JP2005197524A - Ｓｏｉウェーハの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製で、剥離後の表面を平坦化し、ＳＯＩ層を薄膜化して、ＳＯＩ層の膜厚を均一化する。
【解決手段】
活性層用シリコンウェーハに酸化膜を介して水素ガスをイオン注入し、シリコンバルク中にイオン注入層を形成する。次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせる。この貼り合わせウェーハを加熱することにより、イオン注入層を境界にその一部を剥離し、ＳＯＩウェーハを作製する。このイオン注入層を境界として剥離した後、ＳＯＩウェーハを酸化性雰囲気で酸化処理する。この酸化膜は例えばＨＦ液により除去する。この後、ＳＯＩウェーハをアルゴンガス雰囲気で１１００以上で略３時間熱処理する。この結果、ＳＯＩウェーハの表面の平均２乗粗さが０．１ｎｍ以下まで改善される。
【選択図】図１

Description

この発明はＳＯＩウェーハの作製方法、詳しくはＳＯＩウェーハの表面を平坦化するＳＯＩウェーハの作製方法に関する。

ＳＯＩウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べ、素子間の分離、素子と基板間の寄生容量の低減、３次元構造が可能といった優越性があり、高速・低消費電力のＬＳＩに使用されている。
ＳＯＩウェーハの作製方法の１つに、シリコンウェーハ表面に水素イオンを注入した後、剥離熱処理により、イオン注入層を境界として剥離するスマートカット法がある。しかし、剥離した時のダメージにより、剥離後のＳＯＩウェーハの表面（剥離面）が粗くなってしまう。この問題に対して、例えば、特許文献１に記載のＳＯＩウェーハの作製方法には、気相エッチング法による平坦化処理が開示されている。
また、例えば、特許文献２に記載のＳＯＩウェーハの作製方法には、剥離後のウェーハの表面を酸化処理した後に、水素を含む還元性雰囲気下で熱処理して、表面を平坦化する技術が提案されている。

特開平１１−１０２８４８号公報 特開２０００−１２４０９２号公報

しかし、特許文献１に記載の機械加工の方法では、研磨代が不均一であり、ＳＯＩ層の膜厚分布を均一にするのは難しい。そのため、特許文献２のような高温熱処理により平坦化する技術が用いられる。しかし、特許文献２に記載のＳＯＩウェーハの作製方法においては、水素ガスのエッチング効果を利用して平坦化処理を行うと、エッチングムラが生じやすくなる。そして、このエッチングムラにより、ＳＯＩ層の膜厚が不均一となる。また、水素ガスを用いるための安全対策が必要となり、その設備費が高額となるなどコスト面の問題がある。

この発明は、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製において、剥離後の剥離面を平坦化するＳＯＩウェーハの作製方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、ＳＯＩ層の膜厚を均一化して、ＳＯＩ層を薄膜化するＳＯＩウェーハの作製方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入してイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理して、イオン注入層を境界として剥離するＳＯＩウェーハの作製方法であって、貼り合わせウェーハを熱処理することにより、イオン注入層を境界として剥離しＳＯＩウェーハを形成した後、ＳＯＩウェーハを酸化処理してＳＯＩ層表面に所定厚さの酸化膜を形成し、次いで、この酸化膜を除去し、この後、ＳＯＩウェーハを不活性ガス雰囲気で熱処理するＳＯＩウェーハの作製方法である。

請求項１に記載のＳＯＩウェーハの作製方法にあっては、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法において、活性層用ウェーハにイオン注入層を形成する。次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせる。この結果、絶縁膜を介して２枚のウェーハが貼り合わされた貼り合わせウェーハが作製される。この後、この貼り合わせウェーハを剥離熱処理することにより、イオン注入層を境界として剥離する。このとき、剥離後のＳＯＩウェーハの表面の平均２乗粗さｒｍｓ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）は１０ｎｍ以下である。
そして、このＳＯＩウェーハを、例えば酸化性雰囲気で酸化処理をする。この結果、ＳＯＩ層表面に所定厚さの酸化膜が形成される。このときの酸化膜の厚さは４０００Åである。この後、ＳＯＩウェーハの酸化膜を例えばＨＦエッチングにより除去する。これにより、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層が剥離後よりも均一化され、かつ薄膜化が可能となる。
さらにこの後、例えばアルゴンガス雰囲気で１１００℃の熱処理を略３時間行う。アルゴンガスはＳＯＩウェーハの表面を再結晶化（マイグレーション）させる。
この結果、ＳＯＩウェーハの表面の平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は０．１ｎｍ以下まで低減できる。
酸化処理は、剥離熱処理により完全に分離した場合、剥離熱処理と、同じ炉内で連続して行える。また、平坦化熱処理は、結合熱処理と兼用できる。

スマートカット法によるＳＯＩウェーハの熱処理には、イオン注入層を境界として剥離する剥離熱処理と、剥離後の活性層用ウェーハと支持ウェーハとの結合を強化する強化結合熱処理とがある。剥離熱処理後、ＳＯＩウェーハは、剥離によるダメージを受け、その表面が粗くなっている。そこで、剥離熱処理後、不活性ガス雰囲気で所定の温度に保持して平坦化熱処理を行う。そして、さらにこの後、このＳＯＩウェーハを酸化性雰囲気で酸化処理をする。そして、この酸化膜を例えばＨＦ液により除去する。すると、ＳＯＩ層を薄膜化することができる。

請求項２に記載の発明は、上記不活性ガス雰囲気での熱処理は、ＳＯＩウェーハをアルゴンガス雰囲気で、１１００℃以上の温度に略３時間以上保持する請求項１に記載のＳＯＩウェーハの作製方法である。
平坦化熱処理する温度は、１１００℃以上である。１１００℃未満であると、ＳＯＩウェーハの表面を再結晶化させることができない。よって、ＳＯＩウェーハの表面の平坦化が不十分となる。

請求項２に記載のＳＯＩウェーハの作製方法にあっては、ＳＯＩウェーハは、温度が１１００℃以上に略３時間保持されて熱処理される。アルゴンガスは、水素ガスのようにＳＯＩウェーハの表面をエッチングする効果は少ない。しかし、剥離後のＳＯＩウェーハの粗くなっている表面を、再結晶化（マイグレーション）により滑らかにする効果を有している。これにより、ＳＯＩウェーハの表面が再結晶化（マイグレーション）されるとともに、その表面が平坦化される。平坦化熱処理の温度が１１００℃以上であれば、ＳＯＩウェーハの表面が十分に再結晶化される。また、この熱処理は、貼り合わせ強化のための熱処理を兼用することができる。

請求項３に記載の発明は、上記酸化処理は、６００℃〜１０００℃の温度で処理する請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウェーハの作製方法である。
スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法において、イオン注入層を境界として剥離した後、ＳＯＩウェーハを、酸化性雰囲気で酸化処理する。酸化処理時の温度は６００℃〜１０００℃の範囲であり、酸化処理時間は限定されない。

請求項３に記載のＳＯＩウェーハの作製方法にあっては、上記酸化性雰囲気での温度は、６００℃〜１０００℃の範囲であり、好ましくは６００℃〜８００℃である。６００℃未満では、十分な酸化膜を形成させることが困難である。一方、１０００℃を超えると、ＳＯＩウェーハの表面の粗さが維持できず、ＳＯＩ層の均一性を悪化させることがある。

請求項４に記載の発明は、上記酸化膜の厚さは、４０００Å以上である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハの作製方法である。

請求項４に記載のＳＯＩウェーハの作製方法にあっては、剥離後のＳＯＩウェーハの表面に形成される酸化膜の厚さは４０００Å以上である。４０００Å未満であると、その後のアルゴンガス雰囲気で熱処理しても十分にＳＯＩ層の表面を平坦化することができない。

この発明によれば、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法において、剥離後のＳＯＩウェーハを酸化性雰囲気で酸化処理すると、ＳＯＩ層表面に４０００Å以上の酸化膜が形成される。この後、酸化膜を例えばＨＦエッチングにより除去する。これにより、ＳＯＩ層が均一化され、かつ、薄膜化が可能となる。
この後、ＳＯＩウェーハを、アルゴンガスの不活性雰囲気で１１００℃以上の温度に保持して平坦化熱処理する。これにより、ＳＯＩウェーハの表面（剥離面）が再結晶化され（マイグレーション）、その表面が平坦化される。
この結果、ＳＯＩウェーハの表面の平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は０．１ｎｍ以下まで低減できる。
また、上記酸化処理は、剥離熱処理により完全に分離した場合、剥離熱処理と同じ炉内で連続して行える。

以下、この発明の一実施例を、図１および図２を参照して説明する。
ここでは、スマートカット法を用いて、ＳＯＩ層を形成するＳＯＩウェーハの作製方法について説明する。
本実施例に係るスマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製は、図１に示すような工程で行われる。
まず、ＣＺ法により育成され、ボロンがドーパントとされたシリコンインゴットからスライスしたシリコンウェーハを２枚準備する。これらのシリコンウェーハを、一方を活性層用ウェーハとして、他方を支持用ウェーハとする。そして、図１（ａ）に示すように、活性層用ウェーハとなるシリコンウェーハの表面に酸化膜を形成する。酸化膜の形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを挿入し、これを所定時間、所定温度に加熱することにより行われる。このとき、形成される酸化膜の厚さは１５０ｎｍである。

次に、酸化膜が形成された活性層用ウェーハを、イオン注入装置の真空チャンバの中にセットする。そして、図１（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハの表面より酸化膜を介して加速電圧＝５０ｋｅＶ、ドーズ量＝１．０Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素イオンを注入する。水素イオンは、活性層用ウェーハの表面から所定深さの位置まで注入され、この結果、活性層用ウェーハの所定深さ位置（シリコン基板中の所定深さ範囲）にイオン注入層が形成される。
次に、図１（ｃ）に示すように、水素イオンが注入された活性層用ウェーハを、そのイオンが注入された面（酸化膜表面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜（酸化膜）が介在された貼り合わせウェーハが形成される。
そして、図１（ｄ）に示すように、貼り合わせウェーハを略５００℃、窒素ガス雰囲気で熱処理する。すると、貼り合わせウェーハのイオン注入層において水素ガスのバブルが形成され、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として、活性層用ウェーハの一部（貼り合わせウェーハの一部）が剥離する。すなわち、貼り合わせウェーハは、支持ウェーハに酸化膜を介してＳＯＩ層（活性層用ウェーハの一部）が積層されたＳＯＩウェーハと、残りの活性層用ウェーハとに分離される。このときのＳＯＩウェーハの表面の平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は１０ｎｍ以下である。
ここまでの工程は、一般的なスマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法での工程と同じである。

次に、図１（ｅ）および図２に示すように、ＳＯＩウェーハについて、酸化性雰囲気中で、温度を６５０℃、１時間のウェット酸化処理を行う。この結果、ＳＯＩ層表面に所定厚さの酸化膜が形成される。
そして、図１（ｆ）に示すように、この酸化膜を例えばＨＦエッチングにより除去する。これにより、ＳＯＩ層の厚さが均一化され、かつ、薄膜化される。
上記一連の工程（酸化処理およびＨＦエッチング）は、複数回行ってもよい。これにより、平坦化された粗さを維持したままで、ＳＯＩ層の薄膜化がより可能である。すなわち、ＳＯＩ層の取り代が大きい場合は、酸化処理して酸化膜を形成した後、例えばＨＦエッチングにより酸化膜を除去する工程を繰り返すことにより、ＳＯＩ層がより薄膜化される。
ウェット酸化処理する理由は、ドライ酸化雰囲気で酸化処理すると、酸化レートが遅く、長時間の熱処理が必要となるからである。また、水素ガスの添加や、ＨＣｌ酸化のような酸化レートの速いガス形態を用いても効果的である。
また、酸化膜の形成が異方性である低温領域で酸化処理が必要である。そのときの酸化性雰囲気の温度は、６００℃〜１０００℃の範囲であり、好ましくは６００℃〜８００℃である。

次に、図１（ｇ）に示すように、剥離熱処理した後のＳＯＩウェーハについて平坦化熱処理を行う。この平坦化熱処理は、ＳＯＩウェーハをアルゴンガス雰囲気中で１１００℃以上の温度に略３時間保持することである。

上述の図１（ａ）〜（ｇ）の工程を経て完成されたＳＯＩウェーハの平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は０．０６ｎｍまで改善されることが確認された。一方、上述の図１（ａ）〜（ｇ）の工程の内、図１（ｅ）に示す酸化処理および図１（ｆ）に示すＨＦ洗浄を実施せずに完成されたＳＯＩウェーハの平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は０．２ｎｍまでしか改善されなかった。

酸化膜の厚さに関しては、例えば、上記水素イオン注入条件では、剥離後のＳＯＩ層の厚さは略４０００Åである。このＳＯＩウェーハに４０００Åの酸化膜を形成し、これを除去した後のＳＯＩ層の厚さは２０００Åとなる。よって、ＳＯＩ層の直下にある酸化膜（ＢＯＸ層）まで達することはない。しかし、水素イオンの加速電圧が低いと、剥離後のＳＯＩ層の厚さが薄くなってしまい、酸化膜がＢＯＸ層まで達してしまう。したがって、剥離直後のＳＯＩ層の厚さは、２０００Å以上が必要である。
ＳＯＩ層の最終的な厚さは５００Å〜１０００Åが一般的である。したがって、酸化処理および平坦化熱処理の条件を考慮すると、剥離直後のＳＯＩ層の厚さは、３０００Å〜４０００Åが好ましい。
平坦化熱処理の温度が１２００℃以上であると、スリップ転移の発生するおそれがある。したがって、１１００℃〜１１５０℃までの温度が好ましい。熱処理時間もスループットを考慮して略３時間が好ましい。

次に、上記酸化処理および平坦化熱処理についてそれぞれその条件を変更して行った実験の結果を報告する。
上述の図１（ａ）〜（ｄ）を経て作製されたＳＯＩウェーハについて平坦化熱処理温度を１０５０℃〜１３００℃、時間を１時間〜４時間に変化させて保持した。また、酸化膜の厚さを３０００Å〜５０００Åまで変化させた。これらのＳＯＩウェーハについて、ＳＯＩ層の表面の平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）についてそれぞれ公知の方法で評価した。評価結果を表１に示す。

以上の実験の結果より、剥離したＳＯＩウェーハを、まず酸化処理し、この後この酸化膜を除去する。そして、アルゴンガス雰囲気で１１００℃の温度で略３時間以上に保持して平坦化熱処理する。この結果、ＳＯＩ層の表面の平均２乗粗さｒｍｓ（１０μｍ×１０μｍ）は０．１ｎｍ以下にまで低減できることが確認された。

この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの作製方法を示す工程図である。 この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの作製方法における剥離熱処理から平坦化熱処理までの熱処理温度と時間との関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. 活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入してイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理して、イオン注入層を境界として剥離するＳＯＩウェーハの作製方法であって、
   貼り合わせウェーハを熱処理することにより、イオン注入層を境界として剥離しＳＯＩウェーハを形成した後、ＳＯＩウェーハを酸化処理してＳＯＩ層表面に所定厚さの酸化膜を形成し、次いで、この酸化膜を除去し、この後、ＳＯＩウェーハを不活性ガス雰囲気で熱処理するＳＯＩウェーハの作製方法。
2. 上記不活性ガス雰囲気での熱処理は、ＳＯＩウェーハをアルゴンガス雰囲気で、１１００℃以上の温度に略３時間以上保持する請求項１に記載のＳＯＩウェーハの作製方法。
3. 上記酸化処理は、６００℃〜１０００℃の温度で処理する請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウェーハの作製方法。
4. 上記酸化膜の厚さは、４０００Å以上である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハの作製方法。

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