JP5064695B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、透明絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法に関する。
従来の貼り合わせによるＳＯＩ基板の製造方法としては、SmartCut法やSiGen法などが知られている。
SmartCut法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とシリコン基板や他の材料の基板とを貼り合わせ、４００℃以上（例えば５００℃）の熱処理を施して、注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄膜を熱剥離させてＳＯＩ基板を得る方法である（例えば、特許文献１や非特許文献１）。
また、SiGen法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とシリコン基板あるいは他の材料の基板とを貼り合わせる前に、これらの基板の貼り合せ面の双方もしくは一方の表面をプラズマ処理し、表面が活性化された状態で両基板を貼り合わせ、低温（例えば、１００〜３００℃）で熱処理を施して接合強度を高めた後に、常温で機械的に剥離してＳＯＩ基板を得る方法である（例えば、特許文献２〜４）。
特許第３０４８２０１号公報
米国特許第６２６３９４１号明細書
米国特許第６５１３５６４号明細書
米国特許第６５８２９９９号明細書
A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106).
G. Lucovsky, "Chemical effects on the frequencies of Si-H vibrations in amorphous solids" Solid Stat.Commun., 29, 571 (1979).
これら２つの方法の相違点は、主としてシリコン薄膜の剥離プロセスにあり、SmartCut法はシリコン薄膜の剥離のために高温での処理を必要とするが、SiGen法は常温での剥離が可能である。
一般に、貼り合せＳＯＩ基板の製造には、シリコン基板とシリコン以外の他種材料基板との貼り合わせが行われるが、このような異種材料同士は熱膨張率や固有耐熱温度などにおいて相違するのが通常であるから、製造工程中で貼り合わせ基板に施される熱処理の温度が高くなると、両基板間の熱的諸特性の相違に起因して、割れや局所的なクラックなどが生じ易くなる。このような観点からは、シリコン薄膜の剥離に高温を要するSmartCut法は、異種材料基板の貼り合わせによるＳＯＩ基板の製造方法として好ましいものとはいえない。
一方、低温剥離が可能なSiGen法は、上述したような熱的諸特性の相違に起因した割れや局所的クラックは生じ難いものの、機械的にシリコン薄膜の剥離を実行するこの手法では、剥離工程中に基板の接着面が剥がれたり剥離痕が生じたり或いはシリコン薄膜に機械的なダメージが導入され易いという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を製造する工程において、基板間の熱的諸特性の相違に起因する割れや局所的クラック等および機械的ダメージのＳＯＩ層への導入を回避し、もって膜厚均一性、結晶性、電気的諸特性（キャリア移動度など）に優れたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を提供することにある。
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＳＯＩ基板の製造方法であって、単結晶シリコン基板である第１の基板の表面側に水素イオン注入層を形成する第１のステップと、第２の基板の表面及び前記第１の基板の表面の少なくとも一方に表面活性化処理を施す第２のステップと、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを貼り合わせる第３のステップと、前記貼り合わせた基板にＳｉ−Ｈ結合の吸収帯を含む波数範囲の光を照射して前記第１の基板からシリコン層を剥離して前記第２の基板の表面上にＳＯＩ層を形成する第４のステップとを備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第４のステップの光照射は、Ｓｉ−Ｈ結合の吸収帯２２００〜２３００ｃｍ-1もしくは該吸収帯の整数倍の波数を含む波数範囲の光を照射して実行されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第２の基板は、石英基板、サファイア（アルミナ）基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板の何れかの透明絶縁性基板であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第１のステップの水素イオンの注入量（ドーズ量）は、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第２のステップの表面活性化処理は、プラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方で実行されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第３のステップは、前記貼り合わせ後に、前記第１の基板と前記第２の基板を貼り合わせた状態で１００〜３００℃で熱処理するサブステップを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、シリコン結晶にとって「透明」な波長範囲の光を照射してシリコン薄膜を剥離することとしたので、基板間の熱的諸特性の相違に起因する割れや局所的クラック等および機械的ダメージのシリコン基板の表面領域から剥離されるシリコン薄膜への導入が回避される。その結果、膜厚均一性、結晶性、電気的諸特性（キャリア移動度など）に優れたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を提供することが可能となる。
以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、以下の説明では、第１の基板である単結晶シリコン基板との貼り合せに用いられる第２の基板を可視光の光に対して透明な絶縁性基板として説明するが、この第２の基板はシリコン基板のような不透明で非絶縁性の基板であってもよい。その場合には、第１および第２の基板の少なくとも一方の表面に酸化膜のような絶縁性の膜を形成しておき、この絶縁性膜をＳＯＩ基板の絶縁層として利用することとなる。
図１は、本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図で、図１（Ａ）に図示された第１の基板１０は単結晶Ｓｉ基板、第２の基板２０は石英基板、サファイア（アルミナ）基板、ホウ珪酸ガラス基板、結晶化ガラス基板などの透明絶縁性基板である。
ここで、単結晶Ｓｉ基板１０は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキ法）により育成された一般に市販されているＳｉ基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。
なお、これらの基板の直径は同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、透明絶縁性基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。
先ず、第１の基板（単結晶Ｓｉ基）１０の表面に水素イオンを注入し、水素イオン注入層を形成する（図１（Ｂ））。このイオン注入面が後の「接合面（貼り合せ面）」となる。この水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に均一なイオン注入層１１が形成され、単結晶Ｓｉ基板１０の表面領域での平均イオン注入深さＬに対応する領域には、当該領域に局在する「微小気泡層」が形成される（図１（Ｃ））。
イオン注入層１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）はイオン注入時の加速電圧により制御され、どの程度の厚さのＳＯＩ層を剥離させるかに依存して決定される。例えば、平均イオン注入深さＬを０．５μｍ以下とし、イオン注入条件を、ドーズ量１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、加速電圧５０〜１００ｋｅＶなどとする。
なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。
このようにしてイオン注入層１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０のそれぞれの接合面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図１（Ｄ））。なお、このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものであり、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の双方の接合面に処理を施す必要は必ずしもなく、何れか一方の接合面にのみ施すこととしてもよい。
この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、単結晶Ｓｉ基板の表面処理用として、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、また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などがあり、単結晶Ｓｉ基板の表面状態や目的などにより適宜変更され得る。
また、当該表面処理が単結晶Ｓｉ表面を酸化させることをも目的とするような場合には、少なくとも酸素ガスを含有するものをプラズマ用ガスとして用いる。なお、透明絶縁性基板として、石英基板などのようにその表面が酸化状態にあるものを用いる場合には、このようなプラズマ用ガス種の選定に特別な制限はない。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。
表面処理をオゾン処理で実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板の表面に所定の時間の処理が施される。
このような表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の表面を接合面として密着させて貼り合わせる（図１（Ｅ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができるが、より高い貼り合せ強度をもたせる場合には、図１（Ｅ）の「貼り合せ」に続いて、比較的低温で加熱して「接合処理」を施すサブステップを設けてもよい。
このときの接合処理温度は、貼り合せに用いられる基板の種類に応じて適宜選択されるが、単結晶Ｓｉ基板と貼り合わされる基板が、石英基板、サファイア（アルミナ）基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板などの透明絶縁性基板である場合には、３５０℃以下の温度、より好ましくは１００〜３００℃の温度範囲とする。
単結晶Ｓｉ基板と貼り合わされる基板が透明絶縁性基板（例えば石英基板）である場合に３５０℃以下の温度選択とするのは、単結晶Ｓｉと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶Ｓｉ基板１０ならびに透明絶縁性基板２０の厚みを考慮したものである。単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の厚みが概ね同程度である場合、単結晶Ｓｉの熱膨張係数（２．３３×１０-6）と石英の熱膨張係数（０．６×１０-6）の間に大きな差異があるために、３５０℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合には単結晶Ｓｉ基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このため、熱処理温度の上限を３５０℃と選択し、好ましくは１００〜３００℃の温度範囲で熱処理を施す。
このような貼り合せ処理に続いて、貼り合わされた基板に赤外域の光線を照射する（図１（Ｆ））。上述したように、水素のイオン注入により、平均イオン注入深さＬに対応する領域に局在する「微小気泡層」が形成されるが、この「微小気泡層」には高密度の「Ｓｉ−Ｈ結合」が発生している。
ＳｉとＨの結合状態（これを「Ｓｉ−Ｈ」として表記する）としては、ＳｉＨ、ＳｉＨ2、ＳｉＨ3などが知られており、これらの結合に起因する吸収帯はそれぞれ、２２８０、２２２０、および２２００ｃｍ-1であることが知られている（非特許文献２）。一方、Ｓｉ結晶は２２００〜２３００ｃｍ-1の波数の光に対して事実上「透明」であるから、当該波数範囲の光を照射しても、この光を吸収して結晶中で熱に変わり温度上昇することはない。
したがって、２２００〜２３００ｃｍ-1の「Ｓｉ−Ｈ結合」吸収帯の波数範囲の光を貼り合わされた基板に照射すれば、基板温度を高めることなく、当該範囲の光を「Ｓｉ−Ｈ結合」に吸収させてこの結合を切断することが可能である。なお、「Ｓｉ−Ｈ結合」の光吸収には２２００〜２３００ｃｍ-1の波数の光を吸収する「一音子吸収」のほかに、これらの吸収帯の整数倍の波数の光の「高調波」の吸収も生じるから、２２００〜２３００ｃｍ-1の吸収帯の整数倍（たとえば、２次：４４００〜４６００ｃｍ-1、３次：６６００〜６９００ｃｍ-1、４次：８８００〜９２００ｃｍ-1など）の波数を含む波数範囲の光を照射してもよい。なお、一般に赤外線とは１４，０００〜２０ｃｍ-1の波数範囲（０．７〜５００μｍの波長範囲）の光を意味するとされるから、上記の波数範囲は何れも赤外域にある。
このような光照射を施すと、イオン注入層１１中でのＳｉ−Ｈ結合により照射光が吸収されて当該化学結合の切断が生じ、結果として、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜の剥離が生じ（図１（Ｇ））、第２の基板２０上にＳＯＩ層が得られる（図１（Ｈ））。
図２（Ａ）は、シリコン薄膜剥離のための光照射部の様子を説明するための概念図である。この図において、符号３０が光照射部であり、赤外線ランプ３１とランプハウス（ランプシェード）３２とを備え、ランプボックス３２の内側面は赤外線の反射効率を高めるために金コートが施されている。
本実施例では、赤外線ランプ３１として炭化珪素ランプ（放射波長１．０〜５０μｍであり波数範囲１０，０００〜２００ｃｍ-1に相当）を用いているが、その他にも、タングステンランプ（放射波長１．０〜２．５μｍであり波数範囲１０，０００〜４０００ｃｍ-1に相当）、セシウムキセノンランプ（放射波長０．８〜２．５μｍであり波数範囲１２，５００〜４０００ｃｍ-1に相当）、カーボンアークランプ（放射波長２．０〜２５μｍであり波数範囲５，０００〜４００ｃｍ-1に相当）などを用いてもよい。
単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の貼り合わせ基板をサセプタ３３の上に載置して赤外線ランプ３１の下に置き、所定の時間の光照射を施してイオン注入層１１内の「微小気泡層」内に局在するＳｉ−Ｈ結合を切断する。なお、ここではサセプタ３３の材質を石英ガラスとしたが、その材質は適宜変更可能なものである。照射光の波数範囲を考慮して、照射光の吸収によりサセプタ温度が上昇して貼り合せ基板の温度上昇が顕著なものとならない材質のものを選択することが好ましい。
なお、上述したように、シリコン結晶は２２００〜２３００ｃｍ-1の波数の光に対して事実上「透明」であり当該波数の整数倍の光に対しても同様であるが、概ね５００〜１３００ｃｍ-1の波数範囲にはシリコン結晶を構成するＳｉ原子同士の「Ｓｉ−Ｓｉ」結合による固有の吸収帯やシリコン原子と格子間酸素との結合に起因する「Ｓｉ−Ｏ」結合に起因の光吸収帯がある。このような吸収帯による光吸収起因の基板温度上昇が問題となる場合には、サセプタ３３に試料冷却機能をもたせて基板温度上昇を回避したり、例えば図２（Ｂ）に図示したように、赤外線ランプ３１と貼り合せ基板との間にダミーのシリコンウエハ３４を設けてこれを「色フィルタ」として用い、このダミーウエハ３４を透過してきた赤外線を貼り合せ基板に照射するようにしてもよい。
このようなダミーウエハ３４を用いた場合には、シリコン結晶固有の赤外吸収はダミーウエハ３４内で生じるから、これを透過してきた光の中には最早シリコン結晶固有の「Ｓｉ−Ｓｉ」結合による光吸収は生じることがなく、基板温度の上昇を回避することができる。
このようにして得られた剥離後のＳＯＩ層の表面は、局所的なシリコン薄膜の剥がれや剥離痕あるいは未転写領域といった欠陥もなく、極めて平坦な状態を呈している。剥離後のＳＯＩ層表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定したところ、ＲＭＳの平均値は６ｎｍ以下と良好であった。
このように、本発明においては、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０との接合工程およびＳＯＩ層の剥離工程の何れの工程においても、従来法のような高温処理や機械的剥離処理を必要とせず、しかも、一貫して低温（透明絶縁性基板の場合で３５０℃以下）での処理が可能である。従来から知られているＳＯＩ基板の製造方法の多くは高温処理工程を備えているために、熱歪に起因して生じるクラックや剥離を回避するための特別の工夫が必要であったが、本発明の剥離プロセスは、高温処理および機械的剥離処理の何れをも必要としないため、膜厚均一性、結晶性、電気的諸特性（キャリア移動度など）に優れたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を提供することが可能となることに加え、ＳＯＩ基板の製造工程の安定化と簡易化の観点から極めて有利である。
以上、実施例により本発明のＳＯＩ基板の製造方法について説明したが、本発明は当該実施例において説明された範囲のものに限定して解釈されるものではなく、用いられる基板や光照射条件などを適宜変更して適用可能であることはいうまでもない。
本発明によれば、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を製造する工程において、基板間の熱的諸特性の相違に起因する割れや局所的クラック等および機械的ダメージのＳＯＩ層への導入を回避することが可能となる。その結果、膜厚均一性、結晶性、電気的諸特性（キャリア移動度など）に優れたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を提供することが可能となる。
１０ 単結晶Ｓｉ基板
１１ イオン注入層
１２ ＳＯＩ層
１３ バルク部
２０ 透明絶縁性基板
３０ 光照射部
３１ 赤外線ランプ
３２ ランプハウス
３３ サセプタ
３４ ダミーウエハ
１１ イオン注入層
１２ ＳＯＩ層
１３ バルク部
２０ 透明絶縁性基板
３０ 光照射部
３１ 赤外線ランプ
３２ ランプハウス
３３ サセプタ
３４ ダミーウエハ
Claims (4)
- 一貫して３００℃以下の低温処理のみを施してＳＯＩ基板を製造するための方法であって、
単結晶シリコン基板である第１の基板の表面側に水素イオン注入層を形成する第１のステップと、
第２の基板の表面及び前記第１の基板の表面の少なくとも一方に表面活性化処理を施す第２のステップと、
前記第１の基板の表面と前記第２の基板の表面とを密着させた状態で１００〜３００℃の温度で熱処理して前記第１の基板と前記第２の基板とを貼り合わせる第３のステップ
前記貼り合わせた基板にＳｉ−Ｈ結合の吸収帯を含む波数範囲の光を照射して前記第１の基板からシリコン層を剥離して前記第２の基板の表面上にＳＯＩ層を形成する第４のステップと、を備え、
前記第２の基板は、石英基板、サファイア（アルミナ）基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板の何れかの透明絶縁性基板である、
ことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。 - 前記第４のステップの光照射は、Ｓｉ−Ｈ結合の吸収帯２２００〜２３００ｃｍ-1もしくは該吸収帯の整数倍の波数を含む波数範囲の光を照射して実行されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
- 前記第１のステップの水素イオンの注入量（ドーズ量）は、１×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
- 前記第２のステップの表面活性化処理は、プラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方で実行されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
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