JP2021034560A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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一浩 中西
Kazuhiro Nakanishi
一浩 中西
茂洋 山北
Shigehiro Yamakita
茂洋 山北
和弘 野島
Kazuhiro Nojima
和弘 野島
健一 門多
Kenichi Kadota
健一 門多
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Kioxia Corp
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Abstract

【課題】パッド等に起因する歩留まりを向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】一の実施形態によれば、半導体装置は、基板と、前記基板の上方に設けられた下部パッドと、前記下部パッド上に設けられた上部パッドとを備える。前記下部パッドは、第1パッドと、前記第1パッド上に設けられた複数の第1接続部とを含み、前記上部パッドは、前記複数の第1接続部上に設けられており、または、前記上部パッドは、第2パッドと、前記第2パッド下に設けられた複数の第2接続部とを含み、前記下部パッドは、前記複数の第2接続部下に設けられている。
【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
複数のウェハの金属パッドを貼り合わせて半導体装置を製造する場合には、金属パッド等に起因する歩留まりの低下を抑制することが望まれる。
特開2010−129686号公報
パッド等に起因する歩留まりを向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
一の実施形態によれば、半導体装置は、基板と、前記基板の上方に設けられた下部パッドと、前記下部パッド上に設けられた上部パッドとを備える。前記下部パッドは、第1パッドと、前記第1パッド上に設けられた複数の第1接続部とを含み、前記上部パッドは、前記複数の第1接続部上に設けられており、または、前記上部パッドは、第2パッドと、前記第2パッド下に設けられた複数の第2接続部とを含み、前記下部パッドは、前記複数の第2接続部下に設けられている。
第1実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 第1実施形態の柱状部の構造を示す断面図である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の金属パッド等の構造を示す断面図および斜視図である。 第1実施形態の金属パッド等の構造を示す断面図である。 第1実施形態の比較例の金属パッド等の構造を示す断面図および斜視図である。 第1実施形態の比較例の金属パッド等の問題を説明するための断面図である。 第1実施形態の金属パッド等の利点を説明するための断面図である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/3)である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/3)である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図(3/3)である。 第1実施形態の第1変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第1実施形態の第2および第3変形例の金属パッド等の構造を示す断面図である。 第1実施形態の第4変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/3)である。 第1実施形態の第4変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/3)である。 第1実施形態の第4変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図(3/3)である。 第2実施形態の金属パッド等の構造を示す断面図および斜視図である。 第2実施形態とその比較例の金属パッド等の構造を比較するための断面図である。 第2実施形態の金属パッド等の構造を示す断面図である。 第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/2)である。 第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図(2/2)である。 第2実施形態の第1および第2変形例の金属パッド等の構造を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1から図22において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。図1の半導体装置は、アレイチップ1と回路チップ2が貼り合わされた3次元メモリである。
アレイチップ1は、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイ11と、メモリセルアレイ11上の絶縁膜12と、メモリセルアレイ11下の層間絶縁膜13とを備えている。絶縁膜12は例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。層間絶縁膜13は例えば、シリコン酸化膜、またはシリコン酸化膜とその他の絶縁膜とを含む積層膜である。
回路チップ2は、アレイチップ1下に設けられている。符号Sは、アレイチップ1と回路チップ2との貼合面を示す。回路チップ2は、層間絶縁膜14と、層間絶縁膜14下の基板15とを備えている。層間絶縁膜14は例えば、シリコン酸化膜、またはシリコン酸化膜とその他の絶縁膜とを含む積層膜である。基板15は例えば、シリコン基板などの半導体基板である。
図1は、基板15の表面に平行で互いに垂直なX方向およびY方向と、基板15の表面に垂直なZ方向とを示している。本明細書では、+Z方向を上方向として取り扱い、−Z方向を下方向として取り扱う。−Z方向は、重力方向と一致していても一致していなくてもよい。
アレイチップ1は、メモリセルアレイ11内の電極層として、複数のワード線WLと、ソース線SLとを備えている。図1は、メモリセルアレイ11の階段構造部21を示している。各ワード線WLは、コンタクトプラグ22を介してワード配線層23と電気的に接続されている。複数のワード線WLを貫通する各柱状部CLは、ビアプラグ24を介してビット線BLと電気的に接続されており、かつソース線SLと電気的に接続されている。ソース線SLは、半導体層である第1層SL1と、金属層である第2層SL2とを含んでいる。
回路チップ2は、複数のトランジスタ31を備えている。各トランジスタ31は、基板15上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極32と、基板15内に設けられた不図示のソース拡散層およびドレイン拡散層とを備えている。また、回路チップ2は、これらのトランジスタ31のソース拡散層またはドレイン拡散層上に設けられた複数のコンタクトプラグ33と、これらのコンタクトプラグ33上に設けられ、複数の配線を含む配線層34と、配線層34上に設けられ、複数の配線を含む配線層35とを備えている。
回路チップ2はさらに、配線層35上に設けられ、複数の配線を含む配線層36と、配線層36上に設けられた複数のビアプラグ37と、これらのビアプラグ37上に設けられた複数の金属パッド38とを備えている。金属パッド38は例えば、Cu(銅)層またはAl(アルミニウム)層である。金属パッド38は、下部パッドの例である。金属パッド38の詳細については、後述する。回路チップ2は、アレイチップ1の動作を制御する制御回路(論理回路)として機能する。この制御回路は、トランジスタ31などにより構成されており、金属パッド38に電気的に接続されている。
アレイチップ1は、金属パッド38上に設けられた複数の金属パッド41と、金属パッド41上に設けられた複数のビアプラグ42とを備えている。また、アレイチップ1は、これらのビアプラグ42上に設けられ、複数の配線を含む配線層43と、配線層43上に設けられ、複数の配線を含む配線層44とを備えている。金属パッド41は例えば、Cu層またはAl層である。金属パッド41は、上部パッドの例である。金属パッド41の詳細については、後述する。
アレイチップ1はさらに、配線層44上に設けられた複数のビアプラグ45と、これらのビアプラグ45上や絶縁膜12上に設けられた金属パッド46と、金属パッド46上や絶縁膜12上に設けられたパッシベーション膜47とを備えている。金属パッド46は例えば、Cu層またはAl層であり、図1の半導体装置の外部接続パッド(ボンディングパッド)として機能する。パッシベーション膜47は例えば、シリコン酸化膜などの絶縁膜であり、金属パッド46の上面を露出させる開口部Pを有している。金属パッド46は、この開口部Pを介してボンディングワイヤ、はんだボール、金属バンプなどにより実装基板や他の装置に接続可能である。
図2は、第1実施形態の柱状部CLの構造を示す断面図である。
図2に示すように、メモリセルアレイ11は、層間絶縁膜13(図1)上に交互に積層された複数のワード線WLと複数の絶縁層51とを備えている。ワード線WLは、例えばW(タングステン)層である。絶縁層51は、例えばシリコン酸化膜である。
柱状部CLは、ブロック絶縁膜52、電荷蓄積層53、トンネル絶縁膜54、チャネル半導体層55、およびコア絶縁膜56を順に含んでいる。電荷蓄積層53は、例えばシリコン窒化膜であり、ワード線WLおよび絶縁層51の側面にブロック絶縁膜52を介して形成されている。電荷蓄積層53は、ポリシリコン層などの半導体層でもよい。チャネル半導体層55は、例えばポリシリコン層であり、電荷蓄積層53の側面にトンネル絶縁膜54を介して形成されている。ブロック絶縁膜52、トンネル絶縁膜54、およびコア絶縁膜56は、例えばシリコン酸化膜または金属絶縁膜である。
図3は、第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。図3は、複数のアレイチップ1を含むアレイウェハW1と、複数の回路チップ2を含む回路ウェハW2とを示している。アレイウェハW1はメモリウェハとも呼ばれ、回路ウェハW2はCMOSウェハとも呼ばれる。
図3のメモリウェハW1の向きは、図1のメモリチップ1の向きとは逆であることに留意されたい。本実施形態では、アレイウェハW1と回路ウェハW2とを貼り合わせることで半導体装置を製造する。図3は、貼合のために向きを反転される前のメモリウェハW1を示しており、図1は、貼合のために向きを反転されて貼合およびダイシングされた後のメモリチップ1を示している。
図3において、符号S1はメモリウェハW1の上面を示し、符号S2は回路ウェハW2の上面を示している。メモリウェハW1は、絶縁膜12下に設けられた基板16を備えていることに留意されたい。基板16は例えば、シリコン基板などの半導体基板である。基板15は第1基板の例であり、基板16は第2基板の例である。
本実施形態ではまず、図3に示すように、メモリウェハW1の基板16上にメモリセルアレイ11、絶縁膜12、層間絶縁膜13、階段構造部21、金属パッド41などを形成し、回路ウェハW2の基板15上に層間絶縁膜14、トランジスタ31、金属パッド38などを形成する。例えば、基板16上にビアプラグ45、配線層44、配線層43、ビアプラグ42、および金属パッド41が順に形成される。また、基板15上にコンタクトプラグ33、配線層34、配線層35、配線層36、ビアプラグ37、および金属パッド38が順に形成される。次に、アレイウェハW1と回路ウェハW2とを機械的圧力により貼り合わせる。これにより、層間絶縁膜13と層間絶縁膜14とが接着される。次に、アレイウェハW1および回路ウェハW2を400℃でアニールする。これにより、金属パッド41と金属パッド38とが接合される。
その後、基板15をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により薄膜化し、基板16をCMPにより除去した後、アレイウェハW1および回路ウェハW2を複数のチップに切断する。こうして、図1の半導体装置が製造される。図1は、金属パッド38を含む回路チップ1と、金属パッド38上に配置された金属パッド41を含むアレイチップ1とを示している。なお、金属パッド46とパッシベーション膜47は例えば、基板15の薄膜化および基板16の除去の後に、絶縁膜12上に形成される。
なお、本実施形態ではアレイウェハW1と回路ウェハW2とを貼り合わせているが、代わりにアレイウェハW1同士を貼り合わせてもよい。図1から図3を参照して前述した内容や、図4から図22を参照して後述する内容は、アレイウェハW1同士の貼合にも適用可能である。
また、図1は、層間絶縁膜13と層間絶縁膜14との境界面や、金属パッド41と金属パッド38との境界面を示しているが、上記のアニール後はこれらの境界面が観察されなくなることが一般的である。しかしながら、これらの境界面のあった位置は、例えば金属パッド41の側面や金属パッド38の側面の傾きや、金属パッド41の側面と金属パッド38との位置ずれを検出することで推定することができる。
図4は、第1実施形態の金属パッド38、41等の構造を示す断面図および斜視図である。
図4(a)は、互いに電気的に接続された1組の金属パッド38、41を示す断面図である。図4(b)は、図4(a)の金属パッド41を示す斜視図である。図4(c)は、図4(a)の金属パッド38を示す斜視図である。金属パッド38は下部パッドの例であり、金属パッド41は上部パッドの例である。
以下、図4(a)を参照して、金属パッド38、41等の構造を説明する。この説明の中で、図4(b)および図4(c)も適宜参照する。
金属パッド38は、ビアプラグ37上に設けられた第1下部パッド38aと、第1下部パッド38a上に設けられた複数の下部接続部38bと、これらの下部接続部38b上に設けられた第2下部パッド38cとを含んでいる。金属パッド41は、第2下部パッド38c上に設けられている。第1下部パッド38a、下部接続部38b、および第2下部パッド38cはそれぞれ、第1パッド、第1接続部、および第3パッドの例である。
金属パッド41は、第2下部パッド38c上に設けられた第1上部パッド41aと、第1上部パッド41a上に設けられた複数の上部接続部41bと、これらの上部接続部41b上に設けられた第2上部パッド41cとを含んでいる。ビアプラグ42は、第2上部パッド41c上に設けられている。第1上部パッド41a、上部接続部41b、および第2上部パッド41cはそれぞれ、第4パッド、第2接続部、および第2パッドの例である。
本実施形態では、ビアプラグ37と第1下部パッド38aが同時に形成され、下部接続部38bと第2下部パッド38cが同時に形成される。ビアプラグ37と第1下部パッド38aは、バリアメタル層A1と配線材層B1とを順に含んでおり、下部接続部38bと第2下部パッド38cは、バリアメタル層A2と配線材層B2とを順に含んでいる。そのため、第1下部パッド38aは、バリアメタル層を介さずにビアプラグ37上に設けられており、下部接続部38bは、バリアメタル層A2を介して第1下部パッド38a上に設けられており、第2下部パッド38cは、バリアメタル層を介さずに下部接続部38b上に設けられている。バリアメタル層A1、A2は、例えばTi(チタン)含有層またはTa(タンタル)含有層である。配線材層B1、B2は、例えばCu層である。
本実施形態ではまた、ビアプラグ42と第2上部パッド41cが同時に形成され、上部接続部41bと第1上部パッド41aが同時に形成される。ビアプラグ42と第2上部パッド41cは、バリアメタル層A4と配線材層B4とを順に含んでおり、上部接続部41bと第1上部パッド41aは、バリアメタル層A3と配線材層B3とを順に含んでいる。そのため、第2上部パッド41cは、バリアメタル層を介さずにビアプラグ42下に設けられており、上部接続部41bは、バリアメタル層A3を介して第2上部パッド41c下に設けられており、第1下部パッド41aは、バリアメタル層を介さずに下部接続部41b下に設けられている。バリアメタル層A3、A4は、例えばTi含有層またはTa含有層である。配線材層B3、B4は、例えばCu層である。
以上のように、本実施形態の金属パッド38は、複数の下部接続部38bにより電気的に接続された第1下部パッド38aと第2下部パッド38cとを含んでいる。これらの下部接続部38bは、層間絶縁膜14により互いに分離されている。図4(c)は、四角格子状に配置された5×4個の下部接続部38bを示しているが、下部接続部38bの個数や配置はこれに限定されない。
同様に、本実施形態の金属パッド41は、複数の上部接続部41bにより電気的に接続された第1上部パッド41aと第2上部パッド41cとを含んでいる。これらの上部接続部41bは、層間絶縁膜13により互いに分離されている。図4(b)は、四角格子状に配置された5×4個の上部接続部41bを示しているが、上部接続部41bの個数や配置はこれに限定されない。
本実施形態の1組の金属パッド38、41では、上部接続部41bの個数が下部接続部38bの個数と同じになっているが、下部接続部38bの個数と異なっていてもよい。本実施形態の1組の金属パッド38、41ではさらに、上部接続部41bの配置が下部接続部38bの配置と同じになっているが、下部接続部38bの配置と異なっていてもよい。
図5は、第1実施形態の金属パッド38等の構造を示す断面図である。
図5(a)、図5(b)、図5(c)はそれぞれ、図4(c)の断面C2における下部接続部38bの形状の第1、第2、第3の例を示している。図5(a)の下部接続部38bは、2次元アレイ状に配置されている。図5(b)の下部接続部38bは、1次元アレイ状に配置されており、X方向に互いに隣接しており、Y方向に延びている。図5(c)の下部接続部38bは、小さい下部接続部38bと大きい下部接続部38bとを含んでいる。本実施形態の金属パッド38は、どのような形状の下部接続部38bを含んでいてもよい。
なお、図4(b)の断面C1における上部接続部41bの形状は、これらの例と同様の形状に設定することが可能である。
図6は、第1実施形態の比較例の金属パッド38、41等の構造を示す断面図および斜視図である。
図6(a)は、互いに電気的に接続された1組の金属パッド38、41を示す断面図である。図6(b)は、図6(a)の金属パッド41を示す斜視図である。図6(c)は、図6(a)の金属パッド38を示す斜視図である。
本比較例の金属パッド38は、単一のパッドにより形成されている。また、本比較例の金属パッド41も、単一のパッドにより形成されている。本比較例では、ビアプラグ37と金属パッド38が、バリアメタル層A5と配線材層B5とを順に含んでおり、ビアプラグ42と金属パッド41が、バリアメタル層A6と配線材層B6とを順に含んでいる。バリアメタル層A5、A6は、例えばTi含有層またはTa含有層である。配線材層B5、B6は、例えばCu層である。
図7は、第1実施形態の比較例の金属パッド38、41等の問題を説明するための断面図である。
図7(a)は、図3を参照して説明したアニールを行っている間の金属パッド38、41を示している。金属パッド38、41をアニールすると、金属パッド38、41が熱膨張して、金属パッド38、41の貼合面Sにボイドが発生する可能性がある(符号α1)。
図7(b)は、アニールが行われた後に冷却されている間の金属パッド38、41を示している。金属パッド38、41をアニール後に冷却すると、金属パッド38、41が熱収縮して、金属パッド38、41やビアプラグ37、42に引張応力が作用する。符号α2は、符号α1で示す状態から形状が変化したボイドを示す。
図7(c)は、冷却が終わった後の金属パッド38、41を示している。符号α3は、符号α2で示す状態から形状が変化したボイドを示す。上述の引張応力が大きい場合には、引張応力に起因して金属パッド38、41中やビアプラグ37、42中にさらなるボイドが発生する可能性がある。符号α4は、ビアプラグ37に発生したボイドを示す。一般にビアプラグ37は細いため、ビアプラグ37にボイドが発生すると、ビアプラグ37でコンタクト不良が生じるおそれや、ビアプラグ37が過度に高抵抗になるおそれがある。これは、ビアプラグ42にボイドが発生した場合にも同様である。
図8は、第1実施形態の金属パッド38、41等の利点を説明するための断面図である。
図8(a)は、図3を参照して説明したアニールを行っている間の金属パッド38、41を示している。金属パッド38、41をアニールすると、金属パッド38、41が熱膨張して、金属パッド38、41の貼合面Sにボイドが発生する可能性がある(符号β1)。
図8(b)は、アニールが行われた後に冷却されている間の金属パッド38、41を示している。金属パッド38、41をアニール後に冷却すると、金属パッド38、41が熱収縮して、金属パッド38、41やビアプラグ37、42に引張応力が作用する。符号β2は、符号β1で示す状態から形状が変化したボイドを示す。
図8(c)は、冷却が終わった後の金属パッド38、41を示している。符号β3は、符号β2で示す状態から形状が変化したボイドを示す。上述の引張応力が大きい場合には、引張応力に起因して金属パッド38、41中やビアプラグ37、42中にさらなるボイドが発生する可能性がある。符号β4は、下部接続部38bに発生したボイドを示す。本実施形態の金属パッド38は複数の下部接続部38bを含むため、ある下部接続部38bにボイドが発生しても、その他の下部接続部38bにボイドが発生しなければ、金属パッド38全体でコンタクト不良が生じることや、金属パッド38全体が過度に高抵抗になることを抑制することができる。これは、金属パッド41の上部接続部41bにボイドが発生した場合にも同様である。
また、下部接続部38bにボイドが発生した場合、下部接続部38bの下面のバリアメタル層A2がゲッタリングサイトとして機能する。すなわち、符号β4で示すボイドが、電流が印加されても移動しなくなる。これにより、このボイドがビアプラグ37に移動してビアプラグ37にコンタクト不良や高抵抗をもたらすことを抑制することができる。これは、金属パッド41の上部接続部41bにボイドが発生した場合にも同様である。
このように、本実施形態によれば、ボイドに起因する金属パッド38、41やそのビアプラグ37、42の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
図9から図11は、第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図である。ここでは、回路ウェハW2用の基板15の上方に金属パッド38等を形成するプロセスについて説明する。この説明は、アレイウェハW1用の基板16の上方に金属パッド41等を形成するプロセスにも適用可能である。
まず、基板15(図1や図3を参照)の上方に配線層36を形成する(図9(a))。図9(a)は、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14a内に形成された配線層36を示している。絶縁膜14aは、例えばSiO膜(シリコン酸化膜)である。配線層36は、基板15の上方に順に形成されたバリアメタル層A7と配線材層B7とを順に含んでいる。バリアメタル層A7は、例えばTi含有層またはTa含有層である。配線材層B7は、例えばCu層である。
次に、配線層36および絶縁膜14a上に、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14bを形成する(図9(b))。絶縁膜14bは、例えばSiO膜である。次に、この絶縁膜14bに、ビアプラグ37用の開口部H1と、第1下部パッド38a用の開口部H2とを形成する(図9(c))。次に、開口部H1、H2内にバリアメタル層A1と配線材層B1とを順に形成する(図10(a))。その結果、開口部H1内の配線層36上にビアプラグ37が形成され、開口部H2内のビアプラグ37上に第1下部パッド38aが形成される。
次に、第1下部パッド38aおよび絶縁膜14b上に、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14cを形成する(図10(b))。絶縁膜14cは、例えばSiO膜である。次に、この絶縁膜14cに、下部接続部38b用の複数の開口部H3と、第2下部パッド38c用の開口部H4とを形成する(図10(c)、図11(a))。次に、開口部H3、H4内にバリアメタル層A2と配線材層B2とを順に形成する(図11(b))。その結果、開口部H3内の第1下部パッド38a上に下部接続部38bが形成され、開口部H4内の下部接続部38b上に第2下部パッド38cが形成される。図11(c)は、図11(b)に対応する斜視図である。
このようにして、回路ウェハW2用の基板15の上方に配線層36、ビアプラグ37、および金属パッド38が形成される。同様にして、アレイウェハW1用の基板16の上方に、配線層43、ビアプラグ42、および金属パッド41が形成される。金属パッド41の第2上部パッド41c、上部接続部41b、および第1上部パッド41aはそれぞれ、金属パッド38の第1下部パッド38a、下部接続部38b、および第2下部パッド38cと同様に形成可能である。また、バリアメタル層A4、配線材層B4、バリアメタル層A3、および配線材層B3はそれぞれ、バリアメタル層A1、配線材層B1、バリアメタル層A2、および配線材層B2と同様に形成可能である。その後、図3の方法を実行することで、図1の半導体装置が製造される。
図12は、第1実施形態の第1変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図12(a)は、図11(a)と図11(b)との間の工程を示す断面図である。開口部H3、H4を形成した後には、開口部H3、H4を等方エッチングにより加工してもよい。その結果、開口部H3、H4の側面がテーパー形状に加工される(図12(a))。なお、図12(a)の工程を追加する代わりに、開口部H3、H4の側面がテーパー形状になるように図11(a)の工程を実施してもよい。
次に、開口部H3、H4内にバリアメタル層A2と配線材層B2とを順に形成する(図12(b))。その結果、開口部H3内の第1下部パッド38a上に下部接続部38bが形成され、開口部H4内の下部接続部38b上に第2下部パッド38cが形成される。その後、図3の方法を実行することで、図1の半導体装置が製造される。
図13は、第1実施形態の第2および第3変形例の金属パッド38、41等の構造を示す断面図である。
図13(a)は、第2変形例の金属パッド38、41を示している。本変形例の金属パッド38は、第1実施形態の金属パッド38(図4(a))と同じ構造を有している。一方、本変形例の金属パッド41は、第1実施形態の比較例の金属パッド41(図6(a))と同じ構造を有している。これにより、ボイドに起因する金属パッド38やそのビアプラグ37の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
一方、図13(b)は、第3変形例の金属パッド38、41を示している。本変形例の金属パッド38は、第1実施形態の比較例の金属パッド38(図6(a))と同じ構造を有している。一方、本変形例の金属パッド41は、第1実施形態の金属パッド41(図4(a))と同じ構造を有している。これにより、ボイドに起因する金属パッド41やそのビアプラグ42の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、図13(a)の金属パッド41や、図13(b)の金属パッド38は、図9(a)から図11(c)の工程のうちの図10(b)から図11(c)の工程を省略することで形成可能である。ただし、この場合には、絶縁膜14bの膜厚をより厚くして、開口部H2の深さをより深くする。
図14から図16は、第1実施形態の第4変形例の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図である。ここでは、回路ウェハW2用の基板15の上方に金属パッド38等を形成するプロセスについて説明する。この説明は、アレイウェハW1用の基板16の上方に金属パッド41等を形成するプロセスにも適用可能である。
まず、基板15(図1や図3を参照)の上方に、配線層36を構成するビアプラグ36aを形成する(図14(a))。図14(a)は、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14d内に形成されたビアプラグ36aを示している。絶縁膜14dは、例えばSiO膜である。
次に、ビアプラグ36aおよび絶縁膜14d上に、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14eを形成する(図14(b))。絶縁膜14eは、例えばSiO膜である。次に、この絶縁膜14eに、配線層36を構成する配線36bおよび第1下部パッドP1用の開口部H5を形成する(図14(c))。次に、開口部H5内に配線36bおよび第1下部パッドP1を形成する(図15(a))。その結果、開口部H5内のビアプラグ36a上に配線36bが形成され、さらには、配線36bと電気的に接続された第1下部パッドP1が開口部H5内に形成される。
次に、配線36b、第1下部パッドP1、および絶縁膜14e上に、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14fを形成する(図15(b))。絶縁膜14fは、例えばSiO膜である。次に、この絶縁膜14fに、複数のビアプラグ37用の複数の開口部H6と、金属パッド38用の開口部H7とを形成する(図15(c))。次に、開口部H6、H7内にバリアメタル層と配線材層B8とを順に形成する(図16(a))。その結果、開口部H6内の第1下部パッドP1上にビアプラグ37が形成され、開口部H7内のビアプラグ37上に金属パッド38が形成される。本変形例では、ビアプラグ37が下部接続部P2として機能し、金属パッド38が第2下部パッドP3として機能する。図16(b)は、図16(a)に対応する斜視図である。
このようにして、回路ウェハW2用の基板15の上方に配線層36、ビアプラグ37、および金属パッド38が形成される。同様にして、アレイウェハW1用の基板16の上方に、配線層43、ビアプラグ42、および金属パッド41が形成される。その後、図3の方法を実行することで、図1の半導体装置が製造される。
本変形例の第1下部パッドP1(配線層36)、下部接続部P2(ビアプラグ37)、および第2下部パッドP2(金属パッド38)は、第1実施形態(図4(a))の第1下部パッド38a、下部接続部38b、および第2下部パッド38cと同じ構造を有している。すなわち、本変形例では、第1実施形態の金属パッド38と同じ構造を、配線層36、ビアプラグ37、および金属パッド38により実現している。これにより、例えば回路ウェハW2の配線層(パッド層を含む)の数を減らすことが可能となる。
同様に、本変形例では、第1実施形態の金属パッド41と同じ構造を、配線層43、ビアプラグ42、および金属パッド41により実現してもよい。これにより、例えばアレイウェハW1の配線層(パッド層を含む)の数を減らすことが可能となる。この場合、第1上部パッドは金属パッド41により実現され、複数の上部接続部は複数のビアプラグ42により実現され、第2上部パッドは配線層43により実現される。第2上部パッドは、配線層43内の配線に電気的に接続され、この配線は配線層43内のビアプラグに電気的に接続される。
以上のように、本実施形態の金属パッド38は、第1下部パッド38aと、複数の下部接続部38bと、第2下部パッド38cとを含み、本実施形態の金属パッド41は、第1上部パッド41aと、複数の上部接続部41bと、第2上部パッド41cとを含む。よって、本実施形態によれば、金属パッド38、41等に起因する半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、本実施形態では、第1下部パッド38aが、バリアメタルA1と配線材層B1により形成され、下部接続部38bと第2下部パッド38cが、バリアメタルA2と配線材層B2により形成されているが、代わりに、第1下部パッド38aの一部が、バリアメタルA1と配線材層B1により形成され、第1下部パッド38aの残部と下部接続部38bと第2下部パッド38cが、バリアメタルA2と配線材層B2により形成されていてもよい。この場合、バリアメタルA2は、第1下部パッド38aの一部と残部との間に介在することになる。
(第2実施形態)
図17は、第2実施形態の金属パッド38、41等の構造を示す断面図および斜視図である。
図17(a)は、互いに電気的に接続された1組の金属パッド38、41を示す断面図である。図17(b)は、図17(a)の金属パッド41を示す斜視図である。図17(c)は、図17(a)の金属パッド38を示す斜視図である。
以下、図17(a)を参照して、金属パッド38、41等の構造を説明する。この説明の中で、図17(b)および図17(c)も適宜参照する。
本実施形態の金属パッド38は、ビアプラグ37上に設けられた第1下部パッド38aと、第1下部パッド38a上に設けられた複数の下部接続部38bとを含んでいるが、第1実施形態のような第2下部パッド38cは含んでいない。本実施形態の金属パッド41は、これらの下部接続部38b上に設けられている。
本実施形態の金属パッド41は、これらの下部接続部38b上に設けられた複数の上部接続部41bと、これらの上部接続部41b上に設けられた第2上部パッド41cとを含んでいるが、第1実施形態のような第1上部パッド41aは含んでいない。ビアプラグ42は、第2上部パッド41c上に設けられている。ビアプラグ42上の配線層43は、バリアメタル層A9と配線材層B9とを順に含んでいる。バリアメタル層A9は、例えばTi含有層またはTa含有層である。配線材層B9は、例えばCu層である。
以上のように、本実施形態の金属パッド38は、複数の下部接続部38bに電気的に接続された第1下部パッド38aを含んでいる。これらの下部接続部38bは、層間絶縁膜14により互いに分離されている。図17(c)は、四角格子状に配置された5×4個の下部接続部38bを示しているが、下部接続部38bの個数や配置はこれに限定されない。
同様に、本実施形態の金属パッド41は、複数の上部接続部41bに電気的に接続された第2上部パッド41cを含んでいる。これらの上部接続部41bは、層間絶縁膜13により互いに分離されている。図17(b)は、四角格子状に配置された5×4個の上部接続部41bを示しているが、上部接続部41bの個数や配置はこれに限定されない。
本実施形態の1組の金属パッド38、41では、上部接続部41bの個数が下部接続部38bの個数と同じになっているが、下部接続部38bの個数と異なっていてもよい。本実施形態の1組の金属パッド38、41ではさらに、上部接続部41bの配置が下部接続部38bの配置と同じになっているが、下部接続部38bの配置と異なっていてもよい。例えば、下部接続部38bの個数を20個、下部接続部41bの個数を10個とし、2個の下部接続部38b上に1個の下部接続部41bを配置してもよい。
本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、ボイドに起因する金属パッド38、41やそのビアプラグ37、42の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。さらに、本実施形態によれば、後述するように、ディッシングに起因する金属パッド38、41の不良を低減することが可能となる。
図18は、第2実施形態とその比較例の金属パッド38等の構造を比較するための断面図である。
図18(a)は、第2実施形態の比較例の金属パッド38の断面を示している。本比較例の金属パッド38は、比較的大きなサイズを有している。そのため、金属パッド38の表面をCMPにより平坦化すると、図18(a)に示すように、金属パッド38の表面に大きなディッシング(凹部)が形成されるおそれがある。これは、金属パッド41についても同様である。この場合、金属パッド38と金属パッド41とを貼り合わせると、金属パッド38、41の接合不良が生じるおそれがある。
図18(b)は、第2実施形態の金属パッド38の断面を示している。本実施形態の金属パッド38の表面をCMPにより平坦化すると、ディッシングは、サイズの大きい第1下部パッド38aではなく、サイズの小さい各下部接続部38bに形成される。そのため、図18(b)に示すように、ディッシングのサイズが小さくなる。これは、金属パッド41についても同様である。よって、本実施形態によれば、金属パッド38と金属パッド41とを貼り合わせた際に、金属パッド38、41の接合不良が生じにくくなる。
図19は、第2実施形態の金属パッド38等の構造を示す断面図である。
図19(a)、図19(b)、図19(c)はそれぞれ、下部接続部38bのXY断面の形状の第1、第2、第3の例を示している。図19(a)の下部接続部38bは、1次元アレイ状に配置されており、X方向に互いに隣接しており、Y方向に延びている。図19(b)の下部接続部38bは、2次元アレイ状に配置されており、具体的には、四角格子状に配置されている。図19(c)の下部接続部38bは、2次元アレイ状に配置されており、具体的には、三角格子状に配置されている。図19(b)の各下部接続部38bは、四角形の平面形状を有し、図19(c)の各下部接続部38bは、円形の平面形状を有している。本実施形態の金属パッド38は、どのような形状の下部接続部38bを含んでいてもよい。
なお、本実施形態の上部接続部41bの形状は、これらの例と同様の形状に設定することが可能である。
本実施形態の金属パッド38は例えば、図9(a)から図11(c)の工程のうち、開口部H4を形成する工程を省略することで形成可能である。これは、本実施形態の金属パッド41についても同様である。一方、これらの金属パッド38、41は、以下の方法により形成することも可能である。
図20および図21は、第2実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図および斜視図である。ここでは、回路ウェハW2用の基板15の上方に金属パッド38等を形成するプロセスについて説明する。この説明は、アレイウェハW1用の基板16の上方に金属パッド41等を形成するプロセスにも適用可能である。
まず、基板15(図1や図3を参照)の上方に配線層36を形成する(図20(a))。図20(a)は、層間絶縁膜14を構成する絶縁膜14g内に形成された配線層36を示している。絶縁膜14gは、例えばSiO膜である。
次に、配線層36および絶縁膜14g上に、絶縁膜14h、14i、14jを順に形成する(図20(b))。絶縁膜14hは、例えばSiO膜である。絶縁膜14iは、例えばSiN膜(シリコン窒化膜)である。絶縁膜14jは、例えばSiO膜である。
次に、絶縁膜14h、14i、14jを貫通する開口部H8を形成する(図20(b))。次に、絶縁膜14jを貫通する複数の開口部H9を形成する(図20(c))。次に、開口部H8と開口部H9との間の絶縁膜14iを除去して、開口部H8と開口部H9とを接続する開口部H10を形成する(図21(a))。
なお、絶縁膜14hと絶縁膜14jとの間の膜は、絶縁膜14iとする代わりに、絶縁膜(例えばSiO膜)と半導体膜(例えばアモルファスシリコン膜)とを含む膜としてもよい。この場合、絶縁膜14hと絶縁膜14jとの間の膜のうち、図21(b)の工程で除去される部分は半導体膜とし、図21(b)の工程で除去されない部分は絶縁膜としてもよい。
次に、開口部H8、H9、H10内にバリアメタル層と配線材層とを順に形成する(図21(c))。その結果、絶縁膜14h内にビアプラグ37が形成され、絶縁膜14i内に第1下部パッド38aが形成され、絶縁膜14j内に下部接続部38bが形成される。図21(c)は、図21(b)に対応する斜視図である。
このようにして、回路ウェハW2用の基板15の上方に配線層36、ビアプラグ37、および金属パッド38が形成される。同様にして、アレイウェハW1用の基板16の上方に、配線層43、ビアプラグ42、および金属パッド41が形成される。金属パッド41の第2上部パッド41cおよび上部接続部41bはそれぞれ、金属パッド38の第1下部パッド38aおよび下部接続部38bと同様に形成可能である。その後、図3の方法を実行することで、図1の半導体装置が製造される。
図22は、第2実施形態の第1および第2変形例の金属パッド38、41等の構造を示す断面図である。
図22(a)は、第1変形例の金属パッド38、41を示している。本変形例の金属パッド38は、第2実施形態の金属パッド38(図17(a))と同じ構造を有している。一方、本変形例の金属パッド41は、第1実施形態の比較例の金属パッド41(図6(a))と同じ構造を有している。これにより、ボイドに起因する金属パッド38やそのビアプラグ37の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
一方、図22(b)は、第2変形例の金属パッド38、41を示している。本変形例の金属パッド38は、第1実施形態の比較例の金属パッド38(図6(a))と同じ構造を有している。一方、本変形例の金属パッド41は、第2実施形態の金属パッド41(図17(a))と同じ構造を有している。これにより、ボイドに起因する金属パッド41やそのビアプラグ42の不良を低減することが可能となり、半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、図22(a)の金属パッド41や、図22(b)の金属パッド38は、図9(a)から図11(c)の工程のうちの図10(b)から図11(c)の工程を省略することで形成可能である。ただし、この場合には、絶縁膜14bの膜厚をより厚くして、開口部H2の深さをより深くする。
以上のように、本実施形態の金属パッド38は、第1下部パッド38aと、複数の下部接続部38bとを含み、本実施形態の金属パッド41は、複数の上部接続部41bと、第2上部パッド41cとを含む。よって、本実施形態によれば、金属パッド38、41等に起因する半導体装置の歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、本実施形態では、第1下部パッド38aが、バリアメタルA1と配線材層B1により形成され、下部接続部38bが、バリアメタルA2と配線材層B2により形成されているが、代わりに、第1下部パッド38aの一部が、バリアメタルA1と配線材層B1により形成され、第1下部パッド38aの残部と下部接続部38bが、バリアメタルA2と配線材層B2により形成されていてもよい。前者の場合には、複数組のバリアメタルA2および配線材層B2が、複数の下部接続部38bを構成している構造が実現される。後者の場合には、櫛形形状を有する1組のバリアメタルA2および配線材層B2が、複数の下部接続部38bと第1下部パッド38aの残部とを構成している構造が実現される。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
1:アレイチップ、2:回路チップ、
11:メモリセルアレイ、12:絶縁膜、13:層間絶縁膜、14:層間絶縁膜、
14a:絶縁膜、14b:絶縁膜、14c:絶縁膜、14d:絶縁膜、
14e:絶縁膜、14f:絶縁膜、14g:絶縁膜、14h:絶縁膜、
14i:絶縁膜、14j:絶縁膜、15:基板、16:基板、
21:階段構造部、22:コンタクトプラグ、
23:ワード配線層、24:ビアプラグ、
31:トランジスタ、32:ゲート電極、33:コンタクトプラグ、
34:配線層、35:配線層、36:配線層、36a:ビアプラグ、
36b:配線、37:ビアプラグ、38:金属パッド、
38a:第1下部パッド、38b:下部接続部、38c:第2下部パッド、
41:金属パッド、41a:第1上部パッド、41b:上部接続部、
41c:第2上部パッド、42:ビアプラグ、43:配線層、44:配線層、
45:ビアプラグ、46:金属パッド、47:パッシベーション膜、
51:絶縁層、52:ブロック絶縁膜、53:電荷蓄積層、
54:トンネル絶縁膜、55:チャネル半導体層、56:コア絶縁膜

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板の上方に設けられた下部パッドと、
    前記下部パッド上に設けられた上部パッドとを備え、
    前記下部パッドは、第1パッドと、前記第1パッド上に設けられた複数の第1接続部とを含み、前記上部パッドは、前記複数の第1接続部上に設けられており、
    または、
    前記上部パッドは、第2パッドと、前記第2パッド下に設けられた複数の第2接続部とを含み、前記下部パッドは、前記複数の第2接続部下に設けられている、
    半導体装置。
  2. 前記下部パッドは、前記第1パッドと前記複数の第1接続部とを含み、前記上部パッドは、前記複数の第1接続部上に設けられており、
    および、
    前記上部パッドは、前記第2パッドと前記複数の第2接続部とを含み、前記下部パッドは、前記複数の第2接続部下に設けられている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記下部パッドはさらに、前記複数の第1接続部上に設けられた第3パッドを含み、前記上部パッドは、前記第3パッド上に設けられており、
    または、
    前記上部パッドはさらに、前記複数の第2接続部下に設けられた第4パッドを含み、前記下部パッドは、前記第4パッド下に設けられている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記下部パッドはさらに、前記複数の第1接続部上に設けられた第3パッドを含み、前記上部パッドは、前記第3パッド上に設けられており、
    および、
    前記上部パッドはさらに、前記複数の第2接続部下に設けられた第4パッドを含み、前記下部パッドは、前記第4パッド下に設けられている、
    請求項2に記載の半導体装置。
  5. 前記第2接続部の個数は、前記第1接続部の個数と同じである、請求項2または4に記載の半導体装置。
  6. 前記第1接続部は、前記第1パッド上にバリアメタル層を介して設けられており、
    または、
    前記第2接続部は、前記第2パッド下にバリアメタル層を介して設けられている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記第3パッドは、前記第1接続部上にバリアメタル層を介さずに設けられており、
    または、
    前記第4パッドは、前記第2接続部下にバリアメタル層を介さずに設けられている、
    請求項3に記載の半導体装置。
  8. 前記第1パッドは、前記第1パッドと、前記第1パッドと電気的に接続された配線と、を含む配線層内に設けられており、
    または、
    前記第2パッドは、前記第2パッドと、前記第2パッドと電気的に接続された配線と、を含む配線層内に設けられている、
    請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 第1基板の上方に下部パッドを形成し、
    第2基板の上方に上部パッドを形成し、
    前記第1基板上に形成された前記下部パッドと、前記第2基板上に形成された前記上部パッドとを貼り合わせることで、前記下部パッド上に前記上部パッドを配置する、
    ことを含み、
    前記下部パッドは、前記第1基板の上方に第1パッドを形成し、前記第1パッド上に複数の第1接続部を形成することで形成され、前記上部パッドは、前記下部パッドと前記上部パッドとを貼り合わせることで、前記複数の第1接続部上に配置され、
    または、
    前記上部パッドは、前記第2基板の上方に第2パッドを形成し、前記第2パッド上に複数の第2接続部を形成することで形成され、前記下部パッドは、前記下部パッドと前記上部パッドとを貼り合わせることで、前記複数の第2接続部下に配置される、
    半導体装置の製造方法。
  10. 前記下部パッドは、前記複数の第1接続部上にさらに第3パッドを形成することで形成され、前記上部パッドは、前記下部パッドと前記上部パッドとを貼り合わせることで、前記第3パッド上に配置され、
    または、
    前記上部パッドは、前記複数の第2接続部上にさらに第4パッドを形成することで形成され、前記下部パッドは、前記下部パッドと前記上部パッドとを貼り合わせることで、前記第4パッド下に配置される、
    請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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