TW201743367A - 貼合式晶圓的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明的目的在於提供一種貼合式晶圓的製造方法，其中，使接合晶圓與基底晶圓貼合後，直到進行剝離熱處理為止，以晶圓之間的貼合界面藉由水分子作用而結合的狀態，將接合晶圓與基底晶圓於室溫下保持12小時以上，剝離熱處理為於爐內溫度設定為400℃以上500℃以下的固定溫度的熱處理爐內將接合晶圓與基底晶圓以不進行升溫步驟而直接投入，又自以固定溫度熱處理，或自該固定溫度升溫至+50℃以內的指定溫度後以該指定溫度熱處理。藉此，能夠減低SOI晶圓的剝離後的剝離面的粗糙，以較低溫度的平滑化熱處理而使最終的貼合式晶圓表面的表面粗糙降低。
Description
本發明係關於一種貼合式晶圓的製造方法。
近年來，作為貼合式晶圓的製造方法，將注入離子的晶圓與其他晶圓接合而剝離以製造貼合式晶圓的方法(離子注入剝離法：亦被稱為Smart Cut®法的技術)為逐漸受到注目。
作為如此藉由離子注入剝離法以製造SOI晶圓的方法，係於兩片矽晶圓中，於至少一個形成氧化膜的同時，自另一個矽晶圓(接合晶圓)的上表面注入氫離子或稀有氣體離子等的氣體離子，使該接合晶圓內部形成微小氣泡層(封入層)。並且，於注入離子之側的表面透過氧化膜而與另一個矽晶圓(基底晶圓)密合，之後施加熱處理(剝離熱處理)而將微小氣泡層作為劈開面將另一個晶圓(接合晶圓)呈薄膜狀剝離，進一步施加熱處理(結合熱處理)而穩固地結合而成為SOI晶圓(參照專利文獻1)。此方法，能夠相對容易得到劈開面(剝離面)為良好的鏡面，且具有膜厚度的均一性高的SOI層的SOI晶圓。
但是，於藉由離子注入剝離法製作貼合式晶圓時，於剝離後的貼合式晶圓表面存在有離子注入所致的損傷層，又成為相較於一般的製品等級的矽晶圓的鏡面表面粗糙為大之物。因此，於使用離子注入法的製造中，必須要除去此種損傷層及表面粗糙。
習知為了除去此損傷層，於結合熱處理後的最終步驟之中，進行有被稱為接觸拋光的研磨量極少的鏡面研磨(加工量約為100nm)。
但是，若是於貼合式晶圓的薄膜(SOI層)施加含有機械加工要素的研磨，則由於研磨的加工量於面內並不均一，將會產生藉由氫離子等的注入、剝離而達成的薄膜的膜厚度均一性惡化的問題。
作為解決如此問題點的方法，逐漸開始進行有以高溫熱處理取代該接觸拋光而改善表面粗糙的平坦化熱處理。
特別是於專利文獻2中，注目於表面粗糙的短週期粗糙及長週期粗糙，提出有藉由於平坦化熱處理中，以快速加熱快速冷卻裝置(RTA裝置)及加熱器加熱式熱處理爐(批次式爐)進行兩階段的熱處理，以減低表面粗糙的短週期粗糙及長週期粗糙兩者的方法。
又於專利文獻3中，為了避免將剝離面直接氧化時容易產生的氧化感生堆積缺陷(OSF)，藉由以於非活性氣體、氫氣，或其混合氣體氛圍下為平坦化熱處理後進行犧牲氧化處理，以同時達成剝離面的平坦化及OSF的避免。又，提出有於犧牲氧化前實施加工量70nm以下的研磨，以進一步減低表面粗糙的長週期成分。
又於專利文獻4中，揭示有在氧化性氛圍下進行為了提高剝離後的貼合式晶圓的結合強度的結合熱處理時，為了確實避免容易產生於剝離面的OSF，作為結合熱處理，以未滿950℃的溫度進行氧化熱處理後，於含有5%以下氧氣的非活性氣體氛圍下，以1000℃以上的溫度進行熱處理。 〔先前技術文獻〕
專利文獻1：日本特開平5-211128號公報 專利文獻2：國際公開第2001/028000號 專利文獻3：國際公開第2003/009386號 專利文獻4：日本特開2010-98167號公報
作為剝離面的平坦化處理以不進行研磨而僅進行高溫的熱處理時，藉由熱處理溫度為高而能夠提高平坦度。依據專利文獻2，作為用以改善短週期成分的RTA裝置所致的熱處理溫度，為1200~1350℃的溫度範圍係較具效果，又作為用以改善長週期成分的批次式爐所致的熱處理溫度亦相同，為1200~1350℃的溫度範圍係較具效果。並且，於實施例中，任一個熱處理皆以1200℃以上的熱處理進行。又於專利文獻3亦同樣，作為平坦化熱處理的Ar退火，僅揭示有1200℃的熱處理溫度。
如同此些記載所揭示，為了僅以熱處理的平坦化處理得到充分適用於裝置製程的表面粗糙，被認為必須要有1200℃以上的熱處理溫度，實際上的量產亦採用1200℃以上的溫度。
但是，由於1200℃以上的溫度進行熱處理會提高產生滑移差排的機率，因此製造產出率低下，以結果而言招致製造成本的增加。
在此，若能夠縮小剝離熱處理後的剝離面的表面粗糙，則之後的步驟中，能夠不給用以使表面粗糙減低的平坦化熱處理帶來負荷而處理。
例如利用Ar退火所致的遷移時，剝離面的表面粗糙為小的貼合式晶圓能夠以低溫處理，滑移差排的發生率降低，微粒的增加亦變少。但是，剝離面的表面粗糙為大的貼合式晶圓中，為了減小表面粗糙，變得需要以更高溫處理。因此，變得必需要有滑移、微粒等的對策。又剝離熱處理後的剝離面的表面粗糙為大時，將存在有許多起因於該貼合式晶圓的剝離的缺陷，為了使該缺陷消滅而變得必需要有氧化膜厚度更厚的犧牲氧化。
本發明有鑒於以上情事，目的在於提供一種貼合式晶圓的製造方法，藉由使例如SOI晶圓等的貼合式晶圓的剝離後的剝離面的表面粗糙減低，而能夠藉由以較低的溫度的平坦化熱處理而使最終的貼合式晶圓的表面的表面粗糙度降低。
為了解決上述問題，本發明提供一種貼合式晶圓的製造方法，係自以單晶矽所構成的一接合晶圓的表面以氫離子及稀有氣體離子的至少一種氣體離子進行離子注入而形成一離子注入層，將該接合晶圓經離子注入的表面與一基底晶圓的表面直接或是透過一絕緣膜貼合後，藉由進行一剝離熱處理以自該離子注入層使該接合晶圓剝離而製作一貼合式晶圓，其中，使該接合晶圓與該基底晶圓貼合後，直到進行該剝離熱處理為止，在經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓之間的貼合界面藉由水分子的作用而結合的狀態下，將經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓於室溫下保持12小時以上，該剝離熱處理係於爐內溫度被設定為400℃以上且500℃以下的一固定溫度的熱處理爐內將經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓以不進行升溫步驟而直接投入，以該固定溫度進行熱處理，或者是升溫至自該固定溫度+50℃以內的一指定溫度後以該指定溫度進行熱處理。
依據如此的貼合式晶圓的製造方法，由於能夠使例如SOI晶圓的貼合式晶圓的剝離後的剝離面的表面粗糙降低，而能夠藉由以較低溫度的平坦化熱處理而使最終的貼合式晶圓的表面(SOI層的表面)的表面粗糙降低。又藉由將晶貼合的晶圓於室溫下保存12小時以上，能夠提高於投入熱處理爐時接合晶圓與基底晶圓的貼合強度，藉此抑制空洞的產生。
此時，以該固定溫度或該指定溫度進行熱處理後，以使自該熱處理爐取出該貼合式晶圓時的溫度與該剝離熱處理時的溫度為同一溫度為佳。
使自熱處理爐將貼合式晶圓取出時的溫度，為與剝離熱處理時的溫度為同一溫度，則由於能夠省略降溫步驟而較有效率，能夠使製造成本降低。
又於此時，以於室溫下保持的時間為48小時以上為佳。
依據如此，能夠進一步提高接合晶圓與基底晶圓的貼合強度。
又於此時，以於該剝離熱處理後，進行一平坦化熱處理以將經剝離該接合晶圓的該貼合式晶圓的剝離面平坦化，該平坦化熱處理的溫度為於1100℃至1175℃的溫度範圍內進行為佳。
以如此的溫度範圍進行平坦化熱處理，則由於產生滑移差排的機率降低，製品產出率提升，以結果而言能夠使製造成本降低。
又於此時，以於使該接合晶圓與該基底晶圓貼合前，將該接合晶圓及該基底晶圓洗淨為佳。
如此，本發明中，於使該接合晶圓與該基底晶圓貼合前，將該接合晶圓及該基底晶圓洗淨，以能夠在接合晶圓及基底晶圓的表面殘留充分的水分子，又於貼合接合晶圓與基底晶圓時，使經貼合的晶圓的貼合界面為藉由水分子的作用而結合的狀態。
依據本發明的貼合式晶圓的製造方法，由於能夠使例如SOI晶圓的貼合式晶圓的剝離後的剝離面的表面粗糙減低，因此能夠藉由以較低溫度的平坦化熱處理而降低最終的貼合式晶圓的表面(SOI層的表面)的表面粗糙。又藉由將經貼合的晶圓於室溫下保存12小時以上，能夠提高於投入熱處理爐時接合晶圓與基底晶圓的貼合強度，藉此抑制空洞的產生。
以下進一步具體說明關於本發明。 如同前述，追求一種藉由使例如SOI晶圓或不透過絕緣膜的直接接合晶圓的貼合式晶圓的剝離後之剝離面的表面粗糙減低，而能夠藉由以較低溫度的平坦化熱處理而使最終的貼合式晶圓的表面(SOI層的表面)的表面粗糙降低的貼合式晶圓的製造方法。
一般而言，以離子注入剝離法進行剝離熱處理時，例如日本特開2003-347526號等所記載，進行有將經貼合的晶圓投入維持在約350℃的低溫的熱處理爐保存固定時間後，升溫至500℃以上的溫度而保存固定時間的方法。但是，若是進行如此的熱處理，直到達到產生剝離的500℃為止之期間，經離子注入的氫原子的擴散將緩慢進行，而注入層的氫原子濃度分布擴散。於此狀態下產生剝離，則剝離區域的寬度(深度方向的寬度)將變寬，結果剝離面的表面粗糙將變大。
在此，本案發明人等發現，為了抑制氫原子的擴散，藉由不經過升溫步驟而直接投入於能夠剝離的溫度，或是自固定溫度升溫至+50℃以內的指定溫度後以此指定溫度進行熱處理，能夠減低剝離後的剝離面的表面粗糙。但是，於如此以較習知高的溫度投入熱處理爐時，若是投入時的結合力為弱則無法得到完全的剝離，而伴隨有空洞的產生。本案發明人等，作為其對策，發現藉由於使接合晶圓與基底晶圓貼合後，直到進行該剝離熱處理為止，在貼合界面藉由水分子的作用而結合的狀態下，將經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓於室溫下長時間保持，以提高接合晶圓與基底晶圓於投入熱處理爐時的貼合強度，而解決上述問題，以使本發明完成。
以下，雖然參照圖面以說明關於本發明，但本發明並非限定於此。
圖1為顯示本發明的貼合式晶圓的製造方法之一例的概略圖。圖1的貼合式晶圓的製造方法，首先，作為接合晶圓1及基底晶圓2，準備例如兩片單晶矽晶圓(圖1(a)、圖1(c))。 此處，於圖1中，雖僅於接合晶圓1的貼合面形成有成為埋入氧化膜層的絕緣膜(例如，氧化膜)3，但絕緣膜3亦可僅形成於基底晶圓2，亦可同時形成於兩晶圓。又兩晶圓亦可同時不形成絕緣膜而直接貼合。 作為此時所形成的絕緣膜，能夠使形成熱氧化膜、CVD氧化膜等。另外，絕緣膜亦可僅形成於貼合面，亦可形成於包含內面的晶圓整體。
接著，自接合晶圓1的絕緣膜3的表面將氫離子、稀有氣體離子的至少一種的氣體離子進行離子注入而於接合晶圓1的內部形成離子注入層4(圖1(b))。此時，注入能源、注入劑量、注入溫度等的離子注入條件，能夠適當調整以得到指定厚度的薄膜。
接著，使接合晶圓1的經離子注入側的表面與基底晶圓2的表面緊貼，於約18至30℃的室溫下貼合(圖1(d))。
此時，以於進行貼合的表面的至少一側施行電漿處理為佳。藉此，能夠更進一步增強後述的於室溫下的保存所致的貼合強度提升效果。
又以使接合晶圓1與基底晶圓2貼合前，將接合晶圓1及基底晶圓2洗淨為佳。如此，於本發明中，藉由於使接合晶圓與基底晶圓貼合前，將接合晶圓及基底晶圓洗淨，能夠殘留充分的水分子於接合晶圓及基底晶圓的表面，又能夠於使接合晶圓與基底晶圓貼合時，使經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓之間的貼合界面為藉由水分子的作用而結合的狀態。作為用於此洗淨的洗淨液，雖無特別限定，但能夠例舉如氨水與過氧化氫水的混合溶液。
使接合晶圓1與基底晶圓2貼合後，將此經貼合的晶圓，直到進行該剝離熱處理為止，在經貼合的晶圓的貼合界面藉由水分子的作用而結合的狀態下，於室溫下保持12小時以上(圖1(e))。使接合晶圓與基底晶圓貼合後，不馬上進行剝離熱處理，而以經貼合的狀態暫時放置。以使貼合界面的水分子的方向對齊，而能夠提高接合界面的強度。若是保持於室溫下的時間未滿12小時，則無法充分提高接合晶圓與基底晶圓的貼合強度。
作為保持於室溫下的時間，以12小時以上即可，較佳為48小時以上。若於室溫下保持48小時以上，則能夠進一步提升接合晶圓與基底晶圓的貼合強度。又作為保持於室溫下的時間的上限，直到約100小時為止雖能提高貼合強度，但由於超過100小時便無法觀察到貼合強度的上升，以生產性的觀點來看上限以為100小時為佳。保持於室溫下的時間，亦能配合產品規格，於能夠確保產出率的範圍內調整。
之後，對經貼合的晶圓，施加於離子注入層4使微小氣泡層產生的熱處理(剝離熱處理)，以離子注入層4(微小氣泡層)使接合晶圓1剝離，得到於基底晶圓2上隔著絕緣膜3形成有薄膜(SOI層)5的貼合式晶圓6。
此剝離熱處理，為於爐內溫度設定在400℃以上500℃以下的固定溫度的熱處理爐內不經過升溫步驟直接投入經貼合的接合晶圓及基底晶圓，以固定溫度熱處理，或者是自固定溫度升溫至+50℃以內(一般為超過0℃且+50℃以內)的指定溫度後以此指定溫度進行熱處理。以如此的熱處理條件進行剝離熱處理，能夠減低剝離面的表面粗糙。
此處，以將於以固定溫度或指定溫度進行熱處理後，自熱處理爐取出貼合式晶圓時的溫度，為與剝離熱處理時的溫度為同一溫度為佳。若是使自熱處理爐取出貼合式晶圓時的溫度，為與剝離熱處理時的溫度為同一溫度，則由於能夠省略降溫步驟而較有效率，能夠使製造成本減低。
對於如同上述而製作的貼合式晶圓，能夠因應需求而施加熱處理，如用以提高貼合界面的結合強度的結合熱處理，用以將經剝離接合晶圓的貼合式晶圓的剝離面平坦化的平坦化熱處理，及用以調整薄膜的膜厚度的犧牲氧化處理。
特別是，本發明中，以平坦化熱處理的溫度為在1100℃至1175℃的溫度範圍內進行為佳。藉由以如此的溫度範圍進行平坦化熱處理，由於產生滑移差排的機率降低，產品產出率向上，而結果能夠使製造成本降低。
依據如以上所說明的本發明的貼合式晶圓的製造方法，能夠使例如SOI晶圓的貼合式晶圓的剝離後的剝離面的表面粗糙減低，因此能夠藉由較低溫度下的平坦化熱處理而使最終的貼合式晶圓的表面(SOI層的表面)的表面粗糙降低。 〔實施例〕
以下，雖使用實施例及比較例以具體說明本發明，但本發明並不限定於此。
(實施例1) 首先，作為由單晶矽所構成的接合晶圓及基底晶圓，使用複數片分別記載於表1的晶圓，以表1所記載的條件進行洗淨、貼合、於室溫下保存及剝離熱處理而製作SOI晶圓。另外，使室溫保存時間為12小時。又使剝離熱處理為450℃的固定溫度，使熱處理時間為3小時。
對所得到的SO晶圓，進一步進行兼為結合熱處理的犧牲氧化處理、平坦化熱處理、及用以調整SOI膜厚度的犧牲氧化處理，而製作SOI層的膜厚度為90nm的貼合式SOI晶圓。另外，平坦化熱處理如表2所示，對個別以1100℃、1150℃及1175℃的溫度條件所得的SOI晶圓進行2小時。
以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)測定所得的貼合式SOI晶圓的SOI層(最終的SOI層)的表面的表面粗糙(1μm2
的RMS)，顯示於表2。另外，測定剝離當下的剝離面的表面粗糙，則隨測定點的分散為大，難以比較，因此此處測定最終的SOI層(即進行平坦化熱處理後)的表面的表面粗糙，並進行比較。
(實施例2) 與實施例1同樣進行製作貼合式SOI晶圓。但是使於室溫下的保存時間為48小時。又剝離熱處理為自450℃的固定溫度升溫(升溫速度10℃/min)至500℃的指定溫度(+50℃)，使熱處理時間為0.5小時而進行。 又與實施例1同樣，進行最終的SOI層的表面的表面粗糙的測定，將結果顯示於表2。
(實施例3) 與實施例1同樣進行製作貼合式SOI晶圓。但是使於室溫下的保存時間為96小時。又剝離熱處理為自400℃的固定溫度升溫(升溫速度10℃/min)至450℃的指定溫度(+50℃)，使熱處理時間為3小時而進行。 又與實施例1同樣，進行最終的SOI層的表面的表面粗糙的測定，將結果顯示於表2。
(比較例1) 進行與實施例1同樣的貼合式SOI晶圓的製作。但是，室溫下的保存時間為1小時。又剝離熱處理以450℃的固定溫度，使熱處理時間為3小時以進行。進一步，平坦化熱處理，如表2所示，以1100℃、1150℃、1175℃、1200℃的溫度條件，對所得的SOI晶圓以熱處理時間分別為2小時、2小時、2小時、1小時以進行。 又與實施例1同樣，進行最終的SOI層的表面的表面粗糙的測定，結果顯示於表2。
(比較例2) 進行與實施例1同樣的貼合式SOI晶圓的製作。但是，室溫下的保存時間為96小時，剝離熱處理以自350℃的固定溫度升溫(升溫速度10℃/min)至500℃的指定溫度(+150℃)，使熱處理時間為0.5小時以進行。進一步，平坦化熱處理，如表2所示，以1100℃、1150℃、1175℃、1200℃的溫度條件，對所得的SOI晶圓以熱處理時間分別為2小時、2小時、2小時、1小時以進行。 又與實施例1同樣，進行最終的SOI層的表面的表面粗糙的測定，結果顯示於表2。
【表1】
【表2】
(結果) 如表2所示，得知以本發明的貼合式晶圓的製造方法製造了貼合式SOI晶圓的實施例1至3，藉由1100至1175℃的相對低溫的平坦化熱處理，得到與比較例2的習知方法(平坦化熱處理溫度：1200℃)的表面粗糙為同等或以上的良好表面粗糙。 又亦確認到於實施例1至3的平坦化熱處理，由於是以1175℃以下的溫度以進行，因此亦確認到與1200℃的狀況相比，熱處理所致的滑移差排的產生被抑制。
另一方面，室溫保存時間為未滿12小時(1小時)的比較例1及自固定溫度升溫至超過+50℃的指定溫度(+150℃)的比較例2中1100℃至1175℃的相對低溫的平坦化熱處理中，最終的SOI層的表面的表面粗糙度與實施例1至3相比為差，又於室溫下保存1小時的比較例1，與室溫下保存時間為12小時的實施例1相比空洞的產生率為高。
另外，本發明並不為前述實施例所限制。前述實施例為例示，具有與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想為實質相同的構成，且達成同樣作用效果者，皆包含於本發明的技術範圍。
1‧‧‧接合晶圓
2‧‧‧基底晶圓
3‧‧‧絕緣膜
4‧‧‧離子注入層
5‧‧‧薄膜
2‧‧‧基底晶圓
3‧‧‧絕緣膜
4‧‧‧離子注入層
5‧‧‧薄膜
圖1係顯示本發明的貼合式晶圓的製造方法之一例的概略圖。
1‧‧‧接合晶圓
2‧‧‧基底晶圓
3‧‧‧絕緣膜
4‧‧‧離子注入層
5‧‧‧薄膜
Claims (7)
- 一種貼合式晶圓的製造方法，係自以單晶矽所構成的一接合晶圓的表面以氫離子及稀有氣體離子的至少一種氣體離子進行離子注入而形成一離子注入層，將該接合晶圓經離子注入的表面與一基底晶圓的表面直接或是透過一絕緣膜貼合後，藉由進行一剝離熱處理以自該離子注入層使該接合晶圓剝離而製作一貼合式晶圓，其中， 使該接合晶圓與該基底晶圓貼合後，直到進行該剝離熱處理為止，在經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓之間的貼合界面藉由水分子的作用而結合的狀態下，將經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓於室溫下保持12小時以上， 該剝離熱處理係於爐內溫度被設定為400℃以上且500℃以下的一固定溫度的熱處理爐內將經貼合的該接合晶圓與該基底晶圓以不進行升溫步驟而直接投入，以該固定溫度進行熱處理，或者是升溫至自該固定溫度+50℃以內的一指定溫度後以該指定溫度進行熱處理。
- 如請求項1所述的貼合式晶圓的製造方法，其中以該固定溫度或該指定溫度進行熱處理後，使自該熱處理爐取出該貼合式晶圓時的溫度與該剝離熱處理時的溫度為同一溫度。
- 如請求項1所述的貼合式晶圓的製造方法，其中於室溫下保持的時間為48小時以上。
- 如請求項2所述的貼合式晶圓的製造方法，其中於室溫下保持的時間為48小時以上。
- 如請求項1至4中任一項所述的貼合式晶圓的製造方法，其中於該剝離熱處理後，進行一平坦化熱處理以將經剝離該接合晶圓的該貼合式晶圓的剝離面平坦化，該平坦化熱處理的溫度為於1100℃至1175℃的溫度範圍內進行。
- 如請求項1至4中任一項所述的貼合式晶圓的製造方法，其中於使該接合晶圓與該基底晶圓貼合前，將該接合晶圓及該基底晶圓洗淨。
- 如請求項5所述的貼合式晶圓的製造方法，其中於使該接合晶圓與該基底晶圓貼合前，將該接合晶圓及該基底晶圓洗淨。
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