JP2010263038A - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ドナー基板3の表面からイオンを注入してイオン注入界面5を形成する工程と、前記ドナー基板3のイオン注入を行った前記表面に、前記ドナー基板3より大きい熱膨張率を有するハンドル基板7を貼り合わせて貼り合わせ基板を作成する工程と、前記貼り合わせ基板に熱処理を行い接合体1を得る工程と、前記接合体1を冷却装置20により室温以下の温度に冷却して前記接合体1のドナー基板3を前記イオン注入界面において剥離してドナー薄膜を前記ハンドル基板7上に転写する剥離工程とを少なくとも含んでなる貼り合わせウェーハの製造方法である。
【選択図】 図1
Description
一つはSOITEC法であり、室温で予め水素イオン注入を施したシリコン基板(ドナー基板)と支持基板となる基板(ハンドル基板)を貼り合わせ、高温(500℃付近)で熱処理を施しイオン注入界面でマイクロキャビティと呼ばれる微小な気泡を多数発生させ剥離を行いシリコン薄膜をハンドル基板に転写するというものである。
SOITEC法においては貼り合わせ後に水素イオン注入界面での熱剥離のための高温の熱処理(〜500℃)が入るために、上記の様な異種基板を貼り合わせる場合においては熱膨張係数の大きな差により基板が割れてしまうという欠点があった。また、SiGen法においては、表面活性化処理により貼り合わせた時点でSOITEC法と比較し高い結合強度を有し、250〜350℃程度の比較的低温の熱処理で高い結合強度が得られる。しかし、室温で貼り合わせた基板はこの温度域まで昇温すると両基板の熱膨張率の違いから貼り合わせ基板が破損もしくは未転写部発生等の欠陥が入ることが本発明に至る実験の経過で明らかとなった。一方イオン注入界面を脆化するためには相応の熱処理が必要であり、150〜350℃の熱処理を回避することは望ましくない。
ハンドル基板の材質は、熱膨張率がドナー基板よりも小さいもの、なかでも、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、および、窒化ガリウムから選ばれる1種類であることが好ましい。本発明においては、ハンドル基板の厚さは、特に限定されないが、通常のSEMI/JEIDA規格近傍のものがハンドリングの関係から扱いやすい。
イオン注入層は、ドナー基板中に形成する。この際、その表面から所望の深さにイオン注入層を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオン(H+)または水素分子イオン(H2 +)を注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは50〜100keVとできる。
イオン注入深さは、所望のドナー薄膜の厚さによるが、通常、50nm〜2000nmとすることができる。
注入イオンとして水素分子イオン(H2 +)を用いる場合、そのドーズ量は5.0×1015atoms/cm2〜5.0×1016atoms/cm2であることが好ましい。5.0×1015atoms/cm2未満であると、界面の脆化が起こらない場合があり、5.0×1016atoms/cm2を超えると、貼り合わせ後の熱処理中に気泡となり転写不良となる場合がある。
また、ドナー基板の表面にあらかじめ50nm〜500nm程度のドナー基板の酸化膜等の絶縁膜を形成しておき、それを通して水素イオンまたは水素分子イオンの注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。
オゾンで処理をする場合は、大気を導入したチャンバ中にRCA洗浄等の洗浄をしたドナー基板及び/又はハンドル基板を載置し、UVランプにて照射を行って大気中の酸素をオゾンに変換することで、表面をオゾン処理する。
HFで処理をする場合は、たとえばHF20%溶液にRCA洗浄等の洗浄をしたドナー基板および/又はハンドル基板を浸漬し、表面の酸化物をエッチングすることによって行う。
プラズマで処理をする場合、真空チャンバ中にRCA洗浄等の洗浄をしたドナー基板及び/又はハンドル基板を載置し、プラズマ用ガスを減圧下で導入した後、100W程度の高周波プラズマに5〜10秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、ドナー基板を処理する場合、表面を酸化する場合には酸素ガスのプラズマ、酸化しない場合には水素ガス、アルゴンガス、又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を用いることができる。ハンドル基板を処理する場合はいずれのガスでもよい。
プラズマで処理することにより、ドナー基板及び/又はハンドル基板の表面の有機物が酸化して除去され、さらに表面のOH基が増加し、活性化する。処理はドナー基板のイオン注入した表面、および、ハンドル基板の貼り合わせ面の両方について行うのがより好ましいが、いずれか一方だけ行ってもよい。
オゾン処理、HF処理、プラズマ処理等はどれか一つでも良いし、複合させた処理を行ってもかまわない。
ドナー基板の表面活性化処理を行う表面は、イオン注入を行った表面であることが好ましい。
熱処理時間としては、温度にもある程度依存するが5時間〜10時間が好ましい。
図1に貼り合わせ基板1とその冷却手段20との関係を示す。室温以下の温度への冷却は、前記貼り合わせ基板1を断熱容器40に収容されたアルミニウムブロック30に載せ、該ブロック30の周囲をドライアイス50で冷却することにより行うことができる。この方法によれば、アルミニウムブロック30は熱伝導が良好であり、素早く対象物を冷却できるし、ドライアイス50も安価で手に入れることができるという利点がある。
また、室温以下の温度への冷却方法としては、上記以外にも液体窒素を用いても良いし、所望の温度まで冷却したエアー等のジェットを吹き付けるといった方法により冷却することができる。
また、アルミニウムブロック30の周囲は冷却効率を高めるために断熱材31を用いて断熱することが望ましい。この際にはアルミニウムブロック30の底面からの熱伝導による冷却となる。
上記ブロック30の下部は冷却フィン状に加工していると冷却を促進する観点で一層良好である。
前記剥離は、貼り合わせ界面にたとえば1MPa以上5MPa以下のウェーハを破損させないような圧力を適宜選択し、ガスや液体等の流体のジェットを吹き付けながらドナー基板3とハンドル基板7とを反対方向に互いに引っ張ることにより行うことができる。1MPa未満であると、ウェーハが剥離しない状態となる場合がある。
反対方向に互いに引っ張る手法としては、たとえば、貼り合わせ基板のハンドル基板側7を真空チャック、静電チャック、吸引治具の接着等の基板を吸引保持する図示しない手段を用いて保持しておいて、ドナー基板3側の面のガスや液体等の吹きつけを行う箇所の近傍の表面一部を真空チャック等の吸引手段10を用いて吸引し、上方に引っ張り上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上記真空チャック近傍の接合界面に向けて1MPa以上、5MPa以下の圧力でガスや液体等の流体のジェット15を吹き付けることにより行うことができる。ジェットで吹き付けるガスや液体の温度は、あらかじめ基板の冷却温度にあわせておくことが好ましく、−50℃から室温である。
剥離を行う基板の温度は、−50℃以下であることが好ましい。-50℃より高いと、ドナー基板3やハンドル基板7が割れたり、イオン注入界面5における剥離が進行しない状態になる。冷却エネルギーが必要以上に大きくなりコスト高にならないように下限を、例えば、−80℃とすることができる。
ドナー基板として、予め酸化膜を200nm成長させた直径150mmのシリコン基板(厚さ625um)を準備し、これに55KeV,ドーズ量2x1016atom/cm2で水素イオンを注入した。
あわせてハンドル基板7となる直径150mmのサファイア基板(厚さ700um、京セラ社製)を準備し、シリコン基板のイオン注入した表面ならびにサファイア基板の表面にオゾン処理を行い貼り合わせた。
次いで貼り合わせた基板に対して、160℃で10時間熱処理を施して接合体を得た。
φ150mmの基板が載る大きさ(φ160mm、板厚:100mm、基板が載る部分には同心円状φ140mm、φ50mmの位置に1mm幅、深さ1mmの溝が掘られており、それらは十字の同じ寸法の溝で連結されている。十字溝の交点、すなわち中心には裏面までφ1mmの穴が穿設されており、そこから真空ポンプへホースが接続されている。)で、真空チャック機能を発揮できるアルミニウム製のブロックを用意した。(このブロックの周囲は全周にわたって断熱性能をもつスチレン製の断熱材が装着されている。また、このブロックは内径φ250mmのスチレン製の断熱容器に入れられている。(深さ150mm)。アルミニウム製のブロックの底面には50mm×50mm×50mmのスチレン製のブロック5個をあらかじめ接着しておく。この断熱容器にドライアイス(昇華点−79℃)を詰め、この上にアルミニウム製のブロックを載せる。しばらく放置した後にブロック表面の温度を測定したところ、−50℃になっていた。
このアルミニウムのブロックの上に前述した接合体をのせ、表面温度が下がり、ブロック表面と貼り合わせ基板とが熱平衡に達するまで保持した。此の後にアルミニウムのブロックに搭載された図示しない下部真空チャック機能で前記接合体のハンドル基板側を吸引保持しながら、反対面のドナー基板の端部を小さい上部真空チャックで吸引した。上部真空チャックを上方に2Nの力で引き上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上部真空チャック近傍の接合界面に向けて1.1MPa圧力のエアーを吹き付けた。その結果、厚さ約400nmのシリコン薄膜がサファイア基板上に均一に一様に転写されたことが確認できた。
半導体基板として、予め酸化膜を200nm成長させた直径150mmのシリコン基板(厚さ625um)を準備し、これに55KeV,ドーズ量2x1016atom/cm2で水素イオンを注入した。
あわせてハンドル基板となる直径150mmのサファイア基板(厚さ700um)を準備し、シリコン基板のイオン注入した表面ならびにサファイア基板の表面にプラズマ活性化処理を行い貼り合わせた。
次いで貼り合わせた基板に対して、160℃で10時間熱処理を施して接合体を得た。
φ150mmの基板がのる大きさ(φ160mm、板厚:100mm)で、真空チャック機能を発揮できるアルミニウム製のブロックを用意した。また、このブロックは内径φ250mmのスチレン製の断熱容器に入れられている(深さ150mm)。アルミニウム製のブロックの底面には50mm×50mm×50mmのスチレン製のブロック5個をあらかじめ接着しておく。この断熱容器にドライアイス(昇華点−79℃)と氷を詰め、この上にアルミニウム製のブロックを載せる。しばらく放置した後にブロック表面の温度を測定したところ、−45℃になっていた。
このアルミニウムのブロックの上に前述した接合体をのせ、表面温度が下がり、ブロック表面と貼り合わせ基板とが熱平衡に達するまで保持を行った。此の後にアルミニウムブロックに搭載された下部真空チャック機能で前記接合体のハンドル基板側を吸引保持しながら、反対面のドナー基板の端部を小さい上部真空チャックで吸引した。上部真空チャックを上方に2Nの力で引き上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上部真空チャック近傍の接合界面に向けて1.1MPa圧力のエアーを吹き付けた。その結果、シリコン基板が途中で割れてしまい、サファイア基板上のシリコン薄膜も均一に転写はされていなかった。
3 ドナー基板
5 イオン注入層
7 ハンドル基板
10 剥離基板の吸引保持手段
15 ジェット
20 冷却装置
30 ブロック
31 断熱材
40 断熱容器
50 ドライアイス
Claims (5)
- ドナー基板の表面からイオンを注入してイオン注入界面を形成する工程と、
前記ドナー基板のイオン注入を行った前記表面に、前記ドナー基板より大きい熱膨張率を有するハンドル基板を貼り合わせて貼り合わせ基板を作成する工程と、
前記貼り合わせ基板に熱処理を行い接合体を得る工程と、
前記接合体を室温以下の温度に冷却して前記接合体のドナー基板を前記イオン注入界面において剥離してドナー薄膜を前記ハンドル基板上に転写する剥離工程とを少なくとも含んでなる貼り合わせウェーハの製造方法。 - 前記剥離工程の室温以下の温度が、−50℃以下であ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。
- 前記ドナー基板の材質が、シリコンであり、
前記ハンドル基板の材質が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、および、窒化ガリウムから選ばれる1種類であることを特徴とする請求項1または2に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。 - 前記剥離工程の室温以下の温度への冷却が、前記接合体をアルミニウムブロックに載せ、アルミニウムブロックの周囲をドライアイスで冷却することにより行われる請求項1ないし3のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
- 前記剥離工程における前記剥離が、貼り合わせ界面に1MPa以上の圧力でガスや液体等の流体のジェットを吹き付けながらドナー基板とハンドル基板とを反対方向に互いに引っ張ることにより行う請求項1ないし4のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
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