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JPH063837B2 - Method for manufacturing three-dimensional semiconductor integrated circuit - Google Patents
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JPH063837B2 - Method for manufacturing three-dimensional semiconductor integrated circuit - Google Patents

Method for manufacturing three-dimensional semiconductor integrated circuit

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JPH063837B2
JPH063837B2 JP62048508A JP4850887A JPH063837B2 JP H063837 B2 JPH063837 B2 JP H063837B2 JP 62048508 A JP62048508 A JP 62048508A JP 4850887 A JP4850887 A JP 4850887A JP H063837 B2 JPH063837 B2 JP H063837B2
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semiconductor single
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D88/00Three-dimensional [3D] integrated devices

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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回路素子が形成される半導体単結晶層を多層
構造とした三次元半導体集積回路に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a three-dimensional semiconductor integrated circuit in which a semiconductor single crystal layer on which a circuit element is formed has a multilayer structure.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、二次元半導体集積回路の高密度化が限界に達しつ
つあることから、三次元半導体集積回路の開発が進めら
れている。三次元半導体集積回路は、二次元半導体集積
回路に比べ、回路素子をさらに高密度に集積することが
できるだけでなく、情報の並列処理が容易となり、処理
速度がより高速化され、しかも、さらに多機能化を図る
ことができるという利点を有している。
In recent years, as the densification of two-dimensional semiconductor integrated circuits is approaching its limit, development of three-dimensional semiconductor integrated circuits is in progress. Compared with a two-dimensional semiconductor integrated circuit, a three-dimensional semiconductor integrated circuit not only allows circuit elements to be integrated at a higher density, but also facilitates parallel processing of information, speeds up the processing speed, and further increases the processing speed. It has the advantage that it can be functionalized.

このような三次元半導体集積回路は、従来、次のような
工程で製造していた。例えばシリコン半導体を用いる場
合、まず所定の回路素子及び電極が形成されたシリコン
ウエハの上面を絶縁層で被覆し、その上に低温気相成長
法等により多結晶シリコン膜を成長させる。次に、この
多結晶シリコン膜をレーザ又は電子ビーム等を用いて部
分的に溶融再結晶化させ、この結晶化した部分に上層の
回路素子を形成する。そして、その回路素子に電極等を
形成した後、上面を再び絶縁層で被覆し、必要な層数だ
けこの工程を繰り返す。
Conventionally, such a three-dimensional semiconductor integrated circuit has been manufactured through the following steps. For example, when using a silicon semiconductor, first, the upper surface of a silicon wafer on which predetermined circuit elements and electrodes are formed is covered with an insulating layer, and a polycrystalline silicon film is grown on the insulating layer by a low temperature vapor deposition method or the like. Next, the polycrystalline silicon film is partially melted and recrystallized by using a laser, an electron beam or the like, and an upper circuit element is formed in the crystallized portion. Then, after forming electrodes and the like on the circuit element, the upper surface is covered again with an insulating layer, and this step is repeated for the required number of layers.

なお、上記の従来技術は周知のものであり、例えば、工
業調査会発行の「電子材料」1987年1月号の第44
頁乃至第51頁や、特開昭59−175139号公報、
あるいは特開昭57−113267号公報等に開示され
ている。
The above-mentioned prior art is well known, and for example, “Electronic Materials” published by Industrial Research Society, No. 44, January 1987 issue.
Pages 51 to 51, JP-A-59-175139,
Alternatively, it is disclosed in JP-A-57-113267.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

ところが、このように製造された従来の三次元半導体集
積回路では、多結晶シリコン膜にレーザ又は電子ビーム
等の小さなスポットを照射して溶融再結晶を行わせるこ
とにより上層の回路素子を形成する単結晶領域を得るの
で、次のような問題点が生じていた。
However, in the conventional three-dimensional semiconductor integrated circuit manufactured as described above, a polycrystalline silicon film is irradiated with a small spot such as a laser or an electron beam to perform melting and recrystallization to form a circuit element in an upper layer. Since the crystal region is obtained, the following problems occur.

溶融再結晶が急激に行われるために、結晶性が悪く
結晶方位等が一定にならない。このため、素子の特性に
バラツキが多くなるので、回路設計が容易でなくなり、
また、歩留まりを低下させる原因にもなる。
Since melt recrystallization is rapidly performed, the crystallinity is poor and the crystal orientation and the like are not constant. For this reason, there are many variations in the characteristics of the element, making it difficult to design the circuit,
It also causes a decrease in yield.

厚い層を単結晶化させることは容易でないので、通
常、単結晶領域の界面を利用してMOS・FET等の素
子を形成しており、バルクが十分に利用できずバイポー
ラトランジスタ等の形成が困難である。
Since it is not easy to single-crystallize a thick layer, MOS / FET elements are usually formed using the interface of the single-crystal region, and the bulk cannot be fully utilized, making it difficult to form bipolar transistors. Is.

全面を均一な単結晶領域とすることは容易でなく、
結晶粒界等が生じるため、素子の高密度化が困難であ
る。
It is not easy to make the entire surface a uniform single crystal region,
Since grain boundaries and the like occur, it is difficult to increase the density of the device.

所定箇所にレーザ又は電子ビーム等を順次照射して
溶融再結晶化させるので、多数のウエハを一括して処理
することができず、製造に長時間を要し、生産性が悪く
なり、またプロセスの開発も複雑化し困難となってコス
トダウンの障害となる。
Since laser or electron beam etc. are sequentially irradiated to a predetermined place to melt and recrystallize, it is impossible to process a large number of wafers at a time, it takes a long time to manufacture, the productivity is deteriorated, and the process is Development becomes complicated and difficult, which is an obstacle to cost reduction.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明に係る三次元半導体集積回路の製造方法は、上記
の問題点を解決するために、下層半導体単結晶層(例え
ば、p型(100)ウエハからなるシリコン層)と上層
半導体単結晶層(例えば、n型(100)ウエハからな
るシリコン層)とに、それぞれ下層回路素子(例えば、
MOS・FET)と上層回路素子(例えば、MOS・F
ETまたはバイポーラトランジスタ)とを個別に形成す
る第1工程と、上記下層回路素子を構成する配線電極の
所定部位に対応させて、上層半導体単結晶層に所定深さ
の凹部を形成した後、上層半導体単結晶層の上面および
上記凹部の内面に沿って(例えば、SiO2,SiN等
から成る)絶縁膜で被覆する第2工程と、上層半導体単
結晶層の底面に対して平滑加工を行い、上記凹部の底を
開口させる第3工程と、上記第1工程を終えた下層半導
体単結晶層の上面と上記第3工程を終えた上層半導体単
結晶層の底面とを、接着層(例えば、ポリイミドフィル
ム層)を介して接着する第4工程と、上記開口した凹部
と上記配線電極の所定部位とを仕切る接着層を除去する
ことにより、上記配線電極の所定部位に達するスルーホ
ールを形成する第5工程と、上記スルーホールを介して
下層回路素子と上層回路素子とを電気的に接続する第6
工程とを有することを特徴としている。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a three-dimensional semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a lower semiconductor single crystal layer (for example, a silicon layer formed of a p-type (100) wafer) and an upper semiconductor single crystal layer ( For example, a silicon layer made of an n-type (100) wafer) and a lower layer circuit element (for example,
MOS • FET) and upper circuit elements (eg, MOS • F)
ET or bipolar transistor) and a concave portion having a predetermined depth is formed in the upper semiconductor single crystal layer corresponding to a predetermined portion of the wiring electrode forming the lower circuit element, and then the upper layer is formed. A second step of covering the upper surface of the semiconductor single crystal layer and the inner surface of the recess with an insulating film (for example, made of SiO 2 , SiN, etc.), and smoothing the bottom surface of the upper semiconductor single crystal layer, A third step of opening the bottom of the recess, an upper surface of the lower semiconductor single crystal layer after the first step, and a bottom surface of the upper semiconductor single crystal layer after the third step are provided with an adhesive layer (for example, polyimide). A fourth step of adhering via a film layer), and a through hole reaching a predetermined portion of the wiring electrode is formed by removing an adhesive layer that partitions the opened concave portion and the predetermined portion of the wiring electrode. A step, a sixth electrically connecting the lower circuit element and the upper layer circuit element through the through hole
And a process.

〔作用〕[Action]

本発明に係る三次元半導体集積回路の製造方法を説明す
る。
A method of manufacturing a three-dimensional semiconductor integrated circuit according to the present invention will be described.

各層を構成する半導体単結晶層は、従来からのCZ法又
はFZ法によって形成される結晶性の良好なシリコンウ
エハ等が用いられる。下層半導体単結晶層への下層回路
素子の形成と、上層半導体単結晶層への上層回路素子の
形成とは、従来と同様の方法で各層ごとに個別に行われ
る。
As the semiconductor single crystal layer forming each layer, a silicon wafer having good crystallinity formed by the conventional CZ method or FZ method is used. The formation of the lower-layer circuit element on the lower-layer semiconductor single crystal layer and the formation of the upper-layer circuit element on the upper-layer semiconductor single crystal layer are individually performed for each layer by a method similar to the conventional method.

上記第2工程における凹部は、スルーホールの形成位置
に対応するように、例えば、フォトエッチング技術、選
択エッチング技術等を用いて形成される。
The concave portion in the second step is formed by using, for example, a photo etching technique, a selective etching technique, or the like so as to correspond to the position where the through hole is formed.

また、上記第3工程は、信号を減衰させたり、断線を生
じたりする虞のない短い距離で、下層回路素子と上層回
路素子とを電気的に接続するために、スルーホールを適
度な長さで形成するのに必要な工程である。上記第3工
程では、例えば、ポリシング、ラッピンツ等又はKO
H、NaOH、フッ硝酸等を用いたエッチング等の方法
によって、スルーホールの長さを容易に制御可能であ
る。
In addition, in the third step, the through hole has an appropriate length in order to electrically connect the lower layer circuit element and the upper layer circuit element at a short distance without damaging the signal or causing a disconnection. This is a process necessary for forming. In the third step, for example, polishing, rappinz, etc. or KO
The length of the through hole can be easily controlled by a method such as etching using H, NaOH, hydrofluoric nitric acid or the like.

従って、第2工程にて凹部を形成する際には、単に、形
成しようとするスルーホールの長さ以上の深さとなるよ
うにすればよい。
Therefore, when forming the concave portion in the second step, it is only necessary to make the depth equal to or larger than the length of the through hole to be formed.

第4ないし第6工程で、下層半導体単結晶層と上層半導
体単結晶層とを接着し、スルーホールを介して下層回路
素子と上層回路素子とを電気的に接続すれば、2層の三
次元半導体集積回路が形成される。続いて、今度はこの
上層半導体単結晶層を下層半導体単結晶層として、同様
の工程によりさらにその上層に新たな上層半導体単結晶
層を接着し、これを繰り返すことにより3層以上の三次
元半導体集積回路を構成することができる。
In the fourth to sixth steps, if the lower semiconductor single crystal layer and the upper semiconductor single crystal layer are adhered and the lower circuit element and the upper circuit element are electrically connected through the through hole, two-layer three-dimensional structure is obtained. A semiconductor integrated circuit is formed. Next, this upper semiconductor single crystal layer is used as a lower semiconductor single crystal layer, a new upper semiconductor single crystal layer is further adhered to the upper semiconductor single crystal layer by the same process, and this is repeated to repeat three or more three-dimensional semiconductors. An integrated circuit can be constructed.

このように、本発明の製造方法によれば、接着工程を取
り入れたことにより、各半導体単結晶層および各層の回
路素子を各層毎に別工程で製造することが可能になる。
これにより、従来の二次元半導体集積回路の製造プロセ
スをそのまま適用して、結晶粒界の無い均一な単結晶層
に、回路素子を高密度で形成することができると共に、
三次元半導体集積回路の信頼性を向上させることができ
る。また、上記のようにスルーホールの形成が容易であ
り、接着工程も多数を一括して処理できるので、三次元
半導体集積回路の生産性を向上させることもできる。
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, by incorporating the bonding step, it becomes possible to manufacture the semiconductor single crystal layer and the circuit element of each layer in a separate step for each layer.
As a result, the conventional manufacturing process of the two-dimensional semiconductor integrated circuit can be applied as it is, and the circuit elements can be formed at a high density in the uniform single crystal layer having no crystal grain boundary.
The reliability of the three-dimensional semiconductor integrated circuit can be improved. Further, as described above, the through holes can be easily formed, and a large number of bonding steps can be collectively processed. Therefore, the productivity of the three-dimensional semiconductor integrated circuit can be improved.

〔実施例1〕 本発明の一実施例を第1図乃至第10図に基づいて説明
すれば、以下の通りである。
[Embodiment 1] The following will describe one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 to 10.

本実施例は、第1層目である下層半導体単結晶層として
p型(100)ウエハからなる第1シリコン層1を用
い、第1層に対しては上層となり第3層に対しては下層
となる第2層目の半導体単結晶層としてn型(100)
ウエハからなる第2シリコン層2を用い、第3層目の上
層半導体単結晶層としてn型(100)ウエハからなる
第3シリコン層3を用い、かつ、各半導体単結晶層を接
着するための接着層としてポリイミドフィルムを用いた
MOS・FETによる三次元半導体集積回路についての
ものである。
In this embodiment, the first silicon layer 1 made of a p-type (100) wafer is used as the lower semiconductor single crystal layer which is the first layer, the upper layer is for the first layer and the lower layer is for the third layer. N-type (100) as the second semiconductor single crystal layer
A second silicon layer 2 made of a wafer is used, a third silicon layer 3 made of an n-type (100) wafer is used as an upper semiconductor single crystal layer of the third layer, and each semiconductor single crystal layer is bonded. The present invention relates to a three-dimensional semiconductor integrated circuit by MOS • FET using a polyimide film as an adhesive layer.

この三次元半導体集積回路の製造工程を説明すると、ま
ず、第2図に示すように、第1シリコン層1の上面所定
箇所にnチャンネルのMOS・FET4・4を設ける。
MOS・FET4は、第1シリコン層1の上面を覆い所
定箇所に窓を開口した絶縁膜5と、第1シリコン層1内
の表層におけるこの窓の両端部に形成されそれぞれソー
ス及びドレインとなるn型の拡散層6・6と、絶縁膜5
の窓全体を覆うように形成されたゲート酸化膜7と、こ
のゲート酸化膜7の中央上面にのみ形成されたゲート多
結晶シリコン膜8と、これらの上面を覆った保護用絶縁
膜9と、所定パターンの配線電極10とで構成され、さ
らにその上面全面を覆うように保護用絶縁膜11が形成
されている。絶縁膜5は、熱酸化法又は低温気相成長法
等により形成されたSiO2又はSiN等の膜であり、
まず第1シリコン層1の上面全面に形成してからフォト
エッチング技術、選択エッチング技術等によりゲート酸
化膜7・7を形成する部分の窓を開口する。そして、熱
酸化等により薄いゲート酸化膜7を形成する。ゲート多
結晶シリコン膜8は、低温気相成長法等により形成され
た多結晶シリコン膜であり、フォトエッチング技術、選
択エッチング技術により所定パターンに形成される。拡
散層6は、このゲート多結晶シリコン膜8及び絶縁膜5
をマスクとして、イオン注入法、熱拡散法等を利用して
第1シリコン層1内にn型不純物を選択拡散することに
より形成される。保護用絶縁膜9は、低温気相成長法等
により形成されるSiO2、SiN等の膜である。配線
電極10を形成する膜は、この保護用絶縁膜9及びゲー
ト酸化膜7における各拡散層6の形成箇所の中央上方に
位置する部分にフォトエッチング技術、選択エッチング
技術によりコンタクト穴を開口しておき、保護用絶縁膜
9及びコンタクト穴の上面全面を覆うようにスパッタ
法、電子ビーム蒸着法、または低圧CVD(Chemical Va
pour Deposition)法等により形成されたAl、Mo、
W、WSi2、MoSi2又はTiSi2等の材料からな
る導電膜であり、フォトエッチング技術、選択エッチン
グ技術により所定パターンに形成され、MOS・FET
4のソース電極又はドレイン電極等となる。保護用絶縁
膜11は、低温気相成長法等により形成されたSiO2
等の膜であり、後の第2シリコン層2の接着が確実に行
われるように、エッチバック法等の平坦化技術により表
面を平滑にされている。
The manufacturing process of this three-dimensional semiconductor integrated circuit will be described. First, as shown in FIG. 2, n-channel MOS.FETs 4 and 4 are provided at predetermined locations on the upper surface of the first silicon layer 1.
The MOS • FET 4 is formed on the insulating film 5 that covers the upper surface of the first silicon layer 1 and has a window opened at a predetermined position, and on the both ends of the window in the surface layer of the first silicon layer 1 to serve as a source and a drain, respectively. Type diffusion layers 6 and 6 and insulating film 5
A gate oxide film 7 formed to cover the entire window, a gate polycrystalline silicon film 8 formed only on the central upper surface of the gate oxide film 7, and a protective insulating film 9 covering these upper surfaces. A wiring insulating electrode 11 having a predetermined pattern is formed, and a protective insulating film 11 is formed so as to cover the entire upper surface of the wiring electrode 10. The insulating film 5 is a film of SiO 2 or SiN formed by a thermal oxidation method, a low temperature vapor phase growth method, or the like,
First, after forming the entire upper surface of the first silicon layer 1, a window of a portion where the gate oxide film 7 is formed is opened by a photo etching technique, a selective etching technique, or the like. Then, a thin gate oxide film 7 is formed by thermal oxidation or the like. The gate polycrystalline silicon film 8 is a polycrystalline silicon film formed by a low temperature vapor deposition method or the like, and is formed into a predetermined pattern by a photo etching technique or a selective etching technique. The diffusion layer 6 includes the gate polycrystalline silicon film 8 and the insulating film 5.
Is used as a mask to selectively diffuse n-type impurities into the first silicon layer 1 by using an ion implantation method, a thermal diffusion method, or the like. The protective insulating film 9 is a film of SiO 2 , SiN or the like formed by a low temperature vapor deposition method or the like. The film for forming the wiring electrode 10 has contact holes formed by photo-etching technique and selective etching technique in the portion of the protective insulating film 9 and the gate oxide film 7 located above the center of each diffusion layer 6 formation position. Every time, a sputtering method, an electron beam evaporation method, or a low pressure CVD (Chemical Vapor) method is performed so as to cover the entire upper surface of the protective insulating film 9 and the contact hole.
Al, Mo, etc. formed by the pour deposition method, etc.
It is a conductive film made of a material such as W, WSi 2 , MoSi 2 or TiSi 2 , and is formed into a predetermined pattern by a photo etching technique or a selective etching technique.
4 becomes a source electrode or a drain electrode or the like. The protective insulating film 11 is made of SiO 2 formed by a low temperature vapor deposition method or the like.
And the like, and the surface thereof is smoothed by a flattening technique such as an etch-back method so that the subsequent second silicon layer 2 can be reliably bonded.

次に、第3図に示すように、後にスルーホールの位置に
対応した保護用絶縁膜11の所定位置にコンタクト孔1
3を形成してから、この保護用絶縁膜11及び孔13の
上面全面にポリイミドフィルム層12を被覆する。この
ポリイミドフィルム層12は、接着層として用いられる
ものであり、通常は200℃〜250℃程度の温度で硬
化を終了するが、後の接着のためにここでは80℃程度
に加熱して半硬化の状態にしておく。
Next, as shown in FIG. 3, the contact hole 1 is formed at a predetermined position of the protective insulating film 11 corresponding to the position of the through hole later.
3 is formed, the polyimide film layer 12 is coated on the entire upper surfaces of the protective insulating film 11 and the hole 13. The polyimide film layer 12 is used as an adhesive layer, and usually finishes curing at a temperature of about 200 ° C. to 250 ° C., but here it is heated to about 80 ° C. and semi-cured for adhesion later. Leave the state.

また、第2シリコン層2にも、第4図に示すように、第
1シリコン層1と同様の工程でMOS・FET4・4を
設ける。ただし、第2シリコン層2はn型半導体なの
で、拡散層6にはp型不純物が拡散され、このMOS・
FET4・4はpチャンネルとなる。
Further, as shown in FIG. 4, MOS.FETs 4 and 4 are also provided on the second silicon layer 2 in the same process as the first silicon layer 1. However, since the second silicon layer 2 is an n-type semiconductor, p-type impurities are diffused in the diffusion layer 6 and this MOS.
FETs 4 and 4 are p-channel.

このようにMOS・FET4・4が形成された第2シリ
コン層2には、第5図に示すように、表面の保護用絶縁
膜11から第2シリコン層2に達するまでの、後にスル
ーホールとなる孔13を形成し、この孔13及び保護用
絶縁膜11を絶縁膜14で覆う。孔13は、フォトエッ
チング技術、選択エッチング技術によりレジスト膜をマ
スクにしてフッ硝酸等のエンチャントを用いて形成す
る。ただし、孔13が深いためにレジスト膜がエッチャ
ントに充分に耐え得ない場合には、蒸着法、スパッタ法
等により形成したCrAu、TiAu等の金属膜を形成
した後、ホトエッチング技術、選択エッチング技術によ
り所定の孔位置の上記金属膜を除去し、残った金属膜を
マスクとしフッ硝酸又はKOH、NaOHのアルカリ性
のエッチャントを用いて孔13を形成する。孔13形成
後に残ったCrAu、TiAu等の膜は、王水、熱濃硫
酸等でエッチング除去する。絶縁膜14は、スパッタリ
ング法、低温気相成長法、光CVD法等により形成され
たSiO2、SiN等の膜である。
In the second silicon layer 2 on which the MOS • FETs 4 and 4 are formed in this manner, as shown in FIG. 5, a through hole is formed later from the surface protection insulating film 11 to the second silicon layer 2. And a protective insulating film 11 is covered with an insulating film 14. The holes 13 are formed by using a photoetching technique or a selective etching technique and using an etchant such as hydrofluoric nitric acid with the resist film as a mask. However, when the resist film cannot sufficiently withstand the etchant due to the deep holes 13, a metal film such as CrAu or TiAu formed by a vapor deposition method, a sputtering method or the like is formed, and then a photoetching technique or a selective etching technique is used. The metal film at a predetermined hole position is removed by, and the hole 13 is formed using the remaining metal film as a mask and using an alkaline etchant of hydrofluoric nitric acid or KOH or NaOH. The film of CrAu, TiAu, etc. remaining after forming the holes 13 is removed by etching with aqua regia, hot concentrated sulfuric acid or the like. The insulating film 14 is a film of SiO 2 , SiN or the like formed by a sputtering method, a low temperature vapor phase growth method, an optical CVD method or the like.

そして、第6図に示すように、この第2シリコン層2の
上面には、ワックス層16を介して保護基板15が貼り
付けられ、次に下面側より0.5〜200μm程度の厚
みまで平滑に加工が施され、この下面全面に第1シリコ
ン層1と同様のポリイミドフィルム層12が形成され
る。ワックス層16は、ワックス等からなり、孔13内
にも充填されて保護基板15を確実に貼り付ける。保護
基板15は、ガラス、セラミックス等からなる一時的な
支持材である。平滑加工は、ポリシング、ラッピング等
又はKOH、NaOH、フッ硝酸等を用いたエッチング
により、裏面側より厚さが0.5〜200μm程度に達
するまで行われる。この場合、第2シリコン層2は、
(100)ウエハを使用しているので、KOH、NaO
Hを利用した優先エッチングが有効である。ポリイミド
フィルム層12は、第1シリコン層1の場合と同様に8
0℃程度に加熱して半硬化状態としておく。
Then, as shown in FIG. 6, a protective substrate 15 is attached to the upper surface of the second silicon layer 2 via a wax layer 16, and then smoothed to a thickness of about 0.5 to 200 μm from the lower surface side. Is processed, and a polyimide film layer 12 similar to the first silicon layer 1 is formed on the entire lower surface. The wax layer 16 is made of wax or the like, and is also filled in the holes 13 so that the protective substrate 15 is securely attached. The protective substrate 15 is a temporary support material made of glass, ceramics, or the like. The smoothing is performed by polishing, lapping or the like or etching using KOH, NaOH, hydrofluoric nitric acid or the like until the thickness reaches about 0.5 to 200 μm from the back surface side. In this case, the second silicon layer 2 is
Since (100) wafer is used, KOH, NaO
Preferential etching using H is effective. The polyimide film layer 12 has a thickness of 8 as in the case of the first silicon layer 1.
It is heated to about 0 ° C. and left in a semi-cured state.

上記のように形成された第1シリコン層1と第2シリコ
ン層2とを、第7図に示すように、所定位置で重ね合わ
せて、温度を100℃程度とし適当な圧力を加えること
により接着する。この接着の際、ワックス層16は、軟
化点が120℃程度なので、第2シリコン層2と保護基
板15との間で圧力を受けても変形するようなことはな
い。第1シリコン層1と第2シリコン層2との接着が行
われると、第8図に示すように、今度は150℃程度に
加熱して、ワックス層16を溶融させ保護基板15を撤
去する。この際、第2シリコン層2に残ったワックス層
16は、トリクレーン等の溶剤で除去する。また、ワッ
クス層16が完全に除去されると、孔13の底面に露出
するポリイミドフィルム層12・12を除去して、第2
シリコン層2側の孔13を第1シリコン層1側の孔13
に貫通させスルーホールを完成させる。ポリイミドフィ
ルム層12・12の除去は、プラズマエッチング又はK
OH等のエッチャントを用いたエッチングにより行う。
孔13の底面に露出するポリイミドフィルム層12・1
2が除去されると、接着層に残ったポリイミドフィルム
層12・12を完全に硬化させ接着を確実なものにする
ために、再度第1シリコン層1と第2シリコン層2とに
所定の圧力を、所定時間、所定温度の条件下で加える。
As shown in FIG. 7, the first silicon layer 1 and the second silicon layer 2 formed as described above are overlapped at a predetermined position, the temperature is set to about 100 ° C., and an appropriate pressure is applied to bond them. To do. At the time of this adhesion, the wax layer 16 has a softening point of about 120 ° C., so that it will not be deformed even if pressure is applied between the second silicon layer 2 and the protective substrate 15. When the first silicon layer 1 and the second silicon layer 2 are adhered, as shown in FIG. 8, this time, they are heated to about 150 ° C. to melt the wax layer 16 and remove the protective substrate 15. At this time, the wax layer 16 remaining on the second silicon layer 2 is removed with a solvent such as Tricrane. When the wax layer 16 is completely removed, the polyimide film layers 12 and 12 exposed on the bottom surface of the hole 13 are removed to remove the second layer.
The hole 13 on the silicon layer 2 side is replaced with the hole 13 on the first silicon layer 1 side.
To complete the through hole. The removal of the polyimide film layers 12 and 12 is performed by plasma etching or K
It is performed by etching using an etchant such as OH.
Polyimide film layer 12.1 exposed on the bottom surface of the hole 13
When 2 is removed, a predetermined pressure is applied to the first silicon layer 1 and the second silicon layer 2 again in order to completely cure the polyimide film layers 12 remaining in the adhesive layer and ensure the adhesion. Is added under a condition of a predetermined temperature for a predetermined time.

このようにして第1シリコン層1と第2シリコン層2と
が確実に接着すると、第9図に示すように、第2シリコ
ン層2の上面の絶縁膜14及び孔13を第1金属膜17
及び第2金属膜18で覆い、さらに孔13部以外の第2
金属膜18上面をレジスト膜19で覆い、このレジスト
膜19をマスクとして孔13内に埋込金属層20を形成
する。第1金属膜17は、Cr又はTi等よりなる金属
膜であり、また、第2金属膜18は、Cu又はNi等よ
りなる金属膜であり、スパッタ法又は電子ビーム蒸着法
により連続的に形成される。レジスタ膜19は、フォト
エッチング技術によりスルーホール孔13以外の上面位
置を被覆するようにパターニングされる。埋込金属層2
0は、電解メッキによりAu等の金属を孔13内に埋め
込んだものである。第1金属膜17は、スルーホール孔
13に埋込金属層20を強固に接着するためのものであ
り、また、第2金属膜18は、この埋込金属層20のメ
ッキ下地層となるものである。
When the first silicon layer 1 and the second silicon layer 2 are securely adhered in this way, as shown in FIG. 9, the insulating film 14 and the holes 13 on the upper surface of the second silicon layer 2 are covered with the first metal film 17.
And the second metal film 18 and covers the second portion other than the hole 13
The upper surface of the metal film 18 is covered with a resist film 19, and the buried metal layer 20 is formed in the hole 13 using the resist film 19 as a mask. The first metal film 17 is a metal film made of Cr, Ti, or the like, and the second metal film 18 is a metal film made of Cu, Ni, or the like, and is continuously formed by a sputtering method or an electron beam evaporation method. To be done. The resist film 19 is patterned by a photoetching technique so as to cover upper surface positions other than the through hole holes 13. Embedded metal layer 2
0 is a metal such as Au embedded in the hole 13 by electrolytic plating. The first metal film 17 is for firmly bonding the embedded metal layer 20 to the through hole 13, and the second metal film 18 is to serve as a plating underlayer for the embedded metal layer 20. Is.

埋込金属層20が埋め込まれると、不要になったレジス
ト膜19並びにその下層の第1金属膜17及び第2金属
膜18を熱硫酸等で除去した後に、第10図に示すよう
に、スルーホール埋込金属層20と第2シリコン層2上
の配線電極10とを接続するため、又は、必要に応じて
配線電極10を互いに接続するために絶縁膜14の所定
箇所にコンタクト穴21を開口し、所定のパターンで配
線電極膜22を形成し、さらにその上面をポリイミドフ
ィルム層12で覆う。コンタクト穴21は、フォトエッ
チング技術、選択エッチング技術により、所定箇所の絶
縁膜14及び保護用絶縁膜11を除去して形成する。配
線電極膜22は、Al、Mo、W等の単一金属層又はT
iAu、TiCu、CrAu、CrNi等の多重金属層
からなり、スパッター法、電子ビーム蒸着法等により絶
縁膜14の上面全面に被覆後、フォトエッチング技術、
選択エッチング技術等によって所定パターンに形成され
る。ポリイミドフィルム層12は、第3シリコン層3を
接着するための接着層として形成されたものであり、第
1シリコン層1の上面及び第2シリコン層2の下面に形
成した場合と同様に、80℃程度に加熱して半硬化の状
態にしておく。
When the embedded metal layer 20 is embedded, the unnecessary resist film 19 and the underlying first metal film 17 and second metal film 18 are removed by hot sulfuric acid or the like, and then, as shown in FIG. In order to connect the hole-buried metal layer 20 and the wiring electrode 10 on the second silicon layer 2, or to connect the wiring electrodes 10 to each other as necessary, a contact hole 21 is opened at a predetermined position of the insulating film 14. Then, the wiring electrode film 22 is formed in a predetermined pattern, and the upper surface thereof is covered with the polyimide film layer 12. The contact hole 21 is formed by removing the insulating film 14 and the protective insulating film 11 at predetermined places by a photo etching technique or a selective etching technique. The wiring electrode film 22 is a single metal layer such as Al, Mo, W or T
iAu, TiCu, CrAu, CrNi, or other multi-metal layer, which covers the entire upper surface of the insulating film 14 by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like, and is then subjected to a photoetching technique,
A predetermined pattern is formed by a selective etching technique or the like. The polyimide film layer 12 is formed as an adhesive layer for adhering the third silicon layer 3, and is similar to the case where it is formed on the upper surface of the first silicon layer 1 and the lower surface of the second silicon layer 80. It is heated to about ℃ and left in a semi-cured state.

そして、別個の工程にてMOS・FET4・4を形成し
た第3シリコン層3をこの第2シリコン層2の上層に接
着し、第1図に示すように、第3シリコン層3の上面を
ポリイミドフィルム層12で覆い、コンタクト穴23を
開口後、外付け用の電極パッド24を形成する。第3シ
リコン層3へのMOS・FET4・4の形成は、第1シ
リコン層1及び第2シリコン層2の場合と同様の工程で
行われ、スルーホールとなる孔13が形成されて埋込金
属層20が埋め込まれている。この第3シリコン層3
は、第2シリコン層2と同じn型半導体なので、拡散層
6にはp型不純物が拡散され、このMOS・FET4・
4はpチャンネルとなる。第3シリコン層3の接着も、
第2シリコン層2の接着の場合と同様の工程で行われ
る。第3シリコン層3の上面のポリイミドフィルム層1
2は、接着層としてではなく表面保護層として形成され
るので、最初から200℃程度に加熱して硬化させる。
コンタクト穴23は、フォトエッチング技術、選択エッ
チング技術によりポリイミドフィルム層12の所定箇所
を除去することにより形成する。電極パッド24は、A
l、Mo、W、Cu等の単一金属膜又はTiAu、Ti
Cu、CrCu等の多重金属膜よりなり、スパッタ法、
電子ビーム蒸着法等によりポリイミドフィルム層12上
面を被覆後、フォトエッチング技術、選択エッチング技
術により所定のパターンに形成する。
Then, the third silicon layer 3 on which the MOS • FETs 4 and 4 are formed is adhered to the upper layer of the second silicon layer 2 in a separate step, and the upper surface of the third silicon layer 3 is made of polyimide as shown in FIG. After covering with the film layer 12 and opening the contact hole 23, an electrode pad 24 for external attachment is formed. The formation of the MOS • FETs 4 and 4 in the third silicon layer 3 is performed in the same process as in the case of the first silicon layer 1 and the second silicon layer 2, and the holes 13 to be through holes are formed to form the buried metal. The layer 20 is embedded. This third silicon layer 3
Is an n-type semiconductor which is the same as the second silicon layer 2, p-type impurities are diffused in the diffusion layer 6, and
4 is a p channel. The adhesion of the third silicon layer 3 also
The same process as in the case of bonding the second silicon layer 2 is performed. Polyimide film layer 1 on top of third silicon layer 3
Since 2 is formed as a surface protective layer, not as an adhesive layer, it is heated to about 200 ° C. and cured from the beginning.
The contact hole 23 is formed by removing a predetermined portion of the polyimide film layer 12 by a photo etching technique or a selective etching technique. The electrode pad 24 is A
l, Mo, W, Cu single metal film or TiAu, Ti
It consists of multiple metal films such as Cu and CrCu.
After covering the upper surface of the polyimide film layer 12 by an electron beam evaporation method or the like, a predetermined pattern is formed by a photo etching technique or a selective etching technique.

本実施例の三次元半導体集積回路は、上記の工程により
製造され、各シリコン層1・2・3に別個に形成された
MOS・FET4…は、スルーホールを形成する孔13
内の埋込金属層20によって接続される。
The three-dimensional semiconductor integrated circuit of the present embodiment is manufactured by the above-mentioned process, and the MOS.FETs 4 ... Separately formed on the respective silicon layers 1, 2, and 3 have the holes 13 forming the through holes.
It is connected by a buried metal layer 20 inside.

なお、本実施例では、スルーホールへの埋込金属層20
として電解メッキによる金属膜を使用したが、無電解メ
ッキ膜又は蒸着膜等を使用することも可能である。ま
た、本実施例ではMOS・ICについて説明したが、C
−MOS・IC、バイポーラトランジスタIC等につい
ても同様に構成することができる。
In this embodiment, the metal layer 20 embedded in the through hole is used.
Although the metal film formed by electrolytic plating is used as the above, it is also possible to use an electroless plated film or a vapor deposition film. Further, although the MOS / IC has been described in this embodiment, C
The same can be applied to the -MOS IC, the bipolar transistor IC, and the like.

〔実施例2〕 本発明の他の実施例を第11図乃至第17図に基づいて
説明すれば、以下の通りである。
[Embodiment 2] The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS. 11 to 17.

本実施例では、接着する半導体単結晶層を特に薄くして
各層間の接続を容易にし、信号の並列処理を可能にする
ことにより、処理速度の高速化を図っている。
In this embodiment, the semiconductor single crystal layer to be adhered is made particularly thin to facilitate the connection between the layers and enable parallel processing of signals, thereby increasing the processing speed.

本実施例は、第1層目である下層半導体単結晶層として
n型(100)ウエハからなる第1シリコン層25を用
い、第1層に対しては上層となり第3層に対しては下層
となる第2層目の半導体単結晶層としてn型(100)
ウエハからなる第2シリコン層26を用い、第3層目の
上層半導体単結晶層としてp型(100)ウエハからな
る第3シリコン層27を用い、かつ、該半導体単結晶層
を接着するための接着層としてポリイミドフィルムを用
い、第1シリコン層25及び第2シリコン層26にはM
OS・FETを組み込み、第3シリコン層27にはバイ
ポーラトランジスタを組み込んでなる三次元半導体集積
回路についてのものである。
In this embodiment, a first silicon layer 25 made of an n-type (100) wafer is used as a lower semiconductor single crystal layer which is a first layer, an upper layer for the first layer and a lower layer for the third layer. N-type (100) as the second semiconductor single crystal layer
A second silicon layer 26 made of a wafer is used, a third silicon layer 27 made of a p-type (100) wafer is used as an upper semiconductor single crystal layer of a third layer, and the semiconductor single crystal layer is bonded. A polyimide film is used as the adhesive layer, and M is used for the first silicon layer 25 and the second silicon layer 26.
The present invention relates to a three-dimensional semiconductor integrated circuit in which an OS.FET is incorporated and a bipolar transistor is incorporated in the third silicon layer 27.

この三次元半導体集積回路の製造工程を説明すると、ま
ず、第11図に示すように、第1シリコン層25の上面
所定箇所にpチャンネルのMOS・FET28・28を
設ける。MOS・FET28は、第1シリコン層25の
上面を覆い所定箇所に窓を開口したSiO2、SiN等
よりなる絶縁膜29と、第1シリコン層25内の表層に
おけるこの窓の両端部に形成され、それぞれソース及び
ドレインとなるp型の拡散層30・30と、絶縁膜29
の窓全体を覆うように形成されたゲート酸化膜31と、
このゲート酸化膜31の中央上面にのみ形成されたゲー
ト多結晶シリコン膜32と、これらの上面を覆った保護
用絶縁膜33と、所定のパターンで形成されたAl、M
o、W、MoSi2、TiSi2、WSi2等よりなる配
線電極34とで構成され、さらにその上面全面を覆うよ
うにSiO2等よりなる保護用絶縁膜35が形成されて
いる。このMOS・FET28は、実施例1におけるM
OS・FET4と同様の工程で形成される。また、この
保護用絶縁膜35の上面には、ポリイミドフィルム層3
6が被覆される。このポリイミドフィルム層36も、実
施例1の場合と同様に、後の接着工程のために80℃程
度に加熱して半硬化の状態にしておく。
The manufacturing process of this three-dimensional semiconductor integrated circuit will be described. First, as shown in FIG. 11, p-channel MOS FETs 28 are provided at predetermined locations on the upper surface of the first silicon layer 25. The MOS • FET 28 is formed on an insulating film 29 made of SiO 2 , SiN or the like, which covers the upper surface of the first silicon layer 25 and has a window opened at a predetermined position, and both ends of the window in the surface layer of the first silicon layer 25. , P-type diffusion layers 30 and 30 serving as a source and a drain, respectively, and an insulating film 29.
Gate oxide film 31 formed so as to cover the entire window of
A gate polycrystalline silicon film 32 formed only on the central upper surface of the gate oxide film 31, a protective insulating film 33 covering these upper surfaces, and Al, M formed in a predetermined pattern.
a wiring electrode 34 made of o, W, MoSi 2 , TiSi 2 , WSi 2 or the like, and a protective insulating film 35 made of SiO 2 or the like is formed so as to cover the entire upper surface thereof. This MOS • FET 28 is the same as M in the first embodiment.
It is formed in the same process as the OS • FET4. The polyimide film layer 3 is formed on the upper surface of the protective insulating film 35.
6 is coated. This polyimide film layer 36 is also heated to about 80 ° C. and left in a semi-cured state for the subsequent bonding step, as in the case of the first embodiment.

また、第12図に示すように、第2シリコン層26に
も、MOS・FET28・28を形成し、後にスルーホ
ールとなる孔37及びオーミックコンタクト層38を形
成後、保護用絶縁膜33で被覆する。MOS・FET2
8は、第1シリコン層25の場合と同様の工程で形成さ
れるが、ここでは絶縁膜29、拡散層30・30、ゲー
ト酸化膜31及びゲート多結晶シリコン膜32を形成し
た段階で次の工程に移行する。スルーホールとなる孔3
7は、実施例1の孔13と同様に、フォトエッチング技
術、選択エッチング技術によって形成する。この際、レ
ジスト膜をマスクとしてフッ硝酸のエッチャントでエッ
チングしてもよいし、又、CrAu、TiAu等の金属
膜をマスクとしてフッ硝酸、KOH、NaOH等のエッ
チャントでエッチングしてもよい。オーミックコンタク
ト層38は、Al、Pt、Pd等の金属層からなり、ま
ずフォトエッチング技術、選択エッチング技術等により
拡散層30上のゲート酸化膜31を除去した後、例えば
Al膜を全面に薄く蒸着し、フォトエッチング技術、選
択エッチング技術により拡散層30上のみ残して他のA
l膜を除去し、最後に400〜500℃程度の温度でシ
ンターして形成する。保護用絶縁膜33は、SiO2
はSiNからなり、第1シリコン層25の場合と同様の
工程で形成する。
Further, as shown in FIG. 12, MOS.FETs 28, 28 are also formed in the second silicon layer 26, holes 37 and ohmic contact layers 38 which will later become through holes are formed, and then covered with a protective insulating film 33. To do. MOS ・ FET2
8 is formed in the same process as the case of the first silicon layer 25, but here, at the stage where the insulating film 29, the diffusion layers 30 and 30, the gate oxide film 31, and the gate polycrystalline silicon film 32 are formed, Move to the process. Through hole 3
7 is formed by the photo etching technique and the selective etching technique, like the hole 13 of the first embodiment. At this time, the resist film may be used as a mask for etching with an etchant of hydrofluoric nitric acid, or the metal film of CrAu, TiAu or the like may be used as a mask for etching with an etchant of hydrofluoric nitric acid, KOH, NaOH or the like. The ohmic contact layer 38 is made of a metal layer such as Al, Pt, or Pd. First, the gate oxide film 31 on the diffusion layer 30 is removed by a photoetching technique, a selective etching technique, or the like, and then an Al film is thinly deposited on the entire surface. However, the photoetching technique and the selective etching technique leave only the diffusion layer 30 and other A
The film is removed, and finally, it is formed by sintering at a temperature of about 400 to 500 ° C. The protective insulating film 33 is made of SiO 2 or SiN, and is formed in the same process as the case of the first silicon layer 25.

次に、第13図に示すように、実施例1の場合と同様の
工程で、第2シリコン層26の上面にワックス層39を
介してガラス、石英板等よりなる保護基板40を貼り付
け、この第2シリコン層26の下面側を平滑加工後ポリ
イミドフィルム層36を形成する。第2シリコン層26
の下面の平滑加工は、0.5〜10μmの厚さになるま
で行われるが、第14図に示すように、第2シリコン層
26の上面側のスクライブラインに相当する位置等に所
定の深さの溝をエッチングで形成し、この上面をSiO
2等からなる平滑加工停止膜41で予め被覆しておけ
ば、下面からの平滑加工の際にこの平滑加工停止膜41
が露出したところで加工を停止することにより、所定厚
さの加工を高精度で行うことができる。ポリイミドフィ
ルム層36は、第1シリコン層25の場合と同様に80
℃程度の加熱により半硬化の状態にしておく。
Next, as shown in FIG. 13, a protective substrate 40 made of glass, a quartz plate, or the like is attached to the upper surface of the second silicon layer 26 via the wax layer 39 in the same process as in the first embodiment. After smoothing the lower surface side of the second silicon layer 26, a polyimide film layer 36 is formed. Second silicon layer 26
The lower surface of the second silicon layer 26 is smoothed to a thickness of 0.5 to 10 μm, but as shown in FIG. 14, a predetermined depth is formed at a position corresponding to the scribe line on the upper surface side of the second silicon layer 26. Groove is formed by etching, and the upper surface is
If the smoothing stop film 41 composed of 2 etc. is coated in advance, the smoothing stop film 41 can be formed when smoothing from the lower surface.
By stopping the processing when the is exposed, the processing of the predetermined thickness can be performed with high accuracy. The polyimide film layer 36 has the same thickness of 80 as the first silicon layer 25.
It is kept in a semi-cured state by heating at about ℃.

上記のようにして各MOS・FET28を形成した第1
シリコン層25と第2シリコン層26とは、第15図に
示すように、互いに所定位置で接着し、ワックス層39
の除去、保護基板40の撤去の後に孔37の底面に露出
するポリイミドフィルム層36を除去してスルーホール
を形成する。これらは、実施例1の場合と同様の工程で
行われる。
First MOS-FET 28 is formed as described above
The silicon layer 25 and the second silicon layer 26 are adhered to each other at a predetermined position as shown in FIG.
And the removal of the protective substrate 40, the polyimide film layer 36 exposed on the bottom surface of the hole 37 is removed to form a through hole. These are performed in the same steps as in the first embodiment.

このようにして孔37が貫通してスルーホールが形成さ
れると、第16図に示すように、オーミックコンタクト
層38上にコンタクト穴を開口し、所定パターンの配線
電極42を形成し、上面全面をポリイミドフィルム層3
6で被覆する。配線電極42は、Al、Mo、W等より
なる単一金属膜又はTiAu、TiCu、CrCu等よ
りなる多重金属膜から構成され、スパッタ法、電子ビー
ム蒸着法等により上面全面に金属膜を被覆後、フォトエ
ッチング技術、選択エッチング技術により所定のパター
ンとすることにより形成される。この配線電極42は、
前もって形成されたオーミックコンタクト層38を介し
て拡散層30に容易に接続され、また、この配線電極4
2の形成の際には、シンター等の高温処理が不要とな
り、耐熱性の低いポリイミドフィルム層36に悪影響を
及ぼすことがない。また、この配線電極42は、孔37
のスルーホール内に入り込み第1シリコン層25上の電
極34とも接続するが、第2シリコン層26の厚さが薄
いので、断線の虞れは生じない。ポリイミドフィルム層
36は、第1シリコン層25の上面及び第2シリコン層
26の下面の場合と同様に、80℃程度に加熱して半硬
化の状態にしておく。
When the through hole is formed through the hole 37 in this manner, as shown in FIG. 16, a contact hole is opened on the ohmic contact layer 38, a wiring electrode 42 having a predetermined pattern is formed, and the entire upper surface is formed. The polyimide film layer 3
Coat with 6. The wiring electrode 42 is composed of a single metal film made of Al, Mo, W or the like or a multiple metal film made of TiAu, TiCu, CrCu, etc., and is coated with a metal film on the entire upper surface by a sputtering method, an electron beam evaporation method or the like. , A photoetching technique or a selective etching technique to form a predetermined pattern. This wiring electrode 42 is
The wiring electrode 4 is easily connected to the diffusion layer 30 through the ohmic contact layer 38 formed in advance.
At the time of forming 2, the high temperature treatment such as sintering is unnecessary, and the polyimide film layer 36 having low heat resistance is not adversely affected. The wiring electrode 42 has holes 37.
Although it enters into the through hole and is also connected to the electrode 34 on the first silicon layer 25, since the second silicon layer 26 is thin, there is no fear of disconnection. Like the upper surface of the first silicon layer 25 and the lower surface of the second silicon layer 26, the polyimide film layer 36 is heated to about 80 ° C. and left in a semi-cured state.

最後に、第17図に示すように、別個バイポーラトラン
ジスタ52を形成した第3シリコン層27をこの第2シ
リコン層26の上層に接着し、孔37のスルーホールを
貫通させ電極42を形成することにより三次元半導体集
積回路を完成する。第3シリコン層27へのバイポーラ
トランジスタ52の形成は、従来からの一般的な方法で
あり、まず、第3シリコン層27の上面からのSbの選
択拡散によりn+拡散層43を形成後、上面にエピタキ
シャル法によるn型単結晶層44を形成し、各島を分離
するためのp型拡散層45を選択拡散により形成する。
次に、p型ベース層46及びn型エミッタ層47を選択
拡散によりそれぞれ形成し、絶縁膜48で上面全面を覆
う。そして、スルーホールとなる孔37を第2シリコン
層26の場合と同様に形成し、低温気相成長法、スパッ
タ法等によりSiO2等の絶縁膜49で上面全面を覆
う。最後に、フォトエッチング技術、選択エッチング技
術によりp型ベース層46、n型エミッタ層47及びコ
レクタ層50の対応位置にコンタクト穴を形成後、第2
シリコン層26の場合と同様の工程で、Al、Pt、P
d等によりオーミックコンタクト層51を形成する。こ
のようにしてバイポーラトランジスタ52が形成される
と、第2シリコン層26の場合と同様の工程で、第3シ
リコン層27の下面を平滑加工し、ポリイミドフィルム
層36を介し第2シリコン層26の上層に接着し、電極
42を所定のパターンに形成する。
Finally, as shown in FIG. 17, the third silicon layer 27 having the separate bipolar transistor 52 is adhered to the upper layer of the second silicon layer 26, and the through hole of the hole 37 is penetrated to form the electrode 42. A three-dimensional semiconductor integrated circuit is completed by. The formation of the bipolar transistor 52 in the third silicon layer 27 is a conventional general method. First, the n + diffusion layer 43 is formed by selective diffusion of Sb from the upper surface of the third silicon layer 27, and then the upper surface. Then, an n-type single crystal layer 44 is formed by the epitaxial method, and a p-type diffusion layer 45 for separating each island is formed by selective diffusion.
Next, the p-type base layer 46 and the n-type emitter layer 47 are formed by selective diffusion, and the entire upper surface is covered with the insulating film 48. Then, a hole 37 to be a through hole is formed similarly to the case of the second silicon layer 26, and the entire upper surface is covered with an insulating film 49 such as SiO 2 by a low temperature vapor deposition method, a sputtering method or the like. Finally, after forming contact holes at corresponding positions of the p-type base layer 46, the n-type emitter layer 47 and the collector layer 50 by the photo etching technique and the selective etching technique, the second
Al, Pt, P are formed in the same process as in the case of the silicon layer 26.
The ohmic contact layer 51 is formed by d or the like. When the bipolar transistor 52 is formed in this manner, the lower surface of the third silicon layer 27 is smoothed in the same process as in the case of the second silicon layer 26, and the second silicon layer 26 is formed through the polyimide film layer 36. The electrode 42 is adhered to the upper layer to form the electrode 42 in a predetermined pattern.

本実施例の三次元半導体集積回路は、上記の工程により
製造され、各シリコン層25・26・27に別個に形成
されたMOS・FET28及びバイポーラトランジスタ
52は、スルーホールを形成する孔37内に亙って形成
された電極42によって接続される。
The three-dimensional semiconductor integrated circuit of the present embodiment is manufactured by the above process, and the MOS FET 28 and the bipolar transistor 52 which are separately formed in the respective silicon layers 25, 26 and 27 are provided in the hole 37 forming the through hole. It is connected by the electrode 42 formed over.

なお、本実施例では、電極42を直接スルーホールを通
して下層の電極42又は電極34に接続しているが、実
施例1の場合と同様に、電解メッキ膜又は無電解メッキ
膜により埋込金属層を形成することも可能である。
In this embodiment, the electrode 42 is directly connected to the lower electrode 42 or the electrode 34 through the through hole, but as in the case of the first embodiment, the embedded metal layer is formed by the electrolytic plating film or the electroless plating film. Can also be formed.

また、実施例1ではMOS・FETを用いた三次元半導
体集積回路について説明し、実施例2ではMOS・FE
T及びバイポーラトランジスタを用いた三次元半導体集
積回路について説明したが、C−MOS・ICも含め、
形成する素子の種類や組合せは自由に選定することがで
きる。
In addition, a first embodiment will explain a three-dimensional semiconductor integrated circuit using a MOS.FET, and a second embodiment will explain a MOS.FE.
Although the three-dimensional semiconductor integrated circuit using the T and bipolar transistors has been described, including the C-MOS IC,
The type and combination of elements to be formed can be freely selected.

更に、実施例1及び実施例2では、n型又はp型の(1
00)ウエハを用いたが、半導体の型や結晶面はこれに
限定されるものではない。
Furthermore, in Examples 1 and 2, the n-type or p-type (1
00) A wafer was used, but the semiconductor mold and crystal plane are not limited to this.

また、実施例1及び実施例2では、各シリコン層の接着
層としてポリイミドフィルムを用いたが、これに限るも
のではなく、エポキシ樹脂、アクリル樹脂その他の接着
層を用いることができる。
Further, in the first and second embodiments, the polyimide film is used as the adhesive layer of each silicon layer, but the adhesive layer is not limited to this, and an epoxy resin, an acrylic resin, or another adhesive layer can be used.

また、実施例1及び実施例2では、スルーホールとなる
孔13・37を各シリコン層の接着前に形成していた
が、接着後に形成することも可能である。
Further, in the first and second embodiments, the holes 13 and 37 to be the through holes are formed before the bonding of the respective silicon layers, but they may be formed after the bonding.

また、実施例1及び実施例2では、3層の三次元半導体
集積回路を示したが、2層だけの場合又は同様の工程を
繰り返して4層以上の三次元半導体集積回路とすること
もできる。
Although the three-dimensional three-dimensional semiconductor integrated circuit is shown in the first and second embodiments, the three-dimensional semiconductor integrated circuit having only two layers or repeating the same steps may be a three-dimensional semiconductor integrated circuit having four or more layers. .

また、実施例1及び実施例2では、各層をシリコン層の
みで構成したが、GaAs、InP等の混晶の半導体と
組み合わせて三次元半導体集積回路を構成し、又は、混
晶の半導体のみで三次元半導体集積回路を構成すること
もできる。
In addition, in each of the first and second embodiments, each layer is formed of only a silicon layer, but a three-dimensional semiconductor integrated circuit is formed by combining it with a mixed crystal semiconductor such as GaAs or InP, or only a mixed crystal semiconductor is used. It is also possible to configure a three-dimensional semiconductor integrated circuit.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明に係る三次元半導体集積回路の製造方法は、以上
のように、下層半導体単結晶層と上層半導体単結晶層と
に、それぞれ下層回路素子と上層回路素子とを個別に形
成する第1工程と、上記下層回路素子を構成する配線電
極の所定部位に対応させて、上層半導体単結晶層に所定
深さの凹部を形成した後、上層半導体単結晶層の上面お
よび上記凹部の内面に沿って絶縁膜で被覆する第2工程
と、上層半導体単結晶層の底面に対して平滑加工を行
い、上記凹部の底を開口させる第3工程と、上記第1工
程を終えた下層半導体単結晶層の上面と上記第3工程を
終えた上層半導体単結晶層の底面とを、接着層を介して
接着する第4工程と、上記開口した凹部と上記配線電極
の所定部位との間を仕切る接着層を除去することによ
り、上記配線電極の所定部位に達するスルーホールを形
成する第5工程と、上記スルーホールを介して下層回路
素子と上層回路素子とを電気的に接続する第6工程とを
有する構成である。
As described above, the method for manufacturing a three-dimensional semiconductor integrated circuit according to the present invention includes the first step of individually forming the lower circuit element and the upper circuit element in the lower semiconductor single crystal layer and the upper semiconductor single crystal layer, respectively. And after forming a recess of a predetermined depth in the upper semiconductor single crystal layer corresponding to a predetermined portion of the wiring electrode constituting the lower circuit element, along the upper surface of the upper semiconductor single crystal layer and the inner surface of the recess. A second step of covering with an insulating film, a third step of smoothing the bottom surface of the upper semiconductor single crystal layer to open the bottom of the recess, and a lower semiconductor single crystal layer after the first step A fourth step of adhering the upper surface and the bottom surface of the upper semiconductor single crystal layer that has been subjected to the third step with an adhesive layer, and an adhesive layer for partitioning between the opened concave portion and a predetermined portion of the wiring electrode are provided. By removing, A fifth step of forming a through-hole reaching the site, a configuration and a sixth step of electrically connecting the lower circuit element and the upper layer circuit element via the through hole.

これにより、本発明は、各層の半導体単結晶層の結晶化
及び回路素子の形成を別工程で行うことができるので、
以下のような効果を奏することになる。
Thereby, the present invention can crystallize the semiconductor single crystal layer of each layer and the formation of the circuit element in separate steps,
The following effects are produced.

各層の半導体単結晶層にシリコンウエハ等の結晶性の良
好なものを使用することができるので、形成した回路素
子の特性のバラツキが少なくなって、回路設計が容易に
なり、歩留まりも向上する。また、十分な厚さの単結晶
を得ることができるので、バルクを利用するバイポーラ
トランジスタ等の形成も容易となる。さらに、各層を均
一な単結晶とすることができるので、結晶粒界等がなく
なり回路素子を高密度に形成することが可能となる。
Since a semiconductor single crystal layer of each layer having good crystallinity such as a silicon wafer can be used, variations in characteristics of the formed circuit elements are reduced, circuit design is facilitated, and yield is improved. Further, since a single crystal having a sufficient thickness can be obtained, it is easy to form a bipolar transistor using a bulk. Furthermore, since each layer can be formed of a uniform single crystal, there are no crystal grain boundaries and the like, and circuit elements can be formed with high density.

また、各層の回路素子は、それぞれ各層ごとに別個に形
成されるので、従来の二次元半導体集積回路のプロセス
をそのまま流用することができ、製品の開発や製造が容
易となる。さらに、各層を順に溶融再結晶させながら積
み上げていくのではなく、従来からの方法により各層を
並行して別工程により処理することができ、また、接着
工程も多数を一括して行うことができるので、生産性が
向上し、しかも短期間に製造することができる。
Moreover, since the circuit elements of each layer are formed separately for each layer, the process of the conventional two-dimensional semiconductor integrated circuit can be used as it is, and product development and manufacturing are facilitated. Furthermore, each layer can be processed in parallel by a separate process by a conventional method, instead of stacking while melting and recrystallizing each layer in sequence, and a large number of bonding processes can be performed at once. Therefore, the productivity is improved, and the product can be manufactured in a short period of time.

さらに、下層回路素子と上層回路素子とを、信号の減衰
や断線のおそれのない短距離で電気的に接続するため
に、単に設計したい長さ以上の凹部を上記第2工程で形
成しておきさえすれば、上記第3工程によって、容易か
つ確実にスルーホールを適度な長さに制御することがで
きる。また、上記第4工程の接着層によって、開口した
凹部の底が一旦塞がれるものの、不要な接着層を除去す
るだけで容易にスルーホールを完成させることができる
という種々の効果を併せて奏する。
Further, in order to electrically connect the lower layer circuit element and the upper layer circuit element over a short distance without fear of signal attenuation or wire breakage, a recess having a length equal to or longer than a desired design is formed in the second step. Then, the through hole can be easily and surely controlled to have an appropriate length by the third step. Further, although the bottom of the opened recess is once closed by the adhesive layer in the fourth step, various effects that the through hole can be easily completed only by removing the unnecessary adhesive layer are also exhibited. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図乃至第10図は本発明の一実施例を示すものであ
って、第1図は三次元半導体集積回路の縦断面部分正面
図、第2図乃至第10図はそれぞれ三次元半導体集積回
路の製造過程を示す縦断面部分正面図、第11図乃至第
17図は本発明の他の実施例を示すものであり、第11
図乃至第16図はそれぞれ三次元半導体集積回路の製造
過程を示す縦断面部分正面図、第17図は三次元半導体
集積回路の縦断面部分正面図である。 1・25は第1シリコン層(下層半導体単結晶層)、2
・26は第2シリコン層(上層半導体単結晶層及び下層
半導体単結晶層)、3・27は第3シリコン層(上層半
導体単結晶層)、4・28はMOS・FET(回路素
子)、10・34・42は配線電極、12・36はポリ
イミドフィルム層(接着層)、13・37は孔(スルー
ホール)、14・33・49は絶縁膜、52はバイポー
ラトランジスタ(回路素子)である。
1 to 10 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a partial cross-sectional front view of a three-dimensional semiconductor integrated circuit, and FIGS. 2 to 10 are three-dimensional semiconductor integrated circuits, respectively. 11 to 17 are vertical sectional partial front views showing a circuit manufacturing process, showing another embodiment of the present invention.
FIGS. 16 to 16 are vertical sectional partial front views showing the manufacturing process of the three-dimensional semiconductor integrated circuit, and FIG. 17 is a vertical sectional partial front view of the three-dimensional semiconductor integrated circuit. 1.25 is the first silicon layer (lower semiconductor single crystal layer), 2
26 is a second silicon layer (upper semiconductor single crystal layer and lower semiconductor single crystal layer), 3.27 is a third silicon layer (upper semiconductor single crystal layer), 4.28 is a MOS-FET (circuit element), 10 34 and 42 are wiring electrodes, 12 and 36 are polyimide film layers (adhesive layers), 13 and 37 are holes (through holes), 14 and 33 and 49 are insulating films, and 52 is a bipolar transistor (circuit element).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 25/07 25/18 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI technical display location H01L 25/07 25/18

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】下層半導体単結晶層と上層半導体単結晶層
とに、それぞれ下層回路素子と上層回路素子とを個別に
形成する第1工程と、 上記下層回路素子を構成する配線電極の所定部位に対応
させて、上層半導体単結晶層に所定深さの凹部を形成し
た後、上層半導体単結晶層の上面および上記凹部の内面
に沿って絶縁膜で被覆する第2工程と、 上層半導体単結晶層の底面に対して平滑加工を行い、上
記凹部の底を開口させる第3工程と、 上記第1工程を終えた下層半導体単結晶層の上面と上記
第3工程を終えた上層半導体単結晶層の底面とを、接着
層を介して接着する第4工程と、 上記開口した凹部と上記配線電極の所定部位との間を仕
切る接着層を除去することにより、上記配線電極の所定
部位に達するスルーホールを形成する第5工程と、 上記スルーホールを介して下層回路素子と上層回路素子
とを電気的に接続する第6工程とを有することを特徴と
する三次元半導体集積回路の製造方法。
1. A first step of separately forming a lower layer circuit element and an upper layer circuit element in a lower semiconductor single crystal layer and an upper semiconductor single crystal layer, respectively, and a predetermined portion of a wiring electrode constituting the lower layer circuit element. Corresponding to, a second step of forming a recess of a predetermined depth in the upper semiconductor single crystal layer, and then covering with an insulating film along the upper surface of the upper semiconductor single crystal layer and the inner surface of the recess, and the upper semiconductor single crystal A third step of smoothing the bottom surface of the layer to open the bottom of the recess, an upper surface of the lower semiconductor single crystal layer after the first step, and an upper semiconductor single crystal layer after the third step. A fourth step of adhering the bottom surface of the wiring electrode via an adhesive layer, and removing the adhesive layer separating the opened concave portion and the predetermined portion of the wiring electrode to reach the predetermined portion of the wiring electrode. The fifth step of forming holes And a sixth step of electrically connecting the lower layer circuit element and the upper layer circuit element through the through hole, the method for manufacturing a three-dimensional semiconductor integrated circuit.
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