JPH0797572B2 - Method for forming through hole in semiconductor integrated circuit board - Google Patents

Method for forming through hole in semiconductor integrated circuit board

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JPH0797572B2
JPH0797572B2 JP60148393A JP14839385A JPH0797572B2 JP H0797572 B2 JPH0797572 B2 JP H0797572B2 JP 60148393 A JP60148393 A JP 60148393A JP 14839385 A JP14839385 A JP 14839385A JP H0797572 B2 JPH0797572 B2 JP H0797572B2
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hole
forming
integrated circuit
semiconductor integrated
circuit board
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稔 山田
亮 正木
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はVLSIの高密度実装技術に係り、特にCMOSウェハ
スケール集積回路基板の高密度実装に好適な半導体集積
回路基板内スルーホールの形成方法に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to VLSI high-density packaging technology, and more particularly to a method for forming through-holes in a semiconductor integrated circuit board suitable for high-density packaging of a CMOS wafer scale integrated circuit board. .

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

ウェハスケール集積回路基板は多数の入出力信号電極を
要する。そこで、集積回路基板の回路素子の設けられて
いる表面の周辺のみに信号電極を配設するのではなく、
裏面に信号電極を配設できることが重要である。そのた
めには、表面と裏面とを電気的に接続するスルーホール
が必須である。この種のスルーホールの形成は、通常穴
開け工程と穴内壁への導体層の形成工程を含むが、Si基
板の穴開け方法の一例として、異方性エッチング技術に
よる例が、プロスィーディングス オブ ジ アイ・イ
ー・イー・イー(Proceedings of The IEEE),70巻5号
(1982年)におけるパターソン(Petersen)による「シ
リコン アズ ア メカニカル マティリアル(Silico
n as a Mechaincal Material)」と題する文献において
論じられている。
The wafer scale integrated circuit board requires a large number of input / output signal electrodes. Therefore, instead of arranging the signal electrodes only around the surface of the integrated circuit substrate where the circuit elements are provided,
It is important that the signal electrode can be arranged on the back surface. For that purpose, a through hole for electrically connecting the front surface and the back surface is essential. The formation of this type of through hole usually includes a step of forming a hole and a step of forming a conductor layer on the inner wall of the hole, but as an example of a method of forming a hole in a Si substrate, an example using an anisotropic etching technique is used. "Silicon as a Mechanical Material" by Petersen in Proceedings of The IEEE, Volume 70, Issue 5 (1982).
n as a Mechaincal Material) ”.

電子計算機の集積回路の集積度を高めることは、単に体
積効率を高めるだけでなく、信号の遅延時間を減らすな
ど、性能の向上に重要な要因となる。この目的では、回
路を搭載したSi基板(ウェハ−スケール−インテグレイ
ション)(Wafer−Scale−Integration))を複数枚積
層する所謂ウェハスタック実装が有力な手段になる。こ
の構造で、更に配線の長さを短くするには、回路基板面
の法線方向に信号を取り出し、その方向で次の回路基板
面上に接続することが最も効果がある。従って、ウェハ
にスルーホールを形成することが必要となるが、従来の
ウェハスタック実装においては異方性エッチング技術に
よって高密度にスルーホールを形成する技術はなかっ
た。
Increasing the degree of integration of an integrated circuit of an electronic computer is an important factor for improving not only volume efficiency but also signal delay time. For this purpose, so-called wafer stack mounting in which a plurality of Si substrates (Wafer-Scale-Integration) on which circuits are mounted are laminated is an effective means. In this structure, in order to further shorten the length of the wiring, it is most effective to take out a signal in the normal direction of the circuit board surface and connect it to the next circuit board surface in that direction. Therefore, it is necessary to form through holes in the wafer, but in the conventional wafer stack mounting, there is no technique for forming through holes at high density by anisotropic etching technique.

さらに、信号接続のために板厚を貫通する導線群を高密
度に配置する技術としては、Si基板にAlを拡散するサー
モマイグレイションがあるが、導体部の抵抗値は数Ωと
比較的高く、Siの電気的絶縁性にも問題がある。(ピー
タースン,ケー・イー(Petersen,K.E.)による「シリ
コン アズ ア メカニカル マティリアル」プロスィ
ーディングス アイ・イー・イー・イー(Silicon as a
Mechaincal Material,Prod.IEEE)70−5巻(1982年5
月)429頁) 〔発明の目的〕 本発明の目的は半導体回路基板内に高密度にスルーホー
ルを形成する方法を提供することにある。
Furthermore, as a technique for arranging a group of conductors penetrating the plate thickness at a high density for signal connection, there is thermomigration which diffuses Al into the Si substrate, but the resistance value of the conductor part is relatively high, a few Ω. , Si also has a problem in electrical insulation. ("Silicon as a Mechanical Material" Pro-Sweddings by Petersen, KE Silicon as a
Mechaincal Material, Prod.IEEE) 70-5 (1982, 5)
(Mon) page 429) [Object of the invention] It is an object of the present invention to provide a method for forming through holes in a semiconductor circuit substrate with high density.

本発明の半導体集積回路基板内スルーホールの形成方法
は、表面に回路素子が設けられるSi単結晶基板の内部に
該Si単結晶基板の表面と裏面とを電気的に接続するスル
ーホールを形成する方法であって、上記Si単結晶基板の
表面に高濃度不純物層を形成する工程と、MOSトランジ
スタのソースまたはドレイン領域を構成する該高濃度不
純物層直下の上記Si単結晶基板裏面から上記高濃度不純
物層に達する穴を異方性エッチングにより形成する工程
とを含むことを特徴とする。
According to the method of forming a through hole in a semiconductor integrated circuit substrate of the present invention, a through hole that electrically connects the front surface and the back surface of the Si single crystal substrate is formed inside the Si single crystal substrate on the surface of which a circuit element is provided. A step of forming a high-concentration impurity layer on the surface of the Si single-crystal substrate, the high-concentration impurity layer being directly below the high-concentration impurity layer forming the source or drain region of a MOS transistor, And a step of forming a hole reaching the impurity layer by anisotropic etching.

Si基板の異方性エッチングのエッチング率は不純物濃度
に依存し、例えば、エッチング液としてエチレンジアミ
ンとピロカテコールの混合水溶液を使用した場合、ボロ
ンの濃度が約7×1019/cm3以上であるとエッチングが実
質的に停止することが、先に引用した文献に示されてい
る。
The etching rate of anisotropic etching of a Si substrate depends on the impurity concentration. For example, when a mixed aqueous solution of ethylenediamine and pyrocatechol is used as the etching solution, the boron concentration is about 7 × 10 19 / cm 3 or more. The substantial cessation of etching is shown in the references cited above.

そこで、基板裏面から異方性エッチングで穴開けを行な
い、基板表面に設けられた回路素子の一部を構成する高
濃度不純物層例えばボロン拡散層をエッチング停止層と
して利用することにより上記目的を達成しようとするも
のである。高濃度不純物層の不純物としてボロンを用い
る場合は、基板表面に設けられたPチャネルMOSトラン
ジスタのソース又はドレイン領域と基板の裏面を直接接
続するスルーホールを形成することになる。
Therefore, the above-mentioned object is achieved by making holes by anisotropic etching from the back surface of the substrate and using a high-concentration impurity layer, such as a boron diffusion layer, that constitutes a part of the circuit element provided on the front surface of the substrate as an etching stop layer. Is what you are trying to do. When boron is used as the impurity of the high-concentration impurity layer, a through hole that directly connects the source or drain region of the P-channel MOS transistor provided on the front surface of the substrate and the back surface of the substrate is formed.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、本発明の一実施例を第1図及び第2図により説明
する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

第1図は本発明の方法によりスルーホールを形成したCM
OSウェハスケール集積回路基板の部分断面図である。集
積回路基板1はSi単結晶基板で表面が(100)面であ
る。基板1の表面にはCMOS回路素子、回路素子間の配
線、絶縁保護膜が形成されている。なお、第1図にはP
チャネルMOSトランジスタのみ図示し、その他は省略し
てある。トランジスタは、ソース又はドレイン領域とな
るボロン拡散層2、ゲート絶縁膜となるSiO2膜3、ゲー
ト電極となるポリシリコン層4からなる。さらに、ボロ
ン拡散層2の一部には高濃度(本実施例では約7×1019
/cm3)のボロン拡散層5が設けてあり、ソース又はドレ
イン領域として利用する他、後述する異方性エッチング
の停止層としても利用する。
FIG. 1 is a CM in which a through hole is formed by the method of the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of an OS wafer scale integrated circuit board. The integrated circuit substrate 1 is a Si single crystal substrate whose surface is a (100) plane. On the surface of the substrate 1, CMOS circuit elements, wiring between circuit elements, and an insulating protective film are formed. In addition, in FIG.
Only the channel MOS transistor is shown and the others are omitted. The transistor is composed of a boron diffusion layer 2 serving as a source or drain region, a SiO 2 film 3 serving as a gate insulating film, and a polysilicon layer 4 serving as a gate electrode. Further, a high concentration (about 7 × 10 19 in this embodiment) is applied to a part of the boron diffusion layer 2.
A boron diffusion layer 5 having a thickness of / cm 3 ) is provided and used as a source or drain region and also as a stop layer for anisotropic etching described later.

スルーホール6が本発明の方法により形成されたスルー
ホールである。スルーホール6内には、Al等の導体層8
と、該導体層8と基板1間を電気的に絶縁するSiO2膜7
が形成されている。
The through hole 6 is a through hole formed by the method of the present invention. A conductor layer 8 of Al or the like is provided in the through hole 6.
And the SiO 2 film 7 that electrically insulates the conductor layer 8 from the substrate 1.
Are formed.

本実施例では、基板1の厚さは400μm、高濃度ボロン
拡散領域5の厚さは2μm、表面の大きさは30μm口、
スルーホール6の上部は20μm口、下部は590μm口、S
iO2膜7の厚さは10μm、導体層8の厚さは3μmであ
る。
In this embodiment, the substrate 1 has a thickness of 400 μm, the high-concentration boron diffusion region 5 has a thickness of 2 μm, and the surface has a size of 30 μm.
The upper part of the through hole 6 has a 20 μm opening, and the lower part has a 590 μm opening.
The iO 2 film 7 has a thickness of 10 μm, and the conductor layer 8 has a thickness of 3 μm.

第2図(a)〜(d)は本発明のスルーホールの形成方
法の一実施例を示す概略工程図である。Si単結晶基板1
の表面には回路素子、配線、絶縁保護膜等を周知の方法
で形成してある。第2図(a)〜(d)には高濃度ボロ
ン拡散領域5のみ図示してある。
2 (a) to 2 (d) are schematic process diagrams showing an embodiment of the method of forming a through hole of the present invention. Si single crystal substrate 1
A circuit element, wiring, an insulating protective film, etc. are formed on the surface of the device by a known method. In FIGS. 2A to 2D, only the high-concentration boron diffusion region 5 is shown.

まず、(a)に示すように、基板1の裏面に約1μmの
SiO2膜をスパッタ蒸着法等により形成し、スルーホール
部のみ周知のエッチング技術でSiO2膜を除去する。
First, as shown in FIG.
A SiO 2 film is formed by a sputter deposition method or the like, and the SiO 2 film is removed only in the through holes by a known etching technique.

次に、(b)に示すように、(a)で形成したSiO2膜9
をマスクとして異方性エッチングを行なう。エッチング
液としてはエチレンジアミン17mlとピロカテコール3gと
水8mlの混合水溶液を用い、エッチング温度は115℃、エ
ッチング時間は約10時間である。エッチングは高濃度ボ
ロン拡散領域5で実質的に停止するので、温度、時間を
きめ細かく制御する必要はなく、容易に領域5に達する
穴を開けることができる。
Next, as shown in (b), the SiO 2 film 9 formed in (a)
Is used as a mask to perform anisotropic etching. As an etching solution, a mixed aqueous solution of 17 ml of ethylenediamine, 3 g of pyrocatechol and 8 ml of water is used, the etching temperature is 115 ° C., and the etching time is about 10 hours. Since the etching substantially stops at the high-concentration boron diffusion region 5, it is not necessary to finely control the temperature and time, and a hole reaching the region 5 can be easily drilled.

次に、(c)に示すように、穴内壁部を含む全面にSiO2
膜7をスパッタ蒸着法等により形成し、さらに、領域5
の部分のみ周知のエッチング技術でSiO2膜を除去する。
Next, as shown in (c), SiO 2 is formed on the entire surface including the inner wall of the hole.
The film 7 is formed by the sputter deposition method or the like, and the area 5
The SiO 2 film is removed only by the well-known etching technique.

最後に、(d)に示すように、Al等の導体金属8を全面
に蒸着し、スルーホール部6のみ残してエッチング除去
するか、又は、スルーホール部6のみに選択蒸着する。
Finally, as shown in (d), a conductive metal 8 such as Al is vapor-deposited on the entire surface and is removed by etching while leaving only the through hole portion 6, or selective vapor deposition is performed only on the through hole portion 6.

なお、(c)でSiO2膜をスパッタ蒸着する代りに、パリ
レン(ユニオン・カーバイド(Union Carbide)社の登
録商標)等の高分子膜を蒸着しても良い。また(d)で
Alの代りに、Ti/Ni/Au等を蒸着し、更に半田等の低融点
金属を溶融充填することにより、他の基板のピン材との
接合を容易に行なうことができる。
Instead of sputter-depositing the SiO 2 film in (c), a polymer film such as parylene (registered trademark of Union Carbide) may be deposited. Also in (d)
Instead of Al, Ti / Ni / Au or the like is vapor-deposited, and a low-melting-point metal such as solder is melt-filled, so that bonding with the pin material of another substrate can be easily performed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体集積回路
基板表面の回路素子に直接接続するスルーホールを容易
に形成することができ、したがって、高密度にスルーホ
ールを形成することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to easily form the through holes that are directly connected to the circuit elements on the surface of the semiconductor integrated circuit substrate, and therefore it is possible to form the through holes with high density.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の方法により形成したスルーホールを含
む半導体集積回路基板の部分断面図、第2図(a)〜
(d)は本発明のスルーホールの形成方法を示す概略工
程図である。 1……半導体集積回路基板 5……高濃度ボロン拡散領域 6……スルーホール 7……スルーホール絶縁膜 8……スルーホール導体層
FIG. 1 is a partial sectional view of a semiconductor integrated circuit substrate including through holes formed by the method of the present invention, and FIG.
(D) is a schematic process drawing showing a through hole forming method of the present invention. 1 ... Semiconductor integrated circuit board 5 ... High-concentration boron diffusion region 6 ... Through hole 7 ... Through hole insulating film 8 ... Through hole conductor layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 一雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−36185(JP,A) 特開 昭52−67271(JP,A) 特開 昭58−79773(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazuo Sato 1-280, Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo (56) References JP-A-53-36185 (JP, A) JP-A-52 -67271 (JP, A) JP-A-58-79773 (JP, A)

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表面に回路素子が設けられるSi単結晶基板
の内部に該Si単結晶基板の表面と裏面とを電気的に接続
するスルーホールを形成する方法であって、上記Si単結
晶基板の表面に高濃度不純物層を形成する工程と、MOS
トランジスタのソースまたはドレイン領域を構成する該
高濃度不純物層直下の上記Si単結晶基板裏面から上記高
濃度不純物層に達する穴を異方性エッチングにより形成
する工程とを含むことを特徴とする半導体集積回路基板
内スルーホールの形成方法。
1. A method of forming a through hole for electrically connecting a front surface and a back surface of a Si single crystal substrate inside a Si single crystal substrate having a circuit element provided on the front surface thereof. Process of forming a high concentration impurity layer on the surface of the
A step of forming a hole reaching the high-concentration impurity layer from the back surface of the Si single crystal substrate immediately below the high-concentration impurity layer forming the source or drain region of the transistor by anisotropic etching. Method of forming through hole in circuit board.
【請求項2】上記Si単結晶基板の上記表面が(100)面
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
導体集積回路基板内スルーホールの形成方法。
2. The method for forming a through hole in a semiconductor integrated circuit substrate according to claim 1, wherein the surface of the Si single crystal substrate is a (100) plane.
【請求項3】上記高濃度不純物層の不純物がボロンであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体
集積回路基板内スルーホールの形成方法。
3. The method for forming a through hole in a semiconductor integrated circuit board according to claim 1, wherein the impurity of the high-concentration impurity layer is boron.
【請求項4】上記不純物濃度が1019/cm3より高いことを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体集積回路
基板内スルーホールの形成方法。
4. The method for forming a through hole in a semiconductor integrated circuit board according to claim 1, wherein the impurity concentration is higher than 10 19 / cm 3 .
【請求項5】上記異方性エッチングでのエッチング液と
してエチレンジアミンとピロカテコールの混合水溶液を
用いることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
導体集積回路基板内スルーホールの形成方法。
5. The method for forming a through hole in a semiconductor integrated circuit board according to claim 1, wherein a mixed aqueous solution of ethylenediamine and pyrocatechol is used as an etching solution for the anisotropic etching.
【請求項6】上記高濃度不純物層がPチャネルMOSトラ
ンジスタのソースまたはドレイン領域を構成することを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体集積回路
基板内スルーホールの形成方法。
6. The method of forming a through hole in a semiconductor integrated circuit substrate according to claim 1, wherein the high-concentration impurity layer constitutes a source or drain region of a P-channel MOS transistor.
【請求項7】上記穴開け工程の前に、上記Si単結晶基板
の上記表面に保護膜を厚く形成しておくことを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の半導体集積回路基板内ス
ルーホールの形成方法。
7. The through hole in a semiconductor integrated circuit substrate according to claim 1, wherein a protective film is formed thick on the surface of the Si single crystal substrate before the boring step. Method of forming holes.
【請求項8】上記回路素子を作成した後、上記穴開け工
程を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の半導体集積回路基板内スルーホールの形成方法。
8. The method for forming a through hole in a semiconductor integrated circuit board according to claim 1, wherein the hole forming step is performed after the circuit element is formed.
JP60148393A 1985-07-08 1985-07-08 Method for forming through hole in semiconductor integrated circuit board Expired - Lifetime JPH0797572B2 (en)

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