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JP2004119659A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2004119659A
JP2004119659A JP2002280468A JP2002280468A JP2004119659A JP 2004119659 A JP2004119659 A JP 2004119659A JP 2002280468 A JP2002280468 A JP 2002280468A JP 2002280468 A JP2002280468 A JP 2002280468A JP 2004119659 A JP2004119659 A JP 2004119659A
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JP
Japan
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semiconductor
layer
substrate
support
manufacturing
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JP2002280468A
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Japanese (ja)
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Masataka Mizukoshi
水越 正孝
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】ホトリソグラフィプロセスを低減した、貫通導体を有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、(a)半導体支持基板の主面上に多数の半導体素子を含む素子層を形成した半導体基板の裏面を研削し、100μm以下に薄くする工程と、(b)前記薄くした半導体基板を平滑な表面を有する支持台上に位置決めして支持し、半導体基板を貫通するビア孔を形成する工程と、(c)平滑な表面を有する第1の支持台上に位置決めして支持し、半導体支持基板を貫通するビア孔を形成する工程と、(d)前記絶縁膜を堆積したビア孔内に金属層を形成する工程と、を含む。
【選択図】 図3
Provided is a method for manufacturing a semiconductor device having a through conductor, in which a photolithography process is reduced.
A method of manufacturing a semiconductor device includes: (a) grinding a back surface of a semiconductor substrate having an element layer including a large number of semiconductor elements formed on a main surface of a semiconductor support substrate to reduce the thickness to 100 μm or less; b) positioning and supporting the thinned semiconductor substrate on a support having a smooth surface, and forming a via hole penetrating the semiconductor substrate; and (c) on a first support having a smooth surface. Forming a via hole that penetrates the semiconductor support substrate by positioning and supporting the same, and (d) forming a metal layer in the via hole on which the insulating film is deposited.
[Selection diagram] FIG.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に複数枚をスタックして3次元積層を構成するのに適した貫通導体を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
大規模集積回路(LSI)を形成した半導体チップを積層すれば、同一占有面積内の素子数を飛躍的に増大させることができる。回路基板上の配線を介することなく、積層した半導体チップ間の電気的接続を実現するためには、半導体基板を貫通する貫通導体を形成することが望ましい。
【0003】
なお、半導体基板上に配線層を形成する場合は、配線層が横方向に延在してもよい。このような場合も貫通導体と呼ぶ。すなわち、本明細書において、貫通導体とは半導体基板の1面から他の面に、半導体基板外の配線を介することなく、接続された導体を呼ぶ。
【0004】
LSIチップに、貫通導体を形成するには、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング(RIE)或いはレーザによりビア孔を形成し、ビア孔内を絶縁した後、ビア孔に金属を充填する。必要に応じて、面内方向の配線やハンダバンプも形成する。
【0005】
半導体基板は、通常600〜700μmの厚さを有する。しかしながら、半導体素子を構成している領域は、主面近傍のたかだか2〜3μmの厚さの領域の場合が多く、その他の厚さ部分は物理的支持基板としての機能を果たしているのみである。半導体チップの体積を減少させることが望まれる場合、特に複数枚の半導体チップを積層する場合には、半導体基板を研削し、薄くすることが望まれる。
【0006】
LSIチップに貫通導体を形成する場合、ビア孔を形成し、ビア孔内面を絶縁し、メッキ等によってビア孔内に金属を充填し、その後ウエハ裏面よりシリコン基板を研削し、表面のダメージ層をドライエッチにより除去し、ビア先端の金属を露出させ貫通ビアとする方法がよく用いられている。
【0007】
しかしながら、ビア孔に金属を充填した後、基板を薄く研削する方法は容易ではない。又、研削工程を行なった時には、基板裏面が直接露出するため、ビア孔内の導体と基板裏面との短絡を防止することが必要である。このためには、シリコン基板裏面に絶縁層を形成し、ビア導電体を露出するための開口を設けなければならない。このような工程のため、ビア導電体を形成するためには、複数回のレジストプロセスが必要であった。
【0008】
【特許文献1】
特開昭59−4174号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、LSIチップに貫通導体を形成することは容易ではなかった。
【0010】
本発明の目的は、製造工程における複雑性、困難性を低減した貫通導体を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ホトリソグラフィプロセスを低減した、貫通導体を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
【0011】
本発明のさらに他の目的は、容易に、かつ信頼性高く実施することのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の1観点によれば、a)半導体支持基板の主面上に多数の半導体素子を含む素子層を形成した半導体基板の裏面を研削し、薄くする工程と、(b)前記薄くした半導体基板を平滑な表面を有する第1の支持台上に位置決めして支持し、前記半導体支持基板を貫通するビア孔を形成する工程と、(c)平滑な表面を有する第2の支持台上に前記ビア孔を形成した半導体基板の素子層を位置決めして支持し、前記ビア孔内面上および前記半導体基板裏面のビア孔周囲上に絶縁膜を堆積する工程と、(d)前記絶縁膜を堆積したビア孔内に金属層を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【0013】
ビア導電体を形成した後にシリコン基板を研削する代りに、シリコン基板を研削した後にビア導電体を形成する。
多くの工程をウエハレベルで一括して行なうことができ、効率的に貫通導体を有する半導体装置を製造することができる。
【0014】
一旦ウエハを薄くすると、ウエハの自己保存能力が失われるが、適切な支持台を用いることにより、ウエハの取り扱いを適切に行なうことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例による半導体装置の製造方法を説明する。
【0016】
図1(A)は、ウエハの平面図を示す。ウエハWFは、その主面内に複数のチップ領域CHを画定している。各チップ領域CH内に、多数の半導体素子が形成され、LSI回路を構成する。なお、ウエハWFは、例えば直径10インチないし12インチであり、チップCHは、一辺数mm〜2、3cm、例えば1cm×1cm程度の大きさである。
【0017】
図1(B)は、LSI構造が形成された半導体チップの構成を概略的に示す。例えばp型のシリコン基板1の表面層に、トレンチが形成され、絶縁膜が埋め込まれてシャロートレンチアイソレション(STI)2が形成される。STIは、素子分離領域であり、活性領域を画定する。シリコン基板1の表面層に、不純物が添加され、n型ウエル3n、及びp型ウエル3p、4pが形成されている。
【0018】
図示の構成は、メモリを含むLSIであり、メモリー領域においてはp型ウエル4pにメモリ素子が形成され、周辺領域においてはn型ウエル3n、p型ウエル3pにCMOS回路が形成されている。
【0019】
STI2で画定された活性領域のシリコン基板表面上に絶縁ゲート電極5が形成される。絶縁ゲート電極5の両側に、ソース/ドレイン領域6が形成される。なお、周辺回路領域においては、絶縁ゲート電極5を形成した後、エクステンション領域をイオン注入し、サイドウォールスペーサを形成した後、高濃度のソース/ドレイン領域を形成し、LDD構造のソース/ドレイン領域が形成される。
【0020】
メモリー領域においては、リテンション特性を改善するため、高濃度イオン注入は行なわず、低濃度イオン注入のみによりソース/ドレイン領域6が形成されている。
【0021】
ゲート電極5を覆って、第1層間絶縁膜7が形成される。第1層間絶縁膜7は、例えば単層の酸化シリコン層や、窒化シリコン層/酸化シリコン層/窒化シリコン層等の絶縁積層によって形成されている。第1層間絶縁膜7を貫通し、周辺回路領域のソース/ドレイン領域6に達するコンタクトホールが形成され、タングステン等の導電体が埋め込まれ、導電体プラグ8が形成されている。
【0022】
第1層間絶縁膜7の上に、第1配線層10が形成され、導電体プラグ8に対する必要な配線が行われている。第1配線層10を埋め込むように、第2層間絶縁膜11が形成されている。第2層間絶縁膜11には、ダマシン構造の配線12が形成されている。又、第2層間絶縁膜11、第1層間絶縁膜7を貫通するコンタクト孔が形成され、メモリーセルの一方のソース/ドレイン領域に達するコンタクト孔が形成され、導電体プラグ13が埋め込まれている。
【0023】
メモリ領域においては、第2層間絶縁膜11の表面上に、下部電極、誘電体層、上部電極で構成されるキャパシタ15が形成されている。誘電体層を強誘電体で形成した場合、強誘電体キャパシタ15が形成される。
【0024】
キャパシタ15を埋め込んでキャップ層を含む第3層間絶縁膜17が形成されている。第3層間絶縁膜17内には、ダマシン構造の第2配線層18、19が形成されている。配線の層数は、必要に応じて増減できる。抵抗、インダクタなど他の回路素子を作りこむこともできる。
【0025】
このように、各LSIチップCHにおいては、半導体基板1の主面近傍の領域から上に、MOSトランジスタ等の半導体素子及びキャパシタ等の受動素子が形成されている。
【0026】
なお、半導体基板1内に形成されたSTI2、ウエル3よりも上の層を回路素子が形成されている点から素子層と呼び、これらの層よりも下の層9を素子層を支持するために用いられているにすぎない点から支持基板9と呼ぶ。支持基板9は、素子層20を支持する機能が果たせれば、その厚さは任意である。
【0027】
図1(C)は、シリコンウエハの断面構成を概略的に示す。シリコンウエハの表面領域から上に、素子層20が形成され、その下に支持基板9が配置されている。支持基板9には、トランジスタ等の半導体素子は形成されておらず、物理的支持部材としての機能を果たす。素子層20は、MOSトランジスタ、キャパシタ、インダクタ、抵抗、配線等の回路素子を含む。
【0028】
図2(D)に示すように、素子層20を形成した半導体ウエハWFの上面に、UV(紫外線)テープ32を介して、平滑な表面を有するガラス基板31を接着する。UVテープ32は、接着力を有し、紫外線(UV)の照射により接着力を失う有機材料の層である。
【0029】
図2(E)に示すように、主面上にUVテープ32、ガラス板31を接着されたウエハWFを裏面から研削する。例えば、600〜700mmの厚さを有していたシリコン基板を、厚さ100μm以下に研削する。厚さおよそ100μm以下に研磨されたシリコン基板は、自己保持能力を失う。
【0030】
図2(F)に示すように、シリコン基板WFの研削面に、平滑な表面を有する他のガラス基板35を、UVテープ36を介して接着する。高い物理的強度を有するガラス基板31、35により、シリコンウエハWFが挟持された構成となる。なお、平滑な表面を有する支持台としての役割を果たせれば、ガラス板以外の材料の支持台を用いてもよい。
【0031】
図2(G)に示すように、ガラス基板31を介してUVテープ32に紫外線を照射し、接着力を減少させる。シリコン基板9tは紫外線を遮蔽する。従って、半導体支持基板9tとガラス基板35の間のUVテープ36には、紫外光は照射されず、接着力は減少しない。シリコン基板WFの主面上のUVテープ32、ガラス基板31を除去する。
【0032】
図2(H)に示すように、ガラス基板35上にUVテープ36を介してシリコン基板WFを支持した状態で、素子層20表面上にレジスト層38を塗布し、キュアする。
【0033】
レジスト層38に対し、シリコン基板を貫通する導体を配置するビア孔のパターンを露光、転写し、現像する。レジスト層38には、ビア孔のパターンが開口される。
【0034】
図2(I)に示すように、残されたレジストパターン38をマスクとし、素子層20、半導体支持基板9tを反応性イオンエッチング(RIE)し、ビア孔を形成する。RIEにより、レジストパターン38の開口パターンに従った開口が、素子層20、半導体支持基板9tを貫通して形成される。
【0035】
例えば、無機絶縁層に対してはCF−CHF等を含むエッチングガス、シリコンや金属等の導電層に対してはSF、Cl等を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングを行なう。CとSFとを切り替えてエッチングするボッシュ法、SF+OによるディープRIEを行ってもよい。
【0036】
なお、RIEのプロセスパラメータを制御することによりテーパエッチングを行ってもよい。テーパエッチングを行った場合は、深さと共に縮径するビア孔が形成される。
【0037】
図3(J)は、レジストパターン38を除去した状態のシリコン基板WFを示す。シリコン基板WFに貫通孔が形成されている。なお、この状態は架空のものであり、現実的にはシリコン基板WFの上面又は下面上にガラス板とUVテープ等の支持構造Sが残されている。
【0038】
図3(K)に示すように、支持構造Sに支持されたシリコン基板WF表面上に、Fe、Ni、Co等の磁性金属板で形成された平滑な表面を有する支持台40を配置する。支持台40を配置した後、支持構造Sを除去し、代りにアルニコ系、サマリウム系等の磁石41を配置する。これらの磁石は、比較的高温まで磁気特性を保つ。磁石41が磁性支持台40に吸引されることにより、シリコン基板WFを支持基板40に密着させる。
【0039】
この状態で、図中下方より、化学気相堆積(CVD)等により絶縁層の形成を行う。絶縁層は、無機材料又は有機材料で形成される。無機材料としては酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いることができる。有機材料としては、ポリイミド、ポリナフタレン、パリレンなどを用いることができる。
【0040】
酸化シリコンのCVDは、例えばTEOS、オゾンを用いたプラズマCVDで行える。窒化シリコンのCVDは、例えばアンモニアとシランを用いたプラズマCVDで行える。パリレンは、フッ素化ポリマの1種であり、気相成長できる。ポリイミドは、液体を解さないで蒸着重合でき、蒸着重合ポリイミドをうることができる。
【0041】
図3(L)に示すように、支持台40に圧着されたシリコン基板WF及び磁石41上に、絶縁層44が堆積する。絶縁層44は、シリコン支持基板9tと支持台40との間の間隙にも入り込み、間隙を埋め込んだ絶縁層を形成する。
【0042】
図2(I)における孔開け工程において、深さ方向に次第に開口径が狭くなるテーパエッチングを行うと、図3(L)に示すように堆積した絶縁層44は、ビア孔周囲で支持基板9t裏面上に拡大する部分とビア孔上部の大径部とで中間の縮径部を挟む構成となり、半導体基板WFに強く固定される。
【0043】
絶縁層44を形成した後、磁石41を除去する。磁石41上の絶縁層も同時に除去される。ビア孔周囲で支持基板9t裏面上に堆積された絶縁層は残リ、その下のシリコン基板を遮蔽する。
【0044】
図3(M)に示すように,磁石41の代りに平滑な表面を有する支持台45が準備され、シリコン基板WFの下面に配置される。支持台45上にシリコン基板を支持した後、支持台40を取り外す。
【0045】
シリコン基板WFの主面上には、ビア孔のパターンに適合し、ビア孔およびその周辺を露出するする開口パターンを有するステシルマスク46が配置される。ステンシルマスクは例えば、ガラス、プラスチックなどにより形成される。ステンシルマスク46と、支持台45とは、冶具Jにより所望の相対的位置に画定される。この状態において、ステンシルマスク46上方から金属などの導電体のスパッタリングを行なう。スパッタリングにより、シリコン基板WFの表面上に導電体層(金属層)48が堆積する。導電(金属)材料としては、Au,Cu,Ag,Pt,Pd、およびこれらの組合せ等から選択することができる。
【0046】
図3(O)は、スパッタリング後のシリコン基板の状態を示す。ステンシルマスク46及び支持台45は図示去れていない。シリコン支持基板9tと素子層20を貫通するビア孔の内壁上に、絶縁層44が形成され、さらにその表面上に金属層48が形成されている。金属層48は、ビア孔において支持基板9tの下面に露出されると共に、素子層20の電極領域に接触する。
【0047】
なお、図3(O)に示す状態の後、必要に応じてレジストマスクを形成し、メッキ工程を行って貫通孔内の導電体層48の空隙部を埋め込むメッキ層を形成してもよい。この場合、金属層48は、メッキ用のシード層として機能する。
【0048】
以上説明した実施例においては、ホトリソグラフィにより形成したレジストパターンを用いてRIEを行い、シリコン基板に貫通孔を形成した。貫通孔は、他の工程によって形成することもできる。
【0049】
図4(A)は、貫通孔をレーザ照射により形成する場合を示す。半導体基板9tの上に、素子層20が形成されている。半導体基板9tは、UVテープ36を介してガラス基板35に接着されている。レーザビームLは、集束され、シリコン基板WFの所望位置に照射される。レーザビームLが照射されたシリコン基板WFは、蒸発、アブレーション等により逃散し、コンタクト孔が形成される。
【0050】
レーザとしては、YAGレーザ(波長532nm、355nm)を用いることができる。その他、ラマンレーザ、UVレーザを用いることもできる。CF系ガス雰囲気中でレーザ照射を行い、飛散物の堆積を防止することもできる。
【0051】
上述の実施例においては、半導体基板を研削した後、研削面に他の支持基板を接着し、元の支持基板を除去した。同一の支持基板を利用し、同様の工程を行なうことも可能である。
【0052】
図4(B)に示すように、UVテープ32を介してガラス板31上に支持されたシリコン基板WF裏面上にレジストパターン38を形成し、レジストパターン38をマスクとしてシリコン基板9tのエッチングを行なう。
【0053】
図4(C)に示すように、シリコン基板WFのエッチングを終了した後、レジストパターン38に対して等方的エッチングを行う。レジストパターン38は、等方的エッチングにより後退し、シリコン支持基板9tの開口位置から後退する。すなわちビア孔周囲にシリコン基板9tの裏面が露出する。
【0054】
この状態において、シリコン基板WF裏面上方から絶縁層44の堆積を行う。レジストパターン38が後退しているため、絶縁層44は、開口周辺のシリコン基板9tの裏面上にも延在して堆積される。
【0055】
図4(D)は、堆積された絶縁層44の形状を概略的に示す断面図である。シリコン基板以外の部分は図示を省略している。開口内壁上からシリコン基板9tの裏面上に延在して、絶縁層44が形成されている。その後、図3(M)、(O)に示すような工程を行うことにより、素子層20と接続された金属配線層を形成することができる。
【0056】
図4(E)は、図3(M)の工程において,スパッタリングの代りにスキージングにより導電体ペーストを開口部に充填する状態を示す。ステンシルマスク46をガイドとしてナイフエッジ65等により導電体ペースト63を開口部に充填する。その後キュア等を行うことにより、開口を埋め込んだ導電体層が得られる。以下、本発明の他の実施例による半導体装置の製造方法を説明する。
【0057】
図5(A)に示すように、支持台50の上に、素子層20を下にして半導体基板WFを配置し、その上にFe,Co,Ni等の磁性金属で形成されたステンシルマスク52を配置する。支持台50の下方にはアルニコ磁石、サマリウム磁石等の磁石54を配置し、半導体基板WFをステンシルマスク53と密着させる。支持台50は、熱伝導性の良好な材料で形成され、冷媒の配管を備え、所望温度に半導体基板WFを冷却することができる。
【0058】
図5(B)に示すように、ステンシルマスク53を介してレジスト層52を露光する。レジスト層52は、ステンシルマスク53と同一パターンに露光される。その後、レジスト層52を現像することにより、露光領域が除去される。ステンシルマスク53とレジストマスク52によって積層マスクが形成される。
【0059】
図5(C)に示すように、ステンシルマスク53とレジストマスク52を複合マスクとし、その下のシリコン基板WFのエッチングを行なう。例えば、誘導結合プラズマ(ICP)を用いたプラズマエッチングを行う。冷媒を流すことによって基板の温度上昇を防止する。例えば、基板を−5℃に保ってCとSFとを切り替えてエッチングするボッシュ法、SF+OによるディープRIEを行う。シリコン基板WFがエッチングされ、素子層20内の電極(パッド)Pを露出する開口が形成される。
【0060】
図5(D)に示すように、エッチング工程終了後、ステンシルマスク53、レジストパターン52を除去し、新たにステンシルマスク53よりも遮蔽領域の狭く、素子層をより広い領域で露出する磁性金属のマスク55を配置する。このマスク55を介して、絶縁層56の堆積が行われる。絶縁層56は、下地半導体支持基板表面上及びマスク55表面上に堆積される。
【0061】
図5(E)は、開口近傍の断面図を示す。半導体支持基板9t、素子層20に開口が形成され、開口内に金属層M1,ビア金属V1、金属層M2を含む配線(パッド)Pを露出する。絶縁層56は、開口内面を覆い、開口周辺の支持基板9t表面も覆っている。
【0062】
図6(F)に示すように、半導体基板WFの裏面上に、新たなメタルマスク58を配置する。マスク58は、半導体基板WFの開口よりも狭い開口領域(窓)を有し、既に形成した開口と位置合わせして配置される。すなわち、マスク58の開口は、先に形成された開口の中央部に対応する位置に開口を有する。マスク58を介して、RIE等の異方性エッチングを行なって絶縁層56の局所的除去を行う。
【0063】
図6(G)に示すように、狭い開口領域を介したRIEにより、絶縁層56は、開口底面の中心部が除去され、下層に配置された配線Pを露出する。開口側壁は、絶縁層に覆われた状態を保つ。
【0064】
図6(H)に示すように、続いてシード金属層60の堆積を行う。開口内に露出された電極Pと堆積されたシード金属層60とが電気的に接続される。シード金属層の材料はその後行うメッキの金属に適合するものを選ぶ。例えば、メッキ層と同一材料とする。
【0065】
図6(I)に示すように、その後レジスト層PRの形成、メッキ層61の形成等を行うことにより、開口内に露出されたパッドPに電気的に接続されたメッキ層61が形成される。
【0066】
図7(J)は、レジストマスクPR、シード層60の不要部分の除去等を行った後の導電体積層の構成を概略的に示す。
なお、貫通導体の接続部を形成するためにシードメタル層の形成、メッキ層の形成等を行った。貫通導体の接続部は、他の方法により形成することもできる。
【0067】
図7(K)は、変形例を示す。図6(G)に示す工程の後、ホトレジスト層PRのパターニングを行い、開口内にスキージングにより導電体ペースト層63を充填する。ホトレジスト層PRを除去し、塗布導電体ペースト層63のアニール処理を行うことにより、LSI回路の電極層に接続されたパッド層を形成することができる。
【0068】
このようにして形成した貫通導体を有する半導体装置は種々の用途に用いることができる。
図8(A)は、半導体支持基板9tの上に素子層20が形成され、その上に配線層60が形成された状態を示す。配線層60は、積層キャパシタ62の部分と、多層配線64の部分を含み、合わせて配線層を構成する。このような配線層を備えた半導体チップを他の半導体チップと積層することにより、より高性能の半導体複合システムが形成される。
【0069】
図8(B)は、メモリーを構成する半導体チップ71〜74を積層した構成を示す。回路基板70は、半導体チップ71〜74に対する配線層を有する。回路基板70の下面には、ハンダバンプ78が形成され、外部に対する接続端子を構成する。積層された半導体チップ71〜74には、貫通導体76が形成され、積層間の電気的導通が形成されている。
【0070】
図8(C)は、複合半導体デバイスの構成例を示す。例えば、撮像装置82と画像信号処理装置84とが積層され、指紋検出回路を構成している。この複合装置は、回路基板80上に積層され、ハンダバンプ88により外部に接続される。ワイヤボンディングも用いられている。
【0071】
なお、指紋検出装置の代りに、通常の画像検出装置、画像送信装置等を実現することも可能である。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【0072】
以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)(1) (a)半導体支持基板の主面上に多数の半導体素子を含む素子層を形成した半導体基板の裏面を研削し、薄くする工程と、
(b)前記薄くした半導体基板を平滑な表面を有する第1の支持台上に位置決めして支持し、前記半導体支持基板を貫通するビア孔を形成する工程と、
(c)平滑な表面を有する第2の支持台上に前記ビア孔を形成した半導体基板の素子層を位置決めして支持し、前記ビア孔内面上および前記半導体基板裏面のビア孔周囲状に絶縁膜を堆積する工程と、
(d)前記絶縁膜を堆積したビア孔内に金属層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【0073】
(付記2)(2) 前記工程(b)が、前記第1の支持台上に前記半導体基板の裏面を配置し、前記素子層側からビア孔を形成する請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【0074】
(付記3) 前記工程(b)が、素子層側で径が大きいテーパ状側面を有するビア孔を形成する付記2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4) 前記絶縁膜が、無機材料を含む付記1記載の半導体装置の製造方法。
【0075】
(付記5) 前記絶縁膜が、有機材料を含む付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)前記有機材料が、ポリイミド、ポリナフタレン、パリレンのいずれかを含む付記5記載の半導体装置の製造方法。
【0076】
(付記7)(3) 前記工程(b)が、
(b−1)前記素子層上にレジストパターンを形成する工程と、
(b−2)前記レジストパターンをマスクとし、前記素子層および前記半導体支持基板を反応性イオンエッチングでエッチングする工程と、
を含む付記2または3記載の半導体装置の製造方法。
【0077】
(付記8)(4) 前記工程(b)が、前記第1の支持台上に前記素子層を配置し、前記半導体基板裏面側からビア孔を形成する付記1記載の半導体装置の製造方法。
【0078】
(付記9)(5) 前記工程(b)が、
(b−4)前記半導体基板裏面上にレジストパターンを形成する工程と、
(b−5)前記レジストパターンをマスクとし、前記半導体支持基板を貫通して反応性イオンエッチングを行ない、前記素子層内の電極層を露出させる工程と、
を含む付記8記載の半導体装置の製造方法。
【0079】
(付記10)(6) 前記工程(b)が、
(b−3)レーザ光を照射して前記半導体支持基板にビア孔を形成する工程
を含む付記1記載の半導体装置の製造方法。
【0080】
(付記11)(7) 前記工程(c)において、前記第2の支持台が磁性金属材料を含んでおり、前記半導体基板裏面上に磁石が配置され、前記半導体基板を前記第2の支持台上に密着させる付記1〜10のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
【0081】
(付記12)(8) 前記工程(b)が、前記半導体基板裏面上にレジストパターンを形成する工程を含み、
前記工程(c)が前記半導体基板裏面上にレジストパターンを残した状態でスパッタリングにより絶縁層を堆積し、その後リフトオフを行う付記8記載の半導体装置の製造方法。
【0082】
(付記13)(9) 前記工程(d)が、
(d−1)平滑な表面を有する第3の支持台上に、前記素子層を配置し、前記半導体基板裏面上にステンシルマスクを配置する工程と、
(d−2)前記ステンシルマスク上方から前記開口内および前記素子層の一部上に金属層を堆積する工程と、
を含む付記1〜12のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
【0083】
(付記14) 前記ステンシルマスクが、ガラス、又はプラスチックで形成されている付記13記載の半導体装置の製造方法。
(付記15) 前記ステンシルマスクが、磁性金属で形成されている付記13記載の半導体装置の製造方法。
【0084】
(付記16) 前記磁性金属が、鉄、ニッケル、コバルトのいずれかを含む付記15記載の半導体装置の製造方法。
(付記17) 前記金属層が、Au,Cu,Ag,Pt,Pd、およびこれらの組合せのいずれかから形成されている付記1〜16のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
【0085】
(付記18) 前記工程(d)が、さらに、
(d−4)前記金属層の上にメッキ層を形成する工程を含む付記13記載の半導体装置の製造方法。
【0086】
(付記19)(10) 前記工程(d)が、
(d−3)前記ステンシルマスクをガイドとし、スキージングにより前記金属層を形成する工程、
を含む付記1〜12記載の半導体装置の製造方法。
【0087】
(付記20) さらに、前記金属層を他の半導体チップの電極に接続する工程を含む付記1〜19のいずれか1項半導体装置の製造方法。
【0088】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォトリソグラフィによる工程を低減した,貫通導体を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す平面図および断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【図4】第1の実施例の変形例を示す断面図である。
【図5】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【図6】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【図7】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程,および変形例を示す断面図である。
【図8】半導体装置を利用した装置例を示す断面図である。
【符号の説明】
1    シリコン基板
2    シャロートレンチアイソレーション(STI)
3    ウェル
4    ウェル
5    絶縁ゲート電極
6    ソース/ドレイン領域
7、11、17 層間絶縁膜
8、13    導電体プラグ
15    (強誘電体)キャパシタ
18、19   (デュアルダマシン)配線
9    半導体支持基板
20    素子層
WF    ウエハ
CH    チップ
31、35   ガラス板(支持台)
32、36   UVテープ
38    レジスト層
40    (磁性金属)支持台
41    磁石
44    絶縁層
48    金属層
46    ステンシルマスク
63    導電体ペースト
53    ステンシルマスク
52    レジスト層
54    磁石
56    絶縁層
58    ステンシルマスク
60    シード金属層
61    メッキ層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device having a through conductor suitable for forming a three-dimensional stack by stacking a plurality of semiconductor devices.
[0002]
[Prior art]
By stacking semiconductor chips on which a large-scale integrated circuit (LSI) is formed, the number of elements in the same occupied area can be dramatically increased. In order to realize the electrical connection between the stacked semiconductor chips without passing through the wiring on the circuit board, it is desirable to form a through conductor penetrating the semiconductor substrate.
[0003]
When a wiring layer is formed on a semiconductor substrate, the wiring layer may extend in a lateral direction. Such a case is also called a through conductor. That is, in this specification, a through conductor refers to a conductor that is connected from one surface of a semiconductor substrate to another surface without passing through wiring outside the semiconductor substrate.
[0004]
To form a through conductor in an LSI chip, a via hole is formed by wet etching, reactive ion etching (RIE) or laser, and the via hole is insulated, and then the via hole is filled with metal. If necessary, in-plane wiring and solder bumps are also formed.
[0005]
The semiconductor substrate usually has a thickness of 600 to 700 μm. However, the region constituting the semiconductor element is often a region having a thickness of only 2 to 3 μm near the main surface, and the other thickness portions only function as a physical support substrate. When it is desired to reduce the volume of a semiconductor chip, particularly when a plurality of semiconductor chips are stacked, it is desired that the semiconductor substrate be ground and thinned.
[0006]
When a through conductor is formed in an LSI chip, a via hole is formed, an inner surface of the via hole is insulated, a metal is filled in the via hole by plating or the like, and then a silicon substrate is ground from the back surface of the wafer to form a damaged layer on the surface. A method of removing the metal by dry etching to expose the metal at the tip of the via to form a through via is often used.
[0007]
However, it is not easy to grind the substrate thinly after filling the via holes with metal. Further, when the grinding step is performed, the back surface of the substrate is directly exposed, so that it is necessary to prevent a short circuit between the conductor in the via hole and the back surface of the substrate. For this purpose, an insulating layer must be formed on the back surface of the silicon substrate, and an opening for exposing the via conductor must be provided. Because of these steps, a plurality of resist processes were required to form a via conductor.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-59-4174
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, it is not easy to form a through conductor on an LSI chip.
[0010]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a through conductor with reduced complexity and difficulty in the manufacturing process.
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a through conductor, in which a photolithography process is reduced.
[0011]
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can be easily and reliably implemented.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a) a step of grinding the back surface of a semiconductor substrate in which an element layer including a large number of semiconductor elements is formed on a main surface of a semiconductor support substrate to reduce the thickness, and (b) the thinned semiconductor A step of positioning and supporting the substrate on a first support having a smooth surface and forming a via hole penetrating the semiconductor support substrate; and (c) forming a via hole on the second support having a smooth surface. Positioning and supporting an element layer of the semiconductor substrate in which the via hole is formed, and depositing an insulating film on the inner surface of the via hole and around the via hole on the back surface of the semiconductor substrate; and (d) depositing the insulating film. Forming a metal layer in the formed via hole.
[0013]
Instead of grinding the silicon substrate after forming the via conductor, the via conductor is formed after grinding the silicon substrate.
Many processes can be performed collectively at the wafer level, and a semiconductor device having a through conductor can be manufactured efficiently.
[0014]
Once the wafer is thinned, the self-preservation ability of the wafer is lost, but by using an appropriate support, the wafer can be properly handled.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1A shows a plan view of the wafer. Wafer WF defines a plurality of chip regions CH in its main surface. A large number of semiconductor elements are formed in each chip area CH to constitute an LSI circuit. The wafer WF has a diameter of, for example, 10 inches to 12 inches, and the chip CH has a size of several mm to a few cm, for example, about 1 cm × 1 cm.
[0017]
FIG. 1B schematically shows a configuration of a semiconductor chip on which an LSI structure is formed. For example, a trench is formed in a surface layer of a p-type silicon substrate 1, an insulating film is buried, and a shallow trench isolation (STI) 2 is formed. The STI is an element isolation region and defines an active region. An impurity is added to the surface layer of the silicon substrate 1 to form an n-type well 3n and p-type wells 3p and 4p.
[0018]
The illustrated configuration is an LSI including a memory, in which a memory element is formed in a p-type well 4p in a memory area, and a CMOS circuit is formed in an n-type well 3n and a p-type well 3p in a peripheral area.
[0019]
An insulated gate electrode 5 is formed on the silicon substrate surface in the active region defined by STI2. Source / drain regions 6 are formed on both sides of the insulated gate electrode 5. In the peripheral circuit region, after the insulated gate electrode 5 is formed, the extension region is ion-implanted, the side wall spacer is formed, and the high concentration source / drain region is formed. Is formed.
[0020]
In the memory region, the source / drain regions 6 are formed only by low-concentration ion implantation without performing high-concentration ion implantation in order to improve retention characteristics.
[0021]
A first interlayer insulating film 7 is formed to cover gate electrode 5. The first interlayer insulating film 7 is formed of, for example, a single-layer silicon oxide layer or an insulating laminate of a silicon nitride layer / a silicon oxide layer / a silicon nitride layer. A contact hole penetrating the first interlayer insulating film 7 and reaching the source / drain region 6 in the peripheral circuit region is formed, a conductor such as tungsten is buried, and a conductor plug 8 is formed.
[0022]
A first wiring layer 10 is formed on the first interlayer insulating film 7, and necessary wiring for the conductor plug 8 is provided. A second interlayer insulating film 11 is formed so as to fill the first wiring layer 10. A wiring 12 having a damascene structure is formed in the second interlayer insulating film 11. Further, a contact hole penetrating the second interlayer insulating film 11 and the first interlayer insulating film 7 is formed, a contact hole reaching one of the source / drain regions of the memory cell is formed, and the conductor plug 13 is buried. .
[0023]
In the memory area, a capacitor 15 including a lower electrode, a dielectric layer, and an upper electrode is formed on the surface of the second interlayer insulating film 11. When the dielectric layer is formed of a ferroelectric, a ferroelectric capacitor 15 is formed.
[0024]
A third interlayer insulating film 17 including a cap layer is formed by burying the capacitor 15. Second wiring layers 18 and 19 having a damascene structure are formed in the third interlayer insulating film 17. The number of wiring layers can be increased or decreased as necessary. Other circuit elements such as resistors and inductors can be made.
[0025]
As described above, in each of the LSI chips CH, a semiconductor element such as a MOS transistor and a passive element such as a capacitor are formed above a region near the main surface of the semiconductor substrate 1.
[0026]
A layer above the STI 2 and the well 3 formed in the semiconductor substrate 1 is called an element layer because circuit elements are formed, and a layer 9 below these layers is used to support the element layer. It is referred to as a support substrate 9 because it is only used for The thickness of the supporting substrate 9 is arbitrary as long as the supporting substrate 9 can function to support the element layer 20.
[0027]
FIG. 1C schematically shows a cross-sectional configuration of a silicon wafer. The element layer 20 is formed above the surface region of the silicon wafer, and the support substrate 9 is disposed below the element layer 20. No semiconductor element such as a transistor is formed on the support substrate 9 and functions as a physical support member. The element layer 20 includes circuit elements such as a MOS transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, and a wiring.
[0028]
As shown in FIG. 2D, a glass substrate 31 having a smooth surface is bonded to the upper surface of the semiconductor wafer WF on which the element layer 20 is formed, via a UV (ultraviolet) tape 32. The UV tape 32 is an organic material layer that has adhesive strength and loses adhesive strength when irradiated with ultraviolet (UV) light.
[0029]
As shown in FIG. 2E, the wafer WF having the UV tape 32 and the glass plate 31 bonded on the main surface is ground from the back surface. For example, a silicon substrate having a thickness of 600 to 700 mm is ground to a thickness of 100 μm or less. A silicon substrate polished to a thickness of about 100 μm or less loses its self-holding ability.
[0030]
As shown in FIG. 2F, another glass substrate 35 having a smooth surface is bonded to the ground surface of the silicon substrate WF via a UV tape 36. The silicon wafer WF is sandwiched between the glass substrates 31 and 35 having high physical strength. Note that a support made of a material other than a glass plate may be used as long as it can function as a support having a smooth surface.
[0031]
As shown in FIG. 2G, the UV tape 32 is irradiated with ultraviolet rays through the glass substrate 31 to reduce the adhesive strength. The silicon substrate 9t shields ultraviolet rays. Therefore, the UV tape 36 between the semiconductor support substrate 9t and the glass substrate 35 is not irradiated with ultraviolet light, and the adhesive strength does not decrease. The UV tape 32 and the glass substrate 31 on the main surface of the silicon substrate WF are removed.
[0032]
As shown in FIG. 2H, while a silicon substrate WF is supported on a glass substrate 35 via a UV tape 36, a resist layer 38 is applied to the surface of the element layer 20 and cured.
[0033]
A pattern of a via hole for disposing a conductor penetrating the silicon substrate is exposed, transferred, and developed on the resist layer 38. Via patterns are formed in the resist layer 38.
[0034]
As shown in FIG. 2I, using the remaining resist pattern 38 as a mask, the element layer 20 and the semiconductor supporting substrate 9t are subjected to reactive ion etching (RIE) to form via holes. By RIE, an opening according to the opening pattern of the resist pattern 38 is formed through the element layer 20 and the semiconductor support substrate 9t.
[0035]
For example, for an inorganic insulating layer, CF 4 -CHF 3 SF for an etching gas containing, for example, a conductive layer such as silicon or metal. 6 , Cl 2 Reactive ion etching is performed using an etching gas containing the above. C 4 F 8 And SF 6 Bosch method to switch between and etch, SF 6 + O 2 May be performed.
[0036]
The taper etching may be performed by controlling the RIE process parameters. When the taper etching is performed, a via hole whose diameter decreases with the depth is formed.
[0037]
FIG. 3J shows the silicon substrate WF with the resist pattern 38 removed. A through hole is formed in the silicon substrate WF. Note that this state is fictitious, and in reality, a support structure S such as a glass plate and a UV tape is left on the upper or lower surface of the silicon substrate WF.
[0038]
As shown in FIG. 3K, a support 40 having a smooth surface made of a magnetic metal plate such as Fe, Ni, or Co is disposed on the surface of the silicon substrate WF supported by the support structure S. After disposing the support base 40, the support structure S is removed, and instead, a magnet 41 such as an alnico-based or samarium-based magnet is disposed. These magnets retain their magnetic properties up to relatively high temperatures. When the magnet 41 is attracted to the magnetic support 40, the silicon substrate WF is brought into close contact with the support substrate 40.
[0039]
In this state, an insulating layer is formed from below in the figure by chemical vapor deposition (CVD) or the like. The insulating layer is formed using an inorganic material or an organic material. Silicon oxide, silicon nitride, or the like can be used as the inorganic material. As the organic material, polyimide, polynaphthalene, parylene, or the like can be used.
[0040]
The CVD of silicon oxide can be performed by, for example, plasma CVD using TEOS or ozone. The CVD of silicon nitride can be performed, for example, by plasma CVD using ammonia and silane. Parylene is one type of fluorinated polymer and can be grown by vapor phase. Polyimide can be vapor-deposited and polymerized without dissolving the liquid, and vapor-deposited polyimide can be obtained.
[0041]
As shown in FIG. 3 (L), an insulating layer 44 is deposited on the silicon substrate WF and the magnet 41 pressed on the support 40. The insulating layer 44 also enters the gap between the silicon support substrate 9t and the support 40, and forms an insulating layer filling the gap.
[0042]
In the hole forming step in FIG. 2I, when taper etching is performed so that the opening diameter gradually narrows in the depth direction, the insulating layer 44 deposited as shown in FIG. A configuration in which an intermediate reduced-diameter portion is sandwiched between a portion expanding on the back surface and a large-diameter portion above the via hole is firmly fixed to the semiconductor substrate WF.
[0043]
After forming the insulating layer 44, the magnet 41 is removed. The insulating layer on the magnet 41 is also removed at the same time. The insulating layer deposited on the back surface of the support substrate 9t around the via hole remains, and shields the underlying silicon substrate.
[0044]
As shown in FIG. 3 (M), a support 45 having a smooth surface is prepared instead of the magnet 41, and is arranged on the lower surface of the silicon substrate WF. After supporting the silicon substrate on the support 45, the support 40 is removed.
[0045]
On the main surface of the silicon substrate WF, a stencil mask 46 having an opening pattern that conforms to the pattern of the via hole and exposes the via hole and its periphery is arranged. The stencil mask is formed of, for example, glass, plastic, or the like. The stencil mask 46 and the support table 45 are defined at desired relative positions by the jig J. In this state, a conductor such as a metal is sputtered from above the stencil mask 46. A conductor layer (metal layer) 48 is deposited on the surface of the silicon substrate WF by sputtering. The conductive (metal) material can be selected from Au, Cu, Ag, Pt, Pd, combinations thereof, and the like.
[0046]
FIG. 3 (O) shows a state of the silicon substrate after sputtering. The stencil mask 46 and the support 45 are not shown. An insulating layer 44 is formed on the inner wall of a via hole passing through the silicon support substrate 9t and the element layer 20, and a metal layer 48 is formed on the surface thereof. The metal layer 48 is exposed to the lower surface of the support substrate 9t in the via hole, and contacts the electrode region of the element layer 20.
[0047]
After the state shown in FIG. 3 (O), a resist mask may be formed as necessary, and a plating step may be performed to form a plating layer that fills a void portion of the conductor layer 48 in the through hole. In this case, the metal layer 48 functions as a seed layer for plating.
[0048]
In the embodiment described above, RIE was performed using a resist pattern formed by photolithography to form a through-hole in a silicon substrate. The through-hole may be formed by another process.
[0049]
FIG. 4A shows a case where a through hole is formed by laser irradiation. The element layer 20 is formed on the semiconductor substrate 9t. The semiconductor substrate 9t is bonded to the glass substrate 35 via the UV tape 36. The laser beam L is focused and irradiated to a desired position on the silicon substrate WF. The silicon substrate WF irradiated with the laser beam L escapes by evaporation, ablation, or the like, and a contact hole is formed.
[0050]
As a laser, a YAG laser (wavelength 532 nm, 355 nm) can be used. In addition, a Raman laser or a UV laser can be used. Laser irradiation can be performed in a CF-based gas atmosphere to prevent the deposition of flying matter.
[0051]
In the above embodiment, after the semiconductor substrate was ground, another support substrate was bonded to the ground surface, and the original support substrate was removed. The same process can be performed using the same support substrate.
[0052]
As shown in FIG. 4B, a resist pattern 38 is formed on the back surface of the silicon substrate WF supported on the glass plate 31 via the UV tape 32, and the silicon substrate 9t is etched using the resist pattern 38 as a mask. .
[0053]
As shown in FIG. 4C, after the etching of the silicon substrate WF is completed, the resist pattern 38 is isotropically etched. The resist pattern 38 recedes by isotropic etching, and recedes from the opening position of the silicon support substrate 9t. That is, the back surface of the silicon substrate 9t is exposed around the via hole.
[0054]
In this state, the insulating layer 44 is deposited from above the rear surface of the silicon substrate WF. Since the resist pattern 38 has receded, the insulating layer 44 is also extended and deposited on the back surface of the silicon substrate 9t around the opening.
[0055]
FIG. 4D is a cross-sectional view schematically showing the shape of the deposited insulating layer 44. Parts other than the silicon substrate are not shown. An insulating layer 44 is formed extending from the inner wall of the opening to the back surface of the silicon substrate 9t. After that, by performing steps as shown in FIGS. 3M and 3O, a metal wiring layer connected to the element layer 20 can be formed.
[0056]
FIG. 4E shows a state in which the conductive paste is filled into the openings by squeezing instead of sputtering in the step of FIG. 3M. Using the stencil mask 46 as a guide, the opening is filled with the conductive paste 63 using a knife edge 65 or the like. Thereafter, a conductor layer in which the openings are buried is obtained by performing curing or the like. Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention will be described.
[0057]
As shown in FIG. 5A, a semiconductor substrate WF is placed on a support 50 with the element layer 20 facing down, and a stencil mask 52 made of a magnetic metal such as Fe, Co, or Ni is placed thereon. Place. A magnet 54 such as an alnico magnet or a samarium magnet is disposed below the support 50 so that the semiconductor substrate WF is in close contact with the stencil mask 53. The support base 50 is formed of a material having good heat conductivity, includes a refrigerant pipe, and can cool the semiconductor substrate WF to a desired temperature.
[0058]
As shown in FIG. 5B, the resist layer 52 is exposed through a stencil mask 53. The resist layer 52 is exposed to the same pattern as the stencil mask 53. After that, the exposed region is removed by developing the resist layer 52. The stencil mask 53 and the resist mask 52 form a laminated mask.
[0059]
As shown in FIG. 5C, the stencil mask 53 and the resist mask 52 are used as a composite mask, and the underlying silicon substrate WF is etched. For example, plasma etching using inductively coupled plasma (ICP) is performed. The flow of the coolant prevents the temperature of the substrate from rising. For example, keeping the substrate at −5 ° C. 4 F 8 And SF 6 Bosch method to switch between and etch, SF 6 + O 2 Deep RIE is performed. The silicon substrate WF is etched to form an opening exposing the electrode (pad) P in the element layer 20.
[0060]
As shown in FIG. 5D, after the etching step is completed, the stencil mask 53 and the resist pattern 52 are removed, and the shielding area is narrower than that of the stencil mask 53 and the element layer is exposed in a wider area. The mask 55 is arranged. The insulating layer 56 is deposited via the mask 55. The insulating layer 56 is deposited on the surface of the underlying semiconductor support substrate and on the surface of the mask 55.
[0061]
FIG. 5E is a cross-sectional view near the opening. An opening is formed in the semiconductor support substrate 9t and the element layer 20, and the wiring (pad) P including the metal layer M1, the via metal V1, and the metal layer M2 is exposed in the opening. The insulating layer 56 covers the inner surface of the opening, and also covers the surface of the support substrate 9t around the opening.
[0062]
As shown in FIG. 6F, a new metal mask 58 is arranged on the back surface of the semiconductor substrate WF. The mask 58 has an opening region (window) smaller than the opening of the semiconductor substrate WF, and is arranged in alignment with the already formed opening. That is, the opening of the mask 58 has an opening at a position corresponding to the center of the previously formed opening. Anisotropic etching such as RIE is performed via the mask 58 to locally remove the insulating layer 56.
[0063]
As shown in FIG. 6G, the center of the bottom surface of the insulating layer 56 is removed by RIE through the narrow opening region, exposing the wiring P disposed in the lower layer. The opening side wall is kept covered with the insulating layer.
[0064]
Subsequently, as shown in FIG. 6H, a seed metal layer 60 is deposited. The electrode P exposed in the opening and the deposited seed metal layer 60 are electrically connected. The material for the seed metal layer is selected to be compatible with the metal to be subsequently plated. For example, the same material as the plating layer is used.
[0065]
As shown in FIG. 6I, by subsequently forming the resist layer PR, forming the plating layer 61, and the like, the plating layer 61 electrically connected to the pad P exposed in the opening is formed. .
[0066]
FIG. 7J schematically shows the configuration of the conductor stack after removing unnecessary portions of the resist mask PR and the seed layer 60 and the like.
Note that a seed metal layer was formed, a plating layer was formed, and the like in order to form a connection portion of the through conductor. The connection portion of the through conductor can be formed by another method.
[0067]
FIG. 7K shows a modification. After the step shown in FIG. 6G, the photoresist layer PR is patterned, and the opening is filled with the conductive paste layer 63 by squeezing. By removing the photoresist layer PR and performing an annealing process on the applied conductive paste layer 63, a pad layer connected to the electrode layer of the LSI circuit can be formed.
[0068]
The semiconductor device having the through conductor formed as described above can be used for various applications.
FIG. 8A shows a state in which the element layer 20 is formed on the semiconductor supporting substrate 9t, and the wiring layer 60 is formed thereon. The wiring layer 60 includes a portion of the multilayer capacitor 62 and a portion of the multilayer wiring 64, and constitutes a wiring layer together. By stacking a semiconductor chip having such a wiring layer on another semiconductor chip, a higher-performance semiconductor composite system is formed.
[0069]
FIG. 8B shows a structure in which semiconductor chips 71 to 74 constituting a memory are stacked. The circuit board 70 has a wiring layer for the semiconductor chips 71 to 74. Solder bumps 78 are formed on the lower surface of the circuit board 70, and constitute connection terminals to the outside. In the stacked semiconductor chips 71 to 74, through conductors 76 are formed, and electrical conduction between the stacked layers is formed.
[0070]
FIG. 8C illustrates a configuration example of a composite semiconductor device. For example, the imaging device 82 and the image signal processing device 84 are stacked to form a fingerprint detection circuit. This composite device is stacked on a circuit board 80 and connected to the outside by solder bumps 88. Wire bonding has also been used.
[0071]
Note that, instead of the fingerprint detection device, a normal image detection device, an image transmission device, or the like can be realized.
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, and combinations are possible.
[0072]
Hereinafter, the features of the present invention will be additionally described.
(Supplementary Note 1) (1) (a) grinding the back surface of a semiconductor substrate in which an element layer including a large number of semiconductor elements is formed on the main surface of the semiconductor support substrate to reduce the thickness;
(B) positioning and supporting the thinned semiconductor substrate on a first support having a smooth surface, and forming a via hole penetrating the semiconductor support substrate;
(C) positioning and supporting the element layer of the semiconductor substrate in which the via hole is formed on a second support having a smooth surface, and insulating the element layer on the inner surface of the via hole and around the via hole on the back surface of the semiconductor substrate; Depositing a film;
(D) forming a metal layer in the via hole on which the insulating film is deposited;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
[0073]
(Supplementary Note 2) The manufacturing of the semiconductor device according to claim 1, wherein in the step (b), the back surface of the semiconductor substrate is arranged on the first support, and a via hole is formed from the element layer side. Method.
[0074]
(Supplementary Note 3) The method of Supplementary Note 2, wherein the step (b) forms a via hole having a tapered side surface having a large diameter on the element layer side.
(Supplementary Note 4) The method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 1, wherein the insulating film includes an inorganic material.
[0075]
(Supplementary Note 5) The method of Supplementary Note 1, wherein the insulating film includes an organic material.
(Supplementary Note 6) The method of Supplementary Note 5, wherein the organic material includes one of polyimide, polynaphthalene, and parylene.
[0076]
(Supplementary Note 7) (3) In the step (b),
(B-1) forming a resist pattern on the element layer;
(B-2) using the resist pattern as a mask, etching the element layer and the semiconductor support substrate by reactive ion etching;
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 2 or 3, further comprising:
[0077]
(Supplementary Note 8) (4) The method according to Supplementary Note 1, wherein the step (b) includes arranging the element layer on the first support base and forming a via hole from the back side of the semiconductor substrate.
[0078]
(Supplementary Note 9) (5) The step (b) is
(B-4) forming a resist pattern on the back surface of the semiconductor substrate;
(B-5) using the resist pattern as a mask, performing reactive ion etching through the semiconductor support substrate to expose an electrode layer in the element layer;
9. The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, comprising:
[0079]
(Supplementary Note 10) (6) In the step (b),
(B-3) a step of irradiating a laser beam to form a via hole in the semiconductor support substrate
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, comprising:
[0080]
(Supplementary Note 11) (7) In the step (c), the second support includes a magnetic metal material, a magnet is disposed on a back surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate is connected to the second support. 11. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 10, wherein the semiconductor device is adhered on the semiconductor device.
[0081]
(Supplementary Note 12) (8) The step (b) includes a step of forming a resist pattern on the back surface of the semiconductor substrate,
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein in the step (c), an insulating layer is deposited by sputtering with the resist pattern left on the back surface of the semiconductor substrate, and then lift-off is performed.
[0082]
(Supplementary Note 13) (9) In the step (d),
(D-1) disposing the element layer on a third support having a smooth surface, and disposing a stencil mask on the back surface of the semiconductor substrate;
(D-2) depositing a metal layer in the opening and a part of the element layer from above the stencil mask;
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 12, further comprising:
[0083]
(Supplementary note 14) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 13, wherein the stencil mask is formed of glass or plastic.
(Supplementary Note 15) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 13, wherein the stencil mask is formed of a magnetic metal.
[0084]
(Supplementary note 16) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 15, wherein the magnetic metal includes any of iron, nickel, and cobalt.
(Supplementary Note 17) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 1 to 16, wherein the metal layer is formed of any one of Au, Cu, Ag, Pt, Pd, and a combination thereof.
[0085]
(Supplementary Note 18) The step (d) further comprises:
(D-4) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 13, including a step of forming a plating layer on the metal layer.
[0086]
(Supplementary Note 19) (10) In the step (d),
(D-3) forming the metal layer by squeezing using the stencil mask as a guide;
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary notes 1 to 12, further comprising:
[0087]
(Supplementary Note 20) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 1 to 19, further comprising a step of connecting the metal layer to an electrode of another semiconductor chip.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having a through conductor, in which steps by photolithography are reduced.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a sectional view showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a modification of the first embodiment.
FIG. 5 is a sectional view showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing main steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing main steps and a modification of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating an example of a device using a semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate
2 Shallow trench isolation (STI)
3 wells
4 wells
5 Insulated gate electrode
6 Source / drain regions
7, 11, 17 interlayer insulating film
8, 13 Conductor plug
15 (ferroelectric) capacitors
18, 19 (dual damascene) wiring
9 Semiconductor support substrate
20 element layers
WF wafer
CH chip
31, 35 glass plate (support base)
32, 36 UV tape
38 Resist layer
40 (magnetic metal) support base
41 magnet
44 Insulation layer
48 metal layer
46 Stencil mask
63 Conductor paste
53 stencil mask
52 resist layer
54 magnet
56 insulating layer
58 Stencil Mask
60 Seed metal layer
61 plating layer

Claims (10)

(a)半導体支持基板の主面上に多数の半導体素子を含む素子層を形成した半導体基板の裏面を研削し、薄くする工程と、
(b)前記薄くした半導体基板を平滑な表面を有する第1の支持台上に位置決めして支持し、前記半導体支持基板を貫通するビア孔を形成する工程と、
(c)平滑な表面を有する第2の支持台上に前記ビア孔を形成した半導体基板の素子層を位置決めして支持し、前記ビア孔内面上および前記半導体基板裏面のビア孔周囲状に絶縁膜を堆積する工程と、
(d)前記絶縁膜を堆積したビア孔内に金属層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(A) grinding the back surface of a semiconductor substrate in which an element layer including a large number of semiconductor elements is formed on a main surface of a semiconductor support substrate to reduce the thickness;
(B) positioning and supporting the thinned semiconductor substrate on a first support having a smooth surface, and forming a via hole penetrating the semiconductor support substrate;
(C) positioning and supporting the element layer of the semiconductor substrate in which the via hole is formed on a second support having a smooth surface, and insulating the element layer on the inner surface of the via hole and around the via hole on the back surface of the semiconductor substrate; Depositing a film;
(D) forming a metal layer in the via hole on which the insulating film is deposited;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
前記工程(b)が、前記第1の支持台上に前記半導体基板の裏面を配置し、前記素子層側からビア孔を形成する請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein in the step (b), a back surface of the semiconductor substrate is arranged on the first support, and a via hole is formed from the element layer side. 3. 前記工程(b)が、
(b−1)前記素子層上にレジストパターンを形成する工程と、
(b−2)前記レジストパターンをマスクとし、前記素子層および前記半導体支持基板を反応性イオンエッチングでエッチングする工程と、
を含む請求項2記載の半導体装置の製造方法。
The step (b) comprises:
(B-1) forming a resist pattern on the element layer;
(B-2) using the resist pattern as a mask, etching the element layer and the semiconductor support substrate by reactive ion etching;
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, comprising:
前記工程(b)が、前記第1の支持台上に前記素子層を配置し、前記半導体基板裏面側からビア孔を形成する請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step (b), the element layer is arranged on the first support, and a via hole is formed from the back side of the semiconductor substrate. 前記工程(b)が、
(b−4)前記半導体基板裏面上にレジストパターンを形成する工程と、
(b−5)前記レジストパターンをマスクとし、前記半導体支持基板を貫通して反応性イオンエッチングを行ない、前記素子層内の電極層を露出させる工程と、
を含む請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The step (b) comprises:
(B-4) forming a resist pattern on the back surface of the semiconductor substrate;
(B-5) using the resist pattern as a mask, performing reactive ion etching through the semiconductor support substrate to expose an electrode layer in the element layer;
5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, comprising:
前記工程(b)が、
(b−3)レーザ光を照射して前記半導体基板にビア孔を形成する工程
を含む請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The step (b) comprises:
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising the step of: (b-3) irradiating a laser beam to form a via hole in said semiconductor substrate.
前記工程(c)において、前記第2の支持台が磁性金属材料を含んでおり、前記半導体基板裏面上に磁石が配置され、前記半導体基板を前記第2の支持台上に密着させる請求項1〜6のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein in the step (c), the second support includes a magnetic metal material, a magnet is arranged on a back surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate is brought into close contact with the second support. 7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記工程(b)が、前記半導体基板裏面上にレジストパターンを形成する工程を含み、
前記工程(c)が前記半導体基板裏面上にレジストパターンを残した状態でスパッタリングにより絶縁層を堆積し、その後リフトオフを行う請求項4記載の半導体装置の製造方法。
The step (b) includes a step of forming a resist pattern on the back surface of the semiconductor substrate,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein in the step (c), an insulating layer is deposited by sputtering with a resist pattern left on the back surface of the semiconductor substrate, and then lift-off is performed.
前記工程(d)が、
(d−1)平滑な表面を有する第3の支持台上に、前記素子層を配置し、前記半導体基板裏面上にステンシルマスクを配置する工程と、
(d−2)前記ステンシルマスク上方から前記開口内および前記素子層の一部上に金属層を堆積する工程と、
を含む請求項1〜8のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
The step (d) includes:
(D-1) disposing the element layer on a third support having a smooth surface, and disposing a stencil mask on the back surface of the semiconductor substrate;
(D-2) depositing a metal layer in the opening and a part of the element layer from above the stencil mask;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising:
前記工程(d)が、
(d−3)前記ステンシルマスクをガイドとし、スキージングにより前記金属層を形成する工程、
を含む請求項9記載の半導体装置の製造方法。
The step (d) includes:
(D-3) forming the metal layer by squeezing using the stencil mask as a guide;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, comprising:
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