(57)【要約】【課題】水素等のイオン注入に伴うウェーハ表面のダメージ、面荒れ、汚染を低減し、貼り合わせ不良や金属汚染等を低減する貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】ボンドウェーハ１の表面から水素イオン、希ガスイオンあるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入してウェーハ内部にイオン注入層５を形成し、該ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウェーハ６の表面とを、直接あるいは絶縁膜２を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハの一部を前記イオン注入層で剥離して貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせウェーハ１０の製造方法において、前記ボンドウェーハの少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施した後、前記イオン注入を行う。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンあるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入してウェーハ内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウェーハの表面とを、直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハの一部を前記イオン注入層で剥離して貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記ボンドウェーハの少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施した後、前記イオン注入を行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記ボンドウェーハとして、シリコン単結晶ウェーハの表面に熱酸化膜を形成したものを用いることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ボンドウエーハの表面を硬化する処理として、ＮＨ３ガス雰囲気中での熱処理または窒素プラズマによる窒化処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記イオン注入を行う前に、前記ボンドウエーハの硬化する処理が行われた表面に保護膜を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載された貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記保護膜として、ＣＶＤ法による窒化膜またはアモルファスシリコン膜を形成することを特徴とする請求項４に記載された貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記ボンドウエーハにイオン注入を行った後、前記窒化膜をリン酸を用いてエッチング除去し、しかる後に前記ベースウエーハと貼り合わせることを特徴とする請求項５に記載された貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項７】
ベースウエーハ上に埋め込み酸化膜とＳＯＩ層とが順次形成されているＳＯＩウェーハであって、前記ＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面と、前記埋め込み酸化膜とベースウエーハの界面のうち、少なくとも前記埋め込み酸化膜とベースウエーハとの界面に窒素濃度のピークを有するものであることを特徴とするＳＯＩウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるイオン注入剥離法を用いた貼り合わせウェーハに関し、特に、２枚のシリコン単結晶ウェーハを酸化膜を介して結合して形成される、主としてＳＯＩ層の厚さが１μｍ以下の薄膜ＳＯＩウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ウエーハを２枚貼り合わせて形成した貼り合わせウエーハ、特に、シリコン単結晶からなるベースウエーハに酸化膜を介して薄いシリコン層（ＳＯＩ層）が形成されたＳＯＩウェーハが利用されている。このようなＳＯＩウエーハを製造するには、例えば、ＳＯＩ層となるボンドウエーハとベースウエーハを用意し、これらを酸化膜を介して貼り合わせた後、ボンドウエーハを薄膜化することによって行われている。
【０００３】
特に、ＳＯＩ層の膜厚が１μｍ以下の薄膜ＳＯＩウェーハ、さらには０．１μｍ以下のＳＯＩ層を有する超薄膜ＳＯＩウェーハの製造においては、ボンドウエーハとして使用する半導体製造用シリコン単結晶ウェーハに対し、その表面に形成された熱酸化膜を介して、あるいは直接、水素イオン、希ガスイオン、あるいはこれらの混合ガスイオンを注入する方法が使われている（特許第３０４８２０１号公報参照）。このようにイオン注入を行うことで、表面から極めて浅い位置にイオン注入層を形成することができ、ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウエーハの表面とを貼り合わせた後、前記イオン注入層を介してボンドウエーハを剥離することにより、薄膜あるいは超薄膜のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを製造することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０４８２０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようにボンドウエーハにイオン注入を行うと、熱酸化膜あるいはシリコンからなる表面は、イオン注入時に発生するダメージ、面粗れ、汚染の影響を受け、貼り合わせ不良や金属汚染等が発生してしまう場合があり、また、このような貼り合わせ不良等が生じたＳＯＩウエーハをデバイス作製に用いると、デバイス歩留まりが低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、水素等のイオン注入に伴うウェーハ表面のダメージ、面粗れ、汚染を低減し、貼り合わせ不良や金属汚染等を低減する貼り合わせウェーハの製造方法を提供することを主な目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンあるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入してウェーハ内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウエーハのイオン注入された側の表面とベースウェーハの表面とを、直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハの一部を前記イオン注入層で剥離して貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記ボンドウェーハの少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施した後、前記イオン注入を行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法が提供される（請求項１）。
【０００８】
このようにボンドウェーハの少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施した後でイオン注入を行えば、表面が硬くなっているのでイオン注入による面粗れや汚染を低減することができる。従って、このボンドウエーハにイオン注入した後、ベースウエーハと貼り合わせ、その後イオン注入層で剥離して貼り合わせウエーハを形成すれば、貼り合わせ不良や金属汚染等が低減され、高品質の貼り合わせウェーハを製造することができる。
【０００９】
前記ボンドウェーハとしては、シリコン単結晶ウェーハの表面に熱酸化膜を形成したものを用いることができる（請求項２）。
現在、シリコン単結晶ウェーハを用いたＳＯＩウエーハの需要が高く、シリコン単結晶ウェーハの表面に形成させたシリコン酸化膜を硬化する処理を施した後にイオン注入を行えば、酸化膜（絶縁膜）の面粗れ等が低減され、結果として高品質のＳＯＩウエーハを製造することができる。
【００１０】
前記ボンドウエーハの表面を硬化する処理としては、ＮＨ３ガス雰囲気中での熱処理または窒素プラズマによる窒化処理を行うことができる（請求項３）。
前記したシリコン酸化膜に対し、上記のようなＮＨ３ガス雰囲気中での熱処理あるいは窒素プラズマによる窒化処理を行えば、容易に硬化することができ、その後のイオン注入時の面粗れ等を防ぐことができるとともに、製造コストを低く抑えることができる。
【００１１】
また、前記イオン注入を行う前に、前記ボンドウエーハの硬化する処理が行われた表面に保護膜を形成することが好ましく（請求項４）、前記保護膜として、例えば、ＣＶＤ法による窒化膜またはアモルファスシリコン膜を形成することができる（請求項５）。
このように、硬化処理された表面にＣＶＤ法による窒化膜等の保護膜を形成して平坦性を高めたり、また、保護膜がイオン注入により面粗れ等を起こしても、イオン注入後に保護膜を除去すれば、貼り合わせ面の面粗れが確実に除去され、貼り合わせ不良や汚染を確実に防ぐことができる。
【００１２】
具体的には、ボンドウエーハにイオン注入を行った後、前記窒化膜をリン酸を用いてエッチング除去し、しかる後に前記ベースウエーハと貼り合わせることができる（請求項６）。
保護膜として形成した窒化膜がイオン注入により面粗れを起こした場合でも、リン酸により選択的にエッチングすることができ、その後ベースウエーハと貼り合わせることで貼り合わせ不良を確実に防ぐことができる。
【００１３】
前記したように熱酸化膜をＮＨ３ガス雰囲気中での熱処理等により窒化処理した後、イオン注入、ベースウエーハとの貼り合わせ、イオン注入層での剥離を行って形成したＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面と、埋め込み酸化膜とベースウエーハの界面のうち、少なくとも埋め込み酸化膜とベースウエーハとの界面に窒素濃度のピークを有するＳＯＩウェーハとなる（請求項７）。このようなＳＯＩウエーハは、貼り合わせ不良等が低減された高品質のＳＯＩウエーハであり、これをデバイス作製に用いれば、高性能のデバイスを高歩留まりで作製することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、以下の実施の形態では、貼り合わせウェーハとして現在最も一般的である、シリコン酸化膜を介してシリコン単結晶ウェーハ同士を貼り合わせて形成されるＳＯＩウェーハの製造について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
ＳＯＩウエーハの製造の際、ボンドウェーハの内部に剥離を行うための高濃度イオン注入層を形成するためには、通常、１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２オーダーのイオン注入が行なわれる。このような高ドーズ量でイオン注入が行われると、ボンドウェーハの表面には面粗れが発生し、その後の貼り合わせ工程での不良（ボイドやブリスター等）や、金属汚染等を受けやすくなる。
このようにイオン注入を行う際に発生する面粗れを防ぐため、本発明者が鋭意研究を重ねたところ、イオン注入する表面を元の表面よりも硬化した後にイオン注入を行うことで、イオン注入による面粗れを低減することができることを見出した。
【００１６】
図１（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明によりＳＯＩウエーハを製造する工程の一例を模式的に説明する流れ図である。
（Ａ）熱酸化膜形成
まず、シリコン単結晶からなるボンドウエーハ１に対して酸化性雰囲気で熱処理を行い、その表面に、絶縁膜として熱酸化膜２を形成する（実際は、ウエーハ全面に熱酸化膜が形成されるが、省略して記載してある。）。具体的な熱処理条件は、適宜設定すれば良いが、例えば、シリコン単結晶ウエーハ１を、水蒸気雰囲気下、９００〜１１００℃で熱処理することで表面に均一なＳｉＯ２膜を形成させることができる。なお、熱酸化処理を行う前に、還元性雰囲気で処理して自然酸化膜を除去し、これによりウエーハ表面の不純物を除去しておいても良い。
【００１７】
（Ｂ）表面硬化処理及び保護膜形成
シリコン酸化膜２を有するボンドウエーハ１に対し、イオン注入を行う前に、ボンドウエーハ１の少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施す。ここでは、上記の熱酸化膜２が形成されたボンドウエーハ１をＮＨ３ガス雰囲気中で熱処理（熱窒化処理）する。熱処理条件は適宜設定すれば良いが、例えば、アンモニア雰囲気下、８００〜９００℃で、１０〜６０分程度熱処理することで表面を硬化させることができる。このとき、酸化膜２表面には完全な熱窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）は形成されにくいものの、ＳｉＯｘＮｙなる組成の膜３（以下、「ＳｉＯｘＮｙ膜」という）が形成されて、もとのＳｉＯ２膜に比べて硬いものとなる。
表面硬化処理としては、上記のようなアンモニアガス雰囲気中での熱処理だけでなく、例えば窒素プラズマによる窒化処理を行うことによっても同様の効果を得ることができる。なお、本発明において「硬化処理」とは、後に行われるイオン注入によって生じる面粗れを低減する効果を付加する処理のことを意味する。
【００１８】
上記のようにボンドウエーハ１の表面を硬化させた後、その面からイオン注入を行うことで面粗れが生じ難くなるが、面粗れをより効果的に低減させるため、イオン注入を行う前に、さらに、その硬化処理した表面に保護膜４を形成する。このような保護膜４として、例えば、ＳｉＯｘＮｙ膜３上にＣＶＤ法により窒化膜（ＣＶＤ窒化膜）４を形成させる。表面を硬化処理したボンドウエーハ１を、例えば、６００〜７００℃で、ＳｉＨ２Ｃｌ２／ＮＨ３ガス等を供給して処理することで、ＳｉＮ膜４を形成させることができる。あるいは、ＳｉＮ膜４の代わりに、ＳｉＨ４ガス等を供給してアモルファスシリコン膜を形成してもよい。
【００１９】
なお、この場合、前記したようなボンドウエーハ１表面の硬化処理を行わずにＣＶＤ窒化膜を酸化膜２上に直接堆積しようとしても、うまく堆積することができず、膜厚のバラツキが生じたり、平坦度が悪化し、結果としてイオン注入層５の分布にバラツキを生じてしまう。そこで、前記のように、一旦、熱窒化処理によりＳｉＯｘＮｙ膜３を薄く形成して硬化した表面にＣＶＤ窒化膜４を堆積するようにすれば、ＳｉＯｘＮｙ膜３がバッファー層として機能し、膜厚均一性や平坦度の高い保護膜４を堆積することができる。
【００２０】
（Ｃ）イオン注入
ＣＶＤ窒化膜４を形成した後、その表面から水素、希ガスイオン、あるいはこれらの混合ガスイオンをイオン注入する。これにより、ボンドウエーハ１内部にイオン注入層５が形成される。なお、イオン注入条件は、最終的に形成させるＳＯＩ層の厚さ等を考慮して、イオン種、注入エネルギー、注入量を設定すれば良い。
【００２１】
（Ｄ）保護膜除去
ＣＶＤ窒化膜４は、イオン注入前の初期段階で表面粗さが良好でない場合や、イオン注入により面粗れを起こす場合がある。従って、イオン注入後、ＣＶＤ窒化膜４を除去することで、ＣＶＤ窒化膜４の表面で発生した面粗れや汚染を確実に解消することができる。ＣＶＤ窒化膜４を除去する方法としては、例えば熱リン酸を用いて選択的にエッチング除去することができる。
【００２２】
（Ｅ）貼り合わせ
イオン注入後、表面のＣＶＤ窒化膜４を除去した後に、ボンドウエーハ１のイオン注入された側の表面とベースウェーハ（シリコン単結晶ウエーハ）６の表面とを酸化膜２（ＳｉＯｘＮｙ膜３）を介して貼り合わせる。これにより２枚のウエーハ１，６は接合される。
【００２３】
（Ｆ）剥離
貼り合わせ後、剥離熱処理を施すことで、ボンドウエーハ１の一部をイオン注入層５で剥離し、ＳＯＩ層７を有するＳＯＩウェーハ１０を形成することができる。さらに、剥離後、貼り合わせ強度を高めるためにより高温の熱処理（結合熱処理）を施すことが好ましい。なお、剥離熱処理と結合熱処理とを合わせて行うこともできる。
【００２４】
以上のような工程を経て形成されたＳＯＩウェーハ１０は、埋め込み酸化膜２とベースウェーハ６との界面に窒素濃度のピークを有するものとなる。このようなＳＯＩウエーハ１０は、貼り合わせ不良や金属汚染が低減された高品質の薄膜、あるいは超薄膜ＳＯＩウエーハとなり、これをデバイス作製に用いれば、デバイス歩留まりが向上し、高性能のデバイスを低コストで作製することが可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
直径２００ｍｍ、ｐ型、面方位（１００）のシリコン単結晶ウェーハを９５０℃、水蒸気雰囲気で熱酸化膜（膜厚：約１４０ｎｍ）の形成を行ったサンプルを複数枚作製した（サンプル１）。
【００２６】
次にサンプル１の熱酸化膜に８５０℃、２６６ＰａにてＮＨ３処理（１００％ＮＨ３ガスによる熱処理）を３０分間施したサンプルを作製した（サンプル２）。
さらに、サンプル２の処理に続いて６５０℃、４０ＰａにてＳｉＨ２Ｃｌ２／ＮＨ３ガスを供給してＳｉＮ膜（ＣＶＤ窒化膜）を約７ｎｍで成膜したサンプルを作製した（サンプル３）。
【００２７】
上記のように作製したサンプル１、２、３に対し、それぞれ水素イオン注入を行い、それぞれサンプル１′、２′、３′とした。なお、使用した水素イオン注入条件は、エネルギー：６０．５ｋｅＶ、ドーズ量：５．７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。
【００２８】
これらの６種類のサンプルのウエーハの中心部と周辺部の各１点の表面粗れ状態を確認するため、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による分析を行った結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１から明らかなように、表面に熱酸化膜のみを形成したサンプル１は、その後の水素イオン注入によって表面粗さが著しく増大している（サンプル１′）。
これに対し、熱酸化膜形成後、ＮＨ３雰囲気で熱窒化処理を施したサンプル２では、水素イオン注入後（サンプル２′）の表面粗さはイオン注入前と比べて増加しているものの、その増加（ΔＲｍｓ）は、サンプル１、１´よりも低減されている。このことからシリコンウエーハ表面の熱酸化膜が熱窒化処理により硬化し、イオン注入による表面粗れが抑制されたことがわかる。
【００３１】
さらに、熱窒化処理に続きＣＶＤ窒化膜を成膜したサンプル３では、イオン注入後（サンプル３′）の表面粗さがサンプル１´と同程度であったが、水素イオン注入前（サンプル３）の初期表面粗さが粗かったので、その後の水素イオン注入による表面粗さの増加は小さかった。
そこで、サンプル３及び３′に対し、リン酸ウエットエッチング処理を施してＣＶＤ窒化膜のみを除去し、ＡＦＭによる表面粗さ測定を実施した。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２から明らかなように、ＣＶＤ窒化膜をエッチング除去した後、サンプル３′の表面粗さは、中心部、周辺部とも、イオン注入後のサンプル１′、２′及び３′のいずれのものよりも小さく、イオン注入前のサンプル１及び２と比べても、周辺部では同等、中心部ではそれらよりも小さいレベルを維持していることがわかった。
【００３４】
次に、上記サンプル１′、２′、３′と同一条件で水素イオン注入まで行なったサンプルをそれぞれ複数枚準備し、シリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハと貼り合せた後、５００℃、３０分間の剥離熱処理を行って水素イオン注入層で剥離し、ＳＯＩ層が約４００ｎｍのＳＯＩウェーハを作製した。さらに、貼り合せ強度を向上させるための結合熱処理（１１００℃、２時間）を行なった。
【００３５】
上記のような剥離熱処理後と結合熱処理後に、それぞれＳＯＩ層の表面に観察されたボイド（ＳＯＩ層が存在していない部分）、およびブリスター（ＳＯＩ層が膨れている部分）を目視及び表面検査装置により評価し、貼り合わせ不良率（ボイド・ブリスター発生枚数／作製枚数）を比較した。その結果、サンプル２′と３′の不良率は、サンプル１′の不良率に比べて２０％以上低く、特にサンプル３′では、サンプル２′よりも低い貼り合せ不良率が得られ、極めて高品質のＳＯＩウエーハとなった。
【００３６】
さらに、作製された３種類のＳＯＩウェーハからそれぞれ１枚抜き取り、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）を用い、ＳＯＩ表面からベースウェーハの最表面までの窒素濃度分布を測定したところ、サンプル２′及び３′については、埋め込み酸化膜とベースウェーハの界面に窒素濃度のピークが観察されたが、サンプル１′についてはその界面の前後での窒素濃度の変化はほとんど見られなかった。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【００３８】
また、本発明は、ベースウエーハ側に熱酸化膜を形成してＳＯＩウエーハを製造する場合にも適用することができる。さらに、ボンドウエーハ、ベースウエーハともシリコンウエーハに限定されず、また、いずれのウエーハにも熱酸化膜等を形成させずに、両ウエーハを直接貼り合わせて貼り合わせウエーハを製造する場合でも、本発明により表面の硬化処理後にイオン注入することで、イオン注入による面粗れを低減させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン注入剥離法により貼り合わせウエーハを製造する際、ボンドウェーハの少なくともイオン注入する側の表面を硬化する処理を施した後にイオン注入を行うため、イオン注入時に発生するダメージや汚染の影響が低減し、ボイドやブリスター等の貼り合せ不良や金属汚染等を低減することができる。従って、本発明により製造されたＳＯＩウエーハは、高品質のものとなり、これを用いることでデバイス作製の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＳＯＩウエーハの製造工程の一例を示す流れ図である。
【符号の説明】
１…ボンドウエーハ（シリコン単結晶ウエーハ）、
２…熱酸化膜（埋め込み酸化膜）、  ３…ＳｉＯｘＮｙ膜、
４…保護膜（ＣＶＤ窒化膜、ＳｉＮ膜）、  ５…イオン注入層、
６…ベースウエーハ（シリコン単結晶ウエーハ）、  ７…ＳＯＩ層、
１０…ＳＯＩウエーハ。
【図１】
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