JP5466410B2 - Soi基板の表面処理方法 - Google Patents
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Description
しかし、現実には高い歩留まりでnmレベルの精度を達成することは困難であり、現状では改善が難しい。
この文献では1100℃水素雰囲気で60nm/h以上の速さでシリコン層のエッチングが起こることが示されており、シリコンをnmレベルの単位で制御するには適さない方法と言える。
本発明は、第2の側面として、イオン注入層を形成したシリコンウェーハをドナーウェーハとし、その後前記ドナーウェーハとハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増したものとし、その後、機械的衝撃を前記イオン注入層に加えて前記イオン注入層で剥離することにより半導体薄膜層を準備する工程と、前記半導体薄膜層の表面をプラズマを用いたPACE法、又は、ガスクラスターイオンビームを用いたGCIB法によって処理する工程と、アルゴン雰囲気中、又は、水素を4体積%以下含む不活性ガス雰囲気中で熱処理してアニールする工程とを含み、前記アニール工程において、前記半導体薄膜層の表面の粗さをRMSで0.3nm(10μm×10μm範囲)以下となるようにし、前記ハンドルウェーハを、石英、ガラス、サファイア、SiC、アルミナ、窒化アルミのいずれかとする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。
また、不活性ガス雰囲気中の水素濃度を4体積%以下とすることで、爆発下限以下の水素濃度となり取扱いが比較的安全となり、かつアニールによるエッチング作用も水素100%の雰囲気中で行うよりも大幅に抑えることができ、基板の膜厚均一性の悪化を最小限に防ぐことができる。
本発明において、アニール工程で使用する不活性ガスはこれらの中から適宜選択することができる。
このように、本発明によれば、SOI基板を含むシリコン基板の製造において要求される平滑な表面(RMSで0.3nm以下程度)を達成できる。
本発明の表面処理方法では、SOI基板のハンドルウェーハを、作製する半導体デバイスの目的に応じてこれらの中から適宜選択することができる。
このため、PACE法又はGCIB法により処理することによって膜厚均一性を高めたSOI基板の膜厚の変化を抑えながら、表面を所望の表面粗さまで平滑化できる。
また、不活性ガスに含まれる水素濃度を4体積%以下とすることで、エッチング作用を抑え、さらに爆発下限以下の水素濃度となり取り扱いが比較的安全となる。
前述のように、従来は膜厚均一性の高いSOI基板、すなわち、ハンドルウェーハの表面に半導体薄膜層を形成したものを作製するために、SiGen法によりSOI基板を準備し、さらにそれをPACE法又はGCIB法によって処理することによって膜厚均一性は高くなるが、この処理によって基板表面が粗くなるという問題があった。そのため、これを平滑化する方法としては、再研磨や水素100%雰囲気中でのアニールといった方法もあるが、それにより膜厚均一性を悪化させることとなっていた。
元来、PACE法、GCIB法ともに膜厚のばらついたシリコン層を補正しつつエッチングする目的には適している。そこで、PACE法又はGCIB法で処理したSOI基板表面を平滑化するために、アルゴン雰囲気中又は水素を4体積%以下含む不活性ガス雰囲気中で熱処理を施すことでエッチング作用を抑制できるので膜厚をnmレベルで制御できるため、膜厚の変化を小さくしつつ十分な平滑化をできることを見出した。
しかも、水素濃度を4体積%以下とすることでエッチング作用を抑えることができ、かつ水素濃度を爆発下限以下とすることで取扱いが比較的安全になることを見出し、本発明を完成させた。
準備するSOI基板の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、多結晶または単結晶であって、水素イオンを注入したイオン注入層を形成したシリコンウェーハ、または、酸化膜表面から水素イオンを注入した酸化膜つきシリコンウェーハ(酸化膜の膜厚:数nm〜500nm程度)をドナーウェーハとし、その後ハンドルウェーハの貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増し、その後、機械的衝撃をイオン注入層に加えてイオン注入層で剥離することによりSOI基板を製造することができる。このようなSOI基板の準備方法によれば、比較的膜厚が均一なSOI基板を準備することができるため、PACE法又はGCIB法による処理工程及びその後のアニール工程を短時間化することができ、しかもより一層膜厚均一性の高いものができるので、本発明の表面処理方法が有効である。
SOI基板の製造方法は、このようなSiGen法以外の製造方法を用いてもよく、いわゆるスマートカット法により製造してもよい。SiGen法を用いれば高温熱処理が不要となるため、異種基板を貼り合わせる場合に好適である。
このとき、SOI基板のハンドルウェーハを、シリコンウェーハ、酸化膜付きシリコンウェーハ、石英、ガラス、サファイア、SiC、アルミナ、窒化アルミのいずれかとすることができる。ハンドルウェーハは、作製する半導体デバイスの目的に応じて、これらの中から適宜選択するようにすれば良い。もちろん、これ以外の材料を用いてもよい。
SOI層の層厚は、後工程で再研磨をする必要がなく、再研磨のための研磨代等を確保しなくてよいので、たとえば、500nm以下とすることができる。
PACE法は、プラズマガスにより基板の表面を局所的にエッチングしながら基板の厚さ(SOI層の膜厚)を均一化する方法であり、SOI層の厚さ分布を光学干渉法や静電容量法で測定した後、その厚さ分布に応じてプラズマガスによるエッチング除去量を制御することで、SOI層の膜厚均一性を高くすることができる。
GCIB法は、常温及び常圧で気体状物質の塊状原子集団(ガスクラスター)を形成し、これに電子を浴びせて生成させたガスクラスターイオンを加速電圧によって加速して基板表面に照射するものであり、PACE法と同様に、SOI層の厚さ分布を光学干渉法や静電容量法で測定した後、その厚さ分布に応じてガスクラスターイオンによるエッチング除去量を制御することで、SOI層の膜厚均一性を高くすることができる。
このように、PACE法又はGCIB法により表面が粗くなったSOI基板をアニール処理することによって、膜厚均一性が高いとともに、SOI基板に求められる平滑な表面にすることができる。
図2に示すように、アルゴン雰囲気中、水素4体積%以下含む不活性ガス(図2のデータはアルゴンを使用)雰囲気中、水素100%の雰囲気中それぞれで、1100℃で4時間PACE処理後のSOI基板のアニールを行った。このとき、シリコン基板へのエッチング量は水素100%で行ったものが330nmなのに対して、アルゴン雰囲気中で行ったものは0.5nm、水素4体積%以下含む不活性ガス雰囲気中で行ったものは16nmとなっていた。したがって、アルゴン雰囲気あるいは水素を4体積%以下含む不活性ガス雰囲気とすれば、水素100%雰囲気に比べ格段にエッチング作用を抑制し、SOI基板表面の平滑化においてエッチング作用をnmレベルで制御することができ、膜厚の変化を小さくし膜厚均一性を高く保つことができる。
また、不活性ガス中の水素濃度を4体積%以下とすることでエッチング作用を抑えることができると共に、水素が爆発下限以下の濃度となるため、取り扱いが比較的安全となる。
このとき、アルゴンガス、または、アルゴン/水素混合ガスの圧力(全圧)としては、全圧として常圧付近の105Pa(1気圧付近)程度が使いやすく望ましい。
以上のアニール工程を行うことによって、より確実にSOI基板の表面の粗さをRMSで0.3nm(10μm×10μm)以下とすることができる。このため、本発明のアニール工程によって、膜厚均一性を保ちながらSOI基板に求められる平滑な表面を達成することができる。
アニール処理温度の上限としては、石英チューブ等の耐熱温度の観点から、例えば、1250℃とすることができる。石英部材の耐久性を鑑みれば1150℃程度が望ましい。
以下のように、貼り合わせ法によるSOI基板の製造方法に従って、SOI基板を製造した。
まず、SOI基板をSiGen法により準備した(工程a)。
この工程では、水素イオンを、注入条件が注入エネルギーを35keV、注入線量を9×1016/cm2、注入深さを0.3μmで注入したイオン注入層を形成したシリコンウェーハをドナーウェーハ、合成石英基板をハンドルウェーハとして準備し、その貼り合わせ面にプラズマ用ガスとして窒素ガスを使用して、平行平板電極間に高周波パワー50Wの条件で高周波を印加することでプラズマを発生させ、高周波プラズマ活性化処理を10秒行った。
次に、ドナーウェーハとハンドルウェーハを貼り合わせ350℃の熱処理で結合強度を増し、その後、紙切りバサミの刃により、剥離の起点を形成し機械的衝撃をイオン注入層に加えてイオン注入層で剥離することによりSOI基板を準備した。
以上の工程により得られた、SOI基板の面内膜厚ばらつきは5.80nmであった。
この工程は、SOI基板の厚さ分布を光学干渉法で測定した後、エッチングガスとしてSF6ガスを使用し、その厚さ分布に応じてエッチングを行った。処理中SF6ガス流量は40sccm,反応チャンバ内圧力は267Pa、高周波電力は125Wに保った。
PACE処理後、SOI基板の表面粗さはRMSで3.10nmであり、面内膜厚ばらつきは1.40nmであった。ここで、膜厚均一性の指標である面内膜厚ばらつきは、測定点を放射状に361点設け、平均値からの膜厚変位の二乗和の平方根によって定義される値であり、上記膜厚は、光学干渉法または静電容量法により測定される値である。
この工程では、アルゴン100%の雰囲気中、温度1100℃で4時間アニールした。
このとき、SOI基板の膜厚減少量(エッチング量)0.5nm,処理後の表面粗さはRMSで0.26nm、面内膜厚ばらつき1.6nmであった。
このように、アルゴン100%の雰囲気中におけるアニールによるSOI基板の表面粗さは、所望の表面粗さであるRMS0.3nm以下であった。
実施例1と同様に、ただし、アニール工程(工程c)の雰囲気は水素を4体積%含むアルゴンの雰囲気中で行った。このとき、SOI基板の膜厚減少量(エッチング量)16nm,表面粗さはRMSで0.19nm、面内膜厚ばらつき11.0nmであった。
このように、水素を4体積%含むアルゴン雰囲気中におけるアニールにおいても、SOI基板の表面粗さはRMS0.3nm以下であった。
実施例1と同様に、ただし、アニール工程(工程c)の雰囲気は水素100%の雰囲気中で行った。このとき、SOI基板の膜厚減少量(エッチング量)330nm,表面粗さはRMSで0.14nm、面内膜厚ばらつき24.5nmであった。
Claims (6)
- SOI基板の表面処理方法であって、少なくとも、
イオン注入層を形成したシリコンウェーハをドナーウェーハとし、その後前記ドナーウェーハとハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増したものとし、その後、機械的衝撃を前記イオン注入層に加えて前記イオン注入層で剥離することにより前記SOI基板を準備する工程と、
前記SOI基板の表面をプラズマを用いたPACE法、又は、ガスクラスターイオンビームを用いたGCIB法によって処理する工程と、
前記処理を施したSOI基板を、アルゴン雰囲気中、又は、水素を4体積%以下含む不活性ガス雰囲気中で熱処理してアニールする工程とを有し、
前記アニール工程において、前記基板の表面の粗さをRMSで0.3nm(10μm×10μm範囲)以下となるようにし、
前記SOI基板のハンドルウェーハを、石英、ガラス、サファイア、SiC、アルミナ、窒化アルミのいずれかとすることを特徴とするSOI基板の表面処理方法。 - 前記アニール工程において、前記熱処理を900℃以上1250℃以下の温度で施すことを特徴とする請求項1に記載のSOI基板の表面処理方法。
- 前記アニール工程において、前記不活性ガスを、窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれかとすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のSOI基板の表面処理方法。
- イオン注入層を形成したシリコンウェーハをドナーウェーハとし、その後前記ドナーウェーハとハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ活性化処理を行ってから貼り合わせ、しかる後に、350℃以下の熱処理で結合強度を増したものとし、その後、機械的衝撃を前記イオン注入層に加えて前記イオン注入層で剥離することにより半導体薄膜層を準備する工程と、
前記半導体薄膜層の表面をプラズマを用いたPACE法、又は、ガスクラスターイオンビームを用いたGCIB法によって処理する工程と、
アルゴン雰囲気中、又は、水素を4体積%以下含む不活性ガス雰囲気中で熱処理してアニールする工程とを含み、
前記アニール工程において、前記半導体薄膜層の表面の粗さをRMSで0.3nm(10μm×10μm範囲)以下となるようにし、
前記ハンドルウェーハを、石英、ガラス、サファイア、SiC、アルミナ、窒化アルミのいずれかとする貼り合わせウェーハの製造方法。 - 前記アニール工程において、前記熱処理を900℃以上1250℃以下の温度で施すことを特徴とする請求項4に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
- 前記アニール工程において、前記不活性ガスを、窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれかとすることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
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