JP7309692B2 - 半導体ウェハのハイブリッド接合方法及び関連する3次元集積デバイス - Google Patents

半導体ウェハのハイブリッド接合方法及び関連する3次元集積デバイス Download PDF

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Description

本開示は、半導体ウェハ間の接合に関し、より詳細には、2つの半導体ウェハを接合するためのハイブリッド接合方法、及び関連する3次元集積デバイス、特に光集積センサ(integrated optical sensor)に関する。
ウェハ接合技術は、3次元IC構造を実現するためにますます重要になっている。ウェハの接合において、2つの半導体ウェハが、3次元スタックを形成するように互いに接合される。2つの異なるウェハのタイプを必要とする用途では、この手法により、1つのパッケージの中に両方の機能デバイスを備える単一のデバイスが提供される。
CMOSイメージ・センサという特定の一用途では、イメージ・センサの実装に必要な回路すべてをセンサのアレイと同じ基板領域内に含む3D ICシステムを提供するように、イメージ・センサのアレイを含む基板が回路ウェハに接合され、それにより単一のパッケージ化された集積回路デバイスとして完全なイメージ・センシング・ソリューションが提供される。
2つの半導体ウェハを積み重ねるためのウェハ接合技術には、通常は2つの方法、すなわち純粋な誘電(加熱)接合又は金属接合と、ハイブリッド接合とが含まれる。純粋な誘電接合は、薄いダイ又はウェハをその表面全体にわたって接合するだけで、機械的安定性を保証する。しかし、この方法では、電気的相互接続の選択肢がビアラスト手法に制限される。金属接合の場合、電気的相互接続が接合の主要な目的であるが、薄いダイを機械的に安定化するには、電気的相互接続が不要な領域にもダミーの金属化を導入する必要がある。
これまでの技術と比べると、金属性/誘電性のパターン形成された層を用いるハイブリッド式のウェハ接合手法は、直接的な電気的相互接続のための金属接合と機械的な接合強度のための誘電接合とを組み合わせることを含む。これまでに、SiOに埋め込まれた金属を用いる手法、及びポリマー層に埋め込まれた金属を用いる手法、すなわち:
1.金属/SiO(Ziptronix社のダイレクト・ボンド・インターコネクト(Direct Bond Interconnect)法);
2.金属/ポリマー(BCB)(金属/接着剤のビアファーストによる3D接合)
の2つの主な手法に特許が与えられている。
ハイブリッド式のウェハ接合方法は、当技術分野においてよく知られている。以下の文書:
米国特許出願公開第2007/0207592号;
米国特許出願公開第2015/0294963号;
米国特許出願公開第2002/0074670号;
米国特許出願公開第2017/0062366号;
論文「Adhesive Wafer Bonding Using Partially Cured Benzocyclobutene for Three-Dimensional Integration」、Frank Niklausら著、J.Electrochem.Soc. 2006 153巻、4号、G291~G295;
章「Hybrid Metal/Polymer Wafer Bonding Platform」、Jian-Qiang Lu、J.Jay McMahon、Ronald J.Gutmann著(書籍「Handbook of Wafer Bonding」、第1版、Peter Ramm編、(2012) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaAに記載の章);
は、2つの半導体ウェハ間のハイブリッド接合を実現するための一般的な技術について、チュートリアル的な公開情報を提供している。
これらの技術によれば、ベンゾシクロブテン(BCB)又は別の熱硬化性ポリマー樹脂の接着剤層が、互いに接合される2つの半導体ウェハのそれぞれのウェハに堆積される。半導体ウェハは、接着剤層の少なくとも一部が互いに接した状態に配置されるように積み重ねられ、ウェハが圧縮荷重を受ける間に、接着剤層を硬化させ、それらが互いに適切に接着される。
こうした既知の技法は、このハイブリッド接合技術において接着剤層を互いに固着させて2つのウェハを相互接続するために実際的に必須と考えられる熱圧縮の専用ツールを使用する必要があるため、きわめて厄介である。
特許公報、米国特許出願公開第2015/0021785号は、ハイブリッド接合構造によって接合された第1の半導体ウェハ及び第2の半導体ウェハを含む半導体デバイス構造を開示しており、このハイブリッド接合構造は、第1のポリマー材料に埋め込まれた第1の導電性材料、及び第2のポリマー材料に埋め込まれた第2の導電性材料を含む。
文書、米国特許出願公開第2016/190103号は、第1の表面層及び第2の表面層が互いに対向する状態で互いに接合された第1の基板及び第2の基板を有する半導体デバイスを開示している。第1の表面層及び第2の表面層は、シリコン酸化物(酸化ケイ素)の薄膜及び露出した金属コンタクトを含む。表面層は酸素プラズマで処理され、それによりダングリングボンドを水酸基によって終端させ、次いで、金属コンタクトを位置合わせし、互いに直接接触させる。
2つの基板は、熱膨張によって発生する力と対照をなすように、たとえば前記第1の表面層及び前記第2の表面層の反対側の自由な表面層に対して作用しながら、一方を他方に押し付けることによって、又は一方を他方にしっかりと拘束することによって、互いに接した状態にしっかりと保持され、次いで、2つの重ねられた基板は、互いに接してしっかりと保持された状態でオーブンに入れられる。熱処理にかけられると、第1の表面層及び第2の表面層の対向する金属コンタクトは、それらの熱膨張係数が比較的大きく、2つの基板が互いに接した状態にしっかりと保持されているため、加圧接合される。結果として、2つの基板の対向する金属コンタクトの間に強い接続が得られる。
したがって、こうしたこれまでの文書に開示された方法は、2つの基板を圧縮するための専用ツール、又は熱膨張による膨張力と対照をなすように2つの基板を互いに接した状態に保持するための専用ツールが利用可能である場合のみ、実施することができる
米国特許出願公開第2007/0207592号 米国特許出願公開第2015/0294963号 米国特許出願公開第2002/0074670号 米国特許出願公開第2017/0062366号 米国特許出願公開第2015/0021785号 米国特許出願公開第2016/190103号
論文「Adhesive Wafer Bonding Using Partially Cured Benzocyclobutene for Three-Dimensional Integration」、Frank Niklausら、J.Electrochem.Soc. 2006 153巻、4号、G291~G295 章「Hybrid Metal/Polymer Wafer Bonding Platform」、Jian-Qiang Lu、J.Jay McMahon、Ronald J.Gutmann(書籍「Handbook of Wafer Bonding」、第1版、Peter Ramm編、(2012) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaAに掲載の章) http://pibond.com/en http://pibond.com/en/products/product-lines/sc
出願人が行った広範な研究及び試験によって、熱圧縮のための専用ツールを用いることなくハイブリッド接合を実施することが可能であることが示された。本明細書に開示される技法によれば、互いに接合される半導体ウェハは、それらの間に自重以外にさらに圧縮を加えることなく、単に互いに重ねたままでオーブンに入れることができる。
この優れた結果は、特定タイプの熱硬化性材料、すなわち硬化させると収縮するタイプのシロキサン・ポリマーの使用によって得られたものである。これらのシロキサン・ポリマーの中でも、Silecs Oy(現在は、Pibond Oyに吸収されている)が製造する、SC-480のタイプのシロキサン・ポリマー、SC-200、SC-300、SC-400、SC-500、SC-700、SC-800のシリーズのシロキサン・ポリマー、及びそれらの混合物が、本明細書に開示される2つの半導体ウェハをハイブリッド接合する方法における使用に特に適している。
熱硬化が実施される間、接合される半導体ウェハを互いに押し付けることなく行うことが可能なハイブリッド接合方法が、添付の請求項1で定義される。
より詳細には、本開示は、相互に間隔を置いて配置された複数の導電性パッドをそれぞれが有する2つの半導体ウェハであって、複数の導電性パッドはウェハの頂面に露出され且つ陥凹部をそれらの間に画定している2つの半導体ウェハを互いに接合するためのハイブリッド接合方法を提供し、この方法は:
a1)前記半導体ウェハのうちの第1の半導体ウェハに対して、まだ硬化していないシロキサン・ポリマーのコーティング層を、前記第1の半導体ウェハの頂面及びその導電性パッドの上にコンフォーマルに堆積させて、その導電性パッドを覆い且つそれらの間の陥凹部を充填するステップであって、前記シロキサン・ポリマーは硬化させると収縮するタイプのものである、ステップと;
a2)前記半導体性ウェハのうちの第2の半導体ウェハが、露出した導電性パッドを有するように、且つ前記第2の半導体ウェハの頂面の上及び導電性パッド間の陥凹部の中にシリコン酸化物又はまだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーのコーティング層を有するようにするステップと;
b)前記第1の半導体ウェハのまだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーの層の厚さを、化学的機械研磨技法を用いてその一番上の部分を取り除くことによって減じるステップであって、それによりその導電性パッドを、露出させ、且つまだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーで充填された陥凹部と共にそれらを平坦化するステップと;
c)前記2つの半導体ウェハをそれらの間で互いに対向して位置合わせされるように結合するステップであって、それにより2つの半導体ウェハの導電性パッドを隣り合わせに互いに接して配置し、且つまだ硬化していない前記シロキサン・ポリマー及び/又はシリコン酸化物で充填された前記陥凹部を隣り合わせに互いに接して配置するステップと;
d)前記シロキサン・ポリマーのそれぞれの部分を同時に硬化させ、且つ前記シロキサン・ポリマーのそれぞれの部分を互いに、又はシリコン酸化物のそれぞれの部分と固着させるのに十分な温度及び時間で、互いに結合された2つの半導体ウェハをオーブンの中で一緒にベークするステップと
を含む。
ハイブリッド接合方法の一実施例によれば、ステップa2)は、前記半導体ウェハのうちの前記第2の半導体ウェハに対して、まだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーのコーティング層を、前記第2の半導体ウェハの頂面及びその導電性パッドの上にコンフォーマルに堆積させ、その導電性パッドを覆い、それらの間の陥凹部を充填するステップと、次いで、前記第2の半導体ウェハのまだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーの層の厚さを、化学的機械研磨技法を用いてその一番上の部分を取り除くことによって減じるステップであって、それによりその導電性パッドを、露出させ、まだ硬化していない前記シロキサン・ポリマーで充填された陥凹部と共にそれらを平坦化するステップとにより実行される。
ハイブリッド接合方法の別の実施例によれば、ステップa2)は、前記半導体ウェハのうちの前記第2の半導体ウェハにシリコン酸化物のコーティング層を堆積させ、前記コーティング層に孔を掘り、それらを金属で充填して前記導電性パッドを実現するステップによって行われる。
半導体ウェハをハイブリッド接合するための開示した方法を用いて製造される3次元集積デバイス、特に3Dイメージ・センサも開示される。出願される特許請求の範囲は、本明細書の構成部分であり、参照により本明細書に組み込まれる。
両方のウェハ上にシロキサン・ポリマーを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 両方のウェハ上にシロキサン・ポリマーを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 両方のウェハ上にシロキサン・ポリマーを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 両方のウェハ上にシロキサン・ポリマーを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 デバイス・ウェハ上にシロキサン・ポリマーを、またキャリア・ウェハ上にSiOを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 デバイス・ウェハ上にシロキサン・ポリマーを、またキャリア・ウェハ上にSiOを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 デバイス・ウェハ上にシロキサン・ポリマーを、またキャリア・ウェハ上にSiOを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。 デバイス・ウェハ上にシロキサン・ポリマーを、またキャリア・ウェハ上にSiOを用いる、2つの半導体ウェハのハイブリッド接合方法のステップの1つを示す図である。
2つの半導体ウェハをハイブリッド接合する方法の各ステップを添付図面に示す。図1a~1dは、両方のウェハの基板に、硬化させると収縮するタイプのシロキサン・ポリマーを用いて行われるハイブリッド接合に関するものである。図2a~2dは、図1a~1dと同様であるが、第1のウェハ(示される実例では、デバイス・ウェハ)にシロキサン・ポリマーを、他方のウェハ(示される実例では、キャリア・ウェハ)にシリコン酸化物(SiO)を用いて行われるハイブリッド接合に関するものである。
当技術分野で一般的に不可避と考えられていることとは異なり、熱硬化ステップが行われる間、ウェハを互いに押し付けられた状態に保持することなく、2つのウェハのハイブリッド接合を実施することが可能である。
出願人は、圧倒的に最も普及しているハイブリッド接合用接着剤であるBCBを用いると、この結果が得られず、したがって異なる接着剤を使用する必要があることを見出した。考えられる多くの選択肢の中で、出願人は、シロキサン・ポリマーは硬化させると自然に収縮し、したがって提案する方法にシロキサン・ポリマーを用いることが可能であろうことに注目した。たとえば現在Pibond Oyに吸収されているSilecs Oy(フィンランド)が製造する、以下の英数字の商品名で識別されるシリーズに属するシロキサン・ポリマー(http://pibond.com/en、http://pibond.com/en/products/product-lines/sc):
SC-480;
SC-200;
SC-300;
SC-400;
SC-500;
SC-700;
SC-800;
上記シリーズのシロキサン・ポリマーの混合物;
はすべて、特に適切であることが立証されている。これらのシロキサン・ポリマーの試験が行われ、熱硬化ステップの間にさらに圧縮力をかけない場合も、第1の半導体ウェハの隣接する電気コンタクト間のギャップを充填するシロキサン・ポリマーの各部分が、第2の半導体ウェハの対向するシロキサン・ポリマーの各部分又はSiOの各部分に適切に固着することが見出されている。シロキサン・ポリマーは硬化させると収縮するため、2つの半導体ウェハのこのハイブリッド接合プロセスにそれらを確実に用いることが可能である。
先に挙げたシロキサン・ポリマーの中で、SC-300、SC-400、SC-700、及びSC-800のシリーズのシロキサン・ポリマーが良好な性能を示した。いかなる理論にも拘束されることなく、先に言及したシロキサン・ポリマーの好ましいシリーズによって得られる良好な結果は、硬化させるとポリマーが適切に収縮することに起因している可能性がある。
SC-480のタイプのシロキサン・ポリマーを用いると、特に優れた性能が得られた。
添付図面において指摘され、また当技術分野では一般的であるように、ハイブリッド接合は、2つの対応する半導体ウェハ、すなわち、接着剤4を用いて互いに重ねて接合されるデバイス・ウェハ1及びキャリア・ウェハ2の金属コンタクト3の間の空間を充填すること(図1a及び1b、図2a及び2b)によって行われる。通常、これは、電気コンタクト3を覆うように、第1のウェハ1にシロキサン・ポリマーの層を、他方のウェハ2にシロキサン・ポリマー4又はシリコン酸化物(SiO)5の層をコンフォーマルな(順応した)態様で堆積させ、次いで、堆積させた層の厚さを、電気コンタクト3(すなわち導電性パッド)を露出させて自由表面を平坦化するように減じることによって行われる。
別の実施例によれば、まず第2のウェハ2の頂面にシリコン酸化物(SiO)5の層を堆積させ、次いで、そこに孔が掘られる。この孔の中に金属を堆積させ、少なくとも部分的に孔を充填し、それにより、第2のウェハ2の頂面に露出した導電性パッド3を実現する。
アライメント・ステップによって、2つのウェハ1及び2は互いに重ねられ(図1c、図2c)、電気的導通を確保するように、それらのコンタクト3が位置合わせされる。
2つの半導体ウェハ2及び3がオーブンの中に配置されるときにシロキサン・ポリマー4がまだ硬化されていないことは注目すべきである。
BCBを使用するこれまでのハイブリッド接合方法では、電気コンタクト3を互いに押し付けられた状態に保持するため、及び対応するコンタクトの任意の対の間に生じ得る接触抵抗を最小にするために、2つのウェハを互いに圧着させ、且つ圧接状態を維持しながら接着剤を硬化させる必要がある。このため、これまでの方法では、特別に設計された熱圧縮ツールを使用する必要がある。
対照的に、本開示の方法では、硬化させたときにシロキサン・ポリマー4の当接させた部分が互いに、又はシリコン酸化物(SiO)5の部分に固着し(図1d、図2d)、且つ自然に収縮するため、熱圧縮ツールはもはや不要である。この収縮により、牽引力が半導体ウェハ1、2を互いに引っ張り、対応する金属コンタクト3を当接させ、これらはそれにより、ポリマーを硬化させるための熱処理の間に実際に一体に(一体部片に)なる。それゆえ2つのウェハは、硬化したシロキサン・ポリマー4の収縮力(牽引力)によって互いにしっかりと保持され、それにより、対向する電気コンタクト3の間に優れた電気的導通を確立する。
出願人が行った試験により、SC-480タイプ、及びSC-200、SC-300、SC-400、SC-500、SC-700、SC-800のシリーズのシロキサン・ポリマー、並びにそれらの混合物は、硬化させると互いに、またSiOにも適切に固着することが示された。さらに、2つの半導体ウェハを接合するために硬化されたこれらの材料の向かい合った部分は、硬化時に生じる関連する牽引力に、亀裂を生じることなく耐える。
好都合には、最終的な熱硬化ステップの前に2つのウェハを互いに接するように配置する前に、ウェハ1、2の自由表面は、電気コンタクトの整合を向上させるために、よく知られている化学的機械研磨(CMP)ステップを用いて平坦化される。
シロキサン・ポリマーのウェハ基板への付着性を改善するために、シロキサン・ポリマーの層をコンフォーマルな態様で堆積させる前に、IPA(イソプロピルアルコール)で乾燥されるH+NHを用いたウェット・クリーン・プロセスを実行することができる。
本開示のハイブリッド接合方法を用いると、従来技術の製造プロセスよりも少ないプロセス・ステップで、3次元集積デバイス、特に3Dイメージ・センサを実現することが可能である。
好ましくは、シロキサン・ポリマー4の各部分は、互いに組み合わされた2つの半導体ウェハをオーブン中で、300℃~400℃の範囲の温度で約60分間ベークすることによって硬化される。
任意選択で、ウェハの自由表面をCMPステップで平坦化した後(図1b、図2b)、一方又は両方の半導体ウェハ上のシロキサン・ポリマーの各部分を部分的に硬化させるために、100℃~200℃の間の範囲の温度で2分間、予備的ベーキング・ステップを行うこと、またその後、2つのウェハを互いに接するように重ねて最終的なベーキング・ステップを行うことが可能である。

Claims (6)

  1. 相互に間隔を置いて配置された複数の導電性パッドをそれぞれが有する2つの半導体ウェハを互いに接合するためのハイブリッド接合方法であって、前記複数の導電性パッドは、前記ウェハの頂面上に露出され、且つそれらの間に陥凹部を画定している、方法において:
    a1)前記半導体ウェハのうちの第1の半導体ウェハ上に、まだ硬化されていないシロキサン・ポリマーのコーティング層を、前記第1の半導体ウェハの前記頂面及びその導電性パッドを覆うようにコンフォーマルに堆積させ、それによりその導電性パッドを覆い隠し、且つそれらの間の前記陥凹部を埋めるステップであって、前記シロキサン・ポリマーは硬化されたとき収縮するタイプである、ステップと;
    a2)露出した導電性パッドと、シリコン酸化物又はまだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーのコーティング層とを備えるように、前記半導体ウェハのうちの第2の半導体ウェハを実現するステップであって、前記コーティング層は前記第2の半導体ウェハの前記頂面を覆い且つ前記導電性パッド間の前記陥凹部内にある、ステップと;
    b)前記第1の半導体ウェハのまだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーの前記層の厚さを、化学的機械研磨技法によりその最上部を取り除くことによって減じるステップであって、それによりその導電性パッドを露出させ、且つそれらを、まだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーで埋められた前記陥凹部と共に平坦化するステップと;
    c)互いに対向してそれらの間で位置合わせされた前記2つの半導体ウェハを結合するステップであって、それにより前記2つの半導体ウェハの導電性パッドを互いに隣接して配置し、且つまだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーの部分及び/又は前記シリコン酸化物の部分で埋められた前記陥凹部を互いに隣接して配置するステップと;
    d)互いに共に結合された前記2つの半導体ウェハを、前記シロキサン・ポリマーがまだ硬化されていない状態でオーブン内に配置し、そして互いに結合された前記2つの半導体ウェハをオーブンの内で一緒にベークするステップであって、前記シロキサン・ポリマーの前記部分を同時に硬化させ、同時に前記シロキサン・ポリマーの前記部分を互いに又はシリコン酸化物の前記部分と固着させるのに十分な温度及び時間で前記2つの半導体ウェハをベークするステップと
    を含む、ハイブリッド接合方法。
  2. 前記ステップa2)は、前記半導体性ウェハのうちの前記第2の半導体ウェハ上に、まだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーのコーティング層を、前記第2の半導体ウェハの前記頂面及びその導電性パッドを覆うようにコンフォーマルに堆積させ、それによりその導電性パッドを覆い隠し、且つそれらの間の前記陥凹部を埋めるステップによって、そして次いで、前記第2の半導体ウェハのまだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーの前記層の厚さを、化学的機械研磨技法によりその最上部を取り除くことによって減じるステップであって、それによりその導電性パッドを露出させ、且つそれらを、まだ硬化されていない前記シロキサン・ポリマーで埋められた前記陥凹部と共にそれらを平坦化するステップによって実行される、請求項1に記載のハイブリッド接合方法。
  3. 前記ステップa2)は、前記半導体ウェハのうちの前記第2の半導体ウェハ上にシリコン酸化物のコーティング層を堆積させるステップ、前記コーティング層に複数の孔を掘るステップ、及びそれらを金属で充填して前記導電性パッドを実現するステップによって実行される、請求項1に記載のハイブリッド接合方法。
  4. 前記ステップa1)及びa2)を実行する前に、前記2つの半導体ウェハの前記頂面を、H及びNHを用いたウェット洗浄プロセスで予備洗浄し、次いで前記頂面をイソプロピルアルコールで乾燥させるステップを含む、請求項1からまでのいずれか一項に記載のハイブリッド接合方法。
  5. 前記ステップd)が300℃~400℃の範囲の温度で実行される、請求項1からまでのいずれか一項に記載のハイブリッド接合方法。
  6. ステップb)の後であってステップc)の前に、
    ロキサン・ポリマーのコーティング層を有する1又は複数の前記半導体ウェハを、100℃~200℃の間の範囲の温度で2分間ベークする操作を実行することを含む、請求項1からまでのいずれか一項に記載のハイブリッド接合方法。
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