JP2010023133A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な低コストの方法で、抵抗値を充分に低くでき、貫通穴に充填される金属の熱応力による基板などの破壊が発生しない貫通電極を有する半導体装置およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置において、前記貫通電極は、前記貫通穴の底面および内壁の表面に形成される第１の金属層と、この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように形成される第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層、で構成されたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貫通電極を有する半導体装置に関し、詳しくは、基板の貫通穴をハンダなどの比較的融点の低い金属で充填した構造の貫通電極を有する半導体装置とその製造方法に関するものである。

たとえば、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて構成されるリレーなどの半導体装置では、第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属が充填された貫通電極が用いられることが多い。

図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ従来の貫通電極の一例を示す構成図である。２枚の基板１、２は接合されている。一方の基板１には貫通穴３が設けられていて、この貫通穴３の一端は基板２で塞がれている。この貫通穴３の底面および内壁面に金属層を形成することにより、基板１の最表面と基板２を電気的に接続する電極４が構成される。このような電極４を形成する方法として、（ａ）に示す蒸着やスパッタによる薄膜形成、（ｂ）に示す無電解メッキによる薄膜形成、（ｃ）に示す電解メッキによる金属の充填などがある。

図４（ａ）において、接合された２枚の基板１、２の一方の基板１に設けられている貫通穴３は、たとえばサンドブラスト法により形成される。この貫通穴３の穴径は、基板２と接合している面に向かって小さくなっていくが、基板２に近い部分で広くなる場合がある。その部分に蒸着やスパッタにより金属層４を形成しようとしても、小さくなりつつある穴径が反対に広くなっているため、広くなった部分には金属が付き難い。金属が付き難いことにより、貫通穴３の底面と内壁面の間に金属層４の不連続部５が発生し、電極４としての導電性が不完全かつ不安定になる。

また、蒸着やスパッタで形成される金属層４の厚さは通常サブミクロン程度であり、抵抗値が高いものとなってしまう。

図４（ｂ）の無電解メッキに使用するシード層として、図４（ａ）で形成される金属層４の薄膜が用いられる。この金属層４を使用した場合、不連続部５ではメッキが成長しない。メッキが成長しないことにより、図４（ａ）と同様に電極４としての導電性が不完全で不安定になる。なお、メッキによる金属層４の厚さ４ａは、図４（ａ）で形成される金属層４の薄膜よりも厚くできるが、貫通穴３の底面ではメッキ液の置換しやすさからメッキの厚さ４ｂが薄くなり、デバイスの要求を満足するほど抵抗値を低くすることはできない場合がある。

図４（ｃ）の電解メッキも、図４（ａ）で形成される金属層４の薄膜をシード層として行われる。電解メッキでは、電界が集中することにより、基板１が基板２と接する面と反対の面のメッキが貫通穴３の底面に形成されるメッキよりも速く成長する。これにより、貫通穴３の内部に空間６が形成されてしまうという問題がある。

ところで、これら図４（ａ）〜（ｃ）の方法で製造された貫通電極を有する半導体装置は、たとえば図５に示すように、プリント基板９上の配線８にハンダ７を介して固着されが、プリント板９と電極４の間に空間６が形成されてしまう。この結果、空間６に存在する水分によりハンダ７が劣化したり、空間６が閉空間になるとその内部気体の熱膨張や熱収縮によりハンダ７や基板１、２が破壊されることがある。

さらに、抵抗値を低くするために金属層４をある程度以上厚くした場合に半導体装置がハンダ７を付ける温度まで加熱されると、金属からなる電極４の熱膨張係数と基板１の熱膨張係数の差、あるいは金属からなる電極４の熱膨張係数と基板２の熱膨張係数の差により、基板１または基板２に熱応力が発生し、基板１、２が破壊してしまうという問題もある。

特許文献１は、コストアップを伴うことなく透孔を完全に塞ぐように貫通電極を形成する絶縁基板およびその製造方法に関するものである。

特許文献２は、基板に表裏方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔内に表裏面間を導通接続する貫通電極を設けた基板において、貫通孔と電極との間に隙間ができず、貫通孔と電極との密着性が良好で、電極が貫通孔から脱落しない基板の貫通電極に関するものである。

特許文献３は、ボンディング時などにおける圧力により破壊されにくい半導体装置およびその製造方法に関するものである。

特開平５−２５９５２９号公報 特開平７−２２７２３号公報 特開２００１−４４１９７号公報

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、比較的簡単な低コストの方法で、抵抗値を充分に低くでき、貫通穴に充填される金属の熱応力による基板などの破壊が発生しない貫通電極を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、
第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置において、
前記貫通電極は、
前記貫通穴の底面および内壁の表面に形成される第１の金属層と、
この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように形成される第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層、
で構成されたことを特徴とする。

請求項２では、請求項１記載の半導体装置において、
前記第１の金属層は、スパッタまたは蒸着などの半導体製造で用いられる成膜方法で形成されることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２記載の半導体装置において、
前記第２の金属層は、前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成されることを特徴とする。

請求項４では、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第１の基板および第２の基板は、シリコンまたはガラスであることを特徴とする。

請求項５では、請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記貫通穴を充填するようにメッキと加熱溶融を繰り返して形成された前記第２の金属層の表面には、第２の金属層よりも融点の高い金属層が形成されていることを特徴とする。

請求項６では、第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置の製造方法であって、
前記貫通穴の底面および内壁の表面に第１の金属層を形成するステップと、
この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層を前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成するステップ、
を含むことを特徴とする。

請求項７では、第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置の製造方法であって、
前記貫通穴の底面および内壁の表面に第１の金属層を形成するステップと、
この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層を前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成するステップと、
前記貫通穴を充填するようにメッキと加熱溶融を繰り返して形成された前記第２の金属層の表面に、第２の金属層よりも融点の高い金属層を形成するステップ、
を含むことを特徴とする。

これらにより、比較的簡単な低コストの方法で抵抗値を充分に低くでき、貫通穴に充填される金属の熱応力により基板などの破壊が発生することもない特性の安定した貫通電極を有する半導体装置およびその製造方法を提供できる。

以下、図面を用いて、本発明の半導体装置およびその製造方法を説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施例を示す半導体装置の製造方法の工程例図である。

図１（ａ）において、第１の基板１に形成された貫通穴３の一端を塞ぐように第２の基板２が接合された貫通穴３の底面および内壁表面には、第１の金属層１０ａが、スパッタまたは蒸着などの半導体製造で用いられる成膜方法により形成される。この第１の金属層１０ａは、第２の金属層１０ｂをメッキで形成するためのシード層として機能する。

図１（ｂ）において、第１の金属層１０ａの上面には、第１の金属層１０ａよりも融点の低い第２の金属層１０ｂが、第１の金属層１０ａをシード層として貫通穴３を充填するように電解または無電解メッキで形成される。第１の金属層１０ａよりも融点の低い第２の金属層１０ｂとしては、たとえばハンダや錫などがある。

図１（ｃ）において、接合された基板１および基板２を、第１の金属層１０ａの融点以下で第２の金属層１０ｂの融点以上になるように加熱し、第２の金属層１０ｂを溶融させる。溶融された第２の金属層１０ｂは、その表面張力により、貫通穴３の底面部分で膜厚が厚くなるように流動する。

なお、図１（ｂ）の工程から図１（ｃ）の工程に移行するタイミングは、メッキにより形成される第２の金属層１０ｂの厚さに基づき適切に設定される。すなわち、メッキにより形成される第２の金属層１０ｂの厚さが厚くなるのにしたがって、加熱により発生する熱応力は大きくなり、基板１および基板２が破壊しやすくなる。

そこで、製造しようとする半導体装置と同一の材料および寸法で予備実験を行い、第２の金属層１０ｂの融点以上で第１の金属層１０ａの融点以下の所定の温度まで加熱しても基板１および基板２が破壊しない第２の金属層１０ｂの最大メッキ厚さを求めておき、その最大メッキ厚さに達する前に図１（ｂ）の工程から図１（ｃ）の工程に移行するようにタイミングを制御する。

このような図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置の製造方法により、貫通穴３に第１の金属層１０ａと第２の金属層１０ｂからなる電極１０が形成され、基板１の最表面と基板２を電気的に接続する貫通電極として機能する。

図２は、本発明の他の実施例を示す半導体装置の製造方法の工程図であり、図２（ａ）〜（ｃ）は図１（ａ）〜（ｃ）と同様の工程である。

図２（ｄ）において、再度図２（ｂ）と同様の工程を行う。図２（ｄ）の工程では、図２（ｃ）で形成された貫通電極の最表面、つまり第２の金属層１０ｂの最表面に、さらにたとえばハンダや錫などの融点の低い金属からなる第２の金属層１０ｂが電解あるいは無電解メッキにより形成される。

そして、図２（ｅ）において、再度図２（ｃ）と同様の工程を行う。図２（ｅ）の工程では、接合された基板１および基板２を、再び第１の金属層１０ａの融点以下で第２の金属層１０ｂの融点以上になるように加熱し、図２（ｄ）の工程で形成された第２の金属層１０ｂを溶融させる。溶融された第２の金属層１０ｂは、その表面張力により、貫通穴３の底面部分で図２（ｃ）よりもさらに膜厚が厚くなるように流動する。

図２（ｆ）の工程では、さらに、図２（ｂ）、（ｃ）の工程を必要回数繰り返すことにより、貫通穴３の内部が第１の金属層１０ａとハンダや錫などの融点の低い第２の金属層１０ｂで充填された抵抗値の低い貫通電極１０が形成される。

そして、これら一連の工程において、前述のように第２の金属層１０ｂをメッキで形成する工程からメッキで形成された第２の金属層１０ｂを加熱溶融する工程に移行するタイミングを適切に制御することにより、過大な熱応力が発生して基板１および基板２を破壊することなく貫通電極１０を形成できる。

図３は、本発明の他の実施例を示す構成図であり、ＭＥＭＳデバイス３０のウエハーレベルパッケージにおける貫通電極として適用した例を示している。図３において、図２の工程で形成された基板１の外側に導出する貫通電極１０の最表面には、高融点金属層２０が電解または無電解メッキにより形成されている。このように貫通電極１０の最表面に高融点金属層２０が形成されることにより、貫通電極１０と図示しない他のデバイスとをハンダ付けする場合に、貫通電極１０の融点の低い第２の金属層１０ｂが流れ出すことを防止できる。

なお、基板１および基板２の材質は、シリコンまたはガラスのどちらであってもよい。図３の例では、基板１はパイレックス（登録商標）（商品名）で形成され、基板２はシリコンで形成されている。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な低コストの方法で抵抗値を充分に低くでき、貫通穴に充填される金属の熱応力により基板などの破壊が発生することもない特性の安定した貫通電極を有する半導体装置およびその製造方法が実現でき、ＭＥＭＳ技術を用いて構成されるリレーをはじめとする各種の半導体装置およびその製造方法に好適である。

本発明の半導体装置の製造方法の工程図である。 本発明の半導体装置の製造方法の他の工程図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の貫通電極の一例を示す構成図である。 従来の貫通電極の他の例を示す構成図である。

符号の説明

１０ 電極
１０ａ 第１の金属層
１０ｂ 第２の金属層
２０ 高融点金属層
３０ ＭＥＭＳデバイス

Claims (7)

1. 第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置において、
   前記貫通電極は、
   前記貫通穴の底面および内壁の表面に形成される第１の金属層と、
   この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように形成される第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層、
   で構成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の金属層は、スパッタまたは蒸着などの半導体製造で用いられる成膜方法で形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第２の金属層は、前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記第１の基板および第２の基板は、シリコンまたはガラスであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記貫通穴を充填するようにメッキと加熱溶融を繰り返して形成された前記第２の金属層の表面には、第２の金属層よりも融点の高い金属層が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置の製造方法であって、
   前記貫通穴の底面および内壁の表面に第１の金属層を形成するステップと、
   この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層を前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成するステップ、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 第１の基板に形成された貫通穴の一端を塞ぐように第２の基板が接合され、前記貫通穴に金属層を設けることにより貫通電極が形成される半導体装置の製造方法であって、
   前記貫通穴の底面および内壁の表面に第１の金属層を形成するステップと、
   この第１の金属層の上面に前記貫通穴を充填するように第１の金属層よりも融点の低い第２の金属層を前記第１の金属層をシード層としたメッキと加熱溶融を繰り返して形成するステップと、
   前記貫通穴を充填するようにメッキと加熱溶融を繰り返して形成された前記第２の金属層の表面に、第２の金属層よりも融点の高い金属層を形成するステップ、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。