特表 2023-552211 半導体デバイスの製造方法および半導体デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-14

(54)【発明の名称】半導体デバイスの製造方法および半導体デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20231207BHJP

【ＦＩ】

H01L25/08 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023534039

(86)(22)【出願日】2020-12-17

(85)【翻訳文提出日】2023-05-31

(86)【国際出願番号】 CN2020137217

(87)【国際公開番号】W WO2022116280

(87)【国際公開日】2022-06-09

(31)【優先権主張番号】202011388107.X

(32)【優先日】2020-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523205119

【氏名又は名称】武▲漢▼新芯集成▲電▼路制造有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】▲曾▼ 甜

(72)【発明者】

【氏名】占 迪

(72)【発明者】

【氏名】叶 国梁

(57)【要約】

本発明は半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスを開示する。前記方法は、トップウエハを第１ウエハに前面対前面でボンディングし、且つトップウエハの前面を上向きにさせ、第１ウエハの前面を下向きにさせることと、第２ウエハの前面を、その前面が下向きになるように第１ウエハの背面にボンディングして、ボンディング構造を形成することと、ボンディング構造を反転することにより、第１ウエハおよび第２ウエハの前面を上向きにさせ、且つトップチップの基板にパッドのリード部を形成することと、を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トップチップの基板と前記トップチップの基板の前面に位置するトップチップのボンディングパッドを含むトップウエハを提供することと、
第１基板と、前記第１基板の前面に位置する第１素子および第１ボンディングパッドを含む第１ウエハを提供することと、
前記トップウエハを前記第１ウエハに前面対前面でボンディングし、前記トップチップのボンディングパッドを前記第１ボンディングパッドに電気的に接続させ、且つ前記トップウエハの前面を上向きにさせ、前記第１ウエハの前面を下向きにさせることと、
前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成することと、
第２基板と、前記第２基板の前面に位置する第２素子および第２ボンディングパッドを含む第２ウエハを提供することと、
前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングし、前記第１配線層のボンディングパッドを前記第２ボンディングパッドに電気的に接続することにより、前記第２ウエハを、その前面が下向きになるように前記第１ウエハに接合してボンディング構造を形成することと、
前記トップチップの基板の背面をトップに置くように、前記ボンディング構造を反転し、且つ前記第１ウエハの前面を上向きにさせ、前記第２ウエハの前面を上向きにさせ、且つ前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成することと、を含む半導体デバイスの製造方法。

【請求項2】

前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成するステップは、
前記第１基板の背面を薄くすることと、
前記第１基板の背面に第１配線層を形成し、前記第１配線層の中に第１配線層のボンディングパッドを形成することと、を含む請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項3】

前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成するステップは、
前記トップチップの基板の背面を薄くすることと、
前記トップチップの基板を貫通する開口を形成することと、
前記トップチップの基板の背面、前記開口の側壁、底部に保護層を形成することと、
前記開口の底部の保護層にパッドのリード部を形成することと、を含む請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項4】

前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングするステップの後、且つ前記ボンディング構造を反転するステップの前には、
前記第２基板の背面に第２配線層のボンディングパッドを有する第２配線層を形成することと、
第３基板と、前記第３基板の前面に位置する第３素子および第３ボンディングパッドを含む第３ウエハを提供することと、
前記第３ウエハの前面を前記第２配線層にボンディングし、前記第２配線層のボンディングパッドを前記第３ボンディングパッドに電気的に接続することにより、前記第３ウエハを、その前面が下向きになるように前記第２ウエハに接合させることと、をさらに含む請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項5】

前記トップウエハは前記トップチップの基板と前記トップチップのボンディングパッドとの間に位置するトップチップの導電層をさらに含み、前記トップチップの導電層が、前記トップチップのボンディングパッドと前記パッドのリード部と、それぞれに電気的に接続され、
前記第１ウエハは、前記第１素子と前記第１ボンディングパッドとの間に位置する第１導電層をさらに含み、且つ前記第１導電層が前記第１素子と、前記第１ボンディングパッドと、前記第１配線層のボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続され、
前記第２ウエハは、前記第２素子と前記第２ボンディングパッドとの間に位置する第２導電層をさらに含み、且つ前記第２導電層が前記第２素子と、前記第２ボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続される請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項6】

前記トップウエハは電気的に接続されるトップチップのトップ導電層とトップチップのボトム導電層を含み、前記トップチップのトップ導電層が前記トップチップのボンディングパッドに電気的に接続され、前記トップチップのボトム導電層が前記パッドのリード部に電気的に接続され、
前記第１導電層は電気的に接続される第１トップ導電層と第１ボトム導電層を含み、前記第１トップ導電層が前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第１ボトム導電層が前記第１素子と、前記第１配線層のボンディングパッドと、電気的に接続され、
前記第２導電層は電気的に接続される第２トップ導電層と第２ボトム導電層を含み、前記第２トップ導電層が前記第２ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第２ボトム導電層が前記第２素子に電気的に接続される請求項５に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項7】

前記トップチップの導電層、前記第１配線層のボンディングパッド、前記第１ボンディングパッドおよび前記第２ボンディングパッドの部材は銅であり、前記第１導電層、前記第２導電層および前記パッドのリード部の部材はアルミニウムである請求項５に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項8】

前記トップウエハはロジックウエハであり、前記第１ウエハおよび前記第２ウエハはメモリウエハである請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。

【請求項9】

第１チップ、トップチップ、パッドのリード部、第１配線層、および第２チップを含む半導体デバイスであって、
前記第１チップは、第１基板と、前記第１基板の前面に位置する第１素子および第１ボンディングパッドを含み、
前記トップチップは前記第１チップの前面に位置し、トップチップの基板と、前記トップチップの基板と前記第１チップとの間に位置するトップチップのボンディングパッドを含み、前記トップチップが前記第１チップに前面対前面でボンディングされるように、前記トップチップのボンディングパッドが前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、
前記パッドのリード部は前記トップチップの背面に位置し、
前記第１配線層は前記第１チップの背面に位置し、第１配線層のボンディングパッドを含み、
前記第２チップは前記第１配線層の前記第１チップから離れた側に位置し、第２基板と、前記第２基板の前面に位置する第２素子および第２ボンディングパッドを含み、前記第２チップの前面が前記第１配線層にボンディングされるように、前記第２ボンディングパッドが前記第１配線層のボンディングパッドに電気的に接続される半導体デバイス。

【請求項10】

前記半導体デバイスは、第２配線層および第３チップをさらに含み、
前記第２配線層は前記第２チップの背面に位置し、第２配線層のボンディングパッドを含み、
前記第３チップは前記第２配線層の前記第２チップから離れた側に位置し、第３基板と、前記第３基板の前面に位置する第３素子および第３ボンディングパッドを含み、前記第３チップの前面が前記第２配線層にボンディングされるように、前記第３ボンディングパッドが前記第２配線層のボンディングパッドに電気的に接続される請求項９に記載の半導体デバイス。

【請求項11】

前記トップチップは前記トップチップの基板と前記トップチップのボンディングパッドとの間に位置するトップチップの導電層をさらに含み、前記トップチップの導電層が前記トップチップのボンディングパッドと、前記パッドのリード部と、それぞれに電気的に接続され、
前記第１チップは前記第１素子と前記第１ボンディングパッドとの間に位置する第１導電層をさらに含み、且つ前記第１導電層が前記第１素子と、前記第１ボンディングパッドと、前記第１配線層のボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続され、
前記第２チップは前記第２素子と前記第２ボンディングパッドとの間に位置する第２導電層をさらに含み、且つ前記第２導電層が前記第２素子と、前記第２ボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続される請求項９に記載の半導体デバイス。

【請求項12】

前記トップチップの導電層は電気的に接続されるトップチップのトップ導電層とトップチップのボトム導電層を含み、前記トップチップのトップ導電層が前記トップチップのボンディングパッドに電気的に接続され、前記トップチップのボトム導電層が前記パッドのリード部に電気的に接続され、
前記第１導電層は電気的に接続される第１トップ導電層と第１ボトム導電層を含み、前記第１トップ導電層が前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第１ボトム導電層が前記第１素子と、前記第１配線層のボンディングパッドと、電気的に接続され、
前記第２導電層は電気的に接続される第２トップ導電層と第２ボトム導電層を含み、前記第２トップ導電層が前記第２ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第２ボトム導電層が前記第２素子に電気的に接続される請求項１１に記載の半導体デバイス。

【請求項13】

前記トップチップの導電層、前記第１配線層のボンディングパッド、前記第１ボンディングパッドおよび前記第２ボンディングパッドの部材は銅であり、前記第１導電層、前記第２導電層および前記パッドのリード部の部材はアルミニウムである請求項９に記載の半導体デバイス。

【請求項14】

前記トップチップはロジックチップであり、前記第１チップおよび前記第２チップはメモリチップである請求項９に記載の半導体デバイス。

【請求項15】

前記第１チップの前面は前記第２チップの前面と同じ方向に向けられ、前記トップチップの前面は前記第１チップの前面と反対方向に向けられる請求項９に記載の半導体デバイス。

【請求項16】

前記半導体デバイスは、前記トップチップの基板を貫通する開口と、前記トップチップの基板の背面、前記開口の側壁、底部に位置する保護層をさらに含み、
前記パッドのリード部は前記開口の底部の保護層に位置する請求項９に記載の半導体デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、２０２０年１２月１日に中国特許庁に出願された出願番号２０２０１１３８８１０７．Ｘ、発明の名称が「半導体デバイスの製造方法および半導体デバイス」である中国特許出願の優先権を主張し、その内容全体は本願に援用する。

【0002】

本発明は半導体の技術分野に属し、特に半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0003】

現在、チップトランジスタのサイズは物理的な限界に近づいており、チップの性能向上は３Ｄ統合技術の発展に大きく依存している。複数のチップを３Ｄ方向に積層することにより、チップ全体の性能とスペースの利用効率を大幅に向上させ、且つチップの製造コストを削減することができる。

【0004】

マルチチップ積層は、一般的に複数のウエハを積層して、積層されたウエハを切断することによって得られる。先行技術のマルチチップ積層は、基本的に２つのウエハを前面対前面でボンディングして、ボンディングされたウエハの一方の背面にボンディング界面を形成することで、ボンディングされた２つのウエハが第３ウエハにボンディングされる。ウエハの積層数の増加に伴い、積層ウエハの回路設計と工程の流れを一致させ、さらに積層プロセスを簡略化することが急務となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、半導体デバイスの製造方法および半導体デバイスを提供する。本発明によれば、トップウエハの底部にある全てのウエハの前面を上向きにさせ、底部のウエハの回路設計と工程の流れを一致させ、工程の複雑性を低減させ、構成の自由度を高めることができる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、半導体デバイスの製造方法を提供し、前記製造方法は、
トップチップの基板と前記トップチップの基板の前面に位置するトップチップのボンディングパッドを含むトップウエハを提供することと、
第１基板と、前記第１基板の前面に位置する第１素子および第１ボンディングパッドを含む第１ウエハを提供することと、
前記トップウエハを前記第１ウエハに前面対前面でボンディングし、前記トップチップのボンディングパッドを前記第１ボンディングパッドに電気的に接続させ、且つ前記トップウエハの前面を上向きにさせ、前記第１ウエハの前面を下向きにさせることと、
前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成することと、
第２基板と、前記第２基板の前面に位置する第２素子および第２ボンディングパッドを含む第２ウエハを提供することと、
前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングし、前記第１配線層のボンディングパッドを前記第２ボンディングパッドに電気的に接続することにより、前記第２ウエハを、その前面が下向きになるように前記第１ウエハに接合してボンディング構造を形成することと、
前記トップチップの基板の背面をトップに置くように、前記ボンディング構造を反転し、且つ前記第１ウエハの前面を上向きにさせ、前記第２ウエハの前面を上向きにさせ、且つ前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成することと、を含む。

【0007】

さらに好ましくは、前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成するステップは、
前記第１基板の背面を薄くすることと、
前記第１基板の背面に第１配線層を形成し、前記第１配線層の中に第１配線層のボンディングパッドを形成することと、を含む。

【0008】

さらに好ましくは、且つ前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成するステップは、
前記トップチップの基板の背面を薄くすることと、
前記トップチップの基板を貫通する開口を形成することと、
前記トップチップの基板の背面、前記開口の側壁、底部に保護層を形成することと、
前記開口の底部の保護層にパッドのリード部を形成することと、を含む。

【0009】

さらに好ましくは、前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングするステップの後、且つ前記ボンディング構造を反転するステップの前には、
前記第２基板の背面に、第２配線層のボンディングパッドを有する第２配線層を形成することと、
第３基板と、前記第３基板の前面に位置する第３素子および第３ボンディングパッドとを含む前記第３ウエハを提供することと、
前記第３ウエハの前面を前記第２配線層にボンディングし、前記第２配線層のボンディングパッドを前記第３ボンディングパッドに電気的に接続することにより、前記第３ウエハを、その前面が下向きになるように前記第２ウエハに接合させることと、を含む。

【0010】

さらに好ましくは、前記トップウエハは、前記トップチップの基板と前記トップチップのボンディングパッドとの間に位置するトップチップの導電層をさらに含み、前記トップチップの導電層が、前記トップチップのボンディングパッドと前記パッドのリード部と、それぞれに電気的に接続され、
前記第１ウエハは、前記第１素子と前記第１ボンディングパッドとの間に位置する第１導電層をさらに含み、且つ前記第１導電層が前記第１素子と、前記第１ボンディングパッドと、前記第１配線層のボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続され、
前記第２ウエハは、前記第２素子と前記第２ボンディングパッドとの間に位置する第２導電層をさらに含み、且つ前記第２導電層が前記第２素子と、前記第２ボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続される。

【0011】

さらに好ましくは、前記トップウエハは電気的に接続されるトップチップのトップ導電層とトップチップのボトム導電層を含み、前記トップチップのトップ導電層が前記トップチップのボンディングパッドに電気的に接続され、前記トップチップのボトム導電層が前記パッドのリード部に電気的に接続され、
前記第１導電層は電気的に接続される第１トップ導電層と第１ボトム導電層を含み、前記第１トップ導電層が前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第１ボトム導電層が前記第１素子と、前記第１配線層のボンディングパッドと、電気的に接続され、
前記第２導電層は電気的に接続される第２トップ導電層と第２ボトム導電層を含み、前記第２トップ導電層が前記第２ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第２ボトム導電層が前記第２素子に電気的に接続される。

【0012】

さらに好ましくは、前記トップチップの導電層、前記第１配線層のボンディングパッド、前記第１ボンディングパッドおよび前記第２ボンディングパッドの部材は銅であり、前記第１導電層、前記第２導電層および前記パッドのリード部の部材はアルミニウムである。

【0013】

さらに好ましくは、前記トップウエハはロジックウエハであり、前記第１ウエハおよび前記第２ウエハはメモリウエハである。

【0014】

また、本発明は半導体デバイスをさらに提供し、前記半導体デバイスは、第１チップ、トップチップ、パッドのリード部、第１配線層、および第２チップを含み、
前記第１チップは、第１基板と、前記第１基板の前面に位置する第１素子および第１ボンディングパッドを含み、
前記トップチップは、前記第１チップの前面に位置し、トップチップの基板と、前記トップチップの基板と前記第１チップとの間に位置するトップチップのボンディングパッドを含み、前記トップチップが前記第１チップに前面対前面でボンディングされるように、前記トップチップのボンディングパッドが前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、
前記パッドのリード部は前記トップチップの背面に位置し、
前記第１配線層は前記第１チップの背面に位置し、第１配線層のボンディングパッドを含み、
前記第２チップは、前記第１配線層の前記第１チップから離れた側に位置し、第２基板と、前記第２基板の前面に位置する第２素子および第２ボンディングパッドを含み、前記第２チップの前面が前記第１配線層にボンディングされるように、前記第２ボンディングパッドが前記第１配線層のボンディングパッドに電気的に接続される。

【0015】

さらに好ましくは、前記半導体デバイスは、第２配線層および第３チップをさらに含み、
前記第２配線層は前記第２チップの背面に位置し、前記第２配線層は第２配線層のボンディングパッドを含み、
前記第３チップは、前記第２配線層の前記第２チップから離れた側に位置し、第３基板と、前記第３基板の前面に位置する第３素子および第３ボンディングパッドを含み、前記第３チップの前面が前記第２配線層にボンディングされるように、前記第３ボンディングパッドが前記第２配線層のボンディングパッドに電気的に接続される。

【0016】

さらに好ましくは、前記トップチップは、前記トップチップの基板と前記トップチップのボンディングパッドとの間に位置するトップチップの導電層をさらに含み、前記トップチップの導電層が前記トップチップのボンディングパッドと、前記パッドのリード部と、それぞれに電気的に接続され、
前記第１チップは前記第１素子と前記第１ボンディングパッドとの間に位置する第１導電層をさらに含み、且つ前記第１導電層が前記第１素子と、前記第１ボンディングパッドと、前記第１配線層のボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続され、
前記第２チップは前記第２素子と前記第２ボンディングパッドとの間に位置する第２導電層をさらに含み、且つ前記第２導電層が前記第２素子と、前記第２ボンディングパッドと、それぞれに電気的に接続される。

【0017】

さらに好ましくは、前記トップチップの導電層は電気的に接続されるトップチップのトップ導電層とトップチップのボトム導電層を含み、前記トップチップのトップ導電層が前記トップチップのボンディングパッドに電気的に接続され、前記トップチップのボトム導電層が前記パッドのリード部に電気的に接続され、
前記第１導電層は電気的に接続される第１トップ導電層と第１ボトム導電層を含み、前記第１トップ導電層が前記第１ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第１ボトム導電層が前記第１素子と、前記第１配線層のボンディングパッドと、電気的に接続され、
前記第２導電層は電気的に接続される第２トップ導電層と第２ボトム導電層を含み、前記第２トップ導電層が前記第２ボンディングパッドに電気的に接続され、前記第２ボトム導電層が前記第２素子に電気的に接続される。

【0018】

さらに好ましくは、前記トップチップの導電層、前記第１配線層のボンディングパッド、前記第１ボンディングパッドおよび前記第２ボンディングパッド前記の部材は銅であり、前記第１導電層、前記第２導電層および前記パッドのリード部の部材はアルミニウムである。

【0019】

さらに好ましくは、前記トップチップはロジックチップであり、前記第１チップおよび前記第２チップはメモリチップである。

【0020】

さらに好ましくは、前記第１チップの前面は前記第２チップの前面と同じ方向に向けられ、前記トップチップの前面は前記第１チップの前面と反対方向に向けられる。

【0021】

さらに好ましくは、前記半導体デバイスは、前記トップチップの基板を貫通する開口と、前記トップチップの基板の背面、前記開口の側壁、底部に位置する保護層をさらに含み、
前記パッドのリード部は前記開口の底部の保護層に位置する。

【発明の効果】

【0022】

本発明の有益な効果として、トップウエハを第１ウエハに前面対前面でボンディングした後、第１ウエハの背面に第１配線層を形成することにより、第２ウエハの前面を第１配線層にボンディングしてボンディング構造を形成し、そして、ボンディング構造を反転してトップウエハの背面をトップに置くことにより、トップウエハの背面にパッドのリード部を形成し、トップウエハの前面を下向きにさせ、第１ウエハと第２ウエハの前面を上向きにさせることにより、トップウエハの底部のすべてのウエハの前面は上向きになり、底部のウエハの回路設計と工程の流れを一致させ、工程の複雑性を低減させ、同時に、底部のウエハ同士のボンディング順を任意に調整でき、構成の自由度を高めることができる。

【0023】

以下、実施例または先行技術の技術的方案をより明確に説明するために、実施例または先行技術の説明に必要な添付図面について簡単に説明する。以下に説明した添付図面は、本発明の一部の実施例に過ぎず、他の添付図面は、当業者であれば、これらの図面に基づいて何ら創作努力をせずに得ることができることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法のフロー図である。

【図2a】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2b】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2c】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2d】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2e】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2f】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2g】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図2h】本発明の実施例に係る半導体デバイスの製造方法の構造模式図である。

【図3】本発明の実施例に係る半導体デバイスの構造模式図である。

【図4】本発明の実施例に係る半導体デバイスの他の構造模式図である。

【図5】本発明の実施例に係る半導体デバイスの他の構造模式図である。

【図6】本発明の実施例に係る半導体デバイスの他の構造模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本願に開示された具体的な構成および機能的な詳細は、単に代表的なものであり、本発明の例示的な実施例を説明することを目的としている。しかしながら、本発明は、多くの変形例で具体的に実施することができ、本明細書に記載された実施例にのみ限定されると解釈されるべきではない。

【0026】

本発明の説明において、なお、用語「中央」、「行方向」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」など示す向きまたは位置関係は、添付図面に示される向きまたは位置関係に基づいており、本発明の説明を容易にし、簡略化することのみを目的としており、言及された装置又は要素が特定の向きを有し、特定の向きで構成され、動作しなければならないことを示す又は示唆するものではなく、従って、本発明を限定するものと解釈されるものではない。なお、「第１」および「第２」という用語は、目的を説明するためにのみ使用され、相対的な重要性を示すまたは暗示するものとして、または示される技術的特徴の数を暗黙的に指定するものとして理解されることはない。従って、「第１」および「第２」で修飾される特徴は、１つまたは複数のその特徴を明示的または暗黙的に含んでもよい。本発明の説明において、特に記載がない限り、「複数」は２つまたは２つ以上を意味する。また、用語「含む」およびその任意の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図している。

【0027】

本発明の説明において、なお、明示的な指定や限定がない限り、用語「搭載」、「連結」、「接続」は広義に理解されるべきであり、例えば、固定接続、取り外し可能な接続、または一体型接続であってもよいし、機械的に接続または電気的に接続であってもよいし、直接的に接続、中間媒体を介し間接的に接続、または２つの素子の内部接続であってもよい。当業者にとって、本発明の文脈の上記用語の特定の意味は、特定の場合に理解することができる。

【0028】

本願で使用される用語は、特定の実施例のみを説明しており、例示的な実施例を限定することを意図していない。特に記載がない限り、本願で使用される単数形の「１つ」、「１項」は、複数形を含むことを意図している。また、本願で使用される用語「含む」および／又は「有する」は、記載され特徴、整数、ステップ、操作、ユニットおよび／または素子の存在を示し、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、ユニットおよび／または素子の存在又は付加を排除しないことを理解されたい。

【0029】

図１は本発明の実施例によって提供される半導体デバイスの製造方法のフロー図である。

【0030】

図１に示されるように、本発明の実施例によって提供される半導体デバイスの製造方法は、ステップ１０１～ステップ１０７を含む。

【0031】

ステップ１０１では、トップチップの基板と、前記トップチップの基板の前面に位置するトップチップのボンディングパッドとを含むトップウエハを提供する。

【0032】

トップウエハアレイには、複数のトップチップが配置されており、図２ａは、トップウエハの１つのトップチップの断面を示す模式図である。図２ａに示すように、トップウエハ１は、トップチップの基板１１を含み、トップチップの基板１１は、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、ＳｉＧｅ基板などの半導体基板であってもよく、他の元素または化合物を含む半導体基板であってもよい。トップウエハが異なる機能を有するウエハを構成するように、トップチップの基板１１の前面には、ＭＯＳ素子、センサ、メモリ、または他の受動素子を含み、様々な機能を有するトップ素子（図示せず）を形成することができ、例えば、トップウエハはロジックウエハであってもよい。

【0033】

トップ素子は、トップチップの誘電体層１２で覆われており、トップチップの誘電体層１２は単層または複数の層であってもよい。例えば、図２ａに示されるように、トップチップの誘電体層１２は、トップチップの絶縁層１２１、トップチップのバリア層１２２、トップチップの層間誘電体層１２３を順に含んでいてもよい。トップチップの誘電体層１２の中にトップチップの導電層１３が設けられ、例えば、トップチップの導電層１３がトップチップの絶縁層１２１の中に設けられ、トップ素子がトップチップの導電層１３に電気的に接続する。トップチップの誘電体層１２の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、ＮＤＣ（Ｎｉｔｒｏｇｅｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ，窒素ドープ炭化ケイ素）等の誘電体部材であってもよく、トップチップの導電層１３の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。トップチップの誘電体層１２にトップチップのボンディング層１４を形成し、トップチップのボンディング層１４の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、炭窒化シリコン等であってもよい。

【0034】

図２ａに示されるように、トップチップのボンディング層１４およびトップチップの誘電体層１２の中には、トップチップの導電層１３に電気的に接続されるトップチップのボンディングパッド１５が設けられ、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップのボンディング層１４、トップチップの層間絶縁層１２３およびトップチップのバリア層１２２を垂直方向に貫通して、トップチップの導電層１３に接触し、これにより、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップの導電層１３に電気的に接続されることができ、即ち、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップの導電層１３のリード構造である。トップチップのボンディングパッド１５はダマシン構造であってもよく、トップチップのボンディングパッド１５部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0035】

ステップ１０２では、第１基板と、前記第１基板の前面に位置する第１素子および第１ボンディングパッドを含む第１ウエハを提供する。

【0036】

第１ウエハアレイは、複数の第１チップが配置されており、図２ｂは、第１ウエハのうち１つの第１チップの断面を示す模式図である。図２ｂに示されるように、第１ウエハ２は、第１基板２１を含み、第１基板２１は、半導体基板であってもよい。第１ウエハ２が異なる機能を有するウエハを構成するように、第１基板２１の前面には、ＭＯＳ素子、センサ、メモリ、または他の受動素子を含み、様々な機能を有する第１素子２６を形成することができ、例えば、第１ウエハ２はメモリウエハであってもよい。なお、第１ウエハ２とトップウエハ１は、異なる機能を有するウエハである。

【0037】

第１素子２６は、第１誘電体層２２で覆われており、第１誘電体層２２は単層または複数の層であってもよい。例えば、図２ｂに示されるように、第１誘電体層２２は、第１絶縁層２２１、第１バリア層２２２、第１層間誘電体層２２３を順に含んでいてもよい。第１誘電体層２２の中に第１導電層２３が設けられ、例えば、第１導電層２３が第１絶縁層２２１の中に設けられ、第１素子２６が第１導電層２３に電気的に接続される。第１誘電体層２２の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、ＮＤＣ等の誘電体部材であってもよく、第１導電層２３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第１誘電体層２２上に第１ボンディング層２４を形成し、第１ボンディング層２４の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、炭窒化シリコン等であってもよい。

【0038】

図２ｂに示されるように、第１ボンディング層２４および第１誘電体層２２の中には、第１導電層２３に電気的に接続される第１ボンディングパッド２５が設けられ、第１ボンディングパッド２５は第１ボンディング層２４、第１層間絶縁層２２３および第１バリア層２２２を垂直方向に貫通して、第１導電層２３に接触し、これにより、第１ボンディングパッド２５は第１導電層２３に電気的に接続されることができ、即ち、第１ボンディングパッド２５は第１導電層２３のリード構造である。第１ボンディングパッド２５はダマシン構造であってもよく、第１ボンディングパッド２５の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の導電部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0039】

ステップ１０３では、前記トップウエハを前記第１ウエハに前面対前面でボンディングし、前記トップチップのボンディングパッドを前記第１ボンディングパッドに電気的に接続させ、且つ前記トップウエハの前面を上向きにさせ、前記第１ウエハの前面を下向きにさせる。

【0040】

ここで、トップウエハ１の前面とは、トップウエハ１のトップ素子を形成する側であり、トップウエハ１の背面とは、トップウエハ１の前面と反対する側であり、即ち、トップウエハ１のトップ素子を有していない側である。第１ウエハ２の前面とは、第１ウエハ２のうち第１素子２６を形成する側であり、第１ウエハ２の背面は、第１ウエハ２の前面と反対する側であり、即ち、第１ウエハ２のうち第１素子２６を有していない側である。図２ｃに示されるように、トップウエハ１の前面を上向きにさせ、第１ウエハ２の前面を下向きにさせ、トップウエハ１のトップチップのボンディングパッド１５を第１ウエハ２の第１ボンディングパッド２５と位置合わせした後に接触させて、トップチップのボンディングパッド１５と第１ボンディングパッド２５との電気接続を実現する。トップウエハ１と第１ウエハ２が前面対前面でボンディングされるように、トップチップの導電層１３は、トップチップのボンディングパッド１５および第１ボンディングパッド２５を介して第１導電層２３に電気的に接続される。

【0041】

ステップ１０４では、前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成する。

【0042】

図２ｄに示されるように、第１ウエハ２の第１基板２１の背面をトップに置く。そして、第１基板２１の背面に第１配線層３を形成し、第１配線層３は、第１配線層のボンディングパッド３１を含み、それにより、第１配線層のボンディングパッド３１を介して引継ぎに他のウエハにボンディングする。

【0043】

具体的には、前記第１基板の背面に、第１配線層のボンディングパッドを有する第１配線層を形成するステップ１０４において、
前記第１基板の背面を薄くすることと、
前記第１基板の背面に第１配線層を形成し、前記第１配線層の中に第１配線層のボンディングパッドを形成することと、を含む。

【0044】

図２ｄに示されるように、最初に、第１基板２１の背面を薄くし、次に、薄くされた第１基板２１の背面に第１配線層３を形成し、第１配線層３は、第１基板２１の背面に順に形成された誘電体層３２、バリア層３３、絶縁層３４およびボンディング層３５を含んでもよく、第１配線層３の中に、電気的に接続されるＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ，シリコン貫通ビア）構造３６、ＲＤＬ（Ｒｅｄｉｔｉｏｎａｌ Ｌａｙｅｒ，再配置配線層）層３７および第１配線層のボンディングパッド３１を形成する。具体的には、第１基板２１の背面に誘電体層３２を形成した後、誘電体層３２の中に電気的に接続されるＴＳＶ構造３６およびＲＤＬ層３７を形成し、且つＴＳＶ構造３６は、第１基板２１を垂直方向に貫通して第１導電層２３まで延びて第１導電層２３に電気的に接続される。そして、第１導電層２３上にバリア層３３、絶縁層３４およびボンディング層３５が順に形成されるとともに、バリア層３３、絶縁層３４およびボンディング層３５を垂直方向に貫通する第１配線層のボンディングパッド３１を形成し、且つ第１配線層のボンディングパッド３１がＲＤＬ層３７に接触し、それにより、第１配線層のボンディングパッド３１がＲＤＬ層３７、ＴＳＶ構造３６を介して第１導電層２３に電気的に接続される。ここで、第１配線層のボンディングパッド３１はダマシン構造であってもよく、第１配線層のボンディングパッド３１、ＲＤＬ層３７、ＴＳＶ構造３６の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0045】

ステップ１０５では、第２基板と、前記第２基板の前面に位置する第２素子および第２ボンディングパッドとを含む前記第２ウエハを提供する。

【0046】

第２ウエハアレイには、複数の第２チップが配置されており、図２ｅは、第２ウエハのうち１つの第２チップの断面を示す模式図である。図２ｅに示すように、第２ウエハ４は、第２基板４１を含み、第２基板４１は、半導体基板であってもよい。第２ウエハ４が異なる機能を有するウエハを構成するように、第２基板４１の前面には、ＭＯＳ素子、センサ、メモリまたは他の受動素子を含み、様々な機能を有する第２素子４６を形成することができ、例えば、第２ウエハ４はメモリウエハであってもよい。なお、第２ウエハ４とトップウエハ１は、異なる機能を有するウエハであり、第２ウエハ４と第１ウエハ２は、同じ機能を有するウエハであってもよい。

【0047】

第２素子４６は、第２誘電体層４２で覆われており、第２誘電体層４２は単層または複数の層であってもよい。例えば、図２ｅに示されるように、第２誘電体層４２は、第２絶縁層４２１、第２バリア層４２２、第２層間誘電体層４２３を順に含んでいてもよい。第２誘電体層４２の中に第２導電層４３が設けられ、例えば、第２導電層４３が第２絶縁層４２１の中に設けられ、第２素子４６は第２導電層４３に電気的に接続される。第２誘電体層４２の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、ＮＤＣ等の誘電体部材であってもよく、第２導電層４３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第２誘電体層４２に第２ボンディング層４４を形成し、第２ボンディング層４４の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン、炭窒化シリコン等であってもよい。

【0048】

図２ｅに示されるように、第２ボンディング層４４および第２誘電体層４２の中には、第２導電層４３に電気的に接続される第２ボンディングパッド４５が設けられ、第２ボンディングパッド４５は第２ボンディング層４４、第２層間絶縁層４２３および第２バリア層４２２を垂直方向に貫通して、第２導電層４３に接触し、これにより、第２ボンディングパッド４５は第２導電層４３に電気的に接続されることができ、即ち、第２ボンディングパッド４５は第２導電層４３のリード構造である。第２ボンディングパッド４５はダマシン構造であってもよく、第２ボンディングパッド４５の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の導電部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0049】

ステップ１０６では、前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングし、前記第１配線層のボンディングパッドを前記第２ボンディングパッドに電気的に接続することにより、前記第２ウエハを、その前面が下向きになるように前記第１ウエハに接合してボンディング構造を形成する。

【0050】

ここで、第２ウエハ４の前面とは、第２ウエハ４の第２素子４６を形成する側であり、第２ウエハ４の背面とは、第２ウエハ４の前面と反対する側であり、即ち、第２ウエハ４の第２素子４６を有していない側である。図２ｆに示されるように、第２ウエハ４の前面を下向きにさせ、第２ウエハ４の第２ボンディングパッド４５を第１配線層３の第１配線層のボンディングパッド３１と位置合わせした後に接触させて第２ボンディングパッド４５と第１配線層のボンディングパッド３１との電気接続を実現する。第２ウエハ４を第１ウエハ２、トップウエハ１にボンディングされてボンディング構造を形成するように、第２導電層４３は、第２ボンディングパッド４５、第１配線層のボンディングパッド３１を介して第１導電層２３に電気的に接続される。

【0051】

ステップ１０７では、前記トップチップの基板の背面をトップに置くように、前記ボンディング構造を反転し、且つ前記第１ウエハの前面を上向きにさせ、前記第２ウエハの前面を上向きにさせ、前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成する。

【0052】

図２ｇに示されるように、トップウエハ１の前面を下向きにさせ、第１ウエハ２および第２ウエハ４の前面を上向きにさせるように、第２ウエハ４、第１ウエハ２およびトップウエハ１からなるボンディング構造を１８０°反転し、そのとき、トップウエハ１のトップチップの基板１１の背面がトップに置かれ、図２ｈに示されるように、それにより、トップウエハ１の背面にパッドのリード部５を形成する。

【0053】

具体的には、前記トップチップの基板にパッドのリード部を形成するステップにおいて、
前記トップチップの基板の背面を薄くすることと、
前記トップチップの基板を貫通する開口を形成することと、
前記トップチップの基板の背面、前記開口の側壁、底部に保護層を形成することと、
前記開口の底部の保護層にパッドのリード部を形成することと、をさらに含む。

【0054】

図２ｈに示されるように、まず、トップチップの基板１１の背面を薄くし、次に、薄くされたトップチップの基板１１にトップチップの基板１１を貫通する開口５１を形成する。そして、トップチップの基板１１の背面、開口５１の側壁、底部にトップチップの基板１１を保護するための保護層５２を形成する。保護層５２の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン等であってもよい。そして、開口５１の底部の保護層５２上にパッドのリード部５を形成し、保護層５２は、トップチップの基板１１をパッドのリード部５から隔離するために使用することもでき、パッドのリード部５はトップチップのウエハ１のトップチップの導電層１３に電気的に接続される。パッドのリード部５は、外部信号と通信するために使用され、パッドのリード部５の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。

【0055】

本実施例において、トップウエハ１の背面にパッドのリード部５が設けられ、且つトップウエハ１の底部の第１ウエハ２と第２ウエハ４を上向きにさせることにより、第１ウエハ１と第２ウエハ４のボンディング工程の流れを一致させ、工程の複雑性を低減させ、且つ第１ウエハ１と第２ウエハ４のボンディング順を任意に変更でき、例えば、最初に第２ウエハ４、次に第１ウエハ１をボンディングするなど、これにより、構造の自由度を高めることができる。また、本実施例のトップウエハ１はロジックウエハであってもよく、第１ウエハ２および第２ウエハ４はメモリウエハであってもよく、トップウエハ１の背面にパッドのリード部５が設けられることにより、トップウエハ１による第１ウエハ２および第２ウエハ４に対する一致制御を実現することに有利である。

【0056】

なお、第２ウエハ４の前面を第１ウエハ２の背面に先にボンディングし（第１ウエハ２の前面をキャリアウエハに先に仮ボンディングすべき、且つ第２ウエハ４の前面を第１ウエハ２の背面にボンディングした後にキャリアウエハを取り外す）、次に第１ウエハ２の前面をトップウエハ１の前面にボンディングする製造工程に対し、本実施例では、トップウエハ１の前面を第１ウエハ２の前面に先にボンディングし、次に第１ウエハ２の背面を第２ウエハ４の前面にボンディングしてボンディング構造を形成し、次にボンディング構造を反転することにより、トップウエハ１の前面を下向きにさせ、第１ウエハ２と第２ウエハ４の前面を上向きにさせ、これにより、キャリアウエハが不要となり、工程の簡略化および複雑さの低減が実現される。

【0057】

一部の実施例において、トップウエハ１、第１ウエハ２および第２ウエハ４の導電層は、複数の層を含んでもよく、例えば、図３に示されるように、トップウエハ１のトップチップの導電層１３は、電気的に接続されるトップチップのトップ導電層１３１とトップチップのボトム導電層１３２とを含んでもよく（接続関係は図示せず）、トップチップの導電層１３はトップチップの基板１１とトップチップのボンディングパッド１５の間に設けられ、トップチップのボトム導電層１３２は、トップチップの基板１１に最も近い位置に設けられるトップチップの導電層１３の導電層であり、トップチップのボトム導電層１３２は、トップチップ１のトップ素子、パッドのリード部５に電気的に接続され、トップチップのトップ導電層１３１は、トップチップのボンディングパッド１５に最も近い位置に設けられるトップチップの導電層１３の導電層であり、トップチップのトップ導電層１３１は、トップチップのボンディングパッド１５に電気的に接続される。

【0058】

第１ウエハ２の第１導電層２３は、電気的に接続される第１トップ導電層２３１と第１ボトム導電層２３２とを含んでもよく（接続関係は図示せず）、第１導電層２３は第１基板２１と第１ボンディングパッド２５との間に設けられ、第１ボトム導電層２３２とは、第１基板２１に最も近い位置に設けられる第１導電層２３の導電層であり、且つ第１ボトム導電層２３２は、第１チップ２の第１素子２６、第１配線層のボンディングパッド３１に電気的に接続され、第１トップ導電層２３１とは、第１ボンディングパッド２５に最も近い位置に設けられる第１導電層２３の導電層であり、且つ第１トップ導電層２３１は第１ボンディングパッド２５に電気的に接続される。

【0059】

第２ウエハ４の第２導電層４３は、電気的に接続される第２トップ導電層４３１と第２ボトム導電層４３２とを含んでもよく（接続関係は図示せず）、第２導電層４３は第２基板４１と第２ボンディングパッド４５との間に設けられ、第２ボトム導電層４３２とは、第２基板４１に最も近い位置に設けられる第２導電層４３の導電層であり、且つ第２ボトム導電層４３２は、第２チップ４の第２素子４６に電気的に接続され、第２トップ導電層４３１とは、第２ボンディングパッド４５に最も近い位置に設けられる第２導電層４３の導電層であり、且つ第２トップ導電層４３１は第１ボンディングパッド４５に電気的に接続される。

【0060】

一部の実施例において、第２ウエハ４を形成した後、第２ウエハ４の背面にウエハをボンディングし続けることも可能であり、ウエハの数は実際のニーズに応じて設定すればよく、ここでは特に限定されない。第１ウエハ２と第２ウエハ４がメモリウエハである場合、第２ウエハ４の背面にメモリウエハをボンディングし続けることにより、半導体デバイスの記憶容量を増大させることができる。

【0061】

具体的には、前記第２ウエハの前面を前記第１配線層にボンディングするステップの後、且つ前記ボンディング構造を反転するステップの前に、
第２基板の背面に、第２配線層のボンディングパッドを有する第２配線層を形成することと、
第３基板と、前記第３基板の前面に位置する第３素子および第３ボンディングパッドとを含む前記第３ウエハを提供することと、
第３ウエハの前面を第２配線層にボンディングし、第２配線層のボンディングパッドを第３ボンディングパッドに電気的に接続し、第３ウエハを、その前面が下向きになるように第２ウエハに接合させることと、を含む。

【0062】

図４は、トップウエハ１、第１ウエハ２、第２ウエハ４、第３ウエハ７をボンディングパッドした後の構造を示す模式図であり、且つトップウエハ１の前面が下向きにされ、第１ウエハ２、第２ウエハ４および第３ウエハ７の前面が上向きにされる。具体的には、第２ウエハ４が第１ウエハ２、トップウエハ１にボンディングされた後（その時、トップウエハ１の前面が上向きにされ、第１ウエハ２および第２ウエハ４の前面が下向きにされている）、引き続き、第２ウエハ４の背面に第２配線層６を形成し、第２配線層６は第２配線層のボンディングパッド６１を含み、第２配線層のボンディングパッド６１が第２導電層４３に電気的に接続され、第２配線層のボンディングパッド６１の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。第２配線層６の構造は、第１配線層３の構造と同じであり、ここでは詳細な説明を省略する。

【0063】

同時に第３ウエハ７を提供し、第３ウエハ７は、第３基板７１と、第３基板７１の前面に位置する第３素子７６とを含み、第３素子７６は、ＭＯＳ素子、センサ、メモリまたは他の受動素子を含む様々な機能を有する第３ウエハ７を形成することができ、例えば、第３ウエハ７はメモリウエハであってもよい。なお、第３ウエハ７とトップウエハ１は、異なる機能を有するウエハである。第３ウエハ７と第１ウエハ２、第２ウエハ４は同じ機能を有するウエハであってもよい。

【0064】

第３素子７６は第３誘電体層７２で覆われ、第３誘電体層７２に第３導電層７３を形成し、且つ第３導電層７３は第３素子７６に電気的に接続され、第３導電層７３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第３誘電体層７２に第３ボンディング層７４を形成し、第３誘電体層７２および第３ボンディング層７４に第３導電層に電気的に接続される第３ボンディングパッド７５を形成し、即ち、第３ボンディングパッド７５は第３導電層７３のリード構造であり、第３ボンディングパッド７５の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。第３ウエハ７の構造は、第１ウエハ２、第２ウエハ４と類似であり、ここでは詳細な説明を省略する。

【0065】

第３ウエハ７の前面とは、第３ウエハ７の第３素子７６を形成する側であり、第３ウエハ７の背面とは、第３ウエハ７の前面と反対する側であり、即ち、第３ウエハ７の第３素子７６を有していない側である。そして、第３ウエハ７の前面を下向きにさせ、第３ウエハ７の第２ボンディングパッド４５を第２配線層６の第２配線層のボンディングパッド６１と位置合わせした後に接触させて第３ボンディングパッド７５と第２配線層のボンディングパッド６１との電気接続を実現する。第３ウエハ７を第２ウエハ４にボンディングするように、第３導電層７３は、第３ボンディングパッド７５、第２配線層のボンディングパッド６１を介して第２導電層４３に電気的に接続される。

【0066】

第３ウエハ７が第２ウエハ４にボンディングされた後、トップウエハ１、第１ウエハ２、第２ウエハ４および第３ウエハ７を一体化ボンディング構造とし、トップウエハ１のトップチップの基板１１の背面をトップに置く、トップウエハ１の前面を下向きにさせ、第１ウエハ２、第２ウエハ４および第３ウエハ７の前面をすべて上向きにさせるため、ボンディング構造を反転することにより、トップウエハ１の底部に積層されたすべてのウエハの前面が確実に上向きになる。

【0067】

第１ウエハ２、第２ウエハ４および第３ウエハ７は、同じ工程の流れ、同じ回路配置で接続されるため、例えば、最初に第２ウエハ４、次に第３ウエハ７、最後に第１ウエハ２をボンディングするなど、第１ウエハ２、第２ウエハ４、第３ウエハ７のボンディング順を任意に変更することができ、異なる構造要件に対応し、構造の柔軟性を向上させることができる。

【0068】

上記のように、本発明の実施例によって提供される半導体デバイスの製造方法は、トップウエハ１を第１ウエハ２に前面対前面でボンディングした後、第１ウエハ２の背面に第１配線層３を形成することにより、第２ウエハ４の前面を第１配線層３にボンディングしてボンディング構造を形成し、そして、トップウエハ１の背面にパッドのリード部５を形成するように、ボンディング構造を反転してトップウエハ１の背面をトップに置き、トップウエハ１の前面を下向きにさせ、第１ウエハ２と第２ウエハ４の前面を上向きにさせることにより、トップウエハ１の底部のすべての前面は上向きになり、底部のウエハの回路設計と工程の流れを一致させ、工程の複雑性を低減させ、同時に、底部のウエハ同士のボンディング順を任意に調整でき、構成の自由度を高めることができる。

【0069】

なお、上記の実施例により製造される半導体デバイスは、ウエハ構造である。トップウエハのアレイに複数のトップチップが配置され、第１ウエハのアレイに複数の第１チップが配置され、第２ウエハのアレイに複数の第２チップが配置され、複数のトップチップ、複数の第１チップおよび複数の第２チップは一対一にボンディングされてウエハ構造を形成する。ウエハ構造をカットすると、チップ構造を形成することができ、チップ構造は、ボンディングされたトップチップ、第１チップおよび第２チップを含む。

【0070】

従って、本発明の実施例は半導体デバイスをさらに提供し、本実施例で提供される半導体デバイスは、チップ構造である。

【0071】

図５は本発明の実施例によって提供される半導体デバイスの他の構造模式図である。

【0072】

図５に示されるように、本発明の実施例によって提供される半導体デバイスはトップチップ１０、第１チップ２０、第２チップ４０、第１配線層３およびパッドのリード部５を含む。ここで、第１チップ２０と第２チップ４０は同じ機能を有するチップであってもよく、トップチップ１０、第１チップ２０、第２チップ４０は異なる機能を有するチップであってもよい。例えば、トップチップ１０はロジックチップであり、第１チップ２０はメモリチップである。

【0073】

第１チップ２０は、様々な機能を有する第１素子２６を形成する第１基板２１を含み、第１素子２６は、第１チップ２０が異なる機能を有するチップに構成されるように、ＭＯＳ素子、センサ、メモリまたは他の受動素子を含んでもよい。

【0074】

第１素子２６は、第１誘電体層２２で覆われており、第１誘電体層２２は単層または複数の層であってもよい。例えば、第１誘電体層２２は、第１絶縁層２２１、第１バリア層２２２、第１層間誘電体層２２３を順に含んでいてもよい。第１誘電体層２２の中に第１導電層２３が設けられ、例えば、第１導電層２３が第１絶縁層２２１の中に設けられ、第１素子２６および第１配線層のボンディングパッド３１は、それぞれに第１導電層２３に電気的に接続される。第１導電層２３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第１誘電体層２２上に第１ボンディング層２４を形成する。

【0075】

第１ボンディング層２４および第１誘電体層２２の中には、第１導電層２３に電気的に接続される第１ボンディングパッド２５が設けられ、第１ボンディングパッド２５は第１ボンディング層２４、第１層間絶縁層２２３および第１バリア層２２２を垂直方向に貫通して、第１導電層２３に接触し、これにより、第１ボンディングパッド２５は第１導電層２３に電気的に接続されることができ、即ち、第１ボンディングパッド２５は第１導電層２３のリード構造である。第１ボンディングパッド２５はダマシン構造であってもよく、第１ボンディングパッド２５の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の導電部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0076】

トップチップ１０は第１チップ２０の前面に位置する、トップチップ１０はトップチップの基板１１を含み、トップチップが異なる機能を有するチップに構成されるように、トップチップの基板１１の前面には、ＭＯＳ素子、センサ、メモリ、または他の受動素子を含み、様々な機能を有するトップ素子（図示せず）を形成することができる。

【0077】

トップチップの基板１１から離れた側に位置するトップ素子は、トップチップの誘電体層１２で覆われており、トップチップの誘電体層１２は単層または複数の層であってもよい。例えば、トップチップの誘電体層１２は、トップチップの絶縁層１２１、トップチップのバリア層１２２、トップチップの層間誘電体層１２３を順に含んでいてもよい。トップチップの誘電体層１２の中にトップチップの導電層１３が設けられ、例えば、トップチップの導電層１３がトップチップの絶縁層１２１の中に設けられ、トップ素子はトップチップの導電層１３に電気的に接続する。トップチップの導電層１３の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。トップチップの誘電体層１２上にトップチップのボンディング層１４を形成する。

【0078】

トップチップのボンディング層１４およびトップチップの誘電体層１２の中には、トップチップの導電層１３に電気的に接続されるトップチップのボンディングパッド１５が設けられ、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップのボンディング層１４、トップチップの層間絶縁層１２３およびトップチップのバリア層１２２を垂直方向に貫通して、トップチップの導電層１３に接触し、これにより、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップの導電層１３に電気的に接続されることができ、即ち、トップチップのボンディングパッド１５はトップチップの導電層１３のリード構造である。トップチップのボンディングパッド１５はダマシン構造であってもよく、トップチップのボンディングパッド１５部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0079】

トップチップ１０のトップチップのボンディングパッド１５が第１チップ２０の第１ボンディングパッド２５に電気的に接続されることにより、トップチップの導電層１３は、トップチップのボンディングパッド１５、第１ボンディングパッド２５を介して第１導電層２３に電気的に接続され、トップチップ１０の前面を第１チップ２０の前面にボンディングされ、即ち、前記トップチップ１０の前面は前記第１チップ２０の前面と反対方向に向けられ、例えば、第１チップ２０の前面は上向きにされ、トップチップ１０の前面は下向きにされる。ここで、トップチップ１０の前面とは、トップチップ１０のトップ素子を形成する側であり、第１チップ２０の前面とは、第１チップ２０の第１素子２６を形成する側である。

【0080】

パッドのリード部５はトップチップの基板１１の中に位置し、且つパッドのリード部５はトップチップ１０のトップチップの導電層１３に電気的に接続される。パッドのリード部５は、外部信号と通信するために使用され、パッドのリード部５の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。具体的には、前記半導体デバイスは、トップチップの基板１１を貫通する開口５１と、トップチップの基板１１の背面、開口５１の側壁、底部に位置する保護層５２とをさらに含み、パッドのリード部５は開口５１の底部の保護層５２の上に位置し、且つパッドのリード部５はトップチップ１０のトップチップの導電層１３に電気的に接続される。ここで、保護層５２は、トップチップの基板１１の保護と、トップチップの基板１１をパッドのリード部５から隔離することに用いられ、保護層５２の部材は、酸化シリコン、窒化シリコン等であってもよい。

【0081】

第１配線層３は第１チップ２０の背面に位置し、第１配線層３の中には第１配線層のボンディングパッド３１を形成する。

【0082】

第２チップ４０は第１配線層３の第１チップ２０から離れた側に位置し、第２チップ４０は、様々な機能を有する第２素子４６を形成する第２基板４１を含み、第２素子４６は、第２チップ４０が異なる機能を有するチップに構成されるように、ＭＯＳ素子、センサ、メモリまたは他の受動素子を含んでもよい。

【0083】

第２素子４６は、第２誘電体層４２で覆われており、第２誘電体層４２は単層または複数の層であってもよい。例えば、第２誘電体層４２は、第２絶縁層４２１、第２バリア層４２２、第２層間誘電体層４２３を順に含んでいてもよい。第２誘電体層４２の中に第２導電層４３が設けられ、例えば、第２導電層４３が第２絶縁層４２１の中に設けられ、第２素子４６が第２導電層４３に電気的に接続される。第２導電層４３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第２誘電体層４２に第２ボンディング層４４を形成する。

【0084】

第２ボンディング層４４および第２誘電体層４２の中には、第２導電層４３に電気的に接続される第２ボンディングパッド４５が設けられ、第２ボンディングパッド４５は第２ボンディング層４４、第２層間絶縁層４２３および第２バリア層４２２を垂直方向に貫通して、第２導電層４３に接触し、これにより、第２ボンディングパッド４５は第２導電層４３に電気的に接続されることができ、即ち、第２ボンディングパッド４５は第２導電層４３のリード構造である。第２ボンディングパッド４５はダマシン構造であってもよく、第２ボンディングパッド４５部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。

【0085】

第１配線層のボンディングパッド３１が第２ボンディングパッド４５に電気的に接続されることにより、第１導電層２３は、第１配線層のボンディングパッド３１、第２ボンディングパッド４５を介して第２導電層４３に電気的に接続され、第２チップ４０を第１チップ２０にボンディングされることを実現し、第２チップ４０の前面は第１チップ２０の前面と同じ方向に向けられ、例えば、第１チップ２０の前面は上向きにされ、第２チップ４０の前面は上向きにされる。ここで、第２チップ４０の前面とは、第２チップ４０の第２素子４６を形成する側である。

【0086】

一部の実施例において、トップチップ１０、第１チップ２０および第２チップ４０の導電層は、複数の層を含んでもよく、例えば、図５に示されるように、トップチップ１０のトップチップの導電層１３は、電気的に接続されるトップチップのトップ導電層１３１とトップチップのボトム導電層１３２とを含んでもよく、トップチップの導電層１３はトップチップの基板１１とトップチップのボンディングパッド１５の間に設けられ、トップチップのボトム導電層１３２は、トップチップの基板１１に最も近い位置に設けられるトップチップの導電層１３の導電層であり、トップチップのボトム導電層１３２は、トップチップ１のトップ素子、パッドのリード部５に電気的に接続され、トップチップのトップ導電層１３１は、トップチップのボンディングパッド１５に最も近い位置に設けられるトップチップの導電層１３の導電層であり、トップチップのトップ導電層１３１は、トップチップのボンディングパッド１５に電気的に接続される。

【0087】

第１チップ２０の第１導電層２３は、電気的に接続される第１トップ導電層２３１と第１ボトム導電層２３２とを含んでもよく、第１導電層２３は第１基板２１と第１ボンディングパッド２５との間に設けられ、第１ボトム導電層２３２とは、第１基板２１に最も近い位置に設けられる第１導電層２３の導電層であり、且つ第１ボトム導電層２３２は、第１チップ２の第１素子２６、第１配線層のボンディングパッド３１に電気的に接続され、第１トップ導電層２３１とは、第１ボンディングパッド２５に最も近い位置に設けられる第１導電層２３の導電層であり、且つ第１トップ導電層２３１は第１ボンディングパッド２５に電気的に接続される。

【0088】

第２チップ４０の第２導電層４３は、電気的に接続される第２トップ導電層４３１と第２ボトム導電層４３２とを含んでもよく、第２導電層４３は第２基板４１と第２ボンディングパッド４５との間に設けられ、第２ボトム導電層４３２とは、第２基板４１に最も近い位置に設けられる第２導電層４３の導電層であり、且つ第２ボトム導電層４３２は、第２チップ４の第２素子４６に電気的に接続され、第２トップ導電層４３１とは、第２ボンディングパッド４５に最も近い位置に設けられる第２導電層４３の導電層であり、且つ第２トップ導電層４３１は第１ボンディングパッド４５に電気的に接続される。

【0089】

一部の実施例において、図６に示されるように、半導体デバイスはより多数のチップをさらに含み、チップの数は実際のニーズに応じて設定すればよく、ここでは特に限定されない。例えば、半導体デバイスは、前記第２チップの背面に位置する第２配線層と、前記第２配線層の前記第２チップから離れた側に位置する前記第３チップと、をさらに含む。

【0090】

第２配線層６は第２配線層のボンディングパッド６１を含み、第２配線層のボンディングパッド６１が第２導電層４３に電気的に接続され、第２配線層のボンディングパッド６１の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。第２配線層６の構造は、第１配線層３の構造と同じであり、ここでは詳細な説明を省略する。

【0091】

第３チップ７０は、第３基板７１と、第３基板７１の前面に位置する第３素子７６とを含み、第３素子７６は、ＭＯＳ素子、センサ、メモリまたは他の受動素子を含み様々な機能を有する第３チップ７０を形成することができ、例えば、第３チップ７０はメモリチップであってもよい。なお、第３チップ７０とトップチップ１０は、異なる機能を有するチップである。第３チップ７０、第１チップ２０、第２チップ４０は同じ機能を有するチップであってもよい。

【0092】

第３素子７６は第３誘電体層７２で覆われ、第３誘電体層７２に第３導電層７３を形成し、且つ第３導電層７３は第３素子７６に電気的に接続され、第３導電層７３の部材は、アルミニウム、銅、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくはアルミニウムである。第３誘電体層７２に第３ボンディング層７４を形成し、第３誘電体層７２および第３ボンディング層７４に第３導電層に電気的に接続される第３ボンディングパッド７５を形成し、即ち、第３ボンディングパッド７５は第３導電層７３のリード構造であり、第３ボンディングパッド７５の部材は、銅、アルミニウム、タングステン等の金属部材であってもよく、本実施例において好ましくは銅である。第３チップ７０の構造は、第１チップ２０、第２チップ４０と類似であり、ここでは詳細な説明を省略する。

【0093】

第３ボンディングパッド７５が第２配線層のボンディングパッド６１に電気的に接続されることにより、第３導電層７３は、第３ボンディングパッド７５、第２配線層のボンディングパッド６１を介して第２導電層４３に電気的に接続され、第３チップ７０を第２チップ４０にボンディングされ、第３チップ７０の前面は第２チップ４０の前面と同じ方向に向けられ、例えば、第２チップ４０の前面は上向きにされ、第３チップ７０の前面は上向きにされる。ここで、第３チップ７０の前面とは、第３チップ７０の第３素子７６を形成する側である。

【0094】

本発明の実施例によって提供される半導体デバイスは、トップチップ１０の背面にパッドのリード部５が設けられ、且つトップチップ１０の前面が下向きにされ、トップチップ１０の底部の第１チップ２０と第２チップ４０が上向きにされることにより、第１チップ２０と第２チップ４０の回路設計および工程の流れを一致させ、工程の複雑性を低減させることができる。そして、第１チップ２０と第２チップ４０のボンディング順を任意に変更でき、例えば、最初は第２チップ４０、次に第１チップ２０でボンディングすることにより、異なる構造のニーズに応じ、構造の自由度を高めることができる。

【0095】

本発明は上記の好ましい実施例によって開示されているが、上記の好ましい実施形態は本発明を限定するためのものではなく、当業者であれば本発明の限定および範囲から逸脱することなく様々な変更および変形を行うことができ、従って本発明の保護範囲は請求項によって定められた範囲を基準とする。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図2d】

【図2e】

【図2f】

【図2g】

【図2h】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】