JP4720164B2

JP4720164B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP4720164B2
Application number: JP2004350286A
Authority: JP
Inventors: 孝明塩多; 康浩大浦
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: US7615467B2; US20060121692A1; JP2006165062A

Description

この発明はＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくは活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせたＳＯＩウェーハの製造方法の改良に関する。

ＳＯＩ層を有するＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）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には、酸化膜を形成し２枚のシリコンウェーハを結合させた後、研削、研磨してＳＯＩ層を形成する貼り合わせ法がある。
貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハは、特許文献１に記載の通り、以下のようにして製造される。まず、片面が鏡面研磨された活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハを準備する。次いで、活性層用ウェーハの表面（鏡面）に所定厚さの絶縁膜を形成する。この後、活性層用ウェーハを酸化膜が形成された面を貼り合わせ面として、支持用ウェーハの表面（鏡面）に貼り合わせる。
そして、貼り合わせ後の活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を行う。この後、活性層用ウェーハの一部を研削および研磨することにより、所定厚さのＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハが得ることができる。

特開２００１−４４３９８号公報

ところで、上記貼り合わせ強化熱処理は、貼り合わせウェーハをウェーハボート上に載置して行われる。通常、ウェーハボートとの接触面は、貼り合わせウェーハの支持用ウェーハ側に存在する。
したがって、貼り合わせ強化熱処理を行ったとき、支持用ウェーハには、ウェーハボートとの接触に伴うスリップが発生する。すなわち、支持用ウェーハの外周部の一部分（ボート接触部）に、この貼り合わせウェーハの重量が集中する。そのためウェーハの内部応力が臨界せん断応力を超えてしまい、支持用ウェーハのこの部分にスリップが発生する。そして、支持用ウェーハ側に発生したスリップは、結果的に、ＳＯＩウェーハの機械的強度を低下させてしまう。

この発明は、上記問題を解決するためになされたもので、貼り合わせウェーハをウェーハボートに載置して行う貼り合わせ熱処理時、この貼り合わせウェーハの支持ウェーハ部分へのスリップの成長を抑制するＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、鏡面研磨された活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表裏面の表層部に空孔を形成する工程と、この活性層用ウェーハの表裏面を酸化雰囲気で熱処理して酸化膜を形成するとともに、前記活性層用ウェーハの表層部に無欠陥層、バルク部にＢＭＤ層を形成する工程と、次いで、支持用ウェーハを前記酸化膜を介して活性層用ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成する工程と、次に、前記活性層用ウェーハ部分をウェーハボートに接触して支持させて、この貼り合わせウェーハの活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を施す工程と、次に、この活性層用ウェーハ部分を薄膜化する工程とを含むＳＯＩウェーハの製造方法である。
活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハは、ともにシリコンウェーハである。
活性層用ウェーハの表裏面に形成される絶縁膜は、酸化膜である。

請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、まず、活性層用ウェーハにＲＴＡ処理（急速加熱・急速降温熱処理）を施す。すると、活性層用ウェーハ表裏面から空孔が注入され、その表層部に高濃度の空孔を含む空孔層が形成される。ＲＴＡ処理の雰囲気は限定されず、例えば窒素ガス雰囲気が好適である。この後、例えば酸化雰囲気で熱処理を行うと、活性層用ウェーハの表裏面に絶縁膜（酸化膜）が形成される。このとき、活性層用ウェーハのバルク部に、多くの酸素析出物や格子間シリコン原子を生じさせる。
このうち格子間シリコン原子は、活性層用ウェーハの表面側に拡散され、上記空孔層の空孔を消滅させる。そして、この表層部には、無欠陥（ＤＺ：ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）層が形成される。また、上記無欠陥層よりバルク側には、高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）層が形成される。
活性層用ウェーハ内のＢＭＤ層は、酸化処理により酸素析出を起こして形成される。
次いで、活性層用ウェーハの酸化膜が形成されている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。これにより、絶縁膜が介在された貼り合わせウェーハを得ることができる。
そして、この貼り合わせウェーハを酸化雰囲気で、その活性層用ウェーハをウェーハボートに接触させて支持しながら活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を強化するための貼り合わせ熱処理を行う。このとき、活性層用ウェーハの外周部の一部分（ボートとの接触部）に、この貼り合わせウェーハの重量が集中する。そのため、この活性層用ウェーハの外周部の一部分においてその内部応力が臨界せん断応力を超えてしまい、活性層用ウェーハにスリップが発生する。
しかしながら、活性層用ウェーハのバルク部に存在するＢＭＤ層により、スリップの発生は抑制される。ＢＭＤ層が、スリップを抑制させる理由（メカニズム）は析出物が転位の移動を阻害することや、転位線に沿って酸素析出が起こることによる、転位移動速度抑制による。この後、活性層用ウェーハに発生したスリップは、活性層用ウェーハの一部とともに研削および研磨により（薄膜化により）除去される。同時に、スリップが抑制させたＢＭＤ層も、研削および研磨により除去される。これにより、スリップを含まない無欠陥のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを得ることができる。なお、この薄膜化については他の手法、例えばイオン注入後の熱処理による剥離、剥離面の研磨などによることもできる。

請求項２に記載の発明は、上記ＲＴＡ処理は、活性層用ウェーハを窒素ガス雰囲気において、昇温速度１０〜１００℃／ｓｅｃで室温から設定温度にまで昇温し、次いで、この設定温度に１〜６０秒間保持し、この後、降温速度１０〜１００℃／ｓｅｃでこの設定温度から室温にまで降温し、この設定温度は１１００〜１２５０℃である請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法である。
ＲＴＡ処理の昇温速度は１０〜１００℃／ｓｅｃであり、降温速度は１０〜１００℃／ｓｅｃである。昇温速度、降温速度が１０℃／ｓｅｃ未満では、スループットがどちらも低下する。昇温速度、降温速度が１００℃／ｓｅｃを超えると、どちらも面内の温度分布の均一性が悪くなり、反りやスリップの発生が起きやすい。
設定温度は１１００℃〜１２５０℃である。設定温度が１１００℃未満では、空孔注入層が形成されにくい。設定温度が１２５０℃以上ではスリップが発生したり、シリコンウェーハの反りが生じることがある。
活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すと、活性層用ウェーハの表層部には空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）が注入される。
ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気で行われる。窒素ガス雰囲気であれば、シリコンウェーハの表面に窒化膜が形成される。そして、この窒化膜が空孔注入を促進させる。
また、上記窒素ガス雰囲気にＮＨ_３を含ませることにより、ＮＨ_３が分解して水素を生じさせ、この水素がシリコンウェーハに形成された自然酸化膜を除去する。しかも、窒素がシリコンウェーハに窒化膜を形成させ、空孔注入を促進させる。

請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施す。ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気により行われる。これにより、酸化膜が除去された活性層用ウェーハの表面から空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）が注入される。そして、活性層用ウェーハの表層部には高濃度の空孔を有する空孔層が形成される。
この後、活性層用ウェーハに絶縁膜を形成する（例えば熱処理を行う）。さらに、支持用ウェーハと貼り合わせ、貼り合わせ熱処理（例えば１１００℃、２時間）を施す。これにより、活性層用ウェーハのバルク部において、格子間シリコン原子および酸素析出物が生じる。そして、バルク部において、高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ層が形成される。このＢＭＤ層は、貼り合わせ強化熱処理時ボートとの接触で発生するスリップを抑制することができる。また、格子間シリコン原子が表層側に拡散されて、表層部の空孔層と空孔を消滅させる。この結果、活性層用ウェーハの表層部にはＤＺ層（無欠陥層）が形成される。さらに、薄膜化によりスリップ発生部分は除去される。

この発明によれば、まず、活性層用ウェーハにＲＴＡ処理を施す。すると、活性層用ウェーハ表裏面から空孔が注入され、表層部に高濃度の空孔を含む空孔層が形成される。そして、この空孔層に基づき、この後の熱処理等（貼り合わせ熱処理を含む）によりバルク部にＢＭＤ層が形成される。また、活性層用ウェーハの表層部には、無欠陥層が形成される。
次いで、活性層用ウェーハの酸化膜（絶縁膜）が形成されている面を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する。
そして、この貼り合わせウェーハをウェーハボート上において、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ熱処理を行う。このとき、活性層用ウェーハの外周部の一部分（ボート接触部）に、この貼り合わせウェーハの重量が集中する。そのためウェーハの内部応力が臨界せん断応力を超えてしまい、活性層用ウェーハの当該部分にスリップが発生する。
しかしながら、活性層用ウェーハに存在するＢＭＤ層により、スリップの発生または成長は抑制される。この後、活性層用ウェーハに発生したスリップは、活性層用ウェーハの一部とともに研削および研磨（薄膜化）により除去される。同時に、スリップが抑制されたＢＭＤ層も、この研削・研磨により除去される。これにより、スリップを含まない無欠陥のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを得ることができる。

以下、この発明の実施例を、図１および図２を参照して説明する。
まず、ＳＯＩウェーハ１０の製造方法について図１を参照して説明する。最初に、図１のＳ１０１工程に示すように、ＣＺ法により育成され、ボロンがドーパントとされた単一のシリコンインゴットからスライスした厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、比抵抗２０Ω・ｃｍのシリコンウェーハを２枚準備する。この後、これらのシリコンウェーハを公知の手法にて片面鏡面研磨する。そして、これらのシリコンウェーハのうち、一方を活性層用ウェーハ１１とし、他方を支持用ウェーハ２１とする。

次に、図１のＳ１０２工程に示すように、活性層用ウェーハ１１を公知の急速加熱炉に装入する。そして、この加熱炉において、窒素ガス雰囲気で、活性層用ウェーハ１１について、急速加熱・急速降温（ＲＴＡ；ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）処理を施す。ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気において、昇温速度５０℃／ｓｅｃで室温から１２００℃まで昇温し、次いで、１２００℃の温度に１０秒間保持し、この後、降温速度７０℃／ｓｅｃで１２００℃から室温まで降温して行う。
これにより、活性層用ウェーハ１１に表裏面から空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）が注入され、表裏面の表層部に高濃度の空孔（１Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を含む空孔層１３が形成される。
上記、ＲＴＡ処理の雰囲気が窒素ガス雰囲気であるため、シリコンウェーハ表面に窒化膜が形成される。そして、この窒化膜が空孔注入を促進させる。

次いで、図１のＳ１０３工程に示すように、活性層用ウェーハ１１となるシリコンウェーハの表裏面に酸化膜１２を形成する。また、支持用ウェーハ２１の表裏面にも同様に酸化膜１２を形成することができる。酸化膜１２の形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを装入し、これを４時間、温度１０００℃にそれぞれ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１２の厚さはそれぞれ１５００Åである。
このとき、上記活性層用ウェーハ１１のバルク部において、多くの格子間シリコンおよび酸素析出物が生じる。そして、活性層用ウェーハ１１の表層部には、格子間シリコン原子が拡散され、空孔を消滅させることにより、厚さが１５μｍの無欠陥層１５（ＤＺ：ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）が形成される。また、この無欠陥層よりバルク側においては、高濃度の酸素析出物を含むＢＭＤ層１４（ＢＭＤ：ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）が形成される。さらに、活性層用ウェーハ１１のバルク部の中間位置には、ＢＭＤ密度の低い層が形成される。
この結果、ＢＭＤ密度が厚さ方向についてＭ型の分布を示す活性層用ウェーハ１１が得られる。

次に、図１のＳ１０４工程に示すように、活性層用ウェーハ１１を、酸化膜１２が形成された面（鏡面）を貼り合わせ面として支持用ウェーハ２１の鏡面に貼り合わせる。貼り合わせは室温で所定の治具を用いて行う。この結果、図１のＳ１０５工程に示すように、貼り合わせ界面に絶縁膜（ＢＯＸ層：埋め込み酸化膜）を介在する貼り合わせウェーハ２０が形成される。

この後、貼り合わせウェーハ２０をその活性層用ウェーハ側の外周部がウェーハボート３０に接触して支持されるようにウェーハボートに載置する。ウェーハボート３０は、ＳｉＣ製で、貼り合わせウェーハ２０（活性層用ウェーハ側）の外周の複数点を当接してこれを支持し、これを水平に保持するものである。
そして、貼り合わせウェーハ２０について、そ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このウェーハボート３０上で行う。熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間とする。例えば１０００℃までは５℃／分と比較的ゆっくり昇温させ、析出物の成長を図る。
すると、ウェーハボート３０と活性層用ウェーハ側との接触部においてスリップ１６が発生することがある。しかしながら、活性層用ウェーハ側には、上述のように高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ層１４が形成されている。これにより、スリップ１６は、ＢＭＤ層１４により発生、成長が抑制される。

次に、図１のＳ１０６工程に示すように、研削装置を用いて貼り合わせウェーハ２０の活性層用ウェーハ１１部分を、その裏面（貼り合わせ面とは反対側の面）からその一部を研削して除去する。
このとき、上記貼り合わせウェーハ２０の活性層用ウェーハ側外周部の一部に形成されたスリップ１６も研削により除去される。この結果、スリップを含まない無欠陥のＳＯＩ層を得ることができる。
次に、図１のＳ１０７工程に示すように、この貼り合わせウェーハ２０の表面（研削面）を研磨する。研磨は公知の機械的化学的研磨（研磨布・研磨剤を使用したシリコン面の研磨）である。この結果、ＢＯＸ層１２の表面側に所定厚さのＳＯＩ層１７（シリコン層）が形成される。

このように、このＳＯＩ層１７の薄膜化処理を行い、ＳＯＩウェーハ１０を完成させる。この薄膜化処理は、上記研磨だけでなく、例えば、貼り合わせウェーハ２０について、酸化性雰囲気中で、ウェット酸化処理を施して、ＳＯＩ層１７の表面に所定厚さの酸化膜が形成する。そして、この酸化膜を例えばＨＦエッチングにより除去して、ＳＯＩ層１７を薄膜化することもできる。

次に、酸素析出物と、これによるスリップに対する抵抗応力との関係について報告する。
図２は、酸素析出物密度（／ｃｍ^３）と抵抗応力（Ｐａ）との関係を示すグラフである。酸素析出物密度が増大すると、活性層用ウェーハ１１側に発生するスリップ１６を抑制する抵抗応力を大きくすることができる。この関係を直線式で表すと以下の式で表される。
τ_０＝０．６・（ｆ）^１／２・Ｇ・ｂ／ｒ
ここで、τ_０は抵抗応力、ｆは酸素析出物の体積率、Ｇは剛性率、ｂはバーガーズベクトルの大きさ、ｒは酸素析出物の半径である。なお、抵抗応力はビッカース圧痕導入試験により測定した。
このように酸素析出物の密度を高めることによりスリップ発生・成長を抑制することができる。

この発明の実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法のフローを示す工程図である。この発明の実施例に係るＳＯＩウェーハの酸素析出物密度と抵抗応力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ＳＯＩウェーハ、
１１活性層用ウェーハ、
１２酸化膜（絶縁膜）、
１３空孔リッチ層、
１４ＢＭＤ層、
１５ＤＺ層、
１６スリップ、
１７ＳＯＩ層、
２０貼り合わせウェーハ、
２１支持用ウェーハ。

Claims

鏡面研磨された活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表裏面の表層部に空孔を形成する工程と、
この活性層用ウェーハの表裏面を酸化雰囲気で熱処理して酸化膜を形成するとともに、前記活性層用ウェーハの表層部に無欠陥層、バルク部にＢＭＤ層を形成する工程と、
次いで、支持用ウェーハを前記酸化膜を介して活性層用ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成する工程と、
次に、前記活性層用ウェーハ部分をウェーハボートに接触して支持させて、この貼り合わせウェーハの活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を施す工程と、
次に、この活性層用ウェーハ部分を薄膜化する工程とを含むＳＯＩウェーハの製造方法。
上記ＲＴＡ処理は、活性層用ウェーハを窒素ガス雰囲気において、昇温速度１０〜１００℃／ｓｅｃで室温から設定温度にまで昇温し、次いで、この設定温度に１〜６０秒間保持し、この後、降温速度１０〜１００℃／ｓｅｃでこの設定温度から室温にまで降温し、この設定温度は１１００〜１２５０℃である請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。