JP5168788B2

JP5168788B2 - Ｓｏｉウエーハの製造方法

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Publication number: JP5168788B2
Application number: JP2006013558A
Authority: JP
Inventors: 真一郎八木
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP2007194539A; CN101371334B; US7892948B2; WO2007083587A1; CN101371334A; EP1978543A1; EP1978543A4; EP1978543B1; KR20080102362A; KR101355428B1; US20090042364A1

Description

本発明は、基板となるＳＯＩウエーハ上に半導体単結晶膜をエピタキシャル成長させてＳＯＩ層を厚くしたＳＯＩウエーハを製造する方法に関する。

高性能デバイス用の半導体基板として、ボンドウエーハとベースウエーハとを貼り合わせた後、ボンドウエーハを薄膜化した貼り合わせ基板が使用されている。そのような貼り合わせ基板の一つとして、シリコンのＳＯＩ基板が知られている。
ＳＯＩ基板の製造方法として、例えば、以下の貼り合わせ法が知られている。すなわち、鏡面研磨された２枚のシリコンウエーハ（ボンドウエーハとベースウエーハ）を用意し、少なくとも一方のウエーハに酸化膜を形成させる。そして、これらのウエーハを酸化膜を介して貼り合わせた後、熱処理して結合強度を高める。その後、ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）層が形成されたＳＯＩ基板を得る。この薄膜化の方法としては、ボンドウエーハを研削やエッチングによりある程度薄膜化した後、さらにその表面をメカノケミカル研磨することにより所望のＳＯＩ層厚に仕上げることが行われている。

この方法で製造されたＳＯＩウエーハはＳＯＩ層の結晶性や酸化膜の信頼性が通常の半導体ウエーハ並に高いという利点があるが、この製造方法では、ＳＯＩ層の膜厚の均一性に限界があり、高精度の加工手法を用いても目標膜厚に対して高々±０．３μｍ程度の面内均一性しか得られないという欠点がある。また、２枚の半導体ウエーハから１枚のＳＯＩウエーハを得ることしかできず、コスト高になるという問題がある。

最近、新たなＳＯＩウエーハの製造方法として、イオン注入したウエーハを他のウエーハと結合した後に熱処理することにより、イオン注入層で剥離する方法、いわゆるイオン注入剥離法と呼ばれる技術が特許文献１に提案されている。この方法は、２枚のシリコンウエーハのうち、少なくとも一方に酸化膜を形成するとともに、ボンドウエーハの上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、該ウエーハ内部に微小気泡層（イオン注入層）を形成させた後、該イオンを注入した方の面を酸化膜を介してベースウエーハと密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面としてボンドウエーハを薄膜状に剥離し、場合によってはさらに熱処理（結合熱処理）を加えて強固に結合してＳＯＩウエーハとする技術である。
この方法では膜厚均一性が±０．０１μｍ以下のＳＯＩウエーハが比較的容易に得られている。

ところで、ＳＯＩ層の膜厚が数μｍから数１０μｍの比較的厚い膜厚を有するＳＯＩウエーハは、バイポーラデバイスやパワーデバイス用として極めて有用であり、今後の発展も大いに期待されている。従来、このような比較的厚い膜厚を有するＳＯＩウエーハを製造するには、前記の貼り合わせ法により、まずボンドウエーハとベースウエーハを酸化膜を介して貼り合わせ、１１００℃程度で結合熱処理を行い、次いで研削および研磨処理して所望の膜厚を有するＳＯＩウエーハを製造することになる。しかし、その際、ウエーハ周辺部には未結合部が生じるため、研磨前に未結合部を除去するエッジ処理工程を行わなければならず、工程が複雑になり、コスト増につながるという問題があった。また、前述のように、研磨工程だけではＳＯＩ層の膜厚の均一性を良くすることができず、特許文献２に開示されているＰＡＣＥ（ＰｌａｓｍａＡｓｓｉｓｔｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｔｃｈｉｎｇ）法と呼ばれる気相エッチング処理により膜厚を均一化し、鏡面研磨によりヘイズ等の除去を行っていたが、このように気相エッチング後に研磨を行うと却ってＳＯＩ層の膜厚の均一性が悪化したり、潜傷やダメージ層が導入され、結晶性が劣化しやすいという欠点がある上に、加工コストが高くなってしまうことに変わりはない。

一方、イオン注入剥離法では、上記ウエーハ結合法では不可欠であったエッジ処理工程が不要であるため、生産性やコスト面で大きなメリットを有する。しかし、イオン注入装置の加速電圧がイオンの注入深さを決め、これがＳＯＩ層の膜厚を決定することになるので、量産機として通常使用されている大電流のイオン注入装置では、装置上の制限により２００ｋｅＶ程度の加速電圧が限度であるため、せいぜい２μｍ程度の膜厚を持つＳＯＩ層しか作製できなかった。従って、イオン注入剥離法によりこれ以上の膜厚を有するＳＯＩ層を形成するためには、より高加速電圧が得られる大電流のイオン注入装置が必要とされるが、２００ｋｅＶを超えるような高加速電圧が得られる装置では大電流を得ることが難しく、所定の注入量を得るために時間を要することになり、結果的にコスト高につながるため、量産レベルでの実用化はされていなかった。また、剥離後のＳＯＩ表面の面粗さを改善するために研磨等の工程が必要であるという点においては、ＰＡＣＥ法と同様の問題点があった。

上記課題を解決するため、ボンドウエーハとベースウエーハのうち、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、ボンドウエーハの上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入してイオン注入層を形成させた後、該イオンを注入した方の面を酸化膜を介してベースウエーハと密着させ、次いで熱処理を加えて該イオン注入層を劈開面（剥離面）としてボンドウエーハを薄膜状に分離してＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハ（基板となるＳＯＩウエーハ）を作製した後、該ＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させて比較的膜厚の厚いＳＯＩ層を形成させるＳＯＩウエーハの製造方法が特許文献３に開示されている。

しかしながら、上記の方法で基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上に、ランプ加熱方式のエピタキシャル成長装置を用いて高温でエピタキシャル成長を行う際に、ウエーハ上にスリップ転位等が発生しやすく、ＳＯＩウエーハの品質が悪化するという問題点があり、未だ改良の余地があった。

特開平５−２１１１２８号公報特開平５−１６００７４号公報特許第３３５８５５０号

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ベースウエーハ上に酸化膜およびＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法において、スリップ転位等の少ない高品質なＳＯＩウエーハを製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ベースウエーハ上に酸化膜およびＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法において、前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハのエピタキシャル成長開始時の加熱光の波長域における表面の反射率が３０％以上８０％以下となるようにしてエピタキシャル成長を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。

このように、ベースウエーハ上に酸化膜およびＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法において、ＳＯＩウエーハの表面における加熱ランプ光の反射率を３０％以上８０％以下にすれば、ＳＯＩウエーハの表面における加熱ランプ光のエネルギーの吸収が効率良く行われるため、ＳＯＩウエーハ内の温度分布をより均一化することができ、スリップ転位等の発生を抑えることができる。従って、スリップ転位等の少ない高品質のＳＯＩウエーハを効率良く得ることができ、生産性が向上する。

また、本発明は、前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハの表面の反射率を、前記酸化膜の厚さおよび前記ＳＯＩ層の厚さを各々調節することによって３０％以上８０％以下となるようにすることができる。

膜厚の薄いＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハの表面における反射率は、酸化膜とＳＯＩ層とによる一次元フォトニックバンドギャップ構造の形成による寄与が大きい場合がある。そこで、エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハの前記酸化膜と前記ＳＯＩ層の厚さとを各々調節することによってＳＯＩウエーハの表面の反射率を３０％以上８０％以下となるようにすることができる。

また、本発明においては、前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハは、ボンドウエーハの表面から水素イオン、希ガスイオンあるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入してウエーハ内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウエーハの表面とを、酸化膜を介して密着させ、次いで熱処理を加えて該イオン注入層を劈開面としてボンドウエーハを薄膜状に分離して作製することができる。

本発明の効果は、エピタキシャル層を成長させる基板となるＳＯＩウエーハを、上記のイオン注入剥離法を用いて作製する場合において、特に顕著である。イオン注入剥離法によって作製された基板となるＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層が最大で約２μｍ程度までであり、表面で反射が強くなる条件を満たしやすいからである。また、イオン注入剥離法によって作製された基板となるＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層の膜厚均一性が高く、そのようなＳＯＩ層上にエピタキシャル成長を行うと、ＳＯＩ層の膜厚が均一な厚膜ＳＯＩウエーハを製造できる。

上述のようなＳＯＩウエーハの製造方法によって製造されたＳＯＩウエーハであれば、スリップ転位等の少ない、膜厚均一性が高い厚膜ＳＯＩ層を有する高品質なＳＯＩウエーハである。

本発明のように、ベースウエーハ上に酸化膜およびＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法において、前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハのエピタキシャル成長開始時の加熱光の波長域における表面の反射率が３０％以上８０％以下となるようにしてエピタキシャル成長を行えば、ウエーハ内の温度分布をより均一化することができ、その結果、スリップ転位等の発生を抑えることができる。そのため、スリップ転位等の少ない高品質の厚膜ＳＯＩウエーハを効率良く製造することができる。

本発明者は、基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させる際にスリップ転位等が発生しやすくなる問題について検討を重ねた。そのなかで、本発明者は、屈折率が互いに異なる酸化膜とＳＯＩ層とが、エピタキシャル成長開始時に特定の層厚関係を満たしている場合に、後述の一次元フォトニックバンドギャップ構造が形成され、照射される加熱光スペクトルに対する反射率が極度に大きくなることに着目した。そして、このような酸化膜とＳＯＩ層との光学的構造に由来した反射特性に起因して、加熱光照射によるＳＯＩウエーハの加熱に不均一が生じ、スリップ転位等の発生につながると考えた。
次いで、本発明者は、酸化膜とＳＯＩ層との積層部が、特定の波長域で一次元フォトニックバンドギャップ構造を形成して強い反射が生ずる場合、層厚関係を適切に調節することでこの反射を大幅に抑制することが可能であることを見出した。

また、本発明者が鋭意検討した結果、エピタキシャル成長に使用される加熱光のスペクトルは、その強度ピークが通常１．０μｍ付近の波長域にあり、酸化膜とＳＯＩ層との積層部が示す当該波長域の光に対する反射率が小さくなるように酸化膜とＳＯＩ層との層厚関係を調節すること、具体的には、当該波長域における表面での反射率が８０％以下、より好ましくは７０％以下となるように、エピタキシャル成長を行う前の時点における基板となるＳＯＩウエーハの酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とを調節することにより、光源からの加熱に寄与する波長成分は、効率的にＳＯＩウエーハに吸収され、エピタキシャル層を成長させる際の加熱に伴うスリップ転位等の発生を極めて効果的に抑制できることを見出した。

以下、より詳細に説明する。
本発明者は、基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル成長を行う際の条件と、ウエーハ上のスリップ転位等の発生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）基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル成長を行う際に、スリップ転位等が発生しやすくなる場合がある。具体的には、ＳＯＩ層側からの光照射によりＳＯＩウエーハを加熱する場合である。
（２）スリップ転位等の発生が顕著なのは、照射する加熱光の波長（以下、ピーク波長λで代表させる）と、酸化膜とＳＯＩ層との当該波長域における光学的厚さｔＯＰとが一定の関係を満たす場合であり、特に、エピタキシャル成長開始時にｔＯＰ＝０．５λに近い関係を満たす場合のスリップ転位等の発生が顕著である。
エピタキシャル成長を行う際の加熱光照射時に、上記（２）の条件を満たす場合に特にスリップ転位等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。

ＳＯＩ層表面での光反射は、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、光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ＳＯＩウエーハの全面に均一に加熱光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酸化膜とＳＯＩ層とが組み合わされた場合には、その層厚と入射光の波長との関係によっては、光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ウエーハ構造、つまり、ベースウエーハ上に酸化膜とＳＯＩ層とが１層ずつ形成された上記積層部の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、酸化膜の当該波長域における屈折率をｎ１、ＳＯＩ層の当該波長域における屈折率をｎ２とすると、酸化膜とＳＯＩ層との入射光波長域における光学的厚さｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２が、入射光の波長λの１／２（つまり、０．５λ）を満たす場合である。このとき、図３に示すような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１８側で加熱光ｈνの強い反射が起こる。特に、酸化膜とＳＯＩ層との光学的厚さの比（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）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、酸化膜の赤外波長域の屈折率ｎ１は、シリコン酸化膜の場合は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、ＳｉｘＧｅ１−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。

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、入射光の波長λに接近していると、ＳＯＩ層表面に均一に加熱光が照射されていても反射による影響でウエ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）。ベースウエーハの層厚方向の温度不均一が生じた場合、ベースウエーハの面内熱応力も層厚方向に分布を生じ、スリップ転位等が発生するための応力として作用する。特に、ベースウエ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エ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等などの結晶欠陥が導入されるものと考えられる。

従って、酸化膜とＳＯＩ層との積層部が形成するフォトニックバンドギャップの中心波長が、入射光のピーク波長λからなるべく離れるように、酸化膜とＳＯＩ層との各層厚を調節することにより、上記温度不均一の原因となる加熱光の反射を効果的に抑制でき、具体的には、反射率を８０％以下にすることができる。しかし、現状のＳＯＩウエーハの構造では反射率を３０％未満にすることは困難であり、そうするとすれば歩留りの低下によりコスト増となってしまう。

これにつき、本発明者が実験により鋭意検討したところ、酸化膜をなすＳｉＯ２の波長域における屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の波長域における屈折率をｎ２とし、それら酸化膜とＳＯＩ層との波長域における光学的厚さｔＯＰが０．５λからできるだけ離れるように、酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とを各々調節することによって、反射率を３０％以上８０％以下にすることができる。その結果、ＳＯＩ層側からの光照射によりＳＯＩウエーハをより均一に加熱することが可能となり、エピタキシャル成長時にＳＯＩウエーハに生ずるスリップ転位等をより効果的に防止できる。

また、上記の本発明の効果は、エピタキシャル成長時の加熱が、ＳＯＩ層の第一主表面側にのみ配置された加熱光源により行われる、いわゆる片面加熱方式のエピタキシャル成長装置を用いて行われる場合は、特に顕著に発揮される。このようなエピタキシャル成長装置では、通常、ベースウエーハの第二主表面側（裏面側）に配置された温度センサ（例えば放射温度計）により、該ベースウエーハの温度を測定しつつ、測定されるベースウエーハの温度が設定加熱温度に昇温・保持されるよう、前記加熱光光源の発熱出力を制御して加熱を行う。このとき、ＳＯＩ層が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エーハの温度は設定温度よりも低いから、加熱光光源の出力は増加方向に制御され昇温が開始する。しかし、ＳＯＩ層側では到来した加熱光の多くが反射されるため、ベースウエ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加熱光の出力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エーハなどにエピタキシャル成長を行う場合）と比較して、加熱光光源の出力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エーハ側への熱伝達は、加熱光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、加熱光光源の出力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層側の温度は過剰に上昇して、ベースウエーハの表裏の温度差も非常に大きくなる。その結果、ＳＯＩウエーハの温度不均一はますます拡大しやすくなる。しかし、酸化膜とＳＯＩ層との積層部でのフォトニックバンドギャップ形成を抑制し、本発明のごとく表面における反射率を３０％以上８０％以下とすることにより、片面加熱方式のエピタキシャル成長装置を用いる場合でも、ＳＯＩウエーハ上のスリップ転位等の発生を効果的に防止できる。

この効果は、加熱設定温度が例えば１０００℃以上１３００℃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、ウエーハの厚さ方向の熱伝導が十分進行しないうちに、加熱光光源の出力が強められ、温度測定されるベースウエ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、加熱光光源の出力がより過剰に強くなりやすくなり、温度不均一も生じやすくなるからである。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について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。
図１は基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法を示した説明図であり、エピタキシャル層を成長させる基板となるＳＯＩウエーハは、２枚のシリコンウエーハを貼り合わせ、その後にイオン注入剥離法によってＳＯＩ層を薄膜化する方法によって作製する方法を示したものである。

ここでは、エピタキシャル層を成長させる基板となるＳＯＩウエーハを作製する工程はイオン注入剥離法によるものとしたが、イオン注入剥離法に限らず、どんな方法で作製しても良い。例えば、シリコンウエーハに酸素イオンを注入した後に熱処理する方法（ＳＩＭＯＸ法）でも良いし、シリコン単結晶ウエーハ上に、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エーハを用いることもできる。また、貼り合わせ後、研削等により薄膜化してＳＯＩウエーハを製造した場合にも適用できる。

まず、工程（ａ）では、２枚のシリコン鏡面ウエーハを準備するものであり、デバイスの仕様に合った支持基板となるベースウエーハ１４とＳＯＩ層となるボンドウエーハ１１を用意する。

次に、工程（ｂ）では、そのうちの少なくとも一方のウエーハ、ここではボンドウエーハ１１を例えば熱酸化して、その表面に、例えば膜厚が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の酸化膜１２を形成する。この酸化膜の形成は、ＣＶＤ等の方法を採用することも可能である。
前記酸化膜１２の膜厚は、熱酸化の場合は、酸化処理温度や時間、酸化処理に用いる雰囲気中の酸素濃度等によって精密に調節可能である。この場合、酸化処理温度を高くすること、酸化処理時間を長くすること、酸化処理に用いる雰囲気中の酸素濃度を高くすることが、酸化膜１２の膜厚を厚くする方向に寄与する。この酸化膜１２の膜厚が、そのまま、後の工程（ｆ）で作製される基板となるＳＯＩウエーハの酸化膜（埋め込み酸化膜）１７の膜厚ｔ１となる。

次に、工程（ｃ）では、ボンドウエーハ１１の片面に対して水素イオンまたは希ガス（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、ここでは水素イオンを注入し、イオンの平均進入深さにおいて表面に平行なイオン注入層１３を形成させる。

イオン注入層１３の深さは、例えば２０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の値とすることができ、イオン注入エネルギー等によって精密に調節可能である。この場合、イオン注入エネルギーを高くすることが、イオン注入層１３の深さを深くする方向に寄与する。このイオン注入層１３の深さは、後の工程（ｆ）で作製される基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層１８の膜厚を決定することに直接的に関与し、酸化膜１７の膜厚とＳＯＩ層１８の膜厚の和にほぼ等しい。

次に、工程（ｄ）は、水素イオンを注入したボンドウエーハ１１の水素イオン注入面をベースウエーハ１４に酸化膜を介して重ね合わせて密着させる工程である。常温の清浄な雰囲気下で２枚のウエーハの表面同士を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着する。

次に、工程（ｅ）は、イオン注入層１３を境界として剥離することによって剥離ウエーハ１５とＳＯＩウエーハ１６に分離する剥離熱処理工程である。例えば不活性ガス雰囲気下約３００〜６００℃の温度で熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによって剥離ウエーハ１５とＳＯＩウエーハ１６に分離される。なお、剥離用イオン注入層１３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、剥離ウエーハ１５は、剥離面を研磨後、再びボンドウエーハまたはベースウエーハとして再利用が可能である。

剥離工程の後、工程（ｆ）で結合熱処理工程を行う。この工程は前記工程（ｄ）（ｅ）の密着工程および剥離熱処理工程で密着させたウエーハ同士の結合力では、そのままデバイス工程で使用するには弱いので、結合熱処理としてＳＯＩウエーハ１６に高温の熱処理を施し結合強度を十分なものとする。この熱処理は、例えば不活性ガス雰囲気下、１０００〜１２００℃で３０分から２時間の範囲で行われる。

この場合、剥離熱処理を、例えば８００℃以上等の高温で行うことによって結合熱処理を兼ねるものとし、単独で行う結合熱処理を省略しても良い。
また、この後に、ＳＯＩ層１８の表面、すなわち剥離面の、工程（ｃ）でのイオン注入によるダメージ層などを取り除くために、研磨代の非常に小さい研磨、いわゆるタッチポリッシュや、酸化熱処理後に生成した酸化膜をエッチング除去する、いわゆる犠牲酸化等を行っても良い。

以上のような工程を経ることで酸化膜１７およびＳＯＩ層１８を備え、ＳＯＩ層１８上にエピタキシャル成長を行うための基板となるＳＯＩウエーハ１９を作製できる。

次に、工程（ｇ）は、基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル成長を行い、所望の厚さのＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを製造する工程である。
このエピタキシャル成長は例えば図２に示すような枚葉式の気相エピタキシャル成長装置を用いて行われる。このエピタキシャル成長装置３０は例えばシリコン単結晶ウエーハ（ウエーハＷ）等の基板の主表面に、気相エピタキシャル成長させるための、加熱を伴う処理を１枚ずつ行う装置である。

エピタキシャル成長装置３０は、主にエピタキシャル成長容器３１と、ウエーハＷを載置するためのサセプタ３２と、サセプタ３２を支える支持手段３３と、温度測定手段３４とウエーハＷを加熱するための加熱装置３５等を備えて構成されている。エピタキシャル成長容器３１は、ウエーハＷを内部に配してエピタキシャル成長を行うためのもので、その頂壁３１ａと底壁３１ｂとは、透光性の石英で構成されている。また、熱処理容器３１の側壁には、エピタキシャル成長容器３１内に反応ガスを供給するためのガス供給口３１ｃと、エピタキシャル成長容器３１から反応ガスを排出するためのガス排出口３１ｄとが形成されている。

サセプタ３２は、エピタキシャル成長容器３１の内部に備えられ、グラファイトに炭化珪素がコーティングされて形成されている。サセプタ３２の主表面には、ウエーハＷを載置するための略円形の座ぐり３２ａが形成されている。支持手段３３は、サセプタ３２の下方において上下方向に延在する回転軸３３ａ（回転軸３３ａには、図示しない回転駆動手段が連結されている）と、回転軸３３ａ上端部から斜め上方に向けて放射状に分岐して、その先端部がサセプタ３２下面を支えるスポーク３３ｂと、により構成されている。サセプタ３２の裏面において、支持手段３３のスポーク３３ｂ先端部と接触する箇所には、図示しない凹部が構成されている。この凹部にスポーク３３ｂ先端部が陥入されることで、サセプタ３２は支持手段３３上に固定されるようになっている。

本実施形態においてエピタキシャル成長のための加熱は、エピタキシャル成長温度までの昇温速度が５０℃／秒以上１００℃／秒以下、例えば７５℃／秒に設定された急速加熱で行われる。ＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層が加熱ランプ３５に面するように上面側に配置される。加熱ランプ３５が発する加熱光は、例えばピーク波長λが例えば１０００ｎｍの近赤外線である。

エピタキシャル成長の反応温度は、例えばシリコンの場合は９００℃以上１２００℃以下で行われる。また、エピタキシャル成長の反応時間は、例えば３０秒以上３０分以下で行われる。反応時間は長くてもよいが、その場合は生産性が低下する。また、エピタキシャル層の膜厚は反応ガスの流量、反応温度、反応時間によって調節できる。

エピタキシャル成長後のエピタキシャル層２０は、エピタキシャル成長前のＳＯＩ層１８と一体となってエピタキシャル成長後のＳＯＩウエーハ２１のＳＯＩ層を形成する。
このようにして所望の膜厚のＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハ２１が製造される。

ところで、前述のように、工程（ｂ）の段階で、酸化膜１７の厚さｔ１が決定される。また、工程（ｃ）のイオン注入の際のイオン注入エネルギーによって決定されるイオン注入深さにおいて工程（ｅ）の段階で剥離されるために、ＳＯＩ層１８の厚さｔ２が工程（ｃ）の際に決定される。つまり、工程（ｂ）および工程（ｃ）の段階において、条件を適当に調節することで、酸化膜１７の厚さｔ１およびＳＯＩ層１８の厚さｔ２の厚さを調節することができる。

ここではイオン注入剥離法によって基板となるＳＯＩウエーハを作製する場合の、酸化膜の厚さｔ１、ＳＯＩ層１８の厚さｔ２の調節の方法を述べたが、他の方法によってエピタキシャル層を成長させる基板となるＳＯＩウエーハを作製する場合においても、適当な方法で酸化膜の厚さｔ１およびＳＯＩ層の厚さｔ２を調節することができる。例えば、ＳＩＭＯＸ法では、例えば、酸素イオンを注入するときの注入エネルギー等を調節することによって酸化膜の厚さｔ１およびＳＯＩ層の厚さｔ２を調節することができる。
なお、両層の各層厚ｔ１、ｔ２と、屈折率ｎ１、ｎ２が決定されれば、フォトニックバンドギャップ理論により、積層部の反射率の波長依存性を計算によりシミュレーションすることができる。

すなわち、本発明は、酸化膜１７とＳＯＩ層１８との積層部が一次元フォトニックバンドギャップ構造をなるべく形成しないこと、つまり、両層の光学的厚さの合計ｔＯＰが、フォトニックバンドギャップ形成条件となる０．５λからなるべく隔たるように、シリコン酸化膜１７の層厚ｔ１とＳＯＩ層１８の層厚ｔ２を調節する点に特徴がある。このような層厚関係を、エピタキシャル成長開始時において満たすことで、エピタキシャル成長後のＳＯＩウエーハ上のスリップ転位等の欠陥密度を抑えることができる。エピタキシャル成長開始時に所定の反射率を有することが、エピタキシャル成長後のＳＯＩウエーハの品質に影響を与えるのは、成長開始時に面内温度が不均一であると、不均一にエピタキシャル層が成長し、その後の成長過程においても均一性が修正されないためであると考えられる。

（実施例１）
以下、本発明の実施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。
図１に従い、基板となるＳＯＩウエーハをイオン注入剥離法によって作製する方法について説明する。

酸素濃度が２０ｐｐｍａのＣＺシリコン単結晶基板（直径２００ｍｍ（８インチ）、厚さ６２５μｍ）の薄円板状のウエーハを４枚用意し、それぞれ２枚ずつをボンドウエーハとベースウエーハとした。
次に、この２枚のボンドウエーハを酸化雰囲気下で熱処理し、ウエーハ表面全体に酸化膜を形成させた。このとき、熱処理の時間を調節して、酸化膜の厚さを１４５ｎｍとした。このボンドウエーハにドーズ量１０×１０^１６／ｃｍ^２、注入エネルギーを調節することによって注入深さを１９５ｎｍ、２１５ｎｍにした条件で２枚のボンドウエーハにそれぞれ水素イオン注入を行った。

次いで、図１の工程（ｄ）（ｅ）（ｆ）に従い、２枚の基板となるＳＯＩウエーハを用意した。これらのＳＯＩウエーハの酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２の組み合わせｔ２／ｔ１の組み合わせは、それぞれ５０ｎｍ／１４５ｎｍ、７０ｎｍ／１４５ｎｍであった。

これらのＳＯＩウエーハの反射率を測定した。この結果を図４に示す。加熱ランプによる光量が最大となる１０００ｎｍ付近では反射率はそれぞれ７６％、８０％であった。

次に、図２に示すような枚葉式の気相エピタキシャル成長装置を用いて、上記の基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させた。反応温度は１０５０℃、反応時間は３０秒とした。エピタキシャル層の膜厚はともに１０００ｎｍであり、エピタキシャル成長後のＳＯＩ層の総膜厚と酸化膜の厚さは、それぞれ１０５０ｎｍ／１４５ｎｍ、１０７０ｎｍ／１４５ｎｍとなった。

このようにしてエピタキシャル成長を行ったＳＯＩウエーハについて、トータルスリップ長さを測定すると、それぞれ５ｍｍ、３０ｍｍであった。

（実施例２・比較例）
次に、実施例１と同様の方法（注入深さ：２１５ｎｍ）で、酸化膜の厚さとＳＯＩ層の厚さを調節して表面反射率をそれぞれ３０％〜９５％にした基板となるＳＯＩウエーハを７枚用意した。これらの基板となるＳＯＩウエーハのＳＯＩ上にエピタキシャル層を反応温度１０５０℃、反応時間３０秒の条件下で１０００ｎｍ成長させ、ＳＯＩウエーハを製造した。

エピタキシャル成長後に測定したトータルスリップ長さとエピタキシャル成長前のＳＯＩウエーハの反射率の関係を図５に示す。反射率が８０％を超えるＳＯＩウエーハではトータルスリップ長さが許容値である１００ｍｍを超える可能性があるが、反射率８０％以下のＳＯＩウエーハでは、トータルスリップ長さが許容値以下であり、特に反射率が７０％以下では、ほとんど０となっている。反射率が６０％以下では、すべて０であった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。

ＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造工程を示す説明図である。本発明で用いることができる枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の概略構成図である。フォトニックバンドギャップ構造の形成によるＳＯＩ層側での光反射の様子を模式的に示す図である。ＳＯＩウエーハの反射率を測定した結果を示すグラフである。エピタキシャル成長前のＳＯＩウエーハの反射率とエピタキシャル成長後のトータルスリップ長さとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１１…ボンドウエーハ、１２…酸化膜、１３…イオン注入層、１４…ベースウエーハ、１５…剥離ウエーハ、１６…ＳＯＩウエーハ、１７…酸化膜、１８…ＳＯＩ層、１９…ＳＯＩウエーハ、２０…エピタキシャル層、２１…ＳＯＩ層を厚くしたＳＯＩウエーハ、３０…エピタキシャル成長装置、３１…エピタキシャル成長容器、３１ａ…頂壁、３１ｂ…底壁、３１ｃ…ガス供給口、３１ｄ…ガス排出口、３２…サセプタ、３２ａ…座ぐり、３３…支持手段、３３ａ…回転軸、３３ｂ…スポーク、３４…温度測定装置、３５…加熱ランプ、Ｗ…半導体ウエーハ。

Claims

ベースウエーハ上に酸化膜およびＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層上に、前記ＳＯＩ層の側に配置した加熱光源により行われる片面加熱方式のエピタキシャル成長装置を用いて、前記ベースウエーハの前記ＳＯＩ層とは反対側に配置された温度センサにより、前記ベースウエーハの温度を測定しつつ、測定される前記ベースウエーハの温度が設定加熱温度に昇温・保持されるよう、前記加熱光源の発熱出力を制御して加熱を行い、エピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くするＳＯＩウエーハの製造方法において、前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハのエピタキシャル成長開始時の加熱光の波長域における表面の反射率を、前記酸化膜の厚さおよび前記ＳＯＩ層の厚さを各々調節することによって、３０％以上７０％以下となるようにしてエピタキシャル成長を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
前記エピタキシャル層を成長させるＳＯＩウエーハは、ボンドウエーハの表面から水素イオン、希ガスイオンあるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入してウエーハ内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウエーハの表面とを、酸化膜を介して密着させ、次いで熱処理を加えて該イオン注入層を劈開面としてボンドウエーハを薄膜状に分離して作製することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。