JP2010278342A - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドル基板と単結晶シリコン基板の熱膨張係数の差異に起因するひび割れ等を防止できるＳＯＩ基板を提供する。
【解決手段】単結晶シリコン基板であるドナー基板の表面から、水素イオン又は希ガスイオンを注入してイオン注入層を設けるステップと、上記イオン注入層を有するドナー基板に第１の熱処理を施すステップと、上記第１の熱処理を施されたドナー基板のイオン注入された表面と、ハンドル基板の表面との双方もしくは片方に表面活性化処理を施すステップと、その後、上記ドナー基板のイオン注入された表面と、上記ハンドル基板の上記表面とを貼り合わせるステップと、貼り合わされた基板に第２の熱処理を施すステップと、上記第２の熱処理を施された貼り合わせ基板の上記イオン注入層に機械的衝撃を加えて該水素イオン注入層にそって剥離して上記ハンドル基板にシリコン薄膜を転写する剥離ステップを含んでなるＳＯＩ基板の製造方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の製造方法に関する。

従来より、シリコン・オン・クウォーツ（ＳＯＱ）、シリコン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）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、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。これらは、ハンドル基板とシリコン基板（ドナー基板）を貼り合せて製造される。

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バブル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（特許文献１）。
しかし、ＳＯＩＴＥＣ法においては、貼り合わせ後に高温の熱処理が入るために、シリコン基板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。また、熱膨張率の影響を減らすため、低温で処理を行なうと、低温では剥離時に必要な結合力を得ることが困難である。

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。プラズマで表面活性化した後貼り合わせるため、低温の熱処理でも結合力が得られ、室温で機械的に剥離を行なうことができ、ＳＯＩＴＥＣ法のような高温処理は必要ないと考えられる。

特開平５−２１１１２８号公報

本発明者は、ＳｉＧｅｎ法の低温処理の場合、機械的剥離時に基板が破壊することを見出し、その原因が弱化層の脆化（イオン注入層の元素の結合の脆化）が足りないと考えた。本発明は、ドナー基板のイオン注入層を予め脆化させ、ハンドル基板と貼り合わせた後の熱処理を低減化又は低温化することにより、熱処理中の破損を防止し、スムースに剥離でき、良質なＳＯＩ基板を製造することを目的とする。

本発明者は、ハンドル基板と貼り合わせる前にナー基板のイオン注入層を加熱処理することにより脆化を促進すれば、ハンドル基板と貼り合わせた後の熱処理を低減化又は低温化できることを見出し、本発明に到達した。
本発明によれば、単結晶シリコン基板であるドナー基板の表面から、水素イオン又は希ガスイオンを注入してイオン注入層を設けるステップと、上記イオン注入層を有するドナー基板に第１の熱処理を施すステップと、上記第１の熱処理を施されたドナー基板のイオン注入された表面と、ハンドル基板の表面との双方もしくは片方に表面活性化処理を施すステップと、その後、上記ドナー基板のイオン注入された表面と、上記ハンドル基板の上記表面とを貼り合わせるステップと、貼り合わされた基板に第２の熱処理を施すステップと、上記第２の熱処理を施された貼り合わせ基板の上記イオン注入層に機械的衝撃を加えて該水素イオン注入層にそって剥離して上記ハンドル基板にシリコン薄膜を転写する剥離ステップとを含んでなるＳＯＩ基板の製造方法を提供できる。

本発明のＳＯＩ基板の製造方法によれば、ハンドル基板と単結晶シリコン基板との熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等を防止でき、スムースに剥離できるため、良質なＳＯＩ基板を提供できる。

本発明のＳＯＩ基板の製造方法の一例を示す図である。

ハンドル基板である絶縁性基板は、特に限定されないが、石英基板、サファイア基板、アルミナ基板、ＳｉＣ基板、ホウ珪酸ガラス基板、及び結晶ガラス基板からなる群から選ばれる。
絶縁性基板の好ましい厚さは、特に限定されないが、ＳＥＭＩ等で規定されているシリコン基板の厚さに近いものが望ましい。これは半導体装置はこの厚さの基板を扱うように設定されていることが多いためである。この観点から好ましくは３００〜９００μｍである。

ドナー基板である単結晶シリコン基板としては、特に限定されないが、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が１００〜３００ｍｍ、導電型がＰ型またはＮ型、抵抗率が１０Ω・ｃｍ程度のものが挙げられる。
単結晶シリコン基板の表面は、あらかじめ薄い絶縁膜を形成しておくことが好ましい。絶縁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。絶縁膜としては、好ましくは５０〜５００ｎｍの厚さを有するシリコン酸化膜が好ましい。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。シリコン酸化膜は、一般的な熱酸化法により形成することができる。

以下、本発明の製造方法を図１に示す例に基づき説明するが、本発明はこれに限定されるものでない。
図１（ａ）の単結晶シリコン基板（ドナー基板）２は、オプションとして図１（ｂ）に示すように、単結晶シリコン基板の表面にシリコン酸化膜３を形成させてもよい。図１（ｃ）に示すように、単結晶シリコン基板（ドナー基板）２の表面から水素イオン又は希ガスイオンＤを注入し、基板中にイオン注入層４を形成する。

イオン注入層４の形成方法は、特に限定されず、例えば、単結晶シリコン基板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又は希ガスイオンを注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは５０〜１００ｋｅＶ、注入線量は２×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ^２とできる。注入される水素イオンとしては、２×１０^１６〜１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のドーズ量の水素イオン（Ｈ^＋）、又は１×１０^１６〜５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のドーズ量の水素分子イオン（Ｈ_２ ^＋）が好ましい。特に好ましくは、８．０×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のドーズ量の水素イオン（Ｈ^＋）、又は４．０×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）のドーズ量の水素分子イオン（Ｈ_２ ^＋）である。
イオン注入された基板表面からイオン注入層までの深さは、絶縁性基板上に設けるシリコン薄膜の所望の厚さに依存するが、好ましくは３００〜５００ｎｍ、更に好ましくは４００ｎｍ程度である。また、イオン注入層の厚さは、機械衝撃によって容易に剥離できる厚さが良く、好ましくは２００〜４００ｎｍ、更に好ましくは３００ｎｍ程度である。

図１（ｄ）に示すように、イオン注入層４を設けた単結晶シリコン基板２を、ドナー基板１と貼り合わせる前に熱Ｈ１による熱処理（第１の熱処理）を行なう。第１の熱処理は、注入したガスイオンのガスが凝集して表面がふくらむブリスターやマクロバブルなどの基板表面の形状変化が発生しない温度を選択する。基板表面の形状変化が発生し、表面に凸凹が発生すると、貼り合わせ時に基板同士が密着できない部分が発生し、ボイドと呼ばれる薄膜の転写されない領域が発生するからである。第１の熱処理は、好ましくは１５０℃以上、より好ましくは２００℃以上であり、好ましくは３５０℃以下、より好ましくは３００℃以下であるが、基板表面の形状が変わらない範囲で出来るだけ高温が良い。たとえば、好ましくは１５０〜３５０℃、より好ましくは１５０〜３００℃、さらに好ましくは２００〜３００℃である。第１の熱処理の時間は、温度により変わるが、例えば１〜２４時間である。

図１には示さないが、第１の熱処理後で貼り合わせの前に、単結晶シリコン基板２のイオン注入された表面と、ハンドル基板１の表面との双方もしくは片方に表面活性化処理を施す。表面活性化処理は、表面のＯＨ基を増加させて活性化させる処理であり、例えばプラズマ処理、オゾン処理、又はこれらの組合せが挙げられ、好ましくはプラズマ処理である。
プラズマで処理をする場合、例えば、真空チャンバ中に単結晶シリコン基板及び／又はハンドル基板を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、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、単結晶シリコン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等を挙げることができる。ハンドル基板を処理する場合は、いずれのガスでもよい。
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単結晶シリコン基板及び／又はハンドル基板を載置し、窒素ガス、アルゴンガス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。
このプラズマ及び／又はオゾンで処理することにより、単結晶シリコン基板２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。処理は単結晶シリコン基板、ハンドル基板の両方ともに行なうのがより好ましいが、いずれか一方だけ行なってもよい。

次に、図１（ｅ）に示すように、単結晶シリコン基板２のイオン注入された表面とハンドル基板１の表面とを貼り合わせる。単結晶シリコン基板のイオン注入面または絶縁性基板の表面の少なくとも一方が活性化処理されているため、より強く接合できる。なお、単結晶シリコン基板２のシリコン酸化膜３は、ハンドル基板１と貼り合わせる前に、その酸化膜をエッチングや研磨等により、薄くあるいは除去してもよい。

貼り合わせ後に、図１（ｆ）に示すように熱Ｈ２による熱処理（第２の熱処理）を行なう。第２の熱処理により、単結晶シリコン基板２とハンドル基板１の結合が強化される。第２の熱処理は、貼り合わせ基板が熱膨率の差の影響（熱応力）で破損しない温度を選択する。第２の熱処理は、好ましくは１５０℃以上、より好ましくは２００℃以上であり、好ましくは３５０℃以下、より好ましくは３００℃以下、さらに好ましくは２５０℃以下である。たとえば、好ましくは１５０〜３５０℃、より好ましくは１５０〜３００℃、さらに好ましくは１５０〜２５０℃である。ハンドル基板が石英基板の場合（ＳＯＱの作製）は、好ましくは３５０℃以下、より好ましくは１５０〜３５０℃、さらに好ましくは１５０〜３００℃である。ハンドル基板がサファイア基板の場合（ＳＯＳの作製）は、好ましくは３００℃以下、より好ましくは１５０〜３００℃、さらに好ましくは１５０〜２００℃である。第２の熱処理の時間は、温度により変わるが、例えば１〜２４
時間である。

第２の熱処理後、図１（ｇ）に示すように、貼り合わせ基板のイオン注入層４に機械的衝撃等の機械的力を加えてイオン注入層４にそって剥離し、シリコン薄膜２Ａ（シリコン酸化膜が使用され、除去されていない場合はシリコン酸化膜３Ａを有する）をハンドル基板１に転写する。
イオン注入層４に衝撃等を与えて機械的剥離を行なうので、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、貼り合わせ面の剥離等が発生するおそれがない。剥離は、イオン注入層にそって貼り合わせ基板の一端から他端に向かうへき開によるものが好ましい。
イオン注入層に衝撃を与えるためには、例えば、ガスや液体等の流体のジェットを接合した基板の側面から連続的または断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。
貼り合わせ基板の単結晶シリコン基板側に補強材を配置して機械的衝撃を加えることが好ましい。上記補強材としては、好ましくは、保護テープ、静電チャック及び真空チャックからなる群から選択される。単結晶シリコン基板側に割れ防止のために保護テープ５を単結晶シリコン基板側に貼り付けて剥離を行う方法や、または静電チャック又は真空チャックに単結晶シリコン基板側を密着させて剥離を行うことでより確実に剥離を行うことができる。
保護テープは、特に材質、厚さ等に限定されず、半導体製造工程で用いられるダイシングテープやＢＧテープ等が使用できる。静電チャックは、特に限定されず、炭化ケイ素や窒化アルミニウム等のセラミックス静電チャック等が挙げられる。真空チャックは、特に限定されず、多孔質ポリエチレン、アルミナ等の真空チャックが挙げられる。

このようにして製造された、シリコン薄膜２Ａが転写されたＳＯＩ基板５は、製造の際に熱歪、剥離、ひび割れ等が発生せず、各種デバイス作製に有用な良質なＳＯＩ層を持つＳＯＩ基板となる。ハンドル基板が透明な場合には、透明絶縁性基板の上にＳＯＩ層が形成されているものでなるから、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
ドナー基板として、熱酸化により酸化膜を２００ｎｍ成長させた直径２００ｍｍのオリエンテーション・フラット付き単結晶シリコン基板（厚さ７２５μｍ）に、水素イオンのドーズ量６×１０^−１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で、表面からの深さ３００ｎｍにイオン注入層を形成したものを用いた。ハンドル基板として直径２００ｍｍの石英基板（厚さ７２５μｍ）を用いた。
ドナー基板に３５０℃で１時間の第１の熱処理を施し、表面に凸凹の形状が発生していないことを確認した。第１の熱処理後のドナー基板表面の汚れを除去するため、超純水のスピン洗浄を実施した。超音波を付与し、１分間実施したのち、振り切り乾燥を１分間実施した。
表面活性化処理は、真空引き可能なチャンバ内に基板をセットし、窒素ガス雰囲気に置換した後真空にし、１００Ｗ程度の高周波プラズマをチャンバ内に発生させ、基板表面を活性化させることにより行なった。表面活性化処理は、ドナー基板とハンドル基板の両方に行ない、活性化された表面同士を貼り合わせ、オリエンテーション・フラット部中央に圧力をかけることで接合を開始させた。
貼り合わせ基板に、３００℃で６時間の第２の熱処理を施したが、基板の破損はなかった。貼り合わせ基板の一端でイオン注入層の位置に刃を挿入し、開口部を形成した後、両基板が相対的に離れていくような力を加えることにより、剥離を行なった。２０ペアの全てにおいて熱処理中の破損もなく、機械的剥離がスムースに行なえた。

比較例１
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に３５０℃で１時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。熱処理中に２０ペア中の５ペアの破損が発生した。

比較例２
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に３００℃で６時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。剥離の際に、刃を挿入したところで石英基板が破損し、剥離を行なえなかった。

比較例３
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に３００℃で１２時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。２０ペア中１０ペア、剥離中に破損が発生した。

実施例２
ドナー基板として、熱酸化により酸化膜を２００ｎｍ成長させた直径１５０ｍｍのオリエンテーション・フラット付き単結晶シリコン基板（厚さ６２５μｍ）に、水素イオンのドーズ量６×１０^−１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で、表面からの深さ３００ｎｍにイオン注入層を形成したものを用いた。ハンドル基板として直径１５０ｍｍのサファイア基板（厚さ６２５μｍ）を用いた。
ドナー基板に３５０℃で１時間の第１の熱処理を施し、表面に凸凹の形状が発生していないことを確認した。第１の熱処理後のドナー基板表面の汚れを除去するため、超純水のスピン洗浄を実施した。超音波を付与し、１分間実施したのち、振り切り乾燥を１分間実施した。
表面活性化処理は、真空引き可能なチャンバ内に基板をセットし、窒素ガス雰囲気に置換した後真空にし、１００Ｗ程度の高周波プラズマをチャンバ内に発生させ、基板表面を活性化させることにより行なった。表面活性化処理は、ドナー基板とハンドル基板の両方に行ない、活性化された表面同士を貼り合わせ、オリエンテーション・フラット部中央に圧力をかけることで接合を開始させた。
貼り合わせ基板に、２５０℃で１２時間の第２の熱処理を施したが、基板の破損はなかった。貼り合わせ基板の一端でイオン注入層の位置に刃を挿入し、開口部を形成した後、両基板が相対的に離れていくような力を加えることにより、剥離を行なった。２０ペアの全てにおいて熱処理中の破損もなく、機械的剥離がスムースに行なえた。

比較例４
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に３００℃で６時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。熱処理中に全て（２０ペア）が破損した。

比較例５
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に２５０℃で１２時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。剥離の際に、刃を挿入したところでシリコン基板が破損し、剥離を行なえなかった。

比較例６
第１の熱処理を行なわず、第２の熱処理として貼り合わせ基板に２００℃で１２時間の熱処理を施した以外は、実施例１と同様にして行なった。剥離の際に、刃を挿入したところで貼り合わせ界面で分離し、剥離を行なえなかった。

１ ハンドル基板
２ 単結晶シリコン基板
２Ａ シリコン薄膜
３，３Ａ シリコン酸化膜
４ イオン注入層
５ ＳＯＩ基板
Ｄ イオン
Ｈ１、Ｈ２ 熱

Claims (7)

1. 単結晶シリコン基板であるドナー基板の表面から、水素イオン又は希ガスイオンを注入してイオン注入層を設けるステップと、
   上記イオン注入層を有するドナー基板に第１の熱処理を施すステップと、
   上記第１の熱処理を施されたドナー基板のイオン注入された表面と、ハンドル基板の表面との双方もしくは片方に表面活性化処理を施すステップと、
   その後、上記ドナー基板のイオン注入された表面と、上記ハンドル基板の上記表面とを貼り合わせるステップと、
   貼り合わされた基板に第２の熱処理を施すステップと、
   上記第２の熱処理を施された貼り合わせ基板の上記イオン注入層に機械的衝撃を加えて該水素イオン注入層にそって剥離して上記ハンドル基板にシリコン薄膜を転写する剥離ステップと
   を含んでなるＳＯＩ基板の製造方法。
2. 上記第１の熱処理が、１５０〜３５０℃である請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. 上記第２の熱処理が、１５０〜３５０℃である請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 上記ハンドル基板が、石英基板、サファイア基板、アルミナ基板、ＳｉＣ基板、ホウ珪酸ガラス基板、及び結晶化ガラス基板からなる群から選ばれる請求項１〜３のいずれかに記載のＳＯＩ基板の製造方法。
5. 上記表面活性化処理が、プラズマ処理である請求項１〜４のいずれかに記載のＳＯＩ基板の製造方法。
6. 上記剥離ステップの剥離が、上記イオン注入層にそって上記貼り合わせ基板の一端から他端に向かうへき開による請求項１〜５のいずれかに記載のＳＯＩ基板の製造方法。
7. 上記イオン注入層を設けるステップが、上記単結晶シリコン基板のシリコン酸化膜で被覆された表面から上記イオンを注入する請求項１〜６のいずれかに記載のＳＯＩ基板の製造方法。
   

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