JPH0397215A - 半導体ウェハの製造方法 - 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】 ［発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、二枚の基板を接着剤を用いることなく直接接
着して一枚の半導体ウェノ＼を製造する方法に関する。

（従来の技術） 鏡面に研磨されたシリコン等の基板を洗浄活性化し、そ
の研磨面同士を室温で接触させると両者は自らの力で密
着する。さらにこの密着した基板を熱処理することによ
り接着強度が増加し、強固な接合体ウェハが得られる。

室温での密着は基板表面に形成されたＯＨ基の相互作用
によるものであり、その後の熱処理による強度増加は脱
水縮合反応等によってＯＨ基同士の結合がＳｉ−０−Ｓ
ｉ結合からＳｉ−Ｓｉ結合に変わるためと考えられてい
る。熱処理による強度増加は、２００℃以上の温度で観
測される。

この直接接着技術は、界面に接着剤等の先物が介在しな
いので得られたウェハは熱的にも化学的にも安定であり
、またｐｎ接合や誘電体埋込みが簡単にできるので、各
種半導体素子に応用されている。またシリコン等の半導
体基板と石英やガラス等の誘電体基板、シリコン基板と
ＧａＡｓ基板等のように材料が異なる基板を接着するこ
とで、ＳＯＩ基板やＧａＡｓｏｎＳｉウェハを容易に得
ることができる。

しかしながら、従来の直接接着技術には、次のような問
題があった。

第１に、材料が異なる基板同士を直接接着技術により接
着した場合、熱処理の際に基板が剥がれたり破壊される
、ということがあった。これは、両基板の熱膨張係数が
異なるために熱処理中に応力が発生する結果である。発
生する応力を小さくするために熱処理温度を下げると、
接合強度が十分に得られない。

第２に、二枚の基板を洗浄処理等の前処理を行った後、
基板同士を貼り合わせたときに、前処理条件によっては
接着基板の界面にボイド（未接着部分）が発生すること
がある。また貼り合わせ時にはボイドがなくても、その
後熱処理を行ったときに熱処理条件によってボイドが発
生することがある。このボイドの発生は異なる材料の基
板同士の接着においても、同じ材料の基板同士の接着に
おいても認められる。このボイドは、接合体ウェハを用
いて構成される半導体素子の電気的特性や歩留まりに大
きい影響を与えるばかりでなく、素子作製プロセスの弊
害にもなる。特に異なる材料の基板同士の接着の場合に
は、このボイドが基板の剥れや割れを招きやすい。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来の直接接着技術には、二枚の基板が異
種材料の場合に接合強度が十分なウェハを得ることが難
しい、前処理や熱処理条件によって界面にボイドが発生
する、といった問題があった。

本発明の目的は、熱膨張係数が異なる基板同士を十分な
接合強度をもって信頼性良く接着する半導体ウェハの製
造方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、接着界面にボイドの発生のない優
れた半導体ウェハの製造方法を提供することを目的とす
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の第１の方法は、熱膨張係数が異なる基板を直接
接着する際に、二枚の基板を室温で貼り合わせて密着さ
れた後に中間温度で第１の熱処理を行い、その後一方の
基板の厚みを減らした後、再度高温で第２の熱処理を行
うことを特徴とする。

本発明の第２の方法は、基板接着に先立つ基板の洗浄，
乾燥等の前処理工程の最後に、少なくとも一方の基板を
８０℃以上の純水中に浸漬する処理を行うことを特徴と
する。

（作用） 第１の方法において、第１の熱処理工程での中間温度は
、基板が割れたり剥がれたりする温度以下であって、次
の厚みを減らす工程に耐えられる接着強度が得られる温
度であればよい。この第１の熱処理は、室温での接着強
度が上の条件を満たすならば省略することができる。厚
みを減らす工程は、研磨やエッチングなどで行うことが
できる。機械的な加工をする場合はある程度の接着強度
が必要であるので、第１の熱処理温度を比較的高いもの
とする。エッチングの場合は接着強度は低くてもよく、
第１の熱処理温度を低くすることができる。第２の熱処
理工程は、両基板を強固に結合させるために、第１の熱
処理より高い温度とする。適切な温度は基板材料によっ
て異なるが、熱によって基板の溶融，変形，結晶欠陥の
発生等が起こらない範囲とする。

この第１の方法によって、基板に割れ等が生じないで強
固な接合体ウェハが得られる理由を、第１図を参照して
以下に詳細に説明する。第１図（ａ）は、熱膨張係数の
異なる第１の基板１１と第２の基板１２を室温で貼り合
わせた状態である。

ここで、第１の基板１１のほうが第２の基板１２より熱
膨張係数が大きいものとする。貼り合わせた基板を熱処
理のため昇温すると、熱膨張係数の大きい第１の基板１
１は第２の基板１２より伸びようとする。しかし両基板
は密着一体化しているので、第１の基板１１は第２の基
板１２によって伸びが抑えられ、第１の基板１１には圧
縮応力が生じる。第２の基板１２には逆に引張り応力が
生じる。これらの応力は、熱処理温度が高くなるほど、
それに比例して大きくなる。これが、熱膨張係数の異な
る密着基板を高温で熱処理したときに剥れや割れが生じ
る原因である。一般に半導体ウェハとして用いられる固
体材料は、圧縮応力には強いが、引張り応力に弱く、従
って今の場合第２の基仮１２に発生する引張り応力が問
題になる。

一方これらの応力は、温度以外に基板の厚さに関係する
。例えば第１図（ｂ）のように第１の基板１１が第２の
基板１２に比べて相対的に薄い場合には、第１の基板１
１に発生する応力が大きくなる。また、第１の基板１１
が薄いと、これが第２の基板１２に与える力がそれだけ
小さくなるので第２の基板１２に発生する応力は第１図
（ａ）の場合より小さくなる。すなわち第１図（ｂ）の
ように第１の基板１１を薄くすると、第］の基板１１に
発生する圧縮応力は大きくなり、第２の基板１２に発生
する引張り応力は小さくなる。既に述べたように第２の
基板１２に発生する引張り応力が剥れ等の原因であるか
ら、第１の基板１１を第２の基板１２より薄くすれば、
剥れ等を生じることなく高温での熱処理が可能になる。

第１の基板１１をどの程度薄くすればよいかは、第１の
基板１１と第２の基板１２の材料，もともとの厚さ，必
要とされる強度を得るための熱処理温度等によって異な
り、一概に言えない。本発明者等の実験によれば、Ｇａ
Ａｓ，　　シリコン，石英，ガラス等のよく用いられる
基板を強固に接着するために必要な数百℃以上の熱処理
をするためには、第１の基板１１を第２の基板１２の１
／５以下の厚さとすれば十分であった。

また一方または両方の基板の接着する表面に酸化膜等の
膜があっても、それが１０μｍ程度以下であって第２の
基板より十分薄ければ、問題ない。

′７３１の基板１１の厚さを初めから第２の基板１２の
１７５程度にしておけば、高温で熱処理しても問題ない
。しかし基板の厚さは通常数百μｍであり、この１／５
の厚さでは薄すぎて基板の取扱いが困難である。また逆
に、薄い方が数百μｍであってもう一方がその５倍の厚
さとすると、直接接着により得られるウエノ＼は厚くな
り過ぎて、その後の工程に支障を来たす。またコストも
高くなる。

したがって本発明のように、密着基板を剥れ等が生じな
い中間温度で熱処理して、その後基板の一方の厚みを減
らしてから、再度高温で熱処理する、と言う工程を採る
ことが有用になる。

次に、前処理の最後に高温純水に浸漬する本発明の第２
の方法によれば、得られる接合体ウエノ＼の界面のボイ
ド発生が効果的に抑制される。この事は、実験的に確認
された。なお接合体ウエノ＼の界面のボイドの観察は、
走査型放射温度計（例えば、ＡＧＡ社製，サーモビジョ
ン６８０）により行った。

この第２の方法により、ボイドレス接合体ウェハが得ら
れる理由は、高温の純水浸漬処理によつて基板表面の過
剰な水分子が蒸発または気化して除去され、ボイドレス
接着に必要な適量の水分子が吸着された状態が得られる
ためと考えられる。

従ってこのことから、この第２の方法によれば、過剰な
水分による接着界面の変質が避けられ、界面の電気的特
性が改善されて、半導体素子の特性向上が図られる。

（実施例） 実施例１ 鏡面研磨されたシリコン基板と石英基板を用意した。シ
リコン基板，石英基板ともに、直径１　０　０　■，厚
さ５００μｍである。まず両基板を洗浄した。洗浄は両
基板とも、硫酸と過酸化水素の混合液処理一塩酸と過酸
化水素の混合液処理一水洗である。シリコン基板は最後
に希弗酸で処理して水洗した。洗浄後、両基板を約９０
℃の純水に浸漬してスピンナーで乾燥し、鏡面同士を清
浄な雰囲気下で接触させて密着させた。次に第１の熱処
理を行った。温度は３００℃，雰囲気は窒素，時間は１
時間である。次いで研磨によってシリコン基板の厚さを
薄くした。次に第２の熱処理を窒素雰囲気中で１１００
℃，１時間行った。

シリコン基板を１００μｍ以下に薄くした試料ウェハは
、その後の第２の熱処理工程で剥がれ等がまったく認め
られなかった。またその後のデバイス工程にも耐えられ
た。両基板の接着状態は石英基板を通して目視で観察す
ることができるが、ボイドの発生は認められなかった。

シリコン基板の研磨が少なく、その厚さが１２０μｍ以
上の試料では、１１００℃の第２の熱処理工程で破壊さ
れた。

第２図（ａ）〜は（ｒ）は、具体的にこの実施例の方法
を適用した高耐圧ダイオード用ウェハの製造工程である
。シリコン基板２１と石英基板２２を上述のように洗浄
処理し、シリコン基板２１には接着前にその接着する面
にｎ一型層２４と０．　　５μｍの熱酸化膜２３を形成
した（（ａ））。これらを、室温で貼り合わせた後、第
１の熱処理を行った（（ｂ））。その後シリコン基板２
１側を研磨してその厚みを３０μｍにした（（Ｃ））。

次にシリコン基板２１を選択エッチングして溝２５を掘
り、露出したシリコン層の側面にｐ＋型層２６を拡散形
成した（（ｄ））　　この拡散は１１００℃で行った。

これが第２の熱処理工程を兼ねている。そして側面に熱
酸化膜２８を形成した後、全面に多結晶シリコン膜２６
を堆積した（（ｅ））。最後に、表面の平坦化のために
シリコン層２１の厚みが２０μｍになるように研磨を行
って、誘電体分離ウェハを得た（（ｒ））。

第３図は、こうして得られたウェハに通常のプロセスに
よって形戊した高耐圧ダイオードを示している。

第４図は類似の応用例で、Ｓｉ基盤４１と石英基盤４２
を接着し、反応性イオンエッチング法で垂直側壁を持つ
分離溝４３を形或したウェハを示している。

実施例２ 鏡面研磨されたシリコン基板とＧａＡｓ基仮を用意した
。シリコン基板は直径７６＋ｎＩＩ１，厚さ４００μｍ
であり、ＧａＡｓ基板は直径７６ｍｍ，厚さ４５０μｍ
である。

まず両基板を洗浄した。ＧａＡｓ基板の洗浄は、メタク
レンによるボイルーアセトン置換一エタノール置換一水
洗一塩酸ボイルー水洗である。シリコン基板の洗浄は実
施例１と同じである。

洗浄後、両基板をスビンナーで乾燥し、鏡面同士を清浄
な雰囲気下で接触させて密着させた。

次に第１の熱処理を行った。温度は４００℃，雰囲気は
アルゴン，時間は１時間である。エッチングによりＧａ
Ａｓ基仮の厚みを２０μｍに減らし、次いで第２の熱処
理を、アルゴン雰囲気中で６００℃，１時間行った。

この結果、基板に剥がれや破壊はなく、接合強度も十分
であり、その後のデバイス工程にも絶えられた。

丈施例３ 片面を鏡面研磨した多数のシリコン基板を用意した。い
ずれも面方位（１００），比抵抗１０Ω’　ｃｍのｐ型
，直径７６１′ｆｉｍ，厚さ４５０μｍである。これら
の是板をまず洗浄処理した。洗浄処理は、過酸化水素水
と硫酸の混合液処理と、王水処理である。

洗浄処理した基板のうち３０枚は、沸騰している純水中
に浸漬して清浄雰囲気に取り出して、鏡面同士を接触さ
せて接着ウェハを得た（Ａタイプ）。他の３０枚の基板
は、８０℃の純水中に浸漬して清浄雰囲気中に取り出し
、同様に鏡面同士を接触させて接着ウェハ得た（Ｂタイ
プ）。

Ａタイプのウェハ１５枚と、Ｂタイプのウェハ１５枚の
計３０枚について、界面のボイドの有無をＩ　ｎＳｂを
検出器とする走査型放射温度計により調べた。いずれに
も、ボイドは認められなかった。

更に以上の接着ウェハに対して窒素雰囲気中で１０００
℃，１時間の熱処理を行った。そして再度走査型放射温
度計によりボイド検査を行ったところ、どのウェハても
ボイドは検出されなかった。

比較のため、純水処理の温度を低くした他、同様の条件
で接着シリコンウェハを作成した。そのうち一組は、２
３℃の純水処理を行ったもの（Ｃタイプ）であり、他の
一組は７０℃の純水処理を行ったもの（Ｄタイプ）であ
る。これらＣタイプ，Ｄタイプの接着ウェハでも、熱処
理前はボイドは検出されなかった。しかし窒素雰囲気中
，１０００℃，１時間の熱処理を行ったところ、Ｃタイ
プでは２０枚中１０枚（５０％）にボイドが発生し、Ｄ
タイプでは１５枚中７枚（４７％）にボイドが発生した
。

実施例４ 実施例３と同じシリコン基板を４０枚用意し、そのうち
１０枚の基板には表面にシリコン酸化膜（０．７μｍ）
を形成し、他の１０枚の基板には表面にシリコン窒化膜
（０，４μｍ）を形成した。

そして全ての基板を実施例３と同様の方広で洗浄処理し
、更に沸騰している純水中に浸した後、清浄雰囲気に取
り出し、酸化膜を形成した基阪と膜形戊をしていない基
板を鏡面同士接触させて１０枚の接着ウェハを作成し（
Ｅタイプ）、同様に窒化膜を形成した基板と膜形成して
いない基板を鏡面同士接触させて１０枚の接着ウェハを
作成した（Ｆタイプ）。

これらのウェハについて実施例３と同様にボイドの検査
をしたが、ボイドはいずれのウェハにも認められなかっ
た。またこれらのウェハに、実施例３と同様の高温熱処
理を行った後も、ボイドの発生は認められなかった。

実施例５ 片面が鏡面研磨されたＧａＡｓ基板を用意し、これを洗
浄処理した。洗浄処理は、トリクレンとアセトンによる
煮沸処理と、酸処理である。その後、沸騰している純水
中に基板を浸して清浄雰囲気中に取り出し、二枚ずつ鏡
面同士を貼り合わせて接着ウェハを得た。

得られた接着ウェハを実施例３と同様にボイド検査した
が、ボイドは検出されなかった。

更に得られたウェハを窒素雰囲気中で５００℃，１時間
の熱処理をした。この熱処理をしたウェハにもボイドは
検出されなかった。

実施例６ 片面が鏡面研磨されたＩｎＰ基板を用意し、これを実施
例５と同様の条件で洗浄処理した。その後、９０℃の純
水中に基板を浸して清浄雰囲気中に取り出し、二枚ずつ
鏡面同士を貼り合わせて接着ウェハを得た。

得られた接着ウェハを実施例３と同様にボイド検査した
が、ボイドは検出されなかった。

更に得られたウェハを実施例５と同様の条件で熱処理を
した。この熱処理をしたウェハにもボイドは検出されな
かった。

実施例７ 片面が鏡面研磨されたＧａＰ基板を用意し、これを実施
例５と同様の条件で洗浄処理した。その後、沸騰しでい
る純水中に基板を浸して清浄雰囲気中に取り出し、二枚
ずつ鏡面同士を貼り合わせて接着ウェハを得た。

得られた接着ウェハを実施例３と同様にボイド検査した
が、ボイドは検出されなかった。

更に得られたウェハを実施例５と同様の条件で熱処理を
した。この熱処理をしたウェハにもボイドは検出されな
かった。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、熱膨張係数が異なる
基板を強固に直接接着した半導体ウェハを得ることがで
きる。また本発明によれば、接着界面にボイドが発生し
ない優れた半導体ウェハを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は、本発明の作用を説明するため
の図、 第２図（ａ）〜（ｒ〉は、具体的な実施例の誘電体分離
ウェハの製造工程を示す図、 第３図は得られたウェハを用いた高耐圧ダイオードの構
造を示す図、 第４図は他の誘電体分離ウェハの断面図である。 １１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１，
４１・・・シリコン基板、２２．４２・・・石英基板、
２３・・・酸化膜、２４・・・ｎ一型層、２５．４３・
・・溝、２６・・・ｐ＋型層、２７・・・多結晶シリコ
ン膜、２８・・・酸化膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも一方が半導体であって、それぞれの少
   なくとも片面が鏡面研磨された熱膨張係数の異なる二枚
   の基板の研磨面同士を直接接着して半導体ウェハを製造
   するに際し、二枚の基板を室温で貼り合わせた後、中間
   温度で第１の熱処理を行い、次いで一方の基板の厚みを
   減らした後、高温で第２の熱処理を行うことを特徴とす
   る半導体ウェハの製造方法。
2. （２）少なくとも一方が半導体であって、それぞれの少
   なくとも片面が鏡面研磨された二枚の基板の研磨面同士
   を直接接着して半導体ウェハを製造するに際し、二枚の
   基板を洗浄処理した後、８０℃以上の純水中に浸漬して
   取り出し、その後二枚の基板を貼り合わせて熱処理する
   ことを特徴とする半導体ウェハの製造方法。