JP3582566B2 - Soi基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜上に半導体層を設けたSOI(Silicon On Insulator)基板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のSOI基板は将来の超高集積回路(ULSI)基板として注目されてきている。このSOI基板の製造方法には、▲1▼シリコン基板同士を絶縁膜を介して貼り合わせる方法、▲2▼絶縁性基板又は絶縁性薄膜を表面に有する基板の上にシリコン薄膜を堆積させる方法、▲3▼シリコン基板の内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニール処理してこのシリコン基板表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層を形成し、その表面側のSi層を活性領域とするSIMOX法などがある。
また最近、半導体基板に水素イオン等の注入を行った後に、この半導体基板をイオン注入面を重ね合せ面として支持基板に重ね合せ、この積層体を500℃を越える温度に昇温して上記半導体基板を上記水素イオン等を注入した領域で支持基板から分離し、支持基板の表面に薄膜を有する薄い半導体材料フィルムの製造方法が提案されている(特開平5−211128)。この方法では、イオンを半導体基板の内部に表面から均一に注入できれば、均一な厚さの薄膜を有する半導体基板が得られる。また支持基板の表面に予め酸化膜を設けておけば、この方法によりSOI基板を製造することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記水素イオン注入が行われる半導体基板の酸化膜表面において、水素イオンを注入する前に酸化膜表面に残留した有機物などの汚染物質が水素イオン注入によって変質し通常のウエットエッチングでは除去され難くなり、また酸化膜表面に面荒れが生じる問題がある。その結果、上記汚染物質と面荒れの影響により、上記半導体基板の酸化膜と支持基板との界面の引張り結合強度が減少する不都合がある。
本発明の目的は、半導体層が酸化膜を介して半導体基板上に重ね合わされているSOI基板において、酸化膜と半導体基板との界面の引張り結合強度を増大させることのできるSOI基板の製造方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、図1に示すように、第1半導体基板11の表面に酸化膜12を形成する工程と、第1半導体基板11の酸化膜12上に窒化膜13を形成する工程と、第1半導体基板11の表面から水素イオンを注入して第1半導体基板11内部にイオン注入領域11aを形成する工程と、窒化膜13を第1半導体基板11から除去する工程と、第1半導体基板11を酸化膜12を介して第2半導体基板14に重ね合わせて密着させる工程と、第1半導体基板11を第2半導体基板14に密着させたまま所定の温度で熱処理して第1半導体基板11を上記イオン注入した領域11aで第2半導体基板14から分離して第2半導体基板14の表面に半導体層11bを形成する工程と、表面に半導体層11bを有する第2半導体基板14を更に熱処理する工程とをこの順に含むSOI基板の製造方法である。
第1半導体基板11表面の酸化膜12の上に窒化膜13を積層し、この上から水素イオンを注入して第1半導体基板11内部にイオン注入領域11aを形成した後、窒化膜13を除去するようにしたから、有機物などの汚染物質が窒化膜13表面に残留した場合でも、上汚染物質は窒化膜13と共に酸化膜12の表面から除去される。従って、酸化膜12の面荒れは防止され、酸化膜12と第2半導体基板14との界面の引張り結合強度は増大する。
【0005】
請求項2に係る発明は、図2に示すように、第1半導体基板11の表面に酸化膜12を形成する工程と、第1半導体基板11に上記表面から水素イオンを注入して第1半導体基板11内部にイオン注入領域11aを形成する工程と、第1半導体基板11の酸化膜12を酸素プラズマ処理する工程と、第1半導体基板11の酸化膜12を第2半導体基板14の表面に直接重ね合わせて密着させる工程と、第1半導体基板11を第2半導体基板14に密着させたまま所定の温度で熱処理して第1半導体基板11を上記イオン注入した領域11aで第2半導体基板14から分離して第2半導体基板14の表面に半導体層11bを形成する工程と、表面に半導体層11bを有する第2半導体基板14を更に熱処理する工程とをこの順に含むSOI基板の製造方法である。
第1半導体基板11表面の酸化膜12の上から水素イオンを注入して第1半導体基板11内部にイオン注入領域11aを形成した後、酸化膜12の表面を酸素プラズマ処理するようにしたから、酸化膜12表面に生成された有機物等の汚染物質は酸素プラズマ処理により除去されて、酸化膜12の表面は清浄化される。従って、酸化膜12の面荒れは防止され、酸化膜12と第2半導体基板14との界面の引張り結合強度は増大する。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、請求項1に係る本発明のSOI基板を製造するには、先ずシリコンウェーハからなる第1半導体基板11を熱酸化により基板11表面に絶縁層である酸化膜12を形成する(図1(a))。次いで酸化膜12上にCVD法により窒化膜13を形成する。この窒化膜13は1〜100nm、好ましくは5〜30nm程度の厚さになるように形成される。次いで酸化膜12及び窒化膜13を含む基板11の表面から水素イオンを1〜10×1016/cm2のドーズ量及び1〜600keVの加速エネルギーでイオン注入する。その結果、基板11内部にイオン注入領域11aが酸化膜12に平行に形成される(図1(c))。
その後、窒化膜13を熱燐酸を用いたウェットエッチング又はCF4とO2ガスを用いたドライエッチングの手段により除去して酸化膜12を露出させる(図1(d))。この窒化膜13の除去により、その表面に残留した有機物などの汚染物質が窒化膜13とともに酸化膜12の表面から除去されて、酸化膜12の表面は清浄化され、酸化膜12の面荒れは防止される。
【0008】
次いで上記基板11と同一表面積を有するシリコンウエーハからなる第2半導体基板14を用意し(図1(b))、第2基板14上に第1基板11を酸化膜12を介して重ね合せて密着させる(図1(e))。第1基板11を第2基板14に密着させたまま窒素雰囲気中で500〜800℃の範囲に昇温し、5〜30分保持して薄膜分離熱処理を行う。これにより第1半基板11が水素イオンの注入ピーク位置に相当するイオン注入領域11aのところで割れて上部の厚肉部11cと下部の薄膜11bに分離する(図1(f))。次に温度を下げて厚肉部11cを取除き(図1(h))、酸化膜12及び薄膜11bを表面に有する第2基板14を酸素又は窒素雰囲気中において900〜1200℃で30〜120分間熱処理して薄膜11bと第2基板14とを強固に貼り合わせる(図1(g))。更に薄膜11bの分離面及び厚肉部11cの分離面をそれぞれ研磨(タッチポリッシング)して平滑化する(図1(i)及び図1(j))。これにより第2基板14はSOI基板となり、厚肉部11cは新たな半導体基板として再びSOI基板の製造に利用できる。
【0009】
図2に示すように、請求項2に係る本発明のSOI基板を製造するには、請求項1の場合と同様に、先ずシリコンウェーハからなる第1半導体基板11を熱酸化により基板11表面に絶縁層である酸化膜12を形成する(図2(a))。次いで酸化膜12を含む基板11の表面から水素イオンを1〜10×1016/cm2のドーズ量及び1〜600keVの加速エネルギーでイオン注入する。その結果、基板11内部にイオン注入領域11aが酸化膜12に平行に形成される(図2(c))。
次に酸化膜12の表面を均一に酸素プラズマ処理する(図2(d))。この酸素プラズマ処理の温度は後述する図2(f)で示す薄膜分離熱処理の温度より低い400℃以下の温度で行うことが好ましい。これは酸素プラズマ処理が薄膜分離熱処理よりも高い温度で行われた場合には第1基板11と第2基板14を重ね合せる前の段階においてイオン注入領域11aでシリコンウエーハが割れてしまう恐れがあるためである。その結果、酸化膜12表面に生成された有機物等の汚染物質は酸化膜12の表面から除去されて、酸化膜12の表面は清浄化され、酸化膜12の面荒れは防止される。
【0010】
次いで上記基板11と同一表面積を有するシリコンウエーハからなる第2半導体基板14を用意し(図2(b))、第2基板14上に第1基板11を酸化膜12を介して重ね合せて密着させる(図2(e))。第1基板11を第2基板14に密着させたまま請求項1の場合と同様の条件で薄膜分離熱処理を行う。これにより第1基板11がイオン注入領域11aのところで割れて上部の厚肉部11cと下部の薄膜11bに分離する(図2(f))。次に温度を下げて厚肉部11cを取除き(図2(h))、酸化膜12及び薄膜11bを表面に有する第2基板14を請求項1の場合と同様の条件で熱処理して薄膜11bと第2基板14とを強固に貼り合わせる(図2(g))。更に薄膜11bの分離面及び厚肉部11cの分離面をそれぞれ研磨して平滑化する(図2(i)及び図2(j))。これにより酸化膜12と薄膜11bを表面に有する第2基板14からなるSOI基板を得る。
【0011】
【実施例】
次に本発明の具体的態様を示すために、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
<実施例1>
図1(a)に示すように、第1シリコン基板11を熱酸化して表面に厚さ400nmの酸化膜12を形成し、続いて酸化膜12上にCVD法により厚さ50nmの窒化膜13を形成した(図1(a))。次いでこの第1基板11に60keVの電圧を印加して水素イオンを7×1016/cm2のドーズ量でイオン注入して第1基板11内部にイオン注入領域11aを酸化膜12に平行に形成した(図1(c))。その後、窒化膜13を145〜150℃の熱燐酸で除去した(図1(d))。次いで上記基板11と同一表面積を有する第2シリコン基板14を用意し(図1(b))、第2基板14上に第1基板11を酸化膜12を介して重ね合せて密着させた(図1(e))。第1基板11を第2基板14に密着させたまま窒素雰囲気中で600℃の温度で30分間熱処理を行った。その結果、第1基板11がイオン注入領域11aのところで割れて上部の厚肉部11cと下部の薄膜11bに分離した(図1(f))。次に温度を下げて厚肉部11cを取除き(図1(h))、酸化膜12及び薄膜11bを表面に有する第2基板14を窒素雰囲気中において1100℃で1時間熱処理して実施例1のSOI基板を製造した(図1(g))。
【0012】
<実施例2>
図2(a)に示すように、第1シリコン基板11を熱酸化して表面に厚さ400nmの酸化膜12を形成した(図2(a))。次いでこの第1基板11に60keVの電圧を印加して水素イオンを7×1016/cm2のドーズ量でイオン注入して第1基板11内部にイオン注入領域11aを酸化膜12に平行に形成した(図2(c))。次に酸化膜12の表面を酸素プラズマ処理した(図2(d))。次いで第1基板11と同一表面積を有する第2シリコン基板14を用意し(図2(b))、第2基板14上に第1基板11を酸化膜12を介して重ね合せて密着させた(図2(e))。第1基板11を第2基板14に密着させたまま窒素雰囲気中で600℃の温度で30分間熱処理を行った。その結果、第1基板11がイオン注入領域11aのところで割れて上部の厚肉部11cと下部の薄膜11bに分離した(図2(f))。次に温度を下げて厚肉部11cを取除き(図2(h))、酸化膜12及び薄膜11bを表面に有する第2基板14を窒素雰囲気中において1100℃で1時間熱処理して実施例2のSOI基板を製造した(図2(g))。
【0013】
<比較例1>
窒化膜13を酸化膜12上に形成しなかったことを除いては実質的に実施例1の方法を繰返して比較例1のSOI基板を製造した。
【0014】
<比較評価>
実施例1、実施例2及び比較例1のそれぞれのSOI基板について、酸化膜12と第2シリコン基板14との界面の引張り強度をセバスチャンVの試験方法を用いて調べた。その結果を表1に示す。なお、セバスチャンVの試験方法は平坦な頭部を有する釘状のピンを用意し、接着剤を用いてこの平坦な頭部を薄膜11bに接着し、このピンを引き下げる方法である。この引き下げたときに酸化膜12と第2シリコン基板14との界面及び接着界面が剥離するときの強度を引張り強度とする。
【0015】
【表1】
【0016】
表1から明らかなように、実施例1及び2の引張り強度は比較例1の約2倍と大きいことが判る。
【0017】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、表面に酸化膜を有する第1半導体基板に水素イオンを注入して第1半導体基板内部にイオン注入領域を形成し、第1半導体基板を上記酸化膜を介して第2半導体基板に重ね合わせて密着させ、熱処理して第1半導体基板を上記イオン注入した領域で第2半導体基板から分離することにより第2半導体基板の表面に上記酸化膜を介して半導体層が形成されたSOI基板の製造方法において、水素イオンを注入する前に酸化膜の上に窒化膜を形成し、水素イオンの注入後に、窒化膜を除去するか、又は上記イオン注入の後に酸素プラズマ処理することにより上記酸化膜の表面を清浄化することができる。この結果、酸化膜の表面には好ましくない有機物などの汚染物質が蓄積する恐れはなくなり、酸化膜の面荒れは防止され、酸化膜と第2半導体基板との界面の引張り結合強度を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の第1のSOI基板の製造方法を工程順に示す図。
【図2】本発明の実施形態の第2のSOI基板の製造方法を工程順に示す図。
Claims (2)
- 第1半導体基板(11)の表面に酸化膜(12)を形成する工程と、
前記第1半導体基板(11)の酸化膜(12)上に窒化膜(13)を形成する工程と、
前記第1半導体基板(11)の表面から水素イオンを注入して前記第1半導体基板(11)内部にイオン注入領域(11a)を形成する工程と、
前記窒化膜(13)を前記第1半導体基板(11)から除去する工程と、
前記第1半導体基板(11)を前記酸化膜(12)を介して第2半導体基板(14)に重ね合わせて密着させる工程と、
前記第1半導体基板(11)を第2半導体基板(14)に密着させたまま所定の温度で熱処理して前記第1半導体基板(11)を前記イオン注入した領域(11a)で前記第2半導体基板(14)から分離して前記第2半導体基板(14)の表面に半導体層(11b)を形成する工程と、
表面に半導体層(11b)を有する前記第2半導体基板(14)を更に熱処理する工程と
をこの順に含むSOI基板の製造方法。 - 第1半導体基板(11)の表面に酸化膜(12)を形成する工程と、
前記第1半導体基板(11)に前記表面から水素イオンを注入して前記第1半導体基板(11)内部にイオン注入領域(11a)を形成する工程と、
前記第1半導体基板(11)の酸化膜(12)を酸素プラズマ処理する工程と、
前記第1半導体基板(11)の前記酸化膜(12)を第2半導体基板(14)の表面に直接重ね合わせて密着させる工程と、
前記第1半導体基板(11)を第2半導体基板(14)に密着させたまま所定の温度で熱処理して前記第1半導体基板(11)を前記イオン注入した領域(11a)で前記第2半導体基板(14)から分離して前記第2半導体基板(14)の表面に半導体層(11b)を形成する工程と、
表面に半導体層(11b)を有する前記第2半導体基板(14)を更に熱処理する工程と
をこの順に含むSOI基板の製造方法。
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