JP2017152730A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent deterioration in bond strength between bonded semiconductor wafers caused by the generation of voids between the two semiconductor wafers in a manufacturing process of a semiconductor device having a process of bonding the semiconductor wafers.SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor device comprises: cleaning surfaces of two semiconductor wafers by using pure water and subsequently performing heat treatment on each semiconductor wafer thereby eliminating moisture and the like adsorbed on the surface of the semiconductor wafer; and subsequently performing plasma treatment on each semiconductor wafer, and subsequently bonding the two semiconductor wafers and firmly coupling both wafers with each other by performing heat treatment at a high temperature.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体ウエハを貼り合わせる工程を有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a technique effective when applied to a method for manufacturing a semiconductor device having a step of bonding semiconductor wafers.

デジタルスチルカメラなどに用いられる撮像素子の一種である裏面照射型のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを形成する工程では、デバイス(半導体素子)が形成された半導体ウエハ(半導体基板)の強度を補う方法として、当該半導体ウエハに他の半導体ウエハを貼り付けることが知られている。   In the process of forming a back-illuminated CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, which is a type of image sensor used in digital still cameras, the strength of the semiconductor wafer (semiconductor substrate) on which the device (semiconductor element) is formed is determined. As a supplementary method, it is known to attach another semiconductor wafer to the semiconductor wafer.

特許文献1(特開2011−243959号公報)には、基板同士を貼り合わせる前に、基板表面をウェット処理により洗浄し、また、基板表面に対してプラズマ処理を行った後、基板に加熱処理を施すことが記載されている。また、減圧状態の処理室内で基板同士の貼り合わせを行うことが記載されている。ただし、基板の温度を室温(常温)にした状態で貼り合わせを行うことについては記載がない。   In Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-243959), before the substrates are bonded together, the substrate surfaces are cleaned by wet treatment, and after the plasma treatment is performed on the substrate surfaces, the substrate is heated. Is described. In addition, it is described that substrates are bonded to each other in a processing chamber in a reduced pressure state. However, there is no description about performing bonding in a state where the substrate temperature is room temperature (room temperature).

特許文献2(特開2009−4741号公報)には、基板同士を接合する前および接合時に、真空中に基板を設置することが記載されている。また、接合時に真空中で加熱することで、基板の接着層の有機成分を除去することが記載されている。ただし、基板の温度を室温(常温)にした状態で貼り合わせを行うことについては記載がない。   Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-4741) describes that the substrates are placed in a vacuum before and during bonding of the substrates. Moreover, it describes that the organic component of the adhesion layer of a board | substrate is removed by heating in a vacuum at the time of joining. However, there is no description about performing bonding in a state where the substrate temperature is room temperature (room temperature).

特開2011−243959号公報JP 2011-243959 A 特開2009−4741号公報JP 2009-4741 A

半導体ウエハ(以下単にウエハという)の貼り合わせは、ウエハの反りまたは表面状態の影響を受けやすいが、常温・常圧雰囲気下においてウエハの貼り合わせを行う場合、ウエハの表面状態を管理することは困難である。ウエハの洗浄またはウエハ同士の仮接合などの各処理、または各処理間の搬送時の雰囲気などを管理することなく、大気中でこれらの処理を行うと、ウエハ接合前にウエハ表面に吸着した水分または吸着ガスが除去されないため、接合界面にボイドが発生する。また、接合工程において、接合する2枚のウエハの温度を制御、管理しておらず、これらのウエハの温度差に起因して発生する残留歪(残留応力)により、デバイス特性の劣化が生じる問題がある。   Bonding of semiconductor wafers (hereinafter simply referred to as wafers) is susceptible to wafer warpage or surface conditions, but when bonding wafers under normal temperature and atmospheric pressure, managing the wafer surface condition is not possible. Have difficulty. Moisture adsorbed on the wafer surface before wafer bonding when these processes are performed in the air without managing each process such as wafer cleaning or temporary bonding between wafers, or the atmosphere during transfer between processes. Alternatively, since the adsorbed gas is not removed, voids are generated at the bonding interface. Also, in the bonding process, the temperature of the two wafers to be bonded is not controlled and managed, and the device characteristics deteriorate due to residual strain (residual stress) generated due to the temperature difference between these wafers. There is.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the embodiments disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

一実施の形態である半導体装置は、2枚の半導体ウエハの表面を純水を用いて洗浄した後、各半導体ウエハに熱処理を施すことで、半導体ウエハの表面に吸着している水分などを脱離させ、続いて、各半導体ウエハに対してプラズマ処理を行った後、2枚の半導体ウエハを貼り合わせ、高温で熱処理するものである。   In one embodiment, the surface of two semiconductor wafers is cleaned with pure water, and then each semiconductor wafer is subjected to a heat treatment to remove moisture adsorbed on the surface of the semiconductor wafer. Then, after plasma processing is performed on each semiconductor wafer, the two semiconductor wafers are bonded and heat-treated at a high temperature.

本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   According to one embodiment disclosed in the present application, the reliability of a semiconductor device can be improved.

本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程のフローである。4 is a flow of a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す俯瞰図である。It is an overhead view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程中のウエハの表面状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the surface state of the wafer in the manufacturing process of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す俯瞰図である。It is an overhead view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図6に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 6; 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程に用いる装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus used for the manufacturing process of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程のフローである。It is a flow of the manufacturing process of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 比較例として示す半導体装置の製造工程中のウエハの表面状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the surface state of the wafer in the manufacturing process of the semiconductor device shown as a comparative example.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、俯瞰図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。   In the drawings used in the following embodiments, even an overhead view may be partially hatched to make the drawings easy to see.

なお、本願でいう減圧状態、および減圧雰囲気とは、常圧(大気圧)よりも圧力が低められた真空状態を指すものとする。   Note that the reduced pressure state and the reduced pressure atmosphere in the present application refer to a vacuum state in which the pressure is lower than the normal pressure (atmospheric pressure).

(実施の形態1)
本実施の形態は、デバイスが形成されているウエハ(半導体基板)の主面側の面(第1面)を、他のウエハ(半導体基板)の主面側の面(第2面)と貼り合わせて接合させて形成した、裏面照射型のCMOSイメージセンサを含む半導体チップの製造方法について説明するものである。イメージセンサは、対象物から発した光を、光学系を通してイメージセンサの受光面に結像させ、その像の光による明暗を電荷の量に光電変換し、それを読み出して電気信号に変換する撮像素子である。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a main surface side (first surface) of a wafer (semiconductor substrate) on which a device is formed is bonded to a main surface side surface (second surface) of another wafer (semiconductor substrate). A method for manufacturing a semiconductor chip including a back-illuminated CMOS image sensor formed by bonding together will be described. The image sensor images light emitted from an object through an optical system on the light receiving surface of the image sensor, photoelectrically converts the light and darkness of the image into the amount of electric charge, and reads it to convert it into an electrical signal. It is an element.

裏面照射型のイメージセンサでは、主面側にフォトダイオードおよびその上層の配線等が形成されたウエハ(半導体基板)に対し、当該ウエハの裏面側から当該フォトダイオードに対して光を照射することで、照射光が半導体基板の主面側に形成した配線またはトランジスタなどに遮蔽されることなく受光部に到達する。このため、ウエハの主面側から光を照射する場合に比べて受光量を大きくし、イメージセンサの感度を向上させることができる。   In a back-illuminated image sensor, light is applied to the photodiode from the back side of the wafer (semiconductor substrate) on which a photodiode and an upper layer wiring are formed on the main surface side. Irradiation light reaches the light receiving portion without being shielded by wirings or transistors formed on the main surface side of the semiconductor substrate. For this reason, compared with the case where light is irradiated from the main surface side of the wafer, the amount of received light can be increased and the sensitivity of the image sensor can be improved.

しかし、加工前のウエハの膜厚は例えば750μm程度であるため、ウエハを加工せずそのままの膜厚で使用すると、ウエハの裏面側から照射される光は、ウエハの主面側に形成された受光部に殆ど到達することができない。したがって、ウエハの膜厚を例えば3μm程度に薄膜化し、照射光の透過効率を向上させる必要があるが、この場合、ウエハが薄くなることでその強度が低下するため、半導体装置の強度を補強する方法として、当該ウエハの主面側に別のウエハを貼り付けることが考えられる。このような半導体装置を製造する際は、ウエハ同士の貼り合わせ(接合)工程を行った後に、一方のウエハの薄膜化を行う。なお、ここでいう受光部とは、第1ウエハの主面に形成されたフォトダイオードをいう。   However, since the film thickness of the wafer before processing is, for example, about 750 μm, the light irradiated from the back side of the wafer is formed on the main surface side of the wafer when the wafer is used as it is without processing. It can hardly reach the light receiving part. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the wafer to about 3 μm, for example, and improve the transmission efficiency of the irradiation light. In this case, the strength of the semiconductor device is reinforced because the strength of the wafer decreases as the wafer becomes thinner. As a method, it is conceivable to attach another wafer to the main surface side of the wafer. When manufacturing such a semiconductor device, one wafer is thinned after a wafer bonding (bonding) step. Here, the light receiving portion refers to a photodiode formed on the main surface of the first wafer.

以下では、2枚のウエハを接合する場合において、ウエハの接合前に各ウエハに対して加熱工程を行うことでウエハの表面状態を改善し、半導体装置の信頼性を向上させることについて、図1に示す製造工程のフローに沿って説明をする。図1は、本実施の形態の半導体装置の製造工程のフローである。   Hereinafter, in the case of bonding two wafers, a heating process is performed on each wafer before bonding the wafers to improve the surface condition of the wafers and improve the reliability of the semiconductor device. It demonstrates along the flow of the manufacturing process shown in FIG. FIG. 1 is a flow of the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.

まず、図1のステップS1に示すように、第1ウエハ(第1半導体基板)および第2ウエハ(第2半導体基板)を準備する。第1ウエハは、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板、または単結晶シリコンからなる半導体基板上に埋込み酸化膜を有し、当該埋込み酸化膜上に薄いシリコン層を有するSOI(Silicon On Insulator)基板であり、その厚さは例えば750μmである。第2ウエハは例えば単結晶シリコンからなる半導体基板、またはデバイスまたは配線などを形成した基板であり、その厚さは例えば750μmである。   First, as shown in step S1 of FIG. 1, a first wafer (first semiconductor substrate) and a second wafer (second semiconductor substrate) are prepared. The first wafer is an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a buried oxide film on a semiconductor substrate made of single crystal silicon or a single crystal silicon, for example, and having a thin silicon layer on the buried oxide film. The thickness is, for example, 750 μm. The second wafer is, for example, a semiconductor substrate made of single crystal silicon, or a substrate on which devices or wirings are formed, and has a thickness of, for example, 750 μm.

次に、第1ウエハ上に、裏面照射型のCMOSイメージセンサを含むデバイス(半導体素子)を形成する(図1のステップS2)。図2に、SOI基板の主面側にフォトダイオード、トランジスタおよび配線層を含む上記デバイスを形成した第1ウエハW1と、第1ウエハW1とは別に用意した第2ウエハW2のそれぞれの俯瞰図を示す。なお、図2および後に示す図5では、図を分かりやすくするために第2ウエハW2の表面にハッチングを付している。   Next, a device (semiconductor element) including a back-illuminated CMOS image sensor is formed on the first wafer (step S2 in FIG. 1). FIG. 2 is a bird's-eye view of a first wafer W1 on which the device including the photodiode, transistor, and wiring layer is formed on the main surface side of the SOI substrate, and a second wafer W2 prepared separately from the first wafer W1. Show. In FIG. 2 and FIG. 5 shown later, the surface of the second wafer W2 is hatched for easy understanding of the drawing.

また、図3に、図1のステップS2により形成されたデバイス構造を含む第1ウエハW1の断面図を示す。以下に、当該デバイス構造の説明をするが、本実施の形態の主な特徴は、上記デバイスの形成後であって、2枚のウエハの接合が完了するまでの工程にあるため、ここでは第1ウエハW1上のフォトダイオードなどの形成工程の詳しい説明は省略する。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the first wafer W1 including the device structure formed in step S2 of FIG. The device structure will be described below. The main feature of the present embodiment is the process after the formation of the device and until the bonding of two wafers is completed. A detailed description of the process of forming photodiodes on one wafer W1 is omitted.

図3に示すように、第1ウエハ(第1半導体基板)W1を構成する半導体基板SB1の主面上には、埋め込み酸化膜BOXを介してシリコン層SLが形成されている。第1ウエハW1は、半導体基板SB1、埋め込み酸化膜BOXおよびシリコン層SLを含んでいる。半導体基板SB1の上面にはフォトダイオードPDが複数形成されており、第1ウエハW1上には、フォトダイオードPDに電気的に接続されたポリシリコン配線PWおよびその他のトランジスタ等(図示しない)が形成されている。フォトダイオードPDは、シリコン層SLの主面に形成されたn型の半導体層およびp型の半導体層からなる。   As shown in FIG. 3, a silicon layer SL is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB1 constituting the first wafer (first semiconductor substrate) W1 via a buried oxide film BOX. The first wafer W1 includes a semiconductor substrate SB1, a buried oxide film BOX, and a silicon layer SL. A plurality of photodiodes PD are formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB1, and a polysilicon wiring PW and other transistors (not shown) electrically connected to the photodiodes PD are formed on the first wafer W1. Has been. The photodiode PD is composed of an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer formed on the main surface of the silicon layer SL.

第1ウエハW1の主面上において、ポリシリコン配線PWは層間絶縁膜ILFに覆われている。層間絶縁膜ILFは複数の絶縁膜(図示しない)の積層膜からなり、その中には、ポリシリコン配線PW上に形成された複数の配線M1〜M3が形成されている。ポリシリコン配線PWおよび配線M1間、配線M1およびM2間、配線M2およびM3間はそれぞれビアを介して電気的に接続されている。   On the main surface of the first wafer W1, the polysilicon wiring PW is covered with an interlayer insulating film ILF. The interlayer insulating film ILF is composed of a laminated film of a plurality of insulating films (not shown), and a plurality of wirings M1 to M3 formed on the polysilicon wiring PW are formed therein. The polysilicon wiring PW and the wiring M1, the wirings M1 and M2, and the wirings M2 and M3 are electrically connected through vias, respectively.

配線M3上には、内部にアルミニウム膜からなる配線M4を含む絶縁膜L1が形成されている。絶縁膜L1は複数積層された絶縁膜(図示しない)からなり、配線M4は配線M3に電気的に接続されている。絶縁膜L1上には、絶縁膜L2およびL3が順に積層されている。絶縁膜L1〜L3は、例えば酸化シリコン膜からなり、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成(堆積)されている。絶縁膜L3は、後の工程(図1のステップS6)でその上面MSSが第2ウエハと接合される接着層であり、酸化シリコン膜に限らず、窒化シリコン膜またはシリコン膜により構成されていてもよい。上記した図3に示すデバイスは、周知の半導体製造プロセスにより形成する。以下では便宜上、図3を用いて説明した構造全体を第1ウエハW1と呼ぶ。   On the wiring M3, an insulating film L1 including the wiring M4 made of an aluminum film is formed. The insulating film L1 is formed of a plurality of stacked insulating films (not shown), and the wiring M4 is electrically connected to the wiring M3. On the insulating film L1, insulating films L2 and L3 are sequentially stacked. The insulating films L1 to L3 are made of, for example, a silicon oxide film, and are formed (deposited) by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The insulating film L3 is an adhesive layer whose upper surface MSS is bonded to the second wafer in a later process (step S6 in FIG. 1), and is not limited to the silicon oxide film but is formed of a silicon nitride film or a silicon film. Also good. The device shown in FIG. 3 is formed by a known semiconductor manufacturing process. Hereinafter, for convenience, the entire structure described with reference to FIG. 3 is referred to as a first wafer W1.

次に、図1のステップS3に示すように、後の工程(ステップS6)で貼り合わせる第1ウエハおよび第2ウエハのそれぞれの、貼り合わせ界面となる面を洗浄する洗浄処理を行う。つまり、第1ウエハの主面側の面と、第2ウエハの主面側の面とを洗浄する。上記洗浄工程では、純水(DIW:De-Ionized Water)による洗浄、すなわち回転するウエハの上方からウエハの中心部に純水を流すことでウエハの表面を洗浄する方法を用いることができる。また、別の方法として、超音波洗浄法を用いてもよい。   Next, as shown in step S3 of FIG. 1, a cleaning process is performed to clean the surfaces of the first wafer and the second wafer to be bonded in the subsequent process (step S6), which serve as bonding interfaces. That is, the main surface side surface of the first wafer and the main surface side surface of the second wafer are cleaned. In the cleaning step, cleaning with pure water (DIW: De-Ionized Water), that is, a method of cleaning the surface of the wafer by flowing pure water from above the rotating wafer to the center of the wafer can be used. As another method, an ultrasonic cleaning method may be used.

第1ウエハの貼り合わせ面はデバイスを形成した側の面、すなわち主面側の上面である。つまり、ここでは第1ウエハの主面側に形成された絶縁膜L3(図3参照)の上面MSSを洗浄する。絶縁膜L3の上面MSSは例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法などにより研磨され、またはエッチング法により平坦化されている。このような場合、絶縁膜L3の上面MSS上には研磨工程またはエッチング工程による残渣などの異物(パーティクル)などが残っている。ウエハの表面に異物が残っていると、2枚のウエハを貼り合わせようとすると、各ウエハ間に異物が介在することで隙間が生じ、貼り合わせが困難となるため、これらの異物を上記洗浄工程により除去する必要がある。   The bonding surface of the first wafer is the surface on which the device is formed, that is, the upper surface on the main surface side. That is, the upper surface MSS of the insulating film L3 (see FIG. 3) formed on the main surface side of the first wafer is cleaned here. The upper surface MSS of the insulating film L3 is polished by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or planarized by an etching method. In such a case, foreign matters (particles) such as residues from the polishing process or the etching process remain on the upper surface MSS of the insulating film L3. If foreign matter remains on the surface of the wafer, an attempt to bond two wafers creates a gap due to the presence of foreign matter between the wafers, making bonding difficult. It must be removed by the process.

なお、上述したように、第1ウエハの接合面、すなわち図3に示す絶縁膜L3の表面は、酸化シリコン膜に限らず、窒化シリコン膜またはシリコン膜により構成されていてもよい。また、第2ウエハの主面または当該主面の反対側の裏面には半導体素子などを含むデバイスまたは配線などが形成されていてもよい。ここで、第2ウエハの接合面は、第1ウエハ同様に、シリコン膜に限らず、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜により構成されていてもよい。つまり、第1ウエハと第2ウエハとを接合させる際には、対向する接合面の膜の材料の組み合わせは、例えばシリコン膜およびシリコン膜、酸化シリコン膜およびシリコン膜、酸化シリコン膜および酸化シリコン膜、窒化シリコン膜およびシリコン膜、または、酸化シリコン膜および窒化シリコン膜などが挙げられる。   As described above, the bonding surface of the first wafer, that is, the surface of the insulating film L3 shown in FIG. 3 is not limited to the silicon oxide film, and may be formed of a silicon nitride film or a silicon film. In addition, a device or a wiring including a semiconductor element or the like may be formed on the main surface of the second wafer or the back surface opposite to the main surface. Here, like the first wafer, the bonding surface of the second wafer is not limited to the silicon film but may be formed of a silicon oxide film or a silicon nitride film. That is, when the first wafer and the second wafer are bonded, the combination of the materials of the films on the opposing bonding surfaces is, for example, a silicon film and a silicon film, a silicon oxide film and a silicon film, a silicon oxide film and a silicon oxide film. A silicon nitride film and a silicon film, or a silicon oxide film and a silicon nitride film.

次に、図1のステップS4に示すように、第1ウエハおよび第2ウエハの表面であって、後の工程(ステップS6)で貼り合わせる面に吸着している水分またはガス成分(吸着物)を除去する脱ガス処理を行う。ここでは、キセノンランプなどのランプ、またはカーボンワイヤを用いたヒータなどを用いた加熱装置により各ウエハを加熱処理することで、第1ウエハおよび第2ウエハの表面の吸着物を除去する。特に、第1ウエハはステップS3の洗浄工程により、その表面に多量の水分が付着し、または吸収されている。第1ウエハの上面には酸化シリコン膜または酸化シリコン膜からなる絶縁膜L3(図3参照)が形成されており、このような絶縁膜は単結晶シリコンからなる第2ウエハに比べて水分が吸着しやすい性質を有している。   Next, as shown in step S4 of FIG. 1, moisture or gas components (adsorbed materials) adsorbed on the surfaces of the first wafer and the second wafer, which are adhering to the surfaces to be bonded in the subsequent process (step S6). A degassing process is performed to remove the. Here, the adsorbate on the surfaces of the first wafer and the second wafer is removed by heat-treating each wafer with a heating device using a lamp such as a xenon lamp or a heater using carbon wire. In particular, the first wafer has a large amount of moisture adhering to or absorbed by the cleaning process in step S3. An insulating film L3 (see FIG. 3) made of a silicon oxide film or a silicon oxide film is formed on the upper surface of the first wafer, and such an insulating film adsorbs moisture compared to a second wafer made of single crystal silicon. It is easy to do.

当該熱処理により各ウエハから除去する対象は、水(HO)の他に、例えばステップS2において第1ウエハの上面に酸化シリコン膜からなる絶縁膜L3(図3参照)を形成した際に、絶縁膜L3の表面(上面MSS)に付着している残留ガスと水とが反応して生成された異物も含んでいる。 In addition to water (H 2 O), the object to be removed from each wafer by the heat treatment is, for example, when an insulating film L3 (see FIG. 3) made of a silicon oxide film is formed on the upper surface of the first wafer in step S2. It also includes foreign matter generated by the reaction between the residual gas adhering to the surface (upper surface MSS) of the insulating film L3 and water.

ステップS4の加熱処理による脱ガス工程では、水分等を取り除くため、加熱温度は水の沸点である100℃以上とする必要がある。また、上記加熱工程は、ウエハをチャンバ内に搬入し、チャンバ内のランプまたはヒータなどを用いて行う。ウエハから水分またはその他の不純物が十分取り除かれたかどうかを確認する方法としては、ウエハの昇温時の温度を測定する方法、チャンバ内の圧力を計測する方法、および、チャンバ内から排出された脱離ガスの成分を質量分析器により検査する方法がある。   In the degassing step by heat treatment in step S4, in order to remove moisture and the like, the heating temperature needs to be 100 ° C. or higher, which is the boiling point of water. In addition, the heating step is performed by loading the wafer into the chamber and using a lamp or a heater in the chamber. As a method of confirming whether moisture or other impurities have been sufficiently removed from the wafer, there are a method of measuring the temperature when the wafer is heated, a method of measuring the pressure in the chamber, and the removal of the exhaust discharged from the chamber. There is a method of inspecting the component of the separated gas with a mass analyzer.

上記のように、ウエハの昇温時の温度を管理、モニタリングし、十分な温度および時間で加熱処理を行えば、ウエハの表面から水分等が十分に脱離されていると判断することができる。また、チャンバ内の圧力を計測する場合には、例えば内部のガスを排気し続けることで減圧されているチャンバ内の真空度を真空計を用いて計測する。すると、加熱によりウエハ表面に吸着された水分が気化して膨張するため、チャンバ内の圧力が上昇する。さらに加熱およびチャンバ内のガスの排気を続けるとチャンバ内の圧力は下がるため、この圧力の変化を検知することで、脱ガス処理(熱処理)の効果を確認し、脱ガス処理の完了時を判断することができる。   As described above, if the temperature at the time of temperature rise of the wafer is managed and monitored, and heat treatment is performed at a sufficient temperature and time, it can be determined that moisture or the like is sufficiently desorbed from the surface of the wafer. . Moreover, when measuring the pressure in a chamber, the vacuum degree in the chamber currently pressure-reduced, for example by continuing exhausting internal gas is measured using a vacuum gauge. Then, the moisture adsorbed on the wafer surface by heating is vaporized and expands, so that the pressure in the chamber rises. Furthermore, the pressure in the chamber decreases when heating and exhausting of the gas in the chamber are continued. By detecting this change in pressure, the effect of the degassing process (heat treatment) is confirmed, and the completion of the degassing process is determined. can do.

また、脱離したガスの成分を検査し、水分およびその他のガスが排出されていること、およびその量を計測することで、脱離ガス処理の完了時を判断することができる。なお、上記複数の方法の中では、チャンバ内の圧力を計測する方法が特に低コストで実施可能である。本実施の形態の大きな特徴は、上記のステップS4の熱処理工程を行うことで、ウエハ表面の水分等を除去することにある。   Further, it is possible to determine when the desorption gas processing is completed by inspecting the components of the desorbed gas, measuring the amount of moisture and other gases being discharged, and the amount thereof. Of the plurality of methods, the method of measuring the pressure in the chamber can be implemented at a particularly low cost. A major feature of the present embodiment is that moisture and the like on the wafer surface are removed by performing the heat treatment process in step S4.

また、ステップS4において脱ガスを行う方法としては、上記のようにウエハを100℃以上に昇温する方法の他に、100Pa程度以下の真空度の減圧雰囲気を保持する方法、または、100Pa程度以下の真空度の減圧雰囲気に保持した上で、ウエハの温度を100℃以上に昇温する方法を用いてもよい。   Further, as a method of degassing in step S4, in addition to the method of heating the wafer to 100 ° C. or more as described above, a method of maintaining a reduced pressure atmosphere with a vacuum degree of about 100 Pa or less, or about 100 Pa or less. Alternatively, a method in which the temperature of the wafer is raised to 100 ° C. or higher after being held in a reduced-pressure atmosphere having a degree of vacuum may be used.

次に、図1のステップS5に示すように、第1ウエハおよび第2ウエハのそれぞれの表面を、減圧下でプラズマ処理等することにより活性化する。当該プラズマ処理により、各ウエハの表面を活性化することで、ウエハ同士の貼り付けを容易にし、接合した後の結合力を高めることができる。ウエハの仮接合はウエハの表面の濡れ性を利用して行うが、上記プラズマ処理および洗浄処理を行うことで、各ウエハの表面の親水性が向上するため、ウエハ同士を貼り合わせた際に、より強固に接着をすることが可能となる。なお、ステップS5の活性化処理は、ステップS3に示す洗浄工程またはステップS4に示す脱ガス工程のいずれかの工程の前に行なってもよい。ステップS5のプラズマ処理は、例えばN(窒素)またはO(酸素)の雰囲気下で、酸素プラズマまたは窒素プラズマを用い、またはAr(アルゴン)、He(ヘリウム)などの不活性ガス、もしくはこれらに水素ガスを混合した雰囲気中のプラズマを用いて行う。 Next, as shown in step S5 of FIG. 1, the surfaces of the first wafer and the second wafer are activated by plasma treatment or the like under reduced pressure. By activating the surface of each wafer by the plasma treatment, the wafers can be easily attached to each other, and the bonding strength after bonding can be increased. Temporary bonding of the wafer is performed using the wettability of the surface of the wafer, but the hydrophilicity of the surface of each wafer is improved by performing the plasma treatment and the cleaning treatment. It becomes possible to bond more firmly. In addition, you may perform the activation process of step S5 before either process of the washing | cleaning process shown to step S3, or the degassing process shown to step S4. The plasma treatment in step S5 uses, for example, oxygen plasma or nitrogen plasma in an atmosphere of N 2 (nitrogen) or O 2 (oxygen), or an inert gas such as Ar (argon) or He (helium), or these And using a plasma in an atmosphere in which hydrogen gas is mixed.

次に、図1のステップS6に示すように、第1ウエハおよび第2ウエハを貼り合わせて仮接合状態とする。仮接合は、上記したように各ウエハの対向する面の濡れ性を利用するものである。つまり、ウエハの表面同士の間のファンデルワールス力により、弱い結合力を発生させて両ウエハを接合する。当該仮接合工程は、室温(常温)の温度下において行う。なお、本願でいう室温(常温)とは、例えば25℃前後の温度をいう。   Next, as shown in step S <b> 6 of FIG. 1, the first wafer and the second wafer are bonded to obtain a temporary bonded state. Temporary bonding utilizes wettability of opposing surfaces of each wafer as described above. That is, a weak bonding force is generated by the van der Waals force between the wafer surfaces to bond both wafers. The temporary bonding step is performed at a room temperature (normal temperature). In addition, room temperature (normal temperature) as used in this application means the temperature around 25 degreeC, for example.

次に、図1のステップS7に示すように、ステップS6で仮接合した第1ウエハおよび第2ウエハを、200℃以上の温度で加熱することで接合強度を向上させ、永久接合させる。当該加熱工程でウエハに加える温度は例えば200〜1000℃とし、ここでは300℃で行うものとする。上記加熱工程により、第1ウエハおよび第2ウエハはそれらの接合面において強固に接合される。これにより、ウエハの貼り合わせ工程が完了する。   Next, as shown in step S7 of FIG. 1, the first wafer and the second wafer temporarily bonded in step S6 are heated at a temperature of 200 ° C. or higher to improve the bonding strength and make permanent bonding. The temperature applied to the wafer in the heating step is, for example, 200 to 1000 ° C., and here it is performed at 300 ° C. By the heating step, the first wafer and the second wafer are firmly bonded at their bonding surfaces. Thus, the wafer bonding process is completed.

ステップS5のプラズマ処理を行わない場合、図10に示す比較例の模式図のように、各ウエハのそれぞれの表面にはH(水素)およびO(酸素)が多く存在し、ファンデルワールス力により弱い力で仮接合される。このような表面状態のウエハ同士を永久接合させる場合は、1000℃程度の比較的高い温度の熱処理を行う必要がある。この熱処理により、第1ウエハW1および第2ウエハW2との間にはSi−O−Siの共有結合が形成され、ウエハ同士が強固に結合される。なお、図10では図の左側に、仮接合(図1のステップS6に対応)時のウエハの表面状態を示し、図の右側に、永久接合のための熱処理(図1のステップS7に対応)後のウエハ間の境界の状態を示している。図10は、比較例として示す製造工程中の半導体装置のウエハの表面状態を示す模式図である。   When the plasma treatment of step S5 is not performed, as shown in the schematic diagram of the comparative example shown in FIG. 10, there are a lot of H (hydrogen) and O (oxygen) on each surface of each wafer, and van der Waals force Temporarily joined with weak force. When permanently bonding such surface-state wafers, it is necessary to perform heat treatment at a relatively high temperature of about 1000 ° C. By this heat treatment, a Si—O—Si covalent bond is formed between the first wafer W1 and the second wafer W2, and the wafers are firmly bonded to each other. In FIG. 10, the left side of the drawing shows the surface state of the wafer during temporary bonding (corresponding to step S6 in FIG. 1), and the right side of the drawing shows heat treatment for permanent bonding (corresponding to step S7 in FIG. 1). The state of the boundary between subsequent wafers is shown. FIG. 10 is a schematic diagram showing a surface state of a wafer of a semiconductor device in a manufacturing process shown as a comparative example.

これに対し本実施の形態では、図1に示すステップS5のプラズマ処理によるウエハの表面の活性化により、図4の左側に示すように、ウエハの表面にSi−O−Hの構造を揃えている。ステップS6の仮接合工程では、第1ウエハW1および第2ウエハW2はファンデルワールス力により弱い力で接合される。ウエハの表面にSi−O−Hの構造が揃っている場合、200〜300℃程度の比較的低い温度の熱処理であっても、第1ウエハW1および第2ウエハW2間にSi−O−Siの共有結合を形成し、ウエハ同士を強固に結合させることができる。本願では、このように共有結合を形成して、ウエハ同士の結合力を、仮接合の状態よりも高めた状態の接合を永久接合という。   On the other hand, in this embodiment, as shown on the left side of FIG. 4, the structure of Si—O—H is arranged on the wafer surface by the activation of the wafer surface by the plasma treatment in step S5 shown in FIG. Yes. In the temporary bonding step of step S6, the first wafer W1 and the second wafer W2 are bonded with a weak force by the van der Waals force. When the Si—O—H structure is arranged on the surface of the wafer, even if the heat treatment is performed at a relatively low temperature of about 200 to 300 ° C., the Si—O—Si is interposed between the first wafer W1 and the second wafer W2. These covalent bonds can be formed to firmly bond the wafers. In the present application, the bonding in which the covalent bond is formed and the bonding force between the wafers is higher than that of the temporary bonding is referred to as permanent bonding.

図4では図の左側に、仮接合(図1のステップS6)時のウエハの表面状態を示し、図の右側に、永久接合のための熱処理(図1のステップS7)後のウエハ間の境界の状態を示している。図4は、本実施の形態の製造工程中の半導体装置のウエハの表面状態を示す模式図である。   In FIG. 4, the left side of the drawing shows the surface state of the wafer during temporary bonding (step S <b> 6 in FIG. 1), and the right side of the drawing shows the boundary between the wafers after the heat treatment for permanent bonding (step S <b> 7 in FIG. 1). Shows the state. FIG. 4 is a schematic diagram showing the surface state of the wafer of the semiconductor device during the manufacturing process of the present embodiment.

次に、図1のステップS8に示すように、ウエハの薄膜化、およびデバイス形成工程の続きを行う。具体的には、まず図5に示すように、第2ウエハW2に接合した第1ウエハW1を薄膜化するため、第1ウエハW1の裏面を研磨するなどして後退させる。図5では、図の左側に、図1のステップS7により接合した状態の第1ウエハW1および第2ウエハW2の俯瞰図を示し、図の右側に、図1のステップS8の研磨工程により第1ウエハW1を薄膜化した後の第1ウエハW1および第2ウエハW2の俯瞰図を示している。   Next, as shown in step S8 of FIG. 1, the wafer thinning and device formation process are continued. Specifically, as shown in FIG. 5, first, in order to reduce the thickness of the first wafer W1 bonded to the second wafer W2, the back surface of the first wafer W1 is moved back, for example. In FIG. 5, an overhead view of the first wafer W1 and the second wafer W2 bonded in step S7 of FIG. 1 is shown on the left side of the drawing, and the first is shown on the right side of the drawing by the polishing process of step S8 of FIG. An overhead view of the first wafer W1 and the second wafer W2 after the wafer W1 is thinned is shown.

また、図6に、上記研磨工程を行った第1ウエハW1の断面図を示す。図6に示す断面図は、図5に示す俯瞰図に対し上下を逆さにして示している。つまり、第2ウエハW2上に、薄膜化された第1ウエハW1が接合されている。図1のステップS8において行う上記研磨工程では、バックグラインド法、CMP法またはそれらの方法を組み合わせて半導体基板SB1の裏面BSを後退させ、半導体基板SB1を薄膜化する。これにより、半導体基板SB1の膜厚は3μm程度となる。これにより、上記した裏面照射型のイメージセンサにおいて、第1ウエハW1の裏面BS側から照射される光が受光部に到達する前に透過する半導体基板SB1の厚さを小さくし、受光量が減衰することを防いでいる。   FIG. 6 shows a cross-sectional view of the first wafer W1 subjected to the polishing step. The cross-sectional view shown in FIG. 6 is shown upside down with respect to the overhead view shown in FIG. That is, the thinned first wafer W1 is bonded onto the second wafer W2. In the polishing process performed in step S8 in FIG. 1, the back surface BS of the semiconductor substrate SB1 is retracted by combining the back grinding method, the CMP method, or a combination thereof, and the semiconductor substrate SB1 is thinned. Thereby, the film thickness of the semiconductor substrate SB1 becomes about 3 μm. Thereby, in the above-described backside illumination type image sensor, the thickness of the semiconductor substrate SB1 that is transmitted before the light irradiated from the backside BS side of the first wafer W1 reaches the light receiving portion is reduced, and the amount of received light is attenuated. To prevent you from doing.

なお、図6では第2ウエハW2上に、図3に示した第1ウエハW1の上下を逆さにして接合した構造の断面を示している。図3において図の下側に位置していた半導体基板SB1の裏面BS側は、図6においては図の最上部に示してあるが、ここでは、図6に示す図の再上面を半導体基板SB1の裏面BSと呼ぶ。本願でいうウエハ(半導体基板)の裏面とは、ウエハ(半導体基板)の主面側の面の反対側の面である。例えば、第1ウエハW1の裏面は、半導体基板SB1を含む第1ウエハW1の、フォトダイオードPDおよび配線M1〜M3などが形成されている側の面(主面)の反対側の面(裏面BS)である。   6 shows a cross section of a structure in which the first wafer W1 shown in FIG. 3 is bonded upside down on the second wafer W2. In FIG. 3, the back surface BS side of the semiconductor substrate SB1 located on the lower side of the drawing is shown at the top of the drawing in FIG. 6, but here, the upper surface of the drawing shown in FIG. This is called the back side BS. The back surface of the wafer (semiconductor substrate) in the present application is a surface opposite to the main surface side of the wafer (semiconductor substrate). For example, the back surface of the first wafer W1 is the surface (back surface BS) opposite to the surface (main surface) of the first wafer W1 including the semiconductor substrate SB1 on the side where the photodiode PD and the wirings M1 to M3 are formed. ).

次に、図7に示すように、半導体基板SB1の裏面BS上にHf(ハフニウム)膜またはシリコン窒化膜などからなる反射防止膜RR、酸化シリコン膜からなる絶縁膜L4、光を遮蔽するタングステン膜またはアルミニウム膜などの複数のパターンからなる遮光膜CLを順次形成する。その後、絶縁膜L4上に、内部にカラーフィルターCFを含む有機膜からなるオンチップレンズOLを形成することで、図1のステップS8が完了し、本実施の形態の裏面照射型のCMOSイメージセンサを含む半導体装置が完成する。オンチップレンズの上面の凹凸は、例えばハーフトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ技術およびエッチング法などにより形成する。   Next, as shown in FIG. 7, on the back surface BS of the semiconductor substrate SB1, an antireflection film RR made of an Hf (hafnium) film or a silicon nitride film, an insulating film L4 made of a silicon oxide film, and a tungsten film for shielding light. Alternatively, a light shielding film CL composed of a plurality of patterns such as an aluminum film is sequentially formed. Thereafter, an on-chip lens OL made of an organic film including a color filter CF is formed on the insulating film L4, whereby step S8 in FIG. 1 is completed, and the backside illumination type CMOS image sensor of the present embodiment. Is completed. The unevenness on the upper surface of the on-chip lens is formed by, for example, a photolithography technique using a halftone mask and an etching method.

本実施の形態の製造工程により形成したイメージセンサは、図7に示すオンチップレンズOLの上方から光が照射された際に、オンチップレンズOL、絶縁膜L4、反射防止膜RRおよび半導体基板SB1を透過した光をフォトダイオードPDが取り込むことで、光電変換により光を電子に変えることができる素子である。   When the image sensor formed by the manufacturing process of the present embodiment is irradiated with light from above the on-chip lens OL shown in FIG. 7, the on-chip lens OL, the insulating film L4, the antireflection film RR, and the semiconductor substrate SB1. This is an element that can convert light into electrons by photoelectric conversion when the photodiode PD captures the light transmitted through the light.

本実施の形態では、第1ウエハの主面側に形成された酸化シリコン膜からなる絶縁膜L3(図3参照)の表面と、単結晶シリコン基板からなる第2ウエハの表面とを接続させる場合について説明したが、上述したように絶縁膜L3はシリコン膜により構成されていてもよい。また、第1ウエハの主面側にシリコン膜が形成され、第2ウエハの主面側に酸化シリコン膜が形成されていてもよい。つまり、2枚のウエハを接合させるときには、酸化シリコン膜の表面とシリコン膜の表面とを接合させる場合と、シリコン膜の表面同士を接合させる場合とが考えられる。   In the present embodiment, the surface of the insulating film L3 (see FIG. 3) made of a silicon oxide film formed on the main surface side of the first wafer is connected to the surface of the second wafer made of a single crystal silicon substrate. As described above, the insulating film L3 may be formed of a silicon film. Further, a silicon film may be formed on the main surface side of the first wafer, and a silicon oxide film may be formed on the main surface side of the second wafer. That is, when two wafers are bonded, it can be considered that the surface of the silicon oxide film and the surface of the silicon film are bonded or the surfaces of the silicon films are bonded together.

以下に、本実施の形態の効果について説明する。   Below, the effect of this Embodiment is demonstrated.

2枚のウエハを貼り合わせる工程を有する半導体装置の製造工程では、図1のステップS4における熱処理による脱ガス処理を行わずに、表面を純水などにより洗浄したウエハ同士を仮接合させ、その後200〜1000℃程度の高温の熱処理を施すことにより各ウエハを強固に接合することが考えられる。しかし、脱ガス処理(熱処理)を行わない場合、ウエハ間の境界には水などのガス成分が残留しており、このようなウエハ同士を仮接合した後に永久結合の熱処理を行うと、水分が膨張してウエハ間にボイドが生じ、半導体基板の信頼性が低下する問題がある。   In the semiconductor device manufacturing process including the process of bonding two wafers, the wafers whose surfaces are cleaned with pure water or the like are temporarily bonded without performing the degassing process by the heat treatment in step S4 of FIG. It is conceivable that each wafer is firmly bonded by performing a high-temperature heat treatment of about ˜1000 ° C. However, when degassing treatment (heat treatment) is not performed, a gas component such as water remains at the boundary between the wafers. There is a problem that voids are generated between the wafers due to expansion and the reliability of the semiconductor substrate is lowered.

つまり、第1ウエハおよび第2ウエハの接合面に水分またはその他のガスなどが吸着されている場合、本実施の形態の図1のステップS7に対応する高温の熱処理により、当該水分等が気化するなどして膨張し、各ウエハ間にボイド(空隙)が形成される虞がある。ウエハ間にボイドが形成された場合、第1ウエハおよび第2ウエハ間の接合強度が低下する。第2ウエハが第1ウエハから剥がれた場合、3μm程度に薄膜下された第1ウエハはその強度を保てず破損する虞がある。したがって、各ウエハ間に水分等を残留させたままウエハの接合を行うと、ウエハ間の接合強度が十分に保てないため、半導体装置の信頼性が低下する。   That is, when moisture or other gas is adsorbed on the bonding surfaces of the first wafer and the second wafer, the moisture or the like is vaporized by the high-temperature heat treatment corresponding to step S7 in FIG. 1 of the present embodiment. There is a risk that voids (voids) are formed between the wafers. When voids are formed between the wafers, the bonding strength between the first wafer and the second wafer decreases. When the second wafer is peeled off from the first wafer, the first wafer which is thinned to about 3 μm may not be able to maintain its strength and may be damaged. Therefore, if the wafers are bonded with moisture remaining between the wafers, the bonding strength between the wafers cannot be maintained sufficiently, and the reliability of the semiconductor device is lowered.

また、上記のように、2枚のウエハを接合させるときには、酸化シリコン膜の表面とシリコン膜の表面とを接合する場合と、シリコン膜の表面同士を接合する場合とが考えらる。また、その他にも、酸化シリコン膜の表面同士を接合する場合、シリコン膜の表面と窒化シリコン膜の表面とを接合する場合、または酸化シリコン膜の表面と窒化シリコン膜の表面とを接合する場合が考えられる。   Further, as described above, when two wafers are bonded, there are considered a case where the surface of the silicon oxide film and the surface of the silicon film are bonded and a case where the surfaces of the silicon films are bonded together. In addition, when joining the surfaces of silicon oxide films, joining the surface of the silicon film and the surface of the silicon nitride film, or joining the surface of the silicon oxide film and the surface of the silicon nitride film Can be considered.

上記のボイドの発生は、酸化シリコン膜とシリコン膜とを接合させる場合よりも、シリコン膜の表面同士を接合させる場合の方が顕著になる。これは酸化シリコン膜が水分を吸収しやすい性質を有し、酸化シリコン膜中に水分が拡散吸収されることで、ボイドの発生を抑えることができるためである。したがって、接合面に酸化シリコン膜を用いることにより、ボイドの発生を抑えることができる。   The generation of the above-mentioned voids becomes more remarkable when the surfaces of the silicon films are bonded to each other than when the silicon oxide film and the silicon film are bonded. This is because the silicon oxide film has a property of easily absorbing moisture, and the generation of voids can be suppressed by the diffusion and absorption of moisture in the silicon oxide film. Therefore, generation of voids can be suppressed by using a silicon oxide film for the bonding surface.

しかし、水分を吸収した酸化シリコン膜は、絶縁破壊を起こしやすく、また、配線間のリーク電流が発生しやすくなるなどの問題を有しており、絶縁膜としての機能が低い。また、酸化シリコン膜中の水分が、当該酸化シリコン膜の近傍の金属配線(例えば図7に示す配線M4)と反応することで金属配線が腐食し、配線の抵抗の上昇、または断線を引き起こす虞がある。酸化シリコン膜を用いること自体に問題はないが、その膜に水分が吸着した状態のまま、2枚のウエハを接合することで、上記の問題が生じる。   However, the silicon oxide film that has absorbed moisture has problems such as that dielectric breakdown is likely to occur and leakage current between wirings is likely to occur, and the function as an insulating film is low. Further, the moisture in the silicon oxide film reacts with the metal wiring (for example, the wiring M4 shown in FIG. 7) in the vicinity of the silicon oxide film, so that the metal wiring is corroded, and the resistance of the wiring may be increased or the wiring may be disconnected. There is. There is no problem in using the silicon oxide film itself, but the above problem occurs when two wafers are bonded while moisture is adsorbed on the film.

なお、本実施の形態のステップS7に相当するような、例えば100℃より高い温度での熱処理工程を用いずに、接着剤などを用いて2枚のウエハを接合することが考えられる。しかし、この場合でも、接合するウエハの表面に水分等が残っている場合には、当該水分が除去されている場合に比べて接合強度が低下する問題が生じる。また、接着剤によりウエハを接合しても、接合面に酸化シリコン膜を設けている場合には、当該酸化シリコン膜に水分が吸収されることにより、上述したように、当該酸化シリコン膜の絶縁性の低下および金属配線の腐食が起きる問題がある。   Note that it is conceivable to bond two wafers using an adhesive or the like without using a heat treatment step at a temperature higher than 100 ° C., for example, corresponding to step S7 of the present embodiment. However, even in this case, when moisture or the like remains on the surface of the wafer to be bonded, there arises a problem that the bonding strength is reduced as compared with the case where the moisture is removed. In addition, even when the wafer is bonded with an adhesive, when a silicon oxide film is provided on the bonding surface, moisture is absorbed by the silicon oxide film, so that the silicon oxide film is insulated as described above. There is a problem that the deterioration of property and corrosion of metal wiring occur.

したがって、酸化シリコン膜の表面とシリコン膜の表面とを接合する場合、およびシリコン膜の表面同士を接合する場合のいずれの場合においても、ウエハの接合前にウエハの表面から水分等を除去する必要がある。   Therefore, it is necessary to remove moisture and the like from the wafer surface before bonding the wafer in both cases of bonding the surface of the silicon oxide film and the surface of the silicon film and bonding the surfaces of the silicon films together. There is.

そこで、本実施の形態では、ステップS4において加熱処理を行うことにより脱ガスを行なうことで、ウエハ間の接合界面の水分等を除去している。このように、100℃以上の高温で第1ウエハおよび第2ウエハのそれぞれの表面に吸着されて水分またはその他のガス成分を脱離させ、その後に仮接合工程および永久接合のための熱処理工程を行うことで、ウエハの表面に残る水分が当該熱処理工程により膨張してウエハ間にボイドを形成することを防ぐことができる。このように、2枚のウエハを貼り合わせる前にウエハの温度を制御し、洗浄後の各ウエハの表面状態を管理することにより、接合したウエハの接合強度が低下することを防ぎ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   Therefore, in this embodiment, moisture and the like at the bonding interface between the wafers are removed by performing degassing by performing heat treatment in step S4. In this way, moisture or other gas components are adsorbed on the surfaces of the first wafer and the second wafer at a high temperature of 100 ° C. or higher, and thereafter, a temporary bonding process and a heat treatment process for permanent bonding are performed. By doing so, it is possible to prevent moisture remaining on the surface of the wafer from expanding due to the heat treatment step and forming voids between the wafers. In this way, by controlling the wafer temperature before bonding the two wafers and managing the surface state of each wafer after cleaning, it is possible to prevent the bonding strength of the bonded wafers from decreasing, Reliability can be improved.

上記効果は、第1ウエハと第2ウエハの接合面がシリコン膜の表面同士である場合に顕著に得ることができる。これは、上述したように、ウエハ間の接合面に酸化シリコン膜が設けてある場合に比べて、シリコン膜同士を接合した場合はボイドの発生を抑えることが困難なためである。ただし、上記効果は、本実施の形態のように、ウエハの接合面に酸化シリコン膜を設けている場合であっても得ることができ、また、その場合には、酸化シリコン膜中に水分が吸収されることにより、当該酸化シリコン膜の絶縁性の低下または金属配線の腐食の発生を防ぐことができる。   The above effect can be remarkably obtained when the bonding surfaces of the first wafer and the second wafer are the surfaces of the silicon film. This is because, as described above, it is difficult to suppress the generation of voids when silicon films are bonded to each other as compared with the case where silicon oxide films are provided on the bonding surfaces between wafers. However, the above effect can be obtained even when a silicon oxide film is provided on the bonding surface of the wafer as in this embodiment, and in that case, moisture is contained in the silicon oxide film. By being absorbed, it is possible to prevent the deterioration of the insulating property of the silicon oxide film or the corrosion of the metal wiring.

なお、洗浄工程の前にプラズマ処理を行い、その後洗浄、脱ガス、仮接合、および永久接合の順に工程を行なってもよい。つまり、図1に示すステップS5のプラズマ処理による活性化工程は、接合表面を形成するステップS2の後であって、ステップS6の仮接合工程の前であれば、ステップS3の洗浄工程の前または後のどちらの時点で行なってもよい。ステップS3の洗浄工程は、ステップS4の脱ガス処理の直前、またはステップS5のプラズマ処理工程(活性化工程)の直前のいずれの時点で行なってもよく、また、それぞれの時点で洗浄を行なっても構わない。   Note that plasma treatment may be performed before the cleaning step, and then the steps may be performed in the order of cleaning, degassing, provisional bonding, and permanent bonding. That is, if the activation process by the plasma treatment in step S5 shown in FIG. 1 is after step S2 for forming the bonding surface and before the temporary bonding process in step S6, before the cleaning process in step S3 or It can be done at any later time. The cleaning process in step S3 may be performed at any time immediately before the degassing process at step S4 or immediately before the plasma processing process (activation process) at step S5, and the cleaning is performed at each time point. It doesn't matter.

また、接着剤を用いてウエハ間を接合することについて上述したが、CMOSイメージセンサは、接着剤中に含まれる不純物により影響を受けやすく、当該不純物によってその性能が劣化する虞が高い。したがって、CMOSイメージセンサの製造工程において、ウエハの貼り合わせの際に接着剤を用いることは好ましくない。これに対し、本実施の形態の接合工程のように、接着剤を用いない接合方法を採用することにより、素子の性能の低下を防ぐことができる。   In addition, the bonding between the wafers using the adhesive has been described above. However, the CMOS image sensor is easily affected by impurities contained in the adhesive, and there is a high possibility that the performance is deteriorated by the impurities. Therefore, it is not preferable to use an adhesive when bonding wafers in the manufacturing process of the CMOS image sensor. On the other hand, by adopting a bonding method that does not use an adhesive as in the bonding step of the present embodiment, it is possible to prevent the performance of the element from being deteriorated.

(実施の形態2)
本実施の形態では、2枚のウエハを接合する工程を有する半導体装置の製造方法において、ウエハの脱ガス工程、仮接合工程、永久接合工程などの工程と、それらの工程の間のウエハの搬送とを、気圧を管理した減圧下で行う半導体装置の製造方法について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, in a method for manufacturing a semiconductor device including a step of bonding two wafers, steps such as a wafer degassing step, a temporary bonding step, and a permanent bonding step, and transfer of the wafer between these steps A method for manufacturing a semiconductor device, which is performed under a reduced pressure with a controlled atmospheric pressure, is described.

本実施の形態で行うウエハの接合に用いるマルチチャンバ装置の模式図を図8に示す。図8に示すマルチチャンバ装置MCは、中央部に搬送チャンバCH7を有し、その周囲には、複数のプロセスチャンバが接続されている。具体的には、搬送チャンバCH7に接続されているのは、脱ガスチャンバCH1、プラズマ処理チャンバCH2、ウエハ温度制御チャンバCH3、ウエハ貼り合わせチャンバCH4、ウエハ温度制御チャンバCH5、洗浄チャンバCH6、ロードロックチャンバRC1およびRC2である。搬送チャンバCH7内には、搬送用ロボットRB1が配置されている。搬送用ロボットRB1は、複数の外接するプロセスチャンバとロードロックチャンバRC1およびRC2との間でウエハを搬送するために用いられる。   FIG. 8 is a schematic diagram of a multi-chamber apparatus used for wafer bonding performed in this embodiment mode. The multi-chamber apparatus MC shown in FIG. 8 has a transfer chamber CH7 at the center, and a plurality of process chambers are connected around the transfer chamber CH7. Specifically, the degassing chamber CH1, plasma processing chamber CH2, wafer temperature control chamber CH3, wafer bonding chamber CH4, wafer temperature control chamber CH5, cleaning chamber CH6, load lock are connected to the transfer chamber CH7. Chambers RC1 and RC2. A transfer robot RB1 is arranged in the transfer chamber CH7. The transfer robot RB1 is used to transfer a wafer between a plurality of circumscribed process chambers and the load lock chambers RC1 and RC2.

マルチチャンバ装置MCは、ロードロックチャンバRC1およびRC2を介してファクトリインタフェースFIに結合されている。ファクトリインタフェースFIは、複数のウエハ格納カセットWCおよび搬送用ロボットRB2を含んでいる。搬送用ロボットRB2は、ウエハ格納カセットWCとロードロックチャンバRC1およびRC2との間でウエハを搬送するために配置されている。ファクトリインタフェースFI内の気圧は、大気圧に維持されている。   The multi-chamber device MC is coupled to the factory interface FI via load lock chambers RC1 and RC2. The factory interface FI includes a plurality of wafer storage cassettes WC and a transfer robot RB2. The transfer robot RB2 is arranged to transfer a wafer between the wafer storage cassette WC and the load lock chambers RC1 and RC2. The atmospheric pressure in the factory interface FI is maintained at atmospheric pressure.

この装置を用いてウエハの貼り合わせを行う際は、ウエハ格納カセットWCに搬送された複数のウエハのうちの第1ウエハおよび第2ウエハを、搬送用ロボットRB2がロードロックチャンバRC1およびRC2のそれぞれに分けて移す。その後、第1ウエハおよび第2ウエハのそれぞれは搬送用ロボットRB1により搬送され、マルチチャンバ装置MC内の各プロセスチャンバにて処理された後、互いに接合されてウエハ格納カセットWCに戻される。   When wafers are bonded using this apparatus, the transfer robot RB2 transfers the first and second wafers of the plurality of wafers transferred to the wafer storage cassette WC to the load lock chambers RC1 and RC2, respectively. Transfer it in parts. Thereafter, each of the first wafer and the second wafer is transferred by the transfer robot RB1, processed in each process chamber in the multi-chamber apparatus MC, then bonded to each other and returned to the wafer storage cassette WC.

以下では、本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図9に示すフローに沿って、図8を参照して説明する。図9に示すように、本実施の形態のフローであるステップS1、S2、S3、S4、S5、S6、S7およびS8で行う工程およびそれらのステップを行う順番は、前記実施の形態1と同様である。ただし、ステップS3の後であって、ステップS7の完了までは、前記実施の形態1と異なり、処理を行う装置内の気圧および温度を制御する。   Below, the manufacturing method of the semiconductor device of this Embodiment is demonstrated with reference to FIG. 8 along the flow shown in FIG. As shown in FIG. 9, the steps performed in steps S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 and S8, which are the flow of the present embodiment, and the order of performing those steps are the same as in the first embodiment. It is. However, after step S3 and until the completion of step S7, unlike the first embodiment, the atmospheric pressure and temperature in the apparatus for processing are controlled.

まず、図9のステップS1のウエハの準備工程およびステップS2のデバイス形成工程を、前記実施の形態1と同様に行う。ステップS1およびステップS2は図8に示すマルチチャンバ装置MCの外で行う工程である。その後、第1ウエハおよび第2ウエハを、図8に示すウエハ格納カセットWCにセットした後、搬送用ロボットRB1、RB2により洗浄チャンバCH6内に搬送する。   First, the wafer preparation process in step S1 and the device formation process in step S2 in FIG. 9 are performed in the same manner as in the first embodiment. Steps S1 and S2 are steps performed outside the multi-chamber apparatus MC shown in FIG. Thereafter, the first wafer and the second wafer are set in the wafer storage cassette WC shown in FIG. 8, and then transferred into the cleaning chamber CH6 by the transfer robots RB1 and RB2.

ここではまず、ウエハ格納カセットWCから、第1ウエハを内部の気圧が大気圧(常圧)であるロードロックチャンバRC1内に搬送し、第2ウエハを内部の気圧が大気圧(常圧)であるロードロックチャンバRC2内に搬送する。続いて、ロードロックチャンバRC1、RC2のそれぞれとファクトリインタフェースFIとの間の扉(図示しない)を閉じ、ロードロックチャンバRC1、RC2を密閉した状態で、内部を減圧して真空状態にする。   Here, first, the first wafer is transferred from the wafer storage cassette WC into the load lock chamber RC1 where the internal atmospheric pressure is atmospheric pressure (normal pressure), and the second wafer is transferred at atmospheric pressure (normal pressure). It is transferred into a certain load lock chamber RC2. Subsequently, a door (not shown) between each of the load lock chambers RC1 and RC2 and the factory interface FI is closed, and the inside of the load lock chambers RC1 and RC2 is sealed, and the inside is depressurized to be in a vacuum state.

続いて、真空(減圧)状態に保たれている搬送チャンバCH7とロードロックチャンバRC1、RC2との間の扉(図示しない)を開け、搬送用ロボットRB1により一枚のウエハを、真空(減圧)状態の洗浄チャンバCH6内に移す。その後、洗浄チャンバCH6の扉(図示しない)を閉じた後、洗浄チャンバCH6内の気圧を常圧に制御し、洗浄工程を常圧下で行うことで、ウエハの表面に付着した異物(パーティクル)を除去する(図9のステップS3)。洗浄が終了した後に、洗浄チャンバCH6内を減圧して真空状態にし、ウエハを洗浄チャンバCH6内から搬送チャンバCH7内に戻す。   Subsequently, a door (not shown) between the transfer chamber CH7 and the load lock chambers RC1 and RC2 maintained in a vacuum (depressurized) state is opened, and one wafer is vacuumed (depressurized) by the transfer robot RB1. Move into the clean chamber CH6. Then, after closing the door (not shown) of the cleaning chamber CH6, the atmospheric pressure in the cleaning chamber CH6 is controlled to normal pressure, and the cleaning process is performed under normal pressure, so that foreign matter (particles) adhering to the wafer surface is removed. It is removed (step S3 in FIG. 9). After the cleaning is completed, the inside of the cleaning chamber CH6 is depressurized to be in a vacuum state, and the wafer is returned from the cleaning chamber CH6 to the transfer chamber CH7.

なお、マルチチャンバ装置MCを構成する脱ガスチャンバCH1、プラズマ処理チャンバCH2、ウエハ温度制御チャンバCH3、ウエハ貼り合わせチャンバCH4およびウエハ温度制御チャンバCH5および搬送チャンバCH7は、洗浄チャンバCH6、ロードロックチャンバRC1およびRC2と異なり、常に減圧状態が保たれている。   The degassing chamber CH1, plasma processing chamber CH2, wafer temperature control chamber CH3, wafer bonding chamber CH4, wafer temperature control chamber CH5 and transfer chamber CH7 constituting the multi-chamber apparatus MC are a cleaning chamber CH6 and a load lock chamber RC1. Unlike RC2 and RC2, the decompressed state is always maintained.

次に、図9のステップS3の洗浄工程を経たウエハを、脱ガスチャンバCH1内に搬入し、キセノンランプなどを用いた高温の熱処理を行うことで、ウエハの表面の水分およびその他のガス成分をウエハから脱離させる(図9のステップS4)。ここで、ウエハを昇温して脱ガス処理を行うと、ウエハの表面から水分が気化して脱離することにより、脱ガスチャンバCH1内の気圧が一時的に上昇する。ただし、ここでは脱ガスチャンバCH1内を減圧雰囲気に保つため、ポンプを用いて常に脱ガスチャンバCH1内のガスを排気し続けていることから、上昇した気圧は徐々に低下し、脱ガスチャンバCH1内はまた元の減圧状態に戻る。   Next, the wafer that has undergone the cleaning process of step S3 in FIG. 9 is carried into the degassing chamber CH1 and subjected to high-temperature heat treatment using a xenon lamp or the like, thereby removing moisture and other gas components on the surface of the wafer. Detach from the wafer (step S4 in FIG. 9). Here, when the degassing process is performed by raising the temperature of the wafer, moisture is vaporized and desorbed from the surface of the wafer, so that the pressure in the degassing chamber CH1 temporarily rises. However, in this case, in order to keep the inside of the degassing chamber CH1 in a reduced pressure atmosphere, the gas in the degassing chamber CH1 is always exhausted by using a pump. Therefore, the increased atmospheric pressure gradually decreases, and the degassing chamber CH1. The inside returns to the original reduced pressure state.

脱ガスに用いる装置には、内部のガスを排気し続けることで内部の気圧が減圧される脱ガスチャンバCH1を用いる。特に、脱ガスチャンバCH1内の雰囲気の成分は、水分が極力除去されていることが重要である。したがって、ここでは、脱ガスチャンバCH1内のガスをポンプ等を用いて排気することで減圧状態とし、または、チャンバ内にN(窒素)ガス、He(ヘリウム)ガスもしくはAr(アルゴン)ガスなどの不活性ガスを供給することで、チャンバ内を窒素雰囲気、ヘリウム雰囲気またはアルゴン雰囲気とした減圧状態とする。 The apparatus used for degassing uses a degas chamber CH1 in which the internal pressure is reduced by continuing to exhaust the internal gas. In particular, it is important that moisture is removed as much as possible from the atmosphere components in the degas chamber CH1. Accordingly, here, the gas in the degassing chamber CH1 is evacuated by using a pump or the like, or the pressure is reduced, or N 2 (nitrogen) gas, He (helium) gas, Ar (argon) gas, or the like is contained in the chamber. By supplying this inert gas, the inside of the chamber is brought into a reduced pressure state with a nitrogen atmosphere, a helium atmosphere or an argon atmosphere.

このような脱ガス工程では、脱離したガスの量などをモニタする方法として、前記実施の形態1において説明したように、昇温時の温度をウエハ温度計により管理、制御する方法、脱ガスチャンバCH1内の真空度を真空計により検査する方法、または脱ガスチャンバCH1内から排気された脱離ガス成分を質量分析器を用いてを検査する方法が挙げられる。   In such a degassing step, as described in the first embodiment, as a method for monitoring the amount of desorbed gas, a method of managing and controlling the temperature at the time of temperature rise with a wafer thermometer, degassing A method for inspecting the degree of vacuum in the chamber CH1 with a vacuum gauge, or a method for inspecting a desorbed gas component exhausted from the degas chamber CH1 using a mass analyzer.

次に、減圧雰囲気を保持した状態でウエハをプラズマ処理チャンバCH2内に搬送し、ウエハ表面を減圧下でプラズマ処理等することにより活性化する(図9のステップS5)。   Next, the wafer is transferred into the plasma processing chamber CH2 while maintaining the reduced-pressure atmosphere, and the wafer surface is activated by plasma processing or the like under reduced pressure (step S5 in FIG. 9).

次に、減圧雰囲気を保持した状態でウエハをウエハ温度制御チャンバCH3内に搬送し、ウエハを例えば常温(室温)またはその他の特定の温度になるまで冷却する(図9のステップS5a)。また、冷却に限らず、ウエハの温度が下がりすぎている場合には、ウエハ温度制御チャンバCH3内でウエハを昇温する。ここで、ウエハを冷却をする際はステージにウエハを機械的または静電チャックなどにより固定し、ステージ中を流れる液体(例えば水)によりウエハを冷却する水冷方式を用いる。また、ウエハを昇温する際には、ランプ光照射などによりウエハの温度を高める。   Next, the wafer is transferred into the wafer temperature control chamber CH3 while maintaining the reduced-pressure atmosphere, and the wafer is cooled to, for example, room temperature (room temperature) or another specific temperature (step S5a in FIG. 9). In addition to cooling, when the temperature of the wafer is too low, the temperature of the wafer is raised in the wafer temperature control chamber CH3. Here, when the wafer is cooled, a water cooling method is used in which the wafer is fixed to the stage by a mechanical or electrostatic chuck, and the wafer is cooled by a liquid (for example, water) flowing through the stage. Further, when the temperature of the wafer is increased, the temperature of the wafer is increased by lamp light irradiation or the like.

ここでは、デバイスが形成された第1ウエハに対し、以上に説明した図9のステップS1〜ステップS5aの工程を行い、第2ウエハに対しても、図9のステップS1、ステップS3〜ステップS5aを第1ウエハに追って行う。なお、ステップS5aにおける温度制御のタイミングを第1ウエハと第2ウエハとで合わせるため、第1ウエハをウエハ温度制御チャンバCH3内に搬送し、第2ウエハをウエハ温度制御チャンバCH5内に搬送し、それぞれを同時に温度制御してもよい。ステップS5aの温度制御工程を行うことで、ウエハ貼り合わせ(仮接合)工程(図9のステップS6)の直前の時点で、第1ウエハおよび第2ウエハは、互いにほぼ同一の温度となる。ここで、2枚のウエハの温度差は50℃以下とする。   Here, the above-described steps S1 to S5a in FIG. 9 are performed on the first wafer on which the device is formed, and steps S1 and S3 to S5a in FIG. 9 are also performed on the second wafer. Is performed on the first wafer. In order to match the timing of temperature control in step S5a between the first wafer and the second wafer, the first wafer is transferred into the wafer temperature control chamber CH3, the second wafer is transferred into the wafer temperature control chamber CH5, Each may be temperature controlled simultaneously. By performing the temperature control process in step S5a, the first wafer and the second wafer have substantially the same temperature immediately before the wafer bonding (temporary bonding) process (step S6 in FIG. 9). Here, the temperature difference between the two wafers is 50 ° C. or less.

このように貼り合わせ前の第1ウエハおよび第2ウエハの温度差を極力小さくしているのは、ウエハの熱膨張に起因する残留歪の発生を防止することにより、ボイドの発生を抑制し、また、応力起因のデバイス性能の劣化(例えばリーク電流または暗電流の発生)を防止するためである。デバイスが形成されている第1ウエハは、半導体基板上に窒化膜などの絶縁膜および金属膜を複数層形成した複雑な構造を有しており、それらの膜は温度変化による膨張率および収縮率に差があるため、第1ウエハが極度に昇温または冷却された場合には、第1ウエハ内に応力歪が発生し、第1ウエハ自体が反る場合がある。   In this way, the temperature difference between the first wafer and the second wafer before bonding is made as small as possible by suppressing the occurrence of voids by preventing the occurrence of residual strain due to the thermal expansion of the wafer, Another reason is to prevent device performance degradation (for example, generation of leakage current or dark current) due to stress. The first wafer on which the device is formed has a complicated structure in which a plurality of insulating films such as nitride films and metal films are formed on a semiconductor substrate, and these films have an expansion coefficient and a contraction coefficient due to temperature changes. Therefore, if the first wafer is extremely heated or cooled, stress strain may occur in the first wafer and the first wafer itself may be warped.

第1ウエハに反りが生じれば第1ウエハと第2ウエハとを密着させて貼り合わせること、およびウエハ間の接合力を保つことが困難となる。また、イメージセンサは各フォトダイオードなどの位置および性能を揃えることが重要となるため、内部に歪または応力が生じることで素子の位置または性能がばらつくと、半導体装置の信頼性が低下する。また、内部に残留応力を有するウエハは、その内部の回路に暗電流が生じる虞がある。したがって、第1ウエハ内に応力または歪が生じ、ウエハ自体が反ることを防止するため、ここでは第1ウエハの温度を室温に調整している。   If warpage occurs in the first wafer, it becomes difficult to bring the first wafer and the second wafer into close contact with each other and to maintain the bonding force between the wafers. In addition, since it is important to align the position and performance of each photodiode in the image sensor, the reliability of the semiconductor device decreases if the position or performance of the element varies due to internal distortion or stress. Further, a wafer having a residual stress inside may cause dark current in the internal circuit. Therefore, in order to prevent stress or distortion from occurring in the first wafer and warping the wafer itself, the temperature of the first wafer is adjusted to room temperature here.

また、上述したように第1ウエハは窒化膜または金属膜など、シリコン膜とは異なる膨張率を有する膜を含んでいるのに対し、第2ウエハは単結晶シリコン基板のみからなる。したがって、第1ウエハと第2ウエハとではその構造が大きく異なるため、両ウエハが温度変化した際に発生する内部応力の大きさに差が生じる。特に、両ウエハ間に温度差があると、それぞれのウエハ内の応力に大きな差が生じる。したがって、ウエハ間に大きい温度差がある状態でウエハの貼り合わせ工程を行うと、貼り合わせたウエハが室温に戻った際、各ウエハが異なる収縮率で収縮し、第1ウエハおよび第2ウエハ間に大きな内部応力および歪が生じる。   In addition, as described above, the first wafer includes a film having an expansion coefficient different from that of the silicon film, such as a nitride film or a metal film, whereas the second wafer is made of only a single crystal silicon substrate. Therefore, since the structures of the first wafer and the second wafer are greatly different, there is a difference in the magnitude of the internal stress generated when the temperature of both wafers changes. In particular, when there is a temperature difference between the two wafers, a large difference occurs in the stress in each wafer. Therefore, when the wafer bonding process is performed in a state where there is a large temperature difference between the wafers, when the bonded wafers return to room temperature, each wafer contracts at a different contraction rate, and the first wafer and the second wafer are contracted. Large internal stresses and strains occur.

このような応力および歪は、イメージセンサの性能に大きく影響するため、ウエハ内の応力の発生を防ぐ観点から、ウエハを貼り合わせる前の各ウエハと、ウエハを永久結合した後に常温になったウエハとの温度差を小さくすることが望まれる。また、ウエハ内の応力の発生を防ぐ観点から、第1ウエハと第2ウエハとの間の温度差を小さく保ったままウエハの貼り合わせおよび接合の工程を行うことが望まれる。   Since these stresses and strains greatly affect the performance of the image sensor, from the viewpoint of preventing the occurrence of stress in the wafer, each wafer before bonding the wafer and the wafer that has become room temperature after the wafer is permanently bonded It is desirable to reduce the temperature difference between Further, from the viewpoint of preventing the occurrence of stress in the wafer, it is desired to perform the wafer bonding and bonding processes while keeping the temperature difference between the first wafer and the second wafer small.

そこで、本実施の形態では、ウエハを貼り合わせた後の温度である室温に合わせ、ウエハを貼り合わせる前、すなわち図9のステップS6の前に、図8に示すウエハ温度制御チャンバCH3内で各ウエハの温度を室温に調整している(図9のステップS5a)。また、ここでは第1ウエハおよび第2ウエハ間に生じる応力および歪の差を小さくするため、両ウエハの温度を極力同一となるように調整を行なっている(図9のステップS5a)。   Therefore, in the present embodiment, the temperature is adjusted to the room temperature, which is the temperature after the wafer is bonded, and before the wafer is bonded, that is, before step S6 in FIG. 9, each wafer temperature control chamber CH3 shown in FIG. The temperature of the wafer is adjusted to room temperature (step S5a in FIG. 9). Here, in order to reduce the difference in stress and strain generated between the first wafer and the second wafer, the temperature of both wafers is adjusted to be the same as much as possible (step S5a in FIG. 9).

各ウエハ間の温度差は50℃とすることを上述したが、特に低歪を実現するためには、各ウエハ間の温度差を10℃以下とし、各ウエハの面内温度差を10℃以下にすることが望ましい。ここでは、第1ウエハおよび第2ウエハの温度をそれぞれ例えば25℃とする。   As described above, the temperature difference between the wafers is 50 ° C. In order to achieve particularly low strain, the temperature difference between the wafers is 10 ° C. or less, and the in-plane temperature difference of each wafer is 10 ° C. or less. It is desirable to make it. Here, the temperature of the first wafer and the second wafer is set to 25 ° C., for example.

次に、第1ウエハおよび第2ウエハを、減圧下に保持したマルチチャンバ装置MC内を搬送してウエハ貼り合わせチャンバCH4内に配置した後、各ウエハ同士を貼り合わせて仮接合する(図9のステップS6)。この際も、ウエハ貼り合わせチャンバCH4内の気圧は大気圧よりも低い真空(減圧)状態に保たれている。また、両ウエハ間の温度差を常に小さくし、より精密に温度制御を行うため、ウエハ貼り合わせチャンバCH4内でも、貼り合わせ前および貼り合わせ中に第1ウエハおよび第2ウエハの温度制御を行う。温度制御の方法は、上述したステージまたはランプなどを用いる方法と同様の方法を用いる。   Next, after the first wafer and the second wafer are transported through the multi-chamber apparatus MC held under reduced pressure and placed in the wafer bonding chamber CH4, the wafers are bonded together and temporarily bonded (FIG. 9). Step S6). At this time, the pressure in the wafer bonding chamber CH4 is kept in a vacuum (depressurized) state lower than the atmospheric pressure. In addition, the temperature difference between the two wafers is always reduced, and the temperature control of the first wafer and the second wafer is performed before and during bonding in the wafer bonding chamber CH4 in order to perform temperature control more precisely. . The temperature control method is the same as the method using the stage or the lamp described above.

つまり、ウエハを貼り合わせる際にも、各ウエハの温度が同一になるように温度制御を行い、その際、各ウエハの温度を室温とする。ウエハを貼り合わせる際には、接合時の不良の発生を抑制するための脱ガスを目的として、ウエハを昇温しながら2枚のウエハの貼り合わせを行うことが考えられるが、この場合、接合されたウエハが室温に冷却された際、ウエハ内に残留応力が発生する。これに対して本実施の形態では、上記のように、ウエハ間での熱膨張差率または冷却時の収縮率の差に起因する応力の発生を防ぎ、第1ウエハ内に複数種類の膜が存在することに起因する応力の発生を防ぐため、第1ウエハおよび第2ウエハが過度に昇温されないように、各ウエハの温度を室温に制御して貼り合わせを行う。   That is, even when wafers are bonded together, temperature control is performed so that the temperature of each wafer becomes the same, and the temperature of each wafer is set to room temperature. When bonding the wafers, it is conceivable to bond the two wafers while raising the temperature of the wafers for the purpose of degassing in order to suppress the occurrence of defects during bonding. When the processed wafer is cooled to room temperature, residual stress is generated in the wafer. In contrast, in the present embodiment, as described above, the generation of stress due to the difference in thermal expansion difference between wafers or the difference in shrinkage during cooling is prevented, and a plurality of types of films are formed in the first wafer. In order to prevent the occurrence of stress due to the presence, bonding is performed by controlling the temperature of each wafer to room temperature so that the first wafer and the second wafer are not excessively heated.

次に、200℃以上の温度で加熱し、ウエハ間の接合強度を向上させ、永久接合とする(図9のステップS7)。ここでは、永久接合のための熱処理後の両ウエハ間の温度が同一となるように、ウエハ貼り合わせチャンバCH4内で温度制御をする。これにより、永久結合の後に、第1ウエハおよび第2ウエハ間に応力が発生することを防ぐ。   Next, heating is performed at a temperature of 200 ° C. or higher to improve the bonding strength between the wafers, thereby obtaining permanent bonding (step S7 in FIG. 9). Here, the temperature is controlled in the wafer bonding chamber CH4 so that the temperature between the two wafers after the heat treatment for permanent bonding is the same. This prevents stress from being generated between the first wafer and the second wafer after permanent bonding.

次に、貼り合わせて接合したウエハをマルチチャンバ装置MCの外に搬送してウエハ格納カセットWCに戻した後、前記実施の形態1と同様にデバイス形成の続きを行う。すなわち、第1ウエハを構成する半導体基板の裏面の研削およびオンチップレンズなどの形成を行うことで、裏面照射型CMOSイメージセンサを完成させる(図9のステップS8)。   Next, after the bonded and bonded wafers are transferred out of the multi-chamber apparatus MC and returned to the wafer storage cassette WC, device formation is continued as in the first embodiment. That is, the backside illumination type CMOS image sensor is completed by grinding the backside of the semiconductor substrate constituting the first wafer and forming an on-chip lens (step S8 in FIG. 9).

上記のように、本実施の形態では、ステップS3の洗浄処理の後からステップS7の永久接合の完了までの工程をすべて減圧雰囲気下で連続処理しているが、ステップS3の洗浄処理の後からステップS6の仮接合までの工程をすべて減圧雰囲気下で連続処理し、ステップS7の永久接合は別装置で処理を行っても良い。   As described above, in this embodiment, all the processes from the cleaning process in step S3 to the completion of the permanent bonding in step S7 are continuously performed in a reduced-pressure atmosphere, but after the cleaning process in step S3. All processes up to the temporary bonding in step S6 may be continuously processed under a reduced pressure atmosphere, and the permanent bonding in step S7 may be performed by another apparatus.

ここで、搬送チャンバCH7に接続されている各プロセスチャンバのそれぞれで真空状態での処理を行った場合であっても、搬送チャンバCH7内の気圧が常に大気圧であり、大気雰囲気である場合、例えば図9のステップS4により脱ガスチャンバCH1を用いて脱ガスを行ったとしても、搬送チャンバCH7内でウエハは大気に晒される。加熱されたウエハは冷却時に水分等が吸着しやすいため、脱ガスチャンバCH1内で加熱処理を終えた後にウエハを大気雰囲気下で搬送すると、再びウエハに水分が吸着するため、ボイドの発生を効果的に防ぐことができない。   Here, even if each process chamber connected to the transfer chamber CH7 performs processing in a vacuum state, when the atmospheric pressure in the transfer chamber CH7 is always atmospheric pressure and an atmospheric atmosphere, For example, even if the degassing is performed using the degassing chamber CH1 in step S4 of FIG. 9, the wafer is exposed to the atmosphere in the transfer chamber CH7. Since the heated wafer is likely to adsorb moisture and the like during cooling, if the wafer is transported in the air after finishing the heat treatment in the degassing chamber CH1, moisture is adsorbed to the wafer again. Cannot be prevented.

つまり、脱ガス処理(図9のステップS4)以降は、ウエハの貼り合わせが終了するステップS8の完了まで、全て真空(減圧)の条件、つまり水分を含まない雰囲気下において各工程およびそれらの間の搬送を行わなければ、接合したウエハ同士の界面におけるボイドの発生およびウエハの表面の酸化シリコン膜の劣化などの問題が生じる。そこで、本実施の形態では、洗浄工程の後のマルチチャンバ装置MC内での工程を全て減圧雰囲気において行うことで、半導体装置の信頼性を向上させることを可能としている。   That is, after the degassing process (step S4 in FIG. 9), until the completion of step S8 when the bonding of the wafers is completed, all of the processes and the steps between them are performed under a vacuum (reduced pressure) condition, that is, in an atmosphere not containing moisture. If this transfer is not performed, problems such as the generation of voids at the interface between the bonded wafers and the deterioration of the silicon oxide film on the wafer surface occur. Therefore, in the present embodiment, it is possible to improve the reliability of the semiconductor device by performing all the processes in the multi-chamber apparatus MC after the cleaning process in a reduced-pressure atmosphere.

また、装置内の水分の量を極力低減するため、マルチチャンバ装置MCでは、内部のガスを排気することで装置内を真空状態とすると共に、装置内にN(窒素)ガス、He(ヘリウム)ガスまたはAr(アルゴン)ガスを供給することで、水分等がウエハに付着することによるウエハの表面状態の劣化を防ぐことができる。 In order to reduce the amount of moisture in the apparatus as much as possible, in the multi-chamber apparatus MC, the inside of the apparatus is evacuated by exhausting the internal gas, and N 2 (nitrogen) gas and He (helium) are contained in the apparatus. ) By supplying the gas or Ar (argon) gas, it is possible to prevent the surface condition of the wafer from deteriorating due to moisture adhering to the wafer.

以上に説明したように、本実親形態では貼り合わせを行う装置内の気圧および雰囲気を制御し、ウエハの温度を制御することにより、前記実施の形態1と同様の効果に加え、より効果的にウエハの接合強度を高めている。また、ウエハ内の応力などの発生により半導体装置の信頼性が低下することを防ぐことを可能としている。   As described above, in the present parent form, by controlling the atmospheric pressure and atmosphere in the bonding apparatus and controlling the wafer temperature, it is more effective in addition to the same effects as in the first embodiment. In addition, the bonding strength of the wafer is increased. In addition, it is possible to prevent the reliability of the semiconductor device from being lowered due to the occurrence of stress or the like in the wafer.

(実施の形態3)
前記実施の形態2では洗浄チャンバおよびロードロックチャンバを除き減圧下で搬送および処理を行う装置を用いた半導体装置の製造方法について説明したが、本実施の形態では、当該装置内の気圧を減圧せず、例えば大気圧とし、代わりに装置内を不活性ガス雰囲気としてウエハの貼り付けのための一連の工程を行う場合について説明する。
(Embodiment 3)
In the second embodiment, the semiconductor device manufacturing method using the apparatus for carrying and processing under reduced pressure except for the cleaning chamber and the load lock chamber has been described. However, in this embodiment, the pressure in the apparatus is reduced. First, for example, a case will be described in which a series of steps for attaching a wafer is performed by setting the atmospheric pressure to an inert gas atmosphere instead of the apparatus.

前記実施の形態2では、水分などを含むガスを排出してマルチチャンバ装置内を減圧したが、ウエハの表面に水分が吸着することを防ぐ観点から、装置内は水分が含まれていない雰囲気であれば、必ずしも減圧雰囲気である必要はない。そこで、本実施の形態では、図8に示すマルチチャンバ装置MC内の気圧を大気圧とし、マルチチャンバ装置MC内をN(窒素)ガス、He(ヘリウム)ガス、Ar(アルゴン)ガスなどの不活性ガス、または水分を含まないドライエアーなどにより満たした状態で、前記実施の形態2において図9を用いて説明した工程と同様の工程を行う。 In the second embodiment, the gas containing moisture is discharged and the inside of the multi-chamber apparatus is depressurized. However, from the viewpoint of preventing moisture from adsorbing on the surface of the wafer, the inside of the apparatus is in an atmosphere that does not contain moisture. If it exists, it does not necessarily need to be a reduced pressure atmosphere. Therefore, in the present embodiment, the atmospheric pressure in the multi-chamber apparatus MC shown in FIG. 8 is set to atmospheric pressure, and N 2 (nitrogen) gas, He (helium) gas, Ar (argon) gas, etc. are contained in the multi-chamber apparatus MC. A process similar to the process described with reference to FIG. 9 in the second embodiment is performed in a state filled with an inert gas or dry air containing no moisture.

ただし、前記実施の形態1、2と同じく、ウエハをプラズマ処理する装置(図8に示すプラズマ処理チャンバCH2)は、プラズマ処理を行う際にその内部を減圧する。また、搬送チャンバCH7内が常圧であることから、洗浄チャンバCH6内にウエハを出し入れする際に、逐一洗浄チャンバCH6内を真空状態とする必要がない。この点は前記実施の形態2と異なる。   However, as in the first and second embodiments, the apparatus for plasma processing a wafer (plasma processing chamber CH2 shown in FIG. 8) depressurizes the inside when performing the plasma processing. In addition, since the inside of the transfer chamber CH7 is normal pressure, it is not necessary to evacuate the cleaning chamber CH6 one by one when the wafer is taken in and out of the cleaning chamber CH6. This is different from the second embodiment.

本実施の形態では、マルチチャンバ装置内を減圧雰囲気としなくても、貼り合わせるウエハの表面にガス成分(水分)などが吸着することを防ぐことができるため、前記実施の形態2と同様の効果を得ることができる。さらに、マルチチャンバ装置内の減圧雰囲気を保ち続ける必要がなく、また、一部のチャンバ内の圧力を減圧および昇圧する作業を省くことができるため、半導体装置の製造コストを低減することができる。   In this embodiment, even if the inside of the multi-chamber apparatus is not in a reduced pressure atmosphere, it is possible to prevent gas components (moisture) and the like from being adsorbed on the surface of the wafer to be bonded. Can be obtained. Furthermore, it is not necessary to keep the reduced pressure atmosphere in the multi-chamber device, and the operation of reducing and increasing the pressure in some chambers can be omitted, so that the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態のウエハ貼り合わせの工程は、裏面照射型CMOSイメージセンサに限らず、その他のデバイスであって、ウエハの貼り合わせ工程を含む半導体装置の製造方法に適用することができる。   For example, the wafer bonding process of the above-described embodiment is not limited to the back-illuminated CMOS image sensor, but may be other devices, and can be applied to a method for manufacturing a semiconductor device including a wafer bonding process.

BOX 埋め込み酸化膜
BS 裏面
CF カラーフィルター
CH1 脱ガスチャンバ
CH2 プラズマ処理チャンバ
CH3 ウエハ温度制御チャンバ
CH4 ウエハ貼り合わせチャンバ
CH5 ウエハ温度制御チャンバ
CH6 洗浄チャンバ
CH7 搬送チャンバ
CL 遮光膜
FI ファクトリインタフェース
ILF 層間絶縁膜
L1〜L4 絶縁膜
M1〜M4 配線
MC マルチチャンバ装置
MSS 上面
OL オンチップレンズ
PD フォトダイオード
PW ポリシリコン配線
RB1、RB2 搬送用ロボット
RC1、RC2 ロードロックチャンバ
RR 反射防止膜
SB1 半導体基板
SL シリコン層
W1 第1ウエハ(第1半導体基板)
W2 第2ウエハ(第2半導体基板)
WC ウエハ格納カセット
BOX Embedded oxide film BS Back surface CF Color filter CH1 Degassing chamber CH2 Plasma processing chamber CH3 Wafer temperature control chamber CH4 Wafer bonding chamber CH5 Wafer temperature control chamber CH6 Cleaning chamber CH7 Transport chamber CL Light shielding film FI Factory interface ILF Interlayer insulating film L1 L4 Insulating films M1 to M4 Wiring MC Multi-chamber device MSS Upper surface OL On-chip lens PD Photodiode PW Polysilicon wiring RB1, RB2 Transfer robot RC1, RC2 Load lock chamber RR Antireflection film SB1 Semiconductor substrate SL Silicon layer W1 First wafer (First semiconductor substrate)
W2 Second wafer (second semiconductor substrate)
WC Wafer storage cassette

Claims (7)

以下の工程を含む、半導体装置の製造方法:
(a)単結晶シリコンからなり、かつ、第1の厚さからなる第1半導体基板、前記第1半導体基板の主面上に形成された酸化層、前記酸化層上に形成された半導体層、前記半導体層に形成されたフォトダイオード、および前記半導体層上に形成され、かつ、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなる第1絶縁層を有する第1ウエハと、単結晶シリコンからなる第2半導体基板を有する第2ウエハと、をそれぞれ準備する工程;
(b)前記(a)工程の後、前記第1絶縁層の表面である前記第1ウエハの表面と、前記第2ウエハの表面とを、洗浄する工程;
(c)前記(b)工程の後、前記第1ウエハおよび前記第2ウエハのそれぞれに、100℃以上の加熱処理を施す工程;
(d)前記(c)工程の後、前記第1ウエハの前記表面および前記第2ウエハの前記表面のそれぞれに、プラズマ処理を施す工程;
(e)前記(d)工程の後、第1温度下において、前記第1ウエハの前記表面である前記第1絶縁層の前記表面と、前記第2ウエハの前記表面とを、互いに接触させる工程;
(f)前記(e)工程の後、前記第1ウエハの前記表面である前記第1絶縁層の前記表面と前記第2ウエハの前記表面とを互いに接触させた状態で、前記第1ウエハおよび前記第2ウエハに、前記第1温度よりも高い第2温度の加熱処理を施す工程;
(g)前記(f)工程の後、前記第1半導体基板の前記主面とは反対側の第1裏面を研磨することで、前記第1半導体基板の厚さを、前記第1の厚さよりも薄い第2の厚さにする工程;
(h)前記(g)工程の後、前記(g)工程により形成された前記第2の厚さからなる前記第1半導体基板の第2裏面に、反射防止膜、第2絶縁層、遮光層、および、内部にカラーフィルターを有するオンチップレンズを順次形成する工程、
ここで、
前記(f)工程で使用する前記第2温度は、200〜300℃であり、
前記(e)工程で使用する前記第1温度は、前記第2温度よりも低い室温である。
A semiconductor device manufacturing method including the following steps:
(A) a first semiconductor substrate made of single crystal silicon and having a first thickness, an oxide layer formed on the main surface of the first semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on the oxide layer, A photodiode formed on the semiconductor layer, a first wafer formed on the semiconductor layer and having a first insulating layer made of a silicon oxide film or a silicon nitride film, and a second semiconductor substrate made of single crystal silicon And preparing a second wafer having:
(B) After the step (a), cleaning the surface of the first wafer and the surface of the second wafer, which are the surfaces of the first insulating layer;
(C) after the step (b), subjecting each of the first wafer and the second wafer to a heat treatment at 100 ° C. or higher;
(D) After the step (c), performing a plasma treatment on each of the surface of the first wafer and the surface of the second wafer;
(E) After the step (d), a step of bringing the surface of the first insulating layer, which is the surface of the first wafer, and the surface of the second wafer into contact with each other at a first temperature. ;
(F) After the step (e), in a state where the surface of the first insulating layer, which is the surface of the first wafer, and the surface of the second wafer are in contact with each other, Subjecting the second wafer to a heat treatment at a second temperature higher than the first temperature;
(G) After the step (f), by polishing the first back surface of the first semiconductor substrate opposite to the main surface, the thickness of the first semiconductor substrate is made to be greater than the first thickness. A step of reducing the thickness to a second thickness;
(H) After the step (g), an antireflection film, a second insulating layer, and a light shielding layer are formed on the second back surface of the first semiconductor substrate having the second thickness formed in the step (g). And sequentially forming an on-chip lens having a color filter therein,
here,
The second temperature used in the step (f) is 200 to 300 ° C.,
The first temperature used in the step (e) is a room temperature lower than the second temperature.
前記フォトダイオードは、前記半導体層に形成されたn型の半導体層およびp型の半導体層からなる、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the photodiode includes an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer formed in the semiconductor layer. 前記第2半導体基板の主面には、デバイスまたは配線が形成されている、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a device or a wiring is formed on a main surface of the second semiconductor substrate. 前記室温とは、約25度である、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the room temperature is about 25 degrees. 前記(c)工程および前記(d)工程のそれぞれは、減圧下で行う、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein each of the step (c) and the step (d) is performed under reduced pressure. 前記第1の厚さは、3桁μmであり、
前記第2の厚さは、1桁μmである、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
The first thickness is 3 digits μm;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second thickness is an order of magnitude μm.
前記第1の厚さは、750μmであり、
前記第2の厚さは、3μmである、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
The first thickness is 750 μm;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the second thickness is 3 μm.
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