JP2005026405A

JP2005026405A - 貫通電極構造およびその製造方法、半導体チップならびにマルチチップ半導体装置

Info

Publication number: JP2005026405A
Application number: JP2003189413A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sumikawa; 雅人住川; Rina Murayama; 里奈村山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】高速信号の遅れや波形の乱れを抑制できる貫通電極構造と、その製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体チップ１１，１２の半導体基板および絶縁膜３１を貫通する孔内に、半導体チップ１１，１２の厚み方向に延在する略円筒形の金属プラグ２２と、この金属プラグ２２の外周に配置されて有機樹脂からなる筒状の絶縁層２３とを配置して、貫通電極構造を構成する。絶縁層２３を、キシリレンポリマーで形成することにより、貫通電極構造のキャパシタンスを効果的に低減して、信号の劣化が低減できると共に、高速信号伝送が可能になる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貫通電極構造およびその製造方法、半導体チップならびにマルチチップ半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯情報機器等に代表される電子機器の小型化や軽量化の要求に伴い、回路基板の小型化が求められている。このような要求に対応するため、複数のＬＳＩ（大規模集積回路）を集積し、１チップのみで複数の機能を実現するシステムＬＳＩ技術が開発されている。これを第１の従来技術という。
【０００３】
上記システムＬＳＩ技術は、複数の機能を集積化し、電子機器の小型化・高機能化が可能となる点で大きな効果を発揮するが、以下のような問題がある。例えばロジック部とメモリ部等のように、異なるプロセスを経て形成されるデバイスを１チップ化すると、製造工程が増大し、歩留まり率が低下する場合がある。また、メモリチップ等の単一の機能を有するチップよりも寸法が大きくなるので、チップの歩留りが低下し、したがって、製造コストが上昇する場合がある。このように、上記システムＬＳＩ技術は、小型化および高機能化の利点と、歩留まり率の低下およびコスト高の欠点とが、トレードオフの関係で発生する。
【０００４】
さらに、上記システムＬＳＩの製造に際して、設計の複雑化や、高機能の製造設備を導入する必要性も生じる。このように、高度な設計・製造レベルが要求されるシステムＬＳＩは、近年特に厳しく要求されるタイム・トゥ・マーケット（受注から納品までにかかる時間）の短縮が、困難である。加えて、顧客の注文に応じた少量多品種の生産が前提となるので、設計および設備費用を回収するにあたって、価格の上昇は避け難い。これらのことから、あらゆる電子機器に対して半導体装置を１チップ化しようとするのは、必ずしも効率的ではない。
【０００５】
このような１チップのシステムＬＳＩの問題を解決するため、異なるプロセスを経て形成した複数のデバイスを、実装技術により複合化し、システムＬＳＩ化する考え方がある。そのような従来技術の一例として、中継基板に複数のチップを搭載してシステム化し、１パッケージとしてユーザーに提供する、いわゆるＭＣＰ（マルチ・チップ・パッケージ）を挙げることができる。これを第２の従来技術という。
【０００６】
従来のＭＣＰでは、ワイヤボンド技術やＣ４（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｌｌａｐｓｅｃｈｉｐｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ：制御圧壊チップ接続）技術などを利用して、中継基板とチップとの接続を行っている。このＭＣＰでは、上記チップ間の接続を、中継基板上の配線を介して行うので、構造が複雑になり、また、上記チップ数が増大するにつれ、上記中継基板上の配線やワイヤボンド配線が煩雑になるという課題を有する。また、配線を平面的に引き回せなくなるので、多層基板が必要になって、構造の複雑化とコスト上昇を招いたり、ワイヤボンドを行なうための空間上の制約が生じるという課題を有する。
【０００７】
さらに、上記ＭＣＰは、システムが複雑になるに伴って配線やワイヤ線が長くなるので、電気信号の伝達に遅延が生じ、システムの高速化にも適合しにくいという課題もある。近年の電子機器の高機能化によって、電子回路内でやり取りされるデータ量は増大の一途にあり、クロック周波数も増加していく傾向がある。また、高機能コンピュータのようなハイエンドシステムだけでなく、携帯情報端末のような比較的低価格のシステムにおいても、ＧＨｚオーダーの信号伝送が必要とされてきている。このような高速化の要求に対応し難い点から、第２の従来技術としてのＭＣＰは、将来に亘って有効な実装技術とは言えない。
【０００８】
上記第１および第２の従来技術の課題を解決するものとして、図１０に示すような半導体装置がある（特許文献１：特開平１０−２２３８３３号公報）。この半導体装置では、デバイスを形成したウエハやチップに貫通電極を形成し、この貫通電極によって、積層した複数個のチップの電気的機械的接続を行う。以下、この技術を第３の従来技術という。
【０００９】
図１０において、１１１、１１２はＳｉ（シリコン）などからなる半導体基板であり、１２１は上記半導体基板を貫通する穴に形成された貫通電極である。上記貫通電極１２１は、導体物質からなる金属プラグ１２２と、この金属プラグ１２２の周面を覆う絶縁層１２３とで構成されている。また、低融点金属などからなる接続部材１６１によって、上記金属プラグ１２２の端部を互いに接続して、複数の上記半導体基板を接続している。
【００１０】
上記第３の従来技術によれば、異なるプロセスを経て形成されたチップ同士を、上記半導体基板１１１，１１２を貫通する貫通電極１２１によって直接接続している。上記チップは、５００μｍ程度の厚みを有するウエハの状態から、薄型加工がなされているため、上記貫通電極の長さはそれよりも小さい。したがって、チップ間の接続を行う配線長は、第２の従来技術よりも短くなるため、高速化が要求されるシステムにも適合しやすい。また、複数のチップを縦方向に積層することから、半導体装置の小型化にも応えることができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２２３８３３号公報（第１図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記第３の従来技術では、絶縁層１２３を、ＳｉＯ_２膜（膜厚１００ｎｍ）とＳｉ_３Ｎ_４膜（膜厚１００ｎｍ）とを順次積層している。図１１は、上記貫通電極の絶縁層１２３と金属プラグ１２２とを抜き出して示した模式図である。図１１において、１２２は金属プラグ、２３０はＳｉ_３Ｎ_４膜、２３１はＳｉＯ_２膜である。
【００１３】
図１１に示す貫通電極の周囲をグランドとし、信号線である金属プラグ１２２側から順に、膜厚１００ｎｍのＳｉ_３Ｎ_４膜２３０と、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ_２膜２３１とを形成している。両物質の比誘電率は、それぞれ４と７程度であることが知られている。一方、貫通穴の径については数値が示されていないが、仮に２０μｍであるとする。そうすると、上記貫通電極の単位長さ当たりのキャパシタンスを求めると、約６２ｎＦとなる。このキャパシタンスが小さい程、高速信号伝送に有利である。その理由を、以下に詳述する。
【００１４】
電気回路において、任意の２点間の電気信号の伝播は、導体を経て行われる。電気信号を伝えるには、電流値の時間的変化が必要であるが、この変化が回路長さに対して十分に遅い（つまり、周波数が小さい）場合、その回路は、集中定数回路と呼ばれる。
【００１５】
しかし、近年、電子回路でやり取りされる情報量は増加の一途であるため、回路の動作周波数も増大する傾向にある。上記動作周波数が高くなると、電子回路の回路長に関するデバイスの設計において、電流の時間変化も考慮に入れた設計が必要となる。すなわち、電気信号の伝達を波動として捉える必要があると言える。
【００１６】
そこで、導体中の電子の移動により、電磁波が伝わっていく現象を考える。
【００１７】
１本の信号線に沿って荷電粒子が伝わっていくと、電気力線がその周囲に発生し、この電気力線は、上記信号線に沿って移動していく。上記電気力線の終端部はグランド線であり、このグランド線に至るまでの物質中の荷電粒子（キャリア）に、上記電気力線が影響を及ぼす。上記信号線とグランド線との間に導体や半導体などがある場合、上記信号線の電荷の移動に伴う電気力線の移動によって、反対電荷のキャリアを誘起して動かすことになる。また、上記信号線とグランド線との間に絶縁体があれば、この絶縁物の分極を促し、それを時間的に変化させる。
【００１８】
上記グランド線が信号線から遠くなると、その間に広がる電気力線によって移動する反対電荷や、分極が生じる絶縁体が増大することになるので、この反対電極の移動や分極の生成に要するエネルギーが増大して、電磁波エネルギーの減衰が増大することになる。
【００１９】
これらを定量的に説明すると、以下のようになる。図１２は、信号線とグランド線の等価回路であり、ΔＬは単位長さ当たりのインダクタンスを表し、ΔＲは抵抗を表し、ΔＣはキャパシタンスを表す。また、１００は信号線、１０１はグランド線である。各キャパシタに印加する電圧をＶ、各インダクタを流れる電流をＩとすると、上記等価回路について、以下の式（１），（２）の関係が成り立つ。
【００２０】
【数１】

ここで、ｚは電磁波の進行方向の座標である。式（１）、（２）よりＶを消去すると、
【数２】

が得られる。ここで、
【数３】

とおくと、
【数４】

また、式（４）において、ｘは信号線の延在方向の座標であり、ｔは時間であり、ｅは自然対数の底である。また、式（５）において、ｋの虚数部が電磁波の減衰を示す。
【００２１】
式（５）から分かるように、電磁波の減衰は、線路の抵抗およびキャパシタンスが大きいと大きくなり、インダクタンスが大きいと小さくなる。つまり、同一の抵抗値およびインダクタンスであれば、キャパシタンスが小さい方が信号の減衰が少なく、高周波数の信号伝送には有利である。
【００２２】
このことを、図７の貫通電極に当てはめると、絶縁層１２３の周囲がグランド電位である場合の貫通電極のキャパシタンスは、Ｓｉなどからなる半導体基板によって生成される。
【００２３】
この場合、Ｓｉ中の不純物によるキャリア濃度が導体中の自由電子に比べて圧倒的に少ないために、上記Ｓｉ基板でのキャリアの移動には時間を要する。従って、上記Ｓｉ基板自体も誘電体として扱う必要がある。すなわち、実際の回路においては存在している図示しないグランド線と、絶縁層１２３との間に挟まれた上記Ｓｉ基板の部分の誘電率も加味する必要がある。したがって、上記第３の従来技術における貫通電極のキャパシタンスは、実際には、単位長さ当たり約６２ｎＦという上述の概算値よりも大きな値になる。
【００２４】
別の見方によれば、上記貫通電極を通る電子で生成される電磁波は、それ自身によってＳｉ基板中に誘起されたホールに影響されて、高速の移動ができなくなる。すなわち、高速の信号伝送ができなくなる。
【００２５】
そこで、本発明の目的は、高速信号の遅れや波形の乱れを抑制できる貫通電極構造と、その製造方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の貫通電極構造は、半導体基板を貫通する貫通孔と、
上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、
上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層と
を備えることを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、上記金属プラグの外側に絶縁層が位置しており、この絶縁層は有機樹脂からなるので、比誘電率が比較的小さくてキャパシタンスが比較的小さい。したがって、上記金属プラグに信号が伝送されるとき、上記絶縁層を通過する電磁波エネルギーの減衰が、効果的に低減される。したがって、この貫通電極構造は、高速信号伝送を行なうことができ、また、この伝送する信号の劣化を効果的に防止できる。
【００２８】
上記貫通電極構造について、例えば、上記半導体基板に形成した直径が２０μｍの孔に、直径が１０μｍの金属プラグと、厚みが５μｍで有機樹脂からなる絶縁層とを形成して構成した場合、上記有機樹脂を、比誘電率が２．７のキシリレンポリマー樹脂で形成することにより、単位長さ当たりの貫通電極のキャパシタンスが、約０．２１ｎＦとなる。したがって、第３の従来技術におけるキャパシタンスが約６２ｎＦの絶縁層に対して、約３００分の１にキャパシタンスを低減できるので、上記金属プラグの電流値がｅ分の１にまで減衰する距離は、第３の従来技術に対して１７．３倍となる。したがって、本発明によれば、電磁波エネルギーの減衰が小さくなるので、高速信号伝送に適した貫通電極構造が得られる。
【００２９】
なお、上記半導体基板は、互いに異なる複数の半導体層からなるものでもよい。また、複数の半導体基板の間に導電層などが介設されたものでもよい。また、上記半導体基板の表面に絶縁層が形成されたものでもよい。上記半導体基板が、複数の半導体基板の間に導電層などが介設されたものや、上記半導体基板の表面に絶縁層が形成されたものである場合、上記有機樹脂からなる絶縁層によって、上記導電層や絶縁層による電磁波エネルギーの減衰を、効果的に低減することができる。
【００３０】
本発明の貫通電極構造は、半導体基板を貫通する貫通孔と、
上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、
上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層と、
上記貫通孔内に形成され、上記絶縁層の外側に位置する導電層と
を備えることを特徴としている。
【００３１】
上記構成によれば、上記金属プラグの外側に、有機樹脂からなる絶縁層が位置しており、この有機金属からなる絶縁層は、比誘電率が比較的小さくてキャパシタンスが比較的小さい。したがって、上記金属プラグに信号が伝送される際、上記絶縁層を通過する電磁波エネルギーの減衰が効果的に低減されるので、高速信号伝送が可能になると共に、この伝送する信号の劣化を効果的に防止できる。さらに、上記絶縁層の外側に導電層を有するので、上記金属プラグの周囲を通過する電磁波エネルギーの漏れが低減する。したがって、上記貫通電極構造は、金属プラグに信号が伝送される際のエネルギー損失が低減するので、上記信号を効果的に高速伝送できると共に、上記信号の劣化を防止できる。
【００３２】
１実施形態の貫通電極構造では、上記導電層は、上記半導体基板に形成されたグランド線に接続されている。
【００３３】
上記実施形態によれば、上記導電層がグランド線に接続されるので、上記金属プラグに信号が伝送される際に生じる電磁波の電気力線の全てが、上記導電層に収束する。したがって、上記電磁波のエネルギーが完全に貫通電極構造内に閉じ込められるので、大幅にエネルギー減衰の少ない信号伝送ができる。その結果、上記貫通電極構造は、高速信号伝送を高効率で行なうことができる。
【００３４】
なお、上記グランド線は、上記半導体基板に形成された回路に含まれる接地電極や接地線等、どのようなものでもよく、要は、接地電位が得られるものであればよい。
【００３５】
本発明の半導体チップは、上記貫通電極構造を備えたことを特徴としている。
【００３６】
上記構成によれば、信号劣化が少なくて高速伝送が可能な貫通電極構造が備えるので、動作周波数が比較的高い電子回路が搭載可能な半導体チップが得られる。
【００３７】
本発明のマルチチップ半導体装置は、上記半導体チップを少なくとも１つ含む複数の半導体チップを備え、
上記複数の半導体チップは、各々が有する貫通電極を介して互いに接続されていることを特徴としている。
【００３８】
上記構成によれば、複数の半導体チップのうちの少なくとも１つが、本発明の貫通電極構造を備えた貫通電極を有するので、動作周波数が比較的高く、かつ、高機能のマルチチップ半導体装置が得られる。
【００３９】
本発明の貫通電極構造の製造方法は、半導体基板に、所定の深さの孔を形成する工程と、
上記孔の少なくとも側壁面に、有機樹脂からなる絶縁層を形成する工程と、
上記絶縁層が少なくとも側壁面に形成された孔に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を含むことを特徴としている。
【００４０】
上記構成によれば、上記半導体基板に、例えばエッチングなどにより、所定の深さの孔を形成する。この孔の少なくとも側壁面に、例えば気相化学蒸着法などにより、有機樹脂からなる絶縁層を形成する。この絶縁層が側壁面に形成された孔に、金属を充填して金属プラグを形成する。
【００４１】
上記半導体基板の孔の側壁面に形成する絶縁層としては、比誘電率が２．７のキシリレンポリマー樹脂が、貫通電極構造のキャパシタンスを大幅に低減可能な点で好ましい。また、上記キシリレンポリマーは、室温の蒸着プロセスによって、滑らかで厚い膜を形成でき、ガスの透過性が少なく、さらに、耐有機溶剤性、耐酸性および耐アルカリ性に優れる点で好ましい。したがって、高速伝送可能で高信頼の貫通電極構造を、比較的容易に製造できる。
【００４２】
上記半導体基板の孔の側壁面に形成する絶縁膜として、若しくは、比誘電率が３．２程度のポリイミド樹脂でもよい。液状樹脂を微小粒径の霧状にし、対象物に噴霧する、いわゆるスプレーコーティングの手法を用いれば、蒸着プロセスを用いることなく、孔壁面へのコーティングが可能である。
【００４３】
本発明の貫通電極構造の製造方法は、半導体基板に、所定の深さを有する孔を形成する工程と、
上記孔に、感光性を有する樹脂を充填する工程と、
上記充填された樹脂に、平面において略中央に位置すると共に長手方向に延在する孔を、フォトリソグラフィによって形成する工程と、
上記樹脂に形成された孔に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を備えることを特徴としている。
【００４４】
上記構成によれば、上記半導体基板に形成した孔に、感光性を有する樹脂を充填した後、フォトリソグラフィによって、平面において略中央に位置すると共に長手方向に延在する孔を形成する。したがって、この孔は、側壁面が比較的滑らかに形成される。また、上記感光性樹脂に形成する孔は、フォトリソグラフィに用いるマスクデザインを変更することによって、異なる寸法のものが容易に得られる。したがって、上記金属プラグに伝送する信号に応じて、上記感光性樹脂からなる絶縁層の厚みを、容易に適宜設定することができる。また、例えば、上記感光性樹脂としてカルド型樹脂を用いることにより、高解像度の現像が可能となるので、上記半導体基板に形成する素子の仕様に応じて、様々の寸法の貫通電極デザインに対応できる。また、上記カルド型樹脂は、比誘電率がＳｉＯ_２よりも小さいので、高速信号伝送に適した貫通電極構造が得られる。
【００４５】
若しくは、感光性樹脂として、感光性ポリイミドでもかまわない。その場合においても、比誘電率がＳｉＯ_２よりも小さいので、高速信号伝送に適した貫通電極を得ることができる。
【００４６】
本発明の貫通電極構造の製造方法は、半導体基板に、所定の深さを有する孔を形成する工程と、
上記孔の少なくとも側壁面に、導電膜を形成する工程と、
上記導電膜の表面に、有機樹脂からなる絶縁層を形成する工程と、
上記導電膜および絶縁層が形成された孔内に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を含むことを特徴としている。
【００４７】
上記構成によれば、上記半導体基板に所定深さの孔を形成し、この孔の少なくとも側壁面に、導電膜を形成する。この導電膜の表面に、有機樹脂からなる絶縁層を形成し、上記導電膜および絶縁層が形成された孔内に、金属を充填して金属プラグを形成する。上記絶縁層を、キャパシタンスが比較的小さい有機樹脂で形成しているので、上記金属プラグに信号が伝送される際、上記絶縁層を通過する電磁波エネルギーの減衰を効果的に低減できる。また、上記金属プラグに信号が伝送される際、上記金属プラグの周囲を通過する電磁波エネルギーの漏れを、上記導電膜によって防止できる。したがって、高速伝送が可能であり、かつ、信号劣化の防止が可能な貫通電極構造を製造できる。
【００４８】
１実施形態の貫通電極構造の製造方法は、上記導電膜と、上記半導体基板に形成されたグランド線とを接続する工程を備える。
【００４９】
上記実施形態によれば、上記導電膜をグランド線に接続するので、上記金属プラグに信号が伝送される際に生じる電磁波の電気力線の全てを、上記導電層に収束できる。したがって、上記電磁波のエネルギーを完全に閉じ込めて、大幅にエネルギー減衰が少なく、その結果、高速信号伝送を高効率に実現可能な貫通電極構造を製造できる。
【００５０】
１実施形態の貫通電極構造の製造方法は、上記半導体基板を、この半導体基板の裏面から研磨して、上記半導体基板に形成された孔を貫通孔にする工程を備える。
【００５１】
上記実施形態によれば、上記貫通電極を形成する工程の後、上記半導体基板の厚みを薄くするので、上記貫通電極を形成する工程における破損が比較的少なくでき、したがって、上記半導体基板のハンドリングが容易になる。また、上記半導体基板の厚みを薄くするので、この半導体基板を用いた半導体チップを効果的に薄くでき、したがって、厚み方向に複数の半導体チップを積層してなるマルチチップ半導体装置を、効果的に高密度かつ小型にできる。また、上記マルチチップ半導体装置を形成する際に互いに接続される貫通電極構造の長さが、効果的に短くなるので、信号の減衰等が低減されて、優れた電気特性を有する貫通電極構造が得られる。
【００５２】
なお、本発明の貫通電極構造の製造方法において、上記半導体基板に形成する孔は、この孔の形成時に、上記半導体基板を貫通してもよい。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５４】
図１は、本発明の第１実施形態の貫通電極構造を備えたマルチチップ半導体装置を示す断面図である。このマルチチップ半導体装置は、半導体チップ１１，１２を厚み方向に積み重ねて成る積層型であり、各々の半導体チップ１１，１２は貫通電極２１を備える。上記半導体チップ１１，１２の表面には絶縁膜３１が形成されている。この絶縁膜３１によって、半導体チップ１１，１２の表面に形成された回路を覆っている。上記半導体チップ１１，１２の表面側には、この半導体チップ１１，１２の回路を貫通電極２１に接続する接続パット４１を備える。上記半導体チップ１１，１２の裏面には、絶縁膜５１が形成されている。上記半導体チップ１１，１２の貫通電極２１，２１は、半導体チップ１１，１２の表面側の端部と裏面側の端部とに設けられた接続部材６１，６２によって、互いに接続されている。
【００５５】
上記貫通電極２１は、上記半導体チップ１１，１２の厚み方向に延在する略円筒形の金属プラグ２２と、この金属プラグ２２の外周に配置された筒状の絶縁層２３とで構成している。上記絶縁層２３は、有機樹脂で形成されており、比誘電率が小さい物質であるのが好ましい。また、数μｍの厚膜に形成できる材料が好ましい。
【００５６】
上記有機樹脂からなる絶縁層２３の材料としては、例えばキシリレンポリマー樹脂（パリレン樹脂：登録商標）を挙げることができる。もしくは、感光性樹脂であり、耐熱性にも優れたカルド型樹脂を挙げることができる。または、ポリイミド樹脂でも構わない。ポリイミド樹脂も耐熱性に優れ、感光性を有する材料の入手も可能である。
【００５７】
この貫通電極２１は、上記有機樹脂からなる絶縁層２３を、上記金属プラグ２２の外周に数μｍの厚みをなして形成したので、キャパシタンスが従来よりも効果的に低減する。したがって、上記貫通電極２１は、高速信号伝送に好適であり、その結果、高速信号処理に好適なマルチチップ半導体装置が実現できる。
【００５８】
以下、上記貫通電極構造の製造方法を、図２〜４を参照して説明する。
【００５９】
図２は、貫通電極を形成すべき半導体基板１０である。この半導体基板１０はＳｉ等からなり、素子を作り込んで集積回路を形成した後、表面に絶縁膜３１を形成する工程を終えた段階である。貫通電極は、上記半導体基板１０がウェハの状態で形成するが、図２には、簡単のため、１チップ領域のみを図示している。この半導体基板１０は、素子が形成された素子形成領域１を表面に備え、この素子形成領域１と外部とを接続するための内部配線２を、上記絶縁膜３１中に形成している。この絶縁膜３１としては、ＳｉＯ_２等の公知の材料が用いられる。
【００６０】
まず、図３（ａ）に示すように、上記絶縁膜３１を貫通して半導体基板１０に達する孔２０を設ける。この孔２０は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング法）、レーザー法などの公知の手法を用いて形成する。本実施形態では、ＲＩＥにより、直径２０μｍの開口を形成した。
【００６１】
続いて、図３（ｂ）に示すように、上記半導体基板１０上の絶縁膜３１の表面と、上記孔２０の内側面とに、有機樹脂からなる絶縁層２３を形成する。この絶縁層２３の材料は、比誘電率が小さいものが好ましい。本実施形態では、気相化学蒸着法により形成するパリレン樹脂が、常温プロセスで形成可能であるので好ましい。
【００６２】
まず、アルコール系溶剤によって半導体基板を洗浄し、前処理液に浸した後、乾燥させて、気相化学蒸着法でパリレン樹脂を成膜する。上記孔２０の内側面に膜厚５μｍの製膜を行う場合、約１．５時間程度を要する。
【００６３】
次に、図３（ｃ）に示すように、上記半導体基板の孔２０の内側面に絶縁層２３が成膜されてなる孔内に、金属プラグ２２を形成する。この金属プラグ２０の形成方法は特に限定されず、スパッタ法、気相化学蒸着法、メッキ法など、公知の方法で形成することができる。特に、導電性のペーストを用いたスクリーン印刷法は、簡単な工程で孔埋めができるので好ましい。上記導電性のペーストとしては、例えば、数十ｎｍの直径を有する金属微粒子が有機溶剤や還元剤に分散されてなるものが好ましい。
【００６４】
本実施形態では、スクリーン印刷により、Ｃｕ粒子のペーストを孔内に供給した後、２００℃で約３０分の焼成を行なって、バルクＣｕと略同等の電気伝導率をもつ金属プラグを形成した。上記スクリーン印刷は、上記半導体基板の孔２０の径にあわせて、２０μｍの開口を有して厚みが１０μｍのステンレスマスクを用いて行った。
【００６５】
ここで、上記焼成後の金属プラグの体積は、埋め込みを行ったペーストの体積から目減りが生じる。これは、ペースト中の有機溶剤が占めていた体積と、印刷時のスキージの動きによりペースト中に巻き込まれる気泡とに起因するものである。したがって、特に気泡の巻き込みを低減させるために、減圧雰囲気下で印刷を行なうのが好ましい。例えば、スクリーンや印刷すべき半導体基板、ペーストなどを真空チャンバの中に収容可能な印刷機を用いて、５ｋＰａの圧力下で印刷を行なう。その後、常圧に戻すことにより、上記印刷時に巻き込まれた気泡の体積が２０分の１程度になる。この後、焼成を行なう。この焼成後の体積の減少分は、有機溶剤の揮発に起因するものが主となるので、減圧を行なわない場合と比較して、体積の減少を大幅に抑制することができる。したがって、３回程度の印刷・焼成プロセスの繰り返しにより、孔内の略全てにＣｕを埋め込んで、金属プラグ２２を形成することができる。
【００６６】
ここで、ペースト中に含まれる金属微粒子を、Ｃｕではなく、ＡｕやＡｇに替えることにより、金属プラグの電気伝導度を上げることができ、さらに損失の少ない貫通電極が得られる。
【００６７】
次に、図４（ｄ）に示すように、上記金属プラグ２２と、内部配線２とを接続する接続配線７１を形成する。まず、上記有機樹脂からなる絶縁層２３について、配線２を接続すべき部分に対応する位置に、レーザー工法によって開口部を設ける。この開口部を設けた絶縁層２３をマスクとして、ドライエッチング法により、上記絶縁膜３１に開口を設ける。
【００６８】
その後、上記接続配線７１を形成する。この接続配線７１は、電解Ｃｕメッキ法を用いて形成するのが好ましい。まず、スパッタ法により、厚みが０．１μｍのＴｉ／Ｗ（チタン／タングステン）合金層と、厚みが０．１５μｍのＣｕ層とを形成してシード層を形成する。その後、フォトレジストを塗布して、フォト工程を行なった後、上記配線２の接続部と金属プラグ２２とを接続する部分のみを除去する。このレジスト除去部分のみに、電解メッキ法によって、Ｃｕ層を５〜１０μｍ程度の厚みに形成する。
【００６９】
なお、本実施形態では、上記金属プラグ２２と接続配線７１とを別々に形成したが、上記金属プラグ２２と接続配線７１とを同時に形成しても構わない。この場合、上記絶縁層２３の形成工程の後、フォトリソグラフィにより、接続配線を形成する箇所と、金属プラグを形成する孔とを除く部分に、レジスト膜を形成する。このレジスト膜は、２０μｍ程度までの厚みに形成する。上記レジスト膜をマスクとして、Ｃｕ等を含んだペーストの印刷を行なう。この場合も、減圧雰囲気下で印刷を行なうことにより、焼成後の体積の減少を低減することができる。
【００７０】
上記接続配線７１を形成した後、図４（ｅ）に示すように、最終絶縁膜８１および表面側の接続部材６１を形成する。上記最終絶縁膜８１は、ポリイミドなどをスピンコートで供給して不要部を除去する工程により形成する。また、上記接続部材６１の材料としては、ＳｎＰｂ，ＳｎＡｇのような低融点合金や、Ａｕ，Ｃｕ表面にＳｎメッキを施したもの等を使用できる。
【００７１】
さらに、図４（ｅ）の半導体基板１０の裏面に、化学機械研磨を施すことによって、上記半導体基板１０の裏面部分を研磨除去して、上記金属プラグ２２および絶縁層２３からなる貫通電極２１の端部を露出させる。上記化学機械研磨を行った後は、上記半導体基板１０の裏面に、残留応力によるダメージ層が生成され、また、金属プラグ材料などが一面に分布して、信頼性の低下の虞が生じる。したがって、上記半導体基板１０の裏面を所定の厚みに亘ってエッチング除去して、上記ダメージ層および金属プラグ材料を除去する。
【００７２】
そして、上記接続配線７１と同様に、Ｔｉ／Ｗ合金とＣｕ層とでシード層を形成し、フォトレジストの塗布、露光および現像を行ない、上記シード層を所定形状にエッチングした後、電解メッキ法によってＣｕ層を形成して、裏面の配線（図示せず）を形成する。さらに、裏面に最終絶縁膜８２を形成した後、表面側と同様の材料によって裏面側の接続部材６２を形成して、図４（ｆ）に示すような半導体チップが完成する。
【００７３】
上記貫通電極２１を備える複数の半導体チップを、半導体基板１０の厚み方向に積み重ねて、表側の接続部材６１と裏側の接続部材６２とを互いに接続することによって、本発明のマルチチップ半導体装置が得られる。
【００７４】
上記マルチチップ半導体装置は、各々の半導体チップが、キャパシタンスが比較的小さい上記貫通電極２１を介して接続されているので、信号の劣化が比較的少ない状態で高速信号伝送を行うことができる。したがって、このマルチチップ半導体装置は、小型化と高機能化とを両立することができる。
【００７５】
上記実施形態では、上記絶縁層２３を気相化学蒸着法で形成したが、他の方法によって形成してもよい。上記絶縁層２３を形成する他の工程について、以下、説明する。
【００７６】
図３（ａ）に示す工程を行なって、上記絶縁膜３１を貫通して半導体基板１０に達する孔２０を形成した後、図５（ａ）に示すように、上記孔２０内に樹脂２４を埋め込む。この樹脂２４を埋め込む方法は、気泡の巻き込みが低減可能であると共に比較的簡易に行なえる点で、減圧下での印刷法が好ましい。上記樹脂２４は、感光性を有し、かつ、耐熱性が高い材料が好ましい。このような樹脂の一例として、カルド型樹脂を挙げることができる。上記カルド型樹脂は、比誘電率が３程度であって、ＳｉＯ_２等より低誘電率であるので、電気特性にも優れている。また、高解像性を有するので、１０〜１５μｍ径の開口を効果的に形成することができる。
【００７７】
上記樹脂２４を埋め込んだ後、この樹脂２４の中央部分以外の部分にＵＶ（紫外）光を照射し、露光・現像を行って、上記中央部を除去する。ポジ型レジストの場合には、除去すべき中央部のみにＵＶ光を照射する。上記露光・現像工程によって、図５（ｂ）示すように、上記孔２０内の樹脂２４に、平面において略中央に開口すると共に、軸方向に延びる孔を形成する。
【００７８】
この後、図３（ｃ）以降の工程と同様の工程により、上記樹脂２４の孔内に金属プラグを形成し、貫通電極を形成する。
【００７９】
上記感光性の樹脂２４を用いてフォトリソグラフィによって絶縁層を形成する場合、上記金属プラグを埋め込む孔の寸法を、マスクデザインの変更によって容易に変更できる。したがって、絶縁層を気相化学蒸着法により形成する場合と比べて、所望の形状の金属プラグを容易に得ることができる。
【００８０】
なお、図５（ａ）の樹脂２４は、感光性樹脂でったが、感光性を有しない樹脂であってもよい。その場合には、上記孔２０に樹脂を埋め込んだ後、レジスト材料を塗布し、露光・現像を行って、上記孔２０に埋め込んだ樹脂の中央部のみを露出させる。この後、エッチングを行って開口を形成し、図５（ｂ）に示すような孔を樹脂２４に形成すればよい。この場合、感光性を有しない樹脂材料を用いることができるので、材料の選択性が広くなるという利点がある。
【００８１】
図６は、本発明の第２実施形態のマルチチップ半導体装置を示す断面図である。図６において、１１，１２は半導体チップであり、２１０は貫通電極である。また、３１は半導体チップ表面の絶縁膜、４１はチップ内の配線と接続された接続パッド、５１は半導体チップの裏面の絶縁膜、６１は半導体チップ間の表面側の接続部材、６２は半導体チップの裏面側の接続部材である。
【００８２】
上記貫通電極２１０は、中央部の金属プラグ２２と、この金属プラグの外周に形成された絶縁層２３と、この絶縁層２３の外周に形成された外側導電層２５とで構成されている。上記外側導電層２５は、半導体チップに形成された回路のグランド線（図示せず）に接続されていることが好ましい。
【００８３】
上記貫通電極２１０は、信号線である金属プラグ２２の外側に、絶縁層を介して外側導電層２５を有するので、この貫通電極２１０内を伝わる電磁波エネルギーの漏洩が少なくなり、高速信号伝送に適した貫通電極構造となる。さらに、上記外側導電層２５をグランド線と接続することにより、信号線である金属プラグ２２に近接して平行にグランド線が延在する伝送線路が形成される。したがって、同軸ケーブルと同様の構造となるため、所定の特性インピーダンスが得られ、その結果、電気信号の全周波数帯域に対して同等の抵抗を有する構造となる。その結果、アナログ信号だけでなく、パルス波でやり取りされるデジタル信号であって、特に、高周波のデジタル信号に対して波形の歪みを防止することができる。すなわち、高速信号伝送に好適な貫通電極が得られる。
【００８４】
次に、第２実施形態のマルチチップ半導体装置の製造方法を、図７〜９を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００８５】
まず、図７（ａ）に示すような第１実施形態と同様の素子形成領域１、内部配線２および絶縁膜３１が形成された半導体基板１０に、図７（ｂ）に示すように、上記絶縁膜３１を貫通して半導体基板１０に達する孔２０を形成する。なお、この工程よりも前に、グランド線３の上方に位置する絶縁膜３１の部分を削除して、上記グランド線３を露出させておく。
【００８６】
そして、図７（ｃ）に示すように、上記孔２０の内側面と、上記半導体基板１０上の絶縁膜３１の表面とに、外側導電層２５を形成する。この外側導電層２５の形成方法や材料は特に限定するものではないが、例えば、ＴｉＣｌ_４とＮＨ_３を原料ガスとした気相化学蒸着法により、ＴｉＮを１μｍの厚みで形成する。ここで、上記外側導電層２５は、上記絶縁膜３１の部分が削除されて露出していた上記グランド線３と、接続される。
【００８７】
続いて、図８（ｄ）に示すように、上記外側導電層２５の表面に絶縁層２３を形成し、この後、図８（ｅ）に示すように、金属プラグ２２を形成する。上記絶縁層２３および金属プラグ２２は、第１実施形態と同様の方法で形成する。
【００８８】
引き続いて、接続配線７１の形成を行う。本実施形態では、上記絶縁層２３の下に外側導電層２５が存在するので、上記接続配線７１を内部配線２に接続する再、上記外側導電層２５に対して絶縁する必要がある。そのため、上記絶縁層２３の表面から、上記接続配線７１に接続すべき内部配線２に達する接続孔を形成し、その後、上記接続孔の内周面を覆う絶縁膜３２をさらに形成する。この後、上記内周面に絶縁膜３２が形成された接続孔を介して、上記内部配線２と金属プラグ２２とを接続する接続配線７１を形成する。
【００８９】
そして、第１実施形態と同様の方法により、図９に示すような最終絶縁膜８１と接続部材６１とを形成する。この後、上記半導体基板１０の裏面を研磨・エッチング除去して、上記貫通電極２１０の下端を露出する。そして、上記半導体基板の裏面に最終絶縁膜８２および接続部材６２を形成して、半導体チップが完成する。
【００９０】
上記工程によって形成した複数の半導体チップを厚み方向に積層し、接続部材６１，６２を互いに接続することによって、図６に示すようなマルチチップ半導体装置が完成する。
【００９１】
上記第１および第２実施形態において、上記貫通電極２１，２１０を形成する際、上記絶縁膜３１および半導体基板１０に形成した孔２０は、上記半導体基板１０を貫通しない深さに形成したが、上記孔２０は、上記半導体基板１０を貫通して形成してもよい。この場合、上記半導体基板１０を貫通した孔２０は、非貫通である場合よりも、内側面に気相化学蒸着法によって絶縁層２３を容易に形成することができるという利点を有する。
【００９２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の貫通電極構造によれば、半導体基板を貫通する貫通孔と、上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層とを備えるので、上記金属プラグの外側に位置する絶縁層は有機樹脂からなり、比誘電率が比較的小さくてキャパシタンスが比較的小さい。したがって、上記金属プラグに信号が伝送されるとき、上記絶縁層を通過する電磁波エネルギーの減衰を効果的に低減でき、その結果、高速信号伝送が可能であって、伝送信号の劣化を効果的に防止可能な貫通電極構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の貫通電極構造を備えたマルチチップ半導体装置を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の貫通電極構造を形成すべき半導体基板を示す図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１実施形態の貫通電極構造の製造方法を示す工程図である。
【図４】図４（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、図３（ｃ）に引き続いて、第１実施形態の貫通電極構造の製造方法を示す工程図である。
【図５】図５は、第１実施形態の貫通電極構造の製造方法について、絶縁層を形成する他の方法を示す工程図である。
【図６】本発明の第２実施形態の貫通電極構造を備えたマルチチップ半導体装置を示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第２実施形態の貫通電極構造の製造方法を示す工程図である。
【図８】図８（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、図７（ｃ）に引き続いて、第２実施形態の貫通電極構造の製造方法を示す工程図である。
【図９】図９は、図８（ｆ）に引き続いて、第２実施形態の貫通電極構造の製造方法を示す工程図である。
【図１０】従来のマルチチップ半導体装置を示す図である。
【図１１】従来のマルチチップ半導体装置が備える貫通電極を示す図である。
【図１２】信号線とグランド線の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２半導体チップ
２１貫通電極
２２金属プラグ
２３絶縁層
３１表面側の絶縁膜
４１接続パット
５１裏面側の絶縁膜
６１表面側の接続部材
６２裏面側の接続部材

Claims

半導体基板を貫通する貫通孔と、
上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、
上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層と
を備えることを特徴とする貫通電極構造。
半導体基板を貫通する貫通孔と、
上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、
上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層と、
上記貫通孔内に形成され、上記絶縁層の外側に位置する導電層と
を備えることを特徴とする貫通電極構造。
請求項２に記載の貫通電極構造において、
上記導電層は、上記半導体基板に形成されたグランド線に接続されていることを特徴とする貫通電極構造。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の貫通電極構造を備えた半導体チップ。
請求項４に記載の半導体チップを少なくとも１つ含む複数の半導体チップを備え、
上記複数の半導体チップは、各々が有する貫通電極を介して互いに接続されていることを特徴とするマルチチップ半導体装置。
半導体基板に、所定の深さの孔を形成する工程と、
上記孔の少なくとも側壁面に、有機樹脂からなる絶縁層を形成する工程と、
上記絶縁層が少なくとも側壁面に形成された孔に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を含むことを特徴とする貫通電極構造の製造方法。
半導体基板に、所定の深さを有する孔を形成する工程と、
上記孔に、感光性を有する樹脂を充填する工程と、
上記充填された樹脂に、平面において略中央に位置すると共に長手方向に延在する孔を、フォトリソグラフィによって形成する工程と、
上記樹脂に形成された孔に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を備えることを特徴とする貫通電極構造の製造方法。
半導体基板に、所定の深さを有する孔を形成する工程と、
上記孔の少なくとも側壁面に、導電膜を形成する工程と、
上記導電膜の表面に、有機樹脂からなる絶縁層を形成する工程と、
上記導電膜および絶縁層が形成された孔内に、金属を充填して金属プラグを形成する工程と
を含むことを特徴とする貫通電極構造の製造方法。
請求項８に記載の貫通電極構造の製造方法において、
上記導電膜と、上記半導体基板に形成されたグランド線とを接続する工程を備えることを特徴とする貫通電極構造の製造方法。
請求項６から請求項９にいずれか１つに記載の貫通電極構造の製造方法において、
上記半導体基板を、この半導体基板の裏面から研磨して、上記半導体基板に形成された孔を貫通孔にする工程を備えることを特徴とする貫通電極構造の製造方法。