JP2801672B2

JP2801672B2 - 半導体ウェハの製造方法

Info

Publication number: JP2801672B2
Application number: JP23495389A
Authority: JP
Inventors: 潔福田; 和由古川; 勝二郎丹沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH0397215A

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ハ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−Ｏ−Si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、界面に接着剤等の異物が介在し
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GaAs on Si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の
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
せた基板の熱処理のための昇温すると、熱膨張係数の大
きい第１の基板11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の基板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11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１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、GaAs,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。

第１の基板11の厚さを初めから第２の基板12の1/5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ェハは厚くなり過ぎて、
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、と言う工程を取
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、得られる接合体ウェハの界面のボイ
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。なお接合体ウェハ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68
0）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って基板表面の
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100mm,厚さ500μ
ｍ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→塩酸と過酸化水素の混
合液処理→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（ｆ）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^-
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21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21μｍになるように研磨を行って、誘導体分
離ウェハを得た（（ｆ））。

第３図は、こうして得られたウェハに通常のプロセス
によって形成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を形成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基板を用意した。
シリコン基板は直径76mm,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→アセトン置換→エタノール置換→水洗
→塩酸ボイル→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GaAs基板の厚みを20μ
ｍ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。

実施例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7
6mm,厚さ450μｍである。これらの基板をまず洗浄処理
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InSb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、どのウェハでもボ
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、
23℃の純水処理を行ったもの（Ｃタイプ）であり、他の
一組は70℃の純粋処理を行ったもの（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,1
000℃,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（0.4
μｍ）を形成した。そして全ての基板を実施例３と同様
の方法で洗浄処理し、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板と膜
形成をしていない基板を鏡面同士接着させて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。

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。

［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）〜（ｆ）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
^-型層、25,43……溝、26……p⁺型層、27……多結晶シリ
コン膜、28……酸化膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/02 H01L 27/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。