JP2004288790A

JP2004288790A - Soi substrate and method for manufacturing same

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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

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an SOI substrate wherein film thickness of a BOX layer is easily controlled when the SOI substrate is manufactured, dielectric strength of the BOX layer is increased, threading dislocation generated in an SOI layer is reduced, and the SOI substrate of high quality which has desired BOX layer thickness can be efficiently manufactured. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing an SOI substrate, after oxygen ion is implanted from at least one main surface of a single crystal silicon substrate and an oxygen ion implantation layer is formed, oxidation film forming thermal treatment is performed wherein the oxygen ion implantation layer is buried in the single crystal silicon substrate and conversion to an oxide film layer is performed. In the method for manufacturing the SOI substrate, at least before the oxidation film forming thermal treatment is performed, surface kink has been formed on the surface of the side of the single crystal silicon substrate wherein oxygen ion is implanted. As a result, the SOI substrate of high quality can be efficiently manufactured wherein desired BOX layer thickness is installed, the dielectric strength of the BOX layer is superior, threading dislocation density of an SOI layer is very small, and further, interface roughness of an SOI/BOX interface and surface roughness of the SOI layer surface are small. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a silicon-on-insulator (SOI) substrate having a buried oxide film layer (hereinafter, sometimes referred to as a BOX layer) formed inside a single-crystal silicon substrate, and more particularly to a single-crystal silicon substrate. The present invention relates to a method for manufacturing an SOI substrate by a SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method in which oxygen ions are implanted into a substrate and then heat treatment is performed to form a BOX layer inside the silicon substrate.
[0002]
[Prior art]
As one of substrates of a semiconductor element, there is an SOI substrate in which a silicon layer (hereinafter, sometimes referred to as an SOI layer) is formed over a silicon oxide film which is an insulating film. This SOI substrate has a small parasitic capacitance and a high radiation resistance because the SOI layer at the surface layer of the wafer to be a device fabrication region is electrically separated from the inside of the substrate by a buried oxide film layer (BOX layer). Has features. Therefore, effects such as high-speed operation with low power consumption and prevention of soft errors are expected, and the substrate is considered promising as a substrate for high-performance semiconductor elements.
[0003]
Typical methods for manufacturing this SOI substrate include a wafer bonding method and a SIMOX method. In the wafer bonding method, for example, after forming a thermal oxide film on one surface of two single-crystal silicon substrates (silicon wafers), two wafers are brought into close contact with each other through the formed thermal oxide film, This is a method of manufacturing an SOI substrate by increasing the bonding force by performing a bonding heat treatment, and then thinning one of the wafers by mirror polishing or the like.
[0004]
On the other hand, in the SIMOX method, SOI is formed by ion-implanting oxygen into a single-crystal silicon substrate and then performing high-temperature heat treatment (heat treatment for forming an oxide film) to react the implanted oxygen with silicon to form a BOX layer. This is a method for manufacturing a substrate.
[0005]
Specifically, for example, for a single crystal silicon substrate heated to about 500 ° C., oxygen ions (generally O 2 ⁺ Inject). The ion implantation conditions are generally an acceleration voltage of 150 to 200 keV, and an oxygen dose of 1 to 2 × 10 ¹⁸ / Cm ² It is divided into a case where a high dose is used for implanting a dose of about or more, and a case where a low dose is used below that. After the oxygen ions are implanted, the implanted oxygen (oxygen ion implanted layer) is subjected to a high-temperature oxide film formation heat treatment (generally, 1300 ° C. or higher) in an inert gas containing 1% or less of oxygen. The thickness can be changed to an oxide film (BOX layer) having a thickness of about 220 nm to 440 nm.
[0006]
In the manufacture of an SOI substrate by such a SIMOX method, the manufacturing process is simpler than the above wafer bonding method, and the SOI substrate is manufactured from one single-crystal silicon substrate without requiring two wafers. Therefore, there is an advantage that the manufacturing can be performed at a relatively low cost, and furthermore, since the oxygen implantation depth can be controlled by the implantation energy, the SOI layer has excellent thickness uniformity. . Therefore, a SIMOX substrate manufactured by the SIMOX method is expected to be used as a material of a fully depleted transistor having an SOI layer of 50 nm or less, for example.
[0007]
However, the BOX layer in this SIMOX substrate has a lower dielectric strength than a thermal oxide film formed by a wafer bonding method, has a surface roughness of the SOI layer surface, and has an interface between the SOI layer and the BOX layer (hereinafter referred to as SOI layer). / BOX interface) is large.
[0008]
Further, in the manufacture of a SIMOX substrate at a high dose, although the integrity of the BOX layer can be improved, threading dislocations that escape from the SOI / BOX interface to the substrate surface occur at a high density in the SOI layer. Since threading dislocations generated in the SOI layer cause leakage, the high-dose SIMOX substrate has a serious problem that the quality of the SOI layer serving as a device active layer is low.
[0009]
Therefore, in order to reduce the occurrence of threading dislocations in the SOI layer, it has been found that the threading dislocation density depends on the oxygen dose, and a SIMOX substrate is manufactured by performing oxygen ion implantation at a low dose. A low dose SIMOX technology has been developed (Patent Document 1). When the SIMOX method is performed at such a low dose, the dose of oxygen is 3.5 to 4 × 10 4 in order to obtain a continuous and uniform BOX layer. ¹⁷ / Cm ² The thickness of the BOX layer formed by performing an oxide film forming heat treatment after oxygen ion implantation is limited to about 80 nm to 90 nm. Such a range of the dose amount is known as a dose window.
[0010]
However, when a SIMOX substrate is manufactured at such a low dose, although the threading dislocation density is reduced by several orders of magnitude as compared with the case of a high dose, the SOI layer still has a threading dislocation of 10%. ² / Cm ² It occurred at a density of the order of magnitude. Further, there is a problem that the BOX layer is thinned due to a low oxygen dose, and the dielectric breakdown voltage is reduced.
[0011]
As a technique for solving the problem of lowering the dielectric strength of the BOX layer by the low-dose SIMOX method, for example, after forming a BOX layer by performing an oxide film forming heat treatment, the BOX layer is further subjected to an oxidizing heat treatment in a high temperature oxygen atmosphere. There is an ITOX (Internal Thermal Oxidation) process for growing a layer (Patent Document 2).
[0012]
More specifically, in the ITOX treatment, after performing ion implantation of oxygen under a low dose condition, for example, a heat treatment for forming an oxide film at 1300 ° C. or more for several hours is performed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of less than 1%. Is formed, an oxidizing heat treatment is further performed at 1300 ° C. or more for several hours in an atmosphere having an oxygen partial pressure of about 70%, so that the BOX layer can be grown and thickened. By the ITOX treatment, the dielectric breakdown voltage of the BOX layer is improved, the SOI / BOX interface is flattened, and the surface roughness of the SOI layer surface is also improved. Further, there is an advantage that the SOI layer is consumed by growing an oxide film on the surface of the SOI layer, and a thin SOI layer is obtained.
[0013]
In addition, as an applied technique of a low dose SIMOX method or an ITOX process, after a low dose oxygen ion implantation, a low dose oxygen is further implanted at room temperature, or an element other than oxygen such as silicon and oxygen other than oxygen are implanted. Many attempts have been made to make the crystal amorphous by ion implantation to promote the growth of the BOX layer (Patent Document 3 and Patent Document 4, etc.).
According to these ITOX processing and other applied technologies, the dielectric breakdown voltage of the BOX layer can be improved as compared with the ordinary low-dose SIMOX method, but the threading dislocation density of the SOI layer is 10%. ² / Cm ² Still higher than the order, further improvement is desired.
[0014]
Further, at present, a thick BOX layer may be desired for the SOI substrate in order to increase the withstand voltage, while a thin BOX layer may be desired in order to improve heat conduction during device operation. There is a need for a technique that can control the thickness of the BOX layer in a wide range, for example, in the range of 50 to 200 nm, and manufacture an SOI substrate having a desired BOX layer thickness.
[0015]
However, the thickness of the BOX layer formed by the conventional SIMOX method is limited to a certain range as described above, and the thickness of the BOX layer cannot be controlled in a wide range. In the case where the BOX layer is made thicker using the above-described ITOX treatment, the increase in the thickness of the BOX layer is about several tens nm even under the condition that a surface oxide film having a thickness of several hundred nm grows on the wafer surface. For controlling the thickness of the SOI layer, there is a limit in controlling the thickness by increasing the thickness of the BOX layer. In addition, the ITOX process has a problem that, for example, it is not possible to independently control only the thickness of the BOX layer while keeping the thickness of the SOI layer constant.
Furthermore, even if the above-mentioned other applied techniques are used, the thickness of the BOX layer cannot be controlled in a wide range of, for example, 50 to 200 nm.
[0016]
The reason why the film thickness of the BOX layer cannot be controlled in a wide range is that the oxygen dose is reduced in order to avoid threading dislocations generated in the SOI layer and an increase in silicon islands in which silicon is left in the BOX layer. It is not possible to choose freely. That is, when the BOX layer is formed by increasing the oxygen dose so as to obtain a BOX layer thickness of, for example, about 200 nm, silicon islands are generated in the BOX layer, and the substantial thickness of the BOX layer is reduced. As the withstand voltage is reduced, the threading dislocation density of the SOI layer is significantly increased, and there is a problem that the quality of the SOI layer is deteriorated. On the other hand, when the BOX layer is formed by reducing the oxygen dose so that the BOX layer has a thickness of about 50 nm, it becomes difficult to form a continuous BOX layer and the threading dislocation density of the SOI layer increases. However, quality degradation is caused (Non-Patent Document 1).
[0017]
Further, as a method for increasing the thickness of the BOX layer without deteriorating the quality of the SOI layer, after performing the first high-temperature heat treatment after forming the BOX layer by performing the first oxygen ion implantation, the second and subsequent oxygen ions are formed. The implantation is performed such that the maximum position of the distribution of the implanted oxygen is located below the interface between the BOX layer formed up to that point and the substrate under the BOX layer, and then the high-temperature heat treatment is repeated. A method is disclosed (Patent Document 5).
[0018]
According to this method, by increasing the total oxygen dose for ion implantation, it is possible to improve the quality of the BOX layer by increasing the thickness of the BOX layer without deteriorating the quality of the SOI layer. However, when the SOI substrate is manufactured in this manner, there is a problem that the manufacturing process becomes very complicated and the productivity is reduced.
[0019]
[Patent Document 1]
JP-A-4-264724
[Patent Document 2]
JP-A-7-263538
[Patent Document 3]
JP-A-63-217657
[Patent Document 4]
U.S. Pat. No. 5,930,643
[Patent Document 5]
JP-A-2002-289552
[Non-patent document 1]
S. Nakashima and K.K. Izumi, J .; Mater. Res. Vol. 8,523 (1993)
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the manufacture of the SIMOX substrate, the threading dislocation density of the SOI layer is further reduced, the withstand voltage of the BOX layer is improved, and the thickness of the BOX layer is controlled over a wide range to obtain a desired BOX layer. It is an important issue to manufacture an SOI substrate having a large thickness. Therefore, the present invention provides a BOX layer having a desired thickness by easily controlling the thickness of the BOX layer at the time of manufacturing the SOI substrate, improving the dielectric strength of the BOX layer, and reducing threading dislocations generated in the SOI layer. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an SOI substrate capable of efficiently manufacturing a high-quality SOI substrate having the same.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to the present invention, at least after oxygen ions are implanted from one main surface of a single crystal silicon substrate to form an oxygen ion implantation layer, oxygen ions are implanted into the single crystal silicon substrate. In a method of manufacturing an SOI substrate by performing an oxide film forming heat treatment for changing a layer into a buried oxide film layer, at least before performing the oxide film forming heat treatment, a surface is formed on a surface of the single crystal silicon substrate on a side where oxygen ions are implanted. A method for manufacturing an SOI substrate characterized by forming a kink is provided (claim 1).
[0022]
As described above, when manufacturing the SOI substrate, if a surface kink is formed on the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted at least before performing the oxide film forming heat treatment, the BOX layer is formed by the oxide film forming heat treatment. Is formed from the BOX layer or the substrate surface into the SOI layer in order to alleviate the strain caused by the volume expansion when forming the GaN layer. The released interstitial silicon is bonded to the surface kink on the substrate surface. Can be absorbed. Therefore, even when the oxygen dose is changed over a wide range so that a desired BOX layer thickness is obtained when oxygen ions are implanted into a single crystal silicon substrate, the release of interstitial silicon is not suppressed during the oxide film formation heat treatment. Therefore, the strain can be sufficiently relaxed to reduce the occurrence of threading dislocations, promote the growth and bonding of oxygen precipitates in the BOX layer, and reduce the occurrence of silicon islands. In addition, since the growth and bonding of oxygen precipitates are sufficiently performed, the SOI / BOX interface is flattened, and the surface roughness of the SOI layer surface that reflects this is also reduced. Therefore, it is possible to easily and efficiently manufacture a very high-quality SOI substrate having a desired BOX layer thickness, an excellent dielectric strength of the BOX layer, and a small threading dislocation density of the SOI layer.
[0023]
At this time, the surface kink is preferably formed by inclining the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted with respect to the {100} plane (Claim 2). Preferably, the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted is inclined by 1 ° to 10 ° in the crystal orientation <100> direction with respect to the {100} plane (claim 3).
[0024]
As described above, by forming the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted to be inclined with respect to the {100} plane, a surface kink is easily formed on the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted. can do. In particular, by inclining the surface of the single crystal silicon substrate by 1 to 10 ° in the crystal orientation <100> direction with respect to the {100} plane, the surface kink can be formed at a high density on the surface of the single crystal silicon substrate. It is possible to absorb more interstitial silicon, and to manufacture an extremely high-quality SOI substrate in which the generation of threading dislocations is further reduced.
[0025]
Further, according to the present invention, a single crystal silicon substrate having a plane orientation inclined with respect to the {100} plane is used, and the single crystal silicon substrate is provided at least from one main surface of the single crystal silicon substrate. Manufacturing an SOI substrate by forming an oxygen ion implanted layer by implanting oxygen ions and performing an oxide film forming heat treatment for changing the formed oxygen ion implanted layer into a buried oxide film layer; A manufacturing method is provided (claim 4).
[0026]
As described above, if an SOI substrate is manufactured by forming an oxygen ion implanted layer on a single crystal silicon substrate having a plane orientation inclined with respect to the {100} plane, and then performing an oxide film formation heat treatment, Since a surface kink is formed on the surface of the single crystal silicon substrate, interstitial silicon released to the SOI layer can be absorbed by the surface kink on the substrate surface. Therefore, as described above, it is possible to easily and efficiently manufacture a very high-quality SOI substrate having a desired BOX layer thickness, an excellent dielectric strength voltage of the BOX layer, and a small threading dislocation density of the SOI layer. be able to.
[0027]
In this case, it is preferable to use a single-crystal silicon substrate having a plane orientation inclined by 1 to 10 ° in the <100> direction with respect to the {100} plane (claim 5).
As described above, when a single-crystal silicon substrate having a plane orientation inclined by 1 to 10 ° in the <100> crystal orientation with respect to the {100} plane is used, the surface of the single-crystal silicon substrate has a high surface kink. Since it is formed at a high density, an extremely high-quality SOI substrate in which the generation of threading dislocations is further reduced can be manufactured. Moreover, such a substrate is very easy to manufacture.
[0028]
According to the present invention, an SOI substrate manufactured by the above-described method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention can be provided (claim 6).
An SOI substrate manufactured by the method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention has a desired BOX layer thickness, excellent dielectric strength of the BOX layer, very low threading dislocation density of the SOI layer, and Can be a very high quality SOI substrate having a small interface roughness at the SOI / BOX interface and a small surface roughness at the surface of the SOI layer.
[0029]
Further, the present invention is an SOI substrate having a structure in which a buried oxide film layer and an SOI layer are sequentially laminated on a silicon support substrate, wherein the buried oxide film layer is formed by ion implantation of oxygen. And an SOI substrate, wherein the silicon support substrate and the SOI layer have a plane orientation inclined with respect to a {100} plane.
[0030]
With such an SOI substrate, the BOX layer has a desired thickness, the BOX layer has an excellent withstand voltage, the SOI layer has a very low threading dislocation density, and the interface roughness of the SOI / BOX interface. Further, a very high quality SOI substrate having a small surface roughness of the SOI layer surface can be obtained.
[0031]
At this time, it is preferable that the silicon support substrate and the SOI layer have a plane orientation inclined by 1 to 10 ° in the <100> direction with respect to the {100} plane.
As described above, if the silicon supporting substrate and the SOI layer have a plane orientation inclined by 1 ° to 10 ° in the <100> direction with respect to the {100} plane, the generation of threading dislocations is further reduced. A high quality SOI substrate is obtained. Further, since the material substrate can be easily obtained, it is inexpensive.
In the present invention, the description of {hkl} and (hkl), and <uvw> and [uvw] is as defined in general. For example, {100} is (100), (010), (001), etc. Represents, for example, <100> represents a general term for crystal orientations such as [100], [010], and [001].
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
In the conventional manufacturing of an SOI substrate by the SIMOX method, as described above, the threading dislocation density of the SOI layer is further reduced, the dielectric strength of the BOX layer is improved, and the thickness of the BOX layer is increased over a wide range. It is an important issue to control and manufacture an SOI substrate having a desired BOX layer thickness.
[0033]
In order to solve such a problem, the present inventors have conducted intensive experiments and studies on the manufacture of an SOI substrate by the SIMOX method and made the following considerations.
Normally, when a BOX layer of an SOI substrate manufactured by the SIMOX method is subjected to an oxide film forming heat treatment after oxygen ion implantation, a precipitate of silicon oxide (sometimes referred to as an oxygen precipitate) is formed in the oxygen ion implanted layer. Is formed, which is formed by growing and combining. At this time, the growth of the oxygen precipitate involves a large volume expansion, and the strain generated in the substrate due to the volume expansion is alleviated by releasing interstitial silicon.
[0034]
However, when the BOX layer is formed by performing heat treatment at a high temperature, a silicon oxide film grows on the surface of the single crystal silicon substrate, and interstitial silicon is released from the substrate surface side into the substrate. As a result, the interstitial silicon released by the growth of oxygen precipitates in the BOX layer and the interstitial silicon released by the oxidation of the silicon substrate surface are confined in the narrow SOI layer, and the interstitial silicon is released in the SOI layer. It is possible that the state becomes excessive. As a result, the further release of interstitial silicon is suppressed and the strain is not alleviated, so that the growth of oxygen precipitates in the BOX layer is suppressed, and the portion where the oxygen precipitates could not grow sufficiently is BOX. It is believed that silicon islands occur as a result of being left in the layer. Further, it is considered that threading dislocations occur in the SOI layer in order to reduce strain.
[0035]
Based on the above considerations, the present inventors have proposed that, before performing heat treatment for forming an oxide film on a single crystal silicon substrate, any interstitial silicon absorption source capable of absorbing interstitial silicon released into the SOI layer may be formed on the silicon substrate. If it can be introduced into the BOX layer, the release of interstitial silicon into the SOI layer when the BOX layer is formed is not suppressed, so that the strain relaxation of the substrate can be promoted, thereby promoting the growth of oxygen precipitates. It has been found that the generation of silicon islands can be suppressed, and the generation of threading dislocations in the SOI layer can also be reduced.
[0036]
The present inventors have further studied and studied to form an interstitial silicon absorption source having the above-mentioned effect, for example, by tilting the surface of a single crystal silicon substrate with respect to the {100} plane. Discovered that surface kinks can be used, atomic vacancies generated in a single-crystal silicon substrate by performing rapid heating / cooling treatment (RTA treatment: Rapid Thermal Annealing), and various other interstitial silicon absorption sources. did. Among them, the surface kink formed on the substrate surface functions stably as an interstitial silicon absorption source even at a high-temperature heat treatment of 1300 ° C. or more such as an oxide film formation heat treatment. The inventors have found that the present invention is very effective for manufacturing and completed the present invention.
[0037]
Hereinafter, the method for manufacturing an SOI substrate of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. Here, FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing an SOI substrate by the SIMOX method according to the present invention.
[0038]
First, a single crystal silicon substrate 1 is prepared (step (a)). At this time, a single crystal silicon substrate 1 having a plane orientation inclined in an arbitrary direction with respect to the {100} plane is used, and a surface kink is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 1 on the side where oxygen ions are implanted. It is formed.
[0039]
The surface kink formed on the surface of the single crystal silicon substrate is related to an atomic step structure that can be confirmed when the substrate surface is observed at an atomic level by an AFM (atomic force microscope) or the like. As described above, it means a depression K where two atomic steps S1 and S2 having different crystal lattice planes intersect on the substrate surface. FIG. 1 schematically shows a surface kink of a single-crystal silicon substrate having a plane slightly inclined in the [010] direction with respect to the (001) plane, and S1 and S2 are orthogonal to each other. It has a crystal lattice plane of 110 °.
[0040]
In order to manufacture a single-crystal silicon substrate having such a surface kink, for example, a general Czochralski method (hereinafter referred to as a CZ method) or a magnetic field applying CZ method (MCZ method) has a crystal orientation of <100. When slicing a silicon substrate from a silicon ingot grown in the direction, the sliced surface is sliced so as to be inclined with respect to the {100} plane, and the obtained substrate is chamfered, wrapped, etched, polished, and the like. It can be easily obtained by performing a proper wafer processing. Further, as another method, for example, when growing a silicon single crystal by the CZ method or the MCZ method, a surface of a seed crystal to be used to be brought into contact with a silicon melt is processed so as to be inclined with respect to a {100} plane. A silicon ingot is grown using the seed crystal, and the obtained silicon ingot is manufactured by slicing a silicon substrate substantially perpendicularly to a crystal growth axis direction and then performing the standard wafer processing as described above. You can also.
[0041]
At this time, as the single crystal silicon substrate, it is preferable to use a single crystal silicon substrate which has been manufactured so as to have a plane orientation inclined by 1 to 10 ° in the crystal orientation <100> direction with respect to the {100} plane. In the case of a single crystal silicon substrate, a substrate having surface kinks formed at a high density on the substrate surface can be used. If the inclination angle is less than 1 °, a sufficient surface kink density may not be obtained. On the other hand, if the inclination angle is more than 10 °, inconvenience may occur in processing the substrate and the surface kink density may decrease. A more preferable range of the inclination angle is 2 ° to 7 °, and more preferably a range of 3 ° to 5 °. In this case, not only the tilt in the <100> direction but also the tilt in other directions other than the <100> direction may be performed at the same time.
[0042]
Next, in step (b), the single-crystal silicon substrate 1 having the surface kink on the substrate surface is provided with oxygen ions (O 2) from the main surface on the side where the surface kink is formed. ⁺ ) Is ion-implanted to a predetermined depth to form an oxygen ion-implanted layer 2. At this time, the ion implantation conditions are not particularly limited. For example, the implantation energy is set to about 150 to 200 keV, which is generally widely used, and the oxygen dose is set to a value desired when forming the BOX layer. The ion implantation is performed so as to obtain a thickness of 10 nm. For example, when forming a thick BOX layer having a thickness of about 200 nm, the oxygen dose is set to 9 × 10 ¹⁷ / Cm ² In the case of forming a thin BOX layer of about 50 nm, the oxygen dose is set to 2 × 10 ¹⁷ / Cm ² It may be controlled to the extent. At this time, if necessary, oxygen ions can be implanted twice or more.
[0043]
After forming the oxygen ion implanted layer 2 on the single crystal silicon substrate 1 in this manner, an oxide film forming heat treatment for changing the oxygen ion implanted layer 2 to the BOX layer 3 is performed in step (c). The heat treatment conditions for the oxide film formation heat treatment are not particularly limited as long as the oxygen ion implanted layer 2 can be changed to the BOX layer 3. For example, in an inert gas atmosphere having an oxygen partial pressure of 1% or less, The BOX layer 3 can be formed by performing heat treatment for several hours at a temperature of 1300 ° C. or more and a silicon melting point or less. At the same time, a thin thermal oxide film 4 'is formed on the surface.
[0044]
After the BOX layer 3 is formed, if necessary, a so-called ITOX treatment as shown in the step (d) can be further performed. For example, the BOX layer 3 is formed into a thick film by subjecting the silicon substrate on which the BOX layer 3 is formed to an ITOX treatment at a temperature of 1300 ° C. or more for several hours in an atmosphere in which the oxygen partial pressure is about 70%, thereby increasing the thickness. Can be further improved. When such an ITOX process is performed, a thermal oxide film 4 is formed on the substrate surface.
[0045]
When the oxide film forming heat treatment (step (c)) or the ITOX treatment (step (d)) is performed on the single-crystal silicon substrate 1 as described above, the BOX layer 3 undergoes volume expansion due to the growth of oxygen precipitates, resulting in the substrate. Since strain is generated, interstitial silicon is released to the SOI layer to relieve the strain as described above. In the present invention, however, a surface kink serving as an absorption source of interstitial silicon is formed on the surface of the single crystal silicon substrate. Since it is formed, the interstitial silicon released to the SOI layer can be absorbed by binding to the surface kink.
[0046]
Accordingly, since the interstitial silicon does not become excessive in the SOI layer, the release of the interstitial silicon into the SOI layer is not suppressed, and the strain due to the volume expansion can be sufficiently reduced. Therefore, the generation of threading dislocations can be reduced in the SOI layer, and the generation of silicon islands can be suppressed in the BOX layer because the growth of oxygen precipitates is promoted. Furthermore, by sufficiently growing and bonding the oxygen precipitate, the SOI / BOX interface can be flattened, and the surface roughness of the SOI layer surface reflecting this can be reduced.
[0047]
Further, at this time, on the substrate surface where the surface kink is formed, silicon regrowth occurs due to absorption of interstitial silicon, so that the SOI layer is enlarged. The SOI layer thus enlarged is finally formed, for example, by controlling the processing conditions in the ITOX processing in step (d) to adjust the thickness of the thermal oxide film 4 formed on the substrate surface. It is possible to control the thickness of the SOI layer to a desired thickness.
[0048]
Finally, the BOX layer 6 and the SOI layer 7 are formed on the silicon supporting substrate 5 by removing the thermal oxide film 4 formed on the substrate surface in the step (e) by etching, chemical mechanical polishing, or the like. An SOI substrate 8 having a sequentially stacked structure can be efficiently manufactured.
By manufacturing the SOI substrate in this manner, the BOX layer 6 has a desired thickness and a very high withstand voltage, the threading dislocation density of the SOI layer 7 is very low, and the SOI / A very high-quality SOI substrate having improved interface roughness at the BOX interface and surface roughness of the SOI layer surface can be obtained.
[0049]
That is, if a thick BOX layer having a thickness of, for example, about 200 nm is formed by the above-described method for manufacturing an SOI substrate of the present invention, oxygen exceeds the dose window during oxygen ion implantation as described above. 9 × 10 ¹⁷ / Cm ² By implanting at a high dose and then performing an oxide film forming heat treatment, an SOI substrate with reduced generation of threading dislocations and silicon islands can be efficiently manufactured. On the other hand, in the conventional manufacturing method, Although it is possible to simply form the BOX layer to a thickness of about 200 nm, threading dislocations and silicon islands are generated at a high density, and the quality of the manufactured SOI substrate is extremely low.
[0050]
In the case where a thin BOX layer of about 50 nm is formed according to the present invention, the oxygen dose is set to 2 × 10 ¹⁷ / Cm ² By controlling to such a degree, it is possible to manufacture a high-quality SOI substrate in which threading dislocations do not occur in the SOI layer and the dielectric strength of the BOX layer is excellent. On the other hand, in the conventional manufacturing method, when the dose of oxygen is low as described above, it is difficult to obtain a continuous and uniform BOX layer, and even if a thin BOX layer is obtained, the threading dislocation density is high. A low quality SOI substrate is obtained.
[0051]
In the method of manufacturing an SOI substrate according to the present invention, a surface kink may be formed at least on the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted before performing the heat treatment for forming an oxide film. The method is not particularly limited.
[0052]
Furthermore, in the method of manufacturing an SOI substrate of the present invention, a surface kink formed on the surface of a single crystal silicon substrate is used as an absorption source of interstitial silicon. By utilizing other interstitial silicon absorption sources such as atomic vacancies generated in the vicinity, it is possible to obtain the same effects as described above.
[0053]
That is, in a method of manufacturing an SOI substrate in which a buried oxide film layer is formed by performing an oxide film forming heat treatment after oxygen ions are implanted into a single crystal silicon substrate, at least the oxide film forming heat treatment step A single crystal silicon substrate having a region up to the ion implantation range depth including the surface on the side where the ion source of the interstitial silicon absorption source is implanted. Preferably.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
(Example 1, Comparative Example 1)
A 300 mm diameter silicon ingot was grown by the magnetic field application CZ method so that the crystal pulling direction was the [001] direction. From this silicon ingot, a single crystal silicon substrate was cut out such that the cut surface was inclined by 4 ° in the [010] direction with respect to the (001) plane (Example 1). Further, as Comparative Example 1, a single crystal silicon substrate was cut out from the silicon ingot in a direction perpendicular to the crystal growth axis direction (the cut surface coincided with the (001) plane) (Comparative Example 1). These two types of single crystal silicon substrates were subjected to chamfering, lapping, chemical etching, and chemical mechanical polishing to obtain mirror-finished substrates.
[0055]
Next, oxygen was ion-implanted into these mirror substrates under the following ion implantation conditions to form an ion-implanted layer. The ion implantation conditions are as follows: first, as the first stage oxygen ion implantation, the substrate temperature is 560 ° C., the implantation energy is 220 keV, and the dose is 4.0 × 10 4. ¹⁷ / Cm ² Then, as the second stage of oxygen ion implantation, the substrate temperature is 560 ° C., the implantation energy is 170 keV, and the dose is 3.7 × 10 4. ¹⁷ / Cm ² It was set to perform ion implantation under the following conditions. In this oxygen ion implantation, the total dose of oxygen implanted into the silicon substrate is 7.7 × 10 ¹⁷ / Cm ² 3.5 to 4.0 × 10 which is generally called a dose window. ¹⁷ / Cm ² Is out of range. No special heat treatment or the like was performed between the first and second stages of oxygen ion implantation.
[0056]
After the silicon substrate thus implanted with oxygen ions is subjected to standard cleaning, heat treatment for forming an oxide film is performed at 1350 ° C. for 4 hours in an argon atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.5%. A BOX layer was formed. Subsequently, an ITOX treatment was performed at 1350 ° C. for 6 hours while changing the oxygen partial pressure to 70%. After the ITOX treatment, the oxide film formed on the substrate surface was removed with hydrofluoric acid to obtain a SIMOX substrate.
[0057]
The film thicknesses of the SOI layer and the BOX layer of the SIMOX substrates of Example 1 and Comparative Example 1 manufactured as described above were measured using spectroscopic ellipsometry. As a result, in the SIMOX substrate of Example 1, the thickness of the SOI layer was 40 nm and the thickness of the BOX layer was 221 nm, whereas in the SIMOX substrate of Comparative Example 1, the thickness of the SOI layer was 34 nm, and the thickness of the BOX layer was The thickness was 220 nm. From this result, it was found that the thickness of the SOI layer was larger in the substrate of Example 1. This is considered to be because in the substrate of Example 1, the surface layer kink absorbed interstitial silicon, so that the silicon layer was regrown.
[0058]
Next, the surface roughness of the SOI layer surface of each SIMOX substrate was evaluated. The measuring instrument used is HRP320 manufactured by KLA Tencor. The measurement range was 20 μm × 20 μm, and the RMS (Root Mean Square) value was determined. FIG. 3 shows the measurement results. As a result of measuring the surface roughness of each SOI substrate, the RMS value of Example 1 was 1 nm, and the RMS value of Comparative Example 1 was 4 nm. From this, it was confirmed that the surface roughness of the SOI layer was improved according to the present invention.
[0059]
Further, in order to evaluate the HF defect of the SIMOX substrate, each of the SIMOX substrates of Example 1 and Comparative Example 1 was immersed in a 50% HF solution for 30 minutes, and then observed with an optical microscope to measure the HF defect density. As a result, the HF defect density of Example 1 was 0.1 defects / cm. ² In Comparative Example 1, 1800 pieces / cm ² It turned out to be. From this, it was found that the HF defect density was also reduced according to the present invention.
The HF defect is a general term for crystal defects in the SOI layer detected by immersing the SOI wafer in the HF solution, and is a cavity formed by etching the BOX layer with the HF solution through a defect penetrating the SOI layer. Is to be detected.
[0060]
Since the SIMOX substrates of Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to high-temperature and long-time ITOX processing, an oxide film was grown on threading dislocations existing in the SOI layer and detected as HF defects. it is conceivable that. Therefore, it is determined that the reduction in the HF defect density is related to the reduction in threading dislocations in the SOI layer.
[0061]
From the above results, according to the present invention, even if oxygen is ion-implanted at a dose higher than a general dose window, defects such as threading dislocations in the SOI layer and surface roughness of the SOI layer are reduced. It has been found that a high quality SOI substrate (SIMOX substrate) can be manufactured.
[0062]
(Example 2, Comparative Example 2)
The conditions of the oxygen ion implantation are as follows: the substrate temperature is 560 ° C., the implantation energy is 200 keV, and the dose is 3.0 × 10 3. ¹⁷ / Cm ² SIMOX substrates were fabricated in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1 except that the oxygen ion implantation was performed in one stage (Example 2 and Comparative Example 2), and the quality of each of the fabricated SIMOX substrates was evaluated. Was.
[0063]
First, the thicknesses of the SOI layer and the BOX layer of each SIMOX substrate were measured using spectroscopic ellipsometry. As a result, in Example 2, the thickness of the SOI layer was 148 nm, the thickness of the BOX layer was 85 nm, and in Comparative Example 2, The thickness of the SOI layer was 145 nm, and the thickness of the BOX layer was 84 nm. From this result, it was found that the thickness of the SOI layer of the SOI substrate of Example 2 was larger than that of Example 1 and Comparative Example 1.
[0064]
Next, the surface roughness of the SOI layer surface was evaluated using HRP320 manufactured by KLA Tencor in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows the measurement results. As a result of measuring the surface roughness of each SOI substrate, the RMS value of Example 2 was 1 nm, and the RMS value of Comparative Example 2 was 10 nm. From this, it was confirmed that according to the present invention, even when the oxygen dose was low, the surface roughness of the SOI layer was improved.
[0065]
Further, as a result of measuring the HF defect density, the HF defect density of Example 2 was 0.1 / cm. ² In Comparative Example 2, 192 / cm ² It turned out to be. From this, it was confirmed that according to the present invention, even when the oxygen dose was low, the HF defect density was reduced, that is, the occurrence of threading dislocations was reduced.
[0066]
From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, according to the present invention, even if the oxygen dose is changed in a wide range in order to obtain a desired film thickness of the BOX layer, the penetration of the SOI layer can be achieved. It has been confirmed that a high-quality SOI substrate (SIMOX substrate) having no defects such as dislocations and having a small surface roughness of the SOI layer surface can be manufactured. That is, according to the present invention, it was shown that the thickness of the BOX layer can be controlled in a wide range while maintaining the quality of the SOI layer and the BOX layer high.
[0067]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device having the same operation and effect can be realized by the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the BOX layer has a desired thickness, the BOX layer has excellent withstand voltage, the SOI layer has a very low threading dislocation density, and the SOI / BOX interface An extremely high-quality SOI substrate having small interface roughness and small surface roughness of the SOI layer can be efficiently manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a surface of a single crystal silicon substrate on which a surface kink is formed.
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing an SOI substrate by a SIMOX method according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing a measurement result obtained by measuring the surface roughness of the SOI layer surface of the SIMOX substrate in Example 1 and Comparative Example 1.
FIG. 4 is a view showing a measurement result obtained by measuring the surface roughness of the SOI layer surface of the SIMOX substrate in Example 2 and Comparative Example 2.
[Explanation of symbols]
1. Single crystal silicon substrate 2. Oxygen ion implanted layer
3 ... buried oxide film layer (BOX layer) 4,4 '... thermal oxide film
5 silicon support substrate 6 embedded oxide film layer (BOX layer)
7 ... SOI layer, 8 ... SOI substrate,
S1, S2: Atomic step, K: Depressed portion.

Claims

At least, after oxygen ions are implanted from one main surface of the single crystal silicon substrate to form an oxygen ion implantation layer, an oxide film formation heat treatment is performed in which the oxygen ion implantation layer is buried in the single crystal silicon substrate and changed to an oxide film layer. In the method for producing an SOI substrate, a surface kink is formed at least on a surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted before performing the heat treatment for forming an oxide film. Production method.

2. The method for manufacturing an SOI substrate according to claim 1, wherein the surface kink is formed by inclining a surface of the single crystal silicon substrate on a side where oxygen ions are implanted with respect to a {100} plane.

The surface kink is formed by inclining the surface of the single crystal silicon substrate on the side where oxygen ions are implanted in the crystal orientation <100> direction by 1 to 10 ° with respect to the {100} plane. Item 3. A method for manufacturing an SOI substrate according to Item 2.

A single-crystal silicon substrate having a plane orientation inclined with respect to the {100} plane is used, and oxygen ions are implanted into the single-crystal silicon substrate at least from one main surface of the single-crystal silicon substrate. A method for manufacturing an SOI substrate, comprising: forming an implantation layer; and performing an oxide film forming heat treatment for changing the formed oxygen ion implantation layer into a buried oxide film layer, thereby manufacturing an SOI substrate.

5. The method for manufacturing an SOI substrate according to claim 4, wherein the single crystal silicon substrate has a plane orientation inclined by 1 to 10 [deg.] In a <100> direction with respect to a {100} plane. .

An SOI substrate manufactured by the method for manufacturing an SOI substrate according to claim 1.

An SOI substrate having a structure in which a buried oxide film layer and an SOI layer are sequentially stacked on a silicon support substrate, wherein the buried oxide film layer is formed by ion-implanting oxygen, and An SOI substrate, wherein the substrate and the SOI layer have a plane orientation inclined with respect to the {100} plane.

The SOI substrate according to claim 7, wherein the silicon supporting substrate and the SOI layer have a plane orientation inclined by 1 to 10 degrees in a crystal orientation <100> direction with respect to a {100} plane.