JP5256625B2 - 貼り合わせウェーハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される、貼り合わせウェーハの評価方法に関するものである。

近年、酸化膜の上にシリコン層、いわゆる活性層が形成されたSOI構造を有する半導体基板は、デバイスの高速化に適合し、また消費電力が低く、高耐圧性や耐環境性等に優れていることから、電子デバイス用の高性能LSI用ウェーハとして適用されている。とりわけ、半導体デバイスの高集積化に伴い、より高品質の貼り合わせウェーハの製造が求められており、従来のSOIウェーハに比べ埋め込み酸化膜を薄くした（例えば20nm程度の厚み）貼り合わせウェーハに対する要求が高まっている。

また、次世代以降の低消費電力用デバイスに用いられるウェーハとして、例えば特許文献１に示すように、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、HF溶液等で表面の酸化膜を除去した後、酸化膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される新規な貼り合わせウェーハが挙げられ、このウェーハは複合結晶面基板の作製プロセスの簡素化および性能改善の点で有益なウェーハとして注目されている。

しかしながら、上記のような絶縁膜を介さず直接貼り合わせた貼り合わせウェーハは、貼り合わせウェーハの作製工程（特に熱処理工程）において、ウェーハ表面の自然酸化膜や水分が局所的に凝集することにより、島状の酸化物を形成し、貼り合わせ界面に部分的に残留してしまうという問題があった。これらの酸化物の存在は、デバイス特性劣化の原因となり、デバイス作製工程において欠陥の核となることでチップ不良等の歩留まり低下を引き起こすことになる。

そのため、上記のような絶縁膜を介さず直接貼り合わせた貼り合わせウェーハを製造する際には、貼り合わせ界面に形成される酸化膜を極力抑制することが必要であるとともに、前記貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面に発生しがちな島状酸化物を検出する方法が重要な課題の一つである。
特開平５−２１１１２８号公報

本発明の目的は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの欠陥評価方法において、貼り合わせ界面に発生しがちな島状酸化物の個数及びサイズを検出することができる貼り合わせウェーハの評価方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するため検討を重ねた結果、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを絶縁膜を介さずに直接貼り合わせて形成される貼り合わせウェーハにおいて、該貼り合わせウェーハの活性層表面の自然酸化膜を除去した後、ウェーハ材料に対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物に対するよりも速いエッチング液を用いて少なくとも活性層全体をエッチング除去することで、前記ウェーハ材料が先に除去されて島状酸化物の輪郭が鮮明になるために島状酸化物の有無が検出可能となることを見出し、また、エッチング除去深さを一定量に調整することで、表面に露出した島状酸化物が過度のエッチングにより縮小化する前に正確な個数及びサイズを検出できることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの評価方法において、該貼り合わせウェーハの活性層表面の自然酸化膜を除去する工程と、ウェーハ材料に対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物に対するよりも速いエッチング液を用いて少なくとも活性層全体をエッチング除去する工程と、エッチング除去により露出した島状酸化物を検出する工程とを有し、
前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmとなるように所定のエッチングを施すことにより、島状酸化物の個数及びサイズを検出することを特徴とする貼り合わせウェーハの評価方法。

（２）前記エッチング除去は、事前にエッチング除去に用いるエッチング液の種類、濃度及び温度を把握し、前記ウェーハ材料及び酸化物のエッチングレートから適正なエッチング時間を算出することによって、エッチング除去深さＸを、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの範囲内にすることを特徴とする上記（１）記載の貼り合わせウェーハの評価方法。

（３）前記エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム、KOH、NaOHのアルカリ溶液であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の貼り合わせウェーハの評価方法。

この発明によれば、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの評価方法において、該貼り合わせウェーハの活性層表面の自然酸化膜を除去する工程と、ウェーハ材料に対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物に対するよりも速いエッチング液を用いて少なくとも活性層全体をエッチング除去する工程と、エッチング除去により露出した島状酸化物を検出する工程とを有し、前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmとなるように所定のエッチングを施すことにより、貼り合わせ界面における島状酸化物の個数及びサイズを検出することが可能になった。

本発明に従う貼り合わせウェーハの評価方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に従う貼り合わせウェーハの評価方法の工程を説明するためのフローチャートである。

この発明による評価方法は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの評価方法である。具体的には、図１に示すように、貼り合わせウェーハ（図１(ａ)）の活性層２の表面の自然酸化膜３を例えば0.5％HF溶液で除去する工程（図１(ｂ)）（自然酸化膜除去工程）と、ウェーハ材料、例えばシリコンに対するエッチングレートがウェーハ材料のウェーハ材料の酸化物、例えばSiO₂に対するよりも速いエッチング液を用いて、少なくとも活性層２の全体をエッチング除去する工程（図１(ｃ)）（活性層エッチング除去工程）と、エッチング除去により露出した島状酸化物を検出する工程（図１(ｄ)）（島状酸化物検出工程）とを有する評価方法である。

（自然酸化膜除去工程）
自然酸化膜除去工程は、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせた貼り合わせウェーハ１（図１(ａ)）の活性層２表面に形成されている自然酸化膜３を、例えば0.5％のHF溶液を用いてエッチングすることにより、図１(ｂ)に示すように除去する工程である。エッチングに用いるHF溶液の濃度は、自然酸化膜を除去できれば特に限定はないが、0.5〜5％が好ましい。また、処理時間についても自然酸化膜の膜厚やHF溶液の濃度によっても異なるが、例えば、0.5〜10分が好ましい。

（活性層エッチング除去工程）
自然酸化膜除去工程は、図１(ｃ)に示すように、ウェーハ材料、例えばシリコンに対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物、例えばSiO₂に対するよりも速い所定のエッチング液を用いて少なくとも活性層２の全体をエッチング除去する工程である。図２は、一例として水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）をエッチング液として用いた場合のエッチングレートを示したグラフであり、図２(ａ)は、液温が70℃での水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）の濃度とシリコンのエッチングレートの関係、図２(ｂ)は液温が70℃での水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度とシリコン酸化物のエッチングレートの関係、(ｃ)はTMAHの濃度が8％の場合のエッチング温度とシリコンのエッチングレートの関係、(ｄ)はTMAHの濃度が8％の場合のエッチング温度とシリコン酸化物のエッチングレートの関係を示す。図２(ａ)〜(ｄ)より、シリコンのエッチング速度は、酸化物の数千倍も大きいことがわかり、実際に前記貼り合わせウェーハを水酸化テトラメチルアンモニウムのようなエッチング液用いてエッチングした場合、シリコンからなる活性層２及び支持基板４については速いエッチングレートで除去されていくが、島状酸化物３については、図１(ｃ)に示すように、遅いエッチングレートでエッチングされるため、実質的にエッチングされずに残存する。その結果、その後の島状酸化物検出工程で点在する島状酸化物を検出することが容易となる。

また、前記活性層のエッチングは、前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmとなるように所定のエッチングを施す必要がある。本発明者らは、絶縁膜を介さずに直接活性層と支持基板を貼り合わせた貼り合わせウェーハでは、貼り合わせ界面に存在する島状酸化物がデバイスに悪影響を与えることが知られており、前記島状酸化物の有無を確認することが必要であること、さらにまた、
影響を受けるデバイス領域を把握する点で、島状酸化物の数だけでなくサイズを特定することが重要であることに着目し、島状酸化物のサイズを検出できる方法について鋭意研究を行った。その結果、前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの深さ範囲になるようにエッチングを調整することで、貼り合わせ界面に発生した島状酸化物の正確な個数及びサイズが特定できることを見出した。

ここで、前記エッチング除去深さＸ（nm）をＴ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの範囲に限定したのは、エッチング除去深さが活性層の厚みよりも小さい場合（Ｘ＜Ｔ）、貼り合わせ界面にまでエッチングが到達していないために島状酸化物は露出せず特定ができないためであり、エッチング除去深さが活性層の厚さに500nm加えた厚さを超える場合（Ｘ＞Ｔ＋500nm）、島状酸化物がエッチングにより縮小化されていくために正確なサイズを特定することができなくなるためである。ここで図３は、8％の水酸化テトラメチルアンモニウムをエッチング液として用いて活性層の厚さが150nmの貼り合わせウェーハをエッチングした場合の、エッチング深さと貼り合わせ界面に存在する１つの島状酸化物の大きさとの関係を示したグラフであるが、エッチング深さが150nm未満までは活性層をエッチングしており島状酸化物は表面に露出しないため、その大きさは特定できず、150nmから650nmまでのエッチング深さでは島状酸化物のサイズが一定であるものの、650nmを超えると島状酸化物のサイズが小さくなってくることがわかる。

さらに、前記エッチング除去は、事前にエッチング除去に用いるエッチング液の種類、濃度及び温度を把握し、前記ウェーハ材料及び酸化物のエッチングレートから適正なエッチング時間を算出することによって、エッチング除去深さＸを、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの範囲内に調整することが好ましい。具体的には、エッチング時間はエッチング液の種類、濃度及び温度により決定するため、あらかじめ種々の溶液、濃度及び温度の条件で、エッチングレートのデータを取っておき、エッチングを行う際に、エッチング条件と蓄積データと照らし合わせることで、必要なエッチング時間を算出するという方法である。上記方法でエッチング除去することで、必要なエッチング量を時間により制御することが可能となり、容易にＴ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの範囲に調整できるためである。さらに、モニタとしてウェーハ材料と同じ物質を同時にエッチングし、モニタのエッチング量が適正範囲になったことを確認すれば、より確実にエッチング量を把握することができるためにより好ましい。

なお、活性層エッチング除去工程で用いるエッチング液としては、水酸化テトラメチルアンモニウム、KOH、NaOHのアルカリ溶液であることが好ましい。その他のエッチング溶液を用いた場合、シリコンと酸化物のエッチングレートの差がないため島状酸化物の検出が難しくなるか、または、シリコンに対するエッチングスピードが速すぎてシリコン部分を過度にエッチングしてしまい、適切な評価を行えないためである。

（島状酸化物検出工程）
島状酸化物検出工程は、図１(ｄ)に示すように、エッチング除去により生じた島状酸化物４を検出する工程である。検出手段としては、島状酸化物の個数及びサイズを特定できる方法であれば特に限定はないが、島状酸化物の個数については、集光灯下での外観目視、光学顕微鏡観察または表面異物検査装置での観察などが一般的であり、島状酸化物のサイズについては、光学顕微鏡、電子顕微鏡による観察などが一般的である。観察結果の例を図４に示す。その他の検出手段としては、電子線マイクロアナライザ（EPMA）や走査型分析電子顕微鏡（SEM−EDX）等を用いることができる。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例１）
実施例１は、サイズが300mm、結晶方位が（１００）である２枚の同じシリコンウェーハを、活性層用ウェーハ及び支持基板用ウェーハとし、活性層用ウェーハに水素イオンを注入して活性層用ウェーハの内部にイオン注入層を形成した。その後、活性層用ウェーハのイオンを注入した方の面を支持基板用ウェーハと酸化膜を介さずに直接貼り合わせた後、剥離熱処理を加えてイオン注入層を剥離面として活性層用ウェーハを部分的に剥離した。剥離後、熱処理による活性層表面のダメージ除去及び平坦化を施し、活性層の厚みが150nmの絶縁膜のない貼り合わせウェーハの評価用サンプルを作製した。

（実施例２）
実施例２は、サイズが共に300mmで、結晶方位が（１１０）であるシリコンウェーハを活性層用ウェーハ、（１００）であるシリコンウェーハを支持基板ウェーハとして、酸化膜を介さずに直接貼り合わせた後、接着力を高めるために1200℃の熱処理を施した。その後、活性層用ウェーハを研削・研磨及びエッチングにより薄膜化し、熱処理による活性層表面のダメージ除去及び平坦化を施し、活性層の厚みが1000nmの絶縁膜のない貼り合わせウェーハの評価用サンプルを作製した。得られた貼り合わせウェーハを濃度0.5％のHF水溶液で10分間洗浄し、表面の自然酸化膜を除去した後、濃度8％のTMAH水溶液を用いて70℃で活性層表面から800nmの深さでエッチングし、評価用サンプルを作製した。

（評価方法）
上記で作製した各評価用サンプルを、濃度0.5％のHF水溶液で10分間洗浄し、表面の自然酸化膜を除去した後、濃度8％の水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）の水溶液を用いて活性層表面からエッチングを施していった。実施例１については、活性層表面から50nmの深さごとにエッチングを施して島状酸化物の数及びサイズを光学顕微鏡（20〜1000倍倍）により計測し、実施例２については、活性層表面から800nmの深さ位置から100nmの深さごとにエッチングを施して島状酸化物の数及びサイズを光学顕微鏡（20〜1000倍）により計測した。実施例１及び実施例２のサンプルについて、それぞれ計測したエッチング深さ、島状の酸化物の数及びサイズの計測結果を表１及び表２に示し、計測結果をグラフに整理したものを図５及び図６に示す。

表１及び表２の結果から、貼り合わせウェーハの貼り合わせ界面に存在する島状酸化物は、エッチング深さが活性層の厚みと同じになった時に、その有無及びサイズを確認することができる。また、実施例１では活性層の厚みに550nm加えたエッチング深さまでは、島状酸化物の数及びサイズは変化せず一定であり、実施例２では活性層の厚みに600nm加えたエッチング深さまでは、島状酸化物の数及びサイズは変化せず一定であるが、その厚みを超えると、島状酸化物の個数及びサイズが小さくなっていくことがわかる。

この発明によれば、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの評価方法において、該貼り合わせウェーハの活性層表面の自然酸化膜をHFで除去する工程と、ウェーハ材料に対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物に対するよりも速いエッチング液を用いて少なくとも活性層全体をエッチング除去する工程と、エッチング除去により露出した島状酸化物を検出する工程とを有し、前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmとなるように所定のエッチングを施すことにより、貼り合わせ界面における島状酸化物の個数及びサイズを検出することが可能になった。

本発明に従う貼り合わせウェーハの評価方法の工程を説明するためのフローチャートを示す。 水酸化テトラメチルアンモニウムをエッチング液として用いた場合の濃度とエッチングレートの関係を示すグラフであり、図２(ａ)は水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度とシリコンのエッチングレートの関係、図２(ｂ)は水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度と酸化物のエッチングレートの関係、図２(ｃ)は水酸化テトラメチルアンモニウムの温度とシリコンのエッチングレートの関係、図２(ｄ)は水酸化テトラメチルアンモニウムの温度と酸化物のエッチングレートの関係を示す。 活性層の厚さが150nmの貼り合わせウェーハをエッチングした場合の、エッチング深さと島状酸化物の大きさとの関係を示したグラフである。 本発明によるエッチング方法により活性層をエッチング除去した後に、露出した島状酸化物を集光灯下で光学顕微鏡等を用いて観察した写真を示す。 実施例１で計測した、エッチング深さと島状酸化物の大きさとの関係を示したグラフである。 実施例２で計測した、エッチング深さと島状酸化物の大きさとの関係を示したグラフである。

符号の説明

１ 貼り合わせウェーハ
２ 活性層
３ 自然酸化膜
４ 島状酸化物
５ 支持基板

Claims (3)

1. 活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される貼り合わせウェーハの評価方法において、
   該貼り合わせウェーハの活性層表面の自然酸化膜を除去する工程と、ウェーハ材料に対するエッチングレートがウェーハ材料の酸化物に対するよりも速いエッチング液を用いて少なくとも活性層全体をエッチング除去する工程と、エッチング除去により露出した島状酸化物を検出する工程とを有し、
   前記活性層の厚みをＴ（nm）、エッチング除去深さをＸ（nm）としたとき、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmとなるように所定のエッチングを施すことにより、貼り合わせ界面に点在する島状酸化物の数及びサイズを検出することを特徴とする貼り合わせウェーハの評価方法。
2. 前記エッチング除去は、事前にエッチング除去に用いるエッチング液の種類、濃度及び温度を把握し、前記ウェーハ材料及び酸化物のエッチングレートから適正なエッチング時間を算出することによって、エッチング除去深さＸを、Ｔ≦Ｘ≦Ｔ＋500nmの範囲内に調整することを特徴とする請求項１記載の貼り合わせウェーハの評価方法。
3. 前記エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムのアルカリ溶液であることを特徴とする請求項１または２記載の貼り合わせウェーハの評価方法。