JP2011129663A - 半導体装置およびインターポーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板上に、バンプ電極を形成する場合、平坦なシリコン基板上に下地金属層を形成し、その上にバンプ電極を形成していた。信頼性向上のため、バンプ電極と、下地金属層の接触面積を大きくする場合、バンプサイズが大きくせざるを得ず、チップサイズが増加する問題があった。
【解決手段】半導体基板の一主面をウェットエッチングして凹部を設け、凹部の底部に凹部より開口面積の小さい貫通孔を設ける。凹部側壁、貫通孔側壁および貫通孔の他の主面側を被覆する導電層を設け、凹部にバンプ電極を形成する。バンプ電極のサイズを増加させることなく、バンプ電極と導電層の接触面積を向上できる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置およびインターポーザに係り、特に半導体基板を貫通する電極構造を有する半導体装置およびインターポーザに関する。
半導体装置の電極または配線構造として、半導体基板の一の主面に設けられた電極又は配線と、他の主面に設けられた導電端子を、半導体基板を貫通する貫通孔に導電材料を設けた導電路(以下貫通導電路と称する)で接続する構造が知られている(たとえば特許文献1参照)。
図5は、従来の貫通導電路部分の構造を説明する断面概略図である。
シリコン半導体基板110の一の主面側に絶縁膜を介して例えばパッド電極112が設けられる。パッド電極112は、半導体基板110に設けた所望の拡散領域(不図示)等に接続する。
半導体基板110には、貫通孔113が設けられ、貫通孔113は絶縁膜118、バリアメタル119、配線層121で被覆される。絶縁膜118、バリアメタル119、配線層121は、半導体基板110の他の主面側まで延在し、他の主面側に半田バンプなどによる導電端子(バンプ電極)123が設けられる。
特開2006−128352号公報(第14頁、第15図参照)
図5に示す従来構造において、バンプ電極123と配線層121の接触面積は、ハッチングに示す領域となる。
チップを回路基板に搭載した実装状態での環境試験(温度サイクル試験)などに対して、信頼性を高める場合、ハッチングで示した接触面積を向上させることを目的としてバンプ径を大きくしたり、あるいはバンプ電極の高さを高くする方法が採用される。
しかしこの方法では、バンプ電極の大径化によって、チップサイズが大きくなったり、半導体装置の薄型化が進まないなどの問題がある。
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、半導体基板と、該半導体基板の一の主面に設けられ、第1の開口面積で且つ該半導体基板の前記第1の開口面積より小さい第2の開口面積を有し、該凹部の底部から前記半導体基板の他の主面までの該半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、前記凹部側壁に設けられた導電層と、前記貫通孔の側壁と該貫通孔の他の主面側を被覆する他の導電層と、前記凹部に設けられたバンプ電極と、を具備することにより、解決するものである。
本実施形態によれば、第1に、バンプ電極の形成領域の半導体基板に凹部を設け、バンプ電極と、当該バンプ電極が接触する導電層(下地金属層)の面積を向上させることができるので、バンプ電極を大径化することなく、実装信頼性を高めることができる。これにより、実装信頼性を向上した半導体チップにおいてチップサイズの小型化が実現する。
第2に、凹部にバンプ電極を形成するため、実装信頼性向上のために例えばバンプ電極の高さを従来より高くした場合であっても、半導体装置全体として薄型化が図れる。
第3に、導電性を有する半導体基板と、導電層(下地金属層)が電気的に接続するような構造の場合には、導電層とバンプ電極の接触面積が向上することにより抵抗を低減できる。
第4に、バンプ電極が半田であり、凹部と貫通孔に埋設されるような場合には、導電層(下地金属層)が凹部の側壁、貫通孔の側壁と底部を連続して覆うため、半導体基板と他の金属層の界面への半田の流出を防止できる。
本発明の第1の実施形態を説明するための(A)平面図、(B)断面図、(C)断面図、(D)断面図、(E)断面図である。 本発明の第1の実施形態の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第2の実施形態を説明するための断面図である。 本発明の第3の実施形態を説明するための断面図である。 従来の半導体装置を説明する断面図である。
図1から図4を参照して本発明の実施の形態を、詳細に説明する。
図1は、本実施形態の半導体装置を示す図であり、図1(A)が第1主面Sf1側から見た平面図であり、図1(B)(C)(D)(E)が、図1(A)のa−a線断面図である。
本実施形態の半導体装置100は、半導体基板1と、凹部2と、貫通孔3と、第1導電層4a、第2導電層4bと、バンプ電極6により構成される。
半導体基板1は、第1主面Sf1と第2主面Sf2を有する例えばシリコン半導体基板であり、厚み(第1主面Sf1と第2主面Sf2の距離)D1は例えば100μm程度である。後述するが、半導体基板1は不純物拡散等により所望の素子領域が設けられてチップを構成するか、あるいはインターポーザとして用いられる。
凹部2は、半導体基板1の第1主面Sf1に設けられる。凹部2は、第1の開口面積S1を有し、例えば、半導体基板1の厚みD1の2分の1以上の深さD2(例えば50μm程度)を有する。凹部2は例えば平面形状において円形であるが、この形状には限らない。凹部2の最大開口幅(半導体基板1の第1主面Sf1に対して垂直ないずれかの断面における最大の開口幅)W1は、例えば200μm程度である。
尚、以下の図面においては、これらの縮尺は概略であり、基板の残りの厚みD3と凹部2の深さD2が同等であるが、実際は基板の残りの厚みD3は基板の厚みD1の2分の1以下である。
凹部2は例えば等方性エッチングにより形成され、断面形状において底部の角部が所定の曲率を有するように椀形に形成される。
貫通孔3は、凹部2の底部から半導体基板1の第2主面Sf2までの半導体基板1を貫通して設けられ、凹部2の第1の開口面積S1より小さい第2の開口面積S2を有する。貫通孔3は平面形状において例えば円形であるが、この形状には限らない。貫通孔3は、例えば凹部2の略中心付近に設けられる。貫通孔3の最大開口幅W2は例えば50μm程度である。
貫通孔3は、たとえば異方性エッチングにより形成され、その側壁は、半導体基板1の第1主面Sf1および第2主面Sf2に対して垂直である。つまり、貫通孔3はその上部と底部で略均一な幅W2を有する。
凹部2の側壁は、曲面を含んで貫通孔3の側壁と第1主面Sf1に連続し、凹部2の側壁は第1導電層4aで覆われる。また、貫通孔3の側壁は第2導電層4bで被覆される。
図2(B)を参照して、本実施形態では貫通孔3の形成領域にそれより開口面積(最大開口幅)の大きい凹部2を設ける。一例として貫通孔3の深さD3は、半導体基板1の厚みD1から凹部2の深さD2を除いた深さD3である。
第2導電層4は、図1(B)の如く、貫通孔3の側壁のみに設けられ、貫通孔3内部は空洞又は絶縁膜で埋め込まれるなどしてもよい。
また第1導電層4aまたは、第2導電層4bは図1(C)の如く、貫通孔3の内部に埋設されてもよい。
例えば、第1導電層4aまたは第2導電層4bとして、半田、W、CuまたはAl等の合金または金属が挙げられる。また、貫通孔3の側壁をTi/TiNの積層膜、Ta/TaNの積層膜から成るバリア膜により保護し、W、Cuを貫通孔3に埋設してもよい。第1導電層4aと第2導電層4bは同じ金属層であってもよいし、異なる金属層であってもよい。
更に、貫通導電路10の周囲は、半導体基板1の電位の影響を避けるため、絶縁膜(不図示)が設けられてもよい。
このように、凹部2、貫通孔3および第1導電層4a、第2導電層4bによって、第1主面Sf1および第2主面Sf2間の半導体基板1を貫通する貫通導電路10が形成される。
図1(D)を参照して、凹部2には、バンプ電極6が設けられる。バンプ電極6は凹部2と密着し、凹部2の側壁および貫通孔3の少なくとも側壁に設けられた第1導電層4a、第2導電層4bと電気的に接続する。また、バンプ電極6を構成する材料(例えばAu、半田など)が、貫通孔3内部に埋設されてもよい。更に第2導電層4bは、貫通孔3の第2主面Sf2側(貫通孔3の底部)を覆ってもよい。
図1(D)(E)を参照して、バンプ電極6が半田で設けられる場合は、第1導電層4aと第2導電層4bは下地金属層となる。以下、第1導電層4aと第2導電層4bは同じ金属層である場合を例に説明し、両者を導電層4と総称する。
バンプ電極6が半田の場合は、導電層4は第2主面Sf2側(貫通孔3底部)も被覆して設けられる。すなわち導電層4は、凹部2の側壁、貫通孔3側壁と貫通孔3底部を連続して被覆する。半田は凹部2と貫通孔3に埋設されてバンプ電極6が形成される。
またこの場合、導電層4の下層にバリアメタル層(不図示)が設けられてもよい。
更に、導電層4と半導体基板1の界面にこれらを絶縁する絶縁層(不図示)が設けられてもよいし、半導体基板1が導電性を有し、バンプ電極6と同電位となる場合には導電層4と半導体基板1が電気的に接触していてもよい。
図1(D)(E)の如く、バンプ電極6が凹部2と貫通孔3に埋設される場合は、導電層(下地金属層)4が凹部2の側壁、貫通孔3の側壁および底部を連続して覆う。例えば半導体基板1の第2主面Sf2側に所望の拡散領域(不図示)に接続する電極又は配線層として他の金属層(例えばAl層)7等が設けられる場合があるが(図1(E))、その場合であっても、下地金属層4が半導体基板1とバンプ電極6の界面を連続して覆うため、半導体基板と他の金属層7の界面に半田が流れ込むことを防止できる。
また、貫通孔3は、上部の開口幅W2と、下部の開口幅W3が異なるものであってもよい。例えば、図1(E)では下部の開口幅W3が、上部の開口幅W2より小さい場合を示している。
本実施形態では、バンプ電極6の形成領域の半導体基板1に凹部2を設け、凹部2の底部から半導体基板1を貫通する貫通孔3を設けてこれらの側壁を第1導電層4a、第2導電層4bで被覆する。これにより、凹部2においてバンプ電極6と第1導電層4a(導電層4)の接触面積を向上させることができる。
これにより、バンプ電極6を大径化することなく、実装信頼性を高めることができる。つまり、実装信頼性を向上した半導体チップにおいてチップサイズの小型化が実現する。
また、凹部2にバンプ電極6を形成するため、平坦な第1主面Sf1上にバンプ電極6を形成する場合と比較して、バンプ電極6形成後の半導体基板1の高さD4を低くできる(図1(D)参照。)。これにより、実装信頼性向上のため、例えばバンプ電極6の高さを従来より高くした場合であっても、半導体装置全体の高背化を抑制できる。
また、バンプ電極6が半田であり、凹部2と貫通孔3に埋設されるような場合には、導電層(下地金属層)4が凹部2の側壁、貫通孔3の側壁と底部を連続して覆うため、半導体基板と他の金属層7の界面への半田の流出を防止できる。
更に、半導体基板1に所望の濃度の不純物が導入され、導電性を有している場合で、バンプ電極6と同電位となる場合には、抵抗を低減できる。つまり、バンプ電極6は、凹部2および貫通孔3のそれぞれの側壁全面において導電層4を介して半導体基板の電気的に接続するため、接触面積の増加により抵抗低減に寄与できる。
図2を参照して、本発明の貫通導電路10の製造方法の一例について説明する。
第1工程(図2(A)):半導体基板1の第1主面Sf1に凹部の形成領域が露出したレジストマスクPRを設ける。その後、半導体基板1をウェットエッチング(等方性エッチング)し、深さD2、開口面積S1(最大開口幅W1)の凹部2を形成し、レジストマスクPRを除去する。
第2工程(図2(B)):凹部2の底部から、第2主面Sf1に達する貫通孔を形成するため、貫通孔形成領域が露出した新たなレジストマスクPRを設け、エッチングガス(少なくともSF、OまたはCを含むガス)によりドライエッチング(異方性エッチング)を行う。
これにより、深さD3、開口面積S2(最大開口幅W2)の貫通孔3を形成し、レジストマスクPRを除去する。
また、図2(C)の如く、貫通孔3の側壁に側壁絶縁膜5を形成する場合には、本工程で行う。側壁絶縁膜5の材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜または樹脂膜を採用することができる。貫通孔3の側壁を側壁絶縁膜5により被覆することで、貫通孔3内に設けられる導電層と、半導体基板1とを絶縁させることができる。
側壁絶縁膜5の製造方法は、先ず、貫通孔3の内壁を含む半導体基板1の裏面全域を、SiO膜やSiN膜から成る絶縁膜により被覆する。これらの絶縁膜は、例えばプラズマCVDにより形成される。更に、異方性エッチングによりこの絶縁膜を除去することで、貫通孔3の側壁に側壁絶縁膜5が残存して、他の部分の絶縁膜が除去される。また、側壁絶縁膜5は、熱酸化膜により形成してもよい。
第3工程(図2(D)):貫通孔3の内壁および凹部2の内壁が被覆されるように導電層4(金属膜4)を形成する。金属膜4は、メッキ処理やスパッタにより行うことができる。メッキ処理により形成する場合は、先ず、厚みが数百nm程度のCuから成るシード層(図示せず)を少なくとも貫通孔3および凹部2の内壁に形成する。ここでは無電解メッキが好ましい。次に、このシード層を電極として用いる電解メッキを行うことにより、貫通孔3の内壁および凹部2の内壁に、厚みが数μm程度のCuから成る金属膜4が形成される。
ここでは、貫通孔3の内部が、メッキ処理により形成されるCuにより完全に埋め込まれているが、この埋め込みは不完全でも良い。即ち、貫通電極3の内部に空洞が設けられても良い。この空洞には、絶縁膜や、半導体材料が埋設されてもよい。
また、メッキ処理以外の方法であるスパッタ法等により金属膜4を形成してもよい。
更にまた、メッキ膜以外の金属材料により導電層4が形成されても良い。即ち、貫通孔3に、半田、W、CuまたはAl等の金属を埋め込むことで、導電層4を形成することもできる。
また、図1(D)(E)の如く凹部2にバンプ電極6を設ける場合には、下地金属層となる導電層4を形成した後、バンプ電極6を形成する。
ここでは導電層4として同じ金属層の場合を例に示したが、第1導電層4aと第2導電層4bで異なる金属層であってもよい。バンプ電極6が半田の場合には、これらは同じ下地金属層で形成され、貫通孔3の底部にも下地金属層が設けられる。
これにより、図1に示す貫通導電路10が形成される。
以下、本実施形態について、更に具体的に説明する。
図3を参照して、半導体装置100の第2の実施形態として、貫通孔3が設けられた半導体基板1に素子領域Eが形成される場合について説明する。
図3(A)の如く、半導体基板1は、第1主面Sf1側に凹部2が設けられ、これと対向する第2主面Sf2側に所望の不純物を拡散するなどして、素子領域Eが設けられる。凹部2の底部から、第2主面Sf2に到達するように、半導体基板1を厚み方向に貫通する貫通孔3が設けられ、凹部2と貫通孔3の少なくとも内壁には、導電層4(第1導電層4aおよび第2導電層4b)が設けられる。導電層4はたとえば、貫通孔3の底部にも設けられる。第2主面Sf2には、素子領域Eと電気的に接続する接続手段7が設けられる。接続手段7は、配線または電極であり、導電層4と電気的に接続する。
この場合、凹部2、貫通孔3および導電層4は、素子領域Eの電極を第1主面Sf1側に取り出す貫通導電路(貫通電極)10を構成する。
例えば、半導体基板1は、p型半導体基板1a上にn型半導体層1bを積層してなり、コレクタ領域21となるn型半導体層1b表面にベース領域22となるp型不純物領域が形成され、ベース領域22表面にエミッタ領域23となるn+型不純物領域が設けられる。n型半導体層1bの表面(半導体基板1の第2主面Sf2側)に、コレクタ領域21、ベース領域22、エミッタ領域23とそれぞれ接続する、コレクタ電極71、ベース電極72、エミッタ電極73が設けられる。
貫通導電路10は、p型半導体基板1の裏面(第1主面Sf1側)に設けられた凹部2と、凹部2の底部からp型半導体基板1の第2主面Sf2まで貫通する貫通孔3と、貫通孔3および凹部2の内面および貫通孔3底部に設けられた導電層4からなる。凹部2内には半田や金などによりバンプ電極6が設けられ、バンプ電極6は導電層4と電気的に接続する。
尚、ここでは概略を示しており、半導体基板1の厚みと凹部2の深さは図示した縮尺ではなく、凹部2の深さD2は、例えば半導体基板1の厚みD1の2分の1以上とする。
エミッタ電極72は貫通導電路10と接続する。貫通導電路10の導電層4は、メッキ膜により形成することができる。ここでは、導電層4として下地金属層を形成し、バンプ電極6を形成する材料を貫通孔3に埋め込む。あるいは、導電層4は、凹部2および貫通孔3の内壁のみに形成されてバンプ電極6と接続するか、導電層4を凹部2および貫通孔3の内壁に形成し、他の金属層を貫通孔3に埋め込んでバンプ電極6と接続してもよい。貫通導電路10周囲は、エミッタ領域23とコレクタ領域21の絶縁のためシリコン酸化膜等から成る側壁絶縁膜(不図示)が形成されている。
この場合貫通導電路10は、第2主面Sf2側の所定の拡散領域および電極等が形成された後、ウェットエッチングされる。
尚、貫通導電路10と、素子領域Eがトレンチ41やこれに埋設される絶縁膜42や、埋め込み絶縁層43等で電気的に分離されている場合には、側壁絶縁膜を設けなくてもよい。
更に図示は省略するが、ベース電極72、コレクタ電極71に接続する貫通導電路10および貫通導電路10にそれぞれ接続するバンプ電極も同様に形成する。
尚、素子領域Eには、上記のバイポーラトランジスタに限らず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの絶縁ゲート型半導体素子、ダイオード等の能動素子が形成されてもよい。
更に、図3(B)の如く、半導体基板(p型半導体基板)1の第2主面Sf2側の素子領域Eに例えば、n型不純物領域55、p型不純物領域56、n+型不純物領域57などを設けてCCDイメージセンサなどの集積回路が設けられ、第2主面Sf2側に、ガラス基板52が設けられてもよい。ガラス基板52は、例えば厚さ400μm程度の透明性を有するガラス材の基板であり、例えば熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂により、半導体基板1とガラス基板52とが接着される。このように、素子領域Eには、ICやLSIが設けられてもよい。貫通導電路10の構成は、図1および図3と同様であるので説明は省略する。
次に、図4を参照して、半導体装置100の第3の実施形態として、図1に示す貫通導電路10を有する半導体基板を、インターポーザとして使用する場合の一例について説明する。
本実施形態の半導体装置100は、貫通導電路10が設けられた半導体基板1の第2主面Sf2に対向して配置される他の半導体基板61を有する。他の半導体基板61は、一の主面Sfに半導体製造プロセスによって所望の素子領域Eが設けられ、一の主面Sf上に、素子領域Eに接続する接続手段7が設けられる。接続手段7は配線または電極であり、貫通導電路10(の導電層4)と電気的に接続する。
他の半導体基板61は、例えば光半導体集積回路装置を構成する。すなわち、他の半導体基板61は、例えばn型半導体基板であり、その主面にp+型不純物領域62と、これと離間してカソード取り出し領域となるn+型不純物領域63が設けられる。主面を覆ってシリコン酸化膜64が設けられ、n+型不純物領域63上が開口されて、これとコンタクトするカソード電極76が設けられる。
シリコンインターポーザの場合、貫通導電路10は、インターポーザの表と裏を接続するものである。半導体基板1の第2主面Sf2には、貫通導電路10と、他の半導体基板61に設けられた接続手段7(アルミパッド電極76)に接続する導電層70が設けられる。
また、他の半導体基板61の素子領域Eに設けられた光電変換領域に対応する半導体基板1はKOHなどを用いてエッチングにより除去し、光電変換素子を露出させる。
かかる構造では、半導体基板61とp型不純物領域62で形成されるpn接合をフォトダイオードとして利用する。このフォトダイオードではp型不純物領域62に入射される光により発生されるキャリアを電流としてn+型不純物領域63にオーミック接触したカソード電極76から、貫通導電路10を介して検出する。
1 半導体基板
2 凹部
3 貫通孔
4 導電層
5 側壁絶縁膜
6 バンプ電極
10 貫通導電路
100 半導体装置

Claims (10)

  1. 半導体基板と、
    該半導体基板の一の主面に設けられ、第1の開口面積を有する凹部と、
    前記第1の開口面積より小さい第2の開口面積を有し、該凹部の底部から前記半導体基板の他の主面までの該半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、
    前記凹部側壁を覆う第1導電層と、
    前記貫通孔の側壁を覆う第2導電層と、
    前記凹部に設けられたバンプ電極と、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1導電層と前記第2導電層は連続し、前記貫通孔の他の主面側も連続して被覆することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記凹部は、前記半導体基板の厚みの2分の1以上の深さを有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記他の主面に設けられた素子領域と、
    該素子領域と前記導電層を接続する接続手段と、を具備することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記他の主面に対向して配置され、素子領域を有する他の半導体基板と、
    該他の基板に設けられ前記素子領域と前記導電層を接続する接続手段と、を具備することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記凹部の側壁は、曲面を含んで前記貫通孔の側壁と前記第1主面に連続することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記貫通孔は、上部と底部で略均一な幅を有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記貫通孔は前記第1導電層または前記第2導電層が埋め込まれることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 半導体基板と、
    該半導体基板の一の主面に設けられ、第1の開口面積を有する凹部と、
    前記第1の開口面積より小さい第2の開口面積を有し、該凹部の底部から前記半導体基板の他の主面までの該半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、
    前記凹部側壁を覆う第1導電層と、
    前記貫通孔の側壁を覆う第2導電層と、
    前記凹部に設けられたバンプ電極と、
    前記半導体基板の他の主面に設けられた拡散領域と、
    前記半導体基板の他の主面に設けられ、前記拡散領域と前記第2導電層に接続する接続手段と、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  10. 半導体基板により構成され、他の半導体基板の主面に設けられた接続手段と接続するインターポーザであって、
    該半導体基板の一の主面に設けられ、第1の開口面積を有する凹部と、
    前記第1の開口面積より小さい第2の開口面積を有し、該凹部の底部から前記半導体基板の他の主面までの該半導体基板を貫通して設けられた貫通孔と、
    前記凹部側壁を覆う第1導電層と、
    前記貫通孔の側壁を覆う第2導電層と、
    前記凹部に設けられたバンプ電極と、
    を具備することを特徴とするインターポーザ。
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