JP5706391B2 - Soiウエーハの製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、貼り合わせ前に、ボンドウエーハの貼り合わせ面にリンまたはシリコンをイオン注入して歪みや欠陥を導入し、貼り合わせ後にSOI層とBox層の間のゲッタリング層とする方法(例えば、特許文献2参照)がある。
また、リンやシリコン以外のイオン、例えばホウ素、炭素、アルゴン、クリプトン、キセノンを、貼り合わせ前に、ボンドウエーハの貼り合わせ面にイオン注入する方法も提案されている(特許文献3参照)。
このように、中性元素のイオン注入のドーズ量を、5×1012atoms/cm2以上とすれば、より確実に、十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハを製造することができる。
図1は、本発明の貼り合わせ法によるSOIウエーハの製造方法の一例を示す図である。本発明が適用される貼り合わせ法によるSOIウエーハの製造方法の概略は以下に示す通りである。
次に、工程(b)において、ベースウエーハ14とボンドウエーハ11との少なくとも一方に埋め込み絶縁層となる絶縁膜13を形成する(ここでは、ベースウエーハ14に絶縁膜13を形成する)。
次に、工程(e)において、貼り合わせ面15の結合強度を高めるための結合熱処理を行う。例えば、酸化性あるいは不活性ガス雰囲気下、1000℃〜1200℃、10分〜6時間の熱処理を行うことで二枚のウエーハを強固に結合することができる。
次に、工程(f)において、ボンドウエーハ11を所望の厚さまで薄膜化し、支持基板54の上にBox層53を挟んでSOI層51が形成されており、イオン注入ダメージ層52を有するSOIウエーハ50を得る。
なお、この剥離用イオン注入層の形成は、ゲッタリング層形成目的のイオン注入工程より先に行っても後に行ってもよい。
すなわち、従来は、SOIウエーハにゲッタリングを目的としてイオン注入ダメージ層を導入するためのイオン注入のドーズ量は1×1015atoms/cm2以上必要であるとされていた。このようなドーズ量であれば、確かに、強力なゲッタリング能力をSOIウエーハに付加することができるが、一方で、貼り合わせ熱処理時に、2次欠陥を大量に発生させることにつながり、SOIウエーハの特性を悪化させる場合があった。また、ドーズ量の桁が一桁上がると、イオン注入にかかる時間は約10倍となる。従来のようにドーズ量が1×1015atoms/cm2以上であると、長時間のイオン注入が必要となり、生産性が低くなるとともにコストが高くなる。
なお、本発明の効果のあるドーズ量の下限である1×1012atoms/cm2は、通常のイオン注入装置によって安定に制御してイオン注入することのできるドーズ量のほぼ下限値である。
この場合、より確実にSOIウエーハにゲッタリング能力を付加するには、中性元素のドーズ量を5×1012atoms/cm2以上とすることが好ましい。
特に、アルゴンをシリコン中にイオン注入してイオン注入ダメージ層を導入した場合は強力なゲッタリング能力を持つゲッタリングサイトとすることができるので好ましい。
なお、この中性元素のイオン注入時の加速電圧の下限は明確に限定されるものではないが、シリコン単結晶ウエーハ中にイオン注入される必要があるので、注入される元素にもよるが、例えば、10keVとすることができる。
このようなイオン注入ダメージ層の厚さであると、通常の断面TEM観察ではほとんどイオン注入ダメージ層を観察することはできないが、SOIウエーハを製造した場合に、十分なゲッタリング能力を付加することができる。そして、このようなイオン注入ダメージ層の厚さであれば、貼り合わせ熱処理時のイオン注入ダメージ層からの2次欠陥の発生をより確実に抑制することができる。
なお、このようなイオン注入ダメージ層の厚さの下限は特に限定されないが、イオン注入装置の加速電圧の下限によって決定される。
具体的には、少なくとも貼り合わせ工程より前に、中性元素をイオン注入する表面と同じ面からシリコン中でドナーとなる元素、すなわちリン、ヒ素、アンチモン等をイオン注入してn+層を形成する工程を導入することによって、このようなn+層を導入することができる。
図1に示すような工程に従って、下記のように、イオン注入ダメージ層を導入したSOIウエーハを製造した。
まず、直径200mm、面方位{100}の鏡面研磨された2枚のN型シリコン単結晶ウエーハを用意した(a)。ベースウエーハ14の表面に、Box層となる膜厚約1μmのシリコン酸化膜13を熱酸化により形成した(b)。
その後、貼り合わせウエーハ20のボンドウエーハ11側を、平面研削及び鏡面研磨により、約12μmの厚さになるまで薄膜化し、SOIウエーハ50を得た(f)。
また、このように製造したSOIウエーハのゲッタリング能力を次のように評価した。まず、SOI層表面にNiを約1×1013atoms/cm2の濃度で塗布し、1000℃で1時間の熱処理により内部に拡散させた。次に、表面酸化膜、SOI層、Box層、支持基板表層(Box層側の表面から約2μmまで)を段階的にエッチングして、その溶液中のNi濃度をICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析法)で測定することにより、Ni濃度の深さ方向分布を測定した。表面酸化膜とBox層はHF溶液により各々1段階で、SOI層は混酸溶液によりSOI層表面から約2μmステップで6段階に分割して、支持基板表層は混酸溶液により1段階で測定した。
イオン注入する中性元素を、炭素(実施例2)、酸素(実施例3)、シリコン(実施例4)として、SOI層を約14μmの厚さになるまで薄膜化した他は、実施例1と同様の方法によってSOIウエーハを製造した。その後、実施例1と同様の手法によってSOIウエーハの断面TEM観察を行い、ゲッタリング能力の評価を行った。ただし、SOI層については7段階に分割してNi濃度の測定を行った。
アルゴン(比較例1)、炭素(比較例2)、酸素(比較例3)、シリコン(比較例4)を、ドーズ量を1×1015atoms/cm2としてイオン注入し、SOI層を約14μmの厚さになるまで薄膜化した他は、実施例1と同様の方法によってSOIウエーハを製造した。その後、実施例1と同様の手法によってSOIウエーハの断面TEM観察を行い、ゲッタリング能力の評価を行った。ただし、SOI層については7段階に分割してNi濃度の測定を行った。
また、実施例1〜4、比較例1〜4のSOIウエーハのゲッタリング能力評価の結果を図4に示した。なお、横軸の「SiO2」は表面酸化膜を、「SOI−1〜6(7)」は分割して測定したSOI層を表面から順番に、「BOX」はBox層を、「BAS」は支持基板を、「SUM」は合計を、それぞれ示す。
また、実施例1〜4、比較例1〜4の断面TEM観察によって測定した1μm×1μm中に存在する欠陥の数を表1にまとめた。
一方、ドーズ量が1×1015atoms/cm2の場合は、ドーズ量が1×1014atoms/cm2である場合より、ゲッタリング能力はややさらに強力になっているが、界面に欠陥が形成され始めており、SOI層の特性に悪影響があると考えられる。尚、表1で「>10」は数10個レベル、「>100」は数100個レベルを示す。また、前述のようにドーズ量が1×1015atoms/cm2以上であると、長時間のイオン注入が必要となり、生産性が低くなるとともにコストが高くなる。
ボンドウエーハ11にイオン注入によるイオン注入ダメージ層の形成を行わない他は、実施例1と同様の方法によってSOIウエーハを製造し、ゲッタリング能力の評価を行った。
この結果、図5に示すように、NiがSOI層表面側に高濃度で分布し、ゲッタリング能力が著しく低かった。
さらに、アルゴン、炭素、酸素、シリコンの各元素を、ドーズ量を1×1012atoms/cm2(実施例5)、1×1013atoms/cm2(実施例6)、1×1016atoms/cm2(比較例6)としてイオン注入した他は実施例1と同様の方法によってSOIウエーハを製造した。その後、実施例1と同様の手法によってSOIウエーハの断面TEM観察を行い、その結果を表1に併記した。
一方、ドーズ量が1×1016atoms/cm2の場合は、いずれの中性元素の場合も欠陥の数が多すぎるために測定不可能(表1中では「×」印で示す。)であった。
直径200mm、面方位{100}の鏡面研磨された2枚のN型シリコン単結晶ウエーハを用意した。ベースウエーハの表面にBox層となる膜厚約1.3μmのシリコン酸化膜を熱酸化により形成した。
ドーズ量が1×1012atoms/cm2の場合(実施例16)は、ほとんど欠陥が形成されていなく、ゲッタリング層のNi濃度が1011atoms/cm2台の安定した値となった。しかし、ゲッタリング能力が実施例7〜11の場合と比べて低く、より確実に十分なゲッタリング能力を有するSOIウエーハとするには、ドーズ量を5×1012atoms/cm2以上とすることがよいことがわかる。
直径200mm、面方位{100}の鏡面研磨された2枚のP型シリコン単結晶ウエーハを用意した。ボンドウエーハの表面に膜厚約75nmのシリコン酸化膜を、ベースウエーハの表面に膜厚約225nmのシリコン酸化膜を熱酸化により形成した。
14…ベースウエーハ、 15…貼り合わせ面、
20…貼り合わせウエーハ、
50…SOIウエーハ、
51…SOI層、 52…イオン注入ダメージ層、 53…Box層、
54…支持基板。
Claims (6)
- 少なくとも、
シリコン単結晶からなるベースウエーハとボンドウエーハを準備する工程と、
前記ベースウエーハの表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記ボンドウエーハの絶縁膜を形成していない表面から、シリコン中で電気的に不活性である中性元素としてアルゴン、酸素、シリコンの少なくとも一種をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成する工程と、
前記イオン注入した表面を前記絶縁膜を介して前記ベースウエーハと前記ボンドウエーハとを貼り合わせる工程と、
貼り合わされた前記ボンドウエーハを薄膜化する工程と
を備えるSOIウエーハの製造方法において、前記イオン注入ダメージ層形成工程における中性元素のイオン注入は、
前記中性元素としてアルゴン又はシリコンをイオン注入する場合はドーズ量を1×10 12 atoms/cm 2 以上1×10 14 atoms/cm 2 以下とし、前記中性元素として酸素をイオン注入する場合はドーズ量を1×1012atoms/cm2以上1×1015atoms/cm2未満とし、加速電圧を200keV以下として行うことを特徴とするSOIウエーハの製造方法。 - 前記イオン注入ダメージ層の厚さを0.5μm以下とすることを特徴とする請求項1に記載のSOIウエーハの製造方法。
- 前記絶縁膜をシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜あるいはこれらを組み合わせたもの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ウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハの薄膜化を、前記ボンドウエーハを研削することによって行うことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のSOIウエーハの製造方法。
- 前記ボンドウエーハの薄膜化を、予め、前記貼り合わせ工程より前に、水素またはヘリウムを前記ボンドウエーハの表面からイオン注入することにより剥離用イオン注入層を設け、前記ボンドウエーハの薄膜化工程において、剥離熱処理により前記剥離用イオン注入層で前記ボンドウエーハを剥離することによって行うことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のSOIウエーハの製造方法。
- 前記中性元素のイオン注入のドーズ量を、5×1012atoms/cm2以上とすることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のSOIウエーハの製造方法。
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