JPH0691147B2 - 接合ウエーハ検査方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、接合ウエ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エ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、現在熱拡散法およびエピタ
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100Ωcm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
すぎて、製造技術上非常に問題がある。

鏡面研磨された２枚のシリコンウエ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、上述
した従来法の欠点を著しく改善し得る。

現在シリコンウエーハの接合法としては、鏡面シリコン
ウエ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1/5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エーハ間に直流又は交流電圧を加え
てウエ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。

シリコンウエーハの接合において技術的な問題点は、２
枚の鏡面ウエ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、原因としてウエーハの表面
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。

またシリコンウエーハの改良接合技術としては、例えば
特開昭61-182216号公報に、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、一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号公報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。

接合ウエーハの接合面は、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、接合ウエ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、接合ウエーハの接合面に直角な方向から赤外線を
該接合ウエーハに照射して、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
外線がウエ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、未接合部のウエーハ表面相互間
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った。

これ以下の未接合部は、適当に接合ウエーハを切断しそ
の切断面をSEM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、接合ウエ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題］ 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、接合ウエ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エーハ検査方法を提
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エーハ
検査方法においては、ラング・カメラを用いて、試料と
しての接合ウエーハのラング・トポグラフを取得し又は
さらにその画像を処理して、該接合ウエーハの接合界面
の未接合部を検出する。この接合ウエーハは例えば半導
体シリコンウエーハ又は化合物半導体ウエーハにより構
成されている。

［作用］ シリコンウエーハの接合に際しては、２枚のシリコンウ
エ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、両ウエ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シック化が行わ
れる。

しかし、現実のしかも工業的な生産の状況では、両ウエ
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。

接合面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、面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
け得る。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。ウエーハを接合したのち、熱処理によって歪みが開
放され、両面が若干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
度が大幅に向上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
ウエーハを配置し、第１スリットにより、Ｘ線源からで
たＸ線束の発散角を制限し、接合ウエーハの背面には、
例えばＫ_αの回折Ｘ線だけが通過するように第１スリッ
トより幅の広い第２スリットを通して、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、ウエ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、シリコンウエーハの結晶方位は、両ウエーハ
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面における両
ウエ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。接合ウエーハにおいては、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
合の間隙が0.1μｍ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、従来法に比べ本質的に優れた接
合ウエーハ検査方法であるといえる。この事実は、表面
粗さが約1nmのウエーハ同志を接合し、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エーハを0.
5mm角にダイシ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Δｄ
とすると、Δd/d〜10^-7まで可能ともいわれているが、
こんことが本発明において接合面の界面における僅かな
格子定数の変化、従って接合ウエ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。

以上はシリコンウエ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
膜がシリコンウエ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］ （１）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
して接合ウエーハ10を配置した状態を示す。

このラング・カメラ22は、２θ回転台24に第１スリット
26、第２スリット28及び係数管30が固定され、θ回転台
32が２θ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上に垂直に接合ウエーハ
10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、２θ回転台24を回転させて係数管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Ｋ_α１
線だけが回折される状態にし、第２スリット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スリッ
ト26に通し、係数管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スリット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（接合ウエーハ10の面に平行な方
向）に往復移動させて接合ウエーハ10の広い領域の回折
像であるラング・ポ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エーハＡ〜
Ｄを用いた。

表１中の数値の単位はnmである。この表面粗さはワイコ
ーコーオポレーション （WYKO CORPORATION）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、
上記ウエーハＡ〜Ｄを各々４枚づつ用意し、すべての組
合わせ（AA、AB、AC、AD、BB、BC、BD、CC、CD、DD）に
ついて鏡面を相互に密着させ、次にN₂雰囲気中で1100℃
120分間熱処理を行うことにより接合ウエーハを作成し
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MOK_α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、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、CD、DD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、鏡面粗さを中心線平均粗さ0.45nm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ものであり、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、接合ウエ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エー
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、該接合ウエ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
合ウエーハの品質向上及び良品質の接合ウエーハの開発
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エーハのＸ線
写真である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ラング・カメラを用いて、試料としての接
   合ウエーハのラング・トポグラフを取得し又はさらにそ
   の画像を処理して、該接合ウエ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エーハ検査方法。
2. 【請求項２】上記接合ウエーハは、半導体シリコン単結
   晶ウエ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記載の接合ウエーハ検査
   方法。