(57)【要約】【課題】イオン注入によるリコイル酸素を低減し、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制することにある。【解決手段】デバイスが形成される活性層ウェーハ１にスルー酸化膜５を形成し、スルー酸化膜５を通して活性層ウェーハ１にドーパントをイオン注入して活性層ウェーハ中にドーパント層１１を形成した後、活性層ウェーハ１と支持ウェーハ３を埋め込み用の酸化膜７を介して貼り合わせるＳＯＩウェーハの製造方法であって、スルー酸化膜５の膜厚を、ドーパントの種類及びイオン注入の操作条件に応じて、イオン注入によってスルー酸化膜５中の酸素イオンが活性層に侵入するのを抑制する厚さに形成することにより、ドーパントの注入エネルギーをスルー酸化膜で減衰でき、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスが形成される活性層ウェーハにスルー酸化膜を形成し、該スルー酸化膜を通して前記活性層ウェーハにドーパントをイオン注入して前記活性層ウェーハ中にドーパント層を形成した後、前記活性層ウェーハと支持ウェーハを埋め込み用の酸化膜を介して貼り合わせるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
前記スルー酸化膜の膜厚を、前記ドーパントの種類及び前記イオン注入の操作条件に応じて、前記イオン注入によって前記スルー酸化膜中の酸素イオンが前記活性層ウェーハに侵入するのを抑制する厚さに形成するＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法において、
前記操作条件は、少なくとも加速電圧及びドーズ量であることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項３】
デバイスが形成される活性層ウェーハにスルー酸化膜を形成し、該スルー酸化膜を通して前記活性層ウェーハにヒ素をイオン注入して前記活性層ウェーハ中にヒ素層を形成した後、前記活性層ウェーハと支持ウェーハを埋め込み用の酸化膜を介して貼り合わせるＳＯＩウェーハの製造方法であって、
前記イオン注入の操作条件を、加速電圧を８０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とした場合に、前記スルー酸化膜の膜厚を２４ｎｍ以上の厚さに形成するＳＯＩウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造方法に係り、特に、活性層ウェーハに形成したスルー酸化膜を通してドーパントをイオン注入した後、活性層ウェーハと支持ウェーハを貼り合わせる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、デバイスが形成されるシリコン製の活性層ウェーハに、ヒ素やアンチモンなどのドーパントをイオン注入して、活性層ウェーハの所定深さにイオン注入層を形成した後、活性層ウェーハと酸化膜が形成された支持ウェーハを酸化膜を介して貼り合わせることが記載されている。また、イオン注入前に活性層ウェーハの表面を酸化してスルー酸化膜を形成し、スルー酸化膜を通してイオン注入することで、イオン注入時のクロスコンタミネーションなどを原因とする活性層ウェーハの汚染を防ぐようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６―５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のように、スルー酸化膜を通してドーパントをイオン注入すると、注入したドーパントのイオンがスルー酸化膜中の酸素イオンをはじき出し、はじき出された酸素イオンが活性層に侵入する現象が確認されている。
【０００５】
しかしながら、活性層ウェーハに侵入した酸素イオン（以下、リコイル酸素という。）が原因となって、活性層ウェーハに結晶欠陥が発生することは考慮されていなかった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、イオン注入によるリコイル酸素を低減し、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者らは、活性層ウェーハのリコイル酸素が存在する位置に結晶欠陥が発生することを確認し、リコイル酸素が結晶欠陥の原因となっていることを見いだした。また、スルー酸化膜の膜厚が薄いとリコイル酸素の量が多くなり、スルー酸化膜の膜厚を厚くするとリコイル酸素を低減できることを知見した。この原因は、ドーパントがスルー酸化膜を通過するに際に、ドーパントに付与した注入エネルギーがスルー酸化膜で適度に吸収され、スルー酸化膜中の酸素イオンを活性層にはじき出すエネルギーが減衰するためと推察される。
【０００８】
これらの知見に基づいて、上記課題を解決するため、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法は、  デバイスが形成される活性層ウェーハにスルー酸化膜を形成し、スルー酸化膜を通して活性層ウェーハにドーパントをイオン注入して活性層ウェーハ中にドーパント層を形成した後、活性層ウェーハと支持ウェーハを埋め込み用の酸化膜を介して貼り合わせるＳＯＩウェーハの製造方法であって、スルー酸化膜の膜厚を、ドーパントの種類及びイオン注入の操作条件に応じて、イオン注入によってスルー酸化膜中の酸素イオンが活性層ウェーハに侵入するのを抑制する厚さに形成することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、スルー酸化膜を酸素イオンが活性層に侵入するのを抑制できる膜厚に形成することから、イオン注入によるリコイル酸素を低減でき、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制できる。なお、スルー酸化膜の膜厚は、注入するドーパントの種類及びイオン注入の操作条件に応じて適宜設定する。
【００１０】
この場合において、イオン注入の操作条件として、少なくとも加速電圧とドーズ量に応じてスルー酸化膜の膜厚を設定する。
【００１１】
また、ドーパントがヒ素の場合、加速電圧を８０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の操作条件において、スルー酸化膜の膜厚を２４ｎｍ以上の厚さにすることで、イオン注入によるリコイル酸素を低減でき、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制できる。
【００１２】
本発明によれば、イオン注入によるリコイル酸素を低減でき、リコイル酸素による結晶欠陥の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態のＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローである。
【図２】ＳＩＭＳ分析によるＳＯＩウェーハの深さ方向の酸素濃度を示す図である。
【図３】ＴＥＭ観察による結晶欠陥を示す図である。
【図４】リコイル酸素、結晶欠陥、スルー酸化膜の膜厚の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態のＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローである。本実施形態で製造されるＳＯＩウェーハは、図示のようにデバイスが形成される活性層ウェーハ１と活性層ウェーハ１を支持する支持ウェーハ３で構成されている。活性層ウェーハ１及び支持ウェーハ３は、例えば、単結晶シリコンインゴットをスライスして２枚のシリコンウェーハを生成した後、必要な研磨処理やエッチング処理などにより鏡面に仕上げられている。単結晶シリコンインゴットは、例えば、多結晶シリコンと所定量のドーパント（不純物）を石英るつぼに入れて溶融し、溶融させたシリコンの液面に種結晶シリコンをつけ種結晶シリコンを回転させながら引き上げて製造される（ＣＺ法）。Ｎ型のシリコンウェーハを製造する場合は、例えば、ヒ素、アンチモン、リンをドーパントとし、Ｐ型のシリコンウェーハを製造する場合は、例えば、ボロンをドーパントとする。なお、単結晶シリコンインゴットの製造方法は、ＣＺ法に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。
【００１５】
鏡面に仕上げられた活性層ウェーハ１及び支持ウェーハ３を酸素雰囲気で加熱して、図１（ｂ）に示すとおり活性層ウェーハ１にスルー酸化膜５を形成する。一方、支持ウェーハ３の貼り合わせ面に、埋め込み用酸化膜７を形成する。スルー酸化膜５の膜厚は、イオン注入するドーパントの種類及び後述するイオン注入の操作条件に応じて、イオン注入によってスルー酸化膜５中の酸素イオンが活性層ウェーハ１に侵入するのを抑制できる厚さに形成する。なお、スルー酸化膜の膜厚は、注入するドーパントの種類及びイオン注入の操作条件に応じて適宜選択できる。
【００１６】
スルー酸化膜５が形成された活性層ウェーハに、図１（ｃ）に示すとおりスルー酸化膜５を通してドーパント９をイオン注入する。イオン注入とは、図示していないイオン注入機を用い、ドーパントをガス状にしてイオン化し、それを電界で加速させて、ウェーハの所定の深さの位置にドーパントを打ち込む方法である。Ｎ型のドーパント層を形成する場合は、例えば、ヒ素、アンチモン、リンをイオン注入し、Ｐ型のドーパント層を形成する場合は、例えば、ボロンをイオン注入する。これにより、活性層ウェーハ１内にドーパント層１１が形成され、活性層ウェーハ１をｎ／ｎ＋、ｎ／ｐ＋、ｐ／ｎ＋、ｐ／ｐ＋などの構造にできる。なお、イオン注入の操作条件、例えば、加速電圧やドーズ量は、ＳＯＩウェーハに求められる比抵抗などの仕様によっても適宜選択される。また、ドーズ量は、ドーパントするイオンのビーム電流と照射時間によって求められる。
【００１７】
イオン注入の後、図１（ｄ）に示すとおり、活性層ウェーハ１のスルー酸化膜５を酸洗浄処理などにより除去する。この酸洗浄処理は、活性層ウェーハ１に対する汚染が生じにくい条件で実施する。酸洗浄処理の後、図１（ｅ）に示すとおり、活性層ウェーハ１のドーパント層１１側の面が、支持ウェーハ３の貼り合わせ面に接するように活性層ウェーハ１と支持ウェーハ３を貼り合わせる。貼り合わせた活性層ウェーハ１及び支持ウェーハ３を、例えば、酸化雰囲気で１０００℃〜１２００℃の温度で、１分〜１２０分間加熱する（アニール処理）。これにより、活性層ウェーハ１と支持ウェーハ３の貼り合わせ強度を向上でき、かつ、ドーパント層１１を電気的に活性化できる。所定時間加熱した後、活性層ウェーハ１を研磨などにより所定の厚み、例えば、１０〜２０μｍになるよう薄膜化する。
【００１８】
これによれば、スルー酸化膜５を酸素イオンが活性層ウェーハに侵入するのを抑制できる膜厚に形成することから、イオン注入によるリコイル酸素を低減でき、リコイル酸素による結晶欠陥を抑制できる。その結果、結晶欠陥の少ないＳＯＩウェーハを製造できるので、半導体デバイスの歩留まりを向上できる。
【００１９】
なお、本実施形態では、支持ウェーハ３に埋め込み用酸化膜７を形成したが、活性層ウェーハ１に埋め込み用酸化膜を形成してもよく、また、活性層ウェーハ１と支持ウェーハ３の両方に埋め込み用酸化膜を形成してもよい。
【００２０】
次に、実施例及び比較例を用いてスルー酸化膜の膜厚と結晶欠陥の関係を説明する。
【実施例】
【００２１】
実施例１で用いたＳＯＩウェーハは、径が２００ｍｍ、結晶方位が（１００）の鏡面研磨されたＮ型とＰ型の２枚のウェーハを用いて製造した。Ｎ型のウェーハを活性層ウェーハとし、Ｐ型のウェーハを支持ウェーハとした。活性層ウェーハには、膜厚が２４ｎｍのスルー酸化膜を形成し、支持ウェーハには、膜厚が１μｍ程度の埋め込み用酸化膜を形成した。スルー酸化膜を形成した活性層ウェーハに、電流値１０ｍＡ、加速電圧８０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の条件でヒ素をイオン注入した。イオン注入した後、活性層ウェーハを低濃度のＨＦ洗浄液にて酸洗浄処理してスルー酸化膜を除去し、かつ、汚染、汚れ付着の防止を行った。酸洗浄処理した後、活性層ウェーハのヒ素をイオン注入した側を貼り合わせ面として、活性層ウェーハと支持側ウェーハを貼り合わせた。貼り合わせた後、活性層ウェーハ及び支持ウェーハを８００℃に維持された熱処理炉に収容し、５℃／ｍｉｎで熱処理炉内を１１００℃に昇温する。１１００℃となった後、熱処理炉内を酸化雰囲気にして１１００℃の状態を５０分間維持した後、３℃／ｍｉｎで８００℃まで降温した。熱処理炉から取り出した後、活性層ウェーハを周辺研削、平面研削、鏡面研磨して、厚みを１２μｍまで薄膜化して実施例１のＳＯＩウェーハを得た。なお、実施例１のスルー酸化膜の膜厚を３０ｎｍとしたものを実施例２とした。
【００２２】
一方、活性層ウェーハにスルー酸化膜を形成しないもの、言い換えると、活性層ウェーハに自然酸化膜のみが存在するものを比較例１とし、スルー酸化膜の膜厚を１５ｎｍとしたものを比較例２とし、スルー酸化膜の膜厚を２０ｎｍとしたものを比較例３とした。
【００２３】
実施例１、２及び比較例１〜３のＳＯＩウェーハを、活性層ウェーハ側の表面から深さ方向に研磨し、深さによる酸素元素の挙動を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析した。  
【００２４】
図２にＳＩＭＳ分析による酸素濃度の挙動（酸素濃度のプロファイル）を示す。図２の縦軸は酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、横軸は活性層ウェーハと埋め込み酸化膜（ＳＯＩ層）との貼り合わせ界面（貼合界面）から活性層ウェーハの表面までの距離（深さ（ｎｍ））である。図２から明らかなように、スルー酸化膜の薄い比較例１〜３は、貼合界面からの深さが約７０〜８０ｎｍの位置まで酸素濃度が高いことがわかる。つまり、貼合界面から約７０〜８０ｎｍ位置までリコイル酸素が存在していることがわかる。これに対して、スルー酸化膜を厚くした実施例１、２は、貼合界面からの深さが深くなっても酸素濃度が低い状態に維持されているから、活性層ウェーハ中のリコイル酸素が少ないことがわかる。
【００２５】
また、実施例１、２及び比較例１〜３のＳＯＩウェーハを高温処理して、埋め込み酸化膜をエッチングで除去して活性層ウェーハを支持ウェーハから剥がした後、ドーパント層が表面となるように活性層ウェーハをひっくり返して支持し、活性層ウェーハをドーパント層側から深さ方向に研磨して表面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、結晶欠陥の有無を観察した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１及び図３にＴＥＭで観察した結果を示す。表１、図３に示すとおり、スルー酸化膜を２４ｎｍ、３０ｎｍの膜厚にした実施例１、２には、結晶欠陥が認められなかった。しかし、スルー酸化膜を形成しない比較例１及び、スルー酸化膜の膜厚を１５ｎｍ、２０ｎｍとした比較例２、３には、結晶欠陥が粒状に認められたことから、スルー酸化膜がない又は薄いとリコイル酸素が多くなり、結晶欠陥が発生することがわかる。
【００２８】
ここで、実施例１、２及び比較例１〜３のリコイル酸素と結晶欠陥の関係を図４を用いて説明する。図４は、実施例及び比較例のリコイル酸素（酸素面密度）と結晶欠陥（欠陥密度）を、スルー酸化膜の膜厚（酸化膜厚）毎にプロットしたものである。図示から明らかなように、酸素面密度が増加すると結晶欠陥も増加し、酸素面密度が減少すると結晶欠陥も減少することがわかる。つまり、リコイル酸素と結晶欠陥は相関することがわかる。そして、酸化膜厚を２４ｎｍ以上にすると、酸素面密度及び結晶欠陥が著しく減少することがわかる。これにより、スルー酸化膜の厚みを２４ｎｍ以上とすることで、リコイル酸素を低減でき、リコイル酸素により発生する結晶欠陥を抑制できることがわかる。
【００２９】
なお、ドーパントをヒ素としてスルー酸化膜の厚みを２０ｎｍとした場合は、結晶欠陥は存在するがリコイル酸素は減少していたから、スルー酸化膜の厚みを２０ｎｍを超える範囲にすることで、結晶欠陥の少ないＳＯＩウェーハを製造できる。
【００３０】
また、ドーパントをヒ素とした場合のイオン注入の操作条件は、例えば、ドーズ量１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上とし、加速電圧を４０ｋｅＶ以上、２００ｋｅｖ未満とすることができる。
【００３１】
また、実施例として示していないが、スルー酸化膜の厚さを５０ｎｍとしてもリコイル酸素を抑制できた。しかし、スルー酸化膜が厚すぎるとドーパントを注入するためのエネルギーが多くなるから、スルー酸化膜の厚さの上限は、ＳＯＩウェーハの生産性などに応じて適宜選択する。
【符号の説明】
【００３２】
１  活性層ウェーハ
３  支持ウェーハ
５  スルー酸化膜
７  埋め込み用酸化膜
１１  ドーパント層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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