JP5438910B2 - 貼り合わせ基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、貼り合わせ基板の製造方法に関するもので、特に、反りの大きなウェーハであっても貼り合わせることができる貼り合わせ基板の製造方法に関する。

近年、パワーデバイス用途として単結晶炭化ケイ素（単結晶ＳｉＣ）や単結晶ダイアモンドといったワイドバンドギャップ材料が注目されている。これは、高い電荷の移動度の他に、高い熱伝導率といった優れた特性が注目されているためである。

しかし、現実には、現在製造される単結晶ＳｉＣや単結晶ダイアモンドは、電子デバイスの作製に耐えられる品質のものは少なく、研究段階でとどまっている。
単結晶ＳｉＣでは、近年大口径ウェーハ状のものが得られるようになってきてはいるが、マイクロパイプや積層欠陥といった欠陥密度が高く、苛酷な環境で長時間用いることができるものは未だ本格的に実用化されていない。
一方、単結晶ダイアモンドにおいても、現状では、研究レベルで数ｍｍ角のものができている段階で、電子デバイス作製に必要な大きさ・品質を有する結晶は未だ得られていない状態である。

シリコンは基本物性（電荷の移動度、熱伝導率等）ではＳｉＣやダイアモンドに劣るものの、その結晶性の完全性から、パワーデバイス用途に長年実際に用いられてきた。そのため、現実的には、長期間の信頼性を要求されるパワーデバイス用途には、シリコン以外の材料はなかなか使えないというのが現状である。

しかし、シリコンウェーハ上にトランジスタ等の素子などを作製すると、それらからの発熱によってシリコンウェーハの温度が上昇するという問題が発生する。
ハンドルウェーハを構成するシリコンは熱の良導体なので、熱をハンドルウェーハ側に逃がすことができればよいが、シリコンウェーハとハンドルウェーハとの間に介在しているシリコン酸化膜は、電気的絶縁体であるばかりでなく、熱に対しても極端な絶縁体である。従って、シリコン酸化膜を薄くすればシリコンウェーハで発生した熱をハンドルウェーハに逃がすことができるようになるが、その場合は電気絶縁性に問題が生じる。

そこでこの排熱の問題を解決するために、シリコンウェーハを、熱伝導度の高い物質、望ましくはＣＭＯＳプロセス中に汚染の心配の少ない物質（例えばＳｉＣ等）に貼り付けて、高い放熱性を確保する方法（例えば特許文献１参照）も考えられるが、この構造には製造上の問題点が存在する。

シリコンウェーハは長年の生産技術の蓄積から、貼り合わせに必要なウェーハの反りを十分に抑えることに成功しているが、ＳｉＣは難加工材料であることと、シリコンほど周辺技術が熟成されていないことから、貼り合わせに必要なウェーハの反りを達成することが困難である場合が多々ある。一般にウェーハの片方に３０μｍ以上の反りがあると貼り合わせ不良が出始めるが、ＳｉＣウェーハは１００μｍ程度の反りがあることもあり、そのまま貼り合わせると大きな歩留り低下が生じる。

特開平１０−２２３８７０号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、シリコン薄膜上の素子等からの排熱の問題を解決でき、また、シリコンウェーハと熱伝導率は高いが反りの大きいウェーハ、例えば炭化ケイ素ウェーハ等とを貼り合わせたとしても貼り合わせ不良が発生することを大きく抑制できる貼り合わせ基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、貼り合わせ基板の製造方法であって、少なくとも、シリコンウェーハと、ハンドルウェーハを準備する工程と、前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面に、表面活性化処理を行う工程と、前記ハンドルウェーハを静電チャックに吸着させる工程と、前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハとを、該ハンドルウェーハを前記静電チャックに吸着させたまま貼り合わせる工程と、前記貼り合わせたウェーハを前記静電チャックに吸着させたまま熱処理を行う工程と、前記熱処理したウェーハを前記静電チャックより脱着させる工程と、前記脱着させたウェーハの前記シリコンウェーハを薄膜化する工程とを有することを特徴とする貼り合わせ基板の製造方法を提供する。

このように、シリコンウェーハとハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面に表面活性化処理を行い、ハンドルウェーハを静電チャックに吸着させてそのままの状態で貼り合わせ処理と結合熱処理を行い、その後シリコンウェーハを薄膜化する。
ハンドルウェーハを静電チャックに吸着させることによって、ハンドルウェーハに一時的にではあるが高い平坦性を持たせることができる。また貼り合わせ面に対する表面活性化処理と、結合熱処理を行うことによって、貼り合わせたウェーハの貼り合わせ面の結合強度を強力なものとする。
これらによって、たとえハンドルウェーハの反りが大きな場合であっても、シリコンウェーハと貼り合わせた際の貼り合わせ不良の発生を大きく抑制することができる。
よって、ハンドルウェーハに、例えば熱伝導率は高いが反りの大きな炭化ケイ素等を選択することができる。

また、前記熱処理工程は、熱処理温度を２００℃以上とすることが好ましい。
このように、結合熱処理温度を２００℃以上とすることで、シリコンウェーハとハンドルウェーハの貼り合わせ強度をより強力なものとすることができ、よって貼り合わせ不良の発生をより抑制することができる。

また、前記ハンドルウェーハを、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなるウェーハとすることができる。
このように、上記のような熱伝導率の材料からなるハンドルウェーハとすることで、シリコン薄膜上に形成された素子等が動作することによって発生する熱をハンドルウェーハを経由して外へ放出することがより容易になる。

また、前記ハンドルウェーハを、単結晶炭化ケイ素、多結晶炭化ケイ素、窒化アルミニウムのいずれかからなるウェーハとすることができる。
このように、ハンドルウェーハとして、高い熱伝導率（炭化ケイ素：２００Ｗ／ｍＫ以上、窒化アルミニウム：２００Ｗ／ｍＫ）を有する上記材料を用いることによって、シリコン薄膜上の素子等からの排熱をハンドルウェーハを経由させて外へ放出することがより容易になる。

また、前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハとを貼り合わせる工程の前に、前記シリコンウェーハに水素イオン又は希ガスイオンあるいはこれらの両方の注入を行ってイオン注入層を形成する工程を行い、前記薄膜化する工程を、前記イオン注入層にて剥離する工程とすることができる。
このように、シリコンウェーハの薄膜化方法に所謂イオン注入法を選択することによって、薄膜化するシリコンウェーハの膜厚を均一で薄いものとすることができ、また剥離面の表面粗さを低いものとすることができ、よって高い平坦性を有した薄膜貼り合わせ基板とすることができる。

また、前記薄膜化する工程を、前記シリコンウェーハを研削および研磨するものとすることができる。
このように、シリコンウェーハを研削および研磨によって薄膜化することによって、簡易な手法によってシリコンウェーハを薄膜化することができ、よって製造コストの低減を図ることができる。

以上説明したように、本発明の貼り合わせ基板の製造方法によれば、たとえハンドルウェーハの反りが大きな場合であっても、シリコンウェーハと貼り合わせた際の貼り合わせ不良の発生を大きく抑制することができる。これによって、例えば、単結晶炭化ケイ素等の高熱伝導度で絶縁性基板とシリコンウェーハを効率よく貼り合わせることができ、高性能デバイスの作製に寄与できる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、シリコン薄膜上の素子等からの排熱の問題を解決でき、また、シリコンウェーハと熱伝導率は高いが反りの大きいウェーハ、例えば炭化ケイ素ウェーハ等とを貼り合わせたとしても貼り合わせ不良が発生することを大きく抑制できる貼り合わせ基板の製造方法の開発が待たれていた。

そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ハンドルウェーハを静電チャックに吸着させることによって高い平坦性を持たせてその状態で貼り合わせ処理を行うことと、静電チャックに吸着させたまま結合強度を高める処理を行うことによって前述の問題を解決することができることを発見し、本発明を完成させた。

以下、本発明の貼り合わせ基板の製造方法を図１を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は本発明の貼り合わせ基板の製造方法の工程の一例を示す工程図である。

（工程ａ：シリコンウェーハ・ハンドルウェーハの準備、表面活性化処理）
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンウェーハ１１とハンドルウェーハ１２を準備する。

ここで、準備するハンドルウェーハを、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなるものとすることができる。
このように、上記のような熱伝導率のハンドルウェーハとすることで、シリコン薄膜上の素子等からの排熱をハンドルウェーハを経由させて外へ放出することがより容易になる。

また、具体的にハンドルウェーハとして、単結晶炭化ケイ素、多結晶炭化ケイ素、窒化アルミニウムのいずれかの材料を用いることができる。
このように、ハンドルウェーハとして、高い熱伝導率を有する上記の材料を選択することによって、シリコン薄膜上の素子等からの排熱をハンドルウェーハを経由させてデバイス外へ放出することがより容易になる。
また、本発明の製造方法は、反りの大きなウェーハであっても貼り合わせ不良の発生を抑制することができるため、熱伝導率は高いが反りの大きな単結晶炭化ケイ素等をハンドルウェーハとして適宜選択することができる。

次に、準備したシリコンウェーハ１１とハンドルウェーハ１２の少なくとも一方の貼り合わせ面に対して、表面活性化処理を施す。

この表面活性化処理として、例えばプラズマ処理やオゾン処理が挙げられる。
プラズマで処理をする場合は、真空チャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をしたウェーハを載置し、プラズマ用ガスを導入した後、１００Ｗ程度の高周波プラズマに５〜３０秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、例えば、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを用いることができる。また、不活性ガスの窒素ガスを用いても良い。
オゾンで処理をする場合は、大気を導入したチャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をしたウェーハを載置し、窒素ガス、アルゴンガス等のプラズマ用ガスを導入した後、高周波プラズマを発生させ、大気中の酸素をオゾンに変換することで、表面をオゾン処理する。

（工程ｂ：静電チャックへの吸着）
次に、図１（ｂ）に示すように、ハンドルウェーハ１２を静電チャック１３に吸着させる。
ここで、ハンドルウェーハを吸着させる静電チャックに、ウェーハの加熱機構を具備させることが望ましい。静電チャックにウェーハの加熱機構を具備させることによって、後述の熱処理工程において、吸着させたままの貼り合わせたウェーハに対する熱処理を容易に行うことができるようになる。このような加熱機構付き静電チャックは、市販されているものでよい。また、静電チャックのチャック面はできるだけ平坦のものを用いるようにし、貼り合わせに支障がない様、チャックされたハンドルウェーハの反りが、少なくとも３０μｍより小さくなるようにする。

（工程ｃ：貼り合わせ・熱処理）
次に、図１（ｃ）に示すように、静電チャック１３に吸着させたハンドルウェーハ１２とシリコンウェーハ１１の貼り合わせ面同士を貼り合わせ、貼り合わせたウェーハ１４とする。このとき、ハンドルウェーハ１２は静電チャック１３に吸着させたままである。
次に、静電チャック１３に吸着させたままの貼り合わせたウェーハ１４に対して熱処理を行う。

ここで、熱処理温度を２００℃以上とすることができる。
このように、結合熱処理温度を２００℃以上とすることで、シリコンウェーハとハンドルウェーハの貼り合わせ強度をより強力なものとすることができ、よって貼り合わせ不良の発生をより抑制することができる。熱処理温度の上限は特に限定されないが、静電チャックの耐熱性、使用ウェーハの融点や結晶性の劣化が生じない範囲で決定すれば良い。

（工程ｄ：脱着）
次に、図１（ｄ）に示すように、熱処理後の貼り合わせたウェーハ１４を静電チャック１３より脱着させる。

（工程ｅ：薄膜化）
次に、図１（ｅ）に示すように、脱着させた後の熱処理したウェーハ１５のシリコンウェーハ１１を薄膜化して、貼り合わせ基板１０とする。

ここで、シリコンウェーハとハンドルウェーハを貼り合わせる前にシリコンウェーハに水素イオン又は希ガスイオンあるいはこれらの両方の注入を行い、イオン注入層にて剥離を行うことによってシリコンウェーハを薄膜化することができる。
このように、シリコンウェーハの薄膜化方法にイオン注入法（例えばＳＯＩＴＥＣ法やＳｉＧｅｎ法）を選択することによって、薄膜化するシリコンウェーハの膜厚を均一で薄いものとすることができ、また剥離面の表面粗さを低いものとすることができ、よって高い平坦性を有した薄膜貼り合わせ基板とすることができる。

このＳＯＩＴＥＣ法とはシリコン・ハンドル両ウェーハを室温で貼り合わせ、その後５００℃近傍まで昇温し、イオン注入界面でマイクロキャビティと呼ばれる空孔を形成し熱的に剥離を行い、薄膜を転写する方法である。
またＳｉＧｅｎ法は、シリコン・ハンドル両ウェーハを貼り合わせる前処理として、表面プラズマ活性化処理を行い、室温で貼り合わせ、この時点で高い結合強度を達成し、必要に応じて低温（３００℃前後）の熱処理を加えた後に、イオン注入界面に機械的衝撃を加え剥離を行い、薄膜を転写する方法である。

また、この薄膜化工程を、シリコンウェーハを研削および研磨する工程とすることもできる。
このように、シリコンウェーハを研削および研磨によって薄膜化することによって、簡易な手法によってシリコンウェーハを薄膜化することができ、よって製造コストの低減を図ることができる。

このように、本発明の貼り合わせ基板の製造方法は、静電チャックにチャックさせることでハンドルウェーハに高い平坦性を持たせた状態でシリコンウェーハとの貼り合わせ処理を行い、かつ貼り合わせたウェーハに対する結合熱処理を行うことを特徴としている。
これによって、シリコンウェーハとハンドルウェーハの反りが大きな場合であっても、貼り合わせた際の貼り合わせ不良の発生を大きく抑制することができる。
従って、例えばシリコンウェーハに比べて熱伝導率は高いが反りの大きな単結晶炭化ケイ素ウェーハ等であっても、シリコンウェーハと貼り合わせることができ、よってデバイス等からの排熱の問題を軽減して、高精度デバイスを作製することができる。

以下、本発明の貼り合わせ基板の製造方法について、実施例によりさらに具体的に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
（実施例）
以下のように、図１に示したような貼り合わせ基板の製造方法に従って、貼り合わせ基板を複数枚製造した。

まず、シリコンウェーハと、ハンドルウェーハとして単結晶炭化ケイ素ウェーハを準備した。
次に、このシリコンウェーハの一方の表面に水素イオン注入を行って、水素のイオン注入層を形成した。イオン注入条件は、注入エネルギーが３５ｋｅＶ、注入線量が９×１０^１６／ｃｍ^２、注入深さは０．３μｍである。

次に、プラズマ処理装置にイオン注入したシリコンウェーハを載置し、プラズマ用ガスとして窒素を導入した後、２Ｔｏｒｒ（２７０Ｐａ）の減圧条件下で１３．５６ＭＨｚの高周波を直径３００ｍｍの平行平板電極間に高周波パワー５０Ｗの条件で印加することで、高周波プラズマ処理をイオン注入した面に１０秒行った。このようにして、シリコンウェーハのイオン注入面に表面活性化処理を施した。

次に単結晶炭化ケイ素ウェーハを、加熱機構付きの静電チャックに吸着させた。
そして表面活性化処理を行ったシリコンウェーハと、静電チャックに吸着させたままの単結晶炭化ケイ素ウェーハとを、表面活性化処理を行った面を貼り合わせ面として密着させた後、両ウェーハの裏面を厚さ方向に強く押圧した。
次に、貼り合わせ強度を高めるため、シリコンウェーハと単結晶炭化ケイ素ウェーハとを貼り合わせたウェーハを、静電吸着装置の加熱機構を用いて２００℃で熱処理した。

その後、貼り合わせたウェーハを静電チャックより脱着させ、シリコンウェーハの水素イオン注入層に外部衝撃を付与し、水素イオン注入層にて順次離間させ、シリコン薄膜とした。

その後、シリコン薄膜の剥離面に対して、表面処理として、研磨代を０．０５μｍとした研磨処理を行った。
このようにして、単結晶炭化ケイ素ウェーハ上にシリコン薄膜を有する貼り合わせ基板を製造した。このように複数枚製造した貼り合わせ基板の貼り合わせ不良の発生率を評価したところ、貼り合わせ不良の発生率は５％程度であり、従来に比べ大幅に低下させることができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の貼り合わせ基板の製造方法の工程の一例を示した工程図である。

符号の説明

１０…貼り合わせ基板、 １１…シリコンウェーハ、 １２…ハンドルウェーハ、 １３…静電チャック、 １４…貼り合わせたウェーハ、 １５…熱処理したウェーハ。

Claims (4)

1. 貼り合わせ基板の製造方法であって、
   少なくとも、
   シリコンウェーハと、ハンドルウェーハを準備する工程と、
   前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハの少なくとも一方の貼り合わせ面に、表面活性化処理を行う工程と、
   前記ハンドルウェーハを静電チャックに吸着させる工程と、
   前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハとを、該ハンドルウェーハを前記静電チャックに吸着させたまま貼り合わせる工程と、
   前記貼り合わせたウェーハを前記静電チャックに吸着させたまま熱処理を行う工程と、
   前記熱処理したウェーハを前記静電チャックより脱着させる工程と、
   前記脱着させたウェーハの前記シリコンウェーハを薄膜化する工程とを有し、
   前記熱処理工程の熱処理温度を２００℃以上とし、
   前記ハンドルウェーハを、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上の材料からなるウェーハとすることを特徴とする貼り合わせ基板の製造方法。
2. 前記ハンドルウェーハを、単結晶炭化ケイ素、多結晶炭化ケイ素、窒化アルミニウムのいずれかからなるウェーハとすることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
3. 前記シリコンウェーハと前記ハンドルウェーハとを貼り合わせる工程の前に、前記シリコンウェーハに水素イオン又は希ガスイオンあるいはこれらの両方の注入を行ってイオン注入層を形成する工程を行い、
   前記薄膜化する工程を、前記イオン注入層にて剥離する工程とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
4. 前記薄膜化する工程を、前記シリコンウェーハを研削および研磨するものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の貼り合わせ基板の製造方法。

Images