JPWO2005024916A1 - Soiウェーハの作製方法 - Google Patents
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Abstract
活性層用ウェーハに酸化膜を介して水素ガスをイオン注入する。この酸化膜を貼り合わせ面として支持ウェーハに貼り合わせる。貼り合わせウェーハを400〜1000℃にて熱処理する。これにより、イオン注入層を境界として貼り合わせウェーハが剥離し、SOIウェーハが作製される。この剥離熱処理では、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御する。その結果、未剥離領域が生じることなく、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。
Description
この発明はSOIウェーハの作製方法、詳しくは水素イオン注入剥離法におけるSOIウェーハの作製方法に関する。
SOIウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べ、素子間の分離、素子と基板間の寄生容量の低減、3次元構造が可能といった優越性があり、高速・低消費電力のLSIに使用されている。
SOIウェーハの製造方法の1つに、シリコンウェーハ表面に水素イオンを注入した後貼り合わせ、その後剥離熱処理によりイオン注入層を境界として剥離するスマートカット法がある。このスマートカット法においては、シリコンウェーハの表面に水素イオンが注入された活性層用ウェーハと、支持ウェーハとを貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜を有する貼り合わせウェーハが形成される。この後、この貼り合わせウェーハを剥離熱処理する。この剥離熱処理の設定温度は、例えば、特許文献1に記載の通り、略500℃以上で行う必要がある。
SOIウェーハの製造方法の1つに、シリコンウェーハ表面に水素イオンを注入した後貼り合わせ、その後剥離熱処理によりイオン注入層を境界として剥離するスマートカット法がある。このスマートカット法においては、シリコンウェーハの表面に水素イオンが注入された活性層用ウェーハと、支持ウェーハとを貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜を有する貼り合わせウェーハが形成される。この後、この貼り合わせウェーハを剥離熱処理する。この剥離熱処理の設定温度は、例えば、特許文献1に記載の通り、略500℃以上で行う必要がある。
しかしながら、この方法においては、剥離熱処理の炉内の温度分布、特に、貼り合わせウェーハの表面内の温度分布が不均一となると、この表面内で結晶の再配列および気泡の凝縮が非連続的になりやすい。また、SOI層の膜厚の均一性が悪くなってしまうおそれがあり、その後の薄膜化工程にも影響がおよんでしまう。また、イオン注入層を境界として剥離されない領域が発生し、SOIウェーハを作製することができなくなってしまう。
この発明は、スマートカット法によるSOIウェーハの作製において、貼り合わせウェーハの剥離熱処理時、貼り合わせウェーハの表面内の温度を略均一にするSOIウェーハの作製方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができるSOIウェーハの作製方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができるSOIウェーハの作製方法を提供することを目的とする。
第1の発明は、活性層用ウェーハに絶縁膜を介して希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを設定温度に保持して熱処理することにより、イオン注入層を境界として活性層用ウェーハの一部を剥離するSOIウェーハの作製方法であって、上記熱処理では、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御して、イオン注入層を境界として剥離するSOIウェーハの作製方法である。
第1の発明に係るSOIウェーハの作製方法にあっては、まず活性層用ウェーハ(例えばシリコンウェーハに酸化膜を形成したウェーハ)にイオン注入層を形成する。次いで、この活性層用ウェーハを、絶縁膜を介して支持ウェーハ(例えばシリコンウェーハ)に貼り合わせる。活性層用ウェーハと支持ウェーハとが貼り合わされた結果、貼り合わせ界面に絶縁膜が介在された貼り合わせウェーハが形成される。この後、この貼り合わせウェーハを設定温度(例えば400〜1000℃)にて熱処理する。この際、貼り合わせウェーハの表面内の温度差は40℃以下に制御してある。この結果、イオン注入層においては希ガスのバブルが形成され、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として剥離する。この場合、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となっているため、未剥離領域が生じることなく、イオン注入層を境界として貼り合わせウェーハが全面にて完全に剥離することができる。
このように第1の発明にあっては、スマートカット法によるSOIウェーハ作製方法において、剥離熱処理時の貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御している。例えば、剥離が開始される温度を410℃以上と仮定した場合、貼り合わせウェーハの表面温度が410℃から450℃の範囲にある領域では剥離される。しかし、400℃の領域では、強制的に貼り合わせ界面から剥離されてしまう。その結果、部分的にSOI構造を有しないSOIウェーハが作製される。すなわち、剥離が開始された直後は、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以内にする必要がある。
対象となる貼り合わせウェーハの口径は、例えば200mmまたは300mmである。
剥離熱処理を行う熱処理装置は、枚葉式のRTP(Rapid Thermal Processing)炉が好ましい。なぜなら、枚葉式炉で1枚ずつランプ加熱を行うことにより、貼り合わせウェーハを高速にかつ均一に加熱することができるからである。一方、バッチ式の炉では、投入温度、投入速度により貼り合わせウェーハの加熱速度が様々であり、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御するのは難しい。バッチ炉を使用する場合には、例えば剥離開始温度までの昇温速度を20℃/分以下に制御して剥離熱処理を行う。昇温速度が20℃/分を超えると、ウェーハ面内の一部においてその温度上昇に追随できなくなる箇所が生じる。これにより、ウェーハの面内において温度の不均一が生じてしまう。よって、昇温速度を20℃/分以下にすると、貼り合わせウェーハの全面において温度差を40℃以下に容易にかつ正確に制御することができる。
対象となる貼り合わせウェーハの口径は、例えば200mmまたは300mmである。
剥離熱処理を行う熱処理装置は、枚葉式のRTP(Rapid Thermal Processing)炉が好ましい。なぜなら、枚葉式炉で1枚ずつランプ加熱を行うことにより、貼り合わせウェーハを高速にかつ均一に加熱することができるからである。一方、バッチ式の炉では、投入温度、投入速度により貼り合わせウェーハの加熱速度が様々であり、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御するのは難しい。バッチ炉を使用する場合には、例えば剥離開始温度までの昇温速度を20℃/分以下に制御して剥離熱処理を行う。昇温速度が20℃/分を超えると、ウェーハ面内の一部においてその温度上昇に追随できなくなる箇所が生じる。これにより、ウェーハの面内において温度の不均一が生じてしまう。よって、昇温速度を20℃/分以下にすると、貼り合わせウェーハの全面において温度差を40℃以下に容易にかつ正確に制御することができる。
第2の発明は、第1の発明にあって、上記設定温度は、400℃〜1000℃であるSOIウェーハの作製方法である。
第2の発明に係るSOIウェーハの作製方法にあっては、貼り合わせウェーハの剥離熱処理の設定温度は、400℃〜1000℃の範囲である。設定温度が400℃未満であれば、貼り合わせウェーハの剥離開始温度に到達せず、剥離できない問題が生じる。1000℃を超えると、熱処理装置の反応管(石英管)が変形する等の問題が生じる。また、貼り合わせウェーハが一度剥離した界面同士で接触するなどして結合してしまい、その後再び剥離することが困難となる。つまり、貼り合わせウェーハの全面が少なくとも400℃〜1000℃にあり、かつ、その面内での温度差が40℃であることが必要である。
バッチ炉を使用する場合には、投入時の炉内の温度は、400℃以下に抑えることが必要であり、SOIウェーハを作製する際のスループットを考慮すれば、投入時の炉内の温度は300〜400℃であるのが好ましい。すなわち、投入温度を400℃以下にすることで、貼り合わせウェーハの面内の温度差を小さくしてこのウェーハを加熱することができる。
バッチ炉を使用する場合には、投入時の炉内の温度は、400℃以下に抑えることが必要であり、SOIウェーハを作製する際のスループットを考慮すれば、投入時の炉内の温度は300〜400℃であるのが好ましい。すなわち、投入温度を400℃以下にすることで、貼り合わせウェーハの面内の温度差を小さくしてこのウェーハを加熱することができる。
第3の発明は、第1の発明または第2の発明にあって、上記貼り合わせウェーハを略垂直に保持して熱処理することにより、これをイオン注入層を境界として剥離するSOIウェーハの作製方法である。
貼り合わせウェーハを略垂直に保持して、かつ、貼り合わせウェーハを加熱するための熱源を、この表裏面に近接して配置する。この熱源は、例えば、赤外線ランプが用いられる。
貼り合わせウェーハを略垂直に保持して、かつ、貼り合わせウェーハを加熱するための熱源を、この表裏面に近接して配置する。この熱源は、例えば、赤外線ランプが用いられる。
第3の発明に係るSOIウェーハの作製方法にあっては、貼り合わせウェーハは、RTP炉内の反応室に配置された石英製支持治具に垂直に保持される。そして、この貼り合わせウェーハを、その表裏面の側方に配置された赤外線ランプにより加熱処理をする。
この貼り合わせウェーハを垂直に保持する理由は、剥離熱処理の後、剥離したウェーハ同士が再接触することを防止するためである。そして、この貼り合わせウェーハの全面を均一にかつ高速に加熱することにより、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となる。そして、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。
この貼り合わせウェーハを垂直に保持する理由は、剥離熱処理の後、剥離したウェーハ同士が再接触することを防止するためである。そして、この貼り合わせウェーハの全面を均一にかつ高速に加熱することにより、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となる。そして、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。
この発明によれば、スマートカット法によるSOIウェーハの作製方法において、貼り合わせウェーハを設定温度400〜1000℃にて熱処理する。この際、貼り合わせウェーハの表面内の温度差は40℃以下に制御する。この結果、イオン注入層においては希ガスのバブルが形成され、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として、貼り合わせウェーハが剥離する(活性層用ウェーハの一部が残りのSOIウェーハから分離する)。この場合、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となっている。このため、未剥離領域が生じることなく、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。
11 SOI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。
以下、この発明の一実施例を、図1〜図3を参照して説明する。
本実施例に係るスマートカット法によるSOIウェーハ11の作製方法は、以下の方法で行われる。
まず、CZ法により育成され、ボロンがドーパントとされた単結晶シリコンインゴットからスライスしたシリコンウェーハを2枚準備する。これらのシリコンウェーハを、一方を活性層用ウェーハとして、他方を支持用ウェーハとする。そして、活性層用ウェーハとなるシリコンウェーハの表面に酸化膜を形成する。酸化膜の形成は、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。このとき、形成される酸化膜の厚さは150nmである。
本実施例に係るスマートカット法によるSOIウェーハ11の作製方法は、以下の方法で行われる。
まず、CZ法により育成され、ボロンがドーパントとされた単結晶シリコンインゴットからスライスしたシリコンウェーハを2枚準備する。これらのシリコンウェーハを、一方を活性層用ウェーハとして、他方を支持用ウェーハとする。そして、活性層用ウェーハとなるシリコンウェーハの表面に酸化膜を形成する。酸化膜の形成は、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。このとき、形成される酸化膜の厚さは150nmである。
次に、酸化膜が形成されたシリコンウェーハを、イオン注入装置の真空チャンバの中にセットする。そして、活性層用ウェーハの表面より酸化膜を介して所定のドーズ量の水素イオンを注入する。この結果、活性層用ウェーハの所定深さ位置(シリコンウェーハ中の所定深さ範囲)にイオン注入層が形成される。
次に、室温で、水素イオンが注入された活性層用ウェーハを、その水素イオンが注入された面(酸化膜表面)を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜(酸化膜)が介在された貼り合わせウェーハが形成される。
以上の工程は、一般的なスマートカット法によるSOIウェーハの作製方法と同じである。
次に、室温で、水素イオンが注入された活性層用ウェーハを、その水素イオンが注入された面(酸化膜表面)を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜(酸化膜)が介在された貼り合わせウェーハが形成される。
以上の工程は、一般的なスマートカット法によるSOIウェーハの作製方法と同じである。
次に、貼り合わせウェーハ11を剥離熱処理する装置について説明する。
図1〜図3に示すように、剥離熱処理装置には、枚葉式のRTP炉25が用いられる。このRTP炉25は、バッチ炉に比べて、秒単位までの昇温速度の制御ができ、貼り合わせウェーハの表面を均一にかつ高速に加熱することができる。
このRTP炉25には、反応室20が設けられている。この反応室20には、貼り合わせウェーハ11を垂直に保持する石英製支持治具22が設けられている。また、垂直に保持した貼り合わせウェーハ11の表裏面側方には、貼り合わせウェーハ11を熱処理する熱源である複数の赤外線ランプ21が設けられている。赤外線ランプは、長くて細い形状を有し、貼り合わせウェーハ11の表裏面側方にこれを複数垂直に並べて配設する。これにより、貼り合わせウェーハ11の全面において均一に剥離熱処理することができる。さらに、図3に示すように、反応室20内にガスを導入するためのガス導入口26が設けられている。
図1〜図3に示すように、剥離熱処理装置には、枚葉式のRTP炉25が用いられる。このRTP炉25は、バッチ炉に比べて、秒単位までの昇温速度の制御ができ、貼り合わせウェーハの表面を均一にかつ高速に加熱することができる。
このRTP炉25には、反応室20が設けられている。この反応室20には、貼り合わせウェーハ11を垂直に保持する石英製支持治具22が設けられている。また、垂直に保持した貼り合わせウェーハ11の表裏面側方には、貼り合わせウェーハ11を熱処理する熱源である複数の赤外線ランプ21が設けられている。赤外線ランプは、長くて細い形状を有し、貼り合わせウェーハ11の表裏面側方にこれを複数垂直に並べて配設する。これにより、貼り合わせウェーハ11の全面において均一に剥離熱処理することができる。さらに、図3に示すように、反応室20内にガスを導入するためのガス導入口26が設けられている。
次に、貼り合わせウェーハ11の剥離熱処理の方法について説明する。
図3に示すように、ウェーハキャリア23内に、活性層用ウェーハにイオン注入層が形成された貼り合わせウェーハ11が水平に保持されている。この貼り合わせウェーハ11を、ウェーハ搬送ロボット24を用いて、ウェーハキャリア23内から取り出す。さらに、取り出した貼り合わせウェーハ11を垂直にして、RTP炉25の反応室20に搬送する。そして、反応室20内に搬送された貼り合わせウェーハ11は、反応室20の石英製支持治具22によって、垂直に支持される。このとき、反応室20に貼り合わせウェーハ11を投入するときの温度は室温である。
そして、反応室20内を室温から400℃〜1000℃の範囲の設定温度(例えば500℃)まで昇温速度20℃/分以下で昇温し、10分間保持する。ただし、昇温速度が20℃/分を超えると、ウェーハ面内の温度分布を悪化させ、その結果SOI層(活性層)の膜厚分布を悪化させる。よって、昇温速度は20℃/分以下が好ましい(下記の表3の結果)。
反応室20内は、ガス導入口26からN2ガスが導入され、N2ガス雰囲気になっている。これにより、貼り合わせウェーハ11にあっては、その活性層用ウェーハに注入された水素イオンのバブルが形成される。そして、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として、活性層用ウェーハの一部(貼り合わせウェーハ11の一部)が全面にて剥離する。
このとき、貼り合わせウェーハ11の表裏側方に設けられた赤外線ランプ21により、垂直に保持した貼り合わせウェーハ11の全面を均一にかつ高速に加熱する。これにより、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となる。そして、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。また、貼り合わせウェーハ11は、垂直に保持されて剥離熱処理される。よって、この後、剥離して分離されたウェーハ同士が再接触することを防止することができる。
剥離熱処理後、面検機(SFS6220)を用いて貼り合わせウェーハ11の剥離面(活性層用ウェーハ側)のヘイズレベルを測定した。これは、SOIウェーハでは、SOI層およびBOX層(埋め込み酸化膜)の厚みによりヘイズレベルが変化するためである。その結果、貼り合わせウェーハ11の剥離面については2000ppm以上のヘイズが確認されず、剥離面が均一に剥離処理されていることが確認できた。
図3に示すように、ウェーハキャリア23内に、活性層用ウェーハにイオン注入層が形成された貼り合わせウェーハ11が水平に保持されている。この貼り合わせウェーハ11を、ウェーハ搬送ロボット24を用いて、ウェーハキャリア23内から取り出す。さらに、取り出した貼り合わせウェーハ11を垂直にして、RTP炉25の反応室20に搬送する。そして、反応室20内に搬送された貼り合わせウェーハ11は、反応室20の石英製支持治具22によって、垂直に支持される。このとき、反応室20に貼り合わせウェーハ11を投入するときの温度は室温である。
そして、反応室20内を室温から400℃〜1000℃の範囲の設定温度(例えば500℃)まで昇温速度20℃/分以下で昇温し、10分間保持する。ただし、昇温速度が20℃/分を超えると、ウェーハ面内の温度分布を悪化させ、その結果SOI層(活性層)の膜厚分布を悪化させる。よって、昇温速度は20℃/分以下が好ましい(下記の表3の結果)。
反応室20内は、ガス導入口26からN2ガスが導入され、N2ガス雰囲気になっている。これにより、貼り合わせウェーハ11にあっては、その活性層用ウェーハに注入された水素イオンのバブルが形成される。そして、このバブルが形成されたイオン注入層を境界として、活性層用ウェーハの一部(貼り合わせウェーハ11の一部)が全面にて剥離する。
このとき、貼り合わせウェーハ11の表裏側方に設けられた赤外線ランプ21により、垂直に保持した貼り合わせウェーハ11の全面を均一にかつ高速に加熱する。これにより、貼り合わせウェーハの表面内の温度がほぼ均一となる。そして、イオン注入層を境界として全面にて完全に剥離することができる。また、貼り合わせウェーハ11は、垂直に保持されて剥離熱処理される。よって、この後、剥離して分離されたウェーハ同士が再接触することを防止することができる。
剥離熱処理後、面検機(SFS6220)を用いて貼り合わせウェーハ11の剥離面(活性層用ウェーハ側)のヘイズレベルを測定した。これは、SOIウェーハでは、SOI層およびBOX層(埋め込み酸化膜)の厚みによりヘイズレベルが変化するためである。その結果、貼り合わせウェーハ11の剥離面については2000ppm以上のヘイズが確認されず、剥離面が均一に剥離処理されていることが確認できた。
剥離された後の貼り合わせウェーハ11は、一般的なスマートカット法によるSOIウェーハの作製方法により、最終的にSOIウェーハとして作製される。すなわち、活性層用ウェーハ部分と支持用ウェーハとを強固に結合するための熱処理を行う。熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で1100℃以上、略2時間の条件で行う。
最後に、SOI層表面を研削し、さらにこの研削面を鏡面研磨してSOI層の薄膜化処理を行い、SOIウェーハを完成させる。
最後に、SOI層表面を研削し、さらにこの研削面を鏡面研磨してSOI層の薄膜化処理を行い、SOIウェーハを完成させる。
次に、貼り合わせウェーハ11の剥離熱処理について、以下の条件での実験をそれぞれ行った。すなわち、
(1)剥離熱処理時の貼り合わせウェーハ11の表面内の温度差を変化させて、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表1)、
(2)バッチ炉を使用して、300℃〜700℃の条件にて貼り合わせウェーハ11を投入し、700℃まで昇温後、30分間保持した後、貼り合わせウェーハ11を取り出し、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表2)、
(3)バッチ炉を使用して、300℃にて貼り合わせウェーハ11を投入し、500℃までの昇温速度を変化させて剥離熱処理を行い、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表3)について行った。
なお、これらの実験において、貼り合わせウェーハ11の剥離面の評価(SOI層分布)には、表面検査装置(SFS6220)を用いた。以上の結果を表1〜表3に示す。
(1)剥離熱処理時の貼り合わせウェーハ11の表面内の温度差を変化させて、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表1)、
(2)バッチ炉を使用して、300℃〜700℃の条件にて貼り合わせウェーハ11を投入し、700℃まで昇温後、30分間保持した後、貼り合わせウェーハ11を取り出し、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表2)、
(3)バッチ炉を使用して、300℃にて貼り合わせウェーハ11を投入し、500℃までの昇温速度を変化させて剥離熱処理を行い、SOI層分布および未剥離領域の有無を確認する実験(表3)について行った。
なお、これらの実験において、貼り合わせウェーハ11の剥離面の評価(SOI層分布)には、表面検査装置(SFS6220)を用いた。以上の結果を表1〜表3に示す。
以上の実験の結果、貼り合わせウェーハ11の表面内の温度差を40℃以下に制御すれば、未剥離領域が生じることなく、その貼り合わせウェーハ11が全面にて完全に剥離することが確認された。また、バッチ炉を用いたとき、熱処理の炉内の設定温度を400℃〜1000℃にして剥離熱処理を行うと、未剥離領域が生じることなく、貼り合わせウェーハ11が全面にて完全に剥離することが確認された。さらに、バッチ炉を用いたとき、昇温速度を20℃/分以下にして剥離熱処理を行うと、未剥離領域が生じることなく、貼り合わせウェーハ11が全面にて完全に剥離することが確認された。
Claims (3)
- 活性層用ウェーハに絶縁膜を介して希ガス元素をイオン注入して、この活性層用ウェーハにイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ウェーハを絶縁膜を介して支持ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成し、この後、この貼り合わせウェーハを設定温度に保持して熱処理することにより、イオン注入層を境界として活性層用ウェーハの一部を剥離するSOIウェーハの作製方法であって、
上記熱処理では、貼り合わせウェーハの表面内の温度差を40℃以下に制御して、イオン注入層を境界として剥離するSOIウェーハの作製方法。 - 上記設定温度は、400℃〜1000℃である請求項1に記載のSOIウェーハの作製方法。
- 上記貼り合わせウェーハを略垂直に保持して熱処理することにより、これをイオン注入層を境界として剥離する請求項1または請求項2に記載のSOIウェーハの作製方法。
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