JPH049384B2

JPH049384B2 -

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Publication number: JPH049384B2
Application number: JP58095171A
Authority: JP
Priority date: 1983-05-30
Filing date: 1983-05-30
Publication date: 1992-02-20
Also published as: JPS59219954A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体装置の製造方法に係る。さらに
詳しくは、トランジスタ等の機能素子およびこれ
らを接続する導電線（以下配線と呼ぶ）等が集積
化された能動層が複数層積層され、それぞれ異な
る能動層に集積化された機能素子や回路が互いに
有機的に結線された多層の半導体装置の製造方法
に係る。

第１図に多層の半導体装置の構成例を示す。同
図において、１０は半導体あるいは絶縁体などの
支持基板、１１は該支持基板１０上に形成された
第１層の能動層、２１，３１，４１，５１，６
１，７１はそれぞれ第２層，第３層，第４層，…
…第（ｎ−２）層，第（ｎ−１）層，第ｎ層の能
動層、１２は多層の半導体装置１が実装されるパ
ツケージの基板、１３はボンデイングパツド、１
４はボンデイングワイアである。次に同図を用い
て、従来から知られている多層の半導体装置の製
造順序を簡単に説明する。

まず半導体などの支持基板１０の表面に周知の
集積回路作成プロセスを用い、トランジスタなど
の機能素子や配線かれ成る第１層の能動層１１を
作成する。この時、次に作成される第２層の能動
層２１との結合のためのプロセスも施される。次
に、第１層の能動層１１上に絶縁膜、半導体膜等
を順次形成する。なお該半導体膜として、レーザ
ーアニールあるいは電子ビームアニールなどによ
りポリシリコンを結晶化して得られるシリコン単
結晶膜が最も代表的な例である。次に該半導体膜
を用いて、トランジスタ等の機能素子を集積化し
た後、これらを結線して第２層の能動層２１とす
る。この場合、必要に応じ、第１層の能動層１１
と第２層の能動層２１にそれぞれ形成された機能
素子や回路を互いに結合するとともに、次に作ら
れる第３層の能動層３１中の回路素子との結合の
ためのプロセスも施される。以下、第２層の能動
層２１を作成したプロセスと同様なプロセスを用
い、第３層，第４層，…第（ｎ−２）層，第（ｎ
−１）層，第ｎ層の能動層３１，４１，…５１，
６１，７１を順次作成し、多層の半導体装置１を
形成する。

このようにして製造された半導体装置は平面的
な広がりの他に上下方向に立体的な広がりがある
から、周知の平面的な広がりだけの集積回路に比
べ、集積密度，機能，信号処理能力等がすぐれて
いる。しかし、各能動層を作成するための全ての
プロセスを一層毎に順次施し、次に積みあげてゆ
くために、能動層の層数が増加するにしたがつ
て、デバイス作成に要する時間（TAT）が増大
し、反対に歩留りが低下する、等極めて重大な問
題が生ずる。

本発明はこれらの欠点を解決する半導体装置の
製造方法を提供するものである。

本発明によれば、トランジスタ等の回路素子お
よびこれらを相互に接続する導電線が集積化され
た能動層が複数層積層され、かつ各能動層の回路
素子が層間で相互に機械的に結合された複数層の
半導体装置を形成する半導体装置の製造方法であ
つて、半導体あるいは絶縁体等から成る支持基板
をｎ枚（ｎは２以上の整数）準備し、各支持基板
の表面にそれぞれ少なくとも一層の能動層（以下
第１層，第２層，…第ｎ層の能動層と称する）を
形成し、第２層，第３層，…第ｎ層の能動層中に
形成された目合せパターンの位置に対応する部分
の支持基板を能動層と反対の側より除去し、次に
第１層の能動層の表面と第２層の能動層の表面を
対向させ、両能動層を前記目合せパターンを用い
て互いに位置を整合した後、両能動層の表面に設
けられた接続部を互いに密着させるとともに、両
者を結合し、ひきつづき第２層の能動層の下の支
持基板を除去して第２層の能動層の裏面を露出さ
せ、次に、露出した第２層の能動層の裏面と第３
層の能動層の表面を対向させ、両能動層を目合せ
パターンを用いて互いに位置を整合した後、第２
層の能動層の裏面に設けられた接続部と第３層の
能動層の表面に設けられた接続部を互いに密着さ
せるとともに、両者を結合し、ひきつづき第３層
の能動層の支持基板を除去して第３層の能動層の
裏面を露出させた後、第４層，第５層，…第ｎ層
の能動層に対しても、第３層の能動層に対して施
した前記工程を繰り返して行うことを特徴とする
半導体装置の製造方法が得られる。

更に本発明によればトランジスタ等の回路素子
およびこれらを相互に接続する導電線が集積化さ
れた能動層が複数層積層され、かつ各能動層の回
路素子が層間で相互に機械的に結合された複数層
の半導体装置を形成する半導体装置の製造方法で
あつて、半導体あるいは絶縁体等から成る支持基
板をｎ枚（ｎは２以上の整数）準備し、各支持基
板の表面にそれぞれ少なくとも一層の能動層（以
下第１層，第２層，…第ｎ層の能動層と称する）
を形成し、第２層，第３層……第ｎ層の能動層中
に形成された目合せパターンの位置に対応する部
分の支持基板を能動層と反対の側より除去し、次
に第１層の能動層の表面と第２層の能動層の表面
を対向させ、両能動層を前記目合せパターンを用
いて互いに位置を整合した後、両能動層の表面に
設けられた接続部を互いに密着させるとともに、
両者を結合し、ひきつづき第２層の能動層の支持
基板を除去して第２層の能動層の裏面を露出さ
せ、次に、露出した第２層の能動層の裏面と第３
層の能動層の表面を対向させ、両能動層を目合せ
パターンを用いて互いに位置を整合した後、第２
層の能動層の裏面に設けられた接続部と第３層の
能動層の表面に設けられた接続部を互いに密着さ
せるとともに、両者を結合し、ひきつづき第３層
の能動層の支持基板を除去して第３層の能動層の
裏面を露出させた後、第４層，第５層，…第ｎ層
の能動層に対しても、第３層の能動層に対して施
した前記工程を繰り返して行うことによつて形成
されるｎ層の積層物を並行して複数個作成し、次
にこの複数個の積層することを特徴とする半導体
装置の製造方法が得られる。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。第
２図，第３図，第４図はそれぞれ半導体あるいは
絶縁体などの支持基板上に形成された第１層，第
２層，第ｎ層の能動層を示している。なおここで
はこれらの能動層が、シリコン等の半導体を支持
基板とし、この上に二酸化シリコン等の絶縁膜お
よびポリシリコン膜を順次堆積し、次に該ポリシ
リコンをレーザアニールあるいは電子ビームアニ
ール等で再結晶化して得られるシリコンの単結晶
膜、即ち、SOI（Silicon on Intulator）を用いて
作成された例である。

第２図において、１０１は気相成長（CVD）
法等により、シリコン等の支持基板１０上に堆積
された二酸化シリコン等の絶縁膜である。１０
４，１０５，１０６は電界効果トランジスタ（以
後FETと呼ぶ）のドレイン領域，ソース領域，
チヤネル領域で、絶縁膜１０１上に形成された上
記のシリコン膜を用い、周知のプロセスで形成さ
れる。１０７は該FETのゲート、１０２は該ゲ
ート作成後、CVD法等により堆積された二酸化
シリコン等の絶縁膜である。１０８はドレイン領
域１０４，ソース領域１０５上の該絶縁膜１０２
に穴を開口した後、スパツタ法等により堆積さ
れ、次に写真食刻技術などでパターニングされた
アルミニユーム等の金属配線である。１０９は第
１層と第２層の能動層を整合させるための目合せ
パターンで、ここでは一例として、金属配線１０
８と同一材料で、同時に形成される場合を示して
いる。１０３は該金属配線１０８，目合せパター
ン１０９を形成した後、CVD法等で堆積される
二酸化シリコン等の絶縁膜である。１１０は絶縁
膜１０３は開口して作られる穴に理め込まれたア
ルミニユーム等の金属の垂直配線である。１１２
は該垂直配線上に設けられる金などの金属バンプ
で、該金属バンプを介して、第１層の能動層中の
回路素子と他の能動層中の回路素子が互いに結合
される。１１３は絶縁性と熱伝導性の両者が優れ
た人工ダイアモンド等の透明な放熱材料で、能動
層から発生する熱量が大きい場合など、必要に応
じて形成される。なお第１層の能動層１１は、第
２図より明らかなように、１０１，１０２，１０
３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，
１０９，１１０，１１２，１１３などの要素から
構成される。

第３図において２０はシリコン等の支持基板、
２１は第２層の能動層である。該第２層の能動層
２１は二酸化シリコン等の絶縁膜、２０１，２０
２，２０３，FETのドレイン領域２０４、ソー
ス領域２０５，チヤネル領域２０６、ゲート２０
７，アルミニユーム等の金属配線２０８，目合せ
パターン２０９，アルミニユーム等の金属で形成
された金属バンプ側の垂直配線２１０および支持
基板側の垂直配線２１１，金などの金属バンプ２
１２，人工ダイアモンド等の放熱材料２１３等か
ら構成される。なおこれらの構成要素の作成プロ
セスは第１層の能動層のそれらとほぼ同様であ
る。但し、該第２層の能動層２１を第１層の能動
層１１上に積層する前に、目合せパターン２０９
に対応する部分の支持基板を一部除去し、第３図
に示すように、開口部分２１４を設けるプロセス
が加わる。この開口プロセスは、例えばKOH等
の溶液を用い異方性の選択エツチングを行なうこ
とにより容易に行うことができる。こうしてシリ
コン等の不透明な支持基板を一部分除去すること
により、二酸化シリコン等の透明な絶縁膜２０
１，２０２，２０３中に形成された目合せパター
ン２０９を支持基板側から見通すことが可能とな
る。従つて、第２層の能動層２１を能動層側を上
に第１層の能動層１０上に重ねた場合において
も、該目合せパターン２０９を、二酸化シリコン
等の透明な絶縁膜１０１，１０２，１０３中に形
成された目合せパターン１０９に整合することが
できる。なお説明は省くが、第３層，第４層，
…，第（ｎ−１）層の能動層３１，４１，…，６
１についても、上記第２層の能動層と全く同じプ
ロセスを用いて形成される。

第４図において７０はシリコン等の支持基板、
７１は第ｎ層の能動層である。該第ｎ層の能動層
７１は二酸化シリコン等の絶縁膜７０１，７０
２，７０３，FETのドレイン領域７０４、ソー
ス領域７０５，チヤネル領域７０６，ゲート電極
７０７，アルミニユーム等の金属配線７０８（部
分的にボンデイングパツドとして用いることも可
能である），目合せパターン７０９，アルミニユ
ーム等の金属で形成された垂直配線７１０，金な
どの金属バンプ７１２，人工ダイアモンド等の放
熱材料７１３等から構成される。なおこれらの構
成要素の作成プロセスは第１層，第２層の能動層
のそれらとほぼ同様である。又該能動層を積層す
る前に、第２層の能動層と同様に、目合せパター
ン７０９に対応する部分の支持基板を除去し、開
口部７１４を設けておく。これと同時に、ボンデ
イングパツドに対応する部分の支持基板も除去
し、開口部７１５を設ける。

以上積層される各能動層について説明した。次
に第５図から第７図を用いて、これらの能動層の
積層方法を工程順に説明する。なお同図におい
て、第１図から第４図に示した要素と同一の要素
は、第１図から第４図で用いた番号と同一の番号
が用いてある。

まず、第５図に示すように、第１層の能動層１
１が形成されている支持基板１０をステージ１５
に設置する。該ステージ１５はヒーター等の加熱
装置１６を具備し、又支持基板１０を所定の位置
に固定するための周知の吸着機能も備えている。
一方、支持基板２０上に形成された第２層の能動
層２１を能動層側を下向きに、第１層の能動層と
対向させ、可動装置１７に固定する。なお該可動
装置１７は周知の吸着機能、周知の目合せ機能お
よび該支持基板２０と第２層の能動層２１に圧力
を加える機能等が具備されている。次に該可動装
置１７を前後，左右に移動しながら、支持基板に
開口した穴２１４を介して、第２層の能動層２１
中に設けられた目合せパターン２０９を第１層の
能動層１１中に設けた目合せパターン１０９と許
容誤差範囲内で一致させることにより、第１層お
よび第２層の能動層を互いに整合する。

目合せが完了したら、第６図に示すように、該
可動装置１７を下方へ平行移動させ、第１層の能
動層１１に設けられた金属バンプ（例えば、第２
図の１１２）と第２層の能動層２１に設けられた
金属バンプ（例えば、第３図の２１２）を互いに
密着させる。この時、あらかじめ加熱装置１６に
より、これらの金属バンプは、例えば300ないし
400度Ｃに加熱しておく。これと同時に、該可動
装置１７を制御して、矢印１８の方向へ、例え
ば、50Kg／mm²程度の圧力を加えることによりこれ
らの金属バンプは互いに拡散溶接され、２層の半
導体装置が完成する。

金属バンプ間の接続が完了したら、該ステージ
１５および該可動装置１７から２層の半導体装置
を取り出し、次に支持基板２１を除去する。この
支持基板２０を除去する方法の一例を、第３図を
用いて説明する。まずアルカリ系あるいはアンモ
ニア系の溶液を用いポーリツシングなどの方法
で、破線２１５の部分まで、即ち、支持基板の表
面に近い部分２０ａを除去する。次に、例えば、
HNO₃，HFおよびCH₃COOHの混合液を用いて、
残りの支持基板２０ｂを除去する。この時、絶縁
膜２０１および２０１ａがこのエッチングを止め
るストツパーの働きをする。なお該混合液を用い
て支持基板２０ａと２０ｂを一度に除去すること
もできる。次に垂直配線２１１を露出するため
に、絶縁膜２０１ａをフツ酸と水の混合液などを
用いて除去する。この時露出した絶縁膜２０１の
表面も一部エツチングされる。

支持基板２０の除去が終了したら、次に、第３
層の能動層の積層ステップに移る。これを第７図
に示す。この場合も、第５図，第６図を用いて説
明した第２層の能動層の積層プロセスおよび支持
基板の除去プロセスと同様な方法で行なわれる。
以下、第３層から第ｎ層の能動層に対しても同様
である。

最後に第ｎ層の能動層の絶縁膜（第４図の７１
６）を写真食刻技術を用いて除去し、開口するこ
とによりボンデイングパツド（金属配線７０８の
一部分）を露出させて、ｎ層の半導体装置が形成
される。第８図に上記製造方法によつて作成した
３層の半導体装置の構造例を示す。この場合第１
層，第２層および第３層の能動層はそれぞれ第２
図，第３図および第４図に対応する。

以上、多層の半導体装置の製造方法、すなわ
ち、積層方法を詳細に説明しました。本発明によ
れば、第１層，第２層，…第ｎ層の能動層の作成
および第２層から第ｎ層の能動層からの支持基板
の除去が平行して同時に行なわれるから、従来か
らよく知られた多層の半導体装置の作成に要する
時間に比べ、本発明による多層の半導体装置の作
成に要する時間は極めて短縮化される。さらにシ
リコンやガリウム砒素など異なる材質の半導体を
用いた能動層あるいはFETやバイポーラトラン
ジスタなど異なる製造工程により形成された能動
層などを自由に積層できるので、多機能化と、機
能の最適化ができる上、設計の自由度もひろが
る。又あらかじめ回路等のテストを行なつて故障
のない能動層を選択してからこれらを積層できる
から、歩留りが極めて高い半導体装置の実現がで
きる。したがつて、生産性が極めて向上する。又
透明な絶縁膜中に設けられた目合せパターンは、
不透明な支持基板を除去した後では、自由に可視
できるので、従来の方法で層間の目合せ整合が容
易に行なえる。このため、裏面目合せ装置など、
大規模な装置を必要としない、等の長所がある。

なお本発明の半導体装置の製造方法において、
能動層を積層したり、支持基板を除去したりする
場合、能動層，支持基板，透明基板等のサイズは
制限されない。又上記説明で使用した材料の種類
（半導体材料，絶縁材料，金属材料，放熱材料，
接着材料，エツチング溶液，等）、製造条件（温
度，圧力，膜厚，等）、あるいは個別製造方法
（エツチング，ポーリシング，拡散溶接，等）等
は一例であつて、本発明の効果が発揮されるなら
ば、上記々載事項に限定されることはない。上記
説明ではSOIを用いて形成された能動層を例に説
明したが、これに限定されることはなく、広く一
般の材料例えば能動層が半導体基板表面に形成さ
れている場合や、半導体基板上のエピタキシヤル
半導体膜に形成されている場合や、SOSのSi膜に
形成されている場合も適用される。さらに上記説
明でもいた簡単な回路構成も、一例であつて、こ
れに限定されることはない。

また前記実施例では支持基板上に能動層が１層
しか形成されていないものを最初にｎ枚用意した
が、これに限る必要はなく、レーザアニール，電
子ビームアニール等の本発明とは別の方法によつ
て能動層があらかじめ複数層形成されているもの
を最初に用意してもよい。

また前記実施例では３層以上の能動層を積層す
る場合を示したが、２層の場合でも当然本発明は
適用できる。

また前記実施例では能動層を１層ずつｎ層積層
して得たｎ層の積層物を、完成された半導体装置
としたが、この認識にとらわれる必要はない。つ
まり本発明においてこのｎ層の積層物上に更に
（ｎ＋１）層，（ｎ＋２）層，…と積層してもよ
い。

またｎ層の積層物を複数個並行して作つてお
き、最後にこれらを前記実施例と同様にして積層
してもよい。また逆にｎ層の積層物を完成された
半導体装置とみなしたとき、例えばｎ／３層の積
層物を３つ並行して製造し、最後にこの３つを積
層してｎ層の半導体装置を完成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はｎ層の半導体装置の概略断面図、第２
図，第３図，第４図はそれぞれ一例としてSOIを
用いた第１層，第２層，第ｎ層の能動層および支
持基板の概略断面図、第５図から第７図は本発明
の製造方法を説明するために、その工程順に、多
層の半導体装置の構造を示した概略断面図、第８
図は本発明による製造方法によつて得られた３層
の半導体装置の概略断面図である。第１図から第
８図において、１は多層の半導体装置、１０，２
０，３０，７０は支持基板、１１，２１，３１，
４１，５１，６１は第１層，第２層，第３層，第
４層，第（ｎ−２）層，第（ｎ−１）層の能動
層、７１は第ｎ層あるいは第３層の能動層、１２
はパツケージの基板、１３はボンデイングパツ
ド、１４はボンデイングワイア、１５はステー
ジ、１６は加熱装置、１７は可動装置、１８は加
圧の方向である。第２図から第８図において、１
０１，１０２，１０３，２０１，２０２，２０
３，７０１，７０２，７０３は絶縁膜、１０４，
２０４，７０４はドレイン領域、１０５，２０
５，７０５はソース領域、１０６，２０６，７０
６はチヤネル領域、１０７，２０７，７０７はゲ
ート、１０８，２０８，３０８は金属配線、１０
９，２０９，３０９，７０９は目合せパターン、
１１０，２１０，２１１，７１０は垂直配線、１
１２，２１２，７１２は金属バンプ、１１３，２
１３，７１３は放熱材料、７１４は目合せパター
ンを可視する穴、７１６はパツドのスルーホール
である。

Claims

【特許請求の範囲】１トランジスタ等の回路素子およびこれらを相
互に接続する導電線が集積化された能動層が複数
層積層され、かつ各能動層の回路素子が層間で相
互に有機的に結合された複数層の半導体装置を形
成する半導体装置の製造方法であつて、半導体あ
るいは絶縁体等から成る支持基板をｎ枚（ｎは２
以上の整数）準備し、各支持基板の表面にそれぞ
れ少なくとも一層の能動層（以下第１層，第２
層，…第ｎ層の能動層と称する）を形成し、第２
層，第３層……第ｎ層の能動層中に形成された目
合せパターンの位置に対応する部分の支持基板を
能動層と反対の側より除去し、次に第１層の能動
層の表面と第２層の能動層の表面を対向させ、両
能動層を前記目合せパターンを用いて互いに位置
を整合した後、両能動層の表面に設けられた接続
部を互いに密着させるとともに、両者を結合し、
ひきつづき第２層の能動層の支持基板を除去して
第２層の能動層の裏面を露出させ、次に、露出し
た第２層の能動層の裏面と第３層の能動層の表面
を対向させ、両能動層を目合せパターンを用いて
互いに位置を整合した後、第２層の能動層の裏面
に設けられた接続部と第３層の能動層の表面に設
けられた接続部を互いに密着させるとともに、両
者を結合し、ひきつづき第３層の能動層の支持基
板を除去して第３層の能動層の裏面を露出させた
後、第４層，第５層，…第ｎ層の能動層に対して
も、第３層の能動層に対して施した前記工程を繰
り返して行うことを特徴とする半導体装置の製造
方法。２トランジスタ等の回路素子およびこれらを相
互に接続する導電線が集積化された能動層が複数
層積層され、かつ各能動層の回路素子が層間で相
互に有機的に結合された複数層の半導体装置を形
成する半導体装置の製造方法であつて、半導体あ
るいは絶縁体等から成る支持基板をｎ枚（ｎは２
以上の整数）準備し、各支持基板の表面にそれぞ
れ少なくとも一層の能動層（以下第１層，第２
層，…第ｎ層の能動層と称する）を形成し、第２
層，第３層，…第ｎ層の能動層中に形成された目
合せパターンの位置に対応する部分の支持基板を
能動層と反対の側より除去し、次に第１層の能動
層の表面と第２層の能動層の表面を対向させ、両
能動層を前記目合せパターンを用いて互いに位置
を整合した後、両能動層の表面に設けられた接続
部を互いに密着させるとともに、両者を結合し、
ひきつづき第２層の能動層の支持基板を除去して
第２層の能動層の裏面を露出させ、次に、露出し
た第２層の能動層の裏面と第３層の能動層の表面
を対向させ、両能動層を目合せパターンを用いて
互いに位置を整合した後、第２層の能動層の裏面
に設けられた接続部と第３層の能動層の表面に設
けられた接続部を互いに密着させるとともに、両
者を結合し、ひきつづき第３層の能動層の支持基
板を除去して第３層の能動層の裏面を露出させた
後、第４層，第５層，…第ｎ層の能動層に対して
も、第３層の能動層に対して施した前記工程を繰
り返して行うことによつて形成されるｎ層の積層
物を並行して複数個作成し、次にこの複数個の積
層物を積層することを特徴とする半導体装置の製
造方法。