JP2010153637A - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入剥離法で得られた貼り合わせウェーハのシリコン薄膜中のドーパント濃度の変化を抑制しながら平坦化熱処理を行う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を目的とする。
【解決手段】ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは酸化膜を介して貼り合わせた後、イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、ベースウェーハ上にシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製し、貼り合わせウェーハに水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせウェーハの製造方法において、平坦化熱処理の雰囲気中に、シリコン薄膜に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を行う貼り合わせウェーハの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入剥離法を用いたシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを製造する方法に関する。

貼り合わせウェーハ作製方法として、２枚のウェーハを貼り合せた後、一方のウェーハの薄膜化を研削・研磨で行う方法とイオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法とも呼ばれる。）が一般的に知られている。
まず、研削・研磨で行う方法であるが、これは、２枚のシリコンウェーハを直接あるいは酸化膜を介して接着剤を用いることなく結合し、熱処理（１０００〜１２００℃）により結合強度を高めた後、片方のウェーハを研削・研磨により薄膜化する方法である。本手法の利点は、薄膜化されたシリコンの結晶性や埋め込み酸化膜等の信頼性が通常のシリコンウェーハと同等であることであり、欠点は薄膜化されたシリコンの膜厚均一性に限界（高々±０．３μｍ程度）があること、および１枚の貼り合わせウェーハの製造には２枚のシリコンウェーハが使用されるため材料コストが高い点である。

一方、イオン注入剥離法は、２枚のシリコンウェーハの少なくとも一方のウェーハ（ボンドウェーハ）の一主面に水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類を注入し、ウェーハ内部にイオン注入層（剥離層）を形成させた後、該イオン注入した面と他方のシリコン単結晶ウェーハ（ベースウェーハ）の一主面を直接あるいは酸化膜を介して密着させ、その後５００℃以上の熱処理を加えて剥離する方法であり、±１０ｎｍ以下の膜厚均一性のシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを容易に作製できる優位性と、剥離したボンドウェーハを複数回再利用し材料コストの低減が図れる優位性を有している。

ところで、酸化膜を介して貼り合わせた場合のＳＯＩ層（シリコン薄膜）の膜厚が、数μｍから数１０μｍの厚膜ＳＯＩウェーハは、バイポーラデバイスやパワーデバイス用として極めて有用なウェーハであるが、低コストでかつ高品質のＳＯＩウェーハを作製することは、上述の研削・研磨で行う方法及びイオン注入剥離法を用いても比較的困難であることが知られている。

その理由は、ボンドウェーハの薄膜化を研削・研磨で行う方法の場合、酸化膜付ウェーハとベアウェーハを貼り合せ、１１００℃以上の接合熱処理を行い、研削および研磨処理して所望のＳＯＩ層厚さになるように造りこまなければならず、工程が複雑でかつＳＯＩ膜厚均一性を良くすることは極めて困難であること、一方、イオン注入剥離法の場合は、ＳＯＩ層の厚さはイオン注入できる深さ（すなわちイオン注入装置の加速電圧）で決まってしまい、一般的な注入装置の場合、最大加速電圧は２００ｋｅＶ程度であり、最大でも２μｍ程度のＳＯＩ層しか得ることができず、この方法で２μｍより厚い厚膜ＳＯＩ層は得られないということである。

このようなＳＯＩ層が厚い厚膜ＳＯＩウェーハを得る方法として、上述のイオン注入剥離法により得られたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層上にエピタキシャル層を成長させてＳＯＩ層を厚くする方法がある。しかし、イオン注入剥離法で得られた剥離直後のＳＯＩ層表面はラフネスが悪く（Ｐ−Ｖ値：〜５０ｎｍ）、そのような表面にエピタキシャル成長を行うとラフネスやパーティクルレベルの悪い粗悪なエピタキシャル層となってしまうために、何らかの工夫が必要である。

これに対して、研磨のみでラフネスを改善しようとすると、イオン注入剥離法で得られた膜厚均一性が悪化してしまう。一方、特許文献１では、ＳＯＩウェーハに水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行った後にエピタキシャル成長をさせる方法が記載されている。
しかし、この熱処理の処理条件によっては、ＳＯＩ層が予期しないドーパント濃度プロファイルとなり、デバイスの電気特性に影響を及ぼす欠点があった。また、このようなことは、イオン注入剥離法により作製される貼り合わせウェーハのシリコン薄膜全般に言えることであった。

特開２０００−３０９９５号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、イオン注入剥離法で得られた貼り合わせウェーハのシリコン薄膜中のドーパント濃度の変化を抑制しながら平坦化熱処理を行う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を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上にシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製し、該貼り合わせウェーハに水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせウェーハの製造方法において、前記平坦化熱処理の雰囲気中に、前記シリコン薄膜に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する（請求項１）。

このように、平坦化熱処理の雰囲気中に、シリコン薄膜に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を行うことにより、シリコン薄膜中のドーパントが熱処理時に外方拡散することを抑制することができる。そして、水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行うことにより、イオン注入法により得られたシリコン薄膜の高い膜厚均一性を保持しながら表面粗さを改善することができる。
以上より、本発明の製造方法であれば、所望のドーパント濃度であって、膜厚均一性が高く、平坦なシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを効率的に製造することができる。

このとき、前記シリコン薄膜に含まれるドーパント濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることが好ましい（請求項２）。
このような、シリコン薄膜に比較的高濃度でドーパントが含まれている場合に、ドーパント濃度の変化を抑制できる本発明の製造方法は特に好適である。

このとき、前記シリコン薄膜がｐ型の場合には、前記ドーパントガスとしてＢ_２Ｈ_６又はＢＣｌ_３を含むガスを添加し、前記シリコン薄膜がｎ型の場合には、前記ドーパントガスとしてＰＨ_３を含むガスを添加することができる（請求項３）。
このように、本発明の製造方法の平坦化熱処理時に添加するドーパントガスは、適宜選択することができる。

このとき、前記平坦化熱処理を行った貼り合わせウェーハのシリコン薄膜上に、シリコンエピタキシャル層を成長させることが好ましい（請求項４）。
このように、本発明の平坦化熱処理を行った貼り合わせウェーハのシリコン薄膜は高い膜厚均一性と所望のドーパント濃度を保持しながら表面が平坦にされているため、その表面上には欠陥の少ない高平坦度のエピタキシャル層を成長させることができ、さらには設計値どおりのドーパント濃度とすることができるため、高品質の厚膜のシリコン層を有する貼り合わせウェーハを製造することができる。

このとき、前記平坦化熱処理及び前記シリコンエピタキシャル層の成長を、同一の反応装置で連続的に行うことが好ましい（請求項５）。
シリコン薄膜と同一の導電型のエピタキシャル層を形成する場合には、平坦化熱処理とシリコンエピタキシャル成長を同一の反応装置で連続的に行うことで、より効率的に厚膜の貼り合わせウェーハを製造することができる。

このとき、前記平坦化熱処理及び前記シリコンエピタキシャル層の成長を、別々の反応装置で行うことが好ましい（請求項６）。
シリコン薄膜と異なる導電型のエピタキシャル層を形成する場合には、平坦化熱処理後ウェーハを一旦反応装置から取り出して、別の反応装置でエピタキシャル成長させることで、シリコンエピタキシャル層中に目的とするドーパント以外の不純物がより確実に混ざらないようにすることができるため、より高品質の厚膜のシリコン層を有する貼り合わせウェーハを得ることができる。

以上のように、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法によれば、貼り合わせウェーハのシリコン薄膜を所望のドーパント濃度に保持しながら膜厚均一性高く平坦化することができるため、エピタキシャル層を成長させて厚膜のシリコン層を形成するのに適した貼り合わせウェーハにすることができる。

貼り合わせウェーハの製造において、平坦化熱処理においてシリコン薄膜のドーパント濃度が変化してしまうという問題があった。
本発明者らは、このような問題に対し鋭意検討した結果、以下のようなことを見出した。
図２は、貼り合わせウェーハの製造工程のウェーハ中のドーパント濃度プロファイルを示す図である。

図２（Ａ）に示すように、ボロン高濃度基板をボンドウェーハ４０として、酸化膜形成熱処理を行う。ボンドウェーハ４０のドーパント（ボロン）が酸化膜４１に取り込まれるために、酸化膜４１中のボロン濃度は高濃度基板（ボンドウェーハ）４０と同等レベルになる。
次に、図２（Ｂ）に示すように、酸化膜４１が形成されたボンドウェーハ４０にイオン注入してイオン注入層４３を形成してからベースウェーハ４２と貼り合わせるが、室温貼り合わせなのでこの時点でもボロン濃度分布は変化しない。

次に、図２（Ｃ）に示すように、ボンドウェーハ４０の剥離を行い、ＳＯＩ層４４を形成するが、このときにも、剥離熱処理が比較的低温であるため、ボロン濃度プロファイルはほとんど変化しない。
次に、図２（Ｄ）に示すように、剥離後のＳＯＩ層４４表面のラフネスを改善するために、従来の方法で、高温の水素雰囲気あるいは塩化水素雰囲気で平坦化熱処理を行うと、平坦化のための熱処理は１０００℃以上を要するので、ＳＯＩ層４４中のボロンは外方拡散して、濃度プロファイルが変化してしまう。

これに対して、図２（Ｅ）に示すように、本発明者らは、剥離後のＳＯＩ層４４表面のラフネスを改善するために、高温の水素雰囲気あるいは塩化水素雰囲気にボロンを含むドーパントガスを添加して平坦化熱処理を行うと、ＳＯＩ層４４中のボロンの外方拡散が抑制されてドーパント濃度変化を極力防止できることを見出して、本発明を完成させた。

以下、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。

まず、図１（ａ）に示すように、ボンドウェーハ１０として、例えばボロン濃度が高濃度の基板と、ベースウェーハ２０として、ボロン濃度が低濃度の基板を準備する。このとき、図１ではボンドウェーハ１０にのみ酸化膜１２が形成されているが、酸化膜はベースウェーハ２０のみに形成されていてもよく、両ウェーハに形成されていてもよく、また両ウェーハに形成されていなくともよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、ボンドウェーハ１０の表面から水素ガスイオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層１１を形成する。
次に、図１（ｃ）に示すように、ボンドウェーハ１０のイオン注入した表面とベースウェーハ２０の表面とを酸化膜１２を介して貼り合わせる。このとき、酸化膜が形成されていない場合には、直接貼り合わせることもできる。
次に、図１（ｄ）に示すように、イオン注入層１１でボンドウェーハ１０を剥離させることにより、ベースウェーハ２０上にシリコン薄膜（ＳＯＩ層）３１を有する貼り合わせウェーハ３０を作製する。剥離させる方法としては、特に限定されないが、例えば不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で剥離熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集によってイオン注入層で剥離される。

このとき、シリコン薄膜３１に含まれるドーパント濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることが好ましい。
このような、シリコン薄膜に比較的高濃度でドーパントが含まれている場合に、ドーパント濃度変化を抑制できる本発明の製造方法は特に好適である。前工程で準備するボンドウェーハに含まれるドーパント濃度が上記値以上であれば、剥離されてシリコン薄膜となった状態でのドーパント濃度もほぼ上記値以上となる。

次に、剥離されたままのシリコン薄膜の表面は荒れているので、図１（ｅ）に示すように、水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行う。この際、本発明では、平坦化熱処理の雰囲気中に、シリコン薄膜３１に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を行う。
このように、前工程の剥離の際に荒れてしまったシリコン薄膜表面について、水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行うことにより、イオン注入法により得られたシリコン薄膜の高い膜厚均一性を保持しながら、シリコン原子のエッチングとマイグレーションの作用により表面粗さを改善することができる。そして、平坦化熱処理の雰囲気中に、シリコン薄膜に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を行うことにより、シリコン薄膜中のドーパントが高温熱処理時に外方拡散することを抑制することができるため、シリコン薄膜中のドーパント濃度の変化を防止することができる。

このとき、シリコン薄膜３１がｐ型の場合（ドーパントがボロン等）には、ドーパントガスとしてＢ_２Ｈ_６又はＢＣｌ_３を含むガスを添加し、シリコン薄膜３１がｎ型の場合（ドーパントがリン、アンチモン、ヒ素等）には、ドーパントガスとしてＰＨ_３を含むガスを添加することができる。
このように、本発明の製造方法の平坦化熱処理時に添加するドーパントガスは、適宜選択することができる。

この平坦化熱処理の温度としては、特に限定されないが、例えば１０００℃以上であれば、シリコン薄膜の平坦化を十分に行うことができ、また貼り合わせ面の接合強度も同時に高めることができるため好ましい。
また、平坦化熱処理の後にＣＭＰ（化学的機械研磨）で研磨して、シリコン薄膜表面をより平坦にすることもできる。この場合は、前工程の平坦化熱処理によりある程度平坦にされているため、少ない研磨代で十分に平坦化されるため、研磨により膜厚均一性をそれほど悪化させることもない。

次に、図１（ｆ）に示すように、平坦化熱処理を行った貼り合わせウェーハ３０のシリコン薄膜３１上にシリコンエピタキシャル層３２を成長させて、厚膜ＳＯＩ層３３とすることが好ましい。
このように、本発明の平坦化熱処理を行った貼り合わせウェーハのシリコン薄膜は高い膜厚均一性と所望のドーパント濃度を保持しながら表面が平坦にされているため、その上には欠陥の少ないエピタキシャル層を成長させることができ、さらには設計値どおりのドーパント濃度とすることができるため、高品質の厚膜シリコン層を有する貼り合わせウェーハを製造することができる。

このとき、シリコン薄膜３１とシリコンエピタキシャル層３２が同一の導電型の場合には、平坦化熱処理とシリコンエピタキシャル成長とを同一の反応装置で連続的に行うことが好ましく、またシリコン薄膜３１とシリコンエピタキシャル層３２が異なる導電型の場合には、平坦化熱処理とシリコンエピタキシャル成長とを別々の反応装置で行うことが好ましい。
同一の反応装置で連続的に行えば、さらに効率良く製造することができ、導電型が異なる場合には別々の反応装置の方が、異なる導電型の不純物汚染等によるコンペンセイトの心配も少なく、より高品質の貼り合わせウェーハを製造することができる。

以上のように、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法によれば、貼り合わせウェーハのシリコン薄膜を所望のドーパント濃度に保持しながら膜厚均一性高く平坦化することができ、その上に欠陥の少ない高平坦度で良質なエピタキシャル層を成長させて厚膜のシリコン層を形成することができるため、厚膜ＳＯＩウェーハの製造に好適である。

以下、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、比較例）
ボンドウェーハおよびベースウェーハとして、直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウェーハ（Ｂ濃度：５×１０^１８／ｃｍ^３）を用意し、ボンドウェーハの表面に１５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次にそのシリコン酸化膜を介してＨ＋イオン注入（５０ｋｅＶ、５×１０^１６／ｃｍ^２）を行い、ベースウェーハと室温で貼り合せた後、剥離温度５００℃で剥離し、ＳＯＩウェーハを作製した。

この剥離ＳＯＩウェーハを枚葉式エピタキシャル装置を用いて、下記条件にて平坦化熱処理を行った。
１．圧力：常圧（１０１３ｈＰａ（７６０ｔｏｒｒ））
２．温度：１０５０℃
３．Ｈ_２：８０ｓｌｍ、ＨＣｌ：４００ｓｃｃｍ、Ｂ_２Ｈ_６（１００ｐｐｍ）：１５０ｓｃｃｍ（有り（実施例）、無し（比較例））
４．時間：１０分間

その後、このウェーハを炉外に取り出すことなく、連続してＳＯＩ層の上に下記条件にて、３μｍのシリコンエピタキシャル成長を行い、厚膜ＳＯＩウェーハを作製した。
１．圧力：減圧（１０７ｈＰａ（８０ｔｏｒｒ））
２．温度：１０８０℃
３．Ｈ_２：４０ｓｌｍ、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２：４５０ｓｃｃｍ

図３は、上述のプロセスを行い完成した厚膜ＳＯＩウェーハの埋め込み（ＢＯＸ）酸化膜付近のボロン濃度プロファイルのＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）による測定結果を示したものである。図３（Ａ）は、塩化水素ガスを含む熱処理においてドーパントガス（Ｂ_２Ｈ_６）を添加しなかった場合（比較例）であり、図３（Ｂ）はドーパントガス（Ｂ_２Ｈ_６）を添加した場合（実施例）を示している。

ドーパントガスを添加しなかった場合は、エピタキシャル成長前のＳＯＩ層のＢ濃度が外方拡散によって低下していることがわかる。一方、ドーパントガスを添加したものは、添加しなかったものと比べて外方拡散が抑制されて、ほぼ初期のボロン濃度を維持していることがわかった。この、外方拡散による濃度低下は処理温度が高いほど、また時間が長いほど顕著であり、熱処理条件によってはＳＯＩ層のドーパント濃度が使用した基板の値と大きく異なってしまう可能性がある。熱処理と同時にドーパントガスを流すことによって、ＳＯＩ層中のドーパントの外方拡散が抑制でき、熱処理条件のマージンが向上し、設計値どおりのドーパント濃度プロファイルを有する厚膜ＳＯＩウェーハを製造することができる。
尚、エピタキシャル層のＢ濃度が漸減しているのは、シリコンエピタキシャル成長においてボロンをドープしなかったためである。

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、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。

本発明の製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。 貼り合わせウェーハの製造におけるウェーハ中のドーパント濃度プロファイルを示す概略図である。 実施例、比較例で製造したウェーハ中のドーパント濃度分布を示すグラフである。

符号の説明

１０、４０…ボンドウェーハ、 １１、４３…イオン注入層、
１２、４１…酸化膜、 ２０、４２…ベースウェーハ、
３０…貼り合わせウェーハ、 ３１、４４…シリコン薄膜（ＳＯＩ層）、
３２…シリコンエピタキシャル層、 ３３…厚膜ＳＯＩ層。

Claims (6)

1. ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上にシリコン薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製し、該貼り合わせウェーハに水素もしくは塩化水素を含む雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせウェーハの製造方法において、
   前記平坦化熱処理の雰囲気中に、前記シリコン薄膜に含まれるドーパントと同一の導電型のドーパントガスを添加して熱処理を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. 前記シリコン薄膜に含まれるドーパント濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記シリコン薄膜がｐ型の場合には、前記ドーパントガスとしてＢ_２Ｈ_６又はＢＣｌ_３を含むガスを添加し、前記シリコン薄膜がｎ型の場合には、前記ドーパントガスとしてＰＨ_３を含むガスを添加することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記平坦化熱処理を行った貼り合わせウェーハのシリコン薄膜上に、シリコンエピタキシャル層を成長させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
5. 前記平坦化熱処理及び前記シリコンエピタキシャル層の成長を、同一の反応装置で連続的に行うことを特徴とする請求項４に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
6. 前記平坦化熱処理及び前記シリコンエピタキシャル層の成長を、別々の反応装置で行うことを特徴とする請求項４に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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