JP4541012B2 - 半導体ウエハの接着前表面処理 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロエレクトロニクス、光学、光電子の分野に用いられる構造を形成するために半導体材料から成る二枚のウエハを接着する方法に関する。さらにこの発明は、接着すべきウエハの接着表面処理に関する。

接着度を高めるためには、二枚のウエハを接着する前に接着表面を清浄にする必要が有る。

周知技術における伝統的な清浄技術は洗浄液にウエハを何度も浸すことである。

ＲＣＡ処理による公知の半導体材料ウエハ洗浄処理は以下の工程より成る。

アンモニア水酸化物（ＮＨ_４ＯＨ）、水素過酸化物（Ｈ_２Ｏ_２）、脱イオン水を含むＳＣ１液（標準洗浄１）による初期洗浄。

塩化水素酸（ＨＣｌ）、水素過酸化物（Ｈ_２Ｏ_２）、脱イオン水を含むＳＣ２液（標準洗浄２）による初期洗浄。

初期洗浄により主にウエハ表面から分離した微粒子と表面近傍の微粒子を除去し、さらにそれら粒子が再びウエハ表面に付着するのを防止する。

ＳＣ２液により主にウエハ表面に付着して塩化物を形成する金属汚染物を除去する。

ところが場合によってはＲＣＡ処理は充分ではなく、有機汚染物は殆ど除去することができない。

この有機汚染物はＲＣＡ処理による物質除去効果を阻害することがある。

この有機汚染物はウエハ界面上に存在した場合にもウエハ接着度に影響を与える。

接着前に、接着すべき二枚のウエハの内の一枚の接着面近傍に原子種が注入され、そして、スマートカット（登録商標）処理の間にその注入領域が除去されるときにもこの影響は現れる。そのような場合、微粒子が存在すると、これら炭化水素により、除去後にウエハ表面がふくれたり、且つ又は原子種が近傍に注入された領域とこのウエハ表面との間に未転移領域が生じることになる。これらのふくれは加熱処理中に大きくなる。例えば、接着処理中の加熱処理により大きくなる。これら炭化水素、一般的には、有機汚染物により、剥離が生じない程度ではあるが接着に問題が起きる。

有機汚染物を除去するには、接着すべきウエハを、通常、１００度を超える温度で、Ｈ_２ＳＯ_４とＨ_２ＳＯ_２を含むＣＡＲＯ溶液に浸す。

しかし、この溶液は高価であり、また、特に１２インチ・ウエハ等の場合に、安全性、環境、そしてその使用に関し問題が有る。

さらには、ＣＡＲＯ溶液を用いる洗浄処理には、ＣＡＲＯ溶液洗浄とＲＣＡ処理との間に複数の中間工程が必要となる。これら中間工程では、ＳＣ１溶液にウエハを浸す前に、ウエハ表面からＣＡＲＯ溶液を完全に洗い流すために少なくとも２回はウエハを洗浄する必要が有る。

この溶液を用いることによる問題を解決するにはＣＡＲＯ溶液の代わりにオゾン化溶液（Ｏ_３）を用いる方法が有る。ＣＡＲＯ溶液の代わりとしてこの新しいオゾン化溶液により、酸化によりウエハ表面に形成される炭化水素を除去することができる。このオゾン化溶液は安価で、安全、環境的にも危険が少ない。さらに、オゾン化溶液を用いる処理では、オゾン化溶液洗浄とＲＣＡ処理間に中間洗浄を必要としない。

尚、オゾン化溶液に加えて高周波超音波により微粒子を除去しても良い。

さらに、二枚のウエハの接着に関しては、接着面の親水性を考慮して少なくとも最初に分子レベルでの接着を行っても良い。

しかし、ＣＡＲＯ溶液又はオゾン化溶液による処理、そしてその後のＲＣＡ処理より成る工程の前後では親水性は大きく変わることは無い。

この発明の目的は、この状況を改善するウエハ接着方法を提供するものである。

この発明の第一の観点による方法は、少なくとも半導体材料層を表面に有するウエハの表面処理方法であって、このウエハと第二のウエハを接触させて、この処理すべき表面を介してこれらウエハを接着するためのウエハ表面処理方法であり下記の工程より成る。

ａ）ウエハ表面をオゾン化学種で酸化させる。

ｂ）分離した且つ又は表面を覆う微粒子、並びに金属汚染物を除去することができる化学種を用いてウエハ表面を清浄にする。

ｃ）ウエハ表面をオゾン化溶液で酸化させる。

この表面処理方法では特に以下のようにすると良い。

工程ｃ）を工程ｂ）の後に行う。

工程ｂ）を以下の連続した二工程とする。

ｂ１）分離した且つ又は表面を覆う微粒子を除去することができる溶液でウエハ表面を清浄にする。

ｂ）金属汚染物を除去することができる溶液でウエハ表面を清浄にする。

工程ｂ１）に用いるのはＳＣ１タイプ溶液で、工程ｂ２）に用いるのはＳＣ２タイプ溶液である。

この発明の第二の観点による方法は、上記処理方法で表面処理された二枚のウエハを接着する方法であり、表面処理後、これら表面を介してウエハを接着する工程を有する。

この接着方法では特に以下のようにすると良い。

二枚のウエハの界面の親水性により部分的に接着を行う。

接着を強固にするための加熱処理を行う。

この発明の第３の観点による方法は、上記方法を適用してセミコンダクタ・オン・インシュレータ構造を得るものである。

この発明のその他の観点、効果は図面を参照して以下に詳述する。

図１はこの発明の各異なる工程を示す。

この発明の第一の目的は、接着すべきウエハの表面から炭化水素汚染物を除去することに関する。

この発明の第二の目的は、接着直前に、接着すべきウエハ表面を親水性にすることである。

半導体技術では、ＳＯＩ、トランジスタ、その他の構成を得るために、二枚のウエハを接着する処理を行うことがある。

接着度は、接着すべき表面が平坦であり且つ又はウエハ間の接着力が高いこと、そして接着表面近傍の（有機物又は金属）汚染量に依存する。

この発明の炭化水素汚染物を除去する処理では、接着すべきウエハをオゾン化溶液に接触させて次の化学反応を起こさせる。

Ｏ_３ ＋ Ｃ_ｘＨ_ｙ → Ｏ_２ ＋ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ
この化学反応により炭化水素がオゾンにより酸化されて除去される。

オゾン化溶液により、銅、銀等の金属汚染物も除去される。

オゾン化溶液に浸すことにより、少なくとも、主に、親水性により、接着された時に二枚のウエハの接着度が高まる。

実際、ウエハ上にオゾンが存在すると親水性が高まる。つまり、ウエハ表面上に水滴を置くと球状になり、ウエハ表面とこの液体表面の接線を結ぶ接触角と呼ばれる角度はウエハ表面にオゾンが存在しない同様なウエハより小さい。

従って、オゾン化溶液に水を浸すと接触角は通常５乃至１５度となり、親水性のある面が形成される。

このような面はぬれ性が高いと言われる。

従って、接着すべきウエハをオゾン化溶液に接触させると二重の効果が現れる。図１を参照すると、接着すべきウエハの表面を処理する工程は、一連の化学処理により、主に、ウエハ表面を平坦にして親水性を高めるものある。

この処理の第一工程では、１０に示すようにウエハをオゾン化流動体（気体又は液体）１に接触させる。

第一工程の主な目的は、炭化水素等の有機汚染物の多くをウエハ表面から除去して、接着不良を防止し、又は、最終構造に欠陥が生じないように接着界面の構造欠陥を防止するものである。

例えば、当技術分野の当業者に知られているスマートカット（登録商標）処理中に表面から浅い領域に原子種を注入した後に接着すると、特に加熱処理中に上記のような欠陥が生じることが知られている。

オゾン化溶液にウエハを接触させることの他のメリットは、炭化水素の廃物で成る有機汚染物が第二段階で行われるＲＣＡ処理でのＳＣ１液による変化を遅らせ、そして、この汚染物を除去することによりＳＣ１液のエッチング速度が維持され、従って、この構造物による効率が維持される（浮遊する微粒子の基に行う十分なエッチングにより微粒子を効果的に除去できる。）
実際、請求項でも強調しているように、オゾン化溶液にウエハを浸す初期段階のＳＣ１処理を受けたウエハにカートグラヒック的な測定を行うと、炭化水素に覆われたウエハの部分は炭化水素により保護され、これに対し、（炭化水素汚染物に覆われていない）ウエハの他の部分はＳＣ１溶液を用いた化学的エッチングにより処理されていた。

従って、ＳＣ１処理により表面は均等にエッチングされておらず、従って、接着すべき表面が少なからず荒い表面となってしまった。

これに対し、オゾン化溶液に浸した後でＳＣ１溶液処理を施したウエハの表面はかなり平坦化されていた。

従って、ＳＣ１処理を施す直前の有機物に汚染されない段階での処理によりＳＣ１処理の効果が高まる。

請求項はさらに、公知の幾らかのＣＡＲＯを含む溶液による場合と、オゾン化溶液にウエハを接触させた場合のウエハ表面変化について比較した。

洗浄処理前後での表層厚みを測定したところ、炭化水素を用いた酸化処理の効果は二種類の溶液でほぼ同じであった。

一方、オゾン化溶液によるウエハ処理では、ＣＡＲＯ溶液による処理で必要であった、有機汚染物の処理とＲＣＡ処理との間にリンス工程が必要ない。

この発明の工程の第二段階は、表面から分離した微粒子と金属汚染物をウエハから除去する処理である。

この第二段階ではＲＣＡタイプの処理を効果的に行う。

ＲＣＡ処理段階は二つの主要な工程から成り立つ。

ウエハ表面から分離した微粒子且つ又はウエハ近傍に浮遊する微粒子を除去するためのＳＣ１溶液による処理２０。

ウエハ表面上に留まっている思われる金属汚染物を除去するためのＳＣ２溶液による処理３０。

ＲＣＡ処理は、微粒子除去を助長する高周波超音波処理と合わせて効果的に行う。

この発明の第３段階での工程は、ウエハを第二のオゾン化流体と接触させる工程４０であり、これはウエハを他のウエハと接着するときの接着力を高めるためにウエハ表面の親水性を高めることを主要な目的とする。

実際、第一段階で初期オゾン化処理１を施しても、ＲＣＡ処理中にウエハがほとんど親水性を失ってしまう。

この親水性喪失により接着力が低下することがある。従って、第二段階処理後に行った場合の、第二のオゾン化流体による工程の主要なメリットは親水性回復にある。

特に、ウエハ表面に存在するオゾンと相俟って表面活性化特性により親水性が著しく高まる。

親水性が高まると、ウエハ表面のオゾンによる酸化で酸化物層が形成される。

ウエハをオゾン化流体と接触させるには次の二つの方法のいずれかで行う。

ウエハをオゾン化溶液に浸す。又は、
オゾン小滴を接着装置にスプレーするか、又はこれに加えて、脱イオン水によるオゾン化リンスを効果的に行う。又は、
オゾンガスを供給する。

二枚の接着すべきウエハの表面処理が完了したら、一回又乃至複数回の接着工程を行う。

接着工程では親水性粘着処理を効果的に行う。

さらなる効果的な工程として、加熱等の処理により接着部分を硬化させる。

二枚のウエハの内の少なくとも一枚の接着表面の酸化処理中、又は、他の酸化工程中に酸化物層が形成されると、接着特性により、この酸化物層が二枚のウエハ間の接着力を高める。

接着処理に加えて、二枚のウエハの内の一方から薄膜を分離させて他方のウエハ上に移し、薄膜が移されたウエハを有するユニット上に所望の構造を形成しても良い。

接着すべき二枚のウエハの内の一枚が酸化物層を備える場合は、最終構造物の応用によっては、この酸化物層が電気的絶縁層となる。

これは、特に、ＳｅＯＩ（セミコンダクタ・オン・インシュレータ）構造の場合に、移された薄膜の厚みが半導体の厚みとなり、二枚のウエハの内の一枚をオゾン化流体に接触させている間に形成された酸化物層が絶縁物となる。

しかし、この発明はＳｅＯＩ構造のみならず、半導体材料を含むすべてのタイプの構造に適用出来るものである。

処理されるウエハは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ等の半導体材料やＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩタイプの他の半導体材料より成る。

この発明の各異なる工程を示す。

Claims (6)

1. 半導体材料から選ばれたある材料の層を少なくとも表層に備えるウエハの表面処理方法であって、前記ウエハを第二のウエハと接触させて、前記処理すべき表面を介して前記ウエハ同士を接着する方法であって、
   ａ）オゾン化流動体により前記ウエハ表面を酸化させ、
   ｂ）前記ウエハ表面から分離した微粒子と、前記ウエハ表面の近傍を覆う微粒子と、金属汚染物とを、除去可能な化学種により、前記ウエハ表面を清浄にし、
   ｃ）その後、オゾン化溶液により前記ウエハ表面を酸化させる工程を備えたウエハの表面処理方法。
2. 前記工程ｂ）は、
   ｂ１）前記分離した且つ又は前記表面を覆う微粒子を除去可能なＳＣ１タイプの溶液により、前記ウエハ表面を清浄にし、
   ｂ２）金属汚染物を除去可能なＳＣ２タイプの溶液により、前記ウエハ表面を清浄にする連続した二工程を備えたことを特徴とする請求項１の表面処理方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の表面処理方法を有する二枚のウエハを接着する方法であって、前記二枚のウエハの表面各々に前記処理方法を適用した後に、前記二つの表面を介して前記二枚のウエハを接着する工程を備えた接着方法。
4. 前記接着は少なくとも部分的に前記二枚のウエハの界面の親水性により行うことを特徴とする請求項３記載の二枚のウエハを接着する方法。
5. 前記二枚のウエハの接着は該接着を高める加熱処理を伴うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の二枚のウエハを接着する方法。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれか記載の方法の工程を備える、セミコンダクタ・オン・インシュレータ（Semiconductor On Insulator)構造を得るための方法。

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