JP4817342B2 - Ｓｏｉタイプのウェハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合材料ウェハ、特に、シリコン・オン・インシュレータタイプのウェハの製造方法に関し、ａ）初期ドナー基板を用意するステップと、ｂ）初期ドナー基板上に絶縁層を形成するステップと、ｃ）初期ドナー基板内に所定の分割エリアを形成するステップと、ｄ）初期ドナー基板をハンドル基板に貼り付けるステップと、ｅ）所定の分割エリアでドナー基板を剥離することで、初期ドナー基板の層をハンドル基板上に転写して、複合材料ウェハを形成するステップと、を備える。さらに、本発明は、上述した方法により作製された複合材料ウェハ、特に、シリコン・オン・インシュレータタイプのウェハに関する。
複合材料ウェハ、特に、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）タイプのウェハは、最新の半導体デバイスにおいて、寸法の小型化に伴い、さらなる高速化を実現する重要な役割を担う半導体基板である。しかしながら、このような複合材料ウェハを作製するプロセスは、少なくとも２つの基本的な要求を満たす必要がある。第１に、層状構造のウェハ表面のほぼ全体にわたって、良好な結晶品質を確保する必要があり、第２に、過度なコストをかけずに作製を行う必要がある。
上述した要求を満たすための１つの方法は、ハンドル基板上にドナー基板からの層を転写する、いわゆるＳｍａｒｔ−Ｃｕｔ（商標）タイプの作製プロセスである。この方法は、２つの基板を接合し、初期ドナー基板内に予め形成された所定の分割エリアでドナー基板を剥離することによって達成される。所定の分割エリアは、ドナー基板に水素または希ガスイオンなどの原子種を注入することによって予め生成される。このアプローチの利点は、作製ランごとに層を転写するドナー基板が、数回にわたって再利用されることである。しかしながら、ランごとに、被転写層の結晶品質が低下してしまうことが明らかになった。その結果、この問題を解消するために、多くの対策が提案されてきた。
特願平１０−１１４１７６号では、ウェハの縁部にある表面の段差を除去するために、ドナー基板の研磨などの追加のプロセスステップが提案されている。この段差は、ハンドル基板に層を転写した後に現れる。そこで、ドナー基板の残部を後続する作製ランにおいて新しいドナー基板として再利用する前に、第２の仕上げ研磨ステップが実行される。あるいは、米国特許出願公開第２００３／０２９９５７号では、研磨前に、再生されるドナーウェハへの追加の熱処理ステップが提案されている。しかしながら、追加のプロセスステップによって結晶品質の向上が達成できたとしても、再利用の回数は依然として少なく十分ではなかった。
米国特許第６，２１１，０４１号では、ドナー基板の再利用について論じられてはいないものの、最初から、結晶欠陥の生成を抑制する酸素含有量の少ないシリコン基板を用意するアプローチが開示されている。しかしながら、他の２つの方法の場合と同様に、酸素含有量を低減したシリコン基板を作成するために、前もって特別なステップを追加する必要があり、さらに、ドナー基板の再利用可能な回数も少なく、満足できるものではなかった。
上述した問題と、この問題を解消するのに十分ではない公知の対策を鑑みて、本発明の目的は、使用済みドナー基板の再利用回数を増やすことができ、同時に、さらなる追加の処理ステップを必要とすることなく、良質の複合材料ウェハを作製可能な複合材料ウェハの製造方法を提供することである。
この目的は、請求項１の特徴による複合材料ウェハの製造方法によって達成される。驚くべきことに、ドナー基板の再利用可能回数に関する決め手となるステップは、初期ドナー基板上に絶縁層を形成するステップであることが判明した。すでに上述したように、複合材料ウェハの作製プロセスにおいて、妥当なコストで高度な構造を実現することが重要な要件である。したがって、一般に、熱処理による絶縁層の形成は、１０００℃を超える高温で行われており、これは、高温により、酸化速度が速まることで、高スループットが実現されるためである。温度を制限するものは、酸化速度が速すぎる場合にウェハの表面全体にわたって厚さおよび均一性を制御することが困難なことのみであった。したがって、熱処理の典型的な上限は約１１００℃に設定されていた。このような高温を選択することで、絶縁層は、約１５分〜１時間で形成されていた。以下、本発明によれば、熱処理は、９５０℃より低い低温、特に、９００℃未満、好ましくは、８５０℃未満で実行され、このような温度で実行することで、再利用ラン回数を増やしても被転写層の結晶品質が高い状態に保たれるだけでなく、本技術分野において提案されているようなさまざまな追加ステップは不要となる。本発明の方法を用いることで、Ｓｍａｒｔ−Ｃｕｔ技術に特有の、再生利用中に表面段差を除去する表面研磨ステップは十分であり得る。
この方法は、少なくとも３回、好ましくは、５回〜１０回繰り返されることが好ましく、初期ドナー基板の残部は、後続する製造ランにおいて初期ドナー基板として再利用される。製造ラン中に絶縁層を形成する熱処理ステップを重ねることよるランごとの結晶品質の低下が予期される。特に、酸化ステップを繰り返すと、酸素析出物および酸素原子核の形成が誘引されて、結晶品質に欠陥を生じる可能性があると考えられる。このように、第１の作製ラン中に、新しいドナー基板を使用して、被転写層の結晶品質にあまりに強い影響を及ぼすことなく、約１０００℃の通常の温度で絶縁層を達成するための熱処理ステップが実行されたとしても、これは後続するラン、特に第３のラン以降、に適用できる状態ではなく、公知の従来技術のプロセスにおいて、被転写層の結晶品質を十分に高い状態に保つために、ドナー基板の残部に特別な再処理を施すことが必要であった。したがって、作製プロセスが、少なくとも３回、特に５回〜１０回繰り返される場合、低温環境を適用することによって、ドナー基板の残部を修復する面倒なプロセスステップを追加することなく、結晶品質を高く保つことができる。
低温環境型により、それでも少なくとも３回は再利用可能な、結晶品質が低下したドナー基板を使用することが可能なため、新しい初期ドナーウェハの作製が容易になる。これは、低温の酸化プロセスによる結晶品質の低下の程度が低いためである。これは、大径ウェハ、特に、３００ｍｍ以上の直径を有するシリコンウェハにまさしく当てはまる。大径ウェハは、少なくとも３回のリサイクルステップの実現に必要な結晶品質を達成するのに、より複雑でコストがかかるためである。
好ましい実施形態によれば、被転写層の厚さは、１０００Å以下のものであり得る。典型的には、被転写層は、５００Å〜５０００Åの間、特に、２５００Å以下である。被転写層は、最終デバイス層を形成するために、転写された後に、１０００Å以下まで薄層化される。絶縁層を形成する熱処理プロセスから別の熱処理プロセスまでに、欠陥が成長していくことが認められた。これは、結果として、デバイス層の厚さに匹敵する欠陥サイズとなる。したがって、特に１０００Å未満の薄いデバイス層の場合には、被転写層が薄い場合においても、数回、好ましくは、５回〜１０回、ドナー基板を再利用できるように、絶縁層を形成する熱処理ステップの温度を十分に低くなるように慎重に選択することが重要となる。
異なる態様によれば、被転写層は、研磨やアニールなどの仕上げステップ後、例えば、３０００Å〜７０００Åの厚さを有する厚い層である。次いで、最終層は、エピタキシャル堆積によってさらに厚層化される。例えば、３０００Åの厚さを有する酸化シリコン全体にわたって、６０００Åの厚さを有するシリコンのデバイス層で形成された「厚い」ＳＯＩ基板を製造することが可能である。この場合、最終層にある欠陥が大きすぎると、積層欠陥のような欠陥が、さらに堆積されたエピタキシャル層に生じてしまうことがあるため、酸素析出物や析出物の原子核のような結晶欠陥を可能な限り小さく保つことも重要である。これらの欠陥はまた、仕上げステップ中に成長することもある。被転写層にある結晶欠陥を小さく保つことによって、さらに堆積された層は、これらの欠陥を被覆し埋め込み、最終デバイス層への悪影響を低減し得る。
好ましくは、最初の製造ランの前の新しい初期ドナー基板の格子間酸素濃度は、２５ｐｐｍａ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）未満、特に、１６ｐｐｍａ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）未満であり得る。初期酸素濃度を最低値に制限することで、欠陥の発生がさらに低減された。
初期ドナー基板およびその後のドナー基板の残部を用いた各製造ランにおいて、被転写層のＨＦ欠陥密度が、０．１欠陥／ｃｍ２未満、特に、０．０５欠陥／ｃｍ２未満になるように熱処理が実行され得ることが好ましい。複合材料ウェハを、被転写層上または被転写層内に自然形成された酸化物層をエッチング除去するＨＦ溶液に浸漬させた後には、ＨＦ欠陥が生じる。実際のところ、ＨＦは、被転写層の結晶欠陥で穴を形成する。穴は、そのサイズによって、被転写層を通って被転写層の下に埋め込まれた絶縁層まで延びることがある。これらのＨＦ欠陥は、複合材料ウェハの使用を制限するため、これらの濃度の制御は必須である。これらのＨＦ欠陥の許容レベルに応じて、絶縁層を形成する熱処理ステップは、例えば、０．１欠陥／ｃｍ２未満、またはさらに厳密には、０．０５欠陥／ｃｍ２未満の所望の欠陥密度が達成され得るように、対応する絶縁層成長温度を選択して制御することで適応される。
好ましい実施形態によれば、絶縁層は、より高い温度で製造ランごとに形成され得る。すでに上述したように、温度を高くするということには、成長速度が速まるという利点がある。驚くべきことに、欠陥サイズの成長速度がランごとに低下することが見いだされたため、スループットを上げたい場合には、ランごとに、もしくは少なくとも最後の１、２回のランの間、熱処理ステップの温度を上昇させることも可能になる。
好ましくは、初期ドナー基板は、シリコンウェハであり得、絶縁層は、二酸化シリコン層であり得る。この材料の選択では特に、最終製品の品質にとって、絶縁層を形成する熱処理ステップ中の温度の影響は非常に重要である。
絶縁層の厚さは、少なくとも１０００Åであることが好ましく、特に、約１４５０Åであり得る。絶縁層形成プロセスステップ中に温度を低減させて結晶品質を制御できるため、厚い絶縁層を設けて、同じドナー基板を用いて３回、５回、または１０回のランの後でも、被転写層の結晶品質を適切なレベルに保つことが可能である。
本発明は、さらに、複合材料ウェハに関する。基本的な作製プロセスは、ＨＦ欠陥に対して制御され得るため、０．１欠陥／ｃｍ２未満、特に、０．０５欠陥／ｃｍ２未満のＨＦ欠陥密度の再生されたドナー基板から複合材料ウェハを提供することが可能となる。
本発明はまた、上述したような方法を実行する際に達成される再利用ドナー基板に関する。
本発明の特定の実施形態は、添付の図面を参照しながら、本明細書の記載から明らかになる。
複合材料ウェハを製造するための本発明の方法の１つの実施形態を示す。 比較例と比べた、本発明の方法により製造された複合材料ウェハの実施試料の表面のＨＦ欠陥マップを示す。
図１は、複合材料ウェハを製造するための本発明の方法の１つの実施形態を示す。以下、この方法は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）タイプの複合材料ウェハに関して記載される。しかしながら、この材料選択は、実現可能な１つの可能性を表すものであって、本発明の方法は、他のタイプの複合材料ウェハにも適用可能である。
本発明の方法のステップＩは、請求項１のステップａ）のとおりに、初期ドナー基板１、本実施形態におけるシリコンウェハ、を設けるものである。ステップＩＩは、請求項１のステップｂ）のとおりに、シリコンウェハ１上に絶縁層３を形成するステップを示している。この実施形態によれば、絶縁層３は、酸化条件下で熱処理によって形成される二酸化シリコン層（ＳｉＯ２）である。
請求項１のステップｃ）に対応するステップＩＩＩでは、原子種５、特に水素またはヘリウムなどの希ガスイオンが、所定の線量およびエネルギ条件下で絶縁層３を通って注入され、ドナー基板１内に所定の分割エリア７を生成する。図から分かるように、この所定の分割エリアは、基板１の主面８に原則的に平行である。最終的に、ある種を用いた注入は別の種の第２の注入と同時に起こり、この場合、第１の種はヘリウムであり、第２の種は水素であってもよい。
ステップＩＶは、ハンドル基板９、例えば、シリコンウェハを設けるものである。
請求項１のステップｄ）に対応する、続くステップＶにおいて、絶縁層３を有するドナー基板１は、ハンドル基板９に接合される。接合は、絶縁層３がドナー基板１とハンドル基板９との間に挟まれるようにして行われる。
次いで、剥離処理が実行され、その間に、シリコン・オン・インシュレータウェハ１１が作製されるように、所定の分割エリア７で剥離が生じる。剥離処理は、熱処理であることが好ましく、この熱処理により、剥離が生じる。ステップＶＩは、ハンドル基板と、絶縁層３と、ドナー基板１から得られた被転写層１３と、を備えるシリコン・オン・インシュレータウェハ１１を示している。次いで、ステップＶＩＩに示すドナー基板１の残部１５は、ステップＩにおいて新しいドナー基板１として再利用可能である。再利用する前に、ドナー基板１の残部１５は、従来技術において公知のような研磨および／または洗浄ステップを通常有する一定数のリサイクルステップを受ける。
転写が終わると、被転写層１３は、最終的な所望の厚さまで厚さを低減し、表面粗さを改善するように処理され得る。このような仕上げ動作は、例えば、アニールステップを備える。
従来技術では、許容可能なレベルで酸素析出物を排除または低減する多数のステップを追加することなく、ドナー基板を再利用することができなかった。厚さが欠陥サイズより大きい厚みのあるデバイス層を製造するために再利用するのは可能であったが、再利用回数も２〜３回に限られており、さらには、最終ＳＯＩ製品、特に、直径が大きなウェハ、特に、３００ｍｍ以上の直径を有するウェハに非常に多くの欠陥が認められた。これは、少なくとも３回、ドナーウェハをリサイクルできるのに十分な結晶品質を獲得するのは、困難であり、コストもかかるためである。
驚くべきことに、上述した状況を改善することに関して決め手となるステップは、ステップＩＩ、すなわち、ドナー基板１上、全体にわたって絶縁層３を形成するステップであることが見いだされた。ＳＯＩウェハ製造のスループットを満足できる高レベルに維持し、絶縁層３を十分に厚くできるように、絶縁層３を形成する熱処理ステップは、１０００℃付近、またはそれよりも高い温度で実行されていた。しかし、本発明によれば、このステップは、９５０℃未満の低温、特に、９００℃未満、好ましくは、８５０℃以下で実行され、その結果、従来の方法と比較した場合、ＨＦ欠陥の減少が認められたが、層形成時間が延長するという負の作用が生じた。自然に成長した二酸化シリコン層をエッチング除去し、酸素析出物の位置に穴を生じるＨＦ溶液中にＳＯＩウェハ１１を浸漬すると、ＨＦ欠陥が生じる。しかし、１つのドナー基板１は、少なくとも３回、特に、５回〜１０回、再利用できる。さらに、従来技術のように、さらなる酸素析出物の低減または削除ステップが不要である。このことにより、層形成時間が長くなるという負の作用が打ち消される。
本発明を達成することにより、すなわち、ＨＦ欠陥を生じ得る酸素析出物の負の作用を制限するように、複合材料ウェハの製造プロセスが実行可能になることにより、厚さを低減させた被転写層１３を設けることができるというさらなる利点がもたらされる。特に、薄層化後、３回、５回、さらには１０回、再利用されたドナー基板１からでも、１０００ｎｍ未満の厚さのデバイス層が得られる被転写層１３を用意することができるようになる。同じ理由から、ＳＯＩウェハ１１を使用できなくする被転写層内の無数の欠陥を生じさせることなく、厚い絶縁層３を設けることも可能である。特に、少なくとも１０００Åの厚さ、特に、約１４５０Åの厚さを有する絶縁層３が成長され得る。
本発明による上述した実施形態において、絶縁層３を形成する熱処理ステップは、各ランにおいて同じ温度で実行されることが好ましい。しかしながら、異なる態様によれば、ランごとに酸素析出物サイズの成長速度が低下することが認められたため、特に、ランごとに温度を上昇させるように、各製造ランの間に温度を適応させることも可能である。
上述した本発明の方法を用いて、多数のＳＯＩウェハの実施試料を用意し、これらのウェハのＨＦ欠陥密度を、従来技術のプロセスにより作製されたウェハ（比較試料）と比較した。図２に、この比較結果を示す。
本発明による実施試料は、１６ｐｐｍａ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）の格子間酸素濃度でドナーウェハを用いて作製され、１４５０Åの厚さの二酸化シリコン層を形成するために、８５０℃で酸化した。約１０１６〜５×１０１６原子／ｃｍ２の線量で、約１０〜１００ｋｅＶのエネルギで、水素またはヘリウムと水素との混合物で、イオン注入が実行された。次いで、シリコンドナーウェハは、ハンドル基板に接合され、約２時間、約５００℃の温度まで加熱されて、注入された水素またはヘリウム種によって形成された所定の分割エリアでドナーとハンドルの複合体を分割した。
注入エネルギに応じて、被転写層１３の厚さは、約１０００Å〜３０００Åであった。引き続き、ドナー基板１５の残部を研磨して、Ｓｍａｒｔ−Ｃｕｔタイププロセスに特有の縁部の段差を除去して表面を平坦化した。
次いで、上述したステップを６回繰り返し、その結果得られるＳＯＩウェハ、つまり７回目のＳＯＩウェハ１１に薄層化プロセスを施して、６５０Åの厚さの被転写層１３を得た。５００Å厚さの被転写層１３を有する第２の実施試料が同様の方法で用意され、かつ、被転写層が４００Å厚さに薄層化された第３の実施試料が同様の方法で用意された。
その後、それら３つの実施試料に対してＨＦ欠陥の測定を行った。
比較試料は、二酸化シリコン層の形成プロセスを１０００℃で実行したこと以外は同じ方法で作製された。
図２は、ＨＦ処理の後に得られた結果を示す。図２は、被転写層の表面を示し、図から分かるように、低温（８５０℃）で酸素層が形成されたＳＯＩウェハのＨＦ欠陥に関して明確な改善が見られる。
最終デバイス層が非常に薄い場合でも、本発明の方法により、ドナー基板を繰り返し使用することができ、詳しくは、少なくとも３回、より詳しくは、５回〜１０回、ドナー基板を使用することができる。また、再利用回数は、再利用されたドナー基板の残部の厚さに制限されるだけではなく、ドナー基板の機械的安定性を確保できるほど十分なものでなければならないことは言うまでもない。

Claims (6)

  1. シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）タイプのウェハの製造方法であって、
    ａ）シリコンの初期ドナー基板（１）を用意するステップと、
    ｂ）前記初期ドナー基板（１）上に二酸化シリコンの絶縁層（３）を形成するステップと、
    ｃ）前記初期ドナー基板（１）に所定の分割エリアを形成するステップと、
    ｄ）前記初期ドナー基板をハンドル基板（９）に貼り付けるステップと、
    ｅ）前記所定の分割エリア（７）で前記ドナー基板（１）を剥離することで、前記初期ドナー基板（１）の層（１３）を被転写層として前記ハンドル基板（９）上に転写して、ＳＯＩウェハを形成するステップと、
    を備え、
    当該製造方法が、少なくとも３回繰り返され、
    前記初期ドナー基板（１）の残部（１５）が、後続する製造ランにおいて初期ドナー基板（１）として再利用される、方法において、
    前記絶縁層（３）が、９００℃未満の温度で実行される熱酸化処理によって形成され、
    前記絶縁層（３）の厚さが、少なくとも１０００Åであることを特徴とするＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
  2. 前記被転写層（１３）の厚さが、１０００Å以下である、請求項１に記載のＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
  3. 前記被転写層を研磨およびアニールするステップをさらに備え、このステップの後に、前記被転写層が、エピタキシャル堆積により、６０００Åの層の厚さを達成するように、さらに厚層化される、請求項１または２に記載のＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
  4. 第１の製造ランの前の新しい初期ドナー基板（１）の格子間酸素濃度が、２５ｐｐｍａ（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）未満である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
  5. 前記初期ドナー基板（１）、および、後続する残部（１５）を用いた各製造ランにおいて、前記被転写層のＨＦ欠陥密度が、０．１欠陥／ｃｍ２未満であるように前記熱酸化処理が実行される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
  6. 製造ランごとに、前記絶縁層（３）がより高い温度で形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＳＯＩタイプのウェハの製造方法。
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