JP2004014657A - 半導体チップおよびその製造方法、ならびに三次元積層半導体装置 - Google Patents
半導体チップおよびその製造方法、ならびに三次元積層半導体装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】デバイスの集積度が高く、バンプとの固着強度が高く、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる半導体チップおよびその製造方法、ならびに三次元積層半導体装置を提供する。
【解決手段】シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側に、径小部5aと径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5をシリコン基板2を貫通するように埋め込み、シリコン基板2の下面に露呈した導電体プラグ5の径大部5bをバリアメタル10を介してバンプ11に固着する。また、シリコン基板2上面に金属配線6、7と層間絶縁膜8を交互に堆積した多層配線層9の上部にパッド20を設け、導電体プラグ5の径大部5bの端面とパッド20とのいずれか一方にバンプ11を固着する
【選択図】 図1
【解決手段】シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側に、径小部5aと径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5をシリコン基板2を貫通するように埋め込み、シリコン基板2の下面に露呈した導電体プラグ5の径大部5bをバリアメタル10を介してバンプ11に固着する。また、シリコン基板2上面に金属配線6、7と層間絶縁膜8を交互に堆積した多層配線層9の上部にパッド20を設け、導電体プラグ5の径大部5bの端面とパッド20とのいずれか一方にバンプ11を固着する
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体チップを積層して一つのパッケージに納める三次元積層半導体装置に用いるに適した半導体チップおよびその製造方法、ならびに三次元積層半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
年々大規模化するシステムLSIを実現する技術の一つとして、複数の半導体チップを一つのパッケージに納めるSiP(System−in−Package)技術がある。その中でも高密度SiPを代表する例が、複数の半導体チップを積層する三次元積層半導体装置である。
【0003】
この種の三次元積層半導体装置は、一般に、図10に示すような構造となっている。すなわち、各半導体チップ101は、シリコン基板102上面下に形成されたデバイス領域103と、シリコン基板102のデバイス領域103の外側に設けられ、シリコン基板102とは絶縁膜104で絶縁されてシリコン基板102を上下に貫通する一様の径を持った導電体プラグ105と、導電体プラグ105に固着されたバンプ111と、シリコン基板102上面に金属配線層と層間絶縁膜層が交互に堆積されてなる多層配線層109と、この多層配線層109上部に設けられ、金属配線を介してデバイス領域103および導電体プラグ105と電気的接続されたパッド120とを有する構造となっている。
【0004】
そして、複数の上記半導体チップ1011、1012、1013が回路配線基板118上に順次積層され、回路配線基板118のパッド130と半導体チップ1011のバンプ111、ならびに半導体チップ1011、1012の各パッド120と半導体チップ1012、1013の各バンプ111とが固着され、回路配線基板118の配線と各半導体チップ1011、1012、1013とが導電体プラグ105を介して互いに電気的に接続して三次元積層半導体装置を構成している。(例えば、特開平10−223833号公報、特開2000−277689号公報、特開2000−49277号公報参照。)
しかしながら、上記従来の半導体チップおよび三次元積層半導体装置では、次のような問題がある。
【0005】
すなわち、導電体プラグ105は、一様の径に形成され、しかもデバイス領域103への電流供給量の観点から導電体プラグ105の径は、バンプの径の数分の一程度に小さくなっている。このような小さな径の導電体プラグ105に対して大きな径のバンプ111を固着してなる場合、導電体プラグ105とバンプ111との固着部の強度が弱く、半導体チップ1011のバンプ111と回路配線基板118の配線との接続時のリフローの熱衝撃や温度サイクル試験等での熱応力集中によりバンプ111が疲労破断を起こす可能性が高くなる。
【0006】
これは、熱膨張係数が回路配線基板118と最下層の半導体チップ1011との間では2倍以上の差があるためで、特に回路配線基板118と最下層半導体チップ1011間のバンプにおける疲労破断が顕著に発生する。
【0007】
図11は、熱応力集中によりバンプが疲労破断を起こした状態を模式的に示した断面図である。図11に示すように、シリコン基板102の熱膨張係数は約3×10−6/°Cで、一方、回路配線基板118がAl2O3(アルミナ)のセラミックスの場合には、その熱膨張係数は約7×10−6/°Cであり、このようにシリコン基板102と回路配線基板118の熱膨張係数に大きな差があるため、この三次元積層半導体装置を高温に曝した場合、シリコン基板102と回路配線基板118の熱膨張力に大きな差が生じる。
【0008】
この熱膨張力の差がシリコン基板102と回路配線基板118の間に位置するバンプ111に熱応力として加わる。特に導電体プラグ105の径が小さい場合、導電体プラグ105との固着部分のバンプ111の上端に大きなストレスが加わり、最悪の場合バンプ111に破断を生じ、三次元積層半導体装置の信頼性を損ねる。
【0009】
この問題の解決のためには、導電体プラグの径をバンプの径に合わせればよいが、シリコン基板上面の導電体プラグの径が必要以上に大きくなり、シリコン基板上面のデバイスを形成するためのデバイス領域の面積が減少し、デバイスの集積度の低下を招来することになる。
【0010】
この問題を解決するための三次元積層半導体装置が、特許第3186941号公報に開示されている。この三次元積層半導体装置を図12に示す。
【0011】
この三次元積層半導体装置では、半導体チップ2011,2012は、シリコン基板202の下面から上面に向かうに従って、次第に孔径が小さくなるようにテーパ状の貫通孔を設け、この貫通孔内に導電材料を充填することにより、シリコン基板202下面側の端部径がシリコン基板202上面側の端部径より大きくなるよう導電プラグ205を形成した上でシリコン基板202下面にバンプ211を設けてなる。なお、図中、204は絶縁膜、209は多層配線層、220は多層配線層209上部に設けられたパッドである。
【0012】
そして、回路配線基板218上に複数の半導体チップ2011,2012を積層し、バンプ211とパッド230とを固着することにより三次元積層半導体装置を構成したものである。
【0013】
しかし、このような三次元積層半導体装置においては、次のような問題がある。
【0014】
第1の問題は、シリコン基板202にテーパ状の貫通孔を形成するためにKOH溶液等による異方性ウェットエッチングが用いられるが、この場合テーパ角が固定のため、シリコン基板の厚みに対して、シリコン基板上面と下面の孔径寸法の比率が固定されるということである。そのためバンプとの固着の信頼性確保のためシリコン基板下面の孔径寸法をある一定以上の寸法とした場合、それにより自動的に上面の孔径寸法が決まってしまう。すなわち上面の孔径寸法を自由にコントロールできないということである。
【0015】
また、第2の問題は、テーパ角が固定されるため、シリコン基板の厚みの大小により上面の孔径寸法が変化するということである。これを図13を用いて説明する。
【0016】
図13において、厚みt1のシリコン基板に下面孔径寸法a、テーパ角θで貫通孔を設けたとき、その貫通孔の上面孔径寸法がb1となるとすると、同じ下面孔径寸法aで、厚みt1より厚みの薄い厚みt2のシリコン基板に貫通孔を設けると上面孔径寸法はb2となり、厚みt1のシリコン基板の上面孔径寸法がb1より大きくなる。従って、貫通孔のシリコン基板上面の孔径は、シリコン基板の厚みに大きく依存する。
【0017】
つまり、シリコン下面の孔径寸法を一定とした場合、シリコン基板の厚みが薄くなるほどシリコン基板上面の孔径寸法が大きくなり、このためシリコン基板の厚みが薄くなるほど、シリコン上面のデバイス領域の面積が減少し、デバイスの集積度を低下させるということである。
【0018】
さらに、第3の問題点は、異方性ウェットエッチングをシリコン基板下面から行なうため、シリコン基板上面の開口位置に対する孔あけ位置精度が悪いということである。シリコン基板上面のパターン寸法は1μm単位の微細なものであり、それに合わせてシリコン基板上面の開口位置の精度も高いものが要求される。
【0019】
しかしながら、シリコン基板下面から孔あけする場合、シリコン基板下面からは上面のパターンが見えないため孔あけのためのターゲットが得られない。したがって、シリコン基板下面より異方性エッチングを用いて孔あけを行なった場合、シリコン基板上面の開口位置にばらつきを生じ、開口位置に要求される高い精度を満たすことができない。そのため、シリコン基板上面には、この開口位置のばらつきを許容するだけの開口エリアを確保しなければならない。このことは、やはりシリコン基板上面のデバイス領域の面積を減少させ、デバイスの集積度を低下させるという問題を招来する。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術では、半導体チップにおける導電体プラグとバンプの固着強度が弱く、固着強度を改善しようとするとデバイスの集積度が低下するという問題がある。
【0021】
また、この半導体チップを積層した三次元積層半導体装置においては、熱応力ストレスに対して、導電体プラグとバンプの固着部の信頼性が低いという問題がある。
【0022】
そこで、本発明の目的は、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグとバンプの固着強度が高い半導体チップを提供することおよびその実現を可能とする半導体チップの製造方法を提供することにある。
【0023】
また、本発明の他の目的は、熱応力ストレスに対する信頼性の高い三次元積層半導体装置を提供することにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体チップは、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板と、前記半導体基板内部に埋設され、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部が前記第1主面側に配置されてその端部が露呈され、前記径大部が第2主面側に配置されてその端部が露呈されてなる導電体プラグと、前記導電体プラグと前記半導体基板とを電気的絶縁する絶縁膜と、前記半導体基板の第1主面上に設けられ、且つ最上層に前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを備えた多層配線層と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方に固着されたバンプとを具備することを特徴とする。
【0025】
このような本発明の半導体チップによれば、導電体プラグの径大部の径をバンプの径に合わせて最適化するようにでき、また、導電体プラグの径小部の径をデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化するようにできるため、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグとバンプの固着強度を十分に保てるようにできる。
【0026】
また、上記目的を達成するために、本発明の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板に回路素子領域を形成する工程と、前記半導体基板に、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、且つ前記径小部の端部が第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔の壁面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した貫通孔内に導電体を埋設して、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部の端部が前記第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0027】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、導電体プラグの径大部の径および径小部の径を、それぞれバンプの径およびデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化できるため、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着強度の高い半導体チップを簡単に製造できる。
【0028】
また、上記目的を達成するために、本発明の別の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、前記回路素子領域の外側の前記第1主面から半導体基板の途中まで、径小の開口孔を形成する工程と、前記経小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜が形成した開口孔内に第1の導電体を埋設する工程と、前記半導体基板の第2主面側から前記径小の開口孔に達する径大の開口孔を形成する工程と、前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した径大の開口孔内に第2の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0029】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、上記の製造方法による効果の他に、導電体プラグの径小部と径大部とを別工程で形成しているので、それぞれ最適な導電体の埋設法を適用できるため、量産性に優れた半導体チップの製造が実現できる。
【0030】
また、上記目的を達成するために、本発明の更に別の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、前記第2主面から半導体基板の途中まで、径大の開口孔を形成する工程と、前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜が形成した開口孔内に第2の導電体を埋設する工程と、前記半導体基板の第1主面側から前記径大の開口孔に達する径小の開口孔を形成する工程と、前記径小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した径小の開口孔内に第1の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0031】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、上記の別の製造方法と同様の効果が得られる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0033】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体チップの断面図である。
【0034】
本実施形態の半導体チップ1では、半導体基板、例えばシリコン基板2の表面下にデバイス領域3が形成され、このデバイス領域3の外側のシリコン基板2部分には、シリコン基板2を貫通する導電体プラグ5が埋設され、この導電体プラグ5は、シリコン基板2との間に設けた第1の絶縁膜4によってシリコン基板2とは電気的に絶縁される。
【0035】
この導電体プラグ5はシリコン基板2の内部で段を持って径が変化し、シリコン基板上面側で径が小さい径小部5aと、シリコン基板下面側で径が大きい径大部5bとを有する断面凸型構造に形成されている。径小部5aをデバイス領域3より深くシリコン基板2内に延びるように形成することが、デバイスの高集積化を図る上で好ましい。
【0036】
また、導電体プラグ5の径小部5aの端面は、シリコン基板2の上面に露呈され、導電体プラグ5の径大部5bは、シリコン基板2の下面に露呈されている。この径大部5bの露呈端部にはバリアメタル10が設けられ、このバリアメタル10を除くシリコン基板2の下面は第2の絶縁膜14で被われ、バリアメタル10にはバンプ11が固着されている。
【0037】
一方、シリコン基板2の上面には金属配線と層間絶縁膜8とを交互に堆積してなる多層配線層9が形成されるが、図1においては中間の配線層の総べてを示すことを避け、一部の金属配線6と金属配線7のみを示している。
【0038】
この多層配線層9の上面には、半導体チップ1の外部との信号の受け渡しを行なうパッド20が形成され、パッド20は、ビアホールを介して順次下層の金属配線と接続されて第1層の金属配線6に至り、更にコンタクトホールを介して所定のデバイス領域3と電気的に接続される。また、この第1層の金属配線6は、導電体プラグ5にも電気的に接続される。
【0039】
このような本実施形態によれば、導電体プラグ5の径大部5bの径をバンプ11の径に合わせて最適化でき、また、導電体プラグ5の径小部5aの径をデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化できる。
【0040】
このため、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグ5とバンプ11の固着強度を十分に保てる。
【0041】
(第2の実施形態)
以下、上記半導体チップ1の製造方法を図2および図3を参照して説明する。図2および図3は、上記半導体チップの製造方法を示す工程断面図である。
【0042】
まず、図2(a)に示すように、シリコン基板2の上面下にデバイス領域3を形成する。
【0043】
次に図2(b)に示すように、シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側部分に、周知の異方性の反応性イオンエッチング技術(Reactive Ion Etching:以下RIEと称する)を用いて、シリコン基板2の上面側から途中までエッチングを行い、径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。
【0044】
次に図2(c)に示すように、周知の異方性RIE技術により、シリコン基板2の下面側からエッチングを行い、少なくとも上側開口孔12の底面に達する径100μm程度の下側開口孔13を形成する。これにより上側開口孔12と下側開口孔13は繋がって一つの貫通孔23を形成するが、この貫通孔23は、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が大きな断面凸型構造を有する。
【0045】
次に図2(d)に示すように、貫通孔23の側壁を含むシリコン基板2の全面にCVD技術を用いてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第1の絶縁膜4を形成する。
【0046】
次に図2(e)に示すように、導電体15を貫通孔23から溢れる厚さにシリコン基板2の全面に形成して貫通孔23内に導電体15を埋め込む。ここで、導電体15としてCuを用い、形成法としてメッキ法あるいは印刷法を用いると一つの工程で貫通孔23内全体に導電体15を一気に埋めることができる。
【0047】
次に図3(f)に示すように、周知の化学的機械的研磨技術(Chemical Mechanical Polishing:以下CMPと称する)を用いてシリコン基板2の上面側の導電体15と第1の絶縁膜4を除去する。
【0048】
次に図3(g)に示すように、シリコン基板2の上面に層間絶縁膜8で相互に絶縁されたn層の金属配線層からなる多層配線層9を形成する。この図では、多層の金属配線のうちの第1層の金属配線6と中間配線層の一つの金属配線7のみを示す。さらに、この多層配線層9の上部に所定パターンのパッド20を形成する。
【0049】
次に図3(h)に示すように、CMP技術を用いてシリコン基板2の下面側を研磨して導電体15と第1の絶縁膜4を除去し、かつシリコン基板2を薄くする。これにより、貫通孔23内に埋め込まれ、シリコン基板2の上面側に径小部5aを有し、下面側に径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5がシリコン基板2内に形成される。
【0050】
次に図3(i)に示すように、シリコン基板2の下面側の導電体プラグ5の径大部5b端面を除いてシリコン基板2の下面をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第2の絶縁膜14を形成した後、バリアメタル10を形成する。
【0051】
次に図3(j)に示すように、バリアメタル10上に直径100μmの例えば半田バンプ11を固着する。
【0052】
このようにバンプ11の直径と導電体プラグ5の底面の開口径が合っているため、バンプ11は十分な強度を持ってシリコン基板2に固着される。
【0053】
このような本実施形態の半導体チップの製造方法によれば、導電体プラグ5の径小部5aの径および径大部5bの径を、デバイス動作に必要な電流供給量およびバンプ径に合わせてそれぞれ最適に形成できる。そのため、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着強度の高い半導体チップを簡単に製造できる。
【0054】
(第3の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の別の製造方法を図4を参照して説明する。図4は、上記半導体チップ1の別の製造方法を示す工程断面図である。
【0055】
図4(a)に示すように、この方法では、デバイス領域3形成工程前に、周知の異方性RIE技術によりシリコン基板2の下面側に径が100μm程度の下側開口孔13をシリコン基板2の途中の深さまで掘っておく。これは、スループットの低い大口径の開口工程が一連のチップ形成工程の途中に入って生産性が低下するのを避けるためである。
【0056】
次に図4(b)に示すように、シリコン基板2の上面側にデバイス領域3を形成する。
【0057】
次に図4(c)に示すように、シリコン基板2上面側のデバイス領域3の外側部分にRIE技術により、下側開口孔13の底面に達する径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。これにより下側開口孔13と上側開口孔12とが連接され、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が大きな断面凸型構造を有する貫通孔23が形成される。
【0058】
以下、上記製造方法の図2(d)乃至図3(j)の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じ工程であるので、ここでは説明を省略する。
【0059】
このような本実施形態によっても、上記第2の実施形態の製造方法と同様の効果が得られる。
【0060】
(第4の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の別の製造方法を図5を参照して説明する。図5は、上記半導体チップ1の別の製造方法を示す工程断面図である。
【0061】
本実施形態の製造方法においても第3の実施形態の製造方法と同様に、スループット低下を避けるため、大口径の開口工程を一連のチップ形成工程の前に行う。
【0062】
図5(a)に示すように、この方法では、周知のKOH溶液等による異方性ウェットエッチングにより、シリコン基板2の下面側に径が100μm程度の下側開口孔13をシリコン基板2の途中の深さまで掘る。この場合、KOH溶液等による異方性ウェットエッチングのため、下側開口孔13には一定角のテーパが付いた台形状になる。
【0063】
次に図5(b)に示すように、シリコン基板2の上面側にデバイス領域3を形成する。
【0064】
次に図5(c)に示すように、シリコン基板2上面側のデバイス領域3の外側部分にRIE技術により、下側開口孔13の底面に達する径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。これにより下側開口孔13と上側開口孔12とが連接され、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が次第に大きくなった断面凸型構造の貫通孔23が形成される。
【0065】
以下、上記製造方法の図2(d)乃至図3(j)の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じ工程であるので、ここでは説明を省略する。
【0066】
このような本実施形態によれば、KOH溶液等による異方性ウェットエッチングを基板の途中までしか行わないため、従来不可能であった上面の孔径寸法制御が可能となり、上側開口孔を所望の寸法で形成することができる。
【0067】
また、本実施形態によれば、従来KOH溶液等による異方性ウェットエッチングで生じたシリコン基板の厚みに依存して上面の孔径寸法が変化するという問題も解消する。図5(c2)に図5(c)とは異なる厚みのシリコン基板2の例を示すが、この図における上側開口孔12の孔径寸法は図5(c)の場合と同一である。すなわち、シリコン基板の厚みによらず、上面の孔径寸法を常に所望の値に形成することできる。
【0068】
(第5の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の更に別の製造方法を図6を参照して説明する。図6は、上記半導体チップ1の更に別の製造方法を示す工程断面図である。
【0069】
まず、図6(a)に示すように、シリコン基板2の上面の所定領域内部にデバイス領域3を形成する。
【0070】
次に図6(b)に示すように、シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側部分に、周知の異方性RIE技術を用いてシリコン基板2の途中までエッチングを行い、径が5〜30μmの上側開口孔12を形成する。
【0071】
次に図6(c)に示すように、上側開口孔12の内壁面を含むシリコン基板2の上面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第1の絶縁膜4を形成する。
【0072】
次に図6(d)に示すように、上側開口孔12内に第1の導電体16を埋め込む。ここで第1の導電体16にCuを用いてもよいし、開口孔12の深さが30μm程度と浅い場合にはポリシリコンを用いてもよい。第1の導電体16にポリシリコンを用いる場合は、通常の半導体製造工程で用いるCVD技術により形成でき、Cuを用いる場合のメッキ法や印刷法に比べて量産性に優れているため、好ましい。
【0073】
次に図6(e)に示すように、周知の異方性RIE技術により、シリコン基板2の下面側からのエッチングを行い、径が100μm程度で、第1の導電体16の底面に達する下側開口孔13を形成し、その下側開口孔13の側壁を含むシリコン基板2の下面に絶縁膜4を形成する。
【0074】
次に図6(f)に示すように、下側開口孔13に第2の導電体17を埋め込む。このとき、Cuペーストを用いた印刷法によると、下側開口孔13への第2の導電体17の充填が容易で生産性に優れるため好ましい。これにより導電体16と導電体17は繋がり、シリコン基板2の上面側に径小部5aを有し、下面側に径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5が完成する。
【0075】
以下、上述の製造方法の図3(f)乃至図3(j)の工程と同様の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じであるのでここでは説明を省略する。
【0076】
このような本実施形態によれば、上記第2の実施形態と同様の効果が得られる他に、導電体プラグ5の径小部5aと径大部5bとを別工程で形成しているので、それぞれ最適な埋め込み法が適用でき、半導体チップの製造が容易である。
【0077】
(第6の実施形態)
図7は、本発明の第6の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0078】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による3個の半導体チップ11、12、13を回路配線基板18上に積層してなるものである。
【0079】
即ち、1層目の半導体チップ11は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に接続されている。同様に第2層目の半導体チップ12は、その下面に固着されているバンプ11を介して第1層目の半導体チップ11上のパッド20に接続されている。同じく第3層目の半導体チップ13は、その下面に固着されているバンプ11を介して第2層目の半導体チップ12上のパッド20に接続されている。
【0080】
そして、それぞれの半導体チップ11、12、13は、導電体プラグ5と多層配線層19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線層19を介して行なわれることにより三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0081】
この実施形態の三次元積層半導体装置においては、回路配線基板18との熱膨張係数の違いにより最も高い熱応力ストレスが第1層目の半導体チップ11直下のバンプ11に掛かるが、上記第1の実施形態において述べた如く半導体チップ1における導電体プラグ5とバンプ11との固着が堅固であるため、熱応力ストレスに対するバンプ11の耐力が高い。そのため本実施形態における三次元積層半導体装置は、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0082】
(第7の実施形態)
図8は、本発明の第7の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0083】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による2個の半導体チップ14、15を積層した後、導電体プラグを有さない半導体チップ16を積層したものである。
【0084】
即ち、1層目の半導体チップ14は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に固着され、2層目の半導体チップ15は、その下面に固着されているバンプ11を介して1層目の半導体チップ14上のパッド20に固着されている。
【0085】
そして、3層目に積載する導電体プラグを有さない半導体チップ16はパッド面20を下向きにして配置し、2層目の半導体チップ15のパッド20上に設けられたバンプ11に接続する。
【0086】
ここで、導電体プラグ5を有する2個の半導体チップ14、15は、導電体プラグ5と多層配線層19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線層19を介して行なわれる。一方、導電体プラグを有さない半導体チップ16では、バンプ11と所定デバイスとの接続がパッド20と多層配線層19を介して行なわれる。これにより、三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0087】
本実施形態の三次元積層半導体装置においても、第6の実施形態と同様に、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0088】
さらに、導電体プラグを有さない半導体チップであっても積層を可能としたことにより、三次元積層半導体装置に搭載可能な半導体チップの種類が増え、三次元積層半導体装置の機能を豊富にできる利点をもたらす。
【0089】
(第8の実施形態)
図9は、本発明の第8の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0090】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による3個の半導体チップ17、18、19を回路配線基板18上に積層してなるものである。ここで、3個の半導体チップの各々は、チップサイズが異なり、半導体チップ18、19のチップサイズの和は半導体チップ17のチップサイズより小さいものである。
【0091】
このとき、1層目にはチップサイズの大きな半導体チップ17を配置し、半導体チップ17は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に固着されている。
【0092】
次に半導体チップ18、19を積層するが、そのとき、そのチップサイズの和が半導体チップ17のチップサイズより小さいことを利用して、半導体チップ17上に半導体チップ18、19を横に並べて、即ち二次元に配列して配置する。このとき、半導体チップ18、19は、その下面に固着されているバンプ11を介して半導体チップ17上のパッドと固着される。
【0093】
そして、それぞれの半導体チップ17、18、19は、導電体プラグ5と多層配線構造19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線構造19を介して行なわれることにより三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0094】
本実施形態の三次元積層半導体装置においても、第6の実施形態と同様に、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0095】
さらに、チップサイズの大小の差を利用して、大きなチップサイズの大きな半導体チップの上に複数のチップサイズの小さな半導体チップを二次元に配列しながら積層することにより、総てのチップを単に3次元に積層するよりも三次元積層半導体装置の高さを低くすることができ、三次元積層半導体装置の実装密度を向上させることができる。
【0096】
なお、上記の各実施形態では、バンプを半導体チップ下面に固着する場合を例に取って説明したが、バンプを半導体チップの最上層配線層に形成されるパッド上に固着しても良いことは勿論である。
【0097】
【発明の効果】
本発明の半導体チップによれば、デバイスの集積度を低下させることなく導電体プラグとバンプの固着強度を向上させ得る。また、熱膨張係数の大きな回路配線基板に積層しても半導体チップの導電体プラグとバンプとの固着部の信頼性を損なうことがない。
【0098】
また、このような半導体チップを用いれば、熱応力ストレスに対する信頼性の高い三次元積層半導体装置を実現することができる。
【0099】
更に、本発明の製造方法によれば、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着部との固着強度の高い半導体チップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体チップの断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る半導体チップの製造方法を示す前半の工程断面図。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る半導体チップの製造方法を示す後半の工程断面図。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図5】本発明の第4の実施形態に係る更に別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図6】本発明の第5の実施形態に係る更に別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図7】本発明の第6の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図8】本発明の第7の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図9】本発明の第8の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図10】従来の三次元積層半導体装置の一例を示す断面図。
【図11】従来の三次元積層半導体装置におけるバンプの破損を模式的に示す断面図。
【図12】従来の三次元積層半導体装置の別の例を示す断面図。
【図13】異方性ウェットエッチングにおけるチップ基板厚みと上面開口寸法との関係を説明するための図。
【符号の説明】
1、 11、12、13、14、15、16、17、18、19、1011、1012、
1013、1014、2011、2012半導体チップ
2、102、202 シリコン基板
3、103 デバイス領域
4 第1の絶縁膜
5、105、205 導電体プラグ
5a 径小部
5b 径大部
6、7 金属配線
8 層間絶縁膜
9 多層配線層
10 バリアメタル
11、111、211 バンプ
12 上側開口孔
13 下側開口孔
14 第2の絶縁膜
15 導電体
16 第1の導電体
17 第2の導電体
18、118、218 回路配線基板
20、220 パッド
23 貫通孔
30、130、230 パッド
104、204 絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体チップを積層して一つのパッケージに納める三次元積層半導体装置に用いるに適した半導体チップおよびその製造方法、ならびに三次元積層半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
年々大規模化するシステムLSIを実現する技術の一つとして、複数の半導体チップを一つのパッケージに納めるSiP(System−in−Package)技術がある。その中でも高密度SiPを代表する例が、複数の半導体チップを積層する三次元積層半導体装置である。
【0003】
この種の三次元積層半導体装置は、一般に、図10に示すような構造となっている。すなわち、各半導体チップ101は、シリコン基板102上面下に形成されたデバイス領域103と、シリコン基板102のデバイス領域103の外側に設けられ、シリコン基板102とは絶縁膜104で絶縁されてシリコン基板102を上下に貫通する一様の径を持った導電体プラグ105と、導電体プラグ105に固着されたバンプ111と、シリコン基板102上面に金属配線層と層間絶縁膜層が交互に堆積されてなる多層配線層109と、この多層配線層109上部に設けられ、金属配線を介してデバイス領域103および導電体プラグ105と電気的接続されたパッド120とを有する構造となっている。
【0004】
そして、複数の上記半導体チップ1011、1012、1013が回路配線基板118上に順次積層され、回路配線基板118のパッド130と半導体チップ1011のバンプ111、ならびに半導体チップ1011、1012の各パッド120と半導体チップ1012、1013の各バンプ111とが固着され、回路配線基板118の配線と各半導体チップ1011、1012、1013とが導電体プラグ105を介して互いに電気的に接続して三次元積層半導体装置を構成している。(例えば、特開平10−223833号公報、特開2000−277689号公報、特開2000−49277号公報参照。)
しかしながら、上記従来の半導体チップおよび三次元積層半導体装置では、次のような問題がある。
【0005】
すなわち、導電体プラグ105は、一様の径に形成され、しかもデバイス領域103への電流供給量の観点から導電体プラグ105の径は、バンプの径の数分の一程度に小さくなっている。このような小さな径の導電体プラグ105に対して大きな径のバンプ111を固着してなる場合、導電体プラグ105とバンプ111との固着部の強度が弱く、半導体チップ1011のバンプ111と回路配線基板118の配線との接続時のリフローの熱衝撃や温度サイクル試験等での熱応力集中によりバンプ111が疲労破断を起こす可能性が高くなる。
【0006】
これは、熱膨張係数が回路配線基板118と最下層の半導体チップ1011との間では2倍以上の差があるためで、特に回路配線基板118と最下層半導体チップ1011間のバンプにおける疲労破断が顕著に発生する。
【0007】
図11は、熱応力集中によりバンプが疲労破断を起こした状態を模式的に示した断面図である。図11に示すように、シリコン基板102の熱膨張係数は約3×10−6/°Cで、一方、回路配線基板118がAl2O3(アルミナ)のセラミックスの場合には、その熱膨張係数は約7×10−6/°Cであり、このようにシリコン基板102と回路配線基板118の熱膨張係数に大きな差があるため、この三次元積層半導体装置を高温に曝した場合、シリコン基板102と回路配線基板118の熱膨張力に大きな差が生じる。
【0008】
この熱膨張力の差がシリコン基板102と回路配線基板118の間に位置するバンプ111に熱応力として加わる。特に導電体プラグ105の径が小さい場合、導電体プラグ105との固着部分のバンプ111の上端に大きなストレスが加わり、最悪の場合バンプ111に破断を生じ、三次元積層半導体装置の信頼性を損ねる。
【0009】
この問題の解決のためには、導電体プラグの径をバンプの径に合わせればよいが、シリコン基板上面の導電体プラグの径が必要以上に大きくなり、シリコン基板上面のデバイスを形成するためのデバイス領域の面積が減少し、デバイスの集積度の低下を招来することになる。
【0010】
この問題を解決するための三次元積層半導体装置が、特許第3186941号公報に開示されている。この三次元積層半導体装置を図12に示す。
【0011】
この三次元積層半導体装置では、半導体チップ2011,2012は、シリコン基板202の下面から上面に向かうに従って、次第に孔径が小さくなるようにテーパ状の貫通孔を設け、この貫通孔内に導電材料を充填することにより、シリコン基板202下面側の端部径がシリコン基板202上面側の端部径より大きくなるよう導電プラグ205を形成した上でシリコン基板202下面にバンプ211を設けてなる。なお、図中、204は絶縁膜、209は多層配線層、220は多層配線層209上部に設けられたパッドである。
【0012】
そして、回路配線基板218上に複数の半導体チップ2011,2012を積層し、バンプ211とパッド230とを固着することにより三次元積層半導体装置を構成したものである。
【0013】
しかし、このような三次元積層半導体装置においては、次のような問題がある。
【0014】
第1の問題は、シリコン基板202にテーパ状の貫通孔を形成するためにKOH溶液等による異方性ウェットエッチングが用いられるが、この場合テーパ角が固定のため、シリコン基板の厚みに対して、シリコン基板上面と下面の孔径寸法の比率が固定されるということである。そのためバンプとの固着の信頼性確保のためシリコン基板下面の孔径寸法をある一定以上の寸法とした場合、それにより自動的に上面の孔径寸法が決まってしまう。すなわち上面の孔径寸法を自由にコントロールできないということである。
【0015】
また、第2の問題は、テーパ角が固定されるため、シリコン基板の厚みの大小により上面の孔径寸法が変化するということである。これを図13を用いて説明する。
【0016】
図13において、厚みt1のシリコン基板に下面孔径寸法a、テーパ角θで貫通孔を設けたとき、その貫通孔の上面孔径寸法がb1となるとすると、同じ下面孔径寸法aで、厚みt1より厚みの薄い厚みt2のシリコン基板に貫通孔を設けると上面孔径寸法はb2となり、厚みt1のシリコン基板の上面孔径寸法がb1より大きくなる。従って、貫通孔のシリコン基板上面の孔径は、シリコン基板の厚みに大きく依存する。
【0017】
つまり、シリコン下面の孔径寸法を一定とした場合、シリコン基板の厚みが薄くなるほどシリコン基板上面の孔径寸法が大きくなり、このためシリコン基板の厚みが薄くなるほど、シリコン上面のデバイス領域の面積が減少し、デバイスの集積度を低下させるということである。
【0018】
さらに、第3の問題点は、異方性ウェットエッチングをシリコン基板下面から行なうため、シリコン基板上面の開口位置に対する孔あけ位置精度が悪いということである。シリコン基板上面のパターン寸法は1μm単位の微細なものであり、それに合わせてシリコン基板上面の開口位置の精度も高いものが要求される。
【0019】
しかしながら、シリコン基板下面から孔あけする場合、シリコン基板下面からは上面のパターンが見えないため孔あけのためのターゲットが得られない。したがって、シリコン基板下面より異方性エッチングを用いて孔あけを行なった場合、シリコン基板上面の開口位置にばらつきを生じ、開口位置に要求される高い精度を満たすことができない。そのため、シリコン基板上面には、この開口位置のばらつきを許容するだけの開口エリアを確保しなければならない。このことは、やはりシリコン基板上面のデバイス領域の面積を減少させ、デバイスの集積度を低下させるという問題を招来する。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術では、半導体チップにおける導電体プラグとバンプの固着強度が弱く、固着強度を改善しようとするとデバイスの集積度が低下するという問題がある。
【0021】
また、この半導体チップを積層した三次元積層半導体装置においては、熱応力ストレスに対して、導電体プラグとバンプの固着部の信頼性が低いという問題がある。
【0022】
そこで、本発明の目的は、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグとバンプの固着強度が高い半導体チップを提供することおよびその実現を可能とする半導体チップの製造方法を提供することにある。
【0023】
また、本発明の他の目的は、熱応力ストレスに対する信頼性の高い三次元積層半導体装置を提供することにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体チップは、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板と、前記半導体基板内部に埋設され、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部が前記第1主面側に配置されてその端部が露呈され、前記径大部が第2主面側に配置されてその端部が露呈されてなる導電体プラグと、前記導電体プラグと前記半導体基板とを電気的絶縁する絶縁膜と、前記半導体基板の第1主面上に設けられ、且つ最上層に前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを備えた多層配線層と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方に固着されたバンプとを具備することを特徴とする。
【0025】
このような本発明の半導体チップによれば、導電体プラグの径大部の径をバンプの径に合わせて最適化するようにでき、また、導電体プラグの径小部の径をデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化するようにできるため、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグとバンプの固着強度を十分に保てるようにできる。
【0026】
また、上記目的を達成するために、本発明の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板に回路素子領域を形成する工程と、前記半導体基板に、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、且つ前記径小部の端部が第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔の壁面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した貫通孔内に導電体を埋設して、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部の端部が前記第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0027】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、導電体プラグの径大部の径および径小部の径を、それぞれバンプの径およびデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化できるため、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着強度の高い半導体チップを簡単に製造できる。
【0028】
また、上記目的を達成するために、本発明の別の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、前記回路素子領域の外側の前記第1主面から半導体基板の途中まで、径小の開口孔を形成する工程と、前記経小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜が形成した開口孔内に第1の導電体を埋設する工程と、前記半導体基板の第2主面側から前記径小の開口孔に達する径大の開口孔を形成する工程と、前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した径大の開口孔内に第2の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0029】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、上記の製造方法による効果の他に、導電体プラグの径小部と径大部とを別工程で形成しているので、それぞれ最適な導電体の埋設法を適用できるため、量産性に優れた半導体チップの製造が実現できる。
【0030】
また、上記目的を達成するために、本発明の更に別の半導体チップの製造方法は、第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、前記第2主面から半導体基板の途中まで、径大の開口孔を形成する工程と、前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜が形成した開口孔内に第2の導電体を埋設する工程と、前記半導体基板の第1主面側から前記径大の開口孔に達する径小の開口孔を形成する工程と、前記径小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を形成した径小の開口孔内に第1の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程とを具備することを特徴とする。
【0031】
このような本発明の半導体チップの製造方法によれば、上記の別の製造方法と同様の効果が得られる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0033】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体チップの断面図である。
【0034】
本実施形態の半導体チップ1では、半導体基板、例えばシリコン基板2の表面下にデバイス領域3が形成され、このデバイス領域3の外側のシリコン基板2部分には、シリコン基板2を貫通する導電体プラグ5が埋設され、この導電体プラグ5は、シリコン基板2との間に設けた第1の絶縁膜4によってシリコン基板2とは電気的に絶縁される。
【0035】
この導電体プラグ5はシリコン基板2の内部で段を持って径が変化し、シリコン基板上面側で径が小さい径小部5aと、シリコン基板下面側で径が大きい径大部5bとを有する断面凸型構造に形成されている。径小部5aをデバイス領域3より深くシリコン基板2内に延びるように形成することが、デバイスの高集積化を図る上で好ましい。
【0036】
また、導電体プラグ5の径小部5aの端面は、シリコン基板2の上面に露呈され、導電体プラグ5の径大部5bは、シリコン基板2の下面に露呈されている。この径大部5bの露呈端部にはバリアメタル10が設けられ、このバリアメタル10を除くシリコン基板2の下面は第2の絶縁膜14で被われ、バリアメタル10にはバンプ11が固着されている。
【0037】
一方、シリコン基板2の上面には金属配線と層間絶縁膜8とを交互に堆積してなる多層配線層9が形成されるが、図1においては中間の配線層の総べてを示すことを避け、一部の金属配線6と金属配線7のみを示している。
【0038】
この多層配線層9の上面には、半導体チップ1の外部との信号の受け渡しを行なうパッド20が形成され、パッド20は、ビアホールを介して順次下層の金属配線と接続されて第1層の金属配線6に至り、更にコンタクトホールを介して所定のデバイス領域3と電気的に接続される。また、この第1層の金属配線6は、導電体プラグ5にも電気的に接続される。
【0039】
このような本実施形態によれば、導電体プラグ5の径大部5bの径をバンプ11の径に合わせて最適化でき、また、導電体プラグ5の径小部5aの径をデバイス動作に必要な電流供給量に合わせて最適化できる。
【0040】
このため、デバイスの集積度を低下させることなく、導電体プラグ5とバンプ11の固着強度を十分に保てる。
【0041】
(第2の実施形態)
以下、上記半導体チップ1の製造方法を図2および図3を参照して説明する。図2および図3は、上記半導体チップの製造方法を示す工程断面図である。
【0042】
まず、図2(a)に示すように、シリコン基板2の上面下にデバイス領域3を形成する。
【0043】
次に図2(b)に示すように、シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側部分に、周知の異方性の反応性イオンエッチング技術(Reactive Ion Etching:以下RIEと称する)を用いて、シリコン基板2の上面側から途中までエッチングを行い、径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。
【0044】
次に図2(c)に示すように、周知の異方性RIE技術により、シリコン基板2の下面側からエッチングを行い、少なくとも上側開口孔12の底面に達する径100μm程度の下側開口孔13を形成する。これにより上側開口孔12と下側開口孔13は繋がって一つの貫通孔23を形成するが、この貫通孔23は、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が大きな断面凸型構造を有する。
【0045】
次に図2(d)に示すように、貫通孔23の側壁を含むシリコン基板2の全面にCVD技術を用いてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第1の絶縁膜4を形成する。
【0046】
次に図2(e)に示すように、導電体15を貫通孔23から溢れる厚さにシリコン基板2の全面に形成して貫通孔23内に導電体15を埋め込む。ここで、導電体15としてCuを用い、形成法としてメッキ法あるいは印刷法を用いると一つの工程で貫通孔23内全体に導電体15を一気に埋めることができる。
【0047】
次に図3(f)に示すように、周知の化学的機械的研磨技術(Chemical Mechanical Polishing:以下CMPと称する)を用いてシリコン基板2の上面側の導電体15と第1の絶縁膜4を除去する。
【0048】
次に図3(g)に示すように、シリコン基板2の上面に層間絶縁膜8で相互に絶縁されたn層の金属配線層からなる多層配線層9を形成する。この図では、多層の金属配線のうちの第1層の金属配線6と中間配線層の一つの金属配線7のみを示す。さらに、この多層配線層9の上部に所定パターンのパッド20を形成する。
【0049】
次に図3(h)に示すように、CMP技術を用いてシリコン基板2の下面側を研磨して導電体15と第1の絶縁膜4を除去し、かつシリコン基板2を薄くする。これにより、貫通孔23内に埋め込まれ、シリコン基板2の上面側に径小部5aを有し、下面側に径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5がシリコン基板2内に形成される。
【0050】
次に図3(i)に示すように、シリコン基板2の下面側の導電体プラグ5の径大部5b端面を除いてシリコン基板2の下面をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第2の絶縁膜14を形成した後、バリアメタル10を形成する。
【0051】
次に図3(j)に示すように、バリアメタル10上に直径100μmの例えば半田バンプ11を固着する。
【0052】
このようにバンプ11の直径と導電体プラグ5の底面の開口径が合っているため、バンプ11は十分な強度を持ってシリコン基板2に固着される。
【0053】
このような本実施形態の半導体チップの製造方法によれば、導電体プラグ5の径小部5aの径および径大部5bの径を、デバイス動作に必要な電流供給量およびバンプ径に合わせてそれぞれ最適に形成できる。そのため、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着強度の高い半導体チップを簡単に製造できる。
【0054】
(第3の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の別の製造方法を図4を参照して説明する。図4は、上記半導体チップ1の別の製造方法を示す工程断面図である。
【0055】
図4(a)に示すように、この方法では、デバイス領域3形成工程前に、周知の異方性RIE技術によりシリコン基板2の下面側に径が100μm程度の下側開口孔13をシリコン基板2の途中の深さまで掘っておく。これは、スループットの低い大口径の開口工程が一連のチップ形成工程の途中に入って生産性が低下するのを避けるためである。
【0056】
次に図4(b)に示すように、シリコン基板2の上面側にデバイス領域3を形成する。
【0057】
次に図4(c)に示すように、シリコン基板2上面側のデバイス領域3の外側部分にRIE技術により、下側開口孔13の底面に達する径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。これにより下側開口孔13と上側開口孔12とが連接され、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が大きな断面凸型構造を有する貫通孔23が形成される。
【0058】
以下、上記製造方法の図2(d)乃至図3(j)の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じ工程であるので、ここでは説明を省略する。
【0059】
このような本実施形態によっても、上記第2の実施形態の製造方法と同様の効果が得られる。
【0060】
(第4の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の別の製造方法を図5を参照して説明する。図5は、上記半導体チップ1の別の製造方法を示す工程断面図である。
【0061】
本実施形態の製造方法においても第3の実施形態の製造方法と同様に、スループット低下を避けるため、大口径の開口工程を一連のチップ形成工程の前に行う。
【0062】
図5(a)に示すように、この方法では、周知のKOH溶液等による異方性ウェットエッチングにより、シリコン基板2の下面側に径が100μm程度の下側開口孔13をシリコン基板2の途中の深さまで掘る。この場合、KOH溶液等による異方性ウェットエッチングのため、下側開口孔13には一定角のテーパが付いた台形状になる。
【0063】
次に図5(b)に示すように、シリコン基板2の上面側にデバイス領域3を形成する。
【0064】
次に図5(c)に示すように、シリコン基板2上面側のデバイス領域3の外側部分にRIE技術により、下側開口孔13の底面に達する径5〜30μmの上側開口孔12を形成する。これにより下側開口孔13と上側開口孔12とが連接され、両開口孔12、13の連接部を境にして、それよりシリコン基板2の上面側の径が小さく、それよりシリコン基板2の下面側の径が次第に大きくなった断面凸型構造の貫通孔23が形成される。
【0065】
以下、上記製造方法の図2(d)乃至図3(j)の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じ工程であるので、ここでは説明を省略する。
【0066】
このような本実施形態によれば、KOH溶液等による異方性ウェットエッチングを基板の途中までしか行わないため、従来不可能であった上面の孔径寸法制御が可能となり、上側開口孔を所望の寸法で形成することができる。
【0067】
また、本実施形態によれば、従来KOH溶液等による異方性ウェットエッチングで生じたシリコン基板の厚みに依存して上面の孔径寸法が変化するという問題も解消する。図5(c2)に図5(c)とは異なる厚みのシリコン基板2の例を示すが、この図における上側開口孔12の孔径寸法は図5(c)の場合と同一である。すなわち、シリコン基板の厚みによらず、上面の孔径寸法を常に所望の値に形成することできる。
【0068】
(第5の実施形態)
次に、上記半導体チップ1の更に別の製造方法を図6を参照して説明する。図6は、上記半導体チップ1の更に別の製造方法を示す工程断面図である。
【0069】
まず、図6(a)に示すように、シリコン基板2の上面の所定領域内部にデバイス領域3を形成する。
【0070】
次に図6(b)に示すように、シリコン基板2の上面のデバイス領域3の外側部分に、周知の異方性RIE技術を用いてシリコン基板2の途中までエッチングを行い、径が5〜30μmの上側開口孔12を形成する。
【0071】
次に図6(c)に示すように、上側開口孔12の内壁面を含むシリコン基板2の上面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の第1の絶縁膜4を形成する。
【0072】
次に図6(d)に示すように、上側開口孔12内に第1の導電体16を埋め込む。ここで第1の導電体16にCuを用いてもよいし、開口孔12の深さが30μm程度と浅い場合にはポリシリコンを用いてもよい。第1の導電体16にポリシリコンを用いる場合は、通常の半導体製造工程で用いるCVD技術により形成でき、Cuを用いる場合のメッキ法や印刷法に比べて量産性に優れているため、好ましい。
【0073】
次に図6(e)に示すように、周知の異方性RIE技術により、シリコン基板2の下面側からのエッチングを行い、径が100μm程度で、第1の導電体16の底面に達する下側開口孔13を形成し、その下側開口孔13の側壁を含むシリコン基板2の下面に絶縁膜4を形成する。
【0074】
次に図6(f)に示すように、下側開口孔13に第2の導電体17を埋め込む。このとき、Cuペーストを用いた印刷法によると、下側開口孔13への第2の導電体17の充填が容易で生産性に優れるため好ましい。これにより導電体16と導電体17は繋がり、シリコン基板2の上面側に径小部5aを有し、下面側に径大部5bを有する断面凸型構造の導電体プラグ5が完成する。
【0075】
以下、上述の製造方法の図3(f)乃至図3(j)の工程と同様の工程を経て半導体チップ1を製作するが、これらの工程は上記製造方法で説明した工程と同じであるのでここでは説明を省略する。
【0076】
このような本実施形態によれば、上記第2の実施形態と同様の効果が得られる他に、導電体プラグ5の径小部5aと径大部5bとを別工程で形成しているので、それぞれ最適な埋め込み法が適用でき、半導体チップの製造が容易である。
【0077】
(第6の実施形態)
図7は、本発明の第6の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0078】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による3個の半導体チップ11、12、13を回路配線基板18上に積層してなるものである。
【0079】
即ち、1層目の半導体チップ11は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に接続されている。同様に第2層目の半導体チップ12は、その下面に固着されているバンプ11を介して第1層目の半導体チップ11上のパッド20に接続されている。同じく第3層目の半導体チップ13は、その下面に固着されているバンプ11を介して第2層目の半導体チップ12上のパッド20に接続されている。
【0080】
そして、それぞれの半導体チップ11、12、13は、導電体プラグ5と多層配線層19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線層19を介して行なわれることにより三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0081】
この実施形態の三次元積層半導体装置においては、回路配線基板18との熱膨張係数の違いにより最も高い熱応力ストレスが第1層目の半導体チップ11直下のバンプ11に掛かるが、上記第1の実施形態において述べた如く半導体チップ1における導電体プラグ5とバンプ11との固着が堅固であるため、熱応力ストレスに対するバンプ11の耐力が高い。そのため本実施形態における三次元積層半導体装置は、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0082】
(第7の実施形態)
図8は、本発明の第7の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0083】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による2個の半導体チップ14、15を積層した後、導電体プラグを有さない半導体チップ16を積層したものである。
【0084】
即ち、1層目の半導体チップ14は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に固着され、2層目の半導体チップ15は、その下面に固着されているバンプ11を介して1層目の半導体チップ14上のパッド20に固着されている。
【0085】
そして、3層目に積載する導電体プラグを有さない半導体チップ16はパッド面20を下向きにして配置し、2層目の半導体チップ15のパッド20上に設けられたバンプ11に接続する。
【0086】
ここで、導電体プラグ5を有する2個の半導体チップ14、15は、導電体プラグ5と多層配線層19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線層19を介して行なわれる。一方、導電体プラグを有さない半導体チップ16では、バンプ11と所定デバイスとの接続がパッド20と多層配線層19を介して行なわれる。これにより、三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0087】
本実施形態の三次元積層半導体装置においても、第6の実施形態と同様に、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0088】
さらに、導電体プラグを有さない半導体チップであっても積層を可能としたことにより、三次元積層半導体装置に搭載可能な半導体チップの種類が増え、三次元積層半導体装置の機能を豊富にできる利点をもたらす。
【0089】
(第8の実施形態)
図9は、本発明の第8の実施形態に係る三次元積層半導体装置の断面図である。
【0090】
この三次元積層半導体装置は、上記第1の実施形態による3個の半導体チップ17、18、19を回路配線基板18上に積層してなるものである。ここで、3個の半導体チップの各々は、チップサイズが異なり、半導体チップ18、19のチップサイズの和は半導体チップ17のチップサイズより小さいものである。
【0091】
このとき、1層目にはチップサイズの大きな半導体チップ17を配置し、半導体チップ17は、その下面に固着されているバンプ11を介して回路配線基板18上のパッド30に固着されている。
【0092】
次に半導体チップ18、19を積層するが、そのとき、そのチップサイズの和が半導体チップ17のチップサイズより小さいことを利用して、半導体チップ17上に半導体チップ18、19を横に並べて、即ち二次元に配列して配置する。このとき、半導体チップ18、19は、その下面に固着されているバンプ11を介して半導体チップ17上のパッドと固着される。
【0093】
そして、それぞれの半導体チップ17、18、19は、導電体プラグ5と多層配線構造19を介してバンプ11と所定デバイスとの接続が行われ、また所定デバイスとパッド20との接続が多層配線構造19を介して行なわれることにより三次元積層半導体装置は所定の電気的接続がなされる。
【0094】
本実施形態の三次元積層半導体装置においても、第6の実施形態と同様に、熱応力ストレスに対する高い信頼性が得られる。
【0095】
さらに、チップサイズの大小の差を利用して、大きなチップサイズの大きな半導体チップの上に複数のチップサイズの小さな半導体チップを二次元に配列しながら積層することにより、総てのチップを単に3次元に積層するよりも三次元積層半導体装置の高さを低くすることができ、三次元積層半導体装置の実装密度を向上させることができる。
【0096】
なお、上記の各実施形態では、バンプを半導体チップ下面に固着する場合を例に取って説明したが、バンプを半導体チップの最上層配線層に形成されるパッド上に固着しても良いことは勿論である。
【0097】
【発明の効果】
本発明の半導体チップによれば、デバイスの集積度を低下させることなく導電体プラグとバンプの固着強度を向上させ得る。また、熱膨張係数の大きな回路配線基板に積層しても半導体チップの導電体プラグとバンプとの固着部の信頼性を損なうことがない。
【0098】
また、このような半導体チップを用いれば、熱応力ストレスに対する信頼性の高い三次元積層半導体装置を実現することができる。
【0099】
更に、本発明の製造方法によれば、デバイスの集積度が高く、導電体プラグとバンプとの固着部との固着強度の高い半導体チップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体チップの断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る半導体チップの製造方法を示す前半の工程断面図。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る半導体チップの製造方法を示す後半の工程断面図。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図5】本発明の第4の実施形態に係る更に別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図6】本発明の第5の実施形態に係る更に別の半導体チップの製造方法を示す工程断面図。
【図7】本発明の第6の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図8】本発明の第7の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図9】本発明の第8の実施形態の三次元積層半導体装置の断面図。
【図10】従来の三次元積層半導体装置の一例を示す断面図。
【図11】従来の三次元積層半導体装置におけるバンプの破損を模式的に示す断面図。
【図12】従来の三次元積層半導体装置の別の例を示す断面図。
【図13】異方性ウェットエッチングにおけるチップ基板厚みと上面開口寸法との関係を説明するための図。
【符号の説明】
1、 11、12、13、14、15、16、17、18、19、1011、1012、
1013、1014、2011、2012半導体チップ
2、102、202 シリコン基板
3、103 デバイス領域
4 第1の絶縁膜
5、105、205 導電体プラグ
5a 径小部
5b 径大部
6、7 金属配線
8 層間絶縁膜
9 多層配線層
10 バリアメタル
11、111、211 バンプ
12 上側開口孔
13 下側開口孔
14 第2の絶縁膜
15 導電体
16 第1の導電体
17 第2の導電体
18、118、218 回路配線基板
20、220 パッド
23 貫通孔
30、130、230 パッド
104、204 絶縁膜
Claims (13)
- 第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内部に埋設され、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部が前記第1主面側に配置されてその端部が露呈され、前記径大部が第2主面側に配置されてその端部が露呈されてなる導電体プラグと、
前記導電体プラグと前記半導体基板とを電気的絶縁する絶縁膜と、
前記半導体基板の第1主面上に設けられ、且つ最上層に前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを備えた多層配線層と、
前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方に固着されたバンプと
を具備することを特徴とする半導体チップ。 - 前記バンプが、前記半導体基板の第2主面側の前記導電体プラグの露呈面に固着されてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体チップ。
- 前記バンプが、前記パッドに固着されてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体チップ。
- 更に、前記半導体基板の第1主面に回路素子領域が形成され、前記導電体プラグは、その径小部における前記径大部側の端部が前記回路素子領域よりも前記第2主面側に位置してなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体用チップ。
- 第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板に回路素子領域を形成する工程と、
前記半導体基板に、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、且つ前記径小部の端部が第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔の壁面に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を形成した貫通孔内に導電体を埋設して、径小部と径大部とが連接された凸型構造を有し、前記径小部の端部が前記第1主面に露呈され、前記径大部の端部が前記第2主面に露呈される導電体プラグを形成する工程と、
前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、
前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程と
を具備することを特徴とする半導体チップの製造方法。 - 前記回路素子領域は、前記貫通孔の形成工程前あるいは前記貫通孔の形成工程後、もしくは前記貫通孔の径小部の形成工程と径大部の形成工程の間において形成されてなることを特徴とする請求項5に記載の半導体チップの製造方法。
- 前記貫通孔を形成する工程は、径小の開口孔を形成する工程と径大の開口孔を形成する工程とを有し、前記半導体基板の第1主面側から途中まで前記径小の開口孔を形成した後、前記半導体基板の第2主面側から前記径小の開口孔に達するように径大の開口孔を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体チップの製造方法。
- 前記貫通孔を形成する工程は、径小の開口孔を形成する工程と径大の開口孔を形成する工程とを有し、前記半導体基板の第2主面側から途中まで前記径大の開口孔を形成した後、前記半導体基板の第1主面側から前記径大の開口孔に達するように径小の開口孔を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体チップの製造方法。
- 第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、
前記回路素子領域の外側の前記第1主面から半導体基板の途中まで、径小の開口孔を形成する工程と、
前記経小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜が形成した開口孔内に第1の導電体を埋設する工程と、
前記半導体基板の第2主面側から前記径小の開口孔に達する径大の開口孔を形成する工程と、
前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を形成した径大の開口孔内に第2の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、
前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、
前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程と
を具備することを特徴とする半導体チップの製造方法。 - 第1主面及びこの第1主面と反対側に第2主面を有する半導体基板の第1主面に回路素子領域を形成する工程と、
前記第2主面から半導体基板の途中まで、径大の開口孔を形成する工程と、
前記径大の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜が形成した開口孔内に第2の導電体を埋設する工程と、
前記半導体基板の第1主面側から前記径大の開口孔に達する径小の開口孔を形成する工程と、
前記径小の開口孔内壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を形成した径小の開口孔内に第1の導電体を埋設して導電体プラグを形成する工程と、
前記半導体基板の第1主面上に、前記導電体プラグと電気的接続されたパッドを最上層に備えた多層配線層を形成する工程と、
前記パッドと前記第2主面側の導電体プラグ露呈面とのいずれか一方にバンプを固着する工程と
を具備することを特徴とする半導体チップの製造方法。 - 前記第1の導電体が半導体材料からなり、前記第2導電体が金属材料からなることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体チップの製造方法。
- 前記請求項1乃至4に記載の半導体チップをバンプを介して回路配線基板上に実装し、更にその半導体チップ上に1個以上の半導体チップをバンプを介して垂直方向に積層してなることを特徴とする三次元積層半導体装置。
- 前記請求項1乃至4に記載の半導体チップをバンプを介して回路配線基板上に実装し、更にその半導体チップ上に複数個の半導体チップをバンプを介して積層してなり、直下の半導体チップのチップサイズに対してチップサイズの和が小さい複数の半導体チップを二次元に配列してなることを特徴とする三次元積層半導体装置。
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