贴合式soi晶圆的制造方法
【专利摘要】本发明为一种贴合式SOI晶圆的制造方法，其中将硅氧化膜使用批次式热处理炉，借由进行至少含有升温中的热氧化及降温中的热氧化中的任一种的热氧化处理，使剥离后的贴合式SOI晶圆的内嵌氧化膜形成为同心圆状的氧化膜厚度分布，进一步借由于贴合晶圆剥离后的贴合式SOI晶圆进行还原性热处理，将内嵌氧化膜的膜厚度范围缩小至小于还原性热处理前的膜厚度范围。借此提供一种贴合示SOI晶圆的制造方法，能够抑制由SOI层剥离后的还原性热处理而产生的埋入氧化膜厚度的面内分布的变动。
【专利说明】
贴合式so I晶圆的制造方法
技术领域
[0001] 本发明是关于一种利用离子注入剥离法的贴合式SOI晶圆的制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，WS0I晶圆的制造方法而言，将注入离子的晶圆结合后剥离而制造 SOI晶 圆的方法(离子注入剥离法:亦称为腕技术)开始重新受到重视。此离子注入法 于二片娃晶圆内，于至少一方形成氧化膜的同时，自另一方的娃晶圆（贴合晶圆）的上面注 入氨离子或是稀有气体离子等气体离子，使该晶圆内部形成微小气泡层(封入层）。
[0003] 之后将注入该离子的面透过氧化膜与另一方的娃晶圆（基底晶圆）密着，之后施加 热处理(剥离热处理微小气泡层作为劈开面将一方的晶圆（贴合晶圆）剥离为薄膜状，进 一步施加热处理(结合热处理)使其稳固地结合而成为SOI晶圆的技术(参照专利文献1)。依 此方法，劈开面(剥离面)将成为良好的镜面，相对容易得到SOI层的膜厚度的均匀性较高的 SOI晶圆。
[0004] 但是，W离子注入剥离法制作SOI晶圆时，剥离后的SOI晶圆表面存在有离子注入 所导致的损伤层，又表面的粗糖程度与一般的产品等级的娃晶圆的镜面相比较大。因此，于 离子注入剥离法必须去除如此的损伤层及表面的粗糖。已知为了除去此损伤层等，于结合 热处理后的最终步骤中，进行有被称为接触式抛光的研磨量极低的镜面研磨（加工量：约 lOOnm)。
[0005] 但是，当于SOI层进行含有机械加工要素的研磨，由于研磨的加工量不均等，会产 生由于氨离子等的注入、剥离所导致的SOI层的膜厚度均匀性恶化的问题。
[0006] W解决如此问题点的方法而言，有W进行高溫热处理W改善表面的粗糖的平坦化 处理W取代接触式抛光。
[0007] 例如于专利文献2中，记载有于剥离热处理或是结合热处理后，不将SOI层的表面 进行研磨，而是施W于包含氨气的还原性氛围下的热处理（急速加热、急速冷却热处理 (Rapid Thermal Annealing,RTA))。
[000引进一步而言，专利文献3中，记载有于剥离热处理后（或是结合热处理后），透过于 氧化性氛围下的热处理于SOI层形成氧化膜后除去该氧化膜，接着施W还原性氛围的热处 理(急速加热、急速冷却热处理(RTA处理））。
[0009] 又专利文献4中，记载有透过于剥离后的SOI晶圆进行惰性气体、氨气、或者是此些 的混合气体氛围下的平坦化热处理后进行牺牲氧化处理，W同时达成剥离面的平坦化与 0SF的回避。
[0010] 如此，透过进行高溫热处理W取代接触式抛光W进行改善表面粗糖的平坦化处 理，目前能够透过离子注入剥离法得到量产水平的具有直径300mm且SOI层的膜厚度范围 (面内的最大值减去最小值的值)在3nmW下的优良膜厚度均匀性的SOI晶圆。
[0011] 又伴随近年来携带型终端机的普及，半导体装置的低耗电化、缩小化、高性能化开 始变的必要，作为设计规范在22奈米世代之后的有力候补，进行有使用SOI晶圆的完全空乏 型装置的开发。此完全空乏型装置中，SOI层的膜厚度变为非常薄的约10皿的同时，由于SOI 层的膜厚度分布会影响装置的阔值电压，WS0I层的内膜厚度分布而言，要求面内的膜厚度 范围在InmW下的程度的均匀性。
[0012] 进一步于近年，提案有借由在通常用于与基底晶圆的绝缘所埋入的氧化膜层 下亦称BOX膜)加上偏压，W控制装置的阔值电压，此状况下有制造将BOX膜厚度薄化的化in BOX型SOI晶圆的必要，且关于BOX膜厚度的面内分布亦有高度均匀(具体而言为膜厚度范围 在InmW下）的必要。
[0013] 关于如此的化in BOX型的薄膜SOI晶圆的制造方法，对于SOI层膜厚度分布的均匀 化，W分段进行离子注入的方法，或进行施加分段离子注入并于SOI层剥离后的氧化处理 中，借由实施降溫氧化(降溫中使氧化膜形成的方法)使注入深度所致使的SOI层膜厚度分 布与氧化所致使的面内加工量互相抵消的方法W达成膜厚度范围在InmW下（参照专利文 献5)。
[0014] 又于专利文献6,作为减少SOI晶圆的埋入氧化膜的厚度的处理，记载有于氨气、氣 气或是此些的混合气体氛围下Wiooorw上的溫度进行热处理。
[001引观有技术文献）
[0016] 专利文献1:日本特开平5-211128号公报
[0017] 专利文献2:日本特开平11-307472号公报
[0018] 专利文献3:日本特开2000-124092号公报
[0019] 专利文献4:国际公开第2003/009386号
[0020] 专利文献5:日本特开2013-125909号公报
[0021] 专利文献6:日本特开2010-141127号公报
【发明内容】
[0022] [发明所欲解决的问题]
[0023] 另一方面，关于BOX膜厚度的面内均匀性，试作化in BOX型的薄膜SOI晶圆，调查 SOI层的面内膜厚度范围的步骤内推移的结果，得知于SOI层剥离后进行的平坦化热处理的 还原性氛围的热处理中，BOX膜厚度的面内分布将会恶化。关于还原性氛围所致的BOX膜厚 度分布恶化，由于氧气自BOX膜内的Si化还原，BOX膜厚度减少时的还原作用于面内有差异， 而形成面内膜厚度分布所导致。
[0024] 作为此种BOX膜厚度的还原作用所致的BOX膜厚度的面内分布的发生原因而言，可 列举还原性热处理步骤中的升降溫中及高溫维持中的面内溫度分布、被还原而扩散到外部 的氧气气压的分布等所致，而于纵型炉的批次式热处理炉中容易形成同屯、圆状分布。
[0025] 其原因推测是在批次式热处理炉中，作为热源的加热器靠近晶圆外缘，使晶圆中 屯、部与外缘部容易产生溫度差，或是因制程气体流过晶舟与管之间，使晶圆中屯、部与外缘 部的氧气分压较易产生。如此于还原性氛围下的热处理(还原性热处理)所致的BOX膜厚度 分布的变动，虽然无关BOX膜的厚度而发生，但特别是在化in BOX型的薄膜SOI晶圆，由于追 求较高的均匀性，因此成为重大的问题。
[0026] 本发明鉴于前述问题，提供一种贴合式SOI晶圆的制造方法，能够抑制由SOI层剥 离后的还原性热处理而产生的埋入氧化膜厚度的面内分布的变动。
[0027] [解决问题的技术手段]
[0028] 为了达成前述目的，依据本发明，提供一种贴合式SOI晶圆的制造方法，W单晶娃 所构成的贴合晶圆及基底晶圆的至少一方的晶圆表面予W透过热氧化处理而形成娃氧化 膜，于该贴合晶圆的表面离子注入氨离子、稀有气体离子的至少一种气体离子而形成离子 注入层，将该贴合晶圆的经离子注入的表面与该基底晶圆的表面透过该娃氧化膜贴合后， 借由W该离子注入层将该贴合晶圆剥离而制造出贴合式SOI晶圆的方法，其中将该娃氧化 膜使用批次式热处理炉，借由进行至少含有升溫中的热氧化及降溫中的热氧化中的任一种 的该热氧化处理，使剥离后的该贴合式SOI晶圆的内嵌氧化膜形成为同屯、圆状的氧化膜厚 度分布，
[0029] 进一步借由于该贴合晶圆剥离后的该贴合式SOI晶圆进行还原性热处理，将该内 嵌氧化膜的膜厚度范围缩小至小于该还原性热处理前的膜厚度范围。
[0030] 于贴合晶圆剥离后的贴合式SOI晶圆进行还原性热处理时，埋入氧化膜厚度容易 形成同屯、圆状的面内分布。因此，透过将能够与如此由还原性热处理所形成的埋入氧化膜 厚度的面内分布互相抵消的面内分布，于娃氧化膜形成时形成，能够确实得到均匀性良好 的贴合式SOI晶圆。
[0031] 此时能够使该还原性热处理后的该内嵌氧化膜的膜厚度范围为l.OnmW下。W本 发明的方法，能够确实得到具有如此良好膜厚度范围的SOI晶圆。
[0032] 又于此时能够使该还原性热处理于100%的氣气氛围或是100%的氨气氛围，或者 是于两者的混合气体氛围下进行。于本发明的方法中，W在前述的气体氛围下实施还原性 热处理为佳。
[0033] 此时，该同屯、圆状的氧化膜厚度分布形成为凹状分布。于贴合晶圆剥离后的贴合 式SOI晶圆的还原性热处理中，由于埋入氧化膜的膜厚度分布容易成为同屯、圆状的凸状，因 此若是预先使埋入氧化膜的膜厚度分布为凹状W抵消膜厚度分布的变动，能够更加确实地 得到埋入氧化膜的均匀性良好的贴合式SOI晶圆。
[0034] [对照现有技术的功效]
[0035] 依本发明的SOI晶圆的制造方法，能够抑制由SOI层剥离后进行的还原性热处理而 产生的埋入氧化膜后的面内分布的变动。
[0036] 附图简要说明
[0037] 图1是显示本发明的贴合式SOI晶圆的制造方法的步骤流程图。
[0038] 图2是显示当形成BOX膜厚度分布为凹状的娃氧化膜时(实施例）的本发明的贴合 式SOI晶圆的制造方法的步骤流程图。
[0039] 图3是显示比较例中的贴合式SOI晶圆的制造方法的简略步骤流程图。
【具体实施方式】
[0040] 如同前述，具有透过贴合晶圆剥离后的还原性热处理，而使埋入氧化膜(BOX膜）的 面内膜厚度分布恶化的问题。
[0041] 经本案发明人不断研究的结果，构想出了于娃氧化膜形成时形成与透过还原性热 处理所形成的埋入氧化膜的面内分布互相抵消的面内分布，而得到埋入氧化膜均匀度高的 贴合式SOI晶圆。
[0042] 本案发明人进一步构想出W于娃氧化膜形成时，于批次式热处理炉内，借由进行 至少含有加溫中的热氧化及降溫中的热氧化中任一方的热氧化处理，而能够将由环原性热 处理所形成的面内分布的恶化抵消，而完成本发明。
[0043] W下详细说明关于本发明。本发明的SOI晶圆制造方法，使用离子注入剥离法。图1 是显示本发明的贴合式SOI晶圆的制造方法的步骤流程图。首先，图1的步骤(a)中，作为成 为贴合晶圆及支承基板的基底晶圆，准备例如经镜面研磨的娃单晶晶圆。
[0044] 接着，于图1的步骤(b)中，使用批次式热处理炉，借由热氧化处理而于贴合晶圆形 成娃氧化膜。此娃氧化膜可仅形成于基底晶圆，亦可形成于二个晶圆。于本发明中，形成此 娃氧化膜的热氧化处理步骤中，借由进行至少包含加溫中的热氧化或降溫中的热氧化的任 一方的热氧化处理，而形成娃氧化膜，W使剥离后的贴合式SOI晶圆的埋入氧化膜形成为同 屯、圆状的氧化膜厚度分布。
[0045] 批次式热处理炉中，于降溫时进行热氧化处理则容易于面内形成凸状的氧化膜厚 度分布。运是由于批次式热处理炉降溫中娃单晶晶圆外周部较中央部更容易放热，而相对 变得低溫所致。因此，于降溫中进行氧化处理，则能够使娃氧化膜(剥离后的BOX膜）的面内 分布呈同屯、圆状的凸状。
[0046] 进一步来说，借由降溫氧化所形成的凸状的大小，在降溫氧化时的溫度越高，初始 溫度与氧化结束之间的溫差越大，溫度变化越急，与炉内的上面的晶圆间的空隙大小(槽间 隔）越狭窄，则中屯、部与外周部的膜厚度差将越大。因此，对此些数值适当选择可得到带有 所期望的面内分布的凸状的氧化膜。又此时亦可因应须要组合与等溫维持中的氧化。
[0047] 反过来说，于加溫时进行氧化处理则能够于面内形成同屯、圆状的凹状的氧化膜厚 度分布。加溫用W使晶圆的周边部开始为高溫化。此时亦如前所述，适当的选择加溫氧化时 的溫度、溫度差、溫度变化缓急、槽间隔等数值W得到带有所期望的面内分布的凹状的氧化 膜。又此时亦可因应须要组合等溫维持中的氧化。
[0048] 如此，同屯、圆状的凸状的氧化膜厚度分布，能够借由W不进行加溫氧化而仅进行 降溫氧化，且因应须要与等溫维持中的氧化组合W形成。又若适当组合加溫氧化及降溫氧 化，便能够精密地形成所期望的同屯、圆状的膜厚度分布。
[0049] 接着，于图1的步骤(C)中，注入氨离子、惰性气体离子等气体离子，于贴合晶圆的 内部形成离子注入层。
[0050] 接着，于图1的步骤(d)中，将贴合晶圆的注入离子侧的表面与基底晶圆的表面透 过娃氧化膜密着而贴合。另外，亦可于两晶圆贴合前进行洗净，W去除晶圆表面附着的微粒 及有机物。
[0051] 接着，于图1的步骤(e)中，将离子注入层作为边界而剥离贴合晶圆，于基底晶圆上 形成埋入娃氧化膜及SOI层，得到贴合式SOI晶圆。又虽于图1未记载，但亦可W于剥离步骤 (e)后进行牺牲氧化处理（热氧化后，将形成的热氧化膜去除）等，除去离子注入层的损伤 层。
[0052] 之后，于图1的步骤(f)中，于还原性氛围下进行热处理(还原性热处理）。另外，本 发明所谓还原性氛围，指使氧气自BOX内的Si化透过热处理而还原，发生BOX膜厚度减少的 现象的氛围，具体而言，虽可列举100%的氣气氛围或100%的氨气氛围，或者是彼等的混合 气体氛围为适当例子，但并不限于此。
[0053] W离子注入剥离法制作SOI晶圆时，于剥离后的贴合式SOI晶圆进行W平坦化及除 去损伤为目的的还原性热处理时，由于晶圆的外周部的BOX膜的加工量容易变得较大，因此 还原性热处理后的BOX膜厚度分布，通常容易成为同屯、圆状的凸状。当然，依照热处理条件 亦可能为同屯、圆状的凹状。
[0054] 因此，对应于如本发明经还原性热处理后的BOX膜厚度分布或还原性热处理所致 的BOX膜厚度加工量的分布，透过适当组合加溫氧化或降溫氧化，能够将还原性热处理后的 BOX氧化膜厚度分布均匀化。
[0055] 又如同前述，由于还原性热处理后的BOX膜厚度分布，通常容易形成同屯、圆状的凸 状，因此W将在贴合前形成的娃氧化膜的同屯、圆状的氧化膜厚度分布形成为凹状分布为 佳。如此，则可简单地得到具有均匀性高的BOX膜的贴合式SOI晶圆。
[0056] 于图2显示于贴合前的热氧化处理步骤(b)中，形成娃氧化膜W使剥离步骤(e)后 的BOX膜厚度分布为凹状时的本发明的制造方法。此状况下，如图2的步骤(b)所示，于W单 晶娃构成的贴合晶圆10形成有具有同屯、圆状的凹状的膜厚度分布的娃氧化层11。
[0057] 而如此于热氧化处理步骤(b)形成凹状的娃氧化膜厚度分布时，如图2的步骤(e) 所示，剥离步骤后，能够得到基底晶圆12与SOI层14之间具有同屯、圆状的凹状的埋入氧化膜 (BOX膜)13的贴合式SOI晶圆15。并且，于图2的步骤(e)所得的贴合式SOI晶圆15施加还原性 热处理步骤(f)，则此还原性热处理所应形成的凸状的BOX膜厚度分布，由预先形成的凹状 BOX膜厚度分布所抵消，而能够抑制还原性热处理所致的均匀性的恶化。其结果如图2的步 骤(f)所示，能够得到BOX膜的均匀性高的贴合式SOI晶圆。
[005引于图2,虽然W因还原性热处理所形成的BOX膜厚度分布为凸状作为前提W说明， 当还原性热处理所形成的BOX膜厚度分布为凹状时，于热氧化处理步骤(b)中，形成娃氧化 膜11而使剥离后BOX膜厚度分布为凸状即可。
[0059] 又本发明中，能够使还原性热处理后的埋入氧化膜(BOX膜)的膜厚度范围在1.0皿 W下。依据此制造方法，能够得到充分满足近年来对化in BOX型薄膜SOI晶圆所要求的BOX 膜厚度范围在InmW下，进一步亦满足0.5nmW下，均匀性更高的贴合式SOI晶圆。
[0060] 【实施例】
[0061] W下虽显示本发明的实施例及比较例W更具体的说明本发明，但本发明并非限定 于此。
[006^ (实施例）
[0063] 仅于由直径300mm的单晶娃所构成的贴合晶圆制作厚度30nm的娃氧化膜(剥离后 成为BOX膜的娃氧化膜)后（图1的步骤(b))，进行氨离子注入(图1的步骤(C))。
[0064] 娃氧化膜的形成，利用批次式热处理炉，于900°C至950°C的加溫中，及950°C的等 溫维持中导入氧气，进行干氧化的加溫氧化。又使900°C至950°C的加溫氧化中的加溫速率 为rC/minW提高加溫氧化的效果。（另外，晶圆投入氧化炉时的溫度为600°C，60(rC至900 °C的加溫速率为5°C/min)加溫氧化后的娃氧化膜的面内分布，其面内范围为0.8nm，分布如 图2的步骤(b)所示，为外轴部较中屯、部厚的凹状的同屯、圆状分布。
[00化]氨离子注入为二阶段分割注入，W第一次的注入而言，进行r、30keV、2.6el6cm-2、 注入角度0度，缺口角度0度的注入，W第二次的注入而言，进行H\30keV、2.6el6cm-2、注入 角度0度，缺口角度90度的注入。
[0066] 注入氨离子后，透过与基底晶圆贴合（图1的步骤(d))，于500°C下30分钟的氮气氛 围热处理，W氨离子注入层剥离（图1的步骤(e))，剥离后的SOI层的膜厚度为330皿。之后， 进行900°C的高溫蒸气氧化处理而于剥离面形成250nm的热氧化膜(牺牲氧化膜)后，透过将 形成的氧化膜W10%的HF水溶液去除，W去除离子注入的损伤层。
[0067] 之后，进行于1200°C下1小时，100%Ar氛围的还原性热处理（图1的步骤(f)) W使 表面平坦化。还原性热处理后的BOX膜厚度被薄膜化至25nm，B0X膜厚度面内分布为膜厚度 范围：0.4nm，较还原性热处理前有改善，得到如图2的步骤(f)的BOX膜均匀性高的贴合式 SOI晶圆。
[0068] 在更进一步于其后，进行950°C的高溫蒸气氧化处理而形成400nm的热氧化膜(牺 牲氧化膜)后，将形成的热氧化膜Wl〇%HF水溶液去除，制作10nm(±0.5nm)的SOI层。去除 此牺牲氧化膜后(薄膜化后)的BOX膜厚度，为与还原性热处理后相同的BOX膜均匀性高而良 好的贴合式SOI晶圆。
[0069] (比较例）
[0070] 制作W除了如同习知W固定溫度950°C进行贴合晶圆的氧化W外，与实施例相同 的条件的贴合式SOI晶圆。此时，如图3的步骤(b)所示，贴合晶圆110表面的娃氧化膜111的 面内分布为均匀分布，又娃氧化膜111的面内分布的面内范围为0.化m。（另外，晶圆投入热 氧化处理炉的溫度为600°C，使600°C至950°C的加溫速率为5°C/min，到达950°C后导入氧 气，于固定溫度下进行干氧化）。
[0071] 之后，虽制作进行与实施例相同的热处理W进行的剥离的贴合式SOI晶圆115,但 此时间点的基底晶圆112及SOI层114之间的BOX膜113的膜厚度的面内分布，如图3的步骤 (e)所示为均匀。
[0072] 之后，进行与实施例同样的还原性热处理时，BOX膜113膜厚度面内分布为膜厚度 范围较还原性热处理前恶化，如图3的步骤(f)，成为了同屯、圆状的凸状的面内分 布。再之后，在进行950°C的高溫蒸气氧化处理而形成400nm的热氧化膜(牺牲氧化膜)后，将 形成的热氧化膜W10 %HF水溶液去除，制作10nm( ±0.5nm)的SOI层。此时的BOX膜的膜厚度 范围亦超过Inm。
[0073] 前述实施例，比较例的娃氧化膜形成条件、离子注入剥离条件、还原性热氧化处理 条件、牺牲氧化处理条件及结果表示于表1。
[0074] 【表1】
[0075]
[0076] 透过表1，得知相对于实施例中得到BOX膜厚度分布低于0.5nm的良好面内分布，比 较例1中则得到l.lnm，无法得到满足近年来BOX膜厚度范围为InmW下的要求的面内分布。
[0077] 另外，本发明并不为前述实施例所限制。前述实施例为例示，具有与本发明的申请 专利范围所记载的技术思想为实质相同的构成，且达成同样作用效果者，皆包含于本发明 的技术范围。
【主权项】
1. 一种贴合式SOI晶圆的制造方法，以单晶硅所构成的贴合晶圆及基底晶圆的至少一 方的晶圆表面予以透过热氧化处理而形成硅氧化膜，于该贴合晶圆的表面离子注入氢离 子、稀有气体离子的至少一种气体离子而形成离子注入层，将该贴合晶圆的经离子注入的 表面与该基底晶圆的表面透过该硅氧化膜贴合后，借由以该离子注入层将该贴合晶圆剥离 而制造出贴合式SOI晶圆的方法，其中， 将该硅氧化膜使用批次式热处理炉，借由进行至少含有升温中的热氧化及降温中的热 氧化中的任一种的该热氧化处理，使剥离后的该贴合式SOI晶圆的内嵌氧化膜形成为同心 圆状的氧化膜厚度分布， 进一步借由于该贴合晶圆剥离后的该贴合式SOI晶圆进行还原性热处理，将该内嵌氧 化膜的膜厚度范围缩小至小于该还原性热处理前的膜厚度范围。2. 如权利要求1所述的贴合式SOI晶圆的制造方法，其中使该还原性热处理后的该内嵌 氧化膜的膜厚度范围为1 · Onm以下。3. 如权利要求1或2所述的贴合式SOI晶圆的制造方法，其中该还原性热处理于100%的 氩气氛围或是100%的氢气氛围，或者是于两者的混合气体氛围下进行。4. 如权利要求1至3中任一项所述的贴合式SOI晶圆的制造方法，其中该同心圆状的氧 化膜厚度分布形成为凹状分布。
【文档编号】H01L21/02GK106062923SQ201580011152
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月9日 公开号201580011152.4, CN 106062923 A, CN 106062923A, CN 201580011152, CN-A-106062923, CN106062923 A, CN106062923A, CN201580011152, CN201580011152.4, PCT/2015/575, PCT/JP/15/000575, PCT/JP/15/00575, PCT/JP/2015/000575, PCT/JP/2015/00575, PCT/JP15/000575, PCT/JP15/00575, PCT/JP15000575, PCT/JP1500575, PCT/JP2015/000575, PCT/JP2015/00575, PCT/JP2015000575, PCT/JP201500575
【发明人】阿贺浩司, 小林德弘
【申请人】信越半导体株式会社