JP2011192662A - 電子デバイス用基板及び電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高周波領域における高周波伝送特性に優れ、コストが安価で、しかも、化学的安定性、電気絶縁性、耐熱衝撃性及び耐熱変形性に優れた絶縁構造を有する電子デバイス用基板及び電子デバイスを提供すること。
【解決手段】環状絶縁部３は、ガラスを主成分とする無機絶縁層３３を含み、無機絶縁層３３は、縦導体２を取り囲んで、半導体基板１に設けられた環状溝３０の内部に充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイス用基板及び電子デバイスに関する。

近年、回路基板に多数の貫通電極を設けておき、この回路基板を積層するＴＳＶ（Through-Silicon-Via)技術が提案されている。ＴＳＶ技術を使えば、大量の機能を小さな占有面積の中に詰め込めるようになるし、また、素子同士の重要な電気経路が劇的に短く出来るために、処理の高速化が導かれる。

ＴＳＶ技術の適用した場合、貫通電極をシリコン基板から電気絶縁しなければならない。電気絶縁の手段として、特許文献１は、シリコン基板を貫通する貫通電極を取り囲むように、シリコン基板を貫通するリング状の分離溝を設け、分離溝の底面及び側面上に直接シリコン膜を形成し、次に分離溝内に残された隙間を埋めるように、シリコン膜上に絶縁膜を形成し、分離溝の内周側面及び外周側面とそれぞれ接するシリコン膜の表面を熱酸化して、シリコン熱酸化膜とする技術を開示している。

しかし、貫通電極とシリコン基板を電気絶縁したとしても、電気絶縁構造によっては、特に、GHｚの高周波領域で浮遊容量が増大し、リアクタンスが低下する。これにより、貫通電極からシリコン基板へ高周波信号が漏洩し、信号伝送特性が劣化する。従って、GHｚの高周波領域における信号伝送特性の改善には、貫通電極とシリコン基板とを電気絶縁する絶縁部分の比誘電率を小さくすると共に、比抵抗をできるだけ高くするなど、更に改善が必要である。

この観点から、特許文献１の開示内容を看ると、貫通電極とシリコン基板とをシリコン熱酸化膜によって電気絶縁する構造であるから、信号伝送特性は、シリコン熱酸化膜の電気絶縁性によって与えられる以上には改善され得ない。即ち、信号伝送特性の改善に限界がある。

しかも、分離溝の底面及び側面上に直接、シリコン膜を形成する工程、シリコン膜形成後に、分離溝内に残された隙間を埋めるようにシリコン膜上に絶縁膜を形成する工程、更に、シリコン膜の表面を熱酸化する工程が必要であり、工程が複雑で、長くならざるを得ない。従来の平面的配置技術をＴＳＶ技術によって置き換える際に、工業的量産上、重要視されるのは、コスト・パフォーマンスであり、上述した先行技術では、この要請に充分には応えることができない。

更に、上述した先行技術では、膜によって分離溝を満たそうとするものであるため、分離溝の溝幅は、例えば２μｍ前後の極めて狭小の値にせざるを得ず、ウエハの通常の厚みを考慮すると、分離溝のアスペクト比は、１００〜２００にもなってしまう。このため、分離溝に対するシリコン膜形成工程が困難になる。

特開２００８−２５１９６４号公報

本発明の課題は、高周波伝送特性に優れた電子デバイス用基板及び電子デバイスを提供
することである。

本発明のもう一つの課題は、コストが安価で、しかも、化学的安定性、電気絶縁性、耐熱衝撃性及び耐熱変形性に優れた絶縁構造を有する電子デバイス用基板及び電子デバイスを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る電子デバイス用基板は、半導体基板と、縦導体と、環状絶縁部とを含む。前記縦導体は、前記半導体基板の厚み方向に延びている。前記環状絶縁部は、無機絶縁層を含み、前記無機絶縁層は、前記縦導体を取り囲んで前記半導体基板に設けられた環状溝内に充填されている。

上述したように、本発明に係る電子デバイス用基板では、環状絶縁部が、縦導体を取り囲んで半導体基板に設けられた環状溝内に設けられているから、貫通電極等で代表される縦導体が、環状絶縁部よって、隣接する他の縦導体から電気的に絶縁される。

しかも、環状絶縁部は、無機絶縁層を含んでいる。この無機絶縁層は、ガラスを主成分とし、環状溝に充填されている。ガラス成分は、種々のガラス材料から、比誘電率が低く、比抵抗の高いものを選択して用いることができる。従って、環状絶縁部全体としての比誘電率及び比抵抗を、ガラス材料の選択によって調整し、それによって、高周波領域における信号漏洩を低減させ、信号伝送特性を向上させることができる。また、充填構造であるので、隙間のない緻密な絶縁構造を実現することができる。

しかも、無機絶縁層は、充填層であるので、成膜プロセスを必要とする従来技術と異なって、環状溝の溝幅を狭くしなければならない理由がない。このため、無機絶縁層の形成工程、延いては、環状絶縁部の形成工程が容易化される。

無機絶縁層は、液状ガラス、即ち、ペースト状のガラスを環状溝内に充填し、硬化させることによって形成し得る。従って、環状溝の内部に液状ガラスを充填するという簡単、かつ、安価なプロセスでコストの安価な電子デバイス用基板を実現することができる。

無機絶縁層は、ガラス成分のほか、焼結体であるセラミック成分を含んでいてもよい。含有されるべきセラミック成分について、その比誘電率及び比抵抗を選択することができ、それによっても、環状絶縁部全体としての比誘電率及び比抵抗を調整し得る。よって、高周波領域における信号漏洩を低減し、信号伝送特性を向上させることができる。

環状絶縁部は、環状溝の内壁面に絶縁層を含んでいてもよい。この絶縁層は、好ましくは酸化層、更に好ましくは窒化層を含んでいる。酸化層及び窒化層は、単層であってもよいし、複数層であってもよい。また、酸化層及び窒化層は、環状溝の内面に成膜されたものであってもよいし、環状溝のない面に現れる半導体基板の面を、酸化または窒化したものであってもよい。このような絶縁構造によれば、半導体基板に対する環状絶縁部の悪影響、特に無機絶縁層に含まれるガラス成分の悪影響を回避することができる。

本発明に係る電子デバイス用基板は、具体的にはインターポーザとしての形態をとることができる。そのほか、半導体基板の内部に半導体素子を有する半導体ウエハ又は半導体装置の形態をとることもできる。

更に、本発明に係る基板の複数枚を積層して、電子デバイスとして実現してもよい。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する
。但し、添付図面は、単なる例示に過ぎない。

本発明に係る電子デバイス用基板の一部を示す平面図である。 図１のII−II線断面図ある。 本発明に係る電子デバイス用基板の別の実施形態における一部を示す平面図である。 本発明に係る電子デバイス用基板の別の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子デバイスの実施形態を示す図である。

図１及び図２を参照すると、本発明に係る電子デバイス用基板の一例として、インターポーザが図示されている。このインターポーザは、半導体基板１と、縦導体２と、環状絶縁部３とを含む。半導体基板１は、例えば、厚みＴ１のシリコン基板であり、ウエハ、又は、ウエハから切り出されたチップの形態を有する。厚みＴ１は、限定するものではないが、５０〜７００μｍ程度である。

縦導体２は、半導体基板１の厚み方向に延びている。縦導体２は、基板面に対して整列して分布されている。実施の形態に示す縦導体２は、半導体基板１を貫通する貫通電極である。

縦導体２は、図１に示すように、基板面に想定されるＸＹ平面でみて、Ｘ方向及びＹ方向に所定の配置ピッチＤｘ、Ｄｙをもって、例えば、マトリクス状に整列して配置される。縦導体２のディメンションは、一例として例示すると、配置ピッチＤｘ、Ｄｙ、が4〜１００μｍの範囲、最大部の径D1が０．５〜２５μｍの範囲である。もっとも、配置ピッチＤｘ、Ｄｙは、一定寸法である必要はないし、径D1も上述した値に限定されるものではない。

縦導体２は、メッキ法、溶融金属充填法又は導電ペースト充填法など、公知技術の適用によって形成することができる。縦導体２を組成する材料は、形成方法によって異なる。メッキ法の場合には、主にＣｕメッキ膜が用いられ、溶融金属充填法の場合には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｚｎの群から選択された少なくとも１種の金属元素を含む金属成分を用いることができる。上述した金属成分は、好ましくは、ナノコンポジット構造を有する。ここに、ナノコンポジット構造とは、上述した元素群の中から選択された複数の元素を含み、粒径が好ましくは５００ｎｍ以下の多結晶体を言う。このようなナノコンポジット構造を有する金属成分を用いることの利点は、溶融金属全体としての融点を低下させ得る点にある。

何れの形成方法をとるにせよ、その前に縦孔（貫通ビア）２０を形成する必要がある。縦孔（貫通ビア）２０は、ＣＶＤ法、レーザ穿孔法など、公知の技術によって形成することができる。

環状絶縁部３は、縦導体２を取り囲んで半導体基板１に設けられた環状溝３０内に設けられている。従って、半導体基板１は、環状絶縁部３によって、その内側のリング状部分１１と、外側領域とに分離される。これにより、縦導体２が、環状絶縁部３を介して隣接する他の縦導体２から電気的に絶縁されることになる。

環状溝３０は、縦孔２０を形成した手段によって形成することができる。環状溝３０は、半導体基板１を厚み方向に貫通して設けられ、縦導体２が設けられている縦孔２０の外径Ｄ１よりも大きな第１内径Ｄ２を持っている。従って、縦孔２０の内周面と、第１内径Ｄ２を持つ環状溝３０の内周面との間には、径差分（Ｄ２−Ｄ１)だけ、半導体基板１が、リング状部分１１として、島状に存在することになる。環状溝３０は、第１内径Ｄ２から溝幅だけ離れた第２内径Ｄ３を有している。即ち、環状溝３０は、溝幅（Ｄ３−Ｄ２）となっている。溝幅（Ｄ３−Ｄ２）は、環状絶縁部形成に障害とならないような幅に定める。アスペクト比で見ると、２００以下、好ましくは１００以下である。

環状絶縁部３は、無機絶縁層３３を含んでいる。無機絶縁層３３は、ガラスを主成分とし、環状溝３０に充填され、環状溝３０を完全に満たしている。したがって、隙間のない緻密な絶縁構造を実現することができる。

無機絶縁層３３は、液状ガラス、即ち、ガラスペーストを環状溝３０の内部に充填し、加圧して硬化させることによって形成し得る。従って、無機絶縁層３３は、環状溝３０の内部に液状ガラスを充填し、硬化させるという簡単、かつ、安価なプロセスで形成することができる。

しかも、無機絶縁層３３は、充填構造であるので、成膜プロセスを必要とする従来技術と異なって、環状溝３０の溝幅を狭くしなければならない理由がなくなる。このため、無機絶縁層３３の形成工程、延いては、環状絶縁部３の形成工程が容易化される。

ガラス充填の一方法としては、液状ガラスを、減圧雰囲気内で環状溝３０内に流し込んだ後、環状溝３０内の液状ガラスに、プレス圧、ガス圧又は転圧などを加えて加圧しながら硬化させる方法を挙げることができる。

ガラス材料としては、種々のものを用い得る。一例として、ＳｉＯ₂、ＰｂＯ、Ｂ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ_3、Ｎａ₂ＣＯ_３、ＣａＣＯ₃、Ｎａ_２Ｏ、ＣａＯ、Ｋ_２Ｏの少なくとも一種を含むガラス材料を例示することができる。これらのガラス材料から、比誘電率が低く、比抵抗の高いものを選択して用いる。従って、環状絶縁部３の全体としての比誘電率及び比抵抗を調整し、それによって、高周波領域における信号漏洩を低減し、信号伝送特性を向上させることができる。

無機絶縁層３３は、ガラス成分のほか、焼結体であるセラミック成分、特に、ｎｍサイズのセラミック微粒子を含んでいてもよい。この場合には、含有されるべきセラミック成分について、その比誘電率及び比抵抗を選択することができ、それによっても、環状絶縁部３の全体としての比誘電率及び比抵抗を調整し、ＧＨｚの高周波領域における信号漏洩を低減させ、信号伝送特性を向上させることができる。そのようなセラミックス材料としては、常温比抵抗が１０^１４Ω・ｃｍを超え、比誘電率が４〜９の範囲にあるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）又は窒化アルミ（ＡｌＮ）などを挙げることができる。

環状絶縁部３は、更に、絶縁層３１、３２を含んでいてもよい。絶縁層３１、３２は、好ましくは酸化層、更に好ましくは窒化層を含んでいる。酸化層及び窒化層は、単層であってもよいし、複数層であってもよいし、或いはこれらの組み合わせであってもよい。さらに、酸化層、窒化層は、環状溝３０の内面に成膜されたものであってもよいし、環状溝３０の内面に現れる半導体基板１の面を、酸化または窒化したものであってもよい。このような絶縁構造によれば、半導体基板１に対する無機絶縁層３３の悪影響を、絶縁層３１、３２によって遮断し得る。例えば、上述したガラス材料に含まれることのあるアルカリ金属（Ｎａ、Ｋ）による酸化膜耐圧不良、遷移金属（Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ）によるｐｎ接合リーク不良、３族元素（Ｂ、Ａｌ）によるｐ反転不良等を、絶縁層３１、３２によって回避することができる。

実施の形態に示す絶縁層３１、３２は、環状溝３０の内壁面を酸化又は窒化して得られたものである。即ち、環状溝３０の内側面が絶縁層３１、３２によって覆われており、無機絶縁層３３は絶縁層３１、３２によって囲まれた環状溝３０の内部に充填されている。

半導体基板１として、一般的なシリコン基板を例に採ると、酸化層はシリコン酸化層となり、窒化層はシリコン窒化層となる。シリコン酸化層やシリコン窒化層は、既に知られている技術を適用して形成することができる。例えば、シリコン基板を表面から酸化又は窒化する方法や、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって絶縁層を成膜する方法が知られており、何れの方法も採用することができる。絶縁層３１、３２の酸化や窒化の深度、即ち、実質的な層厚は、実際に要求される伝送特性に照らし合わせて定めることが好ましい。

一般的にいって、シリコン窒化層は、絶縁特性がシリコン酸化層よりも、優れている。しかも、窒化層は、化学的安定性、電気絶縁性、耐熱衝撃性及び耐熱変形性に優れた特性を示す。従って、一般的見地からは、絶縁層３１、３２を、シリコン窒化層によって構成することが好ましいといえる。

更に、シリコン窒化層でなる絶縁層３１、３２は、化学的安定性、耐熱衝撃性及び耐熱変形性に優れた特性を示す。従って、化学的安定性、耐熱衝撃性及び耐熱変形性に優れた分離絶縁構造を実現しえる。

環状絶縁部３は、単層であってもよいし、間隔をおいて同軸状に配置された多層構造であってもよい。また、その形状は、図示の円形状ではなく、図３に示す四角形状などの角形状であってもよい。更に、縦導体２も、図示の円形状、円柱状であることは必須ではない。角柱状であってもよい。

本発明に係る電子デバイス用基板は、図１〜図３に示したインターポーザとしての形態のほか、半導体基板１の内部に半導体素子を有する基板の形態をとることもできる。図４にその一例を示す。図において、図１〜図３に現れた構成部分に相当する部分については、同一参照符号を付し、重複説明は省略する。

図４を参照すると、厚みT1のシリコン基板でなる半導体基板１の一面側に、半導体素子７が形成されている。縦導体２は半導体基板１を厚み方向に貫通しており、その一端に接続電極６２、その上に外部接続用電極６１が順次に接合されている。半導体素子７は、図示しない配線を介して、接続電極６２に接続されている。半導体素子７及び接続電極６２は、半導体基板１の一面側に設けられた絶縁膜４によって覆われている。また、縦導体２の他端側にも、外部接続用電極６３が接合されている。

この回路基板、即ち、半導体装置においても、環状絶縁部３は、絶縁層３１、３２と、無機絶縁層３３とを含み、縦導体２を取り囲んで半導体基板１に設けられた環状溝３０の内部に設けられている。無機絶縁層３３は、ガラスを主成分とし、絶縁層３１、３２によって囲まれた環状溝３０の内部に充填されている。従って、図１〜図３を参照して説明したと同様の作用効果を奏する。

更に、本発明に係る基板の複数枚を積層して、電子デバイスとして実現してもよい。図５にその実施の形態の一例を示す。図５において、図１〜図４に現れた構成部分に相当する部分については、同一参照符号を付し、重複説明は省略する。

図５に示した実施の形態では、図１〜図３に示したインターポーザでなる基板ＩＮＴの上に、図４に示した半導体ウエハ又は半導体装置でなる基板ＳＭ１〜ＳＭｎを順次に積層
し、接合した構造となっている。

本発明に係る電子デバイスは、代表的には、三次元システム・パッケージ（３D-SiP)としての形態をとる。具体的には、システムＬＳＩ、メモリＬＳＩ、イメージセンサ又はＭＥＭＳ等である。アナログやデジタルの回路、ＤＲＡＭのようなメモリ回路、ＣＰＵのようなロジック回路などを含む電子デバイスであってもよいし、アナログ高周波回路と、低周波で低消費電力の回路といった異種の回路を、別々のプロセスによって作り、それらを積層した電子デバイスであってもよい。

更に具体的には、センサーモジュル、光電気モジュール、ユニポーラトランジスタ、ＭＯＳ ＦＥＴ、ＣＭＯＳ ＦＥＴ、メモリーセル、もしくは、それらの集積回路部品（ＩＣ）、又は各種スケールのＬＳＩ等、凡そ、電子回路を機能要素とする電子デバイスのほとんどのものが含まれ得る。本発明において、集積回路ＬＳＩと称する場合、小規模集積回路、中規模集積回路、大規模集積回路、超大規模集積回路ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等の全てを含む。

上述した各種の電子デバイスにおいて、基板積層構造、半導体基板１の種類、半導体基板１を通る縦導体２の形状、配置、孔径などの点で、この明細書で開示したものと異なるとしても、縦導体２に対する環状絶縁部３の関係及び環状絶縁部３の構造において、本発明を満たす限り、本発明に含まれるものである。

以上、好ましい実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

１ 半導体基板
２ 縦導体
２０ 縦孔
３ 環状絶縁部
３１ 絶縁層
３２ 絶縁層
３３ 無機絶縁層

Claims (11)

1. 半導体基板と、縦導体と、環状絶縁部とを含む電子デバイス用基板であって、
   前記縦導体は、前記半導体基板の厚み方向に延びており、
   前記環状絶縁部は、ガラスを主成分とする無機絶縁層を含んでおり、
   前記無機絶縁層は、前記縦導体を取り囲んで前記半導体基板に設けられた環状溝内に充填されている、
   基板。
2. 請求項１に記載された電子デバイス用基板であって、
   前記環状絶縁部は、前記環状溝の内壁面に絶縁層を有し、
   前記無機絶縁層は、前記絶縁層の内側に生じる前記環状溝内に充填されている、
   基板。
3. 請求項２に記載された電子デバイス用基板であって、前記絶縁層は、酸化層または窒化層である、基板。
4. 請求項３に記載された電子デバイス用基板であって、前記絶縁層は、前記環状溝の内面において、前記半導体基板が酸化又は窒化されたものである、基板。
5. 請求項３又は４に記載された基板であって、
   前記半導体基板は、シリコン基板であり、
   前記絶縁層は、シリコン酸化層又はシリコン窒化層である、
   基板。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載された基板であって、前記無機絶縁層は、焼結体であるセラミック成分を含む、基板。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載された基板であって、インターポーザである、基板。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載された基板であって、前記半導体基板は、半導体素子を有している、基板。
9. 複数枚の基板を積層した電子デバイスであって、前記複数枚の基板は、請求項１乃至８の何れかに記載されたものを含む、電子デバイス。
10. 請求項９に記載された電子デバイスであって、三次元システム・パッケージ（３D-SiP)である、電子デバイス。
11. 請求項１０に記載された電子デバイスであって、システムＬＳＩ、メモリＬＳＩ、イメージセンサ、又はＭＥＭＳの何れかである、電子デバイス。

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