JP2007194343A - 基板接合装置、及び基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合強度が高い接合条件下で、発生するボイドを抑制する。
【解決手段】 基板の少なくともどちらか一方を親水化した後、水素あるいはヘリウムと水を含む雰囲気にしたチャンバー１１００内で、基板同士を接合することによって、高い接合強度を有する接合基板を得る。接合過程で発生したボイドは水素で形成されているため、その後の熱処理で拡散によって除去する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、基板の製造方法に関する。

結合によりＳＯＩ基板を製造する方法がいくつか開示されているが、代表的な方法として次の３つの例が挙げられる。

第１の方法は、酸化膜を介して結合した２枚の基板の片側から研削と研磨を行い、酸化膜の上に所望の厚みで基板を残すものである（非特許文献１を参照）。更に、この技術を基本として、基板部分を制御良く薄層化する技術がいくつか提案されている。

第２の方法は、多孔質シリコンを用いる技術である（特許文献１を参照）。これは多孔質シリコン基板上に成長したエピタキシャルシリコン層を、酸化膜を介してもう一方の支持基板上に接合させ、結合強度を高める熱処理を行った後に、前記多孔質シリコン層内部の応力に沿って外力により劈開分離し、支持基板側に移載された層の表面に残る多孔質シリコン層を選択的にエッチングして、ＳＯＩ基板を得る方法（ＥＬＴＲＡＮ（登録商標）法）である。また、前記方法において、結合した基板の多孔質形成側の裏面から研削を行い、多孔質シリコン層を露出した後に多孔質層を選択エッチングしても、同様なＳＯＩ基板が得られる。

第３の方法は、水素イオン注入を用いる技術である（特許文献２を参照）。この方法は２枚のシリコン基板のうち、少なくとも一方に酸化膜を形成すると共に、一方のシリコン基板の上面から水素イオン又は希ガスイオンを注入し、該基板内部に微小気泡層（封入層）を形成させた後、イオンを注入した方の面を酸化膜を介して他方のシリコン基板（支持基板）と密着させ、その後の熱処理により微小気泡層を劈開面として一方の基板を薄膜状に剥離し、更なる熱処理（結合熱処理）を加えて結合強度を高め、ＳＯＩ基板とする方法（Smart Cut（登録商標）法）である。

これらの結合ＳＯＩ基板の製造方法において共通の課題は、基板同士の結合面を如何に制御し、一般的に「ボイド」と呼称される未結合部を残留させないかと言う点にある。まず、結合面の制御については、まず、密着時の接合強度を向上させることが重要である。密着時の接合強度が十分でないと、その後の工程で接合基板が接合面で剥離してしまうことがある。接合強度を向上させる手法としては、シリコン面と酸化シリコン面の接合においてシリコン面側を親水性処理することが提案されている(非特許文献２を参照)。また、接合面を活性化することにより、更に接合強度、結合強度を高める手法も提案されている（非特許文献３及び特許文献３を参照）。なお、非特許文献３及び特許文献３に記載の方法においても、表面は親水性となる。

しかしながら、接合強度を強くした場合においても、基板の微小な凹凸等の影響でボイドが形成されることがある。（特許文献４）これらのボイドは熱処理をしても、消滅しない。
特開平５−２１３３８号公報 特開平５−２１１１２８号公報 特許第３２９４９３４号 特開平９−２３２１９７号公報 M−Shinbo, Ｋ−Furukawa, K.Fukada and K.tanazawa, J.Appl.Phys., vol６０, ｐ２９８７, １９８６ Proc.４th International Symposium on Si on Insulator Technology and Devices, May ６−１１, １９９０, Moutread G.G.Goetz, Electrochemical Society, Bonding Symposium １９９１, Extended Abstract ｐ６５

シリコン面とシリコン酸化膜面の結合において少なくともどちらか一方のシリコン表面が親水性であると、高い接合強度が得られ、その後の熱処理工程において比較的低い温度の熱処理で十分な結合強度が得られる。しかしながら、基板の微小な凹凸等の影響でボイドが形成されることがあり、製造歩留まりを低下させる問題がある。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、高い接合強度が得られる条件下で基板同士を接合させつつ、微小凹凸等によって形成されるボイドを抑制する技術を提供することを目的とする。

図１は、基板周辺に局在するボイドを模式的に示す図である。

本発明は、第１の基板の結合面と第２の基板の結合面とを第１、第２の成分を主成分とする気体中で密着したのち、熱処理する。第１の成分は少なくとも第１、第２の基板のいずれかを熱処理中に拡散する分子であり、第２の成分は密着時の接合力を強くする成分から成る。

本発明によれば、気体中での接合強度を保持しつつ、発生した微小ボイドをその後の、熱処理時に除去することができるため、ボイドがなく、結合強度の高い結合基板を得ることができ、プロセス中での結合面積の減少、あるいは基板の剥がれを抑制でき、量産歩留まりを向上させることができる。

基板同士の接合時に発生するボイド中の、気体を水素・ヘリウム等にすれば熱処理で基板中を拡散するので、ボイド中の気体が消失し、すなわち、ボイドを消滅させることができる。

そのためには、例えば、水素ないしヘリウム雰囲気中ではりあわせることが必要である。しかしながら、かかる雰囲気では、接合強度を高く保持することができない。

接合強度を向上させる手法として、シリコン面と酸化シリコン面との結合において、シリコン面側を親水性に処理することが提案されている。親水性に処理された表面（以下「親水面」という。）は、Ｏ又はＯＨ等の親水基で終端される。また、疎水性に処理された表面（以下「疎水面」という。）は、Ｈ、Ｆ、Ｓｉ等で終端される。したがって、疎水面には、接合水分がほとんど存在しない。

また、室温でのシリコン面とシリコン面との接合では、親水面同士及び疎水面同士の接合エネルギー（接合強度）は、それぞれ１０、１５０[erg/cm^２]であり１５倍もの差がある。これらの接合エネルギーは、接合反応速度（例えば、特開平１０−２５６１０７号公報に開示された装置において、基板同士を重ねて１点を押し、連鎖的に結合させたときの結合速度）にも関係すると考えられる。実際、２００ｍｍのシリコン基板において、結合所要時間（片端から結合反応を開始し、反対の端が完全に結合するまでの時間）は、それぞれ疎水面同士で１８０ｓｅｃ、親水面同士で１０ｓｅｃと大きな差があることが確認された。

以上を鑑みて、本発明者らは鋭意検討の結果、接合強度を高めるために、基板の表面を親水性とし、水素ないしヘリウムに水分を加えることで、接合強度を高く維持し、かつ、熱処理でボイドを消滅せしめられることを見出した。また、ここでの水分量は、湿度換算で１０〜１００％、より好ましくは、２５〜６０％に設定する方がよい。

以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

図２は、本実施例に係るＳＯＩ基板の製造方法の実施例１を示す工程断面図である。

７２５μｍの厚みを持つシリコン基板１００を準備し、熱酸化を行い、表面に７５ｎｍのＳｉＯ_２層１０１を形成した（図２（ａ））。また親水洗浄により全表面が親水性となっている７２５μｍの厚みを持つシリコン基板１１０を準備する（図２（ｂ））。

そして、シリコン基板１００とシリコン基板１１０とを密着させた。

基板の接合は、図３に示すような、チャンバー１１００中で行う。

チャンバーのゲートバルブ１１０７、１１０８を開け、両側から基板をチャンバー内のステージ１１０３、１１０４に設置し、ステージ上に真空チャック等により固定した後、ゲートバルブを閉める。

続いて、ガス供給配管１１０１、１１０２からそれぞれ、水素１１１０、水１１１１を供給し、所望の圧力、水分圧に設定する。圧力は圧力計１１０５で常時モニターし、圧力制御バルブ１１０８で所望の圧力になるように制御する。また雰囲気中の水の量は、水分圧計によって常時モニターし、マスフローコントローラー１１１３で所望の水分圧になるように制御する。雰囲気が安定したら、ステージ１１０３を支点１１１４を軸に、矢印の方向へ移動させステージ１１０４に近づけ、接合させる。接合後の基板は、ゲートバルブ１１０８側から取り出す。

次いで、１０００℃、１３０分の熱処理を行ってシリコン基板１００とシリコン基板１１０とを完全に結合する（図２（ｃ））。この熱処理によって、外周部のボイド中の水素あるいはヘリウムがシリコンの格子中を拡散し、ボイドは消滅する。

その後、シリコン基板１００側から表面グラインダーを用いて７１５μｍ研削する。次いで、コロイダルシリカを砥粒として鏡面研磨を行い、ＳｉＯ_２層１０１の上にシリコン膜１００が２μｍの厚みで残るようにする。その結果、微小なボイドの無いＳＯＩ基板を得ることができた（図２（ｄ））。

図４は、本実施例に係るＳＯＩ基板の製造方法の実施例２を示す工程断面図である。

シリコン基板３００としては、Ｐ型（１００）の比抵抗０．０１Ωｃｍシリコン基板を使用し、シリコン基板３００を洗浄した後、陽極化成を行った。陽極化成は４９％フッ化水素酸溶液とアルコール溶液を１：１の割合で混合した。このシリコン基板を溶液中で１４分間、電流密度１０ｍＡ/ｃｍ^２で陽極化成反応を行った。多孔質化されたシリコン層３０１の厚みは１５μｍであった（図４（ａ））。

次に、酸素雰囲気で４００℃、６０分間の熱処理を行い多孔質シリコン層３０１の表面を安定化させた。その後、多孔質シリコン層３０１上にシリコンのエピタキシャル成長を行い、１μｍのエピタキシャルシリコン層３０２を形成した。

次に、移設されるエピタキシャルシリコン層３０２を熱酸化し、エピタキシャルシリコン層３０２上に７５ｎｍのＳｉＯ_２膜３０３を形成した（図４（ｂ））。

そして、シリコン基板３００とシリコン基板３１０とを接合させた。

基板の接合は、図３に示すような、チャンバー１１００中で行う。

チャンバーのゲートバルブ１１０７、１１０８を開け、両側から基板をチャンバー内のステージ１１０３、１１０４に設置し、ステージ上に真空チャック等により固定した後、ゲートバルブを閉める。

続いて、ガス供給配管１１０１、１１０２からそれぞれ、水素１１１０、水１１１１を供給し、所望の圧力、水分圧に設定する。圧力は圧力計１１０５で常時モニターし、圧力制御バルブ１１０８で所望の圧力になるように制御する。また雰囲気中の水の量は、水分圧計によって常時モニターし、マスフローコントローラー１１１３で所望の水分圧になるように制御する。雰囲気が安定したら、ステージ１１０３を支点１１１４を軸に、矢印の方向へ移動させステージ１１０４に近づけ、接合させる。接合後の基板は、ゲートバルブ１１０８側から取り出す。

次いで、１０００℃、１３０分の熱処理を行ってシリコン基板１００とシリコン基板１１０とを完全に結合する（図４（ｃ））。この熱処理によって、外周部のボイド中の水素がシリコンの格子中を拡散し、ボイドは消滅する。

その後、ウオータージェットによる流体楔で多孔質シリコン層の部分で２枚のウエハを分離し、多孔質シリコン層−エピタキシャルシリコン層−熱酸化膜層−シリコン基板となる構造をもつ基板を得る（図４（ｅ））。

次いで、フッ化水素酸溶液と過酸化水素水溶液の混合液を用い、外部から超音波を与えて、多孔質シリコン層３０１をエッチングした。この溶液での多孔質シリコン層３０１とエピタキシャルシリコン層３０２とのエッチング速度差は約１０万倍程度であり、エピタキシャルシリコン層３０２にダメージを与えることなく多孔質シリコン層３０１をエッチングできた。その結果、均一なエピタキシャルシリコン層３０２を持ち、微小なボイドの無いＳＯＩ基板を得ることができた（図４（ｆ））。

図５は、本実施例に係るＳＯＩ基板の製造方法の実施例３を示す工程断面図である。

７２５μｍの厚みを持つシリコン基板４００を準備し、熱酸化を行い、表面に５００ｎｍのＳｉＯ_２層４０１を形成した（図５（ａ））。

この基板の表面から、水素イオン４０３を注入した。その際に、イオンの加速エネルギーを適当に制御することにより、シリコン基板４００の所定の深さに微小気泡層４０２を形成した。（図５（ｂ））。

そして、シリコン基板４００とシリコン基板４１０とを接合させた。

基板の接合は、図３に示すような、チャンバー１１００中で行う。

チャンバーのゲートバルブ１１０７、１１０８を開け、両側から基板をチャンバー内のステージ１１０３、１１０４に設置し、ステージ上に真空チャック等により固定した後、ゲートバルブを閉める。

続いて、ガス供給配管１１０１、１１０２からそれぞれ、水素１１１０、水１１１１を供給し、所望の圧力、水分圧に設定する。圧力は圧力計１１０５で常時モニターし、圧力制御バルブ１１０８で所望の圧力になるように制御する。また雰囲気中の水の量は、水分圧計によって常時モニターし、マスフローコントローラー１１１３で所望の水分圧になるように制御する。雰囲気が安定したら、ステージ１１０３を支点１１１４を軸に、矢印の方向へ移動させステージ１１０４に近づけ、結合させる。結合後の基板は、ゲートバルブ１１０８側から取り出す。

次に、接合した基板に８００℃以上の熱処理を加えることによって、微小気泡層４０２から劈開性分離がおこり、支持基板４１０側は図５（ｅ）のようなＳＯＩ構造となる。このようにして、外周部分にボイドの無いＳＯＩ基板を得ることができた（図５（ｅ））。

基板周辺に局在するボイドを模式的に示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る基板の製造方法である。 本発明の好適な実施の形態に係る基板の結合時のチャンバーを示す図である。 本発明の好適な実施の形態に係る基板の製造方法である。 本発明の好適な実施の形態に係る基板の製造方法である。

符号の説明

１０１,１１０ シリコン基板
１１０１,１１０２ 配管
１１０３ 可変ステージ
１１０４ ステージ
１１０５ 圧力計
１１０６ 水分圧計
１１０７,１１０８ ゲートバルブ
１１０９ 圧力制御バルブ
１１１０ 水素ガス
１１１１ 水
１１１２,１１１３ マスフローコントローラー
１１１４ 回転軸
３００,３１０ シリコン基板
３０１ 多孔質シリコン
３０２ エピタキシャル成長層
３０３ 熱酸化膜
４００,４１０ シリコン基板
４０１ 熱酸化膜
４０２ 微小空隙

Claims (10)

1. 第１の基板の接合面と第２の基板の接合面とを気体中で密着する基板接合機構を有する基板接合装置であって、
   該基板接合機構は、前記密着時に大気と遮断した空間に配置できるものであって、前記空間には、少なくとも第１の気体成分と第２の気体成分を供給する機構を有し、該第１の成分は少なくとも該第１基板、該第２基板のいずれかを熱処理中に拡散する分子であり、該第２の成分は密着時の接合力を強くする成分であることを特徴とする基板接合装置
2. 第１の基板の結合面と第２の基板の結合面とを気体中で密着して接合したのち、熱処理して結合して結合基板を製造する基板の製造方法であって、
   前記気体は、第１、第２の成分を主成分とするものであって、該第１の成分は少なくとも該第１基板、該第２基板のいずれかを熱処理中に拡散する分子であり、該第２の成分は密着時の接合力を強くする成分であることを特徴とする基板の製造方法。
3. 前記第１の成分は、水素、あるいはヘリウムガスであることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
4. 前記第１基板、第２基板の少なくとも一方の表面は親水性であることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
5. 前記第２の成分は、水であることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
6. 前記熱処理は、８００℃以上であることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
7. 前記第１の基板は、分離層を有することを特徴とする請求項１に記載の基板の製造方法。
8. 半導体基板の表面を多孔質化して前記分離層を形成する工程と、
   前記分離層の表面に半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層の表面に絶縁体層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
9. 前記分離層は、前記第１の基板中にイオンを注入して形成されるイオン注入層であることを特徴とする請求項７に記載の基板の製造方法。
10. 前記結合された基板を前記分離層の部分で分離する工程を含むことを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の基板の製造方法。

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