(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料を備える第１の半導体ウェーハと、第１の半導体ウェーハを介する電気的連絡ができるように構成されたバイア構造であって、基板材料との境界を形成する絶縁層を周囲に備える第１および第２の導体と、前記第１および第２の導体を基板材料から電気的に分離するように、前記第１および第２の導体双方の周囲に形成された第１の外部絶縁層とを含み、第１の導体の周囲の絶縁層と前記第２の導体の周囲の絶縁層とが離間して設置されたバイア構造とを含むシステム。
【請求項２】
前記第１の外部絶縁層が、前記第１および第２の導体の周囲の絶縁層と離間して設置された請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第１の半導体ウェーハに積み重ねられた第２の半導体ウェーハをさらに含み、バイア構造は、第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハが電気的に通じるようにする請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
第１の半導体ウェーハと重なる第２の半導体ウェーハであって、第２の半導体ウェーハを介する電気的連絡ができるように構成されたバイア構造であって、基板材料との境界を形成する絶縁層を周囲に備える第１および第２の導体と、第１および第２の導体を基板材料から電気的に分離するように、前記第１および第２の導体双方の周囲に形成された第1の外部絶縁層とを含み、前記第１の導体の周囲の絶縁層と前記第２の導体の周囲の絶縁層とが離間して設置されたバイア構造を含む第２の半導体ウェーハをさらに含む請求項１または２に記載のシステム。
【請求項５】
第１の半導体ウェーハのバイア構造が、第２の半導体ウェーハのバイア構造へ信号を伝搬する請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
信号は、パワー信号およびデータ信号からなるグループから選択される請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
第１および第２の導体が互いに電気的に分離されており、第１の外部絶縁層の外側の基板材料からも分離されている請求項１または２に記載のシステム。
【請求項８】
電気的連絡がデータ信号を含む請求項１または２に記載のシステム。
【請求項９】
電気的連絡がパワー信号を含む請求項１または２に記載のシステム。
【請求項１０】
第１の外部絶縁層の周囲であり、かつ、第1および第2の導体双方の周囲に形成された第２の外部絶縁層をさらに含む請求項１または２に記載のシステム。
【請求項１１】
ウェーハ・スタックを形成する複数の半導体ウェーハを含むシステムであって、各々の半導体ウェーハが、基板材料を備え、1つの半導体ウェーハから他の半導体ウェーハへの電気的連絡ができるように構成されたバイア構造であって、基板材料との境界を形成する絶縁層を周囲に備える第１および第２の導体と、前記第１および第２の導体を基板材料から電気的に分離するように、前記第１および第２の導体双方の周囲に形成された第１の外部絶縁層とを含み、前記第１の導体の周囲の絶縁層と前記第２の導体の周囲の絶縁層とが離間して設置されたバイア構造を備えるシステム。
【請求項１２】
１つの半導体ウェーハのバイア構造から他の半導体ウェーハのバイア構造へ電気信号が伝搬する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
当該ウェーハ・スタックを介し、当該バイア構造を介して、電気信号が伝搬する請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、半導体に関するものである。とりわけ、本発明は、１つ以上の電気的に分離された部分を組み込んだ半導体に関連したシステム及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハは、互いに重なるように配置され、結合されて、ウェーハ・スタックを形成することになる場合が多い。こうしたウェーハ・スタックの一方のウェーハの加工部（processing of wafer）ともう一方のウェーハの加工部との連絡を容易にするため、さまざまな相互接続構造を利用することが可能である。例えば、ワイヤを利用して、各種ウェーハのコンポーネントを相互接続し、コンポーネントが互いに電気的に通じるようにすることが可能である。他のウェーハ・スタックでは、導体バイアを用いることが可能である。図１には、こうしたバイア(via)の典型的な例が描かれている。
【０００３】
図１に示すように、ウェーハ１００には、ウェーハ材料に形成されたバイア構造１０２が含まれている。バイア構造１０２には、導体１０６のまわりに形成された絶縁リング１０４が含まれている。バイア構造１０２によって、低電圧信号が、ウェーハ１００の一方の側面からもう一方の側面に伝搬可能になる。すなわち、こうした信号は、導体１０６を介して、ウェーハの一方の側面からもう一方の側面に伝搬させることができる。あいにく、バイア構造１０２は、導体１０６と基板１０８の間に比較的大きい電位差が生じると、破壊または短絡することになりがちである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、当該技術の以上の及び／またはその他の欠点に対処する改良されたシステム及び方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
要するに、本発明は、１つ以上の電気的に分離された部分を組み込んだ半導体に関するものである。これに関して、本発明の実施形態は、ウェーハの諸部分を電気的に分離するための方法を提供するものとみなすことが可能である。典型的な方法には、第１のウェーハを設けるステップと、第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して第１の導体を形成するステップと、第１の導体と第１のウェーハ材料との間に第１の誘電体材料を配置するステップと、第２の誘電体材料によって、第１の導体及び第１の誘電体材料を少なくとも部分的に包囲するステップが含まれている。第２の誘電体材料は、第１の誘電体材料から間隔をあけて配置し、第１のウェーハ材料の第１の部分が、第１の誘電体材料と第２の誘電体材料の間に位置し、第１のウェーハ材料の第２の部分が、第２の誘電体材料の外周の外側に位置するようにするのが望ましい。
【０００６】
本発明の実施形態は、ウェーハの諸部分を電気的に分離するためのシステムを提供するものとみなすことも可能である。これに関して、典型的な実施形態には、第１のウェーハ、及び、第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成された第１の導体が含まれている。第１の導体絶縁層が、第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されている。第１の導体絶縁層は、第１の導体と係合し、第１の導体と第１のウェーハ材料との間に配置されている。第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成された、第１の外部絶縁層も設けられている。第１の外部絶縁層は、第１の導体絶縁層から間隔をあけて配置されている。第１の導体絶縁層と第１の外部絶縁層は、誘電体材料から形成されている。
【０００７】
本発明の他のシステム、方法、特徴、及び、利点については、下記の図面及び詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかになるであろう。こうした、さらなるシステム、方法、特徴、及び、利点は、本明細書に含まれており、本発明の範囲内にあり、特許請求の範囲によって保護されることを意図したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
さらに詳細に後述されるように、本発明は、ウェーハの諸部分を電気的に分離することに関連したものである。すなわち、本発明の実施形態は、バイア構造を包囲する基板から電気的に分離されたバイア構造の利用を伴う。こうして、バイア構造は、ウェーハの少なくとも一部を介した、例えば、電力信号及び／またはデータ信号といった信号の伝達が容易になり、同時に、バイア構造の近くにおける基板の電気的破壊の可能性が低くなるように適合させることが可能である。
【０００９】
次に、同様の参照番号がいくつかの図を通じて対応する部分を表している、図面を参照すると、図２には、本発明によるバイア構造２００の実施形態の概略が示されている。図２において、バイア構造２００は、ウェーハ２０１内に設けられており、１つ以上の導体２０２を含んでいる。すなわち、図２の実施形態には、２つのこうした導体が描かれている。後述するように、導体は、ドープしたシリコンのような基板材料から形成されるのが望ましい。
【００１０】
各導体まわりには、絶縁層２０４が設けられている。絶縁層は、二酸化珪素、窒化珪素、多結晶シリコン、または、その組み合わせといった、さまざまな材料から形成することが可能である。各絶縁層２０４は、導体と導体を包囲する基板材料２０６の間に物理的障壁を形成している。
【００１１】
バイア構造２００には、導体のまわりに形成された外部絶縁層２１０も含まれている。外部絶縁層２１０は、二酸化珪素、窒化珪素、多結晶シリコン、または、その組み合わせといった、さまざまな材料から形成することが可能である。外部絶縁層２１０は、外部絶縁層によって包囲された導体及び／または基板材料２０６を、外部絶縁層の外側に配置された基板材料２１２及び／または（図示しない）コンポーネントから電気的に分離するようになっている。このように構成されると、導体は、それぞれ、隣接導体、並びに、外部絶縁層の外側に配置された材料２１２及び／またはコンポーネントから電気的に十分に分離することが可能になる。実施形態によっては、導体を利用して、ウェーハ・スタックのようなウェーハ・アセンブリのそれぞれのウェーハ間において信号を伝搬させることが可能なものもある。実施形態によっては、バイア構造の導体を利用して、単一ウェーハのそれぞれに異なる深さに配置されたコンポーネント間において信号を伝搬することが可能なものもある。
【００１２】
例えば、バイア構造２００のような本発明のバイア構造は、基板にトレンチ（溝）を設けることによって形成することが可能である。例えば、トレンチは、エッチング・プロセスによって形成することが可能である。形成後、トレンチには、バイア構造の絶縁層及び外部絶縁層を形成するため、例えば、堆積または成長によって、絶縁材料が充填される。トレンチは、一般に、基板材料を完全に貫通するわけではないので、一般に、前述のプロセスによって形成されるバイア構造が、基板を完全に貫通することはない。バイア構造の１つ以上が基板を完全に貫通することが望ましい用途では、例えば、研削またはエッチングで基板材料の一部を取り除くことによって、基板の一部を除去し、バイア構造のあらかじめ埋め込まれている端部を露出させることが可能である。
【００１３】
前述のように、バイア構造２００を利用して、ウェーハ及び／またはウェーハ・スタックのさまざまな位置間における電気的連絡を容易にすることが可能である。例えば、図３の場合、ウェーハ・スタック３００において２つのバイア構造２００Ａ、２００Ｂが示されている。詳細には、バイア構造２００Ａは、ウェーハ３０２を貫通して形成され、バイア構造２００Ｂは、ウェーハ３０４を貫通して形成されている。バイア構造２００Ａには、２つの導体２０２Ａ及びその関連絶縁層２０４Ａ、並びに、外部絶縁層２１０Ａが含まれている。同様に、バイア構造２００Ｂには、２つの導体２０２Ｂ及びその関連絶縁層２０４Ｂ、並びに、外部絶縁層２１０Ｂが含まれている。各導体２０２Ａは、対応する導体２０２Ｂと電気的に通じている。このように構成されると、導体を介して、ウェーハ・スタック３００のさまざまな位置に、及び／または、さまざまな位置から電気信号を伝搬させることが可能になる。例えば、電気信号（矢印で表示）は、外部表面３０６と３０８の間、及び／または、ウェーハ・スタックの外部表面と、ウェーハ間に形成された、例えば、位置３１０のような位置との間で伝搬させることが可能である。
【００１４】
留意すべきは、例えば、ウェーハ・スタック３００（図３）のような、本明細書に示されたウェーハ・スタックは、２つのウェーハだけしか含んでいないが、さまざまな構成をなすように設けることが可能であり、図示以外のさまざまな数のウェーハを組み込むことが可能である。こうした構成及びウェーハ数は、全て、十分に本発明の範囲内にあるものとみなされる。
【００１５】
図４に示すように、バイア構造２００の実施形態には、複数の外部絶縁層を含むことが可能である。より具体的に、ウェーハ４００に形成される図４の実施形態には、第１の外部絶縁層２１０と第２の外部絶縁層４０２が含まれている。この特定の構成によって、絶縁破壊を起こすことなしに、導体と、第２の外部絶縁層の外側に配置された基板材料との間に高電位の印加が可能になるという利点が得られる。
【００１６】
次に、ウェーハ５００に形成されたバイア構造のアレイを描いた図５の概略図を参照する。図５に示すように、各バイア構造２００には、少なくとも１つの導体２０２が含まれている。詳細には、図５の各バイア構造には、４つの導体２０２が含まれている。ただし、他のさまざまな数及び構成の導体を利用することも可能であるという点に留意すべきである。詳細に既述のように、各導体２０２のまわりには、絶縁層２０４が形成される。さらに、各高電圧バイア構造２００の導体及び関連絶縁層は、外部絶縁層２１０によって包囲されている。
【００１７】
図５には、ウェーハ５００をさいの目に切る、さいの目切りの位置５０２及び５０４も示されている。例えば、ウェーハ５００は、ウェーハ材料に切断またはエッチングを施すことによってさいの目に切ることが可能である。図５の場合、さいの目切りの位置５０２は、隣接するバイア構造２００間に配置されているが、さいの目切りの位置５０４は、さらに詳細に後述することになる複数バイア・アセンブリになるように、各高電圧バイア構造を切り離すことによって、バイア構造列が、分割されるように配置されている。
【００１８】
図６に示すように、さまざまなダイ・アセンブリは、ウェーハ５００（図５）にさいの目切りの位置に沿ってさいの目に切ることによって形成することが可能である。２つのこうしたダイ・アセンブリ、すなわち、ダイ・アセンブリ６００及び６０２の典型的な部分が、図６に描かれている。図６において、ダイ・アセンブリのそれぞれには、バイア・アセンブリ６０４が含まれている。各バイア・アセンブリ６０４には、少なくとも１つの導体２０２及びその関連絶縁層２０４、外部絶縁層２１０の一部、及び、他のウェーハ材料２１２から電気的に分離されたウェーハ材料２０６が含まれている。各バイア・アセンブリは、例えば、そのウェーハの側壁６１０といった外部エッジに接しているので、高電圧バイア・アセンブリの導体を伝搬する信号の電気的分離は、空隙６０８によって少なくとも部分的に助長される。従って、図７の場合、各導体２０２は、少なくとも１つの絶縁層２０４、導体を少なくとも部分的に包囲する材料２０６、少なくとも１つの外部絶縁層２１０の少なくとも一部、及び、空隙６０８によって、基板材料２１２から電気的に分離されている。
【００１９】
図７に示すように、バイア・アセンブリ６０６を用いて、ウェーハ・スタックのさまざまな位置に配置されたコンポーネントの連絡を容易にすることが可能である。より具体的に、ウェーハ７０２の２つのバイア・アセンブリ６０６Ａ、６０６Ｂ及びウェーハ７０４の２つのバイア・アセンブリ６０６Ｃ、６０６Ｄが、ウェーハ・スタック７００内に描かれている。バイア・アセンブリのそれぞれには、２つの導体及びその関連絶縁層、並びに、外部絶縁層の一部が含まれている。各導体は、他のウェーハの対応する導体と電気的に通じている。このように構成されると、導体を介して、ウェーハ・スタック７００のさまざまな位置に、及び／または、さまざまな位置から電気信号を伝搬することが可能になる。例えば、電気信号（矢印によって示されている）は、外部表面７０６と７０８の間、及び／または、ウェーハ・スタックの外部表面と、例えば、位置７１０のようなウェーハ間に形成された位置との間で伝搬させることが可能である。
【００２０】
以上の説明は、例示及び説明を目的として提示されたものである。本発明を余すところなく説明しようとか、あるいは、開示の形態にそっくりそのまま制限することを意図したものではない。上記教示に鑑みて、修正または変更が可能である。しかし、論述された実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用例を最も分かりやすく例示することによって、通常の当業者が、企図する特定の用途に合わせて、さまざまな実施形態において、さまざまな修正を加えて、本発明を利用できるようにするために、選択され、説明されている。こうした修正及び変更は、全て、公正かつ合法的に与えられる広さに従って解釈した場合に、特許請求の範囲によって決まる、本発明の範囲内に含まれる。
【００２１】
本発明の態様を以下に例示する。
【００２２】
１．ウェーハの一部を電気的に分離するためのシステムであって、第１のウェーハ（２０１）と、前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成された第１の導体（２０２）と、前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第１の導体と係合し、前記第１の導体と前記第１のウェーハ材料（２１２）の間に配置された、誘電体材料から形成されている、第１の導体絶縁層（２０４）と、前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第１の絶縁層から間隔をあけて配置された、誘電体材料から形成されている、第１の外部絶縁層（２１０）とを含むシステム。
【００２３】
２． 前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成される第２の外部絶縁層（４０２）であって、第２の外部絶縁層（４０２）と前記第１の導体絶縁層の間に、前記第１の外部絶縁層が位置するように、前記第１の外部絶縁層から間隔をあけて配置され、誘電体材料から形成されている、第２の外部絶縁層（４０２）をさらに含む上記１に記載のシステム。
【００２４】
３．前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第１の外部絶縁層によって少なくとも部分的に境界を定められた領域内に配置された第２の導体（２０２）と、  前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第２の導体と係合し、前記第２の導体と前記第１のウェーハ材料との間に配置された、誘電体材料から形成されている、第２の導体絶縁層（２０４）とをさらに含む上記１に記載のシステム。
【００２５】
４．前記第１のウェーハに少なくとも部分的に重なる第２のウェーハ（３０４）と、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成された第１の導体と、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第２のウェーハの前記第１の導体と係合し、前記第２のウェーハの前記第１の導体と前記第２のウェーハ材料との間に配置されて、誘電体材料から形成されている、第１の導体絶縁層と、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第２のウェーハの前記第１の導体絶縁層から間隔をあけて配置され、誘電体材料から形成されている、第１の外部絶縁層とをさらに含み、前記第２のウェーハの前記第１の導体が、前記第１のウェーハの前記第１の導体と電気的に通じている上記１に記載のシステム。
【００２６】
５．前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成される第２の外部絶縁層であって、第２の外部絶縁層と前記第１の導体絶縁層の間に、前記第１の外部絶縁層が位置するように、前記第１の外部絶縁層から間隔をあけて配置され、誘電体材料から形成されている、第２の外部絶縁層をさらに含む上記４に記載のシステム。
【００２７】
６．前記第１のウェーハが、第１の側面、前記第１の側面と向かい合った第２の側面、及び、前記第１の側面と前記第２の側面の間に延びる側壁（６１０）を備えており、前記第１の導体が、前記第１の側面から前記第２の側面に前記第１のウェーハを貫通して伸びており、前記第１の外部絶縁層が前記側壁と交差している上記１に記載のシステム。
【００２８】
７．前記第１のウェーハに少なくとも部分的に重なる第２のウェーハと、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成された第１の導体と、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第２のウェーハの前記第１の導体と係合し、前記第２のウェーハの前記第１の導体と前記第２のウェーハ材料との間に配置されて、誘電体材料から形成されている、第１の導体絶縁層と、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して形成されて、前記第２のウェーハの前記第１の導体絶縁層から間隔をあけて配置され、誘電体材料から形成されている、第１の外部絶縁層とをさらに含み、前記第２のウェーハの前記第１の導体が、前記第１のウェーハの前記第１の導体と電気的に通じている上記６に記載のシステム。
【００２９】
８．ウェーハの一部を電気的に分離するための方法であって、第１のウェーハ（７０２）を設けるステップと、前記第１のウェーハを少なくとも部分的に貫通して第１の導体（２０２）を形成するステップと、前記第１の導体と前記第１のウェーハ材料との間に第１の誘電体材料（２０４）を配置するステップと、前記第１の導体及び前記第１の誘電体材料を第２の誘電体材料（２１０）で少なくとも部分的に包囲し、前記第２の誘電体材料が、前記第１の誘電体材料から間隔をあけて配置されて、前記第１のウェーハ材料の第１の部分（２０６）が、前記第１の誘電体材料と前記第２の誘電体材料の間に位置し、前記第１のウェーハ材料の第２の部分（２１２）が、前記第２の誘電体材料の外周の外側に位置するようにするステップとを含む方法。
【００３０】
９．第２のウェーハ（７０４）を設けるステップと、前記第２のウェーハを少なくとも部分的に貫通して第１の導体（２０２）を形成するステップと、前記第１の導体と前記第２のウェーハ材料との間に第１の誘電体材料（２０４）を配置するステップと、前記第１の導体及び前記第２のウェーハの前記第１の誘電体材料を第２の誘電体材料（２１０）で少なくとも部分的に包囲し、前記第２のウェーハの前記第２の誘電体材料が、前記第２のウェーハの前記第１の誘電体材料から間隔をあけて配置されて、前記第２のウェーハ材料の第１の部分（２０６）が、前記第１の誘電体材料と前記第２のウェーハの前記第２の誘電体材料の間に位置し、前記第２のウェーハ材料の第２の部分（２１２）が、前記第２のウェーハの前記第２の誘電体材料の外周の外側に位置するようにするステップと、前記第１のウェーハの前記第１の導体と前記第２のウェーハの前記第１の導体が、互いに電気的に通じるように、前記第２のウェーハと前記第１のウェーハを配置するステップとをさらに含む上記８に記載の方法。
【００３１】
１０．さらに、前記第１のウェーハ及び前記第２のウェーハを結合して、ウェーハ・スタックを形成するステップと、前記ウェーハ・スタックをさいの目に切って、第１のダイ・アセンブリ及び第２のダイ・アセンブリを形成するステップとを含み、前記第１のダイ・アセンブリに、前記第１のウェーハの前記第１の導体、前記第１のウェーハの前記第１の誘電体材料、前記第２のウェーハの前記第１の導体、前記第２のウェーハの前記第１の誘電体材料、前記第１のウェーハの前記第２の誘電体材料の第１の部分、及び前記第２のウェーハの前記第２の誘電体材料の第１の部分が含まれ、前記第２のダイ・アセンブリに、前記第１のウェーハの前記第２の導体、前記第２のウェーハの前記第２の導体、前記第１のウェーハの前記第２の誘電体材料の第２の部分、及び前記第２のウェーハの前記第２の誘電体材料の第２の部分が含まれる上記９に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術によるバイア構造を表した概略図である。
【図２】本発明のバイア構造の実施形態を表した概略図である。
【図３】ウェーハ・スタックの一部として形成された典型的なバイア構造を表した概略図である。
【図４】本発明のバイア構造の実施形態を表した概略図である。
【図５】複数バイア構造を含むウェーハの一部を表した概略図である。
【図６】さいの目切りの手順後における、図５に示されたウェーハの典型的な諸部分を表した概略図である。
【図７】ウェーハ・スタックの一部として形成された、図５及び６に示されたウェーハの典型的な諸部分を表した概略図である。
【符号の説明】
２０１  第１のウェーハ
２０２  導体
２０４  第１の導体絶縁層
２０６  ウェーハ材料の第１の部分
２１０  第１の外部絶縁層
２１２  ウェーハ材料
３０４  第２のウェーハ
４０２  第２の外部絶縁層
６１０  ウェーハの側壁
【図１】
0003955810.tif 000002
【図２】
0003955810.tif 000003
【図３】
0003955810.tif 000004
【図４】
0003955810.tif 000005
【図５】
0003955810.tif 000006
【図６】
0003955810.tif 000007
【図７】
0003955810.tif 000008