JP5220335B2 - Ｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁性基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法に関する。

絶縁基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板の製造方法として、従来、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板と支持基板とを貼り合わせた後に概ね５００℃以上の熱処理を施して注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄膜を熱剥離させるというSmartCut法（例えば特許文献１や非特許文献１）や、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板とシリコン基板あるいは他の材料の基板とを貼り合わせる前にこれらの基板の貼り合せ面をプラズマ処理して表面を活性化させた状態で両基板を貼り合わせ低温（例えば、１００〜３００℃）で熱処理を施して接合強度を高めた後に常温で機械的に剥離してＳＯＩ基板を得るSiGen法（例えば、特許文献２〜４）が知られている。

このような手法に加え、近年では、貼り合わせＳＯＩ基板のシリコン層を薄膜化するための技術として、「エッチバック法」が提案されている（非特許文献２など参照）。この手法は、活性層となるシリコンウェーハ（ボンドウェーハ）の表層にボロン（Ｂ）をイオン注入もしくは拡散させ、例えばＢ濃度が１０^１９／ｃｍ^３以上（概ね比抵抗が０．０１Ωｃｍ以下）の高濃度ｐ層（ｐ⁺⁺層）を形成し、支持基板（ベースウェーハ）と貼り合わせを行った後に、ボンドウェーハを裏面から化学的にエッチングして薄膜化するというものである。

このエッチバック法は、シリコン結晶を化学的にエッチングするためのアルカリ溶液が、ボロン添加されていないシリコン結晶や一般的なボロン濃度のシリコン結晶に対しては比較的高いエッチング速度を有する一方、高濃度にボロン添加されたシリコン結晶に対しては極めて低いエッチング速度を有するという「エッチング選択性」を利用したものである。なお、この「エッチング選択性」（選択比）は、結晶中のボロン濃度比に依存するが、通常は、１から１０００の範囲であり、ボロン濃度比が高くなるほど高い値となる。
特許第３０４８２０１号公報 米国特許第６２６３９４１号明細書 米国特許第６５１３５６４号明細書 米国特許第６５８２９９９号明細書 A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106). Q.-Y. Tong, U. Goesele et al., "Semiconductor Wafer Bonding" Wiley (1998) Chapter 6.

しかし、上述のエッチバック法で薄膜化されたシリコン層は極めて低抵抗（概ね比抵抗０．０１Ωｃｍ以下）であるため、一般的な半導体デバイスに適する抵抗率（比抵抗で０．１〜１００Ωｃｍ程度）から大きく外れることになり、応用範囲が狭いものとならざるを得ない。また、薄膜化されたシリコン層の抵抗率を一般的な半導体デバイスに適する抵抗率にするためにｐ層のボロン濃度を比抵抗で０．１〜１００Ωｃｍ程度となるようにしてしまうと、上述の「エッチング選択性」（選択比）が充分に得られず、所望の層厚を基板面内で均一に得ることが困難となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エッチバック法で薄膜化されたシリコン層（ＳＯＩ層）の基板面内での膜厚均一性と抵抗率均一性に優れたＳＯＩ基板の製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のＳＯＩ基板の製造方法は、最表面に深さＬの高濃度ボロン添加ｐ層を有するシリコン基板と絶縁性基板の表面同士を貼り合わせる工程Ａと、少なくとも化学的エッチングの工程を含む薄板化手法により前記貼り合わせ後のシリコン基板を裏面から薄板化して該シリコン基板の厚みをＬ以下とする工程Ｂと、上記Ｌ以下の厚みのシリコン層に水素含有雰囲気中で熱処理を施す工程Ｃとを備えている。

上記高濃度ボロン添加ｐ層の比抵抗は例えば０．０１Ωｃｍ以下であり、高濃度ボロン添加ｐ層のシリコン基板最表面からの深さＬは例えば１０μｍ以下である。

また、上記化学的エッチングに用いられるエッチャントは、例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、ＥＤＰ（Ethylenediamine-pyrocatechol）、またはＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）を含有するアルカリ溶液であり、上記水素含有雰囲気中での熱処理温度は、例えば、７００℃乃至１２５０℃である。

本発明において、上記工程Ａは、好ましくは、絶縁性基板とシリコン基板の少なくとも一方の表面に活性化処理を施す表面処理工程と、絶縁性基板とシリコン基板の表面同士を室温で接合する工程とを備えている。

また、上記活性化処理は、プラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方であることが好ましい。

本発明に用いられる絶縁性基板は、例えば、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラス、結晶化ガラス、または炭化珪素などである。

本発明では、エッチバック法で薄膜化されたＳＯＩ層を水素含有雰囲気中で熱処理することとしたので、当該熱処理中に水素がＳＯＩ層のＢの外方拡散を促進することとなる結果、最終的なＳＯＩ層の抵抗率を一般的な半導体デバイスに適する抵抗率の範囲とすることが可能になる。また、当該ＳＯＩ層は基板面内での膜厚均一性と抵抗率均一性に優れており、高品質のＳＯＩ基板が得られる。

以下に、本発明のＳＯＩ基板の製造方法を実施例により説明する。本実施例では絶縁性基板を石英基板として説明するが、サファイア基板、ホウ珪酸ガラス基板、結晶化ガラス基板、或いは炭化珪素などでもよい。

図１は、本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。なお、本実施例では、シリコン基板の表面には酸化膜が設けられていないが、表面に予め酸化膜を形成したシリコン基板を用いてもよい。

図１（Ａ）に図示されたシリコン基板１０はボンドウェーハであり、石英基板２０は支持基板（ベースウェーハ）である。シリコン基板１０は、ＣＺ法（チョクラルスキ法）により育成された一般に市販されているＢドープの単結晶Ｓｉ基板であり、その比抵抗率は概ね１０Ωｃｍ（Ｂ濃度で１０^１５／ｃｍ^３程度）である。なお、シリコン基板１０の導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。

これらの単結晶Ｓｉ基板１０および石英基板２０の直径は同一であり、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、石英基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。

先ず、単結晶Ｓｉ基板１０の表面にＢイオンを注入する（図１（Ｂ））。このイオン注入面が後の接合面（貼り合せ面）となる。このＢイオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の最表面に深さＬの高濃度ボロン添加ｐ層１１が形成される（図１（Ｃ））。

Ｂイオン注入時のドーズ量は、上述の「エッチング選択性」（選択比）が充分に高い値となるように選択される。本実施例では、高濃度ボロン添加ｐ層１１の比抵抗が０．０１Ωｃｍ程度となるように、当該層のＢ濃度を概ね１０^１９／ｃｍ^３とした。

高濃度ボロン添加ｐ層１１の単結晶Ｓｉ基板１０の最表面からの深さＬはイオン注入時の加速電圧により制御され、最終的にどの程度の厚さのＳＯＩ層を得るかにも依存するが、本実施例では約３μｍとしている。なお、本発明の手法では５μｍ以上の深い（厚い）高濃度ボロン添加ｐ層１１とするようにしてもよいが、Ｌの値を大きくしすぎるとイオン注入ダメージが大きくなりすぎるため、１０μｍ以下の深さとすることが好ましい。

なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。一般には、このＢ注入後に公知の手法でダメージ回復のための熱処理を施すが、後述する水素雰囲気中での熱処理温度が充分高い場合には、当該水素雰囲気中での熱処理にダメージ回復処理を兼ねさせることとし、この段階でのダメージ回復処理を省略してもよい。また、この高濃度ボロン添加ｐ層１１の形成を、イオン注入によらず、拡散法によることとしてもよい。

Ｂ注入後にダメージ回復処理を施した後、単結晶Ｓｉ基板１０の主面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図１（Ｄ））。このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものである。なお、このような表面処理は、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の主面に施せばよい。

この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがある。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。

表面処理をオゾン処理で実行する場合には、表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に所定の時間の処理が施される。

上述の表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を、室温で密着させて貼り合わせる（図１（Ｅ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、室温で密着（貼り合せ）した状態でも後工程での化学的エッチング時のハンドリングや機械研磨にも十分耐え得るレベルの接合強度となっている。

なお、図１（Ｅ）の貼り合わせ工程に続いて、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０とを貼り合わせた状態で比較的低温（１００〜３００℃）の温度で熱処理する工程を設けるようにしてもよい。この熱処理工程は、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０との接合強度を高めるという効果を得ることを主な目的とするものである。

なお、上述の熱処理温度を３００℃以下に設定されている主な理由は、単結晶シリコンと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶Ｓｉ基板１０ならびに石英基板２０の厚みを考慮したことによる。

単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の厚みが概ね同程度である場合、単結晶シリコンの熱膨張係数（２．３３×１０^−６）と石英の熱膨張係数（０．６×１０^−６）の間に大きな差異があるために、３００℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合には単結晶シリコン基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このような観点から、熱処理温度の上限を３００℃と選択している。

このような処理に続いて、貼り合わされた状態のシリコン基板に裏面から、少なくとも化学的エッチングの工程を含む薄板化を施して当該単結晶Ｓｉ基板１０の厚みをＬ以下とする。本実施例では、機械的な研磨で厚み３０μｍ程度にまで薄板化した後、さらに、化学的エッチングにより仕上げの薄板化を行っている。後段の化学的エッチングは、ＫＯＨ１０％のアルカリ水溶液（液温８０℃）中に貼り合わせ基板を浸漬させて実行した。このエッチング条件では、単結晶Ｓｉ基板１０のエッチング速度は０．６〜０．７μｍ／分であり、石英のエッチング速度は殆ど無視できる。

化学的エッチングで用いられるエッチャントは、ＫＯＨの他、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、ＥＤＰ（Ethylenediamine-pyrocatechol）、またはＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）を含有するアルカリ溶液などがある。なお、機械的研磨を施す場合にはＣＭＰ（化学機械研磨処理）によることが好ましい。このような薄板化処理により、石英基板２０上には、高濃度ボロン添加ｐ層１１のみがＳＯＩ層として残されることとなる（図１（Ｆ））。

このようにして得られたＳＯＩ層は、石英基板面内において均一な厚みを有しており、しかも、表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定して得られたＲＭＳの平均値は５ｎｍ以下と良好であった。

次に、得られたＳＯＩ基板に、水素含有雰囲気中で熱処理を施して、高濃度ボロン添加ｐ層１１からＢを外方拡散させて、所望の抵抗値のボロン添加ｐ層１２を得る（図１（Ｇ））。この熱処理中に、シリコン結晶内部のＢは熱処理雰囲気の水素と結び付いた状態（ＢＨ_３やＢ_２Ｈ_６など）で結晶外に拡散して、高濃度ボロン添加ｐ層１１内のＢ濃度は処理時間に応じて低下してゆくこととなる。本実施例での熱処理は、窒素と水素の混合ガスを雰囲気として、１０００℃で８時間の処理とした。

なお、熱処理温度および時間は、外方拡散させるＢの拡散長に依存するため、高濃度ボロン添加ｐ層１１の厚みと当該層内でのＢ濃度、およびＳＯＩ層内のＢ濃度を最終的にどの程度とするかに応じて適当な条件が選択されるが、本発明では、使用する絶縁性基板の軟化点の観点から熱処理温度の上限は１２５０℃とし、Ｂが拡散し得る温度の下限として７００℃を選択している。

なお、単結晶Ｓｉ（すなわち高濃度ボロン添加ｐ層１１）は既にμｍレベルにまで薄膜化されているため、このような高温で熱処理を施しても、石英基板２０との間で熱歪によるクラックや接合面における剥離などは生じない。

このようにして得られたＳＯＩ基板のボロン添加ｐ層１２の抵抗率を四短針法で測定したところ、０．５Ωｃｍ程度（Ｂ濃度換算で３×１０^１６／ｃｍ^３程度）の値が得られ、基板面内での抵抗率均一性も優れていた。

このように、本発明の手法によれば、エッチバック法における「エッチング選択性」（選択比）を高めるために、高濃度ボロン添加ｐ層１１と単結晶Ｓｉ基板１０のＢ濃度差を大きくすることが可能になる一方、ＳＯＩ層の形成後において当該ＳＯＩ層の抵抗値を所望の値に制御することが可能となる。

また、本発明においては、支持基板をシリコン以外の材料からなる絶縁性基板としたので、アルカリ溶液に浸漬してエッチバック処理する際の支持基板へのエッチングを事実上考慮する必要がないという利点もある。

更に、シリコン基板を支持基板とした場合には、水素含有雰囲気中での熱処理中に外方拡散したＢが再びシリコン基板に拡散してしまい、その後の熱プロセスにおいて、ＳＯＩ層の抵抗率を変動させてしまう原因ともなるが、本発明のように支持基板を絶縁性基板とした場合は、このような問題を回避することが可能である。特に、合成石英ガラスを基板とした場合には、Ｂ濃度は１ｐｐｂ以下であるため、ＳＯＩ層へのＢの拡散源となる心配は皆無である。

本発明は、エッチバック法で薄膜化されたシリコン層（ＳＯＩ層）の基板面内での膜厚均一性と抵抗率均一性に優れたＳＯＩ基板の製造方法を提供する。

本発明のＳＯＩ基板の製造方法のプロセス例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 単結晶Ｓｉ基板
１１ 高濃度ボロン添加ｐ層
１２ ボロン添加ｐ層
２０ 石英基板

Claims (6)

1. 最表面に深さＬの高濃度ボロン添加ｐ層を有するシリコン基板と絶縁性基板の表面同士を貼り合わせる工程Ａと、少なくとも化学的エッチングの工程を含む薄板化手法により前記貼り合わせ後のシリコン基板を裏面から薄板化して該シリコン基板の厚みをＬ以下とする工程Ｂと、前記Ｌ以下の厚みのシリコン層に水素含有雰囲気中で熱処理を施す工程Ｃとを備え、
   前記高濃度ボロン添加ｐ層のシリコン基板最表面からの深さＬは３μｍ以上１０μｍ以下であり、該高濃度ボロン添加ｐ層の比抵抗は０．０１Ωｃｍ以下である、
   ことを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 前記化学的エッチングに用いられるエッチャントは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ₄ＯＨ、ＥＤＰ（Ethylenediamine-pyrocatechol）、またはＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）を含有するアルカリ溶液である請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. 前記水素含有雰囲気中での熱処理温度が７００℃乃至１２５０℃である請求項１又は２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 前記工程Ａは、前記絶縁性基板と前記シリコン基板の少なくとも一方の表面に活性化処理を施す表面処理工程と、前記絶縁性基板と前記シリコン基板の表面同士を室温で接合する工程とを備えている請求項１乃至３の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
5. 前記活性化処理がプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方である請求項４に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
6. 前記絶縁性基板は、石英、サファイア、ホウ珪酸ガラス、結晶化ガラス、または炭化珪素の何れかである請求項１乃至５の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。

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