JPH0582404A - シリコン基板の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的低温で加熱処理でき、かつ、強固な接
合強度を得るとともに、基板全面で均一な接合強度と接
合性が得られるシリコン基板の接合方法を提供すること
にある。 【構成】 ２枚のシリコン基板の各接合面を鏡面研磨
し、各研磨面をそれぞれ親水化処理する際に、２枚のシ
リコン基板のうち少なくとも一方のシリコン基板の研磨
面の親水化処理は、高周波電源５によるプラズマ発生装
置１を用いて酸素を含んだ雰囲気下で、プラズマと電極
板４（カソード電極）との間の自己バイアス電圧を１２
５〜２２５ボルトにした状態にてＳｉ³⁺，Ｓｉ²⁺，Ｓｉ
⁺ 等のサブオキサイドを有するプラズマ酸化層１２を形
成させる。その後、この親水性化した接合面同士を直接
密着し、これを２００〜４５０℃°、５〜１２０分で加
熱処理して２枚のシリコン基板を相互に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板の接合
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、２枚のシリコン基板を接合する方
法として、ウェハ直接接合（Ｗ，Ｄ，Ｂ）方法がある
（例えば、Ｔ．Ａｂｅ et al ：ＪＰｎ，Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．２９（１９９０）Ｌ２３１５、新保優；
応用物理５６（１９８７）３７３．）。この方法は、接
合界面に接着剤等による中間層が存在せず、熱歪みによ
る影響を解消できる。しかし、十分な接合強度を得るた
めには８００〜１１００℃以上の熱処理が必要である。
そこで、特開平３−９１２２７号公報においては、シリ
コン基板の研磨面の親水化処理として酸素イオンあるい
は酸素ラジカルと反応させシリコン基板の接合面に酸化
層を形成させることで、比較的低温で接合している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この公報によ
る方法では、接合強度が０．７〜２．９kgf/mm² と大き
くばらついたり、接合面積割合（実際の接合面積／全接
着面積）が２０〜９０％と変化したりする問題点があっ
た。

【０００４】この発明の目的は、比較的低温で加熱処理
でき、かつ、強固な接合強度を得るとともに、基板全面
で均一な接合強度と接合性が得られるシリコン基板の接
合方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、２枚のシリ
コン基板の各接合面を鏡面研磨し、各研磨面をそれぞれ
親水化処理し、この親水化した接合面同士を直接密着
し、これを加熱処理して前記２枚のシリコン基板を相互
に接合するシリコン基板の接合方法であって、前記研磨
面の親水化処理において、前記２枚のシリコン基板のう
ち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親水化処理
は、高周波電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を
含んだ雰囲気下で、プラズマとカソード電極との間の自
己バイアス電圧を１００〜２５０ボルトにした状態に
て、サブオキサイド、即ち、図１１（ｂ）に示すＳ
ｉ³⁺、図１１（ｃ）に示すＳｉ²⁺、図１１（ｄ）に示す
Ｓｉ⁺ を有する酸化層を形成させるシリコン基板の接合
方法をその要旨とする。尚、図１１（ａ）にはＳｉＯ₂
に相当するＳｉ⁴⁺を示す。

【０００６】

【作用】２枚のシリコン基板の各接合面が鏡面研磨され
る。そして、２枚のシリコン基板のうち少なくとも一方
のシリコン基板の研磨面の親水化処理において、高周波
電源によるプラズマ発生装置を用いて酸素を含んだ雰囲
気下で、プラズマとカソード電極との間の自己バイアス
電圧を１００〜２５０ボルトにした状態にて、サブオキ
サイドを有する酸化層が形成される。このサブオキサイ
ドを有する酸化層により接合界面において有効に働くシ
リコンの未結合手が多く形成される。

【０００７】その後、この親水化した接合面同士が直接
密着され、加熱処理して２枚のシリコン基板が相互に接
合される。このとき、サブオキサイドを有する酸化層に
よる接合界面にシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が多いこと
により、水素結合の密度が高くなり、比較的低温で水素
結合からＳｉ−Ｏ−Ｓｉの共有結合に変化でき、低温で
も高い結合強度が得られる。

【０００８】

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図１にはプラズマ発生装置１を示
す。

【０００９】チャンバ２内には一対の電極板３，４が上
下に対向配置されている。上側の電極板３はアースされ
アノード電極となり、下側の電極板４には高周波電源５
が接続されカソード電極となっている。又、チャンバ２
にはガス導入口６とガス排出口７とが設けられ、ガス導
入口６から酸素ガスが導入されるとともに、ガス排出口
７から排気ポンプ８によりチャンバ２内のガスが抜かれ
て最高到達真空度を１Ｐａ以下にすることができる。そ
して、ガス導入口６から酸素ガスがチャンバ２内に導入
され、この両電極板３，４間において酸素ガスのプラズ
マが発生する構造となっている。下側の電極板４上には
シリコン基板９が配置され、シリコン基板９が電極板３
に対向した、いわゆるカソードカップルの状態に設置さ
れる。この状態で、チャンバ２内を真空引きにより１Ｐ
ａ以下にし、その後ガス導入口６より酸素ガスを導入
し、高周波電源５の電力によって電極板３，４間に放電
を起こし、酸素プラズマが発生するようになっている。

【００１０】次に、図２に示すように、第１のシリコン
基板１０と第２のシリコン基板１１を接合する場合の接
合工程を説明する。まず、少なくとも一方の面が鏡面研
磨された第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板
１１とを、例えば１・１・１トリクロロエタン煮沸、ア
セトン超音波洗浄及び純水洗浄を順次行ない、十分に洗
浄する。その後、ＨＦ：Ｈ₂ Ｏ＝１：２０の混合液によ
り、自然酸化膜を除去する。その後、図１に示すプラズ
マ発生装置１におけるチャンバ２内に、第１のシリコン
基板１０の鏡面研磨された面を上向きにして設置する。

【００１１】そして、チャンバ２内を真空引きして１Ｐ
ａ以下にし、ガス導入口６から酸素ガスを導入し、高周
波電源５の電力によって電極板３，４間に放電を起こ
し、酸素プラズマを発生させる。この時のガス圧は１〜
２５Ｐａ，放電電力は５０〜３００Ｗ／ｍ² 程度にす
る。又、プラズマ発生領域１３と下側の電極板（カソー
ド）４の間に生じる自己バイアス電位を１２５〜２２５
ボルトにする。これにより、第１のシリコン基板１０の
表面は酸素プラズマに晒され表面にプラズマ酸化層１２
が形成されることになる。

【００１２】このとき、酸素プラズマ中には酸素ラジカ
ル（図１で添字＊を付けた酸素）あるいは酸素イオン
（図１でＯ⁺ で示す）が存在し、これらは化学的に活性
な状態にあるため、常温中でも容易に酸化反応を進行さ
せられる。さらに、第１のシリコン基板１０は上記のよ
うにカソードカップルの状態で配置されるため、酸素イ
オンは第１のシリコン基板１０上に到達しやすく、その
ため酸化反応は促進する。又、プラズマ発生領域１３に
面した第１のシリコン基板１０は上面のみであり、下面
へのプラズマ損傷はない。さらに、常温中での処理であ
るため、酸化を行わない下面に素子が形成されていて
も、素子特性の劣化を導くことはない。

【００１３】一方、第２のシリコン基板１１の鏡面研磨
面には、公知の熱酸化、化学的気相成長法、スパッタ、
蒸着等の方法により酸化膜１４を形成する。さらに、Ｈ
₂ ＳＯ₄ −Ｈ₂ Ｏ₂ 混合液中に液温８０℃以上で浸漬す
る化学的表面処理を施しておく。

【００１４】そして、プラズマ酸化層１２を形成した第
１のシリコン基板１０と、所定の方法で形成した酸化膜
１４を有する第２のシリコン基板１１とを、純水中にて
洗浄し、乾燥窒素等による乾燥を行い、シリコン基板１
０，１１の表面に吸着する水分子量を制御する。その
後、図２に示すように、第１のシリコン基板１０のプラ
ズマ酸化層１２を形成した面と第２のシリコン基板１１
の酸化膜１４面同志を密着させる。これにより、２枚の
シリコン基板１０，１１は表面に形成されたシラノール
基及び表面に吸着した水分子の水素結合により接着す
る。さらに、この接着したシリコン基板１０及び１１を
１０Ｐａ以下の真空中にて乾燥させる。このとき、シリ
コン基板１０及び１１の反りを補償するため、３０ｇｆ
／ｃｍ² 以上の荷重を印加してもよい。

【００１５】さらに、図３に示すように、この接着状態
にあるシリコン基板１０及び１１をチャンバ１５内に配
置する。このチャンバ１５は排気ポンプ１６により到達
真空度を１０Ｐａ以下することができるようになってい
る。そして、シリコン基板１０，１１の接着界面に存在
する過剰な水分子を抜きながらチャンバ１５内のヒータ
１７により２００〜４５０℃，５〜１２０分保持の熱処
理を行い、シリコン基板１０，１１を接合する。

【００１６】ここで、本実施例のように図１に示す装置
で酸素プラズマ処理によりプラズマ酸化層１２を形成す
る場合、特に放電電力とガス圧を変化させることでプラ
ズマ発生領域１３と下側の電極板（カソード）４の間に
生じる自己バイアス電位を変化させることが可能であ
る。そこで、放電電力とガス圧、処理時間を種々変化さ
せてプラズマ酸化処理を行い、第１のシリコン基板１０
上にプラズマ酸化層１２を形成した。さらに、図４，５
に示すような第２のシリコン基板１１に穴径が１mmの貫
通穴１８を３mmピッチで形成し、このような第２のシリ
コン基板１１と第１のシリコン基板１０とをプラズマ酸
化層１２を介して接合を行った。接合後に第１のシリコ
ン基板１０と第２のシリコン基板１１を図４，５に示す
破線の位置でダイシングカットした。そして、その各チ
ップに対し両基板１０，１１の接合性と、貫通孔１８を
通して圧力を加えることによる耐圧を測定した。

【００１７】その結果を、表１に示す。尚、表１におい
て、判定としては接合率と耐圧とを加味して評価したも
のであり、実用上好ましいものには○を、実用上好まし
くないものには×を付けた。

【００１８】この表から分かるようにバイアス電位が１
２５Ｖ〜２２５Ｖのとき良好な接合性を示し、大きな接
合強度を有していることが分かる。ただし、バイアス電
位は１００Ｖ以下でも５００Ｖ以上でも放電は安定せ
ず、このためプロセスが成り立たなくなる。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、種々のバイアス電位でプラズマ酸化
処理を行ない形成したプラズマ酸化層１２をＸＰＳ（Ｘ
線光電子分光法）により測定した。その結果を、図６に
示す。この図から分かるように、バイアス電位を変化さ
せることで、プラズマ酸化層１２の最表面のＳｉ_2p光電
子スペクトルは変化している。特に、バイアス電位が高
いもの（４００Ｖ，５００Ｖ）は、Ｓｉ⁴⁺（ＳｉＯ₂ に
相当する）が高くなっており、酸化が進んでいることが
分かる。又、バイアス電位が高いもの（４００Ｖ，５０
０Ｖ）は、Ｓｉ⁴⁺とＳｉ⁰ （メタル）の比率から相対的
な酸化膜厚が厚くなっていることも分かる。一方、バイ
アス電位が１２５Ｖ，２２５Ｖと低いものは、シリコン
の２ｐピークが１０３．４ｅＶよりもエネルギーが低い
側にシフトしており、Ｓｉ³⁺，Ｓｉ²⁺などのサブオキサ
イドがプラズマ酸化層１２の最表面に多くあることが分
かる。

【００２１】又、熱酸化されたＳｉ（Ｓｉ⁴⁺）は２．２
倍の体積に膨張する。このため、図７に示すように、一
部のＳｉ原子が未酸化のまま酸化膜中を拡散したり、あ
るいは、図８に示すように、未酸化のＳｉ原子が格子間
Ｓｉとして基板拡散をしたりする。又、図９に示すよう
に、シリコン基板中の空格子点がＳｉＯ₂ 界面で消費さ
れたり、プラズマ酸化層１２中の酸素欠陥や非架橋酸化
などによる点欠陥が存在しやすくなると考えられる。こ
のため、ダングリングボンドやダイマボンドなども生成
しやすくなる。これと同様に、プラズマ酸化することで
も上述のメカニズムが生じて、低温でも活性種となりう
る酸化種が多数生成しているものと推定される。このた
め、第１のシリコン基板１０のプラズマ酸化層１２を低
バイアス電位で形成したものと第２のシリコン基板１１
とは、４５０℃×２ｈｒ程度の比較的低温であっても有
効に接合される。又、耐圧試験においても、強固な接合
がなされているために強度が強いものと推定される。

【００２２】次に、図１０を用いて本発明を適用した半
導体式圧力センサを説明する。図１０は実施例の接合方
法を適用して製造した半導体式圧力センサの一例を示す
構造図である。本圧力センサは、検知部としての第１の
シリコン基板１９と、台座としての第２のシリコン基板
２０とから構成されている。ｎ型の第１のシリコン基板
１９の上面にはｐ型拡散層２１が形成され、拡散歪みゲ
ージをなしている。又、第１のシリコン基板１９の上面
には保護膜２２が形成され、この保護膜２２にはｐ型拡
散層２１と電気的接続をとるためのコンタクトホール２
３，２４が形成され、コンタクトホール２３，２４にて
電極２５，２６が配線されている。さらに、第１のシリ
コン基板１９の下面には、例えばアルカリ溶液による異
方性エッチングあるいは沸硝酸による等方性エッチング
等の公知の方法により凹部２７が形成され、ダイヤフラ
ム２８が加工されている。一方、台座としての第２のシ
リコン基板２０には圧力導入孔２９が配設されている。

【００２３】そして、上述の所定の素子形成、加工処理
を施した第１のシリコン基板１９の下面と、台座となる
第２のシリコン基板２０の上面を鏡面研磨しておく。こ
の鏡面研磨された第１のシリコン基板１９の下面にプラ
ズマ酸化層３０を形成する。又、第２のシリコン基板２
０の鏡面研磨面に酸化膜３１が形成され、さらに、Ｈ ₂
ＳＯ₄ −Ｈ₂ Ｏ₂ 混合液中に液温８０℃以上で浸漬する
化学的表面処理を施しておく。そして、プラズマ酸化層
３０を形成した第１のシリコン基板１９と、所定の方法
で形成した酸化膜３１を有する第２のシリコン基板２０
とを純水中にて洗浄し、乾燥窒素等による乾燥を行い、
基板表面（接合する面同士）に吸着する水分子量を制御
する。この後、プラズマ酸化層３０と酸化膜３１を介し
て第１のシリコン基板１９のダイヤフラム２８と、第２
のシリコン基板２０の圧力導入孔２９を位置合わせして
接合する。

【００２４】このようにして製造された圧力センサは、
拡散層２１，電極２５，２６等の素子形成後に第１のシ
リコン基板１９と第２のシリコン基板２０を接合してい
る。よって、前述のように高圧用センサとして高い接合
強度を得るために、この接合工程時において従来のよう
な高温による熱処理を必要としないため、上記素子部の
素子特性が熱処理の高温によって変化あるいは劣化する
ことはない。又、接合面の親水化処理において従来のよ
うに酸性溶液中に浸漬することもないため、耐酸性溶液
用の保護膜を特別に素子形成面に被着する必要もなく、
又、素子形成も通常の工程により行えるため、工程数の
増加あるいは工程の変更等の必要がない。

【００２５】又、第２のシリコン基板２０の接合面には
酸化膜３１を形成せずに第１のシリコン基板１９のプラ
ズマ酸化層３０と同様なプラズマ酸化層を形成してもよ
い。ただし、第１のシリコン基板１９と第２のシリコン
基板２０の各々の接合する側の面をプラズマ酸化した場
合、ボイド等が界面に発生しやすいことが分かってい
る。しかしながら、強固な接合は得られるので、第１の
シリコン基板１９と第２のシリコン基板２０が同一材料
でしかも接着剤等の中間層を介さずに一体化できる。こ
のため化学的にも安定であり、また熱膨張係数の差によ
る温度ドリフトが問題となることもない。

【００２６】このように本実施例では、２枚のシリコン
基板１０，１１の各接合面を鏡面研磨し、各研磨面をそ
れぞれ親水化処理する際に、２枚のシリコン基板１０，
１１のうち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親
水化処理は、高周波電源５によるプラズマ発生装置１を
用いて酸素を含んだ雰囲気下で、プラズマと電極板４
（カソード電極）との間の自己バイアス電圧を１００〜
２５０ボルトにした状態にてＳｉ³⁺，Ｓｉ²⁺，Ｓｉ⁺ 等
のサブオキサイドを有するプラズマ酸化層１２を形成さ
せるようした。その後、この親水化した接合面同士を直
接密着し、これを加熱処理して２枚のシリコン基板１
０，１１を相互に接合した。つまり、接合面を酸性溶液
（Ｈ₂ ＳＯ₄ ／Ｈ₂ Ｏ₂ ）中に浸漬して親水性とするの
ではなく、接合面を酸素イオンあるいは酸素ラジカルと
反応させてプラズマ酸化層１２を形成させて親水性とす
るものであり、かつ、プラズマ酸化層１２としてＳ
ｉ³⁺，Ｓｉ ²⁺等のサブオキサイドを多数生成させるもの
である。即ち、このプラズマ酸化層１２中のサブオキサ
イドにより接合界面において単位面積当たりのシラノー
ル基（Ｓｉ−ＯＨ）の数が多くなり水素結合力が向上し
たり、あるいは接合に有効に働く未結合手が多く形成さ
れる。その結果、水素結合の密度も高くなり、比較的低
温で水素結合からＳｉ−Ｏ−Ｓｉの共有結合に変化でき
るため、低温でも高い接合強度が得られる。さらに、全
面で有効に接合できるため、強度バラツキも低減でき、
又、ＸＰＳ分析法で測定したところ、サブオキサイドの
中でＳｉ²⁺、Ｓｉ³⁺が表面に多いものの接合が特に良好
であった。

【００２７】このようにして、比較的低温（４５０℃×
２時間以内）で加熱処理でき、かつ、強固な接合強度を
得るとともに、基板全面で均一な接合強度と接合性が得
られる。又、アルミ等の配線を施した素子であっても、
素子部を損傷することなく、他のシリコン基板と直接接
合可能となり、高信頼性を確保できる。

【００２８】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、高周波電源によるプラズマ発生装
置でのプラズマとカソード電極との間の自己バイアス電
圧は１００〜２５０ボルトであればよい。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
比較的低温で加熱処理でき、かつ、強固な接合強度を得
るとともに、ウェハ全面で均一な接合強度と接合性が得
られる優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ発生装置を示す図である。

【図２】第１及び第２のシリコン基板を示す図である。

【図３】真空接合装置を示す図である。

【図４】試験用のシリコン基板を示す図である。

【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。

【図６】ＸＰＳによる測定結果を示す図である。

【図７】シリコンの構造を説明するための図である。

【図８】シリコンの構造を説明するための図である。

【図９】シリコンの構造を説明するための図である。

【図１０】本発明を圧力センサに具体化したときの断面
図である。

【図１１】サブオキサイドを説明するための図である。

【符号の説明】

１ プラズマ発生装置 ４ 電極板（カソード電極） ５ 高周波電源 １０ 第１のシリコン基板 １１ 第２のシリコン基板 １２ プラズマ酸化層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚のシリコン基板の各接合面を鏡面研
   磨し、各研磨面をそれぞれ親水化処理し、この親水化し
   た接合面同士を直接密着し、これを加熱処理して前記２
   枚のシリコン基板を相互に接合するシリコン基板の接合
   方法であって、 前記研磨面の親水化処理において、前記２枚のシリコン
   基板のうち少なくとも一方のシリコン基板の研磨面の親
   水化処理は、高周波電源によるプラズマ発生装置を用い
   て酸素を含んだ雰囲気下で、プラズマとカソード電極と
   の間の自己バイアス電圧を１００〜２５０ボルトにした
   状態にて、サブオキサイドを有する酸化層を形成させる
   ことを特徴とするシリコン基板の接合方法。