JP2012038758A - 貼り合わせウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の取得歩留りを向上させ、かつ、コストを低減可能な貼り合わせウエハを提供する。
【解決手段】外周部にベベリング部２ａ，３ａを有する半導体ウエハ２，３を、接合層４を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、半導体ウエハ２，３は、接合面が同じ大きさに形成され、半導体ウエハ２，３の接合面側のベベリング部２ａ，３ａの曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とするか、あるいは、２枚の半導体ウエハ２，３の接合面側のベベリング部２ａ，３ａの曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、貼り合わせウエハに関するものである。

半導体素子（半導体チップ）の特性・機能を向上させるために、支持基板と、発光機能やスイッチ機能などの機能層を有する半導体積層構造とを、接合層を介して貼り合わせることで、支持基板上に機能層が設けられた貼り合わせウエハを形成し、個片化することにより半導体素子を製造する方法が知られている。

例えば、基板上に発光層を形成した半導体発光素子では、発光層から基板側に出射された光は、基板に吸収され無駄になってしまう。そこで、発光層と基板との間に反射層を設け、その反射層にて、発光層から基板側に出射される光を反射させることにより、基板での光の吸収を抑制し発光強度を高めた半導体発光素子が知られている。

しかし、金属からなる反射層を設けた半導体発光素子を製造する際には、金属からなる反射層上に発光層等の結晶成長を行うことができないので、仮基板上に発光層と反射層を順次形成した第１の半導体ウエハと、支持基板を有する第２の半導体ウエハの２枚の半導体ウエハを作製し、これら２枚の半導体ウエハを接合層を介して接合することが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。発光層を結晶成長させる際に用いた仮基板は、両半導体ウエハを接合した後に除去される。本明細書では、このような２枚又は複数枚のウエハを接合層を介して接合したウエハを、貼り合わせウエハと呼称する。

ところで、半導体ウエハは、非常に薄く、へき開が生じやすいという性質を有しており、外周部に欠けが発生しやすい。半導体ウエハに欠けが発生すると、欠けた部分の半導体ウエハは素子として使用できなくなり、さらに、欠けた部分が半導体プロセスの汚染源となってしまい、半導体プロセスの歩留りを悪化させてしまう。

従って、このような問題を抑制し、半導体ウエハの取扱いを容易とするため、上記支持基板や上記仮基板の外周部には、欠け防止のため丸め加工（面取り加工、又はベベリング（beveling）加工）が施されている。そして、支持基板、仮基板上に設けられる半導体層や接合層は、極めて薄い層であり、支持基板、仮基板の丸め加工を引き継いで形成される。本明細書では、丸め加工（面取り加工、又はベベリング加工）が施された部分、及びウエハの外周部に形成される丸め加工を引き継いで形成された部分を総称して丸め部、あるいはベベリング部という。

特開２００９−２００１７８号公報 特開２００４−５５９２４号公報

しかしながら、ベベリング部を有する２枚又は複数枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合すると、ベベリング部を有する外周部において半導体ウエハが相互に密着せず、接合強度が弱くなってしまうという問題がある。この外周部の接合強度が弱い部位は剥離してしまい、素子として機能しないため、半導体素子の取得歩留りが低下する。さらに、外周部の接合強度が弱い部位が剥離すると、当該剥離部位が半導体プロセスの汚染源となり、半導体プロセスの歩留りが低下する。

なお、外周部の接合強度を増やすために、接合層を厚くすることも考えられるが、接合層を厚くすると、接合層に用いる接合材料の量が多くなり、コストが高くなってしまうため、好ましくない。従来の貼り合わせウエハでは、接合層は、通常１〜４μｍ程度の厚さとされるが、コストの観点からは、より接合層を薄くすることが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、半導体素子の取得歩留りを向上し、かつ、コストを低減可能な貼り合わせウエハを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、外周部にベベリング部を有する複数枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、前記複数枚の半導体ウエハは、接合面が同じ大きさに形成され、前記複数枚の半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした貼り合わせウエハである。

本発明は、外周部にベベリング部を有する複数枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、前記複数枚の半導体ウエハは、接合面が同じ大きさに形成され、前記複数枚の半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした貼り合わせウエハである。

本発明は、外周部にベベリング部を有する２枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、一方の前記半導体ウエハは、その接合面が他方の前記半導体ウエハよりも小さく形成され、かつ、他方の前記半導体ウエハの前記ベベリング部に重ならない位置の前記接合面に接合され、一方の前記半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした貼り合わせウエハである。

本発明は、外周部にベベリング部を有する２枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、一方の前記半導体ウエハは、その接合面が他方の前記半導体ウエハよりも小さく形成され、かつ、他方の前記半導体ウエハの前記ベベリング部に重ならない位置の前記接合面に接合され、一方の前記半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした貼り合わせウエハである。

前記接合層は、前記半導体ウエハの接合面に分割して形成されてもよい。

前記接合層は、金からなってもよい。

前記半導体ウエハは、少なくとも、所定の波長の光を発する発光層と、前記発光層の前記接合面側に形成され前記発光層からの光を反射する反射領域と、を有する発光構造側半導体ウエハと、少なくとも、支持基板を有する支持構造側半導体ウエハと、からなってもよい。

本発明によれば、半導体素子の取得歩留りを向上させ、かつ、コストを低減可能な貼り合わせウエハを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る貼り合わせウエハを説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明において、接合強度の評価方法を説明する図である。 本発明において、接合層の厚さを１０００ｎｍで一定とした場合における、丸め部の曲率半径に対する接合強度の関係を示すグラフ図である。 接合層の厚さと丸め部の曲率半径を変化させたときの接合強度の変化を示すグラフ図である。 図１の貼り合わせウエハを用いて作製される半導体素子の具体例を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る貼り合わせウエハを説明する図である。

図１に示すように、貼り合わせウエハ１は、外周部に丸め部（ベベリング部）２ａが形成された第１の半導体ウエハ２と、外周部に丸め部（ベベリング部）３ａが形成された第２の半導体ウエハ３とを、接合層４を介して接合したものである。

第１の半導体ウエハ２は、例えば、外周部に欠け防止用の丸め加工が施された仮基板（成長用基板ともいう）と、基板上に形成される半導体層からなる機能層と、更に、接合面側に設けられる、後述する接合層とを有する機能構造側半導体ウエハとなる。第２の半導体ウエハ３は、例えば、外周部に欠け防止用の丸め加工が施された支持基板と、支持基板の接合面側に設けられる、後述する接合層とを有する支持構造側半導体ウエハとなる。

半導体層からなる機能層は、スイッチング機能を有するトランジスタ構造としてもよい。また、所定の波長の光を発する発光層としてもよい。機能層として発光層を形成する場合には、発光層と接合層との間に、所定の波長の光を反射する材料から形成される反射層を設けるとよい。

２枚の半導体ウエハ２，３は、接合面が同じ大きさ（同じ口径）に形成され、接合面同士を向き合わせて接合される。

接合層４は、２枚の半導体ウエハ２，３の接合面に分割して形成される。接合層４は、第１の半導体ウエハ２の接合面に形成される第１接合層４ａと、第２の半導体ウエハ３の接合面に形成される第２接合層４ｂとからなる。接合層４（第１接合層４ａと第２接合層４ｂ）は、金（Ａｕ）からなる。

２枚の半導体ウエハ２，３を接合した後、第１の半導体ウエハ２の一部（上述の仮基板に相当する部分）を除去すると、本実施の形態に係る貼り合わせウエハ１が得られる。

さて、本実施の形態に係る貼り合わせウエハ１では、２枚の半導体ウエハ２，３の接合面側の丸め部２ａ，３ａの曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とするか、あるいは、２枚の半導体ウエハ２，３の接合面側の丸め部２ａ，３ａの曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とする。以下、この理由について説明する。

本発明者は、丸め部２ａ，３ａの曲率半径Ｒと接合層４の厚さｄを変化させたときの貼り合わせウエハ１の外周部における接合強度（剥離強度）の評価を行った。

接合強度の評価は、図２（ａ）に示すように、作製した貼り合わせウエハ２１の外周部の４箇所（周方向に等間隔な４箇所）から４ｍｍ×４ｍｍの正方形状の小片２２を切り出し、切り出した４つの小片２２それぞれに上下に引っ張る方向（両半導体ウエハ２，３が離れる方向）に荷重を加え、図２（ｂ）に示すように、第１の半導体ウエハ２と第２の半導体ウエハ３が接合層４において剥離するか、あるいは、図２（ｃ）に示すように、第１の半導体ウエハ２と第２の半導体ウエハ３が接合層４において剥離せず、第１の半導体ウエハ２と第２の半導体ウエハ３のいずれかが破断するか（本実施の形態では、機能層となる半導体層において、半導体層が破壊される）を、目視で確認することにより行った。図２（ｃ）のように、半導体ウエハ２，３のいずれかが破断した場合は、半導体ウエハ２，３の破断強度よりも、両半導体ウエハ２，３の接合強度が強いことを表しており、十分な接合強度であると判断した。

ここでは、４つの小片２２全てが剥離した場合はＦ＝０、４つの小片２２のうち３つが剥離した場合はＦ＝０．２５、４つの小片２２のうち２つが剥離した場合はＦ＝０．５、４つの小片２２のうち１つが剥離した場合はＦ＝０．７５、４つの小片２２全てが剥離しない場合はＦ＝１、とした。Ｆの値が大きいほど、両半導体ウエハ２，３が強固に接合され、外周部における接合強度が高くなっていることを表す。

まず、接合層４の厚さｄを１０００ｎｍで一定とし、丸め部２ａ，３ａの曲率半径Ｒを、従来一般に用いられている２５０μｍから、１５０μｍ、１２５μｍと変化させ、貼り合わせウエハ１の外周部における接合強度の評価を行った。評価結果を表１および図３に示す。

表１および図３に示すように、接合層４の厚さｄを１０００ｎｍで一定とした場合は、いずれの曲率半径ＲにおいてもＦ＝１となり、十分な接合強度が確保されていることが分かる。

次に、曲率半径Ｒを２５０μｍ、１５０μｍ、１２５μｍと変化させると共に、接合層４の厚さｄを１０００ｎｍよりも薄くして、接合強度の評価を行った。評価結果を表２および図４に示す。

表２および図４に示すように、曲率半径Ｒを従来通りの２５０μｍとした場合は、接合層４の厚さｄを１０００ｎｍより小さくすると、Ｆ＜１となり十分な接合強度が確保されない。

これに対して、曲率半径Ｒを１５０μｍとした場合は、接合層４の厚さｄを９００ｎｍまで薄くしても十分な接合強度を確保でき、さらに、曲率半径Ｒを１２５μｍとした場合は、接合層４の厚さｄを８００ｎｍまで薄くしても十分な接合強度を確保できることがわかる。これは、曲率半径Ｒを小さくすることで、外周部における両半導体ウエハ２，３間の距離が短くなり、接合層４を薄くしても、両半導体ウエハ２，３間の隙間を接合層４で埋めて、両半導体ウエハ２，３が密着して接合する面積を維持し、両半導体ウエハ２，３を強固に接合できるためであると考えられる。

このように、曲率半径Ｒを１５０μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とするか、あるいは、曲率半径Ｒを１２５μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とすることで、十分な接合強度を確保しつつ、接合層４の厚さｄを薄くし、接合層４に用いる接合材料の量を低減することが可能になる。なお、曲率半径Ｒの下限値については、半導体ウエハ２，３に欠けが発生しない程度に適宜設定すればよい。

次に、本発明の貼り合わせウエハ１を用いて作製される半導体素子の具体例を説明する。

図５に示す半導体素子５１は、支持基板５２の一方の面側から、コンタクト電極５３、第２接合層４ｂ及び第１接合層４ａからなる接合層４、バリア層５４、反射層５５及び透明層５６からなる反射領域６７、ｐ型コンタクト層５７、ｐ型クラッド層５８、発光層５９、ｎ型クラッド層６０が順次設けられ、さらに、ｎ型クラッド層６０の表面の略中央部にｎ型コンタクト層６２、表面電極６３、パッド電極６４が順次設けられ、支持基板５２の他方の面側には裏面電極６１が設けられた半導体発光素子である。透明層５６には、反射層５５とｐ型コンタクト層５７とを電気的に導通させる界面電極６５が設けられている。また、ｎ型クラッド層６０のｎ型コンタクト層６２が形成されていない表面には、ｎ型クラッド層６０の表面を粗面化して乱反射発生部６６が形成されている。

この半導体素子５１では、透明層５６と反射層５５とで反射領域６７が形成されている。透明層５６は、各半導体層（ｐ型コンタクト層５７、ｐ型クラッド層５８、発光層５９、およびｎ型クラッド層６０）の屈折率よりも低い屈折率を有し、発光層５９が発光する光に対して略透明な材料からなり、例えば二酸化珪素（屈折率ｎ＝１．４５）からなる。透明層５６の厚さは、発光層５９が発光する光の波長をλとし、透明層５６の屈折率をｎとすると、λ／（２ｎ）以上の厚さとされる。

この半導体素子５１を製造する際は、まず、仮基板の半導体層（機能層）を形成する側の面において、外周部に丸め加工（曲率半径Ｒ＝１５０μｍ〜１２５μｍ）を施す。次に、仮基板上に、機能層となるｎ型クラッド層６０、発光層５９、ｐ型クラッド層５８、ｐ型コンタクト層５７を順次結晶成長させる。さらに、ｐ型コンタクト層５７上に界面電極６５を設けると共に透明層５６を形成し、その透明層５６上に、スパッタリング法等にて金（Ａｕ）からなる反射層５５と、チタン（Ｔｉ）からなるバリア層５４を形成する。反射層５５の厚さは、例えば２００ｎｍ〜４００ｎｍであり、バリア層５４の厚さは、例えば１００ｎｍである。

なお、反射層５５としては、発光層５９が発光する光に対する反射率が所定値以上であれば、どのような材料を用いてもよく、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属材料やこれらの金属材料を含む合金材料を用いてもよい。また、バリア層５４としては、第１接合層４ａを構成する材料が反射層５５側に拡散することを抑制できる材料を用いればよく、Ｔｉ、Ｐｔなどを用いることができる。

バリア層５４上に、Ａｕからなる第１接合層４ａを形成し、第１の半導体ウエハ（発光構造側半導体ウエハ）を形成する。第１接合層４ａの厚さは、丸め部の曲率半径Ｒを１５０μｍとした場合は４００ｎｍを超える厚さとし、好ましくは、４５０ｎｍ以上５００ｎｍ未満とする。また、丸め部の曲率半径Ｒを１２５μｍとした場合は３００ｎｍを超える厚さとし、好ましくは、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満とする。

他方、導電性ｐ型Ｓｉ基板からなる支持基板５２の一方の面側において、外周部に丸め加工（曲率半径Ｒ＝１５０μｍ〜１２５μｍ）を施す。次に、支持基板５２上に、チタン（Ｔｉ）からなるコンタクト電極５３を形成する。支持基板５２としては、抵抗率が０．０１Ω・ｃｍ以下のものを用いることが望ましい。コンタクト電極５３の厚さは、例えば３００ｎｍである。

コンタクト電極５３上に、Ａｕからなる第２接合層４ｂを形成し、第２の半導体ウエハ（支持構造側半導体ウエハ）を形成する。第２接合層４ｂの厚さは、丸め部の曲率半径Ｒを１５０μｍとした場合は４００ｎｍを超える厚さとし、好ましくは、４５０ｎｍ以上５００ｎｍ未満とする。また、丸め部の曲率半径Ｒを１２５μｍとした場合は３００ｎｍを超える厚さとし、好ましくは、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満とする。

その後、第１接合層４ａと第２接合層４ｂを接合して、発光構造側半導体ウエハと支持構造側半導体ウエハとを一体化する。このとき、第１接合層４ａと第２接合層４ｂとを密着させた状態で熱処理（例えば２６０℃で１時間）を施し、固相拡散接合により、第１接合層４ａと第２接合層４ｂとを接合するとよい。発光構造側半導体ウエハと支持構造側半導体ウエハとを一体化した後、発光構造側半導体ウエハの仮基板を除去して機能層を露出させ貼り合わせウエハ１を得る（図１参照）。

その後、貼り合わせウエハ１の裏面（支持基板５２の他方の面）に裏面電極６１を形成すると共に、仮基板が除去され露出した機能層に対しエッチングを施し、ｎ型コンタクト層６２を加工し、さらに表面電極６３、パッド電極６４を順次形成し、素子化プロセスを経ることで、半導体素子５１が得られる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る貼り合わせウエハ１では、２枚の半導体ウエハ２，３の接合面側の丸め部２ａ，３ａの曲率半径Ｒを１５０μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とするか、あるいは、丸め部２ａ，３ａの曲率半径Ｒを１２５μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満としている。

これにより、外周部における接合強度を十分に確保しつつも、接合層４の厚さｄを薄くし、接合層４に用いる接合材料の量を低減することが可能になる。よって、外周部に欠け防止用の丸め加工が施された半導体ウエハ２，３を用い、半導体ウエハ２，３の欠けを防止しつつも、半導体素子の取得歩留りを向上し、かつ、コストを低減することが可能となる。また、接合層４の厚さｄを１０００ｎｍ未満にすることができるため、接合材料のコストを抑えることができる。

また、貼り合わせウエハ１では、接合層４に金（Ａｕ）を用いているため、半導体ウエハ２，３の接合面の荒れ（ラフネス）を補完し、良好な接合を得ることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、半導体ウエハ２，３として、接合面が同じ大きさのものを用いる場合を説明したが、一方の半導体ウエハの接合面を他方の半導体ウエハの接合面よりも小さく形成し、かつ、一方の半導体ウエハを、他方の半導体ウエハの丸め加工が施された外周部に重ならない位置の接合面に接合する場合は、一方の半導体ウエハの接合面側の丸め部（ベベリング部）の曲率半径Ｒを１５０μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とするか、あるいは、一方の半導体ウエハの接合面側の丸め部（ベベリング部）の曲率半径Ｒを１２５μｍ以下とし、かつ、接合層４の厚さｄを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とすればよい。

また、上記実施の形態では、第１接合層４ａの厚さと第２接合層４ｂの厚さを同じとしたが、これに限らず、第１接合層４ａの厚さと第２接合層４ｂの厚さは異なっていてもよい。

さらに、上記実施の形態では、２枚の半導体ウエハを接合する場合を説明したが、本発明は、３枚以上の半導体ウエハを相互に接合する場合にも適用可能である。

１ 貼り合わせウエハ
２ 第１の半導体ウエハ
２ａ 丸め部（ベベリング部）
３ 第２の半導体ウエハ
３ａ 丸め部（ベベリング部）
４ 接合層
４ａ 第１接合層
４ｂ 第２接合層

Claims (7)

1. 外周部にベベリング部を有する複数枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、
   前記複数枚の半導体ウエハは、接合面が同じ大きさに形成され、
   前記複数枚の半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした
   ことを特徴とする貼り合わせウエハ。
2. 外周部にベベリング部を有する複数枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、
   前記複数枚の半導体ウエハは、接合面が同じ大きさに形成され、
   前記複数枚の半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした
   ことを特徴とする貼り合わせウエハ。
3. 外周部にベベリング部を有する２枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、
   一方の前記半導体ウエハは、その接合面が他方の前記半導体ウエハよりも小さく形成され、かつ、他方の前記半導体ウエハの前記ベベリング部に重ならない位置の前記接合面に接合され、
   一方の前記半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１５０μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを９００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした
   ことを特徴とする貼り合わせウエハ。
4. 外周部にベベリング部を有する２枚の半導体ウエハを、接合層を介して接合した貼り合わせウエハにおいて、
   一方の前記半導体ウエハは、その接合面が他方の前記半導体ウエハよりも小さく形成され、かつ、他方の前記半導体ウエハの前記ベベリング部に重ならない位置の前記接合面に接合され、
   一方の前記半導体ウエハの前記接合面側の前記ベベリング部の曲率半径を１２５μｍ以下とし、かつ、前記接合層の厚さを８００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満とした
   ことを特徴とする貼り合わせウエハ。
5. 前記接合層は、前記半導体ウエハの接合面に分割して形成される請求項１〜４いずれかに記載の貼り合わせウエハ。
6. 前記接合層は、金からなる請求項１〜５いずれかに記載の貼り合わせウエハ。
7. 前記半導体ウエハは、
   少なくとも、所定の波長の光を発する発光層と、前記発光層の前記接合面側に形成され前記発光層からの光を反射する反射領域と、を有する発光構造側半導体ウエハと、
   少なくとも、支持基板を有する支持構造側半導体ウエハと、からなる
   請求項１〜６いずれかに記載の貼り合わせウエハ。

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