JP4720163B2

JP4720163B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP4720163B2
Application number: JP2004350285A
Authority: JP
Inventors: 孝明塩多; 康浩大浦
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: JP2006165061A; US7582540B2; US20060121696A1

Description

この発明はＳＯＩウェーハの製造方法、詳しくは活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせたＳＯＩウェーハの製造方法の改良に関する。

ＳＯＩ層を有するＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べ、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。ＳＯＩウェーハの製造方法には、酸化膜を形成し２枚のシリコンウェーハを接合させた後、研削、研磨してＳＯＩ層を形成する貼り合わせ法がある。
貼り合わせ法によるＳＯＩウェーハは、例えば、特許文献１に記載の通り、以下のようにして製造される。まず、片面鏡面研磨された活性層用ウェーハおよび片面鏡面研磨された支持用ウェーハをそれぞれ準備する。次いで、活性層用ウェーハの表面（鏡面）に所定厚さの絶縁膜を形成する。この後、活性層用ウェーハを酸化膜が形成された面（鏡面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハの表面（鏡面）に貼り合わせる。
そして、貼り合わせ後、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を強固にするための貼り合わせ強化熱処理を行う。この後、活性層用ウェーハの一部を研削および研磨することにより、所定厚さのＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハが得ることができる。

特開２００１−４４３９８号公報

ところで、上記貼り合わせ方法においては、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合を強固にするため、酸素雰囲気で貼り合わせ強化熱処理を行っている。しかしながら、この貼り合わせ強化熱処理時に、雰囲気中に存在している金属不純物が貼り合わせウェーハを汚染することがある。この場合の金属不純物は、例えば、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉなどである。
その結果、貼り合わせウェーハには、金属不純物がその面内全体に存在することとなる。したがって、この貼り合わせウェーハにあってその活性層用ウェーハの一部が研削・研磨された後、活性層となるＳＯＩ層にも金属不純物が存在することとなる。これにより、金属不純物が含まれたＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハは、デバイス工程において電気的特性を満たさないウェーハとなる。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ層を活性層用ウェーハのバルク部に形成し、貼り合わせ強化熱処理後、このＢＭＤ層で金属不純物をゲッタリングし、この後このＢＭＤ層を研削・研磨などで除去することにより、無欠陥のＳＯＩ層を有する貼り合わせＳＯＩウェーハを製造できることを知見し、この発明を完成させた。
この発明は、貼り合わせ強化熱処理時の金属不純物をＢＭＤ層によりゲッタリングするとともに、無欠陥のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを得るＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、鏡面研磨された活性層用ウェーハの表裏面に絶縁膜を形成する工程と、この後、この活性層用ウェーハの表面の絶縁膜を除去する工程と、次いで、この活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表層部に空孔を形成する工程と、次いで、この活性層用ウェーハをその裏面に形成された絶縁膜を介して支持用ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成する工程と、次いで、この貼り合わせウェーハに対してその活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表層部に無欠陥層を形成するとともに、バルク部にＢＭＤ層を形成する工程と、次いで、前記ＢＭＤ層を除去することによって、活性層用ウェーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程とを含み、前記ＢＭＤ層は、前記強化熱処理時の金属不純物をゲッタリングするＳＯＩウェーハの製造方法である。
活性層用ウェーハおよび支持用ウェーハは、ともにＣＺ法によるシリコンウェーハとすることができる。
活性層用ウェーハの表裏面に形成される絶縁膜は、酸化膜でも窒化膜でもよい。
活性層用ウェーハには、ＲＴＡ（ＲＴＡ；ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）処理により、その表面から空孔が注入され、この後の熱処理により酸素析出を起こしてＢＭＤ層が形成される。なお、このＢＭＤ層は、活性層用ウェーハとともに支持用ウェーハに形成してあってもよい。
活性層用ウェーハの薄膜化は、例えばウェーハ表面の研削さらに研磨による。または、活性層用ウェーハにイオン注入を行い、加熱して剥離し、研磨することもできる。

請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法にあっては、まず、活性層用ウェーハの表裏面のそれぞれに所定厚さで絶縁膜を形成する。この後、この活性層用ウェーハの表面側（鏡面とは反対側の面）の絶縁膜を、例えばシリコン酸化膜の場合はＨＦ液に浸して除去する。次いで、活性層用ウェーハにＲＴＡ処理（急速加熱および急速降温熱処理）を施す。すると、絶縁膜が除去された活性層用ウェーハにはその表面から内部に空孔が注入される。そして、その表層部に高濃度の空孔を有する空孔層が形成される。
次いで、活性層用ウェーハは、絶縁膜が形成されたその裏面を貼り合わせ面として、支持用ウェーハの表面（鏡面）に貼り合わせられる。これにより、両ウェーハ間に絶縁膜が介在された貼り合わせウェーハ（ＳＯＩ構造の貼り合わせウェーハ）を得ることができる。
この後、この貼り合わせウェーハについて、酸素雰囲気で、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を行う。この場合、貼り合わせウェーハは炉内雰囲気などからの金属不純物に汚染されるおそれがある。
このとき、活性層用ウェーハのバルク部に、多くの酸素析出物や格子間シリコン原子が生じる。このうち格子間シリコン原子は、活性層用ウェーハの表面側に拡散され、上記空孔層の空孔を消滅させる。そして、この表層部には、無欠陥層（ＤＺ：ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）が形成される。また、この無欠陥層よりバルク内部には、高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）層が形成される。これにより、このＢＭＤ層は、金属不純物をゲッタリングするゲッタリング層となる。
そして、貼り合わせウェーハを汚染する金属不純物は、このＢＭＤ層によりゲッタリングされる。
この後、金属不純物がゲッタリングされたＢＭＤ層は、例えば活性層用ウェーハをその表面側から研削し、研磨することにより、除去される。
一方、上記ゲッタリングの効果として金属不純物を含まない無欠陥層（活性層用ウェーハの絶縁膜側）はＳＯＩ層となる。この結果、金属不純物を含まない無欠陥のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを得ることができる。

請求項２に記載の発明は、上記ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気において、昇温速度１０〜１００℃／ｓｅｃで室温から設定温度まで昇温し、次いで、この温度に１〜６０秒間保持し、この後、降温速度１０〜１００℃／ｓｅｃでこの設定温度から室温まで降温するとともに、この設定温度は１１００℃〜１２５０℃とした請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法である。
ＲＴＡ処理の昇温速度、降温速度が１０℃／ｓｅｃ未満では、スループットが低下する。
昇温速度、降温速度が１００℃／ｓｅｃを超えると、面内の温度分布が悪化し、反りやスリップが発生しやすくなる。
保持する設定温度は１１００℃〜１２５０℃である。設定温度が１１００℃未満では、空孔層が形成されにくい。設定温度が１２５０℃を越えると活性層用ウェーハにスリップが発生し、また、この活性層用シリコンウェーハに反りが生じる。
このように、活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すことにより、活性層用ウェーハには空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）が注入される。
ＲＴＡ処理ば窒素ガス雰囲気で行われる。窒素ガス雰囲気であれば、シリコンウェーハの表面に窒化膜が形成される。そして、この窒化膜が空孔注入を促進させる。注入される空孔の量は限定されない。
また、上記窒素ガス雰囲気にＮＨ_３を含ませることにより、ＮＨ_３が分解して水素を生じさせ、この水素がシリコンウェーハに形成された自然絶縁膜を除去する。しかも、シリコンウェーハ表面に窒化膜を形成し、この窒化膜が空孔注入を促進する。

請求項２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法にあっては、活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施す。このＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気により行われる。これにより、絶縁膜が除去された活性層用ウェーハの表面から空孔が注入される。そして、活性層用ウェーハの表層部には高濃度の空孔を有する空孔層が形成される。
この後、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの貼り合わせを行う。そして、この貼り合わせウェーハについて貼り合わせ強化熱処理を行う。
すると、活性層用ウェーハのバルク部において、格子間シリコン原子および酸素析出物が生じる。
そして、バルク部において、高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ層が形成される。このＢＭＤ層は、貼り合わせ強化熱処理時の金属不純物をゲッタリングするゲッタリング層となる。
また、格子間シリコン原子が表層側に拡散されて、表層部の空孔層の空孔を消滅させる。この結果、活性層用ウェーハの表層部にはＤＺ層（無欠陥層）が形成される。この後、活性層用ウェーハ側を薄膜化することでＳＯＩウェーハが作製される。

この発明によれば、まず、活性層用ウェーハの表裏面に絶縁膜を形成し、この後、表面側の絶縁膜を例えばＨＦ液により除去する。そして、活性層用ウェーハにＲＴＡ処理を施す。すると、活性層用ウェーハ表面から空孔が注入され、表層部に空孔層が形成される。
次いで、活性層用ウェーハの絶縁膜が形成されている面（鏡面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハに貼り合わせる。これにより、絶縁膜が介在された貼り合わせウェーハを得ることができる。この後、この貼り合わせウェーハを酸化雰囲気で、活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高めるための貼り合わせ強化熱処理を行う。このとき、バルク部に高濃度の酸素析出物を有するＢＭＤ層が形成される。同時に、活性層用ウェーハの表層部には、無欠陥層が形成される。これにより、貼り合わせウェーハを汚染する金属不純物は、ＢＭＤ層によりゲッタリングされる。この後、金属不純物がゲッタリングされたＢＭＤ層は、例えば研削および研磨により除去される。また、金属不純物を含まない無欠陥層はＳＯＩ層となる。この結果、金属不純物を含まない無欠陥のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを得ることができる。

以下、この発明の実施例を、図１〜図３を参照して説明する。
まず、ＳＯＩウェーハ１０の製造方法について図１を参照して説明する。
最初に、図１のＳ１０１工程に示すように、ＣＺ法により育成され、ボロンがドーパントとされた単一の単結晶シリコンインゴットからスライスした厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、比抵抗２０Ω・ｃｍのシリコンウェーハを２枚準備する。この後、これらのシリコンウェーハの片面を公知のプロセスを経て片面鏡面研磨する。そして、これらのシリコンウェーハのうち、一方を活性層用ウェーハ１１とし、他方を支持用ウェーハ２１とする。

次いで、図１のＳ１０２工程に示すように、活性層用ウェーハ１１となるシリコンウェーハの表裏面のそれぞれに所定厚さの酸化膜１２を形成する。この酸化膜１２の形成は、酸化炉内にシリコンウェーハを装入し、これを４時間、温度１０００℃に加熱することにより行われる。このとき、形成される酸化膜１２の厚さは例えば１５００Åである。
この後、図１のＳ１０３工程に示すように、活性層用ウェーハ１１の表面側のみ酸化膜１２を除去する。例えば表面側のみをＨＦエッチング液に接触させる。活性層用ウェーハ１１の表面側のみ酸化膜１２を除去するのは、この後、ＲＴＡ処理を施すことにより、表面側より空孔を注入するためである。鏡面の裏面側には酸化膜が残る。支持用ウェーハについては少なくとも片面が鏡面であればよく、酸化、ＲＴＡ処理は任意である。

次に、図１のＳ１０４工程に示すように、活性層用ウェーハ１１を公知の急速加熱炉に装入する。そして、この加熱炉において、窒素ガス雰囲気で、活性層用ウェーハ１１および支持用ウェーハ２１について、急速加熱・急速降温（ＲＴＡ：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｅａｌｉｎｇ）処理を施す。ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気において、昇温速度５０℃／ｓｅｃで室温から１２５０℃まで昇温し、次いで、１２００℃の温度に１０秒間保持し、この後、降温速度７０℃／ｓｅｃで１２００℃から室温まで降温して行う。
これにより、表面の酸化膜１２が除去された活性層用ウェーハ１１について、酸化膜１２が除去された表層部に高濃度の空孔（１Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を含む空孔層１３が形成される。
上記ＲＴＡ処理ではその雰囲気が窒素ガスであるため、活性層用ウェーハ表面に窒化膜が形成される。そして、この窒化膜が空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）の注入を促進させる。
なお、ＲＴＡ処理温度とＢＭＤとの関係を示すグラフを図２に示す。

次に、図１のＳ１０５工程に示すように、ウェーハボート上に支持用ウェーハ２１を載せる。そして、活性層用ウェーハ１１を、その酸化膜１２が形成された裏面（鏡面）を貼り合わせ面として、支持用ウェーハ２１の表面に貼り合わせる。貼り合わせは室温で所定の治具を用いて行う。この結果、貼り合わせ界面に酸化膜１２（ＢＯＸ層：埋め込み酸化膜）を介在する貼り合わせウェーハ２０が形成される。

この後、図１のＳ１０６工程に示すように、貼り合わせウェーハ２０について、その活性層用ウェーハ１１と支持用ウェーハ２１とを強固に結合するための貼り合わせ強化熱処理を行う。この貼り合わせ強化熱処理の条件は、酸化性ガス雰囲気中で１１００℃以上、略２時間とする。
このとき、上記活性層用ウェーハ１１のバルク部において、多くの格子間シリコン原子および酸素析出物が生じる。そして、活性層用ウェーハ１１の表層部には、格子間シリコン原子が拡散され、空孔を消滅させることにより、厚さが１５μｍの無欠陥層（ＤＺ：ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）１５が形成される。また、この無欠陥層１５よりバルク内部側においては、高濃度の酸素析出物を含むＢＭＤ層１４が形成される。
このとき、貼り合わせ強化熱処理の雰囲気中には、金属不純物１６が存在する。そして、この金属不純物１６が貼り合わせウェーハ２０を汚染する。
しかしながら、貼り合わせウェーハ２０の活性層用ウェーハ１１には、上記ＢＭＤ層１４が形成されている。このＢＭＤ層１４は、貼り合わせウェーハ２０を汚染する金属不純物１６をゲッタリングするゲッタリング層となる。したがって、貼り合わせ強化熱処理時に発生する金属不純物１６は、このＢＭＤ層１４においてゲッタリングされる。

すなわち、活性層用ウェーハ１１の表面側は、ＢＭＤ層１４およびゲッタリングされた金属不純物１６が含まれている。一方、活性層用ウェーハ１１の裏面側（酸化膜１２が形成されている側）は、金属不純物１６を含まない層となる。
そして、図１のＳ１０７工程に示すように、研削装置を用いて貼り合わせウェーハ２０の活性層用ウェーハ１１の表面（貼り合わせ面とは反対側の面）から所定の厚さだけこの活性層用ウェーハ１１の一部を研削する。これにより、上記金属不純物１６が含まれるＢＭＤ層１４は研削されるとともに、上記活性層用ウェーハ１１の裏面側の金属不純物を含まない層は除去されることなく残存する。この結果、金属不純物１６を含まない層であるＳＯＩ層１７を得ることができる。
次に、この貼り合わせウェーハ２０の表面（研削面）を鏡面研磨する。研磨は公知の機械的化学的研磨（研磨布・研磨剤を使用したシリコン面の研磨）である。この結果、ＢＯＸ層１２の表面側に所定厚さのＳＯＩ層１７（シリコン層）が形成される。このＳＯＩ層１７がデバイス形成層となる。

この後、図１のＳ１０８工程に示すように、必要であれば、このＳＯＩ層１７についてさらに薄膜化処理を行い、ＳＯＩウェーハ１０を完成させる。この薄膜化処理は、例えば、貼り合わせウェーハ２０について、酸化性雰囲気中で、ウェット酸化処理を施す。すると、ＳＯＩ層１７の表面に所定厚さの酸化膜（図示せず）が形成される。そして、この酸化膜を例えばＨＦエッチングにより除去して、ＳＯＩ層１７が薄膜化される。

次に、Ｎｉを用いてＳＯＩウェーハ１０のゲッタリング効果を確認する実験の結果を報告する。
具体的には、図１のＳ１０１〜Ｓ１０８の各工程を経て活性層用ウェーハ１１にＢＭＤ層１４を形成し、貼り合わせウェーハ２０を作製する。次いで、貼り合わせウェーハ２０にＮｉ（金属不純物１６）を含む溶液を塗布する。そして、貼り合わせ強化熱処理時のＳＯＩウェーハ１０のＮｉのゲッタリングの効果を確認する実験を行った。これらの結果を図３のグラフに示す。試験例＃１および試験例＃２は、鏡面研磨された活性層用ウェーハ１１に図１のＳ１０１〜Ｓ１０８の各工程を経てＢＭＤ層１４を形成した２枚のＳＯＩウェーハ１０である。また、比較例＃１および比較例＃２は、鏡面研磨された活性層用ウェーハ１１に上述のＢＭＤ層１４が形成されていない２枚のＳＯＩウェーハ１０である。
以上の実験の結果より、貼り合わせ強化熱処理時に活性層用ウェーハ１１のバルク部にＢＭＤ層１４を形成しておき、ゲッタリングされた金属不純物１６とともにＢＭＤ層１４を研削・研磨することにより、金属不純物を有しないＳＯＩ層１７を有するＳＯＩウェーハ１０を得ることが確認された。

この発明の実施例に係るＳＯＩウェーハの製造方法のフローを示す工程図である。この発明の実施例に係るＳＯＩウェーハのＲＴＡ処理温度とＢＭＤとの関係を示すグラフである。この発明の実施例に係るＳＯＩウェーハのゲッタリング効果を確認するグラフである。

符号の説明

１０ＳＯＩウェーハ、
１１活性層用ウェーハ、
１２酸化膜（絶縁膜）、
１３空孔リッチ層、
１４ＢＭＤ層、
１５ＤＺ層、
１６金属不純物、
１７ＳＯＩ層、
２０貼り合わせウェーハ、
２１支持用ウェーハ。

Claims

鏡面研磨された活性層用ウェーハの表裏面に絶縁膜を形成する工程と、
この後、この活性層用ウェーハの表面の絶縁膜を除去する工程と、
次いで、この活性層用ウェーハについてＲＴＡ処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表層部に空孔を形成する工程と、
次いで、この活性層用ウェーハをその裏面に形成された絶縁膜を介して支持用ウェーハに貼り合わせて貼り合わせウェーハを形成する工程と、
次いで、この貼り合わせウェーハに対してその活性層用ウェーハと支持用ウェーハとの接合力を高める貼り合わせ強化熱処理を施すことによって、前記活性層用ウェーハの表層部に無欠陥層を形成するとともに、バルク部にＢＭＤ層を形成する工程と、
次いで、前記ＢＭＤ層を除去することによって、活性層用ウェーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成する工程とを含み、
前記ＢＭＤ層は、前記強化熱処理時の金属不純物をゲッタリングするＳＯＩウェーハの製造方法。
上記ＲＴＡ処理は、窒素ガス雰囲気において、昇温速度１０〜１００℃／ｓｅｃで室温から設定温度まで昇温し、次いで、この温度に１〜６０秒間保持し、この後、降温速度１０〜１００℃／ｓｅｃでこの設定温度から室温まで降温するとともに、この設定温度は１１００℃〜１２５０℃とした請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。