JP6859964B2

JP6859964B2 - 高周波用ｓｏｉウェーハの製造方法

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Publication number: JP6859964B2
Application number: JP2018008687A
Authority: JP
Inventors: 大槻　剛; 剛大槻; 曲　偉峰; 偉峰曲
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: JP2019129195A

Description

本発明は絶縁層上に形成された半導体層を有する、高周波デバイス用ＳＯＩウェーハの製造方法に関するものである。

絶縁層上にシリコン層等の半導体層を有する基板は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハとして知られている。ＳＯＩウェーハの製造方法として幾つかの方法が知られている。

携帯端末、インターネット通信等の発達により、無線による情報のやりとりの、情報量や通信速度への要求は、限りなく増大する一方である。近年では、ＲＦスイッチ等の高周波デバイスとして、これまでＳＯＳ（サファイア上シリコン：ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＳａｐｐｈｉｒｅ）やＧａＡｓの基板等により作製していた単一の素子を、Ｓｉ基板上に集積化されたデバイスに置き換えて、小型化・集積化する技術が、盛んに採用されるようになった。特に、ＳＯＩウェーハを使用して高周波デバイスを作製する方法が、市場を大きく伸ばしている。

高周波デバイスの性能として、通信の混線を防止する為に、２次高調波、３次高調波の抑制が、主要な要求項目となっている。この為には、基板が絶縁体であることが必要になる。ＳＯＩウェーハにおいては、絶縁層である埋め込み酸化膜（ＢＯＸ（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｄｅ）層）の厚さを大きくすることが一つの方法と考えられるが、酸化膜は熱伝導率が悪く、高周波デバイスを動作させる際の発熱が除去できないことが問題になる。そこで、ＳＯＩウェーハの支持基板として、高抵抗Ｓｉ基板を使用する方法が考えられた。これにより、ＢＯＸ層より下での電気の伝導を抑制することができて、高周波デバイスの高調波を抑制することができる。しかし、ＳＯＩ層に電位がかかると、ＢＯＸ層とＳｉ基板の界面では空乏層が発生して反転層が形成され、この部分で電気伝導が発生する為に、高調波が抑制できなくなる。この問題を解決する為に、ＢＯＸ層の直下にキャリアをトラップする層を内在させる手法が取られる（特許文献１〜３）。

キャリアをトラップする層としては、ポリシリコン層（多結晶シリコン層）が最も一般的である。ポリシリコン層は結晶粒界でキャリアをトラップし、電気伝導を抑制する。ポリシリコン層を内在する方法として、支持基板用ウェーハ（ベースウェーハ）にポリシリコン層を積層し、これを酸化膜の付いたウェーハ（ボンドウェーハ）と貼り合わせることで、ポリシリコン層を内在したＳＯＩウェーハを作製する方法がある。ただし、この際、ウェーハ貼り合わせを実現するために、多結晶シリコン層の表面は平滑である必要があり、研磨を用いて表面粗さを除去して貼り合わせを行う方法が考えられている（特許文献４）。

このようにポリ層（ポリシリコン層）にウェーハを貼り合わせる場合であるが、製造工程で表面積の大きなポリ層が表面に露出するために、環境汚染（特に環境ボロン）の影響を受け、本来のトラップ層としての機能を発揮できない可能性がある。また、たとえ微細な粒径のポリ層を形成していても（ポリは微細なほど、表面積が大きく、キャリアのトラップ効率は高いと考えられる）、貼り合わせ工程での熱処理（結合熱処理）にて、ポリが成長しトラップ効率が低下する可能性がある。

特表２００７−５０７０９３号公報特表２０１３−５１３２３４号公報特表２０１４−５０９０８７号公報特開２０１６−１３６５９１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高周波用ＳＯＩウェーハとしてキャリアトラップ効率の高いＳＯＩウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明では、ベースウェーハ、ポリシリコン層、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含む高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法であって、ベースウェーハ、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含むシリコンＳＯＩウェーハにレーザー照射を行い、前記ベースウェーハの一部の領域をポリシリコン化してポリシリコン層を形成する高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法を提供する。

この方法によれば、ＳＯＩウェーハの製造工程に起因する環境汚染や、結合熱処理（例えば１０５０℃・２時間）によるポリ層（ポリシリコン層）の変質（単結晶化）によるトラップ機能の低下を防ぐことが可能である。

このとき、前記レーザーの焦点深度を調整することによって、前記ポリシリコン層の形成深さを制御することが好ましい。

このような方法とすることで、非常に製造条件の設定がしやすく、また精度が高い高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法となる。

また、前記レーザー照射を行った後、前記ポリシリコン層が形成された前記シリコンＳＯＩウェーハを１０００℃から１３００℃の温度範囲内でＲＴＡ処理することにより、前記ＳＯＩ層の欠陥をアニールアウトすることが好ましい。

このような方法とすることで、レーザー照射によってＳＯＩ層に導入された欠陥を消去することができる。

以上説明したように、本発明により、高周波用ＳＯＩウェーハとしてキャリアトラップ効率の高いＳＯＩウェーハの製造方法を提供することができ、良好な高周波特性を実現することが可能である。

本発明の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法のフローの一例をウェーハの概略図とともに示した図である。

上述のように、高周波用ＳＯＩウェーハとしてキャリアトラップ効率の高いＳＯＩウェーハの製造方法の開発が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、ベースウェーハがシリコン単結晶からなるＳＯＩウェーハ（シリコンＳＯＩウェーハ）にレーザーを照射してＢＯＸ層の下にポリシリコン層を形成することによって、キャリアトラップ効率の高い高周波用ＳＯＩウェーハを製造できることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、ベースウェーハ、ポリシリコン層、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含む高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法であって、ベースウェーハ、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含むシリコンＳＯＩウェーハにレーザー照射を行い、前記ベースウェーハの一部の領域をポリシリコン化してポリシリコン層を形成する高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法である。

以下、本発明につい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に本発明の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法の概略の一例を示す。まず、シリコン単結晶からなるベースウェーハ３、ＢＯＸ層５、ＳＯＩ層６がこの順に積層された構造を含むシリコンＳＯＩウェーハ１を準備する（図１（Ａ））。シリコンＳＯＩウェーハ１の表面には、予め表面保護のため酸化膜７を形成してシリコンＳＯＩウェーハ１´としてもよい（図１（Ｂ））。次に、ベースウェーハ３内の一部の領域（ＢＯＸ層５との界面近傍の領域）にレーザーの焦点深度を合わせて、例えば、ＳＯＩ層表面側からレーザーを照射することで、ポリシリコン層４を形成し、高周波用ＳＯＩウェーハ２´を作製する（図１（Ｃ））。この後、酸化膜７を除去して、必要に応じて後述するＲＴＡ処理によってＳＯＩ層６（表面層）の欠陥を除去し、高周波用ＳＯＩウェーハ２を製造することができる（図１（Ｄ））。

すなわち、シリコンＳＯＩウェーハ１にレーザー照射を行うことにより、ベースウェーハ３の一部の領域（レーザーが照射された領域）にあるシリコン単結晶はポリシリコン化され、シリコン多結晶からなるポリシリコン層４を形成する。レーザー照射によって、単結晶であるベースウェーハ３の一部がポリシリコン層４となる。高周波用ＳＯＩウェーハ２、２´において、ポリシリコン層４はベースウェーハ３´とＢＯＸ層５の間（ＢＯＸ層５の直下）に形成されるものである。

ここで準備するシリコンＳＯＩウェーハとしては、特に限定されず、任意のものを用いることができるが、例えば、ボンドウェーハとベースウェーハとを、ボンドウェーハの表面に形成した酸化膜を介して貼り合わせ、結合強度を高める熱処理（結合熱処理）を加えて製造されたものを用いることができる。

また、上記のように、準備するシリコンＳＯＩウェーハには、デバイス製造プロセスでドーパントイオンをイオン注入する際のスクリーン酸化と同様に、シリコンＳＯＩウェーハの表面に薄い酸化膜を形成しておくことで、シリコンＳＯＩウェーハへの汚染を低減することが可能である。

レーザー照射は、シリコンＳＯＩウェーハを室温にして行ってもよいし、例えば、４００℃程度に加熱した状態で行ってもよい。この際、温度を高くし過ぎなければ、ポリ粒径（ポリシリコン層内の多結晶の粒径）が大きくなりすぎて、十分なキャリアトラップ効果が得られなくなるようなこともない。このため、レーザー照射時の温度は８００℃以下とすることが好ましい。

レーザー照射は、ＹＡＧレーザーのような高出力レーザーでは、所定深さ位置だけではなく、それ以外の半導体ウェーハ部分にも熱エネルギーが伝達する可能性がある。そのために、低出力レーザーである、例えば、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザーを用いることがより好ましい。

表面に酸化膜を形成した場合は、レーザー照射後に、ＳＯＩ層表面の酸化膜を除去し、その後、ＳＯＩ層に欠陥が残留している場合には、後述のように、高温ＲＴＡ処理を追加することで欠陥をアニールアウトすることもできる。

この方法によれば、既にＳＯＩ構造を有するＳＯＩウェーハに、ポリシリコン層を後から形成できるので、貼り合わせ法のように、ＳＯＩウェーハの製造工程に起因する環境汚染や、貼り合わせ後に必要となる結合熱処理によるポリシリコン層の変質（単結晶化）によるトラップ機能の低下を防ぐことが可能である。

このような方法とすることで、非常に製造条件の設定がしやすく、また精度よくポリシリコン層を形成できるので、高品質の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法となる。

レーザー照射の後にＲＴＡ処理をすることで、レーザー照射により導入された欠陥を消去することができる。ＲＴＡ処理は、１〜１２０秒程度の短時間のアニールであるため、比較的高温で熱処理を行っても、ポリシリコン層の単結晶化はほとんど生じない。尚、１０００℃以上の温度とすれば、十分な欠陥アニール効果が得られ、１３００℃より低い温度とすれば、スリップ転位の発生やシリコン溶融等の問題が発生することがない。そのために、アニールにより表面欠陥を消去するアニールウェーハと同様に、１２００℃前後が最適である。

以上のように、従来技術においては、高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法としては、ポリシリコン層を積層したウェーハ（ベースウェーハ）と、酸化膜を積層したウェーハ（ボンドウェーハ）を、ポリシリコン層と酸化膜とを対抗させて貼り合わせた後、結合熱処理（例えば、１０５０℃・２時間）を加える方法が一般的である。しかし、この方法では、ＳＯＩウェーハの製造過程でポシリシコン層が露出するため、環境起因の汚染、特にドーパント元素汚染の影響を受ける。また、結合熱処理時にはポリシリコン層が高温かつ長時間の加熱状態にさらされるため、ポリシリコン層に含まれるシリコン多結晶が単結晶化し、トラップ効率が低下する。

これに対し本発明では、上述のように、シリコンＳＯＩウェーハを製造した後、レーザーを用いてウェーハ内部にポリシリコン層を形成することで、高周波用ＳＯＩウェーハを製造する。つまり、従来技術のように、ポリシリコン層が露出することがないので、環境起因の汚染がない。また、用いるシリコンＳＯＩウェーハの作製時には結合熱処理を行う場合があり得るが、ポリシリコン層の形成時、及びそれ以降の工程では、ポリシリコン層が結合熱処理のような高温かつ長時間の熱処理にさらされることがないため、ポリシリコン層の単結晶化が起こることなく、高いトラップ効率を有する高周波用ＳＯＩウェーハを製造することができる。

このようにして作製された高周波用ＳＯＩウェーハは、環境汚染や、貼り合わせ工程の熱処理（結合熱処理）によるポリシリコン層の劣化がなく、このような高周波用ＳＯＩウェーハを用いて製造された半導体装置も高い高周波特性を実現することが可能である。

以下、実施例及び比較例を用い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］
いずれも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とを、ボンドウェーハの表面に形成した酸化膜を介して貼り合わせ、結合強度を高めるために、結合熱処理（１０５０℃、２時間）を行った後、ボンドウェーハを研削・研磨により薄膜化することによって、下記のような構造をもつシリコンＳＯＩウェーハ（直径２００ｍｍ）を準備した。
シリコンＳＯＩウェーハ
ＳＯＩ層：１０００ｎｍ、ボロンドープ１０Ωｃｍ、＜１００＞
ＢＯＸ層：５００ｎｍ
ベースウェーハ：ボロンドープ１０００Ωｃｍ、＜１００＞

このシリコンＳＯＩウェーハの表面に、Ｐｙｒｏ雰囲気下、９００℃・１０分の処理で２０ｎｍの酸化膜を形成した。この酸化膜を形成したシリコンＳＯＩウェーハに、チタンサファイアレーザーを用い、ビーム波長を１０８０ｎｍ、ビーム径を約２μｍ、パルス幅を１ｎｓｅｃ、１パルスのエネルギーを１００ｍＪとしてレーザー照射処理を行い、ＢＯＸ層の直下に約２００ｎｍのポリシリコン層を形成した。

その後、希フッ酸で酸化膜を除去し、さらに、ＳＯＩ層の結晶性を向上させるため、１００％水素雰囲気、１１５０℃・３０秒のＲＴＡ処理を行って高周波用ＳＯＩウェーハを完成させた。この高周波用ＳＯＩウェーハの活性層（ＳＯＩ層）を除去して、ＢＯＸ層の表面上にアルミ電極を形成した後に、ＲＦ特性を評価し、２次高調波特性を測定した。その結果、後述の比較例に比べて２次高調波特性が１０％改善することを確認した。

［比較例］
ベースウェーハの表面に、予めポリシリコン層をＣＶＤ法により２０００ｎｍ堆積し、その表面を研磨して１０００ｎｍのポリシリコン層を形成した後にボンドウェーハと貼り合わせたこと以外は、実施例１のレーザー照射前のシリコンＳＯＩウェーハの作製条件と同一の条件でレーザー照射をしていない下記の高周波用ＳＯＩウェーハを作製した。
高周波用ＳＯＩウェーハ
ＳＯＩ層：１０００ｎｍ、ボロンドープ１０Ωｃｍ、＜１００＞
ＢＯＸ層：５００ｎｍ
ポリシリコン層：１０００ｎｍ
ベースウェーハ：ボロンドープ１０００Ωｃｍ、＜１００＞

この高周波用ＳＯＩウェーハの活性層（ＳＯＩ層）を除去して、ＢＯＸ層の表面上にアルミ電極を形成した後に、ＲＦ特性を評価し、実施例のウェーハと比較を行ったところ、２次高調波特性が実施例に比べて、１０％劣ることを確認した。

以上のように、本発明の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法は、高周波用ＳＯＩウェーハとしてキャリアトラップ効率の高いＳＯＩウェーハの製造方法であることが明らかとなった。

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。

１、１´…シリコンＳＯＩウェーハ、２、２´…高周波用ＳＯＩウェーハ、
３、３´…ベースウェーハ、４…ポリシリコン層、５…ＢＯＸ層、
６…ＳＯＩ層、７…酸化膜。

Claims

ベースウェーハ、ポリシリコン層、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含む高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法であって、
ベースウェーハ、ＢＯＸ層、及びＳＯＩ層がこの順に積層された構造を含むシリコンＳＯＩウェーハに前記ＳＯＩ層表面側からレーザー照射を行い、前記ベースウェーハの一部の領域をポリシリコン化してポリシリコン層を形成することを特徴とする高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法。
前記レーザーの焦点深度を調整することによって、前記ポリシリコン層の形成深さを制御することを特徴とする請求項１に記載の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法。
前記レーザー照射を行った後、前記ポリシリコン層が形成された前記シリコンＳＯＩウェーハを１０００℃から１３００℃の温度範囲内でＲＴＡ処理することにより、前記ＳＯＩ層の欠陥をアニールアウトすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法。
前記レーザー照射前のシリコンＳＯＩウェーハの表面に、予め酸化膜を形成しておくことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高周波用ＳＯＩウェーハの製造方法。