JP6225562B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、貼り合わせ法によりＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハを製造する方法に関する。

ＳＯＩウェーハは、内部に電気絶縁性の高い埋め込み酸化膜（Buried Oxide：以下、「ＢＯＸ」ともいう）層を有し、高耐圧が要求される半導体デバイスの基板に多用される。一般に、ＳＯＩウェーハは、以下に示す貼り合わせ法によって製造される。

図１は、ＳＯＩウェーハの一般的な製造方法を説明するための断面図である。先ず、図１（ａ）に示すように、バルクウェーハとして、活性層用ウェーハ２と、この活性層用ウェーハ２を支持するための支持用ウェーハ３を準備する。活性層用ウェーハ２の厚みは、支持用ウェーハ３の厚みと同じである。

図１（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２に熱処理（以下、「酸化膜形成熱処理」ともいう）を施し、活性層用ウェーハ２の全面に酸化膜２ａを形成する。支持用ウェーハ３に酸化膜形成熱処理を施し、支持用ウェーハ３の全面に酸化膜３ａを形成する。支持用ウェーハ３の酸化膜３ａの厚みは、活性層用ウェーハ２の酸化膜２ａの厚みよりも厚くされている。

次に、図１（ｃ）に示すように、支持用ウェーハ３を平坦な支持台１０の上に載せ、この支持台１０によって支持用ウェーハ３の下面をほぼ全域にわたり均一に支持する。続いて、図１（ｄ）に示すように、支持台１０によって支持された支持用ウェーハ３の上に活性層用ウェーハ２を載せ、活性層用ウェーハ２の上面の中央部又は外周部の一点を錘１１によって加圧する。これにより、活性層用ウェーハ２と支持用ウェーハ３は、全域にわたって自然に密着する。このとき、両ウェーハ２、３の密着は、錘１１の位置を起点にして広がる。なお、活性層用ウェーハ２を支持台１０によって支持し、活性層用ウェーハ２の上に支持用ウェーハ３を載せて密着させることもある。

その後、図１（ｅ）に示すように、互いに密着した支持用ウェーハ３及び活性層用ウェーハ２に熱処理（以下、「貼り合わせ熱処理」ともいう）を施す。これにより、支持用ウェーハ３と活性層用ウェーハ２が強固に接合される。この貼り合わせウェーハは、支持用ウェーハ３と活性層用ウェーハ２の間に、両ウェーハ２、３に予め形成された酸化膜２ａ、３ａが存在し、これらが一体でＢＯＸ層４となる。そして、図１（ｆ）に示すように、研削及び研磨により、活性層用ウェーハ２を所定の厚みまで薄肉化加工し、活性層用ウェーハ２の外周部を面取り加工する。このようにしてＳＯＩウェーハ１が製造される。

近年、より高耐圧の半導体デバイスに対応するため、ＢＯＸ層の厚みをより厚くしたＳＯＩウェーハが求められている。ＢＯＸ層の厚みを厚くするには、支持用ウェーハや活性層用ウェーハに予め形成しておく酸化膜の厚みを合計でより厚くすればよい。

しかし、前記図１に示す一般的な方法によってＢＯＸ層の厚みが厚いＳＯＩウェーハを製造すると、以下の問題が生じる。支持用ウェーハに極端に厚い酸化膜を形成した場合、貼り合わせ熱処理時に、酸化膜の厚みが薄い活性層用ウェーハが積極的に酸化される。そして、活性層用ウェーハの厚みが支持用ウェーハの厚みと同じで厚いため、ウェーハの厚み方向の熱分布に起因して熱応力が生じる。また、活性層用ウェーハと支持用ウェーハを密着させる際、ウェーハには、錘で加圧した位置に歪が残る。これらの熱応力と錘加圧による歪とが要因となって、貼り合わせ熱処理の後に、ウェーハにスリップが発生する。

このようなスリップを抑制するための従来技術として、下記のものがある。特許文献１には、活性層用ウェーハと支持用ウェーハを密着させた後、活性層用ウェーハの薄肉化加工及び面取り加工を先ず行い、その後に貼り合わせ熱処理を実施する、ＳＯＩウェーハの製造方法が記載されている。特許文献１では、貼り合わせ熱処理時に、支持用ウェーハに密着した活性層用ウェーハが既に薄肉化されているため、活性層用ウェーハに生じる熱応力が緩和され、これによりスリップの発生が抑制されるとしている。

特開平５−１０９６７８号公報

貼り合わせ熱処理前のウェーハは、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとが密着しているとはいえ、その密着強度は低い。前記特許文献１に記載の製造方法では、活性層用ウェーハの薄肉化加工及び面取り加工を行う際、ウェーハには未だ貼り合わせ熱処理が施されていないので、活性層用ウェーハが支持用ウェーハから剥がれ易い。すなわち、前記特許文献１に記載の製造方法では、ウェーハの剥離が発生するという新たな問題が顕在化する。さらに、前記特許文献１に記載の製造方法では、活性層用ウェーハと支持用ウェーハを密着させる際、ウェーハは錘で加圧されるため、その加圧位置に歪が残り、依然としてスリップが発生する。要するに、高品質のＳＯＩウェーハを製造することができない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ウェーハの剥離を防止するとともに、スリップの発生を抑制することができる、ＳＯＩウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明の要旨は、下記のＳＯＩウェーハの製造方法にある。

本発明のＳＯＩウェーハの製造方法は、
貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
支持用ウェーハ及びこの支持用ウェーハよりも厚みが薄い活性層用ウェーハをそれぞれ準備するステップと、
前記支持用ウェーハに前記活性層用ウェーハの酸化膜よりも厚みが厚い酸化膜を形成するステップと、
前記活性層用ウェーハを支持台の上に載せ、この支持台によって前記活性層用ウェーハの下面の中央部を限定して支持するステップと、
前記支持台によって支持された前記活性層用ウェーハの上に前記支持用ウェーハを載せ、前記活性層用ウェーハを前記支持用ウェーハに密着させるステップと、
互いに密着した前記支持用ウェーハ及び前記活性層用ウェーハに熱処理を施し、これらの両ウェーハを前記酸化膜を介して接合するステップと、の一連のステップを含む。

また、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法は、
貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
支持用ウェーハ及びこの支持用ウェーハよりも厚みが薄い活性層用ウェーハをそれぞれ準備するステップと、
前記支持用ウェーハに前記活性層用ウェーハの酸化膜よりも厚みが厚い酸化膜を形成するステップと、
前記支持用ウェーハを支持台の上に載せ、この支持台によって前記支持用ウェーハの下面の中央部を限定して支持するステップと、
前記支持台によって支持された前記支持用ウェーハの上に前記活性層用ウェーハを載せ、前記活性層用ウェーハを前記支持用ウェーハに密着させるステップと、
互いに密着した前記支持用ウェーハ及び前記活性層用ウェーハに熱処理を施し、これらの両ウェーハを前記酸化膜を介して接合するステップと、の一連のステップを含む。

上記の製造方法において、前記支持台が円錐状であることが好ましい。

上記の製造方法において、前記活性層用ウェーハの厚みが前記支持用ウェーハの厚みよりも５０μｍ以上薄く、２００〜６２５μｍであることが好ましい。

上記の製造方法は、前記支持用ウェーハの前記酸化膜の厚みと前記活性層用ウェーハの前記酸化膜の厚みの合計が２〜６μｍである構成とすることができる。

上記の製造方法は、前記活性層用ウェーハの前記酸化膜の厚みが０〜２μｍである構成とすることができる。

本発明のＳＯＩウェーハの製造方法によれば、ウェーハの剥離を防止するとともに、スリップの発生を抑制することができる。

図１は、ＳＯＩウェーハの一般的な製造方法を説明するための断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態であるＳＯＩウェーハの製造方法を説明するための断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態の製造方法において支持台上でウェーハ同士が密着する挙動を説明するための断面図である。 図４は、本発明の第２実施形態であるＳＯＩウェーハの製造方法を説明するための断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態の製造方法において支持台上でウェーハ同士が密着する挙動を説明するための断面図である。 図６は、本発明例１、本発明例２及び比較例の各貼り合わせウェーハにおけるＸＲＴ画像を示す。

以下に、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法について、その実施形態を詳述する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態であるＳＯＩウェーハの製造方法を説明するための断面図である。同図中、図２（ａ）は、バルクウェーハを準備するステップを示す。図２（ｂ）は、バルクウェーハに酸化膜を形成するステップを示す。図２（ｃ）は、支持台にウェーハを載せるステップを示す。図２（ｄ）は、支持台上でウェーハ同士を密着させるステップを示す。図２（ｅ）は、貼り合わせ熱処理によりウェーハ同士を接合させるステップを示す。図２（ｆ）は、貼り合わせウェーハに薄肉化加工及び面取り加工を施すステップを示す。

図３は、本発明の第１実施形態のＳＯＩウェーハの製造方法において支持台上でウェーハ同士が密着する挙動を説明するための断面図である。同図中、図３（ａ）は、支持台にウェーハを載せたときの状態を示す。図３（ｂ）は、密着前の状態を示す。図３（ｃ）は、密着後の状態を示す。なお、図３では、酸化膜の図示を省略している。

先ず、図２（ａ）に示すように、バルクウェーハとして、活性層用ウェーハ２と、この活性層用ウェーハ２を支持するための支持用ウェーハ３を準備する。活性層用ウェーハ２は、研削によって薄肉化加工され、その厚みが支持用ウェーハ３の厚みよりも極端に薄くされている。活性層用ウェーハ２及び支持用ウェーハ３のいずれの貼り合わせ面も、研磨によって鏡面に仕上げられている。

そして、図２（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２に酸化雰囲気中で酸化膜形成熱処理を施し、活性層用ウェーハ２の全面に酸化膜２ａを形成する。支持用ウェーハ３に酸化雰囲気中で酸化膜形成熱処理を施し、支持用ウェーハ３の全面に酸化膜３ａを形成する。支持用ウェーハ３の酸化膜３ａの厚みは、活性層用ウェーハ２の酸化膜２ａの厚みよりも極端に厚くされている。

次に、図２（ｃ）及び図３（ａ）に示すように、活性層用ウェーハ２を支持台１０の上に載せ、この支持台１０によって活性層用ウェーハ２の下面の中央部を限定して支持する。具体的には、支持台１０は円錐状であり、活性層用ウェーハ２の下面の中央部が円錐状の支持台１０の先端と接触するように、活性層用ウェーハ２を支持台１０の上に載せる。このとき、図３（ａ）に示すように、活性層用ウェーハ２は、厚みが薄く変形強度が低いので、支持された中央部を支点にして自重により大きく撓み、中央部が上方に突出した状態になる。

なお、活性層用ウェーハ２は、その下面を１点で支持されているのみであるため、姿勢が不安定になるおそれがある。この事態に対処するため、実際には、支持台１０の全体が僅かに傾けられて配置され、支持台１０の傾けられた側の外周外側に複数のガイドピン（図示しない）が設けられている。ガイドピンは、活性層用ウェーハ２の外周に軽く接触し、活性層用ウェーハ２の姿勢を安定させる役割を担う。

続いて、図２（ｄ）及び図３（ｂ）に示すように、支持台１０によって支持された活性層用ウェーハ２の上に支持用ウェーハ３を載せる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、支持用ウェーハ３の下面の中央部が、活性層用ウェーハ２の突出した中央部の上面と接触するように、支持用ウェーハ３を活性層用ウェーハ２の上に載せる。

すると、撓んだ状態の活性層用ウェーハ２は、厚みが薄く変形強度が低いので、ファンデルワールス力（分子間力）により、厚みが厚く変形強度が高い支持用ウェーハ３に向けて自然に吸引され、全域にわたって支持用ウェーハ３に密着する（図３（ｃ）参照）。このとき、両ウェーハ２、３の密着は、個々の中央部の位置を起点にして広がる。このため、両ウェーハ２、３の密着の過程で、両ウェーハ２、３の間に気泡を巻き込むことはなく、品質不良は起こらない。

その後、図２（ｅ）に示すように、互いに密着した支持用ウェーハ３及び活性層用ウェーハ２に酸化雰囲気中で貼り合わせ熱処理を施す。これにより、支持用ウェーハ３と活性層用ウェーハ２が強固に接合される。この貼り合わせウェーハは、支持用ウェーハ３と活性層用ウェーハ２の間に、両ウェーハ２、３に予め形成された酸化膜２ａ、３ａが存在し、これらが一体でＢＯＸ層４となる。そして、図２（ｆ）に示すように、研削と研磨により、活性層用ウェーハ２を所定の厚みまで薄肉化加工し、活性層用ウェーハ２の外周部を面取り加工する。このようにしてＳＯＩウェーハ１が製造される。

本第１実施形態の製造方法によれば、活性層用ウェーハの薄肉化加工及び面取り加工を行う際、ウェーハには貼り合わせ熱処理が施され、支持用ウェーハと活性層用ウェーハが強固に接合されているので、ウェーハの剥離を防止することができる。さらに、活性層用ウェーハと支持用ウェーハを密着させる際、ウェーハは錘で加圧されることなく、ファンデルワールス力の作用による自然な吸引によって密着するため、歪が生じることなく、スリップの発生を抑制することができる。したがって、本第１実施形態の製造方法によれば、高品質のＳＯＩウェーハを製造することが可能になる。

もっとも、本第１実施形態の製造方法において、バルクウェーハとして準備する活性層用ウェーハの厚みは、同じくバルクウェーハとして準備する支持用ウェーハの厚みよりも５０μｍ以上薄く、２００〜６２５μｍであることが好ましい。活性層用ウェーハは、厚みが２００μｍ未満であると、単体の変形強度が低くなり過ぎて、不用意に破損するおそれがある。一方、活性層用ウェーハは、厚みが６２５μｍを超えると、単体の変形強度が高くなり過ぎて、支持台上で撓まないばかりか、支持用ウェーハへの吸引が不十分になり、ウェーハの密着が損なわれるおそれがある。活性層用ウェーハの厚みは、好ましくは２００〜４５０μｍであり、より好ましくは、２００〜３５０μｍである。標準的な例で言うと、支持用ウェーハの厚みは７２５μｍであり、活性層用ウェーハの厚みは２５０μｍである。

また、支持用ウェーハに予め形成しておく酸化膜の厚みと、活性層用ウェーハに予め形成しておく酸化膜の厚みは、合計で２〜６μｍとすることができる。この場合、ＳＯＩウェーハは、ＢＯＸ層の厚みが厚くなるため、より高耐圧の半導体デバイスに適したものとなる。

また、活性層用ウェーハに予め形成しておく酸化膜の厚みは、０〜２μｍとすることができる。活性層用ウェーハの酸化膜は積極的に形成しなくてもよい。

＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態であるＳＯＩウェーハの製造方法を説明するための断面図である。同図中、図４（ａ）は、バルクウェーハを準備するステップを示す。図４（ｂ）は、バルクウェーハに酸化膜を形成するステップを示す。図４（ｃ）は、支持台にウェーハを載せるステップを示す。図４（ｄ）は、支持台上でウェーハ同士を密着させるステップを示す。図４（ｅ）は、貼り合わせ熱処理によりウェーハ同士を接合させるステップを示す。図４（ｆ）は、貼り合わせウェーハに薄肉化加工及び面取り加工を施すステップを示す。

図５は、本発明の第２実施形態のＳＯＩウェーハの製造方法において支持台上でウェーハ同士が密着する挙動を説明するための断面図である。同図中、図５（ａ）は、支持台にウェーハを載せたときの状態を示す。図５（ｂ）は、密着前の状態を示す。図５（ｃ）は、密着後の状態を示す。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）では、酸化膜の図示を省略している。

図４及び図５に示す第２実施形態の製造方法は、前記図２及び図３に示す第１実施形態の製造方法を基本とし、重複する説明は適宜省略する。

先ず、図４（ａ）に示すように、バルクウェーハとして、活性層用ウェーハ２と、支持用ウェーハ３を準備する。そして、図４（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２の全面に酸化膜２ａを形成するとともに、支持用ウェーハ３の全面に酸化膜３ａを形成する。

次に、図４（ｃ）及び図５（ａ）に示すように、支持用ウェーハ３を支持台１０の上に載せ、この支持台１０によって支持用ウェーハ３の下面の中央部を限定して支持する。具体的には、支持用ウェーハ３の下面の中央部が円錐状の支持台１０の先端と接触するように、支持用ウェーハ３を支持台１０の上に載せる。このとき、図５（ａ）に示すように、支持用ウェーハ３は、支持された中央部を支点にして自重により撓み、中央部が上方に突出した状態になる。この支持用ウェーハ３の撓みは、上記第１実施形態での活性層用ウェーハ２の撓みほど大きくはない。厚みが厚く変形強度が高いからである。

続いて、図４（ｄ）及び図５（ｂ）に示すように、支持台１０によって支持された支持用ウェーハ３の上に活性層用ウェーハ２を載せる。具体的には、図５（ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ２の下面の中央部が、支持用ウェーハ３の突出した中央部の上面と接触するように、活性層用ウェーハ２を支持用ウェーハ３の上に載せる。

すると、活性層用ウェーハ２は、厚みが薄く変形強度が低いので、自重による撓み及びファンデルワールス力により、厚みが厚く変形強度が高い支持用ウェーハ３に向けて自然に吸引され、全域にわたって支持用ウェーハ３に密着する（図５（ｃ）参照）。このとき、両ウェーハ２、３の密着は、個々の中央部の位置を起点にして広がる。このため、両ウェーハ２、３の密着の過程で、両ウェーハ２、３の間に気泡を巻き込むことはなく、品質不良は起こらない。

その後、図４（ｅ）に示すように、互いに密着した支持用ウェーハ３及び活性層用ウェーハ２に貼り合わせ熱処理を施し、支持用ウェーハ３と活性層用ウェーハ２を強固に接合する。そして、図４（ｆ）に示すように、研削と研磨により、活性層用ウェーハ２を所定の厚みまで薄肉化加工し、活性層用ウェーハ２の外周部を面取り加工する。このようにしてＳＯＩウェーハ１が製造される。

本第２実施形態の製造方法によっても、上記第１実施形態の製造方法と同様に、ウェーハの剥離を防止することができ、スリップの発生を抑制することができる。

また、本第２実施形態の製造方法においても、バルクウェーハとして準備する活性層用ウェーハ及び支持用ウェーハの各厚み、並びに支持用ウェーハ及び活性層用ウェーハのそれぞれに予め形成しておく酸化膜の厚みは、上記第１実施形態の条件と同じである。

その他、本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、支持台は、円錐状に限定されず、活性層用ウェーハや支持用ウェーハの下面中央部を限定して支持する限り、角錐状であってもよいし、柱状であってもよい。また、支持台の先端は、丸みを帯びていてもよいし、尖っていてもよい。

本発明による効果を確認するため、前記図２及び図３に示す第１実施形態の方法を採用し、貼り合わせウェーハを作製した（本発明例１）。前記図４及び図５に示す第２実施形態の方法を採用し、貼り合わせウェーハを作製した（本発明例２）。また、比較のために、前記図１に示す一般的な方法を採用し、貼り合わせウェーハを作製した。

本発明例１及び本発明例２のいずれでも、バルクウェーハとして、厚みが７２５μｍの支持用ウェーハと、これよりも薄い厚みが２５０μｍの活性層用ウェーハを準備した。比較例では、バルクウェーハとして、互いに厚みが同じ７２５μｍの支持用ウェーハと活性層用ウェーハを準備した。また、本発明例１、本発明例２及び比較例のいずれでも、支持用ウェーハに厚みが５μｍの酸化膜を形成した。貼り合わせ熱処理の温度はいずれも１１５０℃とした。

作製した各貼り合わせウェーハについて、Ｘ線トポグラフ法（ＸＲＴ）により、支持用ウェーハ側の表面と活性層用ウェーハ側の表面を観察し、スリップの有無を評価した。

図６に、本発明例１、本発明例２及び比較例の各貼り合わせウェーハにおけるＸＲＴ画像を示す。同図に示す画像中、斜めに延びる薄白い線群がスリップを表している。比較例では、支持用ウェーハ側表面及び活性層用ウェーハ側表面のいずれにも、活性層用ウェーハと支持用ウェーハを密着させる際の錘の加圧位置を含む面内全域においてスリップが発生していることが確認できる。

これに対し、本発明例１では、支持用ウェーハ側表面及び活性層用ウェーハ側表面のいずれにも、スリップが発生していないことが確認できる。本発明例２では、支持用ウェーハ側表面にスリップが発生しているが、活性層用ウェーハ側表面にスリップが発生していないことが確認できる。

本発明は、ＢＯＸ層の厚みが厚いＳＯＩウェーハの製造に有用である。

１：ＳＯＩウェーハ、 ２：活性層用ウェーハ、 ２ａ：酸化膜、
３：支持用ウェーハ、 ３ａ：酸化膜、 ４：ＢＯＸ層、 １０：支持台

Claims (6)

1. 貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   支持用ウェーハ及びこの支持用ウェーハよりも厚みが薄い活性層用ウェーハをそれぞれ準備するステップと、
   前記支持用ウェーハに前記活性層用ウェーハの酸化膜よりも厚みが厚い酸化膜を形成するステップと、
   前記活性層用ウェーハを支持台の上に載せ、この支持台によって前記活性層用ウェーハの下面の中央部を限定して支持するステップと、
   前記支持台によって支持された前記活性層用ウェーハの上に前記支持用ウェーハを載せ、前記活性層用ウェーハを前記支持用ウェーハに密着させるステップと、
   互いに密着した前記支持用ウェーハ及び前記活性層用ウェーハに熱処理を施し、これらの両ウェーハを前記酸化膜を介して接合するステップと、の一連のステップを含む、ＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   支持用ウェーハ及びこの支持用ウェーハよりも厚みが薄い活性層用ウェーハをそれぞれ準備するステップと、
   前記支持用ウェーハに前記活性層用ウェーハの酸化膜よりも厚みが厚い酸化膜を形成するステップと、
   前記支持用ウェーハを支持台の上に載せ、この支持台によって前記支持用ウェーハの下面の中央部を限定して支持するステップと、
   前記支持台によって支持された前記支持用ウェーハの上に前記活性層用ウェーハを載せ、前記活性層用ウェーハを前記支持用ウェーハに密着させるステップと、
   互いに密着した前記支持用ウェーハ及び前記活性層用ウェーハに熱処理を施し、これらの両ウェーハを前記酸化膜を介して接合するステップと、の一連のステップを含む、ＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   前記支持台が円錐状である、ＳＯＩウェーハの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   前記活性層用ウェーハの厚みが前記支持用ウェーハの厚みよりも５０μｍ以上薄く、２００〜６２５μｍである、ＳＯＩウェーハの製造方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   前記支持用ウェーハの前記酸化膜の厚みと前記活性層用ウェーハの前記酸化膜の厚みの合計が２〜６μｍである、ＳＯＩウェーハの製造方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のＳＯＩウェーハの製造方法であって、
   前記活性層用ウェーハの前記酸化膜の厚みが０〜２μｍである、ＳＯＩウェーハの製造方法。