JP4867373B2 - ウェハホルダ及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は積層型半導体装置の製造方法に関するもので、特には高精細な半導体装置が形成されたウェハを積層接続する工程に好適な、ウェハ間のアライメントを行うためのマークに関するものである。

近年携帯型の電子機器、例えば携帯電話やノートパソコン、携帯型オーディオ機器、デジタルカメラの進歩が著しい。これに伴って、用いられる半導体装置に対してもチップ自体の性能向上に加え、チップの実装技術においても改良が求められ、特に、チップ実装面積の低減と半導体装置の高速駆動化の観点からの実装技術の改良が求められている。

チップ実装面積の低減のために、チップを積層することにより実装面積を増加させずに実装チップ量を増加させ、実効的な実装面積の低減をはかることが行われている。例えば、 特開２００１−２５７３０７、２００２−０５０７３５号、特開２０００−３４９２２８にはこのような技術が開示されている。第１のものは、チップとチップやチップと実装基板をワイヤによって接続するワイヤボンド方式によるものである。第２のものは、チップの裏面に設けられたマイクロバンプを介して、チップとチップやチップと実装基板を接続するフリップチップ方式によるものである。第３のものは、ワイヤボンド方式、フリップチップ方式の双方を用いて、チップとチップやチップと実装基板を接続するものである。

半導体装置の高速駆動化のためには、チップの厚さを薄くし、貫通電極を用いることにより実現する方法が有力である。例えば、厚さをミクロン単位にして実装する例が特開２０００−２０８７０２に示されている。

ワイヤボンド方式は半導体ベアチップの周囲にワイヤを張る。このため半導体ベアチップ自体の占有面積以上の大きな占有面積を必要とし、またワイヤは１本づつ張るので時間がかかる。これに対して、フリップチップ方式では半導体ベアチップの裏面に形成されたマイクロバンプにより接続するため、接続のための面積を特には必要とすることがなく、半導体ベアチップの実装に必要な面積は半導体ベアチップ自体の占有面積にほぼ等しく出来る。また接続面が接続に必要な全てのバンプを有するように出来るため、配線基板との接続は一括して行える。従ってフリップチップ方式は半導体ベアチップの実装に必要な占有面積を極小化して高密度実装化し、電子機器の小型化を図ると共に工期短縮ためには最も適する方法となっている。

このようなチップと実装基板、及びチップとチップ間の接続方法の改良に加え、製造コスト面を低減する手段として、半導体チップが形成されたウェハを個々のチップに分離する前に再配線層や接続バンプの形成、場合によっては樹脂による封止が行われている。このウェハレベルでの処理が有効である半導体装置は、製造の歩留まりが高く、ピン数が少ない半導体装置であり、特にメモリーの生産に利点が多い。（NIKKEI MICRODEVICE 2000年2月号,56頁 及び NIKKEI ELECTRONICS 2003.9.1 P.127）。

一方、このような半導体装置を製造するための製造装置の開発も鋭意なされている。例えば、貼り合わせるべきウェハの位置あわせを行って接合するための装置が文献により紹介されている。（P.Lindner等：2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439）。他に、特開平９−１４８２０７号にも同様な技術が開示されている。

ところで、ウェハレベルで積層を行って積層型３次元半導体装置を製造する場合、積層すべきウェハ（所定の回路パターンが形成された、複数の半導体装置が形成されている）どうしの位置あわせが必要になるが、そのために以下のような方法が検討されている。
まず、積層すべきウェハをウェハホルダ上に保持し、ウェハ上のアライメントマークとホルダ上の基準アライメントマークの位置関係を測定する。次いで、それぞれのホルダに保持されたウェハを対面させ、ホルダ上の基準アライメントマーク位置を測定する。得られた２つのホルダ上の基準アライメントマーク位置を基にしてそれぞれのウェハの位置関係を求めれば、積層すべき２つのウェハの位置合わせが可能になる。

図３により、もう少し具体的に説明を行う。図３（ａ）を参照する。積層すべき第１ウェハ２１１は第１ウェハホルダ２１０に、第２ウェハ２１３は第２ウェハホルダ２１２に、例えば静電チャックにより、保持されている。第１ウェハ、第２ウェハともウェハ面上にアライメントマーク２２２、２２４がそれぞれ形成され、また、第１ウェハホルダ、第２ウェハホルダとも基準アライメントマーク２３１，２３３が付与されている。これらのウェハに対して、顕微鏡２３０によりウェハ上のアライメントマーク２２２とウェハホルダ上の基準アライメントマーク２３１、アライメントマーク２２４とホルダ上の基準アライメントマーク２３３を観察する。アライメントマーク２２２，基準アライメントマーク２３１とも、図３（ｃ）のように、複数個配置されているので、不図示の測距系（例えばレーザ干渉計）によってウェハホルダの位置座標を測定しながらウェハ面上に配置された全てのアライメントマーク２２２の観察を行うことにより、ウェハホルダ上の基準アライメントマーク２３１に対するウェハ２１１、及び基準アライメントマーク２３３に対するウェハ２１３の位置がそれぞれ定められる。次に図３（ｂ）のように、ウェハホルダ２１２を反転させてウェハホルダ２１２に対面させる。そして、この状態で顕微鏡２３０によりホルダ２１０上の基準アライメントマーク２３１とホルダ２１２上の基準アライメントマーク２３３との位置関係を求める。基準アライメントマーク２３１と２３３間の位置関係を定める方法としては２つの方法がある。第１の方法は、ウェハホルダ２１０上の基準アライメントマーク２３１を顕微鏡２３０により観察して基準アライメントマーク２３１の座標値（例えば顕微鏡を原点とする座標系での座標）を定め、次いで反転されたウェハホルダ２１２上の基準アライメントマーク２３３の座標値を求めることにより２つのアライメントマーク間の位置関係を定める方法であり、第２の方法は、２つのウェハホルダを近接対面させた状態で双方の基準アライメントマーク２３１と２３３を同時に観察して、位置関係を定める方法である。２つの基準アライメントマーク間の位置関係が定まると、それぞれのウェハとウェハホルダ間の位置関係を基にして２つのウェハ間の位置関係が定まる。いずれの方法においても、一方の基準アライメントマークは、ウェハとホルダの位置関係測定時に観察された方向ではなく、反対の方向（裏面）より観察されることになる。尚、ウェハ貼り合わせ工程での位置関係測定法は例えば特許文献１に開示されている。
特開平７−０１４９８２号公報

ところで、先に記したように、フリップチップによる電極接合では一般的にバンプを形成し、バンプとパッド、バンプとバンプ間の接合が行われる。この接合には、半田のような低融点の金属共昌結合による方法、非導電性樹脂の硬化時の収縮を利用した機械的な押圧による方法、導電性微粒子を分散させた非等方性導電性樹脂を介在させて導電性微粒子により接合を行う方法、バンプを加熱・加圧してバンプの金属分子を互いに拡散させた金属拡散接合による方法がある。接合する表面を清浄化し、金属分子間の結合力を利用して接合する常温接合法も開発されているが、加熱処理を伴う方法が一般的であり、実用化されている。

ところが、上述したような方法により、それぞれのウェハホルダに保持されたウェハどうしの位置合わせを行って重ね合わせ、更にその後に加熱処理を伴う電極接合工程を行うと、ウェハホルダ上の基準アライメントマーク自体に以下のような問題が生じることが判明した。基準アライメントマークが付与されたウェハホルダを作る場合、ウェハホルダ材としてセラミックス（または低熱膨張ガラス）を用い、マークを形成したマーク基材をウェハホルダの開口部に貼り合わせる。この時、マーク基材としてゼロデュア等の低膨張ガラスを用い、これにCrメッキを行ったものを基準アライメントマークとして用いると、加熱工程によりCrパターンが変形し、マークを再度利用することが出来なくなってしまった。そこで、これを避ける方法としてCrを使用せず、例えばマーク基材に直接パターンを加工して基準アライメントマークを形成する方法も考えられる。例えば、ガラス基材にエッチングにより表面に凹凸パターンを形成して基準アライメントマークとする方法である。しかしながら、パターンコントラストが低く、位置測定精度が十分ではなかった。またガラスではなく、セラミックスをマーク基材とし、エッチングにより形成した場合、セラミックス内部のポア(空隙)によりエッチングされたパターンの境界に凹凸が生じ、位置測定精度が矢張り十分ではなかった。

本願発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、基準アライメントマークを有するウェハホルダであって、その基準アライメントマークは両面より観察が可能であり、熱処理を受けても変形せずに繰り返し使用することができる基準アライメントマークである、ウェハホルダを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための、本願発明では以下の手段を用いている。
本願発明の手段はウェハホルダであって、
ホルダ基板と、
該基板に形成された、貫通孔からなるマーク部と、
該マーク部に取りつけられた基準アライメントマークと、
を有し、
該基準アライメントマークのマークパターンが、
セラミック材を基材として射出形成法又は機械加工により形成された貫通パタ−ン、
シリコンウェハを基材として表面上に形成された金属のパタ−ン、
シリコンメンブレンを基材としてエッチングにより形成された貫通パタ−ン、
のいずれかである、ウェハホルダである。
本願発明の本手段によれば、
セラミックを用いた場合においても、射出成型法又は機械加工によりマークパタ−ンが形成されているので、エッチングにより形成した場合に生じるマーク面のポアの発生が大幅に低減され、マークパターンの形成及び観察に悪影響を与えない。また、貫通マークなので両面からの観察が容易である。

シリコンウェハ上に形成された金属のマ−クパターンを用いた場合、マ−クパターンを形成する金属として、その融点が後段の加熱処理工程での加熱温度よりずっと高い金属を使用する。好適な金属としては、Ｃｕ（銅）やＴｉ（チタン）である。このシリコンウェハを基材とした場合、マークパターンの観察に関しては、一般的に使用されている赤外線での観察が可能になり、両面からのマーク観察が容易に行える。

薄シリコンを基材として貫通パターンを形成したマークでは、貫通マークがエッチングにより容易に形成されること、貫通パターンの両面での位置精度が高いこと、両面より容易に観察可能であることが利点となる。

上記のような基準アライメントマークをマーク部に有するウェハホルダは、マーク破損が少なく、またマークパターンの観察に障害が無いため、ホルダの座標値、ひいてはウェハの座標値の高精度な測定を、余分なコストを伴わずに可能にする。

また、積層型３次元半導体装置を製造する場合にこのホルダを用いてアライメントを行うと、光学観察上の問題も無く、また繰り返しの熱処理にも耐えることが出来て、アライメントマークの消耗が避けられる。

本願発明のウェハホルダを使用して積層型半導体装置を製造する工程中のアライメント工程を実施すると、マークパターンを両面より光学的に良好に観察することができ、また耐熱性も高くて繰り返し使用に耐えてマークが消耗する使用期間が長くなり、コスト低減にも効果を有する。

まず、図１を参照して基準アライメントマークを説明する。図１（a）はウェハホルダ２１０を示すものであり、基準アライメントマークはマーク基材１５１に透過形状パターン１７１又は金属パターン１６１が形成されて（図１（ｂ）、（ｃ）参照）、マーク部１４１に取りつけられている。この基準アライメントマークは、先にも説明した図３（ｃ）のように、ホルダ２１０に複数個取りつけられている。アライメントマーク基材１５１の外形状（アライメントマークの外形状）は特に定めるものではないが、加工の容易性から図１（ｂ）のような円形や、図１（ｃ）のような長方形が好ましい。尚、本願発明の、基準アライメントマークを有するウェハホルダ２１０はウェハを吸着するための静電チャックの電極２９１を有し、さらに場合によっては吸着したウェハを加熱するためのヒータ２９３を有している。

ここで、マークパターンの構成例を記す。
マークパターンの第１の構成例としては、図１（ｅ）のように、マーク基材１５５にセラミックスを用い、貫通したマークパターン１６５をマーク基材成形時に形成したものである。また、成形後に機械的に貫通パターンを形成してもよい。マーク基材１５５の厚さは、強度と加工精度、加工容易性より、一例として２００μから４００μが好ましい。またマーク自体の大きさ、形状に関しては、観察用の顕微鏡の視野を考慮に入れて設計され、先のようにマーク部の内径５mmを考慮すると、直径（又は正方形の一辺）は１６mm程度が好ましい。ホルダ２１０の材質とマーク基材１５１の材質との関連は熱膨張率がほぼ等しいものが好ましく、例えばホルダ２１０を炭化シリコン又は窒化アルミで作り、マーク基材１５５にも同材料を用いることが好ましい。アライメントマーク基材１５５をホルダのマーク部１４１に取りつける方法としては、接着材により接着する方法と機械的な力、例えば板バネにより押圧する方法がある。図１（ｇ）には、取りつけ部１８３に固定された板バネ１８１によりマーク基材１５５をウェハホルダ２１０に押圧して固定した状態が示されている。

マークパターンの第２の構成例としては、マーク基材１５３にシリコンウェハを用い、図１（ｄ）のように表面にマークパターン１６３を金属により形成したものである。金属としては、後段の加熱工程での加熱温度（４００℃程度）及びシリコンを透して赤外線により観察される点を考慮して、例えば銅、チタンが好ましい。マーク基材１５３の厚さは、製作の容易さ、機械的強度、赤外透過性の観点より、７００μから５００μが好ましい。またマーク自体の大きさ、形状に関しては、観察用の顕微鏡の視野を考慮に入れて設計され、先の実施例のようにマーク部の内径５mmを考慮すると、直径（又は正方形の一辺）は１６mm程度が好ましい。ホルダ２１０の材質とマーク基材１５１の材質との関連は熱膨張率がほぼ等しいものが好ましく、例えばホルダ２１０の材質としては、炭化シリコン又は窒化アルミが好ましい。アライメントマーク基材１５３をホルダのマーク部１４１に取りつける方法としては、接着材により接着する方法と機械的な力、例えば板バネにより押圧する方法がある。図１（ｇ）に示されたように、取りつけ部１８３に固定された板バネ１８１によりマーク基材１５３をウェハホルダ２１０に押圧する。

マークパターンの第３の構成例としては、図１（ｆ）のように、マーク基材１５７にシリコンメンブレンを用い、貫通パターン１６７をエッチングにより形成したものである。このマーク基材１５７は７００μ厚のシリコンウェハの一部をエッチングにより薄くし、シリコンメンブレンとしたものであり、メンブレンの機械的強度、製作容易性、マークパターンの誤差低減の観点より、その厚さは１０μから５０μが好ましい。またマーク自体の大きさ、形状に関しては、観察用の顕微鏡の視野を考慮に入れて設計され、先の実施例のようにマーク部の内径５mmを考慮すると、直径（又は正方形の一辺）は１６mm程度が好ましい。ホルダ２１０の材質とマーク基材１５１の材質との関連は熱膨張率がほぼ等しいものが好ましく、例えばホルダ２１０の材質としては、炭化シリコン又は窒化アルミが好ましい。アライメントマーク基材１５７をホルダのマーク部１４１に取りつける方法としては、接着材により接着する方法と機械的な力、例えば板バネにより押圧する方法がある。図１（ｇ）に示されたように、取りつけ部１８３に固定された板バネ１８１によりマーク基材１５７をウェハホルダ２１０に押圧する。

次に、マーク部に求められる要件と本願発明の対処法を記す。
マーク部１４１はウェハホルダ２１０を貫通する貫通孔の形態をとり、貫通孔の形状は円柱状、角柱状、または円錐状のいずれであってもよい。この貫通孔に要求される仕様としては、マークパターン１６１の観察光を遮らないことである。図２を参照して説明を加える。基準アライメントマークは対物レンズ５１１により両面から観察されるマークパターン１６１を有している。図２に示されたように、マーク部１４１を介さずに観察する場合（図中ではマークパターン１６１を上からレンズ系５１１により観察する場合）には、問題なくマークパターン１６１を観察することが出来る。しかし、マーク部１４１を介して観察する場合（図中ではマークパターン１６１を下からレンズ系５１１により観察する場合）には、条件によってはマーク部１４１の下端部５２１が結像に寄与する光束の一部を遮断してしまうことがある。例えば、破線で示された対物レンズ５１３に入射する光束５４１の一部がマーク部１４１の下端部５２１により遮断されると、マークパターンを高分解能で結像させることが出来なくなる。このようなことが起こらないようにするためには、マーク部１４１の下端部５２１の半径ＲがＲ＞ｔ・tanθを満足する必要がある。ここに、ｔはウェハホルダ２１０の厚さであり、θは観察顕微鏡の開口数を示すsinθである。一例として、ウェハホルダの厚さを１３ｍｍとし、開口数を０．３５とするとＲ＝５ｍｍ程度が好ましい。記すまでもないが、マーク部１４１は図２（ｂ）に示されたようなテーパ面を有する形状にすると、アライメントマーク基材１５１の安定保持が容易になる。

次に、本願発明のウェハホルダを用いてアライメント工程を行う、積層型３次元半導体装置の製造方法の説明をする。
図４は本願発明を適用する、積層型３次元半導体装置の製造方法をフローチャートに示したもので、製造方法はＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の工程からなっている。各工程を簡単に説明する。
Ｓ１：複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数だけ準備する、ウェハ準備工程、
図５（ａ）を参照する。通常の半導体露光装置を用いてマスク上の回路パターンをレジストが塗布されたウェハ上に縮小投影し、レジストを現像した後にエッチングや不純物の熱拡散処理を行って回路素子５１３が形成されたウェハ５１１を得る。
Ｓ２：積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程
本工程は既に図３を用いて先に説明したので、省略する。尚、アライメントはウェハと既に積層されたウェハ（ウェハ積層体）との位置関係を求める場合もある。即ち、一方のウェハは、複数のウェハが重ね合わされて形成された、場合によっては研削等によって薄層化された、ウェハ積層形態であることもある。このことは以後の工程に関しても同様である。
Ｓ３：位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程、
ウェハがウェハホルダに保持され（図５（ｂ））、近接された２つのウェハの位置合わせが完了すると、不図示のウェハ上下移動機構により２つのウェハは図５（ｃ）の様に重ね合わされる。接触後、重ね合わされた位置関係を維持するためにホルダどうしを機械的に（例えばクランプ機構）仮固定、または接合力の弱い接着材により仮固定することが行われる。仮固定されたホルダ及びウェハ積層体３２１はロボットアーム４１５によりアライメント・重ね合わせ実施部４１１から電極接合実施部４１３に搬送される。（図５（ｄ））。
Ｓ４：重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程、
位置合わせされ、仮固定されたウェハ積層体は加圧・加熱装置装着される。上部加圧子５５１と下部加圧子５５３とウェハ積層体５６１との平行度調整を行い、これが完了すると２つの加圧子５５１，５５３によりウェハ積層体５６１が加圧される。同時に定められたシークエンスに従って、ホルダに内蔵されたヒータ５４１，５４３による加熱が行われる。所定の圧力を所定の時間加えることによりウェハ上の電極（金属バンプとパッド、金属バンプと金属バンプ）が接合される。この時、場合によっては、ウェハ間に樹脂を封入して加熱することもある。（図５（ｅ））。

このアライメント工程、ウェハ重ね合わせ工程、電極接合工程は積層すべきウェハの数だけの回数分繰り返す。場合によっては、積層接合後に、積層されたウェハを研削、研磨又はエッチングにより薄層化する工程や積層されたウェハ間に封止樹脂を封入することもある。
Ｓ５：所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程
ウェハレベルで積層接合されたウェハをダイシングラインに従って切断し、チップとして分離する。例えば、図５（ｆ）の破線に従って切断する。切断は通常、ダイシングブレードを用いて切断するダイシングソー方式、レーザ光線によりウェハ表面を溶融させて割る方式、ダイヤモンドカッタにより切断ラインを引いて割る方法が採られている。しかしながら、ウェハ積層体をチップに分離する方式としてはダイシングソー方式が好ましい。

この積層型半導体装置の製造方法のアライメント工程で、本願発明のアライメントマークを基準アライメントマークとして有するウェハホルダを用いてウェハ間の位置合わせを行うと、基準アライメントマークの劣化がなく、光学的に観察する時に散乱等の障害がなく、良好な画像が観察される。従って、余分な費用の発生がなく、高精度な位置あわせ精度が得られ、製造の歩留まりの低下を防止できる製造方法が得られる。

積層型３次元半導体装置による素子の高密度過、素子の高速駆動化は携帯機器の進歩に合わせた必至の動向である。本発明はこの半導体装置を低価格、高歩留まりで製造する技術であり、産業上利用される可能性は大である。

本願発明のマークの外観・ホルダとの位置関係を示す。 本願発明のアライメントマークを両面から観察する場合の様子を示す。 本願発明のウェハホルダを用いた、ウェハ間の位置あわせ方法を示す。 〜 本願発明のウェハホルダを使用した、積層型３次元半導体装置の製造方法の例を示す。

符号の説明

１５１，１５３，１５５，１５７ ・・・ マーク基材
１６１，１６３，１６５，１６７ ・・・ マークパターン
２１１，２１３，５１１ ・・・ 積層するウェハ
２１０，２１２，５２１ ・・・ ウェハホルダ
２２２，２２４，５２３ ・・・ ウェハ上のアライメントマーク
２３１，２３３，５２５ ・・・ 基準アライメントマーク
２３０ ・・・ 顕微鏡
５６１ ・・・ ウェハ積層体
５４１，５４３ ・・・ ヒータ
５５１，５５３ ・・・ 加圧子

Claims (7)

1. ウェハホルダであって、
   ホルダ基板と、
   該基板に形成された、貫通孔からなるマーク部と、
   前記ホルダ基板とは別個に形成され、該マーク部に取り付けられた基準アライメントマークと、
   を有し、
   該基準アライメントマークのマークパターンが、シリコンを基材としてエッチングにより形成されたパターンであり、
   前記基準アライメントマークの前記基材の熱膨張率が前記ホルダ基板の材料の熱膨張率と等しいことを特徴とするウェハホルダ。
2. 請求項１に記載されたウェハホルダであって、
   前記貫通孔はその大きさが基準アライメントマークを観察する光束を遮らないようになされている、
   ことを特徴とするウェハホルダ。
3. 前記貫通孔はテーパ面を有する請求項２に記載のウェハホルダ。
4. 前記ホルダ基板はセラミックにより形成される請求項１から３のいずれか１項に記載のウェハホルダ。
5. 前記セラミックは、炭化シリコンまたは窒化アルミである請求項４に記載のウェハホルダ。
6. 複数の半導体装置が形成されたウェハを積層して３次元半導体装置を製造する方法であって、
   複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数だけ準備する、ウェハ準備工程、
   積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程、
   位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程、
   重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程、
   所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程を有し、
   前記アライメント工程において、請求項１から５のいずれかに記載されたウェハホルダを使用することを特徴とする積層３次元半導体装置の製造方法。
7. 前記電極接合工程において、前記ウェハは前記ウェハホルダに保持された状態で加熱される請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

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