JP6747386B2 - Soiウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、SOIウェーハの製造方法に関する。
イオン注入剥離法によりSOIウェーハを作製する場合、剥離直後のSOI層の膜厚均一性を維持したまま剥離面の表面粗さを低減するため、研磨を行う代わりに高温熱処理を行って表面粗さを改善する平坦化熱処理が行われるようになってきている。
平坦化熱処理後は、通常、SOI層を所望の膜厚に調整するための犠牲酸化処理が行われるが、その犠牲酸化においては、面内分布の優れた酸化膜厚が得られる熱酸化炉として、ウェーハを回転させながら熱酸化を行うことが可能な縦型熱処理炉が一般的に用いられている。
表面粗さを改善する平坦化熱処理は、研磨(タッチポリッシュ)による平坦化に比べてSOI層の膜厚均一性を悪化させない点が最大のメリットであるが、平坦化熱処理でもSOI層のエッチングがわずかに進行するため、剥離直後の膜厚均一性に比べれば、ある程度の悪化は避けられない。
平坦化熱処理を行った直後のSOI層の膜厚分布が同心円形状である場合には、特許文献1に記載の方法を適用することで、平坦化熱処理後の犠牲酸化処理でSOI層の膜厚分布を改善することができる。
特許文献1には、同心円形状のSOI膜厚分布に対し、犠牲酸化処理における熱酸化を、ウェーハ回転機構のあるバッチ式熱処理炉を使用して、昇温中または降温中の少なくとも一方で行うことによって同心円形状の酸化膜厚分布を形成し、それによりSOI膜厚分布を相殺することによってSOI膜厚分布を改善することが記載されている。
また、特許文献2には、SOI層の膜厚分布を測定し、予め求めておいた薄膜化工程での面内取り代分布に基づいて、薄膜化工程後にSOI層の膜厚分布が改善されるようにウェーハを回転させて配置した状態で薄膜化を行うことが記載されている。ただし、対象としている薄膜化工程は、SC−1洗浄である。
また、特許文献3には、SOI層を熱酸化処理する前に面内膜厚分布を測定し、その測定値に基づいて、SOI層膜厚が厚い領域が薄い領域に比べてSOI層の面内温度が高くなるようにランプ出力を調整して熱酸化処理を行うことが記載されている。
特開2013−125909号公報 特開2016−66692号公報 特開2007−242972号公報
上述したように、平坦化熱処理を行った直後のSOI層の膜厚分布が同心円形状である場合には、特許文献1に記載の方法を適用することで、平坦化熱処理後の犠牲酸化処理でSOI層の膜厚分布を改善することができる。
その一方で、平坦化熱処理を行う熱処理炉の温度分布特性等によっては、平坦化熱処理後のSOI層の膜厚分布が片流れ形状(SOI膜厚が特定の方向に傾斜した形状)になる場合があることが判明した。
このような片流れ形状の膜厚分布を有するSOI層に対し、回転機構を有する縦型熱処理炉を用いてウェーハを回転させて面内分布の優れた酸化膜を形成する犠牲酸化処理を行っても、SOI層の片流れ形状はそのまま維持されてしまうため、犠牲酸化処理でSOI層の膜厚分布を改善することはできない。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、片流れ形状のSOI層膜厚分布を有するSOIウェーハに対し、犠牲酸化処理を施すことにより、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、SOIウェーハに対し、SOI層表面を熱酸化し、形成された熱酸化膜を除去する犠牲酸化処理を施すことにより、前記SOIウェーハのSOI層を減厚調整する工程を有するSOIウェーハの製造方法において、
前記犠牲酸化処理を施すSOIウェーハを、前記SOI層が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するものとし、
前記犠牲酸化処理における熱酸化を、ウェーハ表面を水平方向に回転させる機構を有する縦型熱処理炉を使用し、前記SOIウェーハを回転させずに熱酸化を行う無回転酸化と、前記SOIウェーハを回転させながら熱酸化を行う回転酸化とを組み合わせて行うことにより、前記SOI層の片流れ形状の膜厚分布を相殺するように、前記SOI層の表面に片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜を形成し、
該形成された熱酸化膜を除去することで、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することを特徴とするSOIウェーハの製造方法を提供する。
このようなSOIウェーハの製造方法であれば、犠牲酸化処理における熱酸化で、SOI層の片流れ形状に一致するような片流れ形状の酸化膜厚分布を形成することができ、その結果、SOI層の片流れ形状の膜厚分布を相殺することができ、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することができる。
またこの場合、前記犠牲酸化処理における熱酸化として、前記無回転酸化を行った後に前記回転酸化を行うことが好ましい。
このように、無回転酸化を行い、その後、回転酸化に切り替えることで、簡便に、SOI層の片流れ形状に一致するような片流れ形状の酸化膜厚分布を形成することができるために好ましい。
またこの場合、前記SOI層が片流れ形状の膜厚分布を有する前記SOIウェーハを、イオン注入剥離法によりイオン注入層で剥離されたSOI層表面を平坦化するための平坦化熱処理を加えることによって作製することができる。
このように、犠牲酸化処理を施すSOIウェーハとして、イオン注入剥離法による剥離後に平坦化熱処理を加えた結果、SOI層が片流れ形状の膜厚分布となったSOIウェーハを用いることができる。
本発明のSOIウェーハの製造方法であれば、犠牲酸化処理における熱酸化を無回転酸化と回転酸化とを組み合わせて行うことにより、SOI層の片流れ形状に一致するような片流れ形状の酸化膜厚分布を形成することができ、その結果、SOI層膜厚分布を相殺することができ、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することができる。
本発明のSOIウェーハの製造方法の一例を示したフロー図である。 本発明における犠牲酸化処理を施す、SOI層が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するSOIウェーハの一例を示した図である。 犠牲酸化処理を施すSOIウェーハとして、図2に示すSOIウェーハを用いた場合の本発明のSOIウェーハの製造方法における各工程後のA−A’断面図を示す。 実施例、比較例で使用する縦型熱処理炉で、無回転酸化のみでモニターウェーハに形成される酸化膜厚分布を示す図である。
上述したように、片流れ形状の膜厚分布を有するSOI層に対し、回転機構を有する縦型熱処理炉を用いてウェーハを回転させて面内分布の優れた酸化膜を形成する犠牲酸化処理を行っても、SOI層の片流れ形状はそのまま維持されてしまうため、犠牲酸化処理でSOI層の膜厚分布を改善することはできないという問題があった。
本発明者は上記の問題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、片流れ形状のSOI層膜厚分布を有するSOIウェーハに対し、ウェーハ回転機構を有する縦型熱処理炉を使用して犠牲酸化を行う際、ウェーハを回転させずに熱酸化を行う無回転酸化と、ウェーハを回転させながら熱酸化を行う回転酸化とを組み合わせて行うことによって、SOI層の表面に、SOI層膜厚分布を相殺するような片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜を形成することで、犠牲酸化処理後に、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することができることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明は、SOIウェーハに対し、SOI層表面を熱酸化し、形成された熱酸化膜を除去する犠牲酸化処理を施すことにより、前記SOIウェーハのSOI層を減厚調整する工程を有するSOIウェーハの製造方法において、
前記犠牲酸化処理を施すSOIウェーハを、前記SOI層が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するものとし、
前記犠牲酸化処理における熱酸化を、ウェーハ表面を水平方向に回転させる機構を有する縦型熱処理炉を使用し、前記SOIウェーハを回転させずに熱酸化を行う無回転酸化と、前記SOIウェーハを回転させながら熱酸化を行う回転酸化とを組み合わせて行うことにより、
前記SOI層の片流れ形状の膜厚分布を相殺するように、前記SOI層の表面に片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜を形成し、
該形成された熱酸化膜を除去することで、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することを特徴とするSOIウェーハの製造方法を提供する。
以下、本発明のSOIウェーハの製造方法を説明する。図1に、本発明のSOIウェーハの製造方法の一例を示したフロー図を示す。
本発明においては、まず、犠牲酸化処理を施すSOIウェーハとして、SOI層2が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するSOIウェーハ1を準備する(図1(A)、図3(A))。例えば、図2に示すような等厚線を有する片流れ形状のSOI層膜厚分布を有するSOIウェーハ1を用いることができる。尚、図3は、図2に示すSOIウェーハ1を用いた場合の、各工程後のA−A’断面図である。
このような片流れ形状の膜厚分布のSOI層2を有するSOIウェーハ1の作製方法としては特に限定されないが、イオン注入剥離法により剥離したSOIウェーハの剥離面を高温長時間の平坦化熱処理により平坦化した結果、SOI層が片流れ形状の膜厚分布となったSOIウェーハを用いることができる。
このような平坦化熱処理を行う高温熱処理炉は、ウェーハ回転機構を具備しないものを用いることができる。炉内温度分布や熱処理条件等の条件次第で、平坦化熱処理後のSOI層が片流れ形状となるので、予め、片流れ形状のSOI層膜厚分布が形成される熱処理炉、及び、熱処理条件を実験的に把握しておく。
また、イオン注入層での剥離後、平坦化熱処理の前には、イオン注入層のダメージを除去しつつ、結合強度を高める目的で結合熱処理としての犠牲酸化が行われることが多い。その場合、イオン注入時の注入角度(オフセット角度)などの注入条件次第では、剥離直後のSOI層が片流れ形状の膜厚分布となる場合もある。その場合には、前記結合熱処理としての犠牲酸化に、本発明における犠牲酸化処理を適用することもできる。
また、研磨(タッチポリッシュ)により平坦化を行う場合でも、研磨条件次第では、研磨直後のSOI層が片流れ形状の膜厚分布となる場合もある。その場合には、研磨後のSOIウェーハを、SOI層2が片流れ形状の膜厚分布となったSOIウェーハ1として用いることができる。
次いで、SOI層2が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するSOIウェーハ1に対して、犠牲酸化処理を行う。犠牲酸化処理は、熱酸化(図1(B))、及び、熱酸化膜除去(図1(C))により行う。
本発明における犠牲酸化処理の熱酸化(図1(B))は、ウェーハ回転機構を有する縦型熱処理炉を使用して行う。
本発明においては、予め、使用する回転機構を有する酸化炉を用いて、モニターウェーハを使用して無回転酸化を行い、無回転酸化による酸化膜厚分布を測定しておくことで、正確に、SOI層の片流れ形状に一致するような片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜を形成することができる。
本発明における犠牲酸化処理の熱酸化は、SOIウェーハを回転させずに熱酸化を行う無回転酸化と、SOIウェーハを回転させながら熱酸化を行う回転酸化とを組み合わせて行うことで、SOI層2’の表面に片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜3を形成することができる((図1(B)、図3(B))。尚、無回転酸化と回転酸化の順序は特に限定されるわけではないが、最初に無回転酸化を行い、その後、回転酸化に切り替える方法が簡便であり、好ましい。
無回転酸化を最初に行う場合、犠牲酸化処理を施すSOIウェーハ(片流れ形状の膜厚分布を有するSOIウェーハ1)のSOI層2の膜厚分布を予め測定しておき、SOI層膜厚が最大となる位置(最小となる位置)が、前記モニターウェーハの酸化膜厚分布の最大となる位置(最小となる位置)と一致するようにウェーハの仕込み向きを回転させてから、縦型熱処理炉のウェーハボートにセットする。
ウェーハボートにセットしたSOIウェーハを縦型熱処理炉(酸化炉)に投入し、無回転で所定時間の酸化を行い、その後、回転酸化に切り替えて所定時間の酸化を行う。無回転酸化から回転酸化に切り替える時間(すなわち、無回転酸化の酸化時間)は、犠牲酸化処理後のSOI層の膜厚分布が最小となるように、酸化前のSOI層膜厚分布を考慮し、実験的に求めることができる。
また、本発明において無回転酸化と回転酸化の順序は特に限定されず、無回転酸化を開始する際のウェーハの停止位置を把握できるのであれば、回転酸化の後に無回転酸化を行うことも可能であるし、交互に複数回繰り返すこともできる。
次いで、形成された熱酸化膜3を除去することで(図1(C)、図3(C))、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハが製造される。熱酸化膜の除去方法については特に限定されず、フッ酸洗浄等の従来の方法を用いることができる。
本発明は、酸化前のSOI層膜厚分布がある程度大きい場合よりも、イオン注入剥離法により形成された高々数nm程度の面内レンジ(典型的には1nm以下)のSOI層のバラツキを相殺するための犠牲酸化処理を行う場合に、特に有効である。
尚、高温長時間で平坦化熱処理を行う熱処理炉に回転機構を設置すれば、平坦化熱処理後のSOI層は同心円形状に近いものが得られるが、回転機構を具備しない高温長時間の熱処理を行う熱処理炉であれば、回転機構設置に伴って装置自体が高価になる恐れはなく、また、熱処理チューブの変形等の影響によって故障が発生しやすくなる等の恐れがないために好ましい。
これに対し、犠牲酸化処理の熱酸化に用いる縦型熱処理炉(酸化炉)であれば、通常は1100℃未満、主に1050℃以下で行う事が多いので、平坦化熱処理に比べて熱的負荷が小さく、回転機構の設置に技術的な問題は発生しない。
また、高温長時間で平坦化熱処理を行う熱処理炉として、回転機構が設置された熱処理炉を用いた場合であっても、炉内温度分布や回転中心位置のズレ、或いは、熱処理条件等の条件次第では、わずかに片流れ形状の膜厚分布が形成されることもあり得る。その場合であっても、本発明を適用し、無回転酸化時間を比較的短くすることでSOI層膜厚分布の補正効果を得ることは可能である。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
<片流れ形状のSOI層膜厚分布を有するSOIウェーハの作製>
下記のボンドウェーハ(熱酸化膜付き)の表面に下記イオン注入条件でイオン注入層を形成し、下記のベースウェーハの表面と熱酸化膜を介して貼り合わせた後、下記条件で剥離熱処理を行ってイオン注入層でボンドウェーハを剥離することにより、SOI層を有するSOIウェーハを作製し、該SOIウェーハに対して、下記条件で結合熱処理及び平坦化熱処理を施すことによって、SOIウェーハを作製した。
(ボンドウェーハ)
Si単結晶ウェーハ、直径300mm、<100>、p型、10Ωcm
熱酸化膜25nm付
(ベースウェーハ)
Si単結晶ウェーハ、直径300mm、<100>、
(イオン注入条件)
イオン、50keV、6×1016/cm
(剥離熱処理)500℃、30分、窒素雰囲気
(結合熱処理)1050℃、1時間、酸化性雰囲気
(平坦化処理)1200℃、3時間、Hガス100%
平坦化熱処理後のSOI膜厚分布は、図2のような片流れ分布(ノッチを下にして左から右方向に膜厚が薄くなる分布)であり、膜厚レンジ(Max−Min)が0.7nmであった。
<犠牲酸化を行う縦型熱処理炉の特性確認>
上記のSOIウェーハに対して行う犠牲酸化条件(1000℃、パイロジェニック酸化、酸化膜約410nm形成)において、モニターウェーハ(Si単結晶ウェーハ、直径300mm、<100>、p型、10Ωcm)を用い、無回転酸化のみで形成される酸化膜厚分布を測定した。その結果、酸化膜厚レンジは約5nmであり、その分布形状は、図4のように、炉の手前側から炉の奥方向に向かって酸化膜が薄くなる片流れ形状となっていることを確認した。
<犠牲酸化の実施:無回転酸化+回転酸化>
SOIウェーハのSOI膜厚が最も厚い位置が炉の手前側になるようにウェーハボートにセットし、その状態で30分の無回転酸化(1000℃、パイロジェニック酸化)を行った直後にウェーハボートを1rpmの回転速度で回転させ、そのまま2時間の回転酸化(1000℃、パイロジェニック酸化)を行った。犠牲酸化終了後のSOIウェーハを希フッ酸に浸漬してSOI層表面の酸化膜を除去した後、SOI層膜厚分布を測定した。その結果、SOI層の片流れ形状の膜厚分布が解消され、膜厚レンジ(Max−Min)は0.5nmに改善されていた。
(比較例1)
犠牲酸化を、回転酸化(1rpm)のみで行ったこと以外は実施例1と同一条件で犠牲酸化処理を行い、SOI層膜厚分布を測定した。その結果、SOI層の片流れ形状の膜厚分布は解消されておらず、膜厚レンジ(Max−Min)は0.9nmに悪化していた。
(実施例2、比較例2〜4)
犠牲酸化における無回転酸化及び回転酸化(1rpm)の時間を表1中に示すように設定した以外は、実施例1と同一条件で犠牲酸化処理を行い、SOI層膜厚分布を測定した。実施例2では、SOI層の片流れ形状は、犠牲酸化処理前に比べて解消が進み、ほぼ均一な形状になり、膜厚レンジ(Max−Min)も0.6nmに改善されていた。また、比較例2〜4では、SOI層の片流れ形状の膜厚分布の相殺を越えて、片流れ形状が逆に傾いてしまい、膜厚レンジ(Max−Min)も悪化した。
実施例1、2及び比較例1〜4で製造したSOIウェーハの膜厚レンジ及びSOI層膜厚分布形状を、まとめて表1に示す。
Figure 0006747386
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
1…片流れ形状のSOI層膜厚分布を有するSOIウェーハ、 2,2’…SOI層、 3…熱酸化膜。

Claims (3)

  1. SOIウェーハに対し、SOI層表面を熱酸化し、形成された熱酸化膜を除去する犠牲酸化処理を施すことにより、前記SOIウェーハのSOI層を減厚調整する工程を有するSOIウェーハの製造方法において、
    前記犠牲酸化処理を施すSOIウェーハを、前記SOI層が特定の方向に傾斜した片流れ形状の膜厚分布を有するものとし、
    前記犠牲酸化処理における熱酸化を、ウェーハ表面を水平方向に回転させる機構を有する縦型熱処理炉を使用し、前記SOIウェーハを回転させずに熱酸化を行う無回転酸化と、前記SOIウェーハを回転させながら熱酸化を行う回転酸化とを組み合わせて行うことにより、
    前記SOI層の片流れ形状の膜厚分布を相殺するように、前記SOI層の表面に片流れ形状の酸化膜厚分布を有する熱酸化膜を形成し、
    該形成された熱酸化膜を除去することで、片流れ形状の膜厚分布が解消されたSOI層を有するSOIウェーハを製造することを特徴とするSOIウェーハの製造方法。
  2. 前記犠牲酸化処理における熱酸化として、前記無回転酸化を行った後に前記回転酸化を行う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SOI層が片流れ形状の膜厚分布を有する前記SOIウェーハを、イオン注入剥離法によりイオン注入層で剥離されたSOI層表面を平坦化するための平坦化熱処理を加えることによって作製することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のSOIウェーハの製造方法。
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