JP2008270601A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通電極付基板において、貫通電極とパッドとの間の電気的な接触不良の発生を防止できるようにする。
【解決手段】貫通電極３を高さをほぼ同一にできる突起状電極１０にする。そして、第１半導体基板１に形成しておいた電極用貫通孔２ａに挿入したのち、第２半導体基板５に形成しておいたパッド６と電気的に接続し、その後、封止用貫通孔９を通じて封止樹脂４を充填する。これにより、突起状電極１０にて構成した貫通電極３とパッド６との電気的な接続を確実に行うことが可能となる。また、貫通電極３とパッド６との接続を行ってから、封止樹脂４での封止を行うようにしているため、封止樹脂４によって貫通電極３とパッド８との電気的接続が行えなくなることを防止することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に設けた貫通孔に貫通電極を配置した半導体装置およびその製造方法に関するものである。

近年、半導体基板の厚さ方向に貫通した貫通電極が形成された貫通電極付基板が開発されている。例えば、半導体基板を多層化する場合、積層される相互の基板の電気的な接続を確保するために、半導体基板に貫通電極が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来の貫通電極付基板の製造工程を示した断面図である。図３（ａ）に示すように、第１半導体基板Ｊ１に対して貫通孔Ｊ２が形成されており、この貫通孔Ｊ２内に貫通電極Ｊ３が配置された構造とされている。このような構造は、次のようにして製造される。例えば、第１半導体基板Ｊ１に後に貫通孔Ｊ２となる有底孔を形成したのち、その表面に絶縁層を形成後、ＣＶＤ法によりシード層を半導体基板の上面に形成し、電解めっきにより有底孔内を充填する金属層を形成する。次に、第１半導体基板Ｊ１を裏面側から研削して有底孔の下側の金属層を露出させることで貫通孔Ｊ２とし、さらに第１半導体基板Ｊ１の表面側の金属層の不要部分を除去することにより、貫通電極Ｊ３が得られる。

そして、このように得た貫通電極Ｊ３を形成した第１半導体基板Ｊ１の表面に接着剤等の接合樹脂Ｊ４を塗布すると共に、貫通電極Ｊ３と対応する位置にパッドＪ５、Ｊ６が備えられた第２半導体基板Ｊ７および第３半導体基板Ｊ８を用意し、第２半導体基板Ｊ７の表面にも封止樹脂Ｊ９を塗布したのち、第２、第３半導体基板Ｊ７、Ｊ８にて第１半導体基板Ｊ１を挟み込むようにして圧力を掛ける。これにより、図３（ｂ）に示すように、貫通電極Ｊ３の露出部分がパッドＪ５、Ｊ６と接触し、第１〜第３半導体基板Ｊ１、Ｊ７、Ｊ８が積層化される。
特開２００６−１０８２３６号公報

しかしながら、上記従来の製造方法では、電解めっきで貫通電極Ｊ３を形成する際に、貫通電極Ｊ３を第１半導体基板Ｊ１の表裏両側から露出させるために、第１半導体基板Ｊ１の表面側もしくは裏面側において基板削り込みを行う必要があり、その際に貫通電極Ｊ３の突出量にバラツキが生じてしまっていた。このため、図４に示す不良時の貫通電極付基板の断面図に示されるように、貫通電極Ｊ３が第２、第３半導体基板Ｊ７、Ｊ８のパッドＪ５、Ｊ６に良好に接続できず、機械的な接合不良および電気的な接続不良を生じるという問題がある。また、第１半導体基板Ｊ１の封止に加えて貫通電極Ｊ３とパッドＪ５、Ｊ６との電気的接続を同時に行うようにしているため、封止樹脂Ｊ９が貫通電極Ｊ３とパッドＪ５、Ｊ６との間に挟まってしまい、電気的な接続不良を生じるという問題もある。

本発明は上記点に鑑みて、貫通電極付基板において、貫通電極とパッドとの間の電気的な接触不良の発生を防止できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、第１半導体基板（１）を用意し、該第１半導体基板（１）の表裏面を貫通する貫通孔（２）として、電極用貫通孔（２ａ）および封止用貫通孔（２ｂ）を形成する工程と、第２半導体基板（５）を用意し、該第２半導体基板（５）の表面のうち電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（６）を形成すると共に、該第２半導体基板（５）の表裏面を貫通する封止用貫通孔（９）を形成する工程と、第３半導体基板（７）を用意し、該第３半導体基板（７）の表面のうち電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（８）を形成すると共に、該第３半導体基板（７）に形成されたパッド（８）の上に第１半導体基板（１）の厚みよりも長い突起状電極（１０）を形成する工程と、突起状電極（１０）を第１半導体基板（１）に形成された電極用貫通孔（２ａ）に挿入することで、突起状電極（１０）にて第１半導体基板（１）から突き出る貫通電極（３）を構成する工程と、第１半導体基板（１）を挟んで第３半導体基板（７）とは反対側に第２半導体基板（５）を配置し、第２半導体基板（５）に形成されたパッド（６）と貫通電極（３）とを接合する工程と、第２半導体基板（５）に形成された封止用貫通孔（９）および第１半導体基板（１）に形成された封止用貫通孔（２ｂ）を通じて、第１ないし第３半導体基板（１、５、７）の間の隙間に封止材（４）を注入する工程と、を含んでいることを特徴としている。

このように、貫通電極（３）を突起状電極（１０）にて構成し、第１半導体基板（１）に形成しておいた電極用貫通孔（２ａ）に挿入したのち、第２半導体基板（５）に形成しておいたパッド（６）と電気的に接続し、その後、第２半導体基板（５）の封止用貫通孔（９）を通じて封止材（４）を充填するようにしている。このため、突起状電極（１０）が高さをほぼ同一にできる。このため、突起状電極（１０）にて構成した貫通電極（３）とパッド（６）との電気的な接続を確実に行うことが可能となる。

また、貫通電極（３）と第２半導体基板（５）に形成したパッド（６）との接続を行ってから、封止材（４）での封止を行うようにしているため、封止材（４）によって貫通電極（３）とパッド（８）との電気的接続が行えなくなることを防止することもできる。

この場合、第２半導体基板（５）に形成された封止用貫通孔（９）と第１半導体基板（１）に形成された封止用貫通孔（２ｂ）の少なくとも一方を、封止材（４）の注入側においてサイズが広がるテーパ状とすると好ましい。このようにすれば、封止材（４）を注入し易くすることが可能となる。

また、第１半導体基板（１）に電極用貫通孔（２ａ）および封止用貫通孔（２ｂ）を形成する工程では、電極用貫通孔（２ａ）の開口寸法よりも封止用貫通孔（２ｂ）の開口寸法を大きくすると好ましい。このようにしても、封止材（４）を注入し易くすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態にかかる半導体装置の断面図である。この図に示されるように、シリコン基板などで構成された第１半導体基板１には複数の貫通孔２が形成されている。貫通孔２の一部にはＣｕなどで構成された貫通電極３が配置されており、残りの部分には封止材としての封止樹脂４が配置されている。以下、貫通孔２のうち貫通電極３が配置されたものを電極用貫通孔２ａと呼び、封止樹脂４が配置されているものを封止用貫通孔２ｂと呼ぶ。

貫通電極３は、第１半導体基板１の表面から裏面にかけて貫通するように配置されている。この貫通電極３は、第１半導体基板１の表面側において、第１半導体基板１と対向するように配置された第２半導体基板５の表面に備えられたパッド６と電気的に接続されていると共に、第１半導体基板１の裏面側において、第１半導体基板１と対向するように配置された第３半導体基板７の表面に備えられたパッド８と電気的に接続されている
第２半導体基板５には、第１半導体基板１における封止用貫通孔２ｂと対応する位置において、封止用貫通孔９が形成されている。この封止用貫通孔９および第１半導体基板１に形成された封止用貫通孔２ｂを通じて、第１半導体基板１と第２半導体基板５および第３半導体基板７との間の隙間に封止樹脂４が配置されることで、これらの隙間が封止された構造とされている。このような構造により、本実施形態の半導体装置が構成されている。

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示す半導体装置の製造工程を示した断面図である。

〔図２（ａ）に示す工程］
まず、第１半導体基板１に対して所望の素子形成プロセスなどを行ったのち、この第１半導体基板１に電極用貫通孔２ａと封止用貫通孔２ｂを共に形成する。各貫通孔２の形成は、例えばドリル加工、ブラスト加工、放電加工、レーザー加工、ドライエッチングなど、どのような加工によって行っても良い。このとき、電極用貫通孔２ａのサイズを貫通電極３のサイズと同等ないしそれ以上にしておく。電極用貫通孔２ａと封止用貫通孔２ｂの形状やサイズは、すべて同じにしても良いが、封止用貫通孔２ｂに関しては、後工程において封止樹脂４を注入する際に樹脂の流動が行われ易くなるように電極用貫通孔２ａよりも開口寸法が大きくなるようにすると好ましい。また、封止用貫通孔２ｂに関しては、封止樹脂４の注入される側（流動方向上流側）においてサイズが拡大されるようなテーパ形状とすることもできる。このようにすれば、封止樹脂４を封止用貫通孔２ｂ内に入り込ませ易くすることが可能となる。なお、このようにテーパ形状とするには、例えば、封止用貫通孔２ｂをウェットエッチングまたは等方性エッチングなどで形成すれば良い。

また、第２半導体基板５に対して所望の配線形成プロセスなどを行うことで、第２半導体基板５の表面にパッド６を形成する。そして、この第２半導体基板１に封止用貫通孔９を形成する。この封止用貫通孔９の形成方法は、上述した各貫通孔２の形成方法と同じである。このとき、封止用貫通孔９の形状を封止樹脂４の注入される側（流動方向上流側）においてサイズが拡大されるようなテーパ形状とすることもできる。このようにすれば、封止樹脂４を封止用貫通孔９内に入り込ませ易くすることが可能となる。なお、このようにテーパ形状とするには、例えば、封止用貫通孔９をウェットエッチングまたは等方性エッチングなどで形成すれば良い。

さらに、第３半導体基板７に対して所望の配線形成プロセスなどを行うことで、第３半導体基板７の表面にパッド８を形成したのち、パッド８の上に第１半導体基板１の厚みよりも長い突起状電極１０を形成する。この突起状電極１０が上述した貫通電極３を構成するものである。

突起状電極１０の形成方法としては、例えば、以下の手法を採用することができる。

（１）パッド８を金属シード層として、この金属シード層上に電解メッキを施すことでＣｕなどの金属層を形成したのち、その上にレジスト膜を塗布し、該レジスト膜を露光・現像したのち、ウェットエッチングもしくはドライエッチングを行うことで、金属層をパターニングしてパッド８の上に残す。これにより、パッド８上に残された金属層にて突起状電極１０を構成することができる。

（２）パッド８を金属シード層として、この金属シード層上にレジスト膜を塗布し、該レジスト膜を露光・現像することで、パッド８の突起状電極１０の形成予定部分に開口部を形成する。その後、レジスト膜の開口部から露出した金属シード層の表面をメッキ給電層として利用する電解メッキにより、レジスト膜の開口部内にＣｕなどの金属層を形成する。そして、レジスト膜を剥離液またはドライアッシングにて除去することで、パッド８上に金属層による突起状電極１０を構成することができる。

（３）第３半導体基板７の表面全面に金属層を配置したのち、この金属層に金属層剥離除去用接着シートを貼り付け、これを引き剥がすことにより、絶縁膜表面の金属層を剥離除去する。第３半導体基板７の表面は、所望の配線形成プロセスにより、パッド８のみが露出し、その他の領域が絶縁膜で覆われた構造となっている。このため、パッド８の表面にのみ金属層が残り、絶縁膜上の金属層は剥離する。したがって、パッド８上に残された金属層にて突起状電極１０を構成することができる（例えば、特開２００１−１０８２３６号公報参照）。

このように、パッド８上に突起状電極１０を残すような形態としているため、パターンによらず、突起状電極１０の高さがほぼ同一となる。勿論、若干の高さバラツキも生じるが、従来の手法のように、貫通電極Ｊ３を第１半導体基板Ｊ１の表裏両側から露出させるために、第１半導体基板Ｊ１の表面側もしくは裏面側において基板削り込みを行うときと比べれば、十分にバラツキを小さく抑えることが可能となる。

〔図２（ｂ）に示す工程〕
第３半導体基板７に形成した突起状電極１０を第１半導体基板１に形成した電極用貫通孔２ａ内に挿入する。これにより、突起状電極１０が貫通電極３となる。そして、第１半導体基板１を挟み込むように、第３半導体基板７とは反対側に第２半導体基板５を配置し、第２半導体基板５に形成されたパッド６を突起状電極１０に位置合わせして接触させる。この状態で第２半導体基板５および第３半導体基板７を加圧することで、突起状電極１０とパッド６とを接合する。これにより、これらの電気的接続が確実に行われる。

〔図２（ｃ）に示す工程〕
第２半導体基板５に形成した封止用貫通孔９を通じて封止樹脂４を注入する。これにより、第１半導体基板１と第２半導体基板５および第３半導体基板７との間の隙間に封止樹脂４が配置されることで、これらの隙間が封止された構造とされる。これにより、本実施形態の半導体装置が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、貫通電極３を高さをほぼ同一にできる突起状電極１０としている。そして、第１半導体基板１に形成しておいた電極用貫通孔２ａに挿入したのち、第２半導体基板５に形成しておいたパッド６と電気的に接続し、その後、封止用貫通孔９を通じて封止樹脂４を充填するようにしている。このため、突起状電極１０にて構成した貫通電極３とパッド６との電気的な接続を確実に行うことが可能となる。

また、貫通電極３とパッド６との接続を行ってから、封止樹脂４での封止を行うようにしているため、封止樹脂４によって貫通電極３とパッド８との電気的接続が行えなくなることを防止することもできる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、第１半導体基板１と第２半導体基板５および第３半導体基板７との間の隙間に封止樹脂４が配置されるようにすることで、これらの隙間が封止された構造となるようにしているが、必ずしも完全に隙間が埋まる必要は無く、例えば電極用貫通孔２ａと貫通電極３との間に隙間が埋まっていない領域があっても構わない。

また、上記実施形態では、第１半導体基板１に形成した封止用貫通孔２ｂと第２半導体基板５に形成した封止用貫通孔９とを対応した位置に配置したが、必ずしも対応した位置にしなければならない訳ではない。ただし、このような配置としたほうが、封止樹脂４の注入を行い易くなる。

本発明の第１実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を示した断面図である。 従来の半導体装置の製造工程を示した断面図である。 不良時の貫通電極付基板の断面図である。

符号の説明

１…第１半導体基板、２…貫通孔、２ａ…電極用貫通孔、２ｂ…封止用貫通孔、３…貫通電極、４…封止樹脂、５…第２半導体基板、６…パッド、７…第３半導体基板、８…パッド、９…封止用貫通孔、１０…突起状電極

Claims (4)

1. 第１半導体基板（１）を用意し、該第１半導体基板（１）の表裏面を貫通する貫通孔（２）として、電極用貫通孔（２ａ）および封止用貫通孔（２ｂ）を形成する工程と、
   第２半導体基板（５）を用意し、該第２半導体基板（５）の表面のうち前記電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（６）を形成すると共に、該第２半導体基板（５）の表裏面を貫通する封止用貫通孔（９）を形成する工程と、
   第３半導体基板（７）を用意し、該第３半導体基板（７）の表面のうち前記電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（８）を形成すると共に、該第３半導体基板（７）に形成された前記パッド（８）の上に前記第１半導体基板（１）の厚みよりも長い突起状電極（１０）を形成する工程と、
   前記突起状電極（１０）を前記第１半導体基板（１）に形成された前記電極用貫通孔（２ａ）に挿入することで、前記突起状電極（１０）にて前記第１半導体基板（１）から突き出る貫通電極（３）を構成する工程と、
   前記第１半導体基板（１）を挟んで前記第３半導体基板（７）とは反対側に前記第２半導体基板（５）を配置し、前記第２半導体基板（５）に形成された前記パッド（６）と前記貫通電極（３）とを接合する工程と、
   前記第２半導体基板（５）に形成された前記封止用貫通孔（９）および前記第１半導体基板（１）に形成された前記封止用貫通孔（２ｂ）を通じて、前記第１ないし第３半導体基板（１、５、７）の間の隙間に封止材（４）を注入する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２半導体基板（５）に形成された前記封止用貫通孔（９）と前記第１半導体基板（１）に形成された前記封止用貫通孔（２ｂ）の少なくとも一方を、前記封止材（４）の注入側においてサイズが広がるテーパ状とす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。
3. 前記第１半導体基板（１）に前記電極用貫通孔（２ａ）および前記封止用貫通孔（２ｂ）を形成する工程では、前記電極用貫通孔（２ａ）の開口寸法よりも前記封止用貫通孔（２ｂ）の開口寸法を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 表裏面を貫通する貫通孔（２）として、電極用貫通孔（２ａ）および封止用貫通孔（２ｂ）が形成された第１半導体基板（１）と、
   前記電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（６）が形成されていると共に、表裏面を貫通する封止用貫通孔（９）が形成された第２半導体基板（５）と、
   前記電極用貫通孔（２ａ）と対応する位置にパッド（８）が形成された第３半導体基板（７）と、
   前記第１半導体基板（１）に形成された前記電極用貫通孔（２ａ）に配置され、前記第２半導体基板（５）に形成された前記パッド（６）と前記第３半導体基板（７）に形成された前記パッド（８）とを電気的に接続する貫通電極（３）と、
   前記第２半導体基板（５）に形成された前記封止用貫通孔（９）および前記第１半導体基板（１）に形成された前記封止用貫通孔（２ｂ）を通じて、前記第１ないし第３半導体基板（１、５、７）の間の隙間に注入された封止材（４）と、を備えていることを特徴とする半導体装置。

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