Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teil-SOI-Substrats (SOI: silicon on insulator; Silicium auf einem Isolator) durch die SIMOX-Technik (SIMOX: Separation By Implanted Oxygen; Trennung durch implantierten Sauerstoff).

Bisher war es bei der Herstellung eines Teil-SOI durch SIMOX üblich, aufgrund der Konstruktion eine gewöhnlichen Implanters der SIMOX-Klasse Sauerstoffionen in einer festgelegten Richtung zum Öffnungsteil einer Maske zu injizieren.

Insbesondere war diese Praxis auf die Durchführung der Bildung eines vergrabenen Oxidfilms 5 durch Implantieren von Sauerstoffionen in die Oberfläche des Substrats durch einen in einem Schutzfilm 2 durch Lithographie gebildeten Öffnungsteil 3, Unterziehen des betroffenen Substrats einer vorgeschriebenen Waschbehandlung und Durchführen einer Wärmebehandlung bei einer erhöhten Temperatur darauf gerichtet (Verweis auf Patentschrift 1 und Patentschrift 2).

In diesen Patentschriften 1 und 2 wurde die Idee des Neigens der Implantation um einen Winkel von etwa 7 Grad in Bezug auf die Senkrechte der Oberfläche des Substrats eingeführt. Diese Neigung ist auf die Einstellung der Verteilung von implantierten Sauerstoffionen gerichtet, wodurch die Bildung eines perfekt vergrabenen Oxidfilms gewährt wird. Diese geneigte Ionenimplantation führt jedoch zur Freilegung der Kante des vergrabenen Oxidfilms durch die Oberfläche (Verweis auf Patentschrift 2 und Patentschrift 3). Der zum Erklären dieses Phänomens angeführte Grund ist, dass, da der den Öffnungsteil umspannende Teil durch die Schutzfolie, wie in 4 veranschaulicht, nicht gründlich vor Ionen abgeschirmt ist und Sauerstoffionen unvermeidbar in die Oberfläche des Substrats implantiert werden, der vergrabene Oxidfilm möglicherweise an der Oberfläche freigelegt wird, wenn der vergrabene Oxidfilm durch die Wärmebehandlung gebildet wird. Da dieser freigelegte Teil im anschließenden Schritt des Entfernens des Oxidfilms durch Waschen der Oberfläche mit Flusssäure unvermeidbar zur Bildung einer Kerbe oder eines Hohlraums führt, bildet er ein Hindernis für die Schaltungsgestaltung, indem beispielsweise die Einbringung einer Vorrichtungsisolierstruktur ohne Fehler erforderlich ist, und wirft ein Problem in Bezug auf den Verfahrensaspekt dahingehend auf, dass das Auftreten von übermäßiger Aufschlämmung im CMP-Schritt verursacht wird.

Patentschrift 2 und Patentschrift 3 schlagen Maßnahmen zur Lösung dieser Probleme vor. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht leicht auf die gegenwärtige großtechnische Herstellung anwendbar.

Die in der Patentschrift 2 vorgeschlagene senkrechte Implantation beeinträchtigt die BOX-Bildung und mindert die BOX-Qualität, da die Kanalisierung zu einem Ausläufer bei der Verteilung des implantierten Sauerstoffs führt. Die wie in der Patentschrift 3 vorgeschlagene, bei einer Neigung von 7–10 Grad von der Senkrechten der Oberfläche des Substrats durchgeführte anisotrope Ätzung erlaubt keine leichte Steuerung, da selbst das ECR-Verfahren ein Prinzip annimmt, bei welchem bewirkt wird, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und dem Substrat in eine zur Oberfläche des Substrats senkrechte Richtung auftritt, und der Gedanke der Verwendung des Resonanzpunkts beim Sicherstellen der Richtungseigenschaft versagt, da die Neigung zu einer Abweichung führt. Das Verfahren unter Verwendung eines Nitridfilms hat den Nachteil, dass sich die Anzahl an Arbeitsstufen erhöht, die Arbeitszeit verlängert und die Herstellungskosten erhöhen.

Der heutzutage vorgeschlagene Teil-SOI entbindet eine Stufe zwischen dem SOI-Bereich und dem Nicht-SOI-Bereich. Es wurde bisher noch keine Maßnahme zur Störungslösung vorgeschlagen und kein Versuch mit dem Ziel des Erforschens des eindeutigen Vorhandenseins des Problems unternommen. Die tolerierte Stufe hängt von der Ziel-Schaltungsmusterabmessung einer integrierten Schaltung ab. Wenngleich behauptet wird, dass sie nicht mehr als 200 nm oder in etwa dies beträgt, nimmt die Größe der erlaubten Stufe tendenziell ab.

• [Patentschrift 1] Amtsblatt von JP-A-08-017694
• [Patentschrift 2] Amtsblatt von JP-A-2001-308025
• [Patentschrift 3] Amtsblatt von JP-A-2001-308172

Die Schriften WO 00/48245 und US-A-5346841 offenbaren Verfahren zum Bilden eines Teil-SOI-Substrats unter Verwendung der SIMOX-Technik, wobei Sauerstoffionen in einem nicht senkrechten Winkel in das Substrat implantiert werden und der Wafer im Verlauf der Implantation gedreht wird.

Bisher führte bei der Herstellung eines Teil-SOI-Substrats durch die SIMOX-Technik das gewöhnliche Verfahren unvermeidbar zur BOX-Freilegung, und verschiedene zur Lösung dieses Problems vorgeschlagene Messungen stoßen ausnahmslos auf Schwierigkeiten bei der Verwirklichung großtechnischer Verwendung. Diese Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines perfekten Teil-SOI-Substrats ohne die Freilegung eines vergrabenen Oxidfilms durch die großtechnische und billige SIMOX-Technik und ein durch das Verfahren hergestelltes SOI-Subbstrat. Des Weiteren richtet sich diese Erfindung auf das Bereitstellen eines Herstellungsverfahrens, welches das Auftreten einer problematischen Stufe zwischen dem SOI-Bereich und dem Nicht-SOI-Bereich vermeiden kann, und ein durch das Verfahren hergestelltes SOI-Substrat.

Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch ein SOI-Substrat erzielt, das in einem aus einem Siliciumeinkristall mit einem vergrabenen Oxidfilm hergestellten Halbleitersubstrat eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer Oberfläche Höhenunterschiede von nicht mehr als 200 nm zwischen dem SOI-Bereich mit einem vergrabenen Oxidfilm und dem Nicht-SOI-Bereich ohne vergrabenen Oxidfilm verliehen wird.

Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch ein SOI-Substrat durchgeführt, das durch ein Herstellungsverfahren hergestellt ist, umfassend einen Schritt des Bildens eines Schutzfilms auf der Oberfläche eines aus einem Siliciumeinkristall hergestellten Halbleitersubstrats, um als Maske für Ionenimplantation zu dienen, einen Schritt des Bildens eines Öffnungsteils mit einem festgelegten Muster im Schutzfilm, einen Schritt des Implantierens von Sauerstoffionen in die Oberfläche des Halbleitersubstrats in einer nicht senkrechten Richtung dazu und einen Schritt des Zuführens einer Wärmebehandlung dem Halbleitersubstrat, wodurch im Halbleitersubstrat ein vergrabener Oxidfilm gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenhöhenunterschied von nicht mehr als 200 nm zwischen einem SOI-Bereich mit dem vergrabenen Oxidfilm und dem Nicht-SOI-Bereich ohne vergrabenen Oxidfilm vorliegt.

Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erzielt.

Durch diese Erfindung werden ein Verfahren zur Herstellung einer perfekten Teil-SOI-Struktur, welche die Freilegung eines vergrabenen Oxidfilms durch die Oberfläche durch die großtechnische und billige SIMOX-Technik vermeidet, und ein durch das wie vorstehend beschriebene Verfahren hergestelltes SOI-Substrat erhalten.

Nun wird der Modus der Verkörperung dieser Erfindung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung detailliert beschrieben. Diese Erfindung muss nicht darauf beschränkt sein.

1 ist ein Fließdiagramm, das ein Beispiel des Verfahrens für die Herstellung eines erfindungsgemäßen SOI-Substrats darstellt.

2 ist ein Typenabschnitt, der ein Beispiel eines Schritts der Implantation von Ionen im Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SOI-Substrats darstellt.

3 ist ein Phasendiagramm, das die Bedingungen der Wärmebehandlung und die erfolgreiche oder nicht erfolgreiche Eliminierung eines Schritts zwischen den SOI-/Hauptmenge-Bereichen im Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SOI-Substrats veranschaulicht.

4 ist ein Typenabschnitt, der die Eigenschaften des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SOI-Substrats gemäß der herkömmlichen Technik veranschaulicht.

Hier sind 1(A), (B), (C) und (D) Fließdiagramme, die ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SOI-Substrats veranschaulichen. Die folgende Beschreibung setzt den Fall der Verwendung eines thermischen Oxidfilms als Schutzfilm voraus.

Mit Bezug auf 1(A) ist ein Oxidfilm, bei dem es sich um einen Schutzfilm 2 handelt, der dazu bestimmt ist, als Maske gegen Ionenimplantation zu dienen, durch thermische Oxidation auf der Oberfläche eines aus einem Siliciumeinkristall hergestellten Halbleitersubstrats 1 gebildet. Dann wird, wie in 1(B) dargestellt, ein Öffnungsteil 3 mit einem festgelegten Muster durch Lithographietechnik im Schutzfilm 2 gebildet. Des Weiteren werden, wie in 2(C) veranschaulicht, Sauerstoffionen 4 in die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 in eine zur Oberfläche nicht senkrechte Richtung implantiert, wodurch das Halbleitersubstrat 1 wärmebehandelt wird und wie in 1(D) dargestellt einen vergrabenen Oxidfilm 5 im Halbleitersubstrat 1 bildet.

Zu diesem Zeitpunkt ist es bevorzugt, dass der Öffnungsteil 3 durch anisotropische Ätzung in eine Maske übertragen wird, die entfernte Teile davon aufweist, die unter einem Winkel gebildet sind, der sich an eine Senkrechte zum Substrat nahe annähert.

Das SOI-Substrat durch die SIMOX-Technik wird durch ein Verfahren hergestellt, umfassend die Implantation von Sauerstoffionen in einer Dosis von 4 × 10¹⁷ Atomen/cm² mit einer Beschleunigungsenergie von 180 keV, bis eine Schicht mit einer hohen Konzentration an implantierten Sauerstoffionen in einer vorgeschriebenen Tiefe gebildet ist, Ausheilen der Schicht für eine Dauer von vier Stunden in einem atmosphärischen Ar-Gas, das Sauerstoff in einer Konzentration von 0,5 % einbringt, bei einer Ausheilungstemperatur von 1350 °C, und deren weiteres Ausheilen für eine Dauer von vier Stunden mit einer auf 70 % erhöhten Sauerstoffkonzentration. Die Bedingungen für die Herstellung des SIMOX-Substrats müssen jedoch nicht besonders darauf beschränkt sein.

Hier ist das Halbleitersubstrat entweder aus Si oder SiGe gebildet.

Zum Beispiel wird durch Variieren des Winkels ϕ, der zwischen dem Azimut [110] des Substrats und der Projektion 41 des Flusses 42 der Implantation von Sauerstoffionen zur Ebene des Substrats auf diejenigen der Bedingungen &agr; und &bgr;, wie in 2(A) und (B) veranschaulicht, gebildet wird, ermöglicht, das Abschirmen von Ionen an den entfernten Teilen des Öffnungsteils in der Maske durch die Wirkung des Schutzfilms gleichmäßig zu machen.

Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend erwähnten SOI-Substrats derart, dass die Implantation beim Schritt der Implantation von Sauerstoffionen in die Oberfläche des Halbleitersubstrats mit dem Schutzfilm als Maske als Aufteilung in eine Mehrzahl an Zyklen durchgeführt wird, und die zwischen der Projektion des Flusses der Implantationen von Sauerstoffionen zu der Ebene des Substrats und dem spezifischen Azimut des Hauptkörpers des Substrats gebildeten Winkel durch die Aufteilungen unterschieden werden.

Kann der vorstehend erwähnte Winkel ϕ während des Verlaufs der Implantation nicht frei eingestellt werden, wird es dadurch, dass die Implantation als Aufteilung in eine Mehrzahl an Zyklen und Variieren des Winkels ϕ in jedem Aufteilungszyklus durchgeführt wird, ermöglicht, das Abschirmen von Ionen an den entfernten Teilen des Öffnungsteils in der Maske durch die Wirkung des Schutzfilms gleichmäßig zu machen.

Diese Erfindung ist auch auf das Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung des vorstehend erwähnten SOI-Substrats gerichtet, sodass der Winkel, der beim Schritt des Implantierens von Sauerstoffionen 4 zur Oberfläche des vorstehend erwähnten Halbleitersubstrats 1 mit dem vorstehend erwähnten Schutzfilm 2 als Maske zwischen dem Fluss 42 der Implantationen von Sauerstoffionen und der Senkrechten 7 der Oberfläche des Hauptkörpers des vorstehend erwähnten Substrats gebildet wird, nicht kleiner als 10 Grad ist, wobei er vorzugsweise in den Bereich von 11–16 Grad fällt.

Ist der Winkel &thgr;, der zwischen dem Fluss 42 der Implantationen von Sauerstoffionen 4 und der Senkrechten 7 der Oberfläche des Hauptkörpers 1 des vorstehend erwähnten Substrats (Bezug auf 2) gebildet wird, nicht kleiner als 10 Grad, kann die Unterdrückung der Freilegung des vergrabenen Oxidfilms wirksamer erzielt werden, als wenn der Winkel kleiner als 10 Grad ist.

Die vorstehende Beschreibung dieser Erfindung kann durch die Ionenimplantation und die Wärmebehandlung, die die Freilegung der vergrabenen Schicht oder sowohl des Hohlraums verhindern kann, auf den Fall des Bildens eines vergrabenen Isolationsfilms, eines vergrabenen Hohlraums oder eines vergrabenen Siliciumcompoundfilms wie SiC oder Si₃N₄ angewandt werden.

Diese Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend erwähnten SOI-Substrats derart, dass der vorstehend erwähnte Schritt der Wärmebehandlung einen derartigen Schritt der Wärmebehandlung wie die Verwendung einer Temperatur von nicht weniger als 1250 °C, vorzugsweise nicht weniger als 1300 °C und stärker bevorzugt nicht weniger als 1325 °C, eine Sauerstofffließgeschwindigkeit von nicht weniger als 5 %, vorzugsweise nicht weniger als 20 %, und eine Dauer von nicht weniger als 10 Minuten, vorzugsweise nicht weniger als 30 Minuten, umfasst. Indem dieser Schritt der Wärmebehandlung im Verfahren eingebracht wird, wird es ermöglicht, die Stufe zwischen den SOI-/Hauptmenge-Bereichen zu eliminieren.

Diese Erfindung richtet sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Herstellung des vorstehend erwähnten SOI-Substrats, das den Siliciumoxidfilm als den Schutzfilm 2 aufweist.

Wenngleich es nur erforderlich ist, dass der Schutzfilm in der Lage ist, Sauerstoffionen abzufangen, ermöglicht die Verwendung des Siliciumoxidfilms, dass die Herstellung des SOI-Substrats unter breiteren Bedingungen erfolgt (Verweis auf Tabelle 1).

Folglich stellt diese Erfindung ein durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestelltes SOI-Substrat bereit, das durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass der vergrabene Oxidfilm nicht durch die Oberfläche des Substrats freigelegt wird und der Schritt zwischen den SOI-/Hauptmenge-Bereichen nicht größer als 200 nm ist.

Nun wird diese Erfindung insbesondere in Bezug auf Arbeitsbeispiele beschrieben.

Ein Wafer mit einer (001) Ebene als die Hauptoberfläche des Substrats und einem Maß von 200 mm im Durchmesser wurde durch Wachsenlassen eines mit Bor dotierten Siliciumeinkristalls gemäß dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Die Implantation von Sauerstoffionen wurde unter den Bedingungen einer Substrattemperatur von 550 °C, einer Beschleunigungsspannung von 180 keV und einer Gesamtimplantationsdosis von 4 × 10¹⁷ cm² durchgeführt. In den Arbeitsbeispielen dieser Erfindung wurde die Implantation in vier Zyklen aufgeteilt, wobei jeder eine Dosis von 1 × 10¹⁷ cm² verwendete. Jeder Wafer enthielt in seinem Außenumfang in die <110>-Richtung derartige Kerben wie sie beispielsweise zum Anzeigen von Halterungen dienen. Der in jedem Aufteilungszyklus zwischen der Projektion des Implantationsflusses und der <110>-Richtung gebildete Winkel ϕ wurde pro Zyklus um 90 Grad gedreht. Der Winkel ϕ wurde während jedem Aufteilungszyklus der Implantation festgelegt. Der zwischen der Senkrechten der Oberfläche des Substrats und dem Implantationsfluss in jedem Aufteilungszyklus gebildete Winkel &thgr; wurde bei 15 Grad festgelegt. Ein Teil-SOI wurde durch Abändern des Winkels &thgr; jeweils um ein Grad zwischen 10–16 Grad durch das folgende gleiche Verfahren wie vorstehend beschrieben hergestellt. Gesondert wurde ein Teil-SOI durch Aufteilen der Implantation in zwei Zyklen und Abändern des Winkels &thgr; in einem Intervall von 180 Grad in jedem Aufteilungszyklus und Aufteilen der Implantation in drei Zyklen und Abändern des Winkels &thgr; in einem Intervall von 120 Grad in jedem Zyklus hergestellt. Für Vergleichsbeispiele wurde die Implantation unter derartigen Bedingungen wie in Tabelle 1 dargestellt durchgeführt, welche den Ausschluss des Aufteilens der Implantation einschlossen. Diese Halbleiterwafer wurden in einem Wärmebehandlungsofen angeordnet und hierin einer Wärmebehandlung unter den folgenden Bedingungen unterzogen.

Bedingung A: Temperatur 1350 °C, atmosphärisches Argon + 0,5 % Sauerstoff, Erwärmungszeit vier Stunden. Bedingung B: Temperatur 1350 °C, atmosphärisches Argon + 0,5 % Sauerstoff, Erwärmungszeit vier Stunden, gefolgt von einer Wärmebehandlung unter Verwendung der Bedingungen einer Temperatur von 1350 °C, Argon + 70 % Sauerstoff in der Atmosphäre und drei Stunden Erwärmungszeit. Die so hergestellten Teil-SOI-Wafer wurden von einer Oberflächenoxidschicht mit Flusssäure abgezogen und durch die Verwendung einer spektroskopischen Ellipsometrie auf die Dicke einer Oberflächensiliciumschicht und eine vergrabene Oxidschicht im SOI-Teil getestet. Als Ergebnis wurde kein großer Unterschied unter den Proben gefunden. Je nach Bedingungen der Wärmebehandlung wurde gefunden, dass die Proben der Bedingung A die Maße einer Dicke von 340 nm des Oberflächensiliciums und einer Dicke von 85 nm der vergrabenen Oxidschicht aufwiesen, und es wurde gefunden, dass die Proben der Bedingung B die Maße einer Dicke von 175 nm der Oberflächensiliciumschicht und einer Dicke von 105 nm der vergrabenen Oxidschicht aufwiesen.

Dann wurde die Oberfläche der SOI-/Hauptmenge-Grenze durch die Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microscope; AFM) beobachtet. Die Ergebnisse der Beobachtung sind gemeinsam in Tabelle 1 dargestellt. Die Proben wurden auf die BOX-Freilegung in der SOI-/Hauptmenge-Grenze bewertet. Die Ergebnisse wurden auf einer Skala mit drei Punkten bewertet, wobei S die vollständige Abwesenheit einer Bebachtung bezeichnet, P einen Fall einer teilweisen Beobachtung bezeichnet und F einen Fall von Freilegung durch die gesamte Grenze hindurch bezeichnet.

Umfasste der Schritt der Wärmebehandlung einen Schritt der Wärmebehandlung, der unter den Bedingungen einer Temperatur von nicht weniger als 1250 °C, einer Sauerstofffließgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung von nicht weniger als 5 % und einer Zeitdauer der Wärmebehandlung von nicht weniger als 10 Minuten durchgeführt wurde, war die Stufe zwischen den SOI-/Hauptmenge-Bereichen, die auftrat, als der vorstehend erwähnte Schritt nicht eingeschlossen war, eliminiert. (Im Übrigen veranschaulicht 3 ein Phasendiagramm von Flussgeschwindigkeit – Behandlungstemperatur). An jedem der durch den leeren Kreis o angezeigten Punkte wurde eine Stufe, die 200 nm übersteigt, beobachtet, und an jedem der durch den gefüllten Kreis • angezeigten Punkte wurde keine Stufe, die 200 nm übersteigt, beobachtet.