(57)【要約】【課題】  本発明はＳＯＩ構造のＳＯＩ層を薄膜化した場合に起こる面内均一性が劣化する問題の解決を図る。【解決手段】  ＳＯＩ構造を有する基板において、ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程とその後の第１の熱処理工程により前記ＳＯＩ層を薄膜化する。これにより、ＳＯＩ構造の基板のＳＯＩ層を面内膜厚分布を劣化させることなくＳＯＩ層を薄膜化できる。また、前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気および／または還元性雰囲気で第２の熱処理を施すことをにより薄膜化処理により生じたダメージ層の除去および薄膜化処理により生じたダメージ層の再結晶化および表面ラフネスの改善をすることができる。【選択図】          図１
2006013179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＩ構造を有する基板において、ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と、その後の第１の熱処理工程により前記ＳＯＩ層を薄膜化することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気または還元雰囲気で第２の熱処理を施す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。
【請求項３】
前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気および還元性雰囲気で第２の熱処理を施す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造方法、詳しくはＳＯＩウェーハにおいて、ＳＯＩ層の面内膜厚バラツキの劣化を極力抑えながらＳＯＩ層を薄膜化するＳＯＩウェーハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＩウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べ、素子間の分離、素子と基板間の寄生容量の低減、３次元構造が可能といった優越性があり、高速・低消費電力のＬＳＩに使用されている。ＳＯＩウェーハの製造方法には、少なくとも一方のシリコンウェーハに酸化膜を形成した２枚のシリコンウェーハを結合させたのち研削、研磨してＳＯＩ層を形成する貼り合わせ法がある。このＳＯＩ構造を有するウェーハにおいて、パターンの微細化に伴い活性層（ＳＯＩ層）が１００ｎｍ以下に薄くなっていくとともにＳＯＩ層膜厚均一性が厳しく要求されるようになっている。これまで面内均一性に優れた薄膜ＳＯＩ基板の製造方法として以下の方法が提案されてきた。
【０００３】
（１）グラインドバック（ＧＢ）法：貼り合せ後ＳＯＩ層側基板の裏面から研削・研磨して薄くする方法で、ウェーハ外周部が中央部と比較して、薄くなったり（ロールオフ）、厚くなったり（ロールアップ）しＳＯＩ層表面の面内均一性を劣化させることがある。また１００ｎｍ以下の薄膜ＳＯＩに対しては研磨代制御性がほとんどない。
（２）ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法：ＧＢ法と比較して、絶対膜厚および面内均一性制御に優れており、スマートカット法の薄膜化に適用されているが、近年要求されているＳＯＩ層厚さ１００ｎｍ以下、面内均一性±１０％以下には対応できない。
（３）犠牲酸化法：ＳＯＩ層を酸化雰囲気中で熱処理することで表面を酸化し、その後ＨＦ溶液により酸化膜をエッチングしてＳＯＩ層を薄膜化する方法で、本方法の薄膜化面内均一性は酸化膜の厚さ分布によって決まる。酸化膜成膜は通常縦型炉によって行われるが、その構造上の理由により、基板面内では酸化性ガス流れおよび温度分布が必ずしも均一ではなく、酸化膜厚さにバラツキが生じる。特に酸化膜厚が厚い場合、膜厚不均一性が大きくなり、結果的にＳＯＩ膜厚均一性が劣化する。言い換えれば厚いＳＯＩ層から非常に薄いＳＯＩ層に薄膜化するための手法として適さない。
（４）水素イオン剥離法（スマートカット法：登録商標）：例えば、特許文献１に示されるこの方法では、研磨による薄膜化を行わず、二枚の半導体基板のうち、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方の半導体基板の上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、該半導体基板内部に微小気泡層（封入層）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他方の半導体基板と密着させ、その後熱処理を加えて微小気泡層を劈開面として一方の半導体基板を薄膜状に剥離し、さらに熱処理を加えて強固に結合してＳＯＩ基板とする技術である。この方法では、劈開面は比較的良好な鏡面であり、ＳＯＩ層の膜厚の均一性も高いＳＯＩ基板が比較的容易に得られている。しかし、このスマートカット法においても、後述する理由により剥離後にＣＭＰや犠牲酸化などで薄膜化する工程が必要であり、薄膜化の研磨代（エッチング代）が大きい場合には問題となる。
【０００４】
このようなにＧＢ法、ＣＭＰ法、犠牲酸化法の薄膜化の手法では、いずれも薄膜化によってＳＯＩ層の面内均一性が劣化するという問題があり、１００ｎｍ以下の非常に薄いＳＯＩ層を均一に得ることができない。また、スマートカット法において、水素イオン注入条件により剥離直後のＳＯＩ層厚さを薄くする方法として、ＢＯＸ層形成後水素イオン注入する際、剥離後の薄膜化取り代を少なくするためにイオン注入時のイオン加速電圧を小さくする方法が考えられる。
【０００５】
一方、平坦化方法に関して、剥離した時のダメージにより、剥離後のＳＯＩウェーハの表面（剥離面）が通常の鏡面ウェーハと比較して粗くなってしまう問題がある。この問題に対しては、例えば、特許文献２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法に、剥離後のウェーハの表面を酸化処理した後に、水素を含む還元性雰囲気下で熱処理して、表面を平坦化する技術が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２６４５９４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなＧＢ法、ＣＭＰ法、犠牲酸化法の薄膜化及び平坦化の手法では、いずれも薄膜化によってＳＯＩ層の面内均一性が劣化するという問題がある。スマートカット法において、水素イオン注入条件により剥離直後のＳＯＩ層厚さを薄くする必要があり、その為には加速電圧と貼り合わせ欠陥（ブリスター）の関係を詳細に検討した結果、５０ｋｅＶ以下の低加速電圧で水素イオン注入をするとブリスター発生の確率が低い加速電圧ほど高くなることがわかった（図２）。
【０００８】
これは、注入した水素が貼り合わせ剥離処理中に、シリコン層およびＢＯＸ層を貼り合わせ界面まで拡散し、そこで気体状態になってブリスター欠陥になる、というブリスター発生機構を想定すると説明ができる。すなわち、水素イオン注入の加速電圧が小さいほど、貼り合わせ界面までの距離が短くなり水素の拡散量が大きくなってブリスター発生確率が高くなるものと考えられる。また、剥離されるＳＯＩ層＋ＢＯＸ層の厚さが薄くなり、機械的強度が低下し、より欠陥が発生しやすくなったことも一因と考えられる。以上の結果は、低加速電圧注入により剥離後の薄膜化取り代を小さくでき、その結果薄いＳＯＩ層においても面内膜厚均一性を損ねない反面、貼り合わせ欠陥が多く発生するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような上記問題点に鑑みてなされたものであって、ＳＯＩ構造を有した基板表面に水素イオンを注入し、その後熱処理を施すことでＳＯＩ層表面を剥離させ、所定の厚さまで薄膜化する方法を提供する。水素イオン注入の注入深さは、イオン注入の加速電圧で一義的に決まるので、ウェーハ全体のＳＯＩ層面内バラツキを殆ど劣化させることなく薄膜化が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、ＳＯＩ構造を有する基板において、ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と、その後の第１の熱処理工程により前記ＳＯＩ層を薄膜化することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００１１】
請求項１の発明によれば、ＳＯＩ構造を有する基板において、ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と、その後の第１の熱処理工程により、注入した水素イオンを熱処理で凝集・バブルを形成し、注入深さより表面側が剥離することで前記ＳＯＩ層を薄膜化する。これにより、ＳＯＩ層面内膜厚分布を劣化させることなくＳＯＩ層を薄膜化することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気または還元雰囲気で第２の熱処理を施す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である。
【００１３】
請求項２の発明によれば、前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気で第２の熱処理を施し表面近傍に酸化膜を形成することにより、薄膜化処理により生じたダメージ層の除去をすることができる。また還元性雰囲気で熱処理を施すことにより、薄膜化処理により生じたダメージ層の再結晶化することにより、薄膜化処理により生じたダメージ層の除去をすることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気および還元性雰囲気で第２の熱処理を施す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である。
【００１５】
請求項３の発明によれば、前記ＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程と第１の熱処理の後に、酸化性雰囲気で酸化膜を形成することで剥離ダメージ層を除去し、ＨＦ洗浄等で酸化膜を除去した後、還元性雰囲気で第２の熱処理を施すことにより、請求項２の単一雰囲気での熱処理に比較して、剥離ダメージ層の除去および表面結晶性の完全性をより完全に行うことが可能となり、合わせて表面ラフネスの改善をすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、ＳＯＩ構造を有する基板のＳＯＩ層表面に水素イオンを注入する工程とその後の第１の熱処理工程および第２の熱処理工程により前記ＳＯＩ層を薄膜化することすることができるとともに、薄膜化処理により生じたダメージ層の除去およびダメージ層の再結晶化、表面ラフネスの改善し、膜厚の均一化をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係るＳＯＩウェーハの製造方法の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００１８】
本発明を適用させるベースとなるＳＯＩ構造を有する基板としては、貼り合わせ後グラインドバックした基板、またはスマートカット法により作成した基板のどちらでも良い。しかし、高精度薄膜ＳＯＩ基板としてはスマートカット法により作成したＳＯＩ基板がＳＯＩ層の面内均一性の点で好ましい。スマートカット法により作成したＳＯＩ基板において、本発明を適用させる時には、（ａ）貼り合わせをした後、イオン注入層で剥離したものを用いる。（ｂ）貼り合わせをした後、イオン注入層で剥離し、その後平坦化処理（Ａｒ雰囲気または酸化雰囲気での高温処理）したものを用いる。この（ａ），（ｂ）２つのプロセスが考えられる。
【００１９】
しかし（ａ）のプロセスでは、ＳＯＩ層表面のラフネスが大きく（ＲＭＳ〜数ｎｍ）、その影響で注入イオンの深さがばらつく。そのため薄膜化熱処理（水素をバブル化してＳＯＩ層表面を除去）後のＳＯＩ層表面ラフネスが更に大きくなるので、後工程の平坦化処理が困難となる。よって（ｂ）のプロセスで表面を一旦平坦にした後、本発明の薄膜化処理を施した方が好ましい。また、本発明である薄膜化処理を施すためのスマートカット基板作製のための水素イオン注入加速電圧は貼り合わせ欠陥（ブリスター）低減のために４０ｋｅＶ以上が好ましく、更に好ましくは、５０〜８０ｋｅｖである。８０ｋｅｖ以上では剥離後の表面ラフネスが大きくなり、後工程の平坦化処理が困難となる。
【００２０】
薄膜化のための水素イオン注入条件として、所望のＳＯＩ層厚さになるような加速電圧を、また注入量（ドーズ量）はＳＯＩ層表面を熱処理によって剥離できる量を適宜選択する。注入加速電圧は、薄膜化するＳＯＩ基板のＳＯＩ層厚さから所望のＳＯＩ層厚さの差に相当する注入深さになるように選択するのが好ましい。しかしながら表面剥離時にダメージ層（約５００−１０００Å）を形成するため、犠牲酸化によりダメージ層を除去する場合は、その厚さ分を考慮して加速電圧を選択する必要がある。
【００２１】
本発明のＳＯＩ層の薄膜化するための水素イオン注入による剥離処理は、通常のスマートカットによる剥離処理とは異なり、表面剥離時に貼り合せウェーハが存在しない。このためにＳＯＩ表面をムラ無く剥離させるためには、４〜１５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2のドーズ量が好ましく、更に好ましくは６〜１０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の水素イオン注入ドーズ量が好ましい。１５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上では水素イオン注入時に剥離現象がおき、水素イオン注入機のパーティクル汚染させる危険性がある。水素イオン注入後の第１の熱処理は、水素バブルが形成する４００℃以上が必要であり、好ましくは５００〜７００℃がよい。保持時間は熱処理温度にも依存するが、５００℃で５分以上が好ましい。熱処理炉としては、バッチ式炉（縦型炉、横型炉）や枚葉式炉（ＲＴＰ炉、急速昇高温炉）が適用できる。また、熱処理雰囲気としては窒素雰囲気、酸素雰囲気、アルゴン雰囲気、その混合雰囲気などが適用できる。
【００２２】
薄膜化処理後、ダメージ層除去のための第２の熱処理として、酸化熱処理またはダメージ領域の再結晶化のために還元雰囲気中高温熱処理、またはその両方を実施することが必要となる。酸化処理の場合、ドライ酸化（酸素ガスを流しての熱処理）やＷｅｔ酸化（酸素と水素ガスを反応させで発生したＨ2Ｏ雰囲気の中で熱処理）、塩酸酸化（ＨＣｌを含んだ酸素雰囲気で酸化）などが選択できる。
【００２３】
熱処理温度および保持時間は、ダメージ層を除去できる酸化膜厚さを有する成膜が可能な条件を任意に選択すれば良い。水素イオン注入＋熱処理による剥離ダメージは、一般に５０〜１００ｎｍ程度であることから、酸化膜厚さは１００〜２００ｎｍ程度あればダメージ層除去が可能となる。例えばドライ酸化では１０００℃で５時間、Ｗｅｔ酸化であれば９５０℃で３０分程度の処理を行えば良い。２００ｎｍ以上の酸化膜を成膜することでもダメージ層は除去可能であるが、酸化膜厚さの面内不均一性が大きくなり、できるだけ少ない酸化膜厚が好ましい。
【００２４】
還元雰囲気中高温熱処理においては、雰囲気として、Ａｒ、またはＨ2またはその混合雰囲気が適当である。熱処理温度としては、１０５０℃以上、保持時間は１時間以上が必要となる。好ましくは１１５０℃の温度領域に２時間以上保持することが、ダメージ層の再結晶化および表面ラフネス改善に有効となる。  ただし、１２００℃以上では上記改善効果がより期待できるが、スリップの発生確率が高くなり、また還元雰囲気ガスによるＳＯＩ層のエッチング代が大きくなりＳＯＩ層面内均一性を崩す危険性がある。  また、上記酸化処理と還元雰囲気中高温熱処理を組み合わせても良い。
【００２５】
次に、本発明に係わる方法を用いて、実際に場合の具体例を図１を示して説明する。
【実施例１】
【００２６】
本実施例に用いた貼り合わせシリコンウェーハ１０、２０はボロンをドープした、ｐ型、比抵抗：１０〜２０Ωｃｍ、酸素濃度：１２〜１４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3［ＡＳＴＭ  Ｆ−１２１  １９７９］２００ｍｍウェーハを活性層用と支持基板用に各々用意した（図１（ａ））。その一方のシリコンウェーハ１０にドライ酸素雰囲気で、１０００℃で５時間熱処理を行い、酸化膜１０ａを厚さ１５００Å狙いでＢＯＸ酸化膜を形成した（図１（ｂ））。その後、水素イオンを５０ｋｅＶの加速電圧で、ドーズ量は、６×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 、イオン注入深さは約５３００Åとし、水素イオン注入層１０ｂを有するＳＯＩ（活性）層基板側とした（図１（ｃ））。ＳＯＩ層基板側のイオン注入面１０Ａと、もう一方のシリコンウェーハ２０とを貼り合わせを行い、貼り合わせ基板３０とした（図１（ｄ））。
【００２７】
その後、剥離熱処理を窒素雰囲気で、５００℃３０分間行ない、シリコンウェーハ１０を水素イオン注入層１０ｂで剥離した剥離基板４０と、シリコンウェーハ２０を支持基板とし、酸化膜１０ａを介しシリコンウェーハ１０の水素イオン注入層１０ｂを表面とする貼り合わせ基板５０とした（図１（ｅ））。ダメージ除去処理はドライ酸素雰囲気で１０００℃５時間行い、貼り合わせ基板５０全体を酸化膜１０ｃで覆い、ダメージ層を酸化膜とした。酸化膜厚さは１５００Å狙いで行った（図１（ｆ））。ダメージ層を除去するために、ＨＦ５０％溶液で５分間の洗浄により酸化膜を除去し、剥離面のダメージを除去したＳＯＩ基板６０とした（図１（ｇ））。
【００２８】
ここで一旦製造されたＳＯＩ基板の評価を行った。評価は分光エリプソメトリーでＳＯＩ層厚さの面内分布測定（４９点測定、測定除外値外周５ｍｍ）を行った。その結果、ＳＯＩ層平均膜厚は３１００Å、面内バラツキはｐ−ｖ３０Åであった。（ｐ−ｖ：ＳＯＩ層最大膜厚値−ＳＯＩ層最小膜厚値）
【００２９】
次に、本発明方法であるＳＯＩ基板に水素イオンを注入し熱処理を行う薄膜化処理を実施した。図１（ｇ）で得られたＳＯＩ基板６０に、水素イオンを１０ｋｅＶの加速電圧で、ドーズ量は、８×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 で、水素イオン注入層１０ｅを有するＳＯＩ基板とした。イオン注入深さは１５００Å狙いとした（図１（ｈ）左）。
【００３０】
次に、ＳＯＩ層表面を水素イオン注入層１０ｅで剥離するための熱処理を窒素雰囲気で、５００℃３０分間行なった（図１（ｉ）左）。水素イオン注入層１０ｅのダメージ除去処理は、ドライ酸素雰囲気で１０００℃５時間行い、貼り合わせ基板全体を酸化膜１０ｆで覆い、ダメージ層を酸化膜とした。酸化膜厚さは１５００Å狙いで行った（図１（ｊ）左）。
【００３１】
ダメージ層を除去するために、ＨＦ５０％溶液で５分間の洗浄により酸化膜を除去し、剥離面のダメージを除去したＳＯＩ基板とした（図１（ｋ）左）。以上の工程を行うことにより約２２００Åの薄膜化を行った。
【００３２】
ここで本実施例で製造されたＳＯＩ基板の評価を行った。評価は分光エリプソメトリーでＳＯＩ層厚さの面内分布測定（４９点測定、測定除外値外周５ｍｍ）を行った。その結果、ＳＯＩ層平均膜厚は９００Å、面内バラツキはｐ−ｖ４２Åであった。
【００３３】
比較例として、水素イオン注入による表面剥離を行わず、ドライ酸化による酸化膜作製と、作製された酸化膜を除去する、犠牲酸化による薄膜化を行う方法について実施した。図１（ｇ）で得られたＳＯＩ基板６０に、ドライ酸素雰囲気で１０００℃５時間行い、貼り合わせ基板全体を酸化膜１０ｆで覆い酸化膜とした。酸化膜厚さは１５００Å狙いで行った（図１（ｊ）右）。
【００３４】
酸化膜を除去するために、ＨＦ５０％溶液で５分間の洗浄により酸化膜を除去し、剥離面のダメージを除去したＳＯＩ基板とした（図１（ｋ）右）。
このドライ雰囲気での酸化膜作製と、酸化膜除去のＨＦ洗浄を２回繰り返し行うことにより約２２００Åの薄膜化を行った。
【００３５】
ここで比較例として製造されたＳＯＩ基板の評価を行った。評価は分光エリプソメトリーでＳＯＩ層厚さの面内分布測定（４９点測定、測定除外値外周５ｍｍ）を行った。その結果、ＳＯＩ層平均膜厚は９００Å、面内バラツキはｐ−ｖ６０Åであった
【００３６】
薄膜化代を２２００Å狙いとし、本発明（水素イオン注入＋剥離処理＋ダメージ除去酸化）の方法と比較例に示す犠牲酸化（酸化処理＋酸化膜除去）を比較すると、明らかに本発明の方法がＳＯＩ層の面内バラツキの劣化が少ないことがわかる。
【実施例２】
【００３７】
薄膜化処理後、ダメージ層除去およびダメージ領域の再結晶化のために還元性雰囲気での中高温熱処理の実施例を以下に示す。
【００３８】
スマートカット法で作製したＳＯＩ基板に薄膜化のための水素イオン注入を加速電圧１０ｋｅＶ、注入ドーズ量８×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2で行い、更に表面剥離熱処理を窒素雰囲気で５００℃３０分間処理したもの（実施例１の図１（i）相当）を準備した。この試料に対し、アルゴン雰囲気中で１１５０℃、２時間の熱処理を行った。この状態でエリプソメーターでＳＯＩ面内バラツキを測定したところ、ｐ−ｖ値３４Åとなり、薄膜化処理前の３０Åと比較して、ＳＯＩ層厚さバラツキの大きな劣化は見られなかった。また表面ラフネスもアルゴンアニール処理前のｒｍｓ値＝８ｎｍ（ＡＦＭ測定、１０×１０μｍ角）から、０．４ｎｍへ改善できた。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
ＳＯＩ構造を有するＳＯＩ層の面内均一性を大きく劣化させることなく薄膜化が可能となり、極薄膜ＳＯＩ層構造を必要とする高速・低消費電力ＬＳＩへの利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明および比較例のＳＯＩ基板の薄膜化の工程を示す図である。
【図２】貼り合わせ欠陥であるブリスターの水素イオン注入加速電圧依存性を示す図である。
【図３】水素イオン注入加速電圧と水素イオン注入深さを示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、２０  シリコンウェーハ、
３０  貼り合わせウェーハ
【図１】
2006013179.tif 000003
【図２】
2006013179.tif 000004
【図３】
2006013179.tif 000005