JP6291822B2 - 基板および基板接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板および基板接合方法に関する。

表面を活性化した基板を重ねて積層基板を製造する方法がある（特許文献１参照）。
［特許文献１］ 特表２００６−５１７３４４号公報

積層基板の基板間に空気等を噛み込むと、積層により密着した基板間で空洞が面方向に拡がり、接合不良および導通不良の原因のひとつになる。また、積層基板の製造当初は不良に至らなくても、デバイス駆動時の発熱により膨張した積層基板内の空気が基板を変形させて、歪みによる回路素子の特性変動または破壊を生じる場合がある。

本発明の第一態様においては、表面において活性化された絶縁領域を、他の基板の表面において活性化された絶縁領域に接触させることにより他の基板に接合される基板であって、絶縁領域の表面に連通する空間を形成する空洞部を有する基板が提供される。

本発明の第二態様においては、基板の絶縁領域の表面に、表面に連通する空間を形成する空洞部を形成する段階と、絶縁領域の表面を活性化する段階と、活性化された絶縁領域を、他の基板の表面において活性化された絶縁領域に接触させて、基板および他の基板を接合する段階とを備える基板接合方法が提供される。

上記した発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。

受光基板１００の断面図である。 処理基板２００の断面図である。 積層基板３００の断面図である。 積層半導体装置４００の断面図である。 積層基板３００の製造過程を示す断面図である。 積層基板３００の製造過程を示す断面図である。 処理基板２００の平面図である。 積層基板３００の製造過程を示す断面図である。 積層基板３００の断面図である。 積層基板３００の断面図である。 積層基板３０１の断面図である。 積層基板３０１の水平断面図である。 積層基板３０２の製造過程を示す断面図である。 積層基板３０２の断面図である。 他の積層基板の製造過程を示す断面図である。 他の積層基板３０３の断面図である。 他の処理基板２０４を示す模式的断面図である。 他の処理基板２０５を示す模式的断面図である。 他の処理基板２０６を示す模式的断面図である。 他の処理基板２０７を示す模式的断面図である。 他の処理基板２０８を示す模式的斜視図である。 他の処理基板２０９を示す模式的斜視図である。 基板５０１を示す模式的断面図である。 他の基板５０２を示す模式的断面図である。 他の積層基板３０４の断面図である。 積層基板３００等の他の接合手順を示す流れ図である。 他の積層基板３０５の断面図である。 他の積層基板３０６の断面図である。 他の積層基板３０７の断面図である。 接合面１５９、２５９の平面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、積層半導体装置４００の一部をなす受光基板１００の断面図である。受光基板１００は、支持基板１１０、半導体ウェル１３０および多層配線層１５０を備える。

支持基板１１０は、受光基板１００の製造プロセスに耐える機械的強度を担う厚さを有する。支持基板１１０の一面には、絶縁層１２０を介して半導体ウェル１３０が配される。半導体ウェル１３０には、支持基板１１０の面方向に配列された複数のフォトダイオード１３２が配される。また、半導体ウェル１３０には、隣接して形成されたゲート電極１４０等により複数の電界効果トランジスタが形成される。

多層配線層１５０は、半導体ウェル１３０の表面に交互に積層された層間絶縁材１５２および配線材１５４により形成される。配線材１５４としては、チタン、タングステン等の金属材料を使用できる。層間絶縁材１５２は、珪素酸化物等により形成できる。

フォトダイオード１３２および電界効果トランジスタは、多層配線層１５０により相互に接続されて受光回路１１１を形成する。多層配線層１５０における配線材１５４の一端は、支持基板１１０と反対側の一面において外部に露出した接続パッド１６０に電気的に接続される。即ち、図中上面に当たる受光基板１００の表面１５８には、絶縁体である層間絶縁材１５２に分離された複数の接続パッド１６０が露出している。

受光回路１１１においては、フォトダイオード１３２の各々が画素に対応し、電界効果トランジスタが画素毎にリセット、選択および増幅を担う。フォトダイオード１３２が入射光を受けて蓄積した電荷は、電界効果トランジスタによるソースフォロワを通じて電圧信号として接続パッド１６０から外部に出力される。

図２は、積層半導体装置４００の一部をなす処理基板２００の断面図である。処理基板２００は、支持基板２１０、半導体ウェル２３０および多層配線層２５０を備える。

支持基板２１０は、処理基板２００の製造プロセスに耐える機械的強度を担う厚さを有する。支持基板２１０の一面には、半導体ウェル２３０が配される。半導体ウェル２３０には、半導体ウェル２３０に隣接して形成されたゲート電極２４０等により複数の電界効果トランジスタが作り込まれている。

多層配線層２５０は、半導体ウェル２３０の表面に交互に積層された層間絶縁材２５２および配線材２５４により形成される。複数の電界効果トランジスタは、多層配線層２５０により相互に接続されて処理回路２１１を形成する。

また、多層配線層２５０における配線材２５４の一端は、支持基板２１０と反対側の一面において外部に露出した接続パッド２６０に電気的に接続される。即ち、図中上面に当たる処理基板２００の表面２５８には、絶縁体である層間絶縁材２５２に分離された複数の接続パッド２６０が露出している。

処理基板２００の接続パッド２６０は、受光基板１００と積層された場合に、受光基板１００の接続パッド１６０に接続される。これにより、処理回路２１１が、受光基板１００の受光回路１１１の出力信号を処理する。処理回路２１１においては、アナログ／デジタル変換、ノイズ抑圧、ファイル生成等の処理が実行される。

更に、処理基板２００は、支持基板２１０に嵌入した貫通電極２５６を有する。貫通電極２５６の一端は、多層配線層２５０の配線材２５４に電気的に接続される。貫通電極２５６の他端は、図示の段階では、支持基板２１０の内部に埋没している。

図３は、イメージセンサとして用い得る積層半導体装置４００を製造する過程で形成される積層基板３００の断面図である。積層基板３００において、受光基板１００は、図１に示した状態に対して表裏が反転されて処理基板２００に積層される。積層基板３００においては、受光基板１００の接続パッド１６０と、処理基板２００の接続パッド２６０とが互いに当接して電気的に接続される。

受光基板１００および処理基板２００を積層する場合は、それぞれの基板において予め定めた数箇所の位置合わせ指標の位置ずれに基づいて、受光基板１００および処理基板２００が位置合わせされる。位置合わせにおいては、例えば、全体の位置ずれが最小になる位置を算出するグローバルアライメント法により、積層基板３００の歩留りを向上させることができる。更に、位置合わせ指標の位置に基づいて、オフセット補正、回転補正、直交度補正、スケーリング補正等を加えて、位置合わせ精度をより向上させることもできる。

位置合わせの指標としては、接続パッド１６０、２６０そのものを利用してもよいし、受光基板１００および処理基板２００に形成された配線、基板等を利用してもよい。更に、位置合わせに利用する目的で受光基板１００および処理基板２００に設けたアライメントマークを利用してもよい。

図４は、積層基板３００を更に加工して作製された積層半導体装置４００の断面図である。積層半導体装置４００において、処理基板２００の支持基板２１０は薄化され、図中下面に露出した貫通電極２５６の下端に、バンプ２２０が設けられる。これにより、積層半導体装置４００は、他の基板、リードフレーム等に電気的に接続できる。

また、積層半導体装置４００において、受光基板１００の支持基板１１０は除去され、露出した絶縁層１２０に、遮光層１７０、平坦化層１７２、有機平坦化層１７４、１８２、オンチップカラーフィルタ１８０およびオンチップレンズ１９０等が順次積層される。

これにより、受光基板１００のフォトダイオード１３２は、オンチップレンズ１９０およびオンチップカラーフィルタ１８０を通じて入射した光を、多層配線層１５０を通すことなく受光する。このように、積層半導体装置４００は、裏面照射型イメージセンサを形成する。

積層半導体装置４００において、受光基板１００および処理基板２００は、接続パッド１６０、２６０を通じて電気的に結合されている。よって、受光基板１００においてフォトダイオード１３２への入射光により発生した電荷は、電圧信号として処理基板２００側の処理回路２１１に受け渡され、更に、デジタル変換等の処理を経て、バンプ２２０から外部に出力される。

なお、受光基板１００および処理基板２００のそれぞれは、図１または図２に示した構造をそれぞれの面方向に繰り返し有する。よって、受光基板１００および処理基板２００を積層することにより、多数の積層半導体装置４００が一括して製造される。

よって、積層基板３００は、ダイシングにより切り分けられて多数のダイとなる。こうして得られたダイのそれぞれは、受光基板１００および処理基板２００を積層して製造したことにより、高い歩留りと高い集積密度とを有する。

図５から図１０は、積層基板３００の製造過程を、受光基板１００および処理基板２００の接合段階に注目して詳細に示す模式的断面図である。図中においては、受光基板１００および処理基板２００を単純化して、絶縁物である層間絶縁材１５２、２５２と導体である接続パッド１６０、２６０とにより示している。また、特に断らない限り、受光基板１００および処理基板２００は大気環境において接合する。

図５に示すように、積層基板３００の製造では、受光基板１００において層間絶縁材１５２の中に接続パッド１６０が露出した面と、処理基板２００において層間絶縁材２５２の中に接続パッド２６０が露出した面とが接合される。続いて説明するように、受光基板１００および処理基板２００の接合においては、まず層間絶縁材１５２、２５２が相互に接合され、続いて接続パッド１６０、２６０が相互に接合される。

受光基板１００および処理基板２００の接合においては、まず、図６に示すように、処理基板２００に陥没部２５７が形成される。陥没部２５７は、接続パッド２６０に隣接した領域において、層間絶縁材２５２をエッチングすることにより形成される。

形成された陥没部２５７は、処理基板２００の表面２５８に向かって開口する。また、形成された陥没部２５７は、図７に示すように、接続パッド２６０に隣接し、且つ、接続パッド２６０を包囲する。これにより、処理基板２００の表面２５８に連通する空洞部が処理基板２００内部に形成される。

次に、図８に示すように、受光基板１００および処理基板２００の表面１５８、２５８を平滑化して、層間絶縁材１５２、２５２の表面に、接合面１５９、２５９を形成する。接合面１５９、２５９は、研磨によっても平滑化できるが、研磨に先立ってエッチングも併用してもよい。接合面１５９、２５９は、それぞれ１ｎｍ未満まで平滑化することが好ましい。平滑化された受光基板１００および処理基板２００は、研磨に伴って生じた残留物を洗浄により除去した後乾燥される。

なお、接合面１５９、２５９を研磨する場合、接合面１５９、２５９を形成する層間絶縁材１５２、２５２と、接続パッド１６０、２６０を形成する金属等との物性の相違により、接続パッド１６０、２６０の研磨量が、層間絶縁材１５２、２５２よりも多くなるので、接続パッド１６０、２６０の先端は、接合面１５９、２５９から、層間絶縁材１５２、２５２の内部に沈み込んでいる。

また、金属製の接続パッド１６０、２６０は、研磨される場合の圧力により不可避に弾性変形する。このため、研磨後の接続パッド１６０、２６０の先端表面は平坦ではなく、中央が窪んだ形状になる。

次に、受光基板１００および処理基板２００の接合面１５９、２５９を活性化処理する。接合面１５９、２５９は、例えば、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマ等により接合面１５９、２５９の表面を処理して活性化できる。更に、活性化処理された接合面１５９、２５９を、ＮＨ_４ＯＨ、ＮＨ_４Ｆ、ＨＦ等の溶液に短時間浸漬する処理をしてもよい。

こうして、絶縁体である層間絶縁材１５２、２５２の表面に形成された接合面１５９、２５９を活性化された受光基板１００および処理基板２００は、対向して接近させることにより、図９に示すように、自ずから吸着して接合され、積層基板３００を形成する。更に、受光基板１００および処理基板２００が相互に吸着した状態で２４時間程度静置することにより、受光基板１００および処理基板２００の接合強度は、支持基板１１０、２１０の化学機械研磨等の処理に耐え得るものとなる。

なお、処理基板２００の層間絶縁材２５２に形成された陥没部２５７は、接合面２５９にも隣接している。よって、上記の接合処理において接合面１５９、２５９に挟まれた気泡は、相互に吸着し合う接合面１５９、２５９により、陥没部２５７に押し込まれる。よって、密着した接合面１５９、２５９の間に薄く拡がるボイドの発生が防止される。

なお、図９に示した段階では、接合面１５９、２５９から沈み込んだ接続パッド１６０、２６０の間には間隙が残る。また、既に説明した通り、接続パッド１６０、２６０の先端表面は中央が窪んだ形状を有するので、接続パッド１６０、２６０相互の間隙は、中央においてより広い。このため、受光基板１００と処理基板２００との間に、十分な電気的接続はまだ形成されていない。

そこで、積層基板３００をリフロー処理することにより、図１０に示すように、接続パッド１６０、２６０が一体化され、接続部３６０が形成される。ここで、接続パッド１６０、２６０を、インジウム、錫−銀合金のように低温で溶融する材料で形成することにより、２００度以下の低い温度で積層基板３００をリフロー処理できる。

また、既に説明したように、接続パッド１６０、２６０の周囲には、陥没部２５７が隣接して配されている。よって、接続パッド１６０、２６０がリフローにより溶融して表面張力により凝縮した場合、接続パッド１６０、２６０の窪みに残っていた空気は、陥没部２５７に移る。これにより、リフロー処理された接続パッド１６０、２６０は、ボイドの無い緻密な接続部３６０を形成する。

なお、上記のような機能に鑑みて、陥没部２５７は、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０に隣接していれば、受光基板１００に形成されていてもよい。更に、陥没部２５７は、受光基板と処理基板２００の両方に形成されていてもよい。

また、陥没部２５７は、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０に隣接していれば、完全な環状でなくてもよい。また、陥没部２５７の深さも、予想される空気の収容量により適宜選択することができる。

このように、表面２５８に陥没部２５７を設けた処理基板２００を接合して積層基板３００を作製することにより、接合面１５９、２５９および接続パッド１６０、２６０の間に挟まれた空気によるボイドが面方向に拡大することを防止できる。これにより、強度の高い接合と、電気特性の良好な接続部３６０を形成できる。また、作業性が低く、製造コストおよびスループットに影響を及ぼす真空環境での接合作業が不要になるので、積層半導体装置４００の生産性向上にも寄与する。

なお、陥没部２５７は、受光基板１００の側に設けてもよい。また、陥没部２５７を、受光基板１００と処理基板２００との両方に設けてもよい。

図１１は、他の積層基板３０１の製造過程を説明する断面図である。積層基板３０１は、受光基板１００の側にも陥没溝１５７が形成されている点において、図１０までに説明した積層基板３００と異なる。これにより、受光基板１００の内部には、表面１５８に連通する空洞部が形成される。その余の部分は、積層基板３００と共通なので、重複する説明は省く。

図１２は、積層基板３０１の水平断面図であり、受光基板１００と処理基板２００との接合面において積層基板３０１を切った断面を示す。積層基板３０１において受光基板１００に形成された陥没溝１５７は、接続部３６０の周囲に形成された陥没部２５７を相互に連通させる。また、一部の陥没溝１５７は、積層基板３０１の側方端面において外部に連通する。これにより、受光基板１００と処理基板２００とを接合する場合に大量の空気を噛み込んだとしても、陥没溝１５７を通じて外部に排出する。

このように、陥没溝１５７を有する受光基板１００と陥没部２５７を有する処理基板２００とを接合して積層基板３０１を作製することにより、陥没部２５７の内圧が上昇して接合面１５９、２５９の自己的な吸着を妨げることが防止される。なお、陥没溝１５７を処理基板２００に設け、陥没部２５７を受光基板１００に設けてもよい。

図１３は、また他の積層基板３０２の製造過程を示す断面図である。積層基板３０１を形成する処理基板２０１においては、接続パッド２６０の略中央に縦穴２６１が形成されている。これにより、処理基板２００には表面２５８に連通する空洞部が形成される。

一方、処理基板２０１においては、接続パッド２６０周囲の陥没部２５７が除かれている。これらの点において、積層基板３００、３０１の処理基板２００と異なる。その余の部分は処理基板２００と共通なので重複する説明は省く。

上記のような縦穴２６１は、接続パッド２６０の中央をエッチングすることにより形成できる。また、縦穴２６１は、接続パッド２６０を厚さ方向に貫通してもよい。これにより、縦穴２６１は、接続パッド２６０に対して隣接して配されることになる。

図１４は、図１３に示した受光基板１００および処理基板２０１を接合して形成された積層基板３０２の断面図である。なお、図１３に示した状態から、図１４に示した状態までの間は、図６から図９までを参照して説明した段階と同じ処理が実行されるので、重複する説明を省く。

処理基板２０１においては、縦穴２６１が接続パッド２６０の中央付近に形成されている。よって、受光基板１００および処理基板２０１を接合して形成された積層基板３０２をリフロー処理した場合、接続パッド１６０、２６０の先端付近に挟まれた空気は、縦穴２６１に取り込まれる。このように、縦穴２６１を有する処理基板２０１を接合して積層基板３０２を作製することにより、接続パッド１６０、２６０の間でボイドが面方向に拡がることが防止され、受光基板１００および処理基板２０１の間に良好な電気的接合が形成される。

なお、縦穴２６１は、受光基板１００および処理基板２０１の層間絶縁材１５２、２５２の間に噛み込まれた空気にもある程度連通する。しかしながら、図１２までに示した陥没溝１５７および陥没部２５７を併用して、受光基板１００および処理基板２００に挟まれた空気をより効率よく収容してもよい。

また、上記の例では、縦穴２６１を処理基板２０１の接続パッド２６０に形成した。しかしながら、受光基板１００の接続パッド１６０に縦穴２６１を形成しても、上記の例と同様にボイドの拡大を抑制することができる。更に、受光基板１００の接続パッド１６０と、処理基板２０１の接続パッド２６０の両方に縦穴２６１を形成してもよい。

図１５は、また他の積層基板を形成する処理基板２０２の断面図である。図１５に示す処理基板２０２は、複数の開口穴２５５を有する多孔質体により表面２５８が形成されている。これにより、処理基板２０２には、表面２５８に連通する複数の空洞部が形成される。開口穴２５５の一部は、接続パッド２６０に隣接して配され、他の一部は、接合面２５９を形成する層間絶縁材２５２の表面に点在する。

これにより、処理基板２０２を他に基板に接合する場合の接合面の面積が僅かに減少するが、受光基板１００と処理基板２０２とを接合する場合に空気を噛み込んでも、接合面においてボイドが面方向に拡がることが防止される。よって、層間絶縁材１５２、２５２と接続パッド１６０、２６０とを良好に接合することができる。

なお、上記の処理基板２０２に積層する受光基板１００の表面を、複数の開口穴２５５を有する多孔質体により形成してもよい。また、上記の形態においても、開口穴２５５を有する多孔質体と、図１０までに示した陥没溝１５７、陥没部２５７、縦穴２６１等を組み合わせてもよい。

図１６は、また他の積層基板３０３の製造過程を示す断面図である。図示の積層基板３０３は、図１１および図１２に示した積層基板３０１に加えて、受光基板１０１に形成された嵌合穴１５３と、処理基板２０３に形成された嵌合突起２５３とを備える。これにより、受光基板１０１と処理基板２０３とを接合する場合は、嵌合穴１５３と嵌合突起２５３とを嵌合させることにより、位置合わせの段階を省くことができる。なお、受光基板１０１と処理基板２０３とが相補的な形状の部分を有していれば、嵌合穴１５３および嵌合突起２５３の他の部分の形状および数に制限はない。

図１７は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０４の模式的断面図である。図１７に示す処理基板２０４は、接続パッド２６０と共に、接続パッド２６０を充填することなく形成された陥没部５５１を表面２５８に有する。陥没部５５１は、例えば、接続パッド２６０を形成した後に、改めて層間絶縁材２５２をフォトリソグラフィにより加工して形成できる。

処理基板２０４の陥没部５５１は、接続パッド２６０の先端に形成された凹部に比較して、より大きな容量を有する。よって、処理基板２０４を受光基板１００に接合する場合に基板間に残された空気が陥没部５５１に収容される。これにより、接合後の積層基板の温度が上昇しても、膨張した空気による内圧の上昇が抑制される。よって、積層基板内に残された空気による積層基板の歪みも低減される。

なお、図示のように接続パッド２６０と同じ形状を有する陥没部５５１は、接続パッド２６０を形成する場合に用いるレジスト材、エッチャント等をそのまま利用して形成できる。また、陥没部５５１の形状を様々に変形し得ることはいうまでもない。陥没部５５１の形状は、複数の接続パッド２６０を連通させる溝であってもよいし、処理基板２０４の側周面まで連通して内部の空気を外部に逃がす溝でもよい。

更に、陥没部５５１は、図１６までに例示した陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等と同様の形状を有してもよい。更に、図示の陥没部５５１と、これら陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等を組み合わせてもよい。

また、陥没部５５１の配置も、処理基板２０４に形成された素子、配線等と干渉しない範囲で様々に変更し得る。更に、処理基板２０４に複数の陥没部５５１を設ける場合は、互いに同じ大きさでもよいし、個々に異なる形状および大きさを有してもよい。また更に、受光基板１００側にも陥没部５５１を設けてもよい。

図１８は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０５の模式的断面図である。図１８は、処理基板２０５におけるひとつの接続パッド２６０に着目して、他の図よりも拡大して描かれている。

処理基板２０５は、接続パッド２６０に隣接して形成された空洞部５５２を有する。空洞部５５２は、接続パッド２６０に沿って処理基板２０６の表面２５８に連通するが、空洞部５５２自体の端部は、処理基板２０５の表面２５８に開口しておらず、層間絶縁材２５２の内部に開口する。これにより、処理基板２０５における受光基板１００に対する接合面積を減少させることなく、積層基板内に残る空気を収容する空洞部５５２を形成できる。

上記のような空洞部５５２は、層間絶縁材２５２の表面２５８をレジスト等により保護した状態で、層間絶縁材２５２を選択的にエッチングするエッチャントを用いて層間絶縁材２５２を加工することにより形成できる。空洞部５５２の形状および配置が図示の例に限定されないことは、図１７について説明した場合と同様である。

図１９は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０６の模式的断面図である。処理基板２０６においては、貫通電極２６２の一端が、処理基板２０６を接合する場合の接続パッドを形成する。

貫通電極２６２は、処理基板２０６の面方向については図１７に示した処理基板２０４の接続パッド２６０と同じレイアウトを有する。しかしながら、貫通電極２６２は、例えば層間絶縁材２５２を厚さ方向に貫通する。また、貫通電極２６２は、支持基板２１０まで貫通して、処理基板２０６の裏面まで抜けている場合もある。

処理基板２０６は、縦穴５５３を更に備える。縦穴５５３は、処理基板２０６の厚さ方向に、貫通電極２６２の各々に沿って形成される。このような縦穴５５３は、例えば、貫通電極２６２を形成した後に、改めて層間絶縁材２５２等をフォトリソグラフィにより加工して形成できる。図１９の例では、縦穴５５３が貫通電極２６２に近接して形成されているが、複数の縦穴５５３を貫通電極２６２の周囲を取り囲むように形成したり、複数の貫通電極２６２の間に所定の間隔をおいて複数の縦穴５５３を形成したり、スクライブライン上等の回路への影響が少ない位置に形成したりしてもよい。

図２０は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０７の模式的断面図である。処理基板２０７は、図１９に示した処理基板２０６と同様に貫通電極２６２を備え、更に、貫通電極２６２の内部を長手方向に貫通する縦穴２６３を有する。

このような縦穴２６３は、例えば、貫通電極２６２を形成する導電材料を埋め込む場合に、ビアが埋まり切る前に導電材料の堆積を停止すれば、貫通電極２６２の形成と同時に形成できる。また、図４に示したように、支持基板２１０を薄化した場合は、縦穴２６３を処理基板２０７の裏面まで貫通させることができる。

これら図１９および図２０に示した処理基板２０６、２０７に形成された縦穴５５３、２６３は、図１０等に示した陥没部２５７等に比較すると容量が大きい。よって、処理基板２０６、２０７を受光基板１００に接合し、接合後の温度変化で縦穴５５３、２６３に収容された空気が膨張しても、積層基板を歪ませる応力が緩和される。

また、縦穴５５３、２６３を処理基板２０６、２０７の裏面まで貫通させた場合は、処理基板２０６、２０７を接合する場合に基板間に挟まれた空気を、積層基板の外部まで排出できる。よって、処理基板２０６、２０７を受光基板１００に密着させることができると共に、接合後の空気の熱膨張が積層基板を歪ませることを防止できる。

図２１は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０８の模式的斜視図である。図２１は、１枚のウエハに複数の処理回路２１１が形成されている様子を示す。

処理基板２０８を、複数の受光回路１１１が形成されたウエハと接合することにより、複数の積層半導体装置４００を一括して製造できる。接合により形成された複数の積層半導体装置４００は、処理基板２０８において処理回路２１１相互の間に形成されたスクライブライン上を切断することにより、個別のダイに切り分けられる。

なお、図２０は模式図であり、半導体装置の製造においては、一枚のウエハに多数の処理回路２１１が形成される。また、処理回路２１１は、ダイシングで切り分けられた個々のダイの形状が互いに等しい矩形になるようにウエハ上に配置される。

図示の処理基板２０８は、スクライブラインに沿って形成された陥没溝５５４を更に有する。陥没溝５５４は、例えば、ダイシング加工を部分的実行すること、即ち、処理基板２０７を浅く切削することにより形成できる。また、フォトリソグラフィにより、スクライブラインに沿って処理基板２０８の表面５５８をエッチングしてもよい。

陥没溝５５４は、複数の処理回路２１１の個々の間隙を通過して、処理基板２０７の縁部まで連通する。よって、処理基板２０７を受光基板１００に接合する場合は、基板間に挟まれた空気が、陥没溝５５４を通じて積層基板の外部に排出される。

なお、図中に点線で示すように、処理回路２１１の各々から陥没溝５５４に連通する細溝５５５を更に形成しておいてもよい。これにより、処理回路２１１が形成された領域に挟まれた空気を陥没溝５５４に誘導して、処理回路２１１を受光回路１１１に密着させることができる。

また、スクライブライン上に形成された陥没溝５５４は、積層基板のダイシングに伴って消滅する。よって、陥没溝５５４により、処理基板２０８の実効的な接合面積が減少することはない。陥没溝５５４の形状、配置等は様々に変更できる。更に、先に例示した陥没部２５７、陥没溝１５７、縦穴２６１、開口穴２５５、嵌合穴１５３および嵌合突起２５３のいずれかまたは全部を、陥没溝５５４に組み合わせて形成してもよい。

図２２は、積層基板を形成し得る他の処理基板２０９の模式的斜視図である。処理基板２０９は、スクライブライン上に形成された複数の貫通穴５５６を有する。貫通穴５５６の各々は、処理基板２０９を厚さ方向に貫通して、処理基板２０９の裏面に至る。これにより、処理基板２０９を受光基板１００に接合した場合に、基板間に挟まれた空気を、貫通穴５５６を通じて積層基板の外部に排除できる。

また、スクライブライン上に形成された貫通穴５５６は、積層基板のダイシングに伴って消滅する。よって、貫通穴５５６を設けることにより、処理基板２０９の実効的な接合面積が減少することはない。貫通穴５５６の形状、配置等は様々に変更できる。更に、先に例示した陥没部２５７、陥没溝１５７、５５４、縦穴２６１、開口穴２５５、嵌合穴１５３および嵌合突起２５３のいずれかまたは全部を、貫通穴５５６に組み合わせて形成してもよい。

図２３は、他の基板５００と接合することにより積層基板を形成し得る基板５０１の模式的断面図である。基板５０１は、表面に開口する複数の開口穴５５７を有し、表面５５８に多孔質体の層が形成されている。

ここまでに説明した受光基板１００、１０１および処理基板２０１〜２０９は、それぞれ、接合面の表面１５８、２５８に、接続パッド１６０、２６０または貫通電極２６２を備えていた。これに対して、基板５０１は、接続パッド１６０、２６０および貫通電極２６２を有していない。

しかしながら、接続パッド１６０、２６０および貫通電極２６２を有していない基板５０１においても、基板の表面５５８に連通する空洞部を形成した後に接合することにより、ボイドの面方向の拡大を防止し、積層基板内に残留する空気の影響を抑制できる。

基板５０１の場合は、表面５５８に多数の開口穴５５７を有する多孔質体が形成されている。これにより、基板５０１は、他の基板５００に接合して積層基板にする場合、基板間に挟まった空気を開口穴５５７に収容して、連続して拡がるボイドの形成を防止できる。また、積層基板の温度が上昇した場合に、積層基板内に残る空気の圧力が開口穴５５７内に分散され、積層基板を歪める圧力の上昇が抑制される。

なお、基板５０１において、開口穴５５７を、陥没部２５７、５５１、陥没溝１５７、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等に変形してもよい。また、図示の開口穴５５７と、これら陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等とを組み合わせて同時に形成してもよい。更に、基板５０１に貼り合わせる他の基板５００にも陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等を形成して空洞部を設けてもよい。

図２４は、積層基板を形成し得る基板５０２の模式的斜視図である。基板５０２も、基板５０１と同様に、接続パッド１６０、２６０および貫通電極２６２の無い表面５５８において他の基板５００に接合されて積層基板を形成する。

基板５０２は、図２１に示した処理基板２０８と同じレイアウトを有する格子状の陥没溝５５４を表面５５８に有する。陥没溝５５４は、ダイシングと同じ加工により形成してもよいし、エッチングにより形成してもよい。陥没溝５５４は、基板５０２の縁部まで連通する。

よって、基板５００と接合すことにより、基板間に挟まれた空気が陥没溝５５４を通じて排出される。また、陥没溝５５４を、基板５０２自体のスクライブラインか、接合する他の基板５００のスクライブラインに合わせて配置することにより、ダイシングにより陥没溝５５４を除去できる。よって、陥没溝５５４を設けることにより、基板５０２の実効的な接合面積が減少することはない。

基板５０２においても、陥没溝５５４を、陥没部２５７、５５１、陥没溝１５７、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等に変形してもよい。また、図示の陥没溝５５４と、これら陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等とを組み合わせて同時に形成してもよい。更に、基板５０２に貼り合わせる他の基板５００にも陥没溝１５７、開口穴２５５、嵌合穴１５３、嵌合突起２５３等を形成して空洞部を設けてもよい。

図２５は、他の積層基板３０４の断面図である。積層基板３０４は、次に説明する部分を除くと、図５から図１０に示した積層基板３００と同じ構造を有する。よって、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

積層基板３０４は、接続部３６０の周囲に陥没部２５７を有する点では積層基板３００と共通する。ただし、接続部３６０に点線Ａで境界を示すように、積層基板３０４においては、受光基板１００側の接続パッド１６０の周囲にも陥没部２５７が形成されている。よって、積層基板３０４においては、積層基板３０４の厚さ方向について、陥没部２５７の寸法が大きい。

これにより、周囲の層間絶縁材１５２、２５２よりも熱膨張率が高い接続部３６０が温度変化により膨張した場合に、受光基板１００と処理基板２００との接合部に作用する力が緩和される。即ち、接続部３６０の熱膨張により生じた応力は、陥没部２５７を越えた後に接合部に作用する。よって、この間の層間絶縁材１５２、２５２の変形により、受光基板１００および処理基板２００の接合を引き剥がそうとする力が緩和される。これにより、積層基板３０４の温度変化に対する安定性が向上される。

なお、上記のような剥離防止の作用は、陥没部２５７の幅を増すことにより効果が増す。一方、図５〜１０に示したように、受光基板１００および処理基板２００のいずれか一方に陥没部２５７を設けた場合であっても、同様の効果は得られる。なお、接続パッド１６０、２６０により形成された接続部３６０について説明したが、積層基板３０４の接合面に存在して、層間絶縁材１５２、２５２と熱膨張率が異なる他の要素、例えば、貫通電極等の周囲に陥没部２５７を設けても、同様に剥離を防止できる。

図２６は、積層基板３００等を作製する手順のひとつを示す流れ図である。まず、シリコンウエハ等の基板材料に半導体素子を形成して、受光基板１００、処理基板２００等を作製する（ステップＳ１０１）。

次に、受光基板１００および処理基板２００の各々において接続パッド１６０、２６０となる導通領域を形成する（ステップＳ１０２）。導通領域の各々は、受光基板１００および処理基板２００の各々における接合面１５９、２５９の表面に端面が露出するように形成される。

次に、受光基板１００および処理基板２００の各々の層間絶縁材１５２、２５２に、上記導通領域に隣接した陥没部１７５、２５７を形成する（ステップＳ１０３）。また、このステップにおいては、陥没部１７５、２５７を受光基板１００および処理基板２００の周縁部に連通させる陥没溝１５７、細溝５５５等を併せて形成される。

次に、接合面１５９、２５９を活性化させた上で、受光基板１００および処理基板２００を重ね合わせる（ステップＳ１０４）。ここで、受光基板１００および処理基板２００の間で接続される導通領域の間に挟まれた気体は、導通領域に隣接する陥没部１７５、２５７に押し出される。

更に、受光基板１００および処理基板２００の間に残る気体を、陥没部１７５、２５７、陥没溝１５７、細溝５５５等を通じて脱気する（ステップＳ１０５）。受光基板１００および処理基板２００の間は、例えば、ステップＳ１０４における重ね合わせを、減圧環境または真空環境において実行することにより、陥没部１７５、２５７、陥没溝１５７、細溝５５５等を通じて脱気できる。

また、ステップＳ１０４における重ね合わせを大気または不活性ガス雰囲気中、で実行した上で加熱することにより、重ね合わせた受光基板１００および処理基板２００の間を脱気することもできる。なお、加熱により、接合面１５９、２５９の露出した金属、酸化物等から水分が析出する場合があるので、真空中で重ね合わせた受光基板１００および処理基板２００に対しても、加熱による脱気をすることが好ましい。

こうして重ね合わされた上で（ステップＳ１０４）脱気された受光基板１００および処理基板２００は、接続パッド１６０、２６０が融合して接続部３６０となる温度まで加熱されて、接続部が形成される（ステップＳ１０６）。これら一連の手順により、受光基板１００および処理基板２００の間の気体を除去した後に接続部を形成するので、気泡を含まない緻密な接続部３６０を形成できる。

また、接続部３６０および層間絶縁材１５２、２５２における接着強度も高くなる。更に、ステップＳ１０５において、加熱により水蒸気を脱気することにより、金属を含む接続部３６０の酸化も防止できる。

なお、積層する基板の少なくとも一方に、他の回路に接続されていない独立した導通領域と、当該独立導通領域に隣接した陥没部等を設けてもよい。これにより、加熱した場合に受光基板１００および処理基板２００の間に生じる水蒸気等を、当該独立導通領域に吸収させて、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０が酸化されることを防止できる。

また、接続部３６０の周囲には陥没部等を形成することなく、前記独立導通領域の周囲のみに陥没部等を形成してもよい。この場合、接続パッド１６０、２６０の間の気体は陥没溝５５４等により前記独立導通領域の周囲の陥没部に流入させることができる。また、この場合、受光基板１００および処理基板２００を例えば大気中で重ね合わせたときに接続部３６０の周囲に気体が溜まる場所がないため、その溜まった気体による接続部３６０の酸化を防止することができる。

図２７は、他の積層基板３０５の断面図である。積層基板３０５は、次に説明する部分を除くと、図２５に示した積層基板３０４と同じ構造を有する。共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

積層基板３０５を形成する受光基板１００および処理基板２００は、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０と、層間絶縁材１５２、２５２との間に形成されたバリア層１６４、２６４を有する。バリア層１６４、２６４は、接続パッド１６０、２６０を形成する銅等の金属が、受光基板１００または処理基板２００の内部に拡散することを阻止する目的で設けられている。

積層基板３０５においては、陥没部２５７の内部において、バリア層１６４、２６４の少なくとも一部が取り除かれている。これにより、積層基板３０５においては、接続部３６０が、バリア層１６４、２６４に遮られることなく陥没部２５７の内部に露出する。よって、接続部３６０を形成する前の段階において、接続パッド１６０、２６０の間の気体を、バリア層１６４、２６４に妨げられることなく陥没部２５７に押し出すことができる。これにより、積層基板３０５は、ボイドの無い緻密な接続部３６０を有する。

なお、接続部３６０と陥没部２５７の空洞とが連通していれば、バリア層１６４、２６４は、接続部３６０の全周にわたって除去しなくてもよい。また、図示の例では、処理基板２００側に陥没部２５７を設けているが、受光基板１００側に設けてもよいし、受光基板１００および処理基板２００の両方に設けてもよい。

図２８は、他の積層基板３０６の断面図である。積層基板３０６は、次に説明する部分を除くと、図２５に示した積層基板３０４と同じ構造を有する。共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

積層基板３０６を形成する受光基板１００および処理基板２００は、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０の間隔が異なる。このため、図中右側の接続部３６３においては、受光基板１００側の部分と、処理基板２００側の部分との間に、図中水平方向のずれＷ_ｄ１を生じている。

しかしながら、積層基板３０６においては、陥没部２５７が、ずれＷ_ｄ１よりも大きな幅Ｗ_ｔ１を有するので、接続パッド１６０、２６０と層間絶縁材１５２、２５２との境界はそれぞれ、陥没部２５７の内部に露出する。これにより、積層基板３０６においては、接続部３６０を形成する前の段階において、接続パッド１６０、２６０の間の気体を陥没部２５７に押し出すことができる。よって、積層基板３０６は、ボイドの無い緻密な接続部３６０を有する。

図２９は、他の積層基板３０７の断面図である。積層基板３０７は、次に説明する部分を除くと、図２８に示した積層基板３０６と同じ構造を有する。共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

積層基板３０７を形成する受光基板１００および処理基板２００においては、接続部３６０を形成する接続パッド１６０、２６０の位置が、積層基板３０７の面方向に全体にずれＷ_ｄ２を生じている。これに対して、陥没部１７５、２５７は、ずれＷ_ｄ２よりも広い幅Ｗ_ｔ２を有する。これにより、積層基板３０７においては、接続部３６０を形成する前の段階において、接続パッド１６０、２６０の間の気体を陥没部１７５、２５７に押し出すことができる。よって、積層基板３０７は、ボイドの無い緻密な接続部３６０を有する。

ただし、陥没部１７５、２５７の幅Ｗ_ｔ２が広くなると、受光基板１００および処理基板２００の接合面１５９、２５９において接合される層間絶縁材１５２、２５２の接合面積が減少して、接合強度が低下する。これに対して、積層基板３０７においては、陥没部１７５、２５７が接続部３６０に接する範囲を制限することにより、層間絶縁材１５２、２５２の接合面積の減少を抑制している。

図３０は、積層基板３０７における受光基板１００および処理基板２００の接合面１５９、２５９のレイアウトを示す平面図である。受光基板１００においては、陥没部１７５は、接続部３６０となる接続パッド１６０の、図中左側に形成され、図中右側には形成されていない。また、処理基板２００においては、陥没部２５７は、接続部３６０となる接続パッド２６０の、図中右側に形成され、図中左側には形成されていない。

ただし、陥没部１７５、２５７は、いずれも、接続パッド１６０、２６０の図中上面および下面に沿って半分以上まで延在する。これにより、陥没部２５７を有する受光基板１００および処理基板２００を接合した場合、受光基板１００側の陥没部１７５と、処理基板２００側の陥没部２５７は互いに連通する。

また、積層基板３０７は、接続パッド１６０、２６０のずれＷ_ｄ２よりも広い幅Ｗ_ｔ２を有する。これにより、受光基板１００が処理基板２００に接合された場合に、受光基板１００に設けられた陥没部１７５は、処理基板２００に設けられた接続パッド２６０の端面を縁部まで包含し、処理基板２００に設けられた陥没部２５７は、受光基板１００に設けられた接続パッド１６０の端面を縁部まで包含する。

よって、積層基板３０７においては、陥没部１７５、２５７を併せると、接続部３６０を一周する空洞部が形成され、接続パッド１６０、２６０の間の気体を確実に受け入れる。これにより、積層基板３０７は、ボイドの無い緻密な接続部３６０を有する。また、受光基板１００および処理基板２００の各々の接合面１５９、２５９においては、陥没部１７５、２５７の面積が制限されているので、陥没部１７５、２５７を設けたことによる接合面積の減少が抑制され、接合強度の低下が防止されている。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、互いに接合される二つの基板の少なくとも一方に、接合により他方の基板に接触する底面を有する凹部を積極的に形成し、もしくは、回路形成プロセス等により基板に生じた歪み等の変形によって上記凹部が形成されている場合に、接合時に上記凹部内の空気を逃がす部分を有する基板であれば、本発明の技術的範囲に含まれる。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００、１０１ 受光基板、１１０、２１０ 支持基板、１１１ 受光回路、１２０ 絶縁層、２２０ バンプ、１３０、２３０ 半導体ウェル、１３２ フォトダイオード、１４０、２４０ ゲート電極、１５０、２５０ 多層配線層、１５２、２５２ 層間絶縁材、１５４、２５４ 配線材、１５３ 嵌合穴、１５７、５５４ 陥没溝、１５８、２５８、５５８ 表面、１５９、２５９ 接合面、１６０、２６０ 接続パッド、１６４、２６４ バリア層、１７０ 遮光層、１７２ 平坦化層、１７４、１８２ 有機平坦化層、１７５、２５７、５５１ 陥没部、１８０ オンチップカラーフィルタ、１９０ オンチップレンズ、２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９ 処理基板、２１１ 処理回路、２５３ 嵌合突起、２５５、５５７ 開口穴、２５６、２６２ 貫通電極、２６１、２６３、５５３ 縦穴、３００、３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７ 積層基板、３６０、３６３ 接続部、４００ 積層半導体装置、５００、５０１、５０２ 基板、５５２ 空洞部、５５５ 細溝、５５６ 貫通穴

Claims (18)

1. 他の基板に接合される接合面と、
   前記接合面に形成された凹部と、
   前記凹部内に形成され、表面が前記接合面よりも下方に位置するとともに、前記表面の中央がさらに下方に位置している導通領域と、
   前記凹部内における前記導通領域の前記表面上の空間に連通した空洞部と、
   を備える基板。
2. 前記空洞部は、前記接合面に開口している請求項１に記載の基板。
3. 前記空洞部は、前記導通領域の周囲に形成されている請求項１または２に記載の基板。
4. 前記空洞部は、前記接合面に形成された多孔質層を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の基板。
5. 前記空洞部は、前記基板の周縁部まで連通する部分を有する請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の基板。
6. 前記空洞部の一部は、前記他の基板の前記表面に形成された突出部と相補的な形状を有する部分を含む請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の基板。
7. 前記導通領域内に前記空洞部としての穴が設けられている請求項１に記載の基板。
8. 他の基板に接合される接合面と、
   前記接合面に形成された凹部と、
   前記凹部内に形成され、表面の少なくとも一部が前記接合面よりも下方に位置する導通領域と、
   前記凹部内における前記導通領域の前記表面上の空間に連通した空洞部と、
   前記導通領域を包囲するとともに、前記空洞部の内部において少なくとも一部が除去されているバリア層と
   を備える基板。
9. 基板の接合面に凹部を形成する段階と、
   表面が前記接合面よりも下方に位置するとともに、前記表面の中央がさらに下方に位置している導通領域を、前記凹部内に形成する段階と、
   前記凹部内における前記導通領域の前記表面上の空間に連通した空洞部を形成する段階と、
   前記接合面を他の基板の接合面に接触させる段階と、
   前記接合面同士を接触させた後に、前記導通領域を前記他の基板の導通領域に接触させる段階と、
   を含む基板接合方法。
10. 前記空洞部を形成する段階は、前記基板の周縁部まで連通する部分を形成する段階を含み、
    前記接合面を他の基板の接合面に接触させる段階は、前記基板および前記他の基板の間を、前記空洞部を通じて脱気する段階を含む請求項９に記載の基板接合方法。
11. 前記脱気する段階は、前記基板および前記他の基板の少なくとも一方を加熱する段階を含む請求項１０に記載の基板接合方法。
12. 前記脱気する段階は、前記基板および前記他の基板の接合に先立って前記基板および前記他の基板の間を、前記空洞部を通じて脱気する段階を含む請求項１０または請求項１１に記載の基板接合方法。
13. 前記脱気する段階は、前記基板および前記他の基板を接合しつつ、前記基板および前記他の基板の間を、前記空洞部を通じて脱気する段階を含む請求項１０から請求項１２までのいずれか一項に記載の基板接合方法。
14. 前記導通領域を包囲するバリア層の少なくとも一部を前記空洞部の内部において除去する段階を更に含む請求項９から１３のいずれか一項に記載の基板接合方法。
15. 前記空洞部を形成する段階は、前記基板が前記他の基板に接合された場合に、前記他の基板に設けられた導通領域の縁部を包含する領域に形成される請求項９から請求項１４までのいずれか一項に記載の基板接合方法。
16. 前記空洞部を形成する段階は、
    前記基板において他の回路に接続されない独立導通領域を形成する段階と、
    前記独立導通領域の周囲に、前記基板の周縁部まで連通する部分を前記空洞部に形成する段階と
    を含む請求項９から請求項１５までのいずれか一項に記載の基板接合方法。
17. 前記空洞部を形成する段階において、前記空洞部としての穴を前記導通領域内に設ける請求項９に記載の基板接合方法。
18. 基板の接合面に凹部を形成する段階と、
    表面の少なくとも一部が前記接合面よりも下方に位置する導通領域を、前記凹部内に形成する段階と、
    前記凹部内における前記導通領域の前記表面上の空間に連通した空洞部を形成する段階と、
    前記接合面を他の基板の接合面に接触させる段階と、
    前記接合面同士を接触させた後に、前記導通領域を前記他の基板の導通領域に接触させる段階と、
    を含み、
    前記導通領域を包囲するバリア層の少なくとも一部を前記空洞部の内部において除去する段階を更に含む基板接合方法。

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