酸素析出物が十分に成長できなかった部分がＢＯＸ層内に取り残された結果、シリコン島が発生すると考えられる。さらに、ＳＯＩ層では、歪みを緩和するために貫通転位が発生すると考えられる。
【００３５】
本発明者等は、以上のような考察に基づいて、単結晶シリコン基板に酸化膜形成熱処理を行う前に、ＳＯＩ層に放出される格子間シリコンを吸収できる何らかの格子間シリコン吸収源をシリコン基板に導入することができれば、ＢＯＸ層を形成する際に格子間シリコンのＳＯＩ層内への放出が抑制されないため、基板の歪み緩和を促進することができ、それによって酸素析出物の成長を促進してシリコン島の発生を抑制できること、またＳＯＩ層での貫通転位の発生も低減できることを見出した。
【００３６】
そして本発明者等は、さらに研究及び検討を重ねることにより、上記のような効果を有する格子間シリコン吸収源として、例えば単結晶シリコン基板の表面を｛１００｝面に対して傾けることによって形成される表面キンクや、単結晶シリコン基板に急速加熱・急速冷却処理（ＲＴＡ処理：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）を行うことによって基板内に発生させる原子空孔、その他様々の格子間シリコンの吸収源を使用できることを発見した。さらにその中でも、特に基板表面に形成した表面キンクが、酸化膜形成熱処理のような１３００℃以上の高温の熱処理でも格子間シリコンの吸収源として安定して機能することから、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造に非常に有効であることを発見して、本発明を完成させた。
【００３７】
以下、本発明のＳＯＩ基板の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ここで、図２は、本発明に係るＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩ基板を製造する方法の一例を示すフロー図である。
【００３８】
先ず、単結晶シリコン基板１を準備する（工程（ａ））。このとき、単結晶シリコン基板１としては、｛１００｝面に対して任意の方向に傾斜した面方位を有するものを使用し、単結晶シリコン基板１の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを形成しておく。
【００３９】
この単結晶シリコン基板表面に形成する表面キンクとは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等により基板表面を原子レベルで観察した場合に確認できる原子ステップ構造に関係するものであり、例えば図１に示すように、基板表面において異なる結晶格子面を有する２つの原子ステップＳ１，Ｓ２が交差した窪み部分Ｋのことを意味する。尚、この図１は、（００１）面に対して［０１０］方向に若干傾斜した面を有する単結晶シリコン基板の表面キンクを模式的に示したものであり、Ｓ１とＳ２は互いに直交する｛１１０｝の結晶格子面を有している。
【００４０】
このような表面キンクを有する単結晶シリコン基板を作製するためには、例えば、一般的なチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法：以下ＣＺ法という）や磁場印加ＣＺ法（ＭＣＺ法）により結晶方位＜１００＞方向に育成されたシリコンインゴットからシリコン基板をスライスする際に、切断面が｛１００｝面に対して傾斜するようにスライスし、得られた基板に面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の標準的なウエーハ加工を施すことによって容易に得ることができる。また、その他の方法として、例えばＣＺ法やＭＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、用いる種結晶のシリコン融液に接触させる表面を｛１００｝面に対して傾くように加工しておき、その種結晶を用いてシリコンインゴットを育成し、得られたシリコンインゴットを結晶成長軸方向に対してほぼ垂直にシリコン基板をスライスした後、上記のような標準的なウエーハ加工を施すことにより作製することもできる。
【００４１】
このとき、単結晶シリコン基板としては、｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するようにして作製したものを使用することが好ましく、このような単結晶シリコン基板であれば基板表面に表面キンクが高密度に形成された基板とすることができる。傾斜角度が１°未満であると、十分な表面キンク密度が得られない場合がある一方、１０°を超える場合には基板の加工に不都合が生ずるほか、表面キンク密度が低下する場合もある。傾斜角度のより好適な範囲は２°〜７°であり、３°〜５°の範囲とすることが一層好ましい。尚、この場合、＜１００＞方向のみに傾斜させるだけでなく、＜１００＞方向以外の他の方向にも同時に傾斜させても良い。
【００４２】
次に、このように基板表面に表面キンクを有する単結晶シリコン基板１は、工程（ｂ）で、表面キンクが形成されている側の主表面から酸素イオン（Ｏ^＋）を所定の深さにイオン注入して酸素イオン注入層２を形成する。このとき、イオン注入条件は特に限定されるものではないが、例えば、注入エネルギーは一般的に広く用いられている１５０〜２００ｋｅＶ程度とし、また酸素のドーズ量は、ＢＯＸ層を形成したときに所望の厚さが得られるように制御してイオン注入を行う。例えば、膜厚が２００ｎｍ程度となる厚いＢＯＸ層を形成する場合であれば、酸素ドーズ量を９×１０^１７／ｃｍ^２程度とすれば良く、また５０ｎｍ程度の薄いＢＯＸ層を形成する場合であれば、酸素ドーズ量を２×１０^１７／ｃｍ^２程度に制御すれば良い。またこのとき、必要に応じて、酸素イオンの注入を２回以上に分割して行うこともできる。
【００４３】
このようにして単結晶シリコン基板１に酸素イオン注入層２を形成した後、工程（ｃ）において酸素イオン注入層２をＢＯＸ層３に変化させる酸化膜形成熱処理を行う。酸化膜形成熱処理の熱処理条件は、酸素イオン注入層２をＢＯＸ層３に変化させることができれば特に限定されるものではないが、例えば、酸素分圧が１％以下の不活性ガス雰囲気下で、１３００℃以上シリコン融点以下の温度で数時間の熱処理を行うことによって、ＢＯＸ層３を形成することができる。同時に、表面には薄い熱酸化膜４’が形成される。
【００４４】
またＢＯＸ層３を形成した後、必要に応じて、さらに工程（ｄ）に示すような、いわゆるＩＴＯＸ処理を行うこともできる。例えば、ＢＯＸ層３を形成したシリコン基板に、酸素分圧を７０％程度にした雰囲気下、１３００℃以上の温度で数時間のＩＴＯＸ処理を行うことによって、ＢＯＸ層３を厚膜化してその品質を一層向上させるとができる。尚、このようなＩＴＯＸ処理を行うと基板表面に熱酸化膜４が形成される。
【００４５】
このように単結晶シリコン基板１に酸化膜形成熱処理（工程（ｃ））やＩＴＯＸ処理（工程（ｄ））を行ったとき、ＢＯＸ層３で酸素析出物の成長による体積膨張が生じて基板に歪みが発生するため、前述のように歪みを緩和するために格子間シリコンがＳＯＩ層へ放出されるが、本発明では、単結晶シリコン基板の表面に格子間シリコンの吸収源となる表面キンクが形成されているため、ＳＯＩ層へ放出された格子間シリコンを表面キンクに結合させて吸収することができる。
【００４６】
したがって、ＳＯＩ層は格子間シリコンが過剰な状態とはならないので格子間シリコンのＳＯＩ層への放出が抑制されず、上記体積膨張による歪みを十分に緩和することが可能となる。そのため、ＳＯＩ層では貫通転位の発生を低減することができ、またＢＯＸ層では酸素析出物の成長が促進されるのでシリコン島の発生を抑制することができる。さらに、酸素析出物の成長と結合が十分になされることにより、ＳＯＩ／ＢＯＸ界面を平坦化できるとともに、それを反映したＳＯＩ層表面の表面粗さも小さくすることができる。
【００４７】
さらにこのとき、表面キンクが形成されている基板表面では、格子間シリコンの吸収によりシリコンの再成長が起こるため、ＳＯＩ層が拡大する。そして、このように拡大したＳＯＩ層は、例えば工程（ｄ）のＩＴＯＸ処理においてその処理条件を制御して基板表面に形成される熱酸化膜４の膜厚を調節することによって、最終的に形成されるＳＯＩ層の膜厚を所望の厚さに制御することが可能となる。
【００４８】
そして最後に、工程（ｅ）において基板表面に形成されている熱酸化膜４をエッチングや化学的機械的研磨等によって除去することによって、シリコン支持基板５上にＢＯＸ層６とＳＯＩ層７とが順次積層された構造を有するＳＯＩ基板８を効率的に製造することができる。
このようにしてＳＯＩ基板を製造することによって、ＢＯＸ層６が所望の膜厚を有するとともにその絶縁耐圧も非常に優れており、またＳＯＩ層７の貫通転位密度も非常に小さく、さらにはＳＯＩ／ＢＯＸ界面の界面粗さ及びＳＯＩ層表面の表面粗さも向上した非常に高品質のＳＯＩ基板を得ることができる。
【００４９】
すなわち、上記本発明のＳＯＩ基板の製造方法により、例えば膜厚が２００ｎｍ程度となる厚いＢＯＸ層を形成する場合であれば、前記のように酸素イオン注入の際に酸素をドーズウインドウの範囲を超えた９×１０^１７／ｃｍ^２程度の高いドーズ量で注入し、その後酸化膜形成熱処理を行うことによって、貫通転位やシリコン島の発生が低減されたＳＯＩ基板を効率的に製造することができるが、一方従来の製造方法では、ＢＯＸ層を単に２００ｎｍ程度に厚く形成することは可能であるものの、貫通転位やシリコン島が高密度で発生してしまい、製造されるＳＯＩ基板の品質は非常に低いものとなる。
【００５０】
また、本発明により５０ｎｍ程度の薄いＢＯＸ層を形成する場合であれば、酸素イオン注入の際に酸素ドーズ量を２×１０^１７／ｃｍ^２程度に制御することによって、ＳＯＩ層に貫通転位が発生してなく、またＢＯＸ層の絶縁耐圧も優れている高品質のＳＯＩ基板を製造することができる。それに対して、従来の製造方法では、このように酸素のドーズ量が低い場合、連続的で均一なＢＯＸ層が得られにくく、また薄いＢＯＸ層が得られたとしても貫通転位密度が高いため、品質の低いＳＯＩ基板となる。
【００５１】
尚、本発明のＳＯＩ基板の製造方法は、少なくとも酸化膜形成熱処理を行う前に、単結晶シリコン基板の酸素イオンを注入する側の表面に表面キンクを形成しておけば良く、表面キンクの形成方法については特に限定されるものではない。
【００５２】
さらに、上記本発明のＳＯＩ基板の製造方法では、格子間シリコンの吸収源として単結晶シリコン基板表面に形成した表面キンクを利用しているが、例えば、シリコン基板にＲＴＡ処理を施すことによって基板表面近傍に発生させた原子空孔等のようなその他の格子間シリコンの吸収源を利用することによっても、上記に示した効果を同様に得ることが可能となる。
【００５３】
すなわち、単結晶シリコン基板に酸素をイオン注入した後に、酸化膜形成熱処理を施すことにより埋め込み酸化膜層を形成するＳＯＩ基板の製造方法において、格子間シリコンの吸収源を少なくとも前記酸化膜形成熱処理段階で有している単結晶シリコン基板を用いるようにすることができ、さらに前記単結晶シリコン基板を、格子間シリコンの吸収源をイオン注入する側の表面を含むイオン注入の飛程深さまでの領域内に有するものとすることが好ましい。
【００５４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
磁場印加ＣＺ法により、結晶引き上げ方向が［００１］方向となるように、直径３００ｍｍのシリコンインゴットを育成した。このシリコンインゴットから、切断面が（００１）面に対して［０１０］方向に４°傾くようにして単結晶シリコン基板を切り出した（実施例１）。また、比較例１として、シリコンインゴットから結晶成長軸方向に対して垂直に（切断面が（００１）面に一致するように）単結晶シリコン基板を切り出した（比較例１）。これらの２種類の単結晶シリコン基板に対して、それぞれに面取り、ラッピング、化学的エッチング、化学的機械的研磨を行って鏡面基板とした。
【００５５】
次に、これらの鏡面基板に、以下のようなイオン注入条件で酸素をイオン注入してイオン注入層を形成した。イオン注入条件は、先ず１段目の酸素イオン注入として、基板温度が５６０℃、注入エネルギーが２２０ｋｅＶ、ドーズ量が４．０×１０^１７／ｃｍ^２の条件でイオン注入し、続いて２段目の酸素イオン注入として、基板温度が５６０℃、注入エネルギーが１７０ｋｅＶ、ドーズ量が３．７×１０^１７／ｃｍ^２の条件でイオン注入するように設定した。この酸素イオン注入において、シリコン基板に注入される酸素の総ドーズ量は７．７×１０^１７／ｃｍ^２であり、一般にドーズウインドウと呼ばれている３．５〜４．０×１０^１７／ｃｍ^２の範囲外である。また、１段目と２段目の酸素イオン注入の間には、特別な熱処理などは行わなかった。
【００５６】
このようにして酸素イオン注入したシリコン基板は、標準的な洗浄が行われた後、酸化膜形成熱処理を、酸素分圧が０．５％のアルゴン雰囲気下、１３５０℃で４時間行ってシリコン基板にＢＯＸ層を形成した。さらに引き続いて、酸素分圧を７０％に変えて、１３５０℃で６時間のＩＴＯＸ処理を行った。ＩＴＯＸ処理後、基板表面に形成された酸化膜をフッ酸で除去し、ＳＩＭＯＸ基板とした。
【００５７】
上記のようにして作製した実施例１及び比較例１のＳＩＭＯＸ基板について、分光エリプソメトリを用いてＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚を測定した。その結果、実施例１のＳＩＭＯＸ基板では、ＳＯＩ層の膜厚が４０ｎｍ、ＢＯＸ層の膜厚が２２１ｎｍであり、一方比較例１のＳＩＭＯＸ基板では、ＳＯＩ層の膜厚が３４ｎｍ、ＢＯＸ層の膜厚が２２０ｎｍであった。この結果から、実施例１の基板の方がＳＯＩ層の膜厚が厚くなっていることがわかった。これは、実施例１の基板では表面キンクが格子間シリコンを吸収することによって、シリコン層が再成長したためであると考えられる。
【００５８】
次に、それぞれのＳＩＭＯＸ基板のＳＯＩ層表面の表面粗さを評価した。用いた測定器は、ＫＬＡＴｅｎｃｏｒ製のＨＲＰ３２０である。測定範囲は２０μｍ×２０μｍとしてＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）値を求めた。その測定結果を図３に示す。各ＳＯＩ基板の表面粗さを求めた結果、実施例１のＲＭＳ値は１ｎｍであり、比較例１は４ｎｍであった。このことから、本発明によればＳＯＩ層の表面粗さが改善されることが確認された。
【００５９】
さらに、ＳＩＭＯＸ基板のＨＦ欠陥を評価するため、実施例１及び比較例１のＳＩＭＯＸ基板をそれぞれ５０％ＨＦ溶液に３０分間浸漬し、その後光学顕微鏡で観察することによりＨＦ欠陥密度を測定した。その結果、実施例１のＨＦ欠陥密度は０．１個／ｃｍ^２であり、比較例１は１８００個／ｃｍ^２であることがわかった。このことから、本発明によればＨＦ欠陥密度も低減されることがわかった。
尚、ＨＦ欠陥とはＳＯＩウエーハをＨＦ溶液に浸漬することで検出されるＳＯＩ層中の結晶欠陥の総称であり、ＳＯＩ層を貫通する欠陥部分を通してＨＦ溶液がＢＯＸ層をエッチングしてできた空洞を検出するものである。
【００６０】
本実施例１、比較例１のＳＩＭＯＸ基板は、高温長時間のＩＴＯＸ処理が行われたものであるので、ＳＯＩ層に存在した貫通転位には酸化膜が成長し、ＨＦ欠陥として検出されるものと考えられる。従って、ＨＦ欠陥密度の低減は、ＳＯＩ層の貫通転位の低減と関連していると判断される。
【００６１】
以上の結果から、本発明によれば、一般的なドーズウインドウよりも高いドーズ量で酸素をイオン注入しても、ＳＯＩ層の貫通転位などの欠陥やＳＯＩ層の表面粗さが低減された高品質のＳＯＩ基板（ＳＩＭＯＸ基板）を製造することができることがわかった。
【００６２】
（実施例２、比較例２）
酸素イオン注入の条件を、基板温度が５６０℃、注入エネルギーが２００ｋｅＶ、ドーズ量が３．０×１０^１７／ｃｍ^２の１段階の酸素イオン注入とすること以外は上記実施例１及び比較例１と同様にしてＳＩＭＯＸ基板を作製し（実施例２及び比較例２）、作製したそれぞれのＳＩＭＯＸ基板の品質評価を行った。
【００６３】
先ず、各ＳＩＭＯＸ基板のＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚を分光エリプソメトリを用いて測定した結果、実施例２ではＳＯＩ層の膜厚が１４８ｎｍ、ＢＯＸ層の膜厚が８５ｎｍとなり、比較例２では、ＳＯＩ層の膜厚が１４５ｎｍ、ＢＯＸ層の膜厚が８４ｎｍであった。この結果から、実施例１及び比較例１の場合と同様に、実施例２のＳＯＩ基板の方がＳＯＩ層の膜厚が厚くなっていることがわかった。
【００６４】
次に、ＳＯＩ層表面の表面粗さを、実施例１と同様にＫＬＡＴｅｎｃｏｒ製のＨＲＰ３２０を用いて評価した。その測定結果を図４に示す。各ＳＯＩ基板の表面粗さを求めた結果、実施例２のＲＭＳ値は１ｎｍであり、比較例２は１０ｎｍであった。このことから、本発明によれば酸素ドーズ量が低い場合でも、ＳＯＩ層の表面粗さが改善されることが確認された。
【００６５】
また、ＨＦ欠陥密度を測定した結果、実施例２のＨＦ欠陥密度は０．１個／ｃｍ^２であり、比較例２は１９２個／ｃｍ^２であることがわかった。このことから、本発明によれば、酸素ドーズ量が低い場合でもＨＦ欠陥密度が低減されること、すなわち、貫通転位の発生が低減されることが確認された。
【００６６】
以上の実施例１、２及び比較例１、２の結果から、本発明によれば、所望のＢＯＸ層の膜厚を得るために酸素ドーズ量を広い範囲で変化させても、ＳＯＩ層の貫通転位などの欠陥が発生せず、またＳＯＩ層表面の表面粗さが小さい高品質のＳＯＩ基板（ＳＩＭＯＸ基板）を製造することができることが確認された。すなわち、本発明によれば、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の品質を高く維持しつつ、ＢＯＸ層の膜厚を広い範囲で制御できることが示された。
【００６７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所望のＢＯＸ層厚を有し、かつＢＯＸ層の絶縁耐圧が優れており、ＳＯＩ層の貫通転位密度も非常に小さく、さらにはＳＯＩ／ＢＯＸ界面の界面粗さ及びＳＯＩ層表面の表面粗さも小さい非常に高品質のＳＯＩ基板を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面キンクが形成されている単結晶シリコン基板の表面を概略的に示した概略図である。
【図２】本発明に係るＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造方法の一例を示したフロー図である。
【図３】実施例１及び比較例１においてＳＩＭＯＸ基板のＳＯＩ層表面の表面粗さを測定した測定結果を示す図である。
【図４】実施例２及び比較例２においてＳＩＭＯＸ基板のＳＯＩ層表面の表面粗さを測定した測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１…単結晶シリコン基板、２…酸素イオン注入層、
３…埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）、４，４’…熱酸化膜、
５…シリコン支持基板、６…埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）、
７…ＳＯＩ層、８…ＳＯＩ基板、
Ｓ１，Ｓ２…原子ステップ、Ｋ…窪み部分。

Claims

少なくとも、単結晶シリコン基板の一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成した後、該単結晶シリコン基板に酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜層に変化させる酸化膜形成熱処理を行ってＳＯＩ基板を製造する方法において、少なくとも前記酸化膜形成熱処理を行う前に、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面に表面キンクを形成しておくことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記表面キンクを、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面を｛１００｝面に対して傾けることによって形成しておくことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記表面キンクを、前記単結晶シリコン基板の酸素イオン注入する側の表面を｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾けることによって形成しておくことを特徴とする請求項２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
単結晶シリコン基板として｛１００｝面に対して傾斜した面方位を有するものを使用し、該単結晶シリコン基板に、少なくとも、単結晶シリコン基板の一方の主表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、前記形成した酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜層に変化させる酸化膜形成熱処理を行うことによってＳＯＩ基板を製造することを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記単結晶シリコン基板として｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものを使用することを特徴とする請求項４に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＩ基板の製造方法により製造されたＳＯＩ基板。
シリコン支持基板上に埋め込み酸化膜層とＳＯＩ層とが順次積層された構造を有するＳＯＩ基板であって、前記埋め込み酸化膜層が酸素をイオン注入して形成されたものであり、かつ前記シリコン支持基板及びＳＯＩ層が｛１００｝面に対して傾斜した面方位を有するものであることを特徴とするＳＯＩ基板。
前記シリコン支持基板及びＳＯＩ層が｛１００｝面に対して結晶方位＜１００＞方向に１〜１０°傾斜した面方位を有するものであることを特徴とする請求項７に記載のＳＯＩ基板。