JP2005085964A - Manufacturing method of laminated substrate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は貼り合わせ基板の製造方法、詳しくは所定深さ位置にヘリウムがイオン注入された半導体ウェーハを熱処理し、そのイオン注入領域内から半導体ウェーハを剥離する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a bonded substrate, and more particularly to a technique for heat-treating a semiconductor wafer into which helium is ion-implanted at a predetermined depth and peeling the semiconductor wafer from the ion-implanted region.
近年、SOI(silicon on insulator)構造を有した半導体基板を製造する方法として、特許文献1に記載されたスマートカット法が開発されている。
これは、酸化膜が形成され、水素を所定深さ位置にイオン注入した活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを室温で貼り合わせ、その後、得られた貼り合わせウェーハを熱処理炉に挿入し、500〜700℃で熱処理を施し、そのイオン注入領域から活性層用ウェーハを剥離して活性層を形成する方法である。また、剥離後には、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度を高めるため、1100℃、2時間の貼り合わせ熱処理が施される。
In recent years, a smart cut method described in Patent Document 1 has been developed as a method for manufacturing a semiconductor substrate having an SOI (silicon on insulator) structure.
This is because an oxide film is formed, hydrogen is ion-implanted to a predetermined depth position and the active layer wafer and the support substrate wafer are bonded at room temperature, and then the obtained bonded wafer is inserted into a heat treatment furnace, In this method, heat treatment is performed at 500 to 700 ° C., and the active layer wafer is peeled from the ion implantation region to form an active layer. Moreover, after peeling, in order to increase the bonding strength between the active layer wafer and the support substrate wafer, a bonding heat treatment is performed at 1100 ° C. for 2 hours.
しかしながら、従来のスマートカット法では、水素を活性層用ウェーハにイオン注入していた。そのため、剥離工程での熱処理温度は、前述したようにイオン注入領域で水素ガスのバブルが形成される500〜700℃程度と低かった。この温度では、予め室温で貼り合わされた活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度を、十分に増強することはできない。以下、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせについて詳細に説明する。 However, in the conventional smart cut method, hydrogen is ion-implanted into the active layer wafer. Therefore, as described above, the heat treatment temperature in the peeling process is as low as about 500 to 700 ° C. at which hydrogen gas bubbles are formed in the ion implantation region. At this temperature, it is not possible to sufficiently increase the bonding strength between the active layer wafer and the support substrate wafer that have been bonded together at room temperature. Hereinafter, the bonding of the active layer wafer and the support substrate wafer will be described in detail.
室温での活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせは、ファン・デル・ワールス力による弱い力での結合(貼り合わせ)である。そのため、続く貼り合わせ熱処理工程で、貼り合わせ強度が高められる。すなわち、貼り合わせウェーハを熱処理すると、まず200℃を超えたあたりで脱水縮合反応が起こる。次に、熱処理温度がさらに高まることで、水素結合が徐々にSi−O−Si結合に変換される。そして、1000℃以上まで加熱されると、大半のSi原子同士が直接結合する。
すなわち、前記水素ガスのバブルが発生する500〜700℃程度では、Si原子同士の直接結合が十分に進まない不完全な貼り合わせの状態といえる。
そのため、剥離熱処理時、イオン注入領域からの剥離ではなく、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面から剥離するおそれがあった。
The bonding of the active layer wafer and the support substrate wafer at room temperature is a bond (bonding) with a weak force by Van der Waals force. Therefore, the bonding strength is increased in the subsequent bonding heat treatment step. That is, when the bonded wafer is heat-treated, first, a dehydration condensation reaction occurs around 200 ° C. Next, when the heat treatment temperature is further increased, hydrogen bonds are gradually converted into Si—O—Si bonds. And if it heats to 1000 degreeC or more, most Si atoms will couple | bond together directly.
That is, it can be said that when the hydrogen gas bubbles are generated at about 500 to 700 ° C., the direct bonding between the Si atoms does not proceed sufficiently and the bonding is incomplete.
Therefore, at the time of the peeling heat treatment, there is a possibility that peeling from the bonded interface between the wafer for active layer and the wafer for support substrate may occur, not peeling from the ion implantation region.
この発明は、剥離熱処理時に、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる貼り合わせ基板の製造方法を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded substrate capable of preventing peeling from the bonded interface between the active layer wafer and the support substrate wafer during the peeling heat treatment.
請求項1に記載の発明は、活性層用ウェーハの所定深さ位置にヘリウムをイオン注入し、前記活性層用ウェーハにイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、その後、前記活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを、絶縁膜を介在して貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、該貼り合わせウェーハを800〜1100℃で熱処理し、前記イオン注入領域内にヘリウムガスのバブルを形成することで、前記所定深さ位置から活性層用ウェーハの一部を剥離し、活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法である。 According to the first aspect of the present invention, an ion implantation step of ion-implanting helium into a predetermined depth position of the active layer wafer to form an ion implantation region in the active layer wafer, and then the active layer wafer, A supporting substrate wafer is bonded to each other with an insulating film interposed therebetween, and a bonding process for forming a bonded wafer, and the bonded wafer is heat-treated at 800 to 1100 ° C., and a helium gas bubble is formed in the ion implantation region. Forming an active layer by peeling a part of the wafer for active layer from the predetermined depth position.
請求項1に記載の発明によれば、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離時、活性層用ウェーハのイオン注入領域にバブルが形成される温度は、800〜1100℃となる。この温度まで達すると、両ウェーハの貼り合わせ界面において、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの大半のSi原子同士が直接結合し、結合力が高い貼り合わせが得られる。その結果、この剥離工程において、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。 According to the first aspect of the present invention, since helium is used as a light element for ion implantation, the temperature at which bubbles are formed in the ion implantation region of the active layer wafer during peeling is 800 to 1100 ° C. . When this temperature is reached, most of the Si atoms of the active layer wafer and the support substrate wafer are directly bonded to each other at the bonding interface between the two wafers, and bonding with high bonding strength is obtained. As a result, in this peeling step, peeling from the bonding interface between the active layer wafer and the support substrate wafer can be prevented.
活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハの種類としては、例えば単結晶シリコンウェーハ、ゲルマニウムウェーハ、SiCウェーハなどを採用することができる。
絶縁膜としては、例えば酸化膜、窒化膜などを採用することができる。
絶縁膜の厚さは限定されない。例えば、0.1〜1.0μmである。
活性層の厚さは限定されない。例えば、厚膜の活性層では1〜10μmである。また、薄膜の活性層では0.01〜1μmである。
As the types of the active layer wafer and the support substrate wafer, for example, a single crystal silicon wafer, a germanium wafer, a SiC wafer, or the like can be employed.
As the insulating film, for example, an oxide film or a nitride film can be employed.
The thickness of the insulating film is not limited. For example, it is 0.1 to 1.0 μm.
The thickness of the active layer is not limited. For example, the thickness of the thick active layer is 1 to 10 μm. Moreover, it is 0.01-1 micrometer in the active layer of a thin film.
イオン注入時のヘリウムのドーズ量は限定されない。
ヘリウムのイオン注入時の加速電圧は、50keV以下、好ましくは30keV以下、さらに好ましくは20keV以下である。ヘリウムのイオン注入は、低加速電圧ほど目標深さにヘリウムを集中させることができる。
イオン注入時の活性層用ウェーハの基板温度は、100〜600℃である。100℃未満ではヘリウムのイオン注入損傷が大きく、活性層の結晶欠陥が増加する。また、600℃を超えると、注入したヘリウムの拡散が大きくなり、注入分布がブロードになって剥離面のラフネスが低下する。ちなみに、従来の水素イオン注入時の基板温度は450℃以下であった。この発明では、このようにイオン注入時の基板温度を高めることで、イオン注入時にイオンが活性層用ウェーハの一部を通過して生じるダメージを低減することができる。
The dose of helium at the time of ion implantation is not limited.
The acceleration voltage at the time of helium ion implantation is 50 keV or less, preferably 30 keV or less, and more preferably 20 keV or less. In the helium ion implantation, helium can be concentrated at a target depth as the acceleration voltage decreases.
The substrate temperature of the active layer wafer at the time of ion implantation is 100 to 600 ° C. Below 100 ° C., helium ion implantation damage is significant and crystal defects in the active layer increase. On the other hand, when the temperature exceeds 600 ° C., the diffusion of the injected helium increases, the distribution of the injection becomes broad, and the roughness of the peeled surface decreases. Incidentally, the substrate temperature at the time of conventional hydrogen ion implantation was 450 ° C. or less. In the present invention, by increasing the substrate temperature at the time of ion implantation in this way, damage caused by ions passing through a part of the wafer for active layer at the time of ion implantation can be reduced.
剥離時の炉内雰囲気は、非酸化性ガス(窒素、アルゴンなどの不活性ガス)の雰囲気でもよい。また、真空中でもよい。
剥離時の貼り合わせウェーハの加熱温度が800℃未満では、剥離するためのヘリウムガスのバブル形成ができず活性層ウェーハに析出物が成長し、再加工して再使用することが困難になる。貼り合わせウェーハの好ましい熱処理温度は、900℃〜1000℃である。
The atmosphere in the furnace at the time of peeling may be an atmosphere of a non-oxidizing gas (an inert gas such as nitrogen or argon). Further, it may be in a vacuum.
If the heating temperature of the bonded wafer at the time of peeling is less than 800 ° C., helium gas bubbles for peeling cannot be formed, and precipitates grow on the active layer wafer, making it difficult to reprocess and reuse. A preferable heat treatment temperature of the bonded wafer is 900 ° C to 1000 ° C.
剥離時の貼り合わせウェーハの加熱時間は10分間以上、好ましくは30〜60分間である。10分間未満では、バブル形成が不十分であり、ヘリウム注入面で剥離できないという不都合が生じる。
剥離工程後、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ熱処理の強度を高める貼り合わせ熱処理を施してもよい。この際の加熱温度は、例えば1100℃、2時間である。熱酸化炉内の雰囲気ガスとしては、酸素などを採用することができる。
The heating time of the bonded wafer at the time of peeling is 10 minutes or more, preferably 30 to 60 minutes. If it is less than 10 minutes, bubble formation is inadequate and the inconvenience that it cannot peel at a helium injection surface arises.
After the peeling step, a bonding heat treatment for increasing the strength of the bonding heat treatment between the active layer wafer and the support substrate wafer may be performed. The heating temperature at this time is, for example, 1100 ° C. and 2 hours. As the atmospheric gas in the thermal oxidation furnace, oxygen or the like can be employed.
請求項2に記載の発明は、前記イオン注入工程では、ヘリウムのドーズ量が、8×1016〜2×1017/cm2である請求項1に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。 The invention according to claim 2 is the method for manufacturing a bonded substrate according to claim 1, wherein a dose of helium is 8 × 10 16 to 2 × 10 17 / cm 2 in the ion implantation step.
ヘリウムのドーズ量が8×1016/cm2未満では、800℃以上の高温で熱処理しても支持基板用ウェーハを剥離できない。また、ヘリウムのドーズ量が2×1017/cm2を超えると、イオン注入中に火脹れ(イオン注入中にウェーハ表面がパラパラと剥れる現象、ヘリウムのイオン注入時の加速電圧=45keV)が発生するおそれがある。ヘリウムの好ましいドーズ量は、9×1016〜1×1017/cm2である。ちなみに、従来の水素イオン注入では、1.5×1017〜2.0×1017/cm2が限界である。 When the dose of helium is less than 8 × 10 16 / cm 2 , the support substrate wafer cannot be peeled off even when heat-treated at a high temperature of 800 ° C. or higher. Further, if the dose of helium exceeds 2 × 10 17 / cm 2 , the wafer will expand during ion implantation (the phenomenon that the wafer surface peels off during ion implantation, acceleration voltage during helium ion implantation = 45 keV). May occur. A preferable dose of helium is 9 × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 2 . Incidentally, in the conventional hydrogen ion implantation, 1.5 × 10 17 to 2.0 × 10 17 / cm 2 is the limit.
この発明によれば、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離時、活性層用ウェーハのイオン注入領域にバブルが形成される温度は、800〜1100℃となり、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。 According to this invention, since helium is employed as the light element for ion implantation, the temperature at which bubbles are formed in the ion implantation region of the active layer wafer during peeling is 800 to 1100 ° C. Peeling from the bonding interface with the support substrate wafer can be prevented.
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
ボロンが所定量添加されたp型の単結晶シリコンインゴットをCZ法により引き上げる。その後、単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、鏡面研磨などを施す。これにより、厚さ725μm、直径200mm、比抵抗10〜20Ωcm、p型の鏡面仕上げされた活性層用ウェーハ10と、支持基板用ウェーハ20とが得られる(図1(a),(b))。
その後、活性層用ウェーハ10を熱酸化装置に挿入し、酸素ガス雰囲気で熱酸化処理を施す。これにより、活性層用ウェーハ10の露出面の全域に、厚さ0.15μmのシリコン酸化膜10aを形成する。熱処理条件は950〜1100℃、5〜8時間である(図1(c))。
A p-type single crystal silicon ingot to which a predetermined amount of boron is added is pulled up by the CZ method. Thereafter, the single crystal silicon ingot is subjected to block cutting, slicing, chamfering, mirror polishing, and the like. Thus, an active layer wafer 10 having a thickness of 725 μm, a diameter of 200 mm, a specific resistance of 10 to 20 Ωcm, and a p-type mirror finish is obtained, and a
Thereafter, the
次に、活性層用ウェーハ10の鏡面仕上げされた表面から所定深さ位置に、中電流イオン注入装置を使用し、70keVの加速電圧でヘリウムをイオン注入する。これにより、活性層用ウェーハ10に、ヘリウムイオン注入領域10bが形成される(図1(c))。
このときのドーズ量は、5×1016〜4×1017/cm2 である。
Next, helium ions are implanted at a predetermined depth position from the mirror-finished surface of the active layer wafer 10 at an acceleration voltage of 70 keV using a medium current ion implantation apparatus. Thereby, the helium ion implantation area |
The dose at this time is 5 × 10 16 to 4 × 10 17 / cm 2 .
続いて、活性層用ウェーハ10の表面と支持基板用ウェーハ20の鏡面とを貼り合わせ面(重ね合わせ面)とし、シリコン酸化膜10aを介して、例えば真空装置内で公知の治具により、両ウェーハ10,20を貼り合わせて貼り合わせウェーハ30を作製する(図1(d))。このとき、活性層用ウェーハ10と支持基板用ウェーハ20とが、シリコン酸化膜10aを介して接合し、この接合部分のシリコン酸化膜10aが埋め込みシリコン酸化膜(絶縁膜)30aとなる。
Subsequently, the surface of the active layer wafer 10 and the mirror surface of the
それから、貼り合わせウェーハ30を図示しない剥離熱処理装置に挿入し、800〜1100℃の炉内温度、窒素ガスの雰囲気で熱処理する(図1(e))。熱処理時間は30分間である。この熱処理により、支持基板用ウェーハ20の貼り合わせ界面側に活性層10Aを残し、活性層用ウェーハ10をヘリウムイオン注入領域10bから剥離する低温熱処理が施される。
Then, the bonded
このとき、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離温度は800〜1100℃まで高まる。この温度まで達すると、両ウェーハ10,20の貼り合わせ界面において、活性層用ウェーハ10と支持基板用ウェーハ20との大半のSi原子同士が直接結合し、結合力が高い貼り合わせが得られる。その結果、この剥離工程において、従来の貼り合わせ強度を増強する貼り合わせ熱処理(1100℃、2時間)工程を兼用することもできる。よって、活性層用ウェーハ10と支持基板用ウェーハ20との貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。しかも、貼り合わせSOI基板の製造工程数の削減も図れる。剥離された活性層用ウェーハ10は、支持基板用ウェーハ20として再利用可能である。
At this time, since helium is employed as a light element for ion implantation, the peeling temperature is increased to 800 to 1100 ° C. When this temperature is reached, most of the Si atoms of the
また剥離後、必要により貼り合わせウェーハ30には1100℃、2時間の熱処理を施してもよい。これにより、活性層用ウェーハ10と支持基板用ウェーハ20との貼り合わせ強度をさらに増強することができる。
そして、SOI構造の貼り合わせウェーハ30を、1重量%のHF溶液(室温)に浸漬し、活性層10Aの外周部に残存するシリコン酸化膜10aをエッチングする。その後、活性層10Aの表面が、研磨装置により研磨される。こうして、スマートカット法による貼り合わせ基板が作製される(図1(f))。
Further, after peeling, the bonded
Then, the bonded
ここで、実際に本発明法および従来法について、剥離工程後の活性層用ウェーハと埋め込みシリコン酸化膜との貼り合わせ界面の結合強度を比較調査した結果を報告する。
結合強度の測定には、HFディップ法を採用した。具体的には、まず剥離後の貼り合わせSOI基板(図2(a))を、25重量%のHF溶液(室温)に10分間浸漬し、埋め込みシリコン酸化膜の外周縁をエッチングする。その後、埋め込みシリコン酸化膜の外周面の貼り合わせ界面側の傾斜角度θを測定する(図2(b))。傾斜角度θが小さければ貼り合わせ強度が弱い。反対に、傾斜角度θが大きければ貼り合わせ強度が強い。その結果を表1に示す。
Here, the results of a comparative investigation of the bonding strength at the bonding interface between the active layer wafer and the buried silicon oxide film after the peeling process are reported for the method of the present invention and the conventional method.
The HF dip method was adopted for the measurement of the bond strength. Specifically, first, the peeled bonded SOI substrate (FIG. 2A) is immersed in a 25 wt% HF solution (room temperature) for 10 minutes, and the outer peripheral edge of the embedded silicon oxide film is etched. Thereafter, the inclination angle θ on the bonding interface side of the outer peripheral surface of the buried silicon oxide film is measured (FIG. 2B). If the inclination angle θ is small, the bonding strength is weak. Conversely, if the inclination angle θ is large, the bonding strength is strong. The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、試験例1〜試験例4はいずれも活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度が、比較例1〜比較例4に比べて改善された。すなわち、界面側の傾斜角度θは、比較例1〜4の場合に比べて試験例1〜試験例4の方が大きかった。特に、試験例2の場合の角度62°は、剥離後、貼り合わせ熱処理した貼り合わせウェーハに対して同様に貼り合わせ強度試験を行ったときの角度(70〜80°)に最も近い数値で、貼り合わせ強度が最大であった。 As is apparent from Table 1, in each of Test Examples 1 to 4, the bonding strength between the active layer wafer and the support substrate wafer was improved as compared with Comparative Examples 1 to 4. That is, the inclination angle θ on the interface side was larger in Test Examples 1 to 4 than in Comparative Examples 1 to 4. In particular, the angle 62 ° in the case of Test Example 2 is a numerical value closest to the angle (70 to 80 °) when the bonding strength test is similarly performed on the bonded wafer subjected to the bonding heat treatment after peeling, The bonding strength was the maximum.
10 活性層用ウェーハ、
10A 活性層、
10b ヘリウムイオン注入領域(イオン注入領域)、
30 貼り合わせウェーハ、
30a 埋め込みシリコン酸化膜(絶縁膜)。
10 Active layer wafer,
10A active layer,
10b Helium ion implantation region (ion implantation region),
30 bonded wafers,
30a Embedded silicon oxide film (insulating film).
Claims (2)
その後、前記活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを、絶縁膜を介在して貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、
該貼り合わせウェーハを800〜1100℃で熱処理し、前記イオン注入領域内にヘリウムガスのバブルを形成することで、前記所定深さ位置から活性層用ウェーハの一部を剥離し、活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法。 An ion implantation step of ion-implanting helium into a predetermined depth position of the active layer wafer to form an ion implantation region in the active layer wafer;
Thereafter, the active layer wafer and the support substrate wafer are bonded together with an insulating film interposed therebetween, and a bonding step of forming a bonded wafer;
The bonded wafer is heat-treated at 800 to 1100 ° C., and helium gas bubbles are formed in the ion implantation region, whereby a part of the wafer for active layer is peeled off from the predetermined depth position to form an active layer. The manufacturing method of the bonded substrate board provided with the peeling process to perform.
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