JP2003086591A

JP2003086591A - 貫通電極の製造方法および貫通電極

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Publication number: JP2003086591A
Application number: JP2001276638A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Yamamoto; 敏山本; Isao Takizawa; 功滝沢; Tatsuo Suemasu; 龍夫末益; Kazuhisa Itoi; 和久糸井; Hiroshige Nakamura; 裕成中村
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP4717290B2

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁層を形成する際の酸化処理を低温かつ短
時間で施すことができる貫通電極の製造方法及び貫通電
極を提供する。【解決手段】貫通電極の製造方法が、少なくとも、半
導体基板１１の主面に対し垂直方向に形成された細孔１
２の孔壁表面を多孔質化して多孔質層１５を形成する多
孔質層形成工程と、前記多孔質層を酸化して絶縁層１６
を形成する酸化工程と、前記細孔に導電性物質１７を充
填する金属充填工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、シリコン
ＩＣチップを積層して高密度実装する際の電気配線に利
用する貫通電極およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンＩＣチップの高密度実装や、電
子デバイス、光デバイス等の各種デバイスに貫通電極を
用いることがある。この貫通電極は、例えば、図５
（ｃ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板６１
に形成された、半導体基板を貫通する細孔の孔壁に絶縁
層６３が形成されており、細孔には金属等の導電性物質
６４が充填されている。この貫通電極を製造する製造方
法では、まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板６
１に、半導体基板６１を貫通する細孔６２を形成する細
孔形成工程を行う。細孔６２を形成する方法としては、
ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively CoupledPlasma-Reactive
Ion Etching）に代表されるＤＲＩＥ（Deep- Reactive
Ion Etching）法、ＫＯＨ溶液等を用いた異方性エッチ
ング法、マイクロドリルによる機械加工法、光励起電解
研磨法などが挙げられる。次いで、酸化工程において、
図５（ｂ）に示すように、シリコン基板を酸化雰囲気中
で熱処理して熱酸化し、シリコン基板６１の表面にシリ
コン酸化膜からなる絶縁層６３を形成させる。次いで、
金属充填工程において、スパッタ、めっき、スクリーン
印刷などにより、図５（ｃ）に示すように、金属等の導
電性物質６４を細孔内に充填する。このようにして、貫
通電極を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の貫通電極の製造方法において、酸化工程における熱
酸化は、約１０００℃の高温で処理を施す必要があっ
た。そのため、高温状態を保つのに要するエネルギー量
が多くなるだけでなく、その処理条件が要する設備は高
価であった。さらに、酸化処理に要する時間が長く、貫
通電極製造の生産性が低かった。これらの結果、貫通電
極のコストが高くなっていた。本発明は、前記事情を鑑
みて行われたものであり、細孔孔壁表面の絶縁層を形成
する際の酸化処理を低温かつ短時間で施すことができる
貫通電極の製造方法及び貫通電極を提供することを目的
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体基
板を多孔質化した後に酸化することにより、高温に長時
間暴露する熱酸化処理を行わずに絶縁膜を形成させるこ
とができることを見出し、本発明に到達した。すなわ
ち、本発明の貫通電極の製造方法は、少なくとも、半導
体基板の主面に対し垂直方向に形成された細孔の孔壁表
面を多孔質化して多孔質層を形成する多孔質層形成工程
と、前記多孔質層を酸化して絶縁層を形成する酸化工程
と、前記細孔に導電性物質を充填する金属充填工程とを
有することを特徴としている。

【０００５】本発明の貫通電極の製造方法では、多孔質
層形成工程と酸化工程を有しており、細孔形成工程で形
成した細孔の孔壁表面に多孔質層を形成させた後、この
多孔質層を酸化することにより、約１０００℃の高温下
に長時間暴露する熱酸化処理を行わなくても、多孔質層
を低温かつ短時間に酸化することができ、絶縁膜を形成
できる。そのため、酸化に要するエネルギー量が削減さ
れ、高温に耐えうる設備を必要としないので製造設備が
安価となる。また、処理時間が短縮されるため、生産性
が向上する。これらの結果として、貫通電極のコストを
下げることができる。

【０００６】また、本発明の貫通電極の製造方法におい
て、前記酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化す
ること好ましい。前記酸化工程では、前記多孔質層を酸
溶液で酸化すると、多孔質層を室温で酸化できるので、
酸化のためのエネルギー量をさらに削減できる。

【０００７】また、前記多孔質層を酸溶液で酸化する場
合において、前記酸溶液は、シュウ酸、リン酸、硝酸、
硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類である
ことが好ましい。前記酸溶液が、シュウ酸、リン酸、硝
酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類で
あると、多孔質層を速く酸化させることができるので、
酸化工程の生産性が向上し、結果的に貫通電極製造の生
産性が向上する。しかも、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫
酸、王水は容易に入手可能であり、かつ価格も安いの
で、結果的に、貫通電極のコストをさらに下げることが
できる。

【０００８】また、前記細孔は、Deep-Reactive Ion Et
ching法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工
法、マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで穿
孔されたことが好ましい。前記細孔形成工程を、Deep-R
eactive Ion Etching法、溶液による異方性エッチング
法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうちの少な
くとも１つで行うと、微細な加工が容易であるため、目
的とする細孔を半導体基板に効率的に形成することがで
きる。

【０００９】また、前記半導体基板としてｎ型シリコン
基板を用い、前記細孔形成工程を光励起電解研磨法で行
う場合には、前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程
と前記酸化工程とは装置構成及び反応プロセスが類似す
るため、前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前
記酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行うこ
とができる。前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程
と前記酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行
うと、連続的なプロセスを確立でき、各工程間の時間を
短縮できるので、貫通電極の製造時間を短縮することが
でき、結果的に生産性を向上させることができる。

【００１０】また、本発明の貫通電極は、上述した貫通
電極の製造方法で得られたことを特徴としているので、
効率的に生産され、コストを低くできる。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第一実施形態）本発明に係る第
一実施形態の貫通電極の製造方法について図１および図
２を参照しながら説明する。本実施形態の貫通電極の製
造方法では、半導体基板としてｐ型シリコン基板を用
い、ＤＲＩＥによって細孔を形成することを特徴として
いる。なお、図１は、本実施形態の貫通電極の製造方法
を工程順に示し、半導体基板を細孔の延在方向に切断し
たときの断面図であり、図２は、本実施形態において使
用される処理装置の概略を模式的に示す図である。

【００１２】本実施形態の製造方法では、まず、細孔形
成工程において、図１（ａ）に示すように、厚さ３００
μｍの半導体基板１１であるｐ型シリコン基板（以下、
本実施形態では、半導体基板１１をｐ型シリコン基板１
１と称する）に、ＤＲＩＥ法によって直径１００μｍ、
深さ２５０μｍの細孔１２を形成する。次いで、図１
（ｂ）に示すように、細孔１２が形成された反対側の面
に、導電性膜１３であるアルミニウム膜（以下、本実施
形態では、導電性膜１３をアルミニウム膜１３と称す
る）を積層する。ここで、主面とは、最も広い面積を有
する面のことであり、通常半導体基板を使用する際に、
表または裏となる面のことである。次いで、図１（ｃ）
に示すように、細孔１２表面以外のｐ型シリコン基板１
１表面に金属薄膜からなるマスク１４を施す。

【００１３】次いで、多孔質層形成工程において、図１
（ｄ）に示すように、ｐ型シリコン基板１１の細孔１２
の孔壁表面を多孔質化して多孔質層１５を形成する。な
お、細孔１２の孔壁表面を多孔質化する際には、図２に
示すような、電解液２１が満たされた反応容器２２と、
反応容器２２内部に設けられた白金板２３と、定電流電
源２４とを有する処理装置２５を用いる。この処理装置
２５の白金板２３と対向する位置にｐ型シリコン基板１
１を取り付け、白金板２３とｐ型シリコン基板１１とを
定電流電源２４を介して接続する。なお、電解液２１は
５０重量％のフッ化水素水溶液とエタノールとを２：１
で混合したものである。そして、ｐ型シリコン基板１１
を陽極、白金板２３を陰極として、電流密度５０ｍＡ／
ｃｍ２一定で５分間通電する。通電することによりｐ
型シリコン基板１１は多孔質化されるが、ｐ型シリコン
基板１１にはマスク１４が施されているので、細孔１２
孔壁のみに厚さ約８μｍの多孔質層１５を形成できる。
このような多孔質層１５は単位体積あたりの表面積が非
常に大きいので、高い電気抵抗率を有すると共に、反応
性に富んでいる。

【００１４】次いで、酸化工程において、多孔質層１５
を酸化して絶縁層１６を形成する。この酸化工程では、
上述した多孔質化工程で使用した処理装置２５におい
て、反応容器２２内の電解液２１を、５重量％のシュウ
酸水溶液に入れ替え、ｐ型シリコン基板１２を陽極、白
金板２３を陰極として、室温下、電流密度５０ｍＡ／ｃ
ｍ２で定電流を流して多孔質層１５を酸化する。

【００１５】次いで、貫通工程において、図１（ｅ）に
示すように、ｐ型シリコン基板１１に積層されたアルミ
ニウム膜１３およびマスク１４を剥離し、さらに研磨す
ることにより、細孔１２をｐ型シリコン基板表裏面間で
貫通させる。次いで、金属充填工程において、図１
（ｆ）に示すように、細孔１２に導電性物質１７である
インジウムを溶融金属吸引法により充填して、貫通電極
１８を得ることができる。

【００１６】上述したｐ型シリコン基板１１はマスクを
施した後に、多孔質形成工程において、細孔１２孔壁の
みに多孔質層１５を形成させたが、ｐ型シリコン基板１
１にマスク１４を施さない場合には、多孔質形成工程に
おいて、ｐ型シリコン基板１１の構造上、細孔１２孔壁
以外のｐ型シリコン基板１１表面にも多孔質層が形成さ
れることがある。なお、細孔１２孔壁以外のｐ型シリコ
ン基板１１表面にも多孔質層が形成されても、本発明の
効果を著しく阻害することはない。上述した多孔質形成
工程では、電解液を５０重量％のフッ化水素水溶液とエ
タノールとを２：１で混合したものを用い、電流密度を
５０ｍＡ／ｃｍ２、反応時間を５分としたが、これら
の条件は形成する細孔の大きさや数、目標とする多孔質
層の厚さなどに応じて、適宜変更することができる。た
だし、電流密度については、２００ｍＡ／ｃｍ２を超
えると、多孔質化できないことがあるので、２００ｍＡ
／ｃｍ２以下であることが好ましい。

【００１７】また、上述した酸化工程では、５重量％の
シュウ酸水溶液を使用したが、リン酸、硝酸、硫酸、王
水等の酸水溶液を使用することもできる。また、電流密
度を５０ｍＡ／ｃｍ２としたが、適宜変更することが
できる。

【００１８】上述した第一実施形態にあっては、細孔形
成工程をＤＲＩＥ法によって行い、微細な加工を施すこ
とができるので、ｐ型シリコン基板１１に効率的に細孔
１２を形成することができる。また、多孔質層形成工程
において、細孔１２孔壁表面に多孔質化した多孔質層１
５を形成させて、孔壁表面の反応性を高めた後、酸化工
程において、室温下、シュウ酸により多孔質層１５を酸
化して絶縁層１６を形成するので、熱酸化のように高温
にする必要が無く、酸化に要するエネルギー量を削減で
き、酸化のための装置も安価となる。また、酸化に要す
る時間も短縮され、生産性が向上する。このような結
果、貫通電極１８のコストを下げることができる。

【００１９】なお、上述した第一実施形態では、細孔形
成工程をＤＲＩＥ法によって行ったが、本発明はこれに
限定されず、使用するシリコン基板の厚さや形成する細
孔の大きさに応じて、水酸化カリウム水溶液等による異
方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工
法等の機械加工法などを行うこともできる。また、上述
した第一実施形態では、金属充填工程を溶融金属充填法
により行ったが、本発明はこれに限定されず、充填する
細孔の直径や深さに応じてスパッタ法、めっき法、スク
リーン印刷法等により行うことができる。

【００２０】また、上述した第一実施形態では、ｐ型シ
リコン基板１１を用いたが、ｎ型シリコン基板を用いて
もよい。ｎ型シリコン基板の面方位については特に制限
されないが、細孔形成工程を光励起電解研磨法で行う場
合には、面方位が（１００）であることが好ましい。ま
た、多孔質層の形成には、シリコン基板中のホール（正
孔）が関与しているため、ｎ型シリコン基板を用いた場
合には、少数キャリアであるホールを生成するために、
基板に光照射する必要がある。

【００２１】（第二実施形態）次に、本発明に係る第二
実施形態の貫通電極の製造方法について図３および図４
を参照しながら説明する。本実施形態の貫通電極の製造
方法は、半導体基板としてｎ型シリコン基板を用い、光
励起電解研磨法によって細孔を形成し、細孔形成工程と
多孔質層形成工程と酸化工程とを同一の処理装置を用い
て連続して行うことを特徴としている。なお、図３は、
本実施形態の貫通電極の製造方法を工程順に示し、半導
体基板を細孔の延在方向に切断したときの断面図であ
り、図４は、本実施形態において使用される処理装置の
概略を模式的に示す図である。

【００２２】本実施形態の製造方法では、まず、細孔形
成工程において、図３（ａ）に示すように、半導体基板
４１であるｎ型シリコン基板（以下、本実施形態では、
半導体基板４１をｎ型シリコン基板４１と称する）に細
孔４２を形成する。その際、ｎ型シリコン基板４１とし
ては、裏面にパターニングが施された導電性膜４３であ
るアルミニウム膜４３（以下、本実施形態では、導電性
膜４３をアルミニウム膜４３と称する）を有し、面方位
が（１００）、厚さが３００μｍのものを使用する。な
お、このｎ型シリコン基板４１には、細孔を形成させよ
うとする箇所にＶ字状の溝をあらかじめ形成しておく。
また、アルミニウム膜４３をパターニングする理由は、
ｎ型シリコン基板にホールを生成させるために、後述す
るようにｎ型シリコン基板の裏面から基板に光照射する
が、その際、ｎ型シリコン基板に直接光を照射するため
である。細孔形成工程では、図４に示すような、２．５
重量％のフッ化水素水溶液の電解液５１が満たされた反
応容器５２と、反応容器５２内部に設けられた白金板５
３と、定電流電源５４と、ｎ型シリコン基板４１の裏面
から光を照射する光源５５とを有する処理装置５６を使
用する。この処理装置５６にｎ型シリコン基板４１を取
り付け、ｎ型シリコン基板４１の裏面側から、Ｖ字状溝
に対応する部分に光源５５により光を照射しながら、ｎ
型シリコン基板４１を陽極、白金板５３を陰極として、
定電流を流す。このようにして、Ｖ字状の溝先端を選択
的にエッチングして直径約１００μｍの細孔４２を形成
する。

【００２３】次いで、多孔質層形成工程において、図３
（ｂ）に示すように、細孔４２が形成されたｎ型シリコ
ン基板４１の細孔４２の孔壁を多孔質化して多孔質層４
４を形成させる。この多孔質層形成工程では、細孔形成
工程後、ｎ型シリコン基板４１を取り外さずに上述した
処理装置５６を使用する。すなわち、ｎ型シリコン基板
４１を処理装置５６に取り付けたまま、細孔形成工程に
おいて使用した反応容器５２内の電解液５１を、５０重
量％のフッ化水素溶液とエタノールとを２：１で混合し
た溶液に入れ替え、次いで、ｎ型シリコン基板４１を陽
極、白金板５３を陰極として、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ
２で５分間通電して、厚さ約８μｍの細孔４２の孔壁
表面に多孔質層４４を形成させる。

【００２４】次いで、酸化工程において、多孔質層４４
を酸化する。この酸化工程においても、多孔質層形成工
程後、ｎ型シリコン基板を取り外さずに上述した処理装
置５６を使用する。すなわち、ｎ型シリコン基板を処理
装置５６に取り付けたまま、多孔質層形成工程において
使用した反応容器５２内の５０重量％のフッ化水素溶液
とエタノールとを２：１で混合した溶液を、５重量％の
シュウ酸水溶液に入れ替え、次いで、ｎ型シリコン基板
４１を陽極、白金板５３を陰極として、室温下、電流密
度５０ｍＡ／ｃｍ２で定電流を流して多孔質層４４を
酸化する。このようにして、細孔形成工程と多孔質層形
成工程と酸化工程とを同一の処理装置で連続的に行う。

【００２５】次いで、貫通工程において、図３（ｃ）に
示すように、ｎ型シリコン基板４１裏面のアルミニウム
膜４３を剥離し、さらに研磨することにより、ｎ型シリ
コン基板４１の表裏を貫通する。次いで、金属充填工程
において、図３（ｄ）に示すように、形成した細孔４６
に導電性物質４７であるインジウムを溶融金属吸引法に
より充填して、貫通電極４８を得ることができる。

【００２６】上述した第二実施形態にあっては、ｎ型シ
リコン基板の細孔形成工程を光励起電解研磨法で行うの
で、細孔形成工程と、多孔質層形成工程ならびに酸化工
程とにおける装置構成およびプロセスが類似する。その
ため、細孔形成工程と多孔質層形成工程と酸化工程とを
同一の処理装置で連続して行うことができ、各工程間の
時間を短縮できる。その結果、貫通電極の製造時間を短
縮することができ、結果的に生産性を向上させることが
できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の貫通電極の製造方法によれば、
多孔質層を酸化することにより低温かつ短時間に酸化し
て絶縁膜を形成できる。そのため、酸化のためのエネル
ギー量が削減される。また、高温に耐えうる設備を必要
としないので製造設備が安価である。さらに、処理時間
が短縮されるため、生産性が向上する。これらの結果と
して、貫通電極のコストを下げることができる。また、
酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化すると、多
孔質層を室温で酸化できるので、酸化のためのエネルギ
ー量をさらに削減できる。また、多孔質層を酸溶液で酸
化する場合において、酸溶液が、シュウ酸、リン酸、硝
酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類で
あると、酸化工程の生産性が向上する上に、貫通電極の
コストをさらに下げることができる。また、前細孔を、
Deep-Reactive Ion Etching法、溶液による異方性エッ
チング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうち
の少なくとも１つで穿孔すると、目的とする細孔を半導
体基板に効率的に形成することができる。また、半導体
基板としてｎ型シリコン基板を用い、細孔形成工程を光
励起電解研磨法で行い、細孔形成工程と多孔質層形成工
程と酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行う
と、貫通電極の製造時間を短縮することができ、結果的
にさらに生産性を向上させることができる。また、本発
明の貫通電極は、上述した貫通電極の製造方法で得られ
たことを特徴としているので、効率的に生産され、コス
トを低くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第一実施形態の貫通電極の製造
方法を工程順に示す断面図である。

【図２】第一実施形態の貫通電極の製造方法において
使用される処理装置を示す模式図である。

【図３】本発明に係る第二実施形態の貫通電極の製造
方法を工程順に示す断面図である。

【図４】第二実施形態の貫通電極の製造方法において
使用される処理装置を示す模式図である。

【図５】従来の貫通電極の製造方法を工程順に示す断
面図である。

【符号の説明】

１１，４１…半導体基板（ｐ型シリコン基板、ｎ型シリ
コン基板）、１２，４２…細孔、１３，４３…導電性膜
（アルミニウム膜）、１５，４４…多孔質層、１６，４
５…絶縁層、１７，４７…導電性物質、２５，５６…処
理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者末益龍夫東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者糸井和久東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者中村裕成東京都江東区木場１丁目５番１号株式会社フジクラ内Ｆターム(参考） 5F033 JJ07 MM30 NN40 PP15 PP26 PP27 PP28 QQ07 QQ13 QQ19 QQ27 QQ46 QQ47 QQ53 QQ73 QQ75 QQ89 RR04 TT07 XX34 5F043 AA02 BB02 DD08 DD14 EE01 GG04 5F058 BC02 BE03 BF70 BJ10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、半導体基板（１１，４１）
の主面に対し垂直方向に形成された細孔（１２，４２）
の孔壁表面を多孔質化して多孔質層（１５，４４）を形
成する多孔質層形成工程と、前記多孔質層を酸化して絶
縁層（１６，４５）を形成する酸化工程と、前記細孔に
導電性物質（１７，４７）を充填する金属充填工程とを
有することを特徴とする貫通電極の製造方法。
【請求項２】前記酸化工程では、前記多孔質層を酸溶
液で酸化することを特徴とする請求項１に記載の貫通電
極の製造方法。
【請求項３】前記酸溶液は、シュウ酸、リン酸、硝
酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類で
あることを特徴とする請求項２に記載の貫通電極の製造
方法。
【請求項４】前記細孔は、Deep-Reactive Ion Etchin
g法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工法、
マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで穿孔さ
れたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
貫通電極の製造方法。
【請求項５】前記半導体基板としてｎ型シリコン基板
を用い、前記細孔形成工程を光励起電解研磨法で行い、
前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前記酸化工
程とを同一の処理装置（２５，５６）を用いて連続的に
行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
貫通電極の製造方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の貫通電
極の製造方法で得られたことを特徴とする貫通電極。