JP2008186870A - ビアホールの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の裏面側からレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成する際に、基板の裏面におけるビアホールの開口部の周囲にデブリが堆積したり、ビアホールの内周面上部の偏った領域にデブリが堆積することなく、ビアホールを形成することができるビアホールの加工方法を提供する。
【解決手段】基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、形成すべきビアホールの直径をDとし、パルスレーザー光線のスポット径をdとした場合、D/2≦d≦D−２μmのスポット径を有するパルスレーザー光線をスポットの外周が形成すべきビアホールの内周に沿って照射する際に、前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の角度を設けて照射する。
【選択図】図７

Description

本発明は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法に関する。

半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。

装置の小型化、高機能化を図るため、複数の半導体チップを積層し、積層された半導体チップのボンディングパッドを接続するモジュール構造が実用化されている。このモジュール構造は、半導体ウエーハを構成する基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されており、このボンディングパッドが形成された箇所に基板の裏面側からボンディングパッドに達する細孔（ビアホール）を穿設し、このビアホールにボンディングパッドと接続するアルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込む構成である。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−１６３３２３号公報

上述した半導体ウエーハに形成されるビアホールは、一般にドリルによって形成されている。しかるに、半導体ウエーハに設けられるビアホールは直径が１００〜３００μmと小さく、ドリルによる穿孔では生産性の面で必ずしも満足し得るものではない。しかも、上記ボンディングパッドの厚さは１〜５μm程度であり、ボンディングパッドを破損することなくウエーハを形成するシリコン等の基板のみにビアホールを形成するためには、ドリルを極めて精密に制御しなければならない。

上記問題を解消するために本出願人は、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともに該デバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを効率よく形成するウエーハの穿孔方法を特願２００５−２４９６４３号として提案した。

而して、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成すると、図１０に示すように基板Aにパルスレーザー光線を照射することによって発生するデブリCが基板Aの裏面におけるビアホールＢの開口部の周囲に環状に堆積する。このデブリCは、幅が１０μm前後で高さが２０〜３０μm程度に堆積するので、個々に分割されたチップをスタックしていくとき堆積したデブリが干渉するという問題がある。

上述した問題を解消するために、本発明者は図１１の(a)に示すように基板Aに形成するビアホールＢの直径より小さいスポット径Sを有するパルスレーザー光線を用い、形成するビアホールＢの内周に沿って所定角度毎に照射する所謂トレパニング加工を試してみた。このようにトレパニング加工を実施することにより、ビアホールＢの開口部の周囲にデブリが環状に堆積することはなくなったが、図１１の(b)に示すようにトレパニング加工を開始した領域の内周面上部に偏ってデブリCが堆積した。
上述したように基板Aに形成されたビアホールBにはアルミニウム、銅等の導電性材料が埋め込まれるが、ビアホールBに直接アルミニウムや銅を埋め込むと、アルミニウムや銅の原子がシリコン等からなる基板の内部に拡散してデバイスの品質を低下させるという問題がある。従って、ビアホールBの内面に絶縁膜を被覆した後に、アルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込んでいる。
しかるに、図１１の(b)に示すようにビアホールBの内周面上部に偏ってデブリCが堆積していると、絶縁膜Eを形成する際にデブリCの下部に絶縁膜Cが形成されず、この状態でビアホールBにアルミニウム、銅等の導電性材料を埋め込むと、アルミニウム、銅等が基板Aに直接接触することになり、アルミニウムや銅の原子がシリコン等からなる基板の内部に拡散し、デバイスの品質を低下させる原因となる。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、基板の裏面側からレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成する際に、基板の裏面におけるビアホールの開口部の周囲にデブリが堆積したり、ビアホールの内周面上部の偏った領域にデブリが堆積することなく、ビアホールを形成することができるビアホールの加工方法を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
形成すべきビアホールの直径をDとし、パルスレーザー光線のスポット径をdとした場合、D/2≦d≦D−２μmのスポット径を有するパルスレーザー光線をスポットの外周が形成すべきビアホールの内周に沿って照射する際に、前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の角度を設けて照射する、
ことを特徴とするビアホールの加工方法が提供される。

本発明によるビアホールの加工方法においては、形成すべきビアホールの直径をDとし、パルスレーザー光線のスポット径をdとした場合、D/2≦d≦D−２μmのスポット径を有するパルスレーザー光線をスポットの外周が形成すべきビアホールの内周に沿って照射する際に、前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の角度を設けて照射するので、ウエーハの基板にパルスレーザー光線が照射されることによって飛散するデブリが集中しないため、ビアホールの内周面上部の偏った位置にデブリが堆積することがない。

以下、本発明によるビアホールの加工方法について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１には本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハ２の斜視図が示されている。図１に示す半導体ウエーハ２は、厚さが例えば１００μmのシリコンによって形成された基板２１の表面２１aに格子状に配列された複数のストリート２２によって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス２３がそれぞれ形成されている。この各デバイス２３は、全て同一の構成をしている。デバイス２３の表面にはそれぞれ複数のボンディングパッド２４が形成されている。このボンディングパッド２４は、アルミニウム、銅、金、白金、ニッケル等の金属材からなっており、厚さが１〜５μmに形成されている。

上記半導体ウエーハ２には、基板２１の裏面２１b側からパルスレーザー光線を照射しボンディングパッド２４に達するビアホールが穿設される。この半導体ウエーハ２の基板２１にビアホールを穿設するには、図２に示すレーザー加工装置３を用いて実施する。図２に示すレーザー加工装置３は、被加工物を保持するチャックテーブル３１と、該チャックテーブル３１上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段３２を具備している。チャックテーブル３１は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り機構によって図２において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、図示しない割り出し送り機構によって矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。

上記レーザー光線照射手段３２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング３２１内に配設されている。このレーザー光線照射手段３２について、図３を参照して説明する。
図３に示すレーザー光線照射手段３２は、パルスレーザー光線発振手段４と、出力調整手段５と、パルスレーザー光線発振手段４から発振され出力調整手段５によって出力調整されたパルスレーザー光線を集光する集光器６と、出力調整手段５と集光器６との間に配設されたレーザー光線走査手段７を具備している。

上記パルスレーザー光線発振手段４は、パルスレーザー光線発振器４１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段４２とから構成されている。パルスレーザー光線発振器４１は、図示の実施形態においてはＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー発振器からなり、シリコン等の被加工物に対して吸収性を有する波長(例えば３５５ｎｍ)のパルスレーザー光線LBを発振する。上記出力調整手段５は、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線LBを所定の出力に調整する。

上記集光器６は、パルスレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー６１と、該方向変換ミラー６１によって方向変換されたレーザー光線を集光する集光レンズ６２を具備しており、図２に示すようにケーシング３２１の先端に装着されている。

上記レーザー光線走査手段７は、パルスレーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）に偏向する第１の音響光学偏向手段７１と、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を割り出し送り方向（Y軸方向）に偏向する第２の音響光学偏向手段７２とからなっている。

上記第１の音響光学偏向手段７１は、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）に偏向する第１の音響光学素子７１１と、該第１の音響光学素子７１１に印加するRF（radio frequency）を生成する第１のRF発振器７１２と、該第１のRF発振器７１２によって生成されたRFのパワーを増幅して第１の音響光学素子７１１に印加する第１のRFアンプ７１３と、第１のRF発振器７１２によって生成されるRFの周波数を調整する第１の偏向角度調整手段７１４と、第１のRF発振器７１２によって生成されるRFの振幅を調整する第１の出力調整手段７１５を具備している。上記第１の音響光学素子７１１は、印加されるRFの周波数に対応してレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができるとともに、印加されるRFの振幅に対応してレーザー光線の出力を調整することができる。なお、上記第１の偏向角度調整手段７１４および第１の出力調整手段７１５は、図示しない制御手段によって制御される。

上記第２の音響光学偏向手段７２は、レーザー光線発振手段４が発振したレーザー光線の光軸を加工送り方向（X軸方向）と直交する割り出し送り方向に偏向する第２の音響光学素子７２１と、該第２の音響光学素子７２１に印加するRFを生成する第２のRF発振器７２２と、該RF発振器７２２によって生成されたRFのパワーを増幅して第２の音響光学素子７２１に印加する第２のRFアンプ７２３と、第２のRF発振器７２２によって生成されるRFの周波数を調整する第２の偏向角度調整手段７２４と、第２のRF発振器７２２によって生成されるRFの振幅を調整する第２の出力調整手段７２５を具備している。上記第２の音響光学素子７２１は、印加されるRFの周波数に対応してレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができるとともに、印加されるRFの振幅に対応してレーザー光線の出力を調整することができる。なお、上記第２の偏向角度調整手段７２４および第２の出力調整手段７２５は、図示しない制御手段によって制御される。

また、図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段３２は、上記第１の音響光学素子７１１にRFが印加されない場合に、図３において１点差線で示すように第１の音響光学素子７１１によって偏向されないレーザー光線を吸収するためのレーザー光線吸収手段８を具備している。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段３２は以上のように構成されており、第１の音響光学素子７１１および第２の音響光学素子７２１にRFが印加されていない場合には、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、出力調整手段５、第１の音響光学素子７１１、第２の音響光学素子７２１を介して図３において１点鎖線で示すようにレーザー光線吸収手段８に導かれる。一方、第１の音響光学素子７１１に例えば１０kHzの周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸が図３において実線で示すように偏向され集光点Paに集光される。また、第１の音響光学素子７１１に例えば２０kHzの周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸が図３において破線で示すように偏向され、上記集光点Paから加工送り方向（X軸方向）に所定量変位した集光点Pbに集光される。なお、第２の音響光学素子７２１に所定周波数を有するRFが印加されると、パルスレーザー光線発振手段４から発振されたパルスレーザー光線は、その光軸を加工送り方向（X軸方向）と直交する割り出し送り方向（Y軸方向：図３において紙面に垂直な方向）に所定量変位した集光点に集光される。

従って、第１の音響光学偏向手段７１および第２の音響光学偏向手段７２を作動してパルスレーザー光線の光軸をX軸方向とY軸方向に順次偏向させることにより、図４に示すようにパルスレーザー光線のスポットSを環状に移動するトレパニング加工を実施することができる。

図２に戻って説明を続けると、図示のレーザー加工装置３は、上記レーザー光線照射手段３２を構成するケーシング３２１の先端部に装着された撮像手段３３を備えている。この撮像手段３３は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。

以下、上述したレーザー加工装置３を用いて上記半導体ウエーハ２にビアホールを形成するビアホールの加工方法について説明する。
先ず、図２に示すレーザー加工装置３のチャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２の表面２１aを載置し、チャックテーブル３１上に半導体ウエーハ２を吸引保持する（ウエーハ保持工程）。従って、半導体ウエーハ２は、裏面２１bを上側にして保持される。

上述したウエーハ保持工程を実施することにより半導体ウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル３１は、図示しない加工送り機構によって撮像手段３３の直下に位置付けられる。チャックテーブル３１が撮像手段３３の直下に位置付けられると、チャックテーブル３１上の半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられた状態となる。この状態で、チャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２に形成されている格子状のストリート２２がX方向とY方向に平行に配設されているか否かのアライメント作業を実施する（アライメント工程）。即ち、撮像手段３３によってチャックテーブル３１に保持された半導体ウエーハ２を撮像し、パターンマッチング等の画像処理を実行してアライメント作業を行う。このとき、半導体ウエーハ２のストリート２２が形成されている基板２１の表面２１ａは下側に位置しているが、撮像手段３３が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、基板２１の裏面２１ｂから透かしてストリート２２を撮像することができる。

上述したアライメント工程を実施することにより、チャックテーブル３１上に保持された半導体ウエーハ２は、所定の座標位置に位置付けられたことになる。なお、半導体ウエーハ２の基板２１の表面２１aに形成されたデバイス２３に形成されている複数のボンディングパッド２４は、その設計上の座標位置が予めレーザー加工装置３の図示しない制御手段に格納されている。

上述したアライメント工程を実施したならば、図５に示すようにチャックテーブル３１を移動し、半導体ウエーハ２の基板２１に所定方向に形成された複数のデバイス２３における図５において最左端のデバイス２３を集光器６の直下に位置付ける。そして、図５において最左端のデバイス２３に形成された複数のボンディングパッド２４における最左端のボンディングパッド２４を集光器６の直下に位置付ける。

図５に示すように所定のボンディングパッド２４を集光器６の直下に位置付けたならば、上記レーザー光線照射手段３２の集光器６からパルスレーザー光線を照射し、ボンディングパッド２４に達するビアホールを形成するビアホール形成工程を実施する。このビアホール形成工程は、次に示す加工条件によってトレパニング加工を実施する。

ビアホール形成工程の加工条件：
レーザー光線の光源 ：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長 ：３５５ｎｍ
１パルス当たりのエネルギー密度：３０〜４０J／cm²
スポット径(d) ：形成すべきビアホールの直径をDとした場合、D/2
≦d≦D−２μm

ここで、上記ビアホール形成工程におけるパルスレーザー光線の照射方法について説明する。
図６には、形成すべきビアホールＢの直径Ｄと、照射するパルスレーザー光線のスポットＳの直径ｄとの関係が示されている。即ち、照射するパルスレーザー光線のスポットＳの直径ｄは、形成すべきビアホールＢの直径Ｄに対して、Ｄ／２≦ｄ≦Ｄ−２μｍの関係に設定されている。そして、パルスレーザー光線をスポットＳの外周が形成すべきビアホールＢの内周に沿って照射する。このとき、照射されるパルスレーザー光線は、前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の位相角を設けて照射する。

上述した条件でパルスレーザー光線を照射する第１の照射方法について、図７を参照して説明する。
先ず、図７の(a)に示すように、パルスレーザー光線のスポットSの中心が移動する円F上に頂点P1,P2,P3を有する正三角形Gを設定する。そして、レーザー光線照射手段３２は、正三角形Gの頂点P1を中心として１パルス照射する（S1）。次に、レーザー光線照射手段３２は、正三角形Gの頂点P2を中心として１パルス照射し（S2）、更に正三角形Gの頂点P3を中心として１パルス照射する（S3）。このようにパルスレーザー光線が照射されたスポットS1,S2,S3の照射位置は、それぞれ前回の照射位置から１２０度の位相角を設けて照射されることになる。なお、レーザー光線照射手段３２によるスポットS1S2S3の変位は、第１の音響光学偏向手段７１と第２の音響光学偏向手段７２を備えたレーザー光線走査手段７によって制御される。次に、図７の(b)に示すように、頂点P1,P2,P3を有する正三角形Gを形成すべきビアホールBの中心を中心として例えば１８度回動した状態を設定し、レーザー光線照射手段３２は正三角形Gの頂点P1,P2,P3を中心として順次１パルス照射する（S1,S2,S3）。この場合、正三角形Gの頂点P1を中心として照射されるスポットS1は、前回の照射位置（図７の(a)における正三角形Gの頂点P3を中心として照射されたスポットS3）から１３８度の位相角が設けられることになる。なお、正三角形Gの頂点P2およびP3を中心として照射されるスポットS2およびS3は、前回の照射位置から１２０度の位相角を設けて照射されることになる。以後、頂点P1,P2,P3を有する正三角形Gを形成すべきビアホールBの中心を中心として例えば１８度ずつ回動した状態を設定し、レーザー光線照射手段３２は正三角形Gの頂点P1,P2,P3を中心として順次１パルス照射する（S1,S2,S3）。このようにして、頂点P1,P2,P3を有する正三角形Gの回動位置を１０回設定してそれぞれ頂点P1,P2,P3を中心として１パルス照射すると、半導体ウエーハ２の基板２１には３０パルス照射されることになり、厚さが例えば１００μmのシリコン基板の場合、図８に示すように半導体ウエーハ２の基板２１にはボンディングパッド２４に達するビアホールBが形成される。このように形成されたビアホールBの内面には、上部にデブリCが全周に渡って付着するが、その量が少なく所定領域に偏って堆積することがなかった。

次に、ビアホール形成工程におけるパルスレーザー光線を照射する第２の照射方法について、図９を参照して説明する。
第２の照射方法は、先ず、図９の(a)に示すように、パルスレーザー光線のスポットSの中心が移動する円F上に形成すべきビアホールHの中心を通る直線を設定する。そして、レーザー光線照射手段３２は、直線Hの一端P4を中心として１パルス照射する（S1）。次に、レーザー光線照射手段３２は、直線Hの他端P5を中心として１パルス照射する（S2）。このようにパルスレーザー光線が照射されたスポットS1,S2の照射位置は、形成すべきビアホールHの中心に対して点対称の位置となり、スポットS2は前回の照射位置（スポットS1）から１８０度の位相角を設けて照射されることになる。次に、図９の(b)に示すように、直線Hを形成すべきビアホールBの中心を中心として例えば１０度回動した状態を設定し、レーザー光線照射手段３２は直線Hの一端P4,P5を中心として順次１パルス照射する（S1,S2）。この場合、直線Hの一端P4を中心として照射されるスポットS1は、前回の照射位置（図9の(a)における直線Hの他端P5を中心として照射されたスポットS2）から１７０度の位相角が設けられることになる。なお、直線Hの他端P5を中心として照射されるスポットS2は、前回の照射位置から１８０度の位相角を設けて照射されることになる。以後、直線Hを形成すべきビアホールHの中心を中心として例えば１２度ずつ回動した状態を設定し、レーザー光線照射手段３２は直線Hの一端P4および他端P5を中心として順次１パルス照射する。このようにして、直線Hの回動位置を１５回設定してそれぞれ直線Hの一端P4および他端P5を中心としてそれぞれ１パルス照射すると、半導体ウエーハ２の基板２１には３０パルス照射されることになり、厚さが例えば１００μmのシリコン基板の場合、図８に示すように半導体ウエーハ２の基板２１にはボンディングパッド２４に達するビアホールHが形成される。

以上のように、上述した実施形態においては、パルスレーザー光線が照射されるスポットを前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の位相角を設けて照射するので、半導体ウエーハ２の基板２１にパルスレーザー光線が照射されることによって飛散するデブリが集中しないため、ビアホールHの内周面上部の偏った位置にデブリが堆積することがない。従って、ビアホールHの内周面に絶縁材を良好に形成することができる。

本発明によるビアホールの加工方法によって加工されるウエーハとしての半導体ウエーハの斜視図。 本発明によるビアホールの加工方法を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。 図２に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の構成ブロック図。 図３に示すレーザー光線照射手段により実施するトレパニング加工の説明図。 図２に示すレーザー加工装置のチャックテーブルに保持された半導体ウエーハのビアホール形成領域を集光器の直下に位置付けた状態を示す説明図。 本発明によるビアホールの加工方法によって形成すべきビアホールの直径と照射するパルスレーザー光線のスポットの直径との関係を示す説明図。 本発明によるビアホールの加工方法の第１の実施形態を示す説明図。 本発明によるビアホールの加工方法によってビアホールが形成された半導体ウエーハの断面図。 本発明によるビアホールの加工方法の第２の実施形態を示す説明図。 従来のレーザー加工によってビアホールが形成されたウエーハの断面図。 従来のレーザー加工によってビアホールが形成されたウエーハの断面図。

符号の説明

２：半導体ウエーハ
２１：半導体ウエーハの基板
２２：ストリート
２３：デバイス
２４：ボンディングパッド
３：レーザー加工装置
３１：レーザー加工装置のチャックテーブル
３２：レーザー光線照射手段
３３：撮像手段
４：パルスレーザー光線発振手段
５：出力調整手段
６：集光器
７：レーザー光線走査手段
７１：第１の音響光学偏向手段
７２：第２の音響光学偏向手段

Claims (1)

1. 基板の表面に複数のデバイスが形成されているとともにデバイスにボンディングパッドが形成されているウエーハに、基板の裏面側からパルスレーザー光線を照射してボンディングパッドに達するビアホールを形成するビアホールの加工方法であって、
   形成すべきビアホールの直径をDとし、パルスレーザー光線のスポット径をdとした場合、D/2≦d≦D−２μmのスポット径を有するパルスレーザー光線をスポットの外周が形成すべきビアホールの内周に沿って照射する際に、前回の照射位置から１２０度以上で１８０度以下の角度を設けて照射する、
   ことを特徴とするビアホールの加工方法。

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