JP4177293B2 - 半導体接合ウエハ - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板を接着剤などを用いることなく強固に貼り合わせて一体化した半導体接合ウエハ、特に固着熱処理工程におけるボイド（未接合部分）の発生を防止するものに関する。
詳しくは、２枚のシリコン基板の接合面を密接させ、所定温度の固着熱処理により両ウエハを加熱して所望の接合強度に貼り合わせた半導体接合ウエハに関する。

従来、この種の半導体接合ウエハとして、２枚のシリコン基板の各接合面を夫々鏡面研磨し、各接合面を弗酸処理して表面酸化膜を除去した後、水洗、乾燥して、これらの接合面を実質的に異物の介在しない条件下で直接密接させてシリコン基板を加圧することなく２００℃以上、好ましくは５００℃以上の温度で固着熱処理（熱処理）することにより、一体的に接着させて、深い拡散層の形成や厚いエピタキシャル層の形成などの代替技術として利用可能にしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第２６２１８５１号公報（第１〜２頁）

具体的にエピタキシャルウエハの代替として利用する場合、支持基板となるベースウエハは、例えば砒素やアンチモンなどの高濃度な不純物がドーピングされた低比抵抗のシリコン基板が使用され、またデバイスが作製される方のボンドウエハは、エピタキシャル層の替わりとして例えばリンなどの低濃度の不純物がドーピングされた高比抵抗のシリコン基板が使用される。

また、このような半導体接合ウエハでは、その接合界面が隙間となるボイド（未接合部分）が発生すると、このボイドによりデバイス製造工程において接合部分が剥離する原因となったり、デバイス特性に悪影響を及ぼすため、ボイドが発生していないことや接合界面にできるだけ結晶欠陥がないことが前提となる。
このボイドの発生原因としては、先ず、接着されるシリコン基板の表面に付着したパーティクルが起因して接合界面に未接着の隙間を形成すると考えており、その他の原因としては、シリコン基板の表面に吸着している水分や有機物などが固着熱処理によって、熱エネルギーでシリコン表面から脱離してガス化されるために接合界面にボイドが生ずると考えている。

そこで、近年の固着熱処理では、２枚のシリコン基板を室温で密接した後に、例えば６００℃〜８００℃に加熱した熱処理炉に投入して、通常の昇温速度（１０℃／分）で昇温させ、９００℃以上の高温領域で固着熱処理を施すことにより、接着された接合界面の結合力を化学的により強固にすると共に、例えばパーティクルに起因するボイド、又は水分や有機物などが熱処理中にガス化して一旦、低温領域で生じたボイドを、最終的に消滅させるのが一般的である。

しかし乍ら、このような従来の半導体接合ウエハでは、高温の固着熱処理によりボイドを消滅させると、ベースウエハの高濃度にドーピングされている例えば砒素やアンチモンなどの高濃度な不純物が接着されたボンドウエハ中に拡散され、ベースウエハとボンドウエハの接合境界により緩やかな遷移領域ができてしまう。
そのため、デバイスが作製される活性層の比抵抗を変化させてしまい、デバイス特性に悪影響を及ぼす可能性があるという問題がある。
従って、密接後の固着熱処理温度は、より低ければ良いが、その場合には前述の熱処理中に発生するボイドを消滅できないという問題があった。
また、前述した９００℃以上の高温領域で固着熱処理を施した後に、超音波探傷法を用いてボイドを観察することにより、ボイドが完全に消滅したのを確認できた場合であっても、その接合界面の結晶性評価をＸ線で行うと、ボイドの外形状に似たリング状の結晶欠陥が検出され、ボイドがリング状結晶欠陥として残存するという問題があった。
このリング状結晶欠陥は、比較的に厚さの薄い２枚のシリコン基板を接合させた場合に、全面的に多く検出されることが解った。
更に、ボンド層を研削研磨した後、表面を選択エッチングして表面の結晶性を評価したところ、Ｘ線で観察されたリング状結晶欠陥と同じ欠陥パターン(発生位置・大きさ)が確認され、そのため、このリング状結晶欠陥がデバイス特性に悪影響を及ぼすことも解った。

本発明のうち請求項１記載の発明は、ドーパント不純物の拡散及びボイドの発生を防止しながら接合強度が強固な半導体接合ウエハを提供することを目的としたものである。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の目的に加えて、ボイドの発生をより確実に防止することを目的としたものである。
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明の目的に加えて、リング状結晶欠陥の発生を防止することを目的としたものである。
請求項４記載の発明は、請求項１に記載の発明の目的に加えて、ウエハライフタイムの改善を図って生産性を向上させることを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、固着熱処理が、シリコン基板の密接した接合面同士を、２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させて、接合面に吸着された水分や有機物のガス化を緩和したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させ、所定の温度で維持した構成を加えたことを特徴とする。
このような構成から生じる発明の作用については、２００℃以下の低温状態では、シリコン（Ｓｉ）の表面に、ウエハを希フッ酸水溶液中に浸漬させることにより一部形成されたＳｉ−Ｆ（ほとんどはＳｉ−Ｈ）が純水リンスすることで加水分解されてＳｉ−ＯＨに変換され、その結果形成された水酸基（ＯＨ）を介した水素結合で接合されている。
２００℃より高温では、接合面で脱水縮合が起きてＳｉと酸素（Ｏ）の結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）ができて強固な結合となり、更に９００℃以上の高温状態で接合面の酸素（Ｏ）がシリコン基板に拡散されＳｉ原子同士の直接結合（Ｓｉ−Ｓｉ）となる。
更に、密接したシリコン基板同士の固着熱処理を、ドーパント不純物の拡散が生じ難い例えば約２００℃の低温領域から開始し、かつ昇温速度を例えば１．５℃/分以下に遅くして少なくとも１００℃以上昇温させることにより、それら接合面で脱水縮合が起きてシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）ができて強固な結合となると共に、接合面に吸着された水分や有機物のガス化が緩和されて、ボイドの発生が抑制される。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、所定の温度で維持した構成を加えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、４００℃以上の温度領域では上記１．０℃/分以下の昇温速度より早い昇温速度で更に昇温させて、所定の温度で維持した構成を加えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明は、密接したシリコン基板同士を、ドーパント不純物の拡散が生じ難い２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させることにより、それら接合面で脱水縮合が起きてシリコンと酸素の結合ができて強固な結合となると共に、接合面に吸着された水分や有機物のガス化が緩和されて、ボイドの発生が抑制されるので、ドーパント不純物の拡散及びボイドの発生を防止しながら接合強度が強固な半導体接合ウエハを提供する・ことができる。
従って、高温の固着熱処理によりボイドを消滅させるとドーパント不純物が拡散して接合境界により緩やかな遷移領域ができる従来のものに比べ、接合境界により緩やかな遷移領域ができず、デバイスが作製される活性層の比抵抗を変化させないと共に、接合界面にボイドが発生せず、しかも低温でも十分な接合強度を保てる。
その結果として後工程の接合ウエハの加工プロセス、及びデバイスプロセスにおける接合界面でのハガレ・ワレ・カケなどの不良品の発生を低減できデバイスチップの低コスト化が実現できることは元より、最終製品であるデバイスの電気特性に悪影響を与えず高品質のデバイスチップが製造可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させ、所定の温度で維持することによって、その過程に起こる水分や有機物のガス化が更に緩和される。
従って、ボイドの発生をより確実に防止できる。

請求項３の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、所定の温度で維持することにより、その過程に起こる急激な脱水縮合反応が抑制されて、その熱ストレスが緩和されると共に、接合界面付近の成分のガス化が緩和される。
従って、リング状結晶欠陥の発生を防止できる。

請求項４の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、４００℃以上の温度領域では上記１．０℃/分以下の昇温速度より早い昇温速度で更に昇温させて、所定の温度で維持することにより、固着熱処理炉からの重金属汚染と、酸素のドナー化が可能な限り防止される。
従って、ウエハライフタイム（ＷＬＴ）の改善を図って生産性の向上を期待できる。

本発明の半導体接合ウエハとして、２枚のシリコン基板１，２の表面に形成される自然酸化膜を除去して各接着面同士が直接接合される場合を示している。
詳しくは、これら２枚のシリコン基板１，２として、先ずベースウエハとボンドウエハの接合面１ａ，２ａを鏡面研磨し、図１（ａ）に示す如く、これら接合面１ａ，２ａに形成されている自然酸化膜を、例えば１．５重量％程度のフッ酸（ＨＦ）水溶液３に約４分間浸漬して除去する。

次に、５リットル／分速度の流量で流れる超純水で８分間水洗して、ウエハ表面をスピン乾燥させる。
このように処理された両ウエハ１，２の接合面１ａ，２ａを、図１（ｂ）に示す如く、清浄な雰囲気下で密接させる。
この時、密接させる様子を赤外線透過影像法によって未接着部分（ボイド）が無いことを確認しながら貼り合せる。

その後、これら密接されたベースウエハ１とボンドウエハ２の結合を強固にするために、図１（ｃ）に示す如く固着熱処理を行って、これら両ウエハ１，２の接合面１ａ，２ａ同士を低温領域から遅い昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させることにより、該接合面１ａ，２ａに吸着された水分や有機物のガス化が緩和されるようにしている。。
なお図中、符号４は固着熱処理により形成された酸化膜である。
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。

実施例１は、夫々直径５インチ、Ｎ型の結晶方位＜１００＞、厚さ６５０μｍで、支持基板となる比抵抗０．０１Ωｃｍのベースウエハ１と、デバイスが作製される側の比抵抗２５０Ωｃｍのボンドウエハ２を用意し、これら両ウエハ１，２の結合を強固にするために、図２（ａ）に示す熱処理シーケンスを用いて固着熱処理を行う。

その熱処理条件の特徴は、例えば２００℃の低温領域に加熱した熱処理炉に、密接された両ウエハ１，２を投入し、昇温速度を通常より遅い１．５℃／分以下で少なくとも１００℃以上昇温させ、所定の温度で維持する。

この実施例１Ａでは、予め低温の２００℃に保持された熱処理炉に投入して、１．５℃／分以下の遅い昇温速度で２００℃から３００℃まで昇温させ、この３００℃のまま温度維持しつつ２時間に亘り固着熱処理を行った。

この実施例１Ｂ〜Ｈでは、実施例１Ａで説明したものと同じ密接された両ウエハ１，２を、予め低温の２００℃に保持された熱処理炉に投入して、１．５℃／分以下の遅い昇温速度で３００℃まで昇温させると共に、この３００℃から１０００℃まで１００℃の間隔で温度維持しつつ２時間に亘り固着熱処理を行った。
ただし、３００℃より高い温度の場合は、３００℃から昇温速度をやや速い３．５℃／分に上げて所定温度まで昇温させる２段のシーケンスで実施した。

更に、これらに対する比較例１Ａ〜Ｄとして、図２（ｂ）に示す熱処理シーケンスを用いて、実施例１Ａで説明したものと同じ密接された両ウエハ１，２を、予め３００℃から６００℃まで１００℃の間隔で保持された熱処理炉に投入し、２時間に亘り固着熱処理を行ったものを用意すると共に、比較例１Ｅ〜Ｈとして、予め６００℃に保持された熱処理炉に投入し、３．５℃／分のやや早い昇温速度で昇温させ、７００℃から１０００℃まで１００℃の間隔で温度維持しつつ２時間に亘り固着熱処理を行ったものを用意した。

また、近年の固着熱処理で行われている９００℃以上の場合には、密接された両ウエハ１，２を、予め８００℃に保持された熱処理炉に投入して、１０℃／分の早い昇温速度で昇温させるのが一般的であるが、本実験では比較例１Ｄ〜Ｈの昇温速度を、実施例１Ｄ〜Ｈの熱処理条件に近い３．５℃／分として、これらの効果をより確実に見極めることができるようにしている。

そして、これら実施例１Ａ〜Ｈと比較例１Ａ〜Ｈの固着熱処理後における両ウエハ１，２の接合状態を調べるために、超音波探傷法を用いてボイドを観察し、それらの映像（写真）を図３に示す。

その結果、比較例１Ａ〜Ｆで行った熱処理条件の場合、固着熱処理温度に相当する維持温度が３００℃から８００℃までの接合界面には、ボイド（白い丸状部分）が生じているのに対し、実施例１Ａ〜Ｈでは、全ての固着熱処理温度でボイドの発生が皆無であった。
このように実施例１Ａ〜Ｈの固着熱処理条件で処理することにより、ボイドの発生が抑制されたことが判る。

次に、前述のように低温領域で接合された両ウエハ１，２が、その後のボンドウエハ２側の加工工程とデバイスプロセスにおいて、接合面１ａ，２ａの剥がれ不良が起きないことを説明するために接合強度試験を行った。

この接合強度を測定する方法は、図４に示すように引っ張り試験法を用いた。
引っ張り強度は、エポキシコーティングされたスタッドの接着強度（700Ｋｇ／ｃｍ²程度）が基準となる。
従って、コーティングスタッドが両ウエハ１，２の接合面１ａ，２ａから剥がれれば、接合界面５の強度は接着剤の強度以上であることを示し、同時にその剥がれた時の強度が計測される。
更に図中、符号６は引っ張り試験用スタッドであり、符号７はエポキシ接着剤である。

先ず、夫々の条件で熱処理された半導体接合ウエハを接合強度試験用に、ボンドウエハ２側を図５（ａ）〜（ｃ）のように平面研削と研磨で所定厚さ（例えば５μｍ程度）の膜厚になるよう加工した。
また図中、符号８は平面研削面であり、符号２ｂはボンド層であり、符号２ｃは鏡面研磨面である。

そして、全サンプルをダイサーで７ｍｍ角のチップに切り出し、図６に示す位置のチップに前述のエポキシコーティングされたスタッドをボンドウエハ２側の表面に密着させ、熱で接着剤を硬化し固定し、この状態で引っ張り試験機を用いて接合強度を測定した。

その結果、図７に示すように、本発明の固着熱処理、全条件とも接着剤強度を上回り、近年の温度条件（９００℃以上）と同等の接合強度を示した。
なお、比較例１Ａ〜Ｆの固着熱処理温度が３００℃〜８００℃のウエハは、ボイドが発生するため引っ張り試験を省略した。

実施例２は、夫々直径５インチ、Ｎ型の結晶方位＜１００＞、厚さ２５０μｍで、支持基板となる比抵抗０．００４Ωｃｍのベースウエハ１と、デバイスが作製される側の比抵抗３０００Ωｃｍ、厚さ４５０μｍのボンドウエハ２を用意し、これら両ウエハ１，２の結合を強固にするために、図８（ａ）に示す熱処理シーケンスを用いて固着熱処理を行う。

その熱処理条件の特徴は、例えば２００℃の低温領域に加熱した熱処理炉に、密接された両ウエハ１，２を投入し、昇温速度を通常より遅い１．０℃／分以下で少なくとも約２００℃以上昇温させ、所定の温度で維持する。

具体例としては、予め低温の２００℃に保持された熱処理炉に投入して、１．０℃／分以下の遅い昇温速度で４００℃以上に昇温させ、所定の温度（例えば１１００℃）のまま温度維持しつつ２時間に亘り固着熱処理を行った。
ただし、４００℃以上の温度領域では、上記昇温速度より早い例えば１０℃／分に上げて所定の温度まで更に昇温させる２段のシーケンスで実施した。

更に、これに対する比較例２として、図８（ｂ）に示す熱処理シーケンスのような近年の固着熱処理と同様に、実施例２で説明したものと同じ密接された両ウエハ１，２を、予め８００℃に保持された熱処理炉に投入し、通常の昇温速度（１０℃／分）で昇温させ、１１００℃で２時間に亘り固着熱処理を行ったものを用意した。

そして、これら実施例２と比較例２の固着熱処理後における両ウエハ１，２の接合状態を調べるために、超音波探傷法を用いてボイドを観察し、それらの映像（写真）を図９（ａ）（ｂ）に示す。
その結果、実施例２と比較例２は共にボイドの発生が皆無であった。

更に、これら両ウエハ１，２の接合面１ａ，２ａをＸ線で観察し、それらの映像（写真）を図１０（ａ）（ｂ）に示す。
その結果、比較例２で行った熱処理条件の場合には、接合界面の全体に多数のリング状結晶欠陥が生じているのに対し、実施例２で行った熱処理条件の場合には、接合界面にリング状結晶欠陥が皆無に極めて近い状態であった。

また、比較例２の接合界面に生じたリング状結晶欠陥を透過型電子顕微鏡で断面観察したところ、図１０（ｃ）に示すように該リング状結晶欠陥がベースウエハ側からボンドウエハ側まで貫通していた。
このように実施例２の固着熱処理条件で処理することにより、リング状結晶欠陥が無くなったことが判る。特に薄いウエハを接合した場合においてもリング状結晶欠陥の発生を著しく低減できた。

次に、前述した実施例２の接合ウエハと比較例２の接合ウエハを用い、図１１（ａ）（ｂ）に示すように選択ボロン拡散してプレーナー型ダイオードを作製し、その特性の優劣を比較するために実施例２と比較例２とでリーク電流評価を行った。

その結果、比較例２で行った熱処理条件の場合には、リーク電流値の最大が２０００ｎＡ以上（検出限界以上：Over detect）であった数が全体の約１／６に達するのに対し、実施例２では、リーク電流値の最大が４６０ｎＡで平均値も約１／２であった。
このように実施例２の固着熱処理条件で処理することにより、リーク電流の値が小さくなって特性が良くなると共に、面内バラツキも小さくなって特性が良好である。

尚、前示各実施例では、熱処理炉の温度を上げて固着熱処理温度を昇温させたが、これに限定されず、密接された両ウエハ１，２を熱源に対して徐々に接近移動させることにより、固着熱処理温度が昇温するようにしても良い。

（ａ）〜（ｃ）が本発明の半導体接合ウエハの製造方法において、貼り合わせ前から固着熱処理工程までの説明図である。 （ａ）が実施例１Ａ〜Ｈの固着熱処理シーケンスを示す図であり、（ｂ）が比較例１Ａ〜Ｈの固着熱処理シーケンスを示す図である。 実施例１Ａ〜Ｈと比較例１Ａ〜Ｈの各固着熱処理条件によるボイドの発生を超音波探傷法で測定した結果を示す映像である。 接合強度を測定する引っ張り試験法を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）が接合強度を測定する半導体接合ウエハの加工方法を示す工程図である。 接合強度を測定した半導体接合ウエハの位置を示す説明図である。 実施例１Ａ〜Ｈと比較例１Ｇ，Ｈの各固着熱処理温度による接合強度測定の結果を示すグラフである。 （ａ）が実施例２の固着熱処理シーケンスを示す図であり、（ｂ）が比較例２の固着熱処理シーケンスを示す図である。 （ａ）が実施例２の固着熱処理条件によるボイドの発生を超音波探傷法で測定した結果を示す映像であり、（ｂ）が比較例２の固着熱処理条件によるボイドの発生を超音波探傷法で測定した結果を示す映像である。 （ａ）が実施例２の固着熱処理条件によるリング状結晶欠陥の発生をＸ線で観察した結果を示す映像であり、（ｂ）が比較例２の固着熱処理条件によるリング状結晶欠陥の発生をＸ線で観察した結果を示す映像であり、（ｃ）が比較例２の固着熱処理条件によるリング状結晶欠陥の発生を透過型電子顕微鏡で断面観察した結果を示す映像である。 （ａ）が実施例２のダイオード特性（リーク電流特性）結果を示す図であり、（ｂ）がダイオード特性（リーク電流特性）結果を示す図である。

符号の説明

１ シリコン基板（ベースウエハ） １ａ 接合面
２ シリコン基板（ボンドウエハ） ２ａ 接合面
２ｂ ボンド層 ２ｃ 鏡面研磨面
３ フッ酸水溶液 ４ 酸化膜
５ 接合界面 ６ 引っ張り試験用スタッド
７ エポキシ接着剤 ８ 平面研削面

Claims (4)

1. ２枚のシリコン基板（１，２）の接合面（１ａ，２ａ）を密接させ、所定温度の固着熱処理によりシリコン基板（１，２）を加熱して所望の接合強度に貼り合わせた半導体接合ウエハにおいて、
   前記固着熱処理が、シリコン基板（１，２）の密接した接合面（１ａ，２ａ）同士を、２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させて、接合面（１ａ，２ａ）に吸着された水分や有機物のガス化を緩和したことを特徴とする半導体接合ウエハ。
2. 前記２００℃の低温領域から１．５℃/分以下の昇温速度で少なくとも１００℃以上昇温させ、所定の温度で維持した請求項１記載の半導体接合ウエハ。
3. 前記２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、所定の温度で維持した請求項１記載の半導体接合ウエハ。
4. 前記２００℃の低温領域から１．０℃/分以下の昇温速度で少なくとも２００℃以上昇温させ、４００℃以上の温度領域では上記１．０℃/分以下の昇温速度より早い昇温速度で更に昇温させて、所定の温度で維持した請求項１記載の半導体接合ウエハ。