JP4655557B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法及びｓｏｉ基板 - Google Patents

Description

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）に代表される絶縁層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を製造する方法及びＳＯＩ基板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（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）法による、優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板の製造方法及びＳＯＩ基板に関する。

半導体素子用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基板表層部の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。

このＳＯＩ基板を製造する代表的な方法として、ウェーハ貼り合わせ法とＳＩＭＯＸ法が挙げられる。ウェーハ貼り合わせ法は、例えば２枚の単結晶シリコン基板（シリコンウェーハ）のうちの一方の表面に熱酸化膜を形成した後、この形成した酸化膜を介して２枚のウェーハを密着させて貼り合わせ、結合熱処理を施すことによって貼り合わせ面の結合力を高め、その後に片方のウェーハを研磨等により薄膜化することによってＳＯＩ層とし、ＳＯＩ基板を製造する方法である。

一方、ＳＩＭＯＸ法は、単結晶シリコン基板の内部に酸素イオンを注入し、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。

具体的には、例えば、５００℃程度に加熱した単結晶シリコン基板に対し、一方の主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、酸素ドーズ量は慣例的に１〜２×１０^１８／ｃｍ^２程度を注入する高ドーズとする場合と、２〜４×１０^１７／ｃｍ^２程度を注入する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（一般的には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）を埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）に変化させることができる。

ＳＩＭＯＸ法の開発当初から行われていた高ドーズＳＩＭＯＸ法では、酸素ドーズ量が高いことによりＢＯＸ層が厚くなるので絶縁耐圧の比較的高いＢＯＸ層が得られるものの、貫通転位密度が高く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。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たことに基づき、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。このような低ドーズ量でＳＩＯＭＸ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として知られている。

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の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点があった。

一方、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板（以下、ＳＩＭＯＸ基板と呼ぶことがある）の製造では、上記のウェ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枚のウェーハを必要とせずに１枚の単結晶シリコン基板からＳＯＩ基板を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。

しかしながら、ＳＩＭＯＸ基板の製造では、イオン注入工程と１３００℃以上の酸化膜形成熱処理工程において、金属不純物による汚染が大きな問題となる。また、このようなＳＯＩ基板特有の製造工程に限らず、半導体素子の製造工程においても金属不純物の汚染があるとデバイス特性が劣化するという問題がある。したがって、他の鏡面研磨シリコン基板などの場合と同様に、ＳＯＩ基板においても、ＳＯＩ基板の製造工程や半導体素子の製造工程（デバイスプロセス）において混入した金属不純物を捕獲して、半導体素子の活性層となるＳＯＩ層から除去する能力（ゲッタリング能力）を有することが重要な品質の一つとなる。

シリコン基板にゲッタリング能力を付加する代表的な方法として、次の３つが挙げられる。シリコン基板の裏面にシリカ等の粉末を吹き付けてダメージを与えるバックサイドダメージ（以下、ＢＳＤと呼ぶことがある）、シリコン基板の裏面に多結晶シリコン層を堆積させるポリシリコンバックシール（以下、ＰＢＳと呼ぶことがある）、シリコン基板に過飽和に固溶している格子間酸素原子を析出させ、シリコン酸化物の析出物（以下、酸素析出物または単に析出物と呼ぶことがある）を形成するイントリンシックゲッタリング（以下、ＩＧと呼ぶことがある）等の方法である。

しかし、上記の３つの方法では何れも、ＳＩＭＯＸ基板に適用して安定したゲッタリング能力を付加することは極めて困難である。その理由は、ＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造工程に含まれる１３００℃以上の高温熱処理によりゲッタリング源が収縮・消滅することによる。すなわち、ＢＳＤは高温熱処理により緩和され消滅してしまう。ＰＢＳは、高温熱処理中に固層エピタキシャル成長し単結晶化するために、ゲッタリング源となる多結晶粒界が低減する。さらに、この方法では基板の裏面にのみポリシリコンを形成するので、基板が反りやすいという欠点や、基板表面の良好なフラットネスが得られにくいという欠点もある。また、ＩＧの場合、酸素析出物は高温熱処理において格子間酸素原子が不飽和状態になることにより再溶解し、収縮・消滅してしまう。これらのことにより、ＳＩＭＯＸ法により製造されるＳＯＩ基板に安定したゲッタリング能力を付加することができないという問題があった。

そのような問題点を解決するために、特許文献１では、単結晶シリコン基板の内部に酸素析出物を形成した後に酸素イオンを注入し、所定の深さでこの酸素とシリコンとを結合させ、このイオン注入後、該単結晶シリコン基板を９００〜１０５０℃で４時間以上熱処理し、酸素とシリコンとの結合部分に埋め込み酸化膜を形成するとともに、表面側に表面シリコン層（ＳＯＩ層）を形成するＳＩＭＯＸ基板の製造方法が記載されている。この場合、９００〜１０５０℃で４時間以上熱処理することにより酸素析出物から発生するパンチアウト転位が、その後の１１００℃以上の高温熱処理においても残存するので、基板製造工程での高温熱処理時だけでなく、デバイス工程での熱処理時にも、不純物を十分にゲッタリング可能であるとしている。しかし、この製造方法では、１１００℃以上の高温熱処理によりパンチアウト転位からスリップ転位が発生し、単結晶シリコン基板が変形する恐れがあるという問題があった。

一方、特許文献２には、シリコン単結晶基板に酸素イオンを高エネルギーで加速して注入したのち、水素雰囲気または酸素を３％程度の少量含む窒素雰囲気中で、１２００〜１３００°Ｃの温度で６〜１２時間の熱処理を施したのち、低温から高温へ段階的または連続的に温度を上昇させて熱処理を施すことにより、ＩＧ効果を高めたＳＩＭＯＸ基板の製造方法が記載されている。
しかしながらこの方法では、温度を上昇させる際の最終温度が８５０℃に限定されているので、析出物が小さく、近年の低温化されたデバイスプロセスでは、ゲッタリング能力が不十分な場合がある。また、析出核形成に時間がかかり、さらに最終温度が８５０℃であることにより、酸素析出核を成長させるのに時間がかかるため、生産性が低い。

特開２００３−３４７５２７号公報 特開平７−１９３０７２号公報

以上のように、ＳＩＭＯＸ基板の製造においては、安定した且つ優れたゲッタリング能力を付加することが重要な課題となっている。
そこで、本発明は、安定した且つ優れたゲッタリング能力を有するＳＩＭＯＸ基板を効率的に製造することのできるＳＯＩ基板の製造方法及びＳＯＩ基板を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、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対して該形成した酸素イオン注入層を埋め込み絶縁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、前記酸化膜形成熱処理を、少なくとも酸素分圧が５％以上の高酸素分圧下での熱処理を行なうものとし、且つ少なくとも前記酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後に、前記単結晶シリコン基板中に酸素析出物を形成する酸素析出物形成熱処理を行なうことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法を提供する。

このように、ＳＯＩ基板を製造する際に、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入後、高酸素分圧（５％以上）下での熱処理を行う酸化膜形成熱処理を行い、少なくとも該酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後に、前記単結晶シリコン基板中に酸素析出物を形成する熱処理を行なえば、形成される酸素析出物はその後の熱処理工程で消滅せず、安定して優れたゲッタリング能力を発揮できる。酸化膜形成熱処理の最高温度を通過する前に酸素析出物を形成しても、その後最高温度において格子間酸素濃度が不飽和になるために、酸素析出物が溶体化してしまうが、本発明ではそのような溶体化は起こらない。
また、酸化膜形成熱処理のような高温熱処理前に酸素析出物を形成しないので、熱的に安定なパンチアウト転位も発生せず、高温熱処理でスリップ転位が発生し基板が変形するというおそれがない。
高品質のＳＯＩ層及びＢＯＸ層を得るためには、前記高酸素分圧下での熱処理を行なう前に、低酸素分圧（０％から５％未満）下での熱処理を行なうことが好ましい。

このような酸化膜形成熱処理は、主に低酸素分圧下での熱処理により酸素イオン注入層を埋め込み絶縁層に変化させ、高酸素分圧下での熱処理により熱処理雰囲気から酸素を導入して埋め込み絶縁層をさらに成長させる目的で行なわれ、またイオン注入によるＳＯＩ層等のダメージを回復させる目的も含む場合がある。なお、酸化膜形成熱処理の最高温度は、その温度で所定時間だけ保持されるような温度であり、特に限定されるものではないが、一般的には１３００℃以上である。

この場合、前記酸素析出物形成熱処理を、少なくとも８００℃以下の熱処理を含むものとすることが好ましい。
このように、酸素析出物形成熱処理を少なくとも８００℃以下の熱処理を含むものとすれば、酸素析出物の析出核形成を効率的に進行させることができる。
酸素析出の過程は、析出核形成過程とその成長過程からなる。すなわち、単結晶シリコン基板に固溶している格子間酸素原子を析出させ酸素析出物を形成するためには、析出核を形成することが必要である。析出核形成の駆動力は格子間酸素濃度の過飽和度である。熱処理温度が低いほど格子間酸素濃度の固溶度が低くなるので、過飽和度が高くなる。従って、析出核形成を効率的に進行させるためには、酸素析出物形成熱処理として、およそ８００℃以下の熱処理を含めることが望ましい。しかし、熱処理温度が低すぎると格子間酸素原子の拡散速度が低下し析出核形成が進行し難くなるので、およそ４００℃以上が好ましい。

このような酸素析出物形成熱処理は、ＳＩＭＯＸ基板の製造工程の酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後であれば、その冷却過程に行なっても良いし、酸化膜形成熱処理の一連の工程が終了した後に新たに追加しても構わない。また、この熱処理は、例えば一定の温度で保持するものが好ましいが、温度を下降あるいは上昇させながら行なうものでも構わない。重要な点は、析出核形成が効率的に進行する温度領域（好ましくは４００℃以上８００℃以下）における熱処理を所定時間だけ単結晶シリコン基板に施すことである。好ましい熱処理時間としては、１０分〜６０分程度である。

以降、酸素析出物形成熱処理の目的を明確に区別する場合に、析出核を形成することを主目的とする熱処理を析出核形成熱処理、酸素析出物を成長させることを主目的とする熱処理を析出物成長熱処理と呼ぶことがある。但し、析出核形成熱処理においても、析出核形成と酸素析出物成長は同時に進行する。

また、前記酸素析出物形成熱処理を、８００℃以下の熱処理を行った後に、９００℃以上の熱処理を行うものとすることが好ましい。
このように、酸素析出物形成熱処理を、８００℃以下の熱処理を行った後に、９００℃以上の熱処理を行うものとすれば、効率的に形成された析出核から、酸素析出物をゲッタリング能力が十分に高いサイズにまで成長させることができる。

前記のような８００℃以下の析出核形成熱処理のみでは形成される酸素析出物のサイズが小さく、十分なゲッタリング能力が得られない場合があるが、その後に９００℃以上の析出物成長熱処理を行なうことによって、酸素析出物を成長させてゲッタリング能力を十分に高めることができる。このような熱処理は、熱処理温度が高いほど格子間酸素原子の拡散速度が速くなり、酸素析出物を効率的に成長させることができるので、９００℃以上であることが好ましい。しかし、熱処理温度が高すぎると形成された酸素析出物が溶体化してしまう場合があるので、１２００℃以下であることが望ましい。

そのような析出物成長熱処理は、８００℃以下の析出核形成熱処理の後であれば、それと連続して行なっても良いし、析出核形成熱処理の一連の工程が終了した後に新たに追加しても構わない。また、このような熱処理は、例えば一定の温度で保持するものが好ましいが、温度を上昇あるいは下降させながら行なうものでも構わない。さらには、半導体素子の製造工程の熱処理を兼ねていても構わない。重要な点は、析出核形成熱処理の後に、析出物が効率的に成長する温度領域（好ましくは９００℃以上１２００℃以下）における熱処理を所定時間だけ単結晶シリコン基板に施すことである。好ましい熱処理時間としては、３〜１０時間である。

また、前記酸化膜形成熱処理を、１２８０℃以上の熱処理を含むものとすることが好ましい。
このように、前記酸化膜形成熱処理を１２８０℃以上の熱処理を含むものとすれば、低酸素分圧下での熱処理では確実に酸素イオン注入層をＢＯＸ層にすることができるし、また高酸素分圧下の熱処理では基板中の格子間原子濃度を確実に高めることができる。
酸化膜形成熱処理を高酸素分圧下で行うと、その温度での格子間酸素原子の固溶度が単結晶シリコン基板の初期の格子間酸素濃度よりも高い場合には、熱処理雰囲気から酸素が単結晶シリコン基板内部に導入され、ＢＯＸ層が成長するとともに格子間酸素濃度が高くなる。そのことにより、その後の熱処理における析出核形成と酸素析出物成長が進行しやすくなる。ＳＯＩ基板に用いる単結晶シリコン基板はチョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法（以下ＣＺ法と呼ぶ場合がある）により育成されているものが多いが、その場合基板内部の初期の格子間酸素濃度は一般的には１０〜２０ｐｐｍａ程度であるので、熱処理温度は固溶度が２０ｐｐｍａ以上となる１２８０℃以上が望ましい。初期の格子間酸素濃度がより低い場合には、酸素の導入によって格子間酸素濃度を高める効果がより顕著である。なお、熱処理温度が高いほど固溶度は高くなるので単結晶シリコン基板内部の格子間酸素濃度が高くなるが、温度が高すぎると単結晶シリコン基板が変形する恐れがあるため、１３８０℃以下が好ましい。また、熱処理雰囲気の酸素分圧が高いほど単結晶シリコン基板に導入される酸素濃度が高くなり好適であるので、酸素分圧は１０％以上が好ましく、３０％以上、特に５０％以上とすることがより好ましい。

また、本発明は、前記のいずれかの製造方法により製造された、デバイスプロセスに投入するＳＯＩ基板であって、前記単結晶シリコン基板中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるものであることを特徴とするＳＯＩ基板を提供する。

このように、前記のいずれかの製造方法により製造された、デバイスプロセスに投入するＳＯＩ基板であって、前記単結晶シリコン基板中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるものであれば、十分に高いゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板とできる。
ここで、ゲッタリング能力を有する酸素析出物のサイズとは、実験的に検出可能な酸素析出物のサイズ（直径３０〜４０ｎｍ程度）を目安にしている。一般的には、実験的に検出できないサイズの酸素析出物でもゲッタリング能力を有すると考えられているので、実験的に検出可能なサイズであれば十分なゲッタリング能力を有すると判断できる。従って、ゲッタリング能力を有するサイズとしては、直径４０ｎｍ以上とすることができる。また、酸素析出物のサイズの上限は問わないが、大きく成長させるには熱処理時間が長くかかるので直径１００ｎｍ以下とすることが好ましい。

しかし、酸素析出物のサイズがゲッタリング能力を有するサイズであっても、密度が低いと十分なゲッタリング能力を発揮できない場合があるので、密度はおよそ５×１０^８／ｃｍ^３以上であることが好ましい。なお、酸素析出物の密度が高いほどゲッタリング能力は高くなるが、密度が高すぎると単結晶シリコン基板が変形する恐れがあるので、およそ１×１０^１２／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

また、本発明は、単結晶シリコン支持層と、該単結晶シリコン支持層上の埋め込み絶縁層と、該埋め込み絶縁層上のＳＯＩ層とを有するＳＯＩ基板において、前記単結晶シリコン支持層の厚さ方向に、複数の酸素析出物ピーク層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。

また、この場合、前記複数の酸素析出物ピーク層は、前記単結晶シリコン支持層の厚さ方向中心面の上側及び下側に少なくとも一層ずつ形成されているものとできる。

このような構成を有するＳＯＩ基板において、単結晶シリコン支持層の厚さ方向に酸素析出物密度が他の部分より高い酸素析出物ピーク層を複数有するものであれば、この複数の酸素析出ピーク層によりＳＯＩ層の金属不純物等が効果的にゲッタリングされるので、十分に高いゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板とでき、かつ基板裏面でスリップ転位が発生してもそれがＳＯＩ層まで貫通しないので、高品質のＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板とできる。さらに、前記複数の酸素析出物ピーク層が、単結晶シリコン支持層の厚さ方向中心面の上側及び下側に少なくとも一層ずつ形成されているものであれば、低温プロセスにおいても十分に高いゲッタリング能力を有し、またスリップ転位の貫通防止がさらに好適に実現できるＳＯＩ基板となる。

すなわち、このような複数の酸素析出物ピーク層のうちＳＯＩ層に近いものは、半導体素子の活性領域に近いので、不純物の拡散距離が短くなる低温プロセスにおいても、活性領域から金属不純物を効果的にゲッタリングすることができる。そして、単結晶シリコン支持層の厚さ方向中心面の上側に少なくとも一層形成されていれば、活性領域により近いので、上記効果がより有効になる。一方、複数の酸素析出物ピーク層のうち基板裏面側に近いものは、熱処理の際に基板裏面側を保持するボートとの接触部から発生するスリップ転位をピンニングして表面側まで貫通しないようにする効果があり、支持層の厚さ方向中心面の下側に少なくとも一層形成されていれば、スリップ転位発生位置から近いところでピンニングするので、その効果はより有効になる。なお、基板内部において、酸素析出物密度が一様に高いと、格子間酸素濃度が低くなることにより機械的強度が低下し、基板が変形する恐れがある。すなわち、複数のピーク層で酸素析出物密度が高くなる分布がより好ましい。

また、前記ＳＯＩ基板は、前記単結晶シリコン支持層中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるものであることが好ましい。
このように、前記単結晶シリコン支持層中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるＳＯＩ基板であれば、十分に高いゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板とできる。
ここで、ゲッタリング能力を有する酸素析出物のサイズは、前述のように直径４０ｎｍ以上とすることができ、直径１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、酸素析出物の密度は、およそ１×１０^１２／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

また、前記ＳＯＩ基板は、直径が３００ｍｍ以上のものとできる。
本発明のＳＯＩ基板であれば、デバイスプロセス中の熱応力によるスリップ転位の発生を、前述した酸素析出物ピーク層でのピンニングにより抑制する効果が得られる。従って、本発明の酸素析出物が高密度で形成されたＳＯＩ基板であれば、転位がピンニングされる確率が高くなりスリップ転位の発生が抑制される。すなわち、本発明のＳＯＩ基板は、従来熱処理によりスリップ転位の発生しやすい直径３００ｍｍ以上の大口径基板に特に好適に用いることができる。

尚、本明細書における格子間酸素濃度の単位はＪＥＩＤＡ（社団法人日本電子工業振興会の略称。現在はＪＥＩＴＡ（社団法人電子情報技術産業協会）に改称された。）の基準を用いて示されている。

本発明に従うＳＯＩ基板の製造方法であれば、安定した且つ優れたゲッタリング能力を有し、スリップ転位の発生が抑制されたＳＯＩ基板を効率的に製造できる。また、本発明に従うＳＯＩ基板であれば、低温プロセスにおいても十分に高いゲッタリング能力を有し、スリップ転位の発生が抑制されたＳＯＩ基板とできる。

以下では、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明者らは、安定した且つ優れたゲッタリング能力を有するＳＩＭＯＸ基板を効率的に製造するべく、鋭意検討を行なった。
そして、ＳＩＭＯＸ法においてＳＯＩ層に生じる貫通転位を低減し、かつ十分なＢＯＸ層の厚さを得るとともに、安定した且つ優れたゲッタリング能力を有するＳＯＩ基板を効率的に製造するためには、酸化膜形成熱処理におけるＩＴＯＸ処理と酸素析出熱処理を組み合わせ、酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後に、酸素析出物形成熱処理を行なえばよいことを見出し、本発明を完成させた。

こうすることで、単結晶シリコン支持層の厚さ方向に複数の酸素析出物ピーク層を有し、好ましくは該複数の酸素析出物ピーク層が単結晶シリコン支持層の厚さ方向中心面の上側及び下側に少なくとも一層ずつ形成されているＳＯＩ基板を得ることができ、このＳＯＩ基板は十分に高いゲッタリング能力を有し、スリップ転位のない高品質のＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板となる。

ここで、ＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）処理とは、前述した低ドーズＳＩＭＯＸ法でのＢＯＸ層の絶縁耐圧低下の問題を解決する技術であり、例えば、酸化膜形成熱処理を行なって単結晶シリコン基板中にＢＯＸ層を形成した後に、さらに高温酸素雰囲気下での酸化熱処理により該形成したＢＯＸ層を成長させるものである。

具体的に説明すると、このＩＴＯＸ処理は、単結晶シリコン基板に低ドーズ条件での酸素イオンの注入後、例えば酸素分圧が１％未満の低酸素分圧雰囲気下、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％程度の高酸素分圧雰囲気下、１３００℃以上で数時間の酸化熱処理を行うことによって、雰囲気から基板中に導入される酸素により該形成した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層／ＢＯＸ層界面が平坦化され、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、ＩＴＯＸ処理を行なうと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、それによって薄膜のＳＯＩ層が得られるという利点も持ち合わせている。

図１は、本発明に係るＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造方法の一例を示すフロー図である。
先ず、単結晶シリコン基板１を準備する（工程（ａ））。この単結晶シリコン基板１については、例えばＣＺ法で育成した単結晶をスライス、研削、研磨、洗浄等の通常の基板製造工程を施して得られたものを用いることができる。直径については、例えば３００ｍｍ以上のものとできる。
次に、工程（ｂ）において、単結晶シリコン基板１の一方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、ＢＯＸ層を形成したときに所望のＳＯＩ層とＢＯＸ層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、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、また酸素ドーズ量は、高ドーズ条件であれば１〜２×１０^１８／ｃｍ^２程度とすれば良く、低ドーズ条件であれば２〜４×１０^１７／ｃｍ^２程度に制御すれば良い。本発明では、貫通転位を低減すべく低ドーズとする事がより好ましい。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。

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を埋め込み絶縁層であるＢＯＸ層３に変化させる酸化膜形成熱処理を行う。本発明の好ましい実施形態においては、この酸化膜形成熱処理は、少なくとも酸素分圧が５％未満の低酸素分圧下での熱処理の後に酸素分圧が５％以上の高酸素分圧下で熱処理を行なうものである。そのような酸化膜形成熱処理は、例えば、７００℃に保持された熱処理炉に酸素イオン注入層２が形成された単結晶シリコン基板１を挿入し１３２０℃まで昇温した後、酸素分圧が１％以下のアルゴンガス等の不活性雰囲気下で数時間保持し、引き続き酸素分圧を７０％程度にして数時間保持するものとでき、これによって、ＢＯＸ層３を形成するとともに、その後成長することができる。この場合、低酸素分圧下での熱処理を省略し、ＢＯＸ層の成長が可能な高酸素分圧下での熱処理のみでも本発明のＳＯＩ基板を得ることができるが、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層を高品質なものを得るためには、高酸素分圧下の熱処理の前に低酸素分圧下の熱処理を行なうことが好ましい。このＢＯＸ層３の形成により、単結晶シリコン基板１にＳＯＩ層４と単結晶シリコン支持層５も形成される。さらにこのとき同時に、表面には熱酸化膜６が形成される。この熱酸化膜６の形成によりＳＯＩ層が消費され、ＳＯＩ層はより薄膜化される。ここで、熱処理温度、熱処理時間、及び酸素分圧は、所望のＳＯＩ膜厚及びＢＯＸ膜厚に応じて調整できる。例えば熱処理時間は、３〜６時間とできる。

上記のように、本発明においては、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、１２８０℃以上の熱処理を含むものとすることが好ましい。格子間酸素原子の固溶度は、このような高温にするのに応じて高くなるが、高分圧の酸素を含む雰囲気下で熱処理を行うと、その温度での格子間酸素原子の固溶度が単結晶シリコン基板の初期の酸素濃度よりも高い場合には、熱処理雰囲気から酸素が単結晶シリコン基板内部に導入され、格子間酸素濃度が高くなる。そのことにより、その後の酸素析出物形成熱処理における析出核形成とその成長が進行しやすくなる。また、たとえ酸素イオン注入が低ドーズ量で行なわれたとしても、ＢＯＸ層を成長させることができるので、十分に絶縁性を確保できる。ただし、高温により基板の変形等を防ぐためには、１３８０℃以下が好ましい。

そして、酸化膜形成熱処理における最高温度、この場合は約１３２０℃を通過した後に、工程（ｄ）において、単結晶シリコン基板中に酸素析出物を形成する酸素析出物形成熱処理を行なう。このように酸化膜形成熱処理における最高温度通過後に形成した酸素析出物は、その後の熱処理でも消滅しない。これによって、単結晶シリコン支持層中に酸素析出物ピーク層７が形成される。
なお、酸化膜形成熱処理において雰囲気から単結晶シリコン基板内部に導入される酸素の濃度は、酸素は主表面から導入されるために、熱処理条件に依存して表面及び裏面側の所定の深さで最大値を持つ。そのことから、酸素析出物形成熱処理後の酸素析出物の密度は、熱処理条件に依存し表面及び裏面側の所定の深さで最大値を持つことになり、そこが酸素析出物ピーク層７となる。また、例えば熱処理条件の調整により、酸素析出物ピーク層の深さ位置や幅、あるいは数を調整することもできる。

図３は、本発明に係る熱処理の一例であって、酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後、連続的に酸素析出物形成熱処理を行なうものである。この場合、酸化膜形成熱処理の最高温度である１３２０℃を通過した後、８００℃以下、例えば６００℃まで降温し、１０〜６０分程度、例えば３０分保持する。
このように、酸素析出物形成熱処理を、少なくとも８００℃以下の熱処理を含むものとすることが好ましい。この８００℃以下の析出核形成熱処理により、高密度の析出核を効率的に形成することができる。熱処理温度が低すぎると格子間酸素原子の拡散速度が低下し析出核形成が進行しにくくなるので、およそ４００℃以上が好ましい。

また、８００℃以下の熱処理を所定時間行った後に、９００℃以上、例えば１０００℃まで昇温し、数時間程度、例えば３〜６時間保持する。このように、引き続き９００℃以上の熱処理を行い、酸素析出物を成長させるとより好適である。８００℃以下の熱処理のみでは酸素析出物のサイズが小さく、十分なゲッタリング能力を得ることができない場合があるが、９００℃以上の析出物成長熱処理を加えることによって酸素析出物を成長させてゲッタリング能力を高めることができる。熱処理温度が高いほど格子間酸素原子の拡散速度が速くなり、酸素析出物を効率的に成長させることができるが、高すぎると酸素析出物が溶体化してしまう場合があるので、１２００℃以下が望ましい。９００℃以上の析出物成長熱処理後、ＳＯＩ基板を熱処理炉外に取り出すまでの条件は問わないが、例えば、７００℃まで冷却した後にＳＯＩ基板を熱処理炉外に取り出すことができる。
なお、このように析出物成長熱処理を行なうとより確実にゲッタリング能力を高めることができるが、その後の半導体素子の製造工程の熱処理で酸素析出物を成長でき、十分なゲッタリング能力を得ることができる場合は、析出物成長熱処理を省略することもできる。

図４は、本発明に係る熱処理の他の一例であって、一連の酸化膜形成熱処理が終了しＳＯＩ基板を熱処理炉内から取り出した後、酸素析出物形成熱処理を行うものである。
そのような場合の酸素析出物形成熱処理は、例えば、８００℃以下に保持された熱処理炉にＳＯＩ基板を投入し一定時間保持して熱処理を行い、続いて９００℃以上まで昇温した後、数時間保持するものとできる。その後にＳＯＩ基板を熱処理炉外に取り出すまでの条件は問わないが、例えば、７００℃まで冷却した後にＳＯＩ基板を熱処理炉外に取り出すことができる。
酸素析出物形成熱処理の雰囲気は限定されるものではないが、例えば、酸素を数％含む窒素雰囲気やアルゴン雰囲気とすることができる。

そして最後に、工程（ｅ）において、基板表面に形成された熱酸化膜６をエッチングや化学的機械的研磨等により除去することによって、ＳＯＩ基板８を効率的に製造することができる。また、酸化膜形成熱処理（工程（ｃ））と酸素析出物形成熱処理（工程（ｄ））とを連続で行なわず別に行なう場合には、工程（ｃ）の後に熱酸化膜４を除去し、その後に工程（ｄ）を行なうこともできる。このＳＯＩ基板８は、デバイスプロセスに投入するものであって、単結晶シリコン基板の支持層５中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでおり、安定して且つ優れたゲッタリング能力を有するものである。

一方、図２は本発明に係るＳＯＩ基板８’の一例を示す概略図である。このＳＯＩ基板８’は、単結晶シリコン支持層５’と、単結晶シリコン支持層５’上の埋め込み絶縁膜であるＢＯＸ層３’と、ＢＯＸ層３’上のＳＯＩ層４’とを有するものであり、単結晶シリコン支持層５’の厚さ方向に、酸素析出物密度が他の部分よりも高い酸素析出物ピーク層７’を複数含むものであり、好ましくは、酸素析出物ピーク層７’は、単結晶シリコン支持層５’の厚さ方向中心面の上側及び下側に少なくとも一層ずつ形成されている。これによって、低温プロセスにおいても十分に高いゲッタリング能力を有し、また基板裏面で発生するスリップ転位がピンニングされて抑制されたＳＯＩ基板とできる。このとき、単結晶シリコン支持層５’中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいれば、十分に高いゲッタリング能力を有するものとできる。そして、このようにスリップ転位が抑制されているので、従来スリップ転位の発生しやすい直径３００ｍｍのものに特に好適に用いることができる。

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）
ＳＩＭＯＸ基板作製のため、ＣＺ法により製造された直径３００ｍｍの単結晶シリコン基板を準備した。次に、そのシリコン基板に、以下のようなイオン注入条件で酸素をイオン注入して酸素イオン注入層を形成した。イオン注入条件は、基板温度が５６０℃、注入エネルギーが１８０ｋｅＶ、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時間の熱処理を行った。

そのような一連の酸化膜形成熱処理が終了した後、以下のような酸素析出物形成熱処理を施した。酸素析出物形成熱処理の条件は、窒素雰囲気下、６００℃で３０分保持した後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４時間保持した。
析出熱処理後、酸化膜形成熱処理で形成されたＳＯＩ層上の熱酸化膜をフッ酸により除去した。
次に、作製したＳＩＭＯＸ基板内部の酸素析出物を評価するために、ＳＩＭＯＸ基板をへき開した後、選択エッチングを行ってへき開断面を光学顕微鏡で観察した。その光学顕微鏡写真を図５に示す。このＳＩＭＯＸ基板の表層のＳＯＩ層とＢＯＸ層はそれぞれ５０ｎｍ、１００ｎｍ程度と非常に薄いので、この顕微鏡写真においては判別できなかった。そして表面側及び裏面側のおよそ１００μmの深さにおいて酸素析出物ピーク層が観察された。これらの層における酸素析出物の密度はおよそ３×１０^１０／ｃｍ^３であった。

（比較例１）
実施例１と同じ条件で酸化膜形成熱処理まで行ったが、酸素析出物形成熱処理を行わないでＳＩＭＯＸ基板を作製した。
そのように作製したＳＩＭＯＸ基板をへき開した後、選択エッチングを行ってへき開断面を光学顕微鏡で観察した。その光学顕微鏡写真を図６に示す。結果として、酸素析出物はまったく観察されなかった。

（比較例２）
ＣＺ法により製造された直径３００ｍｍの単結晶シリコン基板を準備した。次に、そのシリコン基板に、以下のような酸素析出物形成熱処理を施した。酸素析出物形成熱処理の条件は、窒素雰囲気下、６００℃で３０分保持した後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４時間保持した。その酸素析出物形成熱処理を施した後のシリコン基板に、実施例と同じ条件で、酸素イオン注入層を形成し酸化膜形成熱処理を行った。
そのように作製したＳＩＭＯＸ基板をへき開した後、選択エッチングを行ってへき開断面を光学顕微鏡で観察した結果、比較例１と同様に、酸素析出物はまったく観察されなかった。この結果から、実施例１とは異なり、酸素析出物形成熱処理を酸化膜形成熱処理の前に行った場合は、酸素析出物形成熱処理で形成された酸素析出物は高温の酸化膜形成熱処理で消滅してしまうことが確認された。

以上に示したように、本発明によれば、安定且つ優れたゲッタリング能力を有するＳＩＭＯＸ基板を効率的に製造できることが示された。
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。

本発明に係るＳＩＭＯＸ法によるＳＯＩ基板の製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明に係るＳＯＩ基板の一例を示す概略図である。 本発明に係る熱処理の一例であって、酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後、連続的に酸素析出物形成熱処理を行なうものである。 本発明に係る熱処理の他の一例であって、一連の酸化膜形成熱処理が終了しＳＯＩ基板を熱処理炉内から取り出した後、酸素析出物形成熱処理を行うものである。 実施例１に係るＳＩＭＯＸ基板のへき開断面の光学顕微鏡写真を示す図である。 比較例１に係るＳＩＭＯＸ基板のへき開断面の光学顕微鏡写真を示す図である。

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、３’…ＢＯＸ層、
４、４’…ＳＯＩ層、 ５、５’…単結晶シリコン支持層、 ６…熱酸化膜、
７、７’…酸素析出物ピーク層、 ８、８’…ＳＯＩ基板。

Claims (8)

1. 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対して該形成した酸素イオン注入層を埋め込み絶縁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、前記酸化膜形成熱処理を、少なくとも酸素分圧が５％以上の高酸素分圧下での熱処理を行なうものとし、且つ少なくとも前記酸化膜形成熱処理における最高温度を通過した後に、前記単結晶シリコン基板中に酸素析出物を形成する酸素析出物形成熱処理を行ない、該酸素析出物形成熱処理を、８００℃以下（７００℃以上を除く）の熱処理を行った後に、９００℃以上の熱処理を行うものとし、前記酸素析出物形成熱処理を行うことによって、前記単結晶シリコン基板中に複数の酸素析出物ピーク層を形成することを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 前記高酸素分圧下での熱処理を行なう前に、酸素分圧が５％未満の低酸素分圧下での熱処理を行なうことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. 前記酸化膜形成熱処理を、１２８０℃以上の熱処理を含むものとすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の製造方法により製造された、デバイスプロセスに投入するＳＯＩ基板であって、前記単結晶シリコン基板中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるものであることを特徴とするＳＯＩ基板。
5. 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対して該形成した酸素イオン注入層を埋め込み絶縁層に変化させる酸化膜形成熱処理を行って製造された、単結晶シリコン支持層と、該単結晶シリコン支持層上の埋め込み絶縁層と、該埋め込み絶縁層上のＳＯＩ層とを有するＳＯＩ基板において、前記単結晶シリコン支持層の厚さ方向に、複数の酸素析出物ピーク層を有するものであることを特徴とするＳＯＩ基板。
6. 前記複数の酸素析出物ピーク層は、前記単結晶シリコン支持層の厚さ方向中心面の上側及び下側に少なくとも一層ずつ形成されているものであることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＩ基板。
7. 前記ＳＯＩ基板は、前記単結晶シリコン支持層中にゲッタリング能力を有するサイズの酸素析出物を５×１０^８／ｃｍ^３以上の密度で含んでいるものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のＳＯＩ基板。
8. 前記ＳＯＩ基板は、直径が３００ｍｍ以上のものであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載のＳＯＩ基板。

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