WO2014118851A1 - Ｓｏｉウェーハの製造方法及びｓｏｉウェーハ - Google Patents
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Abstract
本発明は、ＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、ボンドウェーハの貼り合わせ面とベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に酸化膜を介して貼り合わせを行い、剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、イオン注入層でボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法である。これにより、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いＳＯＩウェーハを製造する方法が提供できる。
Description
本発明は、イオン注入したウェーハを結合後に剥離してＳＯＩウェーハを製造する、いわゆるイオン注入剥離法を用いたＳＯＩウェーハの製造方法及びこの方法で製造されたＳＯＩウェーハに関する。
近年、貼り合わせウェーハの製造方法として、イオン注入したウェーハを他のウェーハと貼り合わせてイオン注入層で剥離することで貼り合わせウェーハを製造する方法（イオン注入剥離法：スマートカット法（登録商標）とも呼ばれる技術）が注目されている。
このようなイオン注入剥離法によりＳＯＩウェーハを製造する方法では、二枚のシリコンウェーハの内、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方のシリコンウェーハ（ボンドウェーハ）の上面から水素イオンや希ガスイオン等のガスイオンを注入し、該ウェーハ内部に微小気泡層（封入層）を形成させる。そして、イオン注入した側の面を酸化膜を介して他方のシリコンウェーハ（ベースウェーハ）と密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を剥離面として一方のウェーハ（ボンドウェーハ）を薄膜状に剥離し、さらに熱処理（結合熱処理）を加えて強固に結合してＳＯＩウェーハとする（特許文献１、２参照）。
この方法では、剥離面が鏡面で、膜厚の均一性が高いＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハが比較的容易に得られる。しかし、イオン注入剥離法により貼り合わせウェーハを作製する場合においては、剥離後の貼り合わせウェーハ表面にイオン注入によるダメージ層が存在し、また通常の製品レベルのシリコン単結晶ウェーハの鏡面に比べて表面粗さが大きなものとなる。従って、イオン注入剥離法による製造では、このようなダメージ層及び表面粗さを除去することが必要になる。
従来、このダメージ層等を除去するために、結合熱処理後の最終工程において、タッチポリッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない鏡面研磨（取り代：１００ｎｍ程度）が行われていた。ところが、貼り合わせウェーハの薄膜（ＳＯＩ層）に機械加工的要素を含む研磨を施すと、研磨の取り代が面内で均一でないために、水素イオンなどの注入、剥離によって達成された薄膜の膜厚均一性が悪化してしまうという問題が生じる。
このような問題点を解決する方法として、前記タッチポリッシュの代わりに高温熱処理を行って表面粗さを改善する平坦化処理が行われるようになってきている。
一方、ボンドウェーハに水素イオン等を注入する際、スマートカット法の１．５倍程度のドーズ量で注入を行い、その後、ボンドウェーハとベースウェーハの貼り合わせ面をプラズマ処理して貼り合わせ、熱処理のみでは剥離が発生しない熱処理条件（例えば、３５０℃以下の低温熱処理）にて熱処理することでイオン注入層を脆弱化し、その後、室温にて貼り合わせ面付近の外周端部に、例えば楔状部材を挿入することを起点として機械的にボンドウェーハを剥離して薄膜層を形成する室温機械剥離法（ｒＴ－ＣＣＰ、ＳｉＧｅｎ法とも呼ばれる）がある（特許文献３）。この方法は多量の水素イオン注入と、結合力を高めるプラズマ処理と室温分離が特徴であるといえる。これによって剥離面の表面粗さを改善することができるので、剥離後の平坦化処理の負荷を低減することができる。
この方法と同様に、剥離面の表面粗さを低減する他の方法として、水素イオンとヘリウムイオンの両者をイオン注入する共注入法がある（特許文献４，５）。この方法は、ボンドウェーハに注入するイオンを水素イオンとヘリウムイオンの両者をそれぞれイオン注入し、その後、ベースウェーハと貼り合わせ、例えば５００℃３０分程度の剥離熱処理を行いイオン注入層で剥離を行う方法であり、単一イオンのイオン注入によるスマートカット法に比べて少ないドーズ量で剥離が可能であり、かつ、剥離面の表面粗さも改善することができる。
以上のように、イオン注入剥離法を用いたＳＯＩウェーハの製造方法は、３つの方法（スマートカット法、ＳｉＧｅｎ法、共注入法）に分類することができる。
上記の３つの製造方法において、剥離後のＳＯＩウェーハの剥離面の平坦化処理を、ＣＭＰを用いずに行った場合、製造されたＳＯＩウェーハの品質の特徴を以下に示す。
スマートカット法は、ＳＯＩ層膜厚レンジ及びテラス形状については大きな問題にはならないレベルであるが、ＳＯＩ層表面の表面粗さは他の方法と比較して大きい。
ＳｉＧｅｎ法ではＳＯＩ層表面の表面粗さは小さく抑えられるが、室温分離の際に楔を入れるため、初期に分離が起こる領域とその後分離が起こる境界で膜厚分布が大きく変化しＳＯＩ層膜厚レンジが大きくなり、また強制的に分離する事によってテラス形状は凹凸の形状や欠けが発生してしまう。
水素とヘリウムの共注入では、ＳｉＧｅｎ法と同様にＳＯＩ層表面の表面粗さは小さく抑えられ、かつ、ＳＯＩ層膜厚レンジやテラス形状にも大きな問題はないが、Ｈｅを注入した影響でボイドやブリスターの発生が多くなる傾向がある。
スマートカット法は、ＳＯＩ層膜厚レンジ及びテラス形状については大きな問題にはならないレベルであるが、ＳＯＩ層表面の表面粗さは他の方法と比較して大きい。
ＳｉＧｅｎ法ではＳＯＩ層表面の表面粗さは小さく抑えられるが、室温分離の際に楔を入れるため、初期に分離が起こる領域とその後分離が起こる境界で膜厚分布が大きく変化しＳＯＩ層膜厚レンジが大きくなり、また強制的に分離する事によってテラス形状は凹凸の形状や欠けが発生してしまう。
水素とヘリウムの共注入では、ＳｉＧｅｎ法と同様にＳＯＩ層表面の表面粗さは小さく抑えられ、かつ、ＳＯＩ層膜厚レンジやテラス形状にも大きな問題はないが、Ｈｅを注入した影響でボイドやブリスターの発生が多くなる傾向がある。
デバイス製造メーカーに出荷される完成品としてのＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いものが求められている。
ここで、テラス部とは、剥離後のＳＯＩウェーハの外周部でＳＯＩ層が転写されず、ベースウェーハの表面が露出した領域のことであり、これは、鏡面研磨ウェーハの外周部の数ｍｍ程度ではウェーハの平坦度が悪くなる為に貼り合わせたウェーハ間の結合力が弱く、ＳＯＩ層がベースウェーハ側に転写されにくいことが主な原因である。このＳＯＩウェーハのテラス部を光学顕微鏡で観察すると、ＳＯＩ層とテラス部の境界が入り組んだ凹凸形状になったり、ＳＯＩ層が島状に孤立したＳＯＩ島が観察される。これは、ＳＯＩ層の転写される平坦度の良好な領域と転写されない平坦度の悪い領域との遷移領域で発生すると考えられる。このような凹凸形状やＳＯＩ島は、デバイス作製プロセスでウェーハから剥がれ、シリコンパーティクルとなってデバイス作製領域に再付着してデバイスの不良の原因となってしまうことが予想される（特許文献６参照）。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いＳＯＩウェーハを製造する方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
シリコン単結晶ウェーハからなるボンドウェーハの表面から水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハ表面とを酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行い前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離することによりＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハの貼り合わせ面と前記ベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に前記酸化膜を介して貼り合わせを行い、
前記剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
シリコン単結晶ウェーハからなるボンドウェーハの表面から水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハ表面とを酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行い前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離することによりＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハの貼り合わせ面と前記ベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に前記酸化膜を介して貼り合わせを行い、
前記剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
本発明は、ボンドウェーハに（ヘリウムイオンは注入せず）水素イオンのみのイオン注入を行うため、ヘリウムイオンを注入したことによるボイドやブリスター発生の影響を受けることがなく、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥を有しない。また、ウェーハにプラズマ処理をして貼り合わせを行うことにより結合力を強めて、その後比較的低温での２段階で昇温する熱処理（前記第一ステップと第二ステップ）を行い、段階的にイオン注入層を脆弱化させて剥離を行うことにより、ＳＯＩ層表面の表面粗さを小さくすることができる。
また、本発明は、剥離の際に（楔を入れて機械的に剥離するのではなく）熱処理によりイオン注入層を剥離するので、ＳＯＩ膜厚レンジを小さくすることができ、テラス部の形状をスムーズにすることができる。
また、本発明は、剥離の際に（楔を入れて機械的に剥離するのではなく）熱処理によりイオン注入層を剥離するので、ＳＯＩ膜厚レンジを小さくすることができ、テラス部の形状をスムーズにすることができる。
このとき、前記プラズマ処理は、酸化膜を有するウェーハに対しては窒素プラズマ処理を行い、酸化膜のないウェーハに対しては酸素プラズマ処理を行うことが好ましい。
このような処理をして、ウェーハの貼り合わせを行った場合に、特に結合力が高くなるため好ましい。また、このような条件で処理したウェーハは、比較的低温でウェーハ剥離が完了し、剥離面の表面粗さが小さなＳＯＩウェーハを作製することができるので好都合である。
さらにこのとき、ＣＭＰを行わずに平坦化処理を行うことができる。
このような平坦化処理としては、例えば犠牲酸化処理＋Ａｒアニール＋犠牲酸化処理を挙げることができる。この様にして作製されたＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層の膜厚均一性が特に優れ、ＳＯＩ層膜厚レンジをさらに小さいものとすることができるため好都合である。
さらにこのようにして製造されたＳＯＩウェーハは、剥離面であるＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が３ｎｍ以下であり、かつ、該ＳＯＩ層の膜厚レンジが１．５ｎｍ以下であるものとすることができる。
このようなＳＯＩウェーハであれば、ＳＯＩ層膜厚レンジとＳＯＩ層表面の表面粗さが極めて小さく、さらにテラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いものとすることができるので、デバイス製造メーカーに出荷される完成品として好都合である。
以上のように、本発明によれば、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いＳＯＩウェーハを製造することができる。
以下、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法及びＳＯＩウェーハについて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、
シリコン単結晶ウェーハからなるボンドウェーハの表面から水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハ表面とを酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行い前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離することによりＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハの貼り合わせ面と前記ベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に前記酸化膜を介して貼り合わせを行い、
前記剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法であれば、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いＳＯＩウェーハを製造することができることを見出し、本発明を完成させた。
シリコン単結晶ウェーハからなるボンドウェーハの表面から水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハ表面とを酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行い前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離することによりＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハの貼り合わせ面と前記ベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に前記酸化膜を介して貼り合わせを行い、
前記剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法であれば、ＳＯＩ層膜厚レンジが小さく、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、テラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥の無いＳＯＩウェーハを製造することができることを見出し、本発明を完成させた。
上記のように、本発明は、ボンドウェーハに水素イオンのみのイオン注入を行い、ボンドウェーハとベースウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ処理を行い、その後、酸化膜を介して貼り合わせ、剥離熱処理を行う。
このように、ボンドウェーハに（ヘリウムイオンを注入することなく）水素イオンのみのイオン注入を行うことにより、ヘリウムイオンを注入したことにより生じるボイドやブリスター発生の影響を受けることがなく、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥を生じさせない。
また、上記のように本発明は、ボンドウェーハとベースウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ処理を行うことによりウェーハの結合力を強め、その後比較的低温の熱処理で剥離処理を行うことにより、ＳＯＩ層表面の表面粗さを小さくすることができる。
ここで、本発明の剥離熱処理では、第一ステップとして２５０℃以下で２時間以上のアニールを行い、次に昇温して第二ステップとして４００～４５０℃の温度範囲で３０分以上のアニールを行い、イオン注入層を脆弱化し剥離を行うものである。
プラズマ処理し貼り合わせを行ったウェーハは、通常の貼り合わせしたウェーハより結合力が向上している。そのウェーハを第一ステップとして２５０℃以下で処理することにより第一のイオン注入層の脆弱化とウェーハの結合力の強化が起こり、その後４００～４５０℃の熱処理で更に結合力が向上し、イオン注入層の脆弱化が完了しウェーハ剥離が起こる。
本発明ではこのように、ウェーハにプラズマ処理を施してウェーハの結合力を強め、比較的低温の２段階で昇温する熱処理を行い（前記第一ステップ、第二ステップ）、段階的にイオン注入層を脆弱化させて剥離を行うことにより、ＳＯＩ層表面の表面粗さを小さくすることができる。
また、本発明は、剥離の際に（楔を入れて機械的、強制的に剥離をするのではなく）熱処理によりイオン注入層を剥離するので、ＳＯＩ層膜厚レンジを小さくすることでき、テラス部の形状をスムーズにすることができる。
尚、剥離熱処理の第一ステップ及び第二ステップの熱処理時間は、剥離熱処理の効率化を考慮し、いずれも８時間以下が好ましく、４時間以下がより好ましい。そのため、第一ステップの熱処理温度は、１５０℃以上が好ましい。
前記プラズマ処理は、酸化膜を有するウェーハに対しては窒素プラズマ処理を行い、酸化膜のないウェーハ（自然酸化膜のみ成長したウェーハを含む）に対しては酸素プラズマ処理を行うことが好ましい。
このようなプラズマ処理を行い、その後ウェーハの貼り合わせを行うと、特に高い結合力を得ることができる。このような条件で処理したウェーハは比較的低温短時間でウェーハ剥離が完了し、剥離面のラフネスがより小さなＳＯＩウェーハを製造することができる。
このようにして製造された剥離直後のＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さく、かつ、ＳＯＩ層の膜厚分布、テラス形状が良好で、ブリスター及びボイドの発生も無い。また、ＳＯＩ層表面の表面粗さが小さいので、平坦化処理を、ＣＭＰを用いずに熱処理のみで行っても完成品としてのＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層表面の表面粗さを十分に小さくすることができる。
このようにして製造されたＳＯＩウェーハは、平坦化処理をする前の剥離面であるＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が３ｎｍ以下であり、かつ、該ＳＯＩ層の膜厚レンジが１．５ｎｍ以下のものとすることができる。
前記剥離後のＳＯＩウェーハの剥離面に対し、ＣＭＰを行わずに平坦化処理を行うことで、高品質なＳＯＩウェーハを製造することができる。
平坦化処理としては、例えば犠牲酸化処理＋Ａｒアニール＋犠牲酸化処理する処理を挙げることができる。この様にして作製されたＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層の膜厚均一性が優れ、ＳＯＩ層膜厚レンジがさらに小さいものとなるので好都合である。
このようなＳＯＩウェーハであれば、ＳＯＩ層膜厚レンジとＳＯＩ層表面の表面粗さが極めて小さく、さらにテラス部の形状がスムーズであり、ＳＯＩ層にボイドやブリスターなどの欠陥が無いので、デバイス製造メーカーに出荷される完成品として高品質なものとなる。
以下、実施例、比較例及び実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、ベースウェーハのみに酸素プラズマ処理を行い、その後、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして２００℃、４時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして４００℃、６時間のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、ベースウェーハのみに酸素プラズマ処理を行い、その後、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして２００℃、４時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして４００℃、６時間のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
（比較例１）（スマートカット法）
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った（プラズマ処理なし）。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして３５０℃、２時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして５００℃、３０分のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った（プラズマ処理なし）。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして３５０℃、２時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして５００℃、３０分のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
（比較例２）（ＳｉＧｅｎ法）
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を７．５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意してベースウェーハのみに酸素プラズマ処理を行い、その後、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し３５０℃、２時間のアニールのみを行った。この状態ではまだウェーハ分離は行われず、楔を使用して室温でウェーハ剥離を行った。
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハに水素イオン（Ｈ＋イオン）を７．５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意してベースウェーハのみに酸素プラズマ処理を行い、その後、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し３５０℃、２時間のアニールのみを行った。この状態ではまだウェーハ分離は行われず、楔を使用して室温でウェーハ剥離を行った。
（比較例３）（共注入法）
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハにヘリウムイオン（Ｈｅ＋イオン）を０．９×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で、水素イオン（Ｈ＋イオン）を０．９×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った（プラズマ処理なし）。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして３５０℃、２時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして５００℃、３０分のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。その際、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させ、このウェーハにヘリウムイオン（Ｈｅ＋イオン）を０．９×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で、水素イオン（Ｈ＋イオン）を０．９×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入した。Ｓｉ単結晶ウェーハからなるベースウェーハを用意して、イオン注入されたボンドウェーハと貼り合わせを行った（プラズマ処理なし）。この貼り合わせたウェーハに対し、第一ステップとして３５０℃、２時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして５００℃、３０分のアニールを行った。この熱処理によりウェーハは剥離され初期ＳＯＩウェーハとなった。
実施例１、比較例１～比較例３のＡＦＭラフネス、ＳＯＩ層膜厚レンジ、テラス部の形状、欠陥（ボイド、ブリスター）の４項目の評価結果を下記表１にまとめた。
尚、表１のＡＦＭラフネスとは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定された３０μｍ角の領域の表面粗さをＲＭＳ（Ｒｏｏt Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）表わした値である。
尚、表１のＡＦＭラフネスとは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定された３０μｍ角の領域の表面粗さをＲＭＳ（Ｒｏｏt Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）表わした値である。
ＡＦＭラフネスに関しては、比較例１は他の例と比較して２倍程度大きい結果となり、表面粗さが大きく、その後の平坦化プロセスに負荷がかかることが予想できる。
膜厚分布に関しては、比較例２のみが大きくなっていた。この原因はウェーハ分離を行う時、楔を入れた瞬間に楔の周りはウェーハ分離が起こり、その後、更にウェーハの中心方向へ楔を進ませてウェーハ分離を行うことにある。この初期ウェーハ分離領域とその後の分離領域の境界で膜厚が急激に変化する。そのことが、膜厚分布が大きい原因となっている。
テラス部の形状に関しては、比較例２のみ顕著な凹凸が発生していた（図２）。これは室温で楔を使い強制的にウェーハ分離を行うことにより機械的な強制力が加わるためと考えられる。それと比較して、他の例のテラス部の形状は良好である（図１）。これは熱処理により潤滑に剥離が起こることで凹凸形状が発生しないと考えられる。
欠陥発生に関しては比較例３のみ発生した。これはＨｅ（ヘリウム）とＨ（水素）のイオン注入を行うので、製造工程の中で最もパーティクル付着が生じやすい工程で２回の処理を行うことになるため、パーティクル起因であるボイド及びブリスターの発生が他の例より多くなると考えられる。尚、表にはないが、貼り合わせ前にプラズマ処理を行った以外は比較例３と同一条件で行った他の例では、ブリスターの発生は少なくなったが、ボイドの発生は増え、ボイドとブリスターの合計の欠陥数は変わらなかった。
＜実験例＞
（実験例１）
ウェーハ分離（剥離）の第一ステップと第二ステップを組み合わせる実験を下記条件で行った。
ボンドウェーハ及びベースウェーハとして直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。
まず、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させた。このウェーハに水素を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入を行った。ベースウェーハ（酸化膜なし）を用意して、ベースウェーハに窒素プラズマ処理を行い、その後貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し、剥離熱処理として、第一ステップとして１５０～３５０℃の範囲で２時間のアニールを行い、１０℃／分で昇温し、第二ステップとして３５０～５００℃のアニールを行った（第一ステップ、第二ステップの熱処理条件は表２参照）。この熱処理によりイオン注入層で剥離され初期ＳＯＩウェーハが作製された（熱処理条件によっては剥離できないものもある）。この初期ＳＯＩウェーハに対し、９００℃、２時間の犠牲酸化処理（熱酸化＋酸化膜除去）、１２００℃、１時間のＡｒ雰囲気下のアニール、９５０℃の膜厚調整用犠牲酸化処理を順次行い、ＳＯＩ層膜厚が８８ｎｍのＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表２に示す。
（実験例１）
ウェーハ分離（剥離）の第一ステップと第二ステップを組み合わせる実験を下記条件で行った。
ボンドウェーハ及びベースウェーハとして直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩウェーハを作製した。
まず、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させた。このウェーハに水素を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入を行った。ベースウェーハ（酸化膜なし）を用意して、ベースウェーハに窒素プラズマ処理を行い、その後貼り合わせを行った。この貼り合わせたウェーハに対し、剥離熱処理として、第一ステップとして１５０～３５０℃の範囲で２時間のアニールを行い、１０℃／分で昇温し、第二ステップとして３５０～５００℃のアニールを行った（第一ステップ、第二ステップの熱処理条件は表２参照）。この熱処理によりイオン注入層で剥離され初期ＳＯＩウェーハが作製された（熱処理条件によっては剥離できないものもある）。この初期ＳＯＩウェーハに対し、９００℃、２時間の犠牲酸化処理（熱酸化＋酸化膜除去）、１２００℃、１時間のＡｒ雰囲気下のアニール、９５０℃の膜厚調整用犠牲酸化処理を順次行い、ＳＯＩ層膜厚が８８ｎｍのＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表２に示す。
第一ステップとして１５０℃～２５０℃の範囲で２時間熱処理を行い、第二ステップとして４００℃～４５０℃で３０分以上４時間以下の熱処理を行ったときのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が極めて小さい。
（実験例２）
第一ステップの熱処理時間を４時間とし、第二ステップを３５０℃，４時間、４００℃，０．５時間、４５０℃，０．５時間の３条件とした以外は実験例１と同一条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表３に示す。
第一ステップの熱処理時間を４時間とし、第二ステップを３５０℃，４時間、４００℃，０．５時間、４５０℃，０．５時間の３条件とした以外は実験例１と同一条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表３に示す。
第一ステップとして１５０℃～２５０℃の範囲で４時間熱処理を行い、第二ステップとして４００℃～４５０℃で３０分の熱処理を行ったときのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が極めて小さい。尚、第一ステップの熱処理の後の第二ステップの熱処理温度が３５０℃（４００℃未満）であると、４時間熱処理を行っても剥離自体なされなかった。
（実験例３）
第一ステップの熱処理時間を１時間とし、第二ステップを３５０℃，４時間、４００℃，０．５時間の２条件とした以外は実験例１と同一条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表４に示す。
第一ステップの熱処理時間を１時間とし、第二ステップを３５０℃，４時間、４００℃，０．５時間の２条件とした以外は実験例１と同一条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表４に示す。
第一ステップの熱処理時間が１時間（２時間未満）であると、第二ステップとして４００℃で３０分熱処理を行っても、ウェーハが一部剥離されないという結果となった。また、第一ステップの熱処理時間が１時間（２時間未満）で、かつ第二ステップの熱処理温度が３５０℃（４００℃未満）であると、４時間熱処理を行っても剥離自体なされなかった。
（実験例４）
貼り合わせ前にプラズマ処理を行わないこと以外は実験例１と同一条件（一部の条件は未実施）でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表５に示す。
貼り合わせ前にプラズマ処理を行わないこと以外は実験例１と同一条件（一部の条件は未実施）でＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。結果を下記表５に示す。
貼り合わせ前にプラズマ処理を施さないと、第一ステップとして１５０℃～２５０℃の範囲で２時間熱処理を行い、第二ステップとして４００℃で４時間あるいは４５０℃で１時間熱処理を行っても、ウェーハが剥離されないか、または剥離されてもＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が大きかった。
（実験例５）
プラズマ処理条件の効果を確認するため、下記の条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製した。
ボンドウェーハ及びベースウェーハとして直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩを作製した。
まず、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させた。このウェーハに水素を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入を行った。ベースウェーハ（酸化膜なし）を用意して、両者にプラズマ処理を行い、その後貼り合わせを行った。
プラズマ処理条件の効果を確認するため、下記の条件でＳＯＩウェーハの完成品を作製した。
ボンドウェーハ及びベースウェーハとして直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のＳｉ単結晶ウェーハを用いてＳＯＩを作製した。
まず、ボンドウェーハに１５０ｎｍの熱酸化膜を熱処理炉で成長させた。このウェーハに水素を５×１０１６／ｃｍ２のドーズ量で４０ｋｅＶの加速エネルギーでイオン注入を行った。ベースウェーハ（酸化膜なし）を用意して、両者にプラズマ処理を行い、その後貼り合わせを行った。
プラズマ条件は下記表６のとおりとした。
この貼り合わせたウェーハに対して剥離熱処理として、第一ステップとして２００℃４時間のアニールを行った後、１０℃／分の昇温速度で昇温し、第二ステップとして４００℃４時間のアニールを行った。この熱処理によりイオン注入層で剥離し、初期ＳＯＩウェーハが作製された。この初期ＳＯＩウェーハに対し、９００℃２時間の犠牲酸化処理、１２００℃１時間のＡｒ雰囲気下のアニール、９５０℃の膜厚調整用犠牲酸化処理を行いＳＯＩ層膜厚が８８ｎｍのＳＯＩウェーハの完成品を作製し、そのＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）をＡＦＭで３０μｍ×３０μｍの範囲で測定し比較した。
表面粗さ（ＲＭＳ）は以下のようになった。
条件（１） ０．１７ｎｍ
条件（２） ０．１４ｎｍ
条件（３） ０．１７ｎｍ
条件（４） ０．１５ｎｍ
条件（１） ０．１７ｎｍ
条件（２） ０．１４ｎｍ
条件（３） ０．１７ｎｍ
条件（４） ０．１５ｎｍ
以上のことから酸化膜に窒素プラズマ、酸化膜無しウェーハに酸素プラズマで処理する事により表面粗さ（ＲＭＳ）が最も小さくなることが分かった。
なお、本発明は、上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に含有される。
Claims (4)
- シリコン単結晶ウェーハからなるボンドウェーハの表面から水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面と、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハ表面とを酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行い前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離することによりＳＯＩウェーハを作製するＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハの貼り合わせ面と前記ベースウェーハの貼り合わせ面の少なくとも一方の表面にプラズマ処理を施した後に前記酸化膜を介して貼り合わせを行い、
前記剥離熱処理では、２５０℃以下の温度で２時間以上の熱処理を行う第一ステップと、４００℃以上４５０℃以下の温度で３０分以上の熱処理を行う第二ステップとを行うことによって、前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。 - 前記プラズマ処理は、酸化膜を有するウェーハに対しては窒素プラズマ処理を行い、酸化膜のないウェーハに対しては酸素プラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
- 前記剥離後のＳＯＩウェーハの剥離面に対し、ＣＭＰを行わずに平坦化処理を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
- 請求項１又は請求項２のＳＯＩウェーハの製造方法によって製造されたＳＯＩウェーハであって、剥離面であるＳＯＩ層表面の表面粗さ（ＲＭＳ）が３ｎｍ以下であり、かつ、該ＳＯＩ層の膜厚レンジが１．５ｎｍ以下であることを特徴とするＳＯＩウェーハ。
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