JPWO2015102065A1 - ハンドル基板および半導体用複合ウエハー - Google Patents

ハンドル基板および半導体用複合ウエハー Download PDF

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Abstract

半導体用複合ウエハーのハンドル基板において、ノッチを形成したウエハーのパーティクルを抑制できるようにする。半導体用複合ウエハーのハンドル基板１Ａ、１Ｂが多結晶セラミックス焼結体により形成されており、外周縁部にノッチ２Ａ、２Ｂを有している。ノッチが焼成面によって形成されている。

Description

本発明は、ハンドル基板および半導体用複合ウエハーに関するものである。
従来、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ（ＳＯＱ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ（ＳＯＧ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ （ＳＯＳ）と呼ばれるハンドル基板を、透明・絶縁基板で構成されるＳＯＩや、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイアモンド、ＡｌＮ等の透明ワイドギャップ半導体をシリコン等のドナー基板に接合することで、貼り合わせウエハーを得ることが知られている。ＳＯＱ、ＳＯＧ、ＳＯＳなどは、ハンドル基板の絶縁性・透明性などからプロジェクター、高周波デバイスなどへの応用が期待されている。またワイドギャップ半導体の薄膜をハンドル基板に貼り合わせ複合化したウエハーは、高性能レーザーやパワーデバイスなどへの応用が期待される。
こうした半導体用の複合ウエハーは、ハンドル基板とドナー基板とからなっており、一般的にはハンドル基板やドナー基板は単結晶材料からなる。従来は、ベース基板上にシリコン層をエピタキシャル成長により形成する方法が主流であったが、近年直接接合により形成する方法が開発され、半導体デバイスの性能改善に寄与している。すなわち、こうしたハンドル基板とドナー基板とは、接合層や接着層を介して接合されるか、あるいは直接接合される。
一方、ＣＭＯＳを形成する基材として半導体（主にシリコン）が用いられている。数百からなる加工工程−設備を用いることから、基材ウェハーに共通となる規格（ＳＥＭＩ：Semiconductor Equipment and Materials international）を定めている。
特にＳＯＳ（シリコン オン サファイア）基板を用いたＣＭＯＳトランジスタ形成が実施されている。このウエハーは、シリコンにサファイアを接合して作成されるが、シリコンの形状にサファイアの形状をそろえることが求められる
シリコンウエハーとして一般的に<100>面方位のものが使用されるが、マスクパターンとの整合性から面方位を認識することが重要である。これをＳＥＭＩ規格では“ノッチ”という方法で表示することを定め、ノッチの仕様について定めている（非特許文献１）。
一方、上述した接合技術の進歩に伴い、石英、ガラス、アルミナといったサファイア以外の材質からなるハンドル基板も各種提案されている（特許文献１、２、３、４）。
また、特許文献５によれば、シリコンとアルミニウムとの双方を含有しないイットリア、酸化イッテルビウム、酸化ランタン、酸化ルテニウムの焼結体からなるカバーウエハーを、半導体製造チャンバの基板ホルダー上に設置することによって、シリコン化合物およびアルミニウム化合物の発生を抑制している。ここで、カバーウエハーにはＶノッチを形成している（００２２）。
WO 2010/128666 A1 特開平05-160240 特開平05-160240 特開2008-288556 特開2006-100705
「面法線方向測定を用いた新しいウェーハエッジの断面形状測定法」 神戸製鋼技報 Ｖｏｌ．５７ Ｎｏ．３ （２００７年１２月号） ４３〜４８頁
ＳＥＭＩ規格に準拠したウエハー、例えば８インチウエハーでは、結晶方位の表示としてノッチを形成することが必要とされるが、サファイアは靭性が低いため、サファイアウエハーにノッチ形成を実施すると、欠けを発生させたり、研削部分からパーティクルを発生させたりする。このため、サファイアウエハーには、ＳＥＭＩ規格に対応するノッチを良好に形成することは難しい。
一方、特許文献５に記載のように、イットリア等のセラミックスからなるウエハーにノッチを形成することも考えられる。こうしたセラミックスはサファイアよりも高い靱性を有しているので、ノッチを形成しやすいと考えられる。
しかし、実際にノッチを研削加工等によって形成してみると、洗浄後のパーティクル数が多いことがわかった。この後の半導体プロセス、例えばＳＯＳなどの複合ウエハー形成後の工程において、熱・搬送等の衝撃により、ウエハーの割れやパーティクルを発生させ、後工程の歩留まり低下となるおそれがある。
本発明の課題は、半導体用複合ウエハーのハンドル基板において、ノッチを形成したウエハーからのパーティクルを抑制できるようにすることである。
本発明は、半導体用複合ウエハーのハンドル基板であって、
ハンドル基板が多結晶セラミックス焼結体により形成されており、ハンドル基板の外周縁部にノッチを有しており、ノッチが焼成面によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記ハンドル基板、および前記ハンドル基板の接合面に対して接合されているドナー基板を有することを特徴とする、半導体用複合ウエハーに係るものである。
ハンドル基板の材料として多結晶セラミック焼結体を用いることで、材料の靭性を高めることができ、ハンドル基板にノッチを形成し易く、その際に欠けやパーティクルを発生させにくいはずであった。しかし、本発明者の実験結果では、多結晶セラミック焼結体からなるハンドル基板にノッチを形成すると、洗浄後のパーティクル数が多く、この後の半導体プロセスにおいて不良が発生するおそれがあることがわかった。
このため、本発明者は、ハンドル基板を多結晶セラミック焼結体によって形成するのと共に、そのノッチを焼成面（アズファイアード面）によって成形することを試みた。この結果、洗浄後に残留するパーティクルを著しく低減できることを見いだした。こうした焼成面によるノッチの成形は、セラミック成形材料を成形するための型の形状を工夫することによって可能である。
（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ノッチが形成されたハンドル基板１Ａ、１Ｂを示す平面図である。 平均粒径の算出方式例を示す模式図である。 ハンドル基板の製造工程を例示するチャートである。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、複合ウエハーの製造手順を示す斜視図である。 ノッチ表面（焼成面）の光学顕微鏡写真である。 ノッチ表面（ＣＭＰ研磨面）の光学顕微鏡写真である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
（用途）
本発明の複合ウエハーは、プロジェクター用発光素子、高周波デバイス、高性能レーザー、パワーデバイス、ロジックＩＣなどに利用できる。
（ドナー基板）
複合ウエハーは、本発明のハンドル基板と、ドナー基板とを含む。
ドナー基板の材質は、特に限定されないが、好ましくは、シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛及びダイアモンドからなる群から選択される。
ドナー基板は、上述の材質を有し、表面に酸化膜を有していてもよい。酸化膜を通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られるからである。酸化膜は、好ましくは５０〜５００ｎｍの厚さを有する。酸化膜を有するドナー基板もドナー基板に含まれ、特に区別しない限り、ドナー基板と称する。
（ハンドル基板）
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ハンドル基板１Ａ、１Ｂは、例えば円形をしており、一カ所にノッチ２Ａ、２Ｂが形成されている。図１（ａ）に示すノッチ２ＡはＵ文字形状をしており、図１（ｂ）に示すノッチ２ＢはＶ文字形状をしている。これらのノッチは、半導体デバイスの製造工程において諸操作を行う際などに、ウエハー位置や方向の検出などを行うときに用いられる。特に８インチ以上のサイズのウエハーでは、オリエンテーションフラットの代わりとして一般的な検出手段として導入されるものである。
ここで、本発明によれば、ハンドル基板のノッチが、多結晶焼結体の焼成面によって形成されている。焼成面とは、セラミック成形体の焼結時に得られた面であって、機械的に表面加工されていない面を意味する。
ここで、前記焼成面では、研磨面と異なり、セラミック多結晶由来の粒界を観察できる。この焼成面と研磨面との相違は、光学式顕微鏡（倍率２００倍）で観察することで理解できる。焼成面の撮像例を図５に示し、ＣＭＰ研磨面の撮像例を図６に示す。
焼成面では粒子が明るく写っており、多数配列されているのがわかる。そして、隣接する粒子の間には、相対的に暗い線状部分が形成されている。線状部分は互いにつながることで、平面的に見て網目状組織を形成しており、連続相を形成している。一方、各粒子はそれぞれ線状部分によって包囲されており、分散相を形成している。焼成面では、粒子が粒界よりもわずかに高くなっているので、光が当たりやすく、明るくなるものと考えられる。
一方、研磨面においては、全体に明暗のコントラストが小さくなっている。これは、焼成面に存在する多数の粒子の表面がそれぞれ研磨されて低くなることにより、粒界との高低差が小さくなったからである。この結果、周囲よりも若干高い突起が随所に見られ、突起の周りに少し暗い部分が存在している。この突起部分がおおむね粒子に相当し、突起に隣接する若干暗い部分がおおむね粒界に相当しているものと推定される。しかし、明るい部分と暗い部分とのコントラストは小さく、粒界の形状も不鮮明である。この結果、研磨面では、粒子に隣接して若干暗い部分は存在しており、粒界と考えられるが、しかし、暗い部分は平面的に見て網目状組織を形成しておらず、また連続相を形成していない。また、各粒子は網目状の暗い部分によって包囲された分散相を形成するにいたっていない。
ノッチは、形状的に加工が難しく、研削、研磨加工を行うときに、パーティクルや微細な割れを発生させやすい。このため、ノッチを焼成面とすることは非常に有効である。
例えば６インチウエハーでは一般的であったオリエンテーションフラットの場合には、形状的にパーティクルや割れを発生させにくいので、この点で、オリエンテーションフラットの場合は本発明とは異質である。
好適な実施形態においては、前記焼成面の表面粗度Ｒａが０．５μｍ以下であり、０．４μｍ以下であることが一層好ましく、０．２μｍ以下であることが更に好ましい。ここで、焼成面のＲａは、焼成面についてＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力電子顕微鏡）によって70um x 70umの視野範囲で撮像し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従い算出する数値のことである。
なお、研磨によって形成可能なノッチ表面の表面粗度Ｒａは、０．７μｍ以上になる。
好適な実施形態においては、ハンドル基板の接合面３の表面粗度Ｒａが７ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下が更に好ましい。これが大きいと、分子間力によって、ドナー基板の接合強度を低減させる。これは、１ｎｍ以下が最も好ましい。なお、このＲａは、接合面３についてＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力電子顕微鏡）によって７０μｍ×７０μｍの視野範囲で撮像し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従い算出する数値のことである。
ハンドル基板を構成する焼結体の結晶粒子の平均粒径は、１０〜５０μｍであることが好ましく、２０〜４０μｍであることが一層好ましい。
ここで、結晶粒子の平均粒径は以下のようにして測定するものである。
（１） 多結晶セラミック焼結体の断面を鏡面研磨、サーマルエッチングして粒界を際立たせた後、顕微鏡写真（１００〜２００倍）を撮影し、単位長さの直線が横切る粒子の数を数える。これを異なる３箇所について実施する。なお、単位長さは５００μｍ〜１０００μｍの範囲とする。
（２） 実施した３箇所の粒子の個数の平均をとる。
（３） 下記の式により、平均粒径を算出する。
［算出式］
Ｄ＝（４／π）×（Ｌ／ｎ）
［Ｄ：平均粒径、Ｌ：直線の単位長さ、ｎ：３箇所の粒子の個数の平均］
平均粒径の算出例を図２に示す。異なる３箇所の位置において、それぞれ単位長さ（例えば５００μｍ）の直線が横切る粒子の個数 を２２、２３、１９としたとき、平均粒径Ｄは、上記算出式により、
Ｄ＝（４／π）×［５００／｛（２２＋２３＋１９）／３｝］＝２９．９μｍとなる。
ハンドル基板を構成する多結晶セラミック焼結体は、好ましくはアルミニウム原子またはシリカ原子を含むセラミックスの焼結体であり、特に好ましくはアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素である。
好適な実施形態においては、ハンドル基板を構成する多結晶セラミック焼結体が、純度９９．９％以上のセラミック粉末を原料とする焼結によって製造されている。
透光性アルミナの場合には、好ましくは純度９９．９％以上（好ましくは９９．９５％以上）の高純度アルミナ粉末に対して、１００ｐｐｍ以上、３００ｐｐｍ以下の酸化マグネシウム粉末を添加する。このような高純度アルミナ粉末としては、大明化学工業株式会社製の高純度アルミナ粉体を例示できる。また、この酸化マグネシウム粉末の純度は９９．９％以上が好ましく、平均粒径は０．３μｍ以下が好ましい。
多結晶セラミック焼結体の成形方法は特に限定されず、ドクターブレード法、押し出し法、ゲルキャスト法など任意の方法であってよい。特に好ましくは、ブランク基板をゲルキャスト法を用いて製造する。あるいは、セラミックのテープ成形体を、ノッチを成形するための目的形状を有する金属型によって型抜き加工して成形体を作製し、この成形体の焼結によって多結晶セクミック焼結体を得ることもできる。この際、このテープ成形体の型抜き加工によって焼成面を成形することができる。
好適な実施形態においては、図３に示すように、セラミック粉末、分散媒およびゲル化剤を含むスラリーを製造し、このスラリーを注型し、ゲル化させることによって成形体を得る。ここで、ゲル成形の段階では、型に離型剤を塗布し、型を組み、スラリーを注型する。次いで、ゲルを型内で硬化させて成形体を得、成形体を離型する。次いで型を洗浄する。このゲル成形体を焼結させることでブランク基板を得る。
ここで、本発明では、型の内部形状によって、成形体にノッチを形成できるようにしておく。
次いで、ゲル成形体を乾燥し、好ましくは大気中で仮焼し、次いで、水素中で本焼成する。本焼成時の焼結温度は、焼結体の緻密化という観点から、１７００〜１９００℃が好ましく、１７５０〜１８５０℃が更に好ましい。
また、焼成時に十分に緻密な焼結体を生成させた後に、更に追加でアニール処理を実施することで反り修正を行うことができる。このアニール温度は、変形や異常粒成長発生を防止しつつ、焼結助剤の排出を促進するといった観点から焼成時の最高温度±１００℃以内であることが好ましく、最高温度が１９００℃以下であることが更に好ましい。また、アニール時間は、１〜６時間であることが好ましい。
更に、アニール温度は焼成時の最高温度+０〜１００℃の範囲であることが好ましい。
こうして得られたブランク基板を精密研磨加工することによって、その接合面３のＲａを小さくする。こうした精密研磨加工としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工が一般的であり。これに使われる研磨スラリーとして、アルカリまたは中性の溶液に３０ｎｍ〜２００ｎｍの粒径を持つ砥粒を分散させたものが使われる。砥粒材質としては、シリカ、アルミナ、ダイヤ、ジルコニア、セリアを例示でき、これらを単独または組み合わせて使用する。また、研磨パッドには、硬質ウレタンパッド、不織布パッド、スエードパッドを例示できる。
また、最終的な精密研磨加工を実施する前の粗研磨加工を実施した後にアニール処理を行うことが望ましい。アニール処理の雰囲気ガスは大気、水素、窒素、アルゴン、真空を例示できる。アニール温度は１２００〜１６００℃、アニール時間は２〜１２時間であることが好ましい。これにより、表面の平滑を損ねることなく、焼結助剤の排出を促進することができる。
（複合ウエハー）
複合ウエハー７は、例えば図４（ｃ）に示すように、ハンドル基板１Ａ（１Ｂ）とドナー基板６とを接合したものである。
まず、ノッチ２Ａ（２Ｂ）を有する所定の直径及び厚さのハンドル基板１Ａ（１Ｂ）を用意する（図４（ａ））。また、ハンドル基板と同じ直径を有し、かつノッチ５を有する半導体基板１４を用意する。次いで、イオン注入法や研磨により半導体基板１４を所定厚さになるように薄くすることで、ドナー基板６とし、ドナー基板をハンドル基板に接合して複合ウエハー７を得る（図４（ｃ）参照）。
半導体基板１４をイオン注入法により薄板化する場合には、半導体基板１４に予めイオンを打ち込んでおき、これとハンドル基板１Ａ（１Ｂ）とを接合した後、機械的或いは熱的に半導体基板１４の一部を剥離する。半導体基板１４の薄板化にあたり、半導体基板１４に対するダメージを減らしたい場合には、イオン注入法を用いるのではなく研磨するのが好ましい。
こうして得られた複合ウエハー７には、この後、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングが行われる。具体的には、ドナー基板６の表面６ａにフォトレジストを塗布・乾燥し、フォトマスクを通してフォトレジストに光を照射する（マスク露光）。次に現像液に浸漬させ、不要なフォトレジストを除去する。フォトレジストがネガレジストの場合には、フォトレジストのうち光が当たった部分がドナー基板６に残る。一方、フォトレジストがポジレジストの場合には、フォトレジストのうち光が当たらなかった部分がドナー基板６に残る。そして、ドナー基板６の表面のうちフォトレジストで覆われていない箇所をエッチングにより除去する。
複合ウエハーの厚さは、ＪＥＩＴＡやＳＥＭＩ規格によって決定される。例えば、４インチウエハーの場合には、厚さは０．５２５ｍｍとすることができ、６インチウエハーの場合には、厚さは０．６２５ｍｍとすることができ、８インチウエハーの場合には、厚さは０．７２５ｍｍとすることができる。
（接合形態）
接合に用いられる技術としては、特に限定される訳ではないが、例えば表面活性化による直接接合や、接着層を用いた基板接合技術が用いられる。
直接接合には界面活性化による低温接合技術が好適に用いられる。真空状態にてＯ２もしくはＮ２ガスプラズマによる表面活性化を実施後、常温にてＳｉ等の単結晶材料がＳｉＯ２等の接着層を介して多結晶材料と接合されることができる。
接着層の例としては、樹脂による接着の他に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ3、ＳｉＮが用いられる。
（実施例１）
本発明の効果を確認するために透光性アルミナセラミックを用い、図３を参照しつつ説明したプロセスに従って８インチのハンドル基板を製造し、評価を実施した。
まず、透光性アルミナセラミック製のブランク基板を作製する為、以下の成分を混合したスラリーを調製した。
（原料粉末）
・比表面積３．５〜４．５ｍ２／ｇ、平均一次粒子径０．３５〜０．４５μｍのα−アルミナ粉末 １００重量部
・ＭｇＯ（マグネシア） ０．０２５重量部
・ＺｒＯ２（ジルコニア） ０．０４０重量部
・Ｙ２Ｏ３（イットリア） ０．００１５重量部
（分散媒）
・グルタル酸ジメチル ２７重量部
・エチレングリコール ０．３重量部
（ゲル化剤）
・ＭＤＩ樹脂 ４重量部
（分散剤）
・高分子界面活性剤 ３重量部
（触媒）
・Ｎ，Ｎ-ジメチルアミノヘキサノール ０．１重量部
このスラリーを、アルミニウム合金製の型に室温で注型の後、室温で１時間放置した。次いで４０℃で３０分放置し、固化を進めてから、離型した。さらに、室温、次いで９０℃の各々にて２時間放置して、板状の粉末成形体を得た。
得られた粉末成形体を、大気中１１００℃で仮焼（予備焼成）の後、水素３：窒素１の雰囲気中１７５０℃で焼成を行い、その後、同条件でアニール処理を実施し、ブランク基板とした。
ただし、本実施例においては、ゲルキャスト用の金型の内部にノッチ成形部分を設けることで、成形体にノッチを形成した。ノッチ成形部分の形態は、焼成収縮後にＳＥＭＩ規格に準ずるノッチが得られる形状とした。
作成したブランク基板に高精度研磨加工を実施した。まずグリーンカーボンによる両面ラップ加工により形状を整えた後、ダイヤモンドスラリーによる両面ラップ加工を実施した。ダイヤモンドの粒径は３μｍとした。最後にＳｉＯ２砥粒とダイヤモンド砥粒によるＣＭＰ加工を実施し、洗浄を実施した。なお、洗浄には一般的な半導体洗浄プロセスで用いられるＲＣＡ洗浄を行った。
ＡＦＭによる接合面３の表面粗さ測定の結果、Ｒａ値は１．５ｎｍ(□７０μｍ視野)であった。レーザー顕微鏡により、焼結体の平均粒子径は３０μｍであることが確認された。
また、ノッチの表面粗度Ｒａは、０．３μｍであった。
この結果、洗浄後のサイズ２μｍ以上のパーティクル数は、８インチのハンドル基板一つについて５個であった。
（比較例１）
実施例１と同様にしてハンドル基板を製造した。
ノッチはゲルキャスト成形時には成形しなかった。その代わりに、ＣＭＰ加工前に研削によってノッチを形成した。
ＡＦＭによる接合面の表面粗さ測定の結果、Ｒａ値は１．５ｎｍ(□７０μｍ視野)であった。レーザー顕微鏡により焼結体の平均粒子径は３０μｍであることが確認された。
また、ノッチの表面粗度Ｒａは0.8μｍであった。
この結果、洗浄後のサイズ２μｍ以上のパーティクル数は、８インチのハンドル基板一つについて約２００個であった。

Claims (8)

  1. 半導体用複合ウエハーのハンドル基板であって、
    前記ハンドル基板が多結晶セラミック焼結体により形成されており、前記ハンドル基板の外周縁部にノッチを有しており、前記ノッチが焼成面によって形成されていることを特徴とする、ハンドル基板。
  2. 前記焼成面の表面粗度Ｒａが０．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載のハンドル基板。
  3. 前記焼成面がゲルキャスト成形によって成形されていることを特徴とする、請求項１または２記載のハンドル基板。
  4. 前記多結晶セラミック焼結体が、目的形状の金属型を用いて型抜き加工されたテープ成形体の焼結によって作製されており、前記焼成面が前記テープ成形体の前記型抜き加工によって成形されていることを特徴とする、請求項１または２記載のハンドル基板。
  5. 前記多結晶セラミック焼結体が透光性アルミナであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のハンドル基板。
  6. ＳＥＭＩ規格に準拠することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のハンドル基板。
  7. 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載のハンドル基板、および前記ハンドル基板の接合面に対して接合されているドナー基板を有することを特徴とする、半導体用複合ウエハー。
  8. 前記ドナー基板が単結晶シリコンからなることを特徴とする、請求項７記載の複合ウエハー。
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