JP2703933B2 - 接着半導体基板の製造方法 - Google Patents

接着半導体基板の製造方法

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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、接着半導体基板の製造方法に関するもの
で、詳しくは、シリコン基板とシリコン基板どうし、あ
るいはSi、GaAs、その他の半導体材料基板の同種又は異
種の基板を直接に接着する半導体基板の製造に適用され
る。
(従来の技術) 接着半導体基板では、従来製作がむずかしいとされて
いるpn接合やヘテロ接合を短時間に容易に作ることがで
きる。例えば、それぞれ厚さが50〜100μmもあるn-
とp-層との間のpn接合は、従来のエピタキシャル法で作
るにはコストがかかりすぎるし、また三重拡散法では3
〜10日間もかかるが、n-型ウエハとp-型ウエハとを直接
接着すれば2時間という短時間でpn接合の形成ができ
る。
かかる接着半導体基板の従来の製造方法では、第1A図
に示すように、接着界面3にあたる、2枚のシリコン基
板1,2の表面粗さ(最大高さ)500Å以下の鏡面に、清浄
化洗浄処理を加えた後、その鏡面どうしをダストのない
清浄化雰囲気において物理的に密着させ、次いで200℃
以上、通常は1100℃のN2ガス中で2時間程度の熱処理を
してシリコン基板どうしの結合を化学的に強固なものに
していた(特開昭60−51700号公報参照)。そのような
接着半導体基板4では、熱処理前の密着させた状態での
結合強度は5kg/cm2程度であるのが、熱処理後のそれは1
00kg/cm2以上にまでも強化される。接着させた半導体基
板には、接着面でない外表面を荒研磨、仕上研磨を施し
た後、一枚基板と同様に所要の基板内素子形成や基板上
電極形成などが施される。
ところで、上記従来の接着半導体基板の製造方法にお
いて、密着工程以前にダストが表面に付着すると、表面
どうしの接着が妨げられてボイドが現れる。そのような
ダストに起因するボイドをもつ接着半導体基板を赤外線
透過映像法(公開技法85−6424号参照)によって観察す
ると、ダストの周囲に同心円の干渉縞が検出されること
は知られていた。
そこで、表面粗さが500Å以下で接着面全面の平坦度
(TTV)の範囲が5μm以下の2枚の半導体基板材料を
用い、ダストに起因するボイドの干渉縞が現れないよう
に洗浄化雰囲気を整えて両者を接着して、前記のような
強固な結合強度(100kg/cm2)をもつ接着半導体基板を
得ることは、従来行なわれてきた。
このようなダストのない接着半導体基板4をその熱処
理前に赤外線透過影像法で検査すると、なお第1B図に示
すように月や火星の表面の海のような暗い部分が観測さ
れることがあった。しかし、適切な熱処理後では第1C図
に示すようにこの暗い部分は消失し、最終的に得られた
接着半導体基板4の結合強度は上述のように十分に大き
かったので、従来はこの暗い部分の有無が接着半導体基
板の不良の発生とどう関係するのかについて考察される
ことはなかった。
従ってこの暗い部分が生じないようにすればどんな利
点が得られるのかについては、従来知られていなかっ
た。ましてや、熱処理前にこの暗い部分が生じないよう
にするために基板の表面粗さをどの程度にしなければな
らないのかは、従来全く未知であった。すなわち、赤外
線透過映像法で観察した場合の、月や火星の表面におけ
る海のように暗い部分を、従来は表面粗さと関連させ不
良の一態様としてとらえられたことはなかったのであ
る。
上記接着半導体基板の不良は、この基板上に多くの回
路素子を形成した後これを小さなチップにダイシングし
たときに分かる。第1D図は一見問題なさそうに見える第
1C図の接着半導体基板4に素子形成後、これを小さなチ
ップにダイシングした後の接着半導体基板の状態の一例
を示す。(第1D図は赤外線透過法でなく普通の写真撮影
により観察される映像である。) 第1D図において縦横の線は0.5mm毎の切り込み線を示
し、第1D図の斜線の領域は、同図円D部分の拡大斜視図
である第1E図に示すように、0.5mm□のチップが接着境
界面から剥がれ落ちてしまった不良部分を示す。このよ
うな剥がれ落ちが生じないまでも、2つの基板の接着が
不完全なチップはやはり不良品となる。ひどい場合、チ
ップの剥がれ落ちどころではなく、基板研磨工程あるい
はデバイス製造工程(ダイシング工程)で接着半導体基
板全体が割れてしまうこともある。
(発明が解決しようとする課題) 本発明の目的は、部分的に電気的抵抗が高くなった
り、研磨工程やデバイス製造工程で割れ、破壊のない歩
留りの改善された接着半導体基板の製造方法を提供する
ことにある。また本発明の別の目的は、赤外線透過映像
法で海のように暗い部分のない、均一な明るい映像をも
つ接着半導体基板の製造方法を提供することにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の接着半導体基板の製造方法は、シリコン基
板、ゲルマニウム基板、あるいはGaAs、GaP、InPなど化
合物半導体基板を含めて、半導体素子基板として使用さ
れる同種又は異種の第1及び第2半導体材料基板の鏡面
どうしを密着させ、しかる後所定温度で所定時間、所定
の雰囲気中で熱処理を加えることにより該鏡面を接着さ
せるにあたり、該第1及び第2半導体材料基板の鏡面に
おける表面粗さが、上記鏡面上の所定部分に設定した基
準面の一辺の長さ1mmで測定した最大高さRmax(JIS B
0601)であらわして130Å以下であるとともに、該熱
処理温度が200℃以上かつ半導体基板の融点未満である
ことを特徴とする。
(作用) 表面粗さが、基準面一辺の長さ1mmで測定して最大高
さが130Å以下であると、まず第一に、赤外線透過映像
法で観察したときに、映像や月や火星における海のよう
な暗い部分が現れないことが挙げられる。
次に、表面粗さ(最大高さ)50〜300Åの範囲で、互
いに同じ表面粗さをもつ基板の組を接着したものを多数
製作し、その接着基板の破壊試験をして、少しでも割れ
や破壊などを生じた非接着基板の百分率を求め、その表
面粗さにおける接着性(%)とした。その接着性の表面
粗さに対する依存性を第2図に示す。第2図をみてわか
るように、表面粗さが130Å(一点鎖線の位置)を超え
たところで接着性は急激に低下する。
さらに、第2図の試験の場合と同じ試料接着基板につ
いてその接着基板の表面にAl電極をつけ、2mm□にダイ
シングしたものの抵抗を測定してみた。この際接着に使
用したウエハはP型低抵抗0.014〜0.015Ω・cmである。
そして、ダイシングしたものの多数抵抗のバラツキσを
その平均抵抗の百分率(%)として求めた。その抵抗バ
ラツキの表面粗さに対する依存性を第3図に示す。第3
図をみてわかるように、第2図の接着性の場合と同様に
表面粗さが130Åを超えると、抵抗のバラツキも急増す
る。
これらのことから、表面の基準面一辺の長さ1mmにつ
いて表面粗さ(最大高さ)を130Å以下とすることが、
赤外線透過映像法における映像に暗い部分をなくすこと
になるとともに、接着性と抵抗の均一性はいずれも表面
粗さを130Å以下とすることによりクリティカルに改善
されることがわかり、従って、赤外線透過映像の暗い部
分は不完全接着部分であり、表面粗さを130Å以下とす
ることが接着半導体基板の特性を著しく向上させるもの
である。
なお、表面粗さの基準面一辺の長さを1mmとしたこと
に表面粗さを最大130Åとする本発明の意義がある。ま
た、使用するウエハの全面の平坦度(TTL)の範囲は5
μm以下にとっている。
(実施例) 次に実施例1および2により本発明を具体的に説明す
る。
実施例 1 直径100mm、比抵抗20〜30Ω・cmのN型シリコンウエ
ハで、従来から使用されている平坦度(TTV)5μm以
下で表面粗さが30〜280Åの範囲に分布する。500枚以上
を用意した。表面粗さの測定方法は、(株)東京精密製
の非接触表面粗さ形状測定機Surfcom920A(スポット径
1.6μm)を用い、倍率1,000,000倍、測定距離1mmで最
大高さをウエハ上5点で測定し、その平均をそのウエハ
の表面粗さとした。
そして測定した500枚以上のなかから、表面粗さ130Å
以下の500枚を1ロットとして選別し、そのロット内の
ウエハを2枚1組に密着させて250枚の接着ウエハと
し、その後1100℃(シリコンウエハの融点は約1400℃で
ある)で2時間、N2ガス中で接着熱処理を行った。な
お、熱処理を利用した半導体ウエハの接着技術は、米国
特許第4,671,846号明細書、米国特許第4,700,466号明細
書に詳細に開示されている。
一方、比較例として、選別しないで表面粗さ30〜280
Åの範囲に分布する別のウエハ500枚をとり、実施例1
と同様の方法で比較例の接着ウエハ250枚を製作した。
実施例1と比較例の接着ウエハの赤外線透過映像法検
査によるボイドの内容を第4図に示す。すなわち、比較
例のボイド全体には、同心円状の干渉縞によって示され
るダストに起因するボイドと、月や火星の海のような暗
い部分によって示される凹凸に起因するボイドとが含ま
れるが、実施例1のボイドには、比較例とほぼ同量のダ
ストに起因するボイドがあるだけで、凹凸に起因するボ
イドは皆無であった。
第6A図は実施例1の代表的なサンプルAを赤外線透過
法により観察した状態を示す。サンプルAの所定の3点
(A,B,C)における表面粗さの実測結果(一部分)はそ
れぞれ第6B図、第6C図、第6D図に示され、A,B,Cにおけ
る表面粗さの値はそれぞれ92Å,124Å,106Åである。第
6A図の実施例ウエハは全面にわたりボイドが観察されな
いことを示している。
なお、第6A図に示すサンプルAの周囲の狭いリング状
縁取りは、例えば直径100mmの半導体ウエハに対して幅2
mm程度はどうしても生じてしまう未接着領域であるが、
実際には接着半導体基板の加工工程において除去される
部分である。この部分は、いわゆるウエハの面だれによ
り生ずるもので、本願発明が注目している表面粗さ等に
は関係ない。
第7A図は、比較例の代表的なサンプルBを赤外線透過
法により観察した状態を示す。サンプルBの3点(A,B,
C)における表面粗さの実測結果(一部分)はそれぞれ
第7B図、第7C図、第7D図に示され、A,B,Cにおける表面
粗さの値はそれぞれ286Å,124Å,146Åであって、130Å
以下と130Åを超えたところの双方を含む。第7A図にお
いて、白抜きの部分は表面粗さ130Å以下でボイドのな
いことを示し、クロスハッチ部分は表面粗さが130Åを
超える部分で、ダイシングの際に接着不良の起きている
ことを示す。
第5図は、実施例1と比較例の接着半導体基板が同じ
実際のデバイス工程を経たときの歩留りを示すグラフで
ある。同図にみるように、実施例1は比較例に比較して
13%の歩留り向上がみられるが、これは表面粗さを130
Å以下としたことによる基板割れ、破壊不良が皆無にな
ったためであることが確認された。
さらに、実施例1の素子における接着界面に関連する
素子特性(第3図参照)は、比較例のそれに比較してバ
ラツキが著しく改善されることも確認された。
以上のような表面粗さの130Åを境とする結果は、繰
り返し実験をしても変らなかった。
なお、表面粗さ130Å以下の無歪鏡面ウエハは、「昭
和56年度(1981)精機学会秋期大会学術講演会論文集」
p440〜451(石川道夫)に開示のポリシング法により実
現できる。
以上の説明では、接着界面の観察に赤外線透過法を用
いたが、この観察には、周波数が10〜30MHzまたはそれ
以上の超音波を利用することができる。この超音波利用
の方法の1つとして、公知のコンピュータ・トモグラフ
ィ(CT)を利用したものと、接着界面における超音波の
反射を利用したものがある。後者の超音波反舎利用法
は、例えば特願昭60−259715号に開示されている(ここ
では30MHz以上の超音波が利用されている)。
実施例 2 半導体材料基板として、Ge、GaAs、InP、GaPを用いて
同様な実験を行ったところ、実施例1と同様に表面粗さ
が130Åを境に特性の急変が現れる結果が得られた。
[発明の効果] 本発明の接着半導体基板の製造方法によれば、接着前
の半導体材料基板の表面粗さを130Å以下としたことに
より、基板表面の凹凸による未接着部分を完全に防ぐこ
とができ、その結果、接着半導体基板の基板割れ、破壊
などの不良は激減することになった。また接着界面にお
ける電気的特性のバラツキもなくなり、接着半導体基板
における素子特性を安定させることも可能になった。以
上により、本発明製造方法は、接着半導体基板によるチ
ップ製造の歩留り向上と低コスト化に大いに寄与するも
のである。
【図面の簡単な説明】
第1A図は接着半導体基板の概略構成を示す断面図、第1B
図は第1A図の接着半導体基板をその密着段階につき赤外
線透過法により観察したときにみられる火星の海のよう
な暗部を例示する図、第1C図は第1B図の密着半導体基板
を熱処理をした後に赤外線透過法により観察したときの
状態を例示する図、第1D図は接着半導体基板をダイシン
グしたときのチップの剥れ落ちを示す図、第1E図は第1D
図の円D部分にかかる拡大斜視図、第2図及び第3図は
本発明製造方法の作用を説明するグラフ、第4図及び第
5図は本発明実施例1の効果を説明する棒グラフ、第6A
図は実施例1にかかるサンプルAを赤外線透過法により
観察した図、第6B図乃至第6D図はそれぞれ第6A図のA点
乃至C点における表面粗さの断面曲線図、第7A図は比較
例にかかるサンプルBを赤外線透過法により観察した
図、第7B図乃至第7D図はそれぞれ第7A図のA点乃至C点
における表面粗さの断面曲線図である。 1,2……半導体材料基板、3……接着界面、4……接着
半導体基板。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】長さ1mm当たりの最大高さを測定し、その
    最大高さが130Å以下である表面粗さの鏡面をもつ第1
    半導体基板と、長さ1mm当たりの最大高さを測定し、そ
    の最大高さが130Å以下である表面粗さの鏡面をもつ第
    2半導体基板とを用意し、前記第1半導体基板の鏡面と
    前記第2半導体基板の鏡面とを密着させる工程、及び前
    記密着された第1及び第2半導体基板を200℃以上かつ
    半導体基板の融点未満の温度で熱処理する工程を具備す
    る接着半導体基板の製造方法。
  2. 【請求項2】前記第1及び第2の半導体基板は、シリコ
    ン基板若しくは化合物半導体基板のいずれか一方、又は
    これらの組合わせである特許請求の範囲第1項記載の接
    着半導体基板の製造方法。
  3. 【請求項3】前記第1及び第2の半導体基板は、同種又
    は異種の半導体基板である特許請求の範囲第1項記載の
    接着半導体基板の製造方法。
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