JP5143477B2 - Ｓｏｉウエーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩウエーハの製造方法に関し、特には、二枚のウエーハを貼り合わせ、剥離により薄膜のＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハの製造方法に関する。

寄生容量を低減し、半導体デバイスの高性能化を図るために、絶縁体上に単結晶シリコン層を形成したＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウエーハが広く用いられるようになってきている。近年は、完全空乏層型のＳＯＩデバイスを作り込むために、ＳＯＩ層（絶縁体上の単結晶シリコン層）が１００ｎｍ以下のような薄膜ＳＯＩの需要が高まっている。これは、ＳＯＩ層を薄膜化することで、デバイスの高速化が期待できるためである。

ＳＯＩウエーハを作製する代表的な方法の一つとして、イオン注入剥離法があり、その一つとして、スマートカット法（登録商標）が挙げられる。これは、単結晶シリコンウエーハまたは表面に酸化膜を形成した単結晶シリコンウエーハ（ドナーウエーハ）に水素イオンを注入し、支持ウエーハ（ハンドルウエーハ）に貼り合わせた後に、５００℃近傍まで加熱し、水素イオン注入界面に沿ってドナーウエーハを剥離し、単結晶シリコン薄膜をハンドルウエーハに転写し、その後剥離により荒れた表面を研磨して鏡面とする方法もしくはアルゴン等の不活性ガスまたは水素を添加した不活性ガスにより高温（１１００〜１２００℃程度）で熱処理を行い、表面の平滑化を行うという方法である（例えば、特許文献１、２や非特許文献１参照）。

しかし、この方法にはいくつかの問題点がある。ドナーウエーハの剥離を、マイクロキャビティと呼ばれる微小な空洞を水素イオン注入界面で発生させる熱処理で行うために、剥離後の表面に比較的大きな面粗れが発生する。非特許文献２によれば、１×１μｍの極めて狭い領域でさえ、Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ（Ｐ−Ｖ）で６５ｎｍ程度の高低差が発生する。ウエーハ全域で考えれば、１００ｎｍ以上の高低差が発生しているものと考えられる。このため、研磨によりＳＯＩ層表面を研磨し、ＳＯＩ層表面の凹凸をなくすためには、１００〜１５０ｎｍ以上の研磨が必要となる。

一般に、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる研磨工程では、面内を均一に目的の厚さまで正確に研磨することは困難である。これは、研磨に関する各種要因（圧力、スラリーの供給量等）の面内のバランスや研磨布の条件を常に一定にしておくことが困難なためである。例としてドナーウエーハ剥離直後の、膜厚が２５０ｎｍのＳＯＩ層を１００ｎｍまで研磨することを考えると、仮に研磨代の面内バラツキが±１０％としても得られるＳＯＩ層の膜厚は８５〜１１５ｎｍとなり、３０％もの膜厚バラツキとなってしまう。

一方、熱処理によってＳＯＩ層表面を平坦化させる方法であるが、ＳＯＩ層表面の凹凸を熱処理で平坦化させるには、通常１１００℃以上の長時間熱処理が必要となる。熱処理が加わることにより、高温プロセスによる汚染の管理やコストアップ、生産性低下といった問題が発生する。また、単結晶シリコン以外の基板、例えば石英基板などはガラス転位温度が１０５０℃近傍にあり、高温熱処理による表面平坦化処理を施すことが難しい場合もあり、この方法は望ましくない。

特許第３０４８２０１号公報 特開平１１−１４５４３８号公報 Ａ． Ｊ． Ａｕｂｅｒｔｏｎ−Ｈｅｒｖｅ ｅｔ ａｌ．， "ＳＭＡＲＴ ＣＵＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ： ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＳＴＡＴＵＳ ｏｆ ＳＯＩ ＷＡＦＥＲ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ａｎｄ ＮＥＷ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＳ" （Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌｕｍｅ ９９−３ （１９９９） ｐ．９３−１０６）． ＳＯＩの科学 第二章、Ｒｅａｌｉｚｅ社

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＯＩ層の表面が鏡面化されているとともにその膜厚均一性が高いＳＯＩウエーハを生産性よく製造する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、シリコンウエーハまたは表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハからなるドナーウエーハに、表面から水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入層を形成し、前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、該イオン注入した面と貼り合わせるハンドルウエーハの表面の少なくとも一方の面にプラズマ活性化処理を施し、前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、前記ハンドルウエーハの表面を密着させて貼り貼り合わせ、前記イオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離することにより薄膜化してＳＯＩ層とした後、６００−１０００℃の熱処理を施してから、前記ＳＯＩ層の表面を化学機械研磨により１０−５０ｎｍ研磨することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。

このように、ＳＯＩウエーハを製造するとき、ドナーウエーハに、表面から水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入して形成したイオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離することにより薄膜化してＳＯＩ層とするので、この剥離直後のＳＯＩ層の表面の粗さ（高低差）を５０ｎｍ以下にすることが可能である。すなわち、剥離直後であっても比較的平滑な表面を有するＳＯＩ層を得ることができ、スマートカット法のように熱処理によって剥離する場合よりも、剥離直後の面粗さを小さくすることができる。このため、後に行う化学機械研磨での研磨代を最小化することが可能になる。

次に、熱処理を施して剥離直後のＳＯＩ層におけるイオン注入ダメージを低減する。このとき、熱処理温度を６００℃以上とすることにより、上記イオン注入ダメージを改善することができる。また、１０００℃以下とすることにより、高温による炉内からの重金属の汚染を防ぐことができ、さらには必要以上にコストをかけずに済ますことができる。
逆に、６００℃未満の場合は、剥離直後のＳＯＩ層におけるイオン注入ダメージを十分に改善することができず、これを原因として欠陥が発生してしまい、デバイス特性の劣化を引き起こす要因となる。また、１０００℃を超えると、ＳＯＩウエーハに金属汚染が生じたり、コストアップの原因となる。

さらに、この後、ＳＯＩ層の表面を化学機械研磨により研磨する。上述したように、本発明ではドナーウエーハを機械的に剥離してＳＯＩ層を得ており、剥離直後のＳＯＩ層の表面の粗さは比較的平滑なため、１０−５０ｎｍの厚さだけ研磨すれば、ＳＯＩ層の表面を十分に鏡面化することができ、通常のポリッシュドウエーハと同等の鏡面レベルに仕上げることができる。また、研磨代を５０ｎｍ以下とすることにより、研磨によりＳＯＩ層の膜厚バラツキが悪化するのを防ぐことができる。したがって、最終的に、ＳＯＩ層の膜厚均一性が高いＳＯＩウエーハを得ることができる。
逆に、研磨代が１０ｎｍ未満ではＳＯＩ層表面の鏡面化が不十分となるし、５０ｎｍを超えて研磨するとＳＯＩ層において良好な膜厚均一性を得られない。

以上のように、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法であれば、ＳＯＩウエーハを製造する際、ドナーウエーハを薄膜化してＳＯＩ層とするのを機械的な剥離により行うとともに、６００−１０００℃の熱処理、さらにＳＯＩ層の表面の化学機械研磨による１０−５０ｎｍの研磨を行うため、ＳＯＩ層の膜厚が均一かつ表面が鏡面化されたＳＯＩウエーハを、コストをかけずに生産性高く得ることが可能である。

また、本発明は、少なくとも、シリコンウエーハまたは表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハからなるドナーウエーハに、表面から水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入層を形成し、前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、該イオン注入した面と貼り合わせるハンドルウエーハの表面の少なくとも一方の面にプラズマ活性化処理を施し、前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、前記ハンドルウエーハの表面を密着させて貼り合わせ、前記イオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離することにより薄膜化してＳＯＩ層とした後、６００−１０００℃の熱処理を施してから、前記ＳＯＩ層の表面をＧＣＩＢ処理により１０−５０ｎｍエッチングすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。

このように、ＳＯＩウエーハの製造にあたって、ドナーウエーハを機械的に剥離することにより薄膜化してＳＯＩ層とするので、この剥離直後のＳＯＩ層の表面は比較的平滑で、後に行うＧＣＩＢ処理でのエッチング代を最小化することができる。
また、６００−１０００℃の熱処理によって、高温による金属汚染を防ぐとともに、剥離直後のＳＯＩ層におけるイオン注入ダメージをコストをかけずに改善することができる。
そして、ＧＣＩＢ（Ｇａｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ガスクラスターイオンビーム）処理により、ＳＯＩ層の表面を１０−５０ｎｍエッチングするので、ＳＯＩ層の表面を鏡面化できるとともに、膜厚バラツキが悪化するのを防ぎ、ＳＯＩ層の膜厚均一性が高いＳＯＩウエーハを製造することが可能である。

このとき、前記ＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面を、化学機械研磨により１０−３０ｎｍ研磨することができる。
このように、ＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面を化学機械研磨により１０−３０ｎｍ研磨することが可能であり、これによってＳＯＩ層表面の鏡面化を促進することができる。

このとき、前記ハンドルウエーハを、シリコンウエーハ、表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハ、石英ウエーハ、ガラスウエーハ、アルミナ（サファイア）ウエーハ、ＳｉＣウエーハ、窒化アルミニウムウエーハのいずれかとすることができる。
本発明で使用するハンドルウエーハは、作製する半導体デバイスの目的に応じて、これらの中から適宜選択することができる。

また、前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、前記ハンドルウエーハの表面を密着させて貼り合わせた後、４００℃以下の熱処理を施してから、前記イオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離するのが好ましい。
このように、ドナーウエーハとハンドルウエーハを貼り合わせた後、４００℃以下の熱処理を施してから、機械的にドナーウエーハを剥離すれば、ドナーウエーハとハンドルウエーハの貼り合わせの強度を高めることができ、ドナーウエーハを剥離するときに不良の発生を減少させることができる。

そして、前記化学機械研磨またはＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面の粗さのＲＭＳ値を０．５ｎｍ以下にすることができる。
このように、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法であれば、化学機械研磨またはＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面の粗さのＲＭＳ値を０．５ｎｍ以下にすることができ、ＳＯＩ層の表面を、通常のポリッシュドウエーハと同等の鏡面レベルにまで仕上げることが可能である。

本発明のＳＯＩウエーハの製造方法であれば、イオン注入によるダメージを除去できるとともに、表面が鏡面化され、かつ膜厚均一性が優れたＳＯＩ層を有する高品質のＳＯＩウエーハを生産性高く製造することが可能である。

以下では、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法の工程の一例を示す工程図である。
（工程Ａ：ドナーウエーハとハンドルウエーハの準備）
まず、図１（Ａ）に示すように、表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハからなるドナーウエーハ１０と、ハンドルウエーハ２０を準備する。
なお、以下では、ドナーウエーハ１０として表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハを用いる場合について説明するが、これに限定されず、表面に酸化膜のないシリコンウエーハを用いることもできる。

一方、ハンドルウエーハ２０としては、この場合、例えば、シリコンウエーハ、表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハ、石英ウエーハ、ガラスウエーハ、アルミナ（サファイア）ウエーハ、ＳｉＣウエーハ、窒化アルミニウムウエーハのいずれかとすることができる。
また、ドナーウエーハ１０として、シリコンウエーハを用いる場合、ＳＯＩ構造とするため、ハンドルウエーハ２０としては、表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハ等を用いることができる。

ハンドルウエーハ２０は、作製する半導体デバイスの目的に応じて、上記のものの中から適宜選択するようにすれば良い。もちろん、これ以外の材料を用いることもできる。ただし、ドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０の組合せは、貼り合わせて最終的にＳＯＩ構造（絶縁体上にＳＯＩ層が形成された構造）を形成することができる組合せとする必要がある。
ここでは、ハンドルウエーハ２０としてシリコンウエーハを用いた場合について説明する。

（工程Ｂ：イオン注入）
次に、図１（Ｂ）に示すように、ドナーウエーハ１０の表面（イオン注入面）１２から、内部に水素イオンを注入してイオン注入層を形成する。
このイオン注入層の形成には、水素イオンだけではなく、希ガスイオンあるいは水素イオンと希ガスイオンの両方をイオン注入するようにしても良い。注入エネルギー、注入線量、注入温度等その他のイオン注入条件も、所定の厚さの薄膜を得ることができるように適宜選択すれば良い。具体例としては、注入時のウエーハの温度を２５０〜３５０℃とし、イオン注入深さを０．５μｍとし、注入エネルギーを２０〜１００ｋｅＶとし、注入線量を１×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ^２とすることが挙げられるが、これらに限定されない。
なお、図１に示す例のように、ドナーウエーハ１０として表面にシリコン酸化膜を形成したシリコンウエーハを用いて、シリコン酸化膜を通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られ、イオンの注入深さのばらつきをより抑えることができる。これにより、より膜厚均一性の高いＳＯＩ層を形成することもできる。

（工程Ｃ：プラズマ活性化処理）
この後、図１（Ｃ）のように、ドナーウエーハ１０のイオン注入した面１２と、ハンドルウエーハ２０の貼り合わせる面２２にプラズマ活性化処理を施す。
もちろん、ドナーウエーハ１０のイオン注入した面１２とハンドルウエーハ２０の貼り合わせる面２２のいずれか一方の面にのみプラズマ活性化処理を施すようにしても良い。
プラズマ活性化処理を施した面は、ＯＨ基が増加するなどして活性化する。従って、この状態で、ドナーウエーハのイオン注入した面１２とハンドルウエーハの貼り合わせる面２２とを密着させれば、水素結合等により、これらのウエーハ同士をより強固に貼り合わせることができる。

プラズマ活性化処理においては、真空チャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をした被処理ウエーハを載置し、プラズマ用ガスを導入した後、１００Ｗ程度の高周波プラズマに５〜３０秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、例えば、表面に酸化膜を形成した単結晶シリコンウエーハを処理する場合には、酸素ガスのプラズマ、表面に酸化膜を形成しない単結晶シリコンウエーハを処理する場合には、水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを用いることができる。また、不活性ガスの窒素ガスを用いても良い。

（工程Ｄ：ドナーウエーハとハンドルウエーハの貼り合わせ）
次に、図１（Ｄ）のように、ドナーウエーハ１０のイオン注入した面１２とハンドルウエーハ２０の貼り合わせる面２２とを密着させる。
このように、表面活性化処理をした表面を貼り合わせ面として、例えば減圧又は常圧下、室温でウエーハを密着させれば、高温処理を施さなくても、両ウエーハを後の機械的剥離に耐え得るほど十分に強固に貼り合わせることができる。

（工程Ｄ’：結合熱処理）
なお、このドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０を密着させる工程の後、該密着したウエーハを、４００℃以下で熱処理する熱処理工程を行うと良い。
このように、ドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０を密着させた後、該密着したウエーハを、４００℃以下、例えば１００〜４００℃で熱処理することで、ドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０の貼り合わせの強度を高めることができる。特に、熱処理温度が、１００〜３００℃であれば、異種材料のウエーハの貼り合わせでも、熱膨張係数の差異による熱歪、ひび割れ、剥離等が発生する恐れが少ない。貼り合わせ強度を高めれば、剥離工程での不良の発生を減少させることができる。
また、このような低温度の熱処理であれば、スマートカット法の熱剥離とは異なり、マイクロキャビティと呼ばれる微小な空洞はイオン注入界面で発生しないので、次の工程でドナーウエーハの一部を機械的に剥離して形成されるＳＯＩ層の表面において、面粗さが著しく大きくなることもない。

（工程Ｅ：ドナーウエーハの機械的剥離）
次に、図１（Ｅ）のように、貼り合わせたウエーハに機械的外力を加えることによって、ドナーウエーハ１０の一部の剥離を行い、ドナーウエーハ１０を薄膜化してＳＯＩ層３１とする。
例えば、ドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０の裏面（貼り合わせ面とは反対側の面）を保持具により保持し、両保持具を離間させるような力を加えつつイオン注入層付近に楔状部材、あるいは、空気、窒素ガス、純水等の高圧流体等で外部衝撃を付与してドナーウエーハ１０の剥離を開始し、両保持具を相対的に離していくことにより、ドナーウエーハ１０とハンドルウエーハ２０とを外部衝撃を付与した一端部から他端部に向かってイオン注入層にて順次離間させて、ドナーウエーハ１０を剥離することができる。

このように、本発明においては、まず、ドナーウエーハ１０を機械的に剥離して薄膜化し、ＳＯＩ層３１を有するＳＯＩウエーハ３０を作製する。このようにして作製されたＳＯＩウエーハ３０のＳＯＩ層３１においては、スマートカット法による熱剥離とは剥離メカニズムが異なるために、剥離直後のＳＯＩ層３１の表面の面粗さはＰＶ値で５０ｎｍ以下に抑制することができ、平滑なものとすることができる。すなわち、後に行う工程Ｇの化学機械研磨（あるいは工程Ｇ’のＧＣＩＢ処理）での研磨代（エッチング代）を最小にすることができ、その結果、研磨等によってＳＯＩ層の膜厚均一性が悪化するのを著しく抑制することが可能である。
一方、スマートカット法による熱剥離では、１×１μｍの領域において、ＰＶ値で６５ｎｍ程度の高低差が発生し、ウエーハ全域では１００ｎｍ以上の高低差が発生しているものと考えられる。すなわち、研磨等により除去しなければならない厚さが増し、最終的なＳＯＩ層の膜厚を面内で均一にすることが難しくなる。

（工程Ｆ：イオン注入ダメージ回復のための熱処理）
そして、上記のように機械的剥離を行って作製したＳＯＩウエーハ３０に対し、６００−１０００℃の熱処理を施す。これにより、図１（Ｆ）のように、イオン注入によるダメージを改善したＳＯＩ層３１’を有するＳＯＩウエーハ３０’を得る。
剥離直後のＳＯＩ層３１中には、工程Ｂ（イオン注入）で行ったイオン注入によるダメージ層が形成されている。例えば、非特許文献２に、剥離直後のＳＯＩ層には剥離界面（すなわちＳＯＩ層表面）からイオン注入ダメージ層が約０．１２μｍ程度広がっていることが開示されている。このようなダメージは、これを原因として結晶欠陥が発生してしまい、デバイス特性を悪化させる要因となり得る。このため、上記イオン注入ダメージ層を回復させる必要がある。
そこで、本発明では、剥離後に熱処理を行うことによって、このダメージを低減し、イオン注入ダメージ層を回復させる。なお、この熱処理により、ＳＯＩ層の表面の粗さも幾分改善されると考えられる。

このとき、熱処理温度を６００℃以上とすることにより、イオン注入ダメージ層を回復させることができる。これよりも低い熱処理温度だと、ダメージを低減させることが難しく、熱処理後にもイオン注入ダメージ層が残存してしまう。
一方、熱処理温度を１０００℃以下とすることにより、熱処理炉からの重金属汚染を防ぐことが可能である。また、必要以上に高温としないので、必要以上のコストアップを防ぐことができる。
また、ハンドルウエーハとして、例えば、ガラス転移温度が１０５０℃近傍の石英ウエーハ等を用いる場合であっても、熱処理温度が１０００℃以下であるため、熱処理を施すことが可能である。

なお、この熱処理の雰囲気としては、アルゴン等の不活性ガス雰囲気またはこの不活性ガスと水素の混合ガス雰囲気とすることができる。
また、用いる熱処理炉は特に限定されず、例えば、抵抗加熱ヒータによるもの、あるいはランプ加熱によるもの（急速加熱・急速冷却装置）等を用いることができる。急速加熱・急速冷却装置を用いれば、短時間でより効率よく熱処理を行うことができる。

（工程Ｇ：化学機械研磨）
次に、このようにしてイオン注入ダメージ層が回復したＳＯＩウエーハ３０’に対し、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）によって、ＳＯＩ層３１’の表面を１０−５０ｎｍ研磨する。これにより、図１（Ｇ）に示すように、ＳＯＩ層３１’’の表面が鏡面化されたＳＯＩウエーハ３０’’を得ることができる。
図２に一般的なＣＭＰ装置の一例の概略を示す。このＣＭＰ装置２００は、研磨が行われる本体２０１と研磨スラリー供給機構２０２からなっている。
本体２０１には、円盤状の研磨定盤２０３が水平配置されている。研磨定盤２０３の上面には、研磨布２０４が貼り付けられている。研磨布２０４の鉛直上方には、被処理ウエーハＷを保持しつつ研磨圧力を付与する研磨ヘッド２０５、および研磨スラリー２０６を供給するためのノズル２０７が設けられている。研磨定盤２０３および研磨ヘッド２０５は、モータ等により個別に回転駆動される。
また、研磨スラリー供給機構２０２には、研磨スラリー２０６を貯めたタンク２０８やその流量を調整するためのポンプが配設されており、タンク２０６からノズル２０７を通して研磨スラリー２０６を研磨布２０４へ供給することができる。

なお、研磨布２０４には、例えば、不織布にウレタン樹脂を含浸されたものや、ウレタンを発泡させたもの等を用いることができる。また、研磨スラリー２０６としては、コロイダルシリカを分散させたアルカリ水溶液とすることができる。
これらの研磨布２０４、研磨スラリー２０６、また、他の機構は特に限定されるものではなく、例えば、従来と同様のものとすることができる。研磨条件等に応じて適切なものを選択することができる。

このようなＣＭＰ装置２００を用い、被処理ウエーハＷ（ＳＯＩウエーハ３０’）を、研磨ヘッド２０５に保持した状態で、かつ研磨ヘッド２０５と研磨定盤２０３とが水平面内における同方向に回転している状態で、研磨スラリー２０６に浸された研磨布２０４に押し付ける。これにより、ウエーハＷと研磨布２０４とが相対運動し、ＳＯＩウエーハ３０’のＳＯＩ層３１’の表面を研磨することができる。

なお、研磨時のＳＯＩウエーハ３０’への荷重や研磨スラリー２０６の流量等の研磨条件は、目的に応じて適宜決定することができ、特に限定されない。
ただし、研磨するＳＯＩ層３１’の取り代は１０−５０ｎｍの範囲内である。

ここで、工程Ｇ（化学機械研磨）での研磨代を１０−５０ｎｍの範囲とすることについて詳述する。
本発明では、上述したように、工程Ｅ（ドナーウエーハの機械的剥離）でドナーウエーハ１０を剥離してＳＯＩ層３１とするとき、熱剥離ではなく機械的に剥離を行っている。そのため、比較的平滑な表面を有するＳＯＩ層を得ることができる。したがって、本発明では、剥離直後のＳＯＩ層３１、さらには、工程Ｆ（イオン注入ダメージ回復のための熱処理）での熱処理後のＳＯＩ層３１’の表面の粗さは、スマートカット法のような熱剥離の場合に比べると粗れが著しく小さく、この工程Ｇで化学機械研磨を行うときに、その研磨代を十分に小さくすることが可能であり、５０ｎｍ以下とすることができる。ただし、当然、鏡面化するにはある程度の研磨を要し、具体的には、１０ｎｍ以上研磨する必要がある。

このような研磨代の範囲でＳＯＩ層３１’の表面の化学機械研磨を行うことで、通常のポリッシュドウエーハの表面と同等の鏡面レベル（例えば、表面の粗さのＲＭＳ値が０．５ｎｍ以下）にすることが可能になる。しかも、研磨代が従来の場合（熱剥離した場合では１００ｎｍ以上が必要）とは異なり５０ｎｍ以下であるので、研磨後のＳＯＩ層３１’’の膜厚均一性の悪化を著しく低減することができる。

例えば、従来では、最終的なＳＯＩ層の膜厚を１００ｎｍとし、研磨代が１５０ｎｍで、研磨装置等を起因とする研磨の面内バラツキが±１０％のとき、研磨後に得られるＳＯＩ層の膜厚は８５−１１５ｎｍとなり、３０％もの膜厚バラツキとなる。また、研磨代が１００ｎｍの場合、研磨後に得られるＳＯＩ層の膜厚は９０−１１０ｎｍとなり、２０％もの膜厚バラツキとなる。
一方、本発明では、研磨代は最大でも５０ｎｍであるため、研磨後に得られるＳＯＩ層の膜厚は９５−１０５ｎｍとなり、１０％以下の膜厚バラツキとすることが可能である。
また、このように研磨代が最小化されたことから、当然、研磨に要するコストや時間を低減することもできる。

以上のような本発明のＳＯＩウエーハの製造方法により、ドナーウエーハ１０の剥離を機械的に行い、その後に６００−１０００℃の熱処理を行ってから、化学機械研磨によって１０−５０ｎｍだけＳＯＩ層の表面を研磨することによって、ＳＯＩ層の膜厚均一性が悪化するのを極めて効果的に防止しつつ表面を鏡面化することができ、しかもコストをかけずに生産性高く高品質のＳＯＩウエーハ３０’’を製造することができる。

ところで、上記のように化学機械研磨を用いた場合の他、ＧＣＩＢ処理を用いた本発明のＳＯＩウエーハの製造方法によっても、上記と同様の高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。以下では、このＧＣＩＢ処理を用いた場合のＳＯＩウエーハの製造方法について述べる。
まず、この製造方法では、工程Ａ（ドナーウエーハとハンドルウエーハの準備）から工程Ｆ（イオン注入ダメージ回復のための熱処理）は、上記の化学機械研磨を用いたＳＯＩウエーハの製造方法と同様の工程とすることができる（図１参照）。

（工程Ｇ’：ＧＣＩＢ処理）
そして、この後、ＧＣＩＢ処理によって、ＳＯＩ層の表面を１０−５０ｎｍエッチングする。
図３に一般的なＧＣＩＢ処理装置の一例の概略を示す。このＧＣＩＢ処理装置３００は、主に、原料ガスが導入され、真空中に断熱膨張させるガスクラスター（塊状原子集団）生成部３０１、ガスクラスターをイオン化させるイオン化電極３０２、ガスクラスターイオンを加速電圧により加速させる加速電極３０３から構成されている。また、ガスクラスター生成部３０１と対峙する位置には被処理ウエーハＷを保持する機構３０４が備えられている。この他、排気のためのポンプ（不図示）が設けられている。
このように、本発明で用いることができるＧＣＩＢ処理装置３００は特に限定されず、従来より用いられているものと同様のものとすることができる。

このようなＧＣＩＢ処理装置３００を用い、ガスクラスターを生成部３０１で生成し、これに電子を浴びせてガスクラスターイオンとし、さらに加速電圧によって加速して、保持機構３０４により保持された被処理ウエーハＷの表面にガスクラスターイオンを照射する。
被処理ウエーハＷの表面に衝突したガスクラスターイオン、すなわち塊状の原子集団は壊れ、被処理ウエーハＷの表面に沿って流動し、被処理ウエーハＷの表面をエッチングしていく。

なお、原料ガスには、例えばＳＦ_６等を用いることができる。また、イオン化電極３０２に印加する電流、加速電極３０３に印加する電圧等の条件は特に限定されず、所望のエッチング条件を得られるよう、適宜決定することができる。
ただし、エッチングするＳＯＩ層の厚さは１０−５０ｎｍ範囲であり、このようなエッチング代の範囲であれば、化学機械研磨の場合と同様に、ＳＯＩ層の膜厚均一性を損なうことなく、通常のポリッシュドウエーハと同等の鏡面レベルにすることができる。
すなわち、図１（Ｇ）のような、表面が鏡面であり、膜厚均一性が良好なＳＯＩ層３１’’を有するＳＯＩウエーハ３０’’を得ることができる。

また、上記ＧＣＩＢ処理後は、ＳＯＩ層表面の鏡面化を促進するために、必要に応じて、さらに化学機械研磨によってＳＯＩ層表面を最小限（例えば１０−３０ｎｍ）研磨することもできる。

以下、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法について、実施例および比較例によりさらに具体的に説明する。
（実施例１−６、比較例１−５）
ドナーウエーハとして直径１５０ｍｍのシリコンウエーハを準備し、その表面に熱酸化によりシリコン酸化膜を１００ｎｍ形成した。このウエーハに、シリコン酸化膜を通して水素イオンを注入し、イオン注入層を形成した。イオン注入条件は注入エネルギーを３５ｋｅＶ、注入線量を９×１０^１６／ｃｍ^２とし、注入深さは後の化学機械研磨工程の研磨代（あるいはＧＣＩＢ処理工程のエッチング代）に合わせて適宜調整した。
また、ハンドルウエーハとして直径１５０ｍｍのシリコンウエーハを準備した。

次に、プラズマ処理装置を用い、プラズマ用ガスとして窒素ガスを導入し、準備したドナーウエーハのイオン注入面、ハンドルウエーハの表面に表面活性化処理を施した。
そして、これらのウエーハを室温で貼り合わせ、３００℃で３０分間熱処理を行った後、イオン注入層を境界としてドナーウエーハの一部を機械的に剥がし、ハンドルウエーハの表面上にＳＯＩ層を形成したＳＯＩウエーハを作製した。

このＳＯＩウエーハに対し、アルゴンと水素の混合雰囲気のもと、熱処理温度を種々変更して３０分の熱処理を施した。
さらに、図２に示すＣＭＰ装置を用いて化学機械研磨によりＳＯＩ層の表面を研磨代を変更して研磨した。
研磨布はウレタンを発泡させたものを用い、研磨スラリーはコロイダルシリカを分散したアルカリ水溶液を用いた。
そして、このような工程を経て、最終的に膜厚１００ｎｍのＳＯＩ層を有するＳＯＩウエーハを得た。

なお、上記熱処理温度、研磨代の条件を以下に示す。
実施例１：熱処理温度 ６００℃、 研磨代 １０ｎｍ
実施例２：熱処理温度 ６００℃、 研磨代 ３０ｎｍ
実施例３：熱処理温度 ６００℃、 研磨代 ５０ｎｍ
実施例４：熱処理温度 ９８０℃、 研磨代 １０ｎｍ
実施例５：熱処理温度 ９８０℃、 研磨代 ３０ｎｍ
実施例６：熱処理温度 ９８０℃、 研磨代 ５０ｎｍ
比較例１：熱処理温度 ５５０℃、 研磨代 ３０ｎｍ
比較例２：熱処理温度１０５０℃、 研磨代 ３０ｎｍ
比較例３：熱処理温度 ６００℃、 研磨代 ５ｎｍ
比較例４：熱処理温度 ６００℃、 研磨代 ６０ｎｍ
比較例５：熱処理温度１１００℃、 研磨代１００ｎｍ

以上のようにして製造されたＳＯＩウエーハのＳＯＩ層の表面粗さおよび膜厚均一性について調査を行ったところ、熱処理温度が６００−１０００℃の範囲であり、かつ、研磨代が１０−５０ｎｍの範囲の本発明を実施した実施例１−６では、いずれも、ＳＯＩ層表面の粗さのＲＭＳ値が０．５ｎｍ以下に低減されて十分に鏡面化されており、また、ＳＯＩ層の膜厚は、面内で９５−１０５ｎｍの範囲内であり、膜厚バラツキを１０％以内に抑えることができた。
さらに、ＳＯＩ層においてイオン注入によるダメージを調査したところ、これらのダメージは除去されていた。
このように、本発明を実施した実施例１−６では、デバイス作製に好適な高品質のＳＯＩウエーハを得ることができた。

一方、本発明とは異なり、熱処理温度が６００℃に満たない比較例１では、イオン注入によるダメージが残存しており、これを原因とする結晶欠陥が発生してしまっていた。
また、熱処理温度が１０００℃を超えた比較例２、５では、必要以上にコストがかかってしまい、生産性が低下してしまった。さらには、ＳＯＩ層に金属汚染が生じてしまった。
さらに、研磨代が１０ｎｍに満たない比較例３では、ＳＯＩ層の表面の研磨量が足らなかったと考えられ、粗さのＲＭＳ値は１．０ｎｍであり、十分に鏡面化することができなかった。
また、研磨代が５０ｎｍを超えた比較例４、５ではＳＯＩ層の表面を鏡面化できたものの、その膜厚は、比較例４では９２−１０７ｎｍ、また比較例５では９０−１１２ｎｍとさらに悪化し、双方とも膜厚バラツキが１０％を超え、各実施例に比べて膜厚均一性が劣ることが判った。
以上のように、比較例１−５のＳＯＩウエーハでは、コストがかかりすぎて現実的ではなかったり、デバイスを作製するには適さないものとなった。

（比較例６）
ドナーウエーハを５００℃３０分の熱処理により熱剥離する以外は、実施例１と同様の手順により、剥離後の熱処理、化学機械研磨を行ってＳＯＩウエーハを製造したところ、ＳＯＩ層の表面は、粗さのＲＭＳ値が１．４ｎｍであり、鏡面化することができなかった。これは、４００℃を超える熱処理によってドナーウエーハの剥離を行ったために、マイクロキャビティがイオン注入界面（ＳＯＩ層の表面）に発生し、剥離直後のＳＯＩ層の表面が、機械剥離による実施例１−６の場合に比べて粗くなってしまい、その表面粗さを十分に低減することができなかったためと考えられる。

以上のように、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法のように、ドナーウエーハを機械的に剥離し、６００−１０００℃の熱処理を施し、化学機械研磨によりＳＯＩ層の表面を１０−５０ｎｍ研磨することによって、初めて、表面が鏡面化され、膜厚均一性が良好なＳＯＩ層を有する優れた品質のＳＯＩウエーハをコストを必要以上にかけずに生産することができることが判る。

（実施例７−１２）
剥離後の熱処理の後、化学機械研磨の代わりにＧＣＩＢ処理により、ＳＯＩ層の表面を１０−５０ｎｍエッチングする他は、実施例１−６と同様にしてＳＯＩウエーハを製造した。
原料ガスにはＳＦ_６を用い、クラスターサイズが１０００個以上、また、イオン化電極に印加する電流は３００μＡ、加速電極に印加する電圧は３０ｋＶとした。

このようにして得られたＳＯＩウエーハのＳＯＩ層について調査を行ったところ、実施例１−６と同様に、表面が鏡面化され、膜厚も均一な高品質のＳＯＩ層を得られたことが判った。

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、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。

例えば、上記例ではシリコンウエーハをハンドルウエーハとして用いたが、同様にして、石英ウエーハやガラスウエーハ、アルミナ（サファイア）ウエーハ、ＳｉＣウエーハ、窒化アルミニウムウエーハをハンドルウエーハとして用いることも可能である。

本発明のＳＯＩウエーハの製造方法の工程の一例を示す工程図である。 ＣＭＰ装置の一例を示す概略図である。 ＧＣＩＢ処理装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１０…ドナーウエーハ、 １２…イオン注入面、 ２０…ハンドルウエーハ、
２２…貼り合わせる面、 ３０、３０’、３０’’…ＳＯＩウエーハ、
３１、３１’、３１’’…ＳＯＩ層、
２００…ＣＭＰ装置、 ２０１…本体、 ２０２…研磨スラリー供給機構、
２０３…研磨定盤、 ２０４…研磨布、 ２０５…研磨ヘッド、
２０６…研磨スラリー、 ２０７…ノズル、 ２０８…タンク、
３００…ＧＣＩＢ処理装置、 ３０１…ガスクラスター生成部、
３０２…イオン化電極、 ３０３…加速電極、
３０４…保持機構、 Ｗ…被処理ウエーハ。

Claims (4)

1. 少なくとも、シリコンウエーハまたは表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハからなるドナーウエーハに、表面から水素イオンまたは希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入してイオン注入層を形成し、
   前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、該イオン注入した面と貼り合わせるハンドルウエーハの表面の少なくとも一方の面にプラズマ活性化処理を施し、
   前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、前記ハンドルウエーハの表面を密着させて貼り合わせ、
   前記イオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離することにより薄膜化してＳＯＩ層とした後、６００−１０００℃の熱処理を施してから、
   前記ＳＯＩ層の表面をＧＣＩＢ処理により１０−５０ｎｍエッチングし、
   その後、該ＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面を、化学機械研磨により１０−３０ｎｍ研磨することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
2. 前記ハンドルウエーハを、シリコンウエーハ、表面上に酸化膜を形成したシリコンウエーハ、石英ウエーハ、ガラスウエーハ、アルミナ（サファイア）ウエーハ、ＳｉＣウエーハ、窒化アルミニウムウエーハのいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
3. 前記ドナーウエーハのイオン注入した面と、前記ハンドルウエーハの表面を密着させて貼り合わせた後、４００℃以下の熱処理を施してから、前記イオン注入層を境界として、前記ドナーウエーハを機械的に剥離することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
4. 前記化学機械研磨またはＧＣＩＢ処理後のＳＯＩ層の表面の粗さのＲＭＳ値を０．５ｎｍ以下にすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。

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