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JP2010062532A - 低減されたsecco欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する方法。 - Google Patents

低減されたsecco欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する方法。 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する方法に関する。
【解決手段】特に、シリコン・オン・インシュレータ基板は、ソース基板、好ましくは単結晶ソース基板を備えるステップと、原子種を注入することによって、ソース基板の内部に所定の分割領域を備えるステップと、好ましくは結合することによって、ソース基板をハンドル基板に取り付けるステップと、所定の分割領域でソース基板の残余をソース・ハンドル化合物から分離して、それによってソース基板の素子層をハンドル基板上に移動するステップと、素子層を薄層化するステップとを備える。100defects/cm2未満の低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を獲得するために、注入することは、2.3×1016atoms/cm2未満の分量で実行され、薄層化するステップは、925℃未満の温度で酸化するステップを含む。
【選択図】図2B

Description

本発明はセミコンダクタ・オン・インシュレータ(SeOI)基板を製造する方法に関し、より詳細には、ソース基板を提供するステップと、ソース基板の内部に所定の分割領域を備えるステップと、好ましくは結合することによって、ソース基板をハンドル基板に取り付けるステップと、所定の分割領域でソース基板の残余をソース・ハンドル化合物から分離して、それによってソース基板の素子層をハンドル基板上に移動するステップと、素子層を薄層化するステップとを備えるシリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板を製造する方法に関する。
言及したシリコン・オン・インシュレータ基板などのそのようなセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板は、ある量の様々な欠陥、例えば結晶欠陥、点欠陥、金属汚染などを示す。ある特定のタイプの欠陥は、SECCO欠陥と呼ばれる。過去に、その数が典型的なSOI応用、例えば論理回路などのために十分に少ないとき、これらの欠陥は、重大とみなされなかった。しかしながら、例えばメモリデバイス、SeOI基板などのSOI技術のために挙がってくる新たな応用は、100defects/cm2未満のSECCO欠陥レベルを備える必要がある一方で、今まで、この値は約五倍高い要因であった。
図1は、SOI構造内のSECCO欠陥を判定する標準的なプロセスを示し、非特許文献1に説明される。
SECCO欠陥の集中は、SECCOタイプの溶液によってそれらを表示することによって判定することができ、その構成は上述した文献から周知である。
例えば厚さ2000Åを有する素子層3と、シリコンウエハ7上で、例えば厚さ4000Åを有する酸化シリコン層5とを備えるSOI基板1から開始する、SECCOタイプの溶液によって欠陥を表示する標準的な技術は、数十秒間、例えば素子層3から1000−2000Åのシリコンをエッチングするために、及び酸化シリコン層5上に開く欠陥9の位置に応じて穴11までの素材内の結晶欠陥9でこの素子層3をより素早く選択的にエッチングするために、SECCOタイプの溶液内に、数十秒間、例えば10秒から25秒の間、基板を浸すことから成る段階Aを備える。
段階Aの期間は除去される厚さに依存し、全てのSECCO欠陥を特定することができるようでなければならない。経験則から言えば、素子層の厚さの少なくとも半分が除去されるが、より厚い層に関して、これは例えば、1000から2000Åの間の厚さを有する素子層として考えても、300又は500Åを残すようなより多いものであろう。一方で、非常に薄い素子層に関して(800Å又は500Å未満)、SECCO欠陥が前に暴露されるため、すなわち、その厚さをエッチングして除去する前にもかかわらず、SECCO欠陥が素子層に侵入するので、その厚さの半分未満を除去するのに十分であろう。
段階Bは、誘電体層5内に穴を拡大することによって、前の段階において作られた穴11をエッチングするためにフッ化水素酸の溶液内に基板1を浸すことから成る。
この処理の後、残存している穴11が十分に大きくなり、その結果、顕微鏡下で計測することができる。ある残存している素子層3の厚さで、欠陥密度は安定化し、この厚さから開始して、元々の層における全ての欠陥が可視化されたことを示す上限値に達することは明らかである。標準的なセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板の場合において、安定化は、残存している素子層3の厚さが500Å付近又は最新では300Å付近で達成される。実際、SECCO欠陥領域内の素子層3は、SECCO欠陥のない領域内の普通の素子層の約2倍早くエッチングすることは明らかである。
米国特許出願公開第2005/0208322号明細書 米国特許出願公開第2005/0026326号明細書
L.F.Giles, A.Nejim, P.L.F.Hemment, Vacuum 43, 297(1992)又は同著者によるMaterial Chemistry and physics 35(1993) 129-133
特許文献1は欠陥の除去を扱うセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する方法を開示する。提案されたプロセスは、SmartCut(商標)タイプのプロセスであり、それは半導体素子層をソース基板からハンドル基板上に移動して欠陥の数を減らす追加のステップを備える。これらの追加のステップは、除去される素子層の部分を酸化物に変換する犠牲的な酸化段階を備え、研磨段階に続く。このステップを用いて、表面領域の欠陥を除去することができる。しかしながら、研磨段階は更なる欠陥を生じ、その後、半導体素子層の表面部分を酸化する第2の犠牲的な酸化段階によって除去され、酸化部分を除去する。この方法を用いて、約500defects/cm2の欠陥の範囲内のSECCO欠陥を達成することができる。しかしながら、この方法は、追加のプロセスステップが必要であり、さらに、100defects/cm2未満の欠陥レベルを達成することができないことに不利である。
研磨ステップを含まない他のSOI製造プロセスが提案された。特許文献2は高頻度の粗度(high frequency roughness)を最小化する温度処理を提案し、その結果、化学機械研磨が必要なくなった。このタイプのプロセスは、特に、「安定化酸化アニーリング(stabilization oxidation anneal)」として周知のシリコン酸化物の層によって保護されている素子層を有するシリコン・オン・インシュレータ基板の高温アニーリングを含む。しかしながら、このタイプの長くて高温のアニーリングは、例えば滑り線のような他のタイプの欠陥を発生する可能性がある。さらに、これらの種類のアニーリングステップは、高温を維持することができる加熱炉を必要とし、それは一般的に比較的高価で、汚染の観点から制御することが難しい。
これらの周知のプロセスは、いまだに100defects/cm2より良いSECCO欠陥密度をもたらさず、1000Å未満の素子層に関して、説明された方法は満足な結果をもたらさない。それらから開始して、この発明の目的は、100defects/cm2未満のSECCO欠陥密度が利用可能であり、比較的薄い素子層に適用することができるセミコンダクタ・オン・インシュレータウエハ製造方法を提供することである。
本目的は、請求項1にかかる方法を用いて達成される。従って、本方法は、ソース基板を提供するステップと、ソース基板の内部の所定の分割領域を備えるステップと、好ましくは結合することによって、ソース基板をハンドル基板に取り付けるステップと、所定の分割領域でソース基板の残余をソース・ハンドル化合物から分離して、それによってソース基板の素子層をハンドル基板上に移動するステップと、素子層を薄層化するステップとを備える。本方法は、2.3×1016atoms/cm2未満の分量で原子種を注入することによって所定の分割領域を備え、薄層化するステップは925℃未満、例えば850℃及び925℃の間、優先的には850℃及び875℃の間の温度で実行される。
プロセスパラメータの各々の一つは、以前から個別に周知であったが、特に1000Å未満の最後の素子層の厚さに関して、100defects/cm2未満又は50defects/cm2未満のSECCO欠陥において驚くほど大きな低減をもたらすプロセスパラメータの特別の組み合わせであることは明らかである。
特許請求の範囲化された温度条件において、スループット(throughput)及びSECCO欠陥密度の間で良いバランスを達成することができる。更なるSECCO欠陥密度の低減に興味がある場合、好ましい温度範囲は900℃未満で、より詳細には850℃未満である。
好ましくは、本方法は、薄層化するステップの前及び/又は後に熱処理するステップを備えることができる。さらにより好ましくは、少なくとも30秒間の高速熱アニーリング(RTA)ステップとすることができ、特に30秒から90秒の間であり、より詳細には少なくとも1200℃で45秒から75秒の間であり、特に約1250℃である。そのような高速熱アニーリングステップは、表面粗度の低減をもたらすだけでなく、SECCO欠陥に関する相乗効果が上記で言及したプロセスパラメータと組み合わせて観察されるということがさらに観察され、その結果、SECCO欠陥の数をさらにより低減することができる。
変形によると、熱処理するステップは、1000−1200℃の温度範囲で少なくとも10分の炉アニーリングとすることができる。そのような熱処理するステップを用いて、表面粗度を低減することができるだけでなく、さらに、SECCO欠陥密度を最適化することもできる。
有利には、熱処理するステップは、非酸化雰囲気下、特にアルゴン下で実行することができる。この雰囲気下では、表面粗度及びSECCO欠陥の更なる最適化が観察される。
有利な実施形態によると、熱処理するステップは、2回又は3回以上の連続的な高速熱処理するステップを含むことができる。より良いアニーリングの結果は、一つの長い駆動と比べ、複数の短いRTA稼動を実行することによって得られる。
有利には、所定の分割領域は、1.4×1016atoms/cm2又はそれ未満の分量でヘリウムイオン及び水素イオンを用いることによって達成され、より詳細には、各々、1.2×1016atoms/cm2から1.4×1016atoms/cm2の範囲内であり、もしくは0.9×1016atoms/cm2又はそれ未満であり、より詳細には0.7×1016から0.9×1016atoms/cm2で達成されることができる。特に、2つの異なるタイプのイオンの組み合わせは、SECCO欠陥を低減する役割を果たす。
好ましい実施形態によると、注入することは、ヘリウムに関して49keV又はそれ未満のエネルギーで実行することができる。イオン、特にヘリウムイオンのエネルギーを49keV又はそれ未満に減らすことは、SECCO欠陥密度の更なる低減を明らかにした。
好ましくは薄層化するステップは、少なくとも第1及び第2の薄層化するステップを含むことができる。薄層化するステップを2以上の区分のステップに分割することは、熱酸化及びデスオキシデーション(des-oxidation)による薄層化の場合、一回だけの薄層化するステップを有するものと比べてSECCO欠陥の量に関してよりよい結果を示す。高速熱アニーリング(RTA)ステップが両方の薄層化するステップの間で実行されたとき、この結果をさらにより改善することができる。
好ましくは、熱処理は、各々、第1及び第2の薄層化するステップの後に実行することができる。また、表面粗度の値が最適化されるだけでなく、同時に、薄層化するステップと熱処理するステップとを組み合わせることによってSECCO欠陥を低減することができる。
好ましくは、薄層化するステップは、素子層を酸化するステップを含むことができる。このコンテキストにおける薄層化するステップは、酸化により、移動された素子層の一部を消費することによってこのように達成される。最新のプロセスにおいて、除去するステップは、酸化された領域を適当なプロセス、例えばエッチングで除去するように実行される。
好ましくは、素子層の厚さの低減量は、第1の薄層化するステップに関するよりも第2の薄層化するステップに関する方を大きくすることができる。そうすることによって、特に高速熱アニーリングステップが両方の薄層化するステップの間で実行されたときに、SECCO欠陥密度がさらに低減することは明らかである。
変形によると、薄層化するステップは、少なくとも1回のウェットエッチング、ドライエッチング及びHCl及びHの下でのエッチングによって達成することができる。ウェットエッチングは典型的に室温で実行される一方で、ドライエッチング及びHCl及びHの下でのエッチングは925℃未満、例えば900℃及び925℃の間の温度で実行される。ここで、本プロセスはこのように、むしろ低い温度で実行することができる。
好ましくは、素子層は、1000Å又は薄層化するステップの後より薄い厚さを有することができる。すでに上記で説明したように、従来技術のプロセスは、1000Åの薄い又は薄層化された素子層に関して十分に低いSECCO欠陥密度をもたらさず、一方で異なるプロセスパラメータの有利な組み合わせは、1000Å以下の非常に薄い素子層において低減したSECCO欠陥ももたらす。
本発明の目的はまた、特に、上記で説明された方法の一つによって製造されるシリコン・オン・インシュレータウエハを用いて達成される。
本発明は、添付の図面に関連してより詳細に説明されるであろう。
SECCO欠陥を判定する周知のプロセスを示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。 低減されたSECCO欠陥密度を有するセミコンダクタ・オン・インシュレータ基板を製造する本発明の方法の一実施形態を示す図である。
図2Aはソース基板21、ここではシリコンウエハ、例えば300mmのシリコンウエハを図示し、そのシリコンウエハは、シリコン基盤23と、シリコン酸化物層25を備える。シリコン酸化層23は、純粋なシリコン酸化物であるが、堆積された又は人為的に成長されたシリコン酸化物層もしくは任意の他の適当な誘電体層とすることもできる。
本発明によると、原子種は、ここではヘリウムイオン及び水素イオンの混合物であり、2.3×1016atoms/cm2を超えない分量で注入される。本発明の有利な変形によると、ヘリウムイオンは1.4×1016atoms/cm2の分量で注入され、水素イオンは0.9×1016atoms/cm2の分量で注入される。イオンのエネルギーは、この実施形態によると、ヘリウムに関しては49keVであり、水素に関しては32keVである。これは、約2450Åの注入深さをもたらす。イオンの注入は、図2Bにおける一連の矢印によって示され、ソース基板21の内部の所定の分割領域27の形成をもたらす。ここで、シリコン基盤23の内部は基本的にソース基板21の主面に平行である。
次に、図2Cに図示された、ソース基板21が、好ましくは酸化物層23を介して、この例において誘電体層を有する又は有しない300mmものシリコンウエハのハンドル基板29と結合することによって取り付けられ、ソース−ハンドル化合物を形成する。シリコンウエハの代わりに、任意の他の適当なハンドル基板29を用いることができる。
熱エネルギー又は力学的エネルギーを供給することによって、所定の分割領域27(図2C)がさらに弱まり、ハンドル基板19上へ誘電体層23とともに、図2Dに図示されるように、順々にソース基板21の残余31の完全な分離及び素子層33の移動をもたらす。移動された層は、約2450Åの厚さを有しており、中間ウエハ生成物に相当する。製造プロセスの薄膜化するステップ後に、最後の素子層はより薄くなり、例えば1000もしくは800Å又はそれ未満である。
本発明による、次のプロセスのステップは、犠牲的な酸化から成る。犠牲的な酸化は、925℃未満の温度で実行され、特に850℃から925℃で、より詳細には850℃から875℃である。このステップの目的は、素子層33の移動されたシリコンの一部を酸化シリコン層35に変換することによって素子層の厚さを低減することである。したがって、そうすることによって、移動された素子層37のシリコン部分が薄くなる(図2Eを参照)。典型的に、素子層33の800Åは、このステップの間に変換される。スループットが二次的な役割を果たす場合において、900℃未満で、特に850℃未満でそのプロセスを実行することさえ可能である。
犠牲的な酸化の代わりに又は加えて、HCl及びH雰囲気化でエッチングするステップを実行して、素子層を部分的に除去することも可能である。
次に、高速熱アニーリングステップが実行され、粗度を低減する役割を果たす。この実施形態によると、高速熱アニーリングステップは少なくとも1200℃の温度で実行され、特に少なくとも30秒間で約1250℃であり、好ましくは30−90秒間であり、より詳細には45−75秒間である。
次のステップとして、酸化層35が、例えばHF溶液を用いるエッチングのような基本的なプロセスによって除去される。これは、構造が基板29、移動された酸化層23及び薄層化された素子層27を備える、図2Fに図示されるような状況をもたらす。
次に、第2の酸化するステップが酸化によって実行され、酸化層39に変わるすでに薄層化された素子層37の部分的な消耗をもたらす。その結果、残った薄層化された素子層41は、ここで1000Å又はそれ未満の厚さを有する。また、この参加するステップは925℃未満で実行される。
次に、再び、高速アニーリングステップが1200℃で実行され、特に少なくとも30秒間で1250℃であり、特に30−90秒間であり、より詳細には45−75秒間であり、好ましくはアルゴン雰囲気下及び/又はヘリウム雰囲気下及び/又は水素雰囲気下で実行される。最後に、追加の除去するステップが実行され、酸化層39を除去し、図2Hに図示されるように、誘電体層23及び基板29上に薄層化された素子層41を備える最終的な構造を達成する。
説明された実施形態にかかる発明の方法は、相乗効果を生じ、SECCO欠陥の重要な低減をもたらし、すなわちSECCO欠陥密度が100defects/cm2未満又は50defect/cm2未満にすらするように、各々のプロセスのステップを最適化するという利点を有する。この最適化は、移動された層の厚さを低減するときに、低いイオン注入密度の選択及び低い酸化温度の選択をすることにより達成される。加えて、高速熱アニーリングステップの特別なプロセスパラメータも、SECCO欠陥密度の低減をもたらす。さらに、薄層化するステップを分割して2つの異なるステップにすることは、SECCO欠陥を低く保つことにさらに役立つ。プロセスパラメータの混合はさらに、1000Å未満の素子層に、言及した低SECCO欠陥密度をもたらすことができるようにする。
発明の概念から逸脱せずに、第1の実施形態にかかる発明を以下の変形の下で実行することができる。まず第1に、各々の酸化後の1つのRTAステップを実行するだけの代わりに、連続的に少なくとも2回又は3回以上のRTAを実行することがさらに有益である。他の実施形態によると、熱処理するステップは、アルゴン雰囲気において、1000−1200℃内の温度範囲で実行される少なくとも10分の炉アニーリングとすることもできる。更なる変形によると、薄層化するステップのような酸化を、ウェットエッチング、ドライエッチング又はHCl及びH下でのエッチングによって置換することができる。
この第1の実施形態又は任意の変形を単独で又は組み合わせて実行することによって、100defects/cm2未満のSECCO欠陥密度、特に50defects/cm2未満のSECCO欠陥密度が作られ、低量のSECCO欠陥は、例えば300mmのウエハに基づく大きな直径の基板にさえも観察された。したがって、メモリデバイス用にこの種の基板を用いることも可能になる。

Claims (19)

  1. セミコンダクタ・オン・インシュレータ基板、特にシリコン・オン・インシュレータ基板を製造する方法であって、
    ソース基板、好ましくは単結晶ソース基板を備えるステップと、
    前記ソース基板の内部に所定の分割領域を備えるステップと、
    ソース・ハンドル化合物を形成するために、好ましくは結合することによって、前記ソース基板をハンドル基板に取り付けるステップと、
    前記所定の分割領域で前記ソース基板の残余を前記ソース・ハンドル化合物から分離して、それによって前記ソース基板の素子層を前記ハンドル基板上に移動するステップと、
    前記素子層を薄層化するステップとを備え、
    前記所定の分割領域は、2.3×1016atoms/cm2未満の分量で原子種を注入することによって備えられ、
    前記薄層化するステップは、925℃未満で実行され、特に850℃から925℃の間、より詳細には850℃から875℃の間で実行され、100defects/cm2未満のSECCO欠陥密度、特に50defects/cm2未満のSECCO欠陥密度が達成されることを特徴とする方法。
  2. 前記薄層化するステップの前及び/又は後に熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記熱処理するステップは、少なくとも30秒間、好ましくは30−90秒間、より詳細には45−75秒間、高速熱処理するステップであることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記高速熱処理するステップは、少なくとも1200℃、特に1250℃の温度で実行されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記熱処理するステップは、少なくとも10秒間の炉アニーリングであることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  6. 温度は、1000℃から1200℃の範囲内であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記熱処理するステップは、非酸化雰囲気下、特にAr及び/又はH雰囲気下で実行されることを特徴とする請求項2から6に記載の方法。
  8. 前記熱処理するステップは、2回又は3回以上の連続的な高速熱処理するステップを含むことを特徴とする請求項2から7に記載の方法。
  9. 前記所定の分割領域を備えることは、1.4×1016atoms/cm2又はそれ未満、特に1.2×1016atoms/cm2から1.4×1016atoms/cm2の範囲内、より詳細には1.3×1016atoms/cm2から1.4×1016atoms/cm2の範囲内の分量でHe及び/又はHイオンを用いて達成され、もしくは0.9×1016atoms/cm2又はそれ未満、特に0.7×1016atoms/cm2から0.9×1016atoms/cm2の範囲内、より詳細には0.8×1016atoms/cm2から0.9×1016atoms/cm2の範囲内の分量でHe及び/又はHイオンを用いて達成されることを特徴とする請求項1から8に記載の方法。
  10. 前記注入することは、49eV又はそれ未満のエネルギーで実行されることを特徴とする請求項1から9に記載の方法。
  11. 前記薄層化するステップは、少なくとも第1の薄層化するステップ及び第2の薄層化するステップを含むことを特徴とする請求項1から10に記載の方法。
  12. 熱処理が、各々、前記第1の薄層化するステップの後及び前記第2の薄層化するステップの後に実行されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
  13. 高速熱処理するステップが、前記第1の薄層化するステップ及び第2の薄層化するステップの間に実行されることを特徴とする請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記素子層の厚さの低減量は、前記第1の薄層化するステップに関するよりも前記第2の薄層化するステップに関する方が大きいことを特徴とする請求項11から13に記載の方法。
  15. 前記薄層化するステップは、前記素子層の酸化を含むことを特徴とする請求項1から4に記載の方法。
  16. 前記薄層化するステップは、少なくともウェットエッチング、ドライエッチング及びHCl並びにHの下でのエッチングのうちの1つによって達成されることを特徴とする請求項1から4に記載の方法。
  17. 前記素子層は、前記薄層化するステップの後に、1000Å未満、特に800Å未満の厚さを有することを特徴とする請求項1から6に記載の方法。
  18. 前記ソース基板及び前記ハンドル基板は、300mmの基板であることを特徴とする請求項1から7に記載の方法。
  19. シリコン・オン・インシュレータウエハ、特に請求項1から8のうちの1つによって製造されたシリコン・オン・インシュレータウエハは、素子層と、絶縁層と、ハンドル基板とを備え、
    前記素子層は、100defects/cm2未満、特に50defects/cm2未満のSECCO欠陥密度を示すことを特徴とするシリコン・オン・インシュレータウエハ。
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