JPH09246129A - 貼り合わせシリコンウエーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素析出物に関連した結晶欠陥密度が低く、
且つ、機械的強度に優れた貼り合わせシリコンウエーハ
の製造方法を提供する。 【構成】 第１の半導体ウエーハと第２の半導体ウエー
ハを接着する貼り合わせシリコンウエーハの製造方法に
おいて、活性層側となる第１の半導体ウエーハを熱処理
するにあたり、少なくとも９００℃に至るまで１℃／秒
以上の速度で昇温して熱処理し、その後、前記熱処理温
度から６００℃まで１℃／秒以上の降温速度で冷却し、
前記熱処理された活性層側となる前記第１の半導体ウエ
ーハと支持側となる第２の半導体ウエーハとを接着させ
る貼り合せシリコンウエーハの製造方法である。また、
前記１℃／秒以上の降温速度で冷却の後、前記第１の半
導体ウエーハを熱酸化する工程を付加した貼り合わせシ
リコンウエーハの製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも２枚の
半導体ウエーハを接着する貼り合わせシリコンウエーハ
の製造方法に関し、特に、半導体ウエーハ内部の酸素析
出物を低減する方法を用いて行う貼り合わせシリコンウ
エーハの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来において、単結晶シリコンからなる
第１のシリコンウエーハと第２のシリコンウエーハとの
間に誘電体層を介在させて接着形成されるＳＯＩ（Sili
con onInsulator）ウエーハが知られている。ＳＯＩウ
エーハの製造方法には、少なくとも１枚が熱酸化処理さ
れた２枚のシリコンウエーハを直接接着して形成する貼
り合わせ法や、シリコン単結晶ウエーハ中に高酸素濃度
のドーピングや高エネルギー酸素注入により、絶縁層を
形成してシリコンウエーハを形成するＳＩＭＯＸ法（se
paration by implantation of Oxygen）が知られてい
る。

【０００３】前記従来の貼り合わせシリコンウエーハを
製造する方法としては、例えば、月刊 Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ Ｗｏｒｌｄ誌の１９９２年１２月号９０
頁に開示されている方法が知られている。

【０００４】このような従来の製造方法による貼り合わ
せシリコンウエーハは、図５（ａ）〜（ｄ）に示すよう
な工程で形成される。

【０００５】すなわち、先ず、図５（ａ）に示すように
活性層側となる第１の半導体ウエーハ１１に熱酸化処理
を施して所要の厚さの熱酸化膜１１ａを形成する。

【０００６】次に、図５（ｂ）に示すように、前記熱酸
化膜１１ａが形成された第１の半導体ウエーハ１１及び
第２の半導体ウエーハ１２に洗浄処理を行い、ウエーハ
表面を親水性にして、前記第１のウエーハ１１と第２の
ウエーハ１２の鏡面同士を直接接着させて１１００℃、
２時間程度の熱処理を行い、強固に接着する。

【０００７】その後、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示す
ように、活性層側の第１の半導体ウエーハ１１表面の研
削研磨を行い、活性層を所定の厚さにして貼り合わせシ
リコンウエーハ１３を形成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ウエーハの
バルク中には酸素析出物（酸素析出核）が存在してお
り、この酸素析出物が、ウエーハのデバイス形成領域に
存在すると、ウエーハの酸化膜耐圧を低下させたり、Ｓ
ｉ中で結晶欠陥を形成してＳｉのバンドギャップ内に深
い不純物準位を作り、電子及び正孔の再結合中心として
働くことによりｐｎ接合のリーク電流を増大させるな
ど、デバイスの特性を変化させ、ウエーハの品質を劣化
させる。

【０００９】このため、前記従来の貼り合わせシリコン
ウエーハの製造工程において、第１工程の酸化膜の形成
及び第２工程の熱処理接着等の熱処理を行うと、活性層
側の第１の半導体ウエーハのバルク中に存在する酸素析
出物の成長が促される。そのため、酸素析出物が活性層
中にも析出し、更に、第３工程及び第４工程で前記ウエ
ーハ表面を研削研磨すると、成長した酸素析出物がウエ
ーハ表面に現れるため、形成された貼り合わせシリコン
ウエーハには、活性層の品質に問題があった。このよう
に酸素析出物がウエーハ表面に現れる傾向は、活性層の
厚い貼り合わせウエーハほど大きくなる。

【００１０】この問題を改善するために、従来方法で
は、格子間酸素濃度の比較的低いウエーハを活性層側と
なる第１の半導体ウエーハとして用いることにより、酸
素析出物を低減させた貼り合せシリコンウエーハを形成
していた。

【００１１】しかし、格子間酸素には、ウエーハの機械
的強度を強める傾向があり、格子間酸素濃度が比較的に
低いウエーハを活性層側となる第１のウエーハとして用
いる従来方法の貼り合せシリコンウエーハには、転位が
発生したり、ウエーハ自体が反りを生じるなど機械的強
度に問題があった。

【００１２】ところで、ウエーハのバルク中に存在する
酸素析出物が成長／収縮する臨界サイズは、温度に大き
く依存している。比較的低温域（６５０℃）では臨界サ
イズが小さいので、比較的に小さなサイズの酸素析出物
（酸素析出核）も成長するが、高温域（６５０℃以上）
では臨界サイズ自体が大きいので、サイズの小さい酸素
析出物（酸素析出核）は、収縮或いは消滅する。

【００１３】そこで、本発明は、前記事情に鑑みて、活
性層側となる第１のウエーハに高温の熱処理行い、前記
高温の熱処理及び冷却するための昇降温速度を速めたこ
とで、シリコンウエーハ中に存在する臨界サイズの小さ
い酸素析出物を大幅に低減してデバイス特性の劣化を防
ぎ、従来のように初期格子間酸素濃度の低いウエーハを
用いることなく、酸素析出物に関連した結晶欠陥密度が
低く、しかも機械的強度に優れた貼り合わせシリコンウ
エーハ製造する製造方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載さ
れた発明は、第１の半導体ウエーハと第２の半導体ウエ
ーハを接着する貼り合わせシリコンウエーハの製造方法
において、活性層側となる第１の半導体ウエーハを熱処
理するにあたり、少なくとも９００℃に至るまで１℃／
秒以上の速度で昇温して熱処理し、その後、前記熱処理
温度から６００℃まで１℃／秒以上の降温速度で冷却
し、前記熱処理された活性層側となる前記第１の半導体
ウエーハと支持側となる第２の半導体ウエーハとを接着
させる構成の貼り合わせシリコンウエーハの製造方法で
ある。

【００１５】このように高温の熱処理を半導体ウエーハ
に行うと、半導体ウエーハのバルク中に存在する酸素析
出物の中で大部分を占めるサイズの小さい酸素析出物
（酸素析出核）は、前記酸素析出物が生成或いは成長す
る温度よりも高温域におかれることになり、前記サイズ
の小さい酸素析出物を収縮させし或いは消滅させること
ができる。更に、熱処理をするための昇温速度及び冷却
するための降温速度を１℃／秒以上と速くすることで、
臨界サイズの小さい酸素析出物が成長或いは生成する比
較的低い温度範囲を急速に通過して、前記酸素析出物の
成長及び生成を抑制することができる。このように、昇
降温速度を速くして高温の熱処理を行うことで半導体ウ
エーハ中の酸素析出物を低減することができ、前記熱処
理した半導体ウエーハを、活性層側となる第１の半導体
ウエーハとして貼り合わせシリコンウエーハを形成する
と、酸素析出物に関連した結晶欠陥密度の低い貼り合わ
せシリコンウエーハを形成することができる。また、昇
降温速度を速めることで処理時間が短くなるため、スル
ープットを向上させることができる。

【００１６】半導体ウエーハに前記熱処理を行うと、従
来方法のように初期格子間酸素濃度の低い半導体ウエー
ハを用いなくとも、酸素析出物に関連した結晶欠陥密度
の低い貼り合わせシリコンウエーハを形成することがで
きるため、初期格子間酸素濃度の高い半導体ウエーハを
活性層側の第１の半導体ウエーハとして貼り合わせシリ
コンウエーハを形成し、反りやスリップに強い、機械的
強度の優れた貼り合わせシリコンウエーハを得ることが
できる。

【００１７】本願第２請求項に記載された発明は、第１
の半導体ウエーハと第２の半導体ウエーハを接着する貼
り合わせシリコンウエーハの製造方法において、活性層
側となる第１のシリコンウエーハを熱処理するにあた
り、少なくとも９００℃に至るまで１℃／秒以上の速度
で昇温して熱処理し、次に、前記熱処理温度から６００
℃まで１℃／秒以上の降温速度で冷却し、その後、前記
第１の半導体ウエーハに熱酸化を行い、前記熱処理され
た活性層側となる第１の半導体ウエーハと支持側となる
第２の半導体ウエーハを接着させる構成の貼り合わせシ
リコンウエーハの製造方法である。

【００１８】前述したように、活性層側となる第１の半
導体ウエーハに高温の熱処理行い、前記高温の熱処理を
行うための昇温速度及び冷却するための降温速度を速め
たことで、半導体ウエーハのバルク中に存在する酸素析
出物が大幅に低減されるため、酸素析出物に関連した結
晶欠陥密度が低く、機械的強度に優れた貼り合わせシリ
コンウエーハの製造が可能となる。

【００１９】前記熱処理により活性層側となる第１の半
導体ウエーハ表面には、熱酸化膜が形成されるが、この
熱酸化膜をそのまま誘電体層として貼り合わせシリコン
ウエーハを形成することもでき、この場合は新たに熱酸
化する必要がなくなるのでスループットが向上し、コス
トが低減できる。

【００２０】また、前記高温の熱処理をなされた第１の
半導体ウエーハに、更に、熱酸化処理を行うと所望の熱
酸化膜を形成することが可能となるので、対応範囲の広
い貼り合わせシリコンウエーハを製造することができ
る。

【００２１】本願第３請求項記載の発明は、前記第１又
は第２請求項の発明において、前記活性層側となる第１
の半導体ウエーハに行う熱処理は、酸素、又は、酸素を
窒素で希釈した雰囲気中で行う構成の貼り合わせシリコ
ンウエーハの製造方法である。

【００２２】本発明のように活性層側となる第１の半導
体ウエーハに行う熱処理は、窒素雰囲気中で行うよりも
酸素雰囲気中で行うほうが半導体ウエーハのバルク中の
酸素析出物を収縮或いは消滅する効果が高く、また、１
００％窒素雰囲気中で前記高温の熱処理を行うと、ウエ
ーハ表面に窒化物が形成されてしまうことがあるため、
前記高温で行う熱処理は酸素雰囲気中で行うか、又は、
酸素を窒素で希釈した雰囲気中で行うことが望ましい。

【００２３】このように本発明の製造方法によれば、活
性層側となる第１の半導体ウエーハに高温の熱処理を行
い、前記高温の熱処理を行うための昇温速度及び冷却す
るための降温速度を速めたことで半導体ウエーハのバル
ク中に存在する酸素析出物を大幅に低減することがで
き、酸素析出物に関連した結晶欠陥密度の低い貼り合わ
せシリコンウエーハの形成を可能にした。更に、前記熱
処理を行うことで初期格子間酸素濃度が高い半導体ウエ
ーハを用いて貼り合わせシリコンウエーハを形成するこ
とが可能となるため、酸素析出物に関連した結晶欠陥密
度が低く、且つ、機械的強度にも優れた貼り合わせシリ
コンウエーハを形成することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体例に基づいて
詳細に説明する。

【００２５】本具体例においては、初期格子間酸素濃度
が１５．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（ＦＴ−ＩＲ法
による１１０６ｃｍ^-1の吸収ピーク値を格子間酸素濃度
に変換する際の換算係数を４．８１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³に設定）である半導体ウエーハを活性層側とな
る第１の半導体ウエーハに用いた。

【００２６】先ず、半導体ウエーハ中の酸素析出物（酸
素析出核）を低減させるための熱処理条件を設定するた
めに設定条件を変化させて前記半導体ウエーハにハロゲ
ンランプを光源としたランプアニール装置で熱処理試験
を行い、その後７８０℃で３時間と１０００℃で１６時
間の析出処理を行った。

【００２７】本発明者が試験した結果を図２及び図３に
示す。

【００２８】図２は、熱処理時間６０秒、昇降温速度５
０℃／秒、酸素雰囲気中、各熱処理温度にて半導体ウエ
ーハに行った熱処理と前記条件における半導体ウエーハ
の酸素析出物密度の変化を示す。

【００２９】図２に示すように、半導体ウエーハに前記
条件で９００℃、１０００℃、１１００℃の各温度にて
熱処理を行うと、熱処理温度が９００℃以上で半導体ウ
エーハの酸素析出物密度が低下する結果となった。この
ことから９００℃以上の熱処理を行うと、サイズの小さ
い酸素析出物を収縮させ或いは消滅させる効果が得られ
ることが確認できた。

【００３０】次に、設定処理条件を変化させて前記半導
体ウエーハに前述した熱処理を行った。

【００３１】図３は、図４に示した各設定処理条件１〜
５における半導体ウエーハの酸素析出物密度の変化を示
す。

【００３２】図３に示すように、処理条件１（熱処理温
度１１００℃、熱処理時間６０秒、昇温速度５０℃／
秒、降温速度５０℃／秒、酸素雰囲気）と処理条件３
（降温速度５℃／秒、その他の設定は条件１と同じ）の
試験結果を比較すると、処理条件１と処理条件３におけ
るウエーハ中の酸素析出物密度には大きな変化がなかっ
た。このため、昇降温速度は５℃／秒でも、酸素析出物
の成長及び生成を抑制する効果があることが確認され
た。

【００３３】また、処理条件１（熱処理温度１１００
℃、熱処理時間６０秒、昇降温速度５０℃／秒、酸素雰
囲気）と処理条件４（熱処理時間１０秒、その他の設定
は条件１と同じ）の試験結果を比較すると、処理条件１
及び処理条件４で処理したウエーハ中の酸素析出物密度
には大きな変化がなかった。このため、熱処理時間６０
秒と熱処理時間１０秒では酸素析出物を収縮及び消滅す
る効果に大きな差がないことが確認された。

【００３４】これらの試験結果から活性層側となる第１
の半導体ウエーハに行う熱処理の設定条件を、熱処理温
度を９００℃以上とし、処理時間を１秒以上１００秒以
下とし、熱処理温度を９００℃以上に昇温する場合と、
前記９００℃以上の温度から６００℃まで降温する場合
の昇降温速度を１℃／秒以上の速度とした。

【００３５】前記温度範囲の熱処理で半導体ウエーハ中
の酸素析出物が収縮又は消滅する効果は、数秒から数十
秒程度で飽和に達するので、前記１秒以上１０秒以下の
短時間処理で前記酸素析出物は完全に収縮され又は消滅
される。このように処理時間が短縮されればスループッ
トも向上する。

【００３６】また、昇降温速度は１℃／秒以上の速度で
半導体ウエーハのスリップ等が発生しない速度を設定す
ればよい。

【００３７】更に、図３に示す試験結果から、処理条件
１（熱処理温度１１００℃、熱処理時間６０秒、昇降温
速度５０℃／秒、酸素雰囲気）と処理条件２（窒素雰囲
気、その他の設定は条件１と同じ）の試験結果を比較す
ると、処理条件１と処理条件２で処理されたウエーハ中
の酸素析出物密度は、処理条件２で処理されたウエーハ
中の酸素析出物密度のほうが高い数値の結果となった。
この結果から熱処理は、処理条件２のように窒素雰囲気
中で行われるよりも、処理条件１のにように酸素雰囲気
中で行われたほうが半導体ウエーハ中の酸素析出物を収
縮又は消滅する効果が高いことが確認できた。

【００３８】この結果から、前記熱処理は酸素雰囲気
中、或いは、窒素で希釈した酸素雰囲気中で行うことと
した。

【００３９】このように設定条件を定めた熱処理を活性
層側となる第１の半導体ウエーハに行った後、従来と同
様の貼り合わせ接着方法により貼り合わせシリコンウエ
ーハを形成する。

【００４０】すなわち、前記図１（ａ）に示すように、
前記設定条件で昇降温速度を速めた高温短時間の熱処理
を行った活性層側となる第１の半導体ウエーハ１を熱酸
化し、必要な膜厚の酸化膜１ａを形成した。

【００４１】本具体例においては熱処理を、ハロゲンラ
ンプを光源としたランプアニール装置で行ったが、前記
設定条件を満たすものであれば、特にアニール装置の種
類は問わない。

【００４２】熱処理を行った後の半導体ウエーハに行う
熱酸化は、例えば、拡散炉（ＦＡ）やランプアニール装
置で行うことが可能である。

【００４３】次に、図１（ｂ）に示すように、活性層側
となる前記第１の半導体ウエーハ１及び支持側となる第
２の半導体ウエーハ２の表面を親水性とした後に、半導
体ウエーハ１，２の鏡面同士を貼り合わせ、熱処理（１
１００℃、２時間程度）を行い双方の半導体ウエーハ
１，２を強固に接着する。

【００４４】その後、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示す
ように、活性層側の第１の半導体ウエーハ１の表面を鏡
面研磨し、活性層を必要な厚さまで研削して貼り合わせ
シリコン半導体ウエーハ３を形成する。

【００４５】活性層側となる第１の半導体ウエーハに熱
処理を行うと、酸化膜が形成されるが、この酸化膜を残
して貼り合せシリコンウエーハを形成すると、前記第１
の半導体ウエーハを熱処理した後に、更に熱酸化して酸
化膜を形成する必要がなくなり、スループットの向上
や、製造コストを低減することができる。

【００４６】熱処理した第１の半導体ウエーハは、その
使用目的によって、熱処理によって形成された酸化膜を
剥離して貼り合わせシリコンウエーハを形成してもよい
し、そのまま酸化膜を残して貼り合わせシリコンウエー
ハを形成してもよいし、更に熱酸化して所定の膜厚の熱
酸化膜を形成することもできる。

【００４７】このように、活性層側となる第１の半導体
ウエーハに高温で短時間の熱処理を行うことで、デバイ
ス特性を劣化させる原因となる半導体ウエーハ中の酸素
析出物を低減することができるため、本具体例のように
初期格子間酸素濃度が高い半導体ウエーハを第１の半導
体ウエーハとして用いても、従来方法における貼り合わ
せシリコンウエーハと同程度の酸素析出物に関連した結
晶欠陥密度の低い貼り合わせシリコンウエーハを形成す
ることができ、しかも初期格子間酸素濃度が高い半導体
ウエーハを用いて形成されるために、機械的強度の優れ
た貼り合わせシリコンウエーハを形成することができ
る。

【００４８】また、活性層側となる第１の半導体ウエー
ハに行う高温短時間の熱処理をドナー消去と呼ばれる熱
処理として行えば、スループットを向上し、製造コスト
を低減することが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によれば、初期格子酸素濃度が高い半導体ウエーハを用
いることができ、前記半導体ウエーハに所定速度で昇温
した高温熱処理を行い、その後、所定速度で降温して前
記半導体ウエーハを冷却を行ってウエーハ中の酸素析出
物を低減することができ、前記半導体ウエーハを活性層
側の第１の半導体ウエーハとして貼り合わせシリコンウ
エーハを形成するため、酸素析出物密度が低く、且つ、
機械的強度に優れた貼り合わせシリコンウエーハを得る
ことができる。

【００５０】このように本発明の製造方法よれば、酸素
析出物に関連した結晶欠陥密度が低く、且つ、機械的強
度が優れた高品質の貼り合わせシリコンウエーハを提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例に係り、（ａ）〜（ｄ）は、貼
り合わせウエーハの製造工程を示す断面図である。

【図２】本発明の具体例に係り、各温度の処理条件にお
ける半導体ウエーハの酸素析出物密度の変化を示す図で
ある。

【図３】本発明の具体例に係り、各設定処理条件におけ
る半導体ウエーハの酸素析出物密度の変化を示す図。

【図４】本発明の具体例に係り、各設定処理条件を示す
図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、貼り合わせウエーハの製造
工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 第１の半導体ウエーハ １ａ 酸化膜 ２ 第２の半導体ウエーハ ３ 貼り合わせシリコンウエーハ １１ 第１の半導体ウエーハ １１ａ 酸化膜 １２ 第２の半導体ウエーハ １３ 貼り合わせシリコンウエーハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の半導体ウエーハと第２の半導体ウ
   エーハを接着する貼り合わせシリコンウエーハの製造方
   法において、 活性層側となる第１の半導体ウエーハを熱処理するにあ
   たり、少なくとも９００℃に至るまで１℃／秒以上の速
   度で昇温して熱処理し、 その後、前記熱処理温度から６００℃まで１℃／秒以上
   の降温速度で冷却し、 前記熱処理された活性層側となる第１の半導体ウエーハ
   と支持側となる第２の半導体ウエーハとを接着させるこ
   とを特徴とする貼り合せシリコンウエーハの製造方法。
2. 【請求項２】 第１の半導体ウエーハと第２の半導体ウ
   エーハを接着する貼り合わせシリコンウエーハの製造方
   法において、 活性層側となる第１のシリコンウエーハを熱処理するに
   あたり、少なくとも９００℃に至るまで１℃／秒以上の
   速度で昇温して熱処理し、 次に、前記熱処理温度から６００℃まで１℃／秒以上の
   降温速度で冷却し、 その後、前記第１の半導体ウエーハに熱酸化を行い、 前記熱処理された活性層側となる第１の半導体ウエーハ
   と支持側となる第２の半導体ウエーハを接着させること
   を特徴とする貼り合わせシリコンウエーハの製造方法。
3. 【請求項３】 前記活性層側となる第１の半導体ウエー
   ハに行う熱処理は、酸素、又は、酸素を窒素で希釈した
   雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の
   貼り合せシリコンウエーハの製造方法。