(57)【要約】【課題】  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を提供する。【解決手段】  ベースウェーハ７とボンドウェーハ１とを、シリコン酸化膜２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１の厚みを減じてＳＯＩ層となす減厚工程と、シリコン酸化膜２を介したＳＯＩ層１５のベースウェーハ７に対する結合を増加するための結合熱処理工程とを有する。貼り合せ後のシリコン酸化膜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ＳｉＯ２の赤外波長域の屈折率をｎ１、ＳＯＩ層１５をなす半導体の屈折率をｎ２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ｔＯＰをｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔＯＰ＜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。このような条件を満足する場合、デバイスプロセスでの急速熱処理工程は、両面加熱方式の急速熱処理装置７０を用いて行なう。【選択図】  図１
2006086304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第一主表面とを、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、
前記ＳＯＩ層にデバイスを作りこむデバイス工程とを有し、
前記デバイス工程は、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の赤外線照射による急速熱処理工程を含むものであり、
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ＳｉＯ２の赤外波長域の屈折率をｎ１、前記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ｔＯＰをｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下である場合の前記急速熱処理工程は、両面加熱式の急速熱処理装置を用いて行なうことを特徴とする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。
【請求項３】
前記デバイス工程は、前記ＳＯＩ層にイオン化した不純物を打ち込むイオン打ち込み工程を含み、前記急速熱処理工程は、前記ＳＯＩ層に打ち込んだイオンを活性化するための活性化熱処理であ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。
【請求項４】
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ないし請求項３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項５】
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一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むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の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ウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平９−６４３１９号公報
【０００３】
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剥離処理（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。
【０００４】
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、シリコン酸化膜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。
【０００５】
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と接する領域に酸素析出物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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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層やシリコン酸化膜の厚さが薄膜化（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。
【０００７】
具体的には、図５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。
【０００８】
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を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第一主表面とを、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、ＳＯＩ層にデバイスを作りこむデバイス工程とを有し、デバイス工程は、ピーク波長λが０．７μｍ以上２μｍ以下の赤外線照射による急速熱処理工程を含むものであり、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ＳｉＯ２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ｔＯＰをｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下である場合の急速熱処理工程は、両面加熱式の急速熱処理装置を用いて行なうことを主要な特徴とする。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、ＳｉＸＧｅ１−Ｘ（０≦Ｘ＜１）にて表わされる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。
【００１０】
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ｔＯＰとが一定の関係を満たす場合であり、特にｔＯＰ＝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。
【００１１】
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９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。
【００１２】
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ｔＯＰ（＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２）が、０．１λ＜ｔＯＰ＜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、しかしながら、実際に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、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。
【００１３】
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層とが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。
【００１４】
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。
【００１５】
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ｔＯＰ＝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、ｔＯＰ＝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９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＜ｔＯＰ＜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、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。
【００１６】
図１０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、各層の合計光学的厚さｔＯＰ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λＰＢＧ（≡２ｔＯＰ）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、λＰＢＧ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λＰＢＧ付近で極大化し、かつ、λＰＢＧ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。なお、鏡面研磨ウェーハ（ＰＷ）は、反射率の極大を持たず、全波長域で低い反射率を示している。
【００１７】
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。一方、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。いうなれば、ベースウェーハの酸素析出物の形成密度が十分低ければ、加熱不均一が生じても反りは発生しにくい。
【００１８】
反りと相関があると考えられる酸素析出物は、貼り合わせ法でＳＯＩウェーハを製造するときの熱処理工程で必然的に生成する、ある意味不可避的なものである。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。ＳＯＩウェーハの製造工程上注目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。こうした事情を鑑みると、貼り合わせ法でＳＯＩウェーハを製造する場合にＢＭＤ密度を低く抑えるには、新たな熱処理工程の追加等が必要であると考えられる。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。
【００１９】
また、本発明者のより詳細な検討により、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場合に、フォトニックバンドギャップ効果によってウェーハの層厚方向の温度不均一が生じやすいことも判明した。いわゆる片面加熱方式の熱処理装置では、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。
【００２０】
図６は、いわゆる片面加熱方式の熱処理装置における昇温プロファイルと加熱ランプ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研磨ウェーハとで対比して示すグラフである。鏡面研磨ウェーハ（シリコン単結晶ウェーハ）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がわかる。
【００２１】
図８に示すごとく、ＳＯＩ層側にのみに配置された加熱ランプ４６でＳＯＩウェーハを加熱すると、初期段階では温度センサ４７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。
【００２２】
この効果は、デバイスプロセスでの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。
【００２３】
先に説明したように、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度が低いＳＯＩウェーハであれば、フォトニックバンドギャップ効果による加熱不均一が生じても、反りは発生しにくい。ただし、こうしたＳＯＩウェーハを作製するには、新たな熱処理工程の追加、結合熱処理条件の再検討等の必要性が生じる。そのため、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度調整による反り防止策は、必ずしも妥当とはいえない。また、デバイスプロセスでの熱処理レシピの変更は、作製されるデバイスの特性に影響を及ぼす可能性がある。
【００２４】
そこで本発明者は、フォトニックバンドギャップ効果により層厚方向の加熱不均一が生じる条件が満足されている場合には、デバイスプロセス中の急速熱処理工程（Rapid thermal Processing）において、両面加熱式の熱処理装置を用いること提案する。両面加熱方式の熱処理装置によれば、ベースウェーハ側からも赤外線照射を行なうため、ベースウェーハ側に及ぶフォトニックバンドギャップ効果の影響も小となる。すなわち、層厚方向の加熱分布を容易に均一化でき、ひいてはデバイス作製中の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可能となる。また、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を制御することを要しないので、工程増を伴わない。
【００２５】
なお、ＳＯＩ構造を持つデバイスを作製するに際しては、ベースウェーハ−シリコン酸化膜−ＳＯＩ層−シリコン酸化膜、という４層からなるフォトニックバンドギャップ構造に対して急速熱処理を行なうことがある。本明細書中でいう光学的厚さｔＯＰは、デバイスを作りこむ基板部分のシリコン酸化膜とＳＯＩ層に言及するものであるから、これをデバイス工程の反り防止問題と同次元で考えることはできない、という理解は正しくない。なぜなら、先に説明したように、積層周期数が増すと、強い反射が生ずる波長域も拡大するからである。シリコン酸化膜とＳＯＩ層とが１層ずつの単純なＳＯＩ構造と、該ＳＯＩ構造の上にさらに１層のシリコン酸化膜を形成した場合とを比較すると、後者の方が確実に強い反射が生ずることは自明である。だからこそ、少なくとも０．１λ＜ｔＯＰ＜２λ（ただしｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２）、０．２≦（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）≦３の両条件に該当するＳＯＩウェーハを用いてデバイスを製造するときには、両面加熱式の急速熱処理装置を用いることを要するのである。
【００２６】
また、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、ＣＺウェーハを使用したＳＯＩウェーハをデバイス工程で急速熱処理する場合には、両面加熱方式の熱処理装置を用いることを要する。
【００２７】
上記のように、ＳＯＩウェーハの製造にはＣＺウェーハを用いる場合が多い。ＣＺシリコン単結晶棒は、全体としては近い初期酸素濃度を持っているが、それでもやはり軸方向および径方向に分布がある。一般論としてＢＭＤ密度を制御するとなると、初期酸素濃度の厳密な検討が必要であると考えられる。しかしながら、本発明の方法はそういった検討をほとんど要せず、同一のＣＺシリコン単結晶棒から切り取るＣＺウェーハを用いる場合はもとより、製造ロットが異なるＣＺウェーハを用いているＳＯＩウェーハの場合においても、安定して反りの発生を抑制できる。
【００２８】
ところで、デバイス工程の具体的な例としては、ＳＯＩ層にイオン化した不純物を注入するイオン打ち込み工程を示すことができる。この場合、急速熱処理工程はＳＯＩ層に打ち込んだイオンを活性化するための活性化熱処理ということになる。イオン注入でドナー又はアクセプタ不純物原子を半導体中に導入しても、通常はそのままでは、自由キャリアは発生しない。目的とするキャリア濃度や導電率を得るためには、適当な温度に加熱して不純物を活性化することが必要である。
【００２９】
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一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（登録商標）法）。
【００３０】
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１ｃｍ３当たりの個数、もしくは上記ベースウェーハの第二主表面を公知のＬＳＴ（Light Scattering Tomography）法で測定した値をいう。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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一部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。
【００３２】
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。
【００３３】
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℃の低温にて剥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。
【００３４】
ＳＯＩ層１５の厚さは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、剥離用イオン注入層４の形成深さによって調整できる。図７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ＳｉＯ２の赤外波長域の屈折率ｎ１を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ｔＯＰをｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔＯＰ＜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。
【００３５】
そして、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を行なう。この結合熱処理は、図２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。
【００３６】
イオン注入剥離法によりＳＯＩウェーハを作製する場合、ＳＯＩ層の表面にはイオン注入を行なった際のダメージ層と表面粗さが残ることは知られている。そのため、結合熱処理の終了後にＳＯＩ層に形成されたダメージ層及び表面粗さを除去することが行なわれる。この除去工程には、Ａｒなどの不活性ガス又は水素ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気で熱処理する方法を採用することができる。例えば、Ａｒ雰囲気下、１１５０〜１２５０℃、１〜５時間の条件で熱処理を行なう。ただし、熱処理によるダメージ層の除去工程は、必須ではない。
【００３７】
得られたＳＯＩウェーハ６０は、タッチポリッシュを行なうことにより、ＳＯＩ層１５の表面粗さを改善することができる。タッチポリッシュは、研磨代の極めて小さい鏡面研磨のことであり、一般には化学機械研磨法によって行なわれる。先に説明した熱処理によるダメージ層の除去処理に代えて、あるいはその熱処理の後にタッチポリッシュを行なうことでダメージ層の除去及び表面粗さの改善を図ることもできる。
【００３８】
なお、タッチポリッシュによるダメージ層及び表面粗さの除去を行なうと、ＳＯＩ層１５の厚さも変化するので、こうした処理が全て終了した時点において、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ＳｉＯ２の赤外波長域の屈折率ｎ１を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ｔＯＰをｔＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、０．１λ＜ｔＯＰ＜２λを充足し、かつ、（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が０．２以上３以下の範囲内に収まっていると尚よい。
【００３９】
こうして得られたＳＯＩウェーハ６０を用い、たとえばＭＯＳＦＥＴを作製することができる。図３は、ＭＯＳＦＥＴの製造工程の一部を説明する図である。ＳＯＩウェーハ６０のＳＯＩ層１５上には、シリコン酸化膜６１およびシリコン窒化膜６２がＣＶＤ法等の気相成膜方法により形成される。ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)等を採用したフォトリソグラフィー技術によりシリコン窒化膜６２のパターニングを行なう。シリコン窒化膜６２が除去されたＳＯＩウェーハ６０ｗのドーピング領域に対し、第一主表面側（シリコン窒化膜６２側）からイオン化したホウ素を注入する。イオン注入直後のホウ素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。
【００４０】
ドーパントの活性化熱処理には、昇降温速度が極めて速い急速熱処理が採用される。急速熱処理は、図４に示すような両面加熱方式の急速熱処理装置７０を用いて行なう。急速熱処理装置７０は、ウェーハを収容する石英管７１と、該石英管７１を収容するチャンバ７４と、チャンバ７４内において石英管７１の上下に配置された加熱ランプ７７ａ，７７ｂとを含んで構成されている。加熱ランプ７７ａ，７７ｂは、タングステン−ハロゲンランプなどで構成されるものである。石英管７１内には、ドア７５から出し入れされるＳＯＩウェーハ６０ｗが１枚のみ配置される。すなわち、急速熱処理装置７０は枚葉式として構成されている。
【００４１】
石英管７１の上流側には、ガス導入口７１ｐが設けられる一方、該石英管７１の下流側は、チャンバ７４のガス排気口７３に連通しており、これにより所期の雰囲気で熱処理を行なえるようになっている。イオン注入したドーパント（図３の場合だとホウ素）の活性化熱処理を行なう場合、温度は例えば１１００℃以上１２００℃以下、雰囲気はＡｒ、Ｎ２などの不活性雰囲気を採用する。また、チャンバ７４には、冷却ガス導入口７６ａ，７６ｂが形成されており、急速冷却も可能となっている。石英管７１は、赤外線に対して高い透過率を有し、加熱ランプ７７ａ，７７ｂから放射される赤外線をほとんど透過させる。したがって、石英管７１内に配置されたＳＯＩウェーハ６０ｗのみが選択的に急速昇温する。加熱されたＳＯＩウェーハ６０ｗから放射される光（赤外線）は、ＳＯＩウェーハ６０ｗのちょうど真下においてチャンバ７４に形成された通孔７４ｃを通じてパイロメータ７２によって検出される。すなわち、ＳＯＩウェーハ６０ｗの温度をモニタしながら加熱ランプ７７ａ，７７ｂの出力が制御される仕組みである。
【００４２】
加熱ランプ７７ａ，７７ｂが発する赤外線は、例えば図９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。そのため、ＳＯＩウェーハ６０ｗの第一主表面側、つまりデバイスプロセスに供する側では、先に説明したフォトニックバンドギャップ効果により強い反射が起こる。しかしながら、図４の急速熱処理装置７０によれば、ＳＯＩウェーハ６０ｗは第二主表面側（ベースウェーハ７側）からも加熱ランプ７７ｂによる赤外線照射が行なわれるので、層厚方向の温度不均一は生じにくい。そのため、ベースウェーハ７のＢＭＤ密度が比較的高くても、急速熱処理によっては大きな反りが発生しない。ドーパントの活性加熱処理を行なった後も反りの小さいＳＯＩウェーハ６０ｗは、フォトリソグラフィー工程でのパターンずれも生じにくく、ひいては高品質のデバイスを安定して製造できるようになる。
【実験例】
【００４３】
両面加熱方式の急速熱処理と、片面加熱方式の急速熱処理とでＳＯＩウェーハの反りにどの程度の差異が生ずるのか実際に確かめてみた。実験条件は以下の通りとした。まず、初期酸素濃度１２．４ｐｐｍａ〜１７．６ｐｐｍａの直径２００ｍｍＣＺウェーハを用い、図１で説明したイオン注入剥離法により、ＳＯＩ層の厚さが７０ｎｍ、ＢＯＸ層（シリコン酸化膜層）の厚さが１４５ｎｍのＳＯＩウェーハを複数作製した。これらについて、ウェーハの反りを測定したところ、いずれも１５μｍ〜１７μｍであった。
【００４４】
これらのＳＯＩウェーハの一部について、両面加熱方式の急速熱処理装置（ＡＳＴ社製  Ｍａｔｔｓｏｎ）で急速熱処理を行なった。また、他の一部について、片面加熱方式の急速熱処理装置（アプライドマテリアルズ社製  ＸＥ  Ｃｅｎｔｕｒａ）で急速熱処理を行なった。急速熱処理は、窒素と少量の酸素を含む雰囲気中、昇温速度７５℃／秒、保持温度１１００℃、保持時間３０秒、降温速度４５℃／秒の設定にて行なった。急速熱処理の終了後、各ＳＯＩウェーハの反りを測定したところ、両面加熱方式で急速熱処理を行なったＳＯＩウェーハの反り量は、２０μｍ〜２２μｍであった。他方、片面加熱方式で急速熱処理を行なったＳＯＩウェーハの反り量は、２４５μｍ〜２５８μｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ＳＯＩウェーハの製造工程の一例を示す説明図。
【図２】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。
【図３】ＳＯＩウェーハを用いたＭＯＳＦＥＴの製造工程の一部を説明する図。
【図４】両面加熱方式の急速熱処理装置の断面模式図。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】片面加熱方式の急速熱処理装置においてＳＯＩウェーハに反りが発生する機構を説明する模式図。
【図９】急速熱処理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。
【図１０】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】
【００４６】
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
６０  ＳＯＩウェーハ
６０ｗ  ＳＯＩウェーハ（デバイス作製中）
７０  急速熱処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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