JPH09260618A

JPH09260618A - Ｓｏｉ基板の製造方法

Info

Publication number: JPH09260618A
Application number: JP6264996A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Unno; 秀之海野; Kazuo Imai; 和雄今井; Kiyoshi Mitani; 清三谷; Koji Aga; 浩司阿賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】安定した接着強度を得られるとともに、埋め
込み絶縁膜上のシリコン層の膜厚均一性を向上させるこ
とを目的とする。【解決手段】活性層側ウェハ１５と、シリコンウェハ
１６の表面を熱酸化することでシリコン酸化膜１７を形
成した支持ウェハ１３とを貼り合わせる。この張り合わ
せの後、接着強度を高めるために熱処理を行う。この熱
処理を、例えば、急速昇温・急速降温炉（ＲＴＡ炉）を
用い、窒素雰囲気あるいは酸素雰囲気中で熱処理をおこ
なう。このように急速昇温した後で急速降温する熱処理
により、不純物の拡散を抑制した上で、張り合わせ強度
を強固にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、張り合わせによ
るＳＯＩ基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の
製造方法として、張り合わせ法がある。この張り合わせ
法の中に、高濃度にボロン（不純物）を添加した層をエ
ッチングストップ層としてＳＯＩ基板を製造する方法が
ある。以下、この製造方法について簡単に説明する。ま
ず、低濃度あるいは中濃度のシリコン基板表面へ、拡散
法あるいはイオン注入法によりｐ形不純物であるボロン
を添加して、所望の厚さの高濃度不純物層を形成する。

【０００３】そして、この高濃度不純物層を表面に形成
したシリコン基板の高濃度不純物層と、あらかじめ酸化
膜（絶縁膜）を表面に形成してある支持基板の酸化膜面
とを張り合わせる。次に、シリコン基板側より水酸化カ
リウム溶液などによりウエットエッチングすることで、
シリコン基板をエッチング除去すると、高濃度不純物層
がエッチングされずに残る。そして、この支持基板の酸
化膜上に残った高濃度不純物層中のボロンを、還元性雰
囲気中の熱処理により除去すれば、酸化膜を埋め込み絶
縁膜とした上に所望の厚さのシリコン層（活性層）が形
成されたＳＯＩ基板を得ることができる。

【０００４】ここで、上述の張り合わせを室温でおこな
った場合、両基板の張り合わせる表面が鏡面となってい
れば、その表面のＯＨ基による水素結合により張り合わ
せができる。しかし、その接着強度は弱く、人間の手で
も容易に剥がせる程度の接着力であり、このままでは実
使用に用いることはできない。そこで、シリコン基板と
支持基板との接着性を上げるために、熱処理が必要とな
る。

【０００５】図５は、上述のシリコン基板と支持基板と
を張り合わせたものを、バッチ処理方式による電気炉を
用いて加熱処理した場合の、張り合わせ強度の変化を示
す特性図である。この場合、処理雰囲気はウエット酸素
雰囲気であり、熱処理時間はすべて１時間とした。ま
た、張り合わせ強度は、ブレード法で測定した。図５に
示されているように、熱処理温度が９００℃までは、張
り合わせ強度は緩やかに増加するが、１０００℃を越え
ると急に張り合わせ強度が強くなる。１０００℃以上に
なると、張り合わせ界面でＳｉの脱水縮合反応の進行が
促進され、シロキサン結合が増加するためである。

【０００６】また、１０００℃以上の熱処理とすること
で、基板の接着界面に存在する水によって局所的未接着
であった領域（ボイド）も、脱水縮合反応により接着を
阻害していた水が分解してボイドが消滅し、良好な接着
面を得ることができる。従って、安定な接着面を得られ
る接着強度は、おおよそ１０００℃以上の熱処理で得ら
れることがわかる。これまで、シリコン基板間の接着
は、１１００℃以上の高温で充分に余裕を持った熱処理
でおこなわれるのが一般的であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、張り合わせの
温度が１０００℃を越えると、エッチングストップ層と
して用いた高濃度不純物層の不純物の、低濃度のシリコ
ン基板側への再拡散が顕著となる。このため、エッチス
トップのための高濃度不純物層の不純物濃度が低下し、
高濃度不純物層とシリコン基板との間の濃度勾配が穏や
かになってしまう。上述した通常のＳＯＩ基板製造工程
では、高濃度不純物層のボロンの濃度が５×１０¹⁹ｃｍ
^-3以上で、かつ、高濃度不純物層とシリコン基板との間
の濃度変化が急峻であるほど、選択エッチングの選択性
が向上し、エッチストップ後に埋め込み絶縁膜上に残さ
れる高濃度不純物層の膜厚均一性が向上する。

【０００８】前述したように高濃度不純物層を形成した
後で熱処理を加えた場合の、高濃度不純物層のボロン濃
度の変化を、プロセスシミュレーションＴＳＵＰＲＥＭ
−４を用いて調査した。このときの熱処理条件は、一般
的に広く用いられているバッチ式の電気炉を想定して、
窒素雰囲気中で６０分とし、熱処理温度を変化させた。
この熱処理は、前述した張り合わせ時の熱処理に相当す
る。図６は、その結果を示す特性図であり、横軸が高濃
度不純物層が形成されているシリコン基板表面からの深
さである。なお、縦軸は対数目盛である。

【０００９】同図において、６１は熱処理をしていない
状態の不純物濃度のプロファイル、６２は処理温度９０
０℃の場合のプロファイル、６３は処理温度９５０℃の
場合のプロファイル、６４は処理温度１０００℃の場合
のプロファイル、６５は処理温度１０５０℃の場合のプ
ロファイルである。同図より明らかなように、プロファ
イル６２に示すように９００℃の熱処理では余り変化は
ない。

【００１０】しかし、熱処理温度が高いほど、濃度プロ
ファイルが穏やかな変化となっている。特に１０００℃
の処理の結果を示すプロファイル６４においては、高濃
度不純物層における不純物濃度の低下が顕著である。そ
して、高濃度シリコン層とシリコン基板の低濃度の領域
との境界における濃度変化は緩やかになっていく。従っ
て、前述したように、膜厚均一性を得るために濃度変化
を急峻にしておくためには、張り合わせのための熱処理
温度を９００℃程度と１０００℃未満でおこなわなくて
はならない。これでは、安定した接着強度を得ることが
できない。

【００１１】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、安定した接着強度を得ら
れるとともに、埋め込み絶縁膜上のシリコン層の膜厚均
一性を向上させることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明のＳＯＩ基板の
製造方法は、第１の半導体基板と表面に絶縁膜を有する
第２の半導体基板とを高濃度半導体層を介して張り合わ
せた後で、張り合わせた第１と第２の半導体基板を、所
定の温度まで所定時間内に急速昇温し、その後、所定時
間内に急速降温するようにした。この結果、高濃度半導
体層の不純物再拡散が抑制される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１におけ
るＳＯＩ基板の製造方法を示す断面図である。まず、図
１の実施の形態において、活性層を形成する１０¹⁵〜１
０¹⁶ｃｍ^-3程度の不純物濃度の低濃度シリコンウェハ１
０に、イオン注入法あるいは拡散法により５×１０¹⁹程
度の不純物濃度としたｐ形高濃度シリコン層１１を形成
して活性層側ウェハ１５を得る（図１（ａ））。

【００１４】この場合、用いる基板の導電形は、ｎ形あ
るいはｐ形のいずれでも構わないが、ｐ形の不純物とし
てボロンを用いる場合には、ｐ形高濃度シリコン層１１
のボロン濃度は、５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上が望ましい。た
とえば、選択エッチング時にＥＰＷ液を用いた場合、文
献（N. F. Raley, Y. Sugiyama, and T. Van Duzer, J.
Electrochem. Soc. vol. 131, No.1, p161.）によれ
ば、シリコン中のボロン濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上に
なると、シリコンエッチングレートが低下し始める。そ
して、シリコン中のボロン濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3にな
るとエッチングレートは約１／２５に低下し、７×１０
¹⁹ｃｍ^-3になるとエッチングレートは１／１００に低下
する。

【００１５】このことから、ｐ形高濃度シリコン層１１
のエッチレートが低い程エッチストップ効果が高く、エ
ッチング後に露出するｐ形高濃度シリコン層１１の膜厚
均一性は向上する。この高濃度にボロンを導入したｐ形
高濃度シリコン層１１が、最終的にデバイス形成層にな
るので、この膜厚が不均一だと、形成したＬＳＩ性能も
ばらつき、ＬＳＩ製造歩留まりの低下を招く。したがっ
て、ＥＰＷ液を用いる場合は、ｐ形高濃度シリコン層１
１のボロン濃度は５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが望
ましい。なお、今後、ボロン濃度がより低濃度でもエッ
チングの選択比が高くなるような新たなエッチング液が
見いだされたならば、当然ボロン濃度を下げることが可
能である。

【００１６】つぎに、図１（ｂ）に示すように、この活
性層側ウェハ１５と、シリコンウェハ１６の表面を熱酸
化することでシリコン酸化膜１７を形成した支持ウェハ
１３とを貼り合わせる。この場合のシリコン酸化膜１７
の厚さは、０．１〜１μｍである。この張り合わせの
後、接着強度を高めるために熱処理を行う。この熱処理
を、例えば、急速昇温・急速降温炉（ＲＴＡ炉）を用
い、窒素雰囲気あるいは酸素雰囲気中で熱処理をおこな
うことが、この発明の特徴である。このように急速昇温
した後で急速降温する熱処理により、不純物の拡散を抑
制した上で、張り合わせ強度を強固にする。この熱処理
条件は、例えば、１１００℃を３０秒保持するものとす
る。

【００１７】図２は、ＲＴＡ炉を用いた熱処理における
張り合わせ強度の変化を示す相関図である。図中の３０
〜１２０ｓｅｃは、その温度の保持時間を示し、すべて
において約５０℃／ｓｅｃで昇温・降温した。また、加
熱は窒素雰囲気でおこなった。同図より明らかなよう
に、ＲＴＡ炉により熱処理温度が１０５０℃を越えると
張り合わせ強度の上昇が急になり、熱処理温度１１００
℃で接着強度は１０００ｅｒｇ／ｃｍ² 以上となってい
る。これらのことから、１０５０℃を越えれば、安定な
シロキサン結合の形成が進行していることがわかる。

【００１８】この熱処理は、高い温度でおこなうほど張
り合わせ強度が強まるが、Ｓｉの融点が１４１４℃であ
るから、これより高い温度を使用することは事実上難し
く、一般的には１４００℃以下でおこなわれる。また、
図２の結果より、張り合わせ強度は熱処理時間に対して
あまり依存していなく、熱処理温度に依存していること
がわかる。なお、上述では、１１００℃の温度を３０秒
保持することとしているが、９０秒保持するようにして
も良く、急速昇温・急速降温していれば、ｐ形高濃度シ
リコン層１１の不純物濃度プロファイルはあまり変化し
ない。

【００１９】図３は、熱処理の最大温度は１１００℃と
し、この最大温度となるまでの昇温速度を変化させたと
きの、ｐ形高濃度シリコン層１１における濃度プロファ
イルを示す特性図である。なお、同図において、縦軸は
対数目盛である。同図において、３１は熱処理前のプロ
ファイル、３２は１秒間に５℃昇温・降温させて熱処理
したプロファイル、３３は１秒間に２℃昇温・降温させ
て熱処理したプロファイル、３４は１秒間に１℃昇温・
降温させて熱処理したプロファイル、３５は１秒間に
０．５℃昇温・降温させて熱処理したプロファイルであ
る。

【００２０】同図より明らかなように、プロファイル３
５が他と比較して濃度差の状態が急に小さくなってい
る。図６のプロファイル６２で示した従来の熱処理９０
０℃における不純物濃度分布の状態をほぼ限界と考える
と、上述した熱処理の昇温・降温は１秒間に１℃以上の
早さにしておく必要がある。図３のプロファイル３５で
示す、１秒間に０．５℃の昇温・降温では、不純物の再
拡散を抑制しきれていない。

【００２１】以上示したように、ＲＴＡ炉を用いて１秒
間に１℃以上の早さで昇温・降温させるようにして熱処
理をおこなえば、不純物の再拡散を抑制した状態で安定
で強固な張り合わせ界面を得られる。そして、このよう
に熱処理をおこなった後、図１（ｃ）に示すように、Ｋ
ＯＨ液あるいはＥＰＷ液等の濃度差エッチング液で、活
性層側ウェハ１５の低濃度シリコンウェハ１０を、張り
合わせ面から離れた面から選択エッチングする（削って
いく）。

【００２２】この選択エッチングは、ｐ形高濃度シリコ
ン層１１までであり、このｐ形高濃度シリコン層１１に
達すると、このｐ形高濃度シリコン層１１はそれまでの
低濃度シリコンウェハ１０とはその組成（不純物濃度）
が異なるため、エッチングが止まる（図１（ｃ））。こ
のときのエッチング液の温度は、１００〜１１０℃で行
われる。また、このときの低濃度シリコンウェハ１０の
エッチングレートは０．６〜０．７μｍ／分である。こ
こで、選択エッチング時間を短縮するために、あらかじ
め活性層側の低濃度シリコンウェハ１０を機械的に除去
して厚さを薄くしてから、選択エッチングを行ってもよ
い。この、機械的に除去する方法としては、研削あるい
は研磨のような手法がある。

【００２３】つぎに、還元性雰囲気のもとで熱処理を行
う。そうすると、熱処理中に、ｐ形高濃度シリコン層１
１中の不純物は、ｐ形高濃度シリコン層１１の表面から
大気中へ拡散する。その結果、ｐ形高濃度シリコン層１
１中の不純物は減少し、ｐ形高濃度シリコン層１１は低
濃度シリコン層１２へと変わる（図１（ｄ））。

【００２４】この実施の形態では、還元性雰囲気中での
熱処理時間を１時間としたが、熱処理時間をさらに長く
すれば、ボロン濃度の低減はさらに進むことは容易に推
測できる。そして、上記熱処理によりシリコン膜の結晶
性、膜厚の均一性が損なわれることはない。また、ここ
で用いられる還元性雰囲気は、必ずしも還元性ガス１０
０％である必要はない。シリコン膜表面に形成される自
然酸化膜が除去され、所期の目的が達成できる程度の濃
度とした還元性ガスが不活性ガス中に含まれる、混合ガ
スを用いた雰囲気でも良い。

【００２５】実施の形態２．また、図１で示した実施の
形態において、図４に示すように、低濃度シリコン層を
形成するようにしても良い。図１の場合と同様に、図４
（ａ）に示すように、低濃度シリコンウェハ１０に、イ
オン注入法あるいは拡散法によりｐ形高濃度シリコン層
１１を形成したあと、まず、図４（ｂ）に示すように、
ｐ形高濃度シリコン層１１上にエピタキシャル成長によ
り低濃度シリコン層１２を形成する。

【００２６】次に、図４（ｃ）に示すように、この低濃
度シリコン層１２表面と、シリコンウェハ１６の表面を
熱酸化することでシリコン酸化膜１７を形成した支持ウ
ェハ１３とを貼り合わせる。そして、上述と同様にし
て、１秒間に１℃以上昇温・降温させる状態としたＲＴ
Ａ炉による加熱処理で、１１００℃の熱処理をおこない
張り合わせ強度を強固にさせた。

【００２７】この実施の形態２の場合、高濃度シリコン
層１１におけるボロンが再拡散すると、低濃度シリコン
層１２と低濃度シリコンウェハ１０とにボロンが拡散し
ていくことになり、ボロン濃度の減少がより著しいもの
となる。このため、再拡散を抑えようとして低温で熱処
理をおこなうと、接着力が弱く接着界面にボイドができ
やすいものとなる。これに対して、この実施の形態２に
おいては、上述したように、再拡散を抑えた状態で張り
合わせ強度を強固にすることが可能となる。

【００２８】以上の熱処理の後、図４（ｄ）に示すよう
に、ＫＯＨ液あるいはＥＰＷ液等の濃度差エッチング液
で、低濃度シリコンウェハ１０を、張り合わせ面から離
れた面から選択エッチングする。次いで、この実施の形
態２においては、上述の濃度差エッチングと逆の特性を
持つ選択エッチングをおこなう。すなわち、不純物が高
濃度に導入されているシリコン層を選択的にエッチング
するようにする。この選択エッチングにより、図４
（ｅ）に示すように、低濃度シリコン層１２が露出し、
埋め込み酸化膜となるシリコン酸化膜１７上に低濃度シ
リコン層１２が形成されたＳＯＩ基板が得られる。

【００２９】なお、上述では、昇温・降温を一定速度で
おこなうようにしているが、これに限るものではない。
例えば、１０００℃付近までは、１００℃／秒で昇温
し、１０００℃から設定温度までは昇温速度を下げるよ
うにしても良い。このことにより、基板面内の温度均一
性を向上させることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、第
１の半導体基板と表面に絶縁膜を有する第２の半導体基
板とを高濃度半導体層を介して張り合わせた後で、張り
合わせた第１と第２の半導体基板を、所定の温度まで所
定時間内に急速昇温し、その後、所定時間内に急速降温
するようにした。この結果、この発明によれば、高濃度
半導体層の不純物再拡散が抑制された状態で、より高い
温度で張り合わせることが可能となり、安定した接着強
度を得られるとともに、埋め込み絶縁膜上のシリコン層
の膜厚均一性を向上させることができるという効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１におけるＳＯＩ基板
の製造方法を示す断面図である。

【図２】ＲＴＡ炉を用いた熱処理における張り合わせ
強度の変化を示す相関図である。

【図３】熱処理の最大温度は１１００℃とし、この最
大温度となるまでの昇温温度を時間を変化させたときの
ｐ形高濃度シリコン層１１における濃度プロファイルを
示す特性図である。

【図４】この発明の実施の形態２におけるＳＯＩ基板
の製造方法を示す断面図である。

【図５】従来のバッチ処理方式による電気炉を用いて
加熱処理した場合の、張り合わせ強度の変化を示す特性
図である。

【図６】熱処理による濃度プロファイルの変化を示す
特性図である。

【符号の説明】

１０…低濃度シリコンウェハ、１１…ｐ形高濃度シリコ
ン層、１２…低濃度シリコン層、１３…支持ウェハ、１
５…活性層側ウェハ、１６…シリコンウェハ、１７…シ
リコン酸化膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三谷清東京都千代田区丸の内一丁目４番２号信越半導体株式会社内 (72)発明者阿賀浩司東京都千代田区丸の内一丁目４番２号信越半導体株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の不純物濃度を有する第１の半導体
基板上に、前記第１の不純物濃度より高い第２の不純物
濃度を有する高濃度半導体層を形成する第１の工程と、前記高濃度半導体層を介して、前記第１の半導体基板と
表面に絶縁膜を有する第２の半導体基板とを張り合わせ
る第２の工程と、前記第１の半導体基板の前記第１の不純物濃度を有する
領域を除去し、前記高濃度半導体層を露出する第３の工
程と、前記高濃度半導体層を還元性雰囲気中で加熱処理をする
第４の工程とから構成されたＳＯＩ基板の製造方法にお
いて、前記第２の工程の後で、前記張り合わせた第１と第２の
半導体基板を、所定の温度まで所定時間内に急速昇温
し、その後、所定時間内に急速降温することを特徴とす
るＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項２】請求項１記載のＳＯＩ基板の製造方法に
おいて、前記第２の工程の後で、前記張り合わせた第１と第２の
半導体基板を、所定の温度まで１秒間に１℃以上の割合
で昇温し、その後、１秒間に１℃以上の割合で降温する
ことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項３】請求項１または２記載のＳＯＩ基板の製
造方法において、前記所定の温度は、１０５０℃以上であることを特徴と
するＳＯＩ基板の製造方法。