JP5710429B2 - 貼り合わせウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
このような貼り合わせウェーハの製造方法としては、例えば、鏡面研磨された2枚のシリコンウェーハを用意し、少なくとも一方のウェーハに酸化膜を形成させる。そして、これらのウェーハを接合させた後、200〜1200℃の温度で熱処理して結合強度を高める。その後、素子作製側ウェーハ(ボンドウェーハ)を研削及び研磨等して所望の厚さまで薄膜化することにより、半導体層(薄膜)が形成された貼り合わせウェーハを製造することができる。
このようにして作製された貼り合わせウェーハは、このままでは貼り合わせ界面の結合強度が十分ではないため、1000℃以上の高温での結合熱処理が行われる。
しかしながら、実際のところは、テラス幅を現に低減させるにあたっては、特許文献3の方法では製造工程においてさらに時間がかかっていた。
上記のように、貼り合わせ界面におけるボイドの個数や総面積を低減でき、優れた貼り合わせウェーハを得ることが可能である。最終的に得られる半導体デバイスのチップ数を多くすることができ、製品歩留まりが向上する。特には、イオン注入剥離法の場合であっても良好な剥離を生じさせることができ、結果として歩留まりの向上を図ることができる。
しかも、従来のように室温で保持する場合よりも短時間の保持でボイドの個数や総面積を低減させることができ、効率が良い。
このように10時間以上の保持時間とすることで、より顕著に、ボイドの個数や総面積の低減を図ることができる。また、50時間以下の保持時間とすることで、必要以上に保持してコストや時間を余計にかけることなく上記の低減効果を得ることができる。
このように簡便にウェーハ同士の貼り合わせを行うことができる。
このように、両ウェーハにシリコン単結晶ウェーハを用いる場合に本発明の製造方法は好適である。
また、このようなイオン注入剥離法においては、例えば1000℃以上の温度で行うウェーハ同士の結合強化のための熱処理は、500℃程度の剥離熱処理により剥離を行ってから行われることになってしまう。すなわち、剥離時において貼り合わせ界面の結合力が比較的弱い。しかしながら、本発明では剥離前に貼り合わせ界面のボイドの個数や総面積を低減することができると共に、剥離時の結合力を高め、剥離後のテラス幅を効果的に低減することができるため、イオン注入剥離法に特に好適である。
このようにすれば、より顕著にボイドの個数や総面積の低減を図ることができる。
まず、本発明者が本発明を完成させるに至った経緯について述べる。
本発明者は、貼り合わせウェーハを製造する際に、ウェーハ周辺部に発生するボイドに関し、以下の知見を得た。
図6は、直径200mmのシリコン単結晶ウェーハ同士を酸化膜を介さずに、室温(25℃)にて直接貼り合わせ、ウェーハ周辺部にボイドが発生している貼り合わせウェーハ2枚(ウェーハA、B)を、そのまま室温にて保持し、ボイド個数の推移を観察した結果を示している。縦軸をボイド個数(個/Wafer)、横軸を室温での保持日数としている。
従って、実際に貼り合わせウェーハを製造する際、室温で貼り合わせを行った後に、室温で5日以上保持した後、必要に応じて貼り合わせ強度を高める熱処理を経てボンドウェーハの薄膜化を行えば、貼り合わせウェーハのボイド不良を低減することができる。
なお、ここでは、実施態様の一例として、図1を参照しながらイオン注入剥離法によりボンドウェーハの薄膜化を行って貼り合わせウエーハを製造する場合について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、直接あるいは絶縁膜を介してウェーハ同士を貼り合わせ、研削・研磨によって薄膜化を行うことも可能である。貼り合わせ方法、薄膜化の具体的な方法は適宜決定することができる。
まず、図1の工程(a)では、ボンドウェーハ10及びベースウェーハ20として、例えば、シリコン単結晶のベアウェーハを2枚用意する。ベアウェーハには、ポリッシュドウェーハ(PW)、エピタキシャルウェーハ、熱処理ウェーハ等、様々なウェーハが存在するが、その種類に関係なく本発明に適用することができる。ウェーハ材料としても、シリコンに限られず、化合物半導体、あるいは半導体材料以外に石英、金属等の場合にも本発明は適用できるし、また、デバイス等のパターン付ウェーハにも適用することができる。
このとき形成させる絶縁膜としては、例えば熱酸化膜、CVD酸化膜等を形成させることができる。なお、それぞれのウェーハに形成される絶縁膜は、裏面も含めたウェーハの全面に形成されてもよいし、貼り合わせ面のみに形成されていてもよい。
この貼り合わせ前に、どちらか一方又は両方のウェーハの貼り合わせ面にプラズマ処理を施して、結合強度を高めることもできる。また、貼り合わせ前に例えばRCA洗浄等を行い、ウェーハ表面に付着しているパーティクルや有機物を除去して、より良好な貼り合わせを行うことができる。この場合は、貼り合わせ工程の雰囲気やウェーハを保管したBOXからパーティクル汚染等を受けることもあるため、洗浄後できる限り早く貼り合わせを行うことが好ましい。
保持方法は特に限定されず、上記範囲の保持温度に設定した保管容器内にて保持することができる。
上記範囲に保持温度を設定すれば、ボイドの個数が少なく、かつ、ボイドの総面積を最小化することができる。
10時間以上保持すれば、ボイドの個数や総面積の低減の効果をより顕著に得ることができる。また、保持時間が長くなるとその効果は飽和する傾向があり、かつ、コスト面や製造工程の短縮を考慮すると、上限を50時間とするのが好ましく、さらには24時間以下とすることがより好ましい。いずれにしても、従来法の5日という保持時間からすると極めて短縮化することができる。
この剥離熱処理としては、特に限定されないが、例えばシリコンと熱伝導率が近いSiC製の熱処理ボートを用い、貼り合わせられたウェーハを窒素雰囲気で500〜600℃まで昇温しながら熱処理を行うと、ボンドウェーハ10内のイオン注入層11にキャビティと呼ばれる欠陥層が形成され、この欠陥層がボンドウェーハ10内部で水平方向に繋がることで、ボンドウェーハ10の剥離が行われる。これにより、ボンドウェーハ10の一部がベースウェーハ20に転写して薄膜31になり、貼り合わせウェーハ30が形成される。
(実験):保持温度と貼り合わせ界面におけるボイドの個数・総面積との関係
まず、貼り合わせ界面におけるボイド個数、総面積の低減効果を確認する実験を行った。
ボンドウェーハおよびベースウェーハとして、それぞれシリコン単結晶ウェーハを用意した。
なお、シリコン単結晶ウェーハの貼り合わせの場合、貼り合わせウェーハの周辺部に発生するボイドは、酸化膜を介した貼り合わせよりもシリコン単結晶同士の直接貼り合わせの方が顕著に発生する。そこで、ボイド個数、総面積の低減効果を確認する実験に用いるボンドウェーハ及びベースウェーハとして、表面に酸化膜が形成されていないシリコン単結晶ウェーハを用いて行った。
尚、ボイドの測定は、日立エンジニアアンドサービス社製ウェーハラインを使用した。この装置によれば、ボイドの個数と総面積を自動的に測定することができる。
保持温度は、保持時間が24時間の場合、25℃、35℃、40℃、45℃、50℃、75℃、100℃とした。また、保持時間が48時間の場合、−40℃、−20℃、3℃、25℃、35℃、40℃、45℃、50℃、75℃、100℃とした。
まず、図2から分かるように、いずれの保持時間においても、保持温度30℃付近を境にして、ボイド個数比が0.6以上から0.3未満へと急激に小さくなっている、すなわち、保持後のボイドの個数が急激に低減されていることが分かる。
一方、保持温度が高くなると、60℃付近を境にしてボイド面積比が0.4を越え、保持温度が高くなるにつれ、さらに値が高くなっていくことが分かる。すなわち、保持後のボイドの総面積が大きくなっている。
なお、35℃以上50℃以下の範囲を見ると、より一層、ボイドの個数比、面積比が低減されて好ましい値が得られていることが分かる。
その結果、同様に、本発明における保持温度の範囲でボイドの個数、総面積が低減する傾向が見られた。そして特に保持時間が10時間以上の場合には、10時間未満の場合に比べて低減効果の度合いがより強く見られた。一方、50時間を越えると、50時間以下と比べて低減効果にさほどの違いは見られなかった。
図1に示す本発明の貼り合わせウェーハの製造方法を実施した。
ボンドウェーハおよびベースウェーハとしては、同一仕様のシリコン単結晶ウェーハ(直径200mm、p型、10Ωcm、面方位(100))を用意した。ボンドウェーハに厚さ50nmの酸化膜を形成し、ベースウェーハには酸化膜を形成しなかった。ボンドウェーハに、加速電圧50keV、注入量7×1016/cm2の水素イオンを注入し、SC−1洗浄等から構成される貼り合わせ前洗浄を行った後、室温にてベースウェーハと貼り合わせを行った。
保持時間は24時間とし、保持温度は30℃(実施例1)、35℃(実施例2)、40℃(実施例3)、60℃(実施例4)とした。
剥離熱処理としては、窒素雰囲気下で行い、500℃まで5℃/minで昇温し、500℃で温度を保持した状態で30分間の熱処理を行い、水素イオン注入層にてボンドウェーハの剥離、ベースウェーハへの転写を行った。
各実施例において、上記のようにして貼り合わせウェーハを25組ずつ製造した。
保管容器内での保持温度を25℃(比較例1)、75℃(比較例2)とする以外は、実施例1−4と同様にして貼り合わせウェーハを製造した。
実施例1−4、比較例1−2について、併せて、貼り合わせ直後と保持後のボイドの個数および総面積の測定を行い、保持の前後におけるウェーハ毎のボイド個数比とボイド面積比を算出して比較した。
さらに、ボイドの個数比の結果を図4に示し、ボイドの面積比の結果を図5に示す。
このように、実施例1−4の本発明においては、貼り合わせ界面におけるボイドの個数や総面積が小さく、結合強度が比較的高い状態で、水素イオン注入層にて剥離を行うことができる。そのため、実施例1−4のように、テラス幅が狭くなり、製品歩留まりを向上させることができる。
20…ベースウェーハ、 30…貼り合わせウェーハ、 31…薄膜。
Claims (4)
- ボンドウェーハの表面とベースウェーハの表面とを、直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせた後、前記ボンドウェーハを薄膜化して貼り合わせウェーハを作製する貼り合わせウェーハの製造方法において、
前記ボンドウェーハ及びベースウェーハとして、シリコン単結晶ウェーハを用い、該ボンドウェーハとベースウェーハの親水性の表面同士の貼り合わせ後、30℃以上60℃以下の温度範囲で10時間以上50時間以下保持した後に、前記ボンドウェーハの薄膜化を行うことを特徴とする貼り合わせウェーハの製造方法。 - 前記ボンドウェーハとベースウェーハの貼り合わせを室温で行うことを特徴とする請求項1に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
- 前記ボンドウェーハとベースウェーハの貼り合わせは、
前記ボンドウェーハの表面から水素イオン、希ガスイオンの少なくとも一種類のガスイオンをイオン注入してボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、該ボンドウェーハのイオン注入した表面とベースウェーハの表面とを直接あるいは絶縁膜を介して貼り合わせることによって行い、
前記ボンドウェーハの薄膜化は、
剥離熱処理を行って前記イオン注入層で前記ボンドウェーハを剥離させることによって行う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ウェーハの製造方法。 - 前記所定時間保持する温度を35℃以上50℃以下とすることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
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