(57)【要約】【課題】膜厚を高精度に制御して薄膜化した極薄のシリコン層を有しており、さらにシリコン層の膜厚のバラツキが小さく、平坦性、結晶品質の優れたＳＯＩウエーハを製造する方法を提供する。【解決手段】絶縁体上に薄膜化したシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハを製造する方法であって、少なくとも絶縁体上にシリコン層を形成してＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、該作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定し、該測定結果に基づいてシリコン層のエッチング量を算出し、その後、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層を前記算出したエッチング量で気相エッチングすることによってＳＯＩウエーハを製造することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体上に薄膜化したシリコン層（ＳＯＩ層）が形成されたＳＯＩウエーハを製造する方法であって、少なくとも絶縁体上にシリコン層を形成してＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、該作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定し、該測定結果に基づいてシリコン層のエッチング量を算出し、その後、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層を前記算出したエッチング量で気相エッチングすることによってＳＯＩウエーハを製造することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記還元性雰囲気下での熱処理を、水素ガス雰囲気または水素ガスと不活性ガス及び／またはハロゲンガスとの混合雰囲気中で９００〜１３５０℃の熱処理温度で行う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。
【請求項３】
前記シリコン層のエッチング量を算出した後、該算出したエッチング量に基づいて、前記熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間を決定し、該決定した条件に従って熱処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項４】
前記気相エッチングすることによって、ＳＯＩウエーハのシリコン層の厚さを２００ｎｍ以下にすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項５】
前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに行う熱処理を、まずアルゴンガスを含むガス雰囲気中で行ってシリコン層表面の平坦化を行い、その後前記還元性雰囲気下の熱処理を行って気相エッチングすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項６】
前記熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さのバラツキが、気相エッチング後のシリコン層の厚さの公差範囲内のものを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項７】
前記厚さの公差範囲を、シリコン層の厚さの±５％以下とすることを特徴とする請求項６に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項８】
前記気相エッチング熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのＨＦ欠陥密度を、０．１個／ｃｍ２未満のものを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項９】
前記ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製を、ボンドウエーハとなるシリコンウエーハに水素または希ガスをイオン注入してイオン注入層を形成した後、該ボンドウエーハを酸化膜を介して単結晶シリコンウエーハと貼り合わせるかまたは絶縁性ウエーハと直接貼り合わせ、その後熱処理を行って前記イオン注入層を劈開面としてボンドウエーハを剥離することによって行うことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項１０】
前記ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製を、シリコンウエーハに酸素原子のイオン注入を行った後、該シリコンウエーハに熱処理を行ってシリコンウエーハ中に酸化膜を形成することによって行うことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の方法により製造されたＳＯＩウエーハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳＯＩウエーハを製造する技術に関するものであり、特にシリコン層（ＳＯＩ層）が２００ｎｍ以下の厚さを有する薄膜ＳＯＩウエーハを製造する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気的に絶縁性のあるシリコン酸化膜の上にシリコン層が形成されたＳＯＩ構造を有するＳＯＩウエーハが、デバイスの高速性、低消費電力性、高耐圧性、耐環境性等に優れていることから、電子デバイス用の高性能ＬＳＩ用ウエーハとして特に注目されている。
【０００３】
このＳＯＩウエーハの代表的な製造方法としては、▲１▼シリコンウエーハ同士を絶縁膜を介して貼り合わせ、一方のシリコンウエーハを研削等の機械的な加工で薄膜化する貼り合わせ法、▲２▼絶縁性ウエーハまたは絶縁性を有する薄膜が表面に形成されたウエーハの上にシリコン薄膜を成長させる方法、▲３▼シリコンウエーハの内部に高濃度の酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、その後１３００℃程度の高温でアニール処理を行うことにより、シリコンウエーハ中に埋め込みシリコン酸化層を形成し、その表面側の層をＳＯＩ層として使用するＳＩＭＯＸ法、▲４▼シリコンウエーハに水素または希ガスのイオンを注入してイオン注入層を形成した後、このシリコンウエーハのイオン注入面を接合面として酸化膜を介して単結晶ウエーハと貼り合わせるかまたは直接絶縁性ウエーハと貼り合わせ、その後５００℃程度の温度に加熱してイオン注入層で剥離することによって、ウエーハの表面にＳＯＩ層を形成するイオン注入剥離法等が提案されている。
【０００４】
このようなＳＯＩウエーハにおいて、特に高集積度、高速、低消費電力用に使用されるものは、ＳＯＩ層であるシリコン層の結晶欠陥密度が非常に低密度な品質の良いものであることが要求される。また、近年のデバイスプロセスの高集積化や微細化に伴い、シリコン層のさらなる薄膜化が要求されてきており、さらに形成されるシリコン層の膜厚の制御や膜厚平坦性等に対する要求も一層厳しくなってきている。例えば、デバイス用ウエーハとして使用されるＳＯＩウエーハに対しては、シリコン層が１０〜２００ｎｍ程度の厚さに精度良く制御されたものが必要とされてきており、さらに薄膜化されたシリコン層の厚さに対して、規格範囲内となるシリコン層の膜厚のばらつきの範囲をその厚さの±５％以下とした場合、５０ｎｍの厚さのシリコン層では厚さのバラツキが５ｎｍのもの、さらに２０ｎｍの厚さのシリコン層では厚さのバラツキが２ｎｍのものとその条件が厳しくなる。したがって、シリコン層の薄膜化を行う際には、シリコン層の膜厚を高精度に制御して膜厚均一性を維持したまま薄膜化を行い、さらに原子レベルでの膜厚の平坦化を行うこと等が必要となってきている。
【０００５】
しかしながら、上記に示したような従来のＳＯＩウエーハの製造方法では、シリコン層の膜厚を精度良く制御して薄膜化を行うことや、また原子レベルでのシリコン層の平坦化は難しく、近年望まれている高品質で極薄のＳＯＩウエーハを得ることは困難とされている。例えば、上記の▲１▼の貼り合わせ法では、シリコン層の薄膜化を研削や研磨等の機械的な加工によって行っているため、膜厚が１０〜２００ｎｍとなるように高精度に制御して薄膜化を行うことが難しく、またこのような加工は通常ウエーハ裏面基準で行われるため、薄膜化されるシリコン層の膜厚均一性と平坦性を良くするには限界がある。また、▲２▼の絶縁性基板又は絶縁性薄膜上にシリコン薄膜を成長させる方法では、成長させたシリコン層の結晶性が悪く、シリコン層の単結晶化が困難であるため、品質の良いＳＯＩウエーハを製造することが難しい。上記▲３▼のＳＩＭＯＸ法の場合、シリコンウエーハ内に酸素イオンを注入し、熱処理を行って酸化膜を形成するため、酸化膜の信頼性及びＳＯＩ層となるシリコン層の結晶品質が低く、製造されたＳＯＩウエーハの品質が劣るという問題がある。また、▲４▼のイオン注入剥離法の場合も、シリコンウエーハに形成したイオン注入層で剥離を行うため、剥離後のシリコン層にはイオン注入によるダメージ層が存在し、これを除去するためには表面を研磨する必要があり、膜厚均一性を悪化させてしまう。
また表面粗さも比較的大きくなるという問題がある。
【０００６】
さらに、シリコン層の厚さを薄くし、均一な膜厚を有するＳＯＩウエーハを製造する技術として、ＰＡＣＥ（Ｐｌａｓｍａ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法と呼ばれる方法がある。このＰＡＣＥ法はプラズマを発生させてプラズマエッチングを行うことによって、シリコン層の薄膜化及び膜厚均一化を行う方法であり、予め均一化しようとするシリコン層の厚さの分布を測定して、厚さ分布のマップを作成し、そのマップにしたがって数値制御により厚い部分を局所的に気相エッチングにより除去することによって、膜厚が薄く均一なシリコン層を有するＳＯＩウエーハを製造することができる。
【０００７】
しかし、上記ＰＡＣＥ法では高周波プラズマを用いて薄膜の表面をエッチング除去するために、エッチング処理後のシリコン層表面には結晶欠陥が生じたり、新たにヘイズと呼ばれる０．０１〜５μｍ程度の周期の微小な面粗さが生じる等の問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、膜厚を高精度に制御して薄膜化した極薄のシリコン層を有しており、さらにシリコン層の膜厚のバラツキが小さく、平坦性、結晶品質の優れた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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁体上に薄膜化したシリコン層（ＳＯＩ層）が形成されたＳＯＩウエーハを製造する方法であって、少なくとも絶縁体上にシリコン層を形成してＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、該作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定し、該測定結果に基づいてシリコン層のエッチング量を算出し、その後、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層を前記算出したエッチング量で気相エッチングすることによってＳＯＩウエーハを製造することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法が提供される（請求項１）。
【００１０】
このように、ＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、この作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定してシリコン層のエッチング量を算出し、その後、ウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層を算出したエッチング量で気相エッチングすれば、気層エッチングが結晶格子層レベルで進行するので、シリコン層の厚さを高精度に制御して薄膜化することが可能となる。したがって、シリコン層の膜厚均一性を悪化させずに膜厚を高精度で薄膜化した極薄のシリコン層を有するＳＯＩウエーハを製造することができる。また、同時にシリコン原子の表面での熱拡散によって、シリコン層の表面粗さを改善させ平坦化させることができる。さらにＳＯＩ層にダメージ層が残留している場合は、熱処理を行うことによってダメージ層を除去することができるため、極めて高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００１１】
このとき、前記還元性雰囲気下での熱処理を、水素ガス雰囲気または水素ガスと不活性ガス及び／またはハロゲンガスとの混合雰囲気中で９００〜１３５０℃の熱処理温度で行うことが好ましい（請求項２）。
このように、還元性雰囲気下での熱処理を、水素ガス雰囲気または水素ガスと不活性ガス及び／またはハロゲンガスとの混合雰囲気中で９００〜１３５０℃の熱処理温度で行えば、シリコン層の気相エッチングを確実に行うことができるし、不活性ガスの濃度、温度を調整することによって気相エッチングの速度を調整することができる。
【００１２】
このとき、前記シリコン層のエッチング量を算出した後、該算出したエッチング量に基づいて、前記熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間を決定し、該決定した条件に従って熱処理を行うことが好ましい（請求項３）。
このように、算出したエッチング量に基づいて、熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間を決定し、この決定した条件に従って熱処理を行うことによって、気相エッチングによるシリコン層の薄膜化を高精度に制御して、効率的に行うことができる。
【００１３】
そして、本発明によれば、前記気相エッチングすることによって、ＳＯＩウエーハのシリコン層の厚さを２００ｎｍ以下にすることができる（請求項４）。
このように、本発明によれば、ＳＯＩウエーハのシリコン層の厚さを２００ｎｍ以下、特には２０〜５０ｎｍといった極薄のものにすることができ、このような極薄のものの原子レベルでの膜厚均一性、平坦性、厚さの制御を高精度で行うことができる。
【００１４】
また、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに行う熱処理を、まずアルゴンガスを含むガス雰囲気中で行ってシリコン層表面の平坦化を行い、その後前記還元性雰囲気下の熱処理を行って気相エッチングすることが好ましい（請求項５）。
このように、ＳＯＩ構造を有するウエーハに行う熱処理を、まずアルゴンガスを含むガス雰囲気中で行ってシリコン層表面の平坦化を行い、その後気相エッチング熱処理を行うことによって、シリコンの表面拡散によってシリコン層の表面を原子レベルで確実に平坦化した後に気相エッチングすることになるため、シリコン層の平坦性が非常に優れたＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００１５】
さらに、前記熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さのバラツキが、気相エッチング後のシリコン層の厚さの公差範囲内のものを用いることが好ましい（請求項６）。
【００１６】
熱処理によるシリコン層の平坦化では、シリコンの表面拡散の大きさに依存するため、熱処理におけるシリコンの表面拡散距離を越える膜厚の平坦化及び均一化は達成されない。そのため、熱処理が施されるウエーハは、長周期の厚さのバラツキが熱処理前に規格内のものである必要がある。したがって、上記のように、熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さのバラツキが、気相エッチング後のシリコン層の厚さの公差範囲内のものを用いれば、熱処理によってシリコン層の膜厚均一性を悪化させずに気層エッチングを行うことができるため、膜厚均一性に優れた薄膜のシリコン層を有するＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００１７】
このとき、前記厚さの公差範囲を、シリコン層の厚さの±５％以下とすることが好ましい（請求項７）。
このように、気相エッチングを施すシリコン層の厚さのバラツキをシリコン層の厚さの±５％以下とすれば、エッチング後のＳＯＩ層の膜厚均一性が極めて優れており、製品レベル以上の品質を有するＳＯＩウエーハを得ることができる。
【００１８】
さらに、前記気相エッチング熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのＨＦ欠陥密度を、０．１個／ｃｍ２未満のものを用いることが好ましい（請求項８）。ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行う際に、ＨＦ欠陥の要因となるシリコン欠落部がシリコン層中に多く存在していると、還元性雰囲気下での気相エッチング中にこのシリコン欠落部より還元性ガスが侵入し、絶縁体となる酸化膜がエッチングされてしまう。したがって、本発明では、上記のように、気相エッチング熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのＨＦ欠陥密度を、０．１個／ｃｍ２未満のものを用いることによって、還元性雰囲気下の熱処理中に生じる酸化膜のエッチングを防止し、高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００１９】
さらに、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製を、ボンドウエーハとなるシリコンウエーハに水素または希ガスをイオン注入してイオン注入層を形成した後、該ボンドウエーハを酸化膜を介して単結晶シリコンウエーハと貼り合わせるかまたは絶縁性ウエーハと直接貼り合わせ、その後熱処理を行って前記イオン注入層を劈開面としてボンドウエーハを剥離することによって行うことができる（請求項９）。
【００２０】
また、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製を、シリコンウエーハに酸素原子のイオン注入を行った後、該シリコンウエーハに熱処理を行ってシリコンウエーハ中に酸化膜を形成することによって行うことができる（請求項１０）。
【００２１】
これらの方法で、本発明で用いる熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハを作製すれば、イオン注入深さによりシリコン層への厚さを高精度に制御できるので、非常に薄くかつ膜厚均一性の高いＳＯＩ層とすることができる。従って、熱処理におけるエッチング量を少なくして気相エッチングを効率的に行えるとともに、膜厚を高精度に制御して薄膜化されたシリコン層を有する高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００２２】
そして、本発明によれば、シリコン層の膜厚を高精度に薄膜化した極薄のシリコン層を有し、またシリコン層の膜厚のバラツキが小さく、高平坦度で結晶品質の優れたＳＯＩウエーハを提供することができる（請求項１１）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者は、ＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さを測定し、その測定結果に基づいてシリコン層が所望の厚さとなるように還元雰囲気下の熱処理による気相エッチングを行うことによって、シリコン層の膜厚が高精度に薄膜化された高品質のＳＯＩウエーハを製造できることを見出し、鋭意検討を重ねることにより本発明を完成させた。
【００２４】
すなわち、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法は、絶縁体上に薄膜化したシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハを製造する方法であって、少なくとも絶縁体上にシリコン層を形成してＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、該作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定し、該測定結果に基づいてシリコン層のエッチング量を算出し、その後、前記ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層を前記算出したエッチング量で気相エッチングすることによってＳＯＩウエーハを製造するものである。
【００２５】
以下、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
先ず、絶縁体上にシリコン層を形成してＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する。このＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する方法は特に限定されるものではないが、本発明においては、膜厚均一性の高い薄膜ＳＯＩ層を得ることができるので、以下に示すような、いわゆるイオン注入剥離法またはＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩ構造を有するウエーハを作製することが好ましい。
【００２６】
図２にイオン注入剥離法によりＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する方法の一例を表すフロー図を示し、また図３にＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する方法の一例を表すフロー図を示す。
【００２７】
図２に示すイオン注入剥離法は、貼り合わせ法の一種であるが、絶縁体上のシリコンを薄膜化する手段が一般的な貼り合わせ法とは異なる方法である。先ず、工程Ａ１では、支持基板となるベースウエーハ１１とＳＯＩ層となるボンドウエーハ（シリコンウエーハ）１２をデバイスの仕様に合わせて準備する。一般に、ベースウエーハとしては、単結晶シリコンウエーハまたは絶縁性ウエーハを用いることができるが、今回はベースウエーハとして単結晶シリコンウエーハを用いた場合について説明する。
【００２８】
次に工程Ａ２では、ボンドウエーハであるシリコンウエーハ１２を熱酸化し、その表面に仕様に合わせて約３０〜３００ｎｍ厚程度の酸化膜１３を形成する。工程Ａ３では、表面に酸化膜１３を形成したシリコンウエーハ１２の片面に対して水素または希ガスをイオン注入するが、ここでは水素１４をイオン注入して、ウエーハ表面に平行なイオン注入層１５を形成させる。
【００２９】
工程Ａ４は、イオン注入層を形成したシリコンウエーハ１６を酸化膜１３を介してベースウエーハ１１と貼り合わせる。このとき、常温の清浄な雰囲気下でシリコンウエーハ１６とベースウエーハ１１を貼り合わせることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士を接着させることができる。
【００３０】
次に、工程Ａ５で、例えば不活性ガス雰囲気下で約５００℃程度の温度で熱処理を行うことによって、イオン注入層を劈開面として剥離ウエーハ１７を剥離することができ、剥離ウエーハ１７と酸化膜上にシリコン層１８が形成されたベースウエーハ１９とに分離される。その後、工程Ａ６で結合強度高めるために例えば酸化性雰囲気化１２００℃で２時間程度の熱処理を行う。さらに必要に応じＳＯＩ層表面の研磨加工を行うことにより、酸化膜２０（絶縁体）上にシリコン層（ＳＯＩ層）２１が形成されたＳＯＩ構造を有するウエーハ２２を作製することができる。
【００３１】
また、ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製は、図３に示すように、ＳＩＭＯＸ法を用いて行うこともできる。このＳＩＭＯＸ法は酸素のイオン注入及び熱処理によりシリコン基板中に埋め込み酸化膜を形成する方法で、工程としては、先ず工程Ｂ１でシリコンウエーハ２３を用意し、続いて工程Ｂ２でシリコンウエーハの表面を汚染から保護するために、シリコンウエーハ２３に酸化膜２４を形成する。その後、工程Ｂ３において酸素イオン２５のイオン注入を行って酸素イオン注入層２６を形成した後、工程Ｂ４でウエーハに１３００℃程度の高温熱処理を行ってシリコンウエーハ中に埋め込み酸化膜２７を形成する。このような工程を行うことによって、埋め込み酸化膜（絶縁体）２７上にシリコン層（ＳＯＩ層）２８が形成されたＳＯＩ構造を有するウエーハ２９を作製することができる。
【００３２】
また、上記のように、イオン注入剥離法またはＳＩＭＯＸ法によってＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した後、作製したウエーハにタッチポリッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない鏡面研磨や、ＳＯＩ構造を有するウエーハに酸化性雰囲気下の熱処理を行ってシリコン層に酸化膜を形成した後、該酸化膜を除去する、いわゆる犠牲酸化を行うことによって、シリコン層の結晶品質を高めるとともにある程度薄膜化することができる。このように、シリコン層を比較的薄くしておけば、その後気相エッチングを行う際にエッチング量を少なくすることができ、効率的にＳＯＩウエーハを製造することが可能となる。また、作製したウエーハにタッチポリッシュを行うことによって、シリコン層の平坦性を向上させることもできる。
【００３３】
次に、作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定し、該測定結果に基づいてシリコン層のエッチング量を算出する。このとき、作製したＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さは、例えば分光エリプソメータ等を用いて、シリコン層と絶縁体との界面を基準にして測定することができる。そして、作製したウエーハのシリコン層の厚さを測定した後、測定結果に基づいて、所望のシリコン層の厚さが得られるようにシリコン層のエッチング量を算出する。
【００３４】
このとき、熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハとして、シリコン層の厚さのバラツキ（膜厚均一性）が気相エッチング後のシリコン層の厚さの公差範囲内のものを選択して用いることが好ましい。尚、ここで言うシリコン層の厚さの公差とは、デバイス製造の際に許容されるシリコン層の厚さのバラツキに関する規格であり、例えばシリコン層の厚さの公差をシリコン層の膜厚に対する割合で規定することができる。
【００３５】
ＳＯＩ構造を有するウエーハに熱処理を行う際、シリコン層の平坦化は、シリコンの表面拡散の大きさに依存するため、熱処理を行ってもシリコンの表面拡散距離を越える膜厚の平坦化及び均一化は達成されない。そのため、熱処理が施されるウエーハとしては、長周期の厚さのバラツキが規格内のものである必要がある。したがって、熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さのバラツキが気相エッチング後のシリコン層の厚さの公差範囲内のもの、特にシリコン層の厚さのバラツキがシリコン層の厚さの±５％以下のものを用いれば、熱処理によって、シリコン層の膜厚均一性を悪化させずに気相エッチングを行うことができるため、膜厚均一性に優れ、製品レベル以上の品質を有する薄膜化したＳＯＩウエーハを得ることが可能となる。
【００３６】
尚、シリコン層の厚さのバラツキの求め方については、例えば、反射分光法によりウエーハ面内のシリコン層の厚さを１ｍｍピッチで数千点測定して、この測定値から標準偏差σを算出し、この算出した標準偏差の±３σをシリコン層の厚さのバラツキとして求めることができる。
【００３７】
さらにこのとき、気相エッチング熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハとして、ウエーハのＨＦ欠陥密度を測定した際に０．１個／ｃｍ２未満のものとなるものを用いることが好ましい。
【００３８】
ＨＦ欠陥とは、約５００ｎｍ以下のシリコン層を有するＳＯＩウエーハで見られるシリコン層のシリコン欠落部に起因して生じる欠陥のことで、フッ酸中にＳＯＩウエーハを浸漬することにより、シリコン層に存在するシリコン欠落部からフッ酸液が浸入し、絶縁体となる酸化膜を溶解することによってエッチピットを形成する。酸化膜に形成されるこのエッチピットは、薄いＳＯＩ層を透して光学顕微鏡で観察できる。
【００３９】
ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下の熱処理を行う際に、上記のＨＦ欠陥を生じるシリコン欠落部がシリコン層中に多く存在していると、還元性雰囲気下での気相エッチング中にこのシリコン欠落部より還元性ガスが侵入し、絶縁体となる酸化膜がエッチングされてしまう。
【００４０】
したがって、本発明では、気相エッチング熱処理前のＳＯＩ構造を有するウエーハのＨＦ欠陥を測定した際に、ＨＦ欠陥密度が０．１個／ｃｍ２未満となるものを用いることによって、還元性雰囲気下の熱処理中に生じる酸化膜のエッチングを防止でき、それによって、高品質のＳＯＩウエーハを製造することが可能となる。
【００４１】
続いて、上記のようにしてシリコン層のエッチング量を算出した後、還元性雰囲気となる水素ガス雰囲気または水素ガスと不活性ガス及び／またはハロゲンガスとの混合雰囲気下で、９００〜１３５０℃の熱処理温度で熱処理を行う。
【００４２】
このとき、算出したエッチング量に基づいて気相エッチングが行えるように、熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間を決定し、この決定した条件に従って、還元性雰囲気下の熱処理を行うことが好ましい。本発明において熱処理を行う際、熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間の各パラメータは、シリコン層に気相エッチングを行う際のエッチング速度と相互に関係を有している。
【００４３】
例えば、図４に示すように、水素ガスとアルゴンガスの混合雰囲気中で熱処理を行う際の熱処理時間（気相エッチング時間）とシリコン層のエッチング量の関係を見てみると、水素ガスの濃度が大きくなるにつれて熱処理時間に対するエッチング量は増加し、また、アルゴンガス１００％の雰囲気では、シリコン層のエッチングがほとんど進行しないことがわかる。また、水素ガス１００％の雰囲気下の熱処理におけるシリコン層のエッチング速度と温度の関係に関しては、Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｈｅａｔｅｄ　ｉｎ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ａｍｂｉｅｎｔ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ：Ｖｏｌ１４２，　Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９９５）に触れられている。エッチング速度はエッチングされるＳＯＩ層の抵抗（ドーパント濃度、ドーパント種）や導入ガス流量、用いた炉の形状等によっても影響される。従って、予め同じ条件のＳＯＩウエーハに対して気相エッチングし、各パラメータに関する検量線を作成しておけば、熱処理条件を容易に決定することができる。
【００４４】
このように、上記で算出したエッチング量に基づいて、熱処理条件の各パラメータとエッチング量との関係から、熱処理のガス種、ガス量、熱処理温度、及び熱処理時間を決定し、この決定した条件に従って熱処理を行うことによって、気相エッチングによるシリコン層の原子レベルでの薄膜化を高精度にかつ効率的に行うことができる。
【００４５】
図１に、本発明の還元性雰囲気下の熱処理工程の一例をフロー図で示す。
先ず、工程（１）に示すように、シリコン層２が形成されたＳＯＩ構造を有するウエーハ１を準備する。これは前述のように、ＳＯＩ層の公差が小さい、ＨＦ欠陥の少ないものとする。次に、例えば、アルゴンガスと水素ガスの混合雰囲気で熱処理を行うことによって、気相エッチングによるシリコン層の薄膜化とシリコン原子の表面拡散による平坦化を同時に進行させることができる（工程（２）（３））。上記のように算出した条件で還元性雰囲気下の熱処理を継続して行うことによりウエーハに気相エッチングを施してシリコン層を更に薄膜化することで（工程（４））、所望の厚さのシリコン層４を有するＳＯＩウエーハ５を製造することができる。
【００４６】
この場合、還元性雰囲気下の熱処理を行う前にアルゴンガスを含むガス雰囲気中で熱処理を行って、シリコン原子の表面拡散によりシリコン層表面の平坦化を行うことが好ましい。このようにすれば、ＳＯＩ層を平坦化させた上で気相エッチングすることになり、一層膜厚制御、表面の平坦度を向上させたＳＯＩウエーハを得ることができる。
また、水素ガスだけでは十分なエッチング速度が得られない場合では、先ず水素ガスとハロゲンガスの混合雰囲気、例えばＨＣｌを微量に含んだ水素ガスとの混合雰囲気中で熱処理することによってエッチング量を稼ぎ、その後水素ガス雰囲気中で熱処理することによって、効率的に気相エッチングを行うことができる。この場合も、更にＡｒ等の不活性ガスも混合して、よりきめこまかにエッチング速度を調整することができる。
【００４７】
そして、上記のように、ＳＯＩ構造を有するウエーハに還元性雰囲気下で熱処理を行う事によって、シリコン層の膜厚を高精度に制御してその厚さを容易に２００ｎｍ以下、特には２０〜５０ｎｍにすることができ、膜厚が極めて薄く、原子レベルで高精度に制御されたシリコン層を有するＳＯＩウエーハを製造することができる。さらに、上記のように熱処理を行うことによって、シリコン層の表面粗さを改善させて平坦化することができ、またＳＯＩ層にダメージ層が残留している場合は、熱処理を行うことによってダメージ層を除去することができるため、優れた結晶品質を有するＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００４８】
【実施例】
以下、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。
（実施例１）
先ず、導電型がｐ型で抵抗率が１０Ω・ｃｍ、直径が２００ｍｍのシリコン鏡面ウエーハ２枚を用意し、イオン注入剥離法によりＳＯＩ構造を有するウエーハの作製を行った。先ず、ボンドウエーハとなる一方のシリコンウエーハに熱酸化を施してウエーハの表面に酸化膜を形成した後、３８ｋｅＶの注入エネルギーでシリコンウエーハ中に水素イオンを注入してイオン注入層を形成した。その後、２枚のシリコンウエーハを貼り合わせた後、窒素ガス雰囲気下で５００℃で３０分の熱処理を行うことによってイオン注入層で剥離し、ＳＯＩ構造を有するウエーハを作製した。このＳＯＩウエーハの面粗さの長周期成分を小さくするため、ウエーハ表面を４０ｎｍ研磨した。この条件と同様の条件で、ＳＯＩ構造を有するウエーハを合計２５枚作製した。
【００４９】
次に、作製した２５枚のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層及び酸化膜の厚さについて、分光エリプソメータでシリコン層と酸化膜の界面を基準にしてウエーハ面内３０点の計測を行ったところ、何れのウエーハもシリコン層の厚さが１５０ｎｍ、酸化膜の厚さが１５０ｎｍであることがわかった。
また、シリコン層の膜厚の公差を目標とするシリコン層の厚さである５０ｎｍの±５％（すなわち、膜厚のばらつきが５ｎｍ以下）とし、また作製した２５枚のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層の厚さのばらつきを、シリコン層の厚さを数千点測定してその標準偏差σの±３σとして求めた結果、この公差範囲を越えたシリコン層の厚さのばらつきをもつＳＯＩ構造を有するウエーハは２５枚中６枚あった。そのため、この６枚のウエーハは不良として工程から除外した。一方、同一履歴を持つＳＯＩ構造を有するウエーハを使用してＨＦ水溶液に浸漬し、そのＨＦ欠陥を測定したところ、ウエーハのＨＦ欠陥密度は０．０５個／ｃｍ２であった。
【００５０】
その後、ウエーハに形成されているシリコン層の厚さを５０ｎｍに薄膜化するため、Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｈｅａｔｅｄ　ｉｎ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ａｍｂｉｅｎｔ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ：Ｖｏｌ１４２，　Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９９５）から、水素ガス１００％の雰囲気下の熱処理で１００ｎｍのエッチング量で気相エッチングできるように、熱処理の熱処理温度と熱処理時間を求めた。その結果、熱処理条件は、水素ガス１００％の雰囲気下で、熱処理温度が１１５０℃、熱処理時間が６２．５分と決定した。
【００５１】
決定した熱処理条件にしたがい、不良を除外したＳＯＩ構造を有する半導体ウエーハ１９枚を熱処理した。このとき熱処理により面内でエッチングばらつきが発生しないように、炉内に載置されたボート上のウエーハ間隔を約５ｃｍとした。熱処理終了後、得られたＳＯＩウエーハのうち１枚抜き取ってシリコン層の厚さ及びシリコン層の厚さのばらつきを測定したところ、シリコン層の厚さが５０．８ｎｍであり、またシリコン層の厚さのばらつきが３ｎｍであることがわかった。
【００５２】
（実施例２）
先ず、導電型がｐ型で抵抗率が１０Ω・ｃｍ、直径が２００ｍｍのシリコン鏡面ウエーハを用意し、ＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩ構造を有するウエーハを２５枚作製した。ＳＯＩ構造を有するウエーハの作製は、先ず、シリコンウエーハの表面に酸化膜を形成した後、このシリコンウエーハに酸素原子のイオン注入を１８０ｋｅＶの注入エネルギーで行ってシリコンウエーハ中に酸素イオン注入層を形成し、その後、ウエーハに１３００℃で２４０分の高温熱処理を行ってウエーハ中に酸化膜を形成した。
【００５３】
次に、作製した２５枚のＳＯＩ構造を有するウエーハのシリコン層及び酸化膜の厚さについて、分光エリプソメータでシリコン層と酸化膜の界面を基準にしてウエーハ面内３０点の計測を行ったところ、何れのウエーハもシリコン層の厚さが１３０ｎｍ、酸化膜の厚さが１４０ｎｍであることがわかった。
【００５４】
また、実施例１と同様に、シリコン層の膜厚の公差を目標とするシリコン層の厚さである５０ｎｍの±５％（すなわち、膜厚のばらつきが５ｎｍ以下）として、作製したウエーハのシリコン層の厚さのばらつきを測定して検査を行った結果、公差範囲を越えたシリコン層の厚さのばらつきをもつウエーハは一枚も無かった。一方、同一履歴を持つＳＩＭＯＸ法で作製したウエーハを使用してＨＦ水溶液に浸漬し、そのＨＦ欠陥を測定したところ、ウエーハのＨＦ欠陥密度は０．０８個／ｃｍ２であった。
【００５５】
その後、ウエーハに形成されているシリコン層の厚さを５０ｎｍに薄膜化するため、実施例１と同様に、水素ガス１００％の雰囲気下の熱処理で８０ｎｍのエッチング量で気相エッチングできるように、熱処理の熱処理温度と熱処理時間を求めた。その結果、熱処理条件は、水素ガス１００％の雰囲気下で、熱処理温度が１１５０℃、熱処理時間が５０分と決定した。
【００５６】
また、本実施例２では、熱処理でウエーハ面内のシリコン層の厚さばらつきを小さくするため、上記の水素ガス１００％の雰囲気下での熱処理の前に、エッチング作用をほとんど伴わないアルゴン１００％雰囲気下で、熱処理温度が１１５０℃、熱処理時間が３０分の熱処理を加えることにした。
【００５７】
決定した熱処理条件にしたがい、ＳＩＭＯＸ法で作製したＳＯＩ構造を有するウエーハ２５枚を熱処理した。このとき熱処理により面内でエッチングばらつきが発生しないように、実施例１と同様に、ウエーハ間隔は約５ｃｍとした。熱処理終了後、得られたＳＯＩウエーハのうち１枚抜き取って、シリコン層の厚さ及びシリコン層の厚さのばらつきを測定したところ、シリコン層の厚さが４９．７ｎｍであり、またシリコン層の厚さのばらつきは２ｎｍと小さいものであることがわかった。
【００５８】
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、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。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＳＯＩウエーハの製造において、シリコン層の膜厚を高精度に制御して薄膜化を行うことができ、シリコン層の膜厚が２００ｎｍ以下と極めて薄く原子レベルで制御されたＳＯＩウエーハを製造することができる。さらに、シリコン層の表面粗さを改善させた、極めて平坦なものとすることができるとともに、結晶品質の高いＳＯＩウエーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の還元性雰囲気下の熱処理おけるシリコン層の薄膜化及び平坦化について説明した概略説明図である。
【図２】本発明において、イオン注入剥離法によってＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する方法の一例を示したフロー図である。
【図３】本発明において、ＳＩＭＯＸ法によってＳＯＩ構造を有するウエーハを作製する方法の一例を示したフロー図である。
【図４】水素ガスとアルゴンガスの混合雰囲気中の熱処理時間とシリコン層のエッチング量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１…ＳＯＩ構造を有するウエーハ、　２…熱処理前のシリコン層、
３…平坦化されたシリコン層、　４…薄膜化されたシリコン層、
５…ＳＯＩウエーハ
１１…ベースウエーハ、　１２…ボンドウエーハ（シリコンウエーハ）、
１３…酸化膜、　１４…水素、
１５…イオン注入層、
１６…イオン注入層を形成したボンドウエーハ（シリコンウエーハ）、
１７…剥離ウエーハ、　１８…シリコン層、
１９…シリコン層が形成されたベースウエーハ、
２０…酸化膜（絶縁体）、　２１…シリコン層（ＳＯＩ層）、
２２…ＳＯＩ構造を有するウエーハ、
２３…シリコンウエーハ、　２４…酸化膜、
２５…酸素イオン、　２６…酸素イオン注入層、
２７…埋め込み酸化膜、　２８…シリコン層（ＳＯＩ層）、
２９…ＳＯＩ構造を有するウエーハ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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