JP5183958B2 - Manufacturing method of SOI wafer - 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、ゲッタリング能力を有するSOIウエーハの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an SOI (Silicon on Insulator) wafer by a bonding method, and more particularly to a method for manufacturing an SOI wafer having gettering ability.

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(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。   In recent years, high-integrated CMOS, IC, high-voltage devices, etc. have been manufactured using SOI wafers. The specific structure of an SOI wafer is that an oxide film or the like is buried under a silicon single crystal layer (hereinafter referred to as an SOI layer) used as an active layer which becomes a surface device fabrication region with respect to the depth direction of the wafer. It has a three-layer structure in which an insulating layer (hereinafter sometimes referred to as a Box layer) is sandwiched and a silicon single crystal layer (hereinafter referred to as a support substrate) is provided below the insulating layer. The SOI wafer having such a structure has features such as low parasitic capacitance and high radiation resistance. Therefore, effects such as high-speed and low-power consumption operation and latch-up prevention are expected, and it is promising as a substrate for high-performance semiconductor elements.

このSOIウエーハの製造方法として、例えば、以下の方法が知られている。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、貼り合わせ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、貼り合わせ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、その後に前述の貼り合わせ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。   As a method for manufacturing this SOI wafer, for example, the following method is known. Specifically, two mirror-polished silicon single crystal wafers (a silicon single crystal wafer (bond wafer) serving as an SOI layer and a silicon single crystal wafer (base wafer) serving as a support substrate) are prepared, and at least one silicon substrate is prepared. An oxide film is formed on the surface. Then, after bonding these silicon single crystal wafers with an oxide film interposed therebetween, bonding heat treatment is performed to increase the bond strength. Thereafter, the bond wafer is thinned to obtain an SOI wafer on which an SOI layer is formed. As a method for thinning, a bond wafer is ground to a desired thickness, polished, or the like, or a bonding layer is formed by ion implantation of hydrogen or helium in advance before bonding. There is a method called an ion implantation separation method (for example, Patent Document 1) in which a heat treatment is performed at a lower temperature and the bond wafer is peeled off by this release layer, followed by the bonding heat treatment described above.

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。   As described above, SOI wafers have many structural advantages from the viewpoint of electrical characteristics, but have structural disadvantages from the viewpoint of resistance to metal impurity contamination. That is, in many cases, the diffusion rate of metal impurities is slower in the silicon oxide film than in silicon. As a result, when contaminated from the surface of the SOI layer, metal impurities are difficult to pass through the Box layer, so that they are accumulated in the thin SOI layer. Therefore, the adverse effect of metal contamination is greater than in the case of a silicon substrate having no SOI structure. Therefore, in an SOI wafer, one of the more important qualities is to have a capability (gettering capability) of capturing a metal impurity and removing it from a region to be an active layer of a semiconductor element.

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。   In general, gettering techniques (oxygen precipitates, high-concentration boron addition, backside polycrystalline silicon film, etc.) used in the case of a silicon substrate having no SOI structure are all provided on the support substrate side opposite to the active layer. A ring layer is introduced. However, even if a gettering layer is introduced on the support substrate side using a similar method in an SOI wafer, the above-described gettering layer does not function sufficiently because the metal impurities hardly pass through the Box layer. Has a problem that it cannot be applied to SOI wafers as they are.

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、貼り合わせ前に、ボンドウエーハの貼り合わせ面にリンまたはシリコンをイオン注入して歪みや欠陥を導入し、貼り合わせ後にSOI層とBox層の間のゲッタリング層とする方法(例えば、特許文献2参照)がある。
また、リンやシリコン以外のイオン、例えばホウ素、炭素、アルゴン、クリプトン、キセノンを、貼り合わせ前に、ボンドウエーハの貼り合わせ面にイオン注入する方法も提案されている(特許文献3参照)。
In order to solve such a problem, several methods for introducing a gettering region in the vicinity of the SOI layer have been proposed in the SOI wafer manufacturing method by the bonding method.
For example, before bonding, phosphorus or silicon is ion-implanted into the bonding surface of the bond wafer to introduce strain and defects, and after bonding, a gettering layer between the SOI layer and the Box layer is formed (for example, a patent Reference 2).
There has also been proposed a method in which ions other than phosphorus and silicon, for example, boron, carbon, argon, krypton, and xenon are ion-implanted into a bonding surface of a bond wafer before bonding (see Patent Document 3).

しかし、このような方法によって製造されたSOIウエーハを用いてデバイス作製を行うと、リーク電流が異常発生したり、酸化膜耐圧が悪化したりすることがあるという問題点があった。   However, when a device is manufactured using an SOI wafer manufactured by such a method, there is a problem that a leakage current may be abnormally generated or an oxide film breakdown voltage may be deteriorated.

特許第3048201号公報Japanese Patent No. 3048201 特開平6−163862号公報JP-A-6-163862 特開平10−32209号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-32209

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、リーク電流の発生や酸化膜耐圧の劣化等を抑制しながらも、十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of such problems, and provides a method for manufacturing an SOI wafer having sufficient gettering capability while suppressing generation of leakage current and deterioration of oxide film breakdown voltage. For the purpose.

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または前記ボンドウエーハのいずれか一方の表面から、シリコン中で電気的に不活性である中性元素をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成する工程と、前記イオン注入した表面を前記絶縁膜を介して前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハとを貼り合わせる工程と、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、前記イオン注入ダメージ層形成工程における中性元素のイオン注入は、ドーズ量を1×1012atoms/cm以上1×1015atoms/cm未満として行うことを特徴とするSOIウエーハの製造方法を提供する。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and includes at least a step of preparing a base wafer and a bond wafer made of silicon single crystal, and an insulating film on at least one surface of the base wafer and the bond wafer. A step of forming an ion-implanted damage layer by ion-implanting a neutral element electrically inactive in silicon from the surface of either the base wafer or the bond wafer; and the ion In the method for manufacturing an SOI wafer, comprising the step of bonding the base wafer and the bond wafer through the insulating film to the implanted surface, and the step of thinning the bonded wafer. Neutral element ion implantation in the forming step is performed at a dose of 1 × 10 12 at. It that provides method for manufacturing an SOI wafer characterized by performing a oms / cm 2 to 1 × 10 than 15 atoms / cm 2.

このように、ベースウエーハまたはボンドウエーハのいずれか一方に、シリコン中で電気的に不活性である中性元素をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成する工程を備えるSOIウエーハの製造方法において、中性元素のイオン注入を、ドーズ量を1×1012atoms/cm以上1×1015atoms/cm未満として行えば、貼り合わせ熱処理時にイオン注入ダメージ層からの2次欠陥が発生することを抑制しながらも、十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハを製造することができる。その結果、リーク電流の発生や酸化膜耐圧の劣化が抑制されたSOIウエーハとすることができる。 As described above, in a method for manufacturing an SOI wafer, the method includes a step of forming an ion-implanted damage layer by ion-implanting a neutral element that is electrically inactive in silicon into either a base wafer or a bond wafer. the ion implantation of the neutral element, by performing dose amount of less than 1 × 10 12 atoms / cm 2 or more 1 × 10 15 atoms / cm 2 , that the secondary defects from the ion-implanted damaged layer during the bonding heat treatment is generated An SOI wafer having a sufficient gettering capability can be manufactured while suppressing the above. As a result, it is possible to obtain an SOI wafer in which generation of leakage current and deterioration of oxide film breakdown voltage are suppressed.

この場合、前記イオン注入する中性元素は、アルゴン、炭素、酸素、シリコンの少なくとも一種とすることが好ましい。 In this case, the neutral element of the ion implantation, argon, carbon, oxygen, have preferably be at least one silicon.

このように、イオン注入する中性元素は、アルゴン、炭素、酸素、シリコンの少なくとも一種とすれば、より低ドーズ量で効果的に十分なゲッタリング能力を付加できる。また、このような低ドーズ量であれば、貼り合わせ熱処理時における2次欠陥の発生もより抑制することができる。さらに、これらの元素であれば、デバイス特性に悪影響を及ぼしにくいので好ましい。   Thus, if the neutral element to be ion-implanted is at least one of argon, carbon, oxygen, and silicon, sufficient gettering ability can be effectively added with a lower dose. In addition, with such a low dose, the occurrence of secondary defects during the bonding heat treatment can be further suppressed. Further, these elements are preferable because they do not adversely affect device characteristics.

この場合、前記中性元素として、炭素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1013atoms/cm以下とし、酸素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1015atoms/cm未満とし、アルゴンまたはシリコンをイオン注入する場合はドーズ量を1×1014atoms/cm以下とすることが好ましい。 In this case, when carbon is ion-implanted as the neutral element, the dose is set to 1 × 10 13 atoms / cm 2 or less, and when oxygen is ion-implanted, the dose is set to less than 1 × 10 15 atoms / cm 2. , when argon or silicon ion implantation have preferable that a dose of 1 × 10 14 atoms / cm 2 or less.

イオン注入する各中性元素に応じてこのようなドーズ量とすれば、より確実に貼り合わせ熱処理時の2次欠陥の発生を抑制することができる。また、このようなドーズ量であっても、十分なゲッタリング能力を付加することができる。   If such a dose amount is set according to each neutral element to be ion-implanted, the occurrence of secondary defects during the bonding heat treatment can be suppressed more reliably. Even with such a dose, sufficient gettering capability can be added.

また、前記中性元素をイオン注入する際の加速電圧を200keV以下とすることが好ましい。また、前記イオン注入ダメージ層の厚さを0.5μm以下とすることが好ましい。 Moreover, it is not preferable that the acceleration voltage for ion implantation of the neutral element than 200 keV. Moreover, it is not preferable that the thickness of the ion-implanted damaged layer and 0.5μm or less.

このように、中性元素をイオン注入する際の加速電圧を200keV以下、あるいはイオン注入ダメージ層の厚さを0.5μm以下とすれば、イオン注入ダメージ層の厚さが十分に薄いので、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生をより抑制することができる。また、このようなイオン注入ダメージ層の厚さであっても、十分なゲッタリング能力を付加することができる。   Thus, if the acceleration voltage when ion-implanting the neutral element is 200 keV or less or the thickness of the ion-implanted damaged layer is 0.5 μm or less, the thickness of the ion-implanted damaged layer is sufficiently thin. Generation of secondary defects from the ion-implanted damaged layer during the heat treatment can be further suppressed. Further, even with such a thickness of the ion implantation damage layer, sufficient gettering capability can be added.

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。 Also, the insulating film has preferably be a combination silicon oxide film or a silicon nitride film, or these.

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。   As described above, if the insulating film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a combination thereof, a dense and high-quality insulating film can be easily formed, and an SOI wafer having excellent insulating characteristics and gettering ability can be obtained. it can.

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。 Further, the thinning of the bond wafer, Ru can be performed by grinding the bond wafer. In addition, before the bonding step, the bonding wafer is thinned by providing an ion implantation layer for peeling by ion implantation of hydrogen or helium from the surface of the bonding wafer before the bonding step. in, Ru can be done by peeling the bond wafer at the ion-implanted layer for delamination by delamination heat treatment.

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、イオン注入ダメージ層に十分なゲッタリング能力を付加することができ、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生を抑制することができる。   Thus, even when thinning the bond wafer is performed by grinding a bond wafer suitable for forming a thick SOI layer, it is performed by an ion implantation separation method suitable for forming a thin film SOI layer. Even if it exists, sufficient gettering capability can be added to an ion implantation damage layer, and generation | occurrence | production of the secondary defect from the ion implantation damage layer at the time of bonding heat processing can be suppressed.

また、少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記中性元素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。 Further, prior to at least the bonding step, Ru can also comprise the step of the element serving as a donor in silicon the neutral element from the surface ion-implanted by ion implantation to form an n + layer. In this case, the element to be the donor, phosphorus, arsenic, Ru can be at least one of antimony.

このように、少なくとも貼り合わせ工程より前に、中性元素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、イオン注入ダメージ層によ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とすることができる。また、このような場合でも、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生を抑制することができる。 Thus, at least prior to the bonding step, a step of forming an n + layer by ion-implanting an element serving as a donor in silicon from a surface on which a neutral element is ion-implanted is provided. If at least one of phosphorus, arsenic, and antimony is used, a stronger gettering site can be obtained by combining the gettering ability by the n + layer and the gettering ability by the ion implantation damage layer. Even in such a case, the occurrence of secondary defects from the ion-implanted damage layer during the bonding heat treatment can be suppressed.

さらに、これらの場合、中性元素のイオン注入のドーズ量を、5×1012atoms/cm以上とすることが好ましい。
このように、中性元素のイオン注入のドーズ量を、5×1012atoms/cm以上とすれば、より確実に、十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハを製造することができる。
Moreover, in these cases, the dose amount of ion implantation of the neutral element, have preferably be 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more.
As described above, when the dose amount of the ion implantation of the neutral element is set to 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more, an SOI wafer having sufficient gettering ability can be manufactured more reliably.

本発明によれば、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生を抑制しながらも、イオン注入ダメージ層に十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハを製造することができる。そして、このように製造されたSOIウエーハを用いてデバイス作製を行えば、重金属汚染に強いデバイスでありながら、欠陥が少ないのでリーク電流の異常発生や酸化膜耐圧の劣化等を防止することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture an SOI wafer having a sufficient gettering capability in an ion implantation damage layer while suppressing generation of secondary defects from the ion implantation damage layer during the bonding heat treatment. If a device is manufactured using the SOI wafer manufactured in this way, it is a device that is resistant to heavy metal contamination, but it can prevent the occurrence of abnormal leakage current, deterioration of oxide film breakdown voltage, etc. because it has few defects. .

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。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a method for manufacturing an SOI wafer by the bonding method of the present invention. The outline of the manufacturing method of the SOI wafer by the bonding method to which the present invention is applied is as follows.

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(ここでは、ベースウエーハ14に絶縁膜13を形成する)。
First, in the step (a), a silicon single crystal wafer (bond wafer) 11 to be an SOI layer for forming a semiconductor element and a silicon single crystal wafer (base wafer) 14 to be a support substrate are prepared.
Next, in step (b), an insulating film 13 to be a buried insulating layer is formed on at least one of the base wafer 14 and the bond wafer 11 (here, the insulating film 13 is formed on the base wafer 14).

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中性元素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(ここでは、ボンドウエーハ11にイオン注入ダメージ層を形成する)。イオン注入に先立ち、ボンドウエーハ11の表面にスクリーン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、工程(d)の前に除去しても構わないし、除去しなくても構わない。本発明では、この中性元素のイオン注入のドーズ量を規定するが、これについては後述する。   Next, in step (c), ion implantation of a neutral element is performed from at least one surface of the base wafer 14 or the bond wafer 11 to form an ion implantation damage layer 12 (here, ion implantation damage to the bond wafer 11). Forming a layer). Prior to ion implantation, a screen oxide film may be formed on the surface of the bond wafer 11. Further, the screen oxide film may or may not be removed before the step (d). In the present invention, the dose amount of ion implantation of the neutral element is defined, which will be described later.

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、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る面として絶縁膜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。例えば、酸化性あるいは不活性ガス雰囲気下、1000℃〜1200℃、10分〜6時間の熱処理を行うことで二枚のウエーハを強固に結合することができる。
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Box層53を挟んでSOI層51が形成されており、イオン注入ダメージ層52を有するSOIウエーハ50を得る。
Next, in the step (d), the base wafer 14 and the bond wafer 11 are bonded together with the surface on the side where the ion-implanted damage layer 12 is formed by ion implantation as a bonding surface through the insulating film 13. In this way, a bonded wafer 20 having a bonded surface 15 is obtained.
Next, in the step (e), a bonding heat treatment for increasing the bonding strength of the bonding surface 15 is performed. For example, two wafers can be firmly bonded by performing heat treatment at 1000 ° C. to 1200 ° C. for 10 minutes to 6 hours in an oxidizing or inert gas atmosphere.
Next, in the step (f), the bond wafer 11 is thinned to a desired thickness, and the SOI layer 51 is formed on the support substrate 54 with the Box layer 53 interposed therebetween, and the SOI wafer having the ion implantation damage layer 52 is formed. Get 50.

なお、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前記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、ゲッタリング層形成目的のイオン注入工程より先に行っても後に行ってもよい。
For thinning the bond wafer, for example, a method by surface grinding and mirror polishing suitable for forming a relatively thick SOI layer can be used, or a bond wafer and a base wafer suitable for forming a thin SOI layer can be used. Before the step (d) of bonding, a separation ion layer is formed by injecting hydrogen ions or helium ions into the bonding surface of the bond wafer in advance, and bonding is performed with the separation ion implantation layer after the bonding. A method called an ion implantation separation method in which the wafer is thinned by peeling off the wafer can also be used. In addition, when thinning by ion implantation peeling method, after bonding at room temperature, after performing peeling by performing low temperature heat treatment at about 500 ° C., if necessary, bonding heat treatment step for increasing bond strength (E) is performed in the order of steps. Further, at this time, a method of peeling off the ion-implanted layer by mechanical stress without performing the heat treatment at about 500 ° C. by bonding the wafer surface to be bonded after being activated by plasma treatment. It can also be used.
Note that the ion implantation layer for peeling may be formed before or after the ion implantation step for forming the gettering layer.

このようにしてイオン注入ダメージ層52を有するSOIウエーハ50を得るわけであるが、前記図1の工程(c)においてイオン注入する際に、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、Box層53との界面領域にイオン注入ダメージ層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、Box層53との界面領域にイオン注入ダメージ層52が形成される。   In this way, the SOI wafer 50 having the ion-implanted damage layer 52 is obtained. When ions are implanted into the bond wafer 11 in the step (c) of FIG. ), An ion implantation damage layer 52 is formed in the interface region between the SOI layer 51 and the Box layer 53. Conversely, when ions are implanted into the base wafer 14, an ion implantation damage layer 52 is formed in the interface region of the support substrate 54 with the Box layer 53, as shown in FIG.

このような工程を経ることによって、シリコン単結晶ウエーハ中にイオン注入してイオン注入ダメージ層を導入し、ゲッタリング層とするSOIウエーハを製造する方法によると、前述のように、リーク電流が異常発生したり、酸化膜耐圧が悪化することがあるという問題点があった。   Through such a process, according to the method of manufacturing an SOI wafer as a gettering layer by introducing an ion implantation damage layer by ion implantation into a silicon single crystal wafer, the leakage current is abnormal as described above. There has been a problem that it may occur or the breakdown voltage of the oxide film may deteriorate.

このようなSOIウエーハの特性劣化の理由の具体的な要因として、本発明者らは、貼り合わせ熱処理後にイオン注入ダメージ層から発生する2次欠陥に着目した。
すなわち、従来は、SOIウエーハにゲッタリングを目的としてイオン注入ダメージ層を導入するためのイオン注入のドーズ量は1×1015atoms/cm以上必要であるとされていた。このようなドーズ量であれば、確かに、強力なゲッタリング能力をSOIウエーハに付加することができるが、一方で、貼り合わせ熱処理時に、2次欠陥を大量に発生させることにつながり、SOIウエーハの特性を悪化させる場合があった。また、ドーズ量の桁が一桁上がると、イオン注入にかかる時間は約10倍となる。従来のようにドーズ量が1×1015atoms/cm以上であると、長時間のイオン注入が必要となり、生産性が低くなるとともにコストが高くなる。
As a specific factor for the reason for the deterioration of the characteristics of such an SOI wafer, the present inventors have focused on secondary defects generated from the ion implantation damage layer after the bonding heat treatment.
That is, conventionally, the dose amount of ion implantation for introducing an ion implantation damage layer for the purpose of gettering into an SOI wafer is required to be 1 × 10 15 atoms / cm 2 or more. With such a dose amount, a strong gettering ability can surely be added to the SOI wafer, but on the other hand, a large amount of secondary defects are generated during the bonding heat treatment, and the SOI wafer is generated. In some cases, the characteristics of the material deteriorated. If the digit of the dose amount increases by one digit, the time required for ion implantation becomes about 10 times. When the dose is 1 × 10 15 atoms / cm 2 or more as in the conventional case, ion implantation for a long time is required, resulting in low productivity and high cost.

これらのことに基づいて、本発明者らはさらに検討を重ね、貼り合わせ法によるSOIウエーハの製造において、ゲッタリング目的のイオン注入ダメージ層形成のためのイオン注入の際に、シリコン中で電気的に不活性である中性元素(以下、単に中性元素と称する)をイオン注入する場合においては、ドーズ量が従来より低くても、金属不純物を十分にゲッタリングできることを見出した。そして、種々の条件を最適化することで本発明を完成させた。   Based on these facts, the present inventors have further studied, and in the manufacture of SOI wafer by the bonding method, in the ion implantation for forming the ion implantation damage layer for the purpose of gettering, the electrical In the case of ion-implanting a neutral element that is inert to the metal (hereinafter simply referred to as a neutral element), it has been found that metal impurities can be sufficiently gettered even if the dose is lower than in the prior art. The present invention was completed by optimizing various conditions.

具体的には、図1に示すようなSOIウエーハの製造方法において、図1(c)のイオン注入工程において、イオン注入する中性元素のドーズ量が従来よりも少ない、1×1012atoms/cm以上1×1015atoms/cm未満であれば、十分なゲッタリング能力を得ると共に、貼り合わせ熱処理時にイオン注入ダメージ層から2次欠陥が発生することを抑制することができることがわかった。また、本発明のような低ドーズ量で十分なゲッタリング能力を得ることができるので、従来のような長時間のイオン注入が必要でなくなり、生産性が高くなるとともにコストを低く抑えることができる。 Specifically, in the SOI wafer manufacturing method as shown in FIG. 1, in the ion implantation step of FIG. 1 (c), the dose amount of the neutral element to be ion implanted is 1 × 10 12 atoms / if cm 2 or more 1 × 10 15 atoms / cm 2 less than a, it was found that it is possible to suppress the conjunction obtain sufficient gettering capability, secondary defects from the ion-implanted damaged layer during the bonding heat treatment occurs . In addition, since sufficient gettering capability can be obtained with a low dose as in the present invention, it is not necessary to perform long-time ion implantation as in the prior art, and productivity can be increased and costs can be kept low. .

また、貼り合わせ熱処理時にイオン注入ダメージ層から2次欠陥を発生することをより抑制するためには、中性元素のドーズ量は、1×1014atoms/cm以下とすることがさらに好ましく、1×1013atoms/cm以下とすることが特に好ましい。
なお、本発明の効果のあるドーズ量の下限である1×1012atoms/cmは、通常のイオン注入装置によって安定に制御してイオン注入することのできるドーズ量のほぼ下限値である。
この場合、より確実にSOIウエーハにゲッタリング能力を付加するには、中性元素のドーズ量を5×1012atoms/cm以上とすることが好ましい。
In order to further suppress the generation of secondary defects from the ion-implanted damage layer during the bonding heat treatment, the dose of the neutral element is more preferably 1 × 10 14 atoms / cm 2 or less, It is particularly preferable to set it to 1 × 10 13 atoms / cm 2 or less.
Note that 1 × 10 12 atoms / cm 2 , which is the lower limit of the effective dose amount of the present invention, is a substantially lower limit value of the dose amount that can be stably ion-implanted by a normal ion implantation apparatus.
In this case, in order to more reliably add gettering capability to the SOI wafer, the dose of the neutral element is preferably set to 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more.

また、2次欠陥の発生を抑制するためのドーズ量の上限は、注入する元素の種類によって異なることを見出した。イオン注入する中性元素としては、アルゴン、炭素、酸素、シリコンの各イオン種が好適である。
特に、アルゴンをシリコン中にイオン注入してイオン注入ダメージ層を導入した場合は強力なゲッタリング能力を持つゲッタリングサイトとすることができるので好ましい。
It has also been found that the upper limit of the dose amount for suppressing the generation of secondary defects varies depending on the type of element to be implanted. As the neutral element to be ion-implanted, each ion species of argon, carbon, oxygen, and silicon is suitable.
In particular, when argon is ion-implanted into silicon and an ion-implanted damage layer is introduced, a gettering site having strong gettering ability can be obtained, which is preferable.

この場合、貼り合わせ熱処理時の2次欠陥の発生をより確実に抑制するためには、炭素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1013atoms/cm以下とし、酸素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1015atoms/cm未満とし、アルゴンまたはシリコンをイオン注入する場合はドーズ量を1×1014atoms/cm以下とすることが好ましい。 In this case, in order to more reliably suppress the generation of secondary defects during the bonding heat treatment, when carbon is ion-implanted, the dose is set to 1 × 10 13 atoms / cm 2 or less, and oxygen is ion-implanted. The dose is preferably less than 1 × 10 15 atoms / cm 2, and in the case of ion implantation of argon or silicon, the dose is preferably 1 × 10 14 atoms / cm 2 or less.

また、このような中性元素のイオン注入工程においては、イオン注入装置の加速電圧を200keV以下とすると、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生をより確実に抑制することができるので好ましい。また、このような加速電圧であっても、十分なゲッタリング効果をSOIウエーハに付加することができる。
なお、この中性元素のイオン注入時の加速電圧の下限は明確に限定されるものではないが、シリコン単結晶ウエーハ中にイオン注入される必要があるので、注入される元素にもよるが、例えば、10keVとすることができる。
Further, in such a neutral element ion implantation step, when the acceleration voltage of the ion implantation apparatus is set to 200 keV or less, the generation of secondary defects from the ion implantation damage layer during the bonding heat treatment is more reliably suppressed. Is preferable. Even with such an acceleration voltage, a sufficient gettering effect can be added to the SOI wafer.
Although the lower limit of the acceleration voltage at the time of ion implantation of this neutral element is not clearly limited, it is necessary to ion-implant into the silicon single crystal wafer, so depending on the implanted element, For example, it can be 10 keV.

また、本発明のイオン注入装置の加速電圧を調節して、イオン注入ダメージ層の厚さを0.5μm以下とすることが好ましい。このようなイオン注入ダメージ層の厚さとするには、注入する中性元素によっても異なるが、イオン注入装置の加速電圧を約200keV以下とすることによっておおよそ達成することができる。
このようなイオン注入ダメージ層の厚さであると、通常の断面TEM観察ではほとんどイオン注入ダメージ層を観察することはできないが、SOIウエーハを製造した場合に、十分なゲッタリング能力を付加することができる。そして、このようなイオン注入ダメージ層の厚さであれば、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生をより確実に抑制することができる。
なお、このようなイオン注入ダメージ層の厚さの下限は特に限定されないが、イオン注入装置の加速電圧の下限によって決定される。
Moreover, it is preferable to adjust the acceleration voltage of the ion implantation apparatus of the present invention so that the thickness of the ion implantation damage layer is 0.5 μm or less. The thickness of such an ion-implanted damage layer varies depending on the neutral element to be implanted, but can be roughly achieved by setting the acceleration voltage of the ion implantation apparatus to about 200 keV or less.
With such a thickness of the ion-implanted damage layer, the ion-implanted damage layer can hardly be observed by ordinary cross-sectional TEM observation, but sufficient gettering capability should be added when an SOI wafer is manufactured. Can do. And if it is the thickness of such an ion implantation damage layer, generation | occurrence | production of the secondary defect from the ion implantation damage layer at the time of bonding heat processing can be suppressed more reliably.
The lower limit of the thickness of the ion implantation damage layer is not particularly limited, but is determined by the lower limit of the acceleration voltage of the ion implantation apparatus.

ところで、本発明では、イオン注入ダメージ層は、ボンドウエーハとベースウエーハとの貼り合わせ面付近に形成される。すなわち、前述の通り、図2のように、ボンドウエーハの表面にイオン注入した場合にはSOI層の、Box層との界面領域に、ベースウエーハの表面にイオン注入した場合には支持基板の、Box層との界面領域に、イオン注入ダメージ層が形成される。このとき、貼り合わせ面の結合状態は両者に違いはないため、本来、両者のイオン注入ダメージ層のゲッタリング能力は同等である。   By the way, in the present invention, the ion-implanted damage layer is formed in the vicinity of the bonding surface between the bond wafer and the base wafer. That is, as described above, as shown in FIG. 2, when ions are implanted into the surface of the bond wafer, the interface region of the SOI layer and the box layer is ion implanted into the surface of the base wafer. An ion implantation damage layer is formed in an interface region with the Box layer. At this time, since the bonding state of the bonded surfaces is not different from each other, the gettering ability of both ion implantation damage layers is essentially the same.

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中性元素をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成し、貼り合わせを行う方がより好ましい。   However, due to the difference between the diffusion rate of metal impurities in silicon and the diffusion rate in silicon oxide, the metal impurities hardly pass through the Box layer. Therefore, it can be said that the gettering layer is preferably formed in the interface region of the SOI layer with the Box layer in order to getter the metal contamination attached to the surface of the SOI layer which is a device manufacturing region. In other words, it is more preferable that neutral elements are ion-implanted on the surface of the bond wafer to form an ion-implanted damage layer and bonding is performed.

ただし、ベースウエーハの表面にイオン注入ダメージ層を形成し、支持基板の、Box層との界面領域にゲッタリング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イオン注入ダメージ層であっても、SOI層中の金属汚染のゲッタリングにもより有効である。   However, even when an ion-implanted damage layer is formed on the surface of the base wafer and a gettering layer is formed in the interface region of the support substrate with the Box layer, a gettering layer is introduced on the back surface of the SOI wafer. More effective gettering sites can be obtained. Also, the thickness of the SOI wafer Box layer is getting thinner year by year. If the thickness of the Box layer is as thin as 100 nm or less, for example, even an ion implantation damage layer formed in the interface region between the support substrate and the Box layer is more effective for gettering of metal contamination in the SOI layer. .

また、本発明のSOIウエーハの製造方法は、Box層となる絶縁層がシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等であっても問題なく適用できる。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く、例えばCVD法によってシリコン酸化膜を堆積させてもよい。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。   The SOI wafer manufacturing method of the present invention can be applied without any problem even if the insulating layer to be a Box layer is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like. If a silicon oxide film is used, it is preferable to thermally oxidize the bond wafer or the base wafer, so that a dense and high-quality film can be easily produced. However, the present invention is not limited to this method. An oxide film may be deposited. Even when a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or another insulating film is formed, each can be formed by using a normal method. Further, a silicon nitride film and a silicon oxide film may be combined.

また、本発明の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、中性元素のイオン注入ダメージ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、少なくとも貼り合わせ工程より前に、中性元素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。
Further, in the method for producing an SOI wafer of the present invention, an n + layer may be further introduced in the vicinity of the layer on which the ion-implanted damaged layer of the present invention is formed. This n + layer may be required in terms of device structure, but it also has a gettering capability at the same time, so combined with the gettering capability by the ion implantation damage layer of neutral elements, more powerful gettering Become a site.
Specifically, at least prior to the bonding step, an n + layer is formed by ion implantation of elements serving as donors in silicon, that is, phosphorus, arsenic, antimony, etc., from the same surface as the surface on which neutral elements are ion-implanted. Such an n + layer can be introduced by introducing a process to be performed.

また、このように、イオン注入ダメージ層の他にn層を導入する場合でも、本発明に従うドーズ量の中性元素のイオン注入によって形成されたイオン注入ダメージ層であれば、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生を抑制することができるので、リーク不良や酸化膜耐圧の悪化を防止することができる。 Further, even when an n + layer is introduced in addition to the ion implantation damage layer as described above, if the ion implantation damage layer is formed by ion implantation of a neutral amount of a dose according to the present invention, the bonding heat treatment is performed. Since the generation of secondary defects from the ion-implanted damaged layer can be suppressed, it is possible to prevent leakage defects and deterioration of the oxide film breakdown voltage.

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。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
図1に示すような工程に従って、下記のように、イオン注入ダメージ層を導入したSOIウエーハを製造した。
まず、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)。
Example 1
In accordance with the steps shown in FIG. 1, an SOI wafer into which an ion-implanted damage layer was introduced was manufactured as follows.
First, two mirror-polished N-type silicon single crystal wafers having a diameter of 200 mm and a plane orientation {100} were prepared (a). On the surface of the base wafer 14, a silicon oxide film 13 having a thickness of about 1 μm to be a Box layer was formed by thermal oxidation (b).

次いで、ボンドウエーハ11の表面に、加速電圧100keV、ドーズ量1×1014atoms/cmの条件でアルゴンをイオン注入した(c)。 Next, argon was ion-implanted into the surface of the bond wafer 11 under the conditions of an acceleration voltage of 100 keV and a dose of 1 × 10 14 atoms / cm 2 (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)。
Next, the bond wafer 11 and the base wafer 14 were bonded to each other with the surface of the bond wafer 11 into which argon was ion-implanted as the bonding surface, with the silicon oxide film 13 interposed therebetween (d). Next, bonding heat treatment for increasing the bonding strength was performed under the following conditions (e). That is, a wafer bonded to a heat treatment furnace set at 800 ° C. is charged, heated up to a maximum temperature of 1150 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, held for 2 hours, and then cooled to 800 ° C. Was pulled out of the heat treatment furnace.
Thereafter, the bonded wafer 11 side of the bonded wafer 20 was thinned to a thickness of about 12 μm by surface grinding and mirror polishing to obtain an SOI wafer 50 (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/cmの濃度で塗布し、1000℃で1時間の熱処理により内部に拡散させた。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。
The SOI wafer thus manufactured was cut in the thickness direction, the cut surface was polished, and then a cross-sectional TEM observation was performed.
Further, the gettering ability of the SOI wafer manufactured in this way was evaluated as follows. First, Ni was applied to the SOI layer surface at a concentration of about 1 × 10 13 atoms / cm 2 and diffused inside by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour. Next, the surface oxide film, SOI layer, Box layer, and support substrate surface layer (from the surface on the Box layer side to about 2 μm) are etched stepwise, and the Ni concentration in the solution is determined by ICP-MS (inductively coupled plasma mass). The distribution in the depth direction of the Ni concentration was measured by measuring with the analysis method. The surface oxide film and the Box layer were each measured in one step with an HF solution, the SOI layer was divided into six steps in about 2 μm steps from the surface of the SOI layer with a mixed acid solution, and the support substrate surface layer was measured in one step with a mixed acid solution.

(実施例2、3、4)
イオン注入する中性元素を、炭素(実施例2)、酸素(実施例3)、シリコン(実施例4)として、SOI層を約14μmの厚さになるまで薄膜化した他は、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。ただし、SOI層については7段階に分割してNi濃度の測定を行った。
(Examples 2, 3, and 4)
Example 1 except that the neutral element to be ion-implanted is carbon (Example 2), oxygen (Example 3), and silicon (Example 4), and the SOI layer is thinned to a thickness of about 14 μm. An SOI wafer was produced by the same method as described above. Thereafter, cross-sectional TEM observation of the SOI wafer was performed by the same method as in Example 1 to evaluate the gettering ability. However, the Ni concentration was measured by dividing the SOI layer into seven stages.

(比較例1、2、3、4)
アルゴン(比較例1)、炭素(比較例2)、酸素(比較例3)、シリコン(比較例4)を、ドーズ量を1×1015atoms/cmとしてイオン注入し、SOI層を約14μmの厚さになるまで薄膜化した他は、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。ただし、SOI層については7段階に分割してNi濃度の測定を行った。
(Comparative Examples 1, 2, 3, 4)
Argon (Comparative Example 1), carbon (Comparative Example 2), oxygen (Comparative Example 3), and silicon (Comparative Example 4) were ion-implanted with a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 , and the SOI layer was about 14 μm. An SOI wafer was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the thickness was reduced to a thickness of. Thereafter, cross-sectional TEM observation of the SOI wafer was performed by the same method as in Example 1 to evaluate the gettering ability. However, the Ni concentration was measured by dividing the SOI layer into seven stages.

実施例1〜4、比較例1〜4のSOIウエーハの断面TEM画像を図3に示した。なお、点線はBox層とイオン注入ダメージ層を含むSOI層の界面を指し、破線はBox層とSOI層の界面から0.2μmの距離を指している。
また、実施例1〜4、比較例1〜4のSOIウエーハのゲッタリング能力評価の結果を図4に示した。なお、横軸の「SiO2」は表面酸化膜を、「SOI−1〜6(7)」は分割して測定したSOI層を表面から順番に、「BOX」はBox層を、「BAS」は支持基板を、「SUM」は合計を、それぞれ示す。
また、実施例1〜4、比較例1〜4の断面TEM観察によって測定した1μm×1μm中に存在する欠陥の数を表1にまとめた。
Cross-sectional TEM images of the SOI wafers of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in FIG. The dotted line indicates the interface between the Box layer and the SOI layer including the ion implantation damage layer, and the broken line indicates a distance of 0.2 μm from the interface between the Box layer and the SOI layer.
Moreover, the result of the gettering ability evaluation of SOI wafer of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 was shown in FIG. “SiO2” on the horizontal axis indicates the surface oxide film, “SOI-1 to 6 (7)” indicates the SOI layers measured by dividing them in order from the surface, “BOX” indicates the Box layer, and “BAS” For the support substrate, “SUM” indicates the total.
Table 1 summarizes the number of defects present in 1 μm × 1 μm measured by cross-sectional TEM observation of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.

Figure 0005183958
Figure 0005183958

いずれの中性元素であっても、ドーズ量が1×1014atoms/cmの場合は、TEM画像で観測できるような欠陥がほとんど形成されていない。また、SOI層のBox層からの距離が0〜2μmである層(アルゴンについてはSOI−6、その他の元素ではSOI−7)をゲッタリング層とすると、このゲッタリング層にNiがトラップされており、十分なゲッタリング能力を有している。
一方、ドーズ量が1×1015atoms/cmの場合は、ドーズ量が1×1014atoms/cmである場合より、ゲッタリング能力はややさらに強力になっているが、界面に欠陥が形成され始めており、SOI層の特性に悪影響があると考えられる。尚、表1で「>10」は数10個レベル、「>100」は数100個レベルを示す。また、前述のようにドーズ量が1×1015atoms/cm以上であると、長時間のイオン注入が必要となり、生産性が低くなるとともにコストが高くなる。
In any neutral element, when the dose is 1 × 10 14 atoms / cm 2 , defects that can be observed with a TEM image are hardly formed. Further, if the SOI layer has a distance of 0-2 μm from the Box layer (SOI-6 for argon, SOI-7 for other elements) as a gettering layer, Ni is trapped in this gettering layer. And has sufficient gettering ability.
On the other hand, when the dose amount is 1 × 10 15 atoms / cm 2 , the gettering ability is slightly stronger than when the dose amount is 1 × 10 14 atoms / cm 2 , but there is a defect at the interface. The formation of the SOI layer is considered to have an adverse effect on the characteristics of the SOI layer. In Table 1, “> 10” indicates several tens of levels, and “> 100” indicates several hundred levels. Further, as described above, when the dose amount is 1 × 10 15 atoms / cm 2 or more, ion implantation for a long time is required, resulting in low productivity and high cost.

(比較例5)
ボンドウエーハ11にイオン注入によるイオン注入ダメージ層の形成を行わない他は、実施例1と同様の方法によってSOIウエーハを製造し、ゲッタリング能力の評価を行った。
この結果、図5に示すように、NiがSOI層表面側に高濃度で分布し、ゲッタリング能力が著しく低かった。
(Comparative Example 5)
An SOI wafer was manufactured by the same method as in Example 1 except that the ion implantation damage layer was not formed on the bond wafer 11 by ion implantation, and the gettering ability was evaluated.
As a result, as shown in FIG. 5, Ni was distributed at a high concentration on the surface side of the SOI layer, and the gettering ability was extremely low.

(実施例5、6、比較例6)
さらに、アルゴン、炭素、酸素、シリコンの各元素を、ドーズ量を1×1012atoms/cm(実施例5)、1×1013atoms/cm(実施例6)、1×1016atoms/cm(比較例6)としてイオン注入した他は実施例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、その結果を表1に併記した。
(Examples 5 and 6, Comparative Example 6)
Further, each element of argon, carbon, oxygen, and silicon is dosed at a dose of 1 × 10 12 atoms / cm 2 (Example 5), 1 × 10 13 atoms / cm 2 (Example 6), and 1 × 10 16 atoms. An SOI wafer was manufactured in the same manner as in Example 1 except that ions were implanted as / cm 2 (Comparative Example 6). Thereafter, cross-sectional TEM observation of the SOI wafer was performed in the same manner as in Example 1, and the results are also shown in Table 1.

いずれの中性元素の場合も、ドーズ量が1×1012atoms/cm、1×1013atoms/cmの場合は全く欠陥が観察されなかった。
一方、ドーズ量が1×1016atoms/cmの場合は、いずれの中性元素の場合も欠陥の数が多すぎるために測定不可能(表1中では「×」印で示す。)であった。
For any neutral element, no defects were observed when the dose was 1 × 10 12 atoms / cm 2 or 1 × 10 13 atoms / cm 2 .
On the other hand, when the dose amount is 1 × 10 16 atoms / cm 2 , the number of defects is too large for any neutral element, and measurement is impossible (indicated by “x” in Table 1). there were.

(実施例7〜16、比較例7)
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。ベースウエーハの表面にBox層となる膜厚約1.3μmのシリコン酸化膜を熱酸化により形成した。
(Examples 7 to 16, Comparative Example 7)
Two N-type silicon single crystal wafers having a diameter of 200 mm and a mirror-polished surface orientation of {100} were prepared. A silicon oxide film having a thickness of about 1.3 μm to be a Box layer was formed on the surface of the base wafer by thermal oxidation.

次いで、ボンドウエーハの表面に、表2に示す条件でアルゴンをイオン注入した。   Subsequently, argon was ion-implanted on the surface of the bond wafer under the conditions shown in Table 2.

Figure 0005183958
Figure 0005183958

次に、実施例1と同様な方法により、貼り合わせ、結合熱処理を行った後、ボンドウエーハ側を、平面研削及び鏡面研磨により、約14μmの厚さになるまで薄膜化し、SOIウエーハを得た。   Next, after bonding and bonding heat treatment by the same method as in Example 1, the bond wafer side was thinned to a thickness of about 14 μm by surface grinding and mirror polishing to obtain an SOI wafer. .

このようにして製造したSOIウエーハのゲッタリング能力を実施例1と同様な方法により評価した。まず、SOI表面にNiを約5×1012atoms/cmの濃度で塗布し、1000℃で1時間の熱処理により内部に拡散させた。次に、表面酸化膜、SOI層、Box層、支持基板表層を段階的にエッチングして、その溶液中のNi濃度をICP−MSで測定することにより、Ni濃度の深さ方向分布を得た。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7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、断面TEM観察により、SOI層とBox層の界面近傍の欠陥を観察した。 The gettering ability of the SOI wafer thus manufactured was evaluated by the same method as in Example 1. First, Ni was applied to the SOI surface at a concentration of about 5 × 10 12 atoms / cm 2 and diffused inside by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour. Next, the surface oxide film, the SOI layer, the Box layer, and the support substrate surface layer were etched stepwise, and the Ni concentration in the solution was measured by ICP-MS to obtain the Ni concentration in the depth direction. . The surface oxide film and the Box layer were each measured in one step with an HF solution, the SOI layer was divided into seven steps in about 2 μm steps from the surface of the SOI layer with a mixed acid solution, and the support substrate surface layer was measured in one step with a mixed acid solution. Further, defects near the interface between the SOI layer and the Box layer were observed by cross-sectional TEM observation.

実施例7〜11、16、比較例7のゲッタリング能力を図6に示した。縦軸は、SOI層のBox層からの距離が0〜2μmである層(ゲッタリング層)のNi濃度を示している。ドーズ量が5×1012atoms/cm以上の場合(実施例7〜11、比較例7)は、表面に塗布したほぼ全量のNiがゲッタリングされた。但し、比較例7では、断面TEM観察により、図3と同様にゲッタリング層に多数の欠陥が観察された。なお、実施例11においても欠陥は観察されたが、比較例7ほど高密度ではなく、明らかに2次欠陥の発生が抑制されていた。
ドーズ量が1×1012atoms/cmの場合(実施例16)は、ほとんど欠陥が形成されていなく、ゲッタリング層のNi濃度が1011atoms/cm台の安定した値となった。しかし、ゲッタリング能力が実施例7〜11の場合と比べて低く、より確実に十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハとするには、ドーズ量を5×1012atoms/cm以上とすることがよいことがわかる。
The gettering ability of Examples 7 to 11 and 16 and Comparative Example 7 is shown in FIG. The vertical axis represents the Ni concentration of the layer (gettering layer) whose distance from the Box layer of the SOI layer is 0 to 2 μm. When the dose amount was 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more (Examples 7 to 11 and Comparative Example 7), almost the entire amount of Ni applied to the surface was gettered. However, in Comparative Example 7, many defects were observed in the gettering layer by cross-sectional TEM observation as in FIG. In Example 11, defects were observed, but the density was not as high as in Comparative Example 7, and the occurrence of secondary defects was clearly suppressed.
When the dose was 1 × 10 12 atoms / cm 2 (Example 16), almost no defects were formed, and the Ni concentration in the gettering layer was a stable value of 10 11 atoms / cm 2 . However, the gettering ability is lower than those in Examples 7 to 11, and in order to obtain an SOI wafer having sufficient gettering ability more reliably, the dose amount should be 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more. It turns out that is good.

実施例12〜15のゲッタリング能力を図7に示した。何れの加速電圧の場合も十分なゲッタリング能力を有していた。   The gettering ability of Examples 12 to 15 is shown in FIG. In any acceleration voltage, it had a sufficient gettering ability.

(実施例17〜20)
直径200mm、面方位{100}の鏡面研磨された2枚のP型シリコン単結晶ウエーハを用意した。ボンドウエーハの表面に膜厚約75nmのシリコン酸化膜を、ベースウエーハの表面に膜厚約225nmのシリコン酸化膜を熱酸化により形成した。
(Examples 17 to 20)
Two P-type silicon single crystal wafers having a diameter of 200 mm and a plane orientation of {100} and having been mirror-polished were prepared. A silicon oxide film having a thickness of about 75 nm was formed on the surface of the bond wafer, and a silicon oxide film having a thickness of about 225 nm was formed on the surface of the base wafer by thermal oxidation.

次いで、ボンドウエーハの表面に、イオン注入剥離用の水素をイオン注入した。引き続き、加速電圧40keV(実施例17)、60keV(実施例18)、80keV(実施例19)、100keV(実施例20)の条件でアルゴンをイオン注入した。その際、ドーズ量は1×1014atoms/cmとした。 Next, hydrogen for ion implantation separation was ion-implanted on the surface of the bond wafer. Subsequently, argon was ion-implanted under the conditions of an acceleration voltage of 40 keV (Example 17), 60 keV (Example 18), 80 keV (Example 19), and 100 keV (Example 20). At that time, the dose was set to 1 × 10 14 atoms / cm 2 .

次いで、通常のイオン注入剥離法と同様の手順により、貼り合わせ、剥離熱処理、結合熱処理、SOI層調整酸化、酸化膜除去などの工程を経て、膜厚約0.3μmのSOIウエーハを得た。   Subsequently, an SOI wafer having a film thickness of about 0.3 μm was obtained through steps such as bonding, exfoliation heat treatment, bonding heat treatment, SOI layer adjustment oxidation, and oxide film removal by the same procedure as that of a normal ion implantation delamination method.

更に、SOIウエーハの表面にエピタキシャル成長により膜厚約2.7μmのシリコン層を堆積させ、SOI層の膜厚を約3μmとした。   Furthermore, a silicon layer having a thickness of about 2.7 μm was deposited on the surface of the SOI wafer by epitaxial growth, so that the thickness of the SOI layer was about 3 μm.

このようにして製造したSOIウエーハのゲッタリング能力を実施例1と同様な方法により評価した。まず、SOI表面にNiを約5×1012atoms/cmの濃度で塗布し、1000℃で1時間の熱処理により内部に拡散させた。次に、表面酸化膜、SOI層、Box層、支持基板表層を段階的にエッチングして、その溶液中のNi濃度をICP−MSで測定することにより、Ni濃度の深さ方向分布を得た。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0.6μmステップで5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。 The gettering ability of the SOI wafer thus manufactured was evaluated by the same method as in Example 1. First, Ni was applied to the SOI surface at a concentration of about 5 × 10 12 atoms / cm 2 and diffused inside by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour. Next, the surface oxide film, the SOI layer, the Box layer, and the support substrate surface layer were etched stepwise, and the Ni concentration in the solution was measured by ICP-MS to obtain the Ni concentration in the depth direction. . The surface oxide film and the Box layer were each measured in one step with an HF solution, the SOI layer was divided into five steps in about 0.6 μm steps from the SOI layer surface with a mixed acid solution, and the support substrate surface layer was measured in one step with a mixed acid solution. .

実施例17〜20のゲッタリング能力を図8に示した。縦軸は、SOI層のBox層からの距離が0〜0.6μmである層(ゲッタリング層)のNi濃度を示している。実施例12〜15の場合と同様に、何れの加速電圧の場合も十分なゲッタリング能力を有していた。   The gettering ability of Examples 17 to 20 is shown in FIG. The vertical axis represents the Ni concentration of the layer (gettering layer) whose distance from the Box layer of the SOI layer is 0 to 0.6 μm. As in the case of Examples 12 to 15, the accelerating voltage was sufficient for any acceleration voltage.

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。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

本発明の貼り合わせ法によるSOIウエーハの製造方法の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the manufacturing method of SOI wafer by the bonding method of this invention. 本発明に係るSOIウエーハの断面図であり、(a)はボンドウエーハにイオン注入ダメージ層を形成した場合、(b)はベースウエーハにイオン注入ダメージ層を形成した場合である。2A and 2B are cross-sectional views of an SOI wafer according to the present invention, in which FIG. 1A shows a case where an ion implantation damage layer is formed on a bond wafer, and FIG. 2B shows a case where an ion implantation damage layer is formed on a base wafer. 実施例1〜4及び比較例1〜4で得られたSOIウエーハのイオン注入ダメージ層付近の断面TEM写真である。It is a cross-sectional TEM photograph near the ion implantation damage layer of SOI wafer obtained by Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4. 実施例1〜4及び比較例1〜4で得られたSOIウエーハのゲッタリング能力を示す図である。It is a figure which shows the gettering capability of the SOI wafer obtained in Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4. 比較例5で得られたSOIウエーハのゲッタリング能力を示す図である。6 is a diagram showing the gettering ability of an SOI wafer obtained in Comparative Example 5. FIG. 実施例7〜11、16及び比較例7で得られたSOIウエーハのゲッタリング能力を示す図である。It is a figure which shows the gettering capability of SOI wafer obtained by Examples 7-11 and 16 and the comparative example 7. FIG. 実施例12〜15で得られたSOIウエーハのゲッタリング能力を示す図である。It is a figure which shows the gettering capability of the SOI wafer obtained in Examples 12-15. 実施例17〜20で得られたSOIウエーハのゲッタリング能力を示す図である。It is a figure which shows the gettering capability of the SOI wafer obtained in Examples 17-20.

符号の説明Explanation of symbols

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…イオン注入ダメージ層、 53…Box層、
54…支持基板。
11 ... Bond wafer, 12 ... Ion-implanted damage layer, 13 ... Insulating film,
14 ... Base wafer, 15 ... Laminated surface,
20 ... Laminated wafer,
50 ... SOI wafer,
51 ... SOI layer, 52 ... Ion implantation damage layer, 53 ... Box layer,
54: Support substrate.

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、
前記ボンドウエーハの表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記ボンドウエーハの前記絶縁膜を形成した表面から、シリコン中で電気的に不活性である中性元素としてアルゴン、炭素、酸素、シリコンの少なくとも一種をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成する工程と、
前記イオン注入した表面を前記絶縁膜を介して前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハとを貼り合わせる工程と、
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、少なくとも前記貼り合わせ工程より前に、前記中性元素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SOIウエーハの製造方法において、前記イオン注入ダメージ層形成工程における中性元素のイオン注入は、
前記中性元素として、炭素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1012atoms/cm以上1×1013atoms/cm以下とし、アルゴン、酸素、又はシリコンをイオン注入する場合はドーズ量を1×1012atoms/cm以上1×1015atoms/cm未満として行うことを特徴とするSOIウエーハの製造方法。
at least,
A step of preparing a base wafer and a bond wafer made of silicon single crystal;
Forming an insulating film on the surface of the bond wafer;
A step of forming an ion-implanted damage layer by ion-implanting at least one of argon, carbon, oxygen, and silicon as a neutral element electrically inactive in silicon from the surface of the bond wafer on which the insulating film is formed. When,
Bonding the base wafer and the bond wafer to the ion-implanted surface via the insulating film;
Forming a thin film of the bonded bond wafer , and at least prior to the bonding process, ion-implanting an element serving as a donor in silicon from a surface on which the neutral element is ion-implanted to form an n + layer In the method for manufacturing an SOI wafer including a step of forming, the ion implantation of the neutral element in the ion implantation damage layer forming step includes:
When carbon is ion-implanted as the neutral element, the dose is set to 1 × 10 12 atoms / cm 2 or more and 1 × 10 13 atoms / cm 2 or less, and when ion implantation of argon, oxygen, or silicon is performed, the dose amount is set. Is performed at 1 × 10 12 atoms / cm 2 or more and less than 1 × 10 15 atoms / cm 2 .
前記中性元素をイオン注入する際の加速電圧を200keV以下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。   2. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 1, wherein an acceleration voltage at the time of ion-implanting the neutral element is set to 200 keV or less. 前記イオン注入ダメージ層の厚さを0.5μm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。   3. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 1, wherein the thickness of the ion-implanted damaged layer is 0.5 [mu] m or less. 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。   4. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 1, wherein the insulating film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a combination thereof. 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。   5. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 1, wherein the thinning of the bond wafer is performed by grinding the bond wafer. 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。   In the thinning process of the bond wafer, in advance, the ion implantation layer for peeling is provided by ion-implanting hydrogen or helium from the surface of the bond wafer before the bonding process, and in the thinning process of the bond wafer, 5. The method for manufacturing an SOI wafer according to claim 1, wherein the bonding wafer is peeled off by the peeling ion implantation layer by a peeling heat treatment. 6. 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に記載のSOIウエーハの製造方法。 2. The method for producing an SOI wafer according to claim 1 , wherein the donor element is at least one of phosphorus, arsenic, and antimony. 前記中性元素のイオン注入のドーズ量を、5×1012atoms/cm以上とすることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載のSOIウエーハの製造方法。 The dose of the ion implantation of the neutral element, 5 × 10 12 atoms / cm 2 or more and a manufacturing method of an SOI wafer according to any one of claims 1 to 7, characterized in that.
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