集積マイクロシステム研究センター ウェハ常温接合技術 独立行政法人 産業技術総合研究所 集積マイクロシステム研究センター 高木 秀樹 2010/08/05 MEMS集中講義＠産総研つくば 共用講堂 集積マイクロシステム研究センター ウェハ常温接合技術の開発と展開 • • • • 各種接合技術 常温接合法の原理 常温接合の接合特性 デバイスへの応用と実用化 – 半導体デバイスへの応用 – SAWフィルタへの応用と実用化 – MEMS用接合装置 • 今後の展望 集積マイクロシステム研究センター ウェハスケール一括接合による MEMSパッケージング 集積マイクロシステム研究センター 各種ウェハ接合法 接合法 接合部構成 中間層形成法 接合温度 加圧力 気密性 ポリマー スピンコート パターニング <200℃ 0.1～ 数MPa △ ガラス フリット スクリーン印刷 プリヒート >400℃ 微小 ○ 水ガラス スピンコート <200℃ 微小 ○ 滴下，含浸 <100℃ <1MPa ○ HF フッ酸 石英，ガラス 集積マイクロシステム研究センター 各種ウェハ接合法 接合法 接合部構成 中間層形成法 金属 熱圧着 蒸着， スパッタ 接合温度 加圧力 ≒300℃ 気密性 0.5～ 数MPa △ 金 共晶接合 シリコン ハンダ 金 リフロー メタライズ Al,ポリマ ヒータ加熱 ヒータ ≒400℃ <1MPa ハンダボール ハンダ吐出 スクリーン印刷 プリヒート ≒200℃ 微小 ○ 低融点金属 ポリマー →フォトリソ で形成 部分的 中間材 に依存 中間材 に依存 反応物 ハンダ 局所加熱 蒸着， スパッタ ○ 酸化膜 対策 必要 集積マイクロシステム研究センター 陽極接合法 イオン移動 電圧印加 Na+ Na+ Na+ Na+ ガラス シリコン 加熱 加熱温度 〜450℃ 印加電圧 〜1kV 静電引力により無加圧で接合が可能 集積マイクロシステム研究センター 化学薬品による（洗浄）処理による （水素結合を利用した）ウェハ直接接合法 ウェハ はり合わせ 表浄・表面処理 熱処理 接合の原理 Si Si Si O Si Si O O O H H H O O O Si SiO2 Si Si O O O O O Si Si Si Si Si 接合前 O H H Si Si Si O O Si H Si Si O O Si O Si Si O O Si Si Si O O O Si Si O O Si Si Si Si O O O O H H O O O Si Si Si H H H H H H O O O Si Si Si Si Si Si Si ＜2 00 ℃ H2 O Si Si Si Si Si O Si O O O O O Si Si Si Si O O O O O Si Si Si Si O Si Si Si Si Si Si Si Si Si 200 ～10 00 Si ℃ ＞ 10 00 ℃ 集積マイクロシステム研究センター ウェハ直接接合のその場観察 表面間力による無加圧での接合形成 赤外線カメラ ピンセットで 軽く押さえる シリコンウェハ （赤外線は通す） ガラス板 赤外光源 集積マイクロシステム研究センター ウェハ間の大気中での無加圧での接合形成 （赤外線カメラによるその場観察） 自発的接合形成→無加圧接合 接合開始 （ピンセットで軽く押さえる） 1.4秒後 ６秒後 12秒後 ただし 非常に平坦な表面が必要 従来のウェハ接合法では高温（〜1000℃）の熱処理が必要 集積マイクロシステム研究センター 水素結合によるウェハ貼り合わせのモデル Hydrophilic bonding Weak Bonding Covalent Bonding R.Stengl et al., Jpn J.Appl. Phys., 28, p1735,1989 2H2O+Si → SiO2+4H(or 2H2) 集積マイクロシステム研究センター 化学薬品処理によるSiウェハの接合強度 [ºC] 集積マイクロシステム研究センター 水素結合による貼り合わせが可能な材料 • 半導体 – Si, Ge, GaAs, InP, GaP, InGaAsP, • 酸化物 – SiO2, LiNbO3, SrTiO3, ZrO2:Y2O3, BaTiO3, YBCO • 窒化物，炭化物, フッ化物, 他 – B4C, Diamond, Si3N4, BaF2, CeF3, ZnSe, • 金属 – Bi, Cu, Ta, • J. Haisma et, al.,Appl. Opt., 33(1994), 1154 他 集積マイクロシステム研究センター プラズマ処理による表面活性化 真空チャンバ O 2 プラズマ処理 大気中接合 熱処理 N2 100～200℃程度の熱処理で接合が可能 表面への水酸基導入と水素結合で接合：ＳｉＯ２など 集積マイクロシステム研究センター O2プラズマ処理によるSiウェハの接合 [ºC] 集積マイクロシステム研究センター Arビームエッチングを用いた常温接合 真空中で表面の反応層や吸着物を除去 ・エネルギー的に不安定な状態を作る 接合界面での結合形成を促進 ・熱処理の低温化 ・接合界面の介在物を除去する ・常温接合 集積マイクロシステム研究センター Si常温接合体の破断面 集積マイクロシステム研究センター 各種表面処理によるSiウェハの接合強度 [ºC] 集積マイクロシステム研究センター 表面活性化接合の接合装置と接合条件 Wide Angle Beam Source Vacuum Pum p Waf ers XY -Tilt Ar Z-Transf er Inf rared Light Source Mirror Glass Plat e Waf ers Vacuum Pum p 真空度 ５×10-6 Pa 表面活性化処理 End Hall型ｲｵﾝ源 イオンエネルギー 約60eV エッチング時間 約３min エッチング深さ ３〜５nm Viewing Port Inf rared Cam era 集積マイクロシステム研究センター パターン付き試料 集積マイクロシステム研究センター パターンつきSiウェハ接合体 ウェハ接合体 13×13 mmに切断後 集積マイクロシステム研究センター 真空中接合のその場観察 接合開始寸前 0.07秒後 0.5秒後 ウェハ接合体 集積マイクロシステム研究センター 表面活性化常温接合の貼り合わせ実績 • シリコン系材料 – Si, ×SiO2, (Si3N4, ガラス, ） • 化合物半導体 – GaAs, InP, GaP, InGaAsP, (SiC, GaN) • 酸化物(若干の熱処理が必要な場合有り） – Al2O3, Ta2O5, LiNbO3, LiTaO3, TiO2, ZrO2, HfO2 – (ITO, ) • その他 – Au, Ag, Al, (SUS) 集積マイクロシステム研究センター 異種材料接合と熱膨張係数 Al 異種材料の接合 熱膨張の違いによる応力 熱膨張係数 [ x 10-6 /K] 表面活性化法が有効 常温or低温熱処理での接合 20 LiTaO3 (300℃) LiNbO3 (300℃) Ag Cu LiTaO3 LiNbO3 SiO2 (水晶,300℃) Ni Fe 10 BaTiO3 Gd3Ga5O12 GaAs Si (300℃) Si 0 SiO2 (水晶) ZrO2 Al2O3 Ti Nb (サファイア) AlN SiC Si3N4 Mo W PZT SiO2(溶融石英) C 集積マイクロシステム研究センター 従来のウェハ直接接合によるSiとLiNbO3の接合 （熱処理後） 150℃の熱処理でクラック発生 集積マイクロシステム研究センター LiNbO3,LiTaO3,Gd3Ga5O12とSiの接合 0 ºC ºC ºC ºC ºC C 150Þ C C C 200Þ C RT 100Þ RT 150Þ RT 150Þ SAB SAB SAB c-WB c-WB c-WB º--Y) Si/LiNbO3(128Þ Si/LiNbO3(Z-Cut) Si/LiTaO3 c-WB: 従来のウェハ直接接合 Cracked Cracked 5 Cracked 10 Cracked Tensile Strength [MPa] 15 ºC ºC C 400Þ C RT 300Þ SAB c-WB Si/Gd3Ga5O12 SAB: 表面活性化常温接合 集積マイクロシステム研究センター SiとLiNbO3ウェハ接合体の破断面 表面活性化法は異種材料の接合法として有効である Siと酸化物は常温で接合が可能である． LiNbO3，LiTaO3，Gd3Ga5O12，サファイア 集積マイクロシステム研究センター 常温接合によるIII-V-OI構造作製 ・平坦かつ急峻な III-V MIS界面と接 合界面 ・InGaAs層にはAr ビームによるダ メージ無し（Al2O3 が保護層となる） ・Si基板にはAr ビームによりアモ ルファス形成 集積マイクロシステム研究センター メタル S/D III-V-OI Back Gate MISFET リフトオフによるAu-Ge メタル S/D形成。 低温でのメタル S/D形成。 InGaAsエッチング。 素子分離。 バックゲート形成。 メタル S/D III-V-OI MISFET on Si。 Au-Ge InGaAs Al2O3 Si(001) Al back gate Au-Ge 集積マイクロシステム研究センター Back Gate-MISFETの ID-VD, ID-VG特性 -4 0.4 -5 Al2O3 D 0.5 L = 500 m G W = 100 m d = 22 nm Drain Current I (A/m) 1V 0.75 V 0.50 V 0.25 V 0V 10 D Drain Current I (A/m) 0.6 0.3 0.2 0.1 10 -6 10 1V 0.01 V I /I on off ~ 10 5 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 15 -3 N ~ 1x10 cm D dInGaAs = 100 nm d Al2O3 = 22 nm LG = 500 m W = 100 m -14 10 0 0 1 Drain Voltage V (V) 2 D 良好なトランジスタ特性。 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Gate Voltage V (V) G 良好なIon/Ioff比 ~ 105、 S.S.~170 mV/dec。 6 集積マイクロシステム研究センター 15 InGaAs-OI ND ~ 1x10 Effective Mobility, eff 2 (cm /Vs) Back Gate-MISFETの電子移動度 d InGaAs 1000 1.8x 500 cm -3 = 100 nm ALD-Al O 2 3 11 nm 22 nm 44 nm Si universal = 1/2 0.1 Effective Field, E eff 1 (MV/cm) ・広い実効電界範囲にわたり、Siを凌ぐ高移動度を達成。 ・埋め込み層の膜厚に依存しないことより、Arイオン照射によ るダメージは移動度特性に殆ど影響していない。 集積マイクロシステム研究センター SAWデバイスの周波数-温度特性 許容入力の改善 IDT LiTaO3ウェハSAW TCF: 40 ppm/˚C LiTaO3 Sapphier 富士通との共同研究 LiTaO3/Sapphier 接合ウェハ TCF: 20 ppm/˚C 熱伝導率 LiTaO3: 5 W/mK Sapphier: 42 W/mK 許容入力の増大 集積マイクロシステム研究センター Frequency and temperature characteristics Attenuation [dB] 0 Lower loss -10 -20 LiTaO3/sapphire LiTaO3 Temperature characteristics Normalized Frequency Resonator response 1.003 LiTaO3/sapphire LiTaO3 1.002 1.001 1 0.999 0.998 0.997 -50 -25 -30 1700 1800 1900 2000 2100 Frequency [MHz] 0 25 50 75 100 Temperature (deg C) LiTaO3/sapphire has lower loss and better thermal stability. Miura, et. al, 2nd International Workshop on Low Temperature Wafer Bonding for 3D Integration 集積マイクロシステム研究センター Antenna SAW filter die Tx Applied power 0.8 W at 60 °C Tx Rx LT/sapphire 100 90 80 70 60 90 80 70 60 LT/sapphire suppresses heating Temperature characteristics and power durability improved. Temperature [°C] Rx Temperature [°C] Ceramic package LT Tx Rx 集積マイクロシステム研究センター 常温接合装置の開発と市販化 研究試作用接合装置 ・1セット（1接合）単位の処理 ・研究試作用ながら高いスループット ・搬送系、アライナ等全ての機能を オールインワンでサポート ・わかりやすい操作（半自動） ・使いやすいユーザインタフェース 量産用接合装置 ・25セット（25接合）を連続して処理（Cassette to Cassette) ・高いスループット ・強力なレシピ管理機能による多品種少量生産対応 （異種部品、異プロセス条件をセットごとに設定可能） ・高い自動化レベル：自動搬送、自動アライメント ・使いやすいユーザインタフェースと生産管理機能 資料提供：三菱重工 集積マイクロシステム研究センター ウェハ常温接合の応用分野 SAWフィルタ 圧電材料 Photonic ＩＩＩ－Ｖ半導体 異種ウェハ接合 （熱応力） Layer Transfer ウェハ常温接合 その他 ３次元LSI マイクロデバイス の高精度接合 MEMSパッケージング ３次元実装 集積マイクロシステム研究センター ご静聴ありがとうございました
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