JP6485406B2 - Soiウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)シリコン単結晶からなる第1基板の主表面から軽元素イオンを注入して、前記第1基板の表層部に前記軽元素イオンが固溶した固溶層を形成する第1工程と、
前記第1基板の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層を形成する第2工程と、
前記第1基板上に形成された前記シリコンエピタキシャル層、およびシリコン単結晶からなる第2基板の少なくとも一方の表面に酸化膜を形成する第3工程と、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記固溶層、前記シリコンエピタキシャル層、および前記酸化膜が位置するように、前記第1基板と前記第2基板とを重ね合わせて、重ね合せ基板を形成する第4工程と、
前記重ね合せ基板に接合熱処理を施し、前記重ね合せ基板を構成する第1基板と第2基板とを貼り合わせて、貼合せ基板を形成する第5工程と、
前記第5工程後、前記固溶層を抵抗変動層として検出しつつ、前記貼合せ基板を前記第1基板側から薄膜化して、所望厚みの活性層を有するSOIウェーハを得る第6工程と、
を有することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
図1を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、シリコン単結晶からなる第1基板10の主表面から軽元素イオンを注入して、第1基板10の表層部に軽元素イオンが固溶した固溶層12を形成する。その後、第1基板10の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層14を形成する。その後、第1基板10上に形成されたシリコンエピタキシャル層14の表面にイオン化堆積法により酸化膜16を形成する。その後、第1基板10とシリコン単結晶からなる第2基板20との間に固溶層12、シリコンエピタキシャル層14、および酸化膜16が位置するように、第1基板10と第2基板20とを重ね合わせて、重ね合せ基板28を形成する。その後、重ね合せ基板28に接合熱処理を施し、重ね合せ基板28を構成する第1基板10と第2基板20とを貼り合わせて、貼合せ基板30を形成する。その後、固溶層12を抵抗変動層として検出しつつ、貼合せ基板30を第1基板10側から薄膜化して、所望厚みの活性層22を有するSOIウェーハ100を得る。
図2を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、シリコン単結晶からなる第1基板10の主表面から軽元素イオンを注入して、第1基板10の表層部に軽元素イオンが固溶した固溶層12を形成する。その後、第1基板10の主表面上にシリコンエピタキシャル層14を形成する。また、シリコン単結晶からなる第2基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する。その後、第1基板10と第2基板20との間に固溶層12、シリコンエピタキシャル層14、および酸化膜18が位置するように、第1基板10と第2基板20とを重ね合わせて、重ね合せ基板28を形成する。その後、重ね合せ基板28に接合熱処理を施し、重ね合せ基板28を構成する第1基板10と第2基板20とを貼り合わせて、貼合せ基板30を形成する。その後、固溶層12を抵抗変動層として検出しつつ、貼合せ基板30を第1基板10側から薄膜化して、所望厚みの活性層22を有するSOIウェーハ200を得る。
図3を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態では、まず、シリコン単結晶からなる第1基板10の主表面から軽元素イオンを注入して、第1基板10の表層部に軽元素イオンが固溶した固溶層12を形成する。その後、第1基板10の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層14を形成する。また、シリコン単結晶からなる第2基板20の表面に熱酸化法により酸化膜18を形成する。その後、第1基板10と第2基板20との間に固溶層12、シリコンエピタキシャル層14、および酸化膜18が位置するように、第1基板10と第2基板20とを重ね合わせて、重ね合せ基板28を形成する。その後、重ね合せ基板28に接合熱処理を施し、重ね合せ基板28を構成する第1基板10と第2基板20とを貼り合わせて、貼合せ基板30を形成する。その後、固溶層12を抵抗変動層として検出しつつ、貼合せ基板30を第1基板10側から薄膜化して、所望厚みの活性層22を有するSOIウェーハ300を得る。
第1工程では、図1〜図3に示すように、シリコン単結晶からなる第1基板10の主表面から軽元素イオンを注入して、第1基板10の表層部に軽元素イオンが固溶した固溶層12を形成する。ここで、イオン化する元素は、軽元素であるHおよびHeから選択される少なくとも一種とすることが好ましい。これらの元素をイオン化して注入することにより第1基板中のドーパントが弾き飛ばされるため、固溶層12の抵抗率は、第1基板10中の他の結晶領域の抵抗率よりも高くなる。従って、後述する第6工程において固溶層12を抵抗変動層として活用することができる。また、これらの元素は非ドーパントであるため、ボロン等のドーパントを注入する場合に比べて、シリコンエピタキシャル層14の深さ方向の抵抗変動に与える影響が少ない。さらに、これらの元素は、ボロン等のドーパントに比べて拡散し易いために、シリコンエピタキシャル層14から外方拡散し易い。そのため、シリコンエピタキシャル層14中のこれらの元素の残存率は低く、結果として、シリコンエピタキシャル層14の深さ方向の抵抗変動が抑制される。さらに、HおよびHeは、ボロン等のドーパントやAr,Siに比べて原子半径が非常に小さいので、イオンを注入することによって生じる第1基板10中の結晶欠陥を低減させることができ、後に形成するシリコンエピタキシャル層14における結晶欠陥が抑制される。
第2工程では、図1〜図3に示すように、第1基板10の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層14を形成する。シリコンエピタキシャル層14は、一般的な条件により形成することができる。例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、概ね1000〜1200℃の範囲の温度でCVD法により第1基板10の固溶層12上にエピタキシャル成長させることができる。このシリコンエピタキシャル層14の厚さは、10nm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましく、1μm以上10μm以下の範囲内とすることがより好ましい。
第3工程では、図1に示すように、第1基板10上に形成されたシリコンエピタキシャル層14の表面に酸化膜16を形成する。または、図2及び図3に示すように、第2基板20の表面に酸化膜18を形成する。ここで、酸化膜16,18は、例えば、シリコンエピタキシャル層14を有する第1基板10および第2基板20の少なくとも一方の周囲を熱酸化することにより得られる。図3は、第2基板20を熱酸化することにより第2基板20の表面に酸化膜18を形成する例を示す。また、デバイス特性や生産性をさらに向上させる観点からは、イオン化堆積法により酸化膜を形成することが好ましい。図1は、第1基板10上に形成されたシリコンエピタキシャル層14の表面にイオン化堆積法により酸化膜16を形成する例を示し、図2は、第2基板20の表面にイオン化堆積法により酸化膜18を形成する例を示す。以下では、イオン化堆積法について説明する。
第4工程では、図1〜図3に示すように、第1基板10と第2基板20との間に固溶層12、シリコンエピタキシャル層14、および酸化膜16,18が位置するように、第1基板10と第2基板20とを重ね合わせて、重ね合せ基板28を形成する。
第5工程では、図1〜図3に示すように、重ね合せ基板28に接合熱処理を施し、重ね合せ基板28を構成する第1基板10と第2基板20とを貼り合わせて、貼合せ基板30を形成する。接合熱処理を施すことにより、接合強度に優れたSOIウェーハを得ることができる。接合熱処理は、酸化性ガスまたは不活性ガス雰囲気中において、基板温度を400℃以上1200℃以下として、10分以上6時間以下の条件下で行うことが好ましい。基板温度を400℃以上とすることで、十分な接合強度が得られ、基板温度を1200℃以下とすることで、スリップの発生が抑制される。
第6工程では、図1〜図3に示すように、第5工程後、固溶層12を抵抗変動層として検出しつつ、貼合せ基板30を第1基板10側から薄膜化して所望厚みの活性層22を有するSOIウェーハを得る。固溶層12では、軽元素イオンの注入によりドーパントが弾き飛ばされているため、固溶層12は、第1基板10中のその他の結晶領域に比べて高抵抗となっている。従って、貼合せ基板30を薄膜化する過程において、固溶層12を抵抗変動層として検出する、すなわち、貼合せ基板30の深さ方向の抵抗変動を捉えることにより、貼合せ基板30をどの程度薄膜化したのかを特定することができる。これにより所望厚みの活性層22を有するSOIウェーハを得ることができる。所望厚みとしては10nm以上30μm以下であれば特に限定されないが、1μm以上10μm以下とすることがより好ましい。以下では、本発明における薄膜化処理の方法の一例を説明する。
第1基板10には、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できる。単結晶シリコンウェーハには、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。さらに、第1基板10の固溶層12上にシリコンエピタキシャル層14を形成するため、バルクシリコン基板としては、低酸素(9×1017atoms/cm3以下)のシリコンウェーハを使用することが好ましい。エピタキシャル成長時の高温熱処理により、バルクシリコン基板中の酸素がエピタキシャル層に拡散するのを抑制できるからである。
第2基板20には、第1基板10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できる。また、低酸素(7×1017atoms/cm3以下)のシリコンウェーハ、かつ/または、高抵抗シリコンウェーハ(1000Ω・cm以上)を使用することが好ましい。
まず、実験1では、以下に説明する方法に従って、発明例1〜3及び比較例1,2のSOIウェーハを製造し、ウェーハの抵抗率を測定した。
まず、第1基板としては、ドーパントであるリンの濃度が4.9×1015atoms/cm3である単結晶シリコンウェーハを用意した。第2基板としては、ドーパントであるリンの濃度が4.2×1012atoms/cm3である単結晶シリコンウェーハを用意した。
比較例1では、第1工程において注入するイオンをボロンとし、ドーズ量を1.0×1014atoms/cm2、注入エネルギーを60keVとした以外は、発明例1〜3と同様の製造方法でSOIウェーハを得た。また、比較例2では、第1工程において注入するイオンをリンとし、ドーズ量を1.0×1014atoms/cm2、注入エネルギーを60keVとした以外は、発明例1〜3と同様の製造方法でSOIウェーハを得た。
第1基板の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層を形成した状態において、比較例1,2および発明例1〜3によるウェーハの抵抗率を広がり抵抗法(Spread Resistance Profiling:SR法)により測定した。図5(A)〜(C)に、発明例1〜3の測定結果を示す。また、図6(A),(B)に比較例1,2の結果を示す。まず、ボロンを注入した比較例1では、図6(A)に示すように、深さ2μmおよび10μm近傍でpn接合が形成され、抵抗率が急峻に変動した。また、リンを注入した比較例2では、図6(B)に示すように、リンを注入した領域近傍、すなわちシリコンエピタキシャル層と第1基板との間(深さ5μm〜8μm)の抵抗率が低抵抗側へシフトした。これは、この領域においてドーパントであるリンが高濃度で存在することを示している。このドーパントは、熱により拡散し、深さ0μm〜6μmの領域に存在するシリコンエピタキシャル層において抵抗変動を生じさせる。従って、比較例1,2では、後に活性層となるシリコンエピタキシャル層における抵抗変動を抑制することができていないことがわかる。これに対して、本発明例1〜3は、図5(A)〜(C)に示すように、注入するHのモノマーイオンのドーズ量を増加させるにつれて、深さ6μm〜9μmに位置する固溶層における抵抗率が増加したが、後に活性層となるシリコンエピタキシャル層の抵抗率は、注入するHのモノマーイオンの濃度に依らず深さ方向でほぼ一定であった。すなわち、本発明では、この高抵抗な固溶層を抵抗変動層として検出することができ、また、活性層における深さ方向の抵抗変動を抑制することができることがわかる。
次に、実験2では、以下に説明する方法に従って、比較例3,4のSOIウェーハの製造を試み、発明例1〜3及び比較例3,4について、SOIウェーハ中の結晶欠陥を測定した。
比較例3では、第1工程において注入するHのモノマーイオンのドーズ量を5.0×1016atoms/cm2とした以外は、発明例1〜3と同様の製造方法でSOIウェーハの製造を試みた。また、比較例4では、第1工程において注入するHのモノマーイオンのドーズ量を1.0×1017atoms/cm2とした以外は、発明例1〜3と同様の製造方法でSOIウェーハの製造を試みた。なお、比較例3及び比較例4のいずれにおいても、後述するようにシリコンエピタキシャル層を形成することができなかった。
活性層におけるLPD(輝点欠陥:Light point defect)の個数を以下の方法で評価した。表面欠陥検査装置(KLA-Tencor社製:Surfscan SP-2)を用いてDWOモード(Dark Field Wide Obliqueモード:暗視野・ワイド・斜め入射モード)で活性層の表面を観察評価し、サイズ(直径)が0.2μm以上のLPDの発生状況を調べた。表1に示すように、Hのモノマーイオンを高ドーズ量で注入した比較例3,4では、イオンを注入した基板の表面において膨れや剥がれが発生し、その後シリコンエピタキシャル層を形成することができなかった。一方で、発明例1〜3では、Hのモノマーイオンを低ドーズ量で注入しているため、活性層における結晶欠陥が少なかった。
12 固溶層
14 シリコンエピタキシャル層
16 酸化膜
18 酸化膜
20 第2基板
22 活性層
24 固定電荷層
28 重ね合せ基板
30 貼合せ基板
100,200,300 SOIウェーハ
40 プラズマイオン照射装置
41 プラズマチャンバ
42 ガス導入口
43 真空ポンプ
44 パルス電圧印加装置
45 ウェーハ固定台
46 ヒーター
Claims (9)
- シリコン単結晶からなる第1基板の主表面から軽元素イオンを注入して、前記第1基板の表層部に前記軽元素イオンが固溶した固溶層を形成する第1工程と、
前記第1基板の前記主表面上にシリコンエピタキシャル層を形成する第2工程と、
前記第1基板上に形成された前記シリコンエピタキシャル層、およびシリコン単結晶からなる第2基板の少なくとも一方の表面に酸化膜を形成する第3工程と、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記固溶層、前記シリコンエピタキシャル層、および前記酸化膜が位置するように、前記第1基板と前記第2基板とを重ね合わせて、重ね合せ基板を形成する第4工程と、
前記重ね合せ基板に接合熱処理を施し、前記重ね合せ基板を構成する第1基板と第2基板とを貼り合わせて、貼合せ基板を形成する第5工程と、
前記第5工程後、前記固溶層を抵抗変動層として検出しつつ、前記貼合せ基板を前記第1基板側から薄膜化して、所望厚みの活性層を有するSOIウェーハを得る第6工程と、
を有することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 - 前記軽元素イオンが、HおよびHeから選択される少なくとも一種である、請求項1に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記軽元素イオンのドーズ量が1×1016atoms/cm2以上3×1016atoms/cm2以下である、請求項1または2に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程では、前記第1基板を加熱しつつ、前記第1基板上に形成された前記シリコンエピタキシャル層の表面に、及び/又は、前記第2基板を加熱しつつ、前記第2基板の表面に、イオン化したケイ素および酸素を加速、照射することで、前記酸化膜を堆積させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程で、前記第1基板および前記第2基板の少なくとも一方の基板の温度を500℃〜900℃とする、請求項4に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程で、前記第1基板の前記シリコンエピタキシャル層上にのみ前記酸化膜を形成する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程で、前記第2基板上にのみ前記酸化膜を形成する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第3工程で、前記第1基板上に形成された前記シリコンエピタキシャル層および前記第2基板の両方に前記酸化膜を形成する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
- 前記第6工程で、前記貼合せ基板を薄膜化する過程において、前記貼合せ面での接合を強化する追加の熱処理を行うことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のSOIウェーハの製造方法。
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