JP2008263010A - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板と透明絶縁性基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を製造する際の、透明絶縁性基板の全面にシリコン薄膜を転写する手法を提供すること。
【解決手段】シリコン基板１０は、表面粗さがピーク・バレー（ＰＶ）値で０．３ｎｍ以下の単結晶Ｓｉ基板であり、支持基板は、その主面に金属膜のパターニングが施され当該パターン２１を被覆する酸化膜２２が設けられた石英基板２０である。この支持基板２０の表面粗さ（段差）は、ＰＶ値で３ｎｍ以下の平坦性を有している。単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオンを注入してイオン注入領域１１を形成し、単結晶Ｓｉ基板１０の主面に表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す。そして、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を、室温で密着させて貼り合わせ、さらに外部衝撃を付与して単結晶Ｓｉ基板のバルク１３からシリコン薄膜１２を機械的に剥離して転写する。
【選択図】図２

Description

本発明は、透明絶縁性基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法に関する。

絶縁基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板については、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とハンドリング用基板（支持基板）とを貼り合わせ、概ね５００℃以上の熱処理を施して注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄膜を熱剥離させるというSOITEC法（SmartCut法）が知られており、この方法は、水素イオンの注入で形成された「水素ブリスタ」と呼ばれる高密度の「気泡」を加熱により「成長」させ、この「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を剥離するというメカニズムを基礎としている（例えば、特許文献１や非特許文献１）。

しかしながら、上述のSOITEC法には以下のような難点がある。すなわち、この方法では、シリコン基板と絶縁性基板を貼り合わせた後に５００℃以上の温度で水素イオン注入界面に沿って熱的剥離を行うため、シリコン基板と大きく熱膨張係数が異なる基板（例えば、石英基板）を支持基板とした場合には、これらの基板を貼り合わせた状態で５００℃以上の熱処理を施すと両基板の熱膨張係数の差異に起因する熱歪が生じ、この熱歪により接合面の剥離やひび割れ等を発生させ易い。

また、５００℃以上の温度で熱的剥離を行うと、この剥離の際にシリコン薄膜（ＳＯＩ層）の表面荒れが生じる。非特許文献２によれば、１μｍ×１μｍの極めて狭い領域でさえ、Peak to Valley(ＰＶ値)で６５ｎｍ程度の高低差が発生するとされている。

また、ＳＯＩ基板の他の製造方法である所謂SiGen法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とシリコン基板あるいは他の材料の基板とを貼り合わせる前に、これらの基板の貼り合せ面をプラズマ処理し、表面が活性化された状態で両基板を貼り合わせ、低温（例えば、１００〜３００℃）で熱処理を施して接合強度を高めた後に、常温で機械的に剥離してＳＯＩ基板を得る方法である（例えば、特許文献２〜４）。この方法では、低温での剥離が可能であるため、上述したような熱的諸特性の相違に起因した割れや局所的クラックは生じ難いという利点がある。
特許第３０４８２０１号公報 米国特許第６２６３９４１号明細書 米国特許第６５１３５６４号明細書 米国特許第６５８２９９９号明細書 A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106). ＵＣＳ半導体基盤技術研究会監修「ＳＯＩの科学」（Realize社）第二章参照（２０００年）

ところで、ＳＯＩ基板の製造に用いられるシリコン基板は通常、その貼り合わせ面がポリッシュされており極めて高い平坦性を有しているが、支持基板となる絶縁性基板の貼り合わせ面の平坦性は必ずしも高いものではない。特に、当該支持基板の貼り合わせ面側に予め金属膜などでパターンを形成しておき、この支持基板上にシリコン薄膜を剥離形成したＳＯＩ基板を得ようとするような場合には、上記のパターン形成に伴って生じる支持基板面の凹凸（表面粗さ）レベルが高いものとなり易い。そして、このような凹凸をもった支持基板とシリコン基板とを貼り合わせてシリコン薄膜を剥離してシリコン基板上に転写しようとすると、剥離が部分的に不完全（極端な場合には基板全面で不完全）なものとなって、ＳＯＩ基板製造の歩留まりが低下するという問題がある。

ここで凹凸レベルとは、基板面の段差レベル（ＰＶ値）であり、例えば、基板表面に研磨傷がある場合にはその傷の深さなどであり、パターン形成された基板では当該パターン形状の凸部の高さなどである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリコン基板と透明絶縁性基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を製造する際に、透明絶縁性基板の全面にシリコン薄膜を転写する手法を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のＳＯＩ基板の製造方法は、表面粗さがピーク・バレー（ＰＶ値）で３ｎｍ以下のシリコン基板の主面に水素イオン注入領域を形成するイオン注入工程と、主面にパターニングが施された表面粗さがＰＶ値で３ｎｍ以下の透明絶縁性基板と上記シリコン基板の少なくとも一方の主面に活性化処理を施す表面処理工程と、透明絶縁性基板とシリコン基板の主面同士を室温で貼り合わせる工程と、上記貼り合せ後のシリコン基板からシリコン薄膜を機械的剥離して透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を形成する剥離工程とを備えている。

好ましくは、上記表面粗さはＰＶ値で２ｎｍ以下であり、上記活性化処理はプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方である。

上記透明絶縁性基板は、例えば、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラスまたは結晶化ガラスであり、シリコン基板は、主面にシリコン酸化膜を有するものであってもよい。

本発明では、シリコン薄膜の転写を良好なものとするための貼り合わせ用基板の表面粗さを定量的に規定したので、透明絶縁性基板の全面にシリコン薄膜を転写することが可能となって、高品質のＳＯＩ基板が得られる。

図１は、貼り合わせに用いる透明絶縁性基板の表面粗さ(段差：横軸)と、当該透明絶縁性基板上に転写されたシリコン薄膜の転写レベル（縦軸）の関係を示した図である。これらの透明絶縁性基板には、その表面に金属膜からなるパターンが形成されており、このパターンを被覆するように酸化膜が形成されている。ここで、横軸の値は、酸化膜付きの透明絶縁性基板の表面を表面検査機で測定して求められたピーク・バレー（ＰＶ）値（すなわち、表面に段差部がある際の当該段差部の最高部と最底部との高さの差）である。なお、貼り合わせに用いたシリコン基板の表面は半導体グレードの研磨が施されており極めて平坦性の高い（表面粗さ即ち段差レベルは３ｎｍ以下、通常は０．３ｎｍ以下）ものである。転写の具体的な工程は後述する。

ここで、「転写良好」とは透明絶縁性基板の全面にシリコン薄膜が転写されたことを意味しており、図１に示した結果から、基板表面の段差レベルがＰＶ値で２ｎｍ以下の場合には再現性よく良好な転写が行われており、ＰＶ値で３ｎｍ以下の場合には転写不良が基板面積の１０％以下に抑えられていることが分かる。これに対して、基板表面の段差レベルがＰＶ値で３ｎｍを越えた場合の「転写不良」の試料では、基板面積に占める転写不良領域は何れも２０％を超えており、段差レベルが５．１ｎｍの試料では基板全面で不完全な転写となった。図１に示した結果によれば、貼り合わせ用基板であるシリコン基板および透明絶縁性基板の表面粗さをＰＶ値で３ｎｍ以下とすれば、ＳＯＩ基板製造の歩留まりを顕著に向上させることができることとなる。

以下に、本発明のＳＯＩ基板の製造方法を実施例により説明する。本実施例では透明絶縁性基板を石英基板として説明するが、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、あるいは結晶化ガラス基板などでもよい。

図２は、本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。なお、本実施例では、シリコン基板の表面には酸化膜が設けられていないが、表面に予め酸化膜を形成したシリコン基板を用いてもよい。

図２（Ａ）に図示されたシリコン基板１０は、表面粗さがＰＶ値で０．３ｎｍ以下（概ね０．２ｎｍ）の単結晶Ｓｉ基板であり、支持基板は、その主面に金属膜のパターニングが施され当該パターン２１（厚み０．２μｍ）を被覆する膜厚約０．８μｍの酸化膜２２が設けられた石英基板２０である。なお、この酸化膜２２は、ＣＶＤ法で１．６μｍの酸化膜を形成した後に研磨して表面を平坦化したもので、その結果、支持基板２０の表面凹凸（段差）は、ＰＶ値で３ｎｍ以下の平坦性を有している。

単結晶Ｓｉ基板１０は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキ法）により育成された一般に市販されているＳｉ基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。

貼り合わされる単結晶Ｓｉ基板１０および石英基板２０の直径は同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、石英基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。

先ず、単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオンを注入する（図２（Ｂ））。このイオン注入面が後の接合面（貼り合せ面）となる。この水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）にイオン注入領域１１が形成される。このイオン注入領域１１が後工程での剥離領域となる。

水素のイオン注入時のドーズ量は、ＳＯＩ基板の仕様等に応じて、例えば１×１０^１６〜４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の範囲で適当な値が選択される。なお、SmartCut法でＳＯＩ基板を作製する場合には、水素イオンのドーズ量が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を越えるとその後に得られるＳＯＩ層の表面荒れが生じるとされ、７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度のドーズ量に設定するのが一般的である。しかし、本発明者らの検討によれば、従来法において生じるとされていた上記イオン注入条件で生じるＳＯＩ層の表面荒れの原因は、水素イオンのドーズ量そのものではなく、シリコン薄膜を剥離してＳＯＩ層を得るために採用されている比較的高温（例えば５００℃）の熱処理工程にあることが明らかとなった。

上述したように、SmartCut法でＳＯＩ基板を作製する際には、シリコン基板の貼り合せ面側に水素イオンを注入して「水素ブリスタ」と呼ばれる「気泡」を高密度で発生させ、比較的高温の熱処理により生じる「水素ブリスタ」の「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を熱剥離している。ここで、「気泡成長」は水素原子の拡散現象に他ならないから、高ドーズ条件で形成されることとなる極めて高密度の「気泡」が「成長」する過程においては水素原子の拡散が顕著に生じていることとなる。そして、このような原子拡散現象がＳＯＩ層の表面荒れを生じさせることとなるとの解釈が可能である。

しかし、本発明のようにシリコン薄膜を低温剥離する場合には、当該剥離処理工程中での水素原子の拡散は著しく抑制されることとなるため、高いドーズ量の水素イオン注入を施したとしてもＳＯＩ層の表面荒れを生じさせることはない。

イオン注入領域１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）はイオン注入時の加速電圧により制御され、どの程度の厚さのＳＯＩ層を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば、平均イオン注入深さＬを０．５μｍ以下とし、加速電圧５０〜１００ＫｅＶなどとする。なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。

このようにしてイオン注入領域１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０の主面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図２（Ｄ））。このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものである。なお、このような表面処理は、シリコン基板と透明絶縁性基板の少なくとも一方の主面に施せばよい。

この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、また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などがある。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。

表面処理をオゾン処理で実行する場合には、表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に所定の時間の処理が施される。

上述の表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を、室温で密着させて貼り合わせる（図２（Ｅ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。

なお、図２（Ｅ）の貼り合わせ工程に続いて、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０とを貼り合わせた状態で比較的低温（３５０℃以下）の温度で熱処理する工程を設けるようにしてもよい。この熱処理工程は、単結晶シリコン基板１０と石英基板２０上の酸化膜２２との接合強度を高めるという効果を得ることを主な目的とするものである。

なお、上述の熱処理温度を３５０℃以下に設定されている主な理由は、単結晶シリコンと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶シリコン基板１０ならびに石英基板２０の厚みを考慮したことによる。

単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の厚みが概ね同程度である場合、単結晶シリコンの熱膨張係数（２．３３×１０^−６）と石英の熱膨張係数（０．６×１０^−６）の間に大きな差異があるために、３５０℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合には単結晶シリコン基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このような観点から、熱処理温度の上限を３５０℃と選択している。

なお、この熱処理には、水素イオンの注入量によっては、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の両基板間の熱膨張係数差に起因する熱応力を生じさせてイオン注入領域１１内のシリコン原子の化学結合を弱化させるという副次的な効果も期待できる。

このような処理に続いて、貼り合わされた基板に外部衝撃を付与して単結晶Ｓｉ基板のバルク１３からシリコン薄膜１２を機械的に剥離して転写する（図２（Ｆ））。この転写によって、石英基板２０の主面に形成されたパターン２１上に酸化膜２２を介してＳＯＩ膜１２が形成されたＳＯＩ基板が得られる（図２（Ｇ））。なお、シリコン薄膜の剥離のための外部からの衝撃付与の手法としては種々のものがあり得るが、この剥離は加熱なしに実行される。

このようにして得られたＳＯＩ膜は、石英基板の全面において良好に転写され、しかも、ＳＯＩ膜の表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定して得られたＰＶ値の平均値は５ｎｍ以下と良好であった。

本発明は、シリコン基板と透明絶縁性基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を製造する際の、透明絶縁性基板の全面にシリコン薄膜を転写する手法を提供する。

貼り合わせに用いる透明絶縁性基板の表面粗さ(段差：横軸)と、当該透明絶縁性基板上に転写されたシリコン薄膜の転写レベル（縦軸）の関係を示した図である。 本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 単結晶Ｓｉ基板
１１ イオン注入領域
１２ シリコン薄膜
１３ 単結晶シリコンのバルク
２０ 石英基板
２１ パターン
２２ 酸化膜

Claims (5)

1. 表面粗さがピーク・バレー（ＰＶ）値で３ｎｍ以下のシリコン基板の主面に水素イオン注入領域を形成するイオン注入工程と、主面にパターニングが施された表面粗さがＰＶ値で３ｎｍ以下の透明絶縁性基板と前記シリコン基板の少なくとも一方の主面に活性化処理を施す表面処理工程と、前記透明絶縁性基板と前記シリコン基板の主面同士を室温で貼り合わせる工程と、該貼り合せ後の前記シリコン基板からシリコン薄膜を機械的に剥離して前記透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を形成する剥離工程とを備えていることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 前記表面粗さはＰＶ値で２ｎｍ以下である請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. 前記活性化処理がプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方である請求項１または２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 前記透明絶縁性基板は、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラスまたは結晶化ガラスの何れかである請求項１乃至３の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
5. 前記シリコン基板は、主面にシリコン酸化膜を有するものである請求項１乃至４の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。

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