JP5096780B2 - Ｓｏｉウエーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、貼り合わせ法によるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハの製造方法に関し、特に、埋め込み絶縁層近傍に多結晶シリコン層を導入することによってゲッタリング能力が付加されたＳＯＩウエーハの製造方法に関する。
近年、高集積ＣＭＯＳ、ＩＣ、高耐圧素子などがＳＯＩウエーハを利用して作製されるようになってきた。ＳＯＩウエーハの具体的な構造はウエーハの深さ方向に対して、表層のデバイス作製領域となる活性層として使用されるシリコン単結晶層（以下、ＳＯＩ層と呼ぶ）の下に酸化膜等の埋め込み絶縁層（シリコン酸化膜である場合は、以下、Ｂｏｘ層と呼ぶことがある）をはさみ、その下部にまたシリコン単結晶層（以下、支持基板と呼ぶ）を有する三層構造になっている。このような構造のＳＯＩウエーハは、寄生容量が小さく、耐放射性能力が高いなどの特徴を有する。そのため、高速・低消費電力動作、ラッチアップ防止などの効果が期待され、高性能半導体素子用の基板として有望視されている。
このＳＯＩウエーハの製造方法として、例えば、以下の貼り合わせ法が知られている。すなわち、鏡面研磨された２枚のシリコン単結晶ウエーハ（ＳＯＩ層となるシリコン単結晶ウエーハ（ボンドウエーハ）と支持基板となるシリコン単結晶ウエーハ（ベースウエーハ））を用意し、少なくとも一方のシリコン基板の表面に酸化膜を形成させる。そして、これらのシリコン単結晶ウエーハを酸化膜を挟んで貼り合わせた後、結合熱処理して結合強度を高める。その後、ボンドウエーハを薄膜化してＳＯＩ層が形成されたＳＯＩウエーハを得る。この薄膜化の方法としては、ボンドウエーハを所望の厚さまで研削、研磨等を施す方法や、貼り合わせる前に予め水素またはヘリウムをイオン注入して剥離層を形成しておき、結合熱処理温度よりも低い温度で剥離熱処理してボンドウエーハをこの剥離層で剥離することによって行い、その後に前述の結合熱処理を行うイオン注入剥離法と呼ばれる方法（例えば、特許文献１）等がある。
前述のように、ＳＯＩウエーハは、電気的特性の観点から構造上のメリットを多く有するが、金属不純物汚染に対する耐性という観点では構造上のデメリットを有している。すなわち、多くの場合金属不純物の拡散速度は、シリコン中よりもシリコン酸化膜中の方が遅くなるからである。それにより、ＳＯＩ層表面から汚染された場合、金属不純物がＢｏｘ層を通過しにくいために、薄いＳＯＩ層に蓄積されることになる。そのため、ＳＯＩ構造を有しないシリコン基板の場合よりも金属汚染の悪影響がより大きくなる。したがって、ＳＯＩウエーハでは、金属不純物を捕獲して半導体素子の活性層となる領域から除去する能力（ゲッタリング能力）を有することが、より一層重要な品質の一つとなる。
ＳＯＩ構造を有しないシリコン基板の場合に一般的に用いられるゲッタリング手法（酸素析出物、高濃度ホウ素添加、裏面多結晶シリコン膜等）は、いずれも活性層とは逆の支持基板側にゲッタリング層が導入される。しかし、ＳＯＩウエーハにおいて同様の手法を用いて支持基板側にゲッタリング層を導入しても、金属不純物がＢｏｘ層を通過しにくいために、上述のゲッタリング層が十分機能せず、これらの手法はそのままではＳＯＩウエーハには適用できないという問題がある。
このような問題を解決するため、貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法において、ＳＯＩ層近傍にゲッタリング領域を導入する方法が従来から幾つか提案されている。
例えば、貼り合わせる前に、ボンドウエーハの表面にＣＶＤ法（化学蒸着法）によって多結晶シリコン膜を形成し、該多結晶シリコン膜を形成した面を貼り合わせ面として、酸化膜を介してボンドウエーハとベースウエーハを貼り合わせることによって、ＳＯＩ層とＢｏｘ層との界面領域に多結晶シリコン層を導入し、該多結晶シリコン層がＳＯＩ層に対してエクストリンシックゲッタリング作用をなすＳＯＩウエーハとする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
例えば、貼り合わせる前に、ボンドウエーハの表面にＣＶＤ法（化学蒸着法）によって多結晶シリコン膜を形成し、該多結晶シリコン膜を形成した面を貼り合わせ面として、酸化膜を介してボンドウエーハとベースウエーハを貼り合わせることによって、ＳＯＩ層とＢｏｘ層との界面領域に多結晶シリコン層を導入し、該多結晶シリコン層がＳＯＩ層に対してエクストリンシックゲッタリング作用をなすＳＯＩウエーハとする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、このようなＣＶＤ法によって多結晶シリコン層をＢｏｘ層近傍に導入する方法によると、ＣＶＤ法によって作成された多結晶シリコン層は膜厚が一定でないため、貼り合わせる前に鏡面研磨が必要になる等、複雑な工程が必要であった。このため、コストが高くなり生産性が低下するという問題があった。また、多結晶シリコン層の結晶粒界のばらつきなどが鏡面研磨加工に影響して、多結晶シリコン層の厚さのばらつきが大きくなり、最終的にＳＯＩ層の厚さのばらつきにつながるという問題点もあった。
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、均一な厚さの多結晶シリコン層が埋め込み絶縁層近傍に導入され、ＳＯＩ層中の金属汚染に対して高いゲッタリング能力を有するＳＯＩウエーハを、簡単で低コストな方法により効率的に製造することのできるＳＯＩウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、シリコン単結晶からなるベースウエーハとボンドウエーハを準備する工程と、前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハの少なくとも一方の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハとを、前記絶縁膜を介して貼り合わせる工程と、前記ベースウエーハとボンドウエーハを貼り合わせた貼り合わせウエーハを熱処理して結合強度を高める結合熱処理工程と、貼り合わされた前記ボンドウエーハを薄膜化する工程とを備えるＳＯＩウエーハの製造方法において、少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記ベースウエーハまたは前記ボンドウエーハのいずれか一方の表面から、ドーズ量を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上としてアルゴンをイオン注入する工程を備え、前記貼り合わせ工程では、前記アルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面とするものとし、前記結合熱処理の処理温度までの昇温速度を５℃／分以上とすることを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法を提供する。
このような工程を備えるＳＯＩウエーハの製造方法において、少なくとも貼り合わせ工程より前に、ベースウエーハまたはボンドウエーハのいずれか一方の表面から、ドーズ量を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上としてアルゴンをイオン注入する工程を備え、貼り合わせ工程では、前記アルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面とするものとし、結合熱処理の処理温度までの昇温速度を５℃／分以上とすれば、界面が平坦で膜厚の均一性の高い多結晶シリコン層が埋め込み絶縁層直下または直上に形成され、優れたゲッタリング能力が付加されたＳＯＩウエーハを、簡単な工程によって、低コストで効率良く製造することができる。また、多結晶シリコン層の膜厚を、イオン注入の加速電圧によって制御できるので、多結晶シリコン層の膜厚制御性も高い。
この場合、前記結合熱処理は１１００℃以上で２時間以上保持するものとすることが好ましい。
このように、結合熱処理は１１００℃以上で２時間以上保持するものとすれば、より確実に多結晶シリコン層を形成することができる。
また、前記ボンドウエーハの薄膜化において、該ボンドウエーハの膜厚を１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
このように、ボンドウエーハの薄膜化において、ボンドウエーハの膜厚を１μｍ以上とすれば、ボンドウエーハ側に多結晶シリコン層を形成する場合でも十分にデバイス作製領域を確保することができ、５０μｍ以下とすれば、各種デバイスを作製する場合に十分実用的なＳＯＩウエーハとすることができる。
また、前記絶縁膜をシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜あるいはこれらを組み合わせたものとすることが好ましい。
このように、絶縁膜をシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜あるいはこれらを組み合わせたものとすれば緻密で良質の絶縁膜を容易に形成でき、絶縁特性、ゲッタリング能力ともに優れたＳＯＩウエーハとすることができる。
また、前記ボンドウエーハの薄膜化を、前記ボンドウエーハを研削することによって行うことができる。また、前記ボンドウエーハの薄膜化を、予め、前記貼り合わせ工程より前に、水素またはヘリウムを前記ボンドウエーハの表面からイオン注入することにより剥離用イオン注入層を設け、前記ボンドウエーハの薄膜化工程において、剥離熱処理により前記剥離用イオン注入層で前記ボンドウエーハを剥離することによって行うことができる。
このように、ボンドウエーハの薄膜化を、厚膜ＳＯＩ層の形成に好適なボンドウエーハを研削することによって行う場合であっても、薄膜ＳＯＩ層の形成に好適なイオン注入剥離法によって行う場合であっても、多結晶シリコン層を導入してゲッタリング能力を付加することができる。
また、少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記アルゴンをイオン注入する表面からシリコン中でドナーとなる元素をイオン注入してｎ＋層を形成する工程を備えることもできる。この場合、前記ドナーとなる元素は、リン、ヒ素、アンチモンの少なくとも一種とすることができる。
このように、少なくとも貼り合わせ工程より前に、アルゴンをイオン注入する表面からシリコン中でドナーとなる元素をイオン注入してｎ＋層を形成する工程を備え、例えば、ドナーとなる元素をリン、ヒ素、アンチモンの少なくとも一種とすれば、ｎ＋層によるゲッタリング能力と、多結晶シリコン層によって付加されるゲッタリング能力を組み合わせて、より強力なゲッタリングサイトを形成することができる。
本発明によれば、界面が平坦で膜厚の均一性の高い多結晶シリコン層が、埋め込み絶縁層の直下または直上に形成されたＳＯＩウエーハを簡単な工程によって効率的に製造することができる。そして、このような多結晶シリコン層が形成されたＳＯＩウエーハであれば、ＳＯＩ層中の金属不純物を効果的にゲッタリングすることができる。
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、多結晶シリコン層を埋め込み絶縁層近傍に配置し、ＳＯＩ層に金属汚染に対して優れたゲッタリング能力を付加したＳＯＩウエーハを、生産性良く、低コストで効率的に製造することのできるＳＯＩウエーハの製造方法の開発が待たれていた。
前述のように、多結晶シリコン層を埋め込み絶縁層近傍に配置し、ＳＯＩ層に金属汚染に対して優れたゲッタリング能力を付加したＳＯＩウエーハを、生産性良く、低コストで効率的に製造することのできるＳＯＩウエーハの製造方法の開発が待たれていた。
そこで、本発明者らは、多結晶シリコン膜を堆積した後に研磨が必要となるＣＶＤ法によらずに多結晶シリコン層を埋め込み絶縁層近傍に導入することによって、ＳＯＩウエーハに十分なゲッタリング能力を付加できないか鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者らは、貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法において、貼り合わせ前にシリコン単結晶ウエーハにドーズ量を所定の値以上にしてアルゴンをイオン注入し、該アルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面として貼り合わせ、その後、結合熱処理工程において処理温度までの昇温速度を所定の値以上とすることによって、アルゴンをイオン注入した層が多結晶化し、多結晶シリコン層とすることができることを見出した。
上記のアルゴンのドーズ量および昇温速度について、以下のように条件を振って実験を行った結果、およそ図３の網掛けの部分のような条件でアルゴンをイオン注入し、かつ、貼り合わせ後の結合熱処理の昇温工程を行えば、アルゴンのイオン注入によるイオン注入ダメージ層を多結晶シリコン層とすることができることを見出した。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アルゴンのドーズ量、結合熱処理前の昇温速度が、それぞれ１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、１０℃／分（図３中（ａ）点）、４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、１０℃／分（図３中（ｂ）点）、４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、５℃／分（図３中（ｃ）点）である場合の断面ＴＥＭ写真である。図３（ａ）点、（ｃ）点の条件であれば既に多結晶シリコン層が形成され始めており、図３（ｂ）点の条件では確実に多結晶シリコン層が形成されていることが観察できる。そして、アルゴンのドーズ量が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、結合熱処理前の昇温速度が１０℃／分の条件では結晶粒界は観察されなかった。これらの実験結果からアルゴンのドーズ量が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の範囲であり、結合熱処理前の昇温速度が５℃／分以上であれば、多結晶シリコン層が形成されることが判明した。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アルゴンのドーズ量、結合熱処理前の昇温速度が、それぞれ１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、１０℃／分（図３中（ａ）点）、４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、１０℃／分（図３中（ｂ）点）、４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、５℃／分（図３中（ｃ）点）である場合の断面ＴＥＭ写真である。図３（ａ）点、（ｃ）点の条件であれば既に多結晶シリコン層が形成され始めており、図３（ｂ）点の条件では確実に多結晶シリコン層が形成されていることが観察できる。そして、アルゴンのドーズ量が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、結合熱処理前の昇温速度が１０℃／分の条件では結晶粒界は観察されなかった。これらの実験結果からアルゴンのドーズ量が１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の範囲であり、結合熱処理前の昇温速度が５℃／分以上であれば、多結晶シリコン層が形成されることが判明した。
すなわち、本発明者らは、アルゴンのイオン注入時のドーズ量及び熱処理の処理温度までの昇温速度が多結晶シリコン層の形成に密接に関わっていることを見出し、本発明を完成させた。
以下、本発明について図面を参照してさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示す図である。本発明が適用される貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法の概略は以下に示す通りである。
図１は、本発明の貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示す図である。本発明が適用される貼り合わせ法によるＳＯＩウエーハの製造方法の概略は以下に示す通りである。
まず、工程（ａ）において、半導体素子形成用のＳＯＩ層となるシリコン単結晶ウエーハ（ボンドウエーハ）１１と、支持基板となるシリコン単結晶ウエーハ（ベースウエーハ）１４を準備する。
次に、工程（ｂ）において、ベースウエーハ１４とボンドウエーハ１１との少なくとも一方に埋め込み絶縁層となる絶縁膜１３を形成する（図１では、ベースウエーハ１４に絶縁膜１３を形成する例を示している）。なお、絶縁層１３としては、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が例示される。シリコン酸化膜であれば、ボンドウエーハまたはベースウエーハを熱酸化すれば簡単に緻密で高品質なものを作成することができるので好ましいが、この方法に限定されるものではない。また、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜あるいは他の絶縁膜を形成する場合でも、それぞれ通常の方法を用いて形成することができる。また、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜を組み合わせてもよい。
次に、工程（ｃ）において、ベースウエーハ１４またはボンドウエーハ１１の少なくとも一方の表面からドーズ量を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上としてアルゴンのイオン注入を行ってイオン注入ダメージ層１２を形成する（図１では、ボンドウエーハ１１にイオン注入ダメージ層を形成する例を示している）。このとき、工程（ｂ）で絶縁膜を形成したウエーハにアルゴンをイオン注入しても、該絶縁膜の下に問題なくイオン注入ダメージ層を形成することができる。また、工程（ｂ）で絶縁膜を形成しなかったウエーハにイオン注入する場合は、イオン注入に先立ち、イオン注入する表面にスクリーン酸化膜（表面保護用酸化膜）を形成しても構わない。また、そのスクリーン酸化膜を、後述の工程（ｄ）の貼り合わせ工程の前に除去しても構わないし、除去しなくても構わない。
なお、工程（ｂ）と工程（ｃ）の順番は問わない。
なお、工程（ｂ）と工程（ｃ）の順番は問わない。
この工程でイオン注入により形成されたイオン注入ダメージ層とおよそ対応する部分が、後述の結合熱処理による貼り合わせ強度の強化と同時に多結晶化し、多結晶シリコン層となる。すなわち、イオン注入の加速電圧を調節することによって、多結晶シリコン層の厚さを制御することができる。つまり、本発明は、イオン注入の加速電圧を調節するという簡単な方法によって、容易に多結晶シリコン層の厚さを制御することができるという利点も有する。
なお、ボンドウエーハ１４にイオン注入した場合とベースウエーハ１１にイオン注入した場合は、多結晶シリコン層が形成される位置が異なるが、このことによる効果の違いは後述する。
また、このイオン注入工程におけるアルゴンのドーズ量は、例えば、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。これよりもドーズ量が多いと、イオン注入時間が長くなり（例えば、ビーム電流が５ｍＡ程度の場合は２時間以上かかる）、生産性が低下し、コストが高くなるためである。
次に、工程（ｄ）において、ベースウエーハ１４とボンドウエーハ１１を、アルゴンをイオン注入してイオン注入ダメージ層１２を形成した側の表面を貼り合わせ面として絶縁膜１３を介して密着させて貼り合わせる。このようにして貼り合わせ面１５を有する貼り合わせウエーハ２０を得る。
次に、工程（ｅ）において、貼り合わせ面１５の結合強度を高めるための結合熱処理を行う。貼り合わせウエーハ２０を熱処理装置に搬入し、昇温した後に結合熱処理を行う。なお、搬入時の熱処理装置の温度は例えば８００℃とすることができるが、特にこれに限定されるものではない。この結合熱処理では、例えば酸化性あるいは不活性ガス雰囲気下で熱処理を行うことで二枚のウエーハを強固に結合される。このとき、処理温度までの昇温速度を５℃／分以上とする。このように昇温速度を５℃／分以上とすることでアルゴンをイオン注入したイオン注入ダメージ層に対応して多結晶シリコン層５２を形成することができる。ただし、イオン注入ダメージ層全体がそのまま多結晶シリコン層となるとは限らない。
なお、この昇温速度は、２０℃／分を超えると貼り合わせ面１５の近傍でスリップが発生しやすくなるため、２０℃／分以下とすることが望ましい。
なお、「処理温度」とは、図５に示したように、昇温過程後、温度を一定とした場合（図５（ａ））はその温度範囲のことを指す他、一定温度以上を保ち、昇温過程よりも温度の経時変化が緩やかである場合（例えば、図５（ｂ））はその温度範囲のことを指す。すなわち、本発明では、所定温度以上の結合熱処理温度にまで昇温するのに、５℃／分以上の昇温速度とすればよい。
なお、この昇温速度は、２０℃／分を超えると貼り合わせ面１５の近傍でスリップが発生しやすくなるため、２０℃／分以下とすることが望ましい。
なお、「処理温度」とは、図５に示したように、昇温過程後、温度を一定とした場合（図５（ａ））はその温度範囲のことを指す他、一定温度以上を保ち、昇温過程よりも温度の経時変化が緩やかである場合（例えば、図５（ｂ））はその温度範囲のことを指す。すなわち、本発明では、所定温度以上の結合熱処理温度にまで昇温するのに、５℃／分以上の昇温速度とすればよい。
また、この結合熱処理においては、１１００℃以上で２時間以上保持するものとすることが好ましい。このような熱処理条件とすることで、より確実に多結晶シリコン層を形成することができる。なお、ここで言う「保持する」とは、一定温度に保つものでもよいが、これに限定されるものではなく、処理温度の範囲内（所定温度以上）で、昇温または降温するものあるいはこれらを組み合わせたものでもよい。例えば、上記の「１１００℃以上で２時間以上保持する」とは、図５（ｂ）のように、１１００℃から１２００℃まで２時間かけて徐々に昇温するものであっても構わない。また、処理温度の上限は当然シリコンの融点以下である必要がある。
結合熱処理の処理時間は、生産性よくＳＯＩウエーハを製造するために、例えば６時間以下とすることが好ましく、４時間以下とすることがさらに好ましい。
結合熱処理の処理時間は、生産性よくＳＯＩウエーハを製造するために、例えば６時間以下とすることが好ましく、４時間以下とすることがさらに好ましい。
結合熱処理後、所定の温度に降温してから貼り合わせウエーハ２０を熱処理装置から搬出する。なお、搬出時の熱処理装置の温度は例えば８００℃とすることができるが、特にこれに限定されるものではない。
次に、工程（ｆ）において、ボンドウエーハ１１を所望の厚さまで薄膜化し、支持基板５４の上に埋め込み絶縁層５３を挟んでＳＯＩ層５１が形成されており、多結晶シリコン層５２を有するＳＯＩウエーハ５０を得る。
なお、このボンドウエーハの薄膜化は、例えば、比較的厚膜のＳＯＩ層の形成に好適な平面研削および鏡面研磨による方法やエッチングによる方法を用いることもできるし、薄膜ＳＯＩ層の形成に好適なボンドウエーハとベースウエーハとを貼り合わせる工程（ｄ）の前に予めボンドウエーハの貼り合わせ面に水素イオンまたはヘリウムイオンを注入することによって剥離用イオン層を形成しておき、貼り合わせた後に剥離用イオン注入層でボンドウエーハを剥離することによって薄膜化を行うイオン注入剥離法と呼ばれる方法を用いることもできる。なお、イオン注入剥離法で薄膜化を行う場合には、室温で貼り合わせた後に、必要に応じて５００℃程度の低温熱処理を行って剥離を行った後、結合強度を高めるための結合熱処理工程（ｅ）を行うという工程順となる。また、このとき、貼り合わせるウエーハ表面をプラズマ処理することにより活性化したのちに貼り合わせることにより、前記５００℃程度の熱処理を行うことなく、機械的な応力により剥離用イオン注入層で剥離する方法を用いることもできる。
なお、この剥離用イオン注入層の形成は、多結晶シリコン層形成目的のアルゴンのイオン注入工程より先に行っても後に行ってもよい。
なお、この剥離用イオン注入層の形成は、多結晶シリコン層形成目的のアルゴンのイオン注入工程より先に行っても後に行ってもよい。
また、この薄膜化によるボンドウエーハの膜厚は、後にＳＯＩ層上に作製しようとするデバイスに応じて適切な厚さを選択すればよく、特に制限はないが、例えば以下のようにすることができる。
まず、工程（ｃ）においてボンドウエーハ１１にアルゴンをイオン注入し、ＳＯＩ層側にイオン注入ダメージ層を形成した場合は、この薄膜化工程では、ボンドウエーハ１１の厚さを１μｍ以上とすることが好ましい。これは、通常のイオン注入装置によってアルゴンイオンが注入される深さは、例えば加速電圧を２００ｋｅＶとした場合、約０．５μｍであり、デバイス作製領域を確保するためである。
また、ボンドウエーハ側の膜厚を５０μｍ以下とすれば、ＳＯＩウエーハをデバイス作製用基板として用いたときに、絶縁層上に活性領域を有するというＳＯＩウエーハとしての長所を十分に発揮することができる。
まず、工程（ｃ）においてボンドウエーハ１１にアルゴンをイオン注入し、ＳＯＩ層側にイオン注入ダメージ層を形成した場合は、この薄膜化工程では、ボンドウエーハ１１の厚さを１μｍ以上とすることが好ましい。これは、通常のイオン注入装置によってアルゴンイオンが注入される深さは、例えば加速電圧を２００ｋｅＶとした場合、約０．５μｍであり、デバイス作製領域を確保するためである。
また、ボンドウエーハ側の膜厚を５０μｍ以下とすれば、ＳＯＩウエーハをデバイス作製用基板として用いたときに、絶縁層上に活性領域を有するというＳＯＩウエーハとしての長所を十分に発揮することができる。
以上のような工程を経て製造されたＳＯＩウエーハは、埋め込み絶縁層の直上または直下の少なくとも一方に多結晶シリコン層を有する構造となる。この多結晶シリコン層によって、ＳＯＩ層または支持基板の、埋め込み絶縁層との界面領域にゲッタリング能力が付加される。
このようにして多結晶シリコン層５２を有するＳＯＩウエーハ５０を得るわけであるが、前述のように、前記図１の工程（ｃ）においてベースウエーハ１４にアルゴンをイオン注入した場合と、ボンドウエーハ１１にイオン注入した場合では、多結晶シリコン層が形成される位置が異なる。ボンドウエーハ１１にイオン注入した場合は、図２（ａ）のように、ＳＯＩ層５１の、埋め込み絶縁層５３との界面領域に多結晶シリコン層５２が形成される。逆に、ベースウエーハ１４にイオン注入した場合は、図２（ｂ）のように、支持基板５４の、埋め込み絶縁層５３との界面領域に多結晶シリコン層５２が形成される。シリコン単結晶層の、絶縁層との界面領域に多結晶シリコン層が存在するという構造自体は両者に違いはないため、本来、両者の多結晶シリコン層のゲッタリング能力は同等である。
しかし、金属不純物のシリコン中の拡散速度とシリコン酸化物中の拡散速度の違いにより、金属不純物はＢｏｘ層を通過しにくい。そのため、デバイス作製領域となるＳＯＩ層の表面に付着した金属汚染をゲッタリングするには、ゲッタリング層はＳＯＩ層の、Ｂｏｘ層との界面領域に形成される方が好ましいと言える。すなわち、ボンドウエーハの表面にアルゴンをイオン注入して多結晶シリコン層を形成し、貼り合わせを行う方がより好ましい。
ただし、ベースウエーハの表面にアルゴンをイオン注入し、支持基板の、Ｂｏｘ層との界面領域に多結晶シリコン層が形成された場合でも、ＳＯＩウエーハの裏面にゲッタリング層を導入する従来法の場合よりは効果的なゲッタリングサイトが得られる。また、ＳＯＩウエーハのＢｏｘ層の厚さは年々薄いものが得られている。Ｂｏｘ層の厚さが例えば１００ｎｍ以下と薄ければ、支持基板とＢｏｘ層の界面領域に形成された多結晶シリコン層によるゲッタリングサイトであっても、ＳＯＩ層中の金属汚染のゲッタリングにもより有効である。
また、ボンドウエーハを例えば０．５μｍ以下のように極めて薄く薄膜化する場合などにおいては、デバイス作製領域を確保するために、ボンドウエーハ側に多結晶シリコン層を形成せず、ベースウエーハ側に多結晶シリコン層を形成することが好適な場合がある。
本発明の別の実施形態に係るＳＯＩウエーハの製造方法では、さらに、ｎ＋層を、本発明のイオン注入ダメージ層が形成される層の近傍に導入してもよい。このｎ＋層はデバイス構造の面から必要とされる場合があるが、同時にゲッタリング能力も兼ね備えているので、本発明に従って形成された多結晶シリコン層によるゲッタリング能力と組み合わせて、より強力なゲッタリングサイトになる。
具体的には、少なくとも前記図１の工程（ｄ）の貼り合わせ工程より前に、アルゴンをイオン注入する表面と同じ面からシリコン中でドナーとなる元素、すなわちリン、ヒ素、アンチモン等をイオン注入してｎ＋層を形成する工程を導入することによって、このようなｎ＋層を導入することができる。
また、このように、貼り合わせ工程より前にイオン注入ダメージ層の他にｎ＋層を導入する場合でも、本発明の条件に従ってアルゴンのイオン注入と結合熱処理を行えば、問題なく多結晶シリコン層を形成することができる。
以下、本発明の実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２）
図１に示すような工程に従って、下記のように、多結晶シリコン層を導入したＳＯＩウエーハを製造した。
まず、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、面方位｛１００｝の鏡面研磨された２枚のＮ型シリコン単結晶ウエーハを用意した（ａ）。ベースウエーハ１４の表面に、Ｂｏｘ層となる膜厚約１μｍのシリコン酸化膜１３を熱酸化により形成した（ｂ）。
図１に示すような工程に従って、下記のように、多結晶シリコン層を導入したＳＯＩウエーハを製造した。
まず、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、面方位｛１００｝の鏡面研磨された２枚のＮ型シリコン単結晶ウエーハを用意した（ａ）。ベースウエーハ１４の表面に、Ｂｏｘ層となる膜厚約１μｍのシリコン酸化膜１３を熱酸化により形成した（ｂ）。
次いで、ボンドウエーハ１１の表面に、加速電圧６０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（実施例１）、４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（実施例２）の条件でアルゴンをイオン注入した（ｃ）。
次に、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１４を、ボンドウエーハ１１にアルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面として、シリコン酸化膜１３を挟むようにして密着させて貼り合わせた（ｄ）。次いで、結合強度を高めるための結合熱処理を以下の条件で行った（ｅ）。すなわち、８００℃に設定した熱処理炉に貼り合わせたウエーハを投入し、最高温度１１５０℃まで１０℃／分の昇温速度で昇温して２時間保持した後に、８００℃まで降温してからウエーハを熱処理炉外に引き出した。
その後、貼り合わせウエーハ２０のボンドウエーハ１１側を、平面研削及び鏡面研磨により、約１２μｍの厚さになるまで薄膜化し、ＳＯＩウエーハ５０を得た（ｆ）。
その後、貼り合わせウエーハ２０のボンドウエーハ１１側を、平面研削及び鏡面研磨により、約１２μｍの厚さになるまで薄膜化し、ＳＯＩウエーハ５０を得た（ｆ）。
このようにして製造したＳＯＩウエーハを、厚さ方向に切断し、該切断面を研磨した後、断面ＴＥＭ観察を行った。
また、このように製造したＳＯＩウエーハのゲッタリング能力を次のように評価した。まず、ＳＯＩ層表面にＮｉを約１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の濃度で塗布し、窒素雰囲気下で１０００℃にて１時間熱処理を行って内部に拡散させた。次に、表面酸化膜、ＳＯＩ層、Ｂｏｘ層、支持基板表層（Ｂｏｘ層側の表面から約２μｍまで）を段階的にエッチングして、その溶液中のＮｉ濃度をＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析法）で測定することにより、Ｎｉ濃度の深さ方向分布を測定した。表面酸化膜とＢｏｘ層はＨＦ溶液により各々１段階で、ＳＯＩ層は混酸溶液によりＳＯＩ層表面から約２μｍステップで６段階に分割して、支持基板表層は混酸溶液により１段階で測定した。
また、このように製造したＳＯＩウエーハのゲッタリング能力を次のように評価した。まず、ＳＯＩ層表面にＮｉを約１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の濃度で塗布し、窒素雰囲気下で１０００℃にて１時間熱処理を行って内部に拡散させた。次に、表面酸化膜、ＳＯＩ層、Ｂｏｘ層、支持基板表層（Ｂｏｘ層側の表面から約２μｍまで）を段階的にエッチングして、その溶液中のＮｉ濃度をＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析法）で測定することにより、Ｎｉ濃度の深さ方向分布を測定した。表面酸化膜とＢｏｘ層はＨＦ溶液により各々１段階で、ＳＯＩ層は混酸溶液によりＳＯＩ層表面から約２μｍステップで６段階に分割して、支持基板表層は混酸溶液により１段階で測定した。
ゲッタリング能力の測定結果を図６（（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２）に示した。なお、横軸の「ＳｉＯ２」は表面酸化膜を、「ＳＯＩ−１〜６」は分割して測定したＳＯＩ層を表面側から順番に、「Ｂｏｘ」はＢｏｘ層を、「Ｂａｓｅ」は支持基板表層を、「ＳＵＭ」は合計を、それぞれ示す。
また、断面ＴＥＭ写真を図１０（（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２）に示した。
また、断面ＴＥＭ写真を図１０（（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２）に示した。
図１０の断面ＴＥＭ写真から、実施例１の条件ではＳＯＩ層の、Ｂｏｘ層との界面領域に多結晶シリコン層が形成され始めており、実施例２の条件ではさらに確実に多結晶シリコン層が形成されていることがわかった。
また、ＳＯＩ層のＢｏｘ層からの距離が０〜２μｍである層（ＳＯＩ−６）をゲッタリング層とすると、このゲッタリング層にＮｉが多くトラップされており、高いゲッタリング能力を有していることがわかった。
また、ＳＯＩ層のＢｏｘ層からの距離が０〜２μｍである層（ＳＯＩ−６）をゲッタリング層とすると、このゲッタリング層にＮｉが多くトラップされており、高いゲッタリング能力を有していることがわかった。
（実施例３）
ドーズ量を４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２としてアルゴンをベースウエーハ１４にイオン注入し、ボンドウエーハ１１に厚さ約５０ｎｍの酸化膜を形成した他は実施例１と同様の方法によって、図２（ｂ）のような構造を有するＳＯＩウエーハを製造した。その後、実施例１と同様の手法によってゲッタリング能力の評価を行い、結果を図７に示した。
ドーズ量を４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２としてアルゴンをベースウエーハ１４にイオン注入し、ボンドウエーハ１１に厚さ約５０ｎｍの酸化膜を形成した他は実施例１と同様の方法によって、図２（ｂ）のような構造を有するＳＯＩウエーハを製造した。その後、実施例１と同様の手法によってゲッタリング能力の評価を行い、結果を図７に示した。
この結果、ベースウエーハ表層２μｍにＮｉがトラップされており、この層をゲッタリング層として、高いゲッタリング能力を有していることがわかった。
（比較例１）
ドーズ量を１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２としてアルゴンをボンドウエーハにイオン注入し、実施例１と同様の方法によってＳＯＩウエーハを製造した。その後、実施例１と同様の手法によってＳＯＩウエーハの断面ＴＥＭ観察を行い、ゲッタリング能力の評価を行った。ゲッタリング能力の評価結果を図８に示し、断面ＴＥＭ写真を図１１に示す。
ドーズ量を１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２としてアルゴンをボンドウエーハにイオン注入し、実施例１と同様の方法によってＳＯＩウエーハを製造した。その後、実施例１と同様の手法によってＳＯＩウエーハの断面ＴＥＭ観察を行い、ゲッタリング能力の評価を行った。ゲッタリング能力の評価結果を図８に示し、断面ＴＥＭ写真を図１１に示す。
図１１の断面ＴＥＭ写真からは多結晶シリコン層の形成は確認できなかった。
また、図８から、ＳＯＩ層の、Ｂｏｘ層との界面領域にゲッタリング能力を有しているが、ＳＯＩ層表面近傍にＮｉが残留しており、ゲッタリング能力は実施例１、２に比べると低いことがわかった。
また、図８から、ＳＯＩ層の、Ｂｏｘ層との界面領域にゲッタリング能力を有しているが、ＳＯＩ層表面近傍にＮｉが残留しており、ゲッタリング能力は実施例１、２に比べると低いことがわかった。
（比較例２）
ボンドウエーハの表面にＣＶＤ法により膜厚約４μｍの多結晶シリコン膜を形成した後、この多結晶シリコン膜を１μｍになるまで研磨した。この多結晶シリコン膜を、ベースウエーハの表面に形成したシリコン酸化膜と向かい合わせて貼り合わせ、実施例１と同様の方法によってＳＯＩウエーハを製造した。ただし、ボンドウエーハの膜厚を約１０μｍになるまで薄膜化した。
その後、ＳＯＩ層の測定をステップ幅を２．５μｍとして４分割で行った以外は実施例１と同様の方法でゲッタリング能力の評価を行い、結果を図９に示した。
その結果ゲッタリング能力を有するＳＯＩウエーハとすることができたが、多結晶シリコン膜の研磨が必要であるなど工程が複雑であり生産性が低かった。
ボンドウエーハの表面にＣＶＤ法により膜厚約４μｍの多結晶シリコン膜を形成した後、この多結晶シリコン膜を１μｍになるまで研磨した。この多結晶シリコン膜を、ベースウエーハの表面に形成したシリコン酸化膜と向かい合わせて貼り合わせ、実施例１と同様の方法によってＳＯＩウエーハを製造した。ただし、ボンドウエーハの膜厚を約１０μｍになるまで薄膜化した。
その後、ＳＯＩ層の測定をステップ幅を２．５μｍとして４分割で行った以外は実施例１と同様の方法でゲッタリング能力の評価を行い、結果を図９に示した。
その結果ゲッタリング能力を有するＳＯＩウエーハとすることができたが、多結晶シリコン膜の研磨が必要であるなど工程が複雑であり生産性が低かった。
（実施例４〜７、比較例３〜７）
図１に示すような工程に従って、下記のように、多結晶シリコン層を導入したＳＯＩウエーハを追加で製造した。
まず、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、面方位｛１００｝の鏡面研磨された２枚のＮ型シリコン単結晶ウエーハを用意した（ａ）。ベースウエーハ１４の表面に、Ｂｏｘ層となる膜厚約１μｍのシリコン酸化膜１３を熱酸化により形成した（ｂ）。
図１に示すような工程に従って、下記のように、多結晶シリコン層を導入したＳＯＩウエーハを追加で製造した。
まず、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、面方位｛１００｝の鏡面研磨された２枚のＮ型シリコン単結晶ウエーハを用意した（ａ）。ベースウエーハ１４の表面に、Ｂｏｘ層となる膜厚約１μｍのシリコン酸化膜１３を熱酸化により形成した（ｂ）。
次いで、ボンドウエーハ１１の表面に、加速電圧６０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（比較例３）、５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（比較例４、５）、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（実施例４、６、比較例６）、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２（実施例５、７、比較例７）の条件でアルゴンをイオン注入した（ｃ）。
次に、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１４を、ボンドウエーハ１１にアルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面として、シリコン酸化膜１３を挟むようにして密着させて貼り合わせた（ｄ）。次いで、結合強度を高めるための結合熱処理を以下の条件で行った（ｅ）。すなわち、８００℃に設定した熱処理炉に貼り合わせたウエーハを投入し、最高温度１１５０℃まで１０℃／分（比較例３、４、実施例４、５）、５℃／分（比較例５、実施例６、７）、１℃／分（比較例６、７）の昇温速度で昇温して２時間保持した後に、８００℃まで降温してからウエーハを熱処理炉外に引き出した。
その後、貼り合わせウエーハ２０のボンドウエーハ１１側を、平面研削及び鏡面研磨により、約１２μｍの厚さになるまで薄膜化し、ＳＯＩウエーハ５０を得た（ｆ）。
その後、貼り合わせウエーハ２０のボンドウエーハ１１側を、平面研削及び鏡面研磨により、約１２μｍの厚さになるまで薄膜化し、ＳＯＩウエーハ５０を得た（ｆ）。
このようにして製造した各アルゴンドーズ量と昇温条件のＳＯＩウエーハを、厚さ方向に切断し、該切断面を研磨した後、断面ＴＥＭ観察を行った。
断面ＴＥＭ写真を図１２（ａ）から図１２（ｉ）に示した。
断面ＴＥＭ写真を図１２（ａ）から図１２（ｉ）に示した。
図１２の断面ＴＥＭ写真から、（ｆ：実施例６）、（ｇ：実施例７）の条件ではＳＯＩ層の、Ｂｏｘ層との界面領域に多結晶シリコン層が形成され始めており、（ｃ：実施例４）、（ｄ：実施例５）の条件では更に確実に多結晶シリコン層が形成されていることがわかった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１１…ボンドウエーハ、 １２…イオン注入ダメージ層、 １３…絶縁膜、
１４…ベースウエーハ、 １５…貼り合わせ面、
２０…貼り合わせウエーハ、
５０…ＳＯＩウエーハ、
５１…ＳＯＩ層、 ５２…多結晶シリコン層、 ５３…埋め込み絶縁層（Ｂｏｘ層）、
５４…支持基板。
１４…ベースウエーハ、 １５…貼り合わせ面、
２０…貼り合わせウエーハ、
５０…ＳＯＩウエーハ、
５１…ＳＯＩ層、 ５２…多結晶シリコン層、 ５３…埋め込み絶縁層（Ｂｏｘ層）、
５４…支持基板。
Claims (8)
- 少なくとも、
シリコン単結晶からなるベースウエーハとボンドウエーハを準備する工程と、
前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハの少なくとも一方の表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハとを、前記絶縁膜を介して貼り合わせる工程と、
前記ベースウエーハとボンドウエーハを貼り合わせた貼り合わせウエーハを熱処理して結合強度を高める結合熱処理工程と、
貼り合わされた前記ボンドウエーハを薄膜化する工程と
を備えるＳＯＩウエーハの製造方法において、少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記ベースウエーハまたは前記ボンドウエーハのいずれか一方の表面から、ドーズ量を１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上としてアルゴンをイオン注入する工程を備え、前記貼り合わせ工程では、前記アルゴンをイオン注入した面を貼り合わせ面とするものとし、前記結合熱処理の処理温度までの昇温速度を５℃／分以上とすることにより、前記アルゴンをイオン注入した層に多結晶シリコン層を形成することを特徴とするＳＯＩウエーハの製造方法。 - 前記結合熱処理は１１００℃以上で２時間以上保持するものとすることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハの薄膜化において、該ボンドウエーハの膜厚を１μｍ以上５０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記絶縁膜をシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜あるいはこれらを組み合わせたものとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハの薄膜化を、前記ボンドウエーハを研削することによって行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハの薄膜化を、予め、前記貼り合わせ工程より前に、水素またはヘリウムを前記ボンドウエーハの表面からイオン注入することにより剥離用イオン注入層を設け、前記ボンドウエーハの薄膜化工程において、剥離熱処理により前記剥離用イオン注入層で前記ボンドウエーハを剥離することによって行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記アルゴンをイオン注入する表面からシリコン中でドナーとなる元素をイオン注入してｎ＋層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
- 前記ドナーとなる元素は、リン、ヒ素、アンチモンの少なくとも一種とすることを特徴とする請求項７に記載のＳＯＩウエーハの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007106738A JP5096780B2 (ja) | 2006-04-27 | 2007-04-16 | Ｓｏｉウエーハの製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006123960 | 2006-04-27 | ||
| JP2006123960 | 2006-04-27 | ||
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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