JP2009277895A - シリコンインターポーザ及びその製造方法 - Google Patents

シリコンインターポーザ及びその製造方法

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Abstract

【課題】貫通電極をシリコン基板に対して確実に電気的に絶縁し、シリコン基板に形成した素子部と配線とを確実に電気的に接続することができるシリコンインターポーザを提供する。
【解決手段】シリコンウエハ10の素子部14が形成された表面に、貫通孔10aの平面配置に合わせて開口穴が形成された保護膜16を形成する工程と、保護膜16をマスクとして前記シリコンウエハ10をエッチングして貫通孔10aを形成する工程と、熱酸化により前記貫通孔10aの内壁面に酸化膜18を形成する工程と、前記保護膜16に前記素子部14に連通するコンタクトホール161を形成する工程と、前記シリコンウエハ10の両面に配線を形成する工程とを備え、前記配線を形成する工程において、前記コンタクトホール161に形成されるコンタクト部を介して前記素子部と電気的に接続される配線を形成することを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明はシリコンインターポーザおよびその製造方法に関し、より詳細には、シリコン基板の表面にダイオード等の素子部が形成されたシリコンインターポーザおよびその製造方法に関する。
シリコンインターポーザは、半導体素子と実装用基板との間に介在し、実装用基板と半導体素子とを電気的に接続することを目的として用いられる。半導体素子と樹脂基板からなる実装用基板とは熱膨張係数が大きく異なり、動作時に発熱するような半導体素子を実装する場合は、半導体素子と実装用基板との間で大きな熱応力が作用することから、シリコンインターポーザを介して半導体素子を実装する方法は有効である。
また、シリコンインターポーザは、シリコンを基材としているから、シリコンインターポーザ自体にダイオード等の素子部を形成することが可能である。したがって、シリコンインターポーザに素子部を作り込むことによって、ダイオード等の素子部を備えたシリコンインターポーザとして提供することが可能である。
特開2004−165602号公報 特開2007−311649号公報
シリコンインターポーザには、インターポーザの両面間で配線を電気的に接続する貫通電極が設けられる。この貫通電極は、シリコン基板に貫通孔を設け、貫通孔にめっき等により導体金属を充填して形成する。したがって、貫通電極とシリコン基板とを電気的に絶縁するために、貫通孔の内壁面を絶縁膜によって被覆する必要がある。貫通孔の内壁面を絶縁膜によって被覆する方法としては、低温CVD法を利用する方法、熱酸化によって酸化膜を形成する方法が考えられる。
低温CVD法によって保護膜を形成する方法は、シリコン基板に形成されている素子部が熱等によって損傷されないという利点はあるものの、酸化膜のような緻密な絶縁膜を形成することができず、アスペクト比の大きな貫通孔では均一に絶縁膜を形成することが困難であるという問題がある。一方、熱酸化を利用して酸化膜を形成する方法は、絶縁性の点では好適であるものの、熱酸化は800℃以上の高温で行う必要があるため、シリコン基板に不純物を拡散させて形成した素子部の特性に影響を及ぼすおそれがあるという問題がある。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、貫通電極とシリコン基板との電気的絶縁を確実にとることができ、また、シリコン基板に形成した素子部と配線とを確実に電気的に接続することができるシリコンインターポーザおよびこのシリコンインターポーザの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、シリコン基板の両面に配線が形成され、シリコン基板を厚さ方向に貫通して設けられた貫通電極を介して、シリコン基板の両面間において前記配線が電気的に接続されたシリコンインターポーザであって、前記シリコン基板の表面に不純物の拡散層からなる素子部が形成されるとともに、該素子部の表面が保護膜によって被覆され、前記素子部が形成された面に形成された配線と前記素子部とが、前記保護膜に設けられたコンタクト部を介して電気的に接続され、前記貫通電極は、前記シリコン基板に形成された貫通孔の内壁面を被覆する熱酸化膜によりシリコン基板と電気的に絶縁して設けられていることを特徴とする。
また、前記保護膜としてSiN膜を使用したシリコンインターポーザはとくに好適に用いられる。
本発明に係るシリコンインターポーザの製造方法は、シリコンウエハの、不純物の拡散層からなる素子部が形成された表面に、貫通孔の平面配置に合わせて開口穴が形成された保護膜を形成する工程と、前記保護膜をマスクとして前記シリコンウエハをエッチングし、シリコンウエハを厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、熱酸化により前記貫通孔の内壁面に酸化膜を形成する工程と、前記保護膜に前記素子部に連通するコンタクトホールを形成する工程と、前記シリコンウエハの両面に配線を形成する工程とを備え、前記配線を形成する工程において、前記コンタクトホールに形成されるコンタクト部を介して前記素子部と電気的に接続される配線を形成することを特徴とする。
また、前記保護膜にコンタクトホールを形成する工程においては、前記素子部に連通するコンタクトホールと、前記シリコンウエハに連通するコンタクトホールとを形成し、前記配線を形成する工程においては、前記各々のコンタクトホールに形成されるコンタクト部を介して、前記素子部と電気的に接続される配線、および前記シリコンウエハと電気的に接続される配線を形成することを特徴とする。素子部とシリコンウエハとに電気的に接続する配線を形成することによって、素子部としてダイオードを作り込んだような場合に、素子部を容易に電気回路に組み込むことができる。
また、前記シリコンウエハの両面に配線を形成する工程においては、前記保護膜を形成した面に、めっきシード層を形成する工程と、前記配線の平面配置にしたがってレジストパターンを形成する工程と、前記めっきシード層をめっき給電層とする電解めっきにより前記配線となる導体部を形成する工程とを備え、前記めっきシード層を形成する工程においては、めっきシード層を前記素子部に接触するTiシード層と、該Tiシード層に積層されるCuシード層の2層に形成することを特徴とする。Tiシード層を設けることによって素子部と配線との密着性を向上させることができ、Cuシード層を設けることによって容易に配線を形成することができる。
また、前記めっきシード層としてTiシード層を形成した後、前記保護膜に形成したコンタクトホールの位置に合わせしてレーザ光を照射し、前記Tiシード層を局所的に加熱することによってTiと前記素子部とを合金化させることによって、Tiシード層と素子部とをオーミック接合とすることができ、素子部と配線とを確実に電気的に接続することができるとともに、シリコンウエハを局所的に加熱することによって、シリコンウエハに不要な熱応力を発生させずに配線を形成することが可能となる。
また、前記保護膜を形成する工程において、前記保護膜としてSiN膜を形成することにより、保護膜がマスクとして好適に用いられるとともに、素子部の保護として好適に用いられる。
本発明に係るシリコンインターポーザおよびその製造方法によれば、貫通孔の内壁面に酸化膜を設けることによって、シリコン基板と貫通電極との電気的絶縁を確保することができる。また、素子部を保護膜によって被覆したことによって、貫通孔の内壁面に酸化膜を形成する熱酸化工程において素子部が損傷することを防止し、確実にシリコンインターポーザを形成することが可能となる。
(シリコンインターポーザの製造方法)
図1は、シリコンインターポーザの基材となるシリコンウエハ10の表面に、不純物の拡散層を形成して素子部を形成し、貫通電極を形成するための貫通孔をシリコンウエハ10に形成するまでの工程を示す。
図1(a)は、シリコンウエハ10を示し、図1(b)は、シリコンウエハ10の表面に、素子部を形成するためのレジストパターン12を形成した状態を示す。シリコンインターポーザは1枚のシリコンウエハ10から多数個形成する。レジストパターン12は、シリコンウエハ10に形成するシリコンインターポーザの単位領域ごとに、素子部の配置に合わせてパターニングする。なお、以下の図では、シリコンウエハ10から形成する単位のシリコンインターポーザの構成部分を示す。
図1(c)は、シリコンウエハ10の一方の面に不純物をドープさせ不純物の拡散層からなる素子部14を形成した状態を示す。この素子部14は、レジストパターン12に形成した開口穴12aから不純物をシリコンウエハ10中に拡散させることによって形成する。例として、シリコンウエハ10をn型半導体によって形成し、p型となる不純物、たとえばホウ素(B)をシリコン基材中に拡散させることによってp型の拡散層が形成され、n型領域とp型領域によってダイオードが形成される。
素子部14を形成した後、シリコンウエハ10の素子部14を形成した面を、保護膜16によって形成する。この保護膜16は、貫通電極を形成する貫通孔の平面配置に合わせて形成するもので、貫通孔を形成する部位が開口穴16aとなるように形成する。保護膜16は、シリコンウエハ10に貫通孔を形成するマスクとしての機能と、素子部14を保護する保護層としての機能を備える。これらの機能を備える保護膜16としては、たとえばSiN層が好適に用いられる。
SiNによって保護膜16を形成するには、レジストパターン12を除去した後、シリコンウエハ10の表面にCVDによってSiN層を形成し、次いで、SiN層の表面に貫通孔を形成する部位を露出させたレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてSiN層の露出部分をドライエッチングによって除去する方法、あるいはレジストパターン12を除去した後、シリコンウエハ10の表面に貫通孔を形成する部位を被覆するようにレジストをパターン形成し、この状態でSiNをスパッタリングし、リフトオフによってレジストが付着した部位のSiN層をレジストとともに除去する方法によることができる。保護膜16としてのSiN層としては、厚さ0.2μm程度に形成すればよい。
図1(e)は、シリコンウエハ10に貫通孔10aを形成する工程である。前工程で形成したSiN層等からなる保護膜16をマスクとしてドライエッチングして貫通孔10aを形成する。貫通孔10aは、保護膜16に形成された開口穴16aの位置に合わせて形成される。ドライエッチング法のかわりに、ウェットエッチング法によって貫通孔10aを形成することもできる。いずれの場合も、素子部14は保護膜16によって保護されて貫通孔10aが形成される。
図2は、シリコンウエハ10に貫通電極を形成し、保護膜16にコンタクトホールを形成するまでの工程を示す。
図2(a)は、貫通孔10aに電気的な絶縁膜として酸化膜18を形成する工程である。本実施形態では、シリコンウエハ10を大気中で1100℃、5時間加熱して酸化膜18を形成した。酸化膜18の膜厚は0.5μm程度である。
酸化膜18はシリコンウエハ10の外部に露出している面、具体的には、貫通孔10aの内壁面と、素子部14が形成された面と反対面に形成される。酸化膜(SiO2膜)は緻密な絶縁膜として形成され、シリコンウエハ10の露出面に均一な厚さに形成される。貫通孔10aが細径であったり、貫通孔10aのアスペクト比が大きい場合であっても、確実に酸化膜18を形成することができるという利点がある。
なお、SiN膜によって保護膜16を形成した場合は、熱酸化工程により、SiN膜の表面に薄いSiON層が形成される。このSiON膜は薄層として形成されるものであり、本製造工程において特別な作用をなすものではない。
本実施形態においては、シリコンウエハ10の素子部14が形成された面を保護膜16によって被覆したことにより、酸化膜18を形成する熱酸化工程において素子部14を熱から保護することができるという利点がある。とくに、保護膜16としてSiN層を使用した場合は、SiN層は耐熱性が高いことから、素子部14を熱から保護する作用が効果的に作用するという利点がある。
図2(b)は、貫通電極20を形成する工程である。
貫通電極20は、シリコンウエハ10の素子部14が形成された面と反対側の面(他方の面)に銅箔を張り、銅箔をめっき給電層とする電解銅めっきによって貫通孔10aに銅めっきを充填することによって形成することができる。別の方法としては、貫通孔10aの内壁面に無電解銅めっきによってめっきシード層を形成し、めっきシード層をめっき給電層とする電解銅めっきを施すことにより、貫通孔10aを銅めっきによって充填して形成することができる。
図2(c)、(d)は、保護膜16にコンタクトホールを形成する工程である。
図2(c)は、シリコンウエハ10の保護膜16によって被覆した面に、コンタクトホールを形成する部位が開口するレジストパターン22を形成した状態を示す。レジストパターン22には、素子部14に接続する部位とシリコンの基材に接続する部位とに開口穴22a、22bを形成する。
図2(d)は、ドライエッチングにより、レジストパターン22をマスクとして保護膜16をエッチングし、保護膜16にコンタクトホール161、162を形成した状態を示す。コンタクトホール161は底面に素子部14の表面が露出するように形成する。コンタクトホール162は、底面にシリコンウエハ10の基材が露出するように形成する。
図3は、シリコンウエハ10の両面に接続用の電極(配線)を形成し、電極に接続用のバンプを形成する工程を示す。
図3(a)は、シリコンウエハ10の両面にめっきシード層24を形成し、電極配置にしたがってレジストパターン26、27を形成し、めっきシード層24をめっき給電層とする電解めっきにより電極28a、28b、30a、30bを形成した状態を示す。レジストパターン26、27は、電極28a、28b、30a、30bを形成する平面配置に合わせて、めっきシード層24が底面に露出するパターンに形成する。
めっきシード層24は、Tiシード層にCuシード層を積層して形成する。Tiシード層は、素子部14と電極との密着性を向上させるために設ける。電極28a、28b、30a、30bは、銅めっき、ニッケルめっき、金めっきをこの順に施して形成する。銅めっきによって形成される銅層は電極の主要部であり、ニッケルめっきは金めっきが銅層に拡散することを防止するバリア層とし設け、金めっきは、電極28a、28b、30a、30bの保護めっきとして設ける。
図3(b)は、レジストパターン26、27を除去した後、めっきシード層24(Tiシード層、Cuシード層)の露出部分(不要部分)をエッチングして除去した状態を示す。
シリコンウエハ10の素子部14を形成した面(一方の面)には、素子部14とコンタクト部281を介して電気的に接続された電極28aと、シリコンウエハ10の基材とコンタクト部282を介して電気的に接続された電極28bが形成され、他方の面には電極30a、30bが形成される。
シリコンウエハ10の一方の面に形成された電極28aおよび電極28bと、他方の面に形成された電極30aおよび電極30bは、それぞれ貫通電極20を介して電気的に接続される。
図3(c)は、シリコンウエハ10の一方の面に形成した電極28a、28bに接続用のバンプとして金バンプ32a、32bを形成した状態を示す。金バンプ32a、32bは金線を用いたボールボンディングによって形成することができる。接続用のバンプとしては、金バンプ以外に、はんだバンプ等を使用することもできる。
金バンプ32a、32bを形成した後、シリコンウエハ10をシリコンインターポーザの単位領域ごとに切断し、個片のシリコンインターポーザ100を得る。
本実施形態の製造方法によって得られるシリコンインターポーザ100は、シリコン基板101の両面に電極(配線)28a、28b、30a、30bが形成され、シリコン基材の一方の面に形成された電極28a、28bと他方の面に形成された電極30a、30bとがそれぞれ銅からなる貫通電極20によって電気的に接続されている。
シリコン基板101の一方の面に形成された電極28aは、コンタクト部281を介して素子部14に電気的に接続し、電極28bは、コンタクト部282を介してシリコン基板101に電気的に接続する。電極28a、28bには、接続用のバンプとして金バンプ32a、32bが接合される。
なお、電極28a、28bに接続用のバンプを設けない状態でシリコンインターポーザとすることもできる。また、シリコン基板101の他方の面に設けた電極30a、30bに、あらかじめ接続用のバンプを設けてシリコンインターポーザとすることもできる。
図4(a)は、シリコンインターポーザ100に半導体素子としてLED34を搭載した状態を示す。LED34の他方の面に形成された電極36a、36bとシリコンインターポーザ100の一方の面に形成された電極28a、28bとが、金バンプ32a、32bを介して接続されている。電極36a、36bは金層によって形成され、LED34をシリコンインターポーザ100に超音波接合することにより、金バンプ32a、32bと金−金接合される。
図4(b)は、実装基板40に、LED34を搭載したシリコンインターポーザ100を実装した状態を示す。シリコンインターポーザ100の他方の面に形成された電極30a、30bは、はんだ44を介して実装基板40に形成された配線42a、42bにそれぞれ接続される。
こうして、LED34はシリコンインターポーザ100を介して実装基板40に電気的に接続された状態で実装される。電極28aには素子部14が電気的に接続され、電気回路としては、LED34の電極36a、36bと並列に素子部(ダイオード)14が配置されたものとなる。
LED素子製品によっては静電気対策を施す必要があり、このようなLED素子を搭載する場合には、本実施形態のように、ダイオード(ツェナーダイオード)を形成したシリコンインターポーザ100を用いることによって、別部品としてダイオードを搭載することなく、静電気対策されたシリコンインターポーザとして提供される。これによって、装置の組み立て工程を簡易とし、装置をコンパクトに形成することができる。
(他の製造工程例)
図5は、保護膜16にコンタクトホール161、162を形成した後、シリコンウエハ10の両面に電極28a、28b、30a、30bを形成する工程における他の工程例を示す。
図5(a)は、シリコンウエハ10の両面にめっきシード層の下層としてTiシード層24aを形成した状態を示す。前述したように、このTiシード層24aは、素子部14と電極28aとの電気的接続を確実にするために設けられる。素子部14と電極28aとはオーミック接合する必要があり、Tiシード層24aはTiと素子部14とを合金化させてオーミック接合となるために設けている。Tiシード層と素子部(不純物拡散層)とを合金化させるには、500℃程度に加熱してアニール処理する必要がある。
しかしながら、アニール処理のためにシリコンウエハ10全体を500℃程度に加熱すると、シリコンウエハ10にはシリコンとは熱膨張係数がかなり異なる貫通電極(Cu)20が形成されているため、貫通電極20とシリコンウエハ10との間で熱応力が生じ、シリコンウエハ10の表面に形成するシード層や電極が剥離するといった問題が生じる可能性がある。
本実施形態は、このようにシリコンウエハ10全体を加熱することを回避するため、図5(b)に示すように、シリコンウエハ10とTiシード層24aとが接触する部位、すなわち、コンタクトホール161、162を形成した部位のみを局所的にレーザ加熱してアニールする。
このようにコンタクトホール161、162を形成した部位のみを局所的に加熱してアニールする方法によれば、シリコンウエハ10とTiシード層24aとを合金化させてオーミック接合することができ、貫通電極20等が配置されている他の領域については加熱しないことによって、シリコンウエハ10に生じる熱応力を回避することができる。コンタクトホール161、162にレーザ光を照射する方法によれば、局所的に500℃程度に加熱することは容易であり、シリコンウエハ10に形成したすべてのコンタクトホールに熱処理を施すことも容易である。
図5(c)は、レーザ加熱処理を行った後、めっきシード層としてCuシード層を形成し電極形成用のレジストパターンを形成し、めっきシード層をめっき給電層とするめっきを施して電極28a、28b、30a、30bを形成し、レジストパターンおよびめっきシード層の不要部分を除去した状態を示す。
電極28a、28b、30a、30bを形成した後の工程は、前述した図3、4に示す工程と変わらない。
上記実施形態において説明したシリコンインターポーザはLEDを搭載する製品であるが、シリコンインターポーザはLEDに限らず一般的な半導体チップ、CSP(チップサイズパッケージ)等の半導体素子を搭載するものとして適用可能である。
また、シリコンインターポーザに形成する素子部も、上記例のようにpn構造からなるダイオードを形成する場合に限らず、不純物拡散層を適宜構成とすることによって受光素子などを形成することも可能であり、キャパシタ構造、抵抗体構造を作り込むことも可能である。
また、シリコンインターポーザの基材の表面に形成する電極(配線)についても、シリコンインターポーザに搭載する半導体素子製品に応じて、適宜設計することができる。
シリコンインターポーザは、シリコンウエハを基材としているから基材自体に受動素子や能動素子を作り込むことが可能であり、シリコンウエハの素材としての特徴を生かした製品として提供することができる。また、シリコンインターポーザ自体にダイオード等の回路部品の機能を付与したことにより、製品のアセンブリ工程を簡素化して、製造コストコストを低減させることが可能となる。また、効果的に製品の小型化を図ることが可能になるから、小型製品が求められる製品分野に好適に利用することが可能となる。
前述した発明の製造工程は、不純物がドープされたシリコンインターポーザに熱酸化膜を形成したい場合にとくに有効である。また、熱酸化膜は絶縁信頼性を向上させる上で有効であるという特徴がある。
シリコンインターポーザの製造工程を示す断面図である。 シリコンインターポーザの製造工程を示す断面図である。 シリコンインターポーザの製造工程を示す断面図である。 シリコンインターポーザを介してLEDを実装基板に実装する工程を示す断面図である。 シリコンインターポーザの他の製造工程を示す断面図である。
符号の説明
10 シリコンウエハ
10a 貫通孔
12 レジストパターン
12a 開口穴
14 素子部
16 保護膜
16a 開口穴
18 酸化膜
20 貫通電極
22 レジストパターン
22a、22b 開口穴
24 めっきシード層
24a Tiシード層
26、27 レジストパターン
28a、28b、30a、30b 電極
32a、32b 金バンプ
36a、36b 電極
40 実装基板
42a、42b 配線
100 シリコンインターポーザ
101 シリコン基板
161、162 コンタクトホール
281、282 コンタクト部

Claims (7)

  1. シリコン基板の両面に配線が形成され、シリコン基板を厚さ方向に貫通して設けられた貫通電極を介して、シリコン基板の両面間において前記配線が電気的に接続されたシリコンインターポーザであって、
    前記シリコン基板の表面に不純物の拡散層からなる素子部が形成されるとともに、該素子部の表面が保護膜によって被覆され、
    前記素子部が形成された面に形成された配線と前記素子部とが、前記保護膜に設けられたコンタクト部を介して電気的に接続され、
    前記貫通電極は、前記シリコン基板に形成された貫通孔の内壁面を被覆する熱酸化膜によりシリコン基板と電気的に絶縁して設けられていることを特徴とするシリコンインターポーザ。
  2. 前記保護膜は、SiN膜であることを特徴とする請求項1記載のシリコンインターポーザ。
  3. シリコンウエハの、不純物の拡散層からなる素子部が形成された表面に、貫通孔の平面配置に合わせて開口穴が形成された保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜をマスクとして前記シリコンウエハをエッチングし、シリコンウエハを厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
    熱酸化により前記貫通孔の内壁面に酸化膜を形成する工程と、
    前記保護膜に前記素子部に連通するコンタクトホールを形成する工程と、
    前記シリコンウエハの両面に配線を形成する工程とを備え、
    前記配線を形成する工程において、前記コンタクトホールに形成されるコンタクト部を介して前記素子部と電気的に接続される配線を形成することを特徴とするシリコンインターポーザの製造方法。
  4. 前記保護膜にコンタクトホールを形成する工程においては、前記素子部に連通するコンタクトホールと、前記シリコンウエハに連通するコンタクトホールとを形成し、
    前記配線を形成する工程においては、前記各々のコンタクトホールに形成されるコンタクト部を介して、前記素子部と電気的に接続される配線、および前記シリコンウエハと電気的に接続される配線を形成することを特徴とする請求項3記載のシリコンインターポーザの製造方法。
  5. 前記シリコンウエハの両面に配線を形成する工程においては、
    前記保護膜を形成した面に、めっきシード層を形成する工程と、
    前記配線の平面配置にしたがってレジストパターンを形成する工程と、
    前記めっきシード層をめっき給電層とする電解めっきにより前記配線となる導体部を形成する工程とを備え、
    前記めっきシード層を形成する工程においては、めっきシード層を前記素子部に接触するTiシード層と、該Tiシード層に積層されるCuシード層の2層に形成することを特徴とする請求項3または4記載のシリコンインターポーザの製造方法。
  6. 前記めっきシード層としてTiシード層を形成した後、
    前記保護膜に形成したコンタクトホールの位置に合わせしてレーザ光を照射し、前記Tiシード層を局所的に加熱することによってTiと前記素子部とを合金化させることを特徴とする請求項5記載のシリコンインターポーザの製造方法。
  7. 前記保護膜を形成する工程において、前記保護膜としてSiN膜を形成することを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項記載のシリコンインターポーザの製造方法。
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