JP2013207006A - 貫通電極付き配線基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な内径の貫通電極でも半導体素子や再配線層との接続が容易で信頼性が高く、接続用ランドの形成も不要な貫通電極付き配線基板を提供する。
【解決手段】基材１と、基材を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極１０とを備える貫通電極付き配線基板１００において、貫通電極の少なくとも一つは、厚さ方向の端部にそれぞれ設けられた第一大径部１２および第二大径部１３と、第一大径部と前記第二大径部とを接続するように設けられ、第一大径部および第二大径部よりも小さい径寸法を有する中間部１４とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、貫通電極を備えた配線基板、より詳しくは、再配線層との接続が容易でありインターポーザとして使用可能な貫通電極付き配線基板およびその製造方法に関する。

ウエハプロセスで製造される各種のメモリー、ＣＭＯＳ、ＣＰＵ等の半導体素子は、電気的接続用の端子を有する。その接続用端子のピッチと、半導体素子と電気的接続がなされるべきプリント基板側の接続部のピッチとは、通常そのスケールが数倍から数十倍程度異なる。そのため、半導体素子とプリント基板を電気的に接続しようとする場合、インターポーザと称されるピッチ変換のための仲介用基板（半導体素子実装用基板）が使用される。このインターポーザの一方の面に、半導体素子を実装し、他方の面もしくは基板の周辺でプリント基板との接続がとられる。

半導体素子を実装するインターポーザとしては、従来の有機基板や有機ビルドアップ基板に加え、近年ハイエンド向けのインターポーザとして、基板の材質にシリコンやガラスを用いたインターポーザの研究が活発に行われている。

基材としてシリコンやガラスを用いたインターポーザでは、内部に貫通穴を形成しその穴を導電性物質で充填するTSV(Through-Silicon Via)やTGV(Through-Glass Via)と呼ばれる技術が用いられる。この技術により形成された貫通電極は、表裏を最短距離で接続することで配線長が短くなり、信号伝送速度の高速化など優れた電気特性が期待されている。また、内部に配線を形成する構造のため電子デバイスの小型化にも有効な実装方法であるといえる。

材質にシリコンを用いたシリコンインターポーザは、半導体素子と同質の素材のため熱膨張係数に差がなく、熱ストレスへの信頼性が高い。また従来の有機基板に比べてより微細な配線を形成することも可能である。材質にガラスを用いたガラスインターポーザは、基材自体が絶縁性物質でできているため、絶縁信頼性が高く、また高速回路においても寄生素子発生の懸念もないため電気特性の優れたインターポーザが期待されている。

貫通電極を有するこれらのインターポーザでは、半導体素子やマザーボードとの接続のため再配線層を形成させる必要がある（例えば、特許文献１参照。）。このとき貫通電極上に再配線を接続させることで、半導体素子とプリント基板とを電気的に接続させることが可能となる。しかしながら、電子機器の小型化や高密度化が進むにつれて、インターポーザ内に形成させる貫通電極数の増加や貫通電極自体の微細化により、貫通電極上に再配線層を精度よく形成させることが難しくなってきている。

特開２０１１−２４３６６８号公報

特許文献１には、ＴＳＶ上に再配線層を形成させることが記載されている。しかしながら、再配線層形成方法においては十分な記載はない。一般的な方法であるフォトマスクを用いて再配線と貫通電極とのアライメントを行うことは可能であるが、ＴＳＶ径が微細化されるにつれてアライメントはより難しくなってしまう。
また、シリコンインターポーザを半導体チップに接続する際、貫通電極上に接続用のランドを形成し、そのランド上へ再配線層を形成して電気的な接続をとる方法が用いられることもあるが、工程が増えてしまうという欠点がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、微細な内径の貫通電極でも半導体素子や再配線層との接続が容易で信頼性が高く、接続用ランドの形成も不要な貫通電極付き配線基板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、基材と、前記基材を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極とを備える貫通電極付き配線基板であって、前記貫通電極の少なくとも一つは、前記厚さ方向の端部にそれぞれ設けられた第一大径部および第二大径部と、前記第一大径部と前記第二大径部とを接続するように設けられ、前記第一大径部および前記第二大径部よりも小さい径寸法を有する中間部と、を有することを特徴とする。

前記基材は、ケイ素を含む材料で形成されてもよい。

前記第一大径部および前記第二大径部の高さは、１マイクロメートル以上であってもよい。
また、前記第一大径部および前記第二大径部の径寸法は、２０マイクロメートル以上であってもよい。

前記貫通電極は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｆｅ、およびこれらの金属の少なくとも一つを含む化合物のいずれかで形成されてもよい。

本発明の第二の態様は、本発明の貫通電極付き配線基板と、前記基材上に設けられた半導体素子とを備える半導体装置である。

本発明の第三の態様は、基材と、前記基材を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極とを備える貫通電極付き配線基板の製造方法であって、前記基材を貫通する第一ビアを形成し、前記第一ビアの両端に前記第一ビアよりも径寸法が大きい第二ビアおよび第三ビアを形成して前記貫通電極を形成するためのスルーホールを形成し、前記基材表面及び前記スルーホールの内面を絶縁層で被覆し、前記スルーホール内の前記絶縁層に触媒を担持させてメッキを行い、前記絶縁層上にシード／バリア層を形成し、前記シード／バリア層を用いたメッキにより、前記スルーホール内に電極層を充填し、前記基材の厚さ方向両面を研磨することを特徴とする。

本発明の貫通電極付き配線基板およびその製造方法によれば、微細な内径の貫通電極でも半導体素子や再配線層との接続が容易で信頼性が高く、接続用ランドの形成も不要とすることができる。

本発明の一実施形態の貫通電極付き配線基板を示す部分拡大断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、それぞれ同貫通電極付き配線基板の製造時の一過程を示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、それぞれ同貫通電極付き配線基板の製造時の一過程を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、それぞれ同貫通電極付き配線基板の製造時の一過程を示す図である。

本発明の一実施形態について、図１から図４（ｃ）を参照して説明する。
図１は、本実施形態の貫通電極付き配線基板（以下、単に「配線基板」と称する。）１００を示す部分拡大断面図である。配線基板１００は、基材１と、基材１を厚さ方向に貫通する多数の貫通電極１０とを備えている。

基材１は、ケイ素（Ｓｉ）を含む材料で形成されている。具体例としては、シリコンウエハやガラスなどが挙げられる。シリコンウエハを用いた場合、配線間を絶縁させるために絶縁層を形成させる必要があるが、シリコンウエハを熱酸化処理するなどして容易に絶縁層を形成させることができる。ＣＶＤ法やスパッタ法などでも絶縁層を形成させることは可能であるが、この手法では表層とビア内での絶縁層の膜厚のばらつきが大きくなるため、絶縁膜厚が均一に形成できる熱酸化法を用いることが望ましい。基材にガラスを用いた場合には、ガラス自体が絶縁性物質であるため、絶縁層形成工程は不要でありコスト削減にもつながる。

貫通電極１０は、基材１を厚さ方向に貫通するように形成されたスルーホール１Ａに導電性の物質からなる電極層１１が充填されて形成されている。
電極層１１の主材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｆｅまたはこれらの金属の少なくとも一つを含む化合物のいずれかを用いることが好ましい。これらの物質は単体又は合金として電解めっきにより容易に析出させることが可能であり、また電気特性も優れている。中でも特に電気特性やコストの両面で優れているのはＣｕである。

本実施形態の基材１は、シリコンウエハであるため、スルーホール１Ａの内面は絶縁層２で覆われており、電極層１１と基材１との非導通状態が保持されている。絶縁層２と電極層１１との間には、電極層１１を形成する際に用いられる有機層３が形成されている。有機層３と電極層１１との間には、電極層１１形成時にシード層およびバリア層として機能するシード／バリア層４が形成されている。シード／バリア層４は、有機層３に触媒を担持させて無電解めっきを行うことにより形成されている。

貫通電極１０は、基材１の厚さ方向両端にそれぞれ設けられた第一大径部１２および第二大径部１３と、第一大径部１２と第二大径部１３との間に両者を接続するように設けられた中間部１４とを有している。第一大径部１２、第二大径部１３、および中間部１４は、いずれも基材１の厚さ方向に延びる略円柱状に形成されており、中間部１４の径は、第一大径部１２および第二大径部１３よりも小さく設定されている。

第一大径部１２と第二大径部１３の径は、同一であってもよいし、異なっていてもよいが、いずれも中間部１４より大きく設定されている。配線基板１００がインターポーザとして用いられる際、第一大径部１２および第二大径部１３の一方は半導体素子に、他方はプリント基板等に接続されるため、これら接続対象との接続が容易となるように径寸法の具体的値を決定すればよい。例えば、第一大径部１２および第二大径部１３の径を２０マイクロメートル（μｍ）以上とすると、再配線層の配線幅が数μｍといった微細な規格の場合でも、高い信頼性をもって容易に接続することができる。

第一大径部１２および第二大径部１３の高さ（基材１の厚さ方向における寸法）は、１μｍ以上とされるのが好ましい。１μｍ以上に設定されると、例えば半田との接続の際に第一大径部１２や第二大径部１３が喰われることなく、接続の信頼性を十分確保することができる。
また、第一大径部１２と第二大径部１３の高さは、上述の接続の信頼性を十分確保しつつ、できるだけ小さく設定するのが好ましい。これにより、電極層１１の形成に用いる導電性材料の使用量を削減することができるためである。

次に、配線基板１００の製造方法について、図２（ａ）から図４（ｃ）を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、基材１を準備する。
次に、基材１に貫通電極１０を形成するためのスルーホール１Ａを形成する。形成手段としては、例えばボッシュ法を用いると、容易にスルーホール１Ａを加工することができる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、基材１の一方の面上に、厚さ及びパターンの異なる２種類のレジスト６、７を重ねて形成し、その後、イオンガスエッチングにより、図２（ｃ）に示すように、開口径がレジスト６のパターンに対応した第一ビア１ａを形成する。第一ビア１ａの径は中間部１４の径となるが、第一ビア１ａを形成する際にレジスト６自身もエッチングされるため、第一ビア１ａ形成後のレジスト６の開口径はレジスト７と同サイズとなる。

次に、所定の深さまでエッチングを行うと、図２（ｄ）に示すように、第一ビア１ａの上端部に第一ビア１ａよりも大径の第二ビア１ｂが形成される。

次に、基材１の他方の面にレジスト７を形成し、図３（ａ）に示すように、第一ビア１ａよりも大径の開口７ａを形成してエッチングを行うと、図３（ｂ）に示すように、第一ビア１ａの上端部と反対側の端部に第一ビア１ａよりも大径の第三ビア１ｃが形成される。

図３（ｃ）に示すようにレジスト７を除去すると、第一ビア１ａ、第二ビア１ｂ、および第三ビア１ｃからなる、貫通電極１０を形成するためのスルーホール１Ａが完成する。
なお、上述の例では、エッチングを用いてスルーホール１Ａを形成する例を説明したが、スルーホールの形成方法はエッチングに限られず、例えば、レーザー等を用いて形成してもよい。

次に、図３（ｄ）に示すように、スルーホール１Ａの内面を含む基材１の表面全体に絶縁層２を形成させる。例えば基材１がシリコンで形成されている場合、絶縁層として二酸化ケイ素を熱酸化法やＣＶＤ法、ゾルゲル法などにより形成する。形成方法は特に限定されないが、形成される絶縁層の緻密さや信頼性を考えると熱酸化法を用いることが好ましい。さらに絶縁層として絶縁性樹脂、例えばポリイミドフィルムなど基板と異なる材料を積層させることもでき、材料はこれらに限定されない。また基材１がガラスなどの絶縁性物質の場合は、この工程は省略することができる。

次に、絶縁層２に表面処理を行うことにより、図４（ａ）に示すように、めっき触媒の担持が可能な有機層３を絶縁層２上に形成する。有機層３は、シランカップリング剤を使用することにより絶縁層２に化学的に結合させることが可能である。例えば、絶縁層２に二酸化ケイ素を用いた場合、表層に存在するシラノール基とシランカップリング剤との間で脱水縮合反応が起こり、共有結合であるシロキサン結合を形成させることができる。形成する手段としては、浸漬法や塗工法、気相法などが考えられるが、緻密に均一に有機層を形成する観点からは、浸漬法により行うことが好ましい。

また、有機層３を組成するシランカップリング剤は電子供与基を持っていることが好ましい。このシランカップリング剤の電子供与基が、無電解めっきの触媒となるパラジウムや白金などの金属の金属イオンと相互作用し、有機層上に選択的に金属イオンを吸着させることができるからである。シランカップリング剤の電子供与基としては、アミノ基やチオール基などが考えられるが、これらに限定されるものではない。

有機層３上に吸着させた金属イオンは還元処理を施すことで金属となり、触媒としての利用が可能となる。このとき、次工程の無電解めっき液中の還元剤で金属イオンを還元することができる。また、無電解めっき液中の還元剤で金属イオンを還元できない場合は、無電解めっき工程の前に予め金属イオンを還元する必要がある。例えば、触媒としてパラジウムのイオンを吸着させた場合、無電解めっき液中の還元剤が次亜リン酸ナトリウムやジメチルアミンボランであれば還元できるが、ホルムアルデヒドの場合は還元できないため、事前にジメチルアミンボランなどにより還元を必要とする。使用できる還元剤は、次亜リン酸ナトリウム、ジメチルアミンボラン、ホルマリン、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジンなどが挙げられるが、これらには限定されない。

有機層３上の触媒を用いて無電解めっきを行うと、図４（ｂ）に示すように、シード／バリア層４が形成される。例えば、ホウ素を含むニッケル金属皮膜を形成させることにより、主電極の材料に銅を用いた場合など、銅の拡散を防止することが可能となる。この他、材料としてコバルト、タングステンなどの金属にリンやホウ素を含む合金などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、めっきで形成可能であり主電極材料に対してバリア性を有するものであれば使用可能である。

無電解めっきにより形成させたシード／バリア層４を用いて、電解めっきを行うと、図４（ｃ）に示すように、スルーホール１Ａ内に電極層１１の材料が充填され、貫通電極１０が形成される。電解めっきを行うことで、短時間で容易に貫通電極１０を形成することができる。電極層１１の材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む化合物のいずれかを用いると、電解めっきで容易に析出するため貫通電極が形成しやすく、かつ電気特性にも優れている。中でも銅は、電気特性、コストの両面で優れているため、銅又は銅を含む化合物を使用することが好ましい。

貫通電極１０を形成後、最後に基材１の表裏面を研磨すると、再配線層を容易に形成できる配線基板１００が完成する。研磨する方法としては、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦に研磨することが可能であるが、方法には特に制限はない。配線基板１００は、表面に半導体素子を搭載することで、いわゆるインターポーザとして使用可能な半導体装置を形成することが可能である。

本発明の実施例を以下に示す。
ケイ素に微量のホウ素をドープした厚さ２００μｍのｐ型半導体基板を基材として、スピンコート法により厚さ１０μｍの第一レジストを表面に塗布し、所定のパターンが描かれたフォトマスクを用いて露光・現像を行った。このとき、パターンに形成された開口の径を３０μｍとした。
レジストパターンが形成されたウエハ上にさらに厚さ２０μｍの第二レジストを塗布し、前述とは異なるパターンが描かれたフォトマスクにより露光・現像を行った。このとき形成した開口は、基材の平面視において一層目のレジストに形成された開口に重なっており、その径は５０μｍとした。このようにして、厚さ・パターンが異なる２種類のレジストをウエハ上に形成し、径が２段階となる開口をレジストに形成した。

次に、ＳＦ_６を主成分とするイオンガスエッチングを行い、径３０μｍで基材を貫通する第一ビアをボッシュ法により形成した。このとき、第一レジストの一部もエッチングされ、ウエハ上には径５０μｍの開口が残存した。この状態で再度イオンガスエッチングを行い、第一のビアの一端に、開口径５０μｍ、深さ１０μｍの第二ビアを形成した。

次に、第一および第二ビアが形成された基材の他方の面に、フォトリソグラフィーにより第二レジストと同様のレジストパターンを形成し、イオンガスエッチングを行った。このとき、レジストパターン内に形成した開口の径を５０μｍとし、第一ビアと連通するように開口径５０μｍ、深さ１０μｍの第三ビアを形成した。このようにして第一ビア、第二ビア、および第三ビアからなるスルーホールを基材に形成した。

スルーホールが形成された基材からレジストをすべて除去し、１０００℃の熱酸化炉内で処理することにより、基材の表面に二酸化ケイ素を主成分とする厚さ１μｍの絶縁層を形成した。

次に、アミノ基とアルキル基を有するシランカップリング剤、３−［２−（２−アミノエチルアミノ）エチルアミノ］プロピルトリメトキシシランを用い、絶縁層を被覆する有機層を形成した。具体的には、シランカップリング剤をトルエンに溶解して濃度１０％のシランカップリング剤溶液を調製し、６０℃に加熱しながら基材を浸漬することにより有機層を形成した。その後、基材をメタノールと純水で洗浄し、過剰に付着したシランカップリング剤や溶媒を除去した。

次に、有機層を形成した基材を０．２ｇ／Ｌの塩化パラジウムを含む触媒溶液に浸漬し、有機層上にパラジウムイオンを吸着させた。さらに、吸着させたパラジウムイオンを核として、無電解ニッケルホウ素めっきにより、有機層上にシード／バリア層を形成した。無電解ニッケルホウ素めっきは、還元剤にジメチルアミンボランを使用して６０℃で１０分間行い、厚さ５０μｍのニッケルホウ素皮膜をシード／バリア層として形成した。

このニッケルホウ素皮膜をシード層として、電解銅めっきによりスルーホール内を銅で充填した。電解銅めっきは電流密度１ＡＳＤで５時間実施し、スルーホールが完全に充填されていることを断面観察によって確認した。

最後に基材の厚さ方向両面である表裏面をＣＭＰにより研磨し、第一大径部および第二大径部の径５０μｍ、中間部の径３０μメートルの貫通電極が形成された貫通電極付き配線基板を得た。

以上説明したように、本実施形態の配線基板１００によれば、貫通電極１０において、中間部１４の径寸法よりも、基材１の厚さ方向両端部に形成された第一大径部１２および第二大径部１３の径寸法の方が大きく設定されているため、中間部の径が微細であっても、別途接続ランドを設けることなしに半導体素子や再配線層との接続を容易かつ信頼性高く行うことができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

例えば、第一大径部、第二大径部、および中間部の径寸法は、上述の大小関係が保持されていれば、すべての貫通電極で同一である必要はなく、一部の貫通電極で異なっていてもよい。

また、基材に複数形成された貫通電極の一部が、第一大径部および第二大径部の一方または両方を有さない構成としてもよい。

また、上述の例では、単層構造のシード／バリア層が形成される例を示したが、これに代えて、シード層およびバリア層からなる二層構造のシード／バリア層を形成してもよい。ただし、二層構造とする場合、シード層の材料は基材に拡散しないものであること、バリア層の材料はシード層上に形成できる導電性物質であること等の一定の制約があるため、単層で機能する上述のようなシード／バリア層を用いる方が製造工程を簡素にしやすく、好ましい。

１ 基材
１ａ 第一ビア
１ｂ 第二ビア
１ｃ 第三ビア
１Ａ スルーホール
２ 絶縁層
３ 有機層
４ シード／バリア層
１０ 貫通電極
１１ 電極層
１２ 第一大径部
１３ 第二大径部
１４ 中間部
１００ 貫通電極付き配線基板

Claims (7)

1. 基材と、前記基材を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極とを備える貫通電極付き配線基板であって、
   前記貫通電極の少なくとも一つは、
   前記厚さ方向の端部にそれぞれ設けられた第一大径部および第二大径部と、
   前記第一大径部と前記第二大径部とを接続するように設けられ、前記第一大径部および前記第二大径部よりも小さい径寸法を有する中間部と、を有する
   ことを特徴とする貫通電極付き配線基板。
2. 前記基材がケイ素を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の貫通電極付き配線基板。
3. 前記第一大径部および前記第二大径部の高さは、１マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の貫通電極付き配線基板。
4. 前記第一大径部および前記第二大径部の径寸法は、２０マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の貫通電極付き配線基板。
5. 前記貫通電極が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｆｅ、およびこれらの金属の少なくとも一つを含む化合物のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の配線基板。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の貫通電極付き配線基板と、
   前記基材上に設けられた半導体素子と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
7. 基材と、前記基材を厚さ方向に貫通する複数の貫通電極とを備える貫通電極付き配線基板の製造方法であって、
   前記基材を貫通する第一ビアを形成し、
   前記第一ビアの両端に前記第一ビアよりも径寸法が大きい第二ビアおよび第三ビアを形成して前記貫通電極を形成するためのスルーホールを形成し、
   前記基材表面及び前記スルーホールの内面を絶縁層で被覆し、
   前記スルーホール内の前記絶縁層に触媒を担持させてメッキを行い、前記絶縁層上にシード／バリア層を形成し、
   前記シード／バリア層を用いたメッキにより、前記スルーホール内に電極層を充填し、
   前記基材の厚さ方向両面を研磨する
   ことを特徴とする貫通電極付き配線基板の製造方法。

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