(57)【要約】【課題】基板同士が接合されてなる半導体装置において、接合面のパターンや熱処理の温度によらず、歩留まりの低下を防ぎ、接合の信頼性を向上させる。【解決手段】半導体装置は、第１の基板２０１と、第１の絶縁膜２０２と、接合層１０３、２０３と、接合層１０３、２０３上に形成された第２の絶縁膜１０２と、第２の基板１０１ａとを備えている。接合層１０３、２０３は、第３の絶縁膜１０３ｂ、２０３ｂと、第３の絶縁膜１０３ｂ、２０３ｂの直下及び直上の少なくとも一方に形成された接合用下地膜１０３ａ、２０３ａとを有している。第３の絶縁膜１０３ｂ、２０３ｂは、シリコン酸化膜であり、接合用下地膜１０３ａ、２０３ａは、シリコン炭窒化膜、シリコン窒化膜又はシリコン炭化膜である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された少なくとも一層の接合層と、
前記接合層上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された第２の基板とを備え、
前記接合層は、第３の絶縁膜と、前記第３の絶縁膜の直下及び直上の少なくとも一方に形成された接合用下地膜とを有しており、
前記第３の絶縁膜は、シリコン酸化膜であり、前記接合用下地膜は、シリコン炭窒化膜、シリコン窒化膜又はシリコン炭化膜である半導体装置。
【請求項２】
請求項１の半導体装置において、
前記接合層は、第１の接合層と、前記第１の接合層上に接合された第２の接合層とを有し、
前記第１の接合層は、前記第１の絶縁膜上に形成された第１の接合用下地膜と、前記第１の接合用下地膜の直上に形成された第１のシリコン酸化膜とを有し、
前記第２の接合層は、前記第１のシリコン酸化膜上に接合された第２のシリコン酸化膜と、前記第２のシリコン酸化膜の直上に形成された第２の接合用下地膜とを有しており、
前記第１の接合用下地膜及び前記第２の接合用下地膜は、シリコン炭窒化膜、シリコン窒化膜又はシリコン炭化膜である半導体装置。
【請求項３】
請求項２の半導体装置において、
前記第１のシリコン酸化膜と前記第２のシリコン酸化膜との合計膜厚は、前記第１の接合用下地膜と前記第２の接合用下地膜との合計膜厚の１０倍以下である半導体装置。
【請求項４】
請求項２または３の半導体装置において、
前記第１の絶縁膜内及び前記第２の絶縁膜内の少なくとも一方には、配線を含む配線層が形成されている半導体装置。
【請求項５】
請求項４の半導体装置において、
前記第１の絶縁膜内には複数の第１の配線を含む第１の配線層が形成されており、前記第２の絶縁膜内には複数の第２の配線を含む第２の配線層が形成されている半導体装置。
【請求項６】
請求項５の半導体装置において、
前記第２の基板側から前記第２の絶縁膜、前記第２の接合層及び前記第１の接合層を貫通し、前記第１の配線層内の一部の第１の配線と前記第２の配線層内の一部の第２の配線とを電気的に接続させる貫通電極をさらに備えている半導体装置。
【請求項７】
請求項５の半導体装置において、
前記第１の接合層内には、それぞれに対応する前記複数の第１の配線と電気的に接続された複数の第３の配線を含む第３の配線層が形成され、
前記第２の接合層内には、それぞれに対応する前記複数の第２の配線と電気的に接続された複数の第４の配線を含む第４の配線層が形成されている半導体装置。
【請求項８】
請求項７の半導体装置において、
前記複数の第３の配線の少なくとも一部は、前記複数の第４の配線のうちそれぞれに対応する第４の配線の少なくとも一部と接合されている半導体装置。
【請求項９】
第１の接合層が設けられた第１の基板と、第２の接合層が設けられた第２の基板とを、前記第１の接合層と前記第２の接合層とを向かい合わせて密着させる工程を備え、
前記第１の基板と前記第２の基板とを密着させる工程で、前記第１の接合層及び前記第２の接合層の少なくとも一方は、接合用下地膜と、前記接合用下地膜の直上に設けられ、上面が露出したシリコン酸化膜とを有している半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、
前記第１の基板と前記第２の基板とを密着させる工程の後に、５００℃以下の温度で熱処理をする工程をさらに備えている半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載された技術は、少なくとも２枚の基板が接合されてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板同士の直接接合は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を作製する際だけでなく、種々の回路や配線が既に形成された基板同士を接合する際にも行われている。例えば２枚のシリコン基板を貼り合わせる場合、それぞれのシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜同士が向かい合うようにして貼り合わせ、次いで熱処理を加えるのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、シリコン酸化膜同士を貼り合わせた場合、熱処理の温度が高くなるとシリコン酸化膜から水分が発生して接合面にボイドが生じ、十分な接合強度が得られないことがある。これに対し、特許文献１には、２枚の基板の表面にそれぞれシリコン炭窒化膜を形成した上で、両基板同士を接合させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１１４３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シリコン炭窒化膜は疎水性であるので、シリコン酸化膜に比べて洗浄後の膜表面にパーティクルが残りやすい。このため、シリコン炭窒化膜同士を向かい合わせて基板を接合させると、接合の歩留まりが低くなったり、接合の信頼性が不十分となる可能性がある。また、コンタクトや配線がシリコン炭窒化膜に埋め込まれている場合、接合面となるシリコン炭窒化膜の表面を研磨によって高度に平坦化することが困難となる。このことによっても基板同士の接合に不具合を生じる可能性がある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板同士が接合されてなる半導体装置において、接合面のパターンや熱処理の温度によらず、歩留まりの低下を防ぎ、接合の信頼性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示された半導体装置は、第１の基板と、前記第１の基板上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成された少なくとも一層の接合層と、前記接合層上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成された第２の基板とを備えている。前記接合層は、第３の絶縁膜と、前記第３の絶縁膜の直下及び直上の少なくとも一方に形成された接合用下地膜とを有しており、前記第３の絶縁膜は、シリコン酸化膜であり、前記接合用下地膜は、シリコン炭窒化膜、シリコン窒化膜又はシリコン炭化膜である。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書に開示された半導体装置によれば、接合面のパターンや熱処理の温度によらず、歩留まり良く製造することができ、接合部分の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】図３は、半導体装置において、２つの基板間の接合界面の状態を調べるための試験用サンプル（Ａ）、（Ｂ）を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図３に示すサンプル（Ａ）において、熱処理後の接合界面の状態を超音波検査機を用いて調べた結果を示す写真図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３に示すサンプル（Ｂ）において、熱処理後の接合界面の状態を超音波検査機を用いて調べた結果を示す写真図である。
【図５Ａ】図５Ａは、元素分析に用いられた半導体装置を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、熱処理前における、半導体装置の接合用下地膜３１０の分析結果を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、熱処理後における、半導体装置の第１の接合用下地膜３１５の分析結果を示す図である。
【図６】図６は、熱処理前後での図３に示すサンプル（Ａ）の状態を模式的に示す断面図（中央及び左端）及び写真図（右端）である。
【図７】図７は、熱処理前後での図３に示すサンプル（Ｂ）の状態を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書において、「部材Ａ上に形成された部材Ｂ」とは、特記しない限り、部材Ａの直上に部材Ｂが形成されている場合だけでなく、部材Ａと部材Ｂとの間にさらに別の部材が存在する場合も許容するものとする。また、部材の配置に関する説明における上下の方向は、原則として参照する図面における上下と同じものとする。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。同図に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、支持基板（第１の基板）２０１と、支持基板２０１上に形成された第１の絶縁膜２０２と、第１の絶縁膜２０２上に形成された少なくとも一層の接合層と、接合層上に形成された第２の絶縁膜１０２と、第２の絶縁膜１０２上に形成された基板（第２の基板）１０１ａとを備えている。
【００１２】
本実施形態の半導体装置では、上述の接合層は、第１の接合層２０３と、第１の接合層２０３上に接合された第２の接合層１０３とを有している。言い換えれば、第１の接合層２０３と第２の接合層１０３との界面３０１が、接合界面となっている。界面３０１における支持基板２０１と基板１０１ａとの間の密着力、より具体的には第１の接合層２０３と第２の接合層１０３との間の密着力は、例えば１．０Ｊ／ｍ２以上となっている。
【００１３】
第１の接合層２０３は、第１の絶縁膜２０２上に形成された第１の接合用下地膜２０３ａと、第１の接合用下地膜２０３ａの直上に形成された第１のシリコン酸化膜２０３ｂとを有している。第２の接合層１０３は、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ上に接合された第２のシリコン酸化膜１０３ｂと、第２のシリコン酸化膜１０３ｂの直上に形成された第２の接合用下地膜１０３ａとを有している。
【００１４】
本実施形態の半導体装置では、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａは、シリコン炭窒化膜である。ここでのシリコン炭窒化膜とは、主として炭化窒化珪素（ＳｉＣＮ）で構成された膜を意味し、炭化窒化珪素のみから構成された膜だけでなく、水素や酸素等の不純物を含む炭化窒化珪素で構成されていてもよい。また、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ、第２のシリコン酸化膜１０３ｂは、主としてシリコン酸化物で構成された膜であればよく、少量の窒素等の不純物を含んでいてもよい。
【００１５】
支持基板２０１は、例えばシリコン等の半導体により構成されていてもよいが、構成材料は特に限定されず、絶縁材料等により構成されていてもよい。基板１０１ａも支持基板２０１と同様に、例えばシリコン等の半導体により構成されていてもよいが、その構成材料は特に限定されない。半導体装置が基板１０１ａ側からの入射光を受ける固体撮像装置である場合、基板１０１ａは光電変換を可能にする材料で構成されていればよい。この場合、光の変換効率を上げるために基板１０１ａは、研磨や研削等によって、最適な厚さになるように薄厚化されていてもよい。
【００１６】
図１には示していないが、支持基板２０１の上面上、及び基板１０１ａの下面上には、それぞれ電子回路が設けられていてもよい。電子回路には、ロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等、既存の任意の回路や素子が含まれていてもよい。また、後に詳述するが、第１の絶縁膜２０２内及び第１の接合層２０３内に、支持基板２０１上の電子回路と電気的に接続されたコンタクトや配線、電極等が設けられていてもよい。第２の絶縁膜１０２内及び第２の接合層１０３内には、基板１０１ａの下面上に設けられた電子回路と電気的に接続されたコンタクトや配線、電極等が設けられていてもよい。この場合、第１の絶縁膜２０２及び第２の絶縁膜１０２は、互いに隣接する配線同士あるいはコンタクト同士を電気的に分離する層間絶縁膜として機能する。なお、第１の絶縁膜２０２及び第２の絶縁膜１０２は、シリコン酸化物等、公知の絶縁材料により構成されている。
【００１７】
第１の接合層２０３内に設けられた配線と第２の接合層１０３内に設けられた配線とが公知の方法により電気的に接続されていることにより、支持基板２０１の上面上に設けられた電子回路と、基板１０１ａの下面上に設けられた電子回路とを電気的に接続させてもよい。
【００１８】
上述のように、支持基板２０１と基板１０１ａとは、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとが向かい合う状態で接合されている。第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂは親水性なので、接合面にシリコン炭窒化膜が露出する場合に比べて洗浄によって膜表面のパーティクルを容易に洗い流すことができる。このため、パーティクルによる接合力の低下が生じにくくなっており、支持基板２０１と基板１０１ａとの接合の信頼性も高くなっている。
【００１９】
また、第１の接合層２０３において第１のシリコン酸化膜２０３ｂの直下に炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａが設けられるとともに、第２の接合層１０３において第２のシリコン酸化膜１０３ｂの直上に炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａが設けられているので、界面３０１でのボイドや膜はがれの発生が抑えられている。このため、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａが設けられない場合に比べて第１の接合層２０３と第２の接合層１０３との密着力は著しく強くなっており、界面３０１における接合の信頼性は高くなっている。ボイドの発生等が抑えられる理由については後述する。
【００２０】
なお、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとの合計膜厚は、第１の接合用下地膜２０３ａと第２の接合用下地膜１０３ａとの合計膜厚の１０倍以下であることが望ましいが、必ずしもこの値に限定されない。
【００２１】
−半導体装置の製造方法−
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。図２Ａ〜図２Ｄは、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００２２】
まず、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、シリコン等の公知材料からなる支持基板２０１と、例えばシリコンからなる基板１０１とを準備する。次に、公知の方法により支持基板２０１上、及び基板１０１上に必要に応じてロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等の任意の回路や素子を含む電子回路（図示せず）を形成する。
【００２３】
次いで、支持基板２０１上に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法等の公知の方法により、第１の絶縁膜２０２と、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第１のシリコン酸化膜２０３ｂを有する第１の接合層２０３とを順次形成する。第１の絶縁膜２０２の膜厚は、例えば３μｍ〜１０μｍ程度とする。炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａの膜厚は、例えば０．０５μｍ〜０．１μｍ程度とし、第１のシリコン酸化膜２０３ｂの膜厚は、例えば０．１μｍ〜０．５μｍ程度とする。
【００２４】
一方、基板１０１上に、ＣＶＤ法等により、第２の絶縁膜１０２と、第２の接合用下地膜１０３ａ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂを有する第２の接合層１０３とを順次形成する。第２の絶縁膜１０２の膜厚は、例えば３μｍ〜１０μｍ程度とする。炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａの膜厚は、例えば０．０５μｍ〜０．１μｍ程度とし、第２のシリコン酸化膜１０３ｂの膜厚は、例えば０．１μｍ〜０．５μｍ程度とする。なお、第１の絶縁膜２０２、第１の接合層２０３、第２の絶縁膜１０２及び第２の接合層１０３は、ＣＶＤ法以外にも、スパッタ法や塗布等の方法によって形成されてもよい。
【００２５】
図示しないが、必要に応じて、第１の絶縁膜２０２、第１の接合層２０３、第２の絶縁膜１０２及び第２の接合層１０３に、電子回路と電気的に接続され、アルミニウムや銅等の金属からなる配線及びコンタクトを形成してもよい。
【００２６】
次に、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面を平坦化する。これにより、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面における段差を、それぞれ０．５ｎｍ以下にすることができる。面内の段差を小さくすることで、後に支持基板２０１と基板１０１とを接着剤を用いずに良好に密着させることができる。本実施形態では、研磨される膜がシリコン酸化物で構成されているので、研磨される膜がシリコン炭窒化膜等である場合に比べて配線パターン等が形成されていても、最適な研磨条件を容易に選択することができる。
【００２７】
続いて、アンモニア濃度が２％のアンモニア過水（アンモニア水と過酸化水素水の混合液）を用いて第１のシリコン酸化膜２０３ｂ上及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂ上のパーティクルを除去する（いわゆるＳＣ１洗浄）。
【００２８】
次に、窒素ガス、酸素ガス及び希ガスの存在下、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの露出面にプラズマ処理を施した後に水洗を行うことによってＯＨ基を付加し、親水性を向上させる。この処理によって、第１のシリコン酸化膜２０３ｂの上面及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面に水酸基を付着させる。その結果、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂを密着させて加熱する際に、両シリコン酸化膜上の水酸基間の脱水縮合反応を促進させることができる。
【００２９】
次に、図２Ｃに示すように、常温、常圧下、支持基板２０１と基板１０１とを、第１の接合層２０３と第２の接合層１０３とを向かい合わせて密着させる。第１の接合層２０３及び第２の接合層１０３の上面に配線やコンタクトが露出している場合、本工程では、第１の接合層２０３に設けられた配線等と、第２の接合層１０３に設けられた配線等との位置合わせ機能を有するボンダーを用いる。また、本工程では、基板１０１の中心から加圧し、平面視における基板１０１の中央部から周辺へとボンディングウェーブを走らせる。
【００３０】
次に、図２Ｄに示すように、グラインダーによる研磨、ウエットエッチング、ドライエッチング、ＣＭＰ法等の公知の方法により、基板１０１の一部を、接合の界面３０１の反対側から除去することにより、薄厚化された基板１０１ａを形成する。なお、半導体装置がイメージセンサを含む固体撮像装置でない場合には、本工程を行わなくてもよい。
【００３１】
続いて、支持基板２０１と基板１０１ａとを有する接合体（半導体装置）に、窒素ガス及び水素ガスの存在下、例えば３００℃以上５００℃以下程度の温度で熱処理を加えることにより、界面３０１における基板同士の接合強度を向上させる。
【００３２】
熱処理温度は３００℃未満であってもよいが、熱処理の温度が少なくとも３００℃以上であれば、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとを十分な強度で接合させることができる。熱処理温度が４００℃以上であれば、基板の接合と同時に、基板１０１ａ及び支持基板２０１に入っていたダメージや欠陥からの回復を図ることも可能となる。また、熱処理の温度が５００℃以下であれば、電子回路や配線に影響を与えることなく熱処理を行うことができる。
【００３３】
以上の工程により、本実施形態の半導体装置を高い歩留まりで製造することができる。なお、支持基板２０１の上面上及び基板１０１ａの下面上に電子回路が形成されている場合、基板の接合工程の後に別途４００℃以上５００℃以下程度、水素ガス存在下で熱処理を行って、エッチングや成膜工程等によってダメージを受けた基板の結晶性を回復させてもよい。
【００３４】
−半導体装置における効果とそのメカニズム−
本願発明者らは、本実施形態の半導体装置の構成によって、接合の信頼性を向上させ、且つ歩留まりの向上が図れる理由を確かめるため、いくつかの試験を行った。
【００３５】
図３は、半導体装置において、２つの基板間の接合界面の状態を調べるための試験用サンプル（Ａ）、（Ｂ）を示す断面図である。図４Ａは、図３に示すサンプル（Ａ）において、熱処理後の接合界面の状態を超音波検査機を用いて調べた結果を示す写真図であり、図４Ｂは、図３に示すサンプル（Ｂ）において、熱処理後の接合界面の状態を超音波検査機を用いて調べた結果を示す写真図である。サンプル（Ａ）は比較例に係る半導体装置であり、サンプル（Ｂ）は、実施例に係る半導体装置である。
【００３６】
図３に示すように、サンプル（Ａ）は、上面上にシリコン酸化物からなる第１の絶縁膜３１０、第１のシリコン酸化膜３２０が順次形成された支持基板３００と、上面上にシリコン酸化物からなる第２の絶縁膜３４０、第２のシリコン酸化膜３３０が順次形成されたシリコンからなる基板３５０とを密着させた後、熱処理を施すことで形成された半導体装置である。サンプル（Ｂ）は、サンプル（Ａ）に係る半導体装置において、第１の絶縁膜３１０と第１のシリコン酸化膜３２０との間に炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜３１５が挿入されるとともに、第２の絶縁膜３４０と第２のシリコン酸化膜３３０との間に炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜３３５が挿入された半導体装置である。
【００３７】
第１のシリコン酸化膜３２０、第２のシリコン酸化膜３３０は、ＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）を用いたプラズマＣＶＤ法を用いて形成した。第１の接合用下地膜３１５、第２の接合用下地膜３３５も、公知のプラズマＣＶＤ法を用いて形成した。接合工程の前には、ＣＭＰ法によって第１のシリコン酸化膜３２０及び第２のシリコン酸化膜３３０の上面を研磨した。また、サンプル（Ａ）、（Ｂ）とも、熱処理条件を４５０℃、１時間とした。
【００３８】
この結果、図４Ａ、図４Ｂに示すように、サンプル（Ａ）では、支持基板３００と基板３５０との間に多数のボイド１５０が生じたのに対し、サンプル（Ｂ）では、支持基板３００と基板３５０との間にボイドは生じなかった。
【００３９】
次に、第１の接合用下地膜３１５及び第２の接合用下地膜３３５を設けることにより、ボイドが生じにくくなる原因を探るため、熱処理の前と後での半導体装置において、炭化窒化珪素からなる接合用下地膜の元素分析を、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）により行った。
【００４０】
図５Ａは、元素分析に用いられた半導体装置を示す断面図である。図５Ｂは、熱処理前における、半導体装置の接合用下地膜（ＳｉＣＮ膜）３１５の分析結果を示す図であり、図５Ｃは、熱処理後における、半導体装置の第１の接合用下地膜（ＳｉＣＮ膜）３１５の分析結果を示す図である。図５Ｂ、図５Ｃの縦軸は元素の濃度（原子％）であり、横軸は、第１の接合用下地膜の表面（上面）からの深さである。なお、試料として用いられた半導体装置は、図３に示すサンプル（Ｂ）に係る半導体装置から第１の絶縁膜３１０及び第２の絶縁膜３４０を抜いた構造を有している。
【００４１】
図５Ａ、図５Ｂに示す結果から、熱処理前に炭化窒化珪素で構成されていた第１の接合用下地膜３１５は、熱処理時に酸化され、膜中の窒素及び炭素が酸素に置き換えられることが分かった。
【００４２】
以上の試験結果から、本願発明者らは、本実施形態の半導体装置において、ボイドの発生が抑えられる理由について、以下のように考えた。図６は、熱処理前後での図３に示すサンプル（Ａ）の状態を模式的に示す断面図（中央及び左端）及び写真図（右端）であり、図７は、熱処理前後での図３に示すサンプル（Ｂ）の状態を模式的に示す断面図である。
【００４３】
シリコン酸化物は吸湿性を持つので、図６に示すように、シリコン酸化膜同士を密着させた状態で４５０℃、１時間の熱処理を実施すると、シリコン酸化膜に含まれる水分が蒸発して高圧になる。シリコンは水分を通過させにくいので、水蒸気は基板同士の界面に集中する。このため、サンプル（Ａ）では、多数のボイド１５０が発生したと考えられる。なお、基板接合工程の前に、熱処理を行って第１のシリコン酸化膜３２０及び第２のシリコン酸化膜３３０に含まれる水分を除去しても、空気中の水分を再度吸収してしまうので、ボイドの発生を抑えることは難しい。なお、高圧の水蒸気の発生は、熱処理温度が例えば３００℃以上の高温である場合に特に顕著になることが分かっている。
【００４４】
これに対し、図７に示すように、サンプル（Ｂ）（実施例に係る半導体装置）では、熱処理の際に、第１のシリコン酸化膜３２０及び第２のシリコン酸化膜３３０から発生した水蒸気は、炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜３１５及び第２の接合用下地膜３３５（図中のＳｉＣＮ膜）の酸化によって吸収されたものと考えられる。特に、サンプル（Ｂ）では、第１のシリコン酸化膜３２０及び第２のシリコン酸化膜３３０が、熱処理の際に水分（具体的には水を構成する酸素分子）を吸収できる第１の接合用下地膜３１５と第２の接合用下地膜３３５とで挟まれているので、熱処理の温度が高い場合であっても接合界面付近で高圧の水蒸気が発生しにくくなっており、結果としてボイドの発生を抑えることが可能になったと考えられる。
【００４５】
なお、第１の接合用下地膜３１５及び第２の接合用下地膜３３５に含まれていた窒素は水素と反応してアンモニア（ＮＨ３）となり、炭素は酸素と反応して二酸化炭素（ＣＯ２）となる。アンモニアや二酸化炭素は高圧下では液体となるので、ボイドを形成させるおそれは小さい。
【００４６】
−本実施形態に係る半導体装置の変形例について−
図１に示す例では、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂが、炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａと第２の接合用下地膜１０３ａによって挟まれているが、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａのいずれか一方のみが設けられていても、接合用下地膜が設けられない場合に比べてボイドを生じにくくすることができ、支持基板２０１と基板１０１ａとの接合の信頼性を向上させることが可能である。
【００４７】
また、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａは、主として炭化窒化珪素で構成された膜に限られず、シリコン炭化膜やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜、Ｓｉ３Ｎ４膜等）など、熱処理時に酸化されることにより水分を吸収することができる絶縁膜であってもよい。第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａは、一部が酸化されていてもよく、接合前に炭化窒化珪素により構成されている場合には、膜の少なくとも一部に窒素及び炭素が含有されていればよい。
【００４８】
また、第１の接合層２０３と同じ構成を有する膜と、第２の接合層１０３と同じ構成を有する膜との接合を利用することにより、３枚以上の基板を接合により積層し、多機能の半導体装置を形成してもよい。
【００４９】
本実施形態の半導体装置の製造方法において、基板同士を接合させるための熱処理の温度や処理時間は、必要に応じて適宜変更してもよい。また、基板同士を接合させるための熱処理は、図２Ｄに示す基板１０１の薄厚化処理の前に行ってもよい。
【００５０】
また、基板接合のための熱処理工程の前において、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとの合計膜厚は、第１の接合用下地膜２０３ａと第２の接合用下地膜１０３ａとの合計膜厚の１０倍以下であることが望ましい。この場合、熱処理の際に、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａが、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂから放出される水分を十分に吸収することができる。第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとの合計膜厚が、第１の接合用下地膜２０３ａと第２の接合用下地膜１０３ａとの合計膜厚の４倍以下であれば、第１の接合用下地膜２０３ａ及び第２の接合用下地膜１０３ａから生じる水分をより確実に吸収することができるので、ボイドの発生をより確実に抑えることができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図８及び図９は、第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図８と図９は、同じ半導体装置の異なる箇所での断面を示している。以下、本実施形態の半導体装置について、第１の実施形態に係る半導体装置と異なる点を中心に説明する。
【００５２】
図８及び図９に示すように、本実施形態の半導体装置では、支持基板２０１の上面上及び基板１０１ａの下面上の少なくとも一方にロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等の任意の回路や素子を含む電子回路（図示せず）が形成されていてもよい。
【００５３】
本実施形態の半導体装置では、第１の絶縁膜２０２内及び第２の絶縁膜１０２内に、それぞれ複数の配線（第１の配線及び第２の配線）２０４、１０４を含む配線層（第１の配線層及び第２の配線層）が形成されている。そして、基板１０１ａ側から第２の絶縁膜１０２、第２の接合層１０３及び第１の接合層２０３を貫通する穴３０２が形成されており、この穴３０２内には、貫通電極５０１が埋め込まれている。貫通電極５０１は、第１の絶縁膜２０２内に設けられた一部の配線２０４ａ、及び第２の絶縁膜１０２内に設けられた一部の配線１０４ａと直接接触している。
【００５４】
基板１０１ａの下面上に電子回路が形成されている場合、この貫通電極５０１によって、当該電子回路を、第１の絶縁膜２０２内に設けられた一部の配線２０４ａ、及び第２の絶縁膜１０２内に設けられた一部の配線１０４ａに電気的に接続させることができる。なお、電子回路が支持基板２０１上にも形成されている場合、配線２０４は、図示しないコンタクト等によって当該電子回路に電気的に接続されていてもよい。
【００５５】
貫通電極５０１及び配線１０４、２０４の構成材料としては、例えばアルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステンのいずれか、又はこれら金属の合金もしくは導電性を有するこれら金属の化合物等が用いられる。
【００５６】
本実施形態の半導体装置では、第１の実施形態に係る半導体装置と同様に、第１の接合層２０３において第１のシリコン酸化膜２０３ｂの直下に炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａが設けられるとともに、第２の接合層１０３において第２のシリコン酸化膜１０３ｂの直上に炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａが設けられているので、界面３０１でのボイドや膜はがれの発生が抑えられている。第１の接合層２０３と第２の接合層１０３との間の密着力は、例えば１．０Ｊ／ｍ２以上となっている。
【００５７】
なお、配線２０４は、第１の絶縁膜２０２内のどの位置に設けられていてもよい。例えば、配線２０４は、第１の絶縁膜２０２の下部（支持基板２０１側）に設けられていてもよく、第１の絶縁膜２０２の上部（第１の接合層２０３側）に設けられていてもよい。第１の絶縁膜２０２内には、配線２０４が形成された配線層の他に１つ以上の配線層が形成されていてもよい。
【００５８】
また、配線１０４は、第２の絶縁膜１０２内のどの位置に設けられていてもよい。例えば、配線１０４は、第２の絶縁膜１０２の下部（第２の接合層１０３側）に設けられていてもよく、第２の絶縁膜１０２の上部（基板１０１ａ側）に設けられていてもよい。第２の絶縁膜１０２内には、配線１０４が形成された配線層の他に１つ以上の配線層が形成されていてもよい。
【００５９】
図１０Ａ〜図１０Ｅは、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。これらの図面を用いて本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
【００６０】
まず、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、支持基板２０１及び基板１０１を準備する。次に、公知の方法により支持基板２０１上、及び基板１０１上にロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等の任意の回路や素子を含む電子回路（図示せず）を形成する。
【００６１】
次いで、支持基板２０１上に、ＣＶＤ法等により、第１の絶縁膜２０２を形成する。その後、公知の方法により、第１の絶縁膜２０２内に複数の配線２０４を含む配線層を形成する。ここで、図示しないが、支持基板２０１上の電子回路と配線２０４とを電気的に接続するためのコンタクトを形成してもよい。続いて、ＣＶＤ法等により、第１の絶縁膜２０２上に、炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａと、第１のシリコン酸化膜２０３ｂとを順次形成して第１の接合層２０３を形成する。
【００６２】
一方、基板１０１上に、ＣＶＤ法等により、第２の絶縁膜１０２を形成する。その後、公知の方法により、第２の絶縁膜１０２内に複数の配線１０４を含む配線層を形成する。図示しないが、基板１０１上の電子回路と配線１０４とを電気的に接続するためのコンタクトを形成してもよい。続いて、ＣＶＤ法等により、第２の絶縁膜１０２上に、炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａと、第２のシリコン酸化膜１０３ｂとを順次形成して第２の接合層１０３を形成する。
【００６３】
次に、ＣＭＰ法により、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面を平坦化する。これにより、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面における段差を、それぞれ０．５ｎｍ以下にすることができる。
【００６４】
続いて、アンモニア濃度が２％のアンモニア過水を用いて第１のシリコン酸化膜２０３ｂ上及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂ上のパーティクルを除去する。次に、窒素ガス、酸素ガス及び希ガスの存在下、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの露出面にプラズマ処理を施した後に水洗を行うことによってＯＨ基を付加し、親水性を向上させる。
【００６５】
次に、図１０Ｃに示すように、常温、常圧下、支持基板２０１と基板１０１とを、第１の接合層２０３と第２の接合層１０３とを向かい合わせて密着させる。この工程は、配線２０４と配線１０４とが所定の位置関係になるように、位置合わせ機能を有するボンダーを用いて行う。続いて、グラインダーによる研磨、ウエットエッチング、ドライエッチング、ＣＭＰ法等の公知の方法により基板１０１を薄厚化して基板１０１ａとする。
【００６６】
続いて、支持基板２０１と基板１０１ａとを有する接合体（半導体装置）に、窒素ガス及び水素ガスの存在下、例えば３００℃以上５００℃以下程度の温度で熱処理を加えることにより、界面３０１における基板同士の接合強度を向上させる。
【００６７】
次に、図１０Ｄに示すように、ドライエッチング等により、基板１０１ａ、第２の絶縁膜１０２、第２の接合層１０３及び第１の接合層２０３を貫通する穴３０２を形成した後、この穴３０２に例えば銅、アルミニウム、チタン合金、タンタル合金、タングステン等を埋め込むことにより、複数の配線２０４のうちの一部（配線２０４ａ）及び複数の配線１０４のうちの一部（配線１０４ａ）と直接接続された貫通電極５０１を形成する。
【００６８】
以上の方法により、熱処理の温度を比較的高い温度に設定した場合であっても、接合部分の信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く作製することが可能になる。
【００６９】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。以下、本実施形態の半導体装置について、第１の実施形態に係る半導体装置と異なる点を中心に説明する。
【００７０】
本実施形態の半導体装置では、第２の実施形態に係る半導体装置と同様に、支持基板２０１の上面上及び基板１０１ａの下面上の少なくとも一方にロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等の任意の回路や素子を含む電子回路（図示せず）が形成されていてもよい。
【００７１】
また、本実施形態の半導体装置では、第１の絶縁膜２０２内及び第２の絶縁膜１０２内に、それぞれ複数の配線（第１の配線及び第２の配線）２０４、１０４を含む配線層（第１の配線層及び第２の配線層）が形成されている。
【００７２】
第１の接合層２０３内には、複数の配線（第３の配線）２０５を含む配線層（第３の配線層）が形成されている。配線２０５が例えば第１の接合層２０３の上部である第１のシリコン酸化膜２０３ｂ内に設けられている場合、配線２０５は、それぞれに対応する配線２０４と、第１の接合層２０３内に設けられたコンタクト２０６を介して電気的に接続されていてもよい。
【００７３】
第２の接合層１０３内には、複数の配線（第４の配線）１０５を含む配線層（第４の配線層）が形成されている。配線１０５が例えば第２の接合層１０３の下部である第２のシリコン酸化膜１０３ｂ内に設けられている場合、配線１０５は、それぞれに対応する配線１０４と、第２の接合層１０３内に設けられたコンタクト１０６を介して電気的に接続されていてもよい。
【００７４】
界面３０１において、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとは、配線２０５の少なくとも一部と配線１０５の少なくとも一部とが接触するように位置合わせされた状態で、互いに接合されている。配線２０５と、これと対応する位置に設けられた配線１０５とは、熱処理によって互いに接合されている。この構成により、本実施形態の半導体装置では、支持基板２０１側に設けられた配線２０５や電子回路と、基板１０１ａ側に設けられた配線１０５及び電子回路とが電気的に接続されている。
【００７５】
配線１０５、２０５及びコンタクト１０６、２０６は、配線１０４、２０４と同様に、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステンのいずれか、又はこれら金属の合金もしくは導電性を有するこれら金属の化合物等で構成されていてもよい。
【００７６】
本実施形態の半導体装置では、第１の実施形態に係る半導体装置と同様に、第１の接合層２０３において第１のシリコン酸化膜２０３ｂの直下に炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａが設けられるとともに、第２の接合層１０３において第２のシリコン酸化膜１０３ｂの直上に炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａが設けられているので、界面３０１でのボイドや膜はがれの発生が抑えられている。このため、界面３０１において配線同士を接合させて配線間の電気的導通を得る構造を採用しても、接続不良が生じにくくなっている。
【００７７】
なお、界面３０１において互いに接合されるのは、配線同士に限られず、金属等で構成された電極同士、又は電極と配線とが互いに接合されていてもよい。
【００７８】
図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１３Ａ〜図１３Ｃは、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。これらの図面を用いて本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
【００７９】
まず、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、支持基板２０１及び基板１０１を準備する。次に、公知の方法により支持基板２０１上、及び基板１０１上にロジック回路や記憶回路、イメージセンサ、高周波回路等の任意の回路や素子を含む電子回路（図示せず）を形成する。
【００８０】
次いで、第１の絶縁膜２０２を形成した後、第１の絶縁膜２０２内に複数の配線２０４を含む配線層を形成する。ここで、支持基板２０１上の電子回路と配線２０４とを電気的に接続するためのコンタクト（図示せず）を形成してもよい。
【００８１】
一方、基板１０１上に第２の絶縁膜１０２を形成した後、第２の絶縁膜１０２内に複数の配線１０４を含む配線層を形成する。ここで、基板１０１上の電子回路と配線１０４とを電気的に接続するためのコンタクト（図示せず）を形成してもよい。
【００８２】
次に、図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、ＣＶＤ法等により、第１の絶縁膜２０２上に、炭化窒化珪素からなる第１の接合用下地膜２０３ａと、第１のシリコン酸化膜２０３ｂとを順次形成して第１の接合層２０３を形成する。また、第２の絶縁膜１０２上に、炭化窒化珪素からなる第２の接合用下地膜１０３ａと、第２のシリコン酸化膜１０３ｂとを順次形成して第２の接合層１０３を形成する。
【００８３】
次いで、公知の方法により、第１の接合層２０３内に、配線２０５と、配線２０４と配線２０５とを電気的に接続させるコンタクト２０６とをそれぞれ形成する。また、第２の接合層１０３内に、配線１０５と、配線１０４と配線１０５とを電気的に接続させるコンタクト１０６とをそれぞれ形成する。
【００８４】
次に、ＣＭＰ法により、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面を平坦化する。これにより、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの上面における段差を、それぞれ０．５ｎｍ以下にすることができる。本実施形態の半導体装置では、第１のシリコン酸化膜２０３ｂと第２のシリコン酸化膜１０３ｂとが接合されることになるので、シリコン炭窒化膜同士を接合する場合に比べて研磨に最適な条件を容易に選択することができる。
【００８５】
続いて、アンモニア濃度が２％のアンモニア過水を用いて第１のシリコン酸化膜２０３ｂ上及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂ上のパーティクルを除去する。次に、窒素ガス、酸素ガス及び希ガスの存在下、第１のシリコン酸化膜２０３ｂ及び第２のシリコン酸化膜１０３ｂの露出面にプラズマ処理を施した後に水洗を行うことによってＯＨ基を付加し、親水性を向上させる。
【００８６】
次に、図１３Ｃに示すように、常温、常圧下、支持基板２０１と基板１０１とを、第１の接合層２０３と第２の接合層１０３とを向かい合わせて密着させる。この工程は、配線２０５の少なくとも一部と、これに対応する位置に設けられた配線１０５の少なくとも一部とが接触するように、位置合わせ機能を有するボンダーを用いて行う。続いて、基板１０１を薄厚化して基板１０１ａとする。
【００８７】
続いて、支持基板２０１と基板１０１ａとを有する接合体（半導体装置）に、窒素ガス及び水素ガスの存在下、例えば３００℃以上５００℃以下程度の温度で熱処理を加えることにより、界面３０１における基板同士の接合強度を向上させる。配線１０５、２０５が銅により構成されている場合には、熱処理の温度を４００℃以上とすることで、配線１０５と配線２０５とをより確実に接合させることができる。
【００８８】
以上の方法により、熱処理の温度を比較的高い温度に設定した場合であっても接合部分の信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く作製することが可能になる。
【００８９】
なお、以上で説明した各実施形態やその変形例に係る半導体装置の構成や製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上説明したように、本明細書に開示された半導体装置は、種々の電子機器に用いることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０１、１０１ａ、３５０      基板
１０２、３４０      第２の絶縁膜
１０３      第２の接合層
１０３ａ、３３５    第２の接合用下地膜
１０３ｂ    第２のシリコン酸化膜
１０４、１０４ａ、１０５、２０４、２０４ａ、２０５    配線
１０６、２０６    コンタクト
１５０      ボイド
２０１、３００      支持基板
２０２、３１０      第１の絶縁膜
２０３      第１の接合層
２０３ａ、３１５    第１の接合用下地膜
２０３ｂ、３２０    第１のシリコン酸化膜
３０１      界面
３０２      穴
５０１      貫通電極
【図１】
2018125325.tif 000003
【図２Ａ】
2018125325.tif 000004
【図２Ｂ】
2018125325.tif 000005
【図２Ｃ】
2018125325.tif 000006
【図２Ｄ】
2018125325.tif 000007
【図３】
2018125325.tif 000008
【図４Ａ】
2018125325.tif 000009
【図４Ｂ】
2018125325.tif 000010
【図５Ａ】
2018125325.tif 000011
【図５Ｂ】
2018125325.tif 000012
【図５Ｃ】
2018125325.tif 000013
【図６】
2018125325.tif 000014
【図７】
2018125325.tif 000015
【図８】
2018125325.tif 000016
【図９】
2018125325.tif 000017
【図１０Ａ】
2018125325.tif 000018
【図１０Ｂ】
2018125325.tif 000019
【図１０Ｃ】
2018125325.tif 000020
【図１０Ｄ】
2018125325.tif 000021
【図１０Ｅ】
2018125325.tif 000022
【図１１】
2018125325.tif 000023
【図１２Ａ】
2018125325.tif 000024
【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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