JP2005158813A

JP2005158813A - 接着半導体の製造方法

Info

Publication number: JP2005158813A
Application number: JP2003391135A
Authority: JP
Inventors: Masato Fujita; 真人藤田; Hiroyuki Goto; 浩之後藤; Atsushi Yoshikawa; 淳吉川
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】不純物がドープされた二枚の半導体基板を鏡面研磨して、その鏡面同士を接合した接着半導体において、接着半導体基板の接着面となる鏡面の表面粗さの少なくとも下限値を設定することでボイドの発生を低減した接着半導体を得ようとするものである。
【解決手段】半導体基板に砒素を含む第１の半導体基板と第２の半導体基板を鏡面研磨してその鏡面同士を重ね合わせて熱処理した接着半導体の製造方法において、第１の半導体基板と第２の半導体基板の少なくとも一方の半導体基板の表面粗さの下限値を、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上とした接着半導体の製造方法である。
【選択図】図１

Description

この発明は接着半導体に関し、詳しくは不純物（リン、ボロン、アンチモン、砒素等）がドープまたは拡散されたシリコン基板を用いた接着半導体、あるいはＧａＡｓ、その他の半導体材料を用いて同種または異種の基板を接着した接着半導体に関するものである。

鏡面研磨した２枚の半導体基板を鏡面同士で重ね合わせ、その後、熱処理をする接着半導体の製造方法は一般的によく知られている。その製法としては、例えば、鏡面研磨した２枚の半導体基板を洗浄した後に鏡面同士を重ね合わせ、これを窒素―酸素の混合雰囲気中５００℃以上の高温で熱処理を施すことで重ね合わせた面を強固なものとするものである。

このような接着半導体の製造時において、重ね合わせ箇所で部分的に発生する未接着部分の残留（以後：ボイドと称する。）は後のデバイス工程で不具合を発生させる要因となるため、ボイドの無い接着半導体が要求されている。接着半導体の製造時におけるボイドの残留を抑制する方法として、従来では接着面の平坦度、または表面粗さを可能な限り小さくしてから重ね合わせることが効果的とされ、そのため多くの研究がなされている。

従来、第１及び第２の半導体基板の鏡面における表面粗さを、基準面の一辺の長さ１ｍｍで測定した最大高さを１３０Å以下とするとともに、熱処理温度が２００℃以上でかつ半導体基板の融点未満とする製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

また、２枚の半導体ウェーハの鏡面の表面粗さを、中心線平均粗さでいずれも０．５ｎｍ以下とする半導体ウェーハの接合方法が提案されている（例えば特許文献２参照。）。

さらに、表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定によるＲａ値で１ｎｍ以下、またはＰ−Ｖ値で３０ｎｍ以下とする張り合わせ半導体ウェーハの製造方法が提案されている（例えば特許文献３参照。）。
特開平１−１０３８２６号（特許請求の範囲）特開平２−１２６６２５号（特許請求の範囲）特開平７−２４９５９８号（特許請求の範囲）

この発明は、不純物（特に砒素）がドープまたは拡散された二枚の半導体基板を鏡面研磨して、その鏡面同士を接合した接着半導体において、接着半導体基板の接着面となる鏡面の表面粗さの少なくとも下限値を設定することでボイドの発生を低減した接着半導体を得ようとするものである。

この発明は、半導体基板に砒素を含む第１の半導体基板と第２の半導体基板を鏡面研磨してその鏡面同士を重ね合わせて熱処理した接着半導体の製造方法において、第１の半導体基板と第２の半導体基板の少なくとも一方の半導体基板の表面粗さの下限値を、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上としたことを特徴とする接着半導体の製造方法である。

請求項２は上記の請求項１の接着半導体の製造方法において、第１の半導体基板と第２の半導体基板の少なくとも一方の半導体基板の表面粗さを、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上で０．５０ｎｍ以下とした接着半導体の製造方法である。

この発明は、一方の半導体基板に砒素を含む接着半導体において、半導体基板の接着面の表面粗さを可能な限りの高平坦度とするのではなく、むしろ接着面の表面粗さを二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上の粗さとすることで、ボイドの発生を低減した接着半導体を得ようとするものである。

この発明によれば、砒素がドープされた半導体基板またはそれと貼り合わせる半導体基板のいずれか一方の半導体基板の表面粗さを、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上としたので、接着熱処理時に気化した砒素物質が接合面の粗さで生じた隙間から外側に抜けるため、半導体基板の接着でボイドが生じなくなり歩留まりよく接着半導体を製造することが可能である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１−ａに示すように、リンがドープされた第１の半導体基板である素子基板（１）と、砒素がドープされた第２の半導体基板である支持基板（２）とを準備する。なお、素子基板（１）には、リンの他にボロン、アンチモン、場合によって砒素を含む場合もある。これら２つの半導体基板を常法によって研磨して、素子基板（１）または支持基板（２）のいずれか一方の半導体基板の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上とする。好ましくは０．２７ｎｍ以上で０．５０ｎｍ以下あり、さらに好ましくは０．２７ｎｍ以上で０．３５ｎｍ以下である。

一方、上述した表面粗さとした他方の基板の表面粗さは、鏡面とされる一般的な表面粗さが望ましい。好ましくは、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）が０．１ｎｍ以上で０．５０μｍ以下である。さらに好ましくは、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）が０．１５ｎｍ
以上で０．４１ｎｍ以下である。

素子基板と支持基板をこれらの粗さとする方法は、一般的に用いられる鏡面研磨（３連３段研磨）において、（Ｉ）通常通り仕上げ研磨まで行う方法（１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）でおおよそ０．１５〜０．２３ｎｍ程度となる。）、（ＩＩ）仕上げ研磨まで行ったウェーハを水素または不活性ガス雰囲気中で熱処理する方法（１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）でおおよそ０．１０〜０．１５ｎｍ程度となる。）、（ＩＩＩ）上記の（Ｉ）の処理を行った後再度１次研磨を実施し、表面粗さを悪化させる方法、または１次研磨のみ表面研磨を行う方法（１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）でおおよそ０．２７〜０．３５ｎｍ程度となる。）、（ＩＶ）上記の（Ｉ）の処理を行った後の半導体基板に２次研磨を実施し、表面粗さを悪化させる方法、または１次研磨、２次研磨のみ行う方法（１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）でおおよそ０．２２〜０．２７ｎｍとなる。）、（Ｖ）上記（Ｉ）の処理を行った後不純物（例えばリン）を拡散する方法（１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）でおおよそ０．３５〜０．５０ｎｍ程度となる。）などが挙げられる。

鏡面研磨後のこれらの半導体基板を接着するには、先ずＳＣ−１洗浄し表面に吸着しているパーティクル、有機物等を除去した後、第１、第２の半導体基板の鏡面同士を重ね合わせる形で密着させる。その後、窒素―酸素の混合雰囲気中１１００℃の高温で熱処理を施すことで重ね合わせた面の接合を強固なものとする（図１−ｂ）。

その後、上記の熱処理で両面に付着した図示しない酸化膜等を除去し、外周部の未接着部を除去する（図１−ｃ）。続いて、デバイス側となる素子基板側（１）を所定の厚さまで研削し、ベベル部を形成した後に最後に研削面を鏡面化することで、接着半導体が完成する（図１−ｄ）。

なお、上述した工程の中で、ボイドの発生の有無を検査するために、上記の熱処理後にボイド検査を実施する。ボイド検査においては超音波探査映像装置を使用し、１個でもボイドがあると判別された場合は不良品となる。

接着半導体において、少なくとも一方の半導体基板の表面粗さの下限値を１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上とするとボイドが発生しない理由について、発明者は次のように推測している。

即ち、砒素が含まれている半導体基板を用いて接着半導体を製造した場合、半導体基板にドープされている砒素単体（例えば灰色砒素）の昇華温度が６１３℃と低いために、高温の熱処理中（例えば１１００℃）に砒素が接着面の領域で外方拡散して気化しこれが接着面に残存してしまうため、これが原因でボイドが発生していたものと考えたものである。そこで本発明では、少なくとも一方の半導体基板の表面粗さの下限値を、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上と粗くしたので、ここで気化した砒素物質が接合面の粗さで生じた隙間から外側に抜けて、ボイドとしての残留を生じなくなったものと推測している。

（実施例１）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした。なお、表面粗さはＡＦＭ（原子間力顕微鏡：非接触式）を用いて各半導体基板のセンター部分を測定した値である。ここで用いる第１の半導体基板は、仕上げ研磨まで実施した半導体基板を、再度１次研磨を施して面を上記の表面粗さとした半導体基板である。

第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした。ここで用いる第２の半導体基板は接着面を通常通り、仕上研磨まで実施して上記の表面粗さとした半導体基板である。これらの半導体基板の鏡面同士を重ね合わせた後に、窒素−酸素雰囲気下、１１００℃で２時間熱処理を施し、その後、超音波探査映像装置を用いてボイド検査を行ないボイド発生率を評価した。

（実施例２）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．３５〜０．４１ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。ここで用いる第１の半導体基板は、仕上げ研磨まで実施した半導体基板に対して酸素、窒素、ＰＯＣｌ_３ガス雰囲気中、温度１２００℃まで昇温し、３０分間、リンデポ処理を行った半導体基板である。第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした（製法は実施例１と同様）。

これら２枚の半導体基板の鏡面同士を重ね合わせた後に、実施例１と同様な方法で熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（実施例３）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした（製法は実施例１と同様）。ここで用いる第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした半導体基板とした（粗面化は実施例１と同様）。これらを実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（実施例４）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２３〜０．２６ｎｍの鏡面とした。こで用いる第１の半導体基板は、仕上げ研磨まで実施した半導体基板を、再度２次研磨を施して面を上記の表面粗さとした半導体基板である。ここで用いる第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした半導体基板とした（粗面化は実施例１と同様）。これらを実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（実施例５）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした。ここで用いる第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。第１、第２の半導体基板の粗面化は実施例１と同様にした。これらを実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（実施例６）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、その重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．３５〜０．４１ｎｍの鏡面とした（粗面化は実施例２と同様）。ここで用いる第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍの鏡面とした半導体基板とした（粗面化は実施例１と同様）。これらを実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（比較例１）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした。また、第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。両半導体基板の製法は実施例１と同様である。これらの半導体を実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（比較例２）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２３〜０．２６ｎｍの鏡面とした半導体基板とした（粗面化は実施例４と同様）。また、第２の半導体基板として、砒素がドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした（製法は実施例１と同様）。これらの半導体基板を実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（参考例１）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。また、第２の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした。

これらの半導体基板を実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（参考例２）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。また、第２としてアンチモンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。これらの半導体基板を実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

（参考例３）
第１の半導体基板として、リンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。また、第２としてボロンがドープされた半導体基板を５０枚用意し、重ね合わせ面の表面粗さを１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍの鏡面とした半導体基板とした。これらの半導体基板を実施例１と同様な方法で貼り合わせ熱処理をして接着半導体とし、この接着半導体を実施例１と同様な方法でボイド検査を行ない、ボイド発生率を評価した。

以上の試験のまとめを表１に示す。

表１の結果から分かるように、実施例１および２は、第２の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍであっても、第１の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍ（実施例１），０．３５〜０．４１ｎｍ（実施例２）であり、いずれもボイドの発生率は５％以下となっている。実施例３は、第２の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍであるから、第１の半導体基板の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．１５〜０．２２ｎｍであっても、ボイドの発生率は５％以下となっている。また、実施例４は、第１の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２３〜０．２６ｎｍであっても、第２の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍであるため、ボイドの発生率は５％以下となっている。

さらに、実施例５および実施例６は、第２の半導体基板の表面粗さが２乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７〜０．３５ｎｍであり、かつ第１の半導体基板の表面粗さが二乗平均粗さ（Ｒｑ）で実施例５（０．２７〜０．３５ｎｍ）、実施例６（０．３５〜０．４１ｎｍ）であるため、いずれもボイドの発生率は５％以下となっている。

これに対して、比較例１および２は、第１の半導体基板と第２の半導体基板の双方の表面粗さが、本発明で規定した範囲から外れているので、いずれもボイドの発生率が高いものとなっている。参考例１ないし３は、ドープ剤がリン、アンチモン、ボロンの事例であるが、これらの接着半導体の場合は、その表面粗さが、本発明で規定した二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７以上の範囲から外れているが、いずれもボイドの発生率は少なく良質のものである。これは、リンが１３００〜１４００℃で蒸気化し、またアンチモンは沸点が１７５０℃で、さらにボロンは昇華点が２５５０℃と、砒素の昇華点の６１３℃と比較してかなり高く、貼り合わせた半導体を熱処理するときにリン，アンチモン，ボロンが蒸気化しないためにボイドの発生が生じないものと考えられる。

参考例１を比較例１と対比してみると、両者で表面粗さは同じであるが、参考例１はボイドの発生率は４％であるが、比較例１はボイドの発生率は８０％と大きい。これに対して、比較例２は第２半導体基板の表面粗さを大きくしたから、ボイドの発生を比較例１の約１／２とすることができたが、それでもボイドの発生率は４５％である。このボイドの発生率を５％以下にするには、少なくとも一方の半導体基板の表面粗さを、本発明で規定した二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上、好ましくは０．２７〜０．５０ｎｍさらに好ましくは０．２７〜０．３５ｎｍの範囲とすることが必要であることが分かる。

この発明になる接着半導体の製造プロセスを示す工程図。

符号の説明

１…素子基板、２…支持基板。

Claims

半導体基板に砒素を含む第１の半導体基板と第２の半導体基板を鏡面研磨してその鏡面同士を重ね合わせて熱処理した接着半導体の製造方法において、第１の半導体基板と第２の半導体基板の少なくとも一方の半導体基板の表面粗さの下限値を、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上としたことを特徴とする接着半導体の製造方法。
上記の接着半導体の製造方法で、第１の半導体基板と第２の半導体基板の少なくとも一方の半導体基板の表面粗さを、１平方μｍの基準内における二乗平均粗さ（Ｒｑ）で０．２７ｎｍ以上で０．５０ｎｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の接着半導体の製造方法。