JP5245380B2 - Soiウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
このようなSOIウェーハをデバイス工程に投入すると、残留する未結合部分がデバイス工程で剥離し、パーティクルを発生させ、デバイス歩留りを低下させてしまう。
しかし、SOI層の膜厚が数μmで、厚さ公差が±0.1μm程度を要求される高品質のSOIウェーハを製造する場合、ボンドウェーハの薄膜化を研削・研磨で行う方法では、高精度の研磨手法を用いても目標膜厚に対して高々±0.3μm程度の面内均一性しか得られず、SOI層の膜厚のバラツキが大きく、膜厚均一性に限界がある。
このように、HClガスの流量を前記反応ガスの流量に対して1%以上とすることによって、効率的にポリシリコンの成長を抑えることができる。
さらに、テラス部の酸化膜を完全に除去すると、SOI層周辺下部のBOX層が大きく侵食され、オーバーハング構造の不安定な状態となってパーティクルの発生源となるという問題があった。
その結果、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハのSOI層上にシリコンエピタキシャル層を簡単に成長させることができ、製造されるSOIウェーハの反りを抑制することができ、また、デバイス製造等といった後の工程においてもパーティクルの発生を低減することができ、さらにそのようなSOIウェーハ製造のコスト削減を図るには、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハのSOI層上にシリコンエピタキシャル成長を行う際、反応ガスにHClガスを混合することによって、テラス部の酸化膜上にポリシリコン等の不要な堆積物を形成せず、SOI層のみにシリコンエピタキシャル層を形成すれば良いことに想到し、本発明を完成させた。
本発明の第1実施形態として、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハのうち、イオン注入剥離法により薄膜化されたSOI層を具備するものを作製し、該SOI層にシリコンエピタキシャル層を形成して、SOIウェーハを製造する方法を説明する。図1は、本発明に係るSOIウェーハの製造方法の第1実施形態を説明する概略図である。
ボンドウェーハ及びベースウェーハは特に限定しないが、例えばシリコン単結晶からなるものを用いることができる。また、ゲッタリング能力を高める等といった目的のため、シリコン単結晶ウェーハに高濃度にドーパントを含ませたものを使用しても良く、その導電型はn型、p型のいずれであってもよい。
近年では、特に厚い埋め込み酸化膜層を有するSOIウェーハを製造する際、貼り合わせ面側のみに酸化膜を形成すると該酸化膜が形成された面の方に凸に反るので、ウェーハの反りを低減するためにベースウェーハの全面に酸化膜13を形成することが多い。そして、後の工程においてもベースウェーハの貼り合わせ面とは反対側の裏面に形成された酸化膜13bを除去せずにSOIウェーハ製品として出荷され、デバイス製造工程においても裏面酸化膜13bは除去されないことが多い。
このときのイオン注入層14の深さは、剥離後に形成されるSOI層15の厚さに反映される。従って、注入エネルギー等を制御してイオン注入することにより、SOI層15の厚さを制御できる。
このイオン注入層14を形成する前に、チャネリング防止のため、ボンドウェーハ11の全面にシリコン酸化膜層(不図示)を熱酸化により形成しておいてもよい。
このとき、ボンドウェーハ11の貼り合わせ面は、工程cにおいてイオン注入を行った側の面とする。
この貼り合わせ工程は例えば、常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウェーハ11とベースウェーハ12のそれぞれ一方の主面を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウェーハ同士が接着する。
例えば、貼り合わせたウェーハに対して、Ar等の不活性ガス雰囲気下約500℃以上の温度、30分以上熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによって、ボンドウェーハ11をイオン注入層14で剥離することができる。
ここで、SOI層15とベースウェーハ12の結合力を高める結合熱処理を行ってもよい。例えば、この結合熱処理は不活性ガス雰囲気下あるいはわずかに酸化性のガス雰囲気下、1000℃〜1250℃で30分から4時間の範囲で行うことができる。
そのため、剥離直後のSOI層表面に対し、表面をわずかに研磨する処理(タッチポリッシュと呼ぶこともある)、不活性ガスや水素雰囲気等による高温熱処理、酸化性雰囲気により熱酸化膜を形成した後にその熱酸化膜を除去する処理(犠牲酸化処理)、あるいは、これらを適宜組み合わせた平坦化処理を行うことにより、SOI層表面を平坦化した後にエピタキシャル成長を行うこともできる。
まず、原料ガスをリアクタ内(不図示)に供給する前に、キャリアガスのみの雰囲気で反応温度まで昇温してから原料ガスを流す。
SOI層の全面にシリコンエピタキシャル層16を形成する反応ガスとしては、例えば、原料ガスとしてのトリクロロシラン(SiHCl3)と、キャリアガスとしての水素ガス(H2)を1:5の流量で供給しつつ、本発明では、特にこの反応ガスにさらにHClガスを混合させたものを供給する。
しかし、本発明の場合は、シリコンエピタキシャル層形成時に、反応ガスにHClガスを混合するので、テラス部にポリシリコンが成長せず、ポリシリコン除去のための工程が不要である。そのため、SOI層上にエピタキシャル層が形成されたSOIウェーハを製造するための工程が簡素化して、さらにポリシリコン除去のための新たな設備を必要とせず、SOIウェーハ製造のコスト削減を図ることができる。
このように、反応ガスの流量に対して混合させるHClガスの流量を1%以上とすることにより、テラス部のポリシリコンをエッチングする効果が確実に得られるため、効率的にポリシリコンの成長を抑えつつ、SOI層上のみにシリコンエピタキシャル層を成長させることができる。
従って、HClガス流量は5%以下とすることが好ましい。
そしてこのSOIウェーハに対し、エピタキシャル層を形成する前にテラス部の酸化膜上に付着したシリコン薄片を除去するために、SC−1洗浄(NH4OHとH2O2の混合水溶液による洗浄)を行う。SC−1洗浄によれば、SOIウェーハのテラス部及び裏面にある酸化膜はほとんどエッチングされない。
尚、この洗浄工程は、SC−1洗浄に限られず、付着したパーティクルの除去効果があり、シリコン薄片を除去できる洗浄であればよい。例えば、コリンや水酸化テトラメチルアンモニウムなどの有機アルカリを使用した洗浄液による洗浄であってもよい。
これにより、テラス部の酸化膜上に付着したシリコン薄片を、テラス部の上層の酸化膜ごと除去することができ、SC−1洗浄よりさらに確実にシリコン薄片を除去できるとともに、裏面酸化膜を残留させることができるので、SOIウェーハの反り発生を防止することができる。
このように、除去されるテラス部の酸化膜厚を40nm以上とすれば、SC−1洗浄のみの場合よりも大幅にシリコン薄片が除去され、特には表面からテラス部の酸化膜を70nm以上除去することにより、ほぼ確実にシリコン薄片をテラス部の酸化膜から洗浄することができる。
ただし、HFを含有する水溶液にSOIウェーハを浸漬して洗浄を行うと、テラス部酸化膜と同一厚さ分だけ裏面酸化膜も除去される。裏面酸化膜厚が大幅に減少するとSOIウェーハの反りに影響を及ぼすので、除去する酸化膜厚は、除去前の裏面酸化膜厚の10%程度以下に調整することが好ましい。
また、HFを含有する水溶液による洗浄にSC−1洗浄等のパーティクル除去効果を有する洗浄を組み合わせて洗浄すると一層効果的にシリコン薄片を除去することができる。
次に、イオン注入剥離法によって生じたシリコン薄片を予め除去するため、作製したSOIウェーハに対してSC−1洗浄を施す。
このシリコンエピタキシャル層の形成工程では、まず、SOIウェーハをリアクタ内に入れ、キャリアガス(例えばH2)のみの雰囲気で反応温度まで昇温する。
これにより、リアクタ内に付着している重金属や、シリコンエピタキシャル層をこれから形成するSOI層の表面上に形成されてしまった自然酸化膜等を除去でき、より高品質で膜厚の均一なシリコンエピタキシャル層を積層することができる。
また、シリコンエピタキシャル層を成長させる前に、SC−1洗浄洗浄、およびキャリアガスへのHClガスのみの供給を組み合わせることにより、確実にイオン注入剥離時にテラス部の酸化膜上に付着したシリコン薄片をテラス部の酸化膜上から除去することができる。そのため、その後のシリコンエピタキシャル層の成長時に、テラス部の酸化膜上にSi島ができることを抑制できる。
次に、用意されたシリコン単結晶ウェーハのうち、ベースウェーハに熱処理を施し、ベースウェーハの全面にシリコン熱酸化膜を形成する。
まず、原料ガスをリアクタ内(不図示)に供給する前に、キャリアガスのみの雰囲気で反応温度まで昇温してから原料ガスを流す。
SOI層の全面にシリコンエピタキシャル層を形成する反応ガスとしては、上記第1〜第3実施形態と同様に、例えば、トリクロロシランと、水素ガスを1:5の流量で供給しつつ、この反応ガスにさらにHClガスを混合させる。
(実施例1)
まず、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハ10の作製をイオン注入剥離法により行った。
これによって得られたSOIウェーハ10は、直径約300mmで、ボンドウェーハから薄膜化されたSOI層15の膜厚は150nmであった。また、埋め込み酸化膜層の厚さは3200nmであり、テラス部上の酸化膜と裏面酸化膜の膜厚は、ともに2800nmであった。
供給する反応ガスはそれぞれ、トリクロロシラン(SiHCl3)10SLM、水素(H2)50SLM、塩化水素(HCl)ガス1.8SLMとした(反応ガス流量に対するHClガス流量は3%)ものをリアクタ内に供給し、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハ10のSOI層の全面にシリコンエピタキシャル層16を3μm形成した。
実施例1と同一条件で作製されたSOIウェーハを用い、図3のようなフローで、まず、エピタキシャル層を形成する前に、テラス部に存在するシリコン薄片を除去する洗浄として、SC−1洗浄(NH4OHとH2O2の混合水溶液による洗浄)を75℃で6分間行った。
次に、SOI層の全面にシリコンエピタキシャル層を3μm形成した。
その際、エピタキシャル層の成長温度は1130℃とし、キャリアガスのみの雰囲気で1130℃に到達後、原料ガス(トリクロロシラン)のリアクター内への供給に先立ち、40秒間HClガスを流した。そして、反応ガスとしては、トリクロロシランと水素、そしてHClガスを使用した。
供給する反応ガスの流量はそれぞれ、トリクロロシラン(SiHCl3)10SLM、水素(H2)50SLM、塩化水素(HCl)ガス1.8SLMとした(反応ガス流量に対するHClガス流量は3%)。
実施例1と同一条件で作製されたSOIウェーハを用い、そのSOI層の全面に、実施例1と同一条件でシリコンエピタキシャル層を3μm形成した。
ただし、エピタキシャル層を形成する前に、テラス部に存在するシリコン薄片を除去する洗浄としては、12.5%HF水溶液を用い、テラス部の酸化膜が40nm除去されるように洗浄時間を調整した。同時に、裏面酸化膜も40nm除去された。洗浄後のテラス部のシリコン薄片の付着状況を光学顕微鏡で観察した結果を(図6(B))に示した。
実施例1と同一条件で作製されたSOIウェーハを用い、そのSOI層の全面に、実施例1と同一条件でシリコンエピタキシャル層を3μm形成した。
ただし、エピタキシャル層を形成する前に、テラス部に存在するシリコン薄片を除去する洗浄としては、12.5%HF水溶液を用い、テラス部の酸化膜が70nm除去されるように洗浄時間を調整した。同時に、裏面酸化膜も70nm除去された。洗浄後のテラス部のシリコン薄片の付着状況を光学顕微鏡で観察した結果を(図6(C))に示した。
ボンドウェーハを研削・研磨により薄膜化することによりSOI層を形成するウェーハの貼り合わせ法を用いてテラス部に酸化膜を有するSOIウェーハを作製した。
これによって得られたSOIウェーハは、直径約200mmで、SOI層の膜厚は10μmであった。また、埋め込み酸化膜層とテラス部上の酸化膜の膜厚は1000nmであり、裏面酸化膜の膜厚は1500nmであった。
その際、エピタキシャル層の成長温度は1130℃とし、反応ガスとしては、トリクロロシランと水素、そしてHClガスを使用した。
供給する反応ガスの流量はそれぞれ、トリクロロシラン(SiHCl3)10SLM、水素(H2)50SLM、塩化水素(HCl)ガス1.2SLMとし(反応ガス流量に対するHClガス流量は2%)、反応ガスとHClガスのリアクター内への供給は同時に行った。
比較のため、反応ガスにHClガスを混合させなかったこと以外は全て実施例1と同じ条件、方法で、SOI層上にエピタキシャル層が形成されたSOIウェーハを製造した。
該SOIウェーハの表面を実施例と同様に目視及び光学顕微鏡で観察した結果、テラス部上の酸化膜の上にほぼ全周にわたってポリシリコンの堆積物およびSi島が見られた。
比較のため、反応ガスにHClガスを混合させなかったこと以外は全て実施例5と同じ条件、方法で、SOI層上にエピタキシャル層が形成されたSOIウェーハを製造した。
該SOIウェーハの表面を実施例と同様に目視及び光学顕微鏡で観察した結果、テラス部上の酸化膜の上にほぼ全周にわたってポリシリコンの堆積物が見られた。
13…酸化膜(ベースウェーハ)、 13a…埋め込み酸化膜層(BOX層)、
13b…裏面酸化膜、 14…イオン注入層、 15…SOI層、
16…シリコンエピタキシャル層、 20…テラス部。
Claims (5)
- 少なくとも、テラス部に酸化膜を有するSOIウェーハのSOI層の全面にシリコンエピタキシャル層を形成する工程を有するSOIウェーハの製造方法であって、
前記シリコンエピタキシャル層を形成する前記SOIウェーハとして、イオン注入剥離法により薄膜化されたSOI層を具備するSOIウェーハを使用し、
前記シリコンエピタキシャル層を形成する工程の前に、酸化膜を有する前記テラス部に存在するシリコン薄片を除去する洗浄工程を行い、
前記シリコンエピタキシャル層を形成する際の反応ガスにHClガスを混合することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 - 前記HClガスの流量を前記反応ガスの流量に対して1%以上とすることを特徴とする請求項1に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記シリコンエピタキシャル層を形成する工程において、前記反応ガスとしての原料ガスをリアクタ内に流す前に、HClガスを所定時間流すことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記洗浄工程において、前記シリコン薄片を除去する洗浄液としてHFを含有する水溶液を用い、前記SOIウェーハの具備する裏面酸化膜が残るように洗浄することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記洗浄工程において、前記テラス部の酸化膜の厚さの減少量を40nm以上に調整することを特徴とする請求項4に記載のSOIウェーハの製造方法。
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