JP4421652B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、イオン注入剥離法によるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造方法において、剥離後にＳＯＩ層上に残留するダメージ層を除去するとともに、ＳＯＩ層研磨後の平坦度（最大厚さと最小厚さの差）および面内膜厚分布の改善を図る方法に関する。
ＳＯＩウエーハの製造方法として、イオン注入したウエーハを結合後に剥離してＳＯＩウエーハを製造する、いわゆるイオン注入剥離法（スマートカット法）と呼ばれる技術が開示されている。この方法は、二枚のシリコンウエーハの内、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方のシリコンウエ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、該ウエーハ内部に微小気泡層（イオン注入層）を形成させた後、該イオンを注入した方の面を酸化膜を介して他方のシリコンウエーハと密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面として一方のウエーハを薄膜状に剥離し、場合によってはさらに熱処理（結合熱処理）を加えて強固に結合してＳＯＩウエーハとする技術（特開平５−２１１１２８号公報参照）である。
この方法では、劈開面（剥離面）は良好な鏡面であり、ＳＯＩ層の膜厚の均一性も高いＳＯＩウエーハが比較的容易に得られている。しかし、イオン注入剥離法によりＳＯＩウエーハを作製する場合においては、剥離後のＳＯＩウエーハ表面にイオン注入によるダメージ層が存在し、また表面粗さが通常のシリコンウエーハの鏡面に比べて大きなものとなり、ＳＯＩ層の膜厚分布にばらつきが生ずる。したがって、イオン注入剥離法では、このようなダメージ層、表面粗さを除去することが必要になる。
従来、このダメージ層等を除去するために、結合熱処理後の最終工程においては、タッチポリッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない鏡面研磨が行われていた。しかし、ＳＯＩ層に機械加工である研磨をしてしまうと、研磨の取り代が均一でないために、水素イオン注入、剥離によって達成されたＳＯＩ層の膜厚均一性が悪化してしまうという問題が生じる。
そこで、剥離後のＳＯＩウエーハに酸化性雰囲気下の熱処理を行い、ＳＯＩ層に酸化膜を形成した後、該酸化膜を除去する、いわゆる犠牲酸化を行うことによりダメージ層を除去する方法が提案された。この方法であれば、機械加工である研磨によらずダメージ層を除去することができる。
しかし、この犠牲酸化のみでは、ＳＯＩ層表面の表面粗さを十分に改善することができないために、結局、面粗さの改善のために機械研磨であるタッチポリッシュが必要となり、またしても、ＳＯＩウェーハの平坦度、ＳＯＩ層の膜厚均一性を劣化させてしまうという問題があった。
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、イオン注入剥離法において、剥離後にＳＯＩ層表面に残留するダメージ層、表面粗さを、ＳＯＩ層の膜厚均一性を維持しつつ除去し、例えＳＯＩ層の表面の研磨を行ったとしても、膜厚分布および平坦度を悪化させずに高品質のＳＯＩウエーハを製造する方法を提供すると共に、ウエーハ製造の生産性を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、イオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法であって、少なくとも、支持基板となるベースウェーハとＳＯＩ層となるボンドウェーハの少なくとも一方の表面に酸化膜を形成し、水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を前記ボンドウェーハの表面から注入してイオン注入層を形成した後に、前記酸化膜を介して前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハを密着させ、熱処理を加えて前記イオン注入層において剥離してＳＯＩ層を形成し、その後、酸化性雰囲気下で熱処理を行い、前記ＳＯＩ層の表面に酸化膜を形成した後、該酸化膜をエッチングして除去し、次にオゾン水を用いて前記ＳＯＩ層の表面を洗浄し、その後、前記ＳＯＩ層の表面を研磨加工することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
このように、イオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法であって、ＳＯＩ層表面の研磨工程の前に、オゾン水を用いてＳＯＩ層の表面を洗浄すれば、研磨前のＳＯＩ層表面の自然酸化膜の膜厚分布は、従来のように酸洗浄（例えばＳＣ−２洗浄）を行った場合に比較しむしろ悪化するが、これによりかえって研磨時の砥粒が研磨面全面にいきわたり、研磨後の膜厚分布および平坦度は改善され、効率良く高品質のＳＯＩウェーハを得ることができ、生産性も向上する。
このとき、前記剥離熱処理の後に、剥離熱処理時よりも高温で、結合強度を高めるための熱処理を行ってもよい。
このように、前記剥離熱処理の後に、貼り合わせたウェーハに、剥離熱処理時よりも高温で熱処理を施せば、ＳＯＩ層（ボンドウェーハ）と支持基板（ベースウェーハ）の結合強度を高めることが可能である。もちろん、剥離熱処理温度を高目に設定し、結合熱処理を兼ねるものとしてもよい。
このように、前記剥離熱処理の後に、貼り合わせたウェーハに、剥離熱処理時よりも高温で熱処理を施せば、ＳＯＩ層（ボンドウェーハ）と支持基板（ベースウェーハ）の結合強度を高めることが可能である。もちろん、剥離熱処理温度を高目に設定し、結合熱処理を兼ねるものとしてもよい。
また、前記酸化膜のエッチング除去をフッ化水素を含む水溶液を用いて行うのが望ましい。
このように、前記酸化膜のエッチング除去をフッ化水素を含む水溶液を用いて行えば、酸化膜のみをエッチングすることができ、犠牲酸化によってＳＯＩ層の表面に残留するダメージ層を容易に除去することが可能である。
このように、前記酸化膜のエッチング除去をフッ化水素を含む水溶液を用いて行えば、酸化膜のみをエッチングすることができ、犠牲酸化によってＳＯＩ層の表面に残留するダメージ層を容易に除去することが可能である。
そして、前記オゾン水中のオゾン濃度を３ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とするのが望ましい。
このように、オゾン水中のオゾン濃度を３ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすれば、このオゾン水による洗浄によって、従来の酸洗浄の場合と比べて適度にＳＯＩ層の表面の自然酸化膜の膜厚分布を悪化させることができ、その後の研磨により、膜厚分布が均一のＳＯＩ層を得ることが可能である。
このように、オゾン水中のオゾン濃度を３ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすれば、このオゾン水による洗浄によって、従来の酸洗浄の場合と比べて適度にＳＯＩ層の表面の自然酸化膜の膜厚分布を悪化させることができ、その後の研磨により、膜厚分布が均一のＳＯＩ層を得ることが可能である。
また、前記研磨加工をタッチポリッシュにより行うことが望ましい。
このように、前記研磨加工をタッチポリッシュによって行えば、研磨代の極めて少ない鏡面研磨をウェーハに施すことが可能であり、極力膜厚分布を悪化させることなく平坦化して高品質のＳＯＩウェーハを得ることができる。
このように、前記研磨加工をタッチポリッシュによって行えば、研磨代の極めて少ない鏡面研磨をウェーハに施すことが可能であり、極力膜厚分布を悪化させることなく平坦化して高品質のＳＯＩウェーハを得ることができる。
上述のようなＳＯＩウェーハの製造方法により製造されたＳＯＩウェーハであれば、平坦度が高く、面内膜厚が均一化された高品質のものである。
本発明のように、イオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法であって、酸化膜を介して貼り合わせ、イオン注入層において剥離して、ＳＯＩ層の表面に酸化膜を形成し、該酸化膜をエッチング除去した後に、ＳＯＩ層の表面をオゾン水を用いて洗浄してから研磨加工を施せば、剥離後にＳＯＩ層表面に残留するダメージ層、表面粗さを、ＳＯＩ層の膜厚均一性を維持しつつ除去することが可能であり、特に、ＳＯＩ層の表面を研磨するにもかかわらず、膜厚均一性を悪化させることなく高品質のＳＯＩウエーハを得ることができる。そして、そのため、ウエーハ製造の歩留まりおよび生産性を向上させることが可能である。
以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明のイオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法の製造工程の一例を示す概略工程図である。
以下、本発明を２枚のシリコンウェーハを結合する場合を中心に説明する。まず、図１のイオン注入剥離法において、工程（ａ）では、２枚のシリコン鏡面ウェーハを準備するものであり、デバイスの仕様に合った支持基板となるベースウェーハ１とＳＯＩ層となるボンドウェーハ２を用意する。
ここで、図１は本発明のイオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法の製造工程の一例を示す概略工程図である。
以下、本発明を２枚のシリコンウェーハを結合する場合を中心に説明する。まず、図１のイオン注入剥離法において、工程（ａ）では、２枚のシリコン鏡面ウェーハを準備するものであり、デバイスの仕様に合った支持基板となるベースウェーハ１とＳＯＩ層となるボンドウェーハ２を用意する。
次に工程（ｂ）では、そのうちの少なくとも一方のウェーハ、ここではボンドウェーハ２を例えば熱酸化して、その表面に約０．１〜２．０μｍ厚の酸化膜３を形成する。
工程（ｃ）では、表面に酸化膜を形成したボンドウェーハ２の片面に対して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方、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イオン注入層４を形成させる。
工程（ｃ）では、表面に酸化膜を形成したボンドウェーハ２の片面に対して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方、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イオン注入層４を形成させる。
工程（ｄ）は、水素イオンを注入したボンドウェーハ２の水素イオン注入面に、ベースウェーハ１を酸化膜を介して重ね合わ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。
次に、工程（ｅ）は、イオン注入層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。そして、この剥離したままのＳＯＩウェーハ表面のＳＯＩ層７には、ダメージ層８が残留する。
剥離工程の後、工程（ｆ）で結合熱処理工程を行う。この工程は、前記工程（ｄ）（ｅ）の密着工程および剥離熱処理工程で密着させたウェーハ同士の結合力では、そのままデバイス工程で使用するには弱いので、結合熱処理としてＳＯＩウェーハ６に高温の熱処理を施し結合強度を十分なものとする。この熱処理は例えば不活性ガス雰囲気下、１０００〜１３００℃で３０分から２時間の範囲で行うことが好ましい。
この場合、剥離熱処理を、例えば８００℃以上等の高温で行うことによって結合熱処理を兼ねるものとし、単独で行う結合熱処理を省略してもよい。
この場合、剥離熱処理を、例えば８００℃以上等の高温で行うことによって結合熱処理を兼ねるものとし、単独で行う結合熱処理を省略してもよい。
そして工程（ｇ）において、まず酸化性雰囲気下の熱処理を行い、ＳＯＩ層７に酸化膜９を形成して、ダメージ層８を酸化膜９に取り込むようにする。
そして工程（ｈ）では、ＳＯＩ層７に形成した酸化膜９を除去する。この酸化膜９の除去は、フッ化水素を含む水溶液でエッチングすることにより行えばよい。このようにフッ酸処理をすれば、酸化膜９のみがエッチングにより除去され、犠牲酸化によりダメージ層を除去したＳＯＩウェーハ６を得ることができる。しかも、このようなウェーハのフッ酸処理は簡単であるとともに低コストであるという有利性もある。
そして工程（ｈ）では、ＳＯＩ層７に形成した酸化膜９を除去する。この酸化膜９の除去は、フッ化水素を含む水溶液でエッチングすることにより行えばよい。このようにフッ酸処理をすれば、酸化膜９のみがエッチングにより除去され、犠牲酸化によりダメージ層を除去したＳＯＩウェーハ６を得ることができる。しかも、このようなウェーハのフッ酸処理は簡単であるとともに低コストであるという有利性もある。
さらに工程（ｉ）では、オゾン水による洗浄を行う。オゾン水洗浄をフッ酸処理の後に付加すると、オゾンの強い酸化力によって金属不純物の除去がさらに促進されるとともに、金属不純物のウェーハ外面への再付着が防止される。すなわち、オゾン水は過酸化水素より高い酸化還元電位を示すので、より酸化力が強く、不純物、特に金属元素を強くイオン化して、基板表面への付着を防止すると考えられる。また、オゾン水による洗浄は一般に行われるＳＣ−２洗浄に比較して、表面の自然酸化膜の平坦度が悪くなる傾向があるが、これがかえって次工程の研磨工程、例えばタッチポリッシュの際に、ウェーハ全面に研磨剤が行き渡る結果となり、タッチポリッシュ後のＳＯＩ層の平坦度、膜厚分布が向上する。従来、ＳＯＩ層の洗浄においては出来るだけ平坦度を悪化させないように洗浄することが常識であったが、その後研磨を行う場合は、むしろ適度に表面の自然酸化膜の粗さがあれていた方が、研磨剤が行き渡り、結果として、研磨後のＳＯＩ層の表面の平坦度や膜厚均一性を確保できることが判った。
また、このときのオゾン水濃度は例えば３ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下が好ましい。１０ｐｐｍ以下のオゾン水濃度とすることによって、研磨前のＳＯＩ層の自然酸化膜の表面粗さを適度に悪化させ、ＳＯＩ層表面の自然酸化膜の膜厚分布をばらつかせることができる。このように研磨前に表面の自然酸化膜の膜厚分布をばらつかせることにより、オゾン水洗浄後、例えば上記のようにタッチポリッシュによる研磨工程（ｊ）によって、研磨後のＳＯＩ層の膜厚分布を従来方法に比べてより均一化することが可能である。しかし、３ｐｐｍ未満だと、洗浄効果が小さくなるうえ、上記効果も少なくなる。
このような本発明のＳＯＩウェーハの製造方法により、ＳＯＩ層の膜厚分布がより良好な高品質のＳＯＩウェーハを効率良く生産することができる。
（実施例１）
図１の通りの工程で実施して直径３００ｍｍのＳＯＩウェーハを１６枚得た。このときの、フッ酸処理は２２℃で６０秒、オゾン洗浄は１０ｐｐｍの濃度で６０秒行った。オゾン洗浄後、各ウェーハのＳＯＩ層表面の自然酸化膜の厚さを面内９点測定したところ、自然酸化膜の膜厚のＰ−Ｖ値（最大値と最小値の差）は０．１４４１ｎｍ、標準偏差は０．０５２２という値であった。次にＳＯＩ層の表面を取り代３０ｎｍのタッチポリッシュ後各ウェーハの外周から３ｍｍ以内のＳＯＩ層厚さを約４０００点測定したところ、１６枚のウェーハのＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値（最大値と最小値の差）の平均値は５．８１ｎｍ、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は０．８０であった。この結果を表１に示す。
図１の通りの工程で実施して直径３００ｍｍのＳＯＩウェーハを１６枚得た。このときの、フッ酸処理は２２℃で６０秒、オゾン洗浄は１０ｐｐｍの濃度で６０秒行った。オゾン洗浄後、各ウェーハのＳＯＩ層表面の自然酸化膜の厚さを面内９点測定したところ、自然酸化膜の膜厚のＰ−Ｖ値（最大値と最小値の差）は０．１４４１ｎｍ、標準偏差は０．０５２２という値であった。次にＳＯＩ層の表面を取り代３０ｎｍのタッチポリッシュ後各ウェーハの外周から３ｍｍ以内のＳＯＩ層厚さを約４０００点測定したところ、１６枚のウェーハのＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値（最大値と最小値の差）の平均値は５．８１ｎｍ、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は０．８０であった。この結果を表１に示す。
（比較例１）
次に、比較例として、図１の工程（ｉ）でオゾン水洗浄の替りに従来通りＳＣ−２洗浄を実施して、直径３００ｍｍのＳＯＩウェーハを１０枚得た。このときの、フッ酸処理の条件は上記実施例と同じで、ＳＣ−２洗浄は８０℃で１８０秒行った。ＳＣ−２洗浄後にＳＯＩ層表面の自然酸化膜の厚さを実施例１と同様に測定したところ、Ｐ−Ｖ値は０．０１５４ｎｍ、標準偏差は０．００４７であり、実施例（以下に述べる実施例２、３も含めて）よりも良い値であった。次にＳＯＩ層の表面を取り代３０ｎｍのタッチポリッシュ後、上記実施例１と同様にＳＯＩ層膜厚を測定したところ、１０枚のウェーハのＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値の平均値は８．２３ｎｍ、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は１．１２であり、実施例１−３より悪いことが確認できた。この結果を表２に示す。
次に、比較例として、図１の工程（ｉ）でオゾン水洗浄の替りに従来通りＳＣ−２洗浄を実施して、直径３００ｍｍのＳＯＩウェーハを１０枚得た。このときの、フッ酸処理の条件は上記実施例と同じで、ＳＣ−２洗浄は８０℃で１８０秒行った。ＳＣ−２洗浄後にＳＯＩ層表面の自然酸化膜の厚さを実施例１と同様に測定したところ、Ｐ−Ｖ値は０．０１５４ｎｍ、標準偏差は０．００４７であり、実施例（以下に述べる実施例２、３も含めて）よりも良い値であった。次にＳＯＩ層の表面を取り代３０ｎｍのタッチポリッシュ後、上記実施例１と同様にＳＯＩ層膜厚を測定したところ、１０枚のウェーハのＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値の平均値は８．２３ｎｍ、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は１．１２であり、実施例１−３より悪いことが確認できた。この結果を表２に示す。
（実施例２、３）
また、オゾン洗浄工程において、オゾン水中のオゾン濃度を１５ｐｐｍ（実施例２）、２０ｐｐｍ（実施例３）とし、それ以外は実施例１と同様の工程をそれぞれ１０枚のウェーハに対して行った。このとき、オゾン洗浄後の各ウェーハのＳＯＩ層表面の自然酸化膜厚のＰ−Ｖ値は、それぞれ０．１６９３ｎｍ、０．１８８５ｎｍ、そして標準偏差は０．０６２７、０．０７３４であり、実施例１、比較例１のオゾン洗浄後の値よりも大きな値となった。そして、ＳＯＩ層の表面のタッチポリッシュ後、ＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値はそれぞれ６．２１ｎｍ、６．８３ｎｍで、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は０．８６、０．９３となり、実施例１よりは大きな値であったが、比較例１よりは小さな値であり、比較例１よりも高品質のウェーハを得ることができた。
また、オゾン洗浄工程において、オゾン水中のオゾン濃度を１５ｐｐｍ（実施例２）、２０ｐｐｍ（実施例３）とし、それ以外は実施例１と同様の工程をそれぞれ１０枚のウェーハに対して行った。このとき、オゾン洗浄後の各ウェーハのＳＯＩ層表面の自然酸化膜厚のＰ−Ｖ値は、それぞれ０．１６９３ｎｍ、０．１８８５ｎｍ、そして標準偏差は０．０６２７、０．０７３４であり、実施例１、比較例１のオゾン洗浄後の値よりも大きな値となった。そして、ＳＯＩ層の表面のタッチポリッシュ後、ＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値はそれぞれ６．２１ｎｍ、６．８３ｎｍで、ＳＯＩ層膜厚自体の標準偏差は０．８６、０．９３となり、実施例１よりは大きな値であったが、比較例１よりは小さな値であり、比較例１よりも高品質のウェーハを得ることができた。
なお、本発明は、上記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。
Claims (3)
- イオン注入剥離法によってＳＯＩウェーハを製造する方法であって、少なくとも、支持基板となるベースウェーハとＳＯＩ層となるボンドウェーハの少なくとも一方の表面に酸化膜を形成し、水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を前記ボンドウェーハの表面から注入してイオン注入層を形成した後に、前記酸化膜を介して前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハを密着させ、熱処理を加えて前記イオン注入層において剥離してＳＯＩ層を形成し、その後、酸化性雰囲気下で熱処理を行い、前記ＳＯＩ層の表面に酸化膜を形成した後、該酸化膜をエッチングして除去することで犠牲酸化によりダメージ層を除去し、次にオゾン濃度が３ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下のオゾン水を用いて前記ＳＯＩ層の表面を洗浄することによって前記ＳＯＩ層の表面の自然酸化膜の粗さをあらし、その後、前記ＳＯＩ層の表面をタッチポリッシュにより研磨加工することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
- 前記剥離熱処理の後に、剥離熱処理時よりも高温で、結合強度を高めるための熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
- 前記酸化膜のエッチング除去をフッ化水素を含む水溶液を用いて行うことを特徴とする請求項１または２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
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