JP6303321B2 - 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に関し、特に、高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハを製造する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、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）。

こうして製造される貼り合わせウェーハは、電気的特性の観点や、均質なシリコン層を形成できる等のメリットを有する一方、金属汚染に対して構造的なデメリットを有している。すなわち、多くの金属不純物の拡散係数は、シリコン中よりも酸化シリコン膜中の方が小さい。従って、活性層用ウェーハの表面側から金属不純物が侵入する場合、金属不純物が酸化シリコン層を通過しにくいため、活性層用ウェーハ中に蓄積されることになる。

この問題に対して、貼り合わせウェーハのゲッタリング能力を向上させる幾つかの技術が提案されている。例えば、特許文献１には、支持基板用ウェーハまたは活性層用ウェーハのいずれか一方の表面から、シリコン中において電気的に不活性な中性元素をイオン注入してイオン注入ダメージ層を形成することにより、リーク電流の発生や絶縁膜耐圧の劣化等を抑制しつつ、十分なゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハの製造方法について記載されている。

また、特許文献２には、支持基板用ウェーハ上に単結晶シリコン層と、酸素、炭素、窒素のうち、少なくとも酸素を含むシリコンからなるゲッタリング層とを順次形成するとともに、単結晶シリコンからなる活性層用ウェーハの表面にシリコン絶縁膜からなる絶縁層を形成し、支持基板用ウェーハ上のゲッタリング層の表面と、活性層用ウェーハにおける絶縁層の表面とを貼り合わせることにより、高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハを製造する方法について記載されている。

特開２００７−３１８１０２ 特開２０１０−２５８０８３

しかしながら、特許文献１および２記載された技術では、金属不純物に対するゲッタリング能力が依然として不十分であることが判明し、より高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハを製造する技術の確立が希求されていた。
そこで本発明の目的は、高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハを製造する方法を提供することにある。

発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。従来のイオン注入技術によりゲッタリング層を形成する場合、数百ｋｅＶ程度の比較的高い加速電圧でイオンを活性層用ウェーハの表面に注入する。その結果、注入されたイオンは、ウェーハ深さ方向にある程度の幅をもって分布することになり、注入されたイオンの濃度を高めることができず、ゲッタリング能力を十分に高めることができないのである。
発明者は、上記従来のイオン注入技術では、イオンを活性層用ウェーハに高濃度で注入することは困難であると判断し、イオンを活性層用ウェーハ表面に高濃度で導入して高いゲッタリング能力を有するゲッタリング層を形成する新規の方法について鋭意検討した。その結果、炭素等の所定元素を含むガスのプラズマを生成し、活性層用ウェーハにパルス電圧を印加して生成されたプラズマ中の所定元素を含むイオンを活性層用ウェーハの表面に照射し、照射された活性層用ウェーハの表面に、所定元素が固溶してなる改質層を形成することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）所定元素を含むガスのプラズマを生成するプラズマ生成工程と、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハにパルス電圧を印加して前記生成されたプラズマ中の前記所定元素を含むイオンを前記活性層用ウェーハの表面に照射し、照射された活性層用ウェーハの表面に、前記所定元素が固溶してなる改質層を形成するイオン照射工程と、シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハの表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記活性層用ウェーハの前記改質層側表面を前記絶縁膜を介して前記支持基板用ウェーハと貼り合わせる貼り合わせ工程とを有することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

（２）前記パルス電圧は１００Ｖ以上３０ｋＶ以下である、前記（１）に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（３）前記所定元素が炭素を含む、前記（１）または（２）に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（４）前記所定元素が炭素以外の元素をさらに１種以上含む、前記（３）に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（５）前記所定元素が、さらにドーパント元素を含み、該ドーパント元素がホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素である、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（６）前記貼り合わせ工程の前に、前記改質層が形成された前記活性層用ウェーハの表面の結晶性を回復させるための熱処理を行なう結晶性回復熱処理工程をさらに有する、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（７）前記貼り合わせ工程の後に、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとの結合を強化するための熱処理を行う結合強化熱処理工程をさらに有する、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

（８）前記イオン照射工程の前に、前記活性層用ウェーハの表面に５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程をさらに有する、前記（１）〜（７）のいずれか一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、該支持基板用ウェーハ上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハとを有する貼り合わせウェーハにおいて、前記絶縁膜と前記活性層用ウェーハとの間に、前記活性層用ウェーハに所定元素が固溶してなる改質層を備え、該改質層における前記所定元素の厚み方向の濃度は、前記改質層と前記絶縁膜との界面にて最大であることを特徴とする貼り合わせウェーハ。

（１０）前記改質層における前記所定元素の最大濃度が１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、前記改質層と前記絶縁膜との界面から５０ｎｍまでの厚み領域における前記所定元素の平均濃度が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である、前記（９）に記載の貼り合わせウェーハ。

（１１）前記所定元素が炭素を含む、前記（９）または（１０）に記載の貼り合わせウェーハ。

（１２）前記所定元素が炭素以外の元素をさらに１種以上含む、前記（１１）に記載の貼り合わせウェーハ。

（１３）前記所定元素がさらにドーパント元素を含み、該ドーパント元素がホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素である、前記（９）〜（１２）のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハ。

本発明によれば、所定元素のガスのプラズマを生成し、該プラズマに含まれる所定元素のイオンを活性層用ウェーハにパルス電圧を印加することにより照射して、照射されたウェーハの表面に所定元素が高濃度に固溶してなる改質層を形成したため、従来よりも高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハを製造することができる。

本発明による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。 本発明による貼り合わせウェーハの製造方法に用いるプラズマイオン照射装置の模式図である。 （Ａ）は本発明による貼り合わせウェーハの製造方法においてイオン照射を行う場合の照射メカニズムを説明する模式図、（Ｂ）は従来技術においてモノマーイオンを注入する場合の注入メカニズムを説明する模式図である。 発明例１および比較例１について、Ｎｉのゲッタリング能力を比較したグラフである。 発明例２および比較例２について、Ｃｕのゲッタリング能力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。図１は、本発明による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。本発明による貼り合わせウェーハの製造方法は、所定元素を含むガスのプラズマを生成するプラズマ生成工程（図示せず）と、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハ１１（図１（Ａ））にパルス電圧を印加して生成されたプラズマ中の所定元素のイオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに照射して（図１（Ｂ））、照射された活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、所定元素が固溶してなる改質層１４を形成するイオン照射工程と（図１（Ｃ））、シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハ１２（図１（Ａ））の表面１２Ａに絶縁膜１５を形成する絶縁膜形成工程（図１（Ｄ））と、活性層用ウェーハ１１の改質層１４側表面を絶縁膜１５を介して支持基板用ウェーハ１２と貼り合わせる貼り合わせ工程と（図１（Ｅ））を有することを特徴とする。以下、各工程を詳細に説明する。

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、より高いゲッタリング能力を得るために、炭素および／または窒素を添加してもよい。さらに、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。

次いで、所定元素を含むガスのプラズマを生成する。ここで、所定元素は、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに導入され、ゲッタリングサイトを形成するための元素である。この所定元素として、炭素、ホウ素、窒素、アルゴン等を使用することができる。中でも、より高いゲッタリング能力を得ることができることから、所定元素が炭素を含むことが好ましい。すなわち、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不純物をより捕獲しやすくなるためである。

ここで、所定元素が炭素の場合には、プラズマを生成するために使用するガスとして、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）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等のガスを使用することができる。また、所定元素がホウ素の場合には、ジボラン、デカボラン（Ｂ_１０Ｈ_１４）等のガスを、さらに、所定元素が窒素の場合には窒素ガスを、さらにまた、所定元素がアルゴンの場合にはアルゴンガスを使用することができる。

図２は、本発明による貼り合わせウェーハの製造方法に用いるプラズマイオン照射装置の模式図である。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、所定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所定元素のイオン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上に裁置しておく。

所定元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へ負電圧をパルス状に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１×１０^−１Ｐａ以下とする。これは、１×１０^−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ためである。

こうして、所定元素のプラズマを生成して、所定元素の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。

なお、上記所定元素は、炭素を含む２種以上の元素を含むことがより好ましい。これは、析出元素の種類により効率的にゲッタリング可能な金属の種類が異なるため、２種以上の元素を固溶させることにより、より幅広い金属汚染に対応できるためである。例えば、炭素の場合、ニッケルを効率的にゲッタリングすることができ、ホウ素の場合、銅、鉄を効率的にゲッタリングすることができる。

所定元素が炭素を含む２種以上の元素を含む場合、各元素を含むガスをプラズマチャンバ２１内に導入すればよい。例えば、所定元素が炭素とホウ素を含む場合、例えばメタンガスとジボランガスを供給すればよい。

上記所定元素として炭素、あるいは炭素を含む２種以上の元素に加えて、ドーパント元素をさらに含むことができる。このドーパント元素としては、ホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素を用いることができる。

ドーパント元素としてホウ素を利用する場合には、例えばジボランガスを、ドーパント元素としてリンを利用する場合には、例えばフォスフィンガスを、所定元素を含むガスとともにプラズマチャンバ２１に導入すればよい。

続いて、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所定元素を含むイオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに照射し、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、所定元素が固溶してなる改質層１４を形成する。これは、図２に示したプラズマイオン照射装置２０において、ウェーハ固定台２５上に裁置された活性層用ウェーハ１１にパルス電圧印加手段２４によりパルス電圧を印加することにより行うことができる。

ここで、活性層用ウェーハ１１に印加するパルス電圧は、１００Ｖ以上３０ｋＶ以下とする。これは、１００Ｖ未満の場合には、所定元素を含むイオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１に導入して改質層１４を形成できないためである。一方、３０ｋＶを超えると、活性層用ウェーハ１１の表面１１に導入されたイオン１３がウェーハ厚み方向に広く分布し、イオンを高濃度に導入できないためである。

また、パルス電圧の周波数は、活性層用ウェーハ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所定元素のイオン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、所定元素をウェーハ深さ方向のごく狭い領域に導入して、所定元素の高濃度層である改質層１４を形成することができる。具体的には、改質層１４における所定元素のウェーハ厚み方向の濃度は、改質層１４と絶縁膜１５との界面にて最大となる。また、所定元素の最大濃度は１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、改質層１４と絶縁膜１５との界面から５０ｎｍまでの厚み領域における所定元素の平均濃度は、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となる。

なお、所定元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）にて測定した濃度を意味している。また、所定元素が２種以上の元素を含む場合の濃度は、合計ではなく、それぞれ単独の元素についての濃度を意味している。

上述のように、本発明において、所定元素を含むイオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに導入する際のエネルギーは、従来のイオン注入技術に比べて低い。すなわち、上述のように、従来のイオン注入技術では、イオンを数百ｋｅＶ程度のエネルギーで注入するのに対して、本発明においては、活性層用ウェーハ１１に印加するパルス電圧は１００Ｖ以上３０ｋＶ以下である。一方、本発明の方法においてイオンに与えられるエネルギーは、プラズマを用いた物理気相成長法（ＰＶＤ）において、基材上に被膜材料を堆積させて被膜を形成する場合に材料の構成原子に与えられるエネルギーよりも高い。
つまり、本発明において、イオン１３を活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに導入する際にイオン１３に与えられるエネルギーは、イオン注入より小さく、被膜材料の堆積よりも大きい。そこで、このような特徴的なエネルギー範囲のエネルギーをイオン１３に与えて活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａにイオン１３を導入する本発明において、このイオンの導入を「イオンの照射」と称し、従来技術とは明確に区別することにする。

ここで、上記イオン照射工程により、高濃度の所定元素を含む改質層１４が形成される原理について説明する。所定元素のイオン１３を照射した結果形成される改質層１４は、所定元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所定元素（例えば、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所定元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。

シリコンウェーハに、例えば炭素のモノマーイオンを注入する場合、図３（Ｂ）に示すように、モノマーイオンは、シリコンウェーハを構成するシリコン原子を弾き飛ばし、シリコンウェーハ中の所定深さ位置に注入される。注入深さは、注入イオンの構成元素の種類およびイオンの加速電圧に依存する。この場合、シリコンウェーハの深さ方向における炭素の濃度分布は、比較的ブロードになり、注入された炭素の存在領域は概ね０．５〜１μｍ程度となる。複数種のイオンを同一エネルギーで同時照射した場合には、軽い元素ほど深く注入され、すなわち、それぞれの元素の質量に応じた異なる位置に注入されるため、注入元素の濃度プロファイルはよりブロードになる。

また、貼り合わせウェーハの製造にあっては、後述するように、活性層用ウェーハ１１と支持基板用ウェーハ１２とを絶縁膜１５を介して貼り合わせた後に、両ウェーハ間の結合を強化する結合強化熱処理を行うことができるが、貼り合わせられるウェーハ表面の結晶性が乱れていると、両ウェーハの結合力が低下するおそれがある。ところが、モノマーイオンは一般的に５０〜２０００ｋｅＶ程度の加速電圧で注入するが、各イオンがそのエネルギーをもってシリコン原子と衝突するため、モノマーイオンが注入されたシリコンウェーハ表面部の結晶性が乱れる。また、加速電圧が大きいほど、結晶性が大きく乱れる。そのため、イオン注入後に乱れた結晶性を回復させるための熱処理（回復熱処理）が必要であり、回復熱処理を高温かつ長時間で行う必要がある。

一方、シリコンウェーハに、例えば炭素とホウ素からなるイオン１３を照射する場合、図３（Ａ）に示すように、イオン１３は、シリコンウェーハに照射されると、そのエネルギーで瞬間的に１３５０〜１４００℃程度の高温状態となり、シリコンが融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハ中の表面近傍に炭素およびホウ素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するイオンの構成元素がシリコンウェーハ表面の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。シリコンウェーハの深さ方向における炭素およびホウ素の濃度分布は、活性層用ウェーハ１１に印加するパルス電圧およびイオン１３のサイズに依存するが、モノマーイオンの場合に比べてシャープになり、照射された炭素およびホウ素が局所的に存在する領域（すなわち、改質層）の厚みは、概ね５００ｎｍ以下の領域（例えば５０〜４００ｎｍ程度）となる。その結果、炭素およびホウ素の析出領域を局所的にかつ高濃度にすることができ、より高いゲッタリング能力を得ることができるものと考えられる。

貼り合わせウェーハの製造においては、活性層用ウェーハ厚みを厚くした厚膜ＳＯＩウェーハや、活性層用ウェーハ厚みを薄くした薄膜ＳＯＩウェーハの提供が求められる。このため、例えば、１μｍ以下の薄膜ＳＯＩウェーハの製造を行う場合、モノマーイオンの注入では、深さ方向の注入元素の濃度プロファイルがブロードになるため、デバイス作製領域として使用される活性層領域内に炭素が拡散してしまうおそれがあり、この場合、デバイスの電気特性を悪化させることになる。この点、本発明のイオン照射では、所定元素の深さ方向の濃度プロファイルは活性層用ウェーハの改質層側表面位置に濃度ピークが形成され、また、所定元素のウェーハ深さ方向の存在量範囲が狭いため、デバイス作製領域として使用される活性層領域への炭素拡散のおそれを解消でき、活性層の使用領域を深さ方向に拡大することができる。

また、所定元素のイオン１３は、上述のように、１００Ｖ以上３０ｋＶ以下という、従来のイオン注入に比べて１原子または１分子あたりのエネルギーが小さい条件下で活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに導入されるため、活性層用ウェーハ１１の結晶構造に与えるダメージが小さい。このため、イオン１３の照射条件次第では、活性層用ウェーハ１１表面のダメージを回復させる回復熱処理を省略することができ、熱処理を行う場合にも、極めて短い時間で行うことができる。

回復熱処理を行う場合には、具体的には、１０００℃以上１２００℃以下で３０秒以上１時間以下行えばよい。ここで、熱処理温度を１０００℃以上１２００℃以下とするのは、１０００℃未満では、結晶性の回復効果が得られにくいためであり、一方、１２００℃を超えると、高温での熱処理に起因するスリップが発生し、また、装置への熱負荷が大きくなるためである。また、熱処理時間を３０秒以上１時間以下とするのは、３０秒未満では回復効果が得られにくいためであり、一方、１時間超えでは、生産性の低下を招き、装置への熱負荷が大きくなるためである。

このような回復熱処理は、例えば、ＲＴＡやＲＴＯなどの急速昇降温熱処理装置や、バッチ式熱処理装置（縦型熱処理装置、横型熱処理装置）を用いて行うことができる。前者は、ランプ照射加熱方式のため、装置構造的に長時間処理には適しておらず、１５分以内の熱処理に適している。一方、後者は、所定温度までに温度上昇させるために時間がかかるものの、一度に多数枚のウェーハを同時に処理できる。また、抵抗加熱方式のため、長時間の熱処理が可能である。使用する熱処理装置は、イオン１３の照射条件を考慮して適切なものを選択すればよい。

こうして、所定元素のイオン１３が照射された活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａに、所定元素が固溶してなる改質層１４を形成することができる。

次に、図１（Ｄ）に示すように、支持基板用ウェーハ１２の表面に絶縁膜１５を形成する絶縁膜形成工程を行う。この絶縁膜１５は、ＳＯＩウェーハにおける埋め込み酸化膜（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ、ＢＯＸ層）として機能する層である。絶縁膜１５としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜や窒化膜等を用いることができ、例えばＳｉＯ_２膜を用いる場合には、周知の熱酸化により行うことができる。

ここで、形成する絶縁膜１５の厚さは、０．０１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定すればよく、この絶縁膜１５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る。

続いて、図１（Ｅ）に示すように、活性層用ウェーハ１１の改質層１４側表面を絶縁膜１５を介して支持基板用ウェーハ１２と貼り合わせる貼り合わせ工程を行う。これにより、本発明の貼り合わせウェーハを製造することができる。この貼り合わせ工程は、これは、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。

こうして、従来よりも高いゲッタリング能力を有する貼り合わせウェーハ１００を得ることができる。

また、上記貼り合わせ工程の後に、図１（Ｆ）に示すように、結合強化熱処理工程を行い、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結合を強化することができる。この結合強化熱処理工程は、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、これによって、ウェーハ間の結合を強化することができる。

さらに、図１（Ｇ）に示すように、活性層用ウェーハ１１の厚さを低減する薄膜化する薄膜化工程を行うこともできる。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。

なお、イオン照射工程の前に、活性層用ウェーハ１１の表面１１Ａにごく薄い絶縁膜を形成し、イオン照射時における重金属による汚染を防止するようにしてもよい。この絶縁膜としては、ＳｉＯ_２膜や窒化膜等を用いることができ、例えばＳｉＯ_２膜を用いる場合には、周知の熱酸化により行うことができる。また、絶縁膜の厚さは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、所定元素のイオン照射に影響を与えることなく、重金属による汚染を防止することができる。

活性層用ウェーハ１１に絶縁膜を形成した場合には、イオン照射工程の終了後に絶縁膜を除去した後に、貼り合わせ工程を行うようにする。

（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、該支持基板用ウェーハ１２上に形成された絶縁膜１５と、該絶縁膜１５上に形成された、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハ１１とを有する貼り合わせウェーハにおいて、絶縁膜１５と活性層用ウェーハ１１との間に、活性層用ウェーハ１１に所定元素が固溶してなる改質層１４を備える。ここで、改質層１４における所定元素の深さ方向の濃度は、改質層１４と絶縁膜１５との界面にて最大となることを特徴とするものである。

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、従来のモノマーイオン注入に比べて、所定元素のイオン１３を低エネルギーで照射して、局所的かつ高濃度に活性層用ウェーハ１１表面に導入することが可能となった。その結果、所定元素の濃度は、改質層１４と絶縁膜１５側との界面にて最大となり、所定元素の最大濃度は１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、改質層１４と絶縁膜１５との界面から５０ｎｍまでの厚み領域における所定元素の平均濃度は、１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上となる。このような改質層１４は、従来に比べて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。

所定元素としては、炭素、ホウ素、窒素、アルゴン、水素、ヘリウム等を使用でき、炭素または炭素を含む２種以上の元素とすることが好ましいのは既述のとおりである。また、所定元素がさらにドーパント元素を含むことができ、このドーパント元素としては、ホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素を用いることができる。

また、改質層１４の深さ方向厚みは、概ね３０〜４００ｎｍの範囲内とすることができる。

さらに、絶縁膜１５としては、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜や窒化膜等を用いることができる。

こうして、本発明の貼り合わせウェーハ１００により、従来に比べて高いゲッタリング能力を発揮して、金属汚染の抑制効果を高めることができる。

（発明例１および２）
以下、本発明の実施例について説明する。
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、活性層用ウェーハを導入して支持台上に裁置した後、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、活性層用ウェーハに、周波数：１５０Ｈｚ、パルス幅：６０μｓｅｃ、電圧：２５ｋＶ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の表面に照射した。続いて、活性層用ウェーハを熱処理装置に導入した後、この熱処理装置に窒素ガスを導入して窒素雰囲気とし、活性層用ウェーハに対して１０００℃で１時間の結晶性を回復させるための熱処理を施した。
一方、支持基板用ウェーハを熱酸化膜作製装置に導入した後、この熱酸化膜作製装置に酸素ガスを導入して酸素雰囲気とし、支持基板用ウェーハの表面に厚み１０ｕｍのＢＯＸ層用の酸化膜を形成した。
以上の処理が施された活性層用ウェーハの改質層側表面を絶縁膜を介して支持基板用ウェーハと貼り合わせた。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時間保持する結合強化熱処理施した。
その後、活性層用ウェーハの表面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１０μｍ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および２）
イオン照射工程に替えて、ＣＯ_２を材料ガスとして、炭素のモノマーイオンを生成し、ドーズ量５．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、加速電圧６０ｋｅＶ／ａｔｏｍの条件でモノマーイオン注入工程を行った以外は、発明例１および２と同様にして、比較例１および２の貼り合わせウェーハを製造した。

＜ゲッタリング能力評価＞
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汚染液（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。同様に、発明例２および比較例２で作製した貼り合わせウェーハ表面を、Ｃｕ汚染液（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Ｃ、ＮｉおよびＯの濃度分布を測定した。得られた濃度分布を図４に示す。ここで、図４の横軸の深さは活性層用ウェーハの表面（支持基板との接合界面）をゼロとしている。同様に、ＳＩＭＳ測定を行って、発明例２および比較例２の貼り合わせウェーハにおけるＣ、ＣｕおよびＯの濃度分布を測定した。得られた濃度分布を図５に示す。なお、上記ＳＩＭＳの測定は、支持基板およびＢＯＸ層としての絶縁膜を除去した後に行ったものである。

図４から明らかなように、イオン照射により、モノマーイオン注入よりも局所的かつ高濃度の改質層が形成されている。また、Ｎｉの濃度分布から明らかなように、比較例１に比べて、発明例１ではイオン照射により形成された改質層が多くのＮｉを捕獲して、高いゲッタリング能力を発揮していることが分かる。

同様に、Ｃｕの汚染についても、図５から明らかなように、イオン照射により、モノマーイオン注入よりも局所的かつ高濃度の改質層が形成されており、Ｃｕの濃度分布から明らかなように、比較例２に比べて、発明例２ではイオン照射により形成された改質層が多くのＣｕを捕獲して、高いゲッタリング能力を発揮していることが分かる。

本発明によれば、より高いゲッタリング能力を発揮することで金属汚染を抑制することができるため、半導体ウェーハ製造業において有用である。

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 イオン
１４ 改質層
１５ 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. 所定元素を含むガスのプラズマを生成するプラズマ生成工程と、
   シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハにパルス電圧を印加して前記生成されたプラズマ中の前記所定元素を含むイオンを前記活性層用ウェーハの表面に照射し、照射された活性層用ウェーハの表面に、前記所定元素が固溶してなる改質層を形成するイオン照射工程と、
   シリコン単結晶からなる支持基板用ウェーハの表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記活性層用ウェーハの前記改質層側表面を前記絶縁膜を介して前記支持基板用ウェーハと貼り合わせる貼り合わせ工程と、
   を有することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記パルス電圧は１００Ｖ以上３０ｋＶ以下である、請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 前記所定元素が炭素を含む、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. 前記所定元素が炭素以外の元素をさらに１種以上含む、請求項３に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
5. 前記所定元素が、さらにドーパント元素を含み、該ドーパント元素がホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
6. 前記貼り合わせ工程の前に、前記改質層が形成された前記活性層用ウェーハの表面の結晶性を回復させるための熱処理を行なう結晶性回復熱処理工程をさらに有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
7. 前記貼り合わせ工程の後に、前記活性層用ウェーハと前記支持基板用ウェーハとの結合を強化するための熱処理を行う結合強化熱処理工程をさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
8. 前記イオン照射工程の前に、前記活性層用ウェーハの表面に５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程をさらに有する、請求項１〜７のいずれか一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、該支持基板用ウェーハ上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された、シリコン単結晶からなる活性層用ウェーハとを有する貼り合わせウェーハにおいて、
   前記絶縁膜と前記活性層用ウェーハとの間に、前記活性層用ウェーハに所定元素が固溶してなる改質層を備え、
   該改質層における前記所定元素の厚み方向の濃度は、前記改質層と前記絶縁膜との界面にて最大であることを特徴とする貼り合わせウェーハ。
10. 前記改質層における前記所定元素の最大濃度が１．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、前記改質層と前記絶縁膜との界面から５０ｎｍまでの厚み領域における前記所定元素の平均濃度が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である、請求項９に記載の貼り合わせウェーハ。
11. 前記所定元素が炭素を含む、請求項９または１０に記載の貼り合わせウェーハ。
12. 前記所定元素が炭素以外の元素をさらに１種以上含む、請求項１１に記載の貼り合わせウェーハ。
13. 前記所定元素がさらにドーパント元素を含み、該ドーパント元素がホウ素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選ばれた１以上の元素である、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハ。

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