JP5263509B2 - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入剥離法を用いた貼り合わせウェーハの製造方法に関し、典型的には、水素イオン等を注入したウェーハを他のウェーハと貼り合わせた後にイオン注入層で剥離して貼り合わせウェーハを製造する方法に関する。

イオン注入剥離法により貼り合わせＳＯＩウェーハを製造する場合、絶縁膜形成、水素イオン打ち込み、貼り合わせ、剥離熱処理等の処理が必要である。剥離熱処理後のＳＯＩウェーハにはボイド、ブリスターと言われている貼り合わせ界面の欠陥の発生という問題がある。この欠陥は剥離熱処理を含めたその前工程に強く依存している。その一つの原因としては、各工程中に付着するパーティクルがあげられる。特に埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）が薄くなればなるほど欠陥は多発する傾向がある。
ＳＯＩウェーハを作製する場合、ＢＯＸが１００ｎｍ以下と薄くなると欠陥の数が増える傾向があり、またＢＯＸが１００ｎｍ以上の厚い場合でも剥離熱処理を含めた前工程でのパーティクル等が起因になり欠陥が発生する。

これらの欠陥としては、目視でもわかるブリスター、ボイド及びパーティクルカウンターで検出されるＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ）等がある。しかしＬＰＤもＳＥＭ等で観察すると実態は小さなボイドであった。これらの欠陥は、より少なく、可能ならばできる限り無くす必要があり、特に欠陥が発生しやすいＢＯＸが薄いＳＯＩウェーハや、ＢＯＸのない直接接合ウェーハの欠陥を少なくする必要があった。

欠陥を少なくするために、水素イオンの打ち込み深さを深くしてＳＯＩ層を厚くすることによって剛性を高める方法もあるが、ＢＯＸが薄くなるとその効果は充分ではない。また水素イオンを深く注入すると後工程で犠牲酸化等によりＳＯＩ層の厚さを減少させる量が多くなるためプロセス時間が長くなり、またＳＯＩ膜厚分布は悪化する傾向があった。

また、欠陥を少なくする別の方法としては、貼り合わせ面をプラズマにさらすプラズマ処理を行うことによって貼り合わせ面を活性化し、貼り合わせ強度を向上させる方法もある。例えば、特許文献１には、プラズマ処理して酸化膜を形成し、その表面を純水洗浄し乾燥して貼り合わせる方法が記載されている（特許文献１参照）。

しかし、このような方法で貼り合わせウェーハを製造しても、貼り合わせ界面の欠陥（ボイドやブリスター）の低減は十分なものではなかった。

特に、貼り合わせ面に介在させるシリコン酸化膜の厚さが１００ｎｍ以下の場合や、酸化膜を介在させずに直接接合する場合は、貼り合わせ界面の欠陥（ボイドやブリスター）の低減は困難であった。そこで、一旦、１００ｎｍを超える酸化膜を形成して貼り合わせ、ボンドウェーハの薄膜化を行った後に不活性ガス雰囲気下で高温熱処理を行うことによってシリコン酸化膜（埋め込み酸化膜（ＢＯＸ））の厚さを低減する方法が用いられることがあった（特許文献２参照）。

特開平５−８２４０４号公報 特開２００４−２２１１９８号公報

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、シリコン単結晶からなるボンドウェーハを、直接あるいは１００ｎｍ以下と極めて薄いシリコン酸化膜を介してベースウェーハと貼り合わせる際に、貼り合わせウェーハの薄膜や貼り合わせ界面に発生する欠陥を防止することができる貼り合わせウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、シリコン単結晶からなる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種類のガスイオンをイオン注入して前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいはシリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行うことによって前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離させて貼り合わせウェーハを製造する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記イオン注入層形成後、前記貼り合わせの前に、前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面に対してプラズマ処理を施し、かつ前記剥離熱処理は、炉内温度が４７５℃未満の一定温度に設定された熱処理炉内に貼り合わせたウェーハを昇温工程なしで直接投入し、前記一定温度で熱処理するものとすることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。

本発明は貼り合わせ前のウェーハ表面にプラズマ処理を行うことと、昇温工程の無い４７５℃未満の一定温度での剥離熱処理を組み合わせることを主な特徴とする。
このように、ウェーハを直接あるいはシリコン酸化膜を介して貼り合わせる際に、貼り合わせ前のウェーハの少なくとも一方にプラズマ処理を行うことで、貼り合わせ強度を高める。更に、昇温工程のない一定温度での剥離熱処理を行うことによって、結合強度の急激な上昇とともにボイドの要因となる欠陥の成長を抑制（消滅）することができる。また剥離熱処理の際に、温度を４７５℃以上に設定するとかえってボイドが発生しやすくなるので、剥離熱処理温度を４７５℃未満にする。これによって貼り合わせ界面にボイドが発生することを抑制することができ、従って貼り合わせウェーハの薄膜や貼り合わせ界面に欠陥が発生することを抑制できる。

また、前記剥離熱処理の一定温度を、４００℃以上４５０℃以下とすることが好ましい。
剥離熱処理の温度が４００℃未満の場合、剥離を発生させるために数１０時間以上の長時間を必要としたり、イオン注入層に外力を加える必要が生じるため、効率が低下する。
また、４５０℃以下の温度範囲とすれば、ボイドの発生率が急激に増加することもないので、上限温度を４５０℃以下とすれば、確実にボイドの発生を抑制することができる。

また、前記一定温度で熱処理した後に前記熱処理炉から前記貼り合わせウェーハを取り出す際の温度を、前記剥離熱処理の際の温度と同一温度とすることが好ましい。
一定温度で熱処理した後は、貼り合わせたウェーハは既に剥離が生じており、熱処理炉から取り出す際の温度は特に限定されるものではない。しかし、剥離熱処理の温度と同一温度とすれば、降温工程を省略することができるので効率的であり、製造コストを低減させることができる。

また、前記シリコン酸化膜の厚さを、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
上述のように本発明の貼り合わせウェーハの製造方法によれば、貼り合わせウェーハの薄膜側に欠陥が発生することを抑制でき、シリコン酸化膜の厚さが１００ｎｍ以下と薄い場合にも、貼り合わせ界面にボイドやブリスターが発生することを抑制することができる。

以上説明したように、昇温工程を有する従来行われていたような剥離熱処理の場合、昇温中に結合強度が高まるが、その間にボイドの要因となる界面の欠陥の成長も同時に生ずるため、ボイドの低減には繋がらない。しかし、本発明のように、貼り合わせ面へのプラズマ活性化処理に加えて昇温工程のない一定温度での剥離熱処理を行うことによって、結合強度の急激な上昇とともにボイドの要因となる欠陥の成長を抑制（消滅）する様に作用するため、これによって貼り合わせ界面のボイドやブリスターを十分に低減することができる。
また剥離熱処理時の一定温度を４７５℃未満にすることによって、ウェーハを熱処理炉に投入する際の温度が高くなることによってウェーハ面内の温度分布が大きくなることを抑制し、剥離が面内で段階的に生ずることを抑制することができる。
そしてこれらの効果によって貼り合わせウェーハの薄膜や貼り合わせ界面に欠陥が発生することを抑制することができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、シリコン単結晶からなるボンドウェーハを、直接あるいは１００ｎｍ以下と極めて薄いシリコン酸化膜を介してベースウェーハと貼り合わせる際に、貼り合わせウェーハの薄膜および貼り合わせ界面に発生する欠陥を防止することができる貼り合わせウェーハの製造方法の開発が待たれていた。

通常、イオン注入剥離法で剥離熱処理を行う際には、例えば特開２００３−３４７５２６号等に記載されている様に、３５０℃程度の低温に保持された熱処理炉に貼り合わせたウェーハを投入し、５００℃以上の温度に昇温して所定時間保持する方法が行われる。
そして貼り合わせ前のウェーハの少なくとも一方をプラズマ処理することで貼り合わせ強度を高めた場合でも、シリコン単結晶ウェーハを直接あるいは１００ｎｍ以下のシリコン酸化膜を介して貼り合わせる場合には、このような昇温工程を行う熱処理を行うとボイドやブリスターを十分に低減することはできない。

そこで、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、貼り合わせ前のウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理を行って貼り合わせ強度を増加させ、かつ貼り合わせたウェーハの投入温度とアニール温度が同一の剥離熱処理を行い、且つその温度を４７５℃以下とすることによって、結合強度の急激な上昇とともにボイドの要因となる欠陥の成長を抑制（消滅）できることを発見し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の工程の一例を示したフロー図である。

まず、図１の工程（ａ）では、ボンドウェーハ１０とベースウェーハ２０として例えば鏡面研磨されたシリコン単結晶ウェーハ２枚を用意する。
ここで図１ではボンドウェーハ１０にだけ予め絶縁膜として酸化膜１２が形成されているが、酸化膜１２はベースウェーハ２０にだけ形成されていてもよいし、両ウェーハに形成されていてもよい。また両ウェーハともに酸化膜が形成されていなく、直接貼り合わされる場合もある。これらは目的に応じて適宜選択される。
このとき形成させる酸化膜としては、例えば熱酸化膜、ＣＶＤ酸化膜等を形成させることができる。なお、それぞれのウェーハに形成される酸化膜は、裏面も含めたウェーハの全面に形成される他、貼り合わせ面のみに形成されていてもよい。

また、形成される酸化膜の厚さを１００ｎｍ以下とすることができる。
本発明の貼り合わせウェーハの製造方法は、貼り合わせ界面でのボイドやブリスターの発生を抑制することができるものであるため、貼り合わせ面のシリコン酸化膜の厚さが１００ｎｍ以下と薄く、欠陥が発生し易い場合であっても、貼り合わせウェーハの薄膜や貼り合わせ界面に欠陥が発生することを抑制することができ、好適である。

次に工程（ｂ）では、ボンドウェーハ１０の酸化膜１２の表面（貼り合わせ面１３）から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してウェーハ内部にイオン注入層１１を形成する。この際、注入エネルギー、注入線量、注入温度等その他のイオン注入条件は、所定の厚さの薄膜を得ることができるように適宜選択することができる。

工程（ｃ）では、ベースウェーハ２０の貼り合わせ面２３にプラズマ処理を施してプラズマ処理面とする。
ここで、ボンドウェーハ１０の酸化膜１２にだけプラズマ処理を施すこともできるし、両ウェーハにプラズマ処理を施すこともできる。酸化膜を介さずに直接貼り合わせる場合も、もちろんボンドウェーハとベースウェーハのどちらか一方の貼り合わせ面にだけプラズマ処理を施すことができるし、両ウェーハの貼り合わせ面に処理を施すこともできる。
このように、プラズマ処理を行うことで処理面はＯＨ基が増加するなどして活性化し、貼り合わせの際に、水素結合等によりウェーハ同士を強固に貼り合わせることができる。

工程（ｄ）では、ボンドウェーハ１０の貼り合わせ面１３とベースウェーハ２０の貼り合わせ面２３とを密着させて貼り合わせる。
このように、プラズマ処理を施した表面を貼り合わせ面として、例えば減圧又は常圧下、両ウェーハを密着させれば、高温処理等を施さなくても十分に強固に貼り合わせることができる。

工程（ｅ）では、ボンドウェーハ１０をイオン注入層１１にて剥離してベースウェーハ２０上に酸化膜１２を介して薄膜３１が形成された貼り合わせウェーハ３０を作製する。
このボンドウェーハの剥離は、熱処理で行う。
そしてこの熱処理は、貼り合わせたウェーハを、４７５℃未満の一定温度に炉内温度を設定した熱処理炉に昇温工程なしで直接投入して、当該一定温度で行うものとする。
熱処理時に炉内温度を昇温させてウェーハ温度を徐々に上昇させると昇温中に結合強度が増加するが、それとともに、貼り合わせ界面の欠陥も同時に成長するため、欠陥の低減を達成することができない。しかし、昇温工程なしで剥離熱処理温度まで貼り合わせたウェーハの温度を一気に上げることで、貼り合わせ界面の欠陥の成長を抑制するとともに結合強度を増加させることができる。
また、炉内温度を４７５℃以上とすると、温度が高いため、ウェーハ面内に温度分布が発生し、これによって剥離が段階的に起こってかえってボイドが発生しやすくなる。そこで炉内設定温度は４７５℃未満とする。炉内設定温度の下限は特に限定されないが、熱処理のみで剥離を発生させるためには、３５０℃より高い温度とすることが好ましい。

ここで、この剥離熱処理は、一定熱処理温度を４００℃以上４５０℃以下とすることができる。
熱処理温度が４００℃未満の場合、剥離するために数１０時間以上の熱処理が必要であったり、機械的外力をイオン注入層に加える必要があるため、効率が良くなく、安価に製造するために４００℃以上とすることが好ましい。
更に、４５０℃を超える場合、ボイドの発生確率が上昇することがあるため、４５０℃以下とすることが好ましく、この条件であれば、ボイドの発生を確実に抑制することができる。

そして、剥離熱処理後に、降温工程を行わずに、剥離熱処理時の温度のままで貼り合わせウェーハを熱処理炉から取り出すことができる。
剥離熱処理後に貼り合わせたウェーハを取り出す際の温度は任意で有り、特に限定されるものではないが、剥離熱処理時の温度と同じであれば、降温する必要が無く、熱処理工程を簡略化することができ、製造コストを削減することができる。

このように、本発明によれば、薄膜および貼り合わせ界面に欠陥がほとんど発生していない貼り合わせウェーハを製造することができる。

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、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
直径３００ｍｍのシリコン単結晶からなるボンドウェーハとベースウェーハを複数枚用意して、ボンドウェーハのみに厚さ２０ｎｍのシリコン酸化膜を９５０℃ドライ酸化により成長させた。
その後、ボンドウェーハの一方の表面にシリコン酸化膜を通して水素イオンを打ち込んだ。注入条件は５０ｋｅＶ、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２で行った。

そしてボンドウェーハと貼り合わせを行うベースウェーハに対して、窒素プラズマ処理（室温、ガス流量１１５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｔｏｒｒ（５３．３Ｐａ）、出力１００Ｗ、１５秒）を施した。その後ボンドウェーハとベースウェーハを洗浄し後、室温で貼り合わせを行った。

その後、剥離熱処理として４００℃、４５０℃に設定された熱処理炉内に貼り合わせウェーハを別個で直接投入（昇温工程なし）し、熱処理時間をそれぞれ６時間、３時間として熱処理を行い、ボンドウェーハを剥離した。熱処理炉からの取り出し温度は、熱処理温度と同一温度とした。
そして剥離後の貼り合わせＳＯＩウェーハのＳＯＩ表面（薄膜）の欠陥を目視により観察した。その結果を表１に示す。

（比較例１）
剥離熱処理温度を４７５℃、５００℃、５５０℃、６００℃とし、熱処理時間をそれぞれ１時間、３０分、３０分、３０分とした以外は、実施例１と同一条件でＳＯＩウェーハを作製し、同様にＳＯＩ表面（薄膜）の状態を目視により観察した。その結果も表１に示す。

実施例１の剥離後の貼り合わせＳＯＩウェーハのＳＯＩ表面の欠陥を目視により観察した結果、ボイドの発生率（１個以上ボイドが発生したＳＯＩウェーハ枚数／全ＳＯＩウェーハ枚数）は、４００℃は２０％、４５０℃は０％であった。
これに対して比較例１の貼り合わせウェーハは、すべてのＳＯＩウェーハ表面に欠陥が発生していた。そして、その欠陥を顕微鏡により観察するとボイドが連続して線状になっているのが観察され、またその発生数は熱処理温度が高いほど多かった。

（比較例２）
剥離熱処理として、昇温工程のある熱処理（３５０℃の熱処理炉に投入し、ウェーハが３５０℃に達するまで保持してから５℃／分の昇温工程を経て、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃の熱処理温度でそれぞれ６時間、３時間、３０分、３０分、３０分の熱処理時間）とした以外は、実施例１と同一条件でＳＯＩウェーハを作製し、ＳＯＩ表面を目視により観察した。

（比較例３）
剥離熱処理として、昇温工程のある熱処理（３５０℃の熱処理炉に投入し、直ちに５℃／分の昇温工程を経て、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃の熱処理温度でそれぞれ６時間、３時間、３０分、３０分、３０分の熱処理時間）とした以外は、実施例１と同一条件でＳＯＩウェーハを作製し、ＳＯＩ表面を目視により観察した。
比較例２、比較例３の結果を表２に示す。

表２に示したように、比較例２，３の貼り合わせウェーハは欠陥が発生したものが多く、剥離熱処理温度が４７５℃未満であっても、昇温工程がある場合はボイドやブリスターの発生を抑制できず、結果として貼り合わせウェーハの薄膜に欠陥が発生し易くなることが判った。

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。

本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の工程の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１０…ボンドウェーハ、 １１…イオン注入層、 １２…酸化膜、 １３、２３…貼り合わせ面 、２０…ベースウェーハ、 ３０…貼り合わせウェーハ、 ３１…薄膜。

Claims (2)

1. 少なくとも、シリコン単結晶からなる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種類のガスイオンをイオン注入して前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とシリコン単結晶からなるベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜を介して貼り合わせた後、剥離熱処理を行うことによって前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離させて貼り合わせウェーハを製造する貼り合わせウェーハの製造方法において、
   前記イオン注入層形成後、前記貼り合わせの前に、前記ボンドウェーハと前記ベースウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面に対してプラズマ処理を施し、
   かつ前記剥離熱処理は、炉内温度が４００℃以上４５０℃以下の一定温度に設定された熱処理炉内に貼り合わせたウェーハを昇温工程なしで直接投入し、前記一定温度で熱処理するものとし、
   前記シリコン酸化膜の厚さを、１００ｎｍ以下とすることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記一定温度で熱処理した後に前記熱処理炉から前記貼り合わせウェーハを取り出す際の温度を、前記剥離熱処理の際の温度と同一温度とすることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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