JP2846973B2 - 接合ウェーハの接合強度測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２枚のＳｉ単結晶の鏡
面ウェーハ（以下、単にウェーハと称す）の鏡面同士を
直接的にまたは、熱酸化膜を介して間接的に接合した接
合ウェーハの接合強度測定方法に関するもので、さらに
詳しくは、当該測定に用いられる測定試料片の作成方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を高密度に形成した集積回路
の素子分離を容易にしたり、あるいは特にＣＭＯＳ半導
体素子回路のラッチアップ現象を解消するために、「Ｓ
ＯＩ(Silicon On Insulator)構造を持つ半導体素子形成
用基板」が従来から提案されてきた。

【０００３】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て生産効率が悪
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」も本発明の適用対象となる半導体素子形成用
基板である。

【０００４】ところで、ＳＯＩ構造の半導体素子形成用
基板の製造方法については、例えば特開昭４８−４０３
７２号公報に述べられている。以下、同構造の半導体素
子形成用基板の製造方法の一例を図６〜図８に基づいて
説明する。

【０００５】鏡面研磨し洗浄した後のウェーハ１ａおよ
びウェーハ１ｂのうちボンド側となるウェーハ１ｂ全面
に先ず図６に示すように熱酸化によって厚さ約０．８μ
ｍ程度の熱酸化膜１ｃを形成する。次いで、ウェーハ１
ａとウェーハ１ｂとを重ね合せ（図７）、その状態で熱
処理を施すことによって、ウェーハ１ａとウェーハ１ｂ
を接合させる。

【０００６】そうして、このようにして得られたウェー
ハ接合体１のウェーハ１ｂ外側を研磨または／およびエ
ッチング等により薄膜化することによって、図８に示す
ＳＯＩ構造の半導体素子形成用基板１１を製造する。

【０００７】ところで、前記接合ウェーハ１におけるウ
ェーハ同士の接合強度が弱い場合、その後の研磨および
超音波洗浄の際、接合ウェーハ１におけるウェーハ同士
の剥離を生じる場合があり、剥離を生じた接合ウェーハ
１は使いものにならなくなってしまう。したがって、こ
のような無駄を省くため、接合ウェーハ１をサンプリン
グして当該サンプリングされた接合ウェーハ１について
の接合強度を測定することが従来行なわれてきた。ま
た、接合力改善のために熱処理条件を変更するなどした
場合、接合ウェーハ１が所望の接合強度を持っているか
どうかを調べるためにも前記測定が行なわれてきた。

【０００８】即ち、このようなウェーハ接合型の半導体
素子形成用基板にあって、その接着状態の良／不良は、
単に接合ウェーハ製造加工時の歩留問題のみに留まら
ず、それを利用して半導体装置を製造する際の歩留か
ら、製品そのものの信頼性にも影響する。それ故、接合
ウェーハの接着力を所定水準以上に維持しつつ、その全
面における均一性を保つよう管理することは、極めて重
要なことである。

【０００９】以下、従来の接合ウェーハ１の接合強度測
定方法について説明する。

【００１０】先ず、図９に示すように、接合ウェーハ１
をダイシングソーにて一辺を数ｍｍの矩形に切り出し
て、これを測定試料片２とする。そして、この切り出し
た測定試料片２の両主面を、図１０に示すように、接着
剤８を介して、引張り試験装置における引張り治具３，
４の引張り試験試料保持面３ａ，４ａにそれぞれ固定
し、当該引張り試験試料保持面３ａ，４ａを互いに遠ざ
けるよう力を加え、前記ウェーハ１ａ，１ｂの接合面１
ｃが剥離したときの前記引張り試験試料保持面３ａ，４
ａに加えられた張力Ｐを測定して、接合ウェーハ１の接
合強度を測定するようにしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の接合強度試験には下記のような問題があった。

【００１２】先ず、前記方法によれば、接合ウェーハ１
をダイシングソーによって切断してなる測定試料片２を
用いて試験を行なっているため、測定試料片２の外周部
に加工歪が形成され易く、その分、外周部近傍の接合強
度が弱まる。したがって、試験時に引張り力が加わった
場合、先ず、測定試料片２の外周部が剥がれ、その結
果、接合面積が実質的に減り、比較的小さい引張り力に
よって接合面の剥離がなされることになる。そのため良
品が不良品と判断される場合も生じる。

【００１３】また、前記方法によれば、測定試料片２を
矩形としているため、測定試料片２に角ばった部分がで
き、例えば測定試料片２が傾いた状態で引張り試料保持
面３ａ，４ａに接着されている場合など、この角ばった
部分が欠けたり剥がれ易く、その場合、接合面積が実質
的に減り、比較的小さい引張り力によって接合面の剥離
がなされることになる。その結果、接着強度の測定値は
不安定化して、その信頼性に疑念を生じ、良品が不良品
と判断される場合も起りうる。

【００１４】本発明は、かかる点に鑑みなされたもの
で、接合ウェーハの接合強度の測定が精度良くできる方
法を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、２枚のシリコン単結晶の鏡面ウェーハの
鏡面同士を直接または、熱酸化膜を介して接合した接合
ウェーハを加工して測定試料片を作成し、当該測定試料
片の両主面を、接着剤を介して、対峙する２つの引張り
試験試料保持面にそれぞれ固定し、当該２つの引張り試
験試料保持面を互いに遠ざけ、前記測定試料片における
前記ウェーハの接合面が剥離したときの前記２つの引張
り試験試料保持面に加えられた引張り力を測定して、前
記接合ウェーハの接合強度を測定するにあたり、前記接
合ウェーハの両主面を表面保護膜で被覆した後、前記接
合ウェーハの外周部約３ｍｍを除いた部分を超音波加工
で円形にくり抜き、さらに前記保護膜を除去したものを
測定試料片としたものである。

【００１６】

【作用】上記した手段によれば、接合ウェーハの外周部
約３ｍｍを除いた部分を測定試料片としているので、ウ
ェーハの面取り部および面取りの際の加工後残存部分が
測定試料片内に含まれなくなり、引張り力の作用する接
合面積の低減が防止される。

【００１７】また、上記した手段では、測定試料片を円
形としているので、測定試料片外周部に角ばった部分が
存在せず、したがって、測定試料片が引張り試験試料保
持面に多少傾いた状態で接着された場合であっても、外
周部から剥がれ難く、しかも外周部の欠けも防止され
る。

【００１８】さらに、上記した手段では、超音波加工に
より測定試料片を作成しているので、測定試料片外周部
に加工歪が存在せず、したがって、引張り力の作用する
接合面積の低減が防止される。

【００１９】また、上記した手段では、超音波加工前に
接合ウェーハの両主面に保護膜を被覆しているので、超
音波加工の際の接合ウェーハの欠けや割れを防止でき
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係る接合ウェーハの接合強度
測定方法の実施例を図面に基づいて説明する。

【００２１】図５には本実施例における測定試料片２が
示されている。

【００２２】この測定試料片２は円形を呈しており、そ
の直径は特に制限はされないが２〜１０ｍｍ程度となっ
ている。

【００２３】次に、この測定試料片２の作成方法をＳＯ
Ｉ型接合ウェーハの場合について説明する。

【００２４】先ず、酸化膜無しのウェーハ１ａと両面に
酸化膜１ｃ付きのウェーハ１ｂとを熱酸化膜１ｃを介し
て間接的に接合した接合ウェーハ１（図１）の両主面に
図２に示すように保護膜５をコーティングする。この保
護膜５としては例えばフェノール樹脂やエポキシ樹脂の
ような熱硬化性樹脂またはＰＶＡのような水溶性樹脂が
用いられる。次に、図３に示すように、接合ウェーハ１
の外周部の約３ｍｍを除いた部分に例えば２〜１０ｍｍ
程度の外径を持つ円筒状のくり抜き治具６を突き当て
る。このくり抜き治具６によって接合ウェーハ１に所定
圧力を加えつつ超音波振動を与える。これにより、前記
接合ウェーハ１を円形状にくり抜き、このくり抜き片７
（図４）の両主面の保護膜５を除去することにより、図
５に示す測定試料片２が作成される。

【００２５】そうして、このようにして作成された測定
試料片２の両主面を図１０に示すように例えば一液性加
熱硬化型エポキシ系の接着剤８にてＳＵＳ製の引張り治
具３，４の引張り試験試料保持面３ａ，４ａに接着す
る。次いで、引張り試験試料保持面３ａ，４ａを互いに
遠ざけ、前記ウェーハ１ａ，１ｂの接合面１ｃが剥離し
たときの前記２つの引張り試験試料保持面３ａ，４ａに
加えられた引張り力を測定して接合強度を測定する。

【００２６】なお、前記接着剤８として二液性常温硬化
型エポキシ樹脂接着剤を用いず一液性加熱硬化型エポキ
シ樹脂接着剤を用いたのは、前記二液性エポキシでは２
液の配合比や混合状態の不均一から、接着力のバラツキ
などがあり、接合面の剥離前に接着層自体が破断したり
する場合があるが、一液性加熱硬化型エポキシ樹脂接着
剤ではこのような不都合はなく精度の高い測定ができる
ことによる。この一液性加熱硬化型エポキシ樹脂接着剤
としては、例えばボンドＥ４０（コニシ株式会社製）が
用いられる。ちなみに、このボンドＥ４０は、引張り剪
断接着強さが４００ｋｇｆ／ｃｍ²で、剥離接着強さが
１８ｋｇｆ／２５ｍｍ以上で、従来の二液性エポキシ樹
脂接着剤の１０〜２０倍位である。

【００２７】次に、測定試料片２を前記のようにして作
成した理由について述べる。

【００２８】その第１の、接合ウェーハ１の外周部３ｍ
ｍを除いた部分を測定試料片２とした理由であるが、外
周部３ｍｍの範囲は、面取り部および面取りの際の加工
歪残存部分であり、その接合力は必ずしも完全ではない
部分が測定試料片２内に含まれるのを避けるためであ
る。

【００２９】その第２の、測定試料片２の形状を円形と
したのは、例えば測定試料片２が傾いた状態で引張り試
料保持面３ａ，４ａに接着している場合などでも、当該
部分が引張り試験の際に欠けたり剥がれたりするのを防
止するためである。

【００３０】その第３の、超音波加工により測定試料片
２を作成しているのは、円形の加工がし易いこと、加工
歪が少ないことを考慮したためである。

【００３１】その第４の、超音波加工前に接合ウェーハ
１の両主面に保護膜５を形成しているのは、接合ウェー
ハ１自体が脆弱な材料から構成されているため、超音波
加工の際に割れ易く、それを防止するためものである。

【００３２】測定試料片２が引張り試験試料保持面に多
少傾いた状態で接着された場合など引張り荷重の加わり
方が一様でない場合でも、外周部から剥がれ難く、しか
も外周部の欠けも防止される。

【００３３】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。

【００３４】例えば、前記実施例では、２枚のウェーハ
１ａ，１ｂを熱酸化膜１ｃを介して接合した接合ウェー
ハ１の接合強度測定をする場合について説明したが、２
枚のウェーハ１ａ，１ｂを直接的に接合した接合ウェー
ハ１についても適用できる。

【発明の効果】

【００３５】本願で開示される発明のうち、その代表的
な効果を説明すれば、次の通りである。即ち２枚のシリ
コン単結晶ウェーハを直接または、熱酸化膜を介して接
合した接合ウェーハ型の半導体素子形成用基板において
は、その接合部の接着が強力かつ均一であることが、最
も重要なことである。

【００３６】従ってそのような高品質の接合ウェーハを
開発するに当たっては、その結合力を正確に測定し評価
することが大切である。

【００３７】本発明は測定精度が悪く、バラツキが大で
あった従来の接合ウェーハの接着力測定方法に改良を加
え、その測定方法をより正確かつ容易にすることで、高
品質の接合ウェーハ製造方法の開発を確実なものにし
た。

【００３８】また本発明の効果により、高品質の接合ウ
ェーハの製造が可能となり、これより製造される半導体
装置の製造歩留と信頼性が向上するという二次的な効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化膜無しのウェーハと酸化膜付きとを熱酸化
膜を介して間接的に接合した接合ウェーハの縦断面図で
ある。

【図２】接合ウェーハの両主面に保護膜をコーテイング
した状態の縦断面図である。

【図３】くり抜き治具によって接合ウェーハをくり抜く
状態を説明するための縦断面図である。

【図４】このくり抜き片の両主面の保護膜を除去するこ
とにより得られた測定試料片の縦断面図である。

【図５】測定試料片の斜視図である。

【図６】ウェーハ重ね合せ前の状態を示す両ウェーハの
縦断面図である。

【図７】ウェーハ重ね合せ後の状態を示す両ウェーハの
縦断面図である。

【図８】ＳＯＩ構造の半導体素子形成用基板の縦断面図
である。

【図９】接合強度試験の際の測定試料片の接着状態の説
明図である。

【図１０】従来の測定試料片の斜視図である。

【符号の説明】

１ 接合ウェーハ １ａ，１ｂ ウェーハ ２ 測定試料片 ３，４ 引張り治具 ３ａ，４ａ 引張り試料保持面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚のシリコン単結晶の鏡面ウェーハの
   鏡面同士を直接または、熱酸化膜を介して接合した接合
   ウェーハを加工して測定試料片を作成し、当該測定試料
   片の両主面を、接着剤を介して、対峙する２つの引張り
   試験試料保持面にそれぞれ固定し、当該２つの引張り試
   験試料保持面を互いに遠ざけ、前記測定試料片における
   前記ウェーハの接合面が剥離したときの前記２つの引張
   り試験試料保持面に加えられた引張り力を測定して、前
   記接合ウェーハの接合強度を測定するにあたり、前記接
   合ウェーハの両主面を、加工時の保護膜として機能する
   表面保護膜で被覆した後、前記接合ウェーハの外周部約
   ３ｍｍを除いた部分を超音波加工で円形にくり抜き、さ
   らに前記保護膜を除去したものを測定試料片としたこと
   を特徴とする接合ウェーハの接合強度測定方法。