JP4730581B2 - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は貼り合わせウェーハの製造方法に関し、特に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する。

貼り合わせウェーハの製造方法の一例であるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハの製造方法では、イオン注入剥離法が知られている。これは、ボンドウェーハの貼り合わせ面（第一主表面とする）に対し、一定深さ位置に水素高濃度層でなる剥離用イオン注入層が形成されるように水素をイオン注入し、ベースウェーハとの貼り合わせ後に該剥離用イオン注入層にてボンドウェーハを剥離する、というものであり、スマートカット法（スマートカットは登録商標）と呼ばれることもある（例えば、特許文献１参照）。他方、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化膜直下または直上には、付加機能層として、例えば重金属ゲッタリングなどを目的としたポリシリコン層や非晶質シリコン層を挿入することが有り得る。イオン注入剥離法の工程に上記の付加機能層を組み込むには、具体的には次のような工程変更が必要であると考えられる。すなわち、ボンドウェーハ側に埋め込み酸化膜を形成した後、さらに化学的気相成長法（ＣＶＤ；Chemical
Vapor Deposition）等により付加機能層を形成する。次いで、付加機能層側からボンドウェーハ内に達するように水素のイオン注入を行なって、剥離用イオン注入層を形成する。そして、ボンドウェーハ上の付加機能層をベースウェーハに貼り合わせ、剥離用イオン注入層にてボンドウェーハを剥離して、残存する貼り合わせ半導体薄層としてのＳＯＩ層を得る。

ところで、イオン注入剥離法においては、ボンドウェーハに剥離を生じさせるためのイオン注入のドーズ量につき、以下のようなことが知られている。すなわち、必要とされるＳＯＩ層の膜厚に応じて剥離用イオン注入層の第一主表面からの形成位置（深さ位置）を調整するには、イオン注入のエネルギーを調整しなければならない。そして、剥離用イオン注入層の形成位置が浅いほど、剥離に必要な臨界ドーズ量は少なくなる。他方、剥離面の面粗さも、イオン注入のドーズ量に関係し、ドーズ量が少なくできれば剥離面の面粗さも小さくなる。従って、剥離用イオン注入層の形成位置が浅くなる場合は、イオン注入のドーズ量を少なく設定し、ドーズ量が少なくなれば、剥離面の面粗さも小さくなり、薄いＳＯＩ層を形成する場合に、該ＳＯＩ層の膜厚均一性を向上させることができる。（例えば、特許文献２参照）
特許第３０４８２０１号公報 特開２００４−６３７３０号公報（第４頁）

上述したＳＯＩウェーハの製造方法を一例として説明した貼り合わせウェーハの製造方法では、付加機能層を組み込む場合、ベースウェーハとの貼り合わせを良好に行なうためには、付加機能層の表面を平坦化する研磨が必要とされる。その平坦化研磨により付加機能層の研磨面に面傾きが生じると、付加機能層の膜厚が不均一となり、ボンドウェーハ中への水素イオンの注入深さが付加機能層の膜厚不均一に左右されて、イオン注入剥離によって得られる貼り合わせ半導体薄層（ＳＯＩ層に相当）の膜厚も不均一になるという課題がある。

また、水素イオンの注入を付加機能層側からボンドウェーハ中に行なうので、付加機能層の研磨面の面粗さの影響が剥離用イオン注入層の剥離面の面粗さに影響するという課題がある。

さらに、水素イオンの注入を付加機能層を介して行なうので、水素イオンの注入に多大なエネルギーを要するという課題がある。このため、ボンドウェーハのあまり深い位置に剥離用イオン注入層を形成することはできず、付加機能層の研磨面から、例えば１μｍ以上深い位置に剥離用イオン注入層を形成することは困難である。

これらの課題を解決するための一つの方法は、付加機能層をベースウェーハ側に堆積し、酸化膜を介してボンドウェーハと貼り合わせることである。しかしながら、このような方法を採用すると、貼り合わせ面がデバイスを形成するためのＳＯＩ層に近づくため、貼り合わせ界面に取り込まれた不純物がデバイス層に影響を及ぼし易くなるという問題や、薄い埋め込み酸化膜（例えば、１００ｎｍ以下）が必要とされる場合、その薄い酸化膜の表面が貼り合わせ面となるため、貼り合わせ不良が発生しやすく、製造歩留まりが低下してしまうといった新たな問題点を引き起こす。

もう１つの解決法として、付加機能層をボンドウェーハ側に堆積する前に水素イオンの注入を完了させておくという方法があるが、付加機能層の堆積に必要な成長温度は、通常の場合、４００℃以上であるため、堆積中にウェーハ表面近傍が剥離するという問題を生じる。

本発明の第１の目的は、剥離用イオン注入層を形成するイオン注入を付加機能層の堆積工程を挟む２回のイオン注入に分けて行なうことにより、付加機能層の膜厚不均一が発生しても、貼り合わせ半導体薄層の膜厚均一性に影響を与えることがない貼り合わせウェーハの製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、剥離用イオン注入層を少ないエネルギーでより正確な位置に形成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にある。

本発明の第３の目的は、剥離用イオン注入層の剥離面の面粗さをより減少させ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にある。

課題を解決するための手段および効果

上記目的を達成するために、本発明の貼り合わせウェーハの製造方法は、ボンドウェーハの第一主表面から、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有するように第１のイオン注入を行なう第１のイオン注入工程と、前記ボンドウェーハの前記第一主表面側をイオン注入面側として、前記イオン注入面側に付加機能層を堆積する付加機能層堆積工程と、前記ボンドウェーハの前記付加機能層側から前記第１のイオン注入でイオンが注入された深さ位置を目標とする第２のイオン注入を行なう第２のイオン注入工程と、前記ボンドウェーハの前記付加機能層側をベースウェーハに貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウェーハを前記第１のイオン注入でイオンが注入された深さ位置で剥離する剥離工程とを含むことを特徴とする。かかる貼り合わせウェーハの製造方法は、基本的にはイオン注入剥離法の原理を応用したものであるが、従来のイオン注入剥離法では１回である剥離のためのイオン注入を、付加機能層の堆積を挟む２回のイオン注入に分けて行なうようにしたものである。まず、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有するように第１のイオン注入をボンドウェーハに対して行ない、次に付加機能層を堆積した後に、第１のイオン注入位置を目標として第２のイオン注入を行なう。付加機能層が堆積されていない状態でボンドウェーハに第１のイオン注入を行なうため、付加機能層の膜厚不均一が発生しても、ＳＯＩ層の膜厚均一性に影響することがなくなる。

また、前記第１のイオン注入が、前記付加機能層の成長熱履歴で前記ボンドウェーハに割れが生じることのないイオン注入量であることができる。これにより、付加機能層堆積工程でボンドウェーハが剥離されてしまうという不具合を未然に防止することができる。

そして、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成してなるボンドウェーハの前記絶縁膜側から臨界ドーズ量未満のイオンを打ち込む第１のイオン注入により、前記ボンドウェーハ中に、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有する剥離予定イオン注入層を形成する第１のイオン注入工程と、前記ボンドウェーハの前記絶縁膜上に付加機能層を堆積する付加機能層堆積工程と、前記付加機能層の表面側から前記第１のイオン注入工程でイオン注入されたのと同じ深さ位置となるように、前記第１のイオン注入工程でイオン注入されたドーズ量と合わせて臨界ドーズ量以上となるドーズ量のイオンを打ち込むことにより、前記剥離予定イオン注入層を剥離用イオン注入層とする第２のイオン注入工程と、前記剥離用イオン注入層が形成された前記ボンドウェーハ上の付加機能層とベースウェーハとを貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記ボンドウェーハを前記剥離用イオン注入層で剥離する剥離工程とを含むことができる。ここで、臨界ドーズ量とは、イオン注入されたボンドウェーハを４００℃以上の温度に上げた場合に、イオン注入層にブリスターと呼ばれる空洞を発生させるのに必要な最低ドーズ量である。通常、臨界ドーズ量未満の注入量のボンドウェーハをベースウェーハと貼り合わせて熱処理してもイオン注入層での剥離は発生しない。かかる貼り合わせウェーハの製造方法は、基本的にはイオン注入剥離法の原理を応用したものであるが、従来のイオン注入剥離法では１回のイオン注入で形成されていた剥離用イオン注入層を、付加機能層の堆積工程を挟む２回のイオン注入で形成するようにしたものである。このような工程を採ることにより、第１のイオン注入工程で付加機能層の表面から見てボンドウェーハのより深い位置に少ないエネルギーで正確に剥離予定イオン注入層を形成することができ、第２のイオン注入工程で剥離予定イオン注入層を剥離用イオン注入層に変化せしめて、付加機能層の表面から見てボンドウェーハのより深い位置で正確かつ確実に剥離できるようにする。特に、付加機能層が堆積されていない状態で剥離予定イオン注入層が形成されるので、ボンドウェーハの剥離面がボンドウェーハの第一主表面から一定の深さ位置となり、付加機能層の膜厚不均一の影響を受けること無く、貼り合わせ半導体薄層の膜厚均一性を保つことができる。

また、前記第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量が、前記第２のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量より多くできる。これにより、第２のイオン注入工程でイオン注入されたイオンが、第１のイオン注入工程でのイオン注入で形成された剥離予定イオン注入層にトラップされたり、引き込まれたりして剥離用イオン注入層が形成されるので、ボンドウェーハの剥離面が第１のイオン注入工程で形成される剥離予定イオン注入層の位置で一義的に決定されることになる。

そして、前記第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量が、前記臨界ドーズ量の７０％以上、９０％以下であることができる。既述したように、第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量が第２のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量より多いことが前提となるが、しかし両者があまり近い量になると、第１のイオン注入工程で形成された剥離予定イオン注入層が第２のイオン注入工程でイオン注入された位置に引き込まれるおそれがある。したがって、第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量を臨界ドーズ量の７０％以上、９０％以下、つまり約８０％として、剥離予定イオン注入層が第２のイオン注入工程でイオン注入された位置に引き込まれないようにすることは有効である。一般的に、第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量と第２のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量との和が、臨界ドーズ量の１００％〜１１０％程度であるとすると、第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量と第２のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量と差が臨界ドーズ量の３０％以上あることが望ましい。

また、前記第２のイオン注入工程の前段または後段に、前記堆積した付加機能層の表面を研磨することにより平坦化する平坦化研磨工程を含むことができる。この平坦化研磨工程により、付加機能層の表面が研磨されて研磨面となるので、後の貼り合わせ工程で付加機能層を有するボンドウェーハをベースウェーハに良好に貼り合わせることができる。

そして、前記貼り合わせ工程の前段に、プラズマで前記ボンドウェーハおよび／または前記ベースウェーハの表面を活性化する活性化工程を含むことができる。この活性化工程により、室温でウェーハの結合強度が増すため、剥離のための熱処理を加えずに、物理的、機械的方法により剥離用イオン注入層での剥離が可能となる。

また、前記剥離工程が、前記活性化工程後に、水レーザや気体を前記ボンドウェーハに吹きかけることで剥離する工程であることができる。この剥離工程では、前段の活性化工程でボンドウェーハの表面の活性化が行なわれているので、水レーザや気体をボンドウェーハに吹きかけるだけでボンドウェーハの剥離を行なうことができる。

そして、前記剥離工程が、前記ボンドウェーハに熱処理を行なって剥離する工程であることができる。この剥離工程では、熱処理により剥離用イオン注入層でのボンドウェーハの剥離を行なわせる。

また、前記絶縁膜が、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜またはシリコン酸化窒化膜のいずれかから選択された膜であることができる。絶縁膜をボンドウェーハの熱酸化等により形成すれば容易に形成できることはいうまでもないが、貼り合わせ半導体薄層に形成されるデバイスによってはシリコン酸化膜では十分な特性が得られない場合もある。このような場合には、ＣＶＤ法等の方法でシリコン酸化膜，シリコン窒化膜またはシリコン酸化窒化膜などでなる絶縁膜を形成すればよい。

そして、前記付加機能層が、ポリシリコン層または非晶質シリコン層のいずれかから選択された層でなることができる。付加機能層をゲッタリング層として使用する場合、ポリシリコン層または非晶質シリコン層は従来から用いられているものである。

また、前記第１のイオン注入を行なうイオンが、水素イオン，ヘリウムイオン，ネオンイオン，アルゴンイオン，クリプトンイオンまたはキセノンイオンのいずれかから選択されたイオンであることができる。イオン注入剥離法では、注入するイオンとして主に水素イオンが用いられているが、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，ＫｒまたはＸｅの不活性ガスイオンも使用される。

そして、前記ベースウェーハが、絶縁膜付きの単結晶シリコン基板，単結晶シリコン基板，絶縁性基板または化合物半導体基板のいずれかから選択された基板でなることができる。ベースウェーハは、貼り合わせ半導体薄層に形成されるデバイス，絶縁膜の膜厚，付加機能層の層厚等の諸条件に応じて、絶縁膜付きの単結晶シリコン基板，単結晶シリコン基板，石英基板やサファイア基板などの絶縁性基板，またはＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣなどの化合物半導体基板から適宜選択することができる。

剥離用イオン注入層を形成するためのイオン注入工程を付加機能層の堆積工程を挟む２回のイオン注入工程に分けることにより、付加機能層の膜厚不均一が貼り合わせ半導体薄層の膜厚均一性に影響を及ぼさないようにした。

まず、本発明の実施例の説明に入る前に、既述した付加機能層を有する貼り合わせウェーハの製造方法おいて貼り合わせ半導体薄層の膜厚が不均一になる理由について、参考技術として図３に示すＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する。

（ａ） ポリシリコン層堆積工程
単結晶シリコン基板でなるボンドウェーハ１０１を準備する。次に、ボンドウェーハ１０１の少なくとも貼り合わせ面（以下、第一主表面という）Ｊ側にシリコン酸化膜でなる絶縁膜１０２を形成する。絶縁膜１０２の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ法等の方法を採用することも可能である。絶縁膜１０２の膜厚は、例えば、２ｎｍ以上、１μｍ以下の値とする。なお、絶縁膜１０２として、シリコン酸化膜の代わりに、シリコン窒化膜，シリコン酸化窒化膜などを形成することもできる。次に、ボンドウェーハ１０１に形成された絶縁膜１０２上に、ＣＶＤ法でポリシリコン層でなる付加機能層１０３を堆積する。付加機能層１０３の膜厚は、１００〜１０００ｎｍ程度である。付加機能層１０３の形成に当たっては、バッチ式および枚葉式の２種類の方式があるが、バッチ式での膜厚均一性はウェーハ内で＋／−５％程度、バッチ内で＋／−１０％程度である。また、付加機能層１０３の成長温度は、６００〜８００℃程度である。

（ｂ） 平坦化研磨工程
付加機能層１０３の表面は面粗さが粗いため、そのままではベースウェーハ１０５（図３（ｄ）参照）と貼り合わせることが困難である。このため、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Planarization)研磨により、付加機能層１０３の表面の平坦化（面粗さｒｍｓが１μｍ平方当たり０.２ｎｍ未満）を行ない、研磨面を有する付加機能層１０３’とする。研磨代は、２０〜２００ｎｍ程度である。研磨代を１００ｎｍとすると、研磨代ばらつきは面内で＋／−５ｎｍ程度となる。付加機能層１０３の平坦化研磨により、付加機能層１０３’の膜厚不均一性は、平坦化研磨前に比べて増大する。図３（ｂ）は、このような付加機能層１０３’の膜厚不均一が増大した状態を例示している。なお、ここでは、平坦化研磨による付加機能層１０３’の膜厚不均一について説明しているが、付加機能層１０３’の膜厚不均一は必ずしも平坦化研磨によるものに限られるわけではない。つまり、付加機能層１０３の堆積工程で、その膜厚不均一が生じる場合もあることはもちろんである。

（ｃ） イオン注入工程
ボンドウェーハ１０１中で剥離を行なうため、付加機能層１０３’の研磨面（第一主表面Ｊ）側から水素イオンをボンドウェーハ１０１中に打ち込むことにより、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有する剥離用イオン注入層１０４を形成する。水素イオンの注入深さは、ウェーハ面内で＋／−１ｎｍに収まるので、ボンドウェーハ１０１中への水素イオンの注入深さは途中にある付加機能層１０３’の膜厚不均一に左右される。図３（ｃ）は、付加機能層１０３’の膜厚不均一のために、付加機能層１０３’の研磨面からは一定の深さ位置であるが、ボンドウェーハ１０１の第一主表面Ｊからは一定の深さ位置ではない位置に剥離用イオン注入層１０４が形成された状態を例示している。すなわち、この状態では、ボンドウェーハ１０１の第一主表面Ｊと剥離用イオン注入層１０４とが平行になっておらず、最終的に得るべきＳＯＩ層１０１’（図３（ｅ）参照）の膜厚が不均一になっている。

（ｄ） 貼り合わせ工程
単結晶シリコン基板でなるベースウェーハ１０５を準備する。ベースウェーハ１０５としては、石英基板やサファイア基板などの絶縁性基板や、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣなどの化合物半導体基板を用いることもできるが、大口径化やコスト面を考慮すると、単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。次に、ベースウェーハ１０５の少なくとも貼り合わせ面（以下、第一主表面という）Ｋにシリコン酸化膜でなる絶縁膜１０６を形成する。絶縁膜１０６の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ法等の方法を採用することも可能である。このようにして準備された絶縁膜１０６付きのベースウェーハ１０５を、絶縁膜１０６（第一主表面Ｋ）側で上記イオン注入されたボンドウェーハ１０１上の付加機能層１０３’と室温で貼り合わせる。

（ｅ） 剥離工程
上記貼り合わせ工程（ｄ）で貼り合わせた積層体を５００℃以上の温度に上げて、水素イオンを注入した剥離用イオン注入層１０４でボンドウェーハ１０１の剥離を行ない、ＳＯＩ層１０１’を形成する。図３（ｅ）は、付加機能層１０３’の膜厚不均一に起因してボンドウェーハ１０１の第一主表面Ｊから一定の深さ位置ではない位置に形成された剥離用イオン注入層１０４で剥離されたために、ＳＯＩ層１０１’にも膜厚不均一が発生した状態を例示している。

なお、貼り合わせ工程（ｄ）および剥離工程（ｅ）では、貼り合わせ前にプラズマでボンドウェーハ１０１の付加機能層１０３’の表面および／またはベースウェーハ１０５の絶縁膜１０６の表面を活性化した後に貼り合わせを行い、その後に温度をかけずに水レーザや気体をボンドウェーハ１０１に吹きかけることでボンドウェーハ１０１を剥離用イオン注入層１０４で剥離するようにしてもよい。

このように、上述した参考技術の付加機能層を有する貼り合わせウェーハの製造方法では、１回のイオン注入で剥離用イオン注入層１０４を形成するようにしているので、既述したように、付加機能層１０３’の膜厚の不均一によりＳＯＩ層１０１’の膜厚も不均一になる、付加機能層１０３’の研磨面の面粗さの影響が剥離用イオン注入層１０４の剥離面の面粗さに影響する、水素イオンの注入に多大なエネルギーを要する等の課題が生じる。

次に、上述した参考技術の課題を解決することを目的とした、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る貼り合わせウェーハの製造方法を、ＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する工程図である。以下、同図を参照して実施例１に係る貼り合わせウェーハの製造方法を説明する。

（ａ１） 第１のイオン注入工程
まず、単結晶シリコン基板でなるボンドウェーハ１を準備し、ボンドウェーハ１の少なくとも第一主表面Ｊ側にシリコン酸化膜でなる絶縁膜２を形成する。なお、絶縁膜２は、シリコン酸化膜の代わりに、シリコン窒化膜，シリコン酸化窒化膜などで形成することもできる。絶縁膜２の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ法等の方法を採用することも可能である。絶縁膜２の膜厚は、例えば、２ｎｍ以上、１μｍ以下の値とする。

次に、ボンドウェーハ１の第一主表面Ｊ側を、本実施例１では絶縁膜２の表面をイオン注入面として、例えば水素イオンビームを照射することにより臨界ドーズ量未満の水素イオンを打ち込み、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有する剥離予定イオン注入層３を形成する。剥離予定イオン注入層３は、図１（ａ１）に示すように、第一主表面Ｊから一定の深さ位置に形成される。すなわち、剥離予定イオン注入層３は、第一主表面Ｊに対して平行に形成され、最終的に得られるＳＯＩ層１’（図１（ｆ１）参照）の膜厚均一性を保証する。水素イオンのイオン注入のドーズ量は、臨界ドーズ量に比べて適度に低いレベルに留める。目安は、水素イオンの注入後、ボンドウェーハ１を４００℃以上の温度に上げて、ウェーハ表面近傍にブリスターができる最低ドーズ量である臨界ドーズ量の約８０％とする。これにより、後段の剥離工程（ｆ１）でのボンドウェーハ１の剥離位置は、剥離予定イオン注入層３の深さ位置で決定されるようになるが、剥離にまでは進行しない。なお、剥離予定イオン注入層３を形成するためのイオンは、本実施例１では水素イオンを用いるが、水素イオンに代えて、ヘリウムイオン，ネオンイオン，アルゴンイオン，クリプトンイオン，キセノンイオンなどの不活性ガスイオンを使用することもできる。

剥離予定イオン注入層３は、ボンドウェーハ１の深さ方向の水素濃度プロファイルを測定したとき、１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の位置に水素濃度のピーク位置が生ずるように形成するのがよい。深さ位置が１００ｎｍ未満では、十分な膜厚のＳＯＩ層１’
（図１（ｆ１）参照）が得られず、２０００ｎｍを超えるとイオン注入装置を極めて高エネルギー化する必要が生ずる。例えば、最終的に得るべきＳＯＩ層１’の平均膜厚を１０〜５０ｎｍ程度に設定する場合、剥離予定イオン注入層３は、ボンドウェーハ１の深さ方向の水素濃度プロファイルを測定したとき、１００〜５００ｎｍの位置（ただし、表面に絶縁膜２が形成される場合は、その絶縁膜２を除いた深さ位置で表す）に水素濃度のピーク位置が生ずるように形成するのがよい。なお、イオンの打ち込み深さは、イオンのエネルギー（加速電圧）によって調整し、例えば水素イオンを用いる場合は、絶縁膜２の膜厚を５０ｎｍに設定すると、剥離予定イオン注入層３を形成するためのイオン注入のエネルギーを１０ｋ〜６０ｋｅＶ程度に調整するのがよい。

また、剥離予定イオン注入層３、すなわち後述する剥離用イオン注入層３’（図１（ｄ１）参照）でのスムーズで平滑な剥離を行なうには、水素イオンの注入量（ドーズ量）が２×１０^１６個／ｃｍ^２〜１×１０^１７個／ｃｍ^２、とすることが望ましい。２×１０^１６未満では正常な剥離が不能となり、１×１０^１７個／ｃｍ^２を超えるとイオン注入量が過度に増大するため工程が長時間化し、製造能率の低下が避けがたくなる。

なお、既に説明した通り、剥離予定イオン注入層３の形成位置が浅いほど、剥離に必要なイオン注入の臨界ドーズ量は少なく設定される。絶縁膜２の膜厚が一定の場合、剥離予定イオン注入層３の形成位置は、最終的に得るべきＳＯＩ層１’の膜厚が薄くなるほど浅くなり、イオン注入のドーズ量も該膜厚に応じて少なく設定される。従って、ドーズ量を抑制して得られる薄いＳＯＩ層１’の剥離面は面粗さが減少し、剥離面の平坦化処理における研磨代を小さく設定することができる。その結果、ＳＯＩ層１’が薄くなるほど研磨代が小さくて済むようになり、研磨代不均一の影響が及びにくくなって、ＳＯＩ層１’のボンドウェーハ１内の膜厚均一性およびウェーハ間の膜厚均一性の双方を十分小さいレベルに軽減することが可能となる。例えば、ＳＯＩ層１’の平均膜厚が１０〜５０ｎｍ程度に設定される場合においても、ＳＯＩ層１’の膜厚均一性を、同一ウェーハ内の膜厚の標準偏差値にて例えば１．２ｎｍ以下に確保できる。

（ｂ１） 付加機能層堆積工程
ボンドウェーハ１の絶縁膜２上に、６００℃以上の温度でのＣＶＤ法でポリシリコン層でなる付加機能層４を堆積する。付加機能層４の膜厚は、１００〜１０００ｎｍ程度である。付加機能層４の堆積に当たっては、バッチ式および枚葉式の２種類の方式があるが、バッチ式では膜厚均一性はウェーハ内で＋／−５％程度、バッチ内で＋／−１０％程度である。また、付加機能層４の成長温度は、６００〜８００℃程度である。なお、付加機能層４は、ポリシリコン層の代わりに、非晶質シリコン層等で形成することもできる。付加機能層４の成長温度は６００℃以上であるが、水素イオンのドーズ量が臨界ドーズ量以下であるため、剥離予定イオン注入層３で剥離が生じたり、ブリスターができたりすることはない。しかし、剥離予定イオン注入層３へのイオン注入および付加機能層４の成長温度により、剥離予定イオン注入層３には、微細な欠陥層や亀裂層が生じることになる。

（ｃ１） 第２のイオン注入工程
付加機能層４の表面から第１のイオン注入工程（ａ１）でイオン注入されたのと同じ深さ位置（すなわち、剥離予定イオン注入層３の形成位置）となるように、第１のイオン注入工程（ａ１）でイオン注入されたドーズ量と合わせて臨界ドーズ量以上となるドーズ量のイオンを打ち込むことにより、剥離予定イオン注入層３を剥離用イオン注入層３’に変化させる。詳しくは、剥離予定イオン注入層３は、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有するので、イオン注入による応力場も谷状のポテンシャルを形成しやすく、第２のイオン注入時の水素イオンに対する引き込み応力も形成しやすい。このため、第２のイオン注入工程（ｃ１）で注入された水素イオンは、剥離予定イオン注入層３にトラップされたり、引き込まれたりして、剥離予定イオン注入層３に収束される。また、剥離予定イオン注入層３は、第１のイオン注入工程（ａ１）でのイオン注入および付加機能層堆積工程（ｂ１）での成長熱履歴により、すでに微細な欠陥層や亀裂層ができているので、より一層、注入された水素イオンをトラップしたり、引き込んだりする。このため、第１のイオン注入工程（ａ１）での剥離予定イオン注入層３へのイオン注入のドーズ量と第２のイオン注入工程（ｃ１）での剥離予定イオン注入層３へのイオン注入のドーズ量との和が、臨界ドーズ量を超えると、剥離予定イオン注入層３は、剥離可能な剥離用イオン注入層３’に変化する。

（ｄ１） 平坦化研磨工程
付加機能層４の表面は面粗さが粗いため、そのままではベースウェーハ５（図１（ｅ１）参照）と貼り合わせることが困難であるので、ＣＭＰ研磨により、付加機能層４の表面の平坦化（面粗さｒｍｓが１μｍ平方当たり０.２ｎｍ未満）を行ない、後段の貼り合わせ工程（ｅ１）において貼り合わせ面となる研磨面を有する付加機能層４’とする。研磨代は、２０〜２００ｎｍ程度である。研磨代を１００ｎｍとすると、研磨代ばらつきは面内で＋／−５ｎｍ程度となる。付加機能層４の平坦化研磨により、付加機能層４’の研磨面の第一主表面Ｊに対する面傾きが生じ、付加機能層４’の膜厚不均一が発生することがある。図１（ｄ１）は、このような付加機能層４’の膜厚不均一が発生した状態を例示している。

なお、第２のイオン注入工程（ｃ１）は、平坦化研磨工程（ｄ１）の後に行なうこともできる。この場合、第２のイオン注入は、平坦化研磨による研磨代バラツキを有する付加機能層４’を通して行なわれることになるが、前述の通り、第２のイオン注入で注入されたイオンは、第１のイオン注入において既に形成されている剥離予定イオン注入層３に引き込まれやすいので、研磨代バラツキの影響は小さい。

また、第１のイオン注入工程（ａ１）で消費される総エネルギーと第２のイオン注入工程（ｃ１）で消費される総エネルギーとの和が、第２のイオン注入工程（ｃ１）だけで剥離用イオン注入層３’を形成しようとしたときの総エネルギーよりも大幅に少なくなることはいうまでもない。それは、第１のイオン注入工程（ａ１）で付加機能層４を介することなしに剥離予定イオン注入層３にイオンを打ち込む電圧が、第２のイオン注入工程（ｃ１）で付加機能層４を介して剥離予定イオン注入層３と同等の層を形成するのに要する電圧よりも少なくなるからである。特に、本実施例１では、第１のイオン注入工程（ａ１）で臨界ドーズ量の約８０％のイオンを剥離予定イオン注入層３に打ち込むようにしているので、尚更である。このため、本実施例１では、図３に示した参考技術の場合に比べて、イオン注入に要する総エネルギーを大幅に削減することができる。

（ｅ１） 貼り合わせ工程
単結晶シリコン基板からなるベースウェーハ５を準備する。ベースウェーハ５としては、石英基板やサファイア基板などの絶縁性基板や、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣなどの化合物半導体基板を用いることもできるが、大口径化やコスト面を考慮すると、本実施例１のように単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。次に、ベースウェーハ５の少なくとも貼り合わせ面（以下、第一主表面という）Ｋにシリコン酸化膜でなる絶縁膜６を形成する。絶縁膜６の形成は、例えば、ウェット酸化やドライ酸化などの熱酸化により形成することができるが、ＣＶＤ法等の方法を採用することも可能である。このようにして準備された絶縁膜６付きのベースウェーハ５を、絶縁膜６（第一主表面Ｋ）側で上記イオン注入されたボンドウェーハ１上の付加機能層４’と室温で貼り合わせる。

（ｆ１） 剥離工程
貼り合わせ工程（ｅ１）で貼り合わせられた積層体を数１００℃、例えば４００〜６００℃の低温にて熱処理することにより、ボンドウェーハ１は、剥離用イオン注入層３’の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウェーハ５側に残留した部分がＳＯＩ層１’となる。剥離位置は、既に説明した通り、第１のイオン注入工程（ａ１）で剥離予定イオン注入層３として決定されるので、その後の付加機能層４の堆積や平坦化研磨による膜厚不均一には影響されない。図１（ｆ１）は、付加機能層４’は膜厚不均一であるが、ボンドウェーハ１が剥離用イオン注入層３’で剥離されたために、ＳＯＩ層１’は膜厚が均一となっている状態を例示している。なお、剥離用イオン注入層３’を形成する際のイオン注入のドーズ量を高めることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後のボンドウェーハ１の残余の部分は、剥離面を再研磨後、再びボンドウェーハまたはベースウェーハとして再利用することが可能である。

なお、貼り合わせ工程（ｅ１）および剥離工程（ｆ１）は、参考技術に記載した手法でもよい。すなわち、貼り合わせ前にプラズマでボンドウェーハ１の付加機能層４’の表面および／またはベースウェーハ５の絶縁膜６の表面を活性化した後に貼り合わせを行い、その後に温度をかけずに水レーザや気体をボンドウェーハ１に吹きかけることで剥離するようにしてもよい。

最終的なＳＯＩウェーハを得るには、剥離工程（ｆ１）後、ベースウェーハ５とＳＯＩ層１’とを絶縁膜２，６および付加機能層４を介して強固に結合する結合熱処理が必要である。この結合熱処理は、酸化性雰囲気中、あるいはアルゴンガス等の不活性ガスや窒素ガスまたはこれらの混合ガス中にて、通常１０００℃以上、１２５０℃以下の高温で行なわれる。なお、該結合熱処理に先立って、これよりも低温で、ＳＯＩ層１’の表面を保護するための酸化熱処理（７００℃以上、１０００℃以下）を行なうこともできる。

なお、プラズマで表面を活性化した後に貼り合わせたＳＯＩウェーハでは、ここに述べたような結合熱処理を行なう必要がない場合もある。

また、ＳＯＩ層１’の剥離面を、あるいはこれを研磨により平坦化した研磨面をさらに平坦化する平坦化熱処理を行なうことができる。この平坦化熱処理は、アルゴンガス等の不活性ガスや水素ガスあるいはこれらの混合ガス中にて１１００〜１３８０℃で行なうことができる。具体的には、一般的なバッチ式の縦型炉や横型炉といったヒーター加熱式の熱処理炉を用いて行なうことができる他、ランプ加熱等により熱処理を数秒から数分程度で完結する枚葉式ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）装置を用いて行なうこともできる。この平坦化熱処理を、前述の結合熱処理と兼ねて行なうこともできる。

さらに、例えば、ボンドウェーハ１に形成する絶縁膜２の膜厚を一定とすると、得るべきＳＯＩ層１’の膜厚が薄くなる場合、イオン注入のドーズ量も該膜厚に応じて小さく設定し、かつ、研磨処理におけるＳＯＩ層１’の剥離面の研磨代を小さく設定することができる。つまり、ＳＯＩ層１’が薄くなれば、剥離用イオン注入層３の形成位置が浅くなるのでイオン注入のドーズ量が減り、剥離面平坦化の際の研磨代を小さくできるので研磨代不均一の影響が軽減される。その結果、ＳＯＩ層１’の膜厚が薄いにもかかわらず、ボンドウェーハ１内の膜厚均一性およびウェーハ間の膜厚均一性の双方を十分小さいレベルに軽減することが可能となる。

以上説明したように、本実施例１に係る貼り合わせウェーハ製造方法によれば、付加機能層４’の膜厚不均一のいかんにかかわらず、イオン注入剥離によって得られる貼り合わせ半導体薄層（ＳＯＩ層１’）の膜厚を均一にすることができる。

（実施例２）
図２は、本発明の実施例２に係る貼り合わせウェーハの製造方法を、ＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する工程図である。本実施例２に係る貼り合わせウェーハの製造方法は、図１に示した実施例１に係る貼り合わせウェーハの製造方法に対して、絶縁膜６付きのベースウェーハ５を、絶縁膜無しのベースウェーハ５に置き換えただけのものである。よって、（ａ２）ないし（ｄ２）の各工程は、図１中の（ａ１）ないし（ｄ１）の各工程と同様であるので、それらの詳しい説明を割愛する。

（ｅ２） 貼り合わせ工程
単結晶シリコン基板からなるベースウェーハ５を準備する。ベースウェーハ５としては、石英基板やサファイア基板などの絶縁性基板や、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣなどの化合物半導体基板を用いることもできるが、大口径化やコスト面を考慮すると、単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。準備されたベースウェーハ５を、第一主表面Ｋ側で上記イオン注入されたボンドウェーハ１上の付加機能層４’と室温で貼り合わせる。

（ｆ２） 剥離工程
貼り合わせ工程（ｅ２）で貼り合わせられた積層体を数１００℃、例えば４００〜６００℃の低温にて熱処理することにより、ボンドウェーハ１は、剥離予定イオン注入層３’の概ね濃度ピーク位置において剥離し、ベースウェーハ５側に残留した部分がＳＯＩ層１’となる。剥離位置は、既に説明した通り、第１のイオン注入工程（ａ２）で剥離予定イオン注入層３として決定されるので、その後の工程の付加機能層４の堆積や平坦化研磨による膜厚不均一には影響されない。図２（ｆ２）は、付加機能層４’は膜厚不均一であるが、ボンドウェーハ１が剥離用イオン注入層３’で剥離されたために、ＳＯＩ層１’は膜厚が均一となっている状態を例示している。なお、剥離用イオン注入層３’を形成する際のイオン注入のドーズ量を高めることにより、剥離熱処理を省略できる場合もある。また、剥離後のボンドウェーハ１の残余の部分は、剥離面を再研磨後、再びボンドウェーハまたはベースウェーハとして再利用することが可能である。

なお、貼り合わせ工程（ｅ２）および剥離工程（ｆ２）は、参考技術に記載した手法でもよい。すなわち、貼り合わせ前にプラズマでボンドウェーハ１の付加機能層４’の表面および／またはベースウェーハ５の表面を活性化した後に貼り合わせを行い、その後に温度をかけずに水レーザや気体をボンドウェーハ１に吹きかけることで剥離するようにしてもよい。

実施例２に係る貼り合わせウェーハ製造方法においても、実施例１に係る貼り合わせウェーハ製造方法におけるのと同様に、付加機能層４’の膜厚不均一のいかんにかかわらず、イオン注入剥離によって得られる貼り合わせ半導体薄層（ＳＯＩ層１’）の膜厚を均一にすることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、請求項の記載に基づく技術的範囲を逸脱しない限り、種々の変形ないし改良を付加することができることはもちろんである。特に、貼り合わせウェーハ製造方法としてＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明したが、イオン注入剥離によって得られる貼り合わせ半導体薄層がシリコン薄膜でなるＳＯＩ層に限られないことはいうまでもない。

本発明の実施例１に係る貼り合わせウェーハの製造方法を、ＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する工程図。 本発明の実施例２に係る貼り合わせウェーハの製造方法を、ＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する工程図。 参考技術の貼り合わせウェーハの製造方法を、ＳＯＩウェーハの製造方法を例にとって説明する工程図。

符号の説明

１ ボンドウェーハ
１’ ＳＯＩ層（貼り合わせ半導体薄層）
２ 絶縁膜
３ 剥離予定イオン注入層
３’ 剥離用イオン注入層
４ 付加機能層
４’ 研磨面を有する付加機能層
５ ベースウェーハ
６ 絶縁膜

Claims (13)

1. ボンドウェーハの第一主表面から、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有するように第１のイオン注入を行なう第１のイオン注入工程と、
   前記ボンドウェーハの前記第一主表面側をイオン注入面側として、前記イオン注入面側に付加機能層を堆積する付加機能層堆積工程と、
   前記ボンドウェーハの前記付加機能層側から前記第１のイオン注入でイオンが注入された深さ位置を目標とする第２のイオン注入を行なう第２のイオン注入工程と、
   前記ボンドウェーハの前記付加機能層側をベースウェーハに貼り合わせる貼り合わせ工程と、
   前記ボンドウェーハを前記第１のイオン注入でイオンが注入された深さ位置で剥離する剥離工程と
   を含むことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
2. 前記第１のイオン注入が、前記付加機能層の成長熱履歴で前記ボンドウェーハに割れが生じることのないイオン注入量であ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。
3. 単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成してなるボンドウェーハの前記絶縁膜側から臨界ドーズ量未満のイオンを打ち込む第１のイオン注入により、前記ボンドウェーハ中に、深さ方向のイオン注入プロファイルにおいて予め定められた深さ位置に濃度ピークを有する剥離予定イオン注入層を形成する第１のイオン注入工程と、
   前記ボンドウェーハの前記絶縁膜上に付加機能層を堆積する付加機能層堆積工程と、
   前記付加機能層の表面側から前記第１のイオン注入工程でイオン注入されたのと同じ深さ位置となるように、前記第１のイオン注入工程でイオン注入されたドーズ量と合わせて臨界ドーズ量以上となるドーズ量のイオンを打ち込むことにより、前記剥離予定イオン注入層を剥離用イオン注入層とする第２のイオン注入工程と、
   前記剥離用イオン注入層が形成された前記ボンドウェーハ上の付加機能層とベースウェーハとを貼り合わせる貼り合わせ工程と、
   前記ボンドウェーハを前記剥離用イオン注入層で剥離する剥離工程と
   を含むことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。
4. 前記第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量が、前記第２のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量より多いことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
5. 前記第１のイオン注入工程でのイオン注入のドーズ量が、前記臨界ドーズ量の７０％以上、９０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
6. 前記第２のイオン注入工程の前段または後段に、前記堆積した付加機能層の表面を研磨することにより平坦化する平坦化研磨工程を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
7. 前記貼り合わせ工程の前段に、プラズマで前記ボンドウェーハおよび／または前記ベースウェーハの表面を活性化する活性化工程を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
8. 前記剥離工程が、前記活性化工程後に、水レーザや気体を前記ボンドウェーハに吹きかけることで剥離する工程であることを特徴とする請求項７に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
9. 前記剥離工程が、前記ボンドウェーハに熱処理を行なって剥離する工程であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
10. 前記絶縁膜が、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜またはシリコン酸化窒化膜のいずれかから選択された膜であることを特徴とする請求項３又は５に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
11. 前記付加機能層が、ポリシリコン層または非晶質シリコン層のいずれかから選択された層でなることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
12. 前記第１のイオン注入を行なうイオンが、水素イオン，ヘリウムイオン，ネオンイオン，アルゴンイオン，クリプトンイオンまたはキセノンイオンのいずれかから選択されたイオンであることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
13. 前記ベースウェーハが、絶縁膜付きの単結晶シリコン基板，単結晶シリコン基板，絶縁性基板または化合物半導体基板のいずれかから選択された基板でなることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。

Images