JPS63186457A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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及びその製造方法に係り、特に、表
面、裏面及び側面に電気的接続用の配線パターンを形成
した三次元配線構造の半導体集積回路基板の多数枚を積
層して構成される積層型半導体装置及びその製造方法に
関する。

〔従来の技術〕

ウェハ規模の半導体集積回路基板を多数枚積層すること
により、小形でかつ高速性に優れた計算機システムが実
現できる。従来の装置は、特開昭５１−７８１７６号あ
るいは特開昭６０−１６０６４５号に記載のように、集
積回路基板に設けた貫通孔を介して基板相互の配線接続
を行う構成となっていた。また、特開昭５８−３９０３
０号あるいは特開昭５８−３９０３６号に記載されてい
るように基板を積層した後に一括してその側面に配線接
続を行う構成となっていた。しかし、これらの従来技術
では、多数の配線の微細化、配線抵抗の均−化及び接続
接点の任意選択法については配慮されていなかった。ま
た、積層実装における配線接続構造の機械的強度をはじ
めとする信頼性に関する配慮も十分ではなかった。

次に、積層型半導体装置に用いる集積回路基板の製造方
法に関する従来技術に特開昭６０−２１４５３０号及び
特開昭５８−５６４５５号がある。この従来技術は、２
面露光法に関するもので、ウェハ表面に対する第１回目
の露光を行った後、基板をホトマスクから離し、さらに
これを回転させてから再度マスクに近接させて側面に対
する第２回目の露光を行うことにより、立体（２面）配
線用のホトレジストパターンを形成していた。従来方法
は、上記のように、ウェハの直交する２面を対象とする
もので、表面、側面に加えて裏面に至る３面を一括露光
する方法については全く配慮されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

集積回路基板に貫通孔を設け、この側壁に配線層を形成
したのち基板相互を配線接続する従来の構成では、素子
集積密度の向上に伴う配線密度の増加に対する配慮がさ
れておらず、素子の高集積化により回路基板が大形化す
る問題があった。すなわち、貫通孔の微細化が困難であ
り、このため、素子領域に比べて配線領域の占有率が大
幅に増加し、基板寸法を大形化するという問題があった
。

また、従来構成では、貫通孔側壁への配線層形成に際し
てその膜厚がばらつくため配線抵抗の均一化を図る上で
問題があった。さらに、これらの回路基板を複数段に積
層する場合の配線接続構造の機械的強度の点についても
、従来技術では配慮がされておらず、熱疲労による配線
接続部の信頼度低下に関して問題があった。

次に、製造方法における前述従来技術は、ウェハ表面か
ら側面を経由して裏面に至る３面に対する一括露光法に
ついては全く配慮されておらず、またウェハ基板を回転
させるという複雑な工程を必要とし、通常広く用いられ
ている密着露光装置の利用を困難ならしめるという実用
上の問題点があった。

本発明の目的は、従来技術での上記した諸問題を解決し
、集積回路基板に占める配線領域の削減が可能となり、
これによりモジュール全体を小形　化でき、高速性の向
上をも可能とする積層型の半導体装置を提供すること、
さらに、密着露光方式を用いて基板の表面、裏面、側面
の３面に簡便に配線パターンを形成することができる製
造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、表面、裏面及び側面に電気的接続用の配線
パターンが形成された三次元配線構造を有する半導体集
積回路基板の複数枚を積層し、各集積回路基板間の配線
接続を上記配線パターンを介して行う構成とすることに
より、また、製造方法としては、表面、裏面及び側面の
各所要部分にホトレジスト膜を形成した基板を、周囲に
光反射機能部を有するホルダで支持し、次いでマスクを
介して基板の表面に光照射すると共に上記光反射機能部
からの反射光によって基板の側面及び裏面を光照射して
上記ホトレジスト膜を一括して露光する工程を含む方法
とすることにより達成される。

従来の貫通孔の形成手段として、一般的に機械研削や化
学エツチングによる形成手段が適用されている。しかし
、これらの手段は加工精度に制限があると共に高い技術
水準が必要とされる。したがって、本発明においては、
貫通孔を設けることなく基板相互間の配線接続を可能と
するために、従来、基板の上面（能動素子面）のみに形
成していた配線層を側面を経由して下面にまで延長する
手段を採用した。

〔作用〕

貫通孔方式としないで、三次元配線構造の集積回路基板
を用いる方式としたことにより、形成する配線抵抗層の
パターン加工は簡便なホトリソグラフィ技術により実現
可能となり、高精度の配線パターンを得ることができる
。特に貫通孔に導電層を設ける工程が不要となることか
ら、導電層の成膜が容易であり、膜厚の均一性も良い。

さらに、配線パターン寸法を正確に制御できるため、均
一な抵抗値を持つ配線層が実現できる。また、貫通孔方
式に比べて電極間隔を大幅に低減できるため配線領域の
占有率を低く抑え、集積回路基板の小形化が可能となる
。同時に、基板平面に貫通孔が存在しないために配線層
の布線レイアウトが簡略化され、配線密度を上げること
ができる。複数の基板間の配線接続を行う場合、一方の
集積回路基板上面に予めはんだ電極を形成しておき、こ
の上に他の基板を積み重ねる構成とすれば、配線接続の
必要性に応じて基板上面に形成するはんだ電極の構成パ
ターンを変えて任意の電極間の配線接続が可能となる。

基板を複数段積層する際、基板の自重によりはんだ接続
部に相当量の荷重が加わることになるが、これは、基板
間に支持体を別個に挿入する構成とすれば、基板の荷重
はこの支持体で支えられて、はんだ接続電極部への負荷
荷重を回避することができる。

次に１本発明の三次元配線構造製造方法とすれば、ホル
ダに設けた光反射機能部分は、ウェハに対する垂直入射
光の一部をウェハ側面および裏面に導くように動作し、
それによって、ウェハの表面から側面を経由して裏面に
至る所定部分を同時に一括露光して配線用ホトレジスト
パターンを形成できる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

まず、構成の実施例を第１図〜第４図を用いて説明する
。第１図、第２図は本発明の原理を示す図である。第１
図に示すように、ウェハ規模の集積回路基板１０を積層
することにより計算機モジュールを構成する。集積回路
基板１０の中心部はメモリおよび論理ゲートで構成する
能動素子領域１１であり、このような集積回路基板を１
０〜２００段積層して計算機システムが実現できる。基
板間の配線接続は回路基板の上面、側面および下面に形
成した配線層１３を相互に結線することにより行う。第
２図は集積回路基板１０を複数段積層した場合の模式図
であり、回路基板の相互配線ははんだ電極１４で電気的
に接続する。また、基板間には支持体１５を挿入し、は
んだ電極の変形を防止している。

第３図および第４図に本発明によるＷＳＩ（Ｗａｆｅｒ
　Ｓ　ｃａｌｅ　Ｉ　ｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）積層モジ
ュールを示す。第３図はウェハ規模ＣＭＯ８集積回路基
板２０を示し、論理ゲート素子領域２１　（２０４３に
ゲート）とメモリ素子領域２２　（６４にバイトＸ４０
Ｘ４）とから成る能動素子領域と配線領域２３とで構成
する。ＣＭＯＳプロセスに引き続きウェハを切断加工し
た後、通常のホトリソグラフィ加工によりウェハ上面、
側面、下面への配線パターニングを後述する方法により
一括して行った。次に上面配線電極上に突起状のはんだ
電極２４を形成した。ここでは配線ルートに従ってはん
だ電極の構成パターンを回路基板ごとに変えるようにし
た。また、はんだ電極の形成は、はんだ金属の選択蒸着
あるいはボール状のはんだ材の供給方式のいずれかを採
用し、はんだ量の制御および下地配線電極の寸法制御に
よりはんだ電極の高さを制御した。次に第４図に示すよ
うに、はんだ電極２４の高さよりもやや低い高さを持つ
支持体２５を基板間に挿入し、支持体２５の両面に被着
したはんだ材の溶着により集積回路基板２０相互の接着
を行った。支持体２５のはんだ溶融接着と同時に基板相
互のはんだ溶融接続が行えるように、前者のはんだ融点
を後者よりも高くなるように設定した。

本実施例構成によれば、集積回路基板の周辺に三次元配
線領域を設けているため配線領域の削減が実現でき、こ
れにより、モジュール全体の容量を小形化することがで
き、また、基板上のはんだ電極の構成パターンを任意に
変えることができるため、ウェハ間の配線ルートを自在
に制御できる効果がある。

次に１本発明製造方法の一実施例を第５図〜第９図によ
り説明する。第５図（ａ）、（ｂ）は本発明による三次
元配線構造を備えた基板製造方法の原理を説明する図で
ある。第５図（ａ）は、矩形状のウェハ基板１０１（そ
の露出面の所定部分にホトレジスト膜１０２が形成され
ている）が、ウェハホルダ１０３のほぼ中央部に設けら
れた真空孔１０４（矢印の方向へ真空引きされる）の上
部に載置されて真空吸着・固定され、かつ、その側面が
光反射機能部１０５に取り囲まれ、これら構成部材全体
がホトマスク１０６によって上側から密着されている状
態を示す。第５図（ｂ）は、ホトマスク１０６に対する
垂直入射光１０７（矢印で示す）の一部が。

光反射機能部１０５内に導かれ光反射面１０８によって
反射され、ウェハ基板１０１の側面および裏面の一部が
露光されている状態を示す、第５図から明らかなように
、本発明方法によれば、ウェハ基板１０１の表面から側
面を経由して裏面に至る所定の領域を一括して密着露光
することが容易に行える。

以下、本発明方法を実施する上での幾つかのポイントに
ついて詳述する。

立体（３面）への配線形成に必要なウェハ露呂面に対す
るホトレジスト膜の形成には、ホトレジスト剤Ａ　Ｚ　
１３５０（シラプレー社製）をディップ法およびスピン
ナー回転法を併用して、厚さ２〜４ｐの範囲に塗布した
。一般に、回転塗布法ではウェハ周辺のレジスト厚さが
増す傾向にあるが、レジスト剤の粘度を適正化し、かつ
スピンナー回転速度を高速から低速に変速する手法が膜
厚均一化に有効であった。側面へのレジスト剤塗布はデ
ィップ法が効果的であった。

光反射機能部１０５は、第６図に示すように、三角柱状
の石英プリズム２０１の一部を切り欠いたものを用いた
。このプリズムを実際に作製するに当っては、第６図の
Ａ−Ａ’線で分割した（イ）部および（ロ）部の石英プ
リズムを予め用意しておき、所要のストライプ・パター
ン（材質Ｃｒ）　２０２を通常の密着露光方式によって
形成した後、それぞれを紫外線硬化型接着剤（製品名：
　ＮｏｒｌａｎｄＯｐｔｉｃａｌ　Ａｄｈｅｓｉｖｅ　
６１）を用いて接着して一体化した。光反射面１０８は
ＡＱを蒸着して形成した。

第７図は、上述の一体化された石英プリズム２０１計４
個をウェハホルダ１０３に装着した状態を示す（第５図
においてウェハ基板１０１とホトマスク１０６を除いて
上側から見た図に対応する）。

第８図は、第５図で示したホトマスク１０６の平面図で
あり、ウェハ基板１０１（第８図の破線４０１で囲まれ
る領域に設置される）の周辺部への配線用ストライプ・
パターン（材質Ｃｒ）　４０３が形成しである。破線４
０２で囲む領域は、第９図で述べる集積回路部５０２に
対応する。

以上のように、第６図、第７図、第８図で示した部品と
構成方法を用いて、第５図に示した密着方式による立体
３面露光を実現できた。第９図（ａ）は、本実施例によ
って立体３面配線がなされた５ｉ−ＷＳＩウェハ５０１
の外観図であり、集積回路部５０２から四方に延展する
ストライプ状のＡＤ。

配４＠　５０３は、第９図（ｂ）に拡大断面図を示すよ
うに、ウェハ側面を経由して裏面の所要部分まで連続し
て形成しである。ＡＱ配線形成は、ホトレジスト膜を露
光・現像してストライプ・パターン化した後、ＡＱを蒸
着し、さらにリフト・オフ法によりレジスト剤を除去す
る方法を用いた。第９図（ｃ）は、上記５Ｌ−ＷＳＩウ
ニハ５０１をスタック実装した本発明の一応用例を示し
、半田バンプ５０３で配線接続することによりウェハ間
の信号伝送を可能にしている。

本実施例によれば、ウェハ基板の立体３面（表面、側面
および裏面）を一括して露光することができ、ウェハの
スタック実装をはじめとする三次元実装デバイスの立体
配線を容易かつ簡易な工程で実現できるので、技術的、
経済的効果が極めて大きい。

なお、上述実施例の光反射機能部１０５には石英プリズ
ム２０１を用いたが、これは、単に光反射鏡を用いても
よい。すなわち、第５図ウェハホルダ１０３のＶ溝部分
（石英プリズムを保持する部分）を鏡面加工すればよい
。ただし、この場合にはウェハ側面および裏面への露光
パターンをホトマスク１０６上に形成しておくことにな
るため、完全な密着露光とならず微細パターン形成には
、やや不向きな方式となるが、石英プリズムを予め作製
する上述実施例方式に比し、工程が簡易となり経済的に
は有効な方式となる。

さらに、三次元配線構造の製造方法としてこれまで述べ
てきた実施例では、半導体ウェハの３面に配線パターン
を一括して形成する場合について説明したが、この方法
は、ＬＣＣ（リードレス・チップ・キャリア）素子の配
線形成にも適用可能である。すなわち、ＬＣＣ素子では
、外部接続用端子線がチップの側面に形成されるが、本
製造方法によれば、チップ表面の配線パターンと側面の
外部接続用端子線とを連続状に一括して形成することが
できる。

〔発明の効果〕

本発明の積層集積回路構成によれば、ウェハ規模集積回
路の積層実装において、集積回路基板の側面を配線経路
として活用できるので、集積回路基板に占める配線領域
を縮小でき、このため、集積回路基板寸法の削減により
、実装モジュールの全容量を小型化できる効果がある。

さらに、本発明の三次元配線構造製造方法によれば、ウ
ェハの表面、側面および裏面の立体３面に対する密着露
光を一括して行うことができ、立体３面への配線パター
ン形成工程を大幅に簡略化し、かつ短縮化でき、ウェハ
のスタック実装を実現するうえで技術的、経済的効果が
大である。また、配線層の加工プロセスは通常のホトリ
ソグラフィ技術を用いて実施できるので、パターンの加
工精度に優れ、微細化も容易である。したがって、配線
抵抗の制御性も良く、実装モジュールの性能向上に効果
がある。一方、本三次元配線方式では、貫通孔等の加工
プロセスが不要であり、プロセスの簡略化、経済性の点
についても効果がある。さらに、基板相互の配線接続に
はんだ材を用い、支持体の挿入により機械強度的にも安
定な構造とすることにより、モジュール全体の信頼性向
上に効果がある。

本発明はウェハを三次元的に実装するスタックモジュー
ルの他に、ウェハを二次元配置させたプレーナモジュー
ルの実装にも有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する斜視図、第２図は同じ
く側面図、第３図は本発明のウェハ規模ＣＭＯ３集積回
路基板の実施例平面図、第４図は本発明によるＷＳＩ積
層モジュールの実施例斜視図、第５図（ａ）、（ｂ）は
本発明製造方法の原理説明図、第６図は第５図中の光反
射機能部の説明図、第７図は第５図中のウェハホルダの
構成図、第８図は第５図中のホトマスクの平面図、第９
図（ａ）は本発明による立体配線ウェハの一例の外観図
、（ｂ）はそのＡ−Ａ’部の断面図、（Ｑ）は積層状態
の一例を示す断面図である。 符号の説明 １０・・・集積回路基板　　　１１・・・能動素子領域
１３・・・配線層　　　　　　１４．２４・・・はんだ
電極１５、２５・・・支持体　　　　１０１・・・ウェ
ハ基板１０２・・・ホトレジスト膜　１０３・・・ウェ
ハホルダ１’０５・・・光反射機能部　　１０６・・・
ホトマスク１０７・・・垂直入射光　　　１０８・・・
光反射面２０１・・・石英プリズム　　２０２・・・マ
スクパターン５０１・・・５ｉ−ＷＳＩウェハ ５０３・・・ＡＱ配線 代理人弁理士　　中　村　純之助 才１　図 １１−能動索長ρｆへ。 矛３　図 矛５図 （Ｑ） １０２−・ネμレジ゛スｌ−哄 （ｂ）１０３−’＞“パ１″′２゛。 １［］６ ＋０８−−一士及射面 ２６　図 ２０２−・マス２ノ？クーレ オ　　７　　図　　　　　　　１０８−−一光及冑寸面
ｎｌ ＋０６−−−ホトマスウ ４０１−−六エハ基拐砿坑 ４０２−−一禰ｎ口路艷Ｑ戚

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面、裏面及び側面に電気的接続用の配線パターン
   が形成された三次元配線構造を有する半導体集積回路基
   板の複数枚が積層されており、各集積回路基板間の配線
   接続が上記配線パターンを介して行われていることを特
   徴とする半導体装置。 ２、前記三次元配線構造を有する半導体集積回路基板間
   の配線接続は、上層側基板の下面に形成された配線パタ
   ーンとその下層側基板の上面に形成された配線パターン
   間をはんだ材で接続することで行われていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ３、前記三次元配線構造を有する半導体集積回路基板の
   積層は、各基板間にそれぞれ電気的接続用とは別個に配
   置される支持体を介して行われていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の半導体装置
   。 ４、表面、裏面及び側面の各所要部分にホトレジスト膜
   を形成した基板を、周囲に光反射機能部を有するホルダ
   で支持し、次いでマスクを介して基板の表面に光照射す
   ると共に上記光反射機能部からの反射光によって基板の
   側面及び裏面を光照射して上記表面、裏面及び側面に形
   成されたホトレジスト膜を一括して露光する工程を含む
   ことを特徴とする三次元配線構造の半導体集積回路基板
   の製造方法。