JP2609198B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱膨張係数の異なる２
枚の各ウェーハを接合して一体化させたＳＯＩ構造（Ｓ
ｉ／ＳｉＯ_２構造）による半導体基板の製造方法に関
し、特に単結晶のシリコンウェーハと石英ウェーハとを
相互に貼着結合して形成するＳＯＩ構造による半導体基
板の製造方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、２枚の各ウェーハを一体的に貼
着結合して形成するＳＯＩ構造の半導体基板について
は、より高密度化した半導体集積回路装置を構成させる
ためのベータ基板として極めて有利であり、近年、例え
ば、ＨＤテレビ対応の液晶デバイス等のＴＦＴトランジ
スタ、およびその周辺駆動、制御回路を形成する構造基
板として広く用いられている。

【０００３】ここで、この種のＳＯＩ構造の半導体基板
を製造する手段として、例えば、日本国特許出願公告昭
和５０年第１３１５５号公報には、２枚のシリコンウェ
ーハを密着させた状態で、酸化性雰囲気下において高温
加熱（例えば、１２００℃程度）することによって、こ
れらの各ウェーハの相互を強固に貼着結合される技術が
提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらシリコン
ウェーハと石英ウェーハとを接合する場合、本発明者ら
の実験によれば、これらの両者の接合面を鏡面研磨仕上
げすると共に、当該各仕上げ面を清浄化したもの相互の
接合体については、室温であっても比較的強く貼着した
状態を保ち得るのであるが、シリコンウェーハを薄層化
するために平面研削盤による機械的な平面研削を行うに
は、未だその結合力が不足している。またその接着力を
上げるために熱処理を施そうとすると、これらのウェー
ハの熱膨張係数が異なる（シリコン：２．３３×１０
^−６、石英ガラス：０．６×１０^−６）ことから、両ウ
ェーハでの仮接合時での加熱処理中、もしくは本接合後
の冷却処理中などにあって、ウェーハ相互間に熱歪みを
生じ、他方のウェーハとの間にひび割れが入ったり、ま
たは、一部剥離を生じて破損するなどの惧れがある。

【０００５】そして、このような欠点を解消するため
に、前記のように２枚の各ウェーハを貼着せずに、蒸
着、その他の手段を利用することで、石英ウェーハ対応
のガラス基板上に直接、アモルファスシリコン（ａ−Ｓ
ｉ）膜を形成する方法とか、あるいは、ＣＶＤ法などを
利用することで、当該ガラス基板上に多結晶シリコン膜
を形成する方法もあるが、これらのａ−Ｓｉ膜、多結晶
シリコン膜では、半導体基板内での電子の移動度に大き
な制約があって、前述のＨＤテレビをはじめとして、将
来要求されるであろうところの超高周波、超高精彩表示
デバイスなどに対して十分には適応し得ないものであ
る。

【０００６】すなわち、前記のａ−Ｓｉ膜の形成による
複層技術によってＴＦＴ−ＬＣＤ（薄層トランジスタ液
晶ディスプレイ）などを構成する場合には、たとえＴＦ
Ｔトランジスタを高密度に埋め込み形成することができ
たとしても、外部の駆動回路に接続させるためのピン密
度に限界があって、実装上、これを実現するのが極めて
困難である。

【０００７】また、一方、前記のようなガラス基板上に
形成せしめたａ−Ｓｉ膜等の代りに単結晶のシリコン膜
を形成せしめれば、電子の移動度を高めることができ
る。その手段として、単結晶のシリコンを石英ウェーハ
上に貼着接合させ得れば、ＴＦＴ領域の周辺に対して駆
動回路を一体化に形成できるので、一見、前記した実装
上の問題を解消し得るかに考えられるのであるが、先の
ＴＦＴ−ＬＣＤを構成するための半導体基板としては、
シリコン層の厚さを、例えば、１μｍ程度にまで薄層化
しなければならず、併せて、石英ウェーハと、その上の
シリコン薄膜とは、電子装置の形成工程において、熱
的、または、機械的な衝撃力を受けるために、その接合
力が十分に強固でなければならないという要請があっ
て、先に述べたように熱膨張係数の差に伴う技術的な問
題点が、現状では、未解決のまゝに残されている。

【０００８】本発明は、従来のこのような点に鑑みてな
されたものであつて、その第１の目的は、熱膨張率が相
互に異なる２枚の各ウェーハ、つまり、こゝでは、シリ
コンウェーハと石英ウェーハとの相互を熱処理により貼
着結合してＳＯＩ構造による半導体基板を形成する場
合、これらの両ウェーハの熱膨張率の差異に起因する熱
歪み、ひゞ割れ、部分的な剥離などの熱損傷を生ずる惧
れのない、この種のＳＯＩ構造による半導体基板の製造
方法を提供することである。また、本発明の第２の目的
は、前記ＳＯＩ構造による半導体基板にあって、各種集
積回路、もしくは、ＴＦＴ−ＬＣＤなどを十分に形成可
能な薄膜シリコン層を容易に得られるようにした、この
種のＳＯＩ構造による半導体基板の製造方法を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一般的に、図１において
模擬的に示されるような工程において、表面を鏡面仕上
げして清浄化したシリコンウェーハと石英ウェーハとの
相互を接触させると、これらの両者は、室温においても
或る程度までの貼着結合が可能であるが、このような室
温程度の温度による貼着では、先にも述べたように薄層
化のためのシリコンウェーハの平面研削に耐えるまでの
接合力が得られず、しかも、これらの各ウェーハの厚さ
が５００〜６００μｍ程度である場合などにあっては、
当該平面研削に耐える程度の接合力を得るのに必要な高
温熱処理が前記したような理由によって不可能である。

【００１０】すなわち、通常のシリコンウェーハや石英
ウェーハの厚さは５００〜８００μｍであり、本発明の
半導体基板において、支持部材を構成する石英ウェーハ
は所定の厚さを維持されるとしても、シリコンウェーハ
は最終的に１０μｍ以下から、更に１μｍ以下の薄層に
までする関係上、予め３００μｍ位に薄くしたものを使
用する。この各ウェーハを室温で重ね合わせた場合で
も、ある程度の接着力や気密密着性を有する仮接合体が
得られるが、その接着力を安定化させるにはやはり熱処
理が必要である。発明者等の研究によれば、この第一の
熱処理の温度領域を１００〜３５０℃とする時、前記し
たような熱膨張係数の差に伴う悪影響は少なく、接着力
を向上せしめた仮接合基板を得ることができるが、それ
でもシリコンウェーハ面を平面研削なし得る程の接着力
は無いので、化学的処理による薄層化、例えば、アルカ
リ水溶液による腐食薄層化を行う。しかし、薄層化のた
めの化学的処理は非能率的であり、層厚さを均一に制御
することは困難であるから、次工程には、シリコンウェ
ーハ面を平面研削や鏡面研磨（メカノケミカル研磨）等
の機械的加工若しくは機械化学的研磨手段を採用しなけ
ればならず、それに耐え得る接着力を付与するために
は、より高温の熱処理が必要である。かかる視点から、
発明者等は更に検討を加えた結果、一方のウェーハ（本
発明ではシリコンウェーハ）を薄層化すればする程、前
記熱膨張係数の差に伴う悪影響を少なくした高温の熱処
理が可能となり、より強固な本接合された半導体基板が
得られること、その手段としてウェーハの薄層化と熱処
理温度の高温化のサイクルを段階的に行なうと効果的で
あることをみいだし、本発明を完成させたものである。

【００１１】そして、こゝでの本接合によるＳＯＩ構造
の半導体基板については、通常、半導体基板を利用して
半導体デバイスを作製するに際し、８００℃から１２０
０℃の熱処理を行なう工程が存在する。従って、このよ
うなデバイス作製時の熱処理温度において、その素材と
なる半導体基板の接着力（品質）が、このような温度で
も安定していることが重要な条件である。従って前記熱
処理温度での本接合した場合でも、熱膨張に起因する熱
歪、剥離、ひび割れの等の各種損傷を生ぜしめることな
く薄膜化したシリコン層の結合強度を増し、安定した品
質の半導体基板が得られることが必要となる。

【００１２】そこで本発明は熱膨張係数の異なる２枚の
各ウェーハを相互に貼着接合して形成される半導体基板
の製造方法において、少なくとも研磨かつ清浄化させた
各ウェーハの接合面を相互に貼着させた状態で、第１の
温度域で熱処理して仮接合基板とする工程と、前記仮接
合基板の少なくとも一方のウェーハ面を化学的処理によ
って薄層化させた後、前記第１の温度域よりも高い第２
の温度域で熱処理して仮接合基板のまゝ保持させるか、
あるいは本接合基板とする工程と、前記第２の温度域で
接合させた半導体基板を一層薄層化させた後、前記第２
の温度域よりも高い第３の温度域で熱処理させ、更に一
層の簿層化と、より高温の温度域による熱処理とを少な
くとも一回以上行い、最終的に各ウェーハの相互を接合
した本接合基板とする工程を含む半導体基板の製造方法
を提供する事にある。

【００１３】そして具体的には前記熱膨張係数の異なる
各ウェーハとして、所定厚さのシリコンウェーハと石英
ウェーハとを用いた場合において、少なくとも研磨かつ
清浄化させた各ウェーハの接合面を相互に貼着させた状
態で、第１の温度域として１００〜３５０℃程度の温度
で熱処理して仮接合基板とする工程と、 前記仮接合基
板の少なくともシリコンウェーハ面を化学的処理によっ
て１００〜２００μｍ程度に薄層化させた後、第２の温
度域として３５０〜５００℃程度の温度で熱処理して接
合基板とする工程と、前記接合基板の薄層化されたシリ
コンウェーハ面を２μｍ程度まで一層薄層化させた後、
５００〜７００℃の温度域で熱処理させる行程と、更に
略１μｍ以下の厚さまで薄層化させた後、８００℃以上
の高温の温度域による熱処理を少なくとも一回以上行
い、最終的に各ウェーハの相互を接合した本接合基板と
する最終熱処理工程を含むことを特徴とする。尚前記最
終熱処理行程とは、例えば前記シリコンウェーハ面が約
１μｍ以下の厚さになるように薄層化した後、９５０℃
以下の温度で熱処理を施こす接合工程、より好ましくは
前記シリコンウェーハ面が約０．５μｍ以下の厚さにな
るように薄層化した後、略１２００℃以下の温度で熱処
理を施こすのがよい。

【００１４】

【作用】本発明によれば、熱膨張係数の異なる２枚のウ
ェーハの仮接合基板に体し、段階的にその一方のウェー
ハを薄層化しつつ、熱処理温度を向上させるサイクルを
繰り返すことによって、双方のウェーハの異なる熱膨張
係数の影響を吸収せしめ、１０００℃以上の高温熱処理
によっても安定した接着力を有する、薄膜状の半導一体
層を備えたＳＯＩ構造の半導体基板の製造が可能とな
る。

【００１５】

【実施例】以下本発明の実施例に係る半導体基板の製造
手順に従って順を追って詳しく説明する。但しこの実施
例に記載されている実験条件、試料の寸法、材質などは
特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれ
のみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。 （第１実施例） 図１に基づいて本実施例の製造行程を説明する。直径１
００ｍｍで、かつ厚さ５５０μｍの円形状にされた石英
ウェーハ１を用い、当該石英ウェーハ１を鏡面研磨（メ
カノケミカル研磨）仕上げした後に、１次洗浄、および
２次洗浄を順次に行なって接合表面を清浄化させてお
く。（ＳＴＥＰ１）他方、直径１００ｍｍで、かつ厚さ
５５０μｍの円形状にされたシリコンウェーハ２を用
い、当該シリコンウェーハ２を機械的な平面研削によっ
て厚さ５５０μｍから３００μｍまで薄層化した上で、
該当表面の凹凸高さが約５ｎｍ程度になるまで研磨仕上
げすることにより、３００μｍから２８５μｍまでさら
に薄層化させ、その後、前記と同様に、１次洗浄、およ
び２次洗浄を順次に行なって接合表面を清浄化させてお
くが、この洗浄、殊に、２次洗浄に際しては、各ウェー
ハの洗浄手段が異なると、これらの両者の接合表面状態
が相互に異なることになって、以下の接合を、円滑には
行ない得ない惧れを生ずるので、本実施例では、ＨＣｌ
／Ｈ_２Ｏ_２の洗浄液によって、こゝでの最終の２次洗浄
を行なった。（ＳＴＥＰ２）

【００１６】しかして、前記それぞれの各ウェーハを貼
着させた状態で恒温槽内に装入し、１００〜３５０℃前
後の温度により１時間以上、より具体的には、３００℃
の温度を一定に維持したまゝで２時間に亘る熱処理を行
なうことにより、仮接合基板を得た。（ＳＴＥＰ３）次
に、前記仮接合基板のシリコンウェーハ２面に対し、ア
ルカリ水溶液を用いたエッチング（腐食）を行なって、
これをさらに、厚さ２８５μｍから１３５μｍまで薄層
化させた後、洗浄してエッチングに用いたアルカリ分、
その他を完全に除去する。（ＳＴＥＰ４）そして、前記
シリコンウェーハ２面が薄層化された仮接合の基板を酸
素ガス雰囲気中で、４５０℃の温度で熱処理して本接合
したところ、所期通りに平面研削によって十分に薄層化
可能な接合力、ひいては、所要の接合強度が得られた。
このときの接合強度は、平均して約８００ｋｇ／ｃｍ^２
であった。（ＳＴＥＰ５）

【００１７】次に前記本接合した基板のシリコンウェー
ハ２を平面研削して、厚さ１３５μｍから２０μｍまで
薄層化させる。（ＳＴＥＰ６）次に、前記薄層化させた
基板につき、７００℃で２時間に亘り加熱して熱処理し
たところ、接合強度が著しく低下することが確認され
た。これは、先にも述べたように、シリコンウェーハと
石英ウェーハとの接合界面におけるクラックの発生とか
部分的な剥離によるものと考えられる。こゝで、図２に
示すグラフにおいて、４５０℃付近の値は、前記４５０
℃で熱処理した後の接合強度を示しており、６００℃以
上の値は、前記４５０℃で熱処理し、かつ機械的な平面
研削によってシリコンウェーハ２を２０μｍまで薄層化
させた上での、該当温度による熱処理後の接合強度を示
している。そして、この場合には、各試料としてのウェ
ーハにつき、その１０点づゝをそれぞれに測定し、各測
定値をそのまゝでプロットしてある。

【００１８】そこで、次に、前記４５０℃の温度で加熱
熱処理して本接合した基板のシリコンウェーハ２につ
き、これを機械的に平面研削して、厚さ１３５μｍから
２０μｍまで薄層化させた後、選択的周辺エッチングに
より、周辺部でのチップウケを除いてほゞ円形平面を形
成させ、ついで、鏡面研磨（メカノケミカル研磨）仕上
げし、該シリコンウェーハ２が、さらに、厚さ２０μｍ
から２μｍまでに一層の薄層化を行った。（ＳＴＥＰ
６）従ってこの段階で、実質的には、各種集積回路、も
しくは、ＴＦＴ−ＬＣＤなどを形成するのに必要な薄膜
シリコン層を形成させることができた。

【００１９】なお前記引張強度の測定には、引張試験機
としてＳｅｂａｓｔｉａｎ Ｖ型機を使用して行った。
図３（Ａ）は、引張試験方法の概略を示すもので、石英
ウェーハ１に接合されたシリコンウェーハ２の薄層につ
いて、シリコンウェーハ２表面を固定板３に当て、シリ
コンウェーハ２表面を予めスタッド４と同面積の７×７
ｍｍ^２に切り抜き、これをスタッド４に接着固定し、以
下スタッド４を引張ることにより測定する。図３（Ｂ）
は、引張試験後の破断の状況を説明するもので、○は接
着剤部の剥離であるから、両ウェーハの接合は最も良好
な状態を示し、△は前記○の場合と同様であるが、石英
ガラス板１に何等かの損傷が存在した状況を示す。●は
両ウェーハの接合が不完全な状態を示している。

【００２０】（第２実施例） 次に第１実施例の製造手順に基づいて石英ウェーハの厚
さが５５０μｍ、シリコンウェーハの厚さが２μｍの接
合体である半導体基板を６枚作製した。この基板を６０
０℃で２時間の熱処理を施した後（ＳＴＥＰ７）、シリ
コンウェーハを平面研削により約０．５〜１．５μｍの
厚さになるまで研削した。（ＳＴＥＰ８）

【００２１】次にこの薄層化された各ウェーハ夫々につ
いて、７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃、１
１００℃、１２００℃の熱処理温度で各２時間の熱処理
を施し（ＳＴＥＰ９）、該熱処理されたウェーハについ
て、その接着強度を引張試験機により試験した。なお引
張試験は、サンプリングされる部分のシリコン層の膜厚
を予め計測した後で行なった。この膜厚の測定は、微分
干渉顕微鏡（ナノスペック−商品名）で測定した。各ウ
ェーハのサンプリングは約２０〜３０点を取って行な
い、その結果を図４に示す。

【００２２】同図から明らかなように、この実施例が前
記第１実施例に較べて特筆すべき点は、前記第１実施例
の場合においては、７００℃／２時間の熱処理によって
著しくその引張強度は低下したが、この実施例の場合に
おいては、シリコン単結晶層の厚さが０．７μｍ以下の
場合、１１００℃の熱処理においても、その接着強度が
安定していることである。一方、厚さが約０．７μｍ以
上のものにおいては、１０００℃でその接着強度が急速
に低下するが９００℃では所定の接着力を維持し、約１
μｍ以上の場合には９００℃の熱処理で急速な接着力の
低下がみられるが８００℃では所定の接着力を維持して
いる。この事実は、半導体基板の実用上において、極め
て重要な意味を持つ。即ち、この半導体基板を利用して
半導体デバイスを作製するに際し、通常８００℃から１
２００℃の熱処理を行なう工程が存在するが、このよう
なデバイス作製時の熱処理において、その素材となる半
導体基板の接着力（品質）が安定していることが重要な
条件であるからである。

【００２３】前記の結果よりシリコン単結晶の層の厚さ
を約２μｍ以下の場合８００℃まで、又１μｍ以下の場
合９５０℃までの熱処理によって半導体基板の接着力
（品質）が安定していることが理解され、特に約０．５
μｍ以下にすることは、１２００℃の高温領域での熱処
理によっても、熱膨張に起因する熱歪、剥離、ひび割れ
の等の各種損傷を生ぜしめることなく薄膜化したシリコ
ンウェーハの結合強度を増し、安定した品質の半導体基
板が得られることが裏付けられることとなる。これはＳ
ＯＩ構造の薄膜化のすう勢に沿うとともに、半導体装置
メーカでの高温熱処理加工にも充分に対応することが可
能になる。

【００２４】

【発明の効果】以上記載した如く本発明によれば、ウェ
ーハ同士の貼着により半導体基板を形成した場合でも熱
膨張率に起因する熱損傷が生じることがなく、各種集積
回路若しくはＴＦＴ−ＬＣＤ等を形成し得るだけの充分
に薄く結晶性の良好な薄膜状のシリコン層を得ることが
出来る。又、広範な高い熱処理温度でありながら強い結
合力の強度を呈し、安定したＳＯＩ構造の半導体基板を
得ることができるだけでなく、半導体装置の薄膜化の方
向にも叶うこととなるという利点を有する等、種々の著
効を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる薄膜層厚のＳＯＩ構造
のシリコンー石英ウェーハの接着手順を示す工程図。

【図２】本発明の第１実施例の接合処理時における温度
と引張強度の関係を示す分布図。

【図３】（Ａ）は接合された薄いシリコンウェーハの引
張試験の説明図、（Ｂ）は左側（黒丸印）が接着部で分
離、中央（三角印）が破損、右側（白丸印）が接合界面
で分離の３モードを表す図。

【図４】本発明の第２実施例にかかる薄いシリコンウェ
ーハ厚に対する引張強度の関係を、温度をパラメータと
して表した分布図。

【符号の説明】

１ 石英ウェーハ ２ シリコンウェーハ ３ 固定板 ４ スタッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内山 敦雄 長野県更埴市大字屋代1393番地 長野電 子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−97215（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱膨張係数の異なる２枚の各ウェーハを
   相互に貼着接合して形成される半導体基板の製造方法に
   おいて、 少なくとも研磨かつ清浄化させた各ウェーハの接合面を
   相互に貼着させた状態で、第１の温度域で熱処理して仮
   接合基板とする工程と、 前記仮接合基板の少なくとも一方のウェーハ面を化学的
   処理によって薄層化させた後、前記第１の温度域よりも
   高い第２の温度域で熱処理して接合基板とする工程と 前記第２の温度域で接合させた半導体基板を一層薄層化
   させた後、前記第２の温度域よりも高い第３の温度域で
   熱処理させる行程と、更に一層の薄層化と、より高温の
   温度域による熱処理とを１又は複数回繰り返して、最終
   的に各ウェーハの相互を接合した本接合基板とする工程
   を 含むことを特徴とする半導体基板の製造方法
2. 【請求項２】 熱膨張係数の異なる２枚の各ウェーハを
   相互に貼着接合して形成される半導体基板の製造方法に
   おいて、 前記熱膨張係数の異なる各ウェーハとして、所定厚さの
   シリコンウェーハと石英ウェーハとを用い、 少なくとも研磨かつ清浄化させた各ウェーハの接合面を
   相互に貼着させた状態で、第１の温度域として１００〜
   ３５０℃程度の温度で熱処理して仮接合基板とする工程
   と、 前記仮接合基板の少なくともシリコンウェーハ面を化学
   的処理によって１００〜２００μｍ程度に薄層化させた
   後、第２の温度域として３５０〜５００℃程度の温度で
   熱処理して接合基板とする工程と、 前記接合基板の薄層化されたシリコンウェーハ面を２μ
   ｍ程度まで一層薄層化させた後、５００〜７００℃の温
   度域で熱処理させる行程と、 更に略１μｍ以下の厚さまで薄層化させた後、８００℃
   以上の高温の温度域による熱処理を少なくとも一回以上
   行い、最終的に各ウェーハの相互を接合した本接合基板
   とする最終熱処理工程を含むことを特徴とする半導体基
   板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記最終熱処理行程がシリコンウェーハ
   面が釣１μｍ以下の厚さになるように薄層化した後、９
   ５０℃以下の温度で熱処理を施こす接合工程である請求
   項２記載の半導体基板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記最終行程がシリコンウェーハ面が約
   ０．５μｍ以下の厚さになるように薄層化した後、略１
   ２００℃以下の温度で熱処理を施こす工程である請求項
   ２記載の半導体基板の製造方法。