JP2011054704A

JP2011054704A - 貼り合わせウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2011054704A
Application number: JP2009201379A
Authority: JP
Inventors: Masashi Murakami; 賢史村上; Tatsumi Kusaba; 辰己草場
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを直接貼り合わせた場合に懸念される貼り合わせ界面での欠陥や凹凸の発生を低減して、フラットな貼り合わせ面とする。
【解決手段】面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハとして、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせたのち、活性層用ウェーハを薄膜化することからなる貼り合わせウェーハの製造方法において、
貼り合わせに先立ち、上記２枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方のウェーハの表面にアモルファス層を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、貼り合わせウェーハの製造方法に際し、特に、従来よりも貼り合わせ界面における欠陥を低減し、かつフラットな貼り合わせ面を達成しようとするものである。

一般的な貼り合わせウェーハの製造方法としては、２枚のシリコンウェーハを、酸化膜等の絶縁膜を介し、または介さずに直接、貼り合わせ、SOI層側となるシリコンウェーハを研削・研磨してSOI層を形成する方法（研削研磨法）や、SOI層側となるシリコンウェーハ（活性層用ウェーハ）の表層部に、水素イオン等を打ち込んでイオン注入層を形成した後、支持基板用のシリコンウェーハと貼り合わせ、ついで熱処理により上記のイオン注入層で剥離することによって、SOI層を形成する方法（スマートカット法）が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開平11−67701号公報特開平５−211128号公報

従来、(100)ウェーハと(110)ウェーハとを、直接貼り合わせて貼り合わせウェーハを作製する場合、両ウェーハの表面の自然酸化膜をHF処理により取り除いた後は、そのまま貼り合わせていた。
しかしながら、このようにして得られた貼り合わせウェーハは、その後の熱処理の影響で、貼り合わせ界面に欠陥が発生し易く、また貼り合わせ界面での凹凸が著しくなるという問題があった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを直接貼り合わせた場合に懸念される貼り合わせ界面での欠陥や凹凸の発生を効果的に低減して、フラットな貼り合わせ面を有する貼り合わせウェーハの有利な製造方法を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、２枚のシリコンウェーハの貼り合わせに先立ち、少なくとも一方のウェーハの表面にアモルファス層を形成したのち貼り合わせる、換言すると、貼り合わせ界面にアモルファス層を介して貼り合わせると、その後の熱処理により、アモルファス層は結晶化して貼り合せた基板と同じ結晶方位を持つ結晶に変化し、その結果、貼り合わせ界面における欠陥が少なく、かつフラットな貼り合わせ界面が得られることの知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハとして、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせたのち、活性層用ウェーハを薄膜化することからなる貼り合わせウェーハの製造方法において、
貼り合わせに先立ち、上記２枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方のウェーハの表面にアモルファス層を形成する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２枚のシリコンウェーハが(100)ウェーハと(110)ウェーハであり、かつ(110)ウェーハの表面にアモルファス層を形成することを特徴とする上記１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

３．前記２枚のシリコンウェーハが(100)ウェーハと(110)ウェーハであり、かつ(100)ウェーハの表面にアモルファス層を形成することを特徴とする上記１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

４．前記アモルファス層の厚みが３〜100 nmであることを特徴とする上記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。

本発明によれば、面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを直接貼り合わせる場合に、従来懸念された、貼り合わせ界面における欠陥や凹凸の発生を効果的に軽減して、フラットな貼り合わせ面とすることができる。

本発明のプロセスフローを示す図である。従来法に従い、貼り合わせ界面にアモルファス層を介さずに（Ｔ＝０nm）貼り合わせた場合における、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面の状態を示す顕微鏡写真である。本発明に従い、貼り合わせ界面にアモルファス層を介して（Ｔ＝３nm）貼り合わせた場合における、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面の状態を示す顕微鏡写真である。本発明に従い、貼り合わせ界面にアモルファス層を介して（Ｔ＝10nm）貼り合わせた場合における、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面の状態を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明で対象とする貼り合わせウェーハの基板について説明する。
本発明では、貼り合わせウェーハ基板として、面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを用いる。このようなシリコンウェーハとしては、(100)ウェーハ、(110)ウェーハおよび(111)ウェーハが考えられ、これらはそれぞれ活性層用ウェーハまたは支持基板用ウェーハとして使用することができる。
なお、かような貼り合わせウェーハとしては、貼り合せに適した表面ラフネスが良好なものであれば、ドーパントの種類、濃度および酸素濃度などは限定されない。ただし、欠陥をより低減するためには、COPがないまたは少ないウェーハが好ましい。

次に、図１に示すプロセスフローに従い、本発明の基本製造工程を具体的に説明する。
なお、同図では、活性層用ウェーハとして(110)ウェーハを、また支持基板用ウェーハとして(100)ウェーハを用いる場合について示している。
同図に示したとおり、まず活性層用(110)ウェーハの所定深さ位置に水素イオンを注入し、活性層用ウェーハの内部にはく離層としてのイオン注入層を形成したのち、支持基板用(100)ウェーハと直接貼り合わせる。ついで、貼り合わせたウェーハに剥離熱処理を施したのち、酸化処理により所定厚みの酸化膜を形成後、この酸化膜を除去する処理を施して、所定厚みのSOI層を形成する。

しかしながら、上記のようにして得られたウェーハは、その後の熱処理、例えば貼り合わせ界面の結合を強固にするための熱処理や、表面を平坦にするための熱処理、所定厚さのSOI層とするための熱処理の影響により、貼り合わせ界面に凹凸が生じたり、貼り合わせ界面に島状SiO₂などの欠陥が形成されていたことは前述したとおりである。

これに対し、本発明では、２枚のシリコンウェーハの貼り合わせに先立ち、少なくとも一方のウェーハの表面にアモルファス層を形成したのち貼り合わせることにより、上記の問題を解決するのである。
すなわち、上記したように、貼り合わせ界面にアモルファス層を介して貼り合わせると、その後の熱処理により、アモルファス層は結晶化して貼り合せた基板と同じ結晶方位を持つ結晶に変化し、その結果、貼り合わせ界面における欠陥が少なく、かつフラットな貼り合わせ界面を有する貼り合わせウェーハとすることができるのである。

ここに、ウェーハ表面をアモルファス層とする手段としては、Ar（アルゴン）を含む不活性元素をウェーハ表面からイオン注入装置により注入して、ウェーハ表面をアモルファス層とする方法が好適である。不活性元素としてAr（アルゴン）を選択する場合は、１×10¹⁴〜１×10¹⁶／cm²のドーズ量で、かつ５〜200 keVの注入エネルギーでイオン注入を行うことが好ましい。
この方法によれば、注入条件を適宜設定することにより、形成するアモルファス層の厚み制御を比較的簡単に行うことができる。

また、本発明において、ウェーハ表面に形成するアモルファス層の厚みは３〜100nm程度とすることが好ましい。というのは、アモルファス層の厚みが３nm未満では、界面における凹凸や欠陥の低減効果に乏しく、一方100nmを超えると、アモルファス層が単結晶化するために長時間の熱処理が必要になり、熱処理時間が短いと単結晶化が不十分で、アモルファス層が残存してしまうからである。より好ましくは３〜20nmの範囲である。

以上、主にスマートカット法によって貼り合わせウェーハを作製する場合について説明したが、本発明は、研削研磨法や（酸素注入＋研磨ストップ法）などその他の方法によって貼り合わせウェーハを作製する場合にも、同様に適用できることはいうまでもない。

実施例１（スマートカット法）
活性層用ウェーハとして（110）ウェーハを、また支持基板用ウェーハとして（100）ウェーハを用いた。
まず、活性層用ウェーハの表面にＴnmの厚みでアモルファス層を形成したのち、活性層用ウェーハの表面から500 nmの深さ位置に注入量のピーク（イオン注入層）がくるように水素イオンを注入し、ついで活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた。その後、剥離熱処理を行い、活性層用ウェーハを水素イオン注入ピーク領域（イオン注入層）から剥離し、ついで（酸化処理＋酸化膜除去処理）を行ったのち、最終熱処理を施して貼り合わせ半導体基板を作製した。
ここに、Ｔは、０nm、３nm、10nm、20nm、50nm、100nmの６水準とした。また、最終熱処理は、処理ａ：1100℃×２ｈ、処理ｂ：1200℃×１ｈの２水準とした。

かくして得られた貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面における凹凸、欠陥およびアモルファス層の残存の有無について調べた結果を表１に示す。また、貼り合わせウェーハを、（110）ウェーハの［100］方向（以下、Ａ方向という）および（110）ウェーハの［110］方向（以下、Ｂ方向という）からそれぞれ観察したときの貼り合わせ界面の状態について調べた結果を、図２（Ｔ＝０nmの場合）、図３（Ｔ＝３nmの場合）および図４（Ｔ＝10nmの場合）にそれぞれ示す。

図２に示したとおり、活性層用（110）ウェーハの表面にアモルファス層を形成しなかった場合は、Ａ方向から見た貼り合わせ界面に激しい凹凸が生じていた。
これに対し、貼り合わせに先立ち、活性層用（110）ウェーハの表面にアモルファス層を形成した場合（図３，図４）はいずれも、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面ともに、欠陥の発生はなく、またフラットな貼り合わせ界面が得られていた。

実施例２（スマートカット法）
同様に、活性層用ウェーハとして（110）ウェーハを、また支持基板用ウェーハとして（100）ウェーハを用いた。
まず、活性層用ウェーハの表面から500 nmの深さ位置に注入量のピーク（イオン注入層）がくるように水素イオンを注入した。ついで、支持基板用ウェーハの表面にＴnmの厚みでアモルファス層を形成したのち、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた。その後、剥離熱処理を行い、活性層用ウェーハを水素イオン注入ピーク領域（イオン注入層）から剥離し、ついで（酸化処理＋酸化膜除去処理）を行ったのち、最終熱処理を施して貼り合わせ半導体基板を作製した。
ここに、Ｔは、０nm、３nm、10nm、20nm、50nm、100nmの６水準とした。また、最終熱処理は、処理ａ：1100℃×２ｈ、処理ｂ：1200℃×１ｈの２水準とした。

かくして得られた貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面における凹凸、欠陥およびアモルファス層の残存の有無について調べた結果を表２に示す。また、貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面の状態を、Ａ方向およびＢ方向からそれぞれ観察した結果、実施例１の場合と同様、ウェーハの貼り合わせ面にアモルファス層を形成しなかった場合（Ｔ＝０nmの場合）は、Ａ方向から見た貼り合わせ界面に激しい凹凸が生じていたのに対し、貼り合わせに先立ち、支持基板用（100）ウェーハの表面にアモルファス層を形成した場合（Ｔ＝３nmおよびＴ＝10nmの場合）にはいずれも、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面ともに、欠陥の発生はなく、またフラットな貼り合わせ界面が得られていた。

実施例３（酸素注入＋研磨ストップ法）
同様に、活性層用ウェーハとして（110）ウェーハを、また支持基板用ウェーハとして（100）ウェーハを用いた。
まず、活性層用ウェーハの表面から200 nmの深さ位置に注入量のピーク（イオン注入層）がくるように酸素イオンを注入して、イオン注入層を形成したのち、熱処理を施した。ついで、活性層用ウェーハの表面にＴnmの厚みでアモルファス層を形成したのち、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた。その後、貼り合わせ強度を増すための強化熱処理を施したのち、活性層用ウェーハの酸化物層が露出するまで研磨して薄膜化し、HF処理後、酸化物を除去したのち、最終熱処理を施して貼り合わせ半導体基板を作製した。
ここに、Ｔは、０nm、３nm、10nm、20nm、50nm、100nmの６水準とした。また、最終熱処理は、処理ａ：1100℃×２ｈ、処理ｂ：1200℃×１ｈの２水準とした。

かくして得られた貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面における凹凸、欠陥およびアモルファス層の残存の有無について調べた結果を表３に示す。また、貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面の状態を、Ａ方向およびＢ方向からそれぞれ観察した結果、実施例１，２の場合と同様、ウェーハの貼り合わせ面にアモルファス層を形成しなかった場合（Ｔ＝０nmの場合）は、Ａ方向から見た貼り合わせ界面に激しい凹凸が生じていたのに対し、貼り合わせに先立ち、活性層用（110）ウェーハの表面にアモルファス層を形成した場合（Ｔ＝３nmおよびＴ＝10nmの場合）にはいずれも、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面ともに、欠陥の発生はなく、またフラットな貼り合わせ界面が得られていた。

実施例４（酸素注入＋研磨ストップ法）
同様に、活性層用ウェーハとして（110）ウェーハを、また支持基板用ウェーハとして（100）ウェーハを用いた。
まず、活性層用ウェーハの表面から200 nmの深さ位置に注入量のピーク（イオン注入層）がくるように酸素イオンを注入して、イオン注入層を形成したのち、熱処理を施した。
ついで、支持基板用ウェーハの表面にＴnmの厚みでアモルファス層を形成したのち、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせた。その後、貼り合わせ強度を増すための強化熱処理を施したのち、活性層用ウェーハの酸化物層が露出するまで研磨して薄膜化し、HF処理後、酸化物を除去したのち、最終熱処理を行って貼り合わせ半導体基板を作製した。
ここに、Ｔは、０nm、３nm、10nm、20nm、50nm、100nmの６水準とした。また、最終熱処理は、処理ａ：1100℃×２ｈ、処理ｂ：1200℃×１ｈの２水準とした。

かくして得られた貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面における凹凸、欠陥およびアモルファス層の残存の有無について調べた結果を表４に示す。また、貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面の状態を、Ａ方向およびＢ方向からそれぞれ観察した結果、実施例１，２の場合と同様、ウェーハの貼り合わせ面にアモルファス層を形成しなかった場合（Ｔ＝０nmの場合）は、Ａ方向から見た貼り合わせ界面に激しい凹凸が生じていたのに対し、貼り合わせに先立ち、支持基板用（100）ウェーハの表面にアモルファス層を形成した場合（Ｔ＝３nmおよびＴ＝10nmの場合）にはいずれも、Ａ方向およびＢ方向から見た貼り合わせ界面ともに、欠陥の発生はなく、またフラットな貼り合わせ界面が得られていた。

Claims

面方位の異なる２枚のシリコンウェーハを活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハとして、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせたのち、活性層用ウェーハを薄膜化することからなる貼り合わせウェーハの製造方法において、
貼り合わせに先立ち、上記２枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方のウェーハの表面にアモルファス層を形成することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
前記２枚のシリコンウェーハが(100)ウェーハと(110)ウェーハであり、かつ(110)ウェーハの表面にアモルファス層を形成することを特徴とする請求項１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
前記２枚のシリコンウェーハが(100)ウェーハと(110)ウェーハであり、かつ(100)ウェーハの表面にアモルファス層を形成することを特徴とする請求項１記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
前記アモルファス層の厚みが３〜100 nmであることを特徴とする請求項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。