JPH11329996A - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ないイオン注入量で効率的にイオン注入領
域に気泡を発生させて半導体基板をイオン注入領域で分
離し、ＳＯＩ基板の生産性を向上させる。 【解決手段】 第１シリコン基板１１の表面に酸化膜１
２を形成する。第１基板の表面から水素ガスイオン、水
素分子イオン、ヘリウムイオン及びシリコンイオンから
なる群から選ばれた１種又は２種のイオンを注入して第
１基板内部にイオン注入領域１１ａを形成する。第１基
板を水素雰囲気中４００℃以下の温度で熱処理する。第
１基板を酸化膜１２を介して第２シリコン基板１３に重
ね合わせて密着させる。第１基板を第２基板に密着させ
たまま５００〜８００℃の温度で熱処理して第１基板を
イオン注入領域１１ａで第２基板から分離し、これによ
り第２基板の表面にシリコン層１１ｂを形成する。表面
にシリコン層１１ｂを有する第２基板を更に熱処理す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁膜上に半導体
層を設けたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のＳＯＩ基板は将来の超高集積回
路（ＵＬＳＩ）基板として注目されてきている。このＳ
ＯＩ基板の製造方法には、シリコン基板同士を絶縁膜
を介して貼り合わせる方法、絶縁性基板又は絶縁性薄
膜を表面に有する基板の上にシリコン薄膜を堆積させる
方法、シリコン基板の内部に高濃度の酸素イオンを注
入した後、高温でアニール処理してこのシリコン基板表
面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成
し、その表面側のＳｉ層を活性領域とするＳＩＭＯＸ法
などがある。また最近、半導体基板に水素イオン等の注
入を行った後に、この半導体基板をイオン注入面を重ね
合せ面として支持基板に重ね合せ、この積層体を５００
℃を越える温度に昇温してイオン注入領域に気泡を発生
させ、これにより上記半導体基板を上記イオン注入領域
で支持基板から分離し、支持基板の表面に半導体の薄膜
を有する薄い半導体材料フィルムの製造方法が提案され
ている（特開平５−２１１１２８）。この方法では、イ
オンを半導体基板の内部に表面から均一に注入できれ
ば、均一な厚さの薄い半導体層を有する半導体基板が得
られる。また支持基板の表面に予め酸化膜を設けておけ
ば、この方法により支持基板とこの基板上に形成されて
埋込み酸化膜として作用する酸化膜とこの酸化膜上に形
成された半導体層とを有するＳＯＩ基板を製造すること
ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の薄
い半導体材料フィルムの製造方法では、半導体基板に水
素イオンを注入するときに、比較的多量の３．５×１０
¹⁶〜１０×１０¹⁶／ｃｍ²のドーズ量で注入しなければ
ならず、イオン注入に比較的多くの時間を要し、そのた
めＳＯＩ基板の生産性が低下する不具合があった。本発
明の目的は、少ないイオン注入量で効率的にイオン注入
領域に気泡を発生させて半導体基板を上記イオン注入領
域で分離でき、ＳＯＩ基板の生産性を向上できるＳＯＩ
基板の製造方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、第１シリコン基板１１の表面に酸化
膜１２を形成する工程と、第１シリコン基板１１の表面
から水素ガスイオン、水素分子イオン、ヘリウムイオン
及びシリコンイオンからなる群から選ばれた１種又は２
種のイオンを注入して第１基板１１内部に酸化膜１２に
平行なイオン注入領域１１ａを形成する工程と、第１シ
リコン基板１１を水素雰囲気中において４００℃以下の
温度で熱処理する工程と、第１シリコン基板１１を酸化
膜１２を介して支持基板となる第２シリコン基板１３に
重ね合わせて密着させる工程と、第１シリコン基板１１
を第２シリコン基板１３に密着させたまま５００〜８０
０℃の温度で熱処理して第１シリコン基板１１をイオン
注入領域１１ａで第２シリコン基板１３から分離し、こ
れにより第２シリコン基板１３の表面にシリコン層１１
ｂを形成する工程と、表面にシリコン層１１ｂを有する
第２シリコン基板１３を更に熱処理する工程とを含むＳ
ＯＩ基板の製造方法である。イオン注入領域１１ａには
イオン注入の結果、ダングリングボンド（水素原子が結
合していないケイ素（Ｓｉ）の遊離している結合用の
手）が形成される。このダングリングボンドはイオン注
入工程の次に実施される水素雰囲気中での４００℃以下
の熱処理により供給される水素と結合して終端される。
後に第１シリコン基板１１を第２シリコン基板１３に密
着させて熱処理する際に、昇温に伴って上記ダングリン
グボンドに結合した水素が水素ガスを発生する。この水
素ガスがイオン注入領域１１ａに気泡を発生させ、この
気泡を起点として第１シリコン基板１１がイオン注入領
域１１ａで容易に割れて、第２シリコン基板１３から分
離し、これにより第２シリコン基板１３の表面にシリコ
ン層１１ｂが形成される。なお、本明細書で「水素雰囲
気」とは水素ガス雰囲気又は水素プラズマ雰囲気をい
う。水素プラズマ雰囲気中では水素はより活性なものと
なる。

【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、水素ガスイオン、水素分子イオン、ヘリウ
ムイオン及びシリコンイオンからなる群から選ばれた１
種又は２種のイオンの注入量が０．５×１０¹⁶〜３．５
×１０¹⁶／ｃｍ²であるＳＯＩ基板の製造方法である。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であ
って、注入するイオンが水素ガスイオン又は水素分子イ
オンとヘリウムイオンであるとき前記イオンの注入順序
は前記ヘリウムイオンを注入した後に前記水素ガスイオ
ン又は水素分子イオンを注入するＳＯＩ基板の製造方法
である。この請求項２又は３に記載されたＳＯＩ基板の
製造方法では、従来の水素ガスイオンを単独で注入した
ときのイオン注入量３．５×１０¹⁶〜１０×１０¹⁶／ｃ
ｍ²と比べて少ないイオンのトータル注入量で、イオン
注入領域１１ａに気泡を発生させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、本発明のＳＯＩ
基板を製造するには、先ずシリコンウェーハからなる第
１シリコン基板１１を熱酸化により表面に酸化膜１２を
形成する（図１（ａ））。次いでこの第１基板１１に水
素イオン又はヘリウムイオンのいずれか一方又は双方の
イオンを０．５×１０¹⁶〜３．５×１０¹⁶／ｃｍ²のド
ーズ量でイオン注入して、第１基板１１内部にイオン注
入領域１１ａを酸化膜１２と平行に形成する（図１
（ｂ））。即ち、このイオン注入には、水素ガスイオ
ン、水素分子イオン、ヘリウムイオン又はシリコンイオ
ンのいずれか１種のイオンを注入する方法、及びヘリ
ウムイオンを注入後、水素ガスイオン、水素分子イオン
又はシリコンイオンを注入する方法がある。ここでの
方法では上記イオンのいずれかを０．５×１０¹⁶〜３．
５×１０¹⁶／ｃｍ²のドーズ量で注入し、の方法では
ヘリウムイオンを０．５×１０¹⁶〜３．５×１０¹⁶／ｃ
ｍ²のドーズ量で注入した後、水素ガスイオン、水素分
子イオン又はシリコンイオンを０．５×１０¹⁶〜３．５
×１０¹⁶／ｃｍ²のドーズ量で注入することが好まし
い。

【０００７】次いで第１基板１１を水素雰囲気中におい
て４００℃以下、好ましくは３００〜４００℃の温度で
熱処理する（図１（ｃ））。４００℃以下で熱処理する
のは、４００℃を超えると第２基板１３に重ね合せる前
に第１基板１１がイオン注入領域１１ａのところで割れ
を生じる恐れがあるためである。次いで上記第１基板１
１と同一表面積を有し、支持基板となるシリコンウェー
ハからなる第２シリコン基板１３を用意し（図１
（ｄ））、両基板１１，１３をＲＣＡ法により洗浄した
後、第２基板１３上に第１基板１１を室温で重ね合せて
密着させる（図１（ｅ））。

【０００８】次いで第１基板１１を第２基板１３に密着
させたまま窒素雰囲気中で５００〜８００℃、好ましく
は５００〜６００℃の温度範囲に昇温し、この温度範囲
に５〜３０分間保持して薄膜分離熱処理を行う。これに
より第１基板１１がイオン注入領域１１ａのところで割
れて上部の厚肉部１１ｃと下部の薄いシリコン層１１ｂ
に分離する（図１（ｆ））。ここで、上記熱処理の温度
を５００〜８００℃に限定したのは、５００℃未満では
図１（ｃ）で示した上記水素雰囲気中での熱処理によっ
て第１基板１１内に供給された水素による気泡内圧の上
昇が十分でない不具合があり、８００℃を越えると気泡
の成長が進んで表面粗さが増大する不具合があるからで
ある。次に温度を下げて、厚肉部１１ｃを取除き（図１
（ｇ））、表面にシリコン層１１ｂを有する第２基板１
３を酸素又は窒素雰囲気中で９００〜１２００℃の範囲
に昇温しこの温度範囲に３０〜１２０分間保持する熱処
理を行う（図１（ｈ））。この熱処理はシリコン層１１
ｂの第２基板１３への貼合せを強固にする熱処理であ
る。最後にシリコン層１１ｂの分離面及び厚肉部１１ｃ
の分離面をそれぞれ研磨（タッチポリッシング）して平
滑化する（図１（ｉ）及び図１（ｊ））。これにより第
２基板１３はＳＯＩ基板となり、厚肉部１１ｃは新たな
シリコン基板として再びＳＯＩ基板の製造に使用でき
る。

【０００９】

【実施例】次に本発明の具体的態様を示すために、本発
明の実施例を比較例とともに説明する。 ＜実施例１＞図１（ａ）に示すように、厚さ６２５μｍ
のシリコンウェーハからなるシリコン基板１１を熱酸化
して表面に厚さ４００ｎｍの酸化膜１２を形成した。こ
のシリコン基板１１に７０ｋｅＶの電圧を印加して水素
ガスイオン（Ｈ⁺）を１×１０¹⁶／ｃｍ²注入した（図１
（ｂ））。次いでこのシリコン基板１１を水素ガス雰囲
気中において３５０℃の温度で６０分間熱処理した（図
１（ｃ））。この熱処理されたシリコン基板１１を実施
例１のシリコン基板とした。

【００１０】＜実施例２＞水素ガスイオンの代りにヘリ
ウムイオン（Ｈｅ⁺）を１×１０¹⁶／ｃｍ²注入したこと
を除いては実質的に実施例１の方法を繰返して実施例２
のシリコン基板を製造した。

【００１１】＜実施例３＞シリコン基板１１にヘリウム
イオンを０．５×１０¹⁶／ｃｍ²注入した後に、水素ガ
スイオンを０．５×１０¹⁶／ｃｍ²注入したことを除い
ては実質的に実施例１の方法を繰返して実施例３のシリ
コン基板を製造した。

【００１２】＜比較例１＞水素ガス雰囲気中における熱
処理を実施せず、また１×１０¹⁶／ｃｍ²のドーズ量で
水素ガスイオンを注入したことを除いては実質的に実施
例１の方法を繰返して比較例１のシリコン基板を製造し
た。

【００１３】＜比較試験及び評価＞実施例１〜３及び比
較例１のシリコン基板を薄膜分離熱処理と同一の熱処
理、即ち窒素雰囲気中で６００℃に３０分間保持した後
に、各シリコン基板の酸化膜表面にブリスタ（火ぶく
れ）が発生したか否かを調べた。その結果を表１に示
す。なお、上記熱処理後に酸化膜表面のブリスタの発生
の有無を調べた理由を述べると、本発明の方法でＳＯＩ
基板を製造するためには、第１基板１１と第２基板１３
とを密着させて熱処理した場合、第１基板１１のイオン
注入領域１１ｂで気泡が発生することが必要であり、こ
の気泡が発生すると酸化膜１２表面にブリスタが発生す
るためである。即ち、ブリスタの発生の有無によりイオ
ン注入領域１１ｂでの気泡の発生の有無を判断できるか
らである。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１から明らかなように、実施例１〜３で
はブリスタが発生したのに対し、比較例１ではブリスタ
が発生しなかった。これは、実施例１〜３ではイオン注
入量が少なくても、イオン注入後の水素ガス雰囲気中で
の熱処理により水素が供給され、この水素がイオン注入
領域１１ａのケイ素（Ｓｉ）のダングリングボンドに結
合し、後に第１基板１１と第２基板を密着させて加熱処
理する際に水素ガスの気泡を発生し、ブリスタを生じる
ためである。これに対し、比較例１ではイオン注入後の
水素雰囲気中での熱処理が実施されないため、このよう
にイオン注入量が少ないと、ブリスタが発生しない。特
に、実施例３では質量の重いヘリウムイオンを先に注入
することで、相対的に軽い水素ガスイオンに比べて効果
的にイオン注入領域１１ａが形成され、この後に注入さ
れた水素ガスイオンの注入分布幅をシャープにするた
め、イオンのトータル注入量が実施例１及び２よりも少
ないが、ブリスタを生じる。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、第
１シリコン基板の表面に酸化膜を形成し、第１シリコン
基板の表面から水素ガスイオン、水素分子イオン、ヘリ
ウムイオン及びシリコンイオンからなる群から選ばれた
１種又は２種のイオンを注入して、第１シリコン基板内
部にイオン注入領域を形成し、第１シリコン基板を水素
雰囲気中で４００℃以下の温度で熱処理し、第１シリコ
ン基板を上記酸化膜を介して第２シリコン基板に重ね合
わせて密着させ、第１シリコン基板を第２シリコン基板
に密着させたまま熱処理するようにしたから、少ないイ
オン注入量で効率的にイオン注入領域に気泡が発生す
る。即ち、本発明では第１シリコン基板を効率的にイオ
ン注入領域で厚肉部と薄いシリコン層とに分離できる。
この結果、短時間でイオン注入を行うことができるの
で、ＳＯＩ基板の生産性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態のＳＯＩ基板の製造方法を工程
順に示す図。

【符号の説明】

１１ 第１シリコン基板 １１ａ イオン注入領域 １１ｂ シリコン層 １２ 酸化膜 １３ 第２シリコン基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１シリコン基板(11)の表面に酸化膜(1
   2)を形成する工程と、 前記第１シリコン基板(11)の表面から水素ガスイオン、
   水素分子イオン、ヘリウムイオン及びシリコンイオンか
   らなる群から選ばれた１種又は２種のイオンを注入して
   前記第１基板(11)内部に前記酸化膜(12)に平行なイオン
   注入領域(11a)を形成する工程と、 前記第１シリコン基板(11)を水素雰囲気中において４０
   ０℃以下の温度で熱処理する工程と、 前記第１シリコン基板(11)を前記酸化膜(12)を介して支
   持基板となる第２シリコン基板(13)に重ね合わせて密着
   させる工程と、 前記第１シリコン基板(11)を前記第２シリコン基板(13)
   に密着させたまま５００〜８００℃の温度で熱処理して
   前記第１シリコン基板(11)を前記イオン注入領域(11a)
   で前記第２シリコン基板(13)から分離し、これにより前
   記第２シリコン基板(13)の表面にシリコン層(11b)を形
   成する工程と、 表面に前記シリコン層(11b)を有する前記第２シリコン
   基板(13)を更に熱処理する工程とを含むＳＯＩ基板の製
   造方法。
2. 【請求項２】 水素ガスイオン、水素分子イオン、ヘリ
   ウムイオン及びシリコンイオンからなる群から選ばれた
   １種又は２種のイオンの注入量が０．５×１０¹⁶〜３．
   ５×１０¹⁶／ｃｍ²である請求項１記載のＳＯＩ基板の
   製造方法。
3. 【請求項３】 注入するイオンが水素ガスイオン又は水
   素分子イオンとヘリウムイオンであるとき前記イオンの
   注入順序は前記ヘリウムイオンを注入した後に前記水素
   ガスイオン又は水素分子イオンを注入する請求項１又は
   ２記載のＳＯＩ基板の製造方法。