JPH0256918A - 半導体ウェハの直接接合方法 - 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］ この発明は半導体ウェハの直接接合方法に関するもので
ある。

［従来技術及び課題］ 従来、絶縁分離等のために半導体ウェハを直接接合する
ことが行なわれているが、その技術は完全に完成された
わけではなくウェハの接触界面に気泡（ボイド）が発生
する等の諸問題が残されている。

この発明の目的は、上記課題を解決して信頼性に優れた
半導体ウェハの直接接合方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明は、接合するウェハのうち少なくともいずれ
か一方のウェハの片面に当該ウェハとはその熱膨張率が
異なる湾曲材料を形成する第１工程と、前記第１工程と
は異なる温度雰囲気にて当該ウェハを反らせた状態で、
両ウェハを互いに接触させていき両ウェハの接触面の全
域を接触させる第２工程と、その両ウェハの接触面の全
域が接触した状態で両ウェハを通電することにより両ウ
ェハを接合する第３工程とを備えた半導体ウェハの直接
接合方法をその要旨とする。

第２の発明は、接合するウェハのうち少なくともいずれ
か一方のウェハを反らせた状態で両ウェハを通電し、か
つ経時的に減圧しながら両ウェハを互いに接触させてい
き両ウェハの接触面の全域を接合させるようにした半導
体ウェハの直接接合方法をその要旨とする。

第３の発明は、接合するウェハのうち少なくともいずれ
か一方のウェハの片面に絶縁膜を形成するとともに、当
該ウェハと絶縁膜との熱膨張率の差による反りを相殺す
るための相殺材料を形成し、その後に前記絶縁膜を挟ん
で両ウェハを接合するようにした半導体ウェハの直接接
合方法をその要旨とするものである。

［作用〕 第１の発明は、第１工程により接合するウェハのうち少
なくともいずれか一方のウェハの片面にその熱膨張率が
異なる湾曲材料が形成され、第２工程により前記第１工
程とは異なる温度雰囲気にて当該ウェハを反らＶた状態
で、両ウェハが互いに接触されていき両ウェハの接触面
の全域が接触され、第３工程によりウェハの通電にて両
ウェハが接合される。その結果、ウェハを反ら「た状態
で接触させていったのでウェハの接触界面にボイドの発
生が抑制される。

第２の発明は、接合するウェハのうち少なくと・もいず
れか一方のウェハを反らせた状態で両ウェハが通電され
、かつ経時的に減圧されながら両ウェハが互いに接触さ
れていき両ウェハの接触面の全域が接合される。その結
果、ウェハの通電により接触界面での大きなボイドの発
生が抑制されるとともに小さなボイドがウェハの中心部
から周縁部に移動され、又、経時的減圧により周縁部に
移動してきたボイドが除去される。

第３の発明は、接合するウェハのうち少なくともいずれ
か一方のウェハの片面に絶縁膜が形成されるとともに、
当該ウェハと絶縁膜との熱膨張率の差による反りを相殺
するための相殺材料が形成され、その後に前記絶縁膜を
挟んで両ウェハが接合される。その結果、温度変化に伴
う接合したウェハの反りが防止される。

［第１実施例］ 以下、第１の発明に対応する第１実施例を図面に従って
説明する。

本実施例を第１図（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明してい
く。

第１図（ａ）に示すように、シリコンウェハ１を用意し
、その全周面に１１００℃の酸素雰囲気中で１μｍの湾
曲材料としての熱酸化シリコン膜２を形成する。ここで
、シリコンの熱膨張率は２゜６ｐｐｍ　（１０’／℃）
　、酸化シ’）コン（Ｄ熱Ｗ張率は０．５４ｐｐｍであ
る。次に、第１図（ｂ）に示すように、シリコンウェハ
１の裏面（同図中、下面）を除くシリコンウェハ１仝面
にレジスＩ〜３を塗布する。その後、第１図（ｃ）に示
すように、そのレジスト３をマスクとしてシリコンウェ
ハ１の裏面の熱酸化シリコン膜２をエツチングし、レジ
スト３を除去する。

このとき、熱酸化シリコン膜２の形成温度１１００℃に
対しそのときの温度が低下しているために、シリコンウ
ェハ１の熱膨張率と熱酸化シリコン膜２の熱膨張率の差
によりウェハ１は湾曲する。

さらに、第１図（ｄ）に示すように、上述したように、
シリコンウェハ４の片面にその熱膨張率の異なる湾曲材
料としての熱酸化シリコン膜５を形成し、その温度とは
異なる温度雰囲気にて当該ウェハ４を反らせたものを用
意する。そして、この２枚のシリコンウェハ１，４をそ
の中央の一点から接触させ接触部分を周囲に向かって広
げ、第１図（ｅ）に示すように接触面の全域を接触させ
る。

一方、第１図（ｆ＞に示すように、通電装置は、上側電
極６と下側電極７が上下に配置されている。

この上側電極６と下側電極７はシリコンカーバイド（Ｓ
　ｉ　Ｃ）よりなる。この電極材料としてシリコンカー
バイド（Ｓ　ｉ　Ｃ）を使用することにより、電甑とし
て金属やカーボンを使用する場合にはその金属やカーボ
ンがウェハを汚染する虞があるが、シリコンカーバイド
（Ｓ　ｉ　Ｃ）の場合にはそのような汚染を防止できる
。又、各電極６，７の周縁部には切欠部８が形成され、
そのうち下側電極７の切欠部８には上方に向かって石英
よりなるガイドロッド９が４本立設されている。又、上
側電極６には前記ガイドロッド９の対向位置にガイド孔
１０が配設されている。

そして、上側電極６と下側電極７とを離間させた状態か
ら下側電極７の上に前記重ね合せたシリコンウェハ１，
４を載置しガイドロッド９に上側電極６のガイド孔１０
を差込んだ状態で画電極６゜７を接近ざＶて第１図（ｆ
）で示すように両シリコンウェハ１，４を電極６，７で
挟む。

次に、画電極６，７間に電圧を印加し、その印加状態で
当該ウェハ１，４を８００〜１１００℃の高温の炉内に
入れる。この印加電圧は直流でもパルスでもよいが、本
実施例ではパルスの電圧を印加している。このパルス印
加は、高温の炉内で接合する場合等の熱酸化シリコン膜
２，５の絶縁破壊の可能性があるとぎに有効である。又
、ＳｉＯ２の絶縁破壊耐圧は高温はど低下するので炉内
に投入する過程で印加電圧を変化させてもよい。

この通電の際、熱酸化シリコン膜２，５をシリコンウェ
ハ１，４の側面をも含めてその接合しない面（第１図（
Ｃ）の下面）の一部まで覆われているのでシリコンウェ
ハ１，４の側面部分からシリコンウェハ１，４の周辺の
形状効果により電界集中にて絶縁破壊が起こるのが未然
に防止されている。即ち、シリコンウェハ１，４の側面
が露出し、その両シリコンウェハ１，４に位置ずれがあ
った場合には、このシリコンウェハ１，４の側面を介し
ての絶縁破壊が発生する虞があるが、それを未然に防止
している。

このように本実施例によれば、接合するシリコンウェハ
１，４（シリコンの熱膨張率：２．６ｐｐｍ）の片面に
そのシリコンとは熱膨張率の異なる熱酸化シリコン膜２
．５（酸化シリコンの熱膨張率：０．’５４ｐｐｍ）を
形成し、その工程での温度とは異なる温度雰囲気にて当
該シリコンウェハ１，４を反らせた状態で両シリコンウ
ェハ１゜４を互いに接触させていき両シリコンウェハ１
゜４の接触面の全域を接触させ、そして、その両シリコ
ンウェハ１．４の接触面の全域が接触した状態で両シリ
ンコンウェハ１，４の５ｉ０２／ＳｉＯの直接接合を行
なうようにした。従って、反らＶたシリコンウェハ１，
４は中央の一点から接触部分を周囲に向かって広げられ
ていき、シリコンウェハ１，４の未接触部分（ボイド）
の発生を抑制することができ、接合強度の低下や熱伝導
度の悪化を防止することができることとなる。即ち、従
来、絶縁分離等のために半導体ウェハを直接接合するこ
とが行なわれているが、ウェハの接触界面に気泡（ボイ
ド）が発生し、そのボイドの発生が接合強度の低下を招
いたり熱伝導度を悪化させたりして半導体装置の信頼性
の低下につながるものとなっていたが、それらを回避す
ることができる。

又、画電極６，７を２つとも平板状としたのでシリコン
ウェハ１，４内の温度が均一となり印加する電界の分布
も均一とすることができる。即ち、第３図に示すように
１枚の平板電極１１と針状電極１２とを用いてシリコン
ウェハ１３．’１４の一点から電圧を印加する場合に比
べ、本実施例ではこの２枚の平板電極６，７を使用する
ことにより電界の分布を均一とすることができることと
なる。

又、シリコンウェハ１．４の周縁部は側面を含む接合し
ない面（第１図（Ｃ）の下面）の一部にまで熱酸化シリ
コン膜２，５で覆ったことによりシリコンウェハ１，４
を通電したとき、この部分からシリコンウェハ１，４の
周辺の形状効果により電界集中にて絶縁破壊が起こるの
が防止される。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、前
記実施例では接合する２枚のシリコンウェハ１，４とも
熱酸化シリコン膜２を形成し反らせるようにしたが、第
２図に示すように一方のシリコンウェハ１５のみに湾曲
材料としての酸化シリコン膜１６を形成し反らＵるよう
にし平滑なシリコンウェハ１７と重ね合Ｕ両者１５．１
７を接合することによりＳ　！　０２　／Ｓ　！の直接
接合を行なうようにしてもよい。

又、上記各実施例では接触界面を成す熱酸化シリコン膜
２，５をシリコンウェハ１，４を反らＵるための湾曲部
材として使用したが、他の材料を湾曲材料として使用し
てもよい。

し第２実施例］ 次に、第２の発明に対応する第２実施例を説明する。

第４図に示すように、真空チャンバ１８内には真空チャ
ック台１９が設けられ、この真空チャック台１９に下側
のシリコンウェハ２０を載置して空気抜き通路２１を介
して空気抜きすることにより下側のシリコンウェハ２０
を把持することができるようになっている。又、真空チ
ャック式アーム２２は導電性の金属パイプ２３を備え、
その金属パイプ２３の外周面は絶縁体（図示略）にて被
覆されている。金属パイプ２３の先端には上側のシリコ
ンウェハ２４を把持するための大径部２３ａが形成され
、この大径部２３ａの開口部に上側のシリコンウェハ２
４を配置し金属パイプ２３内を真空にすることによりウ
ェハ２４を把持することができるようになっている。

本実施例の上側のシリコンウェハ２４は、シリコンウェ
ハ２４の片面にシリコンウェハ２４とはその熱膨張率が
異なる熱酸化シリコン膜２４ａを形成し、その熱酸化シ
リコン膜２４ａの形成温度とは異なる温度雰囲気にてシ
リコンウェハ２４を反らせたものである。又、真空式チ
ャック式アーム２２の大径部２３ａ内には常には伸長す
る方向に付勢する導電性のコイルバネ２５が配設されて
いる。そして、真空チャック式アーム２２の金属パイプ
２３と真空チャック台１９はそれぞれ電圧印加の際の電
極となる。

又、真空チャンバ１８内は空気扱き通路２６を介して減
圧することができるようになっている。

尚、真空チャック式アーム２２と真空チャンバ１８とは
シール材２７にて密封される。

次に、このような装置を用いたウェハの直接接合方法を
説明する。

まず、上側のシリコンウェハ２４の全周面に１１００’
Ｃの酸素雰囲気中で１μｍの熱酸化シリコン膜２４ａを
形成し、上側のシリコンウェハ２４の裏面（第４図中、
上面）の熱酸化シリコン膜２４ａを除去する。このとき
、熱酸化シリコン膜２４ａの形成温度１１００℃に対し
そのときの温度が低下しているために、上側のシリコン
ウェハ２４の熱膨張率と熱酸化シリコン膜２４ａの熱膨
張率の差により第４図に示すように上側のシリコンウェ
ハ２４は湾曲する。

一方、下側のシリコンウェハ２０を真空チャック台１９
の上に把持する。この状態で、１気圧の真空チャンバ１
８内において真空チャック式アーム２２（金属パイプ２
３）内を真空にすることにより上述した上側のシリコン
ウェハ２４を把持し同ウェハ２４を真空チャック台１９
上まで搬送し、ざらに、この２枚のウェハ２０，２４を
その中央の一点から接触させる。

引続き、両シリコンウェハ２０，２４に３００Ｖ、１〜
１０００Ｈｚのパルス電圧を印加する。

この電圧印加状態で、真空チャンバ１８内を徐々に減圧
しながら、両シリコンウェハ２０．２４の中央部の接触
部分を周囲に向かって広げ、第５図に示すように接触面
の全域を接合さける。このとき、より完全な電気的接触
をとるためにコイルバネ２５等を設置する。コイルバネ
２５により金属パイプ２３と上側のシリコンウェハ２４
の導通状態はより完全に保持される。尚、本実施例では
接合の際に、真空チャンバ１８内を８００℃で、かつ窒
素雰囲気にしている。

このシリコンウェハ２０，２４の接合の際に両シリコン
ウェハ２０，２４間を通電することにより両ウェハ２０
．２４の接触面に大きな気泡（ボイド）の発生は抑制さ
れ、又、小さなボイドはシリコンウェハ２０，２４の中
心部から周辺部に移動する。又、シリコンウェハ２０．
２４の接合の際に真空チャンバ１８内が経時的に減圧さ
れていることにより周辺部に移動したボイドを取り除く
ことができる。

第６図（ａ）、（ｂ）には通電することによるボイドＶ
のシリコンウェハ２０．２４の中心部から周辺部へ移動
する様子を示す。即ち、第６図（ａ）の初期の状態から
第６図（ｂ）へと時間の経過とともにボイドＶがウェハ
外周部に移動していることが分る。さらに、ウェハの周
辺を減圧することにより第６図（Ｃ）のようにボイドが
ウェハの周囲に扱ける。尚、この第６図（ａ＞、（ｂ）
（Ｃ）は赤外線ｉ像装置による躍像結果をスケッチした
ものである。

又、接合の際に通電した場合の効果を確認するために接
合したシリコンウェハの各部分の引張り強度試験を行な
った。これは、第７図に示すように、接合したシリコン
ウェハを細かり（１ＯＩｎＩｒ１°）ダイシングし、第
８図に示すように各部分のシリコンウェハ２８ａ、２８
ｂに引張り力Ｆを加えて破壊した。尚、この試験の際に
、各シリコンウェハ２８ａ、２８ｂの接合部にはそれぞ
れ熱酸化シリコンｒＩｒＡ２９ａ、２９ｂを形成したも
のを使用した。

そして、その破壊の際の状況に応じて３つタイプに分類
した。即ち、第８図において、リーンプルＳ１は接合面
では破壊せず、シリコンバルク自身（シリコンウェハ２
８ａ）で破壊しているので非常に強固に接合している（
「Ｏ」印で表示）。又、サンプルＳ２はＳ　！　０２　
　Ｓ　！　０２界面で破壊し接合が完全でないことを示
している（「Ｘ」印で表示）。又、９ンプルＳ３は５ｉ
０２　５ｉ０２界面で破壊した部分とＳ　ｉ　０２−８
　ｉ界面（熱酸化シリコン膜２９ａとシリコンウェハ２
８ａとの界面）で破壊した部分が共存した破壊であり、
このｓ　＋　ｏ２−ｓ　ｒ界面での破壊があるというこ
とは５１０２　３１０２界面で接合が完全になされてい
ることを示している（「△」印で表示）。

そして、第７図には電圧印加が有る場合の試験結果を示
し、第９図には電圧印加が無い場合の試験結果をホする
。この結果を比較すると、電圧を印加することにより、
接合が完全に行なわれなかったことを示すｒＸＪ印が少
なく接合界面の微小領域において微小なボイド（接合が
不完全な部分）が除去され、はぼ均一に接合しているこ
とが確認できた。

このように本実施例では、接合するシリコンウェハ２０
，２４のうち少なくともいずれか一方のウェハを反らせ
た状態で両つ１ハ２０，２４を通電し、かつ経時的に減
圧しながら両ウェハ２０゜２４を互いに接触させていぎ
両ウェハ２０，２４の接触面の全域を接合させるように
した。その結果、ウェハの通電（電圧印加）により接触
界面での大きなボイドの発生が抑制されるとともに小さ
なボイドがウェハの中心部から周縁部に移動され、又、
経時的減圧により周縁部に移動してきたボイドが除去さ
れ、第１実施例に比べ、ざらにボイドの発生を抑制でき
、強固なる接合を行なうことができ信頼性が向上するこ
ととなる。

尚、この実施例の応用としては、上記実施例では熱膨張
率の差によりウェハを反らＵるようにしたが、他の方法
（例えば、ウェハの両端を真空引きにより機械的に反ら
せる〉によりウェハを反らせてもよい。又、印加電圧は
直流でもパルスでもよい。

［第３実施例コ 次に、第３の発明に対応する第３実施例を説明する。本
実施例は、直接接合したウェハの温度変化による反りを
抑制することを狙ったものである。

まず、第１０図（ａ＞に示すように、シリコンウェハ３
０を用意し、第１０図（ｂ）に示すように、１１００℃
の水蒸気雰囲気中でシリコンウェハ３０の全周面に０．
５〜１μｍの絶縁膜としての熱酸化シリコン［３１を形
成する。その後、第１０図（Ｃ）に示すように、シリコ
ンウェハ３０をアンモニア等の雰囲気で１１５０’Ｃに
加熱し、熱酸化シリコンｆｌ！３１を窒化処理する。こ
のとき、熱酸化シリコン膜３１はその表面が窒化され相
殺材料としてのティ１〜ライデツドオキサイド膜（窒化
５ｉ０２）３２ａが形成されるとともに、シリコンウェ
ハ３０と熱酸化シリコン膜３１の界面も窒化され相殺材
料としてのナイトライデッドオキサイド膜３２ｂが形成
される。

そして、第１０図（ｄ）に示すように、シリコンウェハ
３０の裏面（同図中、下面）の熱酸化シリコン膜３１及
びナイトライデッドオキサイド膜３２ａ、３２ｂを除去
する。次に、第１０図（ｅ）に示すように、熱酸化シリ
コン膜３］とナイトライデッドオキサイド膜３２ａ、３
２ｂを介してシリコンウェハ３３を接触させた後、電極
３４ａ。

３４ｂにより両ウェハ３０，３３を通電して接合させる
。

その後、第１０図（ｆ）に示すように、シリコンウェハ
３３を所望の厚さとなるように鏡面研磨する。ここで、
シリコンの熱膨張率は２．６Ｄｌ）ｍ　（１０’／’Ｃ
）　、酸化シリコンの熱膨張率は０゜５４　ｐｐｍ、ナ
イトライデッドオキナイド膜３２ａ、３２ｂの熱膨脹率
は３．５ｐｐｍであり、シリコンウェハ３３を薄膜化し
た時に、ナイトライデッドオキサイド膜３２ａ、３２ｂ
により温度変化に伴いシリコノウ１ハ３０，３３が反ら
ないようにシリコンと酸化シリコンとの熱膨脹率の差分
を相殺することができることとなる。即ら、ティ１−ラ
イデッドオキ１ノイド膜３２ａ、３２ｂがない場合に、
シリコンウェハ３３を所望の厚さに研磨してシワコンウ
ェハ３０．３３に厚みに差が生じると雰囲気温度が変化
したときに反りが発生してしまうが、それが回避される
。

このように本実施例によれば、接合するシリコンウェハ
３０，３３のうちの一方のシリコンウェハ３０の片面に
絶縁膜（熱酸化シリコン膜３１）を形成するとともに、
このシリコノウ１ハ３０と絶縁膜（熱酸化シリコン膜３
１）との熱膨張率の差による反りを相殺するための相殺
材料（ティ１〜ライデツドオキザイド膜３２ａ、３２ｂ
）を形成しその後に絶縁膜（熱酸化シリコン膜３１〉を
挟んで両ウェハ３０，３３を接合するようにした。

よって、温度変化に伴う接合したウェハの反りが抑制さ
れ、この接合したシリコンウェハに半導体装置を形成す
る際にマスクのピントずれ等を未然に防止することがで
きる。又、熱酸化による熱酸化シリコン膜３１を窒化し
てナイトライデッドオキサイド膜（窒化５ｉ０２＞３２
８を形成したので、表面の平坦性は良好であり、ＣＶＤ
法で形成したＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等に比ベウエハの均
一性に優れている。

この実施例の応用としては、第１０図（ｄ）に示す状態
から、同図においてシリ：１ンウエハ３０の下面に窒素
膜等のシリコンウェハ３０側とは熱膨張率の異なる窒化
膜（湾曲材料）を形成し、その窒化膜の形成工程とは異
なる温度雰囲気にて当該シリコンウェハ３０を凸状態に
反らせ、この状態で、両シリコンウェハ３０，３３を互
いに接触させていき両シリコンウェハ３０，３３の接触
面の全域を接触さぜ、最後に、窒化膜（湾曲材料）を除
去するようにしてもよい。

又、伯の方法（例えば、ウェハの両端を真空引きにより
機械的に反らせる）によりウェハを反らぜて接合しても
よい。

さらに、接合する両ウェハとも絶縁膜３１と相殺部材３
２ａ、３２ｂを形成してもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、信頼性に優れた
半導体ウェハの直接接合方法を提供づ゛ることができる
優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は第１実施例を説明するための断
面図、＠２図は第１実施例の別例を説明するための断面
図、第３図は比較だめの接合装置を説明するための図、
第４図は第２実施例の接合装置の断面図、第５図は第２
実施例の接合方法を説明するための断面図、第６図（ａ
）、（ｂ）。 （Ｃ）は第２実施例のボイドの移動を説明するための図
、第７図は第２実施例の効果確認のための試験を説明す
るための図、第８図は第２実施例の効果確認のための試
験を説明するだめの図、第９図は第２実施例の効果確認
のための試験を説明するための図、第１０図（ａ）〜（
ｆ）は第３実施例を説明するための断面図である。 １はシリコンウェハ、２は湾曲材料としての熱酸化シリ
コン膜、４はシリコンウェハ、５は湾曲材料としての熱
酸化シリコン膜、１５はシリコンウェハ、１６は湾曲材
料としての熱酸化シリコン膜、１７はシリコンウェハ、
２０はシリコノウ１ハ、２４はシリコンウェハ、３０は
シリコンウェハ、３１は絶縁膜としての熱酸化シリコン
膜、３２ａ、３２ｂは相殺材料としてのナイトライデツ
ドオキザイド膜、３３はシリコンウェハ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接合するウェハのうち少なくともいずれか一方のウ
   ェハの片面に当該ウェハとはその熱膨張率が異なる湾曲
   材料を形成する第１工程と、 前記第１工程とは異なる温度雰囲気にて当該ウェハを反
   らせた状態で、両ウェハを互いに接触させていき両ウェ
   ハの接触面の全域を接触させる第２工程と、 その両ウェハの接触面の全域が接触した状態で両ウェハ
   を通電することにより両ウェハを接合する第３工程と を備えたことを特徴とする半導体ウェハの直接接合方法
   。 ２、接合するウェハのうち少なくともいずれか一方のウ
   ェハを反らせた状態で両ウェハを通電し、かつ経時的に
   減圧しながら両ウェハを互いに接触させていき両ウェハ
   の接触面の全域を接合させるようにしたことを特徴とす
   る半導体ウェハの直接接合方法。 ３、接合するウェハのうち少なくともいずれか一方のウ
   ェハの片面に絶縁膜を形成するとともに、当該ウェハと
   絶縁膜との熱膨張率の差による反りを相殺するための相
   殺材料を形成し、その後に前記絶縁膜を挟んで両ウェハ
   を接合するようにしたことを特徴とする半導体ウェハの
   直接接合方法。