JPH02126625A - 半導体ウエーハ接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハの該鏡
面を、相互に直接または酸化膜を介して接合させる半導
体ウェーハ接合方法に関する。

［従来の技術］ 半導体電子装置の製造における、基体プロセスとしての
不純物の導入技術としては、現在熱拡散法及びエビタキ
ンヤル成長法などがほぼ技術的に確立されたものとして
多用されている。しかし、これらの方法でパワーデバイ
スを作ろうとすると、熱拡散によるコレクタ拡散あるい
はエビタキンヤル成長による１００ΩＣ−以上の高抵抗
層の形成における技術的な限界があって、高耐圧大容積
化に難点がある。

また、特に、半導体集積回路において、個々の素子を誘
電体で分離する誘電体分離技術がその寄生容量及び分離
耐圧の点で優れているにも拘わらず、基板の反りが大き
過ぎるため、製造技術上非常に問題がある。

鏡面研磨された２枚のシリコンウェーハの該鏡面を相互
に直接又は酸化膜を介して接合する方法は、従来あまり
注目されていなかったが、最近に至って上述したパワー
デバイス基板または誘電体針＃！基板の製法として非常
に注目されるようになった。何れの応用についても、上
述した従来法の欠点を著しく改善し得る。

かかるノリコンウェーハの接合方法は、上述のような目
的のための利用を意図したものではないが例えば特公昭
３９−１７８６９号が開示されている。

現在、ノリコンウェーへの接合法としては、鏡面ノリコ
ンウェーハを室温空気中で重ね合わせ、これを弔に高温
例えば１１００℃、２時間位、酸素／窒素比！１５の雰
囲気で加熱する方法、及び、特に間に酸化膜が介在する
場合には張り合わせに際しウェーハ間に直流又は交流電
圧を加えてウェーハ間に働く静電吸引力を利用し、更に
窒素気流中で加熱する方法がとられている。

ノリコノウェーハの接合において技術的な問題点は、２
枚の鏡面ウェーハが相対応する接合面において、接合が
不充分な未擾合部が部分的に現れ通称ボイドを形成する
ことである。かかるボイドの発生を抑えるためにその原
因の究明が行われており、原因としてウェーハの表面に
付着する塵埃、汚れあるいは傷が考えられ、特に塵埃は
、ボイド発生の最大の原因であるとして注目されている
。

しかし、これらの原因の除去によって完全なボイドの除
去はできないことを発明者は実験によって確かめた。

また、シリコンウェーハの改良接合技術としては、例え
ば特開昭６１−１８２２１６号公報に、半導体基板の接
合の際の雰囲気として半導体を透過し又は半導体に吸収
されやすいガスを使用することにより、ボイドの発生を
防止する方法が開示されている。しかし、−度接合面に
ガスがホールドされると、それらのガスを透過吸収によ
って除去することは、現実には非常に困難がある。

［発明が解決しようとする諜ｊｌｉ］ 本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ボイドの発生を実
質的にしかも再現性よく除去することができる半導体ウ
ェーハ接合方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段〕 この目的を達成するために、本発明に係る半導体ウェー
ハ接合方法では、２枚の半導体ウェー／％の鏡面の表面
粗さを、中心線平均粗さでいずれも０．５ｎｍ以下にし
たものが用いられる。酸化膜を介する場合は、かかるＱ
、５ｎａ＋以下の表面粗さの鏡面ノ１．じンウエーハの
一方又は両方を酸化したのち接合する。

本発明は、接合される２枚の半導体ウェーハはシリコン
ウェーハに限られず、シリコンウェーハと化合物半導体
ウェーハの組み合わせ、同種又は異種の化合物半導体ウ
ェーハの組み合わせ、或は混晶比が同一又は異なる化合
物半導体ウェーハの組み合わせにも適用される。

［作用〕 半導体ウェーハの直接接合において、その相対する鏡面
の表面粗さが小さい方が良いということはその接合の理
論的考察から自明のことであるが、従来の半導体ウェー
への接合技術においては、半導体ウェーへの鏡面化に関
して特別な配慮が行われず、鏡面が数人のレベルでどの
程度の粗さになればボイドの発生が妨げられるかどうか
について充分な技術的検討が行われなかった。すなわち
、半導体鏡面ウェーハの而粗さは、１００〜５００人と
いわれているが、鏡面粗さは、鏡面化の主流技術である
メカノケミカルボリッノングでどこまで小さくすること
ができるかについて検討が行われておらず、盲目的に、
鏡面といえば理想的なある種の平面を漠然と想念するだ
けであった。

本発明者は、公知の半導体ウェーハ接合技術を種々検討
したが、いずれも満足な結果が得られず、更に研究を進
めたところ、半導体ウェーハの相対する鏡面または酸化
膜形成前の鏡面の粗さが接合面の接合に著しく影響し、
その鏡面の粗さを平均中心粗さ表示で０．５ｎ＠（５人
）以下にするとボイドフリーの接合ができることを発見
して本発明に到達した。

このような鏡面シリコンウェーハの接合に際しては必ず
しもホットプレスを行う必要はなく、単に両鏡面を軽く
接触し、指で挟む程度の圧力を加えれば完全な接合が行
われる。また、２枚のウェーハの中心部により多くの圧
力がかかるように、あるいは選ね合わせた後、中心から
外方に圧力を加えることにより、内部に雰囲気ガスがト
ラップされることを容易に避けることができる。多少残
っていても後の加熱工程でこれを除（ことができる。

空気中で重ね合わせが行われた場合、内部にトラップさ
れるガス組成は空気であるので、僅かなトラップガスと
ウェーハのバルクの中に吸収拡散される。

このようにして、接合面は一種の真空状態となるので接
合面にはウェーハ接合体の外表面を介して大気圧が加わ
り、従来のようにホットプレスをしなくとも接合が進行
し、理想的なモノリシック状態となる。

この接合後、無加圧状態で加熱するとより強固な接合と
なる。この接合強さは、引っ張り強さを測定したところ
１５０に９／ｃ＠’を超えることがわかった。これは＜
１００＞方向のバルクのそれにほぼ等しい。かかるウェ
ーハを数ｍｍ角に切断したところ剥離はなく、シリコン
デバイスの製作工程における熱サイクルを加えても、接
合ウェーハの接合面の剥離はなく、引っ張り強さの低下
もなかった。これによって、シリコンデバイスのバルク
中のモノリシックな接合と等価であることがわかった。

ここで、本発明者は、半導体ウェーハのボイド検査方法
として種々検討したが、Ｘ線回折法を用いるのが極めて
有効であることを知見した。従来のボイド検査方法とし
ては赤外線透過方法、超音波探傷方法及び破壊検査方法
がある。この赤外線透過方法は非破壊方法である点で好
ましいが、Ｘ線回折法との比較では、致命的に劣った方
法であることが判った。すなわち、赤外線透過方法でボ
イドがないと判定されたウェーハをＸ゛線回折法で検査
すれば、依然としてボイドが残存している場合がしばし
ばあるためである。この理由は、Ｘ線回折法の場合には
接合が行われると、そこで必ず一次的に結晶の歪みが生
じ、この歪みをＸ線法で検知するためであると考えられ
る。

そこで、本発明者はさらにＸ線回折法によってウェーハ
の全接合面を調べ、ボイドが形成されていないことを確
かめた。そしてさらに、シリコンウェーハの鏡面の粗さ
が大きく例えば上記表示で０．７ｎｍを超えるとしばし
ばボイドの発生があり、デバイスの熱サイクル工程に入
れると更にボイドの成長や部分的な剥離が見られること
を確かめた。

半導体ウェーハの表面粗さが何故０．５ｎｍ以下になる
と接合が良好であり、モノリシックと同じ性質を示し得
るかについては究明が進んでいないが、微粉末成型の際
と同様に、表面近傍の原子の再配列が起こるためと考え
られる。

酸化膜を介したシリコンウェーハの接合は、方又は両方
のシリコンウェーハ表面を熱酸化して、１μ嘗以下の熱
酸化膜を形成させ、次いでこれらを重ね合わせ、更に交
流又は直流で静電圧を印加し接合する。

この表面粗さも、酸化膜形成前の鏡面ウェーハの面粗さ
が中心線平均粗さ表示で約０．５ｎｍを超えると、接合
がボイドのために不完全になる。この場合の接合理由は
、シリコンウェーハを直接接合する場合と異なって、そ
の大部分がシリカ構造、即ち５ｉ−０−３ｉの結合が界
面に形成されるためと考えられている。もともと熱酸化
膜の表面は、ｓｉ又は０の未結合手が残存しているわけ
で、これらが接合の原因となる。

シリコンウェーハと化合物半導体との間の接合、または
化合物半導体同志のそれについてもほぼシリコンウェー
ハ同志のそれと同様であって、いずれもその表面粗さを
０．５１以下にすることが接合における必要条件となる
。化合物半導体の化学組成が元素或はその混晶比で異な
る場合でも上記同様である。結晶構造やその格子間隔が
異なる場合には、その接合物に結晶的な乱れがあるのは
当然であるが、本発明によればボイドフリーでしかも結
晶釣部れを最小にすることあてきる。結晶構造及び格子
間隔が異なる接合面では、数ｎルベルのアモルファス層
が部分的に形成されるが、実用的には電気抵抗値の異常
な変化がなく、またオーミック性が保持される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例をシリコンウェーハの接合につい
て説明する。

（１）直接接合 最初に酸化膜を介しない接合について説明する。

試料として、Ｐ型＜　１００＞結晶、直径１２５ｍｍ、
厚す約５００μ園、抵抗率８ΩＣＩＢのシリコンウェー
ハを１６枚用意し、研磨圧力、研磨速度を下表１に示す
ように調節し、メカニカルボリンングを行って下表２の
如く表面粗さの異なるシリコンウェー７１Δ〜Ｄを各々
４枚作成した。

表１ 表２ 研磨機は市販のそれと原理構造は同一で、研磨パッドは
研磨布として市販されている商品名シーガル７４５５、
第ル−ス株式会社製、研磨液は商品名ＧＣ３２５０，不
士見研磨材株式会社製を用いた。

表面粗さの測定は、氷室においてはその精度及びその表
現方法が極めて重要になる。そこで、表面高さ方向分解
能３人、水平方向分解能１．０μｍで中心線平均粗さを
測定可能な、光学的位相シフト干渉法ヲ用いたワイコー
コーオポレーション（ＹＹＫＯＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
）製、型式ＴＯＰＯ−３Ｄ、対物レンズの倍率４０を選
定して用いた。この測定装置を用い、上記ウェーハＡ−
Ｄの表面粗さを各ウェーハについて、中心で直交する２
直線上の該中心から（半径）／２離れた位置及び該中心
の５領域（１領域は０．２５ｓｓＸＯ，２５ｍｍ）につ
いて測定しその平均値を求めた。

表面粗さとボイド発生との関係を明らかにするために、
上記ウェーハＡ−Ｄのすべての組合わせ（ＡＡ％ＡＢ、
ＡＣ％ＡＤ、ＢＨ，ＢＣ％ＢＤ、ＣＣ，ＣＤ、ＤＤ）に
ついて鏡面を相互に密着させ、次にＮ、雰囲気中で１１
００℃、１２０分間熱処理を行うことにより接合ウェー
ハを作成した。次にボイド検査を行った。

ここで、従来のボイド検査のように赤外透過法を用いた
のでは、赤外線の波長による制限により、結晶格子間隔
に比し極めて大きな値である０、１μｍ程麿以下の厚さ
のボイドを検査することができない。

そこで、本発明者はラング・カメラを用いてボイド検査
を行った。このラング・カメラは、理学電気株式会社製
、コンピュータ制御トポグラフイメージングシステムで
ある。使用した特性Ｘ線は、ＭｏＫ１＋線であり、設定
した反射結晶面は（２，２，０）である。このラング・
カメラによれば、原理的にはほぼ原子レベルの厚さのボ
イドを検出することができ、ボイド検査には充分である
。

第１図（ＡＡ）〜（ＤＤ）はそれぞれ上記組合わせＡＡ
〜ＤＤについてのラング・カメラによるＸ線写真を示す
。

ボイドの全面積は、ＡＡ＞ＡＢ＞ＢＢ＞ＡＣ＞ＡＤ＞Ｂ
Ｃ＞ＢＤ＞ＣＣの順になっていることが明らかである。

また、組合わせＣＧ、ＣＤ、ＤＤについてはボイドが無
く、他の組合わせに比し著しく良好であることが明らか
である。

このことから、鏡面に酸化膜を形成せずに行う場合には
、鏡面粗さを中心線平均粗さ０．４５ｎ−以下にするこ
とが、ボイドを無くすることにとって極めて重要である
ことがわかる。

ボイドを再現性よく無くするための鏡面粗さの限界を調
べるために、さらに細かく鏡面粗さを変化させてボイド
検査を行ったところ、この限界は中心線平均粗さ表示で
０．５ｎｓであることがわかった。

（２）酸化膜を介した接合 次に、２枚のンリコンウエーハ鏡面に酸化膜を形成した
後、両者を接合した場合について説明する。

試料として上記ウェーハと同一のものを用い、各組の両
ウェーハに１μ窮の熱酸化膜を形成し、上記同一の組合
わせの接合ウェーハを作成してボイド検査を行った。

結果は、鏡面粗さを中心線平均粗さ表示で０．５ｎ１以
下にすると、０．５ｎ−以上では多数存在したボイドが
上記同様に再現性よくほぼ消失し、０．５１−以下にす
ることがボイドをなくすることにとって極めて＝［’で
あることがわかった。

［発明の効果コ 以上説明した如く、本発明に係る半導体ウェーハ接合方
法によれば、ボイドが再現性よく実質的に消失するとい
う優れた効果を奏し、半導体集積回路の高集積化及び歩
留の向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第１Ｏ図はラング・カメラによる接合ウェー
ハのＸ線写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、鏡面研磨された２枚の半導体ウェーハの該鏡面を
   相互に密着させて両半導体ウェーハを接合させる半導体
   ウェーハ接合方法において、 鏡面研磨により該鏡面の表面粗さを中心線平均粗さ０．
   ５ｎｍ以下にした半導体ウェーハを接合させることを特
   徴とする半導体ウェーハ接合方法。 ２）、前記２枚の半導体ウェーハは、シリコンウェーハ
   若しくは化合物半導体ウェーハの何れか一方又は、これ
   らの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の
   方法。 ３）、前記２枚の化合物半導体ウェーハは、同種又は異
   種のウェーハであることを特徴とする請求項２記載の半
   導体ウェーハ接合方法。 ４）、前記２枚の化合物半導体ウェーハは同種であって
   、混晶比が同一又は異なるウェーハであることを特徴と
   する請求項３記載の半導体ウェーハ接合方法。 ５）、鏡面研磨されかつ該鏡面の一方又は両方が酸化さ
   れた２枚のシリコンウェーハの該鏡面を相互に密着させ
   て両シリコンウェーハを接合させるシリコンウェーハ接
   合方法において、 鏡面研磨により該鏡面の表面粗さを中心線平均粗さ表示
   で０．５ｎｍ以下にしたシリコンウェーハを接合させる
   ことを特徴とするシリコンウェーハ接合方法。