JPS60235446A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPS60235446A
JPS60235446A JP9214084A JP9214084A JPS60235446A JP S60235446 A JPS60235446 A JP S60235446A JP 9214084 A JP9214084 A JP 9214084A JP 9214084 A JP9214084 A JP 9214084A JP S60235446 A JPS60235446 A JP S60235446A
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JP
Japan
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active layer
semiconductor substrate
vertical wiring
wiring
opening
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JP9214084A
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Masaaki Yasumoto
安本 雅昭
Tadayoshi Enomoto
榎本 忠儀
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NEC Corp
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NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/14Integrated circuits

Abstract

PURPOSE:To reduce the pressure applied during diffusion welding in a multi- layer semiconductor integrated circuit, by forming the part of a vertical wire in a first active layer contacted with a vertical wire in a second active layer so as to have a triangular or trapezoidal cross section. CONSTITUTION:An end of a vertical wire 220 in a first active layer is formed to have a triangular cross section. In practice, however, it may be formed into a conical shape when the aperture in a first insulation film 202 is circular, and into a pyramid when the aperture is square. When such second active layer is superposed on the first active layer, the tip 221 of the first vertical wire 220 is contacted with the surface of a metal bump in the initial stage when no pressure is applied. Accordingly, if a slight pressure is applied after that, all the pressure is concentrated at the tip 221. The first vertical wire 220 or the metal bump is therefore easily deformed plastically. Thus, any dirty or oxide film is broken and it is facilitated to perform diffusion welding.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、更に詳
しくは多層構造半導体集積回路およびその製造方法に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a multilayer semiconductor integrated circuit and a method for manufacturing the same.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

多層構造半導体集積回路はトランジスタ、抵抗およびコ
ンデンサ等の機能素子が3次元的に配置された集積回路
で、機能素子が2次元的に配置されている従来の集積回
路に比べて集積度や回路規模の向上、配線長の短縮によ
る動作速度の高速化が期待できる。多層構造半導体集積
回路を実現する方法の1つに、機能素子を2次元的に配
置した従来の集積回路素子(以下能動層と称する)を個
別に製造し、これらの能動層を順に積層する方法が考え
られる。この方法によって多層構造半導体集積回路を実
現するためには前記能動層間の配線を行なう垂直配線を
前記能動層に設ける必要がある。また各能動層に設けら
れた垂直配線同士を接続する方法としては拡散溶接法等
があげられる。
A multilayer semiconductor integrated circuit is an integrated circuit in which functional elements such as transistors, resistors, and capacitors are arranged three-dimensionally, and has a higher degree of integration and circuit scale than conventional integrated circuits in which functional elements are arranged two-dimensionally. It is expected that the operating speed will be increased due to improved performance and shorter wiring length. One method for realizing a multilayer semiconductor integrated circuit is to individually manufacture conventional integrated circuit elements (hereinafter referred to as active layers) in which functional elements are arranged two-dimensionally, and then stack these active layers in order. is possible. In order to realize a multilayer semiconductor integrated circuit using this method, it is necessary to provide vertical wiring in the active layer for wiring between the active layers. Further, as a method for connecting the vertical wirings provided in each active layer, a diffusion welding method and the like can be cited.

第1図から第3図は多層構造半導体集積回路の一例を断
面形状で示したものである、 第1図はゲート105、ソースおよびドレイン104゜
105からなるMOSFET、第1の垂直配線109、
水平配線107、第2の垂直配線110および金属バン
プ111が半導体基板101上に形成された構造の断面
形状の一例を示しだものである。102 、103は半
導体基板101とMOSFETおよび水平配線を絶縁す
る第1の絶縁膜および第2の絶縁膜である。108は表
面の保饅等を目的とした第3の絶縁膜である。
FIGS. 1 to 3 are cross-sectional views of an example of a multilayer semiconductor integrated circuit.
It shows an example of a cross-sectional shape of a structure in which a horizontal wiring 107, a second vertical wiring 110, and a metal bump 111 are formed on a semiconductor substrate 101. 102 and 103 are a first insulating film and a second insulating film that insulate the semiconductor substrate 101, MOSFET, and horizontal wiring. 108 is a third insulating film for the purpose of preserving the surface.

第1図の構造を形成する方法の一例を簡単に述べる。ま
ずシリコン等の半導体基板101上に(至)法や熱酸化
法を用いて二酸化シリコン等の第1の絶縁膜102を形
成する。次に第1の絶縁膜102の表面にゲート106
、ソースもしくはドレイン104゜105から成るMO
SFETを通常の方法で形成する。
An example of a method for forming the structure shown in FIG. 1 will be briefly described. First, a first insulating film 102 made of silicon dioxide or the like is formed on a semiconductor substrate 101 made of silicon or the like by using a thermal oxidation method or a thermal oxidation method. Next, a gate 106 is formed on the surface of the first insulating film 102.
, source or drain 104°105
The SFET is formed in a conventional manner.

この後、(至)法等を用いて二酸化シリコン等の第2の
絶縁層103を形成する。次に、第1の絶縁層102お
よび第2の絶縁層103の一部分を開口し、続けてその
開口部の#−導体基板101を所望の深さ、例えば約1
μmの深さになるまでエツチングする。
Thereafter, a second insulating layer 103 made of silicon dioxide or the like is formed using a method or the like. Next, a portion of the first insulating layer 102 and the second insulating layer 103 is opened, and then the #-conductor substrate 101 in the opening is moved to a desired depth, for example, about 1
Etch to a depth of μm.

半導体基板101がシリコンの場合、通常のエツチング
法、例えば硝酸、万邦酸等の混合液によるウェットエツ
チング法や四塩化炭素ガス等によるドライエツチング法
を使用すれば、半導体基板101がエツチングされた断
面形状はほぼ長方形になる。
If the semiconductor substrate 101 is made of silicon, the cross-sectional shape of the semiconductor substrate 101 can be etched by using a normal etching method, for example, a wet etching method using a mixed solution of nitric acid, pernicious acid, etc., or a dry etching method using carbon tetrachloride gas, etc. is almost rectangular.

この後、該開口部および半導体基板101がエツチング
された領域にアルミニウム等の導電材料を埋め込み、第
1の垂直配線109を形成する。更に、アルミニウム等
の水平配線107および二酸化シリコン等の第3の絶縁
層108を形成する。最後に、水平配線107上の第3
の絶縁層108f、開口し、該第3の絶縁層108の開
口部にアルミニウム等の導電材料を理め込み第2の垂直
配線110、並びに金等の金属パン1111す形成する
。金kAバンプ111は拡散溶接を容易にするために設
けられているが、必ずしも必要でf、(い。第1図に示
した構造において半導体基板101をエツチングにより
除去すれば。
Thereafter, a conductive material such as aluminum is buried in the opening and the etched region of the semiconductor substrate 101 to form a first vertical wiring 109. Further, a horizontal wiring 107 made of aluminum or the like and a third insulating layer 108 made of silicon dioxide or the like are formed. Finally, the third line on the horizontal wiring 107
The insulating layer 108f is opened, and a conductive material such as aluminum is injected into the opening of the third insulating layer 108 to form a second vertical wiring 110 and a metal pan 1111 made of gold or the like. Although the gold kA bumps 111 are provided to facilitate diffusion welding, they are not necessarily necessary (if the semiconductor substrate 101 is removed by etching in the structure shown in FIG. 1).

多層構造集積回路の能動Jf1が形成される。以下、こ
れを第1の能動層と称する。第2図は第1の能動層と同
じ工程を経て形成された第2の能動層の断面図である。
Active Jf1 of the multilayer integrated circuit is formed. Hereinafter, this will be referred to as the first active layer. FIG. 2 is a cross-sectional view of the second active layer formed through the same process as the first active layer.

第1図と同じ機能あるいは同じ構造のを素は第1図の要
素番号の3桁目を1から2に変更して示されている。例
えば第1の能動層の202に対応する。#r’! 3図
は第1の能動層上に第2の能動層を積層し7た2層tM
造半尋体集積回路の断面図である。1を↓1v・1間の
絶縁性充填剤で、接着機能を持つポリイミド系伺朋を用
いれば拮強剤として使用できるし、ダイヤモンド薄膜を
用いれば放熱層としても利用できる。
Elements having the same function or structure as in FIG. 1 are shown with the third digit of the element number in FIG. 1 changed from 1 to 2. For example, it corresponds to 202 of the first active layer. #r'! Figure 3 shows a two-layer tM in which the second active layer is laminated on the first active layer.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a half-sized integrated circuit. It is an insulating filler between 1 and 1 V and 1, and if a polyimide resin with adhesive function is used, it can be used as an antagonist, and if a diamond thin film is used, it can also be used as a heat dissipation layer.

第1の能動層の金hバンプ111と第2の能動層の第1
の垂直配線209を接続する方法に拡散溶接法がある。
The gold h-bumps 111 of the first active layer and the first
Diffusion welding is a method for connecting the vertical wiring 209.

拡散溶接法は300℃前後に加熱した2種類、あるいは
同種の金Sの接触面に圧力を加え、接触面での両金用分
子の拡散によシ接着させる方法で、他の接着法例えば導
電接着剤を用いる方法や、ハンダ等の低融点全組を溶か
して接着させる方法に比べて接着部の電気抵抗が小さい
、做細パターンの接着も可能である、接着力が強い、等
の特徴がある。一方、拡散溶接法の最大の欠点は接着さ
せる2つの金83の接触面に有機物等の汚れ股や酸化膜
などが存在すると拡散浴接が著しく阻害されることであ
る。ところが、現実には洗浄等を田【八で 11.曲目
−祐h iav外官kに鈴ホで為 か1八 ネスいはア
ルミニウム等の様な金属の場合、表面が酸化されやすい
等の問題があり、最良の状態で拡散溶接することは実際
上節しい。従来、集積回路チップをパッケージやチップ
キャリア等に組み立てる場合に使用していた拡散溶接法
では、これらの問題を解決するため拡散溶接に必@な圧
力以上の大きな圧力を加えて、接着する材料の一方ある
いは両方に塑性変形を与え、この結果接触面に発生する
すべり応力で前記汚れ膜や酸化膜を破壊、除去していた
。第3図の様な第2の能動層の円柱状あるいは角柱状の
第1の垂直配線209と第1の能動層の金属バンプ11
1間の拡散溶接を例にとると、第2の垂直配線209と
金属バンプ111の界面にかける圧力は、該界面で第2
の垂直配線209、金属バンプ111の両者もしくは一
方が塑性変形する圧力である・例えは第2の垂直配線2
09にアルミニウムを使用する場合、塑性変形に必要な
圧力はアルミニウムの硬度から計算すると20kg/I
IIII+2以上である。仮に第2の垂直配線209の
サイズがloXloμmで、lチップ当り10,000
個存在するとすると、拡散溶接面積は177−となるか
ら、このような場合、第1および第2の能動層を接着す
るのに必要な圧力は20kg以上となる。ところが、第
3図に示した構造では第2の能動層の厚さがせいぜい数
ミクロンで非常に薄いから、先に示した圧力では第2の
垂直配線209あるいは金帆バ/プ111が塑性変形す
ると同時に、第2の能動層も破壊される恐れがある・ 〔発明の目的〕 本発明はこれらの事情を考慮し、拡散溶接時に加える圧
力を減らすことが可能な第2の能動層の第1の垂直配線
の構造およびその製造方法を提供するものである。
Diffusion welding is a method in which pressure is applied to the contact surfaces of two types of gold or the same type of gold S heated to around 300°C, and the two types of gold S are bonded by diffusion of the gold molecules at the contact surfaces. Compared to methods that use adhesives or methods that melt and bond all components with low melting points such as solder, this method has the following characteristics: the electrical resistance of the bonded part is lower, it is possible to bond fine patterns, and the adhesive strength is strong. be. On the other hand, the biggest drawback of the diffusion welding method is that the presence of dirt such as organic substances or oxide films on the contact surfaces of the two pieces of gold 83 to be bonded significantly impedes diffusion welding. However, in reality, cleaning, etc. is difficult. Song - Yu h iav foreign official k ni suzuho de tame ka 18 In the case of metals such as aluminum, there are problems such as the surface being easily oxidized, so it is practically impossible to perform diffusion welding under the best conditions. Nostalgic. Diffusion welding, which has been traditionally used to assemble integrated circuit chips into packages, chip carriers, etc., solves these problems by applying pressure greater than the pressure required for diffusion welding to reduce the strength of the materials to be bonded. Plastic deformation is applied to one or both, and the resulting sliding stress generated on the contact surface destroys and removes the dirt film or oxide film. The cylindrical or prismatic first vertical wiring 209 of the second active layer and the metal bump 11 of the first active layer as shown in FIG.
Taking diffusion welding between 1 and 1 as an example, the pressure applied to the interface between the second vertical wiring 209 and the metal bump 111 is
This is the pressure that causes plastic deformation of both or one of the vertical wiring 209 and the metal bump 111.For example, the second vertical wiring 2
When using aluminum for 09, the pressure required for plastic deformation is 20 kg/I calculated from the hardness of aluminum.
III+2 or higher. Suppose that the size of the second vertical wiring 209 is loXloμm and 10,000 wires per l chip.
If there are two active layers, the diffusion welding area will be 177 -, so in such a case, the pressure required to bond the first and second active layers will be 20 kg or more. However, in the structure shown in FIG. 3, the thickness of the second active layer is very thin, a few microns at most, so the pressure shown above causes the second vertical wiring 209 or the gold plate 111 to undergo plastic deformation. At the same time, the second active layer may also be destroyed. [Objective of the Invention] Taking these circumstances into consideration, the present invention has developed a first active layer of the second active layer that can reduce the pressure applied during diffusion welding. The present invention provides a vertical wiring structure and a manufacturing method thereof.

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

本発明はトランジスタ、抵抗素子、コンデンサ等の機能
素子およびこれらの機能素子間を接続する水平配線があ
らかじめ同一平面上に形成されている能動層が、各能動
層に設けられている垂直配線同士を拡散溶接法で接続す
る方法を用いて順に積層される多層構造半導体集積回路
において、第1の能動層に設けられた垂直配線のうち、
該第1の能動層に隣接する第2の能動層に設けられた垂
直配線と接触する部分の断面形状を三角形あるいは台形
としたことを特徴とする半導体装置およびトランジスタ
、抵抗素子、コンデンサ等の機能素子およびこれらの機
能素子間を接続する水平配線があらかじめ同一平面上に
形成されている能動層が、各能動層に設けられている垂
直配線同志を拡散溶接法で接続する方法を用いてIEt
 K積層される多層構造半導体集積回路の各能動層を形
成する製造方法において、半導体基板表面上に前記機能
素子を形成する工程、前記機能素子が形成されていない
前記半導体基板表面上の絶縁膜に開口部を設け、該開口
部の半導体基板を該開口部の面積より底面の面積が小さ
くなる様なエツチング法を用いて該開口部の半導体基板
に江みを形成した後、該開口部および該u′、みに導電
材料を埋め込むことにより垂直配線を形成する工程、お
よび前記水平配線を形成する工程を行なった後、前i己
半導体゛基板表面上に形成された機能素子、水平配線、
および垂直配線を残した状態で前記半導体基板裏面から
半導体基板をエツチングにより除去し、該垂直配線を裏
面から飛び出させると共に、該飛び出ている領域の断面
形状を三角形あるいは台形とすることを特徴とする半導
体装置の製造方法である。
In the present invention, an active layer in which functional elements such as transistors, resistive elements, and capacitors, and horizontal wiring connecting these functional elements are formed in advance on the same plane, connects vertical wiring provided in each active layer. In a multilayer semiconductor integrated circuit that is sequentially stacked using a diffusion welding method, among the vertical wirings provided in the first active layer,
Functions of semiconductor devices, transistors, resistive elements, capacitors, etc., characterized in that the cross-sectional shape of the portion that contacts the vertical wiring provided in the second active layer adjacent to the first active layer is triangular or trapezoidal. An active layer in which elements and horizontal wiring connecting between these functional elements are formed in advance on the same plane is IEt by using a method of connecting vertical wiring provided in each active layer using a diffusion welding method.
In a manufacturing method for forming each active layer of a multilayer semiconductor integrated circuit in which K is stacked, the step of forming the functional element on the surface of the semiconductor substrate, the step of forming the functional element on the surface of the semiconductor substrate on which the functional element is not formed, After forming an opening in the semiconductor substrate of the opening and forming a recess in the semiconductor substrate of the opening using an etching method such that the area of the bottom surface is smaller than the area of the opening, the semiconductor substrate of the opening and the After performing the step of forming a vertical wiring by embedding a conductive material in the surface of the semiconductor substrate and the step of forming the horizontal wiring, the functional elements, horizontal wiring, and
The semiconductor substrate is removed by etching from the back surface of the semiconductor substrate with the vertical wiring remaining, and the vertical wiring is made to protrude from the back surface, and the cross-sectional shape of the protruding region is triangular or trapezoidal. This is a method for manufacturing a semiconductor device.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を用いながら本発明の実施例を詳細に説明す
る。第4図は第2図に相当する本発明の第1実施例を示
す図である。第2図の要素と全く同じ構造の部分は同一
番号で示されている。第1の垂直配線220の先端22
1の断面形状は三角形になっているが、実際には第1の
絶縁膜202の開口部形状が円形の場合は円錐状、正方
形の場合は角錐状である。第4図に示した第2の能動層
を第1図に示した第1の能動層上に積層する場合を考え
る。最初、圧力をかけない場合、第1の垂直配線220
の先端221と金属バンプ(111)の表面が接触して
いる。従って、この後わずかな圧力をかけても先端22
1の部分に圧力が全て集中するから、この部分に大きな
圧力が加わり、第1の垂直配線mもしくは全組バンプ(
111)が容易に塑性変形する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2. Parts of identical structure to elements of FIG. 2 are designated with the same numerals. Tip 22 of first vertical wiring 220
1 has a triangular cross-sectional shape, but in reality, when the opening shape of the first insulating film 202 is circular, it is conical, and when it is square, it is pyramidal. Consider the case where the second active layer shown in FIG. 4 is laminated on the first active layer shown in FIG. 1. Initially, when no pressure is applied, the first vertical wiring 220
The tip 221 of the metal bump (111) is in contact with the surface of the metal bump (111). Therefore, even if a slight pressure is applied after this, the tip 22
Since all the pressure is concentrated in part 1, a large pressure is applied to this part, and the first vertical wiring m or all the bumps (
111) is easily plastically deformed.

従って、前記汚れ膜や酸化膜が破壊され拡散溶接が行な
われるようになる。例えば第1の垂直配線220にアル
ミニウムを、金妨バンブ111に金を使用した場合、2
〜3にハm2の圧力を加え、300℃に加熱すれば拡散
溶接が起こり、第1の能動層の第2の垂直配線110上
の金酋バンプ111と、第2の能動層の第1の垂直配線
が接続される、この圧力は第2図に示した円柱あるいは
角柱状の第1の垂直配線209を全屈バンブ111上に
拡敬RZ接する場合の約1/1oである。
Therefore, the dirt film and oxide film are destroyed and diffusion welding is performed. For example, if aluminum is used for the first vertical wiring 220 and gold is used for the gold interference bump 111,
By applying a pressure of Ham2 to ~3 and heating it to 300°C, diffusion welding occurs, and the gold plated bump 111 on the second vertical wiring 110 of the first active layer and the first The pressure at which the vertical wiring is connected is about 1/1o of the pressure when the first vertical wiring 209 in the shape of a cylinder or a prism shown in FIG.

第5図は第2図に相当する第2の実施例金示す図である
。第2図の41・y成要素と全く同じ構造の部分は同一
番号で示しである。第1の垂直配線230の先端231
の断面形状は台形になっているが、実際には第1の絶縁
膜202の開口部形状が円形のj・ゝ−1)合、円錐台
状、正方形の場合は角錐台状である。
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment corresponding to FIG. 2. Portions having exactly the same structure as the 41.y component in FIG. 2 are designated by the same numbers. Tip 231 of first vertical wiring 230
The cross-sectional shape of the opening of the first insulating film 202 is a trapezoid, but in reality, if the opening shape of the first insulating film 202 is circular, it is a truncated cone, and if it is square, it is a truncated pyramid.

第5図に示した第2の能動層を第1図に示した第1の能
動層上に積層する場合を考える。最初、′圧力をかけな
い場合、第1の垂直配線230の先端231と金属バン
プ111の表面とが接触している。この接触面積は先端
231の面積と等しいから、第1の垂直配線230ある
いは金属バンプ111が塑性変形を起こすだめに必要な
圧力は、第2図に示されたような断面形状が長方形の第
1の垂直配線209の場合に比べて小さくなる。例えば
先端231の面積が第1の絶縁ル(202の開口部の面
積の174であるとすると、塑性変形に必要な圧力も1
/4に減少する。従って、第5図に示した様な構造の第
2の能動層を第1の能動層上に積層する時、第2図に示
した第2の能動層の場合に比べて拡散溶接時の圧力を下
げることができる、 以上示しだ2 efi Eftの実施例でわかる様に、
第2の能動層に設けられる第1の垂直配線が圧力をかけ
る前に第1の能動層の金4バンプと接触する部分の面積
が第2の能動層の第1の絶縁膜の開口部の開口面積より
小さくすれば、拡散溶接時の圧力を下げることができる
、したがって、第4図や第5図に示した第1の垂直配線
先端部の断面形状、すなわち三角形あるいは台形に代え
てのこぎりの歯のような繰り返し形状を第1の垂直配f
l’fl先端部の断面形状に用いても同様な効果をff
)ることかできる。
Consider the case where the second active layer shown in FIG. 5 is laminated on the first active layer shown in FIG. Initially, when no pressure is applied, the tip 231 of the first vertical wiring 230 and the surface of the metal bump 111 are in contact with each other. Since this contact area is equal to the area of the tip 231, the pressure necessary to cause plastic deformation of the first vertical wiring 230 or the metal bump 111 is the same as that of the first vertical wiring 230 or the metal bump 111 having a rectangular cross section as shown in FIG. The vertical wiring 209 is smaller than that of the vertical wiring 209. For example, if the area of the tip 231 is 174 times the area of the opening of the first insulator (202), the pressure required for plastic deformation is also 1.
/4. Therefore, when the second active layer having the structure shown in FIG. 5 is laminated on the first active layer, the pressure during diffusion welding is higher than in the case of the second active layer shown in FIG. As can be seen from the example of 2 efi Eft shown above,
The area of the portion where the first vertical wiring provided in the second active layer contacts the gold 4 bump of the first active layer before applying pressure is the area of the opening of the first insulating film of the second active layer. If the area is smaller than the opening area, the pressure during diffusion welding can be lowered. Therefore, the cross-sectional shape of the first vertical wiring tip shown in FIGS. A tooth-like repeating shape is placed in the first vertical arrangement.
A similar effect can be obtained by using the cross-sectional shape of the tip of l'fl.
) can be done.

以下、本発明による第2の能動層に設けられる第1の垂
直配線の形成力法を詳細に示す。第6図から第12図は
、第4図に示す構造を実現するだめの製造方法を工程に
従い断面形状を示しだものである。第6図は例えば面方
位が(ioo)のシリコン等の半導体基板501上に二
酸化シリコン等の絶縁膜502を形成したものである。
Hereinafter, a method for forming the first vertical wiring provided in the second active layer according to the present invention will be described in detail. 6 to 12 show cross-sectional shapes according to the steps of the manufacturing method for realizing the structure shown in FIG. 4. In FIG. 6, for example, an insulating film 502 made of silicon dioxide or the like is formed on a semiconductor substrate 501 made of silicon or the like having a (ioo) plane orientation.

なお、502 ハ第4図に示された第1絶縁膜202お
よび第2の絶縁層203に相当する絶縁層である。1だ
、第6図に示されていない領域にMOSFET等の機能
素子が既に形成されていてもかまわない。次に、第7図
に示すように、第1の垂直配線が設けられる部分の絶縁
層502の一部を開口する。絶縁層502が二酸化シリ
コンの場合に、その開口法として、写真食刻法でパター
ニングしたフォトレジストをマスクとするバッフアート
硝酸等を用いたウェットエツチングや四^外化炭素系ガ
ス等を用いたドライエツチングが知られ−〔いる。次に
第7図の構造をヒドラジンや水酸化カリウム灯のRi液
の様な面方位(100)のシリコン結晶面のエツチング
速度が面方位(111)のシリコン納品面のエツチング
速度に比べて十分速い異方性エツチング液に浸すと、第
8図に示すように、開口部503の”r21X分のシリ
コン基板が約35゜の傾斜角505を持つ逆台形状にエ
ツチングされ、好み504が形成される、更にエツチン
グを継続すれば第9図に示すように…f面形状が逆三角
形状のトドみ506が形成されてシリコン基板501の
エツチングが殆ど停止する。この後、第1θ図に示す様
に絶縁層502の開口部503および506内にアルミ
ニウム等の導電材料を埋め込み第1の垂直配線507を
形成した後、水平配線508を形成する。第1の垂直配
線507は第4図の220に相当し、その形成力法の一
例を以下に示す。
Note that 502 C is an insulating layer corresponding to the first insulating film 202 and the second insulating layer 203 shown in FIG. 1. It does not matter if a functional element such as a MOSFET is already formed in a region not shown in FIG. Next, as shown in FIG. 7, a portion of the insulating layer 502 where the first vertical wiring is to be provided is opened. When the insulating layer 502 is made of silicon dioxide, the opening method may be wet etching using buffered nitric acid or the like using a photoresist patterned by photolithography as a mask, or dry etching using external carbon gas or the like. Etching is known. Next, the structure shown in Figure 7 can be etched using hydrazine or Ri solution from a potassium hydroxide lamp, where the etching rate of the silicon crystal plane with the plane orientation (100) is sufficiently faster than the etching rate of the silicon delivered plane with the plane orientation (111). When immersed in the anisotropic etching solution, as shown in FIG. 8, the silicon substrate corresponding to "r21X" of the opening 503 is etched into an inverted trapezoidal shape with an inclination angle 505 of about 35 degrees, forming a pattern 504. If the etching is continued further, as shown in FIG. 9, a groove 506 with an inverted triangular f-plane shape is formed, and the etching of the silicon substrate 501 is almost stopped.After this, as shown in FIG. After forming a first vertical wiring 507 by filling a conductive material such as aluminum into the openings 503 and 506 of the insulating layer 502, a horizontal wiring 508 is formed.The first vertical wiring 507 corresponds to 220 in FIG. An example of the forming force method is shown below.

まず、第9図の構造の表面にスパッタ法等を用いてアル
ミニウム等の導電材料膜を形成する。この導電材料膜の
膜厚は開口部503および窪み506の探さに等しいこ
とが好ましいが、必ずしもこれに限らない。この後、フ
ォトレジスト等をスピン塗布する、この結果、開口部5
03および窪み506の領域のフォトレジストの膜厚が
他の部分に比べて厚くなる。したがって一様に前記フォ
トレジストを酸素プラズマ灰化等の方法で一様にエツチ
ングすれば開口部503およびE(み506の領域にの
みフォトレジストが残った状態で他の部分のフォトレジ
ストが除去される。最後に開口部503および窪み50
6の領域に残っているフォトレジストヲマスクとしてア
ルミニウム等の前記導電材料を四塩化炭素ガスによるド
ライエツチング等の手法を用いてエツチングすれば、開
口部503および窪み506の領域に選択的にアルミニ
ウム等の導電材料が埋め込まれ、第1の垂直配線507
が形成される。なお、第1の垂直配線507を形成する
直前に第1の垂直配線507と基板501とを隔てる薄
い二酸化シリコン等の絶縁層を形成してもかまわない。
First, a film of a conductive material such as aluminum is formed on the surface of the structure shown in FIG. 9 using a sputtering method or the like. The thickness of this conductive material film is preferably equal to the thickness of the opening 503 and the depression 506, but is not necessarily limited to this. After this, a photoresist or the like is spin-coated, and as a result, the opening 5
The film thickness of the photoresist in the regions 03 and 506 is thicker than in other parts. Therefore, if the photoresist is uniformly etched using a method such as oxygen plasma ashing, the photoresist in other parts will be removed with the photoresist remaining only in the openings 503 and E (506). Finally, the opening 503 and the depression 50
If the conductive material such as aluminum is etched as a mask for the photoresist remaining in the area 6 using a method such as dry etching using carbon tetrachloride gas, aluminum etc. will be selectively etched in the area of the opening 503 and the depression 506. conductive material is embedded, and the first vertical wiring 507
is formed. Note that immediately before forming the first vertical wiring 507, a thin insulating layer such as silicon dioxide may be formed to separate the first vertical wiring 507 and the substrate 501.

水平配線508は第4図の207に相当し、通常の集積
回路に用いられるアルミニウム等の配線である。次に第
11図に示すように表面に二酸化シリコン等の絶縁膜5
09を形成し、しかる後、該絶縁膜509の一部分を開
口し、成膜509の開口部にアルミニウム等の導電材料
を埋め込み、第2の垂直配線510を形成し、更に金等
の金属バンブ511を形成する。
The horizontal wiring 508 corresponds to 207 in FIG. 4, and is a wiring made of aluminum or the like used in ordinary integrated circuits. Next, as shown in FIG. 11, an insulating film 5 of silicon dioxide, etc.
After that, a part of the insulating film 509 is opened, a conductive material such as aluminum is buried in the opening of the film 509, a second vertical wiring 510 is formed, and a metal bump 511 of gold or the like is formed. form.

金等の金属バンプ511の形成方法の一例としては、全
面にスパッタ法で形成した金膜を写真食刻法でパターニ
ングしたフォトレジストをマスクとするヨウ素系のエツ
チング液等を用いたウェットエツチング法やイオンミー
リング等のドライエツチング法等がある。最後に、半導
体基板501を除去すれば第12図の構造となる。例え
ば半導体基板501がシリコン基板の場合、硝酸、万昇
酸、酢酸の容積比を5:3:5に選び室温で攪拌しなが
らエツチングすると毎分2〜3μmの速さでシリコン基
板がエツチングされる。この結果得られた第12図に示
す構造は第4図の左半分と同じ構造となる。なお、第8
図の状態で前記異方性エツチングを中止し、第1θ図以
後の工程を行なえば、第5図のような構造にすることも
可能である、 以上の説明は面方位が(ioo)のシリコン基板を中心
に説明を行なったが、シリコン基板の面方位を(111
)以外に選べば傾斜角505は変化するが同様な構造が
得られる。また、第7図に示した開口部503の断面形
状をV状とし、ドライエツチング技術を用いれば、第8
図あるいは第9図に示したような半導体基板501に形
成する凹部505および506を形成することも可能で
ある。
An example of a method for forming the metal bumps 511 made of gold or the like is a wet etching method using an iodine-based etching solution using a photoresist as a mask, which is a gold film formed by sputtering on the entire surface and patterned by photoetching. There are dry etching methods such as ion milling. Finally, if the semiconductor substrate 501 is removed, the structure shown in FIG. 12 will be obtained. For example, if the semiconductor substrate 501 is a silicon substrate, the silicon substrate will be etched at a rate of 2 to 3 μm per minute by selecting a volume ratio of nitric acid, 30% acid, and acetic acid to 5:3:5 and performing etching while stirring at room temperature. . The resulting structure shown in FIG. 12 is the same as the left half of FIG. 4. In addition, the 8th
If the anisotropic etching is stopped in the state shown in the figure and the steps after Figure 1θ are performed, it is possible to obtain the structure shown in Figure 5. Although the explanation focused on the substrate, the plane orientation of the silicon substrate is (111
), the same structure can be obtained although the inclination angle 505 changes. Moreover, if the cross-sectional shape of the opening 503 shown in FIG. 7 is made V-shaped and dry etching technology is used,
It is also possible to form recesses 505 and 506 in a semiconductor substrate 501 as shown in the figure or in FIG.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べた様に、本発明を用いれば各能動層に設けられ
る垂直配線を拡散溶接で接続し7た多層構造半導体集積
回路を実現する上で拡散溶接に必要な圧力が小さい第1
の垂直配線の構造を得ることができる。
As described above, if the present invention is used, the vertical wiring provided in each active layer can be connected by diffusion welding to realize a multilayer semiconductor integrated circuit, and the pressure required for diffusion welding is low.
vertical wiring structure can be obtained.

本発明を説明するに当り使用した基板材オ」、絶縁膜や
導電材料、エツチング液等は一例を示しだものであって
、必ずしもこれに限るものでない。
The substrate materials, insulating films, conductive materials, etching solutions, etc. used in explaining the present invention are merely examples, and are not necessarily limited to these.

また、第1図から第5図に示しだ構造、例えば、MOS
FETの構造や多層構造半導体集積回路も薄膜構造のM
OSFETとして示されているが、通常の半導体基板上
に形成された]!1108FETやバイポーラトランジ
スタ等を含むものでもかまわない。
In addition, the structures shown in FIGS. 1 to 5, for example, MOS
The structure of FETs and multilayer semiconductor integrated circuits are also thin film structures.
Although shown as an OSFET, it was formed on a regular semiconductor substrate]! It may also include a 1108 FET, a bipolar transistor, or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図から第3図は多層構造半導体集積回路を示し、第
1図は第1の能動層の断面図、第2図は第1の能動層か
ら半導体基板を除去して薄膜化した第2の能動層の断面
図、第3図は第1の能動層の上に第2の能動層を積層し
た2層構造半導体集積回路である。 第4図、第5図は本発明の第1実施例、および8g2の
実廁例を示すもので、いずれも第2の能動層の断面図、
第6Nからi、g12図は本発明による製造方法の一例
で、第4図に示した第2の能動層の垂直配線部分、即ち
、左半分の領域を製造する1怪1−に示す図である。 l・・・絶縁性充填剤、101・・・半導体基板、10
9・・・第1の能動層の第1の垂直配線、220 、2
30・・・第2能動層の第1の垂直配線、501・・・
半導体基板、502・・・絶縁層、503・・・開口部
、506・・・注み、507・・・第1の垂直配線、5
08・・・水平配線、509・・・絶縁膜、510 ・
第2の垂直配線、511・・・金同バンプ第1図 第3図 第4図 第5図 第6図 第7図 第F3図 第9図 第10図
1 to 3 show a multilayer structure semiconductor integrated circuit, FIG. 1 is a cross-sectional view of the first active layer, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the second active layer, which is thinned by removing the semiconductor substrate from the first active layer. The cross-sectional view of the active layer in FIG. 3 shows a two-layer structure semiconductor integrated circuit in which a second active layer is laminated on a first active layer. 4 and 5 show the first embodiment of the present invention and an actual example of 8g2, both of which are cross-sectional views of the second active layer,
Figures 6N to i, g12 show an example of the manufacturing method according to the present invention. be. l... Insulating filler, 101... Semiconductor substrate, 10
9...first vertical wiring of first active layer, 220, 2
30...First vertical wiring of second active layer, 501...
Semiconductor substrate, 502... Insulating layer, 503... Opening, 506... Pour, 507... First vertical wiring, 5
08... Horizontal wiring, 509... Insulating film, 510 ・
Second vertical wiring, 511... Gold bumps Figure 1 Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure F3 Figure 9 Figure 10

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)トランジスタ、抵抗素子、コンデンサ等の機能素
子およびこれらの機能素子間を接続する水平配線があら
かじめ同一平面上に形成されている能動層が、各能動層
に設けられている垂直配線同志を拡散溶接法で接続する
方法を用いて順に積層される多層構造半導体集積回路に
おいて、第1の能動層に設けられた垂直配線のうち、該
第1の能動層に隣接する第2の能動層に設けられた垂直
配線と接触する部分の断面形状を三角形あるいは台形と
したことを特徴とする半導体装置。
(1) An active layer in which functional elements such as transistors, resistive elements, capacitors, and horizontal wiring connecting these functional elements are formed in advance on the same plane, connects vertical wiring provided in each active layer. In a multilayer semiconductor integrated circuit that is sequentially stacked using a connection method using diffusion welding, among the vertical wiring provided in the first active layer, a second active layer adjacent to the first active layer is connected. A semiconductor device characterized in that a cross-sectional shape of a portion that contacts a provided vertical wiring is triangular or trapezoidal.
(2)トランジスタ、抵抗素子、コンデンサ等の機能素
子およびこれらの機能素子間を接続する水平配線があら
かじめ同一平面上に形成されている能動層が、各能動層
に設けられている垂直配線同士を拡散溶接法で接続する
方法を用いて順に積層さ打ム名層椹浩半遵体駆積回路の
各能動層を形成する製造方法において、半導体基板表面
上に前記機能素子を形成する工程、前記機能素子が形成
されていない前記半導体基板表面上の絶縁膜に開口部を
設け、該開口部の半導体基板を該開口部の面積より底面
の面積が小さくなる様なエツチング法を用いて該開口部
の半導体基板に窪みを形成した後、該開口部および該江
みに導電材料を埋め込むことにより垂直配線を形成する
工程、および前記水平配線を形成する工8を行なった後
、前記半導体基板表面上に形成された機能素子、水平配
線、および垂直配線を残した状態で前記半導体基板裏面
から半導体基板をエツチングにより除去し、該垂直配線
を裏面から飛び出させると共に該飛び出ている領域の断
面形状を三角形あるいは台形とすること全特徴とする半
導体装置の製造方法。
(2) An active layer in which functional elements such as transistors, resistive elements, and capacitors, and horizontal wiring connecting these functional elements are formed on the same plane in advance, connects vertical wiring provided in each active layer. In a manufacturing method for forming each active layer of a semiconductor integrated circuit in which layers are sequentially laminated using a connection method using a diffusion welding method, the step of forming the functional element on the surface of a semiconductor substrate; An opening is provided in the insulating film on the surface of the semiconductor substrate on which no functional element is formed, and the semiconductor substrate in the opening is etched using an etching method such that the area of the bottom surface is smaller than the area of the opening. After forming a recess in the semiconductor substrate, forming a vertical wiring by burying a conductive material in the opening and the recess, and forming the horizontal wiring, a step 8 is performed on the surface of the semiconductor substrate. The semiconductor substrate is removed by etching from the back side of the semiconductor substrate while leaving the functional elements, horizontal wiring, and vertical wiring formed on the semiconductor substrate, and the vertical wiring is made to protrude from the back side, and the cross-sectional shape of the protruding area is shaped into a triangle. Alternatively, a method for manufacturing a semiconductor device characterized by having a trapezoidal shape.
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