JPH09186306A - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンウェーハを２枚貼り合わせて作られ
る絶縁層上のＳＯＩ層の酸素析出物の密度が小さく、デ
バイスの電気的特性の劣化を最大限に抑制し得るＳＯＩ
基板を得る。 【解決手段】 第１シリコンウェーハ１１又は第２シリ
コンウェーハ１２を熱酸化することにより第１シリコン
ウェーハ１１又は第２シリコンウェーハ１２の表面に絶
縁層１３を形成する。この熱酸化するときの温度が１１
００〜１２００℃、好ましくは１１５０℃である。両ウ
ェーハ１１，１２を絶縁層１３を介して接合し、接合し
た両ウェーハ１１，１２を熱処理して貼り合わせた後、
第１シリコンウェーハ１１又は第２シリコンウェーハ１
２を所定の厚さに研削・研磨してデバイス形成用のＳＯ
Ｉ層１２ａとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁層上にシリコン
層（以下、ＳＯＩ層という）を形成したＳＯＩ（Silico
n-On-Insulator）基板の製造方法に関する。更に詳しく
は２枚のシリコンウェーハを絶縁層を介して貼り合わせ
るＳＯＩ基板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高集積ＣＭＯＳ（Complementary
Metal Oxide Semiconductor）や高耐圧パワーデバイス
などがＳＯＩ基板を利用して製作されるようになってき
ている。絶縁層の上にデバイス作製領域として使用され
る薄膜単結晶シリコン層を形成したＳＯＩ基板は、高集
積ＣＭＯＳの場合にはラッチアップ（寄生回路による異
常発振現象）の防止に、また高耐圧素子の場合にはベー
ス基板との絶縁分離にそれぞれ有効である。このＳＯＩ
基板の製造方法には、シリコンウェーハ同士を二酸化シ
リコン層（以下、シリコン酸化層という）、即ち絶縁層
を介して貼り合わせる方法、絶縁性基板又は絶縁性薄膜
を表面に有する基板の上にまず多結晶シリコン薄膜をＣ
ＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積さ
せ、次いでレーザーアニールによって種結晶を接触させ
た点を起点として単結晶化するＺＭＲ法、シリコン基板
内部に高濃度の酸素イオンを注入した後、高温でアニー
ル処理してこのシリコン基板表面から所定の深さの領域
に埋込みシリコン酸化層（絶縁層）を形成し、その表面
側に形成されるシリコン層を活性領域とするＳＩＭＯＸ
法などがある。これらの方法の中でも、貼り合わせ法に
より作製されたＳＯＩ基板は、ＳＯＩ層の結晶性が極め
て良好であることから、有望視されて来ている。

【０００３】このシリコンウェーハの貼り合わせ法は、
具体的にはそれぞれ約６００μｍの２枚のシリコンウェ
ーハのいずれかを酸素雰囲気中、９００〜１１００℃の
温度で加熱することにより熱酸化し、２枚のシリコンウ
ェーハをこの熱酸化により形成されたシリコン酸化層か
らなる絶縁層を介して接合し、酸素雰囲気中、１１００
℃で２時間貼り合わせ熱処理した後、２枚のシリコンウ
ェーハの一方のシリコンウェーハの表面を砥石で研削
し、更に研磨剤を流しながら研磨布で研磨してこの研削
・研磨を施した方のシリコンウェーハの厚さを約０．１
〜１０μｍの範囲にし、この研磨した側の厚さ約０．１
〜１０μｍのシリコン層をデバイス形成用のＳＯＩ層と
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記方法では
熱酸化時の温度が９００以上１１００℃未満であって、
この温度は貼り合わせ熱処理温度と比較して低温である
ため、酸化反応に伴い放出される格子間シリコン原子の
拡散長（(Dt)^1/2: Dは拡散係数,tは時間である）が比較
的小さく、例えばU.Goesele and T.Y.Tan : Appl. Phy
s. A 28 (1982) 79により報告されているような、格子
間シリコン原子の存在による酸素析出核の抑制が不十分
である。従って、残存した析出核が貼り合わせ熱処理中
に成長してしまい、両ウェーハの接合界面近傍のバルク
中における酸素析出物密度が低くならない危険性があっ
た。本発明の目的は、シリコンウェーハを２枚貼り合わ
せて作られる絶縁層上のＳＯＩ層の酸素析出物の密度が
小さく、酸素析出物に起因したデバイスの電気的特性の
劣化を最大限に抑制し得るＳＯＩ基板の製造方法を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１（ａ）〜図１（ｅ）に示すように、第１シリコンウ
ェーハ１１又は第２シリコンウェーハ１２を熱酸化する
ことにより第１シリコンウェーハ１１又は第２シリコン
ウェーハ１２の表面に絶縁層１３を形成し、第１シリコ
ンウェーハ１１と第２シリコンウェーハ１２とを絶縁層
１３を介して接合し、接合した第１及び第２シリコンウ
ェーハ１１，１２を熱処理して貼り合わせた後、第１シ
リコンウェーハ１１又は第２シリコンウェーハ１２を所
定の厚さに研削・研磨してデバイス形成用のＳＯＩ層１
２ａとするＳＯＩ基板の製造方法において、上記熱酸化
するときの温度が１１００〜１２００℃、好ましくは１
１５０℃であることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法
である。この温度が１１００℃未満では前述した従来の
技術の問題点が残存する。また１２００℃を越えると熱
処理中に炉芯管が変形したり、或いはシリコンウェーハ
への重金属汚染の恐れが急激に高まる。１１００〜１２
００℃で熱酸化すると、シリコンウェーハの表面にシリ
コン酸化層が形成される。この時点でシリコンウェーハ
のシリコン酸化層とその直下のバルクとの界面では、以
下のような反応式（１）及び（２）で表される酸化反応
が起こる。この酸化反応に伴って放出される格子間シリ
コン原子は下層領域内にその温度における拡散長に対応
した深さまで拡散する。この結果、酸素析出核の成長が
抑制された無欠陥領域が広がる。

【０００６】 （１＋ｙ）Ｓｉ_s＋Ｏ₂ ＳｉＯ₂＋ｙＳｉ_i …… （１） （１＋ｙ）Ｓｉ_s＋２Ｈ₂Ｏ ＳｉＯ₂＋２Ｈ₂↑＋ｙＳｉ_i …… （２） ただし、上式において、Ｓｉ_sは格子点にあるシリコン
原子、Ｓｉ_iは格子間シリコン原子である。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の第１及び第２シリコンウ
ェーハはＣＺ法、ＦＺ法等の方法で、ともに同一の方法
により得られたシリコン単結晶棒から作製される。絶縁
層は第１シリコンウェーハ又は第２シリコンウェーハの
いずれか一方又は双方の片面に形成される。本発明の特
徴ある構成は、絶縁層の形成の仕方にある。即ち、絶縁
層はシリコン酸化層（ＳｉＯ₂層）であって、２枚のシ
リコンウェーハのいずれかを酸素雰囲気中、１１００〜
１２００℃の高温で加熱して熱酸化することにより形成
される。加熱時間は０．７〜２時間が好ましい。この絶
縁層の厚さは約０．５〜１．０μｍの範囲にある。接合
を良好にするために、絶縁層はいずれか一方のシリコン
ウェーハの片面に形成されることが好ましい。図１
（ａ）に示すように、図では第２シリコンウェーハ１２
の片面に絶縁層１３が形成される。

【０００８】貼り合わせ後の絶縁層とＳＯＩ層との界面
として、２枚のシリコンウェーハの貼り合わせ界面（図
１ではシリコンウェーハ１１との界面）と、絶縁層を形
成した方のシリコンウェーハにおけるＳｉ／ＳｉＯ₂界
面（図１ではシリコンウェーハ１２におけるＳｉ／Ｓｉ
Ｏ₂界面）がある。本発明のＳＯＩ層１２ａと絶縁層１
３との界面は、前者の接合界面であるよりも後者の絶縁
層を形成したウェーハにおける界面である方が、界面の
連続性に優れているため好ましい。即ち、図１（ｅ）に
示すようにＳＯＩ層１２ａが形成されるシリコンウェー
ハ１２をＳＯＩ層用のシリコン基板とし、別のシリコン
ウェーハ１１をその支持基板とすることが好ましい。

【０００９】シリコンウェーハの熱酸化に続いて、図示
しないが、接合しようとする表面を活性化するためにＳ
Ｃ１洗浄液でシリコンウェーハを洗浄することが好まし
い。このＳＣ１の洗浄液は、Ｈ₂Ｏと比重１．１のＨ₂Ｏ
₂水溶液、比重０．９のＮＨ₄ＯＨ水溶液とを、Ｈ₂Ｏ：
Ｈ₂Ｏ₂：ＮＨ₄ＯＨ＝７：２：１の容量比で混合して調
製される。シリコンウェーハを洗浄した後に、図１
（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、２枚のシリコンウ
ェーハ１１，１２を接合し、貼り合わせ熱処理を行う。
この貼り合わせ熱処理は両ウェーハを接合した状態で乾
燥酸素（ｄｒｙＯ₂）雰囲気又は窒素（Ｎ₂）雰囲気中で
１１００℃の温度下、１〜３時間、好ましくは２時間程
度行う。図１（ｅ）に示すように、一体化した２枚のシ
リコンウェーハ１１，１２が放冷され室温になった後
に、シリコン基板となる第２シリコンウェーハ１２を砥
石で研削し、その後研磨剤を流しながら研磨布で研磨し
て、約０．１〜１０μｍの厚さの薄膜に加工する。これ
により厚さ約０．１〜１０μｍのデバイス形成用のＳＯ
Ｉ層１２ａが絶縁層１３上に得られる。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例を比較例とともに図面
に基づいて詳しく説明する。 ＜実施例１，実施例２及び比較例１＞ (a) サンプルの準備 ＣＺ法で引上げられたシリコン単結晶棒から切断され研
削・研磨された直後の次の特性の３枚のシリコンウェー
ハを用意した。

【００１１】 直径： １２５ｍｍ（５インチ） 面方位： ＜１００＞ 伝導型： Ｐ型（ドーパントとしてボロンを添加） 抵抗率： 約１０Ωｃｍ 厚さ： 約６２０μｍ 初期格子間酸素濃度：約１．５×１０¹⁸／ｃｍ³（旧ＡＳＴＭ） (b) 酸素析出核形成熱処理と洗浄 無欠陥領域の形成に対する本発明の効果を確認するた
め、ウェーハ内部から表面まで均一に酸素析出核を形成
する目的で、先ず用意したシリコンウェーハ全てに、以
下に示すような酸素析出核形成熱処理を施した。即ち、
上述した計３枚のシリコンウェーハを８００℃に加熱さ
れた熱処理炉に１０ｃｍ／分の速度（昇温速度４０〜５
０℃／分）で入れ、窒素雰囲気中で８時間熱処理した。
この比較的低温熱処理によりウェーハ内に酸素析出核を
導入した。炉から３枚のシリコンウェーハを同じく１０
ｃｍ／分の速度（降温速度４０〜５０℃／分）で取出し
室温まで放冷した。

【００１２】(c) 絶縁膜の形成と貼り合わせに準じた熱
処理 ３枚のシリコンウェーハをそれぞれ次の表１に示す条件
で酸化熱処理してその表面に厚さ０．５μｍのシリコン
酸化層からなる絶縁層１３を形成した。

【００１３】

【表１】

【００１４】この酸化熱処理は、室温から８００℃に加
熱された熱処理炉に１０ｃｍ／分の速度（昇温速度４０
〜５０℃／分）で入れ、湿潤酸素雰囲気中で表１に示し
た各熱処理時間だけ熱処理した。その後、炉から３枚の
ウエーハを同じく１０ｃｍ／分の速度（降温速度４０〜
５０℃／分）で取出し室温まで放冷した。次いでこれら
のウエーハを実際に貼り合わせることなく、本発明の貼
り合わせ時と同一の条件で熱処理を行った。即ち、放冷
した３枚のシリコンウエーハを、室温から８００℃に加
熱された熱処理炉中に１０ｃｍ／分の速度で挿入し、窒
素雰囲気中で１０℃／分の速度で昇温し、１１００℃に
達したところで８時間保持した。次いで４℃／分の速度
で降温し、８００℃まで冷却した後、１０ｃｍ／分の速
度で炉から室温中に取出し放冷した。

【００１５】(d) 酸素析出物密度の測定 ウエーハ貼り合わせに準じた熱処理を行った後、接合界
面となる予定のウェーハ表面付近の酸素析出物の密度を
調べた。即ち、３つのサンプルを劈開した後、酸素析出
物を顕在化させるためにＨＦ溶液：０．１５モルＫ₂Ｃ
ｒ₂Ｏ₇水溶液＝２：１のＳｅｃｃｏエッチャントに１．
５分間浸漬してエッチングした。３つのサンプルをこの
エッチャントから引上げ、純水で洗浄し乾燥した後、光
学顕微鏡で劈開面を観察し、酸素析出物の密度を得た。
酸素析出物の密度を図２（実施例１）、図３（実施例
２）及び図４（比較例１）に示し、実施例１の顕微鏡写
真図を図５（ａ）、実施例２の顕微鏡写真図を図５
（ｂ）及び比較例１の顕微鏡写真図を図５（ｃ）に示
す。図２〜図４において、Point-1, Point-2及びPoint-
3は３つの測定個所を意味する。

【００１６】図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す顕微鏡写真
図から明らかなように、熱酸化の温度が高い程、無欠陥
領域が広くなることが判る。このウェーハ表面近傍の酸
素析出物密度を実測して確かめた。通常、熱酸化後のバ
ルク中において一定レベルとなった酸素析出物密度の５
０％の値以下の領域をウェーハ表面の無欠陥領域とする
定義法（Y. Satoh et al.: J. Appl. Phys. 77 (1995)
3710）を採用すると、図４の比較例１ではその半減値が
約７．０×１０⁹／ｃｍ³であるため、そのときの無欠陥
領域は図より求めると（破線ｃで示す）、ウェーハ表面
から約８０μｍの深さまでの領域となる。これに対して
図２の実施例１ではその半減値が約２．５×１０⁹／ｃ
ｍ³であるため、そのときの無欠陥領域は図より求める
と（破線ａで示す）、ウェーハ表面から約９０μｍの深
さまでの領域となる。同様に図３の実施例２ではその半
減値が約１．９×１０⁹／ｃｍ³であるため、そのときの
無欠陥領域は図より求めると（破線ｂで示す）、ウェー
ハ表面から約１００μｍの深さまでの領域となる。この
結果から実施例１及び実施例２の条件で熱酸化した後、
接合し貼り合わせ熱処理することにより作られるＳＯＩ
層の酸素析出物の密度が比較例１の条件で熱酸化した
後、同様に作られるＳＯＩ層の酸素析出物の密度より小
さいことが十分に予想される。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、絶
縁層を形成するためにシリコンウェーハを熱酸化すると
きの温度を従来より高くすることにより、シリコンウェ
ーハを２枚貼り合わせて作られる絶縁層上のＳＯＩ層の
酸素析出物の密度を小さくし、その結果酸素析出物に起
因したデバイスの電気的特性、特にゲート酸化膜耐圧の
劣化などのない優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＳＯＩ基板の製造方法を示す部分断面
図。

【図２】本発明実施例１の接合界面となる予定のウェー
ハ表面付近の酸素析出物密度を示す図。

【図３】本発明実施例２の接合界面となる予定のウェー
ハ表面付近の酸素析出物密度を示す図。

【図４】比較例１の接合界面となる予定のウェーハ表面
付近の酸素析出物密度を示す図。

【図５】（ａ）本発明実施例１の接合界面となる予定の
ウェーハ表面付近の断面を示す顕微鏡写真図。 （ｂ）本発明実施例２の接合界面となる予定のウェーハ
表面付近の断面を示す顕微鏡写真図。 （ｃ）比較例１の接合界面となる予定のウェーハ表面付
近の断面を示す顕微鏡写真図。

【符号の説明】

１１ 第１シリコンウェーハ １２ 第２シリコンウェーハ １２ａ ＳＯＩ層 １３ 絶縁層（シリコン酸化層）

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正書】

【提出日】平成８年５月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【化１】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１シリコンウェーハ(11)又は第２シリ
   コンウェーハ(12)を熱酸化することにより前記第１シリ
   コンウェーハ(11)又は前記第２シリコンウェーハ(12)の
   表面に絶縁層(13)を形成し、前記第１シリコンウェーハ
   (11)と前記第２シリコンウェーハ(12)とを前記絶縁層(1
   3)を介して接合し、前記接合した第１及び第２シリコン
   ウェーハ(11,12)を熱処理して貼り合わせた後、前記第
   １シリコンウェーハ(11)又は第２シリコンウェーハ(12)
   を所定の厚さに研削・研磨してデバイス形成用のＳＯＩ
   層(12a)とするＳＯＩ基板の製造方法において、 前記熱酸化するときの温度が１１００〜１２００℃であ
   ることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。