(57)【要約】      （修正有）【課題】バッティングコンタクトを用いて電気的に連結するウエハ間の電気的連結方法及びこれを用いて実現した半導体装置を提供する。【解決手段】第１ウエハ２１０および第２ウエハ２２０を、酸化膜接合方式を用いて物理的に接合し、第１ウエハ２１０の第１伝導領域とこれに対応する第２ウエハ２２０の第２伝導領域との電気的連結は、ＴＳＶまたはバッティングコンタクトを用いたメタル接合方式で連結する。第１ウエハ２１０には、ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうちの少なくとも１つが実現され、第２ウエハ２２０には、前記ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうち、第１ウエハに実現された要素を除いた残りの要素およびピクセル駆動回路が実現される。【効果】工程を単純化させることができ、工程上のエラーを低減させ、製品歩留まりの向上を図ることができる。【選択図】図２
2014103395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の工程が完了した第１ウエハおよび第２ウエハを、バッティングコンタクト方式を用いて電気的に連結するウエハ間の電気的連結方法において、
絶縁膜接合方式で前記第１ウエハと前記第２ウエハとを物理的に接合する物理的接合ステップと、
前記第１ウエハの第１伝導領域と、これに対応する前記第２ウエハの第２伝導領域とを、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｃｏｎ  Ｖｉａ）またはバッティングコンタクト（ｂｕｔｔｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔ）を用いたメタル接合（ｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｍｅｔａｌ  ｂｏｎｄｉｎｇ）方式で連結する電気的接合ステップと、を含むことを特徴とするウエハ間の電気的連結方法。
【請求項２】
前記電気的接合ステップは、
前記第１ウエハの基板の下部および前記第１伝導領域を貫通して前記第２伝導領域に達するバッティングコンタクトホールを形成するバッティングコンタクトホール形成ステップと、
前記バッティングコンタクトホールの領域のうち、前記第１伝導領域および前記第１伝導領域と前記第２伝導領域との間の領域にのみ伝導物質を充填する伝導物質充填ステップと、
前記バッティングコンタクトホールの領域のうち、伝導物質が充填されていない残りの領域に絶縁物質を充填する絶縁物質充填ステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項３】
前記バッティングコンタクトホール形成ステップは、
前記第１ウエハの基板の下部を貫通して前記第１伝導領域に達する第１バッティングコンタクトホールを形成する第１バッティングコンタクトホール形成ステップと、
前記第１伝導領域を貫通して前記第２伝導領域に達する第２バッティングコンタクトホールを形成する第２バッティングコンタクトホール形成ステップと、を含むことを特徴とする請求項２に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項４】
前記絶縁物質充填ステップは、前記第１バッティングコンタクトホールに絶縁物質を充填し、
前記伝導物質充填ステップは、前記第２バッティングコンタクトホールに伝導物質を充填することを特徴とする請求項３に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項５】
前記第１バッティングコンタクトホールの断面積は、前記第２バッティングコンタクトホールの断面積に比べて大きいことを特徴とする請求項３または４に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項６】
前記第１ウエハの基板の下部を研磨して基板の下部の一定の厚さを除去する基板下部除去ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項７】
前記基板下部除去ステップは、
前記物理的接合ステップの前に行うか、
前記物理的接合ステップを完了した後、前記電気的接合ステップの前に行うことを特徴とする請求項６に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項８】
前記物理的接合ステップは、
酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）方式で前記第１ウエハと前記第２ウエハとを物理的に接合するステップであることを特徴とする請求項１に記載のウエハ間の電気的連結方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法を用いて電気的に連結した第１ウエハおよび第２ウエハを用いて実現した半導体装置において、
前記第１ウエハには、ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうちの少なくとも１つが実現され、
前記第２ウエハには、前記ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうち、前記第１ウエハに実現された要素を除いた残りの要素およびピクセル駆動回路が実現されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記第１ウエハには、前記ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうち、入射する光に対応する電荷を生成するフォトダイオードが形成されたことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つのウエハを電気的に連結する方法に関するものであって、特に、酸化膜接合方式で物理的に接合した後、バッティングコンタクトを用いて電気的に連結するバッティングコンタクト方式を用いたウエハ間の電気的連結方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
技術の発達に伴い、ウエハ上で素子の大きさを減少させることによって集積回路の物理的な大きさを減少させることは限界に達している。これを解消するために、少なくとも２つのウエハを上下に積層して接合する方式が提案されて用いられている。
【０００３】
図１は、従来のメタル接合方式によって製造された半導体装置の断面を示す。
【０００４】
説明の便宜のために、図１に示された半導体装置は、イメージセンサの一部であると仮定する。上部のウエハ１１０には、上部から入射する光の量に対応する電荷を生成するフォトダイオードＰＤと、上記の電荷が一時格納される浮遊拡散領域（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）ＦＤとが実現されており、下部のウエハ１２０には、イメージセンサを構成する構成要素のうち、フォトダイオードＰＤを除いた残りの要素が実現されている。
【０００５】
図１を参照すると、それぞれ異なる素子が実現された２つのウエハが接合されている。ここで、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ領域は、伝導性物質のメタルまたは多結晶シリコンが形成されている箇所を意味する。上部のウエハ１１０に形成されたＡ領域およびＣ領域は、下部のウエハ１２０に形成されたＢ領域およびＤ領域と電気的にそれぞれ連結されなければならない。
【０００６】
半導体製造工程が完了した時、ウエハの上部表面は絶縁物質で覆われるため、２つのウエハの上部表面を物理的に接合する場合、２つのウエハは電気的には絶縁される。そのため、２つのウエハの電気的連結のためには、接合される部分に伝導性物質が形成されていなければならず、また、これらが互いに物理的に接しなければならない。
【０００７】
図１を参照すると、上部のウエハ１１０に形成されたＡ領域およびＣ領域の場合、表面領域には銅（Ｃｕ）のような伝導性物質が形成されており、下部のウエハ１２０に形成されたＢ領域およびＤ領域の場合も同じである。
【０００８】
上述のように、従来のメタル接合（ｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｍｅｔａｌ  ｂｏｎｄｉｎｇ）方式では、上部のウエハ１１０および下部のウエハ１２０のＡ領域ないしＤ領域の表面領域に銅（Ｃｕ）を用いて導電層を形成した場合、この導電層は、単に２つのウエハ１１０，１２０の電気的連結のために形成したものであり、ウエハの厚さが増加するという欠点をもたらす。ウエハの厚さが増加すれば増加するほど、２つのウエハ１１０，１２０に形成された素子間の電気的連結のための配線の長さが長くなり、これら配線の抵抗による電力損失などを無視することができなくなる。
【０００９】
また、各ウエハを製造する工程において、接合時に電気伝導に必要な導電層を形成する工程をそれぞれ行わなければならないため、工程を行うのにかかる時間も増加するという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする技術的課題は、ウエハの接合を物理的な接合と電気的な接合とに区分して、物理的な接合は比較的簡単な工程である酸化膜工程を利用し、電気的な接合はＴＳＶまたはバッティングコンタクト技術を利用することにより、追加の工程が単純なバッティングコンタクト方式を用いたウエハ間の電気的連結方法を提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、ウエハの接合を物理的な接合と電気的な接合とに区分して、物理的な接合は比較的簡単な工程である酸化膜工程を利用し、電気的な接合はＴＳＶまたはバッティングコンタクト技術を利用することにより、追加の工程が単純なバッティングコンタクト方式を用いたウエハ間の電気的連結方法を用いて製造した半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の技術的課題を達成するための、本発明にかかるウエハ間の電気的連結方法は、一連の工程が完了した第１ウエハおよび第２ウエハを、バッティングコンタクト方式を用いて電気的に連結するものであり、物理的接合ステップと、電気的接合ステップとを含む。前記物理的接合ステップでは、酸化膜接合方式で前記第１ウエハと前記第２ウエハとを物理的に接合する。前記電気的接合ステップでは、前記第１ウエハの第１伝導領域とこれに対応する前記第２ウエハの第２伝導領域との電気的連結は、ＴＳＶまたはバッティングコンタクトを用いたメタル接合方式で連結する。
【００１３】
上記の他の技術的課題を達成するための、本発明にかかる半導体装置は、電気的に連結した第１ウエハおよび第２ウエハを用いて実現した半導体装置であり、前記第１ウエハには、ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうちの少なくとも１つが実現され、前記第２ウエハには、前記ＣＭＯＳイメージセンサを構成する複数の構成要素のうち、前記第１ウエハに実現された要素を除いた残りの要素およびピクセル駆動回路が実現される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかるウエハ間の電気的連結方法およびこれによって製造された半導体装置は、酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）というメタル接合（ｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｍｅｔａｌ  ｂｏｎｄｉｎｇ）に比べて相対的に簡単な技術でウエハを物理的に接合した後、ＴＳＶおよびバッティングコンタクト技術を利用してウエハ間の電気的連結を行うため、工程を単純化させることができ、工程上のエラーを低減させ、製品歩留まりの向上を図ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のメタル接合方式によって製造された半導体装置の断面を示す。
【図２】本発明にかかるウエハ間の電気的連結方法によって製造された半導体装置の断面を示す。
【図３Ａ】２つのウエハに対して物理的接合が進行した結果を示す。
【図３Ｂ】第１ウエハの基板から第１伝導領域まで形成された第１バッティングコンタクトホールを示す。
【図３Ｃ】第１伝導領域から第２伝導領域まで形成された第２バッティングコンタクトホールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の例示的な実施形態を説明する図面に記載された内容を参照しなければならない。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に示された同一の参照符号は同一の部材を表す。
【００１８】
図２は、本発明にかかるウエハ間の電気的連結方法によって製造された半導体装置の断面を示す。
【００１９】
図２を参照すると、本発明にかかる半導体装置の物理的な接合は、酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）で実現される。これは、表面が酸化膜（ｏｘｉｄｅ）で覆われている上部のウエハ２１０と下部のウエハ２２０とを物理的に接合したことを意味する。したがって、２つのウエハ２１０，２２０は、電気的には互いに絶縁されている。この方式は、接合時、２つのウエハ２１０，２２０の整列だけを考慮すればよいので、接合が比較的容易に実現できる。
【００２０】
図２では、２つのウエハ２１０，２２０間の接合が酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）方式によるものと示したが、これは例示的なものであり、酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）方式でない、他の絶縁膜接合方式によっても接合できることは当然である。
【００２１】
図１に示された従来の場合には、２つのウエハ１１０，１２０が接合される部分が導電体（Ｃｕ）と酸化膜（ｏｘｉｄｅ）とに区分されているが、図２に示された本発明の場合、２つのウエハ２１０，２２０が接合される全体部分が酸化膜からなっている。図２において、Ｆ領域は、物理的な接合が行われた後に形成されるバッティングコンタクトホール（ｂｕｔｔｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｈｏｌｅ）であり、これについては後述する。
【００２２】
第１ウエハ２１０の基板を貫通して第１伝導領域Ａ、Ｃに形成された第１バッティングコンタクトホールＥと、第１伝導領域Ａ、Ｃと第２伝導領域Ｂ、Ｄとの間に形成された第２バッティングコンタクトホールＦとによって、第１ウエハ２１０に形成された第１伝導領域Ａ、Ｃは、第２ウエハ２２０に形成された第２伝導領域Ｂ、Ｄと電気的に連結される。
【００２３】
ここで、第１バッティングコンタクトホールＥには絶縁物質を充填し、第２バッティングコンタクトホールＦには伝導物質を充填することにより、必要な部分だけ電気的に連結させることができる。
図２には、第１バッティングコンタクトホールＥの断面積が第２バッティングコンタクトホールＦの断面積に比べて大きいものとして表されているが、断面積が同じ形態で実現されることも可能である。断面積が互いに異なるコンタクトホールを形成することと、断面積が同じコンタクトホールを形成することとは、この分野における通常の知識を有する技術者にとって特別な技術ではないので、ここではその過程については説明しない。
【００２４】
上記の過程において、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏ  ｒｅｓｉｓｔ）を塗布し、フォトレジストに、マスク（Ｍａｓｋ）に形成された一定のパターン（ｐａｔｔｅｒｎ）を反映した後、フォトレジストをベーキング（ｂａｋｉｎｇ）し、エッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）する工程が共通に使用される。
【００２５】
以下では、図２に示された本発明にかかる半導体装置を製造する過程について説明する。
【００２６】
図３Ａないし図３Ｃは、図２に示された半導体装置の製造過程を示す。図３Ａは、２つのウエハに対して物理的接合が進行した結果を示す。図３Ｂは、第１ウエハ２１０の基板から第１伝導領域まで形成された第１バッティングコンタクトホールを示す。図３Ｃは、第１伝導領域から第２伝導領域まで形成された第２バッティングコンタクトホールを示す。
【００２７】
図３Ａを参照すると、２つのウエハ２１０，２２０が物理的に接合された場合、２つのウエハ２１０，２２０の表面に形成された酸化膜（ｏｘｉｄｅ）が互いに接合されるため、酸化膜接合（ｏｘｉｄｅ  ｔｏ  ｏｘｉｄｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）といい、これら２つのウエハ２１０，２２０に実現された素子の間は電気的に絶縁されている。
【００２８】
図３Ｂを参照すると、第１バッティングコンタクトホールＥは、第１ウエハ２１０の基板から第１伝導領域Ａ、Ｃに形成される。この過程では、上述のように、第１バッティングコンタクトホールＥを形成できるようにパターニングされたマスクを用いて、フォトレジスト工程およびエッチング工程により第１バッティングコンタクトホールＥを生成する。
【００２９】
一般的に、半導体素子が実現されるウエハの基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の厚さは相当なものであるが、第１バッティングコンタクトホールＥを生成する前に、第１ウエハ２１０の基板の下部を研磨（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）して基板の厚さを第２ウエハ２２０の基板（Ｓｉ）に比べて薄くする。図２を参照すると、下部の第２ウエハ２２０の基板の厚さが上部の第１ウエハ２１０の基板の厚さに比べて厚いことが分かる。第１バッティングコンタクトホールＥがエッチング作業によって形成されるため、エッチングされる基板の厚さが薄いほど、エッチング時間が減少する。
【００３０】
第１ウエハ２１０の基板の厚さを調節する時期は調節可能であるが、図３Ａに示された物理的接合ステップの前に実行した後、物理的接合ステップを引き続き行うようにしてもよく、物理的接合ステップの後、図３Ｂに示されたステップを行う前に実行することも可能である。
【００３１】
図３Ｃを参照すると、第２バッティングコンタクトホールＦは、第１伝導領域Ａ、Ｃから第２伝導領域Ｂ、Ｄまで形成される。この過程でも、第２バッティングコンタクトホールＦを形成できるようにパターニングされたマスクを用いて、フォトレジスト工程およびエッチング工程により第２バッティングコンタクトホールＦを生成する。図３Ｃに示されているように、２つのバッティングコンタクトホールＥ、Ｆの断面積が互いに異なるようにする場合、第１バッティングコンタクトホールＥと第２バッティングコンタクトホールＦとの区別が容易であるという利点がある。
【００３２】
上述したような２ステップの工程を経て、２つのバッティングコンタクトホールＥ、Ｆを順次に生成する方式を用いてもよいが、２つのバッティングコンタクトホールＥ、Ｆの断面積を異なるようにする必要がない場合には、１回のエッチング工程で２つのバッティングコンタクトホールＥ、Ｆを含む１つのバッティングコンタクトホールを生成する方式も実現可能である。この場合、１回の工程でバッティングコンタクトホールを生成することができるため、工程が簡単で、工程時間を減少させることができる利点がある。
【００３３】
本発明では、バッティングコンタクトホールを用いる以外にも、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）方式を用いることもできる。ＴＳＶは、シリコンウエハを数十マイクロメートルの厚さに薄くしたチップに直接穿孔し、同じチップは垂直に積層して貫通電極で連結する技術である。この方式は、積層されたチップをワイヤで連結する従来のワイヤボンディング方式に比べて速やかに動作するのはもちろん、チップの厚さも減少させ、消費電力も減少させることができるという利点がある。本発明の場合、いずれを用いても発明の効果を得ることができる。
【００３４】
以上、本発明に対する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは本発明の好ましい実施形態を例示的に説明したものであり、本発明を限定するものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、誰でも本発明の技術的思想の範疇を逸脱しない範囲内で多様な変形および模倣が可能であることは自明である。
【符号の説明】
【００３５】
１１０，２１０  第１ウエハ
１２０，２２０  第２ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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