WO2005067053A1

WO2005067053A1 - Soiウェーハの作製方法

Info

Publication number: WO2005067053A1
Application number: PCT/JP2004/019596
Authority: WO
Inventors: Nobuyuki Morimoto; Hideki Nishihata
Original assignee: Sumco Corporation
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US7358147B2; JP2005197524A; EP1705704A1; EP1705704A4; JP4285244B2; US20070190737A1

Abstract

　スマートカット法によるＳＯＩウェーハの作製で、剥離後の表面を平坦化し、ＳＯＩ層を薄膜化して、ＳＯＩ層の膜厚を均一化できるウェーハ作製方法を提供する。このＳＯＩウェーハ作製方法は、活性層用シリコンウェーハに酸化膜を介して水素ガスをイオン注入し、シリコンバルク中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に貼り合わせる。この貼り合わせウェーハを加熱することにより、イオン注入層を境界にその一部を剥離し、ＳＯＩウェーハを作製する。このイオン注入層を境界として剥離した後、ＳＯＩウェーハを酸化性雰囲気で酸化処理する。この酸化膜は例えばＨＦ液により除去する。この後、ＳＯＩウェーハをアルゴンガス雰囲気で１１００°C以上で略３時間熱処理する。この結果、ＳＯＩウェーハの表面の平均2乗粗さが０．１ｎｍ以下まで改善される。

Description

明細書

SOIゥエーハの作製方法

技術分野

[0001] 本発明は、 SOI (Silicon On Insulator)ゥヱーハの作製方法、詳しくは SOIゥェーハの表面を平坦ィ匕する SOIゥエーハの作製方法に関する。

本願は、 2004年 1月 8日に出願された特願 2004— 3347号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] SOIゥエーハは、従来のシリコンゥエーハに比べ、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。

[0003] SOIゥヱーハの作製方法の 1つに、シリコンゥヱーハ表面に水素イオンを注入した後、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。しかし、剥離した時のダメージにより、剥離後の SOIゥヱーハの表面 (剥離面)が粗くなつてしまう。この問題に対して、例えば、特許文献 1に記載の SOIゥエーハの作製方法には、気相エッチング法による平坦ィ匕処理が開示されている。

[0004] また、例えば、特許文献 2に記載の SOIゥエーハの作製方法には、剥離後のゥエーハの表面を酸ィ匕処理した後に、水素を含む還元性雰囲気下で熱処理して、表面を平坦化する技術が提案されて!ヽる。

[0005] しかし、特許文献 1に記載の機械加工の方法では、研磨代が不均一であり、 SOI層の膜厚分布を均一にするのは難しい。そのため、特許文献 2のような高温熱処理により平坦化する技術が用いられる。しかし、特許文献 2に記載の SOIゥエーハの作製方法においては、水素ガスのエッチング効果を利用して平坦ィ匕処理を行うと、エツチングムラが生じやすくなる。そして、このエッチングムラにより、 SOI層の膜厚が不均一となる。また、水素ガスを用いるための安全対策が必要となり、その設備費が高額となるなどコスト面の問題がある。

特許文献 1：特開平 11-102848号公報特許文献 2 :特開 2000-124092号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] この発明は、スマートカット法による SOIゥエーハの作製において、剥離後の剥離面を平坦化する SOIゥエーハの作製方法を提供することを目的とする。

[0007] また、この発明は、 SOI層の膜厚を均一化して、 SOI層を薄膜ィ匕する SOIゥエーハの作製方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] この発明は、活性層用ゥヱーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入してイオン注入層を形成し、次いで、この活性層用ゥエーハを絶縁膜を介して支持ゥエーハに貼り合わせて貼り合わせゥエーハを形成し、この後、この貼り合わせゥエーハを熱処理して、イオン注入層を境界として剥離する SOIゥエーハの作製方法であつて、貼り合わせゥエーハを熱処理することにより、イオン注入層を境界として剥離し S OIゥエーハを形成した後、 SOIゥエーハを酸ィ匕処理して SOI層表面に所定厚さの酸化膜を形成し、次いで、この酸化膜を除去し、この後、 SOIゥエーハを不活性ガス雰囲気で熱処理する SOIゥーハの作製方法である。

[0009] この SOIゥエーハの作製方法にあっては、スマートカット法による SOIゥエーハの作製方法において、活性層用ゥエーノ、にイオン注入層を形成する。次いで、この活性層用ゥエーハを絶縁膜を介して支持ゥエーハに貼り合わせる。この結果、絶縁膜を介して 2枚のゥエーハが貼り合わされた貼り合わせゥエーハが作製される。この後、この貼り合わせゥエーハを剥離熱処理することにより、イオン注入層を境界として剥離する

。このとき、剥離後の SOIゥエーハの表面の平均 2乗粗さ rms (root mean square )は lOnm以下である。

[0010] そして、この SOIゥヱーハを、例えば酸化性雰囲気で酸化処理をする。この結果、 S OI層表面に所定厚さの酸化膜が形成される。このときの酸ィ匕膜の厚さは 4000Aである。この後、 SOIゥエーハの酸ィ匕膜を例えば HFエッチングにより除去する。これにより、 SOIゥエーハの SOI層が剥離後よりも均一化され、かつ薄膜ィ匕が可能となる。

[0011] さらにこの後、例えばアルゴンガス雰囲気で 1100°Cの熱処理を略 3時間行う。アルゴンガスは SOIゥエーハの表面を再結晶化（マイグレーション）させる。

[0012] この結果、 SOIゥエーハの表面の平均 2乗粗さ rms (10 ^ mX lO ^ m)は 0. lnm 以下まで低減できる。

[0013] 酸化処理は、剥離熱処理により完全に分離した場合、剥離熱処理と、同じ炉内で連続して行える。また、平坦化熱処理は、結合熱処理と兼用できる。

[0014] スマートカット法による SOIゥエーハの熱処理には、イオン注入層を境界として剥離する剥離熱処理と、剥離後の活性層用ゥーハと支持ゥーハとの結合を強化する強化結合熱処理とがある。剥離熱処理後、 SOIゥエーハは、剥離によるダメージを受け、その表面が粗くなつている。そこで、剥離熱処理後、不活性ガス雰囲気で所定の温度に保持して平坦化熱処理を行う。そして、さらにこの後、この SOIゥエーハを酸ィ匕性雰囲気で酸化処理をする。そして、この酸ィ匕膜を例えば HF液により除去する。すると、 SOI層を薄膜ィ匕することができる。

[0015] 本発明の SOIゥエーハの作製方法において、上記不活性ガス雰囲気での熱処理は、 SOIゥエーハをアルゴンガス雰囲気で、 1100°C以上の温度に略 3時間以上保持することが好ましい。

[0016] 平坦化熱処理する温度は、 1100°C以上である。 1100°C未満であると、 SOIゥエーハの表面を再結晶化させることができない。よって、 SOIゥエーハの表面の平坦ィ匕が不十分となる。

[0017] この SOIゥエーハの作製方法にあっては、 SOIゥエーハは、温度が 1100°C以上に略 3時間保持されて熱処理される。アルゴンガスは、水素ガスのように SOIゥエーハの表面をエッチングする効果は少ない。しかし、剥離後の SOIゥヱーハの粗くなつている表面を、再結晶化 (マイグレーション）により滑らかにする効果を有している。これにより、 SOIゥエーハの表面が再結晶化（マイグレーション）されるとともに、その表面が平坦化される。平坦化熱処理の温度が 1100°C以上であれば、 SOIゥヱーハの表面が十分に再結晶化される。また、この熱処理は、貼り合わせ強化のための熱処理を兼用することができる。

[0018] 本発明の SOIゥエーハの作製方法において、上記酸化処理は、 600°C— 1000°C の温度で処理することが好まし、。 [0019] スマートカット法による SOIゥエーハの作製方法において、イオン注入層を境界として剥離した後、 SOIゥエーハを、酸化性雰囲気で酸化処理する。酸化処理時の温度は 600°C— 1000°Cの範囲であり、酸化処理時間は限定されない。

[0020] この SOIゥエーハの作製方法にあっては、上記酸化性雰囲気での温度は、 600°C 一 1000°Cの範囲であり、より好ましくは 600°C— 800°Cである。 600°C未満では、十分な酸ィ匕膜を形成させることが困難である。一方、 1000°Cを超えると、 SOIゥエーノヽの表面の粗さが維持できず、 SOI層の均一性を悪ィ匕させることがある。

[0021] さらに本発明の SOIゥヱーハの作製方法においては、上記酸化膜の厚さを、 4000 A以上とすることが好ま、。

[0022] この SOIゥエーハの作製方法にあっては、剥離後の SOIゥエーハの表面に形成される酸ィ匕膜の厚さは 4000A以上である。 4000A未満であると、その後のアルゴンガス雰囲気で熱処理しても十分に SOI層の表面を平坦ィ匕することができない。

[0023] このように、この発明によれば、スマートカット法による SOIゥエーハの作製方法において、剥離後の SOIゥエーハを酸化性雰囲気で酸化処理すると、 SOI層表面に 400 OA以上の酸化膜が形成される。この後、酸ィ匕膜を例えば HFエッチングにより除去する。これにより、 SOI層が均一化され、かつ、薄膜ィ匕が可能となる。

[0024] この後、 SOIゥエーハを、アルゴンガスの不活性雰囲気で 1100°C以上の温度に保持して平坦化熱処理する。これにより、 SOIゥーハの表面 (剥離面）が再結晶化され (マイグレーション）、その表面が平坦ィ匕される。

発明の効果

[0025] この結果、本発明によれば、 301ゥヱーハの表面の平均2乗粗さ1：1115 (10 111 10 μ m)は 0. lnm以下まで低減できる。

また、上記酸化処理は、剥離熱処理により完全に分離した場合、剥離熱処理と同じ炉内で連続して行うことができる。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]図 1は，この発明の一実施形態に係る SOIゥーハの作製方法を示す工程図である。

[図 2]図 2は、この発明の一実施形態に係る SOIゥヱーハの作製方法における剥離熱処理から平坦化熱処理までの熱処理温度と時間との関係を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

[0027] 以下、この発明の一実施形態を、図 1および図 2を参照して説明する。

ここでは、スマートカット法を用いて、 SOI層を形成する SOIゥエーハの作製方法について説明する。

[0028] 本実施例に係るスマートカット法による SOIゥエーハの作製は、図 1の A— Gに示すような工程で行われる。

[0029] まず、 CZ法により育成され、ボロンがドーパントとされたシリコンインゴットからスライスしたシリコンゥエーハを 2枚準備する。これらのシリコンゥエーハを、一方を活性層用ゥエーハとして、他方を支持用ゥエーハとする。そして、図 1の工程 Aに示すように、活性層用ゥエーハとなるシリコンゥエーハの表面に酸ィ匕膜を形成する。酸化膜の形成は、酸化炉内にシリコンゥエーハを挿入し、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、形成される酸ィ匕膜の厚さは 150nmである。

[0030] 次に、酸化膜が形成された活性層用ゥエーハを、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、工程 Bに示すように、活性層用ゥエーハの表面より酸ィ匕膜を介して加速電圧 = 50keV、ドーズ量 = 1. 0E16atomsZcm²の水素イオンを注入する。水素イオンは、活性層用ゥエーハの表面力所定深さの位置まで注入され、この結果、活性層用ゥエーハの所定深さ位置 (シリコン基板中の所定深さ範囲）にィォン注人層が形成される。

[0031] 次に、工程 Cに示すように、水素イオンが注入された活性層用ゥエーハを、そのィォンが注入された面 (酸ィ匕膜表面)を貼り合わせ面として、支持用ゥーハに貼り合わせる。この結果、貼り合わせ界面に絶縁膜 (酸ィ匕膜)が介在された貼り合わせゥエーハが形成される。

[0032] そして、工程 Dに示すように、貼り合わせゥエーハを略 500°C、窒素ガス雰囲気で熱処理する。すると、貼り合わせゥエーハのイオン注入層において水素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、活性層用ゥエーハの一部 (貼り合わせゥエーハの一部）が剥離する。すなわち、貼り合わせゥエーハは、支持ゥエーハに酸ィ匕膜を介して SOI層（活性層用ゥエーハの一部）が積層された SOW エーハと、残りの活性層用ゥエーハとに分離される。このときの SOIゥヱーハの表面の平均 2乗粗さ rms (10 m X 10 m)は 10nm以下である。

[0033] ここまでの工程は、一般的なスマートカット法による SOIゥエーハの作製方法でのェ程と同じである。

[0034] 次に、図 1の工程 Eおよび図 2に示すように、 SOIゥエーハについて、酸化性雰囲気中で、温度を 650°C、 1時間のウエット酸ィ匕処理を行う。この結果、 SOI層表面に所定厚さの酸化膜が形成される。

[0035] そして、工程 Fに示すように、この酸ィ匕膜を例えば HFエッチングにより除去する。これにより、 SOI層の厚さが均一化され、かつ、薄膜化される。

[0036] 上記一連の工程 (酸ィ匕処理および HFエッチング）は、複数回行ってもょ、。これにより、平坦ィ匕された粗さを維持したままで、 SOI層の薄膜化がより可能である。すなわち、 SOI層の取り代が大きい場合は、酸化処理して酸化膜を形成した後、例えば HF エッチングにより酸ィ匕膜を除去する工程を繰り返すことにより、 SOI層がより薄膜化される。

[0037] ウエット酸化処理する理由は、ドライ酸化雰囲気で酸化処理すると、酸化レートが遅ぐ長時間の熱処理が必要となるからである。また、水素ガスの添加や、 HCI酸化のような酸ィ匕レートの速、ガス形態を用いても効果的である。

[0038] また、酸化膜の形成が異方性である低温領域で酸化処理が必要である。そのときの酸化性雰囲気の温度は、 600°C— 1000°Cの範囲であり、より好ましくは 600°C—

800。Cである。

[0039] 次に、工程 Gに示すように、剥離熱処理した後の SOIゥエーハについて平坦ィ匕熱処理を行う。この平坦化熱処理は、 SOIゥエーハをアルゴンガス雰囲気中で 1100°C以上の温度に略 3時間保持することである。

[0040] 上述の図 1の工程 A— Gを経て完成された SOIゥヱーハの平均 2乗粗さ rms (10 μ m X 10 m)は 0. 06nmまで改善されることが確認された。一方、上述の工程 A— G の内、工程 Eに示す酸化処理および工程 Fに示す HF洗浄を実施せずに完成された SOIゥエーハの平均 2乗粗さ rms (10 m X 10 m)は 0. 2nmまでしか改善されなかった。 [0041] 酸化膜の厚さに関しては、例えば、上記水素イオン注入条件では、剥離後の SOI 層の厚さは略 4000Aである。この SOIゥヱーハに 4000 Aの酸化膜を形成し、これを除去した後の SOI層の厚さは 2000Aとなる。よって、 SOI層の直下にある酸化膜 (B OX層）まで達することはない。しかし、水素イオンの加速電圧が低いと、剥離後の S OI層の厚さが薄くなつてしまい、酸ィ匕膜力 ¾ox層まで達してしまう。したがって、剥離直後の SOI層の厚さは、 2000A以上が必要である。

[0042] SOI層の最終的な厚さは 500A— 1000Aが一般的である。したがって、酸化処理および平坦化熱処理の条件を考慮すると、剥離直後の SOI層の厚さは、 3000A— 4000 A力女子まし!/ヽ。

[0043] 平坦ィ匕熱処理の温度が 1200°C以上であると、スリップ転移の発生するおそれがある。したがって、 1100°C— 1150°Cまでの温度が好ましい。熱処理時間もスループットを考慮して略 3時間が好まし、。

[0044] 次に、上記酸化処理および平坦化熱処理についてそれぞれその条件を変更して行った実験の結果を示す。

[0045] 上述の工程 A— Dを経て作製された SOIゥエーハについて平坦ィ匕熱処理温度を 1 050°C— 1300°C、時間を 1時間一 4時間に変化させて保持した。また、酸化膜の厚さを 3000 A— 5000 Aまで変ィ匕させた。これらの SOIゥエーハについて、 SOI層の表面の平均 2乗粗さ rms (10 ^ m X lO ^ m)についてそれぞれ公知の方法で評価した。評価結果を以下の表 1に示す。

[0046] [表 1]

酸化膜厚

温度および時間 (A)

30 00 400 0 5 0 0 0

1 0 5 0°CX l h r X X X

1 0 5 OV 2 h r X X X

1 0 5 Ot:x 3 h r X X X

1 0 50°CX 4 h r X X X

1 1 00°CX 1 h r X X X

1 1 0 OVX 2 h r X X X

1 1 0 O X 3 h r X o o

1 1 0 0¾X 4 h r X o o

1 2 0 0°CX l h r X o o

1 2 0 O^X 2 h r X o o

1 2 0 OtX 3 h r X o o

1 2 00°CX 4 h r X o o

O:≤0. mX 10 m、 rms)

X: >0.

X 10 /X m、 rms)

[0047] 以上の実験の結果より、剥離した SOIゥエーハを、まず酸化処理し、この後この酸化膜を除去する。そして、アルゴンガス雰囲気で 1100°Cの温度で略 3時間以上に保持して平坦化熱処理する。この結果、 SOI層の表面の平均 2乗粗さ rms(10 mXl O^m)は 0. lnm以下にまで低減できることが確認された。

[0048] 以上、本発明の好ましい実施形態を説明した力本発明はこれら実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

産業上の利用可能性

[0049] 本発明の SOIゥヱーハの作製方法によれば、スマートカット法による SOIゥエーハの作製において、剥離後のゥエーハ剥離面を平坦ィ匕し、 SOI層の膜厚を均一化して、 SOI層を薄膜ィ匕することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 活性層用ゥエーハに絶縁膜を介して水素または希ガス元素をイオン注入してイオン注入層を形成し、次いで、前記活性層用ゥエーハを絶縁膜を介して支持ゥエーハに貼り合わせて貼り合わせゥエーハを形成し、この後、前記貼り合わせゥエーハを熱処理して、前記イオン注入層を境界として剥離する SOIゥエーハの作製方法であって、前記貼り合わせゥエーハを熱処理することにより、前記イオン注入層を境界として剥離し SOIゥエーハを形成した後、前記 SOIゥエーハを酸ィ匕処理して SOI層表面に所定厚さの酸化膜を形成し、次いで、前記酸化膜を除去し、この後、前記 SOIゥエーハを不活性ガス雰囲気で熱処理する SOIゥエーハの作製方法。

[2] 前記不活性ガス雰囲気での熱処理は、前記 SOIゥエーハをアルゴンガス雰囲気で、 1100°C以上の温度に略 3時間以上保持する請求項 1に記載の SOIゥエーハの作製方法。

[3] 前記酸化処理は、 600°C— 1000°Cの温度で処理する請求項 1に記載の SOIゥェーハの作製方法。

[4] 前記酸化膜の厚さは、 4000 A以上である請求項 1に記載の SOIゥエーハの作製方法。