JP2005085964A

JP2005085964A - 貼り合わせ基板の製造方法

Info

Publication number: JP2005085964A
Application number: JP2003315989A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Endo; 昭彦遠藤; Hideki Nishihata; 秀樹西畑
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】
剥離熱処理時に、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止する貼り合わせ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】
ヘリウムを活性層用ウェーハ１０にイオン注入したので、剥離温度は８００〜１１００℃となる。この温度に達すると、両ウェーハ１０，２０の貼り合わせ界面で、両ウェーハ１０，２０の大半のＳｉ原子同士が直接結合し、貼り合わせ強度が増強される。その結果、剥離工程に両ウェーハ１０，２０の貼り合わせ界面からの剥離を防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は貼り合わせ基板の製造方法、詳しくは所定深さ位置にヘリウムがイオン注入された半導体ウェーハを熱処理し、そのイオン注入領域内から半導体ウェーハを剥離する技術に関する。

近年、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有した半導体基板を製造する方法として、特許文献１に記載されたスマートカット法が開発されている。
これは、酸化膜が形成され、水素を所定深さ位置にイオン注入した活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを室温で貼り合わせ、その後、得られた貼り合わせウェーハを熱処理炉に挿入し、５００〜７００℃で熱処理を施し、そのイオン注入領域から活性層用ウェーハを剥離して活性層を形成する方法である。また、剥離後には、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度を高めるため、１１００℃、２時間の貼り合わせ熱処理が施される。

特開平５−２１１１２８号公報

しかしながら、従来のスマートカット法では、水素を活性層用ウェーハにイオン注入していた。そのため、剥離工程での熱処理温度は、前述したようにイオン注入領域で水素ガスのバブルが形成される５００〜７００℃程度と低かった。この温度では、予め室温で貼り合わされた活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度を、十分に増強することはできない。以下、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせについて詳細に説明する。

室温での活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせは、ファン・デル・ワールス力による弱い力での結合（貼り合わせ）である。そのため、続く貼り合わせ熱処理工程で、貼り合わせ強度が高められる。すなわち、貼り合わせウェーハを熱処理すると、まず２００℃を超えたあたりで脱水縮合反応が起こる。次に、熱処理温度がさらに高まることで、水素結合が徐々にＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合に変換される。そして、１０００℃以上まで加熱されると、大半のＳｉ原子同士が直接結合する。
すなわち、前記水素ガスのバブルが発生する５００〜７００℃程度では、Ｓｉ原子同士の直接結合が十分に進まない不完全な貼り合わせの状態といえる。
そのため、剥離熱処理時、イオン注入領域からの剥離ではなく、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面から剥離するおそれがあった。

この発明は、剥離熱処理時に、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる貼り合わせ基板の製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、活性層用ウェーハの所定深さ位置にヘリウムをイオン注入し、前記活性層用ウェーハにイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、その後、前記活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを、絶縁膜を介在して貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、該貼り合わせウェーハを８００〜１１００℃で熱処理し、前記イオン注入領域内にヘリウムガスのバブルを形成することで、前記所定深さ位置から活性層用ウェーハの一部を剥離し、活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離時、活性層用ウェーハのイオン注入領域にバブルが形成される温度は、８００〜１１００℃となる。この温度まで達すると、両ウェーハの貼り合わせ界面において、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの大半のＳｉ原子同士が直接結合し、結合力が高い貼り合わせが得られる。その結果、この剥離工程において、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。

活性層用ウェーハおよび支持基板用ウェーハの種類としては、例えば単結晶シリコンウェーハ、ゲルマニウムウェーハ、ＳｉＣウェーハなどを採用することができる。
絶縁膜としては、例えば酸化膜、窒化膜などを採用することができる。
絶縁膜の厚さは限定されない。例えば、０．１〜１．０μｍである。
活性層の厚さは限定されない。例えば、厚膜の活性層では１〜１０μｍである。また、薄膜の活性層では０．０１〜１μｍである。

イオン注入時のヘリウムのドーズ量は限定されない。
ヘリウムのイオン注入時の加速電圧は、５０ｋｅＶ以下、好ましくは３０ｋｅＶ以下、さらに好ましくは２０ｋｅＶ以下である。ヘリウムのイオン注入は、低加速電圧ほど目標深さにヘリウムを集中させることができる。
イオン注入時の活性層用ウェーハの基板温度は、１００〜６００℃である。１００℃未満ではヘリウムのイオン注入損傷が大きく、活性層の結晶欠陥が増加する。また、６００℃を超えると、注入したヘリウムの拡散が大きくなり、注入分布がブロードになって剥離面のラフネスが低下する。ちなみに、従来の水素イオン注入時の基板温度は４５０℃以下であった。この発明では、このようにイオン注入時の基板温度を高めることで、イオン注入時にイオンが活性層用ウェーハの一部を通過して生じるダメージを低減することができる。

剥離時の炉内雰囲気は、非酸化性ガス（窒素、アルゴンなどの不活性ガス）の雰囲気でもよい。また、真空中でもよい。
剥離時の貼り合わせウェーハの加熱温度が８００℃未満では、剥離するためのヘリウムガスのバブル形成ができず活性層ウェーハに析出物が成長し、再加工して再使用することが困難になる。貼り合わせウェーハの好ましい熱処理温度は、９００℃〜１０００℃である。

剥離時の貼り合わせウェーハの加熱時間は１０分間以上、好ましくは３０〜６０分間である。１０分間未満では、バブル形成が不十分であり、ヘリウム注入面で剥離できないという不都合が生じる。
剥離工程後、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ熱処理の強度を高める貼り合わせ熱処理を施してもよい。この際の加熱温度は、例えば１１００℃、２時間である。熱酸化炉内の雰囲気ガスとしては、酸素などを採用することができる。

請求項２に記載の発明は、前記イオン注入工程では、ヘリウムのドーズ量が、８×１０¹⁶〜２×１０¹⁷／ｃｍ²である請求項１に記載の貼り合わせ基板の製造方法である。

ヘリウムのドーズ量が８×１０¹⁶／ｃｍ²未満では、８００℃以上の高温で熱処理しても支持基板用ウェーハを剥離できない。また、ヘリウムのドーズ量が２×１０¹⁷／ｃｍ²を超えると、イオン注入中に火脹れ（イオン注入中にウェーハ表面がパラパラと剥れる現象、ヘリウムのイオン注入時の加速電圧＝４５ｋｅＶ）が発生するおそれがある。ヘリウムの好ましいドーズ量は、９×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ²である。ちなみに、従来の水素イオン注入では、１．５×１０¹⁷〜２．０×１０¹⁷／ｃｍ²が限界である。

この発明によれば、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離時、活性層用ウェーハのイオン注入領域にバブルが形成される温度は、８００〜１１００℃となり、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

ボロンが所定量添加されたｐ型の単結晶シリコンインゴットをＣＺ法により引き上げる。その後、単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、鏡面研磨などを施す。これにより、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍ、比抵抗１０〜２０Ωｃｍ、ｐ型の鏡面仕上げされた活性層用ウェーハ１０と、支持基板用ウェーハ２０とが得られる（図１（ａ），（ｂ））。
その後、活性層用ウェーハ１０を熱酸化装置に挿入し、酸素ガス雰囲気で熱酸化処理を施す。これにより、活性層用ウェーハ１０の露出面の全域に、厚さ０．１５μｍのシリコン酸化膜１０ａを形成する。熱処理条件は９５０〜１１００℃、５〜８時間である（図１（ｃ））。

次に、活性層用ウェーハ１０の鏡面仕上げされた表面から所定深さ位置に、中電流イオン注入装置を使用し、７０ｋｅＶの加速電圧でヘリウムをイオン注入する。これにより、活性層用ウェーハ１０に、ヘリウムイオン注入領域１０ｂが形成される（図１（ｃ））。
このときのドーズ量は、５×１０¹⁶〜４×１０¹⁷／ｃｍ²である。

続いて、活性層用ウェーハ１０の表面と支持基板用ウェーハ２０の鏡面とを貼り合わせ面（重ね合わせ面）とし、シリコン酸化膜１０ａを介して、例えば真空装置内で公知の治具により、両ウェーハ１０，２０を貼り合わせて貼り合わせウェーハ３０を作製する（図１（ｄ））。このとき、活性層用ウェーハ１０と支持基板用ウェーハ２０とが、シリコン酸化膜１０ａを介して接合し、この接合部分のシリコン酸化膜１０ａが埋め込みシリコン酸化膜（絶縁膜）３０ａとなる。

それから、貼り合わせウェーハ３０を図示しない剥離熱処理装置に挿入し、８００〜１１００℃の炉内温度、窒素ガスの雰囲気で熱処理する（図１（ｅ））。熱処理時間は３０分間である。この熱処理により、支持基板用ウェーハ２０の貼り合わせ界面側に活性層１０Ａを残し、活性層用ウェーハ１０をヘリウムイオン注入領域１０ｂから剥離する低温熱処理が施される。

このとき、イオン注入用の軽元素としてヘリウムを採用したので、剥離温度は８００〜１１００℃まで高まる。この温度まで達すると、両ウェーハ１０，２０の貼り合わせ界面において、活性層用ウェーハ１０と支持基板用ウェーハ２０との大半のＳｉ原子同士が直接結合し、結合力が高い貼り合わせが得られる。その結果、この剥離工程において、従来の貼り合わせ強度を増強する貼り合わせ熱処理（１１００℃、２時間）工程を兼用することもできる。よって、活性層用ウェーハ１０と支持基板用ウェーハ２０との貼り合わせ界面からの剥離を防止することができる。しかも、貼り合わせＳＯＩ基板の製造工程数の削減も図れる。剥離された活性層用ウェーハ１０は、支持基板用ウェーハ２０として再利用可能である。

また剥離後、必要により貼り合わせウェーハ３０には１１００℃、２時間の熱処理を施してもよい。これにより、活性層用ウェーハ１０と支持基板用ウェーハ２０との貼り合わせ強度をさらに増強することができる。
そして、ＳＯＩ構造の貼り合わせウェーハ３０を、１重量％のＨＦ溶液（室温）に浸漬し、活性層１０Ａの外周部に残存するシリコン酸化膜１０ａをエッチングする。その後、活性層１０Ａの表面が、研磨装置により研磨される。こうして、スマートカット法による貼り合わせ基板が作製される（図１（ｆ））。

ここで、実際に本発明法および従来法について、剥離工程後の活性層用ウェーハと埋め込みシリコン酸化膜との貼り合わせ界面の結合強度を比較調査した結果を報告する。
結合強度の測定には、ＨＦディップ法を採用した。具体的には、まず剥離後の貼り合わせＳＯＩ基板（図２（ａ））を、２５重量％のＨＦ溶液（室温）に１０分間浸漬し、埋め込みシリコン酸化膜の外周縁をエッチングする。その後、埋め込みシリコン酸化膜の外周面の貼り合わせ界面側の傾斜角度θを測定する（図２（ｂ））。傾斜角度θが小さければ貼り合わせ強度が弱い。反対に、傾斜角度θが大きければ貼り合わせ強度が強い。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、試験例１〜試験例４はいずれも活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ強度が、比較例１〜比較例４に比べて改善された。すなわち、界面側の傾斜角度θは、比較例１〜４の場合に比べて試験例１〜試験例４の方が大きかった。特に、試験例２の場合の角度６２°は、剥離後、貼り合わせ熱処理した貼り合わせウェーハに対して同様に貼り合わせ強度試験を行ったときの角度（７０〜８０°）に最も近い数値で、貼り合わせ強度が最大であった。

この発明の実施例１に係る貼り合わせ基板の製造方法を示すフローシートである。（ａ）この発明の実施例１に係る貼り合わせ基板の製造方法の剥離工程直後の貼り合わせウェーハの断面図である。（ｂ）この発明の実施例１に係る剥離工程後の貼り合わせウェーハにおいて、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとの貼り合わせ界面の結合強度を検査中の貼り合わせウェーハの断面図である。

符号の説明

１０活性層用ウェーハ、
１０Ａ活性層、
１０ｂヘリウムイオン注入領域（イオン注入領域）、
３０貼り合わせウェーハ、
３０ａ埋め込みシリコン酸化膜（絶縁膜）。

Claims

活性層用ウェーハの所定深さ位置にヘリウムをイオン注入し、前記活性層用ウェーハにイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、
その後、前記活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハとを、絶縁膜を介在して貼り合わせ、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせ工程と、
該貼り合わせウェーハを８００〜１１００℃で熱処理し、前記イオン注入領域内にヘリウムガスのバブルを形成することで、前記所定深さ位置から活性層用ウェーハの一部を剥離し、活性層を形成する剥離工程とを備えた貼り合わせ基板の製造方法。
前記イオン注入工程では、ヘリウムのドーズ量が、８×１０¹⁶〜２×１０¹⁷／ｃｍ²である請求項１に記載の貼り合わせ基板の製造方法。