JP4750065B2

JP4750065B2 - 貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP4750065B2
Application number: JP2007087340A
Authority: JP
Inventors: 博昭山本; 裕孝加藤; 弘古川; 和明藤本
Original assignee: Sumco Techxiv Corp
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: JP2007208288A

Description

本発明は、貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法に係り、特には、ウェーハの接着に関する。

鏡面に研磨されたシリコン等の基板を洗浄活性化し、その研磨面同士を接着剤等を介在させることなく重ね合わせて接触させると、両者は自らの力で密着することが知られている（特許文献２参照）。
従来は、片面を鏡面研磨したベースウェーハと、片面を鏡面研磨し、それを熱酸化して所定の厚さのＳｉＯ_２膜を形成した活性ウェーハとを洗浄した後、接着治具を用いて接着し、所定時間を経過してから接着熱処理を行っている。接着工程後、接着熱処理工程までの経過時間は、納期の範囲内で炉の都合等を考慮して適宜定めている。
特開昭６２−２６４６５１号公報特開平０３−０９７２１５号公報特開平０４−１６２６３０号公報特開平０７−０２９７８２号公報

従来方法では、接着工程を終了してから接着熱処理工程開始までの経過時間はロットごとにまちまちであり、図１１に示すようにウェーハ周辺部にボイド（未接着部のことで、以降ボイドという）が発生することが多い。接着したウェーハにボイドが１個でも発生すると、そのウェーハは不良品として廃棄しなければならない。前記ウェーハ周辺部のボイドは、接着工程終了から接着熱処理工程開始までに経過した時間とともに増加する。

また従来方法では、接着工程後、そのまま１０００℃以上の高温による接着熱処理を行っている。このため、接着の際に接着治具等からウェーハに付着した重金属不純物（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ等）が接着熱処理によってウェーハ内部に拡散し、ｐｎ接合のリーク電流の増加、キャリアライフタイムの低下等、半導体デバイスの電気的特性を低下させてしまう。

なお、特許文献２では、実験により必要十分な下限値を求めることなく漠然と３００℃で１時間のベークを行うということが開示されているが、３００℃という高温かつ長時間の加熱であるため無駄な製造コストがかかり、歩留まりが悪いという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に着目し、ウェーハ周辺部にボイド発生のない貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法を提供することを第１の目的とし、接着熱処理時におけるウェーハの重金属汚染を低減することが可能な貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、ボイドの発生状況を調べてみると、接着直後はボイドの発生は無いが、時間が経過するに従ってウェーハ周辺部にボイドの発生が多くなることに着目して、本発明はなされている。

貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法の第１の発明では、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハを接着する接着工程と、次いで接着熱処理を施して貼り合わせる接着熱処理工程とを有するウェーハの製造方法において、接着工程から接着熱処理工程までの時間を１時間以内にすることを特徴とすることを特徴としている。

また、貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法の第２の発明では、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハを接着する接着工程と、次いで接着熱処理を施して貼り合わせる接着熱処理工程とを有するウェーハの製造方法において、接着工程から接着熱処理工程までの間に温度１００℃〜２００℃のベークを少なくとも所定時間１０分間行うことを特徴とする。

次に、貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法の第３の発明では、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハを接着する接着工程と、次いで接着熱処理を施して貼り合わせる接着熱処理工程とを有するウェーハの製造工程において、接着工程から接着熱処理工程までの間に温度１００℃以上のベークを所定時間５分以上行い、更に、接着後ベーク処理を施した貼り合わせ半導体ウェーハにフッ酸溶液による洗浄を行うことを特徴とする。

本発明によれば、接着後１時間以内に接着熱処理をすることにより、または接着後ベークを行うことにより、ウェーハ周辺部のボイド発生が無くなり、不良率が低減する。また、所定温度で所定時間のベークを行うことにより、接着工程から接着熱処理工程までの間の経過時間を大幅に延長することができ、製造工程の管理が容易になる。更に、接着後ベークを行い、次いで酸系溶液を用いてウェーハ表面を清浄にすれば、ウェーハ表面に付着した重金属不純物のウェーハ内部への拡散が低減するので、高品質のＳＯＩ基板が得られる。

本発明は、貼り合わせ半導体ウェーハの製造において、ボイドの発生防止と重金属汚染の低減とを実現するため、接着工程から接着熱処理工程までの間に各種の改良を付加するものである。貼り合わせ半導体ウェーハを接着後１時間以内に接着熱処理をすれば、ウェーハ周辺部のボイド発生が抑えられることが確認された。また、いったん発生したボイドは接着熱処理をしても消滅することはなく、接着熱処理をした後ではボイドの増加は見られないことが確認された。

接着工程から接着熱処理工程までの間に所定の温度および時間のベークを行った場合も、ウェーハ周辺部のボイド発生が抑えられることが確認された。

更に、接着工程から接着熱処理工程までの間に１００℃以上のベークを５分以上行えば、ボイド発生が防止されるとともに、酸系溶液による洗浄とこれに続く水洗、乾燥に耐えうる接着強度が付与される。また、前記接着強度は接着をやり直す必要が生じた場合、ベースウェーハと活性ウェーハとを分離することも可能な強度である。そして、ベーク後に酸系溶液で洗浄することにより、ウェーハ表面に付着していた重金属不純物が除去されるため、接着熱処理を施してもウェーハ内部に前記重金属不純物が拡散する度合いが低減される。

次に、本発明に係る貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法の実施例について図面を参照して説明する。貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法に関して次のような実験を行った。なお、ボイドの確認は超音波探傷計（ＳＡＭ）評価で行った。
〔実験例１〕
図１に示すように、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハ１，２（ベースウェーハ１、活性ウェーハ２）にそれぞれＳＣ−１洗浄を施し、接着治具を用いて接着した後、接着熱処理工程までの経過時間ごとにボイドの発生を確認した。確認の水準は経過時間２０，３０，６０，９０，１２０分の５水準とし、各経過時間ごとにボイドの発生状況を調べた。その結果は図２の通りで、６０分以内ではボイドの発生は見られないが、６０分を超えるとウェーハの周辺部にボイドが見られるようになり、更に経過時間が増加するとともにボイドの数が増大している。

実験例１では、接着後１時間以内に接着熱処理を行うことにより、ボイドの無い貼り合わせ半導体ウェーハを作ることができた。この結果から本発明の第１の製造方法は、接着後１時間以内に接着熱処理を行うことを特徴とする。

〔実験例２〕
実験例２では、実験例１と同様に鏡面研磨されたベースウェーハ、活性ウェーハにそれぞれＳＣ−１洗浄を施し、接着治具を用いて接着した。次に、接着したウェーハにベークを行った。ベークによる効果を確認するため、所定の温度と時間とを組み合わせた水準別に各５セットのウェーハを作り、接着後の経過時間ごとにボイドの発生を調べた。なお、接着からベークまでの時間が短いため、図３〜図６において横軸は図２と同様に接着後経過時間で表示している。
（１）水準１
ベーク時間を５分とし、ベーク温度を８０℃、１００℃、１６０℃、２００℃に変えて各５セットずつ確認した。その結果は図３の通りで、８０℃では（☆）印で示すごとく、ほぼ２００分経過後にボイドの発生が見られた。また、１００℃では（●）印で示すごとく、ほぼ４００分経過後にボイドの発生が見られた。これに対し、１６０℃では（△）印、２００℃では（□）印で示すごとく、６００分が経過するまでボイドの発生は見られなかった。
（２）水準２
ベーク時間を３０分とし、ベーク温度を８０℃、１００℃に変えて各５セットずつ確認した。その結果は図４の通りで、８０℃では（☆）印で示すごとく、ほぼ１４０分経過後にボイドの発生が見られた。また、１００℃では（●）印で示すごとく、６００分が経過するまでボイドの発生は見られなかった。
（３）水準３
ベーク温度を１００℃とし、ベーク時間を５分、１０分、２０分、３０分に変えて各５セットずつ確認した。その結果は図５の通りで、５分では（●）印で示すごとく、ほぼ４００分経過後にボイドの発生が見られた。これに対し、１０分では（○）印、２０分では（△）印、３０分では（□）印で示すごとく、いずれも６００分が経過するまでボイドの発生は見られなかった。
（４）水準４
ベーク温度を１６０℃とし、ベーク時間を５分、１０分、２０分、３０分に変えて各５セットずつ確認した。その結果は図６の通りで、５分では（●）印、１０分では（○）印、２０分では（△）印、３０分では（□）印で示すごとく、いずれも６００分が経過するまでボイドの発生は見られなかった。

実験例２では、接着工程後にベークを行うと、ベーク温度が８０℃でベーク時間が３０分の場合はベーク後ほぼ１４０分経過後に、また、ベーク温度が１００℃でベーク時間が５分の場合はベーク後ほぼ４４０分経過後にボイドが発生した。しかし、ベークを行わない従来の製造方法では接着後６０分を超えるとボイドが発生していることに比べると、接着後接着熱処理までの経過時間を大幅に延長することが可能であることが確認された。従って、本発明の第２の製造方法は図７に示すように、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハ１，２をそれぞれＳＣ−１洗浄し、接着治具を用いて接着する。次に、ベークを実施し、その後接着熱処理を行う。この場合、少なくとも温度８０℃以上のベークを所定時間３０分以上、あるいは温度１００℃以上のベークを所定時間５分以上行うことを特徴とする。更に望ましくは、接着工程から接着熱処理工程までの間に１００℃〜２００℃のベークを１０分以上行う。

〔実験例３〕
実験例３では、実験例１と同様に鏡面研磨されたベースウェーハ、活性ウェーハにそれぞれＳＣ−１洗浄を施し、接着治具を用いて接着した。次に、接着したウェーハに１００〜２００℃のベークを１０分間行い、これに続いてフッ酸溶液による洗浄、水洗、乾燥を行ってウェーハ表面の重金属不純物を除去した。図８は、フッ酸溶液で洗浄した場合のウェーハ表面付着重金属不純物の除去効果の一例を示す図で、ＣＺ法による６インチ半導体単結晶から得られたウェーハ（ｐ型、結晶軸＜１００＞、抵抗率１０Ω・ｃｍ）を試料として用いた。前記ウェーハを濃度１．５％のフッ酸溶液で５分間洗浄した後、水洗、乾燥させ、ウェーハの表面に付着する重金属不純物の量を評価した。不純物の量は、ＷＳＡ法（原子吸光分光光度計による）を用いて測定した。その結果、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ各元素について不純物の量が低減し、酸系溶液によるウェーハ表面付着不純物の低減効果が認められた。

接着後ベーク処理を施した貼り合わせ半導体ウェーハをフッ酸溶液で洗浄し、水洗、乾燥させた後、接着熱処理を行った。この実験には、上記フッ酸洗浄の実験と同じくＣＺ法による６インチ半導体単結晶から得られたウェーハ（ｐ型、結晶軸＜１００＞、抵抗率１０Ω・ｃｍ）を試料として用いた。実験の手順は下記の通りである。
（１）ベースウェーハ、活性ウェーハをＳＣ−１洗浄し、室温において接着治具を用いて接着した。
（２）接着したウェーハに１００℃，１５分のベーク処理を施した。
（３）１セットのウェーハに対し、濃度１．５％のフッ酸溶液で５分間洗浄した後、水洗、乾燥させた。他の１セットのウェーハに対してはフッ酸洗浄を行わず、ベーク処理を施したままとした。
（４）前記２セットのウェーハに１１００℃，２時間の接着熱処理を行った。
（５）これらの２セットのウェーハについて、活性ウェーハのバルク中のＦｅ−Ｂ濃度をＳＰＶ法を用いて測定した。

図９は、フッ酸溶液による洗浄の有無とＦｅ−Ｂ濃度との相関を示す。洗浄工程の追加により、半導体デバイスの電気的特性に大きな影響を及ぼすＦｅ汚染についてその濃度が洗浄を行わない場合に比べて１桁程度低減していることが分かる。このように、接着熱処理の前に酸系溶液による洗浄を行うことにより、電気的特性に優れ、特にキャリアライフタイムの長い高品質のＳＯＩ基板が得られる。

従って、本発明の第３の製造方法は図１０に示すように、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハ１，２をそれぞれＳＣ−１洗浄し、接着治具を用いて接着する。次に、ベークを実施し、更に酸系溶液による洗浄を行ってから接着熱処理を実施するものとする。ベーク工程は、ベースウェーハと活性ウェーハとを接着後、時間の経過とともに増加するボイドの発生を防止するために設けられているが、これに加えて酸系溶液による洗浄、水洗、乾燥に耐えうる十分な接着強度が得られる。ベークの条件は温度１００℃以上で５分以上とし、特に１００〜２００℃のベーク処理を１０分以上行うことが望ましい。

本発明による貼り合わせ半導体ウェーハの第１実験例を示す製造工程図である。第１実験例における接着工程後の経過時間と発生したボイドの数との関係を説明する図である。第２実験例において、水準１のベーク処理後の経過時間と発生したボイドの数との関係を説明する図である。第２実験例において、水準２のベーク処理後の経過時間と発生したボイドの数との関係を説明する図である。第２実験例において、水準３のベーク処理後の経過時間と発生したボイドの数との関係を説明する図である。第２実験例において、水準４のベーク処理後の経過時間と発生したボイドの数との関係を説明する図である。本発明による貼り合わせ半導体ウェーハの第２実験例を示す製造工程図である。第３実験例において、フッ酸洗浄後におけるウェーハ表面付着不純物の量を示す図である。第３実験例において、接着熱処理前に行うフッ酸洗浄の有無とウェーハ中のＦｅ−Ｂ濃度との関係を説明する図である。本発明による貼り合わせ半導体ウェーハの第３実験例を示す製造工程図である。ボイドの発生を説明する図である。

符号の説明

１ベースウェーハ
２活性ウェーハ

Claims

鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハを、接着剤を介在させることなく接着治具を用いて接着する接着工程と、次いで接着熱処理を施して貼り合わせる接着熱処理工程とを有するウェーハの製造工程において、接着工程から接着熱処理工程までの間に温度１００℃以上のベークを所定時間５分以上行い、更に、接着後ベーク処理を施した貼り合わせ半導体ウェーハにフッ酸溶液による洗浄を行うことを特徴とする貼り合わせ半導体ウェーハの製造方法。