JP6248458B2 - 貼り合わせウェーハの製造方法および貼り合わせウェーハ - Google Patents

Description

本発明は貼り合わせウェーハの製造方法および貼り合わせウェーハ関し、特に、高い放熱性を有する貼り合わせウェーハの製造方法に関するものである。

近年、高集積ＣＭＯＳ素子や高耐圧素子、さらにはイメージセンサ分野において、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有するＳＯＩウェーハが注目されている。このＳＯＩウェーハは、支持基板上に、絶縁性の高い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の絶縁膜、およびデバイス活性層として使用される単結晶シリコン層が順次形成された構造を有しており、通常のシリコン基板を用いた場合に、素子と基板との間に発生していた寄生容量が低減されるため、デバイスの高速化、高耐圧化、低消費電力化等を実現することができる。

こうしたＳＯＩウェーハを製造する方法の代表的なものの１つに貼り合わせ法がある。この貼り合わせ法は、支持基板用ウェーハおよび活性層用ウェーハの少なくとも一方に絶縁膜を形成し、次いで、これらのウェーハを絶縁膜を介して貼り合わせた後、１２００℃程度の高温にて熱処理を施すことによりＳＯＩウェーハを製造する方法である（以下、貼り合わせ法により製造されたＳＯＩウェーハを「貼り合わせウェーハ」と称する）。一般的に、貼り合わせウェーハは電気的特性に優れる点や、均質なシリコン層を形成できる点等のメリットを有する。

特許文献１には、貼り合わせウェーハとして、中間層によって支持基板から分離された半導体表面層を備え、前記中間層が、前記支持基板から前記半導体表面層を電気的に絶縁する多層構造を有する薄膜層型半導体構造体が開示されている。前記中間層は、少なくとも１つの第１層を含み、前記第１層と前記支持基板との間に配置された低誘電率の第２層をさらに備えている。

特開２００７−３１８１０２

ところで、特許文献１に記載の貼り合わせウェーハは、第２層を必須とする。ここで、特許文献１には「第２層は、前記中間層と前記支持基板との間に十分な接合状態を実現可能でなければならない」（特許文献１段落［００１３］）と開示されており、好適な具体例として酸化シリコン膜を用いる事が開示されているのみである。また、特許文献１に記載の貼り合わせウェーハは、「デバイスが発散する熱による温度上昇の抑制」（同段落［００３０］）を目的としながら、「接合を容易」とするための「シリカ」（同段落［００３５］）（酸化シリコン膜）を必要としている。酸化シリコン膜は絶縁性が高いものの、熱伝導率が小さい。そのため、特許文献１に記載の貼り合わせウェーハを用いて高耐圧デバイスを作製した場合、デバイス面から基板への放熱性が悪く、デバイス特性悪化の原因となる。

半導体素子の高集積化が急速に進む近年において、チップサイズの縮小に伴う高耐圧デバイスの自己発熱が問題となりつつあり、より高い放熱性を有する貼り合わせウェーハが求められることが見込まれる。

そこで本発明は、高い放熱性を有する貼り合わせウェーハの製造方法および貼り合わせウェーハを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、活性層用ウェーハと支持基板ウェーハとの間に、熱伝導率の小さい酸化シリコン膜を介することなく、上記両ウェーハを貼り合わせる方途を鋭意検討した。その結果、活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの表面に、ダイヤモンドライクカーボンまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜を形成し、この炭素含有膜を境界として、上記両ウェーハを貼り合わせ、この貼り合わせを強化する熱処理を施すことで、酸化シリコン膜を介することなく、高い放熱性を有する貼り合わせウェーハを製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。

本発明による貼り合わせウェーハの製造方法は、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの表面に、ダイヤモンドライクカーボンまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜を形成する第１工程と、
前記炭素含有膜を境界として、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとを貼り合わせる第２工程と、
前記第２工程の後、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとの貼り合わせを強化する熱処理を施す第３工程と
を有することを特徴とする。

ここで、ダイヤモンドライクカーボンについて説明する。本明細書において「ダイヤモンドライクカーボン」（ＤＬＣ; Diamond Like Carbon）とはアモルファス硬質炭素系膜の総称であり、テトラへドラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ; tetrahedral amorphous Carbon），アモルファスカーボン(ａ−Ｃ; amorphous Carbon)，水素化テトラへドラルアモルファスカーボン(ｔａ−Ｃ：Ｈ; Hydrogenated tetrahedral amorphous Carbon)および水素化アモルファスカーボン(ａ−Ｃ：Ｈ; Hydrogenated amorphous Carbon)を含む。水素フリーのダイヤモンドライクカーボンを示す場合、特にテトラへドラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ）またはアモルファスカーボン（ａ−Ｃ）と表記する。

上述のダイヤモンドライクカーボン（以下、単に「ＤＬＣ」と記載する）の一般的な特性を説明する。ＤＬＣは、上述のとおり、ｔａ−Ｃ，ａ−Ｃ，ｔａ−Ｃ：Ｈおよびａ−Ｃ：Ｈの４つに分類できることが知られており、いずれも絶縁性を有する材料である。ｔａ−Ｃは、実質的に水素を含まず、ｓｐ^３結合（ダイヤモンド構造）成分とｓｐ^２結合（グラファイト構造）成分から構成され、ｓｐ^３結合成分が多くを占める。一方、ａ−Ｃも実質的に水素を含まないが、ｓｐ^３結合成分が少なく、ｓｐ^２結合成分が多くを占める。ｔａ−Ｃおよびａ−Ｃが水素を含む場合、ｔａ−Ｃ：Ｈおよびａ−Ｃ：Ｈにそれぞれ分類される。ここで言う実質的に水素を含まないとは、モル比で５％以上の水素を含まないことを意味し、水素含有量がモル比で５％未満であれば、水素フリーのｔａ−Ｃまたはａ−Ｃであることを意味する。

これらのＤＬＣの中で、ｔａ−Ｃが最も硬く、高密度であり、絶縁性および放熱性に優れる。ここで、ｓｐ^３／（ｓｐ^２＋ｓｐ^３）構造比が０．４５以上である場合に、ｓｐ^３結合成分の多いｔａ−Ｃに分類される。また、ｓｐ^３／（ｓｐ^２＋ｓｐ^３）構造比が０．４５に満たない場合は、ｓｐ^２結合成分の多いａ−Ｃに分類され、グラファイトに近い挙動を示すようになる。また、水素を含むｔａ−Ｃ：Ｈおよびａ−Ｃ：Ｈは、水素フリーのｔａ−Ｃおよびａ−Ｃに比べて耐熱性が劣る。すなわち、ｔａ−Ｃ：Ｈおよびａ−Ｃ：Ｈは、８００℃以上のウェーハ製造工程やデバイス製造工程において、Ｃ−Ｈ結合が解離して膜質が劣化する。なお、すべてｓｐ^３結合成分である（すなわち上記構造比が１）場合は、ダイヤモンドであり、ｔａ−Ｃよりもさらに硬く、より高密度となり、絶縁性および放熱性により優れる。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記第１工程では、前記炭素含有膜を形成するウェーハをチャンバ内に配置し、
前記チャンバ内に炭素を含むガスのプラズマを生成し、
前記チャンバ内にパルス電圧を印加することにより、前記プラズマ中の炭素イオンを、前記ウェーハの表面へ照射して、前記ウェーハの表面に前記絶縁膜を形成することが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記熱処理を８００℃以上、１時間以上行うことが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記第１工程では、前記活性層用ウェーハおよび前記支持基板用ウェーハの両方に前記炭素含有膜を形成することが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記第１工程では、前記活性層用ウェーハおよび前記支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハの両面に前記炭素含有膜を形成し、前記第３工程の後、前記貼り合わせた他方の面側の前記炭素含有膜を除去することが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記炭素含有膜を５μｍ以上の厚みに形成することが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記チャンバ内において、前記ガス導入後の真空度が１．０×１０^−１Ｐａ以下であることが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法において、前記パルス電圧の印加条件を、電圧１００Ｖ以上２０ｋＶ以下、周波数１０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下、パルス幅１μｓ以上１０００μｓ以下とすることが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハは、シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを、前記支持基板用ウェーハ表面と前記活性層用ウェーハとの間の絶縁膜を境界として貼り合わせてなる貼り合わせウェーハであって、
前記絶縁膜は、少なくとも前記支持基板用ウェーハおよび活性層用ウェーハの少なくとも一方の表面に形成され、前記絶縁膜は、テトラへドラルアモルファスカーボンまたはダイヤモンドからなることを特徴とする。

また、本発明による貼り合わせウェーハにおいて、前記活性層用ウェーハは、前記絶縁膜側の表層部に炭素を含む改質層を有することが好ましい。

この場合、前記改質層は、前記活性層用ウェーハの前記絶縁膜側の表面から５０ｎｍまでの厚み領域における前記炭素の平均濃度が、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハにおいて、前記絶縁膜の比抵抗は、１．０×１０^８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。

また、本発明による貼り合わせウェーハにおいて、前記絶縁膜の厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、ダイヤモンドライクカーボンまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜を境界として、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、その後、貼り合わせを強化する熱処理を施すので、高い放熱性を有する貼り合わせウェーハを製造することができる。

本発明の一実施形態に従う貼り合わせウェーハの製造方法を説明する摸式断面図である。 本発明の好適実施形態に用いるプラズマイオン照射装置の模式図である。 上記プラズマイオン照射により形成される改質層を説明する模式断面図である。 本発明の別の実施形態に従う貼り合わせウェーハの製造方法を説明する摸式断面図である。 本発明の他の実施形態に従う貼り合わせウェーハの製造方法を説明する摸式断面図である。 発明例１および比較例１について、貼り合わせウェーハの深さ方向における比抵抗の変化を比較したグラフである。

（貼り合わせウェーハの製造方法）
以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。なお、図１〜図５では説明の便宜上、実際の厚さ割合とは異なり、ウェーハ厚および膜厚を誇張して示す。また、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。

まず、図１を用いて、本発明の一実施形態に従う貼り合わせウェーハの製造方法を詳細に説明する。
本発明の一実施形態に従う貼り合わせウェーハの製造方法は、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハ１１のウェーハ表面１１Ａに、ダイヤモンドライクカーボン（以下、単に「ＤＬＣ」と記載する）またはダイヤモンドからなる炭素含有膜１４を形成する第１工程と、炭素含有膜１４を境界として、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを貼り合わせる第２工程と、この第２工程の後、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２との貼り合わせを強化する熱処理を施す第３工程とを有することを特徴とする。すなわち、本実施形態は、活性層用ウェーハ１１のウェーハ表面１１Ａに炭素含有膜１４を形成する実施形態である。以下、各工程をより詳細に説明する。

まず、図１（Ａ）に示すように、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２を用意する。ここで、活性層用ウェーハ１１は、デバイス活性層として利用されるウェーハであり、この活性層用ウェーハ１１として、シリコン単結晶からなる単結晶シリコンウェーハを用いる。単結晶シリコンウェーハは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。また、任意の不純物を添加して、ｎ型またはｐ型としてもよい。

一方、支持基板用ウェーハ１２は、支持基板として利用されるウェーハであり、この支持基板用ウェーハ１２としては、活性層用ウェーハ１１と同様に、シリコン単結晶からなる単結晶シリコンウェーハを用いることが望ましい。

続いて、図１（Ｂ）ないし図１（Ｃ）に示すように、例えば化学蒸着法(CVD; Chemical Vapor Deposition)や物理蒸着法（PVD; Physical Vapor Deposition)等により、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１４を形成する第１工程を行う。この炭素含有膜１４の厚さの調整は、熱処理の温度および処理時間、雰囲気ガス流量などを調整することにより行うことができ、炭素含有膜１４の厚みは、５〜３０μｍ程度とすることができる。後述するが、この炭素含有膜１４は、熱処理を施す第３工程を経た後のＳＯＩウェーハにおいて、埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ層;Buried OXideとも言う。）として機能する。なお、炭素含有膜１４を５μｍ以上の厚みに形成することが好ましい。上記炭素含有膜であれば従来の酸化膜よりも放熱性がより改善されており、好ましい。

続いて、図１（Ｄ）に示すように、活性層用ウェーハ１１の炭素含有膜１４を境界として、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを貼り合わせる第２工程を行う。すなわち、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２との境界には、炭素含有膜１４のみが存在する。この貼り合わせは、周知の任意のウェーハ貼り合わせ装置を用いて行うことができる。

上記貼り合わせ工程の後に、図１（Ｅ）に示すように、活性層用ウェーハ１１と、支持基板用ウェーハ１２との貼り合わせを強化するために、熱処理を施す第３工程を行うことで、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２との間の貼り合わせ面の接合を強化する。こうして、ウェーハ間の接合を強化することができ、貼り合わせウェーハ１００が得られる。なお、この強化熱処理は、例えば、酸化性ガスまたは不活性ガス雰囲気中において、８００℃以上１２００℃以下、１０分以上６時間以下の条件下を行うことができる。

ここで、炭素含有膜１４がＤＬＣである場合、上記熱処理を施すことにより、ＤＬＣ中の水素が放出され、水素フリーのｔａ−Ｃとなる。なお、炭素含有膜１４がダイヤモンドからなる場合、上記熱処理の前後で水素含有量の変化はない。したがって、図１（Ｅ）に示す貼り合わせウェーハ１００において、炭素含有膜１４は、テトラへドラルアモルファスカーボン（以下、単に「ｔａ−Ｃ」と記載する）またはダイヤモンドからなる絶縁膜１４′となる。かようにして得た絶縁膜１４′は、ＳＯＩウェーハにおける埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ層）として十分に機能し、ＢＯＸ層上の活性層用ウェーハ１１はＳＯＩ層として機能する。また、従来技術である酸化シリコン膜の熱伝導率よりも、絶縁膜１４′の熱伝導率は高く、貼り合わせウェーハ１００は高い放熱性を有することができる。なお、ｓｐ^３結合成分とｓｐ^２結合成分との比率や水素含有率を適宜調整することで、絶縁膜１４′の比抵抗を１．０×１０^８Ω・ｃｍ以上とすることができ、ＢＯＸ層としてより確実に機能させることができる。

かようにして、本発明に従う貼り合わせウェーハ１００を製造することができ、絶縁膜１４′はｔａ−Ｃまたはダイヤモンドからなるため、貼り合わせウェーハ１００は高い放熱性を有することができる。ここで、貼り合わせウェーハ１００は、酸化シリコン膜を介することなく、炭素含有膜１４を境界として貼り合わせられているため、従来の酸化シリコン膜を境界として貼り合わせた貼り合わせウェーハに比べて、より高い放熱性を有することができる。なぜなら、従来の接合強化のために酸化シリコン膜を境界として貼り合わせた貼り合わせウェーハでは、熱伝導性の小さい酸化シリコン膜が介在するため、デバイス形成面（活性層側）で発生した熱を支持基板側に十分に放熱できないためである。

なお、図１（Ｆ）に示すように、活性層用ウェーハ１１の厚さを、薄膜化処理を施して薄膜化してもよい。これにより、所望の厚さの活性層を有する貼り合わせウェーハ１００′を得ることができる。この薄膜化工程は、例えば、周知の平面研削および鏡面研磨法を好適に用いることができる。また、薄膜化工程を周知のスマートカット法など、他の薄膜化技術を用いて行ってもよい。

ここで、第１工程における活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに炭素含有膜１４を形成する好適実施形態を、プラズマイオン照射装置の模式図である図２を用いて説明する。このプラズマイオン照射装置２０は、プラズマチャンバ２１と、ガス導入口２２と、真空ポンプ２３と、パルス電圧印加手段２４と、ウェーハ固定台２５とを備えており、任意の元素を含むガスのプラズマを生成するとともに、生成したプラズマに含まれる任意の元素のイオン１３を活性層用基板１１に照射することができる。なお、活性層用ウェーハ１１は、プラズマを生成する前にプラズマチャンバ２１内に予め導入し、ウェーハ固定台２５上に載置しておけばよい。

上記好適実施形態においては、上記プラズマイオン照射装置を用いて、炭素含有膜１４を形成する方のウェーハである活性層用ウェーハ１１をチャンバ２１内に配置し、このチャンバ２１内に炭素を含むガスのプラズマを生成し、チャンバ２１内にパルス電圧を印加することにより、プラズマ中の炭素イオン１３を、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａへ照射して（図１（Ｂ））、照射されたウェーハ表面１１Ａ上に炭素含有膜１４を形成する。プラズマを生成するためにガス導入口２２に導入する炭素を含むガスとしては、炭化水素系ガス、例えば、エタン、メタン、プロパン、ジベンジル（Ｃ_１４Ｈ_１４）等のガスを使用することができる。より具体的には、ＤＬＣからなる炭素含有膜１４を形成する場合には、例えば活性層用ウェーハ１１を８００℃未満の状態で処理し、ダイヤモンドからなる炭素含有膜１４を形成する場合には、例えば活性層用ウェーハ１１を８００℃以上の状態で処理する。

かようにして炭素含有膜１４を形成することで、以下の理由により活性層用ウェーハ１１と炭素含有膜１４との密着性をより強固にすることができると考えられる。すなわち、図１（Ｂ）に示すように、活性層用ウェーハ１１にパルス電圧を印加して、生成されたプラズマ中の少なくとも炭素イオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに照射すると、図１（Ｃ）に示すように、照射された活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、炭素含有膜１４を形成されるのは既述のとおりである。これに加えて、図３に示すように、表面１１Ａ側の活性層用ウェーハ１１の表層部には、表面１１Ａへのイオン照射により、炭素イオンが表層部に侵入することで、炭素を含む改質層１８が形成される。この改質層１８において珪素と炭素が混在することにより、「活性層用ウェーハ１１を構成する珪素」と「改質層１４を構成する炭素」との距離的な歪を緩和できると考えられ、活性層用ウェーハ１１と、その表面１１Ａに形成される炭素含有膜１４との密着性が強固になると考えられる。この結果、ウェーハ強度も強固とすることができる。なお、ここで言う表層部とは、ウェーハ表面１１Ａからの深さが５０ｎｍ程度の範囲を意味する。

また、上述の密着性の強化に加えて、プラズマイオン照射装置２０を用いて形成した炭素含有膜１４および改質層１８により、貼り合わせウェーハ１００のゲッタリング能力を向上させることもできる。上記炭素イオンの照射により、炭素を含む改質層１８が形成される原理についてより詳細に説明すると、以下のとおりである。

炭素イオン１３を照射した結果形成される改質層１８は、炭素が活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａの結晶の格子間位置または置換位置に固溶して局所的に存在する領域であり、高いゲッタリング能力を有するゲッタリング層として働く。その理由は、以下のように推測される。すなわち、モノマーやクラスターのイオンの形態で照射された炭素は、活性層用ウェーハ１１を構成する単結晶シリコンの置換位置や格子間位置に高密度で局在する。そして、単結晶シリコンの平衡濃度以上にまで所定元素を固溶させると、重金属の固溶度（遷移金属の飽和溶解度）が極めて増加することが判明した。つまり、平衡濃度以上にまで固溶した炭素により重金属の固溶度が増加し、これにより重金属に対する捕獲率が顕著に増加したと考えられる。炭素の原子半径はシリコンに比べて小さいため、シリコン結晶格子の格子位置に位置すると、シリコン格子の収縮場が形成され、この収縮場により格子間の重金属（不純物）をより捕獲しやすくなるためである。

なお、炭素を含むガスのプラズマの生成は、具体的には以下のように行うことができる。ここで、プラズマの生成は、まず、真空ポンプ２３によりプラズマチャンバ２１内を減圧して真空とし、ついで、所定元素を含むガスをガス導入口２２からチャンバ２１内に導入して、パルス電圧印加手段２４によりウェーハ固定台２５（活性層用ウェーハ１１）にパルス的に負電圧を印加することにより生成できる。

ここで、ガス導入後にプラズマチャンバ２１内の真空度を１．０×１０^−１Ｐａ以下とすることが好ましい。これは、１．０×１０^−１Ｐａを超えると、ガス導入後にプラズマが安定せずにプラズマ状態を維持できないおそれがあるためである。

こうして、炭素のプラズマを生成して、炭素イオンを生成することができる。なお、本発明において「イオン」とは、単一の原子に正電荷または負電荷を与えてイオン化したものと、原子または分子が複数集合して塊となったクラスターを同様の方法でイオン化したものとの混合物を意味している。ここで、クラスターは、複数（通常２〜２０００個程度）の原子または分子が互いに結合した塊状の集団である。

また、活性層用ウェーハ１１に印加するパルス電圧は、１００Ｖ以上２０ｋＶ以下とすることが好ましい。これは、上記範囲内であれば、炭素イオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに導入して炭素含有膜１４を形成すると共に、改質層１８を形成することができるためである。一方、１００Ｖ未満であると、炭素イオンが活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａの表層部に侵入できず、改質層１８を形成することができないおそれがある。また、２０ｋＶ超であると、表面１１Ａ上に炭素が堆積せず、炭素含有膜１４を形成することができないおそれがある。

また、パルス電圧の周波数は、活性層用ウェーハ１１表面へイオンが照射する回数を決定する。パルス電圧の周波数は、１０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下とすることが好ましい。ここで、１０Ｈｚ以上とすることにより、イオン照射ばらつきを吸収でき、イオン照射量を安定できる。また、１０ｋＨｚ以下とすることにより、グロー放電によるプラズマ形成を安定できる。

さらに、パルス電圧のパルス幅は、活性層用ウェーハ表面へイオンが照射する時間を決定する。１μｓｅｃ以上１０００μｓｅｃ以下とすることが好ましい。ここで、１μｓｅｃ以上とすることにより、安定して活性層用ウェーハ周辺（ウェーハ固定台）にシース領域を形成でき、安定してイオンを活性層用ウェーハへ照射できる。また、１０００μｓｅｃ以下とすることにより、グロー放電によるプラズマ形成を安定できる。

このような条件の下でパルス電圧を活性層用ウェーハ１１に印加すると、生成されたプラズマ中の炭素イオン１３は、低エネルギーで活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに照射されることになる。その結果、炭素をウェーハ深さ方向のごく狭い領域に導入して、炭素の高濃度層である改質層１８を形成するとともに、炭素含有膜１４を形成することができる。具体的には、改質層１８における所定元素のウェーハ厚み方向の濃度は、改質層１８と炭素含有膜１４との界面にて最大となり、界面から活性層用ウェーハ内部に向かって炭素濃度が減少し、改質層１８と炭素含有膜１４との界面（すなわち、表面１１Ａ）から活性層用ウェーハ１１へ５０ｎｍまでの厚み領域における炭素の平均濃度を１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上とすることができ、改質層１８における炭素の平均濃度が上記範囲であれば、ゲッタリング能力を有することができる。

なお、改質層１８における炭素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）でシリコンウェーハの深さ方向における構成元素の濃度分布を測定した際に、構成元素がバックグラウンドより多く検出される範囲として特定される。

なお、上記プラズマイオン照射によってＤＬＣからなる炭素含有膜１４を形成する場合、ＤＬＣは水素を通常含み、ｔａ−Ｃ：Ｈとなるが、既述のとおり、第３工程における熱処理により炭素含有膜１４は水素フリーのｔａ−Ｃからなる絶縁膜１４′となる。

これまで、活性層用ウェーハ１１のウェーハ表面１１Ａに炭素含有膜１４を形成する実施形態を説明してきたが、本発明では、炭素含有膜１４を形成するウェーハは活性層用ウェーハ１１に限られず、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２のうち、少なくとも一方のウェーハ表面に、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜することで、本発明目的を達成することができる。例えば、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２の両方に炭素含有膜を形成してもよい。以下、図４を用いて本発明に従う別の実施形態を説明する。なお、既述の実施形態と同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。

上記別の実施形態の第１工程において、図４（Ｂ）ないし図４（Ｃ）に示すように、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１４を形成することに加えて、支持基板用ウェーハ１２の表面１２Ａに、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１５を形成する。なお、炭素含有膜１４がＤＬＣからなる場合は炭素含有膜１５もＤＬＣからなり、炭素含有膜１４がダイヤモンドからなる場合は炭素含有膜１５もダイヤモンドからなる。同一材料同士を貼り合わせることで、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２間の接合性を強化することができる。

続く第２工程（図４（Ｄ））で活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを、炭素含有膜１４および炭素含有膜１５を境界として貼り合わせ、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１６を得る。第３工程において、この貼り合わせを強化する熱処理を行う。第３工程の後には、ｔａ−Ｃまたはダイヤモンドからなる絶縁膜１６′が形成されている（図４（Ｅ）。かようにして、貼り合わせウェーハ１００を得ることができる。なお、既述の実施形態と同様に、活性層用ウェーハ１１の厚さを、薄膜化処理を施して薄膜化して、貼り合わせウェーハ１００′を得てもよい（図４（Ｆ））。

なお、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２の両方に炭素含有膜を形成する場合であって、既述のプラズマイオン照射装置２０を用いて炭素含有膜１４および炭素含有膜１５を形成する場合、炭素含有膜を形成する活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２の両ウェーハをチャンバ２１内に配置することができる。ここで、貼り合わせ後の炭素含有膜１６の厚みは、炭素含有膜１４および炭素含有膜１５の厚みの合計である。したがって、それぞれのウェーハに形成される炭素含有膜の目標厚さを薄くすることができるので、炭素含有膜の形成時間を短くすることができ、その結果製造効率を高めることもできる。もちろん、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを別々にチャンバ２１内に配置してもよい。活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２それぞれの密着性も向上することができ、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２との接合性をより強固にすることができる。

また、本発明に従う他の実施形態において、第１工程では、活性層用ウェーハ１１および支持基板用ウェーハ１２のいずれか一方のウェーハの両面に炭素含有膜を形成し、第３工程の後、貼り合わせた他方の面側の前記炭素含有膜を除去して貼り合わせウェーハ２００を得ることができる。この実施形態を、図５を用いて、より詳細に説明する。

図５（Ｂ）ないし図５（Ｅ）に示すように、上記他の実施形態の第１工程において、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａの反対側の表面１１Ｂに、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１７を形成し（図５（Ｂ），（Ｃ））、さらに活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、ＤＬＣまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜１４を形成する。なお、炭素含有膜１４がＤＬＣからなる場合は炭素含有膜１７もＤＬＣからなり、炭素含有膜１４がダイヤモンドからなる場合は炭素含有膜１７もダイヤモンドからなることが好ましい。熱処理後にＢＯＸ層となる炭素含有膜１４の膜厚が、例えば、８μｍ以上と厚い場合（厚ＢＯＸとも呼ばれる）に、活性層用ウェーハ１１に生じる反りが過大となる場合があるが、同一材料の炭素含有膜を活性層用ウェーハ１１の表裏面に形成することで、活性層用ウェーハ１１に生じうる反りを相殺することができ、反りを抑制することができる。

続く第２工程（図５（Ｆ））で活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを、炭素含有膜１４を境界として貼り合わせる。第３工程において、この貼り合わせを強化する熱処理を行う。第３工程の後には、絶縁膜１４′が形成されている。さらに、第３工程の後、貼り合わせた他方の面側の炭素含有膜１７を除去する（図５（Ｈ））。炭素含有膜１７の除去は、任意の研削・研磨法により行うことができる。かようにして、貼り合わせウェーハ１００を得ることができる。なお、既述の実施形態と同様に、活性層用ウェーハ１１の厚さを、薄膜化処理を施して薄膜化すれば、貼り合わせウェーハ１００′を得ることができる（図５（Ｉ））。

なお、活性層用ウェーハ１１の両面１１Ａ，１１Ｂに炭素含有膜を形成する場合であって、既述のプラズマイオン照射装置２０を用いて炭素含有膜１４および炭素含有膜１７を形成する場合、炭素含有膜を形成する活性層用ウェーハ１１をチャンバ２１内に設置するにあたり、まず反対側の表面１１Ｂに炭素含有膜１７を形成するように設置し、次に表面１１Ａに炭素含有膜１４を形成するように設置すればよい。もちろん、この順序を逆にしてもよい。

以上、本発明の代表的な実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、活性層用ウェーハに替えて、炭素含有膜を支持基板用ウェーハ表面に形成し、この炭素含有膜を境界として、支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを貼り合わせてもよい。

ここで、第３工程における熱処理を８００℃以上、１時間以上行うことがより好ましい。活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２との貼り合わせを確実に強化できるためである。

また、より高い放熱性を得るために、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハ１２との貼り合わせの境界となる炭素含有膜および絶縁膜を、１０μｍ以上の厚みに形成することが好ましい。

（貼り合わせウェーハ）
次に、上記製造方法により得られる貼り合わせウェーハ１００について説明する。この貼り合わせウェーハ１００は、図１（Ｅ）に示すように、シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハ１２と活性層用ウェーハ１１とを、支持基板用ウェーハ１２の表面と活性層用ウェーハ１１との間の絶縁膜１４′を境界として貼り合わせてなる貼り合わせウェーハ１００であって、絶縁膜１４′は、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに形成され、絶縁膜１４′は、テトラへドラルアモルファスカーボンまたはダイヤモンドからなることを特徴とするものである。なお、ここで言う活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａは、図１（Ｅ）において、支持基板用ウェーハ１２の側の面である。

すなわち、上記した本発明の貼り合わせウェーハの製造方法により、貼り合わせウェーハ１００は高い放熱性を有することができる。また、貼り合わせウェーハ１００は、酸化シリコン膜を介することなく、テトラへドラルアモルファスカーボンまたはダイヤモンドからなる絶縁膜１４′を境界とするので、従来の酸化シリコン膜を境界として貼り合わせた貼り合わせウェーハに比べて、より高い放熱性を有することができる。なお、絶縁膜は１４′、少なくとも支持基板用ウェーハ１１および活性層用ウェーハ１２の少なくとも一方の表面に形成されればよい。

活性層用ウェーハ１１は、絶縁膜１４′側の表層部に炭素を含む改質層１８を有することが好ましい。この場合、改質層と絶縁膜との界面から活性層用ウェーハ内部に向かって炭素濃度が減少し、改質層と絶縁膜との界面の炭素濃度が１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。この改質層１８は、活性層用ウェーハ１１の絶縁膜１４′側の表面１１Ａから、深さ（支持基板用ウェーハ１２と反対側の方向）５０ｎｍの領域における前記炭素の平均濃度が、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

また、絶縁膜１４′の比抵抗は、１．０×１０^８Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、絶縁膜１４′の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましい。

なお、「炭素含有膜を境界として、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを貼り合わせる」とは、例えば活性層用ウェーハ１１に炭素含有膜１４を形成し、炭素含有膜１４を境界として活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを貼り合わせる場合に、支持基板用ウェーハ１２表面に製造工程上不可避に発生する酸化シリコン膜との貼り合わせの排除を意図するものではない。しかしながら、本発明目的である高い放熱性を実現する観点から、意図的に形成した酸化シリコン膜を介して、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを貼り合わせることを意図するものではない。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（発明例１）
活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハとして、ＣＺ法により得られた単結晶シリコンインゴットから採取されたｎ型のシリコンウェーハ（直径：２００ｍｍ、厚さ：７２５μｍ、酸素濃度：３．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、ドーパント種類：リン、ドーパント濃度：９．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を用意した。次いで、プラズマイオン照射装置内に、活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハを導入して支持台上に載置した後、ガス導入口からメタンガスを導入してプラズマを生成した。その後、７８０℃に加熱した活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハに、周波数：１６０Ｈｚ、パルス幅：７０μｓｅｃ、電圧：１ｋＶのパルス電圧を印加して、生成したプラズマに含まれる炭素イオンを活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハの表面に照射して、それぞれ厚み６μｍのＤＬＣ膜（ｔａ−Ｃ）を形成した。
以上の処理が施された活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを、それぞれのＤＬＣ膜を境界として貼り合わせた。すなわち、ＤＬＣ膜の総厚は１２μｍである。次いで、貼り合わせたウェーハを、水素および酸素混合ガス雰囲気下とした縦型熱処理装置内に搬送し、装置内を８００℃まで昇温して２時間保持した後、１２００℃まで昇温して１時間保持して、貼り合わせを強化する熱処理を施した。
その後、活性層用ウェーハの表面側（ＤＬＣ膜を形成した反対側）から研削処理を施して活性層用ウェーハ厚みを薄膜化した後、その表面を鏡面研磨して、厚み６μｍの活性層を有する貼り合わせウェーハを作製した。

（比較例１）
活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハへのＤＬＣ膜形成に替えて、酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）を形成した以外は、発明例１と同様にして、比較例１の貼り合わせウェーハを作製した。なお、酸化シリコン膜の形成にあたっては、熱酸化膜作製装置に活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハを導入して、１０００℃、酸素雰囲気下、２０日間の条件で行った。

（評価１：比抵抗の評価）
発明例１および比較例１で作製した貼り合わせウェーハの、深さ方向における比抵抗を抵抗率測定装置（型番：ＳＳＭ２０００、日本エス・エス・エム株式会社製）を用いて、広がり抵抗法（ＳＲ法；Spreading Resistance Analysis）により測定した。結果を図６に示す。なお、図６の横軸の深さは活性層用ウェーハの表面（デバイス形成面）をゼロとしている。
図６から明らかなように、発明例１の絶縁膜における比抵抗は２．４×１０^９Ω・ｃｍであり、比較例１の絶縁膜の絶縁性よりは若干劣るものの、一般的に、高抵抗領域とされる１×１０^５Ω・ｃｍ水準を大きく上回る抵抗値であり、活性層がＳＯＩ層として機能するには十分であることが確認された。

（評価２：耐圧による絶縁層の放熱性評価）
発明例１および比較例１で作製した貼り合わせウェーハの耐圧を測定するにあたり、活性層をホトリソ・エッチング処理して電極加工した。電極加工処理した各ウェーハをウェーハ・ステージに載置した後、高温電流電圧測定装置を用いて、印加する電圧を変化させながら電圧印加してリーク電流値を取得した。測定は、ウェーハ・ステージ温度が常温の場合と２００℃の場合との２条件にて実施した。
ウェーハ・ステージが常温の場合、９００Ｖ以上の高電圧を印加しても、発明例１と比較例１とで、測定したリーク電流値に大きな差は生じなかった。一方、ウェーハ・ステージが２００℃の場合、９００Ｖ以上の高電圧を印加すると、比較例１に比べて、発明例１の方が、リーク電流値が大きく増加することが確認された。これは、発明例１の絶縁膜は、比較例１の絶縁膜よりも熱伝導率が高いために高温化して抵抗が小さくなり、その結果、リーク電流が増大しているものと考えられる。すなわち、本結果は、発明例１の貼り合わせウェーハは比較例１の貼り合わせウェーハよりも放熱性に優れることを意味する。

（評価３：ゲッタリング能力の評価）
発明例１および比較例１で作製した貼り合わせウェーハ表面を、Ｎｉ,Ｃｕ汚染液（Ｎｉ,Ｃｕ：１．０×１０^１２／ｃｍ^２）で、それぞれスピンコート汚染法を用いて故意に汚染し、引き続き９００℃、３０分の熱処理を施した。
その後、ＳＩＭＳ測定を行い、発明例１および比較例１の貼り合わせウェーハにおけるＮｉ,Ｃｕの濃度分布を測定した。その結果、発明例１では汚染濃度１．０×１０^１２／ｃｍ^２のＮｉ,Ｃｕを捕獲できる一方、比較例１では汚染濃度１．０×１０^１２／ｃｍ^２のＮｉ,Ｃｕを捕獲できないことが分かった。

本発明によれば、ダイヤモンドライクカーボンまたはダイヤモンドからなる炭素含有膜を境界として、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを貼り合わせ、その後、貼り合わせを強化する熱処理を施すので、高い放熱性を有する貼り合わせウェーハを製造することができる。

１１ 活性層用ウェーハ
１１Ａ 活性層用ウェーハの表面
１２ 支持基板用ウェーハ
１２Ａ 支持基板用ウェーハの表面
１３ 炭素イオン
１４〜１７ 炭素含有膜
１８ 改質層
１４′ 絶縁膜
１６′ 絶縁膜
２０ プラズマイオン照射装置
２１ プラズマチャンバ
２２ ガス導入口
２３ 真空ポンプ
２４ パルス電圧印加手段
２５ ウェーハ固定台
１００ 貼り合わせウェーハ

Claims (13)

1. シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの表面に、水素化テトラヘドラルアモルファスカーボンまたはテトラヘドラルアモルファスカーボンからなる炭素含有膜を形成する第１工程と、
   前記炭素含有膜を境界として、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとを貼り合わせる第２工程と、
   前記第２工程の後、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとの貼り合わせを強化する熱処理を施す第３工程と、
   を有し、
   前記第３工程の熱処理後において、前記炭素含有膜はテトラヘドラルアモルファスカーボンからなることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記第１工程では、前記炭素含有膜を形成するウェーハをチャンバ内に配置し、
   前記チャンバ内に炭素を含むガスのプラズマを生成し、
   前記チャンバ内にパルス電圧を印加することにより、前記プラズマ中の炭素イオンを、前記ウェーハの表面へ照射して、前記ウェーハの表面に前記炭素含有膜を形成する請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記熱処理を８００℃以上、１時間以上行う請求項１または２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記第１工程では、前記活性層用ウェーハおよび前記支持基板用ウェーハの両方に前記炭素含有膜を形成する請求項１〜３いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法 。
5. 前記第１工程では、前記活性層用ウェーハおよび前記支持基板用ウェーハのいずれか一方のウェーハの両面に前記炭素含有膜を形成し、前記第３工程の後、前記貼り合わせた他方の面側の前記炭素含有膜を除去する請求項１〜３いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
6. 前記炭素含有膜を、５μｍ以上の厚みに形成する請求項１〜５いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
7. 前記チャンバ内において、前記ガス導入後の真空度が１．０×１０^−１Ｐａ以下である、請求項２、または、請求項２に従属する請求項３〜６いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
8. 前記パルス電圧の印加条件を、電圧１００Ｖ以上２０ｋＶ以下、周波数１０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下、パルス幅１μｓ以上１０００μｓ以下とする、請求項２、または、請求項２に従属する請求項３〜７いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
9. シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハと活性層用ウェーハとを、前記支持基板用ウェーハ表面と前記活性層用ウェーハとの間の絶縁膜を境界として貼り合わせてなる貼り合わせウェーハであって、
   前記絶縁膜は、少なくとも前記支持基板用ウェーハおよび活性層用ウェーハの少なくとも一方の表面に形成され、
   前記絶縁膜は、テトラへドラルアモルファスカーボンからなる貼り合わせウェーハ。
10. 前記活性層用ウェーハは、前記絶縁膜側の表層部に炭素を含む改質層を有する請求項９に記載の貼り合わせウェーハ。
11. 前記改質層は、前記活性層用ウェーハの前記絶縁膜側の表面から５０ｎｍの領域における前記炭素の平均濃度が、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である請求項１０に記載の貼り合わせウェーハ。
12. 前記絶縁膜の比抵抗は、１．０×１０^８Ω・ｃｍ以上である請求項９〜１１に記載の貼り合わせウェーハ。
13. 前記絶縁膜の厚みは、１０μｍ以上である請求項９〜１２いずれか１項に記載の貼り合わせウェーハ。

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