JP3134391B2 - Silicon substrate bonding method - Google Patents

Silicon substrate bonding method

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JP3134391B2
JP3134391B2 JP03239999A JP23999991A JP3134391B2 JP 3134391 B2 JP3134391 B2 JP 3134391B2 JP 03239999 A JP03239999 A JP 03239999A JP 23999991 A JP23999991 A JP 23999991A JP 3134391 B2 JP3134391 B2 JP 3134391B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板の接合
方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for bonding silicon substrates.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、2枚のシリコン基板を接合する方
法として、ウェハ直接接合(W,D,B)方法がある
(例えば、T.Abe et al :JPn,J.App
l.Phys.29(1990)L2315、新保優;
応用物理56(1987)373.)。この方法は、接
合界面に接着剤等による中間層が存在せず、熱歪みによ
る影響を解消できる。しかし、十分な接合強度を得るた
めには800〜1100℃以上の熱処理が必要である。
そこで、特開平3−91227号公報においては、シリ
コン基板の研磨面の親水化処理として酸素イオンあるい
は酸素ラジカルと反応させシリコン基板の接合面に酸化
層を形成させることで、比較的低温で接合している。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of bonding two silicon substrates, there is a wafer direct bonding (W, D, B) method (for example, T. Abe et al: JPn, J. App).
l. Phys. 29 (1990) L2315, Yu Shinbo;
Applied Physics 56 (1987) 373. ). According to this method, there is no intermediate layer made of an adhesive or the like at the bonding interface, and the influence of thermal distortion can be eliminated. However, heat treatment at 800 to 1100 ° C. or higher is required to obtain sufficient bonding strength.
Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-91227 discloses a method for hydrophilizing a polished surface of a silicon substrate by reacting it with oxygen ions or oxygen radicals to form an oxide layer on the bonding surface of the silicon substrate. ing.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この公報によ
る方法では、接合強度が0.7〜2.9kgf/mm2 と大き
くばらついたり、接合面積割合(実際の接合面積/全接
着面積)が20〜90%と変化したりする問題点があっ
た。
However, according to the method disclosed in this publication, the bonding strength varies greatly from 0.7 to 2.9 kgf / mm 2, and the bonding area ratio (actual bonding area / total bonding area) is 20%. Or about 90%.

【0004】この発明の目的は、比較的低温で加熱処理
でき、かつ、強固な接合強度を得るとともに、基板全面
で均一な接合強度と接合性が得られるシリコン基板の接
合方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method of bonding a silicon substrate which can be heat-treated at a relatively low temperature, obtains a strong bonding strength, and obtains a uniform bonding strength and bonding properties over the entire surface of the substrate. is there.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は、2枚のシリ
コン基板の各接合面を鏡面研磨し、各研磨面をそれぞれ
親水化処理し、この親水化した接合面同士を直接密着
し、これを加熱処理して前記2枚のシリコン基板を相互
に接合するシリコン基板の接合方法であって、前記研磨
面の親水化処理において、前記2枚のシリコン基板のう
ち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親水化処理
は、高周波電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を
含んだ雰囲気下で、プラズマとカソード電極との間の自
己バイアス電圧を100〜250ボルトにした状態に
て、サブオキサイド、即ち、図11(b)に示すS
3+、図11(c)に示すSi2+、図11(d)に示す
Si+ を有する酸化層を形成させるシリコン基板の接合
方法をその要旨とする。尚、図11(a)にはSiO2
に相当するSi4+を示す。
According to the present invention, each bonding surface of two silicon substrates is mirror-polished, each polished surface is subjected to a hydrophilic treatment, and the hydrophilic bonding surfaces are directly adhered to each other. A bonding method for bonding the two silicon substrates to each other by heat-treating the two silicon substrates, wherein the polishing surface of at least one of the two silicon substrates in the hydrophilizing treatment of the polishing surface is performed. The hydrophilization treatment is performed using a plasma generator with a high-frequency power supply, under an atmosphere containing oxygen, and in a state where the self-bias voltage between the plasma and the cathode electrode is set to 100 to 250 volts, a suboxide, that is, S shown in FIG.
i 3+, Si 2+ shown in FIG. 11 (c), a method of bonding a silicon substrate to form an oxide layer having a Si + shown in FIG. 11 (d) and its gist. Incidentally, SiO FIG 11 (a) 2
Is shown as Si 4+ .

【0006】[0006]

【作用】2枚のシリコン基板の各接合面が鏡面研磨され
る。そして、2枚のシリコン基板のうち少なくとも一方
のシリコン基板の研磨面の親水化処理において、高周波
電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を含んだ雰囲
気下で、プラズマとカソード電極との間の自己バイアス
電圧を100〜250ボルトにした状態にて、サブオキ
サイドを有する酸化層が形成される。このサブオキサイ
ドを有する酸化層により接合界面において有効に働くシ
リコンの未結合手が多く形成される。
The joint surfaces of the two silicon substrates are mirror-polished. Then, in the hydrophilizing treatment of the polished surface of at least one of the two silicon substrates, a self-bias between the plasma and the cathode electrode is performed in an atmosphere containing oxygen using a plasma generator using a high-frequency power supply. At a voltage of 100 to 250 volts, an oxide layer having a suboxide is formed. Due to the oxide layer having this suboxide, many dangling bonds of silicon that effectively work at the junction interface are formed.

【0007】その後、この親水化した接合面同士が直接
密着され、加熱処理して2枚のシリコン基板が相互に接
合される。このとき、サブオキサイドを有する酸化層に
よる接合界面にシラノール基(Si−OH)が多いこと
により、水素結合の密度が高くなり、比較的低温で水素
結合からSi−O−Siの共有結合に変化でき、低温で
も高い結合強度が得られる。
Thereafter, the bonding surfaces that have been made hydrophilic are directly adhered to each other, and are subjected to a heat treatment to bond the two silicon substrates to each other. At this time, the density of hydrogen bonds increases due to the large number of silanol groups (Si-OH) at the bonding interface formed by the oxide layer having a suboxide, and changes from hydrogen bonds to Si-O-Si covalent bonds at a relatively low temperature. And high bonding strength can be obtained even at low temperatures.

【0008】[0008]

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図1にはプラズマ発生装置1を示
す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a plasma generator 1.

【0009】チャンバ2内には一対の電極板3,4が上
下に対向配置されている。上側の電極板3はアースされ
アノード電極となり、下側の電極板4には高周波電源5
が接続されカソード電極となっている。又、チャンバ2
にはガス導入口6とガス排出口7とが設けられ、ガス導
入口6から酸素ガスが導入されるとともに、ガス排出口
7から排気ポンプ8によりチャンバ2内のガスが抜かれ
て最高到達真空度を1Pa以下にすることができる。そ
して、ガス導入口6から酸素ガスがチャンバ2内に導入
され、この両電極板3,4間において酸素ガスのプラズ
マが発生する構造となっている。下側の電極板4上には
シリコン基板9が配置され、シリコン基板9が電極板3
に対向した、いわゆるカソードカップルの状態に設置さ
れる。この状態で、チャンバ2内を真空引きにより1P
a以下にし、その後ガス導入口6より酸素ガスを導入
し、高周波電源5の電力によって電極板3,4間に放電
を起こし、酸素プラズマが発生するようになっている。
In the chamber 2, a pair of electrode plates 3 and 4 are vertically arranged to face each other. The upper electrode plate 3 is grounded to serve as an anode electrode, and the lower electrode plate 4
Are connected to form a cathode electrode. Chamber 2
Is provided with a gas inlet 6 and a gas outlet 7. Oxygen gas is introduced from the gas inlet 6, and the gas in the chamber 2 is evacuated from the gas outlet 7 by the exhaust pump 8 so that the ultimate vacuum Can be set to 1 Pa or less. Then, oxygen gas is introduced into the chamber 2 from the gas inlet 6, and oxygen gas plasma is generated between the two electrode plates 3 and 4. A silicon substrate 9 is arranged on the lower electrode plate 4, and the silicon substrate 9 is
, So-called cathode couple. In this state, the inside of the chamber 2 is evacuated for 1P.
After that, oxygen gas is introduced from the gas inlet 6, discharge is caused between the electrode plates 3 and 4 by the power of the high frequency power supply 5, and oxygen plasma is generated.

【0010】次に、図2に示すように、第1のシリコン
基板10と第2のシリコン基板11を接合する場合の接
合工程を説明する。まず、少なくとも一方の面が鏡面研
磨された第1のシリコン基板10と第2のシリコン基板
11とを、例えば1・1・1トリクロロエタン煮沸、ア
セトン超音波洗浄及び純水洗浄を順次行ない、十分に洗
浄する。その後、HF:H2 O=1:20の混合液によ
り、自然酸化膜を除去する。その後、図1に示すプラズ
マ発生装置1におけるチャンバ2内に、第1のシリコン
基板10の鏡面研磨された面を上向きにして設置する。
Next, as shown in FIG. 2, a description will be given of a bonding step in a case where the first silicon substrate 10 and the second silicon substrate 11 are bonded. First, the first silicon substrate 10 and the second silicon substrate 11 each having at least one surface mirror-polished are sequentially subjected to, for example, 1.1.1 trichloroethane boiling, acetone ultrasonic cleaning, and pure water cleaning, and then sufficiently. Wash. After that, the natural oxide film is removed with a mixed solution of HF: H 2 O = 1: 20. Thereafter, the first silicon substrate 10 is placed in the chamber 2 of the plasma generator 1 shown in FIG. 1 with the mirror-polished surface facing upward.

【0011】そして、チャンバ2内を真空引きして1P
a以下にし、ガス導入口6から酸素ガスを導入し、高周
波電源5の電力によって電極板3,4間に放電を起こ
し、酸素プラズマを発生させる。この時のガス圧は1〜
25Pa,放電電力は50〜300W/m2 程度にす
る。又、プラズマ発生領域13と下側の電極板(カソー
ド)4の間に生じる自己バイアス電位を125〜225
ボルトにする。これにより、第1のシリコン基板10の
表面は酸素プラズマに晒され表面にプラズマ酸化層12
が形成されることになる。
Then, the chamber 2 is evacuated to 1P
a, oxygen gas is introduced from the gas inlet 6, and discharge is caused between the electrode plates 3 and 4 by the power of the high frequency power supply 5 to generate oxygen plasma. The gas pressure at this time is 1 to
The discharge power is set to about 50 to 300 W / m 2 at 25 Pa. Further, the self-bias potential generated between the plasma generation region 13 and the lower electrode plate (cathode) 4 is set to 125 to 225.
Bolt. As a result, the surface of the first silicon substrate 10 is exposed to oxygen plasma, and
Is formed.

【0012】このとき、酸素プラズマ中には酸素ラジカ
ル(図1で添字*を付けた酸素)あるいは酸素イオン
(図1でO+ で示す)が存在し、これらは化学的に活性
な状態にあるため、常温中でも容易に酸化反応を進行さ
せられる。さらに、第1のシリコン基板10は上記のよ
うにカソードカップルの状態で配置されるため、酸素イ
オンは第1のシリコン基板10上に到達しやすく、その
ため酸化反応は促進する。又、プラズマ発生領域13に
面した第1のシリコン基板10は上面のみであり、下面
へのプラズマ損傷はない。さらに、常温中での処理であ
るため、酸化を行わない下面に素子が形成されていて
も、素子特性の劣化を導くことはない。
At this time, oxygen radicals (oxygen with a suffix * in FIG. 1) or oxygen ions (indicated by O + in FIG. 1) are present in the oxygen plasma, and these are in a chemically active state. Therefore, the oxidation reaction can easily proceed even at room temperature. Furthermore, since the first silicon substrate 10 is arranged in the state of the cathode couple as described above, oxygen ions can easily reach the first silicon substrate 10, and therefore the oxidation reaction is promoted. Further, the first silicon substrate 10 facing the plasma generation region 13 has only the upper surface, and there is no plasma damage to the lower surface. Further, since the treatment is performed at room temperature, even if the element is formed on the lower surface where oxidation is not performed, deterioration of element characteristics does not occur.

【0013】一方、第2のシリコン基板11の鏡面研磨
面には、公知の熱酸化、化学的気相成長法、スパッタ、
蒸着等の方法により酸化膜14を形成する。さらに、H
2 SO4 −H2 2 混合液中に液温80℃以上で浸漬す
る化学的表面処理を施しておく。
On the other hand, on the mirror-polished surface of the second silicon substrate 11, known thermal oxidation, chemical vapor deposition, sputtering,
The oxide film 14 is formed by a method such as evaporation. Furthermore, H
A chemical surface treatment of immersing in a 2 SO 4 —H 2 O 2 mixture at a liquid temperature of 80 ° C. or higher has been performed.

【0014】そして、プラズマ酸化層12を形成した第
1のシリコン基板10と、所定の方法で形成した酸化膜
14を有する第2のシリコン基板11とを、純水中にて
洗浄し、乾燥窒素等による乾燥を行い、シリコン基板1
0,11の表面に吸着する水分子量を制御する。その
後、図2に示すように、第1のシリコン基板10のプラ
ズマ酸化層12を形成した面と第2のシリコン基板11
の酸化膜14面同志を密着させる。これにより、2枚の
シリコン基板10,11は表面に形成されたシラノール
基及び表面に吸着した水分子の水素結合により接着す
る。さらに、この接着したシリコン基板10及び11を
10Pa以下の真空中にて乾燥させる。このとき、シリ
コン基板10及び11の反りを補償するため、30gf
/cm2 以上の荷重を印加してもよい。
Then, the first silicon substrate 10 having the plasma oxide layer 12 formed thereon and the second silicon substrate 11 having the oxide film 14 formed by a predetermined method are washed in pure water and dried with dry nitrogen. And then dry the silicon substrate 1
The molecular weight of water adsorbed on the surface of 0,11 is controlled. Thereafter, as shown in FIG. 2, the surface of the first silicon substrate 10 on which the plasma oxide layer 12 is formed and the second silicon substrate 11
The oxide films 14 are brought into close contact with each other. As a result, the two silicon substrates 10 and 11 adhere to each other by a hydrogen bond between silanol groups formed on the surface and water molecules adsorbed on the surface. Further, the bonded silicon substrates 10 and 11 are dried in a vacuum of 10 Pa or less. At this time, to compensate for the warpage of the silicon substrates 10 and 11, 30 gf
/ Cm 2 or more.

【0015】さらに、図3に示すように、この接着状態
にあるシリコン基板10及び11をチャンバ15内に配
置する。このチャンバ15は排気ポンプ16により到達
真空度を10Pa以下することができるようになってい
る。そして、シリコン基板10,11の接着界面に存在
する過剰な水分子を抜きながらチャンバ15内のヒータ
17により200〜450℃,5〜120分保持の熱処
理を行い、シリコン基板10,11を接合する。
Further, as shown in FIG. 3, the silicon substrates 10 and 11 in the bonded state are arranged in a chamber 15. This chamber 15 can be reduced to an ultimate vacuum of 10 Pa or less by an exhaust pump 16. Then, a heat treatment is performed at 200 to 450 ° C. for 5 to 120 minutes by the heater 17 in the chamber 15 while removing excess water molecules present at the bonding interface between the silicon substrates 10 and 11, thereby joining the silicon substrates 10 and 11. .

【0016】ここで、本実施例のように図1に示す装置
で酸素プラズマ処理によりプラズマ酸化層12を形成す
る場合、特に放電電力とガス圧を変化させることでプラ
ズマ発生領域13と下側の電極板(カソード)4の間に
生じる自己バイアス電位を変化させることが可能であ
る。そこで、放電電力とガス圧、処理時間を種々変化さ
せてプラズマ酸化処理を行い、第1のシリコン基板10
上にプラズマ酸化層12を形成した。さらに、図4,5
に示すような第2のシリコン基板11に穴径が1mmの貫
通穴18を3mmピッチで形成し、このような第2のシリ
コン基板11と第1のシリコン基板10とをプラズマ酸
化層12を介して接合を行った。接合後に第1のシリコ
ン基板10と第2のシリコン基板11を図4,5に示す
破線の位置でダイシングカットした。そして、その各チ
ップに対し両基板10,11の接合性と、貫通孔18を
通して圧力を加えることによる耐圧を測定した。
Here, when the plasma oxidized layer 12 is formed by the oxygen plasma treatment in the apparatus shown in FIG. 1 as in this embodiment, the discharge power and the gas pressure are changed, so that the plasma generation region 13 and the lower side are formed. The self-bias potential generated between the electrode plates (cathode) 4 can be changed. Therefore, the plasma oxidation treatment is performed by changing the discharge power, the gas pressure, and the treatment time variously, and the first silicon substrate 10
A plasma oxide layer 12 was formed thereon. 4 and 5
A through hole 18 having a hole diameter of 1 mm is formed at a pitch of 3 mm in a second silicon substrate 11 as shown in FIG. 1 and such a second silicon substrate 11 and the first silicon substrate 10 are interposed via a plasma oxide layer 12. And joined. After the bonding, the first silicon substrate 10 and the second silicon substrate 11 were cut by dicing at the positions indicated by broken lines in FIGS. Then, the bondability of the two substrates 10 and 11 to each chip and the withstand voltage by applying pressure through the through hole 18 were measured.

【0017】その結果を、表1に示す。尚、表1におい
て、判定としては接合率と耐圧とを加味して評価したも
のであり、実用上好ましいものには○を、実用上好まし
くないものには×を付けた。
The results are shown in Table 1. In Table 1, the judgment was made in consideration of the joining ratio and the withstand voltage, and ○ was given for those which were practically preferable, and × was given for those which were not practical.

【0018】この表から分かるようにバイアス電位が1
25V〜225Vのとき良好な接合性を示し、大きな接
合強度を有していることが分かる。ただし、バイアス電
位は100V以下でも500V以上でも放電は安定せ
ず、このためプロセスが成り立たなくなる。
As can be seen from this table, when the bias potential is 1
It can be seen that good bondability is exhibited when the voltage is between 25 V and 225 V, and that a large bond strength is obtained. However, when the bias potential is less than 100 V or more than 500 V, the discharge is not stable, and the process cannot be realized.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】次に、種々のバイアス電位でプラズマ酸化
処理を行ない形成したプラズマ酸化層12をXPS(X
線光電子分光法)により測定した。その結果を、図6に
示す。この図から分かるように、バイアス電位を変化さ
せることで、プラズマ酸化層12の最表面のSi2p光電
子スペクトルは変化している。特に、バイアス電位が高
いもの(400V,500V)は、Si4+(SiO2
相当する)が高くなっており、酸化が進んでいることが
分かる。又、バイアス電位が高いもの(400V,50
0V)は、Si4+とSi0 (メタル)の比率から相対的
な酸化膜厚が厚くなっていることも分かる。一方、バイ
アス電位が125V,225Vと低いものは、シリコン
の2pピークが103.4eVよりもエネルギーが低い
側にシフトしており、Si3+,Si2+などのサブオキサ
イドがプラズマ酸化層12の最表面に多くあることが分
かる。
Next, the plasma oxidized layer 12 formed by performing the plasma oxidization process at various bias potentials is subjected to XPS (X
(Line photoelectron spectroscopy). The result is shown in FIG. As can be seen from this figure, by changing the bias potential, the Si 2p photoelectron spectrum of the outermost surface of the plasma oxide layer 12 changes. In particular, those having a high bias potential (400 V, 500 V) have high Si 4+ (corresponding to SiO 2 ), indicating that oxidation is progressing. Also, those having a high bias potential (400 V, 50 V
0V), it can be seen from the ratio of Si 4+ and Si 0 (metal) that the relative oxide film thickness is large. On the other hand, when the bias potential is as low as 125 V or 225 V, the 2p peak of silicon is shifted to a lower energy side than 103.4 eV, and suboxides such as Si 3+ and Si 2+ are formed in the plasma oxide layer 12. It can be seen that there are many on the outermost surface.

【0021】又、熱酸化されたSi(Si4+)は2.2
倍の体積に膨張する。このため、図7に示すように、一
部のSi原子が未酸化のまま酸化膜中を拡散したり、あ
るいは、図8に示すように、未酸化のSi原子が格子間
Siとして基板拡散をしたりする。又、図9に示すよう
に、シリコン基板中の空格子点がSiO2 界面で消費さ
れたり、プラズマ酸化層12中の酸素欠陥や非架橋酸化
などによる点欠陥が存在しやすくなると考えられる。こ
のため、ダングリングボンドやダイマボンドなども生成
しやすくなる。これと同様に、プラズマ酸化することで
も上述のメカニズムが生じて、低温でも活性種となりう
る酸化種が多数生成しているものと推定される。このた
め、第1のシリコン基板10のプラズマ酸化層12を低
バイアス電位で形成したものと第2のシリコン基板11
とは、450℃×2hr程度の比較的低温であっても有
効に接合される。又、耐圧試験においても、強固な接合
がなされているために強度が強いものと推定される。
The thermally oxidized Si (Si 4+ ) is 2.2.
Expand to twice the volume. Therefore, as shown in FIG. 7, some Si atoms diffuse in the oxide film without being oxidized, or as shown in FIG. 8, unoxidized Si atoms diffuse into the substrate as interstitial Si. Or Further, as shown in FIG. 9, it is considered that vacancies in the silicon substrate are consumed at the SiO 2 interface, and point defects due to oxygen defects, non-crosslinking oxidation, etc. in the plasma oxide layer 12 are likely to be present. For this reason, a dangling bond, a dimer bond, and the like are easily generated. Similarly, it is presumed that the above-described mechanism also occurs by plasma oxidation, and that many oxidizing species that can become active species even at low temperatures are generated. Therefore, the first silicon substrate 10 having the plasma oxide layer 12 formed at a low bias potential and the second silicon substrate 11
Is effective even at a relatively low temperature of about 450 ° C. × 2 hours. Also in the pressure resistance test, it is presumed that the strength is strong due to the strong bonding.

【0022】次に、図10を用いて本発明を適用した半
導体式圧力センサを説明する。図10は実施例の接合方
法を適用して製造した半導体式圧力センサの一例を示す
構造図である。本圧力センサは、検知部としての第1の
シリコン基板19と、台座としての第2のシリコン基板
20とから構成されている。n型の第1のシリコン基板
19の上面にはp型拡散層21が形成され、拡散歪みゲ
ージをなしている。又、第1のシリコン基板19の上面
には保護膜22が形成され、この保護膜22にはp型拡
散層21と電気的接続をとるためのコンタクトホール2
3,24が形成され、コンタクトホール23,24にて
電極25,26が配線されている。さらに、第1のシリ
コン基板19の下面には、例えばアルカリ溶液による異
方性エッチングあるいは沸硝酸による等方性エッチング
等の公知の方法により凹部27が形成され、ダイヤフラ
ム28が加工されている。一方、台座としての第2のシ
リコン基板20には圧力導入孔29が配設されている。
Next, a semiconductor pressure sensor to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a structural diagram showing an example of a semiconductor pressure sensor manufactured by applying the bonding method of the embodiment. This pressure sensor includes a first silicon substrate 19 as a detection unit and a second silicon substrate 20 as a pedestal. A p-type diffusion layer 21 is formed on the upper surface of the n-type first silicon substrate 19 to form a diffusion strain gauge. A protective film 22 is formed on the upper surface of the first silicon substrate 19, and the protective film 22 has a contact hole 2 for making an electrical connection with the p-type diffusion layer 21.
3 and 24 are formed, and electrodes 25 and 26 are wired in contact holes 23 and 24. Further, on the lower surface of the first silicon substrate 19, a concave portion 27 is formed by a known method such as anisotropic etching with an alkaline solution or isotropic etching with boiling nitric acid, and a diaphragm 28 is processed. On the other hand, a pressure introducing hole 29 is provided in the second silicon substrate 20 as a pedestal.

【0023】そして、上述の所定の素子形成、加工処理
を施した第1のシリコン基板19の下面と、台座となる
第2のシリコン基板20の上面を鏡面研磨しておく。こ
の鏡面研磨された第1のシリコン基板19の下面にプラ
ズマ酸化層30を形成する。又、第2のシリコン基板2
0の鏡面研磨面に酸化膜31が形成され、さらに、H 2
SO4 −H2 2 混合液中に液温80℃以上で浸漬する
化学的表面処理を施しておく。そして、プラズマ酸化層
30を形成した第1のシリコン基板19と、所定の方法
で形成した酸化膜31を有する第2のシリコン基板20
とを純水中にて洗浄し、乾燥窒素等による乾燥を行い、
基板表面(接合する面同士)に吸着する水分子量を制御
する。この後、プラズマ酸化層30と酸化膜31を介し
て第1のシリコン基板19のダイヤフラム28と、第2
のシリコン基板20の圧力導入孔29を位置合わせして
接合する。
Then, the predetermined element formation and processing described above are performed.
And a pedestal of the lower surface of the first silicon substrate 19 subjected to
The upper surface of the second silicon substrate 20 is mirror-polished. This
The lower surface of the mirror-polished first silicon substrate 19 is
A zuma oxide layer 30 is formed. Also, the second silicon substrate 2
The oxide film 31 is formed on the mirror-polished surface of Two
SOFour-HTwoOTwoImmerse in a mixture at a temperature of 80 ° C or higher
A chemical surface treatment has been applied. And the plasma oxide layer
First silicon substrate 19 with 30 formed thereon and predetermined method
Silicon substrate 20 having oxide film 31 formed by
And washed in pure water, dried with dry nitrogen, etc.
Controls the amount of water molecules adsorbed on the substrate surface (joining surfaces)
I do. After that, through the plasma oxide layer 30 and the oxide film 31
And the diaphragm 28 of the first silicon substrate 19 and the second
Of the pressure introducing hole 29 of the silicon substrate 20 of FIG.
Join.

【0024】このようにして製造された圧力センサは、
拡散層21,電極25,26等の素子形成後に第1のシ
リコン基板19と第2のシリコン基板20を接合してい
る。よって、前述のように高圧用センサとして高い接合
強度を得るために、この接合工程時において従来のよう
な高温による熱処理を必要としないため、上記素子部の
素子特性が熱処理の高温によって変化あるいは劣化する
ことはない。又、接合面の親水化処理において従来のよ
うに酸性溶液中に浸漬することもないため、耐酸性溶液
用の保護膜を特別に素子形成面に被着する必要もなく、
又、素子形成も通常の工程により行えるため、工程数の
増加あるいは工程の変更等の必要がない。
The pressure sensor thus manufactured is
After forming elements such as the diffusion layer 21 and the electrodes 25 and 26, the first silicon substrate 19 and the second silicon substrate 20 are joined. Therefore, as described above, in order to obtain a high bonding strength as a high-pressure sensor, a heat treatment at a high temperature as in the related art is not required in the bonding process, so that the element characteristics of the element portion change or deteriorate due to the high temperature of the heat treatment. I will not do it. In addition, since the bonding surface is not immersed in an acidic solution as in the prior art in the hydrophilization treatment, there is no need to specifically apply a protective film for an acid-resistant solution to the element forming surface,
In addition, since the element can be formed by a normal process, there is no need to increase the number of processes or change the processes.

【0025】又、第2のシリコン基板20の接合面には
酸化膜31を形成せずに第1のシリコン基板19のプラ
ズマ酸化層30と同様なプラズマ酸化層を形成してもよ
い。ただし、第1のシリコン基板19と第2のシリコン
基板20の各々の接合する側の面をプラズマ酸化した場
合、ボイド等が界面に発生しやすいことが分かってい
る。しかしながら、強固な接合は得られるので、第1の
シリコン基板19と第2のシリコン基板20が同一材料
でしかも接着剤等の中間層を介さずに一体化できる。こ
のため化学的にも安定であり、また熱膨張係数の差によ
る温度ドリフトが問題となることもない。
Further, a plasma oxide layer similar to the plasma oxide layer 30 of the first silicon substrate 19 may be formed on the bonding surface of the second silicon substrate 20 without forming the oxide film 31. However, it is known that when the surfaces of the first silicon substrate 19 and the second silicon substrate 20 to be bonded are plasma-oxidized, voids and the like are easily generated at the interface. However, since strong bonding is obtained, the first silicon substrate 19 and the second silicon substrate 20 can be integrated using the same material without using an intermediate layer such as an adhesive. Therefore, it is chemically stable, and there is no problem of temperature drift due to a difference in thermal expansion coefficient.

【0026】このように本実施例では、2枚のシリコン
基板10,11の各接合面を鏡面研磨し、各研磨面をそ
れぞれ親水化処理する際に、2枚のシリコン基板10,
11のうち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親
水化処理は、高周波電源5によるプラズマ発生装置1を
用いて酸素を含んだ雰囲気下で、プラズマと電極板4
(カソード電極)との間の自己バイアス電圧を100〜
250ボルトにした状態にてSi3+,Si2+,Si+
のサブオキサイドを有するプラズマ酸化層12を形成さ
せるようした。その後、この親水化した接合面同士を直
接密着し、これを加熱処理して2枚のシリコン基板1
0,11を相互に接合した。つまり、接合面を酸性溶液
(H2 SO4 /H2 2 )中に浸漬して親水性とするの
ではなく、接合面を酸素イオンあるいは酸素ラジカルと
反応させてプラズマ酸化層12を形成させて親水性とす
るものであり、かつ、プラズマ酸化層12としてS
3+,Si 2+等のサブオキサイドを多数生成させるもの
である。即ち、このプラズマ酸化層12中のサブオキサ
イドにより接合界面において単位面積当たりのシラノー
ル基(Si−OH)の数が多くなり水素結合力が向上し
たり、あるいは接合に有効に働く未結合手が多く形成さ
れる。その結果、水素結合の密度も高くなり、比較的低
温で水素結合からSi−O−Siの共有結合に変化でき
るため、低温でも高い接合強度が得られる。さらに、全
面で有効に接合できるため、強度バラツキも低減でき、
又、XPS分析法で測定したところ、サブオキサイドの
中でSi2+、Si3+が表面に多いものの接合が特に良好
であった。
As described above, in this embodiment, two silicon
Each joint surface of the substrates 10 and 11 is mirror-polished, and each polished surface is
When performing the hydrophilic treatment, respectively, two silicon substrates 10,
11 is a parent of the polished surface of at least one of the silicon substrates.
In the water treatment, the plasma generator 1 using the high-frequency power source 5 is turned on.
Plasma and electrode plate 4 in an atmosphere containing oxygen.
(Cathode electrode) between 100 and
Si at 250 volts3+, Si2+, Si+etc
Forming a plasma oxide layer 12 having a sub-oxide of
I tried to do it. After that, the hydrophilic bonding surfaces are directly
The two silicon substrates 1 are brought into close contact with each other and heat-treated.
0,11 were joined together. In other words, the bonding surface is
(HTwoSOFour/ HTwoOTwo) To make it hydrophilic
Instead, bond the interface with oxygen ions or oxygen radicals.
React to form the plasma oxidized layer 12 and make it hydrophilic.
And the plasma oxidation layer 12
i3+, Si 2+That produce a large number of suboxides such as
It is. That is, the sub-oxide in the plasma oxide layer 12
Silano per unit area at the bonding interface
And the hydrogen bonding force is improved
Or many unjoined hands that work effectively for joining are formed.
It is. As a result, the density of hydrogen bonds also increases,
It can change from hydrogen bond to covalent Si-O-Si bond at temperature
Therefore, high bonding strength can be obtained even at a low temperature. In addition,
Surface can be joined effectively, reducing the variation in strength,
When measured by XPS analysis, the suboxide
Si inside2+, Si3+Is particularly good, though there are many on the surface
Met.

【0027】このようにして、比較的低温(450℃×
2時間以内)で加熱処理でき、かつ、強固な接合強度を
得るとともに、基板全面で均一な接合強度と接合性が得
られる。又、アルミ等の配線を施した素子であっても、
素子部を損傷することなく、他のシリコン基板と直接接
合可能となり、高信頼性を確保できる。
In this manner, a relatively low temperature (450 ° C. ×
(Within 2 hours), a strong bonding strength can be obtained, and a uniform bonding strength and bonding property can be obtained over the entire surface of the substrate. In addition, even if the element is provided with wiring such as aluminum,
It is possible to directly bond to another silicon substrate without damaging the element portion, and high reliability can be secured.

【0028】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、高周波電源によるプラズマ発生装
置でのプラズマとカソード電極との間の自己バイアス電
圧は100〜250ボルトであればよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the self-bias voltage between the plasma and the cathode electrode in the plasma generator using the high-frequency power supply may be 100 to 250 volts.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
比較的低温で加熱処理でき、かつ、強固な接合強度を得
るとともに、ウェハ全面で均一な接合強度と接合性が得
られる優れた効果を発揮する。
As described in detail above, according to the present invention,
Heat treatment can be performed at a relatively low temperature, a strong bonding strength can be obtained, and an excellent effect that uniform bonding strength and bonding properties can be obtained over the entire surface of the wafer can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】プラズマ発生装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a plasma generator.

【図2】第1及び第2のシリコン基板を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing first and second silicon substrates.

【図3】真空接合装置を示す図である。FIG. 3 is a view showing a vacuum bonding apparatus.

【図4】試験用のシリコン基板を示す図である。FIG. 4 is a view showing a test silicon substrate.

【図5】図4のA−A断面図である。FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG. 4;

【図6】XPSによる測定結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing measurement results by XPS.

【図7】シリコンの構造を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a structure of silicon.

【図8】シリコンの構造を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a structure of silicon.

【図9】シリコンの構造を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a structure of silicon.

【図10】本発明を圧力センサに具体化したときの断面
図である。
FIG. 10 is a sectional view when the present invention is embodied in a pressure sensor.

【図11】サブオキサイドを説明するための図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a suboxide.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プラズマ発生装置 4 電極板(カソード電極) 5 高周波電源 10 第1のシリコン基板 11 第2のシリコン基板 12 プラズマ酸化層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma generator 4 Electrode plate (cathode electrode) 5 High frequency power supply 10 1st silicon substrate 11 2nd silicon substrate 12 Plasma oxide layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−91227(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/02 H01L 27/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-91227 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/02 H01L 27/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2枚のシリコン基板の各接合面を鏡面研
磨し、各研磨面をそれぞれ親水化処理し、この親水化し
た接合面同士を直接密着し、これを加熱処理して前記2
枚のシリコン基板を相互に接合するシリコン基板の接合
方法であって、 前記研磨面の親水化処理において、前記2枚のシリコン
基板のうち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親
水化処理は、高周波電源によるプラズマ発生装置を用い
て酸素を含んだ雰囲気下で、プラズマとカソード電極と
の間の自己バイアス電圧を100〜250ボルトにした
状態にて、サブオキサイドを有する酸化層を形成させる
ことを特徴とするシリコン基板の接合方法。
1. A bonded surface of two silicon substrates is mirror-polished, each of the polished surfaces is subjected to a hydrophilic treatment, and the hydrophilic bonded surfaces are directly adhered to each other, and are heat-treated.
A method of bonding silicon substrates, wherein two silicon substrates are bonded to each other, wherein the hydrophilic treatment of the polished surface of at least one of the two silicon substrates is performed by a high-frequency process. An oxide layer having a sub-oxide is formed by using a plasma generator with a power supply and in an atmosphere containing oxygen in a state where a self-bias voltage between the plasma and a cathode electrode is 100 to 250 volts. Method for bonding a silicon substrate.
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