JP4604594B2

JP4604594B2 - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP4604594B2
Application number: JP2004223193A
Authority: JP
Inventors: 宗生田村; 哲夫藤井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006041430A

Description

この発明は、半導体基板の製造方法に関し、詳しくは、ボンドウェハおよびベースウェハを結合して貼り合わせＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を製造する方法として好適なものである。

従来、この種の半導体基板の製造方法として、研削法およびスマートカット法（特許文献１）が知られている。図３は、従来の半導体基板の製造方法を示す説明図である。図３（ａ）は、研削法の一例を示す説明図であり、図３（ａ１）〜（ａ４）は、研削法の各工程を示す説明図である。図３（ｂ）は、スマートカット法の一例を示す説明図であり、図３（ｂ１）〜（ｂ５）は、スマートカット法の各工程を示す説明図である。なお、研削法およびスマートカット法は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶により形成されたボンドウェハ１およびベースウェハ２を用意して行う。
図３（ａ）に示す研削法では、まず、上記の用意されたボンドウェハ１の少なくとも主面１ａに酸化膜３を形成する（図３（ａ１））。続いて、清浄雰囲気中でボンドウェハ１の主面１ａおよびベースウェハ２の主面２ａ同士を向かい合わせ、高温（例えば１２００゜Ｃ前後）の結合熱処理を行ってボンドウェハ１およびベースウェハ２を貼り合わせて結合ウェハ５を作成する（図３（ａ２））。続いて、結合ウェハ５のボンドウェハ側の裏面１ｇを平面研削する（図３（ａ３））。図中破線で示す部分が平面研削により除去された部分である。続いて、平面研削されたボンドウェハ１の厚さが、デバイス特性上必要な厚さに近づいたときに裏面１ｇを鏡面研磨するとともに、ボンドウェハ１の端部などの不要な部分を研削し、ＳＯＩ層１ｆが埋込酸化膜３ａを介してシリコン基板２ｂ上に形成されたＳＯＩ基板６ａを作成する（図３（ａ４））。
図３（ｂ）に示すスマートカット法では、まず、上記の用意されたボンドウェハ１の少なくとも主面１ａに酸化膜を形成する。続いて、ボンドウェハ１の主面１ａから多量の水素イオン（例えば、約１０^１６〜１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）を注入し（図３（ｂ１））、シリコンの結晶格子が部分的に切断された水素イオン注入層８をボンドウェハ１の主面１ａから深さｈの内部に形成する（図３（ｂ２））。続いて、清浄雰囲気中でボンドウェハ１の主面１ａとベースウェハ２の主面２ａとを重ね合わせ（図３（ｂ２）、（ｂ３））、それを熱処理（例えば５００゜Ｃ前後の熱処理）により、水素イオン注入層８の部分から分断する（図３（ｂ４））。続いて、分断されたベースウェハ側の部分９を高温（例えば１２００゜Ｃ前後）の結合熱処理し、ボンドウェハ１の分断によりできた分断ボンドウェハ１ｄとベースウェハ２との結合強度を高めて結合ウェハ６を作成する。続いて、分断ボンドウェハ１ｄの裏面１ｇを平面研削し、分断ボンドウェハ１ｄの厚さが、デバイス特性上必要な厚さに近づいたときに裏面１ｇを鏡面研磨するとともに、分断ボンドウェハ１ｄの端部などの不要な部分を研削し、ＳＯＩ層１ｆが埋込酸化膜３ａを介してシリコン基板２ｂ上に形成されたＳＯＩ基板６ａを作成する（図３（ｂ５））。

特開平５−２１１１２８号公報（第２７〜３６段落、図２〜図４）。

しかし、上記従来の研削法は、研削により多量のシリコンが無駄になるという問題がある。また、スマートカット法は、水素イオンを注入可能な深さｈに限界があるため、厚さが薄い（例えば、約２μｍ以下）ＳＯＩ層しか作成できない。つまり、制御可能なＳＯＩ層の厚さの範囲が狭いという問題がある。

そこでこの発明は、シリコンなどの半導体基板材料が無駄にならず、かつ、ＳＯＩ層の厚さの制御範囲を広くすることができる半導体基板の製造方法を実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板材料により形成されたボンドウェハおよびベースウェハを用意し、前記ボンドウェハおよび前記ベースウェハの少なくとも一方の主面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記ボンドウェハおよび前記ベースウェハの主面同士が向かい合うように、前記酸化膜を介して前記ベースウェハおよび前記ボンドウェハを結合して結合ウェハを形成する結合工程とを備えた半導体基板の製造方法において、前記酸化膜形成工程を実行する前、前記酸化膜形成工程を実行した後および前記結合工程を実行した後のうちいずれかにおいて、前記ボンドウェハの内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、そのレーザ光を前記ボンドウェハの端部から端部へ相対移動させることにより、前記集光点の移動経路に多光子吸収による改質層を前記ボンドウェハ内部の全域に形成する改質層形成工程と、この改質層形成工程を経た前記結合ウェハを前記改質層を起点にして分断する分断工程とを備えたという技術的手段を用いる。
なお、上記集光点とは、レーザ光が集光した箇所のことである。

レーザ光の照射により形成された改質層を起点に結合ウェハを分断するため、分断されたボンドウェハを新たなボンドウェハまたはベースウェハとして再利用することができるので、結合ウェハを切削する切削法とは異なり、半導体材料が無駄になることがない。
しかも、レーザ光の集光点に多光子吸収による改質層を形成することができるため、集光点の深さを変化させることにより、ボンドウェハにおいて改質層が形成される深さ、つまり分断後にＳＯＩ層を作成する元となるウェハの厚さを変化させることができる。
従って、ＳＯＩ層の厚さの制御範囲を広げることができる。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。図１は、この実施形態に係る半導体基板の製造方法の工程を示す説明図である。
（図１（ａ）に示す工程）
主面１ａが鏡面研磨されたボンドウェハ１と、主面２ａが鏡面研磨されたベースウェハ２とを用意する。ボンドウェハ１およびベースウェハ２は、それぞれシリコン（Ｓｉ）の単結晶（本願請求項１の半導体基板材料に対応する）により形成されている。そして、ボンドウェハ１の少なくとも主面１ａに酸化膜３を形成する。酸化膜３の形成手法としては、熱酸化やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの手法を用いることができる。
次に、レーザ光４を、その集光点Ｐがボンドウェハ１の主面１ａから深さｄの箇所に形成されるように主面１ａから照射し、そのレーザ光４をボンドウェハ１の端部から端部へ走査させる。これにより、レーザ光４の集光点Ｐが走査された深さｄの経路には、多光子吸収による改質層１ｃが形成される。レーザ光４の走査は、ボンドウェハ１の主面１ａ（レーザ光４の入射面）から集光点Ｐまでの深さｄを一定にした状態でボンドウェハ１の内部全域に亘って行い、ボンドウェハ１の深さｄの全域に改質層１ｃを形成する（本願請求項１の改質層形成工程に対応）。
多光子吸収とは、物質が複数個の同種もしくは異種の光子を吸収することをいう。その多光子吸収により、ボンドウェハ１の集光点Ｐおよびその近傍では、光学的損傷という現象が発生し、これにより熱ひずみが誘起され、その部分にクラックが発生し、そのクラックが集合した層、つまり改質層１ｃが形成される。
レーザ光４の集光点Ｐの深さｄは、目標とするＳＯＩ層１ｆ（図１（ｄ））の厚さｄ１に対して、平面研削前のボンドウェハ１ｄの研削代（後述する図１（ｄ）に示す工程においてボンドウェハ１ｄの表面を研削する厚さ）を加えた厚さに対応する深さに決定する。レーザ光４がパルス波の場合、レーザ光の強度は、集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上でパルス幅が１μｓ以下の条件で多光子吸収が発生する。レーザ光としては、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）レーザによるレーザ光を用いる。そのレーザ光の波長は、例えば１０６４ｎｍの赤外光領域の波長である。
また、レーザ光４の集光点Ｐの深さｄを調整することにより、ボンドウェハ１の主面１ａからボンドウェハ１の厚みの範囲内で任意の深さに改質層１ｃを形成することができる。

（図１（ｂ）に示す工程）
改質層１ｃが形成されたボンドウェハ１の主面１ａおよびベースウェハ２の主面２ａ同士が向かい合うように、酸化膜３を介してベースウェハ２の上にボンドウェハ１を重ね合わせ、高温（例えば１２００゜Ｃ前後）で熱処理することにより、ボンドウェハ１およびベースウェハ２を強固に結合して結合ウェハ５を形成する（本願請求項１の結合工程に対応する）。

（図１（ｃ）に示す工程）
結合ウェハ５に外力を付与することにより、改質層１ｃを形成するクラックを成長させて結合ウェハ５を改質層１ｃを起点として分断する。例えば、結合ウェハ５の両端部を所定の支持手段によって支持し、結合ウェハ５の中央部またはその近傍を所定の押圧手段によって押圧することにより結合ウェハ５を曲げ、その曲げ応力により、改質層１ｃを形成するクラックを成長させ、改質層１ｃを起点として結合ウェハ５を分断する。
結合ウェハ５の分断により分断されたボンドウェハ１は、ベースウェハ２側に残った分断ボンドウェハ１ｄと、ベースウェハ２とは完全に切り離された分断ボンドウェハ１ｅとに分かれる。つまり、ベースウェハ２の上に酸化膜３を介して分断ウェハ１ｄが結合されたＳＯＩ基板６と、分断面以外の面に酸化膜３が形成された分断ボンドウェハ１ｅとが作成される。分断ボンドウェハ１ｅは、従来の研削法では研削により消滅してしまうものであるが、この実施形態では研削する必要がないため、分断ボンドウェハ１ｅを新たなボンドウェハまたはベースウェハとして再利用することができる。
なお、結合ウェハ５に対してせん断応力を付与することにより、改質層１ｃを成長させて結合ウェハ５を分断してもよい。また、結合ウェハ５に対して温度差を付与することにより熱応力を発生させて結合ウェハ５を分断してもよい。

（図１（ｄ）に示す工程）
ＳＯＩ基板６の分断面、つまり改質層１ｃが形成されていた面を研削、研磨し、光学的損傷部分を削除するとともに、分断ボンドウェハ１ｄを目標の厚さｄ１のＳＯＩ層１ｆに形成する。これにより、半導体基板２ｂの上に埋込酸化膜３ａを介してＳＯＩ層１ｆが形成されたＳＯＩ基板６ａが完成する。

［第１実施形態の効果］
（１）以上のように上記第１実施形態に係る半導体基板の製造方法を用いれば、レーザ光４の照射により形成された改質層１ｃを起点に結合ウェハ５を分断するため、分断により生じた分断ボンドウェハ１ｅを新たなボンドウェハまたはベースウェハとして再利用することができるので、結合ウェハ５を切削する切削法とは異なり、半導体材料であるシリコンが無駄になることがない。
しかも、ボンドウェハ１の内部のレーザ光４の集光点Ｐに多光子吸収による改質層１ｃを形成することができるため、集光点Ｐの深さを変化させることにより、改質層１ｃが形成される深さ、つまり分断後にＳＯＩ層１ｆを作成する元となる分断ボンドウェハ１ｄの厚さを変化させることができる。
従って、制御可能なＳＯＩ層の厚さの範囲を広げることができる。
（２）また、ボンドウェハ１の主面１ａ（レーザ光４の入射面）ではレーザ光４がほとんど吸収されないため、ボンドウェハ１の主面１ａが溶融することがない。

＜第２実施形態＞
次に、この発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。図２は、この実施形態に係る半導体基板の製造方法の工程を示す説明図である。なお、第１実施形態と同じ構成および工程については、説明を簡略化または省略し、同じ構成については同じ符号を用いる。
（図２（ａ）に示す工程）
少なくとも主面１ａに酸化膜３が形成されたボンドウェハ１の主面１ａと、ベースウェハ２の主面２ａとを向かい合うように、酸化膜３を介してベースウェハ２の上にボンドウェハ１を重ね合わせ、高温で熱処理することにより、ボンドウェハ１およびベースウェハ２を強固に結合して結合ウェハ５を形成する（本願請求項１の結合工程に対応する）。

（図２（ｂ）に示す工程）
結合ウェハ５を構成するボンドウェハ１の裏面１ｂ（主面１ａと反対側の面）からレーザ光４をボンドウェハ１の内部に照射し、ボンドウェハ１の内部に改質層１ｃを形成する（本願請求項１の改質層形成工程に対応）。この工程では、ボンドウェハ１の主面１ａから深さｄの位置に集光点Ｐがくるようにレーザ光４を照射する。
（図２（ｃ）に示す工程）
結合ウェハ５に対して外力を付与し、結合ウェハ５を改質層１ｃを起点として分断する。
（図２（ｄ）に示す工程）
上記分断により形成されたＳＯＩ基板６の分断ボンドウェハ１ｄの分断面を研削、研磨し、分断ボンドウェハ１ｄを目標の厚さｄ１のＳＯＩ層１ｆに形成する。

［第２実施形態の効果］
以上のように上記第２実施形態に係る半導体基板の製造方法は、結合ウェハ５を作成してからボンドウェハ１の内部に改質層１ｃを形成する点で第１実施形態と異なるだけであるため、第２実施形態に係る半導体基板の製造方法を用いれば、第１実施形態の効果（１）および（２）と同じ効果を奏することができる。

＜その他の実施形態＞
（１）上記各実施形態では、ボンドウェハ１の全体に酸化膜３を形成したが、主面１ａのみに酸化膜３を形成してもよい。また、ボンドウェハ１に酸化膜３を形成しないでベースウェハ２の全体または主面２ａのみに酸化膜３を形成してもよい。さらに、ボンドウェハ１およびベースウェハ２の各全体または各主面１ａ，２ａのみに酸化膜３を形成してもよい。つまり、ボンドウェハ１およびベースウェハ２の結合部分に酸化膜３が形成されていればよく、酸化膜３の形成箇所は限定されない。

（２）ボンドウェハ１の内部にレーザ光４を照射して改質層１ｃを形成するだけで結合ウェハ５に外力を加えることなく改質層１ｃを起点にしてボンドウェハ１を分断することも可能である。

（３）改質層１ｃは、ボンドウェハ１の径方向に対して不連続に形成してもよい。例えば、レーザ光４を移動させながら、照射および非照射を繰り返すことにより、改質層１ｃを不連続に形成する。
（４）上記各実施形態では、ボンドウェハ１に対してレーザ光４を移動させたが、レーザ光４を移動させないでボンドウェハ１を移動させてもよい。また、レーザ光４およびボンドウェハ１の両方を相互に逆方向に移動させてもよい。つまり、レーザ光４およびボンドウェハ１を相対移動させればよい。

（５）上記各実施形態では、酸化膜３を介してボンドウェハ１にレーザ光４を照射して改質層１ｃを形成したが、酸化膜３を形成する前のボンドウェハ１にレーザ光４を照射して改質層１ｃを形成してもよい。
（６）上記各実施形態では、ボンドウェハ１およびベースウェハ２の半導体基板材料として単結晶シリコンを用いたが、４族元素を主体とした半導体であれば、例えば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅあるいはダイヤモンドなどを用いることもできる。また、多結晶シリコン基板や、単結晶もしくは多孔質シリコン基板上に、エピタキシャル成長により単結晶膜を形成した基板をボンドウェハ１およびベースウェハ２として用いることもできる。

第１実施形態に係る半導体基板の製造方法の工程を示す説明図である。第２実施形態に係る半導体基板の製造方法の工程を示す説明図である。従来の半導体基板の製造方法を示す説明図である。図３（ａ）は、研削法の一例を示す説明図であり、図３（ａ１）〜（ａ４）は、研削法の各工程を示す説明図である。図３（ｂ）は、スマートカット法の一例を示す説明図であり、図３（ｂ１）〜（ｂ５）は、スマートカット法の各工程を示す説明図である。

符号の説明

１・・ボンドウェハ、１ａ・・主面、１ｃ・・改質層、１ｆ・・ＳＯＩ層、２・・ベースウェハ、２ａ・・主面、３・・酸化膜、３ａ・・埋込酸化膜、４・・レーザ光、５・・結合ウェハ、６・・ＳＯＩ基板。

Claims

半導体基板材料により形成されたボンドウェハおよびベースウェハを用意し、前記ボンドウェハおよび前記ベースウェハの少なくとも一方の主面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記ボンドウェハおよび前記ベースウェハの主面同士が向かい合うように、前記酸化膜を介して前記ベースウェハおよび前記ボンドウェハを結合して結合ウェハを形成する結合工程とを備えた半導体基板の製造方法において、
前記酸化膜形成工程を実行する前、前記酸化膜形成工程を実行した後および前記結合工程を実行した後のうちいずれかにおいて、前記ボンドウェハの内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、そのレーザ光を前記ボンドウェハの端部から端部へ相対移動させることにより、前記集光点の移動経路に多光子吸収による改質層を前記ボンドウェハ内部の全域に形成する改質層形成工程と、
この改質層形成工程を経た前記結合ウェハを前記改質層を起点にして分断する分断工程とを備えたことを特徴とする半導体基板の製造方法。