JP2009071128A - 半導体接合ウエーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 研削部の加工歪みや重金属を取り除く。
【解決手段】 未接合部３の除去後に、熱処理時にキャリアガスによって形成された酸化膜４を半導体ウエーハ１，２の表裏両面１ｂ，２ｂに残したまま、研削加工による研削部５をエッチング液６でエッチング処理することにより、半導体ウエーハ１，２表裏の酸化膜４が保護膜として機能し、半導体ウエーハ１，２の表裏両面がエッチングされず、研削部５のみが所定量エッチングされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエーハ基板同士を接合して、半導体接合ウエーハを製造する方法に関する。
詳しくは、少なくとも２枚の半導体ウエーハを直接密着させ、これに熱処理を加えて接合させ、この接合された半導体ウエーハの外周に生じる未接合部を研削加工により除去する半導体接合ウエーハの製造方法に関する。

従来、この種の半導体接合ウエーハの製造方法として、デバイスが作製される側のボンドウエーハと、支持基板となるベースウエーハとを用意し、これらボンドウエーハ及びベースウエーハ同士を清浄な雰囲気下で密着させ、その後、密着させたボンドウエーハとベースウエーハとを、例えば酸化性雰囲気下で固着熱処理を加えて接合させる技術があった。
しかし、このようにして接合された２枚のウエーハの外周は、各ウエーハの鏡面研磨によって外周部がダレた形状になるため、接着時にその部分が隙間となって未接合部を生じることがあった。
これを防止するため、接合後に、ボンドウエーハとベースウエーハの両方の外周部にある未接合部を面取り加工により除去し、そして、ボンドウエーハを所定の厚さにするために、平面研削加工を行い、更にその平面研削面を鏡面研磨して半導体接合ウエーハを完成させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３２８８２号公報（第５−７頁、図２、４−６）

しかし乍ら、このような従来の半導体接合ウエーハの製造方法では、接合されたウエーハの外周に生じる未接合部を面取り加工により除去するため、次のような問題があった。
即ち、面取りの際、熱処理時に形成された比較的硬い酸化膜を研削することになるため、面取り治具の寿命が短くなり、これに対応するために面取り治具の研削砥石の番手を粗くして面取り加工を行っていたが、砥石の番手が粗いため、チッピングの原因となる加工歪みが生じるという問題があった。
それだけでなく、砥粒に起因する重金属汚染の虞もあった。
また、上記面取り加工に代えてアルカリ系エッチング剤によるエッチング処理を施すことにより未接合部を除去することも考えられるが、この場合には、エッチレートが遅いため、必要なエッチング量を確保するのに長い時間を要してしまい、生産性が低下するという問題があった。

そこで、本発明のうち第一の発明は、研削部の加工歪みや研削部に残った重金属を取り除くことを目的としたものである。
第二の発明は、面取り部の加工歪みや面取り部に残った重金属を取り除くことを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち第一の発明は、未接合部の除去後に、熱処理時にキャリアガスによって形成された酸化膜を半導体ウエーハの表裏両面に残したまま、前記研削加工による研削部をエッチング液でエッチング処理したことを特徴とするものである。
第二の発明は、第一の発明の構成に、前記研削加工による研削部が、面取り加工による面取り部である構成を加えたことを特徴とする。

本発明のうち第一の発明は、未接合部の除去後に、熱処理時にキャリアガスによって形成された酸化膜を半導体ウエーハの表裏両面に残したまま、研削加工による研削部をエッチング液でエッチング処理することにより、半導体ウエーハ表裏の酸化膜が保護膜として機能し、半導体ウエーハの表裏両面がエッチングされず、研削部のみが所定量エッチングされる。
従って、研削部の加工歪みや研削部に残った重金属を取り除くことができる。
その結果、接合されたウエーハの外周にある未接合部を面取り加工により除去する従来のものに比べ、短時間で研削部の加工歪み及び重金属を取り除くことができた。
また、従来のアルカリ系エッチング剤によるエッチング処理と比較して、品質・生産性・コストの改善が図れる。

第二の発明は、未接合部の除去後に、熱処理時にキャリアガスによって形成された酸化膜を半導体ウエーハの表裏両面に残したまま、面取り加工による面取り部をエッチング液でエッチング処理することにより、半導体ウエーハ表裏の酸化膜が保護膜として機能し、半導体ウエーハの表裏両面がエッチングされず、面取り部のみが所定量エッチングされる。
従って、面取り部の加工歪みや面取り部に残った重金属を取り除くことができる。
その結果、接合されたウエーハの外周にある未接合部を面取り加工により除去する従来のものに比べ、短時間で面取り部の加工歪み及び重金属を取り除くことができた。
この方法を採用すれば、通常のシリコン基板の面取り形状の半導体接合ウエーハが製造でき、通常のシリコン基板と同じ扱いでデバイス作製工程にも投入できる。
また、従来のアルカリ系エッチング剤によるエッチング処理と比較して、品質・生産性・コストの改善が図れる。

本発明の半導体接合ウエーハＡの製造方法の実施形態は、図１（ａ）〜（ｄ）に示す如く、貼り合わせる少なくとも２枚の半導体ウエーハ１，２の接合面１ａ，２ａを直接密着させ、これに所定温度の固着熱処理を加えて所望の接合強度に接合させ、この接合された半導体ウエーハ１，２の外周に生じる未接合部３を研削加工によって除去し、その後にエッチング処理を行って、該研削加工による研削部の加工歪みや研削部に残った重金属を取り除く方法である。

詳しく説明すると、２枚の半導体ウエーハ１，２として、支持基板となるベースウエーハと、デバイスが作製される側のボンドウエーハを用意し、これらベースウエーハ１及びボンドウエーハ２の接合面１ａ，２ａを鏡面研磨し、その際に、これら接合面１ａ，２ａに形成されている自然酸化膜を除去することが好ましい。

このように鏡面研磨された両ウエーハ１，２の接合面１ａ，２ａを、図１（ａ）に示す如く、清浄な雰囲気下で密接させる。
この時、密接させる様子を赤外線透過影像法によって未接着部分（ボイド）が無いことを確認しながら貼り合せることが好ましい。

その後、これら密接されたベースウエーハ１及びボンドウエーハ２の結合を強固にするために、図１（ｂ）に示す如く、酸化性雰囲気下で約１０００℃〜１２００℃、２時間程度の固着熱処理（結合熱処理）を行って、該接合面１ａ，２ａ同士を直接密着し、接合させる。

それにより、半導体接合ウエーハＡが作製され、その外表面である接合後のベースウエーハ１及びボンドウエーハ２の表裏両面１ｂ，２ｂを含む全体に亘って、固着熱処理時のキャリアガスによって酸化膜４が形成される。

また、接合前の鏡面研磨によってベースウエーハ１及びボンドウエーハ２の外周部は、ダレ形状になるため、これらウエーハ１，２を接合した後でも外周部には隙間が生じるので、こうして作製された半導体接合ウエーハＡの外周の約１〜２ｍｍの幅部分には、未接合部３が生じる。

そのため、この接合工程の後に、上記未接合部３を除去する必要が生じ、上述したベースウエーハ１及びボンドウエーハ２の接合後に、図１（ｃ）に示す如く、それらの外周を例えば面取りなどの機械的な研削加工によって、両ウエーハ１，２の外周部及び酸化膜４を所定の直径まで縮径していた。

それにより、半導体接合ウエーハＡの外周から未接合部３が除去されて、上記研削加工による該半導体接合ウエーハＡの研削部５が酸化膜４なしで露出する。
しかし、上記研削加工の際、前記固着熱処理時に形成された酸化膜４によって研削工具の寿命が短くなるため、研削砥石の番手（砥粒粒度）を粗くして研削加工を行っていたが、研削具の番手が粗いと、チッピングの原因となる加工歪みが生ずると共に、砥粒から生じる重金属汚染の問題もある。

そこで本発明では、このような未接合部３の除去工程後に、図１（ｄ）に示す如く、上述した固着熱処理時のキャリアガスによって形成された半導体ウエーハ１，２の表裏両面１ｂ，２ｂの酸化膜４を残したまま、エッチング液６に浸漬して、上記研削加工による研削部５をエッチング処理することにより、これら酸化膜４が保護膜として機能し、半導体ウエーハ１，２の表裏両面１ｂ，２ｂがエッチングされず、研削部５のみが所定量エッチングされて、該研削部５の加工歪みや重金属の残渣が生じることがない。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例１は、前記半導体ウエーハ１，２のベースウエーハ及びボンドウエーハとして、２枚のシリコン基板（例えば直径６インチ、結晶方位＜１００＞）を用意し、これらの接合面１ａ，２ａを直接密着させ、これに固着熱処理を加えて接合させた後に、前記研削加工として面取り加工により、両シリコン基板１，２の外周に生じる未接合部３を除去して、前記研削部５である面取り部が酸化膜４なしで露出され、この未接合部３の除去工程後に、上記固着熱処理時のキャリアガスによって形成された酸化膜４をシリコン基板１，２の表裏両面１ｂ，２ｂに残したまま、エッチング液６としてフッ酸、硝酸、酢酸などが所定の割合で混合される混酸液中に浸漬した場合を示すものである。

上記面取り加工後の面取り部５におけるベースウエーハ１とボンドウエーハ２の接合部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した拡大写真を図２（ａ）に示す。

そして、この混酸液６のエッチングにおいては、接合されたシリコン基板１，２の表裏両面１ｂ，２ｂが酸化膜４で保護されるため、これらの表裏両面１ｂ，２ｂはエッチングされない。

詳しく説明すれば、事前に酸化膜厚とエッチング量の変化に伴って、接合された半導体ウエーハ１，２の総合厚さ寸法の変化について測定を行って、エッチングされないことを確認した。その結果を表１に示す。

この表中で「酸化膜厚」とは、シリコン基板１，２の表裏両面１ｂ，２ｂに形成された酸化膜４の面内９点において、各酸化膜４の厚さ寸法を夫々測定して、その最大値、最小値と平均値を列記したものである。
また、「エッチング量」とは、１１００℃、２時間の固着熱処理を行った後にエッチング処理を行い、上記「酸化膜厚」に対するエッチング処理による両ウエーハ１，２の外周部及び酸化膜４の縮径量を列記したものである。

それにより、シリコン基板１，２の表裏両面１ｂ，２ｂに酸化膜４が約８０ｎｍ以上残るように、上記面取り加工による面取り部５を約３０μｍまで縮径しても、接合されたシリコン基板１，２の総合厚さ寸法が変化せず、これら表裏両面１ｂ，２ｂのシリコンがエッチングされないことが解る。

このような製造方法で製作された半導体接合ウエーハＡの表裏両面１ｂ，２ｂから酸化膜を除去し、上記面取り部５におけるベースウエーハ１とボンドウエーハ２の接合部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した拡大写真を図２（ｂ）に示す。

上述したエッチング処理前の面取り部５におけるベースウエーハ１とボンドウエーハ２の接合部分を観察したＳＥＭ拡大写真と、エッチング処理後の面取り部５におけるベースウエーハ１とボンドウエーハ２の接合部分を観察したＳＥＭ拡大写真とを目視で比較すると、エッチング処理前よりもエッチング処理後の表面粗さが大幅に改善されていることが容易に解る。
それにより、後工程でチップ・カケが低減されることを期待できる。

更に、上記エッチング処理前の面取り部５における加工歪みと、エッチング処理後の面取り部５における加工歪みを、粗さ測定機（chapman:チャップマンMP2000）で測定したところ、エッチング前の加工歪みが最大粗さ（Ｒｍａｘ）０．７μｍ程度であったのに対し、エッチング後の加工歪みは最大粗さ（Ｒｍａｘ）約０．１μｍ以下となり、目視では解らない加工歪みが除去されていることも解る。

また、上記エッチング処理後の面取り部５における重金属不純物をＩＣＰ−ＭＳ又はＡＡＳ測定により分析したところ、図３のグラフに示すようになった。
この表中で縦軸の単位が「ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２」であり、例えば「１Ｅ＋１１」とは１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を示し、「１Ｅ＋８」とは１０^８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２を示している。

その結果、「エッチング無し」と「２５μｍエッチング」〜「３０μｍエッチング」とを比較すると、重金属不純物（Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ）は、１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２台から１０^８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２台となり、大幅に低減されていることが解る。

尚、前示実施例では、２枚の半導体ウエーハ１，２の接合面１ａ，２ａを直接密着させ、これに固着熱処理を加えて接合させたが、これに限定されず、３枚以上の半導体ウエーハを接合させても良く、この場合も上述した製造方法と同様に行う。
更に、上記固着熱処理後に、研削加工として面取り加工により未接合部３を除去したが、これに限定されず、面取り加工以外の機械研削で未接合部３を除去しても良い。

本発明の半導体接合ウエーハの製造方法の一実施例を示す説明図である。 ウエーハの接合部分を走査型電子顕微鏡で撮影した拡大写真であり、（ａ）が研削加工後の状態を示し、（ｂ）がエッチング処理後の状態を示している。 重金属レベルを示すグラフである。

符号の説明

Ａ 半導体接合ウエーハ １ 半導体ウエーハ（ベースウエーハ）
１ａ 接合面 １ｂ 表面
２ 半導体ウエーハ（ボンドウエーハ） ２ａ 接合面
２ｂ 表面 ３ 未接合部
４ 酸化膜 ５ 研削部（面取り部）
６ エッチング液（混酸液）

Claims (2)

1. 少なくとも２枚の半導体ウエーハ（１，２）を直接密着させ、これに熱処理を加えて接合させ、この接合された半導体ウエーハ（１，２）の外周に生じる未接合部（３）を研削加工により除去する半導体接合ウエーハの製造方法において、
   前記未接合部（３）の除去後に、熱処理時にキャリアガスによって形成された酸化膜（４）を半導体ウエーハ（１，２）の表裏両面（１ｂ，２ｂ）に残したまま、前記研削加工による研削部（５）をエッチング液（６）でエッチング処理したことを特徴とする半導体接合ウエーハの製造方法。
2. 前記研削加工による研削部（５）が、面取り加工による面取り部である請求項１記載の半導体接合ウエーハの製造方法。