JP3385972B2 - 貼り合わせウェーハの製造方法および貼り合わせウェーハ - Google Patents

貼り合わせウェーハの製造方法および貼り合わせウェーハ

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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、イオン注入したウ
ェーハを熱処理後に剥離して貼り合わせウェーハを製造
する、いわゆる水素イオン剥離法(スマートカット法と
も呼ばれている)において、結合面に発生する結合不良
を低減する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】貼り合わせ法を用いたSOI(silicon
on insulator)ウェーハの作製方法として、2枚のシ
リコンウェーハをシリコン酸化膜を介して貼り合わせる
技術、例えば特公平5−46086号公報に示されてい
る様に、少なくとも一方のウェーハに酸化膜を形成し、
接合面に異物を介在させることなく相互に密着させた
後、200〜1200℃の温度で熱処理して結合強度を
高める方法が、従来より知られている。
【0003】熱処理を行なうことにより結合強度が高め
られた貼り合わせウェーハは、その後の研削研磨工程が
可能となるため、素子作製側ウェーハを研削及び研磨に
より所望の厚さに減厚加工することにより、素子形成を
行なうSOI層を形成することができる。このようにし
て作製された貼り合わせSOIウェーハは、SOI層の
結晶性に優れ、SOI層直下に存在する埋め込み酸化膜
の信頼性も高いという利点はあるが、研削及び研磨によ
り薄膜化しているため、薄膜化に時間がかかる上、材料
が無駄になり、しかも膜厚均一性は高々目標膜厚±0.
3μmしか得られなかった。
【0004】一方、近年の半導体デバイスの高集積化、
高速度化に伴い、SOI層の厚さは更なる薄膜化と膜厚
均一性の向上が要求されており、具体的には0.1±
0.01μm程度の膜厚及び膜厚均一性が必要とされて
いる。このような膜厚及び膜厚均一性をもつ薄膜SOI
ウェーハを貼り合わせウェーハで実現するためには従来
の研削・研磨での減厚加工では不可能であるため、新た
な薄膜化技術として、特開平5−211128号公報に
開示されている水素イオン剥離法と呼ばれる方法(スマ
ートカット法とも呼ばれる)が開発された。
【0005】この水素イオン剥離法は、二枚のシリコン
ウェーハのうち少なくとも一方に酸化膜を形成するとと
もに、一方のシリコンウェーハの上面から水素イオンま
たは希ガスイオンを注入し、該シリコンウェーハ内部に
微小気泡層(封入層)を形成させた後、該イオン注入面
を酸化膜を介して他方のウェーハと密着させ、その後熱
処理(剥離熱処理)を加えて微小気泡層を劈開面(剥離
面)として一方のウェーハを薄膜状に剥離し、さらに熱
処理(結合熱処理)を加えて強固に結合してSOIウェ
ーハとする技術である。
【0006】この方法では、剥離面は良好な鏡面であ
り、SOI層の均一性が極めて高いSOIウェーハが比
較的容易に得られる上、剥離した一方のウェーハを再利
用できるので、材料を有効に使用できるという利点も有
する。また、この方法は、酸化膜を介さずに直接シリコ
ンウェーハ同士を結合することもできるし、シリコンウ
ェーハ同士を結合する場合だけでなく、シリコンウェー
ハにイオン注入して、石英、炭化珪素、アルミナ等の熱
膨張係数の異なる絶縁性ウェーハと結合する場合にも用
いられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような水素イオン
剥離法で貼り合わせウェーハを作製する場合、二枚のウ
ェーハを室温で密着させた後の熱処理工程として、剥離
熱処理と結合熱処理を兼ねた高温熱処理を一度で行うこ
ともできるが、剥離ウェーハを再処理して使用する都合
上、一旦500℃程度の比較的低温で剥離熱処理を行っ
て剥離ウェーハを回収したのち、SOIウェーハのみを
別途、例えば1100℃程度の高温で結合熱処理を行う
ことが通常である。
【0008】ところが、本発明者らが水素イオン剥離法
により貼り合わせウェーハを繰り返し作製していると、
次の2種類の結合不良が頻発することがわかった。 1)剥離熱処理後、イオン注入層で剥離が発生せず、密
着した部分で全面または一部がはがれてしまう結合不
良。 2)剥離熱処理後には全くボイド(部分的な未結合部)
は発生していないが、結合熱処理後にボイドが発生して
いる結合不良。 上記2種類の結合不良に関して本発明者らが鋭意研究し
た結果、これらの結合不良には、室温で密着した面に含
まれる有機物の濃度が関与していることが明らかとなっ
た。更に詳細に説明すると、有機物がボイドの原因とな
る現象は、結合面にトラップされた有機物が高温の結合
熱処理を受けてガス化し、そのガス圧が貼り合わせ強度
及びシリコンの剛性に優った場合にボイドを形成すると
考えられている。従って、従来の貼り合わせ法の場合、
結合熱処理時に貼り合わせウェーハは薄膜化されていな
いのが通常であるのでウェーハの剛性が強く、結合面に
トラップされた有機物が比較的少量であれば、ガス化し
てもボイドにならずに拡散して結合面から消滅する。こ
れに対し、水素イオン剥離法の場合、剥離熱処理後にS
OI層は2μm以下という非常に薄い状態で高温の結合
熱処理が行なわれるため、ウェーハの剛性が非常に弱
く、結合面にトラップされた有機物が従来の貼り合わせ
法ではボイドとならない程度の少量であっても、上記
2)に記載したように、結合熱処理後に初めてボイドが
発生する現象が生ずることを見出した。一方、結合不良
の発生は、ウェーハ密着面のシリコン酸化膜の有無やそ
の厚さにも依存することがわかった。即ち、酸化膜を介
した結合であれば、有機物の存在により発生したガスが
その酸化膜中に吸収されるため、ボイドが形成されにく
くなる。そして、この現象は酸化膜が厚いほど効果があ
ると考えられる。
【0009】そこで、本発明は、貼り合わせウェーハの
結合不良と密着面の有機物汚染の指標となる炭素原子の
濃度との関係に基づきなされたもので、水素イオン剥離
法により得られる貼り合わせウェーハの結合不良を低減
し、結合界面での剥離やボイドのない貼り合わせウェー
ハを、生産性良く、低コストで提供することを主たる目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に本発明の請求項1に記載した発明は、水素イオン剥離
法によって貼り合わせウェーハを製造する方法におい
て、双方のウェーハを室温で密着する前に洗浄工程で表
面の不純物を除去し、その洗浄後における室温で密着し
た密着面の炭素濃度を×1014atoms/cm2以下とす
ることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法であ
る。このように、洗浄後における双方のウェーハを室温
で密着した密着面の炭素濃度を×1014atoms/cm2
以下とすれば、剥離熱処理後、イオン注入層で剥離が発
生せず、密着した面で全面または一部がはがれてしまう
結合不良は発生しない。しかも、剥離熱処理後の結合面
の炭素濃度も3×10 14 atoms/cm 2 以下となり、その
後の結合熱処理によりボイドが発生することを防止でき
る。
【0011】また、請求項2のように、密着面に介在す
るシリコン酸化膜の厚さを0.1μm以上とすることに
より、結合熱処理によるボイドの発生をより確実に防止
できる。更に、請求項3のように、前記洗浄をSC−1
洗浄、SC−2洗浄の少なくとも一方を用いた洗浄に、
オゾン洗浄、硫酸過水洗浄を組み合わせた洗浄とするこ
とで、密着して結合する面の炭素濃度を、ボイドが発生
しないレベルに確実に低減できる。そして、請求項4の
ように、貼り合わせるウェーハの表面を、SC−1洗
浄、SC−2洗浄の少なくとも一方を用いた洗浄に、オ
ゾン洗浄、硫酸過水洗浄を組み合わせて洗浄した後貼り
合わせれば、密着して結合する面の炭素濃度を、ボイド
が発生しないレベルに確実に低減できる。また、請求項
5は、剥離熱処理後の結合面の炭素濃度が3×1014
atoms/cm2以下であることを特徴とする貼り合わせウェ
ーハである。このようなウェーハであれば高温の結合熱
処理でボイドの発生を防止できるので、ボイドのない高
品質の貼り合わせウェーハを高歩留で作製できる。特に
貼り合わせSOIウェーハの場合は、請求項6のように
結合面に介在するシリコン酸化膜の厚さが0.1μm以
上であることが好ましい。そして、水素イオン剥離法に
おける結合不良を低減するために用いるウェーハとして
、双方のウェーハを室温で密着した密着面の炭素濃度
が3×1014atoms/cm2以下となるような表面濃度を
持つウェーハを用いればよい。また、貼り合わせSOI
ウェーハを作製する場合には、密着面に介在するシリコ
ン酸化膜の厚さが0.1μm以上であることが好まし
い。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図1
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は本発明による貼り合わ
せSOIウェーハの製造工程の一例を示すフロー図であ
る。工程(a)では、2枚のシリコンウェーハ1、2を
準備するものであり、両ウェーハとも少なくとも結合す
べき面が鏡面研磨されている単結晶シリコンウェーハで
ある。尚、1はベースウェーハ、2はボンドウェーハで
ある。
【0013】工程(b)は、SOI層となるボンドウェ
ーハ2に酸化膜3を形成する工程である。この酸化膜3
はSOIウェーハの埋め込み酸化膜となるので、その厚
さは用途に応じて設定されるが、通常0.1〜2.0μ
m程度が用いられる。また、ボンドウェーハ2には酸化
膜を形成せずにSOI層の支持ウェーハとなるベースウ
ェーハ2に酸化膜を形成しておいても良いし、両方に酸
化膜を形成してもよい。
【0014】次に、工程(c)は、ボンドウェーハ2の
一方の面(ベースウェーハ1と結合される面)の上面か
ら水素イオンまたは希ガスイオンのうち少なくとも一
方、ここでは水素イオンを注入し、イオンの平均進入深
さにおいて表面に平行な微小気泡層(封入層)4を形成
させるもので、この注入時のウェーハ温度は25〜45
0℃が好ましく、特に200℃以下がより好ましい。
【0015】工程(d)は、ベースウェーハ1及びボン
ドウェーハ2を室温で密着させる前に表面の不純物を除
去する洗浄工程である。従来のこの洗浄工程は、SC−
1洗浄と呼ばれる水酸化アンモニウムと過酸化水素水の
混合液や、SC−2洗浄と呼ばれる塩化水素と過酸化水
素水の混合液を単独であるいは複数段組み合わせて洗浄
していたが、本発明ではSC−1洗浄やSC−2洗浄に
加えて、表面の有機物を効果的に除去するために、公知
のオゾン洗浄(オゾンを含有する純水)や硫酸過水洗浄
(濃硫酸と過酸化水素水の混合液)を組み合わせた洗浄
を行う。これにより、ベースウェーハ1及びボンドウェ
ーハ2表面の有機物を効果的に除去できるので、室温で
密着した密着面の炭素濃度を確実に5×1014atoms/c
m2以下とすることができる。尚、密着面の炭素濃度は、
工程(d)の洗浄液の温度、組成、洗浄時間等の洗浄条
件により決まるので、洗浄条件と密着面の炭素濃度との
関係を予め調査しておけば、目標とする炭素濃度に最適
な洗浄条件を設定することができる。測定法としてはT
D−GC−MS(Thermal Desorption Gas Chromato
graphy Mass spectroscopy)法(熱脱離型ガスクロマ
トグラフ質量分析法)や、後述するように薄膜SOIを
作製してSIMS法(二次イオン質量分析法)を用いる
方法などがある。
【0016】次に、工程(e)は、洗浄後の両ウェーハ
を重ね合せて密着させる工程であり、常温の清浄な雰囲
気下で2枚のウェーハの表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ェーハ同士が接着す
る。
【0017】工程(f)は、封入層4を境界として剥離
することによって、剥離ウェーハ5とSOIウェーハ6
(SOI層7+埋め込み酸化膜3+ベースウェーハ1)
に分離する剥離熱処理工程で、例えば、不活性ガス雰囲
気下約500℃以上の温度で熱処理を加えれば、結晶の
再配列と気泡の凝集とによって剥離ウェーハ5とSOI
ウェーハ6に分離されると同時に、室温での密着面もあ
る程度は強固に結合がなされる。この段階で、SOIウ
ェーハ6のSOI表面から深さ方向に、SIMS(Seco
ndary Ion Mass Spectroscopy)による分析を行うこと
により、室温での密着面の炭素濃度を定量できる。尚、
剥離ウェーハ5は、表面の酸化膜3を除去して剥離面を
研磨する再生処理を行えば、再利用が可能である。
【0018】SOIウェーハ6をデバイス作製工程で使
用するためには、工程(f)の剥離熱処理による結合力
では不十分であるので、工程(g)の結合熱処理として
高温の熱処理を施し、結合強度を十分なものする。この
熱処理は、例えば不活性ガス雰囲気下、1000℃〜1
200℃で30分〜5時間程度の範囲で行うことができ
る。また、ランプ加熱装置のような急速加熱・急速冷却
装置を用いれば、1000℃〜1350℃の温度で1〜
300秒程度の短時間で十分な結合強度が得られる。
【0019】そして、工程(h)は、SOI層7の表面
である劈開面(剥離面)に存在するダメージ層及び表面
粗さを除去する工程である。この工程としては、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っ
たり、タッチポリッシュ後に水素を含む還元性雰囲気で
の熱処理を加えたりすることもできるが、タッチポリッ
シュを行わずに水素を含む還元性雰囲気で熱処理のみを
行っても、同様にダメージ層及び表面粗さを除去するこ
とができる上、工程(g)の結合熱処理を兼ねることも
できるので一層効率的である。
【0020】
【実施例】(実施例1)まず、直径150mm、厚さ6
25μm、導電型p型、抵抗率10〜20Ω・cmの一
方の表面が鏡面研磨された単結晶シリコンウェーハ2枚
を用意し、一方のウェーハをボンドウェーハ用として、
表面に0.1μmの酸化膜を熱酸化により形成した。次
に、ボンドウェーハの鏡面側に酸化膜を介し、注入エネ
ルギー40keV、注入量8×1014 atoms/cm2の条
件でH+イオンを注入した後、硫酸過水洗浄(96%濃
硫酸:30%H2O2=6kg:100cc、液温110
℃)を5分間行い、純水でリンスした後、SC−1洗浄
(29%NH4OH水溶液:30%H2O2:純水=1:
1:8、液温80℃)を4分間行い、更にSC−1、S
C−2(36%HCl水溶液:30%H2O2:純水=1:
1:6、液温80℃)、SC−1を4分間ずつ順次行っ
た。
【0021】一方、ベースウェーハは硫酸過水洗浄を行
わずにSC−1、SC−2、SC−1洗浄を4分間ずつ
順次行い、両ウェーハを乾燥させたのち、室温で密着さ
せ、剥離熱処理として窒素ガス雰囲気下500℃30分
の熱処理を加えた。その結果、図1(f)の様なSOI
膜厚が約0.25μmのSOIウェーハと剥離ウェーハ
が作製された。剥離後のSOIウェーハを肉眼で観察し
たがボイドは全く観察されなかった。尚、SOI層が薄
膜化された状態であれば、ボイドが存在する部分は盛り
上がって見えるので、特別な装置を用いなくてもボイド
を観察することはできる。
【0022】次に、このSOIウェーハに対して窒素ガ
ス雰囲気で1100℃、2時間の結合熱処理を行った。
結合熱処理後のSOIウェーハを肉眼で観察したがボイ
ドは全く観察されなかった。また、上記と全く同一の条
件で剥離熱処理までを行い、別途作製したSOIウェー
ハをダイシングし、3箇所(中心付近、中心から35m
m付近、中心から65mm付近)についてSIMS測定
を行い、室温での密着面のカーボン濃度を算出したとこ
ろ、いずれも3×1014atoms/cm2以下であった。
【0023】(実施例2)実施例1と同じ種類のウェー
ハに酸化膜を形成せずに同一の条件でイオン注入を行っ
たボンドウェーハを作製し、ジブチルベンゾキノンの入
ったデシケーター中に1時間保管した。その後、ベース
ウェーハと共に、硫酸過水による洗浄は行わずに実施例
1と同一条件のSC−1、SC−2、SC−1洗浄のみ
を行い、乾燥後、両ウェーハを室温で密着させ、実施例
1と同一の剥離熱処理と結合熱処理を順次行った。その
結果、剥離熱処理後のSOIウェーハには直径約2〜1
0mm程度のボイドが数箇所に発生しており、結合熱処
理後にその数は増加した。しかしながら、剥離熱処理後
に全面が剥がれる現象は発生しなかった。また、上記と
全く同一の条件で剥離熱処理までを行い、別途作製され
た貼り合わせウェーハをダイシングし、3箇所(中心付
近、中心から35mm付近、中心から65mm付近)に
ついてSIMS測定を行い、室温での密着面の炭素濃度
を算出したところ、いずれも5×1014atoms/cm2以下
であった。 (実施例3)ボンドウェーハに0.1μmの酸化膜を形
成した以外は実施例2と同一の条件で結合熱処理まで順
次行ったSOIウエーハを複数枚作製した。その結果、
どのSOIウェーハも剥離熱処理後にはボイドは全く観
察されなかったが、結合熱処理後に数個のボイドが発生
する場合と、全く発生しない場合とが見られた。
【0024】(比較例1)実施例1と同じ種類のウェー
ハに酸化膜を形成せずに同一の条件でイオン注入を行っ
たボンドウェーハを作製し、ジブチルベンゾキノンの入
ったデシケーター中に6時間保管した。その後、ベース
ウェーハのみ実施例1と同一条件のSC−1、SC−
2、SC−1洗浄を順次行い、乾燥後、両ウェーハを室
温で密着させ、実施例1と同一の剥離熱処理を行った。
その結果、剥離熱処理後の両ウェーハは、室温で密着さ
せた界面で全面が剥がれており、イオン注入層での剥離
は発生しなかった。また、上記と全く同一の条件で容器
内に保管する工程まで行ったボンドウェーハの表面に、
減圧気相成長装置により600℃で約0.3μmのシリ
コン層を堆積した後、実施例1、2と同様にSIMS測
定を行い、ボンドウェーハ表面の炭素濃度を算出したと
ころ、いずれも5×1014atoms/cm2以上であった。 (比較例2)ボンドウェーハに0.1μmの酸化膜を形
成した以外は、比較例1と同一の条件で剥離熱処理まで
行った。その結果、剥離熱処理後の両ウェーハは、室温
で密着させた界面の一部に剥がれが生じていた。
【0025】尚、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。例え
ば、本発明のSOIウェーハの製造工程として図1で
は、ボンドウェーハのみに酸化膜を形成する場合を示し
たが、ベースウェーハのみに酸化膜をも形成してもよい
し、両ウェーハに酸化膜を形成してもよい。また、ベー
スウェーハとして多結晶シリコンや、石英、炭化珪素、
アルミナ等の熱膨張係数の異なる絶縁性ウェーハと結合
する場合にも適応できる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、水素イ
オン剥離法により貼り合わせウェーハを作製するに際
し、剥離熱処理後、イオン注入層で剥離が発生せず、密
着した部分で全面または一部がはがれてしまう結合不良
や、剥離熱処理後には全くボイド(部分的な未結合部)
は発生していないが、結合熱処理後にボイドが発生して
いる結合不良を抑制することができる。従って、結合界
面での剥離やボイドのない貼り合わせウェーハを、生産
性良く、低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による貼り合わせSOIウェーハの製
造工程の一例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
1…ベースウェーハ 2…ボンドウェーハ 3…酸化膜 4…微小気泡層(封入
層) 5…剥離ウェーハ 6…SOIウェーハ 7…SOI層
フロントページの続き (56)参考文献 Maleville C ET A L,Wafer bonding an d H−implantation m echanisms involved in the Smart−cut (R)technology,MATE RIALS SCIENCE AND ENGINEERINGB−SOLID STATE MATERIALS F OR ADVANCED TECHNO LOGY,1997年 4月 1日,VO L.46,NO.1−3,14−19 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素イオン剥離法によって貼り合わせウ
    ェーハを製造する方法において、双方のウェーハを室温
    で密着させる前に洗浄工程で表面の不純物を除去し、そ
    の洗浄後における室温で密着した密着面の炭素濃度を
    ×1014atoms/cm2以下と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. 【請求項2】 前記密着面に介在するシリコン酸化膜の
    厚さを0.1μm以上と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。
  3. 【請求項3】 前記洗浄として、SC−1洗浄、SC−
    2洗浄の少なくとも一方を用いた洗浄に、オゾン洗浄、
    硫酸過水洗浄を組み合わせて行うことを特徴とする請求
    項1または請求項2に記載された貼り合わせウェーハの
    製造方法。
  4. 【請求項4】 水素イオン剥離法によって貼り合わせウ
    ェーハを製造する方法において、貼り合わせるウェーハ
    の表面を、SC−1洗浄、SC−2洗浄の少なくとも一
    方を用いた洗浄に、オゾン洗浄、硫酸過水洗浄を組み合
    わせて洗浄した後貼り合わせることを特徴とする貼り合
    わせウェーハの製造方法。
  5. 【請求項5】 水素イオン剥離法によって製造された貼
    り合わせウェーハであって、剥離熱処理後の結合面の炭
    素濃度が3×1014atoms/cm2以下であることを特徴
    とする貼り合わせウェーハ。
  6. 【請求項6】 前記結合面に介在するシリコン酸化膜の
    厚さが0.1μm以上であることを特徴とする請求項5
    記載の貼り合わせウェーハ。
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