JP7285059B2 - 半導体装置製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の半導体素子を含む積層構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体デバイスの更なる高密度化を主な目的として、複数の半導体チップないし半導体素子がその厚さ方向に集積された立体的構造を有する半導体デバイスを製造するための技術の開発が進められている。そのような技術の一つとして、いわゆるＷＯＷ（Wafer on Wafer）プロセスが知られている。ＷＯＷプロセスでは、ウエハを他のウエハに対して接着剤層を介して接合して積層する工程と、当該積層ウエハに対するその後の各種の加工工程とを含む一連の工程が、所定の回数、行われる。ウエハ接合工程では、例えば、トランジスタ作製工程、配線形成工程、および薄化工程を経て得られる薄いウエハが、厚いベースウエハに対し、或いは、既にウエハ接合工程を経てベースウエハ上に積層された他の薄いウエハに対し、接着剤層を介して接合されて積層される。所定数のウエハの積層を経て得られるウエハ積層体の、複数の半導体チップが積層された構造を有する半導体デバイスへの個片化は、ウエハ積層体の厚さ方向における複数のウエハに対する一括的な切断によって行われる。このようなＷＯＷプロセスに関する技術については、例えば下記の特許文献１～３に記載されている。
ＷＯＷプロセスにおけるウエハ接合工程では、従来、接合対象として用意される二つのウエハのうち一方のウエハの貼合せ面に、例えば接着剤組成物の塗工によって、接着剤層が形成される。そして、当該接着剤層を介して両ウエハにおける貼合せ面が貼り合わせられた後、接着剤層が硬化されて両ウエハが接合される。貼合せの過程では、一方のウエハの貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層が、他方のウエハの貼合せ面に密着する。このような過程においては、硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層との界面（ウエハ間が接合されるＷＯＷプロセスでは相当程度に広い）にボイドが生じやすい。また、製造目的である半導体デバイスの薄型化の観点から、半導体素子間の接着剤層については厚さの低減に対する要求があるところ、従来のウエハ接合工程では、一方のウエハの貼合せ面上に形成される接着剤層が薄いほど、ウエハ貼合せ過程で当該接着剤層と他方のウエハの貼合せ面との界面に生ずるボイドの数は、増加する傾向にある。接着剤層を介したウエハ間の貼合せにおけるその貼合せ界面に多数のボイドが発生することは、ウエハ間の接着剤接合において高い接合強度を得るうえで好ましくなく、従って、製造される半導体装置の半導体素子間の接着剤接合において高い接合強度を得るうえで好ましくない。
本発明は、以上のような事情のもとで考え出されたものであって、接着剤層を介して接合されて多層化される半導体素子間において高い接合強度を実現するのに適した半導体装置製造方法を提供することを、目的とする。
本発明の第１の側面により提供される半導体装置製造方法は、複数の半導体素子を含む積層構造を有する半導体装置を製造するための方法であって、次のような少なくとも一つの第１工程と、当該第１工程ごとに行われる少なくとも一つの第２工程とを含む。第１工程では、それぞれが貼合せ面（接合予定面）を有する一対のウエハの各貼合せ面に接着剤層が形成される。各ウエハは、半導体素子が作り込まれ得る半導体ウエハである。第１工程より前に、各ウエハの貼合せ面は、形成される接着剤層との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。第１工程に付される一対のウエハの一方は、先行する第１工程およびそれに続く第２工程を少なくとも一度経て形成された所定積層数のウエハ積層体において最も端に位置するウエハであってもよい。第２工程では、接着剤層を伴うウエハ貼合せ面どうしが当該接着剤層を介して接合される。この第２工程は、一方のウエハのいわゆる回路面側（半導体素子とそれに必要な配線構造等が形成される側）と、他方のウエハの回路面側とが接合されるものであってもよいし（Face-to-Faceでの接合）、一方のウエハの回路面側と他方のウエハのいわゆる裏面側とが接合されるものであってもよい（Face-to-Backでの接合）。
本半導体装置製造方法は、上述のように、接着剤層を伴うウエハ貼合せ面どうしが当該接着剤層を介して接合される第２工程（ウエハ接合工程）を含む。このようなウエハ接合工程でのウエハ間の貼合せ過程においては、各ウエハの貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層どうしが密着して一体化する。そのため、従来の技術においては硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層とが密着することから貼合せ界面に生じやすい上述のボイドの形成は、本方法によると抑制される。ウエハ間の貼合せ界面におけるボイドが少ないほど、当該ウエハ間での接着剤層の硬化によって至るウエハ間接合状態は強固となる傾向にあり、従って、製造される半導体装置における半導体素子間の接着剤層による接合強度は、高い傾向にある。
以上のように、本発明の第１の側面に係る半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適する。また、ウエハ貼合せ過程において一方のウエハ貼合せ面上の接着剤層が薄いほど当該接着剤層と他方のウエハ貼合せ面との界面に形成されるボイドの数が増加する傾向にある従来の方法よりも、貼合せ界面でのボイドの発生が抑制される本半導体装置製造方法は、ウエハ間の接着剤層の薄層化を図るのに適する。当該接着剤層の薄層化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
本発明の第１の側面に係る半導体装置製造方法では、一対のウエハにおける一方のウエハは他方のウエハより薄くてもよい。本発明の第１の側面に係る半導体装置製造方法は、一対のウエハにおける一方のウエハに対する研削によって当該ウエハを薄化する第３工程を上記第２工程より後に更に含んでもよい。また、本発明の第１の側面に係る半導体装置製造方法は、第１工程とこれに続く第２工程とを少なくとも１サイクルに含むプロセスを複数サイクル行うことによって得られるウエハ積層体の積層方向において、最後の第２工程で追加されたウエハとは反対側の端に位置するウエハ、に対する研削によって当該ウエハを薄化する第４工程を更に含んでもよい。これら構成は、製造される半導体装置の薄型化を図るのに適する。
本発明の第２の側面により提供される半導体装置製造方法は、複数の半導体素子を含む積層構造を有する半導体装置を製造するための方法であって、用意工程と、接着剤層形成工程と、ウエハ接合工程と、取外し工程とを含む。用意工程では、第１ウエハおよび補強第２ウエハが用意される。補強第２ウエハは、支持基板と、第２ウエハと、当該支持基板および第２ウエハの間の仮接着剤層とを含む積層構造を有する。第１および第２ウエハのそれぞれは、半導体素子が作り込まれ得る半導体ウエハである。補強第２ウエハにおける仮接着剤層は、第２ウエハと支持基板との間の、事後的に解除可能な仮の接着状態を、実現するためのものである。接着剤層形成工程では、第１ウエハ上に接着剤層が形成され、且つ、補強第２ウエハにおける第２ウエハ上に接着剤層が形成される。このような接着剤層形成工程より前に、第１ウエハの接合予定面、および／または、補強第２ウエハにおける第２ウエハの接合予定面は、形成される接着剤層との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。ウエハ接合工程では、接着剤層を伴う第１ウエハと接着剤層を伴う第２ウエハとがこれら接着剤層を介して接合される。このウエハ接合工程は、第１ウエハの回路面側と第２ウエハの回路面側とが接合されるものであってもよいし（Face-to-Faceでの接合）、第１ウエハの回路面側と第２ウエハの裏面側とが接合されるものであってもよい（Face-to-Backでの接合）。そして、取外し工程では、支持基板と第２ウエハとの間における仮接着剤層による仮接着状態が解除されて支持基板の取外しが行われる。
本半導体装置製造方法は、上述のように、接着剤層を伴う第１ウエハと接着剤層を伴う第２ウエハとがこれら接着剤層を介して接合される工程（ウエハ接合工程）を含む。このようなウエハ接合工程でのウエハ間の貼合せ過程においては、各ウエハの接合予定面ないし貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層どうしが密着して一体化する。そのため、従来の技術においては硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層とが密着することから貼合せ界面に生じやすい上述のボイドの形成は、本方法によると抑制される。ウエハ間の貼合せ界面におけるボイドが少ないほど、当該ウエハ間での接着剤層の硬化によって至るウエハ間接合状態は強固となる傾向にあり、従って、製造される半導体装置における半導体素子間の接着剤層による接合強度は、高い傾向にある。このように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適する。
また、ウエハ貼合せ過程において一方のウエハ貼合せ面上の接着剤層が薄いほど当該接着剤層と他方のウエハ貼合せ面との界面に形成されるボイドの数が増加する傾向にある従来の方法よりも、貼合せ界面でのボイドの発生が抑制される本半導体装置製造方法は、ウエハ間の接着剤層の薄層化を図るのに適する。当該接着剤層の薄層化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
加えて、本方法では、第２ウエハが支持基板を伴って補強を受ける形態で第１ウエハと接合され（ウエハ接合工程）、その後に当該第２ウエハから支持基板が取り外される（取外し工程）ところ、このような構成は、第１ウエハに対して薄い第２ウエハを接合するのに適する。第２ウエハの薄型化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
以上のように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適するとともに、当該半導体装置の薄型化を図るのに適する。
本発明の第２の側面に係る半導体装置製造方法は、好ましくは、少なくとも一つの追加の接着剤層形成工程と、当該工程ごとに行われる少なくとも一つのウエハ追加工程と、当該工程ごとに行われる少なくとも一つの取外し工程とを更に含む。追加の接着剤層形成工程では、支持基板と、追加の第２ウエハと、当該支持基板および第２ウエハの間の仮接着剤層とを含む積層構造を有する補強第２ウエハにおける第２ウエハ上に接着剤層が形成され、且つ、第１ウエハ上の別の第２ウエハ上に接着剤層が形成される。第１ウエハ上の別の第２ウエハとは、上述のウエハ接合工程において第１ウエハと接合された第２ウエハ、または、先行のウエハ追加工程において第１ウエハ上に追加的に積層された第２ウエハである。補強第２ウエハにおける仮接着剤層は、第２ウエハと支持基板との間の、事後的に解除可能な仮の接着状態を、実現するためのものである。ウエハ追加工程より前に、第１ウエハ上の第２ウエハの接合予定面、および／または、補強第２ウエハにおける第２ウエハの接合予定面は、形成される接着剤層との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。ウエハ追加工程では、接着剤層を伴う一方の第２ウエハと接着剤層を伴う他方の第２ウエハとがこれら接着剤層を介して接合される。このウエハ追加工程は、一方の第２ウエハの回路面側と他方の第２ウエハの回路面側とが接合されるものであってもよいし（Face-to-Faceでの接合）、一方の第２ウエハの回路面側と他方の第２ウエハの裏面側とが接合されるものであってもよい（Face-to-Backでの接合）。そして、取外し工程では、ウエハ追加工程を経た補強第２ウエハにおける支持基板と第２ウエハとの間における仮接着剤層による仮接着状態が解除されて支持基板の取外しが行われる。
ウエハ追加工程では、上述のように、接着剤層を伴う第２ウエハどうしが当該接着剤層を介して接合される。このようなウエハ追加工程での第２ウエハ間の貼合せ過程においては、各第２ウエハの接合予定面ないし貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層どうしが密着して一体化する。そのため、従来の技術においては硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層とが密着することから貼合せ界面に生じやすい上述のボイドの形成は、当該ウエハ追加工程においては抑制される。第２ウエハ間の貼合せ界面におけるボイドが少ないほど、当該第２ウエハ間での接着剤層の硬化によって至る第２ウエハ間接合状態は強固となる傾向にあり、従って、製造される半導体装置において、これら第２ウエハに由来する半導体素子の間の接合強度は、高い傾向にある。また、接着剤層を介した第２ウエハ間の貼合せにおけるその貼合せ界面でのボイドの発生が抑制される当該ウエハ追加工程を含む本半導体装置製造方法は、接着剤層が薄いほど貼合せ界面のボイド発生数が増加する傾向にある上述の従来の方法よりも、ウエハ間の接着剤層の薄層化を図るのに適する。加えて、追加の第２ウエハが支持基板を伴って補強を受ける形態で第１ウエハ上の別の第２ウエハと接合され（ウエハ追加工程）、その後に、追加の第２ウエハから支持基板が取り外される（取外し工程）という上述の構成は、追加の第２ウエハとして薄いウエハの接合を行うのに適する。第２ウエハの薄型化は、上述のように、製造される半導体装置の薄型化に資する。
本発明の第２の側面に係る半導体装置製造方法は、好ましくは、第１ウエハに対する研削によって当該第１ウエハを薄化する工程（研削工程）を更に含む。この研削工程により、第１ウエハを所定の厚さにまで薄化することが可能である。当該構成は、製造される半導体装置の薄型化を図るのに適する。
図１から図８は、本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法を表す。この製造方法は、半導体素子がその厚さ方向に集積された立体的構造を有する半導体装置を製造するための方法であり、図１から図８のそれぞれは、製造過程を部分断面図で表すものである。
本半導体装置製造方法においては、まず、図１（ａ）に示すように、ウエハ１１およびウエハ１２が用意される。
ウエハ１１は、面１１ａ、および、これとは反対の面１１ｂを有する。ウエハ１１は、面１１ａの側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１１ａ上に既に形成されている、半導体ウエハである。ウエハ１１をなすための半導体ウエハの構成材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびインジウムリン（ＩｎＰ）が挙げられる。このようなウエハ１１の厚さは、製造プロセス中の当該ウエハ１１を含むウエハ積層体の強度を確保するという観点からは、好ましくは３００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは７００μｍ以上である。ウエハ１１に対する後述の研削工程における研削時間の短縮化の観点からは、ウエハ１１の厚さは、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは９００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下である。
ウエハ１２は、面１２ａ、および、これとは反対の面１２ｂを有する。ウエハ１２は、面１２ａの側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ａ上に既に形成されている、半導体ウエハである。ウエハ１２をなすための半導体ウエハの構成材料としては、例えば、ウエハ１１をなすための半導体ウエハの構成材料として上掲したものを採用することができる。このようなウエハ１２の厚さは、製造プロセス中の当該ウエハ１２を含むウエハ積層体の強度を確保するという観点からは、好ましくは３００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは７００μｍ以上である。ウエハ１２に対する後述の研削工程における研削時間の短縮化の観点からは、ウエハ１２の厚さは、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは９００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下である。また、本実施形態では、用意されるウエハ１１,１２は、同じ厚さを有してもよいし、異なる厚さを有してもよい。
本半導体装置製造方法においては、次に、図１（ｂ）に示すように、ウエハ１１の面１１ａ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成され、且つ、ウエハ１２の面１２ａ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成される（接着剤層形成工程）。接着剤層２１は、ウエハ間を接合するためのものであり、本実施形態では熱硬化型接着剤よりなる。当該熱硬化型接着剤をなすための粘着剤主成分としては、例えば、ポリオルガノシルセスキオキサン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、およびノボラック系エポキシ樹脂が挙げられる。各種温度条件を実現するための温度変動を伴う半導体装置製造過程における温度環境に耐えうる良好な耐熱性や耐クラック性を確保するという観点からは、接着剤層２１の形成には、ポリオルガノシルセスキオキサン含有熱硬化型接着剤を採用するのが好ましい。ポリオルガノシルセスキオキサン含有熱硬化型接着剤としては、例えば国際公開第２０１６／２０４１１４号に記載の接着剤を採用することができる。また、接着剤層２１をなすための熱硬化型接着剤の耐熱性に関し、当該接着剤の熱分解温度は、好ましくは２００℃以上、より好ましくは２６０℃以上、より好ましくは３００℃以上である。熱分解温度は、示差熱熱重量同時測定装置を使用して行う熱重量分析によって得られる曲線、即ち、分析対象である試料についての所定昇温範囲での熱重量の温度依存性を表す曲線における、昇温過程初期の重量減少のない或いは一定割合でわずかに漸減している部分の接線と、昇温過程初期に続く昇温過程中期の有意な重量減少が生じている部分内にある変曲点での接線との交点が示す温度とする。示差熱熱重量同時測定装置としては、例えば、セイコーインスツル株式会社製の商品名「ＴＧ－ＤＴＡ６３００」を使用することができる。本工程での各接着剤層２１の形成においては、例えば、接着剤層２１形成用の接着剤組成物をウエハの接合予定面にスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成し、加熱によって当該組成物層を乾燥させて固化させる。ウエハ１１の面１１ａ上に接着剤層２１を形成するための接着剤組成物と、ウエハ１２の面１２ａ上に接着剤層２１を形成するための接着剤組成物とは、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。すなわち、ウエハ１１の面１１ａ上に形成される接着剤層２１と、ウエハ１２の面１２ａ上に形成される接着剤層２１とは、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。また、各接着剤層２１の形成において、加熱温度は例えば５０～１５０℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。このような接着剤層２１の形成より前に、ウエハ１１の面１１ａ側、および／または、ウエハ１２の面１２ａ側は、接着剤層２１との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。
本半導体装置製造方法においては、次に、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示すように、接着剤層２１を伴うウエハ１１と、接着剤層２１を伴うウエハ１２とが、これら接着剤層２１を介して接合される（ウエハ接合工程）。ウエハ接合工程においては、まず、ウエハ１１とウエハ１２とを、接着剤層２１を介して、加圧しつつ且つ必要に応じて加熱しつつ貼り合わせる。この貼合せ過程においては、ウエハ１１の面１１ａ上の塑性変形可能な接着剤層２１と、ウエハ１２の面１２ａ上の塑性変形可能な接着剤層２１とが、密着して一体化する。この貼合せにおいて、加圧力は例えば３００～５０００ｇ／ｃｍ2であり、温度は例えば３０～２００℃である。次に、ウエハ１１,１２間に介在する接着剤層２１を加熱によって硬化させる。接着剤層２１の硬化において、加熱温度は例えば３０～２００℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。以上のようなウエハ接合工程の後におけるウエハ１１,１２間の接着剤層２１の厚さは、例えば０.５～２０μｍである。
本実施形態においては、次に、図２に示すようにウエハ１２が薄化される。本工程では、例えば、ウエハ１２の面１２ｂ側に対する研削加工によってウエハ１２を所定の厚さにまで薄化する。薄化後のウエハ１２の厚さは、例えば１～２０μｍである。ウエハ１２が薄化のための工程を経ずとも十分に薄い場合には、当該薄化工程を行わなくてもよい。
次に、図３に示すように、以上のような工程を経て得られるウエハ積層体において異なるウエハ（ウエハ１１とウエハ１２）に形成されている半導体素子間の電気的接続のための貫通電極３１が形成される。例えば、ウエハ１２と接着剤層２１とを貫通してウエハ１１上の上記配線構造（図示略）に至る開口部の形成、当該開口部の内壁面への絶縁膜（図示略）の形成、絶縁膜表面へのバリア層（図示略）の形成、バリア層表面への電気めっき用シード層（図示略）の形成、および、電気めっき法による開口部内への銅など導電材料の充填を経るなどして、貫通電極３１を形成することができる。貫通電極３１により、ウエハ１１の面１１ａ側に形成されている配線構造（図示略）と、ウエハ１２の面１２ａ側に形成されている配線構造（図示略）とが、電気的に接続される。
本半導体装置製造方法においては、次に、図４（ａ）に示すように、貫通電極形成後のウエハ積層体におけるウエハ１２の面１２ｂ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成され、且つ、新たなウエハ１２のウエハ１２の面１２ａ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成される（追加の接着剤層形成工程）。新たなウエハ１２は、その面１２ａ側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ａ上に既に形成されている、半導体ウエハである。新たなウエハ１２の構成材料および厚さについては、図１を参照して上述したウエハ１２の構成材料および厚さと同様である。面１２ａ,１２ｂ上への各接着剤層２１の形成においては、例えば、接着剤層２１形成用の接着剤組成物をウエハの接合予定面にスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成し、加熱によって当該組成物層を乾燥させて固化させる。本工程において各接着剤層２１を形成するための接着剤組成物は、互いに、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。各接着剤層２１の形成において、加熱温度は例えば５０～１５０℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。このような接着剤層２１の形成より前に、ウエハ積層体におけるウエハ１２の面１２ｂ側、および／または、新たなウエハ１２の面１２ａ側は、接着剤層２１との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。
本半導体装置製造方法においては、次に、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、ウエハ積層体において接着剤層２１を伴うウエハ１２と、接着剤層２１を伴う新たなウエハ１２（追加のウエハ１２）とが、これら接着剤層２１を介して接合される（ウエハ追加工程）。ウエハ追加工程においては、まず、ウエハ積層体のウエハ１２と新たなウエハ１２ないし追加のウエハ１２とを、接着剤層２１を介して、加圧しつつ且つ必要に応じて加熱しつつ貼り合わせる。この貼合せ過程においては、ウエハ積層体におけるウエハ１２の面１２ｂ上の塑性変形可能な接着剤層２１と、追加のウエハ１２の面１２ａ上の塑性変形可能な接着剤層２１とが、密着して一体化する。当該貼合せにおいて、加圧力は例えば３００～５０００ｇ／ｃｍ2であり、温度は例えば３０～２００℃である。次に、ウエハ１２,１２間に介在する接着剤層２１を加熱によって硬化させる。接着剤層２１の硬化において、加熱温度は例えば３０～２００℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。以上のようなウエハ追加工程後におけるウエハ１２,１２間の接着剤層２１の厚さは、例えば０.５～２０μｍである。
本実施形態においては、次に、前工程でウエハ積層体に追加されたウエハ１２が図５に示すように薄化される（薄化工程）。本工程では、例えば、当該ウエハ１２の面１２ｂ側に対する研削加工によってウエハ１２を所定の厚さにまで薄化する。薄化後のウエハ１２の厚さは、例えば１～２０μｍである。ウエハ１２が薄化のための工程を経ずとも十分に薄い場合には、当該薄化工程を行わなくてもよい。
次に、図６に示すように、以上のような工程を経て得られるウエハ積層体において異なるウエハに形成されている半導体素子間の電気的接続のための貫通電極３１が形成される。例えば、追加のウエハ１２とその直下の接着剤層２１とを貫通して図中下位のウエハ１２上の上記配線構造（図示略）に至る開口部の形成、当該開口部の内壁面への絶縁膜（図示略）の形成、絶縁膜表面へのバリア層（図示略）の形成、バリア層表面への電気めっき用シード層（図示略）の形成、および、電気めっき法による開口部内への銅など導電材料の充填を経るなどして、貫通電極３１を形成することができる。貫通電極３１により、例えば、図中上位の追加のウエハ１２の面１２ａ側に形成されている配線構造（図示略）と、図中下位のウエハ１２の面１２ａ側に形成されている配線構造（図示略）とが、電気的に接続される。
本半導体装置製造方法においては、図４（ａ）を参照して上述した接着剤層形成工程と、図４（ｂ）および図４（ｃ）を参照して上述したウエハ追加工程と、必要に応じて行われる図５を参照して上述した薄化工程と、図６を参照して上述した貫通電極形成工程とを１サイクルに含む一連の過程ないしプロセスが、製造目的の半導体装置の半導体素子積層数に応じた所定の回数、行われる。ウエハ追加工程ごとに、それより前の接着剤層形成工程が行われる。図７には、当該一連の過程が２回行われて得られるウエハ積層体を一例として表す。
本半導体装置製造方法においては、次に、図８に示すようにウエハ１１が薄化されてもよい。本工程では、例えば、ウエハ１１の面１１ｂ側に対する研削加工によってウエハ１１を所定の厚さにまで薄化する。薄化後のウエハ１１の厚さは、例えば５～４００μｍである。この後、最も後に積層されたウエハ１２の面１２ｂ側にて外部接続用バンプ（図示略）を形成してもよい。或いは、薄化後のウエハ１１を貫通してウエハ１１の面１１ａ側の配線構造（図示略）と電気的に接続している貫通電極（図示略）を形成し、当該貫通電極と電気的に接続している外部接続用バンプ（図示略）をウエハ１１の面１１ｂ側に形成してもよい。
以上のようにして、半導体素子がその厚さ方向に多層化された半導体装置を製造することができる。この半導体装置は、ダイシングによって個片化されてもよい。
本半導体装置製造方法において図１（ｃ）および図１(ｄ)を参照して上述したウエハ接合工程では、接着剤層２１を伴うウエハ１１ないしその接合予定面と、接着剤層２１を伴うウエハ１２ないしその接合予定面とが、当該接着剤層２１を介して接合される。また、図４（ｂ）および図４(ｃ)を参照して上述したウエハ追加工程では、ウエハ積層体において接着剤層２１を伴うウエハ１２ないしその接合予定面と、接着剤層２１を伴う追加のウエハ１２ないしその接合予定面とが、当該接着剤層２１を介して接合される。これら工程でのウエハ間の貼合せ過程においては、各ウエハの接合予定面ないし貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層２１どうしが密着して一体化する。そのため、従来の技術においては硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層とが密着することから貼合せ界面に生じやすい上述のボイドの形成は、本半導体装置製造方法によると抑制される。ウエハ間の貼合せ界面におけるボイドが少ないほど、当該ウエハ間での接着剤層２１の硬化によって至るウエハ間接合状態は強固となる傾向にあり、従って、製造される半導体装置における半導体素子間の接着剤層２１による接合強度は、高い傾向にある。このように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層２１を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適する。
また、ウエハ貼合せ過程において一方のウエハ貼合せ面上の接着剤層が薄いほど当該接着剤層と他方のウエハ貼合せ面との界面に形成されるボイドの数が増加する傾向にある従来の方法よりも、貼合せ界面でのボイドの発生が抑制される本半導体装置製造方法は、ウエハ間の接着剤層２１の薄層化を図るのに適する。接着剤層２１の薄層化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
以上のように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層２１を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適するとともに、当該半導体装置の薄型化を図るのに適する。
図９から図１７は、本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法を表す。この製造方法は、半導体素子がその厚さ方向に集積された立体的構造を有する半導体装置を製造するための方法であり、図９から図１７のそれぞれは、製造過程を部分断面図で表すものである。
本半導体装置製造方法においては、まず、図９（ａ）に示すように、ウエハ１１および補強ウエハ１２Ｒが用意される（用意工程）。
ウエハ１１は、面１１ａ、および、これとは反対の面１１ｂを有する。ウエハ１１は、その面１１ａ側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１１ａ上に既に形成されている、半導体ウエハである。本実施形態のウエハ１１の構成材料および厚さについては、図１を参照して上述したウエハ１１の構成材料および厚さと同様である。
補強ウエハ１２Ｒは、ウエハ１２と、支持基板Ｓと、これらウエハ１２および支持基板Ｓの間の仮接着剤層１３とを含む積層構造を有する。
ウエハ１２は、面１２ａ、および、これとは反対の面１２ｂを有する。ウエハ１２は、その面１２ａ側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ａ上に既に形成されている、半導体ウエハである。或いは、ウエハ１２は、その面１２ｂ側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ｂ上に既に形成されている、半導体ウエハである。本実施形態のウエハ１１の構成材料については、図１を参照して上述したウエハ１１の構成材料と同様である。また、本実施形態では、ウエハ１２はウエハ１１よりも薄い。ウエハ１２の厚さは、製造される半導体装置の薄型化や小型化の観点からは、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。ウエハ１２に作り込まれる半導体素子の特性を確保するという観点からは、ウエハ１２の厚さは、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは２μｍ以上、より好ましくは２.５μｍ以上である。
補強ウエハ１２Ｒにおける支持基板Ｓは、薄いウエハ１２を補強するためのものである。支持基板Ｓとしては、例えば、シリコンウエハやガラスウエハが挙げられる。支持基板Ｓの厚さは、補強要素としての機能を確保するという観点からは、好ましくは３００μｍ以上、より好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは７００μｍ以上である。支持基板Ｓの厚さは例えば８００μｍ以下である。このような支持基板Ｓは、ウエハ１２の面１２ａの側に仮接着剤層１３を介して接合されている。
仮接着剤層１３は、支持基板Ｓとウエハ１２との間の、事後的に解除可能な仮の接着状態を、実現するためのものである。このような仮接着剤層１３を形成するための接着剤としては、仮の接着状態の解除手法に応じた接着剤が用いられ、例えば、紫外線照射により接着性が低下可能な接着剤や、レーザー照射により接着性が低下可能な接着剤、ウエハ破損を回避しつつ機械的な剥離作業を可能にする接着剤が用いられる。或いは、仮接着剤層１３を形成するための接着剤としては、所定の温度領域では仮接着剤層１３において粘着性ないし接着性を発現させる高分子材料であって当該温度領域を超える高温域に軟化点を有する高分子材料を含有して、ウエハ１２を形成するための後記の研削加工に耐えうる接着力や、加熱を伴う後記のウエハ接合工程等に耐えうる耐熱性、後記の取外し工程を適切に行うための軽剥離機能を兼ね備える接着剤（熱剥離用接着剤）を、用いてもよい。仮接着剤層１３形成用のそのような接着剤としては、例えば、シリコーン系接着剤、アクリル系接着剤、または、ワックスタイプの接着剤が挙げられ、具体的には、特開２００８－１３５８９号公報、特開２００８－１３５９０号公報、および特開２００８－４９４４３号公報に記載のものが挙げられる。以上のような仮接着剤層１３の厚さは、例えば１～２０μｍである。
このような構成の補強ウエハ１２Ｒは、例えば次のような工程を経て、作製することができる。まず、図１０（ａ）に示すように、支持基板Ｓ上に仮接着剤層１３を形成する。具体的には、仮接着剤層１３形成用の接着剤組成物を支持基板Ｓ上に例えばスピンコーティングによって塗布して仮接着剤組成物層を形成し、加熱によって当該組成物層を乾燥させ且つ当該組成物層を固化させて、仮接着剤層１３を形成することができる。当該加熱の温度は例えば１００～３００℃であり、加熱時間は例えば３０秒～３０分間である。次に、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示すように、支持基板Ｓとウエハ１２'とを仮接着剤層１３を介して接合する。ウエハ１２'は、面１２ａ、および、これとは反対の面１２ｂ'を有する。本接合工程では、例えば、支持基板Ｓとウエハ１２'とを仮接着剤層１３を介して加圧しつつ貼り合わせた後、加熱によって仮接着剤層１３を一旦軟化させることによってウエハ１２'と支持基板とを接合する。貼合せにおいて、加圧力は例えば３００～５０００ｇ／ｃｍ2であり、温度は例えば３０～２００℃である。そして、ウエハ１２'を薄化して、図１０（ｄ）に示すように上述のウエハ１２を形成する。具体的には、支持基板Ｓに支持された状態にあるウエハ１２'に対してその面１２ｂ'の側からグラインド装置を使用して研削加工を行うことによって、ウエハ１２'を所定の厚さに至るまで薄化し、ウエハ１２を形成することができる。このようにして形成されるウエハ１２は、予め、面１２ａの側に各種の半導体素子（図示略）が既に作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ａ上に既に形成されているものであってもよいし、薄化後において、面１２ｂの側に各種の半導体素子（図示略）が作り込まれ且つ当該半導体素子に必要な配線構造等（図示略）が面１２ｂ上に形成されてもよい。以上のようにして、支持基板Ｓと、ウエハ１２と、これらの間の仮接着剤層１３とを含む積層構造の補強ウエハ１２Ｒを作製することができる。
本半導体装置製造方法においては、次に、図９（ｂ）に示すように、ウエハ１１の面１１ａ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成され、且つ、補強ウエハ１２Ｒにおけるウエハ１２の面１２ｂ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成される（接着剤層形成工程）。接着剤層２１は、ウエハ間を接合するためのものであり、本実施形態では熱硬化型接着剤よりなる。当該熱硬化型接着剤をなすための粘着剤主成分としては、例えば、ポリオルガノシルセスキオキサン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、およびノボラック系エポキシ樹脂が挙げられる。各種温度条件を実現するための温度変動を伴う半導体装置製造過程における温度環境に耐えうる良好な耐熱性や耐クラック性を確保するという観点からは、接着剤層２１の形成には、ポリオルガノシルセスキオキサン含有熱硬化型接着剤を採用するのが好ましい。ポリオルガノシルセスキオキサン含有熱硬化型接着剤としては、例えば国際公開第２０１６／２０４１１４号に記載の接着剤を採用することができる。また、接着剤層２１をなすための熱硬化型接着剤の耐熱性に関し、当該接着剤の熱分解温度は、好ましくは２００℃以上、より好ましくは２６０℃以上、より好ましくは３００℃以上である。熱分解温度は、示差熱熱重量同時測定装置を使用して行う熱重量分析によって得られる曲線、即ち、分析対象である試料についての所定昇温範囲での熱重量の温度依存性を表す曲線における、昇温過程初期の重量減少のない或いは一定割合でわずかに漸減している部分の接線と、昇温過程初期に続く昇温過程中期の有意な重量減少が生じている部分内にある変曲点での接線との交点が示す温度とする。示差熱熱重量同時測定装置としては、例えば、セイコーインスツル株式会社製の商品名「ＴＧ－ＤＴＡ６３００」を使用することができる。本工程での各接着剤層２１の形成においては、例えば、接着剤層２１形成用の接着剤組成物をウエハの接合予定面にスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成し、加熱によって当該組成物層を乾燥させて固化させる。ウエハ１１の面１１ａ上に接着剤層２１を形成するための接着剤組成物と、ウエハ１２の面１２ｂ上に接着剤層２１を形成するための接着剤組成物とは、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。すなわち、ウエハ１１の面１１ａ上に形成される接着剤層２１と、ウエハ１２の面１２ｂ上に形成される接着剤層２１とは、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。また、各接着剤層２１の形成において、加熱温度は例えば５０～１５０℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。このような接着剤層２１の形成より前に、ウエハ１１の面１１ａ側、および／または、補強ウエハ１２Ｒにおけるウエハ１２の面１２ｂ側は、接着剤層２１との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。
本半導体装置製造方法においては、次に、図９（ｃ）および図９（ｄ）に示すように、接着剤層２１を伴うウエハ１１と、補強ウエハ１２Ｒにおいて接着剤層２１を伴うウエハ１２とが、これら接着剤層２１を介して接合される（ウエハ接合工程）。ウエハ接合工程においては、まず、ウエハ１１と補強ウエハ１２Ｒないしウエハ１２とを、接着剤層２１を介して、加圧しつつ且つ必要に応じて加熱しつつ貼り合わせる。この貼合せ過程においては、ウエハ１１の面１１ａ上の塑性変形可能な接着剤層２１と、ウエハ１２の面１２ｂ上の塑性変形可能な接着剤層２１とが、密着して一体化する。この貼合せにおいて、加圧力は例えば３００～５０００ｇ／ｃｍ2であり、温度は例えば３０～２００℃である。次に、ウエハ１１,１２間に介在する接着剤層２１を加熱によって硬化させる。接着剤層２１の硬化において、加熱温度は例えば３０～２００℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。以上のようなウエハ接合工程の後におけるウエハ１１,１２間の接着剤層２１の厚さは、例えば０.５～２０μｍである。
本半導体装置製造方法においては、次に、補強ウエハ１２Ｒの支持基板Ｓとウエハ１２との間における仮接着剤層１３による仮接着状態が解除されて、図１１に示すように、ウエハ１２から支持基板Ｓが取り外される（取外し工程）。本工程では、仮接着剤層１３をなす接着剤の特性に応じた取外し手法ないし剥離手法が採用される。例えば、仮接着剤層用接着剤として、紫外線照射により接着性が低下し得る接着剤が用いられる場合、本工程では、仮接着剤層１３に対して紫外線照射が行われる。仮接着剤層用接着剤として、レーザー照射により接着性が低下し得る接着剤が用いられる場合、本工程では、仮接着剤層１３に対して所定のレーザーが照射される。また、本工程では、機械的な剥離作業によってウエハ１２から支持基板Ｓを取り外してもよいし、支持基板Ｓと仮接着剤層１３を研削してウエハ積層体から除去してもよい。或いは、仮接着剤層用接着剤として上述の熱剥離用接着剤が用いられる場合には、仮接着剤層１３に対してその接着力を低下させる軽剥離化用の高温加熱を行った後、ウエハ１２に対して支持基板Ｓを例えばスライドさせることによって、ウエハ１２ないしこれを含むウエハ積層体から支持基板Ｓを分離して取り外すことができる。このような取外し手法において、加熱温度は例えば１３０～２５０℃であり、加熱時間は例えば３０秒～１５分間である。
次に、図１２に示すように、取外し工程を経て得られるウエハ積層体において、異なるウエハ（ウエハ１１とウエハ１２）に形成されている半導体素子間の電気的接続のための貫通電極３１が形成される。例えば、ウエハ１２と接着剤層２１とを貫通してウエハ１１上の上記配線構造（図示略）に至る開口部の形成、当該開口部の内壁面への絶縁膜（図示略）の形成、絶縁膜表面へのバリア層（図示略）の形成、バリア層表面への電気めっき用シード層（図示略）の形成、および、電気めっき法による開口部内への銅など導電材料の充填を経るなどして、貫通電極３１を形成することができる。貫通電極３１により、ウエハ１１の面１１ａ側に形成されている配線構造（図示略）と、ウエハ１２の面１２ａ側または面１２ｂ側に形成されている配線構造（図示略）とが、電気的に接続される。
本半導体装置製造方法においては、次に、図１３（ａ）に示すように、貫通電極形成後のウエハ積層体におけるウエハ１２の面１２ａ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成され、且つ、新たな補強ウエハ１２Ｒのウエハ１２の面１２ｂ（接合予定面）上に接着剤層２１が形成される（追加の接着剤層形成工程）。本工程に供される補強ウエハ１２Ｒは、支持基板Ｓと、追加のウエハ１２と、これらの間の仮接着剤層１３とを含む積層構造を有する。この補強ウエハ１２Ｒの構成および作製手法については、ウエハ接合工程に関して上述した補強ウエハ１２Ｒの構成および作製手法と同様である。また、面１２ａ,１２ｂ上への各接着剤層２１の形成においては、例えば、接着剤層２１形成用の接着剤組成物をウエハの接合予定面にスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成し、加熱によって当該組成物層を乾燥させて固化させる。本工程において各接着剤層２１を形成するための接着剤組成物は、互いに、同一組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。各接着剤層２１の形成において、加熱温度は例えば５０～１５０℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。このような接着剤層２１の形成より前に、ウエハ１２の面１２ａ側、および／または、補強ウエハ１２Ｒにおけるウエハ１２の面１２ｂ側は、接着剤層２１との密着性の向上のためのシランカップリング剤処理等の表面処理が施されてもよい。
本半導体装置製造方法においては、次に、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すように、接着剤層２１を伴うウエハ１２と、新たな補強ウエハ１２Ｒにおいて接着剤層２１を伴うウエハ１２（追加のウエハ１２）とが、これら接着剤層２１を介して接合される（ウエハ追加工程）。ウエハ追加工程においては、まず、ウエハ１２と新たな補強ウエハ１２Ｒないし追加のウエハ１２とを、接着剤層２１を介して、加圧しつつ且つ必要に応じて加熱しつつ貼り合わせる。この貼合せ過程においては、ウエハ１２の面１２ａ上の塑性変形可能な接着剤層２１と、追加のウエハ１２の面１２ｂ上の塑性変形可能な接着剤層２１とが、密着して一体化する。当該貼合せにおいて、加圧力は例えば３００～５０００ｇ／ｃｍ2であり、温度は例えば３０～２００℃である。次に、ウエハ１２,１２間に介在する接着剤層２１を加熱によって硬化させる。接着剤層２１の硬化において、加熱温度は例えば３０～２００℃であり、加熱時間は例えば５～１２０分間である。以上のようなウエハ追加工程後におけるウエハ１２,１２間の接着剤層２１の厚さは、例えば０.５～２０μｍである。
本半導体装置製造方法においては、次に、補強ウエハ１２Ｒの支持基板Ｓとウエハ１２との間における仮接着剤層１３による仮接着状態が解除されて、図１４に示すように、図中最上位のウエハ１２ないしこれを含むウエハ積層体から支持基板Ｓが取り外される（取外し工程）。具体的には、図１１を参照して上述した取外し工程と同様に、仮接着剤層１３をなす接着剤の特性に応じた取外し手法ないし剥離手法が実施される。
次に、図１５に示すように、取外し工程を経て得られるウエハ積層体において、異なるウエハに形成されている半導体素子間の電気的接続のための貫通電極３１が形成される。例えば、追加のウエハ１２とその直下の接着剤層２１とを貫通して図中下位のウエハ１２上の上記配線構造（図示略）に至る開口部の形成、当該開口部の内壁面への絶縁膜（図示略）の形成、絶縁膜表面へのバリア層（図示略）の形成、バリア層表面への電気めっき用シード層（図示略）の形成、および、電気めっき法による開口部内への銅など導電材料の充填を経るなどして、貫通電極３１を形成することができる。例えば、図中上位の追加のウエハ１２の面１２ａ側に配線構造（図示略）が形成され、且つ、図中下位のウエハ１２の面１２ａ側に配線構造（図示略）が形成されている場合、これら配線構造が貫通電極３１によって電気的に接続される。或いは、図中上位の追加のウエハ１２の面１２ｂ側に配線構造（図示略）が形成され、且つ、図中下位のウエハ１２の面１２ｂ側に配線構造（図示略）が形成されている場合、これら配線構造が貫通電極３１によって電気的に接続される。
本半導体装置製造方法においては、図１３（ａ）を参照して上述した接着剤層形成工程と、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）を参照して上述したウエハ追加工程と、図１４を参照して上述した取外し工程と、図１５を参照して上述した貫通電極形成工程とを含む一連の過程が、製造目的の半導体装置の半導体素子積層数に応じた所定の回数、行われる。ウエハ追加工程ごとに、それより前の接着剤層形成工程が行われ、且つ、取外し工程が行われる。図１６には、当該一連の過程が２回行われて得られるウエハ積層体を一例として表す。
本半導体装置製造方法においては、次に、図１７に示すように研削工程が行われてもよい。本工程では、具体的には、ウエハ１１の面１１ｂ側に対する研削加工によってウエハ１１を所定の厚さにまで薄化する。薄化後のウエハ１１の厚さは、例えば５～４００μｍである。この後、最も後に積層されたウエハ１２の面１２ａ側にて外部接続用バンプ（図示略）を形成してもよい。或いは、薄化後のウエハ１１を貫通してウエハ１１の面１１ａ側の配線構造（図示略）と電気的に接続している貫通電極（図示略）を形成し、当該貫通電極と電気的に接続している外部接続用バンプ（図示略）をウエハ１１の面１１ｂ側に形成してもよい。
以上のようにして、半導体素子がその厚さ方向に多層化された半導体装置を製造することができる。この半導体装置は、ダイシングによって個片化されてもよい。
本半導体装置製造方法のウエハ接合工程では、上述のように、接着剤層２１を伴うウエハ１１ないしその接合予定面と、補強ウエハ１２Ｒにおいて接着剤層２１を伴うウエハ１２ないしその接合予定面とが、これら接着剤層２１を介して接合される。また、本半導体装置製造方法のウエハ追加工程では、上述のように、ウエハ１１,１２を含む積層構造を有するウエハ積層体において接着剤層２１を伴うウエハ１２ないしその接合予定面と、補強ウエハ１２Ｒにおいて接着剤層２１を伴うウエハ１２ないしその接合予定面とが、これら接着剤層２１を介して接合される。これら工程でのウエハ間の貼合せ過程においては、各ウエハの接合予定面ないし貼合せ面上にある塑性変形可能な接着剤層２１どうしが密着して一体化する。そのため、従来の技術においては硬いウエハ貼合せ面と柔らかい接着剤層とが密着することから生じやすい上述のボイドの形成は、本半導体装置製造方法では抑制される。ウエハ間の貼合せ界面におけるボイドが少ないほど、当該ウエハ間での接着剤層２１の硬化によって至るウエハ間接合状態は強固となる傾向にあり、従って、製造される半導体装置における半導体素子間の接着剤層２１による接合強度は、高い傾向にある。このように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層２１を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適する。
また、ウエハ貼合せ過程において一方のウエハ貼合せ面上の接着剤層が薄いほど当該接着剤層と他方のウエハ貼合せ面との界面に形成されるボイドの数が増加する傾向にある従来の方法よりも、貼合せ界面でのボイドの発生が抑制される本半導体装置製造方法は、ウエハ間の接着剤層２１の薄層化を図るのに適する。接着剤層２１の薄層化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
加えて、本半導体装置製造方法では、上述のように、ウエハ接合工程におけるウエハ１１に対するウエハ１２の接合や、ウエハ追加工程におけるウエハ１１上のウエハ１２に対する追加のウエハ１２の接合は、当該ウエハ１２が支持基板Ｓを伴って補強を受ける形態で、行われる。このような構成は、薄いウエハ１２の接合を行うのに好適である。ウエハ１２の薄型化は、製造される半導体装置の薄型化に資する。
以上のように、本半導体装置製造方法は、製造される半導体装置において、接着剤層２１を介して接合されて多層化される半導体素子間の高い接合強度を実現するのに適するとともに、当該半導体装置の薄型化を図るのに適する。
〈接着剤組成物Ｃ１の作製〉
後記のようにして得られるエポキシ基含有のポリオルガノシルセスキオキサン１００質量部と、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート２００質量部と、アンチモン系スルホニウム塩（商品名「ＳＩ－１５０Ｌ」，三新化学工業株式会社製）０.４５質量部（固形分換算）と、(４-ヒドロキシフェニル)ジメチルスルホニウムメチルサルファイト（商品名「サンエイドＳＩ助剤」，三新化学工業株式会社製）０.０５質量部とを混合し、接着剤組成物（接着剤組成物Ｃ１）を得た。
後記のようにして得られるエポキシ基含有のポリオルガノシルセスキオキサン１００質量部と、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート２００質量部と、アンチモン系スルホニウム塩（商品名「ＳＩ－１５０Ｌ」，三新化学工業株式会社製）０.４５質量部（固形分換算）と、(４-ヒドロキシフェニル)ジメチルスルホニウムメチルサルファイト（商品名「サンエイドＳＩ助剤」，三新化学工業株式会社製）０.０５質量部とを混合し、接着剤組成物（接着剤組成物Ｃ１）を得た。
〈接着剤組成物Ｃ２の作製〉
後記のようにして得られるエポキシ基含有のポリオルガノシルセスキオキサン１００質量部と、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート１１５質量部と、アンチモン系スルホニウム塩（商品名「ＳＩ－１５０Ｌ」，三新化学工業株式会社製）０.４５質量部（固形分換算）と、(４-ヒドロキシフェニル)ジメチルスルホニウムメチルサルファイト（商品名「サンエイドＳＩ助剤」，三新化学工業株式会社製）０.０５質量部とを混合し、接着剤組成物（接着剤組成物Ｃ２）を得た。
後記のようにして得られるエポキシ基含有のポリオルガノシルセスキオキサン１００質量部と、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート１１５質量部と、アンチモン系スルホニウム塩（商品名「ＳＩ－１５０Ｌ」，三新化学工業株式会社製）０.４５質量部（固形分換算）と、(４-ヒドロキシフェニル)ジメチルスルホニウムメチルサルファイト（商品名「サンエイドＳＩ助剤」，三新化学工業株式会社製）０.０５質量部とを混合し、接着剤組成物（接着剤組成物Ｃ２）を得た。
〈ポリオルガノシルセスキオキサンの合成〉
還流冷却器と、窒素ガス導入管と、撹拌装置と、温度計とを備えた３００ｍＬのフラスコ内で、窒素ガスを導入しながら、２-(３,４-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン１６１.５ｍｍｏｌ（３９.７９ｇ）と、フェニルトリメトキシシラン９ｍｍｏｌ（１.６９ｇ）と、溶媒としてのアセトン１６５.９ｇとを混合して５０℃に昇温した。次に、当該混合物に、５％炭酸カリウム水溶液４.７ｇ（炭酸カリウムは１.７ｍｍｏｌ）を５分かけて滴下し、続いて水１７００ｍｍｏｌ（３０.６ｇ）を２０分かけて滴下した。滴下操作の間、混合物に著しい温度上昇は生じなかった。この滴下操作の後、フラスコ内に窒素ガスを導入しながら、５０℃で４時間、重縮合反応を行った。重縮合反応後の反応溶液中の生成物を分析したところ、数平均分子量は１９００であり、分子量分散度は１.５であった。そして、静置されて冷却された反応溶液について、相分離によって生じる下層液（水相）が中性になるまで水洗を繰り返した後、上層液を分取し、１ｍｍＨｇおよび４０℃の条件で、溶媒量が２５質量％になるまで上層液から溶媒を留去し、無色透明の液状の生成物（エポキシ基含有ポリオルガノシルセスキオキサン）を得た。
還流冷却器と、窒素ガス導入管と、撹拌装置と、温度計とを備えた３００ｍＬのフラスコ内で、窒素ガスを導入しながら、２-(３,４-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン１６１.５ｍｍｏｌ（３９.７９ｇ）と、フェニルトリメトキシシラン９ｍｍｏｌ（１.６９ｇ）と、溶媒としてのアセトン１６５.９ｇとを混合して５０℃に昇温した。次に、当該混合物に、５％炭酸カリウム水溶液４.７ｇ（炭酸カリウムは１.７ｍｍｏｌ）を５分かけて滴下し、続いて水１７００ｍｍｏｌ（３０.６ｇ）を２０分かけて滴下した。滴下操作の間、混合物に著しい温度上昇は生じなかった。この滴下操作の後、フラスコ内に窒素ガスを導入しながら、５０℃で４時間、重縮合反応を行った。重縮合反応後の反応溶液中の生成物を分析したところ、数平均分子量は１９００であり、分子量分散度は１.５であった。そして、静置されて冷却された反応溶液について、相分離によって生じる下層液（水相）が中性になるまで水洗を繰り返した後、上層液を分取し、１ｍｍＨｇおよび４０℃の条件で、溶媒量が２５質量％になるまで上層液から溶媒を留去し、無色透明の液状の生成物（エポキシ基含有ポリオルガノシルセスキオキサン）を得た。
〈ボイド数の計測〉
二つのウエハとその間の粘着剤層との積層構造を有する５枚の第１ウエハ積層体および５枚の第２ウエハ積層体を作製し、各ウエハ積層体において発生するボイドの数を計測した。
二つのウエハとその間の粘着剤層との積層構造を有する５枚の第１ウエハ積層体および５枚の第２ウエハ積層体を作製し、各ウエハ積層体において発生するボイドの数を計測した。
第１ウエハ積層体の作製においては、まず、第１のウエハ（直径３００ｍｍ，厚さ７７５μｍ，シリコン製）および第２のウエハ（直径３００ｍｍ，厚さ７７５μｍ，ガラス製）を用意した。各ウエハは、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。ウエハのシランカップリング剤処理においては、ウエハの一方の面に対するシランカップリング剤（商品名「ＫＢＥ４０３」，信越化学工業株式会社製）のスピンコーティングによる塗布、および、その後の１２０℃での５分間の加熱を行った。第１ウエハ積層体の作製においては、次に、第１のウエハおよび第２ウエハの各シランカップリング剤処理面（接合予定面）において上記の接着剤組成物Ｃ１をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、当該組成物層を伴うウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、各接着剤組成物層を乾燥させて、第１のウエハおよび第２のウエハの各接合予定面上に厚さ１.２５μｍの接着剤層を形成した。次に、接着剤層（厚さ１.２５μｍ）を伴う第１のウエハと、接着剤層（厚さ１.２５μｍ）を伴う第２のウエハとを、これら接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。このような貼り合わせを経た５枚の第１ウエハ積層体のそれぞれについてガラス製の第２のウエハ側から目視観察を行ったところ、各第１ウエハ積層体においてボイドの存在は確認されなかった。そして、これら第１ウエハ積層体について、１３０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによって接着剤層を硬化させて両ウエハを接合した。第１ウエハ積層体の以上のような作製過程では、第２ウエハ積層体の後記の作製過程よりも、ボイドの発生が抑制された。
一方、第２ウエハ積層体の作製においては、まず、第１のウエハ（直径３００ｍｍ，厚さ７７５μｍ，シリコン製）および第２のウエハ（直径３００ｍｍ，厚さ７７５μｍ，ガラス製）を用意した。各ウエハは、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。ウエハのシランカップリング剤処理においては、ウエハの一方の面に対するシランカップリング剤（商品名「ＫＢＥ４０３」，信越化学工業株式会社製）のスピンコーティングによる塗布、および、その後の１２０℃での５分間の加熱を行った。第２ウエハ積層体の作製においては、次に、第１のウエハのシランカップリング剤処理面（接合予定面）に上記の接着剤組成物Ｃ２をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、この組成物層を伴う第１のウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、接着剤組成物層を乾燥させ、第１のウエハの接合予定面上に厚さ２.５μｍの接着剤層を形成した。次に、接着剤層（厚さ２.５μｍ）を伴う第１のウエハと、第２のウエハとを、当該接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。このような貼り合わせを経た５枚の第２ウエハ積層体のそれぞれについてガラス製の第２のウエハ側から目視観察を行ったところ、各第１ウエハ積層体において確認されるボイドの数は５～２０であった。
〔実施例１〕
まず、２枚のシリコンウエハを用意した。各シリコンウエハは、直径が３００ｍｍであり、厚さが７７５μｍであり、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。シリコンウエハのシランカップリング剤処理においては、シリコンウエハの一方の面に対するシランカップリング剤（商品名「ＫＢＥ４０３」，信越化学工業株式会社製）のスピンコーティングによる塗布、および、その後の１２０℃での５分間の加熱を行った。次に、各シリコンウエハのシランカップリング剤処理面（接合予定面）に上記の接着剤組成物Ｃ１をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、この組成物層を伴うシリコンウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、接着剤組成物層を乾燥させ、各シリコンウエハの片面上に厚さ１.２５μｍの接着剤層を形成した。次に、形成された接着剤層を伴う２枚のシリコンウエハを、当該接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。次に、この貼合せによって得られたウエハ積層体について、１３０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによってウエハ間の接着剤層を硬化させて両ウエハを接合した。以上のような方法により、実施例１の５枚のウエハ積層体を作製した。
まず、２枚のシリコンウエハを用意した。各シリコンウエハは、直径が３００ｍｍであり、厚さが７７５μｍであり、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。シリコンウエハのシランカップリング剤処理においては、シリコンウエハの一方の面に対するシランカップリング剤（商品名「ＫＢＥ４０３」，信越化学工業株式会社製）のスピンコーティングによる塗布、および、その後の１２０℃での５分間の加熱を行った。次に、各シリコンウエハのシランカップリング剤処理面（接合予定面）に上記の接着剤組成物Ｃ１をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、この組成物層を伴うシリコンウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、接着剤組成物層を乾燥させ、各シリコンウエハの片面上に厚さ１.２５μｍの接着剤層を形成した。次に、形成された接着剤層を伴う２枚のシリコンウエハを、当該接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。次に、この貼合せによって得られたウエハ積層体について、１３０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによってウエハ間の接着剤層を硬化させて両ウエハを接合した。以上のような方法により、実施例１の５枚のウエハ積層体を作製した。
〔比較例１〕
まず、２枚のシリコンウエハを用意した。各シリコンウエハは、直径が３００ｍｍであり、厚さが７７５μｍであり、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。シリコンウエハのシランカップリング剤処理は、実施例１に関して上述したのと同様にして行った。次に、一方のシリコンウエハのシランカップリング剤処理面（接合予定面）に上記の接着剤組成物Ｃ２をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、この組成物層を伴うシリコンウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、接着剤組成物層を乾燥させ、シリコンウエハの片面上に厚さ２.５μｍの接着剤層を形成した。次に、形成された接着剤層を伴うシリコンウエハと、接着剤層を伴わないシリコンウエハとを、当該接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。次に、この貼合せによって得られたウエハ積層体について、１３０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによってウエハ間の接着剤層を硬化させて両ウエハを接合した。以上のような方法により、比較例１の５枚のウエハ積層体を作製した。
まず、２枚のシリコンウエハを用意した。各シリコンウエハは、直径が３００ｍｍであり、厚さが７７５μｍであり、一方の面にシランカップリング剤処理を施したものである。シリコンウエハのシランカップリング剤処理は、実施例１に関して上述したのと同様にして行った。次に、一方のシリコンウエハのシランカップリング剤処理面（接合予定面）に上記の接着剤組成物Ｃ２をスピンコーティングによって塗布して接着剤組成物層を形成した後、この組成物層を伴うシリコンウエハについて、８０℃で４分間の加熱を行い、続いて１００℃で２分間の加熱を行った。これにより、接着剤組成物層を乾燥させ、シリコンウエハの片面上に厚さ２.５μｍの接着剤層を形成した。次に、形成された接着剤層を伴うシリコンウエハと、接着剤層を伴わないシリコンウエハとを、当該接着剤層を介して、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で貼り合わせた。次に、この貼合せによって得られたウエハ積層体について、１３０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによってウエハ間の接着剤層を硬化させて両ウエハを接合した。以上のような方法により、比較例１の５枚のウエハ積層体を作製した。
〈ウエハ間の接合性〉
実施例１および比較例１の各ウエハ積層体について、次のようにして、ウエハ間の接合性ないし接合の強固さを調べた。まず、ウエハ積層体から、図１８に示す模式的な形状およびサイズを有する試験片Ｘをダイシング加工によって作製した。試験片Ｘは、シリコン層１０１と、シリコン層１０２と、これらの間に介在する部分を有する接着剤層１０３とを含む。接着剤層１０３は、シリコン層１０２側にて露出する領域１０３ａを有する。この試験片Ｘについて、引張試験機（商品名「テンシロン万能材料試験機 ＲＴＦ-１３１０」，株式会社エー・アンド・デイ製）を使用してシリコン層間の剥離に係る剥離試験を行った。具体的には、試験片Ｘについて、両面粘着テープ１０４（商品名「ＫＭ-３０Ｄ-ＢＫ」，ダイヤテックス株式会社製）を介して土台Ｙ（その表面の一部を図１８に示す）に接合した後、領域１０３ａに係止可能な先端形状を有する部材（図示略）によって試験片Ｘのシリコン層１０１と接着剤層１０３とをその図中右端側にて矢印Ｄ方向に引っ張って剥離試験を行った。この剥離試験での引張速度は１０００ｍｍ/分とした。このような剥離試験において、実施例１の５枚のウエハ積層体に由来する５枚の試験片では、シリコン層間の剥離が生じなかった。これに対し、比較例１の５枚のウエハ積層体に由来する５枚の試験片のうち、３枚の試験片で剥離が生じた。この結果から、実施例１のウエハ積層体は、比較例１の積層体よりも、ウエハ間において高い接合強度を実現するのに適することが判る。
実施例１および比較例１の各ウエハ積層体について、次のようにして、ウエハ間の接合性ないし接合の強固さを調べた。まず、ウエハ積層体から、図１８に示す模式的な形状およびサイズを有する試験片Ｘをダイシング加工によって作製した。試験片Ｘは、シリコン層１０１と、シリコン層１０２と、これらの間に介在する部分を有する接着剤層１０３とを含む。接着剤層１０３は、シリコン層１０２側にて露出する領域１０３ａを有する。この試験片Ｘについて、引張試験機（商品名「テンシロン万能材料試験機 ＲＴＦ-１３１０」，株式会社エー・アンド・デイ製）を使用してシリコン層間の剥離に係る剥離試験を行った。具体的には、試験片Ｘについて、両面粘着テープ１０４（商品名「ＫＭ-３０Ｄ-ＢＫ」，ダイヤテックス株式会社製）を介して土台Ｙ（その表面の一部を図１８に示す）に接合した後、領域１０３ａに係止可能な先端形状を有する部材（図示略）によって試験片Ｘのシリコン層１０１と接着剤層１０３とをその図中右端側にて矢印Ｄ方向に引っ張って剥離試験を行った。この剥離試験での引張速度は１０００ｍｍ/分とした。このような剥離試験において、実施例１の５枚のウエハ積層体に由来する５枚の試験片では、シリコン層間の剥離が生じなかった。これに対し、比較例１の５枚のウエハ積層体に由来する５枚の試験片のうち、３枚の試験片で剥離が生じた。この結果から、実施例１のウエハ積層体は、比較例１の積層体よりも、ウエハ間において高い接合強度を実現するのに適することが判る。
Ｓ 支持基板
１１ ウエハ（第１ウエハ）
１１ａ，１１ｂ 面
１２Ｒ 補強ウエハ（補強第２ウエハ）
１２ ウエハ（第２ウエハ）
１２ａ，１２ｂ 面
１３ 仮接着剤層
２１ 接着剤層
３１ 貫通電極
１０１，１０２ シリコン層
１０３ 接着剤層
１０４ 両面粘着テープ
１１ ウエハ（第１ウエハ）
１１ａ，１１ｂ 面
１２Ｒ 補強ウエハ（補強第２ウエハ）
１２ ウエハ（第２ウエハ）
１２ａ，１２ｂ 面
１３ 仮接着剤層
２１ 接着剤層
３１ 貫通電極
１０１，１０２ シリコン層
１０３ 接着剤層
１０４ 両面粘着テープ
Claims (7)
- 複数の半導体素子を含む積層構造を有する半導体装置を製造するための方法であって、
それぞれが貼合せ面を有する一対のウエハの各貼合せ面に接着剤層を形成する少なくとも一つの第１工程と、
前記第１工程ごとに行われる少なくとも一つの、前記接着剤層を伴う前記貼合せ面どうしを前記接着剤層を介して接合する第２工程と、
前記第２工程より後に、前記一対のウエハにおける一方のウエハに対する研削によって当該ウエハを薄化する第３工程と、
前記第３工程ごとに得られるウエハ積層体の薄化されたウエハとその直下の接着剤層とを貫通する貫通電極を形成する第４工程と、を含み、
前記第１～第４工程が複数存在する場合、２回目以降の第１工程、及び第２工程は、前記第４工程によって貫通電極が形成された後のウエハ積層体における第３工程にて薄化された側の面と、新たなウエハの一方の面に接着剤層が形成されて接合され、２回目以降の第４工程は、直前の第３工程によって得られたウエハ積層体の薄化されたウエハとその直下の接着剤層とを貫通する貫通電極を形成する、半導体装置製造方法。 - 前記一対のウエハにおける一方のウエハは他方のウエハよりも薄い、請求項１に記載の半導体装置製造方法。
- 前記第１工程とこれに続く前記第２工程、第３工程、及び第４工程とを少なくとも１サイクルに含むプロセスを複数サイクル行うことによって得られるウエハ積層体の積層方向において、最後の第２工程で追加されたウエハとは反対側の端に位置するウエハ、に対する研削によって当該ウエハを薄化する第５工程を更に含む、請求項１又は２に記載の半導体装置製造方法。
- 第１ウエハ、並びに、支持基板と、第２ウエハと、当該支持基板および第２ウエハの間の仮接着剤層とを含む積層構造を有する補強第２ウエハを、用意する工程と、
前記第１ウエハ上に接着剤層を形成し、且つ、前記補強第２ウエハにおける前記第２ウエハ上に接着剤層を形成する工程と、
前記接着剤層を伴う前記第１および第２ウエハを当該接着剤層を介して接合する工程と、
前記支持基板と前記第２ウエハとの間における前記仮接着剤層による仮接着状態を解除して前記支持基板を取り外す工程と、
前記取外し工程を経て得られるウエハ積層体の第２ウエハとその直下の接着剤層とを貫通する貫通電極を形成する工程と、を含む半導体装置製造方法。 - 支持基板と、追加の第２ウエハと、当該支持基板および第２ウエハの間の仮接着剤層とを含む積層構造を有する補強第２ウエハにおける前記第２ウエハ上に接着剤層を形成し、且つ、前記第１ウエハ上の第２ウエハ上に接着剤層を形成する、少なくとも一つの接着剤層形成工程と、
前記接着剤層形成工程ごとに行われる少なくとも一つの、前記接着剤層を伴う前記第２ウエハどうしを当該接着剤層を介して接合するウエハ追加工程と、
前記ウエハ追加工程ごとに行われる少なくとも一つの、前記支持基板と前記第２ウエハとの間における前記仮接着剤層による仮接着状態を解除して前記支持基板を取り外す工程と、
前記取外し工程ごとに得られるウエハ積層体の追加の第２ウエハとその直下の接着剤層とを貫通する貫通電極を形成する工程と、を更に含み、
前記接着剤層形成工程、ウエハ追加工程、取り外す工程、及び貫通電極を形成する工程が複数存在する場合、２回目以降の接着剤層形成工程、及びウエハ追加工程は、前記貫通電極を形成する工程によって貫通電極が形成された後のウエハ積層体における追加の第２ウエハ上に接着剤層が形成されて接合され、２回目以降の貫通電極を形成する工程は、直前の取外し工程によって得られたウエハ積層体のウエハ積層体の追加の第２ウエハとその直下の接着剤層とを貫通する貫通電極を形成する、請求項４に記載の半導体装置製造方法。 - 前記第１ウエハに対する研削によって当該第１ウエハを薄化する工程を更に含む、請求項４または５に記載の半導体装置製造方法。
- 前記接着剤層が、ポリオルガノシルセスキオキサン含有熱硬化型接着剤を含む、請求項１から６のいずれか一つに記載の半導体装置製造方法。
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