(57)【要約】【課題】研磨ストップ層を用いる貼り合せ方法において、研磨ストップ層であるSiO2層とシリコン基板との界面ラフネスを抑制して、表面のラフネスが小さい、最終製品貼り合せ基板を製造する方法を提供する。【解決手段】基板抵抗1〜100mΩcmの活性層用ウェーハに酸素イオンを注入して、前記活性層用ウェーハに酸素イオン注入層を形成する工程、前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを、絶縁層を介して、または介さないで貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する工程、前記貼り合わせウェーハを熱処理して貼り合わせを強化し、かつ前記酸素イオン注入層をSiO2層とする工程、前記貼り合わせを強化した、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削、研磨および／またはエッチングして、前記SiO2層を表面に露出させる工程、前記SiO2層を除去する工程、SiO2層を除去した、貼り合わせウェーハを還元雰囲気下で熱処理して、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程を含む、貼り合わせウェーハの製造方法。【選択図】図１
2008258304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板抵抗1〜100mΩcmの活性層用ウェーハに酸素イオンを注入して、前記活性層用ウェーハに酸素イオン注入層を形成する工程、
前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを、絶縁層を介して、または介さないで貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する工程、
前記貼り合わせウェーハを熱処理して貼り合わせを強化し、かつ前記酸素イオン注入層をSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層（以下、ストップ層という）とする工程、
前記貼り合わせを強化した、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削、研磨および／またはエッチングして、前記ストップ層を表面に露出させる工程、
前記ストップ層を除去する工程、および
ストップ層を除去した、貼り合わせウェーハを還元雰囲気下で熱処理して、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程
を含む、貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記活性層用ウェーハがｐ型ウェーハである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ｐ型ウェーハは、導電性成分としてホウ素を含有する、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
酸素イオン注入層は、前記活性層用ウェーハの貼り合わせ用の表面から200〜1000nmの深さに形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記支持用ウェーハが絶縁層を有し、この絶縁層を介して、前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記支持用ウェーハは絶縁層を有さず、前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを直接貼り合わせる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項７】
前記貼り合わせを強化し、かつ酸素イオン注入層を、SiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層（ストップ層）とする工程における熱処理は、１０００〜１３００℃の範囲の温度で行なう、請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記ストップ層を表面に露出させる工程は、前記貼り合わせを強化した、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削し、次いで研削面をさらに研磨および／またはエッチングすることを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項９】
前記活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程における熱処理は、１０００〜１２００℃の温度範囲で行なう、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、活性層側ウェーハとして基板抵抗1〜100mΩcmのウェーハを使用することで、SiO2/Siの界面ラフネスを改善することができる、酸素イオン注入-エッチ／研磨ストップ貼り合せ基板の製造方法に関する。本発明の製造方法は、SOI（Silicon On Insulator）基板およびDSB(Direct Silicon Bonding)基板のいずれにも適用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
SOIウェーハは、従来のシリコンウェーハに比べて、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位性がある。そのため、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、酸化膜を形成した2枚のシリコンウェーハを結合させ、その後、研削、研磨してSOI層（活性層）を形成する、貼り合わせ法が知られている。また、この貼り合わせ法には、スマートカット法(登録商標)が含まれる。(特許文献1〜2)
【０００３】
SOIウェーハにおいては、SOI層（活性層）の薄膜化および膜厚の均一化が求められている。そのための新たな手法が開発されている。この手法は、酸素イオン注入層を有する活性層用ウェーハと支持層用ウェーハと貼り合わせ後、熱処理を行って酸素イオン注入層をSiO2層とし、さらに活性層用ウェーハ側からSiO2層まで研削および研磨し、その後、SiO2層を除去することで、SOI層（活性層）の薄膜化および膜厚の均一化を可能とするものである(特許文献3)。酸素イオン注入層は、研磨ストップ層として機能する。
【０００４】
また、近年、デバイスの微細化や低消費電力化により、BOXとなる酸化膜の膜厚が薄くなり、更に、例えば、BOX（酸化膜）のない直接貼り貼り合わせるDSB(Direct Silicon Bonding)基板の開発も行われている。酸化膜を介することなく、直接貼り合わせる場合は、通常の洗浄（ＳＣ１）を行った後、ウェーハ同士を貼り合わせることとなる。
【特許文献１】特開平9-116125号公報
【特許文献２】特開2000-124092号公報
【特許文献３】WO 2005/074033 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献3に記載の上記研磨ストップ層を用いる貼り合せ方法においては、以下の課題があった。
（１）研磨ストップ層であるSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層とシリコン基板との界面ラフネスが大きく、その結果、最終製品である貼り合せウェーハ表面のラフネスも大きくなる。
（２）そのため、SOI構造作成後、表面ラフネス改善のために追加加工として研磨処理または1100℃1hrの高温熱処理が必要であった。この高温熱処理はコスト上昇の要因となる。
（３）さらにこの追加加工により、Top（活性層）層の面内均一性が劣化するという、品質に関する課題もあった。
【０００６】
尚、(1)については、SOI基板のみではなく、DSB基板においても、研磨ストップ層を用いる貼り合せ方法では同様の問題がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、エッチ／研磨ストップ層を用いる貼り合せ方法において、エッチ／研磨ストップ層であるSiO2層とシリコン基板との界面ラフネスを抑制して、表面のラフネスが小さい、最終製品貼り合せ基板を製造する方法を提供することにある。貼り合せ基板は、SOI基板およびDSB基板を含むものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来の知見として、イオン注入した酸素イオンが周囲のシリコンと反応して後工程のストップ層として働くSiO2になるが、そのSiO2反応を促進させれば、SiO2/Siの界面ラフネスが改善されることが知られていた。反応促進のためには、これまで1300℃以上の超高温で長時間保持することが必要であったが、貼り合せ後に超高温熱処理しても、貼り合せしない状態での超高温熱処理（＝SIMOX）と比較して、SiO2反応が進まず、ラフネスが改善されないことが判明した。それに対して、本発明者らがさらに検討した結果、基板抵抗が1〜100mΩcmの基板、例えば、ｐ+基板を使用することで、通常のｐ-基板（1Ωcm以上）と比較して、SiO2形成が促進され、ラフネス改善することを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成させた。
【０００９】
本発明は以下のとおりである。
基板抵抗1〜100mΩcmの活性層用ウェーハに酸素イオンを注入して、前記活性層用ウェーハに酸素イオン注入層を形成する工程、
前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを、絶縁層を介して、または介さないで貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する工程、
前記貼り合わせウェーハを熱処理して貼り合わせを強化し、かつ前記酸素イオン注入層をSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層（以下、ストップ層という）とする工程、
前記貼り合わせを強化した、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削、研磨および／またはエッチングして、前記ストップ層を表面に露出させる工程、
前記ストップ層を除去する工程、および
ストップ層を除去した、貼り合わせウェーハを還元雰囲気下で熱処理して、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程
を含む、貼り合わせウェーハの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、研磨ストップ層を用いる貼り合せ方法によって、表面のラフネスが小さい基板(例えば、SOIおよびDSB基板)を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の貼り合わせウェーハの製造方法は以下の工程を含む。
（１）基板抵抗1〜100mΩcmの活性層用ウェーハに酸素イオンを注入して、前記活性層用ウェーハに酸素イオン注入層を形成する工程、
（２）前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを、絶縁層を介して、または介さないで貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する工程、
（３）前記貼り合わせウェーハを熱処理して貼り合わせを強化し、かつ前記酸素イオン注入層をSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層（ストップ層）とする工程、
（４）前記貼り合わせを強化した、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削、研磨および／またはエッチングして、前記ストップ層を表面に露出させる工程、
（５）前記ストップ層を除去する工程、および
（６）ストップ層を除去した、貼り合わせウェーハを還元雰囲気下で熱処理して、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程
【００１２】
（１）酸素イオン注入層形成工程
活性層用ウェーハとしては、基板抵抗1〜100mΩcmのシリコンウェーハを用いる。基板抵抗1〜100mΩcmのシリコンウェーハは、例えば、ｐ型ウェーハであることができ、より具体的には、導電性成分としてホウ素を含有するウェーハであることができる。基板抵抗1 mΩcm未満のウェーハは、結晶引き上げが困難であることから、本発明で基板抵抗1mΩcm以上のウェーハを用いる。基板抵抗が100mΩcmを超えると、SiO2反応促進による表面ラフネス改善の効果がほとんど見られないことから、基板抵抗の上限は100mΩcmとする。活性層用ウェーハの基板抵抗は、表面ラフネス改善の効果の観点から、好ましくは1〜20mΩcmの範囲である。
【００１３】
活性層用ウェーハへの酸素イオン注入は、常法により行うことができる。酸素イオン注入の条件は、酸素イオン注入層が、前記活性層用ウェーハの貼り合わせ用の表面から２００〜１０００ｎｍの深さに形成されるように選択することが適当である。
【００１４】
（２）貼り合わせウェーハ形成工程
前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを、絶縁層を介して、または介さないで貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する。具体的には、支持用ウェーハが絶縁層(例えば、SiO2層)を有し、この絶縁層を介して、前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを貼り合わせる。これにより、最終的製品として、SOI基板が得られる。また、支持用ウェーハは絶縁層を有さず、前記活性層用ウェーハと支持用ウェーハとを直接貼り合わせることもできる。これにより、最終的製品として、DSB基板が得られる。
【００１５】
（３）貼り合わせ強化＋  ＳｉＯ2層形成工程
前記貼り合わせウェーハを熱処理して貼り合わせを強化し、かつ前記酸素イオン注入層をSiO2層とする。貼り合わせを強化し、かつ酸素イオン注入層をストップ層とする工程における熱処理は、１０００〜１３００℃の範囲の温度で行なうことができる。この熱処理は、雰囲気は特に制限されず酸素を含む酸化雰囲気またはアルゴンなどの不活性ガス等の雰囲気下で行い、かつ時間は１〜１０ 時間の範囲とすることが適当である。
【００１６】
ストップ層表面露出工程において貼り合せウエーハ裏面への傷またはエッチングによる面あれを防止するために、酸素雰囲気下で処理を行い、保護膜としてSiO2膜形成させることが好まし。膜厚は２００ｎｍ以上が好ましい。また、ストップ層形成促進のために、貼り合せ前に１０００−１２００℃１時間以上の熱処理をしても良い。上記熱処理により、酸素イオン注入量により変化するが、厚さが１００〜３０００ｎｍの範囲のSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層が形成される。
【００１７】
（４）ストップ表面露出工程
貼り合わせを強化し、かつSiO2相粒子を含んだ層または連続したSiO2層（ストップ層）が形成された、貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削、研磨および／またはエッチングして、前記ストップ層を表面に露出させる。このストップ層表面露出工程は、例えば、前記貼り合わせウェーハを、活性層用ウェーハの表面側から研削し、次いで研削面をさらに研磨および／またはエッチングすることを含むことができる。この工程では、ストップ層は研削ストップ層として機能する。研磨は、SiとSiO2との研磨レート比の大きい、例えば、砥粒を含まないアルカリ性溶液を用いて行うことができる。研磨レート比は大きい方が好ましく、レート比１０以上、更に好ましくは１００以上である。エッチングは、例えばSiのみエッチングできるKOH溶液を用いて行うことができる。ただし、SiO2相粒子を不連続にSi中に存在したストップ層の場合、エッチング液がSiO2粒子間に染込んでいくため、エッチングを適用する場合は、ストップ層が連続したSiO2層であることが好ましい。
【００１８】
（５）前記ストップを除去する工程
ストップ層を表面に露出させた後、露出したストップ層を除去する。ストップ層の除去は、例えば、ＨＦ処理によって行うことができる。ＨＦ処理は、例えば、１％に希釈されたＨＦ溶液中に（バッチタイプの洗浄機）５分間浸すことで完全に除去することが可能である。SiO2相粒子を不連続にSi中に存在したストップ層の場合には、酸化雰囲気で熱処理することで連続したSiO2層に変化させた後、HF処理によって除去可能である。
【００１９】
（６）導電性成分拡散工程
ストップ層を除去した、貼り合わせウェーハは、還元雰囲気下で熱処理して、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる。上記のように活性層用ウェーハとして、基板抵抗1〜100mΩcmのシリコンウェーハを用い、このウェーハは、ｐ型ウェーハであることができ、より具体的には、導電性成分としてホウ素を含有するウェーハである。この工程において、例えば、導電性成分としてホウ素を拡散させる。活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させる工程における熱処理は、１０００〜１２００℃の温度範囲で行なうことができる。熱処理時間は、活性層用ウェーハに含まれる導電性成分を拡散させるに十分な時間とすれば良く、例えば、１０分〜１０時間の範囲とすることができる。
【００２０】
デバイスを形成する活性層用ウェーハ(Top)層は一般的にｐ-が広く使われており、その対応のために、SOIまたはDSB基板作成後、アルゴンは水素などの還元雰囲気中に熱処理することで活性層用ウェーハ層に存在するボロンを外方拡散させて減少させる。
【００２１】
本本発明の方法での活性層用ウェーハ(Top)層厚さは、酸素イオン注入機の加速電圧で決定される。一般に市販される酸素イオン注入機の加速電圧max.200keVであり、Top層厚さmaxは約500nmである。この深さのボロンを外方拡散させるためには、1050℃以上1hr以上で保持することが適当である。
【実施例】
【００２２】
以下に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例１
以下の手順により、SOI構造の貼り合わせウェーハを作製した。
（１）300mm支持用ウェーハを準備した。300mm支持用ウェーハは、基板抵抗が10-20Ωcmのｐ型ウェーハ（100）であり、1000℃、5hr、酸素雰囲気中の熱処理で形成した、BOX層（1500Å）を有する。
（２）300mm活性層用ウェーハ（Top基板）を準備した。300mm活性層用ウェーハは、基板抵抗が0.001-10Ωcmの範囲(詳細は表1に示す)のｐ型ウェーハ(100)であり、酸素イオン注入層を有する。酸素イオン注入層は、加速電圧180keV、ドーズ量2e17cm-2、基板温度100-500℃の条件で形成した。
（３）上記支持用ウェーハおよび活性層用ウェーハはSC1洗浄後、貼り合せた。
（４）貼り合せ後、貼り合せ強化熱処理を1200℃、1hr(-酸素雰囲気)で行った。
（５）活性層用ウェーハの表面から基板研削研磨を行い残り厚さ約10μmとした。
（６）研削研磨後に、さらにSiO2層で停止するまで、砥粒を含まないアルカリ性研磨液を用いて研磨を行った。尚、この研磨は、アルカリ溶液でのエッチングに替えることもできる。
（７）次いで、HF溶液（濃度２５％）により、SiO2層を除去した。
（８）次いで貼り合せウェーハを1000-1200℃、1hr（アルゴン雰囲気）保持して外方拡散処理を行なった。
（９）得られた貼り合せウェーハの評価を以下のように行った。
AFMによるラフネス評価（（７）後に評価）評価結果を表１に示す。
SIMSによる活性層用ウェーハ（Top層）中のボロン濃度（（８）後に評価（一部）    ）
評価結果を表２に示す。
【００２３】
実施例２
以下の手順により、DSB構造の貼り合わせウェーハを作製した。
（１）300mm支持用ウェーハを準備した。300mm支持用ウェーハは、基板抵抗が10-20Ωcmのｐ型ウェーハ（100）である。
（２）300mm活性層用ウェーハ（Top基板）を準備した。300mm活性層用ウェーハは、基板抵抗が0.001-10Ωcmの範囲(詳細は表1に示す)のｐ型ウェーハ(110)であり、酸素イオン注入層を有する。酸素イオン注入層は、加速電圧180keV、ドーズ量2e17cm-2、基板温度100-500℃の条件で形成した。
（３）〜（９）は、実施例1と同様に実施した。
評価結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
2008258304.tif 000003
【００２５】
【表２】
2008258304.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の製造方法は、SOI（Silicon On Insulator）基板およびDSB(Direct Silicon Bonding)基板のいずれにも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】酸素イオン注入−エッチストップ貼り合せ−SOIプロセス
【図２】酸素イオン注入−エッチストップの説明図。
【図３】AFM観察結果。
【図１】
2008258304.tif 000005
【図２】
2008258304.tif 000006
【図３】
2008258304.tif 000007