JPH049385B2 - - Google Patents

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ｎ層（ｎは２以上の整数）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、従来からよく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ら成る第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
りポリシリコン膜を再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など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、次に第ｎ層の能動層上に透明基板を透明
な接着性材料で密着・接合した後、第ｎ層の能動
層下にある支持基板を除去し、第ｎ層の能動層の
裏面と第（ｎ−１）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互いに整合
させた後、第ｎ層の能動層に設けられた接続部と
第（ｎ−１）層の能動層に設けられた接続部を互
いに密着させ、両者を結合し、次に第（ｎ−１）
層の能動層下にある支持基板を除去した後、第
（ｎ−２）層，…第３層，第２層の能動層に対し
ても、第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前
記工程を繰り返し行ない、次に第１層の能動層に
対して第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前
記工程のうち支持基板を除去する工程以外の工程
を施す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などから成る支持
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、次に第ｎ層の能動層上に透明基板
を透明な接着性材料で密着・接合した後、第ｎ層
の能動層下にある支持基板を除去し、第ｎ層の能
動層の裏面と第（ｎ−１）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互いに
位置を整合させた後、第ｎ層の能動層に設けられ
た接続部と第（ｎ−１）層の能動層に設けられた
接続部を互いに密着させ、両者を結合し、次に第
（ｎ−１）層の能動層下にある支持基板を除去し
た後、第（ｎ−２）層，…第３層，第２層の能動
層に対しても、第（ｎ−１）層の能動層に対して
施した前記工程を繰り返し行ない、次に第１層の
能動層に対して第（ｎ−１）層の能動層に対して
施した前記工程のうち支持基板を除去する工程以
外の工程を施す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図に本発明の製造方法により作成された半導体
装置の一例を示す。同図において、支持基板１
０，第１層の能動層１１，パツケージの基板１
２，第２層の能動層２１等、第１図と同一の要素
は同一の番号を用いて示してある。なお同図に示
した第１層および第２層の能動層１１および２１
は、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ー
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 Insulator）を用
いて作成した例を示している。

１０１は気相成長（CVD）法等により支持基
板１０上に堆積された二酸化シリコン等の絶縁膜
である。１０４，１０５，１０６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等の半導体層を用い、
周知のプロセスで形成する。１０７は該FETの
ゲート電極、１０２は該ゲート電極１０７を作成
後、CVD法等により堆積される二酸化シリコン
等の絶縁膜である。１０８はドレイン領域１０
４，ソース領域１０５上の該絶縁膜１０２に配線
用の穴を開口した後、スパツタ法などにより堆積
され、次に写真食刻技術でパターニングしたアル
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１１と２１を整合するためのパ
ターン（目合せパターン）で、ここでは一例とし
て、金属配線１０８と同一材料で同時に形成した
場合を示している。１０３はCVD法などにより
形成される二酸化シリコン等の絶縁膜、１１０は
絶縁膜１０３を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、１１２は
該垂直配線１１０上に設けた金などの金属バンプ
である。１１３は絶縁性と熱伝導性が優れた人工
ダイアモンド等の透明な放熱材料である。該放熱
材料は必ずしも必要ではないが、能動層の発熱量
が多い場合には、極めて有効な手段である。ここ
で、該第１層の能動層１１の構成要素をまとめる
と、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，
１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１
２，１１３等である。同様に第２層の能動層２１
も、二酸化シリコン等の絶縁膜２０１，２０２，
２０３，FET（２０４，２０５，２０６，２０
７，）、金属配線２０８，垂直配線２１０，２１
１，金属バンプ２１２，透明な放熱材料２１３等
から構成される。

以上のよに構成された各能動層１１と２１の整
合は、透明な放熱材料１１３，２１３，透明な絶
縁膜１０３，２０１，２０２，２０３を介し、目
合せパターン２０９を目合せパターン１０９に一
致させることにより行なわれる。又第１層，第２
層の能動層１１，１２中に形成された機能素子の
相互接続は、垂直配線、例えば、２１１と金属バ
ンプ、例えば、１１２とを拡散溶接等の手段で結
合することにより得られる。

第３図から第６図は本発明による半導体装置の
製造方法を工程順に示したもので、第１図に示し
た要素と同一の要素は第１図で用いた番号と同一
の番号が用いてある。

まず最初に、表面に能動層が形成されているｎ
枚の支持基板を用意することから始まる。次に第
ｎ層の能動層７１が形成された支持基板を除去す
る。このために、まず第３図に示すように、半導
体等の支持基板７０上に形成された第ｎ層の能動
層７１の表面とガラス，サフアイア等の透明基板
７２をワツクス等の透明な材料で密着させる。な
お同図において、７１は絶縁膜，放熱材料，機能
素子と配線，目合せパターン７０９等からなる第
ｎ層の能動層である。

次の工程は該支持基板７０の除去である。支持
基板が、例えば、シリコン等の場合、アルカリ
系，アンモニア系等の溶液を用いてポーリツシン
グしたり、HNO₃，HFおよびCH₃COOHの混合
液でエツチングしたりする、あるいはこの２つを
くみあわせることなどにより、除去される。

次の工程を第４図に示す。１５は支持基板６０
上に形成された第（ｎ−１）層の能動層６１を設
置するステージで、ヒーター等の加熱装置１６を
具備している。又該ステージは支持基板６０を所
定の位置に固定するため、周知の吸着機能も備え
ている。１７は、透明基板７２は接着された第ｎ
層の能動層７１を、能動層を下に向け、保持する
可動装置で、透明基板等を固定する周知の吸着機
能、周知の目合せ整合機能および透明基板等に圧
力を加える機能等を備えている。したがつて、該
可動装置１７を前後、左右に移動しながら、第ｎ
層の能動層１７内に設けた目合せパターン７０９
を第（ｎ−１）層の能動層６１内に設けた目合せ
パターン６０９と一致させることにより、第ｎ層
および第（ｎ−１）層の能動層を互いに整合させ
ることができる。

目合せ完了後、第５図に示すように、該可動装
置１７を下方へ平行移動させ、第（ｎ−１）層の
能動層６１に設けられた金属バンプ（例えば第２
図の１１２）と第ｎ層の能動層７１に設けられた
垂直配線（例えば第２図の２１１）を互いに密着
せる。この時、あらかじめ加熱装置１６により、
該金属バンプと垂直配線は、例えば、350度Ｃ前
後に加熱しておく。これと同時に、該可動装置を
制御して、矢印１８の方向へ、例えば50Kg／mm²程
度の圧力を加えれば、金などの金属バンプとアル
ミニユーム等の垂直配線は拡散溶接される。した
がつて、第ｎ層の能動層７１中の回路と第（ｎ−
１）層の能動層６１の回路は互いに結線される。
次に支持基板６０を第（ｎ−１）層の能動層６１
から除去することにより、第（ｎ−１）層の能動
層６１の積層工程は終了する。なお支持基板６０
の除去は、前記した支持基板７０の除去と同様な
方法で行うことができる。

次のステツプは、第６図に示すように、第（ｎ
−１）層の能動層６１の下側に第（ｎ−２）層の
能動層５１を積層する工程である。この場合も、
第３図から第５図を用いて説明した第（ｎ−１）
層の能動層の積層方法と全く同様に行なわれる。
以下、第（ｎ−３）層……第３層，第２層の能動
層を積層し、その都度対応する支持基板を除去
し、最後に第１層の能動層を、支持基板を残した
まま、積層することにより、第１図に示すような
半導体装置１が形成される。

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た。本発明によれ
ば、第１層，第２層，…第ｎ層の能動層の作成が
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、設計の自由度も大きくなる。又あ
らかじめ回路等のテストを施して故障のない能動
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
般の材料例えば半導体基板表面に能動層が形成さ
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た能動層、SOSのSi膜に形成
された能動層も適用される。さらに上記説明で用
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図は多層の半導体装置の構造例の概略断面
図、第２図はSOIを用いた多層の半導体装置の構
造例の概略断面図、第３図から第６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、であ
る。第１図から第６図において１は多層の半導体
装置、１０，５０，６０，７０は支持基板、１
１，２１，３１，４１，５１，６１，７１はそれ
ぞれ第１層，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、７２は透明基板、１０９，２０９，５
０９，６０９，７０９は目合せパターンである。
第２図において、１０１，１０２，１０３，２０
１，２０２，２０３は絶縁膜、１０４，２０４は
ドレイン領域、１０５，２０５はソース領域、１
０６，２０６はチヤネル領域、１０７，２０７は
ゲート、１０８，２０８は配線、１１０，２１
０，２１１は垂直配線、１１２，２１２は金属バ
ンプ、１１３，２１３は放熱材料である。

Claims (1)

1. 【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
   るいは絶縁体など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、次
   に第ｎ層の能動層上に透明基板を透明な接着性材
   料で密着・接合した後、第ｎ層の能動層下にある
   支持基板を除去し、第ｎ層の能動層の裏面と第
   （ｎ−１）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互いに位置を整合させ
   た後、第ｎ層の能動層に設けられた接続部と第
   （ｎ−１）層の能動層に設けられた接続部を互い
   に密着させ、両者を結合し、次に第（ｎ−１）層
   の能動層下にある支持基板を除去した後、第（ｎ
   −２）層，…第３層，第２層の能動層に対して
   も、第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前記
   工程を繰り返し行ない、次に第１層の能動層に対
   して第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前記
   工程のうち支持基板を除去する工程以外の工程を
   施す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
   るいは絶縁体など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、次
   に第ｎ層の能動層上に透明基板を透明な接着性材
   料で密着・接合した後、第ｎ層の能動層下にある
   支持基板を除去し、第ｎ層の能動層の裏面と第
   （ｎ−１）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互いに位置を整合させ
   た後、第ｎ層の能動層に設けられた接続部と第
   （ｎ−１）層の能動層に設けられた接続部を互い
   に密着させ、両者を結合し、次に第（ｎ−１）層
   の能動層下にある支持基板を除去した後、第（ｎ
   −２）層，…第３層，第２層の能動層に対して
   も、第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前記
   工程を繰り返し行ない、次に第１層の能動層に対
   して第（ｎ−１）層の能動層に対して施した前記
   工程のうち支持基板を除去する工程以外の工程を
   施す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。