JP2009135469A - 半導体基板の作製方法および半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の生産効率を高めるため、５インチよりも大きく、できるだけ大口径の半導体基板を利用して半導体装置を製造することを課題とする。
【解決手段】第１の半導体ウエハの表面上にバッファ層を形成し、イオンドーピング装置によりＨ_３ ^＋イオンを第１の半導体ウエハに照射してバッファ層の下方に損傷領域を形成する。バッファ層を介して、第２の単結晶半導体基板と第１の単結晶半導体基板を密着させ、第２の単結晶半導体基板と第１の単結晶半導体基板とを貼り合わせ、第１の単結晶半導体基板の加熱によって損傷領域に亀裂を生じさせ、第１の単結晶半導体基板の一部を第１の単結晶半導体基板から分離する。第２の単結晶半導体基板に固定された単結晶半導体層を加熱しながら、単結晶半導体層にレーザビームを照射して平坦性の向上と結晶性の回復の両方を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁層上に形成された半導体層を有する半導体基板の作製方法および半導体装置の作製方法に関する。

なお、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、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。

近年、バルク状のシリコンウエハに代わり、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を使った集積回路が開発されている。絶縁層上に形成された薄い単結晶シリコン層の特長を生かすことで、集積回路中のトランジスタの半導体層を完全に分離して形成することができ、またトランジスタを完全空乏型とすることができるため、高集積、高速駆動、低消費電力など付加価値の高い半導体集積回路が実現できる。

ＳＯＩ基板として、ＳＩＭＯＸ基板、貼り合わせ基板が知られている。例えばＳＩＭＯＸ基板は、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入し、１３００℃以上で熱処理して埋め込み酸化膜（ＢＯＸ；Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層を形成することにより、表面に単結晶シリコン薄膜を形成してＳＯＩ構造を得ている。

貼り合わせ基板は、酸化膜を介して２枚の単結晶シリコン基板（ベース基板およびボンド基板）を貼り合わせ、一方の単結晶シリコン基板（ボンド基板）を裏面（貼り合わせた面ではない面）から薄膜化することにより、単結晶シリコン薄膜を形成してＳＯＩ構造を得ている。研削や研磨では均一で薄い単結晶シリコン薄膜を形成することが難しいため、スマートカット（登録商標）と呼ばれる水素イオン注入を利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このＳＯＩ基板の作製方法の概要を説明すると、イオンインプランテーション法によりシリコンウエハに水素イオンを注入することによって、表面から所定の深さにイオン注入層を形成する。次に、ベース基板となる別のシリコンウエハを酸化して酸化シリコン膜を形成する。その後、水素イオンを注入したシリコンウエハと、別のシリコンウエハの酸化シリコン膜とを接合させて、２枚のシリコンウエハを貼り合わせる。そして、加熱処理によって、イオン注入層を劈開面としてシリコンウエハを劈開させることで、ベース基板に薄い単結晶シリコン層が貼り付けられた基板が形成される。

イオンインプランテーション法は、イオン注入法とも呼ばれ、真空中で試料に注入したい粒子をイオン化し、直流もしくは高周波により加速して、試料に注入する方法である。イオン注入法を用いたイオン注入装置は、イオン源、質量分離部、加速部、ビーム走査部（静電スキャン）、注入室（エンドステーション）、及び真空排気装置から構成される。また、イオンビームの断面は不均一であるため、試料面上での均一性を得るために、イオンビームを電気的に走査する。また、注入した粒子は深さ方向にガウス分布を示す。

また、ＳＯＩ基板を用いた半導体装置の一例として、特許文献２が知られている。特許文献２にも、イオン注入法を用いて水素を注入することが開示されている。
特開平５−２１１１２８号公報 特開２０００−０１２８６４号公報

半導体装置の生産効率を高めるため、５インチよりも大きく、できるだけ大口径の半導体基板を利用して半導体装置を製造することが望まれている。

本発明は、膜厚が薄く、且つ、その膜厚の均一性が高い単結晶半導体層を絶縁膜上に有するＳＯＩ基板の作製方法を提供することを課題とする。また、そのＳＯＩ基板を用いた半導体装置の作製方法も提供することも課題とする。

また、イオン注入法は、所定の電流量のイオンビームをラスタースキャンして行われるため、半導体ウエハ内でイオン注入濃度のばらつきが生じる。このばらつきを反映して劈開面も平坦でなくなる恐れがある。

また、所定の電流量のイオンビームをラスタースキャンして行われるイオン注入法は、半導体基板のサイズが大きくなればなるほど１枚当たりの半導体ウエハを処理する時間が長くなる。

そこで、半導体ウエハの処理時間を短縮し、１枚当たりのＳＯＩ基板の製造時間を短縮することも本発明の課題とする。

本発明では、５インチ以上大きい大口径の半導体基板、例えば１２インチ（直径約３００ｍｍ）の半導体基板、直径約４００ｍｍの半導体基板、直径約４５０ｍｍの半導体基板、さらにはそれ以上の口径を有する半導体基板を用い、イオンドーピング法を用いて水素イオンを照射することで、１枚当たりのＳＯＩ基板の製造時間を短縮する。

質量分離を伴わないイオンドーピング法は、質量分離を伴うイオン注入法に比べて単結晶半導体基板に損傷領域を形成するタクトタイムを短縮できる点で好ましい。

イオン注入装置に比べて、イオンドーピング装置は、プラズマ空間が大きく、大量のイオンを被処理基板に照射することができる。プラズマ発生方法としては、どちらの装置も、例えば、フィラメントを熱して出てくる熱電子によりプラズマ状態を作っている。しかしながら、生成される水素イオン（Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋）が基板に打ち込まれる際の水素イオン種の割合は、イオンドーピング装置とイオン注入装置で大きく異なっている。イオンドーピング装置を用いた場合の水素イオン種の割合は、Ｈ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝１：１：８である。一方、イオン注入装置を用いた場合の水素イオン種の割合は、Ｈ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝３７：５６：７である。

本明細書で開示する発明の構成は、イオンドーピング法により、加速されたイオンを第１の単結晶半導体基板に照射することで、第１の単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に損傷領域を形成し、第２の単結晶半導体基板及び第１の単結晶半導体基板とをバッファ層を介して、第２の単結晶半導体基板と第１の単結晶半導体基板を密着させ、第２の単結晶半導体基板と第１の単結晶半導体基板とを貼り合わせ、第１の単結晶半導体基板の加熱によって損傷領域に亀裂を生じさせ、第１の単結晶半導体基板の一部を第１の単結晶半導体基板から分離して第１の単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層が固定された第２の単結晶半導体基板を形成し、第２の単結晶半導体基板に固定された単結晶半導体層を加熱しながら、単結晶半導体層にレーザビームを照射して、単結晶半導体層を溶融することで、単結晶半導体層を再単結晶化させることを特徴とする半導体基板の作製方法である。

本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決する。

上記構成において、バッファ層は、積層構造であり、第１の単結晶半導体基板または第２の単結晶半導体基板と接合する絶縁膜を含む。或いは、バッファ層は、第１の単結晶半導体基板または第２の単結晶半導体基板を酸化した酸化物膜を含む。

また、上記構成において、第２の単結晶半導体基板の直径は、少なくとも５インチ以上である半導体ウエハである。シリコンウエハの場合、結晶成長のもととなる種結晶を回転させながら、坩堝内の溶解シリコンに浸し、アルゴン雰囲気中で徐々に引き上げていく液相引き上げ法（ＣＺ法）によりシリコンのインゴットを作製し、インゴットをスライサやマルチワイヤソーなどによって所望の厚さにスライスすることでシリコンウエハを作製している。また、化合物半導体単結晶ウエハを用いることもできる。大口径のウエハを作製する場合、坩堝容積を大きくしなければならないが、坩堝内の結晶融液の対流が大きくなるため、得られる単結晶の品質が低下するという問題が発生する。このため、シリコン融液に磁場を印加して見かけの動粘性率を高めて融液の対流を制御する磁場印加引き上げ法（ＭＣＺ法）も用いられる。また、浮遊帯域融解法（ＦＺ法）によりシリコンのインゴットを作製することもある。本明細書に示す単結晶半導体基板とは、ＭＣＺ法やＣＺ法やＦＺ法を用いて得られるシリコン単結晶ウエハに加え、化合物半導体単結晶基板（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ等）も含み、さらには微量にゲルマニウムを含むシリコン単結晶ウエハ、微量にボロンを含むシリコン単結晶ウエハを指すものとする。

また、貼り合わせるウエハとして多結晶ウエハを用いることができ、他の発明の構成は、イオンドーピング法により、加速されたイオンを単結晶半導体基板に照射することで、単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に損傷領域を形成し、多結晶半導体基板及び単結晶半導体基板とをバッファ層を介して、多結晶半導体基板と単結晶半導体基板を密着させ、多結晶半導体基板と単結晶半導体基板とを貼り合わせ、単結晶半導体基板の加熱によって損傷領域に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板の一部を単結晶半導体基板から分離して単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層が固定された多結晶半導体基板を形成し、多結晶半導体基板に固定された単結晶半導体層を加熱しながら、単結晶半導体層にレーザビームを照射して、単結晶半導体層を溶融することで、単結晶半導体層を再単結晶化させることを特徴とする半導体基板の作製方法である。

上記構成において、バッファ層は、積層構造であり、単結晶半導体基板または多結晶半導体基板と接合する絶縁膜を含む。或いは、バッファ層は、積層構造であり、単結晶半導体基板または多結晶半導体基板を酸化した酸化物膜を含む。

また、上記構成において、多結晶半導体基板の直径は、少なくとも５インチ以上であるウエハである。本明細書に示す多結晶半導体基板とは、シリコン多結晶ウエハに加え、化合物半導体多結晶基板も含み、さらには微量にゲルマニウムを含むシリコン多結晶ウエハ、微量にボロンを含むシリコン多結晶ウエハを指すものとする。

また、上記各構成において、バッファ層は、積層構造であり、窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜を含む。バッファ層の一層として窒化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜を用いた場合、窒化シリコン膜や窒化酸化シリコン膜により生ずるＳｉの格子歪を利用して高い電子移動度を有するトランジスタを作製することができる。

また、上記各構成において、バッファ層は、積層構造であり、単結晶半導体層に密着する絶縁膜を有し、絶縁膜は塩素またはフッ素などのハロゲンを含む。単結晶半導体層に接する絶縁膜にハロゲンを含ませておくことで、５００℃〜１１００℃の加熱処理の際や、レーザビームの照射の際に、その絶縁膜も加熱されるため、絶縁膜からハロゲンが拡散し、単結晶半導体層と絶縁膜界面にハロゲンを偏析させることができる。ハロゲンを単結晶半導体層と絶縁膜との界面に偏析させることで、ハロゲンによりこの界面に存在するナトリウムなどの不純物イオンを捕獲することができる。よって、ハロゲンを含んだ絶縁膜を形成は、ナトリウムなどの不純物汚染を防ぐために、非常に効果的である。

また、上記各構成において、さらに単結晶半導体層の表面に対して化学機械研磨などの研磨または研削を行い、単結晶半導体層の表面平坦性を向上させる、または単結晶半導体層の膜厚を薄くしてもよい。なお、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、略称：ＣＭＰ）は、アルカリ性溶液と研磨砥粒を混合させたスラリーを用いて化学的、且つ、機械的に研磨して表面を平坦化する処理である。

また、上記各構成において、レーザビーム照射の際に加熱する単結晶半導体層の加熱温度は、５００℃以上１１００℃以下とする。単結晶半導体層の加熱はステージに設ける加熱手段または、加熱されたガスを吹きつける、またはランプ照射により行う。

また、上記各構成において、レーザ光の照射領域の上面形状は線状、正方形、または長方形とする。レーザ光の照射領域の長さは、照射する半導体ウエハの直径よりも長くして、半導体ウエハを固定したステージを一方向に移動させることで半導体ウエハ全面へのレーザ照射を行う。

ここでは、単結晶とは、ある結晶軸に注目した場合、その結晶軸の方向が試料のどの部分において同じ方向を向いている結晶のことをいい、かつ結晶と結晶との間に結晶粒界が存在しない結晶である。なお、本明細書では、結晶欠陥やダングリグボンドを含んでいても、上記のように結晶軸の方向が揃っており、粒界が存在していない結晶であるものは単結晶とする。また、単結晶半導体層の再単結晶化とは、単結晶構造の半導体層が、その単結晶構造と異なる状態（例えば、液相状態）を経て、再び単結晶構造になることをいう。あるいは、単結晶半導体層の再単結晶化とは、単結晶半導体層を再結晶化して、単結晶半導体層を形成するということもできる。

イオンドーピング装置を用いることにより、従来のイオン注入法を用いたＳＯＩ基板の作製方法と比べて、水素イオンを照射する時間を短縮し、１枚当たりのＳＯＩ基板の製造時間を短縮することができる。

本発明の実施形態について、以下に説明する。

（実施の形態１）
ＳＯＩ基板の製造方法について図１を参照して以下に説明する。まず、第１の半導体ウエハ１０１上にバッファ層１０２を形成する。

ここでは、第１の半導体ウエハ１０１として、結晶方位が（１００）である１２インチの単結晶シリコンウエハ（直径約３００ｍｍ）を例に用いる。

円形状の単結晶半導体ウエハには、シリコンやゲルマニウムなどの半導体ウエハ、ガリウムヒ素やインジウムリンなどの化合物半導体ウエハなどがある。もちろん、単結晶半導体基板は、円形のウエハに限定されるものではなく、様々な形状の単結晶半導体基板を用いることができる。例えば、円形、長方形、五角形、六角形などの多角形の基板を用いることができる。

また、長方形の単結晶半導体基板は、市販の円形状の単結晶半導体ウエハを切断することで形成することができる。基板の切断には、ダイサー或いはワイヤソー等の切断装置、レーザ切断、プラズマ切断、電子ビーム切断、その他任意の切断手段を用いることができる。また、基板として薄片化する前の半導体基板製造用のインゴットを、その断面が長方形になるように直方体状に加工し、この直方体状のインゴットを薄片化することでも、長方形状の単結晶半導体基板を製造することができる。また、単結晶半導体基板の厚さは特に限定されないが、単結晶半導体基板を再利用することを考慮すれば、厚い方が１枚の原料ウエハからより多くの単結晶半導体層を形成することができるため、好ましい。市場に流通している単結晶シリコンウエハの厚さは、そのサイズはＳＥＭＩ規格に準じており、例えば直径６インチのウエハは膜厚６２５μｍ、直径８インチのウエハは膜厚７２５μｍ、直径１２インチのウエハは７７５μｍとされている。なお、ＳＥＭＩ規格のウエハの厚さは公差±２５μｍを含んでいる。もちろん、原料ウエハの厚さはＳＥＭＩ規格に限定されず、インゴットをスライスするときに、その厚さを適宜調節することができる。もちろん、再利用された単結晶半導体基板を用いるときには、その厚さは、ＳＥＭＩ規格よりも薄くなる。

バッファ層１０２は、１層または２層以上の膜で形成することができる。バッファ層１０２としては、十分な平坦性が得られるのであれば、ＰＥＣＶＤ法またはスパッタ法により得られる酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化ゲルマニウム膜、窒化ゲルマニウム膜、酸化窒化ゲルマニウム膜、窒化酸化ゲルマニウム膜などのシリコンまたはゲルマニウムを組成に含む絶縁膜を用いることができる。また、バッファ層１０２としてプロセスガスに有機シランガスと酸素を用いて、ＰＥＣＶＤ法で形成される酸化珪素膜を用いてもよい。また、熱酸化により得られる熱酸化膜を用いることもできる。ただし、熱酸化により得られる熱酸化膜はウエハの表面及び裏面および端面を含む表面に形成される。

また、バッファ層１０２として酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウムなどの金属の酸化物でなる絶縁膜、窒化アルミニウムなどの金属の窒化物でなる絶縁膜、酸化窒化アルミニウム膜などの金属の酸化窒化物でなる絶縁膜、窒化酸化アルミニウム膜などの金属の窒化酸化物でなる絶縁膜を用いることもできる。

なお、本明細書において、酸化窒化物とは、その組成として、窒素原子よりも酸素原子の数が多い物質とし、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素原子より窒素原子の数が多い物質とする。例えば、酸化窒化シリコンとは、酸素が５５〜６５原子％、窒素が１〜２０原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれる物質とする。窒化酸化シリコンとは、酸素が１５〜３０原子％、窒素が２０〜３５原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が１５〜２５原子％の範囲で含まれる物質とする。

本実施の形態では、バッファ層１０２としてＰＥＣＶＤ法により得られる酸化珪素膜（膜厚１００ｎｍ）と、その上に窒化珪素膜（膜厚５０ｎｍ）を積層した２層構造を用いる。なお、第１の半導体ウエハ１０１上に接して窒化珪素膜を形成することは、後に形成されるトランジスタの特性上望ましくないため、間に酸化珪素膜を設ける。また、窒化珪素膜に代えて窒化酸化珪素膜を用いてもよい。

また、バッファ層１０２の少なくとも１層として窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜などの窒化酸化物を用いる場合、バッファ層１０２の膜応力により生ずるＳｉの格子歪を利用してバッファ層１０２上に高い電子移動度を有するトランジスタを作製することができる。

ここまでの段階を示す工程断面図が図１（Ａ）に相当する。

次いで、イオンドーピング装置を用いてバッファ層１０２を介して第１の半導体ウエハ１０１にＨ_３ ^＋イオンの照射を行う。このドーピングの条件は、電源出力１００Ｗ、加速電圧３５ｋＶ、ドーズ量は２．２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とする。イオンドーピング装置は、イオンの分布を均一化するために第１の半導体ウエハ１０１を回転させている。このＨ_３ ^＋イオンの照射により水素を多く含む損傷領域１０３が形成される。また、損傷領域１０３とバッファ層１０２との間には、単結晶半導体層１０４が形成される。ここまでの段階を示す工程断面図が図１（Ｂ）に相当する。この単結晶半導体層１０４の膜厚は、損傷領域１０３の深さ方向の位置により決定される。従って、単結晶半導体層１０４の膜厚は、Ｈ_３ ^＋イオンのドーピング条件（加速電圧など）に依存する。照射される水素イオン種の全体におけるＨ_３ ^＋イオンの割合を高めておくと効率を高めることができ、照射時間を短縮することができる。

次いで、バッファ層１０２が形成された第１の半導体ウエハ１０１を純水中で超音波洗浄する。

次いで、バッファ層１０２の表面を清浄化した後、第２の半導体ウエハ１０５の一方の面とを密接させ、第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５とを重ねて貼り合わせて接合を形成する。なお、接合を形成する第２の半導体ウエハ１０５の一方の面は、十分に清浄化しておく。第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５とを重ねて合わせ、少なくとも一箇所を外部から軽く押しつけると、局所的に接合面同士の距離が縮まる事によって、ファン・デル・ワールス力が強まり、さらに水素結合も寄与し、お互いに引きつけ合い、第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５とが接合する。更に、隣接した領域でも対向する基板間の距離が縮まるので、ファン・デル・ワールス力が強く作用する領域や水素結合が関与する領域が広がる事によって、ボンディングが進行し接合面全域に接合が広がる。

また、第１の半導体ウエハ１０１のバッファ層が形成されている面と第２の半導体ウエハ１０５の一方の面とを密接させる前にオゾンを含む純水で洗浄してもよい。

また、第１の半導体ウエハ１０１のバッファ層が形成されている面と第２の半導体ウエハ１０５の一方の面とを密接させる前に第１の半導体ウエハ１０１上にバッファ層の一層となる絶縁膜をさらに形成してもよい。また、第１の半導体ウエハ１０１のバッファ層が形成されている面と第２の半導体ウエハ１０５の一方の面とを密接させる前に第２の半導体ウエハ１０５上にバッファ層の一層となる絶縁膜をさらに形成してもよい。

第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５とをバッファ層１０２を介して貼り合わせた後は、加熱処理又は加圧処理を行うことが好ましい。加熱処理又は加圧処理を行うことで接合強度を向上させることが可能となる。ここでの加熱温度は、損傷領域１０３に添加した元素または分子が析出しない温度とし、その加熱温度は３５０℃以下が好ましい。言い換えると、この加熱温度は損傷領域１０３からガスが抜けない温度である。加圧処理を行う場合は、接合面に垂直な方向に圧力が加わるように行い、第１の半導体ウエハ１０１及び第２の半導体ウエハ１０５の耐圧性を考慮して行う。

ここまでの段階を示す工程断面図が図１（Ｃ）に相当する。

次いで、４００℃乃至６００℃の加熱処理を行うことにより、損傷領域１０３に形成された微小な空洞の体積変化が起こり、損傷領域１０３に沿って劈開する。さらにここでの加熱処理により、接合層の接合強度が高まる。加熱処理は、加熱するための炉やレーザビームの照射で行うことができる。ここでの加熱処理には、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、抵抗加熱炉、マイクロ波加熱装置を用いることができる。ＲＴＡ装置には、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。この加熱処理で、単結晶半導体層１０４が貼り付けられた第２の半導体ウエハ１０５の温度が５５０℃以上６５０℃以下の範囲に上昇させることが好ましい。

本実施の形態では、抵抗加熱を有する縦型炉を用いた加熱処理を行う。第１の半導体ウエハ１０１が貼り付けられた第２の半導体ウエハ１０５を縦型炉のボートに載置する。ボートを縦型炉のチャンバーに搬入する。第１の半導体ウエハ１０１の酸化を抑制するため、まずチャンバー内を排気して真空状態とする。真空度は、５×１０^−３Ｐａ程度とする。真空状態にした後、窒素をチャンバー内に供給して、チャンバー内を大気圧の窒素雰囲気にする。この間、温度を２００℃に上昇させる。

チャンバー内を大気圧の窒素雰囲気にした後、温度２００℃で２時間加熱する。その後、１時間かけて４００℃に温度上昇させる。加熱温度４００℃の状態が安定したら、１時間かけて６００℃に温度上昇させる。加熱温度６００℃の状態が安定したら、６００℃で２時間加熱処理する。その後、１時間かけて、加熱温度４００℃まで下げ、１０分〜３０分間後に、チャンバー内からボートを搬出する。大気雰囲気下で、ボート上の第１の半導体ウエハ１０１、および第１の半導体ウエハ１０１が貼り付けられた第２の半導体ウエハ１０５を冷却する。

上記の抵抗加熱炉を用いた加熱処理は、第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５との結合力を強化するための加熱処理と、損傷領域１０３に分離を生じさせる加熱処理が連続して行われる。この２つの加熱処理を異なる装置で行う場合は、例えば、抵抗加熱炉において、処理温度２００℃、処理時間２時間の加熱処理を行った後、貼り合わされた第２の半導体ウエハ１０５と第１の半導体ウエハ１０１を炉から搬出する。次いで、ＲＴＡ装置で、処理温度６００℃以上７００℃以下、処理時間１分以上３０分以下の加熱処理を行い、第１の半導体ウエハ１０１を損傷領域１０３で分割させる。

７００℃以下の低温処理で、第１の半導体ウエハ１０１と第２の半導体ウエハ１０５を強固に接合させるためには、バッファ層１０２の表面、および支持基板の表面にＯＨ基、水分子（Ｈ_２Ｏ）が存在することが好ましい。これは、バッファ層１０２と第２の半導体ウエハ１０５との接合が、ＯＨ基や水分子が共有結合（酸素分子と水素分子の共有結合）や水素結合を形成することで開始するからである。

以上の工程を経ることによって、図１（Ｄ）に示すＳＯＩ基板を得ることができる。図１（Ｄ）に示すＳＯＩ基板は、第２の半導体ウエハ１０５上にバッファ層１０２を有し、そのバッファ層１０２上に単結晶半導体層１０４を有する構造である。

図１（Ｄ）に示す段階の単結晶半導体層１０４には、損傷領域１０３の形成、および損傷領域１０３での劈開などによって、結晶性が損なわれている。つまり、加工前の第１の半導体ウエハ１０１には無かった転移などの結晶欠陥や、ダングリングボンドのようなミクロな結晶欠陥が単結晶半導体層１０４に形成されている。また、単結晶半導体層１０４の表面は、第１の半導体ウエハ１０１からの分離面であり、平坦性が損なわれている。なお、単結晶半導体層表面の平坦性は、原子間力顕微鏡による観察などにより評価することができる。図１（Ｄ）に示す段階の単結晶半導体層１０４の平坦性は、算術平均粗さＲａが約８ｎｍ、二乗平均平方根粗さＲＭＳが約１１ｎｍ、最大高低差値Ｐ−Ｖが約１５０ｎｍ以上である。

次いで、単結晶半導体層１０４の平坦性を向上させる処理または結晶性を回復させる処理を行う。平坦性を向上させる処理として、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、略称：ＣＭＰ）またはレーザ光の照射を行う。

単結晶半導体層１０４の平坦性を向上させるために、ＣＭＰを行う場合、ＣＭＰを行った後、ＣＭＰ処理で用いるスラリーなどを洗浄し、その後５００℃〜１１００℃の加熱処理を行って結晶性を回復させる。５００℃〜１１００℃の加熱処理は、ＲＴＡ装置、抵抗加熱炉、マイクロ波加熱装置を用いることができる。ＲＴＡ装置には、ＧＲＴＡ装置、ＬＲＴＡ装置を用いることができる。また、先に５００℃〜１１００℃の加熱処理を行って結晶性を回復させた後、ＣＭＰを行ってもよい。

また、単結晶半導体層１０４の平坦性を向上させるために、レーザビームを照射する場合、平坦性の向上と結晶性の回復の両方を行うことができる。レーザビームの照射により、単結晶半導体層１２４の平坦性は、算術平均粗さＲａが約２ｎｍ以下、二乗平均平方根粗さＲＭＳが約２ｎｍ以下、最大高低差値Ｐ−Ｖが約２５ｎｍ以下とすることができる。また、レーザ照射処理された単結晶半導体層１０４は、レーザ照射前の単結晶半導体層よりも結晶性が向上する。なお、単結晶半導体層の結晶性は、光学顕微鏡による観察、およびラマン分光スペクトルから得られるラマンシフト、半値全幅などにより評価することができる。

ここでは、図１（Ｅ）に示すように、移動可能なステージ１００にヒータを内蔵させて第２の半導体ウエハ１０５を５００℃〜１１００℃に加熱させながら移動させ、単結晶半導体層１０４の表面にレーザビーム１２５を照射して平坦性が向上した単結晶半導体層１２４を有するＳＯＩ基板を作製することができる。レーザ照射後、単結晶半導体層１２４に５００℃以上１１００℃以下の加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理によって、レーザビームの照射で回復されなかった単結晶半導体層１２４の欠陥の消滅や、単結晶半導体層１２４の歪みの緩和をすることができる。この加熱処理には、ＲＴＡ装置、抵抗加熱炉、マイクロ波加熱装置を用いることができる。ＲＴＡ装置には、ＧＲＴＡ装置、ＬＲＴＡ装置を用いることができる。

なお、レーザビーム１２５を照射する前にエッチング処理を行うことが好ましい。このエッチング処理により、単結晶半導体層１０４の分離面に残っている損傷領域１０３を除去することが好ましい。損傷領域１０３を除去することで、レーザビーム１２５の照射による、表面の平坦化の効果、および再単結晶化の効果を高めることができる。

このエッチングには、ドライエッチング法、またはウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法では、エッチングガスに、塩化硼素、塩化珪素または四塩化炭素などの塩化物ガス、塩素ガス、弗化硫黄、弗化窒素などの弗化物ガス、酸素ガスなどを用いることができる。ウエットエッチング法では、エッチング液には、水酸化テトラメチルアンモニウム（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、略称；ＴＭＡＨ）溶液を用いることができる。

レーザビーム１２５を照射すると、単結晶半導体層１０４がレーザビーム１２５を吸収し、レーザビーム１２５が照射された部分が温度上昇する。この部分の温度が単結晶半導体層１０４の融点以上の温度になると、溶融する。ステージ１００が移動することで、レーザビーム１２５の照射領域が移動するため、単結晶半導体層１０４の溶融部分の温度が下がり、融点以下の温度となるとこの溶融部分は凝固し、再単結晶化する。レーザビーム１２５を照射して、単結晶半導体層１０４を溶融しながら、レーザビーム１２５を走査して、単結晶半導体層全面にレーザビームを照射する。

また、レーザビーム１２５の照射によって、単結晶半導体層１０４のレーザビーム１２５が照射されている領域を部分溶融させている。単結晶半導体層１０４を部分溶融状態にさせるとは、単結晶半導体層１０４の溶融されている深さがバッファ層１０２の界面（単結晶半導体層１０４の厚さ）よりも浅くすることである。つまり、単結晶半導体層１０４において部分溶融状態とは、単結晶半導体層１０４の上層は溶融して液相となり、下層は溶けずに、固相の単結晶半導体のままである状態をいう。

レーザビーム１２５の照射により、部分溶融させることで、単結晶半導体層１０４では、溶融された部分が凝固するときに、下層の溶融されていない固相部分である単結晶半導体から結晶成長し、いわゆる縦成長が起こる。下層の固相部分は単結晶であり、結晶方位がそろっているため、結晶粒界が形成されず、レーザ照射処理後の単結晶半導体層１２４は、結晶粒界の無い単結晶半導体層とすることができる。また、溶融された上層は、凝固することで再単結晶化するが、下層の固相部分の単結晶半導体と結晶方位が揃った単結晶半導体が形成される。よって、第１の半導体ウエハ１０１として主表面の面方位が（１００）の単結晶シリコンウエハを用いた場合、単結晶半導体層１０４の主表面の面方位は、（１００）であり、レーザ照射処理によって部分溶融させ、再単結晶化された単結晶半導体層１２４の主表面の面方位は（１００）になる。

レーザビーム１２５の照射によって、単結晶半導体層１０４を部分溶融させることで、表面が平坦な単結晶半導体層１２４を形成することができる。これは、レーザビームの照射により単結晶半導体層が溶融された部分は液体であるため、表面張力の作用によって、その表面積が最小になるように変形する。つまり、液体部分は凹部、および凸部が無くなるような変形し、この液体部分が凝固し、再単結晶化するため、表面が平坦化された単結晶半導体層１２４を形成することができる。

レーザビーム１２５の照射の際、５００℃〜１１００℃の加熱を行う長所は、単結晶半導体層が溶融している時間を延長させることができる点と、レーザビームの照射領域を予め加熱することにより単結晶半導体層の溶融に必要なレーザビームのエネルギーを低減することができる点が少なくとも挙げられる。溶融した単結晶半導体層の冷却速度を自然冷却に比べて低減させることができれば、溶融している時間の延長により再単結晶化がスムーズに行われ、粒界のない単結晶半導体層を得ることができる。

室温でレーザビームを照射した場合、溶融している時間は約１００ナノ秒程度以下であるが、ステージの加熱手段により単結晶半導体層を加熱することにより、溶融している時間を１００ナノ秒以上に延長することができ、例えば溶融している時間を２００ナノ秒以上とすることができる。

溶融している時間を延長することにより、単結晶半導体層がレーザビームの照射によって溶融してから固化するまでに、次のレーザビームを照射できるため、ショット数を低減することができる。ショット数を低減しても十分な平坦化を得られる。また、ショット数を低減することは生産性の向上に寄与する。レーザビームの走査において、１回のショットと次のショットとを一部重ねてオーバーラップさせる割合をオーバーラップ率とも呼ぶが、溶融している時間を延長することにより、オーバーラップ率も十分の一程度にまで低減でき、さらに０％とすることもできる。また、単結晶半導体層の溶融に必要なレーザビームのエネルギーを低減することができれば、光学系などを調節することによって、１回のショットの照射面積も拡大することができる。１回のショットの照射面積も拡大できれば、１枚当たりのレーザ処理にかかる時間を短縮することもできる。

特に本実施の形態のように大口径のウエハ（１２インチの単結晶シリコンウエハ（直径約３００ｍｍ））を用いる場合、１回のショットの照射面積を拡大して処理時間を短時間とすることは有効である。

また、レーザビーム１２５を発振するレーザ発振器は、その発振波長が、紫外光域乃至可視光域にあるものが選択される。レーザビーム１２５の波長は、単結晶半導体層１０４に吸収される波長とする。その波長は、レーザ光の表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）などを考慮して決定することができる。例えば、波長は２５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲とすることができる。

このレーザ発振器には、連続発振レーザ、疑似連続発振レーザおよびパルス発振レーザを用いることができる。部分溶融させるためパルス発振レーザが好ましい。パルス発振レーザの場合は、繰り返し周波数１ＭＨｚ以下、パルス幅１０ｎ秒以上５００ｎ秒以下とすることができる。代表的なパルス発振レーザは、４００ｎｍ以下の波長のビームを発振するエキシマレーザである。レーザとして、例えば、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、パルス幅２５ｎ秒、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを用いることができる。

レーザビーム１２５のエネルギーは、レーザビーム１２５の波長、レーザビーム１２５の表皮深さ、単結晶半導体層１０４の膜厚などを考慮して決定することができる。レーザビーム１２５のエネルギーは、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ^２以上８００ｍＪ／ｃｍ^２以下の範囲とすることができる。例えば、単結晶半導体層１０４の厚さが１２０ｎｍ程度であり、レーザ発振器にパルス発振レーザを用い、レーザビーム１２５の波長が３０８ｎｍの場合は、レーザビーム１２５のエネルギー密度は６００ｍＪ／ｃｍ^２〜７００ｍＪ／ｃｍ^２とすることができる。

レーザビーム１２５の照射の雰囲気は、雰囲気を制御しない大気雰囲気でも、酸素が少ない窒素ガス雰囲気のいずれでも、単結晶半導体層１０４の平坦化の効果があることが、確認されている。また、大気雰囲気よりも窒素ガス雰囲気が好ましいことが確認されている。窒素雰囲気や真空状態のほうが、大気雰囲気よりも単結晶半導体層１０４の平坦性を向上させる効果が高く、また、これらの雰囲気のほうが大気雰囲気よりもクラックの発生を抑える効果が高くなるため、レーザビーム１２５の使用可能なエネルギー範囲が広くなる。

また、レーザビームを照射する際の半導体ウエハを取りまく雰囲気は、酸素や水分を極力少なくした窒素ガス雰囲気が好ましい。窒素ガス雰囲気に含まれる酸素濃度は３０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｂ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、窒素ガス雰囲気に含まれる水分（Ｈ_２Ｏ）濃度も３０ｐｐｍ以下であることが好ましい。望ましくは、窒素ガス雰囲気に含まれる酸素濃度３０ｐｐｂ以下、且つ、水分濃度３０ｐｐｂ以下とする。

また、窒素ガス雰囲気中で、レーザビームの照射領域に５００℃〜１１００℃に加熱した窒素ガスを吹きつけながらレーザビームの照射を行うことで、単結晶半導体層１０４の表面温度を高く維持することができる。勿論、吹きつける窒素ガスも高純度の窒素ガスを用いることが好ましく、窒素ガスに含まれる酸素濃度は３０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｂ以下であることが好ましい。レーザ照射の際に、窒素雰囲気及び吹きつける窒素ガスに含まれる酸素元素を極力低減することで、単結晶半導体層表面にレーザ照射による酸化膜が形成されることを防ぐ。

また、工程数が増加するが、５００℃〜１１００℃の加熱処理を行った後、室温でレーザビームの照射を行い、さらにＣＭＰを行うこともできる。また、工程数が増加するが、５００℃〜１１００℃の加熱処理を行った後、５００℃〜１１００℃の加熱を行いながらレーザビームの照射を行い、さらにＣＭＰを行うこともできる。また、工程数が増加するが、室温でレーザビームの照射を行い、５００℃〜１１００℃の加熱処理を行った後、さらにＣＭＰを行うこともできる。また、工程数が増加するが、５００℃〜１１００℃の加熱を行いながらレーザビームの照射を行い、さらに５００℃〜１１００℃の加熱処理を行った後、さらにＣＭＰを行うこともできる。

また、工程数が増加するが、単結晶半導体層１２４の膜厚をさらに薄くするため、エッチング処理または熱酸化処理またはＣＭＰ処理を行ってもよい。単結晶半導体層１２４の厚さは、単結晶半導体層１２４から形成される素子の特性に合わせて決めることができる。第２の半導体ウエハ１０５に貼り付けられた単結晶半導体層１２４の表面に、薄いゲート絶縁層を段差被覆性良く形成するには、単結晶半導体層１２４の厚さは５０ｎｍ以下とすることが望ましく、その厚さは５０ｎｍ以下５ｎｍ以上とすればよい。

また、図１（Ｂ）の工程の際、イオンドーピング装置により、イオンの照射方法について以下に考察する。

本発明では、水素（Ｈ）に由来するイオン（以下「水素イオン種」と呼ぶ）を単結晶半導体基板に対して照射している。より具体的には、水素ガス又は水素を組成に含むガスを原材料として用い、水素プラズマを発生させ、該水素プラズマ中の水素イオン種を単結晶半導体基板に対して照射している。

（水素プラズマ中のイオン）
上記のような水素プラズマ中には、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋といった水素イオン種が存在する。ここで、各水素イオン種の反応過程（生成過程、消滅過程）について、以下に反応式を列挙する。
ｅ＋Ｈ→ｅ＋Ｈ^＋＋ｅ （１）
ｅ＋Ｈ_２→ｅ＋Ｈ_２ ^＋＋ｅ （２）
ｅ＋Ｈ_２→ｅ＋（Ｈ_２）^＊→ｅ＋Ｈ＋Ｈ （３）
ｅ＋Ｈ_２ ^＋→ｅ＋（Ｈ_２ ^＋）^＊→ｅ＋Ｈ^＋＋Ｈ （４）
Ｈ_２ ^＋＋Ｈ_２→Ｈ_３ ^＋＋Ｈ （５）
Ｈ_２ ^＋＋Ｈ_２→Ｈ^＋＋Ｈ＋Ｈ_２ （６）
ｅ＋Ｈ_３ ^＋→ｅ＋Ｈ^＋＋Ｈ＋Ｈ （７）
ｅ＋Ｈ_３ ^＋→Ｈ_２＋Ｈ （８）
ｅ＋Ｈ_３ ^＋→Ｈ＋Ｈ＋Ｈ （９）

図３に、上記の反応の一部を模式的に表したエネルギーダイアグラムを示す。なお、図３に示すエネルギーダイアグラムは模式図に過ぎず、反応に係るエネルギーの関係を厳密に規定するものではない点に留意されたい。

（Ｈ_３ ^＋の生成過程）
上記のように、Ｈ_３ ^＋は、主として反応式（５）により表される反応過程により生成される。一方で、反応式（５）と競合する反応として、反応式（６）により表される反応過程が存在する。Ｈ_３ ^＋が増加するためには、少なくとも、反応式（５）の反応が、反応式（６）の反応より多く起こる必要がある（なお、Ｈ_３ ^＋が減少する反応としては他にも（７）、（８）、（９）が存在するため、（５）の反応が（６）の反応より多いからといって、必ずしもＨ_３ ^＋が増加するとは限らない。）。反対に、反応式（５）の反応が、反応式（６）の反応より少ない場合には、プラズマ中におけるＨ_３ ^＋の割合は減少する。

上記反応式における右辺（最右辺）の生成物の増加量は、反応式の左辺（最左辺）で示す原料の密度や、その反応に係る速度係数などに依存している。ここで、Ｈ_２ ^＋の運動エネルギーが約１１ｅＶより小さい場合には（５）の反応が主要となり（すなわち、反応式（５）に係る速度係数が、反応式（６）に係る速度係数と比較して十分に大きくなり）、Ｈ_２ ^＋の運動エネルギーが約１１ｅＶより大きい場合には（６）の反応が主要となることが実験的に確認されている。

荷電粒子は電場から力を受けて運動エネルギーを得る。該運動エネルギーは、電場によるポテンシャルエネルギーの減少量に対応している。例えば、ある荷電粒子が他の粒子と衝突するまでの間に得る運動エネルギーは、その間に通過した電位差分のポテンシャルエネルギーに等しい。つまり、電場中において、他の粒子と衝突することなく長い距離を移動できる状況では、そうではない状況と比較して、荷電粒子の運動エネルギー（の平均）は大きくなる傾向にある。このような、荷電粒子に係る運動エネルギーの増大傾向は、粒子の平均自由行程が大きい状況、すなわち、圧力が低い状況で生じ得る。

また、平均自由行程が小さくとも、その間に大きな運動エネルギーを得ることができる状況であれば、荷電粒子の運動エネルギーは大きくなる。すなわち、平均自由行程が小さくとも、電位差が大きい状況であれば、荷電粒子の持つ運動エネルギーは大きくなると言える。

これをＨ_２ ^＋に適用してみる。プラズマの生成に係るチャンバー内のように電場の存在を前提とすれば、該チャンバー内の圧力が低い状況ではＨ_２ ^＋の運動エネルギーは大きくなり、該チャンバー内の圧力が高い状況ではＨ_２ ^＋の運動エネルギーは小さくなる。つまり、チャンバー内の圧力が低い状況では（６）の反応が主要となるため、Ｈ_３ ^＋は減少する傾向となり、チャンバー内の圧力が高い状況では（５）の反応が主要となるため、Ｈ_３ ^＋は増加する傾向となる。また、プラズマ生成領域における電場（又は電界）が強い状況、すなわち、ある二点間の電位差が大きい状況ではＨ_２ ^＋の運動エネルギーは大きくなり、反対の状況では、Ｈ_２ ^＋の運動エネルギーは小さくなる。つまり、電場が強い状況では（６）の反応が主要となるためＨ_３ ^＋は減少する傾向となり、電場が弱い状況では（５）の反応が主要となるため、Ｈ_３ ^＋は増加する傾向となる。

（イオン源による差異）
ここで、イオン種の割合（特にＨ_３ ^＋の割合）が異なる例を示す。図２は、１００％水素ガス（イオン源の圧力：４．７×１０^−２Ｐａ）から生成されるイオンの質量分析結果を示すグラフである。なお、上記質量分析は、イオン源から引き出されたイオンを測定することにより行った。横軸はイオンの質量である。スペクトル中、質量１、２、３のピークは、それぞれ、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋に対応する。縦軸は、スペクトルの強度であり、イオンの数に対応する。図２では、質量が異なるイオンの数量を、質量３のイオンを１００とした場合の相対比で表している。図２から、上記イオン源により生成されるイオンの割合は、Ｈ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝１：１：８程度となることが分かる。なお、このような割合のイオンは、プラズマを生成するプラズマソース部（イオン源）と、当該プラズマからイオンビームを引き出すための引出電極などから構成されるイオンドーピング装置によっても得ることが出来る。

図１０は、図２とは異なるイオン源を用いた場合であって、イオン源の圧力がおおよそ３×１０^−３Ｐａの時に、ＰＨ_３から生成したイオンの質量分析結果を示すグラフである。上記質量分析結果は、水素イオン種に着目したものである。また、質量分析は、イオン源から引き出されたイオンを測定することにより行った。図２と同様、横軸はイオンの質量を示し、質量１、２、３のピークは、それぞれＨ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋に対応する。縦軸はイオンの数量に対応するスペクトルの強度である。図１０から、プラズマ中のイオンの割合はＨ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝３７：５６：７程度であることが分かる。なお、図１０はソースガスがＰＨ_３の場合のデータであるが、ソースガスとして１００％水素ガスを用いたときも、水素イオン種の割合は同程度になる。

図１０のデータを得たイオン源の場合には、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋及びＨ_３ ^＋のうち、Ｈ_３ ^＋が７％程度しか生成されていない。他方、図２のデータを得たイオン源の場合には、Ｈ_３ ^＋の割合を５０％以上（上記の条件では８０％程度）とすることが可能である。これは、上記考察において明らかになったチャンバー内の圧力及び電場に起因するものと考えられる。

（Ｈ_３ ^＋の照射メカニズム）図２のような複数のイオン種を含むプラズマを生成し、生成されたイオン種を質量分離しないで単結晶半導体基板に照射する場合、単結晶半導体基板の表面には、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋の各イオンが照射される。イオンの照射からイオン導入領域形成にかけてのメカニズムを再現するために、以下の５種類のモデルを考える。照射されるイオン種がＨ^＋で、照射後もＨ^＋（Ｈ）である場合のモデル１と、照射されるイオン種がＨ_２ ^＋で、照射後もＨ_２ ^＋（Ｈ_２）のままである場合のモデル２と、照射されるイオン種がＨ_２ ^＋で、照射後に２個のＨ（Ｈ^＋）に分裂する場合のモデル３と、照射されるイオン種がＨ_３ ^＋で、照射後もＨ_３ ^＋（Ｈ_３）のままである場合のモデル４と、照射されるイオン種がＨ_３ ^＋で、照射後に３個のＨ（Ｈ^＋）に分裂する場合のモデル５を考える。

（計算結果と実測値との比較）
上記のモデルを基にして、水素イオン種をＳｉ基板に照射する場合の計算を行った。計算用のソフトウェアとしては、ＳＲＩＭ（ｔｈｅ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ：モンテカルロ法によるイオン導入過程のシミュレーションソフトウェア、ＴＲＩＭ（ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ）の改良版）を用いている。なお、計算の関係上、モデル２ではＨ_２ ^＋を質量２倍のＨ^＋に置き換えて計算した。また、モデル４ではＨ_３ ^＋を質量３倍のＨ^＋に置き換えて計算した。さらに、モデル３ではＨ_２ ^＋を運動エネルギー１／２のＨ^＋に置き換え、モデル５ではＨ_３ ^＋を運動エネルギー１／３のＨ^＋に置き換えて計算を行った。

なお、ＳＲＩＭは非晶質構造を対象とするソフトウェアではあるが、高エネルギー、高ドーズの条件で水素イオン種を照射する場合には、ＳＲＩＭを適用可能である。水素イオン種とＳｉ原子の衝突により、Ｓｉ基板の結晶構造が非単結晶構造に変化するためである。

図４に、モデル１乃至モデル５を用いて水素イオン種を照射した場合（Ｈ換算で１０万個照射時）の計算結果を示す。また、図２の水素イオン種を照射したＳｉ基板中の水素濃度（ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）のデータ）をあわせて示す。モデル１乃至モデル５を用いて行った計算の結果については、縦軸を水素原子の数で表しており（右軸）、ＳＩＭＳデータについては、縦軸を水素原子の密度で表している（左軸）。横軸はＳｉ基板表面からの深さである。実測値であるＳＩＭＳデータと、計算結果とを比較した場合、モデル２及びモデル４は明らかにＳＩＭＳデータのピークから外れており、また、ＳＩＭＳデータ中にはモデル３に対応するピークも見られない。このことから、モデル２乃至モデル４の寄与は、相対的に小さいことが分かる。イオンの運動エネルギーの単位がｋｅＶであるのに対して、Ｈ−Ｈの結合エネルギーは数ｅＶ程度に過ぎないことを考えれば、モデル２及びモデル４の寄与が小さいのは、Ｓｉ元素との衝突により、大部分のＨ_２ ^＋やＨ_３ ^＋が、Ｈ^＋やＨに分離しているためと思われる。

以上より、モデル２乃至モデル４については、以下では考慮しない。図１１乃至図１３に、モデル１及びモデル５を用いて水素イオン種を照射した場合（Ｈ換算で１０万個照射時）の計算結果を示す。また、図２の水素イオン種を照射したＳｉ基板中の水素濃度（ＳＩＭＳデータ）及び、上記計算結果をＳＩＭＳデータにフィッティングさせたもの（以下フィッティング関数と呼ぶ）を合わせて示す。ここで、図１１は加速電圧を８０ｋＶとした場合を示し、図１２は加速電圧を６０ｋＶとした場合を示し、図１３は加速電圧を４０ｋＶとした場合を示している。なお、モデル１及びモデル５を用いて行った計算の結果については、縦軸を水素原子の数で表しており（右軸）、ＳＩＭＳデータ及びフィッティング関数については、縦軸を水素原子の密度で表している（左軸）。横軸はＳｉ基板表面からの深さである。

フィッティング関数はモデル１及びモデル５を考慮して以下の計算式により求めることとした。なお、計算式中、Ｘ、Ｙはフィッティングに係るパラメータであり、Ｖは体積である。
［フィッティング関数］
＝Ｘ／Ｖ×［モデル１のデータ］＋Ｙ／Ｖ×［モデル５のデータ］

現実に照射されるイオン種の割合（Ｈ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝１：１：８程度）を考えればＨ_２ ^＋の寄与（すなわち、モデル３）についても考慮すべきであるが、以下に示す理由により、ここでは除外して考えた。
・モデル３に示される照射過程により導入される水素は、モデル５の照射過程と比較して僅かであるため、除外して考えても大きな影響はない（ＳＩＭＳデータにおいても、ピークが現れていない）。
・モデル５とピーク位置の近いモデル３は、モデル５において生じるチャネリング（結晶の格子構造に起因する元素の移動）により隠れてしまう可能性が高い。すなわち、モデル３のフィッティングパラメータを見積もるのは困難である。これは、本計算が非晶質Ｓｉを前提としており、結晶性に起因する影響を考慮していないことによるものである。

図１４に、上記のフィッティングパラメータをまとめる。いずれの加速電圧においても、導入されるＨの数の比は、［モデル１］：［モデル５］＝１：４２〜１：４５程度（モデル１におけるＨの数を１とした場合、モデル５におけるＨの数は４２以上４５以下程度）であり、照射されるイオン種の数の比は、［Ｈ^＋（モデル１）］：［Ｈ_３ ^＋（モデル５）］＝１：１４〜１：１５程度（モデル１におけるＨ^＋の数を１とした場合、モデル５におけるＨ_３ ^＋の数は１４以上１５以下程度）である。モデル３を考慮していないことや非晶質Ｓｉと仮定して計算していることなどを考えれば、実際の照射に係るイオン種の比（Ｈ^＋：Ｈ_２ ^＋：Ｈ_３ ^＋＝１：１：８程度）に近い値が得られていると言える。

（Ｈ_３ ^＋を用いる効果）
図２に示すようなＨ_３ ^＋の割合を高めた水素イオン種を基板に照射することで、Ｈ_３ ^＋に起因する複数のメリットを享受することができる。例えば、Ｈ_３ ^＋はＨ^＋やＨなどに分離して基板内に導入されるため、主にＨ^＋やＨ_２ ^＋を照射する場合と比較して、イオンの導入効率を向上させることができる。これにより、半導体基板の生産性向上を図ることができる。また、同様に、Ｈ_３ ^＋が分離した後のＨ^＋やＨの運動エネルギーは小さくなる傾向にあるから、薄い半導体層の製造に向いている。

なお、本明細書では、Ｈ_３ ^＋を効率的に照射するために、図２に示すような水素イオン種を照射可能なイオンドーピング装置を用いる方法について説明している。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。

（実施の形態２）
本実施の形態では、基板の裏面側のステージを加熱してレーザ照射ができ、且つ、大口径ウエハを処理できる製造装置の斜視図の一例を図５に示す。

レーザ光照射の処理時間を短縮するため、一度に照射できるレーザ光の照射領域３１１の長さを長くし、大口径ウエハ３０５を一方向に移動させることでレーザ光の照射を完了させる製造装置である。大口径ウエハ３０５は、実施の形態１に示した図１（Ｄ）の段階のものを指しており、半導体ウエハ上にバッファ層を有し、該バッファ層上に単結晶半導体層を有するＳＯＩ基板である。

なお、窒素雰囲気下でレーザ照射を行うため、ステージ３００、大口径ウエハ３０５はチャンバー内に配置されている。チャンバーは、アルミニウム又はステンレスなど剛性のある素材で形成され、内壁を鏡面加工し、内壁からのガス放出を低減するためにベーキング用のヒータを設け、内部を真空排気できるように構成されている。真空排気するための排気手段としては、バタフライバルブ、コンダクタンスバルブ、ターボ分子ポンプ、ドライポンプなどが含まれる。さらに好ましくは、チャンバー内の窒素雰囲気の酸素濃度や水分濃度を低減するためクライオポンプを併用する。また、チャンバー内に導入するガスは高純度窒素ガスを用いる。窒素ガスに含まれる酸素濃度３０ｐｐｂ以下、且つ、水分濃度３０ｐｐｂ以下とする超高純度ガスを用いることで、レーザ照射時の酸化膜の形成を防止する。

ただし、明瞭化のため、図５にはチャンバー、窒素ガスを導入する手段、または排気手段などを図示しない。チャンバーには石英窓３１０が設けられており、この石英窓３１０からレーザ光をチャンバーの外から導入する製造装置である。

レーザビームの走査を行う前に、ステージ３００に設けられた加熱手段により大口径ウエハ３０５を加熱し、レーザビームの照射領域３１１を予め加熱することができるため、単結晶半導体層の溶融に必要なレーザビームのエネルギーを低減することができる。光学系などを調節することによって、１回のショットの照射面積も拡大することができる。１回のショットの照射面積も拡大できれば、１枚当たりのレーザ光照射処理にかかる時間を短縮することもできる。ここでは、レーザ発振器３０１の出力できるエネルギーを最大限に利用してレーザ光の照射領域の長さＬを長くする。

図５に示すように、レーザ光の照射領域の長さは、大口径ウエハ３０５の直径よりも長い。大口径ウエハ３０５の直径は、例えば約３００ｍｍ、約４００ｍｍ、約４５０ｍｍ、または４５０ｍｍ以上である。図５に示す製造装置は、ステージ３００に載せることのできるサイズであれば、光学系を調節すれば様々な口径のウエハに照射し、平坦性及び結晶性の向上を図ることができる。また、図５に示す製造装置は、ウエハ形状は円形に限定されず、例えば長方形や正方形や多角形にも対応することができる。

図５中に示すレーザ照射手段は、レーザ発振器３０１、ホモジナイザが組み込まれている光学装置３０７、落射ミラー３０８、ダブレットレンズ３０９ａ、３０９ｂとを有している。なお、レーザビームのエネルギー分布を均一化させることをホモジナイズといい、ホモジナイズする光学系をホモジナイザという。レーザ発振器３０１から射出されたレーザビームは、球面レンズにより拡大される。なお、球面レンズは、レーザ発振器３０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。次いで、シリンドリカルレンズアレイ及びにより、スポットが線状の長辺（長軸）方向に分割される。その後、シリンドリカルレンズアレイの後方に置かれたシリンドリカルレンズによって、レーザビームは大口径ウエハ３０５において１つに合成された線状ビームが照射される。また、これにより、大口径ウエハ３０５面において線状ビームのビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化（長軸ホモジナイズ）がなされ、レーザビームの照射領域３１１の長さ（長辺方向の長さ）が決定される。

なお、図５ではステージを加熱する例を示したが、特に限定されず、透光性を有するステージを用いてハロゲンランプなどのランプを用いて大口径ウエハを裏面側から加熱してもよい。また、チャンバー内壁を加熱して窒素雰囲気の温度を上昇させて大口径ウエハを加熱してもよい。また、加熱された窒素ガスを吹きつけることにより、選択的にレーザビームの照射領域を予め加熱するブロー手段を設けてもよい。また、大口径ウエハを裏面側から加熱したガスを吹きつけて浮上させ、さらに表面側からも加熱したガスを吹きつけて大口径ウエハを加熱させた状態でレーザ光を照射する装置構成としてもよい。

また、ここでは安価に入手できる窒素ガスを用いた窒素雰囲気を例に用いたが、希ガス雰囲気下または希ガスと窒素の混合雰囲気下でレーザ照射を行ってもよい。アルゴンやキセノンなどの希ガスを用いることで、レーザ照射により溶融したウエハ材料と全く反応しない雰囲気とすることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で作製したＳＯＩ基板を用いた半導体装置の作製方法について説明する。ここでは、半導体装置としてＣＭＯＳ構造を作製する一例を図６を用いて示す。なお、図６中、図１と同じ部分は、図１と同じ符号を用いて説明する。

実施の形態１によれば、ＳＯＩ基板の単結晶半導体層１２４の厚さを１００ｎｍまたはそれ以下とすることができる。単結晶半導体層１２４の厚さを１００ｎｍまたはそれ以下とすると、トランジスタのチャネル形成領域の空乏層の最大深さより薄くなり、顕著なトランジスタの電気特性をもたらす。トランジスタの十分な空乏層化によりほとんど理想的なＳ値、しきい値電圧などを得ることができる。さらに、ＣＭＯＳ構造を作製した場合、速いスイッチング速度を得ることができる。

まず、実施の形態１に従ってＳＯＩ基板を得た後、単結晶半導体層１２４上に素子分離絶縁層を形成するためのマスクとなる保護層１０６を形成する。この段階の工程断面図が図６（Ａ）に相当する。保護層１０６は酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを用いる。

なお、しきい値電圧を制御するために、硼素、アルミニウム、ガリウムなどのｐ型不純物を単結晶半導体層１２４に添加しておくことが好ましい。例えば、ｐ型不純物として硼素を５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度で添加されていても良い。

次いで、保護層１０６をマスクとしてエッチングを行い、露呈している単結晶半導体層１２４及びその下方のバッファ層１０２の一部を除去する。次いで、ＴＥＯＳを用いて酸化シリコン膜を化学気相成長法で堆積する。この酸化シリコン膜は、単結晶半導体層１２４が埋め込まれるように厚く堆積する。次いで、単結晶半導体層１２４上に重なる酸化シリコン膜を研磨により除去した後、保護層１０６を除去して、素子分離絶縁層１０７を残存させる。この段階の工程断面図が図６（Ｂ）に相当する。

次いで、第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に導電材料を含むポリシリコン膜を有するゲート電極１０９を形成し、ゲート電極をマスクとして第１の絶縁膜をエッチングしてゲート絶縁層１０８を形成する。ゲート絶縁層１０８は、ＰＥＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いて得られる酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムまたは酸化タンタルを含む膜の単層、またはこれらの積層である。ゲート絶縁層１０８は、ＰＥＣＶＤ法を行うことにより単結晶半導体層１２４の表面を覆って薄い膜厚、例えば２０ｎｍの膜厚で形成することができる。また、高密度プラズマ処理により単結晶半導体層１２４の表面を酸化または窒化することで形成してもよい。高密度プラズマ処理は、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスと酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などの混合ガスとを用いて行う。この場合プラズマの励起をマイクロ波により行うことで、低電子温度で高密度のプラズマを生成することができる。このような高密度のプラズマで生成された酸素ラジカル（ＯＨラジカルを含む場合もある）や窒素ラジカル（ＮＨラジカルを含む場合もある）によって、半導体膜の表面を酸化または窒化することにより、１〜５０ｎｍ、望ましくは５〜３０ｎｍの絶縁膜が単結晶半導体層１２４に接するように形成される。実施の形態１に示すように、加熱を行いながら、レーザ照射を行うことで単結晶半導体層の表面が十分に平坦化されるため、厚さ２０ｎｍの絶縁膜をゲート絶縁層１０８として用いても、十分なゲート耐圧を得ることができる。

次いで、ゲート電極１０９を覆う第２の絶縁膜１１０を形成し、さらにサイドウォール絶縁層１１３、１１４を形成する。ｐＦＥＴとなる領域のサイドウォール絶縁層１１４は、ｎＦＥＴとなる領域のサイドウォール絶縁層１１３よりも幅を広くする。次いで、ｎＦＥＴとなる領域にＡｓなどをドーピングして浅い接合深さの第１不純物領域１１１を形成し、ｐＦＥＴとなる領域にＢなどをドーピングして浅い接合深さの第２不純物領域１１２を形成する。この段階の工程断面図が図６（Ｃ）に相当する。

次いで、第２の絶縁膜１１０を部分的にエッチングしてゲート電極１０９の上面と、第１不純物領域１１１及び第２不純物領域１１２とを露出させる。次いで、ｎＦＥＴとなる領域にＡｓなどをドーピングして深い接合深さの第３不純物領域１１５を形成し、ｐＦＥＴとなる領域にＢなどをドーピングして深い接合深さの第４不純物領域１１６を形成する。次いで、活性化のための熱処理（８００℃〜１１００℃）を行う。次いで、シリサイドを形成するための金属膜としてコバルト膜を成膜する。次いでＲＴＡなどの熱処理（５００℃、１分）を行い、コバルト膜に接する部分のシリコンをシリサイド化させる。その結果、ゲート電極１０９上にシリサイド部分１１９、第３不純物領域１１５上にシリサイド部分１１７、第４不純物領域１１６上にシリサイド部分１１８が形成される。その後、コバルト膜を選択的に除去する。次いで、シリサイド化の熱処理よりも高い温度で熱処理を行い、シリサイド部分１１７、１１８、１１９の低抵抗化を図る。この段階の工程断面図が図６（Ｄ）に相当する。

次いで、層間絶縁膜１２０を形成し、深い接合深さの第３不純物領域１１５や深い接合深さの第４不純物領域１１６に電気的に接続するコンタクトプラグ１２１を形成する。こうして第２の半導体ウエハ１０５に接合された単結晶半導体層１２４を用いてｎＦＥＴ１２２とｐＦＥＴ１２３とが作製できる。この段階の工程断面図が図６（Ｅ）に相当する。

これらのｎＦＥＴ１２２とｐＦＥＴ１２３を相補的に組み合わせることによってＣＭＯＳ構造を構成する。

このＣＭＯＳ構造上に、さらに配線や素子などを積層することでマイクロプロセッサなどの半導体装置を作製することができる。なお、マイクロプロセッサは、演算回路（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ。ＡＬＵともいう。）、演算回路制御部（ＡＬＵ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、命令解析部（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｃｏｄｅｒ）、割り込み制御部（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、タイミング制御部（Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、レジスタ（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、レジスタ制御部（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、バスインターフェース（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）、読み出し専用メモリ、及びメモリインターフェース（ＲＯＭ Ｉ／Ｆ）を有している。

マイクロプロセッサは、ＣＭＯＳ構造を含む集積回路が形成されているので、処理速度の高速化のみならず低消費電力化を図ることができる。

（実施の形態４）
実施の形態１では、半導体ウエハを回転するドーピング装置を用いる例を示したが、本実施の形態では、イオン流の形状を所望の形状とし、半導体ウエハを移動させるドーピング装置の例を示す。図７はそのドーピング装置の一例を示す斜視図である。

イオン源１２は、プラズマ室であるチャンバー内に設けられた熱電子放出用フィラメントと、チャンバーの周囲に極性を交互にして複数配置されたリング状の永久磁石とで構成されている。

また、加速電極部１３は、チャンバー下部開口部にアノードであるチャンバーと同電位に保たれるイオン閉込め電極と、イオン閉込め電極より数ｋＶ低電位に保たれる引出し電極と、引出し電極より数十ｋＶ低電位に保たれる加速電極とで構成されている。なお、イオン閉込め電極、引出し電極、および加速電極はグリッド状電極である。

また、イオンビームを遮断するシャッターを設けて開閉操作を行うことによって照射のオンオフを制御してもよい。

ガス導入口からチャンバー内に導入される作動ガス（水素、フォスフィン、ジボランなど）にフィラメントから放出される電子を作用させてプラズマを生成し、これを永久磁石の磁場によってチャンバー内に閉じこめつつ、引き出し電極によって電界を印加することでプラズマ中のイオンをイオン閉じこめ電極を通して引き出し、これを加速電極の電界で加速してイオンビーム１４を発生させる。

そして、ドーピング室１１内にイオンビーム１４が照射され、半導体ウエハ１０にイオンが照射される。半導体ウエハの平面は、イオンビーム１４の照射方向に対して垂直に保持される。半導体ウエハ全面へのドーピング処理は、イオンビーム１４の照射面形状は細長い線状もしくは細長い長方形とし、半導体ウエハをイオンビーム１４の長尺方向に対して垂直な方向に移動させて行われる。

また、イオンビーム１４の照射面形状を細長い線状もしくは細長い長方形とすることにより、ラスタースキャン（点順次スキャンとも呼ぶ）に比べて半導体ウエハ内でイオン注入濃度のばらつきを低減することができる。

ウエハ搬送ロボットを用い、イオン源１２の下方を通過するようにして半導体ウエハ１０を走査方向１５に移動させる。半導体ウエハ１０の走査方向への移動はロボットに限らず、レールおよび駆動用ギヤードモータを用いてもよい。

また、直線方向である走査方向１５に１回の移動で半導体ウエハ１０を全面照射できるため、ラスタースキャンに比べて短時間で半導体ウエハの全面照射を終えることができる。

また、上述した図７の装置構成に特に限定されず、パーティクルの問題があるため基板は垂直に立てた状態に近い傾斜状態でイオンビームを水平方向に照射するような装置構成としてもよい。

本実施の形態は、実施の形態１乃至３のいずれか一と自由に組み合わせることができる。例えば、図７に示すイオンドーピング装置と、図５に示した一方向に半導体ウエハを処理する製造装置と、その間に処理を行う様々な装置を一列に並べることでインライン方式の製造装置とすることができる。

（実施の形態５）
実施の形態１では、同じ単結晶シリコンウエハ同士を貼り合わせた例を示したが、ここでは、半導体ウエハ４０１として、直径約４５０ｍｍの単結晶シリコンウエハを用いる。また、貼り合わせる半導体ウエハとして、直径約４５０ｍｍの多結晶シリコンウエハ４０５を例に用いる。多結晶シリコンウエハの厚さは８２５μｍである。

まず、バッファ層の一層として、酸化雰囲気中にハロゲンを含むガスを添加する熱酸化により得られる酸化物膜である熱酸化膜４０２を半導体ウエハ４０１表面に形成する。この段階での断面図が図８（Ａ）に相当する。

ハロゲンを含むガスとして、ＨＣｌ、ＨＦ、ＮＦ_３、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、ＣｌＦ_３、ＢＣｌ_３、Ｆ_２、Ｂｒ_２などから選ばれた一種類又は複数種類のガスを用いることができる。例えば、酸素に対しＨＣｌを０．５〜１０体積％（好ましくは３体積％）の割合で含む雰囲気中で、７００℃以上の温度で熱処理を行う。９５０℃以上１１００℃以下の加熱温度で熱酸化を行うとよい。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。形成される熱酸化膜４０２の膜厚は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍ）、例えば１００ｎｍの厚さとすることができる。本実施の形態では熱酸化膜４０２の膜厚は、５０ｎｍとする。

このような温度範囲で酸化処理を行うことで、ハロゲン元素によるゲッタリング効果を得ることができる。ゲッタリングとしては、特に、金属不純物を除去する効果がある。すなわち、塩素の作用により、金属などの不純物が揮発性の塩化物となって気相中へ離脱して、半導体ウエハ４０１から除去される。また、酸化処理に含まれるハロゲン元素により、半導体ウエハ４０１の表面の未結合手が終端されるため、熱酸化膜４０２と半導体ウエハ４０１との界面の局在準位密度が低減できる。このハロゲンを含む雰囲気での熱酸化処理により、酸化膜にハロゲンを含ませることができる。ハロゲン元素を１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度で含ませることにより、半導体ウエハ４０１において、金属などの不純物を捕獲して単結晶半導体層１０４の汚染を防止する保護膜としての機能させることができる。

また、バッファ層にハロゲンを含ませるには、フッ化物ガスまたはフッ素ガスを含むＰＥＣＶＤ装置のチャンバーで、絶縁膜を形成することでも実現できる。このようなチャンバーに絶縁膜形成用プロセスガスを導入し、このプロセスガスを励起してプラズマを生成し、当該プラズマに含まれる活性種の化学反応により、半導体ウエハ４０１上にバッファ層を形成する。ＰＥＣＶＤ装置のチャンバーにフッ素化合物ガスを含ませるには、フッ化物ガスを用いたプラズマガスエッチングによってチャンバーをクリーニングすることで実現できる。ＰＥＣＶＤ装置で膜を形成すると、基板表面だけでなく、チャンバーの内壁、電極、基板ホルダーなどにも原料が反応した生成物が堆積する。この堆積物はパーティクルやダストの原因となる。そこで、このような堆積物を除去するクリーニング工程が定期的に行われる。チャンバーのクリーニング方法の代表的な１つとして、プラズマガスエッチングによる方法がある。チャンバーにＮＦ_３などのフッ化物ガスを導入して、フッ化物ガスを励起してプラズマ化することで、フッ素ラジカルを生成し、堆積物をエッチングして除去する方法である。フッ素ラジカルと反応して生成されたフッ化物は蒸気圧が高いため、排気系によって反応容器から除去される。プラズマガスエッチングによるクリーニングを行うことで、クリーニングガスとして用いてフッ化物ガスが、チャンバーの内壁や、チャンバーに設けられている電極、各種の治具に吸着する。つまり、チャンバーにフッ化物ガスを含むませることができる。なお、フッ化物ガスチャンバーに含ませる方法には、チャンバーをフッ化物ガスによりクリーニングして、チャンバーにフッ化物ガスを残留させる方法の他に、半導体ウエハ４０１をチャンバーに設置した後に、チャンバーにフッ化物ガス導入する方法を用いることができる。

次いで、イオンドーピング装置を用いて、水素イオンを半導体ウエハ４０１にドープする。ソースガスには１００％水素ガスを用い、水素ガスを励起して生成されたプラズマ中のイオンを質量分離せずに、電界で加速して半導体ウエハ４０１に照射して、損傷領域４０３を形成する。この段階での断面図が図８（Ｂ）に相当する。このドーピングの条件は、電源出力１００Ｗ、加速電圧２５ｋＶ、ドーズ量は２．２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とする。また、損傷領域４０３とバッファ層の一層である熱酸化膜４０２との間には、単結晶半導体層４０４が形成される。

次いで、熱酸化膜４０２が形成された半導体ウエハ４０１を純水中で超音波洗浄する。

また、後に半導体ウエハ４０１と貼り合わせる多結晶シリコンウエハ４０５にも同様の熱酸化を行い、酸化物膜である熱酸化膜４０６を形成する。次いで、熱酸化膜４０６が形成された多結晶シリコンウエハ４０５を純水中で超音波洗浄する。

次いで、半導体ウエハ４０１と多結晶シリコンウエハ４０５のどちらか一方または両方にバッファ層の一層となる絶縁膜４０７を形成する。この絶縁膜４０７は、ＰＥＣＶＤ法により窒化酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化珪素膜を用いる。ここでは、絶縁膜４０７として、多結晶シリコンウエハ４０５上に膜厚５０ｎｍの窒化酸化珪素膜をＰＥＣＶＤ法により形成する。

次いで、半導体ウエハ４０１と多結晶シリコンウエハ４０５とを重ねて貼り合わせて接合を形成する。この段階での断面図が図８（Ｃ）に相当する。

次いで、損傷領域４０３で劈開を生じさせるため、拡散炉において、６００℃に加熱することで、半導体ウエハ４０１を劈開させ、単結晶半導体層４０４を単結晶シリコンウエハから分離する。この段階での断面図が図８（Ｄ）に相当する。

次いで、５００℃以上１１００℃以下の加熱処理を行い、単結晶半導体層４０４欠陥の消滅、単結晶半導体層４０４の歪みの緩和を行い、平坦性を向上するため、ＣＭＰを行うことでＳＯＩ基板を作製することができる。さらにＳＯＩ基板の外周部分を加工する工程を追加して、半導体ウエハと同じように半導体装置の製造装置に対応できるようにすることが好ましい。

このようにＳＯＩ基板の作製を完成させてもよいが、本実施の形態では、図８（Ｄ）の工程の後、図８（Ｅ）に示すようにレーザ光を照射して平坦性を向上させた後、５００℃以上１１００℃以下の加熱処理を行って、ＳＯＩ基板を作製する。レーザビームを照射する場合、平坦性の向上と結晶性の回復の両方を行うことができ、平坦性及び結晶性がともに優れた単結晶半導体層４０８を得ることができる。本実施の形態で使用する多結晶シリコンウエハ４０５は直径が約４５０ｍｍと大きいため、ステージ４００を加熱させて、単結晶半導体層の溶融に必要なレーザビームのエネルギーを低減させてレーザビーム４０９を照射することが好ましい。レーザ照射時に単結晶半導体層４０４を５００℃〜１１００℃に加熱すると、レーザ発振器の出力できるエネルギーを最大限に利用して、多結晶シリコンウエハ４０５の直径よりもレーザ光の照射領域の長さを長くすることができる。また、レーザ照射後の加熱処理の時間を加熱しながらレーザを照射しない場合に比べて短縮することもできる。勿論、レーザを照射する場合も、ＳＯＩ基板の外周部分を加工する工程を追加して、半導体ウエハと同じように半導体装置の製造装置に対応できるようにする。

なお、レーザビーム４０９を照射する前にエッチング処理を行うことが好ましい。このエッチング処理により、単結晶半導体層４０４の分離面に残っている損傷領域４０３を除去することが好ましい。損傷領域４０３を除去することで、レーザビーム４０９の照射による、表面の平坦化の効果、および再単結晶化の効果を高めることができる。

また、本実施の形態においてバッファ層は、熱酸化膜４０２と、絶縁膜４０７と、熱酸化膜４０６の三層構造とする例を示したが特に限定されず、実施の形態１に示したバッファ層を用いることができる。

本実施の形態は、実施の形態１乃至４のいずれか一と自由に組み合わせることができる。

以上の構成でなる本発明について、以下に示す実施例でもってさらに詳細な説明を行うこととする。

実施形態３では、半導体装置の作製方法の一例として、ＴＦＴの作製方法を説明したが、半導体膜付き基板に、ＴＦＴと共に容量、抵抗など各種の半導体素子を形成することで、高付加価値の半導体装置を作製することができる。本実施例では、図面を参照しながら半導体装置の具体的な態様を説明する。

まず、半導体装置の一例として、マイクロプロセッサについて説明する。図９はマイクロプロセッサ２００の構成例を示すブロック図である。

マイクロプロセッサ２００は、演算回路２０１（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ。ＡＬＵともいう。）、演算回路制御部２０２（ＡＬＵ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、命令解析部２０３（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｃｏｄｅｒ）、割り込み制御部２０４（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、タイミング制御部２０５（Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、レジスタ２０６（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、レジスタ制御部２０７（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、バスインターフェース２０８（Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ）、読み出し専用メモリ２０９、およびメモリインターフェース２１０を有している。

バスインターフェース２０８を介してマイクロプロセッサ２００に入力された命令は、命令解析部２０３に入力され、デコードされた後、演算回路制御部２０２、割り込み制御部２０４、レジスタ制御部２０７、タイミング制御部２０５に入力される。演算回路制御部２０２、割り込み制御部２０４、レジスタ制御部２０７、タイミング制御部２０５は、デコードされた命令に基づき、様々な制御を行う。

演算回路制御部２０２は、演算回路２０１の動作を制御するための信号を生成する。また、割り込み制御部２０４は、マイクロプロセッサ２００のプログラム実行中に、外部の入出力装置や周辺回路からの割り込み要求を処理する回路であり、割り込み制御部２０４は、割り込み要求の優先度やマスク状態を判断して、割り込み要求を処理する。レジスタ制御部２０７は、レジスタ２０６のアドレスを生成し、マイクロプロセッサ２００の状態に応じてレジスタ２０６の読み出しや書き込みを行う。タイミング制御部２０５は、演算回路２０１、演算回路制御部２０２、命令解析部２０３、割り込み制御部２０４、およびレジスタ制御部２０７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えば、タイミング制御部２０５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えている。図９に示すように、内部クロック信号ＣＬＫ２は他の回路に入力される。

実施の形態１または実施の形態５に示すＳＯＩ基板を用いて図９に示すマイクロプロセッサを作製し、さらにそのマイクロプロセッサを搭載することで、様々な電気機器を作製することができる。電気機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポなど）、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍など）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｄｉｓｃ）などが含まれる。

本実施例は、実施の形態１乃至５のいずれか一と組み合わせることができる。

ウエハサイズが大口径であっても、１枚当たりのＳＯＩ基板の製造時間を短縮することができ、大量生産に最適なプロセスを提供することができる。

半導体基板の作製工程を示す図。 イオンドーピング装置で生成されるイオン種の質量分析結果である。 水素イオン種のエネルギーダイアグラムを示す図である。 加速電圧を８０ｋＶとした場合の水素元素の深さ方向のプロファイル（実測値及び計算値）を示す図である。 レーザビーム照射の様子を示す斜視図。 薄膜トランジスタの作製工程の断面図。 イオンドーピング装置の一例を示す図。 半導体基板の作製工程を示す図。 マイクロプロセッサの構成の一例を示すブロック図。 イオン注入装置で生成されるイオン種の質量分析結果である。 加速電圧を８０ｋＶとした場合の水素元素の深さ方向のプロファイル（実測値、計算値、及びフィッティング関数）を示す図である。 加速電圧を６０ｋＶとした場合の水素元素の深さ方向のプロファイル（実測値、計算値、及びフィッティング関数）を示す図である。 加速電圧を４０ｋＶとした場合の水素元素の深さ方向のプロファイル（実測値、計算値、及びフィッティング関数）を示す図である。 フィッティングパラメータの比（水素元素比及び水素イオン種比）をまとめた図である。

符号の説明

１０：半導体ウエハ
１１：ドーピング室
１２：イオン源
１３：加速電極部
１４：イオンビーム
１５：走査方向
１０１：第１の単結晶半導体ウエハ
１０２：バッファ層
１０３：損傷領域
１０４：単結晶半導体層
１０５：第２の単結晶半導体基板
１０６：保護層
１０７：素子分離絶縁層
１０８：ゲート絶縁層
１０９：ゲート電極
１１０：第２の絶縁膜
１１１：第１不純物領域
１１２：第２不純物領域
１１３：サイドウォール絶縁層
１１４：サイドウォール絶縁層
１１５：第３不純物領域
１１６：第４不純物領域
１２０：層間絶縁膜
１２１：コンタクトプラグ
１２２：ｎＦＥＴ
１２３：ｐＦＥＴ
１２４：単結晶半導体層
１２５：レーザビーム
２００：マイクロプロセッサ
２０１：演算回路
２０２：演算回路制御部
２０３：命令解析部
２０４：制御部
２０５：タイミング制御部
２０６：レジスタ
２０７：レジスタ制御部
２０８：バスインターフェース
２０９：専用メモリ
２１０：メモリインターフェース
３００：ステージ
３０１：レーザ発振器
３０５：大口径ウエハ
３０７：光学装置
３０８：落射ミラー
３０９ａ、３０９ｂ：ダブレットレンズ
３１０：石英窓
３１１：照射領域
４０１：単結晶半導体ウエハ
４０２：熱酸化膜
４０３：損傷領域
４０４：単結晶半導体層
４０５：第２の単結晶半導体基板
４０６：熱酸化膜
４０７：絶縁膜
４０８：単結晶半導体層
４０９：レーザビーム

Claims (13)

1. イオンドーピング法により、加速されたイオンを第１の単結晶半導体基板に照射することで、前記第１の単結晶半導体基板の表面から離れた単結晶半導体基板内部の領域に損傷領域を形成し、
   第２の単結晶半導体基板及び前記第１の単結晶半導体基板とをバッファ層を介して、前記第２の単結晶半導体基板と前記第１の単結晶半導体基板を密着させ、前記第２の単結晶半導体基板と前記第１の単結晶半導体基板とを貼り合わせ、
   前記第１の単結晶半導体基板の加熱によって前記損傷領域に亀裂を生じさせ、前記第１の単結晶半導体基板の一部を前記第１の単結晶半導体基板から分離して前記第１の単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層が固定された第２の単結晶半導体基板を形成し、
   前記第２の単結晶半導体基板に固定された前記単結晶半導体層を加熱しながら、前記単結晶半導体層にレーザビームを照射して、前記単結晶半導体層を溶融することで、前記単結晶半導体層を再単結晶化させることを特徴とする半導体基板の作製方法。
2. 請求項１において、前記バッファ層は、積層構造であり、前記第１の単結晶半導体基板または前記第２の単結晶半導体基板と接合する絶縁膜を含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
3. 請求項１において、前記バッファ層は、積層構造であり、前記第１の単結晶半導体基板または前記第２の単結晶半導体基板を酸化した酸化物膜を含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
4. 請求項１において、前記第２の単結晶半導体基板の直径は、５インチ以上であることを特徴とする半導体基板の作製方法。
5. イオンドーピング法により、加速されたイオンを単結晶半導体基板に照射することで、前記単結晶半導体基板の表面から離れた単結晶半導体基板内部の領域に損傷領域を形成し、
   多結晶半導体基板及び前記単結晶半導体基板とをバッファ層を介して、前記多結晶半導体基板と前記単結晶半導体基板を密着させ、前記多結晶半導体基板と前記単結晶半導体基板とを貼り合わせ、
   前記単結晶半導体基板の加熱によって前記損傷領域に亀裂を生じさせ、前記単結晶半導体基板の一部を前記単結晶半導体基板から分離して前記単結晶半導体基板から分離された単結晶半導体層が固定された多結晶半導体基板を形成し、
   前記多結晶半導体基板に固定された前記単結晶半導体層を加熱しながら、前記単結晶半導体層にレーザビームを照射して、前記単結晶半導体層を溶融することで、前記単結晶半導体層を再単結晶化させることを特徴とする半導体基板の作製方法。
6. 請求項５において、前記バッファ層は、積層構造であり、前記単結晶半導体基板または前記多結晶半導体基板と接合する絶縁膜を含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
7. 請求項５において、前記バッファ層は、積層構造であり、前記単結晶半導体基板または前記多結晶半導体基板を酸化した酸化物膜を含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
8. 請求項５において、前記多結晶半導体基板の直径は、５インチ以上であることを特徴とする半導体基板の作製方法。
9. 請求項１または請求項５において、前記バッファ層は、積層構造であり、窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜を含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
10. 請求項１または請求項５のいずれか１項において、前記バッファ層は、積層構造であり、前記単結晶半導体層に密着する絶縁膜を有し、前記絶縁膜はハロゲンを含むことを特徴とする半導体基板の作製方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一において、さらに前記単結晶半導体層の表面に対して研磨を行う半導体基板の作製方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一において、前記レーザビーム照射の際に加熱する前記単結晶半導体層の加熱温度は、５００℃以上１１００℃以下である半導体基板の作製方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項において、前記レーザ光の照射領域の上面形状は線状、正方形、または長方形であることを特徴とする半導体基板の作製方法。

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