JP4830290B2 - 直接接合ウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
を成長させて接合をすればボイドの発生は抑えられるが、埋め込み酸化膜が残ってしまい、自然酸化膜ではボイドの防止には不十分である。以上のことより、ボイドのない直接接合ウェーハを作製することは困難であった。
また、ボイドを減少させるには接合界面のパーティクル等の抑制と接合面の状態の均一性が求められているが、現在のレベルではどちらも製品に用いるには困難である。
イオン注入は打ち込み深さの制御精度が高く、ボンドウェーハ中の所定の深さにイオンを注入してイオン注入層を形成し、貼り合わせ後ボンドウェーハをそのイオン注入層において剥離することが可能である。このようにして、残存するボンドウェーハの厚さを高度に調節して薄膜化することができる。
薄膜化の後の工程であるアニール工程を行うと、欠陥の拡大、ピットの発生等が生じてしまうことがある。しかし、ボンドウェーハの薄膜化において、ボンドウェーハの厚さが150nm以上残存するように薄膜化すれば、150nm未満の場合に比べて、そのアニール工程の際に生じる欠陥の拡大やピット、またボイドの発生をより抑制することができ、高品質の直接接合ウェーハを作製することが可能である。
このように、ボンドウェーハを薄膜化した後、アニール工程前に、作製された貼り合わせウェーハの表面粗さのPV値が20nm以下になるように研磨をすれば、20nmより大きい場合に比べて、アニール工程により生じる欠陥の拡大やピット、またボイドの発生をより抑制することができ、高品質の直接接合ウェーハを作製することが可能である。
アニール工程において、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いれば、前記酸化膜を効率よく揮散させることができるし、アルゴンは一般によく用いられるので好ましい。
このように、アニール時の温度を1100℃以上とすれば、ウェーハ表面付近の酸素は外方拡散して、酸素濃度が低下し、酸化膜は還元され、酸素は酸素濃度が低下した領域のシリコン層へと拡散していく。このようにして酸素の外方拡散及び酸化膜の還元が進み、最終的には酸化膜がなくなり、シリコン層、つまりはボンドウェーハとベースウェーハの直接接合ウェーハを効率よく作製することができる。
このように、ボンドウェーハとベースウェーハの直接接合後、ボンドウェーハの厚さを、用途に見合った所望の厚さまで薄膜化して製品とすることができる。
本発明により、ボイドの発生が抑制された高品質の直接接合ウェーハを手に入れることができる。
このように、ボイドの数が0.02個/cm2以下の直接接合ウェーハであれば、十分に高品質であり、半導体デバイス用として用いることができる。
Siウェーハを直接接合する場合、接合面にボイドの発生が多くなる。しかし、どちらか一方、または両方のウェーハを熱酸化して表面に熱酸化膜厚を形成したウェーハを接合する場合は、直接接合する場合よりもボイドの数を少なく出来るという事実があるが、この方法では酸化膜が結合界面に残ってしまい、直接接合のウェーハを作製することができなかった。
このような、本発明の方法により、ベースウェーハ上にシリコン薄膜層が直接接合されており、ボイドの数が0.02個/cm2以下である直接接合ウェーハを得ることができ、ボイドの数が極めて少なく、十分に高品質であるため、半導体デバイス用として用いることが可能である。
本発明者らは、これらのことを見出し、本発明を完成させた。
まず、ボンドウェーハとベースウェーハとなる2枚のウェーハを用意する。シリコン層を有する直接接合ウェーハを作製するため、ベースウェーハとしてシリコンウェーハを用いる。また、ボンドウェーハとしては、ベースウェーハと同様のシリコンウェーハとすることができるが、例えば、シリコンウェーハとは異種のウェーハ、またはベースウェーハと方位が違うシリコンウェーハなどを用いてもよい。シリコンウェーハと異種のウェーハとしては、シリコン−ゲルマニウム混晶ウェーハを挙げることができるが、これに限定されない。方位の違うシリコンウェーハとしては、例えばボンドウェーハを面方位(110)とし、ベースウェーハを(100)とすることで、デバイス作製をする薄膜層の面方位が(110)であるので、高速デバイスとすることが可能であり、ベースウェーハは汎用品である(100)を用いることで低コスト化等に資することができる。
また、このときイオン注入剥離法を用いてボンドウェーハの薄膜化を行ってもよい。この方法では、まず、ボンドウェーハに例えば水素イオンを注入して、イオン注入層を形成する。次に、先に形成した熱酸化膜を介して、イオン注入層が形成されているボンドウェーハとベースウェーハを貼り合わせて熱処理(300℃程度)を行って2枚のウェーハを接合して、その後、例えば500℃程度にて熱処理を行い、接合をより強固にするとともにイオン注入層でボンドウェーハの一部を剥離し、薄膜化する。なお、ボンドウェーハとベースウェーハをより強固に接合するために、薄膜化後に高温(例えば1000℃〜1200℃)にて熱処理を施したり、さらに例えば研磨を行って厚さを調節してもよい。このように、少なくともイオン注入剥離法を含む工程を行うことによりボンドウェーハの薄膜化を行い、貼り合わせウェーハを作製することも可能である。この方法によれば、極めて均一な厚さ分布を有する薄膜を得ることができる。
また、薄膜化した後で、かつアニール工程を行う前において、貼り合わせウェーハの表面粗さのPV値が20nm以下になるように貼り合わせウェーハの表面を研磨することで、20nmよりも大きい場合に比べて、ボイド等の欠陥の発生や拡大をより効果的に抑制することができる。
本発明の直接接合ウェーハはボイド数が0.02個/cm2以下であり、ボイド数が極めて少なく良質であるため、種々の半導体デバイス用に用いることができる。
(実施例1〜6)
ボンドウェーハとして面方位(110)Siウェーハ(直径12インチ(30.48cm))を6枚用意して、それぞれに熱処理(900℃、5分、水蒸気雰囲気)を行い、ボンドウェーハ表面に熱酸化膜を30nm成長させた。次に、ボンドウェーハそれぞれに水素イオンを注入深さが400nmとなるようにイオン注入して、ベースウェーハとして別に用意した(100)Siウェーハ6枚とそれぞれ熱酸化膜を介して重ね合わせ、熱処理(500℃、30分、窒素雰囲気)により貼り合わせると同時に水素イオン注入層にてウェーハを分離した。その後、接合強度を上げるための熱処理(1100℃、1時間、アルゴン雰囲気)を行った。その際にボイドの発生が抑制されていたことを確認した。
これらのウェーハに対して、熱酸化膜が5nm程度残存するように、それぞれ時間を調整してアニール(1200℃、アルゴン雰囲気)を行った。これは、ボンドウェーハとベースウェーハの間に存在する酸化膜層(BOX層)である熱酸化膜を5nm程度残さないと、そのSOI層の膜厚が測定できないためである。
膜厚測定後、同条件でアニールを続け、合計5時間行った。
実施例1、2においては、実施例3〜6のボイド数に比べると増加していて、実施例1が0.4個/cm2、実施例2が0.1個/cm2であった。
なお、SOI層の膜厚が薄い場合(100nm以下)は、アニールの時間が1時間であっても4時間と同等のボイド数であった。
実施例3〜6においては、いずれもボイド数が3個/枚(0.004個/cm2)以下となった。このようにボイド数が極めて少ない直接接合ウェーハであれば、半導体デバイス用として用いることができる。
また、アニール後の膜厚ばらつき(ウェーハ面内を4mm間隔で約4000点膜厚を測定したときのMAX値とMIN値の差)において、実施例1〜2に対して実施例3〜6の膜厚分布はばらつきの少ない結果となった。
しかし、アニール前のSOI層の厚さが150nm以上になるように薄膜化しておけば、ボイド数が極めて少ない、より高品質の直接接合ウェーハを作製することができる。
ボンドウェーハとして面方位(110)Siウェーハ(直径12インチ(30.48cm))を6枚用意して、それぞれに熱処理(900℃、5分、水蒸気雰囲気)を行い、ボンドウェーハ表面に熱酸化膜を30nm成長させた。次に、ボンドウェーハそれぞれに水素イオンを注入深さが400nmとなるようにイオン注入して、ベースウェーハとして別に用意した(100)Siウェーハ6枚とそれぞれ熱酸化膜を介して重ね合わせ、熱処理(500℃、30分、窒素雰囲気)により貼り合わせると同時に水素イオン注入層にてウェーハを分離した。その後、結合強度を上げるための熱処理(1100℃、1時間、アルゴン雰囲気)を行った。その際にボイドの発生が抑制されていたことを確認した。
また、このとき、CMPの条件を調整してSOI層の表面粗さのPV値をそれぞれ2(実施例7)、5(実施例8)、10(実施例9)、20(実施例10)、30(実施例11)、50(実施例12)nmとした。
これらのウェーハに対して、熱酸化膜が5nm程度残存するように、それぞれ時間を調整してアニール(1200℃、アルゴン雰囲気)を行った。
膜厚測定後、同条件でアニールを続け、合計5時間行った。
実施例7〜10においては、いずれもボイド数が3個/枚(0.004個/cm2)以下となった。このようにボイド数が極めて少ない直接接合ウェーハであれば、半導体デバイス用として用いることができる。
実施例11、12では、実施例7〜10のボイド数に比べると増加していて、実施例11が0.06個/cm2、実施例12が0.1個/cm2であった。
また、アニール後の膜厚ばらつきは、実施例11〜12に対して実施例7〜10の膜厚分布はややばらつきの少ない結果となった。
アニール前のSOI層の表面粗さのPV値を20nm以下にしておけば、ボイド数が極めて少ない、より高品質の直接接合ウェーハを作製することができる。
ボンドウェーハとして(110)Siウェーハ(直径12インチ(30.48cm))を用意して、熱処理(900℃、5分、水蒸気雰囲気)を行い、ボンドウェーハ表面に熱酸化膜を30nm成長させた。次に、このボンドウェーハに水素イオンを注入深さが400nmとなるようにイオン注入して、ベースウェーハとして別に用意した(100)Siウェーハと熱酸化膜を介して重ね合わせ、熱処理(500℃、30分、窒素雰囲気)により貼り合わせると同時に水素イオン注入層にてウェーハを分離した。その後、結合強度を上げるための熱処理(1100℃、1時間、アルゴン雰囲気)を行った。その際にボイドの発生が抑制されていたことを確認した。
そしてこのウェーハをCMP研磨により薄くし、アニール工程前のSOI層の厚さとして250nmにした。また、PV値は25nmであった。
このウェーハに対してアニール(1200℃、5時間、アルゴン雰囲気)を行った。
本発明の直接接合ウェーハの製造方法によって製造されたこの直接接合ウェーハのボイド数は、図5の250nm(BOX 30nm)のグラフに示されているように、8個/枚(0.01個/cm2)という極めて少ない値であり、高品質の直接接合ウェーハを得ることができた。このため、半導体デバイス用として十分に利用できる。
ボンドウェーハとして(110)Siウェーハ(直径12インチ(30.48cm))を3枚用意した。これらのボンドウェーハにそれぞれ水素イオンを注入深さが400nmとなるようにイオン注入して、ベースウェーハとして別に用意した(100)Siウェーハと貼り合わせて熱処理(350℃、2時間、窒素雰囲気)により接合し、その後、熱処理(500℃、30分、窒素雰囲気)により水素イオン注入層にてウェーハを分離した。
そしてこれらのウェーハのボンドウェーハ側をCMP研磨により薄くし、ボンドウェーハ側のシリコン層の厚さとして70(比較例1)、100(比較例2)、250(比較例3)nmにして、直接接合ウェーハとして、ボイド数を測定した。
比較例1〜3の直接接合ウェーハでは、図5のグラフに示されているように、ボイド数がそれぞれ、940個/枚(1.3個/cm2)、420個/枚(0.58個/cm2)、190個/枚(0.26個/cm2)となり、ボイドが多発していた。
また、実施例1〜6より、薄膜化において、ボンドウェーハの膜厚が150nm以上残存するように薄膜化すれば、150nm未満の場合に比べて、ボイド数が極めて少ない、より高品質の直接接合ウェーハを得ることができることが判る。
さらに、実施例7〜12より、薄膜化の後、アニール工程の前に、貼り合わせウェーハの表面粗さのPV値が20nm以下になるように研磨しておけば、20nmより大きい場合に比べて、ボイド数が極めて少ない、より高品質の直接接合ウェーハを得ることができることが判る。
Claims (8)
- 直接接合ウェーハの製造方法であって、ボンドウェーハとベースウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの表面に30nm以上の厚さの熱酸化膜またはCVD酸化膜を形成し、該酸化膜を介して他方のウェーハと接合させた後、ボンドウェーハを薄膜化し、貼り合わせウェーハを作製して、その後、該貼り合わせウェーハに対して、不活性ガス、水素、またはこれらの混合ガスのいずれかを含む雰囲気下においてアニール工程を行うことにより、前記ボンドウェーハとベースウェーハの間にある酸化膜を除去してボンドウェーハとベースウェーハを直接接合することを特徴とする直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記ベースウェーハとしてシリコンウェーハを用い、前記ボンドウェーハとしては、シリコンウェーハとは異種のウェーハを用いるか、またはベースウェーハと方位が違うシリコンウェーハを用いることを特徴とする請求項1に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記ボンドウェーハの薄膜化を、少なくともイオン注入剥離法を含む工程により行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記薄膜化において、ボンドウェーハの厚さが150nm以上残存するように薄膜化することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記薄膜化の後、アニール工程の前に前記貼り合わせウェーハの表面粗さのPV値が20nm以下になるように研磨することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記不活性ガスとして、アルゴンガスを使用することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記アニール工程において、アニール時の温度を1100℃以上とすることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
- 前記直接接合後、前記ボンドウェーハの厚さを所望厚さまでさらに薄膜化することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の直接接合ウェーハの製造方法。
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