JP5572347B2

JP5572347B2 - Ｓｏｉ基板の作製方法

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Publication number: JP5572347B2
Application number: JP2009201771A
Authority: JP
Inventors: 佑太遠藤; 良太今林; 良介村田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2014-08-13
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Also published as: US8187953B2; JP2010087492A; US20100062546A1; SG159484A1

Description

本発明は、絶縁層を介して半導体層が設けられた基板の作製方法に関し、特にＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の作製方法に関する。また、絶縁層を介して半導体層が設けられた基板の作製方法において、半導体基板をリサイクルする方法に関する。

絶縁表面を有するベース基板上に半導体層を有するＳＯＩ基板は低消費電力かつ高速動作が可能な半導体装置の作製に適した基板として注目されている。

ＳＯＩ基板を製造する方法の１つに、水素イオン注入剥離法が知られている（特許文献１参照）。水素イオン注入剥離法とは、二枚のシリコンウエハの内、少なくともボンド基板となる一方のシリコンウエハに酸化膜を形成すると共に、上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、該シリコンウエハ内部に微小気泡層を形成させる。そして、シリコンウエハにおいてイオンを注入した方の面を、酸化膜を介してベース基板となる他方のシリコンウエハと密着させ、その後熱処理を加えて微小気泡層を劈開面として一方のシリコンウエハを薄膜状に剥離し、さらに熱処理を加えて強固に結合してＳＯＩ基板とする技術である。

また、シリコンウエハの効率的、経済的な活用のために、なるべく少ない枚数のシリコンウエハを用いて、複数のＳＯＩ基板を製造する方法が研究されている（特許文献２参照）。

剥離されたシリコンウエハはウエハ形状を維持しているので、その剥離面上に残存する層をエッチングや研磨により除去すれば、別のＳＯＩ基板を作製するために再び使用することもできる。

このように、シリコンウエハを繰り返し使用する場合、シリコンウエハの厚さは減少してしまう。そのため、ＳＯＩ基板の製造プロセスの使用に耐えられなくなったシリコンウエハを別の用途に用いる方法も提案されている。

特開２０００−１２４０９２号公報特開２０００−３４９２６６号公報

しかしながら、薄くなった半導体基板をＳＯＩ製造以外のプロセスに転用する方法には問題点がある。薄い半導体基板を適用できる用途やプロセスは限られるため、転用先の用途やプロセスに制限を与えることとなる。この制限により、転用先のプロセスの効率が低下してしまう可能性もある。また、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、転用先の用途やプロセスを考慮して半導体基板の再利用を行う場合、半導体基板の使用効率を十分に高めることが困難となる。ＳＯＩ基板の製造においては、用いる半導体基板自体が高価であるため、半導体基板の使用効率を高めることによるコスト低減は重要となる。

本発明の一態様は、上記問題に鑑み、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、１枚の半導体基板の使用効率を高めることを課題の一としている。又は、本発明の一態様は、繰り返し利用して厚さが減少した半導体基板をＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて有効に活用し、低コスト化を図ることを課題の一としている。

本発明の一態様は、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、ボンド基板として用いる半導体基板を繰り返し複数回利用した後、第１の単結晶半導体基板を第２の単結晶半導体基板と貼り合わせ、互いに貼り合わされた第１の単結晶半導体基板と第２の単結晶半導体基板からなる積層基板をＳＯＩ基板の製造プロセスにおけるボンド基板として使用するものである。

本発明の一態様は、ボンド基板となる第１の単結晶半導体基板と、ベース基板とを準備する第１の工程と、第１の単結晶半導体基板に加速されたイオンを照射して第１の単結晶半導体基板中に脆化領域を形成し、絶縁層を介して第１の単結晶半導体基板とベース基板とを貼り合わせる第２の工程と、脆化領域において第１の単結晶半導体基板を分離して、ベース基板上に絶縁層を介して単結晶半導体層を形成する第３の工程とを有し、第３の工程において脆化領域で分離された第１の単結晶半導体基板を、再度第１の工程におけるボンド基板として（ｎ−１）回（ｎは２以上の自然数）使用して、第１の工程乃至第３の工程をｎ回繰り返し行った後、ｎ回目の第３の工程で分離された第１の単結晶半導体基板を第２の単結晶半導体基板に貼り合わせて積層基板を形成し、積層基板を第１の工程におけるボンド基板として使用することを特徴としている。なお、第１の工程乃至第３の工程のいずれかの工程間に別の工程を設けることも可能である。

本発明の一態様において、第３の工程の後に、脆化領域で分離された第１の単結晶半導体基板の状態を検査する第４の工程を設け、第１の単結晶半導体基板の状態の検査結果に基づいて、脆化領域で分離された第１の単結晶半導体基板を再度第１の工程におけるボンド基板として使用するか、又は脆化領域で分離された第１の単結晶半導体基板を第２の単結晶半導体基板に貼り合わせて積層基板を形成するかを判断することができる。なお、第３の工程と第４の工程の間に別の工程を設けることも可能である。

また、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、表示装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置に含まれる。

本発明の一態様によれば、従来は破棄または転用するしかなかった薄くなった半導体基板をＳＯＩ基板の製造プロセスで使うことができる。すなわち、他のプロセスに制限を設けることなく、１枚の半導体基板の使用効率を高めることができる。本発明の一態様によれば、繰り返し利用して厚さが減少した半導体基板をＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて有効に活用し、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおける材料コストを低く抑えることができる。

ＳＯＩ基板の作製方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法において、単結晶半導体基板同士の貼り合わせ方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法において、単結晶半導体基板同士の貼り合わせ方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法において、単結晶半導体基板同士の貼り合わせ方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法において、ボンド基板とベース基板との貼り合わせ方法の一例を示す図。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、ＳＯＩ基板の作製方法の一例に関して図面を参照して説明する。

まず、ボンド基板として用いられる単結晶半導体基板１００と、ベース基板１２０とを準備する（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）。

単結晶半導体基板１００としては、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板など、第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体基板も用いることができる。市販のシリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）、直径１６インチ（４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的である。なお、単結晶半導体基板１００の形状は円形に限られず、例えば、矩形状等に加工して用いることも可能である。

ベース基板１２０としては、絶縁体でなる基板を用いることができる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、サファイア基板が挙げられる。他にも、ベース基板１２０として単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板等）や多結晶半導体基板（例えば、多結晶シリコン基板）を用いてもよい。多結晶シリコン基板は、単結晶シリコン基板より安価であり、ガラス基板より耐熱性が高いという利点を有している。

次に、単結晶半導体基板１００の表面から所定の深さに結晶構造が損傷された脆化領域１０４を形成し、その後、絶縁層１０２を介して単結晶半導体基板１００とベース基板１２０とを貼り合わせる（図１（Ｃ）参照）。

脆化領域１０４は、運動エネルギーを有する水素等のイオンを単結晶半導体基板１００に照射することにより形成することができる。

絶縁層１０２は、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の絶縁層を単層、又は積層させて形成することができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。

本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：ＨｙｄｒｏｇｅｎＦｏｒｗａｒｄＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５０〜７０原子％、窒素が０．５〜１５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５〜３０原子％、窒素が２０〜５５原子％、シリコンが２５〜３５原子％、水素が１０〜３０原子％の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。

次に、熱処理を行い脆化領域１０４において単結晶半導体基板１００を分離することにより、ベース基板１２０上に、絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１２４を設ける（図１（Ｄ）参照）。

熱処理を行うことで、温度上昇によって脆化領域１０４に形成されている微小な孔に添加された元素が析出して体積変化が起こり、脆化領域１０４に亀裂が生じるので、脆化領域１０４に沿って単結晶半導体基板１００が分離する。絶縁層１０２はベース基板１２０に接合しているので、ベース基板１２０上には単結晶半導体基板１００から分離された単結晶半導体層１２４が形成される。

この熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。例えば、ＲＴＡ装置を用いる場合、加熱温度５５０℃以上７３０℃以下、処理時間０．５分以上６０分以内で加熱することができる。

以上の工程により、図１（Ｄ）に示すように、ベース基板１２０上に絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１２４を有するＳＯＩ基板を作製することができる。

次に、分離後の単結晶半導体基板１００に対して平坦化処理を行う（図１（Ｅ−１）参照）。これにより、分離後の単結晶半導体基板１００の表面を平坦にし、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として再利用することが可能となる。

平坦化処理は、分離後の単結晶半導体基板１００に対するウエットエッチング処理を行うことができる。これにより、単結晶半導体基板１００の分離面の段差を低減することができる。また、単結晶半導体基板１００の分離面に形成されている結晶欠陥を有する半導体層も除去することが好ましい。なお、ウエットエッチングの変わりにドライエッチングを行ってもよいし、ウエットエッチングとドライエッチングを組み合わせて行ってもよい。

ウエットエッチング処理に用いるエッチャントには有機アルカリ水溶液を用いることができる。例えば、有機アルカリ水溶液として、ＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍＨｙｄｒｏｘｉｄｅ、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）を０．２〜５．０％含む水溶液（例えば、東京応化工業株式会社製、商品名：ＮＭＤ３）を用いるのが好ましい。また、有機アルカリ水溶液の液温は、４０℃〜７０℃とするのが好ましい。より好ましくは、液温を５０℃程度にするのがよい。このウエットエッチングは、３０秒〜６００秒行うのが好ましい。より好ましくは、処理時間を６０秒程度とする。

ウエットエッチングにおいて、分離後の単結晶半導体基板１００を処理槽内の溶液に浸漬して行うことが好ましい。この場合、複数の単結晶半導体基板１００を一括処理できるという効果が得られる。

また、ウエットエッチングを行う場合、単結晶半導体基板１００の側面及び裏面をエッチングしてもよい。単結晶半導体基板１００の分離面だけでなく、側面や裏面をエッチングすることにより、移送する際などに単結晶半導体基板１００に付いた傷も除去することができる。単結晶半導体基板１００の傷を除去することにより、再利用時の熱処理によるスリップ転位またはひび割れの発生を防ぐ効果がある。

また、図示しないが、ウエットエッチング後に、単結晶半導体基板１００表面に酸化膜を形成して、形成後に除去してもよい。この酸化膜の形成により、単結晶半導体基板１００が脱水素化されるという効果が得られる。ＳＯＩ基板の製造プロセスでは、単結晶半導体基板１００の分離面から５００ｎｍ程度の深さまで、水素イオンが多く含まれている場合があるため、脱水素化処理を行うことは効果的である。特に、酸化膜の形成において、ハロゲンを含むガスを添加して熱酸化するのが好ましい。この場合、原子による金属不純物のゲッタリング効果がえられる。酸化膜にとりこまれた金属不純物等は酸化膜の除去により取り除かれる。

平坦化処理は、単結晶半導体基板１００の表面に対する研磨を行ってもよい。研磨はウエットエッチング処理の前でも後でもよい。ウエットエッチング処理前に研磨を行う場合、単結晶半導体基板１００の分離面側を研磨するのが好ましい。分離面に残る脆化領域１０４の残骸は酸化膜よりも薄いため、研磨を簡略化することができる。また、ウエットエッチング処理後に研磨を行う場合も、単結晶半導体基板１００の分離面側を研磨するのが好ましい。裏面側と比較して分離面はある程度平坦であるからである。

研磨方法としては、化学的機械的研磨法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ法）を用いるのが好ましい。ここで、ＣＭＰ法とは、被加工物の表面を基準にし、それにならって表面を化学・機械的な複合作用により、平坦化する手法である。ＣＭＰ法では一般的に研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させる。スラリーと被研磨物表面との間での化学反応および、研磨布と被研磨物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面は研磨される。本実施の形態では、低い研磨レートでＣＭＰ法を行うのが好ましい。このために、研磨布はスウェード地の研磨布を用いるのが好ましく、スラリーの粒径は９０ｎｍ〜３０ｎｍとするのが好ましい。このように研磨を行うことによって、研磨代２００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度で、単結晶半導体基板１００表面は平均表面粗さ０．２ｎｍ〜０．５ｎｍ程度に平坦化される。

本実施の形態では、平坦化処理を行うことにより、単結晶半導体基板１００が１μｍ〜１５μｍ程度薄膜化される。

その後、平坦化処理が行われた単結晶半導体基板１００は、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として再利用され、再びベース基板１２０と貼り合わせられる。

また、本実施の形態では、繰り返し利用されて薄くなった単結晶半導体基板１００を他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせて、積層基板２００を形成する（図１（Ｅ−２）参照）。つまり、再利用により薄くなった単結晶半導体基板１００を破棄するのではなく、また他のプロセスに転用するのではなく、他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせることによりボンド基板として再利用する。この場合、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、単結晶半導体基板１００を無駄なく使用でき、１枚の単結晶半導体基板の使用効率を高めることができる。その結果、他のプロセスに制限を設けることなしに、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて低コスト化を図ることができる。

例えば、単結晶半導体基板１００を分離後、１〜ｎ回目（ｎは２以上の自然数）までは単結晶半導体基板１００をＳＯＩ基板の作製工程においてボンド基板として再利用し、図１（Ａ）〜図１（Ｅ−１）の工程をｎ＋１回行った後、ｎ＋１回目に他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせて積層基板２００を形成する構成とすることができる。その後、積層基板２００をＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として利用することができる。

なお、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて単結晶半導体基板１００を再利用する回数は、最初の状態の単結晶半導体基板１００の厚さや平坦化処理において単結晶半導体基板１００を研磨する厚さ等により適宜決めることができる。

また、あらかじめ単結晶半導体基板１００をボンド基板として再利用する回数を設定するのではなく、単結晶半導体基板１００の状態に応じて再利用するのか、又は他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせるか否かを決定してもよい。この場合、単結晶半導体基板１００の状態に応じてボンド基板として再利用する回数（ｎ）が決まることとなる。

例えば、分離して平坦化処理が行われた単結晶半導体基板１００に対して、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として使用できるか否か検査を行う検査工程を設けてもよい。図２に検査工程を設けた場合のＳＯＩ基板の作製工程を示す。なお、図２は、図１に検査工程を追加した構成となっている。

検査工程では、単結晶半導体基板１００の状態を検査する。例えば、単結晶半導体基板１００の厚さや反り量を測定する。また、単結晶半導体基板１００の表面の状態（キズの有無）等を観察してもよい。なお、単結晶半導体基板１００の厚さや反り量の測定は、レーザー変位計を用いて行うことができる。また、単結晶半導体基板１００の表面の状態（キズの有無）等の観察は顕微鏡を用いて行うことができる。

図２に示すように、平坦化処理後に検査工程を設け（図２（Ｅ−１）’参照）、当該検査工程の結果に応じて単結晶半導体基板１００をボンド基板として再利用するのか、又は他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせを行うのかを決定する構成とすることができる。

例えば、検査を行った結果、単結晶半導体基板１００が所定の条件を満たす場合には単結晶半導体基板１００をボンド基板として再利用し、所定の条件を満たさない場合には他の単結晶半導体基板１５０と貼り合わせを行う構成とすることができる。所定の条件を満たすか否かは、例えば、単結晶半導体基板１００の厚さにより決定することができる。つまり、単結晶半導体基板１００が所定の厚さ以上である場合には単結晶半導体基板１００をボンド基板として再利用し、所定の厚さより薄い場合には単結晶半導体基板１００を他の単結晶半導体基板１５０に貼り合わせて積層基板２００を形成する。

なお、所定の条件を満たすか否かは、単結晶半導体基板１００の厚さだけでなく、反り量や表面状態に応じて決定してもよい。また、検査工程は、単結晶半導体基板１００に平坦化処理を行う前に設けてもよい。

検査工程を設けることにより、繰り返し使用されて薄くなった単結晶半導体基板１００の破損を抑制し、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて単結晶半導体基板１００の使用効率を高めることができる。

このように、単結晶半導体基板１００を他の単結晶半導体基板１５０と接合させた後、ボンド基板として用いることによって、単結晶半導体基板１００の厚さが薄くなった場合であっても、ＳＯＩ基板の作製プロセスで用いることができるため、他のプロセスに制限を設けることなく、１枚の単結晶半導体基板の使用効率を高めることができる。これにより、ＳＯＩ製造プロセスにおける材料コストを低く抑えることができる。

なお、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０の貼り合わせは、単結晶半導体基板同士を直接接合させてもよいし、絶縁層を介して単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を接合させてもよい。以下に、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０とを貼り合わせて積層基板２００を作製する方法に関して図３〜図５を参照して説明する。

図３は、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０同士を直接接合させて積層基板２００を作製する場合を示している。

まず、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を準備する（図３（Ａ−１）、（Ｂ−１）参照）。なお、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面をあらかじめ研磨して平坦にしておくことが好ましい。単結晶半導体基板１５０は、例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板など、第１４族元素でなる単結晶半導体基板を用いることができる。また、単結晶半導体基板１５０として単結晶半導体基板１００と同じ材料の基板を用いることにより熱膨張係数等が変わらないため、接合不良を抑制することができる。

次に、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面の一方又は双方に表面処理を行った後（図３（Ａ−２）、（Ｂ−２）参照）、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面とを接合させ積層基板２００を形成する（図３（Ｃ）参照）。

表面処理として、ここでは、単結晶半導体基板１００の表面及び単結晶半導体基板１５０の表面に、真空中でアルゴン（Ａｒ）の高速原子ビームを照射して表面を活性化した後、そのまま常温で接合させる場合（真空接合）を示している。なお、表面処理として、他にも、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面の一方又は双方に湿式の処理を行うことにより水酸基を導入し、水酸基間の水素結合を利用して接合させてもよい。この場合、接合強度を向上させるために熱処理を行ってもよい。

図４は、接合層として機能する絶縁層を介して単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を接合させて積層基板２００を作製する場合を示している。

まず、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を準備した後（図４（Ａ−１）、（Ｂ）参照）、単結晶半導体基板１００の表面に接合層となる絶縁層１４２を形成する（図４（Ａ−２）参照）。

絶縁層１４２は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の単層、又はこれらを積層させた膜を用いることができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。ここでは、単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより絶縁層１４２（例えば、ＳｉＯｘ膜）を形成する場合を示している。

なお、熱酸化処理は、酸素を含む雰囲気等の酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。例えば、塩素（Ｃｌ）が添加された酸化性雰囲気中で単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された絶縁層１４２を形成する。この場合、絶縁層１４２は、塩素原子を含有した膜となる。絶縁層１４２に塩素原子を含有させることにより不純物となる金属をゲッタリングする効果が得られる。

次に、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面とを対向させ、絶縁層１４２の表面と単結晶半導体基板１５０の表面とを接合させて積層基板２００を形成する（図４（Ｃ）参照）。また、絶縁層１４２の表面と単結晶半導体基板１５０の表面とを接合させた後、接合強度を増加させるための熱処理を行うことが好ましい。

その後、絶縁層１４２を選択的にエッチングすることにより、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０の間に絶縁層１４２を残存させ、積層基板２００の表面に形成された絶縁層１４２を除去してもよい（図４（Ｄ）参照）。なお、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて単結晶半導体基板１００の片面側に絶縁層１４２を形成する場合には、絶縁層１４２の除去工程を省略することができる。

また、熱酸化法を用いて単結晶半導体基板１００の全面に絶縁層１４２を形成した場合であっても、絶縁層１４２を除去せずに積層基板２００の表面に設けられた絶縁層１４２を介してベース基板１２０との貼り合わせを行ってもよい。この場合、絶縁層１４２を除去する工程と絶縁層１０２を形成する工程を省くことができ、ＳＯＩ基板の製造プロセスを簡略化することができる。

なお、図４では、単結晶半導体基板１００の表面に接合層となる絶縁層１４２を設けて貼り合わせを行う場合を示しているが、単結晶半導体基板１５０側に絶縁層１４２を設けて単結晶半導体基板１００の表面と絶縁層１４２の表面を接合させてもよい。

図５は、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０の表面に、それぞれ接合層として機能する絶縁層を設け、当該絶縁層同士を接合させて積層基板２００を作製する場合を示している。

まず、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を準備した後（図５（Ａ−１）、（Ｂ−１）参照）、単結晶半導体基板１００の表面に接合層となる絶縁層１４４を形成し、単結晶半導体基板１５０の表面に接合層となる絶縁層１４６を形成する（図５（Ａ−２）、（Ｂ−２）参照）。

絶縁層１４４、絶縁層１４６は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の単層、又はこれらを積層させた膜を用いることができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。ここでは、単結晶半導体基板１００、単結晶半導体基板１５０にそれぞれ熱酸化処理を行うことにより絶縁層１４４、絶縁層１４６（例えば、ＳｉＯｘ膜）を形成する場合を示している。なお、熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行ってもよい。

絶縁層１４４と絶縁層１４６は、同一の材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。

次に、単結晶半導体基板１００の表面と単結晶半導体基板１５０の表面とを対向させ、絶縁層１４４の表面と絶縁層１４６の表面とを接合させて積層基板２００を形成する（図５（Ｃ）参照）。また、絶縁層１４４の表面と絶縁層１４６の表面とを接合させた後、接合強度を増加させるための熱処理を行うことが好ましい。

その後、絶縁層１４４及び絶縁層１４６を選択的にエッチングすることにより、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０の間に絶縁層１４４と絶縁層１４６を残存させ、積層基板２００の表面に形成された絶縁層１４４及び絶縁層１４６を除去してもよい（図５（Ｄ）参照）。なお、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて単結晶半導体基板１００、単結晶半導体基板１５０の片面側にそれぞれ絶縁層１４４、絶縁層１４６を形成する場合には、絶縁層１４４、絶縁層１４６の除去工程を省略することができる。

また、熱酸化法を用いて単結晶半導体基板１００の全面に絶縁層１４４を形成した場合であっても、絶縁層１４４を除去せずに積層基板２００の表面に設けられた絶縁層１４４を介してベース基板１２０との貼り合わせを行ってもよい。この場合、絶縁層１４４を除去する工程と絶縁層１０２を形成する工程を省くことができ、ＳＯＩ基板の製造プロセスを簡略化することができる。

上記図３〜図５において、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０が貼り合わされて形成された積層基板２００に対して、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として使用できるか否か検査を行う検査工程を設けてもよい。これにより、単結晶半導体基板を貼り合わせる工程に不具合があっても、不良品を検出することができる。これは、ＳＯＩ基板の製造プロセスの生産性を向上させる効果をもたらす。

以上のように、本実施の形態で示した工程を行うことにより、再生された単結晶半導体基板の厚さが薄くなり当該単結晶半導体基板単体ではＳＯＩ基板の製造プロセスへの使用ができなくなった場合であっても、他の単結晶半導体基板と貼り合わせることによりＳＯＩ基板の製造プロセスで利用することができるため、１枚の単結晶半導体基板の使用効率を高めることができる。これにより、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおける低コスト化を図ることができる。

なお、本実施の形態で示したＳＯＩ基板の製造プロセスで得られたＳＯＩ基板は、単結晶半導体層１２４の表面を平坦化処理した後（図１（Ｆ−１）参照）、当該単結晶半導体層１２４を用いてトランジスタ等を具備する半導体装置の作製に用いることができる（図１（Ｆ−２）参照）。

本実施の形態で示した構成は、本明細書の他の実施の形態で示す構成と適宜組み合わせて行うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態において、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０が貼り合わされて形成された積層基板２００をＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として用いる場合に関して図面を参照して説明する。

まず、ボンド基板として用いられる積層基板２００と、ベース基板１２０とを準備する（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。ここでは、絶縁層１４４を介して貼り合わされた単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を積層基板２００として用いる場合を示しているが、上記図３に示したように単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０を直接接合させた積層基板を用いてもよい。

次に、積層基板２００の表面から所定の深さに結晶構造が損傷された脆化領域１０４を形成し、その後、絶縁層１０２を介して積層基板２００とベース基板１２０とを貼り合わせる（図６（Ｃ）参照）。ここでは、単結晶半導体基板１００に脆化領域１０４を設ける。なお、上記図４で説明したように、単結晶半導体基板１００の全面に形成された絶縁層１４４を残存させる場合には、絶縁層１４４を介して積層基板２００とベース基板１２０との貼り合わせを行うことができる。

次に、熱処理を行い脆化領域１０４において積層基板２００を分離することにより、ベース基板１２０上に、絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１２４を設ける（図６（Ｄ）参照）。

以上の工程により、図６（Ｄ）に示すように、ベース基板１２０上に絶縁層１０２を介して単結晶半導体層１２４を有するＳＯＩ基板を作製することができる。なお、得られたＳＯＩ基板は、単結晶半導体層１２４の表面を平坦化処理した後（図６（Ｆ−１）参照）、当該単結晶半導体層１２４を用いてトランジスタ等を具備する半導体装置の作製に用いることができる（図６（Ｆ−２）参照）。

次に、分離後の積層基板２００に対して平坦化処理を行う（図６（Ｅ−１）参照）。ここでは、分離面である単結晶半導体基板１００の表面に平坦化処理を行う。これにより、分離後の積層基板２００の表面（ここでは、単結晶半導体基板１００の表面）を平坦にし、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として再利用することが可能となる。

次に、平坦化処理が行われた積層基板２００に対して、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として使用できるか否か検査を行う（図６（Ｅ−２）参照）。

積層基板２００には、単結晶半導体基板１００と単結晶半導体基板１５０が貼り合わされた界面付近において欠陥等が存在し、貼り合わせ界面付近の欠陥を有する部分をＳＯＩ基板の単結晶半導体層１２４として用いる場合には、当該単結晶半導体層１２４を用いて形成された素子に不良が生じるおそれがある。そのため、分離後の積層基板２００を検査する検査工程を設けることにより、素子の信頼性を向上すると共に、単結晶半導体基板の使用効率を高めることができる。

検査工程では、積層基板２００の状態を検査する。例えば、積層基板２００の厚さや反り量を測定する。特に、単結晶半導体基板１００の厚さ（接合界面までの厚さ）を測定することが好ましい。また、積層基板２００の表面（単結晶半導体基板１００の表面）の状態（キズの有無）等を観察することが好ましい。単結晶半導体基板１００が薄くなり接合界面付近に近づく程、欠陥等が存在する可能性が高いためである。なお、積層基板２００の厚さや反り量の測定は、レーザー変位計を用いて行うことができる。また、積層基板２００の表面の状態（キズの有無）等の観察は顕微鏡を用いて行うことができる。

このような検査を行った後、当該検査工程の結果に応じて積層基板２００をボンド基板として再利用するか否かを決定する構成とすることができる。例えば、検査工程において、所定の条件を満たす積層基板２００は、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいてボンド基板として再利用する。一方で、所定の条件を満たさなくなった積層基板２００に対しては、単結晶半導体基板１００及び絶縁層１４４を研磨等により除去して単結晶半導体基板１５０の表面を露出させ（図６（Ｅ−３）参照）、当該単結晶半導体基板１５０をＳＯＩの製造プロセス（図１、図２参照）におけるボンド基板として用いることができる。

積層基板２００が所定の条件を満たすか否かは、例えば、積層基板２００を構成する単結晶半導体基板１００の厚さに応じて決定することができる。また、単結晶半導体基板１００の厚さの他にも、反り量や表面状態に応じて適宜決定することができる。

なお、検査工程は、平坦化処理工程の前に設けてもよく、この場合平坦化処理を省くことが可能となる。

検査工程を設けることにより、積層基板２００内に欠陥が存在する場合であっても、当該欠陥がＳＯＩ基板の単結晶半導体層１２４に形成されることを低減することができる。その結果、当該単結晶半導体層１２４を用いて形成された素子に不良が生じることを抑制することができる。

なお、本実施の形態で示した構成は、本明細書の他の実施の形態で示す構成と適宜組み合わせて行うことができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、ＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、ボンド基板として用いる単結晶半導体基板とベース基板との貼り合わせ方法に関して図面を参照して詳細に説明する。具体的には、上記実施の形態において、図１（Ａ）〜（Ｄ）、図２（Ａ）〜（Ｄ）、図６（Ａ）〜（Ｄ）に対応している。

まず、単結晶半導体基板１００を準備する（図７（Ａ−１）参照）。単結晶半導体基板１００の表面は、あらかじめ硫酸過水（ＳＰＭ）、アンモニア過水（ＡＰＭ）、塩酸過水（ＨＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）などを用いて適宜洗浄することが汚染除去の点から好ましい。また、希フッ酸とオゾン水を交互に吐出して洗浄してもよい。

次に、単結晶半導体基板１００の表面に酸化膜１３２を形成する（図７（Ａ−２）参照）。

酸化膜１３２は、例えば、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等の単層、又はこれらを積層させた膜を用いることができる。これらの膜は、熱酸化法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ＣＶＤ法を用いて酸化膜１３２を形成する場合には、テトラエトキシシラン（略称；ＴＥＯＳ：化学式Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）等の有機シランを用いて作製される酸化シリコン膜を酸化膜１３２に用いることが生産性の点から好ましい。

本実施の形態では、単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより酸化膜１３２（ここでは、ＳｉＯｘ膜）を形成する（図７（Ａ−２）参照）。熱酸化処理は、酸化性雰囲気中にハロゲンを添加して行うことが好ましい。

例えば、塩素（Ｃｌ）が添加された酸化性雰囲気中で単結晶半導体基板１００に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された酸化膜１３２を形成する。この場合、酸化膜１３２は、塩素原子を含有した膜となる。

酸化膜１３２中に含有された塩素原子は、歪みを形成する。その結果、酸化膜１３２の水分に対する吸収割合が向上し、拡散速度が増大する。つまり、酸化膜１３２表面に水分が存在する場合に、当該表面に存在する水分を酸化膜１３２中に素早く吸収し、拡散させることができる。

熱酸化処理の一例としては、酸素に対し塩化水素（ＨＣｌ）を０．５〜１０体積％（好ましくは２体積％）の割合で含む酸化性雰囲気中で、９００℃〜１１５０℃の温度（代表的には１０００℃）で行うことができる。処理時間は０．１〜６時間、好ましくは０．５〜１時間とすればよい。形成される酸化膜の膜厚としては、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、例えば１００ｎｍの厚さとする。

本実施の形態では、酸化膜１３２に含まれる塩素原子の濃度を１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となるように制御する。酸化膜１３２に塩素原子を含有させることによって、外因性不純物である重金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ等）を捕集して単結晶半導体基板１００が汚染されることを防止する効果を奏する。

酸化膜１３２として、膜中に塩素等のハロゲンを含ませることにより、単結晶半導体基板に悪影響を与える不純物（例えば、Ｎａ等の可動イオン）をゲッタリングすることができる。つまり、酸化膜１３２を形成した後に行われる熱処理により、単結晶半導体基板に含まれる不純物が酸化膜１３２に析出し、ハロゲン（例えば塩素）と反応して捕獲されることとなる。それにより酸化膜１３２中に捕集した当該不純物を固定して単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。また、酸化膜１３２はガラス基板と貼り合わせた場合に、ガラスに含まれるＮａ等の不純物を固定する膜として機能しうる。

特に、酸化膜１３２として、ＨＣｌ酸化などによって膜中に塩素等のハロゲンを含ませることは、半導体基板の洗浄が不十分である場合や、繰り返し再利用して用いられる半導体基板の汚染除去に有効となる。

また、酸化膜１３２に含有させるハロゲン原子としては塩素原子に限られない。酸化膜１３２にフッ素原子を含有させてもよい。単結晶半導体基板１００表面をフッ素酸化するには、単結晶半導体基板１００表面にフッ酸に浸漬した後に酸化性雰囲気中で熱酸化処理を行うことや、ＮＦ_３を酸化性雰囲気に添加して熱酸化処理を行えばよい。

次に、運動エネルギーを有するイオンを単結晶半導体基板１００に照射することで、単結晶半導体基板１００の所定の深さに結晶構造が損傷された脆化領域１０４を形成する（図７（Ａ−３）参照）。図７（Ａ−３）に示すように、酸化膜１３２を介して、加速されたイオン１０３を単結晶半導体基板１００に照射することで、単結晶半導体基板１００の表面から所定の深さの領域にイオン１０３が添加され、脆化領域１０４を形成することができる。イオン１０３は、ソースガスを励起して、ソースガスのプラズマを生成し、このプラズマに含まれるイオンを、電界の作用によりプラズマから引き出して、加速したイオンである。

脆化領域１０４が形成される領域の深さは、イオン１０３の運動エネルギー、質量と電荷、イオン１０３の入射角によって調節することができる。運動エネルギーは加速電圧、ドーズ量などにより調節できる。イオン１０３の平均侵入深さとほぼ同じ深さの領域に脆化領域１０４が形成される。そのため、イオン１０３を添加する深さで、単結晶半導体基板１００から分離される単結晶半導体層の厚さが決定される。この単結晶半導体層の厚さが１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下になるように、脆化領域１０４が形成される深さを調節する。

脆化領域１０４の形成は、イオンドーピング処理で行うことができる。イオンドーピング処理には、イオンドーピング装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置の代表的な装置は、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種をチャンバー内に配置された被処理体に照射する非質量分離型の装置である。非質量分離型の装置であるのは、プラズマ中のイオン種を質量分離しないで、全てのイオン種を被処理体に照射しているからである。これに対して、イオン注入装置は質量分離型の装置である。イオン注入装置は、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する装置である。

イオンドーピング装置の主要な構成は、被処理物を配置するチャンバー、所望のイオンを発生させるイオン源、およびイオンを加速し、照射するための加速機構である。イオン源は、所望のイオン種を生成するためのソースガスを供給するガス供給装置、ソースガスを励起して、プラズマを生成させるための電極などで構成される。プラズマを形成するための電極として、フィラメント型の電極や容量結合高周波放電用の電極などが用いられる。加速機構は、引出電極、加速電極、減速電極、接地電極等の電極など、およびこれらの電極に電力を供給するための電源などで構成される。加速機構を構成する電極には複数の開口やスリットが設けられており、イオン源で生成されたイオンは電極に設けられた開口やスリットを通過して加速される。なお、イオンドーピング装置の構成は上述したものに限定されず、必要に応じた機構が設けられる。

本実施形態では、イオンドーピング装置で、水素を単結晶半導体基板１００に添加する。プラズマソースガスとして水素を含むガスを供給する。例えば、Ｈ_２を供給する。水素ガスを励起してプラズマを生成し、質量分離せずに、プラズマ中に含まれるイオンを加速し、加速されたイオンを単結晶半導体基板１００に照射する。

イオンドーピング装置において、水素ガスから生成されるイオン種（Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋）の総量に対してＨ_３ ^＋の割合が５０％以上とする。より好ましくは、そのＨ_３ ^＋の割合を８０％以上とする。イオンドーピング装置は質量分離を行わないため、プラズマ中に生成される複数のイオン種のうち、１つ（Ｈ_３ ^＋）を５０％以上とすることが好ましく、８０％以上とすることがさらに好ましい。同じ質量のイオンを照射することで、単結晶半導体基板１００の同じ深さに集中させてイオンを添加することができるからである。

脆化領域１０４を浅い領域に形成するためには、イオン１０３の加速電圧を低くする必要があるが、プラズマ中のＨ_３ ^＋イオンの割合を高くすることで、水素イオンを効率よく、単結晶半導体基板１００に添加できる。Ｈ_３ ^＋イオンはＨ^＋イオンの３倍の質量を持つことから、同じ深さに水素原子を１つ添加する場合、Ｈ_３ ^＋イオンの加速電圧は、Ｈ^＋イオンの加速電圧の３倍にすることが可能となる。イオンの加速電圧を大きくできれば、イオンの照射工程のタクトタイムを短縮することが可能となり、生産性やスループットの向上を図ることができる。

イオンドーピング装置は廉価で、大面積処理に優れているため、このようなイオンドーピング装置を用いてＨ_３ ^＋を照射することで、半導体特性の向上、大面積化、低コスト化、生産性向上などの顕著な効果を得ることができる。また、イオンドーピング装置を用いた場合、重金属も同時に導入されるおそれがあるが、塩素原子を含有する酸化膜１３２を介してイオンの照射を行うことによって、重金属による単結晶半導体基板１００の汚染を防ぐことができる。

なお、加速されたイオン１０３を単結晶半導体基板１００に照射する工程は、イオン注入装置で行うこともできる。イオン注入装置は、チャンバー内に配置された被処理体に、ソースガスをプラズマ励起して生成された複数のイオン種を質量分離し、特定のイオン種を照射する質量分離型の装置である。したがって、イオン注入装置を用いる場合は、水素ガスやＰＨ_３を励起して生成されたＨ^＋イオンおよびＨ_２ ^＋イオンを質量分離して、Ｈ^＋イオンまたはＨ_２ ^＋イオンの一方のイオンを加速して、単結晶半導体基板１００に照射する。

次に、ベース基板１２０を準備する（図７（Ｂ−１）参照）。

また、ベース基板１２０を用いるに際し、ベース基板１２０の表面をあらかじめ洗浄することが好ましい。具体的には、ベース基板１２０を、塩酸過水（ＨＰＭ）、硫酸過水（ＳＰＭ）、アンモニア過水（ＡＰＭ）、希フッ酸（ＤＨＦ）等を用いて超音波洗浄を行う。例えば、ベース基板１２０の表面に塩酸過水を用いて超音波洗浄を行うことが好ましい。このような洗浄処理を行うことによって、ベース基板１２０表面の平坦化や残存する研磨粒子を除去することができる。

次に、ベース基板１２０の表面に窒素含有層１２１（例えば、窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜等の窒素を含有する絶縁膜）を形成する（図７（Ｂ−２）参照）。

本実施の形態において、窒素含有層１２１は、単結晶半導体基板１００上に設けられた酸化膜１３２と貼り合わされる層（接合層）となる。また、窒素含有層１２１は、後にベース基板上に単結晶構造を有する単結晶半導体層を設けた際に、ベース基板に含まれるＮａ（ナトリウム）等の不純物が単結晶半導体層に拡散することを防ぐためのバリア層として機能する。

また、窒素含有層１２１を接合層として用いるため、接合不良を抑制するには窒素含有層１２１の表面を平滑とすることが好ましい。具体的には、窒素含有層１２１の表面の平均面粗さ（Ｒａ）を０．５０ｎｍ以下、自乗平均粗さ（Ｒｍｓ）を０．６０ｎｍ以下、より好ましくは、平均面粗さを０．３５ｎｍ以下、自乗平均粗さを０．４５ｎｍ以下となるように窒素含有層１２１を形成する。膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で設けることが好ましい。

次に、単結晶半導体基板１００の表面とベース基板１２０の表面とを対向させ、酸化膜１３２の表面と窒素含有層１２１の表面とを接合させる（図７（Ｃ）参照）。

ここでは、単結晶半導体基板１００とベース基板１２０を酸化膜１３２と窒素含有層１２１を介して密着させた後、単結晶半導体基板１００の一箇所に０．１〜５００Ｎ／ｃｍ^２、好ましくは１〜２０Ｎ／ｃｍ^２程度の圧力を加える。圧力を加えた部分から酸化膜１３２と窒素含有層１２１とが接合しはじめ、自発的に接合が形成され全面におよぶ。この接合工程は、ファンデルワールス力や水素結合が作用しており、加熱処理を伴わず、常温で行うことができるため、ベース基板１２０に、ガラス基板のように耐熱温度が低い基板を用いることができる。

なお、単結晶半導体基板１００とベース基板１２０との貼り合わせを行う前に、単結晶半導体基板１００上に形成された酸化膜１３２と、ベース基板１２０上に形成された窒素含有層１２１の表面処理を行うことが好ましい。

表面処理としては、プラズマ処理、オゾン処理、メガソニック洗浄、２流体洗浄（純水や水素添加水等の機能水を窒素等のキャリアガスとともに吹き付ける方法）又はこれらの方法を組み合わせて行うことができる。特に、酸化膜１３２、窒素含有層１２１の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を行った後に、オゾン処理、メガソニック洗浄、２流体洗浄等を行うことによって、酸化膜１３２、窒素含有層１２１表面の有機物等のゴミを除去し、表面を親水化することができる。その結果、酸化膜１３２と窒素含有層１２１の接合強度を向上させることができる。

ここで、オゾン処理の一例を説明する。例えば、酸素を含む雰囲気下で紫外線（ＵＶ）を照射することにより、被処理体表面にオゾン処理を行うことができる。酸素を含む雰囲気下で紫外線を照射するオゾン処理は、ＵＶオゾン処理または紫外線オゾン処理などとも言われる。酸素を含む雰囲気下において、紫外線のうち２００ｎｍ未満の波長を含む光と２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することにより、オゾンを生成させるとともに、オゾンから一重項酸素を生成させることができる。紫外線のうち１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射することにより、オゾンを生成させるとともに、オゾンから一重項酸素を生成させることもできる。

酸素を含む雰囲気下で、２００ｎｍ未満の波長を含む光および２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することにより起きる反応例を示す。
Ｏ_２＋ｈν（λ_１ｎｍ）→Ｏ（^３Ｐ）＋Ｏ（^３Ｐ）・・・（１）
Ｏ（^３Ｐ）＋Ｏ_２→Ｏ_３・・・（２）
Ｏ_３＋ｈν（λ_２ｎｍ）→Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ_２・・・（３）

上記反応式（１）において、酸素（Ｏ_２）を含む雰囲気下で２００ｎｍ未満の波長（λ_１ｎｍ）を含む光（ｈν）を照射することにより基底状態の酸素原子（Ｏ（^３Ｐ））が生成する。次に、反応式（２）において、基底状態の酸素原子（Ｏ（^３Ｐ））と酸素（Ｏ_２）とが反応してオゾン（Ｏ_３）が生成する。そして、反応式（３）において、生成されたオゾン（Ｏ_３）を含む雰囲気下で２００ｎｍ以上の波長（λ_２ｎｍ）を含む光が照射されることにより、励起状態の一重項酸素Ｏ（^１Ｄ）が生成される。酸素を含む雰囲気下において、紫外線のうち２００ｎｍ未満の波長を含む光を照射することによりオゾンを生成させるとともに、２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することによりオゾンを分解して一重項酸素を生成する。上記のようなオゾン処理は、例えば、酸素を含む雰囲気下での低圧水銀ランプの照射（λ_１＝１８５ｎｍ、λ_２＝２５４ｎｍ）により行うことができる。

また、酸素を含む雰囲気下で、１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射することにより起きる反応例を示す。
Ｏ_２＋ｈν（λ_３ｎｍ）→Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ（^３Ｐ）・・・（４）
Ｏ（^３Ｐ）＋Ｏ_２→Ｏ_３・・・（５）
Ｏ_３＋ｈν（λ_３ｎｍ）→Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ_２・・・（６）

上記反応式（４）において、酸素（Ｏ_２）を含む雰囲気下で１８０ｎｍ未満の波長（λ_３ｎｍ）を含む光を照射することにより、励起状態の一重項酸素Ｏ（^１Ｄ）と基底状態の酸素原子（Ｏ（^３Ｐ））が生成する。次に、反応式（５）において、基底状態の酸素原子（Ｏ（^３Ｐ））と酸素（Ｏ_２）とが反応してオゾン（Ｏ_３）が生成する。反応式（６）において、生成されたオゾン（Ｏ_３）を含む雰囲気下で１８０ｎｍ未満の波長（λ_３ｎｍ）を含む光が照射されることにより、励起状態の一重項酸素と酸素が生成される。酸素を含む雰囲気下において、紫外線のうち１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射することによりオゾンを生成させるとともにオゾンまたは酸素を分解して一重項酸素を生成する。上記のようなオゾン処理は、例えば、酸素を含む雰囲気下でのＸｅエキシマＵＶランプの照射（λ_３＝１７２ｎｍ）により行うことができる。

２００ｎｍ未満の波長を含む光により被処理体表面に付着する有機物などの化学結合を切断し、オゾンまたはオゾンから生成された一重項酸素により被処理体表面に付着する有機物、または化学結合を切断した有機物などを酸化分解して除去することができる。上記のようなオゾン処理を行うことで、被処理体表面の親水性および清浄性を高めることができ、接合を良好に行うことができる。

酸素を含む雰囲気下で紫外線を照射することによりオゾンが生成される。オゾンは、被処理体表面に付着する有機物の除去に効果を奏する。また、一重項酸素も、オゾンと同等またはそれ以上に、被処理体表面に付着する有機物の除去に効果を奏する。オゾン及び一重項酸素は、活性状態にある酸素の例であり、総称して活性酸素とも言われる。上記反応式等で説明したとおり、一重項酸素を生成する際にオゾンが生じる、またはオゾンから一重項酸素を生成する反応もあるため、ここでは一重項酸素が寄与する反応も含めて、便宜的にオゾン処理と称する。

なお、図７（Ｃ）において、酸化膜１３２と窒素含有層１２１を接合させた後、接合強度を増加させるための熱処理を行うことが好ましい。この熱処理の温度は、脆化領域１０４に亀裂を発生させない温度とし、例えば、室温以上４００℃未満の温度範囲で処理する。また、この温度範囲で加熱しながら、酸化膜１３２と窒素含有層１２１を接合させてもよい。熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。

一般的に、酸化膜１３２と窒素含有層１２１を接合と同時又は接合させた後に熱処理を行うと、接合界面において脱水反応が進行し、接合界面同士が近づき、水素結合の強化や共有結合が形成されることにより接合が強化される。脱水反応を促進させるためには、脱水反応により接合界面に生じる水分を高温で熱処理を行うことにより除去する必要がある。つまり、接合後の熱処理温度が低い場合には、脱水反応で接合界面に生じた水分を効果的に除去できないため、脱水反応が進まず接合強度を十分に向上させることが難しい。

一方で、酸化膜１３２として、塩素原子等を含有させた酸化膜を用いた場合、当該酸化膜１３２が水分を吸収し拡散させることができるため、接合後の熱処理を低温で行う場合であっても、脱水反応で接合界面に生じた水分を酸化膜１３２へ吸収、拡散させ脱水反応を効率良く促進させることができる。この場合、ベース基板１２０としてガラス等の耐熱性が低い基板を用いた場合であっても、酸化膜１３２と窒素含有層１２１の接合強度を十分に向上させることが可能となる。また、酸化膜１３２にプラズマ処理を行うことにより、酸化膜１３２の表面近傍にマイクロポアを形成し、水分を効果的に吸収し拡散させ、低温であっても酸化膜１３２と窒素含有層１２１の接合強度を向上させることができる。

次に、熱処理を行い脆化領域１０４にて分離することにより、ベース基板１２０上に、酸化膜１３２及び窒素含有層１２１を介して単結晶半導体層１２４を設ける（図７（Ｄ）参照）。

加熱処理を行うことで、温度上昇によって脆化領域１０４に形成されている微小な孔に添加された元素が析出して体積変化が起こり、脆化領域１０４に亀裂が生じるので、脆化領域１０４に沿って単結晶半導体基板１００が分離する。酸化膜１３２はベース基板１２０に接合しているので、ベース基板１２０上には単結晶半導体基板１００から分離された単結晶半導体層１２４が形成される。また、ここでの熱処理の温度は、ベース基板１２０の歪み点を越えない温度とする。

この加熱処理には、拡散炉、抵抗加熱炉などの加熱炉、ＲＴＡ装置、マイクロ波加熱装置などを用いることができる。例えば、ＲＴＡ装置を用いる場合、加熱温度５５０℃以上７３０℃以下、処理時間０．５分以上６０分以内で行うことができる。

なお、上述したベース基板１２０と酸化膜１３２との接合強度を増加させるための熱処理を行わず、図７（Ｄ）の熱処理を行うことにより、酸化膜１３２と窒素含有層１２１との接合強度の増加の熱処理工程と、脆化領域１０４における分離の熱処理工程を同時に行ってもよい。

以上の工程により、ベース基板１２０上に酸化膜１３２及び窒素含有層１２１を介して単結晶半導体層１２４が設けられたＳＯＩ基板を作製することができる。

本実施の形態で示す方法を用いることによって、窒素含有層１２１を接合層として用いた場合であっても、ベース基板１２０と単結晶半導体層１２４との接合強度を向上させることができる。また、ベース基板１２０上に形成される単結晶半導体層１２４への不純物の拡散を抑制すると共に、ベース基板１２０と単結晶半導体層１２４とが強固に密着したＳＯＩ基板を形成することができる。

また、ベース基板側に窒素含有層を設け、半導体基板側に塩素等のハロゲンを有する酸化膜を形成することにより、作製工程を簡略化すると共にベース基板との貼り合わせ前に当該半導体基板へ不純物元素が浸入することを抑制することができる。また、半導体基板側に設ける接合層として塩素等のハロゲンを有する酸化膜を形成することにより、接合後の熱処理を低温で行う場合であっても、脱水反応を効率良く促進させることにより接合強度を向上させることができる。

その後、分離された単結晶半導体基板１００は、上記実施の形態１で示したようにＳＯＩ基板の製造プロセスにおいて、再利用することができる。

なお、本実施の形態では、単結晶半導体基板１００上に酸化膜１３２を形成し、ベース基板１２０上に窒素含有層１２１を形成する場合を示したが、これに限られない。例えば、単結晶半導体基板１００上に酸化膜１３２と窒素含有層を順に積層させて形成し、酸化膜１３２上に形成された窒素含有層の表面とベース基板１２０との表面とを接合させてもよい。この場合、窒素含有層は脆化領域１０４の形成前に設けてもよいし、形成後に設けてもよい。なお、窒素含有層上に酸化膜（例えば、酸化シリコン）を形成し、当該酸化膜の表面とベース基板１２０の表面とを接合させても良い。

また、ベース基板１２０から単結晶半導体層１２４への不純物の混入が問題とならない場合には、ベース基板１２０上に窒素含有層１２１を設けずに、単結晶半導体基板１００上に設けられた酸化膜１３２の表面とベース基板１２０の表面とを接合させてもよい。この場合、窒素含有層を設ける工程を省略することができる。

１００単結晶半導体基板
１０２絶縁層
１０３イオン
１０４脆化領域
１２０ベース基板
１２１窒素含有層
１２４単結晶半導体層
１３２酸化膜
１４２絶縁層
１４４絶縁層
１４６絶縁層
１５０単結晶半導体基板
２００積層基板

Claims

ボンド基板となる第１の単結晶半導体基板と、第１の基板とを準備する第１の工程と、
前記第１の単結晶半導体基板に、加速されたイオンを照射して、前記第１の単結晶半導体基板中に脆化領域を形成し、絶縁層を介して前記第１の単結晶半導体基板と前記第１の基板とを貼り合わせる第２の工程と、
前記脆化領域において、前記第１の単結晶半導体基板を分離して、前記第１の基板上に前記絶縁層を介して単結晶半導体層を形成する第３の工程とを有し、
前記分離された第１の単結晶半導体基板に第１の接合層を形成する第４の工程と、第２の単結晶半導体基板に第２の接合層を形成する第５の工程とを経て、前記第１の接合層及び前記第２の接合層を介して、前記第１の単結晶半導体基板を、前記第２の単結晶半導体基板に貼り合わせて、積層基板を形成して、前記積層基板を、前記第１の工程におけるボンド基板として使用することを特徴とするＳＯＩ基板の作製方法。
請求項１において、
前記第１の接合層は、前記第２の接合層と異なる材料を有することを特徴とするＳＯＩ基板の作製方法。
請求項１又は請求項２において、
前記第１の接合層を、前記第２の工程における絶縁層に用いることを特徴とするＳＯＩ基板の作製方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第１の基板として、ガラス基板、単結晶半導体基板又は多結晶半導体基板を用いるＳＯＩ基板の作製方法。