JP2010114165A - Semiconductor device, laminated semiconductor device, and method for manufacturing laminated semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、積層半導体装置および積層半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a stacked semiconductor device, and a method for manufacturing the stacked semiconductor device.
従来、シリコンウェハ等のシリコン基板に貫通シリコンビアを形成し、当該貫通シリコンビアを接点として積層半導体装置が形成されている。たとえば特許文献1は、積層パッケージの製作時絶縁膜形成費用を節減し、絶縁膜の絶縁特性を確保し、絶縁膜の均一度及び低い荒さを確保し、絶縁膜自体の欠陥による素子不良発生を防止する貫通シリコンビアの形成方法を開示する。当該方法は、多数の半導体チップで構成されたウェハの各チップに溝を形成するステップと、前記溝を埋め込むようにウェハ上に液状のポリマーを形成するステップと、前記ポリマーをパターニングして溝の側壁にポリマーからなる絶縁膜を形成するステップと、前記側壁に絶縁膜が形成された溝を埋め込むように金属膜を形成するステップと、前記溝内に埋め込まれている金属膜が露出されるようにウェハの後面をバックグラインディングするステップと、を含んでいる。なお、シリコン基板上に形成される代表的なデバイスにCMOSFET(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field−Effect Transistor)があるが、ラッチアップ対策、応答速度の向上等を目的としてSOI(Silicon on Insulator)基板にCMOSデバイスが形成される。
特許文献1によれば、シリコン基板上に貫通シリコンビア(以下「TSV」と略称する場合がある)を形成し、TSVを有する複数の半導体装置を積層して、積層半導体装置を形成できる。しかし、SOI基板にTSVを形成する場合には、SOI基板の活性層であるSOI層が極めて薄い膜厚であることを考慮する必要がある。すなわち、TSVを有するSOI基板を積層する場合には、できるだけ余分な圧力を加えることなく、また、少ない圧力で確実にバンプ間の接合を実施できることが望まれる。 According to Patent Document 1, a through silicon via (hereinafter sometimes abbreviated as “TSV”) may be formed on a silicon substrate, and a plurality of semiconductor devices having TSVs may be stacked to form a stacked semiconductor device. However, when TSV is formed on an SOI substrate, it is necessary to consider that the SOI layer which is an active layer of the SOI substrate has a very thin film thickness. In other words, when stacking SOI substrates having TSVs, it is desired that bonding between bumps can be reliably performed without applying as much extra pressure as possible and with low pressure.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、絶縁層および絶縁層に接して形成されたSOI層を有する基板と、基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔と、貫通孔に形成された、表面および裏面の間を電気的に結合する貫通結合部と、表面または裏面における貫通結合部の端部を露出する窪み部と、貫通結合部の端部に接して窪み部に形成された、他の基板と電気的に接触する部材となる接触部材と、を備えた半導体装置が提供される。 In order to solve the above problems, in the first aspect of the present invention, a substrate having an SOI layer formed in contact with the insulating layer and the insulating layer, a through-hole penetrating between the front surface and the back surface of the substrate, A through-coupling portion that is electrically connected between the front surface and the back surface, formed in the through-hole, a recessed portion that exposes an end portion of the through-coupling portion on the front surface or the back surface, and a recess that is in contact with the end portion of the through-coupling portion There is provided a semiconductor device provided with a contact member formed on the portion and serving as a member that comes into electrical contact with another substrate.
前記した半導体装置において、接触部材は、クリーム半田を有してよい。クリーム半田は、印刷法により形成されてよい。また、クリーム半田は、リフローにより溶融された場合に、窪み部を充填するに必要かつ充分な量を有してよい。 In the semiconductor device described above, the contact member may include cream solder. The cream solder may be formed by a printing method. Further, the cream solder may have an amount necessary and sufficient to fill the recess when melted by reflow.
上記課題を解決するために、本発明の第2の態様においては、絶縁層および絶縁層に接して形成されたSOI層を有する基板と、基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔と、貫通孔に形成された、表面および裏面の間を電気的に結合する貫通結合部と、表面または裏面における貫通結合部の端部を露出する窪み部と、貫通結合部の端部に接して窪み部に形成された接触部材と、を有する半導体装置を複数備え、一の半導体装置の接触部材と、他の半導体装置の接触部材とを結合することにより、一の半導体装置と他の半導体装置とを積層して形成した積層半導体装置が提供される。 In order to solve the above problems, in the second aspect of the present invention, a substrate having an SOI layer formed in contact with the insulating layer and the insulating layer, a through-hole penetrating between the front surface and the back surface of the substrate, A through-coupling portion that is electrically connected between the front surface and the back surface, formed in the through-hole, a recessed portion that exposes an end portion of the through-coupling portion on the front surface or the back surface, and a recess that contacts the end portion of the through-coupling portion A plurality of semiconductor devices each having a contact member formed on the portion, and by combining the contact member of one semiconductor device and the contact member of another semiconductor device, A laminated semiconductor device formed by laminating the layers is provided.
前記した積層半導体装置において、接触部材は、クリーム半田を有し、一の半導体装置と他の半導体装置との接触部材での結合が、接触部材のリフローにより為されてよい。また、接触部材は、クリーム半田を有し、クリーム半田は、一の半導体装置の窪み部と、他の半導体装置の窪み部とで為す空間に過不足なく充填されてよい。 In the laminated semiconductor device described above, the contact member may include cream solder, and the bonding of the contact member between one semiconductor device and another semiconductor device may be performed by reflow of the contact member. Further, the contact member has cream solder, and the cream solder may be filled in the space formed by the recess of one semiconductor device and the recess of another semiconductor device without excess or deficiency.
上記課題を解決するために、本発明の第3の態様においては、絶縁層および絶縁層に接して形成されたSOI層を有する基板を準備する段階と、基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔を形成する段階と、貫通孔に、表面および裏面の間を電気的に結合する貫通結合部を形成する段階と、表面または裏面における貫通結合部の端部を露出して窪み部を形成する段階と、貫通結合部の端部に接して窪み部に接触部材を形成する段階と、で半導体装置を形成し、一の半導体装置の接触部材と、他の半導体装置の接触部材とを結合することにより、一の半導体装置と他の半導体装置とを積層する段階、を備えた積層半導体装置の製造方法が提供される。 In order to solve the above-described problem, in the third aspect of the present invention, a step of preparing a substrate having an insulating layer and an SOI layer formed in contact with the insulating layer and a space between the front surface and the back surface of the substrate are provided. A step of forming a through hole, a step of forming a through coupling part for electrically coupling between the front surface and the back surface in the through hole, and forming a recess by exposing the end of the through coupling portion on the front surface or the back surface. Forming a contact member in the recess in contact with the end of the through-coupling portion, and joining the contact member of one semiconductor device and the contact member of another semiconductor device Thus, there is provided a method for manufacturing a stacked semiconductor device including a step of stacking one semiconductor device and another semiconductor device.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、本実施形態の半導体装置100の断面例を示す。半導体装置100は、基板102、絶縁層104、SOI層106、素子分離108、MOSFET110、層間配線112、層間絶縁層114、貫通孔116、貫通ビア122、窪み部124、裏面バンプ126および表面バンプ128を備える。
FIG. 1 shows a cross-sectional example of a
基板102は、絶縁層104および絶縁層104に接して形成されたSOI層106を有する。基板102は、たとえばシリコンウェハであってよい。
The
絶縁層104は、基板102の表面近傍に形成される。SOI層106は、絶縁層104を介して基板102の表面に形成されたシリコン結晶層であってよい。絶縁層104およびを有する基板102は、たとえばSIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)法または貼り合せ法により製造できる。
The
素子分離108は、隣接するMOSFET110を電気的に分離する。素子分離108は、たとえば溝を形成し、当該溝に絶縁膜を埋め込む溝分離構造を採用できる。なお、素子分離108の底部は、絶縁層104に達してもよく、SOI層106の途中で止められてもよい。
The
MOSFET110は、素子分離108で囲まれたSOI層106に形成される。MOSFET110は、nチャネルMOSあるいはpチャネルMOSであってよく、nチャネルMOSおよびpチャネルMOSでCMOSを構成してよい。MOSFET110は、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有する。
The
層間配線112は、MOSFET110のゲート電極、ソース電極およびドレイン電極の各電極を他のMOSFET110と接続する。あるいは層間配線112は、MOSFET110の各電極を外部に取り出す配線であってよい。層間配線112は、層間絶縁層114に形成した溝にたとえば銅等の金属を埋め込み、溝外の金属をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で取り除く、ダマシン法により形成されてよい。
The
層間絶縁層114は、層間配線112を絶縁する。層間絶縁層114は、たとえばシリコン酸化物であってよい。層間絶縁層114は、層間配線112の容量を低減することを目的として、低誘電率の絶縁膜を適用してよい。低誘電率絶縁膜として、ハロゲン化物膜が例示できる。
The
貫通孔116は、基板102の表面および裏面の間を貫通する。貫通孔116は、たとえば異方性エッチングにより形成できる。
The through
貫通ビア122は、貫通孔116に形成される。貫通ビア122は、表面および裏面の間を電気的に結合する。貫通ビア122は、たとえばメッキ法により形成される銅であってよい。ただし、貫通ビア122が銅である場合、貫通ビア122の形成後にMOSFET110を形成することは実質的に困難であることから、貫通ビア122はMOSFET110の形成後に形成される。貫通ビア122をMOSFET110の形成より前に形成する場合には、材料として多結晶シリコンが採用できる。貫通ビア122は、貫通結合部の一例であってよい。
The
貫通孔116の内部には貫通ビア122と基板102とを絶縁する絶縁層が形成されてよい。絶縁層は、たとえばシリコン酸化物、シリコン窒化物が適用でき、CVD法、スパッタ法等の薄膜形成法により形成できる。
An insulating layer that insulates the through via 122 and the
また、貫通孔116の内面には金属層が形成されてよい。金属層は、たとえば貫通ビア122の材料となる銅の拡散を防止するバリアメタルであってよい。バリアメタルとして、たとえば窒化チタンが例示できる。金属層は、たとえば貫通ビア122をメッキ法により形成する場合のシード膜であってよい。貫通ビア122を銅メッキにより形成する場合には、シード膜として銅膜が適用できる。バリアメタルおよびシード膜は、たとえばスパッタ法により形成できる。金属層は、バリアメタルおよびシード膜の積層膜であってよい。
Further, a metal layer may be formed on the inner surface of the through
窪み部124は、表面または裏面における貫通ビア122の端部を露出する。窪み部124は、たとえばパターニングによって形成されてよく、CMP法により自然に生成されるディッシングであってよい。
The
裏面バンプ126は、貫通ビア122の端部に接して窪み部124に形成され、他の基板と電気的に接触する部材となる。裏面バンプ126は、クリーム半田を有してよい。クリーム半田は、印刷法により形成されてよい。クリーム半田は、リフローにより溶融された場合に、窪み部124を充填するに必要かつ充分な量を有してよい。裏面バンプ126は、接触部材の一例であってよい。
The
本実施形態の半導体装置100では、接触部材としてクリーム半田を用いるので、適切なリフローを施すことにより、半導体装置100を積層する場合に過大な押圧を加えることなく半導体装置100を接合できる。また、窪み部124を有するので、リフローにより流動化したクリーム半田が適切に窪み部124を充填する。これにより接合の信頼性を向上できる。
In the
表面バンプ128は、半導体装置100の表面における接触端子である。表面バンプ128は、たとえば錫銀系のバンプが例示できる。
The
図2から図9は、半導体装置100の製造方法を工程順に示す。図2に示すように、絶縁層104および絶縁層104に接して形成されたSOI層106を有する基板102を準備する。次に図3に示すように、SOI層106に素子分離108を形成し、MOSFET110を形成する。MOSFET110の形成方法は当業者に周知なので説明を省略する。
2 to 9 show a method for manufacturing the
図4に示すように、層間配線112および層間絶縁層114を形成する。層間配線112は、層間絶縁層114に形成した溝にたとえば銅等の金属をたとえばスパッタ法で埋め込み、溝外の金属をCMP法で取り除く、ダマシン法により形成できる。層間絶縁層114は、たとえばCVD法またはスパッタ法により形成できる。
As shown in FIG. 4, an
図5に示すように、層間絶縁層114、層間配線112、SOI層106および絶縁層104を貫通し、基板102に達する貫通孔116を形成する。なお、この段階では貫通孔116は基板102を貫通しないが、後に説明するように、貫通孔116は結果として基板102を貫通する。貫通孔116は、この段階で基板102を貫通してよい。
As shown in FIG. 5, a through
図6に示すように、貫通孔116の内部に貫通ビア122を形成する。貫通ビア122はたとえばメッキ法により形成できる。メッキ法に用いるシード層および余分なメッキ膜は適切にパターニングされる。この段階で層間配線112と貫通ビア122とが電気的に接続される。次に、図7に示すように、基板102の裏面をたとえばCMP法により研磨して、貫通ビア122を露出させる。
As shown in FIG. 6, a through via 122 is formed inside the through
次に、図8に示すように、基板102の裏面における貫通ビア122の端部を露出して窪み部124を形成する。その後図9に示すように、貫通ビア122の端部に接して窪み部124に裏面バンプ126を形成する。さらに、表面バンプ128をたとえばメッキ法で形成すれば、図1に示す半導体装置100が製造できる。なお、裏面バンプ126はクリーム半田で形成でき、この場合印刷法または塗布法により形成できる。
Next, as shown in FIG. 8, the end of the through via 122 on the back surface of the
図10は、他の実施形態の積層半導体装置200の製造工程における断面例を示す。図11は、積層半導体装置200の断面例を示す。積層半導体装置200は、複数の半導体装置100が積層された構造を備える。
FIG. 10 shows a cross-sectional example in the manufacturing process of the
図10および図11に示すように、積層半導体装置200は、一の半導体装置100の裏面バンプ126と、他の半導体装置100の裏面バンプ126とを結合することにより、一の半導体装置100と他の半導体装置100とを積層して形成される。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
裏面バンプ126は、クリーム半田であってよく、この場合、一の半導体装置100と他の半導体装置100との裏面バンプ126での結合は、クリーム半田のリフローにより為される。そして、クリーム半田は、一の半導体装置100の窪み部124と、他の半導体装置100の窪み部124とで為す空間202に過不足なく充填されてよい。
The
クリーム半田のリフローにより接合が実現されるので、少ない荷重で半導体装置100同士が確実に接合される。よってアンダーフィル等も不要となり、コスト競争力を増し、信頼性も高めることができる。クリーム半田が空間202に過不足なく充填される場合、空間202内にボイドの発生はなく、接合の信頼性を高めることができる。
Since the joining is realized by reflow of the cream solder, the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
たとえば、前記した実施形態では、基板102の裏面側に窪み部124および裏面バンプ126を形成する場合を説明した。しかし、窪み部124および裏面バンプ126と同様の構成は、基板102の表面側にも形成してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the case where the recessed
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
100 半導体装置
102 基板
104 絶縁層
106 SOI層
108 素子分離
110 MOSFET
112 層間配線
114 層間絶縁層
116 貫通孔
122 貫通ビア
124 窪み部
126 裏面バンプ
128 表面バンプ
200 積層半導体装置
202 空間
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に形成された、前記表面および前記裏面の間を電気的に結合する貫通結合部と、
前記表面または前記裏面における前記貫通結合部の端部を露出する窪み部と、
前記貫通結合部の前記端部に接して前記窪み部に形成された、他の基板と電気的に接触する部材となる接触部材と、
を備えた半導体装置。 A substrate having an insulating layer and an SOI layer formed in contact with the insulating layer;
A through-hole penetrating between the front surface and the back surface of the substrate;
A through-coupling portion that is formed in the through-hole and electrically couples between the front surface and the back surface;
A recess that exposes an end of the through-coupling portion on the front surface or the back surface;
A contact member that is in contact with the end portion of the through-coupling portion and is formed in the hollow portion and is a member that comes into electrical contact with another substrate;
A semiconductor device comprising:
請求項1に記載の半導体装置。 The contact member has cream solder,
The semiconductor device according to claim 1.
請求項2に記載の半導体装置。 The cream solder is formed by a printing method,
The semiconductor device according to claim 2.
請求項2に記載の半導体装置。 The cream solder has an amount necessary and sufficient to fill the depression when melted by reflow.
The semiconductor device according to claim 2.
前記基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に形成された、前記表面および前記裏面の間を電気的に結合する貫通結合部と、
前記表面または前記裏面における前記貫通結合部の端部を露出する窪み部と、
前記貫通結合部の前記端部に接して前記窪み部に形成された接触部材と、
を有する半導体装置を複数備え、
一の半導体装置の前記接触部材と、他の半導体装置の前記接触部材とを結合することにより、前記一の半導体装置と前記他の半導体装置とを積層して形成した積層半導体装置。 A substrate having an insulating layer and an SOI layer formed in contact with the insulating layer;
A through-hole penetrating between the front surface and the back surface of the substrate;
A through-coupling portion that is formed in the through-hole and electrically couples between the front surface and the back surface;
A recess that exposes an end of the through-coupling portion on the front surface or the back surface;
A contact member formed in the recess in contact with the end of the through-coupling part;
A plurality of semiconductor devices having
A stacked semiconductor device formed by stacking the one semiconductor device and the other semiconductor device by coupling the contact member of the one semiconductor device and the contact member of the other semiconductor device.
前記一の半導体装置と前記他の半導体装置との前記接触部材での結合が、前記接触部材のリフローにより為された、
請求項5に記載の積層半導体装置。 The contact member has cream solder,
The connection at the contact member between the one semiconductor device and the other semiconductor device was performed by reflow of the contact member.
The laminated semiconductor device according to claim 5.
前記クリーム半田は、前記一の半導体装置の前記窪み部と、前記他の半導体装置の前記窪み部とで為す空間に過不足なく充填されている、
請求項5に記載の積層半導体装置。 The contact member has cream solder,
The cream solder is filled in a space formed by the dent part of the one semiconductor device and the dent part of the other semiconductor device without excess or deficiency,
The laminated semiconductor device according to claim 5.
前記基板の表面および裏面の間を貫通する貫通孔を形成する段階と、
前記貫通孔に、前記表面および前記裏面の間を電気的に結合する貫通結合部を形成する段階と、
前記表面または前記裏面における前記貫通結合部の端部を露出して窪み部を形成する段階と、
前記貫通結合部の前記端部に接して前記窪み部に接触部材を形成する段階と、
で半導体装置を形成し、一の半導体装置の前記接触部材と、他の半導体装置の前記接触部材とを結合することにより、前記一の半導体装置と前記他の半導体装置とを積層する段階、
を備えた積層半導体装置の製造方法。 Providing a substrate having an insulating layer and an SOI layer formed in contact with the insulating layer;
Forming a through-hole penetrating between the front surface and the back surface of the substrate;
Forming a through-coupling portion in the through-hole for electrically coupling the front surface and the back surface;
Exposing the end of the through-coupling portion on the front surface or the back surface to form a recess,
Forming a contact member in the indented portion in contact with the end of the through-coupling portion;
Forming the semiconductor device and stacking the one semiconductor device and the other semiconductor device by combining the contact member of the one semiconductor device and the contact member of the other semiconductor device;
A method for manufacturing a laminated semiconductor device comprising:
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