JP4888276B2

JP4888276B2 - 半導体ウエハ装置

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Publication number: JP4888276B2
Application number: JP2007208497A
Authority: JP
Inventors: 利夫田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP2009040639A

Description

この発明は、ウエハプロセス工程中に発生する半導体ウエハの割れを防止することを目的としたウエハ貼り合わせ技術を応用した半導体ウエハ装置に関するものである。

半導体結晶は、原子間結合力の弱い結晶方位がある。特に、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のIII-Ｖ族化合物半導体は＜１１０＞方向に対して結合力が弱く、＜１１０＞方向に非常に割れ易い特徴を持っている。半導体レーザでは、この＜１１０＞方向への割れ易さを利用してヘキ開共振器端面を形成している。しかしながら、この＜１１０＞方向へのヘキ開性の為、ウエハプロセス中に半導体ウエハが割れてしまい歩留まりを低下させるという大きな問題があった。以下、半導体ウエハの割れについて説明する。

図５は従来のＧａＡｓウエハからなる半導体ウエハの斜視図である。半導体ウエハ９表面は（１００）面であり、マスクパターンを合わせる為のオリフラ９ａが形成されている。このオリフラ９ａは、結晶の＜１１０＞方向に形成されている。ＧａＡｓ結晶の場合、上述の様に＜１１０＞方向に非常に割れ易い。ここで、半導体ウエハ９周辺にわずかなカケやキズ等のマイクロクラック４がある場合がある。かかる場合、半導体ウエハ９にかかる応力がマイクロクラック４の部分に集中する。この応力が所定以上の大きさになると、マイクロクラック４を起点として＜１１０＞方向にひび割れ１０が進む。そして、ついには、半導体ウエハ９が割れてしまう場合がある。

また、エピタキシャルウエハの場合は、ＧａＡｓ基板とエピタキシャル層とのわずかな格子不整合により発生するクロスハッチパターン等の格子欠陥５がある。ここで、クロスハッチパターンは、エピタキシャル層内で＜１１０＞方向に平行及び直交方向に線上に走るものである。このクロスハッチパターンは、特にウエハ周辺に発生しやすい。そして、マイクロクラック４の場合と同様に半導体ウエハ９にかかる応力が結晶欠陥５の部分に集中する。この応力が所定以上の大きさになると、結晶欠陥５を起点にして＜１１０＞方向にひび割れ１１が進む。そして、ついには半導体ウエハ９が割れてしまう場合がある。

上述の半導体ウエハ９にかかる応力は種々の要因がある。例えば、エピタキシャルウエハでは、基板とエピタキシャル層との格子不整合や熱膨張係数の違い等がある。これにより、半導体ウエハ９そのものに常に大きな応力がかかっている。また、ウエハプロセス中の拡散や熱処理等による熱的応力や、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ膜等の成膜や電極メタル等によっても半導体ウエハ９に大きな応力がかかっている。さらに、ウエハ搬送時やピンセットでのウエハハンドリング時の外部応力によるもの等の場合には瞬間的に大きな応力がかかる。これらの半導体ウエハ９にかかる応力は、マイクロクラック４あるいは結晶欠陥５等、結晶の弱い部分に集中する。そして、結晶の割れ易い＜１１０＞方向にひび割れが進む。そして、ついには半導体ウエハ９が割れてしまう場合がある。

そこで、半導体ウエハの割れを防止するため、二枚の半導体ウエハを互いに貼り合わせ、双方の半導体ウエハの割れ易い＜１１０＞方向からなるヘキ開方向をずらした半導体ウエハ装置が提案されている。半導体ウエハの一方のひび割れの進行を半導体ウエハの他方が阻止する構成である（例えば、特許文献１参照）。

一方、半導体生産上、大きなメリットとなる半導体ウエハ９の大口径化も盛んに検討されている。例えば、ウエハ径を２倍にできれば、ウエハ面積は４倍になる。また、ウエハ径を４インチから６インチにするだけでもウエハ面積は略２．２倍にもなる。即ち、半導体ウエハ９の大口径化に伴い、一枚の半導体ウエハ９に形成できるデバイス数も増加させることができる。

特開平９−３２０９１２号公報

しかしながら、半導体ウエハ９の大口径化に伴い、半導体ウエハ９周辺のカケやキズ等のマイクロクラック４や、結晶欠陥５等が増加する。これにより、半導体ウエハ９にかかる応力も大きくなる。かかる場合、特許文献１に記載のものでも、半導体ウエハが割れる場合があった。即ち、半導体ウエハ９の一方のひび割れの進行を阻止する半導体ウエハ９の他方の部位にマイクロクラック４等がある場合がある。かかる場合、当該部位から半導体ウエハ９の他方のひび割れが進行する。そして、順次、同様の現象が繰り返される。そして、ついには貼り合わせた半導体ウエハ装置全体が割れてしまうという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ウエハ歩留まりの低下や大口径化の妨げとなる半導体ウエハの割れを防止する半導体ウエハ装置を提供することである。

この発明に係る半導体ウエハ装置は、第一の半導体ウエハと、前記第一の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第一の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第二の半導体ウエハと、前記第二の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第三の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第三の半導体ウエハとを備え、前記第一の半導体ウエハは、１００面の結晶面方位の表裏面を備え、前記第二の半導体ウエハは、前記第一の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備え、前記第三の半導体ウエハは、前記第二の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備えたものである。

この発明は、第一の半導体ウエハと、前記第一の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第一の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第二の半導体ウエハと、前記第二の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第三の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第三の半導体ウエハとを備え、前記第一の半導体ウエハは、１００面の結晶面方位の表裏面を備え、前記第二の半導体ウエハは、前記第一の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備え、前記第三の半導体ウエハは、前記第二の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備える構成としたことで、ウエハ歩留まりの低下や大口径化の妨げとなる半導体ウエハの割れを防止することができる。

この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ前の斜視図である。図２はこの発明の実施の形態１における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ後の斜視図である。なお、以後の（１００）、＜１１０＞等の記載は、ｘ、ｙ、ｚ軸で規定された面方位、方向を示している。

図において、１〜３は、ＧａＡｓウエハからなる第一ないし第三の半導体ウエハである。これらの半導体ウエハ１〜３は、（１００）面からなる同一の結晶面方位の表裏面を備えている。これらの半導体ウエハ１〜３の一側部には、オリフラ１ａ〜３ａが形成されている。これらのオリフラ１ａ〜３ａは、ヘキ開が容易なヘキ開方向に沿って形成される。このヘキ開方向とは、＜１１０＞方向のことである。

ここで、図１に示すように、第二の半導体ウエハ２のオリフラ２ａは、第一の半導体ウエハ１のオリフラ１ａに対してウエハ中心を軸にして第一の所定角度でずれている。図１では、第一の所定角度は３０°である。また、第三の半導体ウエハ３のオリフラ３ａは、第二の半導体ウエハ２のオリフラ２ａに対してウエハ中心を軸にして第二の所定角度でずれている。図１では、第二の所定角度は、第一の所定角度と同方向の３０°である。

即ち、第一及び第二の半導体ウエハ１、２は、互いのヘキ開方向が第一の所定角度でずれた配置構成となる。また、第二及び第三の半導体ウエハ２、３も、互いのヘキ開方向が第二の所定角度でずれた配置構成となる。その結果、第一及び第三の半導体ウエハ１、３も、互いのヘキ開方向が第三の所定角度でずれた配置構成となる。

そして、これらの半導体ウエハ１〜３は、第一及び第三の半導体ウエハ１、３で第二の半導体ウエハ２を挟み込むようにして絶縁膜等を介さずに直接貼り合わされる（図２参照）。即ち、第一の半導体ウエハ１裏面と第二の半導体ウエハ２表面が直接貼り合わされるとともに、第二の半導体ウエハ２裏面と第三の半導体ウエハ３表面が直接貼り合わされる。

なお、半導体ウエハ１〜３を直接貼り合わせる方法は色々ある。その中で比較的簡便な方法を説明する。まず、半導体ウエハ１〜３の貼り合わせ面となる表裏面がミラーポリッシュされる。その後、真空度１Ｅ-８Ｐａ台の真空中でイオンガンによりイオンビームが照射される。これにより、半導体ウエハ１〜３の貼り合わせ面は、酸化・吸着層が除去され、表面活性化される。そして、これらの半導体ウエハ１〜３は、密着加圧されて直接貼り合わされる。

上記構成の半導体ウエハ装置は、各種ウエハプロセスを経て第一の半導体ウエハ１表面のみにデバイスが形成される。このとき、第二及び第三の半導体ウエハ２、３は、第一の半導体ウエハ１の割れを防止するために機能する。即ち、第二及び第三の半導体ウエハ２、３は表面にデバイスが形成されるものではない。

次に、半導体ウエハの割れの防止方法について説明する。図２において、４、５は第一の半導体ウエハ１表面に発生したマイクロクラック、クロスハッチパターン等の結晶欠陥である。マイクロクラック４、結晶欠陥５に所定以上の応力がかかると、これらを起点として原子間結合力が非常に弱い＜１１０＞方向にひび割れが進行しようとする。

しかし、第一の半導体ウエハ１と第二の半導体ウエハ２は＜１１０＞方向がずれている。即ち、第一の半導体ウエハ１の割れの進行方向は、第二の半導体ウエハ２の＜１１０＞方向以外で原子間結合力が強い方向である。従って、第一の半導体ウエハ１の割れの進行は、第二の半導体ウエハ２に阻止される。

さらに、第二の半導体ウエハ２と第三の半導体ウエハ３は＜１１０＞方向がずれている。このため、仮に、第一の半導体ウエハ１のひび割れを阻止した第二の半導体ウエハ２の部位にマイクロクラック４等が発生した場合でも、第二の半導体ウエハ２の割れの進行は、第三の半導体ウエハ３に阻止される。

以上で説明した実施の形態１によれば、三枚の半導体ウエハ１〜３を貼り合わせることにより、二枚の半導体ウエハを貼り合わせた場合に比べて、半導体ウエハ装置の割れに対する強度が向上する。即ち、この発明の半導体ウエハ装置は、ちょうど木目をずらせて何枚も貼り合わせたベニヤ板のように割れ難くなる。

また、第二の半導体ウエハ２は、第一及び第三の半導体ウエハ１、３に挟み込まれるため、ウエハハンドリング時にピンセット等により直接触れられることがない。このため、特に第二の半導体ウエハ２には、マイクロクラック４等が発生しにくく、より安定してひび割れを防止する半導体ウエハ装置が提供される。

なお、実施の形態１では、第一〜第三の半導体ウエハ１〜３のヘキ開方向が第一及び第二の所定角度でずれている場合で説明した。ここで、（００１）面の結晶面方位の表裏面に直交するヘキ開方向は２方向ある。そして、これらのヘキ開方向は互いに直交している。従って、第一及び第二の所定角度は、９０°の整数倍でない角度であれば、同様の効果が得られるのはいうまでもない。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ前の斜視図である。図４はこの発明の実施の形態２における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ後の斜視図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１では、第一〜第三の半導体ウエハ１〜３は、同一の結晶面方位の表裏面を備えていた。一方、実施の形態２では、第一〜第三の半導体ウエハ６〜８は互いに異なる結晶面方位の表裏面を備えている。以下、実施の形態２について、詳細に説明する。

図において、第一〜第三の半導体ウエハ６〜８は、それぞれ、（１００）面、（１１０）面、（１１１）面と異なる結晶面方位の表裏面を備えている。

第一の半導体ウエハ６の一側部には、オリフラ６ａが形成されている。このオリフラ６ａは、ヘキ開が容易なヘキ開方向に沿って形成される。このヘキ開方向とは、＜１１０＞方向である。第二の半導体ウエハ７の一側部にも、オリフラ７ａが形成されている。このオリフラ７ａは、（１１１）面の結晶面方位を備えている。この（１１１）面は、ＧａＡｓ結晶の幾何学的構造からヘキ開面たる（１１０）面と第一の所定角度でずれている。この第一の所定角度は、５４．７°である。第三の半導体ウエハ８の一側部にも、（０１１）面の結晶面方位を備えたオリフラ８ａが形成されている。

ここで、第一の半導体ウエハ６の（１００）面からなる表裏面に直交するヘキ開方向は＜０１１＞（平行方向として＜０−１−１＞）と＜０−１１＞（平行方向として＜０１−１＞）の二方向ある。一方、第二の半導体ウエハ７の（１１０）面からなる表裏面に直交するヘキ開方向は＜１−１０＞（平行方向として＜−１１０＞）の一方向しかない。

また、第三の半導体ウエハ８の（１１１）面からなる表裏面に直交するヘキ開方向は＜１−１０＞（平行方向として＜−１１０＞）、＜０−１１＞（平行方向として＜０１−１＞）、＜１０−１＞（平行方向として＜−１０１＞）の三方向ある。

そして、各オリフラ６ａ〜８ａの方位が合せられる。その結果、各半導体ウエハ６〜８の結晶方位が調整される。これにより、第一及び第二の半導体ウエハ６、７は、互いのヘキ開方向が第一の所定角度でずれた配置構成となる。また、詳細は図示しないが、第二及び第三の半導体ウエハ７、８も、互いのヘキ開方向が第二の所定角度でずれた配置構成となる。その結果、第一及び第三の半導体ウエハ６、８も、互いのヘキ開方向が第三の所定角度でずれた配置構成となる。

そして、これらの半導体ウエハ６〜８は、第一及び第三の半導体ウエハ６、８で第二の半導体ウエハ７を挟み込むようにして絶縁膜等を介さずに直接貼り合わされる（図４参照）。即ち、第一の半導体ウエハ６裏面と第二の半導体ウエハ７表面が直接貼り合わされるとともに、第二の半導体ウエハ７裏面と第三の半導体ウエハ８表面が直接貼り合わされる。なお、これらの半導体ウエハ６〜８を直接貼り合わせる方法は、実施の形態１と同様である。

上記構成の半導体ウエハ装置は、各種ウエハプロセスを経て第一の半導体ウエハ６表面のみにデバイスが形成される。このとき、第二及び第三の半導体ウエハ７、８は、第一の半導体ウエハ６の割れを防止するために機能する。即ち、第二及び第三の半導体ウエハ７、８は表面にデバイスが形成されるものではない。

次に、半導体ウエハの割れの防止方法について説明する。図４において、第一の半導体ウエハ６のマイクロクラック４、結晶欠陥５に所定以上の応力がかかると、これらを起点として原子間結合力が非常に弱い＜１１０＞方向にひび割れが進行しようとする。

しかし、第一の半導体ウエハ６と第二の半導体ウエハ７はヘキ開面たる（１１０）面が５４．７°ずれている。即ち、第一の半導体ウエハ６の割れの進行方向は、第二の半導体ウエハ７の＜１１０＞方向以外で原子間結合力が強い方向である。従って、第一の半導体ウエハ６の割れの進行は、第二の半導体ウエハ７に阻止される。

さらに、第一の半導体ウエハ６にかかる＜１１０＞方向の応力は、第二の半導体ウエハ７を介して第三の半導体ウエハ８に伝達される。そして、この応力は、第一の半導体ウエハ６と結晶面方位の異なる第三の半導体ウエハ８により分散される。

以上で説明した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に半導体ウエハ装置の割れに対する強度が向上する。また、（１１０）面の結晶面方位の表裏面を備えた第二の半導体ウエハ７は、原子間結合力が非常に弱い＜１１０＞方向が一方向しかない。即ち、第二の半導体ウエハ７が（１００）面や（１１１）面等の結晶面方位の表裏面を備えた場合に比べ、より確実に第一の半導体ウエハ６の割れが防止される。

さらに、第一の半導体ウエハ６にかかる＜１１０＞方向の応力は、結晶面方位の異なる第三の半導体ウエハ８により分散される。これにより、半導体ウエハ装置の割れがより確実に防止される。

即ち、第二及び第三の半導体ウエハ７、８は、ヘキ開方向がより少なく、かつ、互いの表裏面の結晶面方位が異なるようにして貼り合わされることにより、効果的に半導体ウエハ装置の割れが防止される。

実施の形態３．
図示しないが、実施の形態３では、第一の半導体ウエハ１の性質と、第二及び第三の半導体ウエハ２、３の性質が異なるものである。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

ここで、第一の半導体ウエハ１は、デバイスを形成するためのものである。一方、第二及第三の半導体ウエハ２、３は、第一の半導体ウエハ１の割れを防止するためのものである。従って、第一の半導体ウエハ１にはデバイス形成に適した結晶性の良いウエハを使用する必要がある。一方、第二及び第三の半導体ウエハ２、３には、結晶性の良いウエハを使用する必要はない。

より具体的には、第二及び第三の半導体ウエハ２、３の少なくとも一方には、第一の半導体ウエハ１よりも転位密度が高い半導体ウエハが使用されてもよい。これにより、安価な半導体ウエハを第二及び第三の半導体ウエハ２、３に使用できる。また、第一の半導体ウエハ１は単結晶からなり、第二及び第三の半導体ウエハ２、３の少なくとも一方は、多結晶からなるようにしてもよい。これにより、安価な半導体ウエハを第二及び第三の半導体ウエハ２、３に使用できる。

さらに、第二及び第三の半導体ウエハ２、３の少なくとも一方が、第一の半導体ウエハ１よりも厚く形成されるようにしてもよい。これにより、半導体ウエハ装置の強度を向上させることができる。なお、上述のように安価な半導体ウエハで形成された第二及び第三の半導体ウエハ２、３を使用すれば、半導体ウエハ装置のコストアップには繋がらない。

加えて、第二及び第三の半導体ウエハ２、３の少なくとも一方は、第一の半導体ウエハ１とキャリア濃度が異なるようにしてもよい。これにより、半導体ウエハ装置としてより適切な特性を備えるための自由度が向上する。

なお、実施の形態１〜実施の形態３では、第一〜第三の半導体ウエハ１〜３をＧａＡｓウエハとして説明した。しかし、本発明はＧａＡｓウエハに限定されるものではない。即ち、Ｓｉ、Ｇｅ等IＶ族元素半導体やＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の化合物半導体及びその混晶、あるいはこれらの異種組み合わせであってもよい。

また、実施の形態１〜実施の形態３では、第一及び第二の半導体ウエハ１、２等の貼り合わせにおいては、（１００）面同士、（１００）面及び（１１０）面について詳細に説明した。しかし、第一及び第二の半導体ウエハ１、２等がヘキ開方向を一致させないで貼り合わされれば、同様の効果が得られるのはいうまでもない。また、第二及び第三の半導体ウエハ２、３等の貼り合わせについても同様である。

さらに、実施の形態１〜実施の形態３では、三枚の半導体ウエハ１〜３等が貼り合わされる場合で説明した。しかし、同様の趣旨で四枚以上の半導体ウエハが貼り合わされてもよい。これにより、割れに対してより強度が向上した半導体ウエハ装置が提供されるのはいうまでもない。

この発明の実施の形態１における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ前の斜視図である。この発明の実施の形態１における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ後の斜視図である。この発明の実施の形態２における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ前の斜視図である。この発明の実施の形態２における半導体ウエハ装置のウエハ貼り合わせ後の斜視図である。従来の半導体ウエハの斜視図である。

符号の説明

１第一の半導体ウエハ
１ａオリフラ
２第二の半導体ウエハ
２ａオリフラ
３第三の半導体ウエハ
３ａオリフラ
４マイクロクラック
５結晶欠陥
６第一の半導体ウエハ
６ａオリフラ
７第二の半導体ウエハ
７ａオリフラ
８第三の半導体ウエハ
８ａオリフラ
９半導体ウエハ
９ａオリフラ
１０、１１ひび割れ

Claims

第一の半導体ウエハと、
前記第一の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第一の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第二の半導体ウエハと、
前記第二の半導体ウエハと互いのヘキ開方向がずれた状態で、表面が前記第二の半導体ウエハ裏面に貼り合わされる第三の半導体ウエハと、
を備え、
前記第一の半導体ウエハは、１００面の結晶面方位の表裏面を備え、
前記第二の半導体ウエハは、前記第一の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備え、
前記第三の半導体ウエハは、前記第二の半導体ウエハ表裏面と結晶面方位が異なる表裏面を備えたことを特徴とする半導体ウエハ装置。
前記第二の半導体ウエハは、前記第一の半導体ウエハと互いのヘキ開方向が９０°の整数倍でない角度でずれており、
前記第三の半導体ウエハは、前記第二の半導体ウエハと互いのヘキ開方向が９０°の整数倍でない角度でずれていることを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハ装置。
前記第二の半導体ウエハ及び前記第三の半導体ウエハの少なくとも一方は、前記第一の半導体ウエハよりも転位密度が高いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体ウエハ装置。
前記第一の半導体ウエハは、単結晶からなり、
前記第二の半導体ウエハ及び前記第三の半導体ウエハの少なくとも一方は、多結晶からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体ウエハ装置。
前記第二の半導体ウエハ及び前記第三の半導体ウエハの少なくとも一方は、前記第一の半導体ウエハよりも厚く形成されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体ウエハ装置。
前記第二の半導体ウエハ及び前記第三の半導体ウエハの少なくとも一方は、前記第一の半導体ウエハとキャリア濃度が異なることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の半導体ウエハ装置。