JP5668275B2 - Ｓｏｉウェーハの製造方法及び貼り合わせ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩウェーハの製造方法及び貼り合わせ装置に係り、特に、減圧雰囲気でＳＯＩウェーハを接合して貼り合わせる技術に関する。

従来、シリコン製の２枚のウェーハを大気圧雰囲気で貼り合わせてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハを製造する際に、貼り合わせ界面に空気が閉じこめられてボイドが発生するのを防止するため、減圧雰囲気でウェーハ同士を貼り合わせるＳＯＩウェーハの製造技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、酸化膜を形成した２枚のウェーハのうち、一方のウェーハをチャンバー内に設けた載置面が平坦な載置台に載置し、載置したウェーハの上側にスペーサを介して他方のウェーハを載置し、真空ポンプでチャンバー内を減圧した後、スペーサを引き抜いて上側のウェーハを落下させてウェーハ同士を接合して貼り合わせる技術が記載されている。すなわち、減圧完了までウェーハ同士を接触させないで、所定の減圧雰囲気になってからウェーハの接合を開始させて、ボイドの発生を低減するようにしている。

特開２０００−２１６３６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、チャンバー内の減圧時に、チャンバー内に不可避的に存在するパーティクルや有機物などの異物が、ウェーハの貼り合わせ面に付着することについては考慮されていない。つまり、真空ポンプによる排気によってチャンバー内に気流が生じ、その気流がスペーサで維持したウェーハ同士の隙間に侵入し、気流に同伴した異物がウェーハの貼り合わせ面に付着する。そのため、異物が付着したままウェーハ同士を接合することになり、異物が付着した位置のウェーハ同士の接合が阻害され、貼り合わせ界面にボイドが残るという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、減圧時の気流に伴う異物により発生するボイドを低減させることにある。

本発明の発明者らは、ウェーハ同士の間にスペーサを挿入しなくても、ウェーハ同士の接合がすぐには開始しないことを知見した。つまり、ウェーハ同士を重ね合わせて載置しても、ウェーハ同士の間に空気層が残っている間は、この空気層の厚みの分だけウェーハ同士に隙間が形成されていることを見いだした。これは、平坦なウェーハの貼り合わせ面に形成される空気層がウェーハの周縁から抜け出るために一定の時間が必要になるからである。

これらの知見に基づいて、上記課題を解決するため、本発明のＳＯＩウェーハの製造方法は、貼り合わせ対象の２枚のウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの貼り合わせ面に酸化膜が形成された２枚のウェーハを、酸化膜を介して重ね合わせて容器内の載置台に載置した後、容器内を減圧してウェーハ同士の接合を開始させることを特徴とする。

これによれば、ウェーハ同士を重ね合わせて載置しても、重ね合わせ面の空気層によって接合が開始しない。この空気層は極めて薄いから、減圧によって生じた気流がウェーハ同士の隙間に侵入することを抑制できる。また、ウェーハの自重によって圧縮されているから、ウェーハ同士の隙間の圧力が容器内よりも高くなるので、気流の侵入を抑制できる。その結果、気流に同伴した異物がウェーハの貼り合わせ面に付着することを減少でき、異物により発生するボイドを低減できる。

また、載置台の載置面を凹状に形成することが好ましい。例えば、従来は、載置台の載置面を凸状に形成して、載置される２枚のウェーハを凸状に変形させて、ウェーハ同士の貼り合わせ面の中心部の空気層を薄くすることにより、空気層の空気の抜けを促進して、ウェーハ同士の接合を中心部から速やかに開始させるようにしている。これに対して、載置面を凹状に形成すると、載置面側に位置する下のウェーハを載置台の凹面に併せて凹状に変形するが、上のウェーハの変形は下のウェーハの変形に追従し難いため、ウェーハ間の隙間が薄くなる箇所が１点（中心部）に集中しにくくなり、ウェーハ同士の貼り合わせ面の中心部の空気層を薄くする作用が働きにくくなると推察される。そのため、ウェーハ同士の接合開始を遅らせる方向にコントロールできると考えられる。

また、載置台の載置面を水平方向に対して０°を超えて５°以下傾斜させることが好ましい。これによれば、上側のウェーハにかかる重力の一部を支持部材で受けることができるから、空気層にかかるウェーハの自重を低減でき、ウェーハ同士の隙間から空気層が抜けにくくできる。その結果、ウェーハ同士の接合開始を遅らせる方向にコントロールできる。

また、減圧後にウェーハ同士を押圧することが好ましい。これにより、貼り合わせ面の間に存在する空気の抜けを促進でき、ウェーハ同士の接合にかかる時間を短縮できる。

一方、本発明の貼り合わせ装置は、貼り合わせ対象の２枚のウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの貼り合わせ面に酸化膜が形成された２枚のウェーハが収容される容器と、容器内に設けられ２枚のウェーハが重ね合わされ載置される載置台と、載置台の周りに前記ウェーハの外径に合わせて立設される少なくとも３つの支持部材と、前記容器内を排気して減圧する減圧手段を備え、載置面を凹状や０°を超えて５°以下傾斜させて形成することができる。

この場合において、載置面をウェーハの貼り合わせ面よりも小さく形成することが好ましい。これによれば、載置面の周りに立設させた支持部材の位置をウェーハの径に応じて調整することにより、１つの装置で種々の径のウェーハを接合できる。

また、載置面の上方に設けた押圧部材でウェーハ同士を押圧することにより、貼り合わせ面の間に存在する空気の抜けを促進でき、ウェーハ同士の接合にかかる時間を短縮できる。

本発明によれば、減圧時の気流に伴う異物により発生するボイドを低減できる。

実施形態１のＳＯＩの製造方法の実施に用いる貼り合せ装置の概略構成図である。 実施形態２の貼り合せ装置の概略構成図である。 実施形態３の貼り合せ装置の概略構成図である。 ウェーハ同士の接合を示す概念図である。 外周側にボイドが発生したウェーハを示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
まず、図１を用いて実施形態１のＳＯＩウェーハの製造方法を実施できる貼り合わせ装置を説明する。図示のように貼り合わせ装置１は、減圧チャンバ３内に貼り合わせ対象の２枚のウェーハ、例えば、支持側のウェーハ６と半導体デバイスが形成される活性側のウェーハ７を収容できるようになっている。減圧チャンバ３内は、パーティクルや有機物などの異物が少ない清潔な雰囲気に維持されている。減圧チャンバ３には、図示していない減圧手段、例えば、真空ポンプが備えられ減圧チャンバ３内を減圧できるようになっている。減圧チャンバ３内には、ウェーハ６、７が載置されるステージ８が設けられている。ステージ８は、ウェーハ６、７の形状に応じて、例えば、載置面が円形に形成されている。ステージ８は、載置面よりも大きい板部材９に取り付けられている。板部材９は、板部材１１を介して減圧チャンバ３内に取り付けられている。板部材９には、ステージ８の載置面の外周と接する少なくとも３つのガイドピン１３が立設されている。ガイドピン１３は、ウェーハ６、７の外周に接するようにステージ８方向に進退できるようになっている。なお、図示をわかりやすくするために、図１はガイドピン１３を２本のみ記載して他のガイドピンの図示を省略した。

ステージ８の載置面の上方には、ウェーハ６、７を押圧する押圧手段１５が設けられている。押圧手段１５は、アーム１７と押圧部材１９により構成されている。押圧部材１９は、アーム１７の一端に取り付けられてステージ８の載置面上方に位置するようになっている。アーム１７には、例えば、図示していない動力手段が設けられ、アーム１７を上下方向に移動させて押圧部材１９をウェーハ７に接触させて、所定の押圧力で押圧してウェーハ６、７同士の接合を開始できるようになっている。減圧チャンバのアーム１７が取り付けられた側壁と対向する位置の側壁には、図示していない挿入口が形成されている。挿入口は、ウェーハ６、７が通過できる寸法に形成されている。挿入口には、開閉自由な扉２１が備えられ、扉２１を閉めることで挿入口を密閉できるようになっている。なお、押圧手段１５は本実施形態に限定されず、例えば、ウェーハ６、７の上方から錘を載置するなど周知の押圧手段を使用できる。また、挿入口の位置や挿入口の密閉手段は本実施形態に限定されず適宜選択できる。

次に、実施形態１のＳＯＩウェーハの製造方法を説明する。ウェーハ６、７は、周知の方法で製造した単結晶シリコンインゴットを薄円板状にスライスして形成されている。薄板状に形成されたウェーハ６、７を、例えば、粗研磨した後、必要なエッチング処理及び研磨処理し、表面を平坦度の高い鏡面に仕上げる。鏡面に仕上げたウェーハ６、７のうち、例えば、ウェーハ７を酸素雰囲気で加熱し、貼り合わせ面に酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成する。酸化膜を形成した後ウェーハ６、７を、例えば、ＳＣ−１で洗浄する。これにより、ウェーハ６、７に付着した異物を除去できるとともに、ウェーハ６、７の貼り合わせ面にＯＨ基（親水基）を付着させてウェーハ６、７の貼り合わせ面を親水状態にできる。なお、酸化膜をウェーハ６のみに形成することができ、ウェーハ６及び７の両方に酸化膜を形成することもできる。また、ＳＣ−１による洗浄に代えて、希フッ酸とオゾン水によるフッ酸・オゾン洗浄によりウェーハ６、７を洗浄することができる。

洗浄したウェーハ６、７のうち、ウェーハ６を挿入口から減圧チャンバ３内に入れてステージ８の平坦な載置面に載置する。ウェーハ６を載置した後、ウェーハ７を挿入口から減圧チャンバ３内に入れて酸化膜を形成した貼り合わせ面をウェーハ６側に向け、ウェーハ７をウェーハ６に重ね合わせて載置する。この際、ウェーハ６とウェーハ７の間には空気層が存在するので、ウェーハ７はウェーハ６とは接触せずに浮いた状態で維持される。ガイドピン１３を所定の位置に動かしてウェーハ６、７に当接させ、ウェーハ６、７のズレを修正するとともに、ウェーハ６、７の移動を規制して、扉２１を閉めて真空ポンプで減圧チャンバ３内の空気を排気して減圧する。この減圧の完了までは、極めて薄い空気層の厚さの分だけウェーハ６、７の間に隙間が維持される。これにより、真空ポンプによって発生した気流が、ウェーハ６、７の間に侵入しにくく、かつ、ウェーハ６、７の接合が開始しない状態が維持される。なお、減圧時間は、ウェーハ６、７の間の空気層が抜けて、ウェーハ６、７の接合が開始する前に減圧が完了するよう設定する。なお、ガイドピン１３によるウェーハ６、７のズレの修正は、減圧前に行う必要はなく、ウェーハ６、７の接合が開始する前に適宜行うことができる。

所定の減圧値、例えば、５０ｋＰａ以下になって減圧が完了した後に、アーム１７をステージ８に向けて動かして押圧部材１９でウェーハ７を押圧する。これにより、ウェーハ６、７の重ね合わせ面の周縁からの空気の抜けを促進して空気層が減少することにより、ウェーハ６、７の接合開始までの時間を短縮できる。空気層が減少してウェーハ６、７が接触すると、ウェーハ６、７の貼り合わせ面に付着させたＯＨ基同士が水素結合を開始し、ウェーハ６、７同士の接合が開始される。ウェーハ６、７を接合させた後、減圧チャンバ３内を常圧に戻して扉２１を開け、接合させたウェーハ６、７を取り出して適宜必要な処理を施す。

これによれば、ウェーハ６、７同士を重ね合わせてステージ８に載置しても、重ね合わせ面の空気層により、ウェーハ６、７の接合が開始しない離間寸法、言い換えると、ＯＨ基同士の水素結合が開始しない離間寸法を維持できる。そして、この空気層は極めて薄いから、真空ポンプの減圧によって生じた気流がウェーハ６、７間の隙間に侵入することを抑制できる。また、ウェーハ７の自重によって空気が圧縮されるから、ウェーハ６、７同士の隙間の圧力が減圧チャンバ３内よりも高くなり、空気層が存在する間はウェーハ６、７同士の周縁から空気が抜け続けるから、気流の侵入を抑制できる。その結果、ウェーハ６、７の貼り合わせ面に付着する異物を減少でき、異物により発生するボイドを低減できるから、半導体デバイスの歩留まりを向上できる。なお、ウェーハ６、７を重ね合わせても空気層により隙間が維持される原理は、例えば、周知の潤滑の理論が考えられる。

なお、実施形態１は押圧手段１５でウェーハ６、７同士を押圧しているが、ウェーハ６、７同士を押圧することなく、ウェーハ６、７同士を接合させることができる。つまり、ウェーハ６、７の間から自然に空気層が抜けるとウェーハ７が落下してウェーハ６、７同士が接触し、ウェーハ７の自重によってウェーハ６、７が接合する。

また、実施形態１のＳＯＩウェーハの製造方法を実施する貼り合わせ装置は本実施形態に限定されるものではなく、ウェーハ６、７を重ね合わせた後減圧でき、所定の減圧雰囲気でウェーハ６、７の接合を開始できる貼り合わせ装置を用いることができる。

なお、扉２１により挿入口が密閉されたことを検知する検知手段と、検知手段の信号に応じて真空ポンプの動作を制御する制御手段を設け、挿入口が密閉された後に自動で真空ポンプを動作させて減圧チャンバ３内を減圧するよう構成できる。

また、実施形態１は、支持側のウェーハ６をステージ８に載置した後、活性側のウェーハ７を支持側のウェーハ６に重ね合わせたが、これに限定されるものではない。例えば、活性側のウェーハ７をステージ８に載置した後、支持側のウェーハ６を支持側のウェーハ７に重ね合わせてウェーハ同士を接合して貼り合わせることができる。

（実施形態２）
図２を用いて本発明の実施形態２のＳＯＩウェーハの製造方法及び貼り合わせ装置を説明する。実施形態２が実施形態１と相違する点は、ステージ８の載置面を凹状に形成し、ウェーハ６、７を凹状の載置面に載置するようにした点である。また、ステージ８の載置面の径を、ウェーハ６、７の貼り合わせ面の径より小さく、例えば、貼り合わせ面の径の半分にした点である。その他の構成は実施形態１と同一であるから同一の符号を付して説明を省略する。

これによれば、ステージ８の載置面を凹状に形成したので、載置面側に位置するウェーハ６がステージ８の凹面に併せて凹状に変形するが、上のウェーハ７の変形はウェーハ６の変形に追従し難いため、載置面を凸状に形成する場合に比べウェーハ６、７同士の貼り合わせ面の中心部に空気層を薄くする作用が働かない。その結果、ウェーハ６、７同士の接合開始を遅らせる方向にコントロールできる。

また、ステージ８の載置面の径をウェーハ６、７の径より小さくしたので、種々の径のウェーハ６、７を１つの貼り合わせ装置１で接合できる。つまり、ステージ８の径がウェーハ６、７より小さいから、ガイドピン１３の進退移動がステージ８により阻害されず、ウェーハ６、７の径に応じてガイドピン１３をウェーハ６、７の外周に当接でき、重ね合わせたウェーハ６、７のズレを修正できる。

なお、実施形態２のステージ８の載置面の径をウェーハ６、７の径と同じ大きさにすることができる。

また、押圧部材１９の位置は本実施形態に限定されないが、載置面が平坦な位置、つまり、載置面の外周側に位置させてウェーハ６、７を押圧することで、押圧による貼り合わせ面に加わる力の伝播を均一にでき、ボイドなどの欠陥の少ないウェーハを安定して製造できる。

（実施形態３）
図３に実施形態２の変形例とした実施形態３のＳＯＩウェーハの製造方法及び製造装置を説明する。実施形態３が実施形態２と相違する点は、板部材９と板部材１１の間に楔３０を挿入し、押圧部材１９側の板部材９の端部を持ち上げて、ステージ８の載置面をθ（０°を超えて５°以下）傾斜させた点である。そして、傾斜させた載置面にウェーハ６、７を載置するようにした点である。その他の構成は実施形態２と同一であるから同一の符号を付して説明を省略する。

これによれば、ステージ８の載置面を水平方向に対して０°を超えて５°以下傾斜できるから、ウェーハ７にかかる重力の一部をガイドピン１３で受けることができる。また、ガイドピン１３でウェーハ６、７の移動を規制できる。その結果、空気層にかかるウェーハ７の自重を低減でき、ウェーハ６、７同士の隙間から空気層が抜けにくくできる。また、減圧時に空気層が減少してウェーハ６、７が接しやすくなる場合でも、ウェーハ６にかかるウェーハ７の自重が小さいから、ウェーハ６、７の接合開始を遅らせるようにコントロールできる。

なお、楔３０を用いることなく減圧チャンバ３を傾けて、ステージ８の載置面を水平方向に対して０°を超えて５°以下傾斜させることができる。

また、ステージ８の載置面を水平方向に対して０°を超えて５°以下傾斜させることで、ステージ８を平坦にしても重ね合わせて載置したウェーハ６、７の接合開始を抑制でき、載置面が平坦な簡便な構成のステージ８を使用できる。

表１に本発明の実施例１、２と比較例のボイド発生率を示す。実施例１は実施形態２のＳＯＩの製造方法で製造したＳＯＩウェーハであり、実施例２は実施形態３のＳＯＩの製造方法で製造したＳＯＩウェーハであり、比較例は、ウェーハ同士の間にスペーサを挿入し、スペーサでウェーハ同士の間隔を開けたまま減圧した後、スペーサを除去してウェーハ同士を接合したＳＯＩウェーハである。そして、実施例１、２及び比較例のＳＯＩウェーハを超音波探傷計で測定し、ボイドの発生によるボイド不良を観察し、ＳＯＩウェーハのボイド不良の発生率を求めた。超音波探傷計の測定位置は、ＳＯＩウェーハの外周から２ｍｍ〜５ｍｍ中心側の領域と、ＳＯＩウェーハの外周から５ｍｍの位置より中心側の領域を測定した。

表１に示すとおり、ウェーハ同士の間にスペーサを挿入した状態で減圧した比較例は、ウェーハ外周部の外周から５ｍｍより中心側の領域のボイド不良発生率が１１％であった。これは、減圧時に発生した気流がスペーサで形成した隙間に侵入し、気流に同伴した異物がウェーハの貼り合わせ面に付着した状態でウェーハ同士が接合したためである。これに対し、ウェーハ同士を重ね合わせた後減圧した実施例１、２は、同領域のボイド不良発生率は１％と比較例より１０％低かったことから、減圧時の気流がウェーハ同士の間に侵入しにくくなり、異物によるボイドの発生を低減できたといえる。

なお、実施例１、２及び比較例のウェーハ外周部の外周から２〜５ｍｍの範囲の領域には、ボイドによる不良が認められなかった。これは、図４に示すとおり減圧条件下でウェーハ３１の中心側３３から外周側３５へ接合させると、ウェーハ外周部の外周から２〜５ｍｍの範囲の領域では、ウェーハ３１間の隙間から空気が抜けやすく、かつ、減圧チャンバ３内は空気分子が減少しているから、ウェーハ３１の貼合せ界面に空気が残りにくいためである。

また、図４に示すようなウェーハの外縁が反る所謂ロールアップ形状のウェーハ３１同士を接合させる場合は、減圧雰囲気でウェーハ３１同士を接合することが好ましい。つまり、ロールアップ形状のウェーハ３１同士を重ね合わせると、図４に示すとおりウェーハ３１の外縁部同士が先に接触して接合時に空気が抜けにくくなり、図５に示すとおり、ウェーハ３１の外周側に微小なボイドが発生する。そのため、減圧雰囲気でウェーハ３１同士を接合することで、空気を抜けやすくできる。さらに、減圧すると減圧チャンバ３内の空気量が減少するから、貼り合わせ界面に閉じこめられる空気量を減少でき、ウェーハ３１の貼り合わせ界面に発生するボイドを低減できる。

１ 貼り合わせ装置
３ 減圧チャンバ
６ ウェーハ
７ ウェーハ
８ ステージ
１３ ガイドピン
１５ 押圧手段

Claims (3)

1. 貼り合わせ対象の２枚のウェーハのうち、少なくとも一方のウェーハの貼り合わせ面に酸化膜が形成された前記２枚のウェーハを、前記酸化膜を介して重ね合わせて容器内の載置台に載置した後、前記容器内を減圧して、前記減圧が完了した後に、前記ウェーハを押圧して前記ウェーハ同士の接合を開始させることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
2. 請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法において、
   前記載置台の載置面は凹状に形成されていることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
3. 請求項１に記載のＳＯＩウェーハの製造方法において、
   前記載置台の載置面は水平方向に対して０°を超え５°以下傾斜して形成され、前記載置台の周りには前記ウェーハの移動を規制する少なくとも３つの支持部材が立設されていることを特徴とするＳＯＩウェーハの製造方法。
   

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