JP2010135538A

JP2010135538A - 貼り合わせウェーハの製造方法

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Publication number: JP2010135538A
Application number: JP2008309508A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Okuda; 秀彦奥田
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-06-17
Also published as: US20100144131A1

Abstract

【課題】本発明の目的は、ストップ層としての酸素イオン注入層を、短時間で除去し、優れた活性層の膜厚均一性を確保できる貼り合わせウェーハの製造方法、及び、その製造方法によって製造された活性層の膜厚均一性が高い貼り合わせウェーハを提供することにある。
【解決手段】酸素イオン注入層を形成する工程（図１(ａ)）と、ウェーハ複合体を形成する工程（図１(ｂ)）と、前記酸素イオン注入層を露出させる工程（図１(ｃ)）と、活性層を得る工程（図１(ｄ)）とを具え、前記酸素イオン注入層の除去工程（図１(ｃ)）は、前記露出した酸素イオン注入層を第１HF処理した後、所定の酸化熱処理、及び、第２HF処理を順次行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、貼り合わせウェーハの製造方法、特に、活性層用ウェーハに研磨及びエッチングのストップ層としての酸素イオン注入層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とは、通常、貼り合わせSOIウェーハのことをいい、例えば、非特許文献１に示されているように、支持基板用ウェーハ上に、酸化させた活性層用ウェーハを貼り合わせた後、この活性層用ウェーハ側表面を研削研磨により所定の厚さに薄膜化する方法や、特許文献１に示すように、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、剥離により支持基板用ウェーハに貼り合わされた状態で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、イオン注入分離法、いわゆるスマートカット（Smart Cut（登録商標））法が挙げられる。

上記のようなシリコンウェーハでは、活性層の膜厚を薄くすると共に、その膜厚均一性を高めることが重要であると考えられ、本発明者らも、活性層の薄厚化及び膜厚均一性の要件を満足する貼り合わせウェーハ製造技術を、特許文献１において開示している。活性層用ウェーハに酸素イオンを注入して、活性層内に酸素イオン注入層を形成する工程、活性層用ウェーハに対し、非酸化性雰囲気中にて1100℃以上の温度で熱処理を施す工程、活性層用ウェーハと支持層用ウェーハとを貼り合わせる工程、貼り合わせ強度を向上させるための熱処理工程、貼り合わせウェーハの活性層用ウェーハ部分を、酸素イオン注入層の手前まで研削する工程、活性層用ウェーハをさらに研磨またはエッチングして、酸素イオン注入層を露出させる工程、貼り合わせウェーハを酸化熱処理して酸素イオン注入層の露出面に酸化膜を形成する工程、この酸化膜を除去する工程、および非酸化性雰囲気中にて1100℃以下の温度で熱処理を施す工程の時系列的結合になることを特徴とする製造方法であり、これによって、前記酸素イオン注入層が研磨及びエッチングのストップ層としての役目を果たす結果、活性層がエッチングされることなく、膜厚均一性の高い活性層を得ることができる。

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、研磨及びエッチングが原因の活性層の膜厚均一性確保については一定の効果を有するものの、前記酸素イオン注入層は、SiO₂及びSiの混層となっていることから、酸素イオン注入層の露出面に酸化膜を形成する工程で前記酸素イオン注入層が過度に酸化される結果、HF等を用いて酸化した酸素イオン注入層を除去した（特許文献１の酸化膜除去工程）後の活性層の膜厚均一性が悪化する恐れがあった。この活性層の膜厚均一性の悪化は、トランジスタの電気的特性に悪影響を及ぼすことから、改善が望まれており、さらに、前記酸素イオン注入層の除去に要する時間の短縮化についても望まれていた。
ＵＣＳ半導体基盤技術研究会編集、「シリコンの科学」、株式会社リアライズ社、1996年6月28日、p459−462 国際公開第2005／074033号公報

本発明の課題は、研磨及びエッチングのストップ層としての酸素イオン注入層を、短時間で除去し、優れた活性層の膜厚均一性を確保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。

本発明者らは、上記の課題を解決するため検討を行い、酸素イオン注入層はSiO₂とSiとの混層であり、従来の方法では酸化熱処理工程では均一に酸化熱処理することが困難であることに着目した。そして、さらに鋭意研究を重ねた結果、露出した酸素イオン注入層を除去する工程において、従来の酸化熱処理及びHF処理に先立って、前記露出した酸素イオン注入層に対してHF処理（第１HF処理）を施すことにより、前記酸素イオン注入層中のSiO₂部分が優先的に除去され、ポーラス形状の酸素イオン注入層となる結果、その後の酸化熱処理及びHF処理（第２HF処理）によって、前記酸素イオン注入層を従来よりも短時間で除去できるとともに、前記酸素イオン注入層が過度に酸化・除去されることがないため、優れた活性層の膜厚均一性を確保できる貼り合わせウェーハが得られることを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）活性層用ウェーハの表面から酸素イオンを注入し、前記活性層用ウェーハ内の所定位置に酸素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又は絶縁層を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせて、ウェーハ複合体を形成する工程と、該ウェーハ複合体の活性層用ウェーハ側部分を、所定の方法によって除去して前記酸素イオン注入層を露出させる工程と、露出した酸素イオン注入層を除去して所定膜厚の活性層を得る工程とを具える貼り合わせウェーハの製造方法であって、前記露出した酸素イオン注入層の除去工程は、前記露出した酸素イオン注入層を第１HF処理した後、所定の酸化熱処理、及び、第２HF処理を順次行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

（２）前記第１HF処理に用いるHF溶液の濃度が1〜50質量％の範囲であり、処理時間が60分以内である上記（１）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（３）前記酸化熱処理は、その処理温度が700〜1000℃の範囲であり、処理時間が60分以内である上記（１）又は（２）記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の方法により製造された、活性層の膜厚均一性が5〜10％の範囲である貼り合わせウェーハ。

この発明によれば、ストップ層としての酸素イオン注入層を、短時間で除去し、優れた活性層の膜厚均一性を確保できる貼り合わせウェーハの製造方法、及び、その製造方法によって製造された活性層の膜厚均一性が高い貼り合わせウェーハの提供が可能になった。

本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１は、本発明に従う貼り合わせウェーハの製造方法の各工程を説明するためのフロー図である。

本発明による貼り合わせウェーハの製造方法は、活性層用ウェーハ１の表面から酸素イオンを注入し、前記活性層用ウェーハ１内の所定位置に酸素イオン注入層２を形成する工程（図１(ａ)）と、前記活性層用ウェーハ１を直接又は絶縁層を介して支持基板用ウェーハ３に貼り合わせて、ウェーハ複合体４を形成する工程（図１(ｂ)）と、前記ウェーハ複合体４の活性層用ウェーハ側部分１０を、所定の方法によって除去して前記酸素イオン注入層２を露出させる工程（図１(ｃ)）と、露出した酸素イオン注入層２を除去して所定膜厚の活性層１１を得る工程（図１(ｄ)）とを有する。
なお、図１(ａ)〜(ｄ)等では、説明の便宜上、酸素イオン注入層２の存在を明確にするため、活性層用ウェーハ１中に誇張して厚くした状態で、活性層用ウェーハ１の中心部よりに位置するよう示しており、さらに、活性層１１の存在を明確にするため、活性層１１の厚さを誇張して厚くした状態で示しているが、実際には、酸素イオンを注入層２及び活性層１１は、活性層用ウェーハ１と支持基板用ウェーハ３との貼り合わせ界面の近傍に、図示できない程度に薄く存在している。

（酸素イオン注入層の形成工程）
本発明による酸素イオン注入層の形成工程（図１(ａ)）は、活性層用ウェーハ１の表面から酸素イオンを注入し、前記活性層用ウェーハ内の所定位置に酸素イオン注入層２を形成する工程である。この酸素イオン注入層２は、その後の活性層用ウェーハを薄膜化する工程（図１(ｃ)）において、ストップ層としての役目を果たすものである。

前記活性層用ウェーハ１内の、酸素イオン注入層を形成する位置と、それに伴う酸素イオンの注入加速電圧及びドーズ量は、特に限定がされることはなく、活性層１１の目標膜厚に応じて適宜選択すればよい。好ましくは、注入加速電圧：100〜300keV、酸素ドーズ量：5.0×10¹⁶〜5.0×10¹⁷atoms/cm²の範囲である。

また、前記酸素イオン注入層２は、その酸素濃度ピークが1.0×10²² atoms／cm²以上であることが好ましい。前記酸素イオン注入層の酸素イオンは、その後の熱処理工程（図示せず）において、活性層用ウェーハ１のSiと反応してSiO₂粒子となるが、酸素濃度ピークが1.0×10²²atoms／cm²未満の場合、SiO₂粒子が少ないため、SiO₂粒子同士の間隔が広くなり、隙間が生じる結果、研磨及びエッチングのストップ層として機能しない箇所が発生するからである。

さらに、酸素イオン注入工程は、活性層用ウェーハ１の表面から酸素イオンを注入し、前記活性層用ウェーハ内の所定位置に酸素イオン注入層２を形成した後、水素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中にて1100℃以上の温度で熱処理を施すことが好ましい。この熱処理によって、酸素イオン注入層２の形態が比較的連続な状態となり、研磨及びエッチングのストップ層としての機能を高めることができるからである。
また、熱処理温度を1100℃以上とするのは、1100℃に満たないと、十分な連続性をもった酸素イオン注入層が形成されず、熱処理を行わない場合と同様の結果しか得られない傾向がある。なお、熱処理温度の上限は、特に限定はされないが、スリップ転位発生の点から1250℃以下とするのが好ましい。

（ウェーハ複合体の形成工程）
本発明によるウェーハ複合体の形成工程（図１(ｂ)）は、前記活性層用ウェーハ１を直接又は絶縁層を介して支持基板用ウェーハ３に貼り合わせる工程である。本発明によるウェーハ複合体４は、絶縁膜を介して貼り合わせたものと、酸化膜を介さず直接貼り合わせた場合の両方を想定しており、貼り合わせ方法や条件については特に限定せず、一般的に用いられる方法・条件で貼り合わせを行えばよい。

また、前記貼り合わせ工程（図１(ｂ)）後、必要に応じて、前記貼り合わせたウェーハ４に、貼り合わせ強度を向上させるための熱処理工程（図示せず）を行うことができる。この熱処理工程については、雰囲気ガスは特に限定することはないが、処理温度および時間に関しては1100℃で60分以上程度行うことが好ましい。1100℃未満では貼り合わせ界面の反応が促進しにくく十分な貼り合わせ強度が得られない恐れがあるからであり、60分未満の場合も同様に、十分な貼り合わせ強度が得られない恐れがあるためである。なお、上限温度は、シリコンが溶融しない1350℃程度でも可能であるが、スリップ転移が発生する危険性が高くなるため、1100〜1200℃程度がより好適である。

（酸素イオン注入層露出工程）
本発明による酸素イオン注入層露出工程（図１(ｃ)）は、前記ウェーハ複合体４の活性層用ウェーハ側部分１０を、所定の方法によって薄膜化した後、除去して前記酸素イオン注入層２を露出させる工程である。

前記活性層用ウェーハ側部分１０の薄膜化は、前記貼り合わせたウェーハ４の活性層用ウェーハ部分１０を、前記酸素イオン注入層２が露出しない所定位置まで、所定の方法によって除去する工程である。
前記活性層用ウェーハ側部分１０を薄膜化する方法としては、特に限定はなく、例えば、研削による除去であっても、イオン注入分離法等の剥離による除去であっても構わない。また、前記酸素イオン注入層２が露出しない所定位置とは、前記酸素イオン注入層２が露出する手前位置であれば特に限定はないが、前記酸素イオン注入層２から5〜15μm程度上側に位置することが好ましい。10μm以上では、残存する活性層用ウェーハ側部分１０が厚すぎるため、その後のエッチングによる活性層露出工程に要する時間が長くなるためであり、5μm未満では、研削等の誤差により、酸素イオン注入層２へ達する恐れがあるからである。

上記のように、活性層用ウェーハ側部分１０を薄膜化した後、研磨によって、前記酸素イオン注入層２を露出させる（図１(ｃ)）。研磨方法については、特に限定はされず、例えば、一般的な研磨装置を用いて、シリカを含有する研磨剤を供給しながら研磨を行うことができる。研磨材の種類についても特に限定はしないが、例えば、砥粒濃度が1質量％以下であるアルカリ性溶液（アミンを主成分としたもの等）を用いることができる。アルカリ性溶液による化学的な研磨作用により、前記アルカリ性溶液は、SiとSiO₂とのエッチングレートの差が大きく、前記酸素イオン注入層２０をほとんど研磨することなく、残存する活性層用ウェーハ側部分１０のみを研磨除去することができるためである。
また、研磨に代えて、エッチングによって前記酸素イオン注入層２を露出させることも可能である。エッチング条件は効率的に前記活性層用ウェーハ側部分１０を除去できれば、特に限定はされないが、例えば、SiとSiO₂とのエッチングレートの差が大きなエッチング液（KOHを溶かしたアルカリ性エッチング液など）に、薄膜化後の前記ウェーハ複合体４を浸漬させることでエッチングすることができる。

（酸素イオン注入層除去工程）
本発明による酸素イオン注入層除去工程（図１(ｄ)）は、露出した前記酸素イオン注入層２を除去して所定膜厚の活性層１１を得る工程である。そして、この酸素イオン注入層２の除去工程は、前記露出した酸素イオン注入層２を第１HF処理した後、所定の酸化熱処理、及び、第２HF処理を順次行うことを特徴とする。酸素イオン注入層２を、短時間で除去し、優れた活性層１１の膜厚均一性を確保するためである。

ここで、図２は、本発明による酸素イオン注入層除去工程（図１(ｄ)）の第１HF処理を説明するためのフロー図であり、(ａ)が第１HF処理前、(ｂ)が第１HF処理後のウェーハ複合体４の状態を示したものである。図２(ａ)及び(ｂ)に示すように、酸化熱処理の前段階として、前記露出した酸素イオン注入層２に対してHF処理（第１HF処理）を施すことにより、前記酸素イオン注入層中の一部が除去されたポーラス形状の酸素イオン注入層２´となることがわかる。具体的には、前記酸素イオン注入層２はSi及びSiO₂成分の混層であり、第１HF処理に用いられるHF溶液では、エッチングレートの差によりSiO₂が優先的に除去されるため、主としてSi成分が残存したポーラス状の酸素イオン注入層２´になると考えられる。

その後、前記ポーラス状の酸素イオン注入層２´に対して、酸化熱処理及び第２HF処理を行えば、従来の製造方法に比べて、酸素イオン注入層２´全体を効率よく酸化し、第２HF処理によって短時間で除去することが可能となるため、短い処理時間で、優れた活性層１１の膜厚均一性を確保できる。

なお、前記第１HF処理及び第２HF処理とは、具体的には、所定のHF溶液に前記酸素イオン注入層２、２´を浸漬させる処理のことである。また、前記第１HF処理は、HF溶液の濃度が1〜50質量％の範囲であり、前記第１HF処理時間が60分以内であることが好ましい。前記HF溶液の濃度が1質量％未満では、前記イオン注入層２をポーラス状にする効果が得られず、一方、濃度が50質量％を超えると、活性層までHF溶液が浸入し、面荒れが発生する恐れがあるためであり、通常、10〜20質量％程度のHF溶液が用いられる。前記第１HF処理時間を60分以内としたのは、60分を超えると、活性層の面荒れの恐れがあることに加えて、第１HF処理は従来の製造方法にはなかった処理であるため、処理時間が長くなるほど製造時間が増加し、製造コストが高騰するためである。

また、前記酸加熱処理とは、その名の通り、前記酸素イオン注入層２´を熱酸化する処理のことであり、SiO2に対するHF溶液のエッチングレートがSiに対するそれよりも大きいため、前記酸素イオン注入層を選択的に除去できる。そして、本発明では上述の第１HF処理によって前記酸素イオン注入層２´が空隙の多いポーラス状となるため、従来４時間程度要していた酸化熱処理の時間を短縮することが可能となる。さらに、前記酸化熱処理は、その処理温度が700〜1000℃の範囲であり、処理時間が60分以内であることが好ましい。処理温度が700℃未満の場合、前記酸素イオン注入層２´を十分に酸化させることができない恐れがあり、一方、1000℃を超えると、前記酸素イオン注入層２´及びその近傍に存在する欠陥又は転位が成長する恐れがあるためである。また、前記処理時間は60分を超えると、過度な酸化によって、活性層の膜厚均一性が悪化する恐れがあることに加えて、本発明の特徴の１つである短時間で処理できるという点から、15分以内の処理時間とすることがより好適である。

その結果、本発明の製造方法（図１(ａ)〜(ｄ)）によって、その活性層１１の膜厚均一性が5〜10％の範囲である貼り合わせウェーハ５を得ることができる。従来の製造法では、活性層の膜厚均一性が悪化し、20％程度になることもあったため、本発明の製造方法によれば、大幅な膜厚均一性の改善が図られる。なお、本発明における膜厚均一性（％）は、膜厚の均一性がわかる方法であれば特に限定はしないが、例えば、分光エリプソメーターを用いて、活性層中の任意の１２１箇所について膜厚を測定し、測定した膜厚の平均値からのバラツキを算出することで得ることができる。

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。

（実施例１）
図１に示すように、直径：300mmのＰ型（１００）シリコンウェーハを２枚準備し、活性層用シリコンウェーハ１の表面から、加速電圧：200keV、200〜600℃、ドーズ量：3.0×10¹⁷atoms／cm²の条件と、加速電圧：200keV、300℃以下、5.0×10¹⁵atoms／cm²の条件で２回酸素イオンを注入した。その結果、活性層用ウェーハ１の表面から約400nmの深さ位置に酸素イオン注入層２が形成された（図１(ａ)）。ついで、活性層用ウェーハ１及び支持基板用ウェーハ３をＨＦ・オゾン溶液で洗浄して貼り合わせる面のパーティクルを除去した後、直接貼り合わせてウェーハ複合体４を形成した（図１(ｂ)）。その後、貼り合わせ界面を強固に結合するため、酸化性ガス雰囲気中で1100℃、２時間の熱処理を行った（図示せず）。
次に、研削装置を用いて、活性層用ウェーハ側部分１０の薄膜化を行い、その後、片面ミラーポリッシュ機によって研磨を施し、前記酸素イオン注入層２の全面を露出させた（図１(ｃ)）。
その後、前記露出した酸素イオン注入層２を、10質量％のHF溶液に20分間浸漬させることで（第１HF処）、ポーラス状の酸素イオン注入層２´とした後、酸化熱処理（850℃、15分）、及び、前記酸素イオン注入層２´を10質量％のHF溶液に10分間浸漬させる処理（第２HF処理）を順次行うことで、酸素イオン注入層２の除去を行い、サンプルとなる貼り合わせウェーハ５を得た（図１(ｄ)）。

（実施例２）
実施例２は、第１HF処理の条件として、1質量％のHF溶液に20分間浸漬させたこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（実施例３）
実施例３は、第１HF処理の条件として、1質量％のHF溶液に60分間浸漬させたこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（実施例４）
実施例４は、第１HF処理の条件として、50質量％のHF溶液に20分間浸漬させたこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（比較例１）
比較例１は、前記ウェーハ複合体４に対して、第１HF処理を行うことなく、酸化熱処理（850℃、15分）、及び、10質量％のHF溶液に10分間浸漬させる処理（第２HF処理）を行ったこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（比較例２）
比較例２は、前記ウェーハ複合体４に対して、第１HF処理を行うことなく、酸化熱処理（850℃、120分）、及び、10質量％のHF溶液に10分間浸漬させる処理（第２HF処理）を行ったこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（比較例３）
比較例３は、前記ウェーハ複合体４に対して、第１HF処理を行うことなく、酸化熱処理（850℃、270分）、及び、10質量％のHF溶液に10分間浸漬させる処理（第２HF処理）を行ったこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（比較例４）
比較例４は、前記ウェーハ複合体４に対して、第１HF処理を行うことなく、酸化熱処理（850℃、540分）、及び、10質量％のHF溶液に10分間浸漬させる処理（第２HF処理）を行ったこと以外は、実施例１と同様の工程によりサンプルとなる貼り合わせウェーハを得た。

（評価方法）
（１）活性層の膜厚均一性
実施例及び各比較例で得られたサンプルについて、所望の活性層厚さまで減膜化処理を行いし、その後、分光エリプソメーターを用いて活性層中の１２１箇所について膜厚（nm）を測定してその平均を算出し、平均膜厚からの各測定箇所のバラツキを算出することで、活性層の膜厚均一性を得た。結果を表１に示す。

（２）活性層の欠陥密度
実施例及び各比較例で得られたサンプルについて、50質量％HF溶液に30分間浸漬し、任意の10箇所について、1cm²あたりの欠陥の数を計測し、10箇所の数値を平均することによって、活性層の欠陥密度（個／cm²）を得た。結果を表１に示す。

表１の結果から、実施例１については、比較例１〜４に比べて、活性層の膜厚均一性及び欠陥密度のいずれについても優れていることがわかった。また、実施例１については、酸化熱処理時間についても、15分で十分な効果が得られていることがわかった。

本発明に従う貼り合わせウェーハの製造工程を説明するためのフロー図である。本発明の第１HF処理を説明するための図であり、(ａ)は第１HF処理前のウェーハ複合体の状態、(ｂ)は第１HF処理後のウェーハ複合体の状態を示す。

符号の説明

１活性層用ウェーハ
２酸素イオン注入層
３支持基板用ウェーハ
４ウェーハ複合体
５貼り合わせウェーハ
１０活性層用ウェーハ側部分
１１活性層

Claims

活性層用ウェーハの表面から酸素イオンを注入し、前記活性層用ウェーハ内の所定位置に酸素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又は絶縁層を介して支持基板用ウェーハに貼り合わせて、ウェーハ複合体を形成する工程と、該ウェーハ複合体の活性層用ウェーハ側部分を、所定の方法によって除去して前記酸素イオン注入層を露出させる工程と、露出した酸素イオン注入層を除去して所定膜厚の活性層を得る工程とを具える貼り合わせウェーハの製造方法であって、
前記露出した酸素イオン注入層の除去工程は、前記露出した酸素イオン注入層を第１HF処理した後、所定の酸化熱処理、及び、第２HF処理を順次行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
前記第１HF処理に用いるHF溶液の濃度が1〜50質量％の範囲であり、処理時間が60分以内である請求項１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
前記酸化熱処理は、その処理温度が700〜1000℃の範囲であり、処理時間が60分以内である請求項１又は２記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法により製造された、活性層の膜厚均一性が5〜10％の範囲である貼り合わせウェーハ。