JP2006210898A - Ｓｏｉウエーハの製造方法及びｓｏｉウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】透明絶縁性基板とＳＯＩ層との熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等の発生を簡易な工程で防止できるＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。
【解決手段】単結晶シリコンウェーハと透明絶縁性基板とを接合後、前記単結晶シリコンウェーハを薄膜化することにより前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成してＳＯＩウェーハを製造する方法において、単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入してウェーハ中にイオン注入層を形成し、該単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び／又は前記透明絶縁性基板の表面をプラズマ及び／又はオゾンで処理し、前記単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と前記透明絶縁性基板の表面とを前記処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合し、前記イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離して前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯＩウエーハの製造方法及びＳＯＩウェーハに関するものであり、特に透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成するＳＯＩウエーハの製造方法及びＳＯＩウェーハに関するものである。

絶縁体上にシリコン単結晶層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳＯＩウェーハは、高密度の半導体集積回路を作製するのに適し、例えばＴＦＴ−ＬＣＤ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ）などの光学デバイスにも期待されている。

このような光学デバイスには、例えば透明な石英基板上にＳＯＩ層を形成したＳＯＩウェーハを用いる。この場合、基板が完全な絶縁体であるから、ＳＯＩ層中のキャリアの移動度が基板に影響されず、極めて高くなり、特に高周波で駆動した場合の効果が著しい。しかも、このようなＳＯＩウェーハではＴＦＴ領域の周辺に駆動回路を一体に形成することもでき、高密度の実装が可能である。

このような光学デバイスに用いるＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層の厚さを例えば０．５μｍ以下程度に薄くしなければならない。従って、石英基板とＳＯＩ層との接合は、このような厚さまでＳＯＩ層を薄膜化するための研削、研磨や、デバイス作製時にＳＯＩ層に掛かる熱的、機械的応力に耐えるように強固に接合している必要があり、そのため、高温熱処理により結合力を高めることが必要であった。

しかし、石英基板とＳＯＩ層では熱膨張係数が相違するため、接合するための加熱処理中、あるいは接合後の冷却中または研削、研磨中に熱歪による応力が生じ、石英基板やＳＯＩ層にひび割れが発生したり、これらが剥離して破損することがあった。このような問題は絶縁性透明基板が石英基板の場合に限らず、単結晶シリコンウェーハを熱膨張係数が異なる基板と接合する場合に必然的に生じる問題である。

この問題を解決するため、水素イオン注入剥離法を用いるＳＯＩウェーハの製造方法において、結合熱処理工程と薄膜化工程とを交互に段階的に行い、熱処理時に発生する熱応力の影響を緩和する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−１４５４３８号公報

本発明は、透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成するＳＯＩウエーハの製造方法において、透明絶縁性基板とＳＯＩ層との熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等の発生を簡易な工程で防止できるＳＯＩウエーハの製造方法及びＳＯＩウェーハを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、単結晶シリコンウェーハと透明絶縁性基板とを接合後、前記単結晶シリコンウェーハを薄膜化することにより前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成してＳＯＩウェーハを製造する方法において、少なくとも、
単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ウェーハ中にイオン注入層を形成する工程、
該単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び／又は前記透明絶縁性基板の表面を、プラズマ及び／又はオゾンで処理する工程、
前記単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と前記透明絶縁性基板の表面とを、前記処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合する工程、
前記イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する工程、
を行なうことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する（請求項１）。

このように、単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び／又は透明絶縁性基板の表面をプラズマ及び／又はオゾンで処理すれば、ウェーハのイオン注入面及び／又は基板の表面にはＯＨ基が増加して活性化する。従って、このような状態で単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と透明絶縁性基板の表面とを、前記処理をした表面を接合面として室温で密着させ接合すれば、密着させた面が水素結合により強固に接合するので、その後結合力を高める高温熱処理を施さなくても十分に強固な接合となる。また、このように接合面が強固に接合しているので、その後イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、透明絶縁性基板上に薄いＳＯＩ層を形成することができるので、剥離のための熱処理を行なわなくても薄膜化ができる。従って、透明絶縁性基板と単結晶シリコンウェーハとの熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等が発生せずにＳＯＩウェーハを製造することができる。また、水素イオン注入剥離法を用いるので、薄くて良好な膜厚均一性を有し、結晶性に優れたＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを製造することができる。

この場合、前記接合工程を行なった後、該接合ウェーハを１００〜３００℃で熱処理して結合力を高める工程を行ない、その後前記剥離工程を行なうことが好ましい（請求項２）。
このように、接合した単結晶シリコンウェーハ及び透明絶縁性基板を、熱歪が発生しないような１００〜３００℃という低温で熱処理してより結合力を高めてから、イオン注入層に衝撃を与えて機械的な剥離工程を行なえば、機械的応力による接合面の剥離、ひび割れ等の発生をより確実に防止してＳＯＩウェーハを製造できる。

また、前記剥離工程により得られたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面に鏡面研磨を施すことが好ましい（請求項３）。
このように、剥離工程により得られたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面に鏡面研磨を施せば、剥離工程で生じたＳＯＩ層の表面粗れやイオン注入工程で発生した結晶欠陥等を除去でき、表面が鏡面研磨された平滑なＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを製造できる。

また、前記透明絶縁性基板を、石英基板、サファイヤ（アルミナ）基板、ガラス基板、のいずれかとすることが好ましい（請求項４）。
このように、透明絶縁性基板を石英基板、サファイヤ（アルミナ）基板、ガラス基板、のいずれかとすれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であるから、光学デバイス作製に好適なＳＯＩウェーハを製造できる。
ここで、ガラス基板としては、一般的な青板ガラスのほか、白板ガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、結晶化ガラスなどを用いることができる。また、青板ガラスなどの様にアルカリ金属を含むガラス基板を用いる場合には、表面からのアルカリ金属の拡散を防止するため、ガラス基板の表面にスピンオンガラスによる拡散防止膜を形成することが好ましい。

さらに、前記イオン注入層を形成する際のイオン注入線量を、８×１０^１６／ｃｍ^２より大きくすることが好ましい（請求項５）。
このように、イオン注入層を形成する際のイオン注入線量を、８×１０^１６／ｃｍ^２より大きくすることにより、機械剥離を容易に行うことができる。

また、本発明は、上記のいずれかの製造方法により製造されたことを特徴とするＳＯＩウェーハを提供する（請求項６）。
このように、上記のいずれかの製造方法により製造されたＳＯＩウェーハであれば、製造の際に熱歪、剥離、ひび割れ等が発生しておらず、また、各種デバイス作製に有用な、薄くて良好な膜厚均一性を有し、結晶性に優れ、キャリア移動度の高い透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を持つＳＯＩウエーハとなる。

本発明に従うＳＯＩウェーハの製造方法であれば、単結晶シリコンウェーハと透明絶縁性基板を接合する前に、接合する表面をプラズマ及び／又はオゾンで処理することにより表面にＯＨ基が増加して活性化するので、このような状態で単結晶シリコンウェーハと透明絶縁性基板とを室温で密着させ接合すると、密着させた面が水素結合により強固に接合する。従って、その後結合力を高める高温熱処理を施さなくても十分に強固な接合となる。また、このように接合面が強固に接合しているので、その後イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、透明絶縁性基板上に薄いＳＯＩ層を形成することができる。従って、剥離のための熱処理を行なわなくても薄膜化ができる。このようにして、透明絶縁性基板と単結晶シリコンとの熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等が発生せずにＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、本発明のＳＯＩウェーハは、製造の際に熱歪、剥離、ひび割れ等が発生しておらず、また、各種デバイス作製に有用な、薄くて良好な膜厚均一性を有し、結晶性に優れ、キャリア移動度の高い透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を持つＳＯＩウエーハとなる。

前述したように、透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成するＳＯＩウエーハの製造方法において、透明絶縁性基板とＳＯＩ層との熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等の発生を解決するために、水素イオン注入剥離法を用いるＳＯＩウェーハの製造方法において、接合熱処理工程と薄膜化工程とを交互に段階的に行い、熱処理時に発生する熱応力の影響を緩和する技術が開示されている。
しかし、ＳＯＩウェーハの生産性向上の為に、より工程数が少なく、短時間で前記問題を解決する技術が望まれていた。

そこで本発明者らは、接合する面に予めプラズマ及び／又はオゾン処理を行なうことで熱処理をしなくても接合強度を高くし、また剥離の際にも機械的剥離を行なうことで熱処理をせずに剥離することに想到し、本発明を完成させた。
以下、本発明の実施の形態について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。

図１は、本発明に係るＳＯＩウェーハの製造方法の一例を示す工程図である。

まず、単結晶シリコンウェーハ及び透明絶縁性基板を用意する（工程Ａ）。
単結晶シリコンウェーハとしては特に限定されず、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が１００〜３００ｍｍ、導電型がＰ型またはＮ型、抵抗率が１０Ω・ｃｍ程度のものを用いることができる。
また、透明絶縁性基板も特に限定されないが、これを石英基板、サファイヤ（アルミナ）基板、ガラス基板、のいずれかとすれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であるから、光学デバイス作製に好適なＳＯＩウェーハを製造できる。

次に、単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ウェーハ中にイオン注入層を形成する（工程Ｂ）。
例えば、単結晶シリコンウェーハの温度を２５０〜４５０℃とし、その表面から所望のＳＯＩ層の厚さに対応する深さ、例えば０．５μｍ以下の深さにイオン注入層を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは２０〜１００ｋｅＶ、注入線量は１×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ^２とできる。この場合、イオン注入層での剥離を容易にするため、イオン注入線量は８×１０^１６／ｃｍ^２より大きくすることが好ましい。また、単結晶シリコンウェーハの表面にあらかじめ薄いシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成しておき、それを通してイオン注入を行なえば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。

次に、この単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び／又は透明絶縁性基板の表面をプラズマ及び／又はオゾンで処理する（工程Ｃ）。
プラズマで処理をする場合、真空チャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をした単結晶シリコンウェーハ及び／又は透明絶縁性基板を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、１００Ｗ程度の高周波プラズマに５〜１０秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、単結晶シリコンウェーハを処理する場合、表面を酸化する場合には酸素ガスのプラズマ、酸化しない場合には水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを用いることができる。透明絶縁性基板を処理する場合はいずれのガスでもよい。

オゾンで処理をする場合は、大気を導入したチャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をした単結晶シリコンウェーハ及び／又は透明絶縁性基板を載置し、窒素ガス、アルゴンガス等のプラズマ用ガスを導入した後、高周波プラズマを発生させ、大気中の酸素をオゾンに変換することで、表面をオゾン処理する。プラズマ処理とオゾン処理とはどちらか一方又は両方行なうことができる。

このプラズマ及び／又はオゾンで処理することにより、単結晶シリコンウェーハ及び／又は透明絶縁性基板の表面の有機物が酸化して除去され、さらに表面のＯＨ基が増加し、活性化する。処理する面としては、接合面とされ、単結晶シリコンウェーハであれば、イオン注入面とされる。処理は単結晶シリコンウェーハ、透明絶縁性基板の両方ともに行なうのがより好ましいが、いずれか一方だけ行なってもよい。

次に、この単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と透明絶縁性基板の表面とを、プラズマ及び／又はオゾンで処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合する（工程Ｄ）。
工程Ｃにおいて、単結晶シリコンウェーハのイオン注入面または透明絶縁性基板の表面の少なくとも一方がプラズマ処理及び／又はオゾン処理されているので、これらを例えば減圧または常圧下、一般的な室温程度の温度下で密着させるだけで後工程での機械的剥離に耐え得る強度で強く接合できる。従って、１２００℃以上といった高温の結合熱処理が必要でなく、加熱により問題になる熱膨張係数の差異による熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがなく好ましい。

なお、この後、接合したウェーハを１００〜３００℃の低温で熱処理して結合力を高める工程を行なってもよい（工程Ｅ）。
例えば透明絶縁性基板が石英の場合、熱膨張係数はシリコンに比べて小さく（Ｓｉ：２．３３×１０^−６、石英：０．６×１０^−６）、同程度の厚さのシリコンウェーハと張り合わせて加熱すると、３００℃を超えるとシリコンウェーハが割れてしまう。しかし、このような比較的低温の熱処理であれば、熱膨張係数の差異による熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがなく好ましい。なお、バッチ処理方式の熱処理炉を用いる場合、熱処理時間は０．５〜２４時間程度であれば十分な効果が得られる。

次に、イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する（工程Ｆ）。
水素イオン注入剥離法においては、接合ウェーハを不活性ガス雰囲気下５００℃程度で熱処理を行ない、結晶の再配列効果と注入した水素の気泡の凝集効果により熱剥離を行なうという方法であるが、本発明においてはイオン注入層に衝撃を与えて機械的剥離を行なうので、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがない。
イオン注入層に衝撃をあたえるためには、例えばガスや液体等の流体のジェットを接合したウェーハの側面から連続的または断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。

こうして、剥離工程により透明絶縁性基板上にＳＯＩ層が形成されたＳＯＩウェーハが得られるが、このように得られたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面に鏡面研磨を施すことが好ましい（工程Ｇ）
この鏡面研磨によって、剥離工程で発生したヘイズと呼ばれる表面粗れを除去したり、イオン注入により生じたＳＯＩ層表面近傍の結晶欠陥を除去できる。この鏡面研磨として、例えばタッチポリッシュと呼ばれる研磨代が５〜４００ｎｍと極めて少ない研磨を用いることができる。

そして、工程Ａ〜Ｇにより製造されたＳＯＩウェーハは、製造の際に熱歪、剥離、ひび割れ等が発生しておらず、また、各種デバイス作製に有用な、薄くて良好な膜厚均一性を有し、結晶性に優れ、キャリア移動度の高い透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を持つＳＯＩウエーハとできる。
また、このようなＳＯＩウェーハは、透明絶縁性基板の上にＳＯＩ層が形成されているものであるから、ＴＦＴ−ＬＣＤ等の光学デバイスの作製用に特に適する。

（実施例）
ＳＯＩ層形成用ウェーハとして、一方の面が鏡面研磨された直径２００ｍｍの単結晶シリコンウェーハを用意し、その表面に熱酸化によりシリコン酸化膜層を１００ｎｍ形成した。貼り合わせを行う鏡面側の酸化膜層の表面粗さ（Ｒａ）は０．２ｎｍであった。測定は原子間力顕微鏡を用い、１０μｍ×１０μｍの測定領域において行った。

一方、透明絶縁性基板には一方の面が鏡面研磨された直径２００ｍｍの合成石英ウェーハを用意した。その貼り合わせを行う鏡面側の表面粗さ（Ｒａ）は０．１９ｎｍであった。測定装置及び方法は単結晶シリコンウェーハの酸化膜層と同一条件とした。

１００ｎｍのシリコン酸化膜層を通して単結晶シリコンウェーハに注入するイオンとしては水素イオンを選択し、注入エネルギーを３５ｋｅＶ、注入線量９×１０^１６／ｃｍ^２の条件で当該イオンを注入した。単結晶シリコン層中の注入深さは０．３ｎｍとなった。

次に、プラズマ処理装置中にイオン注入した単結晶シリコンウェーハを載置し、プラズマ用ガスとして空気を導入した後、２Ｔｏｒｒの減圧条件下で１３．５６ＭＨｚの高周波を直径３００ｍｍの平行平板電極間に高周波パワー５０Ｗの条件で印加することで、高周波プラズマ処理を５〜１０秒行った。

一方、合成石英ウェーハについては、大気を導入したチャンバ中にウェーハを載置し、狭い電極間にプラズマ用ガスとしてアルゴンガスを導入した後、電極間に高周波を印加することでプラズマを発生させ、そのプラズマと基板間に大気を介在させることで、大気中の酸素がオゾン化され、そのオゾンにより貼り合せ面を処理した。処理時間は５〜１０秒間とした。

以上のようにして表面処理を行ったウェーハ同士を室温で密着させた後、両ウェーハの一方の端部を厚さ方向に強く押圧することで接合を開始させた。これを室温で４８時間放置した後接合面を目視で確認すると、接合面は基板全面に広がり接合が確認された。接合強度を確認するため、一方のウェーハを固定し、他方のウェーハのウェーハ面に平行方向に応力を加え横にずらそうとしたがずれることはなかった。

次に、イオン注入層に衝撃をあたえて剥離するため、紙切りバサミの刃を接合ウェーハの側面に対角位置において数回楔を打ち込むことを行った。これにより、イオン注入層において剥離が生じ、ＳＯＩウェーハと残りの単結晶シリコンウェーハが得られた。

ＳＯＩ層表面（剥離面）を目視で確認すると、その表面粗さは貼り合わせ面の表面粗さ（Ｒａ＝０．２ｎｍ）よりも荒かったので、研磨代１００ｎｍの研磨を行い、表面粗さ（Ｒａ）は０．２ｎｍ以下の平滑面が得られた。また、このＳＯＩ層の面内膜厚均一性を測定したところ、膜厚バラツキはウェーハ面内±１０ｎｍ以下であり良好な膜厚均一性を有することが確認できた。さらに、ＳＯＩ層の結晶性については、定法に従いＳＥＣＣＯエッチング液を希釈した液を用いてＳＥＣＣＯ欠陥評価として行った。その結果、欠陥密度は２×１０^３〜６×１０^３／ｃｍ^２と良好な値が得られた。

尚、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思想に包含される。

例えば、工程Ａ〜ＦあるいはＧまでが終了したＳＯＩウェーハのＳＯＩ層はすでに十分に薄膜化されているので、目的に応じ更に結合強度を高めるための高温熱処理（５００℃以上〜シリコンの融点未満）を加えてもよい。

本発明に係るＳＯＩウェーハの製造方法の一例を示す工程図である。

Claims (6)

1. 単結晶シリコンウェーハと透明絶縁性基板とを接合後、前記単結晶シリコンウェーハを薄膜化することにより前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成してＳＯＩウェーハを製造する方法において、少なくとも、
   単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ウェーハ中にイオン注入層を形成する工程、
   該単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び／又は前記透明絶縁性基板の表面を、プラズマ及び／又はオゾンで処理する工程、
   前記単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と前記透明絶縁性基板の表面とを、前記処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合する工程、
   前記イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する工程、
   を行なうことを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
2. 請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法において、前記接合工程を行なった後、該接合ウェーハを１００〜３００℃で熱処理して結合力を高める工程を行ない、その後前記剥離工程を行なうことを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載したＳＯＩウェーハの製造方法において、前記剥離工程により得られたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面に鏡面研磨を施すことを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載したＳＯＩウエーハの製造方法において、前記透明絶縁性基板を、石英基板、サファイヤ（アルミナ）基板、ガラス基板、のいずれかとすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載したＳＯＩウエーハの製造方法において、前記イオン注入層を形成する際のイオン注入線量を、８×１０^１６／ｃｍ^２より大きくすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載した製造方法により製造されたことを特徴とするＳＯＩウェーハ。

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