JP2016062951A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
近年、半導体応用製品はスマートフォン等の各種モバイル機器用途等として小型化、薄型化、軽量化が急激に進んでいる。又、それに伴い、半導体応用製品に搭載される半導体装置にも小型化、高密度化が要求されている。そこで、その要求に応えるべく、例えば複数の半導体チップが形成された半導体基板(ウェハ)を、半導体基板(ウェハ)状態のまま接着層を介して複数個積層するウェハオンウェハ(以降、WOWという)構造の半導体装置の製造方法が提案されている。 In recent years, semiconductor application products have been rapidly reduced in size, thickness and weight for various mobile devices such as smartphones. Along with this, semiconductor devices mounted on semiconductor application products are also required to be downsized and densified. Therefore, in order to meet the demand, for example, a wafer-on-wafer (hereinafter referred to as WOW) in which a plurality of semiconductor substrates (wafers) on which a plurality of semiconductor chips are formed are stacked in a semiconductor substrate (wafer) state via an adhesive layer. A method of manufacturing a semiconductor device having a structure has been proposed.
WOWでは、例えば、半導体基板を1層積層するごとに貫通孔を形成し、貫通孔に金属を充填して貫通電極を形成し、下層の半導体基板と導通させる。そして、その後、更に半導体基板を積層し、同様の方法で下層の半導体基板と導通させる。これを繰り返すことにより、複数の半導体基板を積層する。 In WOW, for example, a through-hole is formed each time a semiconductor substrate is stacked, a through-electrode is formed by filling the through-hole with a metal, and is electrically connected to a lower semiconductor substrate. Thereafter, a semiconductor substrate is further laminated, and is electrically connected to the lower semiconductor substrate by the same method. By repeating this, a plurality of semiconductor substrates are stacked.
しかしながら、半導体基板を1層積層するごとに貫通孔を形成し、貫通孔に金属を充填して貫通電極を形成する工程は工数が多く、半導体装置の製造コストを上昇させる要因となる。 However, the process of forming a through-hole each time a semiconductor substrate is stacked and filling the through-hole with a metal to form a through-electrode has many man-hours, which increases the manufacturing cost of the semiconductor device.
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、貫通電極を形成する工程を効率化して低コスト化を可能とする半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can reduce the cost by improving the efficiency of the process of forming the through electrode.
本半導体装置の製造方法は、複数の半導体チップが形成された半導体基板を複数枚積層し、異なる層の半導体チップ同士を信号伝達可能に接続し、半導体チップが積層された部分を個片化する半導体装置の製造方法であって、複数の半導体チップを有する半導体基板であって土台となる土台基板と、複数の半導体チップを有する半導体基板であって前記土台基板上に積層される複数の積層基板と、を準備し、夫々の前記積層基板に電極パッドを選択的に形成する工程と、背面側を薄化した複数の前記積層基板が主面を互いに同一方向に向けて積層された基板積層体を作製する工程と、夫々の前記積層基板の主面を前記土台基板の主面と同一方向に向けて、前記土台基板の主面に前記基板積層体を積層する工程と、前記基板積層体を貫通するビアホールを形成する工程と、前記ビアホール内に貫通電極を形成し、選択的に形成された前記電極パッドと前記貫通電極とを導通させる工程と、を有することを要件とする。 In this method of manufacturing a semiconductor device, a plurality of semiconductor substrates on which a plurality of semiconductor chips are formed are stacked, semiconductor chips of different layers are connected so as to be able to transmit signals, and a portion where the semiconductor chips are stacked is separated into pieces. A method for manufacturing a semiconductor device, which is a semiconductor substrate having a plurality of semiconductor chips and serving as a base, and a plurality of stacked substrates that are semiconductor substrates having a plurality of semiconductor chips and are stacked on the base substrate. And a step of selectively forming electrode pads on each of the laminated substrates, and a substrate laminate in which a plurality of laminated substrates whose back sides are thinned are laminated with their main surfaces facing each other in the same direction Stacking the substrate laminate on the main surface of the base substrate with the main surface of each of the multilayer substrates facing the same direction as the main surface of the base substrate; and Penetrating through Forming a hole, the forming the through electrode in the via holes may be a requirement that has a step of conducting a selectively formed the electrode pads and the through-electrode.
開示の技術によれば、貫通電極を形成する工程を効率化して低コスト化を可能とする半導体装置の製造方法を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can reduce the cost by increasing the efficiency of the process of forming the through electrode.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
〈第1の実施の形態〉
[第1の実施の形態に係る半導体装置の構造]
まず、第1の実施の形態に係る半導体装置の構造について説明する。図1は、第1の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図2は、図1の貫通電極周辺部のみを例示する部分拡大断面図である。なお、図1と図2では、便宜上、各部位の寸法比率を適宜変更している。又、図1では、便宜上、図2に示す部位の一部が省略されている。
<First Embodiment>
[Structure of Semiconductor Device According to First Embodiment]
First, the structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view illustrating only the periphery of the through electrode in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the dimensional ratio of each part is appropriately changed for convenience. In FIG. 1, for convenience, a part of the portion shown in FIG. 2 is omitted.
図1及び図2を参照するに、第1の実施の形態に係る半導体装置10は、複数の半導体チップ110が主面を同一方向に向けて積層され、異なる層の半導体チップ110同士が貫通電極20により信号伝達可能に接続された構造を有する。各々の半導体チップ110は、基板本体12と、半導体集積回路13と、絶縁層14と、電極パッド15とを有する。
Referring to FIGS. 1 and 2, in the
なお、半導体チップ110において、半導体集積回路13が設けられている側の面を主面と称する場合がある。又、主面の反対側の面を背面と称する場合がある。又、平面視とは対象物を半導体チップ110の主面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を半導体チップ110の主面の法線方向から視た形状を指すものとする。
In the
各々の半導体チップ110において、基板本体12は、例えばシリコン、窒化ガリウム、炭化ケイ素等から構成されている。半導体集積回路13は、例えばシリコン、窒化ガリウム、炭化ケイ素等に拡散層(図示せず)、絶縁層(図示せず)、ビアホール(図示せず)、及び配線層(図示せず)等が形成されたものであり、基板本体12の一方の面側に設けられている。絶縁層14は、半導体集積回路13と電極パッド15とを絶縁する層であり、例えばSi3N4、SiO2、SiON等から構成されている。
In each
電極パッド15は、絶縁層14を介して半導体集積回路13上に設けられている。電極パッド15は、半導体集積回路13に設けられた配線層(図示せず)と電気的に接続されている。電極パッド15は、例えば平面形状が矩形であり、中央部近傍には例えば平面形状が円形の開口部が設けられている。電極パッド15に設けられた開口部は、貫通電極20が貫通する部分である。
The
電極パッド15としては、例えばTi層やTiN層上にAu層、Al層、Cu層等を積層した積層体等を用いることができる。電極パッド15として、Ni層上にAu層を積層した積層体、Ni層上にPd層及びAu層を順次積層した積層体、Niの代わりにCo、Ta、Ti、TiN等の高融点金属からなる層を用い、同層上にCu層或いはAl層を積層した積層体或いはダマシン構造状の配線等を用いても構わない。電極パッド15のピッチは、例えば、5〜20μm程度とすることができる。
As the
なお、各半導体チップ110において電極パッド15を形成するか否かは、仕様に合わせて任意に決定することができる。これにより、積層した半導体チップ110中の所望の半導体チップ110のみに各貫通電極20を接続することができる。例えば、同じ信号を3層目の半導体チップ110を素通りして4層目の半導体チップ110や2層目の半導体チップ110に供給したり、異なる信号を各層の半導体チップ110に供給したりできる。
Whether or not the
又、各々の半導体チップ110の基板本体12の背面に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等からなり、厚さが0.1μm〜2.0μm程度の絶縁層(バリア層)を形成することができる。基板本体12の背面側に絶縁層(バリア層)を形成することにより、半導体チップ110が背面側から金属不純物により汚染されるおそれを低減できると共に、下層の半導体チップ110と絶縁できる。
In addition, an insulating layer (barrier layer) made of, for example, Si 3 N 4 , SiO 2 , SiON or the like and having a thickness of about 0.1 μm to 2.0 μm is formed on the back surface of the
上下に隣接する半導体チップ110は、接着層等を介さずに直接接合されている。最下層を除く各半導体チップ110には、最下層を除く各半導体チップ110を貫通して土台となる半導体チップ110の電極パッド15の上面を露出するビアホール21(貫通孔)が形成されている。ビアホール21の内壁(側壁)には、例えばSi3N4、SiO2、SiON等から構成された絶縁層22が形成されている。
The
各々の半導体チップ110の電極パッド15同士は、ビアホール21内に形成されたCu等からなる貫通電極20を介して電気的に接続されている。貫通電極20は、ビアホール21内に一体に形成されたものである。貫通電極20の上端部は、最上層の半導体チップ110の電極パッド15の上面から突出している(この部分を、貫通電極20の突出部と称する)。貫通電極20の突出部の周囲には、絶縁層23が形成されている。貫通電極20の突出部の上面と絶縁層23の上面とは、例えば、面一とすることができる。絶縁層23の材料としては、例えばSi3N4、SiO2、SiON等を用いることができる。
The
貫通電極20は、例えば、ビアホール21の内壁及び絶縁層23の内壁を連続的に被覆する金属層24と、ビアホール21及び絶縁層23内において金属層24の内側に充填された金属層25とを含んで構成することができる。貫通電極20の上面(金属層24の上端面及び金属層25の上面)と絶縁層23の上面とは、例えば、面一とすることができる。
The through
絶縁層23から露出する部分の貫通電極20の平面形状は、例えば直径が1μm〜30μm程度の円形状とすることができる。絶縁層23から露出する部分の貫通電極20は、半導体装置10を他の半導体装置や配線基板等と接続するために使用する外部接続用パッドとなる。絶縁層23から露出する部分の貫通電極20上に、はんだバンプ等を形成しても構わない。
The planar shape of the portion of the through
[第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程]
次に、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程について説明をする。図3〜図14は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図である。なお、各層の半導体基板11を区別するため、便宜上、各層の半導体基板11を半導体基板11n(nは何層目に積層されるかを示す自然数)と表示している。例えば、半導体基板111は土台となる1層目の半導体基板11を示し、半導体基板112は半導体基板111上に積層される2層目の半導体基板11を示す。基板本体12、半導体集積回路13、絶縁層14及び電極パッド15についても同様である。
[Manufacturing Process of Semiconductor Device According to First Embodiment]
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 3 to 14 are diagrams illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. In addition, in order to distinguish the
まず、図3(a)に示す工程では、複数の半導体チップ110が形成された薄化されていない半導体基板114(ウェハ)を準備する。半導体基板114は、例えば円形であり、その直径は、例えば6インチ(約150mm)、8インチ(約200mm)、12インチ(約300mm)等である。半導体基板114の厚さは、例えば0.625mm(6インチの場合)、0.725mm(8インチの場合)、0.775mm(12インチの場合)等である。半導体基板114は、基板本体124と、半導体集積回路134と、絶縁層144と、電極パッド154とを有する。電極パッド154の平面形状は例えば矩形状であり、中央部近傍には例えば平面形状が円形の開口部15x4が設けられている。開口部15x4内には、例えば、絶縁層144が形成されている。
First, in the step shown in FIG. 3A, an unthinned semiconductor substrate 11 4 (wafer) on which a plurality of
Cは、ダイシングブレード等が複数積層した半導体基板を切断して個片化する位置(以下、「切断位置C」とする)を示している(後述の図14(b)に示す工程を参照)。すなわち、切断位置Cにより分離された各領域は、最終的に個片化されて1つの半導体チップ110(図1参照)となるチップ領域である。なお、切断位置Cの近傍はスクライブ領域となる。 C indicates a position (hereinafter referred to as “cutting position C”) where a semiconductor substrate on which a plurality of dicing blades or the like are stacked is cut into pieces (refer to a process shown in FIG. 14B described later). . That is, each region separated by the cutting position C is a chip region that is finally separated into one semiconductor chip 110 (see FIG. 1). The vicinity of the cutting position C is a scribe area.
次に、図3(b)に示す工程では、支持体510を準備する。支持体510としては、研削除去する際に容易なシリコンや石英ガラスの基板等を用いることができる。そして、図3(a)に示す半導体基板114の外縁部の不要部分をグラインダー等を用いて除去して上下反転させ、支持体510の一方の面にフェイスダウン状態で接合する。
Next, in the step shown in FIG. 3B, a
支持体510と半導体基板114との接合には、例えば、表面活性化接合(SAB:Surface Activated Bonding)を用いることができる。具体的には、例えば、支持体510と半導体基板114の各接合面を研磨加工によって平滑化する。そして、例えば真空雰囲気中でアルゴンガス等の不活性ガスを用いて、支持体510と半導体基板114の各接合面をイオンビームやプラズマ等によりスパッタエッチングする。これにより、支持体510と半導体基板114の接合される各接合面において、接合の妨げとなる表面層が除去され、結合手を持った原子が露出した状態(他の原子との結合力が大きい活性状態)となる。次に、支持体510と半導体基板114の表面層が除去された各接合面が接するように配置して加圧することで、常温において強固な接合を得ることができる。
The bonding between the
但し、支持体510と半導体基板114との接合は表面活性化接合には限定されず、例えば、支持体510と半導体基板114とを接着層を介して接合してもよい。後述の半導体基板同士の接合についても同様である。なお、半導体基板の全領域における平坦性(凹凸)が1nm以上10nm未満であれば表面活性化接合、10nm以上1000nm未満であれば接着層を用いることが好ましい。
However, the bonding between the
接着層を用いる場合、接着層の材料としては、例えば主たる組成がベンゾシクロブテンである熱硬化性の絶縁性樹脂(例えば、ジビニルシロキサンベンゾシクロブテン:DVS−BCB)を用いることができる。又、接着層の材料として、主たる組成がエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂である熱硬化性の絶縁性樹脂、及びシリカ等の固形微粉末を添加した絶縁性複合材料等を用いても構わない。又、接着層の材料として、シロキサン等のシリコンを含有する材料を用いても構わない。 When the adhesive layer is used, as a material for the adhesive layer, for example, a thermosetting insulating resin whose main composition is benzocyclobutene (for example, divinylsiloxane benzocyclobutene: DVS-BCB) can be used. In addition, as a material for the adhesive layer, a thermosetting insulating resin whose main composition is an epoxy resin, an acrylic resin, a polyimide resin, and an insulating composite material added with solid fine powder such as silica are used. It doesn't matter. Further, a material containing silicon such as siloxane may be used as the material of the adhesive layer.
又、接着層を用いる場合、接着層を成膜又は塗布する前に、必要に応じて被接着面の洗浄を行い、被接着面の化学親和力が高く一様となる表面改質を行うのも好ましい。ここで、化学親和力が高く一様とは、水酸基等の電子供与性がある材料を1e12〜1e13/cm2の密度で作製することである。 In the case of using an adhesive layer, before the adhesive layer is formed or applied, the surface to be bonded is cleaned as necessary, and the surface modification is performed so that the chemical affinity of the surface to be bonded is high and uniform. preferable. Here, high and uniform chemical affinity means that a material having an electron donating property such as a hydroxyl group is produced at a density of 1e12 to 1e13 / cm 2 .
又、接着層を用いる場合、接着層として感光性接着剤(例えば、ジビニルシロキサンベンゾシクロブテン:DVS−BCB)を用い、接着層の貫通電極20に対応する位置に予め開口部を形成してから半導体基板同士を接合することが好ましい。接着層として非感光性接着剤を用いると、それを除去するために酸素系のガスを用いたエッチングが必要となるが、酸素系のガスを用いたエッチングでは、貫通電極と接続される電極パッドの表面が酸化され、貫通電極と電極パッドとが導通不良を起こすおそれがある。接着層として感光性接着剤を用い、接着層の貫通電極20に対応する位置に予め開口部を形成してから半導体基板同士を接合することにより、酸素系のガスを用いたエッチングが不要となり、このような問題を回避できる。
When an adhesive layer is used, a photosensitive adhesive (for example, divinylsiloxane benzocyclobutene: DVS-BCB) is used as the adhesive layer, and an opening is previously formed at a position corresponding to the through
次に、図4(a)に示す工程では、半導体基板114の背面側の基板本体124の一部をグラインダー等で研削して半導体基板114を薄化する。なお、研削後の基板本体124の背面に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等からなり、厚さが0.1μm〜2.0μm程度の絶縁層(バリア層)を、例えばプラズマCVD法等により形成することができる。
Next, in a step shown in FIG. 4 (a), a part of the
薄化後の半導体基板114の厚さは、例えば2μm〜100μm程度とすることができるが、50μm以下であることが好ましく、3μm〜10μm程度とすることが更に好ましい。基板体積を小さくすると貫通電極(TSV)の加工時間が大幅に短縮され、薄化でアスペクト比が緩和され埋め込み性やカバレッジが改善されるからである。なお、半導体集積回路13を残存させておけば、基板本体12を全て研削して除去してもよい。
The
次に、図4(b)に示す工程では、図3(a)と同様の薄化されていない半導体基板113を準備する。半導体基板113は、基板本体123と、半導体集積回路133と、絶縁層143と、電極パッド153とを有する。電極パッド153は、平面視において、電極パッド154と重複する位置(貫通電極20が貫通する領域)に選択的に形成される。所定位置に電極パッド153を形成するか否かは、仕様に合わせて任意に決定することができる。電極パッド153の平面形状は例えば矩形状であり、中央部近傍には例えば平面形状が円形の開口部15x3が設けられている。開口部15x3内には、例えば、絶縁層143が形成されている。なお、開口部15x3の開口面積は、開口部15x4の開口面積よりも小さい。
Next, in a step shown in FIG. 4 (b), a
そして、準備した半導体基板113の主面側を表面活性化接合等により半導体基板114の背面側に接合する。なお、半導体基板113と半導体基板114との位置決めは、予め形成されたアライメントマークを基準にして周知の方法で行うことができる。アライメントの精度は、例えば2μm以下とすることができる。
Then, joining main surface side of the
次に、図5(a)に示す工程では、図4(a)の工程と同様にして、半導体基板113の背面側の基板本体123の一部をグラインダー等で研削して半導体基板113を薄化する。なお、研削後の基板本体123の背面に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等からなり、厚さが0.1μm〜2.0μm程度の絶縁層(バリア層)を、例えばプラズマCVD法等により形成することができる。薄化後の半導体基板113の厚さは、薄化後の半導体基板114の厚さと同程度とすることができる。
Next, in a step shown in FIG. 5 (a), in the same manner as in the step of FIG. 4 (a), the
次に、図5(b)に示す工程では、図3(a)と同様の薄化されていない半導体基板112を準備する。半導体基板112は、基板本体122と、半導体集積回路132と、絶縁層142と、電極パッド152とを有する。電極パッド152は、平面視において、電極パッド154及び153と重複する位置(貫通電極20が貫通する領域)に選択的に形成される。所定位置に電極パッド152を形成するか否かは、仕様に合わせて任意に決定することができる。電極パッド152の平面形状は例えば矩形状であり、中央部近傍には例えば平面形状が円形の開口部15x2が設けられている。開口部15x2内には、例えば、絶縁層142が形成されている。なお、開口部15x2の開口面積は、開口部15x3の開口面積よりも小さい。
Next, in a step shown in FIG. 5 (b), a
そして、準備した半導体基板112の主面側を表面活性化接合等により半導体基板113の背面側に接合する。なお、半導体基板112と半導体基板113との位置決めは、予め形成されたアライメントマークを基準にして周知の方法で行うことができる。アライメントの精度は、例えば2μm以下とすることができる。
Then, joining main surface side of the
そして、図4(a)の工程と同様にして、半導体基板112の背面側の基板本体122の一部をグラインダー等で研削して半導体基板112を薄化する。なお、研削後の基板本体122の背面に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等からなり、厚さが0.1μm〜2.0μm程度の絶縁層(バリア層)を、例えばプラズマCVD法等により形成することができる。薄化後の半導体基板112の厚さは、薄化後の半導体基板114の厚さと同程度とすることができる。これにより、背面側を薄化した複数の半導体基板11が主面を互いに同一方向に向けて積層された基板積層体が作製される。
Then, in the same manner as in the step of FIG. 4 (a), a portion of the
次に、図6(a)に示す工程では、図4(b)の工程と同様にして、土台基板となる半導体基板111を準備して、半導体基板111の主面側を表面活性化接合等により半導体基板112の背面側に接合する。次に、図6(b)に示す工程では、図6(a)に示す支持体510を、グラインダー等で研削して除去する。これにより、土台基板となる半導体基板111上に、基板積層体(半導体基板112、半導体基板113及び半導体基板114が順次積層された積層体)が形成される。つまり、夫々の半導体基板の主面を土台基板となる半導体基板111の主面と同一方向に向けて、土台基板となる半導体基板111の主面に基板積層体が積層される。なお、図6(b)に示す半導体基板111及び基板積層体は、図6(a)とは上下反転した状態で図示されている。
Next, in a step shown in FIG. 6 (a), in the same manner as in the step of FIG. 4 (b), to prepare the
次に、図7(a)に示す工程では、半導体基板112、半導体基板113及び半導体基板114を貫通し、半導体基板111の電極パッド151の上面を露出するビアホール21(貫通孔)を形成する。そして、図7(b)に示す工程では、半導体基板114の主面にビアホール21を露出する絶縁層23を形成し、更に、絶縁層23の開口部及びビアホール21を充填する貫通電極20を形成する。貫通電極20と接する各電極パッド同士は電気的に接続される。
Next, in a step shown in FIG. 7 (a), the
ここで、図7(a)及び図7(b)に示す工程の詳細を図8〜図13を用いて説明する。なお、説明の便宜上、図8〜図13では、図7(a)及び図7(b)に示す構造体の一部分(電極パッド15近傍)のみを拡大して示す。 Here, the detail of the process shown to Fig.7 (a) and FIG.7 (b) is demonstrated using FIGS. 8-13. For convenience of explanation, in FIGS. 8 to 13, only a part of the structure (near the electrode pad 15) shown in FIGS. 7A and 7B is enlarged and shown.
まず、図8に示す工程では、半導体基板112、半導体基板113及び半導体基板114を貫通し、半導体基板111の電極パッド151の上面を露出するビアホール21(貫通孔)を形成する。具体的には、所望の位置にビアホール21を形成するために、絶縁層144上にパターニングされたレジスト膜520を形成する。レジスト膜520は、開口部15x4の内側の絶縁層144を露出し、電極パッド154の外側の絶縁層144を被覆するようにパターニングする。つまり、レジスト膜520の開口部の側壁は、電極パッド154上に位置している。
In the step shown in FIG. 8, the
そして、レジスト膜520をマスクとして、半導体基板111の電極パッド151の上面が露出するまで各半導体基板等をエッチング(例えば、フッ素系のガスを用いたプラズマエッチング)する。その後、レジスト膜520を除去し、更に洗浄する。
Then, the resist
なお、土台基板に近い側に積層される半導体基板の電極パッドの開口部の開口面積は、土台基板から遠い側に積層される半導体基板の電極パッドの開口部の開口面積よりも小さく形成されている。そのため、ビアホール21を形成する工程では、夫々の電極パッドをマスクとして、電極パッドの開口部内に露出する半導体基板等がエッチングにより除去され、ビアホール21が一括で形成される。
The opening area of the electrode pad opening of the semiconductor substrate stacked on the side close to the base substrate is smaller than the opening area of the electrode pad opening of the semiconductor substrate stacked on the side far from the base substrate. Yes. Therefore, in the step of forming the via
例えば、図8のような、断面形状が階段状のビアホール21が形成される。但し、図8では、図7(a)の破線Cで挟まれた領域の一番右側のビアホール近傍を図示しているが、図7(a)の破線Cで挟まれた領域の他のビアホールのように、電極パッドが形成されていない部分では階段状のビアホールとはならない。
For example, a via
次に、図9に示す工程では、ビアホール21内、電極パッド154上及び絶縁層144上に絶縁層22を成膜する。ビアホール21の側壁における絶縁層22の厚さは、例えば、50〜100nm程度とすることができる。次に、図10に示す工程では、ビアホール21の側壁以外に成膜された絶縁層22を、例えばRIE(Reactive Ion Etching)により除去する。これにより、ビアホール21内において、半導体基板112、半導体基板113及び半導体基板114の側壁が絶縁層22で被覆され、電極パッド151、電極パッド152及び電極パッド153の上面が部分的に露出する。又、電極パッド154の上面全体が露出する。
Then, in the process shown in FIG. 9, inside the via
例えば、開口部15x4、15x3及び15x2の平面形状が径が段階的に小さくなる円形状であれば、平面視において、内側から各半導体基板の絶縁層22の上端部が略同心の円環状に配される。又、平面視において、各絶縁層22で分離されて内側から円形の電極パッド151、円環状の電極パッド152、円環状の電極パッド153及び円環状の電極パッド154が配される。
For example, if the planar shape of the openings 15x 4 , 15x 3 and 15x 2 is a circular shape whose diameter decreases stepwise, the upper end of the insulating
絶縁層22に被覆されていない円形の電極パッド151、円環状の電極パッド152、円環状の電極パッド153及び円環状の電極パッド154が最終的に金属層24及び25と接触して導通する部分となる。従って、導通する部分の抵抗値を均一にするために、絶縁層22に被覆されていない円形の電極パッド151、円環状の電極パッド152及び円環状の電極パッド153は、略等面積としておくことが好ましい。後述の図11において絶縁層23から環状に露出する部分の電極パッド154の面積についても同様である。
The
次に、図11に示す工程では、電極パッド154上及び絶縁層144上に、電極パッド154の上面の内縁部を環状(例えば、円環状)に露出する絶縁層23を形成する。そして、ビアホール21内、電極パッド154上、及び絶縁層23上に、Cu等の金属を200nm〜500nm程度スパッタ法等により成膜し、給電層となる金属層24を形成する。なお、金属層24の下層にTi/TiN、Ta等の金属を50〜100nm程度スパッタ法等により成膜し、バリア層を形成してもよい。
Next, in a step shown in FIG. 11, on the
次に、図12に示す工程では、金属層24を給電層とする電解めっき法等によりビアホール21内にCu等の金属を充填し、絶縁層23の上面より突出した金属層25を形成する。次に、図13に示す工程では、金属層24及び25の絶縁層23の上面より突出した部分をCMP等により除去して、ビアホール21内及び絶縁層23内において金属層24の内側に金属層25が充填された貫通電極20を作製する。貫通電極20の上面(金属層24の上端面及び金属層25の上面)と絶縁層23の上面とは、例えば、面一とすることができる。
Next, in the process shown in FIG. 12, a metal such as Cu is filled in the via
次に、図14(a)に示す工程では、必要に応じ、半導体基板111の背面側の基板本体121の一部をグラインダー等で研削して半導体基板111を薄化する。薄化後の半導体基板111の厚さは、薄化後の半導体基板112〜半導体基板114と同程度としてもよいが、半導体基板111は土台基板なので、積層基板である半導体基板112〜半導体基板114より厚くしても構わない。又、半導体基板111は薄化しなくても構わない。
Next, in a step shown in FIG. 14 (a), optionally, a portion of the back side of the substrate
次に、図14(b)に示す工程では、図14(a)に示す構造体をダイシングブレード等により切断位置Cで切断して個片化することで、図1に示す半導体装置10が複数個作製される。
Next, in the step shown in FIG. 14B, the structure shown in FIG. 14A is cut into pieces by cutting at a cutting position C with a dicing blade or the like, so that a plurality of
このようにして、土台となる半導体基板上に複数の半導体基板を積層後、積層された半導体基板を一気に貫通するビアホールを形成し、ビアホール内に貫通電極を形成して、各半導体基板の電極パッドに接続できる。積層する半導体基板を更に増やしてもよい。これにより、製造工程の簡略化が可能となり、製造される半導体装置の低コスト化を実現できる。 In this way, after laminating a plurality of semiconductor substrates on a semiconductor substrate that serves as a base, via holes are formed so as to penetrate the laminated semiconductor substrates all at once, a through electrode is formed in the via hole, and an electrode pad of each semiconductor substrate is formed. Can be connected. The number of semiconductor substrates to be stacked may be further increased. Thereby, the manufacturing process can be simplified, and the cost of the manufactured semiconductor device can be reduced.
又、各半導体基板において電極パッドを形成するか否かを仕様に合わせて任意に決定するため、積層した半導体基板中の所望の半導体基板のみに各貫通電極を接続することができる。例えば、同じ信号を3層目の半導体基板を素通りして4層目の半導体基板や2層目の半導体基板に供給したり、異なる信号を各層の半導体基板に供給したりできる。 In addition, since whether or not to form an electrode pad in each semiconductor substrate is arbitrarily determined according to specifications, each through electrode can be connected only to a desired semiconductor substrate in the stacked semiconductor substrates. For example, the same signal can be passed through the third-layer semiconductor substrate and supplied to the fourth-layer semiconductor substrate or the second-layer semiconductor substrate, or different signals can be supplied to the semiconductor substrates of the respective layers.
又、上層の電極パッドの開口径を下層の電極パッドの開口径よりも大きくすることで、電極パッドと貫通電極の金属層とが接触する部分の面積を大きくできるため、確実な接触を可能にすると共に、接触部分の抵抗値を低減できる。 In addition, by making the opening diameter of the upper electrode pad larger than the opening diameter of the lower electrode pad, the area of the contact area between the electrode pad and the metal layer of the through electrode can be increased, thereby enabling reliable contact. In addition, the resistance value of the contact portion can be reduced.
なお、本実施の形態では、各層の半導体基板の電極パッドを任意に接続する際に、接続する必要のない部分には電極パッドを設けない設計とする例を示した(図1等参照)。しかし、これには限定されず、電極パッドに貫通電極と絶縁するための分離溝(電気的分離)を設ける設計としてもよい。 In the present embodiment, an example in which the electrode pad is not provided in a portion that does not need to be connected when the electrode pads of the semiconductor substrate of each layer are arbitrarily connected is shown (see FIG. 1 and the like). However, the present invention is not limited to this, and the electrode pad may be provided with a separation groove (electrical separation) for insulating from the through electrode.
例えば、図15(a)及び図15(b)に示す電極パッド153には、平面視で貫通電極20を囲むように、電極パッド153を貫通する分離溝41が設けられている。分離溝41内に絶縁性樹脂を充填してもよい。42は、電極パッド153に接続される配線を示している。なお、図15(a)は断面図、図15(b)は図15(a)の電極パッド153近傍のみを示す平面図である。
For example, the
分離溝41を設けることにより、貫通電極20と電極パッド153及び配線42とが電気的に分離される。このように、接続する必要のない部分にも電極パッドを設け、更に電極パッドと貫通電極とを分離する分離溝を設ける方法によれば、図1のように接続する必要のない部分に電極パッドを設けない方法に比べ、電極パッドの占める面積が大きくなるため、電極パッド上の絶縁層を平坦化するような場合に、平坦化が容易になるという利点が得られる。
By providing the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、ビアホール21の内壁(側壁)に絶縁層22を形成しない例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example in which the insulating
図16は、第2の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図17は、図16の貫通電極周辺部のみを例示する部分拡大断面図である。なお、図16と図17では、便宜上、各部位の寸法比率を適宜変更している。又、図16では、便宜上、図17に示す部位の一部が省略されている。 FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the second embodiment. 17 is a partially enlarged cross-sectional view illustrating only the periphery of the through electrode of FIG. In FIG. 16 and FIG. 17, for convenience, the dimensional ratio of each part is appropriately changed. In FIG. 16, for convenience, a part of the portion shown in FIG. 17 is omitted.
図16及び図17を参照するに、第2の実施の形態に係る半導体装置10Aは、土台を除く半導体チップ110において絶縁層14が絶縁層14Aに置換された点が第1の実施の形態に係る半導体装置10(図1及び図2参照)と相違する。
16 and 17, the
絶縁層14Aは、絶縁層14(図1及び図2参照)とは異なり、基板本体12及び半導体集積回路13内の貫通電極20の周囲にも形成されている。つまり、絶縁層14Aは、半導体集積回路13と電極パッド15とを絶縁すると共に、基板本体12及び半導体集積回路13と貫通電極20とを絶縁する層である。絶縁層14Aは、絶縁層14と同様に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等から構成されている。
Unlike the insulating layer 14 (see FIGS. 1 and 2), the insulating
なお、絶縁層14Aの各半導体チップ110の電極パッド15の下方を貫通する部分は、各半導体チップ110の電極パッド15に形成された開口部のうち最大の開口部の径よりも大きくされている。平面視において、絶縁層14Aの各半導体チップ110の電極パッド15の下方を貫通する部分を、電極パッド15より大きくしてもよい。
Note that the portion of the insulating
図18及び図19は、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図である。まず、図18(a)に示す工程では、図3(a)の工程と同様にして、複数の半導体チップ110が形成された薄化されていない半導体基板114(ウェハ)を準備する。絶縁層14A4は、半導体集積回路134の上面のみではなく、基板本体124内のビアホール21が形成される領域にも形成しておく(絶縁層14A4は、半導体集積回路134の形成前に形成しておく)。
18 and 19 are diagrams illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. First, in the process shown in FIG. 18A, as in the process of FIG. 3A, a non-thinned semiconductor substrate 11 4 (wafer) on which a plurality of
なお、絶縁層14A4において、半導体集積回路134の上面に形成する絶縁層と、基板本体124内に形成する絶縁層とは一体に形成されたものでなくてもよい(別工程で形成されてよい)。又、絶縁層14A4は、基板本体124が後の工程で薄化された際に残存する部分まで形成しておけば、基板本体124の裏面側まで形成しなくてもよい。
Incidentally, the insulating
次に、図18(b)に示す工程では、図3(b)及び図4(a)の工程と同様にして、支持体510を準備し、図18(a)に示す半導体基板114の外縁部の不要部分をグラインダー等を用いて除去して上下反転させ、支持体510の一方の面にフェイスダウン状態で接合する。そして、半導体基板114の背面側の基板本体124の一部をグラインダー等で研削して半導体基板114を薄化する。これにより、基板本体124の裏面側に絶縁層14A4が露出する。なお、研削後の基板本体124の背面に、例えばSi3N4、SiO2、SiON等からなり、厚さが0.1μm〜2.0μm程度の絶縁層(バリア層)を、例えばプラズマCVD法等により形成することができる。
Next, in a step shown in FIG. 18 (b), in the same manner as in the step shown in FIG. 3 (b) and 4 (a), to prepare a
次に、図19(a)に示す工程では、図4(b)〜図7(a)の工程と同様にして、土台基板となる半導体基板111上に、基板積層体(半導体基板112、半導体基板113及び半導体基板114が順次積層された積層体)を形成する。但し、半導体基板112には絶縁層14A4と同様の絶縁層14A2が形成され、半導体基板113には絶縁層14A4と同様の絶縁層14A3が形成されている。そして、半導体基板112の絶縁層14A2、半導体基板113の絶縁層14A3及び半導体基板114の絶縁層14A4を貫通し、半導体基板111の電極パッド151の上面を露出するビアホール21(貫通孔)を形成する。
Then, in the process shown in FIG. 19 (a), in the same manner as in the step of FIG. 4 (b) ~ FIG 7 (a), on the
次に、図19(b)に示す工程では、半導体基板114の主面にビアホール21を露出する絶縁層23を形成し、更に、絶縁層23の開口部及びビアホール21を充填する貫通電極20を形成する。貫通電極20と接する各電極パッド同士は電気的に接続される。又、貫通電極20と各半導体基板とは絶縁層14Aにより絶縁される。その後、図14(a)及び図14(b)の工程と同様にして、必要に応じて半導体基板111の背面側の基板本体121の一部をグラインダー等で研削して半導体基板111を薄化し、ダイシングブレード等により切断位置Cで切断して個片化することで、図16に示す半導体装置10Aが複数個作製される。
Then, in the process shown in FIG. 19 (b), an insulating
このように、第2の実施の形態では、土台基板を除く各半導体基板の絶縁層14Aを基板本体12及び半導体集積回路13内のビアホール21が設けられる領域にも形成するので、図19(a)に示す工程でビアホール21を形成した際に、各半導体基板のビアホール21の側壁に絶縁層14Aが露出する。そのため、第1の実施の形態の図9及び図10のように絶縁層22を形成及び加工する工程を省略できる。その結果、製造工程の一層の簡略化が可能となり、製造される半導体装置の一層の低コスト化を実現できる。なお、その他の効果については、第1の実施の形態と同様である。
As described above, in the second embodiment, the insulating
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、第1の実施の形態に係る半導体装置の他の製造方法(チップオンウェハ:COW)の例を示す。なお、第3の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, an example of another method (chip-on-wafer: COW) for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. Note that in the third embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
図20及び図21は、第3の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図である。まず、図20(a)に示す工程では、図3(a)〜図5(b)の工程と同様にして、支持体510上に、半導体基板114、半導体基板113及び半導体基板112が順次積層された基板積層体を作製する。そして、作製した基板積層体をダイアタッチフィルム等の支持フィルム530上に配置し、切断位置Cで切断して半導体チップ110が積層された領域ごとに個片化し、半導体チップ110の積層体を複数個作製する。
20 and 21 are diagrams illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment. First, in the process shown in FIG. 20A, the
次に、図20(b)に示す工程では、土台基板となる半導体基板111の主面の所定位置に半導体チップ110の積層体を積層する。この際、半導体チップ110の積層体の主面を、土台基板となる半導体基板111の主面と同一方向に向ける。具体的には、半導体チップ110の積層体を支持フィルム530から取り外し、半導体チップ110の積層体の背面側を表面活性化接合等により土台基板となる半導体基板111の主面上の所定位置に接合する。半導体チップ110の積層体の電極パッド15が、土台基板となる半導体基板111の電極パッド151と対応する位置にくるようにアライメントされた後に接合される。
Next, in a step shown in FIG. 20 (b), laminating the stack of
次に、図21(a)に示す工程では、半導体チップ110の積層体の側面を被覆する樹脂層30を形成する。具体的には、例えば、ディスペンサー等を用いて半導体チップ110の積層体の側面に樹脂層30となる樹脂を充填し、充填した樹脂を所定の温度に加熱して硬化させる。この際、半導体基板111の外周側に形成される樹脂層30の形状を規定するための枠部材を用意し、半導体基板111の外周側に配置してもよい。
Next, in a step shown in FIG. 21A, a
次に、図7(a)〜図14(b)と同様の工程を実行することにより、図21(b)に示す半導体装置10Bが複数個作製される。なお、半導体装置10Bは、樹脂層30が形成されている点で図1に示す半導体装置10と相違するが、図1に示す半導体装置10でも図21(b)に示す半導体装置と同様に樹脂層30を形成してもよい。
Next, a plurality of
このように、土台基板となる半導体基板111の主面上に、個片化された半導体チップ110の積層体を接合し、その後、ビアホール21や貫通電極20を形成する工程としてもよい。この場合にも、半導体チップ110の積層体を一気に貫通するビアホールを形成し、ビアホール内に貫通電極を形成するため、第1の実施の形態と同様に、製造工程の簡略化が可能となり、製造される半導体装置の低コスト化を実現できる。
Thus, the
なお、第3の実施の形態において、絶縁層14に代えて、第2の実施の形態で説明した絶縁層14Aを用いてもよい。この場合は、製造工程の一層の簡略化が可能となり、製造される半導体装置の一層の低コスト化を実現できる。
In the third embodiment, the insulating
以上、好ましい実施の形態について詳説した。しかし、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements can be added to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims.
例えば、上記実施の形態では、便宜上、積層される各半導体基板(半導体チップ)を同一符号としているが、積層される各半導体基板(半導体チップ)は同一機能であっても異なる機能であってもよい。例えば、土台となる半導体基板111をMPU(Micro-Processing Unit)とし、その上に積層される各半導体基板11をDRAM(Dynamic Random Access Memory)とすることができる。
For example, in the above embodiment, for convenience, the stacked semiconductor substrates (semiconductor chips) are denoted by the same reference numerals, but the stacked semiconductor substrates (semiconductor chips) may have the same function or different functions. Good. For example, the
又、上記実施の形態では、平面視円形の半導体基板(シリコンウェハ)を用いた場合を例にとり説明を行ったが、半導体基板は平面視円形に限定されず、例えば平面視長方形等のパネル状のものを用いても構わない。 In the above embodiment, the case where a semiconductor substrate (silicon wafer) having a circular shape in plan view is used has been described as an example. However, the semiconductor substrate is not limited to a circular shape in plan view. You may use.
又、半導体チップを有する半導体基板に代えて、半導体チップを有しない構造層を含む基板を一部に積層してもよい。 Further, instead of a semiconductor substrate having a semiconductor chip, a substrate including a structural layer not having a semiconductor chip may be partially laminated.
又、半導体基板の材料はシリコンに限定されず、例えばゲルマニウムやサファイア等を用いても構わない。 Further, the material of the semiconductor substrate is not limited to silicon, and for example, germanium or sapphire may be used.
10、10A、10B 半導体装置
11 半導体基板(ウェハ)
12 基板本体
13 半導体集積回路
14、14A、22、23 絶縁層
15 電極パッド
15x 開口部
20 貫通電極
21 ビアホール
24、25 金属層
30 樹脂層
41 分離溝
42 配線
110 半導体チップ
510 支持体
520 レジスト膜
530 支持フィルム
10, 10A,
DESCRIPTION OF
Claims (8)
複数の半導体チップを有する半導体基板であって土台となる土台基板と、複数の半導体チップを有する半導体基板であって前記土台基板上に積層される複数の積層基板と、を準備し、夫々の前記積層基板に電極パッドを選択的に形成する工程と、
背面側を薄化した複数の前記積層基板が主面を互いに同一方向に向けて積層された基板積層体を作製する工程と、
夫々の前記積層基板の主面を前記土台基板の主面と同一方向に向けて、前記土台基板の主面に前記基板積層体を積層する工程と、
前記基板積層体を貫通するビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内に貫通電極を形成し、選択的に形成された前記電極パッドと前記貫通電極とを導通させる工程と、を有する半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor substrates on which a plurality of semiconductor chips are formed are stacked, semiconductor chips of different layers are connected so as to be able to transmit signals, and a portion where the semiconductor chips are stacked is separated into pieces. ,
Preparing a base substrate which is a semiconductor substrate having a plurality of semiconductor chips and serves as a base; and a plurality of stacked substrates which are semiconductor substrates having a plurality of semiconductor chips and are stacked on the base substrate. Selectively forming electrode pads on the laminated substrate;
A step of producing a substrate laminate in which a plurality of the laminated substrates whose back sides are thinned are laminated with their main surfaces oriented in the same direction;
A step of laminating the substrate laminate on the main surface of the base substrate with the main surface of each of the multi-layer substrates oriented in the same direction as the main surface of the base substrate;
Forming a via hole penetrating the substrate laminate;
Forming a through electrode in the via hole, and electrically connecting the selectively formed electrode pad and the through electrode.
前記ビアホールを形成する工程では、夫々の前記電極パッドをマスクとして、前記電極パッドの開口部内に露出する積層基板をエッチングにより除去することで、前記ビアホールを一括で形成する請求項2記載の半導体装置の製造方法。 The opening area of the opening of the electrode pad of the laminated substrate laminated on the side close to the base substrate is larger than the opening area of the opening of the electrode pad of the laminated substrate laminated on the side far from the base substrate. Formed small,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein in the step of forming the via hole, the via hole is formed in a lump by removing the laminated substrate exposed in the opening of the electrode pad by etching using each of the electrode pads as a mask. Manufacturing method.
前記貫通電極を形成する工程では、前記貫通電極と前記積層基板とが前記絶縁層により絶縁されるように前記貫通電極を形成する請求項1乃至4の何れか一項記載の半導体装置の製造方法。 Before the step of producing the substrate laminate, the step of forming an insulating layer in the region where the via hole of each of the laminate substrates is formed,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the through electrode, the through electrode is formed so that the through electrode and the laminated substrate are insulated by the insulating layer. .
前記貫通電極を形成する工程では、前記貫通電極と前記積層基板とが前記絶縁層により絶縁されるように前記貫通電極を形成する請求項1乃至4の何れか一項記載の半導体装置の製造方法。 A step of forming an insulating layer on an inner wall of the via hole between the step of forming the via hole and the step of forming the through electrode;
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the through electrode, the through electrode is formed so that the through electrode and the laminated substrate are insulated by the insulating layer. .
支持体を準備し、主面を前記支持体側に向けて前記積層基板を前記支持体に接合し、前記支持体に接合された前記積層基板の背面側を薄化する工程と、
背面側を薄化した前記積層基板に、他の前記積層基板を同一方向に積層して背面側を薄化する工程と、
前記支持体を除去する工程と、を含む請求項1乃至6の何れか一項記載の半導体装置の製造方法。 The step of producing the substrate laminate is as follows:
Preparing a support, bonding the multilayer substrate to the support with the main surface facing the support, and thinning the back side of the multilayer substrate bonded to the support;
The step of thinning the back side by laminating the other laminated substrate in the same direction on the laminated substrate whose back side is thinned;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the support.
前記基板積層体を積層する工程では、個片化された夫々の基板積層体の主面を前記土台基板の主面と同一方向に向けて、前記土台基板の主面に個片化された夫々の基板積層体を積層する請求項1乃至7の何れか一項記載の半導体装置の製造方法。 Between the step of producing the substrate laminate and the step of laminating the substrate laminate, the substrate laminate has a step of dividing into individual regions where semiconductor chips are laminated,
In the step of laminating the substrate laminate, each of the individual substrate laminates separated into the main surface of the base substrate is directed in the same direction as the main surface of the base substrate. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate laminate is laminated.
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