(57)【要約】【課題】シリコンとは異種材料の半導体材料を利用した半導体装置を製造する工程において、小口径半導体ウェハを基板とする半導体装置の製造工程を、大口径シリコンウェハを基板とする半導体装置の製造工程と同程度に、半導体装置を量産する。【解決手段】大口径シリコンウェハの表面に、シリコンとは異種材料の小口径半導体ウェハを貼り付ける。または前記大口径シリコンウェハの表面にチップサイズにダイシングした半導体基板を貼り付ける。前記貼り付け工程では、予め大口径シリコンウェハ及び／又は小口径半導体ウェハの貼り付け面に酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜を介して大口径シリコンウェハと小口径半導体ウェハ又は半導体基板をダイレクトボンディングする。その状態で前記半導体ウェハ又は半導体基板の表面に半導体構造を作りこむ。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を製造する方法であり、
大口径シリコンウェハの表面にシリコンとは異種材料の半導体基板群を貼り付ける工程と、
大口径シリコンウェハの表面に貼り付けられた状態の各々の半導体基板に半導体構造を作りこむ工程を備えており、
前記貼り付け工程では、大口径シリコンウェハの表面及び／又は各々の半導体基板の裏面に予め酸化シリコン膜を形成しておき、その酸化シリコン膜を介して、大口径シリコンウェハの表面に半導体基板群を貼り付けることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記貼り付け工程に先立って、シリコンとは異種材料の小口径半導体ウェハをチップサイズにダイシングする工程を備えており、
前記貼り付け工程では、チップサイズにダイシングした半導体基板群を前記大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることを特徴とする請求項１の製造方法。
【請求項３】
前記貼り付け工程に先立って、前記大口径シリコンウェハの表面にチップサイズにダイシングした各々の半導体基板よりも大きな底を有する窪みを形成する工程を備えており、
前記貼り付け工程では、前記大口径シリコンウェハの窪みの側壁とチップサイズにダイシングした半導体基板の側壁を当接した状態で半導体基板群を前記大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることを特徴とする請求項２の製造方法。
【請求項４】
前記大口径シリコンウェハの表面に形成する窪みは矩形状であり、
チップサイズにダイシングした半導体基板は前記窪みよりも小型の矩形状であり、
前記大口径シリコンウェハの窪みの直交する２側壁と、チップサイズにダイシングした半導体基板の直交する２側壁を当接した状態で半導体基板群を前記大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることを特徴とする請求項３の製造方法。
【請求項５】
前記窪みの深さが、チップサイズにダイシングした半導体基板の厚みよりも浅いことを特徴とする請求項３又は４の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンとは異種材料の半導体材料を基板とする半導体装置の製造方法に関する。特に、大口径シリコンウェハを利用してシリコン半導体装置を量産する場合の量産性を活用し、非シリコン半導体装置を効率的に量産する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧デバイスあるいは高周波デバイス用に、シリコンとは異種材料であり、シリコンよりもバンドギャップが大きい非シリコン半導体材料を利用する半導体装置が知られている。
シリコンウェハは大口径化が進み、近年では１２インチ程度の大口径シリコンウェハが供給されつつあるのに対して、非シリコン半導体材料、特に次世代パワーデバイス材料として注目されている炭化シリコンや窒化ガリウムのウェハサイズは、２インチから３インチ程度にとどまっており、大口径ウェハの入手が困難である。
小口径半導体ウェハで半導体装置を製造すると、１枚のウェハ内に製造可能な半導体装置の個数が少なくなり、半導体装置１個あたりの製造コストが高くなる。
小口径半導体ウェハしか入手できない非シリコン半導体材料を利用する半導体装置の量産性を向上する技術が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明では、小口径半導体ウェハしか入手できない非シリコン半導体材料を利用する半導体装置の製造過程に、大口径シリコンウェハを利用して効率的に量産する技術を取り入れて、非シリコン半導体材料を利用する半導体装置の量産性を向上する技術を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明で創作された非シリコン半導体材料を利用する半導体装置の製造方法は、大口径シリコンウェハの表面にシリコンとは異種材料の半導体基板群を貼り付ける工程と、大口径シリコンウェハの表面に貼り付けられた状態の各々の半導体基板に半導体構造を作りこむ工程を備えている。その貼り付け工程では、大口径シリコンウェハの表面と各々の半導体基板の裏面の少なくとも一方に予め酸化シリコン膜を形成しておき、その酸化シリコン膜を介して大口径シリコンウェハの表面に半導体基板群を貼り付ける。
【０００５】
上記の製造方法では、大口径シリコンウェハの表面に非シリコン半導体基板群を貼り付ける。非シリコン半導体材料のウェハサイズが小型に留まっているのに対し、シリコンウェハでは大口径化が進んでおり、非シリコン半導体材料のウェハに配置可能な半導体装置の個数よりもはるかに多数の非シリコン半導体基板群を一枚のシリコンウェハの表面に貼り付けることができる。その結果、一度に多数の非シリコン半導体基板群を処理することが可能となる。非シリコン半導体材料の小口径半導体ウェハに半導体装置群を作りこむのに比して、より多数の半導体装置群を一度に作りこむことができる。
大口径シリコンウェハの表面に非シリコン半導体基板群を貼り付ける工程に先立って、大口径シリコンウェハ表面と各々の非シリコン半導体基板の裏面の少なくとも一方の面に、酸化シリコン膜を形成しておく。半導体製造工程では熱処理工程を必要とするところ、シリコンの熱膨張係数と非シリコン半導体材料の熱膨張係数が相違するために、両者を不用意に貼り付けると、大口径シリコンウェハ及び／又は非シリコン半導体基板にクラックや反りなどの不具合が発生する。上記の問題は、酸化シリコン膜を利用することで解決される。酸化シリコン膜は高温で粘性特性を示すことから、シリコンと非シリコン半導体材料が異なる比率で熱膨張するのを許容する。大口径シリコンウェハの表面と非シリコン半導体基板の裏面の少なくとも一方に酸化シリコン膜を形成しておいて両者を貼り付けると、大口径シリコンウェハ及び／又は非シリコン半導体基板にクラックや反りなどの不具合が発生することが抑制される。
【０００６】
大口径シリコンウェハの表面に貼り付ける各々の非シリコン半導体基板は、複数の半導体チップを提供する大きさであってもよい。しかしながら、大口径シリコンウェハの表面に貼り付ける各々の非シリコン半導体基板が、１個の半導体チップを提供する大きさであることが好ましい。すなわち、貼り付け工程に先立って、シリコンとは異種材料の小口径半導体ウェハをチップサイズにダイシングする工程を実施し、チップサイズにダイシングした半導体基板群を大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることが好ましい。
上記製造方法によると、大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることができる半導体基板の数が多くなる。即ち、半導体基板群を隙間なく高密度に貼り付けることができ、一度に処理する非シリコン半導体基板の数を増大させることができる。
【０００７】
貼り付け工程に先立って、大口径シリコンウェハの表面に、チップサイズにダイシングした各々の半導体基板よりも大きな底を有する窪みを形成しておくことが好ましい。この場合、大口径シリコンウェハの窪みの側壁とチップサイズにダイシングした半導体基板の側壁を当接した状態で半導体基板群を大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることが好ましい。
上記製造方法によって、各々の半導体基板をシリコンウェハ上の所望する位置に貼り付けることができる。その結果、各々の半導体基板に半導体構造を作りこむ製造工程のフォト工程で、基板とマスクの位置合わせを容易にすることができる。
【０００８】
大口径シリコンウェハの表面に形成する各々の窪みは矩形状であり、チップサイズにダイシングされた半導体基板は各々の窪みよりも小型の矩形状であり、大口径シリコンウェハの各々の窪みの直交する２側壁とチップサイズにダイシングした各々の半導体基板の直交する２側壁を当接した状態で半導体基板群を大口径シリコンウェハの表面に貼り付けることが好ましい。
大口径シリコンウェハの各々の窪みの直交する２側壁とチップサイズにダイシングした各々の半導体基板の直交する２側壁を当接させると、シリコンウェハに貼り付けられた各々の半導体基板の位置は、直交する２方向において位置決めされる。半導体基板に半導体構造を作りこむ製造工程のフォト工程で、基板とマスクの位置合わせ調整をさらに容易にすることができる。
【０００９】
大口径シリコンウェハの表面に形成する窪みの深さが、チップサイズにダイシングした半導体基板の厚みよりも浅いことが好ましい。
その場合、大口径シリコンウェハの表面よりも各々の半導体基板の表面が突出する状態で、各々の半導体基板に半導体構造を作りこむことができる。半導体基板に半導体構造を作りこみ易い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法によると、大口径シリコンウェハの表面に非シリコン半導体基板群を貼り付けておいて、各々の半導体基板に半導体構造を作りこむ。その結果、小口径しか得られない非シリコンウェハを利用して製造する場合よりも多数の半導体装置を一度に製造することができる。このとき、酸化シリコン膜を利用して大口径シリコンウェハと非シリコン半導体基板を貼り付けることから、両者にクラックや反りなどの不具合が発生することが抑制される。
大口径シリコンウェハの表面に予め窪みを形成しておくことができる。その場合、シリコンウェハ上の予定された位置に正確に非シリコン半導体基板を貼り付けることができる。非シリコン半導体基板と、半導体基板に作りこむマスクパターンの位置合わせ作業を容易化することができる。
この際に、窪みの深さを非シリコン半導体基板の厚みよりも浅くする。窪みの深さが非シリコン半導体基板の厚みよりも深くなると、非シリコン半導体基板の表面よりも上にシリコンウェハの表面が位置する。その場合、半導体製造工程のフォト工程において、フォトレジストの液溜まりがシリコンウェハの側壁と非シリコン半導体基板の表面部分に発生することがあり、非シリコン半導体基板の表面を覆っているフォトレジストの厚みが規定の厚みよりも厚くなることがある。その後の露光現像が煩雑になることがある。窪みの深さを非シリコン半導体基板の厚みよりも浅くすると、フォトレジストの液溜まりは発生しない。非シリコン半導体基板の表面を覆うフォトレジストの厚みを規定の厚みにすることが容易となる。その後の露光現像での煩雑さを予め抑制することができるため有用な手段となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
製造方法の主要な特徴を列記する。
（第１実施形態）大口径シリコンウェハの表面に窒化ガリウム基板群を固定する窪み群を形成する。
（第２実施形態）大口径シリコンウェハの表面に窒化ガリウムウェハ群を固定する窪み群を形成する。
（第３実施形態）大口径シリコンウェハの表面に窒化ガリウム基板群を固定する窪み群を形成しないで、直接窒化ガリウム基板群を大口径シリコンウェハの表面に貼り付ける。
（第４実施形態）大口径シリコンウェハの表面に窒化ガリウム基板群を固定する円柱状の窪み群を形成する。
【実施例】
【００１２】
図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
（第１実施例）
図１は、多数（この場合６２個）の窪み６を形成した１２インチの大口径シリコンウェハ４を模式的に示している。多数の窪み６は、シリコンウェハ４の表面にマトリックス状に形成されている。各々の窪み６は、後述する窒化ガリウム基板１０を貼り付ける場所に形成されている。
【００１３】
図２、図３は、３インチの小口径窒化ガリウムウェハ２をチップサイズにダイシングする工程を示している。先ず、図２（ｂ）に示すように、小口径窒化ガリウムウェハ２の裏面に、ＣＶＤ法やスパッタ法で酸化シリコン膜８を形成する。次に、ダイシングライン３に沿って、２２ｍｍサイズで小口径窒化ガリウムウェハ２をダイシングして図３（ａ）に示している窒化ガリウム基板１０を４個得る。図３（ｂ）に示しているように、窒化ガリウム基板１０の裏面には酸化シリコン膜８が形成されている。図２（ａ）に示すように、１枚の小口径窒化ガリウムウェハ２には、４個の窒化ガリウム基板１０しか配置することができない。前記したように、大口径シリコンウェハ４を利用すると、一度に６２枚の窒化ガリウム基板１０を処理することができ、１５．５枚分の窒化ガリウムウェハ２を一度に処理することに相当する。
【００１４】
次に、窒化ガリウム基板１０とシリコンウェハ４の貼り付け工程を、図４〜図６を使って説明する。図４は、図１に示すシリコンウェハ４のIV−IV線断面を模式的に示している。窪み６の深さは窒化ガリウム基板１０の厚みよりも浅く形成されている。次に、図５に示すように、シリコンウェハ４に形成した窪み６の所定の位置に、酸化シリコン膜８を下にして、６２枚の窒化ガリウム基板１０を設置する。図示した矢印は、窒化ガリウム基板１０を窪み６に貼り付けることを示している。次に、９００℃で熱処置を行って、シリコンウェハ４に各々の窒化ガリウム基板１０をダイレクトボンディングで貼り付ける。図６は、シリコンウェハ４に６２枚の窒化ガリウム基板１０を貼り付けた状態を示している。
【００１５】
上記製造方法によって、図７に示す大口径ウェハ１２を得ることができる。大口径ウェハ１２は、表面に６２枚の窒化ガリウム基板１０が貼り付けられている。これは小口径窒化ガリウムウェハ２の１５．５枚分の窒化ガリウム基板１０を１枚のシリコンウェハ４の表面に貼り付けることに相当する。
【００１６】
図８は、大口径ウェハ１２の一部を示しており、図８（ａ）は、大口径ウェハ１２の表面の一部を表している。各々の窪み６の底の大きさは、各々の窒化ガリウム基板１０の裏面の大きさよりも大きく、窪み６が窒化ガリウム基板１０を内包するように貼り付けられている。また各々の窪み６の直交する２側壁と、各々の窒化ガリウム基板１０の直交する２側壁が接している。その結果、窒化ガリウム基板１０は、直交する２方向において、シリコンウェハ２上の所望の位置に固定されている。図８（ｂ）は、図７のVIII−VIII線断面の一部を表している。各々の窒化ガリウム基板１０の露出した表面は、シリコンウェハ４の表面よりも上方に位置している。すなわち、各々の窪み６の深さは、各々の窒化ガリウム１０の厚み（図８（ｂ）において紙面上下方向）よりも浅い。
【００１７】
大口径ウェハ１２を形成した後、大口径シリコンウェハの表面にシリコン半導体装置を製造する設備を利用して、各々の窒化ガリウム基板１０の表面に半導体構造を形成する。各々の窒化ガリウム基板１０に半導体構造を形成した後に、半導体構造の回路パターンにマスク膜を設けて保護し、シリコンウェハ４をＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等のアルカリ溶液でエッチングして除去する。
上記製造方法によって、小口径窒化ガリウムウェハ２から得られる窒化ガリウム基板を利用する半導体装置を、大口径シリコンウェハを利用して多数の半導体装置を量産するのと同じ装置を用いて、高効率に量産することができる。
【００１８】
窒化ガリウム基板１０とシリコンウェハ４を貼り付けるために、酸化シリコン膜８を形成する効果について述べる。
半導体の製造工程では必ず熱処理工程が存在する。不純物を必要としない高周波デバイスの場合でも、金属電極とのオーミック接触を確保するために、熱処理を行う。窒化ガリウムの熱膨張係数と、シリコンの熱膨張係数には差がある。シリコン基板上に窒化ガリウムを結晶成長して熱処理を行う場合に、シリコンと窒化ガリウムの界面に熱応力が発生するため、シリコン基板及び／又は窒化ガリウム基板に反りやクラックが発生することがある。しかしながら、本実施例では、シリコン基板と窒化ガリウム基板の界面に酸化シリコン層を介在させる。酸化シリコンは高温で粘性流動特性を示すため、窒化ガリウムとシリコンの間で発生する熱応力を緩和する。よって、シリコン基板及び／又は窒化ガリウム基板に反りやクラックの発生を抑制する効果がある。
【００１９】
（第２実施例）
図９に、本実施例で得られる大口径ウェハ２２を示している。ここでは、第１実施例から相違する部分のみを説明する。
本実施例では、大口径シリコンウェハ２４上に複数の窪み２６を形成する。次に、小口径窒化ガリウムウェハ２の裏面に酸化シリコン膜８を形成する。次に、各々の小口径窒化ガリウムウェハ２の周端部を、大口径シリコンウェハ２４の表面に形成した各々の窪み２６の直交する２側壁と当接して貼り付ける。
上記製造方法によって、図９に示す大口径ウェハ２２を形成する。次に、各々の小口径窒化ガリウムウェハ２の表面に半導体構造を一度に形成する。次に大口径ウェハ２２をダイシングする。その後は実施例１と同様の工程を続ける。
本実施例では大口径シリコンウェハ２４上に、６枚の小口径窒化ガリウムウェハ２を貼り付けている。その結果、小口径窒化ガリウムウェハ２から得られる窒化ガリウムを利用する半導体装置を効率的に量産することができる。
【００２０】
（第３実施例）
図１０に示している大口径ウェハ３２は、実施例１の変形例であり、大口径シリコンウェハ４の表面に窪みを形成していない。ここでは、実施例１から相違する部分のみを説明する。本実施例では、予め酸化シリコン膜８を形成した小口径窒化ガリウムウェハ２を所定のサイズにダイシングする。次にシリコンウェハ３４の表面に、窒化ガリウム基板１０を貼り付ける。次に、大口径シリコンウェハ３４上の各々の窒化ガリウム基板１０の位置を計測し、計測結果を半導体製造装置に入力する。その後は実施例１と同様の工程を続ける。
大口径ウェハ３２には、７９枚の窒化ガリウム基板１０が貼り付けられている。これは小口径窒化ガリウムウェハ２の約２０枚分が１枚のシリコンウェハ３４の表面に貼り付けられていることを示している。その結果、小口径窒化ガリウムウェハ２から得られる窒化ガリウム基板を利用する半導体装置を効率的に量産することができる。
【００２１】
（第４実施例）
図１１に示している大口径ウェハ４２は、実施例１の変形例である。ここでは実施例１から相違する部分のみを説明する。本実施例では、大口径シリコンウェハ４４の表面に円柱状の窪み４６を形成する。次に、窒化ガリウム基板１０を窪み４６に貼り付ける。その後は実施例１と同様の工程を続ける。
大口径ウェハ４２は、表面に窒化ガリウム基板１０が３３枚貼り付けられている。これは小口径窒化ガリウムウェハ２の約８枚分が１枚のシリコンウェハ４４の表面に貼り付けられていることを示している。
【００２２】
上記した各実施例の製造方法によると、さらに以下の効果が得られる。
即ち、窒化ガリウム１０は、その表面に半導体構造を作り込む工程において、直接ハンドリングされない。よって、ウェハをハンドリングする際に受ける応力に抗するための厚みが必要ない。その結果、半導体装置として所望される厚みで大口径シリコンウェハに貼り付けることができる。窒化ガリウム１０の厚みを薄くできるため、半導体装置１個あたりの製造コストを低減することができる。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施例の大口径シリコンウェハのウェハサイズ、小口径窒化ガリウムウェハのウェハサイズ、窒化ガリウム基板の基板サイズはあくまで例示である。大口径シリコンウェハのウェハサイズが、小口径窒化ガリウムウェハのウェハサイズよりも大きければよい。また、窒化ガリウム基板の基板サイズは所望する基板サイズであればよい。その場合、１枚の小口径窒化ガリウムウェハからダイシングする窒化ガリウム基板の個数は異なる。
また上記実施例では、半導体ウェハは窒化ガリウムであるが、窒化ガリウム以外の半導体ウェハでもよいし、数種類の異なる半導体材料であってもよい。
実施例１では窪みは正方形に形成されているが、窒化ガリウム基板をシリコンウェハに貼り付ける面において、窪みの外周が窒化ガリウム基板の外周を内包できる形状で形成されていればよい。
また、実施例２では窪みは正方形に形成されている。しかしながら、小口径窒化ガリウムウェハをシリコンウェハに貼り付ける面において、窪みの外周が小口径窒化ガリウムウェハの外周を内包できる形状で形成されていればよい。
また、実施例４では窪みは円柱状に形成されている。しかしながら、窒化ガリウム基板をシリコンウェハに貼り付ける面において、窪みの外周が窒化ガリウム基板の外周を内包できる形状で形成されていればよい。
また、実施例ではシリコンウェハにドライエッチング法で窪みを形成している。しかしながら、ＴＭＡＨ等のアルカリ溶液でエッチングして形成してもよい。上記実施例では、小口径窒化ガリウムウェハの裏面に酸化シリコン膜を形成しているが、シリコンウェハの表面に酸化シリコン膜を成膜してもよい。その場合、ＣＶＤ法、スパッタ法、熱酸化処理法等の方法が利用される。小口径窒化ガリウムウェハをチップサイズにダイシングした後に、各々の窒化ガリウム基板の裏面に酸化シリコン膜を形成してもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】大口径シリコンウェハに窪みを形成した状態を示す。
【図２】小口径窒化ガリウムウェハを示す。
【図３】窒化ガリウム基板を示す。
【図４】大口径ウェハの製造工程を示す（１）。
【図５】大口径ウェハの製造工程を示す（２）。
【図６】大口径ウェハの製造工程を示す（３）。
【図７】実施例１の大口径ウェハ表面を示す。
【図８】実施例１の大口径ウェハの一部表面と一部断面を示す。
【図９】実施例２の大口径ウェハを示す。
【図１０】実施例３の大口径ウェハを示す。
【図１１】実施例４の大口径ウェハを示す。
【符号の説明】
【００２５】
２：小口径窒化ガリウムウェハ
３：ダイシングライン
４：シリコンウェハ
６，２６，４６：窪み
８：酸化シリコン膜
１０：窒化ガリウム基板
１２，２２，３２，４２：大口径ウェハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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