JP2015115332A - 貼り合わせｓｏｉウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素イオン注入によって形成されたイオン注入欠陥層であっても、後工程の熱処理によって欠陥が消滅せずに、キャリアトラップ層として十分に機能させることのできる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 ベースウェーハの表面に第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜を通して臨界ドーズ量未満の水素イオン注入を行ってベースウェーハの表面近傍に水素イオン注入層を形成する工程と、第１の絶縁膜を除去する工程と、水素イオン注入層が形成されたベースウェーハに熱処理を行うことで、水素イオン注入層で剥離させることなく水素イオン注入層をイオン注入欠陥層に改質する工程と、熱処理を行ったベースウェーハと、ボンドウェーハとを第２の絶縁膜を介して貼り合わせた後、ボンドウェーハを薄膜化することでＳＯＩ層を形成する工程とを有することを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法に関する。

従来、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；高周波）デバイス対応のＳＯＩウェーハとして、ベースウェーハの抵抗率を高抵抗化することで対処してきた。しかし更なる高速化に対応するために、より高い周波数に対応することが必要になってきており、従来の高抵抗ウェーハの使用のみでは対処できなくなってきている。

対応策として、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）直下に、発生したキャリアを消滅させる効果を持つ層（キャリアトラップ層）を設けることが提案されている。

キャリアトラップ層については、特許文献１、２には、ＢＯＸ層とベースウェーハの界面に、キャリアトラップ層としての多結晶シリコン層や非晶質シリコン層などの付加的な層を形成することが記載されている。

また、特許文献３は、キャリアトラップ層として希ガスイオン注入層を形成することが記載されている。

特表２００７−５０７０９３号公報 特表２０１３−５１３２３４号公報 特表２０１２−５１７６９１号公報

上述したように、より高い周波数に対応するデバイスを作製するため、ＳＯＩウェーハのＢＯＸ層下にキャリアトラップ層を形成する事が必須になってきている。
また、このようなキャリアトラップ層を有するＳＯＩウェーハの製法として、ＳＯＩ層を形成するボンドウェーハに、主に水素イオンを注入して剥離用イオン注入層を形成し、絶縁膜を介してベースウェーハと貼り合わせた後、剥離用イオン注入層で剥離して薄膜化する方法（イオン注入剥離法）が主として採用される。
従って、特許文献３に記載されている様に、キャリアトラップ層を形成するためのイオン注入を、剥離用イオン注入と同一の水素イオンで行うことができれば、イオン種の変更やイオン注入装置の変更を行う必要がないため、効率的な製造が可能となる。

ところが、特許文献３によれば、キャリアトラップ層としてアルゴンなどの希ガスイオン注入層を形成することが記載されているが、希ガスイオンの代替として水素イオンを用いることについては全く触れられていない。

この理由について本発明者らが鋭意調査した結果、剥離を発生させることのない臨界ドーズ量未満の水素イオンを注入して形成された水素イオン注入層は、注入直後には欠陥を有するものの、その後の貼り合わせＳＯＩウェーハ製造プロセス中の熱処理（結合強化熱処理やＳＯＩ膜厚調整のための犠牲酸化などの熱処理）によってイオン注入により生じた欠陥が消滅してしまい、キャリアトラップ層として機能しなくなってしまうことが判明した。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、水素イオン注入によって形成されたイオン注入欠陥層であっても、後工程の熱処理によって欠陥が消滅せずに、キャリアトラップ層として十分に機能させることのできる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、いずれもシリコン単結晶からなるボンドウェーハとベースウェーハとを準備する工程と、該ベースウェーハの表面に第１の絶縁膜を形成し、該第１の絶縁膜を通して臨界ドーズ量未満の水素イオン注入を行って前記ベースウェーハの表面近傍に水素イオン注入層を形成する工程と、前記第１の絶縁膜を除去する工程と、前記水素イオン注入層が形成された前記ベースウェーハに熱処理を行うことによって、前記水素イオン注入層で剥離させることなく前記水素イオン注入層をイオン注入欠陥層に改質する工程と、前記熱処理を行った前記ベースウェーハと、前記ボンドウェーハとを第２の絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハを薄膜化することによってＳＯＩ層を形成する工程とを有することを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。

このように、第１の絶縁膜を除去した後に、水素イオン注入層が形成されたベースウェーハに熱処理を行うことによって、熱処理雰囲気中のガス分子が水素イオン注入層に拡散し、欠陥の修復を妨げることができるので、水素イオン注入層を後工程で消滅しにくいイオン注入欠陥層に改質することができる。

このとき、前記ベースウェーハへの熱処理を５００℃以上、８００℃以下の温度で行うことが好ましい。
熱処理を５００℃以上の温度で行うことで、ガス分子の拡散が不十分となることを防止でき、熱処理を８００℃以下の温度で行うことで、後工程で消滅しにくいイオン注入欠陥層への改質が進む前に欠陥が単結晶化して消滅することをより確実に防止できる。

このとき、前記ベースウェーハへの水素イオン注入におけるドーズ量を１×１０^１６／ｃｍ^２以上、１×１０^１７／ｃｍ^２以下の範囲内に設定することが好ましい。
水素イオン注入のドーズ量を１×１０^１６／ｃｍ^２以上に設定することで、キャリアトラップ層としての機能が不十分になることを防止でき、水素イオン注入のドーズ量を１×１０^１７／ｃｍ^２以下に設定することで、熱処理において、剥離が生じることを防止できる。

このとき、前記第２の絶縁膜を前記ボンドウェーハの表面に形成し、該第２の絶縁膜を介して前記ボンドウェーハの表面近傍に臨界ドーズ量以上の水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方を注入して剥離用イオン注入層を形成し、前記ベースウェーハと貼り合わせた後に、前記剥離用イオン注入層で剥離することによって前記薄膜化を行うことが好ましい。
このように、イオン注入剥離法を用いてボンドウェーハの薄膜化を行うことができる。

このとき、前記第１、第２の絶縁膜をシリコン酸化膜とすることが好ましい。
第１、第２の絶縁膜として、シリコン酸化膜を好適に用いることができる。

以上のように、本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法によれば、水素イオン注入によって形成されたイオン注入層をイオン注入欠陥層に改質し、後工程の熱処理によって欠陥が消滅せずに、キャリアトラップ層として十分に機能させることができる。

本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法のフローを示す図である。 本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法のフローに対応する評価フローを示す図である。 実験例１−４のウェーハの断面ＴＥＭ観察結果を示す図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、より高い周波数に対応するデバイスを作製するため、ＳＯＩウェーハのＢＯＸ層下にキャリアトラップ層を形成することが必須になってきている。
しかしながら、剥離を発生させることのない臨界ドーズ量未満の水素イオンを注入して形成された水素イオン注入層は、注入直後には欠陥を有するものの、その後の貼り合わせＳＯＩウェーハ製造プロセス中の熱処理（結合強化熱処理やＳＯＩ膜厚調整のための犠牲酸化などの熱処理）によってイオン注入により生じた欠陥が消滅してしまい、キャリアトラップ層として機能しなくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明者らは、臨界ドーズ量未満の水素イオン注入によって形成されたイオン注入層であっても、後工程の熱処理によって欠陥が消滅せずに、キャリアトラップ層として十分に機能させることのできる貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法について鋭意検討を重ねた。

その結果、本発明者らは、水素イオン注入工程の前に形成した絶縁膜を除去するとともに、水素イオン注入層が形成されたベースウェーハを酸化性雰囲気で熱処理を行うことによって、熱処理雰囲気中のガス分子が水素イオン注入層に拡散し、欠陥の修復を妨げることができ、水素イオン注入層を後工程で消滅しにくいイオン注入欠陥層に改質することができることを見出し、本発明をなすに至った。

以下、図１を参照しながら、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法を説明する。
まず、シリコン単結晶からなるベースウェーハ及びボンドウェーハを準備する（図１のＳ１−０ステップ、Ｓ２−０ステップ参照）。
ＲＦデバイス用として、ベースウェーハの抵抗率は１０００Ω・ｃｍ以上が好ましく、３０００Ω・ｃｍ以上がより好ましい。

次に、ベースウェーハに第１の絶縁膜を形成する（図１のＳ１−１ステップ参照）。
第１の絶縁膜は、熱酸化により酸化シリコン膜を形成することが好ましい。
また、ボンドウェーハに第２の絶縁膜（埋め込み酸化膜）を形成する（図１のＳ２−１ステップ参照）。
第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜は、熱酸化により酸化シリコン膜を形成することが好ましい。

次に、ベースウェーハに第１の絶縁膜を通して、剥離を発生させることのない臨界ドーズ量未満の水素イオンを注入して、ベースウェーハの表面近傍に水素イオン注入層を形成する（図１のＳ１−２ステップ参照）。
ベースウェーハへの水素イオン注入のドーズ量は、１×１０^１６／ｃｍ^２以上、１×１０^１７／ｃｍ^２以下の範囲内に設定することが好ましく、３×１０^１６／ｃｍ^２以上、６×１０^１６／ｃｍ^２以下の範囲内に設定することがより好ましい。
水素イオン注入のドーズ量を１×１０^１６／ｃｍ^２以上に設定することで、キャリアトラップ層としての機能が不十分になることを防止でき、水素イオン注入のドーズ量を１×１０^１７／ｃｍ^２以下に設定することで、熱処理において剥離が生じることを確実に防止できる。

また、ボンドウェーハに第２の絶縁膜を通して、剥離が生じる臨界ドーズ量以上の水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方を注入して、ボンドウェーハの表面近傍に剥離用イオン注入層を形成する（図１のＳ２−２ステップ参照）。

次に、ベースウェーハに形成された第１の絶縁膜を除去する（図１のＳ１−３ステップ参照）。第１の絶縁膜がシリコン酸化膜である場合には、ＨＦ洗浄により第１の絶縁膜を除去することができる（図１のＳ１−３ステップ参照）。

次に、第１の絶縁膜を除去したベースウェーハを、例えば、酸化性ガス雰囲気、又は、不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、水素イオン注入層を水素イオン注入欠陥層に改質する（図１のＳ１−４ステップ参照）。
このとき、改質を行う熱処理を５００℃以上、８００℃以下の温度で行うことが好ましい。５００℃以上の温度で行うことで、雰囲気ガスの拡散が不十分となることを防止でき、８００℃以下の温度で行うことで、後工程で消滅しにくいイオン注入欠陥層への改質が進む前に欠陥が単結晶化して消滅することをより確実に防止できる。

次に、熱処理したベースウェーハ、及び、ボンドウェーハの貼り合わせ前洗浄を行う（図１のＳ３ステップ参照）。貼り合わせ前洗浄は、例えば、ＮＨ_４ＯＨ／Ｈ_２Ｏ_２水溶液とＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ_２水溶液からなる洗浄液を用いて行うことができる。

次に、ベースウェーハと、ボンドウェーハとを、ベースウェーハの水素イオン注入欠陥層が形成された面とボンドウェーハの剥離用イオン注入層が形成された面とが接するように、第２の絶縁膜を介して貼り合わせる（図１のＳ４参照）。

次に、貼り合わせたウェーハに剥離熱処理を施し、ボンドウェーハに形成された剥離用イオン注入層で剥離させることで、ボンドウェーハを薄膜化し、ＳＯＩ層を形成する（図１のＳ５参照）。
この剥離熱処理は、例えば、Ａｒ雰囲気で５００℃、３０分の条件で行うことができる。

次に、ボンドウェーハの薄膜化を行った貼り合わせたウェーハに熱処理を施す（図１のＳ６参照）。この熱処理は、例えば、結合熱処理、犠牲酸化、等である。結合熱処理は、例えば、酸化性雰囲気で１０００℃、４．５時間の条件で行うことができ、犠牲酸化は、例えば、１０５０℃、１．５時間の条件で行うことができる。

なお、上記の説明では、イオン注入剥離法を用いてボンドウェーハの薄膜化を行っているが、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）やエッチングを用いてボンドウェーハの薄膜化を行うこともできる。
また、上記の説明では、第２の絶縁膜をボンドウェーハ側に形成しているが、第２の絶縁膜をＳ１−４ステップの熱処理後にベースウェーハ側に形成することができるし、両方に形成するようにしてもよい。
また、上記では、ステップＳ１−０〜ステップＳ１−４の工程を、ステップＳ２−０〜ステップＳ２−２の工程を並行して進めるように説明したが、これらはステップＳ４の貼り合わせ前までに行われていればよく、それぞれ個別に工程を進めてもよい。

（実験例）
図１に示す本発明の貼り合わせＳＯＩウェーハを製造するフローの代替評価として、図２に示す評価フローに従って、ベースウェーハを作製した。
図２の評価フローにおいては、図１の「貼り合わせ前洗浄工程」（ステップＳ３）、「貼り合わせ工程」（ステップＳ４）、「剥離熱処理工程」（ステップＳ５）は省略している。
また、図２の評価フローにおいては、図１の「熱処理工程」（ステップＳ６）の替わりに、評価用の熱処理工程であるステップＳ６’（ＳＯＩウェーハ製造工程の熱処理を想定した熱処理：１０００℃、４．５時間＋１０５０℃、１．５時間）を行っている。
熱処理工程（ステップＳ６’）後に、ベースウェーハの断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。
上記の評価フローの各工程の実験条件を表１に示す。

実験例１−４のＴＥＭ観察結果を図３に示す。
図３からわかるように、実験例３，４（ベースウェーハに酸化膜を形成し、水素イオン注入を行った後、形成された酸化膜をＨＦで除去し、改質熱処理をしたもの）では、酸化膜下部のベースウェーハの表面近傍に、高密度の欠陥層（連続した欠陥層）が全面にわたり形成されていた。
しかしながら、ベースウェーハに形成された酸化膜を除去していないものは、水素イオン注入後の熱処理がＡｒ雰囲気（実験例１）、Ｏ_２雰囲気（実験例２）のいずれの場合でも高密度の欠陥層は認められなかった。
なお、ステップＳ１−４の熱処理温度を５００℃に変更して同様の実験を行ったが、８００℃の場合と同様の結果となった。

以下、実施例及び比較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。
ベースウェーハとして、直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞、抵抗率３０００Ωｃｍのシリコン単結晶ウェーハを用い、ボンドウェーハとして、直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞、抵抗率１０Ωｃｍのシリコン単結晶ウェーハを用い、図１に示す製造フローで貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。
ここで、実施例１−４、比較例１−２の各工程の条件を表２に示す。

（実施例１）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は１０％ＨＦ水溶液を用いて行い、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は１００％Ｏ２、７００℃、２時間で行った。

（実施例２）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は１０％ＨＦ水溶液を用いて行い、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は１００％Ｏ２、６００℃、３時間で行った。

（実施例３）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は１０％ＨＦ水溶液を用いて行い、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は１００％Ｏ２、５００℃、４時間で行った。

（実施例４）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は１０％ＨＦ水溶液を用いて行い、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は１００％Ａｒ、８００℃、２時間で行った。

（比較例１）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は１０％ＨＦ水溶液を用いて行い、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は行わなかった。

（比較例２）
表２に示す条件で、貼り合わせＳＯＩウェーハを作製した。なお、ステップＳ１−３のＨＦ洗浄工程は行わずに、ステップＳ１−４の改質熱処理工程は１００％Ｏ２、７００℃、２時間で行った。

実施例１−４、比較例１−２の条件により作製された貼り合わせＳＯＩウェーハの断面をＴＥＭにより観察した。
その結果、ＨＦ洗浄を行い熱酸化膜を除去し、かつ、５００℃〜８００℃の改質熱処理を行った実施例１−４のＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜（ＢＯＸ膜）下部のベースウェーハの表面近傍には、高密度の欠陥層（すなわち、連続した欠陥層）が形成されていることがわかった。
一方、改質熱処理を行わなかった比較例１、及び、ＨＦ洗浄を行わなかった比較例２については、埋め込み酸化膜下部のベースウェーハの表面近傍には、欠陥層がまばらに観察されたが、高密度の欠陥層は形成されておらず、キャリアトラップ層として機能させるためには不十分であるレベルであった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。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包含される。

Claims (5)

1. いずれもシリコン単結晶からなるボンドウェーハとベースウェーハとを準備する工程と、
   該ベースウェーハの表面に第１の絶縁膜を形成し、該第１の絶縁膜を通して臨界ドーズ量未満の水素イオン注入を行って前記ベースウェーハの表面近傍に水素イオン注入層を形成する工程と、
   前記第１の絶縁膜を除去する工程と、
   前記水素イオン注入層が形成された前記ベースウェーハに熱処理を行うことによって、前記水素イオン注入層で剥離させることなく前記水素イオン注入層をイオン注入欠陥層に改質する工程と、
   前記熱処理を行った前記ベースウェーハと、前記ボンドウェーハとを第２の絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハを薄膜化することによってＳＯＩ層を形成する工程と
   を有することを特徴とする貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 前記ベースウェーハへの熱処理を５００℃以上、８００℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 前記ベースウェーハへの水素イオン注入におけるドーズ量を１×１０^１６／ｃｍ^２以上、１×１０^１７／ｃｍ^２以下の範囲内に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
4. 前記第２の絶縁膜を前記ボンドウェーハの表面に形成し、該第２の絶縁膜を介して前記ボンドウェーハの表面近傍に臨界ドーズ量以上の水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも一方を注入して剥離用イオン注入層を形成し、前記ベースウェーハと貼り合わせた後に、前記剥離用イオン注入層で剥離することによって前記薄膜化を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。
5. 前記第１、第２の絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の貼り合わせＳＯＩウェーハの製造方法。

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