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Description
本発明は、半導体素子が形成された少なくとも2つの半導体基板同士を接合する接合方法に関するものである。 The present invention relates to a bonding method for bonding at least two semiconductor substrates on which semiconductor elements are formed.
従来から、図6(b)に示すように、半導体素子が一表面側に形成された2つの半導体基板1,2同士が常温接合により接合されてなる半導体装置が提案されている(特許文献1参照)。
Conventionally, as shown in FIG. 6B, there has been proposed a semiconductor device in which two
ここにおいて、図6(b)に示した構成の半導体装置は、各半導体基板1,2の前記一表面上に形成された第1の絶縁層12a’,22a’と、第1の絶縁層12a’,22a’それぞれの厚み方向に貫通し且つ前記半導体素子の配線層13,23に電気的に接続された第1の貫通配線15a,25aと、第1の絶縁層12a’,22a’上に形成され前記半導体素子から発生した放射ノイズを吸収する接地層19,29と、接地層19,29それぞれの厚み方向に貫通し且つ第1の貫通配線15a,25aに連続する第2の貫通配線15b,25bと、第2の貫通配線15b,25bと接地層19,29との間を絶縁する第2の絶縁層12b’,22b’とを備えている。
Here, in the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 6B, the first
この半導体装置の製造方法では、図6(a)に示すように、半導体基板1,2それぞれの前記一表面上にフォトリソグラフィ技術、成膜技術およびリフトオフ技術を利用して第1の貫通孔12c’,22c’が貫設された第1の絶縁層12a’,22a’を形成する第1の絶縁層形成工程を行った後に、第1の絶縁層12a’,22a’の厚み方向に貫通するとともに半導体基板1,2の前記一表面側に形成された配線層13,23に電気的に接続される第1の貫通配線15a,25aをフォトリソグラフィ技術、成膜技術およびリフトオフ技術により形成する第1の貫通配線形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術、成膜技術およびリフトオフ技術により第2の貫通孔19c,29cが貫設された接地層19,29を形成する接地層形成工程を行った後に、接地層19,29の厚み方向に貫通し第1の貫通配線15a,25aと連続する第2の貫通配線15b,25bを形成する第2の貫通配線形成工程を行ってから、第2の貫通配線15b,25bと第2の貫通孔19c,29cの内側との間に絶縁材料を埋め込んで第2の絶縁層12b’,22b’を形成する第2の絶縁層形成工程を行い、その後、第2の絶縁層12b’,22b’の表面側を研磨により平坦化する平坦化工程を行ってから、第2の貫通配線15b,25b同士が重なる形で重ね合わせた半導体基板1,2に対して常温下で圧縮荷重を印加して半導体基板1,2同士を接合して図6(b)に示した構成の半導体装置を得る接合工程を行う接合方法が採用されている。ここで、平坦化工程では、第2の貫通配線15b,25bと第2の絶縁層12b’,22b’と接地層19,29とを同時に研磨する。
しかしながら、特許文献1に記載の接合方法では、平坦化工程において、絶縁材料からなる第2の絶縁層12b’,22b’に比べて金属で形成された第2の貫通配線15b,25bの研磨速度が速く、第2の貫通配線15b,25bが周囲の第2の絶縁層12b’,22b’に比べて窪んだ形に形成されることがあった。すると、半導体基板1,2同士を接合したときに第2の貫通配線15b,25b同士の接合部分に空隙が生じて第2の貫通配線15b,25b間で導通不良が起こりやすくなり、接合工程の歩留まりが低下するおそれがあった。なお、平坦化工程において、第2の貫通配線15b,25bの接合表面の平坦性を確保するために研磨速度を遅くすると、スループットが低下し、製造コストが上昇するおそれがある。
However, in the bonding method described in
本願発明は、前記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体基板同士の接合工程の歩留まりを向上させることが可能な接合方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the joining method which can improve the yield of the joining process of semiconductor substrates.
請求項1の発明は、前記目的を達成するために、半導体素子が形成された少なくとも2つの半導体基板同士を接合する接合方法であって、互いに接合する前記半導体基板それぞれに対して、前記半導体基板において接合相手の前記半導体基板に対向させる面側に形成された絶縁層の表面をCMPにより平坦化する平坦化工程と、該平坦化工程の前後いずれかにおいて前記絶縁層の厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線を形成する貫通配線形成工程とを行った後に、前記絶縁層の前記表面側に露出する前記貫通配線の端面および前記絶縁層の前記表面に前記貫通配線に電気的に接続される接合用パッドを形成する接合用パッド形成工程を行ってから、各前記半導体基板の前記絶縁層の前記表面に形成された前記接合用パッド同士を常温接合する接合工程を行うことを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、各半導体基板において接合相手の前記半導体基板に対向させる面側に形成された絶縁層の表面をCMPにより平坦化する平坦化工程と、該平坦化工程の前後いずれかにおいて前記絶縁層の厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線を形成する貫通配線形成工程とを行った後に、前記絶縁層の前記表面側に露出する前記貫通配線の端面および前記絶縁層の前記表面に前記貫通配線に電気的に接続される接合用パッドを形成し、当該接合用パッド同士を常温接合することで、前記半導体基板同士を接合する接合工程の歩留まりを向上させることができる。 According to the present invention, the flattening step of flattening the surface of the semi-conductor substrate insulating layer formed on the side to be opposed to the joining partner by CMP in each semiconductor substrate, either before or after the flat tanker step wherein after performing the through wiring forming step of forming an electrically connected to the through wiring in the semiconductor device penetrating in the thickness direction of the insulating layer, the penetration wiring exposed on the table surface of the insulating layer in the electrically form a connected junction pad are in the through wiring on the surface of the end surface and the insulating layer, by room-temperature bonding pads to each other for the bonding, the yield of the bonding step of bonding the semi-conductor substrate to each other Can be improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記接合用パッド形成工程は、前記絶縁層との密着性を改善するための密着性改善用金属膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成され且つ前記Au膜の設定膜厚が500nm以下である前記接合用パッドを形成することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the bonding pad forming step is performed on the adhesion improving metal film and the adhesion improving metal film for improving the adhesion to the insulating layer. setting the thickness of且one said a u film formed of a laminated film of a laminated Au film and forming the bonding pad is 500nm or less.
この発明によれば、前記接合用パッドを前記絶縁層との密着性を改善するための密着性改善用金属膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成し且つ前記Au膜の設定膜厚を500nm以下とするので、前記接合工程の歩留まりを向上させることができる。 According to this invention, the bonding pad is constituted by a laminated film of an adhesion improving metal film for improving adhesion to the insulating layer and an Au film laminated on the adhesion improving metal film. and setting the thickness of且one said a u film since the 500nm or less, it is possible to improve the yield of the bonding process.
請求項1の発明によれば、各半導体基板において接合相手の前記半導体基板に対向させる面側に形成された絶縁層の表面をCMPにより平坦化する平坦化工程と、該平坦化工程の前後いずれかにおいて前記絶縁層の厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線を形成する貫通配線形成工程とを行った後に、前記絶縁層の前記表面側に露出する前記貫通配線の端面および前記絶縁層の前記表面に前記貫通配線に電気的に接続される接合用パッドを形成し、当該接合用パッド同士を常温接合することで、前記半導体基板同士を接合する接合工程の歩留まりを向上させることができるという効果がある。 According to the present invention, the flattening step of flattening the surface of the semi-conductor substrate insulating layer formed on the side to be opposed to the joining partner by CMP in each semiconductor substrate, a flat tanker step after performing the through wiring forming step of forming a through wiring which is the penetrating in the thickness direction of the insulating layer electrically connected to the semiconductor device in either before or after, the exposed in table face side of the insulating layer electrically connected to form a junction pad in the through wiring on the end surface and the surface of the insulating layer of the through wiring, by room-temperature bonding pads to each other for the bonding, bonding for bonding the semi-conductor substrate to each other There is an effect that the yield of the process can be improved.
(実施形態1)
以下、本実施形態の接合方法について図1(a)〜(f)に基づいて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the joining method of this embodiment is demonstrated based on Fig.1 (a)-(f).
まず、半導体基板(例えば、シリコン基板、SOI基板など)1においてICなどの半導体素子(図示せず)および前記半導体素子に電気的に接続された配線層1aが形成された一表面側(半導体基板1において接合相手の半導体基板2(図1(e),(f)参照)に対向させる面側)にシリコン酸化膜からなる絶縁層12を形成する絶縁層形成工程を行う(図1(a)参照)。ここで、絶縁層形成工程では、半導体基板1に形成されている半導体素子の耐熱温度以下の温度で絶縁層12を成膜する必要があり、プラズマCVDや熱CVDなどのCVD法により絶縁層12を成膜している。なお、絶縁層12の成膜方法は、CVD法に限られず、例えば、SOG(Spin On Glass)塗布法などの他の方法を採用してもよい。
First, one surface side (semiconductor substrate) in which a semiconductor element (not shown) such as an IC and a
ところで、前記半導体素子および前記半導体素子に電気的に接続された配線層1aが形成された半導体基板1の前記一表面側にCVD法やSOG塗布法により形成した絶縁層12は、表面の平坦性が比較的低い。本実施形態では、絶縁層形成工程の後に、半導体基板1の前記一表面側に形成された絶縁層12の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化する第1の平坦化工程を行うことによって図1(b)に示す構造を得る。この第1の平坦化工程では、研磨方法として、研磨後の平坦性、洗浄度、コストの観点から比較的有利なCMPを採用している。また、前記半導体素子が形成された半導体基板1の前記一表面側に形成される絶縁層12の表面は、後述の接合工程を考慮すると、高い平坦性が求められる。ここで、第1の平坦化工程では、絶縁層12の表面の平坦性に関してRMS粗さが1.5nm以下であることが望ましく、より小さな値のほうが好ましい。
By the way, the
上述の第1の平坦化工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁層12に厚み方向に貫通する貫通孔12cを形成する貫通孔形成工程を行う。貫通孔12cは、微細化の観点から半導体基板1の前記一表面に対して垂直な形状が望ましく、略垂直にエッチングしている。なお、貫通孔12cの形状は、これに限定されるものではなく、前記半導体素子の仕様、コストなどに応じて他の形状を採用してもよい。
After the above-described first planarization step, a through-hole forming step for forming a through-
上述の貫通孔形成工程の後に、電解めっき法により貫通孔12cの内側に、絶縁層12を厚み方向に貫通し前記半導体素子および配線層1aに電気的に接続される貫通配線15を形成する貫通配線形成工程を行う。なお、貫通配線15の材料としては、Cuを採用しているが、Cuに限定されるものではなく、例えば、W、Al、或いはこれらを主成分とする合金などが抵抗値の観点から望ましい。また、貫通配線15の材料として段差被覆性が良好なポリシリコンを使用してもよい。また、本実施形態では、貫通配線形成工程で、電解めっき法を採用しているが、これに限定されるものではなく、貫通配線15の材料に応じて、例えば、無電解めっき法、CVD法等から最適な方法を選択すればよい。
After the above-described through-hole forming step, through-
上述の貫通配線形成工程の後、絶縁層12の表面側をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程を行うことにより図1(c)に示す構造を得る。ここにおいて、第2の平坦化工程では、研磨方法として、研磨後の平坦性、洗浄度、コストの観点から比較的有利なのでCMPを採用している。このとき、第2の平坦化工程では、絶縁層12の表面粗さが後述の接合工程における歩留り向上の観点から重要であり、絶縁層12の表面の平坦性に関してRMS粗さが1.5nm以下であることが望ましく、より小さな値のほうが好ましい。
After the above-described through-wiring forming step, a structure shown in FIG. 1C is obtained by performing a second flattening step in which the surface side of the
なお、本実施形態では、貫通孔形成工程および貫通配線形成工程の前後で第1の平坦化工程と第2の平坦化工程とを行うが、第1の平坦化工程のみを行い、第2の平坦化工程を省略してもよい。また、第1の平坦化工程および第2の平坦化工程のうち、第1の平坦化工程を省略して第2の平坦化工程のみを行ってもよい。ただし、第1の平坦化工程を省略する場合、第2の平坦化工程では、絶縁層12の表面の平坦性に関してRMS粗さが1.5nm以下となるように平坦化することが望ましく、より小さな値のほうが好ましい。
In the present embodiment, the first planarization step and the second planarization step are performed before and after the through-hole forming step and the through-wiring forming step, but only the first planarization step is performed and the second planarization step is performed. The planarization step may be omitted. Moreover, you may abbreviate | omit the 1st planarization process and perform only a 2nd planarization process among a 1st planarization process and a 2nd planarization process. However, when the first planarization step is omitted, in the second planarization step, it is desirable to perform planarization so that the RMS roughness is 1.5 nm or less with respect to the planarity of the surface of the insulating
上述の第2の平坦化工程の後、絶縁層12の前記表面上に貫通配線15に電気的に接続される接合用パッド14を形成する接合用パッド形成工程を行う(図1(d)参照)。接合用パッド14は、貫通配線15を形成する材料とは異なる材料を用いて形成することができ、貫通配線15は、低抵抗の材料であるCuで形成され、接合用パッド14は、絶縁層12との密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜(図示せず)と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜(図示せず)との積層膜から構成されている。つまり、接合用パッド14の表面側がAu膜から構成され、接合用パッド14の表面に自然酸化膜が形成されにくくなっている。ここで、Au膜の設定膜厚を500nm以下としている。
After the above-described second planarization step, a bonding pad forming step is performed in which a
一方、上述の半導体基板(例えば、シリコン基板、SOI基板など)2において、ICなどの半導体素子(図示せず)および前記半導体素子に電気的に接続された配線層2aが形成された半導体基板2の一表面側(半導体基板2において接合相手の半導体基板1(図1(e)参照)に対向させる面側)に絶縁層22を形成する絶縁層形成工程、半導体基板2の前記一表面側に形成された絶縁層22の表面をCMPにより平坦化する第1の平坦化工程、絶縁層22に厚み方向に貫通する貫通孔22cを形成する貫通孔形成工程、貫通孔22cの内側に前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線25を形成する貫通配線形成工程、絶縁層22の表面側をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程、絶縁層22の前記表面上に貫通配線25に電気的に接続される接合用パッド24を形成する接合用パッド形成工程を順次行うことで、図1(e)に示す構造を得る。
On the other hand, in the above-described semiconductor substrate (for example, a silicon substrate, an SOI substrate, etc.) 2, a
そして、各半導体基板1,2それぞれに対して上述の接合用パッド形成工程が終了した後、各半導体基板1,2の接合用パッド14,24同士を常温接合する接合工程を行う(図1(f)参照)。なお、常温接合では、接合前において、図1(e)に示すように半導体基板1,2の接合用パッド14,24同士を対向させた状態で、互いの接合表面である接合用パッド14,24の表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行い、その後、接合用パッド14,24の表面同士を接触させ、常温下で適宜の荷重を印加して接合用パッド14,24同士を常温接合することで図1(f)に示す構造を得る。なお、接合用パッド14,24の表面の清浄化・活性化の方法は、上述の方法に限られず、前記半導体素子の仕様、生産性などを考慮して適宜選択してもよい。
Then, after the bonding pad forming process described above is completed for each of the
しかして、半導体基板1,2において接合相手の半導体基板2,1に対向させる面側に形成された絶縁層12,22の表面をCMPにより平坦化する第1の平坦化工程と、第1の平坦化工程の後において絶縁層12,22の厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線15を形成する貫通配線形成工程を行った後に、絶縁層12,22の表面をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程を行い、その後、絶縁層12,22の表面上に接合用パッド14,24を形成し、接合用パッド14,24同士を常温接合するので、接合工程の歩留まりを向上させることができる。また、接合用パッド14,24の表面側は、Au膜から構成されているので、接合用パッド14,24の表面に自然酸化膜が形成されにくく、導通不良の発生を抑制することができ、接合工程の歩留まりを向上させることができる。
Thus, the first planarization step of planarizing the surfaces of the insulating
なお、上述のように、接合用パッド14,24同士を常温接合することにより、絶縁層12,22の表面側に露出する貫通配線15,25の端面の平坦性が低くても、接合工程の歩留まりへの影響が少ないので、第2の平坦化工程において貫通配線15,25の前記端面の平坦性を向上させるために研磨速度を遅くする必要がなく、スループットの低下を抑制し、製造コストの上昇を防ぐことができる。また、上述のように、第1の平坦化工程および第2の平坦化工程のうちのいずれかを省略すれば、スループットを向上させ、製造コストを低減することができる。
As described above, the
更に、貫通配線15,25をAuで形成すると、貫通配線15,25から半導体基板1,2に形成された前記半導体素子側へのAu原子が拡散することにより、半導体素子の著しい劣化を招くおそれがあったが、本実施形態では、貫通配線15,25の材料としてCuを使用し、接合用パッド14,24のみにAuを用いているので、前記半導体素子側へAu原子の拡散による半導体素子の劣化を防止することができる。
Further, if the through
ここで、Au膜の設定膜厚について検討した結果について説明する。 Here, the result of examining the set film thickness of the Au film will be described.
半導体基板1の基礎となる第1のシリコンウェハの一表面側の全面に絶縁層とTi膜とAu膜とを積層した第1の接合試験用シリコンウェハと、半導体基板2の基礎となる第2のシリコンウェハの一表面側の全面に絶縁層とTi膜とAu膜とを積層した第2の接合試験用シリコンウェハとをAu膜厚(Au膜の膜厚)を同じとして種々のAu膜厚について用意して常温接合法による接合工程を行ってから、超音波顕微鏡法によって第1の接合試験用シリコンウェハと第2の接合試験用シリコンウェハとの接合面積がウェハ面積に占める割合を接合面積率として評価した。その結果、Au膜の膜厚の増加とともに接合面積率が減少し、Au膜の膜厚が500nm以下であれば、接合面積率として90%よりも大きな値が得られるという知見を得た。ところで、半導体装置の製造にあたっての総合歩留りを向上させるためには、各工程ごとの歩留りを向上する必要があり、各工程ごとの歩留りを90%以上の値にすることが望ましいが、上述の結果から、接合工程の歩留りを90%以上とするためには、各接合用パッド14,24のAu膜の設定膜厚を500nm以下に設定すればよいことが分かる。なお、Au膜の膜厚の下限値については、Au膜が薄くなりすぎると、Au膜の膜連続性が低下して抵抗が高くなり、導通不良が起こりやすくなるので、10nm以上に設定することが望ましい。
A first silicon wafer for bonding test in which an insulating layer, a Ti film, and an Au film are laminated on the entire surface of one surface side of the first silicon wafer that is the basis of the
しかして、接合用パッド14,24を構成するAu膜の設定膜厚を500nm以下としていることにより、接合用パッド14,24において上述の接合面積率として90%よりも大きな値が得られるので、接合工程の歩留まりを向上させることができる。
Therefore, by setting the set film thickness of the Au film constituting the
なお、本実施形態では、接合用パッド14,24の表面側をAu膜で形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、Al膜、Cu膜、Pt膜などを使用しても良い。また、接合用パッド14,24それぞれを互いに異なる材料で形成してもよい。
In this embodiment, the surface side of the
(実施形態2)
以下、本実施形態の接合方法について図2(a)〜(g)に基づいて説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the joining method of this embodiment is demonstrated based on Fig.2 (a)-(g).
本実施形態の半導体基板の接合方法では、半導体基板1に対しては、実施形態1で説明したように、半導体基板1の前記半導体素子および配線層1aが形成された一表面側(半導体基板1において接合相手の半導体基板2(図2(f),(g)参照)に対向させる面側)に絶縁層12を形成する絶縁層形成工程、半導体基板1の前記一表面側に形成された絶縁層12の表面をCMPにより平坦化する第1の平坦化工程、絶縁層12に厚み方向に貫通する貫通孔12cを形成する貫通孔形成工程、貫通孔12cの内側に前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線15を形成する貫通配線形成工程、絶縁層12の表面側をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程、絶縁層12の前記表面上に貫通配線15に電気的に接続される接合用パッド14を形成する接合用パッド形成工程を順次行うことで図2(f)に示す構造を得る。
In the semiconductor substrate bonding method of the present embodiment, as described in the first embodiment, the
一方、半導体基板2は、前記半導体素子が形成された前記一表面と配線層2aとの間に絶縁層2bが形成されてなるものであり、半導体基板2に対しては、半導体基板2の前記半導体素子および配線層2aが形成された前記一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁層22を形成する第1の絶縁層形成工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して半導体基板2の厚み方向に貫通する貫通孔2cをエッチングにより形成する貫通孔形成工程を行う(図2(a)参照)。ここで、貫通孔2cは、微細化の観点から半導体基板2の前記一表面に対して垂直な形状が望ましく、略垂直にエッチングされている。なお、貫通孔2cの形状は、半導体素子の仕様およびコストなどによって他の形状としてもよい。また、貫通孔形成工程に要する時間の短縮および貫通孔2cの長さを縮小するために、半導体基板2を研磨して予め薄板化してもよい。
On the other hand, the
上述の貫通孔形成工程を行った後、半導体基板2の他表面および貫通孔2cの内周面にシリコン酸化膜からなる絶縁層2d,2eを形成する第2の絶縁層形成工程を行う(図2(b)参照)。絶縁層2d,2eは、第1の絶縁層形成工程と同様に、プラズマCVDや熱CVDなどのCVD法により形成している。
After performing the above-described through hole forming step, a second insulating layer forming step is performed in which insulating
上述の第2の絶縁層形成工程を行った後、半導体基板2の前記他表面側に形成された絶縁層2eの表面をCMPにより平坦化する第3の平坦化工程を行う(図2(c)参照)。また、絶縁層2eの表面は、後述の接合工程を考慮すると、高い平坦性が求められる。ここで、第3の平坦化工程では、絶縁層2eの表面の平坦性に関してRMS粗さが1.5nm以下であることが望ましく、より小さな値のほうが好ましい。
After performing the second insulating layer forming step described above, a third flattening step is performed in which the surface of the insulating
上述の第3の平坦化工程を行った後、電解めっき法により貫通孔2cの内側に、配線層2aに電気的に接続される貫通配線25を形成する貫通配線形成工程を行う。なお、貫通配線25を形成する材料、形成方法に関しては、実施形態1の貫通配線形成工程の説明にあるように、他の材料および他の形成方法を採用してもよい。
After performing the above-mentioned 3rd planarization process, the penetration wiring formation process which forms
上述の貫通配線形成工程を行った後、絶縁層2eの表面側をCMPにより平坦化する第4の平坦化工程を行うことにより、図2(d)に示す構造を得る。
After performing the above-described through wiring formation process, a structure shown in FIG. 2D is obtained by performing a fourth planarization process in which the surface side of the insulating
なお、本実施形態では、半導体基板2について貫通配線形成工程の前後で第3の平坦化工程と第4の平坦化工程とを行うが、第3の平坦化工程のみを行い、第4の平坦化工程を省略してもよい。また、第3の平坦化工程および第4の平坦化工程のうち、第4の平坦化工程のみを行い、第3の平坦化工程を省略してもよい。ただし、第3の平坦化工程を省略する場合、第4の平坦化工程では、絶縁層2eの表面の平坦性に関してRMS粗さが1.5nm以下となるように平坦化することが望ましく、より小さな値のほうが好ましい。
In the present embodiment, the third flattening step and the fourth flattening step are performed on the
上述の第4の平坦化工程を行った後、絶縁層2eの前記表面上に貫通配線25に電気的に接続される接合用パッド24を形成する接合用パッド形成工程を行う(図2(e)参照)。ここで、接合用パッド24は、貫通配線25の材料と異なる材料を用いて形成することができ、貫通配線25が低抵抗の材料であるCuで形成され、接合用パッド14,24は、絶縁層2eとの密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜(図示せず)と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜(図示せず)との積層膜から構成されている。従って、接合用パッド24の表面側にはAu膜が形成され、接合用パッド24の表面に自然酸化膜が形成されにくくなっている。ここで、Au膜の設定膜厚を500nm以下としている。
After performing the above-described fourth planarization step, a bonding pad forming step is performed in which a
上述の接合用パッド形成工程を行った後、半導体基板1の絶縁層12上に形成された接合用パッド14と半導体基板2の絶縁層2e上に形成された接合用パッド24とを常温接合する接合工程を行う(図2(f)(g)参照)。なお、常温接合では、接合前に互いの接合表面である接合用パッド14,24の表面の清浄化・活性化を行ってから、接合用パッド14,24の表面同士を接触させて半導体基板1,2同士を接合する。
After performing the above-described bonding pad forming step, the
しかして、半導体基板1,2それぞれに対して、接合相手の半導体基板2,1に対向させる面側に形成された絶縁層12,2eの表面をCMPにより平坦化する第1の平坦化工程および第3の平坦化工程と、第1の平坦化工程および第3の平坦化工程の後において絶縁層12,2eの厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線15,25を形成する貫通配線形成工程とを行った後に、絶縁層12,2eの表面をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程および第4の平坦化工程を行い、その後、絶縁層12,2eの表面に接合用パッド14,24を形成してから、半導体基板1,2の接合用パッド14,24同士を接合するので、接合工程の歩留まりを向上させることができる。また、接合用パッド14,24の表面側は、Au膜から構成されているので、接合用パッド14,24の表面に自然酸化膜が形成されにくく、導通不良の発生を抑制することができ、接合工程の歩留まりを向上させることができる。
Thus, a first planarization step for planarizing the surfaces of the insulating
また、本実施形態の接合方法では、上述のように、接合用パッド14,24同士を接合することにより、絶縁層12,2eの表面側に露出する貫通配線15,25の端面の平坦性が低くても、接合工程の歩留まりへの影響が少ないので、第2の平坦化工程および第4の平坦化工程において貫通配線15,25の前記端面の平坦性を向上させるために研磨速度を遅くする必要がなく、スループットの低下を抑制し、製造コストの上昇を防ぐことができる。また、第3の平坦化工程および第4の平坦化工程のうちのいずれかを省略すれば、スループットを向上させ、製造コストを低減することができる。
Further, in the bonding method of this embodiment, as described above, the
(実施形態3)
以下、本実施形態の接合方法について図3(a)〜(c)、図4(a),(b)に基づいて説明する。本実施形態では、実施形態1で説明した半導体基板1の前記一表面側に半導体基板2を接合し、更に、半導体基板2に対して半導体基板1とは反対側に半導体基板3を接合する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the joining method of this embodiment is demonstrated based on Fig.3 (a)-(c), Fig.4 (a), (b). In this embodiment, the
本実施形態の接合方法では、半導体基板1に対しては、実施形態1で説明したように、半導体基板1の前記半導体素子および配線層1aが形成された一表面側(半導体基板1において接合相手の半導体基板2(図3(a)参照)に対向させる面側)に絶縁層12を形成する絶縁層形成工程、半導体基板1の前記一表面側に形成された絶縁層12の表面をCMPにより平坦化する第1の平坦化工程、絶縁層12に厚み方向に貫通する貫通孔12cを形成する貫通孔形成工程、貫通孔12cの内側に前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線15を形成する貫通配線形成工程、絶縁層12の表面側をCMPにより平坦化する第2の平坦化工程、絶縁層12の前記表面上に貫通配線15に電気的に接続される接合用パッド14を形成する接合用パッド形成工程を順次行う。ここで、半導体基板1の接合用パッド14は、絶縁層14との密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成されており、Au膜の設定膜厚を500nm以下としている。
In the bonding method of the present embodiment, as described in the first embodiment, the
一方、半導体基板2は、前記半導体素子が形成された一表面と配線層2aとの間に絶縁層2bが形成されてなるものであり、半導体基板2に対しては、前記半導体素子が形成された一表面側に絶縁層22を形成する第1の絶縁層形成工程の後に、絶縁層22の表面から半導体基板2の他表面まで貫通する貫通孔2cをエッチングにより形成する貫通孔形成工程を行った後に、半導体基板2の他表面および貫通孔2cの内周面に絶縁層2d,2eを形成する第2の絶縁層形成工程を行い、その後に、貫通孔2cの内側に前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線25を形成する貫通配線形成工程を行う。そして、絶縁層2eの表面側をCMPにより平坦化する第3の平坦化工程を行った後に、絶縁層2eの前記表面上に貫通配線25に電気的に接続される第1の接合用パッド24aを形成する第1の接合用パッド形成工程を行う。しかして、半導体基板2について、図3(a)に示すような構造が得られる。なお、第2の絶縁層形成工程では、半導体基板2の前記他表面および貫通孔2cの内周面にシリコン酸化膜からなる絶縁層2d,2eを形成するが、貫通孔2cの内側に形成される絶縁層2dは、例えば、熱酸化法により形成している。また、第1の接合用パッド24aは、絶縁層2eとの密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成され、Au膜の設定膜厚を500nm以下としている。
On the other hand, the
そして、半導体基板1に対して接合用パッド形成工程を行った後であり、且つ、半導体基板2に対して第1の接合用パッド形成工程を行った後に、半導体基板1の絶縁層12に形成された接合用パッド14と、半導体基板2の絶縁層2eに形成された第1の接合用パッド24aとを常温接合する第1の接合工程を行うことで、図3(b)に示す構造を得る。
Then, after the bonding pad formation process is performed on the
第1の接合工程の後に、絶縁層22の表面側をCMPにより平坦化する第4の平坦化工程を行うことにより、図3(c)に示す構造を得る。その後、絶縁層22の表面に貫通配線25に電気的に接続される第2の接合用パッド24bを形成する第2の接合用パッド形成工程を行う。ここで、第2の接合用パッド24bは、絶縁層22との密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成され、Au膜の設定膜厚は500nm以下としている。
After the first bonding step, a structure shown in FIG. 3C is obtained by performing a fourth flattening step in which the surface side of the insulating
また、半導体基板3は、ICなどの半導体素子が形成された一表面と前記半導体素子に電気的に接続された配線層3aとの間に絶縁層3bが形成されてなるものであり、半導体基板3に対しては、前記半導体素子が形成された前記一表面側に絶縁層32を形成する第3の絶縁層形成工程の後に、絶縁層32の表面から半導体基板3の他表面まで貫通する貫通孔3cをエッチングにより形成する貫通孔形成工程を行った後に、半導体基板3の前記他表面および貫通孔3cの内周面に絶縁層3d,3eを形成する第4の絶縁層形成工程を行い、その後に、絶縁層32および絶縁層3eそれぞれの厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続する貫通配線35を形成する貫通配線形成工程を行い、その後、絶縁層3eの表面側をCMPにより平坦化する第5の平坦化工程を行った後に、絶縁層3eの前記表面上に貫通配線35に電気的に接続される第3の接合用パッド34aを形成する第3の接合用パッド形成工程を行う。その後、絶縁層32の表面側をCMPにより平坦化する第6の平坦化工程を行った後に、絶縁層32の前記表面上に貫通配線25に電気的に接続される第4の接合用パッド34bを形成する第4の接合用パッド形成工程を行うことにより、図4(a)に示す構造を得る。ここで、第3の接合用パッド34aおよび第4の接合用パッド34bは、絶縁層3eおよび絶縁層32との密着性を改善するための密着性改善用金属膜であるTi膜と当該密着性改善用金属膜上に積層されたAu膜との積層膜により構成されており、Au膜の設定膜厚を500nm以下としている。
The
そして、半導体基板2に対して第2の接合用パッド形成工程を行った後であり、且つ、半導体基板3に対して第4の接合用パッド形成工程を行った後に、半導体基板2の第2の接合用パッド24bと半導体基板3の第3の接合用パッド34aとを常温接合する第2の接合工程を行うことにより、2枚の半導体基板2,3を接合してなる図4(b)に示す構造が得られる。
Then, after the second bonding pad forming process is performed on the
また、本実施形態の接合方法は、半導体基板2,3に対しては、前記一表面側に絶縁層22,32を形成する第5の絶縁層形成工程の後に、半導体基板2,3の厚み方向に貫通する第1の貫通孔2c,3cをエッチングにより形成する貫通孔形成工程を行い、その後に、前記一表面側に絶縁層22,32が形成された半導体基板2,3の他表面側および第1の貫通孔2cの内周面に絶縁層2d,2e,3d,3eを形成する絶縁層形成工程を行った後に、絶縁層22,32の表面側をCMPにより平坦化する第7の平坦化工程を行った後に、絶縁層2e,3eを厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続する第1の貫通配線25a,35aを形成する貫通配線形成工程を行った後に、絶縁層22,23に厚み方向に貫通する第2の貫通孔22c,32cをエッチングにより形成する貫通孔形成工程を行った後に、絶縁層22,32の表面をCMPにより平坦化する第8の平坦化工程を行った後に、絶縁層22,32の厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続する第2の貫通配線25b,35bを形成する第2の貫通配線形成工程を行い、その後、半導体基板2,3それぞれに対して、第1の接合用パッド24aおよび第3の接合用パッド34aを形成する第1の接合用パッド形成工程および第3の接合用パッド形成工程と、第2の接合用パッド24bおよび第4の接合用パッド34bを形成する第2の接合用パッド形成工程および第4の接合用パッド形成工程とを行った後に、半導体基板1の接合用パッド14と半導体基板2の第1の接合用パッド24aとを接合する第1の接合工程を行うとともに、半導体基板2の第2の接合用パッド24bと半導体基板3の第1の接合用パッド34aとを接合する第2の接合工程を行い図5に示す構造を得るものであってもよい。
In the bonding method of this embodiment, the thickness of the
ここで、図4(b)に示す構造は、絶縁層22,32の表面側から絶縁層2e,3eの表面側まで貫通する貫通配線25,35が半導体基板2,3の両面側に形成された接合用パッド24a,24b同士、接合用パッド34a,34b同士を接続する構造であるのに対して、図5に示す構造は、接合用パッド24a,24b同士、接合用パッド34a,34b同士を配線層2a,3aを介して接続する構造である点が異なる。
Here, in the structure shown in FIG. 4B, through
しかして、半導体基板1において接合相手の半導体基板2に対向させる面側に形成された絶縁層12の表面を平坦化する第1の平坦化工程と、貫通配線形成工程とを行った後に、絶縁層12の表面を平坦化する第2の平坦化工程を行った後であって、且つ、半導体基板2において接合相手の半導体基板1に対向させる面側に形成された絶縁層2eを厚み方向に貫通する貫通配線形成工程を行った後に、絶縁層2eの表面を平坦化する第3の平坦化工程を行った後に、絶縁層12,2eの表面上に接合用パッド14,24aを形成してから、接合用パッド14,24a同士を接合するので、第1の接合工程の歩留まりを向上させることができる。また、半導体基板2,3において接合相手の半導体基板3,2に対向させる面側に形成された絶縁層22,3eの表面を平坦化する第4の平坦化工程および第5の平坦化工程と、第4の平坦化工程および第5の平坦化工程の前において絶縁層22,3eの厚み方向に貫通し前記半導体素子に電気的に接続される貫通配線25,35を形成する貫通配線形成工程とを行ったを行った後に、絶縁層22,3eの表面上に接合用パッド24b,34aを形成してから、接合用パッド24b,34a同士を接合するので、第2の接合工程の歩留まりを向上させることができる。
Thus, after performing the first planarization step of planarizing the surface of the insulating
また、上述のように、半導体基板1の接合用パッド14と半導体基板2の接合用パッド24a、および半導体基板2の接合用パッド24bと半導体基板3の接合用パッド34aとをそれぞれ接合することにより、絶縁層12,2e,22,3e,32の表面に露出する貫通配線15,25,35の端面の平坦性が低くても、接合工程の歩留まりへの影響が少ないので、第2の平坦化工程乃至第7の平坦化工程において貫通配線15,25,35の前記端面の平坦性を向上させるために研磨速度を遅くする必要がなく、スループットの低下を抑制し、製造コストの上昇を防ぐことができる。
Further, as described above, by bonding the
また、第2の接合工程では、例えば、共晶接合、拡散接合および陽極接合などとは異なり加熱する必要がない常温接合による接合方法を採用するので、加熱による半導体素子の劣化や、半導体基板1,2,3に応力や歪が残留することがほとんどない。従って、半導体基板1,2,3に対して第1の接合工程あるいは第2の接合工程を複数回行っても、熱による半導体素子の劣化や、半導体基板1,2,3に生じる応力や歪による半導体基板1,2,3の劣化が少ない。しかして、半導体基板1に、半導体基板2,3と同様の構造の半導体基板(図示せず)を3枚以上接合して集積した構造を実現することができる。
In the second bonding step, for example, a bonding method using room temperature bonding that does not require heating is employed unlike eutectic bonding, diffusion bonding, anodic bonding, and the like. , 2 and 3 have almost no residual stress or strain. Therefore, even if the first bonding step or the second bonding step is performed a plurality of times on the
ここで、上述の平坦化工程、貫通孔形成工程、貫通配線形成工程、接合用パッド形成工程の順序は、本実施形態の順序に限定されず、半導体基板1,2,3中の構成材料および半導体素子の仕様などにより、適宜選択してもよい。
Here, the order of the flattening step, the through hole forming step, the through wiring forming step, and the bonding pad forming step is not limited to the order of the present embodiment, and the constituent materials in the
1,2,3 半導体基板
12,22,2e,32,3e 絶縁層
14,24,24a,24b,34a,34b 接合用パッド
15,25,25a,25b,35,35a,35b 貫通配線
1, 2, 3
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