JP2008177530A - 半導体基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとが直接接合されることによって形成される半導体基板であって、第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとのいずれか一方の半導体ウェーハの表面が概ね{100}面方位を有し、他方の半導体ウェーハの表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする半導体基板およびその製造方法。
【選択図】図1
Description
その技術の一つとして、異なる結晶面方位を表面に有するシリコンウェーハ同士を直接接合したのち、シリコン等のイオン注入によって、上層のシリコン単結晶層を下層との接合界面までアモルファス化し、アニールで下層の結晶方位情報をもとに再結晶化することによって、シリコンウェーハ表面に相異なる結晶面方位を有する領域を作成する方法(ATR法:Amorphization/Templated Recrystalization法)が、例えば、特許文献1に開示されている。
また、フォノン散乱を抑制するためには、半導体の格子振動を抑制するため、トランジスタを低温で動作させることが有効である。
そして、表面粗さ(ラフネス)を改善する手段のひとつとして、シリコンウェーハ表面を、アルゴンガス雰囲気中でアニールして、ウェーハ表面のシリコン原子を最構成し、平坦面を形成する技術が開示されている(特許文献2)。
また、LSIの微細化が進行し、トランジスタのチャネル長が50nmをきるようになってくると、チャネル領域の面積が小さくなるため、チャネル中に存在する不純物は1個以下となってくる。したがって、もはや不純物によるキャリアの散乱は、キャリア移動度劣化の支配要因ではなくなってくる。また、フォノン散乱は、半導体材料とトランジスタの動作温度によって決定されてしまう。
そこで、さらに、キャリア移動度を改善し、微細トランジスタの特性を向上させるためには、特に、チャネル表面粗さ(ラフネス)を制御して平坦化することで、キャリアの散乱を抑制することが重要となってくる。
第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとが直接接合されることによって形成される半導体基板であって、
前記第1の半導体ウェーハと前記第2の半導体ウェーハとのいずれか一方の半導体ウェーハの表面が概ね{100}面方位を有し、
他方の半導体ウェーハの表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする。
第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとを貼り合わせる工程を有する半導体基板の製造方法であって、
前記第1の半導体ウェーハと前記第2の半導体ウェーハとのいずれか一方の半導体ウェーハを、半導体単結晶インゴットを{100}面に対して概ね水平にスライスすることによって準備する工程と
他方の半導体ウェーハを、半導体単結晶インゴットを{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)でスライスすることによって準備する工程を有することを特徴とする。
前記他方の半導体ウェーハを薄膜化する工程と、
前記貼り合わせる工程において接合された半導体ウェーハを、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有することが望ましい。
前記他方の半導体ウェーハを、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有することが望ましい。
上記本導体基板の製造方法のいずれかによって製造され、半導体単結晶インゴットを{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)でスライスする工程を有することを特徴とする。
なお、実施の形態においては、半導体基板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。そして、〔100〕方向、〔110〕方向と結晶学的に等価な方向を代表する表記として、それぞれ<100>方向、<110>方向という表記を用いる。
本実施の形態の半導体基板は、第1のシリコンウェーハと第2のシリコンウェーハとが直接接合されることによって形成される半導体基板であって、第1のシリコンウェーハの表面が概ね{100}面方位を有し、第2のシリコンウェーハの表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする。
そして、本実施の形態においては、第1のシリコンウェーハが基板側となるベースウェーハ、第2のシリコンウェーハが活性層側となるボンドウェーハとなっている。
また、表面が概ね{100}面方位を有するとは、具体的には、ウェーハ表面が{100}面に対して、0度以上5度以下の範囲を有している場合をいう。
そして、本実施の形態においては、後にATR法等を使って、半導体基板表面に異なる面方位を有する領域を現出させる必要から、{110}面方位ウェーハ104が{100}面方位ウェーハ102よりも薄膜化されている。具体的には、100nmから1μm程度の厚さとなっている。
したがって、半導体基板表面に形成される半導体デバイスの特性が向上する。具体的には、例えば、ATR法における再結晶化の際に、ミスフィット転位に起因する結晶欠陥が再結晶化領域に生ずることを抑制できる。また、例えば、界面準位を減少させることにより、接合界面を横切るpnジャンクションにおけるリーク電流を低減することが可能となる。
また、後のウェーハ製造工程あるいは半導体デバイス製造工程で行われる表面平坦化熱処理等の熱処理後の表面粗さ(ラフネス)が向上し、この半導体基板上に形成されるMOSFETが高性能化するという作用・効果が得られる。これは、表面粗さが低減することにより、散乱によるキャリア移動度の劣化を防止できるからである。さらに、MOSFETの高性能化のみならず、絶縁膜−半導体界面のラフネスが低減することによるゲート絶縁膜の耐圧・信頼性向上も図ることができる。
しかしながら、シリコンウェーハ表面の{110}面に対する傾斜方向の{110}面上の方位角が、<100>方向に対して±5度の範囲にあること、すなわち、図2に示す方位角βが0度±5度の範囲にあることが望ましい。なぜなら、方位角βを0度±5度の範囲にすることにより、シリコンウェーハ上に形成されるpMOSFETにおいて、正孔移動度の向上をもっとも享受できることになるからである。すなわち、正孔移動度がもっとも大きくなるのは<110>方向についてであるところ、<110>方向と垂直な<100>方向にシリコンウェーハ表面を傾斜させることにより、常に、pMOSFETの正孔移動方向を<110>方向に平行とすることが可能となる。したがって、チャネル中の正孔移動方向が、<110>方向と斜行することによる移動度劣化が生じない。また、インゴットからシリコンウェーハをスライスにより切り出す際の傾斜角がばらついても、常に、pMOSFETの正孔移動方向を<110>方向に平行とすることが可能となる。したがって、傾斜角のばらつきに起因する移動度のばらつきも抑制されるという利点もある。
本実施の形態の半導体基板は、第1の実施の形態同様、第1のシリコンウェーハの表面が概ね{100}面方位を有し、第2のシリコンウェーハの表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする。
そして、本実施の形態においては、第1のシリコンウェーハが活性層側となるボンドウェーハ、第2のシリコンウェーハが基板側となるベースウェーハなっていること以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
したがって、本実施の形態の半導体基板においても、ATR法を施した後の、熱処理後は表面粗さ(ラフネス)が向上し、この半導体基板上に形成されるMOSFETが高性能化するという作用・効果が得られる点は第1の実施の形態と同様である。
次に、本発明の半導体基板の製造方法の実施の形態について説明する。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、第1のシリコンウェーハと第2のシリコンウェーハとを貼り合わせる工程を有する半導体基板の製造方法であって、第1のシリコンウェーハを、シリコン単結晶インゴットを{100}面に対して概ね水平にスライスすることによって準備する工程と、第2のシリコンウェーハを、半導体単結晶インゴットを{110}面に対して0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)でスライスすることによって準備する工程を有することを特徴とする。
そして、貼り合わせる工程の後に、第2のシリコンウェーハを薄膜化する工程と、接合されたシリコンウェーハを、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有する。
上述のように、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下とすることにより製造される半導体基板の熱処理後の表面粗さが低減され、6度以上9度以下とすることによって、この表面粗さが一層低減されるからである。また、傾斜角が6度以上9度以下の範囲では、熱処理後の表面粗さの傾斜角依存性が小さく安定している。よってスライスする工程において、スライス角度がばらついても、熱処理後のウェーハ表面平坦性が安定するという利点もある。
なぜなら、あらかじめ、種結晶を所望の傾斜角相当に傾けてシリコン単結晶インゴットを引上げることにより、スライス工程では、シリコン単結晶インゴットの長さ方向に対し概ね垂直にスライスすることになる。したがって、スライス加工が容易となるからである。また、概ね垂直にスライスすることにより、シリコン単結晶インゴット中、シリコンウェーハとして利用できずに廃棄する単結晶体積を少なくすることが可能となり、製造コストの削減が実現できるからである。
しかしながら、切り出されるシリコンウェーハの表面の、{110}面に対する傾斜方向の{110}面上の方位角が、<100>方向に対して±5度の範囲となるように、すなわち、図2に示す方位角βが0度±5度の範囲になるようにシリコン単結晶インゴットをスライスすることが望ましい。なぜなら、このようにして製造された半導体基板は、上述のように、シリコンウェーハ上に形成されるpMOSFETにおいて、正孔移動度の向上をもっとも享受できることになるからである。また、上述のように、このようにして製造された半導体基板はインゴットからシリコンウェーハをスライスにより切り出す際の傾斜角のばらつきに起因する移動度のばらつきも生じないという利点もあるからである。
この工程において、界面酸化膜108の厚さが、10nm以下となるようにする。この界面酸化膜108の調整は、接合前の洗浄処理による自然酸化膜の形成および形成された自然酸化膜の希弗酸(HF)による除去等により調整される。なお、ここで界面酸化膜108の厚さを10nm以下とするのは、これ以上厚くなると後の熱処理により、界面酸化膜を完全に除去することが極めて困難となるためである。
また、熱処理を900℃以上1350℃以下の温度、30秒以上2時間以下の時間とするのは、これより低温または短時間の範囲では、熱処理による平坦化の実現が困難となるからである。また、これより高温または長時間の範囲では、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、高温または長時間の範囲では、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。
なお、本実施の形態においては、接合強度をあげる接合熱処理と、この平坦化・界面酸化膜除去熱処理を別個の熱処理としている。しかし、シリコン基板114の製造工程を簡略化する観点からは、接合熱処理と平坦化・界面酸化膜除去熱処理を1回の熱処理で行うことも可能である。
また、本実施の形態の製造方法で使われる熱処理装置も特に限定されるものではなく、例えば、バッチ式の縦型熱処理炉を用いても、あるいは、枚葉式のRTP(Rapid Thermal Processing)装置を用いても構わない。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、シリコンウェーハを貼り合わせる工程の前に、表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有するボンドウェーハ(第2のシリコンウェーハ)104を、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有すること以外は、第3の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
その他、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およびその製造方法は、本発明の範囲に包含される。
まず、チョコラルスキー法(CZ法)により、φ200mm(8インチ)の結晶面方位(100)のシリコン単結晶インゴットを製造した。そして、このシリコン単結晶インゴットを、シリコンウェーハ表面の(100)に対するオフ角が約0.2度となるように(100)面に平行にスライスした。
このインゴットは、ボロンを不純物とするpタイプシリコン単結晶であり、抵抗率は9〜22Ωcmとした。
このシリコン単結晶インゴットを、切り出されるシリコンウェーハの表面の、(110)面に対する傾斜方向の(110)面上の方位角が、<100>方向に一致するように、すなわち、図2に示す方位角βが0度になるようにシリコン単結晶インゴットをスライスした。
また、(110)面に対し、傾斜方位角βを0度にし、0度から12度まで1度刻みの傾斜角(オフ角)でスライスすることにより、図2の角度αで示される傾斜角(オフ角)の異なるシリコンウェーハを準備した。
その後に、ボンドウェーハに対して、加速電圧20KeV、電流値4mA、照射時間200秒間という条件で水素イオン注入を行った。この条件では、表面から約200nmの深さに水素イオンが均一に打ち込まれる。また、上記条件でのドーズ量は、5E16atoms(ions)/cm2である。
その後、それぞれの試料の表面を表面研磨装置により研磨して平坦化した。
そして、研磨による平坦化後に、アルゴンガス雰囲気中、1200℃、1時間の平坦化・界面酸化膜除去熱処理を行った。
また、断面TEM(Transmission Electron Microscopy)により、界面酸化膜の有無を確認した。
また、熱処理後は、界面酸化膜は確認されなかった。
(110)面に対し、0〜0.5度の範囲の傾斜角(オフ角)でスライスすることにより、図2の角度αで示される傾斜角(オフ角)の異なるシリコンウェーハを準備する以外は、実施例1と同様の実験を行った。図5に結果を示す。
また、熱処理後は、界面酸化膜は確認されなかった。
104 ボンドウェーハ(第2のシリコンウェーハ)
106 微小気泡層(封入層)
108 界面酸化膜
110 剥離ウェーハ
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 (10)
- 第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとが直接接合されることによって形成される半導体基板であって、
前記第1の半導体ウェーハと前記第2の半導体ウェーハとのいずれか一方の半導体ウェーハの表面が概ね{100}面方位を有し、
他方の半導体ウェーハの表面が{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする半導体基板。 - 前記他方の半導体ウェーハの表面が{110}面に対して、6度以上9度以下の傾斜角(オフ角)を有することを特徴とする請求項1記載の半導体基板。
- 前記他方の半導体ウェーハの表面の前記{110}面に対する傾斜方向の前記{110}面上の方位角が、<100>方向に対して±5度の範囲にあることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体基板。
- 前記他方の半導体ウェーハの膜厚が、前記一方の半導体ウェーハの膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項に記載の半導体基板。
- 第1の半導体ウェーハと第2の半導体ウェーハとを貼り合わせる工程を有する半導体基板の製造方法であって、
前記第1の半導体ウェーハと前記第2の半導体ウェーハとのいずれか一方の半導体ウェーハを、半導体単結晶インゴットを{100}面に対して概ね水平にスライスすることによって準備する工程と、
他方の半導体ウェーハを、半導体単結晶インゴットを{110}面に対して、0度以上0.12度以下、または、5度以上11度以下の傾斜角(オフ角)でスライスすることによって準備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。 - 前記他方の半導体ウェーハを、半導体単結晶インゴットを{110}面に対して6度以上9度以下の傾斜角(オフ角)でスライスすることによって準備する工程を有することを特徴とする請求項5記載の半導体基板の製造方法。
- 前記他方の半導体ウェーハ表面の前記{110}面に対する傾斜方向の前記{110}面上の方位角が、<100>方向に対して±5度の範囲となるようにスライスすることを特徴とする請求項5または請求項6記載の半導体基板の製造方法。
- 前記貼り合わせる工程の後に、
前記他方の半導体ウェーハを薄膜化する工程と、
前記貼り合わせる工程において接合された半導体ウェーハを、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有することを特徴とする請求項5ないし請求項7いずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記貼り合わせる工程の前に、
前記他方の半導体ウェーハを、900℃以上1350℃以下の温度、30分以上5時間以下の時間、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熱処理する工程を有することを特徴とする請求項5ないし請求項8いずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 - 請求項5ないし請求項9いずれか一項に記載の半導体基板の製造方法によって製造され、表面粗さがRms値で0.2nm以下であることを特徴とする半導体基板。
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JP2009231376A (ja) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | Soiウェーハ及び半導体デバイスならびにsoiウェーハの製造方法 |
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JP2006156770A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 直接接合ウェーハの製造方法及び直接接合ウェーハ |
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2007
- 2007-10-25 JP JP2007277182A patent/JP2008177530A/ja active Pending
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