JP2008244187A - 貫通電極および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板11、21を貫通し、該半導体基板とは絶縁分離され、内部貫通電極12、22とリング状半導体11a、21aと外周貫通電極14、24とを備えた貫通電極G3、G4である。内部貫通電極は、複数の柱状半導体11d、21dと内部貫通導電膜12a、22aとを有し、柱状半導体は、4角形もしくは多角形のいずれかの断面形状を2種類以上用いて構成され、リング状半導体および隣接する柱状半導体に対して等間隔で配置され、リング状半導体及び柱状半導体との間には内部貫通導電膜が充填されている。
【選択図】図1
Description
図6(a)は、従来の半導体装置Aの概略模式図である。前記半導体装置Aは、半導体基板1上に、半導体チップ3、4、5が積層され、形成されている。各半導体チップ3、4、5の内部に設けられた貫通電極7は、各半導体チップ間において、バンプ6で接続され、半導体基板1上に設けられた配線電極2と導通がとられる構成となっている。図6(b)は、図6(a)のB部における断面図である。貫通電極7が、内部貫通導電膜7aと内部貫通絶縁膜7bとから構成されている。
また、特許文献2には、貫通電極の外側に第2の絶縁領域を設けることで、貫通電極と半導体基板の短絡を防止しているが、特許文献1と同様に、半導体基板との容量が小さく、均一の膜質を有する貫通導電膜を備えた貫通電極を得られず、前記の問題は解決されていない。
前記貫通電極Dは、半導体基板11を貫通して形成され、内部貫通電極12と、リング状半導体11aと、外周貫通電極14とから構成されている。さらに、前記内部貫通電極12は、16個の四角形の断面形状を有する柱状半導体11dと、前記柱状半導体11dの側面を覆う内部貫通電極絶縁膜13と、内部貫通導電膜12aとから構成されている。前記柱状半導体11dは、前記内部貫通導電膜13中に、格子状に等方配置され形成されている。
そのため、シリコンエッチングを用いて、貫通電極Dのための貫通導電膜31を充填するために、柱状半導体11d部分を残してトレンチを形成する際には、距離pで規定される柱状半導体11dの対角線上の大きな空間にエッチャントが多く流れ込む。つまり、隣接する柱状半導体11dの中心点nにおいてよりも、4つの柱状半導体11dの中心点mにおいて、トレンチが深く形成されてしまうというマイクロローディング効果もしくは逆マイクロローディング効果の問題が発生していた。
また、貫通導電膜13を埋め込む工程では、対角線上に配置された柱状半導体11dの中心点mにおける空間の方が、中心点nにおける空間よりも大きいので、前記中心点mにおいて前記貫通導電膜13を埋め込むのに時間がかかり、製造においては律速工程となる問題があった。また、対角線上に配置された柱状半導体11dの中心点mにおいて埋め込む前記貫通導電膜13の膜厚が、隣接した柱状半導体11dの中心点nにおいて埋め込む前記貫通導電膜13の膜厚よりも厚くなり、貫通電極としての電気的特性の均一性を担保することができない場合があった。
前記内部貫通電極は、複数の柱状半導体と内部貫通導電膜とを有し、前記複数の柱状半導体は、4角形もしくは多角形のいずれかの断面形状を2種類以上用いてなる柱状半導体から構成され、かつ、前記リング状半導体に対して等間隔で配置され、隣接する柱状半導体に対して等間隔で配置され、前記リング状半導体及び隣接する柱状半導体との間には前記内部貫通導電膜が充填されていることを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記隣接する柱状半導体が、ラインごとに半ピッチずれて配置されていることを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記リング状半導体と前記外周貫通電極は、電位が供給されないフローティング状態であることを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記内部貫通電極とリング状半導体と外周貫通電極とが絶縁膜によりそれぞれ絶縁分離されたことを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記リング状半導体が、内部貫通電極絶縁膜により内部貫通導電膜と絶縁分離され、外周貫通電極絶縁膜により外周貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記外周貫通電極が、外周貫通導電膜と外周貫通電極絶縁膜とを有し、前記外周貫通電極絶縁膜により前記リング状半導体及び半導体基板外周貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記外周貫通電極の外側に、さらに、リング状半導体と外周貫通電極とを備えた外周層を複数備えたことを特徴とする。
本発明の貫通電極は、前記内部貫通電極が、直接又は接続配線を介してバンプに接続されることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、半導体基板を貫通した内部貫通電極と、該内部貫通電極を囲んで形成されたリング状半導体と、さらに該リング状半導体の外周に形成された外周貫通電極を備えた半導体チップを積層したことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記内部貫通電極は柱状半導体と内部貫通導電膜とを有し、内部貫通電極絶縁膜により前記リング状半導体と絶縁分離されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記柱状半導体は、前記リング状半導体又は隣接する柱状半導体と等間隔のスペースで形成され、前記リング状半導体及び隣接する柱状半導体との空間は前記内部貫通導電膜により充填されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記柱状半導体は、内部貫通電極絶縁膜により内部貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記内部貫通電極が、直接又は接続配線を介してバンプに接続され、該バンプにより前記半導体チップを積層したことを特徴とする。
実施形態1として、図1を用いて説明する。
図1(a)は、本発明の実施形態である半導体装置Eの断面図である。
前記半導体装置Eは、半導体基板100上に、3つの半導体チップ103、104、105を搭載している。各半導体チップ間は、貫通電極G3に接続された接続部106によりそれぞれ接続され、さらに、半導体基板100の配線パターン102に接続されている。
半導体チップ103は、半導体基板11と絶縁膜17が積層されている。半導体基板11には、貫通電極G3が設けられ、前記貫通電極G3は、絶縁膜17の内部に設けられた接続配線16と接続されている。前記貫通電極G3は、内部貫通電極12と、前記内部貫通電極12を囲むリング状半導体11aと、前記内部貫通電極12およびリング状半導体11aを囲む外周貫通電極14とから構成されている。
前記内部貫通電極12は、内部貫通導電膜12a、内部貫通電極絶縁膜13、柱状半導体11dとから構成され、接続部106の上に、柱状半導体11dが立設され、この柱状半導体11dの外面が、内部貫通電極絶縁膜13によって被覆されている。さらに、柱状半導体11d同士の間を埋めるように内部貫通導電膜12aが形成されている。半導体基板11を貫通し、半導体基板11の裏面側に形成されたバンプ31と接続されている。前記バンプ31は、半導体基板11の裏面側に設けられた絶縁膜33に設けられた開口部部分に形成されている。
また、前記外周貫通電極14は、外周貫通導電膜14aと、外周貫通電極絶縁膜15とから構成されている。
前記バンプ31、32の側面部には、樹脂からなる接着剤34が充填され、2つの半導体チップが安定に保持される。図1(a)においては、前記接着剤34をバンプの側面部のみに形成したが、半導体チップ103と半導体チップ104の間に形成される空隙部全面を充填するように形成してもかまわない。
ここで、半導体チップ103、104の表面に、トランジスタ等の半導体素子及び配線層を形成し、接続配線16もしくは接続配線26と接続してもよい。
貫通電極G3は、半導体基板11上に、内部貫通電極12と、リング状半導体11aと、外周貫通電極14とが形成され、構成されている。
図1(b)で示したように、前記内部貫通電極12は、内部貫通導電膜12a、内部貫通電極絶縁膜13、柱状半導体11dとから構成されている。図2(a)に示した領域31は、半導体基板の裏面側の絶縁膜に設けられた開口部の大きさに対応し、接続されるバンプ31の位置と面積とを示している。
また、前記外周貫通電極14は、外周貫通導電膜14aと、前記外周貫通導電膜14aを取り囲んで形成された外周貫通電極絶縁膜15とから構成されている。
前記内部貫通電極12と前記外周貫通電極14との間には、リング状半導体11aが形成されている。
なお、前記外周貫通電極14の幅が、狭く導電膜14aを形成できなくてもかまわない。外周貫通電極14はフローティング状態であり、電極としては機能しないので、全て外周貫通電極絶縁膜15として構成することもできるためである。
前記内部貫通電極絶縁膜13、リング状半導体11a、外周貫通電極絶縁膜15、外周貫通電極14は、半導体基板11と内部貫通電極12の間でガードリングとして機能する。このため、内部貫通電極12と半導体基板11の間に生じる容量を飛躍的に減少させることができる。また、内部貫通電極12と半導体基板11の間に生じる容量が小さくなることで、絶縁耐圧を小さくすることができるので、内部貫通電極絶縁膜13及び外周貫通電極絶縁膜15の膜厚を、従来の絶縁膜厚より薄くすることができる。
図2(a)に示すように、前記貫通電極G3において、左上方に配置した4つの柱状半導体11dの断面中心をそれぞれ位置g31〜g34とした場合、位置g31の柱状半導体11dは断面形状が正方形であり、位置g32の柱状半導体11dも断面形状が正方形である。同様に、このX方向には、断面形状が正方形の柱状半導体11dが4本、等間隔で形成されている。
位置g31から−Y方向には、位置g33に断面形状が長方形の柱状半導体11dが形成され、このパターンを繰り返して、4個の柱状半導体11dが等間隔で形成されている。
位置g33の断面形状が長方形の柱状半導体11dのX方向には、位置g34に正方形の柱状半導体11dが形成され、次に再び長方形の柱状半導体11dが形成され、3個の柱状半導体11dが等間隔で形成されている。
また、前記内部貫通導電膜12aの膜厚は、柱状半導体11dの間隔と、絶縁膜の膜厚により規定される。柱状半導体11dの間隔と絶縁膜の膜厚は、どちらも高精度で制御することが可能なので、結果として内部貫通導電膜12aの膜厚も高精度で制御することが可能となり、薄く、膜厚を均一に制御した内部貫通導電膜12aを形成することができる。
そのため、シリコンエッチングを用いて、貫通電極G3のための貫通導電膜31を充填するためのトレンチを形成する際には、各柱状半導体11dの空間にほとんど等しくエッチャントを流し込むことができ、従来問題となっていた、トレンチの深さが位置によって異なるというマイクロローディング効果もしくは逆マイクロローディング効果の問題を解決することができる。
また、貫通導電膜13を埋め込む工程では、前記貫通導電膜13を埋め込む空間が位置によって異なるということが無いので、前記貫通導電膜13を埋め込む成膜時間を最も短くすることができ、製造においては最速で成膜することができる。
また、各位置における前記貫通導電膜13の膜厚を等しく形成できるので、貫通電極G3としての電気的特性の均一性を担保することができる。
図3で示した貫通電極G5において、内部貫通電極12と、リング状半導体11aと、外周貫通電極14とからなる構成は、図2で示した例と変わらない。これらの構成は、図2と同じ符号とし、その説明は省略する。
1点目は、リング状半導体11aおよび内部貫通電極絶縁膜13において、三角形状の凸部i5が柱状半導体11dの間隙部hに対応して形成されていることである。
2点目は、図2に示した断面形状が正方形の柱状半導体11dのうち、中心部3列の柱状半導体11dが、正方形の上下に三角形状の凸部i5を付加した6角形もしくは5角形の断面形状として形成されていることである。前記三角形状の凸部i5の一辺の長さは、柱状半導体11dの断面形状である正方形の一辺の長さと等しくなるように形成されている。前記三角形状の凸部i5は柱状半導体11dの間隙部hに対応して付与され、前記間隙部hが存在しない外部貫通電極14側には、付与されない。
最後に、断面形状が長方形の柱状半導体11dの中心列側端部に三角形状の凸部i5が付与され、8角形もしくは6角形の断面形状となる柱状半導体11dが形成されていることである。正方形の断面形状の場合と同様に、前記三角形状の凸部i5は柱状半導体11dの間隙部hに対応して付与され、前記間隙部hが存在しない外部貫通電極14側には、付与されていない。
そのため、シリコンエッチングを用いて、貫通電極G3のための貫通導電膜31を充填するためのトレンチを形成する際には、各柱状半導体11dの空間にほとんど等しくエッチャントを流し込むことができ、従来問題となっていた、トレンチの深さが位置によって異なるというマイクロローディング効果もしくは逆マイクロローディング効果の問題を解決することができる。
また、貫通導電膜13を埋め込む工程では、前記貫通導電膜13を埋め込む空間が位置によって異なるということが無いので、前記貫通導電膜13を埋め込む成膜時間を最も短くすることができ、製造においては最速で成膜することができる。
また、各位置における前記貫通導電膜13の膜厚を等しく形成できるので、貫通電極G3としての電気的特性の均一性を担保することができる。
図4で示した貫通電極G6において、内部貫通電極12と、リング状半導体11aと、外周貫通電極14とからなる構成は、図2で示した例と変わらない。これらの構成は、図2と同じ符号とし、その説明は省略する。
すなわち、図4に示した平面断面図においては、正方形あるいは長方形の断面形状に付与する三角形状の凸部i6の大きさを、図3に示した前記三角形状の凸部i5に比較して小さくしている。
そのため、図1(c)に示した断面形状が正方形の柱状半導体11dのうち、中心部3列の柱状半導体11dが、正方形の上下に小さな三角形状の凸部i6を付加した10角形もしくは7角形の断面形状として形成されている。前記三角形状の凸部i6の一辺の長さは、柱状半導体11dの断面形状である正方形の一辺の長さより小さくなるように形成されている。
また、同様に、断面形状が長方形の柱状半導体11dの中心列側端部に小さな三角形状の凸部i6が付与され、10角形もしくは7角形の断面形状となる柱状半導体11dが形成されている。
そのため、シリコンエッチングを用いて、貫通電極G6のための貫通導電膜31を充填するためのトレンチを形成する際には、各柱状半導体11dの空間にほとんど等しくエッチャントを流し込むことができ、従来問題となっていた、トレンチの深さが位置によって異なるというマイクロローディング効果もしくは逆マイクロローディング効果の問題を解決することができる。
また、貫通導電膜13を埋め込む工程では、前記貫通導電膜13を埋め込む空間が位置によって異なるということが無いので、前記貫通導電膜13を埋め込む成膜時間を最も短くすることができ、製造においては最速で成膜することができる。
また、各位置における前記貫通導電膜13の膜厚を等しく形成できるので、貫通電極G6としての電気的特性の均一性を担保することができる。
実施形態2として、本発明の3次元半導体装置の製造工程について説明する。
図4は、図1に示した半導体チップ103のF部における貫通電極部の製造工程を示す断面図である。図4における符号番号は、先に記載した符号番号と同じ番号を用いた。
トレンチ18及び19を形成することにより形成される柱状部分およびリング状部分は、後述する導電膜および絶縁膜形成工程を行うことにより、それぞれ柱状半導体11dとリング状半導体11aとなる。
前記トレンチ19は、それぞれ同じ幅で形成するのが好ましく、トレンチ18と同等又はトレンチ18よりも小さい幅で形成するのが好ましい。後述する工程において、トレンチ19に形成する外周貫通電極14は、電位が供給されないでフローティング状態で使用されることから、トレンチ19の幅を小さくすることによって、トレンチ19を絶縁膜によって完全に埋め込み、トレンチ19には導電膜を形成しない構成としてもかまわないためである。
前記絶縁膜は、どのような方法で形成してもかまわないが、例えば、熱酸化法により、半導体基板11の材料であるシリコンを熱酸化処理し、SiO2として形成することができる。
埋め込まれる導電膜は、前記空隙部が、柱状半導体11dにより複数に等間隔で分割された狭い領域であり、トレンチ18の幅を等しく形成されているので、薄く、膜厚の等しい導電膜となり、導電膜の膜質も均一となる。
前記導電膜において、トレンチ18に形成された導電膜を内部貫通導電膜12a、トレンチ19に形成された導電膜を外周貫通導電膜14aと呼称する。
また、ここで、柱状半導体11dと、絶縁膜13と、導電膜12aとから内部貫通電極12が形成され、絶縁膜15と導電膜14aとから外周貫通電極14が形成される。
さらに、半導体基板11の裏面側を内部貫通電極12及び外周貫通電極14が露出するまで研削し、図5(d)に示す構造を形成する。
前記研磨工程において、半導体基板11の裏面研削は、研削をある程度まで実施し、その後ウェットポリッシュやドライポリッシュ等の研磨を行う2段階の研磨工程を用いてもかまわない。
また、このとき、図示していないトランジスタ素子、容量素子、抵抗素子を形成することができる。
最後に、半導体チップとして分割され、図5(e)に示すように、貫通電極を備えた半導体チップ10が形成される。
表側面にバンプ31を形成する際には、内部貫通電極12または接続配線16と接続させてバンプ31を形成させる。
また、半導体チップ103と半導体チップ104の信頼性や電気的特性を確保するため、樹脂からなる接着層34によって、接続部30が固定されている。
本発明の実施形態である貫通電極は、貫通電極を構成する柱状半導体11dについて、そのラインをY方向にずらすごとに、その位置をX方向に半ピッチシフトさせるように配置し、さらに断面形状が正方形又は長方形の2種類の柱状半導体を用いる構成なので、前記柱状半導体の間でトレンチ深さを規定する距離を、ほとんど均一に形成することができるので、マイクロローディング効果・逆マイクロローディング効果を抑制することができ、トレンチ深さを均一とすることができる。
Claims (18)
- 半導体基板を貫通し、該半導体基板とは絶縁分離された貫通電極であって、内部貫通電極とリング状半導体と外周貫通電極とを備え、前記内部貫通電極を囲んで前記リング状半導体が形成され、さらに前記リング状半導体の外周を囲んで前記外周貫通電極が形成された貫通電極において、
前記内部貫通電極は、複数の柱状半導体と内部貫通導電膜とを有し、前記複数の柱状半導体は、4角形もしくは多角形のいずれかの断面形状を2種類以上用いてなる柱状半導体から構成され、かつ、前記リング状半導体に対して等間隔で配置され、隣接する柱状半導体に対して等間隔で配置され、前記リング状半導体及び隣接する柱状半導体との間には前記内部貫通導電膜が充填されていることを特徴とする貫通電極。 - 前記隣接する柱状半導体11dの多角形の断面形状が、4角形に補助的に3角形を付加した形状であることを特徴とする請求項1に記載の貫通電極。
- 前記隣接する柱状半導体が、ラインごとに半ピッチずれて配置されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の貫通電極。
- 前記リング状半導体と前記外周貫通電極は、電位が供給されないフローティング状態である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。
- 前記内部貫通電極とリング状半導体と外周貫通電極とが絶縁膜によりそれぞれ絶縁分離されたことを特徴とする請求項4に記載の貫通電極。
- 前記柱状半導体が、内部貫通電極絶縁膜により前記内部貫通導電膜と絶縁分離されたこと特徴とする請求項4または5のいずれかに記載の貫通電極。
- 前記リング状半導体が、内部貫通電極絶縁膜により内部貫通導電膜と絶縁分離され、外周貫通電極絶縁膜により外周貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする請求項4に記載の貫通電極。
- 前記外周貫通電極が、外周貫通導電膜と外周貫通電極絶縁膜とを有し、前記外周貫通電極絶縁膜により前記リング状半導体及び半導体基板外周貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする請求項4に記載の貫通電極。
- 前記外周貫通導電膜と前記外周貫通電極絶縁膜の厚さが、前記内部貫通導電膜と前記内部貫通電極絶縁膜の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項4に記載の貫通電極。
- 前記外周貫通電極の外側に、さらに、リング状半導体と外周貫通電極とを備えた外周層を複数備えたことを特徴とする請求項4に記載の貫通電極。
- 前記内部貫通電極が、直接又は接続配線を介してバンプに接続されることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の貫通電極。
- 半導体基板を貫通した内部貫通電極と、該内部貫通電極を囲んで形成されたリング状半導体と、さらに該リング状半導体の外周に形成された外周貫通電極を備えた半導体チップを積層したことを特徴とする半導体装置。
- 前記リング状半導体と前記外周貫通電極は、電位が供給されないフローティング状態であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 前記内部貫通電極は柱状半導体と内部貫通導電膜とを有し、内部貫通電極絶縁膜により前記リング状半導体と絶縁分離されていることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。
- 前記柱状半導体は、前記リング状半導体又は隣接する柱状半導体と等間隔のスペースで形成され、前記リング状半導体及び隣接する柱状半導体との空間は前記内部貫通導電膜により充填されていることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。
- 前記柱状半導体は、内部貫通電極絶縁膜により内部貫通導電膜と絶縁分離されたことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。
- 前記外周貫通電極の外側にさらに、リング状半導体と外周貫通電極とを備えた外周層を複数備えたことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。
- 前記内部貫通電極が、直接又は接続配線を介してバンプに接続され、該バンプにより前記半導体チップを積層したことを特徴とする請求項12〜17のいずれかに記載の半導体装置。
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