JP2734025B2 - 大規模集積回路の製造方法 - Google Patents

大規模集積回路の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 一実施例の工程断面図（第２図） 一実施例の模式斜視図（第３図） チップ形成方法の工程断面図（第４図） 他の実施例の斜視図及び断面図（第５図） 発明の効果 〔概要〕 本発明は３次元構造を有する大規模集積回路の製造方
法に関し、 高集積度、高信頼、高歩留り、低コストを有する大規
模集積回路の提供を目的とし、 第１の半導体基板上に第２の半導体薄膜が形成され、
該半導体薄膜に該半導体薄膜の上面から底面に達するパ
ッド用拡散領域を選択的に有する集積回路が形成され、
表面が被覆絶縁膜で覆われ、該集積回路の特性選別が完
了してなる半導体チップを用い、下段になる上記半導体
チップを絶縁性基板上に半導体薄膜側を下にして接着
し、該下段の半導体チップの半導体基板を除去した後、
絶縁性基板上に残留固着された下段の半導体薄膜片の裏
面のパッド用拡散領域が配設されていない領域上に、上
段の半導体チップの半導体薄膜側を下にして接着し、該
上段チップの半導体基板を除去して下段の半導体薄膜片
裏面のパッド用拡散領域が配設されていない領域上に上
段の半導体薄膜片を裏面を表出した状態で残留固着せし
め、該基板上に下段及び上段の半導体薄膜片におけるパ
ッド用拡散領域の裏面を表出する第２の開口を有する第
２の絶縁膜を形成し、該第２の開口を通じ上段と下段の
半導体薄膜片のパッド用拡散領域間を接続する導電膜配
線を形成する工程を含んで構成される。
〔産業上の利用分野〕
本発明は３次元構造を有する大規模集積回路の製造方
法に関する。
現在の半導体集積回路は、半導体基板のほぼ表面部に
横方向の拡がりを持って２次元的に構成されている。
そのため微細加工技術の限界によって集積度にも自ず
から限界を生じており、この限界を打破して更に高集積
度を達成するために、一つの手段として３次元集積回路
の開発が進められている。
〔従来の技術〕
３次元集積回路を形成するための従来技術の一つに、
集積回路の形成された半導体基板上の絶縁膜上に、多結
晶シリコン（Si）層を堆積し、レーザ光照射等により該
多結晶Si層を溶融、再結晶化して単結晶Si層を形成し、
該単結晶Si層を用いて集積回路の形成を行い、下部の集
積回路と上部の集積回路間を配線接続して構成する所謂
SOI（silicon on insulator）技術によるものがある。
しかしこの方法には、下記の（ａ）〜（ｄ）に示すよ
うな問題点がある。
（ａ） 単結晶Si層の結晶の完全性が得られず、素子性
能が劣る。
（ｂ） 歩留りが層を重ねる毎にその積となるので、３
次元回路としての歩留りが大幅に低下する。
（ｃ） １層ずつ層を積層して形成して行くために層数
に比例して工程数が増すので、製造のコストや手番が増
大する。
（ｄ） 各層の単結晶層について拡散層の形成、絶縁膜
の形成等の熱処理が必要なため、下層程全熱処理量が多
くなって素子特性の変動を生ずる。
そこで上記SOI技術による問題点を除去するために提
供されたのは、第６図に示すように、集積回路の形成さ
れた通常の半導体チップ51、52、53等を配線基板50上に
積重ねて固着し、各チップに形成されている集積回路間
を配線接続して３次元構造を有する大規模集積回路を形
成する方法であった。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし上記通常の半導体チップの積重ねによる従来構
造においては、同図に示すように、半導体チップ51、5
2、53等の厚さによる段差ｈ1、ｈ2、ｈ3等が400〜600μ
ｍ程度あるためにチップ相互間を薄膜状の金属配線で接
続することは、ステツプカバレージ性の不足から断線を
生ずることによって不可能であり、そのため図示のよう
に絶縁性基板（配線基板）50及び半導体チップ51、52、
53等のボンディングパッド54A、54B、54C、54D等の相互
間を金等のボンディンワイヤ55で接続して３次元構造を
有する大規模集積回路が構成されていた。
従って、変形、倒れ等によるボンディングワイヤ相互
間の接触を避けるため、配線密度を余り高めることがで
きず高集積化が阻害され、またボンディング個所の増大
によって歩留り、信頼性の低下、及び製造コストの増大
を招くという問題があった。
そこで本発明は、高集積度、高信頼、高歩留り、低コ
ストを有する３次元構造の大規模集積回路の提供を目的
とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題は、第１の半導体基板と、該半導体基板上に
形成した該第１の半導体とエッチングの選択性を有する
第２の半導体薄膜と、該第２の半導体薄膜の表面部に能
動素子が形成されてなる素子領域と、該第２の半導体薄
膜に選択的に該第２の半導体薄膜の表面から裏面に達す
る深さに形成されたパッド用拡散領域と、該第２の半導
体薄膜上に形成された第１の絶縁膜と、該能動素子と該
パッド用拡散領域上の所定位置に対応する該第１の絶縁
膜に形成された第１の開口と、該第１の開口を通じて該
能動素子間及び該能動素子と該パッド用拡散領域間を接
続して集積回路を構成する第１の導電膜配線とを有した
複数の半導体チップを用い、下段になる該半導体チップ
を該第１の半導体に対してエッチングの選択性を有する
絶縁性基板上に、該第２の半導体薄膜側を対向させて、
直に若しくは該第１の半導体とエッチングの選択性を有
する絶縁物質を介し接着する工程と、エッチング手段に
より該下段の半導体チップの第１の半導体基板を選択的
に除去して、該絶縁性基板上に該下段の半導体チップの
第２の半導体薄膜片を裏面を表出した状態で固着残留せ
しめる工程と、該下段の第２の半導体薄膜片裏面の該パ
ッド用拡散領域が配設されていない領域上に、上段にな
る該半導体チップを、該第２の半導体薄膜側を対向させ
て、該第１の半導体とエッチングの選択性を有する絶縁
物質を介し接着する工程と、エッチング手段により該上
段の半導体チップの半導体基板を選択的に除去して、該
下段の第２の半導体薄膜裏面の該パッド用拡散領域が配
設されていない領域の上部に、上段の第２の半導体薄膜
片を裏面を表出した状態で固着残留せしめる工程と、該
第２の半導体薄膜片が重着された第２の半導体薄膜片積
層体及び該絶縁性基板上に第２の絶縁膜を形成する工程
と、該第２の絶縁膜に、該下段及び上段の第２の半導体
薄膜片におけるパッド用拡散領域の裏面を個々に表出す
る複数の第２の開口を形成する工程と、該複数の第２の
開口を通じ、該上段の第２の半導体薄膜のパッド用拡散
領域と該下段の第２の半導体薄膜のパッド用拡散領域と
を相互に接続する第２の導電膜配線を形成する工程とを
有する大規模集積回路の製造方法によって解決される。
〔作用〕
第１図（ａ）〜（ｃ）−１及び（ｃ）−２は本発明の
原理を示す工程断面図である。
即ち本発明は第１図（ａ）に示すように、例えばSi基
板１上にエピタキシャル成長させた炭化珪素（SiC）薄
膜２の素子領域３上に、該素子領域３に形成されたトラ
ンジスタ等の能動素子を用い第１の金属（導電）膜配線
（チップ内配線）６によって集積回路が形成され、該Si
C薄膜２の一部領域例えば該素子領域３の周辺に形成さ
れたSiC薄膜２の底面に達するパッド用拡散領域４上に
前記金属膜配線６が導出接続され、該集積回路の試験、
選別を終わった同種または異種の複数の半導体チップ10
1が用いられる。なお図において、５は層間絶縁膜、７
は被覆絶縁膜を示す。
そして第１図（ｂ）に示すように、この半導体チップ
101を、絶縁性基板８上に、第１図（ａ）におけるSiC薄
膜２側を対向させて接着剤9Aにより接着した後、鎖線で
示すSi基板１を選択的にエッチング除去して絶縁性基板
８上に裏面を表出するSiC薄膜片2A（前記第１図（ａ）
におけるSiC薄膜２に対応）を固着残留せしめる。この
際上記SiC薄膜片2Aの裏面にはパッド用拡散領域４の底
面が露出する。
以後同様な方法によって、接着剤9B、9Cを介し、下段
SiCの薄膜片2A裏面のパッド用拡散領域４が形成されて
いない領域即ち素子領域に対応する領域上に、同種また
は異種の半導体チップに形成されている上段のSiC薄膜
片2B、2C等を、表面を下にして、第１図（ｃ）−１或い
は第１図（ｃ）−２のように積み重ねて接着し、この基
板上に、各々のSiC薄膜片2A、2B、2C等のパッド用拡散
領域４の底面を表出する開口を有する絶縁膜10を形成
し、この開口を通じて各々のSiC薄膜片2A、2B、2C等に
形成されている集積回路を第２の金属（導電）膜配線
（チップ外配線）11で相互に接続することにより３次元
構造の大規模集積回路を構成する。
なお、第１図（ｂ）、（ｃ）−１、（ｃ）−２におい
ては、層間絶縁膜５、第１の金属膜配線６は省略する。
上記構成において、第２半導体薄膜片即ちSiC薄膜片2
A、2B、2C等の厚さは0.05〜0.5μｍ程度で形成すること
が充分に可能である。
そのため、絶縁性基板８と１段目のSiC薄膜片2A上面
との段差ｈA、１段目のSiC薄膜片2Aの上面と２段目のSi
C薄膜片2B上面との段差ｈB、２段目のSiC薄膜片2Bの上
面と３段目のSiC薄膜片2Cの上面との段差ｈC等は総て金
属膜配線６、層間絶縁膜５、接着剤9A或いは9B或いは9C
等に含めても0.5〜1.5μｍ程度の低い段差になる。この
段差は、金属薄膜形成技術におけるステップカバレージ
性を充分に満足できる値である。
従って本発明の方法によれば、３次元構造の大規模集
積回路の層間の接続を導電膜配線を用いリソグラフィ技
術により形成することが可能になり、これによって、積
層チップの層間接続の配線密度が向上できて高集積化が
可能になり、且つボンディング個所が減少して歩留り、
信頼性の向上、及び製造コストの低減が図れる。
〔実施例〕
以下本発明を、図示実施例により具体的に説明する。
第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例の工程断面
図、第３図は同実施例の模式斜視図、第４図（ａ）〜
（ｄ）は本発明に用いる半導体チップの形成工程の一実
施例を示す工程断面図、第５図は本発明の他の実施例の
模式図で、（ａ）は透視平面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視断
面図である。
全図を通じ同一対象物は同一符合で示す。
本発明に係る３次元構造の大規模集積回路の製造方法
に用いる半導体チップは、例えば以下に要部を示す工程
断面図第４図（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する方法に
より形成される。
第４図（ａ）参照 即ち、通常の方法、例えばSiHCl3（トリクロロシラ
ン）とＣ3Ｈ8（プロパン）とPH3（フオスフィン）の混
合ガス中で、第１の半導体基板例えば400〜600μｍ程度
の厚さを有する単結晶のSi基板１を1000℃程度に加熱し
て、該Si基板１上にSiとエッチングの選択性を有する厚
さｔ＝2000Å程度の第２の半導体薄膜即ちｎ型のSiC薄
膜２をエピタキシャル成長させる。
第４図（ｂ）参照 次いで通常の集積回路の製造におけるのと同様の方法
を用いて、上記SiC薄膜２の素子領域３には例えばｐ+型
のソース／ドレイン領域12A、12Bとゲート絶縁膜13及び
ポリSiのゲート電極14からなるMISトランジスタ（Tr）
等の能動素子を、また、SiC薄膜２の一部領域例えば素
子領域周辺に設けるパッド領域15にはSiC薄膜２の底面
に達するｐ+型のパッド用拡散領域４等を形成する。
第４図（ｃ）参照 次いで上記チップ領域上に、PSG等よりなる厚さ3000
Å程度の層間絶縁膜５を形成し、該層間絶縁膜５にトラ
ンジスタTrのソース／ドレイン領域12A、12B等及びパッ
ド用拡散領域４等の上面を表出するコンタクト窓を形成
し、該層間絶縁膜５上に通常の方法により前記コンタク
ト窓を介しソース／ドレイン領域12A及び図示されない
ゲート開孔領域とパッド用拡散領域４、及びソース／ド
レイン領域12B及び図示されないゲート開孔領域と図示
されないトランジスタのソース／ドレイン及びゲート領
域或いはパッド用拡散領域等を相互に接続する例えば厚
さ0.5μｍ程度のアルミニウム（Al）よりなるチップ内
配線即ち第１の金属膜配線６を形成する。
第４図（ｄ） 次いで通常上記チップ領域上に厚さ１μｍ程度のPSG
等よりなるパッシベーション用の被覆絶縁膜７を形成
し、更に該被覆絶縁膜７の、各々のチップ領域における
パッド用拡散領域４に対応する位置に該領域上の第１の
金属膜配線６を表出する試験用開口16を形成し、該試験
用開口16内に表出する第１の金属膜配線６及び図示され
ない他領域の試験用開口内に表出する第１の金属膜配線
に、試験装置のプローブを接触させて該チップ領域に形
成されている集積回路の特性を試験し、正常な集積回路
が形成されているチップ領域に識別マークを付す。そし
て該基板を通常のダイシング手段によりチップ単位に分
割し、正常な集積回路が形成されている良品チップを保
管する。
本発明の方法に係る一実施例においては、下層のチッ
プ領域の直上部に上層のチップ領域が積層される構造な
ので、上、下層間の配線が可能なように、上層のチップ
が、パッド用拡散領域の上部を残して下層のチップ上を
覆うように、順次小型になる複数種類の大きさのチップ
101A、101B、101C等が用意される。
そして３次元構造の大規模集積回路は、以下に第２図
（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお第２図におい
てはチップ内で集積回路を構成している前記ソース／ド
レイン領域12A、12B、ゲート酸化膜13、ゲート電極14、
層間絶縁膜５、第１の金属膜配線６等は省略する。
第２図（ａ）参照 先ず、パッケージ等を構成するセラミック等の絶縁性
基板８（配線基板の場合もある）上に硼素・燐珪酸ガラ
ス（BPSG）等よりなる絶縁性の接着剤9Aを厚さ1000Å程
度の皮膜状に形成した後、その上に１層目になる半導体
チップ101AをSiC薄膜チップ2A側を対向させて載置し、4
00℃程度に加熱することによって固着する。そして鎖線
で図示してある上記半導体チップ101AのSi基板1Aの部分
を、苛性カリ液或いは弗硝酸液を用いて選択的にエッチ
ング除去する。図中、７はチップの表面を保護する被覆
絶縁膜を示す。
第２図（ｂ）参照 次いで、上記１層目のSiC薄膜片2Aの表出する裏面に
おけるパッド用拡散領域４が形成されていない領域即ち
集積回路が形成されている素子領域に対応する領域上
に、例えば前記同様の接着剤9Bを介して２段目になる半
導体チップ101Bを、SiC薄膜片2B側を対向させて接着
し、次いで前記同様の手段により２段目チップ101BのSi
基板1B部を選択的にエッチング除去する。
第２図（ｃ）参照 次いで、上記２層目のSiC薄膜片2Bの表出する裏面に
おける素子領域に対応する領域上に、前記同様の接着剤
9Cを介して３段目になる半導体チップ101Cを、SiC薄膜
片2C側を対向させて接着し、次いで前記同様の手段によ
り３段目チップ101CのSi基板1C部を選択的にエッチング
除去する。
なお、SiC薄膜片の重ね合わせは３段に限られるもの
ではなく、上記手法を繰り返し必要なだけ重ねることが
可能である。
第２図（ｄ）参照 次いで、上記SiC薄膜片2A、2B、2Cが積層されている
基板８上にCVD法によりPSGからなる厚さ0.5μｍ程度の
絶縁膜10を形成し、通常のリソグラフィ手段により該絶
縁膜10に各SiC薄膜片2A、2B、2Cにおけるパッド用拡散
領域４の底面を表出する開口を形成し、次いで通常の配
線形成手段により上記絶縁膜10上にその開口部を通じて
各層のSiC薄膜片2A、2B、2Cのパッド用拡散領域４間を
相互に接続するAl等の第２の金属膜配線11を形成し、本
発明に係る３次元構造の大規模集積回路が完成する。
第３図は該実施例の上記第２の金属膜配線11の形成が
完了した状態をわかりやすく示した模式斜視図で、図中
の各符号は第２図と同一対象物を示している。
なお、第２図、第３図において、SiC薄膜片から絶縁
性基板の図示されない配線パターンに導出される金属配
線は省略されている。
第５図は他の実施例、即ち上記実施例と同様の積層手
段を用いて形成され、且つ前記実施例と異なる積層構造
の３次元構造大規模集積回路を模式的に示した図で、
（ａ）は透視平面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図であ
る。
図中、2A1、2A2、2A3、2A4は１層目（下層）のSiC薄
膜片、2Bは２層目（上層）のSiC薄膜片、４はパッド用
拡散領域、７は被覆絶縁膜、８は絶縁性基板、9A、9Bは
接着剤、10は絶縁膜、11Aは１層目のSiC薄膜片における
パッド用拡散領域４（ａ図には図示されず）の底面を介
して１層目のSiC薄膜片に形成されている集積回路（図
示せず）同士を相互に接続する金属膜配線、11Bはパッ
ド用拡散領域４の底面を介して２層目のSiC薄膜片2Bに
形成されている集積回路（図示せず）と１層目のSiC薄
膜片に形成されている集積回路（図示せず）とを相互に
接続する金属膜配線を表している。
この構造においては、図（ａ）に示されるように、絶
縁性基板８上に並べて固着された複数枚の１層目のSiC
薄膜片例えば４枚のSiC薄膜片2A1、2A2、2A3、2A4上に
跨る形で２層目のSiC薄膜片2Bが固着される。従ってこ
の場合、下層のSiC薄膜片例えば４枚のSiC薄膜片2A1、2
A2、2A3、2A4等は、上層のSiC薄膜片2Bが固着される領
域にパッド用拡散領域を設けないように予め設計されな
ければならない。
なお第５図において、SiC薄膜片から絶縁性基板の図
示されない配線パターンに導出される配線は省略されて
いる。
また各々のSiC薄膜片に形成される集積回路も省略さ
れている。
以上の実施例において、集積回路が形成され積層され
るSiC薄膜片の厚さは2000Å程度であるので、それに対
応する絶縁性基板の上面と１層目のSiC薄膜片の上面
間、１層目のSiC薄膜片の上面と２層目のSiC薄膜片の上
面間、２層目のSiC薄膜片の上面と３層目のSiC薄膜片の
上面間等の段差は、金属膜配線、絶縁膜、接着剤等を含
めても高々１μｍ程度である。従って上記層間を接続す
る配線を金属薄膜によって形成してもカバレージ不良に
よる断線を生ずることがない。
〔発明の効果〕
以上説明のように本発明によれば、チップを積み重ね
て構成する３次元構造の大規模集積回路における層間の
配線接続を、ボンディングワイヤによらずに金属膜配線
により信頼度よく形成することがてきる。
従ってワイヤ接続において生じていた変形による相互
間の接触障害等の発生がないので層間接続配線の配設密
度が向上できて高集積化が可能になり、且つボンディン
グ個所が減少して歩留り、信頼性の向上、及び製造コス
トの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）−１、（ｃ）−２は本発
明の原理を示す工程断面図、 第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の方法の一実施例の工程
断面図、 第３図は同じく一実施例の模式斜視図、 第４図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るチップ形成方法の
工程断面図、 第５図は本発明の他の実施例の模式図で（ａ）は透視平
面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図、 第６図は従来構造の模式断面図 である。 図において、 １はSi基板、２はSiC薄膜、2A、2B、2CはSiC薄膜片、３
は素子領域、４はパッド用拡散領域、５は層間絶縁膜、
６は第１の金属（導電）膜配線（チップ内配線）、７は
被覆絶縁膜、８は絶縁性基板、9A、9B、9Cは接着剤、10
は絶縁膜、11は第２の金属（導電）膜配線（チップ外配
線）、101は半導体チップ を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の半導体基板と、該半導体基板上に形
    成した該第１の半導体とエッチングの選択性を有する第
    ２の半導体薄膜と、該第２の半導体薄膜の表面部に能動
    素子が形成されてなる素子領域と、該第２の半導体薄膜
    に選択的に該第２の半導体薄膜の表面から裏面に達する
    深さに形成されたパッド用拡散領域と、該第２の半導体
    薄膜上に形成された第１の絶縁膜と、該能動素子と該パ
    ッド用拡散領域上の所定位置に対応する該第１の絶縁膜
    に形成された第１の開口と、該第１の開口を通じて該能
    動素子間及び該能動素子と該パッド用拡散領域間を接続
    して集積回路を構成する第１の導電膜配線とを有した複
    数の半導体チップを用い、 下段になる該半導体チップを該第１の半導体に対してエ
    ッチングの選択性を有する絶縁性基板上に、該第２の半
    導体薄膜側を対向させて、直に若しくは該第１の半導体
    とエッチングの選択性を有する絶縁物質を介し接着する
    工程と、 エッチング手段により該下段の半導体チップの第１の半
    導体基板を選択的に除去して、該絶縁性基板上に該下段
    の半導体チップの第２の半導体薄膜片を裏面を表出した
    状態で固着残留せしめる工程と、 該下段の第２の半導体薄膜片裏面の該パッド用拡散領域
    が配設されていない領域上に、上段になる該半導体チッ
    プを、該第２の半導体薄膜側を対向させて、該第１の半
    導体とエッチングの選択性を有する絶縁物質を介し接着
    する工程と、 エッチング手段により該上段の半導体チップの半導体基
    板を選択的に除去して、該下段の第２の半導体薄膜裏面
    の該パッド用拡散領域が配設されていない領域の上部
    に、上段の第２の半導体薄膜片を裏面を表出した状態で
    固着残留せしめる工程と、 該第２の半導体薄膜片が重着された第２の半導体薄膜片
    積層体及び該絶縁性基板上に第２の絶縁膜を形成する工
    程と、 該第２の絶縁膜に、該下段及び上段の第２の半導体薄膜
    片におけるパッド用拡散領域の裏面を個々に表出する複
    数の第２の開口を形成する工程と、 該複数の第２の開口を通じ、該上段の第２の半導体薄膜
    のパッド用拡散領域と該下段の第２の半導体薄膜のパッ
    ド用拡散領域とを相互に接続する第２の導電膜配線を形
    成する工程とを有することを特徴とする大規模集積回路
    の製造方法。
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