JP3904228B2 - 三次元回路装置の製造方法 - Google Patents
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Description
これらの制約を克服するために三次元の回路装置を使用することが提案されている(これに関しては例えばティー・クニオその他による「アイ・イー・ディー・エム89」第837頁又はケイ・オヤマその他による「アイ・イー・ディー・エム90」第59頁参照)。そこには多数のチップ面が重ね合わせて配設されている。チップ面間に必要な電気的接続は直接の接触化により行われる。
三次元の集積回路を製造するためにデバイスの一つの面が形成されている基板上に別の半導体層を析出することは公知である(これに関しては例えばティー・クニオその他による「アイ・イー・ディー・エム89」第837頁又はケイ・オヤマその他による「アイ・イー・ディー・エム90」第59頁参照)。この半導体層は例えばレーザ焼なましにより再結晶化される。再結晶化された層内には更に別のデバイス面が形成される。基板内に別の半導体層を析出する前に製造されたデバイスは再結晶の際にそれと関連する熱負荷に曝され、欠陥箇所が多くなり極めてその収量が制約されることになる。
ワイ・ハヤシその他による「シンポジウム・オブ・VLSIテクノロジー」1990年、第95頁から、三次元の集積回路装置の製造のためまず個々のデバイス面を互いに切断して種々の基板内に形成することが公知である。更にこれらの基板は厚さ数μmに薄層化され、ウェハボンディング法により互いに接続される。異なるデバイス面を電気的に接続するには薄層化された基板の表側及び裏側に内部チップの接続のための接触部が設けられる。しかしそれには薄層化されたウェハの表側及び裏側を加工しなければならないという欠点がある。裏側の処理は標準的プレーナ技術では行われない。これに関する一連の処理上の問題は未だ解決されていない。この公知方法の別の欠点は個々のデバイス面の性能を接合前に容易にはテストできないことである。それというのもそれぞれ個々の面内に個々のデバイス(但し完全な回路ではない)が形成されているからである。
上述の2つの公知方法ではデバイス及び三次元回路装置はほぼ同時に形成され、従ってこの方法はチップの製造者側で行われなければならない。
本発明の課題は、個々のデバイスの製造を三次元の回路装置の組立に関係なく実施することのできる三次元の回路装置の製造方法を提供することにある。
この課題は本発明の請求項1に記載の方法により解決される。本発明の他の実施態様は従属請求項から明らかである。
本発明方法ではそれぞれ回路パターン及び金属化面を含んでいる2つの処理済み基板は接着層を介して互いに接合される。その際上方の基板は予め裏側から薄層化される。接触孔は上方基板の表面から上方基板の金属化面及び下方基板の金属化面上へ開けられる。その際この下方基板の金属化面上に達する接触孔は上方基板を完全に横断する。引続き上方基板の表面上に導電層が施され、この層が接触孔を介して両方の基板の金属化面間の電気的接続を形成する。
基板としては単結晶シリコン基板、SOI基板又は例えばIII−V半導体化合物のような種々の関連技術の基板が適している。同様に基板としては本発明方法により製造される二重又は一般に多重パターンのものが適しており、従って本発明方法は任意の多数のデバイス面を有する三次元回路装置の製造に適している。SOI基板を上方基板として使用することは、上方基板の薄層化に際してSOI基板に埋込まれた酸化物層をストップ層として使用できるという利点を有する。
隣接する基板間の堅固な接合のための接着層としては例えば重合により硬化されるポリイミドが適している。
それぞれ上方基板の薄層化及び基板の接合を除いても本発明方法ではプレーナ技術から公知で採用されている処理工程のみが使用される。全く別の方法を使用しないので、本発明方法により多大な収量が得られる。
基板の接合の際に基板を互いに整合するために、基板にそれぞれ整合マークを設け、それにより赤外線透過で整合を行うことは本発明の枠内にある。
導電層上に全面的にもう1つのパッシベーション層を施し、その中に基板及び/又は導電層の金属化面及び/又は基板内の別の導電性パターン又は金属化面に対する接続開口をそれぞれ使用条件に応じて開けることができるようにすることは本発明の枠内にある。
下方基板の金属化面上に接触孔を形成することは、実際には接触孔の直径よりもずっと深いエッチングを必要とする。それには特にCHF3及びHBrプラズマ中での異方性エッチングプロセスが適している。
本発明を図面及び一実施例に基づき以下に詳述する。
図1は回路パターン及び金属化面を有する第1の基板を示す。
図2は第1の接着層及び補助基板を有する第1の基板を示す。
図3は回路パターン及び金属化面を有する第2の基板を示す。
図4は第2の接着層を有する第2の基板を示す。
図5は第1の基板を薄層研磨し、第1及び第2の基板を接合した後の第1及び第2の基板を示す。
図6は第2の基板の金属化面上にまで達する第2の接触孔を開口した後の第1の基板及び第2の基板を示す。
図7は側面絶縁部の製造及び導電層の形成後の第1の基板及び第2の基板を示す。
図8は第2の基板の金属化面上に達する異方性エッチングプロセスにより開けられた第2の接触孔を有する第1の基板及び第2の基板を示す。
例えば単結晶シリコンからなる第1の基板1は第1の主面11の領域内に回路パターン12例えばMOSトランジスタ及び第1の金属化面13を含んでいる。この第1の金属化面13は例えばSiO2/Si3N4からなる第1のパッシベーション層14により覆われている。第1の金属化面13の下方の第1の基板1は酸化物層19により囲まれている別の金属化面15を含んでいる。第1の金属化面13は例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる。第1の回路パターン12の下方の第1の基板1は第1の主面11に対して垂直に例えば625μmの拡がりを有する。第1のパッシベーション層14内に第1の金属化面13の表面上に達する第1の接触孔16が開けられる(図1参照)。
第1の主面11上、即ち第1のパッシベーション層14の表面上に全面的に例えばポリイミド又はポリアクリレートからなる第1の接着層17が施される。第1の接着層17は例えば1.5μmの厚さに施される。この第1の接着層17上に補助基板18が貼付けられる。補助基板18としては例えばシリコンウェハが適している。補助基板18は処理ウェハ又は処理チップとして使用され、第1の主面11を第1の基板の別の処理工程時に保護する(図2参照)。
薄層研磨又は薄層エッチングにより第1の基板1は、第1の主面11の向い側にある第2の主面から、この基板の厚さが第1の主面11に対して垂直方向に回路パターン12の下方に数μm、有利には5μmの残厚を有するようになるまで薄層化される。
第2の基板2は例えば単結晶シリコンからなり、第3の主面21の領域内に少なくとも1つの回路パターン22例えばMOSトランジスタ及び第2の金属化面23を含んでいる。第2の金属化面23は例えばSiO2/Si3N4からなるパッシベーション層により覆われている。第2の金属化面23の下方の第2の基板2は例えば酸化物層27により囲まれている別の金属化面25を含んでいる。第2の金属化面23は例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる(図3参照)。
第3の主面21上、即ち第2のパッシベーション層24の表面上に全面的に例えばポリイミドからなる第2の接着層26が施される(図4参照)。引続き薄層化された第1の基板1と第2の基板2が接合される。その際第1の主面11に対向する第2の主面は第2の接着層26の表面上に施される。第1の基板1と第2の基板2との正確な相互の整合は第1の基板1と第2の基板2上の整合マーク(図示せず)を介して赤外線透過で行われる(図5参照)。第1の基板1及び第2の基板2の接合後第2の接着層26が後処理され、その結果第1の基板1と第2の基板2との間に堅固な接合が生じる。この後処理とは例えばポリイミドの重合である。
引続き補助基板18が例えばエッチングにより除去される。こうして露出された第1の接着層17は例えば酸素プラズマ又は溶剤で全面的に除去される。その際第1の接触孔16も第1の金属化面13に対して第1のパッシベーション層14内に開けられる。
第2の接触孔4の位置を画成するフォトレジストマスク3が形成される。次いで複合エッチングプロセスで第2の接触孔4が開けられる。それにはまず例えばHNO3/HFでの等方性エッチングプロセスで第1のパッシベーション層14及び第2の金属化面15を囲む酸化物層19がエッチングされる。例えばHBrプラズマ中での異方性エッチング処理で更に第1の基板1のシリコン、第2の接着層26及び第2のパッシベーション層24は、第2の接触孔4が第2の金属化面23上にまで達するまで完全にエッチングされる(図6参照)。
フォトレジストマスク3の除去及び適当な洗浄工程後ほぼ合致した縁被覆を有する絶縁層、例えば酸化物層が析出される。この絶縁層から更にフォト技術により又は有利には自己整合的にスペーサ技術により第2の接触孔4の側壁に露出しているシリコン層を覆う側面絶縁部5が形成される(図7参照)。
次いで例えばチタン/窒化チタンからなる拡散障壁層6、更にその上に例えばアルミニウム又はCVDタングステンからなる導電層7が施される。導電層7及びやはり導電性の拡散障壁層6は第2の接触孔4内に露出している第2の金属化面23の表面もまた第1の接触口16内に露出している第1の金属化面13の表面も覆う。従って拡散障壁層6及び導電層7を介して第1の金属化面13と第2の金属化面23は互いに電気的に接続される。その後拡散障壁層6及び導電層7はパターン化される。パターン化された導電層7は第1の基板1と第2の基板2との間の垂直方向の電気的接続を形成する(図7参照)。
引続きこのパターン上にもう1つの例えばSiO2からなるパッシベーション層が施され、そこに導電層7及び/又は他の金属化面に対して接続面(ボンド面)
第1のパッシベーション層14及び酸化物層19のエッチングに等方性エッチングプロセスを使用することにより比較的大きな断面積の第2の接触孔4が得られる。従って本発明のこの実施態様は比較的粗い配線格子に適している。
また図5に示されているパターンから出発して第2の接触孔4を異方性エッチングプロセスで形成することもできる。エッチングはCHF3及びHBrプラズマにより行うと有利である。この場合接触孔4は極端なアスペクト比(接触孔の深さに対する断面積の割合)で形成される(図8参照)。このエッチングプロセスの場合アスペクト比は1:20にまでなり得る。本発明のこの実施態様は微細な配線格子に使用されると有利である。本発明のこの実施態様でも側面絶縁部5は第2の接触孔4の側壁に沿って形成される。それには例えばオゾンTEOS法でSiO2層がほぼ合致した縁被覆に析出され、引続き第2の金属化面23の表面が露出されるまで異方性にエッチングされる。引続き第2の接触孔を拡散障壁層6及び導電層7で満たす(図8参照)。この場合拡散障壁層6及び導電層7は例えばCVD−窒化チタン及びCVD−タングステンから形成される。
第1の接触孔16は上述の実施例に記載したように第1の基板1と第2の基板2とを接合する前又は第1の基板1と第2の基板2とを接合した後に開口されてもよい。第1の金属化面13上に達する第1の接触孔16は拡散障壁層6及び導電層7を析出する前に開口されなければならない。
Claims (9)
- 第1の主面(11)の領域内に少なくとも1つの第1の回路パターン(12)、該パターン上の第1の金属化面(13)及びこの第1の金属化面(13)を覆っている第1のパッシベーション層(14)を含む第1の基板(1)に、第1のパッシベーション層(14)を出発点として第1の金属化面(13)の表面に達する第1の接触孔(16)をあけ、次いで
第1の基板(1)を、第1のパッシベーション層(14)上に施された第1の接着層(17)を介して補助基板(18)と結合し、次いで
補助基板(18)と結合した第1の基板(1)を、第1の主面(11)と反対側の第2の主面で薄層化し、次いで
第3の主面(21)の領域内に少なくとも1個の第2の回路パターン(22)を含み、該パターン上に1つの第2の金属化面(23)と、該金属化面(23)を覆う1つの第2のパッシベーション層(24)とが設けられた第2の基板(2)の、前記第2のパッシベーション層(24)の上に第2の接着層(26)を設け、次いで
薄層化した第1の基板(1)と第2の基板(2)を、第1の基板(1)の第2の主面が、第2の基板(2)の第2の接着層(26)と接するようにかつ第1の基板(1)と第2の基板(2)が第2の接着層(26)を介して固く接合するように組立て、次いで
固く接合した第1の基板(1)と第2の基板(2)とから、補助基板(18)と第1の接着層(17)を除去し、次いで
第1のパッシベーション層(14)を出発点として、第2の金属化面(23)に達する少なくとも1つの第2の接触孔(4)を明け、該第2の接触孔(4)の開孔時少なくとも第1の基板(1)をエッチングし、この際
第2の接触孔(4)の開孔は、少なくともHNO 3 /HFを用いた等方性のエッチングと、HBrプラズマ中での異方性エッチングとを含んだ組み合わせエッチングにて行い、しかる後
第1のパッシベーション層(14)上および第2の接触孔(4)内に、第1の金属化面(13)と第2の金属化面(23)を電気的に互いに接続する導電層(7)を形成することを特徴とする三次元回路装置の製造方法。 - 導電層(7)を形成する前に、少なくとも第2の接触孔(4)の側壁に側面絶縁部分(5)を形成することを特徴とする請求項1記載の方法。
- 第1の基板(1)及び第2の基板(2)にそれぞれ整合マークを設け、それらを介して第1の基板(1)と第2の基板(2)の接合の際に赤外線透過で整合を行うことを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- 第1の基板(1)の薄層化を薄層研磨及び/又は薄層エッチングにより行うことを特徴とする請求項1ないし3の1つに記載の方法。
- 少なくとも第1の基板(1)が単結晶シリコン層、埋込まれたSiO2層及びシリコンウェハを含んでいるSOI基板であり、第1の基板(1)の薄層化の際にシリコンウェハを除去し、第1の回路パターン(12)をSOI基板の単結晶シリコン層内に形成することを特徴とする請求項4記載の方法。
- 導電層(7)上に全面的にもう1つのパッシベーション層を施すことを特徴とする請求項1ないし5の1つに記載の方法。
- 第1の金属化面(13)の下方にある第1の基板(1)内及び/又は第2の金属化面(23)の下方にある第2の基板(2)内に別の金属化面(15、25)を配設することを特徴とする請求項1ないし6の1つに記載の方法。
- 第1の接着層(17)をポリイミド又はポリアクリレートから形成し、O2プラズマ又は湿式化学法により除去することを特徴とする請求項1ないし7の1つに記載の方法。
- 第2の接着層(26)をポリイミドから形成し、この接着層(26)を第1の基板(1)と第2の基板(2)を接合させた後に重合により硬化させることを特徴とする請求項1ないし8の1つに記載の方法。
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