JP2008004900A

JP2008004900A - 貼り合わせウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2008004900A
Application number: JP2006175751A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Morimoto; 信之森本; Hideki Nishihata; 秀樹西畑
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-10
Also published as: US7507641B2; TW200818255A; TWI335614B; US20080124897A1; SG138581A1; EP1873823A1; CN101097845A

Abstract

【課題】本発明の目的は、所定の強度を有する活性層用ウェーハを用いることで、絶縁膜の膜厚が50nm以下（絶縁膜がない場合も含む）の場合においても、薄膜化前の活性層の厚さを厚くすることなく（特に750nm以下）、ブリスターやボイドの発生を有効に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することにある。
【解決手段】前記活性層の薄膜化前の厚さが750nm以下であり、かつ、貼り合わせる前の活性層用ウェーハの、所定の強度試験におけるスリップ転位の伸びが、所定の厚さで100μm以下であることを特徴とする貼り合わせウェーハを製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素またはヘリウム等の軽元素を所定の深さ位置にイオン注入した活性層用ウェーハを、支持基板用ウェーハと貼り合わせ、その後の熱処理によりイオン注入した部分を剥離させる工程を有する、貼り合わせウェーハの製造方法に関するものである。

貼り合わせウェーハの製造方法としては、例えば、活性層用ウェーハに、水素またはヘリウム等の軽元素イオンを所定の深さ位置に注入してイオン注入層を形成する工程と、前記活性層用ウェーハを直接または50μm以下の絶縁膜を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせる工程と、前記イオン注入層で剥離する工程と、剥離により露出する活性層部分を薄膜化して、所定膜厚の活性層を形成する工程とを有する、いわゆるスマートカット法がある。このスマートカット法は、従来の貼り合わせ技術とは異なり、貼り合わせた後の剥離により、その剥離した残部がウェーハとして再利用できる。この再利用により、貼り合わせウェーハでありながら、そのうちの１枚のウェーハを複数回使用することが可能となり、材料コスト削減の道を開いた。また、スマートカット法により製造したウェーハは、膜厚均一性に優れているという利点もあり、将来性のある製造方法として注目されている。

しかしながら、図１に示すように、スマートカット法により製造した貼り合わせウェーハは、埋め込み酸化膜（絶縁膜）３が薄くなるほど、貼り合わせ界面にボイドやブリスターが発生しやすく、歩留まりを悪化させるという問題があった。これは、絶縁膜がある程度厚いと剥離熱処理で生じたガスを埋め込み酸化膜中に取り込むことができるが、埋め込み酸化膜が薄い場合は取り込めるガスの容量が減るため剥離熱処理中に発生したガスの全てを取り込めず、その残ったガス１５に起因してブリスターやボイドが発生するものと考えられる。

ボイドやブリスターの発生を抑制するための手段としては、絶縁膜の厚さに応じて活性層の厚さを変化させること、具体的には、絶縁膜の厚さを薄くした分、活性層をなくすことによって、活性層強度を高める方法を用いるのが有用である。例えば、特許文献１に記載されているように、実験的に酸化膜の厚さに対して、ボイドやブリスターの発生を抑制できる強度を有した、薄膜化前の活性層の厚さを算出することで、軽元素イオン注入の際に適当な活性層の厚さになるように条件を設定することができるという方法である。

しかしながら、特許文献１の方法では、絶縁膜の膜厚が50nm以下と薄くなると、活性層の厚さを750nm超えと厚くしなければならず、これは、イオン注入時の注入深さも750nm超えであることを意味し、この注入深さにイオン注入するには高電圧を印加できる高価な装置を用いることが必要となり、加えてその後、活性層を薄膜化するための研磨量も多くなり、その結果として活性層の厚さの均一性が十分に得られなくなる恐れがある。

そのため、酸化膜の膜厚（特に50nm以下）が薄い貼り合わせウェーハまたは酸化膜を有しない貼り合わせウェーハを製造する場合においても、薄膜化前の活性層の厚さを厚くすることなく、ボイドやブリスターの発生を抑制できる方法の開発が望まれている。
特開２００４−２５９９７０号公報

本発明の目的は、所定の強度を有する活性層用ウェーハを用いることで、絶縁膜の膜厚が50nm以下（絶縁膜がない場合も含む）の場合においても、薄膜化前の活性層の厚さを厚くすることなく（特に750nm以下）、ブリスターやボイドの発生を有効に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）活性層用ウェーハに、水素またはヘリウム等の軽元素イオンを所定の深さ位置に注入してイオン注入層を形成する工程と、前記活性層用ウェーハを直接または50nm以下の絶縁膜を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせる工程と、前記イオン注入層で剥離する工程と、剥離により露出する活性層を薄膜化して、所定膜厚の活性層を形成する工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記活性層の薄膜化前の厚さが750nm以下であり、かつ、貼り合わせる前の活性層用ウェーハの所定の強度試験におけるスリップ転位の伸びが、所定の厚さで100μm以下であることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

（２）前記活性層用ウェーハは、B：9.0×10¹⁸atoms／cm³以上、O：1.3×10¹⁸ atoms／cm³以上、及びC：1.0×10¹⁶ atoms／cm³以上の中から選択される、１または２以上の成分を含有する上記（１）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（３）前記貼り合わせ工程に先立ち、これらウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方に、窒素、酸素、ヘリウムまたはこれらの混合ガスによるプラズマ処理を施す上記（１）または（２）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

この発明によれば、所定の強度を有する活性層用ウェーハを用いることで、絶縁膜の膜厚が50nm以下（絶縁膜がない場合も含む）の場合においても、薄膜化前の活性層の厚さを厚くすることなく（特に750nm以下）、ブリスターやボイドの発生を有効に抑制することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することが可能になった。

発明に従う貼り合わせウェーハの製造方法について図面を参照しながら説明する。
図２は、この発明の製造方法によって貼り合わせウェーハを製造する工程を説明するためのフローチャートである。

この発明の製造方法は、活性層用ウェーハ１の少なくとも片面を熱酸化して、該表面に絶縁膜３（シリコン酸化膜）を形成した（図２(ａ)）後、この活性層用ウェーハ１に、水素またはヘリウム等の軽元素イオンを所定の深さ位置（具体的には750nm以下）に注入し（図２(ｂ)）、その後支持基板用ウェーハ２と貼り合わせ、熱処理によりイオン注入した部分を剥離させる工程を有する、いわゆるスマートカット法による製造方法である。スマートカット法で製造した貼り合わせウェーハは、絶縁膜３が薄い（具体的には50nm以下）場合には、その製造工程中にボイドやブリスターが発生しやすく、歩留まりを悪化させる問題があった。そこで、本発明者らは、薄膜化前の活性層の膜厚を厚くすることなく、ボイドやブリスターを発生させずに貼り合わせウェーハを製造する方法について鋭意研究を重ねた結果、活性層用ウェーハ自体の強度を高めることができれば、たとえ薄膜化前の活性層の厚さが薄くても膨れを防ぐことができ、それにより、ボイドやブリスターの発生を抑制できることに着目して、活性層７が薄い場合でもボイドやブリスターの発生を低減することのできる方法を見出した。

より具体的な製造方法は、図２に示すように、表面に熱酸化させた膜厚50nm以下の絶縁膜３を有する活性層用ウェーハ（図２(ａ)）にH^＋のような軽元素イオンを注入し、表面から所定の深さ（具体的には750nm以下）にイオン注入層４を形成させる工程を有する（図２(b)）。次に、活性層用ウェーハ１と支持基板用ウェーハ２を貼り合わせる工程を経て（図２(d)）、窒素雰囲気中で所定温度、好適には400〜600℃の範囲内で熱処理を行い、イオン注入層４にて活性層用ウェーハの残部５を剥離させる工程を有する（図２(e)）。剥離により露出した活性層７（図２(ｆ)）は、その後、研磨機９を用いて薄膜化する工程を有する（図２(ｇ)）。

なお、薄膜化前の活性層７の厚さは750nm以下である必要がある。前記厚さが750nm以下の場合に、本発明の効果が顕著に現れるためである。

また、貼り合わせ工程前の活性層用ウェーハ１は、所定の厚さ（一般的には700-800um程度）で、所定の強度試験におけるスリップ転位の伸びが100μm以下である必要がある。また、所定の強度試験とは、スリップ転位の伸びにより活性層用ウェーハの強度を定量的に知ることができる強度試験であればよく、例えば、Masanori Akatsuka，「Pinning Effect on Punched-out Dislocations in Silicon Wafers Investigated Using Indentation Method」，Japanese Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.) Vol.36, Part2, No.11A, November 1997 pp1422-1425に記載されているように、ウェーハ表面上にマイクロビッカース硬度計を用いて、加重を100ｇ、加重付加時間を10秒の条件で圧痕を付け、900℃に保持された熱処理炉に200cm／minの速度で投入し、30分熱処理した後、200cm／minの速度で取り出し、圧痕から発生したパンチアウト転位の移動距離を測定する方法が挙げられる。

さらにまた、本発明における製造方法は、絶縁膜３を介さず前記活性層用ウェーハ１を直接支持基板用ウェーハ２と貼り合わせる場合に適用してもよい。

また、前記活性層用ウェーハ１は、ウェーハの強度を大きくするため、ボロン（B）：1.0×10¹⁹atoms／cm³以上、酸素（O）：1.4×10¹⁸ atoms／cm³以上、及び炭素（C）：2.0×10¹⁶ atoms／cm³以上の中から選択される、１または２以上の成分を含有することが好ましい。上記の含有量より少ない場合は、十分なウェーハの強度が得られない（スリップ転移の伸びが100μｍ以上となる）ためである。なお、上記元素の含有量の上限は、特に制限はなく、固溶限まで含有することができる。また、これら元素の添加の方法としては、例えば、チョクラルスキー法等による引き上げ前に、単結晶材料の入った坩堝の中へ上記元素を添加する方法が挙げられる。なお、B，O，Cの前記含有量の測定は特に限定されるものではないが、例えば、SIMS（Secondary Ion Mass Spectrometry）やFTIR（Fourier transform infrared spectroscopy）等の測定機によって行われる。

さらにまた、前記貼り合わせ工程に先立ち、活性層用ウェーハ１及び支持基板用ウェーハ２の少なくとも一方に、窒素、酸素、ヘリウム、またはこれらの混合ガスによるプラズマ処理を施すことが好ましい。プラズマ処理を施すことにより、貼り合わせ表面の活性化、及び貼り合わせ表面に付着している有機物の除去により貼り合わせ界面の接着力をより一層強化することができるためである。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（試験例１）
・実施例１
実施例１は、ボロン濃度が1.0×10¹⁹atoms／cm³になるようにボロンを添加したシリコン単結晶から切り出した、サイズが300mmの活性層用シリコンウェーハについて、前述の強度試験によりウェーハのスリップ転位の長さを測定した。測定後、活性層用ウェーハに絶縁膜として酸化膜を形成し、膜厚が150nm、100nm、50nm、20nm、及び0nm（酸化膜を形成していない）のものをそれぞれ準備した。次いで、水素ガスのイオン注入（加速電圧：50keV、ドーズ量：1×10¹⁷／cm²）を行った後、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを貼り合わせた。貼り合わせウェーハに窒素雰囲気で500℃、30分間の熱処理を施して、水素イオンを注入した部分を剥離させた。なお、剥離後の活性層の厚さは、それぞれ酸化膜の膜厚によって異なり、酸化膜の膜厚が150nmの場合で350nm、酸化膜の膜厚が100nmの場合で400nm、酸化膜の膜厚が50nmの場合で450nm、酸化膜の膜厚が20nmの場合で480nm、酸化膜を形成しない場合で500nmとした。

・実施例２
実施例２は、ボロン濃度が9.0×10¹⁸ atoms／cm³になるようにボロンを添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例３
実施例３は、酸素濃度が1.4×10¹⁸ atoms／cm³になるように坩堝の回転速度を調整し引き上げを行い、シリコン単結晶を得たこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例４
実施例４は、酸素濃度が1.3×10¹⁸ atoms／cm³になるように坩堝の回転速度を調整し引き上げを行い、シリコン単結晶を得たこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例５
実施例５は、炭素濃度が2.0×10¹⁶ atoms／cm³になるように炭素を添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例６
実施例６は、炭素濃度が1.0×10¹⁶ atoms／cm³になるように炭素を添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・比較例１
比較例１は、ボロン濃度が8.0×10¹⁸ atoms／cm³になるようにボロンを添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・比較例２
比較例２は、酸素濃度が1.2×10¹⁸ atoms／cm³になるように坩堝の回転速度を調整し引き上げを行い、シリコン単結晶を得たこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・比較例３
比較例３は、炭素濃度が9.0×10¹⁵ atoms／cm³になるように炭素を添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・比較例４
比較例４は、活性層用シリコンウェーハに、ボロン濃度が1.0×10¹⁶ atoms／cm³、酸素濃度が1.1×10¹⁸ atoms／cm³、炭素濃度が5.0×10¹⁵ atoms／cm³となるように、それぞれの元素を添加したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

［評価方法１］
上記実施例１〜６及び比較例１〜４で作製した各ウェーハについて、それぞれ集光灯を用いた目視検査により、ボイドまたはブリスターの存在の有無について確認を行った。ボイド及びブリスターのボイド及びブリスターの存在の有無についての結果を表１に示す。なお、ボイド及びブリスターがいずれも存在しない場合は○、どちらか一方でも存在する場合は×で示す。

表１の結果から、実施例1〜６は、スリップ転位の伸びが90〜100μmで、かつ、絶縁膜の膜厚が20〜50nmと薄い場合であっても、ボイドやブリスターの発生がないことがわかる。また、実施例１、３及び５は、絶縁膜がない場合でも、ボイドやブリスターの発生がなかった。一方、比較例１〜４は、スリップ転位の伸びが115〜150μｍで、絶縁膜の膜厚が50nm以下の場合、ボイドやブリスターが発生していることがわかる。

（試験例２）
・実施例ａ
実施例ａは、ボロン濃度が9.0×10¹⁸ atoms／cm³になるようにボロンを添加したこと、また、貼り合わせ前に活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハの両貼り合わせ面に対し、窒素ガス雰囲気にてプラズマ処理を施したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例ｂ
実施例ｂは、酸素濃度が1.3×10¹⁸ atoms／cm³になるように坩堝の回転速度を調整し引き上げを行いシリコン単結晶を得たこと、また、貼り合わせ前に活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハの両貼り合わせ面に対し、窒素ガス雰囲気にてプラズマ処理を施したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

・実施例ｃ
実施例ｃは、炭素濃度が2.0×10¹⁶ atoms／cm³になるように炭素を添加したこと、また、貼り合わせ前に活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハの両貼り合わせ面に対し、窒素ガス雰囲気にてプラズマ処理を施したこと以外は、実施例１と同様の工程で貼り合わせウェーハを製造した。

［評価方法２］
上記実施例ａ〜ｆ及び比較例ａ〜ｄで作製した各ウェーハについて、それぞれ集光灯を用いて目視検査することにより、ボイドまたはブリスターの存在の有無について確認を行った。ボイド及びブリスターのボイド及びブリスターの存在の有無についての結果を表１に示す。なお、ボイド及びブリスターがいずれも存在しない場合は○、どちらか一方でも存在する場合は×で示す。

表２の結果から、実施例ａ、ｂ及びｃは、スリップ転位の伸びが100μm以下で、かつ、絶縁膜の膜厚が0の場合であっても、ボイドやブリスターの発生がないことがわかる。その結果、同じウェーハを用いた試験例１の実施例２、４及び６に比べ、ボイドやブリスターの発生をさらに抑制できていることがわかる。

従来の貼り合わせウェーハの問題点を説明するための図であって、活性層に膨れ（ブリスター）を生じた状態を示す。この発明の製造方法によって貼り合わせウェーハを製造する工程を説明するためのフローチャートであって、（ａ）は熱酸化処理した活性層用ウェーハ、（ｂ）はH^＋イオンを用いてイオン注入した活性層用ウェーハ、（ｃ）は支持基板用ウェーハ、（ｄ）は両ウェーハを貼り合わせた状態、（ｅ）は熱処理により活性層用ウェーハの残部を剥離した直後の状態、（ｆ）は活性層用ウェーハの残部を剥離後の貼り合わせウェーハの状態、及び（ｇ）は貼り合わせウェーハ活性層の研磨状態を示す。

符号の説明

１イオン注入した活性層用ウェーハ
２支持基板用ウェーハ
３絶縁膜
４イオン注入層
５活性層用ウェーハの残部
７活性層
９研磨機
１１活性層
１５ガス

Claims

活性層用ウェーハに、水素またはヘリウム等の軽元素イオンを所定の深さ位置に注入してイオン注入層を形成する工程と、前記活性層用ウェーハを直接または50nm以下の絶縁膜を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせる工程と、前記イオン注入層で剥離する工程と、剥離により露出する活性層を薄膜化して、所定膜厚の活性層を形成する工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記活性層の薄膜化前の厚さが750nm以下であり、かつ、貼り合わせる前の活性層用ウェーハの所定の強度試験におけるスリップ転位の伸びが、所定の厚さで100μm以下であることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
前記活性層用ウェーハは、B：9.0×10¹⁸atoms／cm³以上、O：1.3×10¹⁸ atoms／cm³以上、及びC：1.0×10¹⁶ atoms／cm³以上の中から選択される、１または２以上の成分を含有する請求項１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
前記貼り合わせ工程に先立ち、これらウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方に、窒素、酸素、ヘリウムまたはこれらの混合ガスによるプラズマ処理を施す請求項１または２記載の貼り合わせウェーハの製造方法。