JP6385727B2 - 貼り合わせウェーハ形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のデバイスが積層された貼り合わせウェーハ形成方法に関する。

近年、新たな三次元実装技術として、ワイヤの代わりにＳｉ貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ：ＴＳＶ）を用いた実装技術が注目されている。ＴＳＶ技術を用いると、配線長がワイヤより短いため配線抵抗やインダクタンスが大幅に低減でき、消費電力も大幅に低減できるというメリットがある。一方、半導体デバイスチップの積層方法として、複数の半導体ウェーハ同士を積層し、積層したウェーハを貫く貫通電極を形成してウェーハ同士を接続する積層方法が開発されつつある（Ｗａｆｅｒ ｏｎ ｗａｆｅｒ：ＷＯＷ、例えば特許文献１）。

ＷＯＷにあっては、複数の半導体デバイスチップをサポート基板上に配設して樹脂で充填した半導体デバイス基板を複数作成し、これら半導体デバイス基板を接着剤で接着して積層させる積層方法が採用される場合がある。かかる積層方法によって積層ウェーハが形成され、この積層ウェーハを半導体デバイスチップに応じて分割することで、個々の積層デバイスが製造される。

特開２０１２−１３４２３１号公報

しかし、上記のように、接着剤で半導体デバイス基板同士を接着させると、積層デバイスにおける接着剤の樹脂が周囲の温度変化等によって大きく膨張したり収縮したりする、という問題がある。このため、積層デバイスの機能が低下したり信頼性が悪化したりするという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、周囲の雰囲気によってデバイスの機能や信頼性が低下することを防止することができる貼り合わせウェーハの形成方法を提供することである。

本発明の貼り合わせウェーハの形成方法は、シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆されたウェーハを薄化して、シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆されたベースウェーハに貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせウェーハの形成方法であって、ウェーハ表面側の酸化膜と、シリコン基板からなるサポート部材とを当接させて常温接合により接合するサポート部材接合ステップと、サポート部材接合ステップを実施した後に、サポート部材側をチャックテーブルに保持し、露呈するウェーハのシリコン基板の裏面側を研削して薄化をする薄化ステップと、薄化ステップを実施した後で、且つ、ベースウェーハ貼り合わせステップを実施する前に、薄化されたウェーハのシリコン基板の裏面側に、シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆された別のウェーハの表面側の酸化膜を当接させて常温接合により接合し、別のウェーハの露呈する裏面側を薄化することを順次繰り返して、複数のウェーハを積層させる積層ウェーハ形成ステップと、積層ウェーハ形成ステップを実施した後に、薄化したウェーハのシリコン基板の裏面と、ベースウェーハ表面側の酸化膜とを当接させて常温接合により接合するベースウェーハ貼り合わせステップと、ベースウェーハ貼り合わせステップを実施した後に、ベースウェーハ側を保持手段に保持して、サポート部材を研削で薄化するサポート部材薄化ステップと、サポート部材薄化ステップを実施した後に、ベースウェーハ側を保持テーブルに保持して、露呈する薄化されたサポート部材側からウェーハ及びベースウェーハの各デバイスの電極間を接続する半導体デバイス接続ステップと、を備える、ことを特徴とする。

この方法では、ウェーハとベースウェーハとを常温接合によって強固に接合できるので、それらの間に接着剤が介在しなくなり、接着剤の膨張や収縮を原因とするデバイスの機能低下を回避することができる。これにより、周囲の温度変化等の雰囲気による悪影響を受け難くすることができ、貼り合わせウェーハから形成される積層デバイスの信頼性を向上することができる。また、ベースウェーハに積層するウェーハを複数枚としても、ウェーハ同士が常温接合されるので、積層するウェーハの枚数が増えても、周囲の雰囲気によってデバイスの機能や信頼性が低下することを防止することができる。

本発明によれば、ウェーハとベースウェーハとを常温接合によって接合できるので、周囲の雰囲気によってデバイスの機能や信頼性が低下することを防止することができる。

実施の形態に係る貼り合わせウェーハの形成方法に用いるウェーハ及びベースウェーハの概略斜視図である。 トリミングステップの説明図である。 サポート部材接合ステップの説明図である。 薄化ステップの説明図である。 ベースウェーハ貼り合わせステップの説明図である。 サポート部材薄化ステップの説明図である。 半導体デバイス接続ステップの説明図である。 ベースウェーハ薄化ステップの説明図である。 分割ステップの説明図である。 積層ウェーハ形成ステップの説明図である。 積層ウェーハ形成ステップ実施後のベースウェーハ貼り合わせステップの説明図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る貼り合わせウェーハの形成方法ついて説明する。先ず、図１を参照して、ウェーハ及びベースウェーハについて説明する。図１は、ウェーハ及びベースウェーハの概略斜視図である。

図１に示すように、ウェーハ１０は、円板状の第１シリコン基板１１を備え、第１シリコン基板１１の表面１１ａには格子状に交差する複数の第１分割予定ライン（ストリート）１２が設定されている。ウェーハ１０は、ＬＳＩ等の半導体からなる複数の第１デバイス１３を更に備え、第１デバイス１３は、第１分割予定ライン１２によって区画された各領域に形成されている。第１デバイス１３の表面には、第１電極１４（図２参照、図１では不図示）が形成され、第１電極１４の面内中央部には開口１４ａが形成されている。図１の符号１１ｂは、第１シリコン基板１１の裏面１１ｂであり、ウェーハ１０の裏面となる。第１シリコン基板１１の表面１１ａ及び第１デバイス１３の表面は、ＳｉＯ_２膜からなる第１酸化膜１６（図２参照、図１では不図示）で被覆されている。

ウェーハ１０に対し、ベースウェーハ２０は、材質や内部構造等が異なるものの、開口１４ａが形成されていない点を除き、外観上は類似した構成となる。従って、ベースウェーハ２０の構成については、ウェーハ１０の各構成の名称の「第１」を「第２」に変更し、符号の下二桁目の「１」を「２」に変更して図１中括弧内に併記することで、説明を省略する。

続いて、本実施の形態に係る貼り合わせウェーハの形成方法について、図２乃至図７を参照して説明する。図２は、トリミングステップの説明図、図３は、サポート部材接合ステップの説明図、図４は、薄化ステップの説明図、図５は、ベースウェーハ貼り合わせステップの説明図、図６は、サポート部材薄化ステップの説明図、図７は、半導体デバイス接続ステップの説明図である。なお、図２乃至図７に示す各ステップは、あくまでも一例に過ぎず、この構成に限定されるものではない。

まず、図２に示すように、ウェーハ１０に対してトリミングステップを実施する。このステップでは、切削装置（不図示）のテーブル３０上にウェーハ１０を保持する。ウェーハ１０は、第１酸化膜１６を上に向けてウェーハ１０の中心がテーブル３０の回転軸に一致するように保持される。そして、高速回転する切削ブレード３１で第１シリコン基板１１の外周部分を切り込み、テーブル３０を介してウェーハ１０を１回転することで、第１シリコン基板１１の外周部分を切削ブレード３１によって除去する。この除去によって、円弧状の断面となる第１シリコン基板１１の外周部分のうち、表面１１ａから厚み方向中間部までが除去され、裏面１１ｂ側の一部が残った形状に形成される。

トリミングステップを実施した後、図３に示すように、サポート部材接合ステップを実施する。このステップでは、サポート部材３５を用いる。サポート部材３５は、ウェーハ１０と平面サイズが略同一となる円板状のシリコン基板からなる。トリミングステップでは、先ず、常温接合装置Ｍの内部において、ウェーハ１０とサポート部材３５とを上下方向に整列しつつ、サポート部材３５の図３中上面に対し、ウェーハ１０の第１酸化膜１６側を下向きとして対面した状態とする。そして、常温接合装置Ｍの内部を超真空とし、ウェーハ１０の第１酸化膜１６と、サポート部材３５の上面とを当接し、第１酸化膜１６のＳｉＯ_２と、サポート部材３５のＳｉとの間の常温接合によって接合する。

ここで、サポート部材接合ステップの常温接合において、超真空は、１．０×１０^−４［Ｐａ］未満に設定している。また、常温接合では、ウェーハ１０及びサポート部材３５の各接合面をイオンビームで活性化し、活性化された接合面同士を当接することによって接合している。

サポート部材接合ステップを実施した後、図４に示すように、薄化ステップを実施する。このステップでは、先ず、相互に接合したウェーハ１０及びサポート部材３５を研削装置（不図示）のチャックテーブル３６上で保持する。このとき、サポート部材３５側がチャックテーブル３６に保持され、ウェーハ１０における第１シリコン基板１１の二点鎖線で示す裏面１１ｂ側が上向きとなって露呈する。この状態で、二点鎖線で示す裏面１１ｂ側を研削装置（不図示）で研削し、第１シリコン基板１１を所定の仕上げ厚みになるまで研削を継続して薄化する。この薄化では、トリミングステップで除去されなかった第１シリコン基板１１の裏面１１ｂ側の外周部分が除去され、第１シリコン基板１１の外周がナイフエッジ状になることが回避される。

薄化ステップを実施した後、ベースウェーハ貼り合わせステップを実施する。このステップでは、先ず、図５Ａに示すように、超真空中において、サポート部材３５が接合されたウェーハ１０における第１シリコン基板１１の裏面１１ｂ側を、ベースウェーハ２０における第２シリコン基板２１の表面２１ａ側（第２酸化膜２６側）に対面させる。次いで、ウェーハ１０とベースウェーハ２０とのアライメントを行い、第１デバイス１３と第２デバイス２３とが上下方向に整列して対応した状態に位置付ける。そして、図５Ｂに示すように、ウェーハ１０における第１シリコン基板１１の裏面１１ｂと、ベースウェーハ２０の第２酸化膜２６とを超真空中で当接し、第１シリコン基板１１のＳｉと、第２酸化膜２６のＳｉＯ_２との間の常温接合によって接合する。この常温接合によって、ウェーハ１０とベースウェーハ２０とが貼り合わされた貼り合わせウェーハ３８が形成される。常温接合は、上記と同様の要領で行われるので、ここでは説明及び常温接合装置の図示を省略する。

ベースウェーハ貼り合わせステップを実施した後、サポート部材薄化ステップを実施する。このステップでは、先ず、図６Ａに示すように、切削装置（不図示）のテーブル（保持手段）４０によって、貼り合わせウェーハ３８のベースウェーハ２０側を吸着保持する。このとき、貼り合わせウェーハ３８ではサポート部材３５が上向きとなり、貼り合わせウェーハ３８の中心をテーブル４０の回転軸に一致させる。そして、高速回転する切削ブレード４１でサポート部材３５の外周部分を切り込み、テーブル４０を介して貼り合わせウェーハ３８を１回転することで、サポート部材３５の外周部分を切削ブレード４１によって除去する。

サポート部材３５の外周部分を除去した後、図６Ｂに示すように、二点鎖線で示すサポート部材３５の図中上面を研削装置（不図示）で研削し、サポート部材３５を所定の仕上げ厚みに薄化する。

サポート部材薄化ステップを実施した後、図７に示すように、半導体デバイス接続ステップを実施する。このステップでは、先ず、貼り合わせウェーハ３８のベースウェーハ２０側を保持テーブル４２に保持し、薄化されたサポート部材３５を露呈した状態とする。そして、ウェーハ１０の第１電極１４とベースウェーハ２０の第２電極２４との間を接続する貫通電極４５をサポート部材３５側から形成する。

貫通電極４５の形成は、サポート部材３５の露呈する上面にレジストを塗布し、パターンに従ってレジストを露光してマスク（不図示）を形成する。マスクでは、第１電極１４の開口１４ａの真上において開口１４ａより広い領域でレジストが除去された状態となる。このマスクを介してドライエッチングを施すことで、サポート部材３５、ウェーハ１０及び第２酸化膜２６を貫通して第２電極２４に達する貫通孔４６を形成する。エッチングでは、サポート部材３５から第１電極１４まではマスクのレジストを除去した部分で腐食が進行し、第１電極１４から第２電極２４までは開口１４ａの大きさで腐食が進行する。従って、貼り合わせウェーハ３８を断面視した貫通孔４６の形状は、下方に向かうに従って階段状に細くなるように形成される。貫通孔４６を形成してからレジストを剥離した後、サポート部材３５の上面側から、貫通孔４６内に銅を充填して上端側を平坦に形成する。これにより、貫通孔４６の内部に貫通電極４５が形成される。貫通電極４５は、貫通孔４６の内側形状に応じた形状となり、断面視で下方に向かうに従って階段状に細くなるように形成される。貫通電極４５は、下端が第２電極２４に接続され、段差が形成された延在方向中間部で第１電極１４に接続される。従って、貫通電極４５によって、ウェーハ１０の第１デバイス１３と、ベースウェーハ２０の第２デバイス２３とが電気的に接続される。

以上説明した方法によって本実施の形態に係る貼り合わせウェーハ３８の形成が完了し、この貼り合わせウェーハ３８に対し、以下に述べるベースウェーハ薄化ステップ、分割ステップを実施することで積層デバイスが形成される。図８は、ベースウェーハ薄化ステップの説明図、図９は、分割ステップの説明図である。図８及び図９に示す各ステップは、あくまでも一例に過ぎず、この構成に限定されるものではない。なお、上記貼り合わせウェーハの形成方法と、ベースウェーハ薄化ステップ及び分割ステップとを含んで積層デバイスの製造方法が構成される。

完成された貼り合わせウェーハ３８に対し、先ず、図８に示すように、ベースウェーハ薄化ステップを実施する。このステップでは、ベースウェーハ２０における第２シリコン基板２１の裏面２１ｂ側を研削装置（不図示）によって研削し、第２シリコン基板２１を所定の仕上げ厚みに形成する。そして、研削後に、研磨装置（不図示）によって裏面２１ｂを研磨して平坦化する。

ベースウェーハ薄化ステップを実施した後、図９に示すように、分割ステップを実施する。このステップでは、貼り合わせウェーハ３８における第２基板２１の裏面２１ｂと環状フレーム５０とにダイシングテープ５１を貼着し、貼り合わせウェーハ３８を環状フレーム５０で支持する。そして、ダイシングテープ５１が貼着された状態の貼り合わせウェーハ３８を切削装置（不図示）のテーブル５３上に載置してから、切削すべき第１分割予定ライン１２を検出する。この検出結果に基づき、切削装置（不図示）の切削ブレード５４を第１分割予定ライン１２に沿って位置付ける。そして、切削ブレード５４の下端がダイシングテープ５１の厚み方向中間に達するように位置付けてから、高速回転する切削ブレード５４と、貼り合わせウェーハ３８とを第１分割予定ライン１２の延在方向に相対移動する。これにより、貼り合わせウェーハ３８がフルカットで切削加工され、貼り合わせウェーハ３８が全ての第１分割予定ライン１２に沿って個々の積層デバイスＤに分割される。

以上のように、本実施の形態に係る積層デバイスの製造方法では、ウェーハ１０とベースウェーハ２０とを常温接合による化学結合で強固に接合することができる。これにより、積層デバイスＤにおけるウェーハ１０とベースウェーハ２０との界面には接着剤がなくなり、周囲の温度変化等の雰囲気によって接着剤が膨張や収縮することによる影響を受けないようにすることができる。これにより、雰囲気の変化により積層デバイスＤの機能が低下することを回避でき、積層デバイスＤの信頼性の向上を図ることができる。

また、従来方法によって複数枚のウェーハを接着剤で接着する場合、貫通電極形成時のエッチングにおいて、シリコン用と接着剤用との２種類のエッチング液を使用する必要がある。この場合、特にシリコンのエッチングの際、接着剤がウェーハの面方向にエッチングされてしまう傾向が大きく、貫通孔をウェーハの厚み方向に形成するにはエッチング液の選択等の条件設定が難しい、という問題があった。この点、本実施の形態の方法では、接着剤を使用せずにウェーハ１０とベースウェーハ２０とを接合したので、従来方法のようにエッチング液等の条件を設定しなくてもよくなる。これにより、本実施の形態の方法は、ウエットエッチングとしてもエッチングによって貼り合わせウェーハ３８の厚み方向に貫通孔４６を容易に形成することができる。

また、従来方法では、ウェーハにガラス板からなるサポート部材を仮接着剤で接着し、ウェーハの積層後にサポート部材を剥離している。これに対し、本実施の形態の方法では、接合したサポート部材３５を剥離していない。その理由の一つは、接着剤を用いることなくサポート部材３５をウェーハ１０に常温接合により接合しており、積層デバイスＤにおいて接着剤の膨張及び収縮の影響を受けることがないからである。また、他の理由としては、サポート部材３５をシリコン基板として、ウェーハ１０と同様に薄化、エッチング等の処理を行えるようにしたからである。これにより、本実施の形態の方法は、従来方法との比較において、仮接着剤の使用やサポート部材の剥離等を省略できる点で、作業負担の軽減を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、分割ステップは、上記のように、切削ブレード５４によるフルカットでの切削加工に限定されるものではない。例を挙げると、レーザビームを照射するアブレーション加工によるフルカット、切削加工やアブレーション加工によるハーフカット後ブレーキング装置を使用する割断、貼り合わせウェーハ３８内に改質層を形成した後、ブレーキング装置を使用する割断等で貼り合わせウェーハ３８を個々の積層デバイスＤに分割するようにしてもよい。ここで、アブレーションとは、レーザビームの照射強度が所定の加工閾値以上になると、固体表面で電子、熱的、光科学的及び力学的エネルギーに変換され、その結果、中性原子、分子、正負のイオン、ラジカル、クラスタ、電子、光が爆発的に放出され、固体表面がエッチングされる現象をいう。

また、上記貼り合わせウェーハ３８では、ベースウェーハ２０に対して１枚のウェーハ１０を積層したが、ウェーハ１０の積層数を複数としてもよい。この場合、図１０に示すように、積層ウェーハ形成ステップを実施する。積層ウェーハ形成ステップは、薄化ステップ（図４参照）を実施した後、ウェーハ１０とは別のウェーハ１０Ａを積層する。別のウェーハ１０Ａは、ウェーハ１０と同様の構成をなすものであり、ウェーハ１０に対応する各構成の符号末尾に「Ａ」を付加した符号を付す。別のウェーハ１０Ａは、ウェーハ１０と同様に外周をトリミングする。そして、トリミング後、常温接合装置（不図示）における超真空中において、ウェーハ１０における第１シリコン基板１１の裏面１１ｂに対し、別のウェーハ１０Ａの第１酸化膜１６Ａを当接し、第１酸化膜１６ＡのＳｉＯ_２と、第１シリコン基板１１のＳｉとの間の常温接合によって接合する。この接合を完了した後、別のウェーハ１０Ａにおいて露呈する裏面１１ｂＡ側を研削装置（不図示）で研削し、第１シリコン基板１１Ａを図中二点鎖線で示す所定の仕上げ厚みになるまで研削を継続して薄化する。

上記と同様に要領を順次繰り返すことによって別のウェーハ１０Ａを複数枚積層することができる。

上記積層ウェーハ形成ステップは、ベースウェーハ貼り合わせステップを実施する前に実施する。積層ウェーハ形成ステップ実施後のベースウェーハ貼り合わせステップは、図１１に示すように、別のウェーハ１０Ａにおける第１シリコン基板１１Ａの裏面１１ｂＡと、ベースウェーハ２０の第２酸化膜２６とを常温接合装置（不図示）における超真空中で当接し、常温接合によって接合する。なお、常温接合は、上記と同様の要領で行われるので説明を省略する。以上のように、積層ウェーハ形成ステップでは、ウェーハ１０、１０Ａ同士を常温接合するので、接着剤を用いずにウェーハ１０、１０Ａ同士を強固に接合することができる。従って、積層枚数が多数となる貼り合わせウェーハ３８としても、かかる貼り合わせウェーハ３８から形成される積層デバイスＤの信頼性が低下することを防止することができる。

また、上記の実施の形態においては、上記各ステップは別々の装置で実施されてもよいし、同一の装置で実施されてもよい。

以上説明したように、本発明は、複数のデバイスが積層された積層デバイスを形成する際に有用であり、周囲の雰囲気によってデバイスの機能や信頼性が低下することを防止することができるという効果を有する。

１０ ウェーハ
１０Ａ 別のウェーハ
１２ 第１分割予定ライン
１３ 第１デバイス
１４ 第１電極
１６ 第１酸化膜
２０ ベースウェーハ
２２ 第２分割予定ライン
２３ 第２デバイス
２４ 第２電極
２６ 第２酸化膜
３５ サポート部材
３６ チャックテーブル
３８ 貼り合わせウェーハ
４０ テーブル（保持手段）
４２ 保持テーブル
Ｄ 積層デバイス

Claims (1)

1. シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆されたウェーハを薄化して、シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆されたベースウェーハに貼り合わせて、貼り合わせウェーハを形成する貼り合わせウェーハの形成方法であって、
   該ウェーハ表面側の該酸化膜と、シリコン基板からなるサポート部材とを当接させて常温接合により接合するサポート部材接合ステップと、
   該サポート部材接合ステップを実施した後に、該サポート部材側をチャックテーブルに保持し、露呈する該ウェーハの該シリコン基板の裏面側を研削して薄化をする薄化ステップと、
   該薄化ステップを実施した後で、薄化された該ウェーハの該シリコン基板の該裏面側に、シリコン基板の表面に複数のデバイスが形成され且つデバイスの表面が酸化膜で被覆された別のウェーハの該表面側の該酸化膜を当接させて常温接合により接合し、該別のウェーハの露呈する裏面側を薄化することを順次繰り返して、複数のウェーハを積層させる積層ウェーハ形成ステップと、
   該積層ウェーハ形成ステップを実施した後に、該薄化した該ウェーハの該シリコン基板の裏面と、該ベースウェーハ表面側の該酸化膜とを当接させて常温接合により接合するベースウェーハ貼り合わせステップと、
   該ベースウェーハ貼り合わせステップを実施した後に、該ベースウェーハ側を保持手段に保持して、該サポート部材を研削で薄化するサポート部材薄化ステップと、
   該サポート部材薄化ステップを実施した後に、該ベースウェーハ側を保持テーブルに保持して、露呈する薄化された該サポート部材側から該ウェーハ及び該ベースウェーハの各デバイスの電極間を接続する半導体デバイス接続ステップと、
   を備える貼り合わせウェーハの形成方法。

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