特許 5910352 貼り合わせウェーハの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5910352

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】貼り合わせウェーハの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20160414BHJP

   H01L 27/12 20060101ALI20160414BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20160414BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20160414BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/12 B

   H01L21/265 Q

   H01L21/02 B

   H01L21/68 N

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-145985(P2012-145985)

(22)【出願日】2012年6月28日

(65)【公開番号】特開2014-11272(P2014-11272A)

(43)【公開日】2014年1月20日

【審査請求日】2014年6月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000190149

【氏名又は名称】信越半導体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100102532

【弁理士】

【氏名又は名称】好宮 幹夫

(72)【発明者】

【氏名】横川 功

(72)【発明者】

【氏名】阿賀 浩司

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２２８６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／０９３３３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−０１０６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０５４０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２８３０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１５７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５９２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４０５９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

Ｈ０１Ｌ ２１／６８３

Ｈ０１Ｌ ２７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機であり、前記ウェーハ保持具が前記回転体の回転面より内側に傾けてあるバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハを、シリコン単結晶からなるベアウェーハ、又は、前記イオン注入する側の表面に厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜が形成されたシリコン単結晶ウェーハとし、
前記イオン注入工程において、イオン注入を２回に分けて行い、各イオン注入の際の注入量を、前記イオン注入工程における全注入量の４０〜６０％の範囲内とし、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を前記ボンドウェーハに注入されたイオンのチャネリングが最小となるように設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

【請求項2】

前記シリコン単結晶ウェーハの面方位を｛１００｝とし、前記イオン注入角度Ｘ度を７度以上８度以下とす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。

【請求項3】

回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機であり、前記ウェーハ保持具が前記回転体の回転面より内側に傾けてあるバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハを、前記イオン注入する側の表面に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜を形成したシリコン単結晶ウェーハとし、
前記イオン注入工程において、イオン注入を２回に分けて行い、各イオン注入の際の注入量を、前記イオン注入工程における全注入量の４０〜６０％の範囲内とし、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を１度以上３度以下に設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。

【請求項4】

前記シリコン単結晶ウェーハの面方位を｛１００｝とす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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン注入剥離法を用いた貼り合わせウェーハの薄膜（ＳＯＩ層）の膜厚均一性を改善するための、貼り合わせウェーハの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子用のウェーハの一つとして、絶縁膜であるシリコン酸化膜の上にシリコン層を形成したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハがある。このＳＯＩウェーハは、デバイス作製領域となる基板表層部のシリコン層（以下、ＳＯＩ層と呼ぶことがある）が埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）により基板内部と電気的に分離されているため、寄生容量が小さく、耐放射性能力が高いなどの特徴を有する。そのため、高速・低消費電力動作、ソフトエラー防止などの効果が期待され、高性能半導体素子用の基板として有望視されている。

【0003】

このＳＯＩウェーハを製造する代表的な方法として、ウェーハ貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法が挙げられる。
ウェーハ貼り合わせ法は、例えば２枚のシリコン単結晶ウェーハのうちの一方の表面に熱酸化膜を形成した後、この形成した熱酸化膜を介して２枚のウェーハを密着させ、結合熱処理を施すことによって結合力を高め、その後に片方のウェーハ（ＳＯＩ層を形成するウェーハ（以下、ボンドウェーハ））を鏡面研磨等により薄膜化することによってＳＯＩウェーハを製造する方法である。

【0004】

また、この薄膜化の方法としては、ボンドウェーハを所望の厚さまで研削、研磨する方法や、予めボンドウェーハの内部に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも１種類を注入してイオン注入層を形成しておき、貼り合わせ後にイオン注入層においてボンドウェーハを剥離するイオン注入剥離法と呼ばれる方法等がある。

【0005】

一方、ＳＩＭＯＸ法は、単結晶シリコン基板の内部に酸素をイオン注入し、その後に高温熱処理（酸化膜形成熱処理）を行って、注入した酸素とシリコンとを反応させてＢＯＸ層（埋め込み酸化膜層）を形成することによってＳＯＩ基板を製造する方法である。

【0006】

上記の代表的な２つの手法のうち、ウェーハ貼り合わせ法は、作製されるＳＯＩ層やＢＯＸ層の厚さが自由に設定できるという優位性があるため、様々なデバイス用途に適用することが可能である。
特に、ウェーハ貼り合わせ法の一つであるイオン注入剥離法は、上記優位性に加え、さらに優れた膜厚均一性を有する特徴があり、ウェーハ全面で安定したデバイス特性を得ることができる。

【0007】

しかしながら、イオン注入剥離法では、結晶方位をもつ単結晶材料に、イオン注入を行うため、チャネリング効果を考慮せずにイオン注入を行うと、一部のイオンが深い位置まで打ち込まれてしまうため、注入深さ均一性の悪化や、注入ピーク位置濃度の低下が起き、剥離後の膜厚均一性が悪化したり、剥離が出来ないなどの問題が発生してしまう。

【0008】

この対策として、単結晶材料で、（１００）方位を持つシリコンウェーハなどは、イオン注入角度を７度にすることで、イオンと単結晶材料との衝突確率を上げて、注入深さ均一性、注入量均一性を改善できることが知られている（非特許文献１）。
また、この対策として、単結晶材料の表面にアモルファスからなる、例えば、酸化膜を形成することで、アモルファス層にて、イオンの進入方向をランダムに変え、チャネリング抑制できることが知られている（非特許文献１）。

【0009】

また、特許文献１（請求項３、図２）には、イオン注入面に付着したパーティクルに起因するマイクロボイドを低減するため、水素イオン注入を複数に分割し、かつ、イオン注入角度を変えてイオン注入することが記載されている。特に、実施例２においては、水素イオン注入を２回に分割し、±１５度でイオン注入することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】ＷＯ２００１／０９３３３４号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】ここまで来たイオン注入技術 布施玄秀 工業調査会 １９９１年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

イオン注入剥離法で作製する貼り合わせウェーハの薄膜の膜厚均一性への要求は、年々厳しくなっている。
イオン注入剥離法で貼り合わせウェーハを作製する場合において、ウェーハ表面に酸化膜などの絶縁膜が形成されていないベアウェーハの状態でイオン注入する際、例えば、注入角度を７度として注入すると、剥離後の転写層の膜厚均一性が、ある方向に向かって若干の傾斜を持ち、これが剥離後の膜厚均一性を悪化させていることが判明した。

【0013】

また、イオン注入剥離法で貼り合わせウェーハを作製する場合において、注入するウェーハに、アモルファスからなる酸化膜層を形成して、注入角度を０度として注入すると、剥離後の転写層の膜厚均一性が、ある位置方向に向かって、中央部は厚く、外周部は薄い、凸状の分布をもち、これが剥離後の膜厚均一性を悪化させている場合があることが判明した。

【0014】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、バッチ式イオン注入機により、均一な深さにイオン注入して貼り合わせウェーハを作製するにあたり、剥離後に得られる転写層の膜厚均一性を改善し、所望の膜厚均一性を有する薄膜が形成された貼り合わせウェーハを製造する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記目的を達成するために、本発明は、回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記ボンドウェーハを、シリコン単結晶からなるベアウェーハ、又は、前記イオン注入する側の表面に厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜が形成されたシリコン単結晶ウェーハとし、前記イオン注入工程において、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を前記ボンドウェーハに注入されたイオンのチャネリングが最小となるように設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。

【0016】

このように、イオン注入工程を行うことで、チャネリングを最小に抑制しつつ、各イオン注入の深さの不均一を相殺し、剥離後の薄膜の膜厚均一性を向上させることができる。

【0017】

このとき、前記各イオン注入の際の同等の注入量を、前記イオン注入工程における全注入量の４０〜６０％の範囲内とすることが好ましい。
このようなイオン注入量で各イオン注入を実施することで、より均一な深さにイオン注入でき、剥離後のボンドウェーハの膜厚均一性を良好に保つことができる。

【0018】

このとき、前記シリコン単結晶ウェーハの面方位を｛１００｝とし、前記イオン注入角度Ｘ度を７度以上８度以下とすることが好ましい。
これにより、イオン注入においてチャネリングの発生を最小に抑制することができる。

【0019】

本発明は、回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、前記ボンドウェーハを、前記イオン注入する側の表面に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜を形成したシリコン単結晶ウェーハとし、前記イオン注入工程において、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を１度以上３度以下に設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法を提供する。

【0020】

このようにしてイオン注入工程を行うことで、各イオン注入の深さの不均一を相殺し、剥離後の薄膜の膜厚均一性を向上させることができる。

【0021】

このとき、前記各イオン注入の際の同等の注入量を、前記イオン注入工程における全注入量の４０〜６０％の範囲内とすることが好ましい。
このようなイオン注入量で各イオン注入を実施することで、より均一な深さにイオン注入することができ、剥離後のボンドウェーハの膜厚均一性を良好に保つことができる。

【0022】

このとき、前記シリコン単結晶ウェーハの面方位を｛１００｝とすることが好ましい。
このような面方位のシリコン単結晶ウェーハを使用することで、シリコン半導体素子の作製に広く応用することができる。

【発明の効果】

【0023】

以上のように、本発明によれば、イオン注入深さ分布のバラツキを改善し、薄膜の膜厚均一性が飛躍的に向上された貼り合わせウェーハを量産レベルで製造することができるため、このような貼り合わせウェーハを用いたデバイスの閾値電圧を安定化でき、デバイス歩留りが向上する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法で使用するバッチ式イオン注入装置の一部の平面図を示す。

【図2】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法で使用するバッチ式イオン注入装置の一部の側面図を示す。

【図3】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法で使用するバッチ式イオン注入装置の一部の斜視図を示す。

【図4】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法において、イオン注入を行う方法を説明した図である。

【図5】コーンアングル効果を説明する説明図である。

【図6】貼り合わせウェーハの製造方法において、ボンドウェーハとしてベアウェーハを使用した場合の製造フロー図と、イオン注入角度を０、＋７、−７度とした場合の膜厚分布である。

【図7】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法において、ボンドウェーハとしてベアウェーハを使用し、イオン注入角度を＋７、−７度とした場合のイオン注入層深さの概略図と薄膜の膜厚分布である。

【図8】貼り合わせウェーハの製造方法において、酸化膜が付いたボンドウェーハを使用した場合の製造フロー図と、イオン注入角度を０度とした場合の薄膜の膜厚分布である。

【図9】貼り合わせウェーハの製造方法において、厚さ３０ｎｍ酸化膜が付いたボンドウェーハを使用した場合の製造フロー図と、イオン注入角度を０、＋３、＋７度とした場合の、薄膜の膜厚分布である。

【図10】本発明の貼り合わせウェーハの製造方法において、厚さ３０ｎｍ酸化膜が付いたボンドウェーハを使用し、イオン注入角度を＋２、−２度とした場合のイオン注入層深さの概略図と、薄膜の膜厚分布である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明者らは、バッチ式イオン注入機を用いて、イオン注入剥離法により、薄膜を有する貼り合わせウェーハを製造するに当たって、注入するウェーハが、アモルファス層を持たないベアウェーハ、もしくは、酸化膜厚が１〜１００ｎｍと薄い酸化膜付ウェーハである場合、バッチ式イオン注入機の回転体が持つコーンアングル効果により、回転体の回転する円周方向に対してイオン注入深さが変化し、得られる薄膜の膜厚バラツキが大きくなることを発見した。

【0026】

このように、イオン注入剥離法を用いた貼り合わせウエーハの製造方法において、イオン注入の深さ分布が生じる要因の１つとしては、コーンアングル（ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ）効果がある。

【0027】

図２に示すように、バッチ式イオン注入機１０は、基板３を保持するために、ウェーハ保持具２は回転体１の回転面より若干内側に傾けてある。この理由は、回転体１が回転することの遠心力により、ウェーハ保持具２に基板３を押し付け、それにより、基板３の裏面とウェーハ保持具２との押し付け力を増大し、接触面積を増加させ、基板３の冷却能力高めるためである。これにより、回転体１が回転する際、その遠心力により基板３をウェーハ保持具２に押し付ける力が働き、ウェーハ保持具２は基板３を保持するようになっている。

【0028】

ただし、このように回転体１の回転面と基板３の表面が平行でない場合、イオンビームを基板３に対して一定角度で注入しようとしても、基板中央部とビームスキャン方向の基板両端部では、回転体の回転に応じて注入角度にごくわずかなズレが生じる。これにより、イオン注入深さが基板中央部では深く（図５の（ａ））、スキャン方向の基板両端部（図５の（ｂ）、（ｃ））では浅くなる。この現象を、コーンアングル効果と呼んでいる。

【0029】

このため、イオン注入剥離法におけるイオン注入においては、基板３とイオンビームの設定角度は、基板３の表面とイオンビームとの角度が垂直になる注入角度０度（α＝０°）に設定することで（図５の（ａ））、スキャン方向の基板３の両端部で注入角度が同程度ずれる様にして、イオン注入の深さの分布が比較的均一になるようにしている。

【0030】

しかし、上記のようにイオン注入角度を０度に設定して、コーンアングル効果の影響を抑制する場合であっても、イオン注入層の深さ分布のバラツキが発生する別の要因として、Ｔｈｉｎ ＢＯＸ型のＳＯＩウェーハや酸化膜を介さない直接接合ウェーハの作製において、チャネリングが発生することが挙げられる。

【0031】

酸化膜を介さない直接接合ウェーハや、１００ｎｍ以下のＢＯＸ層（シリコン酸化膜層）膜厚を有するＴｈｉｎ ＢＯＸ型のＳＯＩウェーハの作製においては、酸化膜による散乱の効果が小さくなり、イオン注入角度を０度に設定したイオン注入ではチャネリングが発生する。

【0032】

バッチ式イオン注入機の場合、基板中央部では、基板内の結晶面とイオンビームの角度が垂直になるため、チャネリングの効果が大きくなり、イオン注入深さは深くなる。一方、スキャン方向の基板両端ではコーンアングル効果により注入角度が生じるため、チャネリングの影響は相対的に弱くなり、イオン注入深さが浅くなる。このように、Ｔｈｉｎ ＢＯＸ型のＳＯＩウェーハや、酸化膜を介さない直接接合ウェーハの作製においては、特にコーンアングル効果がチャネリングによって強調される。

【0033】

また、イオン注入剥離法により、貼り合わせウェーハを作製するに当たって、ウェーハ径が１５０ｍｍと小さいうちは、コーンアングル効果による注入深さ均一性悪化がそれほど大きくなく、更に、要求されるＳＯＩ層膜厚バラツキの規格も比較的大きかったので、特に問題にならなかった。

【0034】

しかしながら、ウェーハ径が３００ｍｍ以上と大きくなると、コーンアングル効果により、回転体の回転方向に対して、ウェーハ中央部とウェーハ外周部とで、イオン注入角度が約１度変化してしまうため、注入深さバラツキが大きくなってしまう。このため、イオン注入剥離法で作製される、貼り合わせウェーハの薄膜の膜厚バラツキが悪化してしまう。更に、３００ｍｍウェーハでは、要求される膜厚均一性も高いため、単に今まで通り作製していたのでは、要求された仕様を満たせない場合が出てきた。これは、当業者と言え、予測していない現象であった。

【0035】

イオン注入剥離法で、ウェーハ径が３００ｍｍ以上の貼り合わせウェーハを作製する場合において、ベアウェーハの状態でイオン注入する際、例えば、イオン注入角度を７度として注入すると、３００ｍｍウェーハでは、ウェーハ中央に対し、ウェーハ外周部のイオン注入角度は±１度程度ずれてしまう。従って、ウェーハ中央部は７度で注入されるが、一方のウェーハ外周部は注入角度が６度、もう一方のウェーハ外周部は８度となってしまう。

【0036】

面方位が｛１００｝のシリコン単結晶ウェーハの場合、チャネリングは、一般にイオン注入角度を７〜８度にすることで、最小に抑制されることが知られている。従って、イオン注入角度が６度では、チャネリングの影響が出て、イオン注入深さが深くなってしまう。また、イオン注入角度θに対して、イオン注入深さがｓｉｎθで変化する効果も加わり、更にイオン注入深さの均一性が悪化してしまう。これら２つの効果により、ベアウェーハでの剥離後の薄膜の膜厚均一性が悪化し、その膜厚分布は、回転体の回転方向に変化してしまう。

【0037】

また、イオン注入剥離法で、ウェーハ径が３００ｍｍ以上の貼り合わせＳＯＩウェーハを作製する場合において、比較的薄い酸化膜厚付ウェーハに、イオン注入角度を０度として注入すると、コーンアングル効果により、ウェーハ中央に対し、ウェーハ外周部の注入角度は±１度程度ずれてしまう。従って、ベアウェーハほどではないが、チャネリングが発生し、剥離後の薄膜は、回転体の回転方向で中央部は厚く、外周部は薄い、凸状の分布をもち、これにより剥離後の膜厚均一性が悪化してしまう。

【0038】

以上のように、ベアウェーハ、あるいは、比較的薄い酸化膜が形成されたウェーハで、特にウェーハ径が大きいものに対して、イオン注入剥離法を実施した場合、コーンアングル効果による注入角度のズレの大きさと、これに伴うチャネリングの発生に起因して、剥離後の膜厚均一性が悪化する。

【0039】

そこで、本発明者らは、イオン注入時にコーンアングル効果の影響を相殺することができれば、コーンアングル効果の影響を抑制し、たとえ、ウェーハ径が大きく、かつ、酸化膜等のアモルファス層が無い、あるいは、酸化膜等のアモルファス層が薄くても、剥離後の薄膜の厚さの均一性を改善できるのではないかと考えた。

【0040】

そして、本発明者らは、イオン注入時のイオン注入深さの均一性（剥離後の膜厚均一性）を改善する方法として、イオン注入を複数回に分割し、それぞれのノッチ向きを変えること（ウェーハを所定の角度回転させること）で、イオン注入深さの面内分布を相殺する方法を見い出した。この方法では、例えば、イオン注入を２分割した場合、前半のイオン注入時のノッチ角度に対して、後半のイオン注入時のノッチ角度を１８０度回すことで、面内の注入分布を均一にできる。

【0041】

しかしながら、バッチ式イオン注入機の場合、そのようにウェーハを自転させるため、一度ウェーハ保持具からウェーハを外したり、さらには、一度、チャンバーから取り出さなければならない。この搬送作業により、ウェーハにパーティクルが付着するリスクが発生するため、取り出し毎にウェーハを洗浄する必要が発生する。

【0042】

このような問題点を解決するため、さらに鋭意検討を行った結果、本発明者らは、イオン注入を２回に分け、前半と後半のイオン注入時のイオン注入角度を、イオン注入深さの均一性が相殺するように変えることで、イオン注入深さの均一性を改善し、剥離後の薄膜の膜厚を改善できることを見出し、本発明を完成させた。

【0043】

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【0044】

第１の本発明は、回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハを、前記イオン注入する側の表面に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜を形成したシリコン単結晶ウェーハとし、
前記イオン注入工程において、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を１度以上３度以下に設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法である。

【0045】

このように、第１の本発明は、まずボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成する（イオン注入工程）。
第１の本発明のボンドウェーハとして、面方位が｛１００｝のシリコン単結晶ウェーハを使用すれば、本発明の方法によって作製した貼り合わせウェーハを、現在のシリコン半導体素子の作製に広く応用することができるが、第１の本発明では、ホンドウェーハの面方位は特に限定されず、ウェーハの面方位が｛１１０｝や｛１１１｝の場合でも、同様に第１の本発明を実施することができる。

【0046】

上記イオン注入では、図１〜図３に示すような、バッチ式イオン注入機１０を使用する。バッチ式イオン注入機１０は、回転体１と該回転体１に設けられ基板３を配置する複数のウェーハ保持具２とを備え、該ウェーハ保持具２に配置され公転している複数の基板３にイオン注入するものである。

【0047】

第１の本発明のイオン注入工程では、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、その際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度（図４の（ａ））と−Ｘ度（図４の（ｂ））でそれぞれイオン注入を行う。イオン注入角度Ｘ度は、基板３の表面中心の垂線とイオンビームのなす角度をいう。
これにより、各イオン注入によるイオン注入層の深さの不均一が相殺され、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。また、イオン注入角度Ｘ度は、回転体１の傾きを調整することで簡単に変更できる。従って、基板３をウェーハ保持具２から外す必要はないため、バッチ毎に基板３のパーティクルを低減するための洗浄を行う必要はなく、スループットを大幅に向上させることができる。尚、「同等の注入量」とは、イオン注入を２回に分けることによってイオン注入層の深さの不均一が相殺され、剥離後の膜厚均一性が向上する効果が得られる注入量の範囲を意味し、２等分に限定されるものではない。

【0048】

また、上記のように、ボンドウェーハを、前記イオン注入する側の表面に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜を形成したシリコン単結晶ウェーハとし、上記イオン注入角度Ｘ度を１度以上３度以下に設定することで、イオン注入する際のチャネリングの影響を抑制でき、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。
一方、上記イオン注入角度Ｘ度が１度未満では、チャネリングの影響が大きくなり、剥離後の薄膜の膜厚均一性が悪化する。また、上記イオン注入角度Ｘ度が３度以下であれば、絶縁膜とイオン注入角度Ｘ度によりチャネリングの影響は小さくなり、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。

【0049】

更に、第１の本発明のイオン注入工程では、各イオン注入の際の同等の注入量を、全注入量の４０〜６０％の範囲内とすることが好ましい。すなわち、５０％、５０％とする場合のみならず、例えば、前半を４０％、後半を６０％として注入してもよい。
これにより、各イオン注入によるイオン注入層の深さの不均一を効果的に相殺でき、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。

【0050】

次に、第１の本発明では、ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して貼り合わせる（貼り合わせ工程）。
通常は、常温の清浄な雰囲気下でボンドウェーハとベースウェーハの表面同士を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウェーハ同士が接着する。

【0051】

次に、第１の本発明では、イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する（剥離工程）。
例えば、不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で熱処理を加えれば、イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることができる。また、貼り合わせ面に予めプラズマ処理を施すことによって、熱処理を加えずに（あるいは剥離しない程度の温度で熱処理を加えた後）、外力を加えて剥離することもできる。

【0052】

次に、第２の本発明は、回転体と該回転体に設けられ基板を配置する複数のウェーハ保持具とを備え、該ウェーハ保持具に配置され公転している複数の基板にイオン注入するバッチ式イオン注入機を使用し、ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせる貼り合わせ工程と、前記イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する剥離工程とを有する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハを、シリコン単結晶からなるベアウェーハ、又は、前記イオン注入する側の表面に厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の絶縁膜が形成されたシリコン単結晶ウェーハとし、
前記イオン注入工程において、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、該２回のイオン注入の際、公転方向にイオン注入角度＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入し、前記イオン注入角度Ｘ度を前記ボンドウェーハに注入されたイオンのチャネリングが最小となるように設定することを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法である。

【0053】

このように、第２の本発明は、まずボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してイオン注入層を形成する（イオン注入工程）。
第２の本発明のボンドウェーハは、面方位が｛１００｝のシリコン単結晶ウェーハを使用すれば、第２の本発明の方法によって作製した貼り合わせウェーハを、現在のシリコン半導体素子の作製に広く応用することができるが、第２の本発明でも、第１の本発明と同様に、ホンドウェーハの面方位は特に限定されず、ウェーハの面方位が｛１１０｝や｛１１１｝の場合でも、第２の本発明を適用することができる。

【0054】

また、第２の本発明のイオン注入工程では、第１の本発明のイオン注入と同様に行うことができるが、第２の本発明では、イオン注入角度Ｘ度をボンドウェーハに注入されたイオンのチャネリングが最小となるように設定する。イオン注入角度Ｘ度が小さい場合、ボンドウェーハの表面に絶縁膜がないとチャネリングの影響が大きくなり、剥離後の薄膜の均一性が劣化する。そのため、チャネリングの影響を避けるために、イオン注入角度Ｘ度を適度に大きくすることで、剥離後の薄膜の均一性が向上する。

【0055】

また、第２の本発明におけるイオン注入角度Ｘ度は、７度以上８度以下とすることが好ましい。
これにより、第２の本発明では、シリコン単結晶からなるベアウェーハをボンドウェーハとして使用しても、イオン注入の際に、チャネリングの影響を十分に抑制でき、剥離後の薄膜の均一性を良好にすることができる。

【0056】

そして、第２の本発明では、ボンドウェーハを、シリコン単結晶からなるベアウェーハ、又は、前記イオン注入する側の表面に、厚さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の薄い絶縁膜を形成したシリコン単結晶ウェーハとし、上記イオン注入角度Ｘ度を前記ボンドウェーハに注入されたイオンのチャネリングが最小となるように設定することで、イオン注入する際のチャネリングの影響を抑制でき、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。

【0057】

また、第２の本発明のイオン注入工程では、各イオン注入の際の同等の注入量を、全注入量の４０〜６０％の範囲内とすることが好ましい。
これにより、各イオン注入によるイオン注入層の深さの不均一を効果的に相殺でき、剥離後の薄膜の膜厚均一性が向上する。

【0058】

次に、第２の本発明では、ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせる（貼り合わせ工程）。
通常は、常温の清浄な雰囲気下でボンドウェーハとベースウェーハの表面同士を接触させることにより、接着剤等を用いることなくウェーハ同士が接着する。

【0059】

次に、第２の本発明では、イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることにより、前記ベースウェーハ上に薄膜を有する貼り合わせウェーハを作製する（剥離工程）。
例えば、不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で熱処理を加えれば、イオン注入層でボンドウェーハを剥離させることができる。また、貼り合わせ面に予めプラズマ処理を施すことによって、熱処理を加えずに（あるいは剥離しない程度の温度で熱処理を加えた後）、外力を加えて剥離することもできる。

【0060】

以下、本発明について、更に詳述する。
以下のようにイオンのチャネリングが最小となるイオン注入角度を調べた。まず、イオン注入剥離法で、ボンドウェーハとして、表面に酸化膜などの絶縁層が形成されていない、面方位が｛１００｝のベアウェーハ（オフアングルなし）にイオン注入する場合について述べる。図６の（Ａ）に示すように、ベアウェーハでの貼り合わせウェーハの作製では、例えば、直径３００ｍｍのベアウェーハ５（図６の（ａ））に、水素イオンを５０ｋｅＶの加速エネルギーで注入し、イオン注入層７を形成する（図６の（ｂ））。その後、イオン注入したベアウェーハ５と、酸化膜６付きのベースウェーハ４（図６の（ｃ））とを貼り合わせ（図６の（ｄ））、その後、上記イオン注入層７においてベアウェーハ５を剥離する（図６の（ｅ））。

【0061】

上記、ベアウェーハでの貼り合わせウェーハの作製において、ベアウェーハ５へのイオン注入（図６の（ｂ））の際に、イオン注入角度を０度としてイオン注入を行い、その後、ベアウェーハ５の剥離を行うと、得られる貼り合わせウェーハの薄膜の膜厚バラツキは、チャネリングによる影響にコーンアングル効果が加わって、膜厚分布のＰ−Ｖ（最大値−最小値）は８．９ｎｍと大きな値となる（図６の（Ｂ））。

【0062】

一方、イオン注入角度を７度としてイオン注入を行う場合には、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は２．３ｎｍとなり、ノッチを下にして、回転体の回転方向に沿って左下から右上に向かって膜厚が厚くなる傾向が得られる（図６の（Ｃ））。また、イオン注入角度を−７度としてイオン注入を行う場合には、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は２．４ｎｍとなり、ノッチを下にして、左下から右上に向かって膜厚が薄くなる傾向が得られる（図６の（Ｄ））。このように、イオン注入角度が±７度の場合は、チャネリングの影響は抑制できるが、コーンアングル効果による膜厚バラツキは大きくなる。また、イオン注入角度を−７度としてイオン注入を行う場合は、イオン注入角度が＋７度の場合と比べ、膜厚分布の膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）がほぼ同じで、その向きが正反対となる。イオン注入角度を±８度とした場合も±７度と同様の結果となる。

【0063】

上記のように、ウェーハに対し、イオン注入角度を７〜８度とすればチャネリングを最小にすることができることがわかる。

【0064】

そこで、図７に示すように、全イオン注入量の約半分の注入量を、チャネリングが起きない注入角度７度で注入し（図７の（ａ））、その後、残り半分の注入量を、前半の注入角度とは正反対の−７度で注入する（図７の（ｂ））。このように、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行い、この際、公転方向にイオン注入角度を＋Ｘ度と−Ｘ度でそれぞれイオン注入することで、イオン注入層７の深さは、前半と後半のイオン注入深さの平均にピークを持つようになり（図７の（ｃ））、その位置でボンドウェーハの剥離が起きる。このように剥離を行うと、ウェーハの膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．７ｎｍとなり、膜厚バラツキを改善することができる（図７の（Ａ））。

【0065】

また、ウェーハによっては、結晶方位に対して、オフアングルを付けている場合があるが、この場合は、オフアングルを加味してイオン注入角度を設定すればよい。尚、上記のように、面方位｛１００｝のウェーハに対し、イオン注入角度を７〜８度とすればチャネリングを最小にすることができるが、面方位が｛１１０｝や｛１１１｝の場合も同様に、イオン注入角度を７〜８度とすればチャネリングを最小にすることができる。

【0066】

次に、図８及び図９に示すように、イオン注入剥離法で、酸化膜厚が薄い酸化膜付ウェーハにイオン注入する場合について考える。図８の（Ａ）において、例えば、３０ｎｍの酸化膜６が付いた３００ｍｍのボンドウェーハ３（図８の（ａ））に、水素イオンを５０ｋｅＶの加速エネルギーで、かつ、イオン注入角度０度でイオン注入する（図８の（ｂ））。その後、イオン注入層７を有し、酸化膜６が付いたボンドウェーハ３と、ベースウェーハ４（図８の（ｃ））を貼り合わせ（図８の（ｄ））、イオン注入層７においてボンドウェーハを剥離する（図８の（ｅ））。

【0067】

このとき、得られる貼り合わせウェーハの膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．６ｎｍとなり、その膜厚分布は、中心が厚く、ノッチを下にして、回転体の回転方向に沿って左下、及び、右上の膜厚が薄い、凸状の分布となる傾向が得られる（図８の（Ｂ））。これは、チャネリングを抑制できる酸化膜６が形成されているものの、酸化膜６が薄いため、チャネリングの影響が残り、コーンアングル効果が強く現れるためである。尚、２００ｎｍの酸化膜６を形成した場合は、チャネリングの影響がなくなるため、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．０ｎｍとなる（図８の（Ｃ））。

【0068】

また、図９の（Ａ）において、例えば、厚さ３０ｎｍの酸化膜６が付いた直径３００ｍｍのボンドウェーハ３（図９の（ａ））に、水素イオンを５０ｋｅＶの加速エネルギーで、かつ、イオン注入角度３度でイオン注入する（図９の（ｂ））。その後、イオン注入層７を有し、酸化膜６が付いたボンドウェーハ３と、ベースウェーハ４（図９の（ｃ））を貼り合わせ（図９の（ｄ））、イオン注入層７においてボンドウェーハ３を剥離する（図９の（ｅ））。

【0069】

このとき、酸化膜６とイオン注入角度の両方の作用により、チャネリングの影響は小さくなるが、イオン注入角度の影響で、膜厚分布は一方向に傾斜した分布となり、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は、０度注入（図９の（Ｂ））と同等の１．６ｎｍ（図９の（Ｃ））となる。更に、イオン注入角度を大きくして７度にすると、チャネリングの影響はなくなるが、膜厚分布は３度注入の場合よりも大きく一方向に傾斜した分布となり、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は２．４ｎｍに増大してしまう（図９の（Ｄ））。

【0070】

次に、図１０の（ａ）に示すように、厚さ３０ｎｍの酸化膜６が付いた直径３００ｍｍボンドウェーハ３に、水素イオンを５０ｋｅＶの加速エネルギーで、かつ、イオン注入角度＋２度としてチャネリングの影響を小さくして注入し、イオン注入剥離法で剥離を行うと、得られる貼り合わせウェーハの膜厚バラツキは、注入角度＋３度の場合と同様に、膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．６ｎｍとなり、ノッチを下にして、回転体の回転方向に沿って左下から右上に向かって膜厚が厚くなる傾向が得られる。

【0071】

一方、図１０の（ｂ）に示すように、厚さ３０ｎｍの酸化膜が付いた直径３００ｍｍボンドウェーハに、水素イオンを５０ｋｅＶの加速エネルギーで、かつ、イオン注入角度−２度で注入し、イオン注入剥離法で剥離を行うと、得られるＳＯＩウェーハの膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．６ｎｍとなり、ノッチを下にして、左下から右上に向かって膜厚が薄くなる傾向が得られる。即ち、イオン注入角度が＋２度の場合と比べて、膜厚分布のＰ−Ｖがほぼ同じで、その向きが正反対となる。

【0072】

そこで、図１０の（ｃ）に示すように、全イオン注入量の半分の注入量を、チャネリングが起きない、イオン注入角度＋２度で注入し、その後、残り半分の注入量を、前半の注入角度とは正反対の−２度で注入する。このようにすることで、注入されたイオンは、前半と後半の注入深さの平均の深さにピークを持つようになり、その位置で剥離が起きるようになる。このようにして剥離を行うと、貼り合わせウェーハの膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ）は１．０ｎｍとなり、膜厚バラツキを改善することができる（図１０の（Ａ））。

【0073】

以上、オフアングルがないボンドウェーハにイオン注入する場合について説明したが、もちろん、ウェーハによっては、結晶方位に対して、オフアングルを付けている場合がある。この場合において、本発明では、オフアングルを加味して、チャネリングが最小となるイオン注入角度を設定すればよい。また、通常は、イオン注入するウェーハをウェーハ保持具に保持した状態でイオン注入角度が０度となる様に設定されているが、ウェーハ保持具や回転体の取付具合によっては角度ズレが生じている場合があるので、その場合には、その角度ズレを考慮してイオン注入角度を調整する。

【実施例】

【0074】

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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１〜５、比較例１〜４）
ボンドウェーハ及びベースウェーハとして、直径３００ｍｍ、面方位（１００）のシリコン単結晶ウェーハ（オフアングルなし）を用意し、表１及び表２の条件で貼り合わせＳＯＩウェーハを作製し、剥離後のＳＯＩ層の面内膜厚バラツキ（Ｐ−Ｖ：最大値−最小値）を比較した。
尚、いずれの条件においても、ウェーハの貼り合わせは室温で行い、剥離熱処理は５００℃で３０分間行い、剥離後の膜厚測定は、ＡＤＥ社製Ａｃｕｍａｐを用いて行った。

【0075】

【表1】

【0076】

【表2】

【0077】

表１，２に示すように、実施例１〜５では、同等の注入量でイオン注入を２回に分けて行ったことにより、膜厚バラツキの結果が良好であった。特に、実施例１〜３では、ボンドウェーハに酸化膜が付いた状態で、かつ、イオン注入角度が１〜３度でイオン注入を行ったため、膜厚バラツキの結果が特に良好であった。また、実施例２，３に示すように、２回に分けたイオン注入の各イオン注入量が完全に同じ量でなくても、各イオン注入量が全注入量の４０〜６０％の範囲内であれば、膜厚バラツキの結果が良好になることがわかった。

【0078】

一方、実施例４，５では、２回に分けたイオン注入のイオン注入角度がともに７度であったため、チャネリングの影響を最小に抑えることができたが、実施例４では、ベアウェーハの状態でイオン注入を行ったため、実施例１〜３に比べると、膜厚バラツキの結果が悪かった。しかし、実施例４では、イオン注入角度が同じだが、２回に分けずにイオン注入を行った比較例３に比べれば、膜厚バラツキは大きく低減されていた。更に、実施例５についても、１回でイオン注入を行った比較例４に比べて、膜厚バラツキは大きく低減されていた。

【0079】

比較例１〜４では、イオン注入を２回に分けず、１回のみ行ったことにより、コーンアングルの影響を受け、実施例１〜５に比べ、膜厚バラツキの結果が悪かった。

【0080】

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。

【符号の説明】

【0081】

１…回転体、 ２…ウェーハ保持具、 ３…ボンドウェーハ（基板）、 ４…ベースウェーハ、 ５…ベアウェーハ、 ６…酸化膜、 ７…イオン注入層、 １０…バッチ式イオン注入機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】