JP2003501804A - 背面接触により電気コンポーネントを垂直に集積する方法 - Google Patents
背面接触により電気コンポーネントを垂直に集積する方法Info
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Abstract
Description
れることを意味する。三次元集積されたマイクロ・エレクトロニック・システム
の利点は、例えば二次元システムと比べて、同じデザインルールに基づいて、よ
り高い集積密度とスイッチング速度が達成されることである。スイッチング速度
の高速化は、1つには個々のコンポーネント又は回路間の通電距離がより短くな
るからであり、他の1つには並列情報処理が可能になるからである。システム効
率を最高に増大させることは、超大規模集積回路に好適で任意位置選択可能な垂
直接触を備えた接続技術が実現されると達成される。
が知られている。
ント層上に多結晶シリコンを堆積し、この多結晶シリコンを再結晶化してその再
結晶化層に追加のコンポーネントを形成できるようにすることが提案されている
。この方法の欠点は、再結晶プロセスでの高熱負荷による収率低下につながる下
層コンポーネント劣化と、システム全体の必要な一連の処理である。システム全
体の必要な一連の処理は、一方においては製造プロセスにおける比較的長いサイ
クル時間の原因となり、他方においてはプロセスによる中断時間が合計されると
いう事実による収率低下の原因となる。両要素は、異なる基板で個々の面を別々
に処理するのに比べるとかなり製造コストを引き上げる。
1990, p.85 には、さらに個々のコンポーネント面をまず異なる基板に別々に製
作することを開示している。その後、それらの基板を薄くし、表面と裏面にコン
タクトを設け、接合プロセスによって垂直に接続する。この方法は、接合プロセ
スが完了すると垂直集積が完了する、すなわち積層基板の状態で処理ステップを
行う必要がないという限りにおいては優れている。しかし、基板を0.数μmま
で薄くしなければならないという事情(側方絶縁構造の領域で基板材料を完全に
除去すること)により、この方法を適用できるのは非常に限られたものとなり、
そのためこの方法は標準的な半導体技術により製造されたコンポーネントを垂直
に集積するためには用いることができない。
板上に個々の集積回路を積み重ねることによって三次元集積回路構造を製造する
方法を述べている。この目的のために、プロセスを完了した集積回路をもつ基板
をまず個々のチップに細分化し、それによりウエハレベルでのプロセスが完了す
る。チップをテストし、最初のチップを熱圧縮により支持基板に取り付ける。こ
のステップの後、他のチップを同じ方法により最初のチップに取り付ける。この
ようにして、次の支持基板上に他のチップ積層体の製造が始まる前に最初のチッ
プ積層体が完成する。したがって、この方法では、チップ積層体をウエハレベル
でさらに処理することは不可能となる。
はディスク状基板、いわゆるウエハの処理だけを許容しているという事実からき
ている。ディスク状基板以外の基板、特に個々のチップは、実験プラントで処理
できるだけであり、要求される高収率を持つ工業生産の枠内ではない。
そこでは個々のコンポーネント面の接続が特別に形成されたビアホールによりな
される。この方法によれば、プロセスを完了した2つの基板が接続される。しか
しながら、基板を接続する前に、上部基板に対し、基板のチップが完全なものを
選択する機能テストがなされる。その後、基板が裏面側から薄くされ、個々のチ
ップに分割され、選択された完全なチップのみが接着層を有する下部基板に一直
線に並ぶように順次配列されて取り付けられる。しかし、この方法は、積層され
たコンポーネント面間の垂直方向の電気的接続がウエハレベルでのその後の更な
る処理(配線化)によってのみ実現される限りにおいて不利である。この目的の
ために、一方においては、チップ積層体を標準的なディスク製造プロセスによっ
て処理できるように、チップ積層体の顕著な凹凸を平坦化する適当な平面化方法
を用いることが必要となる。他方においては、最終的な配線の集積密度は、チッ
プ取付け工程における微細な位置決め精度によってさらに限定される。取り付け
るチップの金属被覆面に至るビアホールを開け、その後最終的な配線面をパター
ン化するために必要な、ディスクレベルにおいて実行されるリソグラフィーステ
ップは、ウエハの全領域を通して“レジスタ処理範囲(registering range)”内
となるようにするために、適当なアライメント許容誤差を考慮しなければならな
い。
する方法を開示しており、そこでは第1半導体基板の上部表面内と表面上に半導
体コンポーネント構造が作成される。その後、その第1半導体基板に深い溝が刻
み付けられ、導電材料が充填される。これに続いて、導電材料が充填されたその
深い溝が現れるように、第1半導体基板の裏面が削られ磨かれる。第2半導体基
板にも半導体コンポーネント構造が設けられる。更に、第2半導体基板に接続窓
がエッチングにより形成され、第1半導体コンポーネントの露出している溝が次
のステップでその接続窓に合わされる。2つの基板を機械的に接続した後になっ
て初めて、第1半導体基板の半導体コンポーネントが電気的導通方法によってそ
の溝内の導電材料に接続される。この方法の特有の欠点は、導電材料が充填され
て露出する溝が壊れやすいということであり、そのためにこの方法を実際に扱う
のをより困難にしている。
方法を述べており、そこでは個々のコンポーネント層が異なる基板で互いに独立
して処理され、その後接合される。この目的のために、設けられた全コンポーネ
ント層を貫通するビアホールが、プロセスを完了したトップ基板の前面にまず開
けられる。これに続いてハンドリング基板が取りつけられ、トップ基板が裏面側
からビアホールに届くまで薄くされる。最後に、プロセスの完了したボトム基板
がトップ基板に接続される。ハンドリング基板を除去すると、ビアホールが残留
層を貫通してボトム基板の金属被覆層に到達しており、トップ基板とボトム基板
の間で電気的接触がなされる。
たチップをプリント回路基板に設ける方法を開示している。この方法によれば、
チップの前面にあるコンポーネント構造がチップを貫通するビアホールによって
印刷回路基板の電気コンタクトに電気的及び機械的に接続される。
を開示している。この方法によれば、電気接続は非高温溶解半田接点により実現
され、チップと基板の間の機械的接続はポリイミド又は何らかの他の接続層によ
ってなされる。従って、既に形成されたチップ積層体の機械的安定性は、更にチ
ップを設けるためにその積層体を再加熱しても劣化しない。
溝に入り込んだ半田材料をもつチップ表面を平坦にすることが困難であるという
限りにおいて問題がある。第2に、並置された異種材料の複数からなるチップ表
面は異なった熱特性をもっており、このことが新しいチップを設けるためにチッ
プ積層体を何度も繰り返し加熱すると好ましくない影響を与える。
数の半導体コンポーネントを接続する方法、及びそのような方法により製造され
る半導体コンポーネントの積層体を提供することである。
により達成され、半導体コンポーネントの積層体は請求項14により達成される
。
含む第1コンポーネント構造を設けるステップ、導電材料が充填され第1半導体
基板から絶縁されたビアホールであって、第1半導体基板の第2主面まで延び、
第1半導体基板の第1主面にある導電性接続材料により電気的導通方法で第1コ
ンタクト領域と接続されるビアホールを第1半導体基板に形成するステップ、前
記ビアホール内の導電材料により電気的導通方法で第1コンタクト領域に接続さ
れる第1ランドを、第1半導体基板の第2主面に形成するステップ、第2半導体
基板に第2コンタクト領域を含む第2コンポーネント構造を設けるステップ、第
2コンタクト領域に電気的導通方法で接続される第2ランドを形成するステップ
、並びに第1ランドと第2ランドにより第1半導体基板と第2半導体基板の間に
電気的及び機械的接続がなされるように、第1と第2の半導体基板を接続するス
テップを備えて2個の半導体コンポーネントを接続する方法を提供するものであ
る。
前述の方法を用いて2又はそれ以上の半導体コンポーネントを結合することによ
って製造されたものである。
は金属被覆面をそれぞれ備えてプロセスを完了した2つの基板が金属層によって
互いに接続される。上部基板では、例えばまだ公開されていないドイツ特許出願
DE19816245.6から知られるようなタイプの背面配線がまず設けられ
る。それによって、コンポーネント層の第1コンタクト領域、例えば高濃度にド
ープされた配線領域又は金属被覆面とコンポーネント基板の背面(背面コンタク
ト)の間で電気的接続がなされる。下部基板には対応して位置決めされた金属前
面コンタクトが設けられ、その結果、適当な結合方法によって、上部基板の背面
コンタクトと下部基板の前面コンタクトの間で垂直方向の機械的及び電気的接続
が実現される。
接続が適当な結合方法により実現されるという事実によって、上部基板と下部基
板を機械的に接続するために、ポリイミド層のような何らかの別の層を設ける必
要がないという限りにおいて優れている。その結果、半田システムを持つその別
の接続層の平坦化ステップは実施が困難であることがはっきりしているが、本発
明による方法の場合には、従来の方法に比べて、その平坦化ステップをなくすこ
ともできる。もし機械接続層と半田システムが正しく平坦化されなかった場合に
は、上部基板と下部基板の半田システムが互いに十分な接触とはならず、そのた
めに上部基板と下部基板の間で信頼性のある電気的接続が達成されない。機械的
接続層の使用は、機械的及び電気的接続材料が異なった熱特性をもつという限り
においても不利である。温度を上げながら2つの基板を接合するとき、接続材料
の一方が既に軟らかいが他方はまだ硬いままとなる。このことは接合のプロセス
をなお一層複雑なものとする。
低温半田プロセスによって実行することができるが、それらのプロセスは2つの
メタルの固−液相互拡散に基づいており、接合温度よりもはるかに高温まで安定
な接続を形成できる。その結果、接合の間に共晶合金が形成されることになり、
接合プロセス終了後のその融点は接合プロセス前の個々の成分の融点よりも高く
なる。したがって、その接続がなされた条件に関して安定であるという限りにお
いて非可逆的な接続が形成される。本発明により電気的及び機械的接続のために
使用することのできる材料の組合せの例は、それぞれの前面、背面コンタクトの
組に対し、銅と錫の組合せ、又は金とチタンの組合せである。
安定にすることなしに、チップに更なるコンポーネント層を設けることができる
。その場合、コンポーネントとその結合基板とのそれまでに形成された積層体は
、新たな下部基板となる。したがって、この方法の場合、面の数は限定されない
。さらに、個々の面だけでなく、既に複数の面を備えた個々のチップのような半
積層体も取り付けることもできる。
、すなわちそれによりなされる接触は機械的接触だけであって電気的接触ではな
いこと、の可能性も提供することは言うまでもない。
えばIII−V半導体のような基板である。
セス終了後、その上部基板には直径に対する深さのアスペクト比が50:1まで
のビアホール4、所謂深いビア、すなわち垂直に集積された接続が形成される。
そのビアホール4は基板表面の酸化層5を通って垂直に形成される。ビアホール
の表面は例えば二酸化シリコンの絶縁層、密着層及び例えば窒化チタンの拡散バ
リアで裏打ちされる。続いて、空洞が出来ないように、ビアホールが導電材料、
例えば銅又はタングステンによって埋められる。面積エッチバックの後、基板と
絶縁された導電性の充填ビアホール4が得られる。このビアホールはその後の金
属被覆ステップによって互いに接続され、かつ電子回路の要求によって、電子回
路の電気的活性領域、例えば高濃度ドープ領域や金属被覆面と接続される。金属
被覆6が設けられた後、パッシベーション及び保護層7が堆積される。
2に接着され、ビアホールが背面から露出するまで背面から薄くされる。薄くさ
れた上部基板の典型的な厚さは約10μmである。次に、図2aで分かるように
、その背面には絶縁材料を堆積し、密着層を堆積し、ビアホール領域のこれらの
層の組に開口を設け、金属被覆を設け、パターン化するという一連の処理ステッ
プによって第1ランド8が設けられる。それによって、これらのランド8はビア
ホール4を経て表面の電気的活性領域と接続される。上部基板1の処理と並行し
て、図2bに示されるように下部基板3に第2ランド9が設けられる。第2ラン
ド9は薄くされた上部基板の背面の第1ランド8に対して鏡で反転したように配
置され、その結果、上部基板が下部基板上に整列して置かれると、図3で分かる
ように、ランド8と9は互いに対をなして接触する。互いに接触しているランド
の典型的な直径は約5μmである。これらの直径が小さいのはビアホール4の高
いアスペクト比に由来するものである。
クを用いて実行することができる。第1ランドと第2ランドの両方は、接触させ
て温度を上昇させることにより電気的に導通性で機械的に安定な接続を形成でき
る材料の組合せにより構成されていることが好ましい。この接触は、通常機械的
な力を同時に加えながら行われる。これらの材料の組合せは、好ましくは、典型
的なソフト半田に使用されるタイプの組合せ、又は相互拡散により接続が形成さ
れる組合せとすることができる。このことは、特に下部基板上の銅と上部基板背
面上の錫の組合せにより実現することができる。上部基板1と下部基板3が接続
した後は、補助基板2を除去することができ、得られる基板積層体を洗浄するこ
とができる。
続することができる。その場合、得られた基板積層体は、図4及び図2bで分か
るように、更に処理が施される下部基板として使用される。そのような更なる処
理のために、上部金属被覆6が露出するように保護層7を露光する必要がある。
る。
溝に入り込んだ半田材料をもつチップ表面を平坦にすることが困難であるという
限りにおいて問題がある。第2に、並置された異種材料の複数からなるチップ表
面は異なった熱特性をもっており、このことが新しいチップを設けるためにチッ
プ積層体を何度も繰り返し加熱すると好ましくない影響を与える。 米国特許第5,426,072号は、一時的なシリコン基板を用いて、積層され たSOIウエハから三次元集積回路を製造する方法を開示している。この目的の ために、SOI基板は、SOI基板のシリコン層を貫通し、その後に絶縁基板を 貫通するスルーホールをもつように処理される。SOIウエハの基板が除去され 、直ちにそのスルーホールの両側にインジウムバンプが設けられる。同様にイン ジウムバンプを備えた別の基板が製作される。この2つの基板はインジウムバン プが接触するように互いに前面同士が重ねられ、インジウムバンプが溶融するよ うにコールドウエルディング(cold-welding)法が用いられる。上部基板と下部 基板間の接続に機械的支持を与えるように、バンプ間にある隙間にエポキシ樹脂 接着材が充填される。
Claims (14)
- 【請求項1】 以下のステップを備えて2個の半導体コンポーネントを接続
する方法。 第1半導体基板(1)の第1主面に、第1コンタクト領域を含む第1コンポー
ネント構造を設けるステップ、 導電材料が充填され第1半導体基板(1)から絶縁されたビアホール(4)で
あって、第1半導体基板(1)の第2主面まで延び、第1半導体基板(1)の第
1主面にある導電性接続材料(6)により電気的導通方法で第1コンタクト領域
と接続されるビアホール(4)を第1半導体基板(1)に形成するステップ、 前記ビアホール(4)内の導電材料により電気的導通方法で第1コンタクト領
域(6)に接続される第1ランド(8)を、第1半導体基板(1)の第2主面に
形成するステップ、 第2半導体基板(3)に第2コンタクト領域を含む第2コンポーネント構造を
設けるステップ、 第2コンタクト領域に電気的導通方法で接続される第2ランド(9)を形成す
るステップ、 第1ランド(8)と第2ランド(9)により第1半導体基板(1)と第2半導
体基板(3)の間に電気的及び機械的接続がなされるように、第1と第2の半導
体基板を接続するステップ。 - 【請求項2】 前記コンタクト領域は高濃度にドープされた接続領域である
請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記コンタクト領域は金属被覆面である請求項1に記載の方
法。 - 【請求項4】 前記コンタクト領域は第1主面に配置された金属被覆面であ
る請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 前記コンタクト領域は第1主面の下方に配置された金属被覆
面である請求項3に記載の方法。 - 【請求項6】 前記導電性接続材料は金属被覆工程を追加して形成されたも
のである前記いずれかの請求項に記載の方法。 - 【請求項7】 前記ビアホール形成後、第1半導体基板(1)の第1主面が
補助基板(2)に接続され、その後、第1半導体基板(1)が第1主面と反対側
から薄くされる前記いずれかの請求項に記載の方法。 - 【請求項8】 第1半導体基板(1)と第2半導体基板(3)は最初同じ処
理ステップが施され、その後鏡で反転したように配置して接合される前記いずれ
かの請求項に記載の方法。 - 【請求項9】 第1ランド(8)と第2ランド(9)に使用される材料は、
それらによりできる化合物がそれを形成した条件下で安定であるように選択され
る前記いずれかの請求項に記載の方法。 - 【請求項10】 第1ランド(8)及び第2ランド(9)は、全てがそれぞ
れ第1及び第2のコンタクト領域に電気的導通方法により接続されているとは限
らない前記いずれかの請求項に記載の方法。 - 【請求項11】 第1半導体基板(1)の第2主面を第2半導体基板(3)
の表面に整列して配置し、温度上昇と圧力印加を同時に与えることにより電気的
導通接続がなされる前記いずれかの請求項に記載の方法。 - 【請求項12】 第1ランドと第2ランドの材料はそれらが共晶化合物を形
成するように選択される請求項9に記載の方法。 - 【請求項13】 複数の半導体コンポーネントを接続する方法であって、前
記いずれかの請求項に記載の方法を繰り返し、それぞれのn番目の半導体コンポ
ーネントが第1半導体コンポーネント部分の役割を果たし、(n−1)結合され
た半導体コンポーネントの積層体が第2半導体コンポーネント部分の役割を果た
すことを特徴とする方法。 - 【請求項14】 前記いずれかの請求項に記載の方法を用いて2又はそれ以
上の半導体コンポーネントを結合することにより製造された半導体コンポーネン
ト積層体。
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