JP4730645B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

この発明はＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくは貼り合わせ法によりＳＯＩウェーハを製造するＳＯＩウェーハの製造方法に関する。

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には、酸化膜を形成し二枚のシリコンウェーハを結合させたのち研削、研磨してＳＯＩ層が形成される貼り合わせ法がある。
また、この貼り合わせ法には、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、イオン注入層を境界として剥離するスマートカット法が含まれている。

図３に示すように、表面に酸化膜を有する活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハの表面には、パーティクルまたは有機物１６が存在する場合がある。貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハ１１の製造方法にあっては、貼り合わせの界面（酸化膜１２ａ，１２ｂの界面）に有機物１６が存在すると、貼り合わせ後の活性層の薄膜化加工時にボイド１７と呼ばれる活性層が欠落した領域が発生してしまう。
また、スマートカット法によるＳＯＩウェーハ１１の製造方法にあっては、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせる際、酸化膜１２ａ、１２ｂの界面に有機物１６が存在した状態で、貼り合わせウェーハ１０をイオン注入層を境界として剥離する熱処理を行なうと、図４に示すような、剥離後のＳＯＩ層１５の表面にブリスタ（Ｂｌｉｓｔｅｒ）１８とよばれる欠陥が発生してしまう。
さらに、活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハの表面に酸化膜を有すると、活性層用ウェーハのみ酸化膜を有する場合と比べて、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結合強度が弱くなってしまう。

この発明は、ＳＯＩウェーハの製造方法において、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成したときのボイドおよびブリスタなどの不良を低減したＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハの貼り合わせ界面に絶縁膜を有する場合であっても、貼り合わせ強度を高めたＳＯＩウェーハを製造する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、活性層用シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、この活性層用シリコンウェーハの表面から、そのイオン注入深さが５００Å以下となるように、水素イオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１種類のイオンをイオン注入することにより、このシリコン酸化膜内に、イオン注入層を形成する工程と、このイオン注入層が形成された上記シリコン酸化膜の表面を貼り合わせ面としてこの活性層用シリコンウェーハを支持用シリコンウェーハに貼り合わせることにより貼り合わせウェーハを形成する工程と、この貼り合わせウェーハの活性層用シリコンウェーハ部分の表面を研削し、研摩することによりこの活性層用シリコンウェーハ部分を薄くする工程と、を備えたＳＯＩウェーハの製造方法である。

活性層用シリコンウェーハの表面に元素イオンが注入される。元素イオンの注入加速電圧およびドーズ量は、形成されるイオン注入層の深さが活性層用シリコンウェーハの表面から５００Å以下となるように設定される。元素イオンは、酸素イオン、水素イオンまたはアルゴンイオンである。これらの元素イオンは、熱処理しても不活性となる。
イオン注入する装置は、スマートカット法によるＳＯＩウェーハ製造時の水素または希ガス元素を注入するものをそのまま使用する。

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、活性層用シリコンウェーハおよび支持用シリコンウェーハを準備する。活性層用シリコンウェーハの表面に、所定厚さのシリコン酸化膜を形成する。そして、活性層用シリコンウェーハの表面から元素イオンをイオン注入装置を使用して注入する。これにより、活性層用シリコンウェーハにアモルファス層が形成される。あるいは、活性層用シリコンウェーハの表面にダメージを与えることになる。したがって、低エネルギのイオン注入によりクリーニング効果が生じ、この結果、活性層用シリコンウェーハ表面に存在する有機物・パーティクルなどが除去される。
そして、活性層用シリコンウェーハをシリコン酸化膜を介して支持用シリコンウェーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に有機物・パーティクルが存在しない貼り合わせウェーハが作製される。

このＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、酸素イオン、水素イオンまたはアルゴンイオンの少なくとも１種類のイオンが、活性層用シリコンウェーハの貼り合わせ面にイオン注入される。これらの元素は、不活発で他の元素と反応・化合する傾向を持たない、すなわち不活性である。
そして、活性層用シリコンウェーハの表面にダメージ層を形成するため、イオン注入の深さ位置が５００Å以下となるようにイオン注入エネルギーを設定する。すなわち、注入する加速電圧は、酸素イオンにおいては２０ｋｅＶ以下、水素イオンにおいては５ｋｅＶ以下、アルゴンイオンにおいては４５ｋｅＶ以下とする。
また、活性層用シリコンウェーハの表裏面にはシリコン酸化膜が形成されている。そして、活性層用シリコンウェーハのシリコン酸化膜内にイオン注入層が形成されるように元素イオンが注入される。これにより、活性層用シリコンウェーハに形成されたシリコン酸化膜の表面に、アモルファス層が形成され、またはダメージが与えられることになる。この後、活性層用シリコンウェーハおよび支持用シリコンウェーハを貼り合わせると、アモルファス層同士の貼り合わせとなり、酸化膜同士の貼り合わせに比べて、貼り合わせの強度が増す。

また、この貼り合わせウェーハにあっては、上記活性層用シリコンウェーハの貼り合わせ面とは反対側の面を研削および研磨して薄膜化処理する。

このＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、上記貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面にイオン注入して有機物・パーティクルなどを除去した後、貼り合わせウェーハを形成する。そして、活性層用シリコンウェーハの裏面側を研削し、さらに研磨することにより、ＳＯＩウェーハを完成させる。この結果、貼り合わせの界面にボイドが存在しないＳＯＩウェーハを得ることができる。

請求項２に記載の発明は、活性層用シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、このシリコン酸化膜を介してこの活性層用シリコンウェーハの表面から水素または希ガスをイオン注入することにより、この活性層用シリコンウェーハ内の所定深さ範囲に内部イオン注入層を形成する工程と、次に、この活性層用シリコンウェーハの表面から、そのイオン注入深さが５００Å以下となるように、水素イオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１種類のイオンをイオン注入することにより、上記シリコン酸化膜内に、表面イオン注入層を形成する工程と、この表面イオン注入層が形成された上記シリコン酸化膜の表面を貼り合わせ面としてこの活性層用シリコンウェーハを支持用シリコンウェーハに貼り合わせることにより、貼り合わせウェーハを形成する工程と、この貼り合わせウェーハを熱処理することにより、上記内部イオン注入層を境界として上記活性層用シリコンウェーハの一部をこの貼り合わせウェーハから剥離し、ＳＯＩウェーハを形成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２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、活性層用シリコンウェーハにスマートカット用の水素イオンを注入した後、上記と同様の手順で（すなわち、この活性層用シリコンウェーハの表面から、そのイオン注入深さが５００Å以下となるように、例えば水素イオンをイオン注入し、上記シリコン酸化膜内に、表面イオン注入層を形成する）作製した貼り合わせウェーハに剥離熱処理を施す。この結果、活性層用シリコンウェーハにイオン注入して形成された内部イオン注入層を境界として貼り合わせウェーハのうちの活性層用シリコンウェーハの一部が剥離し、ＳＯＩウェーハが製造される。すなわち、剥離後のＳＯＩウェーハにあっては、ＳＯＩ層の表面にブリスタ（Ｂｌｉｓｔｅｒ）が発生することはない。

この発明によれば、活性層用シリコンウェーハのシリコン酸化膜の表面から元素イオンを注入する。これにより、活性層用シリコンウェーハのシリコン酸化膜の表面に存在するパーティクルおよび有機物が除去される。また、活性層用シリコンウェーハの表面からイオン注入することにより、活性層用シリコンウェーハの表面に形成されたシリコン酸化膜にダメージが与えられ、またはアモルファス層が形成される。そして、活性層用シリコンウェーハをシリコン酸化膜を介して支持用シリコン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。
この結果、貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、ボイドの存在しないＳＯＩウェーハを得ることができる。また、スマートカット法によるＳＯＩウェーハの製造方法にあっては、剥離後のＳＯＩ層の表面にブリスタが発生しない。
さらに、活性層用シリコンウェーハおよび支持用シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜が形成された場合であっても、その貼り合わせの界面にイオン注入することにより貼り合わせ強度が増す。

以下、この発明の実施例を、図１を参照して説明する。
まず、貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハ１１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（ａ）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２１とし、他方を支持用ウェーハ２２とする。
次いで、図１（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２１となるシリコンウェーハの表面に酸化膜（ＢＯＸ層：埋め込み酸化膜）１２ａを形成する。また、支持用ウェーハ２２の表面にも同様に酸化膜１２ｂを形成する。酸化膜１２ａ、１２ｂ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１２ａ、１２ｂの厚さはそれぞれ１０００Åである。
この後、図１（ｃ）に示すように、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２を、図示しない公知のイオン注入装置の真空チャンバ中にそれぞれセットする。そして、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面から加速電圧＝４５ｋｅＶ、ドーズ量＝１．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件でアルゴンイオンを注入する。この結果、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面から５００Åまでの深さ範囲にアルゴンのイオン注入層１３ａ、１３ｂがそれぞれ形成される。これにより、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面に存在するパーティクルおよび有機物が除去される。また、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面にイオン注入することにより、これらの表面にアモルファス層が形成される。または、表面にダメージが与えられる。
次に、図１（ｄ）に示すように、活性層用ウェーハ２１を、アルゴンイオンが注入されたイオン注入層１３ａを貼り合わせ面として、支持用ウェーハ２２のイオン注入層１３ｂの表面に貼り合わせる。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（ｅ）に示すように、貼り合わせ界面にイオン注入層１３ａ、１３ｂを介在する貼り合わせウェーハ１０が形成される。
この後、貼り合わせウェーハ１０について、その活性層用ウェーハ２１と、支持用ウェーハ２２とを強固に結合するための貼り合わせ熱処理を行う。熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間とする。
次に、図１（ｆ）に示すように、研削装置を用いて貼り合わせウェーハ１０の活性層用ウェーハ２１部分をその表面（貼り合わせ面とは反対側の面）から所定の厚さだけ研削する。
次に、この貼り合わせウェーハの表面（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（１２ａ、１２ｂ）の表面側に所定厚さのＳＯＩ層（シリコン層）１５が形成される。
この後、図１（ｇ）に示すように、このＳＯＩ層１５の薄膜化処理を行い、ＳＯＩウェーハ１１を完成させる。薄膜化処理は、例えば、貼り合わせウェーハ１０について、酸化性雰囲気中で、ウェット酸化処理を施す。すると、ＳＯＩ層１５の表面に所定厚さの酸化膜が形成される。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１５が薄膜化される。

以上の工程を経て製造されたＳＯＩウェーハ１１について、その貼り合わせ界面でのボイド数と、その貼り合わせ強度を確認する実験を行った。なお、比較例として、図１（ａ）〜図１（ｇ）の工程のうち、図１（ｃ）のイオン注入工程を行わずに製造したＳＯＩウェーハ１１を準備した。ボイドは、超音波顕微鏡を使用して評価した。また、貼り合わせ強度はＳＯＩウェーハ１１の表裏面にジグを貼り付け、その後、これらのジグを貼り合わせウェーハを剥がす方向に引っ張り、貼り合わせ界面が破壊されたときの引っ張り力を測定した。結果は、比較例サンプルでのボイドの数を１とした場合、本願発明のＳＯＩウェーハ１１のボイド数は０．２まで低減した。また、ＳＯＩウェーハ１１の活性層用ウェーハ２１と支持用ウェーハ２２との貼り合わせ強度は、比較例サンプルに対して１．５倍まで増大した。

次に、スマートカット法によるＳＯＩウェーハ１１の製造方法について、図２を参照して説明する。
最初に、図２（ａ）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シリコンインゴットからスライスした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２１とし、他方を支持用ウェーハ２２とする。
この後、図１（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２１となるシリコンウェーハの表面に酸化膜（ＢＯＸ層）１２ａを形成する。酸化膜１２ａの形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを挿入し、これを４時間、温度１０００℃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１２ａの厚さは１５００Åである。
次に、酸化膜１２ａが形成された活性層用ウェーハ２１を、イオン注入装置の真空チャンバの中にそれぞれセットする。そして、図２（ｃ）に示すように、活性層用ウェーハ２１の表面より酸化膜１２ａ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２１の表面から所定深さの位置まで（４７００Åまでの深さ位置）注入される。この結果、活性層用ウェーハ２１の所定深さ範囲（表面から４７００Åまでの深さ範囲）に水素イオン注入層１４が形成される。
次いで、図２（ｄ）に示すように、上記イオン注入装置にセットした状態で、まず、活性層用ウェーハ２１の表面からアルゴンイオンを注入する。その後、支持用ウェーハ２２をイオン注入装置にセットし、アルゴンイオンを注入する。イオン注入の条件は、上記実施例１と同じである。この結果、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面から５００Åまでの深さ位置に、アルゴンのイオン注入層１３ａ、１３ｂがそれぞれ形成される。これにより、活性層用ウェーハ２１および支持用ウェーハ２２の表面に存在するパーティクルおよび有機物が除去される。
次に、図２（ｅ）に示すように、活性層用ウェーハ２１とアルゴンのイオン注入層１３ａの表面を貼り合わせ面として、支持用ウェーハ２２のイオン注入層１３ｂの表面に貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面にアルゴンのイオン注入層１３ａ、１３ｂを介在する貼り合わせウェーハ１０が形成される。
図２（ｆ）に示すように、貼り合わせウェーハ１０を熱処理室において剥離熱処理を施す。このとき、熱処理室内は、温度が略５００℃で窒素ガス雰囲気に３０分保持されている。
すると、貼り合わせウェーハ１０は、水素イオン注入層１４において水素ガスのバブルが形成され、このバブルが形成された水素イオン注入層１４を境界として、貼り合わせウェーハ１０の一部（活性層用ウェーハ２１の一部）が剥離する。これにより、図２（ｇ）に示すように、ＳＯＩウェーハ１１が形成される。
この後、ＳＯＩウェーハ１１の活性層用ウェーハ２１と、支持用ウェーハ２２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、窒素ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間の条件で行う。
この後は、ＳＯＩ層１５の薄膜化処理をして、ＳＯＩウェーハ１１を完成させる。

次に、スマートカット法によるＳＯＩウェーハ１１の製造方法において、上記実施例１と同様にブリスタの数および貼り合わせ強度を確認する実験を行った。比較例として、図２（ａ）〜図２（ｇ）の工程のうち、図２（ｄ）のアルゴンイオン注入工程を行わずに製造したＳＯＩウェーハ１１を準備した。評価方法は、ブリスタについては、その個数を目視によりカウントし、貼り合わせ強度に関しては、上記実施例と同じである。結果は、比較例サンプルに対して、本願発明で確認されたブリスタの数は０．４まで低減した。また、本願発明に係るＳＯＩウェーハの製造方法での貼り合わせ強度は、比較例のサンプルに対して２倍の貼り合わせ強度を示した。

この発明の実施例１に係る貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法を示すフロー図である。 この発明の実施例２に係るスマートカット法によるＳＯＩウェーハの製造方法を示すフロー図である。 従来法に係る貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法において発生するボイド欠陥を示す断面図である。 従来法に係る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発生するブリスタ欠陥を示す断面図である。

１０ 貼り合わせウェーハ、
１１ ＳＯＩウェーハ、
１２ａ、１２ｂ 酸化膜（ＢＯＸ層）、
１３ａ、１３ｂ アルゴンイオン注入層、
１４ 水素イオン注入層、
１５ ＳＯＩ層、
２１ 活性層用ウェーハ、
２２ 支持用ウェーハ。

Claims (2)

1. 活性層用シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
   この活性層用シリコンウェーハの表面から、そのイオン注入深さが５００Å以下となるように、水素イオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１種類のイオンをイオン注入することにより、このシリコン酸化膜内に、イオン注入層を形成する工程と、
   このイオン注入層が形成された上記シリコン酸化膜の表面を貼り合わせ面としてこの活性層用シリコンウェーハを支持用シリコンウェーハに貼り合わせることにより貼り合わせウェーハを形成する工程と、
   この貼り合わせウェーハの活性層用シリコンウェーハ部分の表面を研削し、研摩することによりこの活性層用シリコンウェーハ部分を薄くする工程と、を備えたＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 活性層用シリコンウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
   このシリコン酸化膜を介してこの活性層用シリコンウェーハの表面から水素または希ガスをイオン注入することにより、この活性層用シリコンウェーハ内の所定深さ範囲に内部イオン注入層を形成する工程と、
   次に、この活性層用シリコンウェーハの表面から、そのイオン注入深さが５００Å以下となるように、水素イオン、酸素イオンまたはアルゴンイオンのうちの少なくとも１種類のイオンをイオン注入することにより、上記シリコン酸化膜内に、表面イオン注入層を形成する工程と、
   この表面イオン注入層が形成された上記シリコン酸化膜の表面を貼り合わせ面としてこの活性層用シリコンウェーハを支持用シリコンウェーハに貼り合わせることにより、貼り合わせウェーハを形成する工程と、
   この貼り合わせウェーハを熱処理することにより、上記内部イオン注入層を境界として上記活性層用シリコンウェーハの一部をこの貼り合わせウェーハから剥離し、ＳＯＩウェーハを形成する工程とを備えたＳＯＩウェーハの製造方法。

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