JP2675691B2 - 半導体素子形成用基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｓｉ単結晶からなる２
枚の鏡面ウェーハの鏡面同士を直接、あるいは酸化膜を
介して間接的に接合することにより、両鏡面ウェーハを
一体化して半導体素子形成用基板を製造する方法に関
し、更に詳しくは、両鏡面ウェーハを一体化して得られ
る半導体素子形成用基板のボイド（接合が不完全な不良
部分）の発生を未然に防止するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子形成用基板とは、集積回路の
ような半導体素子の製造用に供される、半導体単結晶か
らなる基板を指し、著名な半導体材料であるＳｉを例に
とると、Ｓｉ単結晶棒の加工により製造される鏡面ウェ
ーハがその代表的なものである。

【０００３】本発明はこの鏡面ウェーハを更に加工し
た、新しい半導体素子形成用基板の製造方法を提供する
もので、その１つは高密度に素子を形成した集積回路装
置の素子間分離を容易にしたり、ＣＭＯＳ回路素子のラ
ッチアップ現象を解消するために、前記鏡面ウェーハ表
面に酸化膜を形成後、その膜を介し２枚の鏡面ウェーハ
同士を接合し、次いで片側鏡面ウェーハの背面を研磨し
て製造する、いわゆる「ＳＯＩ構造の接合ウェーハ」で
ある。

【０００４】またパワートランジスタを主要な用途とす
るエピタキシャルウェーハは、通常鏡面ウェーハをベー
スとし、ＣＶＤ法（気相成長法）により製造されるが、
同方法は薄膜の成長に多大の時間を要し生産効率が悪い
ので、その解決手段として、前記鏡面ウェーハの鏡面同
士を直接的に接合後、その片側の鏡面ウェーハ背面を研
磨して製造する「エピタキシャルウェーハ相当の接合ウ
ェーハ」も本発明の対象となる半導体素子形成用基板に
相当する。

【０００５】ところで従来、ＳＯＩ構造のウェーハは、
Ｓｉ単結晶の鏡面ウェーハ上に酸化膜（絶縁膜）を形成
して後、更にその上にＣＶＤ法等によりＳｉの多結晶層
を形成せしめ、その多結晶層にレーザー光を照射して単
結晶化させたり、あるいはサファイヤ基板の上にＣＶＤ
法によりＳｉの単結晶薄層を直接的に形成する方法が採
られてきた。

【０００６】しかしながら、これらの方法によって形成
された絶縁層上のＳｉ単結晶薄層の結晶性は、満足すべ
きものではなかった。そこで別の方法として、前述のよ
うにＳｉ単結晶ウェーハを絶縁薄層を介して接合し、そ
の片側背面を研磨および／またはエッチングによって所
望厚さの薄膜にする方法が注目されつつある。

【０００７】この方法によるウェーハ同士の接着には、
２枚の鏡面ウェーハを単なる加重により加圧接合する方
法、あるいは、接合時に静電圧力を作用させる方法等が
あるが、前者の例として特開昭４８−４０３７２号公報
記載の方法がある。同公報には、Ｓｉ単結晶ウェーハを
酸化膜を介して重ね合せ、約１１００℃以上の温度と約
１００kg／cm²以上の加重圧力で接合する方法が紹介さ
れている。また、後者の例は、昭和６３年３月１日に日
経マグロウヒル社によって発行された「日経マイクロデ
バイス」第９２〜９８頁に述べられている。

【０００８】以下、このＳＯＩ構造の半導体素子形成用
基板の場合について説明する。

【０００９】図３には、かかるＳＯＩ構造を持つ半導体
素子形成用基板の一例が示されている。

【００１０】すなわち図１に示すように、鏡面研磨され
たままのベースウェーハ１ａ、および全面を熱酸化によ
り酸化膜１ｃ（例えば０．８μｍ厚さ）で覆ったボンド
ウェーハ１ｂとを、図２に示すように重ね合せて１次接
合（初期接合）させる。引続きこのウェーハ１次接合体
を炉に入れて、Ｎ₂雰囲気中５００℃以上に加熱するこ
とにより２次接合（本接合）させる。この２次接合後の
ウェーハ接合体の結合力は強いので、そのまま次工程の
サーフェイスグラインドおよびエッチング工程に廻さ
れ、ボンドウェーハ１ｂ表面に被着された酸化膜１ｃを
除去後更に同ボンドウェーハ１ｂを所定の均一厚さとな
るように研磨除去し、鏡面ポリッシングで仕上げするこ
とにより、図３のＳＯＩ構造の半導体素子形成用基板は
完成される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明の半
導体素子形成用基板の品質上の最も重要な条件は、鏡面
ウェーハ同士の接合が強固であると同時に、その接合強
度は全面に亘って均質であり、ボイドが一つも存在しな
いことである。

【００１２】その理由は半導体素子が、通常直径１００
〜２００ｍｍの接合ウェーハの素子形成面上に、数ｍｍ
〜１０数ｍｍの辺長を有する方形を単位として多数形成
させて後、各単位素子に裁断（ダイス）され、更に次の
半導体素子製造工程に入る訳であるが、前述のような不
良が１箇所でも存在すると、その部分に形成された半導
体素子は所定の特性が完全に失われるか、半導体素子の
信頼性に不安を生じるからである。またその対策のた
め、半導体素子製造工程における特別の品質管理も必要
となってくる。

【００１３】このボイドの形状は、ほぼ円形状の直径１
〜２０ｍｍ位の大きさのものであり、接合ウェーハ１枚
の接合面内に１箇所から、多い場合には１０箇所以上発
生し、その不良が１箇所でも存在する接合ウェーハは、
不合格品として処理される。従ってボイド発生の無い接
合ウェーハの、製造方法を確立することは重要な課題で
あった。

【００１４】発明者等はその対策を、様々な角度から検
討した検討した結果、ボイド発生の原因は単純なもので
はなく、接合面における表面状態や、機械的な初期にお
ける接合条件の外、とりわけ鏡面上に存在するパーティ
クル（微小粉塵）の影響の大きいことを発見し、その影
響の度合と対策を色々と検討した結果、本発明に到達し
たものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、少なくとも主面の一方を鏡面化した２枚の
Ｓｉ単結晶ウェーハを使用して、前記２枚のＳｉ単結晶
ウェーハの接合部分を構成するそれぞれの一鏡面主面を
直接、またはそれらの一方若しくは双方を予め熱酸化に
より、Ｓｉ酸化物の薄層を形成させた当該２枚のＳｉ単
結晶ウェーハ同士を接合させるにあたり、接合面におけ
るパーティクルの粒子径およびその個数を測定し、その
粒子径が０．５μｍ以上で１０μｍ以下のパーティクル
の総数が、直径１５０ｍｍ（６インチ）ウェーハ面積に
換算して、３個以下となるような条件を満たす２枚の接
合すべきＳｉ単結晶ウェーハを選択し、同ウェーハを接
合することである。

【００１６】ここで接合されるべき各２枚のウェーハ
の、被接合面上に存在するパーティクルの粒子径が０．
５μｍ以上で１０μｍ以下としたのは、１０μｍ以上の
パーティクルが存在する場合のボイド不良品の発生率は
１００％であるが、同パーティクルの粒子径を１０μｍ
以下に抑えることにより、ボイド不良品の発生率は実質
的に３０％以下に減少し、更に前記パーティクルの総数
を、直径１５０ｍｍウェーハ面積に換算し３個以下とな
るよう管理することにより、ボイド不良品の発生率はほ
ぼ０となることが確かめられたからである。しかしこの
条件外では殆んどの場合、なにがしかの不良品を発生す
る。また、粒子径０．５μｍ以上としたのは、それ以下
の場合パーティクルの個数如何を問わずボイド不良の発
生は０であったからである。その理由として粒子径０．
５μｍ以下のパーティクルの場合、鏡面ウェーハの接合
部界面に存在する酸化膜乃至その接合面内に容易に取り
込まれ、ボイド発生の素因となる機会が極めて少ない
か、あるいは２次接合のための高温熱処理に際し、前記
界面内における取り込みが可能となったか、または焼盡
揮散したためと推定されるがその理由は定かではない。

【００１７】このようなパーティクルの発生源は、前工
程の仕上洗浄から乾燥工程において除去し得なかった
か、或いは同工程で新たに汚染付着したもの、若しくは
それ以後の保管時における雰囲気中のパーティクルであ
ると推定される。雰囲気中に存在のパーティクルは、作
業者やその衣服から発生する有機または無機性の物質や
繊維質のもの、室内の機械装置から発生する塵埃、エア
フィルタ装置の管理不良が原因の大気中に存在のエアロ
ゾール物質や或る種の微生物であると推定される。しか
しいずれの場合も、使用薬液の選択や機械装置の改良と
その保守管理を厳重にすること、また場合により自動無
人化にする等の対策で解決が可能である。またウェーハ
接合に伴う前記諸工程を、すべてクラス１０〜１の高清
浄度のクリーンルーム乃至はクリーンベンチ内で行なう
ことによって、前記雰囲気が原因とみられるパーティク
ル汚染は防止され、本発明の効果を上げることができ
る。

【００１８】先に述べたように、パーティクルの発生源
は様々であり、化学物質として特定することは困難であ
る。またその形状も様々であって、必ずしも球状とは限
らず切片または針状、繊維状のものの存在も推定され
る。この鏡面ウェーハ表面状に付着しているパーティク
ルの観測はサブミクロンオーダーの微粒子の場合、走査
型電子顕微鏡による観測も可能であるが、同方法は多大
の労力と時間を要して非能率であるため、現在では光散
乱法を利用した自動測定装置（たとえばＴＥＮＣＯＲ社
のＳＵＲＦ ＳＣＡＮ４５００や日立ＤＥＣＯ社のＬＳ
−６０００がある）により、見掛上の粒子径として０．
１μｍ位のレベルまで観測が可能であり、本発明の粒子
の存在状態はこのような測定器により観測することがで
きる。

【００１９】

【作用】上記したパーティクルの規定範囲において、２
枚のＳｉ単結晶ウェーハ同士を接合した場合、ある種の
有機質のパーティクルは熱処理の過程で燃焼し、また不
燃性のパーティクルであっても、この程度に微細で低濃
度で存在する場合は、ウェーハ接合面内に取り込まれ、
ボイド不良の発生には至らないものと推定される。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係るウェーハの製造方法の実
施例を述べる。

【００２１】（試験１）先ず、鏡面ウェーハに付着する
測定が可能な０．１μｍ以上のパーティクルを対象にし
て、パーティクルの付着とボイドの発生との間に相関が
あるかどうかを調べてみた。

【００２２】（１）条件 ベースウェーハおよびボンドウェーハ共にそれぞれ直径
１５０ｍｍ（６インチ）、引上軸方向＜１００＞、抵抗
率１０Ωｃｍ程度のＰ型ウェーハを使用し、ボンドウェ
ーハの全面に厚さ約０．８μｍの熱酸化膜を形成させ
た。

【００２３】（２）方法 常温下、空気清浄度クラス１０のクリーンベンチ内に保
管されている接合すべき２枚のウェーハ（ベースウェー
ハおよびボンドウェーハ）各々について、接合すべき鏡
面に付着する０．１μｍ以上のパーティクルの付着位置
をＬＳ−６０００により観測した。

【００２４】次に、ベースウェーハとボンドウェーハ
を、そのオリエンテーションフラット部が整合されるよ
うにして重ね合わせて、その状態で炉に入れ、１２００
℃で２時間の熱処理を行なった。

【００２５】この熱処理によって完全に一体化したウェ
ーハ接合体が得られる。その後、超音波探傷計によって
ウェーハ接合体のボイド発生位置を観測した。

【００２６】（３）結果 パーティクル付着位置とりわけ０．５μｍ以上のパーテ
ィクルが存在していた位置にボイドの発生が見られるこ
とから、パーティクルの付着とボイド発生との間には、
強い相関があることが確認された。特に１０μｍ以上の
パーティクル存在箇所では全てボイドが発生した。

【００２７】なお、パーティクル付着位置以外にもボイ
ドの発生が見られたが、それらのボイドは例えば鏡面ウ
ェーハの表面粗さや、２枚の鏡面ウェーハを重ね合わせ
て初期接合させる際に空気がその界面に留まったりして
発生したものと推測される。

【００２８】（試験２）ところで、１０μｍ以上のパー
ティクルについては、接合作業の自動化、クリーンルー
ムや材料の管理など、また機械の保守や改良によって相
当な程度まで抑制が可能である。したがって次の試験
は、０．１〜１０μｍのパーティクルを検討の対象とし
た。

【００２９】（１）条件 （試験１）と同一条件のベースウェーハとボンドウェー
ハを準備し、ボンドウェーハ側には、その全面に厚さ約
０．８μｍの熱酸化膜を形成させた。

【００３０】（２）方法 （試験１）の場合と同じ場所と条件で接合すべき２組の
ウェーハ（ベースウェーハおよびボンドウェーハ）各々
１０枚について、接合すべき鏡面に付着する０．１μｍ
以上のパーティクルの寸法、付着位置を測定しておい
た。

【００３１】以下（試験１）のときと同じ方法で双方の
ウェーハの鏡面同士を重ね合わせて一体化し、これを炉
に入れ１２００℃で２時間熱処理し、計１０枚のウェー
ハ接合体を製造した。

【００３２】その後、超音波探傷計によってウェーハ接
合体のボイド発生位置を調べ、パーティクル付着位置と
ボイド発生位置とが合致するものだけを拾いだし、０．
１〜０．５μｍ未満、０．５〜１μｍ未満、１〜５μｍ
未満、５〜１０μｍに寸法範囲を区分し、パーティクル
の寸法範囲とボイド発生との相関を調べた。

【００３３】（３）結果 寸法が０．１〜０．５μｍ未満のパーティクルが付着し
ている部分についてのボイド発生率は０％であるが、
０．５〜１μｍ未満のパーティクルが付着している部分
についてのボイド発生率は７％であった。１〜５μｍ未
満のパーティクルが付着している部分についてのボイド
発生率は１８％であった。５〜１０μｍ未満のパーティ
クルが付着している部分についてのボイド発生率は２７
％であった。

【００３４】なお本試験と同一の条件と方法により、２
枚の鏡面ウェーハを酸化膜を介することなく直接的に接
合し、パーティクルとボイド発生率を調べた。その結果
は、酸化膜を介して接合したものとパーティクルによる
ボイド発生の傾向に有意的な差は認められなかった。

【００３５】また、以上の実験およびその後の実験によ
って、０．５μｍ以上の寸法範囲にあるパーティクルで
あっても、ボイドに転換するものと、ボイドに転換しな
いもののあることが判った。

【００３６】（試験３）本発明者は、ボイドの発生はパ
ーティクルの質にも依存することを推測した。つまり、
０．５μｍ以上のパーティクルについても色々なものが
あり、あるものは酸化膜内に取り込まれ、別のものは接
合の際の熱処理時に消滅し、また他のものは熱酸化膜の
存在がなくともＳｉ単結晶中に取り込まれて、ボイドに
はならないものと推測した。

【００３７】このような推測を前提にすれば、パーティ
クルの質を問わずして（実際問題としていちいちパーテ
ィクルの質を調べるのは困難である。）、０．５〜１０
μｍの寸法範囲について更に細かく分けてパーティクル
粒子径とボイド発生率の関係を調べても、意味がないも
のと考え、次の試験では、２枚の鏡面ウェーハの接合す
べき鏡面における０．５〜１０μｍの寸法範囲にあるパ
ーティクルの総個数と、接合した結果得られたウェーハ
接合体におけるボイド不良品の発生率との関係を調べ
た。

【００３８】（１）条件 （試験１）、（試験２）の場合と同一条件のベースウェ
ーハとボンドウェーハを各々２００枚ずつ準備し、ボン
ドウェーハ側には、その全面に厚さ約０．８μｍの熱酸
化膜を形成させた。

【００３９】（２）方法 （試験２）の場合と同様の方法で、接合すべき２枚のウ
ェーハ（ベースウェーハおよびボンドウェーハ）各々に
ついて、接合すべき鏡面に付着する０．５〜１０μｍの
パーティクルの寸法、付着位置を測定し、それぞれのベ
ースウェーハとボンドウェーハを、そのオリエンテーシ
ョンフラット部が整合されるようにして重ね合わせて一
体化し、これを炉に入れ、１２００℃で２時間熱処理
し、ウェーハ接合体を計２００枚製造した。

【００４０】その後、超音波探傷計によってウェーハ接
合体のボイド発生位置を調べ、０．５〜１０μｍのパー
ティクルの付着位置とボイド発生位置とが合致したもの
だけを当該パーティクルに起因するボイド不良として拾
いだし、パーティクルの個数とボイド不良品の発生率と
の相関を調べた。このウェーハ接合体で、ボイドを１個
でも発生したものはボイド不良品と判定した。

【００４１】（３）結果 ２００枚のウェーハ接合体において、ボイド不良品と判
定されたウェーハ接合体は計６６枚あり、同不良品の発
生率と０．５〜１０μｍのパーティクルの総個数との関
係を示せば、表１の通りである。この表のパーティクル
の総個数は、接合されたベースウェーハとボンドウェー
ハそれぞれについて検出されたパーティクル数の和であ
る。

【表１】

【００４２】この結果から、０．５〜１０μｍのパーテ
ィクルの総個数を３個以内に制御すれば、ボイド不良品
発生率が著しく低減できることが判る。

【００４３】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【発明の効果】本文において詳述した通り、本発明方法
の実施により、２枚の鏡面ウェーハを接合して製造され
る半導体素子形成用基板は、ウェーハ接合時におけるボ
イドの発生は大幅に防止され、結果として、その品質や
製造の歩留が改善されると共に、それを利用して製造さ
れる半導体素子の信頼性も向上する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ベースウェーハとボンドウェーハとの接合前の
状態を表わす縦断面図である。

【図２】ベースウェーハとボンドウェーハとの接合後の
状態を表わす縦断面図である。

【図３】ＳＯＩ構造の半導体素子形成用基板の縦断面図
である。

【符号の説明】

１ａ ベースウェーハ（鏡面ウェーハ） １ｂ ボンドウェーハ（鏡面ウェーハ） １ｃ 酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深美 正雄 長野県更埴市大字屋代1393 長野電子工 業株式会社内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも主面の一方を鏡面化した２枚
   のＳｉ単結晶ウェーハを使用して、前記２枚のＳｉ単結
   晶ウェーハの接合部分を構成するそれぞれの一鏡面主面
   を直接、またはそれらの一方若しくは双方を予め熱酸化
   により、Ｓｉ酸化物の薄層を形成させた当該２枚のＳｉ
   単結晶ウェーハ同士を接合させるにあたり、接合面にお
   けるパーティクルの粒子径およびその個数を測定し、そ
   の粒子径が０．５μｍ以上で１０μｍ以下のパーティク
   ルの総数が、直径１５０ｍｍ（６インチ）ウェーハ面積
   に換算して、３個以下となるような条件を満たす２枚の
   接合すべきＳｉ単結晶ウェーハを選択し、同ウェーハを
   接合することを特徴とする半導体素子形成用基板の製造
   方法。