JP2008205218A - Semiconductor substrate - Google Patents

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Hiromichi Isogai
宏道 磯貝
Takeshi Senda
剛士 仙田
Eiji Toyoda
英二 豊田
Akiko Narita
明子 成田
Koji Sensai
宏治 泉妻
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor substrate for achieving a high yield in an LSI formed on a substrate by optimizing an uneven shape on the surface of the substrate in the semiconductor substrate having a DSB structure. <P>SOLUTION: On the semiconductor substrate, a first semiconductor wafer is bonded to a second semiconductor wafer having a coating thickness that is thinner than that of the first semiconductor wafer for formation so that an interface oxide film between the wafers becomes ≤1 nm. In this case, when only irregularities, which have a period of ≥100 nm and ≤10 μm on a surface at the side of the second semiconductor wafer, are extracted, an average height (Rc) of the extracted uneven shape should be ≥2 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板に関し、特に2枚のウェーハを直接接合することによって形成される半導体基板に関する。   The present invention relates to a semiconductor substrate, and more particularly to a semiconductor substrate formed by directly bonding two wafers.

現在の半導体製品の製造においては、一般に、表面が単一の結晶面方位を有するシリコンウェーハなどの半導体ウェーハが使用される。特に、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成されるLSI(Large Scale Integrated circuit)においては、結晶面方位が(100)のシリコンウェーハを使用することが主流となっている。   In the manufacture of current semiconductor products, a semiconductor wafer such as a silicon wafer whose surface has a single crystal plane orientation is generally used. In particular, in a large scale integrated circuit (LSI) composed of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a silicon wafer having a crystal plane orientation of (100) is mainly used. It has become.

シリコンウェーハにおいては、MOSFETのキャリアのうち、電子は(100)結晶面方位で、正孔は(110)結晶面方位で高い移動度を有することが知られている。すなわち、(100)結晶面方位での正孔移動度は、電子移動度にくらべて1/2〜1/4になる。このアンバランスを補うため、通常、正孔をキャリアとするpMOSFETのチャネル幅は、電子をキャリアとするnMOSFETに対し幅広くなるように設計されている。この設計により、nMOSFETとpMOSFETの駆動電流のバランスが保たれ、均一な回路動作が保障されている。もっとも、幅広のpMOSFETによりLSIのチップ面積が増大するという別の問題がある。   In a silicon wafer, it is known that among the MOSFET carriers, electrons have a high mobility in the (100) crystal plane orientation and holes have a high mobility in the (110) crystal plane orientation. That is, the hole mobility in the (100) crystal plane orientation is 1/2 to 1/4 compared with the electron mobility. In order to compensate for this imbalance, the channel width of a pMOSFET having holes as carriers is usually designed to be wider than that of an nMOSFET having electrons as carriers. This design maintains a balance between the driving currents of the nMOSFET and the pMOSFET and ensures uniform circuit operation. However, there is another problem that the chip area of the LSI increases due to the wide pMOSFET.

他方、(110)結晶面方位での正孔移動度は、(100)結晶面方位での正孔移動度に比べて約2倍になる。したがって、(110)面上に形成されたpMOSFETは、(100)面上に形成されたpMOSFETに比べて高い駆動電流を示す。しかし、残念ながら、(110)結晶面方位での電子移動度は、(100)結晶面方位に比べて大幅に劣化するためnMOSFETの駆動能力は劣化する。   On the other hand, the hole mobility in the (110) crystal plane orientation is about twice that of the (100) crystal plane orientation. Therefore, the pMOSFET formed on the (110) plane shows a higher driving current than the pMOSFET formed on the (100) plane. However, unfortunately, the electron mobility in the (110) crystal plane orientation is greatly deteriorated compared to the (100) crystal plane orientation, so that the driving capability of the nMOSFET is deteriorated.

このように、表面が(110)結晶面方位を有するシリコンウェーハは、正孔移動度に優れるためpMOSFETにとって最適であるが、電子移動度に劣るためnMOSFETには適していない。逆に、表面が(100)結晶面方位を有するシリコンウェーハは、電子移動度に優れるためnMOSFETにとって最適であるが、正孔移動度に劣るためpMOSFETには適していない。   Thus, a silicon wafer having a (110) crystal plane orientation on the surface is suitable for pMOSFET because of its excellent hole mobility, but is not suitable for nMOSFET because of its poor electron mobility. Conversely, a silicon wafer whose surface has a (100) crystal plane orientation is optimal for nMOSFET because of its excellent electron mobility, but is not suitable for pMOSFET because of its poor hole mobility.

そこで、2枚のシリコンウェーハの直接接合(貼り合わせ)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し、nMOSFETとpMOSFETをそれぞれ最適な結晶面方位の上に作成する様々な技術が提案されている。すなわち、例えば、シリコンウェーハ表面に(100)面と(110)面の領域を作成し、(100)面上にnMOSFETを、(110)面上にpMOSFETを形成することにより、高性能かつ高集積化されたLSIの実現を可能とする技術が提案されている。
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。
なお、上述のように、2枚のシリコンウェーハを厚い酸化膜を介することなく直接張り合わせた構造は、DSB構造(Direct Silicon Bonding structure)と称される。
Therefore, various techniques for creating regions having different crystal plane orientations on the silicon wafer surface by direct bonding (bonding) of two silicon wafers, and creating nMOSFETs and pMOSFETs on optimal crystal plane orientations, respectively. Has been proposed. That is, for example, by creating (100) and (110) plane regions on the surface of a silicon wafer, forming an nMOSFET on the (100) plane and a pMOSFET on the (110) plane, high performance and high integration A technology that enables realization of an integrated LSI has been proposed.
As one of the technologies, silicon wafers having different crystal plane orientations on the surface are directly joined together, and then the upper silicon single crystal layer is made amorphous to the joining interface with the lower layer by ion implantation of silicon or the like, and the lower layer is annealed. A method of creating regions having different crystal plane orientations on the surface of a silicon wafer by recrystallization based on the crystal orientation information (ATR method: Amorphization / Templated Recrystallization method) is disclosed in, for example, Patent Document 1 Has been.
Note that, as described above, a structure in which two silicon wafers are directly bonded without a thick oxide film is called a DSB structure (Direct Silicon Bonding structure).

上記のように2枚のウェーハの接合によって、DSB構造を有する半導体基板を形成する場合、一方の基板を薄膜化する必要が生ずる。
この薄膜化の方法として、2枚のウェーハを接合したのち、一方を機械研削および機械研磨することによって薄膜化する方法がある。もっとも、この方法では、厚いウェーハを機械研削および機械研磨によって薄膜化するため、上層の半導体層の膜厚均一性が悪化するという問題が生ずる。
When a semiconductor substrate having a DSB structure is formed by joining two wafers as described above, one of the substrates needs to be thinned.
As a method for thinning, there is a method in which two wafers are bonded and then one of them is mechanically ground and mechanically polished to be thinned. However, in this method, since a thick wafer is thinned by mechanical grinding and mechanical polishing, there arises a problem that the film thickness uniformity of the upper semiconductor layer is deteriorated.

そこで、上層の半導体層の膜厚均一性を向上させるいくつかの手法が考えられている。
例えば、SOI(Silicon On Insulator)基板の製法として開発されたいわゆるスマートカット(Smart Cut)法(例えば、特許文献2)、ナノクリーブ(Nano Cleave)法(例えば、特許文献3)あるいはエルトラン(ELTRAN)法(例えば、特許文献4)をDSB構造に適用する方法である。
これらの方法は、あらかじめ、一方のウェーハに微小気泡層や多孔質層等の境界層を設けておき、2枚のウェーハの接合後に、この境界層で分割(割断)を行う方法である。そのため、厚いウェーハを機械研削および機械研磨によって薄膜化する必要がなくなるため、上層の半導体層の膜厚均一性が向上する。
もっとも、割断後のウェーハ表面は、デバイス形成を行う観点からは粗すぎるため、表面平坦化のための機械研磨あるいはウェットエッチング等が必要であり、この平坦化処理によって、上層の半導体層の表面平坦化を実現している。
Thus, several methods for improving the film thickness uniformity of the upper semiconductor layer have been considered.
For example, a so-called Smart Cut method (for example, Patent Document 2), Nano Cleave method (for example, Patent Document 3) or ELTRAN method developed as a method for manufacturing an SOI (Silicon On Insulator) substrate. (For example, patent document 4) is a method of applying to a DSB structure.
These methods are methods in which a boundary layer such as a microbubble layer or a porous layer is provided in advance on one wafer, and division (cleaving) is performed at the boundary layer after joining the two wafers. Therefore, it is not necessary to thin a thick wafer by mechanical grinding and mechanical polishing, so that the film thickness uniformity of the upper semiconductor layer is improved.
However, since the wafer surface after cleaving is too rough from the viewpoint of device formation, mechanical polishing or wet etching or the like for surface flattening is necessary. By this flattening treatment, the surface of the upper semiconductor layer is flattened. Has been realized.

しかしながら、機械研磨あるいはウェットエッチング工程が存在することによる膜厚均一性の低下を、完全に抑制することは困難であった。そこで、SOI基板の製造方法についてではあるが、分割(割断)後の平坦化処理として、機械研磨あるいはウェットエッチング等でなく、熱処理のみによってウェーハ表面を平坦化する方法も提案されている(特許文献5)。
US 7,060,585 B1 特開2000−124092号公報 特表2001−525991号公報 特開平5−217821号公報 特開平11−307472号公報
However, it has been difficult to completely suppress a decrease in film thickness uniformity due to the presence of a mechanical polishing or wet etching process. Therefore, as a method for manufacturing an SOI substrate, as a planarization process after division (cleaving), a method of planarizing the wafer surface only by heat treatment instead of mechanical polishing or wet etching has been proposed (Patent Literature). 5).
US 7,060,585 B1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-124092 JP 2001-525991 A JP-A-5-217821 Japanese Patent Laid-Open No. 11-307472

上記のように、様々な方法によって、形成されるDSB構造を有する半導体基板であるが、従来の半導体基板では、半導体基板上にLSIを高歩留まりで形成するために必要な表面形状を有していなかった。
すなわち、分割後の研磨工程を設けることによって、製造した半導体基板では、ウェーハ面上の周期100nm以上10μm以下程度の周期の凹凸がなくなり、これより長周期の凹凸が支配的になっている。このため、その後の平坦化熱処理で、平坦面が結晶面である段差構造を形成される場合に、段差の面内における偏在が生じる。したがって、半導体基板上に複数の同一パターンのLSIを形成する場合に、個々のLSI特性がばらつき、歩留まりの低下が生じるという問題があった。
また、分割後、研磨工程を設けない方法をDSB構造に採用した場合は、平坦化のための熱処理の表面形状が十分制御されないため、最適な凹凸形状が得られていなかった。したがって、例えば、凹凸が大きすぎ、LSIを、リソグラフィーを用いてパターニングする際の、焦点ボケが生じることによる歩留まりの低下のおそれがある。
As described above, it is a semiconductor substrate having a DSB structure formed by various methods. However, a conventional semiconductor substrate has a surface shape necessary for forming an LSI on a semiconductor substrate with a high yield. There wasn't.
That is, by providing the divided polishing step, the manufactured semiconductor substrate has no irregularities with a period of about 100 nm to 10 μm on the wafer surface, and longer period irregularities are dominant. For this reason, in the subsequent flattening heat treatment, when a step structure in which the flat surface is a crystal plane is formed, uneven distribution in the surface of the step occurs. Therefore, when a plurality of LSIs having the same pattern are formed on a semiconductor substrate, there is a problem in that individual LSI characteristics vary and yield decreases.
Further, when a method that does not provide a polishing step after the division is adopted for the DSB structure, the surface shape of the heat treatment for flattening is not sufficiently controlled, and thus the optimum uneven shape has not been obtained. Therefore, for example, the unevenness is too large, and there is a concern that the yield may be reduced due to the occurrence of defocusing when patterning the LSI using lithography.

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、DSB構造を有する半導体基板において基板表面の凹凸形状を最適化することにより、基板上に形成されるLSIの高歩留まりを達成することを可能にする半導体基板を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to optimize the shape of an LSI formed on a substrate by optimizing the uneven shape of the substrate surface in a semiconductor substrate having a DSB structure. It is an object of the present invention to provide a semiconductor substrate that makes it possible to achieve a yield.

本発明の一態様の半導体基板は、
第1の半導体ウェーハと、前記第1の半導体ウェーハよりも膜厚の薄い第2の半導体ウェーハとが、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間の界面酸化膜が1nm以下となるように接合されて形成されている半導体基板であって、
前記第2の半導体ウェーハ側表面の周期100nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、抽出された凹凸形状の平均高さ(Rc)が2nm以上であることを特徴とする。
The semiconductor substrate of one embodiment of the present invention includes:
The first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer having a smaller film thickness than the first semiconductor wafer have an interface oxide film of 1 nm or less between the first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer. A semiconductor substrate formed by bonding so that
When only irregularities having a period of 100 nm or more and 10 μm or less on the surface of the second semiconductor wafer side are extracted, the average height (Rc) of the extracted irregularities is 2 nm or more.

ここで、前記周期が500nm以上10μm以下であることが望ましい。   Here, it is desirable that the period is 500 nm or more and 10 μm or less.

また、前記平均高さ(Rc)が2nm以上5nm以下であることが望ましい。   The average height (Rc) is preferably 2 nm or more and 5 nm or less.

また、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がシリコンウェーハであって、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5度以下の傾斜角(オフ角)を有する範囲にあることとが望ましい。   Further, the first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer are silicon wafers, and one of a crystal plane orientation on the surface of the first semiconductor wafer and a crystal plane orientation on the surface of the second semiconductor wafer. One is in a range having an inclination angle (off angle) of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {100} plane, and the other crystal plane orientation is an inclination of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {110} plane It is desirable to be in a range having an angle (off angle).

また、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.1度以下であり、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜方向の{100}面上の方位角が、<110>方向に対して±21度の範囲にあることが望ましい。   The inclination angle (off angle) of the second semiconductor wafer surface with respect to the {100} plane is not less than 0 degrees and not more than 0.1 degrees, and the inclination of the second semiconductor wafer surface with respect to the {100} plane is The azimuth angle on the {100} plane of the direction is preferably within a range of ± 21 degrees with respect to the <110> direction.

また、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{110}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.2度以下、または、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{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±26度の範囲にあることが望ましい。   In addition, an inclination angle (off angle) of the second semiconductor wafer surface with respect to the {110} plane is 0 degree or more and 0.2 degrees or less, or an inclination of the second semiconductor wafer surface with respect to the {110} plane. It is desirable that the azimuth angle on the {110} plane of the direction is in a range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction.

そして、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{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±2度の範囲にあることが望ましい。   It is desirable that the azimuth angle on the {110} plane of the second semiconductor wafer surface with respect to the {110} plane is in a range of ± 2 degrees with respect to the <100> direction.

本発明によれば、DSB構造を有する半導体基板において基板表面の凹凸形状を最適化することにより、基板上に形成されるLSIの高歩留まりを達成することを可能にする半導体基板を提供することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor substrate capable of achieving a high yield of LSI formed on the substrate by optimizing the uneven shape of the substrate surface in the semiconductor substrate having a DSB structure. It becomes possible.

以下、本発明に係る半導体基板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。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。
Embodiments of a semiconductor substrate according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
In the embodiment, a case where a silicon wafer is used as a semiconductor wafer will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited to a method for manufacturing a semiconductor substrate using a silicon wafer.
In the present specification, the notation {100} plane and {110} plane are used as notations representative of planes crystallographically equivalent to the (100) plane and the (110) plane, respectively. Then, as notations representing the crystallographically equivalent directions of the [100] direction and the [110] direction, the notations of <100> direction and <110> direction are used, respectively.

〔第1の実施の形態〕
本発明の第1の実施の形態の半導体基板は、第1のシリコンウェーハと、前記第1のシリコンウェーハよりも膜厚の薄い第2のシリコンウェーハとがウェーハ間の界面酸化膜が1nm以下となるように接合されて形成されている半導体基板であって、前記第1のシリコンウェーハ表面の結晶面方位が、{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、前記第2のシリコンウェーハ表面の結晶面方位が、{110}面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)を有し、前記第2のシリコンウェーハ側表面の任意の箇所を測定領域とした場合に、上記測定領域における周期100nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、抽出された凹凸形状の平均高さ(Rc)が2nm以上であることを特徴とする半導体基板である。
[First Embodiment]
The semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention has a first silicon wafer and a second silicon wafer having a thickness smaller than that of the first silicon wafer, and an interfacial oxide film between the wafers is 1 nm or less. The crystal plane orientation of the first silicon wafer surface has an inclination angle (off angle) of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {100} plane. The crystal plane orientation of the second silicon wafer surface has an inclination angle (off angle) of 0 degree to 5 degrees with respect to the {110} plane, and the second silicon wafer side surface When the measurement region is an arbitrary portion of the above, when only the unevenness having a period of 100 nm or more and 10 μm or less in the measurement region is extracted, the average height (Rc) of the extracted uneven shape is 2 nm or more. Semiconductor It is a substrate.

ここで、ウェーハ間の界面酸化膜が1nm以下とするのは、酸化膜がこの範囲より厚いと、後のLSI製造工程で、ATR法により、半導体基板表面に異なる面方位の結晶面を形成する際に、結晶欠陥の抑制された結晶面を形成する上で望ましいからである。   Here, the interfacial oxide film between the wafers is 1 nm or less. If the oxide film is thicker than this range, a crystal plane having a different plane orientation is formed on the surface of the semiconductor substrate by the ATR method in a later LSI manufacturing process. This is because it is desirable to form a crystal plane in which crystal defects are suppressed.

図1に、本実施の形態の半導体基板を説明する断面概念図を示す。図に示すように、ベースウェーハ(第1のシリコンウェーハ)102が、ボンドウェーハ(第2のシリコンウェーハ)104とシリコン酸化膜が1nm以下、望ましくはまったくない界面116で直接接合している。そして、ベースウェーハ102表面の結晶面方位が、{100}面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)、例えば、1度の傾斜角を有し、ボンドウェーハ104表面の結晶面方位が、{110}面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)、例えば、0.2度の傾斜角を有している。
さらに、半導体基板のボンドウェーハ104側表面の任意の箇所を測定領域とした場合に、円で囲った拡大図で示すような周期100nm未満の凹凸、および周期10μmより大きい凹凸を除き、すなわち、上記測定領域における周期100nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、平均高さ(Rc)が2nm以上であることを特徴とする。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view illustrating the semiconductor substrate of this embodiment. As shown in the figure, a base wafer (first silicon wafer) 102 and a bond wafer (second silicon wafer) 104 are directly bonded to each other at an interface 116 having a silicon oxide film of 1 nm or less, which is not desirable at all. The crystal plane orientation of the surface of the base wafer 102 has an inclination angle (off angle) of 0 degree to 5 degrees with respect to the {100} plane, for example, an inclination angle of 1 degree. The plane orientation has an inclination angle (off angle) of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {110} plane, for example, an inclination angle of 0.2 degree.
Further, when an arbitrary portion of the surface of the semiconductor substrate on the bond wafer 104 side is used as a measurement region, except for irregularities with a period of less than 100 nm and irregularities with a period of more than 10 μm as shown in an enlarged view surrounded by a circle, When only irregularities with a period of 100 nm to 10 μm in the measurement region are extracted, the average height (Rc) is 2 nm or more.

ここで、所望の周期、ここでは周期100nm以上10μm以下の凹凸のみの抽出によって、この周期のみからなる凹凸形状を導出することは、例えば、AFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)での測定データにフィルタリング処理をすることによって可能である。より具体的には、例えば、測定データのフーリエ変換(FET)によって得られるスペクトルから、所望の周波数をバンドパスフィルタで抽出し、逆変換(iFET)することによって抽出される。
この場合、上記周期の凹凸を効果的に抽出するため、AFMにおいては30μm×30μm以上の領域を100nm以下の間隔で測定および評価することが望ましい。
また、本明細書中、平均高さ(Rc)とは、図1の(式1)に示すように、測定領域での輪郭曲線要素(ひとつの山と隣の谷、または、その逆)の高低差hiの平均値である。(式1)において、mは測定領域中の輪郭曲線要素の数を表す。
Here, by extracting only irregularities having a desired period, here, a period of 100 nm or more and 10 μm or less, it is possible to derive an irregular shape consisting of only this period, for example, measurement with an AFM (Atomic Force Microscope). This is possible by filtering the data. More specifically, for example, a desired frequency is extracted from a spectrum obtained by Fourier transform (FET) of measurement data by a band-pass filter and is inversely converted (iFET).
In this case, in order to effectively extract the irregularities of the period, it is desirable to measure and evaluate a region of 30 μm × 30 μm or more at an interval of 100 nm or less in the AFM.
Moreover, in this specification, as shown in (Formula 1) of FIG. 1, the average height (Rc) is a contour curve element (one mountain and an adjacent valley or vice versa) in the measurement region. It is an average value of the height difference hi. In (Expression 1), m represents the number of contour curve elements in the measurement region.

本実施の形態の半導体基板によれば、基板上に形成されるLSIのnMOSFETおよびpMOSFETの高性能化を実現すると共に、LSIの高歩留まりを達成することを可能にする。
すなわち、周期100nm以上10μm以下で、平均高さ(Rc)が2nm以上である凹凸を有することにより、LSI形成時に行われる表面再構成のための熱処理時に、半導体基板表面に形成される微小な凹凸の表面分布が平均化・均一化され、面内に多数形成されるLSIの特性ばらつきが抑制されることによりLSIの高歩留まりが実現可能となる。
According to the semiconductor substrate of the present embodiment, it is possible to achieve high performance of LSI nMOSFETs and pMOSFETs formed on the substrate and to achieve high yield of LSIs.
That is, by having irregularities with a period of 100 nm to 10 μm and an average height (Rc) of 2 nm or more, minute irregularities formed on the surface of the semiconductor substrate during heat treatment for surface reconstruction performed at the time of LSI formation The surface distribution of these is averaged and made uniform, and variation in the characteristics of LSIs formed in large numbers in the surface is suppressed, so that high yield of LSIs can be realized.

以上のような、本実施の形態の半導体基板の有する作用・効果のうち、表面再構成の熱処理を行った場合の微小な凹凸(段差構造)の表面分布について、従来技術の場合と比較して説明する。還元性あるいは不活性雰囲気等の非酸化性雰囲気中で、高温、例えば、1200℃程度で、1時間程度の熱処理をシリコンウェーハに対して行うと、表面のシリコン原子が再構成され、平坦面が結晶面である段差構造が形成されることが、従来知られている。このような、平坦面が結晶面である段差構造によれば、例えば、トランジスタやキャパシタに用いられるゲート酸化膜とシリコン界面の平坦性が向上するため、トランジスタの移動度向上や、ゲート絶縁膜のリーク電流抑制が実現される。このため、LSI形成時のプロセス中で、例えば、トランジスタやキャパシタに用いられるゲート酸化膜形成の前に平坦化熱処理を加えることにより、先のプロセス等でウェーハ表面に生じた凹凸を解消し、シリコン原子の再構成により、平坦面が結晶面である段差構造を形成するプロセスを採ることが考えられる。   Among the functions and effects of the semiconductor substrate of the present embodiment as described above, the surface distribution of minute irregularities (step structure) when heat treatment for surface reconstruction is performed is compared with the case of the prior art. explain. When heat treatment is performed on a silicon wafer at a high temperature, for example, about 1200 ° C. for about 1 hour in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing or inert atmosphere, the silicon atoms on the surface are reconfigured and the flat surface becomes It is conventionally known that a step structure which is a crystal plane is formed. According to such a step structure in which the flat surface is a crystal surface, for example, the flatness of the gate oxide film and silicon interface used in transistors and capacitors is improved, so that the mobility of the transistor is improved and the gate insulating film is improved. Leakage current suppression is realized. For this reason, during the process of forming an LSI, for example, by applying a planarization heat treatment before forming a gate oxide film used for a transistor or a capacitor, the unevenness generated on the wafer surface in the previous process is eliminated, and silicon It is conceivable to adopt a process of forming a step structure in which the flat surface is a crystal plane by the reconstruction of atoms.

図2は、本実施の形態の半導体基板および従来技術の半導体基板に表面平坦化熱処理を加えた場合の効果を比較する図である。図2(a)は、本実施の形態の半導体基板に、LSI形成時に、表面平坦化のために行われる熱処理を加えた場合の表面構造を示す。本実施の形態の半導体基板においては、表面に周期100nm以上10μm以下で、平均高さ(Rc)が2nm以上の凹凸を有するため、2つのウェーハ上で離間した位置の拡大図で代表して示されるように、平坦面が結晶面である段差構造の分布が、平均化・均一化される。例えば、1個のトランジスタのゲート絶縁膜を横切る段差が多いとその段差に起因してキャリアの移動度の低下が生ずる。よって、段差構造の分布が、平均化・均一化されると、LSIの特性ばらつきが抑制されることになり、LSIの高歩留まりが実現可能となる。
これに対して、図2(b)は、従来技術の、凹凸の平均周期の比較的長い半導体基板に、LSI形成時に、表面平坦化のために行われる熱処理を加えた場合の表面構造を示す。この場合は、本実施の形態の場合と異なり、2つの拡大図で代表して示されるように、ある場所では、多数の段差が生じ、ある場所ではまったく段差が生じないなど、平坦面が結晶面である段差構造の分布のばらつきが大きくなる。よって、LSIの特性ばらつきが大きくなり、LSIの歩留まり低下を招くことになる。
FIG. 2 is a diagram comparing the effects when surface planarization heat treatment is applied to the semiconductor substrate of the present embodiment and the semiconductor substrate of the prior art. FIG. 2A shows a surface structure when the semiconductor substrate of this embodiment is subjected to a heat treatment performed for surface flattening at the time of LSI formation. In the semiconductor substrate of this embodiment, since the surface has irregularities with a period of 100 nm to 10 μm and an average height (Rc) of 2 nm or more, it is representatively shown in an enlarged view of positions separated on two wafers. As described above, the distribution of the step structure in which the flat surface is the crystal surface is averaged and uniformized. For example, if there are many steps crossing the gate insulating film of one transistor, the carrier mobility is lowered due to the steps. Therefore, if the distribution of the step structure is averaged and made uniform, variation in the characteristics of the LSI is suppressed, and a high yield of the LSI can be realized.
On the other hand, FIG. 2B shows a surface structure in the case where a heat treatment performed for surface flattening is applied to a semiconductor substrate having a relatively long average period of unevenness in LSI formation at the time of LSI formation. . In this case, unlike the case of the present embodiment, as shown by two enlarged views, a flat surface is formed such that a large number of steps are generated at a certain place and no step is generated at a certain place. The variation in the distribution of the step structure which is a surface becomes large. Therefore, the characteristic variation of the LSI becomes large, and the yield of the LSI is reduced.

なお、本実施の形態において、周期100nm以上10μm以下の範囲を抽出し、平均高さ(Rc)が2nm以上の凹凸と数値限定する理由は、周期がこの範囲を下回ると、平坦面が結晶面である段差構造の平坦面幅と凹凸周期がほぼ等しくなる、あるいは周期のほうが大きくなるため、段差構造の分布改善効果が期待しにくくなるためである。また、周期がこの範囲を上回ると、平坦面が結晶面である段差構造の分布のばらつきが従来技術のように大きくなり歩留まりの低下が顕著になるからである。
そして、平均高さがこの範囲を下回ると、やはり、平坦面が結晶面である段差構造の分布のばらつきが大きくなり歩留まりの低下が顕著になるためである。
In this embodiment, the reason why the range of 100 nm or more and 10 μm or less of the period is extracted and the average height (Rc) is numerically limited to the unevenness of 2 nm or more is that when the period is less than this range, the flat surface is a crystal plane. This is because the flat surface width and the unevenness period of the step structure are substantially equal to each other or the period becomes larger, so that it is difficult to expect the effect of improving the distribution of the step structure. Further, if the period exceeds this range, the variation in the distribution of the step structure in which the flat surface is the crystal plane becomes large as in the conventional technique, and the yield is significantly reduced.
If the average height falls below this range, the difference in the distribution of the step structure whose flat surface is the crystal plane becomes large, and the yield is significantly reduced.

ここで、周期500nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、平均高さ(Rc)が2nm以上となることがより望ましい。これは、例えば、(100)面を表面とするシリコンウェーハをアニールした場合、幅の広い平坦面の形成が可能となり、その幅が50nm〜300nm程度となり得るからである。したがって、このような場合には、周期が500nm以上ないと、平坦面が結晶面である段差構造の平坦面幅と周期がほぼ等しくなる、あるいは周期のほうが大きくなるため、段差構造の分布改善効果が期待できないためである。   Here, it is more desirable that the average height (Rc) is 2 nm or more when only the irregularities with a period of 500 nm or more and 10 μm or less are extracted. This is because, for example, when a silicon wafer having the (100) plane as the surface is annealed, a wide flat surface can be formed, and the width can be about 50 nm to 300 nm. Therefore, in such a case, if the period is not 500 nm or more, the flat surface width and the period of the step structure whose flat surface is a crystal plane are almost equal or the period becomes larger. This is because it cannot be expected.

また、平均高さは、2nm以上5nm以下であることが望ましい。この範囲を上回ると、1周期中の平坦面の数(段差数)が大きくなり、LSIの1素子を横切る段差数が多くなりすぎ、デバイス歩留まりの劣化の恐れが生ずるからである。また、平均高さがこの範囲を上回ると、LSIを、リソグラフィーを用いてパターニングする際に十分な焦点深度に対するマージンを確保することが困難になる。よって、焦点ボケ(デフォーカス)に起因する歩留まりの低下が顕著になるからである。   The average height is desirably 2 nm or more and 5 nm or less. If this range is exceeded, the number of flat surfaces (number of steps) in one cycle becomes large, the number of steps crossing one element of the LSI becomes too large, and the device yield may be deteriorated. If the average height exceeds this range, it will be difficult to ensure a sufficient margin for the depth of focus when patterning the LSI using lithography. Therefore, the yield reduction due to defocusing becomes significant.

また、本実施の形態においては、第1および第2のシリコンウェーハについて傾斜角(オフ角)を0度以上5度以下とした。平坦面を結晶面とする段差構造を安定して形成するには、傾斜角が上記範囲にあることが望ましいが、本発明は、上記傾斜角を越える範囲を排除するものではない。   In the present embodiment, the inclination angle (off angle) of the first and second silicon wafers is set to 0 degree or more and 5 degrees or less. In order to stably form a step structure having a flat surface as a crystal plane, it is desirable that the tilt angle is in the above range, but the present invention does not exclude a range exceeding the tilt angle.

以下、本実施の形態の半導体基板の第1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。   Hereinafter, an embodiment of a first manufacturing method of a semiconductor substrate according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態の半導体基板の第1の製造方法は、表面の結晶面方位が(100)面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)を有する第1のシリコンウェーハと、表面の結晶面方位が(110)面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)を有する第2のシリコンウェーハとを準備する工程と、前記第1のシリコンウェーハと前記第2のシリコンウェーハとをウェーハ間の界面酸化膜が10nm以下となるように接合する工程と、前記第1のシリコンウェーハに接合される前記第2のシリコンウェーハが300nm以下の厚さとなり、かつ、分割後の前記第2のシリコンウェーハ表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)が3.5nm以上6.5nm以下となるように前記第2のシリコンウェーハを分割し、前記第1のシリコンウェーハと前記第2のシリコンウェーハの一部(シリコン上側層)が接合されたシリコン基板を形成する工程と、前記分割後のウェーハ表面粗さが維持された前記シリコン基板を、1100℃以上1350℃以下の温度、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シリコン基板の製造方法であって、前記分割をいわゆるスマートカット法(水素イオン注入剥離法)を用いて行うシリコン基板の製造方法である。   The first manufacturing method of the semiconductor substrate of the present embodiment includes a first silicon wafer having a tilt angle (off angle) of 0 degrees or more and 5 degrees or less with respect to the (100) plane of the surface crystal plane orientation; A step of preparing a second silicon wafer having an inclination angle (off angle) of 0 ° or more and 5 ° or less with respect to the (110) plane, the first silicon wafer and the second silicon wafer And a step of bonding the silicon wafer to an interfacial oxide film of 10 nm or less, and the second silicon wafer bonded to the first silicon wafer has a thickness of 300 nm or less and is divided. The second silicon wafer is divided so that RMS (Root Mean Square) of the surface roughness of the second silicon wafer later becomes 3.5 nm or more and 6.5 nm or less. A step of forming a silicon substrate in which a part of the first silicon wafer and a part of the second silicon wafer (silicon upper layer) are bonded; and the silicon substrate in which the wafer surface roughness after the division is maintained A method for producing a silicon substrate, comprising a step of heat treatment in a temperature of 1100 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, a reducing gas, an inert gas, or a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. Is a method of manufacturing a silicon substrate using a so-called smart cut method (hydrogen ion implantation separation method).

本製造方法においては、界面酸化膜の膜厚、分割後の第2のシリコンウェーハの膜厚および第2のシリコンウェーハの表面粗さを限定することにより、本実施の形態の半導体基板の製造が可能となる。   In this manufacturing method, the semiconductor substrate of this embodiment can be manufactured by limiting the thickness of the interfacial oxide film, the thickness of the second silicon wafer after the division, and the surface roughness of the second silicon wafer. It becomes possible.

以下、本製造方法について、図3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。   Hereinafter, this manufacturing method will be described more specifically with reference to the manufacturing process flow chart of FIG.

まず、図3(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、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、フッ化水素−硝酸での洗浄を行った後に、ミラー研磨する。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。   First, in the step shown in FIG. 3A, for example, a silicon single crystal ingot with a crystal orientation (100) pulled up by the Czochralski method (CZ method) is applied to a predetermined angle, for example, the (100) plane. A silicon wafer is formed by slicing to have an inclination angle (off angle) of 0 degree or more and 5 degrees or less, for example, about 2 degrees. Subsequently, the silicon wafer is subjected to mirror polishing after cleaning with, for example, hydrogen fluoride-nitric acid. By doing so, a base wafer (first semiconductor wafer) 102 whose surface has a predetermined inclination angle (off angle) with respect to the (100) plane is prepared.

次に、やはり、図3(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5度以下、例えば、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、フッ化水素−硝酸での洗浄を行った後に、ミラー研磨する。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。   Next, again, in the step shown in FIG. 3A, for example, a silicon single crystal ingot with a crystal orientation (110) pulled by the Czochralski method (CZ method) is applied to a predetermined angle, for example, the (110) plane. The silicon wafer is sliced so as to have an inclination angle (off angle) of 0 degrees or more and 5 degrees or less, for example, about 2 degrees. Subsequently, the silicon wafer is subjected to mirror polishing after cleaning with, for example, hydrogen fluoride-nitric acid. By doing so, a bond wafer (second semiconductor wafer) 104 whose surface has a predetermined inclination angle (off angle) with respect to the (110) plane is prepared.

ここで、第1および第2のシリコンウェーハ双方または一方に、バッチ式縦型熱処理炉あるいは枚葉式のRTP(Rapid Thermal Processing)装置等の熱処理装置を用いて、熱処理を行っても構わない。この熱処理は、1025℃以上1250℃以下の温度、30秒以上2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行うことが好ましい。なぜなら、この熱処理によって、それぞれ、あるいは一方のシリコンウェーハ表面が平坦化され、2枚のウェーハの接合界面の平坦度が向上する。このため、接合後の界面における結晶欠陥の発生が抑制され、製造されたシリコン基板に対して、イオン注入によるアモルファス化と、アニールでの再結晶化(ATR法)により基板表面に異なる結晶面方位を有する領域を作成する場合に、接合界面の結晶欠陥に起因する結晶欠陥の発生を抑制することが可能になるからである。   Here, heat treatment may be performed on both or one of the first and second silicon wafers using a heat treatment apparatus such as a batch type vertical heat treatment furnace or a single wafer RTP (Rapid Thermal Processing) apparatus. This heat treatment is preferably performed at a temperature of 1025 ° C. to 1250 ° C., a time of 30 seconds to 2 hours, in a reducing gas, an inert gas, or a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. . This is because the surface of each or one of the silicon wafers is flattened by this heat treatment, and the flatness of the bonding interface between the two wafers is improved. For this reason, the generation of crystal defects at the interface after bonding is suppressed, and the crystal plane orientation different from that of the manufactured silicon substrate due to amorphization by ion implantation and recrystallization by annealing (ATR method). This is because the generation of crystal defects due to crystal defects at the bonding interface can be suppressed in the case of creating a region having a defect.

なお、(100)面および(110)面に対する傾斜角を0度以上5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可能性があるためである。また、この範囲を超えると、上記記載した接合前の平坦化熱処理を付加した場合に、ウェーハ表面の平坦面が結晶面となる段差構造の形成が困難となるため、ウェーハ表面の平坦性が劣化し、十分な結晶欠陥抑制効果を発揮できなくなるおそれがあるからである。   In addition, the inclination angle with respect to the (100) plane and the (110) plane is set to 0 degree or more and 5 degrees or less, and if it exceeds this range, the effect of increasing the carrier mobility can be sufficiently obtained for each of the nMOSFET and pMOSFET. This is because it may disappear. Also, if this range is exceeded, it becomes difficult to form a step structure in which the flat surface of the wafer surface becomes a crystal surface when the above-described flattening heat treatment before bonding is added, so that the flatness of the wafer surface deteriorates. This is because a sufficient crystal defect suppressing effect may not be exhibited.

次に、図3(b)に示す工程で、ボンドウェーハ104の片面に対して水素イオンまたは希ガスイオン、ここでは水素イオンを3E16〜1E17atoms/cm程度注入し、イオンの平均進入深さにおいて、ウェーハ表面に平行な微小気泡層(封入層)106を形成する。 Next, in the process shown in FIG. 3B, hydrogen ions or rare gas ions, here, hydrogen ions are implanted to about 3E16 to 1E17 atoms / cm 2 on one side of the bond wafer 104, and the average ion penetration depth is obtained. Then, a microbubble layer (encapsulation layer) 106 parallel to the wafer surface is formed.

次に、図3(c)に示す工程で、水素イオンを注入したボンドウェーハ104の水素イオン注入面と、ベースウェーハ102を重ねて密着させる。密着前に、例えばRCA洗浄等の洗浄処理を行い、ウェーハ表面の付着物等を除去すると共に、1〜2nm程度の厚さの自然酸化膜(シリコン酸化膜)をそれぞれの表面に成長させる。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、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。ただし、一定のシリコン酸化膜が界面に無い場合には、接合は困難である。
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の膜厚調整は、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行われる。例えば、自然酸化膜の希弗酸(HF)による除去後、大気中に放置したウェーハを3時間程度以内程度で貼りあわせることによって、10nm以下とすることが可能である。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、界面酸化膜を除去することが極めて困難となるためである。
Next, in the step shown in FIG. 3C, the hydrogen ion-implanted surface of the bond wafer 104 into which hydrogen ions have been implanted and the base wafer 102 are brought into close contact with each other. Before the adhesion, a cleaning process such as RCA cleaning is performed to remove deposits and the like on the wafer surface, and a natural oxide film (silicon oxide film) having a thickness of about 1 to 2 nm is grown on each surface. In this step, the silicon wafers can be bonded without using an adhesive or the like by bringing the surfaces of the two wafers into contact with each other in a clean atmosphere at room temperature. However, when there is no fixed silicon oxide film at the interface, bonding is difficult.
In this step, the thickness of the interfacial oxide film 108 is set to 10 nm or less. The film thickness adjustment of the interface oxide film 108 is performed by forming a natural oxide film by a cleaning process before bonding, removing the formed natural oxide film with diluted hydrofluoric acid (HF), or the like. For example, after removing the natural oxide film with dilute hydrofluoric acid (HF), the wafer left in the air can be bonded within about 3 hours to make the thickness 10 nm or less. Here, the reason why the thickness of the interface oxide film 108 is set to 10 nm or less is that when the thickness is larger than this, it is very difficult to remove the interface oxide film by a subsequent heat treatment.

次に、図3(d)に示す工程で、微小気泡層(封入層)106を境界として、剥離ウェーハ110と、シリコン基板114に分離する。シリコン基板114は、ボンドウェーハ104の一部であるシリコン基板上側層112と、ベースウェーハ102とが接合された基板である。そして、この工程においては、例えば、不活性ガス雰囲気中で、約500℃以上の温度で熱処理を加えることにより、シリコン原子の再配列と、水素気泡の凝集により、剥離ウェーハ110とシリコン基板114に分割される。   Next, in the step shown in FIG. 3D, the separation wafer 110 and the silicon substrate 114 are separated with the microbubble layer (encapsulation layer) 106 as a boundary. The silicon substrate 114 is a substrate in which a silicon substrate upper layer 112 that is a part of the bond wafer 104 and the base wafer 102 are bonded. In this step, for example, a heat treatment is performed at a temperature of about 500 ° C. or higher in an inert gas atmosphere, thereby rearranging silicon atoms and aggregating hydrogen bubbles to form the separation wafer 110 and the silicon substrate 114. Divided.

本製造方法においては、ボンドウェーハ104が分割された後の一部であるシリコン基板上側層112の膜厚が、300nm以下となるように制御する。この制御は、図1(b)の工程において、注入する水素イオンの加速エネルギーを制御することによって可能となる。
このように、膜厚を300nm以下とするのは、この範囲を超えると、後の平坦化・界面酸化膜除去熱処理により、界面酸化膜108を完全に除去することが困難となるからである。
In this manufacturing method, the film thickness of the silicon substrate upper layer 112 which is a part after the bond wafer 104 is divided is controlled to be 300 nm or less. This control is made possible by controlling the acceleration energy of the implanted hydrogen ions in the step of FIG.
Thus, the film thickness is set to 300 nm or less because if it exceeds this range, it becomes difficult to completely remove the interface oxide film 108 by the subsequent planarization / interface oxide film removal heat treatment.

そして、シリコン基板114表面のシリコン基板上側層112表面には、分割の際に生じた表面の凹凸、すなわち表面粗さが残存する。本実施の形態においては、この表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)が、3.5nm以上6.5nm以下となるように制御する。この制御は、例えば、図1(b)の工程において、微小気泡層(封入層)106を形成する際の、注入イオン種やイオン注入量、あるいは、図1(d)の工程の熱処理温度、熱処理プロファイル等を制御することによって可能となる。
なお、ここでRMSとは、表面粗さの指標であり、平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根で表される値である。シリコンウェーハの表面の粗さのRMSは、例えば、AFMを用いることによって、容易に測定することが可能である。
なお、本明細書中のウェーハ表面のRMSとは、AFMにより、ウェーハ表面の任意の3〜30μm程度の領域について測定した値をいうものとする。
このように、表面粗さのRMSを、3.5nm以上6.5nm以下と限定するのは、この範囲よりも表面の凹凸が大きくなると、シリコン基板表面の平坦化が困難になるためであり、この範囲よりも表面の凹凸が小さくなると、界面酸化膜の除去が困難になるためである。
Then, the surface roughness of the silicon substrate upper layer 112 on the surface of the silicon substrate 114, that is, the surface roughness that remains during the division, remains. In the present embodiment, the surface roughness is controlled so that the RMS (Root Mean Square) is 3.5 nm or more and 6.5 nm or less. For example, the control may be performed by implanting ion species or ion implantation amount when forming the microbubble layer (encapsulation layer) 106 in the process of FIG. 1B, or the heat treatment temperature of the process of FIG. This is possible by controlling the heat treatment profile and the like.
In addition, RMS is a parameter | index of surface roughness here, and is a value represented by the square root of the value which averaged the square of the deviation from an average line to a measurement curve. The RMS of the roughness of the surface of the silicon wafer can be easily measured by using, for example, an AFM.
Note that the RMS on the wafer surface in this specification refers to a value measured by AFM for an arbitrary region of about 3 to 30 μm on the wafer surface.
As described above, the RMS of the surface roughness is limited to 3.5 nm or more and 6.5 nm or less because if the surface irregularities are larger than this range, it becomes difficult to planarize the silicon substrate surface. This is because if the surface irregularities are smaller than this range, it becomes difficult to remove the interfacial oxide film.

次に、図3(e)の工程において、図3(d)の分割後のシリコン基板(ウェーハ)114のシリコン基板上側層112表面の表面粗さが維持された状態、すなわち、表面研磨等の積極的にウェーハ表面を平坦化する処理を行わない状態で、シリコン基板114を1100℃以上1350℃以下の温度、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。この熱処理は、シリコン基板114表面の平坦化および界面酸化膜108の除去を一括して行うための熱処理である。この熱処理は、例えば、ヒーター加熱による縦型熱処理炉を用いて行う。   Next, in the step of FIG. 3E, the surface roughness of the surface of the silicon substrate upper layer 112 of the divided silicon substrate (wafer) 114 of FIG. 3D is maintained, that is, surface polishing or the like. The silicon substrate 114 is heated to a temperature of 1100 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, a reducing gas, an inert gas, or a mixed gas of a reducing gas and an inert gas in a state where the wafer surface is not actively planarized. Heat treatment in an atmosphere. This heat treatment is a heat treatment for performing the planarization of the surface of the silicon substrate 114 and the removal of the interface oxide film 108 at once. This heat treatment is performed using, for example, a vertical heat treatment furnace by heater heating.

この平坦化・界面酸化膜除去熱処理により、図3(f)に示すように、表面が平坦化された結晶方位(110)のシリコン基板上側層112と、結晶方位(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。
そして、このシリコン基板は、シリコンウェーハ側表面の任意の箇所を測定領域とした場合に、上記測定領域における周期100nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、平均高さ(Rc)が2nm以上であることを最大の特徴とする。
なお、本製造方法においては、この平坦化・界面酸化膜除去熱処理が、ベースウェーハ102とシリコン基板上側層112との結合熱処理も兼ねている。シリコン基板114の製造工程を簡略化する観点からは、本実施の形態のように、結合熱処理を兼ねることが望ましいが、結合熱処理を別途平坦化・界面酸化膜除去熱処理の前に行うことによっても本実施の形態の半導体基板の製造は可能である。
By this planarization / interfacial oxide film removal heat treatment, as shown in FIG. 3F, the silicon substrate upper layer 112 having a crystal orientation (110) whose surface is planarized and the base wafer 102 having a crystal orientation (100) are formed. A silicon substrate 114 bonded at the interface 116 without a silicon oxide film is formed.
The silicon substrate has an average height (Rc) of 2 nm or more when extracting only irregularities having a period of 100 nm or more and 10 μm or less in the measurement region when an arbitrary portion on the silicon wafer side surface is a measurement region. It is the biggest feature.
In this manufacturing method, the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment also serves as a bonding heat treatment between the base wafer 102 and the silicon substrate upper layer 112. From the viewpoint of simplifying the manufacturing process of the silicon substrate 114, it is desirable to also serve as a bonding heat treatment as in the present embodiment, but it is also possible to perform the bonding heat treatment separately before the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment. The semiconductor substrate of this embodiment can be manufactured.

以上、本製造方法によれば、2枚のウェーハの接合によりDSB構造を有するシリコン基板を製造する場合に、上層のシリコン層の膜厚均一性を高く保持したシリコン基板表面平坦化と、2枚のウェーハの界面のシリコン酸化膜除去を同一の熱処理で行うことが可能になった上で、基板上に形成されるLSIのnMOSFETおよびpMOSFETの高性能化を実現すると共に、LSIの高歩留まりを達成することを可能にするシリコン基板が製造可能である。   As described above, according to this manufacturing method, when a silicon substrate having a DSB structure is manufactured by joining two wafers, the surface uniformity of the silicon substrate that maintains high film thickness uniformity of the upper silicon layer, The silicon oxide film at the wafer interface can be removed by the same heat treatment, and the performance of LSI nMOSFETs and pMOSFETs formed on the substrate is improved, and high LSI yields are achieved. It is possible to manufacture a silicon substrate that makes it possible to do this.

このような、上層のシリコン層の膜厚均一性を高く保持したシリコン基板表面平坦化と、2枚のウェーハの界面のシリコン酸化膜除去を同一の熱処理で行うことが可能になるという製造方法上の作用・効果が得られる理由および作用・効果の詳細について、以下記載する。   In such a manufacturing method, it is possible to perform planarization of the silicon substrate surface with high uniformity of the thickness of the upper silicon layer and removal of the silicon oxide film at the interface between the two wafers by the same heat treatment. The reason why the action / effect is obtained and details of the action / effect are described below.

まず、平坦化・界面酸化膜除去熱処理において、ウェーハ分割後に残存する凹凸が平坦化されるのは、従来知られているように、熱エネルギーによりウェーハ表面のシリコン原子が再構成され、凹凸であるよりは表面エネルギーの小さくなる平坦面が構成されることによる。もっとも、酸化性雰囲気中では、ウェーハ表面が酸化されることによりシリコン原子の再構成が妨げられるため、熱処理は、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行われなければならない。   First, in the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment, the unevenness remaining after the wafer division is flattened, as is conventionally known, because the silicon atoms on the wafer surface are reconstructed by thermal energy. This is because a flat surface having a smaller surface energy is formed. However, in an oxidizing atmosphere, since the wafer surface is oxidized and the reconstruction of silicon atoms is hindered, the heat treatment is performed by a reducing gas, an inert gas, or a mixed gas of a reducing gas and an inert gas. Must be done in an atmosphere.

また、平坦化・界面酸化膜除去熱処理において、界面のシリコン酸化膜が除去されるのは、シリコン酸化膜中の酸素が、シリコン基板上側層112中を拡散し、シリコン基板上側層112表面から雰囲気中に外方拡散することによる。
図2に、半導体(シリコン)基板上側層の膜厚と、熱処理による界面酸化膜(シリコン酸化膜)の減少厚さの関係を、温度をパラメータとして計算した結果を示す。
計算は、下記、フィックの第1法則に基づいて行った。

J=−D(σC/σX)
=D(Cs−0)/t
J:酸素の流速
D:拡散係数
C:不純物濃度
Cs:酸素固溶限界
t:半導体基板上側層膜厚

ここでの計算において、σC/σX=Cs−0としたのは、酸化膜とシリコン酸化膜の酸素濃度を固溶限界とし、シリコン表面の酸素濃度を0と仮定したことによる。 なお、界面酸化膜の減少量を求める上で、熱処理時間は60分に固定した。図1から明らかなように、1100℃より低い温度では、界面酸化膜の除去効果が極めて小さいため、熱処理温度は1100℃以上であることが必要である。特に、1200℃以上では、界面酸化膜の除去効果が顕著になるため、熱処理温度は1200℃以上であることが望ましい。
また、高温熱処理による炉材の劣化や、処理ウェーハへの金属汚染を減少させる観点から熱処理温度は1350℃以下である必要があり、1300℃以下であることが望ましい。
In addition, in the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment, the silicon oxide film at the interface is removed because oxygen in the silicon oxide film diffuses in the silicon substrate upper layer 112 and the atmosphere from the surface of the silicon substrate upper layer 112. By diffusing outwards.
FIG. 2 shows the result of calculating the relationship between the film thickness of the upper layer of the semiconductor (silicon) substrate and the reduced thickness of the interface oxide film (silicon oxide film) by the heat treatment using temperature as a parameter.
The calculation was performed based on Fick's first law described below.

J = −D (σC / σX)
= D (Cs-0) / t
J: Oxygen flow rate D: Diffusion coefficient C: Impurity concentration Cs: Oxygen solid solution limit t: Semiconductor substrate upper layer film thickness

In the calculation here, σC / σX = Cs−0 is based on the assumption that the oxygen concentration of the oxide film and the silicon oxide film is the solid solution limit and the oxygen concentration of the silicon surface is 0. Note that the heat treatment time was fixed at 60 minutes in order to obtain the reduction amount of the interfacial oxide film. As is apparent from FIG. 1, since the effect of removing the interfacial oxide film is very small at a temperature lower than 1100 ° C., the heat treatment temperature needs to be 1100 ° C. or higher. In particular, since the effect of removing the interfacial oxide film becomes remarkable at 1200 ° C. or higher, the heat treatment temperature is desirably 1200 ° C. or higher.
Moreover, the heat treatment temperature needs to be 1350 ° C. or lower and is preferably 1300 ° C. or lower from the viewpoint of reducing furnace material deterioration due to high temperature heat treatment and metal contamination on the processed wafer.

そして、図4から明らかように、半導体基板上側層膜厚が300nmより厚くなると、界面酸化膜の除去効果が特に1100℃近傍では極めて低下するため、界面層酸化膜の除去を効率的に行うためには、半導体基板上側層膜厚は300nm以下である必要がある。   As can be seen from FIG. 4, when the upper layer thickness of the semiconductor substrate is greater than 300 nm, the effect of removing the interfacial oxide film is extremely reduced particularly near 1100 ° C., so that the interfacial oxide film can be removed efficiently. For this, the thickness of the upper layer of the semiconductor substrate needs to be 300 nm or less.

図5に、平坦化・界面酸化膜除去の熱処理温度と、熱処理による界面酸化膜の減少厚さを、半導体基板上側層の厚さをパラメータとして実験により調べた結果を示す。上記計算結果から導かれるのと同様に、熱処理温度は1100℃以上、半導体基板上側層膜厚は300nm以下であることが必要であり、特に、1200℃以上では、界面酸化膜の除去効果が顕著になるため、熱処理温度は1200℃以上であることが望ましいことが実験においても明らかとなった。
なお、この実験においては、熱処理前のRMSは0.3nm以下、熱処理時間は60分としている。
FIG. 5 shows the results of experiments conducted on the heat treatment temperature for planarization and removal of the interface oxide film and the reduced thickness of the interface oxide film by the heat treatment using the thickness of the upper layer of the semiconductor substrate as a parameter. As derived from the above calculation results, it is necessary that the heat treatment temperature is 1100 ° C. or more and the thickness of the upper layer of the semiconductor substrate is 300 nm or less. Particularly, the effect of removing the interfacial oxide film is remarkable at 1200 ° C. or more. For this reason, it has become clear from experiments that the heat treatment temperature is desirably 1200 ° C. or higher.
In this experiment, the RMS before heat treatment is 0.3 nm or less, and the heat treatment time is 60 minutes.

なお、SOI基板の表面を平坦化する熱処理の場合には、埋め込み酸化膜(BOX)が除去される条件下での熱処理は、SOI層と埋め込み酸化膜層の界面品質を劣化させるため好ましくない。したがって、平坦化を実現させるための、高温かつ還元性ガス、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での熱処理は、SOI基板製造の観点からは、最低限にとどめることが望ましい。このため、ウェーハの分割後、平坦化熱処理前に、いったん、研磨やエッチング等の積極的にウェーハ表面を平坦化する工程を追加することが一般的である。
これに対し、本製造方法においては、SOI基板と異なり、界面酸化膜の除去という要請があるDSB構造を有するシリコン基板の製造において、平坦化と界面酸化膜の除去を同一の熱処理で行うという点に着目し、工程の簡略化を実現している点が一つの特徴である。
Note that in the case of heat treatment for planarizing the surface of the SOI substrate, heat treatment under a condition in which the buried oxide film (BOX) is removed is not preferable because the interface quality between the SOI layer and the buried oxide film layer is deteriorated. Therefore, heat treatment in a high-temperature reducing gas, inert gas, or mixed gas atmosphere of reducing gas and inert gas to realize planarization is minimized from the viewpoint of manufacturing an SOI substrate. It is desirable to stay. For this reason, it is common to add a step of actively flattening the wafer surface, such as polishing or etching, once after the wafer is divided and before the flattening heat treatment.
On the other hand, in this manufacturing method, unlike the SOI substrate, planarization and removal of the interfacial oxide film are performed by the same heat treatment in the manufacture of a silicon substrate having a DSB structure that requires the removal of the interfacial oxide film. One feature is that the process is simplified by focusing on the above.

さらに、本製造方法においては、分割後のボンドウェーハ(第2の半導体ウェーハ)の表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)を3.5nm以上6.5nm以下に限定することにより、同一の熱処理でのウェーハ表面の平坦化・界面酸化膜の除去を効率的に実現している。   Furthermore, in this manufacturing method, by limiting the RMS (Root Mean Square) of the surface roughness of the bond wafer (second semiconductor wafer) after the division to 3.5 nm or more and 6.5 nm or less, The wafer surface is planarized and the interface oxide film is removed efficiently by the same heat treatment.

図6に、平坦化・界面酸化膜除去熱処理の熱処理温度と、熱処理後の表面粗さ(平坦度)との関係を熱処理前の表面粗さ(RMS)をパラメータとして、実験により調べた結果を示す。なお、熱処理は、アルゴン雰囲気中で60分行っている。
図6から明らかなように、熱処理前にRMSが6.5nm以下の領域であれば、1100℃の熱処理を行うことで、熱処理後にRMSが4nm以下、さらに、1200℃の熱処理を行うことによって、熱処理後にRMSが1nm以下という極めて平坦度の高い界面状態が実現できる。
FIG. 6 shows the results of an experimental investigation of the relationship between the heat treatment temperature of the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment and the surface roughness (flatness) after the heat treatment using the surface roughness (RMS) before the heat treatment as a parameter. Show. The heat treatment is performed for 60 minutes in an argon atmosphere.
As apparent from FIG. 6, if the RMS is 6.5 nm or less before the heat treatment, by performing the heat treatment at 1100 ° C., the RMS is 4 nm or less after the heat treatment, and further by performing the heat treatment at 1200 ° C. An interface state with extremely high flatness with an RMS of 1 nm or less after heat treatment can be realized.

図7には、熱処理前のシリコン基板表面粗さと熱処理による界面酸化膜の減少厚さの関係を示す。なお、熱処理は、アルゴン雰囲気中で60分行っている。
図から明らかなように、熱処理前の表面粗さが粗いほど、界面酸化膜の減少厚さが大きくなっている。これは、シリコン基板表面が粗くなることによって、ウェーハ表面積が増大し、界面酸化膜からの酸素が効率的に雰囲気中に外方拡散するためであると考えられる。したがって、図5より上記外方拡散増大効果が顕著に見え始める、RMSにして3.5nm以上の表面粗さを、熱処理前に有していることが酸化膜除去を効率よく行う上で必要である。
FIG. 7 shows the relationship between the silicon substrate surface roughness before the heat treatment and the reduced thickness of the interfacial oxide film by the heat treatment. The heat treatment is performed for 60 minutes in an argon atmosphere.
As is apparent from the figure, the thinner the surface roughness before heat treatment, the larger the reduction thickness of the interfacial oxide film. This is presumably because the surface area of the wafer increases due to the rough surface of the silicon substrate, and oxygen from the interfacial oxide film efficiently diffuses out into the atmosphere. Therefore, from FIG. 5, it is necessary for effective removal of the oxide film that the effect of increasing the outward diffusion starts to be noticeable, and that it has a surface roughness of 3.5 nm or more in RMS before the heat treatment. is there.

以上より、平坦化・酸化膜除去熱処理前、すなわち分割後のボンドウェーハ(第2の半導体ウェーハ)の表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)を、ウェーハ表面の平坦化および界面酸化膜除去を効率的に実現する観点から、3.5nm以上6.5nm以下に限定することが必要である。
そして、上記範囲の表面粗さの実現は、上述のように、例えば、図3(b)の工程において、微小気泡層(封入層)106を形成する際の、注入イオン種やイオン注入量、あるいは、図3(d)の工程の熱処理温度、熱処理プロファイル等を制御することによって可能である。
As described above, the RMS (Root Mean Square) of the surface roughness of the bond wafer (second semiconductor wafer) before the planarization / oxide film removal heat treatment, that is, after the division, is planarized on the wafer surface and interface oxidation. From the viewpoint of efficiently realizing film removal, it is necessary to limit the film thickness to 3.5 nm or more and 6.5 nm or less.
As described above, the surface roughness in the above range can be realized by, for example, implanting ion species and ion implantation amount when forming the microbubble layer (encapsulation layer) 106 in the step of FIG. Alternatively, it is possible by controlling the heat treatment temperature, heat treatment profile, etc. in the step of FIG.

そして、上記表面粗さの範囲に限定したプロセスで、熱処理時間を長大化せずに、効率よく、かつ、再現性よく酸化膜除去を行うためには、界面酸化膜の膜厚が3nm以下であることが望ましい。   In order to remove the oxide film efficiently and with good reproducibility without increasing the heat treatment time in the process limited to the above surface roughness range, the thickness of the interface oxide film is 3 nm or less. It is desirable to be.

また、DSB接合を有するシリコン基板等の半導体基板の口径は300mm以上の口径が主流となる。したがって、還元性ガス雰囲気中での高温熱処理では、還元性ガスおよびウェーハ重量による、熱処理炉部材の劣化が大きくなる。よって、例えば、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で熱処理が行われることがより望ましい。   Further, the diameter of a semiconductor substrate such as a silicon substrate having a DSB junction is mainly 300 mm or more. Therefore, in the high-temperature heat treatment in the reducing gas atmosphere, the heat treatment furnace member is greatly deteriorated due to the reducing gas and the weight of the wafer. Therefore, for example, it is more preferable that the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere such as argon gas.

以上のよう製造方法によれば、従来、DSB構造のシリコン基板を形成する際、ウェーハ分割後の表面凹凸を除去するためおこなわれていた表面研磨工程を省略し、さらに、表面平坦化の熱処理と、界面酸化膜除去の熱処理を同一の熱処理で行うことにより、大幅な工程短縮化を実現している。また、表面研磨工程を省略することにより、上層の半導体層の膜厚均一性を高く保持することが可能になる。
さらに、単に表面研磨工程を省略しただけではなく、分割後に生ずるウェーハ表面の凹凸を、積極的に酸素外方拡散促進に利用して界面酸化膜除去効果をあげ、効率のよい平坦化・界面酸化膜除去熱処理を実現している。
そして、LSIの高歩留まりを実現する本実施の形態の半導体基板を製造することできる。
According to the manufacturing method as described above, when a silicon substrate having a DSB structure is conventionally formed, the surface polishing step that has been performed to remove the surface irregularities after the wafer division is omitted, and further, a heat treatment for surface planarization is performed. By performing the heat treatment for removing the interface oxide film by the same heat treatment, the process can be greatly shortened. Further, by omitting the surface polishing step, it is possible to maintain high film thickness uniformity of the upper semiconductor layer.
Furthermore, not only the surface polishing process is omitted, but also the unevenness on the wafer surface that occurs after the division is actively used to promote oxygen out-diffusion to enhance the effect of removing the interfacial oxide film, and efficient planarization and interfacial oxidation. Film removal heat treatment is realized.
Then, the semiconductor substrate of the present embodiment that realizes a high yield of LSI can be manufactured.

次に、本実施の形態の半導体基板の第2の製造方法について説明するが、第1の製造方法のスマートカット法(水素イオン注入剥離法)にかえて、いわゆるナノクリーブ(Nano Cleave)法を用いる以外は、第1の製造方法と同様であるので記述を省略する。   Next, a second manufacturing method of the semiconductor substrate according to the present embodiment will be described. Instead of the smart cut method (hydrogen ion implantation separation method) of the first manufacturing method, a so-called nano cleave method is used. Other than this, the description is omitted because it is the same as the first manufacturing method.

図8に、本実施の形態の第2の製造方法の製造工程フロー図を示す。
図8(a)のベースウェーハ(第1の半導体ウェーハ)102とボンドウェーハ(第2のシリコンウェーハ)104を準備する工程は第1の実施の形態と同様である。
次に、第1の製造方法同様、図8(b)に示す工程で、ボンドウェーハ104の片面に対して水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、イオンの平均進入深さにおいて、ウェーハ表面に平行な微小気泡層(封入層)106を形成する。ただし、本実施の形態では、
例えば、水素イオンを1E17〜1E18atoms/cm程度と、第1の製造方法よりも高いドーズ量を注入する。これは、本製造方法のナノクリーブ法では、第1の実施の形態と異なり、加熱による発泡を利用するのではなく、物理的な、へき開動作によりウェーハを分割することからくる要請である。
FIG. 8 shows a manufacturing process flow chart of the second manufacturing method of the present embodiment.
The process of preparing the base wafer (first semiconductor wafer) 102 and the bond wafer (second silicon wafer) 104 in FIG. 8A is the same as that in the first embodiment.
Next, as in the first manufacturing method, in the step shown in FIG. 8B, hydrogen ions or rare gas ions are implanted into one surface of the bond wafer 104, and the average penetration depth of the ions is parallel to the wafer surface. A small microbubble layer (encapsulation layer) 106 is formed. However, in this embodiment,
For example, hydrogen ions are implanted at a dose of about 1E17 to 1E18 atoms / cm 2 and higher than in the first manufacturing method. This is a request that the nanocleave method of the present manufacturing method does not use foaming by heating, but divides the wafer by a physical cleavage operation, unlike the first embodiment.

次に、図8(c)に示す工程で、第1の製造方法同様、水素イオンを注入したボンドウェーハ104の水素イオン注入面と、ベースウェーハ102を重ねて密着させる。
次に、図8(d)に示す工程で、微小気泡層(封入層)106を境界として、剥離ウェーハ110と、シリコン基板114に分離する。この工程においては、第1の実施の形態のような熱処理ではなく、微小気泡層(封入層)106の側面から、加圧した、気体あるいは液体等の流体、ここでは窒素(N)ガスを噴射して、物理的な、へき開動作によりウェーハを分割する。
Next, in the step shown in FIG. 8C, as in the first manufacturing method, the hydrogen ion-implanted surface of the bond wafer 104 into which hydrogen ions have been implanted and the base wafer 102 are overlapped and brought into close contact with each other.
Next, in the step shown in FIG. 8D, the separation wafer 110 and the silicon substrate 114 are separated with the microbubble layer (encapsulation layer) 106 as a boundary. In this step, not the heat treatment as in the first embodiment, but a pressurized fluid such as gas or liquid, here nitrogen (N 2 ) gas, is applied from the side surface of the microbubble layer (encapsulation layer) 106. Spray and divide the wafer by physical cleavage.

本製造方法においても、第1の製造方法同様、分割後の表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)が、3.5nm以上6.5nm以下となるように制御する。この制御は、例えば、図6(b)の工程において、微小気泡層(封入層)106を形成する際の、注入イオン種やイオン注入量、あるいは、図8(d)の工程で噴射する流体の種類、量、圧力等を制御することによって可能となる。   Also in the present manufacturing method, the RMS (Root Mean Square) of the surface roughness after the division is controlled to be 3.5 nm or more and 6.5 nm or less, as in the first manufacturing method. This control is performed by, for example, implanting ion species and ion implantation amount when forming the microbubble layer (encapsulation layer) 106 in the process of FIG. 6B, or the fluid ejected in the process of FIG. This is possible by controlling the type, amount, pressure, etc.

その後、第1の製造方法同様、図8(e)の平坦化・界面酸化膜除去熱処理工程を行い、図8(f)に示すように、表面が平坦化された結晶方位(110)のシリコン基板上側層112と、結晶方位(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。   Thereafter, as in the first manufacturing method, the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment step of FIG. 8E is performed, and as shown in FIG. 8F, the crystal orientation (110) silicon whose surface is planarized is obtained. A silicon substrate 114 is formed by bonding the substrate upper layer 112 and the base wafer 102 having the crystal orientation (100) at the interface 116 having no silicon oxide film.

以上、本製造方法によれば、第1の製造方法同様、2枚のウェーハの接合によりDSB構造を有するシリコン基板を製造する場合に、上層のシリコン層の膜厚均一性を高く保持したシリコン基板表面平坦化と、2枚のウェーハの界面のシリコン酸化膜除去を同一の熱処理で、効率よく行うことが可能になる。
そして、LSIの高歩留まりを実現する本実施の形態の半導体基板を製造することできる。
As described above, according to this manufacturing method, similarly to the first manufacturing method, when a silicon substrate having a DSB structure is manufactured by joining two wafers, a silicon substrate that maintains a high film thickness uniformity of the upper silicon layer. Surface planarization and removal of the silicon oxide film at the interface between the two wafers can be efficiently performed by the same heat treatment.
Then, the semiconductor substrate of the present embodiment that realizes a high yield of LSI can be manufactured.

次に本実施の形態の半導体基板の第3の製造方法について説明するが、第1の製造方法のスマートカット法(水素イオン注入剥離法)にかえて、いわゆるエルトラン(ELTRAN)法を用いる以外は、第1の製造方法と同様であるので記述を省略する。   Next, a third method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present embodiment will be described, except that a so-called ELTRAN method is used instead of the smart cut method (hydrogen ion implantation separation method) of the first manufacturing method. Since this is the same as the first manufacturing method, the description is omitted.

図9に、本製造方法の製造工程フロー図を示す。
図9(a)の工程において、ベースウェーハ(第1の半導体ウェーハ)102とボンドウェーハ(第2のシリコンウェーハ)104を準備する。ここで、ボンドウェーハの表面に弗酸を溶液とする陽極化成法(陽極酸化法)を用いて、多孔質シリコン層118を形成する。
次に、図9(b)に示す工程で、多孔質シリコン層118表面にエピタキシャル成長により薄膜単結晶シリコン層120を形成する。
FIG. 9 shows a manufacturing process flow chart of this manufacturing method.
9A, a base wafer (first semiconductor wafer) 102 and a bond wafer (second silicon wafer) 104 are prepared. Here, the porous silicon layer 118 is formed on the surface of the bond wafer by using an anodizing method (anodic oxidation method) using hydrofluoric acid as a solution.
Next, in the step shown in FIG. 9B, a thin single crystal silicon layer 120 is formed on the surface of the porous silicon layer 118 by epitaxial growth.

次に、図9(c)に示す工程で、ボンドウェーハ104の薄膜単結晶シリコン層120面と、ベースウェーハ102を重ねて密着させる。
次に、図9(d)に示す工程で、多孔質シリコン層118を境界として、剥離ウェーハ110と、シリコン基板114に分離する。この工程においては、第1の実施の形態のような熱処理ではなく、単結晶シリコンに対して、多孔質シリコン層118のみを選択的にエッチングできる弗酸やバッファード弗酸を用いることによりウェーハを分割する。
Next, in the step shown in FIG. 9C, the surface of the thin film single crystal silicon layer 120 of the bond wafer 104 and the base wafer 102 are overlapped and adhered.
Next, in a process shown in FIG. 9D, the separation wafer 110 and the silicon substrate 114 are separated with the porous silicon layer 118 as a boundary. In this step, the wafer is not formed by using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid that can selectively etch only the porous silicon layer 118 with respect to single crystal silicon, instead of the heat treatment as in the first embodiment. To divide.

本実施の形態においても、第1の製造方法同様、分割後の表面粗さのRMS(Root Mean Square:平均二乗根)が、3.5nm以上6.5nm以下となるように制御する。この制御は、例えば、図9(a)の工程において、陽極化成法の弗酸溶液濃度等の条件、あるいは、図9(d)の工程でのエッチング溶液濃度等を制御することによって可能となる。   Also in the present embodiment, similarly to the first manufacturing method, the RMS (Root Mean Square) of the surface roughness after the division is controlled to be 3.5 nm or more and 6.5 nm or less. This control can be achieved, for example, by controlling the conditions such as the hydrofluoric acid solution concentration in the anodizing method in the step of FIG. 9A or the etching solution concentration in the step of FIG. 9D. .

その後、第1の製造方法同様、図9(e)の平坦化・界面酸化膜除去熱処理工程を行い、図9(f)に示すように、表面が平坦化された結晶方位(110)のシリコン基板上側層112と、結晶方位(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。   Thereafter, as in the first manufacturing method, the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment step of FIG. 9E is performed, and as shown in FIG. 9F, the crystal orientation (110) silicon whose surface is flattened is obtained. A silicon substrate 114 is formed by bonding the substrate upper layer 112 and the base wafer 102 having the crystal orientation (100) at the interface 116 having no silicon oxide film.

以上、本製造方法によれば、第1の製造方法同様、2枚のウェーハの接合によりDSB構造を有するシリコン基板を製造する場合に、上層のシリコン層の膜厚均一性を高く保持したシリコン基板表面平坦化と、2枚のウェーハの界面のシリコン酸化膜除去を同一の熱処理で、効率よく行うことが可能になる。
そして、LSIの高歩留まりを実現する本実施の形態の半導体基板を製造することできる。
As described above, according to this manufacturing method, similarly to the first manufacturing method, when a silicon substrate having a DSB structure is manufactured by joining two wafers, a silicon substrate that maintains a high film thickness uniformity of the upper silicon layer. Surface planarization and removal of the silicon oxide film at the interface between the two wafers can be efficiently performed by the same heat treatment.
Then, the semiconductor substrate of the present embodiment that realizes a high yield of LSI can be manufactured.

(第1の実施の形態の変形例)
次に、本実施の形態の半導体基板の変形例ついて説明するが、第1のシリコンウェーハ表面の結晶面方位と第2のシリコンウェーハ表面の結晶面方位が、例えば、(100)面同士、あるいは、(110)面同士と、同一であること以外は第1の実施の形態の半導体基板と同様であるので記述を省略する。
(Modification of the first embodiment)
Next, a modification of the semiconductor substrate of the present embodiment will be described. The crystal plane orientation of the first silicon wafer surface and the crystal plane orientation of the second silicon wafer surface are, for example, (100) planes or , (110) planes are the same as those of the semiconductor substrate of the first embodiment except that they are the same, and description thereof is omitted.

本変形例によれば、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において、第1の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能となる。   According to this modification, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained in a silicon substrate obtained by DSB bonding of wafers having the same plane orientation, as used in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Is possible.

〔第2の実施の形態〕
本発明の第2の実施の形態の半導体基板は、第2のシリコンウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.1度以下であり、前記第2のシリコンウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜方向の{100}面上の方位角が、<110>方向に対して±21度の範囲にあること以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
[Second Embodiment]
In the semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention, the inclination angle (off angle) of the surface of the second silicon wafer with respect to the {100} plane is 0 degree or more and 0.1 degree or less, The same as in the first embodiment, except that the azimuth angle on the {100} plane of the silicon wafer surface with respect to the {100} plane is in the range of ± 21 degrees with respect to the <110> direction. Because there is, description is omitted.

ここで、{100}面に対する傾斜方向の{100}面上の方位角が、<110>方向に対して±21度の範囲にあるとは、言い換えれば、{100}面上での<110>方向と、同一の{100}面上に傾斜方向を投影した方向の間の角度が±21度の範囲にあるということである。   Here, the azimuth angle on the {100} plane with respect to the {100} plane is in the range of ± 21 degrees with respect to the <110> direction, in other words, <110 on the {100} plane. The angle between the direction and the direction in which the tilt direction is projected on the same {100} plane is in the range of ± 21 degrees.

上記シリコン表面を有する半導体基板は、特に、結晶面で構成される平坦面の幅が広く、確保できるため、シリコン表面に形成されるシリコン酸化膜と界面との段差を少なくすることができる。   In particular, the semiconductor substrate having the silicon surface has a wide flat surface constituted by a crystal plane and can be secured, so that the level difference between the silicon oxide film formed on the silicon surface and the interface can be reduced.

図10は、上記シリコン表面を有する半導体基板に、平坦化熱処理を施した場合の表面構造を模式的に示した説明図である。
このシリコンウェーハは、平坦面(以下、テラスともいう)が(100)の結晶面である段差(以下、ステップともいう)構造を有している。
このシリコンウェーハの特徴は、次の評価の結果によって特徴付けられる。すなわち、このシリコンウェーハの任意の3μm×3μmの領域を、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)によって測定する。測定は、ステップに概ね垂直な方向の、概ね0.3μm間隔の10本の測線によって測定される。この場合に、図10のWで表示されるテラスの幅(以下、テラス幅ともいう)の測定値の90%以上が50nm以上である。また、図10のHで表されるステップの高さ(以下、ステップ高さ)の測定値の90%以上が1原子層分、すなわち、(100)面の場合は0.136μmである。
なお、ここで概ね垂直方向とは、段差に垂直な方向に対し、±20度の範囲をいい、概ね0.3μm間隔とは、0.25μm以上0.35μm以下の範囲をいう。
FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a surface structure when the semiconductor substrate having the silicon surface is subjected to planarization heat treatment.
This silicon wafer has a step (hereinafter also referred to as a step) structure in which a flat surface (hereinafter also referred to as a terrace) is a (100) crystal plane.
The characteristics of this silicon wafer are characterized by the results of the following evaluation. That is, an arbitrary 3 μm × 3 μm region of this silicon wafer is measured by an atomic force microscope (AFM). The measurement is performed by 10 survey lines with a spacing of approximately 0.3 μm in a direction generally perpendicular to the steps. In this case, 90% or more of the measured value of the terrace width (hereinafter also referred to as terrace width) indicated by W in FIG. 10 is 50 nm or more. Further, 90% or more of the measured value of the step height (hereinafter, step height) represented by H in FIG. 10 corresponds to one atomic layer, that is, 0.136 μm for the (100) plane.
Here, the term “substantially perpendicular” refers to a range of ± 20 degrees with respect to the direction perpendicular to the step, and the term “approximately 0.3 μm interval” refers to a range of 0.25 μm to 0.35 μm.

図11に、このシリコンウェーハのAFM像を示す。AFMとして、NanoScope IIIaを用い、測定は接触モードを用いている。図11のように、シリコン表面にステップ構造が鮮明にみてとれる。図10にも示したように、図11のAFM像に見られるテラスは(100)面である。そして、ステップには、フィジカル・レビュー・レターズ(Phsical Review Letters、1691頁、第59巻(1987年))におけるChadiの分類による2種類のステップ、すなわち、直線状のステップSaと波状のステップSbがある。そして、ステップSa上のテラスは、図10に示すように2原子(dimer)化した原子列の配列方向がステップに対して、垂直になっていることで特徴付けられる。また、ステップSb上のテラスは、2原子(dimer)化した原子列の配列方向がステップに対して、平行になっていることで特徴付けられる。
ここで、隣接する二つのステップSaの間隔W’(図10)は、理想的には(100)面に対する傾斜角(以下、オフ角ともいう)θ(図10)で支配されており、次の(式1)で表すことが出来る。
W’=2×(格子定数/4)/tanθ ・・・(式1)
例えば、(100)面の場合は、格子定数/4=0.136nmとなる。
FIG. 11 shows an AFM image of this silicon wafer. NanoScope IIIa is used as the AFM, and the contact mode is used for measurement. As shown in FIG. 11, the step structure can be clearly seen on the silicon surface. As shown in FIG. 10, the terrace seen in the AFM image of FIG. 11 is the (100) plane. The steps include two types of steps according to Chadi's classification in Physical Review Letters (page 1691, volume 59 (1987)): a linear step Sa and a wavy step Sb. is there. The terrace on the step Sa is characterized by the fact that the arrangement direction of the dimerized atomic sequence is perpendicular to the step as shown in FIG. Further, the terrace on the step Sb is characterized by the fact that the arrangement direction of the dimerized atomic sequence is parallel to the step.
Here, an interval W ′ (FIG. 10) between two adjacent steps Sa is ideally governed by an inclination angle (hereinafter also referred to as an off angle) θ (FIG. 10) with respect to the (100) plane. (Expression 1).
W ′ = 2 × (lattice constant / 4) / tan θ (Expression 1)
For example, in the case of the (100) plane, the lattice constant / 4 = 0.136 nm.

本実施の形態において、傾斜角(オフ角)を0度以上0.1度以下とするのは、この範囲を超えると、テラス幅が50nmより狭くなる領域が増大し、1個のトランジスタ領域にかかる段差の数が複数になる確率があがるため、トランジスタ特性の劣化が顕著になりはじめるからである。
すなわち、上述のように、隣接する二つのステップSaの間隔W’(図10)は、傾斜角(オフ角)θで支配されており、次の(式1)で表すことが出来る。
W’=2×(格子定数/4)/tanθ ・・・(式1)
これをθ=0.1度のときについて見ると、W’=156nmとなる。W’は2テラス幅に相当するので、Sbが、2つのSaの中間に来るとすると、1テラス分のテラス幅は78nmである。もっとも、Sbは図10に示すように、波状となるため、50nm以上のテラス幅を、90%以上の領域で確実に保つためには、マージンを見て傾斜角は0.1度以下とすることが必要となる。
In this embodiment, the inclination angle (off angle) is set to 0 degree or more and 0.1 degree or less when the range is exceeded, the region where the terrace width becomes narrower than 50 nm increases, and one transistor region is formed. This is because there is a probability that the number of such steps will be plural, so that the deterioration of transistor characteristics starts to become remarkable.
That is, as described above, the interval W ′ (FIG. 10) between two adjacent steps Sa is governed by the inclination angle (off angle) θ and can be expressed by the following (Equation 1).
W ′ = 2 × (lattice constant / 4) / tan θ (Expression 1)
Looking at this when θ = 0.1 degrees, W ′ = 156 nm. Since W ′ corresponds to two terrace widths, if Sb comes in the middle of two Sa, the terrace width for one terrace is 78 nm. However, as shown in FIG. 10, since Sb has a wave shape, in order to reliably maintain a terrace width of 50 nm or more in a region of 90% or more, the inclination angle is set to 0.1 degrees or less in view of the margin. It will be necessary.

図12は、{100}面に対する傾斜角を0.0256度に固定した状態で、方位角=45度、20度、−20度のシリコンウェーハを水素ガス雰囲気、1200℃、1時間の条件で平坦化熱処理を行った場合のAFM像を示す図である。図のように、方位角=45度の条件ではステップおよびテラスが確認されなかった。これに対し、方位角=20度、−20度の条件は、同様に良好なステップ構造が確認された。   FIG. 12 shows a silicon wafer with an azimuth angle of 45 degrees, 20 degrees, and −20 degrees in a hydrogen gas atmosphere at 1200 ° C. for 1 hour with the tilt angle with respect to the {100} plane fixed at 0.0256 degrees. It is a figure which shows the AFM image at the time of performing planarization heat processing. As shown in the figure, no step or terrace was confirmed under the condition of azimuth = 45 degrees. On the other hand, a favorable step structure was confirmed under the conditions of azimuth = 20 degrees and −20 degrees.

図13は、熱処理温度と、方位角を変化させて、良好なステップ構造が得られた方位角範囲を示す図である。図中の◎印は、シリコンウェーハ表面の任意の3μm×3μmの領域を、原子間力顕微鏡(AFM)の測定領域とした場合に、この測定領域において、段差に概ね垂直方向で、概ね0.3um間隔の10本の測線に沿って測定された前記平坦面の幅(テラス幅)の測定値の95%以上が50nm以上であり、かつ、この10本の測線に沿って測定された段差の高さ(ステップ高さ)の測定値の95%以上が1原子層分の高さである場合を示す。また、図中の○印は、同様の測定で、測定された平坦面の幅(テラス幅)の測定値の90%以上が50nm以上であり、かつ、この10本の測線に沿って測定された段差の高さ(ステップ高さ)の測定値の90%以上が1原子層分の高さである場合を示す。そして、図中×印は、測定値が上記範囲に該当しない場合を示す。この結果から、概ね方位角=±25度以下の範囲で、良好なステップ構造が形成されることがわかる。   FIG. 13 is a diagram showing an azimuth angle range in which a good step structure is obtained by changing the heat treatment temperature and the azimuth angle. In the figure, when an arbitrary area of 3 μm × 3 μm on the surface of the silicon wafer is set as a measurement area of an atomic force microscope (AFM), the mark “◎” in the measurement area is approximately 0. More than 95% of the measured value of the width (terrace width) of the flat surface measured along 10 measurement lines at intervals of 3 μm is 50 nm or more, and the level difference measured along these 10 measurement lines The case where 95% or more of the measured values of the height (step height) is the height of one atomic layer is shown. In addition, the circles in the figure are the same measurement, and 90% or more of the measured flat surface width (terrace width) is 50 nm or more, and measured along these 10 measurement lines. In this case, 90% or more of the measured height of the step (step height) is the height of one atomic layer. And the x mark in a figure shows the case where a measured value does not correspond to the said range. From this result, it can be seen that a good step structure is formed in the range where the azimuth angle is ± 25 degrees or less.

このように、上記シリコン表面を有する半導体基板は、特に、還元性ガス、不活性ガスあるいはそれらの混合ガス雰囲気で熱処理後に、結晶面で構成される平坦面の幅が広く、確保できるため、シリコン表面に形成されるシリコン酸化膜と界面との段差を少なくすることができる。すなわち、周期100〜500nm以下の凹凸の段差が緩和されることになる。したがって、このシリコン酸化膜をゲート電極とするトランジスタのキャリア移動度や、このシリコン酸化膜をゲート電極とするキャパシタのリーク電流が第1の実施の形態に比べて、一層抑制される。よって、第1の実施の形態の半導体基板よりも、一層のLSI歩留まり向上が実現できる。   As described above, the semiconductor substrate having the silicon surface can secure a wide flat surface composed of crystal planes after heat treatment in an atmosphere of a reducing gas, an inert gas or a mixed gas thereof. The level difference between the silicon oxide film formed on the surface and the interface can be reduced. That is, uneven steps with a period of 100 to 500 nm or less are alleviated. Therefore, the carrier mobility of a transistor using this silicon oxide film as a gate electrode and the leakage current of a capacitor using this silicon oxide film as a gate electrode are further suppressed as compared with the first embodiment. Therefore, the LSI yield can be further improved as compared with the semiconductor substrate of the first embodiment.

〔第3の実施の形態〕
本発明の第3の実施の形態の半導体基板は、後に半導体デバイスが形成される第2のシリコンウェーハ表面の、{110}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.2度以下、または、前記第2の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±26度の範囲にあること以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
[Third Embodiment]
In the semiconductor substrate of the third embodiment of the present invention, the inclination angle (off angle) with respect to the {110} plane of the surface of the second silicon wafer on which the semiconductor device will be formed later is 0 degree or more and 0.2 degree or less. Or the first silicon wafer surface except that the azimuth angle on the {110} plane in the inclined direction with respect to the {110} plane is in the range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction. Since this is the same as the embodiment, the description is omitted.

ここで、{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±26度の範囲にあるとは、言い換えれば、{110}面上での<100>方向と、同一の{110}面上に傾斜方向を投影した方向の間の角度が±26度の範囲にあるということである。   Here, the azimuth angle on the {110} plane in the tilt direction with respect to the {110} plane is in the range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction, in other words, <100 on the {110} plane. The angle between the direction and the direction in which the tilt direction is projected on the same {110} plane is in the range of ± 26 degrees.

上記シリコン表面を有する半導体基板は、特に、表面を、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で熱処理を行った後のRMSを低減できる。   In particular, the semiconductor substrate having the silicon surface can reduce RMS after the surface is heat-treated in a reducing gas, an inert gas, or a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas.

図14は、表面が(110)面を有するシリコンウェーハ表面の結晶方位を示す概念図である。(110)面上では、例えば、図のようにノッチ方向を<100>方向とすると、これに対して直交する方向は、<110>方向となる。したがって、(110)面上では、シリコン単結晶は図のZ軸で示す<110>方向に対して、2回対称となっている。
図15は、オフ角度を0度から8度まで2度きざみとした、表面が(110)面を有するシリコンウェーハについて、表面を鏡面研磨した後に熱処理し、RMSを測定した結果を示す図である。熱処理は、水素ガス雰囲気で、1200℃、1時間の条件で行われ、炉出しはアルゴンガス雰囲気とした。また、傾斜方向の(110)面上の方位角(傾斜方向方位)は、<100>および<110>とした場合を示している。また、黒塗りのシンボルは、AFMによるRMSの測定領域を3μm×3μmとした場合であり、白塗りのシンボルは、AFMによるRMSの測定領域を10μm×10μmとした場合である。
FIG. 14 is a conceptual diagram showing the crystal orientation of the surface of a silicon wafer having a (110) plane. On the (110) plane, for example, when the notch direction is the <100> direction as shown in the figure, the direction orthogonal to this is the <110> direction. Therefore, on the (110) plane, the silicon single crystal is symmetrical twice with respect to the <110> direction indicated by the Z axis in the figure.
FIG. 15 is a diagram showing a result of measuring the RMS of a silicon wafer having a surface of (110) with an off angle of 2 degrees from 0 to 8 degrees, after the surface is mirror-polished and subjected to heat treatment. . The heat treatment was performed in a hydrogen gas atmosphere under conditions of 1200 ° C. and 1 hour, and the furnace discharge was an argon gas atmosphere. In addition, the azimuth angle (tilt direction azimuth) on the (110) plane in the tilt direction is <100> and <110>. Also, the black symbols are when the AFM RMS measurement region is 3 μm × 3 μm, and the white symbols are when the AFM RMS measurement region is 10 μm × 10 μm.

図15から明らかなように、(110)表面のRMSは、熱処理を加えることで、劣化する傾向がある。特に、傾斜方向方位を<110>とした場合には、傾斜角が2度から5度の範囲では、RMSが1nmを越えており、LSI等の半導体デバイスの歩留まりを確保するには望ましくない。すなわち、RMSが1nmを超えると、この表面に形成される酸化膜などの絶縁膜破壊耐圧や絶縁膜の信頼性が劣化するおそれがある。また、このような表面で終端するpnジャンクションでの接合リーク増加のおそれも高い。   As is apparent from FIG. 15, the RMS of the (110) surface tends to deteriorate when heat treatment is applied. In particular, when the tilt direction azimuth is <110>, when the tilt angle is in the range of 2 to 5 degrees, the RMS exceeds 1 nm, which is not desirable for securing the yield of semiconductor devices such as LSI. That is, when RMS exceeds 1 nm, there is a risk that the breakdown voltage of an insulating film such as an oxide film formed on the surface and the reliability of the insulating film are deteriorated. In addition, there is a high risk of increased junction leakage at a pn junction that terminates at such a surface.

したがって、デバイス形成領域となる第2のシリコンウェーハ表面は、{110}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.2度以下、または、第2の半導体ウェーハ表面の、{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±26度の範囲にあることが望ましい。
まず、傾斜角が0度以上0.2度以下であれば、傾斜方向方位にかかわらず、熱処理後もデバイス形成に望ましい1nm以下のRMSが実現可能である。また、結晶の連続的などの性質上、傾斜方向方位を<100>から<110>に変化させていった場合、RMSも連続的に劣化していくことが予想される。したがって、{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±26度の範囲であれば、熱処理後もデバイス形成に望ましい1nm以下のRMSとなることが期待できる。
そして、第2の半導体ウェーハ表面の、{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±2度の範囲にあることが、熱処理後もデバイス形成にとって望ましい1nm以下のRMSを確実に実現するうえではより好ましい。
Therefore, the second silicon wafer surface serving as a device formation region has an inclination angle (off angle) with respect to the {110} plane of 0 ° or more and 0.2 ° or less, or {110} of the second semiconductor wafer surface. It is desirable that the azimuth angle on the {110} plane in the tilt direction with respect to the plane is in a range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction.
First, if the tilt angle is 0 ° or more and 0.2 ° or less, an RMS of 1 nm or less that is desirable for device formation can be realized even after heat treatment regardless of the tilt direction orientation. In addition, due to any continuous nature of the crystal, when the tilt direction orientation is changed from <100> to <110>, it is expected that the RMS also deteriorates continuously. Therefore, if the azimuth angle on the {110} plane in the tilt direction with respect to the {110} plane is within a range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction, the RMS of 1 nm or less desirable for device formation can be obtained even after heat treatment. Can be expected.
Then, it is confirmed that the azimuth angle of the second semiconductor wafer surface on the {110} plane, which is inclined with respect to the {110} plane, is in the range of ± 2 degrees with respect to the <100> direction. It is more preferable to reliably realize RMS of 1 nm or less desirable for the above.

以上のように、本実施の形態によれば、第1の実施の形態の作用・効果に加え、LSI等の半導体デバイスを形成する上で行われるシリコン表面の再構成による平坦化熱処理の際に、RMSの劣化を防止することにより歩留まりの向上を図ることが可能となるという作用・効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば、周期100〜500nm以下の凹凸の段差が緩和されることになる。したがって、このシリコン酸化膜をゲート電極とするトランジスタのキャリア移動度や、このシリコン酸化膜をゲート電極とするキャパシタのリーク電流が第1の実施の形態に比べて、一層抑制される。よって、第1の実施の形態の半導体基板よりも、一層のLSI歩留まり向上が実現できる。   As described above, according to the present embodiment, in addition to the operations and effects of the first embodiment, the planarization heat treatment is performed by reconfiguring the silicon surface performed when forming a semiconductor device such as an LSI. In addition, it is possible to obtain an operation and effect that the yield can be improved by preventing the deterioration of the RMS. In other words, according to the present embodiment, uneven steps with a period of 100 to 500 nm or less are alleviated. Therefore, the carrier mobility of a transistor using this silicon oxide film as a gate electrode and the leakage current of a capacitor using this silicon oxide film as a gate electrode are further suppressed as compared with the first embodiment. Therefore, the LSI yield can be further improved as compared with the semiconductor substrate of the first embodiment.

なお、本実施の形態においては、シリコン表面の再構成による平坦化熱処理について、水素ガス雰囲気を例に説明したが、その他の還元ガスや不活性ガスあるいはそれらの混合ガスによっても、シリコン表面の再構成は生じるため、これらの雰囲気を排除するものではない。   In the present embodiment, the planarization heat treatment by reconfiguration of the silicon surface has been described by taking a hydrogen gas atmosphere as an example. However, the silicon surface can be regenerated by using other reducing gas, inert gas, or a mixed gas thereof. Because of the construction, these atmospheres are not excluded.

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。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. In the description of the embodiment, the description of the semiconductor substrate, the method for manufacturing the semiconductor substrate, etc., which is not directly necessary for the description of the present invention is omitted, but the required semiconductor substrate and the method for manufacturing the semiconductor substrate are omitted. It is possible to appropriately select and use elements related to the above.

例えば、第1のシリコンウェーハと第2のシリコンウェーハの結晶面方位が異なる場合、実施の形態に記載した{100}面と{110}面の組み合わせのみならず、その他の結晶面方位の組み合わせであってもかまわない。   For example, when the crystal plane orientations of the first silicon wafer and the second silicon wafer are different, not only the combination of the {100} plane and the {110} plane described in the embodiment, but also other crystal plane orientation combinations. It does not matter.

また、例えば、上記実施の形態においては、第1の半導体ウェーハ、第2の半導体ウェーハともに半導体材料について、シリコン(Si)を材料とする場合について説明した。しかし、その他、SiC、SiGe、SiGeC、Ge、GaAs、InAs、InP、ならびにIII/V族またはII/VI族の複合半導体を含めた任意の半導体材料を選択することが可能である。
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は、本発明の範囲に包含される。
Further, for example, in the above embodiment, the case where silicon (Si) is used as the semiconductor material for both the first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer has been described. However, it is possible to select any semiconductor material including SiC, SiGe, SiGeC, Ge, GaAs, InAs, InP, and III / V or II / VI group composite semiconductors.
In addition, all semiconductor substrates that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art are included in the scope of the present invention.

第1の実施の形態の半導体基板を説明する断面概念図Sectional conceptual diagram explaining the semiconductor substrate of 1st Embodiment 第1の実施の形態の半導体基板および従来技術の半導体基板図に表面平坦化熱処理を加えた場合の効果を比較する図。The figure which compares the effect at the time of adding surface planarization heat processing to the semiconductor substrate figure of 1st Embodiment, and the semiconductor substrate of a prior art. 第1の実施の形態の第1の製造方法の製造工程フロー図。The manufacturing process flowchart of the 1st manufacturing method of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体(シリコン)基板上側層の膜厚と、熱処理による界面酸化膜(シリコン酸化膜)の減少厚さの関係を、温度をパラメータとして計算した結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated the relationship between the film thickness of the semiconductor (silicon) board | substrate upper layer of 1st Embodiment, and the reduction | decrease thickness of the interface oxide film (silicon oxide film) by heat processing by using temperature as a parameter. 第1の実施の形態の平坦化・界面酸化膜除去の熱処理温度と、熱処理による界面酸化膜の減少厚さを、半導体基板上側層の厚さをパラメータとして実験により調べた結果を示す図。The figure which shows the result of having investigated the heat processing temperature of planarization and interface oxide film removal of 1st Embodiment, and the reduction | decrease thickness of the interface oxide film by heat processing by experiment using the thickness of the upper layer of a semiconductor substrate as a parameter. 第1の実施の形態の平坦化・界面酸化膜除去熱処理の熱処理温度と、熱処理後の表面粗さ(平坦度)との関係を熱処理前の表面粗さ(RMS)をパラメータとして、実験により調べた結果を示す図。The relationship between the heat treatment temperature of the planarization / interfacial oxide film removal heat treatment of the first embodiment and the surface roughness (flatness) after the heat treatment is examined by experiment using the surface roughness (RMS) before the heat treatment as a parameter. FIG. 第1の実施の形態の熱処理前のシリコン基板表面粗さと熱処理による界面酸化膜の減少厚さの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the silicon substrate surface roughness before heat processing of 1st Embodiment, and the reduction | decrease thickness of the interface oxide film by heat processing. 第1の実施の形態の第2の製造方法の製造工程フロー図。The manufacturing process flowchart of the 2nd manufacturing method of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の第3の製造方法の製造工程フロー図。The manufacturing process flowchart of the 3rd manufacturing method of 1st Embodiment. 第2の実施の形態のシリコン基板に平坦化熱処理を施した場合の表面構造を模式的に示した説明図。Explanatory drawing which showed typically the surface structure at the time of performing the planarization heat processing to the silicon substrate of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態のシリコンウェーハに平坦化熱処理を施した場合のAFM像。The AFM image at the time of performing the planarization heat processing to the silicon wafer of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態において、方位角を変化させて平坦化熱処理を行った場合のAFM像。In the second embodiment, an AFM image when the flattening heat treatment is performed by changing the azimuth angle. 第2の実施の形態において、良好なステップ構造が得られた方位角範囲を示す図。The figure which shows the azimuth | direction angle range from which the favorable step structure was obtained in 2nd Embodiment. 第3の実施の形態の、表面が(110)面を有するシリコンウェーハ表面の結晶方位を示す概念図。The conceptual diagram which shows the crystal orientation of the silicon wafer surface where the surface has a (110) plane of 3rd Embodiment. 第3の実施の形態の、オフ角度を0度から8度まで2度きざみとした、表面が(110)面を有するシリコンウェーハについて、表面を鏡面研磨した後に熱処理し、RMSを測定した結果を示す図。The silicon wafer having a (110) surface with an off angle of 2 degrees from 0 degrees to 8 degrees in the third embodiment, the surface was mirror-polished and then heat-treated, and the RMS was measured. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

102 ベースウェーハ(第1の半導体ウェーハ)
104 ボンドウェーハ(第2の半導体ウェーハ)
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
118 多孔質シリコン層
120 薄膜単結晶シリコン層
102 Base wafer (first semiconductor wafer)
104 Bond wafer (second semiconductor wafer)
106 Microbubble layer (encapsulation layer)
108 Interfacial oxide film 110 Release wafer 112 Silicon substrate upper layer 114 Silicon substrate 116 Interface 118 without silicon oxide film Porous silicon layer 120 Thin film single crystal silicon layer

Claims (7)

第1の半導体ウェーハと、前記第1の半導体ウェーハよりも膜厚の薄い第2の半導体ウェーハとが、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間の界面酸化膜が1nm以下となるように接合されて形成されている半導体基板であって、
前記第2の半導体ウェーハ側表面の周期100nm以上10μm以下の凹凸のみを抽出した場合に、抽出された凹凸形状の平均高さ(Rc)が2nm以上であることを特徴とする半導体基板。
The first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer having a smaller film thickness than the first semiconductor wafer have an interface oxide film of 1 nm or less between the first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer. A semiconductor substrate formed by bonding so that
A semiconductor substrate characterized in that when only irregularities having a period of 100 nm or more and 10 μm or less on the surface of the second semiconductor wafer side are extracted, the average height (Rc) of the extracted irregularities is 2 nm or more.
前記周期が500nm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体基板。   The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the period is 500 nm or more and 10 μm or less. 前記平均高さ(Rc)が2nm以上5nm以下で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。   3. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the average height (Rc) is 2 nm or more and 5 nm or less. 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がシリコンウェーハであって、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5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1ないし請求項3記載の半導体基板。   The first semiconductor wafer and the second semiconductor wafer are silicon wafers, and one of the crystal plane orientation of the first semiconductor wafer surface and the crystal plane orientation of the second semiconductor wafer surface is , In the range having an inclination angle (off angle) of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {100} plane, and the other crystal plane orientation is an inclination angle of 0 degree or more and 5 degrees or less with respect to the {110} plane ( 4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is in a range having an off angle. 前記第2の半導体ウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.1度以下であり、
前記第2の半導体ウェーハ表面の、{100}面に対する傾斜方向の{100}面上の方位角が、<110>方向に対して±21度の範囲にあることを特徴とする請求項4記載の半導体基板。
The inclination angle (off angle) of the surface of the second semiconductor wafer with respect to the {100} plane is 0 degree or more and 0.1 degree or less,
5. The azimuth angle on the {100} plane of the second semiconductor wafer surface in the tilt direction with respect to the {100} plane is in a range of ± 21 degrees with respect to the <110> direction. Semiconductor substrate.
前記第2の半導体ウェーハ表面の、{110}面に対する傾斜角(オフ角)が、0度以上0.2度以下、
または、前記第2の半導体ウェーハ表面の、{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±26度の範囲にあることを特徴とする請求項4記載の半導体基板。
The inclination angle (off angle) of the surface of the second semiconductor wafer with respect to the {110} plane is 0 degree or more and 0.2 degree or less,
Alternatively, the azimuth angle of the second semiconductor wafer surface on the {110} plane inclined with respect to the {110} plane is in the range of ± 26 degrees with respect to the <100> direction. 4. The semiconductor substrate according to 4.
前記第2の半導体ウェーハ表面の、{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±2度の範囲にあることを特徴とする請求項6記載の半導体基板。
The azimuth angle on the {110} plane of the second semiconductor wafer surface with respect to the {110} plane in the inclined direction is in a range of ± 2 degrees with respect to the <100> direction. Semiconductor substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016222525A (en) * 2015-05-28 2016-12-28 ソイテックSoitec Method of moving layer from single crystal substrate

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