DE102016109652A1

DE102016109652A1 - Verbesserte Trassierung für dreidimensionale integrierte Struktur

Info

Publication number: DE102016109652A1
Application number: DE102016109652.0A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Ayres; Bertrand Borot
Original assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-06-22
Also published as: US10446535B2; US20170179104A1; US11251175B2; CN106898598A; CN205845945U; CN106898598B; US20190393207A1; FR3045869A1; FR3045869B1

Abstract

Eine dreidimensionale integrierte Struktur mit mindestens einem ersten Substrat (S1, S3, S5), das erste Komponenten (1) umfasst, die in mindestens einer ersten Richtung (D1) orientiert sind, einem zweiten Substrat (S2, S4, S6), das zweite Komponenten (1) umfasst, die in mindestens einer zweiten Richtung (D2) orientiert sind, und mindestens einer Zusammenschaltungsebene (B1, B2, B3, B3, B) mit elektrisch leitfähigen Leitungen (21, 22), die sich in mindestens einer dritten Richtung (D3) erstrecken, wobei die zweite Richtung (D2) und/oder die dritte Richtung (D3) einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung (D1) bilden, so dass zwei Punkte (4, 5, 16, 17, 19, 20) der ersten oder der zweiten Komponenten durch eine erste elektrische Verbindung (3, 11, 14, 15, 18), umfassend mindestens eine der elektrisch leitfähigen Leitungen, verbunden sind.

Description

Einsatz- und Ausführungsformen der Erfindung betreffen die dreidimensionalen integrierten Strukturen, beispielsweise Strukturen mit miteinander fest verbundenen zusammengefügten Chips oder auch sogenannte monolithische dreidimensionale Strukturen, d. h. die durch einen aufeinander folgenden Stapel von verschiedenen Elementen (Substraten, Teil(en) von Zusammenschaltungen ...) ausgebildet sind, und insbesondere die Trassierung der Zusammenschaltungen zwischen den verschiedenen Elementen von derartigen Strukturen.
Herkömmlich sind die Komponenten einer integrierten Schaltung durch elektrisch leitfähige Leitungen miteinander verbunden, die sich in zwei bevorzugten orthogonalen Richtungen erstrecken. Dieser Typ von Trassierung ist dem Fachmann auf dem Gebiet unter der angelsächsischen Bezeichnung ”Manhattan-Routing” bekannt. Dieser Typ von Trassierung ermöglicht es nicht, zwei Komponenten der Schaltung, die schräg, beispielsweise diagonal, in Bezug aufeinander in dem Koordinatensystem liegen, das durch die bevorzugten orthogonalen Zusammenschaltungsrichtungen gebildet ist, ”in gerader Linie” zu verbinden. Die Längen der Zusammenschaltung und folglich die Verzögerungen der Ausbreitung der Signale sind in allen Richtungen der Schaltung nicht optimal.
Eine Trassierung, die schräge, beispielsweise diagonale Zusammenschaltungen ermöglicht, wäre vom Gesichtspunkt der Leistungen der Schaltung erwünscht, ist jedoch nicht mit den Techniken der Herstellung der integrierten Schaltungen mit einer hohen Integrationsdichte kompatibel.
Gemäß einer Ausführungsform wird folglich eine integrierte Struktur mit leitfähigen Leitungen vorgeschlagen, die sich in mindestens drei verschiedenen Richtungen erstrecken, und deren Herstellung durch herkömmliche Verfahren einfach erfolgt.
Gemäß einem Aspekt wird eine dreidimensionale integrierte Struktur mit mindestens einem ersten Substrat mit ersten Komponenten, die in mindestens einer ersten Richtung orientiert sind (beispielsweise Leitungen aus Polysilizium, die Gates von Transistoren oder Widerstände bilden, die sich in der ersten Richtung erstrecken, die diesen Transistoren oder diesen Widerständen eine erste Orientierung verleiht), einem zweiten Substrat mit zweiten Komponenten, die in mindestens einer zweiten Richtung orientiert sind, und mindestens einer Zusammenschaltungsebene mit elektrisch leitfähigen Leitungen, die sich in mindestens einer dritten Richtung erstrecken, vorgeschlagen, wobei die zweite Richtung und/oder die dritte Richtung einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung bilden, so dass zwei Punkte der ersten oder der zweiten Komponenten durch eine erste elektrische Verbindung mit mindestens einer der elektrisch leitfähigen Leitungen verbunden sind.
Unter Verwendung einer dreidimensionalen integrierten Struktur, von der ein Teil in einem von null verschiedenen und nicht rechten Winkel in Bezug auf einen anderen Teil der Struktur gedreht ist, wird es folglich möglich, gerade und schräge elektrische Verbindungen zwischen zwei Punkten in einfacher Weise zu verwirklichen, was mit einer herkömmlichen Trassierung des Typs ”Manhattan” nicht möglich ist.
Dies gilt, ob die Struktur vom monolithischen Typ ist oder auch aus zusammengefügten Chips gebildet ist.
Im Fall einer monolithischen Struktur können folglich die zwei Substrate im Winkel versetzt sein, wobei die dritte Richtung zur zweiten Richtung parallel ist, aber deshalb im Winkel in Bezug auf die erste Richtung versetzt sein.
Als Variante können die zwei Substrate nicht im Winkel versetzt sein, aber in diesem Fall ist es die Zusammenschaltungsebene, die im Winkel in Bezug auf die zwei Substrate versetzt ist.
Natürlich ist es möglich, mindestens eine Ebene von Zusammenschaltungen über jedem Substrat vorzusehen, wobei beispielsweise die Einheit ”zweites Substrat – zugehörige Zusammenschaltungsebene” im Winkel in Bezug auf die Einheit ”erstes Substrat – zugehörige Zusammenschaltungsebene” versetzt ist.
Im Fall von zusammengefügten Chips könnte ein erster Chip das erste Substrat und einen ersten Teil der Zusammenschaltung enthalten, ein zweiter Chip könnte das zweite Substrat und einen zweiten Teil der Zusammenschaltung enthalten und die zwei Chips würden bei ihrer Montage im Winkel versetzt werden.
Vorzugsweise ist der nicht rechte und von null verschiedene Winkel ein Winkel von 45°.
Gemäß einer Variante des Typs ”zusammengefügte Chips” kann die integrierte Struktur mindestens umfassen

– ein erstes Element, beispielsweise einen ersten Chip, mit dem ersten Substrat und mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene, die erste elektrisch leitfähige Leitungen enthält, die sich zumindest in einer vierten Richtung parallel oder orthogonal zur ersten Richtung erstrecken, und
– ein zweites Element, beispielsweise einen zweiten Chip, mit mindestens dem zweiten Substrat und mindestens einer zweiten Zusammenschaltungsebene, die zweite elektrisch leitfähige Leitungen enthält, die sich in der mindestens einen dritten Orientierungsrichtung erstrecken.

Die zwei Elemente sind fest miteinander verbunden, und

– die zweite Richtung bildet den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung,
– die dritte Richtung ist zur zweiten Richtung parallel oder orthogonal, und
– mindestens zwei Punkte des ersten Elements sind durch die erste elektrische Verbindung, die mindestens eine der zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen umfasst, elektrisch verbunden.

Somit umfasst die vorgeschlagene Struktur zwei Elemente, deren Trassierung der Zusammenschaltungen in herkömmlicher Weise verwirklicht ist, beispielsweise eine Trassierung, die ”Manhattan-Routing” genannt wird, und die zwei Elemente sind fest verbunden, so dass die Struktur Metallleitungen umfasst, die sich in drei Richtungen erstrecken, von denen eine Richtung in Bezug auf die zwei anderen schräg ist, was einen Zugewinn an der Länge der Leitungen in Bezug auf eine Struktur ermöglicht, die nur zwei bevorzugte Trassierungsrichtungen umfasst.
Mit anderen Worten, es wird mindestens eine der zweiten Leitungen verwendet, die zu der mindestens einen Ebene von Zusammenschaltungen des zweiten Chips gehören, um zwei Punkte des ersten Chips in schräger Weise elektrisch zu verbinden.
Die ersten elektrisch leitfähigen Leitungen können sich im Allgemeinen in der vierten und/oder einer fünften orthogonalen Richtung erstrecken und die zweiten Metallleitungen können sich in der dritten und/oder einer sechsten orthogonalen Richtung erstrecken.
Jedes Element kann einen Teil von Zusammenschaltungen umfassen, beispielsweise einen Teil einer Zusammenschaltung vom Typ BEOL (”Back End Of Line”) gemäß einem angelsächsischen Akronym, das dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt ist, mit mehreren Metallebenen, und die mindestens eine Zusammenschaltungsebene des betrachteten Elements ist mindestens eine Metallebene des Zusammenschaltungsteils.
Die erste elektrische Verbindung kann Kontaktlöcher umfassen, die die zwei Punkte mit der mindestens einen zweiten elektrisch leitfähigen Leitung verbinden.
Das erste Element und das zweite Element können durch elektrisch leitfähige Säulen oder durch Hybridbonden über ihre jeweiligen Zusammenschaltungsteile fest miteinander verbunden sein.
Mindestens eines der zwei Elemente kann mindestens eine integrierte Schaltung umfassen, die beispielsweise in seinem Substrat hergestellt ist.
Mindestens zwei Punkte des zweiten Elements können auch durch eine zweite elektrische Verbindung elektrisch verbunden sein, die mindestens eine der ersten elektrisch leitfähigen Leitungen umfasst, die den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit den zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen der mindestens einen zweiten Zusammenschaltungsebene bilden.
Mit anderen Worten ist folglich hier eine duale Struktur vorhanden, in der beispielsweise zwei Komponenten des ersten Elements durch eine schräge Verbindung verbunden sein können, die auf der Höhe des zweiten Elements liegt, und umgekehrt.
Gemäß einer anderen Variante kann die integrierte Struktur eine monolithische dreidimensionale Struktur mit mindestens dem ersten Substrat, dem zweiten Substrat und der mindestens einen Zusammenschaltungsebene sein.
Die erste und die zweite Richtung können beispielsweise parallel sein und die dritte Richtung bildet den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten und der zweiten Richtung.
Als Variante können die zweite Richtung und die dritte Richtung parallel sein und mit der ersten Richtung den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel bilden.
In dieser Ausführungsform können zwei Punkte des ersten Substrats durch eine elektrische Verbindung mit einer der elektrisch leitfähigen Leitungen der mindestens einen Zusammenschaltungsebene verbunden sein.
Die monolithische integrierte Struktur kann auch mindestens eine zusätzliche Zusammenschaltungsebene zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat umfassen und zwei Punkte der zusätzlichen Zusammenschaltungsebene können durch ein zweite elektrische Verbindung mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leitung einer zweiten Zusammenschaltungsebene verbunden sein, die sich in zumindest der dritten Richtung erstreckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Struktur vorgeschlagen, das umfasst

– eine Herstellung mindestens eines ersten Substrats mit ersten Komponenten, die in mindestens einer ersten Richtung orientiert sind,
– eine Herstellung eines zweiten Substrats mit zweiten Komponenten, die in mindestens einer zweiten Richtung orientiert sind, und
– eine Herstellung mindestens einer Zusammenschaltungsebene mit elektrisch leitfähigen Leitungen, die sich in mindestens einer dritten Richtung erstrecken, wobei das erste Substrat, das zweite Substrat und die mindestens eine Zusammenschaltungsebene fest miteinander verbunden sind, so dass die zweite Richtung und/oder die dritte Richtung einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung bilden und zwei Punkte der ersten oder der zweiten Komponenten durch eine erste elektrische Verbindung mit mindestens einer der elektrisch leitfähigen Leitungen verbunden sind.

Vorzugsweise ist der nicht rechte und von null verschiedene Winkel ein Winkel von 45°.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren umfassen

– eine Herstellung mindestens eines ersten Elements mit dem ersten Substrat und mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene, die erste elektrisch leitfähige Leitungen enthält, die sich zumindest in einer vierten Richtung parallel oder orthogonal zur ersten Richtung erstrecken,
– eine Herstellung eines zweiten Elements mit mindestens dem zweiten Substrat und mindestens einer zweiten Zusammenschaltungsebene, die zweite elektrisch leitfähige Leitungen enthält, die sich in der mindestens einen dritten Orientierungsrichtung erstrecken,
– eine feste Verbindung der zwei Elemente nach einer Drehung von einem der Elemente in Bezug auf das andere um den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel, so dass die zweite Richtung den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung bildet, wobei die dritte Richtung zur zweiten Richtung parallel oder orthogonal ist, wobei eine erste elektrische Verbindung mindestens eine der zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen umfasst, die mindestens zwei Punkte des ersten Elements elektrisch verbindet.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren die Herstellung einer monolithischen integrierten Struktur mit mindestens dem ersten Substrat, dem zweiten Substrat und der mindestens einen Zusammenschaltungsebene, die miteinander zusammengefügt sind, umfassen.
Die zweite und die dritte Richtung können parallel sein und bilden den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung.
Das Verfahren kann außerdem die Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit einer der elektrisch leitfähigen Leitungen der Zusammenschaltungsebene, die zwei Punkte des ersten Substrats verbindet, umfassen.
Das Verfahren kann auch eine Herstellung mindestens einer zusätzlichen Zusammenschaltungsebene zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat und die Herstellung einer zweiten elektrischen Verbindung mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leitung einer zweiten Zusammenschaltungsebene, die sich in mindestens der dritten Richtung erstreckt, umfassen, wobei die zweite elektrische Verbindung zwei Punkte der ersten zusätzlichen Zusammenschaltungsebene verbindet.
Die Trassierungsanordnung der verschiedenen Komponenten und elektrisch leitfähigen Leitungen wird vorteilhafterweise unter Berücksichtigung der Drehung um einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel verwirklicht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zeigen sich bei der Untersuchung der ausführlichen Beschreibung von Einsatz- und Ausführungsformen und der Figuren, in denen
1 bis 9 Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
Die 1 und 2 stellen eine dreidimensionale integrierte Struktur STR mit einem ersten Element E1, beispielsweise einem ersten Chip, und einem zweiten Element E2, beispielsweise einem zweiten Chip, dar. Die Struktur STR ist folglich vom Typ ”zusammengefügte Chips”.
Das erste Element E1 umfasst ein erstes Substrat S1 und einen ersten Zusammenschaltungsteil B1 (vom Fachmann auf dem Gebiet allgemein mit der Bezeichnung ”BEOL”, Back End Of Line, bezeichnet) mit mehreren Zusammenschaltungsebenen (Metallebenen), die jeweils elektrisch leitfähige Leitungen, beispielsweise erste Metallleitungen 21, und Ebenen von Kontaktlöchern V1 zwischen diesen Metallebenen, umfassen.
Das zweite Element E2 umfasst ein zweites Substrat S2 und einen zweiten Zusammenschaltungsteil B2 mit zweiten Metallleitungen 22 und Ebenen von Kontaktlöchern V2 zwischen diesen Metallebenen.
Die zwei Elemente E1 und E2 umfassen jeweils mehrere Komponenten 1, die in und/oder auf ihren jeweiligen Substraten S1 und S2 hergestellt sind, beispielsweise Transistoren.
Wie in 2 dargestellt, sind die Komponenten des ersten Substrats S1 in mindestens einer ersten bevorzugten Richtung D1 orientiert. In diesem Beispiel ist die Richtung D1 zur Achse X kollinear. Somit erstrecken sich die Leitungen aus Polysilizium, die die Gates der Transistoren 1 bilden, in der ersten Richtung D1.
Unter diesen Umständen können bestimmte Transistoren Gates aufweisen, die sich größtenteils in der bevorzugten Richtung erstrecken und kurze Abschnitte aufweisen, die die Teile senkrecht verbinden, die in der bevorzugten Richtung orientiert sind, um beispielsweise T-förmige, U-förmige oder E-förmige Gates zu bilden. Trotz dieser Gate-Anhänge werden die Komponenten trotzdem als in der ersten bevorzugten Richtung D1 orientiert betrachtet.
Die Komponenten des zweiten Substrats sind in einer zweiten bevorzugten Richtung D2 orientiert, beispielsweise hier einer Richtung mit einer Komponente entlang der Achse X und einer Komponente entlang der Achse Y, so dass die erste Richtung einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel θ mit der ersten Richtung, beispielsweise einen Winkel θ von 45°, bildet.
Die Metallleitungen 21 des ersten Zusammenschaltungsteils B1 erstrecken sich in einer vierten Richtung D4, hier zur ersten Richtung D1 kollinear, und in einer fünften Richtung D5 orthogonal zur vierten Richtung D4.
Die Metallleitungen 22 des zweiten Zusammenschaltungsteils B2 erstrecken sich in einer dritten Richtung D3, hier zur zweiten Richtung D2 kollinear, und in einer sechsten Richtung D6 orthogonal zur dritten Richtung D3.
Die zwei Elemente E1 und E2 umfassen auf der Höhe ihrer jeweiligen Zusammenschaltungsteile Metallkontakte 2, die die integrierte Struktur durch Metall-Metall-Bonden, isolierendes-isolierendes Bonden, das zwischen den Metallkontakten erhalten wird, fest verbinden. Die Metallkontakte 2 werden folglich durch das Bonden von zwei oberen Metallleitungsabschnitten ausgebildet, die zu den ersten und zweiten Zusammenschaltungsteilen B1 und B2 gehören. Dieser Typ von Bonden vom molekularen Typ wird allgemein mit dem Begriff Hybridbonden (”hybrid bonding” in Englisch) bezeichnet.
Die integrierte Struktur STR umfasst eine erste elektrische Verbindung 3, die zwei Punkte 4 und 5 des ersten Elements E1 verbindet und eine Metallleitung 30 des zweiten Zusammenschaltungsteils B2 umfasst. Hier gehören die zwei Punkte jeweils zu einer unterschiedlichen Metallleitung des ersten Zusammenschaltungsteils B1.
Die zwei Punkte 4 und 5 sind mit der Metallleitung 30 durch zwei Kontaktlöcher 31 und 32 verbunden.
Eine zweite elektrische Verbindung 6 mit einer zweiten Metallleitung 60 verbindet in diesem Beispiel zwei Punkte 7 und 8 der zweiten Zusammenschaltungsebene B2 durch zwei Kontaktlöcher 61 und 62.
Somit wurde eine Metallleitung 30 des zweiten Zusammenschaltungsteils B2 zum Verwirklichen einer diagonalen oder schrägen Verbindung zwischen den zwei Punkten 4 und 5 des ersten Zusammenschaltungsteils B1 verwendet. Es ist zu beachten, dass die Metallleitung 30 mit keiner anderen Metallleitung der zweiten Zusammenschaltungsebene B2 elektrisch verbunden sein kann und folglich nur zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung zwischen den zwei Punkten 4 und 5 des ersten Elements E1 dienen kann. Bei Bedarf kann die Metallleitung 30 zum elektrischen Verbinden von zwei Punkten 4 und 5 des ersten Elements E1 miteinander, aber auch mit einem anderen Punkt des zweiten Elements E2 dienen.
Ebenso wurde eine Metallleitung 60 des ersten Zusammenschaltungsteils B1 zum Verwirklichen einer diagonalen oder schrägen Verbindung zwischen den zwei Punkten 7 und 8 des zweiten Zusammenschaltungsteils B2 verwendet.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur wird jedes der Elemente E1 und E2 in herkömmlicher Weise hergestellt und die feste Verbindung der zwei Elemente erfolgt nach Drehung von einem der zwei Elemente in Bezug auf das andere um 45°.
Außerdem erfolgt die Herstellung von jedem der Kontaktlöcher 31, 32, 61 und 62 in zwei Teilen. Ein erstes Segment jedes Kontaktlochs wird im ersten Element hergestellt und ein zweites Segment wird im zweiten Element hergestellt. Jedes Kontaktlochsegment erstreckt sich von einem Bondkontakt 2, der auf der oberen Fläche des Zusammenschaltungsteils liegt, in dem es sich befindet, gegenüber dem zweiten zugehörigen Segment. Die zwei Segmente jedes Kontaktlochs werden zusammengefügt, um ein und dasselbe Kontaktloch beim Bonden des ersten Elements und des zweiten Elements zu bilden.
Somit werden die elektrischen Verbindungen 3 und 6 erst im Moment des Bondens der zwei Elemente E1 und E2 hergestellt. Die Trassierungsanordnung des ersten Elements E1 wurde unter Berücksichtigung der Trassierungsanordnung des zweiten Elements E2 und/oder umgekehrt durchgeführt.
Es ist zu beachten, dass die 1 nicht wirklich eine Schnittansicht, sondern eine vereinfachte schematische Ansicht der vorstehend beschriebenen elektrischen Verbindungen ist. Die Punkte 4 und 5 des ersten Elements E1 gehören nicht zu ein und derselben zur Ebene der Figur parallelen Ebene, sondern sind entlang der Achse X in Bezug aufeinander versetzt.
Die zwei Segmente des Kontaktlochs 31 und das Paar von Bondkontakten, von denen sie sich erstrecken, sind ebenso entlang der Achse X in Bezug auf die zwei Segmente des Kontaktlochs 31 und das Paar von Bondkontakten, von denen sie sich erstrecken, versetzt.
Dieselben Bemerkungen gelten für die Punkte 7 und 8 und für die in der Verbindung 6 enthaltenen Elemente.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, umfasst jeder Zusammenschaltungsteil elektrisch leitfähige Säulen 10 auf seiner oberen Fläche, beispielsweise Kupfersäulen 10, und die zwei Elemente E1 und E2 sind durch diese Säulen fest miteinander verbunden.
Die Struktur STR umfasst auch eine elektrische Verbindung 11, die zwei Punkte 12 und 13 des ersten Elements verbindet.
Die elektrische Verbindung umfasst zwei Kontaktlöcher 111 und 112 und eine zweite Metallleitung 110 des zweiten Zusammenschaltungsteils B2. Jedes Segment von jedem Kontaktloch erstreckt sich hier von einer Kupfersäule und die erste und die zweite elektrische Verbindung 3 und 6 werden erst in dem Moment der festen Verbindung dieser zwei Elemente E1 und E2 über ihre jeweiligen Kupfersäulen 10 hergestellt.
Wie in 4 dargestellt, kann eines der zwei Elemente, beispielsweise das zweite Element E2, die Kupfersäulen 10 nicht auf der oberen Fläche seines Zusammenschaltungsteils B2, sondern auf der unteren Fläche seines Substrats S2 umfassen.
Eine elektrische Verbindung 14, die die zwei Punkte 4 und 5 des ersten Elements verbindet, umfasst folglich Kontaktlöcher 141 und 142, von denen ein Teil, der dem Fachmann auf dem Gebiet unter dem angelsächsischen Akronym ”TSV” (”Through Silicon Via”) bekannt ist, sich im zweiten Element von den Kupfersäulen 10 durch Durchqueren des zweiten Substrats S2 bis zur Metallleitung 140 erstreckt, die in der zweiten Zusammenschaltungsebene vorhanden ist.
Es ist angebracht, anzumerken, dass die elektrische Verbindung 14 sich in einem Teil des zweiten Substrats S2 erstreckt, der keine Komponente umfasst.
Auch hier wird die elektrische Verbindung 14 erst in dem Moment der festen Verbindung der zwei Elemente E1 und E2 durch die Kupfersäulen 10 hergestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt, der in 5 dargestellt ist, kann die integrierte Struktur eine monolithische Struktur mit dem Stapel eines ersten Substrats S3, eines ersten Zusammenschaltungsteils B3, des zweiten Substrats S4 und eines zweiten Zusammenschaltungsteils B4 sein.
Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen wird die Struktur STR nicht durch die feste Verbindung von zwei separat hergestellten Elementen, sondern durch die Überlagerung von verschiedenen Schichten S3, B3, S4, B4 erhalten.
Die monolithische Struktur wird in herkömmlicher Weise durch die aufeinander folgende und überlagerte Herstellung der Schichten S3, B3, S4 und B4 durch Ausführen einer Drehung um einen Winkel θ von 45° zwischen der Herstellung des ersten Zusammenschaltungsteils B3 und der Herstellung des zweiten Substrats S4 hergestellt.
Wie in 6 dargestellt, sind folglich die Komponenten 1 des ersten Substrats S3 in der ersten bevorzugten Richtung D1 orientiert, die in diesem Beispiel zur Achse X kollinear ist.
Die Komponenten des zweiten Substrats S4 sind in der dritten bevorzugten Richtung D3 orientiert, die hier eine Komponente entlang der Achse X und eine Komponente entlang der Achse Y umfasst, um den Winkel θ von 45° mit der ersten Richtung D1 zu bilden.
Die Metallleitungen des ersten Zusammenschaltungsteils B3 erstrecken sich in der vierten Richtung D4 und in der fünften Richtung D5 orthogonal zur vierten Richtung D4. Hier ist die vierte Richtung D4 zur ersten Richtung D1 kollinear.
Die Metallleitungen des zweiten Zusammenschaltungsteils B4 erstrecken sich in der dritten Richtung D3 und in der sechsten Richtung D6 orthogonal zur dritten Richtung D3. In diesem Beispiel umfasst die dritte Richtung eine Komponente entlang der Achse X und eine Komponente entlang der Achse Y, um den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel θ mit der ersten Richtung zu bilden, beispielsweise hier einen Winkel θ von 45°.
Die monolithische Struktur STR umfasst eine elektrische Verbindung 15, die zwei Punkte 16 und 17 des ersten Zusammenschaltungsteils B3 verbindet und eine Metallleitung 150 des zweiten Zusammenschaltungsteils B4 umfasst.
Die zwei Punkte sind mit der Metallleitung 150 durch Kontaktlöcher 151 und 152 verbunden, die gemäß einem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.
Somit wurde eine Metallleitung 150 des zweiten Zusammenschaltungsteils B4 zur Herstellung einer diagonalen oder schrägen Verbindung zwischen den zwei Punkten 16 und 17 des ersten Zusammenschaltungsteils B3 verwendet.
Gemäß einer Variante, die in 7 dargestellt ist, kann die monolithische Struktur den Stapel eines ersten Substrats S5, des zweiten Substrats S6 und eines Zusammenschaltungsteils B umfassen.
In dieser Variante wird die Struktur STR in herkömmlicher Weise durch die aufeinander folgende und überlagerte Herstellung der Schichten S5, S6, B durch Ausführen einer Drehung um einen Winkel θ von 45° zwischen der Herstellung des zweiten Substrats S6 und des Zusammenschaltungsteils B hergestellt.
Die Struktur umfasst außerdem eine elektrische Verbindung 18, die zwei Punkte 19 und 20 des ersten Substrats S5, beispielsweise zwei Elektroden von zwei Transistoren 1, die im ersten Substrat S5 hergestellt sind, verbindet und eine Metallleitung 180 der Zusammenschaltungsebene S1 umfasst.
Die zwei Punkte 181 und 182 sind mit der Metallleitung 180 durch Kontaktlöcher 181 und 182 verbunden, die einen Teil des zweiten Substrats S4 durchqueren, der keine Komponente umfasst.
Wie in 8 dargestellt, sind die Komponenten des ersten Substrats S5 in der ersten bevorzugten Richtung D1 orientiert und die Komponenten des zweiten Substrats S6 sind in der zweiten bevorzugten Richtung D2 orientiert. Hier sind die erste bevorzugte Richtung und die zweite bevorzugte Richtung kollinear entlang der Achse X orientiert. Somit erstrecken sich die Leitungen aus Polysilizium, die die Gates der Transistoren 1 bilden, in der ersten Richtung.
Die Metallleitungen des Zusammenschaltungsteils B sind in der dritten bevorzugten Richtung D3 und der sechsten bevorzugten Richtung D6 orthogonal zur zweiten bevorzugten Richtung D2 orientiert.
In diesem Beispiel erstreckt sich die dritte bevorzugte Richtung D3 entlang einer Richtung mit einer Komponente entlang der Achse X und einer Komponente entlang der Achse Y, um den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel θ mit der ersten Richtung zu bilden, beispielsweise hier einen Winkel θ von 45°.
Somit wurde eine Metallleitung 180 des Zusammenschaltungsteils B zum Herstellen einer diagonalen oder schrägen Verbindung zwischen den zwei Punkten 19 und 20 des ersten Substrats verwendet.
Gemäß einer Variante, die in 9 dargestellt ist, wird die Struktur STR in herkömmlicher Weise durch die aufeinander folgende und überlagerte Herstellung der Schichten S5, S6, B durch Ausführen einer Drehung um einen Winkel θ von 45° zwischen der Herstellung des ersten Substrats S5 und der Herstellung des zweiten Substrats S6 hergestellt.
Somit erstreckt sich die erste Richtung D1 entlang der Achse X und die zweite Richtung und die dritte Richtung sind kollinear und umfassen eine Komponente entlang der Achse X und eine Komponente entlang der Achse Y, um den Winkel θ von 45° mit der ersten Richtung D1 zu bilden.
Die hier dargestellten Ausführungsformen und Einsatzformen sind keineswegs begrenzend. Obwohl es hier um einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit einem Wert von 45° ging, sind die hier dargestellten Einsatzformen und Ausführungsformen insbesondere mit jedem Wert eines Winkels kompatibel.
In den Varianten von Strukturen des Typs ”zusammengefügte Chips” wäre es außerdem möglich, eine Struktur des Typs ”back to back” gemäß dem angelsächsischen Ausdruck, der dem Fachmann auf dem Gebiet gut bekannt ist, vorzusehen, d. h. eine Struktur, in der die Substrate S1 und S2 der zwei Elemente E1 und E2 durch ihre hintere Fläche fest verbunden sind, d. h. ihre Fläche, die zu jener entgegengesetzt ist, die den Zusammenschaltungsteil (BEOL) trägt.
Die Erfindung kann auch für eine dreidimensionale Struktur gelten, die durch eine sogenannte Technologie von ”sequentiellem Bonden und/oder Konstruieren” (”bonding and/or sequentially built structure”) unter Verwendung von beispielsweise Keimfenstern (”seed windows”) erhalten wird, um kristalline Abschnitte aus Silizium in einem oberen Teil der Struktur wachsen zu lassen, oder auch Abscheidungen von Filmen aus Silizium, gefolgt von Kristallisationen.

Claims

Dreidimensionale integrierte Struktur mit mindestens einem ersten Substrat (S1, S3, S5) mit ersten Komponenten (1), die in mindestens einer ersten bevorzugten Richtung (D1) orientiert sind, einem zweiten Substrat (S2, S4, S6) mit zweiten Komponenten (1), die in mindestens einer zweiten Richtung (D2) orientiert sind, und mindestens einer Zusammenschaltungsebene (B1, B2, B3, B4, B) mit elektrisch leitfähigen Leitungen (21, 22), die sich in mindestens einer dritten Richtung (D3) erstrecken, wobei die zweite Richtung (D2) und/oder die dritte Richtung (D3) einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung (D1) bilden, so dass zwei Punkte (4, 5, 16, 17, 19, 20) der ersten oder der zweiten Komponenten durch eine erste elektrische Verbindung (3, 11, 14, 15, 18) mit mindestens einer der elektrisch leitfähigen Leitungen verbunden sind.
Integrierte Struktur nach Anspruch 1, in der der nicht rechte und von null verschiedene Winkel ein Winkel von 45° ist.
Integrierte Struktur nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einem ersten Element (E1) mit dem ersten Substrat (S1) und mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene (B1), die erste elektrisch leitfähige Leitungen (21) enthält, die sich zumindest in einer vierten Richtung (D4) parallel oder orthogonal zur ersten Richtung (D1) erstrecken, und einem zweiten Element (E2) mit mindestens dem zweiten Substrat (S2) und mindestens einer zweiten Zusammenschaltungsebene (B2), die zweite elektrisch leitfähige Leitungen (22) enthält, die sich in der mindestens einen dritten Richtung (D3) erstrecken, wobei die zwei Elemente (E1, E2) miteinander fest verbunden sind, wobei die zweite Richtung (D2) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung (D1) bildet, und die mindestens eine dritte Richtung (D3) zur zweiten Richtung (D2) parallel oder orthogonal ist, und mindestens zwei Punkte (4, 5) des ersten Elements (E1) durch die erste elektrische Verbindung (3, 11, 14) mit mindestens einer (30, 110, 140) der zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen (22) elektrisch verbunden sind.
Integrierte Struktur nach Anspruch 3, in der die ersten elektrisch leitfähigen Leitungen (21) sich in der vierten (D4) und/oder einer fünften (D5) orthogonalen Richtung erstrecken und die zweiten Metallleitungen (22) sich in der dritten (D3) und/oder einer sechsten orthogonalen Richtung erstrecken.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 3 und 4, in der jedes Element (E1, E2) einen Zusammenschaltungsteil (B1, B2) mit mehreren Metallebenen umfasst und die mindestens eine Zusammenschaltungsebene des betrachteten Elements mindestens eine Metallebene des Zusammenschaltungsteils (B1, B2) ist.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, in der die erste elektrische Verbindung (3, 11, 14) Kontaktlöcher (31, 32, 111, 112, 141, 142) umfasst, die die zwei Punkte (4, 5) mit der mindestens einen zweiten elektrisch leitfähigen Leitung (30, 110, 140) verbinden.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 3 bis 6, in der das erste Element (E1) und das zweite Element (E2) durch elektrisch leitfähige Säulen (10) fest miteinander verbunden sind.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 5 oder 6, in der das erste Element (E1) und das zweite Element (E2) über ihre Zusammenschaltungsteile (B1, B2) durch Hybridbonden fest miteinander verbunden sind.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 3 bis 8, in der mindestens eines der zwei Elemente (E1, E2) mindestens eine integrierte Schaltung umfasst.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 3 bis 9, in der mindestens zwei Punkte (7, 8) der mindestens einen zweiten Zusammenschaltungsebene (B2) durch eine zweite elektrische Verbindung (6) mit mindestens einer (60) der ersten elektrisch leitfähigen Leitungen (21) elektrisch verbunden sind, die den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit den zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen (22) der mindestens einen zweiten Zusammenschaltungsebene (B2) bilden.
Integrierte Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die eine monolithische dreidimensionale Struktur mit mindestens dem ersten Substrat (S3, S5), dem zweiten Substrat (S4, S6) und der mindestens einen Zusammenschaltungsebene (B3, B4, B) bildet.
Integrierte Struktur nach Anspruch 11, in der die erste (D1) und die zweite (D2) Richtung parallel sind und die dritte Richtung (D3) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten (D1) und der zweiten (D2) Richtung bildet.
Integrierte Struktur nach Anspruch 11, in der die zweite Richtung (D2) und die dritte Richtung (D3) parallel sind und mit der ersten Richtung (D1) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel bilden.
Integrierte Struktur nach Anspruch 12, in der zwei Punkte (19, 20) des ersten Substrats durch die elektrische Verbindung (18) mit einer (180) der elektrisch leitfähigen Leitungen der mindestens einen Zusammenschaltungsebene (B) verbunden sind.
Integrierte Struktur nach Anspruch 12 mit mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene (B3) zwischen dem ersten Substrat (S3) und dem zweiten Substrat (S4) und wobei zwei Punkte (16, 17) der ersten Zusammenschaltungsebene (B3) durch eine elektrische Verbindung (15) mit einer elektrisch leitfähigen Leitung (150) einer zweiten Zusammenschaltungsebene (B4) verbunden sind, die sich in mindestens der dritten Richtung (D3) erstreckt.
Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Struktur, das umfasst – eine Herstellung mindestens eines ersten Substrats (S1, S3, S5) mit ersten Komponenten (1), die in mindestens einer ersten bevorzugten Richtung (D1) orientiert sind, – eine Herstellung eines zweiten Substrats (S2, S4, S6) mit zweiten Komponenten (1), die in mindestens einer zweiten Richtung (D2) orientiert sind, und – eine Herstellung mindestens einer Zusammenschaltungsebene (B1, B2, B3, B4, B) mit elektrisch leitfähigen Leitungen (21, 22), die sich in der mindestens einen dritten Richtung (D3) erstrecken, wobei das erste Substrat (S1, S3, S5), das zweite Substrat (S2, S4, S6) und die mindestens eine Zusammenschaltungsebene (B1, B2, B3, B4, B) fest miteinander verbunden sind, so dass die zweite Richtung (D2) und/oder die dritte Richtung (D3) einen nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung (D1) bilden und zwei Punkte (4, 5, 16, 17, 19, 20) der ersten oder der zweiten Komponenten durch eine erste elektrische Verbindung (3, 11, 14, 15, 18) mit mindestens einer der elektrisch leitfähigen Leitungen verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 16, in dem der nicht rechte und von null verschiedene Winkel ein Winkel von 45° ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das umfasst – eine Herstellung mindestens eines ersten Elements (E1) mit dem ersten Substrat (S1) und mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene (B1), die erste elektrisch leitfähige Leitungen (21) enthält, die sich zumindest in einer vierten Richtung (D4) parallel oder orthogonal zur ersten Richtung (D1) erstrecken, – eine Herstellung eines zweiten Elements (E2) mit mindestens dem zweiten Substrat (S2) und mindestens einer zweiten Zusammenschaltungsebene (B2), die zweite elektrisch leitfähige Leitungen (22) enthält, die sich in der mindestens einen dritten Richtung (D3) erstrecken, – eine feste Verbindung der zwei Elemente (E1, E2) nach einer Drehung von einem der Elemente (E1, E2) in Bezug auf das andere um den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel, so dass die zweite Richtung (D2) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten Richtung (D1) bildet, wobei die dritte Richtung (D3) zur zweiten Richtung (D2) parallel oder orthogonal ist, wobei die erste elektrische Verbindung (3, 11, 14) mindestens eine (30, 110, 140) der zweiten elektrisch leitfähigen Leitungen (22) umfasst, die mindestens zwei Punkte des ersten Elements elektrisch verbinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17 mit der Herstellung einer monolithischen dreidimensionalen integrierten Struktur mit mindestens dem ersten Substrat (S3, S5), dem zweiten Substrat (S4, S6) und der mindestens einen Zusammenschaltungsebene (B3, B4, B).
Verfahren nach Anspruch 19, in dem die erste und die zweite Richtung (D1, D2) parallel sind und die dritte Richtung (D3) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel mit der ersten und der zweiten Richtung (D1, D2) bildet.
Verfahren nach Anspruch 19, in dem die zweite Richtung (D2) und die dritte Richtung (D3) parallel sind und mit der ersten Richtung (D1) den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel bilden.
Verfahren nach Anspruch 20 mit der Herstellung einer elektrischen Verbindung (18) mit einer (180) der elektrisch leitfähigen Leitungen der Zusammenschaltungsebene (B), die zwei Punkte (19, 20) des ersten Substrats verbindet.
Verfahren nach Anspruch 20, das die Herstellung mindestens einer ersten Zusammenschaltungsebene (B3) zwischen dem ersten Substrat (S3) und dem zweiten Substrat (S4) und die Herstellung einer elektrischen Verbindung (15) mit einer elektrisch leitfähigen Leitung (150) einer zweiten Zusammenschaltungsebene (B4) umfasst, die sich in zumindest der dritten Richtung (D3) erstreckt, wobei die elektrische Verbindung (15) zwei Punkte der ersten Zusammenschaltungsebene (B3) verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, in dem die Trassierungsanordnung der verschiedenen Komponenten und der verschiedenen elektrisch leitfähigen Leitungen (21, 22, 30, 60, 110, 140, 150, 180) unter Berücksichtigung der Drehung um den nicht rechten und von null verschiedenen Winkel ausgeführt wird.