JP2011114117A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通電極とパッド電極との接続信頼性を高める。
【解決手段】一方の面と、前記一方の面と対向する他方の面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記一方の面に設けられた絶縁膜と、前記半導体基板と前記絶縁膜とを貫通する貫通孔と、前記絶縁膜上に設けられ、平面視において前記貫通孔と重なる位置に凹部を有する配線層と、前記貫通孔と前記凹部とで構成される溝の内壁および前記溝の底面に設けられ、且つ、平面視において前記配線層の前記凹部と重なる接続孔を有する樹脂膜と、前記配線層に接続され、前記樹脂膜を介して前記溝内に設けられた貫通電極とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

三次元実装技術として、半導体基板に貫通電極を形成する技術が一般的に知られている。貫通電極は、半導体基板に貫通孔を形成し、貫通孔に貫通電極を設けることで形成される。また、貫通電極と半導体基板との間には、絶縁性を確保するために、シリコン酸化膜を設けることが知られている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１２８３５３号公報

上記の従来技術では貫通電極と半導体基板の貫通孔との間にシリコン酸化膜を形成しているが、このシリコン酸化膜の代わりに樹脂を用いることも考えられる。この場合、半導体装置に熱変化、特に冷却されて低温となった場合に、樹脂は半導体基板および貫通電極と比べて大きく収縮する。樹脂の収縮によって、貫通電極に負荷が掛かってしまう。その結果、貫通電極と面接続している配線との間の接続面を剥離する方向に負荷が発生する。最悪の場合には接続面の剥離、すなわち電気的な導通が取れなくなってしまう。しかし、樹脂はコスト削減には有効であり、上記の課題解決が望まれている。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例の半導体装置は、一方の面と、前記一方の面と対向する他方の面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記一方の面に設けられた絶縁膜と、前記半導体基板と前記絶縁膜とを貫通する貫通孔と、前記絶縁膜上に設けられ、平面視において前記貫通孔と重なる位置に凹部を有する配線層と、前記貫通孔と前記凹部とで構成される溝の内壁および前記溝の底面に設けられ、且つ、平面視において前記配線層の前記凹部と重なる接続孔を有する樹脂膜と、前記配線層に接続され、前記樹脂膜を介して前記溝内に設けられた貫通電極とを含むことを特徴とする。

上述の適用例は、平面視において貫通孔と重なる位置に凹部を有する配線層を有する。つまり、貫通電極と配線層との接続面の周辺の樹脂膜は、半導体装置のより内部（より深い位置）に形成されている。このため、半導体装置に熱ストレスがかかったとしても、貫通電極と第１配線層との接続面の周辺に位置する樹脂膜の熱収縮を抑制することができる。その結果、貫通電極と配線層との接続面の剥離を抑制できるため、貫通電極と配線層との接続信頼性を高めることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記配線層は、前記絶縁膜上に形成された第１バリア膜と、前記第１バリア膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成された第２バリア膜とを有し、前記貫通電極は、前記金属膜と直接接していることを特徴とする。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、貫通電極は、金属膜と直接接しているため、貫通電極と配線層との接続信頼性をより高めることができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記樹脂膜は、エポキシ樹脂またはポリイミドであり、前記貫通電極は、ＣｕまたはＡｕであることを特徴とする。

上述の適用例によれば、基板と貫通電極との絶縁膜として樹脂膜を用いることで、印刷法、スプレー法、スピンコーティング法などの簡便な方法によって形成することができるため、低コストの半導体装置を実現することができる。

〔適用例５〕本適用例の半導体装置の製造方法は、半導体基板の一方の面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に配線層を形成する工程と、前記半導体基板に第１貫通孔を形成する工程と、前記絶縁膜に第２貫通孔を形成する工程と、前記配線層の一部を除去する工程と、前記第１貫通孔と、前記第２貫通孔と、除去された前記配線層の前記一部の領域とから構成される溝の内壁および底面に、樹脂膜を形成する工程と、前記樹脂膜に、前記配線層を露出させる接続孔を形成する工程と、前記溝内に前記樹脂膜を介して貫通電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、第１貫通孔と、第２貫通孔と、配線層の除去された領域とから構成される溝の内壁および底面に、樹脂膜を形成する工程を有する。つまり、貫通電極と配線層との接続面の周辺の樹脂膜は、半導体装置のより内部（より深い位置）に形成される。このため、半導体装置に熱ストレスがかかったとしても、貫通電極と第１配線層との接続面の周辺に位置する樹脂膜の熱収縮を抑制することができる。その結果、貫通電極と配線層との接続面の剥離を抑制できるため、貫通電極と配線層との接続信頼性が高い半導体装置を製造することができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記配線層は、前記絶縁膜上に形成された第１バリア膜と、前記第１バリア膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成された第２バリア膜とを有し、前記貫通電極は、前記金属膜と直接接していることを特徴とする。

〔適用例７〕上述の適用例において、前記金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、貫通電極は、金属膜と直接接しているため、貫通電極と配線層との接続信頼性をより高めることができる。

〔適用例８〕上述の適用例において、前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記樹脂膜は、エポキシ樹脂またはポリイミドであり、前記貫通電極は、ＣｕまたはＡｕであることを特徴とする。

上述の適用例によれば、基板と貫通電極との絶縁膜として樹脂膜を用いることで、印刷法、スプレー法、スピンコーティング法などの簡便な方法によって形成することができるため、簡便な製造装置によって、低コストの半導体装置を製造することができる。

実施形態における貫通電極部の構成を示す概略断面図。 実施形態における貫通電極部製造のフローチャート。 実施形態における貫通電極部製造の工程を示す概略断面図。 実施形態における貫通電極部製造の工程を示す概略断面図。 実施形態における貫通電極部製造の工程を示す概略断面図。 実施形態における第１配線層の構成を示す拡大断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

図１は、本実施形態における半導体装置の概要を示す部分断面図を示す。本実施形態の半導体装置１００は、半導体基板１０（以下、基板１０という）を有する。基板１０としては、シリコン基板などが用いられる。また、基板１０は、一方の面１０ａ（以下、表面１０ａという）と、一方の面１０ａと対向する他方の面１０ｂ（以下、裏面１０ｂ）とを有し、表面１０ａには、図示しないが、トランジスター等の素子が形成されている。

基板１０の表面１０ａ上には、絶縁膜２０が形成されている。絶縁膜２０は、無機膜、例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜などが用いられる。

基板１０には、基板１０を貫通する第１貫通孔が形成されている。また、絶縁膜２０には、絶縁膜２０を貫通する第２貫通孔が形成されている。即ち、基板１０および絶縁膜２０には、第１貫通孔および第２貫通孔から構成される貫通孔１０ｃが形成されている。

絶縁膜２０上には、貫通孔１０ｃに対応する位置に設けられた第１配線層３１が設けられている。第１配線層３１は、平面視において、貫通孔１０ｃと重なる位置に、凹部３１ａを有している。平面視とは、半導体基板の裏面１０ｂの法線方向から見る場合をいう。また、凹部３１ａと貫通孔１０ｃとで、溝１０ｄを構成している。第１配線層３１の膜厚は、例えば、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲とすることができる。凹部３１ａの深さとしては、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることができる。

第１配線層３１は、単層の金属層であってもよいし、複数の金属層であってもよい。単層の金属層である場合は、ＡｌやＣｕなどが用いられる。複数の金属層である場合は、例えば基板１０に近い側からＴｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮの順に積層した積層膜が用いられる。なお、凹部３１ａは、後述する第１配線層凹部形成工程によって形成される形状であり、図示されているように、凹部３１ａの側面と底面とが垂直になっているような形状に限定されない。例えば、凹部３１ａは、一部に曲面等を有する形状であってもよい。また、凹部３１ａの側面は、凹部３１ａの底面に対して垂直でなくても良い。例えば、凹部３１ａの側面は、凹部３１ａの底面に対して傾斜していても良い。

凹部３１ａと貫通孔１０ｃとで形成される溝１０ｄの内壁および底面と、基板１０の裏面１０ｂ上とには、樹脂膜５０が形成されている。凹部３１ａと貫通孔１０ｃとで形成される溝１０ｄ内の樹脂膜５０には、第１配線層３１と後述する貫通電極４０との電気的接続を行うために、接続孔５０ａが形成されている。接続孔５０ａは、平面視において、第１配線層３１と重なる位置に形成されている。樹脂膜５０としては、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが用いられる。

溝１０ｄ内には、樹脂膜５０を介して貫通電極４０が形成されている。貫通電極４０は、接続孔５０ａを介して第１配線層３１と接続されている。また、貫通電極４０は、基板１０の裏面１０ｂ上に形成された樹脂膜５０の一部の上にも、形成されている。貫通電極の材料として、例えば、ＣｕやＡｕなどが用いられる。また、樹脂膜５０と貫通電極４０との間には、貫通電極４０の材料が基板１０に拡散することを防止する目的でバリア層を設けても良い。バリア層としてはＴｉＷ（チタンタングステン）膜を形成するのが好ましい。

第１配線層３１上には、第１プラグ６１を介して第２配線層３２が形成されている。第２配線層３２上には、第２プラグ６２を介して、第３配線層３３が形成されている。

また、第１配線層３１と第２配線層３２との間には、第１層間絶縁膜７１が形成されている。第２配線層３２と第３配線層３３との間には第２層間絶縁膜７２が形成されている。第３配線層３３上には、保護膜７３が形成されている。保護膜７３には開口部が形成され、開口部によって露出された第３配線層３３は、パッド電極として機能する。

第２配線層３２および第３配線層３３として用いられる金属層の構成や材料は、第１配線層３１と同様である。第１プラグ６１および第２プラグ６２としては、Ｗ膜が用いられる。または、ＴｉやＴｉＮなどのバリア膜とＷ膜との積層膜が用いられる。第１層間絶縁膜７１や第２層間絶縁膜７２として、シリコン酸化膜などの絶縁膜が用いられる。保護膜７３として、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜またはポリイミドなどの絶縁膜が用いられる。

次に、上述の半導体装置の製造方法について説明する。図２は、本実施形態の製造方法のフローチャートを示す。図３、図４および図５は、各製造工程における半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。

まず、図３（ａ）の通り、基板１０の表面１０ａに、絶縁膜２０、第１配線層３１、第１層間絶縁膜７１、第１プラグ６１、第２配線層３２、第２層間絶縁膜７２、第２プラグ６２、第３配線層３３、保護膜７３を形成する。図示しないが、基板１０の表面１０ａには、トランジスター等の素子が形成されている。また、これらは、通常の半導体プロセスを用いて形成される。

〔基板貫通孔形成工程〕
まず、基板１０に貫通電極形成のための貫通孔を形成する基板貫通孔形成工程（Ｓ１０１）を実施する。図３（ｂ）は貫通孔を形成するための準備工程として、基板１０を薄型化する工程を示す。

基板１０の表面１０ａ側に、サポートガラス２００を接着剤３００により接着固定する。サポートガラス２００は、基板１０の裏面１０ｂを研磨などにより基板１０の厚みを約１００μｍまで薄型化するための、図示しない研磨装置への固定部および加工時の強度確保のバックアップの機能を担う。

また、接着剤３００は特に限定されないが、上述の薄型化加工に対して十分な接着強度を有し、後述する最終工程でサポートガラス２００から基板１０を容易に剥離することができるものであることが要求される。

サポートガラス２００が接着された基板１０を、図３（ｃ）に示すように、裏面１０ｂにフォトレジストによりマスク４００を形成する。マスク４００には基板１０の貫通孔形成部に対応する開口部４００ａが設けられている。この開口部４００ａからドライエッチングにより、基板の貫通孔１０ｃ（第１貫通孔）が形成され、基板の貫通孔１０ｃ（第１貫通孔）の底部には絶縁膜２０が露出する。

基板の貫通孔１０ｃ（第１貫通孔）の形成のドライエッチングは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）が好適である。更にはＩＣＰ−ＲＩＥがより好適である。また、ボッシュプロセスによる形成も可能である。

〔絶縁膜除去工程〕
次に、露出した絶縁膜２０に対して、絶縁膜２０の貫通孔１０ｃ（第２貫通孔）を形成する絶縁膜除去工程（Ｓ１０２）に移行する。絶縁膜は酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素等で形成されるが、本実施形態では酸化ケイ素により絶縁膜２０が形成されている。

基板１０の貫通孔１０ｃ（第１貫通孔）の底部に露出した絶縁膜２０を、ドライエッチングにより、図４（ｄ）に示すように絶縁膜２０に最も近い第１配線層３１が露出するまで絶縁膜２０を除去する。エッチングにはフッ素系ガス、例えばＣ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３などを用いる。絶縁膜２０の除去により、基板１０と絶縁膜２０とを貫通する貫通孔１０ｃが形成される。

〔第１配線層凹部形成工程〕
次に絶縁膜２０の除去工程によって貫通孔１０ｃの底部に露出した第１配線層３１に、凹部３１ａを形成する第１配線層凹部形成工程（Ｓ１０３）に移行する。

図４（ｅ）に示すように、第１配線層３１に凹部３１ａを形成する。凹部３１ａは、第１配線層３１であって、貫通孔１０ｃに対応する領域の一部を除去することにより形成される。

図４（ｅ）におけるＡ部拡大図である図６に示す通り、第１配線層３１は、絶縁膜２０の表面からＴｉ、ＴｉＮおよびＴｉを有する第１バリア膜３１ｂと、Ａｌを有する金属膜３１ｃと、ＴｉおよびＴｉＮを有する第２バリア膜３１ｄとの順に成膜して形成される。第１バリア膜３１ｂ、金属膜３１ｃおよび第２バリア膜３１ｄはスパッタリングもしくはＣＶＤによって成膜される。また、第１配線層３１の凹部３１ａは、金属膜３１ｃに達し、且つ、金属膜３１ｃを貫通しない深さであることが好ましい。即ち、後述の工程で形成される貫通電極４０は、Ａｌを有する金属膜３１ｃに直接接するように、凹部３１ａを形成することが好ましい。このような深さとすることで、貫通電極４０と第１配線層３１との電気的接合を良好とすることができる。

〔樹脂膜形成工程〕
次に、貫通孔１０ｃ内に樹脂膜を形成する樹脂膜形成工程（Ｓ１０４）に移行する。樹脂膜形成工程（Ｓ１０４）では、図４（ｆ）に示すように感光性の樹脂材料により、貫通孔１０ｃと凹部３１ａとで構成される溝１０ｄの内壁および底面に樹脂層８０を形成する。なお、樹脂膜形成工程（Ｓ１０４）の前に、基板貫通孔形成工程（Ｓ１０１）で形成されたマスク４００は除去される。

樹脂層８０は、例えばエポキシ樹脂またはポリイミドが好適である。また、形成方法は例えば、印刷法、スプレー法、スピンコーティング法などが好適であるが、特に限定されるものではない。

次に図５（ｇ）に示すように、上述の樹脂層８０に接続孔５０ａをフォトリソグラフィーにより形成する。基板１０の裏面１０ｂ側、樹脂層８０上にガラスマスクを合わせ、貫通孔底部の樹脂層８０の一部を露光する。その後、現像により露光部を除去することで接続孔５０ａが形成される。

〔貫通電極形成工程〕
次に、基板１０の裏面１０ｂの一部および溝１０ｄ内に、樹脂膜５０を介して貫通電極を形成する貫通電極形成工程（Ｓ１０５）に移行する。

図５（ｈ）に示すように、基板１０の裏面１０ｂおよび樹脂膜５０の開口部内に、導電体を形成する。導電体としては、例えばＣｕをめっき法などにより形成する。また、導電体を形成する前に、樹脂膜５０上および接続孔５０ａから露出する第１配線層３１上に、基板１０への導電体材料の拡散を防止するバリア層を設けても良い。バリア層としては、例えばＴｉＷをスパッタリングもしくはＣＶＤにより３００ｎｍ程度の膜厚で成膜すればよい。導電体の形成後、導電体をパターニングすることにより、貫通電極４０を形成する。

また、貫通電極４０の形成と同時に裏面１０ｂ側の樹脂膜５０上に配線膜を形成することもできる。その場合には、配線形成用のレジスト等のマスクを、導電体の形成後で貫通電極４０の形成前に裏面１０ｂ側の樹脂膜５０上に形成する。

次に、サポートガラス２００を、接着剤３００と共に剥離し貫通電極４０を備える半導体装置１００が完成する。

上記の半導体装置１００においては、樹脂膜５０は、貫通孔１０ｃと第１配線層３１の凹部３１ａとで構成される溝１０ｄの内壁および底面に形成されている。また、貫通電極４０と第１配線層３１の電気的接続面は、第１配線層３１の凹部３１ａに形成されている。つまり、貫通電極４０と第１配線層３１との電気的接続面の周辺の樹脂膜５０は、半導体装置のより内部（より深い位置）に形成されている。このため、半導体装置１００に熱ストレスがかかったとしても、貫通電極４０と第１配線層３１の接続面の周辺に位置する樹脂膜５０の熱収縮を抑制することができる。その結果、貫通電極４０と第１配線層３１との接続面の剥離を抑制できるため、貫通電極と配線層との接続信頼性を高めることができる。

なお、上記の半導体装置においては、基板１０からみて第１層目の第１配線層３１に、貫通電極４０が接続される形態について説明したが、これに限定されることなく、第２層目など、他の層の配線層に貫通電極を接続させても良い。

また、上記の貫通電極は、素子が形成されていない基板に対しても適用することができる。この場合、その基板は、他の装置同士の電気的接続をとるための中継基板として用いることができる。

１０…半導体基板（基板）、２０…絶縁膜、３１…第１配線層、３２…第２配線層、３３…第３配線層、４０…貫通電極、５０…樹脂膜、６１…第１プラグ、６２…第２プラグ、７１…第１層間絶縁膜、７２…第２層間絶縁膜、７３…保護膜、１００…半導体装置。

Claims (8)

1. 一方の面と、前記一方の面と対向する他方の面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記一方の面に設けられた絶縁膜と、
   前記半導体基板と前記絶縁膜とを貫通する貫通孔と、
   前記絶縁膜上に設けられ、平面視において前記貫通孔と重なる位置に凹部を有する配線層と、
   前記貫通孔と前記凹部とで構成される溝の内壁および前記溝の底面に設けられ、且つ、平面視において前記配線層の前記凹部と重なる接続孔を有する樹脂膜と、
   前記配線層に接続され、前記樹脂膜を介して前記溝内に設けられた貫通電極と、を含む、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、
   前記配線層は、前記絶縁膜上に形成された第１バリア膜と、前記第１バリア膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成された第２バリア膜とを有し、
   前記貫通電極は、前記金属膜と直接接している、
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２において、
   前記金属膜は、Ａｌ膜である、
   ことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項において、
   前記半導体基板は、シリコン基板であり、
   前記樹脂膜は、エポキシ樹脂またはポリイミドであり、
   前記貫通電極は、ＣｕまたはＡｕである、
   ことを特徴とする半導体装置。
5. 半導体基板の一方の面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜上に配線層を形成する工程と、
   前記半導体基板に第１貫通孔を形成する工程と、
   前記絶縁膜に第２貫通孔を形成する工程と、
   前記配線層の一部を除去する工程と、
   前記第１貫通孔と、前記第２貫通孔と、除去された前記配線層の前記一部の領域とから構成される溝の内壁および底面に、樹脂膜を形成する工程と、
   前記樹脂膜に、前記配線層を露出させる接続孔を形成する工程と、
   前記溝内に前記樹脂膜を介して貫通電極を形成する工程と、を含む
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記配線層は、前記絶縁膜上に形成された第１バリア膜と、前記第１バリア膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成された第２バリア膜とを有し、
   前記貫通電極は、前記金属膜と直接接している、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６において、前記金属膜は、Ａｌ膜である、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項５ないし７のいずれか一項において、
   前記半導体基板は、シリコン基板であり、
   前記樹脂膜は、エポキシ樹脂またはポリイミドであり、
   前記貫通電極は、ＣｕまたはＡｕである、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images