JP4677717B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法およびその装置 - Google Patents

Description

この発明はＳＯＩウェーハの製造方法およびその装置、詳しくはイオン注入剥離法によりＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造方法およびその装置に関する。

ＳＯＩウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べ、素子間の分離、素子と基板間の寄生容量の低減、３次元構造が可能といった優越性があり、高速・低消費電力のＬＳＩに使用されている。
ＳＯＩウェーハの製造方法の１つに、スマートカット法がある。このスマートカット法は、まず、シリコンウェーハ表面に水素イオンを注入する。次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせる。
次に、貼り合わせウェーハを剥離熱処理する。すると、イオン注入層を境界として、ＳＯＩウェーハと分離ウェーハ（貼り合わせウェーハの一部）とに剥離される。その後、剥離後のＳＯＩウェーハを、結合熱処理および活性層の薄膜化処理を行い、ＳＯＩウェーハを完成させる。
上記剥離熱処理は、一般的に横型の熱処理炉を用いて実施される。剥離前の貼り合わせウェーハは、横型のボートに垂直に配設される。そして、貼り合わせウェーハは、ボートに垂直に支持された状態で熱処理炉内において剥離熱処理される。
また、特許文献１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法のように、剥離熱処理した後、ベルヌイチャックを用いて、剥離後のＳＯＩウェーハおよび残りの活性層用ウェーハを回収する方法が開示されている。

特開２００２−３５３０８２号公報

従来のＳＯＩウェーハの製造方法においては、貼り合わせＳＯＩウェーハは垂直向きに保持される。そして、貼り合わせＳＯＩウェーハを熱処理を実施すると、活性層用ウェーハの一部が剥離されてＳＯＩウェーハが形成される。剥離後のＳＯＩウェーハおよび活性層用ウェーハの一部は垂直に保持されたままである。よって、一度剥離したウェーハ同士が接触してしまい、ＳＯＩウェーハにキズや異物が付着してしまう。また、場合によっては、再接着する可能性がある。さらに、ボートにＳＯＩウェーハ自体の加重が加わり、ＳＯＩウェーハのボートとの接触部にキズがついてしまう。
また、特許文献１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法においては、貼り合わせウェーハを剥離熱処理した後、ベルヌイチャックを使用して剥離後のＳＯＩウェーハと貼り合わせウェーハの一部（活性層用ウェーハの一部）との分離回収を実施していた。

この発明は、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製方法において、剥離後のＳＯＩウェーハにキズをつけないＳＯＩウェーハの製造方法およびその装置を提供することを目的とする。
また、この発明は、貼り合わせＳＯＩウェーハを剥離熱処理しながら、ＳＯＩウェーハと分離ウェーハとを分離するＳＯＩウェーハの製造方法およびその装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハをこの絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理して、上記イオン注入層を境界として分離ウェーハを剥離してＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造方法であって、上記貼り合わせウェーハをベルヌイチャックで保持する工程と、この貼り合わせウェーハをこのベルヌイチャックで保持された状態で熱処理する工程と、この貼り合わせウェーハから剥離した上記ＳＯＩウェーハをこのベルヌイチャックの下方に設けたサセプタに搭載して回収する工程とを備えたＳＯＩウェーハの製造方法である。

請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、貼り合わせウェーハをベルヌイチャックで保持する。次いで、貼り合わせウェーハを石英製の箱形チャンバに投入して剥離熱処理する。剥離熱処理すると、貼り合わせウェーハからＳＯＩウェーハがイオン注入層を境界として剥離される。そして、このＳＯＩウェーハは、ベルヌイチャックの下方に位置するサセプタに落下して搭載される。
次に、ベルヌイチャックのＮ_２ガスの噴射を止め、剥離後の分離ウェーハのベルヌイチャックの保持状態を解除する。そして、分離ウェーハを回収する回収手段を設けて、これを熱処理室の外部に取り出して回収する。回収手段は、例えばロボットハンドを使用する。
次に、サセプタに搭載されたＳＯＩウェーハをベルヌイチャックで再び保持する。そして、回収手段により、ＳＯＩウェーハを熱処理室の外部に取り出してこれを回収する。または、ベルヌイチャックに保持状態のままＳＯＩウェーハを熱処理室の外部に取り出し、これを回収してもよい。
この結果、剥離後のＳＯＩウェーハと分離ウェーハとが接触することもなく、これらのウェーハにキズが付かず、ゴミも付着しない。

請求項２に記載の発明は、活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハをこの絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理室で熱処理して、上記イオン注入層を境界として分離ウェーハを剥離してＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造装置であって、上記熱処理室に隣接して設けられた基板搬送部と、この基板搬送部に貼り合わせウェーハ搬送ロボットが設けられ、この貼り合わせウェーハ搬送ロボットのアームの先端に設けられたベルヌイチャックと、上記熱処理室内に配設され、このベルヌイチャックが熱処理室内に移動した際に、このベルヌイチャックの下方になるように設けられたサセプタと、上記ベルヌイチャックが投入された状態で熱処理室を密閉するゲート弁と、を備えたＳＯＩウェーハの製造装置である。
ベルヌイチャックとは、気体を噴出するエゼクタ効果およびベルヌイ効果による負圧発生と圧力式エアクッション効果による正圧発生とにより、貼り合わせウェーハを空中に浮遊した無接触・非接触状態にて保持するものである。
サセプタは、熱処理室内で使用できる素材で形成される。例えば、グラファイトとＳｉＣなどである。

請求項２に記載のＳＯＩウェーハの剥離装置にあっては、まず、絶縁膜を介して２枚のウェーハが貼り合わされた貼り合わせウェーハを作製する。次に、貼り合わせウェーハの上面側からベルヌイチャックで保持する。次いで、貼り合わせウェーハをベルヌイチャックで保持したまま石英製の箱形チャンバに投入する。そして、チャンバ内を略５００℃、窒素ガス雰囲気にして剥離熱処理する。剥離熱処理すると、貼り合わせウェーハからＳＯＩウェーハがイオン注入層を境界として剥離される。そして、このＳＯＩウェーハをベルヌイチャックの下方に位置するサセプタに落下させて搭載する。この後、ベルヌイチャックのガスの噴出を止めて、分離ウェーハをベルヌイチャックから切り離す。そして、分離ウェーハを熱処理室の外部に取り出してこれを回収する。次に、ＳＯＩウェーハをベルヌイチャックで再び保持し、これを熱処理室の外部に取り出して回収する。

請求項３に記載の発明は、上記サセプタは、その搭載面に気体を噴出するノズルを有する請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造装置である。

請求項３に記載のＳＯＩウェーハの剥離装置にあっては、サセプタの搭載面には、ＳＯＩウェーハおよび貼り合わせウェーハに向かって気体を噴出するノズルを有している。落下してきた剥離後のＳＯＩウェーハなどの全面に向かって、ノズルから気体を噴出する。落下してきたＳＯＩウェーハなどは、気体を受けてサセプタから浮いた状態となる。この後、気体の噴出を止める。これにより、ＳＯＩウェーハにキズをつけたり、または破損したりすることなくサセプタに搭載してこれを回収することができる。また、ベルヌイチャックとサセプタとの距離を大きくしてこれらを配設することができる。

サセプタは、グラファイト製、石英製、グラファイトにＳｉＣコートを施したもの、石英にＳｉＣコートを施したものまたはＳｉＣ製である。グラファイトは、可撓性に優れた材料であり、広い温度範囲での使用が可能な素材である。ＳｉＣは、高温強度が高く、硬くしかも軽い素材であり、炉内を汚染することも少ない。

この発明によれば、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの製造方法において、活性層用ウェーハにイオン注入層を形成する。次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせる。この結果、絶縁膜を介して２枚のウェーハが貼り合わされた貼り合わせウェーハが作製される。
次に、この貼り合わせウェーハをベルヌイチャックで保持する。次いで、貼り合わせウェーハを石英製の箱形チャンバに投入して剥離熱処理する。剥離熱処理すると、ＳＯＩウェーハがイオン注入層を境界として剥離される。そして、ＳＯＩウェーハをベルヌイチャックの下方に位置するサセプタに落下させてこれを回収する。これにより、剥離後のＳＯＩウェーハと分離ウェーハとが接触することもなく、キズやゴミが付着するおそれも生じない。

以下、この発明の一実施例を、図１〜図６を参照して説明する。
まず、ＳＯＩウェーハ１１の製造装置について説明する。
図１は、ＳＯＩウェーハ１１の剥離熱処理装置の全体構成を示す斜視図である。図２は、その剥離熱処理装置の概要を示す平面図である。この剥離熱処理装置は、主として基板搬送部３２と熱処理部３０とを備えている。また、剥離前の貼り合わせウェーハ１０を投入するローダ部５１と剥離後のＳＯＩウェーハ１１および分離ウェーハ１２を回収するアンローダ部５２とがそれぞれ配設される。
図１に示すように、ローダ部５１には、ステージ４１と、このステージ４１上に複数枚の貼り合わせウェーハ１０が挿入されるカセット３３とが配設される。そして、ステージ４１と並列してローダロボット３７ａが設けられる。このローダロボット３７ａは、カセット３３のウェーハを１枚毎に搬送するローダフォーク３８ａを有している。
図１に示すように、アンローダ部５２には、２つのステージ４２、４３と、これらのステージ４２、４３上に複数枚の熱処理後ウェーハが挿入されるカセット３４、３５とがそれぞれ配設される。一方のカセット３４（第１の回収カセット）には、剥離後のＳＯＩウェーハ１１が挿入される。他方のカセット３５（第２の回収カセット）には、剥離後の貼り合わせウェーハ１０の一部が挿入される。ローダ部５１と同様に、ステージ４２、４３と並列してアンローダロボット３７ｂが設けられる。
図２に示すように、基板搬送部３２には、貼り合わせウェーハ１０をローダ部５１のローダフォーク３８ａからチャンバ３１に搬送するロボット３６が設けられている。ロボット３６は３本の部材で構成されたアーム４０を有している。ロボット３６のアーム４０の３本の部材の先端には、貼り合わせウェーハ１０を保持する石英製のベルヌイチャック２１が設けられている。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、ベルヌイチャック２１の構成を示す正面図および平面図である。ベルヌイチャック２１には、アーム４０の先に円形の保持カバー４６が設けられる。保持カバー４６の周縁には、下方に向かって凸部が形成されている。保持カバー４６の中央には、ベルヌイチャック２１のＮ_２ガスの吹き出し口４４が設けられている。

図４（ａ）は、熱処理部３０の構成を示す側面図である。熱処理部３０には、石英製の箱形状のチャンバ３１と、このチャンバ３１内を加熱する複数の加熱ヒータ２２とが配設される。そして、このチャンバ３１内に貼り合わせウェーハ１０を保持したベルヌイチャック２１が投入される。また、ベルヌイチャック２１に保持された貼り合わせウェーハ１０の下方には、剥離後のＳＯＩウェーハ１１を回収するサセプタ１６がチャンバ３１内に配設される。さらに、貼り合わせウェーハ１０が保持されたベルヌイチャック２１をチャンバ３１に投入後、チャンバ３１を密閉する開閉式のゲート弁２４が設けられている。図４（ｂ）に示すように、このゲート弁２４には、ベルヌイチャック２１がこれを介してチャンバ３１内に投入できるように凹部２５が設けられている。そして、密閉されたチャンバ３１内に不活性ガス（Ｎ_２ガス）を注入するガス注入口２３が設けられる。

次に、ＳＯＩウェーハ１１の製造方法について説明する。
ＳＯＩウェーハ１１の製造は、図５（ａ）〜図５（ｆ）に示すような工程で行われる。まず、ＣＺ法により育成され、ボロンがドーパントとされたシリコンインゴットからスライスした図示しないシリコンウェーハを２枚準備する。これらのシリコンウェーハを、一方を図示しない活性層用ウェーハとして、他方を図示しない支持用ウェーハとする。そして、図５（ａ）に示すように、活性層用ウェーハとなるシリコンウェーハの表面に図示しない酸化膜を形成する。酸化膜の形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを投入し、これを所定時間、所定温度に加熱することにより行われる。このとき、形成される酸化膜の厚さは１５００Åである。

次に、酸化膜が形成された活性層用ウェーハを、イオン注入装置の真空チャンバの中にセットする。そして、図５（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハの表面より酸化膜を介して加速電圧＝５０ｋｅＶ、ドーズ量＝５．０Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の水素イオンを注入する。水素イオンは、活性層用ウェーハの表面から所定深さの位置まで注入される。この結果、活性層用ウェーハの所定深さ位置（シリコン基板中の所定深さ範囲）にイオン注入層が形成される。
次に、図５（ｃ）に示すように、水素イオンが注入された活性層用ウェーハを、そのイオンが注入された面（酸化膜表面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜（酸化膜）が介在された貼り合わせウェーハ１０が形成される。

次に、図５（ｄ）に示す剥離熱処理工程について詳細に説明する。
図１に示すように、まず、カセット３３に挿入された貼り合わせウェーハ１０を、剥離熱処理装置のローダ部５１のステージ４１の上にセットする。次いで、カセット３３にセットされた貼り合わせウェーハ１０を、ローダロボット３７ａのローダフォーク３８ａにより１枚ずつピックアップする。そして、貼り合わせウェーハ１０を、ロボット３６のアーム４０に設けられたベルヌイチャック２１で保持する。このとき、アーム４０の吹き出し口４４より、貼り合わせウェーハ１０に向かってＮ_２ガスが流出する。流出したＮ_２ガスは、貼り合わせウェーハ１０の周縁部に回り込む。この空気の回り込みにより、貼り合わせウェーハ１０の裏面に負圧が生じる。これにより、貼り合わせウェーハ１０は、剥離後ＳＯＩウェーハ１１の裏面（デバイスが形成される面とは反対の面）を下側にして、ベルヌイチャック２１に非接触で保持される。そして、貼り合わせウェーハ１０を、ベルヌイチャック２１に保持した状態で、ロボット３６により熱処理部３０のチャンバ３１のサセプタ１６の真上に搬送する。この時、熱処理部３０は、加熱ヒータにより略５００℃に維持され、ガス注入口２３からは窒素ガスが注入されている。

図４（ｂ）に示すように、ベルヌイチャック２１をチャンバ３１（熱処理室）に搬送した後、ゲート弁２４を閉じる。これにより、チャンバ３１内は、貼り合わせウエハ１０を保持したベルヌイチャック２１を投入した状態で、温度が略５００℃で窒素ガス雰囲気に保持される。
すると、ベルヌイチャック２１に保持された貼り合わせウェーハ１０は、イオン注入層において水素ガス（希ガス）のバブルが形成され、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として剥離する。すなわち、貼り合わせウェーハ１０は、支持ウェーハに酸化膜を介してＳＯＩ層が積層されたＳＯＩウェーハ１１と、分離ウェーハ１２（貼り合わせウェーハの一部）とになる。
剥離された後ＳＯＩウェーハ１１は、ベルヌイチャック２１の下方に設けられたサセプタ１６にその裏面から落下し、このサセプタ１６上に搭載される。ＳＯＩウェーハ１１の裏面からサセプタ１６に落下するので、ＳＯＩウェーハ１１の表面（デバイスが形成される面）にはキズがつかない。
この後、図１に示すように、ベルヌイチャック２１に保持されている分離ウェーハ１２の下にアンローダフォーク３８ｂを待機させベルヌイチャック２１の窒素ガスの注入を停止させる．これにより、剥離ウエハ１２はアンローダフォーク３８ｂに搭載され、熱処理部３０の排出扉５３から外へ搬出する。そして、分離ウェーハ１２を、第２の回収カセット３５に回収する。
次に、ベルヌイチャック２１をサセプタ１６上のＳＯＩウェーハ１１に近づけ、窒素ガスを流入させる。これにより、ＳＯＩウェーハ１１は、ベルヌイチャック２１に非接触で保持される。続いて、先ほどの手順と同様に、ベルヌイチャック２１に保持されているＳＯＩウェーハ１１の下にアンローダフォーク３８ｂを待機させ、ベルヌイチャック２１の窒素ガスの注入を停止させる。これにより、ＳＯＩウェーハ１１は、アンローダフォーク３８ｂに搭載され、熱処理部３０の排出扉５３から外へ搬出される。そして、このＳＯＩウェーハ１１を、第１の回収カセット３４に回収する。

ベルヌイチャック２１とサセプタ１６との距離を大きくすると、サセプタ１６に落下時にＳＯＩウェーハ１１が破損してしまう。
そこで、図６（ａ）に示すように、サセプタ１６の搭載面４６に複数の噴射口４５を配設する。落下してくるＳＯＩウェーハ１１の全面に向かって、例えば、Ｎ_２ガスを噴射口４５より噴射する。すると、落下してきたＳＯＩウェーハ１１は、Ｎ_２ガスを受けてサセプタ１６から浮いた状態となる。この後、Ｎ_２ガスを徐々に弱めて、最終的にＮ_２ガスの噴射を止める。これにより、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＩウェーハ１１は、サセプタ１６の搭載面４６に載置される。この結果、ＳＯＩウェーハ１１にキズをつけたり破損したりすることなくサセプタ１６に落下させて回収することができる。また、ベルヌイチャック２１とサセプタ１６との距離を大きくしてこれらを配設することができる。

この後、図５（ｅ）に示すように、ＳＯＩウェーハ１１の活性層用ウェーハと、支持用ウェーハとを強固に結合するための貼り合わせ強化熱処理を行う。熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間の条件で行う。平坦化熱処理および酸化処理は、結合熱処理の前またはその後に連続して行ってもよい。
最後に、図５（ｆ）に示すように、ＳＯＩ層の薄膜化処理（例えば研磨）を行い、ＳＯＩウェーハ１１を完成させる。

次に、本発明のベルヌイチャックに保持して剥離熱処理を実施した場合と、従来の横型炉の横型ボートに保持した場合（比較例）とのウェーハ内のパーティクル数と再接着の発生率について評価する実験を行った。この結果を表１に示す。

ＳＯＩウェーハ１１が横型炉内で横型ボートに保持された比較法と比べて、ＳＯＩウェーハ１１の１枚あたりのパーティクルの数および剥離後のＳＯＩウェーハ１１と残りの活性層用ウェーハとが再接着する発生率とも改善されていることが確認された。

この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの剥離熱処理装置の全体構成を示す斜視図である。 この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの剥離熱処理装置の概要を示す平面図である。 この発明の一実施例に係るベルヌイチャックの構成を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図である。 この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの熱処理室の構成を示す断面図である。 図４（ａ）のＡ方向からみた熱処理室の構成を示す正面図である。 この発明の一実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法を示す工程図である。 この発明の一実施例に係るサセプタの構成を示す断面図である。（ａ）は、ＳＯＩウェーハがＮ_２ガスの噴射により浮いた状態を示す断面図である。（ｂ）は、ＳＯＩウェーハがＮ_２ガスの噴射を止めたサセプタ上に載置された状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ 貼り合わせウェーハ、
１１ ＳＯＩウェーハ、
１２ 分離ウェーハ、
１６ サセプタ、
２１ ベルヌイチャック。

Claims (3)

1. 活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハをこの絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理して、上記イオン注入層を境界として分離ウェーハを剥離してＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   上記貼り合わせウェーハをベルヌイチャックで保持する工程と、
   この貼り合わせウェーハをこのベルヌイチャックで保持された状態で熱処理する工程と、
   この貼り合わせウェーハから剥離した上記ＳＯＩウェーハをこのベルヌイチャックの下方に設けたサセプタに搭載して回収する工程とを備えたＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 活性層用ウェーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハをこの絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを熱処理室で熱処理して、上記イオン注入層を境界として分離ウェーハを剥離してＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造装置であって、
   上記熱処理室に隣接して設けられた基板搬送部と、
   この基板搬送部に貼り合わせウェーハ搬送ロボットが設けられ、この貼り合わせウェーハ搬送ロボットのアームの先端に設けられたベルヌイチャックと、
   上記熱処理室内に配設され、このベルヌイチャックが熱処理室内に移動した際に、このベルヌイチャックの下方になるように設けられたサセプタと、
   上記ベルヌイチャックが投入された状態で熱処理室を密閉するゲート弁と、を備えたＳＯＩウェーハの製造装置。
3. 上記サセプタは、その搭載面に気体を噴出するノズルを有する請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造装置。

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