JP2016221684A

JP2016221684A - 金属充填構造体及びその製造方法

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Publication number: JP2016221684A
Application number: JP2015106978A
Authority: JP
Inventors: 裕小澤; Yutaka Ozawa
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-12-28

Abstract

【課題】面内方向において均一な厚さの充填材料が配置された金属充填構造体を提供すること。【解決手段】金属充填構造体は、第１基材と、第１基材上に配置され、第１基材に達する開口部が設けられ、第１基材より抵抗率が高い第２基材と、開口部に配置され、金属を含有する充填材料と、を有する。充填材料は、第２基材に比べてＸ線に対する透過率が低くてもよい。まだ、第２基材は、第１基材に比べて１０倍以上の抵抗率を有してもよい。第１基材及び第２基材は、単結晶基材であってもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、金属充填構造体及びその製造方法に関する。特に、高アスペクト比の微細なパターンへの電解めっき法による金属充填構造体及びその製造方法に関する。

近年、電子機器等の小型化の要求から、半導体製造プロセスを応用したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術が実用化され、電子機器分野のみならず光学機器等の多様な分野での利用が進められている。ＭＥＭＳにおいては、高アスペクトに加工した貫通孔や有底孔等の開口部に金属等の充填材料を充填した微細構造が用いられることがある。

このような開口部に充填材料を充填した微細構造は、３次元的な電気接続に用いられる貫通電極や、Ｘ線の透過性や位相を制御するＸ線画像撮像用グリッドなどの幅広い分野で採用されている。特に、高アスペクト比の開口部が設けられた微細構造に充填材料を充填するには、電解めっき法により開孔部の底部からボトムアップ式に充填材料を充填する技術が利用されている。

高アスペクト比の開口部が設けられた微細構造に対して電解めっき法により充填材料を充填する場合、充填材料の内部にボイドが生じると製品の性能及び歩留まりを低下させてしまう。上記のボイド発生を防ぐためには、開口部内での充填材料の成長方向や速度を一様に制御する必要がある。また、ＭＥＭＳやＸ線画像撮像用グリッドにおいて微細構造が形成される基材は、シリコンなどの半導体基材が広く用いられている。半導体基材は基材自体が導電性を有するため、めっき層を一方向から成長させるためには開口部の側壁を絶縁する必要があった。開口部の側壁が適切に絶縁されていない場合、絶縁されていない半導体基材の側壁から充填材料が成長することにより、充填材料の内部にボイドを発生されることがあった。

特許文献１には、有底孔の少なくとも側壁及び底部に、気相法によりオルガノポリシロキサンを有する絶縁層を形成した後、有底孔の底部に指向性の高い蒸着法によりシード層を形成し、当該シード層に給電する電解めっき法により、有底孔内に金属を充填することが記載されている。

特開２０１２−１６８３９７号公報

しかしながら、特許文献１では以下のような問題がある。まず、有底孔のアスペクト比が大きいと、気相法により有底孔の側壁に均一に絶縁層を形成することが難しい。また、蒸着法によって有底孔にシード層を形成する場合、底部のみにシード層を形成することが難しい。有底孔の側壁に絶縁層が均一に形成されていない、又はシード層が有底孔の側壁に形成されている状態で電解めっき法でめっき層を形成すると、めっき層の内部にボイドが発生してしまう。

このように、特許文献１では、半導体等の導電性を有する基材に設けられた開口部に充填材料を形成する場合、ボイドの発生を効果的に抑制する方法についての検討が十分にはなされていなかった。

本発明は、そのような課題に鑑みてなされたものであり、面内方向において均一な厚さの充填材料が配置された金属充填構造体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体は、第１基材と、第１基材上に配置され、第１基材に達する開口部が設けられ、第１基材より抵抗率が高い第２基材と、開口部に配置され、金属を含有する充填材料と、を有する。

上記の金属充填構造体によれば、簡易的な構造で充填材料の成長方向を制御することができるため、第１基材及び第２基材の面内方向において均一な厚さの充填材料を得ることができる。

また、別の態様において、充填材料は、第２基材に比べてＸ線に対する透過率が低くてもよい。

上記の金属充填構造体によれば、金属充填構造体をＸ線画像撮影用グリッドとして用いることができる。

また、別の態様において、第２基材は、第１基材に比べて１０倍以上の抵抗率を有してもよい。

上記の金属充填構造体によれば、第２基材からの充填材料の成長を抑制することができるため、第１基材及び第２基材の面内方向において均一な厚さの充填材料を得ることができる。

また、別の態様において、第１基材及び第２基材は、単結晶基材であってもよい。

上記の金属充填構造体によれば、第１基材領域及び第２基材領域において、基材の厚さ方向及び面内方向に均一なＸ線の透過率を得ることができる。

また、別の態様において、充填材料は、金を含んでもよい。

上記の金属充填構造体によれば、充填材料によるＸ線の阻止効率を向上させることができるため、Ｘ線映像を撮影するための信号に含まれるノイズを小さくすることができる。

また、別の態様において、充填材料は、第２基材に接していてもよい。

上記の金属充填構造体によれば、Ｘ線が透過する領域が第２基材に限定されるため、透過したＸ線の強度ムラを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、第１基材と第２基材とを貼り合せ、第１基材に達する開口部を第２基材基材に形成し、第１基材から第２基材の開口端部に向けて、金属を含有する充填材料を形成する。

上記の金属充填構造体の製造方法によれば、異なる物性値を有する基材同士を容易に積層させることができる。

また、別の態様において、第２基材は、第１基材より抵抗率が高くてもよい。

上記の金属充填構造体の製造方法によれば、簡易的な製造方法で充填材料の成長方向を制御することができる。

上記の金属充填構造体の製造方法によれば、金属充填構造体をＸ線画像撮影用グリッドとして用いることができる。

上記の金属充填構造体の製造方法によれば、充填材料が第２基材の開口部の側壁から成長することを抑制することができる。

本発明によると、面内方向において均一な厚さの充填材料が配置された金属充填構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の概要を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体のＡ−Ａ’断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第１基材と第２基材とを貼り合せる工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材上にレジストを形成する工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材をエッチングする工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、めっき層を形成する工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第１基材と第２基材とを貼り合せる工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材上にレジストを形成する工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材をエッチングする工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、レジストを除去し、エッチングストッパを除去する工程を示す図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、めっき層を形成する工程を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る金属充填構造体及びその製造方法について説明する。但し、本発明の金属充填構造体及びその製造方法は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、上下方向が逆転してもよい。

〈実施形態１〉
図１乃至図６を用いて、本発明の実施形態１に係る金属充填構造体１０の構成、及び金属充填構造体１０の製造方法について説明する。

［金属充填構造体１０の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の概要を示す平面図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体のＡ−Ａ’断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の実施形態１に係る金属充填構造体１０は、第１基材１００、第２基材２００、及び充填材料３００を有する。第２基材２００は第１基材１００上に配置されており、第２基材２００には第１基材１００に達する開口部２１０が設けられている。充填材料３００は開口部２１０に配置されており、開口部２１０の内壁において第２基材２００と接している。図１に示すように、開口部２１０及び充填材料３００は、第２基材２００の第１側２０２から第１側２０２とは反対側の第２側２０４に向かって延在する。ここで、第２基材２００の抵抗率は第１基材１００の抵抗率よりも高い。つまり、第２基材２００の導電率は第１基材１００の導電率よりも低い。また、充填材料３００は金属を含有する。

図１では、充填材料３００の平面形状は第１側２０２から第２側２０４に向かって延びる複数の線がそれぞれ独立に配列された形状を例示したが、この形状に限定されない。例えば、複数の線がそれぞれ異なる方向に延び、一部の線が交差する又は一部の線が連結してもよい。また、充填材料３００の平面形状は線状に限らず、円形又は多角形の点状であってもよい。また、充填材料３００の平面形状は線状及び点状等の組み合わせであってもよい。充填材料３００の幅、つまり開口部２１０の開口幅２２０は、用途に応じて適宜選択でき、例えば、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲で選択することができる。なお、第１基材１００及び第２基材２００は、それぞれ単一の基材によって構成された例を図示したが、この構成に限定されず、複数の基材又は層が積層された構造であってもよい。

また、図１では、第１基材１００及び第２基材２００が方形である構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、第１基材１００及び第２基材２００はシリコンウェハのように円形であってもよい。この場合、充填材料３００はシリコンウェハの円形の外周付近まで配置されていてもよく、シリコンウェハ内部の方形の領域に配置されていてもよい。

第１基材１００は、第２基材２００を支持するように設けられている。第１基材１００の材料は特に制限はないが、例えば、シリコン基材などの半導体基材を用いることができる。半導体基材としては、シリコン基材の他に炭化シリコン基材、ガリウムヒ素基材、窒化ガリウム基材などの基材を用いることができ、それぞれ単結晶基材を用いることができる。第１基材１００として、半導体基材や導電性基材を用いる場合、抵抗率が０．００１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下の基材を用いることができる。

また、半導体基材として、単結晶基材以外にも多結晶基材やアモルファス基材を用いることもできる。多結晶基材やアモルファス基材は第１基材１００上に物理蒸着法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ法）又は化学蒸着法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）を用いて形成することができる。ＰＶＤ法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、めっき法、及び分子線エピタキシー法などを用いることができる。また、ＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法（Ｃａｔ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ）−ＣＶＤ法又はホットワイヤＣＶＤ法）などと用いることができる。

また、半導体基材の他にもステンレス基材などの導電性基材や、少なくとも開口部２１０によって露出される領域に導電性を有する材料が配置された絶縁基材を用いることができる。絶縁基材としては、ガラス基材、石英基材、サファイア基材、樹脂基材などの基材を用いることができる。

第２基材２００の材料は第１基材１００の材料に比べて抵抗率が高い材料であればよく、第１基材１００と同様に、シリコン基材などの半導体基材を用いることができる。半導体基材としては、シリコン基材の他に炭化シリコン基材、ガリウムヒ素基材、窒化ガリウム基材などの基材を用いることができ、それぞれ単結晶基材を用いることができる。ただし、第１基材１００と同様に、第２基材２００として単結晶基材以外にも多結晶基材やアモルファス基材を用いることもできる。多結晶基材やアモルファス基材は第１基材１００と同様の方法で形成することができる。

また、第１基材１００と同様に、第２基材２００として半導体基材の他にもステンレス基材などの導電性基材や絶縁基材を用いることができる。絶縁基材としては、ガラス基材、石英基材、サファイア基材、樹脂基材などの基材を用いることができる。第２基材２００の材料は第１基材１００の材料と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。

第２基材２００として、半導体基材や導電性基材を用いる場合、抵抗率が１０Ωｃｍ以上１０ＭΩｃｍ以下の基材を用いることができる。ここで、第２基材２００の抵抗率は、第１基材１００の抵抗率に比べて１０倍以上であるとよい。

充填材料３００の材料は、白金、金、銀、銅、ニッケル等を用いることができ、用途に応じて適宜選択するとよい。例えば、金属充填構造体１０を貫通電極基材として用いる場合は充填材料３００として銅を用いることができる。なお、詳細は後述するが、充填材料３００は第１基材１００から成長させることで形成する。

なお、金属充填構造体１０をＸ線画像撮影用グリッドとして用いる場合、充填材料３００は、第２基材２００に比べてＸ線に対する透過率が低い材料を用いることができる。例えば、充填材料３００として金、白金、ロジウム、ルテニウム、又はイリジウム等を含む材料を用いることができる。図２では、充填材料３００が開口部２１０を充填するように配置された構造を例示したが、この構造に限定されない。充填材料３００は、目的に応じて、少なくとも開口部２１０の一部に配置されていればよい。

第２基材２００の厚さは、開口部２１０のアスペクト比が５以上、好ましくは１０以上、より好ましくは３０以上になるように選択されるとよい。ここで、開口部２１０のアスペクト比は、開口幅２２０に対する第２基材２００の厚さとして定義される。開口部２１０の平面形状が図１に示す形状とは異なる場合、開口部２１０のアスペクト比は、開口部２１０のうち最も幅が狭い箇所の幅に対する第２基材２００の厚さとして定義されてもよい。開口部２１０のアスペクト比が下限よりも小さいと、金属充填構造体１０を貫通電極基材として用いる場合は微細パターンを形成することが困難になり、金属充填構造体１０をＸ線画像撮像用グリッドとして用いる場合はＸ線を充填材料３００で阻止することができなくなり、Ｘ線映像を撮影するための信号にノイズが多く含まれてしまう。

第１基材１００及び第２基材２００の材料として、熱膨張係数が２×１０^−６［／Ｋ］以上１７×１０^−６［／Ｋ］以下の範囲の材料を使用することができる。また、これらが積層されたものであってもよい。第１基材１００及び第２基材２００の厚さは、特に制限はないが、例えば、１００μｍ以上８００μｍ以下の厚さの基材を使用することができる。上記の基材の厚さの下限よりも基材が薄くなると、基材のたわみが大きくなる。その影響で、製造過程におけるハンドリングが困難になるとともに、第１基材１００と第２基材２００及び充填材料３００との内部応力の差により基材が反ってしまう。一方、上記の基材の厚さの上限よりも基材が厚くなると基材の重量が増加し、ハンドリングを行う装置への負担が大きくなる。また、金属充填構造体１０をＸ線画像撮影用グリッドとして用いる場合、Ｘ線が第１基材１００及び第２基材２００を透過する距離が長くなるため、第１基材１００及び第２基材２００によるＸ線の散乱及び吸収が大きくなり、Ｘ線映像を撮影するための信号が弱くなってしまう。

以上のように、実施形態１に係る金属充填構造体１０によると、開口部２１０が設けられた第２基材２００の抵抗率が第１基材１００の抵抗率よりも高いことで、簡易的な構造で充填材料３００の成長方向を制御することができる。したがって、第１基材１００及び第２基材２００の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を得ることができる。つまり、開口部２１０内においてボイド等のない充填材料３００を得ることができる。

また、充填材料３００Ｘ線に対する透過率が第２基材２００Ｘ線に対する透過率に比べて低いことで、金属充填構造体１０にＸ線を照射したときに、Ｘ線が第２基材２００の領域を透過し、充填材料３００によって遮蔽される。したがって、金属充填構造体１０をＸ線画像撮影用グリッドとして用いることができる。また、第２基材２００が第１基材１００に比べて１０倍以上の抵抗率を有することで、例えば電解めっき法によって充填材料３００を成長させる際に、充填材料３００が第２基材２００の開口部２１０の側壁から成長することを抑制することができる。したがって、充填材料３００の成長方向の制御性をさらに向上させることができるため、第１基材１００及び第２基材２００の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を得ることができる。

また、第１基材１００及び第２基材２００として単結晶基材を用いることで、第１基材１００及び第２基材２００において均一なＸ線の透過率を得ることができる。したがって、第１基材１００及び第２基材２００の厚さ方向及び面内方向に均一なＸ線の透過率を得ることができる。また、充填材料３００が金を含むことで、充填材料３００によるＸ線の阻止効率を向上させることができる。したがって、Ｘ線映像を撮影するための信号に含まれるノイズを小さくすることができる。また、充填材料３００が第２基材２００の開口部２１０側壁に接していることで、Ｘ線が透過する領域が第２基材２００に限定される。したがって、透過したＸ線の強度ムラを抑制することができる。

［金属充填構造体１０の製造方法］
図３乃至図６を用いて、本発明の実施形態１に係る金属充填構造体の製造方法を説明する。図３乃至図６において、図１及び図２に示す要素と同じ要素には同一の符号を付した。ここで、金属充填構造体１０の第１基材１００及び第２基材２００として、抵抗率の異なる単結晶シリコン基材を使用した場合の製造方法について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第１基材と第２基材とを貼り合せる工程を示す図である。図３に示すように、第１基材１００と第２基材２００とを個別に準備して貼り合せる。第１基材１００と第２基材２００とを貼り合せる方法は、両基材の材料及び表面状態に応じて適宜選択すればよい。例えば、第１基材１００及び第２基材２００がシリコン基材の場合、常温接合法によって接合することができる。常温接合法は、表面活性化法を用いることによって基材同士を常温で接合する接合方法である。表面活性化法は、例えば真空中で高速原子ビームなどを用いて、基材の貼り合せる側の表面に形成された酸化物や吸着した分子をスパッタリング効果により除去することで表面を活性化する方法である。

常温接合法の他にもウェハ直接接合法によって接合することもできる。ウェハ直接接合法は、単に貼り合せ法とも呼ばれ、表面が親水化処理された基材同士を貼り合せる接合方法である。親水化処理は、例えば酸などの化学薬品及び純水を用いて基材表面を洗浄、酸化して薄い酸化膜を形成し、基材の表面に水酸基を付着させる処理である。

図４は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材上にレジストを形成する工程を示す図である。図４に示すように、第２基材２００上（第２基材２００の第１基材１００とは反対側）にフォトレジストを塗布した後に、露光及び現像を行うことによりレジストパターン４００を形成する。レジストパターン４００は、少なくとも図２に示す開口部２１０のパターンが形成される領域を露出するように形成される。

図５は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材をエッチングする工程を示す図である。図４に示す状態で、レジストパターン４００から露出された第２基材２００のエッチングを行う。単結晶シリコン基材である第２基材２００のエッチングはウェットエッチング又はドライエッチングによって行うことができる。ウェットエッチングによって第２基材２００をエッチングする場合、ＫＯＨ水溶液、エチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ）、又は４メチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）を使用することができる。一方、ドライエッチングによって第２基材２００をエッチングする場合、４フッ化炭素（ＣＦ_４）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、臭化水素（ＨＢｒ）を使用したドライエッチングを行うことができる。上記のようにして、第１基材１００に達する開口部２１０を第２基材２００に形成する。

次に、レジストパターン４００を除去することで、図５に示す断面構造の基材を得ることができる。レジストパターン４００の除去は、有機溶媒を用いてもよく、又は酸素プラズマ処理などのアッシングを用いてもよい。レジストの除去の後はＩＰＡ乾燥によって基材を乾燥してもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、めっき層を形成する工程を示す図である。図６に示すように、第１基材１００に通電する電解めっき法によって、開口部２１０によって露出された第２基材２００の表面からめっき層３１０を成長させる。つまり、第１基材１００から開口部２１０の端部３２０に向けてめっき層３１０を形成することで、図２に示す充填材料３００を形成する。

電解めっき法において、第１基材１００への通電は第１基材１００の裏面（第１基材１００の第２基材２００とは反対側の面）から電力が供給されることで行われる。ここで、第２基材２００の抵抗率は第１基材１００の抵抗率に比べて高いため、第１基材１００の裏面から供給された電力は第２基材２００にはほとんど伝達されない。つまり、めっき層３１０は開口部２１０の側壁からはほとんど成長せず、第１基材１００の表面からの成長が支配的となる。これによって、めっき層３１０の表面は第１基材１００の表面とほぼ平行に成長する。上記の効果は、第２基材２００の抵抗率が第１基材１００の抵抗率の１０倍以上の場合により顕著である。

以上のように、実施形態１に係る金属充填構造体１０の製造方法によると、異なる物性値を有する基材同士を容易に積層させることができる。また、第１基材１００に対して第１基材１００よりも抵抗率が高い第２基材２００を貼り合せることで、充填材料３００の成長方向を制御することができる。したがって、第１基材１００及び第２基材２００の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を容易に製造することができる。つまり、開口部２１０内においてボイド等のない充填材料３００を容易に製造することができる。

また、充填材料３００が第２基材２００に比べてＸ線に対する透過率が低いことで、金属充填構造体１０にＸ線を照射したときに、Ｘ線が第２基材２００の領域を透過し、充填材料３００によって遮蔽される。したがって、金属充填構造体１０をＸ線画像撮影用グリッドとして用いることができる。また、第１基材１００に比べて１０倍以上の抵抗率を有する第２基材２００を第１基材１００に貼り合せることで、例えば電解めっき法によって充填材料３００を成長させる際に、充填材料３００が第２基材２００の開口部２１０の側壁から成長することを抑制することができる。したがって、充填材料３００の成長方向の制御性をさらに向上させることができるため、第１基材１００及び第２基材２００の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を容易に製造することができる。

〈実施形態２〉
図７を用いて、本発明の実施形態２に係る金属充填構造体２０の構成について説明する。図７では、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた金属充填構造体２０について説明する。ここで、金属充填構造体２０の平面形状は実施形態１の金属充填構造体１０と同様であるので、説明を省略し、金属充填構造体２０の断面構造について説明する。

［金属充填構造体２０の構成］
図７は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の断面図である。図７に示すように、金属充填構造体２０は、ＳＯＩ基板５００及び充填材料３００を有する。ＳＯＩ基板５００は、シリコン層５１０、酸化シリコン層５２０（埋め込み酸化シリコン層又はボックス層ともいう）、及び支持基材５３０を有する。酸化シリコン層５２０は支持基材５３０上に配置されている。シリコン層５１０は酸化シリコン層５２０上に配置されている。シリコン層５１０及び酸化シリコン層５２０には、支持基材５３０に達する開口部５４０が設けられている。ここで、シリコン層５１０の抵抗率は支持基材５３０の抵抗率よりも高い。つまり、シリコン層５１０の導電率は支持基材５３０の導電率よりも低い。充填材料３００は開口部５４０に配置されており、開口部５４０の内壁においてシリコン層５１０及び酸化シリコン層５２０と接している。充填材料３００は金属を含有する。ＳＯＩ基板５００において、シリコン層５１０及び支持基材５３０はいずれも単結晶である。

ＳＯＩ基板５００は、市販のＳＯＩ基板を用いることができる。市販のＳＯＩ基板としては、ＵＮＩＢＯＮＤ基材（登録商標）やＳＩＭＯＸ（登録商標）（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＯＸｙｇｅｎ）等を用いることができる。又は、目的に応じた物性値を有するシリコン基材を貼り合せることでＳＯＩ基板５００を形成してもよい。シリコン基材を貼り合せる方法は、上記のように常温接合法やウェハ直接接合法等の方法を用いることができる。

支持基材５３０の抵抗率は、開口部５４０によって露出された支持基材５３０の表面から充填材料３００を成長させるために十分な抵抗率であればよい。支持基材５３０の抵抗率は金属充填構造体１０の第１基材１００と同様に０．００１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすることができる。

シリコン層５１０の抵抗率は、支持基板５３０の抵抗率よりも高ければよく、金属充填構造体１０の第２基材２００と同様に１０Ωｃｍ以上１０ＭΩｃｍ以下とすることができる。

酸化シリコン層５２０は、貼り合せる基材の表面を熱酸化することで形成してもよく、シリコン基材に酸素イオンをドーピング又はインプランテーションし、熱処理することで形成してもよい。

図７のように、ＳＯＩ基板５００を用いて金属充填構造体２０を形成する場合、開口部５４０によって露出された支持基材５３０の表面から充填材料３００を成長させる。実施形態１と同様に充填材料３００を電解めっき法で成長させる場合、支持基材５３０に供給された電力は酸化シリコン層５２０によって遮断され、シリコン層５１０には伝達されない。したがって、充填材料３００の成長がシリコン層５１０に到達するまでは、シリコン層５１０に電力は供給されず、充填材料３００の成長方向は一方向に制御される。

一方で、支持基材５３０の表面から充填材料３００が成長し、充填材料３００の上面がシリコン層５１０に到達すると、支持基材５３０に供給された電力は充填材料３００を介してシリコン層５１０に伝達されてしまう。この場合、開口部５４０のシリコン層５１０の側壁部から充填材料３００が成長する。上記のように、シリコン層５１０の抵抗率を支持基材５３０の抵抗率よりも高くすることで、充填材料３００の上面がシリコン層５１０に到達した状態においても、開口部５４０のシリコン層５１０の側壁部から充填材料３００が成長することを抑制することができる。

以上のように、実施形態２に係る金属充填構造体２０によると、充填材料３００を成長させるために支持基材５３０に供給された電力は、酸化シリコン層５２０によって遮断されるため、充填材料３００の成長方向を制御することができる。したがって、ＳＯＩ基板５００の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を得ることができる。つまり、開口部５４０内においてボイド等のない充填材料３００を得ることができる。

〈実施形態３〉
図８乃至図１３を用いて、本発明の実施形態３に係る金属充填構造体３０の構成、及び金属充填構造体３０の製造方法について説明する。図８乃至図１３では、第１基材１５０と第２基材２５０との間に第２基材２５０のエッチングストッパとして機能する酸化層６００が配置された金属充填構造体３０について説明する。ここで、金属充填構造体３０の平面形状は実施形態１の金属充填構造体１０と同様であるので、説明を省略し、金属充填構造体３０の断面構造について説明する。

［金属充填構造体３０の構成］
図８は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の断面図である。図８に示す金属充填構造体３０は、図２に示す金属充填構造体１０と類似しているが、金属充填構造体３０は第１基材１５０と第２基材２５０との間に酸化層６００が配置されている点において、金属充填構造体１０とは相違する。金属充填構造体３０において、開口部２３０は第２基材２５０及び酸化層６００を開口して第１基材１５０に達している。その他の構造については金属充填構造体１０と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。

金属充填構造体３０において、第１基材１５０の抵抗率は、開口部２３０によって露出された第１基材１５０の表面から充填材料３００を成長させるために十分な抵抗率であればよい。第１基材１５０の抵抗率は金属充填構造体１０の第１基材１００と同様に０．００１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下とすることができる。

金属充填構造体３０において、第２基材２５０の抵抗率は、第１基材１５０の抵抗率よりも高ければよく、金属充填構造体１０の第２基材２００と同様に１０Ωｃｍ以上１０ＭΩｃｍ以下とすることができる。

酸化層６００は、絶縁性を有し、第２基材２５０のエッチング条件に対して第２基材２５０よりもエッチングレートが遅い材料を用いることができる。例えば、第１基材１５０及び第２基材２５０のうち少なくとも一方の表面に形成された酸化層であってもよい。又は、第１基材１５０及び第２基材２５０のうち少なくとも一方の表面にＰＶＤ法又はＣＶＤ法によって形成された酸化層であってもよい。酸化層６００の膜厚は１０ｎｍ以上とすることが好ましい。酸化層６００の膜厚が下限よりも薄いと、第２基材２５０のエッチングストッパとしての機能が得られなくなる。なお、酸化層６００の膜厚の上限は特に設ける必要はないが、後の充填材料３００の成長に影響しない範囲で選択することができる。

以上のように、実施形態３に係る金属充填構造体３０によると、充填材料３００を成長させるために第１基材１５０に供給された電力は、酸化層６００によって遮断されるため、第２基材２５０には伝達されない。したがって、充填材料３００の成長が第２基材２５０に到達するまでは、第２基材２５０に電力は供給されず、充填材料３００の成長方向は一方向に制御される。第１基材１５０の表面から充填材料３００が成長し、充填材料３００の上面が第２基材２５０に到達すると、第１基材１５０に供給された電力は充填材料３００を介して第２基材２５０に伝達されてしまう。この場合、開口部２３０の第２基材２５０の側壁部から充填材料３００が成長する。上記のように、第２基材２５０の抵抗率を第１基材１５０の抵抗率よりも高くすることで、充填材料３００の上面が第２基材２５０に到達した状態においても、開口部２３０の第２基材２５０の側壁部から充填材料３００が成長することを抑制することができる。したがって、第１基材１５０及び第２基材２５０の面内方向において均一な厚さの充填材料３００を得ることができる。つまり、開口部２３０内においてボイド等のない充填材料３００を得ることができる。

［金属充填構造体３０の製造方法］
図９乃至図１３を用いて、本発明の実施形態３に係る金属充填構造体の製造方法を説明する。図９乃至図１３において、図８に示す要素と同じ要素には同一の符号を付した。ここで、金属充填構造体の第１基材１５０及び第２基材２５０として単結晶シリコン基材を使用し、酸化層６００に酸化シリコンを使用した場合の製造方法について説明する。

図９は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第１基材と第２基材とを貼り合せる工程を示す図である。図９に示すように、表面に酸化層６００が形成された第１基材１５０と第２基材２５０とを個別に準備して貼り合せる。貼り合せの方法は、両基材の材料及び表面状態に応じて適宜選択すればよい。例えば、実施形態１と同様に常温接合法やウェハ直接接合法によって接合することができる。酸化層６００の形成は、第１基材１５０を熱酸化することで形成してもよく、第１基材１５０を酸素プラズマ処理することで形成してもよく、酸やオゾン水等の酸化力が強い液体処理によって形成してもよい。

ここで、図９では、酸化層６００を第１基材１５０の表面に形成して第１基材１５０及び第２基材２５０を貼り合せる製造方法を例示したが、この製造方法に限定されない。例えば、酸化層６００を第２基材２５０の表面に形成して両基板を貼り合せてもよい。又は、第１基材１５０及び第２基材２５０の両方に酸化層６００を形成して、両基板を貼り合せてもよい。

図１０は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材上にレジストを形成する工程を示す図である。図１０に示すように、第２基材２５０上にフォトレジストを塗布した後に、露光及び現像を行うことによりレジストパターン４００を形成する。レジストパターン４００は、少なくとも図８に示す開口部２３０のパターンが形成される領域を露出するように形成される。

図１１は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、第２基材をエッチングする工程を示す図である。第２基材２５０のエッチングは、実施形態１と同様にウェットエッチング又はドライエッチングによって行うことができる。ウェットエッチングによって第２基材２５０をエッチングする場合、ＫＯＨ水溶液、エチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ）、又は４メチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）を使用することができる。一方、ドライエッチングによって第２基材２５０をエッチングする場合、４フッ化炭素（ＣＦ_４）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、臭化水素（ＨＢｒ）を使用したドライエッチングを行うことができる。図１１に示すように、上記のエッチング条件は、シリコンのエッチングレートに比べて酸化シリコンのエッチングレートが遅い（又は酸化シリコンをエッチングしない）ため、酸化層６００が露出した状態でエッチングの進行が遅くなる（又はストップする）。ここで、酸化層６００の膜厚は１０ｎｍ以上であるので、酸化層６００は第２基材２５０のエッチングストッパとして機能する。

図１２は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、レジストを除去し、酸化層を除去する工程を示す図である。レジストパターン４００の除去は、有機溶媒を用いてもよく、又は酸素プラズマ処理などのアッシングを用いてもよい。レジストの除去の後はＩＰＡ乾燥によって基材を乾燥してもよい。

酸化層６００のエッチングはウェットエッチング又はドライエッチングによって行うことができる。ウェットエッチングによって酸化層６００をエッチングする場合、フッ酸（ＨＦ）、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）、界面活性剤添加バッファードフッ酸（ＬＡＬ（登録商標））などを使用することができる。一方、ドライエッチングによって酸化層６００をエッチングする場合、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）ガスや六フッ化エタン（Ｃ_２Ｆ_６）ガスを使用したドライエッチングを行うことができる。ドライエッチングは異方性を有するため、ほぼ設計値通りのサイズのパターンを形成することができる。

図１３は、本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法において、めっき層を形成する工程を示す図である。図１３に示すように、第１基材１５０に通電する電解めっき法によって、開口部２３０によって露出された第２基材２５０の表面からめっき層３１０を成長させる。つまり、第１基材１５０から開口部２３０の端部３２０に向けてめっき層３１０を形成することで、図８に示す充填材料３００を形成する。

以上のように、実施形態３に係る金属充填構造体３０の製造方法によると、第１基材１５０と第２基材２５０との間の酸化層６００によって、露出された第１基材１５０の平坦性を向上させることができる。その結果、表面の平坦性が高い充填材料３００を形成することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、２０、３０：金属充填構造体、１００、１５０：第１基材、２００、２５０：第２基材、２０２：第１側、２０４：第２側、２１０、２３０、５４０：開口部、２２０：開口幅、３００：充填材料、３１０：めっき層、３２０：端部、４００：レジストパターン、５００：ＳＯＩ基板、５１０：シリコン層、５２０：酸化シリコン層、５３０：支持基材、６００：酸化層

Claims

第１基材と、
前記第１基材上に配置され、前記第１基材に達する開口部が設けられ、前記第１基材より抵抗率が高い第２基材と、
前記開口部に配置され、金属を含有する充填材料と、を有することを特徴とする金属充填構造体。
前記充填材料は、前記第２基材に比べてＸ線に対する透過率が低いことを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体。
前記第２基材は、前記第１基材に比べて１０倍以上の抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体。
前記第１基材及び前記第２基材は、単結晶基材であることを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体。
前記充填材料は、金を含むことを特徴とする請求項２に記載の金属充填構造体。
前記充填材料は、前記第２基材に接していることを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体。
第１基材と第２基材とを貼り合せ、
前記第１基材に達する開口部を前記第２基材に形成し、
前記第１基材から前記第２基材の開口端部に向けて、金属を含有する充填材料を形成することを特徴とする金属充填構造体の製造方法。
前記第２基材は、前記第１基材より抵抗率が高いことを特徴とする請求項７に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記充填材料は、前記第２基材に比べてＸ線に対する透過率が低いことを特徴とする請求項７に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記第２基材は、前記第１基材に比べて１０倍以上の抵抗率を有することを特徴とする請求項７に記載の金属充填構造体の製造方法。