JP2008263087A

JP2008263087A - Ｓｏｉ基板の製造方法

Info

Publication number: JP2008263087A
Application number: JP2007105176A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kawai; 信川合; Yoshihiro Kubota; 芳宏久保田; Atsuo Ito; 厚雄伊藤; Koichi Tanaka; 好一田中; Yuuji Tobisaka; 優二飛坂; Shoji Akiyama; 昌次秋山
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EP1981083A3; US7691724B2; EP1981083A2; CN101286444A; CN101286444B; US20080254595A1

Abstract

【課題】酸素ドナーの生成に起因する電気的特性の変動の虞のないＳＯＩ基板を提供すること。
【解決手段】貼り合わせ用に用いるシリコン基板１０は、赤外吸収法で測定された格子間酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下の単結晶Ｓｉ基板である。単結晶シリコン基板の格子間酸素濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とするのは、酸素ドナーの形成の度合いが当該格子間酸素濃度に強く依存するためである。結晶シリコン基板の格子間酸素濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とすれば、ＳＯＩ基板のシリコン層（ＳＯＩ層）の電気的特性（抵抗率）の変動が実用上問題ない程度に抑えられる。このような単結晶シリコン基板は、磁場印加によりシリコン融液の対流を制御可能なＭＣＺ法や、石英ルツボを用いることのないＦＺ法により、容易に得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明絶縁性基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法に関する。

耐放射線特性やラッチアップ特性に優れるとともにショートチャネル効果の抑制にも優れるＭＯＳトランジスタの形成を目的として、酸化膜などの絶縁膜上に単結晶のシリコン（Ｓｉ）層を設けたいわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエーハがデバイス形成用基板として用いられており、なかでも、貼り合わせ技術の適用による低欠陥のＳＯＩ基板が注目されている。また、近年では、このようなＳＯＩ基板を、光学デバイスの製造用基板として用いることも検討され始めてきている（例えば、特許文献１乃至５）。

絶縁基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板については、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とハンドリング用基板（支持基板）とを貼り合わせ、概ね５００℃以上の熱処理を施して注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄膜を熱剥離させるというSOITEC法（SmartCut法）が知られており、この方法は、水素イオンの注入で形成された「水素ブリスタ」と呼ばれる高密度の「気泡」を加熱により「成長」させ、この「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を剥離するというメカニズムを基礎としている（例えば、特許文献６や非特許文献１）。

ところで、単結晶シリコン基板は、フローティングゾーン（ＦＺ）法で育成されたＦＺシリコン基板とチョクラルスキ（ＣＺ）法で育成されたＣＺシリコン基板とに大別されるが、総使用量の８０％以上はＣＺシリコン基板である。このＣＺシリコン基板は、高純度石英製のルツボ中にチャージした多結晶シリコンを黒鉛製ヒータで加熱して溶解し、細い種結晶の結晶径を徐々に太くする手法で大口径のインゴットを育成し、これをスライスおよび研磨することで製造されるが、インゴット育成中に溶解したシリコンと石英ルツボとが高温で反応することでシリコン溶液中に溶出した酸素不純物が２０〜３０ｐｐｍａ程度濃度で結晶中に取り込まれる。このようにして取り込まれた酸素不純物は、シリコン結晶の格子間に位置するため「格子間酸素」と呼ばれるが、この格子間酸素は、インゴットの冷却過程やデバイスの製造工程中で過飽和な状態となるために結晶中に析出し、その析出態様によっては電気的に活性な「欠陥」ともなる。

例えば、上述のSOITEC法（SmartCut法）のように、ＳＯＩ基板の製造プロセスに概ね５００℃以上の熱処理を必要とする場合には、当該熱処理が６００乃至７００℃の温度領域でなされる場合には所謂「ニュードナー」が、当該熱処理が４００乃至５００℃の温度領域でなされる場合には所謂「サーマルドナー」が発生してしまい、これらの欠陥（酸素ドナー）によって、得られたＳＯＩ基板のシリコン層の電気的な特性（抵抗率）が初期のものとは異なることとなってしまうという問題が生じる。
特開平１１−１４５４３８号公報特開平６−１８９２６号公報特開平１１−１６３３６３号公報特開２００３−２８２８８５号公報特開２００２−１１０９９８号公報特許第３０４８２０１号公報 A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106).

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸素ドナーの生成に起因する電気的特性の変動の虞のないＳＯＩ基板を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のＳＯＩ基板の製造方法は、格子間酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下の単結晶シリコン基板の主面から水素イオンを注入する工程Ａと、透明絶縁性基板およびシリコン基板の少なくとも一方の主面に活性化処理を施す工程Ｂと、透明絶縁性基板とシリコン基板の主面同士を室温で貼り合わせる工程Ｃと、該貼り合せ後の基板を３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理する工程Ｄと、シリコン基板からシリコン薄膜を機械的に剥離して透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を形成する工程Ｅとを備えている。

好ましくは、単結晶シリコン基板の格子間酸素濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下とし、上記工程Ｄにおける熱処理温度は４００℃以上５００℃以下とする。また、好ましくは、上記工程Ｄにおける熱処理後の冷却速度は５℃／分以下とする。

本発明において、上記工程Ｂの活性化処理は、例えば、プラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方により実行され、透明絶縁性基板としては、例えば、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラスまたは結晶化ガラスが用いられる。

本発明では、貼り合わせ法でＳＯＩ基板を製造する際に、格子間酸素濃度が所定の濃度以下の単結晶シリコン基板を用いることとしたので、ＳＯＩ基板の製造工程は勿論のこと、素子製造工程においても電気的に活性な格子間酸素起因の欠陥（酸素ドナー）の発生が顕著に抑制される。

また、このような基板を用いることとしたので、ＳＯＩ基板の製造工程で施す熱処理の冷却速度を充分に遅くすることが可能となり、熱歪に起因する基板のワレやカケなどの破損の心配がない。

以下に、実施例により、本発明のＳＯＩ基板の製造方法について説明する。なお、以下では透明絶縁性基板を石英基板として説明するが、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、あるいは結晶化ガラス基板などでもよい。

図１は、本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。なお、本実施例では、シリコン基板の表面には酸化膜が設けられていないが、表面に予め酸化膜を形成したシリコン基板を用いてもよい。

図１（Ａ）に図示されたシリコン基板１０は、面方位（１００）のボロン（Ｂ）をドープしたｐ型（比抵抗は概ね１０Ωｃｍ））の基板で、赤外吸収法で測定された格子間酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下の単結晶Ｓｉ基板であり、具体的には、格子間酸素濃度が概ね５×１０^１７ｃｍ^−３のＭＣＺ（磁場印加ＣＺ）法で育成された８インチ径の基板である。本発明において、用いる単結晶シリコン基板の格子間酸素濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とするのは、酸素ドナーの形成の度合いが当該格子間酸素濃度に強く依存するためである。ＣＺ単結晶シリコン基板を、例えば４５０℃近傍の温度で熱処理すると、極めて浅いエネルギ準位の格子欠陥であるサーマルドナーが発生するが、その生成初期段階における生成率は、初期格子間酸素濃度の４乗に比例すると報告されている。

本発明者らは、ＳＯＩ基板の製造工程および一般的な素子製造工程の熱処理条件を検討した結果、貼り合わせに用いる単結晶シリコン基板の格子間酸素濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とすれば、ＳＯＩ基板のシリコン層（ＳＯＩ層）の電気的特性（抵抗率）の変動が実用上問題ない程度に抑えられるとの結論に至った。このような単結晶シリコン基板は、通常のＣＺ法でも得ることは可能であるが、磁場印加によりシリコン融液の対流を制御可能なＭＣＺ法や、石英ルツボを用いることのないＦＺ法により、容易に得ることができる。なお、格子間酸素濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３以下とした場合には、上述の熱処理工程における電気的特性（抵抗率）の変動は事実上無視できるレベルとなる。

なお、単結晶Ｓｉ基板１０の導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。

貼り合わせに用いる単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の直径は同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、石英基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせる。

先ず、単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオンを注入する（図１（Ｂ））。このイオン注入面が後の接合面（貼り合せ面）となる。この水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）にイオン注入領域１１が形成される（図１（Ｃ））。このイオン注入領域１１が後工程での剥離領域となる。

水素のイオン注入時のドーズ量は、ＳＯＩ基板の仕様等に応じて、例えば１×１０^１６〜４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の範囲で適当な値が選択される。また、イオン注入領域１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）はイオン注入時の加速電圧により制御され、どの程度の厚さのＳＯＩ層を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば、平均イオン注入深さＬを０．５μｍ以下とし、加速電圧５０〜１００ＫｅＶなどとする。なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。

このようにしてイオン注入領域１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０の主面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図１（Ｄ））。このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものである。なお、このような表面処理は、シリコン基板と透明絶縁性基板の少なくとも一方の主面に施せばよい。

この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがある。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。

表面処理をオゾン処理で実行する場合には、表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に所定の時間の処理が施される。

上述の表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を、室温で密着させて貼り合わせる（図１（Ｅ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。

次に、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０とを貼り合わせた状態で比較的低温（３５０℃以上５５０℃以下）の温度で熱処理する工程を設ける。この熱処理工程は、単結晶シリコン基板１０と石英基板２０上の接合強度を高めることを主な目的とするものであるが、この熱処理には、水素イオンの注入量によっては、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の両基板間の熱膨張係数差に起因する熱応力を生じさせてイオン注入領域１１内のシリコン原子の化学結合を弱化させるという副次的な効果も期待できる。

なお、当該熱処理中に単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０との間に生じる熱歪を小さくするためには上限温度は低いほうが好ましい一方、単結晶シリコン基板１０と石英基板２０上の接合強度を高めるためには下限温度は高いほうが好ましい。従って、熱処理温度を４００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。

このような温度範囲での熱処理を施した後に貼り合わせ基板を冷却することとなるが、本発明では、当該熱処理後の冷却速度を５℃／分以下とし、非常にゆっくりと冷却することとしている。このような冷却条件とするのは、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の熱膨張係数差（熱歪）に起因する基板の破損（ワレやカケなど）を回避するためである。

このような処理に続いて、貼り合わされた基板に外部衝撃を付与して単結晶Ｓｉ基板のバルク１３からシリコン薄膜１２を機械的に剥離して転写する（図１（Ｆ））。この転写によって、石英基板２０の主面にＳＯＩ膜１２が形成されたＳＯＩ基板が得られる（図１（Ｇ））。なお、シリコン薄膜の剥離のための外部からの衝撃付与の手法としては種々のものがあり得るが、本実施例では貼り合わせ基板を加熱をすることなく、イオン注入領域１１近傍にウォータージェットを噴射することで実行している。

このようにして得られたＳＯＩ膜は、石英基板の全面において良好に転写され、しかも、４５０℃で５０時間熱処理した後においても、初期の伝導型（ｐ型）および抵抗値（比抵抗値１０Ωｃｍ）を維持しており、酸素ドナーの形成は認められなかった。

以上説明したように、本発明では、貼り合わせ法でＳＯＩ基板を製造する際に、格子間酸素濃度が所定の濃度以下の単結晶シリコン基板を用いることとしたので、ＳＯＩ基板の製造工程は勿論のこと、素子製造工程においても電気的に活性な格子間酸素起因の欠陥（酸素ドナー）の発生が顕著に抑制される。

本発明は、酸素ドナーの生成に起因する電気的特性の変動の虞のないＳＯＩ基板を提供する。

本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。

符号の説明

１０単結晶Ｓｉ基板
１１イオン注入領域
１２シリコン薄膜
１３単結晶シリコンのバルク
２０石英基板

Claims

格子間酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下の単結晶シリコン基板の主面から水素イオンを注入する工程Ａと、
透明絶縁性基板および前記シリコン基板の少なくとも一方の主面に活性化処理を施す工程Ｂと、
前記透明絶縁性基板と前記シリコン基板の主面同士を室温で貼り合わせる工程Ｃと、
該貼り合せ後の基板を３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理する工程Ｄと、
前記シリコン基板からシリコン薄膜を機械的に剥離して前記透明絶縁性基板の主面上にシリコン膜を形成する工程Ｅと、
を備えていることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記単結晶シリコン基板の格子間酸素濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以下である請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記工程Ｄにおける熱処理温度が４００℃以上５００℃以下である請求項１又は２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記工程Ｄにおける熱処理後の冷却速度が５℃／分以下である請求項１乃至３の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記工程Ｂの活性化処理がプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方である請求項１乃至４の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
前記透明絶縁性基板は、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラスまたは結晶化ガラスの何れかである請求項１乃至５の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。