JP2004363299A

JP2004363299A - 半導体接合ウエハ

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Publication number: JP2004363299A
Application number: JP2003159544A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ibaraki; 正茨木; Yasushi Yoshimura; 康吉村
Original assignee: Naoetsu Electronics Co Ltd
Current assignee: Naoetsu Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP3927925B2

Abstract

【課題】簡便でしかも確実にボイドの発生を防止する。
【解決手段】両ウエハ１，２の接合界面Ｂに、それからウエハ１，２の外へ通じる逃がし通路３を形成することにより、これら両貼り合せ面１ａ，２ａを貼り合わせる際に、ボイド発生成分が局所的に封じ込められたとしても、逃がし通路３を介してボイド発生成分がウエハ１，２外へ抜くことが可能となり、接合界面Ｂにボイド発生成分が残留せず、ボイド発生の抑制に寄与する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン半導体基板同士を直接接合して製造した半導体接合ウエハ、特に固着熱処理工程におけるボイド（未接合部分）の発生を防止するものに関する。
詳しくは、２枚のシリコンウエハを直接又は酸化膜を介して貼り合わせる半導体接合ウエハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体接合ウエハとして、２枚のシリコンウエハ（シリコン基板）の各接合面を夫々鏡面研磨し、各接合面の酸化膜を除去するか又は弗酸処理した後、水洗、乾燥して、これらの接合面を実質的に異物の介在しない条件下で直接密接させてシリコンウエハを加圧することなく２００℃以上の温度で熱処理することにより、一体的に接着させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２６２１８５１号公報（第１〜２頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし乍ら、このような従来の半導体接合ウエハでは、その製造過程において、２枚のウエハを接着する際、これらの接合界面に例えば空気などが局所的に封じ込められ、この接着後に接着強度を強固にするための固着熱処理を施すと、固着熱処理におけるウエハ内成分（例えばドーパント）の外方拡散などにより、接合界面にボイド（未接合部分）が発生することが判っている。
このボイドは、デバイス製造工程において接合部分が剥離する原因となったり、デバイス特性に悪影響を及ぼすという問題がある。
このようなボイドの発生を防止するために、様々な接合方法や接合装置などが既に出願されているが、簡便な方法で確実にボイドの発生を防止するものはなかった。
【０００５】
本発明のうち請求項１記載の発明は、簡便でしかも確実にボイドの発生を防止することを目的としたものである。
請求項２、３記載の発明は、請求項１に記載の発明の目的に加えて、極めて簡単な構造でボイドの発生を確実に防止することを目的としたものである。
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３に記載の発明の目的に加えて、逃がし通路が原因となってチップの製作個数が減るのを防止することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、以下の通りである。
本発明のうち請求項１記載の発明は、両ウエハの接合界面に、それからウエハの外へ通じる逃がし通路を形成し、この逃がし通路を介して該接合界面に封じ込められたボイド発生成分をウエハ外へ抜いたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記逃がし通路が、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面に形成した段差であり、この段差を各ウエハの外周面の２点以上に亘って貫通させた構成を加えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、前記前記逃がし通路が、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面からウエハの裏面に亘って開穿した通孔である構成を加えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の発明の構成に、前記逃がし通路を、後工程でパターンリングされる各チップ間の切断線に沿って配置した構成を加えたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
上記手段を採用することにより以下の作用を生じる。
請求項１では、両ウエハの接合界面に、それからウエハの外へ通じる逃がし通路を形成することにより、これら両貼り合せ面を貼り合わせる際に、ボイド発生成分が局所的に封じ込められたとしても、逃がし通路を介してボイド発生成分がウエハ外へ抜くことが可能となり、接合界面にボイド発生成分が残留せず、ボイド発生の抑制に寄与する。
請求項２では、請求項１記載の発明の作用に加えて、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面に形成された段差を、各ウエハの外周面の２点以上に亘って貫通させることにより、両貼り合せ面の間に封じ込んだボイド発生成分が段差を通って各ウエハの外周面の２点へ抜くことが可能となる。
請求項３では、請求項１記載の発明の作用に加えて、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面から各ウエハの裏面に通じる通孔を開穿することにより、両貼り合せ面の間に封じ込んだボイド発生成分が通孔を通じてウエハ裏面へ抜かれる。
請求項４では、請求項１、２または３記載の発明の作用に加えて、逃がし通路を後工程でパターンリングされる各チップ間の切断線に沿って配置することにより、後工程で貼り合わされたウエハを切断線沿いに切断して個々のチップに分割する際に、逃がし通路も一緒に切断されて消滅する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
この実施例は、図１及び図２に示す如く、互いに貼り合わせる２枚のシリコンウエハ１，２が、少なくとも夫々の貼り合せ面１ａ，２ａが鏡面加工されたベースウエハ及びボンドウエハであり、これらベースウエハ１とボンドウエハ２の接合界面Ｂから該ウエハ１，２の外へ通じる逃がし通路３として、これら両の貼り合せ面１ａ，２ａのどちらか一方又は両方に凹溝状の段差３ａを形成した場合を示すものである。
【０００９】
上記ベースウエハ１とボンドウエハ２との貼り合わせには、本実施例の場合、図２（ａ）に示すような「ＰＷバルク接合」と、図２（ｂ）に示すような「拡散接合」について説明する。
【００１０】
「ＰＷバルク接合」は、鏡面加工されたベースウエハ１の貼り合せ面１ａ及びボンドウエハ２の貼り合せ面２ａを、例えばフッ酸（ＨＦ）などの水溶液により洗浄して、両貼り合せ面１ａ，２ａの自然酸化膜が除去されたものを直接重ね合わせるか、或いは少なくとも貼り合せ面１ａ，２ａのどちらか一方又は両方に熱酸化により酸化膜（図示せず）が形成されたものを、フッ酸洗浄せずに該酸化膜が挟み込まれるように重ね合わせ、その後、この重ね合わされた両ウエハ１，２を酸素（Ｏ_２）ガス雰囲気中にて例えば約１１００℃で２時間程度の固着熱処理することにより、所定の接着強度が得られる。
【００１１】
「拡散接合」は、ボンドウエハ２を例えばリンやボロン（ホウ素）などの不純物で拡散（ディフュージョン）処理されて表面に拡散層２ｂが形成された貼り合せ面２ａを鏡面研磨してから、ボンドウエハ２の貼り合せ面２ａと共に、例えばフッ酸などの水溶液により洗浄して、両貼り合せ面１ａ，２ａの自然酸化膜が除去されたものを直接重ね合わせるか、或いは少なくとも貼り合せ面１ａ，２ａのどちらか一方又は両方に熱酸化により酸化膜（図示せず）が形成されたものを、フッ酸洗浄せずに該酸化膜が挟み込まれるように重ね合わせ、その後、この重ね合わされた両ウエハ１，２を酸素ガス雰囲気中にて例えば約１２００℃で２時間程度の固着熱処理することにより、所定の接着強度が得られる。
【００１２】
そして、上記凹溝状の段差３ａは、ベースウエハ１とボンドウエハ２の重ね合わせ前に形成され、これら両ウエハ１，２の間に酸化膜を挟み込む場合には、この酸化膜形成の前後に形成され、その形成方法としては、例えばダイシング装置、ワイヤーソー装置、ブラスト装置などを使用するか、又は薬液やプラズマなどによるエッチングで形成するか、これらの組み合わせにより形成する。
【００１３】
図示例の場合には、ボンドウエハ２の貼り合せ面２ａのみに、例えばダイシング装置やワイヤーソー装置などで断面円弧状の段差３ａを溝切りし、その平面形状が該ウエハ２の中心を通る十字状の直線溝とすることにより、この段差３ａを各ウエハ１，２の外周面の２点以上に亘って貫通させたが、これに限定されず、貼り合せ面２ａに溝切りした段差３ａに代えて、ベースウエハ１の貼り合せ面１ａのみに段差３ａを溝切りしたり、これら両貼り合せ面１ａ，２ａに亘って段差３ａ，３ａを溝切りしても良い。
【００１４】
更に、上記段差３ａの断面形状及び平面形状だけでなく、溝切りした位置や本数も、図示した断面円弧状に形成される十字状の直線溝に限定されず、両ウエハ１，２の接合界面Ｂから該ウエハ１，２の外へ達する空間であれば、どのような断面形状及び平面形状でも良く、配置や本数についても任意である。
【００１５】
また、上記逃がし通路３は、後工程でパターンリングされる各チップＣ間の切断線（スクライブライン）Ｌに沿って配置することが好ましく、図示例の場合には、段差３ａを切断線に沿って直線上に配置している。
【００１６】
次に、斯かる半導体接合ウエハの製造方法について説明する。
先ず、ベースウエハ１の貼り合せ面１ａとボンドウエハ２の貼り合せ面２ａとからなる接合界面Ｂに、それからウエハ１，２の外へ通じる逃がし通路３を形成してから、図２（ａ）に示す「ＰＷバルク接合」や図２（ｂ）に示す「拡散接合」によって、これら両貼り合せ面１ａ，２ａを貼り合わせた。
【００１７】
それにより、両ウエハ１，２の重ね合わせ時に、例えば空気などのボイド発生成分が局所的に封じ込められたとしても、逃がし通路３を介してボイド発生成分がウエハ１，２外へ抜くことが可能となり、接合界面Ｂにボイド発生成分が残留せず、ボイド発生の抑制に寄与する。
【００１８】
その実験例として、固着熱処理後の状態を超音波探傷法で測定した映像（写真）を図３に示す。
この図３には、（ａ）として「拡散接合」で貼り合わせた半導体接合ウエハと、（ｂ）として逃がし通路３を形成せずに貼り合わせた比較例を、夫々３例ずつ示した。
【００１９】
その結果、両ウエハ１，２の貼り合わせ作業を多少ラフに行っても、ボイドの発生を確実に防止できることが判った。
なお、上述したように両ウエハ１，２を貼り合わせた後は、図２（ａ）（ｂ）に二点鎖線で示したように、少なくともボンドウエハ２の裏面２ｃ側を平面研削した後に研磨して所望厚さの半導体接合ウエハが完成する。
【００２０】
更に本実施例の場合には、両ウエハ１，２のどちらか一方又は両方の貼り合せ面１ａ，１ｂに形成された段差３ａを、各ウエハ１，２の外周面の２点以上に亘って貫通させることにより、両貼り合せ面１ａ，１ｂの間に封じ込んだボイド発生成分が段差３ａを通って各ウエハ１ａ，１ｂの外周面の２点へ抜くことが可能となる。
その結果、極めて簡単な構造でボイドの発生を確実に防止できるという利点がある。
【００２１】
また、上記逃がし通路３を後工程でパターンリングされる各チップＣ間の切断線Ｌに沿って配置すれば、後工程で貼り合わされたウエハ１，２を切断線Ｌ沿いに切断して個々のチップＣに分割する際に、逃がし通路３も一緒に切断されて消滅する。
その結果、逃がし通路３が原因となってチップの製作個数が減るのを防止できるという利点がある。
【００２２】
一方、図４及び図５に示すものは、本発明の他の実施例であり、このものは、前記逃がし通路３として、これら両ウエハ１，２の貼り合せ面１ａ，２ａのどちらか一方又は両方にから各ウエハ１，２の裏面に亘って通孔３ｂを開穿した構成が、前記図１及び図２に示した実施例とは異なり、それ以外の構成は図１及び図２に示した実施例と同じものである。
【００２３】
上記通孔３ｂは、前記段差３ａと同様に、ベースウエハ１とボンドウエハ２の重ね合わせ前に形成され、これら両ウエハ１，２の間に酸化膜（図示せず）を挟み込む場合には、この酸化膜形成の前後に形成され、その形成方法としては、例えばドリル，ブラスト装置などを使用するか、又は薬液やプラズマなどによるエッチングで形成するか、これらの組み合わせにより形成する。
【００２４】
図示例の場合には、ボンドウエハ２の貼り合せ面２ａから裏面２ｃに亘り、例えばドリルなどで平面円形の通孔３ｂを複数個開穿したが、通孔３ｂの平面形状や開穿位置や個数も、図示したものに限定されず、両ウエハ１，２の接合界面Ｂから該ウエハ１，２の外へ達する空間であれば、どのような平面形状や開穿配置や個数でも良い。
【００２５】
その結果、図４及び図５に示すものは、両貼り合せ面１，２の間に封じ込んだボイド発生成分が通孔３ｂを通じてウエハ２の裏面２ｃへ抜かれるので、前記段差３ａと同様に、極めて簡単な構造でボイドの発生を確実に防止できるという利点がある。
【００２６】
尚、前示両実施例では、２枚のシリコンウエハ１，２を直接又は酸化膜を介して貼り合わせる場合のみを説明したが、これに限定されず、同様に３枚以上のシリコンウエハを直接又は酸化膜を介して貼り合わせることも可能である。
更に逃がし通路３として両ウエハ１，２のどちらか一方のみに段差３ａと通孔３ｂを別々に形成したが、これに限定されず、両ウエハ１，２のどちらか一方に段差３ａを形成して他方に通孔３ｂを開穿しても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明は、両ウエハの接合界面に、それからウエハの外へ通じる逃がし通路を形成することにより、これら両貼り合せ面を貼り合わせる際に、ボイド発生成分が局所的に封じ込められたとしても、逃がし通路を介してボイド発生成分がウエハ外へ抜くことが可能となり、接合界面にボイド発生成分が残留せず、ボイド発生の抑制に寄与するので、簡便でしかも確実にボイドの発生を防止できる。
従って、後工程の接合ウエハの加工プロセス、及びデバイスプロセスにおける接合界面でのハガレ・ワレ・カケなどの不良品の発生を低減できデバイスチップの低コスト化が実現できることは元より、最終製品であるデバイスの電気特性に悪影響を与えず高品質のデバイスチップが製造可能となる。
【００２８】
請求項２の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面に形成された段差を、各ウエハの外周面の２点以上に亘って貫通させることにより、両貼り合せ面の間に封じ込んだボイド発生成分が段差を通って各ウエハの外周面の２点へ抜くことが可能となるので、極めて簡単な構造でボイドの発生を確実に防止できる。
【００２９】
請求項３の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、両ウエハのどちらか一方又は両方の貼り合せ面から各ウエハの裏面に通じる通孔を開穿することにより、両貼り合せ面の間に封じ込んだボイド発生成分が通孔を通じてウエハ裏面へ抜かれるので、極めて簡単な構造でボイドの発生を確実に防止する・できる。
【００３０】
請求項４の発明は、請求項１、２または３の発明の効果に加えて、逃がし通路を後工程でパターンリングされる各チップ間の切断線に沿って配置することにより、後工程で貼り合わされたウエハを切断線沿いに切断して個々のチップに分割する際に、逃がし通路も一緒に切断されて消滅するので、逃がし通路が原因となってチップの製作個数が減るのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体接合ウエハの一部拡大平面図である。
【図２】図１の（２）−（２）に沿える部分拡大縦断正面図であり、（ａ）はＰＷバルク接合の場合を示し、（ｂ）は拡散接合の場合を示している。
【図３】ボイドの発生を超音波探傷法で測定した結果を示す映像であり、（ａ）は拡散接合の場合を示し、（ｂ）は比較例を示している。
【図４】本発明の他の実施例を示す半導体接合ウエハの平面図である。
【図５】図４の（５）−（５）に沿える部分拡大縦断正面図であり、（ａ）はＰＷバルク接合の場合を示し、（ｂ）は拡散接合の場合を示している
【符号の説明】
Ｂ接合界面Ｃチップ
Ｌ切断線１ウエハ（ベースウエハ）
１ａ貼り合せ面２ウエハ（ボンドウエハ）
２ａ貼り合せ面３逃がし通路
３ａ段差３ｂ通孔

Claims

２枚のシリコンウエハ（１，２）を直接又は酸化膜を介して貼り合わせる半導体接合ウエハにおいて、
前記両ウエハ（１，２）の接合界面（Ｂ）に、それからウエハ（１，２）の外へ通じる逃がし通路（３）を形成し、この逃がし通路（３）を介して該接合界面（Ｂ）に封じ込められたボイド発生成分をウエハ（１，２）外へ抜いたことを特徴とする半導体接合ウエハ。
前記逃がし通路（３）が、両ウエハ（１，２）のどちらか一方又は両方の貼り合せ面（１ａ，２ａ）に形成した段差（３ａ）であり、この段差（３ａ）を各ウエハ（１，２）の外周面の２点以上に亘って貫通させた請求項１記載の半導体接合ウエハ。
前記逃がし通路（３）が、両ウエハ（１，２）のどちらか一方又は両方の貼り合せ面（１ａ，２ａ）からウエハ（１，２）の裏面に亘って開穿した通孔（３ｂ）である請求項１または２記載の半導体接合ウエハ。
前記逃がし通路（３）を、後工程でパターンリングされる各チップ（Ｃ）間の切断線（Ｌ）に沿って配置した請求項１、２または３記載の半導体接合ウエハ。