JP4333634B2

JP4333634B2 - シリコンウェハーの接合方法

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Publication number: JP4333634B2
Application number: JP2005144452A
Authority: JP
Inventors: 正美石井
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2017-09-22
Also published as: JP2005286348A

Description

本発明は、例えば高圧シリコンダイオードの製造工程におけるシリコンウェハーの積層を接合するためなどに適用される接合方法に関する。

電子部品等の接合には、低い温度での接合が可能で比較的接合界面の接着性の信頼も高い、錫−鉛系のはんだ材によるはんだ付けが歴史的にも古くから用いられている。高圧シリコンダイオードにおいても例外ではない。

近年、錫−鉛系はんだ中の鉛が地球環境汚染等で問題視されている。高圧シリコンダイオードにおいても例外ではない。一方、はんだメーカにおいては鉛を含まないはんだ材料の開発に注力しているのが現状であると共に、市場に出回りつつある鉛を含まないはんだは、接合条件および接合界面の信頼性においても未だに研究段階である。

本発明の目的は、上述の問題を解決し、鉛による地球環境汚染を抑えた接合材により接合界面の信頼性の高い半導体素子の製造を可能にする接合方法を提供することにある。

また、接合において精度の良い温度コントロールを要せず、量産性もよい接合方法も提供する。

上記課題を達成するために、本発明のシリコンウェハーの接合方法は、ニッケルでメッキされた２枚以上のシリコンウェハーと、前記ニッケルメッキされたシリコンウェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる薄層とからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えている。

この加熱する工程が、７００℃以下の温度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる工程であるとより好ましい。

また、この薄層は、箔として、またはシリコンウェハー上のニッケルめっきに蒸着して配置されているとよい。

さらに、上記課題を達成するための本発明のシリコンウェハーの他の接合方法は、２枚以上のシリコンウェハーと、ニッケルメッキされ、前記シリコンウェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる薄層とからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えている。

本発明によれば、地球環境汚染等で問題視されている鉛を含有する錫−鉛系のはんだを使うことなく、アルミニウムを用いたシリコンとの共晶反応、または拡散接合により、シリコンウェハー同士の積層接合を可能にしたものであり、接合界面の欠陥も皆無に近い接合性を得る。また、ニッケルめっきを用いることにより、さらに、精度の良い温度コントロールを必要とせず、量産性も向上することができる。さらに、ニッケルを用いた構成部材の拡散接合により、接合部の融点が、接合温度より高くなる。また、このシリコンウェハーにメッキされてニッケルの密着性を向上させるために行う熱処理を行わずに、拡散接合により兼ね備えることにより、工程を一つ減らすことができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

ここで用いられているアルミニウムとは、アルミニウムを主成分とするアルミニウム材料も含んでいる。

２枚以上のシリコンウェハーの接合すべき面を対向させ、その間に同サイズのアルミニウム箔を挿入、もしくはシリコンウェハーに、アルミニウムを蒸着し、加圧状態で、アルミニウムの融点以下の温度に加熱することにより、シリコンウェハーのシリコンとアルミニウム箔、もしくは蒸着したアルミニウムが反応し、合金化を始める。そして、冷却する。アルミニウム蒸着面とアルミニウム蒸着面は拡散接合をする。シリコンウェハーのサイズとしては、限定はされないが、直径７．６２〜１２．７ｃｍである。挿入するアルミニウムの厚さは、３〜１５μｍ、好ましくは、５〜１０μｍであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、１〜５μｍ、好ましくは、２〜３μｍである。また、加圧力は２〜３０ｋｇ／ｃｍ^２、好ましくは、５〜２０ｋｇ／ｃｍ^２である。

上述したような、シリコンウェハーとアルミニウムからなる構成部材を加熱し、冷却する工程には３通りある。

１つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点である５７７℃より高い温度まで加熱し、その温度で保持し、次いで室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は、５７７〜６００℃であり、保持時間は、１〜１５分、好ましくは２〜３分である。

２つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点である５７７℃より高い温度、かつ合金化が始まる温度直下まで加熱し、合金化が始まると同時に、５７７℃以下で合金化を促進させる温度領域に降温し、その温度で保持し、次いで室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は５７７〜約５９５℃であり、降温する温度は５５０〜５７５℃、好ましくは５７０〜５７２℃である。保持時間は、１〜１５分、好ましくは、２〜３分である。

３つめは、アルミニウムとシリコンの共晶点より低い温度まで加熱し、その温度で保持し、そして室温に冷却するものである。ここでの好ましい加熱温度は、５５０℃以上５７７℃未満である。保持時間は、３〜４５分、好ましくは２５〜４０分である。

上述のようにして接合された構成部材は、未接合部もしくはボイドのない健全な接合部を有する。

さらに、精密な温度コントロールを必要としない第二の接合方法としては、まず、２枚以上のシリコンウェハーの接合すべき面を対向させ、その間にニッケルとアルミニウムもしくはアルミニウムの代替金属を薄層として配置し、加圧状態で、昇温させる。ここで、「薄層」とは、箔および蒸着膜のことである。このシリコンウェハーの接合面間のニッケルと、アルミニウムもしくはアルミニウム代替金属の配置状態としては、３通りある。１つめは、２枚以上のニッケルめっきを施したシリコンウェハー同士を接合すべき面を対向させ、その間に同サイズのアルミニウム（または代替金属）の箔を挿入するものである。２つめは、シリコンウェハーにニッケルめっきを施し、さらにアルミニウム（または代替金属）を蒸着し、このシリコンウェハー同士を接合すべき面を対向させるものである。３つめは、シリコンウェハーのニッケルめっき、アルミニウム（または代替金属）の蒸着工程でのシリコンウェハーの破損防止対策とし、前述の２つの処理は行わず、代わりにシリコンウェハーと同サイズのアルミニウム（または代替金属）の箔にニッケルメッキを施し、接合すべき面を対向させ、かつ２枚以上積層させたシリコンウェハーの間に挿入するものである。これらの構成部材を加圧状態で、昇温させた結果、シリコンとニッケル、およびニッケルとアルミニウム（または代替金属）とが相互拡散をおこし、あるいは、３金属のごく一部が互いに相互拡散する。

ここで、アルミニウムの代替金属としては、錫、銅、銀、黄銅、およびアルミニウム合金などが挙げられ、好ましくは、錫、銅、および銀である。また、昇温させる温度は、４５０〜７００℃、好ましくは、５５０〜６００℃である。シリコンウェハーのサイズとしては、限定はされないが、直径７．６２〜１２．７ｃｍである。ニッケルめっきの厚さは、０．５〜５μｍ、好ましくは、１〜２μｍである。挿入するアルミニウムの厚さは、３〜１５μｍ、好ましくは、５〜１０μｍであり、蒸着されたアルミニウムの厚さは、１〜５μｍ、好ましくは、２〜３μｍである。また、加圧力は、２〜３０ｋｇ／ｃｍ^２、好ましくは、５〜２０ｋｇ／ｃｍ^２である。

加圧昇温し、相互拡散させたのち、冷却させた結果、未接合部もしくは、ボイドの無い健全な接合部が得られる。なお、第二の接合法により接合された接合部は金属間化合物を形成するため、融点は、接合温度より高いことが特徴である。

以下、参考例および実施例を述べるが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

参考例１
図１に示す参考例は、直径３インチ、板厚２００μｍのシリコンウェハー（１）の接合すべき面を対向させ１０枚積層させた。その際シリコンウェハーの接合すべき面の間に直径３インチ、厚さ１５μｍのアルミニウム箔（２）を挿入し、真空装置を有し、かつその真空状態内で加熱と加圧とを行える接合装置の加熱加圧部に上記構成の構成部材を配置し、３インチのシリコンウェハーに対し７００ｋｇの荷重を付加した。その後、ロータリーポンプによる真空引き、窒素ガス流入の置換操作を３回繰り返し、真空装置内の酸素、水蒸気などを十分に追放した後、窒素ガスを１０リットル／ｍｉｎ流し続け、室温から約５０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００℃まで昇温した。６００℃到達後、その温度で３分間にわたって保持し、室温まで冷却し接合された構成部材を取り出した。取り出した構成部材の外周部にはアルミニウムとシリコンの共晶合金が、はみ出し凝固していた。

本参考例では、約５０℃／ｍｉｎの昇温速度であったが、この昇温中に接合装置に取り付けられているリニアーゲージにより、５９５℃近傍にて接合部材を含めた加圧構成部材に高さの減少が約１３０μｍ見られた。この減少分は、取り出した接合部材の外周部に見られた、はみ出したアルミニウムとシリコンの共晶合金であった。

参考例２
図２に示すように、直径３インチ、板厚２００μｍのシリコンウェハー（１）に、アルミニウム（３）を１μｍ蒸着し、接合すべき面を対向させ、１０枚積層させ、後は、参考例１と同条件で接合を行った。本参考例で接合した構成部材の外観は、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例３
本参考例は、参考例１の到達設定温度６００℃に対し、合金化が始まる約５９５℃より５℃低い５９０℃に設定した。

構成部材および到達温度５９０℃に昇温するまでの条件は、参考例１と同様にした。５９０℃到達後、窒素ガスを１００リットル／ｍｉｎと流量増加し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃より５℃低い５７２℃近傍まで急冷し、その温度で３分間にわたって保持すると同時に窒素ガス流量を１０リットル／ｍｉｎに戻した。その後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。本参考例で接合した構成部材の外観は、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例４〜６
ここでは、シリコンウェハー（１）にアルミニウムを蒸着（３）し、接合すべき面を対向させ１０枚積層させ接合を行った。接合構成を図２に示す。

図２からも分かるように上下２枚のシリコンウェハーは、接合面のみ蒸着を行い、間の８枚は、両面にアルミニウムを蒸着した。

アルミニウムの蒸着厚さは、１μｍ、２μｍ、および５μｍの３種類を用い、それぞれ参考例４、５、および６とした。接合条件は、参考例３と同様に行った。３種類の厚さのアルミニウム蒸着シリコンを用いた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例７〜９
ここでは、参考例３で用いた構成部材の構成を用いて、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度５７７℃より約５℃低い５７２℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、参考例３と同様に行った。

設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、３分、１５分、および３０分とし、それぞれ参考例７、８、および９とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例１０〜１２
ここでは、参考例４で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度５７７℃より約５℃低い５７２℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、参考例３と同様に行った。

設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、３分、１５分、および３０分とし、それぞれ参考例１０、１１、および１２とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例１３〜１５
ここでは、参考例５で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度５７７℃より約５℃低い５７２℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、参考例３と同様に行った。

設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、３分、１５分、および３０分とし、それぞれ参考例１３、１４、および１５とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例１６〜１８
ここでは、参考例６で用いた構成部材の構成を用い、到達温度をアルミニウムとシリコンの共晶温度５７７℃より約５℃低い５７２℃に設定し、接合を行った。設定温度到達までの条件は、参考例３と同様に行った。

設定温度に到達後の到達温度での保持時間を、３分、１５分、および３０分とし、それぞれ参考例１６、１７、および１８とした。各々の保持時間経過後、室温まで冷却し、構成部材を取り出した。得られた構成部材の外観はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない良好なものであった。

参考例１〜１８で接合したそれぞれの構成部材の接合状態を詳細に調査するため断面観察を行った。その結果、アルミニウム箔を用いて共晶点以上（６００℃）に加熱し、その温度で保持して、その後室温に冷却して接合した構成部材（参考例１）の接合界面は、図４（Ａ）のように、接合面積の約３５％程度に相当する空洞（７）が、確認された。この空洞つまりボイドは、次のように発生する。６００℃に加熱することにより、シリコンウェハーのシリコンの一部とアルミニウムの全部が５９５℃近傍で短時間で反応し、アルミニウムとシリコンの共晶合金（５）が生成される。そして、この生成した共晶合金は、ボリュームが有りすぎ、また加圧下にあるため、シリコンウェハーの間に保有出来ず、外周部へのはみ出し（６）も起こる。そして、このはみ出しも瞬間に発生するので、ボイドも併発する。しかし、同じ条件でアルミニウム蒸着を用いて接合した構成部材（参考例２）の接合界面は、図４（Ｂ）のように、未接合部ならびにボイドなどの接合部欠陥は見られなかった。

共晶点より高く、かつ合金化が始まる温度直下に加熱し、その後共晶点より低い温度に降温して、その温度で保持してから室温に冷却して接合した構成部材（参考例２〜６）の接合界面は、図４（Ｂ）のように、未接合部およびボイドなどの接合欠陥は見られなかった。

また、共晶点より低い温度に加熱し、その温度で保持し、室温に冷却して接合された構成部材のうち、保持時間が３０分の参考例９、１２、１５、および１８は、アルミニウム箔あるいはアルミニウム蒸着の厚さに関係なく、図４（Ｂ）のように十分な接合性が認められた。しかし、保持時間が３分、１５分の参考例７、８、１０、１１、１３、１４、１６、および１７は、接合面積の５〜１５％の未接合部分が認められ、接合時間不足である。

参考例１９
図３に示すように、ニッケルめっき（４）が１μｍ施された直径３インチ、厚さ２００μｍのシリコンウェハー（１）を接合すべき面を対向させ、１０枚積層させた。その際シリコンウェハーの接合すべき面の間に直径３インチ、厚さ１０μｍのアルミニウム箔（２）を挿入し、真空装置を持ち、かつその真空状態内で加熱と加圧とを行える接合装置の加熱加圧部に上記構成の構成部材を配置し、３インチのシリコンウェハーに対し７００ｋｇの荷重を付加した。その後、ロータリーポンプによる真空引き、窒素ガス流入の置換操作を３回繰り返し、真空装置内の酸素、水蒸気などを十分に追放した後、窒素ガスを１０リットル／ｍｉｎ流し続け、室温から約５０℃／ｍｉｎの昇温速度で７００℃まで昇温した。７００℃到達後、その温度を３分間保持し、室温まで冷却し構成部材を取り出した。

参考例２０〜２１
到達温度を６００℃および５００℃にした以外は、参考例１９と同様に構成部材を製造し、それぞれ参考例２０および２１とした。

参考例１９〜２１の異なる３点の到達温度によって接合された構成部材はどれも、構成部材の外周部にはみ出しのない非常に良好なものであった。断面観察からも、異なる３点の到達温度によって接合された構成部材の接合界面は、図４（Ｃ）に示すように、未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は見られなかった。また、断面部を電子プローブマイクロアナライザーにより分析を行ったところ、参考例１９〜２１で用いた部材中最も融点の低いアルミニウムは、単体での存在は認められず、定量分析値およびアルミニウム−ニッケル系２元状態図から金属間化合物形態は、ＮｉＡｌ_３（８）と判断でき、融点は１１００℃以上に達する。

参考例２２
ここでは、シリコンウェハーの両面に１μｍのニッケルめっきと次に５μｍのアルミニウム蒸着を行い、シリコンウェハーを接合すべき面を対向させ、１０枚積層させた。その後、参考例１９に示す接合法により、到達温度を６００℃に設定し同様の接合を行った。参考例１９と同様に外観上も良好であり、断面観察からも図４（Ｃ）に示すように、未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は、見られなかった。

実施例１
ここでは、シリコンウェハーと同一直径で、厚さ１０μｍのアルミニウム箔の両面にニッケルを１μｍめっきし、接合すべき面を対向させ１０枚積層させたシリコンウェハーの間に挿入し、到達温度を６００℃に設定し、参考例１９〜２２と同様の接合を行った。本実施例では、外観上も断面観察からも、図４（Ｃ）に示すように未接合部ならびにボイド等の接合部欠陥は、見られず良好な接合性を示した。

本発明の参考例１、３、および参考例７〜９の構成部材を示す断面図である。本発明の参考例２、４〜６、および１０〜１８の構成部材を示す断面図である。本発明の参考例１９〜２２および実施例１の構成部材を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ接合された構成部材の断面の模式図である。

符号の説明

１シリコンウェハー
２アルミニウム箔
３蒸着アルミニウム
４ニッケルめっき
５アルミニウムとシリコンの共晶合金
６はみ出したアルミニウムとシリコンの共晶合金
７ボイド
８ＮｉＡｌ_３＋Ｓｉ（またはアルミニウムとシリコンの合金）

Claims

２枚以上のシリコンウェハーと、ニッケルメッキされ、前記シリコンウェハーの間に配置されたアルミニウム、錫、銅、および銀のうち１種からなる薄層とからなる構成部材を加圧状態で加熱する工程と、冷却する工程と、を備えることを特徴とするシリコンウェハーの接合方法。
前記加熱する工程が、７００℃以下の温度まで加熱し、かつその温度に保持して、シリコンとニッケルおよび前記薄層を構成する金属とを拡散接合させる工程であることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェハーの接合方法。