(57)【要約】【課題】半導体素子の作り込まれたウエハの積層を経て半導体素子が多層化される半導体装置製造方法において、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく半導体装置を製造するのに適した手法を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置製造方法は、用意工程、薄化工程、および接合工程を少なくとも含む。用意工程では、複数の第１ウエハ積層体が用意される。各第１ウエハ積層体は、素子形成面とこれとは反対の裏面とをそれぞれが有する第１ウエハおよび第２ウエハを含み、且つ当該第１および第２ウエハの素子形成面側どうしが接合された積層構成を有する。薄化工程では、第１ウエハ積層体の第１ウエハが薄化され、当該薄化第１ウエハを有する第１ウエハ積層体が形成される。接合工程では、薄化工程を経た二つの第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハ側どうしが接合されて、第２ウエハ積層体が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子形成面およびこれとは反対の裏面を有する第１ウエハ並びに素子形成面およびこれとは反対の裏面を有する第２ウエハを含み、且つ当該第１および第２ウエハの素子形成面側どうしが接合された積層構成、を有する複数の第１ウエハ積層体を用意する工程と、
前記第１ウエハ積層体の第１ウエハを薄化して、当該薄化第１ウエハを有する第１ウエハ積層体を形成する、少なくとも二つの薄化工程と、
前記薄化工程を経た二つの第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハ側どうしを接合して第２ウエハ積層体を形成する接合工程と、を含む半導体装置製造方法。
【請求項２】
前記第１ウエハ積層体における第１および第２ウエハ積層体の間は接着剤層を介して或いは直接接合によって接合されている、請求項１に記載の半導体装置製造方法。
【請求項３】
前記接合工程では、前記二つの第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハの間を接着剤層を介して或いは直接接合によって接合する、請求項１または２に記載の半導体装置製造方法。
【請求項４】
前記第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハの裏面から他端に位置する第２ウエハの素子形成面に至るまで当該第２ウエハ積層体内を貫通して延びる貫通電極、を形成する貫通電極形成工程を更に含む、請求項１から３のいずれか一つに記載の半導体装置製造方法。
【請求項５】
前記貫通電極形成工程の前に、前記第２ウエハ積層体における積層方向の前記一端に位置する前記第２ウエハを薄化する工程を更に含む、請求項４に記載の半導体装置製造方法。
【請求項６】
第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハを薄化して、当該薄化第２ウエハを有する第２ウエハ積層体を形成する、少なくとも一つの追加薄化工程と、
前記追加薄化工程を経た第２ウエハ積層体の薄化第２ウエハに対し、前記薄化工程を経た第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハを接着剤層を介して或いは直接接合によって接合して、ウエハ層数が増加された第２ウエハ積層体を形成する、前記追加薄化工程ごとに行われる追加接合工程と、を更に含む、請求項１から５のいずれか一つに記載の半導体装置製造方法。
【請求項７】
前記追加接合工程後の第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハの裏面から他端に位置する第２ウエハの素子形成面に至るまで当該第２ウエハ積層体内を貫通して延びる貫通電極、を形成する貫通電極形成工程を更に含む、請求項６に記載の半導体装置製造方法。
【請求項８】
前記追加接合工程の後であり且つ前記貫通電極形成工程の前に、前記第２ウエハ積層体における積層方向の前記一端に位置する前記第２ウエハを薄化する工程を更に含む、請求項７に記載の半導体装置製造方法。
【請求項９】
前記貫通電極形成工程の後に、前記第２ウエハ積層体における積層方向の前記他端に位置する前記第２ウエハを薄化する工程を更に含む、請求項４,５,７,８のいずれか一つに記載の半導体装置製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、それぞれに複数の半導体素子が作り込まれた所定数の半導体ウエハが順次に積層されて、半導体素子がその厚さ方向に連なる構造が形成され、当該ウエハ積層体がダイシング工程を経て半導体デバイスへと個片化される。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１,２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０３２７２９号
【特許文献２】特開２０１６−１７８１６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＷＯＷプロセスにおいて半導体ウエハを順次に積層する手法の一つとして、サポートウエハ上の薄化ウエハを他のウエハに対して接合した後にサポートウエハを薄化ウエハから取り外すという過程を繰り返す方法が知られている。
【０００５】
この方法では、まず、サポートウエハと半導体ウエハとを仮接着剤を介して貼り合わせる。半導体ウエハは、トランジスタ形成工程や配線形成工程などを経て複数の半導体素子が形成された素子形成面と、これとは反対の裏面とを有し、素子形成面側にて仮接着剤を介してサポートウエハに接合される。仮接着剤は、サポートウエハと半導体ウエハとの間の、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。
【０００６】
次に、サポートウエハ上の半導体ウエハをその裏面側からの研削によって薄化する。そして、こうして形成された薄化ウエハを、所定のベースウエハ、またはベースウエハ上に先行して積層されている別の薄化ウエハに対し、例えば接着剤を介して貼り合わせる（ウエハ積層工程）。次に、サポートウエハと薄化ウエハとの間の仮接着状態を解除して、ベースウエハ側に薄化ウエハを残してサポートウエハの取外しを行う。その後、サポートウエハが取り外された後の薄化ウエハ表面を洗浄する。
【０００７】
以上のような一連の工程の繰り返しにより、ベースウエハ上に複数の薄い半導体ウエハを積層することができる。
【０００８】
しかしながら、このような方法によると、厚さ方向において非対称的な積層構成を有するウエハ積層体が形成される。上述の方法により順次に積層される薄化ウエハ間の接合態様は、ベースウエハ上に先行して積層されている薄化ウエハの素子形成面と、サポートウエハに伴われて更に積層される薄化ウエハの裏面との接合、即ちFace-to-Backでの接合である。形成されるウエハ積層体では、このような接合態様が積層方向に連続する。すなわち、形成されるウエハ積層体は、その厚さ方向において非対称的な積層構成を有するのである。非対称的な積層構成を有するウエハ積層体は、反りやすい。この反りの程度は、当該ウエハ積層体のウエハ総数（即ち、ウエハ間接合の総数）が増えるほど、累積して大きくなる傾向にある。ウエハ積層体の反りは、当該ウエハ積層体に対して各種の加工工程を高精度で行ううえで好ましくない。
【０００９】
また、上述の方法においては、形成目的のウエハ積層体には含まれないサポートウエハを半導体ウエハと仮接着するための工程や、当該サポートウエハの取外しを行う工程、更には当該取外し後の洗浄工程が、必要である。これら工程の実施は、設備投資費や使用材料費などの製造コストを抑制するという観点からは好ましくない。これら工程の実施は、製造過程における工程数を抑制するという観点からも好ましくない。
【００１０】
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、その目的は、半導体素子の作り込まれたウエハの積層を経て半導体素子が多層化される半導体装置製造方法において、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく半導体装置を製造するのに適した手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明により提供される半導体装置製造方法は、次のような用意工程、薄化工程、および接合工程を少なくとも含む。用意工程では、必要数の複数の第１ウエハ積層体が用意される。各第１ウエハ積層体は、素子形成面およびこれとは反対の裏面を有する第１ウエハと、素子形成面およびこれとは反対の裏面を有する第２ウエハとを含み、これら第１および第２ウエハの素子形成面側どうしが、例えば接着剤層を介して或いは直接接合により、接合された積層構成を有する。第１ウエハおよび第２ウエハは、それぞれ、半導体素子が作り込まれ得る半導体ウエハ本体を有するウエハであり、その素子形成面とは、トランジスタ形成工程や必要な場合には配線形成工程などを経て複数の半導体素子が形成されている側の面である。薄化工程では、第１ウエハ積層体の第１ウエハが薄化されて、当該薄化第１ウエハを有する第１ウエハ積層体が形成される。このような薄化工程は、第１ウエハ積層体ごとに行われ、少なくとも２回（即ち、２回以上の必要回数）行われる。接合工程では、薄化工程を経た二つの第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハどうしが、例えば接着剤層を介して或いは直接接合により、接合されて、第２ウエハ積層体が形成される。
【００１２】
本半導体装置製造方法の接合工程では、上述のように、薄化工程を経た二つの第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハ間が接合される。これら第１ウエハ積層体は、それぞれ、薄化第１ウエハに加えて第２ウエハを含む積層構成を有する。したがって、接合工程によって形成される第２ウエハ積層体は、二つの第２ウエハと、素子形成面側どうしが接合されて当該第２ウエハ間に介在する二つの薄化第１ウエハとを含む、厚さ方向において対称的な積層構成を有する。厚さ方向において対称的な積層構成を有するウエハ積層体は、反りにくい。したがって、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ半導体装置を製造するのに適する。
【００１３】
加えて、本半導体装置製造方法では、素子形成面を有するウエハの薄化とその後の積層にあたり、形成目的のウエハ積層体には含まれないサポートウエハを利用しない。そのため、本半導体装置製造方法では、他の方法に関して上述したサポートウエハ仮接着工程、サポートウエハ取外し工程、および、その後の薄化ウエハ表面洗浄工程は、必要ない。このような構成は、半導体装置を効率よく製造するのに適する。このような構成は、具体的には、設備投資費や使用材料費など製造コストの抑制、および、製造過程における工程数の抑制の観点から、好ましい。
【００１４】
以上のように、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく半導体装置を製造するのに適する。
【００１５】
本半導体装置製造方法は、好ましくは、第２ウエハ積層体内に貫通電極を形成する工程を更に含む。この工程で形成される貫通電極は、上述の薄化工程で形成された第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハの裏面から他端に位置する第２ウエハの素子形成面に至るまで、当該第２ウエハ積層体内を貫通して延びるものである。より好ましくは、本半導体装置製造方法は、このような貫通電極形成工程の前に、第２ウエハ積層体における積層方向の前記一端に位置する第２ウエハを薄化する工程を更に含む。これら構成によると、製造される半導体装置において、半導体素子間を短距離で適切に電気的接続できる。したがって、これら構成は、製造される半導体装置において、効率の良いデジタル信号処理を実現するうえで好適であり、高周波信号の減衰を抑制するうえで好適であり、また、消費電力を抑制するうえで好適である。
【００１６】
本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薄化工程と、当該追加薄化工程ごとに行われるその後の追加接合工程とを更に含む。追加薄化工程では、第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハが薄化されて、当該薄化第２ウエハを有する第２ウエハ積層体が形成される。その後の追加接合工程では、第２ウエハ積層体の薄化第２ウエハに対し、上述の薄化工程を経た第１ウエハ積層体の薄化第１ウエハが接着剤層を介して或いは直接接合によって接合されて、ウエハ層数が増加された第２ウエハ積層体が形成される。追加薄化工程に供される第２ウエハ積層体は、上述の接合工程において形成された第２ウエハ積層体、または、先行の追加薄化工程とその後の追加接合工程とを経た第２ウエハ積層体である。
【００１７】
このような追加薄化工程とその後の追加接合工程を経ることによって形成される第２ウエハ積層体は、ウエハ積層数が６以上であり、且つ、その厚さ方向において対称的な積層構成を有する。また、これら追加薄化工程および追加接合工程では、素子形成面を有するウエハの薄化とその後の積層にあたり、他の方法に関して上述したサポートウエハ仮接着工程、サポートウエハ取外し工程、および、その後の薄化ウエハ表面洗浄工程は、必要ない。したがって、上記のような追加薄化工程と追加接合工程とを本半導体装置製造方法が含むという構成は、半導体素子積層数が６以上の半導体装置を、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく製造するのに適する。
【００１８】
本半導体装置製造方法は、好ましくは、追加接合工程後の第２ウエハ積層体内に貫通電極を形成する工程を更に含む。この工程で形成される貫通電極は、上述の追加薄化工程で形成された第２ウエハ積層体における積層方向の一端に位置する第２ウエハの裏面から他端に位置する第２ウエハの素子形成面に至るまで、当該第２ウエハ積層体内を貫通して延びるものである。より好ましくは、本半導体装置製造方法は、このような貫通電極形成工程の前に、追加接合工程後の第２ウエハ積層体における積層方向の前記一端に位置する第２ウエハを薄化する工程を更に含む。これら構成によると、製造される半導体装置において、積層数６以上の半導体素子間を短距離で適切に電気的接続できる。したがって、これら構成は、製造される半導体装置において、効率の良いデジタル信号処理を実現するうえで好適であり、高周波信号の減衰を抑制するうえで好適であり、また、消費電力を抑制するうえで好適である。
【００１９】
本半導体装置製造方法は、好ましくは、上述の貫通電極形成工程の後に、第２ウエハ積層体における積層方向の上記他端に位置する第２ウエハを薄化する工程を更に含む。このような構成は、製造される半導体装置の薄型化を図るのに適する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図２】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図３】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図４】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図５】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図６】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図７】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図８】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図９】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図１０】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図１１】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【図１２】本発明の一の実施形態に係る半導体装置製造方法における一部の工程を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１から図６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６のそれぞれは、製造過程を部分断面図で表すものである。
【００２２】
本半導体装置製造方法においては、まず、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ウエハ１１とウエハ１２とが接着剤を介して接合されてウエハ積層体Ｗ１が作製される。ウエハ積層体Ｗ１は、ウエハ１１,１２およびこれらの間の接着剤層２１を含む積層構造を有する。本方法では、このようなウエハ積層体Ｗ１が、必要数、用意される。
【００２３】
ウエハ１１は、半導体素子が作り込まれ得る半導体ウエハ本体を有するウエハであり、素子形成面１１ａおよびこれとは反対の裏面１１ｂを有する。素子形成面１１ａとは、トランジスタ形成工程や配線形成工程などを経て複数の半導体素子（図示略）が形成されている側の面である。本実施形態では、各半導体素子は、露出する電極パッドを含む多層配線構造部を表面に有する。ウエハ１１の半導体ウエハ本体をなすため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。ウエハ１１の厚さは、例えば５００〜１０００μｍである。
【００２４】
ウエハ１２は、半導体素子が作り込まれ得る半導体ウエハ本体を有するウエハであり、素子形成面１２ａおよびこれとは反対の裏面１２ｂを有する。素子形成面１２ａとは、トランジスタ形成工程や配線形成工程などを経て複数の半導体素子（図示略）が形成されている側の面である。本実施形態では、各半導体素子は、露出する電極パッドを含む多層配線構造部を表面に有する。ウエハ１２の半導体ウエハ本体をなすための構成材料としては、例えば、ウエハ１１の半導体ウエハ本体をなすための構成材料として上掲したものが挙げられる。ウエハ１２の厚さは、例えば５００〜１０００μｍである。
【００２５】
これらウエハ１１,１２の素子形成面１１ａ,１２ａどうしが接合されてウエハ積層体Ｗ１が作製される（Face-to-Faceでの接合）。
【００２６】
接着剤層２１は、本実施形態では熱硬化型接着剤を含有する。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。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の厚さは、例えば０.５〜２０μｍである。
【００２７】
ウエハ１１,１２間の接合は、例えば次のようにして行うことができる。まず、一方のウエハの素子形成面に接着剤組成物を、例えば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する。次に、当該組成物層を加熱によって乾燥させて固化させる。これにより、完全硬化して接着剤層２１をなすこととなる接着剤層が形成される。接着剤の塗布より前に、ウエハ１１の素子形成面１１ａ側、および／または、ウエハ１２の素子形成面１２ａ側は、形成される接着剤層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。ウエハ１１,１２間の接合工程では、次に、ウエハ１１とウエハ１２とを、それらの間に介在する接着剤層を介して、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を加熱によって硬化させて接着剤層２１を形成する。この加熱に関し、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。例えば以上のようにして、接着剤層２１を介してウエハ１１,１２間が接合される。
【００２８】
本実施形態においては、次に、図１（ｃ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ１のウエハ１１が薄化される（薄化工程）。これにより、薄化されたウエハ１１を有するウエハ積層体Ｗ１が形成される。本工程では、例えば、ウエハ１１の裏面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１〜２０μｍである。
【００２９】
本半導体装置製造方法では、このような薄化工程が２回以上の必要回数 行われ、薄化されたウエハ１１を有する必要数のウエハ積層体Ｗ１が用意される。
【００３０】
本実施形態においては、次に、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、薄化工程を経た二つのウエハ積層体Ｗ１のウエハ１１（薄化ウエハ）間が接着剤層２１を介して接合されて、ウエハ積層体Ｗ２が形成される（接合工程）。上述のように、接着剤層２１は本実施形態では熱硬化型接着剤を含有し、接着剤層２１の厚さは例えば０.５〜２０μｍである。本工程では、二つのウエハ積層体Ｗ１におけるウエハ１１（薄化ウエハ）の裏面１１ｂどうしが接合されてウエハ積層体Ｗ２が形成される（Back-to-Backでの接合）。
【００３１】
この接合工程は、例えば次のようにして行うことができる。まず、一方のウエハ積層体Ｗ１における薄化されたウエハ１１の裏面１１ｂに、接着剤組成物を例えば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する。次に、当該組成物層を加熱によって乾燥させて固化させる。これにより、完全硬化して接着剤層２１をなすこととなる接着剤層が形成される。接着剤の塗布より前に、一方のウエハ積層体Ｗ１におけるウエハ１１の裏面１１ｂ側、および／または、他方のウエハ積層体Ｗ１におけるウエハ１１の裏面１１ｂ側は、形成される接着剤層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。本工程では、次に、一方のウエハ積層体Ｗ１ないしその薄化されたウエハ１１と他方のウエハ積層体Ｗ１ないしその薄化されたウエハ１１とを、それらの間に介在する接着剤層を介して、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、ウエハ積層体Ｗ１,Ｗ１間に介在する接着剤層を加熱によって硬化させて接着剤層２１を形成する。この加熱に関し、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。例えば以上のようにして、接着剤層２１を介してウエハ積層体間が接合される。
【００３２】
本実施形態においては、次に、図２（ｃ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ２における積層方向の一端に位置するウエハ１２が薄化される（追加薄化工程）。これにより、薄化されたウエハ１２を有するウエハ積層体Ｗ２が形成される。本工程では、例えば、一のウエハ１２の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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。
【００３３】
本実施形態においては、次に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、追加薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ２の薄化されたウエハ１２に対し、図１（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ１の薄化されたウエハ１１を、接着剤層２１を介して接合する（追加接合工程）。これにより、ウエハ層数が増加されたウエハ積層体Ｗ２が形成される。上述のように、接着剤層２１は本実施形態では熱硬化型接着剤を含有し、接着剤層２１の厚さは例えば０.５〜２０μｍである。
【００３４】
この追加接合工程は、例えば次のようにして行うことができる。まず、一方のウエハ積層体における薄化されたウエハの裏面に、接着剤組成物を例えば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する。次に、当該組成物層を加熱によって乾燥させて固化させる。これにより、完全硬化して接着剤層２１をなすこととなる接着剤層が形成される。接着剤の塗布より前に、ウエハ積層体Ｗ１のウエハ１１の裏面１１ｂ側、および／または、ウエハ積層体Ｗ２のウエハ１２の裏面１２ｂ側は、形成される接着剤層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。本工程では、次に、ウエハ積層体Ｗ２ないしその薄化されたウエハ１２とウエハ積層体Ｗ１ないしその薄化されたウエハ１１とを、それらの間に介在する接着剤層を介して、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、ウエハ積層体Ｗ１,Ｗ２間に介在する接着剤層を加熱によって硬化させて接着剤層２１を形成する。この加熱に関し、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。例えば以上のようにして、接着剤層２１を介してウエハ積層体間が接合される。
【００３５】
本半導体装置製造方法においては、図２（ｃ）を参照して上述した追加薄化工程（ウエハ積層体Ｗ２の一端のウエハ１２を薄化する工程）と、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して上述した追加接合工程（ウエハ積層体Ｗ２の更なる多層化の工程）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。追加薄化工程ごとに、それより後の追加接合工程が行われる。図４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Ｗ２を一例として表す。
【００３６】
本実施形態においては、次に、図５（ａ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ２における積層方向の一端に位置するウエハ１２が薄化される。本工程では、例えば、一のウエハ１２の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示すように貫通電極３１が形成される（貫通電極形成工程）。貫通電極３１は、ウエハ積層体Ｗ２において異なるウエハに形成されている半導体素子間を電気的に接続するためのものである。貫通電極３１は、具体的には、ウエハ積層体Ｗ２における積層方向の一端（図中上端）に位置するウエハ１２（ウエハ１２'）の裏面１２ｂから他端（図中下端）に位置するウエハ１２（ウエハ１２”）の素子形成面１２ａに至るまで、当該ウエハ積層体Ｗ２内を貫通して延びる。このような貫通電極３１は、ウエハ積層体Ｗ２におけるウエハ１２'の側からウエハ１２”の素子形成面１２ａに至るまでの開口部の形成、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、形成することができる。また、貫通電極３１の形成には、例えば特開２０１６−４８３５号公報に記載の手法を採用してもよい。
【００３８】
本実施形態においては、次に、図６に示すように、ウエハ積層体Ｗ２におけるウエハ１２”が薄化される。本工程では、例えば、ウエハ１２”の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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５〜４００μｍである。本工程の実施は、製造される半導体装置の薄型化を図るうえで好ましい。
【００３９】
この後、ウエハ積層体Ｗ２におけるウエハ１２'の裏面１２ｂ側に外部接続用バンプ（図示略）を形成してもよい（外部接続用バンプ形成工程）。或いは、ウエハ積層体Ｗ２におけるウエハ１２”をその厚さ方向に貫通して当該ウエハ１２”の素子形成面１２ａ側の多層配線構造部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１２”の裏面１２ｂ側に形成してもよい。
【００４０】
以上のようにして、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。また、本半導体装置製造方法では、図２（ｃ）を参照して上述した工程の後、ウエハ積層体Ｗ２の更なる多層化を経ずに、図５（ｂ）を参照して上述した貫通電極形成工程と図６を参照して上述した工程とを行ってもよい。その後、外部接続用バンプを形成してもよい。
【００４１】
本半導体装置製造方法の接合工程では、図１（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経た二つのウエハ積層体Ｗ１の薄化されたウエハ１１間が接着剤層２１を介して接合される。これらウエハ積層体Ｗ１は、それぞれ、薄化されたウエハ１１に加えてウエハ１２を含む積層構成を有する。したがって、当該接合工程によって形成されるウエハ積層体Ｗ２は、二つのウエハ１２と、素子形成面１１ａどうしが接合されて当該ウエハ１２間に介在する二つの薄化されたウエハ１１とを含む、厚さ方向において対称的な積層構成を有する。厚さ方向において対称的な積層構成を有するウエハ積層体Ｗ２は、反りにくい。したがって、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ半導体装置を製造するのに適する。
【００４２】
また、本半導体装置製造方法における少なくとも一つの追加接合工程では、図２（ｃ）を参照して上述した追加薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ２の薄化されたウエハ１２に対し、図１（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ１の薄化されたウエハ１１を、接着剤層２１を介して接合する。各追加接合工程によって形成されるウエハ積層体Ｗ２も、その厚さ方向において対称的な積層構成を有し、反りにくい。したがって、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ半導体装置を製造するのに適する。
【００４３】
加えて、本半導体装置製造方法では、素子形成面１１ａを有するウエハ１１の薄化とその後の積層にあたり、形成目的のウエハ積層体には含まれないサポートウエハを利用しない。そのため、本半導体装置製造方法では、他の方法に関して上述したサポートウエハ仮接着工程、サポートウエハ取外し工程、および、その後の薄化ウエハ表面洗浄工程は、必要ない。このような構成は、設備投資費や使用材料費など製造コストの抑制の観点および製造過程における工程数の抑制の観点から好ましく、半導体装置を効率よく製造するのに適する。
【００４４】
以上のように、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく半導体装置を製造するのに適する。
【００４５】
本半導体装置製造方法では、上述のように、ウエハ積層体Ｗ２における積層方向の一端に位置する薄化されたウエハ１２'の裏面１２ｂから他端に位置するウエハ１２”の素子形成面１２ａに至るまで当該ウエハ積層体Ｗ２内を貫通して延びる貫通電極３１が、形成される。このような貫通電極３１によると、製造される半導体装置において、半導体素子間を短距離で適切に電気的接続できる。したがって、貫通電極３１の形成は、製造される半導体装置において、効率の良いデジタル信号処理を実現するうえで好適であり、高周波信号の減衰を抑制するうえで好適であり、また、消費電力を抑制するうえで好適である。
【００４６】
図７から図１２は、本発明の他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７から図１２のそれぞれは、製造過程を部分断面図で表すものである。
【００４７】
本半導体装置製造方法においては、まず、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ウエハ１１とウエハ１２とが直接接合されてウエハ積層体Ｗ３が作製される。ウエハ１１,１２は、上述の実施形態におけるウエハ１１,１２と同様である。具体的には、ウエハ１１は、素子形成面１１ａおよびこれとは反対の裏面１１ｂを有し、ウエハ１２は、素子形成面１２ａおよびこれとは反対の裏面１２ｂを有する。素子形成面１１ａ,１２ａとは、トランジスタ形成工程や配線形成工程などを経て複数の半導体素子（図示略）が形成されている側の面であり、各半導体素子は、露出する電極パッドを含む多層配線構造部を表面に有する。これらウエハ１１,１２の素子形成面１１ａ,１２ａどうしが接合されてウエハ積層体Ｗ３が作製される（Face-to-Faceでの接合）。
【００４８】
ウエハ積層体Ｗ３の作製においては、具体的には、ウエハ１１の素子形成面１１ａ側とウエハ１２の素子形成面１２ａ側とが直接接合される。直接接合とは、樹脂系接着材料が用いられない接合手法をいうものとする。直接接合としては、例えば、いわゆる常温接合や、素子形成面上などウエハ表面に設けられる酸化膜を介しての酸化膜直接接合、および、ウエハ表面に露出電極を有する場合の電極間ダイレクト接合（例えば、Ｃｕ電極パッド間のＣｕ-Ｃｕ接合）が挙げられる。後記の直接接合についても同様である。
【００４９】
本実施形態においては、次に、図７（ｃ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ３のウエハ１１が薄化される（薄化工程）。これにより、薄化されたウエハ１１を有するウエハ積層体Ｗ３が形成される。本工程では、例えば、ウエハ１１の裏面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１〜２０μｍである。
【００５０】
本半導体装置製造方法では、このような薄化工程が２回以上の必要回数 行われ、薄化されたウエハ１１を有する必要数のウエハ積層体Ｗ３が用意される。
【００５１】
本実施形態においては、次に、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、薄化工程を経た二つのウエハ積層体Ｗ３のウエハ１１（薄化ウエハ）間が直接接合によって接合されて、ウエハ積層体Ｗ４が形成される（接合工程）。本工程では、二つのウエハ積層体Ｗ３におけるウエハ１１（薄化ウエハ）の裏面１１ｂどうしが接合されてウエハ積層体Ｗ４が形成される（Back-to-Backでの接合）。
【００５２】
本実施形態においては、次に、図８（ｃ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ４における積層方向の一端に位置するウエハ１２が薄化される（追加薄化工程）。これにより、薄化されたウエハ１２を有するウエハ積層体Ｗ４が形成される。本工程では、例えば、一のウエハ１２の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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。
【００５３】
本実施形態においては、次に、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、追加薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ４の薄化されたウエハ１２に対し、図７（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ３の薄化されたウエハ１１を、直接接合によって接合する（追加接合工程）。これにより、ウエハ層数が増加されたウエハ積層体Ｗ４が形成される。
【００５４】
本半導体装置製造方法においては、図８（ｃ）を参照して上述した追加薄化工程（ウエハ積層体Ｗ４の一端のウエハ１２を薄化する工程）と、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して上述した追加接合工程（ウエハ積層体Ｗ４の更なる多層化の工程）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。追加薄化工程ごとに、それより後の追加接合工程が行われる。図１０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Ｗ４を一例として表す。
【００５５】
本実施形態においては、次に、図１１（ａ）に示すように、ウエハ積層体Ｗ４における積層方向の一端に位置するウエハ１２が薄化される。本工程では、例えば、一のウエハ１２の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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。
【００５６】
次に、図１１（ｂ）に示すように貫通電極３１が形成される（貫通電極形成工程）。貫通電極３１は、ウエハ積層体Ｗ４において異なるウエハに形成されている半導体素子間を電気的に接続するためのものである。貫通電極３１は、具体的には、ウエハ積層体Ｗ４における積層方向の一端（図中上端）に位置するウエハ１２（ウエハ１２'）の裏面１２ｂから他端（図中下端）に位置するウエハ１２（ウエハ１２”）の素子形成面１２ａに至るまで、当該ウエハ積層体Ｗ４内を貫通して延びる。このような貫通電極３１は、ウエハ積層体Ｗ４におけるウエハ１２'の側からウエハ１２”の素子形成面１２ａに至るまでの開口部の形成、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、形成することができる。また、貫通電極３１の形成には、例えば特開２０１６−４８３５号公報に記載の手法を採用してもよい。
【００５７】
本実施形態においては、次に、図１２に示すように、ウエハ積層体Ｗ４におけるウエハ１２”が薄化される。本工程では、例えば、ウエハ１２”の裏面１２ｂ側に対する研削加工によって当該ウエハ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５〜４００μｍである。本工程の実施は、製造される半導体装置の薄型化を図るうえで好ましい。
【００５８】
この後、ウエハ積層体Ｗ４におけるウエハ１２'の裏面１２ｂ側に外部接続用バンプ（図示略）を形成してもよい（外部接続用バンプ形成工程）。或いは、ウエハ積層体Ｗ４におけるウエハ１２”をその厚さ方向に貫通して当該ウエハ１２”の素子形成面１２ａ側の多層配線構造部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１２”の裏面１２ｂ側に形成してもよい。
【００５９】
以上のようにして、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。
【００６０】
本半導体装置製造方法における上記の複数の直接接合のうちの一部については、例えば上述の接着剤層２１による接合のような、接着剤を利用した接合手法に代えてもよい。
【００６１】
また、本半導体装置製造方法では、図８（ｃ）を参照して上述した工程の後、ウエハ積層体Ｗ４の更なる多層化を経ずに、図１１（ｂ）を参照して上述した貫通電極形成工程と図１２を参照して上述した工程とを行ってもよい。その後、外部接続用バンプを形成してもよい。
【００６２】
本半導体装置製造方法の接合工程では、図７（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経た二つのウエハ積層体Ｗ３の薄化されたウエハ１１間が接合される。これらウエハ積層体Ｗ３は、それぞれ、薄化されたウエハ１１に加えてウエハ１２を含む積層構成を有する。したがって、当該接合工程によって形成されるウエハ積層体Ｗ４は、二つのウエハ１２と、素子形成面１１ａどうしが接合されて当該ウエハ１２間に介在する二つの薄化されたウエハ１１とを含む、厚さ方向において対称的な積層構成を有する。厚さ方向において対称的な積層構成を有するウエハ積層体Ｗ４は、反りにくい。したがって、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ半導体装置を製造するのに適する。
【００６３】
また、本半導体装置製造方法における少なくとも一つの追加接合工程では、図８（ｃ）を参照して上述した追加薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ４の薄化されたウエハ１２に対し、図７（ｃ）を参照して上述した薄化工程を経たウエハ積層体Ｗ３の薄化されたウエハ１１側を接合する。各追加接合工程によって形成されるウエハ積層体Ｗ４も、その厚さ方向において対称的な積層構成を有し、反りにくい。したがって、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ半導体装置を製造するのに適する。
【００６４】
加えて、本半導体装置製造方法では、素子形成面１１ａを有するウエハ１１の薄化とその後の積層にあたり、形成目的のウエハ積層体には含まれないサポートウエハを利用しない。そのため、本半導体装置製造方法では、他の方法に関して上述したサポートウエハ仮接着工程、サポートウエハ取外し工程、および、その後の薄化ウエハ表面洗浄工程は、必要ない。このような構成は、設備投資費や使用材料費など製造コストの抑制の観点および製造過程における工程数の抑制の観点から好ましく、半導体装置を効率よく製造するのに適する。
【００６５】
以上のように、本半導体装置製造方法は、ウエハ積層体の反りを抑制しつつ効率よく半導体装置を製造するのに適する。
【００６６】
本半導体装置製造方法では、上述のように、ウエハ積層体Ｗ４における積層方向の一端に位置する薄化されたウエハ１２'の裏面１２ｂから他端に位置するウエハ１２”の素子形成面１２ａに至るまで当該ウエハ積層体Ｗ４内を貫通して延びる貫通電極３１が、形成される。このような貫通電極３１によると、製造される半導体装置において、半導体素子間を短距離で適切に電気的接続できる。したがって、貫通電極３１の形成は、製造される半導体装置において、効率の良いデジタル信号処理を実現するうえで好適であり、高周波信号の減衰を抑制するうえで好適であり、また、消費電力を抑制するうえで好適である。
【実施例】
【００６７】
〔実施例１〕
〈接着剤組成物の作製〉
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）０.０１質量部とを混合し、接着剤組成物（接着剤組成物Ｃ）を得た。
【００６８】
〈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（炭酸カリウムとして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。当該滴下操作の後、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。
【００６９】
〈ウエハ積層体の作製〉
以下のような第１ウエハ積層体の形成、第１ウエハ積層体における一方のウエハの薄化、および、当該薄化工程を経た第１ウエハ積層体どうしの接合を経て、本実施例のウエハ積層体（第２ウエハ積層体）を作製した。
【００７０】
第１ウエハ積層体の形成においては、まず、２枚のウエハを用意した。各ウエハは、多層配線構造部を含む複数の半導体素子がシリコンウエハ本体（厚さ７７５μｍ）の片面に既に作り込まれ、且つこの素子形成面にシランカップリング剤処理が施されたものである。シランカップリング剤処理においては、ウエハの素子形成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ウエハ積層体の形成においては、次に、一方のウエハの素子形成面に、上記の接着剤組成物Ｃ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。次に、この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、接着剤組成物層を乾燥させ、ウエハの素子形成面上に未硬化の接着剤層（厚さ２.５μｍ）を形成した。次に、当該接着剤層付きウエハと他方のウエハとを当該接着剤層を介して加圧しつつ貼り合わせた後、１５０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、これによって当該接着剤層を硬化させて２枚のウエハを接合した（Face-to-Faceでの接合）。貼り合わせは、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で行った。以上のようにして、二つの第１ウエハ積層体を形成した。
【００７１】
次に、各第１ウエハ積層体における一方のウエハを薄化した。具体的には、第１ウエハ積層体における一方のウエハの裏面側に対してグラインド装置（株式会社ディスコ製）を使用して研削加工を行うことによって、当該ウエハを厚さ１０μｍまで薄化した。この後、薄化されたウエハの表面（研削加工面）に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）をスピンコーティングによって塗布した後、１２０℃での５分間の加熱を行った（シランカップリング剤処理）。以上のようにして、一方のウエハが薄化された第１ウエハ積層体を二つ形成した。
【００７２】
次に、上述の薄化工程を経た二つの第１ウエハ積層体を接合した。具体的には、まず、一方の第１ウエハ積層体における薄化ウエハの裏面に、上記の接着剤組成物Ｃ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。次に、この組成物層を伴う第１ウエハ積層体について、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ウエハ積層体の薄化ウエハの裏面上に未硬化の接着剤層（厚さ２.５μｍ）を形成した。次に、当該接着剤層付き第１ウエハ積層体における薄化ウエハの裏面と、他方の第１ウエハ積層体における薄化ウエハの裏面とを、当該接着剤層を介して加圧しつつ貼り合わせた。貼り合わせは、温度５０℃および加圧力３０００ｇ／ｃｍ2の条件で行った。この後、当該ウエハ積層体について、１５０℃で３０分間の加熱を行い、続いて１７０℃で３０分間の加熱を行い、接着剤層を硬化させて当該二つの第１ウエハ積層体を接合した(Back-to-Backでの接合)。
【００７３】
以上のようにして、４層のウエハを含む本実施例のウエハ積層体（第２ウエハ積層体）を作製した。本実施例のウエハ積層体は、上記のBack-to-Back接合に係る接着剤層が対象面をなす対称的な積層構成を有し、反りを抑制するのに適する。
【符号の説明】
【００７４】
Ｗ１，Ｗ３        ウエハ積層体（第１ウエハ積層体）
Ｗ２，Ｗ４        ウエハ積層体（第２ウエハ積層体）
１１              ウエハ（第１ウエハ）
１２,１２',１２” ウエハ（第２ウエハ）
１１ａ，１２ａ    素子形成面
１１ｂ，１２ｂ    裏面
２１              接着剤層
３１              貫通電極
【図１】
2020068252.tif 000003
【図２】
2020068252.tif 000004
【図３】
2020068252.tif 000005
【図４】
2020068252.tif 000006
【図５】
2020068252.tif 000007
【図６】
2020068252.tif 000008
【図７】
2020068252.tif 000009
【図８】
2020068252.tif 000010
【図９】
2020068252.tif 000011
【図１０】
2020068252.tif 000012
【図１１】
2020068252.tif 000013
【図１２】
2020068252.tif 000014