JP2004320050A - Soi substrate and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は絶縁層上にシリコン層(以下、SOI層という)を形成したSOI(Silicon-On-Insulator)基板及び2枚のシリコンウェーハを絶縁層、窒化珪素層及び多結晶シリコン層を介して貼り合わせるSOI基板の製造方法に関するものである。 According to the present invention, an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate in which a silicon layer (hereinafter, referred to as an SOI layer) is formed on an insulating layer and two silicon wafers are bonded via an insulating layer, a silicon nitride layer, and a polycrystalline silicon layer. The present invention relates to a method for manufacturing an SOI substrate to be combined.
近年、高集積CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、IC、高耐圧素子などがSOI基板を利用して製作されるようになってきている。絶縁層の上にデバイス作製領域として使用される単結晶シリコン層を形成したSOI基板は、高集積CMOSの場合にはラッチアップ(寄生回路による異常発振現象)の防止に、また高耐圧素子の場合にはベース基板との絶縁分離にそれぞれ有効である。このSOI基板の製造方法には、シリコンウェーハ同士を二酸化シリコン層(以下、シリコン酸化層という)、即ち絶縁層を介して貼り合わせる方法、絶縁性基板又は絶縁性薄膜を表面に有する基板の上にまず多結晶シリコン薄膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積させ、次いでレーザーアニールによって単結晶化するZMR法、シリコン基板内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニール処理してこのシリコン基板表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層(絶縁層)を形成し、その表面側のシリコン層を活性領域とするSIMOX法などがある。これらの方法の中でも、貼り合わせ法により作製されたSOI基板は、SOI層の結晶性が極めて良好であることから、有望視されて来ている。 In recent years, highly integrated CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), ICs, high withstand voltage elements, and the like have been manufactured using SOI substrates. An SOI substrate in which a single crystal silicon layer used as a device fabrication region is formed on an insulating layer prevents latch-up (abnormal oscillation due to a parasitic circuit) in the case of a highly integrated CMOS, and in the case of a high breakdown voltage element. Is effective for insulating and separating from the base substrate. This SOI substrate manufacturing method includes a method in which silicon wafers are bonded to each other via a silicon dioxide layer (hereinafter, referred to as a silicon oxide layer), that is, an insulating layer, an insulating substrate or a substrate having an insulating thin film on its surface. First, a polycrystalline silicon thin film is deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, then a single crystal is formed by laser annealing, and a high concentration oxygen ion is implanted into a silicon substrate. There is a SIMOX method in which a buried silicon oxide layer (insulating layer) is formed in a region at a predetermined depth from the substrate surface, and the silicon layer on the surface side is used as an active region. Among these methods, an SOI substrate manufactured by a bonding method is promising because the SOI layer has extremely good crystallinity.
このシリコンウェーハの貼り合わせ法は、具体的にはそれぞれ約600μmの2枚のシリコンウェーハをシリコン酸化層からなる絶縁層を介して接合し、酸素雰囲気中、1100℃で2時間貼り合わせ熱処理した後、2枚のシリコンウェーハの一方のシリコンウェーハの表面を砥石で研削し、更に研磨布で研磨してこのシリコンウェーハの厚さを約1〜10μmの範囲にし、この研磨した側の厚さ約1〜10μmのシリコン層をデバイス形成用のSOI層としている。
しかし、このSOI基板のSOI層がデバイスプロセス中に重金属不純物により汚染された場合には、埋込みシリコン酸化層(絶縁層)がゲッタリング源となって重金属不純物を捕捉した後で、熱処理の進行に伴って結晶化した絶縁層が一旦捕捉した重金属不純物をSOI層中に放出し再分布を生じ易く、これに起因してSOI層の汚染による品質劣化が生じることがあった。
Specifically, the bonding method of the silicon wafers is such that two silicon wafers each having a thickness of about 600 μm are bonded via an insulating layer made of a silicon oxide layer, and are bonded and heat-treated at 1100 ° C. for 2 hours in an oxygen atmosphere. The surface of one of the two silicon wafers is ground with a grindstone and further polished with a polishing cloth so that the thickness of the silicon wafer is in the range of about 1 to 10 μm, and the thickness of the polished side is about 1 μm. A silicon layer of 10 to 10 μm is used as an SOI layer for device formation.
However, when the SOI layer of this SOI substrate is contaminated with heavy metal impurities during the device process, the embedded silicon oxide layer (insulating layer) serves as a gettering source to capture the heavy metal impurities, and then the heat treatment proceeds. Accordingly, the heavy metal impurities once trapped by the crystallized insulating layer are released into the SOI layer and are likely to be redistributed. As a result, quality deterioration due to contamination of the SOI layer may occur.
従来、この点を解決したSOI基板として、デバイス形成用のSOI層内にゲッタリング源を有するもの(例えば、特許文献1)や、支持基板内にゲッタリング源を有するもの(例えば、特許文献2)が提案されている。前者のSOI基板はデバイス形成用のSOI層と絶縁層との間に多結晶シリコン層が設けられる。また後者のSOI基板は支持基板となるシリコンウェーハの両面に多結晶シリコン、非晶質シリコン等からなるゲッタリング層を形成し、両面のゲッタリング層上に絶縁層を形成し、一方の絶縁層に別の活性層となるシリコンウェーハを接合した後、このシリコンウェーハを研削研磨してデバイス形成用のSOI層を形成したものである。
。
.
しかし、特許文献1に示されるSOI基板には、単結晶シリコンよりも熱膨張係数がともに小さい絶縁層(SiO2層)及び多結晶シリコン層が支持基板となるシリコンウェーハ上に形成されるため、支持基板がデバイス形成用のSOI層側で凸状に反りを生じ、次工程のパターン形成のための露光工程において所望の素子パターンを形成しにくい問題点があった。
また、特許文献2に示されるSOI基板には、第一にその表面に吸着したOH基の少ない絶縁層を接合面として支持基板となるシリコンウェーハを活性層となるシリコンウェーハに接合するため、両ウェーハの接着性が悪く、また第二に絶縁層とSOI層との界面の連続性が熱酸化によるSiと絶縁層との界面に比較して劣る等の問題点があった。
However, in the SOI substrate disclosed in
In addition, the SOI substrate disclosed in Patent Document 2 has a structure in which a silicon wafer serving as a support substrate is bonded to a silicon wafer serving as an active layer by using an insulating layer having a small amount of OH groups adsorbed on its surface as a bonding surface. Second, there are problems such as poor adhesion of the wafer and secondly, the continuity of the interface between the insulating layer and the SOI layer is inferior to the interface between Si and the insulating layer due to thermal oxidation.
本発明の目的は、ゲッタリング能力を有しSOI層を重金属で汚染させないSOI基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、基板の構造から生じるデバイス特性への悪影響を緩和し、
かつ基板の反りを防止するSOI基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、2枚のシリコンウェーハの接着性及び絶縁層とSOI層との界面の連続性が良好なSOI基板及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an SOI substrate having a gettering ability and not contaminating an SOI layer with heavy metals, and a method for manufacturing the same.
Another object of the present invention is to mitigate adverse effects on device characteristics resulting from the structure of the substrate,
Another object of the present invention is to provide an SOI substrate that prevents warpage of the substrate and a method of manufacturing the same.
Still another object of the present invention is to provide an SOI substrate having good adhesion between two silicon wafers and good continuity at the interface between the insulating layer and the SOI layer, and a method of manufacturing the same.
図1(a)〜図1(f)に示すように、本発明のSOI基板10の製造方法は、活性層となる第2シリコンウェーハ12の表面に絶縁層13を形成する工程と、この絶縁層13上に窒化珪素層14をCVD法により形成する工程と、この窒化珪素層14上に多結晶シリコン層15をCVD法により形成する工程と、この多結晶シリコン層15を形成した第2シリコンウェーハ12と支持基板となる第1シリコンウェーハ11の各表面をNH4OHの水溶液とH2O2水溶液とを混合して調製したSC1の洗浄液で洗浄して各表面を活性化する工程と、この多結晶シリコン層15と窒化珪素層14と絶縁層13とが形成された第2シリコンウェーハ12を多結晶シリコン層15の活性化した表面を接合面として支持基板となる第1シリコンウェーハ11の活性化した表面と直接接合する工程と、接合した第1及び第2シリコンウェーハ11,12を熱処理して貼り合わせる工程と、第2シリコンウェーハ12を所定の厚さに研削研磨してデバイス形成用のSOI層12aとする工程とを含む方法である。
図1(f)に示すように、本発明のSOI基板10は上記方法により製造されたものであって、支持基板となるシリコンウェーハ11上に多結晶シリコン層15と窒化珪素層14と絶縁層13とがこの順に形成され、この絶縁層13上にデバイス形成用のSOI層12aが形成され、SC1洗浄液による洗浄でシリコンウェーハ11の活性化した表面にこのウェーハと同程度の数のOH基を有する多結晶シリコン層15の活性化した表面が直接接合されたものである。
As shown in FIGS. 1A to 1F, in the method for manufacturing an
As shown in FIG. 1 (f), the
本発明によれば、絶縁層を有するシリコンウェーハを窒化珪素層及び多結晶シリコン層を介して支持基板となるシリコンウェーハと直接接合することにより、多結晶シリコン層がゲッタリング源として作用し、デバイスプロセス中に生じた重金属不純物は多結晶シリコン層に捕捉される。このとき多結晶シリコン層が絶縁層を挟んでSOI層の反対側にあるため、重金属不純物がSOI層に再分布せず、高品質のデバイス形成用のSOI層が絶縁層上に得られる。
また本発明の方法により製造されたSOI基板は、窒化珪素層の存在により反りが防止される。更に特開平7−29911号公報に示されるSOI基板において、その表面に吸着したOH基の少ない絶縁層を接合面として支持基板となるシリコンウェーハを活性層となるシリコンウェーハに接合するため、両ウェーハの接着性が悪かったものが、本発明の方法により製造されたSOI基板は、支持基板のシリコンウェーハと同程度の数のOH基を有する多結晶シリコン層を介して活性層となるシリコンウェーハを支持基板となるシリコンウェーハと接合するため、両ウェーハの接着性が良好となり、絶縁層とSOI層との連続性に優れる。
According to the present invention, by directly bonding a silicon wafer having an insulating layer to a silicon wafer serving as a support substrate via a silicon nitride layer and a polycrystalline silicon layer, the polycrystalline silicon layer acts as a gettering source, Heavy metal impurities generated during the process are captured in the polycrystalline silicon layer. At this time, since the polycrystalline silicon layer is on the opposite side of the SOI layer with the insulating layer interposed therebetween, heavy metal impurities are not redistributed to the SOI layer, and a high-quality SOI layer for device formation is obtained on the insulating layer.
The warpage of the SOI substrate manufactured by the method of the present invention is prevented by the presence of the silicon nitride layer. Further, in the SOI substrate disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-29911, a silicon wafer serving as a support substrate is bonded to a silicon wafer serving as an active layer by using an insulating layer having a small amount of OH groups adsorbed on the surface thereof as a bonding surface. However, the SOI substrate manufactured by the method of the present invention has a silicon wafer that becomes an active layer via a polycrystalline silicon layer having the same number of OH groups as the silicon wafer of the supporting substrate. Since it is bonded to a silicon wafer serving as a support substrate, the adhesion between the two wafers is good, and the continuity between the insulating layer and the SOI layer is excellent.
本発明の第1及び第2シリコンウェーハはCZ法、FZ法等の方法で、ともに同一の方法により得られたシリコン単結晶棒から作製される。図1(a)に示すように、絶縁層13は第2シリコンウェーハ12の片面に形成される。絶縁層13の厚さは約0.5〜約1.0μmの範囲、好ましくは約0.5〜約0.6μmの範囲にある。この絶縁層13はシリコン酸化層(SiO2層)であって、シリコンウェーハ12を熱酸化することにより、或いはCVD法によりウェーハ12の片面に形成される。
次に、図1(b)に示すように絶縁層13上には窒化珪素(Si3N4)層14がCVD法により形成される。この窒化珪素層14の厚さは約0.01〜約0.5μmの範囲、好ましくは約0.05〜約0.1μmの範囲にある。また図1(c)に示すように窒化珪素層14上には多結晶シリコン層15がCVD法により形成される。この多結晶シリコン層15の厚さは約0.5〜約2.0μmの範囲、好ましくは約0.5〜約1.0μmの範囲にある。
The first and second silicon wafers of the present invention are manufactured from a silicon single crystal rod obtained by the same method using a CZ method, an FZ method or the like. As shown in FIG. 1A, the
Next, as shown in FIG. 1B, a silicon nitride (Si 3 N 4 )
次いで図1(d)及び(e)に示すように、この第2シリコンウェーハ12が多結晶シリコン層15を接合面として、支持基板となる第1シリコンウェーハ11と直接接合される。接合しようとする表面を活性化するためにNH4OHの水溶液とH2O2水溶液とを混合して調製したSC1の洗浄液でシリコンウェーハ11,12を洗浄しておく。図1(e)に示すように接合した後の第1及び第2シリコンウェーハ11,12を乾燥酸素(dryO2)雰囲気又は窒素(N2)雰囲気中で1100℃の温度下、1〜3時間、好ましくは2時間程度行う。
図1(f)に示すように、一体化した2枚のシリコンウェーハ11,12が放冷され室温になった後に、支持基板となる第2シリコンウェーハ12を砥石で研削し、その後研磨布で研磨して、約1〜10μmの厚さの薄膜に加工する。これにより厚さ約1〜10μmのデバイス形成用のSOI層12aが絶縁層13上に得られる。
Next, as shown in FIGS. 1D and 1E, the
As shown in FIG. 1 (f), after the two integrated
2枚のシリコンウェーハの接合界面に絶縁層13と窒化珪素層14と多結晶シリコン層15が積層されるため、SOI基板10のSOI層12aがデバイスプロセス中に重金属不純物により汚染された場合には、多結晶シリコン層15がゲッタリング源として作用する。即ち、SOI層12a中の重金属不純物が絶縁層13及び窒化珪素層14を通過して多結晶シリコン層15に捕捉される。
重金属不純物を捕捉した多結晶シリコン層15は絶縁層13を挟んでSOI層12aの反対側にあるため、この重金属不純物はSOI層12a中に再分布しない。
Since the
Since the
また図2(a)に示すように、単結晶シリコンからなるウェーハ12上にこれよりも熱膨張係数が小さい絶縁層(SiO2層)13を積層して室温まで冷却すると、基板結晶格子中の絶縁層側で引張応力が働いてウェーハ12が凸状に反る傾向がある。図2(b)に示すように、ウェーハ12上に窒化珪素(Si3N4)層14を積層して室温まで冷却すると、基板結晶格子中の窒化珪素層側で圧縮応力が働いてウェーハ12が凹状に反る傾向がある。また図2(c)に示すように、ウェーハ12上にこれよりも熱膨張係数が小さい多結晶シリコン層15を積層して室温まで冷却すると、多結晶シリコン層側で引張応力が働いてウェーハ12が凸状に反る傾向がある。この結果、図2(d)及び図1(c)に示すように、ウェーハ12上で絶縁層13と窒化珪素(Si3N4)層14と多結晶シリコン層15とをこの順に積層した後熱処理すると、ウェーハ12上での引張応力と圧縮応力が相殺されてウェーハ12は反らずに平坦になる。
Further, as shown in FIG. 2A, an insulating layer (SiO 2 layer) 13 having a smaller coefficient of thermal expansion is laminated on a
更に本発明のSOI基板10は、OH基の数が単結晶シリコンウェーハ上の場合と同程度である多結晶シリコン層15を介して活性層となるシリコンウェーハ12を支持基板となるシリコンウェーハ11と接合するため、絶縁層との貼り合わせに比較して両ウェーハの接着性が良好となる。また絶縁層13とSOI層12aとの界面は接合界面でないため、これらの層の連続性に優れる。
Further, the
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
(a) サンプルの準備と絶縁膜の形成
CZ法で引上げられたシリコン単結晶棒から切断され研削研磨されたばかりの次の特性の2枚のシリコンウェーハを用意した。
直径: 5インチ
面方位: <100>
伝導型: P型(ドーパントとしてボロンを添加)
抵抗率: 約10Ωcm
厚さ: 約620μm
初期格子間酸素濃度:約1.5×1018/cm3(旧ASTM)
図1(a)に示すように、その内の1枚のシリコンウェーハ12の片面にウェーハ12を湿潤酸素(wetO2)雰囲気中、1000℃で3時間熱処理して厚さ0.5μmのシリコン酸化層からなる絶縁層13を形成した。
(b) 窒化珪素層の形成
図1(b)に示すように絶縁層13上に次の条件で窒化珪素(Si3N4)層14をCVD法により形成した。
雰囲気: 0.4Torrの減圧雰囲気
使用ガス(流量): SiH2Cl2(0.075リットル/分)
NH3 (1.0リットル/分)
温度: 775℃
堆積速度: 30オングストローム/分
窒化珪素層14は絶縁層13上に約0.1μmの厚さで形成された。
(c) 多結晶シリコン層の形成
図1(c)に示すように窒化珪素層14上に次の条件で多結晶シリコン層15をCVD法により形成した。
雰囲気: 0.1Torrの減圧雰囲気
使用ガス(流量): SiH4(0.1リットル/分)
温度: 620℃
堆積速度: 65オングストローム/分
多結晶シリコン層15は窒化珪素層14上に約0.5μmの厚さで形成された。
(d) 接合
図1(c)及び(d)に示すように、絶縁層13と窒化珪素層14と多結晶シリコン層15を積層したシリコンウェーハ12ともう1枚のシリコンウェーハ11とをそれぞれ比重0.9のNH4OHの水溶液と比重1.1のH2O2水溶液とH2OとをNH4OH:H2O2:H2O=1:2:7の容量比で混合して調製したSC1(Standard Cleaning 1)の洗浄液で洗浄した後、両ウェーハ11,12を多結晶シリコン層15を接合面として重ね合せ接合した。
(e) 貼り合わせ熱処理と研削研磨
図1(e)に示すように、室温から800℃に設定された熱処理炉中に10〜15cm/分の速度で挿入し、窒素雰囲気中で800℃から10℃/分の速度で昇温し、1100℃に達したところで2時間維持し、次いで4℃/分の速度で降温し、800℃まで冷却した後、10〜15cm/分の速度で炉から室温中に取出した。更に図1(f)に示すように、シリコンウェーハ12の表面を砥石で研削し、次いで柔らかい研磨布で研磨し、絶縁層13上に厚さ1〜10μmのSOI層12aを形成した。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(a) Preparation of Sample and Formation of Insulating Film Two silicon wafers having the following characteristics, which were cut from a silicon single crystal rod pulled up by the CZ method and were just ground and polished, were prepared.
Diameter: 5 inches
Plane orientation: <100>
Conduction type: P type (boron is added as a dopant)
Resistivity: about 10Ωcm
Thickness: about 620 μm
Initial interstitial oxygen concentration: about 1.5 × 10 18 / cm 3 (former ASTM)
As shown in FIG. 1A, one of the
(b) Formation of Silicon Nitride Layer As shown in FIG. 1B, a silicon nitride (Si 3 N 4 )
Atmosphere: 0.4 Torr reduced pressure atmosphere
Working gas (flow rate): SiH 2 Cl 2 (0.075 l / min)
NH 3 (1.0 liter / min)
Temperature: 775 ° C
Deposition rate: 30 Å / min The
(c) Formation of Polycrystalline Silicon Layer As shown in FIG. 1C, a
Atmosphere: 0.1 Torr reduced pressure atmosphere
Working gas (flow rate): SiH 4 (0.1 liter / min)
Temperature: 620 ° C
Deposition rate: 65 Å / min.
(d) Bonding As shown in FIGS. 1C and 1D, the specific gravity of the
(e) Laminating heat treatment and grinding and polishing As shown in FIG. 1 (e), it is inserted into a heat treatment furnace set at room temperature to 800 ° C. at a speed of 10 to 15 cm / min, and is heated at 800 ° C. to 10 ° C. The temperature was increased at a rate of 1 ° C./min, and when the temperature reached 1100 ° C., the temperature was maintained for 2 hours. Then, the temperature was decreased at a rate of 4 ° C./min. Taken out inside. Further, as shown in FIG. 1 (f), the surface of the
10 SOI基板
11 第1シリコンウェーハ
12 第2シリコンウェーハ
12a SOI層
13 絶縁層(シリコン酸化層)
14 窒化珪素層(Si3N4層)
15 多結晶シリコン層
14 Silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer)
15 Polycrystalline silicon layer
Claims (2)
前記絶縁層(13)上に窒化珪素層(14)をCVD法により形成する工程と、
前記窒化珪素層(14)上に多結晶シリコン層(15)をCVD法により形成する工程と、
前記多結晶シリコン層(15)を形成した第2シリコンウェーハ(12)と支持基板となる第1シリコンウェーハ(11)の各表面をNH4OHの水溶液とH2O2水溶液とを混合して調製したSC1の洗浄液で洗浄して前記各表面を活性化する工程と、
前記多結晶シリコン層(15)と窒化珪素層(14)と絶縁層(13)とが形成された第2シリコンウェーハ(12)を前記多結晶シリコン層(15)の活性化した表面を接合面として前記第1シリコンウェーハ(11)の活性化した表面と直接接合する工程と、
前記接合した第1及び第2シリコンウェーハ(11,12)を熱処理して貼り合わせる工程と、
前記第2シリコンウェーハ(12)を所定の厚さに研削研磨してデバイス形成用のSOI層(12a)とする工程と
を含むSOI基板の製造方法。 Forming an insulating layer (13) on the surface of the second silicon wafer (12) to be an active layer;
Forming a silicon nitride layer (14) on the insulating layer (13) by a CVD method;
Forming a polycrystalline silicon layer (15) on the silicon nitride layer (14) by a CVD method;
The surfaces of the second silicon wafer (12) on which the polycrystalline silicon layer (15) is formed and the first silicon wafer (11) serving as a support substrate are mixed by mixing an aqueous solution of NH 4 OH and an aqueous solution of H 2 O 2. Activating each surface by washing with the prepared washing solution of SC1;
The second silicon wafer (12) on which the polycrystalline silicon layer (15), the silicon nitride layer (14), and the insulating layer (13) are formed is bonded to the activated surface of the polycrystalline silicon layer (15) by a bonding surface. Directly bonding to the activated surface of the first silicon wafer (11),
A step of heat-treating and bonding the bonded first and second silicon wafers (11, 12);
Grinding and polishing the second silicon wafer (12) to a predetermined thickness to form an SOI layer (12a) for device formation.
An SOI substrate manufactured by the method according to claim 1.
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