JP2008198638A

JP2008198638A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2008198638A
Application number: JP2007029108A
Authority: JP
Inventors: Kohei Matsumaru; 幸平松丸
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP5117062B2

Abstract

【課題】微細孔（貫通孔）の形成において、エッチングマスクと孔側壁の凹凸を一括で除去でき、工数及びコストを削減した半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造方法は、一方の面から他方の面に至る微細孔が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一方の面側であって、前記微細孔の一端を覆うように配された電極と、を備えた半導体基板の製造方法において、前記半導体基板の他方の面に形成したエッチングマスクにより、該半導体基板の他方の面から、前記電極が露出するまで前記微細孔を形成する工程Ａと、前記微細孔の側壁の凹凸の除去と、前記エッチングマスクの剥離とを一括に行う工程Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、貫通電極を備えた半導体装置の製造方法に関する。

近年、携帯電話等の電子機器の高機能化が進み、これらの機器に用いられるＩＣやＬＳＩ等の電子デバイス、及びＯＥＩＣ（Optoelectronic Integrated Circuit）や光ピックアップ等の光デバイスにおいて、デバイス自体の小型化や高機能化を図るための開発が各所で進められている。例えば、このようなデバイスを積層して設ける技術が提案されており、具体的には、何らかの機能素子が一方の面に設けられている基板に対し、該基板の一方の面から他方の面に貫通してなる貫通電極を用いる技術が挙げられる。

貫通配線やＭＥＭＳ構造体を実現するには、Ｓｉ基板を深掘する必要がある。Ｓｉ基板の深掘をする方法はいくつかあるが、ＤｅｅｐＲＩＥと呼ばれるドライエッチングプロセスが高アスペクト比の加工が可能なため、一般的によく用いられる（例えば、特許文献１参照）。特に、三次元実装や気密封止パッケージなどへ応用が期待される貫通配線においては、１００〜３００μｍ程度の貫通孔を形成することが多いことから、高速エッチングが必須となっている。

高速エッチングでは、エッチングガス（ＳＦ_６）とデポジションガス（Ｏ_２等）を同時に供給し、エッチングを進めていくため、エッチングされた面の側壁に数オングストローム程度の凹凸が生じてしまう。このような凹凸は、貫通電極の電気的信頼性を低下させてしまう虞がある。

このような事態を回避するため、ドライエッチング後の微細孔側壁の凹凸を除去する必要があるが、これまでは、特殊なウェットエッチングなどによる高コストで特別な除去処理が必要とされてきた。
特開平１０−１２５６５１号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、微細孔（貫通孔）の形成において、エッチングマスクと孔側壁の凹凸を一括で除去でき、工数及びコストを削減した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体装置の製造方法は、一方の面から他方の面に至る微細孔が形成された半導体基板と、前記半導体基板の一方の面側であって、前記微細孔の一端を覆うように配された電極と、を備えた半導体基板の製造方法において、前記半導体基板の他方の面に形成したエッチングマスクにより、該半導体基板の他方の面から、前記電極が露出するまで前記微細孔を形成する工程Ａと、前記微細孔の側壁の凹凸の除去と、前記エッチングマスクの剥離とを一括に行う工程Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体装置の製造方法は、請求項１において、前記半導体基板としてシリコンからなる基板を用い、前記工程Ｂは、水酸化テトラメチルアンモニウムを含有するエッチングマスク剥離液を用いることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体装置の製造方法は、請求項２において、前記エッチングマスク剥離液は、水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度が１％以上、１０％以下であり、液温が７０℃以上、１３０℃以下であることを特徴とする。

本発明では、微細孔の形成において、エッチングマスクと孔側壁の凹凸を一括除去することにより、従来は個別に処理をするため、少なくとも２つ以上の工数を要していたのに対して、１つの工数で処理可能になることから、工数及びコストを削減した半導体装置の製造方法を提供することができる。その際に、水酸化テトラメチルアンモニウムを含有するエッチングマスク剥離液が好適に用いられる。

以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明により製造された半導体装置の一例を示す模式的な断面図である。
この半導体装置１は、一方の面２ａから他方の面２ｂに至る微細孔６（貫通孔）が形成された半導体基板２と、前記半導体基板２の一方の面２ａ（図面上方の面）側であって、前記微細孔６の一端を覆うように配された電極３と、半導体基板２の一方の面２ａ側に配された機能素子４と、機能素子４と電極３とを電気的に接続する配線部５と、電極３と電気的に接続され、微細孔６内に導電体７を充填してなる貫通電極８と、を少なくとも備える。

半導体基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）等からなり、その厚さは、例えば数百μｍ程度である。
図１に示す例では、半導体基板２をシリコン等から構成し、微細孔６と配線部５との間に絶縁部を配し、半導体基板２と配線部５とを電気的に絶縁した構成とされている。また、半導体基板２の一方の面２ａおよび他方の面２ｂに加え、微細孔６の側面の表層部が絶縁化された領域をなすような構成としてもよい。

微細孔６（貫通孔）は、図１に示すように、半導体基板２において、他方の面２ｂから一方の面２ａに配された電極３が孔内に露呈するように、半導体基板２内に開けられてなる。
微細孔６の口径は、例えば数十μｍ程度である。
また、半導体基板２上に設けられる微細孔６の数は、特に限定されない。

電極３や配線部５としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−シリコン−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）合金等の導電性に優れる材料が好適に用いられるが、これらの材料は酸化されやすい性質を有している。

機能素子４は、本実施形態では、例えばＩＣチップや、ＣＣＤ素子等の光素子からなる。
また、機能素子４の他の例としては、例えばマイクロリレー、マイクロスイッチ、圧力センサ、加速度センサ、高周波フィルタ、マイクロミラー、マイクロリアクター、μ−ＴＤＳ、ＤＮＡチップ、ＭＥＭＳデバイス、マイクロ燃料電池等が挙げられる。

貫通電極８をなす導電体７としては、例えば銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）などの金属や、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）系の合金の他に、錫（Ｓｎ）基、鉛（Ｐｂ）基、金（Ａｕ）基、インジウム（Ｉｎ）基、アルミニウム（Ａｌ）基などの半田などが好適に用いられる。

次に、上述したような半導体装置１の製造方法について、図２を用いて説明する。
本発明の半導体装置１の製造方法は、半導体基板２の他方の面２ｂに形成したエッチングマスクにより、該半導体基板２の他方の面２ｂから、電極３が露出するまで微細孔６（貫通孔）を形成する工程Ａと、前記微細孔６の側壁の凹凸の除去と、前記エッチングマスクの剥離とを一括に行う工程Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明では、微細孔６側壁の凹凸の除去とエッチングマスクの剥離を一括除去することにより、従来は個別に処理をするため、少なくとも２つ以上の工数を要していたのに対して、１つの工数で処理可能になることから、工数及びコストを削減することができる。
なお、本実施形態において、半導体装置１の製造方法は、前記微細孔６の内部に前記導電体７を充填する工程Ｃを、さらに備える。

（工程Ａ）
前記工程Ａは、前記微細孔６を形成するために、Deep-Reactive Ion Etching 法（以下、ＤＲＩＥ法と呼ぶ）を用いる。ＤＲＩＥ法を用いることにより、精度の高い孔加工が可能となるので、電極３領域の内部で接続するように微細孔６を形成することができる。
以下では、工程Ａについて、基板がシリコンウェハの場合を例にとり微細孔６を形成する手順を詳述する。通常のシリコンウェハは基部（Ｓｉ）とその上に配された酸化層（ＳｉＯ_２）を備えている。基板の一方の面２ａをなす酸化層（ＳｉＯ_２）上に電極３（Ａｌ）を配し、基板の他方の面２ｂから微細孔６を形成する際は、次の（イ）、（ロ）、（ハ）に示す３つのステップにより微細孔６が得られる。

（イ）まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板２の他方の面２ｂにエッチングマスク１０を形成する。エッチングマスク１０としては、例えばＵＶ硬化型樹脂やポリイミド系感光性樹脂等、ネガ型のフォトレジストを使用し、フォトリソグラフィーにより所定位置に開口部１０ａを設ける。ここで開口部１０ａは貫通電極８を形成するための微細孔６を搾孔するためのものであり、電極３に対応する位置に例えば円形の小孔として形成する。

（ロ）基部（Ｓｉ）の他方の面２ｂにおいて微細孔６を設ける部分（エッチングマスク１０の開口部１０ａから露出している部分）のみ、基部（Ｓｉ）に対してエッチング能力を持つＳＦ_６からなる第一ガスを用いて形成した第一プラズマに曝す。すると、基部（Ｓｉ）の他方の面２ｂには所定の開口面積からなる微細孔６が形成され始め、徐々にその深さを増してゆく。第一プラズマは酸化層（ＳｉＯ_２）に対してはエッチングレートがＳｉに比べて極めて小さいことから、酸化層（ＳｉＯ_２）が露出した時点でエッチングは停止し、第一ガスによる微細孔６の形成を終える。つまり、酸化層（ＳｉＯ_２）はエッチストッパとして機能する。

（ハ）次に、酸化層（ＳｉＯ_２）に対してエッチング能力を持つＣＦ_４からなる第二ガスを用いて形成した第二プラズマを微細孔６内に照射する。すると、第二プラズマは基部（Ｓｉ）に対してはエッチング能力を持たないことから、微細孔６底部に露出した酸化層（ＳｉＯ_２）のみにエッチング作用が働き、酸化層（ＳｉＯ_２）の厚さ方向に微細孔６はその深さを増してゆく。第二プラズマは電極３（Ａｌ）に対してはエッチング能力を持たないことから、電極３（Ａｌ）が露出した時点でエッチングは停止し、第二ガスによる微細孔６の形成を終える。つまり、電極３（Ａｌ）はエッチストッパとして機能する。
このような２つのステップにより、図２（ｂ）に示すように、半導体基板２の他方の面２ｂに開口部を持ち、電極３の裏面を底面とする微細孔６が形成される。

（工程Ｂ）
前記工程Ｂは、図２（ｃ）に示すように、微細孔６側壁の凹凸の除去と、エッチングマスク１０の除去とを、一括で行う。
高速エッチングでは、エッチングされた面の側壁に数オングストローム程度の凹凸が生じてしまう。このような凹凸は、貫通電極８の電気的信頼性を低下させてしまう虞がある。このような事態を回避するため、ドライエッチング後の微細孔６側壁の凹凸を除去する必要がある。
また、微細孔６の形成後、エッチングマスク１０が感光性樹脂やメタルからなる場合、除去する必要がある。

本発明では、このエッチングマスク１０の除去工程に着目し、エッチングマスク１０の除去と微細孔６側壁の凹凸の除去とを一括して行う。すなわち、エッチングマスク剥離液でシリコンをエッチングできれば、エッチングマスク１０の除去と、微細孔６側壁の凹凸の除去とを一括して行うことが可能である。微細孔６側壁の凹凸の除去とエッチングマスク１０の剥離を一括除去することで、工数及びコストを削減することができる。

具体的に、本発明では、前記半導体基板２としてシリコンからなる基板を用い、エッチングマスクとしてネガ型のフォトレジストを用い、エッチングマスク剥離液として有機アルカリ系溶液に水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）が混入されたものを用いる。ＴＭＡＨがエッチングマスク剥離液に成分として含まれていれば、一定の濃度、条件下でシリコンをエッチングするものと考えられる。

前記エッチングマスク剥離液は、ＴＭＡＨの濃度が１％以上、１０％以下であり、液温が７０℃以上、１３０℃以下であることが好ましい。エッチングマスク剥離液における、ＴＭＡＨの濃度及び液温を前記範囲とすることで、エッチングマスク１０の除去レートと微細孔６側壁の凹凸の除去レートが適正なものとなる。これに対し、エッチングマスク剥離液のＴＭＡＨ濃度及び液温が前記範囲よりも高いと、シリコンのエッチングレートが向上するが、凹凸も増加するため好ましくない。一方、エッチングマスク剥離液のＴＭＡＨ濃度及び液温が前記範囲よりも低いと、十分なエッチングレートが得られない。

図３は、エッチングマスクおよび孔側壁の凹凸を一括除去するための処理装置２０の一例を模式的に示す図である。
この処理装置２０は、液槽２１と、攪拌予備室２３と、隔離板２４と、を主として備える。なお、処理装置２０は、これらの他に、予備液槽（不図示）を備える。

液槽２１は、エッチングマスク１０および微細孔６側壁の凹凸を一括除去するための処理槽となるもので、その内部は、エッチングマスク剥離液２５によって満たされている。
予備液槽２２は、エッチングマスク剥離液２５を循環させるためのもので、予備液槽２２と液槽２１とは、連絡管２６によって接続されている。
液槽２１および予備液槽２２には、エッチングマスク剥離液２５の温度を調整するための温度計２７が配されている。

隔離板２４は、スリット孔２４ａが形成されており、攪拌予備室２３から供給されるエッチングマスク剥離液を、分布良く被処理体２８（微細孔６が形成された半導体基板２）へ供給させるためのものである。
このような処理装置２０を用いて、エッチングマスク剥離液により、エッチングマスク１０および微細孔６側壁の凹凸を一括除去する。

（工程Ｃ）
前記工程Ｃは、微細孔６内に導電体７を形成する工程であり、その製法としては、めっき法が好適である、この他にも、溶融金属吸引法や真空印刷法などが適用可能である。

このように、本発明では、貫通電極８の作製において、半導体基板２に形成された微細孔６側壁の凹凸の除去と、エッチングマスク１０の除去とを低コストかつ容易に一括で行うことができる。その結果、工数及びコストを削減することができる。
上述した工程Ａ〜工程Ｃを備えてなる製法により作製された半導体装置１は、微細孔６の側壁を極めて滑らかな状態となる。具体的には、側壁に生じる凹凸の大きさを数〜数百［オングストローム（Å）、ただし、１０Åは１ナノメータ（ｎｍ）。］程度の範囲に抑えたものが得られる。このように滑らかな状態とした微細孔６の側壁は、貫通電極８の安定した電気的接続を確保するとともに電気的信頼性を高める効果があり、ひいては伝送特性等の向上をもたらす。

以上、本発明の半導体装置の製造方法について説明してきたが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、貫通電極が、微細孔内に導電性物質が形成されることで構成される場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、貫通電極は、導電部が微細孔内の孔側面を覆うように構成されたものであってもよいし、孔内全体を埋めるように構成されたものであっても構わない。

また、例えば、本発明は、機能素子の有無にかかわらず、貼り合わせ基板等についても適用可能である。また、貼り合わせのない基板に対してもこの方法は適用可能である。

本発明は、貫通電極を備えた半導体装置の製造方法に広く適用可能である。

本発明に係る製法により製造された半導体装置の一例を示す平面図。本発明に係る製法の一例を工程順に示す断面図。本発明において凹凸の一括除去に用いる処理装置の一例を示す模式図。

符号の説明

１半導体装置、２半導体基板、３電極、４機能素子、５配線部、６微細孔、７導電体、８貫通電極１０エッチングマスク、２０処理装置、２１液槽、２３攪拌予備室、２４隔離板。

Claims

一方の面から他方の面に至る微細孔が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面側であって、前記微細孔の一端を覆うように配された電極と、を備えた半導体基板の製造方法において、
前記半導体基板の他方の面に形成したエッチングマスクにより、該半導体基板の他方の面から、前記電極が露出するまで前記微細孔を形成する工程Ａと、
前記微細孔の側壁の凹凸の除去と、前記エッチングマスクの剥離とを一括に行う工程Ｂと、を少なくとも備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記半導体基板としてシリコンからなる基板を用い、前記工程Ｂは、水酸化テトラメチルアンモニウムを含有するエッチングマスク剥離液を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記エッチングマスク剥離液は、水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度が１％以上、１０％以下であり、液温が７０℃以上、１３０℃以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。