JPH0244757A

JPH0244757A - 三次元集積回路

Info

Publication number: JPH0244757A
Application number: JP19445588A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Hosoya; 郁雄細谷
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1990-02-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、熱の放出を効率よく行なえるようにして、１
！積度を飛躍的に高めた三次元集積回路に関する。

〔従来の技術］近年のエレクトロニクス部品の小型化にともない、電子
回路も高密度化が要求されており、回路の集積化傾向は
より一層強くなっている。このため、従来の二次元（平
面）構造の集積回路から、三次元的に集積回路を構築す
ることが研究されている。

［解決すべき課題］しかしながら、現在のところ、三次元集積回路は１次の
ような問題点を包含しているため、実用化には至ってな
い。

すなわち、第一は放熱の問題である０回路に電流が流れ
るとジュール熱を発生するが、この熱を放出しないでお
くと、半導体の誤動作、ショート、断線あるいは１回路
のショートや断線さらには、化学的反応が起きたりして
集積回路に種々の悪影響を与える。

このため、ヒートシンクとしてダイヤモンドブロックを
用いたり、冷却装置を用いたりしているが、近年の高集
積化に対応させるには、かなり大型のものが必要となっ
ている。特に、三次元集積回路においては、従来の平面
ＬＳＩの集積度より二乗も三乗も密な集積が行なわれる
ため、単位体積あたりに発生する熱量は膨大なものとな
り、平面ＬＳＩとは比べものにならない、また、多層構
造の内部に形成された回路は、外気にまったく触れるこ
とがないため、中心に近い回路程高温になると考えられ
る。

したがって、三次元集積回路を実用化するための大きな
ポイントは、集積度を下げることなく回路部分の熱をい
かに効率良く外へ放出できるかという点にあるが、現在
のところ有効な材料９手段は見出されていない。

第二は、半導体層と絶縁層の接合の問題である。三次元
集積回路の場合、半導体層を電気的に絶縁する絶縁層を
必要とするが、現在の技術では、絶縁層に半導体層を生
成させることが難しく、特に単結晶で成長させることは
、ごく限られた、熱伝導のあまり良くない基板（例えば
、シリコンとサファイヤ、ふう化カルシウムからなる基
板）でしか行なわれていなかった。。

本発明はこれらの問題点にかんがみてなされたもので１
ｗｉ層した電子回路からの熱を効率よく放出できるよう
にするとともに、絶縁層へ半導体層を容易に生成させる
ことができ、絶縁層と半導体層の堅固なる接合を可能な
らしめた三次元集積回路の提供を目的とする。

［課題の解決手段とその作用］上記目的を達成するため本発明の三次元集積回路は、ダ
イヤモンドからなる絶縁層と、半導体層を三層以上積層
した構成とし、好ましくは、ダイヤモンドからなる絶縁
層と、ダイヤモンドの単結品、多結晶、非晶質あるいは
これらに多少の不純物を部分的に含有させたもので構成
し、また、半導体層を、シリコン、ゲルマニウム、ダイ
ヤモンド等の単元素半導体あるいはカリウムひ素、イン
ジウムりん等の■−ｖ族あるいは■−■族からなる化合
物半導体の単結晶、多結晶、非晶質で構成しである。

このように、本発明の三次元集積回路は絶縁層をダイヤ
モンド膜で形成することにより、絶縁性、放熱性（伝熱
性）に優れるとともに、成膜性も良好で、かつまたドー
ピング技術を利用して隣接する層に形成された回路間の
接続をも容易に行なえるようにしである。

［実施例］以下、本発明三次元集積回路の実施例について説明する
。

第１図は実施例の三次元集積回路を模式的に示した図で
ある。同図において、ＤＩ、〜、Ｄｎは絶縁層であり、
５１．〜．Ｓｎは半導体層で、それぞれ交互に多数積層
し集積回路を構成している。

絶縁層ＤＩ＋〜＋　Ｄ　ｎは半導体層５１〜．Ｓｎの間
に位置し、半導体層５１．〜．Ｓｎを絶縁して電気的に
独立させる。また、半導体層Ｓ夏、〜、Ｓ。

にはそれぞれ電気回路が形成しである。

絶縁層ＤＩ＋〜、　Ｄ　ｎは、ダイヤモンド薄膜で形成
してあり、その結晶は、固体全体が一つの結晶である単
結晶、固体が多数の小さな結晶からなっている多結晶あ
るいは、原子が不規則に配列している非晶質のいずれか
となっている。なお、この絶縁層ＤＩｒ〜、Ｄｎには、
ダイヤモンドの性質を失わない程度の不純物を部分的に
含有させ、隣接する層に形成した回路（ｎ−（ｎ＋１）
層間の回路）の接続回路として使用することも可能であ
る。

この絶縁層ＤＩｒ〜、Ｄｎを形成するダイヤモンド薄膜
は、メタン等の炭化水素系のガスあるいは一酸化炭素、
二酸化炭酸ガス等を含む炭素無機ガス、アルコール、ア
ミン等の液体や窒素、硫黄を含む化合物などを励起９分
解して析出、生成させる化学気相堆積（ＣＶＤ）法のう
ち、直流プラズマ法、高周波プラズマ法、マイクロ波プ
ラズマ法あるいは熱フイラメント法などによって生成す
る。上記ＣＶＤ法以外には、イオンビーム法、クラスタ
ービーム法、ＭＢＥ法などの方法を、ダイヤモンド膜の
合成法として採用できる。

なお、この絶縁層の厚さは、半導体層の発熱量に応じて
任意の厚さとすることができる。

半導体層Ｓｌｔ〜、Ｓｎは、シリコン、ゲルマニウム、
ダイヤモンド等の■族に属する単元素あるいは、ガリウ
ムひ素、ガリウムりん、インジウムひ素、インジウムり
ん等の■−ｖ族化合物により形成しである。この半導体
層Ｓｌｔ〜、Ｓｎの結晶も、単結晶、多結晶あるいは非
晶質となっている。

また、半導体層ＳＩｔ〜、Ｓｎの生成もＣＶＤ法で行な
い、この場合はケイ素の水素化合物を用いる。この場合
の半導体層は単元素として、絶縁層を形成するダイヤモ
ンドと同族である■族のシリコン、ゲルマニウム等を、
化合物として■族と近似する■−ｖ族のガリウムひ素、
インジウムりん等を用いているので、絶縁層への半導体
の成膜。

半導体層への絶縁層の成膜を良好に行なえ、両層の接合
を堅固ならしめる。

なお、半導体層は、絶縁層と同じダイヤモンドを用いド
ーピングして形成することもできる。このように半導体
層をダイヤモンドで形成すると。

絶縁層との接合に全く問題がなくなる。

また、半導体層としては、■−■族からなる単結晶、多
結晶、非晶質の化合物によって形成することもできる。

これら絶縁層と半導体層は交互に積層して集積化してい
くが、その−船釣な集積手順を第２図に示す。

まず、シリコン等のウェハーを用意し、このウェハーに
回路を作製して半導体層Ｓ＋（第１図）を形成する０次
いで、ＣＶＤ法によって半導体層Ｓ１の上面にダイヤモ
ンド薄膜を生成し絶縁層ＤＩを形成する。その後、絶縁
層Ｄ１の上面に。

同じ＜ＣＶＤ法によってシリコン等の薄膜を生成し半導
体層Ｓ２を形成する。そして、この半導体層Ｓ２に１回
路を作製する。

半導体層Ｓ　Ｉ、３２間の配線は、その間に位置する絶
縁層Ｄ１のダイヤモンド膜に部分的ドーピング、黒鉛化
を行なうか、あるいは層の側面にり一ドを配線するかし
て行なう、これをｎ回繰り返すことにより、ｎ層の絶縁
層、半導体層からなる三次元集積回路を完成する。

また、上述のように、シリコンウェハーの代りに、ダイ
ヤモンドのブロック上に上記と同様の積層を行ない、半
導体層をダイヤモンドで形成することも可能である。こ
のようにすると、ダイヤモンドブロックの放熱（伝熱）
効果が大きいので、より効果的な熱放散を行なうことが
できる。

なお、この三次元集積回路は、少なくとも半導体層を二
層と、その間に絶縁層を一居形成した三層構造とするこ
とにより完成する。また、放熱効率を高めるため、半導
体層の間だけでなく何れか一方の半導体層あるいは、両
生導体層の間外側に絶縁層を形成することも可能である
。

次に１本発明実験例と比較例における熱伝導率の測定結
果を示す。

■　半導体層：シリコン ■　絶縁層：ダイヤモンドマイクロ波プラズマ法（使用ガスＣＨ４／Ｈ２：ＣＨ４
１％、圧力２０　ｔｏｒｒ）により、１ｏｔｓ×１０ｍ
ｍのシリコンウニｌ＼−上に１０俸■のダイヤモンド膜
を生成、その後、熱伝導率測定時のシリコンの影響を除
去するため、フッ酸でシリコンを溶かしダイヤモンド膜
だけを剥す。

■　集積回路：上記１０ＪＬ■の厚みのダイヤモンド膜を基板として、
その上に１ル璽のシリコン（半導体層）と４１Ｌ鳳のダ
イヤモンド（絶縁層）を１０層づつ作成して積重ね、１
０＋ｓ＋ｗＸ　ｌ　□ｓ＠Ｘ６０ｐ層の三次元集積回路
とした。

上記集積回路における面方向および厚み方向の熱伝導率
を測定したところ、面方向　１−５０〜１０００ｗ／＊に厚み方向　５０〜３００ｗ／ｍｋであった。

塩！１ ■　半導体暦：シリコン ■　絶縁層：フッ化カルシウム ■　集積回路：シリコン／フッ化カルシウムの多層膜を臭化カリウムの
上に作成する。シリコン（Ｉｇｍ）／フッ化カルシウム
（４ル膳）の多層膜を１０層重ね、その後、臭化カリウ
ムを水によって溶かし、１０ｍｍＸ１０諺麿Ｘ５０１Ａ
ｆｆｉの三次元集積回路とした。

上記集積回路の乾燥後における１面方向および厚み方向
における熱伝導率を測定したところ、面方向　　１〜１００ｗ／ｍｋ厚み方向　０　、１〜１０ｗ／＋ｗｋ　　テあった。

これにより、実験例のもののが、はるかに熱伝導率がよ
く、放熱性に優れていることが判った。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば、ダイヤモンドからなる
絶縁層を半導体層と交互に形成することにより、放熱性
に優れた三次元集積回路を得ることができる。

また、絶縁層と半導体層を同族もしくは近似した族の元
素もしくは化合物によって形成することにより１両者の
接合を堅固ならしめた三次元集積回路を得ることができ
る。

これにより、三次元集積回路の実用化を可能ならしめる
効果がある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明三次元集積回路における実施例の模式図
を示し、第２図は同じ〈実施例の作製フローチャートを
示す。ＤＩ、〜＋Ｄｎ：絶縁層Ｓ＋、〜、Ｓｎ：半導体層

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ダイヤモンドからなる絶縁層と、半導体層を三層
以上積層して構成したことを特徴とする三次元集積回路
。
（２）ダイヤモンドからなる絶縁層を、ダイヤモンドの
単結晶、多結晶、非晶質あるいはこれらに多少の不純物
を部分的に含有させたもので構成したことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の三次元集積回路。
（３）半導体層を、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモ
ンド等の単元素半導体、ガリウムひ素、インジウムりん
等のIII−Ｖ族あるいはII−VI族からなる化合物半導体
の単結晶、多結晶、非晶質で構成したことを特徴とする
特許請求の範囲第１または２項記載の三次元集積回路。