JP5055671B2

JP5055671B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法

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Publication number: JP5055671B2
Application number: JP2001225444A
Authority: JP
Inventors: 勝篠宮
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JP2003037253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエーハに二酸化ケイ素膜（以下酸化膜と呼ぶ）を形成し、該酸化膜を介して他のウェーハを貼り合わせたＳＯＩ基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の製造方法として、ＳＯＳ法（ＳｉＯｎＳａｐｐｈｉｒｅ）、ＺＭＲ法（ＺｏｎｅＭｅｌｔｉｎｇＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）、ＳＩＭＯＸ法（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）、貼り合わせ法等が開発されてきた。このうち貼り合わせ法は、デバイスに使用されるシリコン層（以下ＳＯＩ層と呼ぶ）の厚さ及び絶縁分離膜として使用される埋め込み用酸化膜の厚さを自在に制御できることから、適用されるデバイス分野が広く、ＭＯＳＬＳＩから高耐圧ＩＣまで実用的にも多く利用されている。
【０００３】
貼り合わせ法によるＳＯＩ基板の一般的な製造方法は、例えば三谷清による「シリコンの科学」（リアライズ社１９９６年大見忠弘、新田雄久監修）Ｐ４５９〜Ｐ４６６に示されおり、初期接着工程、アニール工程、薄膜工程の３工程からなる。
【０００４】
ここで、従来の貼り合わせ法によるＳＯＩ基板を製造する方法の一例を図１を参照しながら説明する。まず、工程（ａ）で酸化されていない支持基板となるウェーハ１（以下ベースウェーハと呼ぶ）を、また工程（ｂ）で埋め込み酸化膜となる酸化膜３を必要な厚さに形成したウェーハ２（以下ボンドウェーハと呼ぶ）を準備する。ここで、ボンドウエーハは、水蒸気酸化（パイロジェニック酸化）法により９００〜１１５０℃の温度範囲、最大０．５気圧程度の水蒸気分圧でシリコンウエーハに酸化膜３を所定膜厚まで成長させ、その後水蒸気酸化（パイロジェニック酸化）雰囲気から乾燥酸化雰囲気あるいは窒素雰囲気に切り換えて、３〜５℃／ｍｉｎの降温速度で６００〜８００℃まで冷却した後、熱処理炉から取り出して得られる。
【０００５】
次に工程（ｃ）において、ベースウエーハとボンドウエーハは酸化膜を介して貼り合わせられる。まず接着工程において、常温の清浄な雰囲気下で２枚のウエーハを酸化膜を介して接触させることにより、接着剤等を用いることなくウエーハ同士が接着して貼り合わせウエーハとなる。その後、貼り合わせ界面のはがれを防止するために貼り合わせたウエーハを通常は１１００℃で１〜２時間程度、酸素雰囲気下で結合アニールが行われる。それによって、ベースウエーハとボンドウエーハの結合強度が高められたウエーハを得ることができる。その後、薄膜工程（ｄ）において、得られたウエーハのボンドウェーハ側に研削・研磨を施すことによって、薄膜化及び平坦化が行われ、埋め込み酸化膜５の上に素子が形成されるＳＯＩ層４を有するＳＯＩ基板を製造することができる。
【０００６】
また、貼り合わせ法を使用した薄膜ＳＯＩ基板作製方法として、スマートカット（登録商標）法と呼ばれる技術がある。このスマートカット法は、初期接着工程前にボンドウェーハに軽元素のイオン注入を行い、また初期接着工程後に剥離熱処理を行って、ボンドウエーハを剥離することによってＳＯＩ層を得ることに特徴を有するが、これらの工程以外は上記貼り合わせ法とほぼ同様であり、剥離熱処理後には結合強度を高めるために結合アニールが行われる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の貼り合わせ法により作製されたＳＯＩ基板は、ボンドウェーハとベースウェーハ間にボイド（空隙：未結合部）あるいはそれより小さいサイズのマイクロボイド（直径約数μｍ〜数１０μｍ、あるいはそれ以下）が存在し、その大きさ、数によっては、ＳＯＩ構造を使用したデバイス作製において致命的な欠陥を招くことがあった。そのため、ボイドの大きさや数を制御し、ボイドが低減されたＳＯＩ基板を製造することが望まれている。また、デバイスの機械的信頼性を確保するために、ボンドウェーハとベースウェーハの結合強度を十分高めたＳＯＩ基板を製造することが望まれている。
【０００８】
また、従来の貼り合わせＳＯＩ基板の製造方法において、結合アニール温度の低温化が望まれている。一般に、結合アニールは１１００℃程度の温度で行われているが、結合アニール温度を低下させることによって、結合アニール中の熱処理炉からの重金属等の汚染の防止、ＳＯＩ層やベース基板中にスリップ転位等の新たな結晶欠陥発生の防止、ＳＯＩ層、基板及び埋め込み酸化膜中のドーパント濃度の変動と偏析を防ぐことができ、より高品質のＳＯＩ基板を製造することが可能となる。しかしながら、従来技術における結合アニール温度の低温化は、ボイド誘発の原因となり、またその結果結合強度の低下を招くことから１１００℃より低い温度で結合アニールを行うことは実質上困難であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、貼り合わせＳＯＩ基板における結合界面に存在するボイドを低減し、また十分に高い結合強度を有する高品質のＳＯＩ基板及びその製造方法を提供することにあり、特に１１００℃またはそれより低い温度で結合アニールを行っても、高品質のＳＯＩ基板を得ることが出来る方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、少なくとも、シリコンウエーハに熱酸化処理を行い表面に二酸化ケイ素膜を形成し、降温後取り出して得られたウエーハを他のウエーハと前記二酸化ケイ素膜を介して貼り合わせ、得られた貼り合わせウエーハに結合アニールを施すＳＯＩ基板の製造方法において、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法が提供される。
【００１１】
このように、ＳＯＩ基板を製造する際に、貼り合わせウエーハの酸化膜の粘度が２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下になる温度で結合アニールを行うことによって、ベースウエーハとボンドウエーハの貼り合わせ結合界面に存在するマイクロボイド等を低減でき、結合強度が高められたＳＯＩ基板を製造することができる。
【００１２】
この時、前記結合アニールを施す際、二酸化ケイ素膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍ（質量百万分率）を超える濃度、さらに好ましくは１００ｐｐｍ以上の濃度とすることが好ましい。
このように、酸化膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度、好ましくは１００ｐｐｍ以上の濃度とすることによって、比較的低温の結合アニール温度でも酸化膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下にすることができ、高品質のＳＯＩ基板の製造を行うことができる。
【００１３】
この場合、前記シリコンウエーハの熱酸化処理における降温工程、及び取り出し工程における全工程または一部工程を水蒸気酸化雰囲気下で行うことが好ましい。
【００１４】
シリコンウエーハの熱酸化処理において、高温での酸化膜形成工程だけではなく、その後の降温工程、及び取り出し工程における全工程または一部工程を水蒸気酸化雰囲気下で行うことによって、降温及び取り出し工程中の酸化膜中のＯＨの外方拡散を抑制することができる。それによって、酸化膜中のＯＨ濃度の低下を抑制し、その後行われる結合アニールにおいて、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とすることができる。
【００１５】
さらにこの時、シリコンウエーハの熱酸化処理における降温工程を６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で行うことが好ましい。
このように、降温工程において降温速度を６０℃／ｍｉｎ以上とすることによって、降温工程を短時間で行うことができ、それによって酸化膜中のＯＨの外方拡散が抑制され、熱酸化処理後に高いＯＨ濃度を維持した酸化膜を有するウエーハを得ることができる。
【００１６】
そして、このようにして得られた粘度の低い酸化膜を有するウエーハであれば、結合アニールを１１００℃未満の温度で行っても、従来の方法で得られたＳＯＩ基板に比べて同等あるいはより品質の優れたＳＯＩ基板を得ることができる。
【００１７】
この時、前記結合アニールを１気圧を超える高気圧雰囲気下で行うことが好ましい。
このように、結合アニールを施す際に１気圧を超える高気圧雰囲気下で行うことにより、埋め込み酸化膜中のＯＨの放出を防ぎ、結合界面のマイクロボイド等を低減させることができる。
【００１８】
そして、本発明によれば、ＳＯＩ基板の製造においてたとえ１１００℃以下の温度で結合アニールを行っても、ベースウエーハとボンドウエーハの結合強度が高く、また結合界面のマイクロボイドが低減されたＳＯＩ基板とすることができる。
【００１９】
また、本発明のＳＯＩ基板は、貼り合わせ法により製造されたＳＯＩ基板であって、埋め込み酸化膜が１１００℃において２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有することを特徴とするＳＯＩ基板である。
【００２０】
このように、埋め込み酸化膜が１１００℃において２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有するＳＯＩ基板は、結合アニールが施されることによって、結合界面のボイドが低減され、十分な結合強度を有するＳＯＩ基板とすることができる。
【００２１】
さらに、本発明のＳＯＩ基板は、貼り合わせ法により製造されたＳＯＩ基板であって、埋め込み酸化膜が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度を有することを特徴とするＳＯＩ基板である。
【００２２】
このように、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度を有することによって、１１００℃においても２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有する酸化膜とすることができ、また、ＳＯＩ基板を得るために結合アニールが１１００℃以下の温度で行われたとしても、結合界面に存在するマイクロボイドが増加することなく、十分な結合強度を有する高品質のＳＯＩ基板とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者等は、ベースウェーハとボンドウェーハの結合界面におけるマイクロボイドの低減、結合強度の向上、あるいは結合アニールの低温化を図る手段として、埋め込み酸化膜の性質の一つである粘度に注目し、結合アニール時に酸化膜粘度をある一定値以下に制御することが可能であれば結合界面のボイドを低減し、結合強度を高めることことができるとともに、結合アニールの温度を低下できることを見出し、鋭意調査及び研究を重ねることによって、本発明を完成させた。
【００２４】
すなわち、本発明において結合界面のボイドが低減され、また十分に強い結合強度を有する高品質のＳＯＩ基板を得る為に必要とされる結合アニール時の酸化膜粘度の臨界値を規定した。さらに、酸化膜粘度の酸化膜中ＯＨ濃度依存性、及びＯＨ濃度と結合アニール温度の関係に注目し、酸化膜粘度を臨界値以下に低下させる為に必要な埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度を特定し、また酸化膜中のＯＨ濃度と結合アニール温度の関係を明らかにすることによって、結合アニール温度を低下させても高品質のＳＯＩ基板を得ることができることを見出した。以下、これについて説明する。
【００２５】
まず、従来のＳＯＩ基板の製造方法において、結合アニール温度を１１００℃より低くするとボイドが誘発される原因は、低温化による埋め込み酸化膜の粘度が上昇するためではないかと考えられた。そこで、ボイドを発生させないために、１１００℃の結合アニール時に必要とされる酸化膜の粘度について調査を行った。
【００２６】
酸化膜の粘度と酸化膜中のＯＨ濃度、また酸化膜の粘度と酸化雰囲気圧力の関係に関してはＳ．Ｍ．Ｈｕにより報告されており、ＯＨ濃度が増加するほど酸化膜の粘度は低下し、また、水蒸気分圧が大きくなるほど酸化膜の粘度が低下することが知られている（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６４（１９９８），Ｐ３２３）。
【００２７】
例えば１１００℃において、ＯＨ濃度が０ｐｐｍである酸化膜粘度に比べ、１０００ｐｐｍ含有する酸化膜では粘度が約２桁低下し、また２０００ｐｐｍでは約４桁低下する。また、同一の粘度を有する酸化膜におけるＯＨ濃度と温度の関係を比較した場合、例えば１５００ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜では、１１００℃で粘度が約３×１０^１１ｐｏｉｓｅｓ程度であるのに対し、２５００ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜の場合、約８００℃で同程度の粘度となる。さらに、酸化膜粘度と酸化膜を形成する際のアニール炉内の水蒸気分圧の関係で比較すると、酸化膜は水蒸気分圧が０気圧の時に比べ、同温度で水蒸気分圧が１気圧の場合、酸化膜粘度は約２〜３桁程度低下し、また水蒸気分圧が５気圧の場合、約６桁低下する。すなわち、高水蒸気分圧下で形成した酸化膜ほど酸化膜粘度は低下する。
【００２８】
また、Ｓ．Ｍ．Ｈｕの同文献（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６４（１９９８），Ｐ３２３）に、Ｍｉｋｋｅｌｓｅｎらによる温度と水蒸気分圧及び温度と酸化膜中のＯＨ濃度の関係を表す次式が示されている。
［ＯＨ］＝２．７×１０^４×ｅｘｐ（−０．３３ｅＶ／ｋＴ）・ｐ^１／２ｐｐｍここでｋはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数、ｐは水蒸気分圧である。この関係式を用いて、温度範囲が６００〜１２００℃、水蒸気分圧範囲が０．１〜５気圧の場合の酸化膜中のＯＨ濃度を図２に示す。図２より、従来の酸化膜形成条件である水蒸気雰囲気下０．５気圧、温度９００〜１１５０℃で作製された埋め込み酸化膜のＯＨ濃度は、およそ７３０〜１３００ｐｐｍ程度になるはずである。
【００２９】
しかし、上述したように、従来の方法による酸化膜の形成は、埋め込み酸化膜を成長させた後、水蒸気酸化（パイロジェニック酸化）雰囲気から乾燥酸化雰囲気或いは窒素雰囲気に切り換えられ、その後、降温工程及びウエーハの取り出し工程が行われる。そのため、熱酸化処理の降温及び取り出し工程中は水蒸気分圧が０となり、埋め込み酸化膜中のＯＨは外方拡散する。そのため、熱酸化処理炉から取り出したウエーハの酸化膜中のＯＨ濃度は、酸化膜形成時に水蒸気酸化により酸化膜中に取り込まれたＯＨ濃度に比べ著しく低下していることがわかった。
【００３０】
そこで、次に、従来のＳＯＩ基板の製造方法における埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度の低下を見積もる為の計算を行った。まず外方拡散は酸化膜厚さを無限大と仮定して以下の式を適用し、概算した（オーム社半導体デバイス電気学会編
Ｐ２２０）。
Ｎ／Ｎｂ＝（１−ｅｒｆｃ（ｘ／２√Ｄｔ））
ここでＮ：不純物（ＯＨ）濃度、Ｎｂ：初期不純物（ＯＨ）濃度、Ｄ：拡散係数である。
また、境界条件は
Ｎ（ｘ＞０，０）＝Ｎｂ、Ｎ（０，ｔ≧０）＝０
とした。ここで、降温工程及び取り出し工程における水蒸気分圧は０である。
【００３１】
従来の方法で得られるウエーハの酸化膜中のＯＨ濃度を見積もる為に、次の酸化膜形成条件を仮定して計算を行った。まず、埋め込み酸化膜の厚さは最も標準的によく使われる３００ｎｍ、及び最も厚い埋め込み酸化膜の場合を想定し１０００ｎｍとした。また、水蒸気酸化直後の酸化膜中ＯＨ濃度は、最大酸化温度を想定して１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で酸化膜を形成した時の１３００ｐｐｍとした。取り出し温度は６００℃とし、ＯＨの拡散係数は、６００℃〜１１５０℃の温度帯においておよそ１．０×１０^−９〜１．０×１０^−１１ｃｍ^２ｓｅｃ^−１（リアライズ社１９９９年非晶質シリカ材料応用ハンドブックＰ３６７）であるため、その中間値である１．０×１０^−１０ｃｍ^２ｓｅｃ^−１とした。
従来の方法では降温速度を３〜５℃／ｍｉｎで行うことが多いので、１１５０℃から６００℃の降温には、およそ２〜３時間を必要とする。
【００３２】
酸化膜の厚さが３００ｎｍ、１０００ｎｍのそれぞれの場合について、酸化膜中のＯＨ濃度の外方拡散による減少を先の厚さ無限大と仮定した外方拡散式を使用して、それぞれの最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面部）、厚さの中間位置、及び表面側の厚さ１０％の位置について概算した。その結果を酸化膜が３００ｎｍの厚さの場合を図３（ａ）に、１０００ｎｍの場合を図３（ｂ）に示す。
【００３３】
図３より、水蒸気酸化から非水蒸気雰囲気へ置換した後、降温及び取り出し工程に１時間要した場合は、３００ｎｍの厚さの酸化膜中におけるＯＨ濃度は、酸化膜中の最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面部、表面より３００ｎｍ）で３６．７ｐｐｍ、酸化膜中の中間位置（表面より１５０ｎｍ）で１８．３ｐｐｍとなり、また、上記工程に２時間要した場合では、それぞれ酸化膜位置で２５．９ｐｐｍ、１３．０ｐｐｍまで低下する。また１０００ｎｍ厚の厚い酸化膜のＯＨ濃度は、水蒸気酸化から非水蒸気雰囲気への置換後、降温及び取り出し工程に１時間要した場合、酸化膜の最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面部、表面より１０００ｎｍ）で１２２ｐｐｍ、酸化膜中の中間位置（表面より５００ｎｍ）で６１．１ｐｐｍとなり、２時間要した場合では、それぞれ８６．３ｐｐｍ、４３．２ｐｐｍまで低下する。以上の計算は酸化膜厚さを無限大と仮定した場合であるため、実際の酸化膜厚では、この計算値より小さくなると考えられる。このため、従来の方法で得られた埋め込み酸化膜の中間位置におけるＯＨ濃度は酸化膜厚が１０００ｎｍと厚い場合を考えても７０ｐｐｍ以下、一般によく使用される３００ｎｍの厚さの酸化膜のＯＨ濃度においては２０ｐｐｍ以下に低下すると言うことができる。
【００３４】
このように従来のＳＯＩ基板の製造方法において、酸化膜形成の際に水蒸気酸化直後に高い濃度で酸化膜中にＯＨが存在していても、その後の降温、取り出し工程中にＯＨが外方拡散し、最終的な埋め込み酸化膜の中間位置におけるＯＨ濃度は最大でも７０ｐｐｍ以下に低下してしまう。その後、２枚のウエーハをこの７０ｐｐｍ以下のＯＨ濃度を有する酸化膜を介して室温で貼り合わせた後、およそ１１００℃で結合アニールが行われるため、この酸化膜の結合アニール時のＯＨ濃度は最大でも７０ｐｐｍとなる。
【００３５】
ここで前記Ｓ．Ｍ．Ｈｕの文献による酸化膜中のＯＨ濃度と粘度の関係を図５（ａ）に示す。図５（ａ）より、７０ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜は、結合アニール時（１１００℃）にはおよそ２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓの粘度となる。従来の製造方法において、結合アニールをこの１１００℃より低い温度で実施すると、ベースウェーハとボンドウェーハの貼り合わせ結合界面にマイクロボイドが発生し易くなり、また、結合強度の低下が生じ始めることがわかっている。
【００３６】
以上のことより、貼り合わせ法における結合アニール時に必要とされる埋め込み酸化膜の粘度の上限値は２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓであると見積もることができ、この酸化膜の粘度が、結合アニール時の埋め込み酸化膜の粘度のしきい値と考えることができる。従って、結合アニールを施す際に、酸化膜の粘度を２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下に制御することによって、ベースウェーハとボンドウェーハの貼り合わせ結合界面のマイクロボイド等の低減や結合強度向上を達成することができ、高品質のＳＯＩ基板を提供することができる。また、このように、埋め込み酸化膜が１１００℃において２×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の粘度を有する貼り合わせＳＯＩ基板であれば、貼り合わせ結合界面のマイクロボイドが低減され、また結合強度に優れた貼り合わせＳＯＩ基板とすることができる。
【００３７】
尚、埋め込み酸化膜の粘度の下限値は特に限定されないが、図５（ｂ）において、１０００ｐｐｍのＯＨ濃度を有する酸化膜の場合、１１００℃の結合アニールでは約３×１０^１２Ｐｏｉｓｅｓが得られる。さらに、結合アニール温度の上限である１３５０℃程度まで外挿すると、１×１０^１０Ｐｏｉｓｅｓ程度の粘度が得られることがわかる。
【００３８】
また、この時、結合アニールを施す際の酸化膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とすることが好ましく、１００ｐｐｍ以上の濃度とすることがさらに好ましい。ここで、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍのウエーハと７０ｐｐｍ、２０ｐｐｍのウエーハを同じ結合アニール温度での酸化膜粘度の比較を行った（図５（ａ））。結合アニール温度を１１００℃とした場合、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍのウエーハは、ＯＨ濃度が７０ｐｐｍのウエーハに比べ約１１％粘度が低く、またＯＨ濃度が２０ｐｐｍのウエーハに対しては約３３％粘度が低い。さらに、埋め込み酸化膜中のＯＨ濃度を２００ｐｐｍまで高めた場合、上記と同様に結合アニール温度を１１００℃として比較した場合、ＯＨ濃度が７０ｐｐｍ、２０ｐｐｍのウエーハに比べて、それぞれ４０％、５１％も酸化膜の粘度が低下することがわかった。
【００３９】
従って、結合アニール温度を従来と同じ温度（１１００℃）で行う場合、結合アニールを施す際に酸化膜中のＯＨ濃度をより高くすることによって、埋め込み酸化膜の粘度をより低下させることができ、埋め込み酸化膜のＯＨ濃度が７０ｐｐｍを超えるＯＨ濃度、好ましくは１００ｐｐｍ以上のＯＨ濃度であれば、結合アニール時の埋め込み酸化膜の粘度を規定値以下に低下させることができ、高品質のＳＯＩ基板とすることができる。
【００４０】
しかしながら、従来のＳＯＩ基板の製造方法では、前述したように降温・取り出し工程が非水蒸気雰囲気で行われているため、酸化膜形成時に水蒸気酸化により取り込まれたＯＨは降温及び取り出し工程中に外方拡散し、酸化膜中のＯＨ濃度は７０ｐｐｍ以下まで減少してしまう。そこで、形成された酸化膜のＯＨ濃度を低下させることなく、高いＯＨ濃度を維持するために、シリコンウエーハの熱酸化処理において、酸化膜形成後の降温工程、及び取り出し工程における全工程または一部工程を水蒸気酸化雰囲気で行うことが好ましい。
【００４１】
ここでウェーハの取り出し温度を７００℃、８００℃、９００℃とし、降温工程及び取り出し工程の水蒸気分圧を０．５気圧とした場合の酸化膜中の平衡ＯＨ濃度を前記Ｓ．Ｍ．Ｈｕの文献より計算した結果、それぞれ３７３、５３９、７３０ｐｐｍであることがわかった（図２）。この平衡濃度がＯＨの外方拡散時の酸化膜表面における最低ＯＨ濃度になるため、降温工程、及び取り出し工程を水蒸気酸化雰囲気で行うことによって、結合アニール時の埋め込み酸化膜のＯＨ濃度を高く維持することは容易に達成される。
【００４２】
また、熱酸化処理において酸化膜形成温度、降温速度、取り出し温度及び水蒸気分圧を変えることによって、酸化膜のＯＨ濃度を容易に制御することが可能となる。例えば、高速な降温が可能な熱処理炉を熱酸化処理、特に降温工程に用いることによって降温速度を制御することができ、それにより降温時間を短くし、埋め込み酸化膜中からのＯＨの外方拡散を抑制することができる。
【００４３】
例えば、１１５０℃で水蒸気分圧を０．５気圧で酸化膜を形成した後、１１５０℃から７００℃までの降温工程を非水蒸気雰囲気で４５０秒で行った場合、上述のＯＨの外方拡散の計算を用いると、酸化膜中のＯＨ濃度は、酸化膜中の最大濃度位置（Ｓｉ基板側界面部、表面より１０００ｎｍ）で約２４８ｐｐｍ、酸化膜中の平均ＯＨ濃度は約１２０ｐｐｍ以上が達成される（図４参照）。一方、この降温工程を３６００、７２００秒で行うと、酸化膜中のＯＨ濃度が格段に低下する。従って、降温温度範囲が４５０℃（１１５０℃〜７００℃）と大きい場合でも、降温工程を４５０秒以内で、すなわち６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で行うことによって、酸化膜のＯＨを高い濃度で維持することができ、結合アニールを施す際の酸化膜の粘度を低くすることができる。
【００４４】
また上記の熱酸化処理では、埋め込み酸化膜の形成を水蒸気分圧が０．５気圧程度の酸化雰囲気を想定しているが、全圧で１気圧以上が可能な高圧酸化炉を用いて水蒸気分圧を高くすることによって、さらに酸化膜中のＯＨ濃度を高めることができる（図２参照）。図２によれば、水蒸気分圧を５気圧にすることにより、１２００℃において４０００〜５０００ｐｐｍのＯＨ濃度が得られることがわかる。
【００４５】
以上説明したように、結合アニール時の埋め込み酸化膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下にすることによって、従来の製造方法で得られるＳＯＩ基板と同等以上の品質を持つ貼り合わせＳＯＩ基板を製造することができる。
【００４６】
このように、本発明の高品質なＳＯＩ基板を得るためには、２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下の埋め込み酸化膜粘度を達成すれば良い。そして、前記Ｓ．Ｍ．Ｈｕによる酸化膜中の粘度と温度の関係を示した図５からわかるように、例えば埋め込み酸化膜のＯＨ濃度を５００ｐｐｍまで高めたウエーハを用いることによって、結合アニール温度は約１０４０℃にすることができ、１０００ｐｐｍのウエーハを用いた場合では約９６０℃に低下することができる。このように、酸化膜中のＯＨ濃度を高く制御することによって、１１００℃未満の低い温度で結合アニールを行っても、埋め込み酸化膜の粘度を所定値以下とすることができるので、結合界面のマイクロボイドを増加させることなく、優れた結合強度を有するＳＯＩ基板を製造することができる。さらに、結合アニール温度を低温化したことによって、結合アニール中の金属等の汚染、スリップ等の新たな結晶欠陥の発生、ドーパント濃度の変動や偏析が非常に低減された高品質のＳＯＩ基板を製造することができる。
【００４７】
また、従来の結合アニールは常圧（熱処理雰囲気気圧）で熱処理を行っていたが、ベースウェーハとボンドウェーハの貼り合わせ結合界面の結合強度向上、マイクロボイドの低減、また酸化膜中のＯＨ放出の防止のために、高圧酸化炉を用いて結合アニールを１気圧を超える高気圧雰囲気下で行うことが好ましく、またこの場合水蒸気雰囲気の分圧が高い方が望ましい。このように、高圧雰囲気下で結合アニールを行うことによって、より高品質のＳＯＩ基板を製造することが可能となる。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて本発明を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、比較例１）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハに、１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で熱酸化を行い、厚さ４００ｎｍの埋め込み用酸化膜を形成した。その際、酸化炉からの取り出し温度である６００℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を、水蒸気分圧０．１気圧雰囲気で行った。従って、形成された酸化膜中のＯＨ濃度は図２より、約１００ｐｐｍと見積もることができる。また、１１００℃におけるその粘度は、図５より、約１．５×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓと見積もることができる。
【００４９】
この酸化膜付きウエーハの表面から水素イオン注入（ドーズ量８×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）を行って水素高濃度層を形成し、他のシリコンウエーハと室温で密着させた後、５００℃、３０分の熱処理を行って水素高濃度層で剥離し、ＳＯＩ層厚が約４００ｎｍのＳＯＩウエーハを作製した。その後、乾燥酸素雰囲気中で１１００℃、２時間の結合アニールを行い結合強度を高めた後、ＳＯＩ表面の酸化膜を除去し、さらに、ＳＯＩ表面を約１００ｎｍ研磨して表面粗さを向上させたＳＯＩウエーハを作製した（実施例１）。
【００５０】
一方、埋め込み用酸化膜の形成工程において、６００℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を乾燥窒素雰囲気で行った以外は、実施例１と同様の工程によりＳＯＩウエーハを作製し（比較例１）、両者のマイクロボイドの発生状況を観察した結果、実施例１のＳＯＩウエーハはマイクロボイドがほとんど発生しておらず、従来法である比較例１に比べてマイクロボイドを低減することができることがわかった。
【００５１】
尚、マイクロボイドの観察は、レーザー等を光源とする光散乱方式のパーティクル測定器を用いてＳＯＩウエーハ表面を測定し面内のパーティクルの座標を得て、散乱光の強度が強くサイズが大きい輝点（パーティクル）として検出されたものを光学顕微鏡により観察することにより評価した。
【００５２】
（実施例２）
直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハに、１１５０℃で水蒸気分圧０．５気圧で熱酸化を行い、厚さ４００ｎｍの埋め込み用酸化膜を形成した。その際、酸化炉からの取り出し温度である８００℃までの降温雰囲気及び取り出し雰囲気を、水蒸気分圧０．５気圧雰囲気で行った。従って、形成された酸化膜中のＯＨ濃度は、図２より、約５００ｐｐｍと見積もることができる。また、１０５０℃におけるその粘度は、図５より、約１．５×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓと見積もることができる。
【００５３】
この酸化膜付きウエーハを用い、結合アニール温度を１０５０℃に低温化した以外は実施例１と同一条件のスマートカット法によりＳＯＩウエーハを作製した。そして、このウエーハのマイクロボイドの発生状況を観察した結果、結合アニール温度を１０５０℃に低温化したにもかかわらず、実施例１と同様にＳＯＩウエーハはマイクロボイドがほとんど発生しておらず、高品質のＳＯＩウエーハが得られた。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【００５５】
例えば、本発明は２枚の半導体ウエーハ（シリコンウエーハ）を貼り合わせる場合が主に例示されているが、本発明はこれには限定されず、半導体ウエーハと絶縁基板（例えば、石英、サファイア、アルミナ基板等）とを直接結合してＳＯＩウエーハを作製する場合にも同様に適用することができる。また、形成される酸化膜はボンドウエーハに形成されるとは限らず、ベースウエーハに酸化膜を形成しても良い。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ボンドウエーハとベースウエーハを貼り合わせて得られたウエーハに結合アニールを施す際に、酸化膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることによって、マイクロボイドの少ない高品質な貼り合わせＳＯＩ基板を製造することが可能になった。また酸化膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下に制御することによって、結合アニール温度を１１００℃以下で行うことが可能となり、結合熱処理中の金属等の汚染、スリップ等の新たな結晶欠陥発生、ドーパント濃度の変動・偏析が低減されたＳＯＩ基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】貼り合わせＳＯＩ基板の一般的な製造方法を示したフロー図である。
【図２】温度と水蒸気分圧と酸化膜中のＯＨ濃度の関係を示すグラフである。
【図３】水蒸気酸化後から取り出しまでのＯＨ濃度の時間依存性を示したグラフである。
（ａ）埋め込み酸化膜厚が３００ｎｍの場合、（ｂ）埋め込み酸化膜厚が１０００ｎｍの場合。
【図４】埋め込み酸化膜厚が１０００ｎｍのウエーハにおける降温速度に対する埋め込み酸化膜内のＯＨ濃度分布を示したグラフである。
【図５】温度と酸化膜粘度の関係を示したグラフである。
（ａ）ＯＨ濃度が２０、７０、１００、２００ｐｐｍの酸化膜で、温度範囲が９００〜１２００℃の場合、（ｂ）ＯＨ濃度が１００、２００、５００、１０００ｐｐｍの酸化膜で、温度範囲が６００〜１２００℃の場合。
【符号の説明】
１…ベースウエーハ、２…ボンドウエーハ、
３…酸化膜、４…ＳＯＩ層、５…埋め込み酸化膜。

Claims

少なくとも、シリコンウエーハに熱酸化処理を行い表面に二酸化ケイ素膜を形成し、降温後取り出して得られたウエーハを他のウエーハと前記二酸化ケイ素膜を介して貼り合わせ、得られた貼り合わせウエーハに結合アニールを施すＳＯＩ基板の製造方法において、前記シリコンウエーハの熱酸化処理における降温工程、及び取り出し工程における全工程または一部工程を水蒸気酸化雰囲気下で行い、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜のＯＨ濃度を７０ｐｐｍを超える濃度とし、前記結合アニールを施す際の二酸化ケイ素膜の粘度を２．０×１０^１４Ｐｏｉｓｅｓ以下とすることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
前記シリコンウエーハの熱酸化処理における降温工程を６０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で行うことを特徴とする請求項１に記載されたＳＯＩ基板の製造方法。
前記結合アニールを１１００℃未満の温度で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたＳＯＩ基板の製造方法。
前記結合アニールを１気圧を超える高気圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載されたＳＯＩ基板の製造方法。