JP2011523779A - 混合トリミング方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、面取りされたエッジを有し、第2のウェハ(300)に接合された第1のウェハ(200)を備える構造(500)のトリミング方法に関する。この方法は、第1のウェハの所定の深さ(Pd 1)にわたって機械加工により実行された第1のウェハ(200)のエッジをトリミングするための第1のステップ(S4)を含む。この第1のトリミングステップの後に、少なくとも第1のウェハの残りの厚さにわたって非機械的にトリミングするための第2のステップ(S5)が続く。
【選択図】 図3D
【選択図】 図3D
Description
本発明は、少なくとも1つの層を支持体に転写することによって作られる多層半導体構造または基板(多層半導体ウェハとも呼ばれる)の製造分野に関する。転写層は、第1のウェハを第2のウェハすなわち支持体に分子結合することによって形成され、この第1のウェハは、一般に、接合後に薄化される。第1のウェハはまた、マイクロコンポーネントの1つ以上の層を最終支持体へ転写することを必要とするコンポーネントの三次元(3D)集積化の場合や、例えば、バックライト付きイメージングデバイスの作製のような回路転写の場合のように、コンポーネントまたは複数のマイクロコンポーネントのすべてまたは一部を含んでもよい。
転写層および支持体を形成するために使用されるウェハのエッジには、一般に、ウェハの取り扱いを容易にするため、さらには、エッジが突き出ていることで起こり得るエッジでの破損がウェハ表面を汚染する粒子の源になる事態を回避するために、面取り部やエッジの丸みがある。面取り部の形の形状は、丸みをつけられてもよく、および/または、傾斜させた形状であってもよい。
しかしながら、このような面取り部があると、支持体とウェハが周辺部で良好に接触できなくなる。その結果、転写層が支持基板に接合されないか、または適切に接合されない周辺ゾーンが存在することになる。転写層の周辺ゾーンは、制御できない状況下での破損、あるいは望ましくない破片や粒子による構造の汚染を招きやすいため除去する必要がある。
このように、ウェハが支持体に接合されると、任意の必要な薄化処理後、転写層は、面取り部が延在する周辺ゾーンを除去するためにトリミングされる。トリミングは、通常、本質的に、機械加工によって、特に、転写層の露出表面から支持体まで摩耗や研削によって実行される。
しかしながら、このようなトリミングにより、転写層と支持体との間の接合界面と、転写層自体の両方の位置で剥離に関する問題が生じる。さらに正確に言えば、接合界面での剥離問題は、層の周辺近傍のゾーンにわたって転写層が層間剥離するということであり、この層間剥離によりマクロな剥離が起こる可能性がある。結合エネルギーは、面取り部が存在するため層の周辺付近で低くなる。結果的に、この領域で研削を行うと、支持基板との接合界面で層が部分的に脱離しかねない。このような脱離は、転写層がコンポーネントを含む場合、さらに起こりやすくなる。転写層にコンポーネントが存在する場合、コンポーネントは高温アニールの温度に耐性がないため、通常、接合界面を強化するために接合後に実行される高温アニールが使用されない。
さらに、層が、回路、コンタクト、および特に金属で形成されたゾーンなどのコンポーネントを備える場合、研削により転写層に存在するコンポーネントのモチーフで層間剥離が生じることがあり、この層間剥離によりミクロな剥離が起こる可能性がある。
このようなマクロおよびミクロな剥離現象は、トリミングステップ中、あるレベルを超えた加熱および/または機械応力が構造にかかると起こる。このレベルは、転写層の完全なトリミング中に頻繁に到達される。
本発明の目的は、第2のウェハに接合された第1のウェハを備え、第1のウェハが、面取りされたエッジを有し、コンポーネントを備える構造体のトリミング方法であって、第1のウェハの所定の深さにわたって機械加工により第1のウェハのエッジをトリミングする第1のステップと、その後、第1のウェハの少なくとも残りの厚さにわたって少なくとも部分的に非機械的なものである第2のトリミングステップとを含み、第1のトリミングステップが、下面に溝があるグラインダを用いて実行される、トリミング方法を提案することによって、上述した欠点を解消することである。
このように、機械的トリミングの深さを制限し、少なくとも部分的に非機械的なトリミングによって、すなわち、ウェハ上での機械摩擦のみを含むトリミングによらずにトリミングを完了することで、マクロおよびミクロの剥離現象に関与する加熱および/または応力が制限される。さらに、第1のトリミングステップ中、下面に溝があるグラインダを使用することによって、除去された材料の排出および冷却流体の循環が改善される。これにより、第1のトリミングステップ中の加熱および/または応力がさらに低減される。
本発明の1つの態様によれば、第1のトリミングステップ中、第1のウェハは、第1のウェハの厚さの50%以下の深さにわたって機械加工される。第1のトリミングステップは、研削など、第1のウェハの材料を機械的に摩滅させることによってのみ実行される。
本発明の別の態様によれば、第1および第2のトリミングステップは、面取りされたエッジが延在する幅に少なくとも等しい幅にわたって実行される。第1および第2のトリミングステップは、2mm〜8mmの範囲、好ましくは、2mm〜5mmの範囲の幅にわたって実行されてもよい。
この方法の1つの実施形態によれば、第2のトリミングステップは、化学エッチングによって実行される。
別の実施形態によれば、第2のトリミングステップは、化学プラズマエッチングによって実行される。
さらなる別の実施形態によれば、第2のトリミングステップは、化学機械研磨(CMP)によって実行される。
さらなる別の実施形態によれば、第2のトリミングステップは、第1のトリミングステップ後にトリミングされる残りの部分の破砕や破損によって実行される。
また、本発明により、三次元複合構造の製造方法であって、第1のウェハの一面上にコンポーネントの層を生成する少なくとも1つのステップと、コンポーネントの層を含む第1のウェハの面を第2のウェハに接合するステップと、本発明のトリミング方法により実行される少なくとも第1のウェハのトリミングステップとを含む方法が提供される。
本発明のトリミング方法を使用すると、ウェハ間の接合界面とコンポーネント層との両方での層間剥離の危険性を最小限に抑えながら、2つ以上のウェハを積層することによって三次元構造が生成可能である。コンポーネント層の1つは、イメージセンサを含んでもよい。
本発明は、分子結合、あるいは陽極接合、金属結合、または接着剤による接合などの任意の他のタイプの結合によって組み立てられた少なくとも2つのウェハを備える構造をトリミングする一般的な用途に関するものであり、第1のウェハにコンポーネントを予め形成でき、第1のウェハは、支持体を構成する第2のウェハに接合される。ウェハの輪郭は、一般に、円形であり、さまざまな直径のものがあり得、特に、100ミリメートル(mm)、200mm、または300mmである。本明細書において使用する「コンポーネント」という用語は、ウェハの材料とは異なる材料で作られ、接合界面の強化に通常使用される高温の影響を受けやすい任意のタイプの要素を意味する。これらのコンポーネントは、特に、高温にさらされるとダメージを受け、場合によっては破壊され得る回路やコンタクトまたは活性層など、電子コンポーネントまたは複数の電子マイクロコンポーネントのすべてまたは一部分を形成する要素に相当する。コンポーネントはまた、ウェハのものとは異なる膨張係数の材料で作られ、高温で異なる度合いの膨張をウェハに生じやすく、ウェハの変形および/またはダメージを引き起こし得る要素、モチーフ、または層に相当し得る。
言い換えれば、第1のウェハがこのようなコンポーネントを含む場合、第1のウェハは、接合後に高温アニールを受けることができない。その結果、ウェハ間の結合エネルギーは、典型的に、500mJ/m2(ミリジュール/平方メートル)〜1J/m2(ジュール/平方メートル)の範囲の値に制限されることで、結果的に得られる構造は、上述したように、機械的なトリミング中にマクロ剥離現象の影響を受けやすくなる。さらに、すでに説明したように、トリミングにより、コンポーネントの位置で第1のウェハにおいて層間剥離に相当するミクロ剥離も生じ得る(第1のウェハにおいてコンポーネントを形成する積層体の1つ以上の脱離)。
より一般に、本発明は、膨張係数が異なるウェハアセンブリによって形成されるヘテロ構造の場合のように(例えば、シリコン・オン・サファイア、シリコン・オン・ガラスなど)、高温接合アニールを受けることができない組み立て構造への特定の用途に関するものである。本発明はまた、より標準的なシリコン・オン・インシュレータ(SOI)タイプの構造、すなわち、2つのウェハがシリコンでできたSOI構造にも適用される。このタイプの構造の場合、本発明は、厚さが10マイクロメートル(μm)より厚い層を有する構造、又は、異なる性質を備えた複数の層の積層体を有する構造の形成への特定の用途に関するものである。実際、これらの構造は、該トリミングが既知の先行技術を用いて実行されると、トリミング中にダメージを受けやすいことが観察された。
このため、本発明により、トリミングを2つのステップ、すなわち、完全に機械的(研削、摩耗、切削など)であるが、第1のウェハの所定の深さまでに制限されたトリミング作用または機械加工の第1のステップと、少なくとも部分的に非機械的であり、すなわち、言い換えれば、ウェハ上の摩擦または機械的摩耗だけではない手段を用いて実行される第2のトリミングステップの2つのステップでトリミングを実行することが提案される。このように、マクロおよびミクロ剥離現象の原因となる加熱および/または応力が制限される。
以下、図1A〜図1Eおよび図2を参照しながら、トリミング方法の1つの実施形態について記載する。
図1Aから分かるように、第1のウェハ101と第2のウェハ102、例えば、シリコンウェハとを組み立てることによって、トリミングされる構造100が形成される。本明細書に示す第1および第2のウェハ101および102の直径は同じである。しかしながら、ウェハの直径は異なるものであってもよい。本明細書に記載する実施形態において、分子結合、当業者に既知の技術によって組み立てが実行される。分子結合の原理は、2つの表面を直接接触した状態にすること、すなわち、特定の結合材料(接着剤、ワックス、はんだなど)を用いずに接触状態にすることに基づくことを想起されたい。このような動作に必要なのは、接合される表面が十分に滑らかであること、粒子や汚染がないこと、そして典型的に、接触が開始されるように数ナノメートル未満の距離まで十分に近接した状態にされることである。このような条件下では、2つの表面間の誘引力が、分子結合(接合される2つの表面の原子または分子間で相互作用する電子による一群の誘引力(ファンデルワールス力)によって誘発される結合)を引き起こすのに十分な強さである。
2つのウェハ間の接着は、コンポーネントおよび/または第1のウェハにダメージを与えないように低温で実行される。より正確には、ウェハを周囲温度で接触状態にした後、接合強化アニールが、450℃未満の温度で実行されてもよく、この温度を超えると、アルミニウムや銅などのある種の金属はクリープし始める。
2つのウェハを接触状態にする前に、2つのウェハの一方上に酸化物層タイプの追加の層(図示せず)が形成されてもよい。第1のウェハ101は、コンポーネント103の層を備え、面取りされたエッジ、すなわち、上側面取り部104と、下側面取り部105とを含むエッジを有する。図1Aにおいて、ウェハは、丸みをつけた面取り部を有する。しかしながら、ウェハは、傾斜の形状などの異なる形状を有する面取り部またはエッジの丸みを有してもよい。一般に、「面取りされたエッジ」という用語は、2つのウェハ間の周辺付近での2つのウェハ間の接触が弱くなるように隆起に傾斜を付けた任意のウェハエッジを意味する。
ウェハ101および102は、構造100を形成するために分子結合によって互いに対して組み立てられる(ステップS1、図1B)。第1のウェハ101の初期厚さに応じて、第1のウェハ101は、所定の厚さe、例えば、およそ10μmの転写層106を形成するために薄化されてもよい(ステップS2、図1C)。厚さeは、面取りされたエッジを越えて、層またはウェハの上面と下面との間で測定される。この薄化ステップは、トリミング動作前に実行されることが好ましい。しかしながら、第1のウェハの薄化は任意のものであり、事前に薄化ステップを実行することなく第1のウェハのトリミングが実行されてもよい。
次に、主に、面取り部105を含む層106の環状部分を削除することからなる構造100のトリミングが実行され、この場合、面取り部104に関しては、第1のウェハ101の薄化中にすでに削除されている。本発明によれば、トリミングは、層106の上面から機械作用または機械加工によって実行された第1のトリミングステップとともに開始される(エッジ研削)(ステップS3、図1D)。機械作用は、層の材料を機械的に摩滅させるのに適したグラインダや任意の他のツールによってかけられてもよい。取り去られた環状部分の幅ldは、少なくとも面取り部が延在する幅に相当する。ウェハの直径が100mm、200mm、および300mmの場合、トリミング幅ldは、一般に、2mm〜8mm、好ましくは、2mm〜5mmの範囲である。
該第1のトリミングステップ中、層106は、層106の厚さe未満の深さPd 1にわたって侵食される。さらに正確に言えば、深さPd 1は、厚さeの50%以下である。転写層の厚さは、一般に、およそ1μm〜15μmの範囲である。第1のステップ中のトリミング深さは、例えば、15μmの厚さを有する層に対して、7〜8μm程度のものであってもよい。
この機械加工の深さ制限により、層と、層と第2のウェハとの間の接合界面との両方での加熱および/または応力が低減し得る。
図1Dにおいて、トリミングされた層106のフランクが、基板の平面に垂直になるように線図で示されている。しかしながら、使用するグラインダのタイプに応じて、トリミングフランクのプロファイルは、わずかに内向きに湾曲した形状など、完全に直線ではない異なる形状を有してもよい。特に、このような内向きに湾曲したフランクは、グラインダまたはトリミングホイールの面の少なくとも1つに溝が設けられている場合に得られる。このような溝があることで、除去された材料の排出や、トリミング動作中にホイールにわたってホイール付近に分配された液体(一般に、水)の循環が促される。これにより、ウェハエッジでの加熱/応力がさらに制限され、トリミングの品質をさらに向上させることができる。層またはウェハのトリミングされたフランクが、ほぼ直線のプロファイルをもたない場合、第1のトリミングステップの幅(幅ldなど)は、ウェハまたは層が侵食される幅に少なくとも相当する(次に、トリミング幅は、トリミング中にわずかに低減され得る)。
次に、トリミングは、少なくとも部分的に非機械的であり、すなわち、層の材料上にツールの機械的磨耗作用や摩擦作用以外の材料除去技術を用いて、第2のトリミングステップで完了する(ステップS4、図1E)。この第2のトリミングステップは、第1のトリミングステップ中と同じ幅ldにわたって、および層106の残りの厚さに少なくとも相当する深さPd 2にわたって実行される(すなわち、e−Pd 1)。
第2のトリミングステップは、特に、ウェットエッチングとしても知られている化学エッチングによって実行されてもよい。化学エッチング溶液は、侵食される材料に応じて選択される。シリコンの場合、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)エッチング溶液が使用されてもよい。
第2のトリミングステップはまた、プラズマエッチングやドライエッチングとも呼ばれる反応性イオンエッチングを用いて実行されてもよい。このエッチング技術は、当業者に既知のものである。要するに、イオン衝撃と、イオンガスとエッチングされるウェハまたは層の表面との間の化学反応の両方を用いた物理化学エッチング技術である。ガスの原子は、ポンピングデバイスによって排出される新しい揮発性の種を形成するために、層またはウェハの原子と反応する。
第2のトリミングステップはまた、層の表面を化学的に侵食可能な薬剤(例えば、NH4OH)と、該表面を機械的に侵食可能な研磨粒子(例えば、シリカ粒子)の両方を含有する研磨溶液に関連付けられた布を用いる既知の研磨技術、化学機械研磨(CMP)によって実行されてもよい。完全に非機械的であるドライおよびウェットエッチング技術とは対照的に、化学機械研磨は部分的にのみ非機械的であるが、研削など完全に機械的なトリミングと比較すると、ウェハへの力および加熱を制限し得る。
さらなる別の実施形態によれば、第2のトリミングステップは、第1のトリミングステップ後にトリミングされる残りの部分の破砕や破損によって実行されてもよい。この残りの部分の破砕は、例えば、ベアリングツール、水噴射、レーザなどを使用して、残りの部分に圧力や破断荷重をかけることによって実行されてもよい。
本発明のトリミング方法の特定の非限定的な分野は、三次元構造の製造分野である。
以下、図3A〜図3Fおよび図4に関連して、本発明の1つの実施形態による初期基板上に形成されたマイクロコンポーネントの層の支持体への転写によって三次元構造を製造する方法について記載する。
三次元構造の製造は、第1のウェハ200の表面上に第1の一連のマイクロコンポーネント204を形成することから始まり、第1のウェハのエッジは、上側面取り部206と、下側面取り部205とを有する(図3A、ステップS1)。本明細書に記載する実施形態において、第1のウェハ200は、多層SOIタイプの構造であり、すなわち、シリコン基板203上に配置されるシリコン層201と、層201と基板203との間に存在する埋め込み酸化物層202(例えば、SiO2の層)とを備える。ウェハ200の厚さは、およそ600μm〜900μmの範囲である。ウェハの直径が200mm(8インチ)の場合、標準的な厚さは725μmである。
マイクロコンポーネント204は、マスクを使用するフォトリソグラフィによって形成され、このマスクは、生成されるマイクロコンポーネントに対応するモチーフを形成するためのゾーンを規定し得る。
次に、マイクロコンポーネント204を備える第1のウェハ200の面は、分子結合による結合を目的として第2のウェハ300の面と密接状態にされる(ステップS2、図3B)。ウェハ300の厚さは、およそ725μmである。第1のウェハ200と同じ方法で、第2のウェハ300のエッジは、上側面取り部301と、下側面取り部302とを有する。例えば、SiO2で形成された酸化物層207は、マイクロコンポーネント204を備える第1のウェハ200の面上に形成される。本明細書に記載する実施形態において、第1および第2のウェハ200および300の直径は、200mmである。
接合後、図3Cから分かるように、第1のウェハ200は、マイクロコンポーネント204の層の上方にある第1のウェハ200の一部分、この場合は、基板203を取り去るように薄化される(ステップS3)。本方法のこの段階で、埋め込み層202が、可能性のある汚染、粒子などからコンポーネントを保護するために維持されることが好ましい。第1のウェハ200は、特に、接合界面から50μmで停止するまで基板203の研削や化学機械研磨(CMP)を行うステップの後、例えば、TMAHやKOHでエッチングによって埋め込み酸化物層202まで化学的に侵食するステップとによって薄化されてもよい。原子注入によってウェハ200に予め形成された弱化面に沿った劈開または破砕によって、薄化が実行されてもよい。有益には、残りのウェハ200の厚さを規定するために、埋め込み絶縁層202が使用される。薄化ステップの後、ウェハ200の厚さeは、およそ10μmである。他の条件下において、ウェハの厚さは、1μm〜15μmの範囲であってもよい。
このようにして、第2のウェハ300および第1のウェハ200の残りの部分によって形成された複合構造500が得られる。
本発明によれば、ウェハ200の環状部分を除去することからなる構造500を機械的にトリミングする第1のステップが実行される(ステップS4、図3D)。この第1のトリミングステップは、グラインダ400を使用して実行され、構造500は、回転プレート(図示せず)に保持される。図5から分かるように、グラインダ400は、溝410が存在することで構造化された下面を有する。上述したように、このような構造化された面を有するグラインダが、加熱および応力を制限し得ることが観察されている。明らかに、トリミングは、このような構造化された面をもたないグラインダで実行されてもよい。
この第1のトリミングステップ中、構造200は、およそ4mmの幅ld、およそ5μmの深さPd 1にわたって侵食され、これにより、本明細書に記載する実施例において、マクロ剥離および/またはミクロ剥離が生じない程度に加熱および/または応力が十分に低減され得る。
次に、トリミングは、例えば、TMAH溶液を使用して化学エッチングによって実行される第2の非機械的トリミングステップによって完了する。この第2のトリミングステップは、層201の残りの厚さおよび第2の層300の厚さを含む、幅ldおよび深さPd 2にわたって実行される(ステップS5、図3E)。
構造500のトリミングが終了すると、層202を取り去った後、層201の露出表面にマイクロコンポーネント214の第2の層が形成される(図3F、ステップS6)。本明細書に記載する実施例において、マイクロコンポーネント214は、埋め込みマイクロコンポーネント204と位置合わせして形成される。この目的のために、マイクロコンポーネント204を形成するために使用されるものと同様のフォトリソグラフィマスクが使用される。
1つの変形例において、三次元構造は、層の積層体によって、すなわち、1つ以上の追加の層を層201に転写することによって形成され、各追加の層は、すぐ隣に接する1つまたは複数の層と位置合わせされる。2つのステップからなる本発明のトリミング方法は、各転写層に対して実行される。さらに、追加の層の各転写前に、組み立てやすさや、後続の化学的侵食からの(下部ウェハの材料が露出される)トリミングゾーンの保護を目的に、露出層上に酸化物層、例えば、テトラエトオキシシラン(TEOS)酸化物層を堆積することが可能である。
特定の実施形態によれば、マイクロコンポーネントの層の1つが、特に、イメージセンサを備えてもよい。
別の実施形態によれば、コンポーネントは、転写層を構成する第1のウェハと第2の支持ウェハとを組み立てる前に、第2の支持ウェハにすでに形成されている。
Claims (15)
- 第2のウェハ(102)に接合された第1のウェハ(101)を備え、前記第1のウェハ(101)が、面取りされたエッジ(104、105)を有し、コンポーネント(103)を備える構造体(100)のトリミング方法であって、前記第1のウェハ(101)の所定の深さ(Pd 1)にわたって機械加工により前記第1のウェハ(101)のエッジをトリミングする第1のステップと、その後、前記第1のウェハの少なくとも残りの厚さにわたって非機械的にトリミングする第2のステップとを含み、前記第1のトリミングステップが、下面に溝があるグラインダを用いて実行される、トリミング方法。
- 前記第1のトリミングステップが、前記第1のウェハ(101)の材料の機械的磨耗によってのみ実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のトリミングステップ中、前記第1のウェハ(101)が、前記第1のウェハの厚さの50%以下である深さにわたって機械加工されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1および第2のトリミングステップが、面取りされたエッジが延在する幅に少なくとも等しい幅(ld)にわたって実行されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1および第2のトリミングステップが、2mm〜8mmの範囲の幅(ld)にわたって実行されることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 前記第2のトリミングステップが、化学エッチングによって実行されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2のトリミングステップが、プラズマエッチングによって実行されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2のトリミングステップが、化学機械研磨によって実行されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2のトリミングステップが、前記第1のトリミングステップ後にトリミングされる残りの部分の破砕または破損によって実行されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 三次元複合構造(500)の製造方法であって、第1のウェハ(200)の面上にコンポーネント(204)の層を生成する少なくとも1つのステップと、前記コンポーネント(204)の前記層を含む前記第1のウェハ(200)の前記面を第2のウェハ(300)に接合するステップと、請求項1〜9のいずれか一項に記載のトリミング方法により実行される少なくとも前記第1のウェハ(200)のトリミングステップとを含む方法。
- 前記接合ステップ後、前記第1のウェハ(200)の薄化ステップを含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- コンポーネント(204)の前記第1の層を含む前記面とは反対の前記第1のウェハ(200)の前記面上に、マイクロコンポーネント(214)の第2の層を生成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項10または11に記載の方法。
- 前記接合ステップ前に、コンポーネント(204)の前記第1の層を含む前記第1のウェハ(200)の前記面上に、酸化物層(207)を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項10〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1のウェハ(200)が、SOIタイプの構造であることを特徴とする、請求項10〜13のいずれか一項に記載の方法。
- コンポーネント(204)の少なくとも前記第1の層が、イメージセンサを備えることを特徴とする、請求項10〜14のいずれか一項に記載の方法。
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