JP2020202353A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】貫通電極の信頼性の向上に有利な技術を提供する。【解決手段】第１面および第１面とは反対の側の第２面を有し、第１面から第２面まで貫通する貫通孔が設けられた第１基板と、貫通孔の中に配された導電部材と、を備える半導体装置であって、貫通孔は、第１開口部と、第１開口部と第２面との間に配される第２開口部と、を含み、第１開口部および第２開口部は、それぞれ開口幅が第１面の側から第２面の側に向かって狭くなるテーパー形状を有し、第１開口部の側面と第２面に平行な面とによって構成される第１テーパー角が、第２開口部の側面と第２面に平行な面とによって構成される第２テーパー角よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
複数の基板を積層し貫通電極を用いて基板間を電気的に接続させることが知られている。特許文献１には、テーパー状の上部と円筒状の下部の側面とを有するワイングラス形状の２段構成の貫通孔を形成することによって、貫通孔への導電層の形成が、より均一になることが示されている。
特開２０１３−１４０９１６号公報
特許文献１の貫通電極の構成において、テーパー状の上部の導電層の被覆性は向上する。しかしながら、貫通孔の円筒状の底部に近づくにしたがって、導電層の被覆性が低下してしまう可能性がある。貫通孔における導電層の被覆性の低下は、貫通電極の信頼性を低下させる原因となりうる。
本発明は、貫通電極の信頼性の向上に有利な技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る半導体装置は、第１面および第１面とは反対の側の第２面を有し、第１面から第２面まで貫通する貫通孔が設けられた第１基板と、貫通孔の中に配された導電部材と、を備える半導体装置であって、貫通孔は、第１開口部と、第１開口部と第２面との間に配される第２開口部と、を含み、第１開口部および第２開口部は、それぞれ開口幅が第１面の側から第２面の側に向かって狭くなるテーパー形状を有し、第１開口部の側面と第２面に平行な面とによって構成される第１テーパー角が、第２開口部の側面と第２面に平行な面とによって構成される第２テーパー角よりも小さいことを特徴とする。
本発明によれば、貫通電極の信頼性の向上に有利な技術を提供することができる。
本実施形態おける半導体装置に設けられた貫通電極の断面図。 図１の貫通電極の製造方法を示す図。 図１の貫通電極の製造方法を示す図。 貫通孔のオーバーエッチングによって発生するノッチを模式的に示す図。 図２の製造方法を詳細に説明する図。 図１の半導体装置をテラヘルツ波センサに適用した実施例を示す図。 図６のテラヘルツ波センサの製造方法を示す図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
図１〜７（ｇ）を参照して、本実施形態による半導体装置の構造および製造方法ついて説明する。図１は、本実施形態における半導体装置１００に設けられた貫通電極１１４の構造を示す断面図である。図１に示されるように、半導体装置１００は、基板１１０と基板１１１とが接着剤などの接合部材１１２を介して接合されている。基板１１１は、面１８１および面１８１とは反対の側の基板１１０と対向する面１８２を有する。基板１１１には、面１８１から面１８２まで貫通する貫通孔１１５が設けられる。貫通孔１１５には、基板１１１の面１８１に配される素子と基板１１０の基板１１１の側の面に配される電極層１１３とを電気的に接続する導電部材１１７が配される。貫通孔１１５、導電部材１１７、および、導電部材１１７と基板１１１との間を電気的に絶縁するための絶縁層１１６は、貫通電極１１４を構成する。
貫通孔１１５は、基板１１０の側の下部の位置１１８で、テーパー角が切り替わる形状を有している。ここで、本明細書におけるテーパー角とは、図１に示されるように、基板１１１の面１８２と平行な面に対してなす角度θであると定義する。貫通孔１１５は、互いにテーパー角が異なる開口部１７１と、開口部１７１と面１８２との間に配される開口部１７２と、を含む。開口部１７１と開口部１７２との間でテーパー角が切り替わる位置１１８については後述する。開口部１７１および開口部１７２は、それぞれ開口幅が面１８１の側から面１８２の側に向かって狭くなるテーパー形状を有している。さらに、開口部１７１の側面と面１８２に平行な面とによって構成されるテーパー角が、開口部１７２の側面と面１８２に平行な面とによって構成されるテーパー角よりも小さくなっている。
貫通孔１１５は、上述のように面１８１の側から面１８２の側にかけて、次第に開口幅が狭くなるテーパー形状を有し、テーパー角が９０度または９０度以上となる側面を有していない。このため、例えば、特許文献１のように貫通孔の底部が円筒形状（すなわち、貫通孔の側面と基板の底面との間の角度が９０度。）を有する場合と比較して、貫通孔１１５の底部（基板１１０の側）まで、絶縁層１１６および導電部材１１７の被覆性が向上する。これによって、絶縁不良や断線などが抑制された信頼性が高い貫通電極１１４を提供することが可能となる。以下に、詳細を説明する。
図２（ａ）〜３（ｃ）は、図１に示す貫通電極１１４の製造工程の一例を模式的に示した断面図である。まず、図２（ａ）に示されるように、基板１１０と基板１１１とが、接合部材１１２を用いて接合される。基板１１０、１１１として、例えば、シリコンなどの半導体基板が用いられてもよい。基板１１０と基板１１１との接合の前に、基板１１１の面１８１には、基板１１０に形成される素子と電気的に接続されるトランジスタなどの能動素子やキャパシタなどの受動素子など種々の素子が形成されうる。基板１１１の面１８２にも、種々の素子が形成されていてもよい。同様に基板１１０には、基板１１１に配される素子と電気的に接続されるトランジスタなどの能動素子やキャパシタなどの受動素子など種々の素子が形成されうる。基板１１０に形成される素子は、基板１１０の基板１１１と対向する面に形成されていてもよいし、基板１１１とは反対側の面に形成されていてもよい。また、基板１１０の基板１１１と対向する面には、基板１１１に設けられる貫通電極１１４と接続するための電極層１１３が形成される。
接合部材１１２として、例えば、熱硬化性樹脂などが用いられてもよい。また、接合部材１１２を用いて基板１１０と基板１１１とを接合する（張り合わせる）前に、基板１１１の面１８２の上に絶縁体１１９を形成してもよい。この場合、基板１１１の面１８２の側に、接合部材１１２を介して基板１１０が接合し、接合部材１１２と面１８２との間に絶縁体１１９が配されうる。絶縁体１１９は、後述するが、基板１１１をエッチングし貫通孔１１５を形成する際のエッチングストップ層として機能してもよい。基板１１０と基板１１１とを接合させた後、基板１１１の面１８１にレジストを塗布し、基板１１０の電極層１１３の位置に合わせるように開口１２１を備えるマスクパターン１２０を形成する。マスクパターン１２０を形成する工程は、既知のリソグラフィ工程を用いることが可能である。
次に、マスクパターン１２０の開口１２１を介して基板１１１をエッチングし、基板１１１に開口部１７１の側面を構成する凹部１２２を形成する第１エッチング工程を行う。エッチングを行う条件によって、凹部１２２の形状は変化するが、図２（ｂ）に示されるように、マスクパターン１２０の開口１２１の外縁部の下にアンダーカットが生じ、凹部１２２が、テーパー形状を備えるようにエッチングを行う。例えば、ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２の混合ガスを用いたプラズマエッチングによって、第１エッチング工程が行われる。このエッチング処理では、主にＳＦ６による基板１１１であるシリコンのエッチング、Ｃ４Ｆ８のフロロカーボン膜形成によるシリコンのエッチング抑制、Ｏ２によるフロロカーボン膜のアッシングが同時に行われることで、テーパー形状の凹部１２２が形成される。このため、ＳＦ６およびＯ２の分圧を高くすると、エッチング形状が等方的な形状に近づく傾向がある。一方、Ｃ４Ｆ８の分圧を高くすると、凹部１２２の側面に堆積するフロロカーボン膜が側面のエッチングを抑制するため、エッチング形状のテーパー角が大きくなり異方性を有した形状に近づく傾向がある。したがって、第１エッチング工程においては、ＳＦ６およびＯ２の分圧が高い条件で、基板１１１のエッチングが行われうる。第１エッチング工程に用いられるガス種は、これに限られることはなく、種々の適当なガスが用いられうる。
さらに、エッチングを進行させると、図２（ｃ）に示されるように、絶縁体１１９に凹部１２２の先端１４１が到達する。絶縁体１１９は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）であってもよい。絶縁体１１９には、基板１１１の材料（例えば、シリコン）とのエッチングの選択比が取れる様々な材料が用いられうる。例えば、絶縁体１１９は、窒化シリコンや酸窒化シリコンなどが用いられてもよい。凹部１２２の先端１４１がエッチングストップ層として機能する絶縁体１１９に到達したとき、テーパー形状の凹部１２２の先端部付近は曲率を有した形状になる。つまり、凹部１２２は、図５（ａ）に示されるように、後の工程で貫通孔１１５の側面の一部を構成する側部１４２と、側部１４２よりも面１８２の側に配され、面１８２の側に凸形状の曲率を備える底部１４３と、を備えることとなる。
このように先端部付近に曲率を有した形状は、後述する貫通孔１１５内に配される絶縁材料膜１２３をエッチングし絶縁層１１６を形成する際に、絶縁材料膜１２３が過剰にエッチングされ消失する（すなわち、絶縁層１１６が、形成されなくなる。）ため問題となる。このため、第１エッチング工程において、オーバーエッチング時間を長くすることで、テーパー形状を保ったまま、貫通孔１１５を形成してしまうことも考えられる。しかしながら、オーバーエッチング時間を長くした場合、酸化シリコンなどを用いる絶縁体１１９に、プラズマ中のチャージが蓄積されうる。このチャージの影響によって、図４に示されるように、貫通孔１１５の底部（面１８２の側）において、基板１１１の側面が過剰にエッチングされてノッチ１３０が形成されてしまう場合がある。ノッチ１３０が形成された場合、絶縁層１１６や導電部材１１７を形成する際に、貫通孔１１５の側面のノッチ１３０が形成された部分への絶縁層１１６や導電部材１１７の被覆性が低下してしまう。結果として、形成される貫通電極１１４の信頼性が低下してしまう可能性がある。
そこで、本実施形態において、第１エッチング工程のみで貫通孔１１５の形成を行わずに、第１エッチング工程の後に、第１エッチング工程とは異なる条件で基板１１１のエッチングを行う。より具体的には、マスクパターン１２０の開口１２１を介して第１エッチング工程よりも異方性が高いエッチングを行い、第２開口部を形成することによって貫通孔１１５を形成する第２エッチング工程を行う。第２エッチング工程には、いわゆるボッシュプロセスのような異方性が高いエッチング法が用いられる。ボッシュプロセスとは、（１）基板１１１を等方的にエッチングするステップ、（２）保護膜を成膜するステップ、（３）溝の底面に形成された絶縁膜を除去するステップを１つのサイクルとして、（１）〜（３）の各ステップを短時間で高速に切り替える。さらに、このサイクルを繰り返す手法である。基板１１１を等方的にエッチングするステップ（１）では、ＳＦ６などのガスが用いられ、主にラジカルを反応種として基板１１１のエッチングが進行する。このステップ（１）を長時間行った場合、形成される開口部１７１、１７２の側面のエッチング量が大きくなってしまうため、短時間（例えば数秒程度）で保護膜を成膜するステップ（２）に切り替える。保護膜を成膜するステップ（２）では、プラズマ中でＣ４Ｆ８などのガスを分解させることによって、炭素とフッ素を含む保護膜を、開口部１７１、１７２の表面に堆積させる。このステップ（２）も数秒程度の短時間で次のステップ（３）に切り替える。形成された保護膜のうち一部、具体的には底面の保護膜を除去するステップ（３）では、ガス系としてＳＦ６などのガスを用いる。また、このとき、基板１１１が設置されているエッチング装置のステージ側に、比較的高いバイアスパワーを印加することによって、異方性をもったイオンを基板１１１に入射させる。この異方性を有するドライエッチングによって、底の保護膜をエッチングし除去する。このとき、形成される開口部１７１、１７２の側面には、底面と比較してイオンがほとんど入射しないため保護膜は除去されず、次のサイクルのステップ（１）において、溝の側面は保護膜によって保護され、基板１１１の底面のエッチングが進行する。このサイクルを繰り返すことで、基板１１１の深さ方向に少しずつエッチングを進めることができる。
このように、ボッシュプロセスでは、形成される開口部１７１、１７２の側面の保護とエッチングを繰り返し、垂直にエッチングを進行させる。このため、図２（ｃ）に示される、凹部１２２の側部１４２のエッチングが抑制され、凹部１２２の先端部付近の曲率を有する底部１４３が選択的にエッチングされ、図２（ｄ）に示されるような形状の貫通孔１１５が形成される。
図５（ａ）、５（ｂ）は、図２（ｃ）、２（ｄ）における凹部１２２の先端部付近を示した図である。図５（ａ）に示されるように、凹部１２２の先端１４１付近は、貫通孔１１５の側面の一部を構成する側部１４２と、側部１４２よりも面１８２の側に配され、面１８２の側に凸形状の曲率を備える底部１４３と、を備える。側部１４２と底部１４３との境界１４０より上部（すなわち側部１４２）は、テーパー角θ１を有した形状（テーパー領域）である。また、境界１４０よりも基板１１０側の底部１４３は、曲率を有した形状となっている。ボッシュプロセスにおいて、エッチングされる凹部１２２の側面は、保護膜が堆積し保護されるため、テーパー角θ１が大きい場合、第２エッチング工程によって、境界１４０よりも上部の側部１４２のエッチングは抑制される。一方、境界１４０よりも基板１１０の側の底部１４３は、先端部分に近づくに従って側面が水平方向に近付くため、先端部分に近いほど第２エッチング工程による垂直方向のエッチングが高いエッチングレートで進行する。したがって、第２エッチング工程によって、図５（ａ）に示される境界１４０付近に、開口部１７１と開口部１７２とのテーパー角が切り替わる位置１１８が形成される。換言すると、第１エッチング工程を終了した際に形成される境界１４０の位置が、開口部１７１と開口部１７２との間でテーパー角が切り替わる位置１１８となりうる。結果として、位置１１８よりも下部には、図５（ｂ）に示されるように、θ２＞θ１となるテーパー角θ２を有する開口部１７２が形成される。
貫通孔１１５の側面に対する絶縁層１１６や導電部材１１７の被覆性は、テーパー角θ１が小さい方が高くなる。しかしながら、上述のようにテーパー角θ１が小さくなると、第２エッチング工程において境界１４０よりも上部の凹部１２２の側部１４２（貫通孔１１５の開口部１７１の側面を構成しうる。）においてエッチングが進行してしまう。テーパー角θ１が小さい場合、ボッシュプロセスの上述の（２）の工程で形成される保護膜が、（３）の工程において底部ではない側面部分でも一部除去されてしまい、基板１１１であるシリコンが露出した箇所からエッチングが進行してしまうためである。このようにシリコンが露出した箇所からエッチングが進行すると、図５（ｃ）に示されるような、縦筋状の孔１４５が形成される。
一方、テーパー角θ１およびθ２が大きくなるにしたがって、凹部１２２（貫通孔１１５）は、垂直な形状の孔に近づく。このため、貫通孔１１５形成後の絶縁層１１６や導電部材１１７を形成する工程において、絶縁層１１６や導電部材１１７の被覆性が低下し、テーパー角を有している貫通孔１１５の利点が少なくなってしまう。また、上述のように、第２エッチング工程で形成されるテーパー角θ２は、θ２＞θ１となる角度で形成されるため、テーパー角θ２を９０度未満に抑えるためには、テーパー角θ１を一定の角度以下に抑えることが必要である。
これらのことを鑑みて検討を行ったところ、貫通孔１１５の開口部１７１のテーパー角θ１は８０度が最も適当であることが分かった。テーパー角θ１が、７５度未満になると、図５（ｃ）に示されるような、縦筋状の孔１４５が形成され始めてしまう。また、テーパー角θ１が、８５度よりも大きくなると、後の工程における絶縁層１１６や導電部材１１７の被覆性の低下が顕著になるとともに、貫通孔１１５の開口部１７２のテーパー角θ２が９０度に近い角度となってしまう。したがって、貫通孔１１５の開口部１７１の側面と面１８２に平行な面とによって構成されるテーパー角θ１が、７５度以上かつ８５度以下であってもよい。また、このとき、θ２＞θ１を満たし、かつ、貫通孔１１５の開口部１７２の側面と面１８２に平行な面とによって構成されるテーパー角θ２が、８０度以上かつ９０度未満であってもよい。この場合、上述の第１エッチング工程を終了した際に形成される境界１４０の位置が、開口部１７１と開口部１７２との間でテーパー角が切り替わる位置１１８とほぼ一致した。したがって、以下において、境界１４０と位置１１８とは、基板１１１の面１８２から同じ高さであるとして説明する場合がある。
また、第２エッチング工程において、凹部１２２の凸形状の曲率を備える底部１４３がなくなった後のオーバーエッチング時間を長くすると、テーパー角が切り替わる位置１１８より下部においてテーパー角θ２が、９０度の垂直な孔となってしまう。このため、第２エッチング工程は、貫通孔１１５の開口部１７２の側面のテーパー角θ２が、９０度未満のうちに終了させる。
また、絶縁体１１９に凹部１２２の先端が到達する前に、第１エッチング工程を終了した場合、テーパー角が切り替わる位置１１８が、絶縁体１１９（面１８２）から離れた位置となる。よって、貫通孔１１５を貫通させるためには、第２エッチング工程の時間を長くする必要がある。上述したように、第２エッチング工程では、図５（ａ）に示される凹部の底部１４３の先端部（最も基板１１１に近い部分）に近いほど垂直方向のエッチングが高レートで進行する。つまり、図５（ｄ）に示されるマスクパターン１２０の開口１２１の直下に対応する部分において、最も垂直方向のエッチングが高レートで進行する。このため、第２エッチング工程でエッチングする距離が長い場合、エッチングの進行とともに形成される凹部１２２が垂直形状になりうる。つまり、図５（ｄ）に示されるように、貫通孔１１５の直径が、直径ｒ２のテーパー角が切り替わる位置１１８よりも下部ではテーパー角θ２でエッチングが進行する。しかしながら、第２エッチング工程によるエッチングがさらに進行し、凹部１２２の直径がマスクパターン１２０の開口１２１の直径ｒ１と略等しくなると、それよりも下部では、凹部１２２（貫通孔１１５）は、垂直形状（円筒形状）の開口部１４４となってしまう。テーパー角が９０度の開口部１４４が形成された場合、絶縁層１１６や導電部材１１７の被覆性は低下しうる。垂直形状の開口部１４４を形成しないために、第１エッチング工程を終了する、つまり、面１８２から開口部１７１と開口部１７２との間でテーパー角が切り替わる位置１１８までの高さｈが、
ｈ≦Ｒｔａｎθ２
ここで、Ｒは、面１８１に対する正射影において、貫通孔１１５のテーパー角が切り替わる位置１１８の外縁からマスクパターン１２０の開口１２１の外縁までの長さ、θ２は、開口部１７２のテーパー角、
を満たすように第１エッチング工程を行ってもよい。例えば、上述のように、マスクパターン１２０の開口１２１が円形であり、開口１２１の直径が直径ｒ１、貫通孔１１５のテーパー角が切り替わる位置１１８における直径が直径ｒ２の場合、
Ｒ＝（ｒ２−ｒ１）／２
となる。また、マスクパターン１２０の開口１２１が矩形状の場合、面１８１に対する正射影において、貫通孔１１５のテーパー角が切り替わる位置１１８の注目する辺の外縁からマスクパターン１２０の開口１２１の注目する辺に対応する辺の外縁までの長さでありうる。また、より厳密には、「ｈ」は、第１エッチング工程で形成された凹部１２２の側部１４２と底部１４３との境界１４０と面１８２との距離、「Ｒ」は、面１８１に対する正射影において、境界１４０から開口１２１の外縁までの長さでありうる。
以上から、図５（ａ）に示されるように凹部１２２の先端１４１が、絶縁体１１９に到達した時点で第１エッチング工程を終了する。次いで、凹部１２２の先端部付近の曲率を有した底部１４３を第２エッチング工程でテーパー角θ２を備える開口部１７２に形成することが適している。しかしながら、これに限られることはない。第１エッチング工程の終了時に、底部１４３が、基板１１１の中に底を有していてもよい。第１エッチング工程の終了時に、凹部１２２の側部１４２と底部１４３との境界１４０（テーパー角が切り替わる位置１１８）と面１８２との距離ｈが、上述のｈ≦Ｒｔａｎθ２を満たしていれば、第２エッチング工程において、垂直形状の開口部１４４の形成が抑制される。このため、必ずしも第１エッチング工程で凹部１２２の先端が絶縁体１１９に到達している必要はない。
貫通孔１１５の形成後、図３（ａ）に示されるように、マスクパターン１２０を除去し、例えば、プラズマＣＶＤ法などを用いて絶縁層１１６を形成するための絶縁材料膜１２３を堆積する。絶縁材料膜１２３には、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、酸窒化シリコンなどが用いられうる。ここでは、酸化シリコンを用いるとして説明する。絶縁材料膜１２３を形成した後、貫通孔１１５の底部に堆積した絶縁材料膜１２３、絶縁体１１９、接合部材１１２を除去する。この工程によって、図３（ｂ）に示されるように、基板１１０の電極層１１３まで貫通した貫通孔１１５、および、貫通孔１１５の側面に絶縁層１１６が形成される。図３（ａ）に示される状態において、絶縁材料膜１２３のドライエッチングを行うと、被エッチング面が水平方向である基板１１１表面と貫通孔１１５の底部に堆積した絶縁材料膜１２３が主にエッチングされる。絶縁材料膜１２３は貫通孔１１５の底部よりも基板１１１の面１８１の方が厚く堆積しているため、貫通孔１１５の底部の絶縁材料膜１２３を除去しても基板１１１の面１８１の絶縁材料膜１２３が消失することは抑制される。また、貫通孔１１５の側面に堆積している絶縁材料膜１２３は、貫通孔１１５の底部に近いほど厚みが薄くなっており、貫通孔１１５の底部側面では底部に堆積している絶縁材料膜１２３と同程度の厚みとなる。しかし、絶縁材料膜１２３は、テーパー角を有する貫通孔１１５の側面に堆積しておりエッチングレートが、貫通孔１１５の底部の絶縁材料膜１２３よりも十分遅い。このため、貫通孔１１５の底部の絶縁材料膜１２３を除去しても底部側面の絶縁材料膜１２３が消失する（絶縁層１１６が形成されない）ことが抑制される。
一方、貫通孔１１５が、上述したように先端部付近に曲率を有する図５（ａ）に示されるような底部１４３の形状を有する場合、境界１４０から先端１４１付近にかけて堆積した絶縁材料膜１２３のエッチングレートが十分に遅くはならない。このため、貫通孔１１５の底部の絶縁材料膜１２３、絶縁体１１９、接合部材１１２をエッチングした際に、境界１４０から先端１４１付近にかけて堆積した絶縁材料膜１２３の一部が消失してしまう可能性がある。このため、基板１１１と後に形成される導電部材１１７との絶縁性を保つことができず、貫通電極の絶縁不良が発生し、貫通電極を備える半導体装置の信頼性が低下してしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態において、貫通孔１１５の底部の側面において、上述のように、絶縁層１１６を形成する際に、絶縁材料膜１２３が完全に消失してしまうことが抑制されるため、基板１１１と導電部材１１７との絶縁性を保つことができる。つまり、貫通電極１１４の絶縁不良の発生が抑制され、貫通電極１１４を備える半導体装置１００の信頼性の低下を抑制できる。
貫通孔１１５の底部に堆積した絶縁材料膜１２３を除去した後、引き続き絶縁体１１９と接合部材１１２とをエッチングすることによって貫通孔１１５が形成される。絶縁体１１９と絶縁材料膜１２３とが、本実施形態のように同種の絶縁膜である場合、絶縁材料膜１２３と同じエッチング条件で絶縁体１１９を除去することが可能である。さらに、接合部材１１２としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）を用いた場合、ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスによるエッチングで接合部材１１２を除去することが可能である。また、接合部材１１２にＢＣＢを利用することによって、ＢＣＢに含有される炭素成分がエッチング時に保護膜を付着させる成分となり、貫通孔１１５の側面の絶縁材料膜１２３（絶縁層１１６）をエッチングから保護する効果も見込める。また、絶縁体１１９と絶縁材料膜１２３が、上述のように酸化シリコン（ＳｉＯ２）である場合、ＣＦ４／Ｏ２の混合ガスによるエッチングによって、絶縁材料膜１２３、絶縁体１１９、接合部材１１２であるＢＣＢを一括でエッチングすることが可能となる。以上の工程によって、基板１１１に形成された開口部１７１、１７２、絶縁体１１９に設けられた開口部１７２から連通する開口部１７３、接合部材１１２に設けられた開口部１７４を含む貫通孔１１５が形成される。また、これらの工程によって、面１８１に対する正射影において、開口部１７３、１７４の外縁は、それぞれ、開口部１７２の外縁よりも内側に配されることになる。
次いで、貫通孔１１５に図３（ｃ）に示されるように、導電性材料などによって構成される導電部材１１７を形成することによって、基板１１１の面１８１の側と基板１１０に配される電極層１１３とを電気的に接続する貫通電極１１４が形成される。導電部材１１７は、例えば、まず、貫通孔１１５の側面および基板１１１の面１８１の上に配される絶縁層１１６上に、シード層となる金属をスパッタリング法などを用いて形成する。次いで、シード層の上にめっきを行った後に、めっき層をシード層ごとパターニングすることによって、導電部材１１７が形成されうる。
以上のように、本実施形態の貫通孔１１５のうち基板１１１を貫通する部分は、垂直部分を有していない、開口幅が基板１１１の面１８１の側から面１８２の側に向かうにつれて狭くなるテーパー形状を備える。このため、貫通孔１１５の底部においても絶縁材料膜１２３やシード層の被覆性が良好となるため、絶縁不良やシード層の堆積不足に起因するめっき不良が発生することが抑制される。さらに、絶縁材料膜１２３をエッチングし絶縁層１１６を形成する際に、貫通孔１１５の側面の絶縁層１１６が形成されないことが抑制されるため、信頼性が高い貫通電極１１４と得ることが可能となる。
また、図３（ｃ）の導電部材１１７を形成する工程において、導電部材１１７をシード層のみから形成することも可能である。より具体的には、本実施形態の貫通孔１１５は、シード層の被覆性が良好であるため、めっきを省略し、スパッタリングなど物理蒸着で形成したシード層のみで貫通電極１１４の導電部材１１７を作製することも可能である。つまり、導電部材１１７が、めっき層を含んでいなくてもよい。この場合、導電部材１１７を形成する際に、シード層のみをパターニングすればよい。めっき層をシード層ごとパターニングする場合と比較して、導電部材の厚みが薄く、パターニング時のサイドエッチングを抑制することができるため、微細な配線パターンの形成に有利となる。また、めっきを行う工程を必要としないため、貫通電極１１４を製造する製造プロセスの簡略化やコストの削減が可能となる。
以上、説明したように、基板１１１を貫通する貫通孔１１５が、開口部１７１と開口部１７１よりもテーパー角が大きい開口部１７２とを含む。まず、基板１１１をエッチング（第１エッチング工程）し、開口部１７１の側面の少なくとも一部を構成する凹部１２２を形成する。次いで、第１エッチング工程よりも異方性が高いエッチング法を用いて基板１１１を貫通する。このとき、上述のように、第１エッチング工程で形成された凹部１２２の側部１４２と底部１４３との境界１４０（テーパー角が切り替わる位置１１８）と面１８２との距離ｈを、ｈ≦Ｒｔａｎθ２となるように、第１エッチング工程を終了させる。これによって、貫通孔１１５に形成される貫通電極１１４の信頼性を向上させることが可能となる。結果として、貫通電極１１４を備える半導体装置１００の製造歩留まりの向上など、半導体装置１００の信頼性が向上する。
以下に、上述の貫通孔１１５を含む貫通電極１１４備える半導体装置の実施例として、図６（ａ）〜７（ｇ）を参照して、テラヘルツ波センサを製造する例を示す。本実施例は、図１に示されるような、基板１１０と基板１１１とが接合部材１１２によって接合され、基板１１０の電極層１１３と基板１１１とを電気的に接続する貫通電極１１４を作製した例である。
本実施例において、図１の基板１１１は、図６（ａ）に示すテラヘルツ波を受信する受信アンテナ基板１５１に対応する。また、図１の基板１１０は、受信アンテナ基板１５１で受信した信号を処理する読出回路基板１５０に対応する。具体的には、厚み７２５μｍの読出回路基板１５０に厚み６０μｍの受信アンテナ基板１５１が接合されている。受信アンテナ基板１５１の上面１５２には、テラヘルツ波１５３を検出するアンテナ１５４が配されている。また、読出回路基板１５０は、読出回路であるＣＭＯＳトランジスタを含む。受信アンテナ基板１５１の厚みは、テラヘルツ波の検出効率を考慮して６０μｍとしたが、適宜設計変更が可能である。
図６（ｂ）は、受信アンテナ基板１５１の上面１５２の一部分を拡大して示した図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示されるＣ−Ｃ’間の断面図である。図６（ｂ）に示されるように、受信アンテナ基板１５１の上面１５２には、ショットキーバリア型のダイオード１５７を用いたループ型のアンテナ１５４が２次元アレイ状に配置されている。受信アンテナ基板１５１の１つの画素領域ＰＲは、１つのアンテナ１５４と、アノード側の貫通電極１５６ａとカソード側の貫通電極１５６ｂを含み構成されている。本実施例では、１つの画素領域ＰＲを５００μｍ四方として、直径１４０μｍのループ型のアンテナ１５４を用いた。図６（ｃ）に示されるように、アンテナ１５４は、導電部材１５５を含む貫通電極１５６を通じて、読出回路基板１５０の電極層１１３に電気的に接続されている。
次いで、本実施例に係る貫通電極１５６の製造方法について、図７（ａ）〜７（ｇ）を参照しながら説明する。まず、図７（ａ）に示されるように、受信アンテナ基板１５１は、Φ２００ｍｍで厚みが７２５μｍのシリコン基板を用いた。受信アンテナ基板１５１には、２次元状に配されたアンテナ１５４およびパターニングや後述の読出回路基板１５０との接合の際に用いるアライメントマーク１６０が、少なくとも配置されている。受信アンテナ基板１５１のアンテナ１５４が配される面１６１には、上述のアンテナ１５４およびアライメントマーク１６０が配されている。
次に、図７（ｂ）に示されるように、仮固定用部材１６２を用いて、受信アンテナ基板１５１と支持基板１６３とを貼り合わせた。支持基板１６３として、Φ２００ｍｍ、厚みが５００μｍのガラス基板を用いた。仮固定用部材１６２は、３Ｍ社製のＬＣ−５３２０を用いた。まず、支持基板１６３に剥離層を塗布した。本実施例では、剥離層として３Ｍ社製のＬＴＨＣ（Ｌｉｇｈｔ−ｔｏ−Ｈｅａｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎ）を用いた。これによって、後述する工程において、レーザー照射を用いて受信アンテナ基板１５１と支持基板１６３とを剥離することが可能となる。次いて、支持基板１６３に仮固定用部材１６２をスピンコートで塗布し、受信アンテナ基板１５１と支持基板１６３とを貼り合わせた。
受信アンテナ基板１５１と支持基板１６３とを貼り合わせた後、図７（ｃ）に示されるように、受信アンテナ基板１５１の読出回路基板１５０と接合する側の面を、バックグラインド装置を用いて研削し、受信アンテナ基板１５１の厚みを６０μｍにした。その後、研削面にエッチングストップ層として機能する絶縁体１６４として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）をプラズマＣＶＤ法によって１００ｎｍの厚みで成膜した。
次いで、図７（ｄ）に示されるように、Φ２００ｍｍで厚みが７２５μｍの読出回路基板１５０の電極層１１３が設けられた面に、接合部材１６５としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を１μｍの厚みになるように、スピンコート法を用いて塗布した。読出回路基板１５０は、受信アンテナ基板１５１に配置されたアンテナ１５４からの信号を画素毎に読み出せるような回路基板を備えており、２次元アレイ状に配されたアンテナ１５４に対応するように５００μｍ周期で画素回路が形成されている。また、読出回路基板１５０の受信アンテナ基板１５１と接合される電極層１１３が配される面には、受信アンテナ基板１５１との接合時に用いるアライメントマーク１６６が配されている。
次に、受信アンテナ基板１５１のアライメントマーク１６０と読出回路基板１５０のアライメントマーク１６６とを利用してアライメントをとり、受信アンテナ基板１５１と読出回路基板１５０とをウエハボンダ(ＥＶＧ社製ＥＶＧ５２０ＩＳ)を用いて接合した。具体的には、受信アンテナ基板１５１と読出回路基板１５０とに、３ｋＮの荷重を加えた状態で、２００℃の状態を２時間保持し、接合部材１６５であるＢＣＢを硬化させ、受信アンテナ基板１５１と読出回路基板１５０とが接合された。
受信アンテナ基板１５１と読出回路基板１５０とを接合したのち、図７（ｅ）に示されるように、支持基板１６３を受信アンテナ基板１５１から剥離した。具体的には、支持基板１６３の受信アンテナ基板１５１が貼り合された面とは反対側の面からレーザーを照射し、前述のＬＴＨＣを加熱することによって、仮固定用部材１６２から支持基板１６３を剥離した。その後、受信アンテナ基板１５１に残った仮固定用部材１６２をピールテープや溶媒を用いて除去した。
次いで、図７（ｆ）に示されるように、受信アンテナ基板１５１の面１６１から電極層１１３が露出するように貫通孔１６７を形成した。まず、アライメントマーク１６０を利用して、受信アンテナ基板１５１の面１６１に直径２０μｍの開口を、読出回路基板１５０の電極層１１３にそれぞれ対応する位置に配したマスクパターンを形成した。次いで、マスクパターンの開口を介して受信アンテナ基板１５１をエッチングする上述の第１エッチング工程を行った。第１エッチング工程は、プラズマドライエッチングを用いた。エッチング装置のチャンバ内のステージの所定の位置に、読出回路基板１５０と受信アンテナ基板１５１とを接合した基板を載置した。このチャンバに、１．５ｋＷの電力、ＳＦ６：Ｃ４Ｆ８：Ｏ２＝２：２：１の混合ガスをそれぞれ投入した。さらに、読出回路基板１５０と受信アンテナ基板１５１とを接合した基板が載置されたステージに６０Ｗのバイアスを印加することによって、第１エッチング工程を行った。凹部１２２の先端が、エッチングストップ層として機能する絶縁体１６４に達する、上述の図２（ｃ）に示される状態まで第１エッチング工程を行った。第１エッチング工程の終点判定は、例えば、エッチング中のプラズマの発光をモニタすることによって判定可能である。第１エッチング工程によって形成された凹部１２２の面１６１での開口部は、直径４５μｍ、テーパー角は８０度であった。
引き続き、第２エッチング工程として、１サイクルで０．８μｍの孔が形成される条件のボッシュプロセスを１０サイクル行った。これによって、図６（ｃ）に示されるような、テーパー角が切り替わる位置１１８が、受信アンテナ基板１５１の読出回路基板１５０の側の面１６９（絶縁体１６４）から１０μｍの位置にあり、テーパー角が切り替わる位置１１８における貫通孔１６７の直径が約２５μｍの孔が形成された。第２エッチング工程で形成された開口部１７２のテーパー角は８５度であった。
次に、後に形成される導電部材１５５と受信アンテナ基板１５１との絶縁性を確保するために、上述の図３（ａ）に示されるのと同様に、絶縁材料膜１２３としてプラズマＣＶＤ法を用いてＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）膜を成膜した。絶縁材料膜１２３の被覆性を確認したところ、膜厚は、受信アンテナ基板１５１の面１６１で１．５μｍ、貫通孔１６７の側面で８００ｎｍ、底部で７５０ｎｍであった。
次いで、上述の図３（ｂ）に示されるのと同様に、貫通孔１６７に堆積した絶縁材料膜１２３であるＴＥＯＳ膜、絶縁体１６４であるＳｉＯ２、接合部材１６５であるＢＣＢを、ＣＦ４／Ｏ２の混合ガス中でドライエッチングした。この工程によって、貫通孔１６７が電極層１１３まで貫通し、図７（ｆ）の状態となった。貫通孔１６７形成後、絶縁材料膜１２３から形成された絶縁層１６８の厚みは、受信アンテナ基板１５１の面１６１で５００ｎｍ、貫通孔１６７の側面で４００ｎｍであり、貫通孔１６７の側面において絶縁層１６８が形成されない（消失した）箇所は無かった。
貫通孔１６７の形成後、導電部材１５５を形成した。具体的には、物理蒸着法であるスパッタリング法を用いて、金属膜を貫通孔１６７内部および受信アンテナ基板１５１の面１６１に成膜し、この金属膜をシード層としてＣｕめっきを行った。本実施例において、シード層としてＴｉとＣｕとの積層膜を用いた。受信アンテナ基板１５１の面１６１においてシード層が１μｍ（Ｃｕ（６００ｎｍ）／Ｔｉ（４００ｎｍ））堆積する条件で成膜を行ったところ、貫通孔１６７の側面で５０ｎｍ、底部で４０ｎｍのシード層が堆積していた。その後、受信アンテナ基板１５１の面１６１のシード層の上にめっき膜が５μｍの厚みで堆積するようにＣｕめっきを行った。めっきを行った後、ウェットエッチングによるパターニングを行い、受信アンテナ基板１５１の面１６１に形成されたシード層とＣｕめっき層をパターニングすることによって、アンテナ１５４と接続された導電部材１５５が形成された。このときの状態が、図７（ｇ）に示される。また、上述の図６（ｃ）は、図７（ｇ）の部分１９１を拡大した図に対応する。
以上の工程によって、受信アンテナ基板１５１の面１６１に形成されたアンテナ１５４と読出回路基板１５０の電極層１１３とを、貫通孔１６７に導電部材１５５が配された貫通電極１５６によって電気的に接続したテラヘルツ波センサが得られた。得られたテラヘルツ波センサのアンテナ１５４と電極層１１３との接続において、断線などの接続不良は発見されなかった。また、導電部材１５５と、受信アンテナ基板１５１基板および読出回路基板１５０と、の間の絶縁不良も発見されなかった。つまり、本実施例において、信頼性が高い、貫通電極１５６が実現できた。
以上のように、本実施例ではテラヘルツ波センサを例に挙げて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば赤外線センサなどテラヘルツ波以外の電磁波センサにも適用可能である。また、上述のように、本実施形態において、貫通孔の底部まで絶縁層および導電部材の被覆性が良好な貫通孔を利用した信頼性が高い貫通電極、および、その製造方法が提供される。このため、電磁波センサのみならず半導体デバイスを備える種々の半導体装置に上述の貫通電極が適用できる。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１００：半導体装置、１１０，１１１，１５０，１５１：基板、１１５，１６７：貫通孔、１１７，１５５：導電部材、１７１，１７２：開口部

Claims (17)

  1. 第１面および前記第１面とは反対の側の第２面を有し、前記第１面から前記第２面まで貫通する貫通孔が設けられた第１基板と、前記貫通孔の中に配された導電部材と、を備える半導体装置であって、
    前記貫通孔は、第１開口部と、前記第１開口部と前記第２面との間に配される第２開口部と、を含み、
    前記第１開口部および前記第２開口部は、それぞれ開口幅が前記第１面の側から前記第２面の側に向かって狭くなるテーパー形状を有し、
    前記第１開口部の側面と前記第２面に平行な面とによって構成される第１テーパー角が、前記第２開口部の側面と前記第２面に平行な面とによって構成される第２テーパー角よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１テーパー角が、７５度以上かつ８５度以下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基板の前記第２面の側に、接合部材を介して第２基板が接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記導電部材が、前記第１面に配される素子と前記第２基板の前記第１基板の側に配される電極層とを電気的に接続することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記接合部材には、前記第２開口部から連通し前記導電部材が配される第３開口部が設けられ、
    前記第１面に対する正射影において、前記第３開口部の外縁が、前記第２開口部の外縁よりも内側に配されることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置。
  6. 前記接合部材と前記第２面との間に絶縁体が配されていることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁体には、前記第２開口部から連通し前記導電部材が配される第４開口部が設けられ、
    前記第１面に対する正射影において、前記第４開口部の外縁が、前記第２開口部の外縁よりも内側に配されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記接合部材が、ベンゾシクロブテンを含み、
    前記絶縁体が、酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
  9. 前記半導体装置が、電磁波センサを含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記電磁波センサが、テラヘルツ波センサを含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 第１面および前記第１面とは反対の側の第２面を有し、前記第１面から前記第２面まで貫通する貫通孔が設けられた第１基板と、前記貫通孔の中に配された導電部材と、を備える半導体装置の製造方法であって、
    前記貫通孔は、第１開口部と、前記第１開口部と前記第２面との間に配される第２開口部と、を含み、
    前記第１開口部および前記第２開口部は、それぞれ開口幅が前記第１面の側から前記第２面の側に向かって狭くなるテーパー形状を有し、
    前記第１開口部の側面と前記第２面に平行な面とによって構成される第１テーパー角が、前記第２開口部の側面と前記第２面に平行な面とによって構成される第２テーパー角よりも小さく、
    前記貫通孔を形成する工程は、
    前記第１面の上にマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンの開口を介して前記第１基板をエッチングし、前記第１基板に前記第１開口部の側面を構成する凹部を形成する第１エッチング工程と、
    前記第１エッチング工程の後に、前記開口を介して前記第１エッチング工程よりも異方性が高いエッチングを行い、前記第２開口部を形成する第２エッチング工程と、を含み、
    前記第１エッチング工程を終了する、前記第２面から前記第１開口部と前記第２開口部との間でテーパー角が切り替わる位置までの高さｈが、
    ｈ≦Ｒｔａｎθ２
    ここで、Ｒは、前記第１面に対する正射影において前記切り替わる位置の外縁から前記マスクパターンの前記開口の外縁までの長さ、θ２は、前記第２テーパー角、
    を満たすように前記第１エッチング工程を行うことを特徴とする製造方法。
  12. 前記凹部が、前記第１基板の中に底を有することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
  13. 前記第１エッチング工程の前に、前記第２面の上に絶縁体を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１または１２に記載の製造方法。
  14. 前記第１エッチング工程の前に、前記第２面の上に絶縁体を形成する工程をさらに含み、
    前記第１エッチング工程において、前記凹部の先端が前記絶縁体に到達したことに応じて前記第１エッチング工程を終了することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
  15. 前記絶縁体を形成する工程の後かつ前記第１エッチング工程の前に、前記第１基板の前記第２面の側に、接合部材を介して第２基板を接合する工程と、
    前記第２エッチング工程の後に、前記絶縁体および前記接合部材をエッチングし、前記第２基板を露出させる工程と、
    前記第１基板と前記第２基板とを電気的に接続するために、前記貫通孔の中に配される導電部材を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の製造方法。
  16. 前記導電部材が、物理蒸着によって形成されることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
  17. 前記導電部材が、めっき層を含まないことを特徴とする請求項１５または１６に記載の製造方法。
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