JP4577382B2 - 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。特に剥離熱処理後の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がある。この欠陥は剥離熱処理を含めたその前の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。特に埋め込み絶縁膜（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。これらの欠陥をより少なくし、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打つ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。その標準的なプロセスとして、プラズマ活性化＋水洗浄＋貼り合わせが推奨されている。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。

特開平５−８２４０４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、直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせる際に、貼り合わせ面のパーティクルを低減し、かつ強固に貼り合わせることにより、貼り合わせウェーハの薄膜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。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、ボンドウェーハの表面から水素イオン、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絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させて貼り合わせウェーハを作製する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記ボンドウェーハとベースウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面にプラズマ処理を施すことによって酸化膜を成長させて、該成長させた酸化膜をエッチングする処理を行った後に他方のウェーハと貼り合わせ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。

このような貼り合わせウェーハの製造方法であれば、プラズマ処理によって特にパーティクルが付着しやすく、付着したパーティクルが除去されにくくなっている貼り合わせ面の酸化膜表面を、付着したパーティクルと、そのパーティクルの影響のある部分までエッチング除去できる。これにより、極めてパーティクルの少ない貼り合わせ面にすることができ、さらには強固な貼り合わせができるため、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を極めて少なくすることができる。

このとき、前記酸化膜をエッチングする処理を、ＳＣ１溶液及びＳＣ２溶液に浸漬させることにより行うことが好ましい。
このように、本発明の製造方法でのエッチング処理は、プラズマ処理により成長させた酸化膜表面をわずかにエッチングするだけでも欠陥が大幅に減少するため、エッチング速度の比較的遅いＳＣ１溶液（ＮＨ_４ＯＨとＨ_２Ｏ_２の水溶液）及びＳＣ２溶液（ＨＣｌとＨ_２Ｏ_２の水溶液）であっても十分にパーティクルの低減ができ、さらにはエッチング量を調整しやすく、酸化膜表面全体を均一にエッチングすることが容易である。

また、前記ベースウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理を施すことによって酸化膜を成長させて、該成長させた酸化膜をエッチングする処理を行った後に前記ボンドウェーハと貼り合わせることが好ましい。
このように、ベースウェーハの貼り合わせ面に、本発明のプラズマ処理とエッチング処理を施すことによって、貼り合わせ界面に生じる欠陥をより少なくすることができ、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を効果的に防止することができる。

このとき、前記ベースウェーハの貼り合わせ面に成長させた酸化膜をエッチングする処理において、前記酸化膜の膜厚を０．３ｎｍ以上２ｎｍ未満エッチングすることが好ましい。
このように、エッチングする酸化膜の膜厚を上記範囲でエッチングすることにより、貼り合わせ界面の欠陥の発生がより低減され、作製された貼り合わせウェーハの薄膜の欠陥を極めて少なくできる。

また、前記ボンドウェーハの表面にだけ、予め絶縁膜を形成させることが好ましい。
本発明の製造方法を適用する際、ボンドウェーハの表面に絶縁膜を形成させ、その絶縁膜を通してイオン注入を行い、絶縁膜を形成されていないベースウェーハと貼り合わせる場合に、作製される貼り合わせウェーハの薄膜を特に欠陥が少ないものにすることができる。

また、前記プラズマ処理を、酸素プラズマ又は窒素プラズマで行うことができる。
本発明の製造方法では、これらの中から適宜選択することができ、窒素プラズマを用いた場合でも酸化膜を形成することができる。

以上のように、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法によれば、プラズマ処理面に付着したパーティクルをプラズマ処理により成長させた酸化膜と共にエッチング除去することができるため、パーティクルの極めて少ない貼り合わせ面にすることができる。これにより、プラズマ処理による強固な貼り合わせができ、さらに欠陥がほとんどない貼り合わせ界面にすることができるため、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を効果的に低減することができる。また、本発明の製造方法であれば、直接接合ウェーハやＳＯＩウェーハのどちらにも適用可能であるため、多種の貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を低減することができる。

貼り合わせウェーハの製造の際に薄膜の表面やベースウェーハと薄膜の界面に欠陥が発生し、特に埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ）が薄いＳＯＩウェーハや直接接合ウェーハを作製する場合には、欠陥が多いという問題があった。
発明者らは、これらの欠陥について鋭意調査を行った結果、プラズマ処理により貼り合わせ面に酸化膜を成長させ、その酸化膜をエッチングして減厚した後貼り合わせることで、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を極めて少なくすることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法について、実施態様の一例として、図１を参照しながら、イオン注入剥離法により貼り合わせウエーハを製造する場合について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
尚、図１は本発明の貼り合わせウェーハの製造方法の実施態様の一例を示すフロー図である。

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。
このとき、図１に示すように、ボンドウェーハ１０にだけ予め絶縁膜１２が形成されているが、絶縁膜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く、また両ウェーハともに形成されていなくてもよい。このように、本発明の製造方法であれば、絶縁膜を介して貼り合わせても、直接貼り合わせても欠陥が低減されるが、ボンドウェーハの表面にだけ絶縁膜が形成されている場合が、最も貼り合わせウェーハの薄膜の欠陥が低減される。このような場合に特に欠陥が少なくなる原因は正確には不明であるが、両ウェーハの貼り合わせ面に存在するＯＨ基や水分の濃度が関係しているものと推定される。
このとき形成させる絶縁膜としては、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絶縁膜は、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。

次に工程（ｂ）では、ボンドウェーハ１０の絶縁膜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を、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２２にプラズマ処理を施して酸化膜２１を成長させる。
このとき、ボンドウェーハ１０の絶縁膜１２にだけプラズマ処理を施して酸化膜を成長させることもできるし、両ウェーハにプラズマ処理を施して酸化膜を成長させることもできる。尚、ベースウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理を施して酸化膜を成長させて後の工程（ｄ）でその酸化膜をエッチングする場合が、作製された貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥をより低減することができる。このような場合に特に欠陥が少なくなる理由は不明であるが、両ウェーハの貼り合わせ面に存在するＯＨ基や水分の濃度が関係しているものと推定される。

このとき貼り合わせ面をプラズマにさらすプラズマ処理としては、ウェーハ表面に酸化膜を成長させることができるものであればよく、特に限定されないが、例えば酸素プラズマ又は窒素プラズマで行うことができる。窒素プラズマでも、チャンバー内の残留酸素により酸化膜を成長させることができる。
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、ベースウェーハ２０の貼り合わせ面２２に成長させた酸化膜２１をエッチングする処理を行う。
このように、成長させた酸化膜をエッチングすることで、パーティクルを除去しにくいプラズマ処理面の表面を、パーティクルの影響がある部分までエッチング除去でき、貼り合わせ界面の欠陥を防止することができるため、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を低減することができる。
また、ベースウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理して成長させた酸化膜をエッチング処理する場合には、酸化膜の膜厚を０．３ｎｍ以上２ｎｍ未満エッチングすることが好ましい。例えば、０．１ｎｍエッチングするだけでも酸化膜表面がエッチング除去されれば、本発明の効果は発揮できるが、上記範囲の膜厚をエッチング除去することで、作製される貼り合わせウェーハの薄膜の欠陥をより確実に少なくできる。

エッチングする方法としては、特に限定されないが、例えばＳＣ１溶液及びＳＣ２溶液に浸漬させることにより行うことが好ましい。プラズマ処理により成長させた酸化膜をわずかにエッチングするだけでも欠陥の低減された貼り合わせ界面にすることができるため、エッチング速度が比較的遅い上記溶液であれば、エッチング量の調整が容易であり、酸化膜表面を均一にエッチングすることができ、より良好な貼り合わせ面にすることができる。

工程（ｅ）では、ボンドウェーハ１０の絶縁膜１２とベースウェーハ２０の酸化膜２１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（ｆ）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上に絶縁膜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、熱処理又は機械的な外力を加えることによって行うことができる。熱処理により剥離する方法としては、例えば不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによってボンドウェーハがイオン注入層にて剥離される。

こうして、本発明によれば、強固な貼り合わせと、貼り合わせ界面にパーティクルのない貼り合わせを同時に達成することができるため、作製される貼り合わせウェーハの薄膜に生じる欠陥を極めて少なくすることができる。

以下、本発明を実施例、比較例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。

（実施例１）
鏡面研磨された直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハを２枚用意してボンドウェーハとベースウェーハとし、ボンドウェーハの表面には膜厚２０ｎｍの熱酸化膜を絶縁膜として形成した。次に、ボンドウェーハの熱酸化膜を通して水素イオンを５０ｋｅＶ、６×１０^１６／ｃｍ^２の条件で注入してイオン注入層を形成した。

次に、ボンドウェーハの酸化膜表面、及び、ベースウェーハのシリコン単結晶表面（自然酸化膜が約１ｎｍ形成されている）に窒素プラズマ処理（室温、ガス流量１１５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｔｏｒｒ（５３．３Ｐａ）、出力１００Ｗ、１５秒）を施した。その結果、ボンドウェーハの酸化膜の膜厚は２１ｎｍ、ベースウェーハの酸化膜の膜厚は４ｎｍになった。

次に、プラズマ処理後のウェーハをＳＣ１洗浄液及びＳＣ２洗浄液に浸漬し、液温と浸漬時間を調整することによって、ボンドウェーハの酸化膜を膜厚２ｎｍエッチングし、ベースウェーハの酸化膜を膜厚１．２ｎｍエッチングした。
酸化膜のエッチング処理を行った後の両ウェーハのプラズマ処理面同士を室温で貼り合わせたのち、５００℃、３０分の剥離熱処理を加えることによって、ボンドウェーハを水素イオン注入層で剥離することにより、ベースウェーハ上にシリコン酸化膜を介してシリコン薄膜が形成された貼り合わせウェーハを作製した。その貼り合わせウェーハのシリコン薄膜を観察し、発生した欠陥（ボイド、ブリスター）の数を目視によりカウントしたところ、良好な結果が得られた。測定結果を表１に示す。

（実施例２−５、比較例１−４）
実施例１と同様のボンドウェーハ（熱酸化膜２０ｎｍ付き、水素イオン注入あり）とベースウェーハ（自然酸化膜１ｎｍ付き）を用意し、実施例１と同一条件の窒素プラズマ処理と酸化膜エッチング処理を、表１に記載された様な組み合わせで実施あるいは実施しないこととし、実施例１と同様に貼り合わせウェーハのシリコン薄膜に発生した欠陥数を測定した。測定結果を表１に示す。

比較例１−４の貼り合わせウェーハは、本発明のプラズマ処理を行うことによってシリコン酸化膜を成長させ、成長したシリコン酸化膜をエッチングして減厚する処理を、いずれのウェーハの貼り合わせ面に対しても行っていない条件で作製されており、表１に示すように、この条件ではシリコン薄膜に欠陥が多発している。
これに対し実施例１−５の貼り合わせウェーハは、本発明のプラズマ処理を行うことによってシリコン酸化膜を成長させ、成長したシリコン酸化膜をエッチングして減厚する処理を、少なくとも一方の貼り合わせ面に対して行った条件で作製されており、この条件ではシリコン薄膜の欠陥は明確に抑制されていることがわかる。

特に、熱酸化膜（絶縁膜）を形成したボンドウェーハの貼り合わせ面にはプラズマ処理を行わず、熱酸化膜（絶縁膜）のないベースウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理＋エッチング処理を行った場合（実施例５）は、極端に欠陥の発生が抑制された。また、実施例１のように、一方のウェーハのみに熱酸化膜（絶縁膜）を形成し、両ウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理＋エッチング処理を行った場合も実施例５に次いで良好な結果となっている。
このように貼り合わせ面の条件によって欠陥の発生数が異なる原因については明らかではないが、各貼り合わせ面の表面に存在するＯＨ基や水分の濃度が関係しているものと推定される。

（実施例６）
鏡面研磨された直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハを２枚用意してボンドウェーハとベースウェーハとし、ボンドウェーハ及びベースウェーハの表面に２０ｎｍの熱酸化膜を絶縁膜として形成した。次に、ボンドウェーハの熱酸化膜を通して水素イオンを５０ｋｅＶ、６×１０^１６／ｃｍ^２の条件で注入してイオン注入層を形成した。

次に、両ウェーハの酸化膜の表面に実施例１と同一条件で窒素プラズマ処理を行い、プラズマ処理後の両ウェーハをＳＣ１洗浄液及びＳＣ２洗浄液に浸漬し、液温と浸漬時間を調整することによって酸化膜を膜厚２ｎｍエッチングした。
酸化膜エッチング処理後、実施例１と同一条件で貼り合わせウェーハを作製し、その貼り合わせウェーハのシリコン薄膜を観察し、発生した欠陥の数をカウントしたところ、良好な結果が得られた。測定結果を表２に示す。

（比較例５）
プラズマ処理後の両ウェーハの酸化膜エッチング処理を行わなかったこと以外は、実施例６と同一条件で貼り合わせウェーハを作製し、発生した欠陥の数をカウントしたところ、欠陥が多発していることがわかった。測定結果を表２に示す。

（実施例７）
鏡面研磨された直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハを２枚用意してボンドウェーハとベースウェーハとし、ボンドウェーハに水素イオンを５０ｋｅＶ、６×１０^１６／ｃｍ^２の条件で注入してイオン注入層を形成した。
そして、両ウェーハの一方の表面（自然酸化膜１ｎｍ付き）に実施例１と同一条件で窒素プラズマ処理を行って酸化膜厚を４ｎｍまで成長させ、プラズマ処理後の両ウェーハをＳＣ１洗浄液及びＳＣ２洗浄液に浸漬し、液温と浸漬時間を調整することによって酸化膜を膜厚２ｎｍエッチングした。
酸化膜エッチング処理後、実施例１と同一条件で貼り合わせウェーハを作製し、その貼り合わせウェーハのシリコン薄膜を観察し、発生した欠陥の数をカウントしたところ、良好な結果が得られた。測定結果を表３に示す。

（比較例６）
プラズマ処理後の両ウェーハの酸化膜エッチング処理を行わなかったこと以外は、実施例７と同一条件で貼り合わせウェーハを作製し、発生した欠陥の数をカウントしたところ、欠陥が多発していることがわかった。測定結果を表３に示す。

（確認実験１：酸素プラズマに変更）
プラズマ処理を酸素プラズマ（室温、ガス流量１１５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｔｏｒｒ（５３．３Ｐａ）、出力１００Ｗ、１５秒）に変えた以外は、実施例１−７及び比較例１−６と同一条件で貼り合わせウェーハを作製し、発生した欠陥の数をカウントして比較した。その結果、実施例１−７及び比較例１−６の結果と同様の傾向が確認された。すなわち、プラズマ処理を行うことによってシリコン酸化膜を成長させ、成長させたシリコン酸化膜をエッチングする処理を、いずれのウェーハの貼り合わせ面に対しても行っていない条件で作製した貼り合わせウェーハのシリコン薄膜には欠陥が多発しており、プラズマ処理を行うことによってシリコン酸化膜を成長させ、成長したシリコン酸化膜をエッチングする処理を、少なくとも一方の貼り合わせ面に対して行った条件で作製した貼り合わせウェーハのシリコン薄膜の欠陥は、前者に比べて１桁以上抑制されていた。

（確認実験２：エッチング量の影響）
実施例１−７において最も欠陥の発生が抑制された実施例５のボンドウェーハ（熱酸化膜２０ｎｍ付き）とベースウェーハ（熱酸化膜なし、自然酸化膜１ｎｍ）の組み合わせを用い、プラズマ処理により形成された酸化膜のエッチング量（減厚量）と欠陥の発生との関係を調査した。この際、ベースウェーハのみに行うプラズマ処理を酸素プラズマで行い、プラズマ処理時間を変化させることによってプラズマ処理後の酸化膜厚を４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍの３条件とし、プラズマ処理後のＳＣ１洗浄液及びＳＣ２洗浄液への液温と浸漬時間を調整することによって、酸化膜のエッチング量（減厚量）を０．３ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍの４条件、及び、エッチング処理なし（エッチング量０ｎｍ）の計５条件で、貼り合わせウェーハを作製し、シリコン薄膜に発生した欠陥を目視によりカウントした。測定結果を表４に示す。

表４に示すように、ベースウェーハにプラズマ処理を行っても、成長した酸化膜のエッチング処理を行わないと比較例３と同様に、欠陥の発生はあまり抑制されない。それに対して、わずか０．３ｎｍエッチングするだけで、欠陥を大幅に低減することができる。一方、エッチング量が２ｎｍ以上になると欠陥の抑制効果が衰えてくることが判明した。従って、エッチング量は０．１ｎｍ以上３ｎｍ未満とすることが好ましく、０．３ｎｍ以上２ｎｍ未満がより好ましい。

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…絶縁膜、
１３、２２…貼り合わせ面 、２０…ベースウェーハ、 ２１…酸化膜、
３０…貼り合わせウェーハ、 ３１…薄膜。

Claims (4)

1. 少なくとも、ボンドウェーハの表面から水素イオン、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絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させて貼り合わせウェーハを作製する貼り合わせウェーハの製造方法において、
   前記ベースウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理を施すことによって酸化膜を成長させて、該成長させた酸化膜の膜厚を０．３ｎｍ以上２ｎｍ未満エッチングする処理を行った後に前記ボンドウェーハと貼り合わせることを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記酸化膜をエッチングする処理を、ＳＣ１溶液及びＳＣ２溶液に浸漬させることにより行う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。
3. 前記ボンドウェーハの表面にだけ、予め絶縁膜を形成させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記プラズマ処理を、酸素プラズマ又は窒素プラズマで行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

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