JP4696510B2 - Manufacturing method of SOI wafer - Google Patents
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Description
本発明は、SOIウェーハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an SOI wafer.
CMOS−ICや高耐圧型IC等の半導体デバイス等の製造に、シリコン単結晶基板(以下、ベースウェーハともいう)上にシリコン酸化膜を形成し、その上に別のシリコン単結晶層をSOI(Silicon on Insulator)層として積層形成した、いわゆるSOIウェーハが使用されている。SOIウェーハの製造方法としては、貼り合わせ法やSIMOX法等が知られている。貼り合わせ法は、シリコン酸化膜を介してシリコン単結晶からなるベースウェーハとボンドウェーハとを熱処理により貼り合わせた後、ボンドウェーハを研磨加工、エッチング又はイオン注入層を用いた剥離処理(いわゆるスマートカット(登録商標)法)により減厚してSOI層を形成する方法である。一方、SIMOX法は、シリコン単結晶基板中に高濃度の酸素イオンを注入した後で、内部酸化熱処理を行うことにより埋め込み酸化膜を形成する方法である。 In manufacturing a semiconductor device such as a CMOS-IC or a high voltage IC, a silicon oxide film is formed on a silicon single crystal substrate (hereinafter also referred to as a base wafer), and another silicon single crystal layer is formed on the SOI ( A so-called SOI wafer formed by stacking as a silicon on insulator) layer is used. As a method for manufacturing an SOI wafer, a bonding method, a SIMOX method, and the like are known. In the bonding method, a base wafer made of silicon single crystal and a bond wafer are bonded together by heat treatment through a silicon oxide film, and then the bond wafer is polished, etched, or peeled off using an ion implantation layer (so-called smart cut). This is a method for forming an SOI layer by reducing the thickness by the (registered trademark) method. On the other hand, the SIMOX method is a method in which a buried oxide film is formed by performing an internal oxidation heat treatment after implanting high-concentration oxygen ions into a silicon single crystal substrate.
従来、SOIウェーハにおいては、シリコン単結晶からなるベースウェーハ及びSOI層と、シリコン酸化膜との熱膨脹係数が互いに異なるため、基板の反りが発生しやすいという欠点があった。SOIウェーハの反りが大きくなると、フォトリソグラフィー工程で焦点を合わせ難くなることにより、素子の形成が困難になることがある。なお、この欠点は、集積回路の集積率が大きくなるほど顕著となる。 Conventionally, an SOI wafer has a drawback that warpage of the substrate is likely to occur because the base wafer and SOI layer made of silicon single crystal and the silicon oxide film have different thermal expansion coefficients. When the warpage of the SOI wafer becomes large, it may be difficult to focus on the photolithography process, thereby making it difficult to form an element. This defect becomes more prominent as the integration rate of the integrated circuit increases.
上記のようなSOIウェーハの反りは、従来、上記の貼り合わせ法における熱処理や、SIMOX法での内部酸化熱処理時に発生する反りに主眼が置かれ、種々の防止対策が講じられてきた。例えば、特許文献1には、ベースウェーハのシリコン酸化膜と接する領域に酸素析出物の形成密度がゼロの無欠陥層を作り、残部のウェーハ領域を該無欠陥層よりも高い酸素析出物密度を有する酸素析出物層とするSOIウェーハ構造が開示され、前述の熱膨張率差に起因したウェーハの反りを防止できるとしている。
Conventionally, the warpage of the SOI wafer as described above has been mainly focused on the heat treatment in the bonding method and the internal oxidation heat treatment in the SIMOX method, and various countermeasures have been taken. For example, in
しかしながら、本発明者らが検討したところ、SOIウェーハの反りの原因は、シリコン酸化膜とベースウェーハやSOI層をなすシリコンとの線膨張係数差のみに必ずしも帰着されるものではないことがわかった。例えば、本発明者らは、デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったSOIウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化するという、上記の反り発生機構では理解できない現象にしばしば直面している。この現象は、線膨張係数差に由来した反りがむしろ生じにくい、SOI層やシリコン酸化膜の厚さが薄膜化(例えば、それぞれ2μm以下)した場合に多く見られ、ウェーハの直径が大きい場合(例えば200mm以上の場合)に特に顕著となる。 However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that the cause of warping of the SOI wafer is not necessarily caused only by the difference in linear expansion coefficient between the silicon oxide film and the base wafer or silicon forming the SOI layer. . For example, the present inventors have found that a warp of an SOI wafer, in which warpage was not so remarkable in a state before being subjected to device processing, becomes apparent during heat treatment in device processing, and cannot be understood by the above warp generation mechanism. Often faced. This phenomenon is more likely to occur when the thickness of the SOI layer or silicon oxide film is reduced (for example, 2 μm or less, respectively) when the wafer diameter is large (e.g. This is particularly noticeable in the case of 200 mm or more, for example.
本発明の課題は、比較的薄いシリコン酸化膜とSOI層とを有し、デバイス工程で実施される熱処理時に反りを発生しにくいSOIウェーハの製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an SOI wafer that has a relatively thin silicon oxide film and an SOI layer and is less likely to warp during heat treatment performed in a device process.
上記課題を解決するために本発明は、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面に、シリコン酸化膜を介して半導体単結晶からなるSOI層が結合された構造を有し、かつ、SOI層側において、ピーク波長λが0.7μm以上2μm以下の赤外線照射による熱処理を行うSOIウェーハの製造方法であって、シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第一主表面とを、それら各主表面の少なくともいずれかに形成されたシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、ベースウェーハとボンドウェーハとを有する積層体を400〜600℃にて剥離熱処理することによりボンドウェーハを剥離する剥離工程を含む、ボンドウェーハの厚みを減じてSOI層となす減厚工程と、シリコン酸化膜を介したSOI層のベースウェーハに対する結合を増加するための結合熱処理を剥離熱処理の温度から10〜40℃/分の昇温速度で1000℃以上1250℃以下に昇温させて行う結合熱処理工程とを有し、シリコン酸化膜の厚さt1とSOI層の厚さt2とが、シリコン酸化膜をなすSiO2の赤外波長域の屈折率をn1、SOI層をなす半導体の屈折率をn2とし、それらシリコン酸化膜とSOI層との赤外波長域における光学的厚さtOPをtOP=n1×t1+n2×t2として、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下の範囲内に設定され、さらに、結合熱処理後にベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を減ずるための析出消去熱処理を行ない、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を1×109/cm3未満に調整し、赤外線照射による熱処理がSOI層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われることを主要な特徴とする。本発明におけるSOI層とは、シリコン単結晶からなる典型的なSOI層のほか、SiXGe1−X(0≦X<1)にて表わされるSiGe層やGe層、あるいは、その他の半導体薄層を含む広義のSOI(Semiconductor On Insulator)層を意味する。 In order to solve the above problems, the present invention has a structure in which an SOI layer made of a semiconductor single crystal is bonded to a first main surface of a base wafer made of a silicon single crystal via a silicon oxide film, and the SOI A method for manufacturing an SOI wafer in which heat treatment is performed by infrared irradiation with a peak wavelength λ of 0.7 μm or more and 2 μm or less on the layer side, the first main surface of a base wafer made of silicon single crystal, and a bond made of semiconductor single crystal A laminated body having a bonding process in which the first main surface of the wafer is bonded to each other through a silicon oxide film formed on at least one of the main surfaces, and a base wafer and a bond wafer are heated to 400 to 600 ° C. to delamination heat treatment Te comprises a release step of peeling the bond wafer, the thickness decrease of SOI layer and forming by subtracting the thickness of the bond wafer And extent, warmed to 1000 ° C. or higher 1250 ° C. or less at a Atsushi Nobori rate bonding heat treatment the temperature of the separation heat treatment of 10 to 40 ° C. / min for increasing the binding to the base wafer of the SOI layer through the silicon oxide film A silicon oxide film thickness t1 and an SOI layer thickness t2 is a refractive index in the infrared wavelength region of SiO 2 forming a silicon oxide film, and a semiconductor forming an SOI layer. And the optical thickness t OP in the infrared wavelength region between the silicon oxide film and the SOI layer is t OP = n1 × t1 + n2 × t2, and 0.1λ <t OP <2λ is satisfied. In addition, (t1 × n1) / (t2 × n2) is set within a range of 0.2 or more and 3 or less, and further, a precipitation erasing heat treatment for reducing the formation density of oxygen precipitates in the base wafer after the bonding heat treatment. Do The formation density of the oxygen precipitates in the base wafer was adjusted to less than 1 × 10 9 / cm 3, primary and Rukoto heat treatment by infrared irradiation is performed by an infrared light source disposed only on the first main surface side of the SOI layer Features. The SOI layer in the present invention is not only a typical SOI layer made of silicon single crystal, but also a SiGe layer or Ge layer represented by Si X Ge 1-X (0 ≦ X <1), or other semiconductor thin films. It means a broadly defined SOI (Semiconductor On Insulator) layer.
なお、本発明において、ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度は、ベースウェーハの第二主表面を鏡面研磨面として、周知の赤外干渉法を用いた装置であるOPP(Optical Precipitate Profiler:High Yield Technology社製 )により検出される寸法直径50nm以上の微小析出物(Bulk Micro-Defect:BMD)の1cm3当たりの個数をいう。以下、本発明において単に「酸素析出物」と称する場合はBMDを意味するものとする。また、貼り合わせに際しては、ベースウェーハとボンドウェーハとの一方のみにシリコン酸化膜を形成してもよいし、双方に形成して貼り合わせにより両酸化膜を一体化してもよい。後者の場合、貼り合わせ後のシリコン酸化膜の厚さは、双方に形成したシリコン酸化膜の合計厚さに対応するものとなる。 In the present invention, the formation density of oxygen precipitates in the base wafer is determined by using an OPP (Optical Precipitate Profiler: High) which is a device using a well-known infrared interferometry with the second main surface of the base wafer as a mirror-polished surface. This refers to the number per 1 cm 3 of microprecipitates (Bulk Micro-Defect: BMD) having a size diameter of 50 nm or more detected by Yield Technology). Hereinafter, when simply referred to as “oxygen precipitate” in the present invention, it means BMD. In bonding, a silicon oxide film may be formed only on one of the base wafer and the bond wafer, or both the oxide films may be integrated by bonding to both. In the latter case, the thickness of the silicon oxide film after the bonding corresponds to the total thickness of the silicon oxide films formed on both sides.
本発明者は、SOIウェーハをデバイス化する際の熱処理条件と、発生するウェーハの反りとの関係を詳細に検討した結果、次の事実を把握するに至った。
(1)デバイス化の処理に供する前の状態では反りがそれほど顕著でなかったSOIウェーハの反りが、デバイス化における熱処理時に顕在化することがある。具体的には、SOI層側からの赤外線照射により熱処理加熱を行なう場合である。
(2)反りの発生が顕著なのは、照射する赤外線の波長(以下、ピーク波長λで代表させる)と、シリコン酸化膜とSOI層との赤外波長域における上記光学的厚さtOPとが一定の関係を満たす場合であり、特にtOP=0.5λに近い関係を充足する場合の反り発生が顕著である。
(3)反りが発生したSOIウェーハは、ベースウェーハの酸素析出物の形成密度がいずれも1×109以上と高いレベルを示す。
As a result of detailed examination of the relationship between the heat treatment conditions when forming an SOI wafer into a device and the warpage of the generated wafer, the present inventor has come to grasp the following facts.
(1) The warpage of the SOI wafer, in which the warpage was not so remarkable in the state before being subjected to the device processing, may become apparent during the heat treatment in the device processing. Specifically, this is a case where heat treatment heating is performed by infrared irradiation from the SOI layer side.
(2) The occurrence of warpage is remarkable when the wavelength of infrared rays to be irradiated (hereinafter represented by the peak wavelength λ) and the optical thickness t OP in the infrared wavelength region between the silicon oxide film and the SOI layer are constant. In particular, the occurrence of warping is significant when the relationship close to t OP = 0.5λ is satisfied.
(3) The SOI wafer in which warpage has occurred has a high level of 1 × 10 9 or more in the formation density of oxygen precipitates on the base wafer.
そして、さらに鋭意検討を重ねた結果、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を1×109/cm3未満に調整するとき、上記(1)及び(2)の状況下においても、デバイス化の熱処理時におけるSOIウェーハの反り発生を効果的に抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of further intensive studies, when the formation density of oxygen precipitates in the entire base wafer is adjusted to less than 1 × 10 9 / cm 3 , it is possible to make a device even under the above conditions (1) and (2). It has been found that the occurrence of warpage of the SOI wafer during the heat treatment can be effectively suppressed, and the present invention has been completed.
赤外線照射の熱処理時に、上記(2)の条件を充足する場合に特に反りが発生しやすかった原因としては、以下のように考えられる。まず、熱処理に使用する赤外線源としてはハロゲンランプなどの抵抗発熱型ランプが使用されることが多い。図11に示すごとく、そのピーク波長λは光源温度に応じて異なるが、0.7μm以上2μm以下に収まるものがほとんどである。また、その光学的なスペクトルは概してブロードであるが、加熱に寄与する赤外領域の主要な成分は0.5μm以上3μm以下の波長域内に収まっている。 The reason why warp was particularly likely to occur when the condition (2) was satisfied during heat treatment with infrared irradiation is considered as follows. First, a resistance heating lamp such as a halogen lamp is often used as an infrared source used for heat treatment. As shown in FIG. 11, the peak wavelength λ differs depending on the light source temperature, but most of them fall within the range of 0.7 μm to 2 μm. The optical spectrum is generally broad, but the main component in the infrared region contributing to heating is within the wavelength range of 0.5 μm to 3 μm.
上記のピーク波長λとの関係において、シリコン酸化膜とSOI層との赤外波長域における光学的厚さtOP(=n1×t1+n2×t2)が、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下という状況は、シリコン酸化膜とSOI層とが共に4μm未満の小厚に形成されることを意味する(好適にはシリコン酸化膜の厚さt1は例えば10nm以上500nm以下であり、SOI層の厚さt2は例えば10nm以上500nm以下である)。ベースウェーハの厚さが通常のSOIウェーハ並(例えば直径200mmで600μm以上800μm以下)であれば、この程度のシリコン酸化膜の厚さでは、Siとの線膨張係数差に基づく反り発生の程度は、例えば特許文献1等に記載の構成と比較してはるかに小さいと考えられる。しかしながら、ベースウェーハの酸素析出物の形成密度が1×109/cm3以上に高い状態では、SOI層側からの赤外線照射により熱処理を行なうと、その反り量は予想外に大きく、例えば直径200mmのSOIウェーハでは、200μm〜300μmもの大きな反りが発生することもある。従って、当該の反りの主要因は、従来想定されていた層間の線膨張係数差でないことは明らかである。本発明者は、この反りの要因が、酸素析出物の形成によるベースウェーハの強度低下と、SOI層側での赤外線反射による加熱不均一にあるのではないか、と考えている。以下、さらに詳しく説明する。
In relation to the above peak wavelength λ, the optical thickness t OP (= n1 × t1 + n2 × t2) in the infrared wavelength region between the silicon oxide film and the SOI layer satisfies 0.1λ <t OP <2λ. In addition, the situation where (t1 × n1) / (t2 × n2) is 0.2 or more and 3 or less means that both the silicon oxide film and the SOI layer are formed with a small thickness of less than 4 μm (preferably The thickness t1 of the silicon oxide film is, for example, not less than 10 nm and not more than 500 nm, and the thickness t2 of the SOI layer is, for example, not less than 10 nm and not more than 500 nm). If the thickness of the base wafer is the same as that of a normal SOI wafer (for example, a diameter of 200 mm and not less than 600 μm and not more than 800 μm), with this thickness of silicon oxide film, the degree of warpage based on the difference in linear expansion coefficient from Si is For example, it is considered to be much smaller than the configuration described in
SOI層表面での赤外線反射は、周囲の雰囲気(例えば空気)とSOI層との屈折率差に由来した全反射が考えられるが、これは、赤外線の入射角度が一定の臨界角度以上に大きい場合にのみ生ずるものであって、面内に広い光源にてウェーハの全面に均一に赤外線が照射できる場合には、それ程問題になることではない。しかし、屈折率が互いに大きく相違するシリコン酸化膜とSOI層とが組み合わされた場合には、その層厚と入射赤外線の波長との関係によっては、赤外線の入射方向が面法線方向に近い場合であっても非常に強い反射が生ずることがある。 The infrared reflection on the surface of the SOI layer may be total reflection derived from the difference in refractive index between the ambient atmosphere (for example, air) and the SOI layer. This is when the incident angle of infrared rays is larger than a certain critical angle. In the case where infrared rays can be uniformly irradiated on the entire surface of the wafer with a wide light source in the plane, the problem is not so much. However, when a silicon oxide film and an SOI layer having different refractive indexes are combined, depending on the relationship between the thickness of the layer and the wavelength of incident infrared rays, the incident direction of infrared rays is close to the surface normal direction. Even so, very strong reflections may occur.
例えば、シリコン酸化膜とシリコン層とが交互に積層された構造のように、周期的に屈折率が変化する積層体の層厚方向には、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられることが知られている。このような構造をフォトニックバンド構造と称し、多層膜の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップ構造ともいう。 For example, in the layer thickness direction of a laminate in which the refractive index changes periodically, such as a structure in which silicon oxide films and silicon layers are alternately laminated, electrons in the crystal against photoquantized electromagnetic wave energy It is known that a band structure similar to energy is formed, and electromagnetic waves having a specific wavelength corresponding to the period of change in refractive index are prevented from entering the laminate structure. Such a structure is referred to as a photonic band structure, and in the case of a multilayer film, the refractive index change is formed only in the layer thickness direction, so in a narrow sense it is also referred to as a one-dimensional photonic band gap structure.
このようなフォトニックバンドギャップ構造は、積層周期数が多くなるほど、入射が禁じられる波長域(つまり、反射率が大きくなる波長域:以下、フォトニックバンドギャップ域という)が広くなる傾向になるが、積層周期数が1であっても、フォトニックバンドギャップ域が相対的に狭くなるだけであって、ギャップ中心波長付近で非常に大きな反射が生ずることに変わりはない。典型的なSOIウェーハ構造、つまり、ベースウェーハ上にシリコン酸化膜とSOI層とが1層ずつ形成された構造はこれに該当し、一次元フォトニックバンドギャップ構造が生ずるための条件は、シリコン酸化膜とSOI層との赤外波長域における光学的厚さtOP=n1×t1+n2×t2が、入射赤外線の波長λの1/2(つまり、0.5λ)を充足する場合である。実際には、tOP=0.5λ付近で反射率が極大値を示すものの、この条件から多少ずれた波長域でも反射率は依然大きく、また、入射赤外線スペクトルのピーク波長がλであっても、実際には図11に示すように、λを含む広い範囲に入射線の波長が分布しているため、これらの影響を考慮すれば比較的強い反射が生ずる波長域も、0.1λ<tOP<2λ程度に拡張されるのである。また、両層の光学的厚さの比(t1×n1)/(t2×n2)は、0.2以上3以下のときに比較的強い反射が生じやすくなり、特に該比が1付近のとき(つまり、両層の光学的厚さが互いに等しいとき)に、強反射の起こる波長域が最も広くなり反射率も高くなる。なお、シリコン酸化膜の赤外波長域の屈折率n1は1.5、SOI層の屈折率n2は、シリコン単結晶の場合は3.5、Ge(ゲルマニウム)の場合は4.0であり、SixGe1−xの場合は、Siを3.5、Geを4.0として、混晶比xの値により線形補間した屈折率を用いる。 In such a photonic band gap structure, as the number of stacking periods increases, the wavelength range in which incidence is prohibited (that is, the wavelength range in which the reflectivity increases: hereinafter referred to as the photonic band gap region) tends to become wider. Even if the number of stacking periods is 1, the photonic band gap region is only relatively narrowed, and very large reflection is generated near the gap center wavelength. A typical SOI wafer structure, that is, a structure in which a silicon oxide film and an SOI layer are formed on a base wafer one by one corresponds to this, and the conditions for generating a one-dimensional photonic band gap structure are silicon oxide. This is a case where the optical thickness t OP = n1 × t1 + n2 × t2 in the infrared wavelength region between the film and the SOI layer satisfies ½ (that is, 0.5λ) of the wavelength λ of the incident infrared rays. Actually, the reflectance shows a maximum value in the vicinity of t OP = 0.5λ, but the reflectance is still large even in a wavelength region slightly deviated from this condition, and the peak wavelength of the incident infrared spectrum is λ. Actually, as shown in FIG. 11, since the wavelength of the incident line is distributed over a wide range including λ, the wavelength region where relatively strong reflection occurs in consideration of these influences is also 0.1λ <t. It is expanded to about OP <2λ. The ratio of the optical thicknesses of both layers (t1 × n1) / (t2 × n2) is likely to cause relatively strong reflection when the ratio is 0.2 or more and 3 or less, particularly when the ratio is around 1. When the optical thicknesses of the two layers are equal to each other, the wavelength range where strong reflection occurs is the widest and the reflectance is high. The refractive index n1 in the infrared wavelength region of the silicon oxide film is 1.5, the refractive index n2 of the SOI layer is 3.5 in the case of silicon single crystal, and 4.0 in the case of Ge (germanium). In the case of Si x Ge 1-x , Si is 3.5, Ge is 4.0, and a refractive index linearly interpolated by the value of the mixed crystal ratio x is used.
図12は、種々の厚さのSOI層とシリコン酸化膜との組み合わせにおける、入射線の波長と反射率の関係を示すものであり、各層の合計光学的厚さtOPと、これに対応するフォトニックバンドギャップの中心波長λPBG(≡2tOP)とを合せて示している(入射角は5゜)。いずれの条件においても、λPBG付近で反射率が極大化していることが明らかであるが、50%以上反射が生ずる波長域は、少なくとも700nm付近から1.6μm付近までの広い範囲に及んでいることがわかる。本発明は、このように入射波長に対する反射率がλPBG付近で極大化し、かつ、λPBGを含む広い波長領域(少なくとも500nm以上の領域内)において50%以上の反射率を有する構造のSOIウェーハに対して極めて効果的である。なお、鏡面研磨ウェーハ(PW)は、反射率の極大を持たず、全波長域で低い反射率を示している。 FIG. 12 shows the relationship between the wavelength of the incident line and the reflectance in the combination of the SOI layer and the silicon oxide film having various thicknesses, and the total optical thickness t OP of each layer and the corresponding relationship. The center wavelength λ PBG (≡2t OP ) of the photonic band gap is also shown (incident angle is 5 °). Under any condition, it is clear that the reflectance is maximized in the vicinity of λ PBG , but the wavelength region where reflection of 50% or more occurs is in a wide range from at least 700 nm to 1.6 μm. I understand that. The present invention, SOI wafer structure thus reflectance for the incident wavelength is maximized in the vicinity of lambda PBG, and having a reflectivity of 50% or more in a wide wavelength region (at least 500nm or more regions) containing lambda PBG It is extremely effective against. The mirror-polished wafer (PW) does not have a maximum reflectance and shows a low reflectance in the entire wavelength region.
シリコン酸化膜とSOI層とが形成するフォトニックバンドギャップの中心波長が、入射赤外線の波長λに接近していると、SOI層表面に均一に赤外線が照射されていても反射による影響でウェーハの層厚方向の加熱分布が不均一となる(この不均一は、後に詳述する通り、必ずしも反射が生じているSOI層側が低温となるように生ずるものではない)。ベースウェーハの層厚方向の温度不均一が生じた場合、ベースウェーハの面内熱応力も層厚方向に分布を生じ、反り発生応力として作用する。他方、ベースウェーハ内に酸素析出物が形成されていると、該酸素析出物の周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数の転位などの結晶欠陥が導入され、強度が低下した状態になっている。そして、ベースウェーハの内部に高密度に酸素析出物が形成されていると、上記加熱不均一に由来した層厚方向の反り応力にベースウェーハの剛性が抗し切れなくなり、顕著な反りが発生するものと考えられる。そこで、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を1×109/cm3未満に抑制すれば、フォトニックバンドギャップ効果により加熱不均一が生じても、熱処理後のSOIウェーハに強い反りが発生することを効果的に抑制することができる。ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度は、望ましくは5×108/cm3未満、より望ましくは5×107/cm3未満であるのがよい。 If the center wavelength of the photonic band gap formed by the silicon oxide film and the SOI layer is close to the wavelength λ of the incident infrared light, even if the surface of the SOI layer is evenly irradiated with infrared light, the influence of reflection causes the wafer The heating distribution in the layer thickness direction becomes non-uniform (this non-uniformity does not necessarily occur so that the SOI layer side where reflection occurs is at a low temperature, as will be described in detail later). When temperature non-uniformity occurs in the layer thickness direction of the base wafer, the in-plane thermal stress of the base wafer is also distributed in the layer thickness direction and acts as warp generation stress. On the other hand, when oxygen precipitates are formed in the base wafer, in the silicon single crystal bulk region constituting the wafer around the oxygen precipitates, a number of crystal defects such as dislocations are introduced and the strength is lowered. It has become. If oxygen precipitates are formed at a high density inside the base wafer, the rigidity of the base wafer cannot resist the warp stress in the layer thickness direction derived from the heating non-uniformity, and a significant warp occurs. It is considered a thing. Therefore, if the formation density of oxygen precipitates in the entire base wafer is suppressed to less than 1 × 10 9 / cm 3 , strong warpage occurs in the SOI wafer after heat treatment even if heating nonuniformity occurs due to the photonic band gap effect. This can be effectively suppressed. The formation density of oxygen precipitates in the base wafer is desirably less than 5 × 10 8 / cm 3 , more desirably less than 5 × 10 7 / cm 3 .
特にSOIウェーハの熱処理が、SOI層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われる、いわゆる片面加熱方式の熱処理装置を用いて行われる場合は、本発明の効果が特に顕著に発揮される。このような熱処理装置では、通常、ベースウェーハの第二主表面側に配置された温度センサ(例えば放射温度計)により、該ベースウェーハの温度を測定しつつ、測定されるベースウェーハの温度が設定熱処理温度に昇温・保持されるよう、前記赤外線光源の発熱出力を制御して加熱を行なう。このとき、SOI層がシリコン酸化膜とともにフォトニックバンドギャップ構造を形成していると、次のような状況を招来する。 In particular, when the heat treatment of the SOI wafer is performed using a so-called single-sided heat treatment apparatus that is performed by an infrared light source disposed only on the first main surface side of the SOI layer, the effect of the present invention is particularly remarkable. Is done. In such a heat treatment apparatus, the temperature of the base wafer is usually set while the temperature of the base wafer is measured by a temperature sensor (for example, a radiation thermometer) disposed on the second main surface side of the base wafer. Heating is performed by controlling the heat generation output of the infrared light source so that the temperature is raised and maintained at the heat treatment temperature. At this time, if the SOI layer forms a photonic band gap structure together with the silicon oxide film, the following situation occurs.
すなわち、初期段階では温度センサが検知するベースウェーハの温度は設定温度よりも低いから、赤外線光源のパワーは増加方向に制御され昇温が開始する。しかし、SOI層側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハの第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、光源の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとして赤外線パワーをますます増加させる。つまり、反射があまり生じていない場合(例えば、SOI層を形成しない鏡面研磨ウェーハなどに熱処理する場合)と比較して、赤外線光源のパワーはオーバー側にシフトした状態で制御されることとなる。他方、SOI層表面からベースウェーハ側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、赤外線光源のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するSOI層側の温度が過昇して、ベースウェーハの表裏の温度差も非常に大きくなる。その結果、SOIウェーハにはますます反りが生じやすくなる。しかし、本発明のごとく、ベースウェーハ全体の酸素析出物の形成密度を1×109/cm3未満に抑制すれば、このような加熱方式を採用して熱処理を行った場合においても、SOIウェーハの反りを十分に抑制することができる。 That is, in the initial stage, the temperature of the base wafer detected by the temperature sensor is lower than the set temperature, so the power of the infrared light source is controlled in the increasing direction and the temperature rise starts. However, since most of the incoming infrared rays are reflected on the SOI layer side, the temperature detected on the second main surface side of the base wafer does not rise easily. As a result, the control unit of the light source increases the infrared power more and more to bring the detected temperature closer to the target value. That is, the power of the infrared light source is controlled in a state shifted to the over side as compared with a case where reflection is not so much (for example, when heat-treating a mirror-polished wafer or the like not forming an SOI layer). On the other hand, heat transfer from the SOI layer surface to the base wafer side involves not only radiant heat transfer by direct incidence of infrared rays but also heat conduction from the ambient atmosphere. If the power of the infrared light source is shifted to the over side, the temperature of the ambient atmosphere that is not affected by the reflection is abnormally increased, and the temperature on the SOI layer side that is in contact with the temperature is excessively increased. The temperature difference is also very large. As a result, the warpage of the SOI wafer is more likely to occur. However, as in the present invention, if the formation density of oxygen precipitates in the entire base wafer is suppressed to less than 1 × 10 9 / cm 3 , the SOI wafer can be obtained even when heat treatment is performed using such a heating method. Can be sufficiently suppressed.
この効果は、デバイスプロセスでの熱処理設定温度が例えば1000℃以上1200℃以下と高く、また、その設定温度までの昇温速度が例えば50℃/秒以上100℃/秒以下と大きい場合に特に顕著である。つまり、昇温速度が大きく設定されている場合、ウェーハの厚さ方向の熱伝導が十分進行しないうちに、赤外線光源のパワーが強められ、温度測定されるベースウェーハの第二主表面上での温度上昇は、SOI層側の温度に対してますます遅れることになる。その結果、赤外線光源のパワーがよりオーバーシュートしやすくなり、反りも生じやすいからである。 This effect is particularly remarkable when the heat treatment set temperature in the device process is as high as 1000 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the rate of temperature rise to the set temperature is as large as 50 ° C./sec or more and 100 ° C./sec or less. It is. In other words, when the heating rate is set to be large, the power of the infrared light source is increased before the heat conduction in the thickness direction of the wafer is sufficiently advanced, and the temperature is measured on the second main surface of the base wafer. The temperature rise is increasingly delayed with respect to the temperature on the SOI layer side. As a result, the power of the infrared light source is more likely to overshoot and warpage is likely to occur.
ベースウェーハ中の酸素析出物は、酸素含有率の比較的高いシリコン単結晶によりベースウェーハを構成した場合に特に発生しやすく、具体的には、石英るつぼを用いたチョクラルスキー法(CZ法)により製造されたものである場合に、SOIウェーハの製造途上で加わる種々の熱履歴によって、反りの原因となる多量の酸素析出物を生じやすい。従って、SOIウェーハの製造工程において、酸素析出物を減少させる熱処理を適宜実施することが、最終的なSOIウェーハの酸素析出物の形成密度を低減する観点において望ましい。 Oxygen precipitates in the base wafer are particularly likely to occur when the base wafer is composed of a silicon single crystal having a relatively high oxygen content. Specifically, the Czochralski method (CZ method) using a quartz crucible When the wafer is manufactured by the above-described method, a large amount of oxygen precipitates that cause warpage are likely to be generated due to various thermal histories applied during the manufacturing process of the SOI wafer. Therefore, in the manufacturing process of the SOI wafer, it is desirable to appropriately perform heat treatment for reducing oxygen precipitates from the viewpoint of reducing the final density of oxygen precipitates formed on the SOI wafer.
CZウェーハなど、酸素濃度が比較的高いシリコン単結晶ウェーハ(バルクのシリコン単結晶の酸素濃度が例えば12ppma以上25ppma以下)は、結晶引上後の冷却時や、1000℃以上の高温熱処理にて酸素を固溶化したあとの冷却時において、500℃付近、具体的にはサーマルドナーが形成される450℃よりも少し高い480℃を形成中心温度とする温度域を通過する際に、微小酸素析出物(BMD)の析出核(エンブリオ:寸法は通常1nm以下)を生成することが知られ、上記中心温度付近での保持時間が長いほど形成される析出核の密度も高くなる。そして、この析出核は、上記核生成温度以上であってSi単結晶バルクへの再固溶に係るある臨界温度以下に保持された場合は核がBMDへと成長する。SOIウェーハの製造工程上注意する必要があるのは、SOI層とベースウェーハとの結合強度を高めるための結合熱処理が、処理能率を高めるために、バッチ式熱処理炉により、熱処理保持温度を1000℃以上1200℃以下に設定して、複数枚のSOIウェーハに対し一括して行なう形でなされていることである。この結合熱処理は、処理温度こそ核が消滅する温度域であるが、処理容量の比較的大きいバッチ熱処理であるために、当該の設定処理温度までの昇温速度は10〜40℃/分と小さく、該昇温時に析出核があらかたBMDに成長してしまうことになる。なお、本明細書において酸素濃度の単位は、JEIDA(社団法人日本電子工業振興会の略称。現在はJEITA(社団法人電子情報技術産業協会)に改称された)の基準を用いて示すものとする。 A silicon single crystal wafer having a relatively high oxygen concentration, such as a CZ wafer (the oxygen concentration of a bulk silicon single crystal is, for example, 12 ppma or more and 25 ppma or less) is oxygenated by cooling after crystal pulling or by high-temperature heat treatment at 1000 ° C. or more. At the time of cooling after the solid solution is formed, fine oxygen precipitates pass through a temperature range around 500 ° C., specifically, 480 ° C. slightly higher than 450 ° C. at which the thermal donor is formed. It is known that (BMD) precipitation nuclei (embryo: size is usually 1 nm or less), and the longer the holding time near the center temperature, the higher the density of precipitation nuclei formed. And when this precipitation nucleus is more than the said nucleation temperature and is hold | maintained below the critical temperature which concerns on the re-solid solution to Si single crystal bulk, a nucleus will grow into BMD. In the manufacturing process of SOI wafers, it is necessary to pay attention to the bonding heat treatment for increasing the bonding strength between the SOI layer and the base wafer. The temperature is set to 1200 ° C. or lower and is performed in a batch for a plurality of SOI wafers. In this bonding heat treatment, the processing temperature is the temperature range where the nuclei disappear, but since the heat treatment is a batch heat treatment with a relatively large processing capacity, the temperature rising rate to the set processing temperature is as low as 10 to 40 ° C./min. The precipitation nuclei will grow into BMD when the temperature is raised. In this specification, the unit of oxygen concentration is shown using the standard of JEIDA (abbreviation of Japan Electronic Industry Promotion Association. Currently renamed JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association)). .
そこで、上記の結合熱処理工程よりも後に、該結合熱処理工程よりも高温で析出消去熱処理を実施することにより、ベースウェーハ中の酸素析出物を溶体化する。これにより、デバイスプロセスに供されるSOIウェーハは、ベースウェーハ中のBMDの形成密度が1×109/cm3未満まで減じられる。BMDの形成密度の減少は、析出消去熱処理前後の溶存酸素濃度の変化にも顕著に現れる。 Therefore, after the bonding heat treatment step, the precipitation elimination heat treatment is performed at a higher temperature than the bonding heat treatment step, so that the oxygen precipitates in the base wafer are formed into a solution. As a result, in the SOI wafer subjected to the device process, the formation density of BMD in the base wafer is reduced to less than 1 × 10 9 / cm 3 . The decrease in the BMD formation density also appears significantly in the change in dissolved oxygen concentration before and after the precipitation erasing heat treatment.
上記の析出消去熱処理は、保持温度が1275℃以上1350℃以下で実施することが望ましい。低い保持温度では、BMDの溶体化が効果的に進行しづらい。他方、保持温度が高すぎると、スリップ転位の発生が顕著となる恐れがある。好適には、1280℃以上1300℃以下で行なうことである。また、こうした温度域にSOIウェーハを保持するときの時間としては、BMDの溶体化の進行と経済性を考慮し、1時間以上5時間以下とするのがよい。また、このような条件にて行なわれる析出消去熱処理は、バッチ式の熱処理炉を用い、複数のSOIウェーハを一括処理する方法を採用するのがよい。 The precipitation elimination heat treatment is preferably performed at a holding temperature of 1275 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. At a low holding temperature, it is difficult for the solution formation of BMD to proceed effectively. On the other hand, if the holding temperature is too high, the occurrence of slip dislocation may become significant. Preferably, it is performed at 1280 ° C or higher and 1300 ° C or lower. In addition, the time for holding the SOI wafer in such a temperature range is preferably 1 hour or more and 5 hours or less in consideration of the progress of solutionization of BMD and the economy. In addition, as the precipitation erasure heat treatment performed under such conditions, it is preferable to adopt a batch processing method using a batch heat treatment furnace.
析出消去熱処理の雰囲気は、不活性ガス(例えばアルゴンなどの希ガス)と微量の酸素を含む雰囲気を採用できる。微量酸素を含む雰囲気とすれば、シリコン単結晶中への原子空孔(酸素析出の際の拡散を媒介する)の導入が抑制されるので、BMDを低減する上で有効である。逆に、水素又はアルゴン雰囲気での高温熱処理(例えば1200℃前後)は、シリコン単結晶中への原子空孔の導入が促進され、BMD密度の低減を妨げる恐れがある。 As an atmosphere for the precipitation elimination heat treatment, an atmosphere containing an inert gas (for example, a rare gas such as argon) and a small amount of oxygen can be employed. If the atmosphere contains a trace amount of oxygen, introduction of atomic vacancies (which mediate diffusion during oxygen precipitation) into the silicon single crystal is suppressed, which is effective in reducing BMD. Conversely, high-temperature heat treatment (for example, around 1200 ° C.) in a hydrogen or argon atmosphere promotes the introduction of atomic vacancies into the silicon single crystal and may hinder the reduction in BMD density.
先に述べたように、SOIウェーハの製造にはCZウェーハを用いる場合が多い。CZシリコン単結晶棒は、全体としては近い初期酸素濃度を持っているが、それでもやはり軸方向および径方向に分布がある。一般論としてBMD密度を制御するとなると、初期酸素濃度の厳密な検討が必要であると考えられる。しかしながら、本発明の方法はそういった検討をほとんど要せず、同一のCZシリコン単結晶棒から切り取るCZウェーハを用いる場合はもとより、製造ロットが異なるCZウェーハを用いてSOIウェーハを製造する場合においても、析出消去熱処理の条件さえ整えれば、デバイスプロセスでRTA(Rapid Thermal Annealing:急速熱処理)を行なっても反りが発生し難いSOIウェーハを安定して製造できるようになる。 As described above, a CZ wafer is often used for manufacturing an SOI wafer. Although the CZ silicon single crystal rod as a whole has a close initial oxygen concentration, it still has a distribution in the axial and radial directions. In general, when the BMD density is controlled, it is considered that strict examination of the initial oxygen concentration is necessary. However, the method of the present invention hardly requires such examination, and not only when using CZ wafers cut from the same CZ silicon single crystal rod, but also when manufacturing SOI wafers using CZ wafers with different production lots, As long as the conditions for the precipitation erasing heat treatment are adjusted, it is possible to stably manufacture an SOI wafer that is unlikely to warp even if RTA (Rapid Thermal Annealing) is performed in the device process.
次に、減厚工程は、貼り合わせ工程に先立って、ボンドウェーハの第一主表面側のイオン注入表面からイオンを打ち込むことにより、剥離用イオン注入層を形成する剥離用イオン注入層形成工程と、貼り合わせ工程の後、SOI層となるべきシリコン単結晶薄層を、ボンドウェーハより剥離用イオン注入層において剥離する剥離工程とを含むものとして実施することができる(いわゆるスマートカット(登録商標)法)。 Next, the thickness reducing step includes a peeling ion implantation layer forming step for forming a peeling ion implantation layer by implanting ions from the ion implantation surface on the first main surface side of the bond wafer prior to the bonding step. Then, after the bonding step, the silicon single crystal thin layer to be the SOI layer can be implemented as including a peeling step of peeling from the bond wafer in the peeling ion implantation layer (so-called smart cut (registered trademark)). Law).
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係るSOIウェーハの製造方法の基本的な実施形態を説明するものである。まず、工程(a)に示すように、例えばシリコン単結晶からなるベースウェーハ7と、工程(b)に示すシリコン単結晶基板からなるボンドウェーハ1とを用意する。これらのシリコン単結晶は、石英るつぼを用いた周知のチョクラルスキー法にて製造されたものであり、初期酸素含有量が例えば12ppma以上25ppma以下と比較的高いものが使用される。また、ボンドウェーハ1として、シリコン単結晶ウェーハ上にSi、SiGe、Geなどの半導体単結晶をエピタキシャル成長したエピタキシャルウェーハを用いることもできる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 illustrates a basic embodiment of a method for manufacturing an SOI wafer according to the present invention. First, as shown in the step (a), for example, a
次に、工程(c)に示すように、ボンドウェーハ1の少なくとも第一主表面J側に絶縁膜としてシリコン酸化膜2を形成する。このシリコン酸化膜2の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の方法を採用することも可能である。シリコン酸化膜の膜厚は、例えば10nm以上500nm以下の値とする。そして、工程(d)に示すように、ボンドウェーハ1の第一主表面J側、本実施形態ではシリコン酸化膜2の表面をイオン注入面として、例えば水素イオンビームを照射することによりイオンを打ち込み、剥離用イオン注入層4を形成する。剥離用イオン注入層4を形成するためのイオンは、水素イオン及び希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xe)イオンよりなるイオン群から選ばれる少なくとも1種類とすることができる。本実施形態では水素イオンを用いるが、水素イオンに代えて、ヘリウムイオン、ネオンイオンあるいはアルゴンイオンなどの希ガスイオンを打ち込むことにより剥離用イオン注入層4を形成してもよい。
Next, as shown in step (c), a
剥離用イオン注入層4を形成したボンドウェーハ1とベースウェーハ7とは、洗浄液にて洗浄され、さらに、工程(e)に示すように、両ウェーハ1,7をイオン注入層4の形成側(すなわち第一主表面J,K側)にて貼り合わせる。そして、工程(f)に示すように、その積層体を400〜600℃の低温にて剥離熱処理することにより、ボンドウェーハ1は前記した剥離用イオン注入層4の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウェーハ7側に残留した部分がSOI層15となる(剥離工程)。なお、剥離用イオン注入層4を形成する際のイオン注入量を高めたり、あるいは重ね合わせる面に対して予めプラズマ処理を行なって表面を活性化したりすることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後の残余のボンドウェーハ部分3は、剥離面を再研磨後、再びボンドウェーハ又はベースウェーハとして再利用が可能である。
The
SOI層15の厚さは10nm以上500nm以下であり、剥離用イオン注入層4の形成深さによって調整できる。図9に示すように、貼り合わせ後のシリコン酸化膜2の厚さt1とSOI層15の厚さt2とは、シリコン酸化膜2をなすSiO2の赤外波長域の屈折率n1を1.5、SOI層15をなすSiの屈折率n2を3.5とし、それらシリコン酸化膜2とSOI層15との赤外波長域における光学的厚さtOPをtOP=n1×t1+n2×t2として、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下の範囲内に設定される。
The thickness of the
そして、上記剥離工程後、ベースウェーハ7とSOI層15とをシリコン酸化膜2を介して強固に結合する結合熱処理を行なう。この結合熱処理は、図3に示すように、複数枚(図では1枚のみを描いている)のウェーハ50’をバッチ式の熱処理炉BF中にて、1000℃以上1250℃以下で実施される。処理容量の比較的大きいバッチ熱処理であるために、設定処理温度までの昇温速度は10〜40℃/分と小さく、該昇温時に、ベースウェーハ7中の析出核Nが酸素析出物(BMD)Pに成長する。酸素析出物P周囲においてウェーハを構成するシリコン単結晶バルク領域では、多数のスリップ転位などの結晶欠陥Dが導入され、強度が低下した状態となる。
Then, after the peeling step, a bonding heat treatment for firmly bonding the
そこで、結合熱処理の終了したSOIウェーハ50’について、BMDの形成密度を減ずるための析出消去熱処理を行なう。まず、析出消去熱処理に先立って、SOIウェーハの表面の酸化膜を除去した後、SOI層15のダメージ層や表面粗さを除去する工程を行なう。イオン注入剥離法によりSOIウェーハを作製する場合、SOI層の表面にはイオン注入を行なった際のダメージ層と表面粗さが残ることは知られている。そのため、結合熱処理の終了後にSOI層に形成されたダメージ層及び表面粗さを除去することが行なわれる。この除去工程には、Arなどの不活性ガス又は水素ガス、あるいはこれらの混合ガス雰囲気で熱処理する方法を採用することができる。例えば、Ar雰囲気下、1150〜1250℃、1〜5時間の条件で熱処理を行なう。ただし、熱処理によるダメージ層の除去工程は、必須ではない。
Therefore, a precipitation erasing heat treatment is performed on the
次に、BMDを減ずるための析出消去熱処理を行なう。具体的には、図4の上図に示すごとく、熱処理によるダメージ層の除去工程を終えたSOIウェーハ50bの複数をウェーハボート62に収容し、該ウェーハボート62ごとバッチ式の熱処理炉60に導入する。熱処理炉60内の温度は、図3で説明した結合熱処理よりも高い温度、すなわち1275℃以上1350℃以下となるようにヒータ61を制御する。このような温度で熱処理することにより、SOIウェーハ50bのベースウェーハ7に形成されたBMDは溶体化し、代わりに溶存酸素が増加する。熱処理時間は、設定する保持温度や使用するウェーハの径(200mm、300mm、あるいはそれ以上)によっても変化するが、BMDの溶体化の進行と経済性を考慮し、1時間以上5時間以下とするのがよい。圧力は常圧とする。
Next, a precipitation erasing heat treatment for reducing BMD is performed. Specifically, as shown in the upper diagram of FIG. 4, a plurality of
また、熱処理炉60内は、実質的にアルゴンと微量酸素のみを含む雰囲気とする。アルゴンの代わりに他の希ガスを用いてもよい。微量酸素を含む雰囲気で熱処理を行なうと、シリコン単結晶中への空格子点の導入が抑制されるので、BMDの低減の観点から望ましい。雰囲気中の酸素濃度は、例えば0.3体積%以上5体積%以下とするとよい。このようにして、図4の下段に示すごとくBMD(P)の形成密度が極めて小さいSOIウェーハ500を得ることができる。
Further, the inside of the
得られたSOIウェーハ500は、タッチポリッシュを行なうことにより、SOI層15の表面粗さを改善することができる。タッチポリッシュは、研磨代の極めて小さい鏡面研磨のことであり、一般には化学機械研磨法によって行なわれる。先に説明した熱処理によるダメージ層の除去処理に代えて、あるいはその熱処理の後にタッチポリッシュを行なうことでダメージ層の除去及び表面粗さの改善を図ることもできる。
The obtained
なお、タッチポリッシュによる表面粗さの改善を行なうと、SOI層15の厚さも変化するので、こうした処理が全て終了した時点において、シリコン酸化膜2の厚さt1とSOI層15の厚さt2とが、シリコン酸化膜2をなすSiO2の赤外波長域の屈折率n1を1.5、SOI層15をなすSiの屈折率n2を3.5とし、それらシリコン酸化膜2とSOI層15との赤外波長域における光学的厚さtOPをtOP=n1×t1+n2×t2として、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下の範囲内に収まっていると尚よい。
When the surface roughness is improved by touch polishing, the thickness of the
図5は、いくつかの条件で析出消去熱処理を行なったSOIウェーハについて、ベースウェーハのBMD密度を公知のLST(Light Scattering Tomography)法で測定した結果を示すグラフである。どのサンプルも初期酸素濃度が13.8ppma以上14.4ppma以下の範囲に調整されたCZウェーハ(φ200mm)を用い、しかも熱処理によるダメージ層の除去工程までは同一ロットにて作製しているから、ロット間の誤差や初期酸素濃度の差による影響は極めて小さいとみてよい。 FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the BMD density of a base wafer by a known LST (Light Scattering Tomography) method for an SOI wafer that has been subjected to precipitation elimination heat treatment under several conditions. All samples were prepared in the same lot using a CZ wafer (φ200 mm) whose initial oxygen concentration was adjusted in the range of 13.8 ppma to 14.4 ppma, and until the damaged layer removal process by heat treatment. It can be considered that the influence of the error between them and the difference in the initial oxygen concentration is extremely small.
まず左端のデータは、析出消去熱処理を行なっていないSOIウェーハ50bの計測結果であり、高いBMD密度を示している。これに対し、1275℃で1時間の析出消去熱処理を行なったSOIウェーハ500は、1.0×109/cm3を下回るレベルまでBMD密度が低減している。1288℃で1時間、1300℃で1時間、1350℃で4時間の析出消去熱処理を行なったSOIウェーハ500については、BMD密度がLST装置の検出限界(およそ1.0×106/cm3)を下回るレベルまでBMD密度が低減した。ちなみに、右端のデータは参考例として測定したSIMOXのBMD密度を示すデータであるが、本発明によればSIMOXと相違無いレベルまでBMD密度を低減できることが判明した。
First, the data at the left end is a measurement result of the
また、析出消去熱処理によるBMD密度の低減は、溶存酸素濃度の測定結果からも明白である。図6は、図5と同一サンプルについて、ベースウェーハ7中の溶存酸素濃度をFT−IR法によって測定した結果を示すグラフである。溶存酸素濃度の測定は、ウェーハ中心、ウェーハ中心からR/2(R:半径)、ウェーハの外周縁から10mmの3点行なったが、大きな差異は無かった。
Moreover, the reduction of the BMD density by the precipitation erasing heat treatment is obvious from the measurement result of the dissolved oxygen concentration. FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the dissolved oxygen concentration in the
まず、最も低い溶存酸素濃度を示すデータは、析出消去熱処理を行なっていないSOIウェーハ50bのデータであり、約8ppmaを示した。先に説明したように、初期酸素濃度が13.8ppma以上14.4ppma以下のCZウェーハを用いているので、差分はBMDとして析出していると考えられる。これに対し、析出消去熱処理を行なったSOIウェーハ500は、約13ppmaから約16ppmaまでの値を示している。中でも1350℃で4時間の析出消去熱処理を行って得られたSOIウェーハ500は、溶存酸素濃度が初期値を上回った。この事実は、析出消去熱処理の雰囲気に含まれる酸素がベースウェーハ7に取り込まれたことを示している。格子間酸素濃度が高いと、熱応力により発生した転位の移動を抑える働きが高まるという利点がある。こうした事実も、析出消去熱処理をアルゴンと微量酸素を含む雰囲気で行なうことが好適であることを支持する。
First, the data showing the lowest dissolved oxygen concentration is the data of the
さて、上記のようにしてBMD密度が低減されたSOIウェーハ500は、デバイス化に際して種々の熱処理が実施される。例えばイオン注入法によりドーピング領域をパターニング形成する場合、イオン注入直後のドーパントはキャリア源として活性化していないので、これを活性化するための熱処理が行われる。例えば、Bドープの場合、活性加熱処理の温度は例えば1100℃以上1200℃以下である。この熱処理は、図2に示すRTP(Rapid Thermal Processing)装置100を用いて行われる。
Now, the
図2は、片面加熱式のRTP装置100の一例を示すもので、被処理物たるSOIウェーハ500を1枚のみ収容する収容空間14が形成された容器21と、収容空間14内のSOIウェーハ500を加熱するためのタングステン−ハロゲンランプなどで構成された加熱ランプ46とを有する。加熱ランプ46はSOIウェーハ500の第一主表面(図面において上面側)と、加熱空隙25を介して対向配置されている。SOIウェーハ500の裏面側には、反射板28が該SOIウェーハ500と対向するように配置され、反射空隙35を形成している。反射板28には、SOIウェーハ500の裏面側(つまりベースウェーハ7の第二主表面側)の温度を測定するためのグラスファイバ30(図示しない放射温度計に接続されている)の末端が露出している。そして、グラスファイバ30を介して反射空隙35より取り出される熱線が、温度検出部をなす周知の放射温度計により個別に検出され、温度信号に変換される。複数の加熱ランプ46は、グラスファイバ30による各測温位置に対応して配置されたものが、独立して出力制御できるようにしてある。熱処理温度までの昇温速度は、50℃/秒以上100℃/秒以下(例えば、75℃/秒)に設定される急速加熱とされる。SOIウェーハ500は、SOI層15が加熱ランプ46側に面するように配置される。加熱ランプ46が発する赤外線は、例えば図11に示すような連続スペクトルを有する、ピーク波長λが0.7μm以上2μm以下の近赤外線である。
FIG. 2 shows an example of a single-sided heating
図8は、昇温プロファイルと加熱ランプ46のパワー制御プロファイルとの一例(ウェーハ面内を複数点測定)を、SOIウェーハと参考用の鏡面研磨ウェーハ(シリコン単結晶ウェーハ)とで対比して示すグラフである。鏡面研磨ウェーハでは、75℃/秒の昇温プロファイルを実現するのに、パワー制御プロファイルは、瞬時的な値を除いては、フルパワーのほぼ70%以下に収まっており、加熱ランプ46が過昇している気配はない。しかし、SOIウェーハの場合は、昇温途上でフルパワーの80%を超える著しいオーバーシュートが生じていることがわかる。この理由は、以下のようなものであると考えられる。 FIG. 8 shows an example of the temperature rise profile and the power control profile of the heating lamp 46 (measurement of a plurality of points in the wafer surface) in comparison with an SOI wafer and a reference mirror-polished wafer (silicon single crystal wafer). It is a graph. With a mirror polished wafer, a temperature control profile of 75 ° C./second is realized, but the power control profile is within about 70% of full power except for an instantaneous value. There is no rising sign. However, in the case of the SOI wafer, it can be seen that a remarkable overshoot exceeding 80% of the full power occurs during the temperature rising. The reason is considered as follows.
ベースウェーハ7上にシリコン酸化膜2とSOI層15とが1層ずつ形成された構造において、前述のごとく、シリコン酸化膜2の厚さt1とSOI層15の厚さt2とが、シリコン酸化膜2をなすSiO2の赤外波長域の屈折率n1を1.5、SOI層15をなすSiの屈折率n2を3.5とし、それらシリコン酸化膜2とSOI層15との、熱処理に使用する赤外波長域における光学的厚さtOPをtOP=n1×t1+n2×t2としたとき、使用する赤外線のピーク波長をλ(図11参照)として、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下となるように、各層厚t1とt2とが選択されている場合、図9に示すような前述の一次元フォトニックバンドギャップ構造の形成により、SOI層15側で赤外線IRの強い反射が起こる。図2のような片面加熱方式のRTP装置100では、図10に示すように、SOI層15側では到来した赤外線の多くが反射されるため、ベースウェーハ7の第二主表面側で検知される温度もなかなか上昇しない。その結果、加熱ランプ46の制御部は、検知温度を目標値に近づけようとしてパワーをますます増加させ、前述のようなオーバーシュートが生ずるのである。SOI層15表面からベースウェーハ7側への熱伝達は、赤外線の直接入射による輻射熱伝達だけでなく、当然、周囲雰囲気からの熱伝導も関与する。そして、加熱ランプ46のパワーがオーバー側にシフトしていると、反射の影響を受けない周囲雰囲気の温度が異常に高まり、これと接するSOI層15側の温度が過昇して、ベースウェーハ7の表裏の温度差も非常に大きくなる。
In the structure in which the
このとき、図3に示すように、ベースウェーハ7の酸素析出物Pの形成密度が高くなっていると、酸素析出物Pの周囲への結晶欠陥導入により強度の低下したSOIウェーハは、図10に示すように、高温側となるSOI層側の面内方向の熱膨張が大きくなり、上に凸となるように強い反りを生ずる。例えば、図7に示すように、フォトリソグラフィー工程により第一導電型のイオン注入領域(例えばBの場合はp型の領域)をパターニング形成し、次にこれを活性化させるために急速熱処理を実施すると反りが発生する。この反りが発生した状態で、さらに第二導電型のイオン注入領域(例えばPの場合はn型の領域)をパターニング形成しようとすると、反り発生による面内変位によってマスクがSOI層に対して相対的な位置ずれを起こし、形成される第二導電型のイオン注入領域の位置もずれやすくなる問題がある。
At this time, as shown in FIG. 3, when the formation density of the oxygen precipitates P on the
しかし、図4のように、ベースウェーハ7全体の酸素析出物Pの形成密度を1×109/cm3未満に抑制すれば、このような加熱方式を採用してデバイス化時の熱処理を行った場合においても、SOIウェーハ500の反りを十分に抑制することができ、ひいては図7のごときパターンずれ不良などの発生も効果的に抑制することができる。
However, as shown in FIG. 4, if the formation density of the oxygen precipitates P in the
1 ボンドウェーハ
2 シリコン酸化膜
7 ベースウェーハ
15 SOI層
500 SOIウェーハ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
シリコン単結晶からなるベースウェーハの第一主表面と、半導体単結晶からなるボンドウェーハの第一主表面とを、それら各主表面の少なくともいずれかに形成されたシリコン酸化膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ベースウェーハと前記ボンドウェーハとを有する積層体を400〜600℃にて剥離熱処理することにより前記ボンドウェーハを剥離する剥離工程を含む、前記ボンドウェーハの厚みを減じてSOI層となす減厚工程と、前記シリコン酸化膜を介した前記SOI層の前記ベースウェーハに対する結合を増加するための結合熱処理を前記剥離熱処理の温度から10〜40℃/分の昇温速度で1000℃以上1250℃以下に昇温させて行う結合熱処理工程とを有し、
前記シリコン酸化膜の厚さt1と前記SOI層の厚さt2とが、前記シリコン酸化膜をなすSiO2の赤外波長域の屈折率をn1、前記SOI層をなす半導体の屈折率をn2とし、それらシリコン酸化膜とSOI層との前記赤外波長域における光学的厚さtOPをtOP=n1×t1+n2×t2として、0.1λ<tOP<2λを充足し、かつ、(t1×n1)/(t2×n2)が0.2以上3以下の範囲内に設定され、
さらに、前記結合熱処理後に前記ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を減ずるための析出消去熱処理を行ない、前記ベースウェーハ中の酸素析出物の形成密度を1×109/cm3未満に調整し、
前記赤外線照射による熱処理が前記SOI層の第一主表面側にのみ配置された赤外線光源により行われることを特徴とするSOIウェーハの製造方法。 The first main surface of a base wafer made of silicon single crystal has a structure in which an SOI layer made of a semiconductor single crystal is bonded via a silicon oxide film, and the peak wavelength λ is 0. A method for manufacturing an SOI wafer which performs a heat treatment by infrared irradiation of 7 μm or more and 2 μm or less,
Affixing the first main surface of a base wafer made of silicon single crystal and the first main surface of a bond wafer made of semiconductor single crystal through a silicon oxide film formed on at least one of these main surfaces An SOI layer with a reduced thickness of the bond wafer, including a bonding step, and a peeling step of peeling the bond wafer by peeling heat treatment of the laminate including the base wafer and the bond wafer at 400 to 600 ° C. A thickness reduction step to be performed and a bonding heat treatment for increasing the bonding of the SOI layer to the base wafer via the silicon oxide film at a rate of 10 to 40 ° C./min from the temperature of the peeling heat treatment at 1000 ° C. or more A bonding heat treatment step performed by raising the temperature to 1250 ° C. or lower ,
The thickness t1 of the silicon oxide film and the thickness t2 of the SOI layer are defined such that the refractive index in the infrared wavelength region of SiO 2 forming the silicon oxide film is n1, and the refractive index of the semiconductor forming the SOI layer is n2. The optical thickness t OP of the silicon oxide film and the SOI layer in the infrared wavelength region is t OP = n1 × t1 + n2 × t2, and 0.1λ <t OP <2λ is satisfied, and (t1 × n1) / (t2 × n2) is set within the range of 0.2 to 3,
Further, after the bonding heat treatment, a precipitation erasing heat treatment is performed to reduce the formation density of oxygen precipitates in the base wafer, and the formation density of oxygen precipitates in the base wafer is adjusted to less than 1 × 10 9 / cm 3. ,
Method for manufacturing an SOI wafer heat treatment according to the infrared radiation is characterized by Rukoto performed by the first main surface side infrared light source disposed only on the SOI layer.
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