JP2005135988A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
貼り合わせ技術を用いて容易な製造工程を備えた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
第1の半導体基板1の表出した配線15をエッチングして、前記配線15間に形成された層間絶縁膜17の表面を凸状、前記配線15の表面を凹状とする、前記第1の半導体基板1の表面に凹凸を形成するエッチング工程と、第2の半導体基板2の表出した前記配線15と面対象に形成された配線33間に形成された層間絶縁膜36をエッチングして、前記層間絶縁膜36の表面を凹状、前記配線33の表面を凸状とする、前記第2の半導体基板2の表面に凹凸を形成するエッチング工程と、前記第1の半導体基板1と前記第2の半導体基板2とを対向させて貼り合わせる工程とを備え、前記凸状の配線33が前記凹状の配線15に嵌め込まれ、前記凸状の層間絶縁膜17が前記凹状の層間絶縁膜36に嵌め込まれることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に複数の半導体基板を貼り合わせる製造方法に関するものである。
近年、LSI(Large Scale Integrated circuit)に望まれる高性能化、多機能化に伴い高集積度が進んでいる。集積度が高くなるとチップ面積が大きくなり、配線を引き伸ばすことによる動作速度の低下が問題になる。
そのため、配線の多層化によって短い配線、小さい配線抵抗を実現でき、動作を高速化し、チップ面積を縮小化することができる。
このような配線の多層化は、1枚の半導体基板上に最下位層から最上位層まで順次配線を形成する手法もあるが、配線の階層が増えるほど製造時間が長くなる。
そこで、例えば配線の階層を下層の配線と上層の配線というように2つに分けて、一方の半導体基板上に半導体素子と下層の配線を形成し、他方の半導体基板上に上層の配線を形成する。この2枚の半導体基板の配線が表出している表面を対向させて貼り合わせる技術、いわゆる貼り合わせ技術を用いた手法が提案されている。配線層を2つに分け並行して形成することができるので、製造時間を短縮することができる。
この貼り合わせ技術は、表面が平坦な2枚の半導体基板を貼り合わせるので、半導体基板の位置合わせを誤ると2枚の半導体基板に形成された配線がずれて貼り合わされてしまう。近年は半導体の微細化に伴って配線間隔が狭くなっている。このように貼り合わせがずれてしまうことによって、配線の短絡を引き起こす可能性が高くなる。
また、基板に対して水平方向の応力に弱く、貼り合わせた状態を維持することが困難である。
そこで、貼り合わせる前の半導体基板の一方の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成し、他方の半導体基板の表面には一方の半導体基板に形成した凹凸パターンに対して噛み合うようなストライプ状の凹凸パターンを形成して、これらを貼り合わせる手法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この手法によると、表面に互いが噛み合うように凹凸パターンが形成されているので、互いに表面を対向させる際に多少ずれて貼り合わせても凹凸パターンがお互いに噛み合ってずれることがない。従って、大きな貼り合わせのマージンが得られる。
また、2枚の半導体基板表面の凹凸パターンが噛み合って貼り合わされているので、基板に対して水平方向に応力が加わってもずれにくく、貼り合わされた状態を維持することができる。
特開平8−125121号公報
特許文献1によると、一方の半導体基板上に半導体素子及び下層配線を形成し、他方の
半導体基板上に半導体素子及び上層配線を形成後、それぞれの半導体基板の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成しなければならない。具体的には、配線が形成された表面にレジストを堆積し、このレジストを所定のマスクを用いてリソグラフィー技術によってパターン化する。このレジストパターンをマスクとしてイオンミリングによって、表面に形成するストライプ状の凹凸パターンは形成される。従って、レジストをパターン化する所定のマスクの位置合わせにずれが生じると、半導体基板の表面に形成される凹凸パターンに反映し、半導体基板の貼り合わせの際にずれが生じて、配線の短絡が生じてしまう可能性がある。
更には、それぞれ半導体基板上に配線を形成後にストライプ状の凹凸パターンを形成しなければならないので、本来の半導体素子や配線の形成とは異なる余分な製造工程が増えることになる。
そこで、本発明は貼り合わせ技術を用いて容易な製造工程を備えた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の一態様によれば、1層以上の配線層を有し、前記配線層の配線間に形成された層間絶縁膜を有した第1の半導体基板の表出した第1の配線をエッチングして、前記第1の配線間に形成された第1の層間絶縁膜の表面を凸状、前記第1の配線の表面を凹状とする、前記第1の半導体基板の表面に凹凸を形成する第1のエッチング工程と、1層以上の配線層を有し、前記配線層の配線間に形成された層間絶縁膜を有した第2の半導体基板の表出した前記第1の配線と面対象に形成された第2の配線間に形成された第2の層間絶縁膜をエッチングして、前記第2の層間絶縁膜の表面を凹状、前記第2の配線の表面を凸状とする、前記第2の半導体基板の表面に凹凸を形成する第2のエッチング工程と、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板とを対向させて貼り合わせる工程とを備え、前記凸状の第2の配線が前記凹状の第1の配線に嵌め込まれ、前記凸状の第1の層間絶縁膜が前記凹状の第2の層間絶縁膜に嵌め込まれることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
貼り合わせ技術を用いて容易な製造工程を備えた半導体装置の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示した断面図である。
第1の基板1と第2の基板2のそれぞれの配線が表出した表面を対向して貼り合わせている。
第1の基板1は、半導体基板10上にトランジスタ11等からなる半導体素子が形成されている。半導体素子上には複数のコンタクト12、第1の配線13、第1のプラグ14及び第2の配線15が形成されている。
また、コンタクト12及び第1の配線13の間には、各配線を電気的に絶縁するため第1の層間絶縁膜16が形成されている。また、第1のプラグ14及び第2の配線15の間
には、各配線を電気的に絶縁するため第2の層間絶縁膜17が形成されている。
この第2の配線15が表出している第1の基板1の表面は平坦ではなく、第2の配線15の表面は第2の層間絶縁膜17の表面よりも窪んでいる。従って、第1の基板1の表面は、第2の配線15の領域が凹状、第2の層間絶縁膜17の表域が凸状の凹凸が形成されている。
第2の基板2は、半導体基板30上に複数の第3の配線31、第2のプラグ32、第4の配線33及び第3のプラグ34が形成されている。
また、第2のプラグ32及び第3の配線31の間には、各配線を電気的に絶縁するため第3の層間絶縁膜35が形成されている。また、第3のプラグ34及び第4の配線33の間には各配線を電気的に絶縁するため第4の層間絶縁膜36が形成されている。
この第4の配線33が表出している第2の基板2の表面は平坦でなく、第4の層間絶縁膜36の表面は第4の配線33の表面よりも窪んでいる。従って、第2の基板2の表面は、第4の層間絶縁膜36の領域が凹状、第4の配線33の領域が凸状の凹凸が形成されている。
この第4の層間絶縁膜36の窪みの深さは、第1の基板1の第2の配線15の窪みの深さとほぼ同じである。
前述した第1及び第2の基板1,2は、第2の配線15が露出している第1の基板1の表面と第4の配線33が露出している第2の基板2の表面が対向するように貼り合わされている。
第1の基板1と第2の基板2は対向させた状態で、第2の配線15と第4の配線33が第1の基板1及び第2の基板2の表面に対して面対象に形成されている。なお、この第2の配線15と第4の配線33以外の配線、例えば第1の配線13や第3の配線31又はプラグやコンタクトは2枚の基板が必ずしも面対象である必要はない。
このように互いに表面が凹凸を有した基板を貼り合わせることによって、凹状の第2の配線15に凸状の第4の配線33が嵌め込まれ、凹状の第4の層間絶縁膜36に凸状の第2の層間絶縁膜17が嵌め込まれる構成になっている。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図2〜図5を用いて説明する。図2は第1の基板1の製造工程を表した断面図であり、図3は第2の基板2の製造工程を表した断面図である。そして図4〜5は、第1の基板1と第2の基板2とを貼り合わせる製造工程を表した断面図である。
先ず図2(a)において、第1の半導体基板10に素子分離領域21を形成し、続けて第1の半導体基板10上にゲート絶縁膜22、ゲート電極23を形成後、第1の半導体基板10に不純物イオンをドープして浅い拡散領域(エクステンション領域)24を形成する。ゲート電極23及びゲート絶縁膜22の側面にゲート側壁絶縁膜25形成後、更に半導体基板10に不純物イオンをドープして深い拡散領域(ドレイン・ソース領域)26を形成し、トランジスタ11を形成する。
形成したトランジスタ11を埋めるように酸化シリコン膜からなる第1の層間絶縁膜16を堆積し、この第1の層間絶縁膜16中にトランジスタ11のコンタクト12及び第1の配線13を形成する。コンタクト12は例えば周囲が窒化タンタル膜で覆われたタング
ステンから構成されている。第1の配線13は例えば銅配線13aから構成されており、銅の第1の層間絶縁膜16への拡散防止のために銅配線13aの周囲は窒化シリコン等からなるバリア膜13bが形成されている。
次に、第1の配線13の銅の拡散を防止するために、第1の層間絶縁膜16及び第1の配線13上に窒化シリコン膜18を薄く堆積し、続けて第2の層間絶縁膜17を堆積する。第2の層間絶縁膜17中に銅から構成された第1のプラグ14及び第2の配線15をデュアルダマシン法によって同時に形成する。なお、これら第1のプラグ14及び第2の配線15の銅の周囲も銅の拡散防止のため窒化シリコン等のバリア膜14b,15bで覆われている。第2の配線15及び第1のプラグ14の形成は第2の層間絶縁膜中に配線溝及びプラグ孔(図示せず)を形成する。この配線溝及びプラグ孔に窒化シリコン膜14b,15b、続けて銅14a,15aを埋め込みCMP(Chemical Mechanical Polishing)等によって表面を平坦化する。従って、第2の層間絶縁膜17と第2の配線15の表面は平坦化されている。
次に図2(b)に示すように、反応性イオンエッチング(以下、「RIE法」という。)によって第2の配線15の上面をエッチングする。このエッチング工程によって第2の配線15の上面は削られて、第2の配線15の表面は第2の層間絶縁膜の表面の位置よりも低くなり、第2の配線15部分に窪みが生じる。
次に第2の基板2の製造工程は、先ず図3(a)において、第2の半導体基板30上に酸化シリコン膜からなる第3の層間絶縁膜35を堆積し、この第3の層間絶縁膜35中に銅31a,32aから構成された第3の配線31及び第2のプラグ32をデュアルダマシン法によって同時に形成する。第3の配線31及び第2のプラグ32の銅31a,32aの周囲も銅の拡散防止のため窒化シリコン膜31b,32bで覆われている。次に、第3の配線31の銅の拡散を防止するために、第3の層間絶縁膜35及び第3の配線31上に窒化シリコン膜37を薄く堆積し、続けて酸化シリコン膜からなる第4の層間絶縁膜36を堆積する。第4の層間絶縁膜36中に周囲を窒化シリコン膜33b,34bで覆われた銅33a,34aから構成された第4の配線33及び第3のプラグ34をデュアルダマシン法によって同時に形成する。なお、第4の配線33は、第1の基板1の第2の配線15と面対象に形成されている。
次に図3(b)に示すように、RIE法によって第4の層間絶縁膜36の上面をエッチングする。このエッチング工程によって第4の層間絶縁膜36の上面は削られて、第4の層間絶縁膜36の表面は第4の配線33の表面の位置よりも低くなり、第4の層間絶縁膜36部分に窪みが生じる。この第4の層間絶縁膜36の窪みの深さは、図2(b)の第1の基板の製造工程において形成された第2の配線15の窪みとほぼ同じ深さになっている。
図4に示すように、第1の基板1と第2の基板2は、第2の配線15と第4の配線33を向かい合わせて位置合わせをする。
次に図5に示すように、第1の基板1と第2の基板2を接着する。接着方法は、第1及び第2の基板1,2を加熱して押圧したり、基板間に接着剤を挿入してもよく、特定の接着方法には限らない。
凹状の第2の配線15の窪みの深さは、凸状の第4の配線33の突起の高さとほぼ同じである。従って、凸状の第4の配線33の突起部分は、凹状の第2の配線15の窪みに嵌め込まれる。
また、凹状の第4の層間絶縁膜36の窪みの深さは、凸状の第2の層間絶縁膜17の突起の高さとほぼ同じなので、凸状の第2の層間絶縁膜17の突起部分は凹状の第4の層間絶縁膜36の窪みに嵌め込まれる。
従って、凸状の第4の配線33及び第2の層間絶縁膜17がそれぞれ凹状の第2の配線15及び第4の層間絶縁膜36に嵌め込むことができる。
第1の基板1と第2の基板2が多少ずれて位置合わせが行われて貼り合わせようとしても、第4の配線33が第2の配線15の窪みに嵌め込まれるので、2枚の基板の位置がずれて貼り合わされることがない。
また、配線と層間絶縁膜が互いに嵌め込まれて接着されており、2つの基板の接着面積が大きいので、基板の水平方向の応力に対しても強くずれにくい。
第1の基板1の第2の配線15の窪みと第2の基板2の第4の層間絶縁膜36の窪みの形成は、単に第2の配線15又は第4の層間絶縁膜36をエッチングするので、マスクの必要がない。従って、マスクを位置合わせする工程が省け、マスク自体を用意する必要がない。マスクの位置合わせにずれが生じた場合の基板の貼り合わせのずれのためのマージンを考慮する必要がない。
従って、配線間隔の狭い半導体装置の微細化に対応した構造を形成することが可能となる。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図6は第2の基板2の製造工程を示した断面図である。また、図7〜8は第1の基板1と第2の基板2とを貼り合わせる製造工程を示した断面図である。なお、第1の基板1の製造工程は第1の実施の形態で説明した製造工程と同様なので、説明を省略する。
図6(a)で示す第2の基板2が形成されるまでの製造工程は、第1の実施の形態において説明した図3(a)〜(b)までの製造工程と同様なので、説明を省略する。
図6(b)は、図6(a)で形成された第4の配線33に対して反応性イオンによるRIE法による短時間のエッチングを行う。第4の配線33は上面が削られるが、凸状の第4の配線33は角部Aが削られて丸みを帯びる。通常、角部のように正の曲率を有する部分では平坦部と比較してエッチングによる反応物の堆積が起こりにくいので、平坦部である第4の配線33の上面よりも角部Aが多く削られる。
なお、本工程はRIE法に限らず他の違法性エッチング又はウェットエッチング等の等方性エッチングを用いてもよい。
ここでの第4の配線33のエッチング工程は、第4の配線33の角部Aが丸みを帯びる程度で止める。図6(b)の製造工程によって、角部Aが丸まった凸状の第4の配線33を有する第2の基板2を形成する。
図7に示すように、第1の基板1と第2の基板2は、第2の配線15と第4の配線33を向かい合わせて位置合わせをする。
次に図8に示すように、第1の基板1と第2の基板2を接着する。接着方法は、第1の
実施の形態と同様に第1及び第2の基板1,2を加熱して押圧したり、基板間に接着剤を挿入してもよく、特定の接着方法に限られない。
第1の実施の形態と同様に、凹状の第2の配線15の窪みの深さは、凸状の第4の配線33の突起の高さとほぼ同じである。従って、凸状の第4の配線33の突起部は、凹状の第2の配線15の窪みに嵌め込まれる。
更に第2の実施の形態では、第2の基板2の第4の配線33の角部Aが丸まっているので、第1の基板1と貼り合わせる際の第1の基板1の第2の配線15に形成された窪みに嵌め込み易くなり、基板の位置合わせに更にマージンを大きくすることができる。即ち、半導体装置の製造工程を容易にすることができる。
配線層の形成方法は、ダマシン法に限らない。通常のリソグラフィー技術とRIEによる配線プロセスによっても本発明の効果を得ることできる。
また、前述した実施の形態において用いた配線や層間絶縁膜等の材料は実施の形態には限らない。
更には前述した実施の形態では、第1の基板1にのみトランジスタ11等の半導体素子を形成いるが、これに限らず第2の基板2にも半導体素子を形成して、2つの基板を貼り合わせてもよい。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る第1の基板の製造工程を示した断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る第2の基板の製造工程を示した断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る第1の基板と第2の基板とを貼り合わせる工程を示した断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る第1の基板と第2の基板とを貼り合わせる工程を示した断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る第2の基板の製造工程を示した断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る第1の基板と第2の基板とを貼り合わせる工程を示した断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る第1の基板と第2の基板とを貼り合わせる工程を示した断面図である。
符号の説明
1:第1の基板
2:第2の基板
10:半導体基板
11:トランジスタ
12:コンタクト
13:第1の配線
14:第1のプラグ
15:第2の配線
16:第1の層間絶縁膜
17:第2の層間絶縁膜
18:窒化シリコン膜
21:素子絶縁膜
22:ゲート絶縁膜
23:ゲート電極
24:エクステンション領域
25:ゲート側壁絶縁膜
26:不純物領域
30:半導体基板
31:第3の配線
32:第2のプラグ
33:第4の配線
34:第3のプラグ
35:第3の層間絶縁膜
36:第4の層間絶縁膜
37:窒化シリコン膜

Claims (3)

  1. 1層以上の配線層を有し、前記配線層の配線間に形成された層間絶縁膜を有した第1の半導体基板の表出した第1の配線をエッチングして、前記第1の配線間に形成された第1の層間絶縁膜の表面を凸状、前記第1の配線の表面を凹状とする、前記第1の半導体基板の表面に凹凸を形成する第1のエッチング工程と、
    1層以上の配線層を有し、前記配線層の配線間に形成された層間絶縁膜を有した第2の半導体基板の表出した前記第1の配線と面対象に形成された第2の配線間に形成された第2の層間絶縁膜をエッチングして、前記第2の層間絶縁膜の表面を凹状、前記第2の配線の表面を凸状とする、前記第2の半導体基板の表面に凹凸を形成する第2のエッチング工程と、
    前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板とを対向させて貼り合わせる工程と
    を備え、
    前記凸状の第2の配線が前記凹状の第1の配線に嵌め込まれ、前記凸状の第1の層間絶縁膜が前記凹状の第2の層間絶縁膜に嵌め込まれることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記凸状の第2の配線をエッチングし、前記凸状の第2の配線の角部を削る第3のエッチング工程を更に加えたことを特徴とする請求項1に記載した半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2のエッチング工程は、
    前記第2の層間絶縁膜の凹部の深さを前記第1の配線の凹部の深さとほぼ同じ深さにエッチングすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された半導体装置の製造方法。
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