JP2013115285A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
半導体装置の高集積化に伴い、三次元実装が検討されている。三次元実装された半導体装置は、複数の半導体チップを貫通するように電極が設けられている(例えば、特許文献1)。このようにすることで、複数の半導体チップの間を電気的に接続し、かつ大電流を流すことができる。 With the high integration of semiconductor devices, three-dimensional mounting is being studied. In a three-dimensionally mounted semiconductor device, electrodes are provided so as to penetrate a plurality of semiconductor chips (for example, Patent Document 1). By doing so, a plurality of semiconductor chips can be electrically connected and a large current can flow.
特許文献1に開示されている技術において、貫通電極は、配線の側面のみと接している。この場合、貫通電極と配線の接触面積が小さいため、接触抵抗は大きくなってしまう。このため、本発明者は、特許文献1に開示されている技術を、大電流を流す使用方法に用いるには、改良の余地があるという知見を得た。 In the technique disclosed in Patent Document 1, the through electrode is in contact with only the side surface of the wiring. In this case, since the contact area between the through electrode and the wiring is small, the contact resistance is increased. For this reason, this inventor acquired the knowledge that there exists room for improvement in order to use the technique currently disclosed by patent document 1 for the usage method which flows a large electric current.
本発明によれば、第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップ上に積層された第2の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとを接続する貫通電極と、
を有し、
前記第1の半導体チップは、第1の基板と、
前記第1の基板上に設けられた第1の配線と、
前記第1の配線上に設けられた第1の絶縁膜と、
を含み、
前記第2の半導体チップは、第2の基板と、
前記第2の基板上に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線上に設けられた第2の絶縁膜と、
を含み
前記貫通電極は、前記第2の半導体チップにおいて、前記第2の絶縁膜の上面から前記第2の配線の上部まで設けられた第1の貫通電極部と、
前記第1の貫通電極部の下面と繋がっており、前記第2の配線と同一層から前記第1の半導体チップの前記第1の配線上部まで設けられた第2の貫通電極部と、
を含み、
前記第1の貫通電極部と前記第2の貫通電極部の孔径は、平面視で、前記第1の貫通電極の孔径の方が大きい半導体装置が提供される。
According to the present invention, a first semiconductor chip;
A second semiconductor chip stacked on the first semiconductor chip;
A through electrode connecting the first semiconductor chip and the second semiconductor chip;
Have
The first semiconductor chip includes a first substrate,
A first wiring provided on the first substrate;
A first insulating film provided on the first wiring;
Including
The second semiconductor chip includes a second substrate,
A second wiring provided on the second substrate;
A second insulating film provided on the second wiring;
In the second semiconductor chip, the through electrode includes a first through electrode portion provided from an upper surface of the second insulating film to an upper portion of the second wiring,
A second through-electrode portion connected to the lower surface of the first through-electrode portion and provided from the same layer as the second wiring to the upper portion of the first wiring of the first semiconductor chip;
Including
A semiconductor device is provided in which the hole diameters of the first through-electrode part and the second through-electrode part are larger in plan view when the hole diameter of the first through-electrode is larger.
さらに、本発明によれば、第1の基板と、前記第1の基板上に設けられた第1の配線と、前記第1の配線上に設けられた第1の絶縁膜と、を含む第1の半導体チップと、第2の基板と、前記第2の基板上に設けられた第2の配線と、前記第2の配線上に設けられた第2の絶縁膜と、を含む第2の半導体チップを準備し、互いに絶縁された状態で貼り付ける貼付工程と、
前記第2の半導体チップの前記第2の絶縁膜をエッチングして第1の貫通電極孔を形成する第1の孔形成工程と、
前記第1の貫通電極孔から前記第1の半導体チップの前記第1の配線上部までエッチングして第2の貫通電極孔を形成する第2の孔形成工程と、
前記第1の貫通電極孔および前記第2の貫通電極孔にCuを成膜し、貫通電極を形成する貫通電極形成工程と、
を有し、
前記第1の貫通電極孔と前記第2の貫通電極孔の孔径は、平面視で、第1の貫通電極孔の方が大きい半導体装置の製造方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention, a first substrate, a first wiring provided on the first substrate, and a first insulating film provided on the first wiring are provided. A first semiconductor chip, a second substrate, a second wiring provided on the second substrate, and a second insulating film provided on the second wiring. Preparing a semiconductor chip and pasting it in a state of being insulated from each other;
A first hole forming step of etching the second insulating film of the second semiconductor chip to form a first through electrode hole;
A second hole forming step of forming a second through electrode hole by etching from the first through electrode hole to the upper part of the first wiring of the first semiconductor chip;
A through electrode forming step of forming a through electrode by forming a Cu film in the first through electrode hole and the second through electrode hole;
Have
A method of manufacturing a semiconductor device is provided in which the diameters of the first through electrode hole and the second through electrode hole are larger in plan view when the first through electrode hole is larger.
本発明によれば、上部から接続する電極よりも、配線を貫通した電極の方が、電極の孔径が小さくなるようにしている。これによって、貫通電極と配線の接触面積を増大し、接触抵抗を低減させることが可能となる。 According to the present invention, the hole diameter of the electrode penetrating the wiring is made smaller than the electrode connected from above. As a result, the contact area between the through electrode and the wiring can be increased, and the contact resistance can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る半導体装置の断面図であり、(a)は全体図、(b)は(a)における点線部の拡大図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present embodiment, in which (a) is an overall view and (b) is an enlarged view of a dotted line portion in (a).
図1の(a)に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、第1の半導体チップ200と、第1の半導体チップ200上に積層された第2の半導体チップ300と、第1の半導体チップ200と第2の半導体チップ300とを接続する貫通電極120と、を有している。第1の半導体チップ200は、第1の基板10と、第1の基板10上に設けられた第1の配線30と、第1の配線30上に設けられた第1の絶縁膜40と、を含んでいる。第2の半導体チップ300は、第2の基板12と、第2の基板12上に第2の配線32と、第2の配線32上に設けられた第2の絶縁膜42と、を含んでいる。貫通電極120は、第1の貫通電極部122と第2の貫通電極部124を有している。第1の貫通電極部122は、第2の半導体チップ300において、第2の絶縁膜42の上面から第2の配線32の上部まで設けられている。第2の貫通電極部124は、第1の貫通電極部122の下面と繋がっており、かつ第2の配線32と同一層から第2の半導体チップ300の第1の配線30上部まで設けられている。第1の貫通電極部122と第2の貫通電極部124の孔径は、平面視で、第1の貫通電極部122の孔径の方が大きい。
As shown in FIG. 1A, the semiconductor device according to the present embodiment includes a
第1の半導体チップ200には、基板10上に多層配線層が設けられている。基板10には、トランジスタが形成されており、多層配線層の一部には、第1の配線30が形成されている。第2の半導体チップ300には、基板12上に多層配線層が設けられている。基板12には、トランジスタが形成されており、多層配線層の一部には、第2の配線32が形成されている。また、第1の半導体チップ200、および第2の半導体チップ300は、例えば、LogicLSI(IC)、FPGA、DRAM、Flashメモリ、MRAM、ReRAM、およびPRAMの混載したLSI、またはこれらを組み合わせたLSIである。
In the
なお、図1の(b)に示すように、バリアメタル膜110の内側領域における第1の貫通電極部122と第2の貫通電極部124の孔径の差をAとした時、A/2は20nm以上、Aが40nm以上であることが好ましい。また、第2の貫通電極部124の孔径は1μm以上であることが好ましい。また、本実施形態に係る半導体装置に設けられている配線30,32,34は、例えば、電源配線あるいはグランド配線であるが、信号配線であってもよい。
As shown in FIG. 1B, when the difference in the hole diameters of the first through
なお、図1に示したように、第1の半導体チップ200、および第2の半導体チップ300は、それぞれ、第1の基板10と第1の配線30の間、第2の基板12と第2の配線32の間に、絶縁膜20、および22が設けられていてもよい。絶縁膜20および22には、例えば、SiO2、SiN、SiCN,SiON,SiCのいずれか、またはこれらの積層膜が用いられている。
As shown in FIG. 1, the
また、第1の基板10、第2の基板12、および第3の基板14は、例えば、Si基板が使用されており、貫通電極120には、例えば、Cu、Al、W、Ti、TiN、Ta、TaN、Mn、およびCoのいずれか、またはこれらの金属の合金が用いられている。
The
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を、図2〜図11を用いて説明する。図2および図3は、第1の孔形成工程を、図4〜図7は、第2の孔形成工程を、図8〜図11は、貫通電極形成工程を、説明するための断面図である。なお、図2〜図11は、図1に示す半導体装置の製造方法を示した図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are sectional views for explaining the first hole forming step, FIGS. 4 to 7 are for the second hole forming step, and FIGS. 8 to 11 are sectional views for explaining the through electrode forming step. is there. 2 to 11 are views showing a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
まず、第1の半導体チップと200と第2の半導体チップ300を準備し、第1の半導体チップ200上に、第2の半導体チップ300を、積層する(図示せず)。
First, the
次に、図2に示すように、第2の絶縁膜42上にレジスト60を塗布し、露光および現像を行うことで、第1の貫通電極孔80を得るためのレジストパターンを形成する。ここで、第1の貫通電極孔80は、第1の貫通電極部122が埋め込まれる孔である。
Next, as shown in FIG. 2, a resist 60 is applied on the second insulating
次に、図3に示すように、マスクとしてレジスト60を、エッチングストッパとして第2の配線32を、使用することにより、第2の絶縁膜42をエッチングする。こうすることで、第1の貫通電極孔80は形成される。
Next, as shown in FIG. 3, the second insulating
次に、図4に示すように、第1の貫通電極孔80の側面に対し、絶縁膜70を成膜する。この絶縁膜70は、第2の配線32をエッチングするためのマスクとなる。
Next, as shown in FIG. 4, an insulating
次に、図5に示すように、絶縁膜70をマスクとして用い、第2の配線32をエッチングする。これにより、第2の貫通電極孔90を形成するためのパターンが形成される。ここで、第2の貫通電極孔90は、第2の貫通電極部124が埋め込まれる孔である。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、図6に示すように、絶縁膜70を除去する。
Next, as shown in FIG. 6, the insulating
次に、図7に示すように、貫通電極120に接続する第2の配線32をマスクとして、第1の配線30の上面までエッチングする。これによって、第2の貫通電極孔90を形成することが出来る。なお、上述した絶縁膜70を除去せずに、絶縁膜70をマスクとして、エッチングを行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 7, the upper surface of the
次に、図8に示すように、第1の貫通電極孔80および第2の貫通電極孔90の表面に絶縁膜100を成膜する。また、第1の基板10または第2の基板12としてSi基板を用いた場合、Si基板は導体となるため、Si基板と貫通電極120が電気的に接続される可能性がある。仮に、第1の基板10または第2の基板12と、貫通電極120が接続されてしまった場合、トランジスタが機能しなくなることがある。このため、基板と貫通電極120を分離するためには、絶縁膜100を成膜した方がよい。
Next, as shown in FIG. 8, the insulating
次に、図9に示すように、第1の貫通電極孔80および第2の貫通電極孔90の側面にのみ絶縁膜100が残るように、エッチバックする。
Next, as shown in FIG. 9, etching back is performed so that the insulating
次に、図10に示すように、第2の絶縁膜42の上面、絶縁膜100表面、および第1の配線10の上面に対し、バリアメタル膜110を成膜する。
Next, as shown in FIG. 10, a
次に、図11に示すように、第1の貫通電極孔80および第2の貫通電極孔90に、銅をメッキ法により成膜する。
Next, as shown in FIG. 11, copper is deposited in the first through
次に、第2の絶縁膜42の表面が露出するよう、成膜した銅を研磨することで、図1の(a)に示した貫通電極120を形成することができる。
Next, the through
次に、本実施形態に係る半導体装置の効果について説明する。 Next, effects of the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
貫通電極120として、第1の貫通電極部122と第2の貫通電極部124が互いに連結された状態で形成されている。貫通電極120において、第1の貫通電極部122と第2の貫通電極部124とでは、第1の貫通電極部122の孔径の方が第2の貫通電極部124の孔径と比べて大きい。こうすることで、第2の配線32の上面においても、貫通電極120と接触させることができる。すなわち、貫通電極120と第2の配線32の接触面積は増大され、接触抵抗の低減させることが可能となる。
The through
図12は、本実施形態に係る半導体装置における、貫通電極と配線の接触面積とエレクトロマイグレーション寿命について説明するための図である。 FIG. 12 is a view for explaining the contact area between the through electrode and the wiring and the electromigration lifetime in the semiconductor device according to the present embodiment.
図12に示すように、貫通電極120と第2の配線32の接触面積が増大すればするほど、エレクトロマイグレーション寿命は、延びていることがわかる。すなわち、貫通電極120と第2の配線32の接触面積を確保することで、信頼性を向上させることが可能である。
As shown in FIG. 12, it can be seen that the electromigration lifetime is extended as the contact area between the through
(第2の実施形態)
図13は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
図13に示すように、貫通電極120を被覆する絶縁膜100が設けられていない点を除いて、第1の実施形態と同様の構成である。なお、本実施形態によっても、第1の実施形態と同様に、貫通電極120と第2の配線32の接触面積は増大され、接触抵抗の低減させることが可能となる。
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 13, the configuration is the same as that of the first embodiment except that the insulating
(第3の実施形態)
図14は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
図14に示すように、第1の半導体チップ200や第2の半導体チップ300に加え、第3の半導体チップ400を有していてもよい。つまり、本実施形態の半導体装置は、3つ以上の半導体チップを用いた構成であってもよい。本実施形態に係る半導体装置を製造する際、第2の半導体チップ300上に、第3の半導体チップ400を積層する工程と、孔径の異なる3つの貫通電極孔を形成する工程と、を有している。ただし、貫通電極孔の形成方法は、第1および第2の実施形態と同様である。ここで、第3の半導体チップ400には、基板14上に多層配線層が設けられている。基板14には、トランジスタが形成されており、多層配線層の一部には、第3の配線34が形成されている。なお、本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(Third embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 14, a
(第4の実施形態)
図15は、本実施形態に係る半導体装置の拡大断面図である。
図15の(a)および(b)に示すように、貫通電極120と第2の配線32の接続箇所がテーパー状である点で、第1、第2および第3の実施形態とは異なっている。ここで、テーパー状とは、図15の(b)のように、角が丸まっている場合も含まれる。このような構成にすることで、第1、第2および第3の実施形態のように第2の配線32が垂直に加工された場合と比べて、貫通電極120と第2の配線32の接触面積は増大する。なお、本実施形態によっても、第1、第2および第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.
As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), it differs from the first, second and third embodiments in that the connecting portion of the through
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
10 第1の基板
12 第2の基板
14 第3の基板
20 絶縁膜
22 絶縁膜
24 絶縁膜
30 第1の配線
32 第2の配線
34 第3の配線
40 第1の絶縁膜
42 第2の絶縁膜
44 第3の絶縁膜
50 基板接続層
52 基板接続層
60 レジスト
70 絶縁膜
80 第1の貫通電極孔
90 第2の貫通電極孔
100 絶縁膜
110 バリアメタル膜
120 貫通電極
122 第1の貫通電極部
124 第2の貫通電極部
200 第1の半導体チップ
300 第2の半導体チップ
400 第3の半導体チップ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の半導体チップ上に積層された第2の半導体チップと、
前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとを接続する貫通電極と、
を有し、
前記第1の半導体チップは、第1の基板と、
前記第1の基板上に設けられた第1の配線と、
前記第1の配線上に設けられた第1の絶縁膜と、
を含み、
前記第2の半導体チップは、第2の基板と、
前記第2の基板上に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線上に設けられた第2の絶縁膜と、
を含み
前記貫通電極は、前記第2の半導体チップにおいて、前記第2の絶縁膜の上面から前記第2の配線の上部まで設けられた第1の貫通電極部と、
前記第1の貫通電極部の下面と繋がっており、前記第2の配線と同一層から前記第1の半導体チップの前記第1の配線上部まで設けられた第2の貫通電極部と、
を含み、
前記第1の貫通電極部と前記第2の貫通電極部の孔径は、平面視で、前記第1の貫通電極の孔径の方が大きい半導体装置。 A first semiconductor chip;
A second semiconductor chip stacked on the first semiconductor chip;
A through electrode connecting the first semiconductor chip and the second semiconductor chip;
Have
The first semiconductor chip includes a first substrate,
A first wiring provided on the first substrate;
A first insulating film provided on the first wiring;
Including
The second semiconductor chip includes a second substrate,
A second wiring provided on the second substrate;
A second insulating film provided on the second wiring;
In the second semiconductor chip, the through electrode includes a first through electrode portion provided from an upper surface of the second insulating film to an upper portion of the second wiring,
A second through-electrode portion connected to the lower surface of the first through-electrode portion and provided from the same layer as the second wiring to the upper portion of the first wiring of the first semiconductor chip;
Including
The hole diameter of the said 1st penetration electrode part and the said 2nd penetration electrode part is a semiconductor device with a larger hole diameter of the said 1st penetration electrode in planar view.
前記第2の半導体チップの前記第2の絶縁膜をエッチングして第1の貫通電極孔を形成する第1の孔形成工程と、
前記第1の貫通電極孔から前記第1の半導体チップの前記第1の配線上部までエッチングして第2の貫通電極孔を形成する第2の孔形成工程と、
前記第1の貫通電極孔および前記第2の貫通電極孔にCuを成膜し、貫通電極を形成する貫通電極形成工程と、
を有し、
前記第1の貫通電極孔と前記第2の貫通電極孔の孔径は、平面視で、第1の貫通電極孔の方が大きい半導体装置の製造方法。 A first semiconductor chip including a first substrate, a first wiring provided on the first substrate, and a first insulating film provided on the first wiring; And a second semiconductor chip including a second wiring provided on the second substrate, and a second insulating film provided on the second wiring, and insulated from each other A pasting process for pasting in a finished state;
A first hole forming step of etching the second insulating film of the second semiconductor chip to form a first through electrode hole;
A second hole forming step of forming a second through electrode hole by etching from the first through electrode hole to the upper part of the first wiring of the first semiconductor chip;
A through electrode forming step of forming a through electrode by forming a Cu film in the first through electrode hole and the second through electrode hole;
Have
The diameter of the first through electrode hole and the second through electrode hole is a method for manufacturing a semiconductor device in which the first through electrode hole is larger in plan view.
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