JP2004055924A - 半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】線膨張係数が大きく相違する2つの半導体ウエハを貼り合せると、ダメージが発生した。
【解決手段】Si半導体ウエハ1と3−5族化合物半導体ウエハ2との間に拡散可能な金属から成る金属膜4を配置した積層体5を作り、加圧及び加熱してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを貼り合せる。加熱温度をSi半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハの塑性温度よりも広く且つ金属の拡散可能な温度として固相拡散接合によってSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを貼り合せる。
【選択図】 図1
【解決手段】Si半導体ウエハ1と3−5族化合物半導体ウエハ2との間に拡散可能な金属から成る金属膜4を配置した積層体5を作り、加圧及び加熱してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを貼り合せる。加熱温度をSi半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハの塑性温度よりも広く且つ金属の拡散可能な温度として固相拡散接合によってSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを貼り合せる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを線膨張係数の異なる板状体に貼り合せる方法、即ち半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
複数枚の半導体ウエハの貼り合せ体、又は半導体ウエハとサファイア等の絶縁基板等との貼り合せ体は、例えば半導体等の基板上に半導体をエピタキシャル成長させた構造のエピタキシャルウエハの代替等として用いられている。
【0003】
従来の半導体ウエハ貼り合せ体は、周知の水素結合方法等を利用して製作されていた。即ち、複数枚の半導体ウエハを貼り合せる場合には、2枚の半導体ウエハを用意し、そのウエハ貼着面となる主面に鏡面仕上げを施す。GaP等の化合物半導体やシリコンは比較的親水性に優れるため、清浄な雰囲気中で2枚の半導体ウエハの鏡面を対向させて貼り合せて熱処理(例えば300〜700℃)を施すと、半導体ウエハ表面のH2O分子を介してウエハが水素結合する。更にこの貼り合せたウエハに対して、結晶塑性温度(例えば700〜800℃)を超える温度(例えば800〜1000℃)の加熱を施すと、2つのウエハ間で互いの原子が移動する。その後ウエハを冷却すると、2つのウエハが強固に貼り合された半導体ウエハが得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体ウエハ体の製造方法では、2つの半導体ウエハを相互に密着させた状態で結晶塑性温度以上に加熱し、その後にこれらを冷却する必要がある。このため、半導体ウエハには線膨張係数差に起因する歪み、反り等が発生する。
【0005】
貼り合せる半導体ウエハ等が同じ材料系から成る場合や、GaP(燐化ガリウム)とAlGaInP(アルミニウムガリウムインジウム燐)のようにお互いの線膨張係数差がかなり小さい半導体ウエハを貼り合せる場合は、線膨張係数差に起因する歪みや反りが発生し難い。
しかし、Si(シリコン)とGaAs(ガリウム砒素)やAlGaInP(アルミニウムガリウムインジウム燐)のようにお互いの線膨張係数差が大きい半導体ウエハ等を貼り合せる場合には、ウエハ接合の時、特にウエハの冷却工程の時に線膨張係数差に起因する歪みや反りが発生し、ウエハにダメージを与えやすい。このため、従来の半導体ウエハ貼り合せ方法は、線膨張係数差が比較的大きいウエハについては実用化できなかった。
【0006】
そこで、本発明の目的は、線膨張係数が異なる半導体ウエハと板状体とを、ダメージを抑制して貼り合せることできる半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する板状体とを金属膜を介して積層する工程と、前記金属膜に対して、前記金属膜を構成する金属の拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記板状体を構成する材料の塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を前記半導体ウエハと板状体とのいずれか一方又は両方に拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程とを有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法に係わるものである。
【0008】
なお、請求項2に示すように金属膜を半導体ウエハの一方の表面に予め被着させておくことが望ましい。
また、請求項3に示すように半導体ウエハに予め拡散阻止膜を形成することが望ましい。
また、請求項4に示すように、半導体ウエハと板状体との両方に予め金属膜をそれぞれ形成することができる。
又、請求項5に示すように、半導体ウエハを金属板に直接に貼り合せる時にも本発明を適用することができる。
【0009】
上記板状体は、上記半導体ウエハと異なる材料の半導体ウエハ、ガラス、サフアイャ等の絶縁基板、又はAl等の金属基板、又は導電基板等の板状体である。上記板状体がSi、上記半導体ウエハが3−5族化合物半導体の場合には、金属膜の金属として拡散温度が400℃以下のAu、Ag、Pb、Inから選択されたものの少なくとも1種を使用することが望ましい。この内、特にAuは金属膜を構成する金属の板状体への拡散を阻止する酸化膜が生成され難く且つ拡散接合温度即ち貼り合せ開始温度が約247℃であって比較的低いため、上記金属膜に適する。
上記熱処理の温度はできるだけ低いことが望ましい。金属膜がAuの場合には、固相拡散接合温度即ち貼り合せ開始温度が247℃であり、熱処理温度を260℃程度にすることができる。しかし、半導体ウエハと板状体との線膨張係数差が1.1〜2倍程度の時には、貼り合せ時の熱処理温度が400℃以下であれば、特性上問題になるダメージが発生し難い。
【0010】
【発明の効果】
本発明では、半導体ウエハ及び板状体の塑性温度よりも低い温度の熱処理によって半導体ウエハと板状体を貼り合せる。このため、半導体ウエハと板状体の線膨張係数差が比較的大きい場合であっても、線膨張係数差に起因した歪みや反りの発生を抑えることができ、半導体ウエハと板状体の一方又は両方のダメージを抑制することができる。
なお、本発明によれば、半導体ウエハと板状体の線膨張係数差が例えば1.2倍以上のように比較的大きい場合の貼り合せに大きな効果が得られる。しかし、降伏応力(結晶破壊応力)が小さい半導体ウエハ等を貼り合せる場合には、線膨張係数差が比較的小さい時でもダメージが発生しやすい。従って、このような場合には、線膨張係数差が比較的小さな半導体ウエハ等を貼り合せる時でも効果が得られる。
また、請求項3の発明によれば、金属膜の金属と板状体の材料とのいずれか一方又は両方の半導体ウエハへの拡散を阻止膜で抑制することができ、半導体ウエハの特性劣化を防ぐことができる。
【0011】
【第1の実施形態】
次に、図1〜図3を参照して本発明の第1の実施形態の貼り合せ半導体ウエハの製造方法を説明する。
【0012】
まず、図1(A)に示す板状体としてのSi半導体ウエハ1と、図1(B)に示す半導体ウエハとしての化合物半導体ウエハ2を用意する。Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とは、線膨張係数即ち熱膨張係数が大きく相違する。
【0013】
Si半導体ウエハ1はその上面に貼着される化合物半導体ウエハ2の支持板として機能する部分であり、厚さ約100μm〜300μmのシリコン単結晶基板から成り、その線膨張係数は約3×10−6/℃である。この実施形態ではSi半導体ウエハ1に不純物が導入されており、Si半導体ウエハ1は抵抗値が比較的低いSi基板である。
【0014】
化合物半導体ウエハ2は、例えば発光層等を構成する部分であり、複数の3−5族化合物半導体層(AlGaInP化合物半導体層やAlGaAs化合物半導体層等)が積層された厚さ約10μmの半導体基板である。即ち、図1及び図2において概略的に示されている化合物半導体ウエハ2は、図3に示すようにn型バッファ層2a、n型クラッド層2b、活性層2c、p型クラッド層2d、コンタクト層2eを有し、発光領域として機能する。
この化合物半導体ウエハの線膨張係数は4×10−6/℃〜6×10−6℃である。
【0015】
次に、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2を、H2SO4 とH2O2の混合水溶液の洗浄液に浸漬させて、表面の有機物を除去し、更にHF水溶液を用いて半導体ウエハの表面に形成された自然酸化膜を除去し、ウエハ表面を清浄化する。
【0016】
次に、化合物半導体ウエハ2の一方の主面(下面)に、周知の真空蒸着等によって図1(C)に示すように例えばTi膜又はTi層から成るバリア金属膜又は拡散阻止層とも呼ぶことができる拡散阻止膜3を形成し、更にこの拡散阻止膜3の表面に例えばAu(金)の膜又は層から成る金属膜4を形成する。金属膜4はこの金属(Au)をSi半導体ウエハ1にこの塑性温度よりも低い温度で拡散させてSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを拡散接合するためのものである。従って、金属膜4を拡散金属膜又は拡散金属層と呼ぶこともできる。本実施形態では、拡散接合が良好に行えるように拡散阻止膜3の厚みを約0.01μm、また拡散用金属膜4の厚みを約0.2μmにした。
【0017】
次に、図1(D)に示すように、化合物半導体ウエハ2の一方の主面側の金属膜4にSi半導体ウエハ1の一方の主面を密着させて、Si半導体ウエハ1上に化合物半導体ウエハ2が積層配置して成るウエハ積層体5を形成する。
【0018】
次に、図1(E)に示すようにウエハ積層体5を加圧してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との密着を維持した状態で、金属膜4に対してSi半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハ2の塑性温度よりも低い約260℃の熱処理を約1時間施す。
【0019】
図2はSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを密着させるための加圧治具の1例を示す。加圧治具6は、ウエハ積層体5を支持する支持部材7と、支持部材7の外周に離間して配置されたリング状のホルダ8と、リング状ホルダ8に設けられた吸引路9と、可撓性を有する上下のフィルム部材10、11とを備えている。
支持部材7は、多数の孔が形成された通気性を有する多孔質材料から成り、ウエハ積層体5よりも大きな外径を有する。リング状ホルダ8は支持部材7よりも大きな径を有する円形状の貫通孔8aを有し、この孔8a内には支持部材7が配置されている。上述のようにリング状ホルダ8に形成された孔8aの内径は支持部材7の外径よりも大きいので、リング状ホルダ8と支持部材7との間には隙間が形成される。下側のフィルム部材10は、リング状ホルダ8の孔8aの下側を塞ぐように孔8aの縁部に沿ってリング状ホルダ8の下面に貼着されている。上側のフィルム部材11は、支持部材7の上に載置された平面形状円形のウエハ積層体5を覆い且つリング状ホルダ8の孔8aの上側を塞ぐように配置され且つ支持部材7及びリング状ホルダ8の上面に貼着されている。この結果、リング状ホルダ8の孔8a内にはリング状ホルダ8の内壁部とフィルム部材10、11とによって包囲された空間12が形成され、この空間12内にウエハ積層体5が載置された支持部材7が配置される。また、空間12には吸引路9を介して図示しない吸引ポンプが連結されている。
【0020】
図2の状態で真空吸引ポンプを用いて空間12内を真空に吸引すると、ウエハ積層体5は支持部材7の上面に吸着される。また空間12内が真空に引かれることで下側フィルム部材10が支持部材7に密着し、上側フィルム11がウエハ積層体5及び支持部材7に密着し、ウエハ積層体5は上側フィルム部材11と下側フィルム部材10との間に支持部材7を介して強く挟持される。この結果、ウエハ積層体5は図1(E)で対の矢印で示すように厚み方向に加圧され、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とが金属膜4を介して密着する。真空吸引ポンプによる吸引を続ける間、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との密着が維持される。
【0021】
上述のようにSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを金属膜4を介して加圧密着させた状態で、金属膜4に対して約260℃の熱処理を約1時間施すと、周知の固相拡散接合法によって金属膜4を介してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とが接合する。ここで、固相拡散接合法とは、被接合部材を溶融させずに固相状態のままで接合する固相接合方法であり、被接合部材同士を加圧して接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。
本実施形態では、金属膜4を構成するAu原子がSi半導体ウエハ1に拡散し、またSi半導体ウエハ1を構成するSi原子が金属膜4に拡散する。この結果、金属膜4とSi半導体ウエハ1との界面にAuとSiの相互拡散領域から成るAu−Si混在層即ちAu−Si合金層が形成される。なお、金属膜4と化合物半導体ウエハ2との間には拡散阻止膜3が形成されているため、金属膜4を構成するAu原子とSi半導体ウエハ1を構成するSi原子は化合物半導体ウエハ2側には実質的に拡散しない。これは、本実施形態では化合物半導体ウエハ2を例えば半導体発光素子の発光機能層として利用するため、発光機能層への不純物即ちSi、Auの拡散を防止する必要があるからである。従って、このような拡散を防止する必要がない場合には、図4に示すように拡散阻止膜3を省略し、金属膜4を構成する金属原子を化合物半導体ウエハ2にも拡散させても良い。
【0022】
Au−Si合金層即ちAu−Si混在層の形成によって、化合物半導体ウエハ2とSi半導体ウエハ1は図3に示すように拡散阻止膜3及びAu−Si混在層4aを介して強固に接合される。なお、金属膜4に施す熱処理の温度と時間によっては、Au−Si混在層4aと拡散阻止膜3との間に薄い金属膜4が残存することがある。
【0023】
発光素子を作る時には、図3の貼り合せ半導体ウエハ5a又はこれを所定寸法に切断したものにアノード電極13とカソード電極14を設ける。即ち、化合物半導体ウエハ2の上面に一方の電極即ちアノード13を接続し、SI半導体ウエハ1の他方の電極即ちカソード14を接続する。なお、化合物半導体ウエハ2側に電流通路を制限するための周知の電流ブロック層を設けること、及び透明電極を設けることができる。また、カソード14を化合物半導体ウエハ2の下側部分に接続することもできる。
【0024】
上述の半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法によれば、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2の線膨張係数差が大きいにも拘わらず、2つの半導体ウエハ1、2に特性上問題となるようなダメージを発生させずにウエハを貼着することができる。即ち、本実施形態では、固相拡散接合法を利用しているので、金属膜4を構成する金属原子が拡散する温度の熱処理でウエハ接合が可能であり、その熱処理温度は従来の結晶塑性を伴なうウエハ接合の熱処理温度(結晶塑性温度)よりも十分に低い温度である。このため、線膨張係数差が比較的大きいウエハを接合する場合でも、ウエハ接合工程における加熱及び冷却による半導体ウエハ1、2の伸縮が比較的小さく、これに伴なう半導体ウエハ1、2の歪みや反りを抑制できる。この結果、Si半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハ2に特性上問題となるようなダメージを発生させずに、Si半導体ウエハ1に対する化合物半導体ウエハ2の貼り合せが可能であり、電気的特性が良好な貼り合せ半導体ウエハ5aが得られる。
【0025】
【第2の実施形態】
図5は第2の実施形態のSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との貼り合せ前の状態を示す。この第2の実施形態の化合物半導体ウエハ2には図1(C)と同様に拡散阻止膜3を介してAuから成る金属膜4が設けられている。また、Si半導体ウエハ1の一方の主面にもAuから成る金属膜4′が設けられている。貼り合せ半導体ウエハを形成する時には、2つの金属膜4、4′を密着し、第1の実施形態と同様に加圧且つ熱処理を施す。これにより、金属膜4、4´の原子が相互に拡散し、また、Si半導体ウエハ1のSiが金属膜4、4´に拡散すると共にAuがSi半導体ウエハ1に拡散し、両者の貼り合せ体が得られる。
【0026】
第2の実施形態によっても熱処理の温度をSi半導体ウエハ1の塑性温度よりも低くすることによって第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【0027】
【第3の実施形態】
図6に示す第3の実施形態では、化合物半導体ウエハ2に図5と同様に例えばTiから成る第1の拡散阻止膜と例えばAuから成る第1の金属膜4が設けられ、且つ板状体としてのSi半導体ウエハ1の一方の主面上に例えばTiからなる第2の拡散阻止膜3´と例えばAuから成る第2の金属膜4´とが設けられている。これ等を貼り合わせる時には、第1及び第2の金属膜4、4´を密着させ、第1の実施形態と同一の方法で加圧及び加熱する。これにより、第1及び第2の金属膜4、4´の原子が相互に拡散して貼り合せ体が得られる。
従って、第3の実施形態によっても第1及び第2の実施形態と同様な効果が得られる。
【0028】
【第4の実施形態】
図7に示す第4の実施形態では、図1(D)に示す第1の実施形態の積層体の化合物半導体ウエハ2と拡散阻止層3との間に例えばAlから成る光反射膜20が追加されている。この光反射膜20は図3に示すように発光素子を形成した時に活性層2cからSi半導体ウエハ1側に放射された光をアノ−ド13側に反射させる働きを有する。
なお、光反射膜20は、図4、図5及び図6の貼り合せ構造のものにも設けることができる。
【0029】
【第5の実施形態】
図8に示す第5の実施形態では、図5の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに例えばサフアイャ等の絶縁基板1aが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2側の例えばAuから成る第1の金属膜4と絶縁基板1a側の例えばAuから成る第2の金属膜4´とを密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、第1及び第2の金属膜4、4´の原子の拡散によって両者を接合する。なお、図1、図4、図7の実施形態においてSi半導体ウエハ1を図8と同様に絶縁基板とすることができる。
【0030】
【第6の実施形態】
図9に示す第6の実施形態では、図5の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに例えば金(Au)等の金属基板1bが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2側の例えばAuから成る金属膜4と金属基板1bとを密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、金属膜4と金属基板1aの原子の拡散によって両者を接合する。なお、図1、図4、図7の実施形態においてSi半導体ウエハ1を図9と同様に金属基板とすることができる。
【0031】
【第7の実施形態】
図10に示す第7の実施形態では、第1の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに、例えばAu等の金属絶縁基板1bが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2を金属基板1bに直接に密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、両者間の原子の拡散によって両者を接合する。
【0032】
【変形例】
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1) 化合物半導体ウエハ2の中の発光機能層等の構成を種々変形することができる。
(2) 2枚の半導体ウエハ1、2を貼り合せた後に、2枚の半導体ウエハ1、2のいずれか一方又は両方に所定の半導体素子を形成することができる。
(3) 積層体5に対する加圧を、積層体5に耐熱性弾性体を介して荷重を加える方法とすることができる。
(4) 板状体がSi半導体ウエハ1であり、半導体ウエハが3−5族化合物半導体ウエハ2であることが望ましいが、化合物半導体ウエハ2の代りにSi等の半導体ウエハを使用し、Si半導体ウエハ1の代りに別の半導体の基板、絶縁基板、金属基板を使用することができる。
(5) 3枚以上の半導体ウエハの貼り合せにも本発明を適用することができる。
(6) 拡散阻止膜3、3´は、Ti以外にTa、Ni、Pt、MoCr等で形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の貼り合せ半導体ウエハの構成を製造工程順に示す断面図である。
【図2】ウエハ積層体の加圧装置を示す断面図である。
【図3】第1の実施形態に従って形成した発光素子を示す断面図である。
【図4】第1の実施形態の変形例のウエハ積層体を示す断面図である。
【図5】第2の実施形態のウエハ積層体の積層前の状態を示す断面図である。
【図6】第3の実施形態の積層体の積層前の構成を示す断面図である。
【図7】第4の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図8】第5の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図9】第6の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図10】第7の実施形態の積層体を示す断面図である。
【符号の説明】
1 Si半導体ウエハ
2 化合物半導体ウエハ
3 拡散阻止膜
4 金属膜
5 積層体
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを線膨張係数の異なる板状体に貼り合せる方法、即ち半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
複数枚の半導体ウエハの貼り合せ体、又は半導体ウエハとサファイア等の絶縁基板等との貼り合せ体は、例えば半導体等の基板上に半導体をエピタキシャル成長させた構造のエピタキシャルウエハの代替等として用いられている。
【0003】
従来の半導体ウエハ貼り合せ体は、周知の水素結合方法等を利用して製作されていた。即ち、複数枚の半導体ウエハを貼り合せる場合には、2枚の半導体ウエハを用意し、そのウエハ貼着面となる主面に鏡面仕上げを施す。GaP等の化合物半導体やシリコンは比較的親水性に優れるため、清浄な雰囲気中で2枚の半導体ウエハの鏡面を対向させて貼り合せて熱処理(例えば300〜700℃)を施すと、半導体ウエハ表面のH2O分子を介してウエハが水素結合する。更にこの貼り合せたウエハに対して、結晶塑性温度(例えば700〜800℃)を超える温度(例えば800〜1000℃)の加熱を施すと、2つのウエハ間で互いの原子が移動する。その後ウエハを冷却すると、2つのウエハが強固に貼り合された半導体ウエハが得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体ウエハ体の製造方法では、2つの半導体ウエハを相互に密着させた状態で結晶塑性温度以上に加熱し、その後にこれらを冷却する必要がある。このため、半導体ウエハには線膨張係数差に起因する歪み、反り等が発生する。
【0005】
貼り合せる半導体ウエハ等が同じ材料系から成る場合や、GaP(燐化ガリウム)とAlGaInP(アルミニウムガリウムインジウム燐)のようにお互いの線膨張係数差がかなり小さい半導体ウエハを貼り合せる場合は、線膨張係数差に起因する歪みや反りが発生し難い。
しかし、Si(シリコン)とGaAs(ガリウム砒素)やAlGaInP(アルミニウムガリウムインジウム燐)のようにお互いの線膨張係数差が大きい半導体ウエハ等を貼り合せる場合には、ウエハ接合の時、特にウエハの冷却工程の時に線膨張係数差に起因する歪みや反りが発生し、ウエハにダメージを与えやすい。このため、従来の半導体ウエハ貼り合せ方法は、線膨張係数差が比較的大きいウエハについては実用化できなかった。
【0006】
そこで、本発明の目的は、線膨張係数が異なる半導体ウエハと板状体とを、ダメージを抑制して貼り合せることできる半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する板状体とを金属膜を介して積層する工程と、前記金属膜に対して、前記金属膜を構成する金属の拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記板状体を構成する材料の塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を前記半導体ウエハと板状体とのいずれか一方又は両方に拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程とを有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法に係わるものである。
【0008】
なお、請求項2に示すように金属膜を半導体ウエハの一方の表面に予め被着させておくことが望ましい。
また、請求項3に示すように半導体ウエハに予め拡散阻止膜を形成することが望ましい。
また、請求項4に示すように、半導体ウエハと板状体との両方に予め金属膜をそれぞれ形成することができる。
又、請求項5に示すように、半導体ウエハを金属板に直接に貼り合せる時にも本発明を適用することができる。
【0009】
上記板状体は、上記半導体ウエハと異なる材料の半導体ウエハ、ガラス、サフアイャ等の絶縁基板、又はAl等の金属基板、又は導電基板等の板状体である。上記板状体がSi、上記半導体ウエハが3−5族化合物半導体の場合には、金属膜の金属として拡散温度が400℃以下のAu、Ag、Pb、Inから選択されたものの少なくとも1種を使用することが望ましい。この内、特にAuは金属膜を構成する金属の板状体への拡散を阻止する酸化膜が生成され難く且つ拡散接合温度即ち貼り合せ開始温度が約247℃であって比較的低いため、上記金属膜に適する。
上記熱処理の温度はできるだけ低いことが望ましい。金属膜がAuの場合には、固相拡散接合温度即ち貼り合せ開始温度が247℃であり、熱処理温度を260℃程度にすることができる。しかし、半導体ウエハと板状体との線膨張係数差が1.1〜2倍程度の時には、貼り合せ時の熱処理温度が400℃以下であれば、特性上問題になるダメージが発生し難い。
【0010】
【発明の効果】
本発明では、半導体ウエハ及び板状体の塑性温度よりも低い温度の熱処理によって半導体ウエハと板状体を貼り合せる。このため、半導体ウエハと板状体の線膨張係数差が比較的大きい場合であっても、線膨張係数差に起因した歪みや反りの発生を抑えることができ、半導体ウエハと板状体の一方又は両方のダメージを抑制することができる。
なお、本発明によれば、半導体ウエハと板状体の線膨張係数差が例えば1.2倍以上のように比較的大きい場合の貼り合せに大きな効果が得られる。しかし、降伏応力(結晶破壊応力)が小さい半導体ウエハ等を貼り合せる場合には、線膨張係数差が比較的小さい時でもダメージが発生しやすい。従って、このような場合には、線膨張係数差が比較的小さな半導体ウエハ等を貼り合せる時でも効果が得られる。
また、請求項3の発明によれば、金属膜の金属と板状体の材料とのいずれか一方又は両方の半導体ウエハへの拡散を阻止膜で抑制することができ、半導体ウエハの特性劣化を防ぐことができる。
【0011】
【第1の実施形態】
次に、図1〜図3を参照して本発明の第1の実施形態の貼り合せ半導体ウエハの製造方法を説明する。
【0012】
まず、図1(A)に示す板状体としてのSi半導体ウエハ1と、図1(B)に示す半導体ウエハとしての化合物半導体ウエハ2を用意する。Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とは、線膨張係数即ち熱膨張係数が大きく相違する。
【0013】
Si半導体ウエハ1はその上面に貼着される化合物半導体ウエハ2の支持板として機能する部分であり、厚さ約100μm〜300μmのシリコン単結晶基板から成り、その線膨張係数は約3×10−6/℃である。この実施形態ではSi半導体ウエハ1に不純物が導入されており、Si半導体ウエハ1は抵抗値が比較的低いSi基板である。
【0014】
化合物半導体ウエハ2は、例えば発光層等を構成する部分であり、複数の3−5族化合物半導体層(AlGaInP化合物半導体層やAlGaAs化合物半導体層等)が積層された厚さ約10μmの半導体基板である。即ち、図1及び図2において概略的に示されている化合物半導体ウエハ2は、図3に示すようにn型バッファ層2a、n型クラッド層2b、活性層2c、p型クラッド層2d、コンタクト層2eを有し、発光領域として機能する。
この化合物半導体ウエハの線膨張係数は4×10−6/℃〜6×10−6℃である。
【0015】
次に、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2を、H2SO4 とH2O2の混合水溶液の洗浄液に浸漬させて、表面の有機物を除去し、更にHF水溶液を用いて半導体ウエハの表面に形成された自然酸化膜を除去し、ウエハ表面を清浄化する。
【0016】
次に、化合物半導体ウエハ2の一方の主面(下面)に、周知の真空蒸着等によって図1(C)に示すように例えばTi膜又はTi層から成るバリア金属膜又は拡散阻止層とも呼ぶことができる拡散阻止膜3を形成し、更にこの拡散阻止膜3の表面に例えばAu(金)の膜又は層から成る金属膜4を形成する。金属膜4はこの金属(Au)をSi半導体ウエハ1にこの塑性温度よりも低い温度で拡散させてSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを拡散接合するためのものである。従って、金属膜4を拡散金属膜又は拡散金属層と呼ぶこともできる。本実施形態では、拡散接合が良好に行えるように拡散阻止膜3の厚みを約0.01μm、また拡散用金属膜4の厚みを約0.2μmにした。
【0017】
次に、図1(D)に示すように、化合物半導体ウエハ2の一方の主面側の金属膜4にSi半導体ウエハ1の一方の主面を密着させて、Si半導体ウエハ1上に化合物半導体ウエハ2が積層配置して成るウエハ積層体5を形成する。
【0018】
次に、図1(E)に示すようにウエハ積層体5を加圧してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との密着を維持した状態で、金属膜4に対してSi半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハ2の塑性温度よりも低い約260℃の熱処理を約1時間施す。
【0019】
図2はSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを密着させるための加圧治具の1例を示す。加圧治具6は、ウエハ積層体5を支持する支持部材7と、支持部材7の外周に離間して配置されたリング状のホルダ8と、リング状ホルダ8に設けられた吸引路9と、可撓性を有する上下のフィルム部材10、11とを備えている。
支持部材7は、多数の孔が形成された通気性を有する多孔質材料から成り、ウエハ積層体5よりも大きな外径を有する。リング状ホルダ8は支持部材7よりも大きな径を有する円形状の貫通孔8aを有し、この孔8a内には支持部材7が配置されている。上述のようにリング状ホルダ8に形成された孔8aの内径は支持部材7の外径よりも大きいので、リング状ホルダ8と支持部材7との間には隙間が形成される。下側のフィルム部材10は、リング状ホルダ8の孔8aの下側を塞ぐように孔8aの縁部に沿ってリング状ホルダ8の下面に貼着されている。上側のフィルム部材11は、支持部材7の上に載置された平面形状円形のウエハ積層体5を覆い且つリング状ホルダ8の孔8aの上側を塞ぐように配置され且つ支持部材7及びリング状ホルダ8の上面に貼着されている。この結果、リング状ホルダ8の孔8a内にはリング状ホルダ8の内壁部とフィルム部材10、11とによって包囲された空間12が形成され、この空間12内にウエハ積層体5が載置された支持部材7が配置される。また、空間12には吸引路9を介して図示しない吸引ポンプが連結されている。
【0020】
図2の状態で真空吸引ポンプを用いて空間12内を真空に吸引すると、ウエハ積層体5は支持部材7の上面に吸着される。また空間12内が真空に引かれることで下側フィルム部材10が支持部材7に密着し、上側フィルム11がウエハ積層体5及び支持部材7に密着し、ウエハ積層体5は上側フィルム部材11と下側フィルム部材10との間に支持部材7を介して強く挟持される。この結果、ウエハ積層体5は図1(E)で対の矢印で示すように厚み方向に加圧され、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とが金属膜4を介して密着する。真空吸引ポンプによる吸引を続ける間、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との密着が維持される。
【0021】
上述のようにSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とを金属膜4を介して加圧密着させた状態で、金属膜4に対して約260℃の熱処理を約1時間施すと、周知の固相拡散接合法によって金属膜4を介してSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2とが接合する。ここで、固相拡散接合法とは、被接合部材を溶融させずに固相状態のままで接合する固相接合方法であり、被接合部材同士を加圧して接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。
本実施形態では、金属膜4を構成するAu原子がSi半導体ウエハ1に拡散し、またSi半導体ウエハ1を構成するSi原子が金属膜4に拡散する。この結果、金属膜4とSi半導体ウエハ1との界面にAuとSiの相互拡散領域から成るAu−Si混在層即ちAu−Si合金層が形成される。なお、金属膜4と化合物半導体ウエハ2との間には拡散阻止膜3が形成されているため、金属膜4を構成するAu原子とSi半導体ウエハ1を構成するSi原子は化合物半導体ウエハ2側には実質的に拡散しない。これは、本実施形態では化合物半導体ウエハ2を例えば半導体発光素子の発光機能層として利用するため、発光機能層への不純物即ちSi、Auの拡散を防止する必要があるからである。従って、このような拡散を防止する必要がない場合には、図4に示すように拡散阻止膜3を省略し、金属膜4を構成する金属原子を化合物半導体ウエハ2にも拡散させても良い。
【0022】
Au−Si合金層即ちAu−Si混在層の形成によって、化合物半導体ウエハ2とSi半導体ウエハ1は図3に示すように拡散阻止膜3及びAu−Si混在層4aを介して強固に接合される。なお、金属膜4に施す熱処理の温度と時間によっては、Au−Si混在層4aと拡散阻止膜3との間に薄い金属膜4が残存することがある。
【0023】
発光素子を作る時には、図3の貼り合せ半導体ウエハ5a又はこれを所定寸法に切断したものにアノード電極13とカソード電極14を設ける。即ち、化合物半導体ウエハ2の上面に一方の電極即ちアノード13を接続し、SI半導体ウエハ1の他方の電極即ちカソード14を接続する。なお、化合物半導体ウエハ2側に電流通路を制限するための周知の電流ブロック層を設けること、及び透明電極を設けることができる。また、カソード14を化合物半導体ウエハ2の下側部分に接続することもできる。
【0024】
上述の半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法によれば、Si半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2の線膨張係数差が大きいにも拘わらず、2つの半導体ウエハ1、2に特性上問題となるようなダメージを発生させずにウエハを貼着することができる。即ち、本実施形態では、固相拡散接合法を利用しているので、金属膜4を構成する金属原子が拡散する温度の熱処理でウエハ接合が可能であり、その熱処理温度は従来の結晶塑性を伴なうウエハ接合の熱処理温度(結晶塑性温度)よりも十分に低い温度である。このため、線膨張係数差が比較的大きいウエハを接合する場合でも、ウエハ接合工程における加熱及び冷却による半導体ウエハ1、2の伸縮が比較的小さく、これに伴なう半導体ウエハ1、2の歪みや反りを抑制できる。この結果、Si半導体ウエハ1及び化合物半導体ウエハ2に特性上問題となるようなダメージを発生させずに、Si半導体ウエハ1に対する化合物半導体ウエハ2の貼り合せが可能であり、電気的特性が良好な貼り合せ半導体ウエハ5aが得られる。
【0025】
【第2の実施形態】
図5は第2の実施形態のSi半導体ウエハ1と化合物半導体ウエハ2との貼り合せ前の状態を示す。この第2の実施形態の化合物半導体ウエハ2には図1(C)と同様に拡散阻止膜3を介してAuから成る金属膜4が設けられている。また、Si半導体ウエハ1の一方の主面にもAuから成る金属膜4′が設けられている。貼り合せ半導体ウエハを形成する時には、2つの金属膜4、4′を密着し、第1の実施形態と同様に加圧且つ熱処理を施す。これにより、金属膜4、4´の原子が相互に拡散し、また、Si半導体ウエハ1のSiが金属膜4、4´に拡散すると共にAuがSi半導体ウエハ1に拡散し、両者の貼り合せ体が得られる。
【0026】
第2の実施形態によっても熱処理の温度をSi半導体ウエハ1の塑性温度よりも低くすることによって第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【0027】
【第3の実施形態】
図6に示す第3の実施形態では、化合物半導体ウエハ2に図5と同様に例えばTiから成る第1の拡散阻止膜と例えばAuから成る第1の金属膜4が設けられ、且つ板状体としてのSi半導体ウエハ1の一方の主面上に例えばTiからなる第2の拡散阻止膜3´と例えばAuから成る第2の金属膜4´とが設けられている。これ等を貼り合わせる時には、第1及び第2の金属膜4、4´を密着させ、第1の実施形態と同一の方法で加圧及び加熱する。これにより、第1及び第2の金属膜4、4´の原子が相互に拡散して貼り合せ体が得られる。
従って、第3の実施形態によっても第1及び第2の実施形態と同様な効果が得られる。
【0028】
【第4の実施形態】
図7に示す第4の実施形態では、図1(D)に示す第1の実施形態の積層体の化合物半導体ウエハ2と拡散阻止層3との間に例えばAlから成る光反射膜20が追加されている。この光反射膜20は図3に示すように発光素子を形成した時に活性層2cからSi半導体ウエハ1側に放射された光をアノ−ド13側に反射させる働きを有する。
なお、光反射膜20は、図4、図5及び図6の貼り合せ構造のものにも設けることができる。
【0029】
【第5の実施形態】
図8に示す第5の実施形態では、図5の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに例えばサフアイャ等の絶縁基板1aが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2側の例えばAuから成る第1の金属膜4と絶縁基板1a側の例えばAuから成る第2の金属膜4´とを密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、第1及び第2の金属膜4、4´の原子の拡散によって両者を接合する。なお、図1、図4、図7の実施形態においてSi半導体ウエハ1を図8と同様に絶縁基板とすることができる。
【0030】
【第6の実施形態】
図9に示す第6の実施形態では、図5の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに例えば金(Au)等の金属基板1bが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2側の例えばAuから成る金属膜4と金属基板1bとを密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、金属膜4と金属基板1aの原子の拡散によって両者を接合する。なお、図1、図4、図7の実施形態においてSi半導体ウエハ1を図9と同様に金属基板とすることができる。
【0031】
【第7の実施形態】
図10に示す第7の実施形態では、第1の実施形態におけるSi半導体ウエハ1の代りに、例えばAu等の金属絶縁基板1bが使用されている。この場合には、化合物半導体ウエハ2を金属基板1bに直接に密着させ、第1の実施形態と同様な加圧及び加熱処理を施し、両者間の原子の拡散によって両者を接合する。
【0032】
【変形例】
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1) 化合物半導体ウエハ2の中の発光機能層等の構成を種々変形することができる。
(2) 2枚の半導体ウエハ1、2を貼り合せた後に、2枚の半導体ウエハ1、2のいずれか一方又は両方に所定の半導体素子を形成することができる。
(3) 積層体5に対する加圧を、積層体5に耐熱性弾性体を介して荷重を加える方法とすることができる。
(4) 板状体がSi半導体ウエハ1であり、半導体ウエハが3−5族化合物半導体ウエハ2であることが望ましいが、化合物半導体ウエハ2の代りにSi等の半導体ウエハを使用し、Si半導体ウエハ1の代りに別の半導体の基板、絶縁基板、金属基板を使用することができる。
(5) 3枚以上の半導体ウエハの貼り合せにも本発明を適用することができる。
(6) 拡散阻止膜3、3´は、Ti以外にTa、Ni、Pt、MoCr等で形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の貼り合せ半導体ウエハの構成を製造工程順に示す断面図である。
【図2】ウエハ積層体の加圧装置を示す断面図である。
【図3】第1の実施形態に従って形成した発光素子を示す断面図である。
【図4】第1の実施形態の変形例のウエハ積層体を示す断面図である。
【図5】第2の実施形態のウエハ積層体の積層前の状態を示す断面図である。
【図6】第3の実施形態の積層体の積層前の構成を示す断面図である。
【図7】第4の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図8】第5の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図9】第6の実施形態の積層体を示す断面図である。
【図10】第7の実施形態の積層体を示す断面図である。
【符号の説明】
1 Si半導体ウエハ
2 化合物半導体ウエハ
3 拡散阻止膜
4 金属膜
5 積層体
Claims (5)
- 第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する板状体とを金属膜を介して積層する工程と、
前記金属膜に対して、前記金属膜を構成する金属の拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記板状体を構成する材料の塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を前記半導体ウエハと板状体とのいずれか一方又は両方に拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程と
を有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法。 - 第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する板状体とを用意する工程と、
前記半導体ウエハ又は前記板状体の一方の主面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜に前記板状体又は前記半導体ウエハの他方の主面を接触させて前記半導体ウエハと前記金属膜と前記板状体との積層体を得る工程と、
前記積層体の前記金属膜に対して、前記金属膜を構成する金属の拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記板状体を構成する材料の塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を少なくとも前記半導体ウエハに拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程と
を有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法。 - 第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する板状体とを用意する工程と、
前記半導体ウエハの一方の主面に拡散阻止膜を形成する工程と、
前記拡散阻止膜の表面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜に前記板状体の一方の主面を接触させて前記半導体ウエハと前記拡散阻止膜と前記金属膜と前記板状体との積層体を得る工程と、
前記金属膜に対して、前記金属膜を構成する金属の前記板状体への拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記板状体を構成するそれぞれの材料のそれぞれの塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を少なくとも前記板状体に拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程と
を有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法。 - 更に、前記板状体の一方の主面に前記金属膜を形成する工程を有し、前記半導体ウエハの金属膜と前記板状体の金属膜を密着させて前記熱処理を施すことを特徴とする請求項1又は2又は3記載の半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法。
- 第1の線膨張係数を有する半導体ウエハと、前記第1の線膨張係数と相違する第2の線膨張係数を有する金属板とを積層する工程と、
前記金属板に対して、前記金属板を構成する金属の拡散温度よりも高く且つ前記半導体ウエハ及び前記金属板を構成する材料の塑性温度よりも低い温度の熱処理を施して、前記金属を前記半導体ウエハに拡散させて半導体ウエハ貼り合せ体を得る工程と
を有する半導体ウエハ貼り合せ体の製造方法。
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