JP2010278339A - 貼り合わせｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体活性層表面の膜厚分布が均一なＳＯＩ基板を提供する。
【解決手段】ドナー基板であるシリコン基板内部に該基板面に平行な酸化層を備えるシリコン基板と、ハンドル基板である透明絶縁基板とを貼り合わせて接合体を得る工程と、上記接合体のドナー基板側の表面を研削及び／又は研磨する工程と、上記研削及び／又は研磨された表面をさらにケミカルエッチングをして上記酸化層を表面に露出させる工程と、上記酸化層を除去してシリコン薄膜付き透明絶縁基板を得る工程とを少なくとも含んでなるＳＯＩ基板の製造方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイス用基板として要求される、半導体活性層が良好な膜厚均一性と表面ラフネスをもつＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に関する。

ＳＯＩ基板は、半導体素子において接合容量の低減やリーク電流の抑制、高周波特性などの観点からパワーデバイスや高周波デバイスなどの用途に用いられている。
その中でも、ＳＯＱ（Silicon on Quartz）、ＳＯＧ（Silicon on Glass）、ＳＯＳ（Silicon on Sapphire）と呼ばれるＳＯＩ基板が提案されており、ハンドル基板（石英、ガラス、サファイア）が有する絶縁性及び透明性などからプロジェクタ、高周波デバイスなどへの応用が見込まれている。

一方、半導体デバイス用基板には、非常に小さな表面ラフネスが求められる。実際表面ラフネスが大きいほどゲート絶縁膜の耐圧やゲート絶縁膜直下のチャネルにおけるキャリア移動度が低下することが報告されている。このため半導体活性層の表面ラフネスは、半導体デバイスの性能や歩留まりに大きく影響を与える。ＩＴＲＳによる国際半導体技術ロードマップによれば、デバイスの線幅が減少するにつれてよりラフネスの小さいデバイス用基板に求められている。例えば２００７年時点で、ＤＲＡＭの場合ハーフピッチが６５ｎｍであるのに対して、これに要求される表面ラフネスは４ｎｍ以下である。

ＳＯＩ基板の半導体活性層を薄膜化する手段として、従来は活性層を研削及び研磨する方法がとられている。
また、ドナー基板内部に酸素イオンを打ち込み、そしてその基板を１３００℃以上で熱処理することにより基板内部に埋め込み酸化層（以下、Ｂｏｘ層と略す）を形成し、このＢｏｘ層上部を半導体活性層とするＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）法というＳＯＩ基板作製方法がある。
さらに、半導体活性層とハンドル基板が互いに異種材料であるＳＯＩ基板を作製する方法としては、それぞれの基板材料を貼り合わせて作製する方法が挙げられる。基板貼り合わせに関するＳＯＩ作製技術には、ＳＯＩＴＥＣ法と呼ばれる、室温で予め水素イオン注入を施したドナー基板と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、薄膜シリコン層をハンドル基板に転写するという手法が知られている（特許文献１）。

特開平５−２１１１２８号公報

ＳＯＩ基板の半導体活性層を薄膜化する手段として、活性層を研削及び研磨する方法では、得られる膜厚のバラツキが±３０％以上と均一性に問題がある。
一方、ＳＩＭＯＸ法によって得られたＳＯＩ基板の半導体活性層の厚さは酸素イオンの打ち込み深さ、つまりイオンの注入エネルギーにより制御されるため膜厚均一性に優れる。また、酸素イオンのドーズ量を制御することで表面及び半導体活性層／Ｂｏｘ界面ラフネスを減少させることもできる。しかしながら、ＳＩＭＯＸ法では半導体活性層とハンドル基板が互いに異種材料であるＳＯＩ基板を作製することができない。
また、ＳＯＩＴＥＣ法においては貼り合わせ後に５００℃という高温の熱処理が入るために、シリコンと石英やサファイアに代表されるハンドル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。

以上のような問題を解決するために、本発明者は以下のようなＳＯＩ基板の製造方法を考案した。すなわち、本発明によれば、ドナー基板であるシリコン基板内部に該基板面に平行な酸化層を備えるシリコン基板と、ハンドル基板である透明絶縁基板とを貼り合わせて接合体を得る工程と、上記接合体のドナー基板側の表面を研削及び／又は研磨する工程と、上記研削及び／又は研磨された表面をさらにケミカルエッチングをして上記酸化層を表面に露出させる工程と、上記酸化層を除去してシリコン薄膜付き透明絶縁基板を得る工程とを少なくとも含んでなるＳＯＩ基板の製造方法を提供できる。

本発明によれば、半導体活性層表面の膜厚分布が均一であり、また、表面ラフネスが良好なＳＯＩ基板を作製することができる。

本発明におけるＳＯＩ基板作製フローの概略図を示す。

以下に本発明の詳細を説明する。
本発明に用いるドナー基板は、シリコン基板である。ドナー基板の厚さは、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。
本発明に用いるハンドル基板は、透明絶縁基板であり、特に限定されないが、好ましくは、ガラス、石英、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウム及びダイヤモンドからなる群から選ばれる。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。

本発明によるＳＯＩ基板の作製フローの概略を図１に示す。
まず、酸化層３を内包したドナー基板１を用意する。ドナー基板１に関しては、ＳＩＭＯＸ基板や、２枚のドナー基板を用意し、片方の基板表面に熱酸化層を形成し、該基板表面と、熱酸化層を形成しない他方の基板表面を貼り合わせて作製した、あるいは、両方の基板表面に熱酸化層を形成して酸化層表面同士を貼り合わせて作製した接合体を使用することができる。酸化層３の厚さは、好ましくは、５０〜５００ｎｍであり、貼り合わせ面からの酸化層３までの距離は、必要とされる薄膜の厚さに応じて決められる。
後述する酸化層３直上のシリコン層をケミカルエッチングすることを考慮して、図１（ａ）に示すように、意図しないシリコン部位のエッチングを防ぐために、ドナー基板１の貼り合わせに寄与しない面（下面及び両側面）に熱酸化層４を設けることが望ましい。

次に、好ましくは、ドナー基板１の表面及び／又は透明絶縁基板２の表面を活性化処理する。表面活性化処理の方法としては、好ましくは、ウェットケミカル処理、プラズマ処理、オゾン処理が挙げられる。
ウェットケミカル処理による基板表面の活性化を行う場合は、水、アンモニア水、硫酸を用いて基板の浸漬処理をすることにより基板表面のＯＨ基が増加して表面が活性化する。ウェットケミカル処理はドナー基板のイオン注入した表面及び透明絶縁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、いずれか一方だけを行ってもよい。
プラズマ処理をする場合は、ドナー基板及び／又は透明絶縁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。プラズマ処理はドナー基板のイオン注入した表面及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、いずれか一方だけを行ってもよい。
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／又は透明絶縁基板を載置し、窒素、アルゴン等のプラズマ用ガスを導入した後、高周波プラズマを発生させ、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。プラズマ処理とオゾン処理とはどちらか一方又は両方行なうことができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、このドナー基板１の表面および透明絶縁基板２の活性化処理をした表面を接合面として貼り合わせる。

次いで、好ましくは、貼り合わせた基板に対して、好ましくは１００〜２００℃という比較的低い温度で第１の熱処理を施し、接合体５を得る。熱処理時間としては、温度にもある程度依存するが１２〜２４時間が好ましい。この熱処理は、ケミカルエッチングのエッチング溶液中で接合体が剥がれないように接合強度を高めるために好ましい。

次に、接合体５のシリコン層を研削及び／又は研磨した後、研削及び／又は研磨された表面をさらにケミカルエッチングして酸化層３の上部のシリコン層を全て除去し、酸化層３を表面に露出させる。ケミカルエッチングは、好ましくはエッチング溶液に浸漬させることにより行なう。
この処理において使用するエッチング溶液は、好ましくは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ_４ＯＨのアルカリ溶液や、ＥＤＰ（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ヒドラジン（hydrazine）の有機溶剤が挙げられる。いずれのエッチング溶液を使用するにしろ、シリコンのエッチングレートが酸化層のエッチングレートを大きく凌駕する薬液濃度及び処理温度を設定することが重要である。

前記ケミカルエッチング処理を行った後、図１（ｃ）に示すような酸化層３が露出した接合体６をＨＦ溶液中に浸漬させて酸化層を除去する。酸化層が除去された後、純水リンスを行い乾燥させる。このようにしてハンドル基板（透明絶縁基板）２上にＳＯＩ層７が形成されたＳＯＩ基板８が得られる。

前記のＳＯＩ基板８に対して、好ましくは再度熱処理を行う。この第２の熱処理は、前述の熱処理に比べて好ましくは高めの温度（好ましくは２００℃を超えて４００℃以下）で処理する。この熱処理は、接合強度を更に高めるために好ましい。この第２の熱処理の温度を第１の熱処理よりも高い温度とするのは、半導体活性層がハンドル基板の厚さに比べて十分薄いため、比較的高温度の処理を行っても基板の破損は発生せず、最終的な結合強化処理を行うためである。このように多段回の熱処理を行うことにより、ドナー基板とハンドル基板の間に熱応力が発生しても、基板が破損することなく結合強度を高めることができる。

前記ＳＯＩ基板８に対しては、その用途に応じて更に研磨や洗浄を行う。

以上が本発明によるＳＯＩ基板の作製方法である。本発明におけるＳＯＩ基板は、透明絶縁基板の上にＳＯＩ層が形成されているものであるので、液晶装置等の電気光学装置用基板の作製用に特に適する。

実施例１
ＳＯＩ層が１５０ｎｍ、Ｂｏｘ層が１００ｎｍであるＳＩＭＯＸ基板（直径１５０ｍｍ、厚さ６２５μｍ）と、ハンドル基板として直径１５０ｍｍのサファイア基板（厚さ６００μｍ）を準備した。但し、このＳＩＭＯＸ基板は周囲を熱酸化層で覆ってある。ＳＩＭＯＸ基板及びサファイア基板双方の表面にプラズマ活性化処理を行いその後貼り合わせた。次にこの接合体の熱処理を１５０℃、２４時間の条件で行った。この接合体に対して、ＳＩＭＯＸ基板側のシリコン層を約５００μｍ研削した後、７０℃に昇温させた２０質量％のＫＯＨ溶液中にこの接合体を１時間浸漬させて酸化層直上の残存シリコン層を全て除去し、Ｂｏｘ層を露出させた。そして、０．３質量％のＨＦ溶液中にこの接合体を１０分間浸漬させて露出したＢｏｘ層を除去して貼り合わせＳＯＳ基板を作製した。
このＳＯＳ基板を光学式膜厚計と原子間力顕微鏡により評価したところ、膜厚のバラツキは１５０±２ｎｍ、表面ラフネスは２ｎｍ（１０×１０μｍ^２測定）であった。

１ ドナー基板
２ ハンドル基板（透明絶縁基板）
３ 酸化層
４ 熱酸化層
５ 接合体
６ 酸化層が露出した接合体
７ ＳＯＩ層
８ ＳＯＩ基板

Claims (7)

1. ドナー基板であるシリコン基板内部に該基板面に平行な酸化層を備えるシリコン基板と、ハンドル基板である透明絶縁基板とを貼り合わせて接合体を得る工程と、
   上記接合体のドナー基板側の表面を研削及び／又は研磨する工程と、
   上記研削及び／又は研磨された表面をさらにケミカルエッチングをして上記酸化層を表面に露出させる工程と、
   上記酸化層を除去してシリコン薄膜付き透明絶縁基板を得る工程と
   を少なくとも含んでなるＳＯＩ基板の製造方法。
2. 上記ドナー基板が、ＳＩＭＯＸ基板である請求項１に記載のＳＯＩ基板。
3. 上記ドナー基板が、一枚のシリコン基板の表面に形成された酸化層を、もう一枚シリコン基板で挟むように貼り合わせて作製したものである請求項１に記載のＳＯＩ基板。
4. 上記接合体を得る工程が、上記ドナー基板と上記ハンドル基板を貼り合わせた後、第１温度で熱処理することを含み、
   上記シリコン薄膜付き絶縁基板を得る工程の後に、該シリコン薄膜付き絶縁基板を第２温度で熱処理する工程をさらに含み、
   上記第１温度が上記第２温度よりも低い請求項１〜３のいずれかに記載のＳＯＩ基板。
5. 上記ケミカルエッチングが、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ及びＮＨ_４ＯＨからなる群から選ばれるアルカリを含むエッチング溶液を用いる請求項１〜４のいずれかに記載のＳＯＩ基板。
6. 上記ケミカルエッチングが、ＥＤＰ（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）及びヒドラジンからなる群から選ばれる有機溶剤を含むエッチング液を用いる請求項１〜５のいずれかに記載のＳＯＩ基板。
7. 上記透明絶縁基板が、ガラス、石英、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウム及びダイヤモンドからなる群から選ばれる請求項１〜６のいずれかに記載のＳＯＩ基板。

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