JP2010040608A

JP2010040608A - 貼り合わせｓｏｉウェーハの製造方法

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Publication number: JP2010040608A
Application number: JP2008199041A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Ikeda; 安伸池田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-18

Abstract

【課題】貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生を抑制可能な貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
【解決手段】厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜を有した活性層用ウェーハの貼り合わせ後の薄膜化（活性層の厚さ）を１０μｍ以下とし、また貼りわせ熱処理を、薄膜化前の４００〜８００℃での低温熱処理と、薄膜化後の１１５０℃以上での高温熱処理とからなる２段階熱処理としたので、シリコン酸化膜とシリコンとの熱膨張率の違いによる両ウェーハの貼り合わせ界面に発生する内部応力の影響が小さくなり、貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくは厚さ２μｍ以上の厚肉な埋め込みシリコン酸化膜を介して、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを貼り合わせる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法に関する。

ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するウェーハの一種として、デバイスが形成される活性層と支持基板用ウェーハとの間に埋め込み酸化膜が形成された貼り合わせＳＯＩウェーハが知られている。
貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法としては、従来、シリコン酸化膜が形成された支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを室温で貼り合わせることで、埋め込みシリコン酸化膜を有した貼り合わせウェーハを形成し、その後、貼り合わせウェーハを１０００〜１２００℃で熱処理して貼り合わせ強度を高め、次に貼り合わせウェーハを活性層用ウェーハ側から研削、研磨して薄膜化することで活性層を形成する方法が一般的である（例えば特許文献１）。

特開２００６−００５３４１号公報

最近、高耐圧デバイス（ＨＶＭＯＳ，ＬＤＭＯＳ）用として、厚さ２μｍ以上の埋め込みシリコン酸化膜付きの貼り合わせＳＯＩウェーハが要求されている。
高耐圧デバイス用の貼り合わせＳＯＩウェーハは、その製造に際して、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとが、厚肉なシリコン酸化膜を介して室温で貼り合わされ、その後、１０００〜１２００℃で貼り合わせ熱処理が行われる。このとき、シリコン酸化膜とシリコンとの熱膨張率の違いにより、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの貼り合わせ界面に内部応力が生じ、スリップが発生していた。その結果、貼り合わせＳＯＩウェーハの歩留りの低下を招いていた。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、互いに単結晶シリコンからなる支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを、厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜を介して室温で貼り合わせ、活性層用ウェーハの薄膜化を５５μｍ以下とし、かつ貼りわせ熱処理を、薄膜化前の４００〜１０００℃で行う低温熱処理（第１熱処理）と、薄膜化後の１１５０℃以上で行う高温熱処理（第２熱処理）とからなる２段階熱処理とすれば、シリコン酸化膜と単結晶シリコンとの熱膨張率の違いによる両ウェーハの貼り合わせ界面に発生する内部応力の影響が小さくなり、前記スリップの発生を防止できることを知見し、この発明を完成させた。
この発明では、貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生を抑制することができる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、双方とも単結晶シリコン製で、かつ一方の貼り合わせ面には厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜が形成された支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを貼り合わせることで、埋め込みシリコン酸化膜を有した貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、該貼り合わせ工程後、前記貼り合わせウェーハを４００〜１０００℃で熱処理し、その貼り合わせ強度を高める貼り合わせ低温熱処理工程と、該貼り合わせ低温熱処理工程後、前記貼り合わせウェーハを前記活性層用ウェーハ側から薄膜化し、厚さ５５μｍ以下の活性層を形成する薄膜化工程と、該薄膜化工程後、前記貼り合わせウェーハを１１５０℃以上で熱処理し、該薄膜化された貼り合わせウェーハの貼り合わせ強度をさらに高める貼り合わせ高温熱処理工程とを備えた貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、まず互いに単結晶シリコン製の支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを、厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜（埋め込みシリコン酸化膜）を介して室温で貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する。次に、貼り合わせウェーハを４００〜１０００℃で貼り合わせ低温熱処理する。これにより、続く薄膜化工程時に、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとが剥がれない程度の貼り合わせ強度が得られる。その後、貼り合わせウェーハを活性層用ウェーハ側から薄膜化し、厚さ５５μｍ以下の活性層を形成する。次に、薄膜化処理後の貼り合わせウェーハを、１１５０℃以上の高温で貼り合わせ高温熱処理する。

このように、厚さ２μｍ以上の埋め込みシリコン酸化膜を有した貼り合わせウェーハに対して、その貼り合わせ熱処理を、活性層用ウェーハを５５μｍ以下の活性層とする薄膜化工程前の貼り合わせ低温熱処理（４００〜１０００℃）と、薄膜化工程後の貼り合わせ高温熱処理（１１５０℃以上）との２段階熱処理としたので、活性層は薄膜化することで弾性変形がしやすくなり、支持基板用ウェーハに沿って湾曲し易い。これにより、結合時に発生する応力が緩和される。その結果、熱膨張率の差を原因とした支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの貼り合わせ界面に発生する内部応力の影響が小さくなる。

支持基板用ウェーハおよび活性層用ウェーハとしては、例えば、チョクラルスキー法により引き上げられた単結晶シリコンインゴットをウェーハ加工して得られた単結晶シリコンウェーハを採用することができる。
支持基板用ウェーハおよび活性層用ウェーハの口径は任意である。例えば６インチ、８インチ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ以上でもよい。
厚さが２μｍ以上の埋め込みシリコン酸化膜を有する貼り合わせＳＯＩウェーハは、例えば高耐圧デバイス（ＨＶＭＯＳ，ＬＤＭＯＳ）用として利用される。

「室温」とは１５〜３５℃をいう。
シリコン酸化膜は、支持基板用ウェーハの貼り合わせ面に形成しても、活性層用ウェーハの貼り合わせ面に形成してもよい。
シリコン酸化膜（埋め込みシリコン酸化膜）の厚さが２μｍ未満では、１段階の高温熱処理の貼合方法にて製造が可能で、本願方法を用いれば生産性が低下する。シリコン酸化膜の好ましい厚さは２〜１５μｍである。この範囲であれば、生産性が高く、かつスリップが生じないウェーハを製造できる。

貼り合わせ低温熱処理工程での加熱温度が４００℃未満では、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの接着力が不足し、薄膜化加工ができない。また、１０００℃を超えればスリップが発生する。貼り合わせ低温熱処理工程での好ましい加熱温度は、４００〜８００℃である。この範囲であれば、両ウェーハの接着強度も充分で、スリップが発生しないウェーハが得られる。
貼り合わせ低温熱処理の雰囲気ガスとしては、酸化性ガスまたは不活性ガス（例えばＯ_２、Ｎ_２、Ｏ_２＋Ｎ_２、Ａｒおよびこれらの２つ以上を混ぜた混合ガス）などを採用することができる。

貼り合わせ低温熱処理のウェーハ加熱時間は、０．５〜３時間である。０．５時間未満では支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの接着強度が不足する。また、３時間を超えれば、析出が増加する可能性がある。貼り合わせ低温熱処理の好ましい加熱時間は、０．５〜２時間である。この範囲であれば、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの接着強度が高く、高い生産性が得られる。
貼り合わせ低温熱処理工程では、後工程の活性層用ウェーハの薄膜化処理（研削、研磨など）中に、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとが剥離しない程度の貼り合わせ強度が得られればよい。

薄膜化工程では、活性層用ウェーハが厚さ５５μｍ以下の活性層となるまで薄膜化処理される。具体的には、研削、研磨、エッチングなどを採用することができる。活性層の厚さが５５μｍを超えれば、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの貼り合わせ界面に発生する内部応力を緩和できないので、スリップが発生する。活性層の好ましい厚さは３〜３０μｍである。

貼り合わせ高温熱処理工程とは、製品ウェーハに必要とされる貼り合わせ強度を得る熱処理である。
貼り合わせ高温熱処理工程での加熱温度が、１１５０℃未満では貼り合わせ強度が不足し、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの剥がれが発生する。貼り合わせ高温熱処理工程での好ましい加熱温度は、１１５０〜１２００℃である。この範囲であれば、接着強度が充分でかつスリップが発生しない。
貼り合わせ高温熱処理のウェーハ加熱時間は、１〜５時間である。１時間未満では支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの接着強度が不足する。また、５時間を超えれば、生産性の低下や汚染が問題となる。貼り合わせ低温熱処理の好ましい加熱時間は、２〜４時間である。

請求項１に記載の発明によれば、両方が単結晶シリコン製の支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを、厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜を介して室温で貼り合わせ、この貼り合わせウェーハに対する貼り合わせ熱処理を、活性層用ウェーハを５５μｍ以下の活性層とする薄膜化工程前の貼り合わせ低温熱処理（４００〜１０００℃）と、薄膜化工程後の貼り合わせ高温熱処理（１１５０℃以上）との２段階熱処理とした。その結果、シリコン酸化膜と単結晶シリコンとの熱膨張率の違いにより、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの貼り合わせ界面に生じる内部応力の影響が小さくなり、貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生を抑制することができる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１のフローシートに基づき、この発明の実施例１に係る貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を説明する。
まず、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶をウェーハ加工し、直径１５０ｍｍ、厚さ５５０μｍ、比抵抗１０Ω・ｃｍのシリコンウェーハを２枚準備する（図１（ａ））。両シリコンウェーハは、その表面（貼り合わせ面）が、公知のプロセスを経て鏡面研磨されている。そして、一方を活性層用ウェーハ１１、他方を支持基板用ウェーハ１２とする。

次に、支持基板用ウェーハ１２の露出面全域に、シリコン酸化膜１３を厚さ２μｍで形成する。シリコン酸化膜１３の形成方法は、熱酸化装置に支持基板用ウェーハ１２を挿入し、ここで酸素ガスの雰囲気で、１１５０℃、６〜７時間熱処理する。
次いで、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを、室温（２５℃）で貼り合わせる。このとき、活性層用ウェーハ１１の貼り合わせ面は単結晶シリコン、シリコン酸化膜１３付きの支持基板用ウェーハ１２の貼り合わせ面は酸化シリコンとなる。こうして、貼り合わせ界面に埋め込みシリコン酸化膜１４が介在された貼り合わせウェーハ２０が得られる（図１（ｂ））。

その後、貼り合わせウェーハ２０に貼り合わせ低温熱処理を施す（図１（ｃ））。この熱処理は、続く薄膜化工程（研削、研磨）で、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とが剥離しない程度の貼り合わせ強度を得る熱処理である。貼り合わせ低温熱処理の条件は、酸素ガス雰囲気、４００℃、２時間である。

それから、貼り合わせウェーハ２０の活性層用ウェーハ１１を薄膜化する（図１（ｄ）、図１（ｅ））。すなわち、外周研削装置により活性層用ウェーハ１１の面取り部を、支持基板用ウェーハ１２側に厚さ数μｍの削り残し部分を有して研削する。その後、この削り残し部分をエッチングにより除去する（図１（ｄ））。
次に、枚葉式の表面研削装置により貼り合わせウェーハ２０を、その活性層用ウェーハ１１側から、活性層用ウェーハ１１の残厚が５５μｍとなるまで研削および鏡面研磨する（図１（ｅ））。これにより、埋め込みシリコン酸化膜１４の表面側に、厚さ５５μｍの活性層（ＳＯＩ層）１５が形成される。この活性層１５がデバイス形成層となる。

続いて、貼り合わせウェーハ２０に貼り合わせ高温熱処理を施す（図１（ｆ））。これにより、製品である貼り合わせＳＯＩウェーハ１０に必要とされる貼り合わせ強度が得られる。貼り合わせ高温熱処理の条件は、酸素ガス雰囲気、１１５０℃、２時間である。
その後、酸化膜剥離し、それから５μｍの研磨量で仕上げ研磨を施す。これにより、貼り合わせＳＯＩウェーハ１０が作製される（図１（ｇ））。

このように、両方が単結晶シリコンからなる支持基板用ウェーハ１２と活性層用ウェーハ１１とを、厚さ２μｍのシリコン酸化膜１３を介して室温で貼り合わせ、この貼り合わせウェーハ２０に対する貼り合わせ熱処理として、薄膜化工程前の貼り合わせ低温熱処理（４００℃）と、薄膜化工程後の貼り合わせ高温熱処理（１１５０℃）との２段階熱処理方法を採用した。その結果、活性層は薄膜化することで弾性変形がしやすくなり、支持基板用ウェーハに沿って湾曲し易い。これにより、結合時に発生する応力が緩和される。その結果、熱膨張率の差を原因とした支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとの貼り合わせ界面に発生する内部応力の影響が小さくなる。よって、貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生を抑制することができる。
なお、シリコン酸化膜１３は、必ずしも支持基板用ウェーハ１２に形成する必要はなく、活性層用ウェーハ１１に形成してもよい。その形成条件は、支持基板用ウェーハ１１に形成する場合と同じであるので、説明を省略する。

次に、この発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法と従来法との比較試験を実際に行い、貼り合わせＳＯＩウェーハを製造したときの貼り合わせ熱処理に起因したスリップ発生の違いを報告する。

［使用材料］
（１）活性層用ウェーハ；
直径１５０ｍｍ、厚さ５５０〜６６５μｍ、比抵抗１０Ω・ｃｍのＣＺウェーハを使用した。ウェーハの露出面は単結晶シリコンである。
（２）支持基板用ウェーハ；
直径１５０ｍｍ、厚さ５５０〜６６５μｍ、比抵抗１０Ω・ｃｍのＣＺウェーハを使用した。
埋込酸化膜は、ウェーハを熱酸化装置に挿入し、酸素ガスの雰囲気で、露出面全域に所定シリコン酸化膜厚を形成する。

［評価方法］
（１）スリップ評価方法；
ＸＲＴ（Ｘ−ＲａｙＴｅｌｅｓｃｏｐｅ）による貼り合わせＳＯＩウェーハの全体観察である。

［比較例１〜６、試験例１〜７］
シリコンウェーハからなる支持基板用ウェーハにシリコン酸化膜を表１中の所定厚さで形成し、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを室温（２５℃）で貼り合わせた。その後、ＸＲＴによる貼り合わせウェーハのスリップ評価を行った。その結果、熱処理温度が１１５０℃の比較例１と１１００度の比較例４の貼り合わせウェーハは、ウェーハ全面にスリップが発生し（図４）、残りのものには、この段階でのスリップの発生はなかった（図２）。

次に、外周研削装置により貼り合わせウェーハの活性層用ウェーハの面取り部を、支持基板用ウェーハ側に若干の削り残し部分を有して研削した。その後、この削り残し部分をエッチングにより除去した。それから、枚葉式の表面研削装置を使用して貼り合わせウェーハを、その活性層用ウェーハ側から、活性層用ウェーハの残厚が１０数μｍになるまで研削した。さらに、枚葉式の研磨装置によりその研削面を、表１に記載された厚さの活性層が得られるまで鏡面研磨した。
その後、活性層付きの貼り合わせウェーハに貼り合わせ高温熱処理を行った。これにより、貼り合わせＳＯＩウェーハが得られた。貼り合わせ高温熱処理の条件としては、３％酸素と窒素の混合ガス雰囲気、表１に記載された熱処理温度、２時間とした。その後、再びＸＲＴによるスリップ評価を行った。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例１〜６ではウェーハ全面にスリップが発生しているか、ウェーハに部分的なスリップが発生またはコントラスとが薄くなっていた（図３、図４）。これに対して、試験例１〜７は何れもスリップは発生しなかった（図２）。

この発明の実施例１に係る貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法のフローシートである。発明の実施例１に係る貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法により得られたスリップが存在しない貼り合わせＳＯＩウェーハの平面図である。従来手段に係る貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法により得られた部分的なスリップが発生またはコントラスとが薄い貼り合わせＳＯＩウェーハの平面図である。従来手段に係る貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法により得られたウェーハ全面にスリップを有した貼り合わせＳＯＩウェーハの平面図である。

符号の説明

１０貼り合わせＳＯＩウェーハ、
１１活性層用ウェーハ、
１２支持基板用ウェーハ、
１３シリコン酸化膜、
１４埋め込みシリコン酸化膜、
２０貼り合わせウェーハ。

Claims

双方とも単結晶シリコン製で、かつ一方の貼り合わせ面には厚さ２μｍ以上のシリコン酸化膜が形成された支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを貼り合わせることで、埋め込みシリコン酸化膜を有した貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、
該貼り合わせ工程後、前記貼り合わせウェーハを４００〜１０００℃で熱処理し、その貼り合わせ強度を高める貼り合わせ低温熱処理工程と、
該貼り合わせ低温熱処理工程後、前記貼り合わせウェーハを前記活性層用ウェーハ側から薄膜化し、厚さ５５μｍ以下の活性層を形成する薄膜化工程と、
該薄膜化工程後、前記貼り合わせウェーハを１１５０℃以上で熱処理し、該薄膜化された貼り合わせウェーハの貼り合わせ強度をさらに高める貼り合わせ高温熱処理工程とを備えた貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。