JPWO2005022610A1 - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

活性層用ウェーハのシリコン酸化膜の厚さを、埋め込みシリコン酸化膜より薄くした。よって、イオン注入時、シリコン酸化膜の面内膜厚のばらつきが大きくても、貼り合わせウェーハの活性層の膜厚均一性が高まる。しかも、シリコン酸化膜が薄くイオン注入深さが相対的に深くなるので、イオン注入による活性層と埋め込みシリコン酸化膜のダメージを低減できる。

Description

この発明は貼り合わせウェーハの製造方法、詳しくは所定深さ位置に水素などがイオン注入された半導体ウェーハを熱処理し、そのイオン注入領域内から半導体ウェーハを剥離する技術に関する。

近年、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有した半導体基板を製造する方法として、特許文献１に記載されたスマートカット法が開発されている。
これは、酸化膜を形成後、水素（または軽元素）を所定深さ位置にイオン注入した活性層用ウェーハと、酸化膜を有しない支持用ウェーハとを貼り合わせ、次いで、得られた貼り合わせウェーハを熱処理炉に装入して熱処理することにより、このイオン注入領域から活性層用ウェーハの一部を剥離して活性層を形成する方法である。

上記活性層用ウェーハの表裏面に設けられる酸化膜（埋め込み絶縁膜）は膜厚が１５０ｎｍと薄膜であり、通常、この酸化膜は熱酸化法により形成される。すなわち、酸化炉内にシリコンウェーハを装入し、これを所定時間、所定温度に加熱することにより行われる。熱酸化法では、酸化膜は基本的にはシリコンと酸素との強固な結合から成る。また、他の方法（ＣＶＤ法など）で形成された酸化膜に比べて高密度であり、不純物やトラップが少ない。そして、界面準位が少ないことが最大の特徴である。

日本国特開平５−２１１１２８号公報

最近では活性層の厚さが０．１μｍ以下の薄膜ＳＯＩウェーハの活性層の厚さについて、デバイスメーカからウェーハ製造メーカに高水準の要求がなされている。これは、ＳＯＩ特性を十分に活用するために、部分空乏型（Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）構造のデバイスが開発されているためである。具体的には、活性層の厚さは０．０２〜０．０５μｍ、活性層の面内膜厚の均一性（活性層全域での厚さのばらつき）は、活性層の厚さを基準として５〜１０％である。これらの活性層の膜厚に対する要求は、スマートカット法により製造された貼り合わせウェーハに対しても同じである。

ところで、活性層の膜厚分布は、埋め込み絶縁膜の膜厚分布と相関関係を有している。以下、これについて、図３〜図６を参照して説明する。
すなわち、軽元素は絶縁膜（ＢＯＸ）を通して活性層用ウェーハの表層にイオン注入される。そのため、図３に示すように、絶縁膜１２ａの厚さが、軽元素のイオンの注入深さ（Ｒｐ）、言い換えれば活性層用ウェーハ１０の剥離深さに影響を与える。その結果、図４に示すように、活性層用ウェーハ１０の平面内で、絶縁膜が厚い領域では、製造された貼り合わせウェーハの活性層１３が薄くなる。逆に、絶縁膜が薄い領域では、活性層１３が厚くなる。

したがって、活性層用ウェーハの絶縁膜の膜厚均一性を高めることが、活性層の膜厚均一性を高める必須条件となる。
しかしながら、この方法で埋め込み絶縁膜の膜厚均一性を高めるには限界がある。これは、例えば活性層用ウェーハ１０がシリコンウェーハで、絶縁膜１２ａがシリコン酸化膜の場合、酸化膜形成レートのパラメータとして知られる酸素ガスの流れと炉内温度とが、必ずしもウェーハ表面内で均一ではないからである。このことは、シリコンウェーハの熱酸化膜形成のために一般的に使われている縦型炉を使用した場合でも同様である。なお、酸化膜の厚みが増大するにつれ、上記酸素ガスの流れおよび炉内温度の不均一さはより顕著になる。

さらに、スマートカット法では、活性層用ウェーハ１０に埋め込み酸化膜（埋め込み絶縁膜）１２ａを介して水素イオンを注入する。そのため、製造された貼り合わせＳＯＩウェーハは、活性層１３と埋め込み酸化膜とに、イオン注入によるダメージ（損傷）がそれぞれ発生していた。
そして、酸化膜がダメージ（損傷）を有すると、酸化膜をエッチングしたときエッチングレートが高くなる。このエッチングレートが高い酸化膜は、イオン注入を行わない酸化膜と比べて酸化膜耐圧が低下することになる。

そこで、発明者は、図５に示すように、活性層用ウェーハ１０の絶縁膜１２ａの厚さを、製造後の貼り合わせウェーハの埋め込み絶縁膜１２ｃより薄くすれば、軽元素のイオン注入深さＲｐにさほど影響がないことを知見した。また、これにより、図６示すように、スマートカット法により得られた貼り合わせウェーハにおいて、活性層１３の面内厚さの均一性を高めることができることを知見した。なお、２０は支持ウェーハである。

この発明は、スマートカット法により製造された貼り合わせウェーハにおいて、活性層の面内厚さの均一性（面内膜厚均一性）を高めることができ、しかも軽元素のイオン注入による活性層および埋め込み絶縁膜のダメージを低減することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することを目的としている。

第１の発明は、絶縁膜が形成された活性層用ウェーハの所定深さ位置に軽元素をイオン注入し、上記活性層用ウェーハにイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、その後、上記活性層用ウェーハと、絶縁膜が形成された支持用ウェーハとを、両絶縁膜同士を重ね合わせて貼り合わせ、貼り合わせウェーハを作製する貼り合わせ工程と、この貼り合わせウェーハを熱処理し、上記イオン注入領域内に軽元素バブルを形成させ、上記貼り合わせウェーハのイオン注入側を剥離して活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせウェーハの製造方法である。

第１の発明によれば、活性層用ウェーハには、製造後の貼り合わせウェーハに埋め込まれる埋め込み絶縁膜より薄い絶縁膜が形成される。そのため、イオン注入時、軽元素は薄い絶縁膜を介して活性層用ウェーハにイオン注入される。この結果、剥離後の活性層の面内厚さの均一性を高めることができる。

活性層用ウェーハの絶縁膜を薄くすれば、イオン注入時の加速電圧を同一とした場合、絶縁膜が厚いウェーハに比較して軽元素のイオン注入深さが深くなるため、軽元素のイオン注入時に付加される活性層および絶縁膜のダメージを低減することができる。特に、表面に存在する絶縁膜のダメージ低減に効果がある。以下、これについて詳細に説明する。
イオン注入では、軽元素のイオン注入深さの４分の３の位置が、理論上、最大注入ダメージ深さであることが知られている。これは、注入されたイオンと、被注入材料（本発明の場合はシリコン）を構成する原子との相互作用で説明される。すなわち、高速のイオンがシリコン原子と衝突を繰り返しながら速度が低下するが、イオンが停止する直前、すなわち、最深の注入深さ位置の直上位置で注入されたイオンとシリコン原子との相互作用が最も大きくなるため、その領域におけるダメージが最大となる。
絶縁膜がシリコン酸化膜の場合、軽元素がイオン注入された埋め込みシリコン酸化膜は、イオン注入によるダメージから、エッチング時のエッチング速度が熱酸化膜より大きくなることも知られている。この結果は、絶縁層の耐圧性能の劣化を意味する。

発明者は上記の問題点を踏まえ、イオン注入後のシリコン酸化膜、ひいては埋め込みシリコン酸化膜のエッチング速度が、熱酸化膜のエッチング速度と同等になる埋め込みシリコン酸化膜の厚さについて調査した。
その結果、活性層用ウェーハの酸化膜の厚さをｔｄｏｘ、イオン注入深さをＲｐ、活性層の厚さをｔｓｏｉとすると、次式を満たす条件で、イオン注入されたシリコン酸化膜（埋め込みシリコン酸化膜）のエッチング速度が熱酸化膜のエッチング速度とほぼ同等となることを見出した。
０．１Ｒｐ＝０．１×（ｔｄｏｘ＋ｔｓｏｉ）＞ｔｄｏｘ
ｔｄｏｘ＜（１／９）×ｔｓｏｉ

すなわち、活性層用ウェーハのシリコン酸化膜の厚さが、活性層の厚さの９分の１（約０．１１）未満になれば、イオン注入後のシリコン酸化膜のエッチング速度は、熱酸化膜のエッチング速度と同等になる。言い換えれば、シリコン酸化膜を活性層の９分の１まで薄膜化すると、シリコン酸化膜にイオン注入によるダメージがほとんど存在しなくなる。この場合、埋め込みシリコン酸化膜の厚さを、ＳＯＩ構造における所定のＢＯＸ厚さ（総厚）にするためには、支持用ウェーハ側にシリコン酸化膜を形成することで対応できる。

活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハの種類としては、例えば単結晶シリコンウェーハ、ガリウム・ヒ素ウェーハなどを採用することができる。
絶縁膜としては、例えば酸化膜、窒化膜などを採用することができる。
製造後の貼り合わせウェーハにおいて、絶縁膜（埋め込み絶縁膜）の総厚は限定されない。例えば、０．１〜０．５μｍである。
活性層の厚さは限定されない。例えば、厚膜の活性層では１〜２μｍである。また、薄膜の活性層では０．０１〜１μｍである。この発明は、薄膜の活性層を有する貼り合わせウェーハに好適である。活性層用ウェーハに形成された絶縁膜の厚さと、支持用ウェーハに形成された絶縁膜の厚さの比は限定されない。

軽元素としては、例えば、水素（Ｈ）の他、希ガスの元素であるヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）などでもよい。これらは単体または化合物でもよい。
イオン注入時の軽元素のドーズ量は限定されない。例えば２×１０^１６〜８×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。
軽元素のイオン注入時の加速電圧は、５０ｋｅＶ以下、好ましくは３０ｋｅＶ以下、さらに好ましくは２０ｋｅＶ以下である。軽元素のイオン注入は、低加速電圧ほど目標深さに軽元素を集中させることができ、例えば薄膜ＳＯＩ作製には有利である。しかしながら、低加速電圧ほどＢＯＸ層の注入ダメージが大きくなり、本発明がより有効となる。

剥離時の貼り合わせウェーハの加熱温度は４００℃以上、好ましくは４００〜７００℃、さらに好ましくは４５０〜５５０℃である。４００℃未満では、活性層用ウェーハにイオン注入された軽元素から軽元素バブルを形成することが難しい。また、７００℃を超えると、活性層内に酸素析出物が形成されてしまいデバイス特性の低下を招くおそれがある。

剥離時の貼り合わせウェーハの加熱時間は１分間以上、好ましくは１０〜６０分間である。１分間未満では、貼り合わせウェーハにイオン注入された軽元素をバブル化することが困難になる。
活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの貼り合わせは、例えば常温により両ウェーハを重ね合わせ、その後、貼り合わせ強化熱処理を施して貼り合わせ強度を高める。その際の加熱温度は８００℃以上、例えば１１００℃である。貼り合わせ強化熱処理の時間は、例えば２時間である。熱酸化炉内の雰囲気ガスとしては、窒素などを使用できる。

第２の発明は、第１の発明にあって、上記活性層用ウェーハの絶縁膜の厚さｔｄｏｘは、ｔｄｏｘ＜（１／９）×ｔｓｏｉ、ｔｓｏｉ＝活性層の厚さ、の式を満足させる貼り合わせウェーハの製造方法である。

活性層用ウェーハの絶縁膜が厚くなるほど、製造された貼り合わせウェーハの活性層の厚さのばらつきが大きくなる。剥離後の活性層厚さ（ｔｓｏｉ）の１／９を活性層用ウェーハの絶縁膜の厚さが超えると、剥離後の活性層の厚さばらつきが１０％を超え、その後の研磨工程でのばらつきを考慮すると、最終製品の活性層のばらつき目標である１０％を達成することは困難となる。また、活性層用ウェーハに絶縁膜が存在しない場合（支持用ウェーハにだけ絶縁膜を形成した場合）、活性層と埋め込み絶縁膜との界面が、絶縁膜同士の界面でなくなる。この場合、貼り合わせ界面にパーティクル汚染等が存在すると、活性層におけるＢＯＸ界面近傍の電子移動度の低下を起こしやすく、安定したＳＯＩ特性が得られない。
絶縁膜の好ましい厚さは０．０５〜１．０μｍである。０．０５μｍ未満では、絶縁膜が薄すぎてイオン注入後または支持用ウェーハとの貼り合わせ前の洗浄時に、活性層用ウェーハの絶縁膜が消失するおそれがある。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明にあって、上記活性層用ウェーハと上記支持用ウェーハとの貼り合わせ前に、上記活性層用ウェーハおよび上記支持用ウェーハについてそれぞれプラズマ処理を施す貼り合わせウェーハの製造方法である。このプラズマ処理は、これらウェーハの表面を活性化する処理である。

第３の発明によれば、一般的なシリコンと酸化膜との貼り合わせと比較して本発明である酸化膜と酸化膜との貼り合わせにおいては、貼り合わせ強度が小さくなり、貼り合わせ強度不足に起因した欠陥（ボイド）が発生しやすい。よって、貼り合わせ強度を高めるため、貼り合わせ前にプラズマ活性化処理（酸素ガス雰囲気または窒素ガス雰囲気）を適用する。

第４の発明は、第３の発明にあって、上記プラズマ処理は、酸素ガス雰囲気または窒素ガス雰囲気で発生したプラズマ中に、４００℃以下の温度に１０秒間以上保持して行う貼り合わせウェーハの製造方法である。

第１〜第４の発明によれば、活性層用ウェーハの絶縁膜の厚さを、貼り合わせウェーハの埋め込み絶縁膜より薄くしたので、軽元素のイオン注入時において、仮に絶縁膜の面内膜厚のばらつきが大きくても、スマートカット法で得られた貼り合わせウェーハの活性層の面内厚さの均一性を高めることができる。
しかも、活性層用ウェーハの絶縁膜が薄くなることから、イオン注入の深さが相対的に深く、ウェーハ表面近傍に存在する軽元素のイオン注入による埋め込み絶縁膜のダメージを低減することができる。

この発明の実施例１に係る貼り合わせウェーハの製造方法を示すフローシートである。 活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの貼り合わせ面の部分を拡大した拡大図である。 従来手段に係る埋め込み絶縁膜の膜厚均一性と活性層の膜厚均一性との相関関係を示す活性層用ウェーハの断面図である。 従来手段に係る埋め込み絶縁膜の膜厚均一性と活性層の膜厚均一性との相関関係を示す貼り合わせウェーハの断面図である。 この発明に係る埋め込み絶縁膜の膜厚均一性と活性層の膜厚均一性との相関関係を示す活性層用ウェーハの断面図である。 この発明に係る埋め込み絶縁膜の膜厚均一性と活性層の膜厚均一性との相関関係を示す貼り合わせウェーハの断面図である。

符号の説明

１０ 活性層用ウェーハ、
１２ａ，１２ｂ シリコン酸化膜（絶縁膜）、
１２ｃ 埋め込みシリコン酸化膜（絶縁膜）、
１３ 活性層、
１４ 水素イオン注入領域（イオン注入領域）、
２０ 支持用ウェーハ、
３０ 貼り合わせウェーハ。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、ボロンが所定量添加されたｐ型の単結晶シリコンインゴットをＣＺ法により引き上げる。その後、この単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、鏡面研磨などを施す。これにより、いずれも、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、比抵抗１０〜２０Ωｃｍ、ｐ型の片面が鏡面仕上げされた活性層用ウェーハ１０および支持用ウェーハ２０が得られる（図１のＳ１０１工程およびＳ１０２工程を参照）。
その後、図１のＳ１０３工程およびＳ１０４工程に示すように、両ウェーハ１０，２０に酸素ガス雰囲気で熱酸化処理を施し、両ウェーハ１０，２０の露出面の全域に、シリコン酸化膜１２ａ、１２ｂをそれぞれ形成する。熱酸化処理条件は、例えば後述の表１に示す試験例１の場合、活性層用ウェーハ１０が７００℃、２０時間、支持用ウェーハ２０が１０００℃、６時間である。シリコン酸化膜１２ａの厚さは０．０１μｍ（所望の活性層１３の厚さの約２％に該当）、シリコン酸化膜１２ｂの厚さは０．１４μｍである。両シリコン酸化膜１２ａ，１２ｂの厚さは、酸化温度および処理時間によって変更される。

次に、図１のＳ１０５工程に示すように、活性層用ウェーハ１０の鏡面仕上げされた表面から所定深さ位置に、中電流イオン注入装置を使用し、５０ｋｅＶの加速電圧で水素イオンを注入する。これにより、水素イオン注入領域１４が形成される。その際のドーズ量は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、イオン注入深さ（Ｒｐ）は約０．５μｍである。

この後、活性層用ウェーハ１０および支持用ウェーハ２０について貼り合わせ前のプラズマ処理を施してもよい。プラズマ処理は、酸素雰囲気中または窒素雰囲気中で、反応性ガスのプラズマを発生させ、これらウェーハをそのプラズマ中に、例えば室温で３０秒間保持する。プラズマ処理効果は、活性層用ウェーハ１０および支持用ウェーハ２０にそれぞれ設けられた酸化膜１２ａ，１２ｂ表面上に付着した不純物（例えば有機物）等が除去されることにより、その表面が活性化され、プラズマ処理を行わない通常の貼り合わせの場合と比較して、貼り合わせ強度が増大する。通常、貼り合わせにおいては、酸化膜同士の貼り合わせは、シリコンと酸化膜との貼り合わせと比較して、その接合強度が小さくなり、スマートカット法において剥離ができない等、歩留りの低下を伴うが、上記プラズマ処理を追加することによりその貼り合わせ強度が改善され、歩留りを低下させることなく高品質化が可能となる。なお、プラズマ処理の温度は４００℃以上であれば、活性層用ウェーハについてはイオン注入層からの剥離が懸念されるため、イオン注入後の活性層用ウェーハについては剥離が生じない温度であればよいこととなる。

続いて、図１のＳ１０６工程に示すように、活性層用ウェーハ１０の表面と支持用ウェーハ２０の鏡面とを貼り合わせ面（重ね合わせ面）とし、シリコン酸化膜１２ａ，１２ｂを介して、例えば真空装置内で公知の治具により、両ウェーハ１０，２０を貼り合わせる。これにより、貼り合わせウェーハ３０が形成される。このとき、図２に示すように、活性層用ウェーハ１０と支持用ウェーハ２０との間でシリコン酸化膜１２ａ，１２ｂが接合し、埋め込みシリコン酸化膜１２ｃとなる。

それから、図１のＳ１０７工程に示すように、貼り合わせウェーハ３０を図示しない剥離熱処理装置に挿入し、５００℃の炉内温度、Ｎ_２ガス（アルゴンガスまたは酸素ガスでもよい）の雰囲気で、貼り合わせウェーハ３０を熱処理する。熱処理時間は３０分間である。これにより、支持用ウェーハ２０の貼り合わせ界面側に活性層１３を残し、活性層用ウェーハ１０を水素イオン注入領域１４から剥離する低温熱処理が施される。剥離された活性層用ウェーハ１０は、その後、表面を再研磨して支持用ウェーハ２０または活性層用ウェーハ１０として再利用することもできる。

剥離後、図１のＳ１０８工程に示すように、１１００℃、２時間の熱処理を行う。その結果、活性層１２ａと支持用ウェーハ２０との貼り合わせ強度がさらに増強される。
そして、図１のＳ１０９工程に示すように、ＳＯＩ構造の貼り合わせウェーハ３０は、活性層１３の外周部に残ったシリコン酸化膜１２ａと、支持用ウェーハ２０のシリコン酸化膜１２ｂとが、５０重量％のＨＦ溶液（室温）により、１分間、ＨＦエッチングされる。その後、図１のＳ１１０工程に示すように、活性層１３の表面が研磨装置により研磨される。こうして、スマートカット法による貼り合わせＳＯＩウェーハ１１が作製される（図１のＳ１１０工程を参照）。

このように、活性層用ウェーハ１０のシリコン酸化膜１２ａの厚さを、貼り合わせウェーハ３０の埋め込みシリコン酸化膜１２ｃより薄くしたので、水素イオン注入時において、仮にシリコン酸化膜１２ａの面内膜厚のばらつきが大きくても、活性層１３の面内厚さの均一性を高めることができる。
しかも、シリコン酸化膜１２ａが薄くなることから、水素イオンの注入深さが相対的に深くなり、このイオン注入による埋め込みシリコン酸化膜１２ｃのダメージを低減することができる。

ここで、実際に本発明法および従来法について、剥離後の活性層の膜厚の均一性と、埋め込みシリコン酸化膜のエッチングレートとを比較調査した結果を報告する。
活性層の膜厚の均一性はエリプソメータにより測定した。また、埋め込みシリコン酸化膜（活性層用ウェーハ側のシリコン酸化膜＋支持用ウェーハ側のシリコン酸化膜）のエッチングレートは、１重量％のＨＦ溶液を使用し、２０℃、１分間のエッチングしたときのエッチングレートである。その結果を表１に示す。
なお、表中のＢＯＸは埋め込みシリコン酸化膜１２ｃを示し、ｔｄｏｘは活性層用ウェーハの酸化膜１２ａの厚さを示し、ｔｓｏｉは活性層１３の厚さを示している。また、表中の剥離後の活性層均一性は、以下の式により求めた。
（剥離後の活性層のばらつき／剥離後のＳＯＩ厚さ）×１００（％）

表１から明らかなように、ｔｄｏｘ／ｔｓｏｉの関係が１／９未満である試験例１および試験例２はいずれも、比較例１〜比較例３に比べて剥離後の活性層の膜厚の均一性が改善された。また、試験例１および試験例２の埋め込みシリコン酸化膜のエッチングレートも、イオン注入を行わない熱酸化膜のエッチングレート（このときのエッチングレートを１とした）と比べてほぼ同等の結果が得られた。

Claims (4)

1. 絶縁膜が形成された活性層用ウェーハの所定深さ位置に軽元素をイオン注入し、上記活性層用ウェーハにイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、
   その後、上記活性層用ウェーハと、絶縁膜が形成された支持用ウェーハとを、両絶縁膜同士を重ね合わせて貼り合わせ、貼り合わせウェーハを作製する貼り合わせ工程と、
   この貼り合わせウェーハを熱処理し、上記イオン注入領域内に軽元素バブルを形成させ、上記貼り合わせウェーハのイオン注入側を剥離して活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 上記活性層用ウェーハの絶縁膜の厚さｔｄｏｘは、
   ｔｄｏｘ＜（１／９）×ｔｓｏｉ
   ｔｓｏｉ＝活性層の厚さ
   の式を満足させる請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
3. 上記活性層用ウェーハと上記支持用ウェーハとの貼り合わせ前に、上記活性層用ウェーハおよび上記支持用ウェーハについてそれぞれプラズマ処理を施す請求項１または請求項２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 上記プラズマ処理は、酸素ガス雰囲気または窒素ガス雰囲気で、４００℃以下の温度に１０秒間以上保持して行う請求項３に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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