最近の展望

貼り合わせSOIウ エハーの今後の展開-作 製と評価-

阿 部 孝 夫 ・ 中 野 正 剛

阿 賀 浩 司 ・ 三 谷 清

0.1μ 田オーダーの極薄膜の貼り合わせSOIウ エハーの難点であった膜厚の不均一性,複 雑な製

作工程とウエハー二枚の使用は水素イオン打ち込みによる剥離法の発明によって解消した.こ の方法が適用できない厚膜のSOIに 対して改良したプラズマエッチングの方法が期待される.貼 り合わせウエハーではデバイスの目的に応じて基板ウエハーをシリコン以外の材料で置き換えることが可能であるこ

とを示す.極 薄膜中の欠陥評価法や貼り合わせ界面への不純物集積の例を示した.Keywords: bonded SOI, plasma assisted chemical etching, chemical mechanical polishing

, touch

polishing, delamination by hydrogen ion implantation, microcavity, silicon on quartz, HF

defects, 4 step Secco etch defects, spectral reflectance method

1.ま え が き

これ までのSOIウ エハ ー として サ フ ァイ ア(Al2O3)基

板 上 に シ リ コ ン のヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ャル に よ っ て デ バ イ

ス1)が つ く られ た 時 代 が あ っ た が,ヘ テ ロ 構 造 の た め に

SOI層 に積 層 欠 陥 や ミス フ ィ ッ ト転 位 が多 発 し,結 晶 の

完全 性 が 得 られ な か った.次 に酸 化膜 上 にア モル フ ァスの

シ リコ ン を堆 積 してカ ー ボ ン ヒー タ や レー ザ ー あ るい は電

子 ビー ム で 溶 融 し て 単 結 晶 を得 よ う とす るZMR (zone

melting recrystallization)で あ るが,多 結 晶 しか得 られ

な か っ た2).し か し,こ の方 法 は ガ ラ スあ るい は石 英 基板

上 で 多結 晶 を成 長 して最 近 の パ ソ コ ン画 面 のTFT-LCD

(thin-film transistor-liquid crystal disp1ay)な どに使 わ

れ て い る.第3の 方法 は酸 素 イオ ン を結 晶 中 に埋 め込 み,

次 の 高温 アニ ー ル で埋 め込 まれ た酸 化膜 を形成 す る,い わ

ゆ るSIMOX (separation by implanted oxygen)法3)で

あ る.こ の 方 法 が 最 近 まで 将 来 のC-MOSに 応 用 で き る

有 力 候 補 と考 え られ,多 くの研 究 が な され た.こ の 方 法 に

も大 量 生産 に 困難 な点 が あ る. 1つ に は 酸素 イ オ ンの 大 量

注 入 の た め の装 置 コス トが 高 い 点 で あ る. 2つ に は酸 素 イ

オ ン の通 過 に よ りアモ ル フ ァス 化 したSOI層 を再 結 晶 し

た り,酸 化 膜 形 成 に1350℃ 以 上 とい う高 温 熱 処 理 が 必 要

で あ る. 3つ め に酸 素 の 打 ち込 み量 が多 い と界 面 にお いて

転 位 が発 生 し,少 な い と酸化 膜 に ピ ンホ ール が発 生 す る こ

とで あ る.そ して,デ バ イ ス の 要 求 す るSOI層 の 厚 さや

酸 化 膜 の 厚 さに柔 軟 に対 応 で きな い点 で あ る.

1964年 に 中 村 ら4)は二 枚 の ウ エ ハ ー を貼 り合 わ せ てIC

に応 用 しよ う と した. 1975年 に は池 田 ら5)によつて酸化膜

をつ け た二枚 の ウエハ ー を貼 り合 わ せた 後 に片 方 の ウエハ

ー を薄膜 化 してSOI基 板 を実 現 し よ う と した が時 代が早

く注 目 され な か っ た. 1985年Laskyら6)の 発 表 に よって

日の 目 を見 る よ うに な った.(結 合 の メカ ニ ズム を含 めた

総 合報 告 は文 献7)を 参 照 す る.)こ れ は従 来 のバ ル クウエ

ハ ー で使 わ れ て きた シ リコン層 と熱 酸 化膜 の完 全性 をその

ま ま利 用 し よ うと して い る.し か し,薄 膜SOI層 の均一

性 を得 る こ と は難 し く,い ろ い ろな 方 法 が 提 案 され て き

た.本 文 で は 厚 膜 のSOI層 に対 し て はPACE法8),極 薄

膜 に対 して は水 素 イ オ ン打 ち込 み に よ る剥 離 法9)似 下水

素 イオ ン剥 離 法 と呼 ぶ)を 紹介 し,シ リコ ン ウエハー以外

の 異種 基板 ウエ ハ ー と薄 膜 の 評 価 方 法 に つ い て も記 述す

る.

2. PACE (plasma assisted chemical

etching)に よ る 薄 膜 化

図1はSOI層 の 厚 み別 のSOIウ エ ハ ー の 開 発 と利 用状

況 を示 して い る10). 0.5μm以 上 は三 つ の応 用 分 野 があ る,

これ らは現 在 のCMP (chemical mechanical polishing)

技 術 を 用 い て,厚 み お よ び均 一 性 を制 御 して い る.し か

し, CMPの み の 制 御 性 に は 限 界 が あ る.す な わ ち図2

(a)の 上 部 の模 式 図 か らわ か る よ うにべ ー ス ウエハ ーの平

坦 性 がSOI層 の 均 一 性 に直 接 影 響 す るた め で あ る.さ ら

に均一 性 を改善 しよ う とす れ ば,平 坦性 をべ ー スウエハー

基準 か ら酸化 膜 表 面基 準 にす る必 要 が あ る.こ こに述べ る

PACE法8)で は酸 化 膜上 のSOI層 の厚 み分 布 が容 易 に測定

信越 半 導体磯 部研 究所　 〒379-01　 安中市 磯部2-13-1.　 分類 番号3.1, 2.6

Recent progress of bonded SOI wafers-Fabrication and evaluation-. Takao ABE, Masatake NAKANO, Hiroji AGA and Kiyoshi MITANI. Isobe R&D Center, Shin-Etsu Handotai (2-13-1 Isobe, Annaka 379-01)

1220 応用物理 第66巻 第11号(1997)

図1　 SOI層 の厚さ別(デ バイス分類)に よる進展状況.

図2　 PACE法(a)と 水素 イオ ン剥離法(b)の 模式 図. (a)は

2枚 の ウエハー を必要 と し, (b)は1枚 で済 む.

され るので,膜 厚 の厚 い とこ ろは よ り深 くシ リコン層 を除

去す るよ うに して均 一性 が 得 られ る.こ の方 法 の特 徴 は よ

り均一性 を向上 させ るに は プ ラズ マ を閉 じ込 めて い る ノズ

ルの直径 を小 さ くす れ ば よい が,生 産性 が低 下 す る点 で あ

る.特 に注意 す べ き はノ ズル の 直径 よ りも周 期 の小 さな 凹

凸 に対 して は効 果 はな い.逆 に,も し周期 が 大 き く,ゆ る

やか な凹 凸 をCMPに よ り形 成 すれ ば,直 径 の大 きな ノ ズ

ル を使 用で き る のでPACE工 程 は簡 略 化 され る.こ の よ

う にCMPの 技 術 改 善 も 重 要 で あ る.最 近 で は こ の

PACE法 で 厚 さむ らが ±5nm程 度 まで 改 善 で き て い る か

ら11),将 来 のC-MOSに 利 用 で きる段 階 に きて い るが,次

章で述べ る水 素 イ オ ン剥離 法 に比較 して,工 程 が複 雑 で あ

ることお よび ウェハ ー の1枚 は完全 に無駄 に な るた め水 素

イオ ン剥離 法 が適 用 で き ない0.5μm以 上 のSOIウ エ ハ ー

の製作 に用 い る こ とが 考 え られて い る.

3.水 素 イ オ ン剥 離 法12)

1995年 に フ ラ ンスSOITEC社 か ら標 記 の 方法 が発 表 さ

れた.こ の製作 方法 をSmart Cut〓,こ れ に よ って つ くら

れ たSOIウ エ ハ ー をUNIBOND〓 と名 付 けて い る.原 子

炉 の壁 が 水 素 イオ ン に よ り剥 離 す る とい う現 象 をSOIウ

エハ ー に利 用 した結 果 といわ れ てい る.

この 方法 の模 式 図 は図2(b)で あ る.ま ず 活性 層 とな る

ボ ン ドウエハ ー に デバ イ スの 要求 す る厚 さの酸 化 膜 を形 成

し,所 定 のSOI層 を得 る よ うな加 速 電圧 で水 素 イオ ン を

酸化 膜 を通 して打 ち込 む.膜 厚 の均 一性 につ い て は前 記 の

PACE法 が酸 化膜 基 準 で あ るの に対 して, SIMOXと 同様

にイ オ ン打 込 み 法 は表面 基 準 で あ り,理 想 的 で あ る.次 に

水素 イ オ ン の ドー ズ量 が2×1017at/cm2以 上 で あれ ば打 ち

込 み 後 に 図3(a)に 示 す よ う に ウエ ハ ー 表 面 に ブ リス タ

(ふ く らみ)や フ レー キ ン グ(は が れ)を 起 こす.ま た,

1016/cm2か ら1017/cm2の 範 囲 で は(b)図 の よ う に表 面 は

平 坦 で あ る.し か し, 400℃ か ら600℃ の 範 囲 で加 熱 す る

と(c)図 の よ うに ブ リス タが発 生 す るが,べ ー ス ウエハ ー

と貼 り合 わ せ て加 熱 す れ ば そ の よ う な現 象 は押 さ え られ

る.す な わ ち,べ ー ス ウエ ハ ー はSOI層 の固 定 化 と同 時

に その 支持 基 板 とな る. Haraら13)は 高 温熱 処 理 ほ ど短 時

間 で 剥離 す る こ とを示 した.

打 ち込 まれ た水 素 イオ ンは結 晶 内の シ リコ ンの原 子 間 の

結 合 を切 り,未 結 合手 を終端 化 す る14).こ れ らは昇 温 とと

もに(111)面 上14)に,そ して 表面 に平 行 な(100)面 上12,15)に

も凝 集 して図4に 示 す よ うに微 小 な空 洞(micro cavity)

を形 成 す る. Weldonら15)は シ リコ ンウ エハ ー表 面 の 水 素

終 端 化 に よ る赤 外 吸収 法 の結 果 と前方 反 跳散 乱 に よる全 水

素 を求 め る方法 か ら剥 離 の モ デル を図5の よう に説明 して

い る.べ ース ウエ ハ ー の ない(a)図 で は昇温 と ともに発 生

す る水 素 ガス の圧 力 が ブ リス タか らフ レー キ ング を もた ら

すが, (b)図 で はべ ー ス ウエハ ー に よって 押 さ え られ た力

は剥 離 の 方向 に使 わ れ て い る.し か し,筆 者 らは異 種 基板

の貼 り合 わせ 実験 か ら この空 洞 の形成 ばか りで な く,熱 膨

張係 数 の異 な る埋 め込 み酸 化 膜 とSOI層 の界 面 に働 く歪

も剥 離作 用 を促進 して い る もの と考 えて い る.剥 離 した 二

つ の シ リコ ン表 面 は図6(c)に 示 す よ う に粗 れ て い る.ま

た,こ の表 面 層 中 に は まだ 水 素 が 欠 陥 と して 存 在 し て い

る.そ の た めSOIと な る表 面 層 を10nmオ ー ダ ー のCMP

(タ ッチ ポ リシ ュ)に よ り除 去 す る.そ して,剥 離 の た め

の400℃ か ら600℃ の熱 処 理 の みで は埋 め込 み酸 化 膜 とべ

ー ス ウ エハ ー の結 合 力 は十 分 で ない の で , 1100℃, 2時 間

程 度 の熱 処 理 に よ って一 体 化 す る.

一 方 の ボ ン ドウエ ハ ー の残 りは図2(b)で は段 差 が 誇 張

し て描 か れ て い るが,剥 離 した シ リコ ン層 の 深 さ は 高 々

0.2μm程 度 で あ り,酸 化膜 を 除 去 し て か ら簡 単 なCMP

に よっ て平 坦 化で きる.そ の ボ ン ドウエ ハ ー は次 に はべ ー

ス ウエハ ー として使 わ れ る.そ れ ゆ え この 方法 で は最初 二

貼 り合わせSOIウ エハ ーの今後 の展開(阿 部他) 1221

図3　 水 素イ オ ン打 ち込 み後の シ リコ ン表面 のふ く らみ と はが れの光 学顕微 鏡写真.

(a) 1017H+/cm2以 上 の 打 ち 込み した表 面, (b) 1016～1017H+/cm2の 打 ち 込 みで は表 面 に 異 常 な し, (c) 1016～1017H+/cm2の 打ち 込み であ っても

, 400℃ ～500℃ の熱 処理 をする とふ くらみや はが れが発 生.

図4　 剥離前の微小な空洞の高解像TEM写 真.

図5　 WeーdonらlbJの提案する剥離のメカニズム. (a)は 単な

るシリコンウエハーに水素を打ち込んだ場合, (b)は

酸化膜を通して打ち込みベースウエハー と貼り合わせ

た場合.

枚のウエハーが必要であるが実質的に1枚 のウエハーしか

使わないことになる.

4.異 種基板への応用

本文で述べる貼 り合わせにはウエハー表面に吸着してい

るOH基 や水16)が室温における接着剤 として使われ,高

温(>700℃)で 水素と酸素に分解して,水 素は表面に拡

図6　 水素 イオ ン剥離法 にお ける水 素原子 のSIMSに よる濃度

分布(a),打 込 み 後 の断 面TEM像(b)と500℃, 30分

熱 処 理 後 の 断 面TEM像(C)酸 化 膜(400m)を 通 して,

加速電圧150keVで ドー ズ量8×1016/cm2を 注入 した.

散 し,残 った 酸素 は シラ ノー ル基 として二 つ の ウエハ ーの

結 合 の 役 目 をす る.表 面 にOH基 が あ る材 料 で熱 的 に安

定 な構造 を もち,高 温 で不 純物 を放 出 しな けれ ば シ リコン

ウ エハ ー で あ る必 要 は ない.む しろ デ バ イ ス の要 求 によ

り,合 成 石 英 ガ ラ ス17)であ った り,サ フ ァイ ア18)やSiCあ

るい はダ イ ヤモ ン ド薄膜 が 使 わ れ る.

ここで は合 成石 英 ガ ラ ス との結 合(Silicon on Quartz:

SOQ)の 例 につ い て述 べ る,合 成 石 英 ガラ ス の熱 膨 張係

数 は シ リ コンの それ に比 べ て小 さ く,同 じ厚 さの シ リコン

ウエハ ー と貼 り合 わせ て 加 熱 す る と300℃ 付 近 で シ リコン

ウエハ ー が割 れ る.そ れ ゆ え シ リコ ンウェハ ー をあ らか じ

め300μmに 薄 くして貼 り合 わせ た後300℃ で 熱処 理 する、

そ の後 アル カ リエ ッチ に よ りシ リコ ン を150μmに 薄 くし

て か ら, 450℃ で加 熱 す る.そ れ に よ り結 合 力 が強 まるの

で,平 面 研 削 に よ り薄 膜 化 で き る.最 終 的 に0.1μmオ ー

ダ ー の薄 膜 形 成 に はPACE法 か 水 素 イ オ ン剥 離 法 を適応

す る.本 来,熱 膨 張係 数 の 異 な る物 質 の貼 り合 わ せ.には ミ

ス フ ィッ トや ク ラ ックの 発生 に よ りそ の応 力 が緩 和 され る

が,シ リコ ン層 の厚 さが0.5μm以 下 で あ れ ば これ らの発

生 は防 止 で きる17,18).シ リコン層 は合 成 石 英 ガ ラ ス の収 縮

1222 応用 物理 第66巻 第11号(1997)

に合 わせ て弾性 変 形 して い る と考 え られ る.

合成 石英 ガ ラ ス は 絶 縁 体 な の で, SOI構 造 の た め の埋

め込 み 酸 化 膜 を必 要 と しな い.し か し,サ フ ァ イ ァ や

CVD-SiCの 場 合,薄 い酸 化 膜 が 必 要 で あ る.そ れ は界 面

にある接着 剤 と して のOH基 や水 が昇 温 と とも に凝 集 し,

未結合領 域 で あ るボ イ ドを形 成 す るか らで あ る.合 成 石 英

ガラスや酸 化膜 で は ボイ ドが発 生 しな い理 由 は,ア モル フ

ァスの物質 で は これ らを吸収 す るた めで あ る7).

SOQの 応 用 として はSOI構 造 で あ りか つ透 明基 板 で あ

るか ら投 射型 のTFT-LCDが あ る.単 結 晶 シ リ コ ンで あ

るた め高 い移 動 度(μFE=600cm2/V・sec)が 得 られ て い

る.ま た,寄 生 容 量 が 小 さ い た め,半 絶 縁 性GaAsに 代

わ る超 高 周 波 デバ イ ス も考 え られ る.サ フ ァ イ ア やSiC

あ るいはAINは 大 き な熱伝 導度 を もつ か ら,今 後 の超 高

密度 ・高速 デバ イス で懸 念 され る発 熱 問題 に道 を開 くもの

と考 えられ る.

5.欠 陥 と不 純 物 評 価

薄膜SOIウ エハ ー の重 要 なパ ラメ ー タ ー で あ る厚 さ測

定 には分光 エ リプ ソ法 もあ るが,高 速 で面 内分 布 を得 る に

は反射分 光 法(spectral reflectance method: IPEC社)

が適 して い る.SOI層 の 抵抗 率,ソ リやTTV,表 面 の パ

ーテ ィクル や ラ フネス な どに極 薄 シ リ コ ン層 専用 の測 定 器

は開発 され てい な い.従 来 の バ ル ク ウエハ ー の測 定 法 を便

宜的 に適用 す る方 法 が 日本 電 子 工 業 振 興 協 会 でSOIウ エ

ハ ー標 準 化19)とし て ま とめ られ て い る.そ の 中 に はSOI

構造 に特 有 な残 留応 力,接 着 強度,ボ イ ドや 酸化 膜 の ピン

ポール の検 出法 な ど も含 まれ て い る.

本章 で はSOI層 の 欠 陥 と貼 り合 わ せ 界 面 も含 め た不 純

物 の評価 につ いて 述 べ る. PACE法 や 水 素 イ オ ン剥 離 法

で は従来 の 熱酸 化膜 をそ の ま ま埋 め込 み酸 化膜 と して利 用

す るが,酸 化 膜 の形 成 温 度 が1100℃ 以 上 で あ れ ば,表 面

付近 には欠 陥 の な い層(deNuded Zone)が 形 成 さ れ る.

その無欠 陥層 をSOI層 として使 うは ず で あ った。 しか し,

よ り精細 に み る と二 つ の 欠 陥 発 生 の 要 因 が あ る. PACE

法で はプ ラズマ誘 起 欠 陥,水 素 イオ ン剥離 法 の場 合 は水 素

誘起欠陥 で あ る.両 者 の欠 陥 は面 粗 さの修 正 も兼 ね た タ ッ

チポ リシ ュに よ って除 去 す る こ とは上 記 した が,ま た タ ッ

チポ リシ ュに よっ て も欠 陥 は導 入 され る.し か し,低 温 の

熱処 理で 回復 す る20).も う一 つ の欠 陥 はバル ク ウエ ハ ー と

同様 に成長 欠 陥 と酸 素析 出物 で あ る.欠 陥の サ イ ズ に よっ

て検 出 の方 法 が 異 な る. SOI層 を貫 通 し て い る大 き な 欠

陥 はHF(48%)液 に 例 え ば10分 の 浸 漬 で検 出 さ れ る.

また転 位 の よ うな微 小 サ イ ズ の欠 陥 に は図7に 示 す4段 セ

コーエ ッチ 法21)が適 して い る.現 在 のPACEと 水 素 イ オ

ン剥離 ウェ ハ ー に はそ れ ぞ れ表112,22,23)の よ うな欠 陥 密 度

図7　 4段 セコー エ ッチ法 の模式 図22)

表1　 HF欠 陥と4段 セコー欠陥の製法の違いによる密度.

図8　 貼り合わせSOIのSIMSに よる深さ分布.ボ ロンの酸化

による押 し出 し(左)と貼 り合わ せ界面上の堆積(右),

洗浄の薬液残渣のナ トリウム,塩 素,炭 素と熱処理時

に混入する窒素が両界面上に見られる.

で存在している.

次に貼 り合わせ界面における不純物のSIMS分 析 につ

いて述べる.そ の1例 である,二 枚のウエハーをクリーン

ベンチ内に放置 して,貼 り合わせ熱処理後 にSIMS分 析

すると貼り合わせ界面に放置時間に対するボロンの蓄積が

見られた24).この結果から洗浄直後の貼 り合わせが必須で

貼 り合わせSOIウ エハ ーの今後の展開(阿 部他) 1223

あ る.ま た,ボ ロ ン ばか りで な く洗 浄 の 薬液 で あ る塩 素 や

有 機 物 と して の炭 素,貼 り合 わ せ熱 処 理 中 に混 入 す る窒 素

が 貼 り合 わ せ界 面 に凝 集 して い る こ とが 図8に 示 され てい

る.こ の よ うな結 果 か ら明 らか な よ うに,貼 り合 わせ 界 面

が酸 化 膜 に よっ て 隔 離 され て い る こ とが 重 要 で あ る. 0.1

μmオ ー ダ ー のSOI層 の ク リー ン化 に は 表 面 ゲ ッタ リン

グ の 手 法 も重 要 と考 え られ る.ま た, SOI層 を酸 化 した

場 合 に両 方 の 酸 化膜 に閉 じ込 め られ た過 剰 な格 子 間 シ リコ

ンの挙 動25)な ど今後,原 子 レベ ルで の研 究 が 必要 にな る.

6.む す び

SOIウ エ ハ ー の優 位 性 が わ か っ て い て も,コ ス トや 供

給 不安 に よ り前 進 しなか った.一 方,ウ エハ ー メ ーカ ー は

需 要 の 見通 しが ない か ら生 産 で きない とい う鶏 と卵論 が あ

っ た が,い ま やSIMOXウ エ ハ ー に加 え て い ろ い ろ な方

法 に よ る貼 り合 わ せSOIウ エ ハ ー の 出 現 に よ り, SOIウ

エ ハ ー のバ ル ク ウエ ハ ー に対 す る真 価 が 問わ れ よ うと して

い る.し か し,真 に新 しい構造 の ウエ ハ ーが これ まで の大

きな デバ イ ス の流 れ に入 る に は,さ ま ざ まな試練 が あ るだ

ろ う.こ れ まで のバ ル ク シ リコ ンが そ うで あ った よ うに素

姓 の よいSOIウ エハ ー だ け を時代 が受 け入 れ る はず だ.

謝 辞

水 素 イ オ ン剥 離 法 に 関 す る資 料 を提 供 し て い た だ いた

SOITEC社 のA. Auberton-Herve博 士 に,ま たSIMSデ

ー タ を提 供 し て 下 さ っ た 英 国DERA研 究 所 のV . Nayar

博 士 に感 謝 い た し ます. SOQの 電 気 特 性 は韓 国LG総 合

技 術 研 究所 のMyung-Jin SoとHong-Gyu Kimの 両博 士

に よ って 得 られ た結 果 で あ り,こ こに謝意 を表 し ます.

文 献

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