JPH07335511A - 張り合わせウエハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強靱で割れ難く、高歩留りな張り合わせウエ
ハを得る。 【構成】 （１００）面のウエハ１と（１１１）面のウ
エハ２を張り合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体、絶縁体、導体
材料、あるいはこれらを組み合わせた膜からなる高歩留
まりにして強靱な張り合わせウエハに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体、絶縁体、導電体あるいはこれら
の複合体からなる異種あるいは同種のウエハの相互張り
合わせは、ショックレー等によるトランジスタの発明で
半導体デバイス研究が熱を帯びた１９５０年前後から種
々の方法が提案、実施されてきたことはよく知られた事
実である。これらの方法は、前記各種の素材を空間的に
接触させて高温（通常、８００°Ｃ〜１１００°Ｃ）で
熱処理をするか、各種の接着材料（合金、セラミックス
パウダ−等）を挟んで材料に応じた温度（例えば、４０
０°Ｃ〜１０００°Ｃ）で熱処理をすることが唱われて
いる。残念ながら、当時はウエハの加工精度や結晶の品
質が劣っていたため、この種の製法で製造されたウエハ
は研究レベルでは種々の試みが成されたものの実用に供
されたものは皆無と言ってよい。

【０００３】最近、各種の材料の複合化が進められてお
り、一時期途絶えていたウエハの張り合わせが再度注目
を集めている。特に、Ｓｉに代表されるＬＳＩ製造用半
導体基板と他の基板をウエハ状態で張り合わせて高機能
なデバイスを作ることは一部の分野で実用に供されつつ
ある（例えば、特開平２−９６３４９号公報「半導体基
板の製造方法」、中川明夫著「インテリジェントパワー
ＩＣ」、電気学会誌、１１３巻，Ｐ２０３、３月号、１
９９３年等）。これらの実用化が進んだ要因は、ひとえ
にウエハの張り合わせ面の加工がオングストロームオー
ダの精度で実現されるようになったこと、張り合わせ面
の異物となるダストを大きく減少させる高清浄なクリー
ンルームが利用できるようになったこと等が大きい。

【０００４】ウエハの張り合わせは、ウエハ径が同一の
寸法、例えば６インチのウエハ間で行なわれるのが一般
的であるが、原理的には異なるウエハ径間でも可能であ
る。以下の例では、同一径の場合を示す。張り合わせに
際しては、張り合わせ面の平滑性をオングストロームオ
ーダまでよくすることが重要である。これは張り合わせ
のメカニズムとして、物質が原子間隔のオーダに接近し
た場合に働くファンデアワールスカによって最初の接着
性が得られ、その後に張り合わせ面に残存するＨ₂ Ｏや
Ｏ₂ 等を仲立ちとする化学結合に移行すると信じられて
いることによる。事実、鏡面性のよいウエハ程、良好な
張り合わせ特性を得たことが報告されている。

【０００５】従来の張り合わせ方法の代表的な事例を図
３（ａ）〜（ｄ）に示す。図中、１は主体となるウエ
ハ、２は支持ウエハ、３は拡散層、４はダスト、５は堆
積薄膜（ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃Ｎ₄等）、６は張り合わせ面、
７は研磨・エッチング等により除去した部分である。主
体となるウエハ１に所定の加工（例えば、酸化、Ｓｉ₃
Ｎ₄ 膜等の薄膜５の堆積、不純物添加による拡散層３の
形成、エピタキシャル層の成長等）を施す。続いて、支
持基板となるウエハ２にも必要な加工（例えば、酸化Ｓ
ｉ₃Ｎ₄膜等の薄膜５の堆積等）を施す（図３（ａ））。
張り合わせを行なう一対のウエハ１，２を対向させて、
張り合わせ面６を中央あるいはウエハの一端から静かに
接触させた後、速やかに接触面積をウエハ全面にまで拡
大する（図３（ｂ））。この時、ダスト４等が付着して
いると、ウエハの接触すべき部位間の距離が大きくなっ
て、張り合わせのための力が十分働かなくなり、空隙や
ボイドの原因となる（図３（ｃ））。張り合わせを強固
にするために、８００°Ｃ以上の高温で熱処理を行うこ
とは一般的な手法である。この際、酸化性の雰囲気を用
いることが普通であるが、非酸化性の窒素やアルゴン雰
囲気とすること、あるいは酸化性と非酸化性の混合雰囲
気とすることも行なわれている。小さなダストやボイド
は、その際の熱処理で接触面に介在させた薄膜の原子間
や分子間の結合に取り込まれたり、薄膜に吸収されたり
して解消されることが分かっている。一般的には、張り
合わせたウエハは主体となるウエハ１に所定の加工、例
えば絶縁性膜上に１〜２μｍ厚の半導体層が残存するよ
うな薄層化がなされる。甚だしい場合は、残存半導体層
の厚みとして０．５μｍあるいは０．１μｍ程度の加工
に成功した事例が報告されている（図３（ｄ））。

【０００６】本発明で、支持ウエハ２と主体となるウエ
ハ１の間には明確な区別が存在する。それは両者の厚み
にある。支持ウエハ２は機械的な強度を保つ必要がある
ことから数百μｍの厚みを有する一方、主体となるウエ
ハ１は半導体デバイスの常として表面近傍のみが活性領
域として機能することから工程（ｄ）を経た後の厚みは
高々数十μｍ、甚だしい場合は１μｍ以下である。当
然、残存半導体層には、高速あるいは高耐圧のデバイス
を作り込んだり、センサーと半導体集積回路（ＩＣ，Ｌ
ＳＩ）とが一体となった複合デバイスを形成することが
できる。さて、このような単純な工程で製造される張り
合わせ基板であるが、以下のような製造歩留まりを大き
く下げる要因が工程に内在していた。

【０００７】なお、本出願で重要な基礎となる結晶の構
造に関しては、例えば、「結晶・表面の基礎物性」（黒
田司著、日刊工業新聞、１９９３年刊行）に詳しく記述
されていることがよく知られている。なお、以下の記述
では、結晶学の約束事に則って、面の表現として”
（ ）”を、また、軸あるいは方向ベクトルの表現とし
て”〔 〕”を、それぞれ用いることとし、括弧内の数
値には所謂バー記号は用いない。すなわち、方向や面の
集合体を表現しているものである。

【０００８】張り合わせに用いるウエハは、ウエハ上に
製造するデバイスが最も高性能となるような仕様が採用
される。特に高集積を狙った仕様では、所謂ＣＭＯＳに
適した（１００）ウエハ、すなわち（１００）面を主面
とするウエハを採用することが一般的である。しかし、
よく知られているように（１００）面のＳｉウエハは
（０１０）あるいは（００１）といった面に沿って大変
割れ易いという特質を有する。

【０００９】一方、張り合わせの支持基板となるウエハ
は、被張り合わせウエハと同一の仕様を用いるか、大量
に生産された所謂ダミーウエハの仕様とすることが一般
的であった。ダミーウエハとは、所謂ＤＲＡＭ−ＬＳＩ
製造に多量に用いられる（１００）ウエハ（この種のも
のを良品ウエハと称する）を取得した残余のＳｉインゴ
ットから製造されるウエハである。すなわち、ダミーウ
エハも（１００）面を主面とするＳｉ結晶である。した
がって、先に述べたような（０１０）あるいは（００
１）面で割れ易いという欠点は残されていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】今までに触れた報告の
各種の張り合わせウエハ技術は（１００）基板相互でな
されたものである。一方、特別な例として、支持基板を
多結晶Ｓｉのウエハ（多結晶Ｓｉのインゴットをスライ
スして製造）や石英（ＳｉＯ₂ ）製のウエハ（石英のイ
ンゴットをスライスして製造）とした事例が報告されて
いる。これらの特別なウエハは量産された事例が少な
く、また、Ｓｉ結晶のような均一な加工技術の蓄積が少
なく、そのために張り合わせ面の鏡面性は劣らざるを得
ない。したがって、（１００）ウエハのような割れ易い
という難点はないものの、Ｓｉ結晶同士のような良好な
張り合わせを実現するには困難を伴っていた。

【００１１】本発明は上記したような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、結晶が
有する特性を巧みに利用することにより強靱で割れ難
く、高歩留りな張り合わせウエハを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、結晶方位の異なるウエハ
を互いに張り合わせたことを特徴とする。請求項２に記
載の発明は、請求項１に記載の発明において、ウエハ間
に非晶質層が介在されていることを特徴とする。請求項
３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、非
晶質層が酸化膜であることを特徴とする。

【００１３】

【作用】結晶面方位が（１００）面のウエハはＣＭＯＳ
に適しているが、（０１０）あるいは（００１）面に沿
って割れ易いという特性を有している。このため、（１
００）面のウエハ同士を張り合わせたウエハは（０１
０）あるいは（００１）面で割れ易い。これに対して、
（１１１）ウエハは大変強く、割れ難いという特性を有
する。そこで、結晶面方位の異なる（１００）ウエハと
（１１１）ウエハを張り合わせると、ＣＭＯＳに適し、
かつ強靱で割れ難い張り合わせウエハが得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る張
り合わせウエハの一実施例を示す図である。同図におい
て、本実施例は結晶面方位が（１００）面と（１１１）
面のウエハ１，２を張り合わせたものである。なお、Ｏ
Ｐはオリエンテーションフラット（直線状に加工したウ
エハ端）である。

【００１５】ウエハの張り合わせには、張り合わせ面の
完全な平坦化、平滑化を実現することが望まれている。
しかし、ウエハの表面（鏡面加工がなされて半導体デバ
イスが形成される面と定義）と裏面（粗面加工がなされ
て加工途中のウエハ保持が容易とされる面と定義）の加
工履歴の違いからウエハは表面が凸になるように反るこ
とが一般的である。この反りは、 ウエハの結晶面方位（例えば、（１００）面なのか、
（１１１）面なのか） 加工手法（例えば、Ｓｉ層の除去が、機械的な研磨が
主体なのか、化学的なエッチングが主体なのか） Ｓｉウエハに含まれた酸素濃度およびＳｉＯ₂ 等の異
物質としてＳｉウエハ中に酸素を析出させる所謂デヌイ
ーデッドゾーン処理の有無等に依存する。

【００１６】同一の仕様のウエハを準備すると同一の反
り、すなわち表面が凸となるように反ってしまう。この
結果、張り合わせに際しては、凸面同士を張り合わせる
という難点が生じる。

【００１７】このような難点の解決手法を提案し、さら
に優れた効果を具現化したものが本願発明である。その
要旨は、張り合わせウエハ相互にそれぞれ異なる結晶面
を用いてウエハの反りを調整すると共に張り合わせ後の
強靱性を確保することにある。以下の説明においては結
晶の面方位と面指数が重要な根幹をなすので、簡単な注
釈を行なう。代表的なＳｉウエハは大集積を目的とした
ＣＭＯＳデバイス用に用いられる（１００）ウエハと高
速動作に有利なバイポーラデバイス用の（１１１）ウエ
ハである。これらは結晶の軸を明確にするため、前記オ
リエンテーションフラットあるいはノッチ（円形の微小
孔）と呼ばれる目印を付けることが一般的である。以下
の説明では日本国内で一般的なオリエンテーションフラ
ットを例に取り説明する。（１００）ウエハ１の代表的
なオリエンテーションフラットＯＰは図１に示すように
〔１１０〕軸方向に設けられる。また、（１１１）ウエ
ハ２のそれは〔２１１〕あるいは〔１１０〕に設けられ
る（但し、図１においては前者の例を示す）。

【００１８】張り合わせの具体的な手法としては、図１
に示すように、それぞれの外径を、あるいは中心を一致
させるように、一組のウエハを重ね合わせることが一般
的である。本実施例では、それぞれのウエハ１，２の中
心を”ＯXY”で表し、それぞれの中心が一致するように
実施する手法をモデル的に示している。図中の太い矢印
はウエハの重ね合わせを行なうための移動方向を示し、
細い矢印は当該ウエハの結晶軸の方向を示している。こ
こで、具体的な事例として挙げた張り合わせは大きく分
けて二種類である。 ｉ） 異種の結晶面相互の張り合わせウエハ：図１
（ｂ）参照 ｉｉ）同種の結晶面で異なる結晶軸が一致する張り合わ
せ：図２参照 例：（１００）面同士を〔１１０〕軸と〔１００〕軸が
一致するように張り合わせる

【００１９】なお、図２に示す同一結晶面同士の張り合
わせにおいて、相互にわずかな傾き、所謂オフアングル
を設けて行なう構成も考られるが、この組合せは上記ｉ
ｉ）に示した手法の中で、軸を表すパラメータ〔ｋ，
ｌ，ｍ〕のいずれか二組の数字を大きくして僅かに違え
た場合に相当するので割愛する。

【００２０】次に、このような構成のウエハの組合せで
得られる利点について述べる。まず、最大の利点は高集
積化に有利なＣＭＯＳデバイスの搭載に必要な（１０
０）ウエハの割れ易さを克服できることである。良く知
られているように（１１１）ウエハは大変強いウエハと
して知られており、例えば、１１００°Ｃの高温石英管
中から２０°Ｃのクリーンルーム内まで１分以内に引き
出しても基板が破壊されることはほとんどない（勿論、
（１００）ウエハを用いると略１００％の割合で基板に
大きなスリップが入ったり、甚だしい場合は基板の破断
が生ずる）。

【００２１】そこで、図１の張り合わせにおいて、支持
基板として（１１１）ウエハ２を、デバイスを製造する
主体となる基板として（１００）ウエハ１を用いること
が大きな効果を生む。このような構成では、デバイス製
造はＣＭＯＳ製造に有利な（１００）結晶面を、ウエハ
の機械的な強度確保には応力に強い（１１１）結晶面を
利用することが可能となる。さらに、（１１１）結晶面
の応力に強い特性を生かして短時間の昇温、降温を（１
００）結晶面に施すことが可能である。これは、昨今の
超高速あるいは高集積デバイスに必要な０．１μｍ以下
の浅い接合形成を容易にする特長がある。

【００２２】次に、本発明が有する別の利点について述
べる。図２に示したように、同一の結晶面を有する基板
相互で異なる結晶軸が一致する張り合わせを行なう事例
とし、（１００）面同士を〔０２１〕軸と〔０１２〕軸
が一致するように張り合わせる場合を取り上げる。良く
知られているように同一面に含まれる〔１００〕軸と
〔１１０〕軸とのなす角度は約４５°である。このこと
は、同一仕様の（１００）ウエハを特定の軸方向から片
方を４５°回転させた状態で張り合わせれば所望の構成
となることを意味している。このような張り合わせを行
なうと（１００）面を主面とする基板において割れ易い
（０１０）面あるいは（００１）面等が張り合わせウエ
ハ相互で一致することはなく、これらの面はそれぞれ約
４５°のずれを持つこととなる。当然であるが、結晶に
おいて割れ易い面を外した面は大変割れ難いことが知ら
れている。すなわち、図２において、支持ウエハ２の割
れ易い面は主体となるウエハ１の割れ難い面で保護され
ることとなる。この第二の事例は、割れ易いラワン材の
薄片を年輪が直交するように張り合わせて軽量で強度が
高い合板を形成する技術に似ていると言える。この事例
においては、約４５°の回転で張り合わせたが、この角
度に制限されるものではなく、割れ易い面が一致しない
回転角度ならいずれの値でもよいことは自明である。

【００２３】良く知られているように、ＤＲＡＭに代表
されるメモリーの大量生産で（１００）ウエハは大量に
用いられる。このため、機械的な強度に優れる（１１
１）基板より容易に安価に入手が可能である。各種のデ
バイスを製造する際、（１１１）ウエハほど応力に強い
必要がなければ、この事例は強靱な張り合わせウエハの
強靱性を活用した短時間の昇温／降温工程を組合せて製
作した。昇温／降温の速度は各温度領域に適した変化を
与えることが普通である。例えば、（１００）面のＳｉ
ウエハの１１００°Ｃへの変化は、９００°Ｃまでは４
５°Ｃ／分、それ以上の温度に対しては１０°Ｃ／分、
２０°Ｃ／分、３０°Ｃ／分の温度変化をきめ細かく組
み合わせて、室温から約４０分かけて行なわれるのが従
来の手法であったが、強靱な本発明の張り合わせウエハ
は約１５分の時間で１１００°Ｃへの昇温を可能とし
た。製造されたデバイスの特性は結晶性の優劣を示す差
異は認められなかった。この結果、同等のデバイス特性
を実現するためには、高温の処理を行なう酸化炉で本発
明のウエハは短時間で多数の枚数の処理が可能となるも
のである。この種の酸化炉は約１億円と高価なものが常
用されていることからこの効果は大きく、ウエハの処理
コストに占める酸化炉の減価償却分を数分の一に減少さ
せてデバイスのコスト低減に大きく寄与するものであ
る。また、接合面間に酸化膜からなる非晶質層が介在さ
れていると、より強い張り合わせウエハが得られる。

【００２４】次に、（１００）基板同士を特定の結晶軸
が２６°違えた状態で張り合わせた本発明の別の応用事
例では、前記のような高い強靱性を得ることはできなか
ったものの約２５分間での昇温を可能にした。（１１
１）面のウエハを支持基板とする事例に加えて強靱性で
は劣るものの、支持基板の入手し易さの観点や（１１
１）面のウエハに比較して１〜２割り程度低くなる支持
基板のコストの魅力から本事例も十分な効果があると言
える。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る張り合
わせウエハは、結晶方位の異なるウエハ同士を張り合わ
せたので、安価な手法で強靱な張り合わせウエハを実現
することができ、また、張り合わせ面に酸化膜を介在さ
せると、より強靱なウエハが得られ、結果としてウエハ
の中に形成されるデバイスの低コスト化を実現すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ），（ｂ）は本発明に係る張り合わせウ
エハの一実施例を示す図で、（１００）面のウエハと
（１１１）面のウエハを張り合わせた例を示す。

【図２】 結晶面が同じで異なる結晶軸を一致させて張
り合わせた実施例を示す図である。

【図３】 （ａ）〜（ｄ）は従来行なわれている一般的
なウエハの張り合わせ方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１…主体となるウエハ、２…支持ウエハ、３…拡散層、
４…ダスト、５…堆積薄膜、６…張り合わせ面、７…除
去部分、ＯＰオリエンテーションフラット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 哲真 東京都武蔵野市吉祥寺本町１丁目14番５号 エヌティティエレクトロニクステクノロ ジー株式会社内 (72)発明者 下口 信幸 東京都武蔵野市吉祥寺本町１丁目14番５号 エヌティティエレクトロニクステクノロ ジー株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶方位の異なるウエハを互いに張り合
   わせたことを特徴とする張り合わせウエハ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の張り合わせウエハにおい
   て、ウエハ間に非晶質層が介在されていることを特徴と
   する張り合わせウエハ。
3. 【請求項３】 請求項２記載の張り合わせウエハにおい
   て、非晶質層が酸化膜であることを特徴とする張り合わ
   せウエハ。