JPH02106052A - 接合ウエーハ検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、接合ウェーハの接合面における未接合部を非
破壊で検査する接合ウェーハ検査方法に関する。

［従来の技術］ 半導体電子装置の製造における、基体プロセスとしての
不純物の導入技術としては、現在熱拡散法及びエピタキ
シャル成長法などがほぼ技術的に確立されたものとして
多用されている。しかし、これらの方法でパワーデバイ
スを作ろうとすると、熱拡散によるコレクタ拡散あるい
はエピタキシャル成長による！００μ−以上の高抵抗層
の形成において技術的な限界があって、高耐圧大容量化
に難点がある。

また、特に、半導体集積回路において、個々の素子を誘
電体で分離する誘電体分離技術がその寄生容量及び分離
耐圧の点で優れているにも拘わらず、基板の反りが大き
ずぎて、製造技術上非常に問題がある。

鏡面研磨された２枚のシリコンウェーハの該鏡面を相互
に直接又は酸化膜を介して接合する方法は、従来あまり
注目されていなかったが、最近に至って上述したパワー
デバイス基板または誘電体分離基板の製法として非常に
注目されるようになった。何れの応用についても、Ｅ述
した従来法の欠点を著しく改善し得る。

現在シリコンウェーハの接合法としては、鏡面シリコン
ウェーハを室温空気中で重ね合わせ、これを単に高温例
えば１１００℃、２時間位、酸素／窒素比１１５の雰囲
気で加熱する方法、及び、特に間に酸化膜が介在する場
合には張り合わせに際しウェーハ間に直流又は交流電圧
を加えてウェーハ間に働く静電吸引力を利用し、更に窒
素気流中で加熱する方法がとられている。

シリコンウェーハの接合において技術的な問題点は、２
枚の鏡面ウェーハが相対応する接合面において、接合が
不充分な未接合部が部分的に現れ、通称ボイドを形成す
ることである。かかるボイドの発生を抑えるためにその
原因の究明が行われており、原因としてウェーハの表面
に付着する塵埃、汚れあるいは傷が考えられ、特に塵埃
は、ボイド発生の最大の原因であるとして注目されてい
る。

しかし、これらの原因の除去によって完全なボイドの除
去はできないことを発明者は実験によって確かめた。

またシリコンウェーハの改良接合技術としては、例えば
特開昭６１−１８２２１６号に、半導体基板の接合の際
の雰囲気として半導体を透過し又は半導体に吸収されや
すいガスを使用することにより、ボイドの発生を防止す
る方法が開示されている。しかし、−度接合面にガスが
ホールドされると、それらのガスを透過吸収によって除
去することは、現実には非常に困難がある。

他のボイド発生除去のための方法としては、例えば特開
昭６３−９３１０７号に示されているように、マイクロ
波の照射により接合面を活性化する方法がある。しかし
、マイクロ波照射のための特別な装置を必要とする欠点
がある。

接合ウェーハの接合面は、それがそのまま活性領域のデ
バイスの構成要素自身の界面となる場合には、その接合
面の完全なエピタキシーが問題となる。一般の利用方法
では、活性領域に近接するがこのなかに入らぬように配
慮されるので、完全にモノリシックな接合界面を要求さ
れることはない。

しかしながら、接合面が活性領域に近接するために接合
面の状態に起因して、活性領域が結晶的な乱れを起こし
たり、また物理的な破壊の原因になったり、更には例え
ばパワートランジスタの場合には、この接合がその動作
特性を劣化させる原因となっては困るので、接合面にお
ける未接合部を実質的に皆無にすること及びこのために
有効なボイド検査方法が要求される。

従来、接合ウェーハの接合状態を検査する方法としては
、赤外線透過像による方法が一般的であった。この方法
は、接合ウェーハの接合面に直角な方向から赤外線を該
接合ウェーハに照射して、その透過像を観察する方法で
あって、未接合部は白く接合部は黒く観察された。赤外
線がウェーハ接合面にほぼ直角に入射したとき、接合面
に未接合部があるとこの部分で屈折率の変化及び反射吸
収があり、このために接合部に比較して透過光量が減少
する。透過像の明暗は観察方法によって逆転する。

しかし、この方法では、未接合部のウェーハ表面相互間
隙が相当大きい、例えば５ｎｍ以上ないと未接合部を検
出できないことがわか９た。

これ以下の未接合部は、適当に接合ウェーハを切断しそ
の切断面をＳＥＷにより観察することができるが、かか
る方法は破壊検査であり、また切断面外の部分について
は接合状態を検査できない。

このような理由で、接合ウェーハの接合面が実質的に接
合状態にあるかどうかを非破壊で容易に検査する方法の
開発が強く望まれていた。

［発明が解決しようとする課Ｊ１！］ 本発明の目的は、従来法の上記欠点に鑑み、非破壊で、
しかも容易に、接合ウェーハの接合面が実質的に接合状
態にあるかどうかを検査する接合ウェーハ検査方法を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本発明に係る接合ウェーハ
検査方法においては、ラング・カメラを用いて、試料と
しての接合ウェーハのラング・トポグラフを取得し又は
さらにその画像を処理して、該接合ウェーハの接合界面
の未接合部を検出する。

この接合ウェーハは例えば半導体シリコンウェーハ又は
化合物半導体ウェーハにより構成されている。

［作用］ シリコンウェーハの接合に際しては、２枚のシリコンウ
ェーハの各片面を鏡面に仕上げ、充分に清浄したのち両
者を重ね合わせ、これに続いて高温処理を施す。この最
初の段階で接合が完全に行われていないと、これに続く
高温処理によっても接合度がほとんど向上することはな
い。高温処理は主として、接合面の歪みの除去、モノリ
シック化、場合によっては微量の雰囲気ガスの吸収拡散
のために行われるものである。

原理的には、両ウェーハの表面が原子的なレベルで完全
に平坦であり、かつ汚れがなければ、両者を近接させる
ことにより、原子同志の結合力でモノリンツク化が行わ
れる。

しかし、現実のしかも工業的な生産の状況では、両ウェ
ーハ表面はかかる理想状態から非常にかけ離れている。

したがって、工業的に可能な加工方法その他を駆使して
、完全な電子デバイスを作るのに充分な接合を行うため
の諸条件を見付けることは極めて意義のあることである
。

接合而においては相当レベルの凹凸があるので、両者の
凸部では結晶がその表面でかなりの歪みを受けている。

この場合、而は丁度格子間隔に一致する部分（接合部）
と格子間隔以上に離間している部分（未接合部）とに分
は得る。接合部における結合力は、Ｓｉ原子の結合力に
よるもので、これに加えて外気圧の一気圧が加わってい
る。ウェーハを接合したのち、熱処理によって歪みが開
放され、両面が若ｆ離間しているその間隔を埋めるよう
にシリコン原子が移動し得る。しかしこれによって接合
度が大幅に向とすることはないと考えている。

本発明においては、ラング・カメラ内に試料として接合
ウェーハを配置し、第１スリツトにより、Ｘ線撓からで
たＸ線束の発散角を制限し、接合ウェーハの背面には、
例えばＫａの回折Ｘ線だけが通過するように第１スリツ
トより幅の広い第２スリツトを通して、例えば写真乾板
に該回折Ｘ線を到達させる。そしてこの回折条件を保ち
ながら、結晶と乾板をのせた走査台を結晶表面に平行に
往復移動させて、ウェーハの広い領域の回折像（ラング
・トポグラフ）を得る。

このとき、シリコンウェーハの結晶方位は、両ウェーハ
の接合面で完全に一致しているのが望ましい。少なくと
も選定された結晶面が、その面方向において±２°以内
にあるのが良い。具体的には、主面の面方位を（１００
）±１、オリフラの面方位を（１１０）±１゛とすれば
、オリフラを一致させて重ね合わせると接合而における
両ウェーハの結晶方位の一致が充分となる。

ラング・トポグラフにおいては、Ｘ線が球面波であるこ
とによる消衰効果により、歪みのある部分とない部分で
コントラストが生じる。接合ウェーハにおいては、接合
部では必ず界面で歪みが生じるが、未接合部では、歪み
は生じない。従ってラングトポグラフを取得して、界面
歪みを検出することにより、未接合部を高感度で検出す
ることができる。

、従来使用されている赤外線透過法による場合には、未
接合部の間隙が０．１μ１以上でないと未接合部として
確認できないのに対し、本発明は実質的に接合をしてい
るかどうかを判定できるので、従来法に較べ本質的に優
れた接合ウェーハ検査方法であるといえる。この事実は
、表面粗さが約１　ｎｍのウェーハ同志を接合し、これ
を赤外線透過法及び本発明方法で比較したところ、赤外
線透過法では完全に接合したイメージが得られたのに対
し、本発明の方法では複数の点在する未接合部分を検出
することができたということで確認された。

本発明方法で完全に接合したと認められるウェーハを０
．５■角にグイラングして剥離状態を調べたところ、何
れのチップも全く剥離することがなく、また顕微鏡でそ
の接合面を観察したところ僅かに境界が観察されたが完
全に接合していることがわかった。

Ｘ線によれば、格子定数ｄの変化の検出は変化分を＾ｄ
とすると、＾ｄ／ｄ　−１０−’まで可能ともいわれて
いるが、このことが本発明において接合面の界面におけ
る僅かな格子１数の変化、従って接合ウェーハの未接合
部を鋭敏に検出できる理由と考えられる。

赤外線透過法により間隙の小さな未接合部分が検出でき
ない理由は、未接合部の間隙が充分に小さくなると間隙
内及びその界面の赤外線の反射屈折及び吸収が接合部と
区別できないために、その透過光の強度に影響を与えな
いためと考えられる。

以上はシリコンウェーハ同志の直接接合を考えたが、酸
化膜が介在する場合も同様である。この場合には、酸化
膜がシリコンウェーハに形成されているので、酸化膜が
厚くなると酸化膜とシリコンとの間の熱膨張係数の差に
より結晶層に歪みが生じてラング・トポグラフのイメー
ジはやや不明瞭となるものの充分実用に耐える。

また、本発明はＸ線を利用しているので、単結晶であれ
ば適用可能であり、化合物半導体についても充分実用可
能である。

［実施例］ （重）一実施例 図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図は、当業者に周知のラング・カメラ２２に、試料
として接合ウェーハｌＯを配置した状態を示す。

このラング・カメラ２２は、２０回転台２４に第１スリ
ツト２６、第２スリツト２８及び計数管３０が固定され
、θ回転台３２が２０回転台２４に対し回転自在に支持
され、平行移動走査台３４がθ回転台３２に対しＸ方向
に走査自在に取り付けられ、この平行移動走査台３４上
に垂直に接合ウェーハ！０及び写真乾板３６が固定され
ている。

ラング・カメラ２２の調整は、次のようにして行われる
。すなわち、２０回転台２４を回転させて計数管３０を
回折Ｘ線が来る方向に固定し、θ回転台３２を回転させ
てに、線だけが回折される状態にし、第２スリツト２８
の開度を大きくしておき、次にＸ線源３８からのＸ線を
第１スリツト２６に通し、計数管３０の出力表示を見な
がら回折Ｘ線だけが写真乾板３６に到達するように第２
スリツト２８の開度を調整する。

次に、写真乾板３６を平行移動走査台３４に固定し、平
行移動走査台３４をＸ方向（接合ウェーハ１０の面に平
行な方向）に往復移動させて接合ウェーハ１０の広い領
域の回折像であるラング・ホトグラフを取得する。

（２）接合状態の検査例 次に、接合状態の検査例について説明する。試料として
下記表１に示す表面粗さの単結晶シリコンウェーハＡ−
Ｄを用いた。

表１ 表１において、ＳＤは標準偏差であり、ＭＤは平均偏差
であり、Ｒは範囲である。また、表中の数値の単位はｎ
−である。この表面粗さはワイコーコーオボレーシａン
（ＩＹＫＯＣ０ＲＰＯＲＡＴＩＯＮ）製、型式ＴＯＰＯ
−３Ｄ、対物レンズの倍率４０を用いて測定した。

表面粗さとボイド発生との関係を明らかにするために、
上記ウェーハＡ−Ｄを各々４枚づつ用意し、スヘテノ組
合ｆ）ｔｔ（ＡＡ、ＡＢ、ＡＣ，ＡＤ、ＢＢ、ＢＣ，Ｂ
Ｄ、ＣＧ％ＣＤ％ＤＤ）について鏡面を相互に密着させ
、次にＮ、雰囲気中で１１００’″’ＣＩ２０分間熟処
理を行うことにより接合ウェーハを作成した。

接合状態の検査には、理学電機株式会社製のコンピュー
タ制御トポグラフイメージングシステムを用いた。使用
した特性Ｘ線はＭ　ｏ　Ｋ　ａ線であり、設定した反射
格子面はミラー指数（２，２，０）である。

第２〜１１図は上記組合わせＡＡ−ＤＤについてのラン
グ・カメラによるＸ線写真を示す。

表面粗さが原因である黒点状の軽石ボイドのみに着目す
ると、同図の配列において、ある写真よりも右側又は下
側の写真の方が軽石ボイドが少ないことが明らかである
。より詳しくは、軽石ボイドの全面積は、ＡＡ＞ＡＢ＞
ＢＢ＞ＡＣ＞ＡＤ＞ＢＣ＞ＢＤ＞ＣＣ＞ＣＤ＞ＤＤの順
になっていることが明らかである。また、組合わせＣＣ
１ＣＤ１ＤＤについては軽石ボイドがほとんど無く、他
の組合わせに比し著しく良好であることが明らかである
。

黒点がボイドであることの確認は破壊検査による光学顕
微鏡法により行った。

これらのことから、鏡面に酸化膜を形成せずに接合を行
う場合には、鏡面粗さを平均偏差Ｑ、４ｎａ以下にする
ことが、軽石ボイドの発生を阻止することにとって極め
て重要であることがわかる。この事実は、本発明の方法
により明らかとなったらのであり、本発明の意義は極め
て大である。

（２）拡張 なお、本発明には他にも種々の変形例が含まれる。

例えば、上記実施例ではラング・カメラに写真乾板３６
を配置した場合を説明したが、この部分に蛍光板を介し
て高感度ＴＶカメラを配置し、その画像をモニタテレビ
に写し出すようにすれば、接合ウェーハ製造工程におい
てオンラインでボイド検査を行うことが可能である。こ
のシステムは超強力Ｘ線源との組み合わせにより初めて
可能となる。

［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明に係るボイド検査方法によれ
ば、ラング・カメラを用いて、試料としての接合ウェー
ハのラング・トポグラフを取得し又はさらにその画像を
処理して、該接合ウェーハの接合界面の未接合部を検出
するので、実質的な未接合部を検出することができ、接
合ウェーハの品質向上及び良品質の接合ウェーハの開発
促進に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はラング・カメラの一例を示す概略構成図、 第２〜１１図はラング・カメラによる接合ウェーハのＸ
線写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、ラング・カメラを用いて、試料としての接合ウェ
   ーハのラング・トポグラフを取得し又はさらにその画像
   を処理して、該接合ウェーハの接合界面の未接合部を検
   出することを特徴とする接合ウェーハ検査方法。 ２）、上記接合ウェーハは、半導体シリコン単結晶ウェ
   ーハ又は化合物半導体単結晶を用いて形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の接合ウェーハ検査方法。