JP2002110949A

JP2002110949A - Ｓｏｉの熱処理方法及び製造方法

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Publication number: JP2002110949A
Application number: JP2000296470A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ito; 正孝伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-12
Also published as: US20020058387A1; EP1193739A2; US6566255B2

Abstract

(57)【要約】【課題】 SOIのHF欠陥密度を低減する。【解決手段】厚さ２００nm以下のSOIを、不活性雰囲
気中において、SOIの結晶半導体を構成する半導体材料
と金属との半導体金属化合物（例えばニッケルシリサイ
ド）の共晶温度（例えば９６６℃）以上であって半導体
材料の融点以下の温度で熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁層上に結晶半
導体層を有するSOI(Semiconductor On Insulator)の熱
処理方法及び製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】SOIを還元性雰囲気中で熱処理すること
により平坦性の高い表面を得る技術については、たとえ
ば特開平05-217821号公報で佐藤らによって開示されて
いる。これによると、たとえば1000℃での水素ガス中での
熱処理により原子間力顕微鏡によって観察されるSOI層
表面の荒れが2nm以下の高い平滑性が得られている。ま
た、水素アニールによる表面平滑化は、研磨による方法と
比較して、表面に物理的なダメージを生じないという特
徴を有している。また、同技術は多数枚同時処理型の熱処
理装置、たとえば半導体プロセスで一般的に用いられて
いる縦型拡散炉を用いてバッチ処理をおこなうことによ
って高い生産性を得られるという利点を有している。又、
特開平11-145020号には、ＳＯＩウエハを還元性雰囲気
中で熱処理する方法において、急速加熱・急速冷却装置
を用いて１１００〜１３００℃の温度範囲で、１〜６０
秒間熱処理をするＳＯＩウエハの熱処理方法により、水
素アニール法によってＳＯＩ層のＣＯＰ(Crystal Origi
nated Particle:結晶起因欠陥)を消滅させることが記載
されている。ところで、近年のＳＯＩにおいては、絶縁
性表面上の半導体層、いわゆるＳＯＩ層と呼ばれる層の
薄膜化が望まれており、厚さが１μｍより小さいＳＯＩ
層を有するSOIウエハが望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなSOI層の薄膜化に伴い、その重要性が顕在化してく
る問題もある。その一つがＳＯＩ層におけるHF欠陥であ
る。近年、ＳＯＩにおいてはHF欠陥が少なくなりつつあ
るものの、完全に無くなったわけではない。そして、こ
のHF欠陥はSOIデバイスの動作不良の原因になると考え
られ、欠陥密度の更なる低減が求められている。HF欠陥と
は、たとえばSadanaらによる文献年ANO-DEFCTS IN COMME
RCIAL BONDED SOI AND SIMOX Proceedings 1994 IEEE
International SOI Conference, Oct. 1994)に記載され
ているように、SOIに特有の欠陥であり、SOIをフッ酸に
浸漬処理することで顕在化するものである。HF欠陥の原
因は、金属汚染、SOI層のピンホール、及び、SOI層中のC
OPであると考えられるが、このうち金属汚染に基づくHF
欠陥については、高額な設備投資をして金属汚染を極力
低減するという高コストの対策のみが検討されるに留ま
り、金属汚染とＨＦ欠陥との関連性の検討に基づく根本
的な対策が講じられていなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、薄いＳ
ＯＩ層を有する薄膜ＳＯＩのHF欠陥密度を低減できるSO
Iの熱処理方法及び製造方法を提供することにある。本
発明の別の目的は、比較的低コストで金属汚染に起因す
るＨＦ欠陥を低減できるSOIの熱処理方法及び製造方法
を提供することにある。

【０００５】本発明の骨子は、絶縁性表面上に厚さが２
００ｎｍ以下の半導体層を有するSOIを、還元性雰囲気
中においてシリコンの融点以下の温度で熱処理する第１
の熱処理工程と、該第１の熱処理工程の後、該SOIを、
不活性雰囲気中或いは該還元性雰囲気より弱い還元性雰
囲気中において９６６℃以上シリコンの融点以下の温度
で熱処理する第２の熱処理工程と、を含むことを特徴と
するSOIの熱処理方法にある。

【０００６】又、別の本発明の骨子は、絶縁性表面上に
厚さが２００ｎｍ以下の半導体層を有するSOIを、不活
性雰囲気中において９６６℃以上シリコンの融点以下の
温度で熱処理することを特徴とするSOIの熱処理方法に
ある。

【０００７】更に別の本発明の骨子は、絶縁性表面上に
厚さが２００ｎｍ以下の半導体層を有するSOIを、還元
性雰囲気中においてシリコンの融点以下の温度で熱処理
する第１の熱処理工程と、該第１の熱処理工程の後、該
SOIを、不活性雰囲気中或いは該還元性雰囲気より弱い
還元性雰囲気中において、該半導体層を構成する半導体
材料と金属との半導体金属化合物の共晶温度以上該半導
体材料の融点以下の温度で熱処理する第２の熱処理工程
と、を含むことを特徴とするSOIの熱処理方法にある。
更に、他の本発明の骨子は、絶縁性表面上に厚さが２０
０ｎｍ以下の半導体層を有するSOIを、不活性雰囲気中
において該半導体層を構成する半導体材料と金属との半
導体金属化合物の共晶温度以上該半導体材料の融点以下
の温度で熱処理することを特徴とするSOIの熱処理方法
にある。

【０００８】（作用）以下に詳述するように、本発明者
は、金属汚染に基づくＨＦ欠陥の原因は、ＳＯＩ層を構
成する半導体材料と汚染金属物質との化合物であること
を突き止め、このような化合物を分解することにより、
化合物が除去されて形成されるＨＦ欠陥を低減すること
を見出した。

【０００９】又、HF欠陥は金属汚染濃度に依存して増減
すること、そして、この金属汚染濃度は熱処理雰囲気の
還元性の度合いに依存し、還元性が弱いほうが熱処理中
の金属汚染が少ないことを見出した。更には、厚さが１
μｍより薄いSOI層においては、極めて微量な金属汚染
によってもHF欠陥が問題になる。本発明によれば、第１
の熱処理工程或いは別の原因によりＳＯＩ層が金属汚染
されていたとしても、SＯＩ層を構成する半導体材料と
金属との半導体金属化合物の共晶点以上で熱処理するこ
とにより、生成された半導体金属化合物の少なくとも一
部を分解することができる。そして、この時の雰囲気を
還元性の弱い雰囲気或いは不活性雰囲気とすることで、
再び金属汚染されないようにして、半導体金属化合物の
析出を抑制する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明によるＳＯＩの熱処理方法
の概略について図1を用いて説明する。絶縁基体（表面に
絶縁層を有する基体或いは絶縁材料からなる基体）上に
厚さが２００ｎｍ以下の半導体層（ＳＯＩ層）を有する
ＳＯＩを用意する。図1に示すように、工程S１では、熱
処理を行うための処理室内にSOIを配して、後述する第
１の熱処理工程のために、処理室内に還元性ガスを導入
して還元性雰囲気に置換する。昇温工程Ｓ２において、
熱処理装置の加熱器を働かせて、ＳＯＩを所定の熱処理
温度まで昇温する。工程Ｓ３の第１の熱処理工程におい
ては、ＳＯＩに所定の温度で、且つ所定の時間をかけて
熱処理を施す。この時の熱処理温度は、SOI層の欠陥を
修復するアニール処理及び／又はSOI層の表面を平滑化
する平滑化処理などSOI層の処理に必要な温度以上、SOI
層を構成する半導体材料の融点以下とする。そのために
は、還元性雰囲気中でSOIを熱処理することが望まし
い。このときの還元性雰囲気としては、１００％水素雰
囲気或いは水素と不活性ガスとを含む還元性雰囲気であ
り、後者の場合は水素濃度を例えば３０体積％以上にす
ることが好ましいものである。次いで、第２の熱処理を
行うために、工程S４では、処理室内を前述した還元性
雰囲気から別の雰囲気に置換する。この別の雰囲気と
は、該還元性雰囲気よりも還元性の弱い還元性雰囲気、
或いは不活性雰囲気のいずれかである。例えば、ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、クリプトンなどの希ガス、又は
窒素ガス、から選択される少なくとも一種の不活性ガス
を用いる。或いは、この不活性ガスに、第１の熱処理雰
囲気より還元性が十分に弱くなる程度の水素を添加した
ガスを用いる。ここで、還元性が弱いというのは、水素
濃度が相対的に低いことを意味し、具体的には、水素濃
度を２５体積％以下、より好ましくは１０体積％以下に
するとよい。そして、第２の熱処理工程S５では、還元
性の弱い還元性雰囲気中、或いは不活性雰囲気中で、SO
Iを熱処理する。この時の熱処理温度は、ＳＯＩ層を構
成する半導体材料と金属との半導体金属化合物の共晶温
度以上該半導体材料の融点以下の温度とする。こうし
て、第１の熱処理工程によりＳＯＩ層が金属汚染されて
いたとしても、SＯＩ層を構成する半導体材料と金属と
の半導体金属化合物の共晶点以上の温度で熱処理するこ
とにより、生成された半導体金属化合物の少なくとも一
部を分解することができる。そして、この時の雰囲気を
還元性の弱い雰囲気或いは不活性雰囲気とすることで、
再び金属汚染されないようにして、半導体金属化合物の
析出を抑制する。そして、降温工程S６においてSOIの温
度を下げて、処理室からSOIを取り出す。こうして得ら
れた薄膜SOIは、HF欠陥が少なく、汚染金属の濃度も低
いものとなる。ところで、金属汚染は、第１の熱処理工
程において生じるものとは限らない。そこで、金属に汚
染されたSOIは、以下に述べるような熱処理方法によ
り、金属汚染を低減しHF欠陥の発生を抑止することがで
きる。

【００１１】図２に示すように、工程S１１では、熱処理
を行うための処理室内に厚さが２００ｎｍ以下のＳＯＩ
層を有するSOIを配して、後述する熱処理工程のため
に、処理室内に不活性ガスを導入して不活性雰囲気に置
換する。不活性ガスとしては、例えば、ヘリウム、ネオ
ン、アルゴンなどの希ガス、又は窒素ガス、から選択さ
れる少なくとも一種の不活性ガスを用いる。昇温工程Ｓ
１２において、熱処理装置の加熱器を働かせて、ＳＯＩ
を所定の熱処理温度まで昇温する。工程Ｓ１３の熱処理
工程においては、この不活性雰囲気中で、SOIを熱処理
する。この時の熱処理温度は、ＳＯＩ層を構成する半導
体材料と金属との半導体金属化合物の共晶温度以上該半
導体材料の融点以下の温度とする。こうして、ＳＯＩ層
が金属汚染されていたとしても、SＯＩ層を構成する半
導体材料と金属との半導体金属化合物の共晶点以上で熱
処理することにより、生成された半導体金属化合物の少
なくとも一部を分解することができる。そして、この時
の雰囲気を不活性雰囲気とすることで、再び金属汚染さ
れないようにして、半導体金属化合物の析出を抑制す
る。そして、降温工程S１４においてSOIの温度を下げ
て、処理室からSOIを取り出す。こうして得られた薄膜S
OIは、HF欠陥が少なく、汚染金属の濃度も低いものとな
る。

【００１２】本発明により処理されるＳＯＩとしては、
シリコン基板などの支持基体の上に絶縁層を介して設け
られた結晶半導体層を有するＳＯＩウエハや、石英ガラ
スなどの絶縁性基体の上に直接或いは絶縁層を介して結
晶半導体層が設けられたＳＯＩウエハなどが用いられ
る。結晶半導体層としては、シリコンやシリコンゲルマ
ニウムなどのシリコンを主成分とする単結晶半導体が好
ましく用いられ、とりわけ、エピタキシャル成長などに
より形成されたCOPを含まない単結晶半導体層を用いる
と、COPによるHF欠陥もなくなるので、より好ましいも
のである。そして、SOIは、SIMOX法や貼り合せ法により
作製された中間品、或いは完成品であり得る。とりわ
け、ドナーウエハに多孔質層を形成し、その上に非多孔
質の単結晶半導体層をエピタキシャル成長させたもの
を、ハンドルウエハに貼り合せた後、多孔質層において
分離してえられたSOIや、ドナーウエハに水素などのイ
オンを注入し、ハンドルウエハに貼り合せた後、比較的
高濃度にイオン注入された層において分離して得られた
SOIに本発明は好ましく適用できる。特に、本発明は、
貼り合せ法のなかでも、特許第２６０８３５１号公報や
USP５，３７１，０３７の明細書、或いは特開平７−３
０２８８９号公報やUSP５，８５６，２２９号の明細書
などに記載されているような方法、即ち、第１の基体
（ドナーウエハ）に多孔質層を形成し、その上に非多孔
質のエピタキシャル成長層を形成し、これを第２の基体
（ハンドルウエハ）に貼り合せ、多孔質層を含む不要な
部分を除去した後、SOI層の表面を平滑化して、SOIウエ
ハを製造する製造方法に好適に用いられる。なお、ここ
で述べた金属汚染とは、主として、商品として出荷され
るSOIウエハの完成前の中間製品において観察される金
属汚染であり、完成した高品質のSOIウエハにおいては重
大な金属汚染は存在しないことが多い。本発明者らの分
析によれば、前述したところの多孔質層を利用したSOI
ウエハの製造方法を経て完成した、完成品のSOIウエハに
おいては問題となるような金属汚染は観察されていな
い。また、この方法における中間製品における金属汚染レ
ベルは、通常の半導体製造工程において問題とされる金
属汚染と比較すると極めて低いレベルであり、SOIウエハ
表面の金属汚染濃度が例えば1×10⁹原子/cm²〜2×10⁹原
子/cm²程度の極低レベルの金属汚染である。本発明はこ
うした極低レベルの金属汚染によるHF欠陥の除去にも顕
著な効果を示すものである。

【００１３】本発明の熱処理温度としては、半導体金属
化合物の融点以上、SOIを構成する半導体の融点以下で
あり、ニッケル汚染によるHF欠陥を減らすためには、ニ
ッケルシリサイドの共晶温度である９６６℃以上にする
とよい。より好ましくはニッケルシリサイドの融点であ
る９９３℃以上にするとよい。上限は１３００℃以下程
度にするとよい。半導体金属化合物としては、ニッケル
シリサイド、マンガンシリサイド、鉄シリサイドなどの
金属珪化物であり、金属汚染を引き起こす金属として
は、ニッケル、マンガン、鉄などの遷移金属などが挙げ
られる。鉄シリサイドの場合、その生成温度は５５０
℃、共晶温度は１２０８℃、融点は１２１２℃〜１２２
０℃であるため、熱処理温度を１２０８℃以上にすると
よい。マンガンシリサイドの場合、その生成温度は８０
０℃、共晶温度不明、融点は１１５０℃であるため、熱
処理温度を、余裕をもって融点以上とすれば所望の効果
が得られる。

【００１４】金属汚染の濃度は、ニッケルを例にすれ
ば、熱処理前のSOI表面のニッケル濃度は、1×10⁹原子/
cm²以上、更には２×10⁹原子/cm²以上であってもよい。
又、第１の熱処理工程によって、SOI表面のニッケル濃
度が、1×10⁹原子/cm²以上、更には２×10⁹原子/cm²以
上になってしまったSOIであっても、本発明の熱処理
（第２の熱処理工程）によって、HF欠陥の発生を抑止で
き、上記濃度よりも金属汚染濃度を低減することができ
る。ここでいう「SOIウエハ表面のニッケル濃度」とは、純
水または酸溶液等を用いてウエハ表面に存在する金属不
純物を液中に回収し、この液中の元素別の金属濃度をICP
-MS(誘導結合プラズマ質量分析)装置等を用いて測定し、
この測定値からウエハ単位面積あたりの金属原子数に換
算することによって求められるものである。同じような
金属汚染濃度であっても、厚さが１μｍ程度のSOI層の
場合には、金属によるHF欠陥は発生し難いが、厚さが２
００ｎｍ以下の薄膜SOIにおいては金属に因るHF欠陥が
顕著に現れる。例えば、ニッケル濃度が1×10⁹原子/cm²
以上の場合にはより顕著に現れる。本発明に用いられる
熱処理装置としては、多数枚処理型又は枚葉式の熱処理
装置が用いられる。加熱方式としては、ランプ加熱や誘
導加熱を用いることができ、急速昇降温型の熱処理装置
を用いることもできる。多数枚処理型の場合には炉の形
態は縦型炉でも横型炉でもよい。

【００１５】（実施形態１）図３は、本発明に用いられ
る熱処理装置の概要を示す模式的縦断面図である。図３
において、符号1は処理室であり、この熱処理室１は石
英ガラスなどからなる炉心管の上部に設けられた導入口
１６から熱処理用の雰囲気ガスを導入し、下部の排気口
１８から排気できるように構成されている。2は誘導加熱
器などのヒーターである。3は炉蓋5上に配置されたヒー
トバリア4上に搭載された被処理体６の保持手段であ
る。この保持手段は例えば炭化珪素製のボートであり、
複数のSOIウエハのような被処理体６を保持できる。ボー
ト3の構成材料としては焼結法によって製造された炭化
珪素が用いられるが、焼結法によって製造された炭化珪
素基材の表面に化学気相堆積法によって合成された化学
合成炭化珪素のコーティング膜が施された物であっても
よい。又、不図示ではあるが炉心菅の下方には被処理体
の搬入搬出室が設けられており、炉蓋5を下降させて、
被処理体を取り付けたり、取り出すことができる。

【００１６】上述した本発明の熱処理方法は、図３の装
置を用いて、図１の手順で実施できる。炉蓋5をあらかじめ下方に移動した状態とし、被処理体と
しての複数のSOIウエハ6をボート３に搭載する。このＳ
ＯＩウエハのSOI層の厚さは２００ｎｍ以下である。次
いで炉蓋5を図示の状態に移動し、SOIウエハ6を処理室７
内に配置するとともに炉心管１の開口部８を封止する。
炉蓋5の動作は不図示の上下動機構でおこなわれる。処理
室空間７の温度は例えば600℃程度の実際の熱処理温度
より低い温度に予熱されている。また、必要に応じて、SO
Iウエハ表面の酸化を防止するために、処理空間７には
窒素ガスを導入し、不活性ガス雰囲気とすることが望ま
しい。引き続き、導入口１６から処理空間７に１００体積％の
水素ガス又は例えば３０体積％の水素を含む不活性ガス
を導入し、処理室１内を水素含有還元性雰囲気に置換す
る。（工程S１）次いでヒーター2により処理空間７を所定の処理温度に
加熱し、ＳＯＩウエハ６を７７５℃以上の温度、例えば1
０５０℃に昇温する。（工程S2）このような装置の場合
には、処理室１内の温度が７７５℃以上になっていれ
ば、ＳＯＩウエハの温度も７７５℃以上になっているも
のと考えてよい。熱処理工程S３では、例えば、１時間
以上の熱処理を行う。水素ガスの供給を止めて、導入口
１６から処理空間７にアルゴンガスを導入し、処理室１
内をアルゴン含有不活性雰囲気に置換する。（工程S４）
ここでは、アルゴン希釈の水素を導入することで、アル
ゴン含有不活性雰囲気に代えて、水素を２５体積％以
下、より好ましくは１０体積％以下の濃度で含む弱還元
性雰囲気としてもよい。次いで、ヒーター2により処理
空間７を所定の処理温度に加熱し、ＳＯＩウエハ６を９
６６℃以上の温度、例えば1100℃に昇温させ、例えば、
１分以上の熱処理を行う。（工程S５）その後、工程S６において、ヒーター２への供給電力を
下げて、ＳＯＩウエハの温度を、７７５℃より低い所定
の予熱温度(例えば600℃)に下げる。所定の予熱温度に達した後に処理室１内の雰囲気を必要
に応じて置換し、その後に炉蓋5を下方に移動して、ボー
トから或いはボートごとSOIウエハ6を取り出す。こうして得られたＳＯＩウエハのＨＦ欠陥は少ないもの
である。

【００１７】ここで、ＨＦ欠陥と金属汚染との関係につ
いて詳述する。SOIウエハに図３に示したような多数枚
同時処理型の熱処理装置を用いて還元性雰囲気中で高温
の熱処理を施した結果、SOI層にHF欠陥が増加することが
あった。本発明者は、この増加するHF欠陥について鋭意
研究を進めた結果、HF欠陥の増加は熱処理によってウエ
ハに生じる極めて微量なニッケル等の金属汚染と関係の
あることを見いだした。すなわち、熱処理中にSOI層の表
面または内部が金属によって汚染されると、降温過程に
おいて金属とシリコンが結合した微細な析出物（半導体
金属化合物）が発生し、これがフッ酸によって除去され
て、HF欠陥として顕在化するようである。還元性雰囲気中では、酸化雰囲気中等と比較して、金属汚
染の低減が困難である場合が多い。金属汚染の汚染源は
熱処理装置にあると考えられ、これを低減するためには
熱処理装置の改善をはかる方法もある。しかし、多数枚
同時処理型の熱処理装置などはその処理枚数に応じて使
用する部材も大規模で複雑なものとなるため、すべての
部材に極めて高純度な材質を使用することは経済的にも
技術的にも困難が多く、極めて微量な金属汚染をより低
い濃度以下のレベルに管理することは容易ではない。例
えば、100枚以上のSOIウエハを同時に処理する場合に用
いられる保持具であるボートは、その長さが1メートル以
上に及び、しかもウエハを保持するために400以上の溝が
加工された形状であるため、そのボートを極めて高純度
な材料を用いて製造すると高価になるだけでなく、点検
や交換・洗浄作業等の管理行為も容易ではない。上述した実施形態によれば、高純度の材料を用いた高価
な装置を使うことなく、SOI表面のニッケル濃度が、1×
10⁹原子/cm²以上であるようなSOIウエハ、或いは、熱処
理によりSOI表面のニッケル濃度が、1×10⁹原子/cm²以
上になってしまうような装置で熱処理されたSOIウエハ
であっても、金属汚染に起因するＨＦ欠陥の発生を抑制
することができる。

【００１８】（実施形態２）本発明の熱処理方法は、図
３の装置を用いて、図２の手順で実施できる。 SOI層の厚さが２００ｎｍ以下で、ニッケル濃度が、1×
10⁹原子/cm²以上であるようなSOIウエハを複数用意す
る。炉蓋5をあらかじめ下方に移動した状態とし、被処理
体としての複数のSOIウエハ6をボート３に搭載する。次
いで炉蓋5を図示の状態に移動し、SOIウエハ6を処理室７
内に配置するとともに炉心管１の開口部８を封止する。
炉蓋5の動作は不図示の上下動機構でおこなわれる。処理
室空間７の温度は例えば600℃程度の実際の熱処理温度
より低い温度に予熱されている。また、必要に応じて、SO
Iウエハ表面の酸化を防止するために、処理空間７には
窒素ガスを導入し、窒素ガス雰囲気とすることが望まし
い。引き続き、導入口１６から処理空間７にアルゴンガスを
導入し、処理室１内をアルゴン含有不活性雰囲気に置換
する。（工程S１１）次いでヒーター2により処理空間７を所定の処理温度に
加熱し、ＳＯＩウエハ６を９６６℃以上の温度、例えば1
100℃に昇温する。（工程S12）そして、例えば、１分以上の熱処理を行う。（工程S1
3）その後、ヒーター２への供給電力を下げて、ＳＯＩウエ
ハの温度を、７７５℃より低い所定の予熱温度(例えば6
00℃)に下げる。（工程Ｓ１４）所定の予熱温度に達した後に処理室１内の雰囲気を必要
に応じて置換し、その後に炉蓋5を下方に移動して、ボー
トから或いはボートごとSOIウエハ6を取り出す。こうし
て得られた薄膜ＳＯＩウエハのＨＦ欠陥は少ないもので
ある。

【００１９】（実施形態３）図３の装置を用いて、図４
の手順でSOIの熱処理を実施できる。炉蓋5をあらかじめ下方に移動した状態とし、被処理体と
しての複数のSOIウエハ6をボート３に搭載する。このＳ
ＯＩウエハのSOI層の厚さは２００ｎｍ以下である。次
いで炉蓋5を図示の状態に移動し、SOIウエハ6を処理室７
内に配置するとともに炉心管１の開口部８を封止する。
炉蓋5の動作は不図示の上下動機構でおこなわれる。処理
室空間７の温度は例えば600℃程度の実際の熱処理温度
より低い温度に予熱されている。また、必要に応じて、SO
Iウエハ表面の酸化を防止するために、処理空間７には
窒素ガスを導入し、不活性ガス雰囲気とすることが望ま
しい。引き続き、導入口１６から処理空間７に１００体積％の
水素ガス又は例えば３０体積％の水素を含む不活性ガス
を導入し、処理室１内を水素含有還元性雰囲気に置換す
る。（工程S２１）次いでヒーター2により処理空間７を所定の処理温度に
加熱し、ＳＯＩウエハ６を７７５℃以上の温度、例えば1
０５０℃に昇温する。（工程S２2）熱処理工程S２３では、例えば、１時間以上の熱処理を
行う。ヒーター2の加熱温度を下げて、処理空間７を６
００℃程度に降温する。（工程S２４）処理室１内を窒素ガスに置換して、炉蓋5を下方に移動
して、SOIウエハ6を取り出す。そして、このSOIウエハの
特性の測定や欠陥の測定など、所定の検査処理や加工処
理などを行う。（工程S25）再び、SOIウエハ6を処理室７内に配置する。この時も、
処理室空間７の温度は例えば600℃程度の実際の熱処理
温度より低い温度に予熱されている。また、必要に応じ
て、処理空間７には窒素ガスを導入し、不活性ガス雰囲
気とする。窒素ガスの供給を止めて、導入口１６から処理空間７に
アルゴンガスを導入し、処理室１内をアルゴン含有不活
性雰囲気に置換する。（工程S２６）ここでは、アルゴン
希釈の水素を導入することで、アルゴン含有不活性雰囲
気に代えて、水素を２５体積％以下、より好ましくは１
０体積％以下の濃度で含む弱還元性雰囲気としてもよ
い。次いで、ヒーター2により処理空間７を所定の処理
温度に加熱し、ＳＯＩウエハ６を９６６℃以上の温度、
例えば1100℃に昇温させ（工程２７）、例えば、１分以
上の熱処理を行う。（工程S２８）その後、工程S２９において、ヒーター２への供給電力
を下げて、ＳＯＩウエハの温度を、７７５℃より低い所
定の予熱温度(例えば600℃)に下げる。所定の予熱温度に達した後に処理室１内の雰囲気を必要
に応じて置換し、その後に炉蓋5を下方に移動して、ボー
トから或いはボートごとSOIウエハ6を取り出す。こうして得られたＳＯＩウエハのＨＦ欠陥は少ないもの
である。

【００２０】（実施形態４）上述した実施形態３におい
て、工程S26〜工程S２９までを、別の熱処理装置、例え
ばRTA又はRTPと呼ばれるような急速昇降温型の熱処理装
置を用いて行う。

【００２１】（実施形態５）図１に示した手順で、処理
室に１００％水素ガスを導入し、１０５０℃で３時間の
第１の熱処理をSOIに施す。

【００２２】温度を下げずに１００％アルゴン（又はH
e,Ne,Kr）などの希ガスに置換して、温度を１１５０℃
に上げ、１時間の第２の熱処理をSOIに施す。

【００２３】（実施形態６）図１に示した手順で、処理
室に１００％水素ガスを導入し、１０５０℃で３時間の
第１の熱処理をSOIに施す。

【００２４】温度を下げずにアルゴン（又はHe,Ne,Kr）
などの希ガスを導入して、処理室内を弱還元性雰囲気に
して、第２の熱処理をSOIに施す。アルゴン（又はHe,N
e,Kr）などの希ガスの導入により水素濃度が５体積％と
なったら、加熱を停止する。

【００２５】（実施形態７）図１に示した手順で、処理
室にアルゴン（又はHe,Ne,Kr）などの希ガスに水素ガス
を添加し、１０５０℃で、水素ガス添加により水素濃度
が５０体積％になってから３時間の第１の熱処理をSOI
に施す。

【００２６】温度を下げずに、水素ガスの添加量を減ら
し、水素濃度５体積％に下げてから、この弱還元性雰囲
気にて、２時間の第２の熱処理をSOIに施す。

【００２７】（実施形態８）図１に示した手順で、処理
室にアルゴン（又はHe,Ne,Kr）などの希ガスに水素ガス
を添加し、水素濃度９０体積％の雰囲気で１０５０℃に
加熱する。

【００２８】温度を下げずに、水素ガスの添加量を徐々
に減らし、還元性を弱め、４時間かけて水素濃度を５体
積％に下げて、加熱を停止する。

【００２９】（実施形態９）図１に示した手順で、処理
室に水素ガスを導入し、水素濃度１００体積％の雰囲気
で、１０５０℃、３時間の第１の熱処理を施す。

【００３０】温度を下げずに、アルゴン（又はHe,Ne,K
r）などの希ガスに置換して、７７５℃、又は９６６
℃、或いは９９３℃に降温し、２時間の第２の熱処理を
施す。

【００３１】（実施形態１０）図１に示した手順で、処
理室に水素ガスを導入し、水素濃度１００体積％の雰囲
気で、１０５０℃、３時間の第１の熱処理を施す。

【００３２】温度を下げずに、アルゴン（又はHe,Ne,K
r）などの希ガスに置換して、７７５℃、又は９６６
℃、或いは９９３℃に降温し、２時間の第２の熱処理を
施す。

【００３３】（実施形態１１）図１に示した手順で、処
理室に水素ガスを導入し、水素濃度１００体積％の雰囲
気で、まず７７５℃で、１時間保持し、その後１０５０
℃に昇温して、２時間保持することで第１の熱処理を施
す。

【００３４】温度を下げずに、アルゴン（又はHe,Ne,K
r）などの希ガスに置換して、２時間の第２の熱処理を
施す。

【００３５】（実施形態１２）図１に示した手順で、処
理室に水素ガスを導入し、水素濃度１００体積％の雰囲
気で、１０５０℃で、３時間の第１の熱処理を施す。

【００３６】温度を下げずに、アルゴン（又はHe,Ne,K
r）などの希ガスに置換して、１時間保持し、９９３℃
に降温して１時間、その後９６６℃に降温して１時間、
更に７７５℃に降温して１時間保持して、第２の熱処理
を施す。

【００３７】（実施形態１３）処理室に水素ガスを導入
し、水素濃度１００体積％の雰囲気で、１０５０℃で、
１時間の第１の熱処理を施す。

【００３８】温度を下げずに、アルゴン（又はHe,Ne,K
r）などの希ガスに置換して、１時間の第２の熱処理を
施す。

【００３９】再び、温度を下げずに水素ガスに置換し、
水素濃度１００体積％の雰囲気で、１０５０℃で、１時
間の第１の熱処理を施す。そして、温度を下げずに、再
びアルゴン（又はHe,Ne,Kr）などの希ガスに置換して、
１時間の第２の熱処理を施す。

【００４０】この第１及び第２の熱処理を２〜１０回、
或いはそれ以上繰り返し行う。

【００４１】最後はアルゴン（又はHe,Ne,Kr）などの希
ガス雰囲気で加熱を止める。

【００４２】（実施形態１４）図５を参照して本発明の
実施形態によるSOIの製造方法について説明する。

【００４３】図５の（ａ）に示すように、内部に分離層
２３を有する第１の基体２１を用意する。このような基
体の作製方法は以下のとおりである。第１の方法：単結晶シリコンウエハなどの基板２２を用
意して、その表面に陽極化成処理などを施し分離層２３
となる多孔質層を形成する。この多孔質層は必要に応じ
て、互いに多孔度の異なる複数の層にて構成するとよ
い。そして、必要に応じて、多孔質層の孔内壁面を酸化
した後、水素を含む還元性雰囲気中及び／又は原料ガス
を微量含む還元性雰囲気中で熱処理を行い、多孔質層の
表面孔を封止する。多孔質層上に非多孔質単結晶の半導
体層２４を形成する。こうして、第１の基体２１が得ら
れる。第２の方法：単結晶シリコンウエハなどの基板２２を用
意して、必要に応じてその表面に絶縁層を形成し、ヘリ
ウム、ネオン、アルゴンなどの希ガスのイオン、窒素イ
オン、水素イオンなどを、分離層２３を形成すべき深さ
付近にピーク濃度をもつように打ち込む。そうすると、
基板２２の所定の深さにおいて、打ち込まれた粒子がピ
ーク濃度をもつ層が得られる。このピーク濃度の付近に
は、局所的に、マイクロバブルが発生したり、欠陥が発
生したり、或いは歪みが発生したりするので、機械的強
度が局所的に弱くなり、後の分離工程における分離層２
３として働く。そして、分離層２３上の基板２２の表面
部分が半導体層２４となる。こうして、第１の基体２１
が得られる。図５の（ｂ）に示すように、第１の基体２
１とは別にシリコンウエハや石英ガラスウエハなどの第
２の基体２６を用意し、これと第１の基体２１とを貼り
合わせる。この時、少なくともいずれか一方の基体の表
面を絶縁性の表面としておく。ここでは、第１の基体２
１及び第２の基体２６の少なくともいずれかの表面に絶
縁層２５を形成して貼り合わせる例を図示している。図
５の（ｃ）に示すように、第１及び第２の基体２１、２
６に外力を加えて互いに引き離して、分離層２３におい
て第１及び第２の基体２１、２６を分離する。分離層２
３内及びその上下界面は、機械的強度が弱かったり、応
力が集中していたりするので、このような引き離し力に
より分離層２３の中やその上限界面に亀裂が生じる。こ
の外力としては、単純に貼り合せ基体を引っ張る方法、
貼り合せ基体の側面に流体ジェットを吹き付けたり、流
体を用いて静水圧をかけたりする方法、貼り合せ基体の
側面に固体の楔を挿入する方法などである。或いは、分
離層２３に光照射したり、貼り合せ基体を加熱したりし
て、分離層に発生する力によるものであってもよい。も
ちろん、個々の方法を組合わせて分離してもよい。第２
の基体２６上には非多孔質の半導体層が移設されてお
り、その表面（分離面）に残留する残留分離層２３Bが
比較的厚い場合には必要に応じて、これを除去し、表面
を平滑化して、図５の（ｄ）に示すようなSOIを作製す
る。本発明の熱処理方法は、この分離直後のSOIあるい
は、残留分離層を除去した後のSOI、或いは研磨による
表面平滑化を行った後のSOIに好適に用いられる。熱処
理方法の具体例は上述した実施形態１〜１３と同じであ
る。特に、残留多孔質層をウエットエッチングした後、
図１又は図４の処理を施すこと、或いはイオン注入によ
る分離層において分離した後、図１又は図４の処理を施
すことが、より好ましいものである。その後、SOI層の
端部の加工処理や各種汚染を取り除く洗浄処理を行っ
て、最終製品のSOIが得られる。尚、分離された第１の
基体の基板２２上に残留多孔質層２３Aが残留する場合
には、これを必要に応じて除去すれば、基板２２は再び
図５の（ａ）における基板２２として再び使用できる。

【００４４】

【実施例】本発明の実施例を以下に示す。ニッケル濃度が、SOI層の厚さが100nm、埋め込み酸化膜
の厚さが100nmのSOIウエハを複数用意した。図３に示し
た熱処理装置にＳＯＩウエハを投入し、第1の熱処理工
程として水素ガス100%雰囲気、温度1050℃の条件で3時間
の熱処理を施した。次いで、水素ガスを１００％アルゴンガスに置換して、
第２の熱処理工程としてアルゴンガス100%雰囲気、温度1
050℃の条件で２時間の熱処理を施した。第１の熱処理のみ行った、比較例によるSOIウエハと、第
１及び第２の熱処理を行った本実施例のＳＯＩウエハ
と、について、原子間力顕微鏡により、それらの表面平
滑性を観察した。その結果いずれも鏡面研磨されたミラ
ーウエハと同等水準の優れた表面平滑性を呈しているこ
とがわかった。又、第１の熱処理のみ行った、比較例によるSOIウエハ
と、第１及び第２の熱処理を行った本実施例のＳＯＩウ
エハと、をフッ酸に15分間浸漬した後、所定の範囲を光
学顕微鏡で観察し、HF欠陥数を計測し、計測数を観察面積
で除してHF欠陥密度を求めた。その結果を下記表1に示
す。

【００４５】

【表１】

【００４６】本実施例によれば、比較例の場合と比較し
てSOIウエハ上のHF欠陥密度を約1/5に減少することがで
き、HF欠陥密度を0.05個/cm²以下に減らせた。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、ＨF欠陥密度の低いSOI
を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱処理方法のフローチャートを示
す図。

【図２】本発明による別の熱処理方法のフローチャート
を示す図。

【図３】本発明に用いられる熱処理装置の模式的縦断面
図。

【図４】本発明による他の熱処理方法のフローチャート
を示す図。

【図５】本発明によるSOIの製造方法を説明するための
図。

【符号の説明】

１処理室２ヒーター３ボート４ヒートバリア５炉蓋６ＳＯＩウエハ７処理空間８開口部１６導入口１８排気口２１第１の基体２２基板２３分離層２４半導体層２５絶縁層２６第２の基体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性表面上に厚さが２００ｎｍ以下の
半導体層を有するSOIを、還元性雰囲気中においてシリ
コンの融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程
と、該第１の熱処理工程の後、該SOIを、不活性雰囲気
中或いは該還元性雰囲気より弱い還元性雰囲気中におい
て９６６℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理する
第２の熱処理工程と、を含むことを特徴とするSOIの熱
処理方法。
【請求項２】前記第１の熱処理工程における熱処理温
度が７７５℃以上である請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項３】前記第１の熱処理工程における熱処理温
度が９６６℃以上である請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項４】前記第１の熱処理工程における熱処理温
度が９９３℃以上である請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項５】前記還元性雰囲気は水素ガスを含む雰囲
気であり、前記弱い還元性雰囲気は水素ガスの濃度が１
０体積％以下の雰囲気である請求項１記載のSOIの熱処
理方法。
【請求項６】前記弱い還元性雰囲気が水素ガスの濃度
が２５体積％以下の雰囲気である請求項５記載のSOIの
熱処理方法。
【請求項７】前記第２の熱処理工程における熱処理温
度が９９３℃以上である請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項８】前記第１の熱処理工程前の前記半導体層
はCOPを含まない層である請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項９】前記半導体層がエピタキシャル成長法に
よって形成された層である請求項８記載のSOIの熱処理
方法。
【請求項１０】前記第１の熱処理工程では、誘導加熱
器を用いて熱処理を行う請求項1記載のSOIの熱処理方
法。
【請求項１１】前記第２の熱処理工程前の前記半導体
層表面のニッケル濃度が1×10⁹原子/cm²以上である請求
項1記載の熱処理方法。
【請求項１２】絶縁性表面上に厚さが２００ｎｍ以下
の半導体層を有するSOIを、不活性雰囲気中において９
６６℃以上シリコンの融点以下の温度で熱処理すること
を特徴とするSOIの熱処理方法。
【請求項１３】前記熱処理における熱処理温度が９９
３℃以上である請求項1２記載のSOIの熱処理方法。
【請求項１４】前記不活性雰囲気が、窒素ガスを含む
雰囲気である請求項1２記載のSOIの熱処理方法。
【請求項１５】前記不活性雰囲気が、希ガスを含む雰
囲気である請求項1２記載のSOIの熱処理方法。
【請求項１６】前記不活性雰囲気が、アルゴンガスを
含む雰囲気である請求項1２記載のSOIの熱処理方法。
【請求項１７】前記半導体層がエピタキシャル成長法
によって形成された層である請求項１２記載のSOIの熱
処理方法。
【請求項１８】前記熱処理工程前の前記半導体層表面
のニッケル濃度が1×10⁹原子/cm²以上である請求項1記
載の熱処理方法。
【請求項１９】絶縁性表面上に厚さが２００ｎｍ以下
の半導体層を有するSOIを、還元性雰囲気中においてシ
リコンの融点以下の温度で熱処理する第１の熱処理工程
と、該第１の熱処理工程の後、該SOIを、不活性雰囲気
中或いは該還元性雰囲気より弱い還元性雰囲気中におい
て、該半導体層を構成する半導体材料と金属との半導体
金属化合物の共晶温度以上該半導体材料の融点以下の温
度で熱処理する第２の熱処理工程と、を含むことを特徴
とするSOIの熱処理方法。
【請求項２０】絶縁性表面上に厚さが２００ｎｍ以下
の半導体層を有するSOIを、不活性雰囲気中において該
半導体層を構成する半導体材料と金属との半導体金属化
合物の共晶温度以上該半導体材料の融点以下の温度で熱
処理することを特徴とするSOIの熱処理方法。
【請求項２１】基体上に前記半導体層を形成しＳＯＩ
を作製する工程と、該SOIに請求項１〜２０のいずれか
に記載の熱処理方法を施す工程と、を含むことを特徴と
するSOIの製造方法。
【請求項２２】請求項1〜２０のいずれかに記載の熱
処理方法によって熱処理されたことを特徴とするSOI。
【請求項２３】請求項1〜２０のいずれかに記載の熱処
理方法によって熱処理され、HF欠陥密度が0.05個/cm²以
下であることを特徴とするSOI。