JP2023045099A - semiconductor equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】ワード線の配線負荷容量の増大及びブロックサイズの増大を抑制した半導体装置の提供。【解決手段】本半導体装置は、2層以上の第1半導体チップと、1層以上の第2半導体チップと、が積層され、各々の前記第1半導体チップは、記憶領域と、第1回路領域と、を備え、前記第2半導体チップは、第2回路領域を備え、前記第1回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含み、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含まず、前記第2回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含まず、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含む。【選択図】図1AA semiconductor device that suppresses an increase in wiring load capacitance of word lines and an increase in block size is provided. In this semiconductor device, two or more layers of first semiconductor chips and one or more layers of second semiconductor chips are stacked, and each of the first semiconductor chips includes a storage area and a first circuit area. and the second semiconductor chip includes a second circuit region, the first circuit region includes a high withstand voltage transistor having a withstand voltage of 15 V or more and 25 V or less, and a low withstand voltage transistor having a withstand voltage of 0.05 V or more and 3 V or less. The second circuit region does not include a transistor, and does not include a high-voltage transistor with a breakdown voltage of 15V or more and 25V or less, but includes a low-voltage transistor with a breakdown voltage of 0.05V or more and 3V or less. [Selection drawing] Fig. 1A
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to semiconductor devices.
メモリセルアレイを備えた半導体装置が知られている。例えば、3D・NANDメモリセルアレイを含むチップを複数積層し、さらにCMOSチップを積層した半導体装置が挙げられる。この半導体装置では、CMOSチップに、ロウ・デコーダ・ドライバ回路やページバッファ回路を形成している(例えば、特許文献1参照)。 A semiconductor device having a memory cell array is known. For example, there is a semiconductor device in which a plurality of chips including 3D-NAND memory cell arrays are stacked and a CMOS chip is further stacked. In this semiconductor device, a row decoder/driver circuit and a page buffer circuit are formed on a CMOS chip (see, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200013).
しかしながら、ロウ・デコーダ・ドライバ回路を3D・NANDメモリセルアレイを含むチップとは別のCMOSチップに設けると、CMOSチップ内のロウ・デコーダ・ドライバ回路から、3D・NANDメモリセルアレイを含む各チップにワード線を引き回すため、ワード線の配線負荷容量が増大する。 However, if the row decoder/driver circuit is provided in a CMOS chip separate from the chip containing the 3D NAND memory cell array, the row decoder/driver circuit in the CMOS chip will send a word to each chip containing the 3D NAND memory cell array. Since the lines are routed, the wiring load capacity of the word lines increases.
また、ロウ・デコーダ・ドライバ回路からのワード線の数が増えると、3D・NANDメモリセルアレイを含む複数のチップでワード線を共有化する必要があるため、ブロックサイズが増大する。 In addition, when the number of word lines from the row decoder/driver circuit increases, it is necessary to share the word lines among a plurality of chips including the 3D NAND memory cell array, resulting in an increase in block size.
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、ワード線の配線負荷容量の増大及びブロックサイズの増大を抑制した半導体装置の提供を課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that suppresses an increase in wiring load capacitance of word lines and an increase in block size.
本半導体装置は、2層以上の第1半導体チップと、1層以上の第2半導体チップと、が積層され、各々の前記第1半導体チップは、記憶領域と、第1回路領域と、を備え、前記第2半導体チップは、第2回路領域を備え、前記第1回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含み、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含まず、前記第2回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含まず、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含む。 In this semiconductor device, two or more layers of first semiconductor chips and one or more layers of second semiconductor chips are stacked, and each of the first semiconductor chips includes a storage area and a first circuit area. , the second semiconductor chip includes a second circuit region, the first circuit region includes a high-voltage transistor with a breakdown voltage of 15 V or more and 25 V or less, and does not include a low-voltage transistor with a breakdown voltage of 0.05 V or more and 3 V or less. , the second circuit region does not include a high-voltage transistor with a breakdown voltage of 15V or more and 25V or less, but includes a low-voltage transistor with a breakdown voltage of 0.05V or more and 3V or less.
開示の技術によれば、ワード線の配線負荷容量の増大及びブロックサイズの増大を抑制した半導体装置を提供できる。 According to the disclosed technique, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses an increase in wiring load capacitance of word lines and an increase in block size.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code|symbol may be attached|subjected to the same component part, and the overlapping description may be abbreviate|omitted.
〈第1実施形態〉
[半導体装置全体の構造]
図1Aは、第1実施形態に係る半導体装置を例示する模式図(その1)である。図1Aを参照すると、第1実施形態に係る半導体装置1は、半導体チップ301、302、303、304、及び305とが積層された構造を有する。
<First Embodiment>
[Structure of entire semiconductor device]
FIG. 1A is a schematic diagram (Part 1) illustrating the semiconductor device according to the first embodiment. Referring to FIG. 1A, the
半導体装置1は、例えば、3D・NAND型フラシュメモリ装置であるが、3D・ReRAMメモリ装置や3D・MRAMメモリ装置であってもよい。ここでは、半導体装置1が3D・NAND型フラシュメモリ装置であるとして、以下の説明を行う。
The
半導体チップ301、302、303、及び304の各々は、メモリチップであり、3次元回路を用いて構築された記憶領域である3D・NANDメモリセルアレイ310と、第1回路領域320とを備えている。
Each of the semiconductor chips 30 1 , 30 2 , 30 3 , and 30 4 is a memory chip, and includes a 3D NAND
第1回路領域320は、半導体基板に形成されたCMOS回路、CMOS回路に接続される配線、絶縁層等を含む。各々の半導体チップにおいて、3D・NANDメモリセルアレイ310と第1回路領域320とは、相互に電気的に接続されている。半導体チップ301、302、303、及び304は、同一構造であってもよい。
The
なお、半導体チップ301、302、303、及び304は、本発明に係る第1半導体チップの代表的な一例である。第1半導体チップは、少なくとも2層以上積層されていればよい。第1半導体チップは、5層以上積層することも可能である。 The semiconductor chips 30 1 , 30 2 , 30 3 and 30 4 are representative examples of the first semiconductor chip according to the present invention. The first semiconductor chip may be laminated in at least two layers. Five or more layers of the first semiconductor chip can be stacked.
図1Aの例では、半導体チップ301、302、303、及び304の各々において、第1回路領域320は、3D・NANDメモリセルアレイ310の下方に配置されている。この構造は、所謂CUA(CMOS Under Array)である。
In the example of FIG. 1A, the
ただし、図1Aの構成は一例であり、第1回路領域320は、3D・NANDメモリセルアレイ310の下方に配置しなくてもよい。例えば、第1回路領域320を3D・NANDメモリセルアレイ310の隣に配置し、相互に電気的に接続する所謂CNA(CMOS NEXT Array)とすることも可能である。
However, the configuration of FIG. 1A is just an example, and the
あるいは、第1回路領域320の一部を、3D・NANDメモリセルアレイ310の下方に配置し、残りを3D・NANDメモリセルアレイ310の隣に配置してもよい。何れの場合も、第1回路領域320は、3D・NANDメモリセルアレイ310と同一チップ内に配置される。なお、CNAを採用するよりもCUAを採用した方が、半導体装置1の総面積を低減できる点で有利である。
Alternatively, part of the
第1回路領域320は、高耐圧トランジスタを含み、低耐圧トランジスタを含まない。つまり、第1回路領域320に形成されるトランジスタは、高耐圧トランジスタのみである。ここで、高耐圧トランジスタとは、耐圧が15V以上25V以下のトランジスタである。また、低耐圧トランジスタとは、耐圧が0.05V以上3V以下のトランジスタである。高耐圧トランジスタの専有面積は、低耐圧トランジスタの専有面積の100倍程度である。高耐圧トランジスタのチャネル長は、例えば、1.5~2μm程度である。
The
第1回路領域320には、例えば、ロウ・デコーダ・ドライバ回路が形成される。ロウ・デコーダ・ドライバ回路は、3D・NANDメモリセルアレイ310にデータを書き込む際に使用される回路であり、後述の転送トランジスタ郡Tr4を構成する各トランジスタを含む。転送トランジスタ郡Tr4を構成する各トランジスタは、高耐圧トランジスタである。
A row decoder/driver circuit, for example, is formed in the
また、第1回路領域320には、例えば、チャージポンプ回路が形成される。チャージポンプ回路は、コンデンサーとダイオードを多段に接続して入力電圧を昇圧する回路であり、例えば、3.3Vを20Vに昇圧できる。ダイオードとして、高耐圧トランジスタを用いることができる。
A charge pump circuit, for example, is formed in the
半導体装置1において、ロウ・デコーダ・ドライバ回路やチャージポンプ回路の他に高耐圧トランジスタを使用する回路が必要な場合には、第1回路領域320に形成される。
In the
半導体チップ305は、最上層の第1半導体チップである半導体チップ304上に積層された第2半導体チップである。半導体チップ305は、CMOSチップであり、第2回路領域を備えている。半導体チップ305は、半導体基板を有し、第2回路領域は、半導体基板に形成されたCMOS回路、CMOS回路に接続される配線、絶縁層等を含む。半導体チップ305の第2回路領域は、高耐圧トランジスタを含まず、低耐圧トランジスタを含む。つまり、半導体チップ305に形成されるトランジスタは、低耐圧トランジスタのみである。 The semiconductor chip 305 is a second semiconductor chip stacked on the semiconductor chip 304 , which is the first semiconductor chip in the uppermost layer. The semiconductor chip 305 is a CMOS chip and has a second circuit area. The semiconductor chip 305 has a semiconductor substrate, and the second circuit region includes a CMOS circuit formed on the semiconductor substrate, wiring connected to the CMOS circuit, an insulating layer, and the like. The second circuit area of the semiconductor chip 305 does not include high-voltage transistors, but includes low-voltage transistors. In other words, the transistors formed on the semiconductor chip 305 are only low-voltage transistors.
半導体チップ305は、半導体チップ301、302、303、及び304と、相互に電気的に接続されている。半導体チップ305の第2回路領域には、例えば、ページバッファ回路が形成される。また、半導体チップ305の第2回路領域には、例えば、タイミング発生回路が形成される。半導体チップ305の第2回路領域には、高耐圧トランジスタを使用しない様々な回路を形成することができる。 The semiconductor chip 30 5 is electrically connected to the semiconductor chips 30 1 , 30 2 , 30 3 and 30 4 to each other. A page buffer circuit, for example, is formed in the second circuit region of the semiconductor chip 305 . Also, in the second circuit region of the semiconductor chip 305 , for example, a timing generation circuit is formed. Various circuits can be formed in the second circuit region of the semiconductor chip 305 without using high-voltage transistors.
なお、半導体装置1において、2層以上の第1半導体チップと、1層以上の第2半導体チップとが積層されていればよく、第2半導体チップである半導体チップ305の積層位置は限定されない。図1Aは、半導体装置1が最上層の第1半導体チップ上に積層された第2半導体チップ(半導体チップ305)を含む例であるが、例えば、図1Bに示すように、半導体装置1は、最下層に配置された第2半導体チップ(半導体チップ305)を含んでもよい。あるいは、図1Cに示すように、半導体装置1は、第1半導体チップ同士の間に積層された第2半導体チップ(半導体チップ305)を含んでもよい。
In the
あるいは、これらを組み合わせてもよい。例えば、半導体装置1は、最上層の第1半導体チップ上に積層された第2半導体チップ、及び最下層に配置された第2半導体チップを含んでもよい。あるいは、第2半導体チップが2層以上連続して積層されてもよい。あるいは、第1半導体チップよりも小面積の第2半導体チップを同一層に2個以上並置してもよい。
Or you may combine these. For example, the
図2は、3D・NANDメモリセルアレイ及び第1回路領域の主要部を例示する断面模式図である。図3は、3D・NANDメモリセルアレイ及び第1回路領域の主要部の電気的接続を例示する図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the main parts of the 3D-NAND memory cell array and the first circuit region. FIG. 3 is a diagram exemplifying electrical connections between the 3D NAND memory cell array and main parts of the first circuit region.
図2及び図3に示すように、3D・NANDメモリセルアレイ310は、例えばマトリクス状に配置された複数のセルストリングCSを備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the 3D NAND
図3に示すように、各々のセルストリングCSは、ビット線BLとソース線SLとの間に、互いに直列に接続された複数のトランジスタを備えている。例えば、ビット線BLと接続された選択トランジスタTr1と、ソース線SLと接続された選択トランジスタTr2が配置されている。そして、選択トランジスタTr1と選択トランジスタTr2との間に、2のn乗個(例えば、64個)のメモリセルトランジスタTr3が直列に接続されている。選択トランジスタTr1と、メモリセルトランジスタTr3と、選択トランジスタTr2とは、図2に示すセルピラーCP(貫通電極)により接続されている。 As shown in FIG. 3, each cell string CS includes a plurality of transistors connected in series between a bit line BL and a source line SL. For example, a selection transistor Tr1 connected to the bit line BL and a selection transistor Tr2 connected to the source line SL are arranged. 2 n (for example, 64) memory cell transistors Tr3 are connected in series between the select transistor Tr1 and the select transistor Tr2. The selection transistor Tr1, the memory cell transistor Tr3, and the selection transistor Tr2 are connected by a cell pillar CP (through electrode) shown in FIG.
なお、選択トランジスタTr1と選択トランジスタTr2との間に、ダミーセルを配置してもよい。例えば、選択トランジスタTr1と選択トランジスタTr2との間に、数個のダミーセル、2のn乗個(例えば、64個)のメモリセルトランジスタTr3、数個のダミーセルを直列に接続することができる。NANDメモリセルの書換えの際に、ビット線とソース線付近のNANDメモリセルは、高電圧によって発生するホットエレクトロンの影響を受ける。メモリ素子として使用しない、NANDメモリセルと同一構造のダミーセルを設けることで、NANDメモリセルへのホットエレクトロンの影響を低減できる。 A dummy cell may be arranged between the select transistor Tr1 and the select transistor Tr2. For example, several dummy cells, 2 n (for example, 64) memory cell transistors Tr3, and several dummy cells can be connected in series between the select transistor Tr1 and the select transistor Tr2. When the NAND memory cells are rewritten, the NAND memory cells near the bit line and source line are affected by hot electrons generated by the high voltage. By providing a dummy cell having the same structure as the NAND memory cell, which is not used as a memory element, the influence of hot electrons on the NAND memory cell can be reduced.
図2及び図3に示すように、3D・NANDメモリセルアレイ310は、選択ゲート線SGD、ワード線WL、選択ゲート線SGSを備えている。選択ゲート線SGD、ワード線WL、選択ゲート線SGSは、例えば、絶縁層を介して所定間隔で略平行に配置されたプレートである。ワード線WLは、選択ゲート線SGSと選択ゲート線SGDとの間に所定間隔で積層されている。ワード線WLの積層数は、メモリセルトランジスタTr3の個数と同じであり、2のn乗個(例えば、64個)である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the 3D NAND
図3に示すように、第1回路領域320には、複数のトランジスタを含む転送トランジスタ郡Tr4が設けられている。転送トランジスタ郡Tr4は、ロウ・デコーダ・ドライバ回路の一部である。転送トランジスタ郡Tr4を構成する各トランジスタは、例えば、N型MOSトランジスタであり、各トランジスタのゲート電極は互いに接続されている。また、各トランジスタのドレイン又はソースは、3D・NANDメモリセルアレイ310の選択ゲート線SGD、ワード線WL、選択ゲート線SGSと接続されている。選択トランジスタTr1は、選択ゲート線SGDの信号により制御される。選択トランジスタTr2は、選択ゲート線SGSの信号により制御される。各メモリトランジスタTr3は、各ワード線WLの信号により制御される。
As shown in FIG. 3, the
このように、半導体装置1では、3D・NANDメモリセルアレイ310と第1回路領域320とを同一チップ内に配置している。そして、第1回路領域320は、高耐圧トランジスタを含み、低耐圧トランジスタを含まない。一方、半導体装置1は、低耐圧トランジスタを含み高耐圧トランジスタを含まない第2回路領域を、最上層の半導体チップ305に設けている。
Thus, in the
すなわち、半導体装置1では、低耐圧トランジスタを含み高耐圧トランジスタを含まない第2回路領域を、3D・NANDメモリセルアレイ310を含むチップとは別の1つのチップ(半導体チップ305)にまとめている。これにより、デザインルールの異なるトランジスタが混在しないため、半導体チップ305を簡易なプロセスにより低コストで製造できる。また、半導体チップ305は、面積の大きな高耐圧トランジスタを含まないため、多数の低耐圧トランジスタを容易にレイアウトできる。
That is, in the
また、半導体装置1では、ロウ・デコーダ・ドライバ回路の高耐圧トランジスタが3D・NANDメモリセルアレイ310を含む各チップと同一チップ内に配置されるため、ワード線WLを長く引き回さなくてよく、ワード線WLの配線負荷容量の増大を抑制できる。その結果、半導体装置1の高速動作が可能となる。また、3D・NANDメモリセルアレイ310を含むチップの積層数を増やしても、ワード線WLの引き回しが困難になることがない。
In addition, in the
また、半導体装置1では、ロウ・デコーダ・ドライバ回路の高耐圧トランジスタが3D・NANDメモリセルアレイ310を含む各チップと同一チップ内に配置される。そのため、3D・NANDメモリセルアレイ310を含むチップの積層数を増やしても、3D・NANDメモリセルアレイを含む複数のチップでワード線を共有化する必要がない。その結果、ブロックサイズの増大を抑制できる。また、ブロックサイズの増大を抑制できることで、一度に書き換えが必要なビット数が増大しないため、データの書き換え時間が長くならない。つまり、半導体装置1は、メモリを大容量化してもデータの書き換え時間が長くならない。
In the
また、チャージポンプ回路の高耐圧トランジスタが3D・NANDメモリセルアレイ310を含む各チップと同一チップ内に配置されるため、チャージポンプ回路の配線を引き回さなくてよいため、チャージポンプ回路の配線の負荷容量の増大を抑制できる。
In addition, since the high voltage transistors of the charge pump circuit are arranged in the same chip as each chip including the 3D NAND
[半導体チップ同士の接続構造]
図4は、第1実施形態に係る半導体装置を例示する断面図であり、図1A等に示す半導体装置1を、チップ同士を接続する貫通配線に注目して模式的に示したものである。
[Connection structure between semiconductor chips]
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device according to the first embodiment, and schematically shows the
図4に示すように、半導体チップ301、302、303、304、及び305は、電極パッド形成側を互いに同一方向に向けて順次積層され、貫通電極を介して異なる層の半導体チップ同士が直接電気的に接続された構造を有する。図4では、半導体チップ同士はバンプレスで接続されているが、バンプを介して接続されてもよい。 As shown in FIG. 4, the semiconductor chips 30 1 , 30 2 , 30 3 , 30 4 , and 30 5 are sequentially stacked with their electrode pad formation sides facing in the same direction. It has a structure in which chips are directly electrically connected to each other. Although the semiconductor chips are connected without bumps in FIG. 4, they may be connected via bumps.
半導体チップ301は、本体31と、半導体集積回路32と、電極パッド33とを有する。また、半導体チップ302、303、304、及び305の各々は、本体31と、半導体集積回路32と、電極パッド33と、絶縁層36と、貫通電極37とを有する。半導体チップ301、302、303、及び304の各々の半導体集積回路32には、図1Aに示した3D・NANDメモリセルアレイ310と、第1回路領域320とが含まれる。また、半導体チップ305の半導体集積回路32には、図1Aに示した第2回路領域が含まれる。半導体チップ302、303、304、及び305の各々の厚さは、例えば、5μm~15μm程度とすることができる。半導体チップ301の厚さは、適宜決定できる。
The semiconductor chip 301 has a
半導体チップ301~305において、本体31は、例えばシリコン、窒化ガリウム、炭化ケイ素等から構成されている。半導体集積回路32は、例えばシリコン、窒化ガリウム、炭化ケイ素等に拡散層(図示せず)、絶縁層(図示せず)、ビアホール(図示せず)、及び配線層(図示せず)等が形成されたものであり、本体31の一方の面側に設けられている。
In the semiconductor chips 30 1 to 30 5 , the
電極パッド33は、図示しない絶縁膜(シリコン酸化膜など)を介して、半導体集積回路32の上面側に設けられている。電極パッド33は、半導体集積回路32に設けられた配線層(図示せず)と電気的に接続されている。電極パッド33の平面形状は、例えば、矩形や円形等とすることができる。電極パッド33の平面形状が円形である場合、電極パッド33の直径は、例えば、1μm~10μm程度とすることができる。電極パッド33のピッチは、例えば、2μm~20μm程度とすることができる。
The
電極パッド33としては、例えば、Ti層やTiN層上にAu層、Al層、Cu層等を積層した積層体等を用いることができる。電極パッド33として、Ni層上にAu層を積層した積層体、Ni層上にPd層及びAu層を順次積層した積層体、Niの代わりにCo、Ta、Ti、TiN等の高融点金属からなる層を用い、同層上にCu層あるいはAl層を積層した積層体あるいはダマシン構造状の配線等を用いてもかまわない。
As the
半導体チップ302~305において、本体31の背面にバリア層となる絶縁層が設けられてもよい。この場合、絶縁層の材料としては、例えば、SiO2、SiON、Si3N4等を用いることができる。絶縁層の厚さは、例えば、0.05μm~0.5μm程度とすることができる。半導体チップ301~305において、本体31の背面側に絶縁層(バリア層)を形成することにより、半導体チップが背面側から金属不純物により汚染されるおそれを低減できると共に、下層に半導体チップが配置される場合には、下層の半導体チップと絶縁できる。
In the semiconductor chips 30 2 to 30 5 , an insulating layer serving as a barrier layer may be provided on the back surface of the
上下に隣接する半導体チップは、例えば接着層等を介さずに直接接合されるが、必要な場合(例えば、半導体集積回路32の表面が平坦でない場合等)には接着層等を介してもよい。最下層を除く各半導体チップには、最下層を除く各半導体チップを貫通して土台となる半導体チップ301の電極パッド33の上面を露出するビアホールが形成されており、ビアホールの内壁(側壁)には絶縁層36が設けられている。絶縁層36の材料としては、例えば、SiO2、SiON、Si3N4等を用いることができる。絶縁層36の厚さは、例えば、0.05μm~0.5μm程度とすることができる。ビアホール内には、絶縁層36に接するように貫通電極37が充填されている。また、本体31にあらかじめ絶縁層を埋設し、この絶縁層が貫通電極37の直径より大きい場合は、絶縁層36を用いなくともよい。
The vertically adjacent semiconductor chips are directly bonded without, for example, an adhesive layer or the like, but if necessary (for example, when the surface of the semiconductor integrated
絶縁層36内に位置する貫通電極37の平面形状は、例えば、円形あるいは多角形である。絶縁層36内に位置する貫通電極37の平面形状が円形である場合、その直径は、例えば、0.5μm~5μm程度とすることができる。電極パッド33上に位置する貫通電極37の平面形状は、例えば、円形あるいは多角形である。電極パッド33上に位置する貫通電極37の平面形状が円形である場合、その直径は、例えば、絶縁層36内に位置する貫通電極37の直径と同じか、又は、例えば、絶縁層36内に位置する貫通電極37の直径よりも0.5μm~2μm程度大きくすることができる。貫通電極37のピッチは、例えば、1μm~12μm程度とすることができる。貫通電極37は、1つの電極パッドに複数個設けてもよいので、電極パッドのピッチよりも、貫通電極37のピッチを小さくできる。
The planar shape of the through
貫通電極37の材料は、例えば、銅である。貫通電極37は、複数の金属が積層された構造であってもよい。具体的には、例えば、貫通電極37として、Ti層やTiN層上にAu層、Al層、Cu層等を積層した積層体等を用いることができる。貫通電極37として、Ni層上にAu層を積層した積層体、Ni層上にPd層及びAu層を順次積層した積層体、Niの代わりにCo、Ta、Ti、TiN等の高融点金属からなる層を用い、同層上にCu層あるいはAl層を積層した積層体あるいはダマシン構造状の配線等を用いてもかまわない。
The material of the through
このように、各々の半導体チップの電極パッド33同士は、電極パッド33の上面に形成され、さらにビアホール内に絶縁層36を介して形成された貫通電極37を介して電気的に接続されている。なお、電極パッド33と、貫通電極37の電極パッド33の上面に形成された部分とを合わせて、単に電極パッドと称する場合がある。また、電極パッド33は、半導体集積回路32に含まれるトランジスタと接続されるものであり、貫通電極37の加工上、貫通電極37の密度が一様であった方が良い場合は、特にトランジスタおよび上下基板の導通がなくとも設置できるものとすることができる。すなわち、電気接続がなされていない孤立した電極パッド33や貫通電極37が存在してもよい。孤立した電極パッド33や貫通電極37の存在により、放熱性を向上できる。
In this manner, the
半導体チップ301~305において、トランジスタと接続された電極パッド33を形成するか否かは、仕様に合わせて任意に決定できる。これにより、積層した半導体チップ中の所望の半導体チップのみに貫通電極37を接続できる。例えば、同じ信号を3層目の半導体チップを素通りして4層目の半導体チップや2層目の半導体チップに供給したり、異なる信号あるいは電力を各層の半導体チップに供給したりできる。
Whether or not to form the
[半導体チップの積層工程]
ここでは、半導体装置1の製造工程に関し、半導体チップの積層工程に着目して説明を行う。ただし、ここで説明する積層工程は一例であり、他の方法により半導体チップ同士を積層してもよい。
[Lamination process of semiconductor chips]
Here, the manufacturing process of the
図5~図13は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図である。まず、図5及び図6に示す工程では、薄化されていない半導体基板30Aを準備する。なお、図5は平面図、図6は断面図である。半導体基板30Aには、複数の製品領域Aと、各々の製品領域Aを分離するスクライブ領域Bとが画定されている。製品領域Aは、例えば、縦横に配列されている。スクライブ領域BにあるCは、ダイシングブレード等が半導体基板30Aを切断する位置(以下、「切断位置C」とする)を示している。半導体基板30Aの各々の製品領域Aは、個片化されると半導体チップ301となる。半導体基板30Aは、図4を参照して説明した本体31と、半導体集積回路32と、電極パッド33とを有しているが(図11参照)、ここでは、電極パッド33の図示は省略されている。
5 to 13 are diagrams illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. First, in the steps shown in FIGS. 5 and 6, an
ここでは、一例として、半導体基板30Aをシリコンウェハとする。半導体基板30Aは、例えば円形であり、直径φ1は、例えば6インチ(約150mm)、8インチ(約200mm)、12インチ(約300mm)等である。半導体基板30Aの厚さは、例えば0.625mm(φ1=6インチの場合)、0.725mm(φ1=8インチの場合)、0.775mm(φ1=12インチの場合)等である。
Here, as an example, the
次に、図7に示す工程では、半導体基板30Aと同一構造の半導体基板30Bを準備し、半導体基板30Bの電極パッド形成側に接着層520を介して基板510を接合する。基板510としては、アライメント時に光が透過する基板を用いることが好ましく、例えば、石英ガラスの基板等を用いることができる。接着層520としては、例えば後述する図10に示す工程において加熱する温度で軟化する接着剤(200℃程度又はそれ以下で軟化する接着剤)を用いることができる。接着層520は、例えばスピンコート法により基板510の一方の面に形成できる。接着層520は、スピンコート法の代わりに、フィルム状の接着剤を貼り付ける方法等を用いて基板510の一方の面に形成しても構わない。
Next, in the process shown in FIG. 7, a
次に、図8に示す工程では、半導体基板30Bの背面側の一部をグラインダー等で研削し、半導体基板30Bの背面側を薄化する。そして、薄化された半導体基板30Bの背面側に、プラズマCVD法等により絶縁層を形成してもよい。薄化後の半導体基板30Bの厚さは、例えば、5μm~15μm程度とすることができる。半導体基板30Bの厚さを5μm~15μm程度とすることで、ビアホールの加工時間が大幅に短縮され、薄化でアスペクト比が緩和され埋め込み性やカバレッジが改善される。
Next, in the process shown in FIG. 8, the back side of the
次に、図9に示す工程では、半導体基板30Aの電極パッド形成側に半導体基板30Bの背面側を対向させ、基板510と接合された半導体基板30Bを、半導体基板30A上に積層する。半導体基板30Aと半導体基板30Bとは、例えば、半導体基板30Aが平坦であれば表面活性化接合(SAB:Surface Activated Bonding)、半導体基板30Aの表面が凹凸状であれば熱硬化樹脂を用いて接合できる。熱硬化樹脂は凹凸(段差)に合わせて厚さを変えることができ、例えば1μmの段差に対しては、2~5μmの熱硬化樹脂を用いることができる。
Next, in the process shown in FIG. 9, the back side of the
次に、図10に示す工程では、図9に示す基板510及び接着層520を除去する。前述のように、接着層520として、図7に示す工程において加熱する温度で軟化する接着剤(200℃程度又はそれ以下で軟化する接着剤)を用いると好適である。図10に示す工程で、図11に拡大して示す半導体基板30Bと半導体基板30Aの積層体が形成される。なお、以降の図11~図13では、図5及び図6に示す製品領域Aの1つの断面を参照しながら説明を行う。
Next, in the process shown in FIG. 10, the
次に、図12に示す工程では、ビアホール30xを形成し、ビアホール30xの内壁面を被覆する絶縁層36を形成し、さらにビアホール30x内に貫通電極37を形成する。
Next, in the process shown in FIG. 12, a via
ビアホール30xは、半導体基板30Bの電極パッド33、半導体集積回路32、及び本体31を貫通し、半導体基板30Aの電極パッド33の表面が露出するように形成する。ビアホール30xは、例えばドライエッチング等により形成できる。ビアホール30xは、例えば平面視円形であり、その直径は、例えば、0.5μm~5μm程度とすることができる。
The via holes 30x are formed so as to penetrate the
絶縁層36は、例えば、プラズマCVD法等により、ビアホール30xの内壁面、並びにビアホール30x内に露出する電極パッド33の上面を連続的に被覆する絶縁層を形成し、ビアホール30xの内壁面を被覆する部分以外をRIE(Reactive Ion Etching)等により除去することで形成できる。また、本体31にあらかじめ絶縁層を埋設し、この絶縁層が貫通電極37の直径より大きい場合は、絶縁層36を用いなくともよい。
The insulating
貫通電極37は、例えば、スパッタ法やめっき法を組み合わせてビアホール30x内に形成できる。具体的には、例えば、ビアホール30xの内壁面及びビアホール30x内に露出する電極パッド33の上面を連続的に被覆するように、Cu等の金属を200nm~500nm程度スパッタ法により成膜して給電層を形成する。そして、給電層を経由して給電する電解めっき法により、ビアホール30x内をCu等の金属で充填し、本体31の上面から突出する電解めっき層を形成する。そして、本体31の上面から突出する電解めっき層をCMP等により除去する。ビアホール30x内に充填された電解めっき層の上面と、本体31の上面とは、例えば、面一とすることができる。これにより、給電層上に電解めっき層が積層された貫通電極37を形成できる。
The through
次に、図13に示す工程では、図5~図12と同様の工程を繰り返す。すなわち、半導体基板30B上に半導体基板30Cを積層する。そして、半導体基板30Cに、ビアホール30x、絶縁層36、及び貫通電極37を形成して、半導体基板30Cの電極パッド33を、半導体基板30Cの貫通電極37を介して、半導体基板30Bの貫通電極37と電気的に接続する。さらに、半導体基板30C上に半導体基板30Dを積層する。そして、半導体基板30Dに、ビアホール30x、絶縁層36、及び貫通電極37を形成して、半導体基板30Dの電極パッド33を、半導体基板30Dの貫通電極37を介して、半導体基板30Cの貫通電極37と電気的に接続する。さらに、半導体基板30D上に半導体基板30Eを積層する。そして、半導体基板30Eに、ビアホール30x、絶縁層36、及び貫通電極37を形成して、半導体基板30Eの電極パッド33を、半導体基板30Eの貫通電極37を介して、半導体基板30Dの貫通電極37と電気的に接続する。
Next, in the process shown in FIG. 13, the same processes as those shown in FIGS. 5 to 12 are repeated. That is, the
以上の工程により、半導体チップとなる複数の製品領域が画定された半導体基板30A~30Eが電極パッド形成側を互いに同一方向に向けて積層され、貫通電極37を介して異なる層の基板同士が直接電気的に接続された構造体が作製される。図13において、積層される半導体チップをさらに増やすことも可能である。その後、図13に示す構造体を切断位置Cで切断して、各々の製品領域を個片化することで、複数の半導体装置1が完成する。
Through the above steps, the
以上のチップ積層工程によれば、3D・NANDメモリセルアレイ310と第1回路領域320とを含む半導体チップの積層数を容易に増やすことが可能となり、メモリの大容量化に対応できる。例えば、半導体装置1の全体として、ワード線WLの積層数を128層や256層とすることが可能であり、256層以上とすることも可能である。
According to the chip stacking process described above, it is possible to easily increase the number of stacked semiconductor chips including the 3D-NAND
[半導体装置1の応用例]
図14は、第1実施形態に係る半導体装置の応用例を示す模式図である。図14に示す半導体装置2は、イメージセンサ40と、A/D変換器50と、RAM60と、ROM70とを有する。
[Application example of the semiconductor device 1]
FIG. 14 is a schematic diagram showing an application example of the semiconductor device according to the first embodiment. A
半導体装置2において、画像データ(Image Data)は、イメージセンサ40(CCDセンサ、CMOSセンサ等)にXYの2次元の面データとして入力される。イメージセンサ40の各画素デバイスの直下には、赤、緑、青の三原色の光量のアナログデータをデジタルデータ変換するA/D変換器50が配設されている。A/D変換器50の直下にはRAM60が接続されている。RAM60は、例えば、SRAMであるが、DRAMであってもよい。SRAMには、デジタル変換された光量データが格納される。そして、RAM60の直下にROM70が接続されている。ROM70は、例えば、3D・NAND型フラシュメモリ装置である。すなわち、ROM70として、半導体装置1を用いることができる。
In the
図14に示す構成を取ることにより、画像データを面データとして捉えたまま、イメージセンサ40、A/D変換器50、SRAM60を介して、不揮発性メモリであるROM70に格納することが可能となる。また、ROM70として、メモリの大容量化が容易な半導体装置1を用いることで、多くのデータを格納することが可能となる。
By adopting the configuration shown in FIG. 14, image data can be stored in the
半導体装置2の応用例としては、様々な用途がある。例えば、スポーツでは、オリンピック等の100m競走の全データ(Raw Data)を不揮発性メモリであるROM70に格納することができ、例えば、任意時間の鮮明なJPEG写真データの出力が可能となる。あるいは、医学への応用として、MRIやCTの一回のスキャンを実施すると、スキャン撮影したどの箇所のデータも鮮明な写真データとして、不揮発性メモリであるROM70から出力できる。したがって、画像データを面で捉え、それを並列連続変換(Parallel to Serial Conversion)することなく、不揮発性メモリであるROM70に面データとして格納することにより、文化的のみならず、科学技術の発展のために大きく貢献できる。
There are various uses as application examples of the
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. can be added.
例えば、上記実施形態では、平面視円形の半導体基板(シリコンウェハ)を用いた場合を例にとり説明を行ったが、半導体基板は平面視円形に限定されず、例えば平面視長方形等のパネル状のものを用いてもかまわない。 For example, in the above-described embodiments, a case where a semiconductor substrate (silicon wafer) having a circular shape in plan view is used has been described as an example, but the semiconductor substrate is not limited to a circular shape in plan view. You can use things.
1、2 半導体装置
301,302、303,304,305 半導体チップ
30A,30B,30C,30D,30E 半導体基板
30x ビアホール
31 本体
32 半導体集積回路
33 電極パッド
36 絶縁層
37 貫通電極
40 イメージセンサ
50 A/D変換器
60 RAM
70 ROM
310 3D・NANDメモリセルアレイ
320 第1回路領域
510 基板
520 接着層
70 ROMs
310 3D NAND
Claims (14)
各々の前記第1半導体チップは、記憶領域と、第1回路領域と、を備え、
前記第2半導体チップは、第2回路領域を備え、
前記第1回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含み、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含まず、
前記第2回路領域は、耐圧が15V以上25V以下の高耐圧トランジスタを含まず、耐圧が0.05V以上3V以下の低耐圧トランジスタを含む、半導体装置。 two or more layers of first semiconductor chips and one or more layers of second semiconductor chips are stacked,
each of the first semiconductor chips includes a storage area and a first circuit area;
the second semiconductor chip includes a second circuit area,
the first circuit region includes a high-voltage transistor with a withstand voltage of 15 V or more and 25 V or less, and does not include a low-voltage transistor with a withstand voltage of 0.05 V or more and 3 V or less;
The semiconductor device, wherein the second circuit region does not include a high withstand voltage transistor having a withstand voltage of 15 V or more and 25 V or less, and includes a low withstand voltage transistor having a withstand voltage of 0.05 V or more and 3 V or less.
各々の前記第1半導体チップの前記第1回路領域は、前記半導体基板に形成されたCMOS回路を含む、請求項1乃至5の何れか一項に記載の半導体装置。 each of the first semiconductor chips having a semiconductor substrate;
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first circuit region of each said first semiconductor chip includes a CMOS circuit formed on said semiconductor substrate.
前記第2回路領域は、前記半導体基板に形成されたCMOS回路を含む、請求項1乃至7の何れか一項に記載の半導体装置。 The second semiconductor chip has a semiconductor substrate,
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second circuit region includes a CMOS circuit formed on said semiconductor substrate.
14. The first semiconductor chip and the second semiconductor chip according to any one of claims 1 to 13, wherein the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are stacked with their electrode pad forming sides directed in the same direction, and are directly and electrically connected via through electrodes. 10. The semiconductor device according to claim 1.
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