JP5477277B2 - Soiウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、イオン注入剥離法により作製したSOIウェーハのSOI層上にエピタキシャル層を形成するSOIウェーハの製造方法に関する。
近年では、バイポーラデバイスやパワーデバイスに極めて有用なウェーハとして、SOI層の膜厚が数μmから数10μmの比較的厚い厚膜SOIウェーハが大いに期待されている。
しかし、ウェーハの貼り合わせ法を用いて、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(SOI層を形成するウェーハ)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。
そこで、これを実現するための方法として特許文献1があげられる。この特許文献1では、膜厚均一性が±0.01μm以下のSOI層を比較的容易に得ることができるイオン注入剥離法で薄いSOI層を形成し、その後、このSOI層上にエピタキシャル成長を行い、SOI層を増膜するという方法である。
しかし、この場合、SOIウェーハの反りを考慮し、ベースウェーハ(支持基板となるウェーハ)に予め酸化膜を形成して貼り合わせてSOIウェーハを作製すると、SOIウェーハの周辺テラス部(未結合部分)の酸化膜が露出した状態となるため、この状態でSOI層の全面上にエピタキシャル成長を行うと、テラス部の酸化膜上にポリシリコンが成長し、後の工程でパーティクル汚染などの原因となる。
一般的には、このポリシリコンを成長させないために、SOIウェーハをHF水溶液中に浸漬させてテラス部の酸化膜を除去してからエピタキシャル成長を行っているが、反り防止用の裏面酸化膜がベースウェーハに残されている場合、裏面酸化膜の膜厚も減少してしまうため、製造されるSOIウェーハの反りが大きくなってしまうという問題があった。
このような問題を解決するには、SOIウェーハの反りを防止するための裏面酸化膜を必要以上に減少させないために、特許文献2のようにHFスピン洗浄を行う等といった方法によって、テラス部の酸化膜のみを完全に除去してからエピタキシャル成長を行うという方法がある。
特開2000−30995号公報 特開2006−270039号公報
イオン注入剥離法でSOIウェーハを作製する場合、イオン注入時のチャネリングを防止するため、ボンドウェーハの表面に薄い酸化膜を形成した上でイオン注入が行われることが一般的である。この場合、厚い埋め込み酸化膜が必要とされる場合や、前述の反りの問題を考慮した場合にはベースウェーハ側にも酸化膜を形成する場合があるが、200nm以下の比較的薄い埋め込み酸化膜が必要とされる場合には、ボンドウェーハのみに酸化膜を形成してベースウェーハとの貼り合わせが行われることが多い。
その場合、剥離直後のSOIウェーハのテラス部には酸化膜が形成されておらず、作製されたSOIウェーハのSOI層の外周端と埋め込み酸化膜の外周端は、ほぼ同一の位置(径方向の位置)にある。従って、ボンドウェーハのみに酸化膜を形成した場合には、ベースウェーハに酸化膜を形成した場合のようなテラス部の酸化膜のエッチング等は不要であるため行われない。
しかし、このようなSOIウェーハに対して、特許文献1のようなSOI層を増膜するという方法を適用すると、エピタキシャル成長前の水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気での熱処理の際、SOI層の外周部の端面からエッチングが進行してしまう一方で、BOX層(埋め込み酸化膜)の外周部ではエッチングがほとんど生じない。
従って、前記熱処理が終了した段階(エピタキシャル成長が行われる直前)では、SOI層の外周の全周にわたって埋め込み酸化膜が露出した構造となってしまう。
図7に、上記の構造でエピタキシャル成長を行った場合のSOI層とテラス部の境界部分の概略断面図を示す。上記の構造のSOIウェーハにエピタキシャル成長が行われると、たとえ、埋め込み酸化膜22の露出した部分にポリシリコンが成長しないような条件でエピタキシャル成長を行っても、SOI層21とテラス部23の間に露出した埋め込み酸化膜22があるため、SOI層21の端面から成長したエピタキシャル層20と、テラス部23から成長したエピタキシャル層24とは、横方向に連続した層として繋がり難く、その部分には渓谷状の段差25(以下、エピ渓谷とも呼ぶ。)が発生してしまうという新たな問題が明らかとなった。
このような場合、SOI層21から成長するエピタキシャル層20と、テラス部23からのエピタキシャル層24が接触し、この部分が発塵源となり、後の工程でのパーティクル汚染の原因となる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、イオン注入剥離法により作製されたテラス部にシリコン酸化膜のないSOIウェーハに、前記のエピ渓谷を発生させることなくエピタキシャル成長を行い、所望のSOI層厚を有するSOIウェーハを製造できる方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成し、該シリコン酸化膜を通して水素及び希ガスのうち少なくとも1種類のガスイオンをイオン注入して前記ボンドウェーハの内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とを前記シリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハの外周のテラス部に酸化膜がなく、前記シリコン酸化膜を埋め込み酸化膜としたSOIウェーハを作製し、該SOIウェーハのSOI層の外周端が、前記埋め込み酸化膜の外周端よりも外側に位置した構造となるように、該埋め込み酸化膜の外周部を除去する処理を行い、その後、前記SOIウェーハに水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行った後、前記SOI層の表面にエピタキシャル層を形成することを特徴とするSOIウェーハの製造方法を提供する。
このような本発明の製造方法であれば、予め埋め込み酸化膜の外周部を除去しているため、熱処理でSOI層の外周端がエッチングされても埋め込み酸化膜が露出することがない。従って、このようなSOIウェーハのSOI層上にエピタキシャル層を良好に形成することができ、エピ渓谷の発生を防止して、後工程でのパーティクル汚染の原因とならない高品質の厚膜SOIウェーハを製造することができる。
このとき、前記埋め込み酸化膜の外周部を除去する処理を、前記SOIウェーハをHF含有水溶液に浸漬させることによって行うことが好ましい。
このように行うことで、埋め込み酸化膜の外周部除去を簡易な方法で効率的に行うことができる。
また、本発明は、シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成し、該シリコン酸化膜を通して水素及び希ガスのうち少なくとも1種類のガスイオンをイオン注入して前記ボンドウェーハの内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とを前記シリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハの外周のテラス部に酸化膜がなく、前記シリコン酸化膜を埋め込み酸化膜としたSOIウェーハを作製し、該SOIウェーハに水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行った後、該SOIウェーハのSOI層の外周に露出した前記埋め込み酸化膜を除去する処理を行い、その後、前記SOI層の表面にエピタキシャル層を形成することを特徴とするSOIウェーハの製造方法を提供する。
このような本発明の製造方法であれば、熱処理によりSOI層がエッチングされて露出した埋め込み酸化膜を除去してエピタキシャル層形成を行うため、SOI層上にエピタキシャル層を良好に形成することができ、エピ渓谷の発生を防止して、後工程でのパーティクル汚染の原因とならない高品質の厚膜SOIウェーハを製造することができる。
前記SOI層の外周に露出した埋め込み酸化膜を除去する処理を、前記SOIウェーハをHF含有水溶液に浸漬させることによって行うことが好ましい。
このように行うことで、埋め込み酸化膜の露出した外周部の除去を簡易な方法で効率的に行うことができる。
以上のように、本発明によれば、渓谷状の段差の発生を防止しながらエピタキシャル層を形成することができ、高品質の厚膜SOIウェーハを効率的に製造することができる。
本発明のSOIウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。 本発明のSOIウェーハの製造方法により製造されたSOIウェーハの一例を部分的に示す概略断面図である。 本発明のSOIウェーハの製造方法により製造されたSOIウェーハの他の一例を部分的に示す概略断面図である。 本発明の他の態様のSOIウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。 実施例1で製造されたSOIウェーハのSEM写真である。 実施例2で製造されたSOIウェーハのSEM写真である。 従来のSOIウェーハの製造方法により製造されたSOIウェーハを部分的に示す概略断面図である。 比較例1で製造されたSOIウェーハのSEM写真である。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、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SOIウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。
本発明の製造方法では、まず、図1(a)に示すように、シリコン単結晶からなるボンドウェーハ10とベースウェーハ11を準備する。
ボンドウェーハ10及びベースウェーハ11としては、シリコン単結晶からなるものであれば、特に限定されないが、例えば、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準備しても良く、その導電型はn型、p型のいずれであってもよい。
次に、図1(b)に示すように、ボンドウェーハ10の表面にシリコン酸化膜12を形成する。(ベースウェーハ11には酸化膜を形成しない。)
このとき形成するシリコン酸化膜12の厚さとしては特に限定されず、また、形成方法としても、例えば、wet酸化等の熱酸化方法により形成することができる。当該形成したシリコン酸化膜12は、後工程のイオン注入の際のチャネリング防止の効果を有し、また、貼り合わせ後には、埋め込み酸化膜14となる。
次に、図1(c)に示すように、シリコン酸化膜12を通して水素及び希ガスのうち少なくとも1種類のガスイオンをイオン注入してボンドウェーハ10の内部にイオン注入層13を形成する。
このとき形成するイオン注入層13の深さは、剥離後に形成されるSOI層16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16の厚さを制御できる。
次に、図1(d)に示すように、例えば常温の清浄な雰囲気下で、ボンドウェーハ10のイオン注入した表面と、ベースウェーハ11のシリコン単結晶の表面とをシリコン酸化膜12を介して貼り合わせる。
例えば、200nm以下の比較的薄い埋め込み酸化膜を有するSOIウェーハを製造する場合等には、本発明のように、ベースウェーハには酸化膜を形成しないで、チャネリング防止のためにボンドウェーハに形成されたシリコン酸化膜を埋め込み酸化膜とする。
次に、図1(e)に示すように、イオン注入層13でボンドウェーハ10を剥離することにより、SOI層16を有し、ベースウェーハ11の外周のテラス部18に酸化膜がなく、シリコン酸化膜12を埋め込み酸化膜14としたSOIウェーハ15を作製する。
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、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10をイオン注入層13で剥離することができる。
なお、貼り合わされるベースウェーハ、ボンドウェーハの周辺部には厚さが僅かに薄くなった研磨ダレと呼ばれる部分や面取り部が存在し、その部分は貼り合わせ後にも結合されず未結合部分となり、当該未結合部分があるため、剥離後には、SOI層の周りに、ベースウェーハの貼り合わせ面が露出したままの領域ができ、当該領域をテラス部という。
次に、図1(f)に示すように、SOIウェーハ15のSOI層16の外周端が、埋め込み酸化膜14の外周端よりも外側に位置した構造となるように、該埋め込み酸化膜14の外周部を除去する処理を行う。
埋め込み酸化膜14の外周部を除去する量としては、上記のようなオーバーハング形状の構造となれば、特に限定されず、例えば、後工程の熱処理時にSOI層16がエッチングされて減少する幅以上の幅を除去すれば、熱処理のエッチングにより埋め込み酸化膜14が確実に露出しないようにできる。
このとき、埋め込み酸化膜14の外周部を除去する処理としては、特に限定されず、例えば、SOIウェーハ15をHF含有水溶液に浸漬させることによって行うことが好ましい。
HF含有水溶液であれば、SOI層16の表面をできるだけエッチングしないように、埋め込み酸化膜14の外周部の端面を効率的にエッチングして除去することができ、上記のような構造とすることが容易である。
次に、図1(g)に示すように、例えばエピタキシャル成長炉内で、SOIウェーハ15に、水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行う。
この平坦化熱処理により、剥離後のSOI層の面粗さを改善し、ダメージ層を除去することができる。この際、SOI層の外周部の端面のエッチングが進行してSOI層の外周部が所定の幅でエッチング除去されるが、本発明では、予め埋め込み酸化膜の外周部は除去され、もともとオーバーハング形状なので、埋め込み酸化膜がSOI層の外周に露出することはない。
次に、図1(h)に示すように、SOIウェーハ15のSOI層16表面にエピタキシャル層17を形成する。
この際、例えば、成長温度にされたSOIウェーハに、トリクロロシラン(SiHCl)、ジクロロシラン(SiHCl)等の成長ガスと、キャリアガスとしての水素ガス(H)を供給することで、シリコンエピタキシャル層をエピタキシャル成長させることができる。
図2、3は、本発明の製造方法により製造したSOIウェーハを部分的に示す概略断面図である。図2に示すように、テラス部18及びSOI層16から成長するエピタキシャル層17が一つの層として繋がって成長するため、エピ渓谷が形成されず、発塵のない高品質の厚膜SOIウェーハとすることができる。また、図3のようにSOI層16と埋め込み酸化膜14の外周端が一致せず、SOI層16の外周端が埋め込み酸化膜14の外周端より外側に位置する構造(オーバーハング形状)のままでも、良好にエピタキシャル成長させることができる。この際、埋め込み酸化膜14の外周端部分に空洞が形成される場合があるが、数μm以下の微小なサイズであるため、後工程への影響はない。
また、上記のような本発明の効果は、以下に説明する本発明の他の態様のSOIウェーハの製造方法によっても達成できる。
図4は、本発明の他の態様のSOIウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。
図4における本発明の製造方法では、ボンドウェーハ10とベースウェーハ11とを貼り合わせた後剥離してSOIウェーハ15を作製するまでの図4(a)−(e)の工程は、図1(a)−(e)の工程と同様に行うことができる。
そして、図4(f)に示すように、SOIウェーハ15に水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行う。この熱処理でSOI層16の表面が平坦化されるとともに外周部がエッチングされ、埋め込み酸化膜14の外周部が露出することになる。
次に、図4(g)に示すように、SOIウェーハ15のSOI層16の外周に露出した埋め込み酸化膜14を除去する処理を行う。
この場合、埋め込み酸化膜14の少なくとも外周に露出した部分を除去すればよく、図3のように、さらに除去してSOI層16の外周端が埋め込み酸化膜14の外周端より外側に位置する構造にしてもよい。
また、埋め込み酸化膜14の露出した部分を除去する方法としては、特に限定されず、例えばSOIウェーハ15をHF含有水溶液に浸漬させることによって行うことで、効率的にエッチング除去することができる。
その後、図4(h)に示すように、SOI層16の表面にエピタキシャル層17を形成する。
前工程で埋め込み酸化膜14の露出した部分を除去しているため、図2,3のように、エピタキシャル層17は良好に形成されて、エピ渓谷の発生を防止できる。
以上のような本発明のSOIウェーハの製造方法であれば、良好なエピタキシャル成長で、高品質の厚膜SOIウェーハを製造することができる。
以下、実施例及び比較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。
(実施例1)
図1(a)−(h)の工程でSOIウェーハを製造した。
まず、ボンドウェーハ及びベースウェーハとして、直径300mm、結晶方位<100>のシリコン単結晶ウェーハを準備した。ボンドウェーハのみに、厚さ150nmの酸化膜を形成した。次に、ボンドウェーハの酸化膜を通して水素(H)をイオン注入して(注入条件:40keV、5×1016atoms/cm)、ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成した。次に、常温で貼り合わせて、500℃、30分、アルゴン雰囲気で剥離熱処理を行い、ボンドウェーハを剥離して、テラス部に酸化膜のないSOIウェーハ(SOI層/BOX層=300nm/150nm)を作製した。
次に、作製したSOIウェーハを15%HF水溶液に浸漬させて、BOX層をエッチングした。これにより、BOX層の外周端はSOI層の外周端より5μm内側に形成された。
次に、エピタキシャル成長炉内で、1100℃、5分、塩化水素ガスを含む雰囲気(HCl=0.5SLM、H=50SLM)で熱処理を行い(HClエッチング)、エッチング代185nmまでSOI層表面をエッチングした。この際、熱処理後のSOIウェーハのSOI層外周には、BOX層は露出していなかった。
次に、SOIウェーハのSOI層上に、原料ガスをジクロロシランとして、1080℃、4分で、エピタキシャル層を膜厚4μmまで成長させた。
上記のように製造したSOIウェーハのSOI層とテラス部の境界部分のSEM写真を図5に示す。図5に示すように、SOI層とテラス部の境界部分での段差はほとんど無く、良好なエピタキシャル成長を行うことができた。
(比較例1)
実施例1と同様に、ただし、熱処理(HClエッチング)前のBOX層の外周部のエッチング除去(図1(f))は行わないで、SOIウェーハを製造した。
図8に、製造したSOIウェーハのSOI層とテラス部の境界部分のSEM写真を示す。
図8に示すように、SOI層とテラス部の境界部分には、渓谷状の段差(エピ渓谷)が形成されていた。このようなエピ渓谷は、後工程でのパーティクル汚染の原因となる。
(実施例2)
図4(a)−(h)の工程でSOIウェーハを製造した。
まず、ボンドウェーハ及びベースウェーハとして、直径300mm、結晶方位<100>のシリコン単結晶ウェーハを準備した。ボンドウェーハのみに、厚さ150nmの酸化膜を形成した。次に、ボンドウェーハの酸化膜を通して水素(H)をイオン注入して(注入条件:40keV、5×1016atoms/cm)、ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成した。次に、常温で貼り合わせて、500℃、30分、アルゴン雰囲気で剥離熱処理を行い、ボンドウェーハを剥離して、テラス部に酸化膜のないSOIウェーハ(SOI層/BOX層=300nm/150nm)を作製した。
次に、1100℃、5分、塩化水素ガスを含む雰囲気(HCl=0.5SLM、H=50SLM)で熱処理を行い(HClエッチング)、エッチング代185nmまでSOI層表面をエッチングした。これにより、BOX層の外周部3μm幅がテラス部(SOI層の外側全周)に露出した。
次に、SOIウェーハを15%HF水溶液に浸漬させて、露出したBOX層をエッチングした。これにより、BOX層の外周端はSOI層の外周端とほぼ同一の位置に形成された。
次に、SOIウェーハのSOI層上に、原料ガスをジクロロシランとして、1080℃、4分で、エピタキシャル層を膜厚4μmまで成長させた。
上記のように製造したSOIウェーハのSOI層とテラス部の境界部分のSEM写真を図6に示す。図6に示すように、SOI層とテラス部の境界部分での段差は形成されず、良好なエピタキシャル成長を行うことができた。
(比較例2)
実施例2と同様に、ただし、熱処理(HClエッチング)後のBOX層の外周部のエッチング除去(図4(g))は行わないで、SOIウェーハを製造した。
製造したSOIウェーハのSOI層とテラス部の境界部分のSEM写真についても、比較例1の図8と同様にエピ渓谷が形成されていた。
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。
10…ボンドウェーハ、 11…ベースウェーハ、 12…シリコン酸化膜、
13…イオン注入層、 14…埋め込み酸化膜、 15…SOIウェーハ、
16…SOI層、 17…エピタキシャル層、 18…テラス部。

Claims (2)

  1. シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面にシリコン酸化膜を形成し、該シリコン酸化膜を通して水素及び希ガスのうち少なくとも1種類のガスイオンをイオン注入して前記ボンドウェーハの内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とを前記シリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハの外周のテラス部に酸化膜がなく、前記シリコン酸化膜を埋め込み酸化膜としたSOIウェーハを作製し、
    該SOIウェーハに水素を含む還元性雰囲気もしくは塩化水素ガスを含む雰囲気で熱処理を行った後、該SOIウェーハのSOI層の外周に露出した前記埋め込み酸化膜を除去する処理を行い、その後、前記SOI層の表面にエピタキシャル層を形成することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
  2. 前記SOI層の外周に露出した埋め込み酸化膜を除去する処理を、前記SOIウェーハをHF含有水溶液に浸漬させることによって行う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。
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