JP5867291B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェーハの製造方法に関し、特に、貼り合わせ界面にゲッタリング効果が付与された貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法に関するものである。

半導体デバイス用シリコンウェーハの一つとして貼り合わせＳＯＩウェーハが知られている。ＳＯＩウェーハは、２枚のポリッシュド・ウェーハの間に酸化膜を介在させて貼り合わせたものであり、電気絶縁性の高い酸化膜の層をウェーハ内部に形成することにより、デバイスの高集積化、低消費電力化、高速化、高信頼性を実現できるものである。

貼り合わせＳＯＩウェーハを用いた半導体素子の製造において、ＳＯＩ基板中に微量な重金属の不純物が存在すると、これらの不純物は製造プロセスの熱処理中に素子活性領域内に拡散し、素子の電気特性を劣化させたり、製造歩留まりを低下させたりする原因となり、その信頼性が低下するので、貼り合わせＳＯＩウェーハにはゲッタリングサイトが必要とされている。

貼り合わせＳＯＩウェーハにゲッタリングサイトを付与する従来の方法としては、例えば、有機物が存在する環境下で貼り合わせを行い、貼り合わせ界面に有機物を閉じ込めた状態で接合強化熱処理を行うことにより、貼り合わせ界面に炭素に起因する微小な結晶欠陥を形成させ、この結晶欠陥にゲッタリングさせる方法が知られている（特許文献１参照）。具体的には、有機物を含む雰囲気中でウェーハを洗浄する方法、有機物を含む雰囲気中でウェーハを乾燥させる方法、有機物を含む洗浄液を用いてウェーハ表面を処理する方法、及び有機物を含む処理液をウェーハ表面に塗布又は滴下する方法が挙げられる。

またゲッタリングサイトを付与する従来の他の方法として、貼り合わせ前のウェーハの表面に不純物イオンを注入することで歪み層を形成し、この歪み層をゲッタリングサイトとして用いる方法も知られている（特許文献２参照）。不純物イオンとしては、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｏ、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎが用いられ、歪み層の範囲は０．１〜１．０μｍとされている。

特開２００８−０２８２４４号公報 特開平８−０７８６４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法は、以下に示すように、シリコンウェーハの面内に均一且つ安定的に有機物を吸着させることができないという問題がある。例えば、有機物を含む雰囲気中でウェーハを洗浄する方法では、雰囲気中の有機物の濃度管理が非常に難しい。また、有機物を含む雰囲気中でウェーハを乾燥させる方法も同様であり、環境の僅かな変化によって有機物の吸着量が変化してしまい、非常に不安定である。特にスピンドライヤーを用いた乾燥では、スピンドライヤーの吸気・排気能力や設置環境（例えば、風速、風向、温度、湿度等）の変化により、ウェーハ表面の有機物の濃度の面内分布が不均一になるという問題がある。

また、有機物を含む洗浄液を用いてウェーハ表面を処理する方法や有機物を含む処理液をウェーハ表面に塗布又は滴下する方法では、洗浄液や処理液に含まれるパーティクルや微量な金属がそのまま表面に付着し、それらが除去されずに貼り合わせ界面に残存する場合がある。その結果、貼り合わせ界面の密着性が低下し貼り合わせ界面にボイド（空隙）が残るなどの貼り合わせ不良が発生し、最終的にはデバイス特性を低下させる原因となる。

一方、上記特許文献２に記載された方法では、貼り合わせ前にイオン注入や析出物を形成するための熱処理など施す必要があるため、工程数増加や生産性低下による製造コストの上昇を招く問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、貼り合わせＳＯＩウェーハの貼り合わせ界面にゲッタリングサイト源となる有機物を面内均一且つ安定的に吸着させることが可能なＳＯＩウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、ウェーハの表面に、キャリアガスに揮発させた有機物を含有させた有機物含有ガスを直接吹き付けて前記有機物を吸着させることにより、ウェーハ表面の有機物の濃度の面内分布を均一にできることを知見した。

また、その後の本発明者らの実験によれば、上記手法により有機物濃度が面内均一なウェーハが得られるものの、ウェーハの処理枚数が増大するに連れて、ウェーハの表面への有機物の付着量が徐々に低下する傾向があり、処理されたバッチ間でウェーハ表面の有機物濃度にばらつきを生じる問題があることが明らかとなった。このため、それぞれのバッチ処理間でウェーハ表面に吸着する有機物濃度が一定となるように、有機物ガス吹き付け条件を随時変更する必要がある。

これまで、ウェーハ表面の有機物濃度は、バッチ処理された複数のウェーハの中から任意に抜き出したサンプルに対してＧＳ−ＭＳ（Gas Chromatograph - Mass Spectrometry：ガスクロマトグラフ質量分析）の測定を行うことにより、ウェーハ表面の有機物の吸着量の評価が行われていたが、測定までに時間が掛かり、この測定結果に基づき有機物含有ガスの直接吹き付け条件をリアルタイムに変更することができない。また、このようなウェーハの抜き取り評価では、カセット内やバッチ内でのばらつきやロット間の異常を評価し難いという問題がある。

これらの問題を解決するため、本発明によるＳＯＩウェーハの製造方法は、２枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方のウェーハの表面に、キャリアガスに揮発させた有機物を含有させた有機物含有ガスを直接吹き付けて前記有機物を吸着させた後、前記２枚のウェーハの貼り合わせを行うＳＯＩウェーハの製造方法であって、前記ウェーハに吹き付ける前記有機物含有ガス中の有機物濃度を測定し、当該測定結果に基づき、前記有機物含有ガスの流量及び前記有機物含有ガス中の有機物濃度の少なくとも一方を制御することを特徴とする。

本発明において、前記有機物含有ガス中の有機物濃度の測定は、前記有機物含有ガス中のＴＶＯＣ（Total Volatile Organic Compounds：総揮発性有機化合物）濃度を測定するものであることが好ましい。本発明者らの実験によれば、ＧＣ−ＭＳで得られたウェーハ表面の有機物濃度と有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度には極めて良好な相関があることが判明した。従って、ＴＶＯＣ濃度を測定することでＧＣ−ＭＳと同様の評価が可能であり、極短時間で測定できるので、測定結果に基づきリアルタイムに有機物含有ガス吹き付け条件を変更することができる。また、カセット内やバッチ内でのばらつきやロット間の異常の評価が難しいというＧＣ−ＭＳによる上記問題を解消することができる。

本発明において、前記有機物含有ガス中の有機物濃度の測定は、水素炎イオン化検出法またはＦＴＩＲ法により行うものであることが好ましい。この方法によれば、有機物含有ガスの有機物、特にＮ−メチル−２−ピロリドン濃度を容易かつ高感度に測定することができる。

本発明においては、ウェーハ処理枚数の増大に合わせて、前記ウェーハに吹き付ける有機物含有ガスの流量を増大させるか、あるいは、ガス製造段階で温度上昇させて有機物の揮発量を増大させることにより、前記キャリアガス中の有機物含有量を増大させることが好ましい。前述したように、ウェーハの処理枚数が増大するとウェーハの表面への有機物の付着量が徐々に低下する傾向がみられるが、このような場合でも、ウェーハに吹き付ける有機物含有ガス中の有機物含有量を測定し、その結果に基づいて、流量または有機物の揮発量を増大させることにより、有機物含有量を一定に制御することができる。

本発明によるＳＯＩウェーハの製造方法は、前記ウェーハを回転させながら有機物含有ガスを吹き付けることが好ましい。この方法によれば、ウェーハの表面に有機物を均一に付着させることができ、当該方法を非常に簡単な構成で実現することができる。

本発明によるＳＯＩウェーハの製造方法は、ガス供給ノズルを前記ウェーハの半径方向に所定の周期で複数回スイングさせながら前記有機物含有ガスを吹き付けることが好ましい。この方法によれば、ウェーハの表面に有機物を均一且つ安定的に吸着させることができる。したがって、ゲッタリングサイトが均一に形成された高品質な貼り合わせＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、本発明によるＳＯＩウェーハの製造方法は、前記ウェーハの中心にガスを吹き付けることが好ましい。この方法によれば、ウェーハの表面への有機物の均一且つ安定的な吹き付けを簡単な構成により実現することができ、特に、有機物の吸着量が少ない場合には効果的である。

本発明において、前記有機物含有ガスは、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する不活性ガス、あるいは芳香族炭化水素類、塩化炭化水素類、アルコール類、又はグリコール化合物類の有機物を含む不活性ガスであることが好ましい。これらの有機物のうち、Ｎ−メチル−２−ピロリドンは入手し易く、ウェーハ表面へ吸着しやすい性質を有している。

本発明によれば、貼り合わせＳＯＩウェーハの貼り合わせ界面にゲッタリングサイト源となる有機物を面内均一且つ安定的に吸着させることが可能なＳＯＩウェーハの製造方法を提供することができる。

図１は、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造工程を説明するための模式図である。 図２は、本発明の好ましい実施の形態によるウェーハ貼り合わせシステムの構成を示すブロック図である。 図３は、ガス吹き付け機構１０の構成を示す模式図である。 図４は、ガス吹き付け機構１０の構成の変形例を示す模式図である。 図５は、ガス混合装置２０の配管系統の一例を示す模式図である。 図６は、有機物含有ガスの生成方法を説明するための模式図であり、（ａ）はバブリング方式、（ｂ）は揮発方式をそれぞれ示している。 図７は、実施例１における有機物の吸着量を示すグラフである。 図８は、実施例１におけるウェーハのライフタイムマップである。 図９は、実施例４における有機物の吸着量を示すグラフである。 図１０は、実施例５における有機物の吸着量を示すグラフである。 図１１は、実施例６における有機物の吸着量を示すグラフである。 図１２は、実施例６におけるウェーハのライフタイムマップである。 図１３は、比較例１における有機物の吸着量を示すグラフである。 図１４は、比較例１におけるウェーハのライフタイムマップの代表例である。 図１５は、比較例２における有機物の吸着方法を説明するための模式図である。 図１６は、比較例２における有機物の吸着量を示すグラフである。 図１７は、比較例２におけるウェーハのライフタイムマップであり、（ａ）はスロット１のウェーハ、（ｂ）はスロット１３のウェーハ、（ｃ）はスロット２５のウェーハをそれぞれ示している。 図１８は、雰囲気付着方式により有機物を付着させたときの各ウェーハの表面の有機物濃度を示すグラフである。 図１９は、強制付着方式により有機物を付着させたときの各ウェーハの表面の有機物濃度を示すグラフである。 図２０は、ウェーハ表面の有機物濃度及び有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度をそれぞれ示すグラフである。 図２１は、ウェーハ表面の有機物濃度と有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度との相関を示すグラフである。 図２２は、強制付着方式において有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度が一定となるようにガス流量を自動制御したときの各ウェーハの表面の有機物濃度を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造工程を説明するための模式図である。

図１に示すように、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造では、まず材料基板として２枚のシリコンウェーハを用意する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。２枚のウェーハのうち一方のウェーハ（第１のウェーハ）は貼り合わせ後に活性層となる活性側ウェーハ２Ａであり、他方のウェーハ（第２のウェーハ）は貼り合わせ後に支持基板となる支持側ウェーハ２Ｂである。なおこれらのウェーハはその表面に自然酸化膜を有している。

次に、支持側ウェーハ２Ｂの表面に所定の厚さの酸化膜（ＢＯＸ層：Buried Oxide層）３を形成する（ステップＳ１０３）。酸化膜の厚さは０．５〜５μｍ程度であることが好ましく、例えば酸化熱処理によって形成することができる。酸化熱処理としては、ドライ酸化処理、ウェット酸化処理、パイロジェニック酸化処理、塩酸酸化処理などを採用することができる。なお、洗浄後の支持用ウェーハ２Ｂの表面には自然酸化膜が存在しているため、要求されるボックス酸化膜３の厚みが薄い場合には、熱酸化による熱酸化膜の形成を省略してもよい。

次に、活性側ウェーハ２Ａ及び支持側ウェーハ２Ｂの両方に対して、アルカリ洗浄（ＳＣ１洗浄）及び酸洗浄（ＳＣ２洗浄）を行い、さらに純水リンスした後、スピンドライヤーで乾燥させる（ステップＳ１０４）。この洗浄・乾燥処理により、両ウェーハの表面からはパーティクルや有機物が除去され、さらにウェーハの表面は乾燥した状態となる。

次に、活性側ウェーハ２Ａ及び支持側ウェーハ２Ｂの表面に有機物含有ガスを直接吹き付けて、当該ウェーハの表面に有機物４を吸着させる（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）。この有機物４はゲッタリングサイトの形成に寄与する。なお、有機物４を吸着させる対象は活性側ウェーハ２Ａと支持側ウェーハ２Ｂの両方である必要はなく、活性側ウェーハ２Ａにのみ吸着させてもよく、支持側ウェーハ２Ｂにのみ吸着させてもよい。

次に、活性側ウェーハ２Ａと支持側ウェーハ２Ｂとを貼り合わせた後（ステップＳ１０７）、貼り合わせ界面の接合強度を高めるため１０００〜１２００℃の温度で熱処理を行う（ステップＳ１０８）。一般的に、この熱処理ではバッチ式の縦型又は横型の熱処理装置が用いられ、一度に複数枚ウェーハが熱処理される。この熱処理により、貼り合わせ界面に閉じ込めた有機物に起因して結晶欠陥が形成され、この結晶欠陥がゲッタリングサイトとなる。さらに、ウェーハの周辺の剥離を防止するため貼り合わせウェーハの外周（テラス）を１ｍｍ程度研削した後、貼り合わせウェーハの活性側の表面を研磨して薄化する（ステップＳ１０９）。以上により、埋め込み酸化膜が形成されたＳＯＩウェーハ２Ｃが完成する。

次に、上記製造方法を実現するためのウェーハ貼り合わせシステムについて説明する。

図２は、本発明の好ましい実施の形態によるウェーハ貼り合わせシステムの構成を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態によるウェーハ貼り合わせシステム１は、シリコンウェーハ２の表面に有機物含有ガスを吹き付けるためのガス吹き付け機構１０と、有機物含有ガスを生成するガス混合装置２０と、表面に有機物を吸着させた２枚のウェーハの貼り合わせを行う自動貼り合わせ機構３０と、シリコンウェーハ２に吹き付けられた有機物含有ガスを回収するガス回収機構４０と、ウェーハを自動で搬送する搬送ロボット５０とを備えている。

また、ウェーハ貼り合わせシステム１は、洗浄・乾燥済みの活性側ウェーハ２Ａを格納する活性側カセット６１と、洗浄・乾燥済みの支持側ウェーハ２Ｂを格納する支持側カセット６２と、貼り合わせＳＯＩウェーハ２Ｃを格納するＳＯＩウェーハカセット６３を備えており、貼り合わせ前の２枚のウェーハは活性側カセット６１及び支持側カセット６２からそれぞれ取り出され、貼り合わせ後のＳＯＩウェーハ２ＣはＳＯＩウェーハカセット６３に収容される。これらの取り出し及び収容動作は搬送ロボット５０の動作によって行われる。

ウェーハ貼り合わせ工程では、活性側カセット６１から活性側ウェーハ２Ａが取り出され、アライナ７０を経由してガス吹き付け機構１０に移載される。アライナ７０はウェーハを各装置に受け渡す前にその位置決めを高速に実現するための装置である。その後、ガス吹き付け機構１０で所定の吸着処理が施された後、自動貼り合わせ機構３０に移載される。

さらに、支持側カセット６２から支持側ウェーハ２Ｂが取り出され、活性側ウェーハ２Ａと同様の吸着処理が施され、自動貼り合わせ機構３０に移載される。活性側ウェーハ２Ａおよび支持側ウェーハ２Ｂが共に自動貼り合わせ機構３０に移載されると、両者の貼り合わせが開始される。貼り合わせが完了した後、貼り合わせＳＯＩウェーハ２ＣはＳＯＩウェーハカセット６３に収納され、一連の処理が完了する。その後は一連のウェーハ貼り合わせ工程が繰り返される。

図３は、ガス吹き付け機構１０の構成を示す模式図である。

図３に示すように、ガス吹き付け機構１０は、ウェーハ２が搭載される回転ステージ１１と、回転ステージ１１の中心から半径方向にスイング可能なアーム１２と、アーム１２の先端に取り付けられたノズル１３を備えている。

ウェーハ２は真空吸着によって回転ステージ上に固定されている。ウェーハ２をその中心を中心軸として所定の回転数で回転させながら、アーム１２の先端に取り付けられたノズル１３から有機物含有ガスを放出することにより、ウェーハ２の表面に有機物を吸着させる。このとき、ガスを吹き出すノズル１３は、ウェーハ２の半径方向の範囲を一定の速度で複数回スイングさせることが好ましいが、ウェーハ２の中心から外周までの半径方向のスイングが必要である。半径以内のスイングでは吸着が不均一となるからである。

ウェーハ２の回転数、ノズル１３のスイング回数、ガスの吹き付け時間等の条件は目標とする有機物の吸着量によって変えればよく、特に限定されない。ただし、ウェーハ２の回転数とガスの吹き付け時間に関しては、ウェーハ全面にガスが均一に供給されるようにする必要がある。例えば、ノズル１３をスイングさせる場合においてウェーハ２の回転数を１ｒｐｍに設定した場合、ガスの吹き付け時間を６０秒以上とする必要がある。ガスの吹き付け時間を例えば３０秒とした場合には、ウェーハ２の半分の領域にしかガスを吹き付けることができないからである。

ウェーハ２の表面に有機物を均一且つ安定的に吸着させるためには、ウェーハ２の回転数は３０ｒｐｍ以上とすることが好ましい。また、ノズル１３はウェーハ２上を複数回往復したほうがよく、ノズル１３のスイング回数は多い方が望ましく、５回転以上に設定することが好ましい。ノズル１３の一往復のスイング時間はウェーハサイズによって異なるが、１０秒以内であることが好ましい。

ノズル１３の先端はウェーハ２の中心に固定的に配置してもよい。ただし、ノズル１３がウェーハ２の中心以外の位置で固定され、ガスが吹き出されると、有機物が不均一に吸着されるため好ましくない。また、ノズル１３をウェーハの中心に固定する場合には、ウェーハの回転数が低すぎるとガスが周辺に流れず、有機物を均一に吸着させることができないので、例えば、３０ｒｐｍ以上とすることが好ましい。

ノズル１３からのガスの吹き出し流量は、目標とする有機物の吸着量に応じて調整すればよく、特に限定するものではない。コスト面を考慮してガスの使用量１０Ｌ／分以下に抑えてもよいが、有機物をウェーハの全面に短時間で吸着させるためには、１０Ｌ／分以上の吹き出し流量とすることが好ましい。

ガスの吹き付け時間も目標とする有機物の吸着量に応じて調整すればよく、所定の吸着量に達するまでガスを吹き付ければよい。例えば、ウェーハ２の回転数を６０ｒｐｍ、ノズル１３の一往復のスイング時間を１０秒、ガスの吹き出し流量を２０Ｌ／分とする場合において、有機物の吸着量を０．０５ｎｇ／ｃｍ^２とする場合、吹き付け時間を１０秒とすればよく、吸着量を０．１ｎｇ／ｃｍ^２とする場合、吹き付け時間を２０秒とすればよい。さらに、吸着量を１ｎｇ／ｃｍ^２する場合、吹き付け時間を２００秒とすればよく、吸着量を５ｎｇ／ｃｍ^２とする場合、吹き付け時間を１０００秒とすればよい。

また詳細は後述するが、吸着量を調整する方法として有機物含有ガスとは別系統から不活性ガスを供給し、有機物含有ガスを所定の配合比で希釈した後、シリコンウェーハに吹き付ける方法も有効である。

有機物としては、芳香族炭化水素類、塩化炭化水素類、アルコール類、グリコール化合物類等、極性を有し、室温でシリコンに吸着されるものであれば特に限定されないが、中でも著しい効果があるものとして、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）が有効である。Ｎ−メチル−２−ピロリドンは入手し易く、ウェーハ表面へ吸着しやすい性質を有しているからである。一方、有機物のキャリアガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。

有機物の吸着量は、ガス流量やスイング回数から決めることができるが、有機物含有ガス自体の有機物濃度を監視することで有機物をより安定的に供給することが可能である。例えば、有機物含有ガスの供給ラインにサンプリング用の配管を取り付け、流量制御が可能なフローメータを介してモニタリング装置に接続する。これにより、有機物含有ガスの有機物濃度を計測し、監視することが可能となる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、ガス吹き付け機構１０の変形例を示す模式図である。

図４（ａ）に示すガス吹き付け機構１０は、複数の穴を有するノズル１３を用いるものである。ノズル１３に設けられた複数の穴は、所定の間隔で一方向に配置されている。複数の穴は、ウェーハの径方向と直交する方向に一次元配列されており、一度のスイングで広範囲の吹き付けを可能としている。また、図４（ｂ）に示すガス吹き付け機構１０は、二次元配列された複数の穴を有するノズルを用いるものである。複数の穴は円盤状のノズル本体の底面に設けられており、有機物含有ガスは複数の穴からシャワーのように吹き出してウェーハの表面の広範囲に供給される。

このように、ガス吹き付け機構１０は、図３に示した単管あるいは単一の穴からガスを吹き出す構成に限定されず、複数の穴からガスを吹き出す構成であってもよく、ノズルの形状や穴の配置も特に限定されない。ただし、前記のように、ノズル１３のスイング回数、ガスの吹き付け時間等の条件は目標とする有機物の吸着量によって変える必要がある。これらの変形例によれば、複数の穴から有機物含有ガスを供給するので、ウェーハ上の広い範囲にガスを吹き付けることができ、ウェーハ表面への有機物の吸着を効率良く行うことができる。

図５は、ガス混合装置２０の配管系統の一例を示す模式図である。

図５に示すように、ガス吹き付け機構１０のノズル１３にはガス混合装置２０から有機物含有ガスが供給される。また、有機物含有ガスはガス回収機構４０によって回収されるので、図示のようにガス吹き付け機構１０がオープンな空間であったとしても周囲への有機物の拡散が防止される。有機物含有ガスを供給するための配管ライン上にはパーティクルフィルタ２１、電磁弁（減圧弁）２２ａ〜２２ｃ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２３ａ〜２３ｃが設けられている。これらは一般的なガスラインに使用されているものであり、発塵や汚染の可能性はない。

不活性ガス５Ａは電磁弁２２ａ及びマスフローコントローラ２３ａが設けられた第１の配管ライン２４ａを経由してポット２５内に供給され、ポット２５内の有機物２６のガスと混合される。詳細は後述するが、有機物をキャリアガスに含有させる方法としては、バブリング方法および揮発方法のどちらを採用しても良い。ポット２５内で生成された有機物含有ガスは、マスフローコントローラ２３ｂ、逆止弁２６ｂ、電磁弁２２ｂ、及びパーティクルフィルタ２１が設けられた第２の配管ライン２４ｂを通ってノズル１３に供給される。第２の配管ライン２４ｂの途中には電磁弁２２ｃ、マスフローコントローラ２３ｃ、及び逆止弁２６ｃが設けられた第３の配管ライン２４ｃが連結されており、第３の配管ライン２４ｃには希釈用の不活性ガス５Ｃが供給され、有機物含有ガス５Ｂの濃度がさらに調整される。

ノズル１３の直前には配管ライン２４ｄから分岐したサンプリングライン２４ｅが設けられており、サンプリングライン２４ｅはＶＯＣ計２７に接続されている。本実施形態によるＶＯＣ計２７は、採取した有機物含有ガスのＴＶＯＣ（Total Volatile Organic Compounds：総揮発性有機化合物）濃度を測定する装置である。ＶＯＣ計２７は、水素炎イオン化検出法またはＦＴＩＲ法を原理とするものであることが好ましい。特に、有機物としてＮ−メチル−２−ピロリドンを採用する場合は、水素炎イオン化検出法を用いることにより正確に濃度測定することができる。

ＶＯＣ計２７の測定結果は例えば１秒毎にコンピュータ２８に送られ、有機物含有ガスの濃度制御に用いられる。コンピュータ２８はＶＯＣ計２７の測定結果を記録するデータロガーとして機能すると共に、測定結果に基づいて有機物含有ガスの濃度を制御する。具体的には、ポット２５の排出口に接続されたマスフローコントローラ２３ｂを制御して、ポット２５内で生成された希釈前の有機物含有ガス５Ｂの流量を調整する。あるいは、ポット２５を加熱するヒーター２９を制御して、ポット２５内の有機物２６の揮発量を調整してもよい。

ヒーター２９による制御の場合、ＶＯＣ計２７の出力に基づいてコンピュータ２８がヒーター２９のオンオフ動作を制御することが好ましい。このとき、マスフローコントローラ２３ｂによる流量制御は行わず、一定の流量とすることができる。ヒーター２９を用いた温度制御のみで有機物含有ガスの濃度を制御する場合には、マスフローコントローラ２３ｂを省略してもよい。

ポット２５内の有機物の液体を一定条件下で揮発させたとしても、得られた有機物含有ガスをウェーハに吹き付けたときの有機物の付着量は、ウェーハの処理枚数の増加とともに低下する傾向がみられる。このような傾向は、ポット２５内での有機物２６の揮発量が徐々に低下し、これによりウェーハに吹き付ける有機物含有ガスの濃度が低下することが原因と考えられる。しかし、サンプリングライン２４ｅから採取した吹き付け直前の有機物含有ガスの濃度を測定し、この測定結果に基づいて、有機物含有ガスの濃度が一定となるように制御した場合には、プロセスの進捗によらずウェーハ表面の有機物の付着量を一定にすることができる。

図６は、有機物含有ガスの生成方法を説明するための模式図であり、（ａ）はバブリング方式、（ｂ）は揮発方式をそれぞれ示している。

図６（ａ）に示すように、バブリング方式は、ポット２５内に用意された液体の有機物４Ａの液体内に窒素ガス等の不活性キャリアガスを直接吹き込み、そのバブリング効果によって有機物の揮発性を高める方式であり、比較的高濃度な有機物のガスを発生させることができる。

また、図６（ｂ）に示すように、揮発方式は、ポット２５内に用意された液体の有機物４Ａの液体の表面にキャリアガスを吹き付け、有機物の気化を促進させる方式であり、バブリング方法ほどではないが比較的高濃度な有機物のガスを発生させることができる。このように、有機物をガスに含有させるための装置では、バブリング方式および揮発方式のどちらを採用してもよい。

さらに、上記のように、有機物は加熱条件下で揮発させてもよい。有機物によっては加熱されることで揮発しやすくなることから、加熱用ヒーター２９を用いて有機物の液体を加熱してもよい。加熱ヒーター２９の種類は特に限定されず、ホットプレート、テープヒーター、ランプ加熱等を用いることができる。

有機物の分析に関しては、一般的な有機物の吸着量を分析することができるガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）を用いることで、ウェーハ表面の有機物の吸着量を容易に確認することがでる。また、貼り合わせ界面の有機物の吸着量の分析を行う場合、貼り合わせていない状態でアルミケースに保管し、分析装置まで運搬してもよいが、一端貼り合わせを行い、分析直前に活性側ウェーハを支持側ウェーハから剥がして貼り合わせ界面を分析することも可能である。その場合、アルミケースは不要であり、通常のウェーハケースでの運搬が可能である。

貼り合わせ界面に存在する有機物の量は、活性側ウェーハまたは支持側ウェーハのどちらか一方の分析を行うことで把握することができる。すなわち、片方のウェーハの有機物の量を２倍にすることで貼り合わせ界面のトータルの有機物の量を求めることができる。

ウェーハ表面の有機物の面内分布の確認方法としては、例えば、貼り合わせＳＯＩウェーハとして最終的な加工を完了させた後、ＳＯＩ層のライフタイムを測定することで、面内分布を推測することができる。例えば、有機物が多く吸着している領域は、少ししか吸着していない領域に比べ、ＳＯＩ層のライフタイムが短い傾向がある。これは、貼り合わせ界面に存在する有機物がキャリアの再結合を間接的に行うためである。このように、ウェーハ全面のライフタイムを測定することで、ＳＯＩウェーハの貼り合わせ界面に存在する有機物の面内分布を容易にかつ短時間で確認することができる。

以上説明したように、本実施形態による貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法は、回転するウェーハの表面に有機物含有ガスを直接吹き付けるので、ウェーハの表面に所定量の有機物を均一且つ安定的に吸着させることができる。したがって、ゲッタリングサイトが均一に形成された高品質な貼り合わせＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、本実施形態による貼りあわせＳＯＩウェーハの製造方法は、有機物含有ガス中の有機物含有量を測定し、当該測定結果に基づき、有機物含有ガスの流量あるいはキャリアガス中の有機物含有量を制御するので、ウェーハ表面の有機物付着量のばらつきを低減することができる。特に、従来のＧＣ−ＭＳによるウェーハの抜き取り評価では判別することができなかったカセット内での各ウェーハの有機物濃度のばらつきを低減することができ、ＳＯＩウェーハの品質をさらに向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、ウェーハに吹き付ける有機物含有ガス中の有機物濃度を測定し、当該測定結果に基づき、有機物含有ガスの流量または有機物含有ガス中の有機物濃度を選択的に制御する場合について説明したが、本発明においてはそれらの両方を制御することも可能である。すなわち本発明は、有機物含有ガスの流量のみを制御してもよく、有機物含有ガス中の有機物濃度のみを制御してもよく、有機物含有ガスの流量と有機物含有ガス中の有機物濃度の両方を同時に制御してもよい。

（実施例１）
活性側ウェーハおよび絶縁膜が形成された支持側ウェーハとなる直径２００ｍｍのシリコンウェーハを用意し、図１のウェーハ貼り合わせシステムを用いてウェーハ表面に有機物を吸着させた。有機物含有ガスの吹き付け条件は以下の通りである。まず、ガス流量に関しては、有機物含有ガスの流量を１Ｌ／分とし、濃度制御用の窒素ガスの流量を２９Ｌ／分とし、ノズル１３から供給する合計のガス流量は３０Ｌ／分とした。有機物にはＮＭＰを用い、キャリアガスには窒素ガスを用い、有機物含有ガスの生成方法には窒素ガスによる揮発方式（図６（ｂ）参照）を採用した。

また、ウェーハ２の回転数を６０ｒｐｍとし、ノズル１３の一往復のスイング時間は１０秒とし、ノズル１３のスイング回数を、２回、３回、４回、６回、１２回とした。この場合、各スイング回数に対応するガスの吹き付け時間はそれぞれ２０秒、３０秒、４０秒、６０秒、１２０秒となる。このようにノズル１３のスイング回数が異なる条件下で処理した活性側ウェーハ及び支持側ウェーハをそれぞれ１０枚ずつ用意した。

次に、スイング回数が同一である１０枚の活性側ウェーハのうち、５枚のウェーハを用いて有機物の吸着量の分析を行った。有機物の吸着量の分析では、活性側ウェーハの有機物の吸着量のみをＧＣ−ＭＳで測定し、その濃度の２倍の値を求め、これを貼り合わせ界面の有機物の吸着量とした。測定結果を図７のグラフに示す。また、残りの５枚のウェーハについては最終的なＳＯＩ加工を行った後、有機物の吸着量の面内分布を評価するためライフタイムマップを作成した。その結果を図８に示す。

図７に示すように、ＳＯＩウェーハの貼り合わせ界面の有機物の吸着量はノズル１３のスイング回数の増加に合わせて増加し、ガスの吹き付け時間に応じた所定量の有機物を吸着させることができ、連続処理によるばらつきもないことが確認された。また図８に示すように、貼り合わせＳＯＩウェーハの面内分布も均一であった。また、ライフタイムマップの標準偏差を確認したところ、すべて１未満（＜１）であり、後述する比較例よりも改善されていることが確認された。

（実施例２）
ノズル１３の一往復のスイング時間を１０秒から４秒に変えた点以外は実施例１と同様の条件下で有機物含有ガスの吹き付けを行い、その後、実施例１と同様の評価を行った。なお、一往復のスイング時間を４秒としたことに伴い、ノズル１３のスイング回数を５回、１０回、３０回とした。この場合、各スイング回数に対応するガスの吹き付け時間はそれぞれ２０秒、４０秒、１２０秒となる。その結果、吹き付け時間が実施例１と同じであれば一往復のスイング時間を変えても吸着量の変化はなく、面内分布も良好であることが確認された。

（実施例３）
ウェーハの回転数をパラメータとした点以外は実施例１と同様の条件下で有機物含有ガスの吹き付けを行い、その後、実施例１と同様の評価を行った。またこれに伴い、ノズル１３のスイング回数を４回に設定した。なお、スイング回数に対応するガスの吹き付け時間は４０秒となる。ウェーハの回転数は、３０、６０、１５０、３００、４５０、６００ｒｐｍとした。その結果、有機物の吸着量はすべての回転数において３ｎｇ／ｃｍ^２程度であり、ウェーハの回転数が３０〜６００ｒｐｍの範囲内であれば吸着量に変化がないことが確認された。また、ライフタイムマップの標準偏差も１未満（＜１）であり、面内分布も良好であることが確認された。

（実施例４）
有機物含有ガスの流量を０．５Ｌ／分とし、濃度制御用の窒素ガスの流量を２９．５Ｌ／分とした点以外は実施例１と同様の条件下で有機物含有ガスの吹き付けを行い、その後、実施例１と同様の評価を行った。その結果、図９に示すように、実施例１に比べて有機物の吸着量は少ないものの、有機物の吸着量は安定しており、ライフタイムマップの標準偏差もすべて１未満（＜１）であった。

以上の結果より、有機物含有ガスの流量、および、吹き付け時間を調整することで有機物の吸着量を制御することが可能であることが確認された。

（実施例５）
有機物としてＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用いた点以外は実施例１と同様の条件下で有機物含有ガスの吹き付けを行い、その後、実施例１と同様の評価を行った。なお、ガス流量に関しては、ＮＭＰよりもウェーハ表面に吸着しにくいことを考慮し、有機物含有ガスの流量を１Ｌ／分とし、濃度制御用の窒素ガスは使用しなかった。

その結果、図１０に示すように、実施例１と同様、有機物の吸着量は安定しており、面内分布もすべて＜１であった。また、ＩＰＡはＮＭＰと同様の効果はあるが、同じ吸着量を付けようとするとＮＭＰよりも長い時間吹き付ける必要があるため、生産能力を考慮するとＮＭＰのほうがより好ましいことが確認された。

（実施例６）
ノズル１３のスイングを行わずウェーハ２の中心に固定した点以外は実施例１と同様の条件下で有機物含有ガスの吹き付けを行い、その後、実施例１と同様の評価を行った。その結果、図１１及び図１２に示すように、安定性は良く、吹き付け時間に応じて吸着量を制御することも可能であるが、吸着量が５ｎｇ／ｃｍ^２の条件では面内分布を持つことが確認された。

また図１２に示すように、吹き付け時間が６０秒までの場合では、ライフタイムマップの標準偏差は１未満（＜１）であったが、吹き付け時間が１２０秒の場合では、ライフタイムマップの標準偏差は３程度まで悪化した。したがって、有機物の吸着量を多くする場合はノズル１３をスイングさせたほうがよいことが確認された。

（比較例１）
活性側ウェーハ及び絶縁膜が形成された支持側ウェーハをそれぞれ２５枚ずつ用意し、これらを有機物（ＮＭＰ）の存在する環境下でＢｔタイプの洗浄機を用いて洗浄し、さらに同じ環境下でスピンドライヤーを用いて乾燥した。その後、活性側ウェーハ２５枚から任意に選択した５枚のウェーハを有機物の吸着量の分析に用い、別の５枚については最終的なＳＯＩ加工を行い、実施例１と同様の評価を行った。その結果を図１３及び図１４に示す。

図１３のグラフに示すように、５枚のウェーハの有機物の吸着量はいずれも１ｎｇ／ｃｍ２程度であり、有機物の吸着量は安定していることが確認された。ただし、ライフタイムマップの標準偏差はいずれも３未満（＞３）となり、有機物の吸着量の面内分布が不均一であることが確認された。測定したライフタイムマップの代表例を図１４に示す。

また、別の日に同じ設備を用いて同様の評価を行ったところ、有機物の吸着量は２ｎｇ／ｃｍ^２程度となり、前回の結果の約２倍の有機物の吸着量となった。これは、有機物の存在している環境に変化が生じたものと考えられる。さらに、有機物の面内分布も不均一であることが再確認された。したがって、従来の方法では、ウェーハ表面に有機物を吸着させることはできても、所定の濃度に制御することは困難であり、面内分布も不均一であることが確認された。

（比較例２）
活性側ウェーハ２５枚と絶縁膜が形成された支持側ウェーハ２５枚とを有機物（ＮＭＰ）の存在しない環境下で洗浄した後、図１５の模式図に示すように、有機物（ＮＭＰ）の溶液８１が入った密閉容器８２の中に所定の時間放置した。各ウェーハはカセット８３内の順に並んだスロット１〜２５にそれぞれ収容し、縦置きの状態で密閉容器８２内に放置した。密閉容器８２内でのウェーハの放置時間は、１分、５分、１０分の３通りとした。その後、活性側ウェーハ２５枚のうちの５枚を有機物の吸着量の分析に用い、別の５枚に対して最終的なＳＯＩ加工を行い、実施例１と同様の評価を行った。有機物の吸着量の分析に用いた５枚のウェーハは、カセット８３のスロット１、７、１３、１９及び２５に収容されていたものを用い、できるだけ分散して選択した。その結果を図１６及び図１７に示す。

図１６のグラフに示すように、ウェーハの放置時間が長くすれば有機物の吸着量も多くなり、有機物の吸着量を調整可能であることが分かった。ただし、カセット内のスロット間でウェーハ表面の有機物の吸着量にばらつきが発生しており、複数枚のウェーハの同時処理は困難であることが分かった。また、図１７のライフタイムマップから明らかなように、有機物の面内分布も不均一であり、スロット間でも面内分布のばらつきが発生していることが確認された。

（実施例７）
活性側ウェーハに相当する自然酸化膜を有するシリコンウェーハを１５枚の準備し、各ウェーハに一般的なＳＣ１洗浄を施した後、雰囲気付着方式により有機物を付着させる処理を行った。すなわち、有機物としてＮＭＰが入った密閉容器内にウェーハを１枚ずつセットし、１０分間放置して、各ウェーハの表面に有機物を付着させる処理を順に行った。その後、ＧＣ−ＭＳを用いて各ウェーハの表面の単位面積（ｃｍ^２）当たりの有機物の付着量（有機物濃度）を測定した。

一方、上記と同様に１５枚のシリコンウェーハを準備し、各ウェーハにＳＣ１洗浄を施した後、強制付着方式（直接吹き付け方式）により有機物を付着させる処理を行った。すなわち、各ウェーハの表面に有機物含有ガスを吹付けて強制的に有機物を付着させた。ここで、有機物にはＮＭＰを用い、有機物含有ガスの流量は０．５Ｌ／ｍｉｎ、濃度制御用の希釈ガス（Ｎ_２）流量は２０Ｌ／ｍｉｎ、ウェーハの回転速度は６０ｒｐｍ、ノズルのスキャン速度は２ｓｅｃ／ｓｃａｎ、ノズルのスキャン回数は１０回とした。有機物含有ガス中の有機物濃度の監視は行わなかった。ガスの吹き付けは枚葉処理であり、ウェーハを１枚ずつセットして順に処理した。その後、ＧＣ−ＭＳを用いて各ウェーハの表面の有機物濃度を測定した。

図１８は、雰囲気付着方式により有機物を付着させたときの各ウェーハの表面の有機物濃度を示すグラフである。また、図１９は、強制付着方式により有機物を付着させたときの各ウェーハの表面の有機物濃度を示すグラフである。図１８及び図１９において、横軸は順に処理した１〜１５枚のウェーハサンプル番号を示しており、また縦軸は有機物濃度（ｎｇ／ｃｍ^２）を正規化した値を示している。

図１８から明らかなように、雰囲気付着方式においては、ウェーハ間の有機物濃度のばらつきが多く、不安定な吸着であることが確認できた。一方、図１９から明らかなように、強制付着方式は、雰囲気付着方式よりもウェーハ間の有機物濃度のばらつきが抑えられ、安定したプロセスに改善されていることがわかった。ただし、ウェーハ間のデータを比較すると、ウェーハの処理が進むにつれて、ウェーハ表面の有機物濃度が少しずつ減少する傾向が見られる。
（実施例８）

上記の強制付着方式において、ノズルによる有機物含有ガスの吹き出し位置（ユースポイント）の直前にサンプリングラインを設置し、サンプリングラインより採取した有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度を測定した（図５参照）。ＴＶＯＣ濃度の測定には、水素炎イオン化検出法を原理とするＶＯＣ計を用いた。また、サンプリングラインのガス流量は０．７Ｌ／ｍｉｎとした。

図２０は、ウェーハ表面の有機物濃度及び有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度をそれぞれ示すグラフである。グラフの横軸はサンプル、左側の縦軸はウェーハ表面の有機物濃度（ｎｇ／ｃｍ^２）を正規化した値、右側の縦軸は有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度を正規化した値をそれぞれ示している。なお図２０中の有機物濃度のグラフは図１９で示したものと同じである。図２０に示すように、ウェーハ表面の有機物濃度は有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度と概ね同様の振る舞いを示しており、実施例７におけるウェーハの処理枚数が増加するに連れて有機物濃度が低下し、さらに有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度も低下していることが確認された。

図２１は、図２０におけるウェーハ表面の有機物濃度と有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度との相関を示すグラフであり、横軸は有機物濃度を正規化した値（図２０の左側の縦軸と同じ）、縦軸はＴＶＯＣ濃度（図２０の右側の縦軸と同じ）をそれぞれ示している。図２１に示すように、ＧＣ−ＭＳで得られたウェーハ表面の有機物濃度とＶＯＣ計で得られた有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度には極めて良好な相関があり、ＶＯＣ計を用いることでＧＣ−ＭＳによる評価の代替になることが明らかとなった。

（実施例９）
有機物含有ガスの濃度ばらつきを改善するために、マスフローコントローラを具備した流量制御系（図５参照、特にマスフローコントローラ２３ｂ）を設け、有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度が一定となるように有機物含有ガス５Ｂ及び希釈ガス５Ｃの流量を制御しながら有機物の強制付着を行った。その結果を図２２に示す。なお図２２の横軸及び縦軸は図２０と同じである。

図２２から明らかなように、有機物含有ガスのＴＶＯＣ濃度が一定となるように自動制御することにより、ウェーハの処理枚数の増加に伴って生じるウェーハ表面の有機物濃度の低下が改善され、有機物の吸着量が安定することが確認された。本機構を用いることにより、枚葉管理のできる有機物吸着が可能であることが確立された。

１ ウェーハ貼り合わせシステム
２ シリコンウェーハ
２Ａ 活性側ウェーハ
２Ｂ 支持側ウェーハ
２Ｃ 貼り合わせＳＯＩウェーハ
４，４Ａ 有機物
５Ａ 不活性ガス
５，５Ｂ 有機物含有ガス
５Ｃ 希釈用不活性ガス
１０ ガス吹き付け機構
１１ 回転ステージ
１２ アーム
１３ ノズル
２０ ガス混合装置
２１ パーティクルフィルタ
２２ａ〜２２ｃ 電磁弁（減圧弁）
２３ａ〜２３ｃ マスフローコントローラ
２４ａ〜２４ｃ 配管ライン
２４ｅ サンプリングライン
２５ ポット（密閉容器）
２６ｂ，２６ｃ 逆止弁
２７ ＶＯＣ計
２８ コンピュータ
２９ ヒーター
３０ 自動貼り合わせ機構
４０ ガス回収機構
５０ 搬送ロボット
６１ 活性側カセット
６２ 支持側カセット
６３ ウェーハカセット
７０ アライナ
８１ 有機物（ＮＭＰ）の溶液
８２ 密閉容器
８３ カセット

Claims (7)

1. ２枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方のウェーハの表面に、キャリアガスに揮発させた有機物を含有させた有機物含有ガスを直接吹き付けて前記有機物を吸着させた後、前記２枚のウェーハの貼り合わせを行うＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   前記ウェーハに吹き付ける前記有機物含有ガス中の有機物濃度を測定し、当該測定結果に基づき、前記有機物含有ガスの流量及び前記有機物含有ガス中の有機物濃度の少なくとも一方を制御することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 前記有機物含有ガス中の有機物濃度の測定は、前記有機物含有ガス中のＴＶＯＣ濃度を測定するものである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。
3. 前記有機物含有ガス中の有機物濃度の測定は、水素炎イオン化検出法またはＦＴＩＲ法により行うものであることを特徴とする請求項１または２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
4. 前記ウェーハを回転させながら有機物含有ガスを吹き付けることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
5. ガス供給ノズルを前記ウェーハの半径方向に所定の周期で複数回スイングさせながら前記有機物含有ガスを吹き付けることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
6. 前記ウェーハの中心にガスを吹き付けることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
7. 前記有機物含有ガスは、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する不活性ガス、あるいは芳香族炭化水素類、塩化炭化水素類、アルコール類、又はグリコール化合物類の有機物を含む不活性ガスであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。

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