JP4826994B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩウェーハの製造方法に関する。

特開平９−６４３１９号公報

ＣＭＯＳ−ＩＣや高耐圧型ＩＣ等の半導体デバイス等の製造に、シリコン単結晶基板（以下、ベースウェーハともいう）上にシリコン酸化膜層を形成し、その上に別のシリコン単結晶層をＳＯＩ（Silicon on Insulator）層として積層形成した、いわゆるＳＯＩウェーハが使用されている。ＳＯＩウェーハの製造方法としては、貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法等が知られている。貼り合わせ法は、シリコン酸化膜層を介してシリコン単結晶からなるベースウェーハとボンドウェーハとを結合熱処理により貼り合わせた後、ボンドウェーハを研磨加工、エッチング又はイオン注入層を用いた分離処理（いわゆるスマートカット（登録商標）法）により減厚してＳＯＩ層を形成する方法である。一方、ＳＩＭＯＸ法は、シリコン単結晶基板中に高濃度の酸素イオンを注入した後で、内部酸化熱処理を行うことにより埋め込み酸化膜を形成する方法である。

従来、ＳＯＩウェーハにおいては、シリコン単結晶からなるベースウェーハ及びＳＯＩ層と、二酸化珪素からなるシリコン酸化膜層との熱膨脹係数が互いに異なるため、基板の反りが発生しやすいという欠点があった。ＳＯＩウェーハの反りが大きくなると、フォトリソグラフィー工程で焦点を合わせ難くなることにより、素子の形成が困難になることがある。なお、この欠点は、集積回路の集積率が大きくなるほど顕著となる。

上記のようなＳＯＩウェーハの反りは、従来、上記の貼り合わせ法における結合熱処理や、ＳＩＭＯＸ法での内部酸化熱処理時に発生する反りに主眼が置かれ、種々の防止対策が講じられてきた。例えば、特許文献１には、ベースウェーハのシリコン酸化膜層と接する領域に酸素析出部の形成密度がゼロの無欠陥層を作り、残部のウェーハ領域を該無欠陥層よりも高い酸素析出物密度を有する酸素析出物層とするＳＯＩウェーハ構造が開示され、前述の熱膨張率差に起因したウェーハの反りを防止できるとしている。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、ＳＯＩウェーハの反りの原因は、シリコン酸化膜とベースウェーハやＳＯＩ層をなすシリコンとの線膨張係数差のみに必ずしも帰着されるものではないことがわかった。例えば、本発明者らは、デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったＳＯＩウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化するという、上記の反り発生機構では理解できない現象にしばしば直面している。この現象は、線膨張係数差に由来した反りがむしろ生じにくい、ＳＯＩ層やシリコン酸化物層の厚さが薄膜化（例えば、それぞれ２μｍ以下）した場合に多く見られ、ウェーハの直径が大きい場合（例えば２００ｍｍ以上の場合）に特に顕著となる。

本発明の課題は、比較的薄いシリコン酸化膜とＳＯＩ層とを有し、デバイス工程で実施される熱処理時に反りを発生しにくいＳＯＩウェーハの製造方法と、それによって製造されるＳＯＩウェーハとを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法は、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有し、かつ、ＳＯＩ層側において、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の赤外線照射による熱処理を行うＳＯＩウェーハの製造方法であって、
シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第二主表面とを、それら各主表面の少なくともいずれかに形成されたシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、ボンドウェーハの厚みを減じてＳＯＩ層となす減厚工程と、シリコン酸化膜を介したＳＯＩ層のベースウェーハに対する結合を増加するための結合熱処理工程とを有し、
貼り合わせ後のシリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とが、シリコン酸化膜をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の屈折率をｎ２とし、それらシリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に設定され、
さらに、結合熱処理工程に先立って、ベースウェーハ中の酸素析出物の析出核を消滅又は減少させるための核キラー熱処理を実施し、核キラー熱処理前のベースウェーハ中の酸素析出物の析出核の密度が１×１０ ^９ ／ｃｍ ^３ 以上であり、核キラー熱処理を実施することにより、結合熱処理後のベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に調整し、
赤外線照射による熱処理がＳＯＩ層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われることを特徴とする。なお、本発明におけるＳＯＩ層とは、シリコン単結晶からなる典型的なＳＯＩ層のほか、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−Ｘ（０≦Ｘ＜１）にて表されるＳｉＧｅ層やＧｅ層、あるいは、その他の半導体薄層を含む広義のＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）層を意味する。

また、本発明に関連するＳＯＩウェーハは、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有し、かつ、ＳＯＩ層側において、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の赤外線照射による熱処理が予定されたＳＯＩウェーハであって、
シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とが、シリコン酸化膜をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の屈折率をｎ２とし、それらシリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に設定され、
さらに、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度が１×１０^９／ｃｍ^３未満に調整されてなることが想定される。

なお、本発明において、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度は、ベースウェーハの第二主表面を鏡面研磨面として、周知の赤外干渉法を用いた装置であるＯＰＰ（Optical Precipitate Profiler：High Yield Technology社製）により検出される寸法直径５０ｎｍ以上の微小析出物（Bulk
Micro-Defect：ＢＭＤ）の１ｃｍ^３当たりの個数をいう。以下、本発明において単に「酸素析出物」と称する場合はＢＭＤを意味するものとする。また、貼り合わせに際しては、ベースウェーハとボンドウェーハとの一方のみにシリコン酸化膜を形成してもよいし、双方に形成して貼り合わせにより両酸化膜を一体化してもよい。後者の場合、貼り合わせ後のシリコン酸化膜の厚さは、双方に形成したシリコン酸化膜の合計厚さに対応するものとなる。

本発明者は、ＳＯＩウェーハをデバイス化する際の熱処理条件と、発生するウェーハの反りとの関係を詳細に検討した結果、次の事実を把握するに至った。
（１）デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったＳＯＩウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化することがある。具体的には、ＳＯＩ層側からの赤外線照射により熱処理加熱を行なう場合である。
（２）反りの発生が顕著なのは、照射する赤外線の波長（以下、ピーク波長λで代表させる）と、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における上記光学的厚さｔ_ＯＰとが一定の関係を満たす場合であり、特にｔ_ＯＰ＝０．５λに近い関係を充足する場合の反り発生が顕著である。
（３）反りが発生したＳＯＩウェーハは、ベースウェーハの酸素析出物の形成密度がいずれも１×１０^９以上と高いレベルを示す。

そして、さらに鋭意検討を重ねた結果、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に調整するとき、上記（１）及び（２）の状況下においても、デバイス化の熱処理時におけるＳＯＩウェーハの反り発生を効果的に抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

赤外線照射の熱処理時に、上記（２）の条件を充足する場合に特に反りが発生しやすかった原因としては、以下のように考えられる。まず、熱処理に使用する赤外線源としてはハロゲンランプなどの抵抗発熱型ランプが使用されることが多い。図１２に示すごとく、そのピーク波長λは光源温度に応じて異なるが、０．７μｍ以上２μｍ以下に収まるものがほとんどである。また、その光学的なスペクトルは概してブロードであるが、加熱に寄与する赤外領域の主要な成分は０．５μｍ以上３μｍ以下の波長域内に収まっている。

上記のピーク波長λとの関係において、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰ（＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２）が、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下という状況は、シリコン酸化膜とＳＯＩ層とが共に４μｍ未満の小厚に形成されることを意味する（好適にはシリコン酸化膜の厚さｔ１は例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、ＳＯＩ層の厚さｔ２は例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である）。ベースウェーハの厚さが通常のＳＯＩウェーハ並（例えば直径２００ｍｍで６００μｍ以上８００μｍ以下）であれば、この程度のシリコン酸化膜の厚さでは、Ｓｉとの線膨張係数差に基づく反り発生の程度は、例えば特許文献１等に記載の構成と比較してはるかに小さいと考えられる。しかしながら、ベースウェーハの酸素析出物の形成密度が１×１０^９以上に高い状態では、ＳＯＩ層側からの赤外線照射により熱処理を行なうと、その反り量は予想外に大きく、例えば直径２００ｍｍのＳＯＩウェーハでは、２００μｍ〜３００μｍもの大きな反りが発生することもある。従って、当該の反りの主要因は、従来想定されていた層間の線膨張係数差でないことは明らかである。本発明者は、この反りの要因が、酸素析出物の形成によるベースウェーハの強度低下と、ＳＯＩ層側での赤外線反射による加熱不均一にあるのではないか、と考えている。以下、さらに詳しく説明する。

ＳＯＩ層表面での赤外線反射は、周囲の雰囲気（例えば空気）とＳＯＩ層との屈折率差に由来した全反射が考えられるが、これは、赤外線の入射角度が一定の臨界角度以上に大きい場合にのみ生ずるものであって、面内に広い光源にてウェーハの全面に均一に赤外線が照射できる場合には、それ程問題になることではない。しかし、屈折率が互いに大きく相違するシリコン酸化膜とＳＯＩ層との組み合わされた場合には、その層厚と入射赤外線の波長との関係によっては、赤外線の入射方向が面法線方向に近い場合であっても非常に強い反射が生ずることがある。

例えば、シリコン酸化膜とシリコン層とが交互に積層された構造のように、周期的に屈折率が変化する積層体の層厚方向には、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられることが知られている。このような構造をフォトニックバンド構造と称し、多層膜の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップ構造ともいう。

このようなフォトニックバンドギャップ構造は、積層周期数が多くなるほど、入射が禁じられる波長域（つまり、反射率が大きくなる波長域：以下、フォトニックバンドギャップ域という）が広くなる傾向になるが、積層周期数が１であっても、フォトニックバンドギャップ域が相対的に狭くなるだけであって、ギャップ中心波長付近で非常に大きな反射が生ずることに変わりはない。典型的なＳＯＩウェーハ構造、つまり、ベースウェーハ上にシリコン酸化膜とＳＯＩ層とが１層ずつ形成された構造はこれに該当し、一次元フォトニックバンドギャップ構造が生ずるための条件は、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２が、入射赤外線の波長λの１／２（つまり、０．５λ）を充足する場合である。実際には、ｔ_ＯＰ＝０．５λ付近で反射率が極大値を示すものの、この条件から多少ずれた波長域でも反射率は依然大きく、また、入射赤外線スペクトルのピーク波長がλであっても、実際には図１２に示すように、λを含む広い範囲に入射線の波長が分布しているため、これらの影響を考慮すれば比較的強い反射が生ずる波長域も、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λ程度に拡張されるのである。また、両層の光学的厚さの比（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）は、０．２以上３以下のときに比較的強い反射が生じやすくなり、特に該比が１付近のとき（つまり、両層の光学的厚さが互いに等しいとき）に、強反射の起こる波長域が最も広くなり反射率も高くなる。なお、シリコン酸化膜の赤外波長域の屈折率ｎ１は１．５、ＳＯＩ層の屈折率ｎ２は、シリコン単結晶の場合は３．５、Ｇｅ（ゲルマニウム）の場合は４．０であり、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘの場合は、Ｓｉを３．５、Ｇｅを４．０として、混晶比ｘの値により線形補間した屈折率を用いる。

図１３は、種々の厚さのＳＯＩ層とシリコン酸化膜との組み合わせにおける、入射線の波長と反射率の関係を示すものであり、各々層の合計光学的厚さｔ_ＯＰと、これに対応するフォトニックバンドギャップの中心波長λ_ＰＢＧ（≡２ｔ_ＯＰ）とを合せて示している（入射角は５゜）。いずれの条件においても、λ_ＰＢＧ付近で反射率が極大化していることが明らかであるが、５０％以上反射が生ずる波長域は、少なくとも７００ｎｍ付近から１．６μｍ付近までの広い範囲に及んでいることがわかる。本発明は、このように入射波長に対する反射率がλ_ＰＢＧ付近で極大化し、かつ、λ_ＰＢＧを含む広い波長領域（少なくとも５００ｎｍ以上の領域内）において５０％以上の反射率を有する構造のＳＯＩウェーハに対して極めて効果的である。

シリコン酸化膜とＳＯＩ層とが形成するフォトニックバンドギャップの中心波長が、入射赤外線の波長λに接近していると、ＳＯＩ層表面に均一に赤外線が照射されていても反射による影響でウェーハの層厚方向の加熱分布が不均一となる（この不均一は、後に詳述する通り、必ずしも反射が生じているＳＯＩ層側が低温となるように生ずるものではない）。ベースウェーハの層厚方向の温度不均一が生じた場合、ベースウェーハの面内熱応力も層厚方向に分布を生じ、反り発生応力として作用する。他方、ベースウェーハ内に酸素析出物が形成されていると、該酸素析出物の周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数のスリップ転位などの結晶欠陥が導入され、強度が低下した状態になっている。そして、ベースウェーハの内部に高密度に酸素析出物が形成されていると、上記加熱不均一に由来した層厚方向の反り応力にベースウェーハの剛性が抗し切れなくなり、顕著な反りが発生するものと考えられる。そこで、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に抑制すれば、フォトニックバンドギャップ効果により加熱不均一が生じても、熱処理後のＳＯＩウェーハに強い反りが発生することを効果的に抑制することができる。ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度は、望ましくは５×１０^８／ｃｍ^３未満、より望ましくは５×１０^７／ｃｍ^３未満であるのがよい。

特にＳＯＩウェーハの熱処理が、ＳＯＩ層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われる、いわゆる片面加熱方式の熱処理装置を用いて行われる場合は、本発明の効果が特に顕著に発揮される。このような熱処理装置では、通常、ベースウェーハの第二主表面側に配置された温度センサ（例えば放射温度計）により、該ベースウェーハの温度を測定しつつ、測定されるベースウェーハの温度が設定熱処理温度に昇温・保持されるよう、前記赤外線光源の発熱出力を制御して加熱を行なう。このとき、ＳＯＩ層がシリコン酸化膜とともにフォトニックバンドギャップ構造を形成していると、次のような状況を招来する。

すなわち、初期段階では温度センサが検知するベースウェーハの温度は設定温度よりも低いから、赤外線光源のパワーは増加方向に制御され昇温が開始する。しかし、ＳＯＩ層側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハの第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、光源の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとして赤外線パワーをますます増加させる。つまり、反射があまり生じていない場合（例えば、ＳＯＩ層を形成しない鏡面研磨ウェーハなどに熱処理する場合）と比較して、赤外線光源のパワーはオーバー側にシフトした状態で制御されることとなる。他方、ＳＯＩ層表面からベースウェーハ側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、赤外線光源のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するＳＯＩ層側の温度が過昇して、ベースウェーハの表裏の温度差も非常に大きくなる。その結果、ＳＯＩウェーハにはますます反りが生じやすくなる。しかし、本発明のごとく、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に抑制すれば、このような加熱方式を採用して熱処理を行った場合においても、ＳＯＩウェーハの反りを十分に抑制することができる。

この効果は、熱処理設定温度が例えば１０００℃以上１２００℃以下と高く、また、その設定温度までの昇温速度が例えば５０℃／秒以上１００℃／秒以下と大きい場合に特に顕著である。つまり、昇温速度が大きく設定されている場合、ウェーハの厚さ方向の熱伝導が十分進行しないうちに、赤外線光源のパワーが強められ、温度測定されるベースウェーハの第二主表面上での温度上昇は、ＳＯＩ層側の温度に対してますます遅れることになる。その結果、赤外線光源のパワーがよりオーバーシュートしやすくなり、反りも生じやすいからである。

ベースウェーハ中の酸素析出物は、酸素含有率の比較的高いシリコン単結晶によりベースウェーハを構成した場合に特に発生しやすく、具体的には、石英るつぼを用いたチョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されたものである場合に、ＳＯＩウェーハの製造途上で加わる種々の熱履歴によって、反りの原因となる多量の酸素析出物を生じやすい。従って、ＳＯＩウェーハの製造工程において、酸素析出物を減少させる熱処理を適宜実施することが、最終的なＳＯＩウェーハの酸素析出物の形成密度を低減する観点において望ましい。

ＣＺウェーハなど、酸素濃度が比較的高いシリコン単結晶ウェーハ（バルクのシリコン単結晶の酸素濃度が例えば１２ｐｐｍａ以上２５ｐｐｍａ以下）は、結晶引上後の冷却時や、１０００℃以上の高温熱処理にて酸素を固溶化したあとの冷却時において、５００℃付近、具体的にはサーマルドナーが形成される４５０℃よりも少し高い４８０℃を形成中心温度とする温度域を通過する際に、微小酸素析出物（ＢＭＤ）の析出核（エンブリオ：寸法は通常１ｎｍ以下）を生成することが知られ、上記中心温度付近での保持時間が長いほど形成される析出核の密度も高くなる。そして、この析出核は、上記核生成温度以上であってＳｉ単結晶バルクへの再固溶に係るある臨界温度以下に保持された場合は核がＢＭＤへと成長するが、上記臨界温度よりも高温に保持すれば消滅することが知られている。ＳＯＩウェーハの製造工程上注意する必要があるのは、ＳＯＩ層とベースウェーハとの結合強度を高めるための結合熱処理が、処理能率を高めるために、バッチ式熱処理炉により、熱処理保持温度を１０００℃以上１２００℃以下に設定して、複数枚のＳＯＩウェーハに対し一括して行なう形でなされていることである。この結合熱処理は、処理温度こそ核が消滅する温度域であるが、処理容量の比較的大きいバッチ熱処理であるために、当該の設定処理温度までの昇温速度は１０〜４０℃／分と小さく、該昇温時に析出核があらかたＢＭＤに成長してしまうことになる。なお、本明細書において酸素濃度の単位は、ＪＥＩＤＡ（社団法人日本電子工業振興会の略称。現在はＪＥＩＴＡ（社団法人電子情報技術産業協会）に改称された）の基準を用いて示すものとする。

そこで、この結合熱処理工程に先立って、ベースウェーハ中の酸素析出物の析出核を消滅又は減少させるための核キラー熱処理を実施すると、結合熱処理時にＢＭＤに成長する析出核が大幅に減じられ、最終的に得られるＳＯＩウェーハのベースウェーハ中のＢＭＤの形成密度を容易に１×１０^９／ｃｍ^３未満とすることができる。この、核キラー熱処理は、結合熱処理よりも大きな昇温速度で設定温度に到達させる必要がある。また、熱処理保持温度は９００℃以上１２００℃以下とすることが望ましい。９００℃未満では析出核を十分に再固溶・消滅させることが困難となり、１２００℃を超える熱処理はＳＯＩウェーハの変形につながる場合がある。また、熱処理保持温度まで加熱する際には、５℃／秒以上１００）℃／秒以下の速度で昇温することが望ましい。昇温速度が５℃／秒未満では析出核がＢＭＤに成長する惧れがあり、通常の加熱装置では１００℃／秒を超える昇温速度は困難である。このような昇温速度が要求される核キラー熱処理は、赤外線ランプ加熱を用いた枚葉式の急速熱処理（Rapid Thermal Processing：ＲＴＰ）装置を用いて行なうことが好都合である。該加熱は、ＳＯＩウェーハの両面を赤外線ランプにより同時に加熱して行なうとより望ましいが、片面のみの加熱で行なうことも可能である。

核キラー熱処理の雰囲気は、例えば水素雰囲気又はＡｒ雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気を採用でき、この場合の熱処理保持温度は、９００℃以上１１００℃以下に設定して行なうことが望ましい。水素雰囲気又はＡｒ雰囲気の場合、１１００℃を超える熱処理を行なうと、熱処理中においてシリコン単結晶中への原子空孔（酸素析出の際の拡散を媒介する）の導入が促進され、ＢＭＤの形成密度を却って増加させる場合があるからである。他方、核キラー熱処理は酸素雰囲気にて行なうこともできる。酸素雰囲気下では原子空孔の導入が抑制されるため、熱処理保持温度の設定温度は、高温側により拡張された９００℃以上１２００℃以下に設定して行なうことが可能である。

次に、減厚工程は、貼り合わせ工程に先立って、ボンドウェーハの第二主表面側のイオン注入表面からイオンを打ち込むことにより、剥離用イオン注入層を形成する剥離用イオン注入層形成工程と、貼り合わせ工程の後、ＳＯＩ層となるべきシリコン単結晶薄層を、ボンドウェーハより剥離用イオン注入層において剥離する剥離工程とを含むものとして実施することができる（いわゆるスマートカット（商標名）法）。この場合、核キラー熱処理は、該剥離工程のあとで実施することが望ましい。剥離工程前に核キラー熱処理を実施すると、剥離用イオン注入層において一旦分離したＳＯＩ層となるべきシリコン単結晶薄層が、ボンドウェーハの残余部分と融着し、再度の分離が困難となる場合があるからである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るＳＯＩウェーハの製造方法の基本的な実施形態を説明するものである。まず、工程（ａ）に示すように、例えばシリコン単結晶からなるベースウェーハ７と、工程（ｂ）に示すシリコン単結晶基板からなるボンドウェーハ１とを用意する。これらのシリコン単結晶は、石英るつぼを用いた周知のチョクラルスキー法にて製造されたものであり、初期酸素含有量が例えば１２ｐｐｍａ以上２５ｐｐｍａ以下と比較的高いものが使用される。また、ボンドウェーハ１として、シリコン単結晶ウェーハ上に、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅなどの半導体単結晶をエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハを用いることもできる。

次に、工程（ｃ）に示すように、ボンドウェーハ１の少なくとも第一主表面Ｊ側に絶縁膜としてシリコン酸化膜２を形成する。このシリコン酸化膜２の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法を採用することも可能である。シリコン酸化膜の膜厚ｔｘは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の値とする。そして、工程（ｄ）に示すように、ボンドウェーハ１の第一主表面Ｊ側、本実施形態ではシリコン酸化膜２の表面をイオン注入面として、例えば水素イオンビームを照射することによりイオンを打ち込み、剥離用イオン注入層４を形成する。剥離用イオン注入層４を形成するためのイオンは、水素イオン及び希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）イオンよりなるイオン群から選ばれる少なくとも１種類とすることができる。本実施形態では水素イオンを用いるが、水素イオンに代えて、ヘリウムイオン、ネオンイオンあるいはアルゴンイオンなどの希ガスイオンを打ち込むことにより剥離用イオン注入層４を形成してもよい。

剥離用イオン注入層４を形成したボンドウェーハ１とベースウェーハ７とは、洗浄液にて洗浄され、さらに、工程（ｅ）に示すように、両ウェーハ１，７をイオン注入層４の形成側（すなわち第一主表面Ｊ，Ｋ側）にて貼り合わせる。そして、工程（ｆ）に示すように、その積層体を４００〜６００℃の低温にて分離熱処理することにより、ボンドウェーハ１は前記した剥離用イオン注入層４の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウェーハ７側に残留した部分がＳＯＩ層１５となる（剥離工程）。なお、剥離用イオン注入層４を形成する際のイオン注入量を高めたり、あるいは重ね合わせる面に対して予めプラズマ処理を行なって表面を活性化したりすることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後の残余のボンドウェーハ部分３は、剥離面を再研磨後、再びボンドウェーハ又はベースウェーハとして再利用が可能である。なお、上記の剥離熱処理の温度範囲は、既に説明した微小酸素析出物（ＢＭＤ）の析出核の生成温度と重なっており、該熱処理の間に析出核が増加する可能性が有る。しかし、後述の核キラー熱処理をその後実施すれば、ＢＭＤの析出核は問題なく減少させることができる。

ＳＯＩ層の厚さは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、剥離用イオン注入層の形成深さによって調整できる。図１０に示すように、貼り合わせ後のシリコン酸化膜２の厚さｔ１とＳＯＩ層１５の厚さｔ２とは、シリコン酸化膜２をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１＝１．５、ＳＯＩ層１５をなすＳｉの屈折率ｎ２を３．５とし、それらシリコン酸化膜２とＳＯＩ層１５との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に設定される。

そして、最終的なＳＯＩウェーハを得るには、上記剥離工程後、ベースウェーハ７とＳＯＩ層１５とをシリコン酸化膜２を介して強固に結合する結合熱処理が必要である。この結合熱処理は、図６に示すように、複数枚（図では１枚のみを描いている）のウェーハ５０’をバッチ式の熱処理炉ＢＦ中にて、１０００℃以上１２５０℃以下で実施される。処理容量の比較的大きいバッチ熱処理であるために、設定処理温度までの昇温速度は１０〜４０℃／分と小さく、該昇温時に、ベースウェーハ７中の析出核Ｎが酸素析出物（ＢＭＤ）Ｐに成長する。酸素析出物Ｐ周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数のスリップ転位などの結晶欠陥Ｄが導入され、強度が低下した状態となる。

そこで、上記の結合熱処理に先立って（かつ、剥離工程の後に）、図３に示すような核キラー熱処理を行なう。すなわち、熱処理前の工程Ａの状態では、貼り合わせ体５０’のベースウェーハ７内には比較的高密度（例えば１×１０^９／ｃｍ^３以上）のＢＭＤの核Ｎが形成されている。次いで、工程Ｂに示す核キラー熱処理は、熱処理保持温度は９００℃以上１２００℃以下（望ましくは１０００℃以上１２００℃以下）とし、熱処理保持温度までの昇温を５℃／秒以上１００℃／秒以下にて行なう。この熱処理は、前述のＲＴＰ装置により行なうことができる。

図２は、片面加熱式のＲＴＰ装置の一例を示すもので、被処理物たる貼り合わせ体５０’を１枚のみ収容する収容空間１４が形成された容器２と、収容空間１４内の貼り合わせ体５０’を加熱するためのタングステン−ハロゲンランプなどで構成された加熱ランプ４６とを有する。加熱ランプ４６は貼り合わせ体５０’の上面側と、加熱空隙２５を介して対向配置されている。貼り合わせ体５０’の裏面側には、反射板２８が貼り合せ体５０’と対向するように配置され、反射空隙３５を形成している。反射板２８には、貼り合わせ体５０’の裏面側（つまりベースウェーハの第二主表面側）の温度を測定するためのグラスファイバ３０（図示しない放射温度計に接続されている）の末端が露出している。そして、グラスファイバ３０を介して反射空隙３５より取り出される熱線が、温度検出部をなす周知の放射温度計により個別に検出され、温度信号に変換される。複数の加熱ランプ４６は、グラスファイバ３０による各測温位置に対応して配置されたものが、独立して出力制御できるようにしてある。

上記のような急速昇温により、図３の工程Ｂに示すように、ベースウェーハ中に形成されていた析出核Ｎは、ＢＭＤに成長する前にシリコン単結晶バルクに固溶できる温度に到達するので、熱処理後の核の形成密度を大幅に低減できる。その結果、図３の工程Ｃのように結合熱処理を行った後も、析出核Ｎの数が減じられているために、その成長により顕在化する酸素析出物Ｐの形成密度も１×１０^９／ｃｍ^３以下（望ましくは、５×１０^８／ｃｍ^３以下）に低減することができる。

核キラー熱処理を上記のような片面ＲＴＰ装置にて行なう場合は、図３に示すように、ＳＯＩ層１５側で赤外線照射を行なうこともできるし、ＳＯＩ層側での反射の影響を軽減する観点からは、図４に示すように、ベースウェーハ７の第二主表面（裏面）側にて赤外線ＩＲを照射することがより望ましい。また、より均一な加熱を行なうために、図５に示すように、貼り合わせ体５０’の両面に赤外線ＩＲを照射して加熱を行なうようにしてもよい。核キラー熱処理の雰囲気は水素雰囲気又はＡｒ雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気とすることができる（圧力は例えば１０^３Ｐａ以上１０^６Ｐａ以下）。この場合核キラー熱処理の保持温度は１１００℃以下とするのがよい。一方、核キラー熱処理の雰囲気として酸素含有雰囲気（圧力は例えば１気圧）を用いることもでき、この場合は、望ましい保持温度範囲の上限を１２００℃まで拡張できる。なお、酸素含有雰囲気としては、例えばＯ_２／Ｎ_２混合雰囲気やＯ_２１００％雰囲気とすることができる。

結合熱処理により得られたＳＯＩウェーハ５０は、デバイス化に際して種々の熱処理が実施される。例えばイオン注入法によりドーピング領域をパターニング形成する場合、イオン注入直後のドーパントはキャリア源として活性化していないので、これを活性化するための熱処理が行われる。例えば、Ｂドープの場合、活性加熱処理の温度は例えば１１００℃以上１２００℃以下である。この熱処理も、図２と同様のＲＴＰ装置１を用いて行われ（被処理物はＳＯＩウェーハ５０である）、熱処理温度までの昇温速度が５０℃／秒以上１００℃／秒以下（例えば、７５℃／秒）に設定される急速加熱とされる。ＳＯＩウェーハ５０は、ＳＯＩ層が加熱ランプ４６側に面するよう上面側に配置される。加熱ランプ４６が発する赤外線は、例えば図１２に示すような連続スペクトルを有する、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の近赤外線である（核キラー熱処理でも同じ赤外線が使用される）。

図９は、昇温プロファイルと加熱ランプ４６のパワー制御プロファイルとの一例（ウェーハ面内を複数点測定）を、ＳＯＩウェーハと参考用の鏡面ウェーハ（シリコン単結晶ウェーハ）とで対比して示すグラフである。鏡面ウェーハでは、７５℃／秒の昇温プロファイルを実現するのに、パワー制御プロファイルは、瞬時的な値を除いては、フルパワーのほぼ７０％以下に収まっており、加熱ランプ４６が過昇している気配はない。しかし、ＳＯＩウェーハの場合は、昇温途上でフルパワーの８０％を超える著しいオーバーシュートが生じていること事がわかる。この理由は、以下のようなものであると考えられる。

ベースウェーハ７上にシリコン酸化膜２とＳＯＩ層１５とが１層ずつ形成された構造において、前述のごとく、シリコン酸化膜２の厚さｔ１とＳＯＩ層１５の厚さｔ２とが、シリコン酸化膜２をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１＝１．５、ＳＯＩ層１５をなすＳｉの屈折率ｎ２を３．５とし、それらシリコン酸化膜２とＳＯＩ層１５との、熱処理に使用する赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２としたとき、使用する赤外線のピーク波長をλ（図１２参照）として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下となるように、各層厚ｔ１とｔ２とが選択されている場合、図１０に示すような前述の一次元フォトニックバンドギャップ構造の形成により、ＳＯＩ層１５側で赤外線ＩＲの強い反射が起こる。図２のような片面加熱方式のＲＴＰ装置１では、図１１に示すように、ＳＯＩ層１５側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハ７の第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、加熱ランプ４６の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとしてパワーをますます増加させ、前述のようなオーバーシュートが生ずるのである。ＳＯＩ層１５表面からベースウェーハ７側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、加熱ランプ４６のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するＳＯＩ層１５側の温度が過昇して、ベースウェーハ７の表裏の温度差も非常に大きくなる。

このとき、図６に示すように、ベースウェーハ７の酸素析出物Ｐの形成密度が高くなっていると、酸素析出物Ｐの周囲への結晶欠陥導入により強度の低下したＳＯＩウェーハ５０は、図１１に示すように、高温側となるＳＯＩ層１５側の面内方向の熱膨張が大きくなり、上に凸となるように強い反りを生ずる。例えば、図８に示すように、フォトリソグラフィー工程により第一導電型のイオン注入領域（例えばＢの場合はｐ型の領域）をパターニング形成し、次にこれを活性化させるために急速加熱熱処理を実施すると反りが発生する。この反りが発生した状態で、さらに第二導電型のイオン注入領域（例えばＰの場合はｎ型の領域）をパターニング形成しようとすると、反り発生による面内変位によってマスクがＳＯＩ層に対して相対的な位置ずれを起こし、形成される第二導電型のイオン注入領域の位置もずれやすくなる問題がある。

しかし、図３のように、ベースウェーハ７全体の酸素析出物Ｐの形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に抑制すれば、このような加熱方式を採用してデバイス化時の熱処理を行った場合においても、ＳＯＩウェーハ５０の反りを十分に抑制することができ、ひいては図８のごときパターンずれ不良などの発生も効果的に抑制することができる。

以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。まず、酸素濃度が１６ｐｐｍａ及び２０ｐｐｍａの２種のＣＺシリコン単結晶基板（直径２００ｍｍ、厚さ６２５μｍ）をベースウェーハとして用意した。そして、該ベースウェーハを用いて図１の工程に従い、シリコン酸化膜の厚さｔ１を０．１５μｍとし、ＳＯＩ層の厚さｔ２が０．０５μｍ（（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）＝１．２９）となるように水素イオン注入した後、ボンドウェーハを貼り合せ、５００℃にて剥離熱処理（図１の工程（ｆ））を行なった。そして、該剥離熱処理後の貼り合せ体に、水素雰囲気下でＲＴＰ装置により、種々の温度及び時間にて核キラー熱処理を行ない、次いで図６に示すようなバッチ式の熱処理炉中にて１１００℃で１２０分結合熱処理することにより、種々のＳＯＩウェーハサンプルを得た。結合熱処理後のベースウェーハは、周知のＯＰＰ（Optical Precipitate Profiler）にてＢＭＤを計測し、その形成密度を算出した。結果を図７に示す。核キラー熱処理温度９００度℃以上でＢＭＤ密度の減少効果が生じ始め、特に、１０００℃以上１１００℃以下で効果が最も顕著であることがわかる。

上記のＳＯＩウェーハサンプルのうち核キラー熱処理を３０秒行なったものに対し、模擬デバイス化工程として、片面加熱式のＲＴＰ装置（赤外線の中心波長：１μｍ）を用いて、昇温速度７５℃／秒で１１００℃まで昇温し、６０秒保持した後加熱停止する処理を行なった。そして、その模擬デバイス化工程が終了したＳＯＩウェーハサンプル反り量を、市販のフラットネス測定機（ＡＤＥ社製）により測定した。以上の結果を表１に示す。

この結果によると、適正な温度範囲で核キラー熱処理を施したサンプルは、反り量が顕著に少なくなっていることがわかる。

ＳＯＩウェーハの製造工程の一例を示す説明図。 ＲＴＰ装置の一例を示す断面斜視図。 核キラー熱処理の効果説明図。 核キラー熱処理のより望ましい実施形態を示す模式図。 核キラー熱処理の別のより望ましい実施形態を示す模式図。 結合熱処理と酸素析出物生成との関係を説明する模式図。 核キラー熱処理温度と酸素析出物の形成密度との関係を示すグラフ。 デバイス化時の熱処理によるＳＯＩ基板の反りが引き起こす問題点を説明する図。 片面加熱型ＲＴＰ装置による昇温プロファイルと加熱パワーの制御プロファイルとの関係を、ＳＯＩウェーハと鏡面研磨ウェーハとで比較して示すグラフ。 フォトニックバンドギャップ構造の形成によるＳＯＩ層側での赤外線反射の様子を模式的に示す図。 片面加熱型ＲＴＰ装置においてＳＯＩウェーハに反りが発生する機構を説明する模式図。 ＲＴＰ装置に使用する赤外線光源のスペクトルを幾つか例示して示す図。 種々の層厚関係を満たすＳＯＩ層／シリコン酸化膜の入射赤外線の波長と反射率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１ ボンドウェーハ
２ シリコン酸化膜
７ ベースウェーハ
１５ ＳＯＩ層
５０ ＳＯＩウェーハ

Claims (8)

1. シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有し、かつ、前記ＳＯＩ層側において、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の赤外線照射による熱処理を行うＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第二主表面とを、それら各主表面の少なくともいずれかに形成されたシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウェーハの厚みを減じてＳＯＩ層となす減厚工程と、前記シリコン酸化膜を介した前記ＳＯＩ層の前記ベースウェーハに対する結合を増加するための結合熱処理工程とを有し、
   貼り合わせ後の前記シリコン酸化膜の厚さｔ１と前記ＳＯＩ層の厚さｔ２とが、前記シリコン酸化膜をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の屈折率をｎ２とし、それらシリコン酸化膜とＳＯＩ層との前記赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔ_ＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に設定され、
   さらに、前記結合熱処理工程に先立って、前記ベースウェーハ中の酸素析出物の析出核を消滅又は減少させるための核キラー熱処理を実施し、前記核キラー熱処理前の前記ベースウェーハ中の酸素析出物の析出核の密度が１×１０ ^９ ／ｃｍ ^３ 以上であり、前記核キラー熱処理を実施することにより、前記結合熱処理後の前記ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を１×１０^９／ｃｍ^３未満に調整し、
   前記赤外線照射による熱処理が前記ＳＯＩ層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 前記ＳＯＩ層がシリコン単結晶からなることを特徴とする請求項１記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 前記ベースウェーハとして、石英るつぼを用いたチョクラルスキー法により製造されたものを使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
4. 前記核キラー熱処理は、熱処理保持温度を１０００℃以上１２００℃以下として、前記熱処理保持温度まで加熱する際に５℃／秒以上１００℃／秒以下の速度で昇温することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
5. 前記核キラー熱処理を、赤外線ランプ加熱を用いた枚葉式の急速熱処理装置を用いて行なうことを特徴とする請求項４記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
6. 前記核キラー熱処理を、水素雰囲気又はＡｒ雰囲気あるいはこれらの混合雰囲気にて、前記熱処理保持温度を１０００℃以上１１００℃以下に設定して行なうことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
7. 前記核キラー熱処理を、酸素含有雰囲気にて、前記熱処理保持温度を１０００℃以上１２００℃以下に設定して行なうことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
8. 前記減厚工程は、前記貼り合わせ工程に先立って、前記ボンドウェーハの前記第二主表面側のイオン注入表面からイオンを打ち込むことにより、剥離用イオン注入層を形成する剥離用イオン注入層形成工程と、前記貼り合わせ工程の後、前記ＳＯＩ層となるべき半導体単結晶薄層を、前記ボンドウェーハより前記剥離用イオン注入層において剥離する剥離工程とを含み、前記核キラー熱処理を該剥離工程のあとで実施することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。

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