JP2017038009A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒からの金属イオンの拡散を防止し、信頼性が低下してしまうのを防止する。【解決手段】半導体装置を、一方の側に第１配線層１を有する第１基板２と、第１基板の一方の側の反対側に設けられ、冷媒が流れる流路３と、第１配線層と流路との間に設けられた第１イオン拡散防止膜４とを備えるものとする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

近年、電子機器に対する小型化、高性能化及び低価格化等の要求に伴い、電子部品の高密度実装の要求が高まっており、特に、複数の半導体チップを高密度に集積化した半導体装置が求められている。
そして、例えばプリント基板やパッケージ基板などの回路基板上に、複数の半導体チップを積層させて実装する３次元実装（３Ｄ−ＩＣ）、インターポーザを用いて半導体チップを積層させて実装する２．５次元実装（２．５Ｄ−ＩＣ）といった高密度集積技術を用いた半導体装置の開発が行なわれている。

このような高密度集積技術を用いた半導体装置では、半導体チップが高密度に集積されるため、熱が内部に籠もりやすい。
そこで、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに、冷媒が流れる流路を設け、冷媒の移動によって熱を外部へ輸送して放熱させて、冷却することが行なわれている。

特開２００９−２３６３６２号公報 特開２０１３−０９８２１２号公報

ところで、上述のように、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに設けられた流路に流れる冷媒は、金属汚染されている場合があることがわかった。
そして、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散によって、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに設けられている配線層に備えられる配線に腐食等が生じ、信頼性が低下してしまうことがわかった。

そこで、冷媒からの金属イオンの拡散を防止し、信頼性が低下してしまうのを防止したい。

本半導体装置は、一方の側に第１配線層を有する第１基板と、第１基板の一方の側の反対側に設けられ、冷媒が流れる流路と、第１配線層と流路との間に設けられた第１イオン拡散防止膜とを備える。

したがって、本半導体装置によれば、冷媒からの金属イオンの拡散を防止し、信頼性が低下してしまうのを防止することができるという利点がある。

本実施形態の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第１変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の第１変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第２変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態の第２変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第３変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 本実施形態の第４変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態の第４変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第５変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 本実施形態の第６変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本実施形態の第６変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の第６変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第７変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の第７変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第８変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態の第８変形例の半導体装置の具体的な構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の第９変形例の半導体装置の構成を示す模式的断面図である。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置について、図１〜図１８を参照しながら説明する。
本実施形態の半導体装置は、例えば３Ｄ、２．５Ｄ、Ｆａｎ−ｏｕｔＷＬＰなどの高密度集積技術（集積デバイス形成技術）を用いた半導体装置に適用するのが好ましい。特に、複数の半導体チップを搭載して高密度に集積化した半導体装置に適用するのが好ましい。

また、本実施形態の半導体装置は、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに、冷媒が流れる流路を設け、冷媒の移動によって熱を外部へ輸送して放熱させて冷却する構造を有する半導体装置に適用するのが好ましい。
ここで、冷媒が流れる流路（冷却流路；冷却用流路）は、例えばプリント基板、パッケージ基板（チップパッケージ基板）、例えばＬＳＩチップなどの半導体チップ、例えばシリコンインターポーザなどのインターポーザ、例えばＦａｎ−ｏｕｔＷＬＰなどのウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）、ＭＥＭＳなどに備えられる基板に取り付けられる。なお、基板を、実装基板、集積基板又は高密度集積基板ともいう。

本実施形態の半導体装置は、図１に示すように、一方の側に配線層（第１配線層）１を有する基板（第１基板）２と、基板２の一方の側の反対側に設けられ、冷媒が流れる流路３と、配線層１と流路３との間に設けられたイオン拡散防止膜（第１イオン拡散防止膜）４とを備える。ここで、イオン拡散防止膜４は、配線層１と流路３とを隔離するように設けられる。

ここで、例えば、基板２が、トランジスタを含む集積回路（トランジスタ回路）を備える半導体チップに備えられる基板である場合、基板２は、シリコンからなるシリコン基板であり、その一方の側の表面にトランジスタ及び配線を含む配線層（トランジスタ層）１を備えることになる。また、例えば、基板２が、インターポーザ又はウェハレベルパッケージに備えられる基板である場合、基板２は、シリコンからなるシリコン基板であり、その一方の側の表面に配線を含む配線層１を備えることになる。また、例えば、基板２が、プリント基板やパッケージ基板などの回路基板、ＭＥＭＳなどに備えられる基板である場合、基板２は、その一方の側の表面に配線を含む配線層１を備えることになる。

また、基板２の一方の側の反対側に、冷媒が流れる流路３、即ち、基板２にかかる熱を外部へ輸送するための流路３が設けられている。つまり、冷媒が流れる流路３を備える冷却基板５が、基板２の一方の側の反対側に取り付けられている。この冷却基板５は、例えば樹脂（例えば感光性樹脂）やシリコンからなる基板である。ここでは、冷却基板５は、シリコン基板５Ａに流路パターンが形成された樹脂層５Ｂを貼り付けたものである。なお、冷却基板５を半導体装置向け冷却基板又は放熱基板ともいう。

ここで、例えば、基板２が、半導体チップに備えられる基板である場合、半導体チップは、トランジスタ及び配線を含む配線層１が設けられている側の反対側に、冷媒が流れる流路３を備える冷却基板５が取り付けられたものとなる。つまり、半導体チップは、その内部（基板内部）に、基板２にかかる熱を外部へ輸送するための流路３を備えるものとなる。また、例えば、基板２が、インターポーザ、ウェハレベルパッケージに備えられる基板である場合、インターポーザ、ウェハレベルパッケージは、配線を含む配線層１が設けられている側の反対側に、冷媒が流れる流路３を備える冷却基板５が取り付けられたものとなる。つまり、インターポーザ、ウェハレベルパッケージは、その内部（基板内部）に、基板２にかかる熱を外部へ輸送するための流路３を備えるものとなる。また、例えば、基板２が、プリント基板やパッケージ基板などの回路基板、ＭＥＭＳなどに備えられる基板である場合、プリント基板やパッケージ基板などの回路基板、ＭＥＭＳなどは、配線を含む配線層１が設けられている側の反対側に、冷媒が流れる流路３を備える冷却基板５が取り付けられたものとなる。つまり、プリント基板やパッケージ基板などの回路基板、ＭＥＭＳなどは、その内部（基板内部）に、基板２にかかる熱を外部へ輸送するための流路３を備えるものとなる。

そして、配線層１と流路３との間に、イオン拡散防止膜（イオン拡散防止被膜）４が設けられている。このイオン拡散防止膜４は、金属汚染された冷媒に含まれる金属イオンの拡散を防止する被膜である。
ここで、金属汚染された冷媒に含まれる金属イオンは、冷媒が流れる流路３に用いられる材質によって異なるが、例えばＣｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｉ等の金属イオンが挙げられる。例えば、冷却基板５に備えられる流路３には、例えばヒートパイプなどの配管が接続され、基板２にかかる熱を基板外へ輸送することになる。そして、基板外の配管は金属配管であるため、この配管の材料である金属が配管の中を流れる冷媒に溶出し、冷媒が配管の材料である金属のイオンで汚染されてしまうことになる。このため、金属汚染された冷媒に含まれる金属イオンは、冷媒が流れる基板外の流路である金属配管の材質である例えばＣｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｎｉ等の金属イオンである。このような金属イオンは、特に基板２がシリコン基板である場合に基板２に拡散しやすいため、特に基板２がシリコン基板である場合にイオン拡散防止膜４を設けると特に効果的である。

ここで、イオン拡散防止膜４は、金属汚染された冷媒に含まれる金属イオンの拡散を防止することが可能であれば、特に限定されることはないが、非晶質膜（例えば非晶質絶縁膜）であることが好ましい。これは、結晶性を有する場合、結晶の粒界を通ってイオン拡散してしまうおそれがあるため、確実に金属イオンの拡散を防止するためである。また、イオン拡散防止膜４として絶縁膜を用いることで、配線層１に含まれるトランジスタや配線及びこれらの周囲などに寄生容量が発生しないようにすることができる。

また、イオン拡散防止膜４は、真空プロセスによって成膜できるものであることが好ましい。真空プロセスによる成膜は、基板２の表面形状に依存せず、コンフォーマルに被膜の形成が可能であり、表面形状に起因した被膜欠陥からのイオン拡散のおそれがないからである。このようなイオン拡散防止膜４としては、例えば、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣ等が挙げられる。このため、イオン拡散防止膜４は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜（被膜）であることが好ましい。特に、基板２がシリコン基板である場合に、イオン拡散防止膜４は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜であることが好ましい。なお、これらの材料からなる膜は非晶質膜（非晶質絶縁膜）である。特に、金属イオンの拡散を確実に防止するには、膜密度の高いＳｉＮ膜、ＤＬＣ膜をイオン拡散防止膜として用いるのが好ましい。

ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
つまり、例えばプリント基板やパッケージ基板などの回路基板上に、複数の半導体チップを積層させて実装する３次元実装、インターポーザを用いて半導体チップを積層させて実装する２．５次元実装といった高密度集積技術を用いた半導体装置では、トランジスタを含む集積回路を備える半導体チップが高密度に集積される。

このため、半導体チップに備えられる集積回路で発生した熱が、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどの基板の内部や回路部に籠もりやすく、信頼性を低下させることになる。
そこで、信頼性の低下を防止するため、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどの基板に、冷媒が流れる流路を設け、冷媒の移動によって熱を外部へ輸送して放熱させて、基板を冷却することが行なわれる。

特に、高密度の集積化が進むにつれて、基板の厚さは薄くなり、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどの基板の一方の側に設けられる配線層と、その反対側に設けられる冷媒が流れる流路との間の距離が短くなり、これらが近接してきている。
そして、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに設けられた流路に流れる冷媒は、金属汚染されている場合があり、配線層と流路との近接に伴い、流路の壁面から基板へ金属汚染された冷媒から金属イオンが拡散し、回路基板、半導体チップ、インターポーザなどに設けられている配線層に備えられる配線や電極に腐食等が生じ、また、トランジスタ性能が劣化し、信頼性が低下してしまうことがわかった。

そこで、冷媒からの金属イオンの拡散を防止し、配線や電極に腐食等が生じるのを防止し、また、トランジスタ性能が劣化してしまうのを防止し、信頼性が低下してしまうのを防止すべく、上述のように、配線層１と流路３との間にイオン拡散防止膜４を設けている。
このようなイオン拡散防止膜４を設けることによって、配線層１が保護され、イオン拡散によるトランジスタ性能の劣化、配線や電極の腐食等が生じないようにすることができ、信頼性を高めることができる。

このようにして、イオン拡散の影響による信頼性の低下を生じない、冷却基板５が取り付けられた回路基板（放熱回路基板）、半導体チップ、インターポーザなどを実現することができる。つまり、複数の半導体チップを備える高密度集積技術を用いた半導体装置であって、冷却基板５を備えるものにおいて、信頼性の高いものを実現することができる。
以下、具体的な構成例及びその製造方法について説明する。

ここでは、半導体チップ６の裏面側に感光性樹脂及びシリコン基板からなる冷却基板５を取り付けた冷却基板付き半導体チップ７を作製し、このようにして作製された複数の冷却基板付き半導体チップ７を積層した半導体装置を製造する場合を例に挙げて説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、厚さ約６２５μｍのＳｉ基板２上にトランジスタを含む配線層１を形成する。つまり、Ｓｉ基板２の一方の側の表面上にトランジスタを含む配線層１を有する半導体チップ６を作製する。

続いて、図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２の配線層１が形成された面をＢＧテープ８に貼り付け、Ｓｉ基板２の裏面からバックグラインドを実施し、Ｓｉ基板２の厚さを約１００μｍまで薄くする。
その後、図２（Ｃ）に示すように、Ｓｉ基板２の裏面に、イオン拡散防止膜４として、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ約３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成する。つまり、半導体チップ６を構成するＳｉ基板２の裏面にイオン拡散防止膜４を形成する。

続いて、図２（Ｄ）に示すように、Ｓｉ基板２の裏面に形成されたイオン拡散防止膜４上に、感光性樹脂からなる接着剤９を、例えばスピンコートによって、厚さ約１００μｍになるよう塗布し、約１１０℃、約１分でベークする。その後、所望の位置に幅約１００μｍピッチで幅約２００μｍの流路形成用パターンを有するガラスマスクを用いて、コンタクトアライナーを用いて露光を行ない、２．３８％ＴＭＡＨ、室温約２分で現像を行なう。このようにして、イオン拡散防止膜４が形成されているＳｉ基板２の裏面側に、感光性樹脂からなる接着剤９をパターニングすることによって流路３が形成される。

次に、図２（Ｅ）に示すように、別途用意した無垢のＳｉ基板（貼り合わせ基板）５Ａを、Ｓｉ基板２の裏面側に設けられ、流路３が形成されている接着剤９の上に載せ、窒素雰囲気、約２００℃で、約１時間のオーブンベークを実施し、感光性樹脂からなる接着剤９を本硬化させて、接着剤９によってＳｉ基板２と無垢のＳｉ基板５Ａを貼り合わせる。これにより、Ｓｉ基板２の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、無垢のＳｉ基板５Ａと、接着剤９によって形成され、流路３を有する樹脂層５Ｂとからなる冷却基板５が貼り付けられる。その後、ＢＧテープ８を、紫外線照射して、剥がし取る。

このようにして、図２（Ｆ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、感光性樹脂層５Ｂ及び無垢のＳｉ基板５Ａによって形成され、流路３を備える冷却基板５を取り付けて、全体の厚さが約３００μｍの冷却基板付き半導体チップ７を作製する。
そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７を積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。

したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、冷媒からの金属イオンの拡散を防止し、信頼性が低下してしまうのを防止することができるという利点がある。
特に、上述の具体的な構成例及びその製造方法で説明したようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ６に取り付けられている冷却基板５の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板５に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

なお、上述の実施形態では、一方の側に配線層１を備えるものに本発明を適用した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、図３に示すように、一方の側及び一方の側の反対側の両側に配線層１、１Ｘを備えるものに本発明を適用することもできる。これを第１変形例という。
この場合、半導体装置は、さらに、流路３の第１基板２が設けられている側の反対側に設けられ、流路３が設けられている側の反対側に第２配線層１Ｘを有する第２基板２Ｘと、第２配線層１Ｘと流路３との間に設けられた第２イオン拡散防止膜４Ｘとを備えるものとすれば良い。ここで、第２イオン拡散防止膜４Ｘは、第２配線層１Ｘと流路３とを隔離するように設けられる。また、第２イオン拡散防止膜４Ｘは、非晶質膜（例えば非晶質絶縁膜）であることが好ましい。また、第２イオン拡散防止膜４Ｘは、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜（被膜）であることが好ましい。特に、第２基板２Ｘがシリコンからなるシリコン基板である場合、上述のような金属イオンが基板２Ｘに拡散しやすいため、特にシリコン基板である場合にイオン拡散防止膜４Ｘを設けると特に効果的である。

この場合、上述の実施形態の具体的な構成例及びその製造方法において、Ｓｉ基板２の裏面に、感光性樹脂からなる接着剤９をパターニングすることによって流路を形成した後、以下の各工程を行なえば良い。
つまり、図４（Ａ）に示すように、一方の側に配線層１Ｘを備える、厚さ約６２５μｍの別のＳｉ基板２Ｘを用意し、その配線層１Ｘが形成された面をＢＧテープ８Ｘに貼り付け、別のＳｉ基板２Ｘの裏面からバックグラインドを実施し、別のＳｉ基板２Ｘの厚さを約１００μｍまで薄くし、さらに、この別のＳｉ基板２Ｘの裏面に、別のイオン拡散防止膜４Ｘとして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ約３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成する。

その後、図４（Ｂ）に示すように、この別のＳｉ基板２Ｘを、別のイオン拡散防止膜４Ｘが形成されている側の面を下に向けて、Ｓｉ基板２の裏面側に設けられ、流路３が形成されている接着剤９の上に載せ、窒素雰囲気、約２００℃で、約１時間のオーブンベークを実施し、感光性樹脂からなる接着剤９を本硬化させて、接着剤９によってＳｉ基板２と別のＳｉ基板２Ｘとを貼り合わせる。これにより、Ｓｉ基板２の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、接着剤９によって形成され、流路３を有する樹脂層５Ｂからなる冷却基板５Ｘが貼り付けられ、さらに、別のイオン拡散防止膜４Ｘを挟んで、別のＳｉ基板２Ｘが貼り付けられる。その後、両面のＢＧテープ８、８Ｘを、紫外線照射して、剥がし取る。

このようにして、図４（Ｃ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、感光性樹脂によって形成され、流路３を備える冷却基板５Ｘを取り付け、さらに、別のイオン拡散防止膜４Ｘを挟んで、一方の側の反対側の表面上に配線層１Ｘを有するＳｉ基板２Ｘを設けて、全体の厚さが約３００μｍの冷却基板付き半導体チップ７Ａを作製する。

そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ａを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。
このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップに取り付けられている冷却基板５Ｘの流路にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板５Ｘに備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

また、上述の実施形態の半導体装置に備えられる半導体チップ、インターポーザ、回路基板などが、図５に示すように、その内部に、表面側から裏面側へ貫通する貫通電極１０を備えるものであっても良い。ここで、貫通電極１０は、表面側と裏面側とを電気的に接続するものである。これを第２変形例という。
この場合、上述の実施形態の具体的な構成例及びその製造方法において、無垢のＳｉ基板５Ａを貼り合わせ、ＢＧテープ８を剥がし取った後に、以下の各工程を行なえば良い。

つまり、図６（Ａ）に示すように、貼り合わせた無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側（一方の側の反対側）に、例えばスピンコートによって、レジスト１１を、厚さ約１０μｍになるように塗布し、約１１０℃、約１分でベークする。その後、所望の位置に約１００μｍの径の貫通電極パターンを有するガラスマスクを用いて、コンタクトアライナーを用いて露光を行ない、２．３８％ＴＭＡＨ、室温約２分で現像を行なう。このようにして、レジスト１１をパターニングすることによって貫通電極形成用パターンを形成する。

次に、図６（Ｂ）に示すように、貫通電極形成用パターンを有するレジスト１１をマスクとして用い、例えばＳＦ_６ガスを用いてドライエッチングを行なって、配線層１（具体的には配線層に備えられるランドパターン）まで到達する貫通孔１２を形成する。
次に、図６（Ｃ）に示すように、貫通孔１２を含む無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側に、例えばスパッタ法によって、シード層（図示せず）を形成し、電界めっきを実施して、貫通孔１２が埋め込まれるようにめっき層（貫通孔埋込めっき）１３を形成する。その後、無垢のＳｉ基板５Ａの裏面上に形成された余剰のシード層及びめっき層１３を、例えばＣＭＰによって研磨する。このようにして、図６（Ｄ）に示すように、貫通孔１２に埋め込まれためっき層１３によって貫通電極１０が形成される。

このようにして、図６（Ｄ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、感光性樹脂層５Ｂ及び無垢のＳｉ基板５Ａによって形成され、流路３を備える冷却基板５を取り付けられ、さらに、貫通電極１０が形成された冷却基板付き半導体チップ７Ｂを作製する。
そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｂを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。

このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ７Ｂに取り付けられている冷却基板５の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板５に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

なお、ここでは、上述の実施形態のものを、貫通電極１０を備えるものとする場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば図７に示すように、上述の第１変形例のもの（図３参照）を、貫通電極１０を備えるものとしても良い。これを第３変形例という。
ところで、上述のように貫通電極１０を備えるものとする場合、例えば図８に示すように、貫通電極１０と流路３との間に第３イオン拡散防止膜４Ｙを設けるのが好ましい。ここで、第３イオン拡散防止膜４Ｙは、貫通電極１０と流路３とを隔離するように設けられる。これを第４変形例という。これにより、イオン拡散による貫通電極１０の腐食等を防止することができ、信頼性を高めることができる。この第３イオン拡散防止膜４Ｙは、非晶質膜（例えば非晶質絶縁膜）であることが好ましい。また、第３イオン拡散防止膜４Ｙは、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜（被膜）であることが好ましい。

この場合、上述の実施形態の具体的な構成例及びその製造方法において、無垢のＳｉ基板５Ａを貼り合わせ、ＢＧテープ８を剥がし取った後に、以下の各工程を行なえば良い。
つまり、図９（Ａ）に示すように、貼り合わせた無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側（一方の側の反対側）に、例えばスピンコートによって、レジスト１４を、厚さ約１０μｍになるように塗布し、約１１０℃、約１分でベークする。その後、所望の位置に貫通電極１０及び貫通電極１０と流路３を隔離するイオン拡散防止膜４Ｙを形成するための領域を規定する貫通電極・イオン拡散防止膜形成用パターン（貫通電極−流路隔離用パターン）を有するガラスマスクを用いて、コンタクトアライナーを用いて露光を行ない、２．３８％ＴＭＡＨ、室温約２分で現像を行なう。このようにして、レジスト１４をパターニングすることによって貫通電極・イオン拡散防止膜形成用パターンを形成する。

次に、図９（Ｂ）に示すように、貫通電極・イオン拡散防止膜形成用パターンを有するレジスト１４をマスクとして用い、例えばＳＦ_６ガスを用いてドライエッチングを行なって、配線層１（具体的には配線層に備えられるランドパターン）まで到達する溝（貫通電極−流路隔離溝）１５を形成する。
次に、図９（Ｃ）に示すように、溝１５を含む無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、イオン拡散防止膜４Ｙとして、厚さ約３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成し、続けて、例えばスピンコートによって、イオン拡散防止膜４Ｙ上に樹脂を塗布し、約１１０℃、約１分でベークした後、約２００℃のオーブンで硬化反応させて、樹脂層１６を形成する。

次に、図９（Ｄ）に示すように、例えばＳＦ_６ガスを用いてドライエッチングを行なって、配線層１に備えられるランドパターン上及び無垢のＳｉ基板５Ａの裏面上に形成されたイオン拡散防止膜４Ｙ及び樹脂層１６を除去する。これにより、溝１５の壁面のみにイオン拡散防止膜４Ｙ及び樹脂層１６が残され、その内側に貫通電極１０を形成するための貫通孔１５Ｘが形成されることになる。

次に、図９（Ｅ）に示すように、貫通孔１５Ｘを含む無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側に、例えばスパッタ法によって、シード層（図示せず）を形成し、電界めっきを実施して、貫通孔１５Ｘが埋め込まれるようにめっき層（貫通孔埋込めっき）１３を形成する。その後、無垢のＳｉ基板５Ａの裏面上に形成された余剰のシード層及びめっき層１３を、例えばＣＭＰによって研磨する。このようにして、図９（Ｆ）に示すように、貫通孔１５Ｘに埋め込まれためっき層１３によって貫通電極１０が形成される。

このようにして、図９（Ｆ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面側に、イオン拡散防止膜４を挟んで、感光性樹脂層５Ｂ及び無垢のＳｉ基板５Ａによって形成され、流路３を備える冷却基板５を取り付けられ、さらに、イオン拡散防止膜４Ｙによって流路３と隔離された貫通電極１０を備える冷却基板付き半導体チップ７Ｃを作製する。

そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｃを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。
このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ７Ｃに取り付けられている冷却基板５の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板５に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

なお、この第４変形例は、上述の実施形態の変形例として説明しているが、上述の第１変形例（図３参照）に適用して、例えば図１０に示すように構成することもできる。これを第５変形例という。
また、上述の実施形態及び各変形例では、冷却基板を感光性樹脂によって形成する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、冷却基板をシリコンによって形成することもできる。

例えば図１１に示すように、配線層（第１配線層）１を有する基板（第１基板）２の裏面側に、流路３となる溝１７を形成し、この溝１７を含む裏面側が覆われるようにイオン拡散防止膜（第１イオン拡散防止膜）４を設けることで、配線層１と流路３との間に、これらを隔離するように、イオン拡散防止膜４を設けるようにしても良い。これを第６変形例という。

ここでは、半導体チップ６の裏面側に、溝１７からなる流路３を形成し、この溝１７を含む裏面側が覆われるようにイオン拡散防止膜４を設け、接着剤１８によってシリコン基板５Ａを貼り付けた冷却基板付き半導体チップ７Ｄを作製し、このようにして作製された複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｄを積層した半導体装置を製造する場合を例に挙げて説明する。

まず、図１２（Ａ）に示すように、厚さ約６２５μｍのＳｉ基板２上にトランジスタを含む配線層１を形成する。つまり、Ｓｉ基板２の一方の側の表面上にトランジスタを含む配線層１を有する半導体チップ６を作製する。
次に、図１２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２の配線層１が形成された面をＢＧテープ８に貼り付け、Ｓｉ基板２の裏面からバックグラインドを実施し、Ｓｉ基板２の厚さを約２００μｍまで薄くする。

次に、図１２（Ｃ）に示すように、バックグラインドしたＳｉ基板２の裏面に、例えばスピンコートによって、厚さ約１０μｍになるようにレジスト１９を塗布し、約１１０℃、約１分でベークする。その後、所望の位置に幅約１００μｍピッチで幅約２００μｍの流路形成用パターンを有するガラスマスクを用いて、コンタクトアライナーを用いて露光を行ない、２．３８％ＴＭＡＨ、室温約２分で現像を行なう。このようにして、Ｓｉ基板２の裏面に、レジスト１９をパターニングすることによって流路形成用パターンを形成する。

次に、図１２（Ｄ）に示すように、流路形成用パターンを有するレジスト１９をマスクとして用い、例えばＳＦ_６ガスを用いてドライエッチングを行なって、Ｓｉ基板２の裏面に、例えば深さ約１００μｍの溝１７からなる流路３を形成する。その後、レジスト１９を、例えばアセトンを用いて溶解させて除去する。
次に、図１２（Ｅ）に示すように、流路３が形成されているＳｉ基板２の裏面に、イオン拡散防止膜４として、例えばプラズマＣＶＤ法によって、厚さ約３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成する。つまり、半導体チップ６を構成するＳｉ基板２の裏面にイオン拡散防止膜４を形成する。

次に、図１３（Ａ）に示すように、別途用意した厚さ約１００μｍの無垢のＳｉ基板５Ａの一方の面をＢＧテープ８Ｘに貼り付け、その反対側の面に、例えばスピンコートによって、厚さ約１０μｍになるように接着剤１８を塗布し、約１１０℃、約１分でベークした後、図１３（Ｂ）に示すように、無垢のＳｉ基板５Ａを、接着剤１８を設けた面を下に向けて、流路３を備えるＳｉ基板２の裏面側に形成されたイオン拡散防止膜４上に載せ、約２００℃で、約１時間のオーブンベークを実施し、接着剤１８を本硬化させて、接着剤１８によってＳｉ基板２と無垢のＳｉ基板５Ａとを貼り合わせる。その後、両面のＢＧテープ８、８Ｘを、紫外線照射して、剥がし取る。

このようにして、図１３（Ｃ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面に、溝１７からなる流路３を備え、この流路３を含む半導体チップ６の裏面を覆うようにイオン拡散防止膜４が設けられ、これに接着剤１８で無垢のＳｉ基板５Ａが貼り付けられた、全体の厚さが約３００μｍの冷却基板付き半導体チップ７Ｄを作製する。この場合、半導体チップ７Ｄの裏面側の流路３が形成された部分及びイオン拡散防止膜４を挟んで接着剤１８で貼り付けられた無垢のＳｉ基板５Ａが、冷却基板として機能することになる。

そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｄを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。
このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ７Ｄに取り付けられている冷却基板の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

なお、第６変形例は、上述の構成に限られるものではなく、例えば、上述の第１変形例（図３参照）のように、例えば図１４に示すように、一方の側及び一方の側の反対側の両側に配線層１、１Ｘを備えるものとしても良い。これを第７変形例という。
この場合、別途用意した無垢のＳｉ基板５Ａに代えて、図１５（Ａ）に示すように、一方の側に配線層１Ｘを備える、厚さ約６２５μｍの別のＳｉ基板２Ｘを用意し、ＢＧテープ８Ｘに貼り付け、バックグラインドを実施して、この別のＳｉ基板２Ｘの厚さを約１００μｍまで薄くし、さらに、この別のＳｉ基板２Ｘの裏面に、別のイオン拡散防止膜４Ｘとして、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ約３００ｎｍのＳｉＮ膜を形成すれば良い。その後、上述の第６変形例と同様に、例えばスピンコートによって、厚さ約１０μｍになるように接着剤１８を塗布し、約１１０℃、約１分でベークし、図１５（Ｂ）に示すように、別のＳｉ基板２Ｘを、接着剤１８を設けた面を下に向けて、流路３を備えるＳｉ基板２の裏面側に形成されたイオン拡散防止膜４上に載せ、約２００℃で、約１時間のオーブンベークを実施し、接着剤１８を本硬化させて、接着剤１８によってＳｉ基板２と別のＳｉ基板２Ｘとを貼り合わせる。その後、両面のＢＧテープ８、８Ｘを、紫外線照射して、剥がし取る。

このようにして、図１５（Ｃ）に示すように、一方の側の表面上に配線層１を有する半導体チップ６の裏面に、溝１７からなる流路３を備え、この流路３を含む半導体チップ６の裏面を覆うようにイオン拡散防止膜４が設けられ、これに接着剤１８で、別のイオン拡散防止膜４Ｘを挟んで、一方の側の反対側に配線層１Ｘを備えるＳｉ基板２Ｘが貼り付けられた、全体の厚さが約３００μｍの冷却基板付き半導体チップ７Ｅを作製する。この場合、半導体チップ６の裏面側の流路３が形成された部分及びイオン拡散防止膜４を挟んで接着剤１８で貼り付けられた、一方の側にイオン拡散防止膜４Ｘを備え、その反対側に配線層１Ｘを備えるＳｉ基板２Ｘが、冷却基板として機能することになる。

そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｅを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。
このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ７Ｅに取り付けられている冷却基板の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

また、例えば、第６変形例のもの（図１１参照）を、例えば図１６に示すように、貫通電極１０を備えるものとしても良い。これを第８変形例という。
この場合、図１７（Ａ）に示すように、貼り合わせた無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側（一方の側の反対側）に、例えばスピンコートによって、レジスト１１を、厚さ約１０μｍになるように塗布し、約１１０℃、約１分でベークする。その後、所望の位置に約１００μｍの径の貫通電極パターンを有するガラスマスクを用いて、コンタクトアライナーを用いて露光を行ない、２．３８％ＴＭＡＨ、室温約２分で現像を行なう。このようにして、レジスト１１をパターニングすることによって貫通電極形成用パターンを形成する。

次に、図１７（Ｂ）に示すように、貫通電極形成用パターンを有するレジスト１１をマスクとして用い、例えばＳＦ_６ガスを用いてドライエッチングを行なって、配線層（具体的には配線層に備えられるランドパターン）まで到達する貫通孔１２を形成する。
次に、図１７（Ｃ）に示すように、貫通孔１２を含む無垢のＳｉ基板５Ａの裏面側に、例えばスパッタ法によって、シード層（図示せず）を形成し、電界めっきを実施して、貫通孔１２が埋め込まれるようにめっき層（貫通孔埋込めっき）１３を形成する。その後、図１７（Ｄ）に示すように、無垢のＳｉ基板５Ａの裏面上に形成された余剰のシード層及びめっき層１３を、例えばＣＭＰによって研磨する。このようにして、貫通孔１２に埋め込まれためっき層１３によって貫通電極１０が形成される。

このようにして、第６変形例のもの（図１１参照）を、図１６に示すように、貫通電極１０を備えるものとすることができる。
このように、第６変形例のもの（図１１参照）において貫通電極１０を備えるものとする場合、第６変形例のものでは流路３を構成する溝１７の壁面（主に側面）にもイオン拡散防止膜４が設けられているため、この部分のイオン拡散防止膜４が、貫通電極１０と流路３との間にこれらを隔離するように設けられたイオン拡散防止膜（第３イオン拡散防止膜４Ｙ）となる。

そして、このようにして作製した複数の冷却基板付き半導体チップ７Ｆを積層させ、回路基板上に実装することで、複数の半導体チップを高密度に集積した半導体装置を製造する。
このようにして製造した半導体装置のそれぞれの半導体チップ７Ｆに取り付けられている冷却基板の流路３にヒートパイプの配管を取り付け、冷媒を冷却基板に備えられる流路３に流して冷却を行なったところ、金属汚染された冷媒からの金属イオンの拡散はなく、配線や電極の腐食、トランジスタ性能の劣化等が生じることなく、半導体装置の信頼性に問題がないことが確認できた。

なお、この第８変形例は、上述の第６変形例の変形例として説明しているが、上述の第７変形例（図１４参照）に適用し、例えば図１８に示すように構成することもできる。これを第９変形例という。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成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で種々変形することが可能である。

以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
一方の側に第１配線層を有する第１基板と、
前記第１基板の一方の側の反対側に設けられ、冷媒が流れる流路と、
前記第１配線層と前記流路との間に設けられた第１イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする半導体装置。

（付記２）
前記第１イオン拡散防止膜は、非晶質膜であることを特徴とする、付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記第１イオン拡散防止膜は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜であることを特徴とする、付記１又は２に記載の半導体装置。

（付記４）
前記第１基板は、シリコンからなることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記５）
前記流路の前記第１基板が設けられている側の反対側に設けられ、前記流路が設けられている側の反対側に第２配線層を有する第２基板と、
前記第２配線層と前記流路との間に設けられた第２イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

（付記６）
前記第２イオン拡散防止膜は、非晶質膜であることを特徴とする、付記５に記載の半導体装置。
（付記７）
前記第２イオン拡散防止膜は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜であることを特徴とする、付記５又は６に記載の半導体装置。

（付記８）
前記第２基板は、シリコンからなることを特徴とする、付記５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
（付記９）
表面側から裏面側へ貫通する貫通電極と、
前記貫通電極と前記流路との間に設けられた第３イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。

（付記１０）
前記第３イオン拡散防止膜は、非晶質膜であることを特徴とする、付記９に記載の半導体装置。
（付記１１）
前記第３イオン拡散防止膜は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜であることを特徴とする、付記９又は１０に記載の半導体装置。

１ 配線層（第１配線層）
１Ｘ 配線層（第２配線層）
２ 基板（第１基板）
２Ｘ 基板（第２基板）
３ 流路
４ イオン拡散防止膜（第１イオン拡散防止膜）
４Ｘ イオン拡散防止膜（第２イオン拡散防止膜）
４Ｙ イオン拡散防止膜（第３イオン拡散防止膜）
５、５Ｘ 冷却基板
５Ａ シリコン基板
５Ｂ 樹脂層
６ 半導体チップ
７、７Ａ〜７Ｆ 冷却基板付き半導体チップ
８、８Ｘ ＢＧテープ
９ 接着剤
１０ 貫通電極
１１ レジスト
１２ 貫通孔
１３ めっき層
１４ レジスト
１５ 溝
１５Ｘ 貫通孔
１６ 樹脂層
１７ 溝
１８ 接着剤
１９ レジスト

Claims (6)

1. 一方の側に第１配線層を有する第１基板と、
   前記第１基板の一方の側の反対側に設けられ、冷媒が流れる流路と、
   前記第１配線層と前記流路との間に設けられた第１イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１イオン拡散防止膜は、非晶質膜であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１イオン拡散防止膜は、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＣ，ＳｉＣ，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＤＬＣから選ばれる少なくとも一種の材料からなる膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記第１基板は、シリコンからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記流路の前記第１基板が設けられている側の反対側に設けられ、前記流路が設けられている側の反対側に第２配線層を有する第２基板と、
   前記第２配線層と前記流路との間に設けられた第２イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 表面側から裏面側へ貫通する貫通電極と、
   前記貫通電極と前記流路との間に設けられた第３イオン拡散防止膜とを備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。

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