JP2000091176A

JP2000091176A - 基板張り合わせ方法

Info

Publication number: JP2000091176A
Application number: JP10274368A
Authority: JP
Inventors: Masahito Kigami; 雅人樹神; Tsutomu Uesugi; 勉上杉
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】１０００℃以下の温度領域の熱処理でも適用
可能な基板張り合わせ方法を提供する。【解決手段】本発明の基板張り合わせ方法は、（ａ）
第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板（単結晶
シリコン基板）２０との間に非晶質シリコン層１４を介
在させる工程、および（ｂ）非晶質シリコン層１４が単
結晶シリコン層１８（または多結晶シリコン層）になる
ような熱処理を非晶質シリコン層１４に施す工程、を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板と基板との張
り合わせ方法に関する。

【０００２】

【背景技術】従来、シリコン基板とシリコン基板とを張
り合わる技術を、たとえばＳＯＩ構造を形成する手段と
して適用する場合、以下のような手法がとられている
（電子情報通信学会，研究会資料，ＳＤＭ９１−１９
４，ｐｐ９−１４）。

【０００３】（１）張り合わせたい二つの基板のそれぞ
れの表面に酸洗浄することによりＯＨ基を終端させる。

【０００４】（２）次に、基板と基板とを突き合わせ
る。この突き合わせは、ＯＨが終端された一の基板の表
面と、ＯＨが終端された他の基板の表面とが接するよう
に行われる。

【０００５】（３）その後、１０００℃程度あるいはそ
れより高い温度の熱処理を行い、基板と基板とを張り合
わせる。

【０００６】ここで、熱処理の温度が１０００℃程度あ
るいはそれより高い温度でなければならない理由は、熱
処理の温度が１０００℃より低い温度であると、シリコ
ン基板の表面に凹凸が生じ、十分な接合強度が得られな
いからである。

【０００７】しかし、このような高い温度で熱処理を行
うと、半導体層の不純物領域の不純物拡散による乱れ
や、それに伴う半導体素子の破壊などが生じたりする問
題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、１０
００℃以下の温度領域の熱処理でも適用可能な基板張り
合わせ方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の基板張り合わせ
方法は、一の基板と他の基板とを張り合わせる方法であ
って、以下の工程（ａ）および（ｂ）を含む。

【００１０】（ａ）一の基板と他の基板との間に非晶質
シリコン層を介在させる工程、および（ｂ）前記非晶質
シリコン層が単結晶シリコン層または多結晶シリコン層
になる熱処理を該非晶質シリコン層に施す工程。

【００１１】この基板張り合わせ方法によれば、前記非
晶質シリコン層が熱処理されて、単結晶シリコン層また
は多結晶シリコン層となることにより、一の基板と他の
基板との張り合わせが達成される。また、非晶質シリコ
ン層が単結晶シリコン層または多結晶シリコン層になる
温度の熱処理で済むため、従来のように、１０００℃程
度あるいはそれより高い温度の熱処理を要しない。

【００１２】本発明の基板張り合わせ方法は、さらに、
たとえば、以下のいずれかの工程を含むことが好まし
い。

【００１３】（１）第１に、前記工程（ａ）の前に、相
互に接することになる前記一の基板の表面および前記非
晶質シリコン層の表面に水素を終端する工程を含む。

【００１４】このように非晶質シリコン層の面と基板の
面とが接し合うそれぞれの面に水素を終端させることに
より、それら表面が化学的に安定な状態になり、それら
表面の酸化を防止することができる。したがって、それ
らの表面の接合面において、接合が強くなる。

【００１５】（２）第２に、前記工程（ａ）の前に、相
互に接することになる第１の非晶質シリコン層と第２の
非晶質シリコン層の表面に水素を終端する工程を含む。

【００１６】このように、相互に接することになる第１
の非晶質シリコン層と第２の非晶質シリコン層の表面に
水素を終端することにより、それら表面が化学的に安定
な状態になり、それら表面の酸化を防止することができ
る。したがって、それらの表面の接合面において、接合
が強くなる。

【００１７】さらに、本発明の基板張り合わせ方法は、
前記一の基板が単結晶シリコン基板であることが好まし
い。

【００１８】このように、基板が単結晶シリコン基板か
らなることにより、熱処理によって、単結晶シリコン基
板の結晶面から、固相エピタキシャル成長により非晶質
シリコン層が単結晶化され、固相成長層が形成される。
固相成長層が形成されることにより、単結晶シリコン基
板と固相成長層との接合が強くなる。

【００１９】また、本発明の基板張り合わせ方法は、さ
らに、前記一の基板と前記非晶質シリコン層との間およ
び前記他の基板と前記非晶質シリコン層との間のうち少
なくともいずれか一方に、絶縁層を介在させる工程を含
んでいてもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。

【００２１】（第１の実施の形態）（張り合わせ基板の構造）図１（ｆ）は、本発明の実施
の形態にかかる張り合わせ基板１００を模式的に示す断
面図である。

【００２２】図１（ｆ）に示す張り合わせ基板１００
は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２０
とが対向している。第１のシリコン基板１０と第２のシ
リコン基板２０との間には、第１のシリコン基板１０側
から順に、絶縁層１２と固相成長層（以下「ＳＰＥ層」
という）１８とが介在している。第２のシリコン基板２
０は、単結晶である。ＳＰＥ層１８は、第２のシリコン
基板２０の結晶面２２から、固相エピタキシャル成長に
より非晶質シリコン層１４を単結晶化した単結晶層であ
る。

【００２３】以下に、第１のシリコン基板１０と第２の
シリコン基板２０との張り合わせ方法について説明す
る。

【００２４】（基板張り合わせ方法）図１は、基板の張
り合わせる工程を示す模式図である。

【００２５】（１）まず、図１（ａ）に示すように、第
１のシリコン基板１０の上に、例えば任意の膜厚の二酸
化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる絶縁層１２を形成する。
絶縁層１２の製造条件は特に制限されないが、例えば、
熱酸化プロセス等を用いることができる。

【００２６】（２）ついで、図１（ｂ）に示すように、
膜厚が１０ｎｍ以上の非晶質シリコン層１４を絶縁層１
２上に形成する。非晶質シリコン層１４の形成は、たと
えば、減圧ＣＶＤ装置内の温度を５００〜５５０℃程度
まで昇温し、第１のシラン系化合物ガスを、例えば３０
０ＳＣＣＭの流量で流す減圧ＣＶＤ法により行われる。

【００２７】第１のシラン系化合物としては、特に制限
されないが、モノシラン，ジシラン，トリシラン，テト
ラシラン等を例示することができる。

【００２８】以下、上記一連の工程で形成された第１の
シリコン基板１０，絶縁層１２および非晶質シリコン層
１４からなる層構造を基板積層体１６という。

【００２９】（３）次に、図１（ｃ）に示すように、非
晶質シリコン層１４の表面に水素３０を終端させる。こ
のように、非晶質シリコン層１４の表面に水素３０を終
端させることで、非晶質シリコン層１４の表面を化学的
に安定な状態とすることができ、その表面の酸化を防止
することができる。

【００３０】非晶質シリコン層１４の表面に水素３０を
終端させる方法としては、たとえば、エッチングを挙げ
ることができる。エッチングとして好ましくは、水素含
有化合物によるエッチングを挙げることができる。水素
含有化合物によるエッチングによれば、非晶質シリコン
層１４の表面に自然酸化膜が形成されていた場合に、こ
の自然酸化膜を除去することができる利点を有する。

【００３１】水素含有化合物によるエッチングとして
は、希フッ化水素溶液によるウェットエッチング、ある
いは水素，塩酸，フッ酸等によるドライエッチング等を
用いることができ、特にフッ化水素を１〜５重量％の割
合で含む溶液によるウェットエッチングがプロセスの簡
便化，表面の化学的安定性の点より好ましい。

【００３２】（４）また、図１（ｄ）に示すように、基
板積層体１６とは別に、単結晶シリコンからなる第２の
シリコン基板２０を用意する。図１（ｅ）に示すよう
に、この第２のシリコン基板２０の表面に水素３０を終
端させる。このようにして、第２のシリコン基板２０の
表面に水素を終端させることにより、第２のシリコン基
板２０の表面を化学的に安定な状態とすることができ、
その表面の酸化を防止することができる。

【００３３】第２のシリコン基板の表面に水素３０を終
端させる手法としては、上述の工程（３）で示した手法
を適用することができる。

【００３４】（５）次いで、図１（ｆ）に示すように、
基板積層体１６と第２のシリコン基板２０とを突き合わ
せる。この突き合わせは、水素３０が終端された非晶質
シリコン層１４の表面と、水素３０が終端された第２の
シリコン基板２０の表面とが接するようにしてなされ
る。

【００３５】（６）次いで、突き合わされた基板積層体
１６と第２のシリコン基板２０とを、５５０℃以上、好
ましくは５８０〜１０００℃、より好ましくは５８０〜
６００℃の温度で、たとえば４〜２４時間アニールをす
る。このようにアニールすることにより、第２のシリコ
ン基板２０の結晶面２２から、固相エピタキシャル成長
により非晶質シリコン層１４が単結晶化され、こうし
て、ＳＰＥ層１８が形成される。このように、ＳＰＥ層
１８が第２のシリコン基板２０を種結晶として形成され
ることにより、結果として、第１のシリコン基板１０と
第２のシリコン基板２０とが、ＳＰＥ層１８を介して張
り合わされることになる。

【００３６】本実施の形態の基板張り合わせ方法におい
て特徴的なことは、主として以下の二つの点にある。

【００３７】（１）第１に、第２のシリコン基板２０を
種結晶として、非晶質シリコン層１４を単結晶化し、Ｓ
ＰＥ層１８を形成することにより、第１のシリコン基板
１０と第２のシリコン基板２０との張り合わせを達成す
る点である。

【００３８】このようにして、第１のシリコン基板１０
と第２のシリコン基板２０との張り合わせを行うことに
より、次のような利点がある。

【００３９】シリコン基板とシリコン基板との間に非晶
質シリコンを介さずに、それら基板を直接に張り合わせ
た場合に、良好な張り合わせを行うためには、熱処理の
温度は、１０００℃程度あるいはそれより高い温度が必
要である。しかし、本発明によれば、熱処理の温度は、
第２のシリコン基板２０を種結晶として、非晶質シリコ
ン層１４が単結晶化する温度、すなわち５５０℃以上で
あればよい。そのため、熱処理の温度が１０００℃以下
の温度領域においてもシリコン基板とシリコン基板との
張り合わせが可能となる。また、熱処理の温度を１００
０℃以下の低温度で行った場合には、たとえば、高温の
熱処理において生じる半導体層の不純物領域の不純物拡
散による乱れ、半導体素子の破壊などを確実に防止する
ことができる利点を有する。

【００４０】（２）第２に、基板積層体１６の非晶質シ
リコン層１４の表面およびその表面と接することになる
第２のシリコン基板２０の表面に水素を終端させている
点である。

【００４１】非晶質シリコン層１４の面と第２のシリコ
ン基板２０の面とが接し合うそれぞれの面に水素を終端
させることにより、それら表面が化学的に安定な状態に
なり、それら表面の酸化を防止することができる。その
ため、非晶質シリコン層１４を単結晶化させる際に、第
２のシリコン基板２０の結晶面２２から、良好なエピタ
キシャル成長を達成することができる。

【００４２】（第２の実施の形態）（張り合わせ基板）図２（ｈ）は、本発明の実施の形態
にかかる張り合わせ基板２００を模式的に示す断面図で
ある。

【００４３】図２（ｈ）に示す張り合わせ基板２００
は、第１の基板４０と第２の基板５０とが対向してい
る。第１の基板４０と第２の基板５０との間には、第１
の基板４０側から順に、絶縁層４２と多結晶シリコン層
７０とが介在している。

【００４４】第１の基板４０の材質は、絶縁層４２と密
着性が高いものであれば特に限定されず、たとえば、シ
リコン，ＧａＡｓ系半導体，融点が６００℃以上の高融
点ガラス，融点が６００℃以上の高融点金属などからな
る。

【００４５】第２の基板５０の材質は、多結晶シリコン
層７０と密着性が高いものであれば特に限定されず、た
とえば、ＧａＡｓ系半導体，融点が６００℃以上の高融
点ガラス，融点が６００℃以上の高融点金属などからな
る。

【００４６】以下に、第１の基板４０と第２の基板５０
との張り合わせ方法について説明する。

【００４７】（基板張り合わせ方法）図２は、基板の張
り合わせる工程を示す模式図である。

【００４８】（１）まず、図２（ａ）に示すように、第
１の基板４０を用意する。次いで、図２（ｂ）に示すよ
うに、第１の基板４０上に二酸化ケイ素からなる絶縁層
４２を形成する。この絶縁層４２の製造条件は、特に限
定されないが、たとえば、熱酸化法，ＣＶＤ法，ＰＶＤ
法などを用いることができる。

【００４９】（２）図２（ｂ）に示すように、絶縁層４
２上に第１の非晶質シリコン層４４を形成する。この第
１の非晶質シリコン層４４は、第１の実施の形態の工程
（２）と同様にして形成することができる。

【００５０】（３）図２（ｃ）に示すように、第１の非
晶質シリコン層４４の表面に水素６０を終端させる。第
１の非晶質シリコン層４４の表面に水素６０を終端させ
る方法は、第１の実施の形態の工程（３）と同様であ
る。このように、第１の非晶質シリコン層４４の表面に
水素６０を終端させることで、第１の非晶質シリコン層
４４の表面を化学的に安定な状態とすることができ、そ
の表面の酸化を防止することができる。

【００５１】図２（ｃ）に示す、上記一連の工程（１）
〜工程（３）で得られた、第１の基板４０、絶縁層４２
および第１の非晶質シリコン層４４からなる層構造を第
１の基板積層体４６という。

【００５２】（４）また、図２（ｄ）に示すように、第
１の基板積層体とは別に、第２の基板５０を用意する。
図２（ｅ）に示すように、この第２の基板５０上に第２
の非晶質シリコン層５２を形成する。この第２の非晶質
シリコン層５２は、第１の実施の形態の工程（２）と同
様にして形成することができる。

【００５３】（５）図２（ｆ）に示すように、第２の非
晶質シリコン層５２の表面に水素６０を終端させる。第
２の非晶質シリコン層５２の表面に水素６０を終端させ
る方法は、第１の実施の形態の工程（３）と同様であ
る。このように、第２の非晶質シリコン層５２の表面に
水素６０を終端させることで、第２の非晶質シリコン層
５２の表面を化学的に安定な状態とすることができ、そ
の表面の酸化を防止することができる。

【００５４】図２（ｆ）に示す、上記の工程（４）およ
び工程（５）で得られた、第２の基板５０および第２の
非晶質シリコン層５２を第２の基板積層体５４という。

【００５５】（６）図２（ｇ）に示すように、第１の基
板積層体４６と第２の基板積層体５４とを突き合わせ
る。この突き合わせは、水素６０が終端された第１の非
晶質シリコン層４４の表面と、水素６０が終端された第
２の非晶質シリコン層５２の表面とが接するようにして
なされる。

【００５６】（７）次いで、突き合わされた第１の基板
積層体４６と第２の基板積層体５４とを、５５０℃以
上、好ましくは５８０〜１０００℃、より好ましくは、
５８０〜６００℃の温度で、４〜２４時間アニールをす
る。このようにアニールすることにより、第１の非晶質
シリコン層４４および第２の非晶質シリコン層５２と
が、一体化して多結晶化し、第２の基板５０と絶縁層４
２との間に、図２（ｈ）に示すように、多結晶シリコン
層７０が形成される。このように、第１の非晶質シリコ
ン層４４および第２の非晶質シリコン層５２が一体化し
て、多結晶シリコン層７０となることにより、結果とし
て、第１の基板４０と第２の基板５０とが、多結晶シリ
コン層７０を介して張り合わされることになる。

【００５７】なお、本実施の形態では、非晶質シリコン
層を熱処理することにより、多結晶シリコン層７０が形
成され、ＳＰＥ層は形成されない。このように多結晶シ
リコン層７０が形成されるのは、第２の基板５０が単結
晶シリコン層からなっていないため、第２の非晶質シリ
コン層５２と接する第２の基板５０の面から、固相エピ
タキシャル成長が行われず、非晶質シリコン層が単結晶
化されないことによる。

【００５８】本実施の形態の基板張り合わせ方法におい
て特徴的なことは、主として以下の２つの点にある。

【００５９】（１）第１に、第１の非晶質シリコン層４
４および第２の非晶質シリコン層５２とを熱処理し、多
結晶シリコン層７０を形成することにより、第１の基板
４０と第２の基板５０との張り合わせを達成する点であ
る。

【００６０】このようにして、第１の基板４０と第２の
基板５０との張り合わせを行うことにより、次のような
利点がある。

【００６１】本発明によれば、熱処理の温度は、第１の
非晶質シリコン層４４および第２の非晶質シリコン層５
２とが一体化して多結晶化する温度、すなわち５５０℃
以上であればよい。そのため、１０００℃以上の温度の
熱処理を要しない。

【００６２】（２）第２に、第１の非晶質シリコン層４
４と第２の非晶質シリコン層５２とが接し合うそれぞれ
の表面に水素６０を終端させている点である。

【００６３】このように水素６０を終端させることによ
り、水素６０が終端された第１の非晶質シリコン層４４
および第２の非晶質シリコン層５２の表面が化学的に安
定な状態になり、それぞれの表面の酸化を防止すること
ができる。そのため、第１の非晶質シリコン層４４と第
２の非晶質シリコン層５２とを多結晶化させる際に、第
１の非晶質シリコン層４４と第２の非晶質シリコン層５
２との接合面において、強固な第１の非晶質シリコン層
４４と第２の非晶質シリコン層５２との接合が達成され
る。

【００６４】

【実施例】（サンプルの作成）シリコン基板の上に、熱
酸化プロセスにより、膜厚１００ｎｍの二酸化ケイ素か
らなる絶縁層を形成する。ついで、減圧ＣＶＤ装置内の
温度を５２０℃程度まで昇温し、Ｓｉ₂Ｈ₆のシラン系
化合物ガスを、３００ＳＣＣＭの流量で流す減圧ＣＶＤ
法により、膜厚１００ｎｍの非晶質シリコン層を絶縁層
上に形成する。非晶質シリコン層の形成過程の初期にお
いては、堆積速度は、１０ｎｍ／分とした。

【００６５】以下、上記一連の工程で形成されたシリコ
ン基板，絶縁層および非晶質シリコン層からなる層構造
を基板積層体という。

【００６６】次に、基板積層体を１重量％のフッ化水素
溶液に浸漬し、非晶質シリコン層の表面に水素を終端す
る。

【００６７】基板積層体とは別に、単結晶シリコン基板
を用意する。この単結晶シリコン基板を基板積層体と同
様にして、１重量％のフッ化水素溶液に浸漬し、単結晶
シリコン基板の表面に水素を終端する。

【００６８】次いで、基板積層体と単結晶シリコン基板
とを突き合わせる。この突き合わせは、水素が終端され
た非晶質シリコン層の表面と、水素が終端された単結晶
シリコン基板の表面とが接するようにしてなされる。

【００６９】その後、突き合わされた基板積層体と単結
晶シリコン基板とを、６００℃の温度で、８時間アニー
ル行ない、非晶質シリコン層を単結晶化し、ＳＰＥ層を
形成した。

【００７０】（実験例）得られた張り合わせ基板のサン
プルについて、以下の実験を行った。

【００７１】（１）図３は、張り合わせ基板のサンプル
の断面の結晶状態を示すＴＥＭ写真である。図４は、図
３のＴＥＭ写真に示された張り合わせ基板の断面構造を
模式的に示した図である。図５は、図４におけるＡの部
分に相当する図３の張り合わせ基板の断面構造部分を拡
大したＴＥＭ写真である。

【００７２】図５から、単結晶シリコン基板の結晶面か
ら、固相エピタキシャル成長により、非晶質シリコン層
が単結晶化して、きわめて良好なＳＰＥ層が形成されて
いることがわかる。

【００７３】（２）単結晶シリコン基板とＳＰＥ層との
接合強度を調べるために、以下の実験を行った。

【００７４】シリコン基板と単結晶シリコン基板とを離
す方向に、シリコン基板と単結晶シリコン基板に外力を
加えた。そうしたところ、絶縁層とＳＰＥ層との界面に
おいて、剥離した。この結果は、単結晶シリコン基板と
ＳＰＥ層との接合は、絶縁層とＳＰＥ層との接合よりも
強固であるということを示す。

【００７５】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態にかかる基板の張り合わせる
工程を示す模式図である。

【図２】第２の実施の形態にかかる基板の張り合わせる
工程を示す模式図である。

【図３】実施例で得られた張り合わせ基板の断面構造を
示すＴＥＭ写真である。

【図４】図３のＴＥＭ写真に示された張り合わせ基板の
断面構造を模式的に示した図である。

【図５】図４におけるＡの部分に相当する図３の張り合
わせ基板の断面構造部分を拡大したＴＥＭ写真である。

【符号の説明】

１０第１のシリコン基板１２絶縁層１４非晶質シリコン層１６基板積層体１８ＳＰＥ層２０第２のシリコン基板２２第２のシリコン基板の面３０水素４０第１の基板４２絶縁層４４第１の非晶質シリコン層４６第１の積層体５０第２の基板５２第２の非晶質シリコン層５４第２の積層体６０水素７０多結晶シリコン層１００，２００張り合わせ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一の基板と他の基板とを張り合わせる方
法であって、以下の工程（ａ）および（ｂ）を含む基板
張り合わせ方法。（ａ）一の基板と他の基板との間に非晶質シリコン層を
介在させる工程、および（ｂ）前記非晶質シリコン層が
単結晶シリコン層または多結晶シリコン層になる熱処理
を該非晶質シリコン層に施す工程。
【請求項２】請求項１において、さらに、前記工程（ａ）の前に、相互に接することにな
る前記一の基板の表面および前記非晶質シリコン層の表
面に水素を終端する工程を含む基板張り合わせ方法。
【請求項３】請求項２において、前記一の基板が単結晶シリコン基板である基板張り合わ
せ方法。
【請求項４】請求項１において、さらに、前記工程（ａ）の前に、相互に接することにな
る第１の非晶質シリコン層と第２の非晶質シリコン層の
表面に水素を終端する工程を含む基板張り合わせ方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかにおいて、さらに、前記一の基板と前記非晶質シリコン層との間お
よび前記他の基板と前記非晶質シリコン層との間のうち
少なくともいずれか一方に、絶縁層を介在させる工程を
含む基板張り合わせ方法。