JP4553423B2 - Ｓｏｉウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＳＯＩウェーハおよびその製造方法、詳しくはシリコンウェーハにイオン注入して作製されるＳＯＩウェーハおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デバイスの高集積化や多機能化を図るために、ウェーハの深さ方向に対する素子の絶縁分離を考慮したＳＯＩウェーハが知られている。今日の主なＳＯＩウェーハには、次の３つの種類がある。
すなわち、(1)デバイスが作製される活性層用ウェーハおよびこれを裏側から支持する支持基板用ウェーハとの間に、厚さ数μｍのシリコン酸化膜が埋め込まれた張り合わせＳＯＩウェーハと、(2)単結晶シリコンウェーハのバルク中に酸素を高濃度でイオン注入し、その後、高温で熱処理を行ってシリコン酸化膜を埋め込むことで、この単結晶シリコンウェーハのイオン注入側の面近傍に活性層が形成されたＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウェーハと、(3)単結晶シリコンである活性層用ウェーハに水素（軽元素）イオンを注入して微小気泡層を埋め込んだ後、このイオン注入側の面を張り合わせ面として、活性層用ウェーハを支持基板用ウェーハにシリコン酸化膜を介して張り合わせ、この得られた張り合わせウェーハを剥離熱処理することで、微小気泡層を分離面として、この分離面近傍に活性層を配して分離形成されたスマートカット（ＵＮＩ−ＢＯＮＤ）ウェーハとの３種である。このうち、(2)のＳＩＭＯＸウェーハと、(3)のスマートカットウェーハとは、いずれもイオン注入をともなう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、汎用デバイスの一種に、素子を何層にも積み重ねて高密度、高集積化を図ったバイポーラデバイスが知られている。このデバイスをＳＯＩウェーハに作製する際には、素子の積層領域を拡大するために、活性層を厚くしなければならない。
(1)張り合わせＳＯＩウェーハの場合には、活性層用ウェーハの研削量、研磨量を少なくすることで、厚い活性層が比較的容易に得られる。しかしながら、活性層用ウェーハに研削や研磨という機械的な表面加工を施すので、活性層の表面があらくなり、その厚み公差は、通常、±５００ｎｍと大きかった。このため、デバイス特性が活性層の面内で不均一化するという問題点があった。
これに対して、(2)ＳＩＭＯＸウェーハおよび(3)スマートカットウェーハの場合は、均一な運動エネルギを有するイオンが得やすく、単結晶シリコン中でのイオンの飛程が一律になるので、その厚み公差は±５０ｎｍ程度に抑えられる。
しかしながら、現在のイオン注入法では、（２）ＳＩＭＯＸウェーハで０．２μｍ以下、（３）スマートカットウェーハでも１．４μｍ以下の厚さの活性層しか得ることができない。その結果、(2)ＳＩＭＯＸ法、(3)スマートカット法では、厚い活性層を有するバイポーラデバイス用のＳＯＩウェーハを得ることができなかった。
【０００４】
そこで、この発明者らは、ＳＩＭＯＸウェーハで作製された薄い活性層の表面に、エピタキシャル層を成長させて増厚させることを考えた。しかも、この増厚層の厚さを、活性層の総厚が１．４〜３０μｍになる厚さに限定すれば、例えばバイポーラデバイス用としての充分な活性層の厚さを確保することができ、しかもエピタキシャル層の過剰な堆積増加にともなう活性層の厚み公差の劣化が発生しないことを知見し、この発明を完成させた。
【０００５】
【発明の目的】
この発明は、厚さムラを抑えた厚肉な活性層を有するＳＯＩウェーハおよびその製造方法を提供することを、その目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、単結晶シリコンウェーハに酸素を高濃度でイオン注入する工程と、イオン注入された単結晶シリコンウェーハに高温の熱処理を施し、この単結晶シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜の埋め込み層を形成することにより、上記単結晶シリコンウェーハのイオン注入側の表面に所定厚さの活性層を形成する工程とを備えたＳＯＩウェーハの製造方法において、ソースガスにＳｉＨＣｌ_３を用い、成膜温度１１６０℃、炉内圧力７５００Ｐａとする成膜条件で、上記活性層の表面に、この活性層の総厚が１．４〜３０μｍになるまで、単結晶シリコンからなるエピタキシャル増厚層をエピタキシャル成長させるＳＯＩウェーハの製造方法である。
【０００７】
すなわち、ここでいうＳＯＩウェーハとは、ＳＩＭＯＸウェーハを意味する。
このＳＩＭＯＸウェーハの種類は限定されない。酸素ドーズ量が低い低ドーズＳＩＭＯＸウェーハでもよいし、このドーズ量が高い高ドーズＳＩＭＯＸウェーハでもよい。
イオン注入によりウェーハに埋め込まれたシリコン酸化膜の厚さは限定されない。例えば０．１２〜０．４μｍである。ただし、^１６Ｏ^＋により単結晶シリコン中に酸化シリコンを埋め込み形成するには、化学量論的にいえば、酸素原子濃度で４．４８×１０^２２個／ｃｍ^３の酸素イオンが必要となる。
なお、エピタキシャル増厚層が堆積される前の活性層の厚さは、５０〜２００ｎｍ、厚み公差±５０ｎｍである。
また、支持基板層の厚さは、特に問題とはならない。ここでは通常用いられるポリッシュドウェーハの厚みと同程度とすることができる。
【０００８】
活性層の好ましい総厚は１．５〜２０μｍである。１．４μｍ未満では、例えばバイポーラデバイス用としての充分な活性層の厚さを確保することができない。また、３０μｍを超えれば、エピタキシャル層が厚くなりすぎて堆積増加にともなう活性層の厚み公差が劣化する。これにより、活性層の厚さムラが発生してしまう。
【０００９】
単結晶シリコンウェーハへの酸素イオン（ ^１６ Ｏ ^＋ ）注入条件は、注入エネルギＥが１００〜２５０ｋｅＶ、好ましくは１５０〜２００ｋｅＶである。１００ｋｅＶ未満では単結晶シリコンウェーハ中で、十分な飛程が得られない。また、２５０ｋｅＶを超えると、それ以上飛程が深くならず一定となる。
イオン注入時のドーズ量は、１Ｅ ^１７ 〜５Ｅ ^１８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 、好ましくは４Ｅ ^１７ 〜２Ｅ ^１８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ である。１Ｅ ^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 未満では形成される埋込み酸化膜にピンホールが生じる。また、５Ｅ ^１８ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ を超えると注入時間が長くなり量産性を損う。
【００１０】
イオン注入後の高温アニール条件は、そのアニール温度が、１２８０〜１３５０℃、好ましくは１３００℃前後である。１２８０℃未満では注入された酸素が十分にシリコンと結合せずピンホールが残る。また、１３５０℃を超えるとシリコンウェーハにスリップが発生するリスクが高くなる。
高温アニールの処理時間は４〜８時間である。この高温アニールを施すことで、イオン注入直後のシリコン酸化膜中に含まれ、シリコン酸化膜と比べて結合状態が弱い低級酸化物のＳｉＯ，Ｓｉ _２ Ｏ _３ を強化し、ＳｉＯ _２ とすることができる。
【００１１】
また、エピタキシャル増厚層の成長方法は限定されない。例えば、減圧ＣＶＤ法でもよい。
エピタキシャル成長炉は限定されない。例えば、パンケーキ型の高周波誘導加熱炉またはバレル型のランプ加熱炉を採用することができる。
炉内に流されるソースガスは、ＳｉＨＣｌ _３ である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の製造方法により製造されたＳＯＩウェーハである。
【００１３】
【作用】
この発明によれば、ＳＩＭＯＸウェーハにおいて、その活性層の表面に、活性層の総厚が１．４〜３０μｍとなるような厚さで、エピタキシャル増厚層をエピタキシャル成長させる。成膜条件は、ソースガスにＳｉＨＣｌ_３を用い、成膜温度１１６０℃、炉内圧力７５００Ｐａである。これにより、活性層が増厚されるので、バイポーラデバイス用のウェーハとして充分に適用することができる。
【００１４】
しかも、エピタキシャル層の表面は、平坦度が高いことが知られている。エピタキシャル増厚層の堆積により増厚された活性層の厚みが、一定の範囲以下であれば公差精度を著しく損うことはない。その結果、活性層の中心部に１点と、この点を中心とした活性層の外周から１０ｍｍだけ内側へ配置された同心円上に９０度ごとに配置された４点と、これらの４点から活性層の中心点へ延びた線分の各中間点の４点とにおける、エピタキシャル増厚層により増厚された活性層の厚さの標準偏差は０．１〜０．１９μｍとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。まず、ＳＩＭＯＸウェーハについて説明する。図１は、この発明の第１の実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
図１に示すように、まずＣＺ法により単結晶シリコンインゴットの引き上げ、その後、この得られた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とにより、厚さ６２５μｍ、直径１５０ｍｍの鏡面仕上げの単結晶シリコンウェーハ１０を用意する（図１（ａ））。
【００１６】
その後、この単結晶シリコンウェーハ１０に、酸素イオンを所定の注入エネルギ、所定のドーズ量で注入する（図１（ｂ））。よって、このシリコンウェーハ１０に、所定厚さのシリコン酸化膜１１が埋め込まれる。しかも、このシリコン酸化膜１１が形成されることで、酸素イオンの注入側の面近傍に、厚さ５０〜２００ｎｍのデバイス形成層である活性層１２が形成されるとともに、このシリコン酸化膜１１を挟んで、単結晶シリコンウェーハ１０の活性層１２とは反対側の部分に残りの厚さからなる支持基板層１３が形成される。
次いで、このイオン注入後の単結晶シリコンウェーハ１０を加熱炉に装入し、所定温度で所定時間だけ、高温アニールを行う。これにより、イオン注入直後のシリコン酸化膜１１中に含まれる低級酸化物のＳｉＯ，Ｓｉ_２Ｏ_３が強化され、ＳｉＯ_２となる。（図１（ｃ））。
【００１７】
それから、この高温アニール処理された単結晶シリコンウェーハ１０を加熱炉から取り出し、洗浄後、これを所定のエピタキシャル成長炉に装入する。そして、所定のエピタキシャル成長条件で活性層１２の表面に、所定厚さのエピタキシャル増厚層１２ａを堆積させる。これにより、活性層１２の総厚ｔを、１．４〜３０μｍまで増厚させたＳＩＭＯＸウェーハＡが得られる。
このように、活性層１２の総厚ｔをエピタキシャル増厚層１２ａにより増厚させるようにしたので、ＳＩＭＯＸウェーハＡでありながら、厚い活性層を必要とするバイポーラデバイス用としての充分な活性層１２の厚さを確保することができる。しかも、エピタキシャル増厚層１２ａの表面は平坦度が高く、３０μｍまでのエピ成膜による活性層であればその活性層の公差精度は、従来の貼合わせＳＯＩに比べて有意的に小さくすることができて、デバイス特性を均一化することができる。
【００１８】
次に、図２に基づいて、この発明の参考例に係るＳＯＩウェーハおよびその製造方法を説明する。なお、ここでは、スマートカットウェーハを例にとる。
図２は、この発明の参考例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
図２に示すように、まずＣＺ法により単結晶シリコンインゴットの引き上げ、その後、この得られた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とにより、厚さ６２５μｍ、直径１５０ｍｍ（６インチ）のそれぞれ鏡面仕上げの単結晶シリコンウェーハである、活性層用ウェーハ２０と、支持基板用ウェーハ３０とを用意する（図２（ａ），図２（ｃ））。このうち、シリコンウェーハ２０は、酸化熱処理炉で酸化熱処理が施されて、厚さ３００〜８００ｎｍのシリコン酸化膜２０ａにより被覆される。
【００１９】
その後、このシリコンウェーハ２０に、水素イオンを所定の注入エネルギ、所定のドーズ量で注入する（図２（ｂ））。これにより、シリコンウェーハ２０に、所定厚さの微小気泡層２１が埋め込まれる。なお、この微小気泡層２１の形成により、水素イオンの注入側の面近傍に、厚さ５０〜１１００ｎｍの活性層２２が形成される。
次いで、このイオン注入後のシリコンウェーハ２０を、そのイオン注入側の面を張り合わせ面として、あらかじめ準備された支持基板用ウェーハ３０に室温で張り合わせる（図２（ｃ），図２（ｄ））。これにより、張り合わせウェーハ４０が得られる。
【００２０】
それから、この張り合わせウェーハ４０を剥離熱処理炉に装入する。ここで、所定の熱処理条件で剥離熱処理を施す。これにより、結晶の再配列と気泡の凝集とによって、活性層２２を除くシリコンウェーハ２０と、ＳＯＩウェーハ５０とに分離される（図２（ｅ））。
続いて、ＳＯＩウェーハ５０を張り合わせ熱処理炉に装入し、所定の張り合わせ熱処理条件で、これらの活性層２２および支持基板用ウェーハ３０を張り合わせ熱処理する（図２（ｆ））。
そして、この張り合わせ熱処理されたＳＯＩウェーハ５０を炉外へ取り出し、洗浄後、所定のエピタキシャル成長炉に装入し、第１の実施例の場合と同様にして、活性層２２の表面に、所定厚さのエピタキシャル増厚層２２ａを堆積させる。これにより、活性層２２の総厚ｔを１．４〜３０μｍまで増厚されたスマートカットウェーハＢが作製される。
なお、洗浄およびエピタキシャル成長を施す前に、必要に応じて表面粗度を向上させるために、タッチポリッシュ（軽度の研磨）を施しても構わない。
【００２１】
ここで、実際に、従来法（張り合わせウェーハ）と、この発明（エピタキシャル増厚層により活性層が増厚されたＳＩＭＯＸウェーハとの対比実験を行った際の、それぞれのウェーハの活性層の部分的な厚さを記載する。なお、この実験では、従来法およびこの発明とも、それぞれの直径が６インチで、活性層の目標厚さが２μｍ，５μｍ，１５μｍ，３０μｍ，４０μｍという５種類のＳＯＩウェーハを採用した。しかも、それぞれの目標厚さのグループの中で、任意の１枚を抜き取るというサンプル試験とした。それぞれのＳＩＭＯＸウェーハの酸素イオン注入条件は、以下の通りである。
注入エネルギＥは１８０ｋｅＶ、ドーズ量は１．５Ｅ^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。イオン注入後の高温での熱処理を行う際の処理温度は１３００℃、処理時間は６時間である。酸素イオン注入により、単結晶シリコンウェーハの内部に、厚さ１６３ｎｍのシリコン酸化膜が埋め込まれた。これと同時に、単結晶シリコンウェーハの内部に厚さ１１０ｎｍの活性層と、厚さ３８０ｎｍの支持基板層とが現出された。なお、各層厚の測定は、断面ＴＥＭ観察による。
その後、これらのＳＯＩウェーハをパンケーキ型エピタキシャル炉に装入し、この活性層の表面に、活性層の総厚が２〜４０μｍになるエピタキシャル増厚層を成膜させた。この際、成膜条件は、ソースガスにＳｉＨＣｌ_３を用い、成膜温度１１６０℃、炉内圧力７５００Ｐａであった。
【００２２】
一方、従来法の張り合わせウェーハにおける活性層の厚さの調整は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの張り合わせ熱処理後に、活性層用ウェーハを表面研削および表面研磨する際に実施した。
図３に、従来法およびこの発明の活性層上での厚さ測定点を示す。測定点は合計９点である。すなわち、活性層の中心部に１点と、この点を中心とした活性層の外周から１０ｍｍだけ内側に配置された同心円上に、９０度ごとに配置された４点と、これらの４点から活性層の中心点へ延びた線分の各中間点の４点である。
それぞれの測定点における層厚の測定は、赤外線膜厚測定器により行い、各ウェーハとも９点の平均値と標準偏差を求めた。その結果を、表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１から明らかなように、従来法の張り合わせウェーハでは、各活性層の目標厚さのウェーハにおける、それぞれ９点の標準偏差は０．６１〜０．８３μｍと大きかった。これに対して、活性層にエピタキシャル増厚層を、活性層の総厚が２〜３０μｍの範囲で成膜させたこの発明の場合は、その９点の標準偏差が０．１〜０．１９μｍと小さく、厚さムラを抑えた厚肉な活性層となっていた。
しかしながら、このようにエピタキシャル増厚層を成膜されたウェーハであっても、活性層の目標厚さが３０μｍを超えた４０μｍのものでは、その標準偏差は１．７２μｍと劣っていた。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、厚さムラを抑えた厚い活性層を有するＳＯＩウェーハおよびその製造方法を提供することができる。そして、このＳＯＩウェーハは高耐圧デバイス用、車載デバイス用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】 この発明の参考例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】 従来法およびこの発明の活性層上での厚さ測定点を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 単結晶シリコンウェーハ、
１２，２２ 活性層、
１２ａ，２２ａ エピタキシャル増厚層、
２０ 活性層用ウェーハ（単結晶シリコンウェーハ）、
２０ａ シリコン酸化膜、
２１ 微小気泡層、
３０ 支持基板用ウェーハ（単結晶シリコンウェーハ）、
４０ 張り合わせウェーハ、
Ａ ＳＩＭＯＸウェーハ（ＳＯＩウェーハ）、
Ｂ スマートカットウェーハ（ＳＯＩウェーハ）。

Claims (2)

1. 単結晶シリコンウェーハに酸素を高濃度でイオン注入する工程と、
   イオン注入された単結晶シリコンウェーハに高温の熱処理を施し、この単結晶シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜の埋め込み層を形成することにより、上記単結晶シリコンウェーハのイオン注入側の表面に所定厚さの活性層を形成する工程とを備えたＳＯＩウェーハの製造方法において、
   ソースガスにＳｉＨＣｌ_３を用い、成膜温度１１６０℃、炉内圧力７５００Ｐａとする成膜条件で、上記活性層の表面に、この活性層の総厚が１．４〜３０μｍになるまで、単結晶シリコンからなるエピタキシャル増厚層をエピタキシャル成長させるＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法により製造されたＳＯＩウェーハ。

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