JPS5948950A - 三次元集積回路構造体の製造方法 - 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】 本発明は三次元集積回路構造体の製造方法に関する。

ＬＳＩのよシ一層の高象積化を計るため、従来平面的、
二次元的に配列されていた素子を三次元的に配置するい
わゆる三次元集積回路が検討されている。これに際して
、従来、先づ考えられた製法は、絶縁物、半導体、全屈
等、適尚な材質の支持基板上に回路素子を構成するため
の半導体活性層を“先づ第一層乃至最下層として積層し
、所定の回路素子及びその間の配線及び絶縁を行なった
後、絶縁層をその上に積層して第一層目乃至最下層の二
次元集積回路層を作９、而して後、その上に第二層用の
半導体活性層を積層する、というもので、以下、同様な
工程を順次繰返し行なって多層二次元集Ｉｔｌ路層よシ
なる三次元集積回路構造を構成するのである１、。

しかしこの方法は次のような欠点をイ〕する１、即ち、
各二次元集積回路層においては現在の単層の二次元集積
回路を構成するのに必要な工程数のほとんどを必要とし
、さらにそれが上下方向に積層する層の数だけ少くとも
必要となるため、三次元集積回路構造を一つ構成するに
も全工程数が非常に多くなり、長時間を敬する。又各層
における歩留りの積が全体の歩留シとなると考えられる
ので全体の歩留シが非常に低下する恐れがあり、実際に
は層間の配線工程の歩留りもあるので、これは更に低下
してし゛まう。各半導体活性層における工程終了後、良
否の検査を行ない、良品のみ次の工程に回すということ
も考えられるが、そうしても無駄な工Ａｊ；ｊが避けら
れるだけで全体の歩留シに関しては同様な恐れが残る。

以上のような理由から、一つの層を作ってはその上に次
の層を形成していくという言わば時間的に直列な方法は
全く望ましくない。

これに対して、従来からも、各層単独の構成は時間的に
並列に行なえる方法がある。しかし、この方法には、従
来の二次元集積回路技術によシ作成した、従来の二次元
集積回路構造体と実質的には何等変わることのない各層
を、単に順番に積み重ねて行けば三次元構造体が得られ
るという思想しかない。

この方法に就き、少し説明すると１．１１も常の二次元
集積回路＄ｆ、４造体３は、俗にチップと呼ばれるが、
ごく大まかにちって、第１図示のように、一般に５００
μｍ程度と、かなり厚い支荀ノｉ（板／のたかだか１０
μｍ位の表層面程四の部分−が実際に電子的諸機能を営
む機能層乃全二次元集積回路層コとなっているに過きな
い。

もつとも、通常の単層のみの二次）しξ１°−４゛＋’
ｉ回路構造体３では、パッケージ内へのマウントの際に
も、或いは切抜の機能寿命が尽きるまでの名神の使用環
境１・においても、よく回路層−を物理的に、恒久的に
支持するという意味から、余裕をもっての支持基板のこ
の厚さは決して無１ｅ、味ではない。

しかし、ここで問題にしているで１来の几次元構成法で
は、第２図示のように、第１図示の在来の二次元集積回
路構造体３を各Ｊ曽オシｆ造にそのまま採用して、単に
積み上げているに過ぎない、即ち、一つの層構造体の回
路層λの上に１一層となるべき二次元集積回路構造体３
の支持基板／を載せ、その層の回路層−の上に更に次の
二次元集積回路構造体３の支持基板ｌを載せる、という
作業を繰返しているに過ぎないため、結果どして三次元
叶積回路構造体（１１：　ｌｔ’ｊ成しても、その谷稍
中、各層の支持基板ｌ・・・の占める全容積は、回路層
−・・・の占める全容積に比１，９て甚だ大きなものと
カシ、集積密度は体積的にＪｉｌてとセも満足できる程
朋には在らないのである。

そうかといって、この方法では、勿論、一旦、積み重ね
てし甘うと、今積み重ねたＶｌ“かりて寸だ上には積み
沖ねら゛れていない二次）し集れ１１回路構造体３にあ
っても、その支持７ＩｉＸ根／のみを除去したり、或い
は薄くしたシ宿・のイ′１・’１’＝　Ｉｔ、ｔもとよ
りできる筈が〃いし、寸だその思想もないっ結局、この
方法によれば、名二次元集槓回路構造体３を独立に製作
可能であるので実装後の歩留りは、予じめ並行して別途
に製作済としておく各層の検査により、良品のみを選べ
ば、層間の配線グを施す工程の歩留シによって決定され
、前述した方法よりは改善されるが、このままでは集積
密度の飛Ｈ的な増加は期荀できないし、そのための思想
がないとト−７９ことができる、。

本発明は、この点に銘でなさｔｌ、Ａもので、））各回
路層は別途に予じめ製作侑とり、−Ｉすること、逆に言
えば製作済の各二次フシて１す）゛１回路層を順次積み
上げていく方法を採れるようにすること、ＩＩ）各層が
支持基板で支持された形で製作され、しかもその基鈑が
かなり厚いものであったとしても、三次元４１１＋ｉ　
］ｊ：ｊ体として冗ｈ’ｉ、　Ｌｋ際にしｊ、その支持
基板群の容積が集ｔｉ’ｉ密１！！ｔを人きく低減させ
ていることのないようにすること、即ち、☆：ｉ１ｉ　
１’ｌ’Ｊに言えば各層の支持基板を４“、１．：　Ｒ
２，’後に除去し得るか、或いは希くても足りる」：う
に１−るζど、を主目的としている。。

このようにすｔしは、後者が米作のｊｌｌｌ＋　１して
の歩留り−の良好性を偵わずに、それて′いてｉ＋４７
１密度の向上を太いにし１れることになＺ）、。

以下、添付の図面に即し、木ヴ１゛−明のソ゛）Ａ１１
す１１に就き説明するが、先つ、第３　Ａ　、　１図に
木う１１明力法の原ｙ１１乃至ノ一本市実施例をノＪ、
ｌ、　、ｊシフ、明する、本発明では、所要の電子的諸
機能を営む二次元集積回路層、２／は、第３Ａ図の右手
に示すように、従来の単層構造体３　（第１，２図）に
おける回路層ユと同様に、支持基板ｌｌ上に形成されて
いて良く、積重ね工程以前にて各層毎に夫々、別途に製
作済となっていて良い。尚、回路層コの内部構成自体は
本発明が直接これを規定するものでなく、従来の回路層
−と同様に、例えば支持基板上に形成された半導体活性
層、この活性層内に形成された各科トランジス・りとか
、配線層、絶縁層等々から成っていて良いシフ、半導体
集積回路に限らず、ジョセフソン集積回路構成等でも良
い。

本発明の特徴は、これ等吃作済の各二次元集積回路構造
体ＩＯ（従来の構造体３に略々和尚）の回路層２／の一
つ宛をその下の既形成済の下部＃ｇ早よの上面としての
被積層面ｚ上に上積みするに際し、第６Ａ図中に矢印１
ｔで示すように裏返しにして、即ち、それまで表面とし
て上方に露呈していた面７を下に向けて、被積層面にこ
の面７が直接に対向するようにすることにある。

このように１７で載せた結果が第５　Ｊ（ｌ’ｉ〈１に
／］マしである。これから直ぐに判かるように、′本発
明の方法によれば、今まさに上ｔ、みした回路層２／が
、それまで支持基板／／にて支持されていたとしても、
上積み後には、この支持ノ、（板／／（ｌ−ｉ最早、そ
の機能を失い、当該回路層の物理的、恒久的支持は、そ
の下の下部構遁夕に委ねられることになる。

従って、支持基板／／は／ｆｊ、則として７１；　’ｉ
’　、不要であり、しかも、回路層２／の手向に位１ｒ
１１するので、第１，２図示の従来例と異なシ、吸ず〕
１．ばこれを完全に取除き、第５０図示のように、その
層部分は回路層、２／のみが空１″Ｆ１］占イｊするよ
うにすることができるのである。

勿論、空間山羊ｊ率の観点からは、基イルｔ、１完全に
取除くのが望ましいが、（”ｊ秀かの心力：から成る程
度の厚味外は残す等しても艮い１、このようにして、一
つの層の」ニオ７１、み、涛１・板除去乃至削減を終え
たなら、次の回路層に就いても同様の裏返しによる上積
み法を採る、というように、この手順を繰返せば集積密
度向上は容易に果たし得る。

例えば、Ｚ　（１＜ｚり４）層目の回路層コ／Ｌが第６
Ｃ図までの工程にょシ、下部構造ｊの上に積まれていた
とすると、第３Ｄ図示のように、この回路層、２／ｉま
でを今度は下部構造ｊと考え、その表面を被積層面牡□
と見て、これに上積みすべきｊ＋１層目の回路層２／Ｌ
＋１の表面７□１が直接対向するように、当該回路層、
２／、、、、乃至構造体ＩＯ，＋１を裏返しにして上積
みすれば良く、その−、要すれば基板／／ｉ＋１を除去
するが厚味削減すれば、残った部分までを新たな］・部
材＠夕として更にｉ＋２層目にも本発明を適用できるこ
とになる。

本発明の裏返しという技術思想は、次のような技術思想
を内包していると言うことが分かる。

α）既述のように、上積み後は各層、２／の支持基板／
／は支持機能を失う。即ち、本発明においては、予じめ
製作済とする各層構造１０中に支持基板／ｌがあったと
しても、それは従来の単層構造や第１，２図示の思想と
は異なシ、恒久的な意味は々く、上積み完了まで暫定的
に、言わば回路層、２／’ｉｚ仮保持できれば良いとい
うことである。

従って、既述のように、上積みしてしまったなら、この
基板／／の役目は終ったのであるから、取除いたり厚味
を削って三次元集積密度を上げることが許されるという
だけでなく、極めて薄く作っても良いことｆ；Ｃ意味し
、例えば１０μｍ程度としたなら、裏返しての積層後、
そのまま残怖″させても三次元集積密度は従来のように
大きく犠牲にされることがないのである。

ｂ）上記に関ｘｌｌ＋するが、各回路層−八乃至全体め
回路層ａ−Ｉ−に本発明を適用した場合にはその総ての
回路層、２／ｌ・・コム・・・、２／Ａを恒久的に支持
するのは、結局は最下層の回路層、２／に臨む支持基板
である。

従って、最も下に位置する支持基板のみを丈夫に作るだ
けで良いということになる。

以上の（（Ｉｔ）　、　（ｂ）に加えて更に付帯的に述
べると、最下層の全構造の支持基板に対して、この支持
基板そのものを下部構造ｊとして第一層目（ｉ＝１）か
ら本発明を適用しても良いが、第３Ａ〜Ｃ図中に併記の
ように、支持基板７′上にｑ先づ在来法による二次元集
積回路層コ′を構成し、これまでを下部構造ｊとして第
二層目の回路層Ｕ／２から本発明を適用しても良い。

また、総ての回路層に本発明を適用せずとも、そのいく
つかの層に対してのみであっても、適用した層に関して
は本発明の効果が援用でき、結局、本発明を適用した分
は集積密度の向上が容易に図シ得ることになる。

尚、各層の暫定的支持基板／／や全体の恒久的支持基板
は従来同様、シリコン結晶、石英基板等々、適宜なもの
で良い。

以下、第４図以降に、よシ具体的な実施例を挙げて説明
する３、 第４図は本発明を適用して積層すべき各層構造の半導体
集積回路における製作例を示しているが、基本的には在
来の二次元構造と変わりはなく、ただ、実際的配慮から
、上下隣接層間を機械的に位置決めしたり固着したり、
或いはまた電気的に接続を採ったりするのに有用］な層
間接続部例に就いても示している。

まず第４Ａ図示のように、暫定的支持基板／／上に半導
体活性層コ／′を形成する１、２／’ｆよ例えばＣＶ’
Ｄ法によシ形成された高純度シリコン多結晶やグロー放
電法に形成された高抵抗アモルファスシリコンが用いら
れる。後者の場合は形成時の温度が室温ないし３００℃
前後と比較的低温であシ、支持基板／／はこの程度の温
度において物理的かつ暫定的に支持能力があれば良く、
例えば米国デュポン社の商品名カプトン等のホリイミド
フイルム等も用いることができる。。

また、活性層コ／と暫定的支持基板／／との間には、活
性層を回路層として完成し、下部構造に上積みした後に
支持基板／／ヲ除去する時には該回路層の基板との界面
を保絆するために、及び或いは活性層、２／をレーザ、
電子ビーム等にてビームアニールをし、高品質化する際
の熱遮蔽をするために、５Ｚ０２やＳｉ　３　Ｎ４等の
絶縁薄膜／コを介在させても良い。、但し、以下では説
明の簡単のため、図中にてもこれを省略する。

尚、ＣＶＤ法による層、２／′の形１成を行う時には、
基板温度が４００〜５００℃となるので、基板材として
は上記の外にパイレックスガラス、石英ガラス、アルミ
ナ等を選ぶ場合が多い。

第４Ａ図示の上述の工程に引き続き、第４Ｂ図示のよう
に、半導体活性層、２７′内に複数の回路素子及び配線
よシなる部分回路領域を形成するために複数の活性領域
グ０．弘０・・・を形成する。これらの活性領域には、
結晶性を良くするだめのレーザアニール又は電子ビーム
等のビームアニール法を適用する場合もあシ、又Ｊす１
　＞、’＋１　（／、）電導形を得るために所定部分に
イオン注入法で所定の不純物を導入し、さらに不純物活
１・′１化のだめのビームアニールを行う場合もある１
、尚、活性領域間≠Ｏ，４ＬＯ間の領域ｔｏは、電気的
に分離するための分離領域であシ、半導体活性層２７′
の残存部分よシなるか、残存部分に酸素イオンをイオン
注入し、その後ビーム照射にょシシリコンと酸素を化学
結合させ絶縁物とした領域よりなる。

又、活性層−／′をエツチングして領域ｔｉ、ｏ、グ０
を残し、その間をＣＶＤ等の製造技術を用いて絶縁物で
埋設してもよい。次に表ｒｆ＋’＋に配線の絶縁のため
絶縁膜３０を形成する。基板／ｌが弔機物、ガラス等で
ある場合は、３ｏは例えはプラスマＣＶＤ法やホ）ＣＶ
Ｄ法あるいはプラズマ酸化法にょシ低温（１００℃〜５
００℃）で形成されル５ｚ０２や５ｉ３Ｎ４が良い。次
に第４０図示のように絶縁膜３θの所定部分に開孔を設
は金属尚膜あるいは高濃度に不純物のトープされたポリ
シリコンにより活性領域内の回路素子間の配線（ｆＩＯ
η・のため図で°は省略）、活性領域間の配線７ｏ及０
一層間配線のための導電性領域に０．ざ０・・・が形成
される。さらに表面に絶縁膜９０が形成される。この絶
に膜２ｏの製法は上述の絶Ｈ１膜３ｏの製法と同様な方
法でよい。

次に第４Ｄ図ノＪミのように電気的層１’ｉｔｊ接続部
としての部分とｏ、ｔｒｏ・・・の表面の所定部に開孔
１＋７０．ｗＱ・・・を設けるっこの開孔ｗｏと部分ｇ
ｏとは、この実施例では、後述の相補的接合部ｇ３と相
係合し合う機械的、電気的接合部ざ／を構成し７ておυ
、特にこの実施例では相補的接合部対ざ／、ざ３の組合
関係は雄、雌係合となるように図づていて、接合部ざ／
はその雌部材側に相当するのである。

しかし、逆に相手方が例えば雌であるなら、第４Ｅ図示
のように、開孔ｗｏを埋めて突出し、電気的接続部ざθ
とオーム性接触をする導電性突出領域ざコを持つ雄部材
としての層間接合部と／としても良い。

いづれにしろ、このようにして、暫定的支持薄板ｌｌ上
には、所定の市子的機卵を営む機能層として、実質的に
二次元集桁回路層２／が形′成されることになる。

この第４Ｄ図示の構造１０を、先づ第一層目と考え、こ
れを将来、三次元集積回路構造が完成した時に全部分の
恒久的支持基板となる最下層の支持基板１００に本発明
を適用して上積みする場合に就き説明する。

第５Ａ図示のように、シリコン結晶、石英、金属等の基
板上にポリシリコン府が８＋層さ７′１て々る支持基板
１０θ上に絶絶膜ｉｏｉを形成シフ、所定部に開孔１０
２，１０コ・・・を設ける。次に第５Ｂ図示のように、
金属薄膜乃至はその上にイエ（抵抗ポリシリコン層を積
層した導電層１０≠全枦層し、次いで第５０図示のよう
に、開Ｔ１１０．２．ｌｏ、ｖ−＝の」一部のみ、例え
ばプラグ形状宿、助力”の形状（この場合、ｊ４１部材
側として適尚力形：ＩＫ）を残して当該層間接続部ざ３
．ざ３・・としてこの場合突出したプラグ状断面部ｌＡ
／１０．／１０・・・を形成し、他は除去する７、層間
接合部ざ３．ｄ３・・の）４）゛部材としての突出部ｉ
ｉｏ、ｉｉｏ・・の枳ブ［：と基４％’１００との接着
強度を十分に採るためには両者の接触部において入ｘ合
金んが形成さ第１るようにすると良い。

このような下部構造ｊに対して、不発！ＩＩ］を適用し
て、第４Ｄ図示の回路層２７′（［−」粕みするには、
先づ、全体を引返しにして、回路層、、２）の表面が支
持基板ｉｏｏ側を向くようにし、第５Ｄ図示のように、
両者の相補的雌雄層間接合部す／。

ざ３が互いに係合し合うようにして、嶺該支持基板上に
該回路層コ／を載せ、第５Ｅ図示のように、両層間接合
部対ざ／、１３を接着する。この時、雌部材側の導電性
領域ざＯと雌部材側の突出領域ｉｉｏの両液合部相互の
接着強度を十分に採るには、両者間接触部にシリサイド
が構成されるようにしたシ、或いは低融点金属を接合部
表面に予じめ形成しておいて、相手方と合金を作るよう
にすると良い。

積層後は、積層した回路層コ／の暫定的支持基板／／は
プラズマエッチ法等で除去して良い。

この回路層コ／（，２八−１）に第二層目−八−２を積
層するには、次のような処理をすると良い。

第５Ｆ図示のように、既積層済でツ（す定的支持基板／
／を除去することによシ露呈した第一層活性層ユ／（ザ
フィックス省略）の表面に、絶縁膜、２００を形成し、
第二層目との層間接合部を形成するため所定部に開孔、
２０／　、　、２０／・・・を設け、以下第５Ｂ図以下
と同様な工程により二層目の８’ｔＭに至る。絶縁膜２
００ば、除去された支持基板／／と半導体活性層との間
に、第４Ａ図に即して述べたように、既に絶縁膜が形成
されている場合にはそれに代えることができる。第５Ｇ
ｌ！￥１は、積層する回路層の層間接合部を第４Ｅ図示
のように金属等の配線材料で形成された突出部乃至雄部
材とした時の基板側の前部材構成を示している。第５Ａ
図と同様に絶縁膜／θｌの所定部に所定の該突出部と基
板ｉｏｏが接触できるように開孔１０ｒ、１０！・・・
を設ける。以下、第５Ｄ図以下と同様な工程により積層
する１、第５Ｈ図は、従来の集積回路と同様に、基板１
００上に従来法によシ第一層目の回路層が形成されてい
る場合にＩｌ＆ｊ次二層目から本願の方法により回路層
をオノ（層するときの層間接合部を用意する方法を示し
ている。３／は絶縁膜、グ／、４１／・・・は活性領域
、６／は分離領域、７／は活性領域間配線１．１′≠、
δ≠・・・は導電性領域であり、その表面及び配線７／
表面に絶縁膜Ｐ／を形成したとき、ｚ／がなるべく全体
として平坦によるように厚みを調整するのが望ましい。

／／、２．／／λ・・・はそれぞれｇｔｉ−，１ｒ≠・
・・の表面の絶縁膜９／に開孔を設けそれぞれδｖ　、
　ａ４Ｌ・・・とメーム性接触を得るようにして形成さ
れた上層との層間接合部であシ、この場合は却部、（４
として、導電性の突出部である。この上に積層される回
路層の層間接合部は、従って第４Ｄ図示のよ゛うな開孔
を持った形状となる。第４Ｅ図示されるような構造の場
合には、第５Ｈ図で突出部ｌ／コ。

／／、２・・・を省略し、所望の大きさをもった開孔を
形成した状態にしておけばよい。

暫定的支持基板／／としては、第６Ａ図示のように金属
板／３の上に有機フィルム／ｌＩ−を積層した構造とし
、より支持強度を強化した構成も考えられる。半導体活
性層コｌは有機フィルム／グの上に形成される。このよ
うにすると、第６Ｂ図示のように積層した後、高温雰囲
気中に入れると有機フィルム！≠が揮発するので金ｋＡ
板／３を容易に取シ去ることができる。例えば、ＣＢＲ
では、５００℃以上で揮発が起きる。その後／グを熱分
解あるいはプラズマエツチングにより取りさり、以後第
５Ｅ図以下と同様な工程を行なえはよい。

以上のいづＪ″Ｌの実施例でも、相補的層間接合部対は
層間配線にも用いられていたが、これを機械的接着のみ
の目的て別逐それぞれ設けより大きな接着強度を得るよ
うにしてもよい１．この場合、接合部の材質は導電性杓
料でなくてもよく、例えは一方又は双方に１００〜５０
０℃と低温で硬化する耐熱性無機質接着剤を用いること
もできる。また、機械的な意味からは、ωｉｒＩ決めを
要しないなら、ｌｐ￥には特殊形態の層［ト１１接合部
対としなくとも、両絶縁層面相互を機械的層間接合部対
と考えて（即ち面状と考えて）、両省を接着剤によシ固
定する等しても良い。

以上のように、本発明によれば、各層をほぼ機能層乃至
二次元集積回路１曽のオーダで積層することができ、三
次元集積密朋を総体的に大きく向上させることができる
にも係らず、各層は独立に形成できるので、検査によυ
良品のみを選択すれば歩溜シが犠牲に々ることかないし
、各層を時間的に並列に作成できるので、製作から完成
までのターンアラウンドタイムも十分に小さくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は通猟の単層二次元集積回路構造体の概略構成図
、第２図は従来の三次元年積回路構造体の概略構成図、
第６図は本発明方法の原理乃主基本的実施例の説明図、
第４．５．６図は、本発明のより具体的な実施例の各説
明図、である。 図中、ｊは下部構造、乙は被積層面、１０は二次元集積
回路構造体、／／は暫定的支持基板、２／は二次元集積
回路層、１０ｏは三次元構造体の恒久的支持基板、であ
る。 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 二次元集積回路層を上下方向に複数層、有して成る三次
   元集積回路構造体の製造方法であって、 上記複数の二次元集積回路層の少くともいくつかの層は
   、積層に先立ち、製作から私層せでの暫定的な支持基板
   上に個別に製作し、該暫宗的な支持基板上に製作した各
   二次元集積回路層を、被積層面上に積層する時には、該
   二次元集積回路層を暫定的支持基板と共に農返しにし、
   該二次元集積回路層の表１ｔｉ１が」二記被積層面に直
   接に対向するように積層することを特徴とする三次元集
   積回路構造体の製造方法。