JP2019047043A - Stacked semiconductor device, semiconductor device substrate, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子と表面に露出した電極を形成した基板同士を接合して電気的に接続された3次元構造を有する積層型半導体素子に関する。 The present invention relates to a stacked semiconductor device having a three-dimensional structure in which a substrate on which a semiconductor device and an electrode exposed on the surface are formed is joined and electrically connected.
半導体集積回路のいっそうの大規模化、高密度化を実現するために、半導体回路を3次元的に積層した、積層型半導体素子が開発されている。積層方向に配置した半導体素子同士を電気的に接続するために、半導体素子をそれぞれ形成した複数枚のウェハまたはチップ(半導体素子基板)を、それぞれの接合面に露出させた電極同士で接合するが、電極だけでなくその周囲の絶縁膜同士でも接合するハイブリッド接合技術が知られている(非特許文献1参照)。ハイブリッド接合による積層型半導体素子(以下、適宜、接合型半導体素子と称する)は、一例として、図1に示すように、半導体素子構造2を表層に形成した2枚のSi基板21,22を、それぞれの表側を対面させて(Face−to−Face)、Si基板21,22の各半導体素子構造2の端子に接続する配線3,3間を、柱状の電極(柱状電極)70で接続した構造である。Si基板21,22間の図1に空白で表される領域には、SiO2,SiOC等の絶縁体が設けられ、配線3,3およびそれらの間を接続する柱状電極70が、この絶縁体を貫通している。
In order to realize a larger scale and higher density of semiconductor integrated circuits, stacked semiconductor elements in which semiconductor circuits are three-dimensionally stacked have been developed. In order to electrically connect the semiconductor elements arranged in the stacking direction, a plurality of wafers or chips (semiconductor element substrates) on which the semiconductor elements are respectively formed are bonded by electrodes exposed on their bonding surfaces. There is known a hybrid bonding technique in which not only electrodes but also insulating films around them are bonded (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 1, as an example, as shown in FIG. 1, a stacked semiconductor device by hybrid junction (hereinafter appropriately referred to as a junction-type semiconductor device) includes two
図30に示すように、Si基板21,22(図中、符号「20」を付して表す)はそれぞれ、その上に、半導体素子構造2に接続する配線3と、半導体素子構造2上を被覆して配線3間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層される絶縁層5,61と、一部の配線3の上面に接続して表面に露出する柱状の電極7Cと、を備え、表面を平滑化して半導体素子基板101に製造される。そして、一組(2枚)の半導体素子基板101,101のそれぞれの表面(接合面)を対面させて、電極7C,7C同士を接合すると同時に、絶縁層61,61同士も接合するハイブリッド接合によって、接合型半導体素子110が得られる。図31に接合面近傍を示すように、接合型半導体素子110において、半導体素子基板101,101のそれぞれの絶縁層61,61は表面同士で接合されて一体の絶縁体60となり、電極7C,7Cは柱状電極70となる。
As shown in FIG. 30, the
半導体素子基板101の表面を被覆する絶縁層61に用いられるSiO2,SiOCは、絶縁材料の中で特に絶縁性に優れ、また、CMP(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法により、接合に好適な表面粗さに平滑化し易い。一方、電極7Cに用いられるCuは、電極材料の中でも導電性に優れることから、半導体素子の配線の微細化に伴い多く適用されるようになったが、SiやSiO2等に拡散し易い。そこで、Cuで形成される配線は、一般に、SiO2,SiOCからなる絶縁層へのCuの熱拡散や相互反応による電流のリーク等の信頼性低下を防止するために、Ta,Ti,TiN等からなる数〜数十nm程度の膜厚のバリア膜(バリアメタル膜)で被覆される。したがって、図31に示すように、接合型半導体素子110は、その接合面(図中、一点鎖線で表す)近傍において、電極7CのCuからなるコア部(プラグ)72の側面にバリア膜71が形成されている。このようなバリア膜付きの電極7Cは、例えば、ダマシン法により形成される。詳しくは、成膜した絶縁層61,5をエッチングして電極7Cの形状の孔を配線3上に形成した後に、スパッタ法等によりバリア膜71、シード層(Cu膜)を順次成膜し、次に、電解めっきでCuを絶縁層61,5の孔に埋め込む。そして、CMP法で表面を研削、研磨して、金属膜(72,71)に被覆されていた絶縁層61を露出させ、電極7Cと共に表面を平坦、平滑化する。このような方法によるため、電極7Cは、底面もバリア膜71で被覆され、一方、表面にはCuからなるプラグ72が露出する。なお、絶縁層5は、Si窒化物やSiC等からなり、Cuに拡散され難いので、下の配線3から絶縁層61へのCuの拡散を遮蔽する拡散防止絶縁膜であり、また、SiO2等からなる絶縁層61のエッチングストッパ膜になる。
Among the insulating materials, SiO 2 and SiOC used for the insulating
ここで、ウェハやチップ(半導体素子基板101)の接合は、接合装置の位置合わせ精度の限界等により、接合面において、電極の露出面同士を常に完全に一致させて接合することは現実には不可能であり、図31に示すように、接合された電極7C,7C間に位置ずれが生じる。この位置ずれ(電極7C,7Cの各中心間の距離)が、図中、左側に示すように電極7Cの側面におけるバリア膜71の膜厚未満の距離s1で、接合面を挟んだバリア膜71,71同士の接触長さが一定以上であれば問題ないが、右側に示すように位置ずれがバリア膜71の膜厚以上の距離s2になると、一方の半導体素子基板101の電極7Cのプラグ72と他方の半導体素子基板101の絶縁層61とが接触するので、絶縁層61へプラグ72からCuが拡散して信頼性が低下することになる。バリア膜71はCuよりも導電性に劣るので厚膜化するほど電極7Cの抵抗が増大し、電極7Cの径との関係等から厚膜化に限界があり、このようなバリア膜71の膜厚未満に位置合わせ誤差を抑制することは極めて困難である。
Here, in the bonding of a wafer or a chip (semiconductor element substrate 101), it is a reality that the exposed surfaces of the electrodes are always perfectly matched and bonded at the bonding surface due to the limit of the alignment accuracy of the bonding apparatus. It is impossible, and as shown in FIG. 31, misalignment occurs between the joined
そこで、接合の位置ずれに起因する不良を回避し得る接合型半導体素子として、接合面近傍における絶縁体(絶縁膜)に、Cuが拡散し難い材料を設ける技術が開示されている。例えば特許文献1には、接合前における表面(接合面)全体にTi,Ta等の金属膜を成膜し、接合後に熱処理を施して、SiO2等の絶縁膜上における金属膜をこの絶縁膜と反応させて絶縁性の金属酸化物とした接合型半導体素子が記載されている。
Therefore, as a junction-type semiconductor element capable of avoiding defects due to misalignment of the junction, a technique is disclosed in which a material to which Cu is not easily diffused is provided in an insulator (insulation film) in the vicinity of the junction surface. For example, in
特許文献1に記載された接合型半導体素子の接合面に形成される金属酸化物の絶縁膜は、SiO2に対するCuの拡散防止膜とするために、ある程度の膜厚(酸化前の金属膜において10nm以上)を要するとされる。しかし、このような膜厚の金属膜を、接触しているSiO2中のOのみによって完全には酸化させ難く、また、酸化しても、TiO2等の金属酸化物はSi窒化物等よりもさらに絶縁性に劣るため、電流のリークの虞がある。
The insulating film of metal oxide formed on the bonding surface of the junction-type semiconductor device described in
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、接合の位置ずれに起因する不良を低減すると共に、接合面近傍における絶縁膜の十分な絶縁性が確保される接合型半導体素子を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a junction type semiconductor device capable of reducing defects caused by displacement of junction and ensuring sufficient insulation of an insulating film in the vicinity of a junction surface. As an issue.
すなわち、本発明に係る積層型半導体素子は、積層方向に沿った柱状電極で層間を接続し、積層方向における前記柱状電極が設けられた領域で、前記柱状電極の側面と絶縁体とが空隙を挟んで対向している構成とした。 That is, in the stacked semiconductor device according to the present invention, the interlayers are connected by the columnar electrodes extending in the stacking direction, and the side surfaces of the columnar electrodes and the insulator are voids in the region where the columnar electrodes are provided in the stacking direction. It was set as the structure which has pinched | faced and opposed.
かかる構成により、積層型半導体素子は、接合面に設けたSiO2のような絶縁体に電極が非接触であり、電極のCuが絶縁体中へ拡散することがない。 According to this configuration, in the stacked semiconductor element, the electrode is not in contact with the insulator such as SiO 2 provided on the bonding surface, and Cu of the electrode does not diffuse into the insulator.
本発明に係る半導体素子基板は、半導体素子が形成された基板と、前記半導体素子に電気的に接続した柱状電極と、前記柱状電極を露出させて前記基板上を被覆する絶縁体とを備え、前記柱状電極を囲む凹みを上面に有し、前記絶縁体が前記柱状電極と非接触な構成とした。 A semiconductor device substrate according to the present invention includes a substrate on which a semiconductor device is formed, a columnar electrode electrically connected to the semiconductor device, and an insulator which exposes the columnar electrode and covers the substrate. A recess surrounding the columnar electrode is provided on the upper surface, and the insulator is not in contact with the columnar electrode.
かかる構成により、半導体素子基板は、ハイブリッド接合された際に、接合面に形成されている凹みの範囲内であれば位置ずれを生じても、一方の電極が他方の絶縁体に接触することのない積層型半導体素子を構成する。 According to such a configuration, when the semiconductor element substrate is hybrid-bonded, even if misalignment occurs within the range of the recess formed in the bonding surface, one of the electrodes contacts the other insulator. To form a stacked semiconductor device.
本発明に係る半導体素子基板の製造方法は、上面に柱状電極が露出した半導体素子基板の製造方法であって、半導体素子が形成された基板上に、絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程と、柱状電極が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程と、前記絶縁膜をエッチングする絶縁膜エッチング工程と、電極材料を成膜して、前記マスクの空いた領域に柱状電極を形成する電極成膜工程と、前記マスクを除去するリフトオフ工程とを行い、前記絶縁膜エッチング工程は、等方性エッチングを行い、前記絶縁膜を、少なくともその上面において、前記柱状電極が形成される領域を超えて除去する手順とした。 A method of manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor element substrate in which columnar electrodes are exposed on the upper surface, and an insulating film forming step of forming an insulating film on a substrate on which semiconductor elements are formed. And a mask process for forming a mask in which a region in which the columnar electrode is formed is formed, an insulating film etching process for etching the insulating film, and depositing an electrode material, and forming the columnar electrode in the vacant region of the mask An electrode film forming process to be formed and a lift-off process to remove the mask are performed, and the insulating film etching process performs isotropic etching to form the columnar electrode at least on the upper surface of the insulating film. The procedure was to remove over the area.
本発明に係る別の半導体素子基板の製造方法は、半導体素子が形成された基板上に、柱状電極が形成される領域を空けた絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、電極材料を成膜して、前記基板上の前記絶縁膜の空いた領域に柱状電極を形成する電極形成工程とを行って、最上層に設けられた絶縁膜および前記絶縁膜を貫通して露出する柱状電極を形成した後に、前記柱状電極が露出している領域の周囲を少なくとも空けたマスクを形成するマスク工程と、前記絶縁膜を、その厚さ以下をエッチングする絶縁膜エッチング工程と、前記マスクを除去するマスク除去工程と、を行う手順とした。 Another method of manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention includes an insulating film forming step of forming an insulating film having an area in which a columnar electrode is formed on a substrate on which a semiconductor element is formed; And an electrode forming step of forming a columnar electrode in a region where the insulating film is open on the substrate, thereby forming an insulating film provided on the uppermost layer and a columnar electrode exposed through the insulating film. A mask step of forming a mask at least at the periphery of the exposed region of the columnar electrode, an insulating film etching step of etching the insulating film less than its thickness, and a mask for removing the mask And the removal step.
かかる手順により、上面同士でハイブリッド接合された際に、一方の電極が他方の絶縁体に接触することのない積層型半導体素子を構成する半導体素子基板を製造することができる。 According to this procedure, it is possible to manufacture a semiconductor element substrate that constitutes a stacked semiconductor element in which one electrode is not in contact with the other insulator when the upper surfaces are hybrid-bonded.
本発明に係る積層型半導体素子の製造方法は、前記のいずれかの半導体素子基板の製造方法を行って、それぞれの上面における電極の配置が対称な2つの半導体素子基板を製造する半導体素子基板製造工程と、前記2つの半導体素子基板の上面同士を前記電極および絶縁体のそれぞれで接合する接合工程と、を行う手順とした。 In the method of manufacturing a stacked semiconductor device according to the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device substrate is performed by performing any one of the methods of manufacturing a semiconductor device substrate described above to manufacture two semiconductor device substrates in which the arrangement of electrodes on their upper surfaces is symmetrical. It is set as the procedure of performing a process and the joining process which joins the upper surfaces of the said 2 semiconductor element board | substrates by each of the said electrode and insulator.
かかる手順により、上面同士でハイブリッド接合する際にある程度の位置ずれを生じても、電極が絶縁体に接触していない積層型半導体素子が得られる。 According to this procedure, even if positional deviation occurs to some extent when hybrid bonding is performed on the upper surfaces, a stacked semiconductor device in which the electrodes are not in contact with the insulator can be obtained.
本発明に係る積層型半導体素子によれば、ハイブリッド接合された際の位置ずれに起因する不良が低減される。本発明に係る半導体素子基板によれば、2つをハイブリッド接合して積層型半導体素子に製造する際の、接合作業が容易となる。本発明に係る半導体素子基板の製造方法によれば、前記半導体素子基板を、従来の製造方法に対して工程を多く増やすことなく製造することができる。本発明に係る積層型半導体素子の製造方法によれば、ハイブリッド接合される際の位置ずれの許容範囲が大きく、接合作業が容易となる。 According to the stacked semiconductor device of the present invention, defects due to misalignment when hybrid bonding is reduced. According to the semiconductor element substrate according to the present invention, the bonding operation is facilitated when the two are hybrid-bonded to produce a stacked semiconductor element. According to the method of manufacturing a semiconductor element substrate according to the present invention, the semiconductor element substrate can be manufactured without increasing the number of steps compared to the conventional manufacturing method. According to the method of manufacturing a stacked semiconductor device according to the present invention, the allowable range of positional deviation at the time of hybrid bonding is large, and the bonding operation becomes easy.
本発明に係る接合型半導体素子(積層型半導体素子)を実現するための形態について、図を参照して説明する。本明細書において、積層型半導体素子とは、半導体素子構造を2層以上に備え、異なる層の半導体素子構造同士が電気的に接続された3次元回路構造を有する半導体素子を指す。特に、半導体素子構造を形成した2枚の基板の各表面に露出させた配線間で接合することにより接続したものを、接合型半導体素子と称する。図面に示す接合型半導体素子およびその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。 An embodiment for realizing a junction-type semiconductor device (stacked semiconductor device) according to the present invention will be described with reference to the drawings. In this specification, a stacked semiconductor device refers to a semiconductor device having a three-dimensional circuit structure in which semiconductor device structures are provided in two or more layers and semiconductor device structures in different layers are electrically connected to each other. In particular, those connected by bonding between the wirings exposed on the surfaces of the two substrates on which the semiconductor device structure is formed are referred to as bonded semiconductor devices. The junction-type semiconductor device and its elements shown in the drawings may have exaggerated in size, positional relationship, etc. for the sake of clarity, and may have simplified shapes and structures.
(接合型半導体素子)
本発明に係る接合型半導体素子10は、図1に示すように、2枚のSi基板21,22を、それぞれの半導体素子構造2を形成した側(表側)同士を対面させて備える。このような接合型半導体素子10は、図2に示すように、Si基板21を備える半導体素子基板11と、Si基板22を備える半導体素子基板12とを、Si基板21,22の半導体素子構造2を形成した側(表側)同士を対面させて接合(Face−to−Face接合)して得られる。したがって、上側のSi基板22およびこれを備える半導体素子基板12は、上下に裏返して図示される。また、半導体素子基板11,12の接合面を、図2に一点鎖線で表す。接合型半導体素子10は、Si基板21,22のそれぞれに形成された半導体素子構造2,2同士を電気的に接続するために、Si基板21,22間に、前記半導体素子構造2,2の各端子に接続する配線3,3と、配線3,3間を接続する柱状電極70と、間隙(図1に空白で表される領域)を一部を除いて充填する絶縁体と、をさらに備える。配線3等のSi基板21,22以外の部品も、以下に説明するように半導体素子基板11,12に設けられる。
(Junction type semiconductor device)
As shown in FIG. 1, the junction-
接合型半導体素子10を構成するために、半導体素子基板11は、図3に示すように、Si基板21(図中、符号「20」を付して表す)上に、絶縁層4、拡散防止絶縁膜5、絶縁層(絶縁体)61を順次積層して備え、半導体素子構造2の端子に接続する配線3と、配線3に接続して表面に露出する接合電極(柱状電極)7をさらに備える。同様に、半導体素子基板12は、Si基板22上に、絶縁層4、拡散防止絶縁膜5、絶縁層61、配線3、および接合電極7を備える。接合型半導体素子10において、半導体素子基板11,12のそれぞれの絶縁層61,61は表面同士で接合されて一体の絶縁体60となり、接合電極7,7は柱状電極70となる。したがって、接合型半導体素子10の絶縁体は、Si基板21,22のそれぞれの側から順に設けられた絶縁層4、拡散防止絶縁膜5、ならびに拡散防止絶縁膜5,5間の絶縁体60で構成される。そのために、半導体素子基板11,12は、平面視で、互いに接合電極7が左右対称に配置されている。接合型半導体素子10は、このような構造により、異なるSi基板21,22のそれぞれに形成された半導体素子構造2,2が、対面させて重ねられたSi基板21,22の間に設けられた絶縁体60を上下に貫通する柱状電極70で電気的に接続される。半導体素子基板11と半導体素子基板12は概ね同じ構造であり、特定しない場合に半導体素子基板1と称し、それぞれに設けられたSi基板21,22をSi基板20と称する。
In order to form the junction-
本明細書では、半導体素子構造2を、Si基板21,22の表層に形成されたSOI(Silicon on Insulator)MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)とする。さらに、図1に示す部分において、Si基板21にn型MOS(NMOS)のみを、Si基板22にp型MOS(PMOS)のみをそれぞれ示しているが、1枚のSi基板20に1種類の半導体素子構造2を備えることを規定するものではない。すなわち、これらは半導体素子の概念を簡潔かつ模式的に示したものであって、特定の機能を有するものに限定されない。さらに、図1では簡潔に説明するために、Si基板21,22のそれぞれの半導体素子構造2を上下対称となる構造とし、それぞれの端子(ソース、ドレイン、ゲート)に接続する配線を絶縁層4において単層の配線構造の配線3として、ドレイン同士の2箇所、ゲート同士の1箇所をそれぞれ柱状電極70で直接に接続している。しかし、半導体素子基板11,12のそれぞれが多層配線構造を備えてもよく、多層配線とすることで、半導体素子基板11,12間を接続する柱状電極70(接合電極7)の数を抑え、接合電極7を大径化、大ピッチとして、接合における位置ずれの許容範囲を大きくすることができる。接合装置の位置合わせ精度等にもよるが、接合電極7の表面における径(または幅)Wは1μm程度以上であることが好ましい。以下、本発明に係る接合型半導体素子の実施形態を詳細に説明する。
In the present specification, the
〔第1実施形態〕
図2に示すように、本発明の第1実施形態に係る接合型半導体素子10は、絶縁体60を上下に貫通する空隙80を有し、さらにこの空隙80を、絶縁体60の上側の拡散防止絶縁膜5から下側の拡散防止絶縁膜5までの高さ位置に設けられた柱状電極70が上下に貫通している。言い換えると、空隙80を挟んで柱状電極70の側面と絶縁体60が対向していて、そのため、柱状電極70に絶縁体60が接触しない。このような空隙80が設けられるように、絶縁体60に柱状電極70の径よりも大口径の空洞が形成されている。また、絶縁体60ならびにその上下それぞれの拡散防止絶縁膜5および絶縁層4を一体の絶縁体とみなすと、接合型半導体素子10は、この絶縁体の接合面を含む一部の領域に、空隙80を有するといえる。空隙80は、真空、またはAr等の不活性気体が封入されている。なお、図2には、2本の柱状電極70とそれぞれに貫通される空隙80を示し、接合型半導体素子10が接合されていることを表すために、柱状電極70および空隙80(絶縁体60)の1つ(図中、右側)が接合面で段差を有しているが、理想的には別の1つ(図中、左側)のように段差がなく、柱状電極70は柱体であり、空隙80は断面形状が横長の略長円(1/2円弧が略1/2楕円弧)である。
First Embodiment
As shown in FIG. 2, the junction-
本発明の第1実施形態に係る接合型半導体素子10を構成する半導体素子基板(本発明の第1実施形態に係る半導体素子基板)1は、図2および図3に示すように、表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20と、半導体素子構造2に接続する配線3と、Si基板20上を被覆して配線3間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層された拡散防止絶縁膜5と、拡散防止絶縁膜5に積層されて最表面に形成される絶縁層61と、一部の配線3の上面に接続して表面に露出する柱状の接合電極7と、を備える。また、半導体素子基板1は、上から見て接合電極7を囲む環状の凹み(ポケット)8が形成されるように、表面に広がって開口した穴が絶縁層61に形成され、それぞれの穴の底面の中央から柱状の接合電極7が垂直に突設されている。凹み8の表面における開口幅は外径が(W+2G)、内径が接合電極7の径と同じW、また、深さ(絶縁層61の表面からの最大深さ)はDで表される(G>0)。以下、本実施形態に係る接合型半導体素子を構成する各要素について、詳細に説明する。
The semiconductor element substrate (the
(Si基板)
Si基板20は、半導体素子構造2を設けられるための土台であり、特に本実施形態においては、半導体素子構造2がSOI MOSFETで表層に形成される。そのために、Si基板20は、単結晶シリコン基板(Si−sub)を材料とすることが好ましく、例えばp型Si基板であってもよい。図1および図2に示すように、Si基板21,22は、表層の活性層(Si)の下に、埋込み酸化膜であるBOX(Buried Oxide)層(図中「BOX」)が形成されている。さらに、Si基板21には、表層の活性層に形成されたn+拡散層(図中「n+」)からなるソースおよびドレイン、ならびに、ソースとドレインの間のボディ(図中「p」)上に表面の薄い酸化膜を挟んで成膜されたpoly−Si膜からなるゲート2gにより、NMOSが半導体素子構造2として形成されている。一方、Si基板22には、表層の活性層に形成されたp+拡散層(図中「p+」)からなるソースおよびドレイン、ならびに、ボディ(図中「n」)上のゲート2gからなるPMOSが半導体素子構造2として形成されている。また、Si基板21,22は、活性層のMOSFETを形成される領域(アクティブ領域)外がSiO2で分離されている(図中、空白で表す)。
(Si substrate)
The
(配線)
配線3は、半導体素子構造2の端子(ソース、ドレイン、ゲート)に接続するコンタクト部3c、ならびにコンタクト部3c上に接続する、1枚の半導体素子基板1に形成されたコンタクト部3c同士を接続する配線部3i(3i1,3i2)およびビア3v、ならびにさらにその上に形成される接合電極7に接続するパッド部3pを備える。パッド部3pは、平面視で、接合電極7よりも大きく、全周にわたって外側に張り出すような形状に形成される。また、パッド部3pの上面が、接合電極7の上面の所定の表面粗さに対応して平滑に形成されている。
(wiring)
The
配線3は、Cu,Al,Ta,Cr,W,Ag,Au,Pt,Pd等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、これらの材料から要求される導電性等に応じて選択され、また、層等によって異なる材料を適用されてもよい。さらに配線3は、前記材料および絶縁層4の材料によっては必要に応じて、絶縁層4への金属の拡散を防止するためのバリア膜(バリアメタル膜)を被覆する。本実施形態において、配線3は、少なくとも配線部3i2およびパッド部3pが、CuまたはCu合金(以下、まとめてCu)からなるコア部32と、その底面(下面)および側面を被覆するバリア膜31とを備え、上面はコア部32が露出している。バリア膜31は、コア部32からCuをSiO2からなる絶縁層4へ拡散させないために設けられる。バリア膜31は、Ta,TaN,Ti,TiN,TiW等が適用され、さらにこれらの金属膜を2種類以上積層した多層膜としてもよく、また、コア部32の側にRu膜を積層した、例えばRu/Tiの2層膜としてもよい。バリア膜31は、主に最薄となり易い側面において、Cuの拡散を防止することのできる膜厚に形成され、材料にもよるが、少なくとも数〜十数nm程度とすることが好ましい。バリア膜31は一方、膜厚が厚いと低抵抗のコア部32の占める割合が低下し、配線3の導電性が低下するので、不要に厚くないことが好ましい。
The
(接合電極)
接合電極7は、配線3のパッド部3pの上面に接触して接続し、半導体素子基板1の表面(上面)に露出する柱状の電極で、別の半導体素子基板1の接合電極7と接合するために設けられる。接合電極7は、金属電極材料の中でも導電性に優れ、ハイブリッド接合における接合方法に好適なCuまたはCu合金(以下、まとめてCu)で形成されたプラグ72からなる。接合電極7は、形状が円柱や角柱等で、平面視形状は特に規定されず、別の半導体素子基板1の接合電極7と接合された際に、位置ずれ込みで必要な導通が確保される形状および寸法に設計される。また、接合電極7は、後記の絶縁層61と同様に、ハイブリッド接合における接合方法に好適な平滑な表面(上面)であることが好ましい。さらに、接合電極7は、表面の高さ位置が絶縁層61と一致、または絶縁層61の表面から僅かに突出するように、厚さ(高さ)HPLGを、拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さHと共に設計し、絶縁層61の表面からの接合電極7の突出高さΔHPLGが、ΔHPLG=HPLG−Hとなるので、HPLG≧Hとする。接合電極7を突出させる場合には、接合方法にもよるが、ΔHPLG=5〜10nmの範囲とすることが好ましい。半導体素子基板1においてはさらに、接合電極7は、側面で支持されていない部分での高さ(厚さ)(HPLG−(H−D))についてアスペクト比が高過ぎないことが好ましく、径(幅)Wにもよるが、アスペクト比1以下であることが好ましい((HPLG−H+D)/W≦1)。半導体素子基板1において、接合電極7は、側面で絶縁層61等の他の部材に支持されていないので、アスペクト比が高いと倒れる等の不良を生じる虞があるからである。なお、接合電極7は、配線3との密着性をよくするために、Ru等の金属膜からなる厚さ1〜10nmの下地膜を設けてもよい(図示せず)。
(Junction electrode)
The
(絶縁層)
絶縁層4は、Si基板20上を被覆して、半導体素子構造2や配線3,3間を互いに絶縁するために設けられる。絶縁層4は、例えばSiO2,Al2O3,MgO等の酸化膜や、Si窒化物(Si3N4等、適宜SiNと表す)、SiC(シリコンカーバイド)、SiOC(炭素添加シリコン酸化物)、SiCN(窒素添加シリコンカーバイド)、SiON(窒素添加シリコン酸化物)、SiCO(SiCが基の低酸化物)のようなSi化合物、MgF2等の、半導体素子において公知の絶縁材料を適用することができ、これらの材料から要求される絶縁性等に応じて選択される。SiO2には、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)、PSG(Phosphorus Silicon Glass)、F(フッ素)をドープしたもの、多孔質SiO2等も含まれる。絶縁層4は、単一の材料でなくてよく、層や領域によって異なる絶縁材料で形成されてもよい。特に、配線3をダマシン法で形成する等、表面を平坦化する場合には、CMP法に対応したSiO2等を少なくとも最上層(キャップ層)に設ける。
(Insulating layer)
The insulating
拡散防止絶縁膜5は、配線3の上面に露出したコア部32からCuを最上層の絶縁層61へ拡散させないために、絶縁層61の下に設けられる。また、拡散防止絶縁膜5は、製造時に、絶縁層61に対するエッチングストッパ膜になる。そのために、拡散防止絶縁膜5は、Cuのバリア効果を有し、また、絶縁層61を構成する絶縁材料(例えばSiO2)のエッチング選択比を高くする絶縁材料から選択され、具体的には、SiN,SiC,SiCN,SiCO等が適用される。拡散防止絶縁膜5は、Cuの拡散を防止することのできる膜厚に形成され、材料にもよるが、少なくとも10〜数十nm程度の厚さとすることが好ましい。
The diffusion preventing insulating
半導体素子基板1は、ハイブリッド接合に好適となるように表面が平滑であり、接合方法にもよるが、具体的には、算術平均粗さRaが1nm以下であることが好ましい。そのために、半導体素子基板1の最上層を構成する絶縁層61は、CMP法等で表面を平滑に加工し易い絶縁材料を適用し、このような材料としてSiO2,SiOC等の、Si酸化物またはこれを基とするSi化合物で形成され、厚さが1μm程度以上であることが好ましい。
The surface of the
絶縁層61は、接合電極7と接触しないように、接合電極7を上下に貫通させる、接合電極7の径(幅)Wよりも大きな孔が形成されている。絶縁層61のこのような孔により、半導体素子基板1は、平面視で接合電極7を囲む、開口幅(外径)(W+2G)、深さDの凹み8を表面に形成される。凹み8は、深さDが絶縁層61の厚さと一致し、絶縁層61に形成された孔の内面と接合電極7の側面とを外側と内側の側面とし、拡散防止絶縁膜5の上面を底面として構成される。本実施形態において、絶縁層61は、上方へ広がって開口するように、断面視で接合電極7の側面に略1/4円弧(楕円弧を含む)を描く形状の孔が形成され、表面で幅(径)(W+2G)開口し、下面で幅(W+2GB)開口する孔が形成されている。絶縁層61は、接合電極7に完全に非接触となるように、下面(凹み8の底面)において最小となる間隙GB(<G)がGB>0に設計される(G>GB>0)。間隙GBは、0超であれば特に規定されないが、10nm以上に設計されることが好ましい。凹み8を構成する絶縁層61のこのような形状の孔は、後記製造方法にて説明するように、ウェットエッチング等の等方性エッチングで成形される。等方性エッチングは、深さ(厚さ)方向と共に面内方向にもエッチングが進行するエッチングであり、面内方向のエッチング(サイドエッチング)量に対する厚さ方向の比(エッチングファクター)xが比較的1に近い。絶縁層61の等方性エッチングは、径Wの領域を空けたマスクを用いるため、G>D/xとなり、また、GB≒√[G2−(D/x)2]となる。
The insulating
半導体素子基板1は、接合電極7の周囲に絶縁層61のない凹み8を表面に形成されていることにより、絶縁層61が、接合電極7に接触せず、かつ位置ずれを有して接合される別の半導体素子基板1の接合電極7に接触することがない。そのために、凹み8による絶縁層61と接合電極7との間隙は、絶縁層61の表面から少なくとも深さΔHPLGまでの範囲において、接合型半導体素子10の接合における位置ずれの許容される最大値sMAX超となるように、√[G2−(ΔHPLG/x)2]>sMAXに設計される。このマージン(√[G2−(ΔHPLG/x)2]−sMAX(≒G−sMAX))は、0超であれば特に規定されないが、接合時の接合電極7の変形等を加味して、20nm以上に設計されることが好ましく、50nm以上に設計されることがより好ましい。位置ずれの最大値sMAXは、接合した接合電極7,7同士で必要な導通が確保される範囲に設定され、例えば、接合電極7が円柱で、接合面積が約1/2となる、径Wの0.4倍とする(sMAX=0.4W)。この場合、前記したように絶縁層61の表面からの接合電極7の突出高さΔHPLGが十分に小さい(ΔHPLG≦10nm)ので、W=1μmとして、マージンに100nmを含めてG≧0.5Wに設定することができる。
The
絶縁層61の表面での接合電極7との間隙Gの上限(開口幅(W+2G)の上限)は特に規定されないが、絶縁層61の孔(凹み8)が接合電極7の径Wに対してより広く開口していると、接合型半導体素子10の接合面積が減少し、接合強度が低下して、接合面で剥離する虞が生じる。具体的には、接合の位置ずれがない(s=0)場合において、半導体素子基板1の全体の面積の1/2以上で接合されていることが好ましい。すなわち、非接合面積である、すべての凹み8の開口面積の合計が、半導体素子基板1の面積Aの1/2以下となるように設計されることが好ましい。例えば、半導体素子基板1の接合電極7がN個ですべて同一の寸法の底面の面積SPLGの柱体であるとすれば、凹み8もN個で同一の開口面積SPOCKであるから、非接合面積は(N×(SPOCK−SPLG))となる。また、接合の位置ずれがない場合において、絶縁層61のみの接合面積(A−N×SPOCK)が非接合面積(N×(SPOCK−SPLG))以上となることがより好ましく、位置ずれが最大値sMAXにおいても同様の関係となることがさらに好ましい。前記したように、G>D/xであるから、絶縁層61が過剰に厚いと、凹み8の深さDと共に間隙Gが不要に大きくなって、接合型半導体素子10の接合面積が確保できない。
The upper limit (upper limit of the opening width (W + 2 G)) of the gap G with the
また、間隙Gが過剰に大きい、すなわち接合電極7の径Wに対して著しく大きく開口した孔を絶縁層61に形成しようとすると、半導体素子基板1の後記する製造方法において、絶縁層61のウェットエッチングによるエッチング量が多くなる。その結果、エッチャント(エッチング液)が絶縁層61とその上のマスク(レジストマスク)の界面に浸入して、孔の周囲で表面が不要にエッチングされて浅く凹む虞がある。また、隣り合う接合電極7,7のピッチが狭い場合に、絶縁層61のウェットエッチングにおいて、絶縁層61の、接合電極7,7のそれぞれの周囲の孔同士がエッチング中に連結して、この部分で回り込んだエッチャントによってさらに深くエッチングが進行するため、凹み8が一部の接合電極7において異なった形状となる。
If it is attempted to form in the insulating layer 61 a hole having an excessively large gap G, that is, an opening that is extremely large with respect to the diameter W of the
なお、表面同士で接合されて一つの接合型半導体素子10を構成する半導体素子基板11,12は、前記したように、平面視で、互いに接合電極7が左右対称に配置されていればよく、接合電極7の配置を除いたその他の構造は前記の範囲内であれば一致していなくてもよい。例えば表面の凹み8の表面における間隙Gは、それぞれが位置ずれの最大値sMAXよりも大きければよく、したがって、凹み8の深さD(絶縁層61の厚さ)や接合電極7の厚さHPLGおよび突出高さΔHPLGも異なっていてよい。
Incidentally, as described above, in the
〔接合型半導体素子の製造方法〕
本発明の第1実施形態に係る接合型半導体素子および半導体素子基板の製造方法について、図4〜図7を参照して説明する。なお、図6においては、加工前の膜についても加工後の要素と同じ符号を付して表す。本実施形態に係る接合型半導体素子10は、2枚の半導体素子基板1(11,12)を製造する半導体素子製造工程S1、およびこれらを表面(上面)同士で接合する接合工程S2を行って得られる。半導体素子製造工程S1は、Si基板20上に、半導体素子構造2とこれに接続する配線3、および絶縁層4を形成する半導体素子・配線形成工程S10と、表面を被覆する絶縁層61と表面に露出する接合電極7を形成する接合部形成工程S20と、を行う。
[Method of manufacturing junction type semiconductor device]
A method of manufacturing the junction-type semiconductor device and the semiconductor device substrate according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 7. In FIG. 6, the film before processing is represented by the same reference numeral as the element after processing. In the junction-
〔半導体素子基板の製造方法〕
半導体素子・配線形成工程S10は、Si基板20の表層に半導体素子構造2を形成する半導体素子形成工程S11と、配線3および絶縁層4を形成する配線形成工程S12と、を行い、それぞれ公知の方法を適用することができ、以下にその一例を示す。
[Method of Manufacturing Semiconductor Device Substrate]
The semiconductor element / wiring formation step S10 includes a semiconductor element formation step S11 for forming the
(半導体素子形成工程)
Si基板に、酸素イオンを注入して所定の深さ位置にBOX層を形成し、その上(表層)を活性層とする。次に、活性層のアクティブ領域とする領域外にSiO2を埋め込む(素子分離)。また、活性層に、必要に応じて、PMOSを形成する領域にn型不純物イオンを、NMOSを形成する領域にp型不純物イオンを、それぞれ注入する(チャネルドープ)。そして、表面に薄い酸化膜(SiO2膜)を形成し、その上にpoly−Si膜でゲートを形成する。n型不純物イオンを注入してn+拡散層を形成し、p型不純物イオンを注入してp+拡散層を形成して、半導体素子構造2(NMOS,PMOS)を形成したSi基板21,22とする。
(Semiconductor element formation process)
Oxygen ions are implanted into the Si substrate to form a BOX layer at a predetermined depth position, and the upper layer (surface layer) is used as an active layer. Next, SiO 2 is embedded outside the region to be the active region of the active layer (element isolation). In addition, n-type impurity ions are implanted into the active layer, and p-type impurity ions are implanted into the region forming the NMOS (channel doping), respectively, as necessary. Then, a thin oxide film (SiO 2 film) is formed on the surface, and a poly-Si film is formed thereon.
(配線形成工程)
Si基板20(21,22)上に絶縁層4の下層部分を構成する絶縁膜を成膜し、この絶縁膜をエッチングして、n+拡散層、p+拡散層、およびゲート(poly−Si膜)のそれぞれの上における箇所にホール(孔)を形成する。W等の金属電極材料を成膜して、絶縁層4のホールに埋め込んで、コンタクト部3cを形成する。この上にさらに絶縁層4の中間層部分を構成する絶縁膜を成膜し、コンタクト部3cの形成と同様に、配線部3i1を、その形状のトレンチ(溝)を形成して金属電極材料を埋め込んで形成する。さらに絶縁層4の最上層部分を構成する絶縁膜を成膜し、ビア3v、配線部3i2およびパッド部3pを、同様に形成する。また、Cuめっき膜からなるコア部32とこれを被覆するバリア膜31とを設けるためには、ダマシン法で形成することができる。絶縁膜に形成したホール、トレンチ内にバリア膜31をスパッタ法等で成膜し、引き続いて、コア部32の一部となるシード層をバリア膜31上にスパッタ法等で成膜してから、残部をめっきで埋め込む。その後、CMP法により、表面の金属膜を研削して絶縁層4を露出させて平坦化する。平坦化の際に、露出させたパッド部3pの表面を平滑化することが好ましい。これにより、Si基板20上に、図6(a)に示すように、絶縁層4が被覆され、その表面にパッド部3pのコア部32が露出した配線3が形成される。なお、3層以上の多層配線構造を形成する場合には、さらに絶縁膜を成膜して、この絶縁膜に配線部3i上のホールおよびその上のトレンチを形成して金属電極材料を埋め込むという一連の工程を繰り返す。
(Wiring formation process)
An insulating film forming the lower layer portion of the insulating
接合部形成工程S20は、拡散防止絶縁膜5を構成する絶縁膜を成膜する拡散防止絶縁膜成膜工程S21と、絶縁層61を構成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S22と、絶縁膜の表面を研磨して平滑化する平滑化工程S23と、接合電極7が形成される領域を空けたレジストマスクPR1を形成するマスク工程S33と、等方性エッチングで絶縁層61を成形する絶縁膜等方性エッチング工程S24と、エッチングで拡散防止絶縁膜5を成形する拡散防止絶縁膜エッチング工程S26と、Cuを成膜して接合電極7(プラグ72)を形成する電極成膜工程S34と、レジストマスクPR1を除去するマスク除去工程(リフトオフ工程)S35と、を行う。
The bonding portion forming step S20 includes a diffusion preventing insulating film forming step S21 of forming an insulating film forming the diffusion preventing insulating
(絶縁膜成膜工程、平滑化工程、マスク工程)
配線3および絶縁層4を形成したSi基板20上に、拡散防止絶縁膜5を構成するSiN膜を厚さ(H−D)に成膜し(S21)、引き続いて、絶縁層61を構成するSiO2膜を厚さD超に成膜する(S22)。次に、このSiO2膜の表面をCMP法で研磨して厚さD(拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計厚さH)とし(図6(b)参照)、かつ所定の表面粗さに平滑化する(S23)。そして、表面を平滑化したSiO2膜上に、図6(b)に示すように、接合電極7が形成される径Wの領域を空けたレジストマスクPR1を形成する(S33)。
(Insulating film deposition process, smoothing process, mask process)
On the
(絶縁膜等方性エッチング工程)
SiO2膜に、等方性エッチングで、図6(c)に示すように所定の寸法の貫通孔を開けて、絶縁層61に成形する(S24)。等方性エッチングは、深さ(厚さ)方向と共に面内方向にもエッチングが進行するエッチングであり、面内方向のエッチング(サイドエッチング)量に対する厚さ方向の比(エッチングファクター)xは特に規定されない。等方性エッチングは、拡散防止絶縁膜5を構成するSiNに対して選択比の高いウェットエッチングを適用することが好ましく、ここでは絶縁層61がSiO2からなるので、HF(フッ酸)溶液を使用する。あるいは、ドライエッチングであるガス・プラズマエッチングを適用することもできる。等方性エッチングにより、レジストマスクPR1の空いた領域の直下に、絶縁層61が、径(W+2GB)の領域で完全に除去されてかつ表面(上)に広がって径(W+2G)開口した孔を形成され、SiN膜(拡散防止絶縁膜5)が露出する。すなわち、表面(レジストマスクPR1の下)に、広がって開口した深さDの穴が形成される。
(Insulating film isotropic etching process)
Through holes having predetermined dimensions are opened in the SiO 2 film by isotropic etching as shown in FIG. 6C, and the insulating
(拡散防止絶縁膜エッチング工程)
SiN膜に、異方性エッチングで、図6(d)に示すように径Wの貫通孔の空いた拡散防止絶縁膜5に成形する(S26)。異方性エッチングは、拡散防止絶縁膜5を構成する絶縁材料に対応する公知の方法を適用することができ、さらに前記絶縁材料の下の配線3のパッド部3p(コア部32)を構成する金属電極材料に対する選択比の高いことが好ましく、例えば反応性イオンエッチング(RIE)が挙げられる。パッド部3pをエッチングストッパ膜とすることにより、レジストマスクPR1の空いた領域の直下の領域で、拡散防止絶縁膜5が完全に除去されて配線3(パッド部3p)が露出し、平坦なエッチング面が得られる。
(Diffusion prevention insulating film etching process)
As shown in FIG. 6D, the SiN film is formed into the diffusion preventing insulating
(電極成膜工程、マスク除去工程)
Cuを成膜して、図7に示すように、レジストマスクPR1の空いた領域の直下で、パッド部3p上に厚さHPLGに堆積させて接合電極7(プラグ72)を形成する(S34)。Cuの成膜方法は、Cuが絶縁層61の孔の側面に付着しないように、膜材料の直進性が高い方法を選択し、例えば真空蒸着法が適用される。その後、レジストマスクPR1をその上のCu膜ごと除去して(S35)、半導体素子基板1が得られる。
(Electrode deposition process, mask removal process)
Cu is formed into a film, and as shown in FIG. 7, the bonding electrode 7 (plug 72) is formed on the
このように、絶縁層61を等方性エッチングで加工することにより、接合電極7を形成するためのレジストマスクPR1で、接合電極7よりも大きな径の孔が絶縁層61に形成され、接合電極7を囲う環状の凹み8を表面に形成された半導体素子基板1が得られる。また、同一のレジストマスクPR1により、接合電極7と絶縁層61の孔の位置関係がずれることなく、絶縁層61と接合電極7との間隙が面方向において一定の距離となり、絶縁層61が的確に接合電極7から離間して形成され、また、製造過程においても非接触である。また、絶縁層61の下に拡散防止絶縁膜5を設けた2層構造とすることで、Cuを備えた配線3上にSiO2からなる絶縁層61を被覆することができる。さらにSiO2膜の等方性エッチングでSiN膜(拡散防止絶縁膜5)がエッチングストッパ膜となるので、絶縁層61の表面の孔径(W+2G)を接合電極7の径Wに対してより大きく、すなわち間隙Gを大きく設計しても、絶縁層61の厚さDを超えて深く穴が形成されることがない。
Thus, by processing the insulating
接合部形成工程S20の直前(半導体素子・配線形成工程S10完了時)における表面が十分に平滑で、絶縁層61の厚さDが大きくなく、CVD法等で十分に平滑な表面のSiO2膜を成膜することができる場合には、絶縁膜成膜工程S22でSiO2膜を厚さDに成膜して、平滑化工程S23を行わなくてよい。
The surface is sufficiently smooth just before the junction formation step S20 (at the completion of the semiconductor element / wiring formation step S10), the thickness D of the insulating
(接合工程)
2枚の半導体素子基板1(11,12)を接合装置に固定し、表面同士で接合して、接合型半導体素子10とする。本実施形態に係る半導体素子基板1は、非酸化雰囲気で接合される。非酸化雰囲気とは、真空、またはAr等の不活性ガス雰囲気であり、表面の凹み8の内側に露出する、接合電極7、拡散防止絶縁膜5および絶縁層61の各材料に対して不活性とする。これにより、半導体素子基板11,12のそれぞれの表面の凹み8,8で形成される閉じた空間である空隙80に、真空、またはAr等の不活性ガスが封入される。また、半導体素子基板1の破損や半導体素子構造2等へのダメージを防止するために、比較的低温で、無加圧またはこれに近い低加圧で接合することが好ましい。このような接合方法として、半導体素子基板同士をハイブリッド接合する公知の方法を適用することができ、例えば表面活性化接合が挙げられる。常温または200℃程度以下で、不活性ガス雰囲気にて、この不活性ガスのイオンやプラズマを半導体素子基板11,12の表面に照射することにより表面を活性化し、活性化した表面同士を接触させることにより接合される。
(Bonding process)
The two semiconductor element substrates 1 (11, 12) are fixed to a bonding apparatus, and the surfaces are bonded to each other to form a junction
半導体素子基板11,12を、接合する前に、必要に応じて裏面(Si基板20の裏面)を研削して(バックグラインド)薄肉化してもよく、さらに切断して個片化したチップとしてから接合することもできる。半導体素子基板11,12の一方のみを個片化してもよく、チップを他方のウェハに合わせて接合装置に配列して固定する。半導体素子基板11,12の少なくとも一方を個片化してから接合することにより、選別して良品同士を接合することができ、一方のみの不良による損失が低減される。
Before bonding the
(変形例1)
第1実施形態においては、絶縁膜等方性エッチング工程S24により、絶縁層61を、接合電極7の径Wよりも一回り大きな径(W+2GB)の領域で完全に除去する必要がある。そのため、半導体素子基板1は、接合電極7の厚さHPLGが大きいと、それに伴い拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さHも大きくなるので、凹み8の深さDが深くなって、接合における位置ずれの最大値sMAXにかかわらず、間隙Gの長い広く開口した凹み8が表面に形成されることになる。その結果、特に接合電極7の数が多いと、接合面積が狭くなり、接合強度が低下する。そこで、接合電極7の厚さHPLGが大きく、凹み8をこれに近い値の深さDに設計すると間隙Gが不要に長くなる場合には、拡散防止絶縁膜5を厚膜化することにより、その分、絶縁層61の厚さDを小さくしてもよい。このような構造により、所望の間隙Gの凹み8を表面に形成することができる。また、拡散防止絶縁膜5の厚膜化により絶縁層61の厚さDを小さくすることで、接合電極7の側面で支持されていない部分での厚さ(HPLG−(H−D))についてアスペクト比を低く抑えることができる。
(Modification 1)
In the first embodiment, an insulating film isotropic etching step S24, the insulating
(変形例2)
第1実施形態においては、配線3の上面にコア部32が露出しているので、絶縁層61の下に拡散防止絶縁膜5を備える2層構造としている。しかし、配線3が、絶縁層4から露出して形成される部分が、絶縁層61を構成するSiO2へ拡散し難い金属材料で形成されていたり、上面にもバリア膜31を備えている場合には、拡散防止絶縁膜5が不要となる。このような配線3Aを備える、第1実施形態の変形例に係る半導体素子基板1Aは、図8に示すように、半導体素子基板1から拡散防止絶縁膜5を取り除き、配線3を配線3Aに替えた構造で、絶縁層61に形成された孔による凹み(ポケット)8の形状等は半導体素子基板1と同様である。このような半導体素子基板1Aは、表面の凹み8の底面に配線3Aが露出している。以下、本変形例に係る半導体素子基板を構成する各要素について、第1実施形態と異なるものについて詳細に説明する。
(Modification 2)
In the first embodiment, since the
配線3Aは、第1実施形態に係る半導体素子基板1の配線3と同様、コンタクト部3c、配線部3iおよびビア3v、ならびにパッド部3pを備える。そして、前記したように、絶縁層4から上面が露出して形成されるパッド部3pや配線部3i2が、絶縁層61へCuを拡散させない構造である。本変形例に係る半導体素子基板1Aにおいてはさらに、配線3Aのパッド部3pが、平面視で、接合電極7よりも大きいだけでなく、凹み8の底面(幅(W+2GB))以上の大きさに設計されることが好ましい。すなわち、パッド部3pの接合電極7からの張出し長さが、GB(≒√[G2−(D/x)2] )以上となるように設計されることが好ましい。パッド部3pの張出し長さが底面の間隙GBよりも小さいと、凹み8が絶縁層61の下の絶縁層4に及び、凹み8がさらに深いと、配線3Aおよびその上の接合電極7が倒れる等の不良を生じる虞があるからである。したがって、絶縁層61の厚さHすなわち深さDに対して、間隙Gの大きい、浅く広い凹み8を形成する場合には、配線3Aのパッド部3pを拡張する。
Similar to the
第1実施形態の変形例に係る半導体素子基板1Aは、図5に示す半導体素子基板1の製造方法の接合部形成工程S20から、拡散防止絶縁膜成膜工程S21と、拡散防止絶縁膜エッチング工程S26を除いて製造することができる。それぞれの工程は、第1実施形態にて説明した通りである。ただし、絶縁膜等方性エッチング工程S24においては、配線3Aの最上層の材料に対する選択比の高いエッチング方法を適用することが好ましい。
The
このように、配線3Aが上側のSiO2膜への拡散防止構造を有することで、いっそう工程を簡略にして製造することができる。
Thus, the process can be further simplified by manufacturing the
第1実施形態の変形例に係る半導体素子基板1Aは、第1実施形態の接合工程S2と同様に、互いに接合電極7が左右対称に配置された2枚で接合して接合型半導体素子10とすることができる。この接合型半導体素子10は、空隙80が絶縁体60の高さ(厚さ)全体に形成された構造となる。また、半導体素子基板1Aは、平面視で、互いに接合電極7が左右対称に配置されていれば、第1実施形態に係る半導体素子基板1と接合することもできる。
Similar to the bonding step S2 of the first embodiment, the
以上のように、本発明の第1実施形態およびその変形例に係る接合型半導体素子によれば、Cu電極を接合部に備え、工程数等を増やすことなく、接合強度を十分に確保しつつ、接合の位置ずれに起因する信頼性低下等の不良を低減することができる。さらに、電極にバリア膜を被覆していないので、接合前において、接触する異種金属(CuとTa,Ti)が共に露出していることによる局所電池効果で生じるガルバニック腐食の虞がなく、保管における環境や期間等の管理が容易である。 As described above, according to the junction-type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and the modification thereof, the Cu electrode is provided at the junction and the junction strength is sufficiently secured without increasing the number of steps and the like. It is possible to reduce defects such as reliability deterioration due to positional deviation of bonding. Furthermore, since the electrode is not coated with the barrier film, there is no risk of galvanic corrosion caused by the local battery effect due to the exposure of both the dissimilar metals (Cu, Ta, Ti) in contact before bonding. Management of environment and period is easy.
〔第2実施形態〕
第1実施形態に係る接合型半導体素子を構成する半導体素子基板は、最表面を被覆するSiO2膜を等方性エッチングで加工していることにより、表面の凹みによる電極周りの間隙がSiO2膜の厚さに依拠し、間隙を広がり過ぎないように抑えるためにはSiO2膜の厚さを小さくすることになる。しかし、表面の平滑化処理等の製造上の観点からSiO2膜の薄膜化には限界があるため、SiO2膜の厚さによらずに凹みの間隙を所望の大きさとすることが好ましい。以下、第2実施形態に係る接合型半導体素子およびこれを構成する半導体素子基板について説明する。第1実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Second Embodiment
In the semiconductor element substrate constituting the junction-type semiconductor element according to the first embodiment, since the SiO 2 film covering the outermost surface is processed by isotropic etching, the gap around the electrode due to the depression of the surface is SiO 2 Depending on the thickness of the film, the thickness of the SiO 2 film should be reduced in order to prevent the gap from expanding too much. However, since there is a limit to thinning of the SiO 2 film from the viewpoint of manufacturing such as surface smoothing processing, it is preferable to set the gap of the recess to a desired size regardless of the thickness of the SiO 2 film. Hereinafter, a junction-type semiconductor device according to the second embodiment and a semiconductor device substrate constituting the same will be described. The same elements as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本発明の第2実施形態に係る接合型半導体素子10Bは、図9に示す接合面近傍以外は、図2に示す第1実施形態に係る接合型半導体素子10と同様の構造である。すなわち、本発明の第2実施形態に係る接合型半導体素子10Bを構成する半導体素子基板(本発明の第2実施形態に係る半導体素子基板)1Bは、図10に示す表面近傍以外は、図2および図3に示す半導体素子基板1と同様の構造である。接合型半導体素子10Bは、絶縁体60の高さ(厚さ)方向における一部の接合面を含む領域に空隙80Bを有し、空隙80Bのそれぞれを上下に貫通するように柱状電極70Bが設けられる。したがって、接合型半導体素子10Bは、柱状電極70Bが空隙80Bの上下にそれぞれ突き出して長く(高く)形成された構造となる。
The junction-
本発明の第2実施形態に係る半導体素子基板1Bは、表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20(図3参照)と、半導体素子構造2に接続する配線3Bと、Si基板20上を被覆して配線3B間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層された拡散防止絶縁膜5と、拡散防止絶縁膜5に積層されて最表面に形成される絶縁層61と、一部の配線3Bの上面に接続して表面に露出する柱状の接合電極7Bと、を備える。半導体素子基板1Bはさらに、上から見て接合電極7Bを囲む環状の凹み(ポケット)8Bが形成されるように、表面に広がって開口した穴が絶縁層61に形成され、それぞれの穴の底面の中央から柱状の接合電極7Bが垂直に突設されている。以下、本実施形態に係る半導体素子基板を構成する各要素について、第1実施形態と異なるものについて詳細に説明する。
The
(配線)
配線3Bは、第1実施形態に係る半導体素子基板1の配線3と同じ構造で、絶縁層4から上面が露出して形成されるパッド部3p等が、コア部32とバリア膜31とを備える。ただし、配線3Bのパッド部3pは、平面視形状が接合電極7Bよりも必ずしも大きくなくてよく、配線3B−接合電極7B間で必要な導通が得られればよく、本実施形態では接合電極7Bよりも少し小さい。
(wiring)
The
(接合電極)
接合電極7Bは、第1実施形態に係る半導体素子基板1の接合電極7と同様、半導体素子基板1Bの表面に露出する柱状の電極で、別の半導体素子基板1B(1,1A)の接合電極7B(7)と接合するために設けられる。接合電極7Bは、Cuからなるプラグ72と、その下(配線3Bと接続する側)のバリア膜71とを備える2層構造である。本実施形態において、バリア膜71は、その上のプラグ72を絶縁層61に接触させないように穴を形成された高さ位置まで持ち上げるために設けられる。したがって、バリア膜71は、絶縁層61を構成するSiO2に拡散し難い金属電極材料で形成される。バリア膜71はさらに、プラグ72との界面近傍で接触している絶縁層61や接合電極7Bの下の絶縁層4へ、プラグ72からCuを拡散させないために、配線3Bのバリア膜31と同様、Ta,TaN,Ti,TiN,TiW等を適用する。また、バリア膜71は、これらの金属膜を2種類以上積層した多層膜としてもよく、プラグ72の側(上)にRu膜を積層した、例えばRu/Tiの2層膜としてもよい。バリア膜71は、Cuの拡散防止効果を十分に発現するために、材料にもよるが、厚さHBRRが少なくとも数〜十数nm程度あればよい。ただし本実施形態に係る半導体素子基板1Bでは、表面の凹み8Bの深さDに基づいて、バリア膜71の厚さ(高さ)HBRRが設計され、HBRR>H−D(H:拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さ)とする。
(Junction electrode)
Similar to the
(絶縁層)
拡散防止絶縁膜5は、第1実施形態にて説明した通りの構造であるが、本実施形態においては特に、Cuの拡散を防止することのできる程度に膜厚がより小さい(薄い)ことが好ましい。
(Insulating layer)
The diffusion preventing insulating
絶縁層61は、第1実施形態と同様に、接合電極7Bを貫通させ、かつ、半導体素子基板1Bの表面に接合電極7Bを囲む凹み8Bを形成する孔が形成されている。詳しくは、絶縁層61には、表面から深さDまでの領域において、上方へ広がって開口するように、断面視で接合電極7Bの側面に1/4円弧(楕円弧を含む)を描く形状の穴が形成されている。穴の深さDは絶縁層61の厚さよりも小さいため、絶縁層61にはさらに、この穴の底面の中央から真下へ、接合電極7Bと同径Wの孔が下面まで穿設されている。したがって、下の径Wの孔は、絶縁層61の下層部分とその下の拡散防止絶縁膜5に連続して形成されている。絶縁層61は、このような構造により、表面から深さDよりも上で接合電極7Bに非接触であり、深さD以下で接合電極7Bの側面に接触している。そして、前記したように、接合電極7Bが下層に厚さHBRR(>H−D)のバリア膜71を設けられているので、絶縁層61が接触する接合電極7Bの部分はバリア膜71のみであり、プラグ72には非接触となる。
As in the first embodiment, the insulating
絶縁層61は、第1実施形態と同様、穴の表面での開口幅(径)を(W+2G)と表したとき、表面における接合電極7Bとの間隙Gは、接合における位置ずれの最大値sMAX等に基づいて設計される。なお、本実施形態においては、間隙Gに対して、穴の深さDが、D≒x×Gとなる。接合電極7Bは、半導体素子基板1Bにおいて、半導体素子基板1の接合電極7と同様、側面で支持されていない部分での高さ(厚さ)(HPLG−(H−D))についてアスペクト比が高過ぎないことが好ましい。そのため、接合電極7Bの径Wにも応じて、穴(凹み8B)の深さDおよび開口幅(W+2G)を設計することが好ましい。
Similarly to the first embodiment, when the opening width (diameter) at the surface of the hole is expressed as (W + 2G), the gap G between the surface and the
半導体素子基板1Bは、接合電極7Bの厚さHPLG(=H+ΔHPLG)に対して表面の凹み8Bの深さDが浅いと、バリア膜71の厚さHBRRが大きくなる。バリア膜71に適用される導電性材料は、プラグ72(Cu)よりも導電性に劣るため、バリア膜71が厚いほど接合電極7Bの導電性が低下することになる。そこで、間隙Gが長過ぎない程度に凹み8Bの深さDを深く設計してバリア膜71の厚膜化を抑制したり、接合電極7Bの径Wを広くして抵抗を低減することが好ましい。あるいは、バリア膜71は、厚さHBRRが大きい場合、3層構造として、配線3B(コア部32)に接触する下層とプラグ72に接触する上層との各数〜十数nmの厚さの部分に、Cuのバリア性の高い材料を選択し、中間層にはW等、Cu以外の比較的導電性の高い材料を設けてもよい。
In the
(半導体素子基板の製造方法)
本発明の第2実施形態に係る半導体素子基板の製造方法について、図11、図12および図13を参照して説明する。なお、図12においては、加工前の膜についても加工後の要素と同じ符号を付して表す。本実施形態に係る半導体素子基板1Bは、Si基板20上に、半導体素子構造2とこれに接続する配線3B、および絶縁層4を形成する半導体素子・配線形成工程S10と、表面を被覆する絶縁層61と表面に露出する接合電極7Bを形成する接合部形成工程S20Aと、を行う(半導体素子製造工程S1)。
(Method of manufacturing semiconductor element substrate)
A method of manufacturing a semiconductor device substrate according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11, 12 and 13. In FIG. 12, the film before processing is also shown with the same reference numeral as the element after processing. The
半導体素子・配線形成工程S10は、配線形成工程S12で形成する配線3Bのパッド部3pの形状以外は第1実施形態で説明した通りである。接合部形成工程S20Aは、拡散防止絶縁膜5を構成する絶縁膜を成膜する拡散防止絶縁膜成膜工程S21と、絶縁層61を構成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S22と、絶縁膜の表面を研磨して平滑化する平滑化工程S23と、接合電極7が形成される領域を空けたレジストマスクPR1を形成するマスク工程S33と、等方性エッチングで絶縁層61の上層を成形する絶縁膜等方性エッチング工程S24Aと、エッチング(異方性エッチング)で絶縁層61の残部を成形する絶縁膜エッチング工程S25と、エッチングで拡散防止絶縁膜5を成形する拡散防止絶縁膜エッチング工程S26と、導電性材料を成膜してバリア膜71を形成するバリア膜成膜工程S31と、Cuを成膜してプラグ72を形成する電極成膜工程S34と、レジストマスクPR1を除去するマスク除去工程(リフトオフ工程)S35と、を行う。すなわち、接合部形成工程S20Aは、第1実施形態の接合部形成工程S20(図5参照)に対して、絶縁膜等方性エッチング工程S24を絶縁膜等方性エッチング工程S24Aと絶縁膜エッチング工程S25の2工程に分けて行い、さらに、電極成膜工程S34の前にバリア膜成膜工程S31を追加する。
The semiconductor element / wiring formation step S10 is as described in the first embodiment except for the shape of the
(絶縁膜エッチング工程、拡散防止絶縁膜エッチング工程)
接合部形成工程S20Aは、マスク工程S33までは第1実施形態の接合部形成工程S20と同様である(図6(a)〜(b)参照)。本実施形態では、絶縁膜等方性エッチング工程S24Aにおいて、図12(a)に示すように、絶縁層61を構成するSiO2膜を等方性エッチングで、絶縁層61の厚さよりも浅く、深さDまでエッチングする。等方性エッチングにより、レジストマスクPR1の空いた領域の直下で、表面に広がって径(W+2G)開口した深さDの穴が形成される。
(Insulating film etching process, diffusion preventing insulating film etching process)
The bonding portion forming step S20A is the same as the bonding portion forming step S20 of the first embodiment up to the mask step S33 (see FIGS. 6A and 6B). In this embodiment, in the insulating film isotropic etching step S24A, as shown in FIG. 12A, the SiO 2 film constituting the insulating
図12(b)に示すように、絶縁膜等方性エッチング工程S24Aで形成された穴の底に残ったSiO2膜を、その下の拡散防止絶縁膜5を構成するSiN膜をエッチングストッパ膜として、RIE等の異方性エッチングで完全に除去して、絶縁層61に成形する(S25)。その後、図12(c)に示すように、露出したSiN膜を異方性エッチングで完全に除去して(S26)、配線3Bおよびその周囲の絶縁層4を露出させる。絶縁膜エッチング工程S25は、拡散防止絶縁膜エッチング工程S26と同様の異方性エッチングで行うことができ、SiO2膜の下の拡散防止絶縁膜5を構成するSiN膜に対する選択比の高いことが好ましい。また、拡散防止絶縁膜エッチング工程S26は、拡散防止絶縁膜5の空いた領域に露出する配線3Bと絶縁層4との境界で段差を生じないように、エッチング量を制御する。
As shown in FIG. 12B, the SiO 2 film left at the bottom of the hole formed in the insulating film isotropic etching step S24A is etched, and the SiN film forming the diffusion preventing insulating
(バリア膜成膜工程、電極成膜工程、マスク除去工程)
Ta等のバリア膜71を構成する導電性材料を成膜して、レジストマスクPR1の空いた領域の直下の径Wの孔およびその直上に厚さHBRRまで埋め込んでバリア膜71をパッド部3p上に形成する(S31)。引き続いて、Cuを成膜して、図13に示すように、バリア膜71の直上に堆積させてプラグ72を形成する(S34)。バリア膜成膜工程S31は、電極成膜工程S34と同様、膜材料の直進性の高い真空蒸着法等を適用し、電極成膜工程S34を連続して行うことができる。その後、レジストマスクPR1をその上のTa膜、Cu膜ごと除去して(S35)、半導体素子基板1Bが得られる。
(Barrier film deposition process, electrode film deposition process, mask removal process)
A conductive material constituting the
このように、接合電極7Bを下にバリア膜71を設けた2層構造とすることで、SiO2からなる絶縁層61の上層にのみ所望の深さDの凹み8Bを形成して、接合電極7BのCu(プラグ72)を絶縁層61に接触させることなく形成することができる。さらに、バリア膜71により、接合電極7BのCuが下の絶縁層4にも接触しない。得られた半導体素子基板1Bは、第1実施形態の接合工程S2と同様に、互いに接合電極7Bが左右対称に配置された2枚で接合して接合型半導体素子10Bとすることができる。また、半導体素子基板1Bは、平面視で、互いに接合電極7が左右対称に配置されていれば、第1実施形態に係る半導体素子基板1,1Aと接合することができる。
Thus, by forming the
(変形例)
第1実施形態の変形例に係る半導体素子基板1A(図8参照)のように、SiO2へ拡散し難い金属材料を最上層に備え、かつ平面視で、接合電極7Bよりも大きな形状に形成されたパッド部3pを備える配線3Aであれば、拡散防止絶縁膜5が不要である。すなわち、その製造方法の接合部形成工程S20Aにおいて、拡散防止絶縁膜成膜工程S21および拡散防止絶縁膜エッチング工程S26を行わない。
(Modification)
As in the
2層構造の接合電極7Bは、第1実施形態に係る半導体素子基板1,1A(図3、図8参照)に設けられてもよい。バリア膜71を拡散防止絶縁膜5よりも厚く形成することにより、凹み8の底面における間隙の長さGBにマージンが十分になくても(GB≒0)、Cu(プラグ72)が絶縁層61に接触しない。また、前記したように、バリア膜71によりCu(プラグ72)が下の絶縁層4に接触しないので、接合電極7Bは、半導体素子基板1,1Aにおいても、平面視でパッド部3pの小さい配線3Bを備える場合に設けられる。この場合には、バリア膜71の厚さを拡散防止絶縁膜5よりも小さくして、バリア膜71を露出させないことが好ましい(図22(b)参照)。
The
以上のように、本発明の第2実施形態およびその変形例に係る接合型半導体素子によれば、第1実施形態と同様に、Cu電極を接合部に備え、工程数等を増やすことなく、接合強度を十分に確保しつつ、接合の位置ずれに起因する信頼性低下等の不良を低減することができる。 As described above, according to the junction-type semiconductor device according to the second embodiment of the present invention and the modification thereof, as in the first embodiment, the Cu electrode is provided in the junction and the number of steps is not increased. It is possible to reduce defects such as reliability decrease due to misalignment of the bonding while securing sufficient bonding strength.
〔第1、第2実施形態の共通の変形例〕
(変形例1)
接合型半導体素子10,10Bは、柱状電極70が、少なくとも接合部(接合面を含む部分)においてAuで形成されていてもよい。すなわち、半導体素子基板1,1A,1B(以下、適宜まとめて、半導体素子基板1と表し、その構成要素もまとめて表す)は、接合電極7のプラグ72が、Cuに代えてAuからなる、あるいは原料コストの観点等から、Cu層の上にAu膜を積層して備える(図示せず)。接合電極7が表面にのみAu膜を備える場合には、電極成膜工程S34でCuを成膜した後にAuを成膜すればよく、真空蒸着法による成膜を継続してAuに切り替えればよい。あるいは、無電解めっきにより、接合電極7の絶縁層61に接触していない部分をAu膜が被覆してもよい。ただし、AuはCuを相互拡散により伝播させるので、接合電極7の側面を被覆するAu膜が凹み8の内壁の絶縁層61に到達しないように構成する。なお、接合される一組の半導体素子基板11,12の一方のみの接合電極7が表面にAuを備えて、AuとCuとが接合されてもよい。
Common Modification of First and Second Embodiments
(Modification 1)
In each of the junction-
(変形例2)
接合型半導体素子10は、これを構成する一組の半導体素子基板11,12の一方が、接合電極7が絶縁層61の表面から突出して厚く(ΔHPLG1>0)、他方が、接合電極7が絶縁層61の表面よりも低く(ΔHPLG2<0)、それぞれ形成されていてもよい(図示せず)。このとき、ΔHPLG1≧−ΔHPLG2となるように、接合電極7,7のそれぞれの厚さHPLG1,HPLG2が設計される。このような半導体素子基板11,12を接合してなる接合型半導体素子10は、絶縁体60(絶縁層61,61)と柱状電極70(接合電極7,7)とで接合面の高さ位置が異なる。
(Modification 2)
In the junction-
〔第3実施形態〕
第1、第2実施形態に係る接合型半導体素子を構成する、表面に凹みを形成された半導体素子基板は、接合電極を成膜速度の遅い真空蒸着法で形成するために、厚く設けようとすると生産性が低下する上、接合に好適な表面粗さに形成することが困難になる。以下、第3実施形態に係る接合型半導体素子およびこれを構成する半導体素子基板について説明する。第1、第2実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Third Embodiment
The semiconductor element substrate of the junction type semiconductor element according to the first and second embodiments, in which the recess is formed on the surface, is thickly provided in order to form the junction electrode by a vacuum deposition method with a low deposition rate. This lowers productivity and makes it difficult to form a surface roughness suitable for bonding. Hereinafter, a junction-type semiconductor device according to the third embodiment and a semiconductor device substrate constituting the same will be described. The same elements as those in the first and second embodiments are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.
本発明の第3実施形態に係る接合型半導体素子10Cは、図9に示す第2実施形態に係る接合型半導体素子10Bと類似した構造であり、図14に示す接合面近傍以外は、図2に示す第1実施形態に係る接合型半導体素子10と同様の構造である。すなわち、本発明の第3実施形態に係る接合型半導体素子10Cを構成する半導体素子基板(本発明の第3実施形態に係る半導体素子基板)1Cは、図15に示す表面近傍以外は、図2および図3に示す半導体素子基板1と同様の構造である。接合型半導体素子10Cは、絶縁体60の高さ(厚さ)方向における一部の接合面を含む領域に、断面形状が矩形の空隙80Cを有し、柱状電極70Cが空隙80Cの上下にそれぞれ突き出して長く(高く)形成された構造である。
The junction-type semiconductor device 10C according to the third embodiment of the present invention has a structure similar to that of the junction-
本発明の第3実施形態に係る半導体素子基板1Cは、表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20(図3参照)と、半導体素子構造2に接続する配線3Bと、Si基板20上を被覆して配線3B間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層された拡散防止絶縁膜5と、拡散防止絶縁膜5に積層されて最表面に形成される絶縁層61と、一部の配線3Bの上面に接続して表面に露出する柱状の接合電極7Cと、を備える。半導体素子基板1Cはさらに、上から見て接合電極7Cを囲む環状の凹み(ポケット)8Cが形成されるように、表面に開口して内壁が垂直な穴が絶縁層61に形成され、それぞれの穴の底面の中央から柱状の接合電極7Cが垂直に突設されている。以下、本実施形態に係る半導体素子基板を構成する各要素について、第1、第2実施形態と異なるものについて詳細に説明する。
A
(配線)
配線3Bは、第2実施形態に係る半導体素子基板1Bの配線3Bと同じ構造である。ただし、本実施形態において、パッド部3pの上面は、特に平滑としなくてよい。
(wiring)
The
(接合電極)
接合電極7Cは、第1実施形態に係る半導体素子基板1の接合電極7と同様、半導体素子基板1Cの表面に露出する柱状の電極で、別の半導体素子基板1C等の接合電極7(7B,7C)と接合するために設けられる。接合電極7Cは、Cuからなるプラグ72と、上面以外(下面と側面)を被覆するバリア膜71とを備える。本実施形態において、バリア膜71は、絶縁層61および接合電極7Cの下の絶縁層4へ、プラグ72からCuを拡散させないために設けられる。バリア膜71を構成する導電性材料は、第2実施形態にて説明した通りである。接合電極7Cにおいて、バリア膜71は、主に最薄となり易い側面において、Cuの拡散を防止することのできる膜厚に形成され、材料にもよるが、少なくとも数〜十数nm程度とすることが好ましい。バリア膜71は一方で、膜厚が厚いと低抵抗のプラグ72の占める割合が低下し、接合電極7Cの導電性が低下するので、不要に厚くないことが好ましい。具体的には、バリア膜71は、側面における膜厚が接合電極7Cの径(または幅)Wの0.146倍以上になると、面内方向における断面積が1/2を超えるため、それよりも薄いことが好ましい。
(Junction electrode)
Similar to the
(絶縁層)
拡散防止絶縁膜5は、第2実施形態と同様の構造である。絶縁層61は、第1、第2実施形態と同様に、接合電極7Cを貫通させ、かつ、半導体素子基板1Cの表面に接合電極7Cを囲む凹み8Cを形成する孔が形成されている。詳しくは、絶縁層61には、表面から深さDまでの領域において、一定の幅(径)(W+2G)の垂直な穴が形成されている。穴の深さDは、絶縁層61の厚さ以下であり、ここでは絶縁層61の厚さよりも小さい。そのため、絶縁層61には、穴の底面の中央から真下へ、接合電極7Cと同径Wの孔が下面まで穿設されている。
(Insulating layer)
The diffusion preventing insulating
半導体素子基板1Cは、接合電極7Cの周囲に絶縁層61のない凹み8Cを表面に形成されていることにより、絶縁層61が、位置ずれを有して接合される別の半導体素子基板1Cの接合電極7Cの接合面(上面)に露出したプラグ72に接触することがない。そのために、凹み8Cによる絶縁層61と接合電極7Cとの間隙Gが、接合における位置ずれの最大値sMAX超(G>sMAX)であればよく、例えばsMAX=0.4Wの場合には、マージンを含めてG≧0.5Wに設定することができる。また、凹み8Cの深さDは、接合される別の半導体素子基板1Cの接合電極7Cの上面との距離が0超、すなわちD>ΔHPLGで、さらに十分なマージンを有するように、D≧ΔHPLG+50nmとすることが好ましい。一方、接合電極7Cは、半導体素子基板1Cにおいて、半導体素子基板1の接合電極7等と同様、側面で支持されていない部分での高さ(厚さ)(HPLG−(H−D))についてアスペクト比が高過ぎないことが好ましい。本実施形態に係る半導体素子基板1Cにおいては、後記製造方法により、凹み8Cの間隙Gと深さDとを互いに独立した値に設計することができる。
The
〔半導体素子基板の製造方法〕
本発明の第3実施形態に係る半導体素子基板の製造方法について、図16、図17および図18を参照して説明する。なお、図17および図18においては、加工前の膜についても加工後の要素と同じ符号を付して表す。本実施形態に係る半導体素子基板1Cは、Si基板20上に、半導体素子構造2とこれに接続する配線3B、および絶縁層4を形成する半導体素子・配線形成工程S10と、絶縁膜を表面に被覆して接合電極7Cの形状の孔を形成する絶縁層形成工程S20Bと、前記孔の内部に接合電極7Cを形成する電極形成工程S30と、表面に凹み8Cを形成する接合部形成工程S40と、を行う(半導体素子製造工程S1)。
[Method of Manufacturing Semiconductor Device Substrate]
A method of manufacturing a semiconductor device substrate according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16, 17 and 18. In FIG. 17 and FIG. 18, the film before processing is represented by the same reference numeral as the element after processing. The
半導体素子・配線形成工程S10は、第1、第2実施形態で説明した通りである。また、絶縁層形成工程S20Bから電極形成工程S30までは、公知のダマシン法によるCu配線の形成方法である。絶縁層形成工程S20Bは、拡散防止絶縁膜5を構成する絶縁膜を成膜する拡散防止絶縁膜成膜工程S21と、絶縁層61を構成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S22と、接合電極7Cが形成される領域を空けたレジストマスクPR1を形成するマスク工程S33と、絶縁層61をエッチングする絶縁膜エッチング工程S25と、拡散防止絶縁膜5をエッチングする拡散防止絶縁膜エッチング工程S26と、レジストマスクPR1を除去するマスク除去工程S35と、を行う。電極形成工程S30は、金属材料を成膜してバリア膜71を形成するバリア膜成膜工程S31Aと、Cuを成膜してめっきのためのシード層72sを形成するシード層成膜工程S32と、Cuをめっきする電極成膜工程S34Aと、表面を研削、研磨して絶縁膜(絶縁層61)および接合電極7Bの上面を平滑化する平滑化工程S23Aと、を行う。接合部形成工程S40は、接合電極7Bが露出している領域およびその周囲を空けたレジストマスクPR2を形成するマスク工程S27と、絶縁層61を所定の深さまでエッチングする絶縁膜エッチング工程S24Bと、レジストマスクPR2を除去するマスク除去工程S28と、を行う。
The semiconductor element / wiring formation step S10 is as described in the first and second embodiments. In addition, the insulating layer formation step S20B to the electrode formation step S30 are a method of forming a Cu wiring by a known damascene method. In the insulating layer forming step S20B, a diffusion preventing insulating film forming step S21 for forming an insulating film forming the diffusion preventing insulating
(拡散防止絶縁膜成膜工程、絶縁膜成膜工程、マスク工程)
配線3Bおよび絶縁層4を形成したSi基板20上に、第1実施形態と同様に、CVD法等で、拡散防止絶縁膜5を構成するSiN膜を所定の厚さに成膜し(S21)、引き続いて、絶縁層61を構成するSiO2膜を、前記SiN膜との合計で厚さH超に成膜する(S22)。そして、図17(a)に示すように、SiO2膜上に、接合電極7Cが形成される径Wの領域を空けたレジストマスクPR1を形成する(S33)。
(Diffusion prevention insulating film deposition process, insulating film deposition process, mask process)
On the
(絶縁膜エッチング工程、拡散防止絶縁膜エッチング工程、マスク除去工程)
第2実施形態に係る半導体素子基板の製造方法の接合部形成工程S20Aと同様に、SiO2膜を、その下の拡散防止絶縁膜5を構成するSiN膜をエッチングストッパ膜として異方性エッチングで完全に除去する(S25)。本実施形態では、SiO2膜(絶縁層61)の厚さ方向全体を異方性エッチングで加工する。次に、露出したSiN膜を異方性エッチングで完全に除去して(S26)、配線3Bおよびその周囲の絶縁層4を露出させる。その後、図17(b)に示すように、レジストマスクPR1を除去する(S35)。これにより、絶縁層61および拡散防止絶縁膜5に、径Wの垂直な孔が形成される。
(Insulating film etching process, diffusion preventing insulating film etching process, mask removal process)
Similar to the bonding portion forming step S20A in the method of manufacturing the semiconductor element substrate according to the second embodiment, the SiO 2 film is anisotropically etched using the SiN film forming the diffusion preventing insulating
(バリア膜成膜工程、シード層成膜工程)
Ta等のバリア膜71を構成する導電性材料を成膜して、絶縁層61および拡散防止絶縁膜5の孔の内壁等も含めた全面に、バリア膜71を所定の厚さに成膜する(S31A)。引き続いて、シード層72sを構成する金属材料を成膜して、図17(c)に示すように、バリア膜71上にシード層72sを積層する。バリア膜成膜工程S31Aは垂直な面上にも成膜し易く、また、シード層成膜工程S32はバリア膜71の表面全体を被覆するように、それぞれスパッタ法等を適用し、連続して行うことができる。シード層72sは、プラグ72の一部で、Cuのめっきのシード層となるものであり、例えばCuで形成される。また、シード層72sの膜厚は、後続の電極成膜工程S34Aで、Cuめっき膜が絶縁層61および拡散防止絶縁膜5の孔全体に埋め込まれるように、孔の径(接合電極7Bの径W)と深さのアスペクト比等に応じて設計される。
(Barrier film deposition process, seed layer deposition process)
A conductive material constituting the
(電極成膜工程、平滑化工程)
図17(d)に示すように、Cuをめっきにより絶縁層61および拡散防止絶縁膜5の孔に埋め込む(S34A)。めっきは、電解めっきや無電解めっきを適用することができる。その後、CMP法により、表面のCu膜、Ta膜を順次研削してその下のSiO2膜(絶縁層61)を露出させる。図18(a)に示すように、さらに研磨して、接合電極7Cを厚さHPLGとし、かつ所定の表面粗さに平滑化し、また、絶縁層61の表面を研磨して、拡散防止絶縁膜5との合計厚さHとし、かつ所定の表面粗さに平滑化する(S23A)。拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さHと接合電極7Cの厚さHPLGは、CMPのスラリの成分や研磨パッド等によって個別に制御することができる。
(Electrode deposition process, smoothing process)
As shown in FIG. 17D, Cu is embedded in the holes of the insulating
(マスク工程、絶縁膜エッチング工程、マスク除去工程)
図18(b)に示すように、接合電極7Cが露出した領域上に、径(W+2G)の領域を空けたレジストマスクPR2を形成する(S27)。図18(c)に示すように、絶縁膜エッチング工程S25と同様に、異方性エッチングでSiO2膜のみを深さDまでエッチングして、絶縁層61を成形する(S24B)。異方性エッチングは、接合電極7C、特にプラグ72を構成するCuに対する選択比の高い、Cuをまったくエッチングしない方法が好ましい。その後、レジストマスクPR2を除去して(S28)、半導体素子基板1Cが得られる。
(Mask process, insulating film etching process, mask removal process)
As shown in FIG. 18B, a resist mask PR2 in which a region of diameter (W + 2G) is opened is formed on the region where the
このように、絶縁層61を2回に分けて加工することにより、バリア膜付きの所望の厚さHPLGの接合電極7Cを備え、所望の間隙Gと深さDの凹み8Cが表面に形成された半導体素子基板1Cが得られる。なお、レジストマスクPR2は、接合電極7Cが露出した領域をさらに覆う、すなわち接合電極7Cが露出した領域の周囲のみを覆う環型に空いたパターンでもよい。このようなレジストマスクPR2は、位置合わせ(アライメント)のずれで接合電極7Cのすぐ外側を被覆して、表面近傍で接合電極7Cの側面にSiO2膜(絶縁層61)を残すことのないように、接合電極7Cが露出した径Wの領域よりも一回り小さな領域を覆うことが好ましい。得られた半導体素子基板1Cは、第1実施形態の接合工程S2と同様に、互いに接合電極7Cが左右対称に配置された2枚で接合して接合型半導体素子10Cとすることができる。また、半導体素子基板1Cは、平面視で、互いに接合電極7(7B,7C)が左右対称に配置されていれば、第1、第2実施形態に係る半導体素子基板1,1A,1Bと接合することができる。
Thus, by processing the insulating
(変形例1)
第1実施形態の変形例に係る半導体素子基板1A(図8参照)のように、SiO2へ拡散し難い金属材料を最上層に備え、かつ平面視で、接合電極7Cよりも大きな形状に形成されたパッド部3pを備える配線3Aであれば、拡散防止絶縁膜5が不要である。すなわち、その製造方法の絶縁層形成工程S20Bにおいて、拡散防止絶縁膜成膜工程S21および拡散防止絶縁膜エッチング工程S26を行わない。
(Modification 1)
As in a
(変形例2)
第3実施形態に係る半導体素子基板1Cにおいては、レジストマスクPR2のパターン形状次第で、表面の凹み8Cを、接合電極7Cの寸法と独立した所望の平面視形状に形成することができる。したがって、半導体素子基板1Cは、接合面積を確保することのできる程度に、隣り合う2以上の接合電極7Cを内包する1つの凹みを形成してもよい。さらに、図19に示すように、凹みを、配列されている接合電極7Cを1列ないし複数列ずつまとめて連結させた溝状の凹み8Dに形成し、その両端または一端をウェハまたはチップの端まで延設してもよい。このような溝状の凹み8Dを表面に形成された半導体素子基板1Dを接合した接合型半導体素子10C(図示省略)は、形成された空隙80Cが端面で開口し、閉じた空間にならないので、接合後にこの空隙80Cに不活性ガスや樹脂等を封入すればよく、大気雰囲気で接合することができる。また、半導体素子基板1Dは、半導体素子基板1C、または第1、第2実施形態に係る半導体素子基板1,1A,1Bと接合しても、同様に空隙80Cが閉じた空間にならずに端面で開口するので、大気雰囲気で接合することができる。
(Modification 2)
In the
(変形例3)
第3実施形態においては、絶縁膜エッチング工程S24Bを等方性エッチングで行って、表面に凹みを形成することもできる。マスク工程S27で、図20に示すように、径(W+2G0)の領域を空けたレジストマスクPR2Aを形成する(0<G0<G)。G0の値は特に規定されないが、レジストマスクPR2Aのアライメントのずれも含めて、平面視で接合電極7Cの周囲が全周にわたって確実に空くように設計する。本変形例に係る半導体素子基板1Eは、図10に示す第2実施形態に係る半導体素子基板1Bのように、断面視で接合電極7Cの側面に1/4円弧(楕円弧を含む)を描く形状の穴が絶縁層61に形成されて、表面に広がって開口した凹み8Aが形成され、深さDが、D≒x×(G−G0)となる(x:絶縁層61の等方性エッチングのエッチングファクター)。また、表面における凹み8Aの間隙Gが、接合における位置ずれの最大値sMAXに基づいて、√[(G−G0)2−(ΔHPLG/x)2]>sMAXに設計される。なお、半導体素子基板1Eは、凹み8Aの形状以外は、第3実施形態に係る半導体素子基板1Cと同様の構造である。等方性エッチングで絶縁層61を成形することで、使用するレジストマスクPR2AがレジストマスクPR1に近い形状になり、レジストマスクPR1を形成するためのレチクル(フォトマスク)を、露光条件等を変えて流用し得る。
(Modification 3)
In the third embodiment, the insulating film etching step S24B may be performed by isotropic etching to form a recess on the surface. In the mask step S27, as shown in FIG. 20, a resist mask PR2A in which a region of diameter (W + 2G 0 ) is left is formed (0 <G 0 <G). Although the value of G 0 is not particularly defined, it is designed to ensure that the periphery of the
以上のように、本発明の第3実施形態およびその変形例に係る接合型半導体素子によれば、所望の厚さおよびアスペクト比で、表面粗さの小さなCu電極を生産性よく形成しつつ、第1、第2実施形態と同様に、接合強度を十分に確保しつつ、接合の位置ずれに起因する信頼性低下等の不良を低減することができる。 As described above, according to the junction-type semiconductor device according to the third embodiment of the present invention and the modification thereof, a Cu electrode with a small surface roughness is formed with high productivity with desired thickness and aspect ratio. Similar to the first and second embodiments, it is possible to reduce defects such as reliability decrease due to misalignment of the junction while securing sufficient bonding strength.
〔第4実施形態〕
第1、第2実施形態の共通の変形例として説明したように、本発明に係る接合型半導体素子は、絶縁体と柱状電極とで接合面の高さ位置が異なっていてもよい。このような接合型半導体素子を構成する一組の半導体素子基板の一方は、接合電極を突出させて表面に凹みのない構造とすることもできる。以下、第4実施形態に係る接合型半導体素子およびこれを構成する半導体素子基板について説明する。第1、第2、第3実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Fourth Embodiment
As described as a common modification of the first and second embodiments, in the junction-type semiconductor device according to the present invention, the height position of the junction surface may be different between the insulator and the columnar electrode. One of the pair of semiconductor element substrates constituting such a junction-type semiconductor element can have a structure in which the junction electrode is made to protrude and the surface is not dented. Hereinafter, a junction-type semiconductor device according to the fourth embodiment and a semiconductor device substrate constituting the same will be described. The same elements as those in the first, second, and third embodiments are given the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
本発明の第4実施形態に係る接合型半導体素子10Eは、図21に示す接合面近傍以外は、図2に示す第1実施形態に係る接合型半導体素子10と同様の構造である。接合型半導体素子10Eは、絶縁体60の高さ(厚さ)方向における一部の接合面を含む領域に空隙80Eを有し、空隙80Eのそれぞれを上下に貫通するように柱状電極70Eが設けられる。詳しくは、空隙80Eは、絶縁体60の下側の約半分の領域に設けられ、断面形状が、図2に示す第1実施形態に係る接合型半導体素子10の空隙80の下半分と同じ形状である。したがって、柱状電極70Eが空隙80Eの上側により長く(高く)突き出されている。接合型半導体素子10Eは、接合面の高さ位置が、図21に一点鎖線で示すように、絶縁体60においては空隙80Eの上端であり、柱状電極70Eにおいてはそれよりも下方の空隙80Eの中間位置である。本発明の第4実施形態に係る接合型半導体素子10Eを構成する一組の半導体素子基板(本発明の第4実施形態に係る半導体素子基板)1F,1Gは、図22(a)、(b)に示す、絶縁体60および柱状電極70Eを構成する表面近傍の構造が互いに異なり、それ以外は、図2および図3に示す半導体素子基板1と同様の構造である。以下、本実施形態に係る接合型半導体素子を構成する各要素について、第1、第2、第3実施形態と異なるものについて詳細に説明する。
The junction-
半導体素子基板1Fは、表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20(図3参照)と、半導体素子構造2に接続する配線3Bと、Si基板20上を被覆して配線3B間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層された拡散防止絶縁膜5と、拡散防止絶縁膜5に積層されて最表面に形成される絶縁層61と、一部の配線3Bの上面に接続して表面に突出して露出する柱状の接合電極7Cと、を備える。すなわち、半導体素子基板1Fは、図15に示す第3実施形態に係る半導体素子基板1Cに対して、表面に凹み8Cがなく、接合電極7Cが周囲(絶縁層61)よりも高く突出した構造である。
The
絶縁層61は、接合電極7Cを貫通させる接合電極7Cと同径Wの孔が形成されている以外は平坦で、表面がハイブリッド接合に好適となるように平滑である。接合電極7Cは、第3実施形態にて説明した通り、プラグ72と、上面以外を被覆するバリア膜71とを備える。半導体素子基板1Fにおいては、接合電極7Cは、厚さHPLG1が拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さH1よりも十分に大きく形成される(ΔHPLG1=HPLG1−H1>0)。接合電極7Cの突出高さΔHPLG1は、具体的には20nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。本実施形態において、接合電極7Cの突出高さΔHPLG1は、後記するように、接合電極7Cがダマシン法で形成される際のCMPによる接合電極7C(Cu)と絶縁層61(SiO2)のそれぞれの研磨によって調整される。
The insulating
半導体素子基板1Gは、表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20(図3参照)と、半導体素子構造2に接続する配線3Bと、Si基板20上を被覆して配線3B間を絶縁する絶縁層4と、絶縁層4上に積層された拡散防止絶縁膜5と、拡散防止絶縁膜5に積層されて最表面に形成される絶縁層61と、一部の配線3Bの上面に接続して表面に露出する柱状の接合電極7Bと、を備え、表面に凹み(ポケット)8が形成されている。すなわち、半導体素子基板1Gは、図3に示す第1実施形態に係る半導体素子基板1に対して、接合電極7(プラグ72)の下にバリア膜71を設けた接合電極7Bとし、絶縁層61の上面よりも低く形成した構造である。
The
絶縁層61の構造および表面の凹み8の形状は、第1実施形態にて説明した通りであるが、本実施形態においては、絶縁層61の表面における接合電極7Bとの間隙Gは、接合における位置ずれの最大値sMAX、半導体素子基板1Fの接合電極7Cの突出高さΔHPLG1に基づいて、√[G2−(ΔHPLG1/x)2]>sMAXに設計される(x:絶縁層61の等方性エッチングのエッチングファクター)。このマージン(√[G2−(ΔHPLG1/x)2]−sMAX)は、第1実施形態と同様、20nm以上に設計されることが好ましく、50nm以上に設計されることがより好ましい。接合電極7Bは、その下の絶縁層4へプラグ72からCuを拡散させないために、バリア膜71を備えた構造である。半導体素子基板1Gにおいては、接合電極7Bは、厚さHPLG2が拡散防止絶縁膜5と絶縁層61の合計の厚さH2よりも小さく形成され(ΔHPLG2=HPLG2−H2<0)、その差(接合電極7Bのマイナス方向への突出高さ)ΔHPLG2は、絶対値で半導体素子基板1Fの接合電極7Cの突出高さΔHPLG1と一致、または僅かな差で小さく、この差を5〜10nmの範囲とすることが好ましい(ΔHPLG1≧−ΔHPLG2、ΔHPLG1−(−ΔHPLG2)=5〜10nm)。さらに、接合電極7Bの突出高さΔHPLG2は、絶対値で20nm以上(ΔHPLG2≦−20nm)であることが好ましく、40nm以上であることがより好ましい。本実施形態において、接合電極7Bの突出高さΔHPLG2は、後記するように、接合電極7Bを構成する電極材料の成膜厚さによって調整される。
The structure of the insulating
〔接合型半導体素子の製造方法〕
半導体素子基板1Fは、図16、図17および図18(a)に示す第3実施形態に係る半導体素子基板の製造方法における絶縁層形成工程S20Bから電極形成工程S30までの工程によって、すなわち公知のダマシン法により製造することができる。本実施形態においては、最後の平滑化工程S23Aにおいて、絶縁層61(SiO2膜)を接合電極7C(プラグ72(Cu)、バリア膜71)よりも深く研磨して、接合電極7Cを突出させる。半導体素子基板1Gは、図11、図12および図13に示す第2実施形態に係る半導体素子基板の製造方法において、絶縁膜エッチング工程S24A,S25に代えて図6(c)に示す第1実施形態の絶縁膜等方性エッチング工程S24を行って、等方性エッチングのみで絶縁層61を加工して製造することができる。また、本実施形態においては、電極成膜工程S34で、プラグ72を形成するCuの厚さを抑える。そして、得られた半導体素子基板1F,1Gは、第1実施形態の接合工程S2と同様に接合して接合型半導体素子10Eとすることができる。
[Method of manufacturing junction type semiconductor device]
The
このように、半導体素子基板1Fは、表面に突出させた接合電極7Cを、第3実施形態のように厚膜化し易いダマシン法で形成することにより、公知のCu配線の形成方法から工程等を増やすことなく製造することができる。反対に、接合電極7Bの厚さの小さい半導体素子基板1Gは、第1、第2実施形態と同様に、接合電極7Bを形成するためのレジストマスクPR1で凹みを形成することができ、また、接合電極7Bの厚さが小さいので、成膜速度の遅い真空蒸着法でも生産性が低下せず、接合電極7Bを所望の表面粗さに形成し易い。
As described above, the
(変形例)
半導体素子基板1Gは、拡散防止絶縁膜5およびバリア膜71を備える構造としたが、第1、第2実施形態およびその変形例にて説明したように、それぞれ、配線3(3A,3B)のパッド部3pの平面視形状および材料によっては設けなくてもよい。また、半導体素子基板1Gは、半導体素子基板1Fのように、第3実施形態に係る半導体素子基板1Cと同じ方法で、平滑化工程S23Aにおいて接合電極7Cの方をより深く研磨して製造してもよい。さらにこの場合、第3実施形態の変形例(図19参照)として説明したように、表面の凹みを溝状に形成して、空隙が端面に開口した接合型半導体素子とすることができる。
(Modification)
Although the
バリア膜71付きの接合電極7Cを備える半導体素子基板1Fに代えて、図22(c)に示すように、パッド部3pが接合電極7よりも大きい配線3を備え、平滑な絶縁層4Aとすることで、絶縁層61を設けずに、Cu(プラグ72)のみからなる接合電極7を備える半導体素子基板1Hを、接合型半導体素子10Eを構成する一組の一方とすることもできる。このような半導体素子基板1Hは、幅(径)W2(>W)のパッド部3pのコア部32が接合面に露出しているため、接合される半導体素子基板1Gは、表面の凹みの開口幅(W+2G)の間隙Gを、G’(=G−(W2−W)/2)に置き換えた√[G’2−(ΔHPLG1/x)2]>sMAXから設計される。また、ΔHPLG1=HPLG1である。
Instead of the
半導体素子基板1Hは、第1実施形態に係る半導体素子基板の製造方法における半導体素子・配線形成工程S10の最後に、CMP法で絶縁層4Aおよびパッド部3pを接合に好適な平滑な表面に形成して製造することができる。そしてその次に、接合電極7が形成される領域を空けたレジストマスクPR1を形成するマスク工程S33を行い、その上からCuを成膜する電極成膜工程S34を行い、レジストマスクPR1をその上のCu膜ごと除去するマスク除去工程S35を行う。電極成膜工程S34は、下地であるパッド部3pの表面の平滑性が確保される方法であればよい。あるいは、パッド部3pのコア部32をシード層としてめっきで接合電極7(プラグ72)を形成して、その後、表面(上面)を研磨してもよい。半導体素子基板1Hは、半導体素子基板1Fのように、CMP法で接合電極7(7C)を突出させないので、接合電極7の突出高さΔHPLG1(=HPLG1)を高く形成することが容易である。
The
以上のように、本発明の第4実施形態およびその変形例に係る接合型半導体素子によれば、構成する一組の半導体素子の一方のみに凹みを形成することにより、第1、第2実施形態と同様に、接合強度を十分に確保しつつ、接合の位置ずれに起因する信頼性低下等の不良を低減することができる。 As described above, according to the junction-type semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention and the modification thereof, the first and second embodiments can be implemented by forming a recess only in one of a pair of semiconductor devices to be configured. Similar to the embodiment, it is possible to reduce defects such as reliability decrease due to misalignment of the bonding while securing sufficient bonding strength.
〔第5実施形態〕
第1〜第4実施形態に係る接合型半導体素子は、いずれもSi基板の表側同士を対面させたFace−to−Face接合であるが、Face−to−Back接合に適用することもできる。以下、第5実施形態に係る接合型半導体素子およびこれを構成する半導体素子基板について説明する。第1〜第4実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Fifth Embodiment
The junction-type semiconductor devices according to the first to fourth embodiments are face-to-face junctions in which the front sides of the Si substrates face each other, but can be applied to face-to-back junctions. Hereinafter, a junction-type semiconductor device according to the fifth embodiment and a semiconductor device substrate constituting the same will be described. The same elements as those in the first to fourth embodiments are given the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
本発明の第5実施形態に係る接合型半導体素子10Fは、図23に示すように、それぞれが表層に半導体素子構造2を形成されたSi基板20を備える3枚の半導体素子基板11,13,12を下から順に積層して備える。半導体素子基板12と半導体素子基板13は、図2に示す接合型半導体素子10と同様に、それぞれのSi基板20の半導体素子構造2を形成した側同士が対面するように、表面(上面)同士で接合する(Face−to−Face接合)。一方、半導体素子基板11と半導体素子基板13は、半導体素子基板11の表面と半導体素子基板13の裏面とが接合する(Face−to−Back接合)。最上層、最下層の半導体素子基板12,11の構造は、第1実施形態に係る半導体素子基板1と同様である。以下、半導体素子基板13(1I)について説明する。第1〜第4実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
The junction-
本発明の第5実施形態に係る半導体素子基板1Iは、図24に示す、裏面側(図中、上向き)の接合面近傍以外は図2および図3に示す半導体素子基板1と同様の構造である。すなわち、半導体素子基板1Iは、半導体素子基板1にさらに、貫通電極7Fと、裏面側絶縁層62と、貫通孔側壁絶縁層63と、を備える。半導体素子基板1Iはさらに、裏面に開口して貫通電極7Fを囲む内壁が垂直な凹み(ポケット)8Fが形成されるように、裏面側絶縁層62および貫通孔側壁絶縁層63に穴が形成され、それぞれの穴の底面の中央から柱状の貫通電極7Fが垂直に突設されている。凹み8Fは、図15に示す第3実施形態に係る半導体素子基板1Cの凹み8Cと同様の形状である。また、半導体素子基板1Iにおいては、Si基板20が裏面から研削されて薄型化されている。
The
(貫通電極)
貫通電極7Fは、積層型半導体素子に適用されるSi貫通ビア(TSV:through-silicon via)であり、裏面からSi基板20を貫通して配線3に接続する。貫通電極7Fは、第3実施形態に係る半導体素子基板1Cの接合電極7Cと同様、Cuからなるプラグ72と、側面、さらに上面(配線3側)を被覆するバリア膜71とを備える。
(Through electrode)
The through
(貫通孔側壁絶縁層)
貫通孔側壁絶縁層63は、貫通電極7FとSi基板20のSi部分とを絶縁するために、貫通電極7Fの側面を被覆するように設けられる。貫通孔側壁絶縁層63は、後記の裏面側絶縁層62と同時にエッチング可能な絶縁材料を適用し、同じ絶縁材料を適用することが好ましい。
(Through-hole sidewall insulating layer)
The through hole side
(裏面側絶縁層)
裏面側絶縁層62は、絶縁層61と同様に、ハイブリッド接合に好適となるように表面が平滑であり、そのために、SiO2,SiOC等のSi酸化物またはこれを基とするSi化合物で形成される。また、裏面側絶縁層62は、半導体素子基板1Iの裏面に凹み8Fが形成されるように、第3実施形態に係る半導体素子基板1Cの絶縁層61と同様の形状の穴が形成されている。
(Back side insulation layer)
Like the insulating
〔半導体素子基板の製造方法〕
本発明の第5実施形態に係る半導体素子基板の製造方法について、図25、図26および図27を参照して説明する。なお、図26および図27においては、加工前の膜についても加工後の要素と同じ符号を付して表す。本実施形態に係る半導体素子基板1I(13)は、第1実施形態に係る半導体素子基板1を製造した(半導体素子製造工程S1)後、あるいはさらに表側を半導体素子基板1(11)と接合した(接合工程S2)後に、半導体素子基板1の裏面を研削してSi基板20を薄型化するバックグラインディング工程S51と、絶縁膜を裏面に被覆して貫通電極7Fの形状の孔を形成する裏面側絶縁層形成工程S60と、前記孔の内部に貫通電極7Fを形成する電極形成工程S30Aと、裏面に凹み8Fを形成する接合部形成工程S40Aと、を行って製造される。
[Method of Manufacturing Semiconductor Device Substrate]
A method of manufacturing a semiconductor device substrate according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 25, 26 and 27. In FIGS. 26 and 27, the film before processing is represented by the same reference numeral as the element after processing. The
裏面側絶縁層形成工程S60は、裏面側絶縁層62を構成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S61と、貫通電極7Fが形成される領域とその周囲を空けたレジストマスクPR3を形成するマスク工程S62と、裏面側絶縁層62をエッチングする絶縁膜エッチング工程S63と、Si基板20をエッチングする基板エッチング工程S64と、絶縁層4をエッチングして配線3を露出させる絶縁層エッチング工程S65と、レジストマスクPR3を除去するマスク除去工程S66と、貫通孔側壁絶縁層63を構成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S67と、貫通孔側壁絶縁層63をエッチングして配線3を再び露出させる絶縁膜異方性エッチング工程S68と、を行う。電極形成工程S30Aは接合電極7Cを形成する第3実施形態の電極形成工程S30(図16参照)とほぼ同様であり、金属材料を成膜してバリア膜71を形成するバリア膜成膜工程S31Aと、Cuを成膜してめっきのためのシード層72sを形成するシード層成膜工程S32と、Cuをめっきする電極成膜工程S34Aと、裏面を研削、研磨して絶縁膜(裏面側絶縁層62)および貫通電極7Fの上面を平滑化する平滑化工程S69と、を行う。接合部形成工程S40Aは第3実施形態の接合部形成工程S40(図16参照)とほぼ同様であり、貫通電極7Fが露出している領域およびその周囲を空けたレジストマスクを形成するマスク工程S27Aと、裏面側絶縁層62および貫通孔側壁絶縁層63を所定の深さまでエッチングする絶縁膜エッチング工程S24Cと、レジストマスクを除去するマスク除去工程S28と、を行う。
In the back surface side insulating layer forming step S60, an insulating film forming step S61 of forming an insulating film forming the back surface
(バックグラインディング工程)
半導体素子基板1の裏面を研削して(バックグラインディング;BG)、あるいはさらに研磨して(Back Side Polishing;BSP)、半導体素子構造2等にダメージのないように、Si基板20を所定の厚さに薄型化する(S51)。
(Back grinding process)
The back surface of the
(裏面側絶縁層形成工程)
薄型化したSi基板20の裏面上に、裏面側絶縁層62を構成するSiO2膜を、第3実施形態の絶縁膜成膜工程S22と同様に、完成時の厚さよりも厚く成膜する(S61)。このSiO2膜上に、図26(a)に示すように、貫通電極7Fが形成される領域とその周囲を空けたレジストマスクPR3を形成する(S62)。そして、SiO2膜をエッチングし(S63)、引き続いてSi基板20をエッチングし(S64)、さらにその上の絶縁層4をエッチングして、裏面側絶縁層62、Si基板20、および絶縁層4の配線3に到達する孔(貫通孔)を形成する(S65)。そして、図26(b)に示すようにレジストマスクPR3を除去する(S66)。次に、図27(a)に示すように、貫通孔の内側も含めた全面に、貫通孔側壁絶縁層63を構成する絶縁膜を、貫通孔の側壁において所定の厚さに成膜する(S67)。異方性エッチングにより、図27(b)に示すように、貫通孔の底面(配線3上)の絶縁膜を除去して配線3を露出させて、貫通孔側壁絶縁層63を成形する(S68)。
(Back side insulation layer formation process)
On the back surface of the thinned
(電極形成工程、接合部形成工程)
図17(c)、(d)および図18(a)に示す第3実施形態の電極形成工程S30と同様に、バリア膜71およびプラグ72を貫通孔に埋め込み(S31A,S32,S34A)、裏面をCMPで研削して裏面側絶縁層62を露出させ、さらに研磨して、貫通電極7F、裏面側絶縁層62をそれぞれ所定の厚さとし、かつ所定の表面粗さに平滑化する(S69)。そして、図18(b)、(c)に示す第3実施形態の接合部形成工程S40と同様に、裏面の貫通電極7Fが露出した領域上に、貫通電極7Fよりも一回り大きな領域を空けたレジストマスクを形成し(S27A)、裏面側絶縁層62および貫通孔側壁絶縁層63を所望の深さまでエッチングして穴を形成し(S24C)、レジストマスクを除去して(S28)、半導体素子基板1Iが得られる。
(Electrode formation process, junction formation process)
As in the electrode forming step S30 of the third embodiment shown in FIGS. 17C, 17D and 18A, the
裏面側絶縁層形成工程S60において、マスク除去工程S66は、絶縁膜エッチング工程S63の後、基板エッチング工程S64の前に行うこともでき、裏面側絶縁層62をマスクとしてSi基板20をエッチングする。この場合、裏面側絶縁層62は絶縁層エッチング工程S65で減肉するため、絶縁膜成膜工程S61でその分を加算した厚さに成膜する。また、接合部形成工程S40Aにおいて、絶縁膜エッチング工程S24Cは、第3実施形態の絶縁膜エッチング工程S24Bと同様に、図20に示す変形例のように等方性エッチングで行うこともできる。この場合、レジストマスクの形成(S27A)にレジストマスクPR3を形成するためのレチクル(フォトマスク)を流用し得る。また、絶縁膜エッチング工程S24Cにおいて、エッチングレートが裏面側絶縁層62と貫通孔側壁絶縁層63で異なっていてもよく、この場合には凹み8Fの底面に段差を生じるため、エッチングレートの遅い方が、所定の深さに到達するように設定する。ただし、エッチングレートの速い方が過剰に深いと、貫通電極7Fが側面で十分に支持されないため、裏面側絶縁層62と貫通孔側壁絶縁層63は、それぞれを構成する絶縁材料のエッチングレートの差が大き過ぎないように選択される。
In the back surface side insulating layer forming step S60, the mask removing step S66 may be performed after the insulating film etching step S63 and before the substrate etching step S64, and the
このように、Si基板20に貫通電極7Fを埋め込まれる貫通孔を開ける前に、裏面上にSiO2膜を成膜することにより、裏面を被覆する裏面側絶縁層62が、成膜されるときに貫通電極7FからCuが拡散されず、かつ、接合面に好適な平滑面に形成することができる。得られた半導体素子基板1I(13)は、その裏面を、第1実施形態に係る半導体素子基板1(11)の表面と接合して、接合型半導体素子10Fとすることができる。接合方法は、第1実施形態の接合工程S2と同様である。半導体素子基板1Iの裏面側絶縁層62と半導体素子基板1の絶縁層61とが接合して、一体の絶縁体60Aとなり、空隙80Fが内包される。また、半導体素子基板1Iの貫通電極7Fと半導体素子基板1の接合電極7とが接合して、柱状電極70Fとなる。
As described above, when the back
なお、裏面の凹み8Fは、第3実施形態に係る半導体素子基板1Cの表面の凹み8Cと同様、任意の平面視形状とすることができ、図19に示す変形例に係る半導体素子基板1Dの凹み8Dのように、端まで延設した溝状としてもよい。また、接合部形成工程S40Aを行わず、図22(a)に示す半導体素子基板1Fのように、平滑化工程S69において、貫通電極7Fを突出させてもよい。また、半導体素子基板1Iの表側の接合電極7および凹み8は、第1実施形態に限られず、図8、図10、図15、図20、図22に示す、第2、第3、第4実施形態としてもよい。
The
(変形例)
前記製造方法では、完成した半導体素子基板1に裏面側から加工して貫通電極7Fを形成する、バックサイドビアプロセス(ビアラストプロセス)で半導体素子基板1Iを製造しているが、半導体素子基板1の製造時の、半導体素子構造2の形成前に、または配線3の形成前に、表側からSi基板20を加工して貫通電極7Fを形成することもできる(ビアファーストプロセス、ビアミドルプロセス)。これらのプロセスでは、貫通電極7Fは、形成後に裏面を研削してSi基板20が薄型化されると共に露出するため、その形成時においては図29(a)に示すように、Si基板20を貫通させない。このような貫通電極7Fを形成するために、図28に示すように、半導体素子・配線形成工程S10において、半導体素子形成工程S11の後に、裏面側絶縁層形成工程S60Aと前記孔の内部に貫通電極7Fを形成する電極形成工程S30Bを順に行った後、配線形成工程S12を行う。詳しくは、半導体素子構造2およびその上を被覆する絶縁層4を形成した(S11)後、絶縁層4上にレジストマスクPR3を形成して(S62)、絶縁層4をエッチングし(S65A)、引き続いてSi基板20を所定の深さまでエッチングして(S64A)、レジストマスクPR3を除去する(S66)。そして、貫通孔側壁絶縁層63Aを構成するSiO2膜を全面に成膜した(S67A)後、電極形成工程S30Bを行う。電極形成工程S30Bは、接合電極7Cを形成する第3実施形態の電極形成工程S30(図16参照)とほぼ同様である。その後、配線3や残りの絶縁層4を形成し(配線形成工程S12)、接合電極7等を形成する接合部形成工程S20を行って、接合電極7と共に貫通電極7Fを備えた半導体素子基板1を製造する。
(Modification)
In the above manufacturing method, the
この半導体素子基板1の裏面を研削、研磨してSi基板20を薄型化し(S51A)、貫通電極7FをSi基板20から裏面側絶縁層62の厚さよりも高く裏面に突出させる(図29(b)参照)。このとき、貫通電極7Fのプラグ72を露出させないために、Si基板20を、バックグラインディング等では貫通電極7Fの底面のバリア膜71まで到達させない厚さとし、その後、Siエッチング等でSi基板20を選択的にエッチングして、貫通電極7Fを、その底面と側面のバリア膜71を残して突出させる。図29(b)では、貫通電極7Fを被覆する貫通孔側壁絶縁層63Aも残した状態で示すが、貫通孔側壁絶縁層63AもSi基板20の裏面に合わせて除去してもよい。この上から、図29(b)に示すように、裏面側絶縁層62を構成するSiO2膜を成膜する(S61)。次に、再びCMPで今度は裏面を平坦、平滑化して、貫通電極7Fを裏面に露出させる(S69B)。その後、前記第5実施形態と同様に、接合部形成工程S40Aを行って裏面に凹み8Fを形成したり、または、前記平滑化工程S69Bで貫通電極7Fを裏面に突出させる。
The back surface of the
このように、Cu(プラグ72)が露出しないように貫通電極7Fを突出させてSi基板20を薄型化して、その上からSiO2膜を成膜することにより、裏面を被覆する裏面側絶縁層62が、成膜されるときに貫通電極7FからCuが拡散されず、かつ、接合面に好適な平滑面に形成することができる。
As described above, the back surface side insulating layer that covers the back surface by forming the SiO 2 film on the
以上のように、本発明の第5実施形態に係る接合型半導体素子によれば、裏面側においてもハイブリッド接合することができ、第1実施形態等と同様に、接合強度を十分に確保しつつ、接合の位置ずれに起因する信頼性低下等の不良を低減することができる。 As described above, according to the junction-type semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, hybrid junction can be performed also on the back surface side, and as in the first embodiment etc., the junction strength is sufficiently ensured. It is possible to reduce defects such as reliability deterioration due to positional deviation of bonding.
以上、本発明の積層型半導体素子を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although each embodiment for carrying out the lamination type semiconductor device of the present invention has been described, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. It is.
10,10B,10C,10E,10F 接合型半導体素子(積層型半導体素子)
1,1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H,1I 半導体素子基板(半導体素子)
11,12,13 半導体素子基板(半導体素子)
20 Si基板
21,22 Si基板
2 半導体素子構造
3,3A,3B 配線
31 バリア膜
32 コア部
4,4A 絶縁層
5 拡散防止絶縁膜
60,60A 絶縁体
61,62 絶縁層(絶縁体)
70,70B,70C,70E,70F 柱状電極
7,7B,7C 接合電極
7F 貫通電極
71 バリア膜
72 プラグ
80,80B,80C,80E,80F 空隙
8,8A,8B,8C,8D,8F 凹み
S1 半導体素子製造工程
S2 接合工程
S21 拡散防止絶縁膜成膜工程
S22 絶縁膜成膜工程
S23,S23A 平滑化工程
S24,S24A 絶縁膜等方性エッチング工程(絶縁膜エッチング工程)
S24B 絶縁膜エッチング工程
S25 絶縁膜エッチング工程
S26 拡散防止絶縁膜エッチング工程
S27 マスク工程
S28 マスク除去工程
S31 バリア膜成膜工程
S32 シード層成膜工程
S33 マスク工程
S34,S34A 電極成膜工程
S35 マスク除去工程
10, 10B, 10C, 10E, 10F Junction type semiconductor element (stacked type semiconductor element)
1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H, 1I Semiconductor element substrate (semiconductor element)
11, 12, 13 Semiconductor element substrate (semiconductor element)
70, 70B, 70C, 70E,
S24B Insulating film etching process S25 Insulating film etching process S26 Diffusion preventing insulating film etching process S27 Mask process S28 Mask removal process S31 Barrier film formation process S32 Seed film formation process S33 Mask process S34, S34A Electrode film formation process S35 Mask removal process
Claims (9)
積層方向における前記柱状電極が設けられた領域で、前記柱状電極の側面と絶縁体とが空隙を挟んで対向していることを特徴とする積層型半導体素子。 A stacked semiconductor device in which layers are connected by columnar electrodes along a stacking direction,
A stacked semiconductor device characterized in that a side surface of the columnar electrode and an insulator face each other with a gap in a region where the columnar electrode is provided in the stacking direction.
前記柱状電極を囲む凹みを上面に有し、前記絶縁体が少なくとも上面において前記柱状電極と非接触であることを特徴とする半導体素子基板。 A substrate on which a semiconductor element is formed, a columnar electrode electrically connected to the semiconductor element, and an insulator which exposes the columnar electrode and covers the substrate.
A semiconductor element substrate having a recess on an upper surface surrounding the columnar electrode, wherein the insulator is not in contact with the columnar electrode at least on the upper surface.
半導体素子が形成された基板上に、絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程と、
柱状電極が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程と、
前記絶縁膜をエッチングする絶縁膜エッチング工程と、
電極材料を成膜して、前記マスクの空いた領域に柱状電極を形成する電極成膜工程と、
前記マスクを除去するリフトオフ工程と、を行い、
前記絶縁膜エッチング工程は、等方性エッチングを行い、前記絶縁膜を、少なくともその上面において、前記柱状電極が形成される領域を超えて除去することを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device substrate having a columnar electrode exposed on the upper surface, comprising:
An insulating film forming step of forming an insulating film on a substrate on which a semiconductor element is formed;
A mask process for forming a mask having an area in which a columnar electrode is to be formed;
An insulating film etching step of etching the insulating film;
An electrode film forming step of forming an electrode material and forming a columnar electrode in a region where the mask is opened;
Performing a lift-off process to remove the mask;
The method of manufacturing a semiconductor element substrate according to claim 1, wherein the insulating film etching step performs isotropic etching to remove the insulating film at least on the upper surface thereof beyond the region where the columnar electrode is formed.
電極材料を成膜して、前記基板上の前記絶縁膜の空いた領域に柱状電極を形成する電極形成工程と、を行って、最上層に設けられた絶縁膜および前記絶縁膜を貫通して露出する柱状電極を形成した後に、
前記柱状電極が露出している領域の周囲を少なくとも空けたマスクを形成するマスク工程と、
前記絶縁膜を、その厚さ以下をエッチングする絶縁膜エッチング工程と、
前記マスクを除去するマスク除去工程と、を行うことを特徴とする半導体素子基板の製造方法。 An insulating film forming step of forming an insulating film having a region where a columnar electrode is to be formed on a substrate having a semiconductor element formed thereon
An electrode forming step of forming an electrode material and forming a columnar electrode in a vacant area of the insulating film on the substrate; and penetrating the insulating film provided on the uppermost layer and the insulating film. After forming the exposed columnar electrodes,
Forming a mask spaced at least around the exposed area of the columnar electrode;
An insulating film etching step of etching the insulating film below its thickness;
And a mask removing step of removing the mask.
前記2つの半導体素子基板の上面同士を前記柱状電極および絶縁体のそれぞれで接合する接合工程と、を行うことを特徴とする積層型半導体素子の製造方法。 9. A semiconductor element substrate manufacturing process for manufacturing two semiconductor element substrates in which the arrangement of columnar electrodes on their upper surfaces is symmetrical by performing the method of manufacturing a semiconductor element substrate according to claim 7 or 8;
And a bonding step of bonding the upper surfaces of the two semiconductor element substrates to each other with the columnar electrode and the insulator.
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