JPS61174661A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置の製造方法

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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】 (発明の技術分野) 本発明は、半導体集積回路の高密度化と高速化に有効な
積層構造の半導体集積回路装置の構造とその製造方法に
関するものである。
(従来技術とその問題点) 積層構造の半導体集積回路装置は、従来主に2次元的に
形成されていた半導体集積回路装置の高密度化、高速化
限界を打破するものとして近年検 。
討が進められている。積層構造の基本となるのは絶縁物
上に単結晶半導体基板を形成する技術であり、これはシ
リコンを用いた場合Sol  (SilicOn  I
 n5ulator)技術と総称されている。
従来、SOI構造を得る技術としては、F I PO5
法。
SIMOX 法、  レーザアニール法、ゾーンメルト
法等が検討されているが、いずれも積層化に対しては欠
点を有している。FIPO5法、 SIMOX法は単層
のSOIを得るには遺した技術であり、すでにLSIへ
の適用が報告されているが、多層化する場合上部構造は
他の方法で得る必要がある。レーザアニール法、ゾーン
メルト法は多層化が可能であるが、これらの方法ではシ
リコン膜が完全な単結晶とならないため、そこに形成す
る素子特性を劣化させる欠点がある。また、ゾーンメル
ト法では基板を1100℃以上に加熱する必要があり、
多層化した場合下部に形成されている素子の特性を変化
させる可能性がある。さらに、また、上記以外にEPI
C法と呼ばれるSol技術があるが、この方法は、ポリ
シリコンを厚く堆積しこれを支持体として使用するため
、ポリシリコン堆積による基板の変形が生じ、しかも多
層化が出来ないという問題点があった。
(発明の目的) 本発明は、これらの欠点を除去し、1000℃以下の低
温で単結晶半導体基板を絶縁物を介して他の基板に接着
させることにより多層化を可能とする半導体集積回路装
置とその製造方法を提供する。
ものである。
(発明の構成と作用) 以下図面により本発明の詳細な説明する。
図1(8)〜(C)は本発明の実施例を示したものであ
り、熱接着に使用した基板101.102にはいずれも
シリコンMO5型集積回路が形成されている。ここで、
101.102は集積回路形成用基板、103.104
は素子間分離用絶縁物、105.106はMO5型集積
回路のソース・ドレイン領域、107.108はゲート
電極、109、110は配線用絶縁物層、111.11
2は配線、113、114は接着用絶縁物層、115は
上下チップ間の接続配線、116は接続配線115の接
続穴である。
図1において、(alは集積回路形成面を互いに接着さ
せたものであり、伽)は集積回路形成面が同一方向にな
るようにした場合であり、(C1は、伽)において上部
の基板102を薄層化した場合である0図1の構造は、
このままの形で3層以上に積層可能であるため、微細な
パターンを使用することなく集積度を高くすることがで
きる0例えば、(C)の構造では、上層の基板の厚さは
5〜10μm程度であるため、100層の積層を行った
場合でも増加する厚さは0.5〜1.0fiであり、積
層しない場合の厚さ0.4 Mに対して2〜3倍の厚さ
の増加により集積度は100倍となる。また、(e)に
示すように各層間の配線を行うことにより、従来の2次
元上では50〜100μmの配線長により接続していた
部分が5〜10μ−と短くなるため、信号の伝達時間が
短くなり、高速化が可能となる。図1に示した構造はM
OS型のみならず、バイポーラ型あるいはショットキ型
集積回路等に適用可能であることは勿論であり、基板と
してはシリコン以外にゲルマニウムあるいはGaAs半
導体基板等に適用可能である。また、(C)の下部基板
101を絶縁物とすることにより、容易に単層のSOI
構造が得られる。
図2に図1(a)の構造の製造方法の一例を示す。
この場合には、まず、従来法によりMOS型集積回路を
形成した基板101.102を用意する〔図2(a)。
(1〕。次に、接着剤として使用する絶縁物層113゜
114を堆積する〔図2(b)、(社)〕、この絶縁物
としてはリンを添加したシリカガラス(PSG)あるい
はボロンを添加したシリカガラス(BSG)その他10
00℃以下の熱処理で軟化する各種樹脂、例えば、ポリ
ミイシド、低融点の鉛ガラス等の絶縁物が使用可能であ
る。PSGの場合、PH3と5iHnと08の化学的気
相成長法で300〜500℃の温度で容易に形成可能で
あり、膜厚3000〜10000人を堆積する0次に、
絶縁物層113.114を堆積した面を相互に接触させ
〔図2 (C1,(1’)) 、これを900〜100
0℃で熱処理する〔図2(d))。これにより軟化する
絶縁物は相互拡散を行い両基板は互いに接着される。こ
の時雨基板上に形成されている集積回路には、1000
℃の熱処理で変化しない材料を使用する必要があるが、
従来法で問題となるのは金属配線に使用するAlのみと
考えられる。このため、Alを使用しないで他の高融点
金属(Mo又はW)あるいはポリシリコンで配線するこ
とが必要である。ただし、AllとSiの反応やAlの
マイグレーションが発生しない程度の温度で熱接着が可
能な前記の各種樹脂、例えば、ポリイミド又は低融点の
鉛ガラス等の絶縁膜を用いることにより、Altも使用
可能である。
図1(b)の装置の製造は、図2に示した上部基板10
2への絶縁物層114の形成を裏面に行うことにより同
様に可能となる。
図3に図1(C)の装置の製造方法の一例を示す。
まず、従来法で形成したMO5型集積回路基板201と
集積回路が形成されているない単結晶基板202を用意
する。両基板201.202を図2と同様に絶縁物層2
13.214を介して相互に接着するC図3(a))。
次に、単結晶基板202を、接着面の反対側から機械的
あるいは化学的に研磨を行い、薄層化する6図3山)〕
。さらに、薄層化した単結晶基板上に従来法により集積
回路を形成することにより、図3(C)の構造が得られ
る。この集積回路の製造工程において、さらに必要な工
程は、上下間の配線を接続するための接続穴116の形
成と、チップ接続配[115の形成である。この工程を
追加することにより、容易に図1 (C)の構造を得る
ことができる。
薄層化単結晶膜301.401を容易に得る方法を図4
.5に示す。図4は単結晶基板の代わりにSIMOX法
により形成したSOI基板322を使用した場合であり
〔図4(a))、薄層化工程によって埋め込まれた酸化
膜321が化学研磨の障壁となるため均一な研磨が可能
である〔図4(b))。
また、図5は単結晶基板の代わりにFIPOS法によっ
て得られるSOI基板403を使用した場合であり〔図
5+8))、SIMOX基板と同様に単結晶シリコン膜
下の厚い酸化膜402が研磨に対する適当な障壁となる
ため均一な)ljlWI401を得ることが可能となる
〔図5(b))。
図6は熱軟化性の絶縁物による接着をさらに確実なもの
とするための方法を示したものである。
熱接着を確実に行うためには熱処理前に両基板501、
502の密着を確実に行う必要がある。半導体基板は通
常の4インチ径ウェハではウェハのそり量は10μ■以
下であるが2枚合わせた場合の密着性は完全ではない、
そのため、図6に示すように、減圧室520内に収容し
た10−”torr以下の減圧下において量基板501
.502を合わせ、まず周辺部を加圧加熱用治具503
.504により900℃〜1000℃に加熱しさらに加
圧して、周辺部の接着を行う。次に、大気圧中にとりだ
した後再度900℃〜1000℃で加熱する。これによ
り、中央部に空間があった場合でも大気圧より加圧され
ることになり、密着性の良好な状態で加熱接着すること
ができる。
図7は図6の方法をさらに改良した方法であり、基板6
01.602の少なくとも片方の絶縁層の周辺部以外で
あってスクライプライン等密着させる必要のない部分に
溝610を形成した後に図6の工程を行う、この場合は
、溝610の内部は減圧状態が保持されるので、溝部以
外密着させる必要のある部分は大気圧の作用により完全
に密着し接着が行える。熱軟化性絶縁物を密着あるいは
減圧中で熱処理すると、小さな気泡が発生し白濁し密着
性が低下する場合がある。これは絶縁物中のボンドの結
合状態が不完全なためであり、酸素中あるいは水蒸気中
で予め900〜1000℃の熱処理をすることにより改
善することができる。また、半導体基板に直接PSG等
を形成後、熱処理すると、PSG中のリンが半導体基板
中に拡散するが、これを防止するには熱酸化膜あるいは
不純物を含まない5i01あるいは5iJa膜をPSG
形成前に形成しておけばよい。
さらにまた、半導体基板は素子を形成することにより、
表面に凹凸が生じ平面性が劣化する。このため、平坦化
技術等を使用することにより平面性を良好にすることが
、接着性の改善に有効である。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、以下の利点があ
る。
■ 集積回路を形成した基板を多層に接着した構造を得
られるため、高密度の集積回路装置が得られ、配線距離
が短くなるため高速動作が可能となる。
■ 熱軟化性絶縁物を接着剤として使用するため、10
00℃以下の低温で接着が可能であり、形成した集積回
路に与える影響がない。
■ 接着後に半導体基板を薄層化することにより、容易
にSOI構造をえることができる。
■ 減圧中で周辺部を熱圧着接着後、大気中で熱処理す
ることにより、確実な接着が可能である。
■ さらに、周辺部以外に溝を形感することにより、そ
りのあるウェハも完全に接S、することができる。
【図面の簡単な説明】
図1 (a) (b) (0)は本発明による半導体集
積回路装置例を示す断面図、図2 (a) (Ji’)
(b) 0f)(C) ((’)(d)は図1(Jl)
ニ示す本発明装置の製造方法を説明するための断面図、
図3 (a) (b) (C)は図1(C)に示す本発
明装置の製造方法を説明するための断面図、図4 (a
) (b)は図1(C)に示す本発明装置においてSI
MOX基板を使用した場合の製造方法を説明するための
断面図、図5(a)(b)は図1 (C)に示す本発明
装置においてFIPO5基板を使用した場合の製造方法
を説明するための断面図、図6は本発明の製造方法にお
いて熱接着を確実に行うため方法を説明するための断面
図、図7(a) (b)は図6の方法をさらに改良する
方法を説明するための断面図と平面略図である。 101.102,201.202・・・集積回路形成用
基板、103、104.203.204・・・素子間分
離用の絶縁物層、105.106,205.206・・
・MO5型集積回路のソース・ドレイン領域、 107
.108.207.208・・・ゲート電極、 109
.110.209.210・・・配線用の絶縁物層、1
11.112,211.212・・・配線、 113.
114,213,214・・・接着用の第1.第2絶縁
物層、 115・・・上下チップ間の接続配線、116
・・・接続配線115の接続穴、 301・・・SIM
OX法により得られるシリコン薄膜、 321・・・S
IMOX法により形成される埋め込み酸化膜、 322
・・・シリコン基板、401・・・ptpos法により
得られるシリコン薄膜、402・・・多孔質シリコン酸
化膜、 403・・・シリコン基板、501.502・
・・接着される基板、 503.504−・・加圧加熱
用治具、520・・・減圧室、 601.602・・・
接着される基板、610・・・基板の周辺部以外に形成
された溝。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体集積回路が形成されてなる基板が、絶縁物
    を介して他の半導体基板もしくは絶縁物基板又は半導体
    集積回路が形成されてなる基板と熱接着されていること
    を特徴とする半導体集積回路装置。
  2. (2)半導体集積回路が形成されてなる第1の基板上に
    熱処理によって軟化現象を生ずる第1の絶縁物層を形成
    する第1の工程と、他の半導体基板もしくは絶縁物基板
    又は半導体集積回路が形成されてなる基板のいずれかよ
    りなる第2の基板上に第2の絶縁物層を形成する第2の
    工程と、前記第1の絶縁物層と前記第2の絶縁物層とを
    互いに密着させた後熱処理し前記第1の基板と前記第2
    の基板を相互に接着する第3の工程とを少なくとも含む
    ことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  3. (3)前記第2の工程には、前記第1の絶縁物層と前記
    第2の絶縁物層を減圧下において相互に密着させ減圧下
    において両基板の周辺部を加熱圧着する工程と、その後
    大気圧下において加熱する工程とを少なくとも含むこと
    を特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半導体集積回
    路装置の製造方法。
  4. (4)前記第1の絶縁物層と前記第2の絶縁物層との相
    互密着前に前記両基板の絶縁物層の基板周辺部以外の部
    分に溝を形成する工程を含むことを特徴とする特許請求
    の範囲第3項記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  5. (5)半導体集積回路が形成されてなる第1の基板上に
    熱処理によって軟化現象を生ずる第1の絶縁物層を形成
    する第1の工程と、他の半導体基板よりなる第2の基板
    上に第2の絶縁物層を形成する第2の工程と、前記第1
    の絶縁物層と前記第2の絶縁物層とを互いに密着させた
    後熱処理し前記第1の基板と前記第2の基板を相互に接
    着する第3の工程と、前記第2の基板を薄層化する第4
    の工程と、該薄層化した前記第2の基板に集積回路を形
    成する第5の工程を少なくとも含むことを特徴とする半
    導体集積回路装置の製造方法。
  6. (6)前記第2の工程には、前記第1の絶縁物層と前記
    第2の絶縁物層を減圧下において相互に密着させ減圧下
    において両基板の周辺部を加熱圧着する工程と、その後
    大気圧下において加熱する工程とを少なくとも含むこと
    を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の半導体集積回
    路装置の製造方法。
  7. (7)前記第1の絶縁物層と前記第2の絶縁物層との相
    互密着前に前記両基板の絶縁物層の基板周辺部以外の部
    分に溝を形成する工程を含むことを特徴とする特許請求
    の範囲第6項記載の半導体集積回路装置の製造方法。
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