JP4626133B2 - 貼り合せウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＧｅ層上にＳｉエピタキシャル層を有する貼り合せウェーハの製造方法に関するものである。

近年、高速の半導体デバイスの需要に応えるため、Ｓｉ（シリコン）基板上にＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）層を介してエピタキシャル成長させたＳｉ層をチャネル領域に用いた高速のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：酸化物金属半導体電解効果トランジスター）などの半導体デバイスが提案されている。

この場合、ＳｉＧｅ結晶はＳｉ結晶に比べて格子定数が大きいため、ＳｉＧｅ層上にエピタキシャル成長させたＳｉ層には引っ張り歪みが生じている（以下、このように歪みが生じているＳｉ層を歪みＳｉ層と呼ぶ）。その歪み応力によりＳｉ結晶のエネルギーバンド構造が変化し、その結果エネルギーバンドの縮退が解けキャリア移動度の高いエネルギーバンドが形成される。従って、この歪みＳｉ層をチャネル領域として用いたＭＯＳＦＥＴは通常の１．３〜８倍程度という高速の動作特性を示す。

歪みＳｉ層に生じる引っ張り歪みの大きさは、ＳｉＧｅ層のＧｅ濃度が高くなるに従って大きくなるので、ＳｉＧｅ層のＧｅ濃度は重要なパラメータである。以下、Ｇｅ組成比がＸ（０＜Ｘ＜１）のＳｉＧｅ層をＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層と記述する。

このような歪みＳｉ層を形成する方法としては、上記のようなエピタキシャル法を主体とする方法のほか、例えば特許文献１および２に開示されているように、ボンドウェーハとなるシリコン基板上にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層を形成し、形成したボンドウェーハのＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面をベースウェーハとなるシリコン基板と酸化膜を介して貼り合わせてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造とした貼り合わせＳＯＩ基板を作製し、その後ボンドウェーハのシリコン基板を薄膜化して歪みＳｉ層とする方法などが知られている。この場合、特許文献２に開示されているように、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層を必要に応じて表面を熱酸化し、Ｇｅ濃度を高めた濃縮ＳｉＧｅ層とすることもできる。

この場合、ボンドウェーハのシリコン基板の薄膜化は、研削研磨法やＰＡＣＥ（Ｐｌａｓｍａ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などの気相エッチング、また、イオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法とも呼ばれる）などにより行われる。

イオン注入剥離法とは、ボンドウェーハの表面、すなわちＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ボンドウェーハ内部、例えば表面近傍に微小気泡層を形成させ、ボンドウェーハをイオン注入面側で酸化膜を介してベースウェーハと密着させた後に熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面（剥離面）としてボンドウェーハを薄膜状に剥離し、さらに熱処理（結合熱処理）を加えて二枚のウェーハを強固に結合して貼り合わせウェーハとする技術である。

特許文献３の開示では、シリコン基板上にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層、シリコン層、絶縁層が形成されたボンドウェーハのシリコン基板中にイオン注入により分離層を形成し、このボンドウェーハの絶縁層の表面をベースウェーハと貼り合わせる。その後分離層で剥離してベースウェーハ側に移設された剥離層のシリコン層を歪みＳｉ層とすることが開示されている。
特開２００１−２１７４３０号公報 特開２００２−１６４５２０号公報 特開２００２−３０５２９３号公報

しかし、イオン注入剥離法を用いて貼り合わせウェーハを作製する場合、イオン注入時に注入面であるＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層、Ｓｉ層、絶縁層等の表面に有機物や金属不純物などの汚染や面荒れが発生し、イオン注入後にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層等の表面とベースウェーハとを酸化膜を介して密着させた場合に、剥離熱処理後の貼り合わせ面にボイドやブリスターなどの結合不良が発生するという問題があった。このようなボイドやブリスターは貼り合わせウェーハの製造歩留まりを低下させるものである。

この場合、シリコン基板の一般的な洗浄液の一つであるＮＨ_４ＯＨとＨ_２Ｏ_２の混合水溶液（ＳＣ−１：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｌｅａｎ １）によりいわゆるＳＣ−１洗浄を行い、表面の有機物や金属不純物等を除去することも考えられる。

しかし、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に直接ＳＣ−１洗浄を施すと、ＧｅのエッチレートはＳｉのエッチレートより大きいため、洗浄後のＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面粗さが大きくなり、この表面粗さはＧｅ濃度が高くなるに従って大きくなる。このため、洗浄後のＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層等の表面とベースウェーハとを酸化膜を介して密着させた場合に、剥離熱処理後の貼り合わせ面にボイドやブリスターなどの結合不良が発生するという問題があった。

また、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層をその上のＳｉ層および絶縁層を介してベースウェーハと貼り合わせた場合には、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層のＧｅ濃度を高めた場合に濃縮ＳｉＧｅ層内の格子緩和が十分に行われないため、転位が発生する可能性がある。この場合、その直上の歪みＳｉ層も結晶性の悪いものとなる。

本発明は上記課題を解決し、イオン注入剥離法を用いた際のイオン注入に伴うＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に付着した有機物や金属不純物などの汚染や面荒れによる貼り合わせ面でのボイドやブリスターなどの結合不良の発生を防止し、かつＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層での転位の発生を防止してその上に良質な歪みＳｉ層を成長させる貼り合せウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、貼り合わせウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層（０＜Ｘ＜１）を形成し、該Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に保護層を形成し、該保護層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することによりイオン注入層を形成し、該イオン注入層が形成されたボンドウェーハを洗浄し、該洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面とベースウェーハとを絶縁膜を介してまたは直接密着させ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層の表面を熱酸化して熱酸化膜を形成し、該形成した熱酸化膜を除去することによりＧｅが濃縮された濃縮ＳｉＧｅ層を露出させ、該露出した濃縮ＳｉＧｅ層の表面にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。

このように、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層（０＜Ｘ＜１）、保護層を順次形成した後、保護層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することによりイオン注入層を形成し、その後該イオン注入層が形成されたボンドウェーハを洗浄すれば、洗浄によるＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の面荒れを保護層により防止しつつイオン注入時に注入表面に付着する有機物や金属不純物を除去することができるので、剥離熱処理後の貼り合わせ面でのボイドやブリスターの発生を防止することができる。また、洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面とベースウェーハとをシリコン酸化膜などの絶縁膜を介してまたは直接密着させれば、保護層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、その後剥離層の表面を熱酸化して熱酸化膜を形成した際にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層でＧｅが濃縮されて形成された濃縮ＳｉＧｅ層は、転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。従って、その表面に良質な歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させることができる。

このとき、前記Ｘを０．１５以下とすることが好ましい。
このように、Ｇｅの濃度が１５％以下であれば、転位が十分に少ないＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層とすることができる。

また、前記保護層としてシリコン単結晶層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層、またはシリコン酸化膜層の少なくとも一種類を形成することが好ましい。
保護層がこれらの層であれば、保護層として充分に機能するし、気相成長法等により容易に形成することができる。また、シリコン酸化膜層であれば、熱酸化により形成することも可能であり、貼り合わせ後にＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ：埋め込み酸化膜）層として利用することもできる。

そして、前記イオン注入を前記保護層の表面に垂直な方向から行ってもよい。
イオン注入の際に発生するチャネリング防止のためにはイオン注入を斜め方向から行ったほうがよいが、注入深さ分布の面内均一性が悪化する。本発明のように保護層を形成し、イオン注入を保護層の表面に垂直な方向から行えば、イオンの注入深さの面内均一性を高めることができ、良質なイオン注入層を形成することができる。特に保護層がシリコン酸化膜層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層等であれば、チャネリングの発生を効果的に防止することができる。

この場合、前記洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面と前記ベースウェーハとの密着に介する絶縁膜を前記ベースウェーハの表面のみに形成させることが好ましい。
このように、保護層とベースウェーハの表面のみに形成された絶縁膜との界面が貼り合わせ面であれば、その貼り合わせ面においてすべりが発生しやすいので、後工程で熱酸化膜の形成によりＧｅ濃度が高められた濃縮ＳｉＧｅ層の格子緩和が行なわれやすく、濃縮ＳｉＧｅ層の中の転位の発生を抑制することができる。

この場合、前記ベースウェーハとしてシリコン単結晶ウェーハまたは絶縁性ウェーハを用いることが好ましい。
このようにベースウェーハがシリコン単結晶ウェーハであれば、熱酸化や気相成長法等により容易に絶縁膜を形成でき、その絶縁膜を介してボンドウェーハの保護層の表面と密着することができる。また、用途に応じて、ボンドウェーハの保護層を直接、石英、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の絶縁性のベースウェーハに貼り合わせてもよい。

この場合、前記剥離層の表面を熱酸化してＳｉＧｅ層のＧｅを濃縮する際の温度を９００℃以上とすることが好ましい。
このように、剥離層の表面の熱酸化温度を９００℃以上とすれば、酸化膜とＳｉＧｅ層との界面にＧｅの析出の発生を防止することができる。

また、前記剥離層の表面を熱酸化して表面のＳｉ層を熱酸化膜にする際の温度を１０００℃以下とすることが好ましい。
このように、剥離層の表面を熱酸化して表面のＳｉ層を熱酸化膜にする際の温度を１０００℃以下とすれば、剥離層の表面のＳｉ層に残留するイオン注入によるダメージが、形成される熱酸化膜に取り込まれる際に、ＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ：酸素誘起積層欠陥）などの欠陥の発生を防止することができる。

本発明に従い、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層（０＜Ｘ＜１）、保護層を順次形成した後、保護層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することによりイオン注入層を形成し、その後該イオン注入層が形成されたボンドウェーハを洗浄すれば、洗浄によるＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の面荒れを保護層により防止しつつイオン注入時に注入表面に付着する有機物や金属不純物を除去することができるので、剥離熱処理後の貼り合わせ面でのボイドやブリスターの発生を防止することができる。また、洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面とベースウェーハとを絶縁膜を介してまたは直接密着させれば、保護層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、その後剥離層の表面を熱酸化して熱酸化膜を形成した際にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層でＧｅが濃縮されて形成された濃縮ＳｉＧｅ層は、転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。従って、その表面に良質な歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させることができる。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述したように、イオン注入剥離法を用いてＳＯＩウェーハを作製する場合、イオン注入時にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に有機物や金属不純物が付着して汚染される。さらに、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に面荒れも発生し、イオン注入後にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面とベースウェーハとを酸化膜を介して密着させた場合に、剥離熱処理後の貼り合わせ面にボイドやブリスターなどの結合不良が発生するという問題があった。

しかし、この有機物や金属不純物の除去のためにＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に通常のＳｉウェーハの洗浄に用いられるＳＣ−１洗浄を施すと、ＧｅのエッチレートはＳｉのエッチレートより大きいため、洗浄後のＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面粗さが一層大きくなり、洗浄後のＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層等の表面とベースウェーハとを酸化膜を介して密着させた場合に、剥離熱処理後の貼り合わせ面にボイドやブリスターなどの結合不良が発生するという問題があった。

また、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層をその上のＳｉ層および絶縁層を介してベースウェーハと貼り合わせた場合には、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層のＧｅ濃度を高めた場合に濃縮ＳｉＧｅ層内の格子緩和が十分に行われないため、転位が発生してその直上の歪みＳｉ層も結晶性の悪いものとなった。

本発明者らは、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層（０＜Ｘ＜１）の表面に保護層を形成した後、保護層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することによりイオン注入層を形成し、その後該イオン注入層が形成されたボンドウェーハを洗浄すれば、洗浄によるＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の面荒れを保護層により防止しつつイオン注入時に注入表面に付着する有機物や金属不純物を除去することができるので、剥離熱処理後の貼り合わせ面でのボイドやブリスターの発生を防止することができること、また洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面とベースウェーハとを絶縁酸化膜を介してまたは直接密着させれば、保護層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、その後剥離層の表面を熱酸化して熱酸化膜を形成した際にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層でＧｅが濃縮されて形成された濃縮ＳｉＧｅ層は、転位の発生が抑制されるとともに格子緩和が十分に行われたものとなることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１（ａ）〜（ｉ）は、本発明の第一の実施形態に従った貼り合わせウェーハの製造工程の一例を示す図である。
まず、図１（ａ）のように、気相成長法により、シリコン単結晶ウェーハ１の表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２を１０〜５００ｎｍ程度の厚さで成長させる。この場合、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２のＸ、すなわちＧｅ組成を一定とすることもできるが、例えば、成長初期にＸ＝０とし、表面に向けてＸを漸次増加させた傾斜組成層として形成すれば、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層に発生する転位を効果的に抑制することができる。なお、Ｘ≦０．１５であれば転位が十分に抑制されたものとできる。

気相成長は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学蒸着）法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法などにより行うことができる。ＣＶＤ法の場合は、例えば、原料ガスとしてＳｉＨ_４又はＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＧｅＨ_４との混合ガスを用いることができる。キャリアガスとしてはＨ_２が用いられる。成長条件としては、例えば温度６００〜１，０００℃、圧力１００Ｔｏｒｒ以下とすればよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、成長させたＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の表面に保護層３を形成する。保護層３としては、シリコン単結晶層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層、またはシリコン酸化膜層などを用いることができる。これらの保護層は、いずれも気相成長法で形成することができる。保護層がシリコン酸化膜層であれば、熱酸化により形成することも可能であり、貼り合わせ後にＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ：埋め込み酸化膜）層として利用することもできる。また、保護層がシリコン単結晶層の場合は、後の工程によりＧｅが濃縮されたＳｉＧｅ層として利用することができる。保護層３の厚さについては、貼り合わせ面ですべりが十分発生する程度の厚さであることが好ましい。例えば保護層３がシリコン酸化膜層であれば、厚さ１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下であればよい。

そして、図１（ｃ）に示すように、前記保護層３を通して、水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を所定のドーズ量で注入してシリコン単結晶ウェーハ１の内部にイオン注入層４を形成する。この場合、イオン注入深さは注入エネルギーの大きさに依存するので、所望の注入深さになるように注入エネルギーを設定すればよい。尚、本発明におけるイオン注入深さは、ボンドウェーハであるシリコン単結晶ウェーハ１の内部までとしてもよいし、ボンドウェーハとＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の界面、あるいは後述のようにＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の内部までとしてもよい。要するに貼り合わせ後の剥離層としてＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の少なくとも一部がベースウェーハに移設されればよい。

また、イオン注入を保護層３の表面に垂直な方向から行えば、チャネリングを防止しかつイオン注入深さの面内均一性を高めることができ、良質なイオン注入層４を形成することができる。特に保護層３がシリコン酸化膜層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層等であれば、チャネリングの発生を有効に防止することができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、ボンドウェーハを洗浄することで保護層３の表面を洗浄し、表面の有機物や金属不純物を除去する。洗浄はＳｉウェーハの洗浄で一般的に用いられる条件と同一条件のＳＣ−１洗浄により行うことができるし、ＳＣ−１洗浄とＳＣ−２洗浄（ＨＣｌとＨ_２Ｏ_２の混合水溶液による洗浄）とを適宜組み合わせて行うこともできる。また、これらの洗浄に硫酸過酸化水素水洗浄（Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏ_２の混合水溶液による洗浄）やオゾン水洗浄を組み合わせることにより、有機物除去効果を高めることもできる。表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２が露出している場合は、上記のようなシリコン基板の一般的な洗浄を行うとＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の表面に面荒れが発生するが、本発明ではＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２が保護層３により保護されており面荒れは発生しない。従って、後工程におけるボイド、ブリスター等の結合不良の発生を防止することができる。

この際、別途用意したベースウェーハ５にも同様の洗浄を行ってもよい。この用意するベースウェーハ５は、シリコン単結晶ウェーハ等であれば、表面にシリコン酸化膜６を形成したものである。形成するシリコン酸化膜６は、最終的に貼り合わせウェーハが完成した際にはＢＯＸ層となるので、高品質のものを得るために熱酸化により形成することが好ましい。また、ベースウェーハ５として石英、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の絶縁性ウェーハを使用する場合は、必ずしも表面にシリコン酸化膜６を形成する必要はないが、ＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜を形成することもできる。

次に、図１（ｅ）に示すように、保護層３の表面とベースウェーハ５の表面とをシリコン酸化膜６を介して室温にて密着させる。前述のようにベースウェーハ５が石英等の絶縁性ウェーハであれば、保護層３とベースウェーハ５を直接密着させてもよい。この場合、保護層３とシリコン酸化膜６又は絶縁性ベースウェーハ５との界面が貼り合わせ面となるため、その貼り合わせ面においてすべりが発生しやすく、後工程で熱酸化膜８の形成によりＧｅ濃度が高められた濃縮ＳｉＧｅ層９の格子緩和が行なわれやすく、濃縮ＳｉＧｅ層９の中の転位の発生を抑制することができる。

次に、図１（ｆ）に示すように、例えば５００℃以上の熱処理（剥離熱処理）を加えることによりイオン注入層４を劈開面として剥離する。これにより、シリコン単結晶ウェーハの一部７とＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２及び保護層３とが剥離層としてベースウェーハ側に移設される。

なお、図１（ｅ）に示す保護層３の表面とベースウェーハ５の表面とを密着させる工程の前処理として、両ウェーハの密着に供される面をプラズマ処理することにより密着強度を高めれば、密着後の剥離熱処理を行なうことなくイオン注入層４で機械的に剥離することも可能である。

次に、図１（ｇ）に示すように、ベースウェーハ側に移設された剥離層の表面を熱酸化し熱酸化膜８を形成する。このときの熱酸化は剥離層のシリコン層７とＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の一部まで行う。この場合、剥離層のＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の一部が熱酸化されると、Ｇｅは酸化膜中にはほとんど取り込まれないため、熱酸化された部分に存在したＧｅは熱酸化されていない部分に移動し、Ｇｅが濃縮された濃縮ＳｉＧｅ層９が形成される。また、保護層３がシリコン単結晶層の場合は、保護層３もＧｅが濃縮されたＳｉＧｅ層９の一部として利用することができる。以上のようにＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２を酸化することにより濃縮ＳｉＧｅ層９の中のＧｅ濃度が高められるので濃縮ＳｉＧｅ層９の中にはより強い歪み（圧縮歪み）が発生するが、濃縮ＳｉＧｅ層９の近傍には化学的結合が完全ではない貼り合わせ界面が存在するので、その界面において濃縮ＳｉＧｅ層９の歪みを緩和するようなすべりが発生し、濃縮ＳｉＧｅ層９の中に転位を発生させることなく格子緩和が達成される。

この場合、シリコン層７の表面にはイオン注入によるダメージが残留しているため、剥離層表面を直接１０００℃より高温で熱酸化するとＯＳＦが発生しやすいので、シリコン層７の熱酸化の際はダメージ層が熱酸化膜に取り込まれるまでは１０００℃以下、好ましくは９５０℃以下の温度で熱酸化するか、あるいは、剥離面をわずかに研磨（タッチポリッシュ）した後に熱酸化することが好ましい。

一方、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２を熱酸化する場合には、前述のようにＧｅは酸化膜中にほとんど取り込まれないため熱酸化により濃縮ＳｉＧｅ層９の中に濃縮されるが、熱酸化温度が９００℃未満では熱酸化膜８と濃縮ＳｉＧｅ層９の界面にＧｅの析出が発生しやすくなるため、酸化温度を９００℃以上、好ましくは１０００℃以上とすることが望ましい。また、酸化後にＡｒ、Ｈ_２、Ｎ_２などの非酸化性雰囲気での熱処理を追加することによりＧｅを拡散させ、深さ方向でＧｅ濃度が均一となる様にすることもできる。

すなわち、シリコン単結晶ウェーハ１の内部にイオン注入層を形成して剥離を行い、剥離層表面がシリコン層７である場合は、シリコン層７の全体が熱酸化膜に変化するまで１０００℃以下、好ましくは９５０℃以下の温度で熱酸化を行い、その後にシリコン層７の下部にあるＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２の熱酸化を行う際には９００℃以上、好ましくは１０００℃以上の温度で酸化するという工程が好適である。

次に、図１（ｈ）に示すように、形成された熱酸化膜８を除去して格子緩和された濃縮ＳｉＧｅ層９を露出する。熱酸化膜除去にはＨＦ水溶液を用いることができる。

最後に、図１（ｉ）に示すように、露出した濃縮ＳｉＧｅ層９の表面に気相成長法によりシリコン単結晶層１０をエピタキシャル成長する。エピタキシャル成長はＣＶＤ法やＭＢＥ法などにより行うことができる。ＣＶＤ法の場合は、例えば、原料ガスとしてＳｉＨ_４又はＳｉＨ_２Ｃｌ_２を用いることができる。成長条件としては、温度６００〜１，０００℃、圧力１００Ｔｏｒｒ以下とすればよい。形成されたシリコン単結晶層１０は、その下層である濃縮ＳｉＧｅ層９との格子定数の差異により、引っ張り歪みを内在する歪みＳｉ層となる。転位のない良質な濃縮ＳｉＧｅ層９の上に形成されているので、良質な歪みＳｉ層となる。エピタキシャル成長するシリコン単結晶層１０の厚さは、効果的な歪みとデバイス作製時の加工性及び品質とを確保するため、１０〜５０ｎｍ程度とするのが好ましい。

次に、図２（ａ）〜（ｉ）は、本発明の第二の実施形態に従った貼り合わせウェーハの製造工程の一例を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）のシリコン単結晶ウェーハ１’の表面へのＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２’の形成及び保護層３’の形成は図１（ａ）、（ｂ）と同様の工程で行うことができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、前記保護層３’を通して所定のドーズ量で水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入して、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２’の内部にイオン注入層４’を形成する。この場合、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層２’とシリコン単結晶ウェーハ１’との界面にイオン注入層４’を形成してもよい。イオン注入深さは注入エネルギーの大きさに依存するので、所望の注入深さになるように注入エネルギーを設定すればよい。

次に、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように、保護層３’の表面を洗浄し、表面の有機物や金属不純物を除去する。別途用意したベースウェーハ５’にも同様の洗浄を行う。そして保護層３’の表面とベースウェーハ５’の表面とをシリコン酸化膜６’を介してまたは直接室温にて密着させる。これらの工程は図１（ｄ）、（ｅ）と同様の工程で行うことができる。

次に、図２（ｆ）に示すように、例えば５００℃以上の熱処理（剥離熱処理）を加えることによりイオン注入層４’を劈開面として剥離する。これにより、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の一部又は全部７’及び保護層３’がベースウェーハ側に移設される。なお、この場合も、保護層３’の表面とベースウェーハ５’の表面とを密着させる工程の前処理として、両ウェーハの密着に供される面をプラズマ処理することにより密着強度を高めて、剥離熱処理を行なうことなくイオン注入層４’で機械的に剥離してもよい。

次に、図２（ｇ）に示すように、ベースウェーハ側に移設されたＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層７’の表面を熱酸化し熱酸化膜８’を形成する。この場合、熱酸化膜８’の形成により、Ｇｅが濃縮された濃縮ＳｉＧｅ層９’が形成される。また、保護層３’がシリコン単結晶層の場合は、保護層３’もＧｅが濃縮されたＳｉＧｅ層９’の一部として利用することができる。濃縮ＳｉＧｅ層９’の中にはより強い歪み（圧縮歪み）が発生するが、濃縮ＳｉＧｅ層９’の近傍には貼り合わせ界面が存在するので、その界面において濃縮ＳｉＧｅ層９’の歪みを緩和するようなすべりが発生し、濃縮ＳｉＧｅ層９’の中に転位を発生させることなく格子緩和が達成される。

この場合も、前述のようにＧｅは酸化膜中にほとんど取り込まれないため熱酸化により濃縮ＳｉＧｅ層９’の中に濃縮されるが、熱酸化温度が９００℃未満では熱酸化膜８’と濃縮ＳｉＧｅ層９’の界面にＧｅの析出が発生しやすくなるため、酸化温度を９００℃以上、好ましくは１０００℃以上とすることが望ましい。

また、移設されたＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層７’の表面のダメージ層をタッチポリッシュした後、酸化温度を９００℃以上、好ましくは１０００℃以上で移設されたＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層７’を熱酸化してＧｅの濃縮を行なうことが望ましい。この場合、剥離層の表面にはＳｉ層がなく、ＯＳＦが発生するといった問題は生じないので、すぐに１０００℃以上の温度で熱処理して差し支えない。

次に、図２（ｈ）に示すように、形成された熱酸化膜８’を除去して格子緩和された濃縮ＳｉＧｅ層９’を露出する。熱酸化膜８’の除去にはＨＦ水溶液を用いることができる。

そして最後に、図２（ｉ）に示すように、露出した濃縮ＳｉＧｅ層９’の表面に気相成長法によりシリコン単結晶層１０’をエピタキシャル成長する。こうして形成されたシリコン単結晶層１０’は、その下層である濃縮ＳｉＧｅ層９’との格子定数の差異により、引っ張り歪みを内在する歪みＳｉ層となる。転位のない良質な濃縮ＳｉＧｅ層９’の上に形成されているので、良質な歪みＳｉ層となる。エピタキシャル成長するシリコン単結晶層１０’の厚さは、効果的な歪みとデバイス作製時の加工性及び品質とを確保するため、１０〜５０ｎｍ程度とするのが好ましい。

以下、本発明の実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの表面にＣＶＤ法によりＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層（Ｘ＝０．０３）を約１５０ｎｍ成長させ、その表面にＣＶＤ法によりシリコン単結晶保護層を５０ｎｍ形成した。このシリコン単結晶保護層を通して水素イオン（Ｈ^＋）を注入エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの表層部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、シリコン単結晶保護層表面に１２０℃、５分間の硫酸過酸化水素水洗浄を行い、引き続き８０℃、３分間のＳＣ−１洗浄を行った。その後、同一条件で洗浄を行った４００ｎｍの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハと室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で５００℃、３０分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、シリコン単結晶保護層及びＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層とシリコン層の一部をベースウェーハ側に移設させた。次に９５０℃で熱酸化を行い、シリコン層を熱酸化した後、引き続き温度を１１００℃に上げてＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層の一部を熱酸化することにより、Ｇｅ濃度が２０％以上の濃縮ＳｉＧｅ層を形成した。その後５％ＨＦ水溶液により酸化膜を除去し、濃縮ＳｉＧｅ層を露出させ、その表面にＣＶＤ法によりシリコン層を５０ｎｍの厚さだけエピタキシャル成長させた。

このように作製した貼り合わせウェーハを２０枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約０．５個であった。

（実施例２）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの表面にＣＶＤ法によりＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層（Ｘ＝０．０３）を約１５０ｎｍ成長させ、その表面にＣＶＤ法によりアモルファスシリコン保護層を５０ｎｍ形成した。このアモルファスシリコン保護層を通して水素イオン（Ｈ^＋）を注入エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの表層部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、アモルファスシリコン保護層表面に８０℃、３分間のＳＣ−１洗浄、８０℃、３分間のＳＣ−２洗浄、８０℃、３分間のＳＣ−１洗浄を順次行った。その後、同一条件で洗浄を行った４００ｎｍの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハと室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で５００℃、３０分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、アモルファスシリコン保護層及びＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層とシリコン層の一部をベースウェーハ側に移設させた。次に９５０℃で熱酸化を行い、シリコン層を熱酸化した後、その後温度を１１００℃に上げてＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層の一部を熱酸化することにより、Ｇｅ濃度が２０％以上の濃縮ＳｉＧｅ層を形成した。その後５％ＨＦ水溶液により酸化膜を除去し、濃縮ＳｉＧｅ層を露出させ、その表面にＣＶＤ法によりシリコン層を５０ｎｍの厚さだけエピタキシャル成長させた。

このように作製した貼り合わせウェーハを２０枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約０．８個であった。

（実験例）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの表面にＣＶＤ法によりＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層（Ｘ＝０．０３）を約１５０ｎｍ成長させ、その表面にＣＶＤ法によりシリコン単結晶保護層を５０ｎｍ形成した。このシリコン単結晶保護層を通して水素イオン（Ｈ^＋）を注入エネルギー１５ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件でイオン注入し、Ｓｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層の内部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、シリコン単結晶保護層表面に１２０℃、５分間の硫酸過酸化水素水洗浄を行い、引き続き８０℃、３分間のＳＣ−１洗浄を行った。その後、同一条件で洗浄を行った４００ｎｍの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハと室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で５００℃、３０分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、シリコン単結晶保護層及びＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層の一部をベースウェーハ側に移設させた。次に１１００℃で熱酸化を行い、Ｓｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層の一部を熱酸化した。その後５％ＨＦ水溶液により酸化膜を除去し、濃縮ＳｉＧｅ層を露出させ、その表面にＣＶＤ法によりシリコン層を５０ｎｍの厚さだけエピタキシャル成長させた。このように作製した貼り合わせウェーハを２０枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約０．５個であった。

（比較例１）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの表面にＣＶＤ法によりＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層を約１５０ｎｍ成長させた。このＳｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層を通して水素イオン（Ｈ^＋）を注入エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの表層にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、Ｓｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層表面に１２０℃、５分間の硫酸過酸化水素水洗浄を行い、引き続き８０℃、３分間のＳＣ−１洗浄を行った。その後、同一条件で洗浄を行った４００ｎｍの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハと室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で５００℃、３０分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、Ｓｉ_０．９７Ｇｅ_０．０３層とシリコン層の一部をベースウェーハ側に移設させた。その後、１２００℃で水素アニールすることで、結合強度を高めるとともに表面を平坦化した。

このように作製した貼り合わせウェーハを２０枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約８個であった。

すなわち、本発明に従って作製した貼り合わせウェーハは、ボイド及びブリスターの発生数が著しく少なく、本発明の効果が確認された。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の第一の実施形態に従った貼り合わせウェーハの製造工程の一例を示す図である。 本発明の第二の実施形態に従った貼り合わせウェーハの製造工程の一例を示す図である。

符号の説明

１、１’…シリコン単結晶ウェーハ、
２、２’…Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層、
３、３’…保護層、
４、４’…イオン注入層、
５、５’…ベースウェーハ、
６、６’…シリコン酸化膜、
７…移設したシリコン層、 ７’…移設したＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層、
８、８’…熱酸化膜、
９、９’…濃縮ＳｉＧｅ層、
１０、１０’…シリコン単結晶層。

Claims (4)

1. 貼り合わせウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にＳｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層（０＜Ｘ＜１）を形成し、該Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ層の表面に、シリコン単結晶層、アモルファスシリコン層、またはポリシリコン層の少なくとも一種類である保護層を形成し、該保護層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することにより前記シリコン単結晶ウェーハの内部にイオン注入層を形成し、該イオン注入層が形成されたボンドウェーハを洗浄し、該洗浄後のボンドウェーハの保護層の表面とベースウェーハとを、前記ベースウェーハの表面のみに形成された絶縁膜を介して密着させ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層の表面を熱酸化して該剥離層のシリコン層と前記Ｓｉ _１−Ｘ Ｇｅ _Ｘ 層の一部まで熱酸化膜を形成するものとし、その際、前記シリコン層の全体が熱酸化膜に変化するまで９５０℃以下の温度で熱酸化を行い、前記Ｓｉ _１−Ｘ Ｇｅ _Ｘ 層の熱酸化は１０００℃以上の温度で行い、その後、前記形成した熱酸化膜を除去することによりＧｅが濃縮された濃縮ＳｉＧｅ層を露出させ、該露出した濃縮ＳｉＧｅ層の表面にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記Ｘを０．１５以下とすることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記イオン注入を前記保護層の表面に垂直な方向から行うことを特徴とする請求項１または２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記ベースウェーハとしてシリコン単結晶ウェーハまたは絶縁性ウェーハを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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