JP2003037253A - Ｓｏｉ基板の製造方法及びｓｏｉ基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貼り合わせＳＯＩ基板における結合界面に存
在するボイドを低減し、また十分に高い結合強度を有す
る高品質のＳＯＩ基板及びその製造方法を提供し、特に
１１００℃またはそれより低い温度で結合アニールを行
っても、高品質のＳＯＩ基板を得ることが出来る方法を
提供する。 【解決手段】 少なくとも、シリコンウエーハに熱酸化
処理を行い表面に二酸化ケイ素膜を形成し、降温後取り
出して得られたウエーハを他のウエーハと前記二酸化ケ
イ素膜を介して貼り合わせ、得られた貼り合わせウエー
ハに結合アニールを施すＳＯＩ基板の製造方法におい
て、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜の粘度
を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることを特徴
とするＳＯＩ基板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウエーハ
に二酸化ケイ素膜（以下酸化膜と呼ぶ）を形成し、該酸
化膜を介して他のウェーハを貼り合わせたＳＯＩ基板及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の製造方法として、ＳＯＳ法
（Ｓｉ Ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、ＺＭＲ法（Ｚｏｎ
ｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ）、ＳＩＭＯＸ法（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ
Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）、貼り合わせ法等
が開発されてきた。このうち貼り合わせ法は、デバイス
に使用されるシリコン層（以下ＳＯＩ層と呼ぶ）の厚さ
及び絶縁分離膜として使用される埋め込み用酸化膜の厚
さを自在に制御できることから、適用されるデバイス分
野が広く、ＭＯＳＬＳＩから高耐圧ＩＣまで実用的にも
多く利用されている。

【０００３】貼り合わせ法によるＳＯＩ基板の一般的な
製造方法は、例えば三谷清による「シリコンの科学」
（リアライズ社 １９９６年 大見忠弘、新田雄久 監
修）Ｐ４５９〜Ｐ４６６に示されおり、初期接着工程、
アニール工程、薄膜工程の３工程からなる。

【０００４】ここで、従来の貼り合わせ法によるＳＯＩ
基板を製造する方法の一例を図１を参照しながら説明す
る。まず、工程（ａ）で酸化されていない支持基板とな
るウェーハ１（以下ベースウェーハと呼ぶ）を、また工
程（ｂ）で埋め込み酸化膜となる酸化膜３を必要な厚さ
に形成したウェーハ２（以下ボンドウェーハと呼ぶ）を
準備する。ここで、ボンドウエーハは、水蒸気酸化（パ
イロジェニック酸化）法により９００〜１１５０℃の温
度範囲、最大０．５気圧程度の水蒸気分圧でシリコンウ
エーハに酸化膜３を所定膜厚まで成長させ、その後水蒸
気酸化（パイロジェニック酸化）雰囲気から乾燥酸化雰
囲気あるいは窒素雰囲気に切り換えて、３〜５℃／ｍｉ
ｎの降温速度で６００〜８００℃まで冷却した後、熱処
理炉から取り出して得られる。

【０００５】次に工程（ｃ）において、ベースウエーハ
とボンドウエーハは酸化膜を介して貼り合わせられる。
まず接着工程において、常温の清浄な雰囲気下で２枚の
ウエーハを酸化膜を介して接触させることにより、接着
剤等を用いることなくウエーハ同士が接着して貼り合わ
せウエーハとなる。その後、貼り合わせ界面のはがれを
防止するために貼り合わせたウエーハを通常は１１００
℃で１〜２時間程度、酸素雰囲気下で結合アニールが行
われる。それによって、ベースウエーハとボンドウエー
ハの結合強度が高められたウエーハを得ることができ
る。その後、薄膜工程（ｄ）において、得られたウエー
ハのボンドウェーハ側に研削・研磨を施すことによっ
て、薄膜化及び平坦化が行われ、埋め込み酸化膜５の上
に素子が形成されるＳＯＩ層４を有するＳＯＩ基板を製
造することができる。

【０００６】また、貼り合わせ法を使用した薄膜ＳＯＩ
基板作製方法として、スマートカット（登録商標）法と
呼ばれる技術がある。このスマートカット法は、初期接
着工程前にボンドウェーハに軽元素のイオン注入を行
い、また初期接着工程後に剥離熱処理を行って、ボンド
ウエーハを剥離することによってＳＯＩ層を得ることに
特徴を有するが、これらの工程以外は上記貼り合わせ法
とほぼ同様であり、剥離熱処理後には結合強度を高める
ために結合アニールが行われる。

【０００７】しかしながら、このような従来の貼り合わ
せ法により作製されたＳＯＩ基板は、ボンドウェーハと
ベースウェーハ間にボイド（空隙：未結合部）あるいは
それより小さいサイズのマイクロボイド（直径約数μｍ
〜数１０μｍ、あるいはそれ以下）が存在し、その大き
さ、数によっては、ＳＯＩ構造を使用したデバイス作製
において致命的な欠陥を招くことがあった。そのため、
ボイドの大きさや数を制御し、ボイドが低減されたＳＯ
Ｉ基板を製造することが望まれている。また、デバイス
の機械的信頼性を確保するために、ボンドウェーハとベ
ースウェーハの結合強度を十分高めたＳＯＩ基板を製造
することが望まれている。

【０００８】また、従来の貼り合わせＳＯＩ基板の製造
方法において、結合アニール温度の低温化が望まれてい
る。一般に、結合アニールは１１００℃程度の温度で行
われているが、結合アニール温度を低下させることによ
って、結合アニール中の熱処理炉からの重金属等の汚染
の防止、ＳＯＩ層やベース基板中にスリップ転位等の新
たな結晶欠陥発生の防止、ＳＯＩ層、基板及び埋め込み
酸化膜中のドーパント濃度の変動と偏析を防ぐことがで
き、より高品質のＳＯＩ基板を製造することが可能とな
る。しかしながら、従来技術における結合アニール温度
の低温化は、ボイド誘発の原因となり、またその結果結
合強度の低下を招くことから１１００℃より低い温度で
結合アニールを行うことは実質上困難であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、貼り合わ
せＳＯＩ基板における結合界面に存在するボイドを低減
し、また十分に高い結合強度を有する高品質のＳＯＩ基
板及びその製造方法を提供することにあり、特に１１０
０℃またはそれより低い温度で結合アニールを行って
も、高品質のＳＯＩ基板を得ることが出来る方法を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば、少なくとも、シリコンウエーハに
熱酸化処理を行い表面に二酸化ケイ素膜を形成し、降温
後取り出して得られたウエーハを他のウエーハと前記二
酸化ケイ素膜を介して貼り合わせ、得られた貼り合わせ
ウエーハに結合アニールを施すＳＯＩ基板の製造方法に
おいて、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜の
粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることを
特徴とするＳＯＩ基板の製造方法が提供される（請求項
１）。

【００１１】このように、ＳＯＩ基板を製造する際に、
貼り合わせウエーハの酸化膜の粘度が２．０×１０^１４
Ｐｏｉｓｅｓ以下になる温度で結合アニールを行うこと
によって、ベースウエーハとボンドウエーハの貼り合わ
せ結合界面に存在するマイクロボイド等を低減でき、結
合強度が高められたＳＯＩ基板を製造することができ
る。

【００１２】この時、前記結合アニールを施す際、二酸
化ケイ素膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍ（質量百万分率）を
超える濃度（請求項２）、さらに好ましくは１００ｐｐ
ｍ以上の濃度とすることが好ましい。このように、酸化
膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度、好ましくは１
００ｐｐｍ以上の濃度とすることによって、比較的低温
の結合アニール温度でも酸化膜の粘度を２．０×１０
^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下にすることができ、高品質のＳＯ
Ｉ基板の製造を行うことができる。

【００１３】この場合、前記シリコンウエーハの熱酸化
処理における降温工程、及び取り出し工程における全工
程または一部工程を水蒸気酸化雰囲気下で行うことが好
ましい（請求項３）。

【００１４】シリコンウエーハの熱酸化処理において、
高温での酸化膜形成工程だけではなく、その後の降温工
程、及び取り出し工程における全工程または一部工程を
水蒸気酸化雰囲気下で行うことによって、降温及び取り
出し工程中の酸化膜中のＯＨの外方拡散を抑制すること
ができる。それによって、酸化膜中のＯＨ濃度の低下を
抑制し、その後行われる結合アニールにおいて、埋め込
み酸化膜中のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とする
ことができる。

【００１５】さらにこの時、シリコンウエーハの熱酸化
処理における降温工程を６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度
で行うことが好ましい（請求項４）。このように、降温
工程において降温速度を６０℃／ｍｉｎ以上とすること
によって、降温工程を短時間で行うことができ、それに
よって酸化膜中のＯＨの外方拡散が抑制され、熱酸化処
理後に高いＯＨ濃度を維持した酸化膜を有するウエーハ
を得ることができる。

【００１６】そして、このようにして得られた粘度の低
い酸化膜を有するウエーハであれば、結合アニールを１
１００℃未満の温度で行っても（請求項５）、従来の方
法で得られたＳＯＩ基板に比べて同等あるいはより品質
の優れたＳＯＩ基板を得ることができる。

【００１７】この時、前記結合アニールを１気圧を超え
る高気圧雰囲気下で行うことが好ましい（請求項６）。
このように、結合アニールを施す際に１気圧を超える高
気圧雰囲気下で行うことにより、埋め込み酸化膜中のＯ
Ｈの放出を防ぎ、結合界面のマイクロボイド等を低減さ
せることができる。

【００１８】そして、本発明によれば、ＳＯＩ基板の製
造においてたとえ１１００℃以下の温度で結合アニール
を行っても、ベースウエーハとボンドウエーハの結合強
度が高く、また結合界面のマイクロボイドが低減された
ＳＯＩ基板とすることができる（請求項７）。

【００１９】また、本発明のＳＯＩ基板は、貼り合わせ
法により製造されたＳＯＩ基板であって、埋め込み酸化
膜が１１００℃において２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ
以下の粘度を有することを特徴とするＳＯＩ基板である
（請求項８）。

【００２０】このように、埋め込み酸化膜が１１００℃
において２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有
するＳＯＩ基板は、結合アニールが施されることによっ
て、結合界面のボイドが低減され、十分な結合強度を有
するＳＯＩ基板とすることができる。

【００２１】さらに、本発明のＳＯＩ基板は、貼り合わ
せ法により製造されたＳＯＩ基板であって、埋め込み酸
化膜が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度を有することを特徴
とするＳＯＩ基板である（請求項９）。

【００２２】このように、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜
が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度を有することによって、
１１００℃においても２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以
下の粘度を有する酸化膜とすることができ、また、ＳＯ
Ｉ基板を得るために結合アニールが１１００℃以下の温
度で行われたとしても、結合界面に存在するマイクロボ
イドが増加することなく、十分な結合強度を有する高品
質のＳＯＩ基板とすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する
が、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明
者等は、ベースウェーハとボンドウェーハの結合界面に
おけるマイクロボイドの低減、結合強度の向上、あるい
は結合アニールの低温化を図る手段として、埋め込み酸
化膜の性質の一つである粘度に注目し、結合アニール時
に酸化膜粘度をある一定値以下に制御することが可能で
あれば結合界面のボイドを低減し、結合強度を高めるこ
とことができるとともに、結合アニールの温度を低下で
きることを見出し、鋭意調査及び研究を重ねることによ
って、本発明を完成させた。

【００２４】すなわち、本発明において結合界面のボイ
ドが低減され、また十分に強い結合強度を有する高品質
のＳＯＩ基板を得る為に必要とされる結合アニール時の
酸化膜粘度の臨界値を規定した。さらに、酸化膜粘度の
酸化膜中ＯＨ濃度依存性、及びＯＨ濃度と結合アニール
温度の関係に注目し、酸化膜粘度を臨界値以下に低下さ
せる為に必要な埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度を特定し、
また酸化膜中のＯＨ濃度と結合アニール温度の関係を明
らかにすることによって、結合アニール温度を低下させ
ても高品質のＳＯＩ基板を得ることができることを見出
した。以下、これについて説明する。

【００２５】まず、従来のＳＯＩ基板の製造方法におい
て、結合アニール温度を１１００℃より低くするとボイ
ドが誘発される原因は、低温化による埋め込み酸化膜の
粘度が上昇するためではないかと考えられた。そこで、
ボイドを発生させないために、１１００℃の結合アニー
ル時に必要とされる酸化膜の粘度について調査を行っ
た。

【００２６】酸化膜の粘度と酸化膜中のＯＨ濃度、また
酸化膜の粘度と酸化雰囲気圧力の関係に関してはＳ．
Ｍ．Ｈｕにより報告されており、ＯＨ濃度が増加するほ
ど酸化膜の粘度は低下し、また、水蒸気分圧が大きくな
るほど酸化膜の粘度が低下することが知られている
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６４（１９９８），Ｐ３２
３）。

【００２７】例えば１１００℃において、ＯＨ濃度が０
ｐｐｍである酸化膜粘度に比べ、１０００ｐｐｍ含有す
る酸化膜では粘度が約２桁低下し、また２０００ｐｐｍ
では約４桁低下する。また、同一の粘度を有する酸化膜
におけるＯＨ濃度と温度の関係を比較した場合、例えば
１５００ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜では、１１０
０℃で粘度が約３×１０^１１ｐｏｉｓｅｓ程度であるの
に対し、２５００ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜の場
合、約８００℃で同程度の粘度となる。さらに、酸化膜
粘度と酸化膜を形成する際のアニール炉内の水蒸気分圧
の関係で比較すると、酸化膜は水蒸気分圧が０気圧の時
に比べ、同温度で水蒸気分圧が１気圧の場合、酸化膜粘
度は約２〜３桁程度低下し、また水蒸気分圧が５気圧の
場合、約６桁低下する。すなわち、高水蒸気分圧下で形
成した酸化膜ほど酸化膜粘度は低下する。

【００２８】また、Ｓ．Ｍ．Ｈｕの同文献（Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．６４（１９９８），Ｐ３２３）に、Ｍｉ
ｋｋｅｌｓｅｎらによる温度と水蒸気分圧及び温度と酸
化膜中のＯＨ濃度の関係を表す次式が示されている。 ［ＯＨ］＝２．７×１０^４×ｅｘｐ（−０．３３ｅＶ／
ｋＴ）・ｐ^１／２ｐｐｍ ここでｋはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数、ｐは水蒸気分圧で
ある。この関係式を用いて、温度範囲が６００〜１２０
０℃、水蒸気分圧範囲が０．１〜５気圧の場合の酸化膜
中のＯＨ濃度を図２に示す。図２より、従来の酸化膜形
成条件である水蒸気雰囲気下０．５気圧、温度９００〜
１１５０℃で作製された埋め込み酸化膜のＯＨ濃度は、
およそ７３０〜１３００ｐｐｍ程度になるはずである。

【００２９】しかし、上述したように、従来の方法によ
る酸化膜の形成は、埋め込み酸化膜を成長させた後、水
蒸気酸化（パイロジェニック酸化）雰囲気から乾燥酸化
雰囲気或いは窒素雰囲気に切り換えられ、その後、降温
工程及びウエーハの取り出し工程が行われる。そのた
め、熱酸化処理の降温及び取り出し工程中は水蒸気分圧
が０となり、埋め込み酸化膜中のＯＨは外方拡散する。
そのため、熱酸化処理炉から取り出したウエーハの酸化
膜中のＯＨ濃度は、酸化膜形成時に水蒸気酸化により酸
化膜中に取り込まれたＯＨ濃度に比べ著しく低下してい
ることがわかった。

【００３０】そこで、次に、従来のＳＯＩ基板の製造方
法における埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度の低下を見積も
る為の計算を行った。まず外方拡散は酸化膜厚さを無限
大と仮定して以下の式を適用し、概算した（オーム社
半導体デバイス 電気学会編Ｐ２２０）。 Ｎ／Ｎｂ＝（１−ｅｒｆｃ（ｘ／２√Ｄｔ）） ここでＮ：不純物（ＯＨ）濃度、Ｎｂ：初期不純物（Ｏ
Ｈ）濃度、Ｄ：拡散係数である。また、境界条件は Ｎ（ｘ＞０，０）＝Ｎｂ、Ｎ（０，ｔ≧０）＝０ とした。ここで、降温工程及び取り出し工程における水
蒸気分圧は０である。

【００３１】従来の方法で得られるウエーハの酸化膜中
のＯＨ濃度を見積もる為に、次の酸化膜形成条件を仮定
して計算を行った。まず、埋め込み酸化膜の厚さは最も
標準的によく使われる３００ｎｍ、及び最も厚い埋め込
み酸化膜の場合を想定し１０００ｎｍとした。また、水
蒸気酸化直後の酸化膜中ＯＨ濃度は、最大酸化温度を想
定して１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で酸化膜を形
成した時の１３００ｐｐｍとした。取り出し温度は６０
０℃とし、ＯＨの拡散係数は、６００℃〜１１５０℃の
温度帯においておよそ１．０×１０^−９〜１．０×１０
^−１１ｃｍ^２ｓｅｃ^−１（リアライズ社 １９９９年
非晶質シリカ材料応用ハンドブック Ｐ３６７）である
ため、その中間値である１．０×１０^−１０ｃｍ^２ｓｅ
ｃ^−１とした。従来の方法では降温速度を３〜５℃／ｍ
ｉｎで行うことが多いので、１１５０℃から６００℃の
降温には、およそ２〜３時間を必要とする。

【００３２】酸化膜の厚さが３００ｎｍ、１０００ｎｍ
のそれぞれの場合について、酸化膜中のＯＨ濃度の外方
拡散による減少を先の厚さ無限大と仮定した外方拡散式
を使用して、それぞれの最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面
部）、厚さの中間位置、及び表面側の厚さ１０％の位置
について概算した。その結果を酸化膜が３００ｎｍの厚
さの場合を図３（ａ）に、１０００ｎｍの場合を図３
（ｂ）に示す。

【００３３】図３より、水蒸気酸化から非水蒸気雰囲気
へ置換した後、降温及び取り出し工程に１時間要した場
合は、３００ｎｍの厚さの酸化膜中におけるＯＨ濃度
は、酸化膜中の最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面部、表面
より３００ｎｍ）で３６．７ｐｐｍ、酸化膜中の中間位
置（表面より１５０ｎｍ）で１８．３ｐｐｍとなり、ま
た、上記工程に２時間要した場合では、それぞれ酸化膜
位置で２５．９ｐｐｍ、１３．０ｐｐｍまで低下する。
また１０００ｎｍ厚の厚い酸化膜のＯＨ濃度は、水蒸気
酸化から非水蒸気雰囲気への置換後、降温及び取り出し
工程に１時間要した場合、酸化膜の最大濃度位置（Ｓｉ
基板側界面部、表面より１０００ｎｍ）で１２２ｐｐ
ｍ、酸化膜中の中間位置（表面より５００ｎｍ）で６
１．１ｐｐｍとなり、２時間要した場合では、それぞれ
８６．３ｐｐｍ、４３．２ｐｐｍまで低下する。以上の
計算は酸化膜厚さを無限大と仮定した場合であるため、
実際の酸化膜厚では、この計算値より小さくなると考え
られる。このため、従来の方法で得られた埋め込み酸化
膜の中間位置におけるＯＨ濃度は酸化膜厚が１０００ｎ
ｍと厚い場合を考えても７０ｐｐｍ以下、一般によく使
用される３００ｎｍの厚さの酸化膜のＯＨ濃度において
は２０ｐｐｍ以下に低下すると言うことができる。

【００３４】このように従来のＳＯＩ基板の製造方法に
おいて、酸化膜形成の際に水蒸気酸化直後に高い濃度で
酸化膜中にＯＨが存在していても、その後の降温、取り
出し工程中にＯＨが外方拡散し、最終的な埋め込み酸化
膜の中間位置におけるＯＨ濃度は最大でも７０ｐｐｍ以
下に低下してしまう。その後、２枚のウエーハをこの７
０ｐｐｍ以下のＯＨ濃度を有する酸化膜を介して室温で
貼り合わせた後、およそ１１００℃で結合アニールが行
われるため、この酸化膜の結合アニール時のＯＨ濃度は
最大でも７０ｐｐｍとなる。

【００３５】ここで前記Ｓ．Ｍ．Ｈｕの文献による酸化
膜中のＯＨ濃度と粘度の関係を図５（ａ）に示す。図５
（ａ）より、７０ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜は、
結合アニール時（１１００℃）にはおよそ２×１０^１４
Ｐｏｉｓｅｓの粘度となる。従来の製造方法において、
結合アニールをこの１１００℃より低い温度で実施する
と、ベースウェーハとボンドウェーハの貼り合わせ結合
界面にマイクロボイドが発生し易くなり、また、結合強
度の低下が生じ始めることがわかっている。

【００３６】以上のことより、貼り合わせ法における結
合アニール時に必要とされる埋め込み酸化膜の粘度の上
限値は２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓであると見積もること
ができ、この酸化膜の粘度が、結合アニール時の埋め込
み酸化膜の粘度のしきい値と考えることができる。従っ
て、結合アニールを施す際に、酸化膜の粘度を２×１０
^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下に制御することによって、ベース
ウェーハとボンドウェーハの貼り合わせ結合界面のマイ
クロボイド等の低減や結合強度向上を達成することがで
き、高品質のＳＯＩ基板を提供することができる。ま
た、このように、埋め込み酸化膜が１１００℃において
２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有する貼り合わ
せＳＯＩ基板であれば、貼り合わせ結合界面のマイクロ
ボイドが低減され、また結合強度に優れた貼り合わせＳ
ＯＩ基板とすることができる。

【００３７】尚、埋め込み酸化膜の粘度の下限値は特に
限定されないが、図５（ｂ）において、１０００ｐｐｍ
のＯＨ濃度を有する酸化膜の場合、１１００℃の結合ア
ニールでは約３×１０^１２Ｐｏｉｓｅｓが得られる。さ
らに、結合アニール温度の上限である１３５０℃程度ま
で外挿すると、１×１０^１０Ｐｏｉｓｅｓ程度の粘度が
得られることがわかる。

【００３８】また、この時、結合アニールを施す際の酸
化膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とすることが
好ましく、１００ｐｐｍ以上の濃度とすることがさらに
好ましい。ここで、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度が１０
０ｐｐｍのウエーハと７０ｐｐｍ、２０ｐｐｍのウエー
ハを同じ結合アニール温度での酸化膜粘度の比較を行っ
た（図５（ａ））。結合アニール温度を１１００℃とし
た場合、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍの
ウエーハは、ＯＨ濃度が７０ｐｐｍのウエーハに比べ約
１１％粘度が低く、またＯＨ濃度が２０ｐｐｍのウエー
ハに対しては約３３％粘度が低い。さらに、埋め込み酸
化膜中のＯＨ濃度を２００ｐｐｍまで高めた場合、上記
と同様に結合アニール温度を１１００℃として比較した
場合、ＯＨ濃度が７０ｐｐｍ、２０ｐｐｍのウエーハに
比べて、それぞれ４０％、５１％も酸化膜の粘度が低下
することがわかった。

【００３９】従って、結合アニール温度を従来と同じ温
度（１１００℃）で行う場合、結合アニールを施す際に
酸化膜中のＯＨ濃度をより高くすることによって、埋め
込み酸化膜の粘度をより低下させることができ、埋め込
み酸化膜のＯＨ濃度が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度、好
ましくは１００ｐｐｍ以上のＯＨ濃度であれば、結合ア
ニール時の埋め込み酸化膜の粘度を規定値以下に低下さ
せることができ、高品質のＳＯＩ基板とすることができ
る。

【００４０】しかしながら、従来のＳＯＩ基板の製造方
法では、前述したように降温・取り出し工程が非水蒸気
雰囲気で行われているため、酸化膜形成時に水蒸気酸化
により取り込まれたＯＨは降温及び取り出し工程中に外
方拡散し、酸化膜中のＯＨ濃度は７０ｐｐｍ以下まで減
少してしまう。そこで、形成された酸化膜のＯＨ濃度を
低下させることなく、高いＯＨ濃度を維持するために、
シリコンウエーハの熱酸化処理において、酸化膜形成後
の降温工程、及び取り出し工程における全工程または一
部工程を水蒸気酸化雰囲気で行うことが好ましい。

【００４１】ここでウェーハの取り出し温度を７００
℃、８００℃、９００℃とし、降温工程及び取り出し工
程の水蒸気分圧を０．５気圧とした場合の酸化膜中の平
衡ＯＨ濃度を前記Ｓ．Ｍ．Ｈｕの文献より計算した結
果、それぞれ３７３、５３９、７３０ｐｐｍであること
がわかった（図２）。この平衡濃度がＯＨの外方拡散時
の酸化膜表面における最低ＯＨ濃度になるため、降温工
程、及び取り出し工程を水蒸気酸化雰囲気で行うことに
よって、結合アニール時の埋め込み酸化膜のＯＨ濃度を
高く維持することは容易に達成される。

【００４２】また、熱酸化処理において酸化膜形成温
度、降温速度、取り出し温度及び水蒸気分圧を変えるこ
とによって、酸化膜のＯＨ濃度を容易に制御することが
可能となる。例えば、高速な降温が可能な熱処理炉を熱
酸化処理、特に降温工程に用いることによって降温速度
を制御することができ、それにより降温時間を短くし、
埋め込み酸化膜中からのＯＨの外方拡散を抑制すること
ができる。

【００４３】例えば、１１５０℃で水蒸気分圧を０．５
気圧で酸化膜を形成した後、１１５０℃から７００℃ま
での降温工程を非水蒸気雰囲気で４５０秒で行った場
合、上述のＯＨの外方拡散の計算を用いると、酸化膜中
のＯＨ濃度は、酸化膜中の最大濃度位置（Ｓｉ基板側界
面部、表面より１０００ｎｍ）で約２４８ｐｐｍ、酸化
膜中の平均ＯＨ濃度は約１２０ｐｐｍ以上が達成される
（図４参照）。一方、この降温工程を３６００、７２０
０秒で行うと、酸化膜中のＯＨ濃度が格段に低下する。
従って、降温温度範囲が４５０℃（１１５０℃〜７００
℃）と大きい場合でも、降温工程を４５０秒以内で、す
なわち６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で行うことによっ
て、酸化膜のＯＨを高い濃度で維持することができ、結
合アニールを施す際の酸化膜の粘度を低くすることがで
きる。

【００４４】また上記の熱酸化処理では、埋め込み酸化
膜の形成を水蒸気分圧が０．５気圧程度の酸化雰囲気を
想定しているが、全圧で１気圧以上が可能な高圧酸化炉
を用いて水蒸気分圧を高くすることによって、さらに酸
化膜中のＯＨ濃度を高めることができる（図２参照）。
図２によれば、水蒸気分圧を５気圧にすることにより、
１２００℃において４０００〜５０００ｐｐｍのＯＨ濃
度が得られることがわかる。

【００４５】以上説明したように、結合アニール時の埋
め込み酸化膜の粘度を２．０×１０ ^１４Ｐｏｉｓｅｓ以
下にすることによって、従来の製造方法で得られるＳＯ
Ｉ基板と同等以上の品質を持つ貼り合わせＳＯＩ基板を
製造することができる。

【００４６】このように、本発明の高品質なＳＯＩ基板
を得るためには、２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の
埋め込み酸化膜粘度を達成すれば良い。そして、前記
Ｓ．Ｍ．Ｈｕによる酸化膜中の粘度と温度の関係を示し
た図５からわかるように、例えば埋め込み酸化膜のＯＨ
濃度を５００ｐｐｍまで高めたウエーハを用いることに
よって、結合アニール温度は約１０４０℃にすることが
でき、１０００ｐｐｍのウエーハを用いた場合では約９
６０℃に低下することができる。このように、酸化膜中
のＯＨ濃度を高く制御することによって、１１００℃未
満の低い温度で結合アニールを行っても、埋め込み酸化
膜の粘度を所定値以下とすることができるので、結合界
面のマイクロボイドを増加させることなく、優れた結合
強度を有するＳＯＩ基板を製造することができる。さら
に、結合アニール温度を低温化したことによって、結合
アニール中の金属等の汚染、スリップ等の新たな結晶欠
陥の発生、ドーパント濃度の変動や偏析が非常に低減さ
れた高品質のＳＯＩ基板を製造することができる。

【００４７】また、従来の結合アニールは常圧（熱処理
雰囲気気圧）で熱処理を行っていたが、ベースウェーハ
とボンドウェーハの貼り合わせ結合界面の結合強度向
上、マイクロボイドの低減、また酸化膜中のＯＨ放出の
防止のために、高圧酸化炉を用いて結合アニールを１気
圧を超える高気圧雰囲気下で行うことが好ましく、また
この場合水蒸気雰囲気の分圧が高い方が望ましい。この
ように、高圧雰囲気下で結合アニールを行うことによっ
て、より高品質のＳＯＩ基板を製造することが可能とな
る。

【００４８】

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて本発明を具体
的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。 （実施例１、比較例１）直径２００ｍｍのシリコン単結
晶ウエーハに、１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で熱
酸化を行い、厚さ４００ｎｍの埋め込み用酸化膜を形成
した。その際、酸化炉からの取り出し温度である６００
℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を、水蒸気分圧
０．１気圧雰囲気で行った。従って、形成された酸化膜
中のＯＨ濃度は図２より、約１００ｐｐｍと見積もるこ
とができる。また、１１００℃におけるその粘度は、図
５より、約１．５×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓと見積もるこ
とができる。

【００４９】この酸化膜付きウエーハの表面から水素イ
オン注入（ドーズ量８×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）を
行って水素高濃度層を形成し、他のシリコンウエーハと
室温で密着させた後、５００℃、３０分の熱処理を行っ
て水素高濃度層で剥離し、ＳＯＩ層厚が約４００ｎｍの
ＳＯＩウエーハを作製した。その後、乾燥酸素雰囲気中
で１１００℃、２時間の結合アニールを行い結合強度を
高めた後、ＳＯＩ表面の酸化膜を除去し、さらに、ＳＯ
Ｉ表面を約１００ｎｍ研磨して表面粗さを向上させたＳ
ＯＩウエーハを作製した（実施例１）。

【００５０】一方、埋め込み用酸化膜の形成工程におい
て、６００℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を乾
燥窒素雰囲気で行った以外は、実施例１と同様の工程に
よりＳＯＩウエーハを作製し（比較例１）、両者のマイ
クロボイドの発生状況を観察した結果、実施例１のＳＯ
Ｉウエーハはマイクロボイドがほとんど発生しておら
ず、従来法である比較例１に比べてマイクロボイドを低
減することができることがわかった。

【００５１】尚、マイクロボイドの観察は、レーザー等
を光源とする光散乱方式のパーティクル測定器を用いて
ＳＯＩウエーハ表面を測定し面内のパーティクルの座標
を得て、散乱光の強度が強くサイズが大きい輝点（パー
ティクル）として検出されたものを光学顕微鏡により観
察することにより評価した。

【００５２】（実施例２）直径２００ｍｍのシリコン単
結晶ウエーハに、１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で
熱酸化を行い、厚さ４００ｎｍの埋め込み用酸化膜を形
成した。その際、酸化炉からの取り出し温度である８０
０℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を、水蒸気分
圧０．５気圧雰囲気で行った。従って、形成された酸化
膜中のＯＨ濃度は、図２より、約５００ｐｐｍと見積も
ることができる。また、１０５０℃におけるその粘度
は、図５より、約１．５×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓと見積
もることができる。

【００５３】この酸化膜付きウエーハを用い、結合アニ
ール温度を１０５０℃に低温化した以外は実施例１と同
一条件のスマートカット法によりＳＯＩウエーハを作製
した。そして、このウエーハのマイクロボイドの発生状
況を観察した結果、結合アニール温度を１０５０℃に低
温化したにもかかわらず、実施例１と同様にＳＯＩウエ
ーハはマイクロボイドがほとんど発生しておらず、高品
質のＳＯＩウエーハが得られた。

【００５４】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。

【００５５】例えば、本発明は２枚の半導体ウエーハ
（シリコンウエーハ）を貼り合わせる場合が主に例示さ
れているが、本発明はこれには限定されず、半導体ウエ
ーハと絶縁基板（例えば、石英、サファイア、アルミナ
基板等）とを直接結合してＳＯＩウエーハを作製する場
合にも同様に適用することができる。また、形成される
酸化膜はボンドウエーハに形成されるとは限らず、ベー
スウエーハに酸化膜を形成しても良い。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ボンドウエーハとベースウエーハを貼り合わせて得られ
たウエーハに結合アニールを施す際に、酸化膜の粘度を
２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることによっ
て、マイクロボイドの少ない高品質な貼り合わせＳＯＩ
基板を製造することが可能になった。また酸化膜の粘度
を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下に制御することに
よって、結合アニール温度を１１００℃以下で行うこと
が可能となり、結合熱処理中の金属等の汚染、スリップ
等の新たな結晶欠陥発生、ドーパント濃度の変動・偏析
が低減されたＳＯＩ基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】貼り合わせＳＯＩ基板の一般的な製造方法を示
したフロー図である。

【図２】温度と水蒸気分圧と酸化膜中のＯＨ濃度の関係
を示すグラフである。

【図３】水蒸気酸化後から取り出しまでのＯＨ濃度の時
間依存性を示したグラフである。 （ａ）埋め込み酸化膜厚が３００ｎｍの場合、（ｂ）埋
め込み酸化膜厚が１０００ｎｍの場合。

【図４】埋め込み酸化膜厚が１０００ｎｍのウエーハに
おける降温速度に対する埋め込み酸化膜内のＯＨ濃度分
布を示したグラフである。

【図５】温度と酸化膜粘度の関係を示したグラフであ
る。 （ａ）ＯＨ濃度が２０、７０、１００、２００ｐｐｍの
酸化膜で、温度範囲が９００〜１２００℃の場合、
（ｂ）ＯＨ濃度が１００、２００、５００、１０００ｐ
ｐｍの酸化膜で、温度範囲が６００〜１２００℃の場
合。

【符号の説明】

１…ベースウエーハ、 ２…ボンドウエーハ、３…酸化
膜、 ４…ＳＯＩ層、 ５…埋め込み酸化膜。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、シリコンウエーハに熱酸化
   処理を行い表面に二酸化ケイ素膜を形成し、降温後取り
   出して得られたウエーハを他のウエーハと前記二酸化ケ
   イ素膜を介して貼り合わせ、得られた貼り合わせウエー
   ハに結合アニールを施すＳＯＩ基板の製造方法におい
   て、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜の粘度
   を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることを特徴
   とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記結合アニールを施す際、二酸化ケイ
   素膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とすることを
   特徴とする請求項１に記載されたＳＯＩ基板の製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記シリコンウエーハの熱酸化処理にお
   ける降温工程、及び取り出し工程における全工程または
   一部工程を水蒸気酸化雰囲気下で行うことを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載されたＳＯＩ基板の製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記シリコンウエーハの熱酸化処理にお
   ける降温工程を６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で行うこ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項
   に記載されたＳＯＩ基板の製造方法。
5. 【請求項５】 前記結合アニールを１１００℃未満の温
   度で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
   ずれか一項に記載されたＳＯＩ基板の製造方法。
6. 【請求項６】 前記結合アニールを１気圧を超える高気
   圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１ないし請求
   項５のいずれか一項に記載されたＳＯＩ基板の製造方
   法。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか一項
   に記載されたＳＯＩ基板の製造方法により製造されたＳ
   ＯＩ基板。
8. 【請求項８】 貼り合わせ法により製造されたＳＯＩ基
   板であって、埋め込み酸化膜が１１００℃において２．
   ０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有することを特
   徴とするＳＯＩ基板。
9. 【請求項９】 貼り合わせ法により製造されたＳＯＩ基
   板であって、埋め込み酸化膜が７０ｐｐｍを超えるＯＨ
   濃度を有することを特徴とするＳＯＩ基板。