JP4624812B2 - Soiウエーハの製造方法 - Google Patents
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単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ウェーハ中にイオン注入層を形成する工程、
該単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び/又は前記熱伝導性基板の表面を、プラズマ及び/又はオゾンで処理する工程
前記単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と前記熱伝導性基板の表面とを、前記処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合する工程、
前記イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、前記熱伝導性基板上にSOI層を形成する工程、
を行なうことを特徴とするSOIウエーハの製造方法を提供する。
このように、接合した単結晶シリコンウェーハ及び熱伝導性基板を、熱歪が発生しないような100〜300℃という低温で熱処理してより結合力を高めてから、イオン注入層に衝撃を与えて機械的な剥離工程を行なえば、機械的応力による接合面の剥離、ひび割れ等の発生をより確実に防止してSOIウェーハを製造できる。
このように、剥離工程により得られたSOIウェーハのSOI層表面に鏡面研磨を施せば、剥離工程で生じたSOI層の表面粗れやイオン注入工程で発生した結晶欠陥等を除去でき、表面が鏡面研磨された平滑なSOI層を有するSOIウェーハを製造できる。
このように、剥離工程により得られたSOIウェーハに、不活性ガス、水素ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下でSOI層の表面を平坦化する熱処理を行っても、剥離工程により生じたSOI層の表面粗れや、イオン注入により生じたSOI層表面近傍の結晶欠陥やダメージを除去することができる。
前記熱処理を施したSOIウェーハに熱酸化を行って、前記SOI層の表面に熱酸化膜を形成する工程、
前記熱酸化膜を除去することにより、前記SOI層の厚さを減ずる工程、
を行なうことが好ましい。
このように、SOI層表面を平坦化する熱処理を施したSOIウェーハに熱酸化を行ってSOI層の表面に熱酸化膜を形成し、これを除去してSOI層の厚さを減ずることにより、より薄くて良好な膜厚均一性を有し、さらに表面粗れ、結晶欠陥やダメージが十分に除去されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することができる。
このように、SOI層表面を平坦化する熱処理の温度を1100℃以上とすれば、比較的短い時間で表面粗さを改善できるし、1350℃以下とすれば、熱処理の際に重金属不純物による汚染や熱処理炉の耐久性の問題が生じずに、SOIウェーハを製造できる。
このように、前記熱伝導性基板を、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ボロン、ダイヤモンドのいずれかを含むものとすれば、これらはシリコンよりも熱伝導率が大幅に大きい材料であるから、基板からの放熱性に優れ、発熱の問題を解決できるSOIウェーハを製造できる。
このように、上記のいずれかの製造方法により製造されたSOIウェーハであれば、製造の際に熱歪、剥離、ひび割れ等が発生しておらず、また、各種デバイス作製に有用な、より薄くて良好な膜厚均一性を有し、放熱性に優れるとともに、結晶性に優れ、キャリア移動度の高い熱伝導性基板上にSOI層を持つSOIウエーハとなる。
しかし、SOIウェーハの生産性向上の為に、より工程数が少なく、短時間で前記問題を解決する技術が望まれていた。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、単結晶シリコンウェーハ及び単結晶シリコンウェーハよりも熱伝導率が大きい熱伝導性基板を用意する(工程A)。
単結晶シリコンウェーハとしては特に限定されず、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が100〜300mm、導電型がP型またはN型、抵抗率が10Ω・cm程度のものを用いることができる。
また、熱伝導性基板も特に限定されないが、これを窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ボロン、ダイヤモンドのいずれかを含むものとすれば、大幅に単結晶シリコンウェーハよりも熱伝導率が大きい基板となる。すなわち、熱伝導率についてはシリコンが148W/mKであるのに対して、窒化アルミニウムは330W/mK、炭化珪素(SiC)は450W/mK、窒化ボロンは立方晶窒化ボロン(c−BN)で600W/mK、ダイヤモンドは2000W/mKであり十分に大きいから、これを用いて基板からの放熱性に優れたSOIウェーハを製造できる。
例えば、単結晶シリコンウェーハの温度を250〜450℃とし、その表面から所望のSOI層の厚さに対応する深さ、例えば0.5μm以下の深さにイオン注入層を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは50〜100keV、注入線量は1×1016〜1×1017/cm2とできる。また、単結晶シリコンウェーハの表面にあらかじめ薄いシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成しておき、それを通してイオン注入を行なえば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。
プラズマで処理をする場合、真空チャンバ中にRCA洗浄等の洗浄をした単結晶シリコンウェーハ及び/又は熱伝導性基板を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、100W程度の高周波プラズマに5〜10秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、単結晶シリコンウェーハを処理する場合、表面を酸化する場合には酸素ガスのプラズマ、酸化しない場合には水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを用いることができる。熱伝導性基板を処理する場合はいずれのガスでもよい。
工程Cにおいて、単結晶シリコンウェーハのイオン注入面または熱伝導性基板の表面の少なくとも一方がプラズマ処理及び/又はオゾン処理されているので、これらを例えば減圧または常圧下、一般的な室温程度の温度下で密着させるだけで後工程での機械的剥離に耐え得る強度で強く接合できる。従って、1200℃以上といった高温の結合熱処理が必要でなく、加熱により問題になる熱膨張係数の差異による熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがなく好ましい。
例えば熱伝導性基板がSiC基板の場合、熱膨張係数はシリコンに比べて大きく(Si:2.33×10−6、SiC:3.7〜4.7×10−6)、同程度の厚さのシリコンウェーハと張り合わせて加熱すると、300℃を超えるとシリコンウェーハが割れてしまう。しかし、このような比較的低温の熱処理であれば、熱膨張係数の差異による熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがなく好ましい。なお、バッチ処理方式の熱処理炉を用いる場合、熱処理時間は0.5〜24時間程度であれば十分な効果が得られる。
水素イオン注入剥離法においては、接合ウェーハを不活性ガス雰囲気下500℃程度で熱処理を行ない、結晶の再配列効果と注入した水素の気泡の凝集効果により熱剥離を行なうという方法であるが、本発明においてはイオン注入層に衝撃を与えて機械的剥離を行なうので、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがない。
イオン注入層に衝撃をあたえるためには、例えばガスや液体等の流体のジェットを接合したウェーハの側面から連続的または断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。
この鏡面研磨によって、剥離工程で発生したヘイズと呼ばれる表面粗れを除去したり、イオン注入により生じたSOI層表面近傍の結晶欠陥を除去できる。この鏡面研磨として、例えばタッチポリッシュと呼ばれる研磨代が5〜400nmと極めて少ない研磨を用いることができる。
また、このようなSOIウェーハは、熱伝導性基板の上にSOI層が形成されているものであるから、基板からの放熱性に優れ、デバイスの高密度化や高速化に特に適する。
工程A’〜工程F’については、図1に示す工程A〜Fと同様に行なう。これらの工程により熱伝導性基板上にSOI層が形成されたSOIウェーハが得られる。
そのような可能性がある場合においても、工程G’のように、不活性ガス、水素ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下でSOI層の表面を平坦化する熱処理を行えば、剥離工程により生じた表面粗れや、イオン注入により生じたSOI層表面近傍の結晶欠陥やダメージを膜厚均一性を維持して除去することができる。
これよって、表面粗さの長周期成分(例えば、周期1〜10μm程度)を改善することができる。すなわち、工程G’の熱処理により表面粗れの短周期成分(例えば周期1μm以下)は十分に除去されるが、長周期成分をより確実に除去するには、これをわずかの研磨により除去することが好ましい。このように、一旦熱処理が行なわれれば、表面粗さ及び表面のダメージが大幅に改善されているので、研磨代を従来に比べて大幅に少なくすることができ、特には半分以下にすることも可能であり、薄膜の膜厚均一性に及ぼす影響を最小限に留めて、表面粗さの長周期成分の改善を確実に行なうことができる。
このようにSOI層表面に熱酸化膜を形成することで、工程G’において除去しきれなかった結晶欠陥やダメージを熱酸化膜に取り込むことができ、また膜厚均一性をほとんど低下させることなくSOI層を所定の厚さまで薄膜化できる。熱酸化膜は例えば950℃の温度でパイロジェニック酸化を行なうことにより形成することができるが、酸化膜の形成方法は特に限定されない。
熱酸化膜の除去は、例えばHFを含有する水溶液にウェーハを浸漬する等により行なうことができる。
こうして、熱伝導性基板上にSOI層が形成されたSOIウェーハが得られる。
特に、タッチポリッシュを省略できるかまたはごく小さい研磨代でのみ行なえるので、機械加工的要素を含む研磨による膜厚均一性の低下が確実に発生しないSOIウェーハとできる。
また、このようなSOIウェーハは、熱伝導性基板の上にSOI層が形成されているものであるから、基板からの放熱性に優れ、デバイスの高密度化や高速化に特に適する。
Claims (5)
- 単結晶シリコンウェーハと該単結晶シリコンウェーハよりも熱伝導率が大きい、窒化アルミニウム、窒化ボロン、ダイヤモンドのいずれかを含む熱伝導性基板とを接合後、前記単結晶シリコンウェーハを薄膜化することにより前記熱伝導性基板上にSOI層を形成してSOIウェーハを製造する方法において、少なくとも、
単結晶シリコンウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入し、ウェーハ中にイオン注入層を形成する工程、
該単結晶シリコンウェーハのイオン注入面及び/又は前記熱伝導性基板の表面を、プラズマ及び/又はオゾンで処理する工程
前記単結晶シリコンウェーハのイオン注入面と前記熱伝導性基板の表面とを、前記処理をした表面を接合面として室温で密着させて接合する工程、
該接合ウェーハを100〜300℃で熱処理して結合力を高める工程、
前記イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコンウェーハを機械的に剥離し、前記熱伝導性基板上にSOI層を形成する工程、
を行なうことを特徴とするSOIウエーハの製造方法。 - 請求項1に記載したSOIウェーハの製造方法において、前記剥離工程により得られたSOIウェーハのSOI層表面に鏡面研磨を施すことを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
- 請求項1に記載したSOIウェーハの製造方法において、前記剥離工程により得られたSOIウェーハに、不活性ガス、水素ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気下でSOI層表面を平坦化する熱処理を施すことを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
- 請求項3に記載したSOIウェーハの製造方法において、前記SOI層表面を平坦化する熱処理を施す工程の後に、
前記熱処理を施したSOIウェーハに熱酸化を行って、前記SOI層の表面に熱酸化膜を形成する工程、
前記熱酸化膜を除去することにより、前記SOI層の厚さを減ずる工程、
を行なうことを特徴とするSOIウエーハの製造方法。 - 請求項3又は請求項4に記載したSOIウェーハの製造方法において、前記SOI層表面を平坦化する熱処理の温度を1100〜1350℃とすることを特徴とするSOIウエーハの製造方法。
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