KR20090108557A - 접합 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
활성층용 웨이퍼의 산소 이온 주입층이 완전하게 연속된 SiO2층으로 되지 않고, 부분적으로 Si 또는 SiOX와 혼합된 층인 경우에도, 이러한 산소 이온 주입층을 효과적으로 제거할 수 있는 접합 웨이퍼의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 접합 웨이퍼의 산소 이온 주입층을 제거하는 공정에 있어서, 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거한다.
Description
본 발명은 접합 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 SOI층의 막두께 내면 균일성의 유리한 향상을 도모하기 위한 것이다.
일반적인 접합 웨이퍼의 제조 방법으로는, 산화막(절연막)이 형성된 한장의 실리콘 웨이퍼에 다른 한장의 실리콘 웨이퍼를 접합시키고, 이 접합시킨 실리콘 웨이퍼의 한쪽을 연삭 연마하여 SOI층을 형성하는 방법(연삭 연마법)이나, 실리콘 웨이퍼의 내부에 산소 이온을 주입한 뒤, 고온 어닐링을 행함으로써, 실리콘 웨이퍼의 내부에 매립 산화막을 형성하고, 그 산화막의 상부를 SOI층으로 하는 방법(SIMOX), SOI층용 실리콘 웨이퍼(활성층용 웨이퍼)의 표층부에, 수소 이온 등을 주입하여 이온 주입층을 형성한 뒤, 지지 기판용의 실리콘 웨이퍼와 접합시키고, 이어서 열처리에 의해 상기의 이온 주입층에서 박리함으로써, SOI층을 형성하는 방법(스마트컷 법) 등이 알려져 있다.
그러나, 상기 방법 중 연삭 연마법은 활성층(SOI층)의 막두께 균일성이 저하되는(±30%이상) 문제가 있었다. 한편, 산소 이온 주입을 사용한 방법(SIMOX)의 경우에는, 절연층을 사이에 두고 결정 방향이 다른 SOI 구조를 제조할 수 없는 문 제가 있었다.
상기의 문제를 해결하기 위하여, 발명자들은 산소 이온 주입법과 연삭 연마법을 조합시킨 프로세스를 이미 개발하여, 일본 특개평5-291543호 공보에 개시하였다.
그 외에도, 산소 이온 주입법과 연삭 연마법을 조합시킨 프로세스로서, 일본 특허출원 2006-184237호 명세서에서, 다음의 구성으로 되는 접합 웨이퍼의 제조 방법을 제안하였다.
「표면에 절연막을 갖거나 갖지 않는 활성층용 웨이퍼를 직접 지지층용 웨이퍼와 접합시킨 후, 활성층용 웨이퍼를 박막화하는 것으로 이루어지는 접합 웨이퍼 제조 방법으로서,
활성층용 웨이퍼에 산소 이온을 주입하여, 활성층 내에 산소 이온 주입층을 형성하는 공정,
활성층용 웨이퍼에 대하여, 비산화성 분위기 속에서 1100℃ 이상의 온도로 열처리를 실시하는 공정,
활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를 접합시키는 공정,
접합 강도를 향상시키기 위한 열처리 공정,
접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼 부분을 산소 이온 주입층의 바로 앞까지 연삭하는 공정,
활성층용 웨이퍼를 더욱 연마 또는 에칭하여, 산소 이온 주입층을 노출시키는 공정,
접합 웨이퍼를 산화 처리하여 산소 이온 주입층의 노출면에 산화막을 형성하는 공정,
상기 산화막을 제거하는 공정, 및
비산화성 분위기 내에서 1100℃ 이하의 온도로 열처리를 실시하는 공정
의 시계열적 결합으로 되는 것을 특징으로 하는 접합 웨이퍼의 제조 방법.」
이러한 조합법에 의해, 활성층의 막두께 균일성이 뛰어나고, 또한 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 평가에서 비교적 결함이 적은, 직접 접합 웨이퍼의 제공이 가능하게 되었다.
그러나, 상술한 산소 이온 주입법과 연삭 연마법의 조합법은 여전히 다음과 같은 문제를 남기고 있었다.
(1) 연마 스톱(연마 Stop) 또는 에칭 스톱(에칭 Stop)
산소 이온 주입량 및/또는 접합 강화 열처리 조건을 적절하게 선택함으로써, 산소 이온 주입층에서의 스톱 처리는 가능하지만, 연마의 경우에는 그 가공 정밀도가 문제되고, 또한 에칭 스톱의 경우에는 Si와 SiO2의 선택비에 따라 산소 이온 주입층의 일부가 얇아지게 된다는 위험성이 있었다.
(2) 산소 이온 주입층의 제거
제조 비용을 저감하기 위하여, 산소 이온 주입 및 열처리를 간략화한 경우, 산소 이온 주입층이 완전히 연속된 SiO2층으로 되지 않고, 부분적으로 Si 또는 SiOX와 혼합된 층이 된다. 따라서, 통상 SiO2층(산화막)을 제거하기 위하여 이용되는 HF 용액으로는 산소 이온 주입층을 제거할 수 없다.
그 때문에, 지금까지는 산소 이온 주입층을 산화 분위기 속의 열처리로 산화시키고, 그 후 HF 용액으로 제거하는 방법이 이용되었다. 그러나, 이 방법에서는, 스톱 처리 후의 막두께 분포가 더욱 열화되고, 최종 제품의 톱(Top)Si층에 있어서 반드시 양호한 막두께 분포를 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기 문제를 유리하게 해결하는 것으로, 산소 이온 주입층이 완전히 연속된 SiO2층이 아니고, 부분적으로 Si 또는 SiOX와 혼합된 층인 경우에도, 이러한 산소 이온 주입층을 그 자체로 효과적으로 제거할 수 있는 접합 웨이퍼의 유리한 제조 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은 상기의 문제를 해결하기 위하여, 다양한 연구를 거듭한 결과, 다음과 같은 지견을 얻었다.
(1) 산소 이온 주입층의 제거액으로서, 실리콘을 산화시키는 용액(예를 들면, 오존수나 질산, 과산화 수소수)과 HF 용액을 교대로 사용하여 반복처리하는 것에 의해, Si 및 SiO2가 혼합된 산소 이온 주입층이라도 제거가 가능하게 된다.
(2) 상기의 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리에 의해, 스톱 공정에서의 막두께 분포를 개선할 수 있다.
본 발명은 상기의 지견에 입각한 것이다.
즉, 본 발명의 요지구성은 다음과 같다.
1. 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를, 절연막을 사이에 두고, 또는 사이에 두지 않고 접합 시킨 후, 활성층용 웨이퍼를 박막화하는 것으로 이루어지는 접합 웨이퍼의 제조 방법으로서,
(1) 활성층용 웨이퍼에 산소 이온을 주입하는 공정,
(2) 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를, 직접 또는 절연막을 사이에 두고 접합시키는 공정,
(3) 접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼를 박막화하여, 산소 이온 주입층을 노출시키는 공정,
(4) 활성층용 웨이퍼의 산소 이온 주입층을 제거하는 공정, 및
(5) 활성층용 웨이퍼의 표면을 열처리 및/또는 연마하여 평탄화 및/또는 박막화하는 공정
을 포함하는 일련의 공정 중, 상기 (4)의 공정에 있어서, 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거하는 것을 특징으로 하는, 접합 웨이퍼의 제조 방법.
2. 항목 1에 있어서, 상기 산화 용액으로서, 오존수 또는 질산을 사용하는 것을 특징으로 하는 접합 웨이퍼의 제조 방법.
3. 항목 1 또는 2에 있어서, 상기 접합 웨이퍼의 각 웨이퍼면의 결정 방위가 (100), (110) 또는 (111)의 조합인 것을 특징으로 하는 접합 웨이퍼의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 산소 이온 주입층이 완전히 연속된 SiO2층이 아니고, 부분적으로 Si 또는 SiOX와 혼합된 층인 경우에도, 이러한 산소 이온 주입층을 그 자체로 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 스톱 공정에 있어서 막두께 분포가 열화된 경우에도, 그 열화를 개선할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에서 대상으로 하는 접합 웨이퍼 기판 및 도 1에 나타낸 프로세스 플로우에 따른 본 발명의 각 제조 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.
웨이퍼 기판
접합 웨이퍼를 제작하기 위해서는, 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼 2 장의 실리콘 웨이퍼를 접합시켜야 한다. 본 발명은 양 웨이퍼의 접합시에 있어서, 절연막(산화막)을 사이에 두는 경우는 물론, 이러한 절연막을 사이에 두지 않고 직접 접합시키는 경우에도 적용될 수 있다.
또한, 접합 웨이퍼로는 접합에 적합한 표면 거칠기(roughness)를 갖고 있는 것이라면, 도펀트(dopant)의 종류, 농도 및 산소 농도 등은 한정되지 않는다. 다만, 결함을 보다 저감하기 위해서는, COP가 없는 또는 적은 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다. COP를 저감하기 위하여, CZ 인상 조건을 최적화해서 COP를 줄이는 방법, 웨이퍼 경면(鏡面) 가공 후 환원 분위기 속에서 1000℃ 이상의 고온 열처리 를 웨이퍼에 실시하는 방법, 웨이퍼 상에 CVD 등으로 Si를 에피택셜 성장시키는 방법 등이 적용될 수 있다.
(1) 활성층용 웨이퍼에 산소 이온을 주입하는 공정
본 발명에 있어서, 산소 이온 주입시의 가속 전압은 최종 제품의 활성층 두께에 따라 적절히 선택할 수 있고, 특히 한정되는 것은 아니다. 따라서, 통상의 산소 이온 주입기의 100~300keV 정도의 가속 전압에서 행할 수 있다. 또한, 산소 이온의 주입은 두 단계로 나누어서 실시하는 것이 바람직하다.
제1 산소 이온 주입 단계에서, 도즈(dose)량은 1×1016~5×1017atoms/cm2 정도로 하는 것이 바람직하다. 제1 산소 이온 주입 단계에서의 도즈량이 1×1016atoms/cm2보다 적으면 SiO2층의 형성이 충분하지 않게 되고, 적절한 연마 스톱을 행할 수 없게 된다. 한편 5×1017atoms/cm2을 초과하면, 기판을 고온으로 하여 주입을 실시하여도 주입 손상이 크고, 표면 결함이 증가하게 된다. 제1 산소 이온 주입시의 기판 온도는 200~600℃ 정도가 바람직하다.
제2 산소 이온 주입 단계에서, 도즈량은 1×1015~1×1016atoms/cm2 정도로 하는 것이 바람직하다. 제2 산소 이온 주입 단계에서의 도즈량이 1×1015atoms/cm2보다 적으면 비정질층이 충분히 형성되지 않고, 결정 결함의 진전을 멈추는 효과가 작은 반면, 1×1016atoms/cm2을 초과하면 표면층이 모두 비정질이 되고, 활성층이 단결정으로 되지 않기 때문이다. 제2 이온 주입시의 기판 온도는 300℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
나아가, 제1 이온 주입과 제2 이온 주입 단계 사이에 세정을 행하는 것은 유리하다. 이는, 제1 이온 주입 단계에서 발생하는 파티클이 제2 이온 주입 단계에서 마스크로 작용하여, 파티클의 아래쪽 부분에 이온이 주입되지 않게 되고, 그 결과, 그러한 부분의 비정질화가 충분히 행해지지 않게 되어, 결함의 슈팅(shooting)이 생기고, 표면 결함의 원인으로 되는 위험성이 있기 때문이다. 마찬가지로, 제1 이온 주입을 복수회의 분할 주입으로 하고, 그 사이에 세정을 하여도 좋다. 세정 방법으로는, 파티클 제거 능력이 뛰어난 SC1, HF, O3 및 유기산 등이 적합하다.
(2) 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼의 접합 공정
이어서, 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를 접합시킨다. 이 접합 시에 있어서, 절연막을 사이에 두어도 좋고, 절연막을 사이에 두지 않고 직접 접합시키는 것도 가능하다.
절연막을 사이에 두고 접합을 실시하는 경우, 절연막으로는 산화막(SiO2), 질화막(Si3N4) 등이 적합하다. 또한, 성막 방법으로는, 산화 분위기나 질소 분위기 속에서의 열처리(열산화, 열질화), CVD 등이 적합하다. 열산화로는, 산소 가스 외에, 수증기를 이용한 웨트(Wet) 산화 등도 사용할 수 있다. 나아가, 절연막은 산소 이온 주입 전에 표면측 기판에 성막해도 좋고, 주입 후에 성막해도 좋다. 또한, 절연막의 성막은 활성층용 웨이퍼 또는 지지층용 웨이퍼 혹은 활성층용 및 지 지층용의 양쪽 웨이퍼에 대하여 실시할 수 있다.
접합 분위기는 환원 분위기로 하는 것이 바람직하고, 특히 Ar나 H2 또는 그 혼합 분위기 등이 유리하게 적합하다. 접합 시의 열처리 온도에 대해서는, 비정질층의 재결정화를 억제하기 위하여, 1000℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 접합 전에 파티클에 의한 보이드의 발생을 억제하기 위하여 세정 처리를 실시하는 것이 유리하다. 세정 방법으로서, 일반적인 실리콘 웨이퍼 세정 방법인, SC1+SC2, HF+O3, 유기산 또는 그 조합을 사용하는 것이 효과적이다.
나아가, 접합 강도를 높이기 위하여, 접합 전의 실리콘 웨이퍼의 표면을 산소, 질소, He, H2, Ar 또는 그 혼합 분위기를 사용한 플라즈마로 활성화 처리를 실시하는 것이 유리하다.
나아가, 상기의 접합 처리 후, 접합 강도를 향상시키기 위한 열처리를 실시하는 것이 유리하다. 접합 강도를 높이기 위한 이 열처리는, 결합 강도를 충분히 높이기 위하여, 1100℃ 이상의 온도로 1시간 이상 지속하는 것이 바람직하다. 열처리시 분위기는 특히 한정되지 않지만, 다음 공정인 연삭 공정에서의 웨이퍼 이면 보호를 위하여, 산화 분위기로 하여, 150nm 이상의 산화막을 형성하는 것이 바람직하다.
(3) 접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼를 박막화하여, 산소 이온 주입층을 노출시키는 공정
이 공정에서는, 우선, 기계식의 가공에 의해 접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼 의 연삭을 행한다. 이 연삭은 산소 이온 주입층의 표면측에 활성층용 웨이퍼의 일부를 남길 때까지 행한다. 남겨지는 활성층용 웨이퍼의 일부의 막두께는 특히 한정되지 않는다.
다음 공정에서의 연마 또는 알칼리 에칭 공정 시간을 단축하기 위하여, 산소 이온 주입층의 직전까지 활성층용 웨이퍼를 연삭하는 것이 바람직하지만, 연삭 장치의 정밀도, 연삭에 의한 대미지 깊이(약 2μm)를 고려하면, 잔막 Si 두께는 5~10μm 정도로 하는 것이 바람직하다.
한편, 연삭 대신에 알칼리 용액으로 에칭할 수도 있으나, 이 경우에는 지지측 웨이퍼 이면의 에칭을 피하기 위하여, 이면에 산화막 등의 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 활성층용 웨이퍼를 더욱 연마 또는 에칭하여, 산소 이온 주입층을 노출시킨다.
연마법 (연마 Stop)
상기의 박막화 처리로서, 연마 처리를 이용하는 경우에는, 지립농도가 1질량% 이하의 연마제를 공급하면서 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 연마액으로는, 지립(예를 들면 실리카) 농도가 1질량% 이하의 알카리성 용액을 들 수 있다. 또한, 알카리성 용액으로는 무기 알칼리 용액(KOH, NaOH 등), 유기 알칼리 용액(예를 들면, 아민을 주성분으로 하는 피페라진이나 에틸렌디아민 등) 또는 이것들의 혼합 용액 등이 적합하다.
이 연마법은, 지립농도가 1질량% 이하이므로, 지립에 의한 기계적인 연마 작 용은 거의 없고, 화학적인 연마 작용이 우선된다. 따라서, 이 알카리성 용액에 의한 화학적인 연마 작용에 의해, 활성층용 웨이퍼의 일부(Si층)가 연마된다. 알카리성 용액은 Si/SiO2의 에칭 레이트비가 높기 때문에, 활성층용 웨이퍼의 일부인 Si층은 효율적으로 연마될 수 있으나, SiO2층은 거의 연마되지 않는다. 따라서, 연마 장치 기계적 정밀도가 충분하지 않아도, 산소 이온 주입층은 거의 연마되지 않고, Si층만이 연마되는 결과, 산소 이온 주입층을 균일하게 노출시킬 수 있는 것이다.
또한, 이하에 설명하는 에칭법과 비교하여, 이 연마법이 뛰어난 점은 산소 이온 주입층이 완전히 연속된 SiO2층이 되지 않더라도, 산소 이온 주입층에서 분리된 표면측 실리콘 웨이퍼의 일부인 Si 활성층에 어떠한 손상을 주지 않으면서, 면내 두께 균일성이 뛰어난 박막층을 제조할 수 있다는 것에 있다.
에칭법 (에칭 Stop)
상기의 박막화 처리에 있어서, 알카리성 에칭액을 사용하여, 산소 이온 주입층의 연삭측에 위치한 표면측 실리콘 웨이퍼를 제거할 수도 있다. 알카리성 에칭액으로는, 예를 들면 KOH나 NaOH 등이 사용된다. 산소 이온 주입층에 형성된 SiO2층이 연속되지 않은 경우, SiO2 입자 사이의 공간을 통하여 알칼리 용액이 스며들어, 활성층의 일부까지 에칭해 버릴 수 있다. 이러한 현상을 막기 위해서는, 접합 전의 열처리 및/또는 접합 강화 열처리를 1300℃ 이상의 고온에서 5시간 이상의 충분한 시간 처리하는 것이 바람직하다.
에칭법과 연마법의 조합
에칭법과 연마법을 조합하여, 산소 이온 주입층을 노출시킬 수도 있다.
특히, 연마 전에 Si를 에칭함으로써, 테라스(2장의 웨이퍼가 접합하지 않는 최외주 1~3mm의 영역)와 접합 영역 경계가 매끄럽게 되어, 파티클의 발생이 억제된다. 한편, 연마 공정 전에 테라스부만을 연마해도 좋다.
도 2에, 연마 스톱 후의 활성층용 웨이퍼의 표면을 나타낸다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연마 스톱에 의해 노출된 산소 이온 주입층의 단면은 연속된 SiO2층이 아닌, SiO2 입자의 집합체가 되어, 입자간에는 Si가 혼재하고 있다.
(4) 활성층용 웨이퍼의 산소 이온 주입층을 제거하는 공정
상기의 연마 스톱 및/또는 에칭 스톱 후, 노출된 산소 이온 주입층을 제거한다.
지금까지는, 제거 방법으로서, HF 처리, 연마법, 에칭법, 열산화법, 또는 이들의 조합법 등이 적용되어 왔다. 도 3(a) 및 3(b)는 각각, HF 처리 및 (열산화→HF 처리)에 의해 산소 이온 주입층을 제거했을 때의 활성층용 웨이퍼의 표면성상을 도시한 것이다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, HF 처리에 의해서는 산소 이온 주입층을 완전히 제거하는 것이 어렵다. 또한, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, (열산화→HF 처리)를 채용한 경우에는, 산소 이온 주입층을 완전하게 제거할 수는 있으나, TopSi층도 침식되기 때문에, TopSi층 두께의 편차가 커지게 된다.
이에 대하여, 본 발명에 따라, 오존수 등의 산화 용액을 이용한 산화 처리와, HF 용액을 이용한 HF 처리를 되풀이하여 실시하는 경우에는, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 산소 이온 주입층만을 효과적으로 제거할 수 있다.
이하, HF 처리로는 산소 이온 주입층을 완전히 제거할 수 없는 이유를 도 4를 참조하여 설명한다. 즉, 산소 이온 주입층이 잔존하는 웨이퍼 표면에 대하여 HF 처리를 실시한 경우, 최표층(最表層)이 Si층으로 덮이고, 더 이상의 반응이 진행되지 않게 된다.
다음으로, (열산화→HF 처리)에 의하면, 산소 이온 주입층을 완전하게 제거할 수는 있으나, TopSi층 두께의 편차가 커지는 이유를 도 5를 참조하여 설명한다. 그리고, 연마후의 웨이퍼 표면에는 도 5에서 A, B로 표시한 바와 같이, 막두께가 고르지 않은 산소 이온 주입층이 잔존하고 있는 것으로 한다.
우선, 산소 이온 주입층이 100% Si층이라고 가정한 경우에는, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, A부분 및 B부분 둘다 동일한 두께만큼 제거된다(ta=tb). 그 결과, 표면의 막두께 편차는 그대로 남아 있게 된다.
또한, 산소 이온 주입층이 100% SiO2층이라고 가정한 경우에는, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, SiO2층의 두께가 얇은 쪽이 하부의 Si층이 산화되기 쉽기(ta <tb) 때문에, 막두께의 편차는 오히려 커진다.
나아가, 산소 이온 주입층이 Si와 SiO2의 혼합층인 경우에는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 역시 혼합층의 잔존량이 적은 쪽이 하부의 Si층이 산화되기 쉽 기(ta≤tb) 때문에, 도 5(c)의 경우보다 정도는 작으나, 역시 막두께의 편차가 커지는 경향이 있다.
한편, 본 발명에 따라, 산화 처리와 HF 처리를 되풀이하여 실시한 경우에, 산소 이온 주입층을 효과적으로 제거할 수 있고, 또한 표면 요철이 경감되는 이유는 다음과 같이 생각된다.
도 6에, 그 사고 방식을 나타낸다. 우선 HF 처리를 실시한 경우, SiO2 입자는 제거되나, 최표층이 Si층으로 덮여, 그 이상의 반응이 진행되지 않게 된다. 그러나, 다음에 산화 처리, 예를 들면 오존 산화 처리를 실시하면, 오존수에 의해 이 Si층은 산화되어 SiO2가 되고, SiO2층을 형성한다. 따라서, 다음 HF 처리에 의해, 이 SiO2층은 제거된다. 이러한 처리를 반복하여 실시한 경우, 이온 주입층의 잔존 막두께가 두꺼운 부분은 산화 처리와 HF 처리를 실시한 수에 대응하는 비율로 그 막두께가 저감되지만, 이온 주입층의 잔존 막두께가 얇은 부분에 대해서는, 이온 주입층이 제거된 후는 그 하층은 Si층이므로, HF 처리에 의해서는 반응이 진행되지 않는다. 그 결과, 막두께가 감소하는 것은 오존 산화 처리를 실시해서 산화시킨 부분만이므로, 동일한 수회의 산화 처리와 HF 처리의 반복 처리를 실시한 경우에는, 막두께의 편차가 경감되는 것이다.
이 점은, 도 7에 나타내는 사고 방식에 의해서도 설명할 수 있다. 이 예에서는, 오존 산화 처리와 HF 처리를 교대로 9회 반복하여 실시하고 있다.
오존 산화 처리와 HF 처리를 1세트로 생각하면, 최초의 3세트까지는, 반복 처리에 의해 제거되는 두께는, 이온 주입층의 잔존 막두께가 두꺼운 부분(A)과 얇은 부분(B)이 서로 같다. 그러나, 4세트째의 오존 산화 처리에 이어 HF 처리를 실시하면, A부분에서는 마찬가지로 막두께가 감소하지만, B부분에서의 막두께는 감소하지 않는다. 이러한 현상은 5세트에서 9세트까지 계속된다. 이와 같이, 잔존 막두께가 두꺼운 A부분에서는, 4세트 이후의 반복 처리에 의해 막두께 감소가 진행되는 것에 반해, 잔존 막두께가 얇은 B부분에서는 오존 산화 처리에 의해 산화되는 두께만큼만 막두께 감소가 진행되기 때문에, 결과적으로 막두께의 편차가 경감되게 된다.
따라서, 본 발명에서는 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거한다.
또한, 산화 용액은, 도 6에 나타낸 것에서도 명확한 것 같이, Si를 산화할 수 있는 것이면 어느 것이라도 좋고, 특히 오존수 및 질산이 바람직하다. 여기에서, 오존수의 농도는 5~30ppm 정도, 질산의 농도는 0.5~5% 정도로 하는 것이 바람직하다. 한편, HF 용액의 농도는 0.5~20%정도로 하는 것이 바람직하다.
또한, 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리를 실시하기 위해서는, 배치식(batch type) 세정 장치를 이용해도 좋고, 매엽식(sheet-feed type) 세정 장치를 이용하여도 좋다.
(5) 활성층용 웨이퍼 표면의 평탄화 및/또는 박막화 공정
산소 이온 주입층 제거 후의 접합 웨이퍼의 표면은 경면 연마와 비교하면 다소 거칠어져 있기 때문에 평탄하게 할 필요가 있다. 또한, 필요에 따라서 박막화 처리를 실시한다.
평탄화 및/또는 박막화 방법으로는, 연마법, 환원 분위기 속에서의 열처리법 및 Si 에칭이 가능한 가스, 이온 또는 래디컬 등으로 이루어지는 가스 에칭 등이 적용될 수 있다.
연마법
접합 표면을 매우 조금 연마하여 거칠기를 개선한다. 연마대(代)는 10~500nm 정도로 하는 것이 바람직하다. 10nm 미만에서는 충분히 거칠기를 개선할 수 없고, 한편 500nm를 초과하면 활성층의 막두께 균일성이 열화된다. 이 처리에 의해, 표면 거칠기(RMS)를 0.5nm 이하로 하는 것이 가능하다.
환원 분위기 열처리법
Ar, H2 또는 그 혼합 분위기 속에서 열처리함으로써, 접합 웨이퍼 표면의 거칠기를 개선한다. 열처리 온도는 1000℃ 이상 1300℃ 이하 정도로 하는 것이 바람직하다. 처리 시간에 대해서는 저온 정도일수록 장시간으로 할 필요가 있고, 1000~1200℃에서는 1~2시간 정도, 1200~1250℃에서는 10~30분 정도, 1250℃ 이상에서는 1~5분 정도로 하는 것이 바람직하다. 상기의 온도 및 시간을 넘어서 고온 및 장시간에서 열처리를 실시하면, 환원 분위기의 에칭 작용에 의해 활성층의 면내 두께 균일성이 열화될 우려가 있다.
열처리 퍼니스로는 복수장을 동시에 처리할 수 있는 저항 가열형의 세로형 퍼니스 또는 한장마다 처리하는 램프 가열식의 RTA(고속 온도 승강 퍼니스) 등이 적합하다. 특히 1200℃ 이상의 처리에서는 RTA가 효과적이다.
상기의 열처리에 의해, 연마법의 경우와 같이, 표면 거칠기(RMS)를 0.5nm 이하로 하는 것이 가능하다.
이 열처리에 의해 생긴 표면산화막의 제거는, HF액에 의한 세정으로도 좋고, 수소 가스나 Ar 가스 또는 HF를 포함하는 가스를 사용한 어닐링에 의한 에칭을 이용해도 좋다.
이렇게 하여, TopSi층(SOI층)의 막두께 균일성이 뛰어나고, 또한 표면 결함이 적고, 표면 거칠기가 크게 향상된 접합 웨이퍼를 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면, 결정 방향이 다른 실리콘 웨이퍼를 직접 접합시킨 (예를 들면, 110 결정과 100 결정의 접합이나, 111 결정과 100 결정의 접합 등) 접합 웨이퍼를 제작하는 것도 가능하다.
실시예 1
CZ법에 의해 육성되어, 붕소가 도펀트로 된 실리콘 잉곳(ingot)으로부터 슬라이스된 직경이 300mm인 실리콘 웨이퍼를 2장 준비했다. 2장의 실리콘 웨이퍼는 모두 결정 방향이 (100)이며, 또한 p형으로, 비저항은 1~10Ωcm이었다. 2장의 실리콘 웨이퍼 중 하나를 활성층용 웨이퍼로 하고, 이 (100) 웨이퍼에 대하여, 산화 분위기 속에서 1000℃, 5시간의 처리를 실시하여, 두께가 150nm인 산화막을 성막했다.
그 다음에, 이 (100) 웨이퍼의 표면에서, 산소 이온 주입을 200 keV의 가속 전압에서 2회로 나누어서 실시했다. 제1 산소 이온 주입은 기판 온도: 200~600℃, 도즈량: 1×1016~5×1017atoms/cm2의 조건에서 행하였다. 또한, 제2 산소 이온 주입은 기판 온도를 실온에서부터 300℃로 하고, 도즈량: 1×1015~1×1016atoms/cm2의 조건에서 행하였다. 그 결과, 활성층용 웨이퍼의 표면에서 약 400nm의 깊이 위치에 산소 이온 주입층이 형성되었다.
다음으로, 양쪽 웨이퍼에 HF 및 오존으로 세정을 실시하여, 접합면 상의 파티클을 제거한 후, 양 웨이퍼를 접합했다.
그 후, 접합 계면을 강고히 결합하기 위한 접합 열처리를 행하였다. 열처리 조건은, 산화성 가스 분위기 속에서 1100~1350℃, 약 2시간으로 했다. 이것에 의해, 접합 웨이퍼 표리면에 300~500nm 두께의 산화막이 형성되어, 후 가공시의 이면 보호막으로서 사용되었다.
그 다음에, 연삭 장치를 이용하여, 접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼를 그 표면에서 소정의 두께만큼 연삭했다. 다시 말해, 산소 이온 주입층의 표면측에 활성층용 웨이퍼의 일부(막두께 약 5~20μm)만을 남기는 연삭 처리를 실시했다. 이 때의 잔존 Si층 두께의 면내 편차는 ±10%이었다.
이어서, 산소 이온 주입층을 노출시키기 위한 연마 스톱을 실시했다. 연마제로는 지립 농도가 1질량% 이하인 알카리성 용액을 사용했다. 이 알카리성 용액은 유기 알칼리 용액이고, 아민을 주성분으로 한 것(예를 들면 피페라진, 에틸렌디아민 등)이다.
그 후, 매엽식 세정기에서, 산화 용액으로서 10ppm 오존수, 또한 HF 용액으로서 5% HF 용액을 이용하고, 이들 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리를 실시하여, 산소 이온 주입층을 제거했다.
또한, 비교를 위하여, 종래법에 따라 열산화(1000℃, 10hr, 250nm) + HF 처리(45%)에 의한 산소 이온 주입층의 제거 처리를 행하였다.
상기의 산소 이온 주입층 제거 처리 후의 TopSi층의 막두께 분포를 분광 엘립소메트리(ellipsometry)로 측정하고, (최대막 두께―최소막 두께)로 막두께 균일성을 평가했다. 그 결과, 종래법을 따른 (열산화 + HF 처리)의 경우에는, 최대막 두께―최소막 두께 = 7nm이었던 것에 비해, 본 발명을 따라 오존수와 HF 용액의 반복 처리를 실시한 경우에는, 최대막 두께―최소막 두께 = 3nm이며, 막두께 균일성이 현저하게 개선되었다.
그 후, 접합 웨이퍼의 표면을 세정한 뒤, 아르곤 가스 분위기 속에서 1100℃, 2시간의 열처리를 실시하여, 웨이퍼 표면을 평탄화한 후, 웨트(wet) 분위기(1100℃, 40min) + HF 처리(7%)에 의해 박막화함으로써, 접합 웨이퍼를 완성시켰다. 이렇게 하여 얻어진 활성층의 막두께는 52~58nm이며, 면내에서의 막두께 분포의 편차는 5~10% 이내였다.
도 1은 본 발명에 따른 제조 공정을 도시한 플로우 차트이다.
도 2는 연마 스톱 후의 활성층용 웨이퍼의 표면을 나타내는 사진이다.
도 3(a)는 HF 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거했을 때의 활성층용 웨이퍼의 표면성상을 도시한 개략도이다.
도 3(b)는 열산화→HF 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거했을 때의 활성층용 웨이퍼의 표면성상을 도시한 개략도이다.
도 3(c)는 산화 처리와 HF 처리의 반복 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거했을 때의 활성층용 웨이퍼의 표면성상을 도시한 개략도이다.
도 4는 HF 처리로는 산소 이온 주입층을 완전히 제거할 수 없는 이유를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 열산화→HF 처리에서, 산소 이온 주입층을 제거할 수 있지만, TopSi층의 두께의 편차가 커지는 이유를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 산화 처리와 HF 처리를 반복하여 실시함으로써, 산소 이온 주입층을 효과적으로 제거할 수 있고, 나아가 표면요철이 경감되는 이유를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 산화 처리와 HF 처리를 반복하여 실시함으로써, 산소 이온 주입층을 효과적으로 제거할 수 있고, 나아가 표면요철이 경감되는 이유를 설명하기 위한 다른 개략도이다.
Claims (3)
- 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를, 절연막을 사이에 두고, 또는 사이에 두지 않고 접합 시킨 후, 활성층용 웨이퍼를 박막화하는 것으로 이루어지는 접합 웨이퍼의 제조 방법으로서,(1) 활성층용 웨이퍼에 산소 이온을 주입하는 공정,(2) 활성층용 웨이퍼와 지지층용 웨이퍼를, 직접 또는 절연막을 사이에 두고 접합시키는 공정,(3) 접합 웨이퍼의 활성층용 웨이퍼를 박막화하여, 산소 이온 주입층을 노출시키는 공정,(4) 활성층용 웨이퍼의 산소 이온 주입층을 제거하는 공정, 및(5) 활성층용 웨이퍼의 표면을 열처리 및/또는 연마하여 평탄화 및/또는 박막화하는 공정을 포함하는 일련의 공정 중, 상기 (4)의 공정에 있어서, 산화 용액과 HF 용액의 반복 처리에 의해 산소 이온 주입층을 제거하는 접합 웨이퍼의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산화 용액은 오존수 또는 질산인 접합 웨이퍼의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접합 웨이퍼의 각 웨이퍼면의 결정 방위가 (100), (110) 또는 (111)의 조합인 접합 웨이퍼의 제조 방법.
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| JPH05291543A (ja) * | 1992-04-15 | 1993-11-05 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
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-
2009
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