JP5417399B2 - 複合ウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合ウェーハの製造方法に関するものである。
近年、SOI(Silicon on insulator)ウェーハを筆頭に、複合ウェーハの需要が高まっている。このSOIウェーハの中でも、SOQ(Silicon on Quartz)及びSOS(Silicon on Sapphire)というハンドルウェーハが、絶縁透明ウェーハで構成されるウェーハとして注目を集めている。
SOQウェーハは、石英の高い透明性を活かしたオプトエレクトロニクス関係、又は低い誘電損失を活かした高周波デバイスへの応用が期待される。また、SOSウェーハは、ハンドルウェーハがサファイアで構成されることから、高い透明性や低い誘電損失に加え、ガラス、石英では得られない高い熱伝導率を有するため、発熱を伴う高周波デバイスへの応用が期待される。
このような複合ウェーハは、一般的には、2枚のウェーハ(ドナーウェーハとハンドルウェーハ)を貼り合わせることによって作製される。また、SOSウェーハは、サファイアのR面上に直接シリコンをエピタキシャル成長させることによっても得ることができる。しかし、サファイアとシリコンの格子定数が異なるため、一般的には、その結晶品質はバルクシリコンには及ばない。
現在、シリコンウェーハ及びサファイアの主流の直径は、それぞれ6〜12インチ、2〜4インチである。例えば、2インチのSOSウェーハを作製する場合は、2インチのシリコンウェーハを準備する必要がある。しかし、現在、2インチのシリコンウェーハを入手するのは大変困難である。シリコンデバイスの分野においては、ウェーハ径の増大化と構造の微細化が同時に進行している。そのため、優れた品質のウェーハを得ようとする場合は、必然的に径の大きいシリコンウェーハを選択することとなる。
特許文献1では、ハンドルウェーハと、ハンドルウェーハよりも大きいドナーウェーハを用いることによって、転写される層の面積を拡大することができる旨が記載されている。しかし、特許文献1においては、1枚のハンドルウェーハに対して1枚のドナーウェーハを貼り合わせているため、両ウェーハに対して一次面取り及び二次面取りを施す必要がある。
特許第4531694号
特許文献1に記載の二段階の面取りを行う手法の場合、両ウェーハの面取りの品質が貼り合わせの良否を左右する。面取り部分の周辺に凹凸があると、該周辺が貼り合わせ不良となるためである。そのため、面取り工程に多大なコストと時間がかかる。
また、特許文献1では、ハンドルウェーハよりも少し大きい直径を有するドナーウェーハを用いることを特徴としている。しかし、ウェーハ加工、半導体のプロセス装置は、通常、SEMIやJEIDA等で決められた規格(直径2インチ(50−50.8mm)、直径3インチ(76−76.2mm)、直径4インチ(100mm)、直径5インチ(125mm)、直径6インチ(150mm)、直径8インチ(200mm)、直径12インチ(300mm)等)のウェーハしか扱えないことが多い。そのため、イレギュラーなサイズのウェーハを扱うことは極めて困難であり、既存の装置の改造等に莫大な費用がかかることも現実的な問題である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、1枚のドナーウェーハから複数枚の複合ウェーハを得ることができ、ドナーウェーハの面取り工程を省略可能な複合ウェーハの製造方法を提供する。
上記課題を解決するため、本発明においては、少なくとも2枚のハンドルウェーハの直径の合計と同じか大きい直径を有するドナーウェーハの表面から水素イオンを注入して内部に水素イオン注入層を形成させた該ドナーウェーハの該表面と、前記少なくとも2枚のハンドルウェーハの表面とを貼り合わせる工程と、前記貼り合わせた貼り合わせウェーハに、温度が200〜400℃の熱処理を施す工程と、前記熱処理後、前記水素イオン注入層に沿って前記ハンドルウェーハ上の薄膜を剥離し、該ハンドルウェーハ上に該薄膜が転写された複合ウェーハを得る剥離転写工程と、を少なくとも含む複合ウェーハの製造方法を提供する。
本発明の複合ウェーハの製造方法によれば、1枚のドナーウェーハから複数枚の複合ウェーハを得ることができ、面取り工程を省略できる。
複合ウェーハの製造方法の工程の一例を示す図である。 1枚のドナーウェーハに対し、1枚のハンドルウェーハ(図2(A))、2枚のハンドルウェーハ(図2(B))を貼り合わせ、熱処理を施した際のドナーウェーハの反りを示した複合ウェーハの断面図である。 1枚のドナーウェーハに対して3枚のハンドルウェーハを用いた場合の一例を示す図である。 1枚のドナーウェーハに対して4枚のハンドルウェーハを用いた場合の一例を示す図である。
本発明で用いる少なくとも2枚のハンドルウェーハとしては、好ましくは、シリコンウェーハ、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素又は窒化ガリウムのいずれかの材料からなるものを挙げることができる。なお、ハンドルウェーハは、後述する貼り合わせる工程の前に、RCA洗浄等の洗浄をしておくことが好ましい。また、少なくとも2枚のハンドルウェーハは、それぞれ異種材料からなるものを選択することができるが、後述する貼り合わせ及び熱処理の観点から、同一の材料からなるものを選択することが好ましい。
ハンドルウェーハのそれぞれの直径は、好ましくは2〜6インチ、より好ましくは2、3、4、又は6インチである。このような直径であれば、同時に少なくとも2枚以上の複合ウェーハを作製することができる。また、異なる直径のハンドルウェーハを組み合わせることによって、一度に多くの複合ウェーハを作製することも可能である。
本発明で用いるドナーウェーハとしては、好ましくは、シリコンウェーハ、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素又は窒化ガリウムのいずれかの材料からなるものを挙げることができる。
ドナーウェーハの直径は、少なくとも2枚のハンドルウェーハの直径の合計と同じか大きい直径を有する。また、ハンドルウェーハの直径の2倍以上の大きさである。倍率の好ましい上限値は、6倍である。
ドナーウェーハの直径は、好ましくは6〜12インチ、より好ましくは6、8、又は12インチである。このような直径であれば、同時に少なくとも2枚以上の複合ウェーハを作製することができる。
上述したように、本発明で用いるドナーウェーハは、ハンドルウェーハの2倍以上の大きさであることから、ドナーウェーハに施す面取り工程を省くことが可能である。これは、貼り合わせの不良原因となり得るドナーウェーハの面取り部分が貼り合わせ箇所から遠く隔たっているため、貼り合わせの良否に関与しないからである。
以下、本発明に係る複合ウェーハの製造方法について図1及び図2を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は、本発明に係る複合ウェーハの製造方法の工程の一例を示す図である。図1では、1枚のドナーウェーハと2枚のハンドルウェーハから2枚の複合ウェーハを製造する方法の一例を示している。
まず、図1(A)に示すように、ハンドルウェーハ11、12の直径の長さの合計の2倍以上の直径を有するドナーウェーハ13の表面13sから水素イオンを注入して内部に水素イオン注入層14を形成させる。次に、図1(B)に示すように、ドナーウェーハ13のイオン注入された表面13sと、2枚の前記ハンドルウェーハ11、12の表面11s、12sとを貼り合わせる。
図1(A)に示すように、ドナーウェーハ13の表面13sから水素イオンを注入して水素イオン注入層14を形成する際、例えば、ドナーウェーハ13の温度を250〜400℃とし、その表面から所望の深さに水素イオン注入できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオンを注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは50〜100keV、注入線量は2×1016〜1×1017/cmとすることができる。
注入される水素イオンとしては、2×1016〜1×1017(atoms/cm)のドーズ量の水素イオン(H)、又は1×1016〜5×1016(atoms/cm)のドーズ量の水素分子イオン(H )が好ましい。特に好ましくは、8.0×1016(atoms/cm)のドーズ量の水素イオン(H)、又は4.0×1016(atoms/cm)のドーズ量の水素分子イオン(H )である。このドーズ量で作製したものが、後の剥離、転写の際に、好適な脆弱性を有するからである。
水素イオン注入されたドナーウェーハ13の表面13sから水素イオン注入層14までの深さは、ハンドルウェーハ11、12上に設ける薄膜13Bの所望の厚さに依存するが、好ましくは300〜500nm、さらに好ましくは400nm程度である。また、水素イオン注入層13の厚さは、機械衝撃によって容易に剥離できる厚さがよく、好ましくは200〜400nm、さらに好ましくは300nm程度である。
また、ドナーウェーハ13として、上述したものの他、表面13sに酸化膜を形成したシリコンウェーハを用いてもよい。このような、表面13sに酸化膜を形成したシリコンウェーハを用い、酸化膜を通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られ、イオンの注入深さのバラツキをより抑えることができる。これにより、膜厚均一性の高い薄膜を形成することができる。なお、酸化膜は、一般的な熱酸化法により形成することができる。一般的には、酸素雰囲気又は水蒸気雰囲気で常圧下で、800〜1100℃で熱処理することで得られるものである。これは、水素イオン注入を行う際、酸化膜を通して注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られるからである。
酸化膜の厚さは、好ましくは50〜500nmである。これはあまり薄いと、酸化膜厚の制御が難しく、またあまり厚いと時間が掛かりすぎるためである。
ここで、貼り合わせる前に、ドナーウェーハ13の表面13sとハンドルウェーハ11、12の表面11s、12sのうちいずれか一方又は両方の表面に表面活性化処理を施すことが好ましい。この表面活性化処理を施すことにより、後の機械的剥離等に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。
表面活性化処理は、例えば、空間を隔てて対向する上部電極と下部電極を備えるプラズマ装置を用いて行うことができる。このプラズマ装置では、通常、下部電極の上面にドナーウェーハ又はハンドルウェーハを載置し、処理ガスを導入するとともに、上部電極又は下部電極のうち少なくとも一方に高周波電力を印加して、両電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成してドナーウェーハ又はハンドルウェーハに対してプラズマ処理が施される。
表面のプラズマ処理は、通常、真空チャンバ中にドナーウェーハ又はハンドルウェーハを載置し、処理ガスを導入した後、好ましくは、100W程度の高周波プラズマに5〜30秒程度さらすことで行われる。処理ガスとしては、例えば、表面に酸化膜を形成したシリコンウェーハを処理する場合には、好ましくは、酸素ガスのプラズマ、表面に酸化膜を形成しないシリコンウェーハを処理する場合には、好ましくは、水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを用いることができる。また、不活性ガスの窒素ガスを用いても良い。その他のドナーウェーハ又はハンドルウェーハを処理する場合は、いずれのガスでもよい。
表面活性化処理として、上述のようなプラズマ処理を行うことにより、ウェーハの表面活性化処理を施した面は、OH基が増加するなどして活性化する。したがって、この状態で、ドナーウェーハの表面とハンドルウェーハの表面とを密着させれば、水素結合等により、ウェーハをより強固に貼り合わせることができる。また、表面活性化処理として、UV、オゾン等の処理を行うことによっても、上述のようなプラズマ処理と同様の効果が得られる。
次に、図1(C)に示すように、貼り合わせた貼り合わせウェーハ15に、温度が200〜400℃の熱処理Hを施す。また、熱処理時間は、熱処理温度と材料に応じて決められ、好ましくは1〜24時間の範囲からで選択される。熱処理温度が高すぎたり、熱処理時間が長すぎたりすると、ひび割れ、剥離等が発生する恐れがある。このように、貼り合わせウェーハ15を熱処理することによって、ドナーウェーハ13とハンドルウェーハ11、12の貼り合わせの強度を高めることができる。貼り合わせ強度を高めれば、後の剥離をする際の不良の発生を減少させることもできる。熱処理工程は、好ましくは、アルゴン、窒素、ヘリウム、またはこれらの混合ガスの存在下で行われることができる。
1枚のドナーウェーハに複数枚のハンドルウェーハを貼り合わせる場合、この熱処理を施す際に、熱膨張係数の差異による応力が発生する。図2は、1枚のドナーウェーハ22に対し、1枚のハンドルウェーハ21(図2(A))、2枚のハンドルウェーハ21(図2(B))を貼り合わせ、熱処理を施した際のドナーウェーハ22の反りを示した複合ウェーハの断面図である。なお、この断面図においてはハンドルウェーハを省略している。図2(A)に示すように、1枚のハンドルウェーハを貼り合わせた場合、応力の発生分布はハンドルウェーハの同心円状となるため、ドナーウェーハには均一に応力がかかる。一方、図2(B)に示すように、2枚のハンドルウェーハを貼り合わせた場合、応力の発生分布はハンドルウェーハの同心円状とはならないため、ドナーウェーハには高い応力がかかる。そのため、貼り合わせたハンドルウェーハが剥がれるという問題が発生する場合がある。しかし、上述のような表面活性化処理を施すことにより、接合強度を高めることができるため、このような問題を回避することが可能である。
次に、図1(D)に示すように、前記水素イオン注入層14に沿って前記ハンドルウェーハ11、12上の薄膜13Bを剥離し、該ハンドルウェーハ11、12上に該薄膜13Bが転写された複合ウェーハ16、17を得る。このとき、薄膜13Bを剥離、転写することによって複合ウェーハ16、17を得ることができる。なお、貼り合わされていない薄膜部分13bは、ドナーウェーハ上に残存する。後述される透明ウェーハ側からの可視光照射の場合、可視光の照射する範囲をコントロールすれば、ドナーウェーハ上に貼り合わされていない薄膜部分13bをより容易に残すことができる。
剥離を行う方法として、ドナーウェーハ又はハンドルウェーハのうち少なくとも一方が透明ウェーハである場合、この剥離転写工程は、透明ウェーハ側から可視光を照射することを含むことが好ましい。さらに、ハンドルウェーハがガラス、石英又はサファイアである場合、この剥離転写工程は、ハンドルウェーハ側から可視光を照射することを含むことが好ましい。この方法では、ドナーウェーハの内部に形成されたイオン注入界面近傍のシリコンがアモルファス化していることによって、可視光の吸収を受けやすく、エネルギーを選択的に受容しやすいという機構によって剥離することが可能である。また、この剥離方法は、機械的剥離よりも簡易であるため好ましい。
可視光の光源は、Rapid Thermal Annealer(RTA)、グリーンレーザー光、又はフラッシュランプ光であることが好ましい。
その他剥離を行う方法として、水素イオン注入層14に衝撃を与えて機械的剥離を行う場合、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、貼り合わせた面の剥離等が発生するおそれがない。機械的剥離は、一端部から他端部に向かうへき開によるものが好ましい。へき開用部材として、好ましくは楔状の部材、例えば楔(くさび)を、水素イオン注入層14(注入界面)に挿入し、楔による変形でへき開を進行させて剥離する方法であってもよい。この方法の使用に際しては、楔が接触する部分での傷やパーティクルの発生や、楔を打ち込むことにより生じるウェーハの過大な変形による基板割れの発生を回避するように留意する。
さらにその他剥離を行う方法として、ハンドルウェーハがガラス、石英又はサファイアである場合、この剥離転写工程は、水素イオン注入層14に予めへき開用部材を接触させ、ハンドルウェーハ側から可視光を照射すると同時に機械的衝撃を与えることを含むことが好ましい。この方法によれば、上記光照射による光剥離と機械的剥離との相乗効果を得ることが可能である。
水素イオン注入層14に衝撃を与えるためには、例えば、ガスや液体等の流体のジェットを貼り合わせたウェーハの側面から連続的又は断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。
以上のような工程により、複合ウェーハ16、17を作製することができる。
以上説明したように、本発明の複合ウェーハの製造方法によれば、1枚のドナーウェーハから複数枚の複合ウェーハを得ることができ、ドナーウェーハの面取り工程を省略できる。また、1枚のドナーウェーハから複数枚の複合ウェーハを得ることができるため、大幅なコストダウンが可能となる。
なお、本明細書では、本発明に係る複合ウェーハの製造方法の工程について、1枚のドナーウェーハと2枚のハンドルウェーハから2枚の複合ウェーハを製造する方法の一例として説明したが、1枚のドナーウェーハに対して3枚のハンドルウェーハ(図3)、4枚のハンドルウェーハ(図4)、又はそれ以上の枚数のハンドルウェーハを用いた場合においても、同様に、本発明に係る複合ウェーハの製造方法を実施することが可能である。また、異なる直径のハンドルウェーハを複数枚組み合わせることによっても、同様に、本発明に係る複合ウェーハの製造方法を実施することが可能である。
以下、実施例、比較例を示して本発明を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。
(熱膨張率の異なるウェーハを用いた場合における、表面活性化処理の有無による比較試験)
試験例1として、酸化膜を50nm成長させた6インチのシリコンウェーハ上に、2インチのサファイアウェーハを2枚貼り合わせた後、250℃で24時間の熱処理を行った。
試験例2として、酸化膜を50nm成長させた6インチのシリコンウェーハ上に、プラズマ活性化処理を行った2インチのサファイアウェーハを2枚貼り合わせた後、250℃で24時間の熱処理を行った。
試験例1では、サファイアウェーハはシリコンウェーハから剥がれており、シリコンウェーハが破損していた。一方、試験例2では、サファイアウェーハはシリコンウェーハに強固に貼り合わされていた。この結果から、サファイアウェーハとシリコンウェーハを貼り合わせる前に表面活性化処理を施すことによって、接合強度を高めることができることが示された。
(実施例1)
酸化膜を50nm成長させ、水素イオンをドーズ量7.0×1016atoms/cm、加速電圧50KeVのエネルギーで注入した、面取り加工を行わなかった6インチのシリコンウェーハ上に、2インチのサファイアウェーハを3枚貼り合わせた。250℃で24時間の熱処理を行った後、イオン注入界面より楔を挿入して機械的剥離を行った。
得られた複合ウェーハにおいて、シリコン薄膜はサファイアウェーハ上に転写されていることが確認できた。この結果から、シリコンウェーハへの面取り加工の欠如は、転写されるシリコン薄膜に影響を与えないことが示された。
(実施例2)
酸化膜を50nm成長させ、水素イオンをドーズ量7.0×1016atoms/cm、加速電圧50KeVのエネルギーで注入した、面取り加工を行わなかった4インチのシリコンウェーハ上に、2インチのサファイアウェーハを2枚貼り合わせた。250℃で24時間の熱処理を行った後、サファイアウェーハ側から強力な可視光を照射することによって、イオン注入界面からシリコン薄膜を剥離転写させた。可視光の光源は、RTA、グリーンレーザー光、及びフラッシュランプ光を用いた。
全ての光源において、シリコン薄膜はサファイアウェーハ上に問題なく転写されたことが確認できた。この結果から、シリコンウェーハへの面取り加工の欠如は、転写されるシリコン薄膜に影響を与えないことが示された。
(実施例3)
酸化膜をCVD法によって50nm成膜させ、水素イオンをドーズ量9.8×1016atoms/cm、加速電圧70KeVのエネルギーで注入した、面取り加工を行わなかった4インチの炭化ケイ素ウェーハ上に、2インチのサファイアウェーハを3枚貼り合わせた。250℃で24時間の熱処理を行った後、イオン注入界面より楔を挿入して機械的剥離を行った。
得られた複合ウェーハにおいて、シリコン薄膜はサファイアウェーハ上に転写されていることが確認できた。この結果から、シリコンウェーハへの面取り加工の欠如は、転写されるシリコン薄膜に影響を与えないことが示された。
11、12 ハンドルウェーハ
11s、12s 表面
13 ドナーウェーハ
13s 表面
13B 薄膜
13b 貼り合わされていない薄膜部分
14 水素イオン注入層
15 貼り合わせウェーハ
16、17 複合ウェーハ
21 ハンドルウェーハ
22 ドナーウェーハ

Claims (10)

  1. 少なくとも2枚のハンドルウェーハの直径の合計と同じか大きい直径を有するドナーウェーハの表面から水素イオンを注入して内部に水素イオン注入層を形成させた該ドナーウェーハの該表面と、前記少なくとも2枚のハンドルウェーハの表面とを貼り合わせる工程と、
    前記貼り合わせた貼り合わせウェーハに、温度が200〜400℃の熱処理を施す工程と、
    前記熱処理後、前記水素イオン注入層に沿って前記ハンドルウェーハ上の薄膜を剥離し、該ハンドルウェーハ上に該薄膜が転写された複合ウェーハを得る剥離転写工程と、
    を少なくとも含む複合ウェーハの製造方法。
  2. 前記ドナーウェーハの直径が6〜12インチであり、前記少なくとも2枚のハンドルウェーハのそれぞれの直径が2〜6インチである請求項1に記載の複合ウェーハの製造方法。
  3. 前記ドナーウェーハの前記表面と前記ハンドルウェーハの前記表面のうちいずれか一方又は両方の表面に表面活性化処理を施す請求項1又は2に記載の複合ウェーハの製造方法。
  4. 前記ドナーウェーハ及び前記ハンドルウェーハが、それぞれシリコンウェーハ、酸化膜付きシリコンウェーハ、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素又は窒化ガリウムのいずれかである請求項1〜3のいずれかに記載の複合ウェーハの製造方法。
  5. 前記ドナーウェーハが、シリコンウェーハ又は酸化膜付きシリコンウェーハであり、前記ハンドルウェーハが、ガラス、石英又はサファイアである請求項4に記載の複合ウェーハの製造方法。
  6. 前記ドナーウェーハ又は前記ハンドルウェーハのうち少なくとも一方が透明ウェーハであり、前記剥離転写工程が、前記透明ウェーハ側から可視光を照射することを含む請求項1〜5のいずれかに記載の複合ウェーハの製造方法。
  7. 前記可視光の光源が、RTA、レーザー又はフラッシュランプ光である請求項6に記載の複合ウェーハの製造方法。
  8. 前記ハンドルウェーハがガラス、石英又はサファイアであり、前記剥離転写工程が、前記ハンドルウェーハ側から可視光を照射することを含む請求項1〜7のいずれかに記載の複合ウェーハの製造方法。
  9. 前記ハンドルウェーハがガラス、石英又はサファイアであり、前記剥離転写工程が、前記水素イオン注入層に機械的衝撃を与えることを含む請求項1〜7のいずれかに記載の複合ウェーハの製造方法。
  10. 前記ハンドルウェーハがガラス、石英又はサファイアであり、前記剥離転写工程が、前記水素イオン注入層に予めへき開用部材を接触させ、前記ハンドルウェーハ側から可視光を照射すると同時に機械的衝撃を与えることを含む請求項1〜7のいずれかに記載の複合ウェーハの製造方法。
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