JP7318580B2

JP7318580B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP7318580B2
Application number: JP2020060860A
Authority: JP
Inventors: 功横川
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021163779A

Description

本発明は、ＳＯＩウェーハおよびその製造方法に関する。

ＳＯＩウェーハの作製方法として、基板となるベースウェーハと、ＳＯＩ層が形成されるボンドウェーハの２枚のシリコン単結晶ウェーハをシリコン酸化膜を介して貼り合わせて貼り合わせＳＯＩウェーハを作製する方法が知られている。このような貼り合わせウェーハ作製の工程として、例えば２枚のウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの表面に酸化膜を形成し、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、およそ２００～１２００℃の温度で熱処理し結合強度を高める方法が知られている（特許文献１参照）。

このような熱処理を行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、その後の研削及び研磨工程が可能となるため、ボンドウェーハを研削及び研磨により所望の厚さに薄膜化することで、半導体デバイスが形成されるＳＯＩ層を形成することができる。しかし研削後の表面に対し研磨による薄膜化を行う際、その研磨代を多く設定すると、研磨表面の微小なマイクロラフネスが改善されるという利点があるが、一方でウェーハ全体でのＳＯＩ層の膜厚均一性が劣化してしまうという問題があるため、設定できる研磨代には上限がある。

そこで、膜厚均一性を劣化させずにマイクロラフネスを改善する方法として、非酸化性雰囲気中における１０００℃以上の高温熱処理があり、マイクロラフネス改善の有効な手段となっている。

また、最近では、ＳＯＩ層の厚さが０．１μｍ以下の超薄膜ＳＯＩウェーハを膜厚均一性良く製造するための技術として、イオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法とも呼ばれる。）が注目されている（特許文献２）。
イオン注入剥離法は、例えば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共に、ボンドウェーハの表面から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、ボンドウェーハ内部、例えば表面近傍に微小気泡層（封入層）を形成させた後、ボンドウェーハをイオン注入面側で酸化膜を介してベース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）としてボンドウェーハを薄膜状に剥離し、さらに熱処理（結合熱処理）を加えて二枚のシリコンウェーハを強固に結合してＳＯＩウェーハとする技術である。

このようにして作製されたＳＯＩウェーハの表面（剥離面）は比較的良好な鏡面となるが、通常の鏡面研磨ウェーハと同等の表面粗さを有するＳＯＩウェーハとするために、さらにタッチポリッシュと呼ばれる研磨代が１００ｎｍ以下と極めて少ない研磨が行なわれる。
また、このタッチポリッシュの代替として、あるいは併用して、水素やＡｒ雰囲気の下で高温熱処理を行なうことにより、剥離直後のＳＯＩ層の膜厚均一性を維持したままＳＯＩ層の表面粗さ（表面ラフネス）や結晶欠陥を低減する技術も知られている（特許文献３）。

上記のイオン注入剥離法を用いれば、ＳＯＩ層の膜厚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ある。また、この方法は、貼り合わせウェーハ作製の際に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場合にも用いることができるし、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、シリコンウェーハとは熱膨張係数の異なる石英、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の絶縁性ベースウェーハと結合させてＳＯＩウェーハを作製する場合にも用いることができる。

このようなＳＯＩウェーハの作製におけるボンドウェーハとベースウェーハとしては、共に、面方位が｛１００｝のシリコン単結晶ウェーハを用いることが一般的であるが、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ電解効果トランジスタ：ＭＯＳＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のチャネル方向のキャリア移動度を高めたデバイスを作製する目的で、ボンドウェーハとして面方位が｛１１０｝であるウェーハを用いて、ＳＯＩ層の面方位が｛１１０｝であるＳＯＩウェーハを作製する方法も提案されている（特許文献４）。

なお、本願明細書においてはミラー指数を用いて結晶面及び結晶方位を表す。例えば｛１００｝は、（１００）、（０１０）、（００１）等の結晶面の総称を表すものであり、＜１００＞は、［１００］、［０１０］、［００１］等の結晶方位の総称を表すものである。

特公平５－４６０８６号公報特許第３０４８２０１号公報特開平１１－３０７４７２号公報特開２００４－３４２８５８号公報

近年、ＳＯＩウェーハを用いて作製されるデバイス用途の多様化により、従来用いられてきた｛１００｝や｛１１０｝の面方位のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハのほか、デバイス用途によっては、或いは、化合物半導体層をエピタキシャル成長するための基板などとして｛１１１｝の面方位のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハが求められるようになってきた。

ところが、発明者の調査によれば、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の面方位が正確に｛１１１｝である、すなわち｛１１１｝ジャスト（一般的な加工精度は±０．１度程度）の場合、ＳＯＩウェーハの製造工程において、主にＳＯＩ層表面の平坦化を行う目的で施される平坦化熱処理において、ＳＯＩ層表面に原子ステップ形状を反映したような凹凸が顕著に発生し、十分な平坦度（表面粗さ）が得られないという問題点があることがわかった。また、研磨を用いて、ＳＯＩ層表面の原子ステップ形状を除去することは可能だが、研磨起因のウェーハ外周部のダレにより、ＳＯＩ層の膜厚均一性が悪化してしまう。

そこで本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、｛１１１｝のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハであっても、ＳＯＩ層表面に平坦化熱処理を効果的に加えることのできるＳＯＩウェーハを提供することで、結果として、ステップ形状を反映した凹凸が抑制された表面粗さ（マイクロラフネス）の良好な｛１１１｝のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明では、ＳＯＩ層を具備するＳＯＩウェーハであって、前記ＳＯＩ層の面方位が｛１１１｝からオフアングルされたものであり、前記オフアングルの角度が２度以上のものであることを特徴とするＳＯＩウェーハを提供する。
このように、ＳＯＩ層の面方位が｛１１１｝からオフアングルされたものであり、かつオフアングルの角度が２度以上のものであることにより、非酸化性雰囲気下の熱処理（平坦化熱処理）によってマイクロラフネスが悪化せず、むしろ向上し、高い膜厚均一性と良好なマイクロラフネスの両方を有するＳＯＩウェーハとすることができる。

また、前記オフアングルの角度が５度以下であることが好ましい。
オフアングルの角度が５度以下であれば｛１１１｝としての特性（デバイス特性）がより確実に十分に得られる。

また、本発明では、ベースウェーハとシリコン単結晶からなるボンドウェーハとを貼り合わせ、該ボンドウェーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成するＳＯＩウェーハの製造方法であって、前記ボンドウェーハとして、面方位が｛１１１｝からオフアングルされたものであり、かつ前記オフアングルの角度が２度以上のものを用いて前記ＳＯＩウェーハを製造することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。
このように、貼り合わせ法によりＳＯＩウェーハを製造する方法において、面方位が｛１１１｝からオフアングルされ、かつオフアングルの角度が２度以上のボンドウェーハを用いることにより、高い膜厚均一性と良好なマイクロラフネスの両方を有するＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、前記製造したＳＯＩウェーハにさらに非酸化性雰囲気下において１０００℃以上１３５０℃以下の温度で熱処理することが好ましい。
このように、本発明であれば非酸化性雰囲気下の熱処理を施しても、ＳＯＩ層表面に原子ステップ形状を反映したような凹凸は発生せず、ラフネスの改善と結晶欠陥の低減が十分になされたＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、前記ボンドウェーハとして、表面から水素イオンおよび希ガスイオンのうち少なくとも１種類を注入して前記表面の近傍にイオン注入層を形成したものを用い、前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハとを貼り合わせた後、前記イオン注入層で剥離することによって前記ボンドウェーハの薄膜化を行うことができる。
このように、いわゆるイオン注入剥離法により行うことにより、ＳＯＩ層の厚さが例えば０．１μｍ以下の超薄膜ＳＯＩウェーハであって、膜厚均一性が高く高速デバイスを形成可能なＳＯＩウェーハをより確実に製造することができる。

また、前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハとを貼り合わせるとき、絶縁膜を介して貼り合わせることが好ましい。
このように、例えばシリコンからなるボンドウェーハとベースウェーハとを絶縁膜を介して貼り合わせることにより、ベースウェーハとボンドウェーハが同じ材質であるため、結合強度も良好なＳＯＩウェーハを製造することができる。

また、前記ボンドウェーハとして、前記オフアングルの角度が５度以下のものを用いることが好ましい。
オフアングルの角度が５度以下のものを用いれば｛１１１｝としての特性（デバイス特性）がより確実に十分に得られる。

以上のように、本発明のＳＯＩウェーハであれば、ＳＯＩ層表面のマイクロラフネスのみならず、ＳＯＩ層の膜厚均一性も優れたＳＯＩウェーハとすることができ、特定のデバイス用途や化合物半導体からなるエピタキシャル層を形成するのに適した面方位が｛１１１｝のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハおよびその製造方法を提供することができる。

本発明のＳＯＩウェーハの一例を示す概略図である。実施例１、２のＡＦＭによるマイクロラフネス測定の結果を示す図である。比較例１のＡＦＭによるマイクロラフネス測定の結果を示す図である。（１１１）ジャスト結晶を用いたポリッシュドウェーハの平坦化熱処理後の表面状態の一例を示す図である。

従来、面方位が｛１１１｝であるＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハを製造する場合、まず結晶方位が＜１１１＞のシリコン単結晶インゴットを引き上げ、次にそのインゴットの結晶方位をＸ線方位測定装置（角度分解能１分程度）を使って正確に測定し、面方位が｛１１１｝ジャストになるようにインゴットのスライスを行い、ＳＯＩ層を形成するボンドウェーハを作製していた。

このように、面方位が｛１１１｝ジャストになるようにスライスを行ったボンドウェーハを量産レベルで作製した場合、ジャストになるようにスライスを行っても、実際には±０．１度程度の角度ずれを有するものが含まれるのが通常である。またその一方で、要求される製品ウェーハの仕様として±０．２度程度の角度のズレまで許容されている場合もあり、そのような場合には、角度のズレが±０．２度以内のウェーハであれば要求仕様を満足しているので、そのようなウェーハは｛１１１｝ジャストの面方位をもつものとして取り扱われる。
しかしながら、０．２度より大きい角度のズレが｛１１１｝ジャストとして許容されるような製品仕様である場合はないので、そのような角度のズレを有するウェーハは、意図的に｛１１１｝から傾斜させてスライスしたウェーハであるということができる。このように、スライスする方向をある特性の方位から意図的に傾斜させて作製されたウェーハをオフアングル付きウェーハと呼び、傾斜角度をオフアングル角度と呼ぶ事とする。

本発明者は、ＳＯＩ層の面方位が｛１１１｝ジャストであるＳＯＩウェーハをイオン注入剥離法により作製し、剥離熱処理後のＳＯＩ層表面のラフネス改善、および欠陥除去の目的で不活性ガス（アルゴンガス）中で高温熱処理を行なったところ、ＳＯＩ層表面に原子ステップ形状を反映したような凹凸が顕著に発生し、ＳＯＩウェーハ表面のマイクロラフネスはむしろ悪化してしまう傾向が見られることを確認し、さらに検討を重ねた結果、この熱処理後のマイクロラフネスはボンドウェーハのオフアングルに関係があることを見出した。

ここで、ＳＯＩ層の元となるボンドウェーハについての実験を示す。
図４に、（１１１）ジャスト結晶を用いたポリッシュドウェーハ（ＰＷ）の平坦化熱処理後の表面状態の一例を示す。このときの条件およびＡＦＭ（原子間力顕微鏡：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による測定結果は下記のとおりである。
・使用ウェーハ：直径３００ｍｍＰＷ、（１１１）ジャスト
・熱処理条件：ＲＴＡ（水素雰囲気（１００％Ｈ_２）、１２００℃、３０秒）
・表面粗さ測定：ＡＦＭ（３０μｍ角）
・測定結果：
（ＲＴＡ前）Ｐ－Ｖ：０．８５３ｎｍ、ＲＭＳ：０．１０３ｎｍ、Ｒａ：０．０８５ｎｍ
（ＲＴＡ後）Ｐ－Ｖ：０．９０１ｎｍ、ＲＭＳ：０．１１１ｎｍ、Ｒａ：０．０９１ｎｍ

このように、高温熱処理によって表面にステップ形状の凹凸が発生し、マイクロラフネスが悪化してしまう。そして、このような（１１１）ジャスト結晶であるボンドウェーハを用いたＳＯＩウェーハへの高温熱処理でも、同様にＳＯＩ層表面にステップ形状の凹凸が発生し、マイクロラフネスが悪化する。そこでさらに鋭意研究した結果、面方位が｛１１１｝から２度以上の角度でオフアングルされたものであれば、熱処理後でもマイクロラフネスの改善を図れることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に本発明のＳＯＩウェーハの一例を示す。図１に示すようにＳＯＩウェーハ１は、例えばシリコンウェーハであるベースウェーハ２上に絶縁膜（例えばＳｉ酸化膜）３を介してＳＯＩ層４を有している。このＳＯＩ層４は、面方位が｛１１１｝からオフアングルされたものであり、このオフアングルの角度が２度以上のものである。すなわち、通常では｛１１１｝ジャストとして許容されるような製品仕様（オフアングル角度：±０．１度以内）のものではない。
なお、図１の形態の他、絶縁膜が別途設けられたものではなく、ベースウェーハとして絶縁性基板（石英基板等）の上に上記のようなＳＯＩ層が形成されたものとすることもできる。

このようなものであれば、少なくとも上記に述べた高温熱処理により表面ラフネスの改善効果が得られるし、また欠陥除去の目的も達成できる。

オフアングル角度の上限は、平坦化熱処理においてステップ形状の発生を抑制することができれば特に限定されないが、１５度以下が好ましく、５度以下がより好ましい。
特に５度以下であれば｛１１１｝としての特性（デバイス特性）がより確実に十分に得られる。

上記のＳＯＩウェーハは、例えば、以下に説明する本発明のＳＯＩウェーハの製造方法の工程で作製できる。初めに、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により結晶方位＜１１１＞の種結晶を用い結晶方位＜１１１＞を有するシリコン単結晶インゴットを育成する。次に、ＳＯＩ層を形成するボンドウェーハを上記育成されたシリコン単結晶インゴットからスライスする際、オフアングルをかけ、かつオフアングル角度が２度以上になるようにする。この場合、予め用いる種結晶を所望オフアングルを有するものとし、育成されたＣＺシリコン単結晶インゴットを、育成軸方向に垂直になるようにしてスライスするようにしてもよい。こうすることによって、インゴットからのスライス歩留まりを向上させることができる。

次に、イオン注入剥離法によるボンドウェーハの薄膜化について説明する。
まず、上記のＣＺ法により作製したオフアングルを有するボンドウェーハの表面から水素イオンおよび希ガスイオンのうち少なくとも一方を所望の加速エネルギー及びドーズ量で注入する。こうして注入されたイオンによりボンドウェーハ表面近傍に微小気泡層（イオン注入層）が形成される。このボンドウェーハをイオン注入面側でシリコン酸化膜等を介してベースウェーハと密着させる。その後５００℃程度かそれ以上の比較的低温で熱処理（剥離熱処理）を加えると微小気泡の圧力と結晶の再配列の作用により微小気泡層で剥離する。次に酸化性雰囲気下で１０００～１２００℃程度の熱処理（結合熱処理）をしてウェーハ同士の結合力を高める。

このようなイオン注入剥離法であれば、ＳＯＩ層の厚さが例えば０．１μｍ以下の超薄膜ＳＯＩウェーハであって、膜厚均一性が高く面方位が｛１１１｝のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハをより確実に製造することができる。
なお、ボンドウェーハの薄膜化は、上記水素イオン注入剥離法に限定されるものではなく、研削、研磨、エッチング等従来用いられている方法を適用することが可能である。

なお、上記のようにボンドウェーハとベースウェーハとを貼り合わせるとき、絶縁膜を介して貼り合わせることが好ましい。このように、例えばシリコンからなるボンドウェーハとベースウェーハとを絶縁膜を介して貼り合わせることにより、ベースウェーハとボンドウェーハが同じ材質であるため、結合強度も良好なＳＯＩウェーハを製造することができる。但し、本発明はこれに限定されず、例えば、ボンドウェーハを直接、絶縁性のベースウェーハに貼り合わせてもよい。

次に、得られたＳＯＩウェーハにＡｒやＨ_２のような非酸化性雰囲気下で１０００℃～１３５０℃程度の高温熱処理を行うことで、ウェーハ内での膜厚均一性が高く、マイクロラフネスも良好であり、結晶欠陥も低減されたＳＯＩウェーハを製造することができる。この場合、本発明では、ＳＯＩ層は面方位が｛１１１｝から２度以上オフアングルされているので、非酸化性雰囲気下の熱処理により、面方位が｛１１１｝ジャストのときとは異なり、マイクロラフネスが悪化することはなく、むしろ向上する。

こうして得られたＳＯＩウェーハは上記のように極薄で、膜厚均一性が高く、マイクロラフネスが良好であるとともに、ＳＯＩ層の面方位が｛１１１｝から２度以上オフアングルされたものなので、特定のデバイス用途や化合物半導体からなるエピタキシャル層を形成するのに好適なものとなる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
ＣＺ法により結晶方位が＜１１１＞であるシリコン単結晶インゴットを引き上げ、このインゴットをスライスすることにより、直径３００ｍｍであり、面方位が（１１１）から２度だけオフアングルされた、オフアングル付きボンドウェーハを本発明の実施例として作製した。

このボンドウェーハに酸化膜を形成し、水素イオンを注入してイオン注入層を形成し、ベースウェーハと貼り合わせ、イオン注入層で剥離することによりＳＯＩウェーハを作製した。
なお、ＳＯＩウェーハ作製条件は下記のとおりである。
・ベースウェーハ：（１００）シリコン単結晶ウェーハ
・埋め込み酸化膜：ボンドウェーハ表面に３００ｎｍ形成、ベースウェーハはなし
・イオン注入条件：水素イオン、注入エネルギーは６０ｋｅＶ、ドーズ量は８×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２
・剥離熱処理：Ａｒガス雰囲気下で５００℃、３０分間
・平坦化熱処理１：ＲＴＡ（１００％Ｈ_２、１２００℃、３０秒間）
・結合熱処理：酸化性雰囲気、１０００℃、１時間
・平坦化熱処理２：ＲＴＡ（１００％Ｈ_２、１２００℃、３０秒間）

ＳＯＩウェーハに対して上記平坦化熱処理２を行った後、ＳＯＩ層表面のマイクロラフネス測定をＡＦＭにて行った。このＡＦＭによるマイクロラフネス測定は、ＳＯＩウェーハ中心部の３０μｍ角の範囲に対して行った。図２に測定結果を示す。また、表１に、実施条件の他、マイクロラフネス（Ｐ－Ｖ、ＲＭＳ、Ｒａ）及びステップ状の凹凸の有無についても示す。

（実施例２）
ボンドウェーハのオフアングル角度を４度とした以外は、実施例１と同様にしてＳＯＩウェーハを製造し、ＡＦＭによるマイクロラフネス測定を行った。図２に測定結果を示す。

（実施例３）
平坦化熱処理の条件を下記のとおり変更した以外は、実施例１と同様にしてＳＯＩウェーハを製造し、ＡＦＭによるマイクロラフネス測定を行った。
・平坦化熱処理１：なし
・平坦化熱処理２：１００％Ａｒ雰囲気、１２００℃、１時間

（比較例１、２）
ボンドウェーハを（１１１）ジャスト（比較例１）、オフアングル角度１度（比較例２）とした以外は、実施例１と同様にしてＳＯＩウェーハを製造し、ＡＦＭによるマイクロラフネス測定を行った。図３に比較例１の測定結果を示す。

膜厚均一性を測定したところ、実施例１－３、比較例のいずれも良好であった。ただし、ステップ状の凹凸に関しては、実施例１－３では全く発生していなかったのに対し、オフアングルなしの比較例１では顕著に発生しており、オフアングル角度１度の比較例２でも発生していることが確認された。また、表面ラフネスに関しては、表１のように、本発明であり、ボンドウェーハのオフアングル角度が２度以上の実施例１－３は、比較例１、２に比べてほぼ良好な値となった。

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、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。

１…ＳＯＩウェーハ、２…ベースウェーハ、３…絶縁膜、４…ＳＯＩ層。

Claims

ベースウェーハとシリコン単結晶からなるボンドウェーハとを貼り合わせ、該ボンドウェーハを薄膜化してＳＯＩ層を形成するＳＯＩウェーハの製造方法であって、
前記ボンドウェーハとして、面方位が｛１１１｝からオフアングルされたものであり、かつ前記オフアングルの角度が２度以上５度以下のものを用いて前記ＳＯＩウェーハを製造し、
前記製造したＳＯＩウェーハにさらに非酸化性雰囲気下において１０００℃以上１３５０℃以下の温度で熱処理することを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
前記ボンドウェーハとして、表面から水素イオンおよび希ガスイオンのうち少なくとも１種類を注入して前記表面の近傍にイオン注入層を形成したものを用い、
前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハとを貼り合わせた後、前記イオン注入層で剥離することによって前記ボンドウェーハの薄膜化を行うことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。
前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハとを貼り合わせるとき、絶縁膜を介して貼り合わせることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＯＩウェーハの製造方法。