JP2995076B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 １枚の半導体基板の表と裏の両面に形成された集積回
路間の信号伝達バス構造に関し， 半導体基板の表面に形成された集積回路と裏面に形成
された集積回路との間を接続するための信号伝達バスに
要する面積を縮小することにより，半導体集積回路装置
の高集積化を実現することを目的とし， 超音波信号が伝播する半導体基板と、前記半導体基板
の一方の面上に形成された第１の集積回路と、前記半導
体基板の他方の面上に形成された第２の集積回路と、前
記一方の面上に形成され、第１の配線、圧電体、及び第
２の配線を積層した構造を有し、前記第１又は第２の配
線が前記第１の集積回路に接続され、前記第１の集積回
路の電気信号を超音波信号に変換すると共に受信した超
音波信号を電気信号に変換して前記第１の集積回路に供
給する第１の超音波トランスデューサと、前記他方の面
上に前記第１の超音波トランスデューサと一対に形成さ
れ、第３の配線、圧電体、及び第４の配線を積層した構
造を有し、前記第３又は第４の配線が前記第２の集積回
路に接続され、前記第２の集積回路の電気信号を超音波
信号に変換すると共に受信した超音波信号を電気信号に
変換して前記第２の集積回路に供給する第２の超音波ト
ランスデューサとを有し、前記第１の超音波トランスデ
ューサ、前記半導体基板及び前記第２の超音波トランス
デューサで信号伝達バスを構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は，半導体装置，特に半導体基板の表と裏の両
面に形成された集積回路間の信号伝達バス構造に関す
る。
〔従来の技術〕
集積回路は，通常,1枚の半導体基板の片面に形成され
る。しかし，半導体基板の表面および裏面の両面に集積
回路を形成すれば，集積度を２倍に向上させることがで
きる。
１枚の半導体基板の表面および裏面の両面に集積回路
を形成するのに，特別の製造工程や特別の製造装置は必
要としない。
露光工程は，露光装置内でウェーハの表と裏との双方
にマスクを置き，同時に露光することにより行う。
絶縁膜や導体膜の形成およびエッチングは,CVD装置な
どの半導体製造装置内でウェーハを縦置きにして行う。
このように,1枚の半導体基板の表面および裏面の両面
に集積回路を形成すること自体には，さほど困難を伴わ
ない。しかしながら,1枚の半導体基板の表と裏の両面に
形成された集積回路間の振動伝達をどのような構造で行
うか，という大問題がある。以下，この問題に対する従
来の解決策を説明する。
第３図は，従来例を示す図である。
同図において,31はシリコンなどから成る半導体基板,
32はSiO2などから成る第１絶縁膜,33はアルミニウムな
どから成る配線,34はPSGなどから成る第２絶縁膜,35は
ボンディングパッド,36はAuなどから成るバンプ,37はセ
ラミックスなどから成る回路基板,38はCuなどから成る
プリント配線,39はアルミニウムなどからなるボンディ
ングワイヤである。
半導体基板31の表面に形成した集積回路の信号を半導
体基板31の裏面に形成した集積回路に伝達するために，
半導体基板31の表面には，第２絶縁膜34aを開口して配
線33aを露出させることによりボンディングパッド35を
形成する。他方，半導体基板31の裏面には，第２絶縁膜
34bを開口して配線33bを露出させた後，メッキなどによ
りバンプ36を形成する。
半導体基板31の裏面に形成したバンプ36と回路基板37
上に設けたプリント配線38とをフリップチップ方式でボ
ンディングする。その後，半導体基板31の表面に形成し
たボンディングパッド35と回路基板37上に設けたプリン
ト配線38とをボンディングワイヤ39によりワイヤボンデ
ィングすることによって接続する。
このようにして，半導体基板31の表面に形成した集積
回路と裏面に形成した集積回路との間の信号伝達バスが
完成する。
半導体基板31の表面に形成した集積回路と裏面に形成
した集積回路とは，ボンディングパッド35−ボンディン
グワイヤ39−プリント配線38−バンプ36から成る信号伝
達バスを介して信号の授受を行う。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来例では，半導体基板31の表面および裏面にボンデ
ィングパッド35やバンプ36を形成していた。
ボンディングパッドやバンプは，大きな面積（例え
ば,100μｍ角）を必要とする。したがって，チップ（半
導体基板）上で集積回路領域が占める面積に比して信号
伝達バスが占める面積が過大となる。特に，半導体基板
の表面に形成した集積回路と裏面に形成した集積回路と
の間の信号伝達バスの数が多い場合に著しい。
このように，従来の技術には，集積度の向上が阻害さ
れる，という問題があった。
本発明は，この問題点を解決して，半導体基板の表面
に形成された集積回路と裏面に形成された集積回路との
間を接続するための信号伝達バスに要する面積を縮小す
ることにより，半導体集積回路装置の高集積化を実現し
た半導体装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために，本発明に係る半導体装
置は，超音波信号が伝播する半導体基板と、前記半導体
基板の一方の面上に形成された第１の集積回路と、前記
半導体基板の他方の面上に形成された第２の集積回路
と、前記一方の面上に形成され、第１の配線、圧電体、
及び第２の配線を積層した構造を有し、前記第１又は第
２の配線が前記第１の集積回路に接続され、前記第１の
集積回路の電気信号を超音波信号に変換すると共に受信
した超音波信号を電気信号に変換して前記第１の集積回
路に供給する第１の超音波トランスデューサと、前記他
方の面上に前記第１の超音波トランスデューサと一対に
形成され、第３の配線、圧電体、および第４の配線を積
層した構造を有し、前記第３又は第４の配線が前記第２
の集積回路に接続され、前記第２の集積回路の電気信号
を超音波信号に変換すると共に受信した超音波信号を電
気信号に変換して前記第２の集積回路に供給する第２の
超音波トランスデューサとを有し、前記第１の超音波ト
ランスデューサ、前記半導体基板及び前記第２の超音波
トランスデューサで信号伝達バスを構成する。
〔作 用〕
本発明者は，先に，半導体集積回路装置の多層配線間
の信号の授受を行うための，新たな信号伝達バス構造を
開発した（特開昭59−50583号公報参照）。
これを関連技術として第４図に示す。
同図において,41は半導体基板,42は下地絶縁膜,43は
第１配線,44は圧電体,45は第２絶縁膜,46は第２配線,47
は超音波トランスデューサ,48は層間絶縁膜,49は表面保
護膜である。
下地絶縁膜42上に形成した第１配線43a,圧電体44aお
よび第２配線46aから成る積層体によって第１超音波ト
ランスデューサ47aを構成する。
層間絶縁膜48上に形成した第１配線43b,圧電体44bお
よび第２配線46bから成る積層体によって第２超音波ト
ランスデューサ47bを構成する。
第１配線43aおよび第２配線46aから成る下層配線と，
層間絶縁膜48を介して形成した第１配線43b第２配線46b
から成る上層配線との間の信号の授受は，第１超音波ト
ランスデューサ47aおよび第２超音波トランスデューサ4
7bの間での超音波信号の授受によって行う。
具体的には，下層配線から上層配線へ信号を伝達する
場合，第１超音波トランスデューサ47aを構成する第１
配線43aおよび第２配線46aを通して圧電体44aに信号と
しての高周波電圧を印加する。すると，圧電体44aは超
音波AWを発生する。この超音波AWは，層間絶縁膜48中を
伝播して第２超音波トランスデューサ47bを構成する圧
電体44bの両面に高周波電圧を誘起する。誘起された総
周波電圧は，上層配線を構成する第１配線43bおよび第
２配線46b中に信号電流を流す。この結果，下層配線か
ら上層配線への信号伝達が実現する。
上層配線から下層配線への振動伝達は，第２超音波ト
ランスデューサ47bを超音波の発信側とし，第１超音波
トランスデューサ47aを受信側とすることにより，同様
に実現することができる。
以上述べた関連技術は，半導体集積回路装置の高集積
化に伴う配線の多層化がもたらす種々の問題点を解決す
るためになされたものである。したがって，この関連技
術は，半導体集積回路装置を構成する回路素子に比べ
て，配線が複雑で，かつ10〜20層といった多層配線が必
要な場合に適合するものである。
次に，本発明の原理を，第１実施例を示す第１図を藉
りて説明する。
本発明は,1枚の半導体基板11の表面および裏面にそれ
ぞれ集積回路を形成した半導体装置において，半導体基
板11の表面に形成した集積回路と裏面に形成した集積回
路との間の信号伝達バスの新たな構造を提供するもので
ある。
まず，半導体基板11の表面に，第１配線13a,圧電体14
aおよび第２配線15aを積層した構造から成る第１超音波
トランスデューサ17aを形成する。
他方，半導体基板の裏面には，表面に形成した第１超
音波トランスデューサ17aに対応する位置に，第１配線1
3b,圧電体14bおよび第２配線15bを積層した構造から成
る第２超音波トランスデューサ17bを形成する。
そして，半導体基板11の表面に形成した集積回路と裏
面に形成した集積回路との間の信号伝達は，表面に形成
した第１超音波トランスデューサ17aと裏面に形成した
第２超音波トランスデューサ17bとの間の超音波信号AW1
の授受により行う。
具体的には，半導体基板11の表面に形成した集積回路
から裏面に形成した集積回路へ信号を伝達する場合，第
１超音波トランスデューサ17aを構成する第１配線13aお
よび第２配線15aを通して圧電体14aに信号としての高周
波電圧を印加する。すると，圧電体14aは，超音波AW1を
発生する。この超音波AW1は，半導体基板11中を伝播し
て，裏面に形成した第２超音波トランスデューサ17bを
構成する圧電体14bの両面に高周波電圧を誘起する。誘
起された高周波電圧は，第１配線13bおよび第２配線15b
中に信号電流を流す。この結果，半導体基板11の表面に
形成した集積回路から裏面に形成した集積回路への信号
伝達が実現する。
半導体基板11の裏面に形成した集積回路から表面に形
成した集積回路への信号伝達は，第２超音波トランスデ
ューサ17bを超音波の発信側とし，第１超音波トランス
デューサ17aを受信側とすることにより，同様に実現す
ることができる。
さらに，本発明では，各信号伝達バス間の混信を防止
するため，各信号伝達バスを伝播する超音波の周波数を
異ならせる。これは，各信号伝達バスを構成する一対の
超音波トランスデューサを構成要素である圧電体の厚み
を異ならせることによって実現する。
〔実 施 例〕
（第１実施例） 第１図は，第１実施例を示す図である。
同図において,11はシリコンなどから成る半導体基板,
12はSiO2などから成る第１絶縁膜,13はアルミニウムな
どから成る第１配線,14はZnOなどから成る圧電体,15は
アルミニウムなどから成る第２配線,16はPSGなどから成
る第２絶縁膜,17は超音波トランスデューサである。
第１図は，半導体基板11に本発明に係る信号伝達バス
を２個設けた例を示している。
第１信号伝達バスは，半導体基板11の表面に形成した
第１絶縁膜12a上に，第１配線13a,圧電体14aおよび第２
配線15aを積層した構造から成る第１超音波トランスデ
ューサ17a,超音波信号が伝播する半導体基板11,および
半導体基板11の裏面に形成した第１絶縁膜12b上に，第
１配線13b,圧電体14bおよび第２配線15bを積層した構造
から成る第２超音波トランスデューサ17bによって構成
する。信号の授受は，第１超音波トランスデューサ17a
−半導体基板11−第２超音波トランスデューサ17b間で
の超音波信号AW1の授受によって行う。
第２信号伝達バスは，半導体基板11の表面に形成した
第１絶縁膜12a上に，第１配線13c,圧電体14cおよび第２
配線15cを積層した構造から成る第３超音波トランスデ
ューサ17c,超音波信号が伝播する半導体基板11,および
半導体基板11の裏面に形成した第１絶縁膜12b上に，第
１配線13d,圧電体14dおよび第２配線15dを積層した構造
から成る第４超音波トランスデューサ17dによって構成
する。信号の授受は，第３超音波トランスデューサ17c
−半導体基板11−第４超音波トランスデューサ17d間で
の超音波信号AW2の授受によって行う。
圧電体14としてZnOを用いる場合の成長条件の一例を
以下に示す。
成長方法:RFマグネトロンスパッタ法 RFパワー:150W 雰囲気:Ar:O2＝1:1の混合ガス 圧力:6mTorr 基板温度:220℃ この条件でZnOを成長させるわけであるが，第１信号
伝達バスと第２信号伝達バスとの間での混信を防止する
ために，第１信号伝達バスを構成する第１超音波トラン
スデューサ17aおよび第２超音波トランスデューサ17bに
用いるZnO（圧電体14a,14b）膜厚と，第２信号伝達バス
を構成する第３超音波トランスデューサ17cおよび第４
超音波トランスデューサ17dに用いるZnO（圧電体14c,14
d）膜厚とを互いに異ならせる。例えば，圧電体14a,14b
としてのZnO膜厚をt1＝3000Å，圧電体14c,14dとしての
ZnO膜厚をt2＝5000Åに成長させる。
超音波の共振周波数は，理論的には，圧電体の膜厚t,
圧電体内の縦波の音速ｖから,v/2tで与えられる。ZnO内
の縦波の音速は6200m/sであるから，膜厚t1＝3000ÅのZ
nO（圧電体14a,14b）を持つ第１信号伝達バスの共振周
波数は15.5GHz,膜厚t2＝5000ÅのZnO（圧電体14c,14d）
を持つ第２信号伝達バスの共振周波数は12.4GHzとな
る。
しかしながら，本実施例の場合,ZnO（圧電体14a,14b,
14c,14d）は，アルミニウムなどから成る第１配線13a,1
3b,13c,13dおよびアルミニウムなどから成る第２配線15
a,15b,15c,15dで挟まれ,SiO2などから成る第１絶縁膜12
a,12b上でPSGなどから成る第２絶縁膜に埋め込まれた構
造となっているために，共振周波数の実測値は，上述の
理論値からはずれ，膜厚t2＝3000ÅのZnO（圧電体14a,1
4b）を持つ第１信号伝達バスの共振周波数は約16GHz,膜
厚t2＝5000ÅのZnO（圧電体14c,14d）を持つ第２信号伝
達バスの共振周波数は約13GHzであった。
（第２実施例） 第２図は，第２実施例を示す図である。
同図において,21はシリコンなどから成る半導体基板,
22はSiO2などから成る第１絶縁膜,23はMOSFET,24はアル
ミニウムなどから成る第１配線,25はZnOなどから成る圧
電体,26はアルミニウムなどから成る第２配線,27はPSG
などから成る第２絶縁膜,28は超音波トランスデューサ
である。
本実施例は，本発明の信号伝達バス中の信号伝達の様
子を具体的に示すものである。
半導体基板11の表面に形成した第1MOSFET23aのゲート
電極に印加された信号電圧INは，第1MOSFET23aによって
増幅され，ドレイン電流として第２配線26a中を伝播し
て，第１配線24a,圧電体25aおよび第２配線26aから成る
積層体によって構成された第１超音波トランスデューサ
28aに到達する。
第１超音波トランスデューサ28aにおいて，第１配線2
4aおよび第２配線26aによって圧電体25aに電圧が印加さ
れ，超音波AWが発生する。
第１超音波トランスデューサ28aで発生した超音波AW
は，半導体基板21中を伝播して，半導体基板21の裏面に
形成した第２超音波トランスデューサ28bに到達する。
第２超音波トランスデューサ28bにおいて，超音波AW
は，電気信号に変換され，第２配線26b中を伝播して，
第2MOSFET23bのゲート電極に入力する。
第2MOSFET23bは，ゲート電極に印加された信号電圧を
増幅して，第１配線24cへ出力（OUT）する。
〔発明の効果〕
本発明によれば，半導体基板の表面に形成された集積
回路と裏面に形成された集積回路との間を接続するため
の信号伝達バスに要する面積を縮小することができる。
例えば，従来の技術では１つの信号伝達バス当たり100
μｍ角要していたのを50μｍ角程度まで縮小することが
できる。
また，従来の技術では，チップ（半導体基板）の周辺
部あるいはその近傍にしか，信号伝達バスを設けること
ができなかったが，本発明はそのような制約を受けず，
チップ（半導体基板）のどこにでも信号伝達バスを設け
ることができる。
したがって，本発明は，半導体集積回路装置の高集積
化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は第１実施例を示す図， 第２図は第２実施例を示す図， 第３図は従来例を示す図， 第４図は関連技術を示す図 である。 第１図において 11:半導体基板 12:第１絶縁膜 13:第１配線 14:圧電体 15:第２配線 16:第２絶縁膜 17:超音波トランスデューサ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超音波信号が伝播する半導体基板と、 前記半導体基板の一方の面上に形成された第１の集積回
    路と、 前記半導体基板の他方の面上に形成された第２の集積回
    路と、 前記一方の面上に形成され、第１の配線、圧電体、およ
    び第２の配線を積層した構造を有し、前記第１又は第２
    の配線が前記第１の集積回路に接続され、前記第１の集
    積回路の電気信号を超音波信号に変換すると共に受信し
    た超音波信号を電気信号に変換して前記第１の集積回路
    に供給する第１の超音波トランスデューサと、 前記他方の面上に前記第１の超音波トランスデューサと
    一対に形成され、第３の配線、圧電体、および第４の配
    線を積層した構造を有し、前記第３又は第４の配線が前
    記第２の集積回路に接続され、前記第２の集積回路の電
    気信号を超音波信号に変換すると共に受信した超音波信
    号を電気信号に変換して前記第２の集積回路に供給する
    第２の超音波トランスデューサとを有し、 前記第１の超音波トランスデューサ、前記半導体基板及
    び前記第２の超音波トランスデューサで信号伝達バスを
    構成することを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】複数個の前記信号伝達バスを含む半導体装
    置であって、 各信号伝達バス間の混信を防止するために、各信号伝達
    バスを構成する前記第１および第２の超音波トランスデ
    ューサの圧電体の膜厚を、各信号伝達バスごとに互いに
    異なるように構成し、各信号伝達バスの使用する超音波
    の周波数を異ならせたことを特徴とする請求項１記載の
    半導体装置。
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