(57)【要約】【課題】  ゲッタリング能力を有しＳＯＩ層を重金属で汚染させない。基板の構造から生じるデバイス特性への悪影響を緩和し、基板の反りを防止する。２枚のウェーハの接着性及び絶縁層とＳＯＩ層との界面の連続性を良好にする。【解決手段】  活性層となるウェーハ１２の表面に絶縁層１３を形成し、絶縁層１３上に窒化珪素層１４と多結晶シリコン層１５をこの順にそれぞれＣＶＤ法により形成し、多結晶シリコン層を形成したウェーハ１２と支持基板となるウェーハ１１の各表面をＮＨ4ＯＨの水溶液とＨ2Ｏ2水溶液とを混合したＳＣ１洗浄液で洗浄して各表面を活性化する。多結晶シリコン層と窒化珪素層と絶縁層とを形成したウェーハ１２を多結晶シリコン層の活性化した表面を接合面としてウェーハ１１の活性化した表面と直接接合し、熱処理して貼り合わせた後、ウェーハ１２を所定の厚さに研削研磨してデバイス形成用のＳＯＩ層１２ａとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層となる第２シリコンウェーハ(12)の表面に絶縁層(13)を形成する工程と、
前記絶縁層(13)上に窒化珪素層(14)をＣＶＤ法により形成する工程と、
前記窒化珪素層(14)上に多結晶シリコン層(15)をＣＶＤ法により形成する工程と、
前記多結晶シリコン層(15)を形成した第２シリコンウェーハ(12)と支持基板となる第１シリコンウェーハ(11)の各表面をＮＨ4ＯＨの水溶液とＨ2Ｏ2水溶液とを混合して調製したＳＣ１の洗浄液で洗浄して前記各表面を活性化する工程と、
前記多結晶シリコン層(15)と窒化珪素層(14)と絶縁層(13)とが形成された第２シリコンウェーハ(12)を前記多結晶シリコン層(15)の活性化した表面を接合面として前記第１シリコンウェーハ(11)の活性化した表面と直接接合する工程と、
前記接合した第１及び第２シリコンウェーハ(11,12)を熱処理して貼り合わせる工程と、
前記第２シリコンウェーハ(12)を所定の厚さに研削研磨してデバイス形成用のＳＯＩ層(12a)とする工程と
を含むＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法により製造されたＳＯＩ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶縁層上にシリコン層（以下、ＳＯＩ層という）を形成したＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板及び２枚のシリコンウェーハを絶縁層、窒化珪素層及び多結晶シリコン層を介して貼り合わせるＳＯＩ基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高集積ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＩＣ、高耐圧素子などがＳＯＩ基板を利用して製作されるようになってきている。絶縁層の上にデバイス作製領域として使用される単結晶シリコン層を形成したＳＯＩ基板は、高集積ＣＭＯＳの場合にはラッチアップ（寄生回路による異常発振現象）の防止に、また高耐圧素子の場合にはベース基板との絶縁分離にそれぞれ有効である。このＳＯＩ基板の製造方法には、シリコンウェーハ同士を二酸化シリコン層（以下、シリコン酸化層という）、即ち絶縁層を介して貼り合わせる方法、絶縁性基板又は絶縁性薄膜を表面に有する基板の上にまず多結晶シリコン薄膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積させ、次いでレーザーアニールによって単結晶化するＺＭＲ法、シリコン基板内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニール処理してこのシリコン基板表面から所定の深さの領域に埋込みシリコン酸化層（絶縁層）を形成し、その表面側のシリコン層を活性領域とするＳＩＭＯＸ法などがある。これらの方法の中でも、貼り合わせ法により作製されたＳＯＩ基板は、ＳＯＩ層の結晶性が極めて良好であることから、有望視されて来ている。
【０００３】
このシリコンウェーハの貼り合わせ法は、具体的にはそれぞれ約６００μｍの２枚のシリコンウェーハをシリコン酸化層からなる絶縁層を介して接合し、酸素雰囲気中、１１００℃で２時間貼り合わせ熱処理した後、２枚のシリコンウェーハの一方のシリコンウェーハの表面を砥石で研削し、更に研磨布で研磨してこのシリコンウェーハの厚さを約１〜１０μｍの範囲にし、この研磨した側の厚さ約１〜１０μｍのシリコン層をデバイス形成用のＳＯＩ層としている。
しかし、このＳＯＩ基板のＳＯＩ層がデバイスプロセス中に重金属不純物により汚染された場合には、埋込みシリコン酸化層（絶縁層）がゲッタリング源となって重金属不純物を捕捉した後で、熱処理の進行に伴って結晶化した絶縁層が一旦捕捉した重金属不純物をＳＯＩ層中に放出し再分布を生じ易く、これに起因してＳＯＩ層の汚染による品質劣化が生じることがあった。
【０００４】
従来、この点を解決したＳＯＩ基板として、デバイス形成用のＳＯＩ層内にゲッタリング源を有するもの（例えば、特許文献１）や、支持基板内にゲッタリング源を有するもの（例えば、特許文献２）が提案されている。前者のＳＯＩ基板はデバイス形成用のＳＯＩ層と絶縁層との間に多結晶シリコン層が設けられる。また後者のＳＯＩ基板は支持基板となるシリコンウェーハの両面に多結晶シリコン、非晶質シリコン等からなるゲッタリング層を形成し、両面のゲッタリング層上に絶縁層を形成し、一方の絶縁層に別の活性層となるシリコンウェーハを接合した後、このシリコンウェーハを研削研磨してデバイス形成用のＳＯＩ層を形成したものである。
。
【特許文献１】特開平６−２７５５２５号公報
【特許文献２】特開平７−２９９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に示されるＳＯＩ基板には、単結晶シリコンよりも熱膨張係数がともに小さい絶縁層（ＳｉＯ2層）及び多結晶シリコン層が支持基板となるシリコンウェーハ上に形成されるため、支持基板がデバイス形成用のＳＯＩ層側で凸状に反りを生じ、次工程のパターン形成のための露光工程において所望の素子パターンを形成しにくい問題点があった。
また、特許文献２に示されるＳＯＩ基板には、第一にその表面に吸着したＯＨ基の少ない絶縁層を接合面として支持基板となるシリコンウェーハを活性層となるシリコンウェーハに接合するため、両ウェーハの接着性が悪く、また第二に絶縁層とＳＯＩ層との界面の連続性が熱酸化によるＳｉと絶縁層との界面に比較して劣る等の問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、ゲッタリング能力を有しＳＯＩ層を重金属で汚染させないＳＯＩ基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、基板の構造から生じるデバイス特性への悪影響を緩和し、
かつ基板の反りを防止するＳＯＩ基板及びその製造方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、２枚のシリコンウェーハの接着性及び絶縁層とＳＯＩ層との界面の連続性が良好なＳＯＩ基板及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
図１（ａ）〜図１（ｆ）に示すように、本発明のＳＯＩ基板１０の製造方法は、活性層となる第２シリコンウェーハ１２の表面に絶縁層１３を形成する工程と、この絶縁層１３上に窒化珪素層１４をＣＶＤ法により形成する工程と、この窒化珪素層１４上に多結晶シリコン層１５をＣＶＤ法により形成する工程と、この多結晶シリコン層１５を形成した第２シリコンウェーハ１２と支持基板となる第１シリコンウェーハ１１の各表面をＮＨ4ＯＨの水溶液とＨ2Ｏ2水溶液とを混合して調製したＳＣ１の洗浄液で洗浄して各表面を活性化する工程と、この多結晶シリコン層１５と窒化珪素層１４と絶縁層１３とが形成された第２シリコンウェーハ１２を多結晶シリコン層１５の活性化した表面を接合面として支持基板となる第１シリコンウェーハ１１の活性化した表面と直接接合する工程と、接合した第１及び第２シリコンウェーハ１１，１２を熱処理して貼り合わせる工程と、第２シリコンウェーハ１２を所定の厚さに研削研磨してデバイス形成用のＳＯＩ層１２ａとする工程とを含む方法である。
図１（ｆ）に示すように、本発明のＳＯＩ基板１０は上記方法により製造されたものであって、支持基板となるシリコンウェーハ１１上に多結晶シリコン層１５と窒化珪素層１４と絶縁層１３とがこの順に形成され、この絶縁層１３上にデバイス形成用のＳＯＩ層１２ａが形成され、ＳＣ１洗浄液による洗浄でシリコンウェーハ１１の活性化した表面にこのウェーハと同程度の数のＯＨ基を有する多結晶シリコン層１５の活性化した表面が直接接合されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、絶縁層を有するシリコンウェーハを窒化珪素層及び多結晶シリコン層を介して支持基板となるシリコンウェーハと直接接合することにより、多結晶シリコン層がゲッタリング源として作用し、デバイスプロセス中に生じた重金属不純物は多結晶シリコン層に捕捉される。このとき多結晶シリコン層が絶縁層を挟んでＳＯＩ層の反対側にあるため、重金属不純物がＳＯＩ層に再分布せず、高品質のデバイス形成用のＳＯＩ層が絶縁層上に得られる。
また本発明の方法により製造されたＳＯＩ基板は、窒化珪素層の存在により反りが防止される。更に特開平７−２９９１１号公報に示されるＳＯＩ基板において、その表面に吸着したＯＨ基の少ない絶縁層を接合面として支持基板となるシリコンウェーハを活性層となるシリコンウェーハに接合するため、両ウェーハの接着性が悪かったものが、本発明の方法により製造されたＳＯＩ基板は、支持基板のシリコンウェーハと同程度の数のＯＨ基を有する多結晶シリコン層を介して活性層となるシリコンウェーハを支持基板となるシリコンウェーハと接合するため、両ウェーハの接着性が良好となり、絶縁層とＳＯＩ層との連続性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１及び第２シリコンウェーハはＣＺ法、ＦＺ法等の方法で、ともに同一の方法により得られたシリコン単結晶棒から作製される。図１（ａ）に示すように、絶縁層１３は第２シリコンウェーハ１２の片面に形成される。絶縁層１３の厚さは約０．５〜約１．０μｍの範囲、好ましくは約０．５〜約０．６μｍの範囲にある。この絶縁層１３はシリコン酸化層（ＳｉＯ2層）であって、シリコンウェーハ１２を熱酸化することにより、或いはＣＶＤ法によりウェーハ１２の片面に形成される。
次に、図１（ｂ）に示すように絶縁層１３上には窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層１４がＣＶＤ法により形成される。この窒化珪素層１４の厚さは約０．０１〜約０．５μｍの範囲、好ましくは約０．０５〜約０．１μｍの範囲にある。また図１（ｃ）に示すように窒化珪素層１４上には多結晶シリコン層１５がＣＶＤ法により形成される。この多結晶シリコン層１５の厚さは約０．５〜約２．０μｍの範囲、好ましくは約０．５〜約１．０μｍの範囲にある。
【００１０】
次いで図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、この第２シリコンウェーハ１２が多結晶シリコン層１５を接合面として、支持基板となる第１シリコンウェーハ１１と直接接合される。接合しようとする表面を活性化するためにＮＨ4ＯＨの水溶液とＨ2Ｏ2水溶液とを混合して調製したＳＣ１の洗浄液でシリコンウェーハ１１，１２を洗浄しておく。図１（ｅ）に示すように接合した後の第１及び第２シリコンウェーハ１１，１２を乾燥酸素（ｄｒｙＯ2）雰囲気又は窒素（Ｎ2）雰囲気中で１１００℃の温度下、１〜３時間、好ましくは２時間程度行う。
図１（ｆ）に示すように、一体化した２枚のシリコンウェーハ１１，１２が放冷され室温になった後に、支持基板となる第２シリコンウェーハ１２を砥石で研削し、その後研磨布で研磨して、約１〜１０μｍの厚さの薄膜に加工する。これにより厚さ約１〜１０μｍのデバイス形成用のＳＯＩ層１２ａが絶縁層１３上に得られる。
【００１１】
２枚のシリコンウェーハの接合界面に絶縁層１３と窒化珪素層１４と多結晶シリコン層１５が積層されるため、ＳＯＩ基板１０のＳＯＩ層１２ａがデバイスプロセス中に重金属不純物により汚染された場合には、多結晶シリコン層１５がゲッタリング源として作用する。即ち、ＳＯＩ層１２ａ中の重金属不純物が絶縁層１３及び窒化珪素層１４を通過して多結晶シリコン層１５に捕捉される。
重金属不純物を捕捉した多結晶シリコン層１５は絶縁層１３を挟んでＳＯＩ層１２ａの反対側にあるため、この重金属不純物はＳＯＩ層１２ａ中に再分布しない。
【００１２】
また図２（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなるウェーハ１２上にこれよりも熱膨張係数が小さい絶縁層（ＳｉＯ2層）１３を積層して室温まで冷却すると、基板結晶格子中の絶縁層側で引張応力が働いてウェーハ１２が凸状に反る傾向がある。図２（ｂ）に示すように、ウェーハ１２上に窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層１４を積層して室温まで冷却すると、基板結晶格子中の窒化珪素層側で圧縮応力が働いてウェーハ１２が凹状に反る傾向がある。また図２（ｃ）に示すように、ウェーハ１２上にこれよりも熱膨張係数が小さい多結晶シリコン層１５を積層して室温まで冷却すると、多結晶シリコン層側で引張応力が働いてウェーハ１２が凸状に反る傾向がある。この結果、図２（ｄ）及び図１（ｃ）に示すように、ウェーハ１２上で絶縁層１３と窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層１４と多結晶シリコン層１５とをこの順に積層した後熱処理すると、ウェーハ１２上での引張応力と圧縮応力が相殺されてウェーハ１２は反らずに平坦になる。
【００１３】
更に本発明のＳＯＩ基板１０は、ＯＨ基の数が単結晶シリコンウェーハ上の場合と同程度である多結晶シリコン層１５を介して活性層となるシリコンウェーハ１２を支持基板となるシリコンウェーハ１１と接合するため、絶縁層との貼り合わせに比較して両ウェーハの接着性が良好となる。また絶縁層１３とＳＯＩ層１２ａとの界面は接合界面でないため、これらの層の連続性に優れる。
【実施例】
【００１４】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
(a) サンプルの準備と絶縁膜の形成
ＣＺ法で引上げられたシリコン単結晶棒から切断され研削研磨されたばかりの次の特性の２枚のシリコンウェーハを用意した。
直径：              ５インチ
面方位：            ＜１００＞
伝導型：            Ｐ型（ドーパントとしてボロンを添加）
抵抗率：            約１０Ωｃｍ
厚さ：              約６２０μｍ
初期格子間酸素濃度：約１．５×１０18／ｃｍ3（旧ＡＳＴＭ）
図１（ａ）に示すように、その内の１枚のシリコンウェーハ１２の片面にウェーハ１２を湿潤酸素（ｗｅｔＯ2）雰囲気中、１０００℃で３時間熱処理して厚さ０．５μｍのシリコン酸化層からなる絶縁層１３を形成した。
(b) 窒化珪素層の形成
図１（ｂ）に示すように絶縁層１３上に次の条件で窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）層１４をＣＶＤ法により形成した。
雰囲気：            ０．４Ｔｏｒｒの減圧雰囲気
使用ガス（流量）：  ＳｉＨ2Ｃｌ2（０．０７５リットル／分）
ＮＨ3       （１．０リットル／分）
温度：              ７７５℃
堆積速度：          ３０オングストローム／分
窒化珪素層１４は絶縁層１３上に約０．１μｍの厚さで形成された。
(c) 多結晶シリコン層の形成
図１（ｃ）に示すように窒化珪素層１４上に次の条件で多結晶シリコン層１５をＣＶＤ法により形成した。
雰囲気：            ０．１Ｔｏｒｒの減圧雰囲気
使用ガス（流量）：  ＳｉＨ4（０．１リットル／分）
温度：              ６２０℃
堆積速度：          ６５オングストローム／分
多結晶シリコン層１５は窒化珪素層１４上に約０．５μｍの厚さで形成された。
(d) 接合
図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、絶縁層１３と窒化珪素層１４と多結晶シリコン層１５を積層したシリコンウェーハ１２ともう１枚のシリコンウェーハ１１とをそれぞれ比重０．９のＮＨ4ＯＨの水溶液と比重１．１のＨ2Ｏ2水溶液とＨ2ＯとをＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝１：２：７の容量比で混合して調製したＳＣ１（Standard Cleaning 1）の洗浄液で洗浄した後、両ウェーハ１１，１２を多結晶シリコン層１５を接合面として重ね合せ接合した。
(e) 貼り合わせ熱処理と研削研磨
図１（ｅ）に示すように、室温から８００℃に設定された熱処理炉中に１０〜１５ｃｍ／分の速度で挿入し、窒素雰囲気中で８００℃から１０℃／分の速度で昇温し、１１００℃に達したところで２時間維持し、次いで４℃／分の速度で降温し、８００℃まで冷却した後、１０〜１５ｃｍ／分の速度で炉から室温中に取出した。更に図１（ｆ）に示すように、シリコンウェーハ１２の表面を砥石で研削し、次いで柔らかい研磨布で研磨し、絶縁層１３上に厚さ１〜１０μｍのＳＯＩ層１２ａを形成した。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＳＯＩ基板の製造方法を示す部分断面図。
【図２】活性層となるシリコンウェーハの片面に絶縁層、窒化珪素層又は多結晶シリコン層を積層したときのウェーハの反り状況を示す部分断面図。
【符号の説明】
【００１６】
１０  ＳＯＩ基板
１１  第１シリコンウェーハ
１２  第２シリコンウェーハ
１２ａ  ＳＯＩ層
１３  絶縁層（シリコン酸化層）
１４  窒化珪素層（Ｓｉ3Ｎ4層）
１５  多結晶シリコン層
【図１】
2004320050.tif 000003
【図２】
2004320050.tif 000004