JP2007194345A - はり合わせ基板の製造方法、及びはり合わせ基板の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 はり合わせ基板の製造方法において、コンタクトウェーブの歪み、変極点を無くして、外周部分の未接着領域（ボイド）をなくする。
【解決手段】 第一の加圧の後、該第一の加圧を行った点からコンタクトウェーブがウェーハ外周まで到達して、はり合わせが完了する前に、該第一の加圧を行った点以外の位置の点を加圧する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、はり合わせSOI基板、その製造方法、及びその製造装置に関する。

近年電気・電子機器の高性能化や携帯化が進むにつれて、従来の半導体デバイス材料であるバルクウェーハよりも高速、かつ低消費電力が期待できる新技術のウェーハ、すなわちSilicon on Insulator=SOIウェーハへの注目が高まっている。

SOIウェーハ製造方法においては、大きくSIMOX法とはり合わせ法に分類されるが、はり合わせ法で得られるSOIウェーハは、絶縁膜として品質の優れたシリコン熱酸化膜を用いているという点で、SIMOX法に比べて優れた特性を示すことがわかってきている。はり合わせ法のSOIウェーハは、2枚のシリコンウェーハの一方、あるいは、両方を熱酸化により表面に所望の厚みの酸化膜を形成した後にはり合わせて、熱処理によりはり合わせ強度を上げた後、片側から研削と研磨などにより薄膜化を行って、所望の厚みのSOI層を残すものであり、SOI層、絶縁膜層の膜厚の自由度が高い。

また特に薄膜のSOIウェーハの製造方法としては、次の2つの方法が良く知られている。

１つは、特開平5-21338等に開示されたようなELTRAN（登録商標）法と呼ばれる方法で、多孔質シリコン上にエピタキシャルシリコン層を形成し、酸化膜を介してもう一方に基板にはり合わせて、結合強度を高める熱処理を行った後に、多孔質シリコン内部の応力に沿って外力によりへき開分離し、さらに残った多孔質シリコンを選択的にエッチングして、平坦化処理を水素または、その他のガスの高温雰囲気で行ってSOI層を得る方法である。研磨は用いないので膜厚均一性の優れた薄膜のSOIウェーハが得られる。

もう１つの方法は、特開平5-211128等に開示されたようなSmart cut（登録商標）法と呼ばれる方法で、少なくとも一方の基板に酸化膜を形成し、表面から水素イオン、または希ガスイオンを注入して内部に微小気泡層を形成した後に、もう一方の基板とはり合わせて、その後の熱処理により微小気泡層をへき開面として一方の基板を薄膜状に剥離し、更なる熱処理を加えて結合強度を高め、その後の研磨などで所望のSOI層を得る方法である。

これらのSOIウェーハの製造方法における共通技術である、シリコンあるいは、シリコン酸化膜のはり合わせ方法、あるいははり合わせ装置について、これまで多くの提案がなされてきた。特開平１０−２５６１０７では、一方の基板の支持の解除に合わせて該一方の基板の裏面の一部に加圧することにより、該一方の基板を他方の基板に密着させるはり合わせ装置が提案されている。また特開平８−６９９５２でははり合わせる基板の自重ではり合わせる方法、特開平６−６９４７６では、はりあわせる基板の一点を加圧する方法、
特開平９−９７７５でははり合わせる基板の周辺部分の一点を加圧することにより、ファンデルワールス力により、はり合わせのコンタクトウェーブが進行して全面がはり合うことが示されている。

また特開平１１−７４１６４で述べられているように、２枚のはり合わせ基板のはり合わせにおいては、はり合わせ基板の特開平５−３２６３５３や、特開平６−１３２７７においても同様にステージの形状により周辺部の未接着空隙部分の発生を低減させることが提案されている。

またこのはり合わせ界面の空隙（ボイド）、未接着領域の低減のために、はり合わせ前の処理として、特開2002-313689等に示されたように、はり合せる2枚の基板の洗浄後の乾燥工程で水置換を用いないではり合せる方法や、特開2003-306101等に示されたように、はり合せる2枚の基板をＳＣ−１洗浄した後にはり合せる方法等が提案されている。またはり合わせの結合強度を向上させる手法としては、特許第3294934号等に示されたように、はり合わせ表面をプラズマ処理等で活性化した後に表面に水を吸着させてはりあわせる方法も提案されている。一方ではり合わせ面に存在する水分が過剰にあると結合工程で基板の外周部分にトラップされて外周部分に微少な空隙（ボイド）、未接着領域を発生させてしまうために、シリコン表面を疎水性にしてはり合わせる方法も特開平9-331049等で提案されている。
特開平5-21338号公報 特開平5-211128号公報 特開平１０−２５６１０７号公報 特開平８−６９９５２号公報 特開平６−６９４７６号公報 特開平９−９７７５号公報 特開平１１−７４１６４号公報 特開平５−３２６３５３号公報 特開平６−１３２７７号公報 特開2002-313689号公報 特開2003-306101号公報 特許第3294934号公報 特開平9-331049号公報

従来例で示されたようなこれらのはり合わせ界面の外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域については、はり合わせ界面の吸着水分量の制御については、はり合わせ前の処理のばらつき、環境の影響などを受けやすく制御することが困難であることがわかってきた。

またステージの形状によるはりあわせ基板の矯正によっても、これらのはり合わせ界面の外周部分の空隙（ボイド）の低減は可能であるが、はりあわせる基板の形状、そりによっても影響を受けるために、そのたびにステージの形状の最適化が必要となり、実際の基板のばらつきに対して合わせこむことは困難である。これらのはり合わせ界面の外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域については、SOIウェーハの周辺除外領域となり、このウェーハを用いたデバイス作製での外周部分でのデバイスチップの取れ数に大きく影響するため、はり合わせのSOIウェーハとしては大きな課題となっている。

これらのはり合わせ界面の外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域の原因は、はり合わせ時のコンタクトウェーブの歪みや、コンタクトウェーブのぶつかる点で変曲点の発生により、はり合わせ界面から抜けきることができずに残ったものと考えられる。

本発明は、はり合わせ時の従来一点で加圧した場合、はり合わせ時のコンタクトウェーブの歪みや、コンタクトウェーブのぶつかる点で生じる変曲点が発生していたが、最初の加圧の後にそれらの発生位置にあたる点をさらに加圧することでこれらの歪みや変曲点が発生しなくしたことにある。はり合わせ基板の持つ形状によって、ステージ形状の最適化で補うことができないような、はり合わせ時のコンタクトウェーブの歪みや、コンタクトウェーブのぶつかる点で変曲点についても、本発明によりなくすことができる。

本発明は、はり合わせ時の従来一点で加圧した場合、はり合わせ時のコンタクトウェーブの歪みや、コンタクトウェーブのぶつかる点で生じる変曲点が発生していたが、最初の加圧の後にそれらの発生位置にあたる点をさらに加圧することでこれらの歪みや変曲点が発生しなくしたことにある。はり合わせ基板の持つ形状によって、ステージ形状の最適化で補うことができないような、はり合わせ時のコンタクトウェーブの歪みや、コンタクトウェーブのぶつかる点で変曲点についても、本発明によりなくすことができ従って、高いはり合わせ強度を確保しながら、外周部分の未接着領域をなくして、周辺除外幅を低減することができた。

これらの効果により、ＳＯＩウェーハ製造工程ではり合わせ強度が弱いことによる空隙（ボイド）、未接着領域、あるいは、過剰な吸着水分による周辺部の空隙（ボイド）、未接着領域は独立に低減することができるためにウェーハ歩留まりは向上し、製造コストが低減された。またＳＯＩウェーハを用いるデバイス製造工程においても、これらの空隙（ボイド）、未接着領域がなくなることで、未接着領域が工程中で剥離し悪影響を与えることがなくなり、また周辺除外領域が小さくなりデバイスチップの取れ数が増加し製造コストが低減された。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

（実施対応例１）
本発明の実施対応例として、第１の材料基板と第２の材料基板とを対向させて、一方の基板の裏面を加圧して、該一方の基板を他方の基板に密着させる場合、第一の加圧の後、該第一の加圧を行った点からコンタクトウェーブがウェーハ外周まで到達して、はり合わせが完了する前に、該第一の加圧を行った点以外の位置の点を第二の加圧点として加圧を行うものである。

図−１、図-2の従来例のように、第一の加圧を行った後に第一の加圧点から対向するウェーハ外周部に向かってコンタクトウェーブが広がっていくが、はり合わせ基板の約半分程度でコンタクトウェーブの変曲点が生じることがわかっている。よって図-3、図―4のように加圧する第二の加圧の点（２）は、少なくともはり合わせ基板の半径より大きい距離だけ、第一の加圧を行った点から離れた点をコンタクトウェーブが進む方向に対して対称な位置を２点加圧する。さらに図−3、図-4にあるように第（３）〜第（６）の加圧点を一定時間の経過後順次加圧することによりコンタクトウェーブに歪み、変曲点は生じることはない。

コンタクトウェーブの歪み、変曲点は、図-2のように第一の加圧点から対向する外周に向かって進行するコンタクトウェーブと外周部に反って進行するコンタクトウェーブのぶつかる点で発生することがわかっている。よって加圧する複数の点は、少なくともはり合わせ基板の半径の１／２の距離より大きい距離だけ、はり合わせ基板の中心点から離れた外周部分の位置の複数の点を加圧する。

これにより、はりあわせ法のELTRAN法、Smart Cut法、等の公知のＳＯＩウェーハの製造技術について、本発明のはり合わせ方法を適用することにより、SOIウェーハの外周部分の未接着領域を発生させることなく、比較的低温でも高い結合強度を得ることができる。

（実施対応例２）
本発明の実施対応例として、第１の材料基板と第２の材料基板とを対向させて、一方の基板の裏面を加圧して、該一方の基板を他方の基板に密着させる場合、第一の加圧の後、該第一の加圧を行った点からコンタクトウェーブがウェーハ外周まで到達して、はり合わせが完了する前に、該第一の加圧を行った点以外の位置の点を第二の加圧点として加圧を行うものである。

図−１、図-2の従来例のように、第一の加圧を行った後に第一の加圧点から対向するウェーハ外周部に向かってコンタクトウェーブが広がっていくが、はり合わせ基板の2/3程度でコンタクトウェーブの変曲点が発生する場合もある。その場合図-５のようにその位置からコンタクトウェーブの変曲点を打ち消すような加圧を行うことができる。図−５の場合は加圧点が４箇所の場合を示した。

これらの加圧点数は、はり合わせ表面の水分量、またコンタクトウェーブの速度に応じて最適なものを選択することができる。

（実施対応例３）
本発明の実施対応例として、図-6（a）のような外周に沿ってレールが設置されて、レール上をローラーが動いて連続的にはり合わせた基板を加圧することができるはり合わせ機のはり合わせステージはり合わせた。この場合も前の実施例と同様に未接着領域は全く現われなかった。さらに図-6（b）のような外周に沿ってレールと中心部にもレールが設置されて、レール上をローラーが動いて連続的にはり合わせた基板を加圧することができるはり合わせ機のはり合わせステージはり合わせた。この場合も前の実施例と同様に未接着領域は全く現われなかった。

この場合の、連続的な加圧のレールとローラーの本数は、はり合わせ表面の水分量、またコンタクトウェーブの速度に応じて最適なものを選択することができる。

図-8を用いて本発明をＥＬＴＲＡＮ法のＳＯＩウェーハに適用した実施例を説明する。

まずＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を形成するためのＳｅｅｄウェーハに、まず、多孔質シリコンを形成し、多孔質シリコン上にＳＯＩ層として転写されるＥｐｉ層をＣＶＤ装置などによりエピタキシャル成長させ、引き続きＢＯＸ層となるシリコン酸化膜を形成する。その後ＳＯＩウェーハの支持基板になるＨａｎｄｌｅウェーハとはり合わせる。はり合わせの処理の前にシリコン酸化膜を形成した基板と支持基板側のシリコン基板を枚葉洗浄機によりオゾン洗浄とDHF洗浄の繰り返しにより洗浄する。この洗浄の最終洗浄シーケンスは、DHF洗浄後に純水でリンス工程となっており、洗浄後の特にSi表面は疎水性表面になっている。その後両方のウェーハ表面に対してを窒素プラズマ処理を行って表面の活性化処理を行う。窒素プラズマ処理は並行平板型RFプラズマ処理装置により、窒素ガス50sccmを導入し、放電電力200Wにより30秒間行った。そしてプラズマ処理後に表面を純水でリンスする。この場合表面はプラズマ処理により親水性になっており、Si表面は充分なOH終端がされているが、過剰な水分も吸着されている。

これらの基板を図３に示した１０箇所加圧のステージにおいてはり合わせた後に超音波顕微鏡により、ウェーハの外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域を調べたものが図３である。参考のために従来の１点のみの加圧のステージではり合わせた基板の外周部分に空隙（ボイド）、未接着領域が多く見られるのに対して本発明の１０箇所加圧のステージではり合わせたものは、未接着領域はまったく見られない。

このようにしてはり合わせた後に、1000℃程度の熱処理を行って、はり合わせ強度をさらに強固にして、多孔質シリコンで分離し、残った多孔質シリコンをエッチングして水素アニールすることで、外周部に未接着領域のないはり合わせ強度が充分に強いＳＯＩウェーハが完成する。

ＥＬＴＲＡＮ法のＳＯＩウェーハに本発明を適用した別の実施例を説明する。実施例１は、多孔質シリコン上のEpi層の表面を酸化してBOX層を形成しており、Ｈａｎｄｌｅウェーハの酸化はされていなかったので、Si表面とSiO2表面のはり合わせの場合についての実施例であったが、本実施例では、ＢＯＸ層となるシリコン酸化膜の一部がＨａｎｄｌｅウェーハ上に形成されて、SiO2表面同士ではりあわせる場合について、本発明を適用するものである
実施例１と同様にまずＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を形成するためのＳｅｅｄウェーハに、まず、多孔質シリコンを形成し、多孔質シリコン上にＳＯＩ層として転写されるＥｐｉ層をＣＶＤ装置などによりエピタキシャル成長させ、引き続きＢＯＸ層となるシリコン酸化膜を形成する。その後ＳＯＩウェーハの支持基板になるＨａｎｄｌｅウェーハ表面を酸化した後にＳｅｅｄウェーハとはり合わせる。

はり合わせの処理の前にシリコン酸化膜を形成した両基板を枚葉洗浄機によりオゾン洗浄とDHF洗浄の繰り返しにより洗浄する。この洗浄の最終洗浄シーケンスは、実施例１と同様のDHF洗浄後に純水でリンス工程となっているが、SiO2表面であるため、比較的水分量の少ない親水性表面になっている。この場合SiO2表面同士のはり合わせであるため、Si表面とSiO2表面のはり合わせに比べてはり合わせ強度が弱くなるので、実施例１よりもさらにOH結合を増加させるために、両方のウェーハ表面に対して、H2Oプラズマ処理を行って表面の活性化処理を行う。H2Oプラズマ処理は並行平板型RFプラズマ処理装置により、H2Oガス100sccmを導入し、放電電力300Wにより30秒間行った。そしてプラズマ処理後に表面を純水でリンスする。この場合表面はプラズマ処理により親水性になっており、Si表面は充分なOH終端がされているが、過剰な水分も吸着されている。この時のAPIMS-TDS測定から求めたOH結合密度は、図示されていないが5.20E+14 atoms/cm2 であり、実施例１の図２で示された1.32E+14 atoms/cm2に比べて3倍以上大きな値となっていた。

この後、親水性洗浄後のSi表面をはり合わせ機の本発明の図-5のようなはり合わせステージで４箇所加圧してはり合わせた。本実施例においても、実施例１と同様にウェーハ外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域は全く現われなかった。

ＥＬＴＲＡＮ法のＳＯＩウェーハに本発明を適用した別の実施例を説明する。

実施例１と同様にまずＳＯＩウェーハのＳＯＩ層を形成するためのＳｅｅｄウェーハに、まず、多孔質シリコンを形成し、多孔質シリコン上にＳＯＩ層として転写されるＥｐｉ層をＣＶＤ装置などによりエピタキシャル成長させ、引き続きＢＯＸ層となるシリコン酸化膜を形成する。その後ＳＯＩウェーハの支持基板になるＨａｎｄｌｅウェーハとＳｅｅｄウェーハとはり合わせる。

はり合わせの処理の前にシリコン酸化膜を形成した基板と支持基板側のシリコン基板をSC-1洗浄により洗浄する。この洗浄の最終洗浄工程は、アンモニア／過酸化水素水の薬液を用いて純水でリンスした。この場合表面は親水性になっており、Si表面は充分なOH終端がされているが、過剰な水分も吸着されている。

はり合わせ表面の過剰な吸着水分を原因とする外周部分の空隙（ボイド）、未接着領域は、はり合わせの終端部分で表面の過剰な水分を外部に放出することができなかったために起こると考えられる。従って表面の水分量が多いほど、はり合わせの終端部分から両Si基板の外部にすべて放出するために、充分遅いはり合わせ速度に制御してはり合わせることが重要である。

図-6（a）のような外周に沿ってレールが設置されて、レール上をローラーが動いて連続的にはり合わせた基板を加圧することができるはり合わせ機のはり合わせステージではり合わせた。この場合も前の実施例と同様に未接着領域は全く現われなかった。

本発明の別の実施例として、別の製造方法で作製したはり合わせＳＯＩウェーハを作成した例を示す。

ＳＯＩウェーハ製造方法は、Smart Cut法を用いて作製した。Smart Cut法は、図-9に示したとおり、まずボンドウェーハと呼ばれるウェーハを酸化処理した後、水素イオンでイオン打ち込みを行って、ベースウェーハのシリコン支持基板とはりあわせる。

この場合も実施例1などと同様に、はり合わせの処理の前にシリコン酸化膜を形成した両基板を枚葉洗浄機によりオゾン洗浄とDHF洗浄の繰り返しにより洗浄する。この洗浄の最終洗浄シーケンスは、実施例１と同様のDHF洗浄後に純水でリンス工程となっており、Si表面は疎水性表面になっている。この後OH結合を増加させるために、両方のウェーハ表面に対して、H2Oプラズマ処理を行って表面の活性化処理を行う。H2Oプラズマ処理は並行平板型RFプラズマ処理装置により、H2Oガス100sccmを導入し、放電電力100Wにより30秒間行った。そしてプラズマ処理後に表面を純水でリンスする。この場合表面はプラズマ処理により親水性になっており、Si表面は充分なOH終端がされているが、過剰な水分も吸着されている。

この後、親水性洗浄後のSi表面を図-6（b）のような外周に沿ってレールと中心部にもレールが設置されて、レール上をローラーが動いて連続的にはり合わせた基板を加圧することができるはり合わせ機のはり合わせステージではり合わせた。この場合も前の実施例と同様に未接着領域は全く現われなかった。

その後水素イオンが打ち込まれた部分でウェーハ分離を行って、イオンダメージ層を研磨処理または、犠牲酸化による剥離とアニール処理により取り除き所望のＳＯＩ厚のＳＯＩウェーハが得られた。

なお、図７は、加圧１０箇所のはり合わせ後の超音波顕微鏡観察結果を示す図である。

従来のはり合わせ装置の基板ステージ：加圧１点のみの場合。 従来のはり合わせ装置によるはり合わせのコンタクトウェーブ。 本発明のはり合わせ装置の基板ステージ（a）加圧位置１０箇所の場合。 本発明のはり合わせ装置（a）加圧位置１０箇所によるコンタクトウェーブの広がりの場合。 本発明のはり合わせ装置の基板ステージ（ｂ）加圧位置4箇所の場合。 本発明のはり合わせ装置の基板ステージローラー加圧を示す図。 加圧１０箇所のはり合わせ後の超音波顕微鏡観察結果を示す図。 ELTRAN製造方法を示す図。 Smart Cut法製造方法を示す図。

Claims (7)

1. 第１の材料基板と第２の材料基板とを対向させて、一方の基板の裏面を加圧することにより、該一方の基板を他方の基板に密着させるはり合わせ基板の製造方法において、第一の加圧の後、該第一の加圧を行った点からコンタクトウェーブがウェーハ外周まで到達して、はり合わせが完了する前に、該第一の加圧を行った点以外の位置の点を加圧することを特徴とするはり合わせ基板の製造方法。
2. 請求項１に記載のはり合わせ基板の製造方法において、第一の加圧を行った後に加圧する第二の加圧の点は、少なくともはり合わせ基板の半径より大きい距離だけ、第一の加圧を行った点から離れた点を加圧することを特徴を特徴とするはり合わせ基板の製造方法。
3. 請求項２に記載のはり合わせ基板の製造方法において、第一の加圧を行った後に加圧する第二の加圧の点と、その後一定の時間を経過した後に、さらに加圧する複数の点は、少なくともはり合わせ基板の半径の１／２の距離より大きい距離だけ、はり合わせ基板の中心点から離れた位置の複数の点を加圧することを特徴とするはり合わせ基板の製造方法。
4. 請求項１に記載のはり合わせ基板の製造方法において、最初に加圧した後に、コンタクトウェーブの進行に合わせて連続的に加圧することを特徴とするはり合わせ基板の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の、はり合わせ基板の製造方法を用いるはり合わせ基板の製造装置において、第一の加圧を行う点と、第二の加圧の点、さらにその後に加圧する複数の点を一定の時間間隔で加圧するための機構、あるいはそれらの点を連続的に加圧する機構を持つことを特徴とするはり合わせ基板の製造装置。
6. 請求項１に記載のはり合わせ基板の製造方法において、第一の加圧を行った点から外周に向かうコンタクトウェーブは、はり合わせた2枚の材料基板の光学的な透過率、あるいは反射率の変化、または、2枚の材料基板の厚みの変化で、検出することができ、はり合わせの間に第一の加圧を行った点から外周に向かうコンタクトウェーブ、または外周のコンタクトウェーブを検出しながら加圧することを特徴とするはり合わせ基板の製造方法。
7. 請求項１から請求項４のいずれか、又は請求項６に記載のはり合わせ基板の製造方法において、第１の材料基板と第２の材料基板は、 Si表面またはSiO2表面を有するのSi基板であり、両者をはり合わせることにより、はり合わせSOI基板が得られることを特徴とするはり合わせ基板の製造方法。

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