JP3327180B2 - Soi層上酸化膜の形成方法ならびに結合ウエーハの製造方法およびこの方法で製造される結合ウエーハ - Google Patents

Soi層上酸化膜の形成方法ならびに結合ウエーハの製造方法およびこの方法で製造される結合ウエーハ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、SOI(silicon
on insulator)構造のウエーハに酸化膜を形成する技
術、および2枚のシリコン鏡面ウエーハを接着剤を用い
ることなく結合し、片方のウエーハを薄膜化してSOI
構造の結合ウエーハを製造する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】SOI構造のウエーハの作製法として
は、酸素イオンをシリコン単結晶に高濃度で打ち込んだ
後に、高温で熱処理を行い酸化膜を形成するSIMOX
(separation by implanted oxygen)法によるものと、
2枚の鏡面研磨したシリコンウエーハを接着剤を用いる
ことなく結合し、片方のウエーハを薄膜化する結合法が
注目されている技術である。
【0003】SIMOX法は、デバイス活性領域となる
SOI層の膜厚を、酸素イオン打ち込み時の加速電圧で
決定、制御できるために、薄層でかつ膜厚均一性の高い
SOI層を容易に得る事ができる利点があるが、埋め込
み酸化膜の信頼性や、SOI層の結晶性、1300℃以
上の温度での熱処理が必要である等問題が多い。
【0004】一方、ウエーハ結合法は、単結晶のシリコ
ン鏡面ウエーハ2枚のうち少なくとも一方に酸化膜を形
成し、接着剤を用いずに貼り合わせ、次いで熱処理(通
常は1100℃〜1200℃)を加えることで結合を強
化し、その後片方のウエーハを研削や湿式エッチングに
より薄膜化した後、薄膜の表面を鏡面研磨してSOI層
を形成するものであるので、埋め込み酸化膜の信頼性が
高くSOI層の結晶性も良好であるという利点がある
が、機械的な加工により薄膜化しているために、得られ
るSOI層の膜厚およびその均一性に限界がある。
【0005】しかしながら、半導体デバイスの高集積
化、高速度化により、SOI層の厚さはさらなる薄膜化
が要求されており、1μm以下といった極薄のSOI層
が要求されるようになってきている。従って、このよう
な極薄のSOI層を結合ウエーハで作製し、今後のCM
OS基板としてSIMOXと同等またはそれ以上の薄膜
化を達成するためには、最低でも0.1±0.01μm
の膜厚と加工精度が必要とされている。
【0006】この結合ウエーハで0.1±0.01μm
の膜厚と加工精度を実現するための技術として、特開平
5−160074号公報に開示されているいわゆるPA
CE(plasma assisted chemical etching)法と呼ばれ
る方法が開発された。このPACE法は気相エッチング
による薄膜の厚さを均一化する方法であり、予め均一化
しようとするシリコン層の厚さの分布を測定して、厚さ
分布のマップを作成し、そのマップにしたがって数値制
御により厚い部分を局部的に気相エッチングにより除去
することによって、極薄でかつ膜厚がきわめて均一な薄
膜を作製することができるものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記PACE
法では高周波プラズマを用いて薄膜の表面をエッチング
除去するために、SOI層表面に極僅かではあるがダメ
ージが入ってしまう。また、PACE法で処理したSO
I層表面には、あらたにヘイズと呼ばれる周期が0.0
1〜5μm程度の微小な面粗さが入ることがあり、この
ヘイズの改善のために、PACE法で処理後、タッチポ
リッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない研磨を行う等
の処理が必要となる。ところが、このタッチポリッシュ
後のSOI層をH.Gassel(J.Electro
chem.Soc.,140,pp1713,199
3)らにより開示された、四段セコエッチング法を応用
して評価すると、SOI層表面には高密度の結晶欠陥が
存在することがわかった。すなわち、タッチポリッシュ
ではPACE法で入ったダメージや結晶欠陥を完全には
除去できないか、あるいはタッチポリッシュ自体であら
たなダメージ、結晶欠陥が入っていることになる。これ
らの残留ダメージや結晶欠陥はデバイスの電気特性に悪
影響を及ぼしてしまう。
【0008】そこで、本出願人は先に特願平8−948
55号でPACE法で入ったダメージや結晶欠陥を除去
する方法として、例えばタッチポリッシュ後に熱酸化処
理して、ダメージや結晶欠陥の深さに相当する量の表面
酸化層を除去する方法を提案したが、必ずしも充分満足
できる結果ではなく、さらに一段とダメージや結晶欠陥
を減少させるように要望されていた。そこで、その原因
を追及したところ、SOIウエーハをタッチポリッシュ
後に熱酸化処理する過程で、熱酸化処理条件によって
は、当該酸化処理によって新たに結晶欠陥が導入される
ことが四段セコエッチング法による評価で解ってきた。
【0009】そこで、本発明はこのような問題点に鑑み
なされたもので、これら気相エッチング後、あるいはさ
らにタッチポリッシュ後の熱酸化処理の過程で新たに結
晶欠陥が入らない熱酸化処理条件を確立し、気相エッチ
ングあるいはタッチポリッシュで入った結晶欠陥や潜傷
を確実に除去し、良好な膜厚均一性を有するとともに、
結晶性の優れた超薄膜SOI層を有する結合ウエーハ
を、比較的簡単にかつ比較的低コストで製造する方法を
提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の請求項1に記載した発明は、SOI層上に熱酸
化処理によって酸化膜を形成する方法において、該熱酸
化処理による酸化膜厚さを50nm未満とすることを特
徴とするSOI層上酸化膜の形成方法である。
【0011】このように、SOI層上に酸化膜を形成す
る方法において、熱酸化処理によって生成する該酸化膜
の厚さを50nm未満に抑えると、埋め込み酸化膜と表
面酸化膜とに挟まれることとなるSOI層にかかるスト
レスが小さくなるため、新たに欠陥等を導入せずに済
む。さらに、このような熱酸化処理によりSOI層表面
に存在する欠陥や潜傷を修復させることができるように
なった。逆に熱酸化処理による該酸化膜の厚さが50n
m以上になると、薄いSOI層中にストレスがかかり、
新たな結晶欠陥が導入されてしまう。
【0012】本発明の請求項2および請求項3に記載し
た発明は、2枚のシリコン鏡面ウエーハのうち、少なく
とも一方のウエーハの鏡面に酸化膜を形成した後、その
鏡面同士を相互に接触させて接合し、次いで加熱処理を
加えて強固に結合し、次いで一方のウエーハを薄膜化し
た後、その薄膜の表面を研磨し、さらに気相エッチング
により薄膜の厚さを均一化した後に、または、さらに該
気相エッチング面を鏡面研磨した後に、該結合ウエーハ
の表面を熱酸化処理によって酸化し、次いでその生成し
た表面の酸化膜を除去するシリコンの結合ウエーハを製
造する方法において、該結合ウエーハの表面に形成する
熱酸化処理による酸化膜の厚さを50nm未満とするこ
とを特徴とする結合ウエーハの製造方法である。
【0013】このように、SOI層表面を気相エッチン
グにより処理した後に、または、さらに該気相エッチン
グ面を鏡面研磨した後に、該結合ウエーハの表面を酸化
し、次いでその生成した表面の酸化膜を除去することに
よって、気相エッチングあるいはその後の鏡面研磨によ
って入る表面のダメージ、結晶欠陥がある層(以下、単
にダメージ層と言うことがある。)の表面を酸化膜に変
換し、次にこの酸化膜を除去することによって、SOI
層表面のダメージ、結晶欠陥を除去することができる。
【0014】本発明においては、この結合ウエーハのS
OI層表面を熱酸化する時に、酸化膜の厚さを50nm
未満に制御する必要がある。この酸化膜の厚さが50n
m以上になると、SOI層中に新たな結晶欠陥が極端に
多く発生することが解明された。
【0015】また、本発明の請求項4に記載した発明
は、請求項2または請求項3のいずれか1項に記載の結
合ウエーハの製造方法であって、前記気相エッチングに
よる薄膜の厚さを均一化後または気相エッチング後の鏡
面研磨後のSOI層の膜厚を、1μm以下とする、こと
を特徴とする。
【0016】このように、本発明は、特に近年要求され
ている1μm以下といった極薄のSOI層において、そ
の上に酸化膜を形成すると、SOI層にかかるストレス
が大きくなり、結晶欠陥等がより生じ易いので、これら
を防止するのに有効である。
【0017】そして、このような請求項2〜請求項4の
いずれか1項に記載の方法によれば、気相エッチングあ
るいはその後の研磨で入った残留ダメージや結晶欠陥が
確実に除去された、良好な膜厚の均一性を有するシリコ
ン結合ウエーハ得ることができる(請求項5)。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定され
るものではない。ここで、図1は結合ウエーハの製造工
程の一例を示すフロー図である。また、図2はPACE
法による気相エッチングの概略を示す概念図で、(a)
は斜視図、(b)断面図である。図3は本発明における
結合ウエーハ表面に存在するダメージおよび結晶欠陥を
除去する工程での、そのダメージ、結晶欠陥密度の変化
の様子を示した、ウエーハ断面説明図で、(a)は図1
の工程直後のウエーハ、(b)は酸化処理後のウエー
ハ、(c)はダメージ層除去後のウエーハである。
【0019】図1は気相エッチングとタッチポリッシュ
工程を含む結合ウエーハの製造工程を示す工程図であ
る。工程1では、2枚のシリコン鏡面ウエーハを準備す
るものであり、デバイスの仕様に合ったウエーハを準備
する。工程2では、そのうちの少なくとも一方のウエー
ハを熱酸化し、その表面に約0.3μm〜2.0μm厚
の酸化膜を形成する。工程3では、2枚の鏡面ウエーハ
の鏡面同士を貼り合わせて接合する工程であり、常温の
清浄な雰囲気下で2枚のウエーハの鏡面同士を接触させ
ることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士
が接着する。この接合したウエーハ同士の結合力は、そ
のままデバイス工程で使用するには弱いので、工程4で
酸化性雰囲気下、熱処理を行い結合強度を十分なものと
する必要があるが、この熱処理はウエット酸素雰囲気
下、1050℃〜1200℃で30分から2時間の範囲
で行うことが好ましい。次に、工程5では、結合ウエー
ハの一方の面を研削する工程であり、研削を行うのは工
程2で酸化膜を形成した方のウエーハでも、酸化膜を形
成しなかった方のウエーハのどちらでもよく、SOI層
の厚さが10μm程度となるように一方のウエーハ裏面
(結合ウエーハの表面)から研削除去する。そして、工
程6では、工程5で研削した研削面を鏡面研磨する工程
であり、通常の鏡面研磨ウエーハ製造工程と同様の鏡面
研磨を行い、SOI層の厚さを約2μm〜7μmとす
る。
【0020】次に、工程7では、気相エッチングによる
薄膜の厚さを均一化する工程であり、図2(a)(b)
に示すように高周波プラズマ16を空洞12内に局在化
させて、気相エッチングを行うPACE法を用いること
が好ましい。この方法は、いわゆるドライエッチ法の一
つで、まず結合ウエーハ11上のSOI層の厚さ分布を
測定した後、その分布に従って、結合ウエーハ11上を
膜厚分布に応じて空洞12の走行速度を制御することに
より、プラズマ16に暴露される時間が制御され、その
結果表面のエッチング除去量が制御されることによっ
て、結合ウエーハ11上のSOI層の厚さを均一化する
ものである。プラズマ16は、結合ウエーハ11を挟ん
で上下に配置された、電極13、14に高周波電源15
から高周波を印加することによって、空洞12内に局在
化して発生させる。そして、この空洞が結合ウエーハ1
1上を自在に走行できるようになっている。
【0021】工程8は、タッチポリッシュの工程であ
り、工程7の気相エッチングで入った表面のヘイズの除
去を目的とするもので、気相エッチングされた面を研磨
の取り代が5nm〜15nm好ましくは10nm程度と
なるよう研磨する。
【0022】以上の工程を経て結合ウエーハが製造され
るが、この工程によって製造された結合ウエーハのSO
I層には、図3(a)に示すように、特に表面付近にダ
メージや結晶欠陥が多く存在する。なお、本発明では、
このダメージ、結晶欠陥層24は、後の酸化により除去
できるし、タッチポリッシュ工程で新たなダメージが生
じる可能性があるので、工程8は行わなくともよい。
【0023】次に、図3は本発明における結合ウエーハ
表面に存在するダメージ、結晶欠陥を除去する工程で
の、その密度変化の様子を示したウエーハ断面説明図で
ある。図3(a)は図1の工程を経た直後のウエーハを
示し、支持体となるベースウエーハ23とSOI層21
との間には酸化膜22が埋め込まれている。SOI層2
1の表面付近には中央部に比べて多くのダメージ、結晶
欠陥層24が存在している。そしてこのダメージ、結晶
欠陥層の厚さは約300nm付近まで達している。
【0024】そこで、本発明では、このように作製され
た結合ウエーハ11をまず酸化工程31によりその表面
を酸化し、図3(b)に示すようにSOI層21の表面
のダメージ、結晶欠陥層24が存在する部分の一部も含
めて、酸化膜25を形成し、その後酸化膜除去工程32
を経て、この酸化膜25を除去することにより、図3
(c)に示すように表面層のダメージ、結晶欠陥層を除
去する。そして、この酸化膜除去工程32後に目的とす
る製品の所望SOI層の厚さとなるようにしている。
【0025】ここで、本発明の酸化工程31では酸化膜
厚を50nm未満となるようにする。前記従来の技術の
欄で述べたように、特願平8−94855号では、ダメ
ージ、結晶欠陥層24を確実に除去するためには、この
ダメージ層24を全て酸化膜に変換しなければならなか
った。
【0026】しかし、本発明者等が詳細に調査したとこ
ろ、このダメージ、結晶欠陥層24は、単に窒素やアル
ゴン等の不活性ガス、または水素等の還元性ガス雰囲気
で熱処理するだけでも回復することが判明した。すなわ
ち、このダメージ、結晶欠陥層24を消滅させるだけな
ら、これらの雰囲気で熱処理を適切な条件で行ってもよ
いが、これらの雰囲気による熱処理では、シリコン表面
が僅かにエッチングされる現象が起こり、表面が荒れて
しまう。そこで、少なくとも酸素ガスや水蒸気を混合し
た酸化性雰囲気で熱処理することにより、形成される酸
化膜で表面を保護しながら熱処理することが必要になる
が、その際、SOI層に形成される酸化膜の厚さが50
nm以上になると、SOI層中に極端に多くの新たな結
晶欠陥が導入されることが解明された。図4は、その一
例で、6インチ結合ウエーハで気相エッチング後にタッ
チポリッシュを行った0.8μm厚のSOI層を熱酸化
して種々の酸化膜厚の試料を作製し、酸化膜除去後に四
段セコエッチング法によりピット密度と酸化膜厚との関
係を求めたものである(○印)。また、PACE法気相
エッチング直後で、タッチポリッシュ及び酸化を施さな
いウエーハのピット密度を予め求めておいた(△印)。
【0027】この図4から明らかなように、酸化膜厚が
50nm未満ではピット密度は、2×101 ケ/cm2
〜8×101 ケ/cm2 と極めて優れた値であるが、酸
化膜厚が50nm以上ではピット密度は、103 オーダ
ーと極端に多くなっている。
【0028】この結晶欠陥の発生原因は明確ではない
が、酸化により薄いSOI層中に格子間シリコンが放出
されること、薄いSOI層が酸化膜によりサンドイッチ
された構造となることによりストレスが導入されるこ
と、等により形成されるものと推定される。このような
SOI層上に酸化膜を作製するための酸化条件として
は、窒素ガスに酸素ガスを数〜数10%混合した酸化性
雰囲気で、800〜1150℃、30〜180分程度で
あることが好ましいが、酸化膜厚を50nm未満に制御
できるのであれば、不活性ガスや還元性ガスを全く含ま
ない酸化性雰囲気であっても良い。また、酸化膜の除去
は湿式エッチング、特にフッ酸水溶液によりエッチング
除去するのが好ましい。
【0029】ここで、酸化膜厚を50nm未満としたの
では、300nmの深さまであるSOI層表面の結晶欠
陥が除去されないのではないかと心配されるが、上記結
果のように、酸化膜を50nm未満とした場合の方が、
表面のピット密度が格段に低い。これは酸化熱処理によ
りSOI層表面の結晶欠陥等が修復されることを意味し
ている。
【0030】以上、本発明の貼り合わせウエーハのSO
I層表面に存在するダメージや結晶欠陥の修復方法とし
て酸化膜の形成方法について述べてきたが、該方法は、
SOI層を有するウエーハであれば、SOI層の形成方
法が、ウエーハ接合法、SIMOX法等のいずれであっ
ても適用できる。また、これらSOI層形成方法で形成
されたSOI層表面のダメージや結晶欠陥の除去を目的
としたPACE法やPACE+タッチポリッシュ処理後
のSOI層にも適用できる。さらに通常のSOIウエー
ハにおいて、熱処理により表面状態の改善を行う場合
や、単に酸化する場合にも適用することができる。
【0031】ここで、SIMOX法とは、通常、単結晶
シリコン基板中に高濃度の酸素イオン(16+ )を注入
し、その後の高温熱処理(1100〜1300℃)でS
iとOとを反応させてシリコン基板内部にB−SiO2
(埋め込み酸化)層を形成することを基本概念としたS
OI層形成方法である。
【0032】
【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 (実施例)導電型がp型で抵抗率が10Ω・cm、直径
が150mmのシリコン鏡面ウエーハを用い、図1に示
す工程によりSOI層の厚さが0.8μmの結合ウエー
ハを12枚作製した。これらのウエーハの各2枚ずつを
酸化膜厚が、6nm、24nm、50nm、110n
m、275nm、685nmの6種類となるよう熱酸化
処理を行った。酸化雰囲気は、酸化膜厚6nm、24n
m、50nmについては、窒素95%、酸素5%雰囲気
とし、110nm、275nm、685nmについて
は、ウエット酸素雰囲気とした。次にフッ酸水溶液で酸
化膜を除去した後に、前記四段セコエッチング法による
選択エッチングを行い、SOI層表面の欠陥ピット密度
を測定した。その結果をSOI層の酸化膜厚を横軸に、
欠陥ピット密度を縦軸にとり、比較として別に2枚につ
いてPACE法気相エッチングのみを行い、タッチポリ
ッシュ及び酸化を行わずに四段セコエッチングによる欠
陥ピット密度評価(各酸化膜厚別2枚の平均値)を行っ
た結果も合せて図4に示した。図4から明らかなよう
に、酸化膜厚が50nm以上になると欠陥ピット密度が
高く、酸化膜厚が50nm未満では欠陥ピット密度が急
激に低下している。
【0033】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0034】例えば、上記実施形態では、結合ウエーハ
片面の薄膜化を研削・研磨及び気相エッチングによった
が、結合前の一方のシリコンウエーハの上面から水素イ
オン(プロトン)または希ガスイオンを注入し、該ウエ
ーハ内部に微小気泡層を形成させ、酸化膜を介して他方
のシリコンウエーハと結合した後、熱処理により微小気
泡層を劈開面として薄膜状に分離し、SOIウエーハと
する技術(特開平5−211128号参照)を使用して
もよい。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
SOI層表面を酸化する場合に、酸化膜の厚さを50n
m未満としたので、SOI層に新たに結晶欠陥を導入す
ることなく、酸化処理することができる。従って、気相
エッチングで薄膜の厚さを均一化し、さらにまたタッチ
ポリッシュで研磨された結合ウエーハの残留ダメージや
結晶欠陥を、新たに欠陥を発生させることなく除去する
ことが可能となり、より結晶性の優れた結合ウエーハ
が、比較的簡単にかつ比較的低コストで得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】結合ウエーハの製造工程の一例を示すフロー図
である。
【図2】PACE法による気相エッチングの概略を示す
概念図である。 (a)斜視図、 (b)断面図。
【図3】本発明における結合ウエーハ表面に存在するダ
メージ、結晶欠陥を除去する工程での、そのダメージ、
結晶欠陥密度の変化の様子を示した、ウエーハ断面説明
図である。 (a)図1の工程直後のウエーハ、 (b)酸化処理後のウエーハ、 (c)ダメージ層除去後のウエーハ。
【図4】本発明における、熱酸化膜の膜厚と表面欠陥ピ
ット密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…2枚の鏡面研磨ウエーハを準備する工程、 2…一方のウエーハを酸化する工程、 3…2枚の鏡面同士を貼り合わせる工程、 4…酸化性雰囲気で結合熱処理する工程、 5…一方の裏面から研削する工程、 6…研削面を鏡面研磨する工程、 7…気相エッチング工程、 8…タッチポリッシュ工程、 11…結合ウエーハ、 12…空洞、 13,14…電極、 15…高周波電源、 16…プラズマ、 21…SOI層、 22…埋め込み酸化膜、 23…ベースウエーハ、 24…ダメージ、結晶欠陥層、 25…酸化膜、 31…熱酸化工程、 32…酸化膜除去工程。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−222715(JP,A) 特開 平6−338604(JP,A) 特開 平4−282867(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/02 H01L 27/12

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SOI層上に熱酸化処理によって酸化膜
    を形成する方法において、該熱酸化処理による酸化膜厚
    さを50nm未満とすることを特徴とするSOI層上酸
    化膜の形成方法。
  2. 【請求項2】 2枚のシリコン鏡面ウエーハのうち、少
    なくとも一方のウエーハの鏡面に酸化膜を形成した後、
    その鏡面同士を相互に接触させて接合し、次いで加熱処
    理を加えて強固に結合し、次いで一方のウエーハを薄膜
    化した後、その薄膜の表面を研磨し、さらに気相エッチ
    ングにより薄膜の厚さを均一化した後に、該結合ウエー
    ハの表面を熱酸化処理によって酸化し、次いでその生成
    した表面の酸化膜を除去するシリコンの結合ウエーハを
    製造する方法において、該結合ウエーハの表面に形成す
    熱酸化処理による酸化膜の厚さを50nm未満とする
    ことを特徴とする結合ウエーハの製造方法。
  3. 【請求項3】 2枚のシリコン鏡面ウエーハのうち、少
    なくとも一方のウエーハの鏡面に酸化膜を形成した後、
    その鏡面同士を相互に接触させて接合し、次いで加熱処
    理を加えて強固に結合し、次いで一方のウエーハを薄膜
    化した後、その薄膜の表面を研磨し、さらに気相エッチ
    ングにより薄膜の厚さを均一化し、さらに該気相エッチ
    ング面を鏡面研磨した後に、該結合ウエーハの表面を
    酸化処理によって酸化し、次いでその生成した表面の酸
    化膜を除去するシリコンの結合ウエーハを製造する方法
    において、該結合ウエーハの表面に形成する熱酸化処理
    による酸化膜の厚さを50nm未満とすることを特徴と
    する結合ウエーハの製造方法。
  4. 【請求項4】 気相エッチングによる薄膜の厚さを均一
    化後または気相エッチング後の鏡面研磨後のSOI層の
    膜厚を、1μm以下とする、ことを特徴とする請求項2
    または請求項3に記載の結合ウエーハの製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項2〜請求項4のいずれか1項に記
    載の方法により製造された、ことを特徴とするシリコン
    結合ウエーハ。
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