JP2008543072A - 半導体ウェハにおける垂直な電気コンタクト接続の作製方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体デバイス製造のために、半導体ウェハ中に垂直な電気コンタクト接続（マイクロバイア）を作製する方法に関する。本方法は以下のステップを特徴とする。
− ウェハ表面に保護レジストを塗布する。
− ウェハ裏面と接続すべきコンタクトが塞がらないように、ウェハ表面の保護レジストを構造化する。
− ウェハ裏面から半導体基板、活性層および接続すべきウェハ表面上のコンタクトを貫通する貫通孔をコンタクト接続箇所にレーザ穿孔する。
− ウェハを清浄化する（破片除去）。
− ウェハ裏面およびレーザ穿孔した貫通孔にめっきベース液を塗布する。
− メタライズされたウェハ裏面および貫通孔に電気めっきにより金を塗布する。
− 保護レジストを除去する。
− ウェハ裏面の貫通孔の入口開口領域に濡れ防止層を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造のために、半導体ウェハ中に、垂直な電気コンタクト接続（マイクロバイア、ｖｉａ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ａｃｃｅｓｓ＝垂直相互接続）、すなわち半導体ウェハを貫通してウェハ裏面に到るウェハ表面上のコンタクトを作製する方法に関する。

一段と進む電子デバイスの小型化により、周辺装置へのますますコンパクトな組み込みが要求されている。短い垂直接続は、電気的接触の効率的な手段である。その上、高性能トランジスタにおける増幅の強化およびチップ単位の最大供給出力の引き上げには、表面のソース・コンタクトと裏面のアース電極の間に低インダクタンスの導電性結合を作製することが物理的理由から必要である。しかしこれは、技術的には必ずしも容易に実現できるものではない。

電気的に活性なＧａＮ材料（窒化ガリウム）は、現在実際には単結晶ウェハ材料として利用できず、したがって、例えばＳｉＣウェハ（炭化ケイ素）などの基板材料上でエピタキシャル成長させている。ＳｉＣは、非常に良好な熱伝導性と極めて高い化学的安定性および高い硬度に優れている。そのため、ＧａＮトランジスタの裏面接触には、ＳｉＣ製担体材料とその上に設けられるＧａＮエピタキシャル層を貫通穿孔する必要がある。構造化には、これまで実際には、特にその目的用に最適化された高性能プラズマ・エッチング反応器内での、反応性イオン・エッチングなどの乾式化学エッチングしか問題にされていない。しかし、ＳｉＣの典型的なプラズマ・エッチング速度は１μｍ／分と非常に低い。加えて、プラズマ・エッチング技術の使用には、抵抗性エッチング・マスクの作製およびそのリソグラフィによる構造化が前提条件となる。

レーザを使用することにより導電性の板にバイアの作製が可能であることは公知である。この技術では、特定の層間に電気接続を作成するために、銅層および誘電体層にレーザで開口をあけ、次いでそれをメタライズする。ＣＯ_２レーザ、周波数逓倍（グリーン）ＹＡＧレーザ、エキシマ・レーザおよびＵＶ：ＹＡＧレーザに基づく様々なレーザ技術がある。

上記バイアの作製については、例えば下記文献に記載されている。
− Ｌ．Ｗ．Ｂｕｒｇｅｓｓ、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｖｉａ−ｉｎ−Ｐａｄ Ｂｌｉｎｄ Ｖｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ａｎｙ ＰＣＢ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｏｒ」、ＩＰＣ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｅｘｐｏ １９９７、１９９７年３月９〜１３日、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ、Ｓ１５−２
− Ａ．Ｃａｂｌｅ、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｖｉａ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｎｄ：ＹＡＧ ＵＶ Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＰＣ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｅｘｐｏ １９９７、１９９７年３月９〜１３日、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ、Ｓ１７−７
− Ｍ．Ｄ．Ｏｗｅｎ、「Ｖｉａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ」、Ｉｎ：Ｊ．Ｆ．Ｒｅａｄｙ、Ｄ．Ｆ．Ｆａｒｓｏｎ（Ｅｄｔｒｓ．）：ＬＩＡ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｌａｓｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｍａｇｎｏｌｉａ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ （２００１） ６６１−６６５

半導体ウェハ中にマイクロバイアを作製するための、レーザ技術に基づく方法はこれまで知られていない。

Ｌ．Ｗ．Ｂｕｒｇｅｓｓ、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｖｉａ−ｉｎ−Ｐａｄ Ｂｌｉｎｄ Ｖｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ａｎｙ ＰＣＢ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｏｒ」、ＩＰＣ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｅｘｐｏ １９９７、１９９７年３月９〜１３日、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ、Ｓ１５−２

Ａ．Ｃａｂｌｅ、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｖｉａ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｎｄ：ＹＡＧ ＵＶ Ｌａｓｅｒｓ」、ＩＰＣ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｅｘｐｏ １９９７、１９９７年３月９〜１３日、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、ＣＡ、Ｓ１７−７

Ｍ．Ｄ．Ｏｗｅｎ、「Ｖｉａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ」、Ｉｎ：Ｊ．Ｆ．Ｒｅａｄｙ、Ｄ．Ｆ．Ｆａｒｓｏｎ（Ｅｄｔｒｓ．）：ＬＩＡ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｌａｓｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｍａｇｎｏｌｉａ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ （２００１） ６６１−６６５

本発明の課題は、炭化ケイ素、サファイアなどのような高い硬度と化学的安定性を有する材料からなる半導体ウェハ中にマイクロバイアを作製するための効果的な方法を提供することである。

この課題は、本発明によれば請求項１に記載された特徴をもつ方法によって解決される。目的に合った実施形態は従属請求項の対象である。

それによれば本方法は以下のステップを特徴とする。
− ウェハ表面に保護レジストを塗布する。
− ウェハ裏面と接続すべきコンタクトが塞がらないように、ウェハ表面の保護レジストを構造化する。
− ウェハ裏面から半導体基板、活性層および接続すべきウェハ表面上のコンタクトを貫通する貫通孔をコンタクト接続箇所にレーザ穿孔する。
− ウェハを清浄化する（破片除去）。
− ウェハ裏面およびレーザ穿孔した貫通孔にめっきベース液を塗布する。
− メタライズされたウェハ裏面および貫通孔に電気めっきにより金を塗布する。
− 保護レジストを除去する。
− ウェハ裏面の貫通孔の入口開口領域に濡れ防止層を設ける。

ＳｉＣウェハの清浄化は、緩衝フッ化水素酸により湿式化学的に行うのが目的に適っている。

濡れ防止層（脱湿潤層）にはスパッタリングできるチタンの使用が目的に適っている。濡れ防止層の塗布はシャドーマスクを用いて行うのが目的に適っている。

レーザとしては紫外レーザが適しているが、波長３５５ｎｍの周波数３倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザが好ましい。

マイクロ・バイアスへのめっきベース液の塗布は多数の方法で行うことができる。傾斜蒸着、化学的溶液成長（無電流）が好ましく、あるいはスパッタリングも可能である。

本発明の方法は、マイクロバイアが、硬質で化学的に不活性な基板材料中に消費時間を大幅に短縮して高い精度で作製できるという利点を有する。しかもエッチング・マスクは必要でなく、基板の薄化は行われない。

本発明を、例示的実施形態に基づきより詳しく説明する。添付の概略図は、トランジスタ構造を備えるウェハおよび完成したマイクロバイアの横断面を示している。

ウェハは厚さ約２５０〜４００μｍのＳｉＣ基板１からなり、その上に厚さ約２〜３μｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮ層スタック２がエピタキシャル成長されている。ウェハ表面側の層スタック２上にはトランジスタの接続コンタクト、すなわちドレイン・コンタクト、ゲート・コンタクトおよびソース・コンタクト３が設置されている。ソース・コンタクト３の電位をウェハの裏面（アース電極）に戻さなければならないが、これは、その孔壁５がメタライズされているマイクロバイア４を用いて行われ、それにより表面のソース・コンタクト３がウェハ裏面のアース電極と電気的に接続される。

以下では、本発明による方法の工程操作および得られる結果について記述する。加工済みの完成したＧａＮトランジスタまたはＮＭＩＣは、ウェハ複合構造中にマイクロバイアを備える。まず、後続の工程ステップの際にウェハを保護するために、ウェハ表面に保護レジストが塗布される。第２ステップで、保護レジストが構造される、すなわち、その貫通穿孔すべきコンタクト・パッドに開口が設けられる。第３ステップで、貫通孔の出口開口がウェハ表面上のトランジスタのソース・コンタクト３の中央を通るように、レーザによりウェハの裏面から穿孔される。続いて、穿孔ステップにおいて試料上に沈積した緩んだ粒子（破片）が、湿式化学的清浄化ステップで除去される。それには、緩衝フッ化水素酸中での超音波によるエッチングが適している。その後、めっきベース液が貫通孔に塗布される。同時に、ウェハ裏面に薄い金属層６が蒸着される。その際、試料は、孔壁５が完全に被覆されるように、傾斜位置に保持される。続いて、金属層６によって形成されるめっきベース層が、電気めっきにより厚さ約５μｍの金層７で補強される。このようにして、ウェハ側から緊密な金層７を備える別の側への電気的接続が作成される。

顕微鏡撮影により、貫通孔が接触パッドの中心を通っていることが証明される。レーザ穿孔の横断面から、孔壁５が完全にメタライズされていること、すなわち、金属層６／金層７がウェハ裏面から接触パッドまで完全に被覆されていることがわかる。実現されるマイクロバイア４（中空リベット形バイア）の縦横比は４である。

メタライゼーションの後に後続の工程ステップで保護レジストの除去が行われる。

後でウェハから製造されるデバイスをはんだ付けする際に、はんだがマイクロバイア４を通って噴水のように噴出し、はんだの飛沫および小球がデバイスの表面に沈積するのを防止しなければならない。そのために、裏面のバイア入口開口にチタンからなる濡れ防止層８が塗布される。厚さ１００ｎｍの薄いチタン層が、既に存在する金層７上にスパッタリングされ、これが、後ではんだがデバイス表面にまで噴水のように漏れ出るのを防止する。濡れ防止層８は、シャドーマスクを用いて構造化されてウェハに施される。シャドーマスクは厚さ０．１ｍｍの金属箔からなり、その中にレーザにより開口があけられる。金属箔中の開口のレイアウトはウェハ上のマイクロバイア４の配置に対応している。シャドーマスクの開口の直径は、ウェハ裏面のマイクロバイア４の入口径よりも少し大きいので、幅約４０μｍのチタン・リングがバイアの入口開口の周りに形成される。シャドーマスクおよびウェハの縁部に設けたそれぞれ４つの追加の貫通孔を用いて、両部品はダウェル・ピンにより互いに位置合わせされる、すなわち重ね合わされる。

保護レジストの除去は、濡れ防止層８（チタンはんだはじき層）の分離後に初めて行うこともできることに留意されたい。

非常に硬質で化学的に不活性なＳｉＣの加工には、周波数３倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザが、除去速度、フレキシビリティおよび信頼性の点でよく適している。これらのレーザは、波長３５５ｎｍの紫外スペクトル領域において高いエネルギーをもつ、パルス周波数が最高で１００ｋＨｚまでのナノ秒パルスを供給する。レーザ・ビームは、試料テーブルのＣＮＣ制御による移動とガルボ・スキャナによるビーム偏向との組合せによってマイクロメートル単位の精度で移動される。画像認識およびエア充填式の高精度ＸＹクロス・テーブルを用いて、工作物上に存在する構造に対して±１μｍの精度でレーザ・ビームを位置決めすることができる。この精度は、レーザによる構造化を裏面で行い、（下方の）表面側に位置合わせマークがある場合でも達成される。

できる限り平滑な壁をもつ幅１００μｍの貫通孔を作成するには、直径１５〜２０μｍのレーザ・ビームを試料上で、例えば円形に移動させるのが目的に適っている。

ビーム放出下で試料テーブルのマイクロメートル単位の精度での精密な操作によって試料のそのときどきの加工箇所を位置決めし、次いでレーザ・ビームをミラーシステム（ガルボ・スキャナ）によって迅速に工作物上を移動させる、自動式穿孔方法を使用した。その際、厚さ２５０〜４５０ｎｍのＳｉＣを使用した。走査型電子顕微鏡により、レーザ穿孔による穴がやや円錐形に近いこと、および平滑な壁が作成できることがよくわかる。

ＳｉＣ試料の抵抗測定により、表面と裏面の間で低抵抗の接続が可能であることが証明される。そのために、まず試料の片面全体に厚さ５μｍの金層をメタライズした。次いで、もう一方の面の穴から孔のマトリックスをレーザ穿孔した。穴の間隔は２５０μｍないし５００μｍであった。続いて、上記のとおり、穴を含めてこれらの面にメタライゼーションを行った。個々の穴を通して抵抗を測定する前に、個々の穴を互いに電気的に分離しなければならなかった。そのために、金層に切り込みを入れて、それぞれ１つずつ貫通バイアを有する２５０×２５０μｍ^２ないし５００×５００μｍ^２の区画を得た。

ＳｉＣ試料を貫通した接触が、高い再現性で非常に均質に実現された。抵抗値は２５〜２８ｍΩである。２０７個のマイクロバイアの平均値は２７±０．５ｍΩである。

構成した様々なタイプのトランジスタに対する試験で、デバイスが機能的に有用であることが立証された。ＧａＮ加工技術においてレーザ穿孔によるマイクロバイアの実現に成功したことの証明は、トランジスタ特性曲線に基づいて行われた。

テクノロジー試験から、ＧａＮ高性能電界効果トランジスタ用の単結晶ＳｉＣウェハ材料によるレーザ穿孔マイクロバイアが作成可能なことが明らかになっている。レーザによるマイクロ構造化が、デバイスの加工技術において成功裡に実現し得ることが証明できた。

半導体ウェハの加工にレーザ・マイクロ加工を適用する前提条件は、ビーム中心点が±１μｍ以上の高い位置決め精度を有することである。この精度は、存在するデバイス構造に対するビームの位置決めに関するものであり、表面の加工でも裏面の加工でも達成されねばならない。

トランジスタ構造を備えるウェハおよび完成したマイクロバイアの横断面である。

符号の説明

１ ＳｉＣ基板
２ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層スタック
３ ソース・コンタクト
４ マイクロバイア
５ 孔壁
６ 金属層
７ 金層
８ 濡れ防止層

Claims (10)

1. 半導体デバイス製造のために、半導体ウェハ中に、垂直な電気コンタクト接続、すなわち、半導体ウェハを貫通してウェハ裏面に到るウェハ表面上のコンタクトを作製する方法であって、
   以下のステップ、すなわち
   ウェハ表面に保護レジストを塗布するステップと、
   ウェハ裏面と接続すべきコンタクトが塞がらないように、ウェハ表面の保護レジストを構造化するステップと、
   ウェハ裏面から半導体基板、活性層および接続すべきウェハ表面上のコンタクトを貫通する貫通孔をコンタクト接続箇所にレーザ穿孔するステップと、
   ウェハを清浄化するステップと、
   ウェハ裏面およびレーザ穿孔した貫通孔にめっきベース液を塗布するステップと、
   メタライズされたウェハ裏面および貫通孔に電気めっきにより金を塗布するステップと、
   保護レジストを除去するステップと、
   ウェハ裏面の貫通孔の入口開口領域に濡れ防止層を設けるステップと
   を特徴とする方法。
2. 前記清浄化が緩衝フッ化水素酸により湿式化学的に行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記濡れ防止層にチタンが使用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記濡れ防止層がスパッタリングされることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記濡れ防止層の塗布がシャドーマスクを用いて行われることを特徴とする、前記請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. レーザ穿孔に紫外レーザが使用されることを特徴とする、前記請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記めっきベース液の塗布が傾斜蒸着によって行われることを特徴とする、前記請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記めっきベース液の塗布がスパッタリングによって行われることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記めっきベース液の塗布が化学的溶液成長によって行われることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
10. レーザ穿孔のために、そのビーム径が作製すべき貫通孔の横断面より小さく、該ビームが該貫通孔の領域全体にわたって移動するレーザを使用することを特徴とする、前記請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

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