JP4539098B2 - 貼り合わせ基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は貼り合わせ基板の製造方法、詳しくは半導体ウェーハに対して低ドーズ量で水素をイオン注入しても、剥離熱処理時に半導体ウェーハをイオン注入ピーク領域から剥離可能な貼り合わせ基板の製造方法に関する。

近年、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する貼り合わせＳＯＩ基板を製造する方法として、例えば特許文献１に記載されたスマートカット法が開発されている。
スマートカット法は、水素を所定深さ位置にイオン注入した活性層用ウェーハと、支持基板用ウェーハとを埋め込みシリコン酸化膜を介して貼り合わせ、その後、得られた貼り合わせウェーハを熱処理炉に挿入して熱処理し、水素のイオン注入ピーク領域から活性層用ウェーハを剥離することで、埋め込みシリコン酸化膜を介して、支持基板用ウェーハに活性層を形成する方法である。従来、水素イオンの注入量（ドーズ量）は、２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を超えていた。

特開平５−２１１１２８号

しかしながら、従来のスマートカット法では、前述したように２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を超える多量の水素を、活性層用ウェーハにイオン注入しなければならなかった。このドーズ量を超えないと、その後、例えば４００〜７００℃、１０〜６０分間の剥離熱処理を行っても、イオン注入ピーク領域から活性層用ウェーハを剥離することができない。また、２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を超えるドーズ量の水素をイオン注入した場合でも、４００〜７００℃の低温剥離を行うと、貼り合わせ界面の結合強度が弱いために、Ｂｌｉｓｔｅｒなどの欠陥が発生する。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、活性層用ウェーハに水素をイオン注入するだけでなく、水素イオン注入ピーク領域内またはその近傍に酸素をイオン注入すれば、剥離熱処理時に活性層用ウェーハ内で水素と酸素とが反応し、水蒸気バブルが発生するとともに、剥離熱処理時の熱により酸素イオン注入ピーク領域に酸素析出物が析出し、これに伴う周辺のシリコン単結晶への歪の発生が、水蒸気バブルによる活性層用ウェーハの剥離（劈開）を増長させることを知見した。また、水素イオンと酸素イオンとを同一ピーク領域内、あるいはその近傍に注入した場合、１０００℃未満の剥離熱処理温度では水蒸気バブルは形成されず、１０００℃以上の剥離熱処理により剥離現象が発生することを知見した。さらに、水素イオンと酸素イオンを同一ピーク領域内、あるいはその近傍に注入した場合、通常の水素イオン注入のみでは剥離が不可能な２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下のドーズ量でも剥離できることを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、水素のドーズ量の低減化を図ることができる貼り合わせ基板の製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、活性層用ウェーハに、該活性層用ウェーハの所定深さ位置を注入量のピーク位置として酸素をイオン注入し、酸素イオン注入ピーク領域を形成する酸素イオン注入工程と、酸素イオン注入後、前記活性層用ウェーハの酸素イオン注入ピーク領域に水素イオン注入ピーク領域が重ね合わさるように、前記活性層用ウェーハに水素イオンを注入する水素イオン注入工程と、両イオンの注入後、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、その後、該貼り合わせウェーハを熱処理し、前記活性層用ウェーハを両イオン注入ピーク領域から剥離する剥離熱処理工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、活性層用ウェーハに酸素をイオン注入して、活性層用ウェーハに酸素イオン注入ピーク領域を形成し、その後、酸素イオン注入ピーク領域に水素をイオン注入することで、酸素イオン注入ピーク領域に深さ範囲をオーバーラップさせて、水素イオン注入ピーク領域を形成する。これにより、剥離熱処理時、活性層用ウェーハ内で水素と酸素とが反応し、水蒸気バブルが発生する。しかも、剥離熱処理時の熱により酸素イオン注入ピーク領域に酸素析出物が析出し、これに伴い周辺のシリコン単結晶に歪が発生する。この歪が水蒸気バブルによる活性層用ウェーハの剥離を増長させる。その結果、水素を低ドーズ量（例えば２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満）でイオン注入しても、剥離熱処理時に貼り合わせ基板の水素イオン注入ピーク領域から剥離することができる。

活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハの種類は限定されない。例えば、単結晶シリコンウェーハ、ガリウム・ヒ素ウェーハなどを採用することができる。
酸素のイオン注入量は、例えば２．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、生産性を考えると、１．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下が好ましい。

活性層用ウェーハのイオン注入面からの酸素のイオン注入深さは、例えばイオン注入面に形成される酸化膜の厚さにもよるが、薄膜の活性層（０．３μｍ以下）を有する貼り合わせ基板の場合には０．１〜０．４μｍである。
酸素のイオン注入時の加速電圧は、例えば４５〜２００ｋｅＶ、酸素イオン注入時の加熱温度は２００〜５００℃、好ましくは２５０〜３５０℃である。２００℃未満では、注入時のビーム電流が高い場合、活性層用ウェーハが破損するおそれがある。

水素のイオン注入量は、例えば４．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは１．０〜３．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。生産性を考えると、ドーズ量はより少ない方が好ましいが、１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満では水蒸気バブルが発生しないおそれがある。
水素イオン注入ピーク領域とは、活性層用ウェーハに注入された水素イオンの領域のうち、水素イオンが高密度に存在する領域をいう。また、酸素イオン注入ピーク領域とは、活性層用ウェーハに注入された酸素イオンの領域のうち、酸素イオンが高密度に存在する領域をいう。

水素イオン注入ピーク領域は、酸素イオン注入ピーク領域に対して、各イオン注入のピーク位置（イオン注入量の最大位置）の深さを一致させて形成してもよい。また、酸素イオン注入ピーク深さに対して、水素イオン注入のピーク位置を深い方にずらしてもよい。この場合、酸素イオン注入のピーク位置と水素イオン注入のピーク位置との差は、５０ｎｍ以内とする。
具体的な活性層用ウェーハのイオン注入面からの水素イオンの注入深さは、例えば酸素イオンの注入深さが０．１〜０．４μｍの場合、０．１〜０．４５μｍである。

水素のイオン注入時の加速電圧は、例えば酸素イオン注入時の加速電圧を４５〜２００ｋｅＶとした場合、１０〜４５ｋｅＶである。

請求項２に記載の発明は、活性層用ウェーハに、該活性層用ウェーハの所定深さ位置を注入量のピーク位置として水素をイオン注入し、水素イオン注入ピーク領域を形成する水素イオン注入工程と、水素イオン注入後、前記活性層用ウェーハの水素イオン注入ピーク領域に酸素イオン注入ピーク領域が重ね合わさるように、前記活性層用ウェーハに酸素イオンを注入する酸素イオン注入工程と、両イオンの注入後、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、その後、該貼り合わせウェーハを熱処理し、前記活性層用ウェーハを両イオン注入ピーク領域から剥離する剥離熱処理工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法である。

請求項２に記載の発明によれば、活性層用ウェーハに水素をイオン注入し、その後、水素イオン注入ピーク領域に酸素をイオン注入することで、水素イオン注入ピーク領域に深さ範囲をオーバーラップさせて、酸素イオン注入ピーク領域を形成すれば、剥離熱処理時、活性層用ウェーハ内で水素と酸素とが反応し、水蒸気バブルが発生する。しかも、剥離熱処理時の熱により酸素イオン注入ピーク領域に酸素析出物が析出し、これに伴い周辺のシリコン単結晶に歪が発生する。その結果、水蒸気バブルによる活性層用ウェーハの剥離を増長させる。よって、水素を低ドーズ量でイオン注入しても、剥離熱処理時に貼り合わせ基板の水素イオン注入ピーク領域から剥離することができる。

酸素イオン注入ピーク領域は、水素イオン注入ピーク領域に対してその深さ方向のピーク位置を一致させて形成してもよい。また、水素イオン注入のピーク位置に対して、酸素イオン注入のピーク位置を浅く注入してもよい。この場合、酸素イオン注入のピーク位置と水素イオン注入のピーク位置との差は、５０ｎｍ以内とする。具体的な活性層用ウェーハのイオン注入面からの酸素イオンの注入深さは、例えば水素イオンの注入深さが０．１〜０．４５μｍの場合、０．１〜０．４μｍである。

請求項３に記載の発明は、前記水素イオンのドーズ量が、４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下である請求項１または請求項２に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記酸素イオンのドーズ量が、２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。

請求項５に記載の発明は、前記貼り合わせ工程では、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを、これらの間に絶縁層を介在して貼り合わせる請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。

活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの間に絶縁層を介在して貼り合わせることで、貼り合わせＳＯＩ基板が得られる。
絶縁層としては、例えばシリコン酸化膜を採用することができる。絶縁層の厚さは、例えば０．１〜０．５μｍである。活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせることで、絶縁膜は埋め込み絶縁膜となる。

請求項６に記載の発明は、前記剥離熱処理工程の処理温度が、１０００℃以上である請求項１〜請求項５のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。
剥離熱処理の好ましい温度は、１１００〜１２００℃である。１０００℃未満では、水素イオンと酸素イオンとを同一ピーク領域内、あるいはその近傍に注入したとき、剥離熱処理により水蒸気バブルが形成されないおそれがある。

請求項１および請求項２に記載の貼り合わせ基板の製造方法によれば、活性層用ウェーハに水素と酸素とをイオン注入することで、剥離熱処理時、活性層用ウェーハ内で水蒸気バブルが発生するとともに、酸素イオン注入ピーク領域における酸素析出物の析出が、水蒸気バブルによる活性層用ウェーハの剥離を増長させる。その結果、水素のドーズ量の低減化を図ることができる。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１のフローシートを参照し、実施例１の貼り合わせ基板の製造方法（ここでは、貼り合わせＳＯＩ基板の製造方法）を説明する。
図１に示すように、ボロンが所定量添加されたｐ型の単結晶シリコンインゴットをＣＺ法により引き上げる。その後、単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、鏡面研磨などを施す。これにより、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ（８インチ）、比抵抗２０Ωｃｍ、ｐ型の表裏両面が鏡面仕上げされた活性層用ウェーハ１０と、支持基板用ウェーハ２０とがそれぞれ得られる。
その後、酸素ガス雰囲気での９５０℃の熱酸化処理により、活性層用ウェーハ１０の露出面全域に、厚さ１５０ｎｍのシリコン酸化膜１０ｂが形成される（図１（ａ））。

次に、作製された活性層用ウェーハ１０の表面（デバイス形成面）から、中電流イオン注入装置を使用し、１８０ｋｅＶの加速電圧で、１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の酸素イオンを注入する。これにより、ウェーハ表面から深さ０．４μｍの位置に酸素イオン注入ピーク領域１０ａが形成される。次いで、酸素イオンが注入された活性層用ウェーハ１０を別の中電流イオン注入装置に挿入し、４０ｋｅＶの加速電圧で、１．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素イオンを注入する（図１（ｂ））。これにより、両イオンの活性層用ウェーハ１０の注入深さ方向における最大イオン注入量の位置が略同一になる（図２）。その結果、酸素イオン注入ピーク領域１０ａと水素イオン注入ピーク領域１０ｄとが略合致する。

次いで、活性層用ウェーハ１０の表面（イオン注入面）と、支持基板用ウェーハ２０の鏡面とを室温で貼り合わせ、貼り合わせウェーハ３０を得る（図１（ｃ））。このとき、活性層用ウェーハ１０と支持基板用ウェーハ２０との間のシリコン酸化膜１０ｂの部分が、埋め込みシリコン酸化膜１０ｃとなる。

続いて、貼り合わせウェーハ３０を図示しない剥離熱処理装置に挿入し、１１００℃の炉内温度、窒素ガスの雰囲気で２０分間、剥離熱処理する（図１（ｄ））。これにより、活性層用ウェーハ１０内で水素と酸素とが反応し、水蒸気バブルが発生する。しかも、剥離熱処理時の熱により酸素イオン注入ピーク領域１０ａに酸素析出物が析出し、これに伴い周辺のシリコン単結晶に歪が発生する。この歪が水蒸気バブルによる活性層用ウェーハ１０の剥離を増長させる。すなわち、水素を低ドーズ量でイオン注入しても、剥離熱処理時において、酸素イオン注入ピーク領域１０ａと重なった水素イオン注入ピーク領域１０ｄから剥離することができる。
次に、ＳＯＩ構造を有する貼り合わせウェーハ３０は、活性層１０Ａの外周部に残ったシリコン酸化膜１０ｂを外周研削後、図示しない研磨装置により、活性層１０Ａの表面を研磨する（図１（ｅ））。こうして、貼り合わせＳＯＩ基板が作製される。

このように、酸素と水素とのイオン注入工程では、対応するイオンの注入深さ方向における酸素イオンの最大イオン注入量の位置と、水素イオンの最大イオン注入量の位置とを同一としたので、酸素イオン注入ピーク領域１０ａと水素イオン注入ピーク領域１０ｄとを略一致させることができる。その結果、剥離熱処理時に、活性層用ウェーハ１０内での水蒸気バブルの発生と、酸素析出物による活性層用ウェーハ１０の剥離の増長とを促進させることができる。

次に、図３のフローシートを参照し、実施例２の貼り合わせ基板の製造方法を説明する。
実施例２では表面に酸化膜を形成した活性層用ウェーハ１０に対して、まず水素をイオン注入し（図３（ａ））、その後、酸素をイオン注入する（図３（ｂ））。
また、活性層用ウェーハ１０に対するシリコン酸化膜１０ｂの形成時には、酸素ガス雰囲気で９５０℃、６０分間の熱酸化処理を施し、活性層用ウェーハ１０の露出面の全域に、厚さ１５０ｎｍのシリコン酸化膜１０ｂを形成している。
その他の構成、作用および効果は、第１の実施例と同じであるので説明を省略する。

この発明の実施例１に係る貼り合わせ基板の製造方法を示すフローシートである。 この発明の実施例１に係る貼り合わせ基板の製造方法における酸素イオンと水素イオンとの注入位置を示す拡大断面図である。 この発明の実施例２に係る貼り合わせ基板の製造方法を示すフローシートである。

符号の説明

１０ 活性層用ウェーハ、
１０ａ 酸素イオン注入ピーク領域、
１０ｄ 水素イオン注入ピーク領域、
２０ 支持基板用ウェーハ、
３０ 貼り合わせウェーハ。

Claims (6)

1. 活性層用ウェーハに、該活性層用ウェーハの所定深さ位置を注入量のピーク位置として酸素をイオン注入し、酸素イオン注入ピーク領域を形成する酸素イオン注入工程と、
   酸素イオン注入後、前記活性層用ウェーハの酸素イオン注入ピーク領域に水素イオン注入ピーク領域が重ね合わさるように、前記活性層用ウェーハに水素イオンを注入する水素イオン注入工程と、
   両イオンの注入後、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、
   その後、該貼り合わせウェーハを熱処理し、前記活性層用ウェーハを両イオン注入ピーク領域から剥離する剥離熱処理工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法。
2. 活性層用ウェーハに、該活性層用ウェーハの所定深さ位置を注入量のピーク位置として水素をイオン注入し、水素イオン注入ピーク領域を形成する水素イオン注入工程と、
   水素イオン注入後、前記活性層用ウェーハの水素イオン注入ピーク領域に酸素イオン注入ピーク領域が重ね合わさるように、前記活性層用ウェーハに酸素イオンを注入する酸素イオン注入工程と、
   両イオンの注入後、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、
   その後、該貼り合わせウェーハを熱処理し、前記活性層用ウェーハを両イオン注入ピーク領域から剥離する剥離熱処理工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法。
3. 前記水素イオンのドーズ量が、４．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下である請求項１または請求項２に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
4. 前記酸素イオンのドーズ量が、２．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
5. 前記貼り合わせ工程では、前記活性層用ウェーハと、該活性層用ウェーハを支持する支持基板用ウェーハとを、これらの間に絶縁層を介在して貼り合わせる請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
6. 前記剥離熱処理工程の処理温度が、１０００℃以上である請求項１〜請求項５のうち、何れか１項に記載の貼り合わせ基板の製造方法。

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