JP6927143B2 - 貼り合わせｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法に関し、特に、イオン注入剥離法を用いたＳＯＩウェーハの製造方法に関する。

ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造方法、特に先端集積回路の高性能化を可能とする薄膜ＳＯＩウェーハの製造方法として、イオン注入したウェーハを貼り合わせ後に剥離してＳＯＩウェーハを製造する方法（イオン注入剥離法：スマートカット法（登録商標）とも呼ばれる技術）が注目されている。

このイオン注入剥離法は、二枚のシリコンウェーハのうち、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方のシリコンウェーハ（ボンドウェーハ）の上面から水素イオンまたは希ガスイオン等のガスイオンを注入し、該ウェーハ内部にイオン注入層（微小気泡層又は封入層とも呼ぶ）を形成する。その後、イオンを注入した方の面を、酸化膜を介して他方のシリコンウェーハ（ベースウェーハ）と密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面として一方のウェーハ（ボンドウェーハ）を薄膜状に剥離して貼り合わせＳＯＩウェーハを製造する技術である。また、剥離後のＳＯＩウェーハに対し、熱処理（結合熱処理）を加えて強固に結合する方法がある（特許文献１参照）。

この段階では、劈開面（剥離面）がＳＯＩ層の表面となっており、ＳＯＩ層膜厚が薄くてかつ均一性も高いＳＯＩウェーハが比較的容易に得られている。しかし、剥離後のＳＯＩウェーハ表面にはイオン注入によるダメージ層が存在し、また、表面粗さが通常のシリコンウェーハの鏡面に比べて大きなものとなっている。したがって、イオン注入剥離法では、このようなダメージ層と表面粗さを除去することが必要になる。

このＳＯＩ層表面の表面粗さやダメージ層を除去する方法の一つとして、アルゴン含有雰囲気で高温熱処理を行うアニール法がある。このアニール法によれば、ＳＯＩ層表面を平坦化しつつ、イオン注入剥離法により得られたＳＯＩ層の膜厚均一性を高く維持することができる（特許文献１、２）。

再公表公報 ＷＯ２００３／００９３８６号 再公表公報 ＷＯ２０１１／０２７５４５号

しかしながら、バッチ式常圧高温Ａｒアニール熱処理装置においてはＳＯＩ構造のシリコン表面と、その表面のシリコン酸化膜界面での酸化還元反応によりエッチングが進行するため、高温Ａｒアニール（以下、単に平坦化熱処理ともいう）前後でＳＯＩ層膜厚が減少する。その際、ＳＯＩ層膜厚の減量は面内でバラツキがあるためＡｒアニール後のＳＯＩ層膜厚均一性が悪化する問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造において、平坦化熱処理による平坦化効果を低下させずに、平坦化熱処理によるＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を抑制できる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供すること目的とする。

上記課題を達成するために、本発明では、シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面から水素イオン又は希ガスイオンのうち少なくとも１種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハの前記イオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハ上にＢＯＸ層とＳＯＩ層とを有する貼り合わせＳＯＩウェーハを作製し、該貼り合わせＳＯＩウェーハに対してアルゴンガス含有雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法において、前記平坦化熱処理を減圧雰囲気で行うことを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。

このように、平坦化熱処理を減圧雰囲気で行うことで、平坦化効果を低下させずに、平坦化熱処理によるＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を抑制することができる。

また、このとき、前記減圧雰囲気を０．０５〜０．５気圧とすることが好ましい。

一般的にバッチ式減圧システムにおいてはオーリングシールを採用している場合が多いが、熱処理炉のオーリングシール部は温度上昇と減圧化でオーリングシールからの有機物が脱離する場合がある。したがって、０．０５気圧以上にすれば、オーリングシールから脱離した有機物（例えばメタン）とＳＯＩ表面の活性なシリコンが反応してＳｉＣ欠陥を形成してしまう恐れがないため好ましい。一方、０．５気圧以下とすることでＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を十分に抑制することができる。

また、前記アルゴンガス含有雰囲気を１００％アルゴンガス雰囲気とすることもできる。

このように平坦化熱処理を１００％アルゴンガス雰囲気で行った場合にも、本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を好適に利用できる。

以上のように、本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法であれば、平坦化熱処理による平坦化効果を低下させずに、平坦化熱処理によるＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を抑制することができる。

本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法の一例を示した工程フロー図である。

上述のように、平坦化熱処理後のＳＯＩ層膜厚均一性が悪化することを防止できる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法の開発が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、バッチ式常圧高温ＡｒアニールによるＳＯＩ層膜厚の減量バラツキの一因は、ＳＯＩ層のエッチングのレートが副生成物であるＳｉＯの分圧に依存し、バッチ式ボートの場合、ウェーハの中心部のＳｉＯ分圧が高く、外周部では低くなるため外周部でのエッチングレートが高くなることを知見し、平坦化熱処理を減圧環境下で行うことでウェーハ中心部のＳｉＯ分圧を下げ、外周部との差を少なくすることで平坦化熱処理後のＳＯＩ層膜厚均一性を改善できることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面から水素イオン又は希ガスイオンのうち少なくとも１種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハの前記イオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハ上にＢＯＸ層とＳＯＩ層とを有する貼り合わせＳＯＩウェーハを作製し、該貼り合わせＳＯＩウェーハに対してアルゴンガス含有雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法において、前記平坦化熱処理を減圧雰囲気で行うことを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法である。

なお、特開２０１３−１２５９０９号公報の（００５３）段落には、平坦化熱処理によりＳＯＩ層膜厚分布が悪化する旨が記載されているが、これを解決するために、本発明のように減圧雰囲気下で平坦化熱処理を行うことについては、開示も示唆もない。
更に、特開２０１７−５２０１号公報で、ＳＯＩ層表面を平坦化する熱処理として、Ａｒアニールを行うことが記載されているが、それを減圧雰囲気で行うことについては開示も示唆もない。

以下、図面を参照して本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法の一例を示すフロー図である。以下、図１のフロー図に沿って本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法について説明する。
本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法では、まずシリコン単結晶からなるボンドウェーハ及びベースウェーハを用意し、ボンドウェーハにイオン注入層を形成する（図１（Ａ））。

なお、ボンドウェーハ及びベースウェーハの少なくとも一方には、表面にシリコン酸化膜が形成されたものを用いる。

ボンドウェーハにおけるイオン注入層の形成は、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンのうち少なくとも１種類のガスイオンをイオン注入して、ウェーハ内部にイオン注入層を形成すればよく、公知の方法で行えばよい。

次いで、ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とを、シリコン酸化膜を介して貼り合わせる（図１（Ｂ））。この貼り合わせは、例えば、常温の清浄な雰囲気下でボンドウェーハとベースウェーハとを接触させることにより、接着剤等を用いることなくウェーハ同士が接着する。

次いで、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、ベースウェーハ上に埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）とＳＯＩ層とを有するＳＯＩウェーハを作製する（図１（Ｃ））。この剥離熱処理としては、例えば、窒素等の不活性ガス雰囲下、通常４００℃以上７００℃以下、３０分以上熱処理を加えればボンドウェーハをイオン注入層で剥離することができ、例えば５００℃３０分とすることができる。また、貼り合わせ面にあらかじめプラズマ処理を施すことによって、熱処理を加えずに（あるいは、剥離しない程度の温度で熱処理を加えた後）、外力を加えて剥離することもできる。

その後、剥離後のＳＯＩ層とベースウェーハとの貼り合わせ界面の結合力を高めるために、酸化性雰囲気での結合熱処理を行ってもよい（図１（Ｄ））。この結合熱処理条件も特に限定されないが、例えば酸化性雰囲気下で９００℃以上の温度で、１０分〜数時間（例えば２時間）行うことができる。

作製したＳＯＩウェーハに対してアルゴンガス含有雰囲気で平坦化熱処理を行う。本発明では、この平坦化熱処理は減圧雰囲気で行う（図１（Ｅ））。圧力の範囲は特に限定されないが、０．０５〜０．５気圧とすることが好ましい。一般的にバッチ式減圧システムにおいてはオーリングシールを採用している場合が多く、熱処理炉のオーリングシール部は温度上昇と減圧化でオーリングシールからの有機物が脱離する場合がある。したがって、このような気圧の範囲とすることで、オーリングシールから脱離した有機物（例えばメタン）とＳＯＩ表面の活性なシリコンが反応してＳｉＣ欠陥が形成されることを防ぎ、かつ、ＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を十分に抑制することができる。

本発明では、平坦化熱処理はアルゴンガス含有雰囲気で行うが、１００％アルゴンガス雰囲気で行ってもよいし、アルゴンと水素等の混合ガス雰囲気（例えば、体積比でＡｒ：Ｈ_２＝５０：５０）で行ってもよい。

また、本発明において、平坦化熱処理の温度及び時間は特に限定されず、公知の温度及び時間で行うことができる。例えば１，１００℃以上１，３００℃以下で、数分から数時間とすることができ、特には１，１５０℃〜１，２５０℃、５分〜３時間とすることができる。

このように、本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法では、平坦化熱処理を減圧雰囲気で行うため、ウェーハ中心部のＳｉＯ分圧を下げ外周部との差を少なくすることができる。これにより、平坦化熱処理による平坦化効果を低下させずに、平坦化熱処理によるＳＯＩ層膜厚レンジの劣化を抑制することができる。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１〜２）
図１のフロー図に沿って下記表１の製造条件により、イオン注入を行った酸化膜付きボンドウェーハと、ベースウェーハとを貼り合わせ、イオン注入層でボンドウェーハを剥離し、その後、結合熱処理及びアルゴンガス含有雰囲気で減圧して平坦化熱処理を行った。ここで、平坦化熱処理は、ガス雰囲気と雰囲気圧力を変更して行った。
平坦化熱処理前後のＳＯＩ層膜厚を、光学的膜厚測定器（ＡＤＥ社製Ａｃｕｍａｐ）を用いて１ｍｍピッチで全面測定し、ＳＯＩ層膜厚レンジ（面内のＳＯＩ層膜厚のＰ−Ｖ値）を求めた。また、平坦化熱処理前後のＳＯＩ層の中央部の表面粗さ（１μｍ角のＲＭＳ）を、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定した。結果を表１中に示した。

（比較例）
平坦化熱処理を常圧で行い、減圧雰囲気で行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして貼り合わせＳＯＩウェーハを製造して、ＳＯＩ層膜厚レンジ及びＳＯＩ層表面粗さを測定した。結果を表１中に示した。

表１に示したように、平坦化熱処理を減圧雰囲気で行った実施例１及び実施例２では、平坦化熱処理を減圧雰囲気で行わなかった比較例と比べて、平坦化熱処理後のＳＯＩ層膜厚レンジが良好であり、平坦化熱処理後ＳＯＩ層膜厚均一性が良好であった。特に、ＳＯＩ層膜厚レンジが改善したのは中心部と周辺部との差が小さくなったことに基づくものであった。

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。

Claims (3)

1. シリコン単結晶からなるボンドウェーハの表面から水素イオン又は希ガスイオンのうち少なくとも１種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハの前記イオン注入した表面と、シリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することにより、前記ベースウェーハ上にＢＯＸ層とＳＯＩ層とを有する貼り合わせＳＯＩウェーハを作製し、該貼り合わせＳＯＩウェーハに対してアルゴンガス含有雰囲気で平坦化熱処理を行う貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法において、
   前記平坦化熱処理を、バッチ式熱処理炉を用い、減圧雰囲気で行うことを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 前記減圧雰囲気を０．０５〜０．５気圧とすることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 前記アルゴンガス含有雰囲気を１００％アルゴンガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。

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