JP2008244019A - Ｓｏｉウエーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ベースウエーハ中に含まれていたｐ型ドーパントがＳＯＩ層中に混入することを防止し、かつ、反りの小さいＳＯＩウエーハを得るためのＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。
【解決手段】 ｐ＋シリコン単結晶ウエーハからなるベースウエーハと、前記ベースウエーハよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハからなるボンドウエーハとを準備する工程と、前記ベースウエーハの表面にシリコン膜を熱酸化により形成する工程と、前記ボンドウエーハと前記ベースウエーハとを、前記シリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程とを含むＳＯＩウエーハの製造方法において、前記貼り合わせ工程より前に、拡散防止膜を前記ボンドウエーハの表面に形成する工程を有し、前記拡散防止膜の膜厚を、前記シリコン酸化膜の膜厚よりも薄くするＳＯＩウエーハの製造方法。
【選択図】 図１
【解決手段】 ｐ＋シリコン単結晶ウエーハからなるベースウエーハと、前記ベースウエーハよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハからなるボンドウエーハとを準備する工程と、前記ベースウエーハの表面にシリコン膜を熱酸化により形成する工程と、前記ボンドウエーハと前記ベースウエーハとを、前記シリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程とを含むＳＯＩウエーハの製造方法において、前記貼り合わせ工程より前に、拡散防止膜を前記ボンドウエーハの表面に形成する工程を有し、前記拡散防止膜の膜厚を、前記シリコン酸化膜の膜厚よりも薄くするＳＯＩウエーハの製造方法。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ＳＯＩウエーハの製造方法に関し、特に、シリコン単結晶ウエーハからなるボンドウエーハとベースウエーハを酸化膜を介して貼り合わせ、その後、ボンドウエーハを薄膜化することによりＳＯＩウエーハを製造する方法に関する。
半導体素子用のウエーハの一つとして、絶縁膜であるシリコン酸化膜の上にシリコン層（以下、ＳＯＩ層と呼ぶことがある）を形成したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハがある。このＳＯＩウエーハは、デバイス作製領域となる基板表層部のＳＯＩ層が埋め込み絶縁層（埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層））により基板内部と電気的に分離されているため、寄生容量が小さく、耐放射性能力が高いなどの特徴を有する。そのため、高速・低消費電力動作、ソフトエラー防止などの効果が期待され、高性能半導体素子用の基板として有望視されている。
このＳＯＩウエーハを製造する代表的な方法として、ウエーハ貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法が挙げられる。ウエーハ貼り合わせ法は、例えば２枚のシリコン単結晶ウエーハのうちの一方の表面に熱酸化膜を形成した後、この形成した熱酸化膜を介して２枚のウエーハを密着させ、結合熱処理を施すことによって結合力を高め、その後に片方のウエーハ（ＳＯＩ層を形成するウエーハ（以下、ボンドウエーハ））を鏡面研磨等により薄膜化することによってＳＯＩウエーハを製造する方法である。また、この薄膜化の方法としては、ボンドウエーハを所望の厚さまで研削、研磨する方法や、ボンドウエーハの内部に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも１種類を注入してイオン注入層を形成しておき、イオン注入層においてボンドウエーハを剥離するイオン注入剥離法と呼ばれる方法等がある。
一方、ＳＩＭＯＸ法は、単結晶シリコン基板の内部に酸素をイオン注入し、その後に高温熱処理（酸化膜形成熱処理）を行って注入した酸素とシリコンとを反応させてＢＯＸ層を形成することによってＳＯＩウエーハを製造する方法である。
一方、ＳＩＭＯＸ法は、単結晶シリコン基板の内部に酸素をイオン注入し、その後に高温熱処理（酸化膜形成熱処理）を行って注入した酸素とシリコンとを反応させてＢＯＸ層を形成することによってＳＯＩウエーハを製造する方法である。
上記の代表的な２つの手法のうち、ウエーハ貼り合わせ法は、作製されるＳＯＩ層やＢＯＸ層の厚さが自由に設定できるという優位性があるため、様々なデバイス用途に適用することが可能である。
ウエーハ貼り合わせ法によりＳＯＩウエーハを作製する際、ＢＯＸ層となるシリコン酸化膜層とシリコン単結晶の熱膨張率の相違に起因して、完成したＳＯＩウエーハが大きく反ってしまうという問題があった。これを解決するため、特許文献１では、ＳＯＩウエーハの裏面（ＳＯＩ層の支持基板であるベースウエーハの裏面）にもシリコン酸化膜を形成することにより、ＢＯＸ層との応力のバランスを調整する方法が記載されている。
一方、特許文献２では、ボロン（ホウ素）などを高濃度にドーピングしたウエーハをベースウエーハとして用いることにより、基板強度を高め、反りを改善すると同時に、高濃度にドーピングされたドーパントがデバイスプロセス中の熱処理によって外方拡散し、ＳＯＩ層中に混入するのを防止する方法が記載されている。
また、特許文献３では、高温熱処理を含む半導体デバイスの製造プロセスにおいて十分な重金属ゲッタリング能力を有するＳＯＩウエーハを提供するため、ボロンなどのドーパントを高濃度に含有したベースウエーハを用いることが記載されている。
一方、特許文献２では、ボロン（ホウ素）などを高濃度にドーピングしたウエーハをベースウエーハとして用いることにより、基板強度を高め、反りを改善すると同時に、高濃度にドーピングされたドーパントがデバイスプロセス中の熱処理によって外方拡散し、ＳＯＩ層中に混入するのを防止する方法が記載されている。
また、特許文献３では、高温熱処理を含む半導体デバイスの製造プロセスにおいて十分な重金属ゲッタリング能力を有するＳＯＩウエーハを提供するため、ボロンなどのドーパントを高濃度に含有したベースウエーハを用いることが記載されている。
現在、ＳＯＩウエーハの反りを抑制したり、ゲッタリング能力を高めるために、特許文献２、３に記載されているように、ボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いてＳＯＩウエーハを製造することがしばしば行なわれている。その一方で、近年のシリコン単結晶ウエーハの大直径化に伴い、ＳＯＩウエーハの反りを十分に抑制することが求められているが、特許文献２のように、単にボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いるだけでは不十分であった。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、ＳＯＩウエーハの製造プロセスや、ＳＯＩウエーハを用いたデバイス製造プロセス中において、ベースウエーハ中に含まれていたｐ型ドーパントがＳＯＩ層中に混入することを防止し、かつ、反りの小さいＳＯＩウエーハを得るためのＳＯＩウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、ウエーハ全体にｐ型ドーパントを高濃度に含有するｐ＋シリコン単結晶ウエーハからなるベースウエーハと、前記ベースウエーハのｐ型ドーパントよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハからなるボンドウエーハとを準備する工程と、前記ベースウエーハの表面にシリコン酸化膜を熱酸化によって形成する工程と、前記ボンドウエーハと前記ベースウエーハとを、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程とを含むＳＯＩウエーハの製造方法において、前記貼り合わせ工程より前に、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜中に取り込まれた前記ｐ型ドーパントが前記貼り合わせ工程後に前記ボンドウエーハに拡散することを防止する拡散防止膜を前記ボンドウエーハの表面に形成する工程を有し、前記拡散防止膜の膜厚を、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する（請求項１）。
このような工程を有し、拡散防止膜の膜厚を、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄くするＳＯＩウエーハの製造方法によれば、ベースウエーハとしてｐ型ドーパント濃度が高いｐ＋シリコン単結晶ウエーハを用いて、反りが少なく、ゲッタリング能力が高いＳＯＩウエーハを製造する場合において、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜中に取り込まれたｐ型ドーパントが貼り合わせ工程後にボンドウエーハ（ＳＯＩ層）に拡散することを、拡散防止膜によって防止することができる。その結果、ＳＯＩ層の導電型や抵抗率の変動を抑えることができる。また、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面（すなわち、ベースウエーハの裏面）に形成する酸化膜厚の差を小さくすることができるので、より反りの小さいＳＯＩウエーハとすることができる。
この場合、前記拡散防止膜を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすることが好ましい（請求項２）。
このように、拡散防止膜を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすれば、簡便な方法により拡散防止膜を形成することができ、かつ、緻密な拡散防止膜とすることができるので、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜中に取り込まれたｐ型ドーパントが貼り合わせ工程後にボンドウエーハ（ＳＯＩ層）に拡散することをより効果的に防止することができる。
このように、拡散防止膜を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすれば、簡便な方法により拡散防止膜を形成することができ、かつ、緻密な拡散防止膜とすることができるので、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜中に取り込まれたｐ型ドーパントが貼り合わせ工程後にボンドウエーハ（ＳＯＩ層）に拡散することをより効果的に防止することができる。
また、前記拡散防止膜の膜厚を、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚の１／５以下とすることが好ましい（請求項３）。
このように、拡散防止膜の膜厚を、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚の１／５以下とすれば、より確実に埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面に形成される酸化膜厚の差を小さくすることができるので、より反りの小さいＳＯＩウエーハとすることができる。
このように、拡散防止膜の膜厚を、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚の１／５以下とすれば、より確実に埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面に形成される酸化膜厚の差を小さくすることができるので、より反りの小さいＳＯＩウエーハとすることができる。
また、前記拡散防止膜の膜厚を、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる（請求項４）。
このように、拡散防止膜の膜厚を５０ｎｍ以上とすれば、十分にｐ型ドーパントの拡散防止の効果を得ることができ、１００ｎｍ以上とすれば、より確実に拡散を防止することができる。また、拡散防止膜の膜厚を１０００ｎｍ以下とすれば、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面に形成される酸化膜厚の差をより小さくすることができる。
このように、拡散防止膜の膜厚を５０ｎｍ以上とすれば、十分にｐ型ドーパントの拡散防止の効果を得ることができ、１００ｎｍ以上とすれば、より確実に拡散を防止することができる。また、拡散防止膜の膜厚を１０００ｎｍ以下とすれば、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面に形成される酸化膜厚の差をより小さくすることができる。
また、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法では、前記ボンドウエーハに前記拡散防止膜を形成する工程の後、前記貼り合わせ工程より前に、前記拡散防止膜を通して前記ボンドウエーハの内部に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも１種類を注入してイオン注入層を形成しておき、前記ボンドウエーハの薄膜化を、前記イオン注入層において前記ボンドウエーハを剥離することにより行うことができる（請求項５）。
本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法は、このような、いわゆるイオン注入剥離法によってボンドウエーハを薄膜化するＳＯＩウエーハの製造方法の場合にも適用することができる。また、このようなイオン注入剥離法によってボンドウエーハを薄膜化すれば、ＳＯＩ層の膜厚均一性が高く、ＳＯＩ層の膜厚が薄いＳＯＩウエーハを製造することができる。
本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法は、このような、いわゆるイオン注入剥離法によってボンドウエーハを薄膜化するＳＯＩウエーハの製造方法の場合にも適用することができる。また、このようなイオン注入剥離法によってボンドウエーハを薄膜化すれば、ＳＯＩ層の膜厚均一性が高く、ＳＯＩ層の膜厚が薄いＳＯＩウエーハを製造することができる。
また、前記ベースウエーハのｐ型ドーパント濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることができる（請求項６）。
このように、ベースウエーハのｐ型ドーパント濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とした場合であっても、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法によれば、ＳＯＩ層にｐ型ドーパントが拡散することを効果的に防止することができる。また、このようなベースウエーハのｐ型ドーパント濃度とすれば、より反りが小さく、ゲッタリング能力の高いＳＯＩウエーハとすることができる。
このように、ベースウエーハのｐ型ドーパント濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とした場合であっても、本発明のＳＯＩウエーハの製造方法によれば、ＳＯＩ層にｐ型ドーパントが拡散することを効果的に防止することができる。また、このようなベースウエーハのｐ型ドーパント濃度とすれば、より反りが小さく、ゲッタリング能力の高いＳＯＩウエーハとすることができる。
また、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚と、前記拡散防止膜の膜厚との合計を２μｍ以上とすることができる（請求項７）。
このように、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚と、拡散防止膜の膜厚との合計を２μｍ以上とすれば、埋め込み絶縁層の膜厚を２μｍ以上と厚くしたＳＯＩウエーハを得ることができる。
このように、ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚と、拡散防止膜の膜厚との合計を２μｍ以上とすれば、埋め込み絶縁層の膜厚を２μｍ以上と厚くしたＳＯＩウエーハを得ることができる。
本発明に従うＳＯＩウエーハの製造方法であれば、ＳＯＩウエーハの製造プロセスや、ＳＯＩウエーハを用いたデバイス製造プロセス中において、ベースウエーハ中に含まれていたｐ型ドーパントがＳＯＩ層中に混入することが防止されており、かつ、反りの小さいＳＯＩウエーハを製造することができる。
以下、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、現在、ＳＯＩウエーハの反りを抑制したり、ゲッタリング能力を高めるために、特許文献２、３に記載されているように、ボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いてＳＯＩウエーハを製造することがしばしば行なわれている。その一方で、近年のシリコン単結晶ウエーハの大直径化に伴い、ＳＯＩウエーハの反りを十分に抑制することが求められているため、特許文献２のように、単にボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いるだけでは不十分であるため、それに加えて、特許文献１に記載されているように、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面（すなわち、ベースウエーハの裏面）に形成する酸化膜厚のバランスを考慮する必要がある。
前述のように、現在、ＳＯＩウエーハの反りを抑制したり、ゲッタリング能力を高めるために、特許文献２、３に記載されているように、ボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いてＳＯＩウエーハを製造することがしばしば行なわれている。その一方で、近年のシリコン単結晶ウエーハの大直径化に伴い、ＳＯＩウエーハの反りを十分に抑制することが求められているため、特許文献２のように、単にボロンが高濃度にドープされたベースウエーハを用いるだけでは不十分であるため、それに加えて、特許文献１に記載されているように、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面（すなわち、ベースウエーハの裏面）に形成する酸化膜厚のバランスを考慮する必要がある。
この観点から、ＳＯＩウエーハの反りを最も効果的に抑制する方法として、ベースウエーハのみにシリコン酸化膜を形成し、酸化膜のないボンドウエーハと貼り合わせ、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面酸化膜の膜厚を同一にする方法が用いられることがあった。しかしながら、ベースウエーハとしてボロンなどのｐ型ドーパントが高濃度に含まれているウエーハを用いてこの方法を行なうと、ＳＯＩ層中にベースウエーハ中に含まれていたｐ型ドーパントが混入し、ＳＯＩ層の導電型や抵抗率を変化させてしまうという問題があることが明らかとなった。
本発明者らは、ベースウエーハとしてボロンなどのｐ型ドーパントが高濃度に含まれているウエーハを用い、ベースウエーハのみに熱酸化によりシリコン酸化膜を形成し、酸化膜のないボンドウエーハと貼り合わせてＳＯＩウエーハを作製すると、ベースウエーハが酸化膜で覆われている状態で貼り合わせ後の高温熱処理が行なわれているにもかかわらず、ＳＯＩ層中にベースウエーハ中に含まれていたｐ型ドーパントが混入し、ＳＯＩ層の導電型や抵抗率を変化させてしまうという問題について着目し、このｐ型ドーパントの混入がどのようにして発生するのかについて鋭意研究した結果、埋め込み絶縁層中に取り込まれていたｐ型ドーパントが、ＳＯＩウエーハの製造プロセスや、ＳＯＩウエーハを用いたデバイス製造プロセス中の高温熱処理によりＳＯＩ層中に拡散していることを解明した。そして、本発明者らは、このような知見に基づき、ボンドウエーハにｐ型ドーパントの拡散を防止する拡散防止膜を形成し、かつ、この拡散防止膜の膜厚を、ベースウエーハ上の熱酸化膜の膜厚よりも薄くすることにより、ｐ型ドーパントがＳＯＩ層中に混入することを防止することができ、かつ、反りの小さいＳＯＩウエーハを製造することができることに想到し、本発明を完成させた。
以下、本発明について図面を参照しながらさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に、本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示した。
ここではまず、ボンドウエーハの薄膜化を、研削・研磨、エッチング等により行う場合について説明する。なお、ボンドウエーハの薄膜化をイオン注入剥離法によって行う場合については後述する。
図１に、本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示した。
ここではまず、ボンドウエーハの薄膜化を、研削・研磨、エッチング等により行う場合について説明する。なお、ボンドウエーハの薄膜化をイオン注入剥離法によって行う場合については後述する。
まず、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２を準備する（工程ａ）。
このとき、ベースウエーハ１２は、ウエーハ全体にｐ型ドーパントを高濃度に含有するｐ＋シリコン単結晶ウエーハとし、ボンドウエーハ１１は、ベースウエーハ１２のｐ型ドーパントよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハとする。
ここで、ベースウエーハ１２のｐ型ドーパントの「高濃度」とは、ボンドウエーハ１１のドーパント濃度より高濃度であることを示し、具体的な数値は特に限定されないが、特に５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。ベースウエーハ１２のｐ型ドーパント種は通常用いられるものであれば特に限定されないが、ボロン（ホウ素）等を好適に使用することができる。なお、ｐ型ドーパントの濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、抵抗率は概ね０．１Ωｃｍ以下のように低い抵抗率となる。ベースウエーハ１２のｐ型ドーパント濃度が高いほど、ベースウエーハ１２の強度を高めることができ、ゲッタリング能力も高めることができる。
また、ボンドウエーハ１１の導電型はｎ型、ｐ型のいずれでもよく、また、ドーパント種も特に限定されず、目的に合わせて適宜選択することができる。
このとき、ベースウエーハ１２は、ウエーハ全体にｐ型ドーパントを高濃度に含有するｐ＋シリコン単結晶ウエーハとし、ボンドウエーハ１１は、ベースウエーハ１２のｐ型ドーパントよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハとする。
ここで、ベースウエーハ１２のｐ型ドーパントの「高濃度」とは、ボンドウエーハ１１のドーパント濃度より高濃度であることを示し、具体的な数値は特に限定されないが、特に５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが望ましい。ベースウエーハ１２のｐ型ドーパント種は通常用いられるものであれば特に限定されないが、ボロン（ホウ素）等を好適に使用することができる。なお、ｐ型ドーパントの濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、抵抗率は概ね０．１Ωｃｍ以下のように低い抵抗率となる。ベースウエーハ１２のｐ型ドーパント濃度が高いほど、ベースウエーハ１２の強度を高めることができ、ゲッタリング能力も高めることができる。
また、ボンドウエーハ１１の導電型はｎ型、ｐ型のいずれでもよく、また、ドーパント種も特に限定されず、目的に合わせて適宜選択することができる。
次に、ベースウエーハ１２の表面にシリコン酸化膜１３を熱酸化によって形成する（工程ｂ）。
この熱酸化処理の方法は特に限定されないが、たとえば酸化性雰囲気下で各種熱処理装置を用いて行うことができる。また、後述するように、このシリコン酸化膜１３の膜厚を、工程ｃでボンドウエーハ１１に形成する拡散防止膜１４の膜厚よりも厚くするようにする。
この熱酸化処理工程中に、熱酸化膜１３中にベースウエーハ１２中のｐ型ドーパントが取り込まれる。
この熱酸化処理の方法は特に限定されないが、たとえば酸化性雰囲気下で各種熱処理装置を用いて行うことができる。また、後述するように、このシリコン酸化膜１３の膜厚を、工程ｃでボンドウエーハ１１に形成する拡散防止膜１４の膜厚よりも厚くするようにする。
この熱酸化処理工程中に、熱酸化膜１３中にベースウエーハ１２中のｐ型ドーパントが取り込まれる。
次に、絶縁膜からなる拡散防止膜１４を前記ボンドウエーハ１１の表面に形成する（工程ｃ）。この拡散防止膜１４は、ベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３中に取り込まれたｐ型ドーパントが次の貼り合わせ工程（工程ｄ）後にボンドウエーハに拡散することを防止するものである。
拡散防止膜１４としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすれば、簡便な方法により緻密な拡散防止膜を形成することができるので望ましい。
拡散防止膜１４の形成方法としては、シリコン酸化膜であれば熱酸化法などにより、簡便な方法により緻密な拡散防止膜とすることができるが、これに限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ法等など種々の方法を用いることができる。シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜等の場合もそれぞれ適当な方法を用いて形成することができる。
拡散防止膜１４としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすれば、簡便な方法により緻密な拡散防止膜を形成することができるので望ましい。
拡散防止膜１４の形成方法としては、シリコン酸化膜であれば熱酸化法などにより、簡便な方法により緻密な拡散防止膜とすることができるが、これに限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ法等など種々の方法を用いることができる。シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜等の場合もそれぞれ適当な方法を用いて形成することができる。
このとき、この拡散防止膜１４を、ベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３の膜厚よりも薄くする。特に、拡散防止膜１４の膜厚を、ベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３の膜厚の１／５以下とすることが好ましい。
拡散防止膜１４の膜厚をこのようにすることにより、後述するように、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面（すなわち、ベースウエーハの裏面）に形成する酸化膜厚の差を小さくすることができる。
拡散防止膜１４の膜厚をこのようにすることにより、後述するように、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面（すなわち、ベースウエーハの裏面）に形成する酸化膜厚の差を小さくすることができる。
なお、工程ｂのベースウエーハ１２表面への熱酸化膜１３形成工程と、工程ｃのボンドウエーハ１１表面への拡散防止膜１４形成工程はどちらを先に行っても良い。
次に、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２とを、ベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３、及びボンドウエーハ１１上の拡散防止膜１４を介して貼り合わせる（工程ｄ）。
例えば、常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２のそれぞれ一方の主面を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着する。
常温での接着だけでは、接着の強度が不十分であるので、通常はそのままデバイス作製工程では使用できない。このため、結合熱処理として貼り合わせたウエーハに高温の熱処理を施して結合強度を十分なものとする。例えば、この熱処理は不活性ガス雰囲気下あるいは酸化性ガス雰囲気下、１０００℃〜１２５０℃で３０分から４時間の範囲で行うことができる。
例えば、常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２のそれぞれ一方の主面を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着する。
常温での接着だけでは、接着の強度が不十分であるので、通常はそのままデバイス作製工程では使用できない。このため、結合熱処理として貼り合わせたウエーハに高温の熱処理を施して結合強度を十分なものとする。例えば、この熱処理は不活性ガス雰囲気下あるいは酸化性ガス雰囲気下、１０００℃〜１２５０℃で３０分から４時間の範囲で行うことができる。
次に、ボンドウエーハ１４を薄膜化してＳＯＩ層を形成する（工程ｅ）。このボンドウエーハ１４の薄膜化は、研削、研磨、エッチング等の通常の方法により行うことができる。
以上のような工程を経て、ＳＯＩウエーハ２０を製造することができる。このＳＯＩウエーハ２０は、ＳＯＩ層２１と、埋め込み絶縁層２２を有している。埋め込み絶縁層２２は、ボンドウエーハ１１に形成された拡散防止膜１４とベースウエーハ１２に形成された熱酸化膜１３からなっている。また、ベースウエーハ１２の裏面（貼り合わせ面とは反対側の面）に、ベースウエーハ１２に形成された熱酸化膜１３からなる裏面酸化膜２３を有している。
図２は、本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法の別の一例として、イオン注入剥離法によりボンドウエーハの薄膜化を行う例を示した。
まず、工程ａ’のウエーハ準備工程、工程ｂ’のベースウエーハ１２ヘのシリコン酸化膜１３形成工程、工程ｃ’のボンドウエーハ１１への拡散防止膜１４形成工程を、前述した図１の工程ａ〜ｃと同様に行う。
まず、工程ａ’のウエーハ準備工程、工程ｂ’のベースウエーハ１２ヘのシリコン酸化膜１３形成工程、工程ｃ’のボンドウエーハ１１への拡散防止膜１４形成工程を、前述した図１の工程ａ〜ｃと同様に行う。
次に、拡散防止膜１４を通してボンドウエーハ１１の内部に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも１種類を注入してイオン注入層１５を形成する（工程ｄ’）。
なお、この時のイオン注入層１５の深さは、最終的に形成されるＳＯＩ層２１の厚さに反映される。従って、注入エネルギー等を制御してイオン注入することにより、ＳＯＩ層の厚さを制御できる。ただし、イオン注入層１５は少なくとも拡散防止膜１４よりも深い位置に形成される必要がある。なお、イオン注入のドーズ量は適宜選択される。
なお、ボンドウエーハ１１に対して行う工程ｃ’及び工程ｄ’と、ベースウエーハ１２に対して行う工程ｂ’とは、どちらを先に行ってもよい。
なお、この時のイオン注入層１５の深さは、最終的に形成されるＳＯＩ層２１の厚さに反映される。従って、注入エネルギー等を制御してイオン注入することにより、ＳＯＩ層の厚さを制御できる。ただし、イオン注入層１５は少なくとも拡散防止膜１４よりも深い位置に形成される必要がある。なお、イオン注入のドーズ量は適宜選択される。
なお、ボンドウエーハ１１に対して行う工程ｃ’及び工程ｄ’と、ベースウエーハ１２に対して行う工程ｂ’とは、どちらを先に行ってもよい。
次に、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１４とを、ベースウエーハ１３上のシリコン酸化膜１２、及びボンドウエーハ１１上の拡散防止膜１４を介して貼り合わせる（工程ｅ’）。このとき、ボンドウエーハ１１の貼り合わせ面は、工程ｄ’においてイオン注入を行った面とする。
前述した図１の場合と同様に、常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２の一方の主面を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着する。
前述した図１の場合と同様に、常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２の一方の主面を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着する。
次に、ボンドウエーハ１１をイオン注入層１５で剥離することにより、ボンドウエーハ１１を薄膜化する（工程ｆ’）。
例えば、貼り合わせたウエーハに対して、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度、３０分以上熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによって、ボンドウエーハ１１をイオン注入層１５で剥離することができる。
例えば、貼り合わせたウエーハに対して、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度、３０分以上熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによって、ボンドウエーハ１１をイオン注入層１５で剥離することができる。
次に、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１２の結合力を高める結合熱処理を行う。例えば、この結合熱処理は不活性ガス雰囲気下あるいはわずかに酸化性のガス雰囲気下、１０００℃〜１２５０℃で３０分から４時間の範囲で行うことができる。
なお、上記の剥離熱処理と結合熱処理は同時に行うこともできる。
また、この結合熱処理をわずかに酸化性のガス雰囲気下で行った場合、ＳＯＩ層表面に薄い酸化膜（例えば２００ｎｍ程度）が形成するため、これを除去するエッチング処理等が必要となる。なお、このエッチング処理によりベースウエーハ１２の裏面の裏面酸化膜２３も一部除去されることになるが、その除去量は微小であり、埋め込み絶縁層２２と裏面酸化膜２３の膜厚のバランスに対する影響は軽微である。
なお、上記の剥離熱処理と結合熱処理は同時に行うこともできる。
また、この結合熱処理をわずかに酸化性のガス雰囲気下で行った場合、ＳＯＩ層表面に薄い酸化膜（例えば２００ｎｍ程度）が形成するため、これを除去するエッチング処理等が必要となる。なお、このエッチング処理によりベースウエーハ１２の裏面の裏面酸化膜２３も一部除去されることになるが、その除去量は微小であり、埋め込み絶縁層２２と裏面酸化膜２３の膜厚のバランスに対する影響は軽微である。
以上のような工程を経て、前述の図１の場合と同様の、ＳＯＩウエーハ２０を製造することができる。このＳＯＩウエーハ２０は、ＳＯＩ層２１と、埋め込み絶縁層２２を有している。埋め込み絶縁層２２は、ボンドウエーハ１１に形成された拡散防止膜１４とベースウエーハ１２に形成された熱酸化膜１３からなっている。また、ベースウエーハ１２の裏面に裏面酸化膜２３を有している。
また、このイオン注入剥離法によれば、ＳＯＩ層の膜厚がより均一であり、ＳＯＩ層が例えば１μｍ以下、特に５００ｎｍ以下の極めて薄いＳＯＩウエーハを製造することができる。
また、このイオン注入剥離法によれば、ＳＯＩ層の膜厚がより均一であり、ＳＯＩ層が例えば１μｍ以下、特に５００ｎｍ以下の極めて薄いＳＯＩウエーハを製造することができる。
このような本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法によれば、熱酸化膜１３形成工程中にベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３中に取り込まれたｐ型ドーパントが、ウエーハ貼り合わせ工程後のＳＯＩウエーハの製造プロセスや、このＳＯＩウエーハを用いたデバイス製造プロセス中にボンドウエーハ１１（ＳＯＩ層２１）中に拡散することを、拡散防止膜１４が存在することにより効果的に防止することができる。
また、前述のように、拡散防止膜１４をベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３の膜厚よりも薄くすることによって、埋め込み絶縁層２２とＳＯＩウエーハの裏面に形成されている裏面酸化膜２３の膜厚差を小さくすることができる。そして、このように、埋め込み絶縁層２２と裏面酸化膜２３の膜厚の差を小さくすれば、ベースウエーハ１２がｐ型ドーパントが高濃度に分布したｐ＋シリコン単結晶であり、基板強度が高いことと合わせて、ＳＯＩウエーハ２０の反りを小さくすることができる。
また、ＳＯＩウエーハ２０のベースウエーハ１２は、ｐ型ドーパントが高濃度に分布したｐ＋シリコン単結晶であるので、ゲッタリング能力も優れている。
また、ボンドウエーハ１１側にも拡散防止膜１４として絶縁膜を形成することにより、貼り合わせ界面が埋め込み絶縁層内部に形成され、界面準位を問題視するデバイスにも適用可能なＳＯＩウエーハとなる。
また、前述のように、拡散防止膜１４をベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３の膜厚よりも薄くすることによって、埋め込み絶縁層２２とＳＯＩウエーハの裏面に形成されている裏面酸化膜２３の膜厚差を小さくすることができる。そして、このように、埋め込み絶縁層２２と裏面酸化膜２３の膜厚の差を小さくすれば、ベースウエーハ１２がｐ型ドーパントが高濃度に分布したｐ＋シリコン単結晶であり、基板強度が高いことと合わせて、ＳＯＩウエーハ２０の反りを小さくすることができる。
また、ＳＯＩウエーハ２０のベースウエーハ１２は、ｐ型ドーパントが高濃度に分布したｐ＋シリコン単結晶であるので、ゲッタリング能力も優れている。
また、ボンドウエーハ１１側にも拡散防止膜１４として絶縁膜を形成することにより、貼り合わせ界面が埋め込み絶縁層内部に形成され、界面準位を問題視するデバイスにも適用可能なＳＯＩウエーハとなる。
なお、拡散防止膜１４の膜厚は、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。拡散防止膜１４の膜厚を５０ｎｍ以上とすれば、ｐ型ドーパントがボンドウエーハ１１に拡散することを十分に防止できる膜厚となる。また、拡散防止膜１４の膜厚を１０００ｎｍ以下とすれば、埋め込み絶縁層とＳＯＩウエーハの裏面に形成される酸化膜厚の差をより小さくすることができると同時に、イオン注入剥離法を適用する際、注入エネルギーを極端に大きくする必要がなく、装置の負担を軽減することができる。
また、近年、例えば光集積デバイスなどにおける光導波路などのような特殊な用途に用いる場合には、２μｍ以上、あるいは１０μｍ以上といった極めて厚い埋め込み絶縁層を形成したものが要求されることがある。本発明は、このような厚い埋め込み絶縁層（２μｍ以上）で、膜厚均一性の優れたＳＯＩ層（すなわち、イオン注入剥離法を使ったＳＯＩ層）を得る場合に有効である。すなわち、イオン注入剥離法を適用する場合、ボンドウエーハ側に形成する絶縁膜厚は厚くすることはできない（１μｍ以下）ため、厚い埋め込み絶縁層を形成するためには、ベースウエーハにも絶縁膜を形成することが必須となる。本発明に係るＳＯＩウエーハの製造方法によれば、ベースウエーハ１２上のシリコン酸化膜１３の膜厚と、拡散防止膜１４の膜厚との合計を２μｍ以上として、埋め込み絶縁層を２μｍ以上とすることもできる。
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより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。
（実施例１〜３、比較例１、２）
以下のように、図１または２に示したようなＳＯＩウエーハの製造方法に従って貼り合わせ法によりＳＯＩウエーハを製造した。
まず、ボンドウエーハ１１として直径２００ｍｍ、ｎ型、リンドープ（１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のｎ型シリコン単結晶ウエーハを準備し、ベースウエーハ１２として、直径２００ｍｍ、ｐ型、ボロンドープ（６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のｐ＋シリコン単結晶ウエーハを準備した。
次に、表１の実施例１〜３、比較例１、２の各条件でＳＯＩウエーハ２０を作製し、作製されたＳＯＩウエーハに、模擬デバイス熱処理（通常のデバイス作製工程において施される熱処理を模した熱処理）を施した後、ＳＯＩ層２１中のボロン濃度とＳＯＩウエーハ２０の反りを測定した。測定結果を表１に合わせて記載した。
なお、実施例１〜３、比較例１については図２に示したイオン注入剥離法でＳＯＩウエーハの製造を行い、比較例２については、貼り合わせ工程後、ボンドウエーハを研削・研磨により薄膜化した。
以下のように、図１または２に示したようなＳＯＩウエーハの製造方法に従って貼り合わせ法によりＳＯＩウエーハを製造した。
まず、ボンドウエーハ１１として直径２００ｍｍ、ｎ型、リンドープ（１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のｎ型シリコン単結晶ウエーハを準備し、ベースウエーハ１２として、直径２００ｍｍ、ｐ型、ボロンドープ（６×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のｐ＋シリコン単結晶ウエーハを準備した。
次に、表１の実施例１〜３、比較例１、２の各条件でＳＯＩウエーハ２０を作製し、作製されたＳＯＩウエーハに、模擬デバイス熱処理（通常のデバイス作製工程において施される熱処理を模した熱処理）を施した後、ＳＯＩ層２１中のボロン濃度とＳＯＩウエーハ２０の反りを測定した。測定結果を表１に合わせて記載した。
なお、実施例１〜３、比較例１については図２に示したイオン注入剥離法でＳＯＩウエーハの製造を行い、比較例２については、貼り合わせ工程後、ボンドウエーハを研削・研磨により薄膜化した。
ボンドウエーハ側にベースウエーハ側より薄い熱酸化膜を形成した実施例１〜３は、模擬デバイス熱処理を施しても、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析装置）による測定においてＳＯＩ層中にボロンは検出されず、反りも小さかった。一方、ボンドウエーハ側にベースウエーハ側と同じ厚さの熱酸化膜を形成した比較例２は、ＳＯＩ層中にボロンは検出されなかったが、反りが大きく、デバイス製造プロセスに悪影響を及ぼすことが分かった。また、ボンドウエーハに熱酸化膜を形成しなかった比較例１は、反りは小さかったが、ＳＯＩ層中に１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のボロンが検出され、ｎ型であったＳＯＩ層がｐ型に反転していることがわかった。
なお、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範囲に包含される。
１１…ボンドウエーハ、 １２…ベースウエーハ、
１３…シリコン酸化膜（熱酸化膜）、 １４…拡散防止膜、
１５…イオン注入層、
２０…ＳＯＩウエーハ、 ２１…ＳＯＩ層、
２２…埋め込み絶縁層、 ２３…裏面酸化膜。
１３…シリコン酸化膜（熱酸化膜）、 １４…拡散防止膜、
１５…イオン注入層、
２０…ＳＯＩウエーハ、 ２１…ＳＯＩ層、
２２…埋め込み絶縁層、 ２３…裏面酸化膜。
Claims (7)
- 少なくとも、
ウエーハ全体にｐ型ドーパントを高濃度に含有するｐ＋シリコン単結晶ウエーハからなるベースウエーハと、前記ベースウエーハのｐ型ドーパントよりも低濃度のドーパントを含有するシリコン単結晶ウエーハからなるボンドウエーハとを準備する工程と、
前記ベースウエーハの表面にシリコン酸化膜を熱酸化によって形成する工程と、
前記ボンドウエーハと前記ベースウエーハとを、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、
前記ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程と
を含むＳＯＩウエーハの製造方法において、
前記貼り合わせ工程より前に、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜中に取り込まれた前記ｐ型ドーパントが前記貼り合わせ工程後に前記ボンドウエーハに拡散することを防止する拡散防止膜を前記ボンドウエーハの表面に形成する工程を有し、前記拡散防止膜の膜厚を、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄くすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。 - 前記拡散防止膜を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記拡散防止膜の膜厚を、前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚の１／５以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記拡散防止膜の膜厚を、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハに前記拡散防止膜を形成する工程の後、前記貼り合わせ工程より前に、前記拡散防止膜を通して前記ボンドウエーハの内部に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも１種類を注入してイオン注入層を形成しておき、前記ボンドウエーハの薄膜化を、前記イオン注入層において前記ボンドウエーハを剥離することにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ベースウエーハのｐ型ドーパント濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ベースウエーハ上のシリコン酸化膜の膜厚と、前記拡散防止膜の膜厚との合計を２μｍ以上とすることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
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