JP2010027959A

JP2010027959A - 高抵抗ｓｉｍｏｘウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2010027959A
Application number: JP2008189647A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Aoki; 嘉郎青木; Hisashi Adachi; 尚志足立
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US20100022066A1

Abstract

【課題】高温かつ酸化性の雰囲気での熱処理によりウェーハに内方拡散した酸素を低減でき、サーマルドナーの発生を抑制できる高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理後に、加熱後急速冷却処理を施し、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理により内方拡散した酸素を、加熱後急速冷却処理により注入した空孔によって析出し易くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウェーハの製造方法に関し、特に、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を形成するための、高温かつ酸化性の雰囲気での熱処理により、ウェーハに内方拡散した酸素を低減することによって、サーマルドナーの発生を抑制する高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法に関するものである。

ＳＯＩウェーハの製造方法の１つにＳＩＭＯＸ法（非特許文献１参照）がある。ＳＩＭＯＸ法には、いくつかの方法があるが、現在のＳＩＭＯＸ技術の基礎となっているのは、低ドーズＳＩＭＯＸ技術（非特許文献２参照）である。

この低ドーズＳＩＭＯＸウェーハではＢＯＸ（Buried Oxide）層の厚さが薄いためＢＯＸの信頼性が問題となるが、これを改善するために、ＩＴＯＸ（Internal Thermal Oxidation）技術（非特許文献３、特許文献１参照）や、ＭＬＤ（Modified Low Dose）ＳＩＭＯＸ（特許文献２参照）が開発されてきた。

上記いずれのＳＩＭＯＸ法であっても、ＳＩＭＯＸ法で高品質なＢＯＸ層を形成するためには、１３００℃以上の高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理が必要であり、熱処理時にウェーハに内方拡散した酸素は熱処理後もウェーハに残存することになる。そのため、デバイス製造工程で４００〜５００℃程度の熱処理が施されるとサーマルドナーが形成され、とりわけ、高抵抗のウェーハを用いたＳＩＭＯＸウェーハではその抵抗率が低下してしまうという問題があった。
この問題に対して、特許文献３には、高温熱処理の最終段に１２５０℃以下８００℃以上の温度にて一定時間保持する方法が提案されている。
K．Izumi et al．：Electron．Lett．14（1978）593 S．Nakashima et al．：J．Mater．Res．8（1993）523 S．Nakashima et al．：Proc．1994 IEEE International SOI Conference（1994）71 特開平７−２６３５３８号公報米国特許第５９３０６４３号公報特開２００２−２８９８２０号公報

しかし、上述の方法では内方拡散した酸素を十分に外方拡散できないので、ウェーハの表面近傍しか酸素濃度を低減できない。そのため、４００〜５００℃程度の熱処理が施されると、ウェーハの表面近傍は高抵抗を維持できるが、ウェーハ表面から数μｍの内部ではサーマルドナーが形成され抵抗率が低下してしまう。

ここで、酸素濃度を低減する方法として、高温かつ酸化性の雰囲気での熱処理後に、低温そして高温の２段階熱処理を施し酸素を析出する方法も考えられる。しかし、高温かつ酸化性の雰囲気での熱処理後のウェーハにおける酸素濃度は、ウェーハ表面で最小値を持ち、ウェーハ表面から約１００μｍの位置で最大値を持つというプロファイルとなること、また、この酸化に伴ってウェーハ表面から格子間シリコンが注入されることから、ウェーハ表面から数１０μｍ深さの領域では酸素を析出させることが困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高温かつ酸化性の雰囲気での熱処理によりウェーハに内方拡散した酸素を低減でき、サーマルドナーの発生を抑制できる高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
なお、サーマルドナーとは、４５０℃程度の熱処理により酸素と空孔とがドナー化したものをいい、このサーマルドナーが発生すると、特に高抵抗ウェーハは抵抗率が所望の値から低下してしまう。

上記目的を達成するため、本発明者らは、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理によりウェーハに内方拡散した酸素の低減方法について鋭意検討した。その結果、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理後に、加熱後急速冷却処理（ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を典型例とする）を施してウェーハ表面から内部に空孔を注入することにより、熱処理中にウェーハに内方拡散した酸素を析出し易くする方法に想到した。

すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）高抵抗のシリコンウェーハに酸素イオンを注入し、次いで
高温かつ酸化性の雰囲気中にて熱処理を施し、
該熱処理後に、シリコンウェーハ表面の酸化膜を除去した後、
加熱後急速冷却処理を施して、シリコンウェーハ中に空孔を注入する、
ことを特徴とする高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。

（２）前記シリコンウェーハの抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることを特徴とする上記（１）に記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。

（３）前記加熱後急速冷却処理は、１１００℃以上の温度域に加熱後、３３℃／秒以上にて冷却するものであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。

（４）前記加熱後急速冷却処理後に、酸素析出処理を施すことを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。

本発明では、高抵抗のシリコンウェーハを用い、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理後に、加熱後急速冷却処理を施すことによって、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理により内方拡散した酸素を、加熱後急速冷却処理により注入した空孔を介して析出させることから、ウェーハ内部の酸素を低減でき、サーマルドナーの発生を抑制する高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハを提供できる。

次に、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係る高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造工程の一実施形態を示すフローチャートである。図１に示すように、本発明の製造方法は、シリコンウェーハに酸素イオンを注入する工程１と、高温かつ酸化性の雰囲気中で熱処理を施す工程２と、酸化膜除去処理工程３と、加熱後急速冷却処理工程４とを含む。さらに、本発明の製造方法は、酸素析出処理工程５を含むことが好ましい。

以下、本発明に係る高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法を、ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法に適用して説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩＴＯＸ−ＳＩＭＯＸ法など他のＳＩＭＯＸ法にも適用できる。

ＭＬＤ−ＳＩＭＯＸ法において、酸素イオン注入工程１では、酸素イオン注入を２段階に分けて行う。１回目の酸素イオン注入はシリコンウェーハを加熱して行い、続いて２回目の酸素イオン注入はシリコンウェーハの温度を室温程度に下げて行う。すなわち、１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを加熱することで、シリコンウェーハ表面を単結晶のまま維持して酸素の高濃度層を形成し、２回目の酸素イオン注入では、アモルファス層を形成する。

次いで、高温熱処理工程２においては、酸素と不活性ガスの混合雰囲気中で、熱処理温度を１３００℃以上、より好ましくは１３２０〜１３５０℃に設定して、６〜１２時間の熱処理を施し、ＢＯＸ層を形成する。酸化処理時の酸素分圧や熱処理時間を調節することによって、表面酸化膜の厚さを調節して、ＳＯＩ層の厚さを制御する。酸素と混合する不活性ガスとしては、窒素またはアルゴンを使用できる。
雰囲気の酸素濃度は、１０％〜１００％とすることが好ましい。なぜなら、酸素濃度が１０％未満の場合、ＢＯＸ層の品質改善効果が十分でないおそれがあるためである。

上記熱処理工程２において、シリコンウェーハの表面に酸化膜が形成されるため、この酸化膜を酸化膜除去処理工程３において除去する。ただし、この酸化膜は完全に除去してもよいし、自然酸化膜、すなわち１ｎｍ以下の厚みの酸化膜が残っていてもよい。

その後、加熱後急速冷却（ＲＴＡ）処理工程４により、ウェーハ表面から空孔を注入する。ウェーハ表面から空孔を効率よく注入するためには、ＲＴＡ処理を、窒素を含有する雰囲気下で行うことが好ましい。窒素雰囲気下でＲＴＡ処理を行うと、高温で発生して残存する空孔と、ウェーハ表面に窒化膜が形成され、ウェーハ表面から内方拡散する空孔により、ウェーハ表面から数１０μｍ深さの領域で酸素が析出し易くなるためである。
また、ＲＴＡ処理はアルゴンを含有する雰囲気下で行うこともできる。アルゴン雰囲気下でＲＴＡ処理を行うと、高温で発生して残存する空孔により、ウェーハの内部で酸素が析出し易くなる。熱処理温度は１１００〜１３５０℃が好ましい。なぜなら、熱処理温度が１１００℃を下回ると十分な空孔の注入が得られなくなり、１３５０℃を超えるとスリップ転位の発生が懸念されるからである。また、最高温度からの冷却速度が遅いと空孔の外方拡散が進行し、ウェーハ表面近傍の空孔濃度が低下するので、冷却速度を３３℃／秒以上として実施するのが好ましい。冷却速度の上限は装置に依存し、冷却速度は速いほうが好ましい。

また、本発明の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法において、ＲＴＡ処理によりウェーハ表面から注入される空孔の濃度ピーク位置を、高温かつ酸化性雰囲気での熱処理後の酸素の濃度ピーク位置よりもウェーハ表面側とすることが好ましい。なぜなら、空孔の濃度ピーク位置が酸素の濃度ピーク位置よりもウェーハの内部にあると、ウェーハ内部での酸素析出に伴って発生し拡散する格子間シリコン原子によって、ウェーハ表層の酸素が析出し難くなるからである。

ＲＴＡ処理により空孔を注入した後、デバイス製造工程において酸素析出が可能であれば酸素析出処理は必要ないが、デバイス製造工程において酸素析出が困難な場合は、さらに酸素析出処理工程５を追加することが好ましい。
酸素析出処理は、７００〜９００℃、４時間の酸素析出核の形成処理と、１０００℃、１６時間の酸素析出物の成長処理とからなる通常の処理である。

図１に示す製造方法によって作製した高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハに、４５０℃、１時間の熱処理を施し、抵抗値をＳＲ法（Spreading Resistance）によって測定した。ＳＲ法とは、ウェーハを斜め方向に研磨して、深さ方向にその抵抗値を測る方法である。
実施例１〜６のＳＩＭＯＸウェーハは、表１に示す高抵抗のシリコンウェーハを用い、表１に示す条件に従う酸素イオン注入工程および高温熱処理工程の後にＲＴＡ処理を行った。
一方、比較例１のＳＩＭＯＸウェーハはＲＴＡ処理を行わなかった。測定条件及び測定結果を表１に示す。

表１より、実施例のＳＩＭＯＸウェーハは抵抗率の変化が小さいことがわかった。

以上より、本発明によれば、高抵抗のシリコンウェーハを用い、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理後に、ＲＴＡ処理を施すことによって、高温かつ酸化性の雰囲気中での熱処理により内方拡散した酸素を、加熱後急速冷却処理により注入した空孔によって析出し易くするので、酸素を低減でき、サーマルドナーの発生を抑制でき、抵抗率が一様の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの提供が可能である。

本発明に係るＳＩＭＯＸウェーハの製造工程を示すフローチャートである。

Claims

高抵抗のシリコンウェーハに酸素イオンを注入し、次いで
高温かつ酸化性の雰囲気中にて熱処理を施し、
該熱処理後に、シリコンウェーハ表面の酸化膜を除去した後、
加熱後急速冷却処理を施して、シリコンウェーハ中に空孔を注入する、
ことを特徴とする高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
前記シリコンウェーハの抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
前記加熱後急速冷却処理は、１１００℃以上の温度域に加熱後、３３℃／秒以上にて冷却するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。
前記加熱後急速冷却処理後に、酸素析出処理を施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高抵抗ＳＩＭＯＸウェーハの製造方法。