JP2723787B2 - 結合型基板の製造方法 - Google Patents

結合型基板の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、結合型基板の結合界面
における不純物量を低減することによって、品質の安定
した結合型基板を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】結合型基板とは、半導体材料からなるウ
ェーハ同士を直接結合した基板、及び半導体ウェーハと
絶縁体ウェーハとを結合した所謂SOI(Semiconducto
r OnInsulator)型基板の二つの型に大きく別けることが
できる。
【0003】そのうち、前者の半導体材料からなるウェ
ーハ同士の結合型基板に関しては、ウェーハがシリコン
単結晶からなる鏡面ウェーハ(以下、Siウェーハとい
う)の場合、Siウェーハの鏡面同士を重ね合わせた
後、結合熱処理を施すことにより、エピタキシャルウェ
ーハに相当する結合型基板を製造することができる。
【0004】他方、後者のSOI型基板の場合をSiウ
ェーハについて説明すれば、2枚のSiウェーハのうち
の少なくとも一方の表面にSi酸化膜を形成せしめた
後、その鏡面部同士の間にSi酸化膜を介在させた状態
で重ね合わせ、数百度以上の温度による結合熱処理によ
って結合させた後、その一方のウェーハを研削、研磨し
て薄層化することにより製造される。また、Siウェー
ハと石英ウェーハとによる結合型ウェーハの製造も可能
である。
【0005】従来、この結合型基板を製造するには、図
8に示すごとく、ウェーハの仕上げ洗浄を行う工程32
と、仕上げ洗浄を行ったウェーハをクリーンベンチ内に
所定時間保管又は放置する工程34と、その後2枚のウ
ェーハを空気中の開放状態で重ね合わせる工程36と、
重ね合わされた2枚のウェーハを結合する結合熱処理工
程38とによって行うのが通常である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
して製造される結合型基板にあっては、2枚のウェーハ
の結合部分における結合状態が均一かつ強固であるこ
と、及び結合の界面部において、活性層となる半導体単
結晶を汚染するような不純物を介在させないことが大切
な要件である。
【0007】しかしながら、現実には結合界面の不純物
汚染に起因するとみられる結合型基板の異常が発生して
いる。この結合型基板の汚染経路は、インゴット中の不
純物を除けば結合前のウェーハ表面から導入される場合
が多く、ウェーハ表面をそのまま露出させていると、重
金属や、抵抗率を変動させる非金属不純物が吸着されや
すい。
【0008】このような事情から、結合型基板の結合界
面には、種々の不純物が入り込む危険性が高い。そうし
て、もし結合型基板の界面が重金属不純物で汚染される
と、そのウェーハライフタイムが低下したり、結晶欠陥
を多発させ、半導体デバイスの歩留りを低下させる原因
となる。
【0009】また、結合型基板の結合界面が余分のボロ
ンやリンで汚染されると、当該基板の伝導型が反転した
り、設計した抵抗率からずれたりして、動作特性にバラ
ツキが生じ、半導体デバイスとしての信頼性を低下させ
る。そのため、ウェーハを重ね合わせる工程では、雰囲
気清浄度の高いクリーンルーム中でウェーハの洗浄を行
い、洗浄及び乾燥後の放置時間はなるべく短くしてウェ
ーハを重ね合わせる方法をとっている。しかしながら、
このような細心の注意を払っても、上記したような不純
物の混入が往々に発生し、その原因は明らかにされてい
なかった。
【0010】本発明者が、図8に示した第1従来方法に
よって製造される結合型基板として、Siウェーハを利
用したSOI型基板を製造した所、そのSi活性層に抵
抗値の異常が発生した。そこで、その原因を調べた所、
抵抗値の異常は、ボロン不純物の濃度が結合界面部にお
いて、異常に高くなっていることが分かった。そこで、
更にその結合界面のボロン量をSIMS(Secondary Ion Mas
s Spectroscopy) で測定したところ、図6のようにSi
活性層の深さ方向のプロファイルのピーク値として、1
16atoms/cm3 以上のボロンが存在していることが分か
った。
【0011】また、上記した第1従来方法の他に、図9
に示すごとく、第2従来方法として、ウェーハをクリー
ンベンチ内にある時間放置したものを、改めて密閉式ボ
ックス内に保管する工程35を加え、このボックス内に
一旦保管された2枚のウェーハを結合することも行われ
ている。
【0012】この方法によってSiウェーハより製造し
たSOI型基板について、その結合界面のボロン量をSI
MSで測定した結果は、図7の第2従来方法の通り1016
atoms/cm3 程度のボロンが存在している。しかし、密閉
式ボックス内で保管したことが原因になっているのか、
その量は若干減少していることが分かった。
【0013】即ち、従来の製造方法においては、洗浄、
乾燥を行った2枚のウエーハをある時間放置した後で室
温にて重ね合わせ、次に、熱処理を施すことによって結
合強度を上げ、その後で単結晶ウェーハの薄膜化を行っ
ているが、上記ボロンの混入については、これまで追求
されていなかった。しかし、これらボロンが結合界面近
傍に存在することから、ウェーハを重ね合わせる前にボ
ロンが添加されたと考えられ、ウェーハ洗浄時の薬液や
純水、又はウェーハ放置中の雰囲気等が原因として推定
された。
【0014】本発明者は、上記した結合型基板の結合界
面におけるボロン混入の原因を究明すべく、結合前のS
iウェーハのクリーンベンチ内への放置時間と結合後の
SOI型基板の結合界面のボロン量との関係を調べたと
ころ、図10に示す結果を得た。
【0015】同図から、放置時間が初期のボロン量はせ
いぜい1015atoms/cm3 であるが、Siウェーハを放置
後、数時間は時間とともにボロン量が増加し、10時間
を越える辺りで飽和値の1017atoms/cm3 に達すること
が分かる。従って、この結合型基板の結合界面における
ボロンの混入源は、クリーンベンチ(クリーンルーム)
内の空気(クリーンルームエア)が主な原因であり、ウ
ェーハ洗浄又はリンス時にボロンで汚染されたものでは
ないことが推定された。
【0016】即ち、結合型基板の製造工程において、結
合前のウェーハが空気と触れる機会が多ければ多い程、
ボロン量が増加するものとみられる。従って、対策とし
て、クリーンベンチ(クリーンルーム)内、その他の工
程に存在するクリーンルーム内の空気(クリーンルーム
エア)からボロンを完全に排除可能であればこの問題は
解決する。しかしながら、極微量で空気中に存在するボ
ロンのような化学物質を完全に除去することは、現在の
技術では不可能に近く、若し可能であっても、そのため
の設備費は相当なものになる。
【0017】本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑
みてなされたもので、結合型基板の結合界面における不
純物、特にボロン量を低減し、結合型基板の品質の向上
を図ることを可能とした結合型基板の製造方法を提供す
ることを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、本発明方法においては、ウェーハの仕上げ洗浄
を行う工程と、仕上げ洗浄を行ったウェーハをクリーン
ルームエアから隔離すべく密閉式ボックス内に保管する
工程と、一旦保管された2枚のウェーハを直接クリーン
ルームエアにあたらない清浄な雰囲気下で重ね合わせる
工程と、重ね合わされた2枚のウェーハを結合する結合
熱処理工程とから構成するようにしたものである。この
密閉式ボックスは、内蔵されるウェーハをクリーンルー
ムエアから完全に遮断するものであればよいが、その内
部を超高純度のN2 ガス等で置換すれば、なお確実な効
果をあげることができる。
【0019】また、上記方法において、仕上げ洗浄を行
ったウェーハを水中で保管し、重ね合わせ直前にウェー
ハを乾燥させ2枚のウェーハを重ね合わせるようにして
もよい。
【0020】
【作用】本発明方法においては、結合型基板の結合界面
における不純物、特にボロン量を低減するために、ウェ
ーハをボロンを含む空気に直接触れさせない工程を採用
するようにしたものである。具体的には、次の二つの特
徴点を有するものである。
【0021】従来の重ね合わせ工程においては、ボロ
ンを含む空気とウェーハとの接触は避けられなかった
が、本発明ではリンス、スピン乾燥、及び密閉式ボック
スを兼ね備えた重ね合わせ機を用いることによって、ク
リーンルーム内の空気(クリーンルームエア)との接触
を断つことに成功した。
【0022】従来は仕上げ洗浄したウェーハを、特に
清浄であるとみられたクリーンベンチ内で保管する工程
を採用していたが、本発明では仕上げ洗浄したウェーハ
を乾燥させずに水中で保管するか、又は仕上げ洗浄後に
乾燥したウェーハを密閉式ボックス内で保管したもの
を、直ちに重ね合わせ工程に投入することによって、ク
リーンベンチ内における空気(クリーンルームエア)と
ウェーハとの接触によるボロンの汚染を皆無とした。
【0023】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面中、図1
〜7に基づいて説明する。図1は、本発明方法の第1実
施例の工程を示すフローチャートである。同図におい
て、12はウェーハの仕上げ洗浄工程で、鏡面化された
ウェーハを洗浄と同時に親水性を持たせる薬液で洗浄す
るものである。
【0024】14は重ね合わせ工程で、本実施例では後
述する重ね合わせ機Aを用いて、仕上げ洗浄された2枚
のウェーハを直ちにクリーンルーム内の空気とは遮断し
た状態で重ね合わせる。16は結合熱処理工程で、重ね
合わされた2枚のウェーハを所定条件、例えばwetO
2 雰囲気で、1100℃、30分の熱処理を行って結合
する。
【0025】Siウェーハを使用し、第1実施例の工程
により製造されたSOI型基板について、その結合界面
のボロン量をSIMSで測定した。その結果を図6に示す。
同図において、図1の方法によるSOI型基板の結合界
面のボロン量は、SIMSの検出限界( 5×1014atoms/cm
3 、点線で示す。)以下であった(図面上は、白抜きの
棒グラフ)。この結果から、第1実施例によれば、従来
方法に比べで遙かにボロン量が減少していることが確認
できた。
【0026】図2は、本発明方法の第2実施例の工程を
示すフローチャートである。この第2実施例では、上記
第1実施例のウェーハの仕上げ洗浄工程12の後に、ウ
ェーハをクリーンベンチ内で放置せず、密閉式ボックス
内に保管する工程13を加え、このボックス内に一旦保
管された2枚のウェーハを取り出して、直ちに重ね合わ
せ工程14で重ね合わせるようにしたものである。
【0027】Siウェーハを使用し、第2実施例の工程
により製造されたSOI型基板について、その結合界面
のボロン量をSIMSで測定した結果を図7に示す。同図に
おいて、図2の方法によるSOI型基板の結合界面のボ
ロン量は、2×1015atoms/cm3 程度であり、この結果
から、第2実施例によっても、従来方法に比べで格段に
ボロン量が減少していることが確認できた。
【0028】また、リンスにより、ウェーハ表面に吸着
していたボロンが溶けることを利用して、密閉式ボック
ス内保管工程と、重ね合わせ工程の間に、15分のリン
ス工程14aを付け加えた方法(図3)を第3実施例と
し、その結果を図7に示す。図7の第3実施例に示す通
り、この場合、ボロン濃度は1×1015atoms/cm3 とさ
らに減少していることが確認できた。
【0029】図4は、本発明方法の第4実施例の工程を
示すフローチャートである。この第4実施例では、ウェ
ーハの仕上げ洗浄工程12の後、乾燥させずに、リンス
槽内でウェーハを保管する工程13aを加え、この水中
保管の2枚のウェーハをスピン乾燥工程を含む重ね合わ
せ工程14で重ね合わせるようにしたものである。
【0030】Siウェーハを使用し、第4実施例の工程
により製造されたSOI型基板について、その結合界面
のボロン量をSIMSで測定した所、図6の第1実施例の場
合と同様に、SIMSでのボロン検出限界以下であった。こ
の結果から、第4実施例によっても、従来方法に比べで
格段にボロン量が減少していることが確認できた。
【0031】而して、本発明方法において有効に用いら
れる水封式の重ね合わせ機の一具体例について、図5に
基づいて説明する。同図において、Aは重ね合わせ機
で、基盤20を有している。該基盤20の上面には3本
のガイドロッド22が互いに等間隔に設けられ、該3本
のガイドロッド22を介して第1ウェーハW1及び第2
ウェーハW2が上下方向に摺動可能なように当接支持さ
れる。
【0032】24は該ウェーハW1,W2の間に介在可
能でかつガイドロッド22を中心として回転移動が可能
に設けられたスペーサである。このスペーサにより、第
1ウェーハW1及び第2ウェーハW2の間に1〜2mm
の間隙が設けられる。
【0033】26は該基盤20上に設けられた透明カバ
ーで、該ガイドロッド22、ウェーハW1,W2及びス
ペーサ24を密閉状態で包囲可能にしている。該透明カ
バー26で密閉する前に、前記スペーサ24で設けられ
た2枚のウェーハの間隙部に純水をかけ流すことによ
り、ウェーハ表面についたパーティクルを除去するとと
もに、間隙部を純水で満たして、該ウェーハW1,W2
の表面が空気と接触しないようにし、その後カバー26
により密閉する。
【0034】28は該該基盤20の下面に取りつけられ
た回転軸である。この回転軸28を回転させることによ
り基盤20が回転し、ウェーハW1,W2のスピン乾燥
を行うことができる。また、外部より、赤外線ランプを
用いて赤外光をあてることで、乾燥の時間を短縮するこ
とができる。
【0035】上記のような構成により、図5に示したよ
うに、第1ウェーハW1をガイドロッド22間にセット
し、次いでスペーサ24を介して第2ウェーハW2を該
第1ウェーハW1の直上にセットする。次に、ウェーハ
W1,W2の間隙部に純水のかけ流しを行い、間隙部を
純水で満たした後、透明カバー26を被せウェーハを密
閉する。
【0036】この後、純水を排除すべく、回転によるウ
ェーハのスピン乾燥を行った後、密閉したまま該スペー
サ24を回転移動させると、ウェーハW2が降下してウ
ェーハW1の上面に接触し最終的に2枚のウェーハW
1,W2の重ね合わせが完了する。このような重ね合わ
せ機Aを用いることにより、ウェーハW1,W2の表面
の水の被膜がウェーハへのボロンの吸着を妨げる作用を
行うものである。
【0037】なお、上記した重ね合わせ機は、パーティ
クルフリーな結合界面を作り出すべく、Duke大学におい
て考案されたものを、本発明の目的に添うので応用した
ものである。従って、その代替工程としては、局所的な
クリーンベンチ内に超高純度のN2 ガス置換された空間
を設け、その中でスピン乾燥や重ね合わせ工程を組み込
んでもよい。
【0038】
【発明の効果】以上のように、本発明方法によれば、結
合型基板の結合界面の不純物、特にボロン量を大幅に減
少させることができる。その結果、結合型基板の品質向
上を図ることができ、その結果、結合型基板の結合界面
をSOI層と埋め込み酸化膜に置き換えたり、ベース基
板にパターン付けをした結合型基板や、パターン付けウ
ェーハ同士の重ね合わせ等を可能にし、立体的に複雑な
半導体デバイスの作成に役立つという効果が達成され
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法における第1実施例の結合型基板製
造工程を示すフローチャートである。
【図2】本発明方法における第2実施例の結合型基板製
造工程を示すフローチャートである。
【図3】本発明方法における第3実施例の結合型基板製
造工程を示すフローチャートである。
【図4】本発明方法における第4実施例の結合型基板製
造工程を示すフローチャートである。
【図5】本発明方法に用いられる重ね合わせ機の一例を
示す断面的説明図である。
【図6】第1実施例及び第1従来方法によって得られた
結合型基板の結合界面のボロン量を示すグラフである。
【図7】第2実施例、第3実施例及び第2従来方法によ
って得られた結合型基板の結合界面のボロン量を示すグ
ラフである。
【図8】第1従来方法による結合型基板製造工程を示す
フローチャートである。
【図9】第2従来方法による結合型基板製造工程を示す
フローチャートである。
【図10】Siウェーハをクリーンベンチ内に保管した
場合の保管時間とSOI型基板(結合型基板)の結合界
面のボロン量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
12,32 仕上げ洗浄工程 13,35 密閉式ボックス内に保管する工程 13a 水中保管工程 14a リンス工程 14,36 重ね合わせ工程 16,38 結合熱処理工程 A 重ね合わせ機 20 基盤 22 ガイドロッド 24 スペーサ W1,W2 ウェーハ 34 クリーンベンチ内で保管する工程
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中沢 一志 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6−244389(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウェーハの仕上げ洗浄を行う工程と、仕
    上げ洗浄を行ったウェーハをクリーンルームエアから隔
    離すべく密閉式ボックス内に保管する工程と、一旦保管
    された2枚のウェーハを直接クリーンルームエアにあた
    らない清浄な雰囲気下で重ね合わせる工程と、重ね合わ
    された2枚のウェーハを結合する結合熱処理工程とを有
    することを特徴とする結合型基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 ウェーハの仕上げ洗浄を行う工程と、仕
    上げ洗浄を行ったウェーハを水中で保管する工程と、直
    接クリーンルームエアにあたらない清浄な雰囲気下で重
    ね合わせ直前にウェーハを乾燥させ、2枚のウェーハを
    重ね合わせる工程と、重ね合わされた2枚のウェーハを
    結合する結合熱処理工程とを有することを特徴とする結
    合型基板の製造方法。
JP5206598A 1993-08-20 1993-08-20 結合型基板の製造方法 Expired - Lifetime JP2723787B2 (ja)

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