JP2008166516A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板表層の酸素濃度低下を抑制しつつ、半導体基板表層のＣＯＰを低減させることによって、半導体デバイスの高歩留まりを実現する半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体単結晶インゴットをスライスする工程と、このスライスする工程によって得られた半導体ウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の製造方法に関し、特に半導体基板表層の酸素濃度の低下を抑制しつつ、半導体基板表層のＣＯＰを減少させる半導体基板の製造方法に関する。

半導体基板の酸化膜耐圧等の電気特性を改善するためには、半導体デバイスが形成される半導体基板表層を結晶欠陥のない無欠陥層とすることが望ましい。例えば、シリコンウェーハの表層にはシリコン単結晶成長時にＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥として導入されるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥が存在する。このＣＯＰは、空孔の凝集によってできた結晶欠陥（Ｖｏｉｄ欠陥）である。このようなＣＯＰがシリコンウェーハ表層に存在すると、例えば、シリコンウェーハ酸化膜の初期酸化膜耐圧（Ｔｉｍｅ Ｚｅｒｏ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋ Ｄｏｗｎ：ＴＺＤＢ）や経時絶縁破壊特性（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋ Ｄｏｗｎ：ＴＤＤＢ）を劣化させ、半導体デバイス製造プロセスにおける歩留まり低下の原因となることが知られている。

上記の初期酸化膜耐圧や経時絶縁膜破壊特性を改善するために、還元性ガス等の雰囲気中で、高温の熱処理を施し、シリコンの空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）や格子間シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を移動させ、結果的にＣＯＰを低減させる方法が報告されている（例えば、特許文献１）。
特開平６−２９５９１２号公報

もっとも、このような従来の製造方法では、シリコンウェーハ表層のＣＯＰが減少するとともに、シリコンウェーハ表層の酸素濃度も外方拡散により減少していた。このため、シリコンウェーハ表層での結晶欠陥等の発生による歩留まりの低下が生じるという問題が生じていた。すなわち、ＣＺ（チョクラルスキー）法によりシリコン単結晶を製造する場合、シリコン融液を貯蔵する石英ルツボから、酸素がシリコン単結晶中の格子間位置に取り込まれる。そして、この酸素は、後にウェーハ内部の酸素析出物であるＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）形成に寄与して、金属不純物や結晶欠陥のゲッタリングに利用されるとともに、ウェーハの機械的強度の向上にも寄与している。しかし、ＣＯＰを減少させるための熱処理により、シリコンウェーハ表層部の酸素濃度が低減し、酸素濃度の高いシリコンウェーハ内部との間に、格子不整合が生じるためシリコンウェーハ表層に格子歪が生ずる。そして、シリコンウェーハの機械的強度と酸素濃度には、正の相関関係があるところ、生じた格子歪によって、ウェーハ上に、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）のようなデバイス構造を形成する際に、酸素濃度の低いシリコンウェーハ表層に転位等の結晶欠陥等が生じ、半導体デバイスの歩留まりを低下させるのである。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、半導体基板表層の酸素濃度低下を抑制しつつ、半導体基板表層のＣＯＰを低減させることによって、半導体デバイスの高歩留まりを実現する半導体基板の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の半導体基板の製造方法は、
半導体単結晶インゴットをスライスする工程と、
前記スライスする工程によって得られた半導体ウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする。

本発明の第２の半導体基板の製造方法は、
半導体単結晶インゴットをスライスする工程と、
前記スライスする工程によって得られた半導体ウェーハを、常圧下において、７００℃以上１０００℃以下の温度範囲で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記半導体ウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する第２の熱処理工程を有することを特徴とする。

本発明の第３の半導体基板の製造方法は、
２枚の半導体ウェーハが直接接合した半導体基板の製造方法であって、
第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハを貼り合わせる工程と、
前記貼り合わせる工程によって得られた半導体基板を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする。

本発明の第４の半導体基板の製造方法は、
２枚の半導体ウェーハが直接接合した半導体基板の製造方法であって、
第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハを貼り合わせる工程と、
前記貼り合わせる工程によって形成された半導体基板の前記第２の半導体ウェーハ部分を所定の厚さに加工してデバイス形成用の半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板を、常圧下において、７００℃以上１０００℃以下の温度範囲で熱処理する第１の熱処理工程と、
前記半導体基板を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する第２の熱処理工程を有することを特徴とする。

ここで、第１ないし第４の半導体基板の製造方法において、常圧より高い圧力とは、常圧より高く５ＭＰａ以下の圧力であることが望ましい。

ここで、第２および第４の半導体基板の製造方法において、前記第１の熱処理工程において、窒素雰囲気またはアンモニア雰囲気中で、熱処理することが望ましい。

ここで、第２および第４の半導体基板の製造方法において、前記第１の熱処理工程および前記第２の熱処理工程を、同一の処理炉内で連続して行うことが望ましい。

さらに、第３および第４の半導体基板の製造方法において、前記第１の半導体ウェーハ表面の結晶面方位と前記第２の半導体ウェーハ表面の結晶面方位とのいずれか一方が、{１００}面に対して０度以上５度以下の傾斜角（オフ角）を有する範囲にあり、他方の結晶面方位が{１１０}面に対して０度以上１０度以下の傾斜角（オフ角）を有する範囲にあることが望ましい。

本発明によれば、半導体基板表層の酸素濃度低下を抑制しつつ、半導体基板表層のＣＯＰを低減させることによって、半導体デバイスの高歩留まりを実現する半導体基板の製造方法を提供することが可能になる。

従来技術では、上述したように、ＣＯＰを低減させることを目的とする熱処理において、半導体基板表層の酸素濃度も減少することが回避できなかった。
発明者らは、ＣＯＰを低減させる熱処理を、常圧下ではなく高圧下で行うことにより、半導体基板表層の酸素濃度を低減させることなく、ＣＯＰの低減が可能であることを見出した。

以下、本発明に係る半導体基板の製造方法についての実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。
なお、実施の形態においては、半導体ウェーハとしてシリコンウェーハを用いる場合を例にして説明するが、本発明は必ずしもシリコンウェーハを用いた半導体基板の製造方法に限定されるわけではない。
また、本明細書中においては、（１００）面、（１１０）面と結晶学的に等価な面を代表する表記として、それぞれ、｛１００｝面、｛１１０｝面という表記を用いる。
また、本実施の形態において、常圧とは、いわゆる大気圧、すなわち、概ね１０１３２５Ｐａ（１ａｔｍ）のことを言うものとする。また、高圧とは、常圧より高い圧力のことを言うものとする。

〔第１の実施の形態〕
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、シリコン単結晶インゴットをスライスする工程と、このスライスする工程によって得られたシリコンウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする。

以下、本実施の形態の半導体基板の製造方法について、図面を参照しつつ、より具体的に記載する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げた、例えば、結晶方位（１００）のシリコン単結晶インゴットを、（１００）面に対し、例えば、０度以上５度以下の傾斜角（オフ角）でスライスする。
次に、このスライスによって得られたシリコンウェーハについて、上記面方位を保ったまま、ミラーポリッシングを行う。
その後、ＲＣＡ洗浄等の前処理を行った後、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理を行いシリコン基板表層のＣＯＰを低減させる。

このように、従来、常圧下で行われていたＣＯＰを低減させる熱処理を、常圧より高い圧力、すなわち、高圧下で行うことにより、シリコンウェーハ表層のＣＯＰの低減効果を維持したまま、シリコンウェーハ表層の酸素濃度の低下を抑制することが可能となる。
なお、ここでシリコンウェーハ表層とは、半導体デバイスの特性に寄与する領域、すなわち、シリコンウェーハ表面から深さ約１５μｍ程度までの領域をいう。
そして、本実施の形態により、表層の酸素濃度の低下が抑制されることにより、シリコンウェーハ表層の結晶欠陥等の発生による歩留まりの低下を抑制できるという作用・効果が得られる。

図１は、本実施の形態の作用・効果を説明する図である。図１（ａ）がシリコンウェーハ表面からの深さと酸素濃度の関係を示す図、図１（ｂ）がシリコンウェーハ表面からの深さとＣＯＰ密度の関係を示す図である。
常圧下で熱処理する従来技術、高圧下で熱処理する本実施の形態（本発明）、いずれの場合においても、図１（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ表面近傍、すなわち、シリコンウェーハ表面から１μｍ程度の領域においてＣＯＰ密度は減少する。これは、ＣＯＰの消滅が、ＣＯＰの内壁酸化膜は酸素が拡散することで分解し、さらに内部のボイドに格子間シリコンが拡散して来ることにより起こるためである。すなわち、シリコン単結晶中の空孔および格子間シリコンの拡散に依存しており、これらの拡散速度は、熱処理雰囲気の圧力よりも、特に最高到達温度に大きく依存するからである。

これに対して酸素濃度についてみれば、図１（ａ）に示すように、従来技術ではシリコンウェーハ表層において酸素濃度の低減が見られるが、本実施の形態（本発明）においては酸素濃度のシリコンウェーハ表層での低下は生じない。これは、シリコンウェーハ表層の酸素濃度の低減が、シリコンウェーハ表面から熱処理雰囲気中への酸素の外方拡散によって生ずる酸素濃度勾配に大きく依存するからである。
すなわち、従来技術の常圧下における熱処理の場合、熱処理中にシリコン表面からシリコン単結晶中の格子間酸素が雰囲気中へと外方拡散する。このため、シリコンウェーハ表面の酸素濃度が低下する。そして、シリコンウェーハ内部から表面に向けての酸素濃度勾配が生ずる。この酸素濃度勾配によって格子間酸素の内部から表面に向けての拡散が生じて、シリコン表層の酸素濃度が低下するのである。
一方、本実施の形態の場合は、従来技術の場合と異なり、熱処理を高圧下で行っている。したがって、シリコンウェーハ表面からの雰囲気中への酸素の外方拡散が抑制される。このため、シリコンウェーハ表面の酸素濃度はほとんど低下せず、シリコンウェーハ内部から表面に向けての酸素濃度勾配もほとんど生じない。よって、格子間酸素の内部から表面に向けての拡散も生じえず、シリコン表層の酸素濃度は低下しないのである。

なお、本実施の形態の製造方法で使われる熱処理装置は特に限定されるものではなく、例えば、高圧処理の可能なバッチ式の縦型熱処理炉、あるいは、高圧処理の可能な枚葉式のＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置を用いても構わない。

また、シリコン単結晶インゴットをスライスする場合の傾斜角（オフ角）は、特に限定されるわけではないが、円形のシリコンウェーハを製造する関係上、極端にシリコン単結晶インゴットに対して傾斜を設けることは好ましくなく、０度以上５度以下の範囲にあることが望ましい。また、後述するシリコン原子の再構成による平坦化を実現する上でも、上記範囲内に傾斜角をとどめておくことが望ましい。

また、熱処理を１０００℃以上１３５０℃以下の温度とするのは、これより低温の範囲では、ＣＯＰが有効に消滅しないからである。また、これより高温の範囲では、シリコンウェーハの金属汚染が増大するからである。さらに、高温の範囲では、シリコンウェーハへのスリップ発生の可能性が高くなり、かつ、熱処理装置の部材寿命が短くなり現実的でないからである。
そして、ＣＯＰ密度を半導体デバイスの歩留まりに影響を与えないように十分低減させる観点からは、熱処理は１１５０℃以上１３００℃以下の範囲で行われることがより望ましい。

そして、熱処理の雰囲気を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中とするのは、これら以外の雰囲気では、シリコンウェーハ中のシリコンの移動が生じにくく、ＣＯＰが消滅しにくいためである。また、上記雰囲気において熱処理することにより、表面のシリコン原子の再構成が進み、原子レベルで平坦なシリコンウェーハ表面を形成することが可能となるからである。
熱処理雰囲気としては、特に、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行われることがより望ましい。なぜなら、ＣＯＰ密度の低減の観点からは、水素ガス等の還元性ガス雰囲気で行うことが望ましいが、水素ガス等の還元性ガス雰囲気では同時に表層の酸素濃度の低下も促進するからである。また、安全性の観点からも水素ガス等の還元性雰囲気より不活性ガス雰囲気が望ましい。

また、熱処理雰囲気の圧力については、５ＭＰａ以下であることが望ましい。これは、５Ｍｐａ以上の耐圧を装置に持たせるためには、熱処理炉の設計が複雑になり処理炉自体のコストも増大するため、半導体基板の量産プロセスとして不適当だからである。
また、酸素の拡散を十分抑制する観点からは、常圧の約１０倍である１ＭＰａ以上の圧力下で熱処理することがより望ましい。

また、本実施の形態の熱処理は、シリコン単結晶インゴットをスライスしてシリコンウェーハを形成した後、最初の高温熱処理（約１００℃以上の熱処理）であることが望ましい。なぜなら、本実施の形態の高圧熱処理より前に、常圧の高温熱処理が存在すると、その常圧の高温熱処理によりシリコンウェーハ表層の酸素が失われることが考えられるからである。

また、熱処理前のシリコンウェーハの酸素濃度については特に限定されるものではないが、シリコンウェーハの機械的強度を保つ観点から、格子間酸素濃度（[Ｏｉ]）が１．３〜１．８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の高酸素濃度のシリコンウェーハを使用することが望ましい。

〔第２の実施の形態〕
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、第１の実施の形態の熱処理の前に、常圧下において、７００℃以上１０００℃以下の温度範囲で熱処理する第１の熱処理工程を有すること以外は第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
本実施の形態においては、上記常圧下での第１の熱処理工程と、これに続く高圧下での第２の熱処理工程を有することになる。

以下、本実施の形態の半導体基板の製造方法について、図面を参照しつつ、より具体的に記載する。

図２は、本実施の形態の半導体基板の製造方法で用いられる熱処理プロセスの一例を示す。まず、第１の実施の形態同様に、ミラーポリッシングしたシリコンウェーハをＲＣＡ洗浄等の前処理を行った後、７００℃、常圧、窒素ガス雰囲気の条件で熱処理炉に導入する。その後、常圧、窒素ガス雰囲気を保ったまま、１０００℃まで約１０℃／分程度の昇温速度で温度を上げる。１０００℃に達したところで温度を一定に保ち、雰囲気を窒素ガスからアルゴンガスへと切り替える。また、熱処理炉内の圧力を常圧から高圧へと切り替える。この切り替え前までが、本例においては第１の熱処理工程に相当する。雰囲気と圧力を切り替えた後に、昇温を開始し、１２５０℃まで約３℃／分程度の昇温速度で温度を上げる。その後、約３０分程度の間、１２５０℃に維持した後、高圧、アルゴンガス雰囲気を保ったまま、１０００℃までは約−３℃／分程度、１０００℃から７００℃までは約−１０℃／分程度の降温速度で温度を下げる。切り替え後の熱処理が、本例においては第２の熱処理工程に相当する。

なお、上記の例において、１０００℃以上の領域で、昇降温速度を約３℃／分程度とするのは、急激な温度変化を与えるとウェーハにスリップが生ずるおそれがあるためである。もっとも、炉内やウェーハの均熱性を向上させるよう設計されている熱処理炉においては、さらに昇降温速度を上げることも可能である。

本実施の形態のように、高圧下での第２の熱処理工程の前に、常圧下での第１の熱処理工程を行うことによって、シリコンウェーハ表層の酸素濃度を、表層のＢＭＤが過剰にならない程度に維持することが可能となる。したがって、第１の実施の形態の作用・効果に加えて、ＣＯＰと共に半導体デバイスの歩留まりを低下させる可能性のあるＢＭＤが表層において過剰にならないようにコントロールできるという作用・効果を得ることが可能となる。

図３は、本実施の形態の作用・効果を説明する図である。図３（ａ）がシリコンウェーハ表面からの深さと酸素濃度の関係を示す図、図３（ｂ）が、シリコンウェーハ表面からの深さとＣＯＰ密度の関係を示す図である。
常圧下で熱処理する従来技術、常圧下、高圧下の２段階の熱処理をする本実施の形態（本発明）、いずれの場合においても、図３（ｂ）に示すように、シリコンウェーハ表面近傍、すなわち、シリコンウェーハ表面から１μｍ程度の領域においてＣＯＰ密度は減少する。これは、第１の実施の形態と同様、ＣＯＰの消滅が、ＣＯＰの内壁酸化膜の酸素が拡散することで分解し、さらに内部のボイドに格子間シリコンが拡散して来ることにより起こる。すなわち、シリコン単結晶中の空孔および格子間シリコンの拡散に依存しており、これらの拡散速度は、熱処理雰囲気の圧力よりも、特に最高到達温度に大きく依存するからである。

一方、本実施の形態の場合は、第２の熱処理については、第１の実施の形態と同様に高圧下で行っている。したがって、従来の常圧下での熱処理と比較して、シリコンウェーハ表面からの雰囲気中への酸素の外方拡散が抑制される点については、第１の実施の形態と同様である。
もっとも、第１の実施の形態と異なり、第１の熱処理工程として、常圧下における熱処理を７００℃以上１０００℃以下の範囲で行っている。７００℃〜１０００℃の温度範囲では、シリコン単結晶中に存在する格子間酸素が、析出核に集まりＢＭＤとし成長する。このため、７００℃〜１０００℃の温度範囲での昇温中に、表層の酸素濃度が高すぎると、表層のＢＭＤ密度が高くなりすぎる恐れがある。そこで、本実施の形態においては、７００℃〜１０００℃の温度範囲において、まず常圧下で熱処理を行い、酸素の外方拡散を促進して表層の酸素濃度を所望の濃度まで下げることにより、表層のＢＭＤ密度の増加を抑えている。そして、その後、第２の熱処理工程において、高圧下で熱処理することにより酸素の外方拡散を抑制した状態でＣＯＰを消滅させる。
この結果、酸素濃度の分布は図３（ａ）に示すように、表層がやや低下した状態になるが、従来技術に比較すると酸素濃度が高く、なお十分な機械的強度を保つことが可能となる。

以上のように、本実施の形態において、常圧下で行われる第１の熱処理工程、および、高圧下での第２の熱処理工程の条件、すなわち、温度、雰囲気、熱処理時間、圧力を適宜選択することにより、所望のＣＯＰ密度および酸素濃度の深さ方向分布を得ることが可能となる。

なお、上記の例においては、第１の熱処理工程を窒素ガス雰囲気としている。第１の熱処理工程の雰囲気は、非酸化性雰囲気であれば必ずしも限定されるものではない。しかしながら、シリコンウェーハ内部（バルク）のＢＭＤ密度とサイズを増加させ、イントリシック・ゲッタリング（ＩＧ）能力をあげるためには、ＢＭＤの核形成を促進する作用のある窒素ガス雰囲気、あるいは、アンモニアガス雰囲気で行われることが望ましい。

また、上記の例においては、第２の熱処理工程をアルゴンガス雰囲気としている。第２の熱処理工程の雰囲気は、第１の実施の形態の熱処理と同様の理由で、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中であることが望ましいが、第１の実施の形態と同様の理由で、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行われることがより望ましい。

また、上記の例においては、第１の熱処理工程と第２の熱処理工程を同一の熱処理炉で連続して行っている。２つの熱処理を不連続に行った場合、第２の熱処理工程の昇温時のＢＭＤ形成について別途考慮をする必要が生じプロセス設計が複雑になること、また、生産性が劣化することを考えると、同一処理炉で連続的に行うことが望ましい。しかし、不連続な別々の熱処理工程で行うことを本発明は排除するものではない。

また、上記の例にもあるように、２つの熱処理を同一処理炉内で連続して行う場合、第１の熱処理工程と第２の熱処理工程との条件を切り替える間は、熱処理温度を一定に維持することが望ましい。これは、半導体基板のＣＯＰ密度および酸素濃度分布の再現性をよくするためである。

〔第３の実施の形態〕
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、２枚のシリコンウェーハが直接接合したシリコン基板の製造方法であって、第１のシリコンウェーハと第２のシリコンウェーハを貼り合わせる工程と、これらの貼り合わせる工程で形成された半導体基板を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする。
本実施の形態で製造されるシリコン基板は、２枚のシリコンウェーハが界面に絶縁膜等を介さずに直接接合（Ｄｉｅｒｃｔ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ；ＤＳＢ）するシリコン基板である。
また、以下では、概ね｛１１０｝面の結晶面方位、および、概ね｛１００｝面の結晶面方位を有するシリコンウェーハを直接貼り合わせたシリコン基板の製造方法を例に説明する。このように異なる結晶面方位を有するウェーハ同士を貼り合わせた、いわゆるＨＯＴ（Ｈｙｂｒｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）基板上にＣＭＯＳ半導体デバイスを形成することにより、ｎＭＯＳＦＥＴ、ｐＭＯＳＦＥＴそれぞれにキャリア移動度を最適化することが可能であることが従来報告されている。
以上、本実施の形態は、高圧下での熱処理を貼り合わせによって形成された半導体基板について適用する以外は、第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

以下、本実施の形態の半導体基板の製造方法について、図４の製造工程フロー図を参照しつつ、より具体的に記載する。

まず、図４（ａ）に示す工程で、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げた結晶方位｛１００｝のシリコン単結晶インゴットを、所定の角度、例えば、｛１００｝面に対して０度以上５度以下、例えば、０．２度程度の傾斜角（オフ角）を有するようにスライスしてシリコンウェーハを作成する。続いて、このシリコンウェーハを、例えば、ＲＣＡ洗浄（ＳＣ−１処理＋ＳＣ−２処理）を行った後に、ミラーポリッシングする。そうすることによって、表面が｛１００｝面に対して所定の傾斜角（オフ角）を有するベースウェーハ（第１の半導体ウェーハ）１０２を準備する。

次に、やはり、図４（ａ）に示す工程で、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げた結晶方位｛１１０｝のシリコン単結晶インゴットを、所定の角度、例えば、｛１１０｝面に対して０度以上１０度以下、例えば、０．２度程度の傾斜角（オフ角）を有するようにスライスしてシリコンウェーハを作成する。続いて、このシリコンウェーハを、例えば、ＲＣＡ洗浄を行った後に、ミラーポリッシングする。そうすることによって、表面が｛１１０｝面に対して所定の傾斜角（オフ角）を有するボンドウェーハ（第２の半導体ウェーハ）１０４を準備する。
なお、ここで、｛１１０｝のシリコン単結晶インゴットを、所定の角度、例えば、｛１１０｝面に対して０度以上１０度以下でスライスするのは、上述のように、円形のシリコンウェーハを製造する関係上、極端にシリコン単結晶インゴットに対して傾斜を設けることは好ましくないからである。また、｛１１０｝面に対しては、シリコン原子の再構成による平坦化を実現する上で、６〜９度程度の傾斜角の範囲が、特に好ましいからである。

また、｛１００｝面および｛１１０｝面に対する傾斜角を０度以上１０度以下とするのは、この範囲を超えると、ｎＭＯＳＦＥＴ、ｐＭＯＳＦＥＴそれぞれについて、キャリアの移動度の増大効果を十分に享受できなくなるおそれもあるためである

その後、ベースウェーハ１０２表面と、ボンドウェーハ１０４表面にシリコン酸化膜を形成する。
具体的には、例えば、上記ミラーポリッシング後にウェット洗浄処理、例えば、ＲＣＡ洗浄を施すことによって両方のウェーハ表面に、それぞれ２ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ケミカルオキサイド）を形成する。
このように、重ね合わせるウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成するのは、２枚のウェーハを物理的に貼り合わせた際の水素結合による接合強度をあげるためである。

なお、ここではベースウェーハ１０２およびボンドウェーハ１０４の両方の表面にシリコン酸化膜が形成される方法を示したが、いずれか一方のウェーハ表面のみにシリコン酸化膜が存在するものであってもかまわない。

次に、図４（ｂ）に示す工程で、ベースウェーハ１０２とボンドウェーハ１０４とを、例えば、常温、大気圧中で重ねて密着させる。重ね合わせたウェーハの界面には界面シリコン酸化膜１０８が存在する。
この工程においては、常温の清浄な雰囲気下で２枚のウェーハの表面同士を接触させることにより、ＯＨ基を介在したＳｉ原子の結合、すなわち、水素結合により、接着剤等を用いることなくシリコンウェーハを接合させることが可能となる。

次に、図４（ｃ）に示す工程で、ベースウェーハ１０２とボンドウェーハ１０４の接合強度を上げるために、例えば、３００℃〜６００℃程度の温度で接合熱処理を行う。この接合熱処理により、Ｓｉ原子とＳｉ原子、あるいは、Ｓｉ原子と酸素原子が直接ボンディング（共有結合）することによって接合強度が上昇する。

次に、図４（ｄ）に示す工程で、ボンドウェーハ１０４側のシリコン基板表面を研削または研磨することによって所定の厚さに加工、すなわち薄膜化する。この加工によって、結晶面方位が概ね｛１１０｝のデバイス形成用の半導体層であるシリコン基板上側層１１２と、結晶面方位が概ね｛１００｝のベースウェーハ１０２が、界面シリコン酸化膜１０８を介して接合されたシリコン基板が形成される。

次に、図４（ｅ）に示す界面酸化膜除去熱処理を行う。この熱処理は、最終的に異なる結晶面方位を有するウェーハがＤＳＢ接合されたシリコン基板を製造するために、界面シリコン酸化膜１０８を消失させるための熱処理である。そして、この熱処理は、シリコン基板表面を原子レベルで平坦化するための平坦化熱処理をも兼ねている。
本実施の形態では、この界面酸化膜除去熱処理を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で行うことを最大の特徴とする。

図４（ｅ）の界面酸化膜除去熱処理により、図４（ｆ）に示すように、結晶面方位が概ね｛１１０｝のシリコン基板上側層１１２と、結晶面方位が概ね｛１００｝のベースウェーハ１０２が、シリコン酸化膜のない界面１１６で接合されたシリコン基板１１４が形成される。

本実施の形態のシリコン基板の製造方法によれば、従来の常圧下で界面酸化膜除去熱処理を行っていたＤＳＢ接合（直接接合）を有する半導体基板の製造方法によるよりも、ウェーハ内部のＢＭＤ密度の高いシリコン基板を製造することが可能であるという作用・効果が得られる。このように、ウェーハ内部のＢＭＤ密度の高いシリコン基板は、イントリシック・ゲッタリング能力が高いため、シリコン基板上に形成される半導体デバイスの歩留まりを一層向上させることが可能となる。
このウェーハ内部のＢＭＤ密度向上に加えて、第１の実施の形態と同様の作用・効果、すなわち、ＣＯＰ密度低減と表層酸素濃度低下の抑制という作用およびその効果を得ることが可能である。

従来の常圧下での界面酸化膜除去熱処理ではウェーハ表面から酸素が外方拡散することにより形成される酸素濃度勾配により、界面シリコン酸化膜の酸素を表面側に移動させて、界面シリコン酸化膜を消滅させていた。
本実施の形態によれば、熱処理時の雰囲気を高圧にすることにより、ウェーハ表面からの酸素の外方拡散が抑制されるため、酸素濃度勾配が小さくなる。したがって、界面の酸素はウェーハの内部側（バルク側）にも多数拡散し、この酸素がウェーハ内部でのＢＭＤ形成に寄与する。よって、ウェーハ内部のＢＭＤ密度が増大することになる。
ここでウェーハ内部のＢＭＤ密度を増大させる方法としては、シリコン単結晶インゴットをＣＺ法により引上げる時点であらかじめ酸素濃度をあげておくことでも可能である。しかし、この方法によれば、界面酸化膜除去熱処理の際に、バルクの酸素濃度が既に高いことから、界面シリコン酸化膜の酸素バルク中への拡散が抑制される。したがって、界面シリコン酸化膜の除去が困難になるため好ましくない。

なお、本実施の形態においては界面酸化膜除去熱処理を高圧下で行う場合について記載したが、第２の実施の形態のように、高圧下での熱処理に先立ち、常圧下での第１の熱処理を設けてもかまわない。この場合は、第２の実施の形態同様の作用・効果が得られる。

なお、本実施の形態においては、｛１００｝面方位を有するシリコンウェーハをベースウェーハ、｛１１０｝面方位を有するシリコンウェーハをボンドウェーハとする場合について記載したが、必ずしも、この組み合わせである必要はなく、ベースウェーハとボンドウェーハが逆であっても、他の結晶面方位を有するシリコンウェーハを適用してもかまわない。
また、ＭＥＭＳ（メムス、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｃｈｉｎａｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ）で用いられるような、同一面方位のウェーハをＤＳＢ接合したシリコン基板の製造方法に本発明を適用しても同様の作用・効果を得ることが可能である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、半導体基板、半導体基板の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体基板、半導体基板の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

また、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体基板の製造方法は、本発明の範囲に包含される。

第１の実施の形態の作用・効果の説明図。 第２の実施の形態半導体基板の製造方法で用いられる熱処理プロセスの一例を示す図。 第２の実施の形態の作用・効果の説明図。 第３の実施の形態の製造工程フロー図。

符号の説明

１０２ ベースウェーハ（第１の半導体ウェーハ、{１００}面方位ウェーハ）
１０４ ボンドウェーハ（第２の半導体ウェーハ、{１１０}面方位ウェーハ）
１０８ 界面シリコン酸化膜
１１２ シリコン基板上側層
１１４ シリコン基板
１１６ シリコン酸化膜のない界面

Claims (8)

1. 半導体単結晶インゴットをスライスする工程と、
   前記スライスする工程によって得られた半導体ウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 半導体単結晶インゴットをスライスする工程と、
   前記スライスする工程によって得られた半導体ウェーハを、常圧下において、７００℃以上１０００℃以下の温度範囲で熱処理する第１の熱処理工程と、
   前記半導体ウェーハを、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する第２の熱処理工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
3. ２枚の半導体ウェーハが直接接合した半導体基板の製造方法であって、
   第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハを貼り合わせる工程と、
   前記貼り合わせる工程によって形成された半導体基板を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
4. ２枚の半導体ウェーハが直接接合した半導体基板の製造方法であって、
   第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハを貼り合わせる工程と、
   前記貼り合わせる工程によって形成された半導体基板の前記第２の半導体ウェーハ部分を所定の厚さに加工してデバイス形成用の半導体層を形成する工程と、
   前記半導体基板を、常圧下において、７００℃以上１０００℃以下の温度範囲で熱処理する第１の熱処理工程と、
   前記半導体基板を、常圧より高い圧力において、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、１０００℃以上１３５０℃以下の温度範囲で熱処理する第２の熱処理工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
5. 前記常圧より高い圧力とは、常圧より高く５ＭＰａ以下の圧力であることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の半導体基板の製造方法。
6. 前記第１の熱処理工程において、窒素ガス雰囲気またはアンモニアガス雰囲気中で、熱処理することを特徴とする請求項２または請求項４記載の半導体基板の製造方法。
7. 前記第１の熱処理工程および前記第２の熱処理工程を、同一の処理炉内で連続して行うことを特徴とする請求項２、請求項４、または、請求項６記載の半導体基板の製造方法。
8. 前記第１の半導体ウェーハ表面の結晶面方位と、前記第２の半導体ウェーハ表面の結晶面方位とのいずれか一方が、{１００}面に対して０度以上５度以下の傾斜角（オフ角）を有する範囲にあり、他方の結晶面方位が{１１０}面に対して０度以上１０度以下の傾斜角（オフ角）を有する範囲にあることを特徴とする請求項３または請求項４記載の半導体基板の製造方法。

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