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半導体用語集

SIMOX

英語表記：separartion by implanted oxygen

　Si基板に酸素をイオン注入後、高温で熱処理し、Si基板内部に埋め込み酸化膜層を形成するSOIの形成法であり、1978年にNTTから提案された。
　酸素ドーズ量が～1×10¹⁵ cm⁻² では非晶質Si層が形成されるだけであるがドーズ量の増加に伴い酸素濃度のピーク位置（Rₚ）を中心にSi酸化膜が形成される。連続した埋め込み酸化膜を形成するには～1×10¹⁸ cm⁻² 以上のドーズ量が必要で、100mAレベルの大電流のイオン注入装置が1980年代に開発された。
　SIMOXでは酸素イオン注入後の熱処理によりイオン注入された酸素と基板Siを反応させ埋め込み酸化膜層を形成するが、この熱処理の温度が低いと完全な酸化膜が形成されない。熱処理温度は1,300℃以上が必要とされ、専用の熱処理炉が使われる。高温熱処理では温度不均一性に起因する熱ストレスによるスリップの発生が懸念されるが、温度の均一化と基板の支持方法の改善により実用的には解決されている。現在では200mm⌀のSIMOXウェハが市販され、300mm⌀の開発も進められている。
　薄膜Si層の厚さは主に加速電圧により決まり、通常用いられる100～200 keVでは100～200nmが実用的な範囲である。イオン注入時にはSi基板にダメージが導入され、イオン注入後の熱処理による回復過程で貫通転位が薄膜Si層に導入される。ダメージの影響を低減するには、イオン注入時に基板を400～600℃に昇温することが有効である。薄膜Si層中の貫通転位密度はドーズ量に依存し、低ドーズほど転位密度は低下し、1×10³ cm⁻² 以下にするにはドーズ量を1×10¹⁸ cm⁻² 以下にすることが必要と報告されている。
　イオン注入された酸素は熱処理により基板Siと反応してSiO₂になるが、埋め込み酸化膜層の性質は酸素イオンのドーズ量によって変化する。厚さはドーズ量が多いほど厚くなるが、薄膜Si層の貫通転位は増加する。また、埋め込み酸化膜層中にSiO₂に反応しきれないSiが残りSiアイランドが形成される。Siアイランド低減にはドーズ量減少が有効との報告がある。このように酸素ドーズ量の適正化がSIMOXではポイントである。貫通転位を大幅に減らすにはドーズ量を1×10¹⁸ cm⁻² 以下にする必要があったが、連続した埋め込み酸化膜は困難と考えられていた。しかし、4.0±0.5×10¹⁷ cm⁻² のドーズ量範囲（ドーズウィンドウ）では連続した埋め込み酸化膜の形成が可能なことから貫通転位の大幅な低減が可能になり、1×10³cm⁻³ 以下の転位密度が可能になった。また、酸素イオン注入時、基板表面にダストがあるとこの部分だけ酸素イオンが注入されないため、酸化膜が形成されない微小領域が残り、埋め込み酸化膜のピンホールとなる。ピンホールは低ドーズほど増加するが、埋め込み酸化膜をさらに酸化するITOX法により低減が可能である。現在ではドーズウィンドウとITOX法を組み合わせることにより、貫通転位は1×10³ cm⁻² 以下に、ピンホールは1.0 個/cm² まで低減されている。
　薄膜Si層、埋め込み酸化膜界面は平坦性（マイクロラフネス）が熱酸化を利用する貼り合わせSOIにくらべ劣り、界面準位の点でも懸念されている。しかし、薄膜Si層の厚さおよび 均一性はイオンの加速電圧、ドーズ量分布で厳密に制御できるため、他のどの方法よりも優れており、完全空乏型のMOS LSIなど高い膜厚均一性が要求されるデバイスにはSIMOXは有力な方法である。
　SIMOXの薄膜Si層中には貫通転位以外の結晶欠陥が薄膜Si層と埋め込み酸化膜界面付近に存在するとの報告もある。また、SIMOXでは薄膜Si層厚は注入イオンのエネルギーとドーズ量に依存するため、0.2μm以上の厚い薄膜Si層の形成は困難である。

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