JP5124931B2

JP5124931B2 - 多層ｓｏｉウエーハの製造方法

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Publication number: JP5124931B2
Application number: JP2005300549A
Authority: JP
Inventors: 敏視戸部; 卓夫竹中
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007109961A

Description

本発明は、電子デバイス作製用基板である多層ＳＯＩウエーハ及びその製造方法に関し、特にデバイス動作に悪影響を及ぼす金属不純物を除去するゲッタリング能力が高い多層ＳＯＩウエーハおよびその製造方法に関する。

半導体集積回路等のデバイスを作製するための基板としては、主にＣＺ(Czochralski Method)法によって育成されたシリコン単結晶ウエーハが用いられている。このシリコン単結晶ウエーハ上にデバイスを形成する際、p-nジャンクションや絶縁体を形成することにより各素子間の分離を行なっている。しかし近年、素子分離用絶縁体を予め基板ウエーハ内に形成しておく構造の基板が使われるようになった。この代表的なものがＳＯＩ（Silicon on insulator）ウエーハである。ＳＯＩウエーハの具体的構造は、三層構造であり、表層のシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）の下に埋め込み酸化膜等の絶縁体層をはさみ、その下部にシリコン単結晶等の支持基板をもつ構造（ＳＯＩ構造）である。

このようなＳＯＩウエーハの製造方法には大きく分けて、以下の二種類の方法がある。
第一の方法は、シリコン単結晶ウエーハの一方の表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、その後、熱処理にて酸素イオン注入層をシリコン酸化膜に変質させて、ＳＯＩウエーハとする、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）法である。
第二の方法は、例えば、シリコン単結晶ウエーハ（ボンドウエーハ）に熱酸化等の方法でシリコン酸化膜を形成し、その酸化膜を介してボンドウエーハと新たに用意したベースウエーハを貼り合わせて、ＳＯＩウエーハとする、貼り合わせ法である。

前者のＳＩＭＯＸ法は、製法が簡便であるが、酸素イオン注入層から形成されるシリコン酸化膜は極表層に限られ、ウエーハの深い位置に形成することはできないため、表層デバイス領域の厚さを厚くすることが困難である。また形成したシリコン酸化膜は緻密な構造とはなっておらず、ＳＯＩウエーハをデバイス作製用ウエーハとして使う場合の最大のメリットである完全な絶縁耐圧が得られ難いという欠点がある。その点、後者の貼り合わせ法では、シリコン酸化膜を熱酸化により形成できるため、緻密な膜質のシリコン酸化膜が得られ、また表層デバイス領域の厚さの設計は、貼り合わせた後の研磨量等で制御できるため自由度が高いという利点がある。

このようなＳＯＩウエーハの特徴を最大限に生かす構造が多層ＳＯＩ構造である。すなわち、ウエーハ表面からＳＯＩ層/埋め込み酸化膜/ＳＯＩ層/埋め込み酸化膜というように、ＳＯＩ層を埋め込み酸化膜で挟み込む構造を複数重ね合わせ、さらに高集積化した構造のウエーハである。この構造ならば、積み重ねる段数を増やせば、その段数分集積度が上がることになり、高集積デバイスの作製に特に有利なウエーハ構造と言える。複数の積み重ねた各層間は必要であれば配線で接続することも可能であるし、そのまま用いて別のデバイスと見なすことも可能である。このような多層ＳＯＩウエーハを高集積デバイスに用いた例として特許文献１を挙げることができる。

一方、デバイス動作に悪影響のある金属不純物は、シリコン単結晶ウエーハを電子デバイス作製用基板として用いる場合に問題とされており、その金属不純物の除去技術としてのゲッタリング方法も様々な方法にて開発が進められてきている。これら金属不純物のデバイスに与える影響については、ＳＯＩウエーハを電子デバイス作製用基板として用いる場合に特に問題であり、様々な工夫が施されている。具体的には、後に作製される電子デバイスは表層であるＳＯＩ層に形成されるため、このＳＯＩ層中の金属不純物を除去するため、ＳＯＩ層の下部、絶縁酸化膜中、絶縁酸化膜直下、絶縁酸化膜下の基板層全体、ＳＯＩウエーハの裏面全体などに、単結晶シリコン基板のゲッタリング技術として培われたあらゆる手法が適用されている（例えば、特許文献２〜６参照）。

しかし近年、酸化膜中の金属の物性が明らかになってきており、従来の手法ではＳＯＩウエーハを電子デバイス用基板として使用する際に問題となる金属不純物除去の立場において、全く対処できない場合があることがわかってきた。

一般にゲッタリングは偏析型と緩和型の二つの機構で分類されるが、原理的にどちらも低温保持あるいは徐冷でゲッタリングが進行するため、高温でのゲッタリング効果は全く無いか、たとえ存在しても低温保持より低い。このゲッタリング機構を勘案するに、ＳＯＩウエーハの場合、埋め込み酸化膜を挟んでＳＯＩ層と基板層が存在しているため、金属不純物が、この埋め込み酸化膜を通過できるかどうかがまず問題となる。その通過の可能性は各金属不純物の物性によって決定されるが、大まかには高温では通過できるものの低温では通過できないものが多い。このため、高温保持で汚染され、酸化膜を通過してＳＯＩウエーハ全体に金属不純物が均一に広がったのち、ゲッタリングのための低温保持を行なったとしても、酸化膜を挟んでゲッター層の存在する側の金属不純物のみがゲッター層で捕獲できるに過ぎない。具体例を上げれば、ゲッター層が埋め込み酸化膜を挟んでＳＯＩ層とは反対側、すなわち基板層側に位置している場合、高温でＳＯＩ層からゲッター層のある基板層側へ移動した分の不純物は低温保持で捕獲できるが、ＳＯＩ層側の不純物濃度を低減することはできない。つまり、高温で不純物がＳＯＩウエーハ全体に広がり薄まった分の濃度低減効果しか結果的に得られず、その低減幅はゲッター層の有無に関係ないことになる。その原因は、上述したように、ゲッタリングのための低温保持では、多くの不純物が酸化膜を通過できないことに起因している。

これらの事情から、通常考えうるＳＯＩウエーハへの不純物の混入は、ＳＯＩ層に形成される電子デバイスの特性を著しく悪化させることになり、問題である。またこのことは、ＳＯＩウエーハの二つの製法、つまりＳＩＭＯＸ法と貼り合わせ法のどちらにも共通する問題である。まして、複数段の埋め込み酸化膜を含む多層ＳＯＩ構造においては、特に不純物除去のための拡散が阻害されることになり、極めて問題である。

一方、単純な単層構造のＳＯＩの場合、ＳＯＩ層にゲッター層を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献２，３等参照）。
具体的には、特許文献２に開示された方法では、先ず、サンドブラスト、イオン打ち込み等を行って、ボンドウエーハの鏡面研磨面にミクロクラックを含む微小欠陥を発生させる。次に、熱処理を行って前記微小欠陥の部分に熱酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）を導入する。次に、その表面に酸化膜を形成し、これを、ベースウエーハと貼り合わせている。そして、これにより、ＳＯＩ層にゲッター層となるＯＳＦ層を設けている。さらに、この方法では、イオン打ち込み等の後の熱処理によりＯＳＦを形成するので、ボンドウエーハ表面の面粗さが悪化してしまう。このため、それを平滑化するために鏡面研磨を行うことが良いとされている。しかしながら、このように、ＯＳＦ層を研磨により平滑化すると、研磨代のバラツキによりＯＳＦ層厚にバラツキが生じ易い。このため、作製されるＳＯＩウエーハのゲッタリング能力に面内バラツキが生じることとなる。
また、特許文献３では、リンイオンやシリコンイオンを注入した層をＳＯＩ層底部のゲッター層として利用する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献２，３のいずれの貼り合わせＳＯＩウエーハでも、結合面自体に予めゲッター層としての結晶欠陥層があるので、貼り合わせ自体が困難で、結合面にボイドが多発するという問題もあった。

特開２００１−２３７３７０号公報特開平４−１１６８１６号公報特開平６−１６３８６２号公報特開平８−２９３５８９号公報特開平５−２３５００７号公報特開平９−３２６３９６号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、混入した金属不純物を複数のＳＯＩ層全てにおいて、均一かつ効率的に除く能力を持つとともに、結合強度も高くボイドもなく高品質の多層ＳＯＩウエーハ、並びにそれを製造する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、支持基板の上に、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハを製造する方法において、
少なくとも、シリコン単結晶ウエーハの一方の表面から酸素イオンを注入して、該シリコン単結晶ウエーハの内部に酸素イオン注入層を形成する工程と、
前記シリコン単結晶ウエーハを熱酸化することにより、少なくとも酸素イオンを注入した表面から酸素イオン注入層までにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜を形成したシリコン単結晶ウエーハをボンドウエーハとし、該シリコン酸化膜を介してベースウエーハと貼り合わせる工程と、
前記貼り合わせたボンドウエーハとベースウエーハに熱処理を加えて、ボンドウエーハとベースウエーハとを強固に結合する工程と、
前記ボンドウエーハを減厚してＳＯＩ層を形成し、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を有するウエーハを作製する工程と、
さらに、前記２層構造を有するウエーハを、貼り合わせるベースウエーハとして用い、前記酸素イオン注入層形成工程から前記ボンドウエーハ減厚工程までを１回以上繰り返して、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハとする工程と
を有することを特徴とする多層ＳＯＩウエーハの製造方法を提供する（請求項１）。

シリコン単結晶ウエーハの表面から酸素イオンを注入すると、酸素イオン注入層よりも内部の領域（より深い領域）に、転位ループや積層欠陥などの結晶欠陥層（二次欠陥層）が形成され、一方、表面には欠陥が形成されにくい。また、酸素イオン注入により形成された結晶欠陥層は、厚さのバラツキが少ない。そこで、本発明では、上記方法により多層ＳＯＩウエーハを製造することで、この厚さのバラツキの少ない結晶欠陥層を、全てのＳＯＩ層の底部に配置して、ゲッター層として利用する。このゲッター層は、ゲッタリング能力の面内バラツキが少ない。一方、各貼り合わせ界面は欠陥層とならないので良好な結合ができる。このため、製造した多層ＳＯＩウエーハは、混入した金属不純物を各ＳＯＩ層の表層近傍から均一かつ効率的に除く能力を持つとともに、各結合面にボイドもなく高品質の多層ＳＯＩウエーハとすることができる。

また、本発明は、少なくとも、支持基板の上に、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハであって、前記２以上ある埋め込み酸化膜のいずれもが、イオン注入された酸素を含み、前記２以上あるＳＯＩ層のいずれもが、酸素イオン注入により生じた結晶欠陥層を有するものであることを特徴とする多層ＳＯＩウエーハを提供する。

本発明の多層ＳＯＩウエーハは、各ＳＯＩ層に酸素イオン注入で生じた結晶欠陥層を有する。この酸素イオン注入により生じた結晶欠陥層は、ゲッター層として働き、ゲッタリング能力の面内バラツキが少ない。このため、本発明の多層ＳＯＩウエーハは、混入した金属不純物を各ＳＯＩ層の表層近傍から均一かつ効率良く除く能力をもつ。また、結晶欠陥層が貼り合わせ界面とはならないので、ボイドのない良好な結合がされたものとなる。

以上説明したように、本発明によれば、酸素イオン注入により生じた厚さのバラツキが少ない結晶欠陥層を、多段の各ＳＯＩ層中に配置してゲッター層として利用するので、混入した金属不純物を各ＳＯＩ層から均一かつ効率的に除く能力を持つとともに、ボイドのない良好な結合面を有する高品質な多層ＳＯＩウエーハ、並びにその製造方法を提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
多層ＳＯＩウエーハ内の金属不純物は各ＳＯＩ層の表層側近傍に存在することが問題であり、その他の部位に存在する限りにおいては、デバイス動作にさほど悪影響を及ぼさない。
本発明者らは、この点を考慮し、多段の各ＳＯＩ層の表層側から不純物を直接的に除去し、しかも安定に存在させる手段を見出すべく検討を重ねた。
その結果、本発明者らは、各ＳＯＩ層の下部で、かつ埋め込み酸化膜上部に、酸素イオン注入した際に生じる歪み層等の結晶欠陥層を配置し、これをゲッター層として利用することで、各ＳＯＩ層の表層から不純物を除去し、しかも安定に存在させることができることに想到し、本発明を完成させた。

ここで、図１に本発明の多層ＳＯＩウエーハの一例を示す。
この多層ＳＯＩウエーハ１０は、支持基板１１の上に、埋め込み酸化膜１２とＳＯＩ層１３の２層構造を３つ積層したものである。そして、３つある埋め込み酸化膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃのいずれもが、イオン注入された酸素を含み、３つあるＳＯＩ層１３ａ，１３ｂ，１３ｃのいずれもが、酸素イオン注入により生じた結晶欠陥層１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有する。この結晶欠陥層１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、ゲッター層として働き、各ＳＯＩ層に混入した金属不純物を、酸化膜を介することなく直接各ＳＯＩ層の表層近傍から除去することができる。このため、デバイス作製熱処理を終了し、最終的に室温まで冷却するわずかな時間においても、効果的に不純物ゲッタリング能力を発揮する。しかも、このゲッター層は酸素イオン注入により生じたものであるから、厚さのバラツキが少なく、ゲッタリング能力の面内バラツキが少ないとともに、リン拡散やサンドブラスト等によるゲッター層のように不純物を一切含有しないという利点もある。
尚、図１では、支持基板の上に、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を３つ積層したものを例示したが、本発明の多層ＳＯＩウエーハは、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２つ、あるいは４つ以上積層したものでも良い。

そして、このような多層ＳＯＩウエーハを製造する方法としては、例えば、以下に説明する図２に示す方法を挙げることができる。
先ず、シリコン単結晶ウエーハ２０の一方の表面から酸素イオンを注入して、シリコン単結晶ウエーハ２０の内部に酸素イオン注入層２５を形成する（図２（ａ）参照）。
この時、酸素イオン注入層２５よりも内部の領域（より深い領域）には、転位ループや積層欠陥などの結晶欠陥層（二次欠陥層）１４が形成される。

次に、シリコン単結晶ウエーハ２０を熱酸化することにより、酸素イオンを注入した表面から酸素イオン注入層２５までにシリコン酸化膜２２を形成する（図２（ｂ）参照）。
このように、熱酸化することにより、緻密で高品質なシリコン酸化膜を形成することができる。そして、本発明では、この緻密で高品質なシリコン酸化膜２２を、ＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜１２とするので、通常のＳＩＭＯＸウエーハと異なり十分な絶縁耐圧を得ることができる。
そして、シリコン酸化膜２２を形成したシリコン単結晶ウエーハをボンドウエーハ２６とし、シリコン酸化膜２２を介してベースウエーハ２７と貼り合わせる（図２（ｃ）参照）。
この時、結合面は、埋め込み酸化膜１２とベースウエーハ２７の界面になる。

次に、貼り合わせたボンドウエーハ２６とベースウエーハ２７に熱処理を加えて、ボンドウエーハ２６とベースウエーハ２７とを強固に結合する（図２（ｄ）参照）。

そして、ボンドウエーハ２６を減厚してＳＯＩ層１３を形成し、埋め込み酸化膜１２とＳＯＩ層１３の２層構造を有するウエーハを作製する（図２（ｅ）参照）。尚、ボンドウエーハ２６を減厚する方法としては、例えば、研削・研磨による方法や、イオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法と呼ばれる）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

さらに、このようにして作製した２層構造を有するウエーハを、貼り合わせるベースウエーハとして用い、上述の酸素イオン注入層形成工程（図２（ａ））からボンドウエーハ減厚工程（図２（ｅ））までを１回以上繰り返して、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハとする（図２（ｆ）参照）。
図２（ｆ）で例示した２層構造を３つ積層した多層ＳＯＩウエーハは、酸素イオン注入層形成工程（図２（ａ））からボンドウエーハ減厚工程（図２（ｅ））までをさらに２回繰り返すことで製造できる。

このようにして製造した多層ＳＯＩウエーハ１０の各ＳＯＩ層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの層内の下部には、酸素イオン注入により生じた、厚さのバラツキが少ない結晶欠陥層１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成される。この結晶欠陥層１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、各ＳＯＩ層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの層内にあって表層近傍の極近くであるので、デバイスプロセスが低温短時間だった場合にもその役割を十分に果たし、混入した金属不純物を各ＳＯＩ層１３ａ，１３ｂ，１３ｃの表層近傍から均一かつ直接的に除去することができる。通常のＳＩＭＯＸウエーハでは、この結晶欠陥層はＳＯＩ層の中ではなく、酸化膜を隔てて基板側に形成されるため、ゲッタリング効果が十分には発揮されないが、本発明では、貼り合わせ法と組み合わせることにより、各ＳＯＩ層内に結晶欠陥層を形成できるため、間に酸化膜を介することなく直接重金属を除去することができる。
また、貼り合わせ界面に欠陥層があるわけではないので、結合力も十分なものとなる。

尚、近年、支持基板１１がシリコン単結晶である多層ＳＯＩウエーハの需要が増すなか、多層ＳＯＩウエーハに、混入した金属不純物を各ＳＯＩ層の表層近傍から除く能力を付与することが求められている。本発明の製造方法によれば、このような要求を満たし、かつ、多層ＳＯＩ構造を有する多層ＳＯＩウエーハを製造することができる。

以下、実施例及び比較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、比較例１）
埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２つ積層した多層ＳＯＩウエーハを、Ａ，Ｂの２種類用意した。多層ＳＯＩウエーハＡ，Ｂは、いずれも、直径２００ｍｍであり、ＳＯＩ層／埋め込み酸化膜の厚さは、それぞれ１４μｍ／５０ｎｍであり、また、支持基板は、シリコン単結晶である。

多層ＳＯＩウエーハＡは、図２の方法にしたがって製造したものであり、埋め込み酸化膜／支持基板の界面に結合面を有し、各ＳＯＩ層下部で各埋め込み酸化膜直上に酸素イオンを注入して形成された結晶欠陥層（二次欠陥層）を持つＳＯＩウエーハである。

一方、ＳＯＩウエーハＢは、通常の貼り合わせＳＯＩウエーハの製造工程を繰り返して製造した、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２つ積層したＳＯＩウエーハである。従って、各ＳＯＩ層の層内には、結晶欠陥層（二次欠陥層）は存在していない。

これらのＳＯＩウエーハＡ，Ｂに、故意汚染不純物としてＦｅを含有する溶液を最表層のＳＯＩ層の表面に塗布し（汚染濃度は約1×１０^１2ｃｍ^−２）、その後、1000℃で48時間の熱処理による押し込み拡散を行い、室温まで冷却した。そして、表層から各層を2μmごと段階的にエッチングし、その溶液中のFe濃度を化学分析する方法で故意汚染したＦｅの深さ分布を測定した。

その結果、本発明にかかる多層ＳＯＩウエーハＡの場合、各ＳＯＩ層の表層近傍のＦｅ濃度は検出下限以下だったのに対し、埋め込み酸化膜と接するＳＯＩ層の領域（結晶欠陥層の領域）では、Ｆｅが（10¹²cm^-3台の濃度で）検出された。また結合界面にボイド等は発生しておらず、結合強度も高いものであった（実施例１）。

一方、比較例にかかる多層ＳＯＩウエーハＢでは、各ＳＯＩ層中に（10¹²cm^-3台の濃度の）Ｆｅがほぼ均一に検出され、埋め込み酸化膜に挟まれた各ＳＯＩ層に閉じこめられている様子がわかり、各ＳＯＩ層の表層近傍からＦｅをほとんど除去できていないことがわかった（比較例１）。

以上のことから、図２の方法に従って製造した実施例１の多層ＳＯＩウエーハＡは、比較例１の多層ＳＯＩウエーハＢに比べて、著しく高いゲッタリング能力を有していることが判る。

尚、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。

例えば、上記実施例では、支持基板がシリコン単結晶である場合を中心に説明したが、本発明は、支持基板を、石英、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、サファイヤ、その他のセラミックス材のような絶縁性材料とする場合にも適用することができる。

本発明の多層ＳＯＩウエーハの一例を示す概略断面図である。本発明の多層ＳＯＩウエーハの製造方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０…多層ＳＯＩウエーハ、１１…支持基板、
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…埋め込み酸化膜、
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…ＳＯＩ層、
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…結晶欠陥層、
２０…シリコン単結晶ウエーハ、２２…シリコン酸化膜、
２５…酸素イオン注入層、２６…ボンドウエーハ、２７…ベースウエーハ。

Claims

少なくとも、支持基板の上に、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハを製造する方法において、
少なくとも、シリコン単結晶ウエーハの一方の表面から酸素イオンを注入して、該シリコン単結晶ウエーハの内部に酸素イオン注入層を形成する工程と、
前記シリコン単結晶ウエーハを熱酸化することにより、少なくとも酸素イオンを注入した表面から酸素イオン注入層までにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜を形成したシリコン単結晶ウエーハをボンドウエーハとし、該シリコン酸化膜を介してベースウエーハと貼り合わせる工程と、
前記貼り合わせたボンドウエーハとベースウエーハに熱処理を加えて、ボンドウエーハとベースウエーハとを強固に結合する工程と、
前記ボンドウエーハを減厚してＳＯＩ層を形成し、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を有するウエーハを作製する工程と、
さらに、前記２層構造を有するウエーハを、貼り合わせるベースウエーハとして用い、前記酸素イオン注入層形成工程から前記ボンドウエーハ減厚工程までを１回以上繰り返して、埋め込み酸化膜とＳＯＩ層の２層構造を２以上積層した多層ＳＯＩウエーハとする工程と
を有することを特徴とする多層ＳＯＩウエーハの製造方法。