JP2010278340A - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドル基板とドナー基板の熱膨張率が異なる貼り合わせウェーハの製造方法であって、基板に割れを生ずることなく剥離を行うことができる方法を提供する。
【解決手段】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、前記接合体のドナー基板側とハンドル基板側に５０℃以上の温度差をつけながら熱応力を利用して前記イオン注入界面にそって剥離を行い、薄膜を前記ハンドル基板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を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、貼り合わせウェーハの製造方法に関する。

従来、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ（ＳＯＱ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ（ＳＯＧ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ （ＳＯＳ）と呼ばれるハンドル基板が透明・絶縁基板で構成されるＳＯＩや、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイアモンド、ＡｌＮ等の透明ワイドギャップ半導体をシリコン等のドナー基板に複合化することで得られる貼り合わせウェーハ（この場合は半導体基板が透明）が提案されており、様々な応用が期待されている。ＳＯＱ、ＳＯＧ、ＳＯＳなどはハンドル基板の絶縁性・透明性などからプロジェクター、高周波デバイスなどへの応用が期待されている。またワイドギャップ半導体の薄膜をハンドル基板に複合化した貼り合わせウェーハは高価なこれらのワイドギャップ半導体材料が厚さ数百ｎｍ〜数μｍしか用いないため、大幅な低コスト化が図れる可能性があり、高性能レーザーやパワーデバイスなどへの応用が期待される。

従来の貼り合わせに関するＳＯＩ製造技術には主に二種類の方法がある。
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。

もう一つはＳｉＧｅｎ法と呼ばれる方法であり、同じく水素イオン注入を予め施したシリコン基板とハンドル基板双方にプラズマ処理で表面を活性化させた後に貼り合わせを行い、しかる後に機械的に水素イオン注入界面で剥離をするという方法である。

しかし、これらの材料の複合化は異種基板を貼り合わせるので、半導体基板とドナー基板の熱膨張率が一致することは無い。
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。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。

ＳｉＧｅｎ法は異種材料のＳＯＩ基板作成において、上記ＳＯＩＴＥＣ法よりも低温の熱処理ですむため、比較的作成をしやすい。しかしドナー基板とハンドル基板の材料の組み合わせによっては貼り合わせた基板の熱膨張率の違いにより基板が破損することや、転写されるシリコン薄膜に未転写部が導入されるといった問題が発生することがあった。これは温度上昇とともに貼り合わせ界面の結合強度が増すが、同時に異種基板を貼り合わせていることによる反りが発生することにより剥がれ等が発生し、貼り合わせが面内均一に進行しないためである。

特開２００８−１１４４４８号公報

これら貼り合わせにおけるドナー基板がたとえばシリコン基板、ハンドル基板が石英基板の場合、ドナー基板の熱膨張率＞ハンドル基板の熱膨張率の関係となる。この関係の複合基板の場合、内部応力の発生の仕方やシリコン基板の破損のメカニズムの理由などにより上述したＳｉＧｅｎ法などによりイオン注入界面から剥離が進行し、シリコン薄膜がうまく転写されることが実験により判明している。
しかしながら、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、窒化ガリウムなどの場合、ドナー基板の熱膨張率＜ハンドル基板の熱膨張率の関係となる。この際には発明者らの実験によればイオン注入界面から剥離が進行せず、ハンドル基板やドナー基板が割れるという現象が発生するという問題がある。
また、ＳＯＩＴＥＣ法においては全面がほぼ同時に剥離をするために剥離起因のダメージは全面均一になって膜厚分布が良いが、ＳｉＧｅｎ法においては剥離を機械的に行うことから部分的に進行することとなり、剥離起因のダメージが不均一に残り、局所的な膜厚分布が発生するという問題がある。

本発明は、上記現状に鑑み、イオン注入界面から剥離を行う際に、ハンドル基板とドナー基板の熱膨張率の関係、特にハンドル基板の方が熱膨張率が大きい場合（ドナー基板の方が熱膨張率が小さい）場合、基板に割れを生ずることなく剥離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。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明によれば、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、前記接合体のドナー基板側とハンドル基板側に５０℃以上の温度差をつけながら熱応力を利用して前記イオン注入界面にそって剥離を行い、薄膜を前記ハンドル基板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を提供できる。

本発明によれば、ハンドル基板とドナー基板の熱膨張率が異なる貼り合わせウェーハの製造において、基板に割れを生ずることなく剥離を行うことができる。

本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の例を示す。

本発明に用いるドナー基板の材質は、特に限定されないが、好ましくは、シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛及びダイアモンドからなる群から選択される。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。
ドナー基板は、上述の材質を有し、表面に酸化膜を有していてもよい。酸化膜を通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られるからである。酸化膜は、好ましくは５０〜５００ｎｍの厚さを有する。これはあまり薄いと、膜厚の酸化膜厚の制御が難しく、またあまり厚いと時間が掛かりすぎるためである。酸化膜は、一般的な熱酸化法により形成することができる。酸化膜を有するドナー基板もドナー基板に含まれ、特に区別しない限り、単にドナー基板と称する。
ハンドル基板の材質は、特に限定されないが、好ましくは、酸化シリコン、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、サイアロン及び窒化ガリウムからなる群から選択される。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。

本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の例を図１に示す。
ドナー基板１にイオンを注入してイオン注入層２を形成する。イオン注入層２は、ドナー基板１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（Ｈ_２ ^＋）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。ＨｅイオンやＢイオン等同じ効果が得られるモノであればどのようなイオンでもかまわないし適宜注入エネルギーを選択すればよい。
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。

前記ドナー基板に注入する水素イオン（Ｈ^＋）のドーズ量は、１．０×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１．０×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^２であることが好ましい。１．０×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^２未満であると、界面の脆化が起こらない場合があり、１．０×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^２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。
注入イオンとして水素分子イオン（Ｈ_２ ^＋）を用いる場合、そのドーズ量は５．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２〜５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であることが好ましい。５．０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満であると、界面の脆化が起こらない場合があり、５．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２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。

次に、好ましくは、貼り合わせようとするドナー基板の表面及び／又はハンドル基板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、オゾン処理、ＨＦ処理、プラズマ処理等が挙げられる。
オゾンで処理をする場合は、たとえば、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処理をする場合は、たとえば、２体積％フッ化水素酸に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は、たとえば、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好ましく用いることができる。ハンドル基板を処理する場合は、好ましくはこれらの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。

次に、図１（Ａ）に示すように、ドナー基板１の表面およびハンドル基板３の表面を接合面として貼り合わせる。

次いで、図１（Ｂ）に示すように、貼り合わせた基板に、好ましくは１５０℃以上３５０℃以下の熱処理を施し、接合体４を得る。この熱処理は、貼り合わせ面の結合強度をアップさせるためである。温度を１５０℃以上３５０℃以下とする理由は、１５０℃未満では結合強度が上がらない場合があり、３５０℃を超えると貼り合わせた基板が破損する可能性があるためである。本発明者らが実験検討した結果、ドナー基板がシリコンウェーハであり、ハンドル基板が酸化アルミニウムである場合の好ましい温度は１５０℃以上３００℃以下であり、サファイアの場合の好ましい温度は１５０℃以上１７５℃以下であった。これらの温度域は基板により異なる。それぞれのドナー基板やハンドル基板の材質に適した温度を採用すれば良い。
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。

次に、接合体４のドナー基板１側とハンドル基板３側に５０℃以上の温度差をつけながら熱応力を利用して前記イオン注入界面にて剥離を行う。
この温度差の発生は、特に限定されないが、好ましくは、ドナー基板側又はハンドル基板側のいずれか一方を加熱又は冷却することにより、又はドナー基板側又はハンドル基板側の一方を加熱し他方を冷却することによる。

温度差を発生させる加熱は、特に限定されないが、好ましくは、ヒーター加熱、赤外線ランプ加熱、ＲＴＡランプ加熱、レーザー加熱からなる群から選ばれる。接合体の表面をホットプレートのようなヒーターによって加熱をしたり、赤外線ランプを照射して加熱したり、ＲＴＡランプによって短時間で昇温させたり、レーザーによって加熱をする方法により行うことができる。

温度差を発生させる冷却は、特に限定されないが、好ましくは、ドナー基板もしくはハンドル基板に冷媒を直接接触させる直接冷却方法、又はドナー基板もしくはハンドル基板の固定盤に冷却回路を設け、冷媒を通過させて熱伝導により冷却を行う間接冷却方法が挙げられる。直接冷却方法では、たとえば、接合体の裏面側から冷媒を直接吹き付けてもよい。関節冷却方法では、たとえば、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しても良い。また、それぞれ加熱、冷却を行っている部分には断熱材を用いて断熱することが望ましい。上記ブロックなどは冷却フィン状に加工していると熱伝達を促進する観点で一層良好である。

図１（Ｃ）は、接合体４のドナー基板１側を加熱し、ハンドル基板３側を冷却する例を示す。加熱は、上部固定盤１０の内部に設けられたヒーター１１により行なわれ、冷却は、下部固定盤２０の内部に設けられた冷却水路２１により行なわれる。

接合体のドナー基板側の温度とハンドル基板側の温度の差が５０℃以上、好ましくは５０℃以上１００℃以下であることに起因して熱応力が発生する。５０℃より低いと、熱応力の差が発生せずに剥離が進行しない状態になる。５０℃以上にすると熱応力が発生し、熱膨張率の差によりドナー基板のイオン注入界面から剥離（熱応力により水素注入界面に脆化がおこり、この面から剥離される）が行われる。温度差が１００℃を超えると熱応力による伸びが大きすぎてしまい転写されるドナー薄膜に結晶欠陥が発生したりする場合があるので１００℃以下が好ましい。
温度差を生ずる高い方の温度は、接合体の剥離に関与しない部分の応力の発生を小さくするため、接合体を得るために行なった熱処理の温度を超えないことが好まく、好ましくは５０℃〜１５０℃である。温度差を生ずる低い方の温度は、氷やドライアイス等の利用等を考慮し、好ましくは−５０℃から１００℃程度である。
ドナー基板側をハンドル基板から、又はハンドル基板側をドナー基板側から引き離すことにより、イオン注入界面に衝撃等の外部からの力を加えることなく、イオン注入界面にて剥離は可能である。この引き離しは、たとえば、ハンドル基板側（ドナー基板側）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手段を用いて保持し、ドナー基板側（ハンドル基板側）の表面を真空チャック等を用いて吸引して行なうことができる。
また、剥離を開始する際に前記イオン注入界面に衝撃を与える方法を採用しても良い。たとえば、イオン注入界面の一端に、たとえば１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下の基板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ことができる。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手段を用いて保持しておいて、ドナー基板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を用いて吸引し、上方に引っ張り上げる方法を行えば良い。

接合体４をイオン注入界面で剥離することにより、図１（Ｄ）に示すように、ハンドル基板３の上に薄膜５を有する貼り合わせウェーハ６を得ることができる。

実施例１
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６２５μｍ）を準備し、これに５５ＫｅＶ，ドーズ量５ｘ１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^２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７００μｍ、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。このアルミニウム製のブロックをスチレン製の容器（内径φ２５０ｍｍ×２００ｍｍ高さ）に入れ、サファイア基板を下に貼り合わせ基板をセットした。シリコン基板側には上定板としてアルミニウムブロックにヒーターが埋め込まれたものを用意した。この上定板（φ１６０ｍｍ、板厚２００ｍｍ）をシリコン基板に接触するようにセットを行う。
これらのセットが終了した後にスチレン製の容器の中にドライアイス（昇華点−７９℃）を詰めると同時に上定板のヒーターに通電を行い加熱を行った。ヒーター部分のみで温度を測定したところ上定板のシリコン基板に接触する面の温度は１０秒程度で１００℃まで達することができるような加熱条件を採用している。また、アルミニウムブロックの温度を測定したところドライアイスを詰めた後に１０秒程度で−１０℃程度まで表面温度が下がっていた。貼り合わせ基板と同じ厚さのシリコンウェーハを用意し、表面と裏面に熱電対を取り付け、それぞれの表面温度を測定しながら上記操作をしたところ、上定板と接触する面は１０秒程度で５５℃、アルミニウムブロック側は５℃の温度になることが確認された。
３分間この加熱と冷却を保持した後に上定板を外し、シリコン基板を取り除いたところサファイア基板上にシリコン薄膜が均一に一様に転写されていた。
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。

１ ドナー基板
２ イオン注入層
３ ハンドル基板
４ 接合体
５ 薄膜
６ ＳＯＩ基板
１０ 上部固定盤
１１ ヒーター
２０ 下部固定盤
２１ 冷却水路

Claims (7)

1. 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、
   前記接合体のドナー基板側とハンドル基板側に５０℃以上の温度差をつけながら熱応力を利用して前記イオン注入界面にそって剥離を行い、薄膜を前記ハンドル基板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。
2. 前記剥離工程の温度差が、５０℃以上１００℃以下である請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記ドナー基板の材質が、シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛及びダイアモンドからなる群から選択され、前記ハンドル基板の材質が、酸化シリコン、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、サイアロン及び窒化ガリウムからなる群から選択される請求項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. 前記剥離工程の温度差が、前記ドナー基板側又は前記ハンドル基板側のいずれか一方を加熱又は冷却することにより発生するか、又は前記ドナー基板側又は前記ハンドル基板側の一方を加熱し他方を冷却することにより発生する請求項１〜３のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
5. 前記剥離工程の温度差を発生させる加熱が、ヒーター加熱、赤外線ランプ加熱、ＲＴＡランプ加熱、及びレーザー加熱からなる群から選ばれる請求項４に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
6. 前記剥離工程の温度差を発生させる冷却が、前記ドナー基板もしくは前記ハンドル基板に冷媒を直接接触させる直接冷却方法、又は前記ドナー基板もしくは前記ハンドル基板の固定盤に冷却回路を設け、冷媒を通過させて熱伝導により冷却を行う間接冷却方法である請求項４又は請求項５に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
7. 前記剥離工程が、前記剥離を開始する際に前記イオン注入界面に衝撃を与えることを含む請求項１〜６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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