部分ＳＯＩウェーハの製造方法
【課題】活性層からバルク層に達した孔部で堆積中のアモルファスもしくは多結晶シリコンを単結晶化させる際に埋め込み酸化膜の領域での欠陥発生を抑制させる部分ＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】活性層を被う保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層と埋め込み酸化膜との各一部をエッチングして孔部を形成後、孔部にアモルファスシリコンを堆積させる。孔部内のアモルファスシリコンを、単結晶化させる場合に高エネルギ光の照射を行うことでエピタキシャル成長速度を速め、埋め込み酸化膜の領域を通過する際に発生する欠陥密度を抑制できる。
【解決手段】活性層を被う保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層と埋め込み酸化膜との各一部をエッチングして孔部を形成後、孔部にアモルファスシリコンを堆積させる。孔部内のアモルファスシリコンを、単結晶化させる場合に高エネルギ光の照射を行うことでエピタキシャル成長速度を速め、埋め込み酸化膜の領域を通過する際に発生する欠陥密度を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は部分ＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくはワンチップ上に論理回路とメモリ回路とを混載可能な部分ＳＯＩウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの低コスト化、高速化を目指して、ワンチップ上に論理回路とメモリ回路とを混載する（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）技術が提案されている。論理回路は低電力化、高速化のためにＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に作製するのが好ましい。一方、メモリ回路は結晶の完全性などの観点から、バルク結晶上に作製するのが好ましい。そこで、考案されたものが、ＳＯＩウェーハの一部にバルク領域を残存させた部分ＳＯＩ（パターンＳＯＩ）構造である。
【０００３】
従来、部分ＳＯＩ構造を有するウェーハの作製方法として、例えば特許文献１の背景技術に開示されたＳＩＭＯＸタイプのものが知られている。これは、まず単結晶シリコンウェーハをベースに作製されたＳＩＭＯＸ基板を熱酸化装置に挿入して加熱し、活性層の表面にシリコン酸化膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ、ＨＦ溶液を用いたエッチングによりシリコン酸化膜を部分的に溶失させ、窓部を形成する。次いで、窓部を通して、活性層の一部および埋め込みシリコン酸化膜（ＢＯＸ層）の一部をエッチングし、窓部を深くする。その後、窓部から露出したバルク層の一部にシリコンをエピタキシャル成長させる。そして、シリコン酸化膜をＨＦ洗浄により除去し、活性層に表面研磨を施すことで、部分ＳＯＩウェーハを作製する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１にあっては、窓部から露出したバルク層の一部にシリコンをエピタキシャル成長する際、成長途中でシリコンが埋め込みシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の領域を通過することになる。Ｓｉは単結晶でＳｉＯ２は非晶質である。そのため、これまでの窓部から露出したバルク層からのエピタキシャル成長の場合には、成長速度が非常に遅く、非晶質のＳｉＯ２膜からなる側壁に沿ってエピタキシャル成長する際に影響を受け、シリコンに成長欠陥が発生していた。
【０００６】
そこで、発明者は鋭意研究の結果、深まった窓部（孔部）にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させ、その後、この窓部内のシリコンをレーザ光などの高エネルギ光により熱処理すれば、シリコンの成長欠陥を溶失可能であることを知見し、この発明を完成させた。
すなわち、単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは特定波長では吸光係数が１桁以上高い。そのため、レーザ光などの高エネルギ光を、単結晶シリコン製の活性層は溶融しないが、単結晶シリコンより吸光係数が高いアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンは溶融する液相エピタキシーの熱処理条件または溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で照射し、この窓部内のシリコンを熱処理して固化させる。このとき、上記手法によるエピタキシャル成長速度は従来手法の成長速度に比較して数桁速い。そのため、ＳｉＯ２膜の影響を受けにくく欠陥の少ないエピタキシャル膜を成長させることを知見し、この発明を完成させた。
【０００７】
この発明は、ＳＯＩ基板の孔部内で堆積中のシリコンが、埋め込み酸化膜の領域を通過する際に発生した成長欠陥を無くすことができる部分ＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、単結晶シリコンまたは異種単結晶からなる活性層と、単結晶シリコンからなるバルク層との間に埋め込み酸化膜を形成してＳＯＩ基板を作製する基板作製工程と、作製された前記ＳＯＩ基板の活性層の表面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜を部分的に除去し、該保護膜に前記活性層の一部を露出させる窓部を形成する窓部形成工程と、前記窓部の形成後、該窓部を通して、前記活性層の一部および前記埋め込み酸化膜の一部をエッチングし、前記バルク層まで達する孔部を形成する開孔工程と、前記孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる堆積工程と、該堆積工程後、前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、該保護膜除去工程後、前記孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射による溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、高エネルギ光の照射による溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で加熱し、その後、冷却することで単結晶シリコンに改質する熱処理工程とを備えた部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、活性層を被覆する保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層の一部および埋め込み酸化膜の一部をエッチングすることで孔部を形成する。その後、孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、例えばＣＶＤ（化学的気相成長）法などの薄膜成長法により堆積させる。
【００１０】
融点１４１２℃の単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは吸光係数が高く、特にアモルファスシリコン（融点１１５０℃前後）は、単結晶シリコンと比較して特定波長領域では光吸収係数が１桁程高いと言われている。
【００１１】
そのため、液相エピタキシー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）の場合には、光加熱式のアニール炉を使用し、１１５０℃以上１４１２℃未満で熱処理すれば、バルク層の素材が融点に達する前に、アモルファスシリコン（または多結晶シリコン）が溶融する。その後、これを冷却、固化することで、単結晶シリコンが形成される。これは、孔部内の光加熱により溶融したアモルファスシリコン（または多結晶シリコン）が、単結晶シリコンからなるバルク層との界面（固液界面）を基準とし、固体領域であるバルク層の結晶性（結晶面および結晶方位など）を引き継いで単結晶化するためである。これにより、ＳＯＩ基板の活性層用ウェーハの表面の一部に、バルク層と同じ結晶性の領域を簡単に形成することができる。
【００１２】
次に、固相エピタキシー（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）の場合について説明する。活性層の素材には、融点が１４１２℃の単結晶シリコンなどを用い、ＳＯＩ基板に対して例えばアモルファスシリコンの融点を若干下回る温度（約１１００℃）の光加熱を行う。これにより、アモルファスシリコンが、溶融することなく、単結晶シリコンからなるバルク層との界面を基準とし、バルク層の結晶性を引き継いで単結晶化される。その後、これを冷却、固化することで、単結晶シリコンが形成される。
【００１３】
ここでいうバルク層とは、部分ＳＯＩ基板のうち、埋め込み酸化膜を中間にして活性層と対峙する、ＳＯＩ基板の本体となる部分を意味する。したがって、ＳＩＭＯＸ方式の部分ＳＯＩ基板におけるバルク層だけでなく、貼り合わせ方式の部分ＳＯＩ基板における支持基板用ウェーハなども含む。
部分ＳＯＩ基板の種類は限定されない。例えば（１）支持基板用ウェーハに埋め込み酸化膜を介して貼り合わせた活性層用ウェーハを減厚して活性層とした貼り合わせ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（２）活性層の薄膜化に選択エッチングを採用したＥＬＴＲＡＮ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（３）活性層の薄膜化に水素イオン剥離を採用したスマートカット方式の部分ＳＯＩウェーハ、（４）活性層の薄膜化に局所プラズマエッチングを採用したＰＡＣＥ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（５）活性層とバルク層との間に、イオン注入および熱処理により埋め込み酸化膜を形成したＳＩＭＯＸ方式の部分ウェーハなどを採用することができる。
【００１４】
バルク層（支持基板用ウェーハ）の素材は、単結晶シリコンである。
活性層（活性層用ウェーハ）の素材としては、単結晶シリコンまたは異種単結晶を採用することができる。ここでの異種単結晶とは、融点が単結晶シリコンの融点以上で、かつ単結晶シリコンと異なる半導体素材の単結晶をいう。この半導体素材としては、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、サファイアなどを採用することができる。活性層用ウェーハの素材に、シリコンとは異なる半導体素材を採用した場合には、熱処理工程において、ヘテロエピタキシーを伴うアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの単結晶シリコンへの変質が行われる。
埋め込み酸化膜（埋め込み絶縁膜）としては、例えばシリコン酸化膜、窒化シリコンなどを採用することができる。埋め込み酸化膜の厚さは、例えば０．０１〜２．０μｍである。
【００１５】
保護膜としては、例えばシリコン酸化膜、窒化膜などを採用することができる。
保護膜の形成方法としては、例えば熱酸化膜、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、スパッタリング法などを採用することができる。
窓部の形成方法としては、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、保護膜を部分的に溶失させる方法を採用することができる。窓部形成用のエッチング液は、保護膜の素材に応じて適宜変更される。
保護膜を除去する方法は、保護膜の素材に応じて適宜選択される。例えば、保護膜がシリコン酸化膜の場合には、ＨＦ溶液などによるエッチングを採用することができる。
【００１６】
開孔工程で使用されるエッチング液は、単結晶シリコンからなる活性層用として、例えばＴＭＡ（テトラメチルアンモニウム）を用いたウェットエッチング法やドライエッチング法などを採用することができる。また、埋め込み酸化膜用としては、例えばＨＦ溶液などを採用することができる。
孔部の深さは、バルク層の埋め込み酸化膜との界面に達する程度でも、バルク層の内部に達する程度でもよい。
【００１７】
熱処理工程において、高エネルギ光の照射により、溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で熱処理されたアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンは、バルク層の単結晶シリコン構造を反映した液相エピタキシャル成長または固相エピタキシャル成長を行い、単結晶シリコンとなる。
また、溶融後に液相エピタキシャルされたシリコンの比抵抗の調整は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン中に予めドーパントを規定量導入することで対応できる。
ここでいう「堆積」とは、エピタキシャル成長を含むアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの成長をいう。
【００１８】
アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる方法としては、例えば気相成長法を採用すればよい。その他、スパッタ法などでもよい。
気相成長法としては、例えば常圧気相成長法、減圧気相成長法、有機金属気相成長法等を採用することができる。
気相成長装置としては、１枚ずつＳＯＩ基板を処理する枚葉型、複数枚のＳＯＩ基板を同時に処理可能なパンケーキ型、バレル型、ホットウォール型、クラスタ型でもよい。
気相成長法で使用される反応ガス（ソースガス）の成分としては、例えばＳｉＨ４を採用することができる。また、キャリアガスの成分としては、水素を採用することができる。
【００１９】
光加熱方法としては、例えば各種のランプアニール法（スパイククランプアニール法、フラッシュランプアニール法など）、レーザアニール法（レーザスパイクアニール法など）を採用することができる。
高エネルギ光としては、例えばランプ光、レーザ光などを採用することができる。
高エネルギ光の照射エネルギは装置仕様により大きく変わるものの、可能な限りエネルギの高いものの方が処理時間の短縮が図れて好ましい。例えば、レーザエネルギ密度は０．１〜２０Ｊ／ｃｍ２である。０．１Ｊ／ｃｍ２未満では、熱処理時間が長くなりすぎて生産性が低下する。また、２０Ｊ／ｃｍ２を超えれば、生産性は高まるが装置コストの問題が生じる。高エネルギ光の好ましい照射エネルギは、０．５〜５Ｊ／ｃｍ２である。この範囲であれば、市販のレーザ装置を使用することができる。
また、レーザ種はエキシマレーザ、固体レーザ、半導体レーザなどシリコン内部に侵入できる波長を有するレーザが適用される。また、２種類以上の波長のレーザ光をシリコン表面から照射してもよい。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、前記堆積工程後から前記熱処理工程までの間に、前記窓部内のアモルファス膜または多結晶シリコンに非ドーパント性イオンを注入する請求項１に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを加熱する前に、バルク層までまたはこの界面を通過してバルク層に達する領域まで、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンに非ドーパントをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れる。その結果、良好な単結晶シリコンが得られる。
【００２２】
非ドーパントとしては、例えばシリコンまたはアルゴンを採用することができる。非ドーパントのイオン注入量は、例えば１×１０１４〜１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満では、イオンドーズ量が少なく、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れない。また、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超えれば、イオン注入時間が長くなり、生産性が低下する。好ましいイオン注入量は、５×１０１５〜５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。この範囲であれば、生産性低下を抑制可能で、かつアモルファス化の促進を確実に実現することができる。
非ドーパントのイオン注入エネルギは、活性層の厚みに依存するものの、活性層とバルク層との界面を通過し、バルク層の界面近傍をもアモルファス化されるように設定してもよい。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、前記ＳＯＩ基板は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた後、前記活性層用ウェーハを減厚した貼り合わせ基板で、この貼り合わせ前の活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との少なくとも１つに、貼り合わせ後に前記埋め込み酸化膜となる酸化膜を形成する請求項１または請求項２に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２４】
酸化膜が形成されるのは、活性層用ウェーハの貼り合わせ界面でも、支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面の何れでもよい。また、活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と、支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との両方でもよい。
減厚方法としては、例えば活性層用ウェーハの研削、活性層用ウェーハの表層への水素のイオン注入を伴うスマートカットなどを採用することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２６】
特に、レーザ光を採用した場合には、レーザスキャン速度を任意に変更できるので、固化速度などを変更可能で、得られる部分ＳＯＩウェーハの品質を改善することができる。ランプ加熱の場合には、ウェーハ全面の表層のみを一気に高温加熱するので、スリップを発生させない条件で照射しなければならない。
【００２７】
レーザ光としては、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ガラスファイバレーザ、Ｎｄ：ＹＶ０４レーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザなどの第２高調波、第３高調波、第４高調波などを採用することができる。また、レーザ光はパルス照射でも連続照射の何れでもよく、ビーム幅はシリコンウェーハの直径以上にした方が均一に熱処理できるので好ましい。レーザ光の照射エネルギ、レーザ光の照射パルス数、レーザ光のパルス幅は、レーザ光の種類に応じてそれぞれ選択される。特に、５００ｎｍ以下の波長を適用すると吸収係数が大きいので効率的である。
【００２８】
請求項５に記載の発明によれば、前記熱処理工程後、前記孔部内で固化した前記アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む前記活性層の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、熱処理工程後、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む活性層の表面を研磨するので、仮に活性層の表面と、孔部内で固化したアモルファスシリコンの表面または多結晶シリコンの表面とのうち、少なくとも１つに微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のエピタキシャルシリコンウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【００３０】
活性層などの表面の研磨量は、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの高さ（孔部の深さ）より少なくするのは当然であるが、研磨による平坦度劣化を防ぐため、可能な限り研磨量は少なくする。すなわち、研磨代は熱処理、固化後のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの表面（露出面）の凹凸欠陥を除去できるだけの大きさである。例えば１〜１００ｎｍである。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に記載の発明によれば、活性層を被覆する保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層の一部および埋め込み酸化膜の一部をエッチングして孔部を形成し、この孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる。その後、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射により熱処理させるので、孔部内で堆積中のシリコンが、埋め込み酸化膜の領域を通過する際にも欠陥発生を抑制することができる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、特に、固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを加熱する前に、バルク層までまたはこの界面を通過してバルク層に達する領域まで、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンに非ドーパントをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れる。その結果、良好な単結晶シリコンが得られる。
【００３３】
請求項５に記載の発明によれば、熱処理工程後、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む活性層の表面を研磨するので、仮に活性層の表面と、孔部内で固化したアモルファスシリコンの表面または多結晶シリコンの表面とのうち、少なくとも１つに微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のＳＯＩウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における基板作製工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｂ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における保護膜形成工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｃ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における窓部形成工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｄ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における開孔工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｅ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における堆積工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｆ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における保護膜除去工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｇ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における熱処理工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｈ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における研磨工程を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例】
【００３６】
この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法を説明する。
まず、ＳＩＭＯＸ基板（ＳＯＩ基板）１０を用意する（図１（ａ））。ＳＩＭＯＸ基板１０の製造方法は、次の通りである。チョクラルスキー法により直径２００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８／ｃｍ３のシリコン単結晶インゴットを引き上げる。その際、ドーパントとしてボロンを、シリコン単結晶インゴットの比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍとなるまで添加する。得られたシリコン単結晶インゴットには、ブロック切断、外径研削およびスライスの各工程が順次施される。これにより、単結晶シリコン製のシリコンウェーハが作製される。
【００３７】
このシリコンウェーハを４００℃程度に加熱しながら表面から、中電流イオン注入装置を使用し、１８０ｋｅＶの加速電圧で酸素イオンを注入する。このときのドーズ量は、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。その後、シリコンウェーハを熱処理炉に投入し、１３５０℃で１５時間、熱処理する。雰囲気ガスは、アルゴンと酸素との混合比が１３５０℃開始から４時間は９９：１とし、以降は６０：４０の混合ガスである。これにより、注入された酸素とシリコンとが結合し、酸素イオン注入領域にＳｉＯ２からなる埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）１３が形成される。
【００３８】
その結果、シリコンウェーハの表面側に厚さ７５ｎｍの活性層１１が形成される。埋め込みシリコン酸化膜１３の膜厚は約０．１μｍである。これにより、活性層１１とバルク層１２との間に埋め込みシリコン酸化膜１３が介在されたＳＩＭＯＸ基板１０が作製される（基板作製工程）。なお、ＳＩＭＯＸ基板１０に代えて貼り合わせＳＯＩ基板を採用してもよい。これは、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを埋め込みシリコン酸化膜を介して貼り合わせ、研削砥石によりウェーハ表面から活性層用ウェーハを減厚したものである。
【００３９】
次いで、ＳＩＭＯＸ基板１０にシリコン酸化膜（保護膜）１４を形成する（保護膜形成工程、図１（ｂ））。具体的には、ＳＩＭＯＸ基板１０を熱酸化炉に投入し、ドライ酸素ガスによってシリコン酸化膜１４を成長させる。シリコン酸化膜１４の厚さは１０ｎｍ程度である。
それから、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ＳＩＭＯＸ基板１０の活性層１１側のシリコン酸化膜１４に、所定ピッチで多数の窓部１４ａを形成する（窓部形成工程、図１（ｃ））。具体的には、まず活性層１１側のシリコン酸化膜１４にレジストを塗布する。次に、露光、現像することで、レジストに所定ピッチで多数の開口部を形成する。続いて、所定濃度のＨＦ溶液（室温）により、各開口部を介して前記各窓部１４ａを形成する。
【００４０】
次いで、各窓部１４ａを通して、活性層１１の一部および埋め込みシリコン酸化膜１３の一部をエッチングし、例えばバルク層１２まで達する深さ５００ｎｍ以上の多数の孔部１５を形成する（開孔工程、図１（ｄ））。具体的には、まず各窓部１４ａを通して、ＴＭＡ（液温２５℃）を使用し、活性層１１の一部をエッチングする。次に、ＨＦ２０％のＨＦ水溶液（室温）を使用し、各窓部１４ａを通して埋め込みシリコン酸化膜１３の一部をＨＦエッチングする。さらに、ＴＭＡを使用してバルク層１２の表層をエッチングしてもよい。その後、レジストを除去する。
【００４１】
次に、各孔部１５内にアモルファスシリコン体１６を堆積させ、各孔部１５を埋める（堆積工程、図１（ｅ））。具体的には、２００〜４００℃に設定された炉内にＳＩＭＯＸ基板１０を投入し、水素ガスをベースにして、シランガスを導入し、アモルファスシリコン体１６を約５００ｎｍ以上堆積させる。
なお、アモルファスシリコン体１６に代えて、多結晶シリコンを堆積させてもよい。
多結晶シリコンの堆積方法としては、ＣＶＤ装置に温度５００℃〜７５０℃程度の温度域で、例えば減圧化によりモノシランガスを導入し、多結晶シリコンを堆積させる方法などを採用することができる。
【００４２】
また、必要に応じて、堆積工程において、アモルファスシリコンや多結晶シリコン成膜時にドーパントガスを炉内に供給し、アモルファスシリコン体１６にドーパントを導入してもよい。または堆積工程後から熱処理工程までの間に、アモルファスシリコン体１６の内部に、その表面からドーパントをイオン注入してもよい。この場合には、以下のイオン注入工程が行われる。
まず、アモルファスシリコン体１６を含むＳＩＭＯＸ基板１０を中電流イオン注入装置の炉内に挿入し、アモルファスシリコン内にドーパントイオンが注入できるように設定すればよい。ドーパントのイオン注入を採用した場合、熱処理工程において、アモルファスシリコン体１６の全域にドーパントが均一に拡散される。
【００４３】
また、例えばアモルファスシリコン体１６にシリコン（非ドーパント）をイオン注入し、アモルファスシリコン体１６のアモルファス化を促進させてもよい。具体的なイオン注入条件は、貼り合わせ基板３０を中電流イオン注入装置内に挿入し、２００ｋｅＶ以上の加速電圧で所定濃度となるように、アモルファスシリコン体１６にシリコンをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコン体１６の膜中および支持基板用ウェーハ１０との界面を超えた深さまでシリコンがイオン注入され、バルク層１２のアモルファスシリコン体１６との界面付近もアモルファス化される。
【００４４】
次に、こうして部分ＳＯＩ構造が造り込まれたＳＩＭＯＸ基板１０を、ＨＦ５重量％のＨＦ洗浄液（室温）に１０分間浸漬し、シリコン酸化膜１４を除去する（図１（ｆ））。
次いで、ドーパントが添加されたアモルファスシリコン体１６付きのシリコンウェーハ１０を、真空下もしくは不活性ガス雰囲気下、例えばヘリウムガス雰囲気下に保たれたレーザアニール炉（パルス方式）に挿入する。ここで、エキシマレーザ光（ＫｒＦレーザ、波長２４８ｎｍ、エネルギ密度２．５Ｊ／ｃｍ２，パルス幅２７０ｎｓ）を、ウェーハ表面全域に照射し、アモルファスシリコン体１６を溶融する（図１（ｇ）、熱処理工程）。
前述したように、孔部１５内には、単結晶シリコンに比べて吸光係数が高いアモルファスシリコン体１６が堆積している。そのため、レーザアニール炉を使用し、単結晶シリコンは溶融しないが、アモルファスシリコンは溶融する液相エピタキシーの熱処理条件（例えば１３５０℃）でレーザ光を活性層１１の表面全域に照射すれば、シリコンウェーハ１０は溶けず、アモルファスシリコン体１６のみが溶融する。アモルファスシリコンより吸光係数が低い単結晶シリコン製の活性層１１は、融点に達しないので溶融しない。
【００４５】
その後、溶融したアモルファスシリコン体１６を冷却し、固化させる。これにより、溶融された固液界面（単結晶シリコン製のバルク層１２の表層）において、固体領域の結晶性を引き継ぎ、アモルファスシリコン体１６がバルク層１２と同じ単結晶シリコン体１６Ａに変質する（図１（ｈ））。
なお、エキシマレーザ光の照射条件を波長２４８ｎｍ、エネルギ密度０．５Ｊ／ｃｍ２，パルス幅２００ｎｓに変更することで、アモルファスシリコンの溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件（例えば １１００℃）でレーザ光を活性層１１の表面全域に照射しても、アモルファスシリコン体１６とバルク層１２との界面において、固体領域の結晶性を引き継ぎ、アモルファスシリコン体１６がバルク層１２と同じ単結晶シリコン体１６Ａに変質する。
次に、ＳＩＭＯＸ基板１０を、その活性層１１側を下に向け、キャリアプレートを介して、枚葉式の研磨装置の研磨ヘッドの下面に貼着し、ウェーハ表層を例えば研磨量５ｎｍ程度で化学的機械的研磨する（図１（ｈ））。これにより、表面が加工研磨された部分ＳＩＭＯＸウェーハ（部分ＳＯＩウェーハ）２０が作製される。
【００４６】
このように、活性層１１を被覆するシリコン酸化膜１４の一部に形成された窓部１４ａを通して、活性層１１の一部、埋め込みシリコン酸化膜１３の一部およびバルク層１２の表層の一部をエッチングして孔部１５を形成し、その後、この孔部１５にアモルファスシリコン体１６を堆積させる。このとき、アモルファスシリコン体１６の埋め込みシリコン酸化膜１３の領域通過に伴い、アモルファスシリコン体１６に成長欠陥が生じる。しかしながら、次に、孔部１５内のアモルファスシリコン体１６を、レーザ光の照射により溶融させるので、この溶融時に成長欠陥を無くすことができる。しかも、この手法によるエピタキシャル成長速度は、従来のＣＶＤ法の成長速度に比較して数桁速い。そのため、エピタキシャル成長に際して埋め込みシリコン酸化膜１３の影響を受けにくく、欠陥の少ない単結晶シリコン体１６Ａを成長させることができる。
【００４７】
また、熱処理工程後、孔部１５内で固化したアモルファスシリコン体１６を含む活性層１１の表面を研磨するので、仮に孔部１５内で固化したアモルファスシリコン体１６の表面に微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のＳＩＭＯＸ基板と同等の表面平坦度を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ＳＩＭＯＸ基板（ＳＯＩ基板）、
１１ 活性層、
１２ バルク層、
１３ 埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）、
１４ シリコン酸化膜（保護膜）、
１４ａ 窓部、
１５ 孔部、
１６ アモルファスシリコン、
１６Ａ 単結晶シリコン、
２０ 部分ＳＩＭＯＸ基板（部分ＳＯＩ基板）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は部分ＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくはワンチップ上に論理回路とメモリ回路とを混載可能な部分ＳＯＩウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの低コスト化、高速化を目指して、ワンチップ上に論理回路とメモリ回路とを混載する（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）技術が提案されている。論理回路は低電力化、高速化のためにＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に作製するのが好ましい。一方、メモリ回路は結晶の完全性などの観点から、バルク結晶上に作製するのが好ましい。そこで、考案されたものが、ＳＯＩウェーハの一部にバルク領域を残存させた部分ＳＯＩ（パターンＳＯＩ）構造である。
【０００３】
従来、部分ＳＯＩ構造を有するウェーハの作製方法として、例えば特許文献１の背景技術に開示されたＳＩＭＯＸタイプのものが知られている。これは、まず単結晶シリコンウェーハをベースに作製されたＳＩＭＯＸ基板を熱酸化装置に挿入して加熱し、活性層の表面にシリコン酸化膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ、ＨＦ溶液を用いたエッチングによりシリコン酸化膜を部分的に溶失させ、窓部を形成する。次いで、窓部を通して、活性層の一部および埋め込みシリコン酸化膜（ＢＯＸ層）の一部をエッチングし、窓部を深くする。その後、窓部から露出したバルク層の一部にシリコンをエピタキシャル成長させる。そして、シリコン酸化膜をＨＦ洗浄により除去し、活性層に表面研磨を施すことで、部分ＳＯＩウェーハを作製する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４９７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１にあっては、窓部から露出したバルク層の一部にシリコンをエピタキシャル成長する際、成長途中でシリコンが埋め込みシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の領域を通過することになる。Ｓｉは単結晶でＳｉＯ２は非晶質である。そのため、これまでの窓部から露出したバルク層からのエピタキシャル成長の場合には、成長速度が非常に遅く、非晶質のＳｉＯ２膜からなる側壁に沿ってエピタキシャル成長する際に影響を受け、シリコンに成長欠陥が発生していた。
【０００６】
そこで、発明者は鋭意研究の結果、深まった窓部（孔部）にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させ、その後、この窓部内のシリコンをレーザ光などの高エネルギ光により熱処理すれば、シリコンの成長欠陥を溶失可能であることを知見し、この発明を完成させた。
すなわち、単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは特定波長では吸光係数が１桁以上高い。そのため、レーザ光などの高エネルギ光を、単結晶シリコン製の活性層は溶融しないが、単結晶シリコンより吸光係数が高いアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンは溶融する液相エピタキシーの熱処理条件または溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で照射し、この窓部内のシリコンを熱処理して固化させる。このとき、上記手法によるエピタキシャル成長速度は従来手法の成長速度に比較して数桁速い。そのため、ＳｉＯ２膜の影響を受けにくく欠陥の少ないエピタキシャル膜を成長させることを知見し、この発明を完成させた。
【０００７】
この発明は、ＳＯＩ基板の孔部内で堆積中のシリコンが、埋め込み酸化膜の領域を通過する際に発生した成長欠陥を無くすことができる部分ＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、単結晶シリコンまたは異種単結晶からなる活性層と、単結晶シリコンからなるバルク層との間に埋め込み酸化膜を形成してＳＯＩ基板を作製する基板作製工程と、作製された前記ＳＯＩ基板の活性層の表面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜を部分的に除去し、該保護膜に前記活性層の一部を露出させる窓部を形成する窓部形成工程と、前記窓部の形成後、該窓部を通して、前記活性層の一部および前記埋め込み酸化膜の一部をエッチングし、前記バルク層まで達する孔部を形成する開孔工程と、前記孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる堆積工程と、該堆積工程後、前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、該保護膜除去工程後、前記孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射による溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、高エネルギ光の照射による溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で加熱し、その後、冷却することで単結晶シリコンに改質する熱処理工程とを備えた部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、活性層を被覆する保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層の一部および埋め込み酸化膜の一部をエッチングすることで孔部を形成する。その後、孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、例えばＣＶＤ（化学的気相成長）法などの薄膜成長法により堆積させる。
【００１０】
融点１４１２℃の単結晶シリコンに比べてアモルファスシリコンおよび多結晶シリコンは吸光係数が高く、特にアモルファスシリコン（融点１１５０℃前後）は、単結晶シリコンと比較して特定波長領域では光吸収係数が１桁程高いと言われている。
【００１１】
そのため、液相エピタキシー（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）の場合には、光加熱式のアニール炉を使用し、１１５０℃以上１４１２℃未満で熱処理すれば、バルク層の素材が融点に達する前に、アモルファスシリコン（または多結晶シリコン）が溶融する。その後、これを冷却、固化することで、単結晶シリコンが形成される。これは、孔部内の光加熱により溶融したアモルファスシリコン（または多結晶シリコン）が、単結晶シリコンからなるバルク層との界面（固液界面）を基準とし、固体領域であるバルク層の結晶性（結晶面および結晶方位など）を引き継いで単結晶化するためである。これにより、ＳＯＩ基板の活性層用ウェーハの表面の一部に、バルク層と同じ結晶性の領域を簡単に形成することができる。
【００１２】
次に、固相エピタキシー（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）の場合について説明する。活性層の素材には、融点が１４１２℃の単結晶シリコンなどを用い、ＳＯＩ基板に対して例えばアモルファスシリコンの融点を若干下回る温度（約１１００℃）の光加熱を行う。これにより、アモルファスシリコンが、溶融することなく、単結晶シリコンからなるバルク層との界面を基準とし、バルク層の結晶性を引き継いで単結晶化される。その後、これを冷却、固化することで、単結晶シリコンが形成される。
【００１３】
ここでいうバルク層とは、部分ＳＯＩ基板のうち、埋め込み酸化膜を中間にして活性層と対峙する、ＳＯＩ基板の本体となる部分を意味する。したがって、ＳＩＭＯＸ方式の部分ＳＯＩ基板におけるバルク層だけでなく、貼り合わせ方式の部分ＳＯＩ基板における支持基板用ウェーハなども含む。
部分ＳＯＩ基板の種類は限定されない。例えば（１）支持基板用ウェーハに埋め込み酸化膜を介して貼り合わせた活性層用ウェーハを減厚して活性層とした貼り合わせ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（２）活性層の薄膜化に選択エッチングを採用したＥＬＴＲＡＮ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（３）活性層の薄膜化に水素イオン剥離を採用したスマートカット方式の部分ＳＯＩウェーハ、（４）活性層の薄膜化に局所プラズマエッチングを採用したＰＡＣＥ方式の部分ＳＯＩウェーハ、（５）活性層とバルク層との間に、イオン注入および熱処理により埋め込み酸化膜を形成したＳＩＭＯＸ方式の部分ウェーハなどを採用することができる。
【００１４】
バルク層（支持基板用ウェーハ）の素材は、単結晶シリコンである。
活性層（活性層用ウェーハ）の素材としては、単結晶シリコンまたは異種単結晶を採用することができる。ここでの異種単結晶とは、融点が単結晶シリコンの融点以上で、かつ単結晶シリコンと異なる半導体素材の単結晶をいう。この半導体素材としては、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、サファイアなどを採用することができる。活性層用ウェーハの素材に、シリコンとは異なる半導体素材を採用した場合には、熱処理工程において、ヘテロエピタキシーを伴うアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの単結晶シリコンへの変質が行われる。
埋め込み酸化膜（埋め込み絶縁膜）としては、例えばシリコン酸化膜、窒化シリコンなどを採用することができる。埋め込み酸化膜の厚さは、例えば０．０１〜２．０μｍである。
【００１５】
保護膜としては、例えばシリコン酸化膜、窒化膜などを採用することができる。
保護膜の形成方法としては、例えば熱酸化膜、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、スパッタリング法などを採用することができる。
窓部の形成方法としては、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、保護膜を部分的に溶失させる方法を採用することができる。窓部形成用のエッチング液は、保護膜の素材に応じて適宜変更される。
保護膜を除去する方法は、保護膜の素材に応じて適宜選択される。例えば、保護膜がシリコン酸化膜の場合には、ＨＦ溶液などによるエッチングを採用することができる。
【００１６】
開孔工程で使用されるエッチング液は、単結晶シリコンからなる活性層用として、例えばＴＭＡ（テトラメチルアンモニウム）を用いたウェットエッチング法やドライエッチング法などを採用することができる。また、埋め込み酸化膜用としては、例えばＨＦ溶液などを採用することができる。
孔部の深さは、バルク層の埋め込み酸化膜との界面に達する程度でも、バルク層の内部に達する程度でもよい。
【００１７】
熱処理工程において、高エネルギ光の照射により、溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で熱処理されたアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンは、バルク層の単結晶シリコン構造を反映した液相エピタキシャル成長または固相エピタキシャル成長を行い、単結晶シリコンとなる。
また、溶融後に液相エピタキシャルされたシリコンの比抵抗の調整は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン中に予めドーパントを規定量導入することで対応できる。
ここでいう「堆積」とは、エピタキシャル成長を含むアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの成長をいう。
【００１８】
アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる方法としては、例えば気相成長法を採用すればよい。その他、スパッタ法などでもよい。
気相成長法としては、例えば常圧気相成長法、減圧気相成長法、有機金属気相成長法等を採用することができる。
気相成長装置としては、１枚ずつＳＯＩ基板を処理する枚葉型、複数枚のＳＯＩ基板を同時に処理可能なパンケーキ型、バレル型、ホットウォール型、クラスタ型でもよい。
気相成長法で使用される反応ガス（ソースガス）の成分としては、例えばＳｉＨ４を採用することができる。また、キャリアガスの成分としては、水素を採用することができる。
【００１９】
光加熱方法としては、例えば各種のランプアニール法（スパイククランプアニール法、フラッシュランプアニール法など）、レーザアニール法（レーザスパイクアニール法など）を採用することができる。
高エネルギ光としては、例えばランプ光、レーザ光などを採用することができる。
高エネルギ光の照射エネルギは装置仕様により大きく変わるものの、可能な限りエネルギの高いものの方が処理時間の短縮が図れて好ましい。例えば、レーザエネルギ密度は０．１〜２０Ｊ／ｃｍ２である。０．１Ｊ／ｃｍ２未満では、熱処理時間が長くなりすぎて生産性が低下する。また、２０Ｊ／ｃｍ２を超えれば、生産性は高まるが装置コストの問題が生じる。高エネルギ光の好ましい照射エネルギは、０．５〜５Ｊ／ｃｍ２である。この範囲であれば、市販のレーザ装置を使用することができる。
また、レーザ種はエキシマレーザ、固体レーザ、半導体レーザなどシリコン内部に侵入できる波長を有するレーザが適用される。また、２種類以上の波長のレーザ光をシリコン表面から照射してもよい。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、前記堆積工程後から前記熱処理工程までの間に、前記窓部内のアモルファス膜または多結晶シリコンに非ドーパント性イオンを注入する請求項１に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを加熱する前に、バルク層までまたはこの界面を通過してバルク層に達する領域まで、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンに非ドーパントをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れる。その結果、良好な単結晶シリコンが得られる。
【００２２】
非ドーパントとしては、例えばシリコンまたはアルゴンを採用することができる。非ドーパントのイオン注入量は、例えば１×１０１４〜１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満では、イオンドーズ量が少なく、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れない。また、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超えれば、イオン注入時間が長くなり、生産性が低下する。好ましいイオン注入量は、５×１０１５〜５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。この範囲であれば、生産性低下を抑制可能で、かつアモルファス化の促進を確実に実現することができる。
非ドーパントのイオン注入エネルギは、活性層の厚みに依存するものの、活性層とバルク層との界面を通過し、バルク層の界面近傍をもアモルファス化されるように設定してもよい。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、前記ＳＯＩ基板は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた後、前記活性層用ウェーハを減厚した貼り合わせ基板で、この貼り合わせ前の活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との少なくとも１つに、貼り合わせ後に前記埋め込み酸化膜となる酸化膜を形成する請求項１または請求項２に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２４】
酸化膜が形成されるのは、活性層用ウェーハの貼り合わせ界面でも、支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面の何れでもよい。また、活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と、支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との両方でもよい。
減厚方法としては、例えば活性層用ウェーハの研削、活性層用ウェーハの表層への水素のイオン注入を伴うスマートカットなどを採用することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２６】
特に、レーザ光を採用した場合には、レーザスキャン速度を任意に変更できるので、固化速度などを変更可能で、得られる部分ＳＯＩウェーハの品質を改善することができる。ランプ加熱の場合には、ウェーハ全面の表層のみを一気に高温加熱するので、スリップを発生させない条件で照射しなければならない。
【００２７】
レーザ光としては、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）のパルスレーザ光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ガラスファイバレーザ、Ｎｄ：ＹＶ０４レーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザなどの第２高調波、第３高調波、第４高調波などを採用することができる。また、レーザ光はパルス照射でも連続照射の何れでもよく、ビーム幅はシリコンウェーハの直径以上にした方が均一に熱処理できるので好ましい。レーザ光の照射エネルギ、レーザ光の照射パルス数、レーザ光のパルス幅は、レーザ光の種類に応じてそれぞれ選択される。特に、５００ｎｍ以下の波長を適用すると吸収係数が大きいので効率的である。
【００２８】
請求項５に記載の発明によれば、前記熱処理工程後、前記孔部内で固化した前記アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む前記活性層の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、熱処理工程後、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む活性層の表面を研磨するので、仮に活性層の表面と、孔部内で固化したアモルファスシリコンの表面または多結晶シリコンの表面とのうち、少なくとも１つに微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のエピタキシャルシリコンウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【００３０】
活性層などの表面の研磨量は、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの高さ（孔部の深さ）より少なくするのは当然であるが、研磨による平坦度劣化を防ぐため、可能な限り研磨量は少なくする。すなわち、研磨代は熱処理、固化後のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの表面（露出面）の凹凸欠陥を除去できるだけの大きさである。例えば１〜１００ｎｍである。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に記載の発明によれば、活性層を被覆する保護膜の一部に形成された窓部を通して、活性層の一部および埋め込み酸化膜の一部をエッチングして孔部を形成し、この孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる。その後、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射により熱処理させるので、孔部内で堆積中のシリコンが、埋め込み酸化膜の領域を通過する際にも欠陥発生を抑制することができる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、特に、固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを加熱する前に、バルク層までまたはこの界面を通過してバルク層に達する領域まで、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンに非ドーパントをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンのアモルファス化の促進が図れる。その結果、良好な単結晶シリコンが得られる。
【００３３】
請求項５に記載の発明によれば、熱処理工程後、孔部内で固化したアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む活性層の表面を研磨するので、仮に活性層の表面と、孔部内で固化したアモルファスシリコンの表面または多結晶シリコンの表面とのうち、少なくとも１つに微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のＳＯＩウェーハと同等の表面平坦度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における基板作製工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｂ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における保護膜形成工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｃ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における窓部形成工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｄ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における開孔工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｅ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における堆積工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｆ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における保護膜除去工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｇ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における熱処理工程を示す要部拡大断面図である。
【図１ｈ】この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法における研磨工程を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例】
【００３６】
この発明の実施例１に係る部分ＳＯＩウェーハの製造方法を説明する。
まず、ＳＩＭＯＸ基板（ＳＯＩ基板）１０を用意する（図１（ａ））。ＳＩＭＯＸ基板１０の製造方法は、次の通りである。チョクラルスキー法により直径２００ｍｍ、初期酸素濃度１．０×１０１８／ｃｍ３のシリコン単結晶インゴットを引き上げる。その際、ドーパントとしてボロンを、シリコン単結晶インゴットの比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍとなるまで添加する。得られたシリコン単結晶インゴットには、ブロック切断、外径研削およびスライスの各工程が順次施される。これにより、単結晶シリコン製のシリコンウェーハが作製される。
【００３７】
このシリコンウェーハを４００℃程度に加熱しながら表面から、中電流イオン注入装置を使用し、１８０ｋｅＶの加速電圧で酸素イオンを注入する。このときのドーズ量は、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。その後、シリコンウェーハを熱処理炉に投入し、１３５０℃で１５時間、熱処理する。雰囲気ガスは、アルゴンと酸素との混合比が１３５０℃開始から４時間は９９：１とし、以降は６０：４０の混合ガスである。これにより、注入された酸素とシリコンとが結合し、酸素イオン注入領域にＳｉＯ２からなる埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）１３が形成される。
【００３８】
その結果、シリコンウェーハの表面側に厚さ７５ｎｍの活性層１１が形成される。埋め込みシリコン酸化膜１３の膜厚は約０．１μｍである。これにより、活性層１１とバルク層１２との間に埋め込みシリコン酸化膜１３が介在されたＳＩＭＯＸ基板１０が作製される（基板作製工程）。なお、ＳＩＭＯＸ基板１０に代えて貼り合わせＳＯＩ基板を採用してもよい。これは、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを埋め込みシリコン酸化膜を介して貼り合わせ、研削砥石によりウェーハ表面から活性層用ウェーハを減厚したものである。
【００３９】
次いで、ＳＩＭＯＸ基板１０にシリコン酸化膜（保護膜）１４を形成する（保護膜形成工程、図１（ｂ））。具体的には、ＳＩＭＯＸ基板１０を熱酸化炉に投入し、ドライ酸素ガスによってシリコン酸化膜１４を成長させる。シリコン酸化膜１４の厚さは１０ｎｍ程度である。
それから、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ＳＩＭＯＸ基板１０の活性層１１側のシリコン酸化膜１４に、所定ピッチで多数の窓部１４ａを形成する（窓部形成工程、図１（ｃ））。具体的には、まず活性層１１側のシリコン酸化膜１４にレジストを塗布する。次に、露光、現像することで、レジストに所定ピッチで多数の開口部を形成する。続いて、所定濃度のＨＦ溶液（室温）により、各開口部を介して前記各窓部１４ａを形成する。
【００４０】
次いで、各窓部１４ａを通して、活性層１１の一部および埋め込みシリコン酸化膜１３の一部をエッチングし、例えばバルク層１２まで達する深さ５００ｎｍ以上の多数の孔部１５を形成する（開孔工程、図１（ｄ））。具体的には、まず各窓部１４ａを通して、ＴＭＡ（液温２５℃）を使用し、活性層１１の一部をエッチングする。次に、ＨＦ２０％のＨＦ水溶液（室温）を使用し、各窓部１４ａを通して埋め込みシリコン酸化膜１３の一部をＨＦエッチングする。さらに、ＴＭＡを使用してバルク層１２の表層をエッチングしてもよい。その後、レジストを除去する。
【００４１】
次に、各孔部１５内にアモルファスシリコン体１６を堆積させ、各孔部１５を埋める（堆積工程、図１（ｅ））。具体的には、２００〜４００℃に設定された炉内にＳＩＭＯＸ基板１０を投入し、水素ガスをベースにして、シランガスを導入し、アモルファスシリコン体１６を約５００ｎｍ以上堆積させる。
なお、アモルファスシリコン体１６に代えて、多結晶シリコンを堆積させてもよい。
多結晶シリコンの堆積方法としては、ＣＶＤ装置に温度５００℃〜７５０℃程度の温度域で、例えば減圧化によりモノシランガスを導入し、多結晶シリコンを堆積させる方法などを採用することができる。
【００４２】
また、必要に応じて、堆積工程において、アモルファスシリコンや多結晶シリコン成膜時にドーパントガスを炉内に供給し、アモルファスシリコン体１６にドーパントを導入してもよい。または堆積工程後から熱処理工程までの間に、アモルファスシリコン体１６の内部に、その表面からドーパントをイオン注入してもよい。この場合には、以下のイオン注入工程が行われる。
まず、アモルファスシリコン体１６を含むＳＩＭＯＸ基板１０を中電流イオン注入装置の炉内に挿入し、アモルファスシリコン内にドーパントイオンが注入できるように設定すればよい。ドーパントのイオン注入を採用した場合、熱処理工程において、アモルファスシリコン体１６の全域にドーパントが均一に拡散される。
【００４３】
また、例えばアモルファスシリコン体１６にシリコン（非ドーパント）をイオン注入し、アモルファスシリコン体１６のアモルファス化を促進させてもよい。具体的なイオン注入条件は、貼り合わせ基板３０を中電流イオン注入装置内に挿入し、２００ｋｅＶ以上の加速電圧で所定濃度となるように、アモルファスシリコン体１６にシリコンをイオン注入する。これにより、アモルファスシリコン体１６の膜中および支持基板用ウェーハ１０との界面を超えた深さまでシリコンがイオン注入され、バルク層１２のアモルファスシリコン体１６との界面付近もアモルファス化される。
【００４４】
次に、こうして部分ＳＯＩ構造が造り込まれたＳＩＭＯＸ基板１０を、ＨＦ５重量％のＨＦ洗浄液（室温）に１０分間浸漬し、シリコン酸化膜１４を除去する（図１（ｆ））。
次いで、ドーパントが添加されたアモルファスシリコン体１６付きのシリコンウェーハ１０を、真空下もしくは不活性ガス雰囲気下、例えばヘリウムガス雰囲気下に保たれたレーザアニール炉（パルス方式）に挿入する。ここで、エキシマレーザ光（ＫｒＦレーザ、波長２４８ｎｍ、エネルギ密度２．５Ｊ／ｃｍ２，パルス幅２７０ｎｓ）を、ウェーハ表面全域に照射し、アモルファスシリコン体１６を溶融する（図１（ｇ）、熱処理工程）。
前述したように、孔部１５内には、単結晶シリコンに比べて吸光係数が高いアモルファスシリコン体１６が堆積している。そのため、レーザアニール炉を使用し、単結晶シリコンは溶融しないが、アモルファスシリコンは溶融する液相エピタキシーの熱処理条件（例えば１３５０℃）でレーザ光を活性層１１の表面全域に照射すれば、シリコンウェーハ１０は溶けず、アモルファスシリコン体１６のみが溶融する。アモルファスシリコンより吸光係数が低い単結晶シリコン製の活性層１１は、融点に達しないので溶融しない。
【００４５】
その後、溶融したアモルファスシリコン体１６を冷却し、固化させる。これにより、溶融された固液界面（単結晶シリコン製のバルク層１２の表層）において、固体領域の結晶性を引き継ぎ、アモルファスシリコン体１６がバルク層１２と同じ単結晶シリコン体１６Ａに変質する（図１（ｈ））。
なお、エキシマレーザ光の照射条件を波長２４８ｎｍ、エネルギ密度０．５Ｊ／ｃｍ２，パルス幅２００ｎｓに変更することで、アモルファスシリコンの溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件（例えば １１００℃）でレーザ光を活性層１１の表面全域に照射しても、アモルファスシリコン体１６とバルク層１２との界面において、固体領域の結晶性を引き継ぎ、アモルファスシリコン体１６がバルク層１２と同じ単結晶シリコン体１６Ａに変質する。
次に、ＳＩＭＯＸ基板１０を、その活性層１１側を下に向け、キャリアプレートを介して、枚葉式の研磨装置の研磨ヘッドの下面に貼着し、ウェーハ表層を例えば研磨量５ｎｍ程度で化学的機械的研磨する（図１（ｈ））。これにより、表面が加工研磨された部分ＳＩＭＯＸウェーハ（部分ＳＯＩウェーハ）２０が作製される。
【００４６】
このように、活性層１１を被覆するシリコン酸化膜１４の一部に形成された窓部１４ａを通して、活性層１１の一部、埋め込みシリコン酸化膜１３の一部およびバルク層１２の表層の一部をエッチングして孔部１５を形成し、その後、この孔部１５にアモルファスシリコン体１６を堆積させる。このとき、アモルファスシリコン体１６の埋め込みシリコン酸化膜１３の領域通過に伴い、アモルファスシリコン体１６に成長欠陥が生じる。しかしながら、次に、孔部１５内のアモルファスシリコン体１６を、レーザ光の照射により溶融させるので、この溶融時に成長欠陥を無くすことができる。しかも、この手法によるエピタキシャル成長速度は、従来のＣＶＤ法の成長速度に比較して数桁速い。そのため、エピタキシャル成長に際して埋め込みシリコン酸化膜１３の影響を受けにくく、欠陥の少ない単結晶シリコン体１６Ａを成長させることができる。
【００４７】
また、熱処理工程後、孔部１５内で固化したアモルファスシリコン体１６を含む活性層１１の表面を研磨するので、仮に孔部１５内で固化したアモルファスシリコン体１６の表面に微小な凹凸欠陥が存在しても、市販のＳＩＭＯＸ基板と同等の表面平坦度を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ＳＩＭＯＸ基板（ＳＯＩ基板）、
１１ 活性層、
１２ バルク層、
１３ 埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜）、
１４ シリコン酸化膜（保護膜）、
１４ａ 窓部、
１５ 孔部、
１６ アモルファスシリコン、
１６Ａ 単結晶シリコン、
２０ 部分ＳＩＭＯＸ基板（部分ＳＯＩ基板）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンまたは異種単結晶からなる活性層と、単結晶シリコンからなるバルク層との間に埋め込み酸化膜を形成してＳＯＩ基板を作製する基板作製工程と、
作製された前記ＳＯＩ基板の活性層の表面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜を部分的に除去し、該保護膜に前記活性層の一部を露出させる窓部を形成する窓部形成工程と、
前記窓部の形成後、該窓部を通して、前記活性層の一部および前記埋め込み酸化膜の一部をエッチングし、前記バルク層まで達する孔部を形成する開孔工程と、
前記孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる堆積工程と、
該堆積工程後、前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、
該保護膜除去工程後、前記孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射による溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、高エネルギ光の照射による溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で加熱し、その後、冷却することで単結晶シリコンに改質する熱処理工程とを備えた部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、前記堆積工程後から前記熱処理工程までの間に、前記窓部内のアモルファス膜または多結晶シリコンに非ドーパント性イオンを注入する請求項１に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ＳＯＩ基板は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた後、前記活性層用ウェーハを減厚した貼り合わせ基板で、
この貼り合わせ前の活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との少なくとも１つに、貼り合わせ後に前記埋め込み酸化膜となる酸化膜を形成する請求項１または請求項２に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記熱処理工程後、前記孔部内で固化した前記アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む前記活性層の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項１】
単結晶シリコンまたは異種単結晶からなる活性層と、単結晶シリコンからなるバルク層との間に埋め込み酸化膜を形成してＳＯＩ基板を作製する基板作製工程と、
作製された前記ＳＯＩ基板の活性層の表面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜を部分的に除去し、該保護膜に前記活性層の一部を露出させる窓部を形成する窓部形成工程と、
前記窓部の形成後、該窓部を通して、前記活性層の一部および前記埋め込み酸化膜の一部をエッチングし、前記バルク層まで達する孔部を形成する開孔工程と、
前記孔部にアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを堆積させる堆積工程と、
該堆積工程後、前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、
該保護膜除去工程後、前記孔部内のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを、高エネルギ光の照射による溶融を伴う液相エピタキシーの熱処理条件か、高エネルギ光の照射による溶融を伴わない固相エピタキシーの熱処理条件で加熱し、その後、冷却することで単結晶シリコンに改質する熱処理工程とを備えた部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記固相エピタキシーを伴う熱処理工程において、前記堆積工程後から前記熱処理工程までの間に、前記窓部内のアモルファス膜または多結晶シリコンに非ドーパント性イオンを注入する請求項１に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ＳＯＩ基板は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた後、前記活性層用ウェーハを減厚した貼り合わせ基板で、
この貼り合わせ前の活性層用ウェーハの貼り合わせ界面と支持基板用ウェーハの貼り合わせ界面との少なくとも１つに、貼り合わせ後に前記埋め込み酸化膜となる酸化膜を形成する請求項１または請求項２に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記高エネルギ光がレーザ光またはランプ光である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記熱処理工程後、前記孔部内で固化した前記アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンを含む前記活性層の表面を研磨する請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の部分ＳＯＩウェーハの製造方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図１ｅ】
【図１ｆ】
【図１ｇ】
【図１ｈ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図１ｅ】
【図１ｆ】
【図１ｇ】
【図１ｈ】
【公開番号】特開２０１０−２５１５２３（Ｐ２０１０−２５１５２３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９９３８０（Ｐ２００９−９９３８０）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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