JPH04132222A - 半導体ウェーハ表面の分析方法 - 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、半導体ウェーハの表面の不純物原子の定量分
析方法に関する。

［従来の技術］ 半導体ウェーハを接着剤を用いないで接合する方法とし
て特公昭６２−２７０４０号公報は、単結晶シリコンの
接合面を親水化処理した後、密着させて高温処理を行っ
て接合する方法を開示している。

また、特開昭６２−２８３６５５号公報は、半導体ウェ
ーハの接合面を真空中または不活性ガス中でエツチング
した後に接合する方法を開示している。

また最近では、半導体構造の三次元構造化、高耐圧化、
素子間分離などの観点から、５ＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　
Ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハが特に注目
されており、これは例えば２層の単結晶のシリコンウェ
ーハと絶縁膜である酸化膜な挟持した構造である。

ＳＯＩ構造のウェーハの製造方法として、特公昭６２−
３４７１６号公報には単結晶シリコンウェーハ表面上に
熱酸化膜を形成し、単結晶シリコンウェーハの端部にこ
れと一体に連続する単結晶突部を設け、この熱酸化膜上
に多結晶状若しくはアモルファス状のシリコン膜を被着
し、これに電子線或いはレーザー光線等のエネルギービ
ームを線状に、且つ一方向に照射して該シリコン膜を線
状に融解、冷却及び固化することによって、全体を単結
晶シリコンの薄膜とする方法が開示されている。

しかし、この方法では、溶融シリコンと酸化膜との相互
作用によって部分的には単結晶化は可能であるが、実用
に耐えるシリコン単結晶膜は得難いのが実情である。

これを改善し、接合によりＳＯＩ構造のウェーハを得る
ものとして、表面に酸化膜が形成された単結晶シリコン
ウェーハどうしを直接接合し、その後、一方のシリコン
゛ウェーハ面をエッチバックして薄膜化することにより
、接合ウェーハを形成する方法が開示されている〔榎本
忠儀：日経マイクロデバイス、第１５号（１９８６年９
月）、第３９頁；Ｌａ５ｋｙ　、　５ｔｉｆｆｅｒ　、
　Ｗｈｉｔｅ　　ａｎｄ　　Ａｂｅｒｎａｔｈｙ　：Ｄ
ｉｇｅｓｔ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　ＩＥＥＥ　　Ｉｎｔ
、　　Ｅｌｅｃ、　ＤｅｖｉｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ　Ｉ
　Ｅ　ＤＭ）　、　　（Ｄｅｃ、、１９８５）　Ｐ、６
８ｇ　）　。

具体的には、表面に低濃度ｎ−エピタキシャル層を形成
した高濃度ｎ０シリコン基板と、低濃度の支持用シリコ
ン基板の２枚を準備し、両基板表面に熱酸化膜を形成す
る６次に、これらを重ね合わせ、密着し、酸化雰囲気中
、７００℃で熱処理することによりＳｉｎｇどうしの接
合が完了する。

酸化膜厚は自然酸化膜のレベルから５２０゜、まで試み
ている。なお、接合機構は次のように説明されている。

まず、ウェーハ間にある０２ガスが５ｉＯ−に変わると
き、部分的に真空部分が作り出され、ウェーハの一部が
密着する。いったん密着した後は水素結合、脱水縮合と
いう反応を経て、ウェーハどうしの接合が完了する。次
に、ｎ０シリコン基板を選択エツチングで除去し、ｎ−
エピタキシャル層を残すことによりＳＯＩ構造を完了さ
せる。

ところで、上記接合の際に接合面は清浄であるのが好ま
しい、半導体ウェーハは、接合前に鏡面研磨し、その後
、酸、アルカ１ハ及び有機溶剤等で洗浄するが、これら
の洗浄液を用いるウェットプロセスで洗浄後の半導体ウ
ェーハ接合面には雰囲気に由来する０、及びＮ２以外に
洗浄液由来のＣ，Ｈ，Ｆ、Ｃβ等の不純物が付着してい
る。この不純物の存在は、従来の表面分析法では、充分
に解明できず、定量的な分析は不可能であった。

すなわち・二次イオン質量分析法（５ｅｃｏｎｄａｒｙ
ｉｏｎ　ｍａｓｓ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｍｅｔ
ｈｏｄ　：　Ｓ　Ｉ　Ｍ　Ｓ法）により、表面分析を行
なおうとしても、ＳＩＭＳ法では表面から放出される２
次イオンが安定するまでに、ある程度の時間を要するの
で、２次イオンが安定してきた頃にはすでに分析したい
表面は削り取られ、表面よりも内側に掘り込まれたかた
ちになってしまうために、真の表面に付着する不純物の
定量分析は困難であった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記特公昭６２−２７０４０号公報に記載の方法では、
接合面の親水性処理において、液状の処理液を用いるウ
ェットプロセスを採用するものであるため、接合面には
親水性基が導入される以外に、多種類の不純物が残存す
ることとなり、この不純物は熱処理により欠陥を形成し
、電気的特性に悪影響を及ぼし、半導体装置の高集積化
に供い要求される高純度化の点に問題を有するものであ
る。

また、不純物の存在により接合強度も不充分である。

また、特開昭６２−２８３６５５号公報に記載の方法で
は、接合前の接合面のエツチングが基本的にはドライプ
ロセスで行なわれるものであるため、特公昭６２−２７
０４０号の欠点を解決し得るものであるが、このエツチ
ング工程では、高価な大型の装置を要し、しかも、エツ
チングを施すまでに真空にする等の条件の設定に長時間
を要するため、製造コストが非常に高（なり、工業的な
実用化が困難であるという問題があった。

さらに、上記接合によりＳＯＩ構造のウェーハを得る方
法は、上記特公昭６２−２７０４０号公報記載の方法と
同様、接合前の接合面の不純物の存在には格段の注意を
払っていないものであるため、特公昭６２−２７０４０
号と同様の問題がある。しかも、接合された２枚のウェ
ーハのうちの一方のウェーハを薄肉させる際に行なわれ
るエッチバックには高価で大型の装置を要し、エッチバ
ックの際に要する時間、イオン源、電力等、いずれもコ
ストアップにつながり、工業上の実用性からの問題があ
った。

接合強度の上からも、残存不純物が熱処理により欠陥を
形成し、電気的に悪影響を与えるのを防止する意味にお
いても、半導体ウェーハの接合にあたって接合面の清浄
度が非常に重要であり、いかにすれば工業上実用性のあ
る範囲内で接合面を清浄化することができるのか、また
、その清浄度を定量的に把握するにはどうすれば良いの
かについて、確とした技術が存在していなかった。

本発明は上記の点を解決しようとするもので、その目的
は、高真空にしたり、高価なイオン源や高価な装置を用
いたりすることなく、半導体つ工−ハの接合面を高度に
清浄化し得る清浄化方法を提供することにある。また、
本発明の他の目的は、そのような清浄化の度合を定量的
に知る方法、すなわち、半導体ウェーハ表面の構成原子
の存在量を定量的に分析する方法を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は第１の発明として、 （ａ）半導体ウェーハ （ｂ）少なくとも片面に酸化膜を有する半導体ウェーハ のうち、（ａ）と（ａ）　、　（ａ）と（ｂ）　、　（
ｂ）と（ｂ）を接合する際に接合面を酸素雰囲気下で紫
外線を照射して、接合面に付着している不純物を除去す
ることを特徴とする半導体ウェーハの清浄化方法を提供
するものである。

また、本発明は第２の発明として、分析対象としての第
１半導体ウェーハの表面に接着剤を用いることなく第２
半導体ウェー八を重ね合わせ、密着し、加熱して接合し
、前記第２半導体ウェーハ側を研磨により薄層化し、こ
の接合ウェーハの第２半導体ウェーハ薄層側からイオン
ビームを照射し、不純物原子が中性粒子またはイオンと
してスパッタされて生じた２次イオンの質量分析を行う
ことにより表面から深さ方向への不純物の定量分析を行
うことを特徴とする半導体ウェーハ表面の分析方法を提
供するものである。

［作用］ 本発明の清浄化方法においては、接合する際に、半導体
ウェーハまたは酸化膜が形成されている半導体ウェーハ
の接合面を酸素雰囲気下で紫外線を照射することにより
発生するオゾンで接合面に付着している不純物特にカー
ボンを分解・脱離して高度に清浄化することができる。

強固な接合を妨害する不純物が除去されるため、本発明
により清浄化した後に接合して得られる接合ウェーハの
強度が高（なる。また、接合界面が高度に清浄化されて
いるため、この接合ウェーハに素子形成を行った場合に
、例えば、不純物が熱処理により欠陥を形成し、電気的
に悪影響を与えるなどのような不純物の存在に基づく種
々のトラブル発生を防止できる。

また、本発明の半導体ウェーハ表面の分析方法によれば
、接合ウェーハの薄層側からイオンビームを照射し不純
物原子から形成されれた２次イオンの質量分析を行うこ
とにより表面化から深さ方向への定量分析を行うもので
あるために、イオンビームをあてて表面から掘り込んで
行き、接合界面、すなわち、分析対象としての半導体ウ
ェーハの表面の不純物原子が安定して２次イオン化し、
真に分析したい表面の不純物原子を定量的に分析するこ
とができる。

また、分析対象面上に形成される薄層は接着剤を用いる
ことなく接合した後研磨して形成したものであり、接合
時に不純物が付着しない条件となるために、分析対象面
はＳＩＭＳにより分析されるまでは汚染されることなく
元のままで保存されることになる。

［実施例］ 次に実施例を挙げて本発明の詳細な説明する。

実施例１ くシリコンウェーハの清浄化〉 まず、鏡面研磨された２枚のシリコンウェーハを用意す
る。この鏡面研磨された面を接合面とする。この接合面
の表面粗さは　Ｒａ　＝　０．４μｍ以下であることが
好ましい。Ｒａ　＝　０．４μｌを超えると、接合時、
接合界面にボイドと称する未結合領域が発生し、そのた
め接合強度が不充分となる。鏡面研磨後は研磨時にウェ
ーハをキャリアプレートに貼り付けるための接着剤、研
磨剤、および研磨により発生したパーティクル等を除去
するために接合面を　ＮＨ４ＯＨ／　ＨｚＯ□、　Ｈ，
ＳＯ，／　ＨｆｆｉＯ□。

ＨＣｌ２／ｕ＊ｏ□、　ＨＦ、　１−ＣｓＨｙ等を使用
して洗浄する。

洗浄後には洗浄液由来のＣ，Ｈ，Ｆ、Ｃρ等の不純物が
接合面に付着している。そのため第１図（ａ）に示すよ
うにＳｉボンドウェーハ１とＳｉベースウェーハ２の接
合前にこれらの不純物を除去する。その洗浄方法として
は、酸素雰囲気下で紫外線照射し、発生したオゾンによ
り接合面２を洗浄するもので、接合面２に付着している
不純物がオゾンにより分解・脱離され除去されて洗浄が
行なわれる。一般に酸素は１８４．９ｎｓの紫外線を吸
収してオゾンを生成し、またオゾンは２５３．７ｎｓの
紫外線を吸収して分解する。オゾンの生成および分解の
過程で発生する原子状の酸素は特に強力な酸化剤として
不純物に作用し分解する。従って１８４．９　ｎｍと２
５３．７止の両方の波長の紫外線を照射することが好ま
しく、それによりオゾンの連続的な生成、分解が起こり
、不純物の分解速度が速くなる。また、Ｓｉボンドウェ
ーハ１の接合面と紫外線ランプ３の距離は短い方が不純
物の分解速度が速（なり、その距離は５１１Ｉ１１程度
が好ましい。

＜Ｓｉミラニーへうしの接合〉 Ｓｉボンドウェーハｌの接合面３の洗浄後は、その接合
面３どうじを重ね合わせ、密着させてＮ８雰囲気中また
は酸化性雰囲気中で加熱処理することにより第１図（ｂ
）に示す接合ウェーハ５を得る。ここで加熱温度として
は１１００℃以上、加熱時間としては２時間程度が好ま
しい。

また、ウェーハ１，２の接合は、接合面３の洗浄後、直
ちに行なわれるものであり、接合面３の洗浄後そのまま
放置すると接合面に雰囲気中に浮遊する微細なゴミ等が
付着して接合面の清浄性が失われ、そのため接合時に接
合界面にボイドが発生して接合強度が不充分となる。

く研磨による薄膜化〉 次に１．接合ウェーハの上層のＳｉボンドウェーハ１の
表面が所定の研磨化（例えば３μｍ）を残して所定の厚
さ１＋　　（例えば６μｍ）になるまでプレ研磨（１次
研磨）を行なう（第１図（Ｃ））。

そして、さらに２次研磨によって厚さ１１　　（例えば
３μｍ）まで研磨して、上層のＳｉボンドウェーハ１を
薄膜化し、第１図（ｄ）に示すような接合ウェーハ５を
得る。

＜ＳＩＭＳ分析〉 １次イオンビームとしてＣｓ”イオンを用い、接合ウェ
ーハのＳＬボンドウェーハ側の面を表面側からスパッタ
しながら、試料から出る２次イオンを質量分析する。母
体Ｓｉの２次イオン信号強度と測定すべき不純物の２次
イオン信号強度の比をスパッタ時間に対して測定する。

別の方法でスパッタ速度を求めることによりスパッタ時
間を表面の深さに換算する。また、得られる２次イオン
強度比は、既知の濃度に対する２次イオン強度比（標準
試料）と比較することにより不純物濃度分布を求める。

このような方法で、上記で得られた接合ウェーハの分析
を行ったところ、接合面は高度に清浄化されウェー八内
部の分析値と同レベルであることがわかった。

実施例２ 〈片面に熱酸化膜が形成されたシリコンウェーハと熱酸
化膜を有しないシリコンウェーハの清浄化〉 まず、２枚のシリコンウェーハの接合面を前実施例と同
様に鏡面研磨、洗浄液による洗浄を行なう、その後、２
枚のウェーハのうち素子形成面となるべき単結晶のＳｉ
ボンドウェーハｌを酸化雰囲気中で熱酸化処理を施すこ
とによって第２図（ａ）に示すようにＳＬボンドウェー
ハ１上にＳ　ｉ　Ｏｚの酸化膜６を形成する。

次に、第２図（ｂ）に示すように前実施例と同様に酸素
雰囲気下で紫外線照射を行なって、Ｓｔボンドウェーハ
１、およびＳｉベースウェーハ２の接合面３に付着して
いる不、鈍物を分解・脱離させて洗浄する。

くウェーハの接合〉 洗浄後は微細なゴミ等の付着によって接合面が汚れるの
を防ぐために、直ちにＳｉベースウェーハ２の上にボン
ドウェーハ１を重ね合わせて一体化しく第２図（Ｃ）参
照）、これら一体止されたつ工−ハ１，２をＮ２雰囲気
中または酸化性雰囲気中で約１１００℃の温度で約１２
０分間熱酸化処理することによって接合強度を高めると
ともに、第２図（ｄ）に示すように、両ウェーハ１，２
の全表面に厚さ約５００止のＳｉＯ□酸化膜７を形成す
る。

〈研磨による薄膜化〉 実施例１と同様にプレ研磨（１次研磨：第２図（ｅ）参
照）及び２次研磨を行いボンドウェーハを薄膜化し、第
２図（ｆ）に示すような接合ウェーハ９を得る。

＜ＳＩＭＳ分析〉 実施例１と同様にして不純物原子の分析を行ったところ
接合面は高度に清浄化され不純物原子の分析値は、ウェ
ーハ内部のそれと同じレベルであった。測定値は非照射
の測定値と一緒に下記に示す。

なお、酸素雰囲気下での紫外線照射を行わないこと以外
は実施例１と同様にして接合ウェーハを得、研磨による
Ｓｔボンドウェーハの薄膜化を行い、表面にＳＬの薄膜
が接合した接合ウェーハとし、これをＳＩＭＳ分析に付
したところ、Ｓｉボンドウェーハ層とＳｉベースウェー
ハ層との界面に相当する深さ（１９μｍ）のところに下
記のような不純物のピークが見られた。

不純物原子　　　　濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｃ）非照射　
　　　　照射 Ｃ３ＸＩＯ”　　　　ｌ　ｘｌＯ” Ｆ　　　　　　Ｉ　ＸＩＯ”　　　　２　Ｘｌ０１４Ｃ
ｊ２　　　　１　ｘｌＯ”　　　　ｌ　ｘｌＯ１６また
、参考のために、洗浄後のウェーハを接合せず、その表
面で直接ＳＩＭＳによる表面分析を行なったところ、不
純物の分析値は、ウェーハ内部の値と同じで、この分析
方法では分析が不可能であることがわかった。

［発明の効果］ 本発明の清浄化方法によれば、接合ウェーハの接合面に
付着している不純物を分解・脱離して高度に清浄化する
ことができる。清浄化した直後に接合した接合ウェーハ
は接合を妨害している不純物が除去されているために高
い接合強度を有する。また、接合界面が高度に清浄化さ
れた接合ウェーハが得られるために、この接合ウェーハ
に素子形成を行った場合に、不純物の存在に基づ（種々
のトラブル発生を防止できる。

また、本発明の半導体ウェーハ表面初分析方法によれば
、接合界面、すなわち分析対象として不純物は、安定し
て２次イオンを形成し半導体ウェーハ表面の不純物原子
を定量的に分析することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）はシリコンウェーハを接合する際
に清浄化を行う実施例を示す説明図、第２図（ａ）〜（
ｆ）はシリコンウェーハと酸化膜を有するシリコンウェ
ーハとを接合する際に清浄化を行う実施例を示す工程説
明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）半導体ウェーハ （ｂ）少なくとも片面に酸化膜を有する半導体ウェーハ のうち、（ａ）と（ａ）、（ａ）と（ｂ）、（ｂ）と（
   ｂ）を接合する際に接合面を酸素雰囲気下で紫外線を照
   射して、接合面に付着している不純物を除去することを
   特徴とする半導体ウェーハの清浄化方法。
2. （２）分析対象としての第１半導体ウェーハの表面に接
   着剤を用いることなく第２半導体ウェーハを重ね合わせ
   、密着し、加熱して接合し、前記第２半導体ウェーハ側
   を研磨により薄層化し、この接合ウェーハの第２半導体
   ウェーハ薄層側からイオンビームを照射し、生じた２次
   イオンの質量分析を行うことにより表面から深さ方向へ
   の定量分析を行うことを特徴とする半導体ウェーハ表面
   の分析方法。