JP4587034B2 - Ｓｏｉウェーハの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩウェーハの設計方法に関する。

特開平９−６４３１９号公報

ＣＭＯＳ−ＩＣや高耐圧型ＩＣ等の半導体デバイス等の製造に、シリコン単結晶基板（以下、ベースウェーハともいう）上にシリコン酸化膜層を形成し、その上に別のシリコン単結晶層をＳＯＩ（Silicon on Insulator）層として積層形成した、いわゆるＳＯＩウェーハが使用されている。ＳＯＩウェーハの製造方法としては、貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法等が知られている。貼り合わせ法は、シリコン酸化膜層を介してシリコン単結晶からなる２枚のウェーハ（ベースウェーハとボンドウェーハ）を貼り合わせ、熱処理を加えた後、ボンドウェーハを減厚してＳＯＩ層を形成する方法である。一方、ＳＩＭＯＸ法は、シリコン単結晶基板中に高濃度の酸素イオンを注入した後で、高温熱処理を行うことにより埋め込み酸化膜を形成する方法である。

従来、ＳＯＩウェーハにおいては、シリコン単結晶からなるベースウェーハ及びＳＯＩ層と、二酸化珪素からなるシリコン酸化膜層との熱膨脹係数が互いに異なるため、基板の反りが発生しやすいという欠点があった。ＳＯＩウェーハの反りが大きくなると、フォトリソグラフィー工程で焦点を合わせ難くなることにより、素子の形成が困難になることがある。なお、この欠点は、集積回路の集積率が大きくなるほど顕著となる。

上記のようなＳＯＩウェーハの反りは、従来、上記の貼り合わせ法における結合熱処理や、ＳＩＭＯＸ法での高温熱処理時に発生する反りに主眼が置かれ、種々の防止対策が講じられてきた。例えば、特許文献１には、ベースウェーハのシリコン酸化膜層と接する領域に酸素析出部の形成密度がゼロの無欠陥層を作り、残部のウェーハ領域を該無欠陥層よりも高い酸素析出物密度を有する酸素析出物層とするＳＯＩウェーハ構造が開示され、前述の熱膨張率差に起因したウェーハの反りを防止できるとしている。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、ＳＯＩウェーハの反りの原因は、シリコン酸化膜（ＢＯＸ層ともいう）とベースウェーハやＳＯＩ層をなすシリコンとの熱膨張係数差のみに必ずしも帰着されるものではないことがわかった。例えば、本発明者らは、デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったＳＯＩウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化するという、上記の反り発生機構では理解できない現象にしばしば直面している。この現象は、熱膨張係数差に由来した反りがむしろ生じにくい、ＳＯＩ層やシリコン酸化物層の厚さが薄膜化（例えば、それぞれ１μｍ以下）した場合に多く見られ、ウェーハの直径が大きい場合（例えば２００ｍｍ以上の場合）に特に顕著となる。

本発明の課題は、比較的薄いシリコン酸化膜とＳＯＩ層とを有する場合でも、デバイス工程で実施される熱処理時に反りを発生しにくいＳＯＩウェーハの設計方法と、当該設計思想に基づいて得られるＳＯＩウェーハとを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のＳＯＩウェーハの設計方法は、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有したＳＯＩウェーハの設計方法において、上記課題を解決するために、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層側から光照射を行なったときの、波長０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率が、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上となるように、シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２を各々選定することを特徴とする。
尚、本発明におけるＳＯＩ層とは、シリコン単結晶からなる典型的なＳＯＩ層のほか、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ（０≦ｘ＜１）にて表されるＳｉＧｅ層やＧｅ層、あるいは、その他の半導体薄層を含む広義のＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）層を意味する。

また、本発明のＳＯＩウェーハは、上記課題を解決するために、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有し、ＳＯＩ層側から光照射を行なったときの、波長０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率が、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上となるように、シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とが各々定められてなることを特徴とする。

本発明者らは、ＳＯＩウェーハを熱処理する際の反り発生の問題について検討するに、屈折率が互いに異なるシリコン酸化膜とＳＯＩ層とが、特定の層厚関係を充足している場合に、後述の１次元フォトニックバンドギャップ構造が形成され、照射される赤外線スペクトルに対する反射率が極度に大きくなることに着目した。そして、このようなシリコン酸化膜とＳＯＩ層との光学的構造に由来した反射特性に由来して、赤外線照射によるＳＯＩウェーハの加熱に不均一が生じ、反りを招来するものと考えた。

本発明者らは、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部が、特定の波長域で１次元フォトニックバンドギャップ構造を形成して強い反射が生ずる場合、層厚関係を適切に調整することでこの反射を劇的に抑制することが可能であることを発想した。他方、本発明者らが鋭意検討した結果、ＳＯＩウェーハの熱処理に一般的に使用されるハロゲンランプを光源とする赤外線スペクトルは、その強度ピークが通常０．６μｍ以上１．５μｍの波長域にあり、ベースウェーハの主体をなす単体シリコンのバンドギャップエネルギーが１．１ｅＶであることを考慮した場合、ウェーハの加熱に最も貢献するのは、０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域であることが判明した。そこで、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部が示す当該の波長域の光に対する吸収率が、シリコン単結晶が示す吸収率になるべく近づくように、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との層厚関係を選定すること、具体的には、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上となるように、シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とを選定することにより、光源からの加熱に寄与する波長成分は、上記積層部での過度な反射が生ずることなく効率的にＳＯＩウェーハに吸収され、その熱処理に伴う反り等を極めて効果的に抑制できることを見出した。

以下、より詳細に説明する。
本発明者は、ＳＯＩウェーハをデバイス化する際の熱処理条件と、発生するウェーハの反りとの関係を詳細に検討した結果、次の事実を把握するに至った。
（１）デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったＳＯＩウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化することがある。具体的には、ＳＯＩ層側からの赤外線照射により熱処理加熱を行なう場合である。
（２）反りの発生が顕著なのは、照射する赤外線の波長（以下、ピーク波長λで代表させる）と、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰとが一定の関係を満たす場合であり、特にｔ_ＯＰ＝０．５λに近い関係を充足する場合の反り発生が顕著である。

赤外線照射の熱処理時に、上記（２）の条件を充足する場合に特に反りが発生しやすかった原因としては、以下のように考えられる。まず、熱処理に使用する赤外線源としてはハロゲンランプなどの抵抗発熱型ランプが使用されることが多い。図１３に示すごとく、そのピーク波長λは光源温度に応じて異なるが、０．６μｍ以上１．５μｍ以下に収まるものがほとんどである。

シリコン酸化膜とＳＯＩ層とが共に１μｍ以下の小さな層厚で形成される場合、ベースウェーハの厚さが通常のＳＯＩウェーハ並（例えば直径２００ｍｍで６００μｍ以上８００μｍ以下）であれば、この程度のシリコン酸化膜の厚さでは、シリコンとの熱膨張係数差に基づく反り発生の程度は、さほど大きい値にはならない。しかしながら、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部が前記ｔ_ＯＰ＝０．５λに近い関係を充足する状況下にあっては、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との層厚が相当小さくとも、ＳＯＩ層側からの赤外線照射により熱処理を行なうと、その反り量は予想外に大きくなる場合が現実には多々発生し、例えば直径２００ｍｍのＳＯＩウェーハでは、該反り量が２００μｍ〜３００μｍ、場合によってはそれ以上に達することもある。従って、当該の反りの主要因は、従来想定されていた層間の熱膨張係数差でないことは明らかである。本発明者は、ＳＯＩ層側での赤外線反射による加熱不均一にあるのではないかと考え、本発明に完成するに至った。

ＳＯＩ層表面での赤外線反射は、周囲の雰囲気（例えば空気）とＳＯＩ層との屈折率差に由来した全反射が考えられるが、これは、赤外線の入射角度が一定の臨界角度以上に大きい場合にのみ生ずるものであって、面内に広い光源にてウェーハの全面に均一に赤外線が照射できる場合には、それ程問題になることではない。しかし、屈折率が互いに大きく相違するシリコン酸化膜とＳＯＩ層との組み合わされた場合には、その層厚と入射赤外線の波長との関係によっては、赤外線の入射方向が面法線方向に近い場合であっても非常に強い反射が生ずることがある。

例えば、シリコン酸化膜とシリコン層とが交互に積層された構造のように、周期的に屈折率が変化する積層体の層厚方向には、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられることが知られている。このような構造をフォトニックバンド構造と称し、多層膜の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップ構造ともいう。

このようなフォトニックバンドギャップ構造は、積層周期数が多くなるほど、入射が禁じられる波長域（つまり、反射率が大きくなる波長域：以下、フォトニックバンドギャップ域という）が広くなる傾向になるが、積層周期数が１であっても、フォトニックバンドギャップ域が相対的に狭くなるだけであって、ギャップ中心波長付近で非常に大きな反射が生ずることに変わりはない。典型的なＳＯＩウェーハ構造、つまり、ベースウェーハ上にシリコン酸化膜とＳＯＩ層とが１層ずつ形成された上記積層部の構造はこれに該当し、一次元フォトニックバンドギャップ構造が生ずるための条件は、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２が、入射赤外線の波長λの１／２（つまり、０．５λ）を充足する場合である。特に、両層の光学的厚さの比（ｔ１×ｎ１）／（ｔ２×ｎ２）が１付近のとき（つまり、両層の光学的厚さが互いに等しいとき）に、強反射の起こる波長域が最も広くなり反射率も高くなる。なお、シリコン酸化膜の赤外波長域の屈折率ｎ１は１．５、ＳＯＩ層の屈折率ｎ２は、シリコン単結晶の場合は３．５、Ｇｅ（ゲルマニウム）の場合は４．０であり、Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘの場合は、Ｓｉを３．５、Ｇｅを４．０として、混晶比ｘの値により線形補間した屈折率を用いる。

シリコン酸化膜とＳＯＩ層とが形成するフォトニックバンドギャップの中心波長が、入射赤外線の波長λに接近していると、ＳＯＩ層表面に均一に赤外線が照射されていても反射による影響でウェーハの層厚方向の加熱分布が不均一となる（この不均一は、後に詳述する通り、必ずしも反射が生じているＳＯＩ層側が低温となるように生ずるものではない）。ベースウェーハの層厚方向の温度不均一が生じた場合、ベースウェーハの面内熱応力も層厚方向に分布を生じ、反り発生応力として作用する。特に、ベースウェーハ内に酸素析出物が形成されていると、該酸素析出物の周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数のスリップ転位などの結晶欠陥が導入され、強度が低下した状態になっている。そして、ベースウェーハの内部に高密度に酸素析出物が形成されていると、上記加熱不均一に由来した層厚方向の反り応力にベースウェーハの剛性が抗し切れなくなり、顕著な反りが発生するものと考えられる。

従って、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部が形成するフォトニックバンドギャップの中心波長が、入射赤外線のピーク波長λからなるべく離れるように、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との各層厚を選定することにより、上記温度不均一となる赤外線の反射を効果的に抑制できる。その結果、当該積層部に対する入射光の透過率ひいてはシリコン単結晶からなるベースウェーハの、該入射光の吸収効率を高めることができ、ひいては０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率を、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上に高めることが可能となる。０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率が０．８倍未満では、ＳＯＩウェーハの反り発生を抑制する効果は不十分となる。また、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部の厚さ調整により、ＳＯＩウェーハ全体としてみたときの、０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率の設計上の上限に特に制限はないが、例えばシリコン単結晶の１．５倍程度までは十分に達成可能である。

上記本発明の効果は、本発明者が実験により鋭意検討したところ、シリコン酸化膜をなすＳｉＯ_２の波長域における屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の波長域における屈折率をｎ２とし、それらシリコン酸化膜とＳＯＩ層との波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、該ｔ_ＯＰが２５０ｎｍ以下となるように、シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２とを各々選定した場合に特に顕著であり、０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率を、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率により近づけることができる。すなわち、ＳＯＩ層側からの赤外線照射によりＳＯＩウェーハをより均一に加熱することが可能となり、熱処理時にＳＯＩウェーハに生ずる反りをより効果的に防止できる。

他方、層形成の厚さ均一性と、シリコン酸化膜による絶縁性を確保する観点から、上記光学的厚さｔ_ＯＰは１０ｎｍ以上に設定することが望ましい。また、上記の効果は、ＳＯＩ層の厚さｔ２が１００ｎｍ以下に設定されている場合に一層顕著である。層形成の厚さ均一性を確保するためには、ＳＯＩ層の厚さｔ２は１０ｎｍ以上であることが望ましい。

特にＳＯＩウェーハの熱処理が、ＳＯＩ層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われる、いわゆる片面加熱方式の熱処理装置を用いて行われる場合は、本発明の効果が特に顕著に発揮される。このような熱処理装置では、通常、ベースウェーハの第二主表面側（裏面側）に配置された温度センサ（例えば放射温度計）により、該ベースウェーハの温度を測定しつつ、測定されるベースウェーハの温度が設定熱処理温度に昇温・保持されるよう、前記赤外線光源の発熱出力を制御して加熱を行なう。このとき、ＳＯＩ層がシリコン酸化膜とともにフォトニックバンドギャップ構造を形成していると、次のような状況を招来する。

すなわち、初期段階では温度センサが検知するベースウェーハの温度は設定温度よりも低いから、赤外線光源のパワーは増加方向に制御され昇温が開始する。しかし、ＳＯＩ層側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハの第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、光源の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとして赤外線パワーをますます増加させる。つまり、反射があまり生じていない場合（例えば、ＳＯＩ層を形成しない鏡面研磨ウェーハなどに熱処理する場合）と比較して、赤外線光源のパワーはオーバー側にシフトした状態で制御されることとなる。他方、ＳＯＩ層表面からベースウェーハ側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、赤外線光源のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するＳＯＩ層側の温度が過昇して、ベースウェーハの表裏の温度差も非常に大きくなる。その結果、ＳＯＩウェーハにはますます反りが生じやすくなる。しかし、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部でのフォトニックバンドギャップ形成を抑制し、本発明のごとく０．４μｍ以上１．０５μｍ以下の波長域における吸収率を、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上とすることにより、片面加熱方式の熱処理装置を用いる場合でも、ＳＯＩウェーハの反り発生を効果的に防止できる。

この効果は、熱処理設定温度が例えば１０００℃以上１３００℃以下と高く、また、その設定温度までの昇温速度が例えば５０℃／秒以上１００℃／秒以下と大きい場合に特に顕著である。つまり、昇温速度が大きく設定されている場合、ウェーハの厚さ方向の熱伝導が十分進行しないうちに、赤外線光源のパワーが強められ、温度測定されるベースウェーハの第二主表面上での温度上昇は、ＳＯＩ層側の温度に対してますます遅れることになる。その結果、赤外線光源のパワーがよりオーバーシュートしやすくなり、反りも生じやすいからである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はＳＯＩウェーハの製造方法の一例をに係る実施形態を説明するものである。まず、工程（ａ）に示すように、例えばシリコン単結晶からなるベースウェーハ７と、工程（ｂ）に示すシリコン単結晶基板からなるボンドウェーハ１とを用意する。これらのシリコン単結晶は、石英るつぼを用いた周知のチョクラルスキー法にて製造されたものであり、初期酸素濃度が例えば１２ｐｐｍａ以上２５ｐｐｍａ以下と比較的高いものが使用される。
尚、酸素濃度ＪＥＩＤＡ（日本電子工業振興協会、現在のＪＥＩＴＡ）の換算係数を用いて算出した値を示している。また、ボンドウェーハ１として、シリコン単結晶ウェーハ上に、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅなどの半導体単結晶をエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハを用いることもできる。

次に、工程（ｃ）に示すように、ボンドウェーハ１の少なくとも第一主表面Ｊ側に絶縁膜としてシリコン酸化膜２を形成する。このシリコン酸化膜２の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法を採用することも可能である。シリコン酸化膜の膜厚ｔ１は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の値とすることがあり、熱酸化の場合は、酸化処理温度及び時間や、酸化処理に用いる雰囲気中の酸素濃度によって調整可能であり、酸化処理温度を高くすること、酸化処理時間を長くすること、さらには酸化処理に用いる雰囲気中の酸素濃度を高くすることが、シリコン酸化膜の膜厚ｔ１を厚くする方向に寄与する。

次に、工程（ｄ）に示すように、ボンドウェーハ１の第一主表面Ｊ側、本実施形態ではシリコン酸化膜２の表面をイオン注入面として、例えば水素イオンビームを照射することによりイオンを打ち込み、剥離用イオン注入層４を形成する。剥離用イオン注入層４を形成するためのイオンは、水素イオン及び希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）イオンよりなるイオン群から選ばれる少なくとも１種類とすることができる。本実施形態では水素イオンを用いるが、水素イオンに代えて、ヘリウムイオン、ネオンイオンあるいはアルゴンイオンなどの希ガスイオンを打ち込むことにより剥離用イオン注入層４を形成してもよい。

剥離用イオン注入層４を形成したボンドウェーハ１とベースウェーハ７とは、洗浄液にて洗浄され、さらに、工程（ｅ）に示すように、両ウェーハ１，７をイオン注入層４の形成側（すなわち第一主表面Ｊ，Ｋ側）にて貼り合わせる。そして、工程（ｆ）に示すように、その積層体を４００〜６００℃の低温にて剥離熱処理することにより、ボンドウェーハ１は前記した剥離用イオン注入層４の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウェーハ７側に残留した部分がＳＯＩ層１５となる（剥離工程）。なお、剥離用イオン注入層４を形成する際のイオン注入量を高めたり、あるいは重ね合わせる面に対して予めプラズマ処理を行なって表面を活性化したりすることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後の残余のボンドウェーハ部分３は、剥離面を再研磨後、再びボンドウェーハ又はベースウェーハとして再利用が可能である。

ＳＯＩ層の厚さｔ２は例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、剥離用イオン注入層の形成深さによって調整できる。そして、最終的なＳＯＩウェーハを得るには、上記剥離工程後、工程（ｇ）に示すようにベースウェーハ７とＳＯＩ層１５とをシリコン酸化膜２を介して強固に結合する結合熱処理が必要である。この結合熱処理は、例えばバッチ式の熱処理炉中にて、１０００℃以上１２５０℃以下で実施される。なお、この結合熱処理を、処理容量の比較的大きいバッチ熱処理で行う場合には、設定処理温度までの昇温速度は１０〜４０℃／分と小さく、該昇温時に、ベースウェーハ７中に酸素析出物（ＢＭＤ）が析出しやすい。その酸素析出物の周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数のスリップ転位などの結晶欠陥が導入され、強度が低下した状態となって、後述のデバイス化用の熱処理におけるウェーハの加熱が不均一であった場合には、反り発生を著しく生じやすくなる。

結合熱処理により得られたＳＯＩウェーハ５０は、デバイス化に際して種々の熱処理が実施される。例えばイオン注入法によりドーピング領域をパターニング形成する場合、イオン注入直後のドーパントはキャリア源として活性化していないので、これを活性化するための熱処理が行われる。例えば、Ｂドープの場合、活性化熱処理の温度は例えば１１００℃以上１２００℃以下である。

この活性化熱処理は、図２に示すＲＴＰ装置１００を用いて行われる。この装置は、片面加熱式のＲＴＰ装置として構成され、被処理物であるＳＯＩウェーハ５０を１枚のみ収容する収容空間１４が形成された容器２１と、収容空間１４内のＳＯＩウェーハ５０を加熱するためのタングステン−ハロゲンランプなどで構成された加熱ランプ４６とを有する。加熱ランプ４６はＳＯＩウェーハ５０の上面側と、加熱空隙２５を介して対向配置されている。ＳＯＩウェーハ５０の裏面側には、反射板２８がＳＯＩウェーハ５０と対向するように配置され、反射空隙３５を形成している。反射板２８には、ＳＯＩウェーハ５０の裏面側（つまりベースウェーハの第二主表面側）の温度を測定するためのグラスファイバ３０（図示しない放射温度計に接続されている）の末端が露出している。そして、グラスファイバ３０を介して反射空隙３５より取り出される熱線が、温度検出部をなす周知の放射温度計により個別に検出され、温度信号に変換される。複数の加熱ランプ４６は、グラスファイバ３０による各測温位置に対応して配置されたものが、独立して出力制御できるようにしてある。

本実施形態において活性化熱処理は、熱処理温度までの昇温速度が５０℃／秒以上１００℃／秒以下（例えば、７５℃／秒）に設定された急速加熱とされている。ＳＯＩウェーハ５０は、ＳＯＩ層が加熱ランプ４６側に面するよう上面側に配置される。加熱ランプ４６が発する赤外線は、例えば図１３に示すような連続スペクトルを有する、ピーク波長λが例えば０．６μｍ以上１．５μｍ以下の近赤外線である。

まず、比較例として、ＳＯＩウェーハ５０のシリコン酸化膜２の厚さｔ１とＳＯＩ層１５の厚さｔ２との厚さが、ｔ１＝１５０ｎｍ、ｔ２＝５０ｎｍにそれぞれ定められた場合について考える。シリコン酸化膜２をなすＳｉＯ_２の赤外波長域の屈折率をｎ１＝１．５、ＳＯＩ層１５をなすＳｉの屈折率ｎ２を３．５とし、それらシリコン酸化膜２とＳＯＩ層１５からなる積層部の、熱処理に使用する赤外波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２としたとき、使用する赤外線のピーク波長をλ＝１．２μｍとして、上記比較例のＳＯＩウェーハのｔ_ＯＰは４００ｎｍ（０．４μｍ）であり、０．５λに近い値となっている。

図１０は、昇温プロファイルと加熱ランプ４６のパワー制御プロファイルとの一例（ウェーハ面内を複数点測定）を、上記比較例のＳＯＩウェーハと参考用の鏡面ウェーハ（シリコン単結晶ウェーハ）とで対比して示すグラフである。鏡面ウェーハでは、７５℃／秒の昇温プロファイルを実現するのに、パワー制御プロファイルは、瞬時的な値を除いては、フルパワーのほぼ７０％以下に収まっており、加熱ランプ４６が過昇している気配はない。しかし、ＳＯＩウェーハの場合は、昇温途上でフルパワーの８０％を超える著しいオーバーシュートが生じていることがわかる。この理由は、以下のようなものであると考えられる。

ｔ１とｔ２とが上記比較例のＳＯＩウェーハのようにｔ_ＯＰ＝０．５λに近くなるように定められていると、図１１に示すような前述の一次元フォトニックバンドギャップ構造の形成により、ＳＯＩ層１５側で赤外線ＩＲの強い反射が起こる。図２のような片面加熱方式のＲＴＰ装置１００では、図１２に示すように、ＳＯＩ層１５側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハ７の第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、加熱ランプ４６の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとしてパワーをますます増加させ、前述のようなオーバーシュートが生ずるのである。ＳＯＩ層１５表面からベースウェーハ７側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、加熱ランプ４６のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するＳＯＩ層１５側の温度が過昇して、ベースウェーハ７の表裏の温度差も非常に大きくなる。このような加熱不均一に伴う熱応力が、反りの発生の原因となる。特に、ベースウェーハ７の酸素析出物の形成密度が高くなっていると、酸素析出物の周囲への結晶欠陥導入によりベースウェーハ７の強度が低下し、高温側となるＳＯＩ層１５側で面内方向の熱膨張が大きくなると、上に凸となるように強い反りを生ずる。例えば、図９に示すように、フォトリソグラフィー工程により第一導電型のイオン注入領域（例えばＢの場合はｐ型の領域）をパターニング形成し、次にこれを活性化させるために急速加熱熱処理を実施すると反りが発生する。この反りが発生した状態で、さらに第二導電型のイオン注入領域（例えばＰの場合はｎ型の領域）をパターニング形成しようとすると、反り発生による面内変位によってマスクがＳＯＩ層に対して相対的な位置ずれを起こし、形成される第二導電型のイオン注入領域の位置もずれやすくなる問題がある。

この不具合を防止するために、本発明においては、ＳＯＩウェーハの設計段階にて、ＳＯＩウェーハの要部をなすシリコン酸化膜（ＢＯＸ層）と、ＳＯＩ層(本実施形態ではシリコン単結晶層とする）との各層厚を、ＳＯＩウェーハのデバイス化を図る際の熱処理に波長０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率が、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上となるように、シリコン酸化膜の厚さｔ１とＳＯＩ層の厚さｔ２を各々選定する。上記活性化熱処理に使用されるハロゲンランプを光源とする赤外線スペクトルにおいて、ベースウェーハの主体をなす単体シリコンのバンドギャップエネルギーが１．１ｅＶであることを考慮した場合、ウェーハの加熱に最も貢献するのは、０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域である。そこで、上記のごとく、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との積層部が示す当該の波長域の光に対する吸収率が、シリコン単結晶が示す吸収率になるべく近づくように、シリコン酸化膜とＳＯＩ層との層厚関係を選定することで、光源からの加熱に寄与する波長成分は、上記積層部での過度な反射が生ずることなく効率的にＳＯＩウェーハに吸収され、その熱処理に伴う反り等を極めて効果的に抑制できるようになる。

このようなＳＯＩウェーハの設計思想は、別の言い方をすれば、シリコン酸化膜２とＳＯＩ層１５との積層部が１次元フォトニックバンドギャップ構造をなるべく形成しないこと、つまり、両層の光学的厚さの合計ｔ_ＯＰが、フォトニックバンドギャップ形成条件となる０．５λからなるべく隔たるように、シリコン酸化膜２の層厚ｔ１とＳＯＩ層１５の層厚ｔ２を定める点に特徴がある。両層の各層厚ｔ１、ｔ２と、屈折率ｎ１、ｎ２が決定されれば、フォトニックバンドギャップ理論により、積層部の反射率（あるいは吸収率）の波長依存性を計算によりシミュレーションすることができる。その計算のアルゴリズムとしては、例えば行列法に基づくものが文献により公知である（Shun Lien Chuang "Physics of Optoelectronic Devices", Jhon Wiley & Sons, Inc)。光源の強度の波長依存性（赤外線スペクトル）をＩ（λ）、吸収率の波長依存性をＡ（λ）とすれば、０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域の吸収率Ａｎは、下記数１により計算することができる。

図３〜図６は、ＳＯＩ層の厚さｔ２とＢＯＸ層の厚さｔ１との組み合わせ（ｔ２／ｔ１：単位ｎｍ）を種々に設定したときの、上記数１に基づく上記吸収率Ａｎの計算結果を、単結晶シリコンの吸収率に対する相対値にて表示したものであり、フォトニックバンドギャップ形成条件を適当に外した層厚の組み合わせにおいて、単結晶シリコンの０．８倍以上の吸収率が確実に得られていることがわかる。また、この結果を、縦軸にｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２、横軸に（ｎ１×ｔ１）／（ｎ２×ｔ２）を設定して、吸収率がシリコン単結晶の０．８倍以上となったものを○、同じく０．８倍未満となったものを■にてプロットしたものである。これによると、ｔ_ＯＰが２５０ｎｍ以下では、（ｎ１×ｔ１）／（ｎ２×ｔ２）、すなわち、ＢＯＸ層とＳＯＩ層との光学的層厚比によらず、吸収率がシリコン単結晶の０．８倍以上となっている。つまり、ＢＯＸ層とＳＯＩ層との合計の光学的厚さが２５０ｎｍ以下に設定される限り、ＢＯＸ層とＳＯＩ層との光学的層厚比を、少なくとも０．４〜２．４の範囲において自由に変更しても、フォトニックバンドギャップ形成による強い反射を常に効果的に抑制でき、ＳＯＩウェーハは設計上の自由度も大幅に増大することがわかる。

以下、本発明の効果を確認するために行なった実験結果について説明する。まず、酸素濃度が２０ｐｐｍａの２種のＣＺシリコン単結晶基板（直径２００ｍｍ、厚さ６２５μｍ）をベースウェーハとして用意した。そして、該ベースウェーハを用いて図１の工程に従い、ＳＯＩ層の厚さｔ２とシリコン酸化膜の厚さｔ１との組み合わせｔ２／ｔ１(単位：ｎｍ)が、２０／１２０（実施例：シリコン単結晶を基準とした相対吸収率は１(図３)）、５０／１５０（比較例１：シリコン単結晶を基準とした相対吸収率はほぼ０．３７（図５））、７５／１５０（比較例２：シリコン単結晶を基準とした相対吸収率はほぼ０．５１となるように、注入エネルギーを調整して水素イオン注入した後、ボンドウェーハを貼り合せて５００℃にて剥離熱処理（図１の工程（ｆ））を行なった。そして、該剥離熱処理後の貼り合せ体に、バッチ式の熱処理炉中にて１１００℃で１２０分結合熱処理することにより、種々のＳＯＩウェーハサンプルを得た。これらＳＯＩウェーハサンプルに、模擬デバイス化工程として、片面加熱式のＲＴＰ装置（赤外線の中心波長：１μｍ）を用いて、昇温速度７５℃／秒で１１００℃まで昇温し、６０秒保持した後加熱停止する処理を行なった。そして、その模擬デバイス化工程が終了したＳＯＩウェーハサンプル反り量を、市販のフラットネス測定機（ＡＤＥ社製）により測定した。その結果、比較例１及び２のサンプルについては数１００μｍの反りが認められたのに対し、実施例のサンプルについては反り量が１００μｍ未満であった。

ＳＯＩウェーハの製造工程の一例を示す説明図。 ＲＴＰ装置の一例を示す断面斜視図。 ＳＯＩ層とＢＯＸ層の層厚を各種の組み合わせに設定した場合の、吸収率の計算結果を示す第一のグラフ。 同じく第二のグラフ。 同じく第三のグラフ。 同じく第四のグラフ。 同じく第五のグラフ。 図３〜図６の結果を、縦軸にｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２、横軸に（ｎ１×ｔ１）／（ｎ２×ｔ２）を設定してマッピングした図。 デバイス化時の熱処理によるＳＯＩ基板の反りが引き起こす問題点を説明する図。 片面加熱型ＲＴＰ装置による昇温プロファイルと加熱パワーの制御プロファイルとの関係を、ＳＯＩウェーハと鏡面研磨ウェーハとで比較して示すグラフ。 フォトニックバンドギャップ構造の形成によるＳＯＩ層側での赤外線反射の様子を模式的に示す図。 片面加熱型ＲＴＰ装置においてＳＯＩウェーハに反りが発生する機構を説明する模式図。 ＲＴＰ装置に使用する赤外線光源のスペクトルを幾つか例示して示す図。

符号の説明

１ ボンドウェーハ
２ シリコン酸化膜
７ ベースウェーハ
１５ ＳＯＩ層
５０ ＳＯＩウェーハ

Claims (3)

1. シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるＳＯＩ層が結合された構造を有したＳＯＩウェーハの設計方法であって、
   前記ＳＯＩウェーハの前記ＳＯＩ層側から光照射を行なったときの、波長０．４μｍ以上１．０μｍ以下の波長域における吸収率が、シリコン単結晶の当該波長域における吸収率の０．８倍以上となるように、前記シリコン酸化膜の厚さｔ１と前記ＳＯＩ層の厚さｔ２を各々選定することを特徴とするＳＯＩウェーハの設計方法。
2. 前記シリコン酸化膜をなすＳｉＯ_２の前記波長域における屈折率をｎ１、ＳＯＩ層をなす半導体の前記波長域における屈折率をｎ２とし、それらシリコン酸化膜とＳＯＩ層との前記波長域における光学的厚さｔ_ＯＰをｔ_ＯＰ＝ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２として、該ｔ_ＯＰが２５０ｎｍ以下となるように、前記シリコン酸化膜の厚さｔ１と前記ＳＯＩ層の厚さｔ２とを各々選定する請求項１記載のＳＯＩウェーハの設計方法。
3. 前記ＳＯＩ層の厚さｔ２を１００ｎｍ以下に設定する請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩウェーハの設計方法。