JP2008187165A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の半導体ウェーハと、第2の半導体ウェーハとを準備する工程と、この第1の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚と、第2の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下である状態で、第1の半導体ウェーハと、第2の半導体ウェーハとを接合する工程と、この接合する工程の後、第1の半導体ウェーハまたは第2の半導体ウェーハを薄膜化する工程の前に、第1の半導体ウェーハと、第2の半導体ウェーハとが接合された半導体基板を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
【選択図】図1
Description
その技術の一つとして、異なる結晶面方位を表面に有するシリコンウェーハ同士を直接接合したのち、シリコン等のイオン注入によって、上層のシリコン単結晶層を下層との接合界面までアモルファス化し、アニールで下層の結晶方位情報をもとに再結晶化することによって、シリコンウェーハ表面に相異なる結晶面方位を有する領域を作成する方法(ATR法:Amorphization/Templated Recrystalization法)が、例えば、特許文献1に開示されている。
なお、上述のように、2枚のシリコンウェーハを厚い酸化膜を介することなく直接接合した構造は、DSB構造(Direct Silicon Bonding structure)と称される。
まず、図3(a)に示すように、例えば、{100}面方位を有する第1のシリコンウェーハ(ベースウェーハ)102と、例えば、{110}面方位を有する第2のシリコンウェーハ(ボンドウェーハ)104とを準備する。2枚のウェーハは、ウェット洗浄処理、例えば、それぞれRCA洗浄を得ることによって、表面に0.7nm程度のシリコン酸化膜が形成されている。
次に、図3(b)に示すように、第1のシリコンウェーハ102と、第2のシリコンウェーハ104とを、常温、大気中で貼りあわせる。この時、界面には1.4nm程度の界面シリコン酸化膜108が形成されている。
次に、図3(c)に示すように、接合熱処理を、例えば、500℃以上の温度で行い、貼り合わせ強度を強める。
次に、図3(d)に示すように、第2のシリコンウェーハ104側を研削・研磨することにより薄膜化し、シリコン基板上側層112を形成する。この時点でも、半導体基板104には界面酸化膜108が存在している。
次に、図3(e)に示すように、界面酸化膜108を除去するための界面酸化膜除去熱処理を行う。この熱処理は、例えば、還元性雰囲気中、1200℃程度の温度で数時間行われる。この熱処理時、薄いシリコン基板側上側層112の表面からの酸素外方拡散が生じることにより界面から表面に向けての急峻な酸素濃度勾配が形成される。したがって、この酸素濃度勾配により界面シリコン酸化膜108の酸素の拡散が促進され、界面シリコン酸化膜108が消失する。
以上の方法により、図3(f)に示すように、シリコン酸化膜のない界面116で、{100}面方位を有する第1のシリコンウェーハ(ベースウェーハ)102と、{110}面方位を有する第2のシリコンウェーハ(ボンドウェーハ)104とが接合したシリコン基板114が形成される。
第1の半導体ウェーハと、第2の半導体ウェーハとを準備する工程と、
前記第1の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚と、前記第2の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下である状態で、前記第1の半導体ウェーハと、前記第2の半導体ウェーハとを接合する工程と、
前記接合する工程の後、前記第1の半導体ウェーハまたは前記第2の半導体ウェーハを薄膜化する工程の前に、前記第1の半導体ウェーハと、前記第2の半導体ウェーハとが接合された半導体基板を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理する工程を有することを特徴とする。
なお、実施の形態においては、半導体ウェーハとしてシリコンウェーハを用いる場合を例にして説明するが、本発明は必ずしもシリコンウェーハを用いた半導体基板の製造方法に限定されるわけではない。
また、本明細書中においては、(100)面、(110)面と結晶学的に等価な面を代表する表記として、それぞれ、{100}面、{110}面という表記を用いる。そして、〔100〕方向、〔110〕方向と結晶学的に等価な方向を代表する表記として、それぞれ<100>方向、<110>方向という表記を用いる。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、{100}面方位を有する第1のシリコンウェーハと、{110}面方位を有する第2のシリコンウェーハとを準備する工程と、前記第1のシリコンウェーハ表面または前記第2のシリコンウェーハ表面に存在する酸化膜を、希釈HF(フッ酸)でエッチングすることにより薄膜化する工程と、前記第1のシリコンウェーハ表面のシリコン酸化膜の膜厚と、前記第2のシリコンウェーハ表面のシリコン酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下である状態で、前記第1のシリコンウェーハと、前記第2のシリコンウェーハとを接合する工程と、前記接合する工程の後、前記第1のシリコンウェーハまたは前記第2のシリコンウェーハを研磨等により薄膜化する工程の前に、前記第1のシリコンウェーハと、前記第2のシリコンウェーハとが接合されたシリコン基板を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、1000℃以上の温度で熱処理する工程を有することを特徴とする。
この場合のRMSは、例えば、ウェーハ表面の任意の10×10μm2の範囲をAFM(Atomic Force Microscope)で、測定した値を採用することができる。
このように、表面粗さを限定する理由は、貼り合わせた後の熱処理における界面ボイドの発生をより効果的に抑制することが可能だからである。
具体的には、まず、上記ミラー研磨後にウェット洗浄処理、例えば、RCA洗浄(SC−1処理+SC−2処理)を施すことによって両方のウェーハ表面に、それぞれ0.7nm程度のシリコン酸化膜(ケミカルオキサイド)を形成する。そして、その後、例えば、0.01%程度の希釈率の希釈HF(フッ酸)でエッチング(エッチバック)することにより、それぞれ0.2nm程度のシリコン酸化膜の膜厚とする。これによって、合計膜厚を0.4nm程度とすることが可能となる。
この工程においては、常温の清浄な雰囲気下で2枚のシリコンウェーハの表面同士を接触させることにより、OH基を介在したSi原子の結合により、接着剤等を用いることなく2枚のシリコンウェーハを接合させることが可能となる。
この接合熱処理は、例えば、縦型熱処理を用いて、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、例えば、水素ガス雰囲気中で、例えば、1000℃から1300℃程度の温度で、例えば、30分〜3時間程度の処理時間で行われる。
本発明においては、1000℃より低温での接合熱処理を必ずしも排除しないが、接合強度の向上および界面シリコン酸化膜108の消失に要する熱処理時間が長くなることからは好ましくない。
そして、雰囲気を還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気とするのは、酸化種が入ると、界面シリコン酸化膜108除去が極めて困難になるからである。
また、界面酸化膜を酸素のウェーハ表面からの拡散により消失させるための高温・長時間の界面酸化膜除去熱処理が省略されることにより、特に、ウェーハが大口径化した場合の熱応力によるスリップ発生を抑制することが可能となる。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、ベースウェーハ102表面のシリコン酸化膜の膜厚と、ボンドウェーハ104表面のシリコン酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下とする際に、表面のシリコン酸化膜を希釈HF処理により除去した後に、例えば、常温、大気中にウェーハを放置して自然酸化膜を成長させることによる以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
なお、自然酸化膜形成の際には、合計膜厚が1nmより厚くならないように、放置時間や放置雰囲気の管理が必要となる。
この理由は、以下のように考えられる。
まず、シリコンウェーハ表面に酸化膜を有する状態では、常温下でのウェーハ間の接合は、ウェーハ表面のOH基を介した接合となっている。そのため、シリコン酸化膜のない、純粋なシリコン表面ではOH基が少なくなり、常温下での十分な接合強度が保てない。自然酸化膜の形成はウェーハ表面の均一性が悪いため、場所によってはシリコン酸化膜の存在しないあるいは極めて薄い領域が存在する。よって、その部分での接合強度がやや劣ることになる。
また、より接合強度を上げるための高温熱処理を行う場合、界面にシリコン酸化膜が存在すると、その界面シリコン酸化膜が界面で気化するH2OやH2を吸収する。このため、界面でのボイド発生を抑制することができる。しかし、自然酸化膜の場合はウェーハ面内の場所によっては酸化膜の存在しないあるいは極めて薄い領域が存在する。このためH2OやH2の吸収が限定されることになり、ボイド発生を完全に抑制することが困難になる。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、ベースウェーハ102表面のシリコン酸化膜の膜厚と、ボンドウェーハ104表面のシリコン酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.2nm以上1nm以下とする際に、ALD(Atomic Layer Deposition)法によりシリコン酸化膜を形成する以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
本実施の形態の半導体基板の製造方法は、ベースウェーハ102表面のシリコン酸化膜の膜厚と、ボンドウェーハ104表面のシリコン酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下とする際に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化膜を形成する以外は、第1の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
本発明の第4の実施の形態の半導体基板の製造方法は、第1のシリコンウェーハ表面の結晶面方位と第2のシリコンウェーハ表面の結晶面方位が、例えば、(100)面同士、あるいは、(110)面同士と、同一であること以外は第1ないし第4の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
同様に、チョコラルスキー法(CZ法)により、8インチの結晶面方位(110)のシリコン単結晶インゴットを製造した。このインゴットは、ボロンを不純物とするpタイプシリコン単結晶であり、抵抗率は9〜22Ωcmとした。このシリコン単結晶インゴットを(110)面に対し、8度のオフ角となるようにスライスし、ボンドウェーハを準備した。
そして、RCA洗浄によって、形成された約0.7nmのシリコン酸化膜(ケミカルオキサイド)を、水で希釈された0.01%の希釈HF(フッ酸)により、エッチングすることによって、貼り合わせ前の酸化膜の厚さを制御した。このエッチング時間を変化させることにより、ベースウェーハ表面およびボンドウェーハ表面のシリコン酸化膜の合計膜厚が0.2nmから1.4nmとなるウェーハの組み合わせを準備した。
ここで、ウェーハ表面のシリコン酸化膜の膜厚は、エリプソメータにより測定し、その平均値を求めた。
各々の条件の貼り合わせシリコン基板について、断面TEMを用いて、貼り合わせ界面の界面シリコン酸化膜の膜厚を評価した。また、超音波探傷法により、貼り合わせ界面のボイドを評価しウェーハのボイド面積を算出した。
結果を図2に示す。
104 ボンドウェーハ(第2の半導体ウェーハ、{110}面方位ウェーハ)
108 界面シリコン酸化膜
112 シリコン基板上側層
114 シリコン基板
116 シリコン酸化膜のない界面
Claims (5)
- 第1の半導体ウェーハと、第2の半導体ウェーハとを準備する工程と、
前記第1の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚と、前記第2の半導体ウェーハ表面の酸化膜の膜厚との合計膜厚が0.4nm以上1.0nm以下である状態で、前記第1の半導体ウェーハと、前記第2の半導体ウェーハとを接合する工程と、
前記接合する工程の後、前記第1の半導体ウェーハまたは前記第2の半導体ウェーハを薄膜化する工程の前に、前記第1の半導体ウェーハと、前記第2の半導体ウェーハとが接合された半導体基板を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 - 前記第1の半導体ウェーハと前記第2の半導体ウェーハとがシリコンウェーハであることを特徴とする請求項1記載の半導体基板の製造方法。
- 前記接合する工程の前に、前記第1の半導体ウェーハ表面または前記第2の半導体ウェーハ表面に存在する酸化膜を、希釈HF(フッ酸)でエッチングすることにより薄膜化する工程を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体基板の製造方法。
- 前記熱処理する工程の熱処理温度が、1000度以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第1の半導体ウェーハ表面の結晶面方位と前記第2の半導体ウェーハ表面の結晶面方位とのいずれか一方が、{100}面に対して0度以上5度以下の傾斜角(オフ角)を有する範囲にあり、他方の結晶面方位が{110}面に対して0度以上11度以下の傾斜角(オフ角)を有する範囲にあることを特徴とする請求項2ないし請求項4いずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
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