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KR102762483B1 - 3d stacked semiconductor devices including hybrid bonding and manufacturing methods thereof - Google Patents

3d stacked semiconductor devices including hybrid bonding and manufacturing methods thereof Download PDF

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KR102762483B1
KR102762483B1 KR1020230186817A KR20230186817A KR102762483B1 KR 102762483 B1 KR102762483 B1 KR 102762483B1 KR 1020230186817 A KR1020230186817 A KR 1020230186817A KR 20230186817 A KR20230186817 A KR 20230186817A KR 102762483 B1 KR102762483 B1 KR 102762483B1
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pad
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Inventor
최리노
전승준
이정환
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 개시는 하이브리드 본딩을 포함하는 3차원 적층된 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다. 본 개시에서, 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법은, 반도체 소자들을 준비하는 단계, 및 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자들을 적층하는 단계를 포함하고, 반도체 소자들을 준비하는 단계는, 칩 상에 절연층을 형성하는 단계, 절연층 상에 정지층을 형성하는 단계, 절연층과 정지층을 관통하는 적어도 하나의 패드 홀을 형성하는 단계, 패드 홀 내에 금속 패드를 형성하면서 정지층 상에 금속층을 형성하는 단계, 금속 패드를 남기면서 금속층을 평탄화하는 단계, 및 정지층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. The present disclosure provides a three-dimensional stacked semiconductor device including hybrid bonding and a method for manufacturing the same. In the present disclosure, the method for manufacturing the three-dimensional stacked semiconductor device includes a step of preparing semiconductor devices, and a step of stacking the semiconductor devices through hybrid bonding, wherein the step of preparing the semiconductor devices may include a step of forming an insulating layer on a chip, a step of forming a stop layer on the insulating layer, a step of forming at least one pad hole penetrating the insulating layer and the stop layer, a step of forming a metal layer on the stop layer while forming a metal pad in the pad hole, a step of planarizing the metal layer while leaving the metal pad, and a step of removing the stop layer.

Description

하이브리드 본딩을 포함하는 3차원 적층된 반도체 소자 및 그의 제조 방법{3D STACKED SEMICONDUCTOR DEVICES INCLUDING HYBRID BONDING AND MANUFACTURING METHODS THEREOF}{3D STACKED SEMICONDUCTOR DEVICES INCLUDING HYBRID BONDING AND MANUFACTURING METHODS THEREOF}

본 개시는 하이브리드 본딩을 포함하는 3차원 적층된 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a three-dimensional stacked semiconductor device including hybrid bonding and a method for manufacturing the same.

반도체 소자의 미세화는 물리적인 한계와 제조비용 증가로 인해 한계에 도달했다. 그러한 미세화의 한계를 극복하고, 더 많은 기능을 수행하며, 더 높은 성능을 갖는 반도체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 최근 가장 큰 각광을 받고 있는 분야는 인간의 두뇌를 모사하는 인공지능 컴퓨팅 분야이다. 향후 4차 산업혁명을 주도할 분야는 인공지능(artificial intelligence) 컴퓨팅 분야이며, 이를 위해서는 저전력, 고집적도, 다양한 기능, 및 초스피드(Super speed)가 요구되는 인공지능 반도체가 필수이다. The miniaturization of semiconductor devices has reached its limit due to physical limitations and increased manufacturing costs. Research is actively being conducted on semiconductors that overcome the limitations of such miniaturization, perform more functions, and have higher performance, and the field that has recently received the most attention is the field of artificial intelligence computing that simulates the human brain. The field that will lead the future 4th industrial revolution is the field of artificial intelligence computing, and for this, artificial intelligence semiconductors that require low power, high integration, various functions, and super speed are essential.

인공지능 반도체에서 요구되는 모든 성능과 기능을 구현하기 위해서는 2.5차원 또는 3차원 패키징(packaging) 기술을 활용하는 이종 집적(heterogeneous integration) 기술을 적용해야 한다. 글로벌 상위권 반도체 회사들은 모두 2.5차원 또는 3차원 패키징 방식의 이종 집적 기술을 적용한 차세대 반도체 제품 개발에 사활을 걸고 있다. 대표적인 제품이 HBM(high bandwidth memory) 소자와 로직(logic) 소자를 결합한 인공지능 향 융합 소자이다. 현재 양산 제품에 적용되는 2.5차원 또는 3차원 패키징 방식의 이종 집적 기술은 TSV(through silicon via) 공정 기술을 이용하여 구현하고 있으며, 칩과 칩 사이를 전기적 및 기계적으로 연결시키기 위해서 솔더 범프(Solder bump)를 이용한 본딩(bonding) 기술을 사용한다. 2.5 차원 또는 3차원 적층된 소자의 미세화와 칩간 통신에 필요한 I/O(in/out) 패드(pad) 수 증가에 대한 수요를 충족시키기 위해서 솔더 범프의 크기는 지속적으로 감소되는 추세이다. 구리 필러(Cu pillar) 기술, 마이크로-범프(μ-bump) 기술이 적용되면서 솔더 범프의 크기가 계속 감소되었으나, 현재 물리적인 한계(직경 > 10 ㎛)에 도달했으며, 더 미세한 피치(pitch)의 I/O 구현을 위해서는 새로운 기술 개발이 필요하다. In order to implement all the performance and functions required in AI semiconductors, heterogeneous integration technology utilizing 2.5D or 3D packaging technology must be applied. All of the world's top semiconductor companies are staking their lives on the development of next-generation semiconductor products that apply heterogeneous integration technology using 2.5D or 3D packaging methods. A representative product is an AI-oriented fusion device that combines HBM (high bandwidth memory) devices and logic devices. The heterogeneous integration technology using 2.5D or 3D packaging methods currently applied to mass-produced products is implemented using TSV (through silicon via) process technology, and bonding technology using solder bumps is used to electrically and mechanically connect chips to chips. In order to meet the demand for miniaturization of 2.5D or 3D stacked devices and an increase in the number of I/O (in/out) pads required for inter-chip communication, the size of solder bumps is continuously decreasing. The size of solder bumps has continued to decrease with the application of copper pillar technology and micro-bump technology, but it has currently reached its physical limit (diameter > 10 ㎛), and new technology development is required to implement I/O with a finer pitch.

미세한 피치의 I/O 구현에 의해서 반도체 소자를 더 미세화시킬 수 있으며, I/O 패드 수가 증가되어 칩간 데이터 전송 대역폭(bandwidth) 증가에 의해 초스피드의 반도체 소자를 구현할 수 있다. 현재 사용중인 솔더 범프를 이용한 본딩 기술의 한계인 10 ㎛ 이하의 미세 피치의 I/O 구현을 위해서 가장 큰 주목을 받고 있는 기술은 하이브리드 본딩(hybrid bonding) 기술이며, 이는 범프를 사용하지 않고 칩의 패드와 인접한 칩의 패드를 직접 연결시키기 때문에 1 ㎛ 이하의 초미세 피치를 구현할 수 있다. 패키징의 금속 배선(metal interconnect) 로드맵에 따르면, 최종 목표가 범프를 사용하지 않고 TSV 기술과 하이브리드 본딩 기술을 융합시키는 3차원 이종 집적 기술이다. 하이브리드 본딩에 의해서 저전력, 고밀도, 고속의 특성을 가지는 인공지능 향 융합형 반도체를 제작하는 것이 가능해진다. By implementing fine-pitch I/O, semiconductor devices can be further miniaturized, and by increasing the number of I/O pads, ultra-high-speed semiconductor devices can be implemented by increasing the bandwidth of data transmission between chips. The technology that is receiving the most attention in order to implement fine-pitch I/O of 10 ㎛ or less, which is the limit of the bonding technology using the current solder bump, is the hybrid bonding technology. Since it directly connects the pads of a chip and the pads of an adjacent chip without using bumps, it can implement an ultra-fine pitch of 1 ㎛ or less. According to the metal interconnect roadmap for packaging, the final goal is a 3D heterogeneous integration technology that combines TSV technology and hybrid bonding technology without using bumps. Hybrid bonding makes it possible to manufacture artificial intelligence-oriented fusion semiconductors with low-power, high-density, and high-speed characteristics.

본 개시는 하이브리드 본딩을 포함하는 3차원 적층된 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공한다. The present disclosure provides a three-dimensional stacked semiconductor device including hybrid bonding and a method for manufacturing the same.

본 개시에서, 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법은, 반도체 소자들을 준비하는 단계, 및 하이브리드 본딩을 통해 상기 반도체 소자들을 적층하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 소자들을 준비하는 단계는, 상기 칩 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층(insulating layer) 상에 상기 정지층(stop layer)을 형성하는 단계, 상기 절연층과 상기 정지층을 관통하는 적어도 하나의 패드 홀(hole)을 형성하는 단계, 상기 패드 홀 내에 금속 패드를 형성하면서 상기 정지층 상에 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속 패드를 남기면서 상기 금속층을 평탄화하는 단계, 및 상기 정지층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. In the present disclosure, a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device includes a step of preparing semiconductor devices, and a step of stacking the semiconductor devices through hybrid bonding, wherein the step of preparing the semiconductor devices may include a step of forming an insulating layer on the chip, a step of forming the stop layer on the insulating layer, a step of forming at least one pad hole penetrating the insulating layer and the stop layer, a step of forming a metal layer on the stop layer while forming a metal pad in the pad hole, a step of planarizing the metal layer while leaving the metal pad, and a step of removing the stop layer.

본 개시에 따르면, 개별 반도체 소자를 준비할 때, 절연층 상에 정지층을 형성함으로써, 정지층과 금속 패드 상에서 금속층을 평탄화하는 중에 발생되는 침식(erosion) 현상으로 인한 글로벌 단차가 감소 또는 제거될 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자들을 적층할 때, 반도체 소자들의 사이에서 발생 가능한 빈 공간(void), 균열, 박리 등과 같은 문제들이 억제 또는 방지될 수 있다. 즉, 글로벌 단차가 감소 또는 제거됨에 따라, 금속 패드들이 그들 사이에 큰 이격 공간 없이 근접하게 위치되어, 서로에 대해 보다 효과적으로 접촉될 수 있다. 이는, 결과적으로 제조되는 3차원 적층된 반도체 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. According to the present disclosure, when preparing an individual semiconductor device, a global step difference due to an erosion phenomenon that occurs during planarization of a metal layer on the stop layer and the metal pads by forming a stop layer on an insulating layer can be reduced or eliminated. Accordingly, when stacking semiconductor devices through hybrid bonding, problems such as voids, cracks, and delamination that may occur between semiconductor devices can be suppressed or prevented. That is, as the global step difference is reduced or eliminated, the metal pads can be positioned closely without a large gap between them, and can contact each other more effectively. This can improve the reliability of a three-dimensionally stacked semiconductor device that is ultimately manufactured.

도 1은 일 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 2 내지 도 9는 일 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 11 내지 도 20은 다른 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다.
FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a three-dimensional stacked semiconductor device according to one embodiment.
FIGS. 2 to 9 are exemplary diagrams for explaining a method for manufacturing a three-dimensional stacked semiconductor device according to one embodiment.
FIG. 10 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a three-dimensional stacked semiconductor device according to another embodiment.
FIGS. 11 to 20 are exemplary diagrams for explaining a method for manufacturing a three-dimensional stacked semiconductor device according to another embodiment.

이하, 본 개시의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of the present disclosure are described with reference to the attached drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다. 도 2 내지 도 9는 일 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다. 도 2 내지 도 6에서, (a)는 단면도이고, (b)는 평면도이며, 도 7 내지 도 9는 단면도들이다. FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device according to one embodiment. FIGS. 2 to 9 are exemplary diagrams for explaining a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device according to one embodiment. In FIGS. 2 to 6, (a) is a cross-sectional view, (b) is a plan view, and FIGS. 7 to 9 are cross-sectional views.

도 1을 참조하면, 110 단계에서, 개별 칩(211)에 적어도 하나의 금속 비아(215)가 형성될 수 있다. 이 때, 칩(211)은 실리콘 재질의 웨이퍼(213) 상에 구현될 수 있다. 그리고, TSV 공정을 통해, 금속 비아(215)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 칩(211)과 웨이퍼(213)를 관통하는 적어도 하나의 관통 홀이 형성된 다음, 금속 재료를 이용해 관통 홀이 충전될 수 있으며, 이로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 비아(215)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1, in step 110, at least one metal via (215) may be formed in an individual chip (211). At this time, the chip (211) may be implemented on a wafer (213) made of silicon material. Then, the metal via (215) may be formed through a TSV process. Specifically, at least one through hole penetrating the chip (211) and the wafer (213) may be formed, and then the through hole may be filled using a metal material, whereby the metal via (215) may be formed, as illustrated in FIG. 2.

다음으로, 120 단계에서, 개별 칩(211) 상에 절연층(311)이 형성될 수 있다. 여기서, 절연층(311)은 산화물(oxide)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 칩(211)의 상부 표면에 절연층(311)이 증착될 수 있다. 그런 다음, 130 단계에서, 금속 비아(215) 상에서 절연층(311) 내에 적어도 하나의 패드 홀(315)이 형성될 수 있다. 이 때, 패터닝 공정을 통해, 패드 홀(315)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 금속 비아(215) 상에서 절연층(311)을 제거하여, 패드 홀(315)이 형성될 수 있다. 이로써, 패드 홀(315)이 금속 비아(215)를 노출시킬 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 칩(211) 상에 절연층(311)과 패드 홀(315)이 마련될 수 있다. Next, in step 120, an insulating layer (311) may be formed on the individual chip (211). Here, the insulating layer (311) may include an oxide. Specifically, the insulating layer (311) may be deposited on the upper surface of the chip (211). Then, in step 130, at least one pad hole (315) may be formed in the insulating layer (311) on the metal via (215). At this time, the pad hole (315) may be formed through a patterning process. Specifically, the insulating layer (311) may be removed on the metal via (215), thereby forming the pad hole (315). As a result, the pad hole (315) may expose the metal via (215). Therefore, as illustrated in FIG. 3, the insulating layer (311) and the pad hole (315) may be provided on the chip (211).

이어서, 140 단계에서, 패드 홀(315)을 충전하면서, 절연층(311) 상에 금속층(410, 510)이 형성될 수 있다. 이 때, 금속층(410, 510)은 보조 금속층(410) 및 패드 금속층(510)을 포함할 수 있다. 여기서, 보조 금속층(410)은 패드 금속층(510)의 금속 재료의 확산(out-diffusion)을 방지하기 위한 배리어(barrier) 금속층과 패드 금속층(510)의 증착에 도움을 주기 위한 시드(seed) 금속층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 칩(211) 상에서 절연층(311)의 표면 및 패드 홀(315) 내의 금속 비아(215)의 표면에 배리어 금속층이 형성된 다음, 배리어 금속층의 표면에 시드 금속층이 형성되며, 이로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 보조 금속층(410)이 형성될 수 있다. 여기서, 보조 금속층(410)은 대체로 균일한 두께로 형성될 수 있다. 그런 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 패드 홀(315)의 내부를 포함하여 보조 금속층(410)의 표면에 패드 금속층(510)이 형성될 수 있다. 여기서, 패드 금속층(510)은 금속 재료, 예컨대, 구리를 포함할 수 있다. 이 때, 전해 도금 공정을 통해, 패드 금속층(510)이 형성될 수 있다. Next, in step 140, while filling the pad hole (315), a metal layer (410, 510) may be formed on the insulating layer (311). At this time, the metal layer (410, 510) may include an auxiliary metal layer (410) and a pad metal layer (510). Here, the auxiliary metal layer (410) may include a barrier metal layer for preventing out-diffusion of the metal material of the pad metal layer (510) and a seed metal layer for assisting the deposition of the pad metal layer (510). Specifically, a barrier metal layer is formed on the surface of the insulating layer (311) and the surface of the metal via (215) in the pad hole (315) on the chip (211), and then a seed metal layer is formed on the surface of the barrier metal layer, whereby the auxiliary metal layer (410) may be formed, as illustrated in FIG. 4. Here, the auxiliary metal layer (410) can be formed with a generally uniform thickness. Then, as shown in FIG. 5, a pad metal layer (510) can be formed on the surface of the auxiliary metal layer (410), including the inside of the pad hole (315). Here, the pad metal layer (510) can include a metal material, for example, copper. At this time, the pad metal layer (510) can be formed through an electrolytic plating process.

계속해서, 150 단계에서, 금속 패드(615)를 남기면서, 금속층(410, 510)이 평탄화될 수 있다. 여기서, 금속 패드(615)는 개별적으로 금속 비아(215)와 전기적으로 연통될 수 있다. 이 때, 화학적 기계적 연마(chemical mechanical planarization; CMP) 공정을 통해, 금속층(410, 510)이 평탄화될 수 있다. 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 절연층(311) 및 금속 패드(615) 상에서 금속층(410, 510)이 제거될 수 있다. 절연층(311)에 복수의 패드 홀(315)들이 있는 경우, 금속층(410, 510)이 평탄화됨에 따라, 복수의 금속 패드(615)들이 서로로부터 분리되면서 남을 수 있다. Continuing, at step 150, the metal layer (410, 510) may be planarized while leaving the metal pad (615). Here, the metal pad (615) may be individually electrically connected to the metal via (215). At this time, the metal layer (410, 510) may be planarized through a chemical mechanical planarization (CMP) process. Specifically, as illustrated in FIG. 6, the metal layer (410, 510) may be removed on the insulating layer (311) and the metal pad (615). When there are a plurality of pad holes (315) in the insulating layer (311), as the metal layer (410, 510) is planarized, the plurality of metal pads (615) may remain separated from each other.

그런데, 평탄화 중에, 금속 패드(615)의 존재로 인하여, 평탄화의 속도가 불균일할 수 있다. 즉, 금속 패드(615)가 존재하는 영역의 경우, 금속 패드(615)가 존재하지 않은 영역에 비해 평탄화의 속도가 빠를 수 있다. 평탄화의 속도는 금속 패드(615)들의 배치 밀도가 높을수록, 더 빠를 수 있다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 패드(615)가 존재하는 영역과 금속 패드(615)가 존재하지 않은 영역의 사이에 글로벌 단차가 형성되는 침식(erosion) 현상이 발생될 수 있다. 아울러, 평탄화 중에, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 패드(615)의 표면에서 위치에 따라 단차가 발생하는 디싱(dishing) 현상이 발생될 수 있다. However, during flattening, the flattening speed may be uneven due to the presence of the metal pad (615). That is, in the area where the metal pad (615) exists, the flattening speed may be faster than in the area where the metal pad (615) does not exist. The flattening speed may be faster as the arrangement density of the metal pads (615) increases. As a result, as illustrated in FIG. 6, an erosion phenomenon may occur in which a global step is formed between the area where the metal pad (615) exists and the area where the metal pad (615) does not exist. In addition, during flattening, as illustrated in FIG. 6, a dishing phenomenon may occur in which a step is generated depending on the position on the surface of the metal pad (615).

이러한 방식으로, 반도체 소자(600)들이 준비될 수 있다. In this way, semiconductor devices (600) can be prepared.

마지막으로, 160 단계에서, 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자(600)들이 적층될 수 있다. 이 때, 두 개의 반도체 소자(600)들에 대해, 절연층(311)들을 서로에 접합시키고, 금속 패드(615)들을 서로에 접합시킬 수 있다. 이에 대해 보다 상세하게 후술된다. Finally, in step 160, semiconductor elements (600) can be laminated through hybrid bonding. At this time, for two semiconductor elements (600), the insulating layers (311) can be bonded to each other, and the metal pads (615) can be bonded to each other. This will be described in more detail later.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 절연층(311)들이 서로에 대향하고 각각의 금속 패드(615)들이 서로에 대향하도록, 두 개의 반도체 소자(600)들을 배치할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 반도체 소자(600)들을 상하로 배치하되, 상부에 있는 반도체 소자(600)를 반전시켜 하부에 있는 반도체 소자(600)에 대향시킬 수 있다. First, as illustrated in FIG. 7, two semiconductor elements (600) may be placed so that their respective insulating layers (311) face each other and their respective metal pads (615) face each other. For example, two semiconductor elements (600) may be placed vertically, but the upper semiconductor element (600) may be inverted to face the lower semiconductor element (600).

다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 절연층(311)들에 대해 플라즈마 전처리를 진행하여, 절연층(311)들의 표면들을 활성화시킬 수 있다. 이 때, 플라즈마 전처리에 의해 금속 패드(615)들의 표면에 생성되는 자연 산화막이 제거될 수도 있다. 여기서, 아르곤(Ar) 가스를 이용하여, 플라즈마 전처리를 진행할 수 있다. 그런 다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(600)들의 사이에 압력을 인가하여, 절연층(311)들의 표면들을 접합시킬 수 있다. 예를 들어, 절연층(311)들의 산화물이 SiO2인 경우, 플라즈마 전처리에 의해 절연층(311)의 표면이 SiOx 상태로 활성화되어, 공기와의 접촉으로 Si-OH 결합이 형성되며, 압력에 의해 Si-O-Si 본딩이 형성될 수 있다. Next, as illustrated in FIG. 7, plasma pretreatment may be performed on the insulating layers (311) to activate the surfaces of the insulating layers (311). At this time, a natural oxide film formed on the surfaces of the metal pads (615) may be removed by the plasma pretreatment. Here, the plasma pretreatment may be performed using argon (Ar) gas. Then, as illustrated in FIG. 8, pressure may be applied between the semiconductor elements (600) to bond the surfaces of the insulating layers (311). For example, when the oxide of the insulating layers (311) is SiO 2 , the surfaces of the insulating layers (311) may be activated to a SiOx state by the plasma pretreatment, so that Si-OH bonds are formed by contact with air, and Si-O-Si bonding may be formed by the pressure.

다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(600)들의 사이에 열을 인가하여 금속 패드(615)들을 접합시킬 수 있다. 여기서, 대략 200 ℃ 내지 400 ℃의 범위 내에 있는 온도로 열이 인가될 수 있다. 이 때, 열에 의해, 금속 패드(615)들이 팽창되어 서로에 접촉될 수 있으며, 금속 패드(615)들의 금속 재료의 확산으로 인해, 금속 패드(615)들이 접합될 수 있다. Next, as illustrated in FIG. 9, heat may be applied between the semiconductor elements (600) to bond the metal pads (615). Here, heat may be applied at a temperature within a range of approximately 200° C. to 400° C. At this time, the metal pads (615) may expand due to the heat and come into contact with each other, and the metal pads (615) may be bonded due to diffusion of the metal material of the metal pads (615).

그런데, 반도체 소자(600)들을 준비하기 위한 평탄화 중에 발생되는 침식 현상으로 인해, 금속 패드(615)들이 접촉하지 못하는 결함이 발생될 수 있다. 즉, 침식 현상으로 인한 글로벌 단차에 의해 금속 패드(615)들의 사이에 큰 이격 공간이 형성됨으로써, 열의 인가 및 금속 패드(615)들의 금속 재료의 확산에도 불구하고, 금속 패드(615)들이 접촉하지 못할 수 있다. 이는 반도체 소자(600)들의 사이에 보이드(void), 균열(crack), 박리(delamination) 등과 같은 문제들을 초래할 수 있다. However, a defect in which the metal pads (615) do not make contact may occur due to an erosion phenomenon that occurs during planarization to prepare the semiconductor elements (600). That is, a large gap is formed between the metal pads (615) due to a global step caused by the erosion phenomenon, so that the metal pads (615) may not make contact despite the application of heat and diffusion of the metal material of the metal pads (615). This may cause problems such as voids, cracks, and delamination between the semiconductor elements (600).

도 10은 다른 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다. 도 11 내지 도 20은 다른 실시예에 따른 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다. 도 11 내지 도 17에서, (a)는 단면도이고, (b)는 평면도이며, 도 18 내지 도 20은 평면도들이다. FIG. 10 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device according to another embodiment. FIGS. 11 to 20 are exemplary views for explaining a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device according to another embodiment. In FIGS. 11 to 17, (a) is a cross-sectional view, (b) is a plan view, and FIGS. 18 to 20 are plan views.

도 10을 참조하면, 1010 단계에서, 개별 칩(1111)에 적어도 하나의 금속 비아(1115)가 형성될 수 있다. 이 때, 칩(1111)은 실리콘 재질의 웨이퍼(1113) 상에 구현될 수 있다. 그리고, TSV 공정을 통해, 금속 비아(1115)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 칩(1111)과 웨이퍼(1113)를 관통하는 적어도 하나의 관통 홀이 형성된 다음, 금속 재료를 이용해 관통 홀이 충전될 수 있으며, 이로써, 도 11에 도시된 바와 같이, 금속 비아(1115)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 10, in step 1010, at least one metal via (1115) may be formed in an individual chip (1111). At this time, the chip (1111) may be implemented on a wafer (1113) made of silicon material. Then, the metal via (1115) may be formed through a TSV process. Specifically, at least one through hole penetrating the chip (1111) and the wafer (1113) may be formed, and then the through hole may be filled using a metal material, whereby the metal via (1115) may be formed, as illustrated in FIG. 11.

다음으로, 1020 단계에서, 개별 칩(1111) 상에 절연층(1211)이 형성될 수 있다. 여기서, 절연층(1211)은 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 칩(1111)의 상부 표면에 절연층(1211)이 증착될 수 있다. 그런 다음, 1030 단계에서, 절연층(1211) 상에 정지층(1213)이 형성될 수 있다. 여기서, 정지층(1213)은 질화물(nitride)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 절연층(1211)의 상부 표면에 정지층(1213)이 증착될 수 있다. Next, in step 1020, an insulating layer (1211) may be formed on the individual chip (1111). Here, the insulating layer (1211) may include an oxide. Specifically, as illustrated in FIG. 12, the insulating layer (1211) may be deposited on an upper surface of the chip (1111). Then, in step 1030, a stop layer (1213) may be formed on the insulating layer (1211). Here, the stop layer (1213) may include a nitride. Specifically, as illustrated in FIG. 12, the stop layer (1213) may be deposited on an upper surface of the insulating layer (1211).

다음으로, 1040 단계에서, 금속 비아(1115) 상에서 절연층(1211) 및 정지층(1213) 내에 적어도 하나의 패드 홀(1315)이 형성될 수 있다. 이 때, 패터닝 공정을 통해, 패드 홀(1315)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 금속 비아(1115) 상에서 절연층(1211) 및 정지층(1213)을 함께 제거하여, 패드 홀(1315)이 형성될 수 있다. 이로써, 패드 홀(1315)이 금속 비아(1115)를 노출시킬 수 있다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 칩(1111) 상에 절연층(1211) 및 정지층(1213)과 패드 홀(1315)이 마련될 수 있다. Next, in step 1040, at least one pad hole (1315) may be formed within the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) on the metal via (1115). At this time, the pad hole (1315) may be formed through a patterning process. Specifically, the pad hole (1315) may be formed by removing the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) together on the metal via (1115). As a result, the pad hole (1315) may expose the metal via (1115). Therefore, as illustrated in FIG. 13, the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) and the pad hole (1315) may be provided on the chip (1111).

다음으로, 1050 단계에서, 패드 홀(1315)을 충전하면서, 정지층(1213) 상에 금속층(1410, 1510)이 형성될 수 있다. 이 때, 금속층(1410, 1510)은 보조 금속층(1410) 및 패드 금속층(1510)을 포함할 수 있다. 여기서, 보조 금속층(1410)은 패드 금속층(1510)의 금속 재료의 확산을 방지하기 위한 배리어 금속층과 패드 금속층(1510)의 증착에 도움을 주기 위한 시드 금속층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 칩(1111) 상에서 절연층(1211) 및 정지층(1213)의 표면 및 패드 홀(1315) 내의 금속 비아(1115)의 표면에 배리어 금속층이 형성된 다음, 배리어 금속층의 표면에 시드 금속층이 형성되며, 이로써, 도 14에 도시된 바와 같이, 보조 금속층(1410)이 형성될 수 있다. 여기서, 보조 금속층(1410)은 대체로 균일한 두께로 형성될 수 있다. 그런 다음, 도 15에 도시된 바와 같이, 패드 홀(1315)의 내부를 충전하면서 보조 금속층(1410)의 표면에 패드 금속층(1510)이 형성될 수 있다. 여기서, 패드 금속층(1510)은 금속 재료, 예컨대, 구리를 포함할 수 있다. 이 때, 전해 도금 공정을 통해, 패드 금속층(1510)이 형성될 수 있다. Next, in step 1050, while filling the pad hole (1315), a metal layer (1410, 1510) may be formed on the stop layer (1213). At this time, the metal layer (1410, 1510) may include an auxiliary metal layer (1410) and a pad metal layer (1510). Here, the auxiliary metal layer (1410) may include a barrier metal layer to prevent diffusion of a metal material of the pad metal layer (1510) and a seed metal layer to assist in the deposition of the pad metal layer (1510). Specifically, a barrier metal layer is formed on the surface of the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) on the chip (1111) and the surface of the metal via (1115) in the pad hole (1315), and then a seed metal layer is formed on the surface of the barrier metal layer, so that an auxiliary metal layer (1410) can be formed, as illustrated in FIG. 14. Here, the auxiliary metal layer (1410) can be formed with a generally uniform thickness. Then, as illustrated in FIG. 15, a pad metal layer (1510) can be formed on the surface of the auxiliary metal layer (1410) while filling the interior of the pad hole (1315). Here, the pad metal layer (1510) can include a metal material, for example, copper. At this time, the pad metal layer (1510) can be formed through an electrolytic plating process.

이어서, 1060 단계에서, 금속 패드(1615)를 남기면서, 금속층(1410, 1510)이 평탄화될 수 있다. 여기서, 금속 패드(1615)는 개별적으로 금속 비아(1115)와 전기적으로 연통될 수 있다. 이 때, 화학적 기계적 연마 공정을 통해, 금속층(1410, 1510)이 평탄화될 수 있다. 구체적으로, 도 16에 도시된 바와 같이, 절연층(1211), 정지층(1213), 및 금속 패드(1615) 상에서 금속층(1410, 1510)이 제거될 수 있다. 절연층(1211) 및 정지층(1213)에 복수의 패드 홀(1215)들이 있는 경우, 금속층(1410, 1510)이 평탄화됨에 따라, 복수의 금속 패드(1615)들이 서로로부터 분리되면서 남을 수 있다. Next, at step 1060, the metal layers (1410, 1510) can be planarized while leaving the metal pads (1615). Here, the metal pads (1615) can be individually electrically connected to the metal vias (1115). At this time, the metal layers (1410, 1510) can be planarized through a chemical mechanical polishing process. Specifically, as illustrated in FIG. 16, the metal layers (1410, 1510) can be removed on the insulating layer (1211), the stop layer (1213), and the metal pad (1615). When there are a plurality of pad holes (1215) in the insulating layer (1211) and the stop layer (1213), as the metal layers (1410, 1510) are planarized, the plurality of metal pads (1615) can be separated from each other and remain.

이러한 평탄화 중에, 금속 패드(1615)의 존재로 인하여, 평탄화의 속도가 불균일할 수 있다. 즉, 금속 패드(1615)가 존재하는 영역의 경우, 금속 패드(1615)가 존재하지 않은 영역에 비해 평탄화의 속도가 빠를 수 있다. 평탄화의 속도는 금속 패드(1615)들의 배치 밀도가 높을수록, 더 빠를 수 있다. 그 결과, 금속 패드(1615)가 존재하는 영역과 금속 패드(1615)가 존재하지 않은 영역의 사이에 글로벌 단차가 형성되는 침식 현상이 발생될 수 있다. 이로 인해, 도 16에 도시된 바와 같이, 금속층(1410, 1510)이 제거되면서 금속 패드(1615) 상의 정지층(1213)이 제거되고, 절연층(1211) 상에는 정지층(1213)이 적어도 일부 두께만큼 남을 수 있다. 아울러, 이러한 평탄화 중에, 도 16에 도시된 바와 같이, 금속 패드(1615)의 표면에서 위치에 따라 단차가 발생하는 디싱 현상이 발생될 수 있다. During the flattening, the flattening speed may be uneven due to the presence of the metal pad (1615). That is, in the area where the metal pad (1615) exists, the flattening speed may be faster than in the area where the metal pad (1615) does not exist. The flattening speed may be faster as the arrangement density of the metal pads (1615) is higher. As a result, an erosion phenomenon may occur in which a global step is formed between the area where the metal pad (1615) exists and the area where the metal pad (1615) does not exist. As a result, as illustrated in FIG. 16, when the metal layers (1410, 1510) are removed, the stop layer (1213) on the metal pad (1615) is removed, and at least a portion of the stop layer (1213) may remain on the insulating layer (1211). In addition, during this flattening, a dishing phenomenon may occur in which a step is generated depending on the location on the surface of the metal pad (1615), as illustrated in FIG. 16.

계속해서, 1070 단계에서, 정지층(1213)이 제거될 수 있다. 구체적으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 금속 패드(1615)가 존재하지 않는 영역의 절연층(1211) 상에서 남아 있는 정지층(1213)이 제거될 수 있다. 이 때, 인산(H3PO4) 용액을 이용하여, 정지층(1213)이 제거될 수 있다. 이로써, 침식 현상으로 인한 금속 패드(1615)가 존재하는 영역과 금속 패드(1615)가 존재하지 않은 영역 사이의 글로벌 단차가 감소 또는 제거될 수 있다. Continuing, at step 1070, the stop layer (1213) can be removed. Specifically, as illustrated in FIG. 17, the stop layer (1213) remaining on the insulating layer (1211) in the area where the metal pad (1615) does not exist can be removed. At this time, the stop layer (1213) can be removed using a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) solution. As a result, the global step between the area where the metal pad (1615) exists and the area where the metal pad (1615) does not exist due to the erosion phenomenon can be reduced or eliminated.

이러한 방식으로, 반도체 소자(1700)들이 준비될 수 있다. In this way, semiconductor devices (1700) can be prepared.

마지막으로, 1080 단계에서, 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자(1700)들이 적층될 수 있다. 이 때, 두 개의 반도체 소자(1700)들에 대해, 절연층(1211)들을 서로에 접합시키고, 금속 패드(1615)들을 서로에 접합시킬 수 있다. 이에 대해 보다 상세하게 후술된다. Finally, at step 1080, semiconductor elements (1700) can be stacked through hybrid bonding. At this time, for two semiconductor elements (1700), insulating layers (1211) can be bonded to each other, and metal pads (1615) can be bonded to each other. This will be described in more detail below.

먼저, 도 18에 도시된 바와 같이, 각각의 절연층(1211)들이 서로에 대향하고 각각의 금속 패드(1615)들이 서로에 대향하도록, 두 개의 반도체 소자(1700)들을 배치할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 반도체 소자(1700)들을 상하로 배치하되, 상부에 있는 반도체 소자(1700)를 반전시켜 하부에 있는 반도체 소자(1700)에 대향시킬 수 있다. First, as illustrated in FIG. 18, two semiconductor elements (1700) may be placed so that their respective insulating layers (1211) face each other and their respective metal pads (1615) face each other. For example, the two semiconductor elements (1700) may be placed vertically, but the upper semiconductor element (1700) may be inverted to face the lower semiconductor element (1700).

다음으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 절연층(1211)들에 대해 플라즈마 전처리를 진행하여, 절연층(1211)들의 표면들을 활성화시킬 수 있다. 이 때, 플라즈마 전처리에 의해 금속 패드(1615)들의 표면에 생성되는 자연 산화막이 제거될 수도 있다. 여기서, 아르곤(Ar) 가스를 이용하여, 플라즈마 전처리를 진행할 수 있다. 그런 다음, 도 19에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(1700)들의 사이에 압력을 인가하여, 절연층(1211)들의 표면들을 접합시킬 수 있다. 예를 들어, 절연층(1211)들의 산화물이 SiO2인 경우, 플라즈마 전처리에 의해 절연층(1211)의 표면이 SiOx 상태로 활성화되어, 공기와의 접촉으로 Si-OH 결합이 형성되며, 압력에 의해 Si-O-Si 본딩이 형성될 수 있다. Next, as illustrated in FIG. 18, plasma pretreatment may be performed on the insulating layers (1211) to activate the surfaces of the insulating layers (1211). At this time, a natural oxide film formed on the surfaces of the metal pads (1615) may be removed by the plasma pretreatment. Here, the plasma pretreatment may be performed using argon (Ar) gas. Then, as illustrated in FIG. 19, pressure may be applied between the semiconductor elements (1700) to bond the surfaces of the insulating layers (1211). For example, when the oxide of the insulating layers (1211) is SiO 2 , the surface of the insulating layers (1211) may be activated to a SiOx state by the plasma pretreatment, so that a Si-OH bond is formed by contact with air, and a Si-O-Si bond may be formed by the pressure.

다음으로, 도 20에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(1700)들의 사이에 압력과 열을 인가하여 금속 패드(1615)들을 접합시킬 수 있다. 여기서, 대략 200 ℃ 내지 400 ℃의 범위 내에 있는 온도로 열이 인가될 수 있다. 이 때, 반도체 소자(1700)들을 준비할 때 발생되는 침식 현상으로 인해 인한 금속 패드(1615)가 존재하는 영역과 금속 패드(1615)가 존재하지 않은 영역 사이의 글로벌 단차가 감소 또는 제거됨에 따라, 금속 패드(1615)들은 그들 사이에 큰 이격 공간 없이 근접하게 위치될 수 있다. 따라서, 열에 의해, 금속 패드(1615)들이 팽창되어 서로에 접촉될 수 있으며, 금속 패드(1615)들의 금속 재료의 확산으로 인해, 금속 패드(1615)들이 접합될 수 있다. 아울러, 반도체 소자(1700)들의 사이에서 발생 가능한 보이드, 균열, 박리 등과 같은 문제들을 억제 또는 방지할 수 있다.Next, as illustrated in FIG. 20, pressure and heat may be applied between the semiconductor elements (1700) to bond the metal pads (1615). Here, heat may be applied at a temperature in the range of approximately 200° C. to 400° C. At this time, since the global step between the area where the metal pads (1615) exist and the area where the metal pads (1615) do not exist due to the erosion phenomenon that occurs when preparing the semiconductor elements (1700) is reduced or eliminated, the metal pads (1615) can be positioned closely together without a large gap therebetween. Accordingly, the metal pads (1615) may expand due to the heat and come into contact with each other, and the metal pads (1615) may be bonded due to the diffusion of the metal material of the metal pads (1615). In addition, problems such as voids, cracks, and peeling that may occur between the semiconductor elements (1700) can be suppressed or prevented.

본 개시에 따르면, 개별 반도체 소자(1700)를 준비할 때, 절연층(1211) 상에 정지층(1213)을 형성함으로써, 정지층(1213)과 금속 패드(1615) 상에서 금속층(1410, 1510)을 평탄화하는 중에 발생되는 침식 현상으로 인한 글로벌 단차가 감소 또는 제거될 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자(1700)들을 적층할 때, 반도체 소자(1700)들의 사이에서 발생 가능한 보이드, 균열, 박리 등과 같은 문제들이 억제 또는 방지될 수 있다. 즉, 글로벌 단차가 감소 또는 제거됨에 따라, 금속 패드(1615)들이 그들 사이에 큰 이격 공간 없이 근접하게 위치되어, 서로에 대해 보다 효과적으로 접촉될 수 있다. 이는, 결과적으로 제조되는 3차원 적층된 반도체 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. According to the present disclosure, when preparing an individual semiconductor device (1700), by forming a stop layer (1213) on an insulating layer (1211), a global step difference due to an erosion phenomenon that occurs during planarization of a metal layer (1410, 1510) on the stop layer (1213) and the metal pad (1615) can be reduced or eliminated. Accordingly, when stacking the semiconductor devices (1700) through hybrid bonding, problems such as voids, cracks, and delamination that may occur between the semiconductor devices (1700) can be suppressed or prevented. That is, as the global step difference is reduced or eliminated, the metal pads (1615) can be positioned closely together without a large gap therebetween, thereby more effectively contacting each other. This can improve the reliability of a three-dimensionally stacked semiconductor device that is manufactured as a result.

요컨대, 본 개시는 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다. In summary, the present disclosure provides a method for manufacturing a three-dimensionally stacked semiconductor device.

본 개시에서, 3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법은, 반도체 소자(1700)들을 준비하는 단계, 및 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자(1700)들을 적층하는 단계(1080 단계)를 포함하고, 반도체 소자(1700)들을 준비하는 단계는, 칩(1111) 상에 절연층(1211)을 형성하는 단계(1020 단계), 절연층(1211) 상에 정지층(1213)을 형성하는 단계(1030 단계), 절연층(1211)과 정지층(1213)을 관통하는 적어도 하나의 패드 홀(1315)을 형성하는 단계(1040 단계), 패드 홀(1315) 내에 금속 패드(1615)를 형성하면서 정지층(1213) 상에 금속층(1410, 1510)을 형성하는 단계(1050 단계), 금속 패드(1615)를 남기면서 금속층(1410, 1510)을 평탄화하는 단계(1060 단계), 및 정지층(1213)을 제거하는 단계(1070 단계)를 포함할 수 있다. In the present disclosure, a method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device includes a step of preparing semiconductor devices (1700), and a step of laminating the semiconductor devices (1700) through hybrid bonding (step 1080), wherein the step of preparing the semiconductor devices (1700) includes a step of forming an insulating layer (1211) on a chip (1111) (step 1020), a step of forming a stop layer (1213) on the insulating layer (1211) (step 1030), a step of forming at least one pad hole (1315) penetrating the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) (step 1040), a step of forming a metal layer (1410, 1510) on the stop layer (1213) while forming a metal pad (1615) in the pad hole (1315) (step 1050), and a step of planarizing the metal layer (1410, 1510) while leaving the metal pad (1615). step (step 1060), and a step of removing the stop layer (step 1070).

본 개시에서, 금속층(1410, 1510)을 평탄화하는 단계(1060 단계)는, 금속층(1410, 1510)을 제거하면서 금속 패드(1615) 상의 정지층(1213)을 제거하고 절연층(1211) 상에 정지층(1213)을 적어도 일부 두께만큼 남길 수 있다. In the present disclosure, the step of planarizing the metal layer (1410, 1510) (step 1060) can remove the stop layer (1213) on the metal pad (1615) while removing the metal layer (1410, 1510) and leave the stop layer (1213) on the insulating layer (1211) to at least a portion of its thickness.

본 개시에서, 정지층(1213)을 제거하는 단계(1070 단계)는, 절연층(1211) 상에서 남아 있는 정지층(1213)을 제거할 수 있다. In the present disclosure, the step of removing the stop layer (1213) (step 1070) can remove the stop layer (1213) remaining on the insulating layer (1211).

본 개시에서, 정지층(1213)은 질화물을 포함할 수 있다.In the present disclosure, the stationary layer (1213) may include a nitride.

본 개시에서, 정지층(1213)을 제거하는 단계(1070 단계)는, 인산 용액을 이용하여 정지층(1213)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.In the present disclosure, the step of removing the stationary layer (1213) (step 1070) may include a step of removing the stationary layer (1213) using a phosphoric acid solution.

본 개시에서, 하이브리드 본딩을 통해 반도체 소자(1700)들을 적층하는 단계(1080 단계)는, 각각의 절연층(1211)들이 서로에 대향하고 각각의 금속 패드(1615)들이 서로에 대향하도록 두 개의 반도체 소자(1700)들을 배치하는 단계, 절연층(1211)들을 접합시키는 단계, 및 금속 패드(1615)들을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. In the present disclosure, the step (step 1080) of stacking semiconductor elements (1700) through hybrid bonding may include the steps of arranging two semiconductor elements (1700) such that their respective insulating layers (1211) face each other and their respective metal pads (1615) face each other, the step of bonding the insulating layers (1211), and the step of bonding the metal pads (1615).

본 개시에서, 절연층(1211)들을 접합시키는 단계는, 절연층(1211)들에 대해 플라즈마 전처리를 진행하여 절연층(1211)들의 표면들을 활성화시키는 단계, 및 반도체 소자(1700)들의 사이에 압력을 인가하여 절연층(1211)들의 표면들을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. In the present disclosure, the step of bonding the insulating layers (1211) may include the step of performing plasma pretreatment on the insulating layers (1211) to activate the surfaces of the insulating layers (1211), and the step of applying pressure between the semiconductor elements (1700) to bond the surfaces of the insulating layers (1211).

본 개시에서, 금속 패드(1615)들을 접합시키는 단계는, 반도체 소자(1700)들의 사이에 압력 및 열을 인가하여 금속 패드(1615)들을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.In the present disclosure, the step of bonding the metal pads (1615) may include the step of bonding the metal pads (1615) by applying pressure and heat between the semiconductor elements (1700).

본 개시에서, 절연층(1211)은 산화물을 포함할 수 있다.In the present disclosure, the insulating layer (1211) may include an oxide.

본 개시에서, 반도체 소자(1700)들을 준비하는 단계는, 절연층(1211)을 형성하는 단계 전에, 칩(1111) 내에 적어도 하나의 금속 비아(1115)를 형성하는 단계(1010 단계)를 더 포함할 수 있다.In the present disclosure, the step of preparing semiconductor devices (1700) may further include a step (step 1010) of forming at least one metal via (1115) within a chip (1111) before the step of forming an insulating layer (1211).

본 개시에서, 패드 홀(1315)을 형성하는 단계(1040 단계)는, 금속 비아(1115) 상에서 절연층(1211)과 정지층(1213)을 제거하여 패드 홀(1315)을 형성하는 단계를 포함하고, 이로써, 금속 패드(1615)가 금속 비아(1115)와 연통될 수 있다.In the present disclosure, the step of forming a pad hole (1315) (step 1040) includes the step of forming the pad hole (1315) by removing the insulating layer (1211) and the stop layer (1213) on the metal via (1115), thereby allowing the metal pad (1615) to communicate with the metal via (1115).

아울러, 본 개시는 상술된 제조 방법에 따라 제조되는 3차원 적층된 반도체 소자를 제공한다. In addition, the present disclosure provides a three-dimensionally stacked semiconductor device manufactured according to the manufacturing method described above.

본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.The various embodiments of this document and the terminology used herein are not intended to limit the technology described in this document to the specific embodiments, but should be understood to encompass various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiments. In connection with the description of the drawings, similar reference numerals may be used for similar components. The singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this document, expressions such as "A or B", "at least one of A and/or B", "A, B, or C" or "at least one of A, B and/or C" can include all possible combinations of the items listed together. Expressions such as "first", "second", "first" or "second" can modify the corresponding components, regardless of order or importance, and are only used to distinguish one component from another component and do not limit the corresponding components. When it is said that a certain (e.g., a first) component is "(functionally or communicatively) connected" or "connected" to another (e.g., a second) component, said certain component may be directly connected to said other component, or may be connected via another component (e.g., a third component).

다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 단계들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 단계들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. According to various embodiments, each component of the described components may include a single or multiple entities. According to various embodiments, one or more components or steps of the aforementioned components may be omitted, or one or more other components or steps may be added. Alternatively or additionally, the plurality of components may be integrated into one component. In such a case, the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component of the plurality of components prior to integration.

Claims (10)

3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법에 있어서,
반도체 소자들을 준비하는 단계; 및
하이브리드 본딩을 통해 상기 반도체 소자들을 적층하는 단계
를 포함하고,
상기 반도체 소자들을 준비하는 단계는,
칩 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 정지층을 형성하는 단계;
상기 절연층과 상기 정지층을 관통하는 적어도 하나의 패드 홀을 형성하는 단계;
상기 패드 홀 내에 금속 패드를 형성하면서 상기 정지층 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속 패드를 남기면서 상기 금속층을 평탄화하는 단계; 및
상기 정지층을 제거하는 단계
를 포함하고,
상기 칩 상에서 상기 금속 패드가 있는 제 1 영역과 나머지의 제 2 영역이 정의되고,
상기 금속층을 평탄화하는 단계는,
상기 금속층을 평탄화하는 속도가 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역에서 다름으로 인해, 상기 금속층을 제거하면서 상기 제 1 영역의 상기 정지층을 제거하고 상기 제 2 영역의 상기 정지층을 일부 두께만큼 남기고, 이로써, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 사이에 단차가 발생되고,
상기 정지층을 제거하는 단계는,
상기 절연층 상에서 남아 있는 상기 정지층을 제거하여, 상기 단차가 감소 또는 제거되게 하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In a method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device,
Step of preparing semiconductor devices; and
A step of stacking the above semiconductor elements through hybrid bonding
Including,
The steps for preparing the above semiconductor devices are:
A step of forming an insulating layer on a chip;
A step of forming a stop layer on the above insulating layer;
A step of forming at least one pad hole penetrating the insulating layer and the stop layer;
A step of forming a metal layer on the stop layer while forming a metal pad within the pad hole;
a step of flattening the metal layer while leaving the metal pad; and
Step for removing the above-mentioned stop layer
Including,
On the chip, a first region having the metal pad and a second region of the remainder are defined,
The step of flattening the above metal layer is:
Since the speed of planarizing the metal layer is different in the first region and the second region, the stop layer in the first region is removed while removing the metal layer, and the stop layer in the second region is left with a certain thickness, thereby generating a step between the first region and the second region.
The step of removing the above-mentioned stop layer is:
By removing the remaining stop layer on the insulating layer, the step is reduced or eliminated.
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 정지층은 질화물을 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 1,
The above-mentioned stop layer comprises a nitride,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 정지층을 제거하는 단계는,
인산 용액을 이용하여 상기 정지층을 제거하는 단계
를 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 1,
The step of removing the above-mentioned stop layer is:
Step of removing the above-mentioned stationary layer using a phosphoric acid solution
Including,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 본딩을 통해 상기 반도체 소자들을 적층하는 단계는,
각각의 절연층들이 서로에 대향하고 각각의 금속 패드들이 서로에 대향하도록 두 개의 반도체 소자들을 배치하는 단계;
상기 절연층들을 접합시키는 단계; 및
상기 금속 패드들을 접합시키는 단계
를 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 1,
The step of stacking the semiconductor elements through the above hybrid bonding is:
A step of arranging two semiconductor elements so that their respective insulating layers face each other and their respective metal pads face each other;
a step of bonding the above insulating layers; and
Step of bonding the above metal pads
Including,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 5 항에 있어서,
상기 절연층들을 접합시키는 단계는,
상기 절연층들에 대해 플라즈마 전처리를 진행하여 상기 절연층들의 표면들을 활성화시키는 단계; 및
상기 반도체 소자들의 사이에 압력을 인가하여 상기 절연층들의 표면들을 접합시키는 단계
를 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 5,
The step of bonding the above insulating layers is:
A step of activating the surfaces of the insulating layers by performing plasma pretreatment on the insulating layers; and
A step of bonding the surfaces of the insulating layers by applying pressure between the semiconductor elements.
Including,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 5 항에 있어서,
상기 금속 패드들을 접합시키는 단계는,
상기 반도체 소자들의 사이에 압력 및 열을 인가하여 상기 금속 패드들을 접합시키는 단계
를 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 5,
The step of bonding the above metal pads is:
A step of bonding the metal pads by applying pressure and heat between the semiconductor elements.
Including,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 절연층은 산화물을 포함하는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 1,
The above insulating layer comprises an oxide,
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체 소자들을 준비하는 단계는,
상기 절연층을 형성하는 단계 전에,
상기 칩 내에 적어도 하나의 금속 비아를 형성하는 단계
를 더 포함하고,
상기 패드 홀을 형성하는 단계는,
상기 금속 비아 상에서 상기 절연층과 상기 정지층을 제거하여 상기 패드 홀을 형성하는 단계
를 포함하고, 이로써, 상기 금속 패드가 상기 금속 비아와 연통되는,
3차원 적층된 반도체 소자의 제조 방법.
In paragraph 1,
The steps for preparing the above semiconductor devices are:
Before the step of forming the above insulating layer,
A step of forming at least one metal via within the chip
Including more,
The step of forming the above pad hole is:
A step of forming the pad hole by removing the insulating layer and the stop layer on the metal via.
, and thereby, the metal pad is in communication with the metal via.
A method for manufacturing a three-dimensionally laminated semiconductor device.
제 1 항, 또는 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 따라 제조되는 3차원 적층된 반도체 소자.
A three-dimensional stacked semiconductor device manufactured according to the manufacturing method described in any one of claims 1 to 9.
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KR20020038174A (en) * 2000-11-16 2002-05-23 첸엠엘 Method of fabricating a metal line
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