JP2017045886A - Soiウェーハの製造方法およびsoiウェーハ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のSOIウェーハの製造方法は、活性層用基板および支持基板の少なくとも一方の表面に軽元素イオンを注入して、前記少なくとも一方のウェーハに前記軽元素イオンが固溶した改質層を形成する第1工程と、イオン化堆積法により、活性層用基板および支持基板の少なくとも一方の表面に酸化膜を形成する第2工程と、真空常温接合法により、活性層用基板と支持基板とを貼り合わせる第3工程と、活性層用基板を薄膜化して活性層を得る第4工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)シリコン単結晶からなる活性層用基板およびシリコン単結晶からなる支持基板の少なくとも一方の表面から軽元素イオンを注入して、前記少なくとも一方のウェーハに前記軽元素イオンが固溶した改質層を形成する第1工程と、
前記活性層用基板および前記支持基板の少なくとも一方の表面に酸化膜を形成する第2工程と、
前記活性層用基板と前記支持基板との間に前記改質層および前記酸化膜が位置するように、前記活性層用基板と前記支持基板とを貼り合わせる第3工程と、
前記第3工程後、前記活性層用基板を薄膜化して活性層を得る第4工程と、
を有し、
前記第2工程では、前記少なくとも一方の基板を加熱しつつ、該基板にイオン化したケイ素および酸素を加速、照射することで、前記酸化膜を堆積させ、
前記第3工程では、真空下で前記活性層用基板および前記支持基板の各貼合せ面にイオンビームまたは中性原子ビームを照射して、前記貼合せ面を活性化し、引き続き真空下で前記両貼合せ面を接触させることで、前記活性層用基板と前記支持基板とを常温で貼り合わせる
ことを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
前記第4工程で、前記シリコンエピタキシャル層の前記酸素拡散領域も除去する上記(6)または(7)に記載のSOIウェーハの製造方法。
前記活性層および前記支持基板の少なくとも一方の、前記酸化膜との界面近傍に、軽元素が固溶してなる改質層を有し、
前記活性層の深さ方向の抵抗率分布において、{(最大値−最小値)/(最小値)×100}が20%以下であることを特徴とするSOIウェーハ。
図1を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、活性層用基板10の表面から軽元素イオンを注入して、活性層用基板10に軽元素イオンが固溶した改質層12を形成する。その後、活性層用基板10の表面にイオン化堆積法により酸化膜16を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層12および酸化膜16が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
図2を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態では、活性層用基板10の表面から軽元素イオンを注入して、活性層用基板10に軽元素イオンが固溶した改質層12を形成する。また、支持基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層12および酸化膜18が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
図3を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態では、支持基板20の表面から軽元素イオンを注入して、支持基板20に軽元素イオンが固溶した改質層14を形成する。また、活性層用基板10の表面にイオン化堆積法により酸化膜16を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層14および酸化膜16が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
図4を参照して、本発明の第4の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、支持基板20の表面から軽元素イオンを注入して、支持基板20に軽元素イオンが固溶した改質層14を形成する。その後、支持基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層14および酸化膜18が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
図5を参照して、本発明の第5の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、支持基板20の表面から軽元素イオンを注入して、支持基板20に軽元素イオンが固溶した改質層14を形成する。その後、支持基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する。また、活性層用基板10の表面にもイオン化堆積法により酸化膜16を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層14および酸化膜16,18が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
図6を参照して、本発明の第6の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、活性層用基板10の表面から軽元素イオンを注入して、活性層用基板10に軽元素イオンが固溶した改質層12を形成する。その後、活性層用基板10の表面にイオン化堆積法により酸化膜16を形成する。また、支持基板20の表面から軽元素イオンを注入して、支持基板20に軽元素イオンが固溶した改質層14を形成する。その後、支持基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する。その後、活性層用基板10と支持基板20との間に改質層12,14および酸化膜16,18が位置するように、真空常温接合法により活性層用基板10と支持基板20とを貼り合わせる。その後、活性層用基板10を薄膜化して活性層22を得る。
イオン化する元素は、ゲッタリングに寄与する軽元素であれば特に限定されないが、H、He、C、ArおよびSiから選択される少なくとも一種とすることが好ましい。これらの元素は、SOIウェーハの電気抵抗率に影響を与えないからである。これらの元素をイオン化して、活性層用基板10および支持基板20の片方または両方に行うことにより、ゲッタリングに寄与する改質層12,14を形成できる。
イオン化堆積法は、酸化膜を形成しようとする基板を加熱しつつ、当該基板にイオン化したケイ素および酸素を加速、照射することで、酸化膜を堆積させる方法である。この方法では、イオン化された元素の加速エネルギーと、加熱された基板の熱的エネルギーを合せることにより、基板に酸化膜を堆積させる。この方法によれば、イオン化された元素の加速エネルギーのみで堆積するプラズマ堆積法や、熱的エネルギーのみで堆積するCVD法に比べて、緻密で膜質の良い酸化膜を形成できる。具体的には、基板の温度を500℃以上に維持した状態で、ケイ素および酸素をプラズマ処理によりイオン化させて基板上へ加速させ、基板上に酸化膜を堆積させる。
真空常温接合法による活性層用基板10および支持基板20の貼り合わせは、両基板を加熱することなく常温で貼り合わせる方法である。具体的には、真空下で活性層用基板10および支持基板20の各貼合せ面にイオンビームまたは中性原子ビームを照射して、貼合せ面を活性化する。これにより各貼合せ面には、シリコンが本来持っているダングリングボンド(結合の手)が現れる。そのため、引き続き真空下で両貼合せ面を接触させると、瞬時に接合力が働き、2つの基板が強固に接合される。
薄膜化工程は、周知の平面研削および鏡面研磨法を好適に用いることができる。また、薄膜化工程を周知のスマートカット法など、他の薄膜化技術を用いて行ってもよい。第3工程の後、活性層用基板20の表面側から研削処理を施して、活性層用基板を薄くした後、その表面を鏡面研磨して、所望の厚みの活性層を有するSOIウェーハを得る。
支持基板20としては、シリコン単結晶からなる単結晶シリコンウェーハを用いることができる。単結晶シリコンウェーハは、チョクラルスキー法(CZ法)や浮遊帯域溶融法(FZ法)により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。また、より高いゲッタリング能力を得るために、炭素および/または窒素を添加してもよい。さらに、任意の不純物を添加して、n型またはp型としてもよい。
活性層用基板10は、デバイス活性層として利用されるウェーハであり、支持基板20と同様に、シリコン単結晶からなる単結晶シリコンウェーハを用いることができる。
次に、上記製造方法によって得られる本実施形態のSOIウェーハについて説明する。本実施形態のSOIウェーハは、図1〜図6に代表されるように、シリコン単結晶からなる支持基板20と、この支持基板上に位置する酸化膜16,18又は24と、この酸化膜上に位置し、シリコン単結晶からなる活性層22と、を有する。
表1に示す条件に従って、本発明例1〜7および比較例1〜4のSOIウェーハを製造した。まず、活性層用基板としては、表1に示す単結晶シリコンウェーハ(表1中「Si基板」と表示)またはエピタキシャルシリコンウェーハ(表1中「EP-Si」と表示)を用意した。支持基板としては、表1に示す単結晶シリコンウェーハ(表1中「Si基板」と表示)を用意した。これら基板のドーパントはリンとし、ドーパント濃度は表1に示した。
各比較例および発明例において、以下の評価を行った。
各比較例および発明例のSOIウェーハの活性層表面を、Ni汚染液(1.0×1012/cm2)で、スピンコート汚染法を用いてNiを故意に汚染させた後、窒素雰囲気中で900℃、1時間の熱処理を施した。その後、ライト液へ3分間浸した後、光学顕微鏡にて活性層表面のピット(Niシリサイドピット)の有無を観察した。結果を表1に示す。
各比較例および発明例において、酸化膜の形成後(貼合せ後)に、イオンを注入した基板の深さ方向の注入元素濃度プロファイルを二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定した。注入元素のピークの有無を表1に示した。また、比較例1および発明例1の濃度プロファイルを図10(A)に、比較例2および発明例2の濃度プロファイルを図11(A)に、発明例4の濃度プロファイルを図13(A)に、代表して示した。
各比較例および発明例のSOIウェーハの活性層の深さ方向のドーパント(リン)濃度プロファイルをSIMSにより測定した。比較例2および発明例2の濃度プロファイルを図11(B)に、比較例3および発明例3の濃度プロファイルを図12(A)に、比較例4および発明例4の濃度プロファイルを図13(B)に、代表して示した。
各比較例および発明例のSOIウェーハの活性層中の抵抗率を広がり抵抗法(Spread Resistance Profiling:SR法)により測定し、活性層基板の深さ方向の抵抗率分布の不均一性{(最大値−最小値)/(最小値)×100}(%)を算出した。結果を表1の「抵抗ばらつき」の欄に示す。また、比較例1および発明例1の抵抗率分布を図10(B)に、比較例2および発明例2の抵抗率分布を図11(C)に、比較例3および発明例3の抵抗率分布を図12(B)に、比較例4および発明例4の抵抗率分布を図13(C)に、代表して示した。
図10(A)および図13(A)に示すように、比較例1では、イオン注入により改質層を形成した基板に熱酸化法で酸化膜を形成したため、注入元素のピークが消失したのに対し、発明例1では、イオン化堆積法で酸化膜を形成したため、注入元素のピークは消失しなかった。そのため、比較例1では活性層表面にピットが観察されたのに対し、発明例1では活性層表面にピットが観察されず、高いゲッタリング能力を発揮した。
本発明例6のSOIウェーハに対して、判定電流を1×10−4A/cm2とし、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)測定を実施した。具体的な測定法として、ホトリソおよびエッチング処理により酸化膜上の活性層を1.8mm四方の島状に加工して、この加工した島を電極とし、支持基板側を0(ゼロ)Vにした状態で、電極へ電圧を0Vから0.1Vステップで印加していき、測定した電流値を電極面積で割った単位面積辺りの電流値を判定電流とした。また、酸化膜形成時の基板温度を300℃、400℃、800℃、900℃、1000℃に変更した以外は発明例6と同様にしてSOIウェーハを作製し、同様に酸化膜の耐圧特性を評価した。結果を表2に示す。
12 活性層用基板に形成された改質層
14 支持基板に形成された改質層
16 活性層用基板に形成された酸化膜
18 支持基板に形成された酸化膜
20 支持基板
22 活性層
24 厚い酸化膜
100,200,300,400,500,600 SOIウェーハ
40 プラズマイオン照射装置
41 プラズマチャンバ
42 ガス導入口
43 真空ポンプ
44 パルス電圧印加装置
45 ウェーハ固定台
46 ヒーター
50 真空常温接合装置
51 プラズマチャンバ
52 ガス導入口
53 真空ポンプ
54 パルス電圧印加装置
55A,55B ウェーハ固定台
Claims (15)
- シリコン単結晶からなる活性層用基板およびシリコン単結晶からなる支持基板の少なくとも一方の表面から軽元素イオンを注入して、前記少なくとも一方のウェーハに前記軽元素イオンが固溶した改質層を形成する第1工程と、
前記活性層用基板および前記支持基板の少なくとも一方の表面に酸化膜を形成する第2工程と、
前記活性層用基板と前記支持基板との間に前記改質層および前記酸化膜が位置するように、前記活性層用基板と前記支持基板とを貼り合わせる第3工程と、
前記第3工程後、前記活性層用基板を薄膜化して活性層を得る第4工程と、
を有し、
前記第2工程では、前記少なくとも一方の基板を加熱しつつ、該基板にイオン化したケイ素および酸素を加速、照射することで、前記酸化膜を堆積させ、
前記第3工程では、真空下で前記活性層用基板および前記支持基板の各貼合せ面にイオンビームまたは中性原子ビームを照射して、前記貼合せ面を活性化し、引き続き真空下で前記両貼合せ面を接触させることで、前記活性層用基板と前記支持基板とを常温で貼り合わせる
ことを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 - 前記第2工程で、前記少なくとも一方の基板の温度を500℃〜900℃とする請求項1に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第1工程で、前記支持基板のみに前記改質層を形成する請求項1または2に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第2工程で、前記支持基板のみに前記酸化膜を形成する請求項1〜3のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第2工程で、前記活性層用基板および前記支持基板の両方に前記酸化膜を形成する請求項1〜3のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記活性層用基板は、バルクシリコン基板の表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハであり、前記第4工程で、前記バルクシリコン基板を除去して、前記活性層が前記シリコンエピタキシャル層からなるものとする請求項1〜5のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程の前に、前記シリコンエピタキシャル層の表面を鏡面研磨する請求項6に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記活性層用基板における前記シリコンエピタキシャル層の厚さは、目標とする前記活性層の厚さと、前記バルクシリコン基板から前記シリコンエピタキシャル層に酸素が拡散して形成される酸素拡散領域の厚さとを考慮して設定され、
前記第4工程で、前記シリコンエピタキシャル層の前記酸素拡散領域も除去する請求項6または7に記載のSOIウェーハの製造方法。 - 前記軽元素イオンが、H、He、C、ArおよびSiから選択される少なくとも一種である請求項1〜8のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- シリコン単結晶からなる支持基板と、該支持基板上に位置する酸化膜と、該酸化膜上に位置し、シリコン単結晶からなる活性層と、を有するSOIウェーハであって、
前記活性層および前記支持基板の少なくとも一方の、前記酸化膜との界面近傍に、軽元素が固溶してなる改質層を有し、
前記活性層の深さ方向の抵抗率分布において、{(最大値−最小値)/(最小値)×100}が20%以下であることを特徴とするSOIウェーハ。 - 判定電流を1×10−4A/cm2とした条件でのTZDB測定の結果が8MV/cm2以上である、請求項10に記載のSOIウェーハ。
- 前記支持基板の、前記酸化膜との界面近傍にのみ、前記改質層が位置する請求項10または11に記載のSOIウェーハ。
- 前記酸化膜の厚さが10μm以上である請求項10〜12のいずれか一項に記載のSOIウェーハ。
- 前記活性層がシリコンエピタキシャル層からなる請求項10〜13のいずれか一項に記載のSOIウェーハ。
- 前記軽元素イオンが、H、He、C、ArおよびSiから選択される少なくとも一種である請求項10〜14のいずれか一項に記載のSOIウェーハ。
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