(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンドウェーハ表面より水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入して該ボンドウェーハ内部に微小気泡層（封入層）を形成した後、該イオン注入面上に第１の温度でＣＶＤ酸化膜を形成し、該ＣＶＤ酸化膜の表面を平坦化処理した後、該表面をベースウェーハ表面と密着させ、その後、第１の温度より高温の第２の温度で熱処理を加えて微小気泡層でボンドウェーハを薄膜状に剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記第１の温度が４５０℃以下であることを特徴とする請求項１記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ベースウェーハの表面に予め熱酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１及び２記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記イオン注入は、前記ボンドウェーハの結晶軸又は結晶面に対し非平行に注入することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入したウェーハを熱処理後に剥離してＳＯＩウェーハを製造する、いわゆる水素イオン剥離法（スマートカット法とも呼ばれている）に関し、ＳＯＩ層の膜厚均一性に優れ、不純物汚染の少ないＳＯＩウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
貼り合わせ法を用いたＳＯＩ（silicon  on  insulator）ウェーハの作製方法として、２枚のシリコンウェーハをシリコン酸化膜を介して貼り合わせる技術、例えば特公平５−４６０８６号公報に示されている様に、少なくとも一方のウェーハに酸化膜を形成し、接合面に異物を介在させることなく相互に密着させた後、２００〜１２００℃の温度で熱処理して結合強度を高める方法が、従来より知られている。
【０００３】
熱処理を行なうことにより結合強度が高められた貼り合わせウェーハは、その後の研削研磨工程が可能となるため、素子作製側ウェーハを研削及び研磨により所望の厚さに減厚加工することにより、素子形成を行なうＳＯＩ層を形成することができる。
このようにして作製された貼り合わせＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層の結晶性に優れ、ＳＯＩ層直下に存在する埋め込み酸化膜の信頼性も高いという利点はあるが、研削及び研磨により薄膜化しているため、薄膜化に時間がかかる上、材料が無駄になり、しかも膜厚均一性は高々目標膜厚±０．３μｍしか得られなかった。
【０００４】
一方、近年の半導体デバイスの高集積化、高速度化に伴い、ＳＯＩ層の厚さは更なる薄膜化と膜厚均一性の向上が要求されており、具体的には０．１±０．０１μｍ程度の膜厚及び膜厚均一性が必要とされている。
このような膜厚及び膜厚均一性をもつ薄膜ＳＯＩウェーハを貼り合わせウェーハで実現するためには従来の研削・研磨での減厚加工では不可能であるため、新たな薄膜化技術として、特開平５−２１１１２８号公報に開示されている水素イオン剥離法と呼ばれる方法（スマートカット法とも呼ばれる）が開発された。
【０００５】
この水素イオン剥離法は、二枚のシリコンウェーハのうち少なくとも一方に酸化膜を形成するとともに、片方のシリコンウェ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、該シリコンウェーハ内部に微小気泡層（封入層）を形成させた後、該イオン注入面を酸化膜を介して他方のウェーハと密着させ、その後熱処理（剥離熱処理）を加えて微小気泡層を劈開面（剥離面）としてイオン注入したウェーハを薄膜状に剥離し、さらに熱処理（結合熱処理）を加えて強固に結合してＳＯＩウェーハとする技術である。
【０００６】
この方法では、剥離面は良好な鏡面であり、ＳＯＩ層の均一性が極めて高いＳＯＩウェーハが比較的容易に得られる上、剥離した一方のウェーハを再利用できるので、材料を有効に使用できるという利点も有する。
また、この方法は、酸化膜を介さずに直接シリコンウェーハ同士を結合することもできるし、シリコンウェーハ同士を結合する場合だけでなく、シリコンウェーハにイオン注入して、石英、炭化珪素、アルミナ等の熱膨張係数の異なる絶縁性ウェーハと結合する場合にも用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記水素イオン剥離法でＳＯＩウェーハを製造する方法としては、ボンドウェーハ（ＳＯＩ層を形成するウェーハ）とベースウェーハ（ＳＯＩ層の支持基板となるウェーハ）のどちらに酸化膜を形成するかによって、その製造方法が大別される。すなわち、図２（Ａ）のようにイオン注入を行わないベースウェーハ側のみに酸化膜を形成する方法と、図２（Ｂ）のようにボンドウェーハに酸化膜を形成してからその酸化膜を通してイオン注入する方法とがある。
尚、（Ｂ）の場合には、ベースウェーハにも酸化膜を形成することもある。
【０００８】
何れの手法を用いた場合であっても、イオン注入を行ったボンドウェーハの表面が結合界面となっている点では共通しているが、このイオン注入を行った表面にはイオン注入プロセスにおける装置起因の発塵や表面汚染が付着しており、これら付着物は洗浄してもなかなか除去されないため、結合不良の発生原因となり、ＳＯＩウェーハの製造歩留まりを低下させる要因となっていた。
【０００９】
また、図２（Ａ）と図２（Ｂ）の製造方法のうち、現在主流となっているのは図２（Ｂ）である。その理由の１つは、イオンを注入するボンドウェーハに酸化膜が形成されていないと、チャネリング現象によりイオンの注入深さのバラツキが悪化し、剥離後のＳＯＩ層の膜厚均一性が低下する可能性があるからである。ここで、チャネリング現象とは、結晶性の物質の結晶軸や結晶面とほぼ平行にイオンを入射すると、結晶原子の隙間を蛇行しながらイオンが通り抜けてゆく現象をいい、非平行の入射に比べてイオン注入深さのバラツキが大きくなる。
【００１０】
シリコンウェーハの場合、その表面は特定の方位（例えば＜１００＞など）に加工されているので、このチャネリング現象が発生しやすく、酸化膜を形成することによりこのチャネリング現象を抑えることが好ましい。
ボンドウェーハに酸化膜を形成するもう一つの理由は、ボンドウェーハに酸化膜を予め形成しておけば、その結合界面に取込まれた不純物（雰囲気中のボロンやイオン注入による金属や有機物等の汚染物）が活性層（ＳＯＩ層）に拡散するのを抑制することができ、ＳＯＩ層の結晶性や電気特性の劣化を防止できるからである。
【００１１】
ところが、水素イオン剥離法を行う場合のイオン注入深さのバラツキ（標準偏差σ）は、前述のチャネリング現象が発生しなければ、現状のイオン注入機を用いればσ＝０．４ｎｍを得ることができる。すなわち、３σ＝１．２ｎｍであるので、目標注入深さ±１．２ｎｍ以内にほとんど全てのイオンが注入されることになるので、剥離後のＳＯＩ層の膜厚は目標膜厚±１．５ｎｍ以下の優れた膜厚均一性を有するＳＯＩウェーハが得られるはずである。
【００１２】
しかし、前述の理由によりイオン注入を行うボンドウェーハに酸化膜を形成すると、形成される酸化膜もその膜厚にバラツキがあるため、この酸化膜を通してシリコン中に注入されるイオンもその注入深さに影響を受ける。
例えば、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜の厚さとして４００ｎｍが必要な場合、この酸化膜を通常の量産レベルでの酸化条件を用いて形成すると、酸化膜厚のバラツキは高々σ＝２．０ｎｍ程度しか得られない。また、生産性を無視して酸化条件を厳密にコントロールしてもσ＝１．０ｎｍ前後が限度であるので、ボンドウェーハに酸化膜を形成して製造されたＳＯＩウェーハのＳＯＩ膜厚均一性としては、目標膜厚±３ｎｍ程度が限界であった。
【００１３】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、ＳＯＩウェーハの製造歩留まりを低下させる最大の要因である結合不良を低下させ、しかもＳＯＩ層の膜厚均一性がＳＯＩウェーハの酸化膜厚のバラツキに影響を受けることなく、イオン注入装置の注入性能（注入深さのバラツキ）のみに依存するようにして、膜厚均一性に優れたＳＯＩウェーハおよびその製造方法を提供すること目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の請求項１に記載した発明は、ボンドウェーハ表面より水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入して該ボンドウェーハ内部に微小気泡層（注入層）を形成した後、該イオン注入面上に第１の温度でＣＶＤ酸化膜を形成し、該ＣＶＤ酸化膜の表面を平坦化処理した後、該表面をベースウェーハ表面と密着させ、その後、第１の温度より高温の第２の温度で熱処理を加えて微小気泡層でボンドウェーハを薄膜状に剥離することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法である。
【００１５】
このように、ボンドウェーハの水素イオンまたは希ガスイオンを注入した面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）酸化膜（ＣＶＤ法により形成された酸化膜）を堆積することにより、イオン注入プロセスで発塵があっても、それは酸化膜中に埋没して表面に露出しなくなる。また、それが原因でＣＶＤ酸化膜表面に凸部が形成されたとしても、その後のＣＶＤ酸化膜表面を平坦化する工程で除去されるので結合不良を低減できる。そして、水素イオン注入を行った後にＣＶＤ酸化膜（埋め込み酸化膜）を形成するため、水素イオン注入の均一性が、酸化膜の膜厚均一性となる。
【００１６】
また、ボンドウェーハのイオン注入面上にＣＶＤ酸化膜を形成する温度（第１の温度）は、該ＣＶＤ酸化膜の形成段階で微小気泡層での剥離が生じない温度とし、その温度としては請求項２のようにＣＶＤ酸化膜を形成する第１の温度を４５０℃以下にすれば、ＣＶＤ酸化膜の形成工程で、微小気泡層が剥離してしまうことを確実に防ぐことができる。
さらに、請求項３のようにベースウェーハの表面に予め熱酸化膜を形成しておけば、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜の絶縁耐圧を向上させ、静電容量の調整をすることができる。
尚、イオン注入に際しては、請求項４のようにボンドウェーハの結晶軸や結晶面に対し非平行に注入することが好ましい。これにより注入イオンのチャネリング現象を減少させることができるので、イオン注入深さのバラツキを増加させることを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ここで、図１は本発明による貼り合わせＳＯＩウェーハの製造工程の一例を示すフロー図である。
工程（ａ）では、２枚のシリコンウェーハ１、２を準備するものであり、両ウェーハとも少なくとも結合すべき面が鏡面研磨されている単結晶シリコンウェーハである。尚、１はベースウェーハ、２はボンドウェーハである。
【００１８】
工程（ｂ）は、ＳＯＩ層となるボンドウェーハ２に水素イオンを注入する工程である。ボンドウェーハ２の一方の面（ベースウェーハ１と結合される面）の上面から水素イオンまたは希ガスイオンのうち少なくとも一種類、ここでは水素イオンを注入し、イオンの平均進入深さにおいて表面に平行な微小気泡層（封入層）３を形成させるもので、この注入時のウェーハ温度は２５〜４５０℃が好ましく、特に２００℃以下がより好ましい。
そして、上記イオン注入時のエネルギーは、作製するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の目標厚さにより適宜決定される。また、チャネリング現象を防ぐために、ボンドウェーハ２の結晶軸又は結晶面に対して非平行となる様に、若干傾けた入射角で注入することが好ましい。
【００１９】
次に、工程（ｃ）は、イオン注入されたボンドウェーハ２の表面（少なくともベースウェーハと結合する表面）にＣＶＤ酸化膜４を堆積する工程である。このＣＶＤ酸化膜４を形成する段階で前記した微小気泡層３での剥離発生を防ぐには、ＣＶＤ酸化膜を形成する第１の温度（堆積温度）は４５０℃以下が好ましく、例えば４００から４５０℃の温度範囲で化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で成長させる。ＣＶＤ装置としては、常圧ＣＶＤ装置、減圧ＣＶＤ装置、あるいはプラズマＣＶＤ装置等が挙げられる。
又、このＣＶＤ酸化膜４はＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜となるので、その厚さは用途に応じて設定されるが、通常０．１〜２．０μｍ程度が用いられる。
【００２０】
工程（ｄ）は、ＣＶＤ酸化膜４表面を平坦化する工程である。ＣＶＤ酸化膜４の堆積により、イオン注入プロセスでの発塵等がボンドウェーハ表面に付着していても酸化膜中に埋没して表面に露出しなくなるので、付着物に起因する結合不良を低減することができる。
ただし、例えば常圧ＣＶＤ装置で形成したＣＶＤ酸化膜は、その表面粗さを原子間力顕微鏡で１μm角で測定すると、Rms（Root Mean Square Roughness：自乗平均平方根粗さ）が約１．２ｎｍ程度あるため、ベースウェーハとの結合が不可能なレベルである。従って、この表面をＣＭＰ（Chemical and Mechanical Polishing）等の方法を用いて平坦化して結合する。ＣＶＤ酸化膜は熱酸化膜に比べてやわらかく研磨速度が速いので、容易に平坦化することが出来る。この際、ＣＶＤ酸化膜形成前の表面の付着物が原因でＣＶＤ酸化膜表面に凸部が形成されていたとしても、この平坦化工程で除去されるので結合不良を低減できる。
尚、ＣＶＤ酸化膜４を堆積後のＣＶＤ酸化膜表面のRms がもともと０．５ｎｍ程度以下であれば、上記工程（ｄ）を省略することもできる。
【００２１】
次に、工程（ｅ）は、洗浄後の両ウェーハ１，２を重ね合せて密着させる工程であり、常温の清浄な雰囲気下で２枚のウェーハの表面同士を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウェーハ同士が接着する。この際、必要に応じてベースウェーハ表面に熱酸化膜を形成しておくこともできる。ＣＶＤ酸化膜４は熱酸化膜に比べて絶縁耐圧等の電気特性が劣るので、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜について高い絶縁耐圧や静電容量が要求される場合には、ベースウェーハ１に予め必要な厚さの熱酸化膜を形成しておけばこれらを満足することができる。
【００２２】
工程（ｆ）は、微小気泡層（封入層）３を境界として剥離することによって、剥離ウェーハ５とＳＯＩウェーハ６（ＳＯＩ層７＋ＣＶＤ酸化膜（埋め込み酸化膜）４’＋ベースウェーハ１）に分離する剥離熱処理工程であり、その熱処理の温度（第２の温度）はＣＶＤ酸化膜４を形成する熱処理温度（第１の温度）より高温で行われる。例えば、不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによって剥離ウェーハ５とＳＯＩウェーハ６に分離されると同時に、室温での密着面もある程度は強固に結合がなされる。尚、剥離ウェーハ５は、表面の酸化膜を除去して剥離面を研磨する再生処理を行えば、再利用が可能である。
【００２３】
ＳＯＩウェーハ６をデバイス作製工程で使用するためには、工程（ｆ）の剥離熱処理による結合力では十分でないので、工程（ｇ）の結合熱処理として高温の熱処理を施し、結合強度を十分なものとする。この熱処理は、例えば不活性ガス雰囲気下、１０００℃〜１２００℃で３０分〜５時間程度の範囲で行うことができる。また、ランプ加熱装置のような急速加熱・急速冷却装置を用いれば、１０００℃〜１３５０℃の温度で１〜３００秒程度の短時間で十分な結合強度が得られる。
また、工程（ｇ）の結合熱処理として工程（ｆ）の剥離熱処理を兼ねておこなう場合には工程（ｆ）を省略することもできる。
【００２４】
そして、工程（ｈ）は、ＳＯＩ層７の表面である劈開面（剥離面）に存在するダメージ層及び表面粗さを除去する工程である。この工程としては、タッチポリッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない研磨を行ったり、タッチポリッシュ後に水素を含む還元性雰囲気での熱処理を加えたりすることもできるが、タッチポリッシュを行わずに水素を含む還元性雰囲気で熱処理のみを行っても、同様にダメージ層及び表面粗さを除去することができる上、工程（ｇ）の結合熱処理を兼ねることもできるので一層効率的である。
【００２５】
【実施例】
（実施例）
まず、直径１５０ｍｍ、厚さ６２５μｍ、結晶軸方位＜１００＞、導電型ｐ型、抵抗率１０〜２０Ω・ｃｍの一方の表面が鏡面研磨された単結晶シリコンウェーハ２０枚を用意し、ボンドウェーハ用とベースウェーハ用とに分け、ベースウェーハ用の１０枚のうち５枚には表面に３００ｎｍの酸化膜を熱酸化により形成した。
次に、ボンドウェーハの鏡面側に、注入エネルギー４０ｋｅＶ、注入量８×１０16 atoms／cm2、注入角７度の条件でＨ+イオンを注入した後、モノシランガスと酸素ガスを原料として常圧ＣＶＤ装置により、４００℃で厚さ約４００ｎｍのＣＶＤ酸化膜を堆積した。
堆積直後のＣＶＤ酸化膜表面の面粗さを原子間力顕微鏡（デジタル  インスツルメント社製Nano Scope−II）により、測定領域を１μm 角で測定したところ、Rms＝１．２ｎｍであった。
次に、このＣＶＤ酸化膜表面をＣＭＰにより約１００ｎｍ研磨した後、再び表面粗さを測定したところ、Rms＝０．２ｎｍに改善された。
【００２６】
その後、ボンドウェーハとベースウェーハを洗浄して乾燥させたのち、室温で密着させ、剥離熱処理として窒素ガス雰囲気下５００℃３０分の熱処理を加えた。
その結果、図１（ｆ）の様なＳＯＩ層７の膜厚が約０．３５μｍのＳＯＩウェーハと、剥離ウェーハが作製された。剥離後のＳＯＩウェーハを肉眼で観察したが、ベースウェーハの熱酸化膜の有無にかかわらず、１０枚のＳＯＩウェーハのいずれにもボイド（未結合部）は全く観察されなかった。尚、ＳＯＩ層が薄膜化された状態であれば、ボイドが存在する部分は盛り上がって見えるので、特別な装置を用いなくてもボイドを観察することはできる。
【００２７】
次に、このＳＯＩウェーハに対して窒素ガス雰囲気で１１００℃、２時間の結合熱処理を行った。結合熱処理後のＳＯＩウェーハを肉眼で観察したがやはりボイドは全く観察されなかった。
こうして作製されたＳＯＩウェーハの膜厚を測定し膜厚均一性を求めた。膜厚測定は、反射分光法で行い、ＳＯＩウェーハの面内を外周１０ｍｍを除いて、１ｍｍピッチで数千点測定した。測定された膜厚の標準偏差σの平均値は０．４３ｎｍであった。従って、作製されたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚均一性（±３σ）の平均値は±１．２９ｎｍであることがわかった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、水素イオン剥離法により貼り合わせウェーハを作製するに際し、イオン注入したボンドウェーハ表面にＣＶＤ酸化膜を堆積するので、イオン注入プロセスでの発塵等の付着物に起因する結合不良を低減し、製造歩留まりを極めて向上させることができる。しかも、ボンドウェーハ表面に酸化膜を介さずに直接イオン注入を行うので、ＳＯＩ層の膜厚均一性がＳＯＩウェーハの酸化膜厚のバラツキに影響を受けることなく、イオン注入装置の注入性能（注入深さのバラツキ）のみに依存するようになり、膜厚均一性に優れたＳＯＩウェーハを製造することができる。
また、従来のようにＳＯＩ層となるボンドウェーハ表面に熱酸化膜を形成する場合には、熱酸化膜の形成時に格子間シリコンの注入が起こるためこれがＳＯＩ層の結晶欠陥を誘発する可能性があったが、本発明ではこのような格子間シリコンの注入が起こらず、ＳＯＩ層の結晶性を低下させないという副次的効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による貼り合わせＳＯＩウェーハの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図２】  水素イオン剥離法によるＳＯＩウェーハの製造方法を示すフローチャートで、（Ａ）はイオン注入を行わないベースウェーハ側のみに酸化膜を形成して行う方法、（Ｂ）はボンドウェーハに酸化膜を形成してからイオン注入を行う方法である。
【符号の説明】
１…ベースウェーハ              ２…ボンドウェーハ
３…微小気泡層（封入層）        ４…ＣＶＤ酸化膜
５…剥離ウェーハ                ６…ＳＯＩウェーハ
７…ＳＯＩ層
【図１】
0003900741.tif 000002
【図２】
0003900741.tif 000003