[go: up one dir, main page]

JPH088413A - Method of manufacturing semiconductor substrate - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor substrate

Info

Publication number
JPH088413A
JPH088413A JP15923094A JP15923094A JPH088413A JP H088413 A JPH088413 A JP H088413A JP 15923094 A JP15923094 A JP 15923094A JP 15923094 A JP15923094 A JP 15923094A JP H088413 A JPH088413 A JP H088413A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wafer
silicon
silicon wafer
bonding
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP15923094A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takao Abe
孝夫 阿部
Yoshi Oki
好 大木
Yasuaki Nakazato
泰章 中里
Atsuo Uchiyama
敦雄 内山
Kazushi Nakazawa
一志 中澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Nagano Electronics Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin Etsu Handotai Co Ltd, Nagano Electronics Industrial Co Ltd filed Critical Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority to JP15923094A priority Critical patent/JPH088413A/en
Publication of JPH088413A publication Critical patent/JPH088413A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

PURPOSE:To prevent the generation of a gap in a bonding part, improve bonding power, and stabilize the quality of a single crystal layer of a silicon wafer which layer turns to an active layer, by forming an oxide film like an SiO2 film on the bonding surface of a silicon wafer to the other wafer, and stacking and bonding the wafers. CONSTITUTION:A silicon wafer having (100) face orientation by the CZ method, and a sappphire wafer having (1102) face orientation by epitaxial growth which is used as a device of an SOS structure substrate are used as starting materials. An oxide film like an SiO2 film is formed on the bonding surface of the silicon wafer, and thereon the sapphire wafer is stacked at a normal temperature. The temperature is increased up to about 270 deg.C by about 0.5-5 hours for bonding. After a bonded silicon wafer layer is ground to be thinner than or equal to 10mum, the thickness of the silicon wafer layer is reduced to be at least 3mum or less by etching.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はシリコンウェーハと、サ
ファイアウェーハのような水吸収度の低い他方のウェー
ハとを接合してなるSOS構造の半導体基板の製造方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor substrate having an SOS structure, which is formed by bonding a silicon wafer and another wafer having a low water absorption such as a sapphire wafer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の半導体基板として、絶縁体の支持
基板となるサファイアウェーハ面上にヘテロエピタキシ
ャル成長させたシリコン膜を形成してなるSOS構造
(Silicon On Sapphire構造)の半
導体基板があり、1970年代に広く研究されてきて、
近年は宇宙開発や原子炉のような過酷な放射線暴露環境
下での素子として実用化されている。
2. Description of the Related Art As a conventional semiconductor substrate, there is a semiconductor substrate having an SOS structure (Silicon On Sapphire structure) in which a heteroepitaxially grown silicon film is formed on a sapphire wafer surface which serves as a support substrate for an insulator. Has been widely studied by
In recent years, it has been put to practical use as an element under severe radiation exposure environments such as space development and nuclear reactors.

【0003】しかしながらこの構造の半導体基板は、シ
リコン膜のエピタキシャル成長中の格子不整合、並びに
シリコンとサファイアとの熱膨張係数の差により、シリ
コン膜中の転位密度が大きくなる(108-10cm-2
度)ので、CZ法やFZ法等により製造されるシリコン
単結晶棒の加工により得られるシリコンウェーハ(本発
明のシリコンウェーハはこれを指している)単層の場合
と比較して半導体基板としての性能が充分ではない。
However the semiconductor substrate of this structure, the epitaxial growth of a lattice mismatch of the silicon film, as well as the difference in thermal expansion coefficient between silicon and sapphire, the dislocation density in the silicon film is increased (10 8-10 cm - 2 ), a silicon wafer obtained by processing a silicon single crystal ingot manufactured by the CZ method, the FZ method, etc. (the silicon wafer of the present invention refers to this) Performance is not enough.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】そこで前記シリコンウ
ェーハを、直接的にサファイアウェーハに接合しようと
する試みがなされている。しかし、かかるSOS構造の
半導体基板は、シリコンウェーハとサファイアウェーハ
とを通常常温にて重ね合せて熱処理により接合する際
に、サファイアが単結晶であり過剰の水分を吸収しない
ことから、両ウェーハの接合部に空隙が発生し易く、充
分大きな接合力が得られないという問題点があった。す
なわち、シリコンウェーハをサファイアウェーハに常温
(室温)で重ね合せ、接合部における接合力を向上させ
るため250℃以上に加熱処理しても、接合部に空隙が
発生することが多い。
Therefore, attempts have been made to directly bond the silicon wafer to the sapphire wafer. However, in such a semiconductor substrate having an SOS structure, when a silicon wafer and a sapphire wafer are usually superposed at room temperature and bonded by heat treatment, sapphire is a single crystal and does not absorb excess water. There is a problem that voids are apt to occur in the portion and a sufficiently large joining force cannot be obtained. That is, even if a silicon wafer is superposed on a sapphire wafer at room temperature (room temperature) and heat-treated at 250 ° C. or higher to improve the bonding force at the bonded portion, voids are often generated at the bonded portion.

【0005】従って本発明の目的は、シリコンウェーハ
をサファイアウェーハ等に接合するに際し、接合部にお
ける空隙の発生を防止することによって、接合力が強化
され、かつ、活性層となるシリコーンウェーハの単結晶
層が品質的に安定した半導体基板を提供することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to bond a silicon wafer to a sapphire wafer or the like and prevent the formation of voids in the bonded portion, thereby strengthening the bonding force and forming a single crystal of a silicon wafer which becomes an active layer. The object is to provide a semiconductor substrate whose layers are stable in quality.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、特にシリコン
ウェーハをサファイアウェーハのような他方のウェーハ
に接合して形成されるSOS構造の半導体基板におい
て、接合部の空隙の発生を防止するため、次のような製
造方法によることを特徴としている。
According to the present invention, in particular, in a semiconductor substrate having an SOS structure formed by bonding a silicon wafer to another wafer such as a sapphire wafer, in order to prevent the occurrence of voids at the bonding portion, It is characterized by the following manufacturing method.

【0007】(1)シリコンウェーハと他方のウェーハ
とを相互に接合して形成される半導体基板を製造するに
際し、前記シリコンウェーハの、前記他方のウェーハへ
の接合面にSiO2 等の酸化膜を形成せしめた後、他方
のウェーハに重ね合わせて、接合する。
(1) When manufacturing a semiconductor substrate formed by bonding a silicon wafer and another wafer to each other, an oxide film such as SiO 2 is formed on the bonding surface of the silicon wafer to the other wafer. After being formed, the other wafer is overlaid and bonded.

【0008】(2)上記酸化膜を形成せしめたシリコン
ウェーハに接合される他方のウェーハをサファイアウェ
ーハ又はシリコンウェーハとなし、前記シリコンウェー
ハに形成される酸化膜の厚さを50オングストローム以
上とする。
(2) The other wafer bonded to the silicon wafer on which the oxide film is formed is a sapphire wafer or a silicon wafer, and the thickness of the oxide film formed on the silicon wafer is 50 angstroms or more.

【0009】(3)シリコンウェーハの接合面にSiO
2 等の酸化膜を形成して常温にてサファイアウェーハに
重ね合わせ、この重ね合わされたウェーハどうしを割れ
発生を防止するために、温度が270℃近傍に達するま
でを、0.5〜5時間程度で昇温させて接合し、次いで
接合されたシリコンウェーハ層を10μm以下の厚さま
で研削した後、エッチング加工を行って前記シリコンウ
ェーハ層の厚さを少なくとも3μmまで薄層化せしめ
る。この場合、前記半導体基板を300〜1000℃の
温度範囲で0.5〜5時間熱処理し、次いで該シリコン
ウェーハ層の厚さを0.1〜3μm好ましくは0.1〜
1μmの厚さになるまで段階的に研磨により薄層化する
ことが好ましい。
(3) SiO on the bonding surface of the silicon wafer
Form an oxide film such as 2 and superpose it on a sapphire wafer at room temperature. In order to prevent cracks from occurring between the superposed wafers, it takes about 0.5 to 5 hours until the temperature reaches around 270 ° C. The temperature is raised to bond the silicon wafer layer, the bonded silicon wafer layer is ground to a thickness of 10 μm or less, and an etching process is performed to reduce the thickness of the silicon wafer layer to at least 3 μm. In this case, the semiconductor substrate is heat-treated in the temperature range of 300 to 1000 ° C. for 0.5 to 5 hours, and then the thickness of the silicon wafer layer is 0.1 to 3 μm, preferably 0.1 to 3 μm.
It is preferable to gradually reduce the thickness by polishing until the thickness becomes 1 μm.

【0010】[0010]

【作用】この酸化膜は、シリコンウェーハをサファイア
やシリコン等、他方のウェーハに接合する際において、
シリコンウェーハの自然酸化膜のみによる水分の吸着が
少ないために生じる接合部の空隙発生を防止するため、
シリコンウェーハに少なくとも50オングストロームの
厚さで酸化膜を形成させるものである。
When the silicon wafer is bonded to the other wafer such as sapphire or silicon, this oxide film
In order to prevent the occurrence of voids in the bonding part due to the small amount of water adsorption by the natural oxide film of the silicon wafer,
An oxide film is formed on a silicon wafer to a thickness of at least 50 angstroms.

【0011】この酸化膜が形成されたシリコンウェーハ
を常温にてサファイアウェーハ、シリコンウェーハ等の
他方のウェーハに重ね合わせる。次いで重ね合わされた
ウェーハの割れの発生を防止するため、前記重ね合わさ
れたウェーハを270℃近傍まで2時間程度をかけてゆ
っくり加熱して接合せしめ、しかる後酸化膜が形成され
たシリコンウェーハの背面側を、10μm位の厚さにな
るまで研削する。
The silicon wafer having the oxide film formed thereon is superposed on the other wafer such as a sapphire wafer or a silicon wafer at room temperature. Then, in order to prevent the occurrence of cracks in the stacked wafers, the stacked wafers are slowly heated to around 270 ° C. for about 2 hours to bond them, and then the back surface side of the silicon wafer on which an oxide film is formed. Is ground to a thickness of about 10 μm.

【0012】さらに研削による損傷を除去するため、エ
ッチング(80℃でのKOHエッチング等)を行い、シ
リコンウェーハ層の厚さを3μm程度まで薄くし、表面
を鏡面研摩仕上げして薄いシリコン層を有するSOS構
造の半導体基板を得る。
Further, in order to remove damage caused by grinding, etching (KOH etching at 80 ° C., etc.) is performed to reduce the thickness of the silicon wafer layer to about 3 μm, and the surface is mirror-polished to have a thin silicon layer. A semiconductor substrate having an SOS structure is obtained.

【0013】上記シリコン層が3μmの厚さにされた半
導体基板に対しては、そのシリコン層との厚さとの関係
において、より高温の熱処理を段階的に加えることによ
り、その接合強度を更に上げることができる。たとえば
上記の半導体基板をドライ酸素雰囲気中で450℃で熱
処理し、しかる後、研磨によりシリコン層を研磨によっ
て0.5μmの厚さに迄することができる。ここでシリ
コン層を0.5μm以下の厚さにまで薄層化せず、たと
えば2.2μmのものを900℃で2時間の加熱処理を
すると、転位が高密度に発生する。この熱処理時におけ
るシリコン層の厚さがより厚く、かつ熱処理温度がより
高くなると転位ばかりではなくクラックも発生する。し
かしながら段階的な熱処理と研磨によって、更に0.2
μm以下に薄層化されたシリコン層を有する半導体基板
においては、石英ガラスウェーハとシリコンウェーハを
接合のSOS型半導体基板の場合と同様、たとえ前記9
00℃で2時間の熱処理を加えても転位やクラックは一
切発生しない。
With respect to the semiconductor substrate in which the silicon layer has a thickness of 3 μm, heat treatment at a higher temperature is applied stepwise in relation to the thickness of the silicon layer to further increase the bonding strength. be able to. For example, the above semiconductor substrate can be heat-treated at 450 ° C. in a dry oxygen atmosphere, and then the silicon layer can be polished to a thickness of 0.5 μm. Here, if the silicon layer is not thinned to a thickness of 0.5 μm or less, and if the silicon layer having a thickness of 2.2 μm is heat-treated at 900 ° C. for 2 hours, dislocations are generated at a high density. If the silicon layer is thicker and the heat treatment temperature is higher during this heat treatment, not only dislocations but also cracks occur. However, by stepwise heat treatment and polishing, an additional 0.2
In the case of a semiconductor substrate having a silicon layer thinned to a thickness of μm or less, as in the case of an SOS type semiconductor substrate in which a quartz glass wafer and a silicon wafer are bonded,
Dislocations and cracks do not occur even if heat treatment is applied at 00 ° C. for 2 hours.

【0014】以上の工程によれば、シリコンウェーハに
酸化膜を形成することにより、特に該シリコンウェーハ
をサファイアウェーハあるいはシリコンウェーハに接合
する際に、接合面に空隙が発生するのを防止することが
でき、強力な接着力による接合が可能となる。また、シ
リコンウェーハとサファイアウェーハとの熱処理による
接合においては、前記酸化膜の形成により、サファイア
ウェーハや接合面間における不純物、たとえばボロンの
シリコンウェーハ層への拡散を防止することができる。
According to the above steps, by forming an oxide film on the silicon wafer, it is possible to prevent the formation of voids on the bonding surface, particularly when the silicon wafer is bonded to the sapphire wafer or the silicon wafer. It is possible and can be joined by a strong adhesive force. Further, in the bonding of the silicon wafer and the sapphire wafer by heat treatment, the formation of the oxide film can prevent the diffusion of impurities such as boron between the sapphire wafer and the bonding surface into the silicon wafer layer.

【0015】[0015]

【実施例】以下本発明の実施例に係る半導体基板の製造
手順に従って順を追って詳しく説明する。但しこの実施
例に記載されている実験条件、試料の寸法、材質などは
特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれ
のみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention. However, unless otherwise specified, the experimental conditions, sample dimensions, materials, etc. described in this example are not intended to limit the scope of the present invention thereto, but are merely illustrative examples.

【0016】CZ法による(100)面方位のシリコン
ウェーハと、エピタキシャル成長によるSOS構造基板
の装置用として通常用いられる(1102)面方位のサ
ファイアウェーハとを出発原料とした。前記シリコンウ
ェーハ及びサファイアウェーハの寸法は、何れも直径1
00mmで、かつ厚さ525μmの円板である。
Starting materials were a silicon wafer having a (100) plane orientation by the CZ method and a sapphire wafer having a (1102) plane orientation which is usually used for an apparatus of an SOS structure substrate formed by epitaxial growth. The silicon wafer and the sapphire wafer each have a diameter of 1
The disk is 00 mm and has a thickness of 525 μm.

【0017】先ず比較例として、前記シリコンウェーハ
とサファイアウェーハを洗浄し、このシリコンウェーハ
とサファイアウェーハとを室温で重ね合わせるが、この
ときの接合力はシリコンウェーハ側を研削するための研
削力に抗するに充分な大きさではないので、該接合力の
増大のため高温での熱処理が必要である。
First, as a comparative example, the silicon wafer and the sapphire wafer are washed, and the silicon wafer and the sapphire wafer are superposed at room temperature. The bonding force at this time is resistant to the grinding force for grinding the silicon wafer side. Since it is not large enough to perform the heat treatment, heat treatment at high temperature is necessary to increase the bonding force.

【0018】図1は接合されたシリコン−サファイアウ
ェーハ(100mm径)のX線トポグラフ写真で、図の
(a)は室温で長時間放置した場合に発生した空隙を示
し、(b)は過剰な水分が気化することによって誘起さ
れた空隙を示している。このようにシリコンウェーハに
酸化膜を形成しない場合は、図1(a)及び図1(b)
に示されるようにウェーハに空隙が生ずるが、前記酸化
膜の形成により空隙の発生は防止される。
FIG. 1 is an X-ray topographic photograph of a bonded silicon-sapphire wafer (100 mm diameter). FIG. 1A shows voids generated when left at room temperature for a long time, and FIG. It shows the voids induced by the evaporation of water. In the case where the oxide film is not formed on the silicon wafer as described above, FIG. 1A and FIG.
As shown in (1), a void is generated in the wafer, but the formation of the oxide film prevents the void from being generated.

【0019】表1に示されるように、シリコンとサファ
イアとの間には熱膨張係数の差がある。そこで、この実
験では、前記熱膨張係数の差を考慮しその影響を緩和す
るために、シリコン/サファイア接合には予め200オ
ングストロームの酸化膜を付した厚さ300μmの、サ
ファイアウェーハよりは薄いシリコンウェーハを使用し
た。
As shown in Table 1, there is a difference in coefficient of thermal expansion between silicon and sapphire. Therefore, in this experiment, in order to mitigate the influence of the difference in the coefficient of thermal expansion, the silicon / sapphire junction is preliminarily provided with an oxide film of 200 angstrom and is 300 μm thick, which is thinner than the sapphire wafer. It was used.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】しかしながら、薄いシリコンウェーハを用
いても、300℃を超える温度で熱処理すると割れを発
生する。図1(c)はシリコン/サファイアウェーハを
400℃で熱処理した場合の割れの発生状況を示してい
る。前記のような割れは、シリコン/石英ガラス接合で
も発生する。
However, even if a thin silicon wafer is used, cracking occurs when it is heat-treated at a temperature higher than 300.degree. FIG. 1 (c) shows the occurrence of cracks when a silicon / sapphire wafer is heat-treated at 400 ° C. The cracks described above also occur in the silicon / quartz glass bonding.

【0022】前記のような割れの発生を阻止するため、
サファイアウェーハ上に重ね合わされたシリコンウェー
ハの結合体を2時間で270℃になるまで加熱し、その
後研削により厚さを300μmから10μmに薄くし
た。さらに、研削盤の研削材により損傷した層を除去す
るために、シリコン層の表層部を80℃のKOH溶液で
3μmの厚さになるまでエッチングし、その後ドライ酸
素中において450℃で2時間の熱処理を施こした。そ
して、最終的にシリコン層を0.5μmの厚さになるま
で研磨(鏡面仕上)により薄くした。
In order to prevent the occurrence of cracks as described above,
The bonded body of silicon wafers stacked on the sapphire wafer was heated to 270 ° C. for 2 hours, and then ground to reduce the thickness from 300 μm to 10 μm. Further, in order to remove the layer damaged by the grinding material of the grinder, the surface layer of the silicon layer was etched with a KOH solution at 80 ° C. to a thickness of 3 μm, and then in dry oxygen at 450 ° C. for 2 hours. Heat treatment was applied. Then, the silicon layer was finally thinned by polishing (mirror finish) until the thickness became 0.5 μm.

【0023】ただし、この研磨時間が余りにも長いと、
シリコン層の一部にしわのような傷が発生する。これ
は、研削と研磨におけるシリコンの除去速度の差、すな
わち、研削では〜100μm/minであるのに対し、
研磨では〜0.1μm/minでありシリコンウェーハ
の表面の作用する抵抗力は、研削時に較べて研磨の時の
方がはるかに大きいことが原因となるので注意しなけれ
ばならない。
However, if this polishing time is too long,
Wrinkle-like scratches occur on a part of the silicon layer. This is the difference between the removal rates of silicon in grinding and polishing, that is, in grinding, it is ˜100 μm / min.
It should be noted that the polishing force is ˜0.1 μm / min, and the resistance force acting on the surface of the silicon wafer is much larger during polishing than during polishing.

【0024】次に前記のようにして製作したSOS構造
の半導体基板の接合力測定方法と試験結果について説明
する。 接合力測定のための引張試験装置及び試料 前記のような方法により薄くしたシリコンウェーハ層が
接合されている半導体基板は、高温の熱処理を施した
後、引張試験を行なうために(7×7)mm2 寸法の試
料に切断した。
Next, a method of measuring the bonding force of the semiconductor substrate having the SOS structure manufactured as described above and the test results will be described. Tensile Test Device and Sample for Bonding Force Measurement A semiconductor substrate to which a silicon wafer layer thinned by the above method is bonded is subjected to a high temperature heat treatment and then subjected to a tensile test (7 × 7). The sample was cut into a size of mm 2 .

【0025】前記試料のシリコン層の厚さは、 0.5μm> 0.5〜1.0μm 1.0〜3.0μm の3種類とした。この引張試験に用いた試験装置(Se
bastian V)の要部の構造及び試料の破断状況
を図2に示す。
The thickness of the silicon layer of the sample was set to three types: 0.5 μm> 0.5 to 1.0 μm 1.0 to 3.0 μm. The test equipment (Se
FIG. 2 shows the structure of the main part of bastian V) and the fracture state of the sample.

【0026】図2(a)において1は引張試験装置の治
具、2はサファイアウェーハ層2a及びシリコンウェー
ハ層2bからなる試料(半導体基板)、3は接着剤、4
は試料の支持部材である。前記治具1の断面積は5.7
mm2 、治具1と試料2との間の接着剤の引張強さは約
80MPaである。
In FIG. 2 (a), 1 is a jig of a tensile tester, 2 is a sample (semiconductor substrate) consisting of a sapphire wafer layer 2a and a silicon wafer layer 2b, 3 is an adhesive, 4
Is a sample support member. The sectional area of the jig 1 is 5.7.
mm 2 , the tensile strength of the adhesive between the jig 1 and the sample 2 is about 80 MPa.

【0027】前記条件における引張試験の評価は、シリ
コンとサファイア間の接合力が80MPaを超えると
き、即ち、図2(b)に示す破断状況(イ)の場合(○
印)は接着剤の剥離であるから両ウェーハの接合は最も
良好な状態を示し、(ロ)の場合(△印)はサファイア
に何らかの損傷が発生した場合を示し、(ハ)の場合
(□印)はシリコンに何らかの損傷が発生した場合を示
し、さらに(ニ)の場合(●印)は両ウェーハの接合が
不完全な場合を示す。
The tensile test under the above conditions was evaluated when the bonding force between silicon and sapphire exceeded 80 MPa, that is, in the case of the fracture condition (a) shown in FIG.
The mark () indicates peeling of the adhesive, so the bonding of both wafers is in the best condition, the case (b) (marked with △) indicates that some damage has occurred to the sapphire, and the case (c) (marked with □) The mark () indicates the case where some damage occurs in silicon, and the case (4) (mark ●) indicates the case where the bonding of both wafers is incomplete.

【0028】接合力の測定結果(引張試験結果) 図3には前記引張試験装置を用いてSOS構造の半導体
基板の試料の引張試験を行った結果を示し、図3の
(a)はドライ酸素中450℃で2時間熱処理した試
料、(b)はドライ酸素中700℃で2時間熱処理した
試料、(c)はドライ酸素中900℃で2時間で昇温さ
せた後、窒素中で温度降下させた試料を夫々用いた場合
を示す。
Results of Measurement of Bonding Force (Results of Tensile Test) FIG. 3 shows the results of a tensile test of a sample of a semiconductor substrate having an SOS structure using the above tensile test apparatus. Sample heat-treated at 450 ° C for 2 hours, (b) sample heat-treated at 700 ° C for 2 hours in dry oxygen, (c) temperature rise in dry oxygen at 900 ° C for 2 hours, and then temperature drop in nitrogen The case where each of the prepared samples is used is shown.

【0029】SOI構造の半導体基板において、転位が
存在せず、割れのないシリコン層を有するシリコンと石
英ガラスの接合体の場合には、高温域において、厚いシ
リコン層(厚さ2.0±0.5μm)を有する試料では
臨界温度が存在し、高温域における薄いシリコン層
(0.5±0.5μm、但し厚さ≠0)を有する試料で
は臨界厚さが存在する。しかしながら、前記条件による
試験温度と試料厚さの範囲内において、シリコンとサフ
ァイアとの接合体の場合では、このような臨界条件は観
察されない。
In the case of a bonded structure of silicon and quartz glass having a silicon layer having no dislocations and no cracks in a semiconductor substrate having an SOI structure, a thick silicon layer (thickness 2.0 ± 0) is obtained in a high temperature region. A sample having a thin silicon layer (0.5 ± 0.5 μm, where thickness ≠ 0) in the high temperature region has a critical thickness. However, such a critical condition is not observed in the case of the bonded body of silicon and sapphire within the range of the test temperature and the sample thickness under the above conditions.

【0030】図3に□印で示されたシリコン層の接合強
さは充分に高い反面、シリコン層そのものの破断が頻繁
に発生した。かかる破断はシリコンと石英ガラスの接合
体では観察されない。尚、何れの場合もサファイアの方
は破断しない。
Although the bonding strength of the silicon layer indicated by □ in FIG. 3 is sufficiently high, the silicon layer itself frequently breaks. Such breakage is not observed in the bonded body of silicon and quartz glass. In any case, sapphire does not break.

【0031】実験結果のまとめ 図4は、各種の接合形態(組合せ)における空隙形成
と、介在する薄い酸化膜層の存在が何故、空隙の形成を
防止できるかを、模型的に説明するものである。図4に
おいて、(a)はシリコンウェーハどうしを酸化膜の介
在なしに直接重ね合せ、100℃以上の温度で接合した
もの、(b)はシリコンウェーハどうしではあるが一方
側に厚さ200オングストローム以上のSiO2 (酸化
膜)を形成したもの、(c)はシリコンウェーハと石英
ガラスウェーハとを接合したもの、(d)はシリコンウ
ェーハとサファイアウェーハとを接合したもの、(e)
はシリコンウェーハに厚さ200オングストローム以上
のSiO2 (酸化膜)を形成したものを示す。
Summary of Experimental Results FIG. 4 is a model illustration of the formation of voids in various bonding forms (combinations) and why the presence of an intervening thin oxide film layer can prevent the formation of voids. is there. In FIG. 4, (a) shows silicon wafers directly superposed without an oxide film interposed and bonded at a temperature of 100 ° C. or higher, and (b) shows silicon wafers having a thickness of 200 angstroms or more on one side. SiO 2 (oxide film) formed thereon, (c) a silicon wafer and a quartz glass wafer bonded together, (d) a silicon wafer and a sapphire wafer bonded together, (e)
Indicates a silicon wafer on which SiO 2 (oxide film) having a thickness of 200 Å or more is formed.

【0032】図4から明らかなように、双方のシリコン
ウェーハに酸化膜が形成されていない場合のシリコン/
シリコン接合(図4の(a))では自然酸化膜による水
分の吸着が少ないため空隙Vが発生し、またシリコン/
サファイア接合(図4の(d))においても接合部に空
隙Vが発生している。一方、シリコンウェーハに厚さ2
00オングストローム以上の酸化膜を形成した場合のシ
リコン/シリコン接合(図4の(b))シリコン/石英
ガラス接合(図4の(c))、及びシリコンウェーハに
厚さ200オングストローム以上の酸化膜を形成した場
合のシリコン/サファイア接合(図4の(e))におい
ては空隙の発生はみられない。前記酸化膜の厚さは少な
くとも50オングストローム以上であることが必要であ
り200オングストロームあれば、接合面の水分を吸着
するのに充分な厚さであるといえる。
As is apparent from FIG. 4, silicon / silicon in the case where no oxide film is formed on both silicon wafers
In the silicon junction ((a) of FIG. 4), since the adsorption of water by the natural oxide film is small, the void V is generated and silicon /
In the sapphire joint ((d) of FIG. 4), the void V is generated at the joint. On the other hand, a silicon wafer with a thickness of 2
Silicon / silicon bonding (FIG. 4 (b)) silicon / quartz glass bonding (FIG. 4 (c)) when an oxide film having a thickness of 00 angstroms or more is formed, and an oxide film having a thickness of 200 angstroms or more is formed on a silicon wafer. No void is observed in the silicon / sapphire junction when formed ((e) in FIG. 4). It is necessary that the thickness of the oxide film is at least 50 angstroms or more, and if it is 200 angstroms, it can be said that the thickness is sufficient to adsorb moisture on the bonding surface.

【0033】図4に示す実験例において、シリコン/石
英ガラス接合(図4の(c))では接合部に空隙が生起
されずに、シリコン/サファイア接合(図4の(d))
では接合部に空隙が生起される理由は次のように説明さ
れる。すなわち、石英ガラスは非晶質でかつバルキーな
構造を有している。これに対してサファイアは緻密な構
造の単結晶であり、過剰の水分を吸収しない。一方、前
記のように、200μm以上の厚さを有するシリコンウ
ェーハは300℃の加熱による接合時に割れを生ずる
が、サファイアウェーハでは割れを生じない。
In the experimental example shown in FIG. 4, in the silicon / quartz glass bonding (FIG. 4 (c)), no void was generated in the bonding portion, and the silicon / sapphire bonding (FIG. 4 (d)) was performed.
Then, the reason why voids are generated at the joint is explained as follows. That is, quartz glass has an amorphous and bulky structure. On the other hand, sapphire is a single crystal having a dense structure and does not absorb excess water. On the other hand, as described above, a silicon wafer having a thickness of 200 μm or more causes cracks during bonding by heating at 300 ° C., but a sapphire wafer does not.

【0034】シリコン/石英ガラス接合において、転位
が存在せずに割れが発生しない接合状態を確保するに
は、シリコン層の厚さの臨界温度と臨界厚さが存在す
る。一方、シリコン/サファイア接合においては、引張
試験による限りはかかる臨界要素の明確な依存性は認め
られない。
In the silicon / quartz glass bonding, a critical temperature and a critical thickness of the thickness of the silicon layer exist in order to secure a bonding state in which dislocations do not exist and cracks do not occur. On the other hand, in the silicon / sapphire bond, no clear dependence of the critical element is observed as far as the tensile test.

【0035】次に、二結晶法X線トポグラフ法と断面透
過型電子顕微鏡(TEM)を用いてシリコン層の厚さと
転位の存在しない結晶の関係を調査した。図5は、図3
に示された引張試験に用いたものと同一の試料(900
℃で熱処理)の光学的顕微鏡写真であり、大きな厚さ分
布を示す光学縞が認められる。図5において、1つの縞
の増分はシリコン層の厚さで0.06μmに相当する。
Next, the relationship between the thickness of the silicon layer and the crystal having no dislocation was investigated by using the double crystal X-ray topography method and the cross-section transmission electron microscope (TEM). FIG. 5 shows FIG.
The same sample (900
It is an optical micrograph of heat treatment at (° C.), and optical fringes showing a large thickness distribution are observed. In FIG. 5, one stripe increment corresponds to a silicon layer thickness of 0.06 μm.

【0036】図5において、網目として認められる2本
の細長いX線トポグラフ像によれば、より厚いシリコン
層領域に、ミスフィット転位が認められる。この転位分
布から、転位の存在しないシリコン層の厚さは小さく、
0.2μm程度であることが分かる。
In FIG. 5, according to the two elongated X-ray topographic images recognized as a mesh, misfit dislocations are recognized in the thicker silicon layer region. From this dislocation distribution, the thickness of the dislocation-free silicon layer is small,
It can be seen that it is about 0.2 μm.

【0037】図6(a)は、図5におけるものと同一の
試料即ちシリコン/サファイア接合でシリコン層の厚さ
が2.2μmの試料の断面TEM像を示したものであ
る。図から明らかなように、高密度の転位が接合界面の
近傍で観察される。
FIG. 6 (a) shows a cross-sectional TEM image of the same sample as that in FIG. 5, that is, a sample having a silicon / sapphire junction and a silicon layer having a thickness of 2.2 μm. As is clear from the figure, high-density dislocations are observed near the bonding interface.

【0038】図6(b)には、厚さ0.6μmのシリコ
ンエピタキシアル層を有する従来のSOSウェーハのT
EM像が示されている。かかる従来のSOSウェーハで
は、高密度の転位のみならず、界面から始まる高密度の
積層欠陥が観察される。
FIG. 6B shows a T of a conventional SOS wafer having a silicon epitaxial layer having a thickness of 0.6 μm.
EM images are shown. In such a conventional SOS wafer, not only high-density dislocations but also high-density stacking faults starting from the interface are observed.

【0039】図6(c)には、図5におけるものと同一
の試料でシリコン層の厚さが0.2μm厚さのTEM像
であって、厚さ20nmの酸化膜を有する転位の存在し
ないシリコン層が示されている。
FIG. 6 (c) is a TEM image of the same sample as in FIG. 5 with a silicon layer having a thickness of 0.2 μm, in which dislocations having an oxide film with a thickness of 20 nm do not exist. A silicon layer is shown.

【0040】さらに、図6(d)は、図6(c)の結晶
格子像であり、SiO2 /サファイア界面におけるサフ
ァイアの粗い表面を示している。
Further, FIG. 6 (d) is a crystal lattice image of FIG. 6 (c), showing a rough surface of sapphire at the SiO 2 / sapphire interface.

【0041】図6(a)〜(d)に明らかなように、シ
リコン層が十分に薄い場合、例えば、シリコン/サファ
イア接合に対しては厚さ0.2μm、シリコン/石英ガ
ラス接合に対しては、厚さ0.5μmの場合に転位の存
在しない層を得ることができる。このような薄い層にお
いては、シリコン/サファイア接合部及びシリコン/石
英ガラス接合部において転位を発生することなく、シリ
コン格子が、基板に沿って弾性的に伸縮するからであ
る。
As is apparent from FIGS. 6A to 6D, when the silicon layer is sufficiently thin, for example, a thickness of 0.2 μm for a silicon / sapphire bond and a silicon / quartz glass bond. Can provide a dislocation-free layer when the thickness is 0.5 μm. This is because in such a thin layer, the silicon lattice elastically expands and contracts along the substrate without generating dislocations at the silicon / sapphire joint and the silicon / quartz glass joint.

【0042】図7は、図5におけるものと同一の厚さ
0.6μmの試料の二次イオン質量分析(SIMS)に
よる深さ方向のプロファイルを示す。酸化膜の厚さが2
0nm以下の場合は、両ウェーハを重ね合せる前に導入
された不純物であるボロンの存在を示すピーク値が観察
される。前記のような薄い酸化膜は、空隙の形成を阻止
せしめるとともにシリコン層へのボロンの拡散を阻止す
る作用をなす。なお、ここではボロンに注目して測定を
行なったが、他の有害不純物についても同様の効果があ
るものと考えられる。
FIG. 7 shows a profile in the depth direction by secondary ion mass spectrometry (SIMS) of the same 0.6 μm thick sample as in FIG. The thickness of the oxide film is 2
In the case of 0 nm or less, a peak value indicating the presence of boron, which is an impurity introduced before superimposing both wafers, is observed. The thin oxide film as described above functions to prevent the formation of voids and to prevent the diffusion of boron into the silicon layer. In addition, here, the measurement was performed by focusing on boron, but it is considered that similar effects can be obtained with other harmful impurities.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上記載した如く、本発明によれば、シ
リコンウェーハをサファイアウェーハ、シリコンウェー
ハ等他方のウェーハに重ね合せ接合して構成される半導
体基板において、シリコンウェーハに酸化膜を形成する
ことにより、両ウェーハの接合面にて空隙が発生するの
を防止することができ、2種のウェーハが強力な接着力
で以って接合された半導体基板を得ることができる。
As described above, according to the present invention, an oxide film is formed on a silicon wafer in a semiconductor substrate formed by superposing and bonding a silicon wafer on the other wafer such as a sapphire wafer or a silicon wafer. Thus, it is possible to prevent voids from being generated at the bonding surfaces of both wafers, and it is possible to obtain a semiconductor substrate in which two types of wafers are bonded with a strong adhesive force.

【0044】また、特に、シリコンウェーハをサファイ
アウェーハに接合せしめてなる半導体基板においては、
前記酸化膜の厚さを、少なくとも50オングストローム
以上形成させることにより、接合界面において不純物と
してのボロンの拡散を防止することができ、該ボロンに
よる接合部への悪影響を阻止することができる。またよ
り薄層化することによって転位のないシリコン層を得る
ことができる。
Further, particularly in the case of a semiconductor substrate obtained by bonding a silicon wafer to a sapphire wafer,
By forming the oxide film to have a thickness of at least 50 angstroms or more, it is possible to prevent the diffusion of boron as an impurity at the bonding interface and prevent the adverse effect of the boron on the bonding portion. Further, by making it thinner, a dislocation-free silicon layer can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例に係るシリコン−サファイアウ
ェーハのX線写真。
FIG. 1 is an X-ray photograph of a silicon-sapphire wafer according to an embodiment of the present invention.

【図2】同、半導体基板の接合力測定試験の説明図。FIG. 2 is an explanatory view of a semiconductor substrate bonding force measurement test.

【図3】同、シリコン−サファイアウェーハの引張試験
結果を示す線図。
FIG. 3 is a diagram showing a result of a tensile test on a silicon-sapphire wafer.

【図4】同、半導体基板の各種ウェーハどうしの接合部
における状態を説明する比較図。
FIG. 4 is a comparative diagram for explaining a state of a bonding portion between various wafers of a semiconductor substrate.

【図5】同、引張試験用試験片の顕微鏡写真。FIG. 5 is a photomicrograph of the tensile test piece.

【図6】同、半導体基板試料のTEM写真。FIG. 6 is a TEM photograph of a semiconductor substrate sample.

【図7】同、半導体基板の二次イオン数を示す線図。FIG. 7 is a diagram showing the number of secondary ions in the semiconductor substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 引張試験用治具 2 試料(半導体基板) 2a サファイアウェーハ 2b シリコンウェーハ 1 Jig for tensile test 2 Sample (semiconductor substrate) 2a Sapphire wafer 2b Silicon wafer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中里 泰章 長野県更埴市大字屋代1393番地 長野電子 工業株式会社内 (72)発明者 内山 敦雄 長野県更埴市大字屋代1393番地 長野電子 工業株式会社内 (72)発明者 中澤 一志 長野県更埴市大字屋代1393番地 長野電子 工業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasuaki Nakazato 1393 Yashiro Odaira, Sarahaku-shi, Nagano Nagano Electronics Co., Ltd. 72) Inventor Kazushi Nakazawa 1393 Yashiro, Osamu, Saraburo-shi, Nagano Nagano Electronics Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコンウェーハと他方のウェーハとを
相互に接合して形成される半導体基板を製造するに際
し、 前記シリコンウェーハの、前記他方のウェーハへの接合
面にSiO2 等の酸化膜を形成せしめた後、他方のウェ
ーハに重ね合わせて接合することを特徴とする半導体基
板の製造方法。
1. When manufacturing a semiconductor substrate formed by bonding a silicon wafer and another wafer to each other, an oxide film such as SiO 2 is formed on a bonding surface of the silicon wafer to the other wafer. A method for manufacturing a semiconductor substrate, which comprises squeezing and then superimposing and bonding the other wafer.
【請求項2】 前記他方のウェーハがサファイアウェー
ハ又はシリコンウェーハからなる請求項1記載の半導体
基板の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the other wafer is a sapphire wafer or a silicon wafer.
【請求項3】 前記酸化膜の厚さが50オングストロー
ム以上である請求項1記載の半導体基板の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the oxide film has a thickness of 50 angstroms or more.
【請求項4】 シリコンウェーハの接合面にSiO2
の酸化膜を形成して常温にてサファイアウェーハに重ね
合わせ、 この重ね合わされたウェーハどうしを割れ発生を防止す
るために温度が270℃近傍に達するまでを、0.5〜
5時間程度で昇温させて接合し、 次いで接合されたシリコンウェーハの層を10μm以下
の厚さまで研削した後、エッチング加工を行って前記シ
リコンウェーハ層の厚さを少なくとも3μmまで薄層化
せしめることを特徴とする半導体基板の製造方法。
4. An oxide film such as SiO 2 is formed on a bonding surface of a silicon wafer and superposed on a sapphire wafer at room temperature, and the temperature of the superposed wafers is kept at around 270 ° C. to prevent cracking. 0.5 to
Bonding by raising the temperature for about 5 hours, and then grinding the bonded silicon wafer layer to a thickness of 10 μm or less, and then performing etching to reduce the thickness of the silicon wafer layer to at least 3 μm. A method of manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
【請求項5】 前記請求項4の方法によりシリコンウェ
ーハ層の厚さを凡そ3μmまで薄層化した半導体基板に
おいて、該半導体基板を300〜1000℃の温度範囲
で0.5〜5時間熱処理し、次いで該シリコンウェーハ
層の厚さを0.1〜3μm好ましくは0.1〜1μmの
厚さになるまで段階的に研磨により薄層化することを特
徴とする請求項4記載の半導体基板の製造方法。
5. A semiconductor substrate in which the thickness of the silicon wafer layer is reduced to about 3 μm by the method of claim 4, and the semiconductor substrate is heat-treated at a temperature range of 300 to 1000 ° C. for 0.5 to 5 hours. 5. The semiconductor substrate according to claim 4, wherein the thickness of the silicon wafer layer is then gradually reduced by polishing until the thickness becomes 0.1 to 3 μm, preferably 0.1 to 1 μm. Production method.
JP15923094A 1994-06-17 1994-06-17 Method of manufacturing semiconductor substrate Pending JPH088413A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP15923094A JPH088413A (en) 1994-06-17 1994-06-17 Method of manufacturing semiconductor substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP15923094A JPH088413A (en) 1994-06-17 1994-06-17 Method of manufacturing semiconductor substrate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH088413A true JPH088413A (en) 1996-01-12

Family

ID=15689189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP15923094A Pending JPH088413A (en) 1994-06-17 1994-06-17 Method of manufacturing semiconductor substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH088413A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006059586A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-08 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Method for manufacturing direct bond wafer, and direct bond wafer
US7566631B2 (en) 2002-12-30 2009-07-28 International Business Machines Corporation Low temperature fusion bonding with high surface energy using a wet chemical treatment
WO2012015022A1 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 京セラ株式会社 Composite substrate, electronic component, method for producing composite substrate, and method for manufacturing electronic component

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7566631B2 (en) 2002-12-30 2009-07-28 International Business Machines Corporation Low temperature fusion bonding with high surface energy using a wet chemical treatment
US7713837B2 (en) 2002-12-30 2010-05-11 International Business Machines Corporation Low temperature fusion bonding with high surface energy using a wet chemical treatment
WO2006059586A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-08 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Method for manufacturing direct bond wafer, and direct bond wafer
JP2006156770A (en) * 2004-11-30 2006-06-15 Shin Etsu Handotai Co Ltd Direct bonding wafer manufacturing method and direct bonding wafer
US7521334B2 (en) 2004-11-30 2009-04-21 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Method for producing direct bonded wafer and direct bonded wafer
WO2012015022A1 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 京セラ株式会社 Composite substrate, electronic component, method for producing composite substrate, and method for manufacturing electronic component

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102859649B (en) Silicon Epitaxial Wafer And Method For Producing The Same, As Well As Bonded Soi Wafer And Method For Producing The Same
JP2726583B2 (en) Semiconductor substrate
EP0706714B1 (en) Soi substrate fabrication
JP3358550B2 (en) Method for producing SOI wafer and SOI wafer produced by this method
US6054363A (en) Method of manufacturing semiconductor article
US6211041B1 (en) Silicon-on-insulator (SOI) substrate and method of fabricating the same
JP4552858B2 (en) Manufacturing method of bonded wafer
US20090093106A1 (en) Bonded soi substrate, and method for manufacturing the same
EP0867921A2 (en) Substrate and production method thereof
JP3900741B2 (en) Manufacturing method of SOI wafer
JP2002134375A (en) Semiconductor substrate, method of manufacturing the same, and method of measuring surface shape of bonded substrate
JPH0719738B2 (en) Bonded wafer and manufacturing method thereof
EP0843346A2 (en) Method of manufacturing a semiconductor article
KR101142138B1 (en) Multilayer Substrate Cleaning Method, Substrate Bonding Method, And Bonded Wafer Manufacturing Method
EP0444943B1 (en) A method of manufacturing a bonded wafer
US7186628B2 (en) Method of manufacturing an SOI wafer where COP's are eliminated within the base wafer
JPH0817163B2 (en) Epitaxial wafer manufacturing method
JP4370862B2 (en) Laminated substrate cleaning method and substrate laminating method
JP3921823B2 (en) Manufacturing method of SOI wafer and SOI wafer
JPH088413A (en) Method of manufacturing semiconductor substrate
JPH0729911A (en) Semiconductor substrate and manufacturing method thereof
JP3030545B2 (en) Manufacturing method of bonded wafer
JPH05275300A (en) Method of joining semiconductor wafers
JP2008166646A (en) Manufacturing method of semiconductor substrate
WO2021246279A1 (en) Support substrate for bonded wafer