用于三维集成结构的改善布线的制作方法

本申请要求2015年12月18日提交的法国专利申请No.1562785的优先权，其公开内容通过引用并入于此。

技术领域

本发明的各种实施例和其实施方式涉及三维集成结构，例如包括刚性附接在一起的单独芯片的结构，或者被称为单片的——换句话说，由各种元件(衬底、互连部分等)的连续堆叠形成的——三维结构，并且更具体而言，涉及这种结构的各种元件之间的互连的布线。

背景技术：

通常，集成电路的部件由在两个优选的正交方向上行进的导电轨道互连。这一类型的布线被本领域技术人员称为“曼哈顿(Manhattan)布线”。这一类型的布线不允许电路的斜向定位的两个部件“以直线”连接，例如在由优选的正交连接方向形成的参考系中相对于彼此沿着对角线连接。互连长度(并且因此，信号的传播时间)不是在电路的所有方向上都是最优的。

从电路的性能特性的观点来看，允许斜向(例如对角线)互连的布线将是期望的，但是与用于具有高集成密度的集成电路的制造技术不兼容。

技术实现要素：

因此，根据一个实施例，提供了如下集成结构，其包括在至少三个不同方向上行进的传导轨道，并且其制造通过常规方法以简单方式执行。

根据一个方面，提供了如下三维集成结构，其包括：至少第一衬 底，包括定向在至少第一方向上的第一部件(例如，形成晶体管的栅极或者电阻器的多晶硅的线，其在第一方向上行进从而向这些晶体管或者这些电阻给出第一定向)；第二衬底，包括定向在至少第二方向上的第二部件；以及至少一个互连层级，包括在至少第三方向上行进的导电轨道，第二方向和/或第三方向与第一方向形成非直角并且非零角，以这样的方式使得第一部件或者第二部件的两个点经由包括导电轨道中的至少一个导电轨道的第一电链路连接。

因此，通过使用三维集成结构(其一部分相对于该结构的另一部分旋转非零并且非直角的角)，成为可能的是，以简单方式，在两个点之间形成直的和斜向的电链路，这对于“曼哈顿”类型的常规布线是不可能的。

无论结构是单片类型的还是由单独的芯片形成的，这都是可应用的。

因此，在单片结构的情形下，两个衬底可以成角度地偏移，其中第三方向平行于第二方向，但是因为这一原因，相对于第一方向成角度地偏移。

作为变体，两个衬底可以不成角度地偏移，但是在这一情形下，是互连层级相对于两个衬底成角度地偏移。

当然可能的是，在每个衬底的顶部上提供互连的至少一个层级，其中例如组件“与第二衬底关联的互连层级”相对于组件“与第一衬底关联的互连层级”成角度地偏移。

在单独芯片的情形下，第一芯片可以包含第一衬底和第一互连部分，第二芯片可以包含第二衬底和第二互连部分，并且当两个芯片被组装时，它们将成角度地偏移。

优选地，非直角并且非零角是45°的角。

根据“单独芯片”类型的一个变体，集成结构可以包括至少：

-第一元件(例如第一芯片)，其包括第一衬底和至少第一互连层级，第一互连层级包含至少在平行于或者正交于第一方向的第四方向上行进的第一导电轨道，以及

-第二元件(例如第二芯片)，其包括至少第二衬底和至少第二互连层级，第二互连层级包含在至少第三方向的定向上行进的第二导电轨道。

两个元件被刚性附接在一起，并且

-第二方向与第一方向形成非直角并且非零角，

-第三方向平行于或者正交于第二方向，并且

-第一元件的至少两个点通过包括第二导电轨道中的至少一个第二导电轨道的第一电链路电连接。

因此，所提供的结构包括两个元件，两个元件的互连的布线以常规方式形成，例如被称为“曼哈顿布线”的布线，并且两个元件被以如下方式刚性附接，使得该结构包括在三个方向上行进的金属轨道，这三个方向包括相对于其它两个方向的一个斜向方向，这允许相对于仅包括两个优选布线方向的结构而言减少轨道的长度。

换句话说，属于第二芯片的至少一个互连层级的第二轨道中的至少一个第二轨道被用于以斜向方式将第一芯片的两个点电连接。

一般而言，第一导电轨道可以在第四和/或第五正交方向上行进，并且第二金属轨道可以在第三和/或第六正交方向上行进。

每个元件可以包括互连部分，例如BEOL(后道工序)(根据本领域技术人员熟知的首字母缩写)类型的互连部分，该互连部分包括若干金属层级，并且所讨论的元件的至少一个互连层级是该互连部分的至少一个金属层级。

第一电链路可以包括将两个点连接到至少第二导电轨道的过孔。

第一元件和第二元件可以通过导电柱体或者经由它们的相应互连部分通过混合结合刚性附接在一起。

两个元件中的至少一个元件可以包括至少一个集成电路，例如形成在其衬底内的集成电路。

第二元件的至少两个点也可以通过第二电链路电连接，第二电链路包括与至少第二互连层级的第二导电轨道形成非直角并且非零角的第一导电轨道中的至少一个第一导电轨道。

换句话说，此处这由双结构组成，其中例如，第一元件的两个部件可以经由定位在第二元件的层级处的斜向链路连接，并且反之亦然。

根据另一变体，集成结构可以是包括至少第一衬底、第二衬底、以及至少一个互连层级的三维单片结构。

例如，第一和第二方向可以是平行的，并且第三方向与第一方向和第二方向形成非直角并且非零角。

作为变体，第二方向和第三方向可以是平行的，并且与第一方向形成非直角并且非零角。

在这一实施例中，第一衬底的两个点可以通过包括至少一个互连层级的导电轨道中的一个导电轨道的电链路连接。

单片集成结构还可以包括第一衬底和第二衬底之间的至少一个附加互连层级，并且附加互连层级的两个点可以通过包括在至少第三方向上行进的第二互连层级的第二导电轨道的第二电链路连接。

根据另一方面，提供了用于制造三维集成结构的方法，该方法包括：

-形成至少第一衬底，该第一衬底包括定向在至少第一方向上的第一部件，

-形成第二衬底，该第二衬底包括定向在至少第二方向上的第二部件，以及

-形成至少一个互连层级，该至少一个互连层级包括在至少第三方向上行进的导电轨道，

第一衬底、第二衬底、以及至少一个互连层级被刚性附接在一起，使得第二方向和/或第三方向与第一方向形成非直角并且非零角，并且第一部件或者第二部件的两个点通过包括导电轨道中的至少一个导电轨道的第一电链路连接。

优选地，非直角并且非零角是45°的角。

根据一个实施例，该方法可以包括：

-形成包括第一衬底和至少第一互连层级的至少第一元件，第一 互连层级包含至少在平行于或者正交于第一方向的第四方向上行进的第一导电轨道，

-形成包括至少第二衬底和至少第二互连层级的第二元件，第二互连层级包含在至少第三方向的定向上行进的第二导电轨道，

-在元件中的一个元件相对于另一元件旋转非直角并且非零角，使得第二方向与第一方向形成非直角并且非零角度之后，刚性附接两个元件，第三方向平行于或者正交于第二方向。

第一电链路包括电连接第一元件的至少两个点的第二导电轨道中的至少一个第二导电轨道。

根据另一实施例，该方法可以包括形成单片集成结构，该单片集成结构包括组装在一起的至少第一衬底、第二衬底、以及至少一个互连层级。

第二和第三方向可以是平行的，并且与第一方向形成非直角并且非零角。

该方法还可以包括形成如下导电链路，该导电链路包括互连层级的导电轨道中的一个导电轨道并且连接第一衬底的两个点。

该方法还可以包括在第一衬底和第二衬底之间形成至少一个附加互连层级，并且形成包括在至少第三方向上行进的第二互连层级的第二导电轨道的第二电链路，第二电链路连接第一附加互连层级的两个点。

通过考虑旋转非直角并且非零角，有利地实施了对各种部件和导电轨道的放置/布线。

附图说明

本发明的其它优势和特征将在细阅对实施例和其实施方式以及附图的详细描述时变得明显，其中

-图1至图9图示了三维集成结构的方面。

具体实施方式

图1和图2图示了包括例如第一芯片的第一元件E1和例如第二芯片的第二元件E2的三维集成结构STR。结构STR因此是“单独芯片”类型的。

第一元件E1包括第一衬底S1和第一互连部分B1(通常由本领域技术人员使用针对后道工序(Back End Of Line)的首字母缩写BEOL来表示)，第一互连部分B1包括：若干互连层级(金属层级)，每个互连层级包括导电轨道(例如第一金属轨道21)；和这些金属层级之间的过孔V1的层级。

第二元件E2包括第二衬底S2和第二互连部分B2，第二互连部分B2包括第二金属轨道22、和这些金属层级之间的过孔V2的层级。

两个元件E1和E2每个都包括形成在其相应的衬底S1和S2内和/或上的多个部件1，例如晶体管。

如图2所示，第一衬底S1的部件被定向在至少第一优选方向D1上。在这一示例中，方向D1与X轴共线。因此，形成晶体管1的栅极的多晶硅线在第一方向D1上行进。

然而，一些晶体管可以具有如下栅极，其(大部分)在优选方向上延伸，并且具有垂直连接定向在优选方向上的部分的短分段，以便形成例如具有“T”、“U”、或者“E”形状的栅极。不过，虽然具有这些栅极附属物，但是部件将被认为定向在第一优选方向D1上。

第二衬底的部件以如下方式被定向在第二优选方向D2上，例如这里为具有沿着X轴的分量和沿着Y轴的分量的方向，使得第二方向与第一方向形成非直角并且非零角θ，例如45°的角θ。

第一互连部分B1的金属轨道21在第四方向D4上(这里与第一方向D1共线)、并且在正交于第四方向D4的第五方向D5上行进。

第二互连部分B2的金属轨道22在第三方向D3上(这里与第二方向D2共线)、并且在正交于第三方向D3的第六方向D6上行进。

两个元件E1和E2包括在它们的相应互连部分上的金属突块2，金属突块2通过金属-金属结合来固定集成结构，绝缘体-绝缘体结合通过位于金属突块之间的部分获得。金属突块2因此通过属于第一和 第二互连部分B1和B2的上金属轨道的两个部分的结合形成。这一类型(分子类型)的结合通常用术语“混合结合”表示。

集成结构STR包括连接第一元件E1的两个点4和5并且包括第二互连部分B2的金属轨道30的第一电链路3。这里，两个点各自属于第一互连部分B1的不同金属轨道。

两个点4和5借助于两个过孔31和32连接到金属轨道30。

包括第二金属轨道60的第二电链路6在这一示例中借助于两个过孔61和62连接第二互连层级B2的两个点7和8。

因此，第二互连部分B2的金属轨道30已经被用于在第一互连部分B1的两个点4和5之间形成对角线或者斜向链路。应该注意，金属轨道30不可以电连接到第二互连层级B2的任何其它金属轨道，并且因此仅被用于在第一元件E1的两个点4和5之间形成电链路。如果需要的话，金属轨道30可以被用于将第一元件E1的两个点4和5电连接到彼此，但是还连接到第二元件E2的另一点。

相似地，第一互连部分B1的金属轨道60已经被用于在第二互连部分B2的两个点7和8之间形成对角线或者斜向链路。

在形成这种结构的过程期间，元件E1和E2中的每个都以常规方式形成，并且两个元件的刚性附接是在将两个元件中的一个元件相对于另一元件旋转45°之后完成的。

此外，过孔31、32、61、以及62中的每个过孔的形成在两个部分中执行。每个过孔的第一分段被形成在第一元件中，并且第二分段被形成在第二元件中。过孔的每个分段从定位在该过孔位于其中的互连部分的上表面上的结合突块2开始延伸，所述上表面面对所关联的第二分段。每个过孔的两个分段被以如下方式组装，以便当第一元件和第二元件被结合在一起时形成同一个过孔。

因此，电链路3和6仅在两个元件E1和E2的结合时形成。第一元件E1的放置/布线是在考虑了第二元件E2的放置/布线的情况下执行的，和/或反之亦然。

应该注意，图1不是真正的横截面图，而是上文描述的电链路的 示意性简化视图。第一元件E1的点4和5不位于平行于图平面的相同平面内，而是沿着X轴相对于彼此偏移。

相似地，过孔31的两个分段和过孔31的两个分段从其开始行进的结合突块对相对于过孔31的两个分段并且相对于过孔31的两个分段从其开始行进的结合突块对沿着X轴偏移。

相同的说明可以被应用于点7和8并且被应用于被包括在链路6中的元件。

根据图3所示的另一实施例，每个互连部分包括在其上表面上的导电柱体10，例如铜柱体10，并且两个元件E1和E2借助于这些柱体刚性附接在一起。

结构STR还包括连接第一元件的两个点4和5的电链路11。

电链路包括两个过孔111和112以及第二互连部分B2的第二金属轨道110。这里，每个过孔的每个分段在这里从铜柱体开始行进，并且电链路11仅在两个元件E1和E2经由它们相应的铜柱体10的刚性附接时形成。

如图4所示，两个元件中的一个元件(例如第二元件E2)可以包括在其衬底S2的下表面上而非在其互连部分B2的上表面上的铜柱体10。

连接第一元件的两个点4和5的电链路14因此包括过孔141和142，过孔141和142的一部分(本领域技术人员称为首字母缩写TSV(针对硅通孔(Through Silicon Via)))从铜柱体10延伸到第二元件中，从而穿过第二衬底S2直到存在于第二互连层级中的金属轨道140。

应该注意，电链路14延伸到第二衬底S2的不包括任何部件的部分中。

这里再次，电链路14仅在两个元件E1和E2借助于铜柱体10的刚性附接时形成。

根据图5所示的另一方面，集成结构可以是单片结构，其包括第一衬底S3、第一互连部分B3、第二衬底S4、以及第二互连部分B4 的堆叠。

相比于之前的实施例，结构STR不是通过分开形成的两个元件的刚性附接获得的，而是通过各个层S3、B3、S4、B4的叠置获得的。

单片结构是以常规方式通过连续并且叠置地形成层S3、B3、S4、以及B4，通过在形成第一互连部分B3和形成第二衬底S4之间执行旋转45°的角θ来形成的。

因此，如图6所示，第一衬底S3的部件1被定向在第一优选方向D1上，第一优选方向D1在这一示例中与X轴共线。

第二衬底S4的部件被定向在第二优选方向D2上，此处第二优选方向D2包括沿着X轴的分量和沿着Y轴的分量，以便形成与第一方向D1的45°的角θ。

第一互连部分B3的金属轨道在第四方向D4和正交于第四方向D4的第五方向D5上行进。此处，第四方向D4与第一方向D1共线。

第二互连部分B4的金属轨道在第三方向D3和正交于第三方向D3的第六方向D6上行进。在这一示例中，第三方向包括沿着X轴的分量和沿着Y轴的分量，以这样的方式使得形成与第一方向的非直角且非零的角θ，例如此处为45°的角θ。

单片结构STR包括连接第一互连部分B3的两个点16和17并且包括第二互连部分B4的金属轨道150的电链路15。

这两个点通过根据常规方法形成的过孔151和152连接到金属轨道150。

因此，第二互连部分B4的金属轨道150被用于形成在第一互连部分B3的两个点16和17之间的对角线或者斜向链路。

根据图7所示的一个变体，单片结构可以包括第一衬底S5、第二衬底S6、以及互连部分B的堆叠。

在这一变体中，结构STR是以常规方式通过连续并且叠置地形成层S5、S6、以及部分B，通过在形成第二衬底S6和形成互连部分B之间执行旋转45°的角θ的来形成的。

该结构还包括连接第一衬底S5的两个点19和20(例如，形成在 第一衬底S5内的两个晶体管1的两个电极)并且包括互连层级S1的金属轨道180的电链路18。

两个点181和182通过过孔181和182连接到金属轨道180，过孔181和182穿过第二衬底S6的不包括任何部件的部分。

如图8所示，第一衬底S5的部件被定向在第一优选方向D1上，并且第二衬底S6的部件被定向在第二优选方向D2上。此处，第一优选方向和第二优选方向是共线的，沿着X轴定向。因此，形成晶体管1的栅极的多晶硅线在第一方向上行进。

互连部分B的金属轨道被定向在第三优选方向D3和正交于第二优选方向D2的第六优选方向D6上。

在这一示例中，第三优选方向D3在包括沿着X轴的分量和沿着Y轴的分量的方向上行进，以这样的方式使得形成与第一方向的非直角并且非零的角θ，例如此处为45°的角θ。

因此，互连部分B的金属轨道180被用于形成在第一衬底的两个点19和20之间的对角线或者斜向链路。

根据图9所示的一个变体，结构STR是以常规方式通过连续并且叠置地形成层S5、S6、以及部分B，通过在形成第一衬底S5和形成第二衬底S6之间执行旋转45°的角θ来形成的。

因此，第一方向D1沿着X轴延伸，并且第二方向和第三方向是共线的并且包括沿着X轴的分量和沿着Y轴的分量，以这样的方式使得形成与第一方向D1的45°的角θ。

本文中呈现的实施例和其实施方式是非限制性的。显而易见，虽然非直角并且非零角度在本文中具有45°的值，本文中呈现的实施例和其实施方式兼容任何角度值。

此外，在“单独芯片”类型的结构的变体中，将可能提供“背靠背”类型(根据本领域技术人员熟知的表达方式)的结构，换句话说，为如下结构，在该结构中，两个元件E1和E2的衬底S1和S2通过其背面(换句话说，其与承载互连部分(BEOL)的面相反的面)刚性附接。

本发明还可应用于通过被称为“结合和/或顺序构建结构”的技术获得的三维结构，该技术使用例如“种子窗口”以促进该结构的顶部部分中的硅的晶体部分的生长，或者沉积硅膜随后是晶化。