(57)【要約】      （修正有）【課題】基板反りを抑制できる半導体基板の接合方法を提供する。【解決手段】前面および後面を有する第１基板２を接合し、前面にある半導体デバイス層１を、第２基板２０へ搬送するための方法に関する。該方法は、前記第１基板の前記前面に、前記半導体デバイス層を生産するステップと、第１の金属接合層または金属層スタック１１，１２を、前記半導体デバイス層の上に堆積するステップと、第２の金属接合層または金属層スタックを、前記第２基板の前面に堆積するステップと、金属接合を得るのに適した機械圧力および温度の条件下で、第１および第２の金属接合層または金属層スタックを相互接触させることによって、前記第１基板と前記第２基板の間に金属接合を確立するステップと、前記第１基板を除去するステップと、含む。前記第１基板と前記第２基板の間に金属接合を確立するステップの前に、金属応力補償層３０を前記第２基板の後側に堆積させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面および後面を有する第１基板（２）を接合し、前面にある半導体デバイス層（１）を、前面および後面を有する第２基板（２０）へ搬送するための方法であって、
・前記第１基板（２）の前記前面に、前記半導体デバイス層（１）を生産するステップと、
・第１の金属接合層または金属層スタック（１１，１２）を、前記第１基板上で、前記半導体デバイス層の上に堆積するステップと、
・第２の金属接合層または金属層スタック（１１，１２）を、前記第２基板（２０）の前面に堆積するステップと、
・金属接合を得るのに適した機械圧力および温度の条件下で、第１および第２の金属接合層または金属層スタックを相互接触させることによって、前記第１基板と前記第２基板の間に金属接合を確立するステップと、
・前記第１基板（２）を除去するステップと、含み、
前記第１基板（２）と前記第２基板（２０）の間に金属接合を確立するステップの前に、金属応力補償層（３０）を前記第２基板（２０）の後側に堆積させるようにした方法。
【請求項２】
前記応力補償層（３０）は、第２基板または前記層スタックの第１層の前側に堆積した金属接合層と同じ材料からなる単一層である請求項１記載の方法。
【請求項３】
応力補償層（３０）の厚さは、第２基板または、第２基板の前記前側に堆積した前記層スタックの第１層の前側にある金属接合層の厚さに少なくとも等しい請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
応力補償層（３０）の厚さは、金属接合層、または接合される表面に堆積した層スタックの第１層（１１）の厚さの合計に等しい請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記応力補償層は、第２金属接合層または層スタックを前記第２基板の前側に堆積するステップの前に、第２基板の後側に堆積される請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
金属接合層スタック（１１，１２）が、接合される第１および第２基板（２，２０）の表面の少なくとも１つの上に堆積され、前記スタックは、Ｃｕ層（１１）と、Ｃｕ層の上に直接接触したＳｎ層（１２）とを含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
保護層（３１）が、前記応力補償層（３０）の上に堆積される請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記保護層（３１）は、ＳｉＮ層である請求項７記載の方法。
【請求項９】
拡散抑制層が、第２基板（２０）と応力補償層（３０）との間に配置される請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記拡散抑制層は、ＳｉＮ層である請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記半導体デバイス層は、少なくとも１つのＧａＮＬＥＤデバイスを含む請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
ウエハ部分と、ウエハ部分の一方の側あるデバイス部分と、前記ウエハ部分の他方の側にある応力補償層（３０）とを備えた半導体デバイス。
【請求項１３】
保護層が、前記応力補償層の上にさらに存在する請求項１２記載のデバイス。
【請求項１４】
拡散抑制層が、前記ウエハ部分と前記応力補償層との間に存在する請求項１２または１３記載のデバイス。
【請求項１５】
前記デバイスは、ＧａＮＬＥＤデバイスである請求項１２〜１４のいずれかに記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスの分野に関し、特に、永久的な金属接合、例えば、永久的なＣｕ／Ｓｎ接合による半導体基板の接合方法に関する。本発明は、特にＬＥＤデバイス、例えば、ＧａＮＬＥＤの分野に適している。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮＬＥＤデバイスを製造する１つの方法は、ＧａＮ層へのｐおよびｎコンタクトを含む４インチＳｉ（１１１）ウエハ上でのＬＥＤ製造後に適用される移送プロセスによるものである。こうしたプロセスが、文献（"Substrate Transfer for GaN based LEDs grown in Silicon", Pham et al, Proceedings 44th International Symposium on Microelectronics IMAPS 2011, Long Beach CA）に記載されている。パッシベーション層を付与した後、接合金属、好ましくは、Ｃｕ／Ｓｎ層が、ＧａＮ層上およびＳｉキャリアウエハ上に堆積される。そして、ウエハは、約２５０℃の温度で金属接合を用いて前記Ｓｉキャリアウエハと接合される。次に、元のＳｉデバイスウエハは、研削(grinding)および湿式エッチングによって完全に除去される。こうしてＧａＮＬＥＤは、新しいウエハに移送される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この種のプロセスでの典型的な問題が、接合時にＣｕ層での高い応力の発生であり、その結果、デバイス基板を除去する際、大きなウエハ反り(warpage)となる。こうした大きなウエハ反りは、幾つかの自動ハンドリングツールおよびリソグラフィなどのプロセスにとって問題を引き起こす。この問題は、上記のＧａＮＬＥＤ製造プロセスだけでなく、キャリア基板と、一時的なデバイス基板上に製造されたデバイスとの間の永久的な金属接合、例えば、Ｃｕ／Ｓｎ接合を含む任意の基板移送プロセスで発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、添付の請求項に開示したような方法に関する。
【０００５】
本発明は、前面および後面を有する第１基板を接合し、前面にある半導体デバイス層を、前面および後面を有する第２基板へ搬送するための方法に関する。前記方法は、下記のステップを含む。
・前記第１基板の前記前面に、前記半導体デバイス層を生産するステップ。
・第１の金属接合層または金属層スタックを、前記第１基板上で、前記半導体デバイス層の上に堆積するステップ。
・第２の金属接合層または金属層スタックを、前記第２基板の前面に堆積するステップ。
・前記金属接合を得るのに適した機械圧力および温度の条件下で、第１および第２の金属接合層または金属層スタックを相互接触させることによって、前記第１基板と前記第２基板の間に金属接合を確立するステップ。
・前記第１基板を除去するステップ。
ここで、前記第１基板と前記第２基板の間に金属接合を確立するステップの前に、金属応力補償層が前記第２基板の後側に堆積される。
【０００６】
デバイス層が、本説明の文脈において、少なくとも１つの半導体デバイスを含む本質的に連続した層として定義される。
【０００７】
好ましい実施形態によれば、前記応力補償層は、第２基板または前記層スタックの第１層の前側に堆積した金属接合層と同じ材料からなる単一層である。
【０００８】
応力補償層の厚さは、好ましくは、第２基板または、第２基板の前記前側に堆積した前記層スタックの第１層の前側にある金属接合層の厚さに少なくとも等しい。
【０００９】
一実施形態によれば、応力補償層の厚さは、金属接合層、または接合される表面に堆積した層スタックの第１層の厚さの合計に等しい。
【００１０】
好ましくは、前記応力補償層は、第２金属接合層または層スタックを前記第２基板の前側に堆積するステップの前に、第２基板の後側に堆積される。
【００１１】
一実施形態によれば、金属接合層スタックが、接合される第１および第２基板の表面の少なくとも１つの上に堆積される。前記スタックは、Ｃｕ層と、Ｃｕ層の上に直接接触したＳｎ層とを含む。
【００１２】
保護層を、前記応力補償層の上に堆積してもよい。前記保護層は、ＳｉＮ層でもよい。
【００１３】
拡散抑制層を、第２基板と応力補償層との間に形成してもよい。前記拡散抑制層は、ＳｉＮ層でもよい。
【００１４】
本発明は、ウエハ部分と、ウエハ部分の一方の側にあるデバイス部分と、前記ウエハ部分の他方の側にある応力補償層とを備えた半導体デバイスに同様に関連する。
【００１５】
保護層が、前記応力補償層の上にさらに存在してもよい。
【００１６】
拡散抑制層が、前記ウエハ部分と前記応力補償層との間に存在してもよい。
【００１７】
一実施形態によれば、前記デバイスは、ＧａＮＬＥＤデバイスである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＧａＮＬＥＤデバイスを第１基板から第２（キャリア）基板へ移送するための先行技術のプロセスを示す。
【図２】図１のプロセスで行う金属接合ステップの詳細を示す。
【図３】本発明に係る方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、半導体デバイス、例えば、ＧａＮＬＥＤデバイスを搭載した第１基板と、第２基板との間に接合を確立するための金属接合ステップが適用されるプロセスに関する。該方法は、最初に半導体ウエハに適用可能であることから、以下、第１基板は「デバイスウエハ」と称し、第２基板は「キャリアウエハ」と称する。用語「基板」は、接合プロセスで使用するのに適した任意の物でもよいことが強調される。
【００２０】
本発明の方法において、金属接合層または金属接合層スタック、例えば、Ｃｕ層と、Ｃｕ層に直接のＳｎ層などが、接合される表面の各々に堆積される。本発明によれば、金属接合ステップを実施する前に、応力補償層がキャリアウエハの後側に設けられる。好ましくは、応力補償層は、キャリアウエハの前側（即ち、接合される側）に堆積した金属接合層と同じ材料からなる単一層である。
【００２１】
接合層スタックが前記前側に堆積した場合、補償層の材料は、前記スタックの第１層のものと同じである（「第１」はスタックの底にある）。応力補償層の厚さは、キャリアウエハの前側にある金属層、またはキャリアの前記前側に堆積された層スタックの第１層の厚さに少なくとも等しい。
【００２２】
より好ましい実施形態によれば、応力補償層の厚さは、金属層、または接合される表面（即ち、デバイスウエハおよびキャリアウエハの表面）に堆積した層スタックの第１層の厚さの合計に等しい。
【００２３】
例えば、Ｃｕ／Ｓｎスタックがデバイスウエハおよびキャリアウエハの上に堆積され、応力補償層はＣｕ層であり、その厚さはデバイスウエハおよびキャリアウエハの上にあるＣｕ層の合計である。１つのウエハが単一の接合層および他の接合層スタックを備えた場合、後者の実施形態は、応力補償層の厚さは、単一の接合層と層スタックの第１の合計に等しいことを意味する。
【００２４】
本発明の方法において、キャリアウエハの後面にある応力補償層は、キャリアの前面にある同じ材料の接合層と同じ応力変化を受ける。接合層に現れ、反りを誘起するような引張応力が補償され、その結果、キャリアウエハは、接合プロセスを通して、そしてデバイスウエハの除去後、平坦なままである。
【００２５】
以下、好ましい実施形態について詳細に説明する。これは、上記文献(Pham et al.)に記載したケースであり、半導体デバイスは、第１Ｓｉウエハの上に製造され、Ｃｕ／Ｓｎ接合を確立することによって第２（キャリア）Ｓｉウエハと接合したＧａＮＬＥＤデバイスである。
【００２６】
図１は、本方法に係る接合ステップの概要を示す。以下、与えられた全てのパラメータは、例として挙げたものに過ぎす、本発明の範囲を限定するものでない。最初に、ＧａＮＬＥＤデバイス１は、Ｓｉ（１１１）基板２の上に製造される（図１（ａ））。これは、先行技術で知られているように、下記ステップによって行うことができる。
１．ＧａＮベースのＬＥＤ層のエピタキシャル成長。
２．ドーパント活性化アニール。
３．ＬＥＤメサ３のドライエッチング。
４．リフトオフを用いて、Ａｇベースのｐ型コンタクトおよびＴｉ／Ａｌベースのｎ型コンタクト４／５のパターニング。
５．ＣＶＤによるＳｉＯ２金属間絶縁体（ＩＭＤ: inter-metal dielectric）６の堆積。
６．ドライエッチングを用いて、ｐ型電極およびｎ型電極に向かうコンタクトホールのパターニング。
７．Ａｕベースの相互接続層７の堆積およびパターニング。
８．ＣＶＤによるＳｉＯ２パッシベーション層８の堆積。
【００２７】
ＧａＮベースのＬＥＤ層は、アイクストロン社(Aixtron)ＭＯＣＶＤエピ・リアクタを用いて堆積できる。全スタック厚は、約３．７μｍであり、欠陥密度を低減するための、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層を含むバッファ層と、ｎ型ＳｉドープＧａＮクラッド層およびｐ型ＭｇドープＧａＮクラッド層と、多重ＩｎＧａＮ量子井戸（ＭＱＷ）と、ＩｎＧａＮ電子ブロック層（ＥＢＬ）とからなる。メサエッチングは、ｐ型ＧａＮ、ＥＢＬ、ＭＱＷおよびｎ型ＧａＮの一部を除去して、その結果、フィールド領域でのＧａＮスタック９の残部厚さは、２．８〜３μｍである。
【００２８】
そして、Ｃｕ／Ｓｎ接合層１０を製造する。図１（ｂ）参照。図２に詳細に図示している（図２では、簡潔さのためにＧａＮスタック９を示していない）。Ｃｕ堆積のためのシード層（３０ｎｍＴｉＷ／１５０ｎｍ、不図示）が、デバイスウエハの酸化物パッシベーションの上に堆積できる。同じタイプのシード層は、Ｓｉ（１００）キャリアウエハの上に直接堆積してもよい。シード層の堆積後、５μｍＣｕ層１１、そして１０μｍＳｎ層１２が電気メッキを用いてデバイスウエハ上に堆積される。そして、Ｃｕ／Ｓｎの同じ層が、キャリアウエハ２０の上に電気メッキされる。金属層の他の組成を使用してもよく、他の厚さのこれらの層でもよい。例えば、一方の表面がＣｕ／Ｓｎ層を受け入れて、他方の表面がＣｕ層だけを受け入れてもよい。両面にＣｕ／Ｓｎ層を使用する利点は、接合前にＳｎ表面のクリーニング処理を必要としない点である。また、デバイスウエハおよびキャリアウエハの上にあるＣｕ層１１は、異なる厚さを有してもよいが、一般には、デバイスおよびキャリアの両方でのＣｕ接合層は、同じ厚さを有する。
【００２９】
メタライゼーションの後、図２に示した手順を用いて、適切な装置内、例えば、ＥＶＧ  ５２０ボンダーで、２つのウエハは接合される（図１（ｃ））。最初に、２つのウエハを接触させる。そして、接合チャックの温度を２５０℃に上昇させて、１０分間維持する。同時に、１０００Ｎの荷重をウエハスタックに印加する。再び、これらのパラメータは、単なる例に過ぎず、開示範囲を限定するものでない。
【００３０】
金属接合は、Ｃｕ−Ｓｎ系の拡散はんだ付け（あるいは液相拡散接合）によって行われる。はんだ層１２（Ｓｎ）が溶けて、適度な温度（２５０℃）で２つの母層（Ｃｕ）の中に拡散すると、銅と錫の金属間化合物（ＣｕｘＳｎｙ）からなる中心層１３’を含む層１３を形成し、片側はＣｕ層１１’のままである（Ｃｕ層１１’の厚さは、通常、元のＣｕ層１１の厚さより小さい）。ＣｕｘＳｎｙ金属間化合物は、元のＳｎ（２３２℃）よりかなり高い融点（＞４１５℃）を有する。これは、いずれか後続（高温）プロセスの際、金属シールが固体状態で持続するという利点を提供する。
【００３１】
そして、Ｓｉ（１１１）デバイスウエハ２は、２つの処理ステップで除去される。即ち、Ｓｉデバイス基板を、〜１００μｍまたはそれ未満の厚さに薄くするステップ（図１（ｄ））と、残ったＳｉの湿式エッチングのステップ（図１（ｅ））。Ｓｉウエハを元の厚さ１０００μｍから１００μｍへ薄くするのは、研削またはラップ仕上げ(lapping)、および研磨によって実施できる。Ｓｉデバイスウエハをさらに除去するには、ＨＮＡ液（ＨＦ：ＨＮＯ３：ＣＨ３ＣＯＯＨからなるエッチング液）を用いた等方性Ｓｉ湿式エッチングプロセスが適用できる。そして、これらのステップの後、織地化（texturization）（不図示）およびコンタクト２１の孔開けが行われる（図１（ｆ））。
【００３２】
図１のＧａＮＬＥＤ製造プロセスに適用される本発明の方法を図３に示す。応力補償層３０が、キャリアウエハ２０の後面に堆積される（例えば、電気メッキによって）。応力補償層３０は、Ｃｕ層であり、その厚さは、本質的にデバイスウエハ２およびキャリアウエハ２０の上にあるＣｕ層１１の合計である。
【００３３】
好ましくは、図３の実施形態に示すように、接合層１１／１２をキャリアウエハ２０の前側に堆積する前に、応力補償層３０を堆積する。代替として、補償層３０は、接合層１１／１２の後に堆積してもよい。
【００３４】
また、図示した実施形態では、追加の層３１が補償層の上に堆積される。この追加層は、追加のプロセスの際に、製造ツールとＣｕ補償層３０との間の直接接触を防止するために構成された保護層であり、こうしてＣｕ汚染の広がりを防止している。後者は、特にシリコンプロセス製造設備において重要である。この保護層は、ＳｉＮでもよく、ＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）によって堆積される。
【００３５】
活性接合プロセスは、上述した先行技術の方法と同じように行う。デバイスウエハ２は、キャリアウエハ２０に接合され、そして薄化(thinning)および湿式エッチングによって除去される。接合後、そしてＳｉデバイスウエハ２を研削しエッチングした後、応力補償層３０の存在に起因してキャリア２０の反りが生じない。
【００３６】
他の実施形態が上述したＧａＮＬＥＤ応用に関連しており、ＣＭＯＳ応用にも関連する。後者の実施形態によれば、中間拡散抑制層がキャリアウエハ２０の後側と応力補償層３０との間に形成される。応力補償層が、例えばＣｕ層である場合、該中間層は、キャリアウエハの後側にＰＥＣＶＤによって製造したＳｉＮ層でもよく、応力補償層は、ＳｉＮ層の上に堆積される。ＳｉＮ層は、応力補償層からキャリアウエハへのＣｕの拡散を抑制するように構成される。特定の実施形態によれば、上述のような中間拡散抑制層が、応力補償層３０の一方の側に存在し、保護層３０が他方に存在する。拡散抑制層および保護層の両方ともＳｉＮ層であってもよい。
【００３７】
図３の最後ステップで得られたキャリアウエハ２０は、さらに処理されて、最終的に個々のデバイス、例えば、ＬＥＤに分割される。本発明は、デバイス部分と、ウエハ部分と、を含むこうしたデバイスに関連しており、これらはウエハ部分の後側にある応力補償層の存在によって特徴付けられる。可能ならば、保護層及び／又は反拡散層が、応力補償層の上方または下方に存在してもよい。
【００３８】
本開示を図面および上記説明で詳細に図示し説明したが、こうした図示および説明は、事例的または例示的であって、限定的でないと考えるべきである。開示した実施形態への他の変形例は、図面、開示内容および添付の請求項の研究から、本発明を実践する当業者によって理解され実施できる。請求項において、用語「備える、含む(comprising)」は、他の要素またはステップを除外しておらず、不定冠詞"a"または"an"は、複数を除外していない。ある一定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという事実だけでは、これらの手段の組合せが好都合に使用できないことを示すものでない。請求項中のいずれの参照符号も、その範囲を制限するものとして解釈すべきでない。
【００３９】
特別に指定していない限りは、ある層が他の層または基板の「上に」堆積または製造されるという記載は、下記のオプションを含む。
・前記層は、前記他の層または基板の上に直接に、即ち、接触した状態で製造または堆積されること。
・前記層は、前記層と前記他の層または基板との間にある１つまたはスタックの中間層の上に製造または堆積されること。
【００４０】
前述の説明は、本発明のある実施形態を詳説している。しかしながら、前述のものが文章にどのように詳説しているかに関わらず、本開示は、多くの方法で実施できることは理解されよう。特定の用語の使用は、本開示のある特徴または態様を記載する際、その用語が、関連している本開示の特徴または態様の任意の特徴を含むと限定されるものとここで再定義されると意味するものと理解すべきでないことに留意する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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