(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子平面を包含する層状構造を有する半導体素子（Ｂ）において、これが次のもの：
−  第１の導電性接触領域（ＫＢ１）を有する少なくとも１つの素子又は１つの半導体回路がその中に実現されている第１の基板（Ｓ１）、
−  少なくとももう１つの素子又はもう１つの回路がその中に実現されており、かつ第２の導電性接触領域（ＫＢ２）を有する第１の表面と、第２の表面及びコンタクトホール（ＫＬ）を有する第２の基板（Ｓ２）、その際、前記コンタクトホール（ＫＬ）は、前記第１の表面と第２の表面との間に延びており、
−  両方の基板（Ｓ１、Ｓ２）を結合する結合層（ＶＳ）及び
−  コンタクトホール（ＫＬ）を介して第２の接触領域（ＫＢ２）と第１の導電性接触領域（ＫＢ１）との間に延びており、かつ第１の導電性接触領域（ＫＢ１）と第２の接触領域（ＫＢ２）とを導電的に結合する垂直接触構造体（ＶＫ）を包含する場合に、結合層（ＶＳ）がホモ重合されたベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を含むことを特徴とする、半導体素子（Ｂ）。
【請求項２】
ホモ重合されるベンゾシクロブテンは、一般構造式：
0004033903.tif 000006
[式中、Ｒは任意の脂肪族又は芳香族基であり、かつ
0004033903.tif 000007
である]のいずれか１つを有するモノマーに由来する、請求項１に記載の半導体素子（Ｂ）。
【請求項３】
垂直接続構造体（ＶＫ）が、タングステン又はケイ化タングステンからなる、請求項１又は２に記載の半導体素子（Ｂ）。
【請求項４】
基板（Ｓ１、Ｓ２）の少なくとも一方がケイ素を包含する、請求項１から３のいずれかに記載の半導体素子（Ｂ）。
【請求項５】
垂直接触構造体（ＶＫ）が、コンタクトホール内の領域中でピン状に形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子（Ｂ）。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項記載の層状構造体及び垂直接触構造体（ＶＫ）を有する半導体素子の製法において、その製法が
−  第１の基板（Ｓ１）中に第１の導電性接触領域（ＫＢ１）を有する素子又は回路を形成する
−  第２の基板（Ｓ２）の第１の表面中に第２の接触領域（ＫＢ２）を有するもう１つの素子又はもう１つの回路を形成する
−  コンタクトホール（ＫＬ）を、少なくとも第２の基板（Ｓ２）の第１の表面中に製造する
−  第２の基板（Ｓ２）の第２の表面の基板材料を全面に亙って除いて、層厚を低減する
−  ビスベンゾシクロブテンを用いて、第１の基板（Ｓ１）と第２の基板（Ｓ２）の第２の表面とを接着する、
−  第１の導電性接触領域（ＫＢ１）を露出させる
−  導電性の接触材料を施与して、垂直接触構造体（ＶＫ）により、第１の導電性接触領域（ＫＢ１）と第２の接触領域（ＫＢ２）との間に導電的結合を製造する、その際、該接触材料は、前記コンタクトホール（ＫＬ）を介して第１の導電性接触領域（ＫＢ１）と第２の接触領域（ＫＢ２）との間に延びている
工程を伴うことを特徴とする、層状構造及び垂直接触構造を有する半導体素子の製法。
【請求項７】
導電性結合の製造が、
−  第１の基板（Ｓ１）と第２の基板（Ｓ２）の第２の表面とを接着した後に、第１の基板の第１の導電性接触領域（ＫＢ１）を露出させつつ、エッチングにより、第２の基板の第１の表面（Ｏ１）中にコンタクトホール（ＫＬ）を形成する
−  コンタクト材料の全面析出及び再エッチングによりコンタクトホール（ＫＬ）を充填して、垂直接触構造体（ＶＫ）を生じさせる
工程を伴う、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第２の基板（Ｓ２）中に、両方の基板を接着する前にコンタクトホール（ＫＬ）を製造し、接着の後に接触材料をコンタクトホール（ＫＬ）に施与する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
両方の基板の接着を、ＢＣＢ−溶液を接着される表面の少なくとも一方に付与し、付与されたＢＣＢ−層を乾燥させ、両方の基板を合わせ、かつＢＣＢ−層を熱硬化により重合させることにより行う、請求項６から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
熱硬化のために先ず、０．５〜５℃／分の加熱速度で、１８０〜２２０℃の温度まで加熱して、８０〜９８％の重合度が達成されるまでこの温度を保持し、完全に重合させるために２５０〜３５０℃の温度まで加熱し、引き続き迅速に冷却する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、複数の半導体素子の垂直な導電結合のために備えられている特殊な接続構造を有する半導体素子の製法に関する。
今日、半導体回路はプレーナ技術で製造されている。チップ上で達成可能な複合度は、その大きさ及び達成可能な構造体の細密さにより限られている。複数の相互に結合された半導体チップからなるシステムの導電性は慣用の技術では本質的に、接続コンタクトを介しての個々のチップ間の限られた数の可能な結合、種々のチップ間のこのような結合を介してのシグナル伝達の低い速度、広く分枝した導体路による複雑なチップでの限られた速度及びインターフェース−回路の高い電力消耗により限られている。
プレーナ技術を使用する場合のこれらの前記の制限は、回路の三次元技術で克服することが出来る。上下の幾つかの素子平面の配置は、これらの素子の平行なコミュニケーションを、平面での導電結合のための僅かな費用で可能にする。更に、速度を制限するインターチップ−結合が回避される。
三次元ＩＣの公知の製法は、素子の平面を介して、更なる半導体層を析出させ、かつこれを好適な方法で（例えばレーザーを用いての局所的加熱）、再結晶させ、かつそこに、更なる素子平面を実現することに基づいている。この技術も、再結晶化の際の下方の平面の熱負荷により、かつ損傷により限られる達成可能な収量により生ずる本質的な限界を有する。
もう１つの方法では、個々の素子平面を相互に別々に製造する。これらの平面を数μｍに薄くし、かつウェーファー接着により相互に結合する。表面及び裏面上の個々の素子平面にインターチップ結合のためのコンタクトを備えさせることで、電気的結合を生じさせる。
米国特許（ＵＳ）第４９３９５６８号明細書から、垂直方向に集積された半導体素子及びその製法が公知であり、その際、垂直方向に連なる結合は、層平面それぞれの基板中に存在する垂直金属ピンを介して行われる。この製法は、層構造を備えられていない基板の裏面を可能な限り、これらの垂直に連なる結合が露出するまで研磨することを予定している。次いで基材のこれらの面に、同様に構造体を備えさせることが出来る。素子の後続の平面との直接的な結合のために、垂直に連なる結合の露出した表面にアルミニウムコンタクトを備える。
ドイツ特許（ＤＥ）第４３１４９０７Ｃ１号明細書から、垂直方向に集積された素子の製法が公知であり、その際、素子平面を先ず、別々の基板上に生じさせる。下方の基板上に平坦化層を乗せ、かつ上方の基板を薄くした後に、両方の基板を相互に結合する。素子平面間の導電結合のために、基板中に、集積針形金属構造体が備えられている。
ドイツ特許（ＤＥ）第４４００９８５Ｃ１号明細書中で、平坦化層のためにポリイミドを使用し、素子平面の結合のために先ず接触ホールを作り、引き続きこれにコンタクト材料を充填することが提案されている。この実施の欠点は、硬化（もしくはイミド化）の際に水を分離し、かつ反応萎縮を示すポリイミド層である。分離された水は大部分が素子中に残留し、かつ出来上がった素子の機能又は耐久性に悪影響を及ぼす付加的な膨張をもたらす。更に、ポリイミド層は、例えば３０％の僅かな平坦化作用しか有さないので、再度付着問題を相互に示す複数の層が必要である。
本発明の課題は、垂直方向に集積された素子のための改善された構造及び簡単な製法を記載すること及び殊に、素子平面間により確実で、かつ膨張のない結合を保証し、かつ垂直方向に集積された素子のために他に必要な処理工程を悪影響無しに省く中間層用の好適な材料を発見することである。
この課題は、請求項１に記載の半導体素子で解決される。製法及び本発明の他の有利な実施態は、他の請求項に記載されている。
本発明の半導体素子は、それぞれ固有の基板中で実現されている少なくとも２つの素子平面を含む。本発明の半導体素子中では、別々の基板中で実現された素子平面が、ホモ重合されたベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を含む結合層により接合されている。素子平面間もしくは基板中で実現された素子間の電気的結合を、第１の基板上の第１のコンタクト領域と、第２の基板上の第２のコンタクト領域とを導電的に結合する垂直な接触構造体により実現する。
本発明では先ず、両方の基板の膨張の無い結合を可能にする構造体を提案する。第２（上方の）基板を結合の前に、数μｍの可能な限り僅かな層厚まで薄くするので、これは特にサーモメカニカル膨張にたいして過敏である。ＢＣＢで実現される結合層を硬化させる場合に、僅かな反応萎縮（例えば５％未満）が生ずるのみであるので、本発明の半導体素子中には実際に、結合層と第２の基板との間の境界面に付加的な膨張は観察されない。
結合層は、通常半導体素子の表面を形成する半導体、酸化物及び金属上での非常に良好な付着を示す。ＢＣＢからなる結合層は、揮発性生成物の分離を伴わずに硬化し、かつ脱ガスも示さない。このことは殊に、比較的広い面積の接着の際に、例えば本発明の半導体素子の場合に重要である。それというのも、このような脱ガスは、再度付加的な膨張をもたらしうる不所望なガス内包をもたらすためである。
ＢＣＢ層は疎水性であり、かつ水吸収を示さない。これは熱的に約４００℃まで安定で、従って、更なる処理工程の間の、かつ出来上がった半導体素子の運転の間の通常の周囲条件に耐えられる。これには、ＢＣＢ−層が、非常に良好に平坦化することが寄与している。既に１つの平坦化層を用いて、９０％を上回る平坦化度を達成することが出来る。他の有利な特性としては、本発明の結合層は、２．５の極めて低い誘電率ε（１Ｍｈｚ）を示す。これにより、両方の素子平面間もしくは第１及び第２基板中に集積された回路及び素子間の容量結合が低減される。ＢＣＢからなる結合層のガラス転移温度は十分に高く、かつ実施例中では例えば３５０℃である。半導体素子の高い操作温度でも、高められた熱膨張をもたらしうる相転移は予期されない。更に、個々の素子平面の良好な電気的分離に役立つ３×１０6ボルト／ｃｍまでの結合層の高い降伏電圧を特記すべきである。
ベンゾシクロブテンは、キノ−ジメタンへの熱転位を示す：
0004033903.tif 000002
キノ−ジメタンは再度、それ自体と、又は他の不飽和化合物と、六員環の形成下に付加環化する：
0004033903.tif 000003
架橋されたポリマーを生じさせるために、一般構造式：
0004033903.tif 000004
[式中、Ｒ′は、少なくとも１つの不飽和Ｃ−Ｃ−結合を有し、有利には芳香族物質と共役している二価の有機基又は無機基である]のビスベンゾシクロブテンが好適である。有利なビスベンゾシクロブテンは、基Ｒとしてジビニルテトラメチルジシロキサン基を有し、かつCyclotene▲Ｒ▼３０２２（Dow）との商品名で、市場で入手することが出来る。
0004033903.tif 000005
この特殊なＢＣＢは、電気的適用のための誘電性ポリマーとして開発された。既に、誘電相及び中間層としてのマルチチップモジュールでの使用が記載されている。その場合利点としては、硬化された（重合された）ＢＣＢ−層上には問題なく、ＢＣＢに対して良好な付着性を有する更なる半導体−、酸化物−、窒化物−及び金属層を析出させることが出来ることであると判明している。
本発明は、ＢＣＢは、垂直方向に集積された半導体素子の場合で結合層としても使用することが出来、その際、接着剤機能がＢＣＢにはあることを示している。基板の一つは、数μｍの厚さまで薄くされており、従って、その素子特性の変化に伴い、敏感にズレ及び他の応力に反応しうるシートと同様の状態であるので、中間層もしくは接着結合に、高い要求がある。ＢＣＢ−層は全てのこれらの要求を満たし、簡単に使用することができ、かつ完全に機能性の優れた垂直方向に集積された半導体素子をもたらす。
本発明の半導体素子中では、同じか又は異なる材料からなっていてよい少なくとも２つの基板が集積されている。両方の基板上に異なる種類の素子を生じさせて、個々の基板上では両立しないであろう異なる製造プロセスを使用することも可能である。例えば、ケイ素基板中のバイポーラ及びＣＭＯＳ−回路を、例えばＩＩＩ／Ｖ−結合半導体基板上の相応する同様の、又は異なる回路と組み合わせることが可能である。ＩＩＩ−Ｖ−技術での迅速な回路は例えば、高集積メモリと組み合わせることが出来る。相応する方法では、種々の適用を、１つの垂直方向に集積された半導体素子中にまとめることも出来、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ−又はＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ−ベース上のオプトエレクトロニクス素子及び光処理素子を、相応するケイ素中のドライバ又は増幅回路と組み合わせることができる。
新規の垂直方向に集積された半導体素子の本発明による製法を次で、実施例及びその図に基づき詳述する。
図１は、断面図で、その中に集積されている回路もしくは素子の一部を伴う第一の基板を示している。
図２〜４は、その中に集積された素子もしくは回路を有する第２の基板を、断面図で示しており、一方で、
図５及び６中には、同じ製法で、基板の両方を結合させる際の２つの方法工程が表されている。
図７は、本発明で、第１の基板と第２の基板との間の接着結合をそれを用いて製造しうる可能な温度プログラムを示している。
図１は、第１の基板Ｓ１を示しており、その中には、半導体回路が実現されている。簡潔にするために、素子には僅か２つのメタライゼーション部３及び４が表されており、これは、分離層２上に配置されている。メタライゼーション部３は、不活性化層５で覆われている一方で、メタライゼーション部４は更なる素子平面と、従って第２の基板Ｓ２と接触するように用意されている。メタライゼーション部４のより良好な接続のために、この上に第１の接触領域ＫＢ１を用意し、これを、メタライゼーション部４と導電性に結合させる。第１の接触領域ＫＢ１は、任意の導電性材料から調製されており、かつ本発明の特異的実施では、低温溶融性合金、例えばＡｕＩｎ、ＡｇＳｎ又はＳｎＰｂからなる。
図２では、第２の、例えばケイ素からなる基板２が示されており、ここには、電気素子又は半導体回路が実現されている。ここでも、より簡潔にするために、たった１つのメタライゼーション面が製造されており、素子又は回路の機能領域を介して電気的に操作される。メタライゼーション面には図中では、メタライゼーション部３′及び４′が、分離層２′上に製造されている。メタライゼーション部３′及び４′からなるメタライゼーション面は、不活性化層５′でカバーされている。例えば、フォトラッカー塗布技術を介して窒化ケイ素層中に実現されているエッチングマスク６を用いて、接触ホールＫＬのために用意された領域を規定する。接触ホール自体は、異方性エッチング方法で例えば５〜７μｍの深さまでで生じさせることができる。更に、全面に更なる不活性化部７、例えば酸化物を析出させるが、その際それは、接触ホールの内側も覆う。同様にフォトラッカー塗布技術で開放できるエッチングマスクを用いて（図示されていない）、メタライゼーション部４の表面を露出させ、これを第１の素子平面との垂直接触のために用意されている第２の接触領域ＫＢ２とする。
両方の基板Ｓ１及びＳ２を結合する前に、第２の基板Ｓ２の裏面（＝第２表面Ｏ２）を、基板Ｓ２中の素子もしくは回路の機能性を保障する残留層厚が残る程度に除去するか、もしくは薄くする。基板裏面の除去は例えば、裏面研磨（例えばＣＭＰ、化学的機械的研磨）又は再エッチングにより行うことができる。その場合、基板Ｓ２を薄くする際に接触ホールの底部を、一緒に除去して、基板Ｓ２を完全に貫通する開口部が存在するように、接触ホールＫＬの深さを選択する。薄くする前に、基板Ｓ２の表側の面（第１表面）上に素子構造上にもう１つの基板９を補助基板として、例えば付着層８を用いて固定すると、薄くされた基板Ｓ２の取り扱いは容易になる。この付着層は例えば、ポリイミド、ポリアクリレート又はエポキシドからなっていてよい。これは例えば１．５μｍの厚さで施与され、かつ補助基板９と第２基板とを結合する。この接着は、予め基板Ｓ２がそれで平坦化されていたＢＣＢ−層上で特に有利に行うことができる。図４は、第２表面Ｏ２を部分的に除去した後の配置を示しており、その場合、接触ホールＫＬに対する開口部が存在している。
次の段階で、補助基板９と結合した第２の基板Ｓ２を第１の基板Ｓ１と結合させる。このために、両方の結合させるべき表面の少なくとも一方上に、ベンゾシクロブテンを、充分な平坦化が行えるような層厚で付着させる。ＢＣＢとして例えば、既に記載した、種々の濃度のメシチレン中での溶液として入手されるCyclotene3022を使用する。所望の平坦化度もしくはそのために必要なＢＣＢ層（結合層ＶＳ）の層厚は、ＢＣＢ−溶液の濃度を介して調節することができる。しかし、第１のＢＣＢ層を平坦化のために付着させ、乾燥により溶剤を除去し、第１のＢＣＢ−層を加熱により少なくとも部分的にポリマー化し、引き続きもう１つの薄いＢＣＢ−層を接着層として付着させることも可能である。しかし前記のＢＣＢを用いて、既に１つの層で、９０％を上回る平坦化率が達成される。後に実施すべき熱による硬化プロセスの後に、ＢＣＢ−単一層は、モノリシック結合層ＶＳになる。同じことが、第２の基板の第２表面Ｏ２上に施与しうるもう１つのＢＣＢ層にも当てはまる。ＢＣＢ層の乾燥及び場合による予備重合の後に、両方の基板Ｓ１及びＳ２を適合するように重ねて、接触ホールの開口部が直接、第１の接触領域ＫＢ１上にくるようにする。正確な調整のために、調整マークを基板上に備えることができる。
両方の基板を組み合わせた後に、場合により複数の部分層からなるＢＣＢ−層を熱的に硬化させ、モノリシック結合層ＶＳにする。このために、配置物を、１分当たり例えば０．５〜５℃の可能な限り低い加熱速度で、通常１８０〜２２０℃、例えば２００℃である硬化に充分な温度まで加熱する。この温度での数時間の保持時間の後に、既に両方の基板間の膨張の無い三次元安定結合に充分な８０〜９８％の重合度が達成されている。完全な付着のためには、更に短時間、２５０〜３５０℃のより高い温度に加熱する。この後、迅速に冷却することができる。図７中には、ＢＣＢ−層（ＥＭ）の硬化に好適なこの温度プログラムが示されている。
両方の基板を結合層ＶＳを用いて結合した後に、補助基板を接着層８と一緒に除去する。これを例えば、エッチング除去、プラズマ灰化又は他の接着層の解消により行うことができる。場合により、表面を引き続き更に精製する。図５はこの方法の後の配置物を示している。
次の工程で、結合層ＶＳを、接触ホールの領域で第１の接触領域ＫＢ１の表面が露出するまで接触ホールを貫通させて除去する。このために、ＣＦ4／Ｏ2−保持プラズマを用いての乾燥エッチング方法が好適である。
次の工程で、第２のウェーハーＳ２の第１の表面上全面に、殊に接触ホールに充填するために好適である充分に導電性の接触材料、例えばＣＶＤ−タングステン又はケイ化タングステンを施与することで、垂直接触構造ＶＫを生じさせる。この方法で、第１の基板もしくは第１の素子平面の第１の接触領域ＫＢ１と第２の素子平面の接触領域ＫＢ２との間に導電結合を製造することができる。引き続き、過剰の接触材料を例えば、例えば窒化ケイ素からなるエッチングマスクを介しての研磨により除去する。図６は、この工程の後の配置物を示しており、その際、既に完全に機能性のある２つの素子平面を有する半導体素子が存在する。
集積密度の更なる増大のために、この半導体素子上に更にもう１つの素子平面を施与して、下に位置する素子平面と垂直に接触させることができ、その際、第１の基板Ｓ１の代わりに、平らに製造された半導体素子を、本発明の方法に使用する。
本発明の方法の変法では、接触ホールＫＬを先ず両方の基板を組み合わせた後に製造することが可能である。方法の相応する変更では、その後次の工程が続く：不活性化層７の析出、接触ホールＫＬの領域の不活性化層及び結合層ＶＳの乾燥エッチング、第１及び第２の接触領域の間の導電性結合の製造下での接触材料の析出、並びに過剰な接触材料の再エッチング。この変法でも、図６の構造体が得られる。
【図１】
0004033903.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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