JPS59219954A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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】 本発明は半導体装置の製造方法に係る。さらに詳しくは
、ｌ−ランジスタ等の機能素子およびこれらを接続する
導電線（以下配線と呼ぶ）等が集積化された能動層が複
数層積層され、それぞれ異なる能動層に集積化された機
能素子や回路が互いに有機的に結線された多層の半導体
装置の製造方法に係る。

第１図に多層の半導体装置の構成例を示す。同図におい
て、１０は半導体あるいは絶縁体などの支持基板、１１
は該支持基板１０上に形成された第１層の能動層、２１
’、　　３１．　４１．　５１．　６１゜７１はそれぞ
れ第２層、第３層、第４層、・・・・・−第（ｎ−２）
層、第（ｎ　　１）層、第ｎ層の能動層、１２は多層の
半導体装置１が実装されるバッグージの基板、１３はポ
ンプイングツくラド、Ｊ４は７］インデイングワイアで
ある。次に同図を用いて、従来からよく知られている多
層の半導体装置の製造順序を簡単に説明する。

まず半導体などの支持基板１００表面に周知の集積回路
作成プロセスを用い、トランジスタなどの機能素子や配
線から成る第１層の能動層１１に作成する。この時、次
に作成される第２層の能動層２１との結合のだめのプロ
セスも施される。次に、第１層の能動層１１上に絶縁膜
、半導体膜等を順次形成する。なお該半導体膜として、
レーヤ′−７二−）Ｌ／ｌ）るいは電子ビームアニール
などによシボリ／リコンを結晶化して得られるシリコン
単結晶膜が最も代表的な例である。次に該半導体膜を用
いて、トランジスタ等の機能素子を集積化した後、これ
らを結線して第２層の能動層２１とする。この場合、必
要に応じ、第１層の能動層１１と第２層の能動層２１に
それぞれ形成された機能素子や回路を互いに結合すると
ともに、次に作られる第３層の能動層３１中の回路素子
との結合のだめのプロセスも施される。以下、第２層の
能動７ｆｉ２１を作成したプロセスと同様なプロセスを
用い、第３層、第４層、・・・第（ロー２）層、第（ｎ
−１）層、第ｎ層の能動層３１，４１．・・・５１゜６
１．７１を順次作成し、多層の半導体装置工を形成する
。

このようにして製造された半導体装置は平面的な広がり
の他に上下方向に立体的な広がりがあるから、周知の平
面的な広がシだけの集積回路に比べ、集積密度２機能、
信号処理能力等がすぐれている。しかし、各能動層を作
成するだめの全てのプロセスを一層毎に順次施し、次に
積みあげてゆくために、能動層の層数が増加するにした
がって、デバイス作成に要する時間（ＴＡＴ　）が増大
し、反対に歩留りが低下する、等極めて重大な問題が生
ずる。

本発明はこれらの欠点を解決する半導体装置の製造方法
を提供するものである。

本発明によれば、トランジスタ叫の回路素子およびこれ
らを相互に接続する導−線が集積化された能動層が複数
層積層され、かつ各能動層の回路素子が層間で相互に有
機的に結合された複数層の半導体装置を形成する半導体
装置の製造方法であって、半導体あるいは絶縁体等から
成る支持基板をｎ枚（ｎは２以上の整数）準備し、各支
持基板の表面にそれぞれ少なくとも一層の能動層（以下
第１層、第２１嘗、・・・第ｎ層の能動層と称する）を
形成し、第２層、第３ｊ會・・・・・・第ｎ層の能動層
中に形成された目合せパターンの位置に対応する部分の
支持基板を能動層と反対の佃よシ除去し、次に第１層の
能動層の表面と第２層の能動層の表面を対向させ、両能
動層を前記目合せパターンを用いて互いに位置を整合し
た後、両能動層の表面に設けられた接続部を互いに密着
さぜるとともに、両者を結合し、ひきつづき第２層の能
ｔＪｊｌ）層の下の支持基板を除去して第２層の能動層
の裏面を露出させ、次に、露出した第２層の能動層の裏
面と第３層の能動層の表面を対向させ、両能動層を目合
せパターンを用い互いに位置を整合した後、第２層の能
動層の裏面に設けられた接続部と第３層の能動層の表面
に設けられた接続部を互いに密着させるとともに、両者
を結合し、ひきつづき第３層の能動層の支持基板を除去
して第３層の能動層の裏面を警出さぜた後、第４バつ、
第５層、・・・第ｎ層の能動層に対しても、第３層の能
動層に対して施した前記工程を繰り返して行うことを特
徴とする半導体装置の製造方法が得られる。

更に本発明によればトランジスタ等の回路素子およびこ
れらを相互に接続する導電線が集積化された能動層が複
数層積層され、かつ各能動層の回路素子が層間で相互に
有機的に結合された複数層の半導体装置を形成する半導
体装置の製造方法であって、半導体あるいは絶縁体等か
ら成る支持基板をｎ枚（ｎは２以上の整数）準１１！ｆ
ｆ　Ｌ、各支持基板の表面にそれぞれ少なくとも一層の
能動層（以下第１層、第２層、・・・第ｎ層の能動層と
称する）を形成し、第２層、第３１蕾・・・第＋１層の
能動層中に形成された目合せパターンの位置に対応する
部分の支持基板を能動層と反対の側より除去し、次に第
１層の能動層の表面と第２層の能Ｉｆ）層の表面を対向
させ、両能動層を前記目合せパターンを用いて互いに位
置を歪合した後、両能動層の表向に設けられた接続部を
互いに密着させるとともに、両者を結合し、ひきつづき
第２層の能動層の支持基板を除去して第２層の能動層の
裏面を露出させ、次に、露出した第２層の能動層の裏面
と第３層の能動層の表面を対向させ、両能動層を目合せ
パターンを用いて互いに位置を整合した後、第２層の能
動層の裏面に設けられた接続部と第３Ｍの能動層の表面
に設けられた接続部を互いに密着させるとともに、両者
を結合し、ひきつづき第３層の能動層の支持基板を除去
して第３層の能動層の裏面を露出させた後、第４１蕾、
第５層、・・・第ｎ層の能動層に対しても、第３層の能
動層に対して施した前記工程を繰り返して行うことによ
って形成されるｎ層の積層物を並行して複数個作成し、
次にこの複数個の積層物を積層することを％徴とする半
導体装置の製造方法が得られる。

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。第２図、第
３図、第４図はそれぞれ半導体あるいは絶縁体などの支
持基版上に形成された第１層、第２層、第ｎ層の能動層
を示している。なおここではこれらの能動層が、シリコ
ン等の半導体を支持基板とし、この上に二酸化シリコン
等の絶縁膜およびポリシリコン膜を順次堆積し、次に該
ポリシリコンをレーザアニールあるいは′電子ビームア
ニール等で再結晶化して得られるシリコンの単結晶膜、
即ち、Ｓ　ＯＩ　（５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｔｕｌ
ａｔｏｒ　）を用いて作成された例である。

第２図において、１０１は気相成長（ＣＶＤ）法等によ
り、シリコン等の支持基板１０上に堆積された二酸化シ
リコン等の絶縁膜である。１０４．１０５　。

１０６は電界効果トランジスタ（以後ＦＥＴと呼ぶ）の
ドレイン領域、ソース領域、チャネル領域で、絶桟膜１
０１上に形成された上記のシリコン膜を用い、周知のプ
ロセスで形成される。１０７は該ＦＥＴのゲート、１０
２は該ゲート作成後、ＣＶＤ法等により堆積された二酸
化シリコン等の絶縁膜である。１０８はドレイン領域１
０４．ソース領域１０５上の該絶縁膜１０２に穴を開口
した後、スパッタ法等によシ堆積され、次に写真食刻技
術などでパターニングされたアルミニューム等の金属配
線である。

１０９は第１層と第２層の能動層を整合させるための目
合せパターンで、ここでは−例として、金属配線１０８
と同一材料で、同時に形成される場合を示している。１
０３は該金属配線１０８　、　　目合せパターン１０９
を形成した後、ＣＶＤ法等で堆積される二酸化シリコン
等の絶縁膜である。１１０は絶縁膜１０３を開口して作
られる穴に埋め込まれたアルミニー−ム等の金属の垂直
配線である。１１２は該垂直配線上に設けられる金など
の金属バンプで、該金属バンプを介して、第１層の能動
層中の回路素子と他の和動層中の回路素子が互いに結合
される。

１１３は絶縁性と熱伝導性の両者が優れた人工ダイアモ
ンド等の透明な放熱材料で、能動層から発生する熱量が
大きい場合など、必要に応じて形成される。なお第１Ｎ
の能動層１１は、第２図よシ明らかなように、１０１　
、１０２　、１０３　、１０４　、１０５　。

１０６　、１０７　、１０８　、１０９　、１１０　、
１１２　、１１３などの要素から構成される。

第３図において２０はシリコン等の支持基板、２１は第
２層の能動層である。該第２層の能動層２１は二酸化シ
リコン等の絶縁膜、２０１　、２０２　。

２０３、ＦＥＴのドレイン領域２０４、ソース領域２０
５、チャネル領域２０６．ゲート２０７．アルミニュー
ム等の金属配＜Ｈ２０８、目合せパターン２０９゜アル
ミニー−ム等の金属で形成された金属バンプ側の垂直舵
６ｉｚｘｏおよび支持基板側の垂直配線２１１、金など
の金属バンプ２１２２人工ダイアモンド等の放熱材料２
１３等から構成される。なおこれらの格成要素の作成プ
ロセスは第１層の能動層のそれらとほぼ同様である。但
し、該第２層の能動層２１を第１層の能動層１１上に積
層する前に、目合せパターン２０９に対応する部分の支
持基板を一部除去し、第３図に示すように、開口部分２
１４を設けるプロセスが加わる。この開口プロセスは、
例えばＫ　ＯＨ等の溶液を用い異方性の選択エツチング
を行なうことにより容易に行うことができる。

こうしてシリコン等の不透明な支持基板を一部分除去す
ることによシ、二酸化シリコン等の透明な絶縁膜２０１
　、２０２　、２０３中に形成された目合せパターン２
０９を支持基板側から見通すことが可能となる。従って
、第２層の能ＩＪ！ＪＪ）曽２１を能動層側を上に第１
層の能！１１７１層１０上に重ねた場合においても、該
目合せパターン２０９を、二酸化シリコン等の透明な絶
縁膜１０１　、１０２　、１０３中に形成された目合せ
パターン１０９に整合することができる。なお説明は省
くが、第３！飢第４層、・・・、第（ｎ−１）Ｎの能動
層３１，４１．・・・、６１についても、上記第２層の
能動層と全く同じプロセスを用いて形成される。

第４図において７０はシリコン等の支持基板、７１は第
ｎ層の能動層である。該第ｎ層の能動層７１は二酸化シ
リコン等の絶縁膜７０１　、７０２．７０３゜ＦＥＴの
ドレイン領域７０４．ソース領域７０５．チャネル領域
７０６．ゲート電極７０７．アルミニューム等の金属配
線７０８（部分的にポンディングパッドとして用いるこ
とも可能である）、目合せパターン７０９．アルミニュ
ーム等の金属で形成された垂直配線７１０．金などの金
属バンプ７１２２人工ダイアモンド等の放熱材料７１３
等から構成される。

なおこれらのイ１゛４成要素の作成プロセスは第１層。

第２　）：、４；の能動層のそれらとほぼ同様である。

又該１１シ動層を積層するｎｉｌに、第２層の能動層と
同様に、目合せパターン７０９に対応する部分の支持基
板を除去し、開口部７１４を設けておく。これと同時に
、ホンディングパッドに対応する部分の支持基板も除去
し、開口部７１５を設ける。

以上槓Ｊτｊされる各能動層について説明した。次に第
５図から第７図を用いて、これらの能動層の積ｊ〜方法
を工程順に説明する。なお同図において、第１図から第
４図に示しだ、９素と同一の要素は、第１図から第４図
で用いた番号と同一の番号が用いである。

まず、第５図に示すように、第１層の能動層１１が形成
されている支持基板１０をステージ１５に設置する。該
ステージ１５はヒーター等の加熱装置薩１６を具俯し、
又支持基板１０を所定の位置に固定するだめの周知の吸
渚梳北も餉えている。一方、支持基板２０上に形成され
た第２層の能動層２１を能動層側を下向きに、第１層の
能動層と対向させ、可動装置１７に固だする。なお該可
動装置１７は周知の吸着機能、周知の目合せ機能および
該支持基板２０と第２屑の能動層２１に圧力を加える機
能等が具備されている。次に該可動装置ｔｙ１７を前後
、左右に移動しながら、支持基板に開口した穴２１４を
介して、第２層の能動層２１中に設けられた目合せパタ
ーン２０９を第１層の能動層１１中に設けた目合せパタ
ーン１０９と許容誤差範囲内で一致させることによシ、
第１層および第２層の能動層を互いに整合する。

目合せが完了したら、第６図に示すように、該可動装置
１７を下方へ平行移動させ、第１層の能動層１１に設け
られた金属バンプ（例えば、第２図の１１２）と第２層
の能動層２１に設けられた金属パンダ（例えば、第３図
の２１２）を互いに密着させる。この時、あらかじめ加
熱装置１６により、これらの金属バンプは、例えば３０
０ないし４００夏Ｃに加熱しておく。これと同時に、該
可動装置１７を制御して、矢印１８の方向へ、例えば、
５０Ｋｔ／ｒｎｍ　２程度の圧力を加えることによりこ
れらの金属バンプは互いに拡散溶接され、２層の半導体
装置が完成する。

金属バンブ間の接続が完了したら、該ステージ１５およ
び該可動装置１７から２層の半導体装置を取り出し、次
に支持基板２１を除去する。この支持基板２０を除去す
る方法の一例を、第３図を用いて説明する。まずアルカ
リ系あるいはアンモニア糸の浴液を用いポーリッシング
などの方法で、破線２１５の部分１で、即ち、支持基板
の表面に近い部分２０ａを除去する。次に、例えば、１
−ＩＮＯ８゜ＨＦおよびＣＨ，Ｃ００Ｉ■の混合液を用
いて、残υの支持基板２０ｂを除去する。この時、絶縁
膜２０１および２０１ａがこのエツチングを止めるスト
ッパーの働きをする。なお該混合敢を用いて支持基板２
０ａと２０ｂを一度に除去することもできる。次に垂直
配嶽２１１を露出するために、絶縁膜２０１ａ　＆酸と
水の混合液などを用いて除去する。この時露出した絶縁
膜２０１の表面も一部エッチングされる。

支持基板２０の除去が終了しだら、矢に、第３層の能動
層の積層ステップに啓る。これを第７図に示す。この場
合も、第５図、第６図を用いて説明した第２層の能動層
の積層プロセスおよび支持基板の除去プロセスと同様な
方法で行なわれる。

以下、第３）？Ａから第ｎ層の能動層に対しても同様で
ある。

最後に第ｎ層の能動層の絶縁膜（第４図の７１６）を写
真食刻技術を用いて除去し、開口することによシボンデ
ィ／グパッド（金属配線７０８の一部分）を露出させて
、ｎ層の半導体装置が形成される。

第８図に上記製造方法によって作成した３層の半導体装
置の構造例を示す。この場合第１層、第２層および第３
層の能動層はそれぞれ第２図、第３図および第４図に対
応する。

以上、多層の半導体装置の製造方法、すなわち、積層方
法を詳ａに説明しました。本発明によれば、第１層、第
２層、・・・第ｎ層の能動層の作成および第２層から第
ｎ層の能動層からの支持基板の除去が平行して同時に行
なわれるから、従来からよく知られた多層の半導体装置
の作成に要する時間に比べ、本発明による多層の半導体
装置の作成に要する時間は極めて短縮化される。さらに
シリコンやガリウム砒素など異なる材質の半導体を用い
た能動層あるいはＦＥＴやバイポーラトランジスタなど
異なる製造工程によ層形成された能動層などを自由に積
層できるので、多（幾能化と、機能の最適化ができる上
、設計の自由度もひろがる。又あらかじめ回路等のテス
トを行なって故障のない能動層を選択してからこれらを
積層できるから、歩留シが極めて高い半導体装置の実現
ができる。したがって、生産性が極めて向上する。又透
明な絶縁膜中に設けられた目合せパターンは、不透明な
支持基板を除去した後では、自由に可視できるので、従
来の方法で層間の目合せ整合が容易に行なえる。このだ
め、裏面目金せ装置なと、大規模な装置を必要としない
、等の長所がある。

なお本発明の半導体装置の製造方法において、能動層を
ｕｔ　Ｎしたり、支持基板を除去したシする場合、能動
層、支持基板、透明基板等のサイズは制限されない。父
上記説明で使用した材料の種類（半導体材料、絶縁材料
、金属材料、放熱材料。

接着材料、エツチング溶液２等）、製造条件（（晶度、
圧力、膜厚９等）、あるいは個別製造方法（エツチング
、ボーリジング、拡散溶接９等）等は一例であって、本
発明の効果が発揮されるならば、上記々載事項に限定さ
れることはない。上記説明では８０Ｉを用いて形成され
た能動層を例に説明したが、これに限定されることはな
く、広く一般の栃料例えば能動層が半導体基板表面に形
成されている場合や、半導体基板上のエピタキシャル半
導体１漠に形成されている」６合や、ＳＯ８の８１膜に
形成されている場合も適用される。さらに上記説明でも
いた簡単な回路構成も、−例であって、これに限定され
ることはない。

また前記実施例では支持基板上に能動層が１１會しか形
成されていないものを最初にｎ枚用意したが、これに限
る必要はなく、レーザアニール、電子ビームアニール等
の本発明とは別の方法によって能動層があらかじめ複数
層形成されているものを最初に用意してもよい。

まだ前記実施例では３層以上の能動層を積層する場合を
示したが、２層の場合でも当然本発明は適用できる。

また前記実施例では能動層を１層ずつｎ層積層して得だ
ｎ層の積層物をミ完成された半導体装置としたが、この
認識にとられれる必要はない。っ丑り本発明においてこ
のｎ層の積層物上に更に（ｎ＋１）層、（ｎ＋２）Ｊ曹
、・・・と積層してもよい。

まだｎ層の積層物を複数個並行して作っておき、最後に
これらを前記実施例と同様にして積層してもよい。また
逆にｎ層の積層物を完成された半導体装ｉｄとみなした
とき、例えばｎ　／　３層の積層物を３つ並行して製造
し、最後にこの３つを積層してｎ層の半導体装置を完成
してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はｎ層の半導体装置の概略断面図、第２図、第３
図、第４図はそれぞれ一例として８０Ｉを用いた第１層
、第２ｊ※、第ｎノーの能動層および支持基板の概略断
面図、第５図から第７図は本発明の製造方法を説明する
だめに、その工程順に、多層の半導体装置の構造を示し
た概略断面図、第８図は本発明による製造方法によって
得られた３層の半導体装ｆ４の概略断面図である。第１
図から第８図において、１は多層の半導体装置、１０゜
２０．３０，７０は支持基板、１１．　２１．　３１゜
４１．５１，６１は第１層、第２層、第３層、第４層、
第（ｎ　−２）層、第（ｎ−１）層の能動層、７１は第
ｎ層あるいは第３Ｎの能動層、１２はパッケージの基板
、１３はボンディングパッド、１４はボンディングワイ
ア、１５はステージ、１６は加熱装置、１７は可動装置
、１８は加圧の方向である。第２図から第８図において
、１０１　、１０２　。 １０３　、２０１　、２０２　、２０３　、７０１　、
７０２．７０３は絶縁膜、１０４　、２０４　、７０４
はドレイン領域、１０５゜２０５　、７０５はソース領
域、１０６　、２０６　、７０６はチャネル領域、１０
７　、２０７　、７０７はゲート、１０８゜２０８　、
３０８は金属配線、１０９　、２０９　、３０９　、７
０９は目合せパターン、１１０　、２１０　、２１１　
、７ｉｏは垂直配線、１１２　、２１２　、７１２は金
属バンブ、１１３゜２１３　、７１３は放熱利料、７１
４は目合せパターンを可視する穴、７１６はパッドのス
ルーホールである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トランジスタ等の回路素子およびこれらを相互に接
   続する導電線が集積化された能動層が複数層積層され、
   かつ各能動層の回路素子が層間で相互に有機的に結合さ
   れた複数層の半導体装置を形成する半導体装置の製造方
   法であって、半導体あるいは絶縁体等から成る支持基板
   をｎ枚（ｎは２以上の整数）準備し、各支持基板の表面
   にそれぞれ少なくとも一層の能動層（以下ｇｉ＞ｖ、第
   ２）”ｊ。 ・・・第ｎ層の能動層と称する）を形成し、第２層。 第３層・・・・・・第ｎ層の能動層中に形成された目合
   せパターンの位置に対応する部分の支持基板を能動層と
   反対の側より除去し、次に第１層の能動層の表面と第２
   Ｎの能動層の表面を対向させ、両能動層を前記目合せパ
   ターンを用いて互いに位置を整合した後、両能動層の表
   面に設けられた接続部を互いに密着させるとともに、両
   者を結合し、ひきつづき第２層の能動層の支持基板を除
   去して第２層の能動層の裏面を露出させ、次に、露出し
   た第２層の能動層の裏面と第３層の能動層の表面を対向
   させ、両能動層を目合せパターンを用いて互いに位置を
   整合した後、第２層の能動層の裏面に設けられた接続部
   と第３層の能動層の表面に設けられた接続部を互いに密
   着させるとともに、両者を結合し、ひきつづき第３層の
   能動層の支持基板を除去して第３層の能動層の裏面を露
   出させた後、第４層、第５ノ管、・・・第ｎ層の能動層
   に対しても、第３層の能動層に対して施した前記工程を
   繰シ返して行うことを特徴とす石半導体装置の製造方法
   。 ２、トランジスタ等の回路素子およびこれらを相互に接
   続する導電線が集積化された能動層が複数層積層され、
   かつ各能動層の回路素子が層間で相互に有機的に結合さ
   れた複数層の半導体装置を形成する半導体装置の製造方
   法であって、半導体あるいは絶縁体等から成る支持基板
   をｎ枚（ｎは２以上の整数）準備し、各支持基板の表面
   にそれぞれ少なくとも一層の能動層（以下第１層、第２
   層。 ・・・第ｎ層の能Ｌｉ２層と称する）を形成し、第２層
   。 第３層、・・・第ｎ層の能動層中に形成された目合せパ
   ターンの位置に対応する部分の丈長基板を能動層と反対
   の側より除去し、次に第１層の能動層の表面と第２層の
   能動層の表面を対向さ姐、両能動層を前記目合せパター
   ンを用いて互いに位置を整合した後、両能動層の表面に
   設けられた接続部を互いに密着させるとともに、両省を
   結合し、ひきつづき第２層の能動層の支持基板を除去ｌ
   −で第２層の能動層の裏面を露出させ、次に、露出しだ
   第２層の能動層の裏面と第３層の能動層の表面を対向さ
   せ、両能動層を目合せパターンを用いて互いに位置を整
   合した後、第２層の能動層の裏面に設けられた接続部と
   第３層の能動層の表面に設けられた接続部を互いに密着
   させるとともに、両者を結合し、ひきつづき第３層の能
   動層の支持基板を除去して第３層の能動層の裏面を露出
   させた後、第４層、第５層、・・・第ｎ層の能動層に対
   しても、第３層の能動層に対して施した前記工程を繰シ
   返して行うことによって形成されるｎ層の積層物を並行
   して複数個作成し、次にこの複数イ固の積層物を積層す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。