JP2018049996A - 接合用基板およびこれを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一面１０１ａを有する基板１０１と、一面１０１ａ上にパッド１０２、ポスト１０３、キャップ１０４をこの順に積層してなる接合用基板において、熱拡散防止膜を設けずに、カーケンダルボイドの発生を抑制する。また、当該接合用基板を用い、カーケンダルボイドの発生を抑制した半導体装置並びにこれらの製造方法を提供する。【解決手段】一面１０１ａを有する基板１０１の一面側に、パッド１０２、ＮｉまたはＮｉ−Ｐを主材料とするポスト１０３、該ポストのうち該パッドと接する面の反対面を覆うはんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ１０４をこの順に設けた接合用基板１０とする。また、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを有する半導体基板２０１の表裏を繋ぐ貫通孔２０２と、該貫通孔の側壁を覆う貫通ビア絶縁膜２０２ａを介して該貫通孔を埋める貫通ビア２０３とを有する半導体チップ２０と、接合用基板１０とを接合して半導体装置とする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップ等との接合に用いられる接合用基板と、当該接合用基板と半導体チップとが接合してなる半導体装置と、それらの製造方法に関する。

従来の半導体装置では、一面と他面とを有する半導体基板と、該基板を貫通し一面と他面とを繋ぐ貫通ビアと、該貫通ビアに接続された回路領域等とを有する半導体チップが、バンプと呼ばれる接合部材を有する接合用基板と接合した構成とされている。接合用基板は、基板と、基板上に設けられた下地層となるパッドと、パッド上に設けられ、導電性材料からなるポストと、ポストのうちパッドに接する面の反対側の面を覆うように形成されたキャップとを有する。

ここで、ポストは、銅（Ｃｕ）を主材料として用いられることが多く、一般的には電解メッキにより形成される。キャップは、錫（Ｓｎ）を主材料とするはんだが用いられることが多く、貫通ビアと同じく電解メッキにより形成される。そして、キャップを溶融させて半導体チップの貫通ビアと接合することで、半導体装置が製造される。

しかし、Ｃｕを主材料とするポストとＳｎを主材料とするはんだとが接合された場合において、通電等により当該接合部位が高温、例えば１００℃程度になる状態が続くと、ＣｕとＳｎとの界面にカーケンダルボイドと呼ばれる空隙が発生することが知られている。

ＣｕとＳｎの接合界面にカーケンダルボイドが発生すると、接合界面の機械的な強度の低下や電気抵抗の増加などの不具合が生じ、半導体装置の信頼性が低下し得る。このような課題を解決する半導体チップとの接合に用いる基板としては、特許文献１に記載されたパッケージ基板が挙げられる。

特許文献１に記載のパッケージ基板は、基板、導電性パッド、剥離防止層、ＣｕによりなるＣｕメタルポスト、熱拡散防止膜、はんだによりなるはんだキャップをこの順に積層された構成とされ、半導体チップとを接合などに用いられる。これにより、上記パッケージ基板と半導体チップとを接合した場合において、当該接合部位が高温になったときであっても、Ｃｕメタルポストとはんだキャップとの間に熱拡散防止膜を配置することで、ＣｕとＳｎの熱拡散を抑制できる。その結果、Ｃｕメタルポストとはんだキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生を抑制することができ、半導体チップとの接合に適した接合用基板となる。

特許第５６２８９７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のパッケージ基板のように熱拡散防止膜を設けると、工数が増加し、これを用いた半導体装置の製造コストが増加してしまう。

また、半導体チップにおいて、円柱形状のように径方向の寸法に対して高さ方向の寸法が大きい貫通ビア、すなわちアスペクト比が高い貫通ビアを電解メッキにより形成する場合には、その加工時間が長くなってしまう。

その結果、半導体チップと特許文献１に記載の接合用基板とを接合した半導体装置では、カーケンダルボイドの発生を抑制できるものの、半導体装置の製造コストが高くなってしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、熱拡散防止膜を別途設けることなく、カーケンダルボイドの発生を抑制できる半導体チップとの接合用基板およびこれを用いた安価な半導体装置並びにそれらの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の接合用基板は、一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、一面側に設けられたパッド（１０２）と、パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、ポスト上に設けられ、ポストのうちパッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える。

これにより、熱拡散防止膜を設けることなく、ポストとキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生を抑制しつつ、安価な接合用基板となる。

請求項３に記載の接合用基板の製造方法は、一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）を用意することと、一面側にパッド（１０２）を形成することと、パッド上に、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）を形成することと、ポスト上に、ポストのうちパッドと接する面の反対面を覆うはんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）を形成することとを含む。そして、ポストを形成することにおいては、電解メッキまたは無電解メッキにより行う。

これにより、熱拡散防止膜を設けることなく、ポストとキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生を抑制しつつ、安価な接合用基板を製造できる。

請求項４に記載の半導体装置は、表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、表面と裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、貫通孔を充填するはんだを有してなる貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、一面に設けられたパッド（１０２）と、パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、ポスト上に設けられ、ポストのうちパッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板と、を備える。このような構成において、キャップと貫通ビアとが接合されている。

これにより、熱拡散防止膜を設けることなく、ポストとキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生および隣接する貫通ビア同士の短絡発生を抑制しつつ、安価な半導体装置となる。

請求項５に記載の半導体装置の製造方法は、表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、表面と裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、貫通孔を充填するはんだを有してなる複数の貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、一面に設けられたパッド（１０２）と、パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、ポスト上に設けられ、ポストのうちパッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板とを接合してなる半導体装置の製造方法である。このような製造方法において、 接合用基板を用意することと、半導体チップを用意することと、貫通ビアと接合用基板とをはんだの融点未満の温度で接合することとを含む。

これにより、熱拡散防止膜を設けることなく、ポストとキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生および隣接する貫通ビア同士の短絡発生を抑制しつつ、安価な半導体装置を製造できる。

請求項９に記載の半導体装置の製造方法は、表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、表面と裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、貫通孔を充填するはんだを有してなる複数の貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、一面に設けられたパッド（１０２）と、パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、ポスト上に設けられ、ポストのうちパッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板とを接合してなる半導体装置の製造方法である。このような半導体装置の製造方法において、接合用基板を用意することと、半導体チップを用意することと、貫通ビアと接合用基板とをはんだの融点以上の温度で接合することとを含む。そして、接合用基板を用意することにおいては、貫通ビアの直径よりも小さい直径のポストが形成されると共に、Ａｕを主材料とするキャップが形成された接合用基板を用意し、半導体チップを用意することにおいては、半導体チップのうち接合用基板と接合する面側に非導電性フィルムにより構成される接着層（３０）が形成されると共に、貫通ビアが貫通孔内にのみ形成された半導体チップを用意する。

これにより、熱拡散防止膜を設けることなく、ポストとキャップとの界面におけるカーケンダルボイドの発生および隣接する貫通ビア同士の短絡発生を抑制しつつ、安価な半導体装置を製造できる。また、接合用基板と半導体チップとを溶融接合することにより、さらに短時間で半導体装置を製造できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の接合用基板を示す断面図である。 第１実施形態の接合用基板の製造工程を示す図である。 図２に続く第１実施形態の接合用基板の製造工程を示す図である。 第２実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。 第３実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。 第４実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。 第５実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。 第６実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。 他の実施形態の半導体装置およびその構成要素を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について、図１を参照して述べる。本実施形態の接合用基板１０は、例えば図１（ｂ）に示すような半導体チップ２０との接合に用いられる。なお、半導体チップ２０は、例えば表面２０１ａと裏面２０１ｂとを有する基板２０１と、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを繋ぐ貫通孔２０２と、貫通孔２０２の側壁に設けられた貫通ビア絶縁膜２０２ａを介して貫通孔２０２を充填する貫通ビア２０３とを備える。

本実施形態の接合用基板１０は、図１（ａ）に示すように、一面１０１ａを有する基板１０１の一面１０１ａ上に、絶縁膜１０１ｂ、パッド１０２、ポスト１０３、キャップ１０４がこの順に積層された構造とされている。

基板１０１は、後述するパッド１０２、ポスト１０３およびキャップ１０４を有してなる接合部材を設けるための支持体であり、例えばＳｉのような半導体材料やセラミックなどの絶縁性材料により構成されている。なお、基板１０１は、例えば矩形、円形、楕円形などの様々な形状とされていてもよい。

絶縁膜１０１ｂは、半導体材料を基板１０１として用いる場合などに形成される。この場合、絶縁膜１０１ｂは、所望位置以外の部位において基板１０１とパッド１０２とを電気的に絶縁し、不必要な部位に電流が生じることを抑制するために形成され、例えばＳｉＯ_２などの絶縁性材料により構成されている。絶縁膜１０１ｂは、例えば基板１０１を熱酸化させたり、絶縁性材料を化学気相成長法（ＣＶＤ法）により成膜したりすることで形成される。

パッド１０２は、後述するポスト１０３を形成するための下地として基板１０１に設けられる導電性の下地層である。パッド１０２は、例えばスパッタや蒸着などの真空成膜法などにより形成され、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの導電性の金属材料などにより構成されている。パッド１０２は、必要に応じて、基板１０１の一面１０１ａ上に成膜された後に例えばフォトリソグラフィエッチング法などによりパターニングされて所望の形状とされる。

なお、パッド１０２は、図１（ａ）に示すように、絶縁膜１０１ｂに部分的に埋め込まれるように形成されていてもよい。これにより、パッド１０２と絶縁膜１０１ｂとの密着が強まり、パッド１０２が絶縁膜１０１ｂとの界面で剥離する不具合等を抑制できる。

ポスト１０３は、次に説明するキャップ１０４の下地層であり、主にニッケル（Ｎｉ）もしくはリン（Ｐ）が添加されたニッケル（Ｎｉ）により構成されている。ＮｉまたはＰを添加したＮｉ、すなわちＮｉ−Ｐは、キャップ１０４や貫通ビア２０３に用いられるはんだへ拡散しにくい材料である。

ポスト１０３の基板１０１の一面１０１ａに対する法線方向、すなわち基板法線方向における厚みは、１．１μｍ以上であることが好ましい。例えば半導体チップ２０と本実施形態の接合用基板１０とを接合した際において、半導体チップ２０と本実施形態の接合用基板１０との間における接合強度を確保できるためである。

具体的には、半導体チップ２０の貫通ビア２０３と後述するキャップ１０４とを接合すると、貫通ビア２０３もしくはキャップ１０４のはんだ中のＳｎとポスト１０３のＮｉもしくはＮｉ−Ｐとが合金を形成する。この際、ポスト１０３の全てが合金を形成すると、パッド１０２との界面の接合が弱くなってしまい、接合用基板１０と半導体チップ２０との接合強度が低下し得る。そこで、ポスト１０３の基板法線方向における厚みを１．１μｍ以上とすることで、ポスト１０３のうちパッド１０２との界面付近については合金を形成しない領域として残すことができる。これにより、ポスト１０３とパッド１０２との界面の接合強度が保たれ、結果として接合用基板１０と半導体チップ２０との接合強度を確保できる。

なお、ポスト１０３は、Ｎｉを主材料とする場合には例えば電解メッキなどにより形成され、Ｎｉ−Ｐを主材料とする場合には例えば無電解メッキなどにより形成される。また、ポスト１０３は、例えば円柱状、多角柱状など様々な形状とされていてもよく、基板法線方向から見てパッド１０２が設けられた範囲内に形成される。

キャップ１０４は、ポスト１０３のうちパッド１０２の反対側の面を覆うように設けられ、ポスト１０３の表面酸化を防ぐための層である。キャップ１０４は、主にはんだもしくはＡｕにより構成されている。はんだをキャップ１０４として用いた場合には、キャップ１０４は半導体チップと接合するための層としても機能する。キャップ１０４は、例えば電解メッキなどにより形成される。なお、キャップ１０４は、例えば円柱状、多角柱状、半球形状など様々な形状とされていてもよい。

ここで、本実施形態の接合用基板１０と接合する半導体チップ２０について説明する。半導体チップ２０は、公知の材料等により構成され、公知の製造方法により製造される。そのため、ここでは、代表的な構造例について簡単に説明する。

半導体チップ２０は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１に形成された貫通孔２０２と、貫通孔２０２の側壁を覆うように形成された貫通ビア絶縁膜２０２ａと、貫通ビア絶縁膜２０２ａに接して設けられた貫通ビア２０３とを有する。

半導体基板２０１は、半導体チップ２０の支持体であり、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを有した例えば矩形形状とされ、例えばＳｉなどの公知の半導体材料などにより構成されている。また、表面２０１ａ上および裏面２０１ｂ上には、後述する貫通ビア絶縁膜２０２ａと同様の材料を有してなる絶縁膜が設けられている。当該絶縁膜は、例えば半導体基板２０１を熱酸化させたり、ＳｉＯ_２などの絶縁性材料をＣＶＤ法などにより成膜したりすることにより形成される。

貫通孔２０２は、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを繋ぐように形成され、貫通ビア２０３を形成するために半導体基板２０１に設けられる穴である。例えば、貫通孔２０２は、ドライエッチングなどにより半導体基板２０１を貫通しない程度に円柱状のトレンチを半導体基板２０１に形成した後に、半導体基板２０１のうち該トレンチを形成した面の反対面を該トレンチが露出するまで研磨することで形成される。また、貫通孔２０２の側壁には、後に貫通孔２０２内に設ける貫通ビア２０３と半導体基板２０１とを電気的に絶縁するための貫通ビア絶縁膜２０２ａが設けられている。貫通ビア絶縁膜２０２ａは、例えばＳｉＯ_２などの絶縁性材料をＣＶＤ法などにより成膜することで形成される。

貫通ビア２０３は、図１（ｂ）には図示しない回路領域などに接続されて貫通電極として機能させたり、半導体チップ２０を駆動させた際に生じた熱を外部に放出させるためのサーマルビアとして機能させたりするために設けられる。本実施形態の接合用基板１０と接合する半導体チップ２０において、貫通ビア２０３は、例えば円柱形状とされ、はんだを主材料とする材料により構成されている。貫通ビア２０３は、例えば溶融させたはんだを流し込むことにより形成される。

なお、半導体チップ２０は、必要に応じて、上記の構成の他に、例えばトランジスタ等が備えられる回路領域やトランスとして機能する回路領域などを備えていてもよい。

次に、本実施形態の接合用基板１０の製造方法について、図２、図３を参照して説明する。

〔図２（ａ）に示す工程〕
例えば一面１０１ａを有し、Ｓｉからなる基板１０１を用意し、ＳｉＯ_２など絶縁性材料をＣＶＤ法により成膜して一面１０１ａ上に絶縁膜１０１ｂの一部を形成する。

〔図２（ｂ）に示す工程〕
次に、例えば、Ａｌを絶縁膜１０１ｂの一部の上に真空蒸着法などにより成膜した後、フォトリソグラフィエッチング法によりパターニングをして所望の形状のパッド１０２を形成する。続けて、例えばＳｉＯ_２など絶縁性材料をＣＶＤ法により成膜してパッド１０２を覆う絶縁膜１０１ｂを形成した後、フォトリソグラフィエッチング法により後述するポスト形成部を開口するように絶縁膜１０１ｂを図２（ｂ）に示すように所望の形状にパターニングする。

〔図２（ｃ）に示す工程〕
続けて、絶縁膜１０１ｂおよびパッド１０２上に、ポスト１０３を電解メッキにより形成する際の通電のために用いるＴｉやＣｕなどからなるシード層１０３ａをスパッタなどにより形成する。

〔図２（ｄ）に示す工程〕
次に、シード層１０３ａ上にレジスト層１０５を例えばスピンコート法などにより塗布した後に乾燥させることで形成する。続けて、図示しないマスクを用いて、図２（ｄ）に示すように、レジスト層１０５のうちポスト１０３を形成する部分をフォトリソグラフィ法などにより露光・現像を行うことで除去する。

〔図３（ａ）に示す工程〕
続けて、パターニングしたレジスト層１０５を設けた基板１０１を電解液に浸漬してシード層に通電することで、ポスト１０３を例えば電解メッキにより形成する。続けて同様の操作により、図３（ａ）に示すように、キャップ１０４を例えば電解メッキにより形成する。

〔図３（ｂ）に示す工程〕
キャップ１０４を形成した後、レジスト層１０５を剥離液などにより除去する。その後、シード層１０３ａのうちレジスト層１０５の除去により露出した部分をエッチングにより除去することで、図３（ｂ）に示すように本実施形態の接合用基板１０が得られる。

次に、本実施形態の接合用基板１０の効果について説明する。ＣｕとＳｎとを接合した場合には、接合界面にカーケンダルボイドと呼ばれる空隙が生じることが知られている。カーケンダルボイド発生の推定メカニズムについては、次のように考えられている。ＣｕとＳｎとが接合した後、時間の経過に伴い、ＣｕおよびＳｎが互いに拡散してＣｕとＳｎとの合金を形成する。この際、ＳｎのＣｕへの拡散がＣｕのＳｎへの拡散よりも少なく、両者の拡散に不均衡を生じる。その結果、ＣｕとＳｎとの界面に原子空孔、すなわち空隙が生じ、この空隙の集合体がカーケンダルボイドとなると考えられている。

本発明者らは、Ｓｎが接合した際に界面を形成する異種金属のＳｎへの拡散を抑制することで、カーケンダルボイドの発生が抑えられると考え、Ｓｎへ拡散しにくいＮｉやＮｉ−Ｐをポストとして用いることを見出した。すなわち、本発明者らは、Ｓｎおよび異種金属の拡散の不均衡を抑制するためにＳｎへ拡散しにくいＮｉやＮｉ−Ｐをポストとして用いることで、熱拡散防止膜を設けなくとも、カーケンダルボイドの発生を抑制できることを見出した。

このように、Ｓｎへ拡散しにくいＮｉもしくはＮｉ−Ｐをポスト１０３として用い、はんだもしくはＡｕをキャップ１０４として用いた接合用基板とすることで、熱拡散防止膜を設けることなく、カーケンダルボイドの発生を抑制できる。その結果、安価な接合用基板１０となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図４を参照して説明する。図４（ａ）では、図４（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置Ｓ１の構成要素である接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合する前の状態を示している。なお、図４では、ポスト１０３を電解メッキにより形成するために形成されるシード層１０３ａについては、ポスト１０３の一部であるとして省略している。

半導体装置Ｓ１は、図４（ｂ）に示すように、上記第１実施形態の接合用基板１０と半導体チップ２０とが接合された構成とされている。接合用基板１０の構成や半導体チップ２０の構成については、上記第１実施形態の説明とほぼ同様であることから、本実施形態では特徴部分について主に説明する。

接合用基板１０については、本実施形態では、図４（ａ）に示すように絶縁膜１０１ｂ上にパッド１０２、ポスト１０３、キャップ１０４を有してなる接合部を複数個有し、はんだをキャップ１０４として用いた構成とされている。

半導体チップ２０については、図４（ａ）に示すように、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを有する基板２０１と、表面２０１ａと裏面２０１ｂとを繋ぐ貫通孔２０２と、貫通孔２０２の側壁に設けられた貫通ビア絶縁膜２０２ａと、貫通ビア２０３とを有する。また、貫通ビア２０３については、はんだにより構成され、貫通ビア絶縁膜２０２を介して貫通孔２０２を埋めるように設けられ、貫通孔２０２内にのみ形成されている。

半導体装置Ｓ１は、図４（ｂ）に示すように、接合用基板１０のうちキャップ１０４と半導体チップ２０のうち複数個設けられた貫通ビア２０３とが接合された構造とされている。

ここで、接合用基板１０のうちキャップ１０４の基板法線方向における厚みの好ましい範囲について説明する。半導体チップ２０との接合前において、キャップ１０４の基板法線方向における厚みをｈ１とし、半導体チップ２０との接合後において、キャップ１０４の基板法線方向における厚みをｈ２とする。貫通ビア２０３の直径をＤ１とし、半導体チップ２０のうち隣接する貫通ビア２０３の径中心同士の半導体基板２０１の表面２０１ａに平行な方向における距離をｐとする。このとき、キャップ１０４の厚みｈ１（μｍ）は、下記の関係式（１）を満たすことが好ましい。

１≦ｈ１＜（ｐ／Ｄ１）^２×ｈ２・・・（１）
このような範囲とすることにより、接合用基板１０のバンプと半導体チップ２０とを接合した際に、隣接する貫通ビア２０３同士がキャップ１０４のはんだにより繋がって短絡することを防ぐことができるためである。

ここで、関係式（１）が導き出された経緯について説明する。接合用基板１０と半導体チップ２０との接合後において、接合用基板１０のキャップ１０４の直径をＤ２とし、半導体チップ２０との接合前後におけるキャップ１０４の形状が円柱状であるとする。キャップ１０４の体積については、半導体チップ２０との接合前後で変化しないため、半導体チップ２０との接合前におけるキャップ１０４の体積π×（Ｄ１／２）^２×ｈ１は、半導体チップ２０との接合後におけるキャップ１０４の体積π×（Ｄ２／２）^２×ｈ２と等しい。この等式を変形すると、下記の関係式（２）が得られる。

Ｄ２＝（ｈ１／ｈ２）^１／２×Ｄ１・・・（２）
また、Ｄ２が隣接する貫通ビア２０３同士の距離ｐよりも大きくなると、隣接する貫通ビア２０３に接合したキャップ１０４同士が接触することとなるため、これを避ける必要がある。そこで、Ｄ２がｐよりも小さい範囲となるようにすることで、上記のような隣接するキャップ１０４同士の接触による不具合を抑制できる。そのため、Ｄ２＜ｐを上記の関係式（２）に適用すると、下記の関係式（３）が得られ、関係式（３）を変形することで関係式（４）が得られる。

ｐ＞（ｈ１／ｈ２）^１／２×Ｄ１・・・（３）
ｈ１＜（ｐ／Ｄ１）^２×ｈ２・・・（４）
一方、半導体チップ２０のうち接合用基板１０と接合する側の面を接合面として、貫通ビア２０３が貫通孔２０２内にのみ形成されている、すなわち接合面から突き出ていない場合、キャップ１０４の厚みｈ１は、１μｍ以上であることが好ましい。貫通ビア２０３がこのような形状の場合において、キャップ１０４の厚みｈ１が１μｍ未満であるときには、はんだの量が不足して接合できないかもしくは接合しても十分な接合強度が得られないといった不具合が生じ得るためである。

よって、関係式（４）とキャップ１０４の厚みｈ１が好ましくは１μｍ以上であることとにより、関係式（１）が導き出される。キャップ１０４の厚みｈ１が関係式（１）を満たす場合には、キャップ１０４と貫通ビア２０３とを接合しつつも、隣接する貫通ビア２０３同士が同様に隣接するキャップ１０４同士の接触による短絡を抑制することができる。

次に、本実施形態の半導体装置Ｓ１の製造方法のうち、キャップ１０４と貫通ビア２０３との接合工程について説明する。なお、本実施形態の半導体装置Ｓ１を構成する接合用基板１０および半導体チップ２０の構成および製造方法については、上記第１実施形態で説明したのと同様であるため、説明を省略する。

接合用基板１０および半導体チップ２０を用意した後に、キャップ１０４と貫通ビア２０３とを接合することで本実施形態の半導体装置Ｓ１となる。この接合の際、キャップ１０４および貫通ビア２０３を構成するはんだの融点未満の温度、例えば１５０℃の低温で接合することが好ましい。キャップ１０４と貫通ビア２０３を構成するはんだが融解した際に、隣接する貫通ビア２０３同士を接続して短絡が発生することを抑制ためである。

具体的には、はんだが融解する温度、すなわち高温での溶融接合を行うと、貫通ビア２０３を構成するはんだが融解することに伴い、貫通ビア２０３を構成するはんだが貫通孔２０２からあふれ出る。隣接する貫通ビア２０３を構成するはんだが貫通孔２０２からあふれ出ると、貫通孔２０２からあふれ出たはんだ同士が繋がり得る。そこで、はんだが融解しない程度の低温で接合することにより、上記の不具合の発生を抑制できる。

例えば、接合用基板１０のキャップ１０４と半導体チップ２０の貫通ビア２０３とを重ね合わせて１５０℃で一定時間加熱すると、はんだが溶融接合ほど流れることなく、キャップ１０４と貫通ビア２０３とを接合できる。

なお、貫通ビア２０３については、溶融させたはんだを流し込む方法により形成されることが好ましい。貫通ビア２０３が形成される貫通孔２０２は、径方向の長さに対して基板法線方向における長さのほうが大きい、すなわちアスペクト比が大きい形状をしている。そのため、貫通ビア２０３は、電解メッキなどにより形成されるのに比して短時間で形成されるためである。また、これにより、半導体チップ２０を短時間で製造でき、結果として本実施形態の半導体装置Ｓ１を短時間で製造できるためである。

このように、接合用基板１０のキャップ１０４の厚みｈ１を関係式（１）を満たす寸法としつつ、接合用基板１０と半導体チップ２０のうち貫通孔２０２内にのみ形成された貫通ビア２０３とを接合することで、本実施形態の半導体装置Ｓ１を製造できる。

また、接合用基板１０および溶融させたはんだを流し込むことで貫通ビア２０３を形成した半導体チップ２０を用い、これらを上記のように低温接合することにより、半導体装置Ｓ１を短時間で製造することができる。これにより、熱拡散防止膜がなくてもカーケンダルボイドの発生および隣接する貫通ビア２０３同士の短絡発生を抑制しつつ、安価な半導体装置Ｓ１を製造できる。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図５を参照して説明する。図５（ａ）では、図５（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置Ｓ２の構成要素である接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合する前の状態を示している。なお、図５では、図４と同様に、シード層１０３ａについては、ポスト１０３の一部であるとして省略している。

第３実施形態の半導体装置Ｓ２は、接合用基板１０と接合された半導体チップ２０のうち貫通ビア絶縁膜２０２ａにキャップ１０４のはんだを受け止めるためのトレンチ２０２ｂが設けられている点が、上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

本実施形態の半導体装置Ｓ２を構成する半導体チップ２０では、図５（ａ）に示すように、貫通ビア絶縁膜２０２ａにトレンチ２０２ｂが設けられている。このトレンチ２０２ｂは、キャップ１０４と貫通ビア２０３との接合において、キャップ１０４を構成するはんだが隣接する他の貫通ビア２０３へ流れようとする際に、このはんだを図５（ｂ）に示すように受け止める溝として設けられる。トレンチ２０２ｂは、貫通ビア２０３を形成した後に、例えばドライエッチングなどにより形成される。

半導体チップ２０のようにトレンチ２０２ｂが設けられることにより、隣接する貫通ビア２０３同士がキャップ１０４を構成するはんだを介して繋がることによる短絡の発生を抑制することができる。

なお、はんだがトレンチ２０２ｂに流れ込むことで貫通ビア２０３と半導体基板２０１とが短絡することを防ぐため、貫通ビア絶縁膜２０２ａにトレンチ２０２ｂを形成する際には、半導体基板２０１が露出しないようにする必要がある。

上記第２実施形態の半導体装置Ｓ１に加えて、貫通ビア絶縁膜２０２ａにトレンチ２０２ｂを設けた構造とすることで、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ２となる。

また、第２実施形態の製造工程に加えて、貫通ビア絶縁膜２０２ａにトレンチ２０２ｂを設けることにより、熱拡散防止膜がなくてもカーケンダルボイドの発生を抑制しつつ、安価な半導体装置Ｓ２を製造することができる。また、上記第２実施形態と同様の低温接合により、熱拡散防止層を設けずに、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ２を製造できる。

（第４実施形態）
第４実施形態について、図６を参照して説明する。図６（ａ）では、図６（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置Ｓ３の構成要素である接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合する前の状態を示している。なお、図６では、図４、図５と同様に、シード層１０３ａについては、ポスト１０３の一部であるとして省略している。

本実施形態の半導体装置Ｓ３は、接合用基板１０のポスト１０３が貫通ビア２０３の直径よりも小さい径の凸部１０３ｂを有する凸形状とされ、キャップ１０４が凸部１０３ｂの先端に形成されると共にＡｕにより構成されている点が上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

本実施形態の半導体装置Ｓ３は、図６（ａ）に示すように凸形状のポスト１０３を有する接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合した構成とされている。具体的には、本実施形態の半導体装置Ｓ３は、図６（ｂ）に示すように、ポスト１０３のうち貫通ビア２０３の直径よりも小さい径の凸部１０３ｂの先端に形成されたキャップ１０４と貫通ビア２０３とを接合した構成とされている。

本実施形態の半導体装置Ｓ３は、上記第２実施形態と同様に、キャップ１０４と貫通ビア２０３とを低温で接合することにより製造できる。凸形状とされたポスト１０３が貫通ビア２０３と接合されることで、ポスト１０３のうち貫通ビア２０３の直径よりも小さい径の凸部１０３ｂが貫通ビア２０３に埋まり込む形となる。この際、貫通ビア２０３を構成するはんだが貫通孔２０２からはみ出すこととなるが、このはみ出した分のはんだが、接合用基板１０を基板法線方向から見てポスト１０３のうちキャップ１０４から外側に位置する外周部１０３ｃに流れ込む。外周部１０３ｃに流れ込んだはんだが外周部１０３ｃと接合されることで、貫通孔２０２からはみ出たはんだが隣接する貫通ビア２０３へ流れることを抑制できる。これにより、隣接する貫通ビア２０３をはんだが繋ぐことによる短絡発生を抑制できる。

なお、例えば、凸形状のポスト１０３は、ポスト１０３を円柱状に形成した後にエッチングしたり、外周部１０３ｃを含む第１の円柱状のポストを形成した後に新たにレジスト層を形成して凸部１０３ｂを電解メッキにより形成したりすることで設けられる。

このようにして、第２実施形態の半導体装置Ｓ１と同様に、熱拡散防止層を設けなくとも、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ３となる。また、上記第２実施形態と同様の低温接合により、拡散防止層を設けずに、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ３を製造できる。

（第５実施形態）
第５実施形態について、図７を参照して説明する。図７（ａ）では、図７（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置Ｓ４の構成要素である接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合する前の状態を示している。なお、図７では、図４〜６と同様に、シード層１０３ａについては、ポスト１０３の一部であるとして省略している。

本実施形態の半導体装置Ｓ４は、図７（ｂ）に示すように、円柱状のポスト１０３上にキャップ１０４が形成された接合用基板１０と半導体チップ２０とを、接着層３０を介して接合した構成とされている点が、上記第４実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。

接着層３０としては、本実施形態では、ＮＣＦ（ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆｉｌｍの略）を用いている。ＮＣＦは、一般に半導体チップと接合用基板との接着に用いられ、接着と絶縁の両機能を持つフィルム状の接着材料である。ＮＣＦとしては、例えばエポキシ樹脂系などの公知の材料や市販の材料を用いることができる。

本実施形態の半導体装置Ｓ４は、図７（ａ）に示すように、あらかじめ接着層３０を形成した半導体チップ２０と接合用基板１０とを接合することで製造できる。このように接合用基板１０と接着層３０を設けた半導体チップ２０とを接合することで、貫通ビア２０３を構成するはんだが融解する高温での溶融接合が可能となり、接合工程に要する時間を短縮できる。

具体的には、第２実施形態での低温接合にて説明したように、接着層３０が存在しない状態ではんだを溶融接合しようとすると、貫通ビア２０３を構成するはんだが貫通孔２０２から流れ出て、隣接する貫通ビア２０３同士を接続してしまい短絡が発生し得る。しかし、接着層３０が存在する状態では、溶融接合の際に融解したはんだが隣接する貫通ビア２０３へ流れ出ようとしても接着層３０により妨げられる。そのため、接着層３０をあらかじめ半導体チップ２０に形成することにより、接合用基板１０と半導体チップ２０との溶融接合が可能となる。

なお、本実施形態では、接合前における接合用基板１０のポスト１０３とキャップ１０４とを合わせた基板法線方向における厚みは、接合の観点から、接着層３０の厚みよりも大きいことが必要である。

これにより、接着層３０を形成する工程が増えるものの、接合用基板１０と半導体チップ２０との接合工程に要する時間が短縮されるため、熱拡散防止膜を設けなくともカーケンダルボイドの発生を抑制しつつ、安価な半導体装置Ｓ４となる。また、上記の溶融接合により接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合することにより、熱拡散防止層を設けずに、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ４を製造できる。

（第６実施形態）
第６実施形態について、図８を参照して説明する。図８（ａ）では、図８（ｂ）に示す本実施形態の半導体装置Ｓ５の構成要素である接合用基板１０と半導体チップ２０とを接合する前の状態を示している。なお、図８では、図４〜７と同様に、シード層１０３ａについては、ポスト１０３の一部であるとして省略している。

本実施形態の半導体装置Ｓ５は、図８（ｂ）に示すように、半導体チップ２０の接合面から突き出た貫通ビア２０３と接合用基板１０とを接合した構成とされている点が、上記第２実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

本実施形態の半導体装置Ｓ５を構成する半導体チップ２０のうち貫通ビア２０３は、接合用基板１０との接合前において、図８（ａ）に示すように、半導体チップ２０の接合面からはみ出た形状とされている。

ここで、接合用基板１０との接合前において、キャップ１０４の基板法線方向における厚みをｈ３とし、貫通ビア２０３のうち半導体チップ２０の接合面からはみ出た部分の半導体基板２０１の法線方向における厚みをｈ４とする。この場合において、ｈ３とｈ４との和が１．３μｍ以上となることが好ましい。ｈ３とｈ４との和が１．３μｍ未満となる場合、はんだの量が不足して接合できないかもしくは接合しても十分な接合強度が得られないといった不具合が生じ得るためである。

このようにして、上記第２実施形態の半導体装置Ｓ１と同様に、熱拡散防止層を設けなくとも、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ５となる。また、上記第２実施形態と同様の低温接合により、拡散防止層を設けずに、カーケンダルボイドの発生および貫通ビア２０３同士の短絡の発生を抑えつつ、安価な半導体装置Ｓ５を製造できる。

（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した半導体装置は、本発明の半導体装置の一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、接合用基板１０が半導体チップ２０との接合に用いられる配線基板である例を挙げたが、接合用基板１０自体が接合部材を備える半導体チップ２０として機能するものであってもよい。

具体的には、接合用基板１０は、上記第１実施形態で述べた構成に加えて、基板１０１にパッド１０２に接続される貫通ビア２０３やトランジスタなどを備える回路領域が設けられることで、半導体チップ２０としても機能する構成とされていてもよい。

上記第１実施形態では、絶縁膜１０１ｂを備えた接合用基板１０の例を説明したが、絶縁性材料を基板１０１として用いる場合には、接合用基板１０は、図９に示すように絶縁膜１０１ｂを設けない構造とされてもよい。

上記第２実施形態〜第６実施形態では、絶縁膜１０１ｂが設けられた接合用基板１０を用いた例を挙げたが、絶縁性材料を基板１０１として用いた接合用基板１０を用いる場合には、絶縁膜１０１ｂが設けられていない構成であってもよい。

上記第６実施形態では、キャップ１０４がはんだで構成された例を挙げたが、キャップ１０４がＡｕで構成されていてもよい。この場合、貫通ビア２０３の厚みｈ４については、１μｍ以上であることが好ましい。ｈ４が１μｍ未満となる場合、はんだの量が不足して接合できないかもしくは接合しても十分な接合強度が得られないといった不具合が生じ得るためである。

１０ 接合用基板
１０１ 基板
１０２ 絶縁膜
１０３ パッド
１０４ ポスト
１０５ キャップ
２０ 半導体チップ
２０１ 半導体基板
２０２ 貫通孔
２０３ 貫通ビア

Claims (12)

1. 一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、
   前記一面側に設けられたパッド（１０２）と、
   前記パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、
   前記ポスト上に設けられ、前記ポストのうち前記パッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板。
2. 前記ポストの厚みが１．１μｍ以上である請求項１に記載の接合用基板。
3. 一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）を用意することと、
   前記一面側にパッド（１０２）を形成することと、
   前記パッド上に、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）を形成することと、
   前記ポスト上に、前記ポストのうち前記パッドと接する面の反対面を覆うはんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）を形成することとを含み、
   前記ポストを形成することにおいては、電解メッキまたは無電解メッキにより行う接合用基板の製造方法。
4. 表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、前記表面と前記裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、前記貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、前記貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、前記貫通孔を充填するはんだを有してなる貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、
   一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、前記一面に設けられたパッド（１０２）と、前記パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、前記ポスト上に設けられ、前記ポストのうち前記パッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板と、を備え、
   前記キャップと前記貫通ビアとが接合されてなる半導体装置。
5. 表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、前記表面と前記裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、前記貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、前記貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、前記貫通孔を充填するはんだを有してなる複数の貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、
   一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、前記一面に設けられたパッド（１０２）と、前記パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、前記ポスト上に設けられ、前記ポストのうち前記パッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板とを接合してなる半導体装置の製造方法であって、
   前記接合用基板を用意することと、
   前記半導体チップを用意することと、
   前記貫通ビアと前記接合用基板とをはんだの融点未満の温度で接合することとを含む半導体装置の製造方法。
6. 前記接合用基板を用意することにおいては、はんだを主材料とする前記キャップが形成された前記接合用基板を用意し、
   前記半導体チップを用意することにおいては、前記貫通ビアが前記貫通孔内にのみ形成された前記半導体チップを用意し、
   前記貫通ビアと前記接合用基板とをはんだの融点未満の温度で接合することにおいては、前記キャップが前記貫通ビアと接合される前の前記基板の一面に対する法線方向における厚み（μｍ）をｈ１とし、前記キャップの前記貫通ビアとの接合後の前記法線方向における厚み（μｍ）をｈ２とし、前記貫通ビアの直径（μｍ）をＤ１とし、前記半導体基板の前記表面の法線方向から見て複数の前記貫通ビアのうち隣接する前記貫通ビアの直径の中心位置同士の距離（μｍ）をｐとした場合において、
   １≦ｈ１≦（ｐ/Ｄ１）^２×ｈ２
   の関係式を満たす寸法関係とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記接合用基板を用意することにおいては、はんだを主材料とする前記キャップが形成された前記接合用基板を用意し、
   前記半導体チップを用意することにおいては、前記貫通ビアが前記貫通孔内にのみ形成されると共に、前記貫通ビア絶縁膜のうち前記キャップと接合する面側に露出した部分にトレンチ（２０２ｂ）が形成された前記半導体チップを用意する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記接合用基板を用意することにおいては、前記貫通ビアの直径よりも小さい径の凸部を有する凸型の形状の前記ポストが形成され、Ａｕを主材料とする前記キャップが前記凸部の先端に形成された前記接合用基板を用意し、
   前記半導体チップを用意することにおいては、前記貫通ビアが前記貫通孔内にのみ形成された前記半導体チップを用意する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
9. 表面（２０１ａ）と裏面（２０１ｂ）とを有する半導体基板（２０１）と、前記表面と前記裏面とを繋ぐように形成された貫通孔（２０２）と、前記貫通孔の壁面に設けられた貫通ビア絶縁膜（２０２ａ）と、前記貫通ビア絶縁膜に接して設けられ、前記貫通孔を充填するはんだを有してなる複数の貫通ビア（２０３）とを備える半導体チップ（２０）と、
   一面（１０１ａ）を有する基板（１０１）と、前記一面に設けられたパッド（１０２）と、前記パッド上に設けられ、ＮｉまたはＰを添加したＮｉを主材料とするポスト（１０３）と、前記ポスト上に設けられ、前記ポストのうち前記パッドと接する面の反対面を覆うように形成され、はんだもしくはＡｕを主材料とするキャップ（１０４）とを備える接合用基板とを接合してなる半導体装置の製造方法であって、
   前記接合用基板を用意することと、
   前記半導体チップを用意することと、
   前記貫通ビアと前記接合用基板とをはんだの融点以上の温度で接合することとを含み、
   前記接合用基板を用意することにおいては、前記貫通ビアの直径よりも小さい直径の前記ポストが形成されると共に、Ａｕを主材料とする前記キャップが形成された前記接合用基板を用意し、
   前記半導体チップを用意することにおいては、前記半導体チップのうち前記接合用基板と接合する面側に非導電性フィルムにより構成される接着層（３０）が形成されると共に、前記貫通ビアが前記貫通孔内にのみ形成された前記半導体チップを用意する半導体装置の製造方法。
10. 前記接合用基板を用意することにおいては、前記半導体チップのうち前記接合用基板と接合する側の面を接合面として、前記貫通ビアが前記接合面から突き出るように形成された前記接合用基板を用意する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記接合用基板を用意することにおいては、はんだを主材料とする前記キャップが形成された前記接合用基板を用意し、
    前記接合用基板を用意することおよび前記半導体チップを用意することにおいては、前記ポストの前記基板の前記一面に対する法線方向における厚みと、前記貫通ビアのうち前記接合面から突き出た部分の前記接合面に対する法線方向における厚みとの和が１．３μｍ以上となる前記接合用基板および前記半導体チップを用意する請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記接合用基板を用意することにおいては、Ａｕを主材料とする前記キャップが形成された前記接合用基板を用意し、
    前記半導体チップを用意することにおいては、前記貫通ビアのうち前記接合面から突き出た部分の前記接合面に対する法線方向における厚みが１μｍ以上となる前記半導体チップを用意する請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

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