JP2021100013A - 多層soiウェーハ及びその製造方法並びにx線検出センサ - Google Patents
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Abstract
Description
前記シリコンウェーハの表面に設けられた第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の表面に設けられた多結晶シリコン層と、
前記多結晶シリコン層の表面に設けられた第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の表面に設けられた単結晶シリコンからなる活性層と、
を備えることを特徴とする多層SOIウェーハ。
前記第1の絶縁層の表面に多結晶シリコン層を形成する多結晶シリコン層形成工程と、
前記多結晶シリコン層の表面に第2の絶縁層を形成する第2の絶縁層形成工程と、
前記第2の絶縁層の表面と、活性層用シリコンウェーハの表面に、真空常温下で活性化処理を施して前記両方の表面を活性化面とする活性化処理工程と、
前記活性化処理工程に引き続き、前記真空常温下で前記両方の活性化面を接触させることで、前記両方の活性化面同士を接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記活性層用シリコンウェーハを薄膜化して活性層を得る薄膜化工程と、
を含むことを特徴とする多層SOIウェーハの製造方法。
活性層用シリコンウェーハの表面に第2の絶縁層を形成する第2の絶縁層形成工程と、
前記第1の絶縁層の表面に多結晶シリコン層を形成する多結晶シリコン層形成工程と、
前記多結晶シリコン層の表面と、前記第2の絶縁層の表面に、真空常温下で活性化処理を施して前記両方の表面を活性化面とする活性化処理工程と、
前記活性化処理工程に引き続き、前記真空常温下で前記両方の活性化面を接触させることで、前記両方の活性化面同士を接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記活性層用シリコンウェーハを薄膜化して活性層を得る薄膜化工程と、
を含むことを特徴とする多層SOIウェーハの製造方法。
前記シリコンウェーハにX線検出部が設けられ、
前記多結晶シリコン層に電気的に接続して接地電位が供給される接地電極部が設けられ、
前記活性層にMOS型トランジスタ部が設けられることを特徴とするX線検出センサ。
図1を参照する。本発明の一実施形態に従う多層SOIウェーハ100は、シリコンウェーハ110と、シリコンウェーハ110の表面に設けられた第1の絶縁層120と、第1の絶縁層120の表面に設けられた多結晶シリコン層130と、多結晶シリコン層130の表面に設けられた第2の絶縁層140と、第2の絶縁層140の表面に設けられた単結晶シリコンからなる活性層150と、を備える。以下、各構成の詳細を順次説明する。
シリコンウェーハ110は、第1の絶縁層120を成膜するための支持基板であり、かつ、その上方の構成を支持する。シリコンウェーハ110は、チョクラルスキ法(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。多層SOIウェーハ100を用いてX線検出センサを作製する場合、シリコンウェーハ110にセンサ部が形成されることになる。なお図示しないが、ゲッタリング能力を得るためにシリコンウェーハ110の裏面側(絶縁層を形成しない側)に多結晶シリコン層を形成(PBS)してもよい。
第1の絶縁層120はシリコンウェーハ110の表面に設けられ、酸化シリコンを用いることが一般的である。また、電気絶縁性が確保できれば酸化シリコンに限られず、ダイヤモンド(多結晶、単結晶)、ダイヤモンドライクカーボン(DLC;Diamond Like Carbon)などを用いてもよい。
多結晶シリコン層130は第1の絶縁層120の表面に設けられ、CVD法等により形成することができる。多結晶シリコンは粒界を含むため、この粒界で低抵抗化できて電流が流れ易くなる。そのため、多結晶シリコンは単結晶シリコンに比べて低抵抗である。多結晶シリコン層130は、抵抗率を0.0001Ω・cm以上0.001Ω・cm以下とすることが好ましい。導電型はp型でもn型でも、いずれでもよい。また、多結晶シリコンの結晶粒径を1μm以下とすることが好ましい。
第2の絶縁層140は多結晶シリコン層130の表面に設けられ、第1の絶縁層120と同様に酸化シリコンなどを用いることができる。第2の絶縁層140を構成する材料は第1の絶縁層120と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
活性層150は第2の絶縁層140の表面に設けられ、単結晶シリコンからなる。活性層150を、シリコンウェーハ110と同様にバルクのシリコンウェーハから得てもよいし、バルクのシリコンウェーハの表面に形成したシリコンエピタキシャル層から得てもよい。
次に、これまで説明してきた本発明に従う多層SOIウェーハ100を製造する方法の実施形態について、図2〜図4を参照して、本発明による多層SOIウェーハ100を製造するための実施形態を説明する。先に述べたとおり、同一の構成要素には原則として数字下二桁で同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。図2を参照する製造方法の第1実施形態では、支持基板となるシリコンウェーハ210の上に設けられた第2の絶縁層240と、活性層用シリコンウェーハ255とを真空常温下で接合する。図3を参照する製造方法の第2実施形態は、支持基板となるシリコンウェーハ310の上に設けられた多結晶シリコン層330と、活性層用シリコンウェーハ355の表面に形成された第2の絶縁層340とを真空常温下で接合する。
図2を参照する。多層SOIウェーハ200の製造方法の実施形態は、第1の絶縁層形成工程と、多結晶シリコン層形成工程と、第2の絶縁層形成工程と、活性化処理工程と、接合工程と、薄膜化工程と、を少なくとも含む。これら、各工程を少なくとも行うことにより、多層SOIウェーハ200を得ることができる。以下では、活性化処理工程及び接合工程による接合手法を「真空常温接合法」と称し、第2実施形態においても同様である。以下、第1実施形態における各工程の詳細を順次説明する。
この第1実施形態において、第1の絶縁層形成工程では、シリコンウェーハ210の表面に第1の絶縁層220を形成する。酸化シリコンからなる第1の絶縁層220を形成する場合、シリコンウェーハ210及び活性層用シリコンウェーハ255のそれぞれに対して熱酸化法、プラズマCVD法等の一般的な手法を適用すればよい。
第1の絶縁層220を形成した後、多結晶シリコン層形成工程では、第1の絶縁層220の表面に多結晶シリコン層230を形成する。例えばキャリアガスとしての水素ガスと、シリコンソースとしてのトリクロロシランを導入することにより、多結晶シリコン層230を第1の絶縁層220上に堆積して成膜することができる。なお、多結晶シリコン層230を形成するときには、成膜温度を900℃以下にすることが好ましい。
次に、活性化処理工程では、第2の絶縁層240の表面及び活性層用シリコンウェーハ255の表面に、真空常温下で活性化処理を施して両方の表面を活性化面240A、255Aとする。この真空常温下での活性化処理は、例えばイオンビーム又は中性原子ビームを各表面に照射すればよい。ビーム照射に伴う活性化作用により、第2の絶縁層240の表面と、活性層用シリコンウェーハ255の表面のそれぞれが活性化面240A、255Aとなる。これらの活性化面240A、255Aにはシリコン原子同士が結合するためのダングリングボンド(結合の手)が現れる。
以下では、チャンバ圧力、パルス電圧及び基板温度の具体的条件についてそれぞれ詳細に説明するが、これらは一例にすぎない。
上述した活性化処理工程に引き続き、真空常温下で両方の活性化面240A、255Aを接触させる。こうした接触により、上記両方の活性化面240A、255Aに対して瞬時に接合力が働き、上記両方の活性化面240A、255Aを貼合せ面としてシリコンウェーハ210及び活性層用シリコンウェーハ255が強固に接合されて一体化する。このように、上述した活性化処理工程及び接合工程を含む真空常温接合法では、両ウェーハの接合が常温下で瞬時かつ強固に行われる。
上記両方の活性化面240A、255Aを貼合せ面としてシリコンウェーハ210及び活性層用シリコンウェーハ255を接合した後、薄膜化工程では、活性層用シリコンウェーハ255を薄膜化して活性層250を得る。こうして、多層SOIウェーハ200を得ることができる。なお、薄膜化工程において公知または任意の化学エッチング、研削及び研磨法を好適に用いることができ、具体的には平面研削および鏡面研磨法が挙げられる。また、接合工程前に活性層用シリコンウェーハ255に剥離目的で水素イオンなどを注入しておけば、本薄膜化工程において公知のスマートカット法を適用することもできる。
図3に戻り、第2実施形態による多層SOIウェーハ300の製造方法を説明する。第1実施形態では、多結晶シリコン層230の表面に形成した第2の絶縁層240と、活性層用シリコンウェーハ255との表面同士で真空常温接合を行う。これに対して、この第2実施形態では、多結晶シリコン層330と、活性層用シリコンウェーハ355の表面に形成した第2の絶縁層340との表面同士で真空常温接合を行う。その他の構成及び工程は、第1実施形態と同様である。すなわち、本実施形態による多層SOIウェーハ300の製造方法は、シリコンウェーハ310の表面に第1の絶縁層320を形成する第1の絶縁層形成工程と、活性層用シリコンウェーハ355の表面に第2の絶縁層340を形成する第2の絶縁層形成工程と、第1の絶縁層320の表面に多結晶シリコン層330を形成する多結晶シリコン層形成工程と、多結晶シリコン層330の表面と、第2の絶縁層340の表面に、真空常温下で活性化処理を施して両方の表面を活性化面330A、340Aとする活性化処理工程と、活性化処理工程に引き続き、真空常温下で両方の活性化面330A、340Aを接触させることで、両方の活性化面330A、340A同士を接合する接合工程と、接合工程の後、活性層用シリコンウェーハ355を薄膜化して活性層350を得る薄膜化工程と、を含む。上述のとおり、第1実施形態と同一の構成要素には原則として数字下二桁で同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。
これまで説明してきた多層SOIウェーハ100を用いてX線検出センサを形成することができる。このX線検出センサは、シリコンウェーハ110にX線検出部が設けられ、活性層150にMOS型トランジスタ部が設けられる。そして、多結晶シリコン層130に電気的に接続して接地電位が供給される接地電極部が設けられることで接地できる。したがって、デバイス形成時等において、各絶縁層へのチャージアップを防止することができる。
(発明例1)
支持基板としてFZ単結晶から得たp型シリコンウェーハ(厚さ:750μm、ドーパント種類:ボロン、抵抗率:100Ω・cm、酸素濃度:2×1016atoms/cm3)を用意した。また、活性層用基板として、CZ単結晶から得たCOPフリーのp型シリコンウェーハ(厚さ:750μm、ドーパント;ボロン、抵抗率、1Ω・cm)を用意した。
発明例1と同様の支持基板及び活性層用基板を用意した。次に、支持基板の表面に厚さ500nmの酸化シリコン膜を形成した。続けて、この酸化シリコン膜と、活性層用基板とを発明例1の真空常温接合法と同様にして貼合せて、従来例1に係るSOIウェーハを作製した。なお、発明例1と異なり、従来例1では酸化シリコン膜上へ多結晶シリコン層を成膜しなかった。従来例1に係るSOIウェーハの酸化シリコン膜についても説明の便宜状、以下ではBOX層と称する。
まず、発明例1と同様の支持基板及び活性層用基板を2枚ずつ用意した。次いで、酸素雰囲気下における熱酸化法により、各ウェーハのそれぞれの表面に厚さ500nmの酸化シリコン膜を形成し、さらに支持基板と活性層用基板とを酸化シリコン膜を介して大気雰囲気下で貼合せ、次いで接合強化熱処理を行った。そして、活性層用基板を研削研磨して、活性層の厚さが500nmであるSOIウェーハを2枚作製した。その後、両SOIウェーハの活性層同士を真空常温接合法により貼合せ、BOX層間のシリコン単結晶層の厚さを1μmにした。さらに、片方の支持基板を研削研磨して、厚さ5μmの活性層を形成し、比較例1に係る多層SOIウェーハを作製した。
発明例1、従来例1及び比較例1のそれぞれのBOX層(発明例1及び比較例1については活性層側に形成した酸化シリコン膜)に対してGOI(Gate Oxide Integrity)特性評価を実施するため、各BOX層上に図6の平面図に模式的に示す円柱状電極を形成した。具体的な円柱状電極の作成手順は下記のとおりである。
(ii)1cmφの貫通溝の形成後、膜厚500nmでTEOS(テトラエトキシシラン)膜を成膜し、上記貫通溝中心へ5mmφのコンタクトビアを、フォトリソグラフィ処理及びプラズマエッチング処理を順次行って形成した。また、発明例1及び比較例1では、当該1cmφの円柱状電極の5mm外側に、BOX層直下のシリコン層まで貫通する3mmφのコンタクトビアを同時形成した。
(iii)次に、Alをスパッタリングして上記コンタクトビアを埋め込んだ後、フォトリソグラフィ処理及びプラズマエッチング処理を順次行って、活性層へ導通する5mmφの円柱状電極と、シリコン層へ導通する円柱状電極を形成した。
(発明例2−1)
実験例1における発明例1−1と同様にして、発明例2−1に係る多層SOIウェーハを作製した。
発明例2−1ではFZウェーハを用いていたところ、これをMCZ単結晶から得たp型シリコンウェーハ(厚さ:750μm、ドーパント種類:ボロン、抵抗率:100Ω・cm、酸素濃度:3.0×1017atoms/cm3)に変えた以外は発明例2−1と同じ条件で、発明例2−2に係る多層SOIウェーハを作製した。
発明例2−2のp型シリコンウェーハの酸素濃度は3.0×1017atoms/cm3であったところ、これを5.0×1017atoms/cm3に変えた以外は発明例2−2と同じ条件で、発明例2−3に係る多層SOIウェーハを作製した。
発明例2−2のp型シリコンウェーハの酸素濃度は3.0×1017atoms/cm3であったところ、これを7.0×1017atoms/cm3に変えた以外は発明例2−2と同じ条件で、比較例2に係る多層SOIウェーハを作製した。
発明例2−1、2−2、2−3及び比較例2に係るそれぞれの多層SOIウェーハに対し、さらにデバイス作製プロセスを想定して、450℃、10時間の熱処理を窒素雰囲気下で行った。熱処理前後でのシリコンウェーハの裏面側の抵抗率を、4短針法により評価した。結果を表1に記載する。
110 シリコンウェーハ
120 第1の絶縁層
130 多結晶シリコン層
140 第2の絶縁層
150 活性層
Claims (5)
- シリコンウェーハと、
前記シリコンウェーハの表面に設けられた第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の表面に設けられた多結晶シリコン層と、
前記多結晶シリコン層の表面に設けられた第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の表面に設けられた単結晶シリコンからなる活性層と、
を備えることを特徴とする多層SOIウェーハ。 - 前記シリコンウェーハの導電型がp型で抵抗率が100Ω・cm以上であり、かつ、厚さが100μm以上であって、酸素濃度が5.0×1017atoms/cm3以下である、請求項1に記載の多層SOIウェーハ。
- シリコンウェーハの表面に第1の絶縁層を形成する第1の絶縁層形成工程と、
前記第1の絶縁層の表面に多結晶シリコン層を形成する多結晶シリコン層形成工程と、
前記多結晶シリコン層の表面に第2の絶縁層を形成する第2の絶縁層形成工程と、
前記第2の絶縁層の表面と、活性層用シリコンウェーハの表面に、真空常温下で活性化処理を施して前記両方の表面を活性化面とする活性化処理工程と、
前記活性化処理工程に引き続き、前記真空常温下で前記両方の活性化面を接触させることで、前記両方の活性化面同士を接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記活性層用シリコンウェーハを薄膜化して活性層を得る薄膜化工程と、
を含むことを特徴とする多層SOIウェーハの製造方法。 - シリコンウェーハの表面に第1の絶縁層を形成する第1の絶縁層形成工程と、
活性層用シリコンウェーハの表面に第2の絶縁層を形成する第2の絶縁層形成工程と、
前記第1の絶縁層の表面に多結晶シリコン層を形成する多結晶シリコン層形成工程と、
前記多結晶シリコン層の表面と、前記第2の絶縁層の表面に、真空常温下で活性化処理を施して前記両方の表面を活性化面とする活性化処理工程と、
前記活性化処理工程に引き続き、前記真空常温下で前記両方の活性化面を接触させることで、前記両方の活性化面同士を接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記活性層用シリコンウェーハを薄膜化して活性層を得る薄膜化工程と、
を含むことを特徴とする多層SOIウェーハの製造方法。 - 前記請求項1又は2に記載の多層SOIウェーハを用いて形成されたX線検出センサであって、
前記シリコンウェーハにX線検出部が設けられ、
前記多結晶シリコン層に電気的に接続して接地電位が供給される接地電極部が設けられ、
前記活性層にMOS型トランジスタ部が設けられることを特徴とするX線検出センサ。
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