JP2004063892A - Soi wafer and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SOIウエーハおよびその製造方法に関し、詳細には、シリコン酸化膜表面に形成厚さが異なる複数のSOI層が形成されてなるSOIウエーハおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
SOI(Silicon on Insulator)層を用いた半導体デバイスは、例えば、CMOS等のMOS型ICや、高耐圧型ICさらには、D−RAMなどのRAM等の半導体メモリやシステムLSIといったように、種々の電子部品として開発・製品化されている。また、このような半導体デバイスの形成には、シリコン単結晶基板(以下、ベースウエーハともいう)上にシリコン酸化膜を形成し、その上に別のシリコン単結晶をSOI層として積層形成した、いわゆるSOIウエーハが使用されている。ここで使用されるSOIウエーハにおいては、その上に形成される半導体デバイスに応じて、シリコン酸化膜やSOI層の膜厚が適宜要求されるとともに、例えばゲート長さや耐圧・静電容量の変化等、必要とされる半導体デバイスの機能に応じて、同一のSOIウエーハ内におけるSOI層の膜厚が異なるように形成されたSOI層が要求される場合もある。
【0003】
さて、最近、携帯電話をはじめとする無線通信にさえ、電波資源拡大と伝送容量の高密度化を測るために、数100MHZ以上の高周波信号を取り扱うのが一般的になっており、上記したSOI層を用いた半導体デバイスにも、当然、高周波特性が良好であるものが求められている。そこで、このような高周波用の半導体デバイスを形成する場合、用いるSOIウエーハにおいては、高周波損失低減のため、ベースウエーハとして高抵抗率のシリコン単結晶を使用する必要がある。
【0004】
上記したSOIウエーハを製造するにあたり、その代表的な製造方法に貼り合わせ法がある。この貼り合わせ法は、ベースウエーハとなる第一基板と、デバイス形成領域であるSOI層となる第二基板(以下、ボンドウエーハともう)とをシリコン酸化膜を介して貼り合せた後、ボンドウエーハを所望の膜厚まで減厚し、薄膜化することによりボンドウエーハをSOI層とするものである。
【0005】
ボンドウエーハを減厚する方法にはいくつかあるが、均一な膜厚が比較的得やすく、かつ簡便な方法として、スマートカット法(商標名)が知られている。これは、ボンドウエーハの貼り合わせ面(第一主表面とする)に対し、一定深さ位置に水素高濃度層が形成されるように水素イオンを注入し、貼り合せ後に該水素高濃度層にてボンドウエーハを剥離するというものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法には以下の欠点がある。スマートカット法では、図9(a)に示すように、剥離後に得られるSOIウエーハ50’(符号7はベースウエーハ、符号2はシリコン酸化膜である)の、SOI層8の表面に、イオン注入に伴うダメージ層8aが形成され、また、剥離面そのものの粗さは通常製品レベルのシリコンウエーハの鏡面に比べて相当大きくなる。従来、このダメージ層8aを除去するために、剥離後のSOI層8の表面を、研磨代の小さい鏡面研磨(タッチポリッシュと通称され、機械的化学的研磨に用いられる)により平坦化することが行なわれてきた。この方法を用いると、剥離面の短波長の粗さ成分は比較的容易に除去できるが、新たに研磨代のウエーハ面内不均一性を付加してしまう。その結果、図9(b)に示すように、得られるSOI層の膜厚tの分布には、同一ウエーハ内の標準偏差値σ1にて1〜2nm程度生じる。また、図9(c)に示すように、同一仕様ウエーハロットにおけるウエーハ間の、膜厚t(t1、t2、t3)の標準偏差値σ2では3nm程度以上の分布を生じる。
【0007】
なお、剥離面を不活性ガス雰囲気中で熱処理して平坦化を図る方法も考えられるが、剥離上がりの面粗さにはかなりのムラがあり、部分的に深い凹凸も生じやすいことから、1100℃以上で数時間、場合によっては1200℃以上で数時間を越える過酷な熱処理条件が必要となり、現実的ではない。また、剥離面の仕上がりをなるべく均質化するために、水素イオン注入等の工程管理も厳しくしなければならず、製造能率や歩留まりの低下につながる。
【0008】
こうした膜厚のばらつきは、現状の鏡面研磨技術の水準からすれば不可避的なものであり、SOI層の膜厚が100nm以上の膜厚に留まる限りは、特に大きな問題となるものではない。しかしながら、近年、SOIウエーハの主要な用途であるCMOS−LSI等においては、素子の微細化および高集積化の傾向はますます著しくなっており、数年前まで100nm程度で超薄膜と称されていたものも、今ではさして驚くに値するものではなくなってしまった。現在、超薄膜SOI層として求められている平均膜厚は100nmを大きく下回り数10nm(例えば20〜50nm)から場合により10nm程度にもなっている。この場合、上記のような膜厚不均一のレベルは、狙いとする平均膜厚の10〜数10%にも及び、SOIウエーハを用いた半導体デバイスにおける機能特性の低下や、品質のばらつきの増大や製造歩留まりの低下に直結してしまうことはいうまでもない。さらに、この様な超薄膜かつ膜厚均一性が優れたSOI層であって、しかも、SOIウエーハの面内で部分的に異なる膜厚を有するSOIウエーハは、従来では作製することができなかった。
【0009】
本発明の課題は、シリコン酸化膜の表面に形成厚さが異なるSOI層が形成されてなるSOIウエーハを対象にした際に、該SOI層の要求膜厚レベルが非常に小さい場合においても、ウエーハ内の膜厚均一性及びウエーハ間の膜厚均一性の双方を十分小さいレベルに軽減することが可能であり、ひいては超微細あるいは高集積度のCMOS−LSIやシステムLSI等の半導体デバイスを形成した場合においても、その機能特性を高めることを可能とするSOIウエーハおよび、その品質ばらつきを抑制し製造歩留まりを向上させることができるSOIウエーハの製造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および作用・効果】
上記課題を解決するための本発明のSOIウエーハの製造方法は、
絶縁膜の表面に形成厚さが異なるようにSOI層が形成されてなるSOIウエーハの製造方法であって、
第一基板とシリコン単結晶よりなる第二基板との少なくともいずれかの第一主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記第二基板の第一主表面側の最表層を選択的に被覆するパターン層を形成するパターン層形成工程と、
該パターン層が形成された前記第二基板に対して、前記第二基板の第一主表面側からイオン注入法によりイオンを打ち込むことにより、該第一主表面からみてSOI層となるべき第一のシリコン層部分を隔てた第一の深さ位置に、前記パターン層のパターンに応じて前記第一主表面からの形成深さ位置がそれぞれ異なるエッチストップ用イオン注入層を形成するエッチストップ用イオン注入層形成工程と、
前記第二基板より前記パターン層を除去した後、該第二基板と、前記第一基板とを、前記絶縁膜を介して、それぞれの前記第一主表面同士を貼り合わせる貼り合わせ工程と、
前記エッチストップ用イオン注入層を、自身の周囲部よりも酸素濃度が高いエッチストップ層とするエッチストップ層形成工程と、
前記第二基板の厚さ方向において、前記第一のシリコン層部分と反対側に位置する部分を第二のシリコン層として、前記貼り合わせ工程後において、前記第二のシリコン層の少なくとも前記エッチストップ層と接する領域を、酸素濃度差に基づいて選択エッチングすることにより減厚するエッチング減厚工程と
を含むことを特徴とする。
【0011】
上記本発明の方法における第一の特徴は、シリコン単結晶からなるボンドウエーハである第二基板中にイオン注入法によりエッチストップ用イオン注入層を形成することである。また、このエッチストップ用イオン注入層は、図8の模式図に示すように、パターン層20が形成された第二基板1の第一主表面J側からイオンを打ち込むことにより形成される。よって、形成されるエッチストップ用イオン注入層6は、第一主表面JからみてSOI層となるべき第一のシリコン層部分60を隔てた第一の深さ位置に、第一主表面Jからの形成深さ位置がそれぞれ異なるものとして形成される。
【0012】
上記エッチストップ用イオン注入層の形成深さ位置は、イオン注入エネルギー、シリコン酸化膜の膜厚、パターン層の膜厚をそれぞれ適宜調整することにより制御することができる。また、それぞれ異なる深さ位置に形成されるエッチストップ用イオン注入層は、面内方向に間断なく形成される。このようにして、SOI層となるべき第一のシリコン層部分の膜厚を、図8(a)、(b)のそれぞれ左右図に示すように適宜調整することが可能となる。ここで、図8(a)、(b)の右図は、SOI層の一部に膜厚ゼロの領域を含むSOIウエーハを作製する場合の例である。また、図8(a)は第一主表面J上にシリコン酸化膜2およびパターン層20が形成されている場合で、図8(b)は第一主表面J上にパターン層20が形成されている場合であるが、イオンの打ち込みは、それらいずれかの状態で行なわれることになる。
【0013】
また、パターン層は、公知のフォトリソグラフィーやフォトエッチングを用いて所定のパターンに形成される。この際のパターンが、SOI層となるべき第一のシリコン層部分の膜厚パターンに反映されることになる。
【0014】
上記のように第二基板中に形成したエッチストップ用イオン注入層を、その後、自身の周囲部よりも酸素濃度の高い酸素高濃度層となるエッチストップ層とする。このようなシリコン中の酸素高濃度層(例えば酸化シリコン層)は、酸素濃度の低いシリコンとの間に、アルカリ溶液等に対する顕著なエッチング選択性が生じるので、結合シリコン単結晶薄膜のエッチングを確実に停止させることができる。
【0015】
上記のエッチストップ用イオン注入層は、平坦性の良好な第二基板の第一主表面を基準として形成されるので、イオンの打ち込み深さのばらつきが生じにくい。このことは、例え、第一主表面にパターン層や絶縁膜を形成したとしても、それらの平坦性は、第一主表面の平坦性を反映するものであるから、やはり、イオンの打ち込み深さのばらつきが生じにくいと言える。従って、得られるエッチストップ層は、鏡面研磨等により仕上げられた第一主表面の平坦性を反映した急峻かつピーク位置深さが一定に揃った酸素濃度プロファイル形状を有したものとなる。その結果、第二のシリコン層をエッチストップ層までエッチバックすることにより、ウエーハ内のみならずウエーハ間においても膜厚分布が極めて良好なSOI層を得ることができる。また、このエッチバックにより、従来、SOI層の膜厚分布悪化の主要因となっていたタッチポリッシュを工程から排除できることも、膜厚分布改善に大きく寄与する。さらに、エッチストップ用イオン注入層を形成するためのイオンの打ち込みは、SOI層を取り出す側の第一主表面からなされるので、イオン注入深さが浅くてすみ、そのばらつきが生じにくい。このことも、得られるエッチストップ層の酸素濃度プロファイル形状を急峻かつピーク位置深さが一定に揃ったものとし、ひいては、SOI層の膜厚分布を極めて良好なものとすることに寄与する。上記したことに付随するが、SOI層の膜厚分布をより良好なものとするには、第二基板は、第一主表面が鏡面研磨面とされた鏡面研磨ウエーハを使用することが、特に本発明においては好適である。
【0016】
上記本発明のSOIウエーハの製造方法においては、第一基板と、パターン層をエッチング等にて除去した第二基板とを絶縁膜を介して第一主表面同士にて貼り合せた後、エッチストップ用イオン注入層に基づいて形成されたエッチストップ層を含んだSOI層となるべき結合シリコン単結晶薄膜を、エッチバックにてエッチング減厚がなされる。つまりは、第二のシリコン層をエッチストップ層までエッチバックする。この場合、第二基板そのものを、直接エッチバックにてエッチング減厚を行なってもいいが、作業効率などの観点より以下に示す方法を用いるのが得策といえる。
【0017】
その1つは、貼り合わせ工程の後、エッチング減厚工程に先立ち、エッチストップ用イオン注入層または該エッチストップ用イオン注入層に基づいて形成されるエッチストップ層と接する領域を含む、第二のシリコン層の一部を残して、第二基板を減厚する予備減厚工程を実施することである。この予備減厚工程は、平面研削盤等を用いた機械研削や機械化学的研磨により行なう方法や、ここでは、第二シリコン層のシリコン層のみの減厚を考えればいいので、エッチング減厚工程に用いるエッチング液よりもエッチングレートの高いものを用いた方法やエッチングレートの高いドライエッチングによる方法などにて行なう。その結果、この予備減厚工程を行なうことで、エッチング減厚工程を行なう前に、予め第二基板の膜厚を低減させることができ、その作業効率を高めることが可能となる。
【0018】
また、予備減厚工程を行なう方法として、上記以外にも、従来のスマートカット法の原理を応用した方法が有効なものの1つとして採用することができる。まず、貼り合わせ工程に先立って、第二基板の第一主表面側からイオンを打ち込むことにより、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて、上記した第一の深さ位置よりも深い第二の深さ位置に濃度ピークを有する剥離用イオン注入層を形成しておく。そして、貼り合わせ工程の後に、第二基板を剥離用イオン注入層において剥離する。このような予備減厚工程を行うことによっても、エッチング減厚工程を行う前に、予め第二基板の膜厚を低減させることができ、その作業効率を高めることが可能となる。
【0019】
上記したスマートカット法の原理を応用した方法を用いた場合、剥離用イオン注入層での剥離により、その剥離面となる結合シリコン単結晶薄膜の表面は従来のスマートカット法と同様、一旦は粗い剥離面となるが、これをタッチポリッシュにより平坦化するのではなく、結合シリコン単結晶薄膜の減厚も兼ねたエッチング減厚工程のエッチングにより平坦化する。従って、従来のスマートカット法を用いているにもかかわらず、タッチポリッシュが不要とされるものである。また、剥離面の面粗さに多少のムラがあっても、エッチングによりその履歴はほとんど消滅し、過酷な熱処理条件も全く不要である。従って、剥離用イオン注入層形成の工程管理もそれほど厳しく行なう必要がなくなり、製造能率や歩留まりの向上にも寄与する。
【0020】
また、上記した剥離用イオン注入層の形成は、例えば、図11の模式図に示すような形態で行なうのが望ましい。図11(a)は、少なくともパターン層となるべきパターン形成用層21が形成された状態で、剥離用イオン注入層4の形成を行なう例である。また、その左図は絶縁膜2が形成された状態で、右図は絶縁膜が形成されていない状態を示すものである。図11(b)は、パターン層を形成し、まず、エッチスストップ用イオン注入層6を形成した後に、パターン層を除去した状態で、剥離用イオン注入層4の形成を行なう例である。また、その左図は絶縁膜2が形成された状態で、右図は絶縁膜が形成されていない状態を示すものである。このような形態で剥離用イオン注入層を形成する理由は、パターン層となるべきパターン形成用層を形成する際に必要とされる加熱条件によって、剥離用イオン注入層が、貼り合わせ工程前に意図しない形で剥離してしまう場合が想定されるからである。
【0021】
上記本発明の方法を用いることで、最終的に、図10の模式図に示すような、絶縁膜の表面に形成膜厚が異なるSOI層が形成されたSOIウエーハとすることができるとともに、そのSOI層の膜厚の膜厚不均一のレベルを従来のものより効果的に低減させることが可能となり、同一ウエーハ内の膜厚の標準偏差値にて例えば0.4nm以下に確保することができる。また、同一仕様のウエーハ間の標準偏差値にて2nm以下に確保することもできる。その結果、形成されるSOIウエーハを用いた半導体デバイスの機能特性を高めることが可能となり、製造上においても、SOIウエーハの品質のバラツキを抑制し、製造歩留まりを向上させることが可能となる。また、SOIウエーハのSOI層において、形成厚さが最大となる層厚が、50nm以下、さらには20nm以下の超薄膜化とされる場合でも、ウエーハ内およびウエーハ間の膜厚ばらつきを、十分実用に耐える範囲にまで軽減することが可能となる。さらに、その膜厚ばらつきを上記した数値範囲にまで軽減することが可能とされるので、有為にSOIウエーハを用いた半導体デバイスの機能特性を高めることが可能となる。なお、ここでいう形成膜厚が異なるSOI層(図10(b)のように一部の領域の膜厚がゼロとなる場合も含む)とは、意図的に膜厚が異なる様に領域を区分して形成したSOI層のことであり、従来のSOIウエーハ製法の様に全面に均一な膜厚を形成しようとした結果として、部分的に形成膜厚が異なるSOI層が形成されたSOIウエーハとは相違する。また、本明細書も含めて、ここでいうSOI層の膜厚の標準偏差値とは、形成膜厚が同一となるように意図的に形成された領域ごとの標準偏差値または、その平均値を指すものとする。つまり、図10の模式図を用いれば、図10(b)においては、SOI層をなす各層の膜厚の標準偏差値またはその平均値を指し、図10(a)においては、SOI層をなす各A領域および各B領域の膜厚の標準偏差またはその平均値を指すものとする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について述べる。
図1は本発明に係わるSOIウエーハの製造方法の基本的な実施形態を説明するものである。まず工程▲3▼に示すように、第一基板としてのベースウエーハ7と、工程▲1▼に示すシリコン単結晶からなる第二基板としてボンドウエーハ1とを用意する。ここでは、工程▲1▼に示すように、ボンドウエーハ1の第一主表面J側に絶縁膜としてのシリコン酸化膜2を形成している。このシリコン酸化膜2の形成は、例えば、ウエット酸化やドライ酸化により形成することができるが、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の方法を採用することも可能である。シリコン酸化膜の膜厚は、例えばMOS−FET等の絶縁層として使用されることを考慮して、50nm以上2μm以下程度の値とする。なお、本実施形態においては、ベースウエーハ7(第一基板)もシリコン単結晶基板としているが、これを石英基板やサファイア基板などの絶縁性基板や、SiC、GaAs、InPなどの化合物半導体基板とすることも可能である。また、シリコン酸化膜2の代わりに、シリコン窒化膜やシリコン酸化窒化膜などを絶縁膜として形成することもできる。なお、ベースウエーハ7に絶縁性基板を用いる場合には、シリコン酸化膜2の形成を省略する場合もある。
【0023】
そして、工程▲1▼に示すように、シリコン酸化膜2の主表面に、後述のパターン層20となるべきパターン形成用層21を所定の厚さとなるようにCVD等にて形成する。このパターン形成用層21は、該パターン形成用層21と積層界面をなす層がシリコン(ボンドウエーハ)や酸化シリコン等のシリコン酸化物(絶縁膜)にて構成されることなどを考慮して、例えば、シリコン窒化膜にて構成するのがよい。このようにシリコン窒化膜をパターン形成用層21としてCVD等にて形成することで、その表面をよりよく第一主表面Jの良好な平坦性を反映したものとすることができる。さらに、後述する、パターン形成用層21を基に形成されるパターン層20を除去する際にも、熱燐酸にて簡便に確実にパターン層のみエッチング除去することができる。また、パターン形成用層21としては、シリコン窒化膜のほか、シリコン酸化膜やレジスト膜を用いることもできる。このようにパターン形成用層21を形成した後、ボンドウエーハ1の第一主表面J、本実施形態ではパターン形成用層21に加えてシリコン酸化膜2が形成された第一主表面Jに、例えば水素イオンビームを照射することにより水素イオンを打ち込み、剥離用イオン注入層4を形成する。この剥離用イオン注入層4は、ウエーハの深さ方向の水素濃度プロファイルを測定したとき、100nm以上2000nm以下の位置(第二の深さ位置da)に水素濃度のピーク位置が生ずるように形成するのがよい。該第一の深さ位置daが100nm未満では、十分な厚さの結合シリコン単結晶薄膜5(後述)が得られず、2000nmを超えるとイオン注入装置を極めて高エネルギー化する必要が生ずる。例えば、最終的に得るべきSOI層15(工程▲7▼)の最大膜厚の平均厚さを10〜50nm程度に設定する場合、この剥離用イオン注入層4は、ウエーハの深さ方向の水素濃度プロファイルを測定したとき、100〜500nmの位置(第二の深さ位置da:ボンドウエーハ(第二基板)1の第一主表面Jからの深さ位置)に水素濃度のピーク位置が生じるように形成するのがよい。なお、イオンの打ち込み深さは、イオンのエネルギー(加速電圧)によって調整し、例えば水素イオンを用いる場合は、シリコン酸化膜の厚さtaを50nmに設定すると第二の深さ位置daに剥離用イオン注入層4を形成するためのイオン打ち込みのエネルギーを10k〜60keV程度に調整するのがよい。
【0024】
また、スムーズで平滑な剥離を行なうには、水素イオンの注入量(ドーズ量)を2×1016個/cm2〜1×1017個/cm2とするのが望ましい。2×1016個/cm2未満では正常な剥離が不能となり、1×1017個/cm2を超えるとイオン注入量が過度に増大するため工程が長時間化し、製造能率の低下が避け難くなる。なお、水素イオンに剥離用イオン注入層を形成するためのイオンは、水素イオンおよび希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe)イオンよりなるイオン群から選ばれる1種類を用いることができる。つまり、水素イオンに代えて、これら希ガスの一種類のイオンを打ち込むことにより剥離用イオン注入層4を形成してもよい。
【0025】
次に工程▲2▼に示すように、ボンドウエーハ1の第一主表面J上にて最表層をなす所定のパターンおよび層厚のパターン層20を形成する。このパターン層20の形成は、公知のフォトリソグラフィーやフォトエッチングを用いたパターンニング処理にて形成することができる。また、上記のようにパターン形成用層21の表面を、第一主表面Jの良好な平坦性を反映したものとして形成しておけば、パターン層20も当然、その平坦性を反映したものとすることができる。
【0026】
そして、工程▲2▼に示すように、ボンドウエーハ1の第一主表面J側から、つまり、本実施形態では、パターン層20およびシリコン酸化膜2のそれぞれ表面に、例えば水素イオンビームを照射することにより水素イオンを打ち込み、第二の深さ位置よりも浅い第一の深さ位置(第二の深さ位置同様、第一主表面Jからの深さ)にそれぞれ濃度ピークを有する、パターン層20のパターンに応じて第一主表面Jからの形成深さ位置が異なるエッチストップ用イオン注入層6を形成する。このエッチストップ用イオン注入層6を形成するための、第一の深さ位置の深さの差およびその深さ自体は、パターン層20の膜厚、シリコン酸化膜2の膜厚や、照射するイオンのエネルギーにより調整される。このようにして、種々の所定の第一の深さ位置を有するエッチストップ用イオン注入層6が、面内方向に間断なく形成される。また、最終的に得られるSOI層15における最大厚さとなる領域の形成厚さを十分に確保する観点から、第一の深さ位置において最も深い位置が、第二の深さ位置よりも少なくとも50nm浅い範囲に位置するように形成することが望ましい。本実施形態においては、最終的に得るべきSOI層15(工程▲7▼)における最大厚さとなる領域の平均厚さtcが10〜50nm程度に設定されるが、第一の深さ位置において最も深い位置dbが50〜300nmの位置になるように形成するのがよい。なお、この深さ位置dbにエッチストップ用イオン注入層6を形成するためのイオン注入エネルギーは、水素イオンを用い、taを50nmに設定する場合、5k〜40keV程度に調整するのがよい。この様に、剥離用イオン注入層を形成する際のイオン注入エネルギーに比べて、低エネルギーで浅く注入することができるので、イオン注入深さのばらつきを一層低減することができ、ひいては、SOI層の膜厚均一性の向上に繋がる。
【0027】
エッチスストップ用イオン注入層6を形成する際のイオン注入量は、1×1015個/cm2〜4×1016個/cm2とするのがよい。1×1015個/cm2未満では、後述のエッチストップ層6’(工程▲5▼)の形成が不完全となり、ひいては所期のエッチストップ効果が得られなくなる。また、イオン注入量が4×1016個/cm2を超えると、エッチストップ用イオン注入層6においてボンドウエーハ(第二基板)1の望まざる剥離が生ずるおそれがある。そのため、特には、エッチストップ用イオン注入層を形成する際のイオン注入量を、上記剥離用イオン注入層を形成する際のイオン注入量よりも小さくすることが望ましい。
【0028】
エッチストップ用イオン注入層6を形成するためのイオン種は、該エッチストップ用イオン注入層6をどのような方法により酸素高濃度層よりなるエッチストップ層とするかに応じて種々選択することができる。例えば、水素イオン、希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe)イオン、シリコンイオンよりなるイオン群から選ばれる1種類を用いることができる。これらイオン種は、主としてボンドウエーハ(第二基板)1中に、酸素を捕獲するための結晶欠陥(ダメージ)を形成する働きをなす。つまり、ゲッタリングと同様の働きをなす。
【0029】
このようにしてボンドウエーハ1中に、剥離用イオン注入層4とエッチストップ用イオン注入層6とが形成される。また、図1のように、パターン形成用層21が形成された状態で、まず剥離用イオン注入層4を形成した場合、剥離用イオン注入層を形成する際に、例え、パターン形成用層21の表面に異物等の付着による表面汚染や、面荒れ等が発生したとしても、最終的にパターン層20の除去とともに取り除かれる。その結果、後述のボンドウエーハとベースウエーハとを結合させる際にも良好にその結合を行なうことができる。
【0030】
上記のように剥離用イオン注入層4とエッチストップ用イオン注入層6とを形成したボンドウエーハ1とベースウエーハ7とは、ボンドウエーハ1よりパターン層20を、例えばエッチングにて除去した後、洗浄液にて洗浄される。次に、工程▲3▼に示すように、両ウエーハ1、7をシリコン酸化膜2の形成側(すなわち第一主表面J、K側)にて貼り合わせる。そして、工程▲4▼に示すように、その積層体を400〜600℃の低温にて熱処理することにより、ボンドウエーハ1は、前記した剥離用イオン注入層4の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウエーハ1側に残留した部分が結合シリコン単結晶薄膜5となる(予備減厚工程)。他方、エッチストップ用イオン注入層6は、イオン注入量が低く留められているため、熱処理による剥離を起こさない。なお、剥離用イオン注入層4を形成する際のイオン注入量を高めたり、あるいは重ね合わせる面に対して予めプラズマ処理をおこなって表面を活性化したりすることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後の残余のボンドウエーハ部分3は、剥離面を再研磨後、再びボンドウエーハ又はベースウエーハとして再利用が可能である。
【0031】
次に、工程▲5▼に示すように、結合シリコン単結晶薄膜5中に、周囲部分よりも酸素濃度が高いエッチストップ層6’を、上記のエッチストップ用イオン注入層6に基づいて形成する(エッチストップ層形成工程)。本実施形態では、結合シリコン単結晶薄膜5の表面から、つまり、ボンドウエーハ(第二基板)の厚さ方向において、第二のシリコン層61側の表面から、エッチストップ用イオン注入層に向けて酸素を拡散させる酸素拡散工程を行うことにより、該エッチストップ用イオン注入層6の酸素濃度を高めてエッチストップ層6’を形成する、一種の内部酸化処理が行なわれている。この方法によると、水素イオンなどによるイオン注入により、一定濃度の結晶欠陥(ダメージ)をエッチストップ用イオン注入層6の形で集中形成しておくことにより、ウエーハ表面から拡散してきた酸素が該エッチストップ用イオン注入層6に形成された結晶欠陥に捕獲され、酸素高濃度層としてエッチストップ層6’を容易に形成できる。
【0032】
上記の方法によるエッチストップ層形成工程においては、酸素拡散工程を、具体的には酸素含有雰囲気中での熱処理にて行うことができる。酸素含有雰囲気としては、例えば、酸素ガス雰囲気、窒素あるいはアルゴンに酸素を混合した酸素混合ガス、さらには酸素原子を含む化合物分子よりなるガス(例えば、水蒸気)などからなるガス雰囲気を採用できる。
【0033】
熱処理温度は、高温になるほど酸素の拡散速度が増し、エッチストップ層6’の形成を促進することができる。しかし、熱処理温度が高すぎると、エッチストップ用イオン注入層6中の結晶欠陥(例えば、酸素誘起積層欠陥(Oxygen−induced Stacking Fault))が成長してエッチスストップ層6’を貫通してSOI層となるべき第一のシリコン層部分60に至る可能性がある。これらの点を考慮して、酸素拡散のための熱処理温度は、700℃以上1000℃以下に設定することが望ましい。
【0034】
なお、剥離直後の結合シリコン単結晶薄膜5上には、図3に示すようにイオン注入に伴うダメージ層8dが形成される。酸素拡散のための熱処理温度を上記のようにある程度高温に設定すると、このダメージ層8dから前記した結晶欠陥が成長しやすくなり、SOI層を貫通したりする不具合がより生じやすくなる場合がある。そこで、酸素拡散工程に先立って、結合シリコン単結晶薄膜5の最表層部をエッチング除去しておけば、このような不具合がより生じにくくなる。この場合のエッチング代dcは、ダメージ層8dを除去できる程度であればよく、例えば0.1〜0.15μm程度に設定するのが妥当である。具体的には、該エッチングを、弗酸/硝酸などの混合酸エッチングやKOH、NaOHなどのアルカリエッチング等による化学エッチング、もしくはイオンエッチングなどの気相エッチングを用いて行なうことができる。
【0035】
本実施形態では、このダメージ層8dを除去するための、従来のようなタッチポリッシュを行なわない。その結果、剥離後の結合シリコン単結晶薄膜5の膜厚分布がタッチポリッシュにより大幅に損なわれる懸念がなくなる。その分、上記ダメージ層8dを除去するためのエッチング代も確保しやすいといえる。
【0036】
酸素拡散熱処理は、単独で行なってもよいが、他の目的の熱処理を兼用させることも可能である。例えば、最終的なSOIウエーハを得るには、本実施形態では、剥離後において、結合シリコン単結晶薄膜5とベースウエーハ7とを、シリコン酸化膜を介して強固に結合させる結合熱処理が必要である。この結合熱処理は、通常1000℃以上1300℃以下の高温で行なわれるので、これを酸素拡散熱処理に兼用することも可能であるが、前述の通り、エッチストップ用イオン注入層6中の結晶欠陥の成長や、あるいは得られるエッチスストップ層6’のブロードニング防止の観点から、酸素拡散熱処理の温度は、これよりは多少低めに設定することが望ましいといえる。例えば、該結合熱処理に先立って、これよりも低温で実施される結合シリコン単結晶薄膜の表面保護酸化熱処理(700℃以上1000℃以下)は、酸素拡散熱処理への兼用を図る上で好都合である。このとき、工程▲5▼に示すように、結合シリコン単結晶薄膜の表面には保護酸化膜5aが形成される。
【0037】
また、エッチストップ層6’は、酸素高濃度層として形成されるが、最終的には、除去されるものであって、シリコン酸化膜2のような高い絶縁性は要求されない。従って、エッチストップ層6’の形成厚さtb(図1の▲6▼)は、SOI層の形成膜厚の差を所定のものとし、面内方向に間断なくエッチストップ層が形成される範囲において、エッチング停止機能を十分に果たすことさえできる厚さであればよい。そこで、このエッチング停止機能のみを考慮した場合、エッチストップ層の形成厚さは、例えば、2nm以上50nm以下とすることが望ましい。形成厚さが2nm未満の場合、エッチング停止機能が不十分となる場合があり、50nmを超える形成厚さは、酸素拡散処理の長大化を招きやすい。また、この膜厚範囲とした場合は、付与できるSOI層の形成膜厚の差も、この範囲に対応したものとなる。
【0038】
エッチストップ層6’は、最終的にSOI層15として残すべき下地シリコン層へエッチングが進展するのを確実に止めることができなければならない。例えば、図2の▲1▼に示すように、エッチストップ用イオン注入層6を形成する際のイオン注入側となるボンドウエーハ1の第一主表面J上の表面に、パーティクルP等の異物が付着していると、その付着領域でイオン注入が妨げられ、得られるエッチストップ層に多数のピンホール6hを生じ、ここからエッチング液が浸透して下地シリコン層が侵されてしまう可能がある。この場合、▲2▼に示すように、ボンドウエーハ(第二基板)1の第一主表面Jへのイオンの打ち込み工程と、該第一主表面J上の表面の洗浄工程とを交互に繰り返す方法が有効である。すなわち、洗浄によりパーティクルP等の異物を除去しながら、イオンの打ちこみを反復して行なうと、洗浄後のウエーハ表面の全く同じ位置にパーティクルPが再付着する可能性が極めて小さいことからピンホール6の発生確率を大幅に低減することができる。
【0039】
図1に戻り、このようにしてエッチストップ層6’が形成されれば、工程▲6▼に示すように、酸化膜5aを弗酸により除去した後、結合シリコン単結晶膜5のエッチストップ6’よりも表層側の部分、つまり、第二のシリコン層61の少なくともエッチストップ層6’と接する領域を、酸素濃度差に基づいて選択エッチングすることにより、結合シリコン単結晶薄膜5を減厚する。エッチング液としては、アルカリ性溶液、例えば、NaOH、KOHあるいはTMAH(TetraMethylAmmonium Hydroxide)等の水溶液を用いることができる。
【0040】
エッチストップ層6’は前述の通りエッチストップ用イオン注入層6に基づいて形成されるものである。エッチストップ用イオン注入層6は、結合シリコン単結晶薄膜5の剥離前に、平坦性の良好なボンドウエーハ(第二基板)1の第一主表面Jを基準として形成され、また、本実施形態における剥離用イオン注入層4よりも浅い位置に形成されるため、イオン打ち込み深さのばらつきが生じにくい。従って、エッチストップ層6’は、鏡面研磨等により仕上げられた基板主表面の平坦性を反映した急峻かつピーク位置深さのばらつきが効果的に抑制された酸素濃度プロファイル形状を有したものとなる。その結果、該酸素濃度プロファイル形状に対応して、ウエーハ内のみならずウエーハ間においても、膜厚分布が極めて良好なSOI層15を得ることができる。具体的には、SOI層15における最大膜厚となる領域の平均厚さtcが10〜50nm程度の超薄膜に設定されているにも係わらず、SOI層15の膜厚均一性を、同一ウエーハ内の膜厚の標準偏差にて例えば0.4nm以下に確保でき、図5に示すように、同一仕様のウエーハ間の膜厚t(=t1、t2、t3)の標準偏差値σ2にて2nm以下に確保することができる。特に、SOI層15における最大膜厚となる領域の膜厚が50nm以下、さらには20nm以下(例えば10nm)に超薄膜化される場合でも、ウエーハ内及びウエーハ間の膜厚のばらつきを、十分実用に耐える範囲にまで軽減することが可能となる。
【0041】
上記選択エッチングによるエッチング減厚工程の後、工程▲7▼に示すようにSOI層15上に残留しているエッチストップ層6’をエッチング除去することにより、SOIウエーハ50が得られる。エッチストップ層6’は酸素高濃度層、例えば酸化シリコン層であり、弗酸を用いて簡単にエッチング除去できる。また、図10(b)のような形態となるSOI層とする場合には、エッチストップ層6’とシリコン酸化膜2とが当接した形となる場合があり、その場合は、必要に応じてエッチストップ層6’を除去すればよい。
【0042】
なお、エッチング減厚工程の後(エッチストップ層6’を除去した後)、SOI層15の表面をさらに平坦化する平坦化熱処理を行なうことができる。この平坦化熱処理は、アルゴンガス等の不活性ガスや水素ガスあるいはこれらの混合ガス中にて1100〜1200℃程度の温度で1〜2時間程度の短時間で行なうことができ、前述の結合熱処理と兼ねて行なうことができる。具体的には、一般的なバッチ式の縦型炉や横型炉といったヒータ加熱式の熱処理炉を用いて行なうことができるほか、ランプ加熱等により熱処理を数秒から数分程度で完結する枚葉式RTP装置を用いて行なうこともできる。
【0043】
以上の工程により作製されたSOIウエーハは、面内に厚さの異なるSOI層を有し、しかも膜厚均一性の優れたものとなる。この様なSOIウエーハを用いてデバイスを作製すれば、1チップ内に膜厚の異なるSOI層を混在させることが容易であり、作製するデバイスの多様化に役立てることができる。
【0044】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、請求項の記載に基づく技術的範囲を逸脱しない限り、種々の変形ないし改良を付加することができる。例えば、ベースウエーハの第一主表面にのみシリコン酸化膜を形成するようにしてもよい。また、ベースウエーハとボンドウエーハとの双方の貼り合わせ面(第一主表面J、K)にシリコン酸化膜を形成することもできる。
【0045】
また、エッチストップ用イオン注入層形成工程においては、酸素イオンを用いて結合シリコン単結晶薄膜中にエッチストップ用イオン注入層を形成することもできる。図7は、その工程の一例を示す。工程▲1▼は図1と同一である。そして工程▲2▼において、酸素イオンを用いてエッチストップ用イオン注入層62を形成する。エッチストップ用イオン注入層62は、50nm以上500nm以下の位置(深さ位置db)に酸素濃度のピーク位置が生じるように形成するのがよい。また、イオン注入量は、1×1015個/cm2〜4×1017個/cm2とするのがよい。
【0046】
この方法によると、酸素イオン注入により、エッチストップ用イオン注入層62を最初から酸素高濃度層として形成できる利点がある。ただし、シリコンと酸素との化学的結合を強めて、選択エッチング性の良好なエッチストップ層を得るには、エッチストップ用イオン注入層62を含むボンドウエーハに熱処理を施すことが望ましい。この熱処理温度は、900〜1300℃の範囲で行なうのがよい。900℃以下では選択エッチング性改善効果が小さく、1300℃を超えると金属汚染やスリップ転位発生の問題が生じる。例えば、該熱処理は、工程▲5▼に示すように、図1の酸素拡散熱処理と同様に900〜1000℃で、単独で行なうことができる。このとき、熱処理雰囲気は、不活性ガス(Ar)雰囲気とすることもできるし、エッチストップ用イオン注入層60にさらに酸素を濃化するために、酸素雰囲気を用いた酸素拡散処理(酸素のいわば追加拡散処理である)としてもよい。他方、上記熱処理を、結合熱処理、又は該結合処理に先立ちそれよりも低温で実施される前述の表面保護酸化熱処理に兼用することもできる。この場合、当然、図7において、工程▲5▼に示す酸素拡散熱処理を省略してもよい。なお、工程▲6▼以降は、図1と同じである。
【0047】
また、酸素イオンを捕獲する結晶欠陥密度を高めるため、図12に示すように、水素イオン、希ガスイオン、またはシリコンよりなるイオン群から選ばれる1種類を用いて予備イオン注入層66を形成し、さらに、その予備イオン注入層66に酸素イオンを打ち込むことによりエッチストップ用イオン注入層6とすることもできる。この後、さらに酸素拡散処理を行なってもよい。
【0048】
さらに、エッチストップ用イオン注入層形成工程においては、ゲルマニウムイオンを用いて結合シリコン単結晶薄膜中にエッチストップ用イオン注入層を形成することもできる。エッチストップ用イオン注入層はシリコンーゲルマニウム層となり、特定のエッチング液に対するシリコン層へのエッチストップ層として直ちに機能しうる。シリコンーゲルマニウム層に対してシリコン層を選択的にエッチングするためのエッチング液としては、KOHとK2CrO7とプロパノールとの混合溶液が適当である(参考文献;Applied Physics Letters, 56 (1990) 373−375)。また、シリコンーゲルマニウム層からなるエッチストップ層は、Siに対してSiGeを選択エッチングするためのエッチング液を用いて除去でき、具体的には、HFとH2O2とCH3COOHとの混合溶液を用いることができる(参考文献;Journal of Electrochemical Society, 138 (1991) 202−204)。また、ドライエッチングを用いて選択エッチングを行なうことも可能である。
【0049】
また、図1においては、工程▲1▼において剥離用イオン注入層4を形成し、その後、工程▲2▼にてエッチストップ用イオン注入層6を形成する態様であったが、この形成順序を入れ替えても勿論よく、その一例を図13に示す。まず、工程▲1▼において、パターン形成用層を形成した後、パターン層20を形成する。そして、まずエッチストップ用イオン注入層6を形成する。次に、工程▲2▼にて、パターン層20をエッチング等にて除去した後、剥離用イオン注入層4を形成する。その後の工程▲3▼以降は、図1と同様の工程となる。
【0050】
さらに、剥離用イオン注入層およびエッチストップ用イオン注入層の形成態様については、次のように行なうこともできる。図14に示すように、工程▲1▼において、パターン形成用層を形成した後、パターン層20を形成する。そして、エッチストップ用イオン注入層6を形成する。その後、引き続き、剥離用イオン注入層4を形成する。この際、剥離用イオン注入層4も、パターン層20のパターンに応じて、第一主表面Jからの形成深さ位置がそれぞれ異なるものとなるが、その形成深さ位置の差、つまりは、SOI層に必要とされる所望の形成膜厚の差(図1におけるtb)が、50nm以下(例えば、20〜50nm)と十分に小さい場合であれば、問題なくボンドウエーハ(第二基板)1を剥離用イオン注入層4において剥離することができる。このよう形成形態を採用した場合、剥離用イオン注入層およびエッチストップ用イオン注入層を連続的に形成できるので、作業効率を高めることが可能となる。なお、ここでの説明では、エッチストップ用イオン注入層6を形成した後、剥離用イオン注入層4を形成する工程を取ったが、勿論、それらの形成順を逆にしてもよい。
このように工程▲1▼で、エッチストップ用イオン注入層6および剥離用イオン注入層4を形成した後の、工程▲2▼以降は、図1の工程▲3▼以降と同様の工程となる。
【0051】
図1や図7などを用いて説明した上記実施形態は、剥離用イオン注入層を形成し、該剥離用イオン注入層を用いて剥離工程を行なうものであったが、次に、このような剥離工程を有さない場合の別の実施形態を以下に説明する。
【0052】
図4は、本発明に係わる製造方法において、剥離工程を有さないものの一実施形態を説明するものである。まず、工程▲1▼において、エッチストップ用イオン注入層6を形成する。但し、ここでは、パターン層20を次のような形態で形成することとする。まず、シリコン酸化膜または公知のレジスト膜をパターン層形成用層として、ボンドウエーハ1の第一主表面Jに形成する。そして、このシリコン酸化膜またはレジスト膜に対して、フォトリソグラフィーを用いて、所定のパターンとなるようパターンニング処理を行なうことで、パターン層20とする。このように、パターン層20を、特にシリコン酸化膜またはレジスト膜を用いてシリコン表面(ボンドウエーハ1表面)に直接形成することで、作業効率の向上を可能とする。次に、工程▲2▼にて、パターン層20をエッチング等にて除去後、エッチストップ用イオン注入層6に向けて酸素を拡散させる酸素拡散工程を行うことにより、該エッチストップ用イオン注入層6に基づいてエッチストップ層6’を形成する(エッチストップ層形成工程)。また、この工程▲2▼にて、エッチストップ層6’とともに、層領域5aが形成されることになる。ここで、層領域5aは、シリコン酸化膜とされるものである。そして、エッチストップ層6’を形成したボンドウエーハ1とベースウエーハ7とは、洗浄液にて洗浄される。次に、工程▲3▼に示すように、両ウエーハ1、7をシリコン酸化膜の代替層とされる層領域5aの形成側(すなわち第一主表面J、K側)にて貼り合わせ、さらに800℃〜1250℃にて結合熱処理を行なう。次に、工程▲4▼に示すように、エッチストップ層6’と接する領域を含む、第二のシリコン層61の一部分を残して、ボンドウエーハ(第二基板)1を減厚する(予備減厚工程)。具体的には、エッチストップ層6’の上にエッチング用のシリコン層61’を0.1〜10μm程度残して、ボンドウエーハ1を例えば、平面研削盤等により機械研削し、必要に応じてさらに研磨する。このようにして、図1の結合シリコン単結晶薄膜5と同様の膜厚とされるシリコン単結晶薄膜5となる。その後、工程▲5▼に示すように、シリコン層61’を選択エッチングによりエッチングストップ層6’の位置までエッチバックする(エッチング減厚工程)。このエッチング減厚工程は、図1の工程▲6▼と同様であり、それ以降の工程も同様のものである。
【0053】
図4を用い説明した実施態様では、工程▲2▼の酸素拡散熱処理の後で、工程▲3▼の貼り合わせおよび結合熱処理を行なったが、工程▲1▼にてエッチストップ用イオン注入層6’を形成後、酸素拡散熱処理を行なわずに工程▲3▼の貼り合わせおよび結合熱処理を実施し、さらに工程▲4▼の研削等による予備減厚工程を行なった後、工程▲2▼と同様の酸素拡散熱処理を行なうようにしてもよい。この場合、酸素拡散熱処理の熱処理を、結合熱処理と兼ねることもできる。また、この結合熱処理を、工程▲6▼の後に行なう平坦化熱処理の熱処理と兼ねて行なうこととしてもよい。
【0054】
また、エッチストップ用イオン注入層6を酸素イオンを用いて形成し、十分な酸素濃度を有する層とできる場合は、工程▲2▼の酸素拡散熱処理を省略することも可能である。勿論、さらに酸素濃度を高めるために酸素拡散熱処理を行なってもよく、この場合、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で熱処理を行なうこともできる。このような熱処理を行なう場合は、工程▲3▼の結合熱処理が、該熱処理も兼用することになる。
【0055】
次に、ボンドウエーハ(第二基板)1の減厚工程を、例えば特許第2608351号に開示された周知のELTRAN(商標名)法にて行なうこともできる。図6に、その例を示す。まず工程▲1▼に示すように、ボンドウエーハ1の第一主表面側に周知の陽極化成処理により多孔質シリコン層31を形成後、該多孔質シリコン層31上にSOI層となるべきシリコンエピタキシャル層37を気相成長する。さらに、このエピタキシャル層37の貼り合わせ面側の第一主表面上にシリコン酸化膜などを用いてパターン層を形成し、その第一主表面側からイオン注入することにより、エッチストップ用イオン注入層を形成する。そして、パターン層を除去後、酸素拡散熱処理により、エッチストップ層6’となす。そして、該シリコンエピタキシャル層37の第一主表面において、ベースウエーハ7に対する結合熱処理を行なう。次に、工程▲2▼に示すように、ボンドウエーハ1の多孔質シリコン層31よりも上に位置する部分を研削等により除去または、多孔質層に流体を噴射して剥離する。そして、工程▲3▼に示すように残存する多孔質シリコン層31と、シリコンエピタキシャル層37のエッチストップ層6’よりも上の部分を選択エッチングする。以降の工程▲4▼及び▲5▼は、図1の工程▲6▼および▲7▼と同様である。なお、ELTRAN法を用いる場合においても、エッチストップ層6’を形成する酸素拡散熱処理は、結合熱処理後に、多孔質シリコン層のみを除去し、シリコンエピタキシャル層37を露出させた状態で行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【図2】エッチストップ層形成に及ぼすパーティクルの影響を、その対策方法と合わせて説明する図。
【図3】剥離工程後のダメージ層の除去例を模式的に示す図。
【図4】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【図5】本発明の効果説明図。
【図6】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【図7】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【図8】本発明の製造方法を説明するための模式図。
【図9】SOIウエーハの製造に係わる従来法の問題点を示す図。
【図10】本発明が対象とするSOIウエーハを説明するための模式図。
【図11】本発明の製造方法を説明するための模式図。
【図12】エッチストップ用イオン注入層形成工程の変形例を示す工程説明図。
【図13】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【図14】本発明によるSOIウエーハの製造方法の一実施形態を示す工程説明図。
【符号の説明】
1 ボンドウエーハ(第二基板)
2 絶縁膜
7 ベースウエーハ(第一基板)
4 剥離用イオン注入層
5 結合シリコン単結晶薄膜
6 エッチストップ用イオン注入層
6’ エッチストップ層
15 SOI層
20 パターン層
50 SOIウエーハ
60 第一のシリコン層部分
61 第二のシリコン層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an SOI wafer and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an SOI wafer having a plurality of SOI layers having different thicknesses formed on the surface of a silicon oxide film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor devices using SOI (Silicon on Insulator) layers include various types of devices such as MOS-type ICs such as CMOS, high-voltage type ICs, semiconductor memories such as RAMs such as D-RAMs, and system LSIs. Developed and commercialized as electronic components. In order to form such a semiconductor device, a silicon oxide film is formed on a silicon single crystal substrate (hereinafter, also referred to as a base wafer), and another silicon single crystal is stacked thereon as an SOI layer. SOI wafers are used. In the SOI wafer used here, the thickness of the silicon oxide film or the SOI layer is required as appropriate according to the semiconductor device formed thereon, and, for example, changes in gate length, withstand voltage, capacitance, etc. Depending on the required function of a semiconductor device, an SOI layer formed so that the thickness of the SOI layer in the same SOI wafer is different may be required.
[0003]
By the way, recently, even in wireless communication such as a mobile phone, in order to measure the expansion of radio wave resources and the increase in transmission capacity, it is common to handle high-frequency signals of several hundred MHZ or more. Naturally, a semiconductor device using a layer is required to have good high-frequency characteristics. Therefore, when forming such a high-frequency semiconductor device, it is necessary to use a high-resistivity silicon single crystal as a base wafer in an SOI wafer to be used in order to reduce high-frequency loss.
[0004]
In manufacturing the above-described SOI wafer, a typical manufacturing method is a bonding method. In this bonding method, a first substrate serving as a base wafer and a second substrate (hereinafter referred to as a bond wafer) serving as an SOI layer as a device formation region are bonded via a silicon oxide film, and then the bond wafer is bonded. Is reduced to a desired film thickness and thinned to make the bond wafer an SOI layer.
[0005]
Although there are several methods for reducing the thickness of the bond wafer, a smart cut method (trade name) is known as a relatively easy and convenient method for obtaining a uniform film thickness. This is because hydrogen ions are implanted into the bonding surface of the bond wafer (referred to as the first main surface) so that a high-concentration hydrogen layer is formed at a certain depth, and after bonding, the hydrogen-rich layer is applied to the high-concentration hydrogen layer. To peel off the bond wafer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above method has the following disadvantages. In the smart cut method, as shown in FIG. 9A, ion implantation is performed on the surface of the
[0007]
Note that a method of flattening the peeled surface by heat treatment in an inert gas atmosphere is also conceivable. However, since the surface roughness after peeling has considerable unevenness and deep unevenness is likely to be generated partially, 1100 Severe heat treatment conditions of more than several hours at a temperature of 1200 ° C. or more, and more than several hours at a temperature of 1200 ° C. or more, are not practical. In addition, in order to make the finish of the peeled surface as uniform as possible, it is necessary to strictly control processes such as hydrogen ion implantation, which leads to a reduction in manufacturing efficiency and yield.
[0008]
Such a variation in the film thickness is inevitable in view of the current level of the mirror polishing technique, and does not pose a particularly serious problem as long as the film thickness of the SOI layer is not less than 100 nm. However, in recent years, in CMOS-LSIs and the like, which are main applications of SOI wafers, the tendency of miniaturization and high integration of devices has become more and more remarkable. Is no longer surprising. At present, the average thickness required for an ultra-thin SOI layer is much lower than 100 nm, and is several tens of nm (for example, 20 to 50 nm) to about 10 nm in some cases. In this case, the level of non-uniformity of the film thickness as described above reaches 10% to several tens of percent of the target average film thickness, and the functional characteristics of the semiconductor device using the SOI wafer are deteriorated, and the quality variation is increased. Needless to say, this leads directly to a reduction in manufacturing yield. Furthermore, an SOI wafer having such an ultrathin film and an excellent thickness uniformity and having a partially different thickness in the plane of the SOI wafer could not be produced conventionally. .
[0009]
An object of the present invention is to provide an SOI wafer in which SOI layers having different thicknesses are formed on the surface of a silicon oxide film, even when the required thickness level of the SOI layer is extremely small. It is possible to reduce both the uniformity of the film thickness in the inside and the uniformity of the film thickness between the wafers to a sufficiently small level, thereby forming a semiconductor device such as an ultra-fine or highly integrated CMOS-LSI or a system LSI. Even in such a case, an object of the present invention is to provide an SOI wafer capable of improving its functional characteristics and a method of manufacturing an SOI wafer capable of suppressing a variation in quality and improving a manufacturing yield.
[0010]
[Means for Solving the Problems and Functions / Effects]
A method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention for solving the above-mentioned problems includes:
A method for manufacturing an SOI wafer in which an SOI layer is formed on a surface of an insulating film so as to have different thicknesses,
An insulating film forming step of forming an insulating film on at least one of the first main surface of the first substrate and the second substrate made of silicon single crystal,
A pattern layer forming step of forming a pattern layer that selectively covers the outermost layer on the first main surface side of the second substrate,
By implanting ions by ion implantation from the first main surface side of the second substrate on the second substrate on which the pattern layer is formed, the first substrate to be an SOI layer as viewed from the first main surface is formed. Etch-stop ions for forming etch-stop ion-implanted layers at different depth positions from the first main surface according to the pattern of the pattern layer at a first depth position separated by the silicon layer portion of An injection layer forming step,
After removing the pattern layer from the second substrate, the second substrate, the first substrate, via the insulating film, a bonding step of bonding the respective first main surfaces,
An etch stop layer forming step of forming the etch stop ion implanted layer as an etch stop layer having a higher oxygen concentration than its surroundings,
In the thickness direction of the second substrate, a portion located on the side opposite to the first silicon layer portion is defined as a second silicon layer, and after the bonding step, at least the etch stop of the second silicon layer is performed. An etching-thinning step of thinning a region in contact with the layer by selective etching based on the oxygen concentration difference;
It is characterized by including.
[0011]
A first feature of the method of the present invention is that an ion implantation layer for etching stop is formed in a second substrate, which is a bond wafer made of silicon single crystal, by an ion implantation method. As shown in the schematic diagram of FIG. 8, the ion implantation layer for etch stop is formed by implanting ions from the first main surface J side of the
[0012]
The formation depth position of the etch stop ion implantation layer can be controlled by appropriately adjusting the ion implantation energy, the thickness of the silicon oxide film, and the thickness of the pattern layer. In addition, the ion implantation layers for etch stop formed at different depth positions are continuously formed in the in-plane direction. In this way, the thickness of the first silicon layer portion to be the SOI layer can be appropriately adjusted as shown in the left and right views of FIGS. 8A and 8B. Here, the right diagrams of FIGS. 8A and 8B show an example in which an SOI wafer including a region having a zero thickness in a part of the SOI layer is manufactured. 8A shows a case where the
[0013]
The pattern layer is formed in a predetermined pattern using known photolithography or photoetching. The pattern at this time is reflected on the film thickness pattern of the first silicon layer to be the SOI layer.
[0014]
The etch stop ion-implanted layer formed in the second substrate as described above is then used as an etch stop layer that becomes an oxygen-rich layer having a higher oxygen concentration than its surroundings. Such a high-oxygen-concentration layer in silicon (for example, a silicon oxide layer) has remarkable etching selectivity with respect to an alkaline solution or the like between silicon having a low oxygen concentration, and thus ensures the etching of the bonded silicon single crystal thin film Can be stopped.
[0015]
Since the above-described ion implantation layer for etch stop is formed with reference to the first main surface of the second substrate having good flatness, the ion implantation depth hardly varies. This means that even if a pattern layer or an insulating film is formed on the first main surface, the flatness of the first main surface reflects the flatness of the first main surface. Can hardly occur. Therefore, the resulting etch stop layer has an oxygen concentration profile shape that is steep and has a uniform peak position depth, reflecting the flatness of the first main surface finished by mirror polishing or the like. As a result, by etching back the second silicon layer to the etch stop layer, an SOI layer having an extremely good film thickness distribution can be obtained not only within the wafer but also between the wafers. In addition, it is possible to eliminate the touch polish, which has conventionally been a main cause of the deterioration of the film thickness distribution of the SOI layer, from the process by this etch back, which also greatly contributes to the improvement of the film thickness distribution. Further, since the ion implantation for forming the ion implantation layer for etching stop is performed from the first main surface on the side from which the SOI layer is taken out, the ion implantation depth is small, and the variation is hardly caused. This also contributes to making the obtained oxygen concentration profile shape of the etch stop layer steep and having a uniform peak position depth, and further to making the film thickness distribution of the SOI layer extremely good. As described above, in order to further improve the thickness distribution of the SOI layer, the second substrate is preferably a mirror-polished wafer whose first main surface is a mirror-polished surface. It is suitable in the present invention.
[0016]
In the method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention, after the first substrate and the second substrate from which the pattern layer has been removed by etching or the like are bonded together on the first main surfaces via an insulating film, an etch stop is performed. The bonded silicon single crystal thin film which is to be an SOI layer including an etch stop layer formed based on the ion implantation layer for use is reduced in thickness by etching back. That is, the second silicon layer is etched back to the etch stop layer. In this case, the thickness of the second substrate itself may be directly reduced by etching back, but it is advisable to use the following method from the viewpoint of work efficiency and the like.
[0017]
One of them includes a region in contact with an etch stop ion implanted layer or an etch stop layer formed based on the etch stop ion implanted layer after the bonding step and prior to the etching thickness reducing step. A pre-thinning step is performed to reduce the thickness of the second substrate while leaving a portion of the silicon layer. This preliminary thickness reduction step is performed by a method such as mechanical grinding or mechanical chemical polishing using a surface grinder or the like. In this case, the thickness reduction of only the silicon layer of the second silicon layer can be considered. The etching is performed by a method using an etching solution having a higher etching rate than the etching solution used for the etching or a dry etching method having a high etching rate. As a result, by performing this preliminary thickness reduction step, the thickness of the second substrate can be reduced in advance before performing the etching thickness reduction step, and the work efficiency can be increased.
[0018]
As a method of performing the preliminary thickness reduction step, a method applying the principle of the conventional smart cut method can be adopted as one of the effective methods other than the above. First, prior to the bonding step, by implanting ions from the first main surface side of the second substrate, in the ion implantation profile in the depth direction, the second depth deeper than the first depth position described above A stripping ion implantation layer having a concentration peak at a position is formed in advance. Then, after the bonding step, the second substrate is separated at the separation ion-implanted layer. Even by performing such a pre-thinning step, the film thickness of the second substrate can be reduced in advance before the etching-thinning step, and the work efficiency can be increased.
[0019]
When a method applying the principle of the above-described smart cut method is used, the surface of the bonded silicon single crystal thin film serving as the separation surface is once rough as in the conventional smart cut method due to separation in the ion implantation layer for separation. Although it becomes a peeled surface, it is not flattened by touch polishing, but is flattened by etching in an etching thinning step which also serves to reduce the thickness of the bonded silicon single crystal thin film. Therefore, the touch polish is unnecessary even though the conventional smart cut method is used. Further, even if there is some unevenness in the surface roughness of the peeled surface, the history almost disappears by etching, and severe heat treatment conditions are not required at all. Therefore, it is not necessary to strictly control the process of forming the ion-implanted layer for stripping, which contributes to improvement in manufacturing efficiency and yield.
[0020]
Further, the formation of the above-described ion-implanted layer for stripping is desirably performed, for example, in the form shown in the schematic diagram of FIG. FIG. 11A shows an example in which the peeling ion-implanted
[0021]
By using the method of the present invention, an SOI wafer having an SOI layer having a different thickness formed on the surface of an insulating film as shown in the schematic diagram of FIG. The level of non-uniformity of the thickness of the SOI layer can be reduced more effectively than the conventional one, and the standard deviation of the thickness within the same wafer can be secured to, for example, 0.4 nm or less. . Further, the standard deviation value between wafers having the same specification can be secured to 2 nm or less. As a result, it becomes possible to improve the functional characteristics of the semiconductor device using the SOI wafer to be formed, and to suppress the variation in the quality of the SOI wafer and improve the production yield in the production. Further, even when the SOI layer of the SOI wafer has an ultra-thin film having a maximum thickness of 50 nm or less, or even 20 nm or less, the film thickness variation within the wafer and between wafers can be sufficiently reduced. It can be reduced to a range that can endure. Further, since the film thickness variation can be reduced to the above numerical range, it is possible to significantly improve the functional characteristics of the semiconductor device using the SOI wafer. Note that an SOI layer having a different film thickness here (including a case where the film thickness of some regions is zero as shown in FIG. 10B) is different from that of a SOI layer intentionally having a different film thickness. An SOI layer formed separately and as a result of trying to form a uniform film thickness over the entire surface as in a conventional SOI wafer manufacturing method, an SOI wafer having a partially formed SOI layer formed with a different thickness is formed. Is different from Further, including the present specification, the standard deviation value of the thickness of the SOI layer referred to here is a standard deviation value for each region intentionally formed so that the formed film thickness is the same or an average value thereof. Shall be referred to. That is, using the schematic diagram of FIG. 10, in FIG. 10B, the standard deviation value or the average value of the film thickness of each layer forming the SOI layer is indicated, and in FIG. It indicates the standard deviation of the film thickness of each A region and each B region or the average value thereof.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 illustrates a basic embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention. First, as shown in step (3), a
[0023]
Then, as shown in step (1), a
[0024]
Further, in order to perform smooth and smooth peeling, the hydrogen ion implantation amount (dose amount) is set to 2 × 10 5 16 Pieces / cm 2 ~ 1 × 10 17 Pieces / cm 2 It is desirable that 2 × 10 16 Pieces / cm 2 If it is less than 1, normal peeling becomes impossible and 1 × 10 17 Pieces / cm 2 Exceeding the limit causes an excessive increase in the amount of ion implantation, so that the process is lengthened and it is difficult to avoid a decrease in manufacturing efficiency. Note that as the ions for forming the separation ion-implanted layer with hydrogen ions, one kind selected from the group consisting of hydrogen ions and rare gas (He, Ne, Ar, Kr, and Xe) ions can be used. That is, instead of hydrogen ions, the
[0025]
Next, as shown in step (2), a
[0026]
Then, as shown in step (2), for example, a hydrogen ion beam is irradiated from the first main surface J side of the
[0027]
The ion implantation amount when forming the etch stop
[0028]
The ion species for forming the etch stop ion implanted
[0029]
In this way, the
[0030]
The
[0031]
Next, as shown in step (5), an etch stop layer 6 'having a higher oxygen concentration than the surrounding portion is formed in the bonded silicon single crystal
[0032]
In the etch stop layer forming step by the above method, the oxygen diffusion step can be specifically performed by a heat treatment in an oxygen-containing atmosphere. As the oxygen-containing atmosphere, for example, an oxygen gas atmosphere, an oxygen mixed gas in which oxygen is mixed with nitrogen or argon, and a gas atmosphere composed of a gas (for example, water vapor) composed of a compound molecule containing an oxygen atom can be adopted.
[0033]
As the heat treatment temperature becomes higher, the diffusion rate of oxygen increases, and the formation of the etch stop layer 6 'can be promoted. However, if the heat treatment temperature is too high, crystal defects (for example, Oxygen-induced Stacking Fault) in the etch stop ion implanted
[0034]
Note that a damaged
[0035]
In the present embodiment, the conventional touch polish for removing the damaged
[0036]
The oxygen diffusion heat treatment may be performed alone, but may also be used for another purpose. For example, in order to obtain a final SOI wafer, in the present embodiment, a bonding heat treatment for firmly bonding the bonded silicon single crystal
[0037]
Further, the
[0038]
The
[0039]
Returning to FIG. 1, if the etch stop layer 6 'is thus formed, as shown in step (6), the
[0040]
The etch stop layer 6 'is formed based on the etch stop
[0041]
After the etching-thinning step by the selective etching, the etch stop layer 6 'remaining on the
[0042]
After the etching-thinning step (after removing the etch stop layer 6 '), a planarizing heat treatment for further planarizing the surface of the
[0043]
The SOI wafer manufactured by the above steps has SOI layers having different thicknesses in the plane and has excellent uniformity in film thickness. When a device is manufactured using such an SOI wafer, it is easy to mix SOI layers having different thicknesses in one chip, which can be used for diversification of manufactured devices.
[0044]
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various deformation | transformation or improvement can be added unless it deviates from the technical range based on description of a claim. . For example, a silicon oxide film may be formed only on the first main surface of the base wafer. Also, a silicon oxide film can be formed on the bonding surfaces (first main surfaces J and K) of both the base wafer and the bond wafer.
[0045]
In the step of forming the ion implantation layer for etch stop, the ion implantation layer for etching stop may be formed in the bonded silicon single crystal thin film using oxygen ions. FIG. 7 shows an example of the process. Step (1) is the same as FIG. Then, in step (2), an
[0046]
According to this method, there is an advantage that the
[0047]
Further, in order to increase the crystal defect density for capturing oxygen ions, as shown in FIG. 12, a preliminary ion-implanted
[0048]
Furthermore, in the step of forming the ion implantation layer for etch stop, the ion implantation layer for etching stop may be formed in the bonded silicon single crystal thin film using germanium ions. The etch stop ion implanted layer becomes a silicon-germanium layer and can immediately function as an etch stop layer to the silicon layer for a particular etchant. As an etchant for selectively etching the silicon layer with respect to the silicon-germanium layer, KOH and K 2 CrO 7 A suitable solution is a mixed solution of phenol and propanol (references; Applied Physics Letters, 56 (1990) 373-375). Further, the etch stop layer made of a silicon-germanium layer can be removed by using an etching solution for selectively etching SiGe with respect to Si, and specifically, HF and H 2 O 2 And CH 3 A mixed solution with COOH can be used (Reference: Journal of Electrochemical Society, 138 (1991) 202-204). It is also possible to perform selective etching using dry etching.
[0049]
In FIG. 1, the stripping
[0050]
Further, the mode of forming the ion implantation layer for stripping and the ion implantation layer for etch stop can also be performed as follows. As shown in FIG. 14, in step (1), after forming a pattern forming layer, a
After forming the etch stop ion implanted
[0051]
In the embodiment described with reference to FIGS. 1 and 7 and the like, the separation ion implantation layer is formed and the separation step is performed using the separation ion implantation layer. Another embodiment having no peeling step will be described below.
[0052]
FIG. 4 illustrates an embodiment of a manufacturing method according to the present invention that does not include a peeling step. First, in step (1), an
[0053]
In the embodiment described with reference to FIG. 4, the bonding and bonding heat treatment in step (3) was performed after the oxygen diffusion heat treatment in step (2). ', The bonding and bonding heat treatments in step (3) are performed without performing the oxygen diffusion heat treatment, and a preliminary thickness reduction step by grinding or the like in step (4) is performed, and then the same as step (2). May be performed. In this case, the heat treatment of the oxygen diffusion heat treatment can also serve as the bonding heat treatment. Further, the bonding heat treatment may be performed simultaneously with the heat treatment of the planarization heat treatment performed after the step (6).
[0054]
If the etch stop ion implanted
[0055]
Next, the step of reducing the thickness of the bond wafer (second substrate) 1 can also be performed by the well-known ELTRAN (trade name) method disclosed in, for example, Japanese Patent No. 2608351. FIG. 6 shows an example thereof. First, as shown in step (1), after a
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the influence of particles on the formation of an etch stop layer, together with a countermeasure method.
FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of removing a damaged layer after a peeling step.
FIG. 4 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an effect of the present invention.
FIG. 6 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
FIG. 7 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic view for explaining the manufacturing method of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a problem of a conventional method relating to the manufacture of an SOI wafer.
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining an SOI wafer targeted by the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the present invention.
FIG. 12 is a process explanatory view showing a modification of the process for forming an ion implantation layer for etch stop.
FIG. 13 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
FIG. 14 is a process explanatory view showing one embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Bond wafer (second substrate)
2 Insulating film
7 Base wafer (first substrate)
4 Removal ion implantation layer
5 Bonded silicon single crystal thin film
6 Ion implantation layer for etch stop
6 'etch stop layer
15 SOI layer
20 pattern layers
50 SOI wafers
60 First silicon layer part
61 Second silicon layer
Claims (18)
第一基板とシリコン単結晶よりなる第二基板との少なくともいずれかの第一主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記第二基板の第一主表面側の最表層を選択的に被覆するパターン層を形成するパターン層形成工程と、
該パターン層が形成された前記第二基板に対して、前記第二基板の第一主表面側からイオン注入法によりイオンを打ち込むことにより、該第一主表面からみてSOI層となるべき第一のシリコン層部分を隔てた第一の深さ位置に、前記パターン層のパターンに応じて前記第一主表面からの形成深さ位置がそれぞれ異なるエッチストップ用イオン注入層を形成するエッチストップ用イオン注入層形成工程と、
前記第二基板より前記パターン層を除去した後、該第二基板と、前記第一基板とを、前記絶縁膜を介して、それぞれの前記第一主表面同士を貼り合わせる貼り合わせ工程と、
前記エッチストップ用イオン注入層を、自身の周囲部よりも酸素濃度が高いエッチストップ層とするエッチストップ層形成工程と、
前記第二基板の厚さ方向において、前記第一のシリコン層部分と反対側に位置する部分を第二のシリコン層として、前記貼り合わせ工程後において、前記第二のシリコン層の少なくとも前記エッチストップ層と接する領域を、酸素濃度差に基づいて選択エッチングすることにより減厚するエッチング減厚工程と
を含むことを特徴とするSOIウエーハの製造方法。A method for manufacturing an SOI wafer in which an SOI layer is formed on a surface of an insulating film so as to have different thicknesses,
An insulating film forming step of forming an insulating film on at least one of the first main surface of the first substrate and the second substrate made of silicon single crystal,
A pattern layer forming step of forming a pattern layer that selectively covers the outermost layer on the first main surface side of the second substrate,
By implanting ions by ion implantation from the first main surface side of the second substrate on the second substrate on which the pattern layer is formed, the first substrate to be an SOI layer as viewed from the first main surface is formed. Etch-stop ions for forming etch-stop ion-implanted layers at different depth positions from the first main surface according to the pattern of the pattern layer at a first depth position separated by the silicon layer portion of An injection layer forming step,
After removing the pattern layer from the second substrate, the second substrate, the first substrate, via the insulating film, a bonding step of bonding the respective first main surfaces,
An etch stop layer forming step of forming the etch stop ion implanted layer as an etch stop layer having a higher oxygen concentration than its surroundings,
In the thickness direction of the second substrate, a portion located on the side opposite to the first silicon layer portion is defined as a second silicon layer, and after the bonding step, at least the etch stop of the second silicon layer is performed. An etching thickness reducing step of reducing the thickness by selectively etching a region in contact with the layer based on a difference in oxygen concentration.
前記貼り合わせ工程の後、前記第二基板を前記剥離用イオン注入層において剥離する工程を有することを特徴とする請求項2記載のSOIウエーハの製造方法。As the preliminary thickness reduction step, prior to the bonding step, by implanting ions from the first main surface side of the second substrate, in the ion implantation profile in the depth direction, compared to the first depth position. Forming a peeling ion implantation layer having a concentration peak at a deep second depth position,
3. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 2, further comprising, after the bonding step, a step of peeling the second substrate at the ion implantation layer for peeling.
該SOIウエーハは、面内に形成膜厚の異なるSOI層を有し、該形成膜厚が最大となる層の厚さは、50nm以下とされることを特徴とするSOIウエーハ。An SOI wafer formed by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 16,
The SOI wafer, wherein the SOI wafer has SOI layers having different formed film thicknesses in a plane, and the thickness of the layer having the largest formed film thickness is 50 nm or less.
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