(57)【要約】【課題】  イオン注入剥離法を用いて作製する貼り合わせウエーハの製造方法において、剥離後の平坦化処理を経た後に、十分な膜厚均一性を維持し、デバイス製造に十分に適用できる表面粗さを有する貼り合わせウエーハの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  少なくとも、イオン注入剥離法を用いて剥離熱処理によりできるベースウエーハ上の薄膜表面に平坦化処理を加える、貼り合わせウエーハを製造する方法において、前記平坦化処理を加える前の剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、ガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を予め求めておき、前記表面粗さと前記密集したＬＰＤの有無によりドーズ量の剥離熱処理温度に対する上限値及び下限値を規定し、規定範囲でドーズ量及び剥離熱処理温度を選択し貼り合わせウエーハを製造することを特徴とする貼り合わせウエーハの製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ガスイオンの注入により形成された微小気泡層を有するボンドウエーハと、支持基板となるベースウエーハとを接合し、熱処理を加えて前記微小気泡層を境界としてボンドウエーハを剥離してベースウエーハ上に薄膜を形成し、剥離後の薄膜の表面に平坦化処理を加える、イオン注入剥離法によって貼り合わせウエーハを製造する方法において、
前記イオン注入剥離法によって接合後剥離した貼り合わせウエーハの平坦化処理を加える前の剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を予め求めておき、
前記表面粗さにより前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する上限値を規定し、前記密集したＬＰＤの有無により前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する下限値を規定し、これら上限値及び下限値により規定された範囲内のドーズ量及び剥離熱処理温度を選択して、イオン注入剥離法によって貼り合わせウエーハを製造することを特徴とする貼り合わせウエーハの製造方法。
【請求項２】
前記剥離熱処理温度が４５０℃〜５５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウエーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入したウエーハを結合後に剥離して貼り合わせウエーハを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、イオン注入したウエーハを結合後に剥離して貼り合わせウエーハを製造する方法（いわゆるイオン注入剥離法）が知られており、この貼り合わせウエーハの製造方法を用いて、たとえばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハ等が製造されている。
【０００３】
この方法は、例えば、ＳＯＩウエーハの作製の場合、二枚のシリコンウエーハの内、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方のシリコンウエーハの上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、該ウエーハ内部に微小気泡層（封入層）を形成させた後、該イオンを注入した方の面を、酸化膜を介して、他方のシリコンウエーハと密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面として一方のウエーハを薄膜状に剥離してＳＯＩウエーハとする技術（特許文献１参照）である。
【０００４】
このような従来のイオン注入剥離法により剥離された直後のＳＯＩ層の表面には、イオン注入によるダメージが残留しており、表面粗さも大きいため、このままでは作製されるデバイス特性に影響を与えてしまう。そこでこれを取り除くべく、剥離後のＳＯＩ層の表面に対し、犠牲酸化、アニール、研磨などの平坦化処理を施し、その改善を図っている。
【０００５】
例えば特許文献２には、剥離面に対し、「犠牲酸化＋研磨＋犠牲酸化」を行うことが記載されているが、この様にして作製されたＳＯＩウエーハは、表面粗さは小さいが、ＳＯＩ層の膜厚均一性が悪い傾向がある。
【０００６】
一方、特許文献３には、「犠牲酸化＋アニール＋犠牲酸化」を行うことが記載されているが、この様にして作製されたＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層の膜厚均一性は良いが、表面粗さが十分に小さくならない傾向があり、局所的なピットが発生する場合もある。
このように、ＳＯＩ層の膜厚均一性と表面粗さの両方に優れたＳＯＩウエーハを作製することは難しかった。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２１１１２８号公報
【特許文献２】特表２００３−５１０７９９号公報
【特許文献３】特表２００４−５３５６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、イオン注入剥離法を用いて作製する貼り合わせウエーハの製造方法において、剥離後の薄膜を平坦化する工程を経た後に、十分な膜厚均一性を維持し、しかも、デバイス製造に十分に適用できる表面粗さを有することのできる貼り合わせウエーハの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、ガスイオンの注入により形成された微小気泡層を有するボンドウエーハと、支持基板となるベースウエーハとを接合し、熱処理を加えて前記微小気泡層を境界としてボンドウエーハを剥離してベースウエーハ上に薄膜を形成し、剥離後の薄膜の表面に平坦化処理を加える、イオン注入剥離法によって貼り合わせウエーハを製造する方法において、
前記イオン注入剥離法によって接合後剥離した貼り合わせウエーハの平坦化処理を加える前の剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を予め求めておき、
前記表面粗さにより前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する上限値を規定し、前記密集したＬＰＤの有無により前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する下限値を規定し、これら上限値及び下限値により規定された範囲内のドーズ量及び剥離熱処理温度を選択して、イオン注入剥離法によって貼り合わせウエーハを製造することを特徴とする貼り合わせウエーハの製造方法を提供する（請求項１）。
【００１０】
このような本発明の貼り合わせウエーハの製造方法においては、剥離後の薄膜表面は、基準値以下の表面粗さを有し、かつ、密集したＬＰＤが存在しないので平坦化処理を簡便なものとすることができ、平坦化後のウエーハにできる局所的なピットの発生も抑制することができる。
すなわち、平坦化処理を研磨で行う場合には、必要な研磨による取りしろを最小限に抑えることができるため剥離直後の高い膜厚均一性を維持することができる。一方、平坦化処理を高温アニールで行う場合には、高温アニール後のウエーハにできる局所的なピットの発生を抑制しつつ、平坦化に要するアニール温度の低温化、処理時間の短縮化を図ることができる。
【００１１】
尚、ＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｆｅｃｔ）とは、レーザー光でウエーハ表面を観察した時に輝点状に見える欠陥の総称であり、大半は浅いピットである。
【００１２】
また、ＬＰＤが密集しているか否かの基準は特定されないが、一つの基準例として、ＬＰＤの測定サイズを０．３μｍ以上とし、そのサイズのＬＰＤが１０個／ｃｍ２以上の密集が観察されるか否かによって評価することができる。
【００１３】
このとき、前記剥離熱処理温度が４５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい（請求項２）。
【００１４】
このように、剥離するための熱処理温度の範囲を４５０℃〜５５０℃とすれば、表面粗さおよび密集したＬＰＤの有無による剥離熱処理温度に対するドーズ量の上限値及び下限値により規定される範囲の決定が容易となり、信頼性も向上するため、平坦化処理を簡便なものとすることができ、平坦化後のウエーハにできる局所的なピットの発生も抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
このような本発明の貼り合わせウエーハの製造方法であれば、薄膜の膜厚均一性を高く維持すると同時に、表面粗さがデバイス製造に適したレベルの貼り合わせウエーハを得ることができる。その結果、最先端デバイスにも十分に対応でき、デバイス性能が安定し、歩留りを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して、さらに詳しく説明する。
本発明者らは、イオン注入剥離法を用いて作製する貼り合わせウエーハの製造方法において、剥離後の薄膜を平坦化する工程を経た後に、十分な膜厚均一性を維持し、しかも、デバイス製造に十分に適用できる表面粗さを有することのできる貼り合わせウエーハの製造方法を開発すべく鋭意検討を重ねた。
【００１７】
その結果、本発明者らは、イオン注入剥離法によって接合後剥離した貼り合わせウエーハの平坦化処理を加える前の剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を予め求めておき、前記表面粗さにより前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する上限値を規定し、前記密集したＬＰＤの有無により前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する下限値を規定し、これら上限値及び下限値により規定された範囲内のドーズ量及び剥離熱処理温度を選択して、イオン注入剥離法によって貼り合わせウエーハを製造すれば、膜厚均一性も、表面粗さもいずれをも改善できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１８】
はじめに、本発明で製造される貼り合わせウエーハの製造方法について説明する。
本発明の貼り合わせウエーハは、少なくとも、ガスイオンの注入により形成された微小気泡層を有するボンドウエーハと、支持基板となるベースウエーハとを接合し、熱処理を加えて前記微小気泡層を境界としてボンドウエーハを剥離してベースウエーハ上に薄膜を形成し、剥離後の薄膜の表面に平坦化処理を加えて、貼り合わせウエーハを製造する。
図１は、本発明に係るイオン注入剥離法による貼り合わせウエーハの製造方法の一例を示した図である。本発明が適用される貼り合わせウエーハの製造方法の概略は以下に示す通りである。
【００１９】
まず、工程（ａ）において、半導体素子形成用のＳＯＩ層となるシリコン単結晶ウエーハ（ボンドウエーハ）１１と、支持基板となるシリコン単結晶ウエーハ（ベースウエーハ）１４を準備する。
【００２０】
次に、工程（ｂ）において、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１４との少なくとも一方に埋め込み絶縁層となる絶縁膜１３を形成する。図１では、ボンドウエーハ１１に絶縁膜１３を形成している例を示している。なお、絶縁膜１３としては、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等が例示される。シリコン酸化膜であれば、ボンドウエーハ又はベースウエーハを熱酸化すれば簡単に緻密で高品質なものを作製することができるので好ましいが、この方法に限定されるものではない。
【００２１】
次に、工程（ｃ）において、ボンドウエーハに絶縁膜１３を介してガスイオンの注入により微小気泡層１２を形成する。この時のイオン注入のドーズ量は、後述するが、剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量と剥離熱処理温度との関係から得られた範囲で設定する。
【００２２】
次に、工程（ｄ）において、ボンドウエーハ１１とベースウエーハ１４を、室温で接合する。このように接合し、貼り合わせウエーハ２０を得る。
【００２３】
次に、工程（ｅ）において、Ａｒガス等の雰囲気中で剥離熱処理を行い、微小気泡層１２を境界としてボンドウエーハ１１を剥離し、ベースウエーハ１４上に薄膜を形成する。なお、この時の剥離熱処理温度も、後述するが、剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量と剥離熱処理温度との関係から得られた範囲で設定するようにする。ただしこの場合、４５０℃〜５５０℃の範囲であることが好ましい。なぜならば、剥離するための熱処理温度の範囲を４５０℃〜５５０℃とすれば、表面粗さおよび密集したＬＰＤの有無による剥離熱処理温度に対するドーズ量の上限値及び下限値により規定される範囲の決定が容易となり、信頼性も向上するため、平坦化処理を簡便なものとすることができ、平坦化後のウエーハにできる局所的なピットの発生も抑制することができるからである。
【００２４】
次に、工程（ｆ）において、剥離後の薄膜の表面に平坦化処理を加え、ボンドウエーハ１１を所望の厚さまで薄膜化し、ＳＯＩ層５１、埋め込み絶縁層（Ｂｏｘ層）５３、支持基板５４からなるＳＯＩウエーハ５０を得る。なお、平坦化処理は、例えば、常法に従いＣＭＰ研磨等の研磨で行っても良く、またＡｒやＨ２雰囲気下で１０００℃〜１３００℃の範囲の高温アニールで行っても良い。
【００２５】
以上の工程でＳＯＩウエーハが製造されるが、本発明において、薄膜の膜厚均一性を高く維持すると同時に、表面粗さがデバイス製造に適したレベルの貼り合わせウエーハを得るため、イオン注入剥離法によって接合後剥離した貼り合わせウエーハの平坦化処理を加える前の剥離面の表面粗さ及び剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無と、前記ボンドウエーハに注入するガスイオンの特定の注入エネルギー値におけるドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を予め求めて、適切なドーズ量及び剥離熱処理温度のもとで貼り合わせウエーハを製造する必要がある。
すなわち、前記表面粗さにより前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する上限値を規定し、前記密集したＬＰＤの有無により前記ドーズ量の剥離熱処理温度に対する下限値を規定し、これら上限値及び下限値により規定された範囲内のドーズ量及び剥離熱処理温度を適切に選択できるようにするため、関係を予め求めておく必要がある。
【００２６】
ボンドウエーハを剥離した後の貼り合わせウエーハの剥離面の表面粗さと、ボンドウエーハに注入するガスイオンのドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を求めるためのデータの収集方法の一例を以下に示す。
【００２７】
直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウエーハを用意し、ボンドウエーハ及びベースウエーハとして使用した。ボンドウエーハ用ウエーハにはその表面に１５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成し、その酸化膜を介してイオン注入を行った。イオン注入の注入エネルギーは５０ｋｅＶで固定し、ドーズ量は３．８×１０１６（３．８Ｅ１６）〜５．５×１０１６（５．５Ｅ１６）ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の範囲で変化させた。イオン注入後のボンドウエーハとベースウエーハを室温で貼り合わせ、Ａｒガス雰囲気中で剥離熱処理を行った。剥離熱処理温度は４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃の５条件に設定し、剥離後の薄膜（ＳＯＩ層）の表面粗さを、ＡＦＭにより３０μｍ角のＰ−Ｖ値を測定することによって比較した。この際、３０μｍ角のＰ−Ｖ値＝３ｎｍを基準値として評価し、評価結果を図２に示す。
【００２８】
図２によれば、各剥離熱処理温度において、特定のドーズ量を下回る様に設定すれば、Ｐ−Ｖ値を基準値以下に抑えることができる。すなわち、各熱処理温度に対するドーズ量の上限値（図２の▲）を規定することができる。
【００２９】
また、剥離後のＳＯＩ層の表面のＬＰＤを光学的表面検査装置（ＫＬＡテンコール社製ＳＰ−１）で測定した。ＬＰＤが密集しているか否かの基準として、ＬＰＤの測定サイズは０．３μｍ以上とし、そのサイズのＬＰＤが１０個／ｃｍ２以上の密集が観察されるか否かによって評価した。評価結果を図３に示す。
【００３０】
図３によれば、各剥離熱処理温度において、特定のドーズ量を上回る様に設定すれば、ＬＰＤの密集をなくすことができる。すなわち、各熱処理温度に対するドーズ量の下限値（図３の●）を規定することができる。
【００３１】
図４は図２，３によって決定されたドーズ量の上限値（▲）と下限値（●）をプロットしたグラフである。本発明は、この上限値（▲）と下限値（●）によって囲まれた範囲内のドーズ量と剥離熱処理温度を選択して剥離を行うものであり、これにより、表面粗さが小さく、ＬＰＤの密集のない剥離面が得られるため、その後の剥離面の平坦化処理において、剥離直後の膜厚均一性を大きく低下させることなく、良好な表面粗さを有する貼り合わせウエーハ（ＳＯＩウエーハ）を得る事ができる。
【００３２】
尚、剥離に必要な臨界ドーズ量は注入エネルギーの大きさ（すなわち、注入深さ）によって変化するので、剥離面の表面粗さも注入エネルギーに依存して変化する。従って、貼り合わせウエーハの製造に使用する注入エネルギーの大きさに応じて、特定の注入エネルギー値ごとに、前述の上限値（▲）と下限値（●）の関係を求めておくことが好ましい。また、特定の注入エネルギー値としては特に限定されないが、例えば５ｋｅＶ〜１５０ｋｅＶの範囲から選択することができる。
【実施例】
【００３３】
（実施例１、比較例１〜３）
ボンドウエーハ及びベースウエーハとして、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウエーハを用意し、ボンドウエーハの表面に１５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次に、その酸化膜を介してイオン注入を行うために、注入エネルギーを５０ｋｅＶで固定し、ドーズ量および剥離熱処理温度を変化させることにより、予め図４の関係を得た。次に、得られた図４に基づき、イオン注入を、注入エネルギーを５０ｋｅＶとし、ドーズ量を図４で得られた上限値（▲）と下限値（●）の範囲に含まれるドーズ量（実施例１）とその範囲外のドーズ量（比較例１〜３）に設定し、各々のボンドウエーハにイオン注入を行った。次に、そのボンドウエーハとベースウエーハと室温で貼り合わせた後、剥離熱処理温度を５００℃として貼り合わせＳＯＩウエーハを作製した。
【００３４】
剥離直後のＳＯＩ層表面の表面粗さの基準として、Ｐ−Ｖ値３ｎｍ以下で評価をし、ＬＰＤが密集しているか否かの基準として、ＬＰＤの測定サイズは０．３μｍ以上とし、そのサイズのＬＰＤが１０個／ｃｍ２以上の密集が観察されるか否かによって評価した。その基準をもとに評価した結果を表１に記載した。表１に記載した通り、実施例１のみがＰ−Ｖ値３ｎｍ以下、かつ、ＬＰＤ密集なしの条件を満たしていた。
【００３５】
その後、ＳＯＩ層表面のダメージを犠牲酸化により除去した後、平坦化処理としてＡｒ１００％雰囲気下、１１５０℃、４時間の熱処理を行い、熱処理後のＳＯＩ層表面を光学的表面検査装置により観察し、局所ピットの存在の有無を確認した。その結果、実施例１のみが局所ピットが存在しないことが確認できた。また、ＳＯＩ層の膜厚均一性については、いずれのウエーハも剥離直後の膜厚均一性を維持していることを確認した。
【００３６】
【表１】
2008294268.tif 000002
【００３７】
（実施例２、比較例４〜６）
剥離熱処理温度を４８０℃とし、それ以外は（実施例１、比較例１〜３）と同様の条件で評価した。その結果を表２に記載した。表２に記載した通り、実施例１と同様の結果が得られた。
【００３８】
【表２】
2008294268.tif 000003
【００３９】
表１、表２の結果の通り、本発明の製造方法を用いることにより、十分な膜厚均一性を維持し、しかも、デバイス製造に十分に適用できる表面粗さを有することのできる貼り合わせウエーハ（ＳＯＩウエーハ）を製造することができる。
【００４０】
尚、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。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のイオン注入剥離法による貼り合わせウエーハ（ＳＯＩウエーハ）の製造方法の概略を示した図である。
【図２】ボンドウエーハを剥離した後の貼り合わせウエーハの剥離面の表面粗さ（表面粗さの基準値はＰ−Ｖ値＝３ｎｍとする）と、ボンドウエーハに注入するガスイオンのドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を示すグラフの一例である。
【図３】ボンドウエーハを剥離した後の貼り合わせウエーハの剥離面に発生する密集したＬＰＤの有無（ＬＰＤの密集の基準は、ＬＰＤの測定サイズは０．３μｍ以上とし、そのサイズのＬＰＤが１０個／ｃｍ２以上の密集が観察されることとする）と、ボンドウエーハに注入するガスイオンのドーズ量及び剥離熱処理温度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】図４は図２，３によって決定されたドーズ量の上限値（▲）と下限値（●）をプロットしたグラフの一例である。
【符号の説明】
【００４２】
１１…ボンドウエーハ、  １２…微小気泡層、  １３…絶縁膜、  １４…ベースウエーハ、
２０…貼り合わせウエーハ、
５０…ＳＯＩウエーハ、
５１…ＳＯＩ層、  ５３…埋め込み絶縁層（Ｂｏｘ層）、  ５４…支持基板。
【図１】
2008294268.tif 000004
【図２】
2008294268.tif 000005
【図３】
2008294268.tif 000006
【図４】
2008294268.tif 000007