JP2021097243A - インターポーザーの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】インターポーザーの製造工程あるいは取付工程において基板の亀裂の発生を防止する。【解決手段】インターポーザーの基板の外周の少なくとも一部に保護部材が配置されている。【選択図】図1

Description

本開示は、インターポーザー及びその製造方法、並びに、インターポーザーを備える半導体装置に関する。
近年の電子デバイスでは、配線基板にインターポーザーを介して半導体チップが取り付けられた形態が多く用いられている。特許文献1には、ガラスを基板材料とするインターポーザーが開示されている。
WO2005/034594号
上述のインターポーザーの製造工程では、ガラス基板を治具で保持して、当該ガラス基板の上に積層構造が形成される。また、インターポーザーの取付工程においては、バンプ等を形成し、当該バンプを介して配線基板や半導体チップへ取付けられる。従来、上述の製造工程あるいは取付工程においてガラス基板を扱う際に、ガラス基板に亀裂が発生するという課題があった。
本開示は、製造工程あるいは取付工程において基板の亀裂の発生を防ぐことが可能なインターポーザーを提供する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、第1基板面と、前記第1基板面に対して反対の側の第2基板面と、前記第1基板面と前記第2基板面とを接続する第3基板面とを有する基板と、前記第1基板面と前記第2基板面とを導通する貫通電極と、前記第1基板面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第1導電層と、前記第1導電層の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層の上に配置された第2導電層と、を備え、前記基板の外周の少なくとも一部に保護部材が配置されている、インターポーザーが提供される。
また、他の例によれば、第1基板面と、前記第1基板面に対して反対の側の第2基板面と、前記第1基板面と前記第2基板面とを接続する第3基板面とを有する基板であって、前記第1基板面と前記第2基板面を接続する貫通孔を有する前記基板を準備する工程と、前記基板の外周の少なくとも一部に保護部材を配置する工程と、前記第1基板面と前記第2基板面とを導通する貫通電極を形成する工程と、前記第1基板面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第1導電層を形成する工程と、前記第1導電層の上に配置された絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に配置された第2導電層を形成する工程と、を含む、インターポーザーの製造方法が提供される。
また、他の例によれば、第1基板面と、前記第1基板面に対して反対の側の第2基板面と、前記第1基板面と前記第2基板面とを接続する第3基板面とを有する基板を準備する工程と、前記基板の外周の少なくとも一部に保護部材を配置する工程と、前記基板に前記保護部材が配置された後、前記第1基板面と前記第2基板面を接続する貫通孔を形成する工程と、前記第1基板面と前記第2基板面とを導通する貫通電極を形成する工程と、前記第1基板面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第1導電層を形成する工程と、前記第1導電層の上に配置された絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に配置された第2導電層を形成する工程と、を含む、インターポーザーの製造方法が提供される。
本開示によれば、製造工程あるいは取付工程において基板の亀裂の発生を防ぐことができる。本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本開示の一実施形態に係るインターポーザーを示す概略断面図である。 本開示の一実施形態に係る基板及び保護部材を示す概略平面図である。 本開示の一実施形態に係る基板及び保護部材を示す概略平面図である。 本開示の一実施形態に係る基板及び保護部材を示す概略断面図である。 本開示の一実施形態に係る基板及び保護部材を示す概略断面図である。 本開示の一実施形態に係るインターポーザーの製造工程を説明する図である。 (a)は本開示の一実施形態に係る保護部材を用いた製造工程の一例を説明する図であり、(b)は本開示の一実施形態に係る保護部材を用いた製造工程の別の例を説明する図である。 本開示の一実施形態に係るインターポーザーを製造する方法を説明する図である。 本開示の一実施形態に係るインターポーザーを製造する方法を説明する図である。
以下、図面を参照して本開示の一実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
本明細書等において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値のそれぞれを下限値及び上限値として含む範囲であることを意味する。
本開示の一実施形態に係るインターポーザーは、絶縁層を、金属等を含む導電層で挟み込んだ構造を有する。図1は、本開示の一実施形態に係るインターポーザー10を示す概略断面図である。インターポーザー10は、例えば、絶縁層を金属で挟み込んだ構造であるMIM(Metal-Insulator-Metal)構造を有する。MIM構造は、例えば、MIMキャパシタとして利用することができる。この場合、第1導電層12の一部が下部電極、第1絶縁層13が誘電体層、第2導電層14が上部電極となる。なお、インターポーザー10は、MIMキャパシタだけでなく、配線層と絶縁層が順に積層された多層配線構造体を有していてもよい。
一例として、インターポーザー10は、第1基板面11aと第1基板面11aに対して反対の側の第2基板面11bとを有する基板11と、基板11の第1基板面11aに配置された第1導電層12と、第1導電層12の上に配置された第1絶縁層13と、第1絶縁層13の上に配置された第2導電層14とを備える。なお、第1導電層12は、基板11の第1基板面11aに直接配置されていてもよいし、導電性又は絶縁性の層を少なくとも1層を介して基板11の第1基板面11aに配置されていてもよい。
基板11は、第1基板面11aから第2基板面11bに貫通する貫通孔15を有する。貫通電極16は、第1基板面11aと第2基板面11bとを導通する電極である。第1導電層12は、貫通孔15に形成された貫通電極16を介して第2基板面11bに配置された第3導電層17に電気的に接続されている。貫通孔15の形態は図示に限定されず、貫通孔15は、基板11の第1基板面11a及び第2基板面11bから基板11の厚み方向の中央部に向かうにつれて幅が小さくなる形状であってもよいし、貫通孔15の側壁は、基板11の第1基板面11aの法線方向に沿って広がっていてもよいし、また、側壁の一部が湾曲していてもよい。
第1導電層12と第2導電層14は、接続孔(図示省略)を介して接続されている。すなわち、第1絶縁層13は、第1導電層12と第2導電層14との間において、接続孔以外における絶縁膜を構成する。
基板11は、ガラス基板である。一般にインターポーザーは、その縁に近い領域ほど熱変形による変位が大きくなる。ガラス基板を用いたインターポーザーの場合、この領域に対して、インターポーザーの上下に配置される配線基板等との熱膨張率の差を小さくするように対処できるという利点がある。なお、基板11は、ガラス基板と他の基板とを積層したものでもよい。他の基板の例としては、石英基板、サファイア基板、樹脂基板、シリコン基板、炭化シリコン基板、アルミナ(Al)基板、窒化アルミ(AlN)基板、酸化ジルコニア(ZrO)基板などである。基板11の厚さは、例えば、200μm〜500μmである。
より好ましくは、基板11として無アルカリガラスが用いられる。無アルカリガラスは、ソーダガラスとは異なりNa、Kなどのアルカリ成分を含まないので、ガラス表面にアルカリ成分が溶出することがない。したがって、この態様では、インターポーザーに接続されるべき半導体チップの端子を腐食させる信頼性劣化要因が原理的に生じない利点がある。また、無アルカリガラスは、熱膨張率がシリコンのそれと同程度の大きさであり、接続される半導体チップとの関係で熱膨張率の点で整合性がよい。
第1導電層12、第2導電層14、貫通電極16、及び、第3導電層17の材料として、Au、Al、Cu等の導電性を有する材料が用いられる。なかでも導電性が高く、かつ材料コストの低いCuを用いることが好ましい。また、第1導電層12の厚みは0.5〜20μmが好ましく、第2導電層14の厚みは0.5〜5μmが好ましい。配線パターンについては、金属箔(例えば、Cu等)のエッチングによるサブトラクティブな形成のほか、導電性ペースト(例えば、金属ナノペースト等)の塗布や、めっきによる形成等のアディティブな形成を採用することもできる。
第1絶縁層13として、例えば、無機材料を用いることができ、より具体的には窒化ケイ素(Si)、二酸化ケイ素(SiO)、酸窒化ケイ素(SiO)、五酸化タンタル(Ta)、酸化アルミニウム(Al)、又は、窒化アルミニウム(AlN)を用いることができる。
本開示の実施形態では、上述の導電層12、14、17及び絶縁層13の成膜プロセスとして、化学蒸着(CVD)、物理蒸着(PVD)(たとえば、スパッタリング又は蒸着)、又は電気めっきなどを使用することができる。また、導電層のパターンを形成するために、フォトリソグラフィを使用することができる。また、不要な材料を除去するために、エッチングプロセスを使用することができる。また、導電層及び絶縁層の平坦化プロセスとして、エッチバック、化学的機械的研磨(CMP)などを使用することができる。
インターポーザー10の両面において樹脂層18が形成されている。樹脂層18において、第2導電層14及び第3導電層17に対応する位置には、ビアホール19が形成されている。ビアホール19のそれぞれには、導電性の接続部20が形成されている。インターポーザー10は、接続部20に形成されたバンプ40を介して配線基板41に接続されてもよい。また、インターポーザー10は、接続部20に形成されたバンプ40を介して半導体チップ42に接続されてもよい。本実施形態のインターポーザー10によれば、狭端子ピッチの半導体チップ42の、大型の配線基板(マザーボードなど)41への実装が簡便化される。上述の実施形態によれば、インターポーザー10と、基板11の第1基板面11a側に配置され、貫通電極16と電気的に接続された半導体チップ42と、基板11の第2基板面11b側に配置され、貫通電極16と電気的に接続された配線基板41と、を有する半導体装置を提供することができる。
なお、上述した実施形態において、基板11と第1導電層12との間、第1導電層12と第1絶縁層13との間、第1絶縁層13と第2導電層14との間、及び基板11と第3導電層17との間に、図示しない付加的な層が形成されていてもよい。一例として、基板11と第1導電層12との間に下地層が形成されてもよい。下地層は、1つ以上の層を含んでよい。例えば、下地層は、密着層及びシード層の少なくとも1つを含む。
次に、保護部材21の構成を説明する。基板11は、その外周の少なくとも一部に保護部材21を備える。保護部材21は、基板11との接着面となる第1面21aと、第1面21aと反対側の第2面21bと、第1面21aと第2面21bとを接続する第3面21cとを有する。保護部材21は、例えば、テープまたは樹脂膜である。テープの保護部材21の場合、接着面と反対側の第2面21bは、ポリイミドテープのカプトン(登録商標、デュポン社)などで構成されてもよい。樹脂膜の保護部材21の場合、例えば、ポリイミドなどを用いることができる。
また、保護部材21は、基板11の第1基板面11aの端部を覆う第1部分22と、基板11の第2基板面11bの端部を覆う第2部分23と、基板11の第1基板面11aと第2基板面11bとを接続する第3基板面11cを覆う第3部分24とを有する。
本実施形態によれば、保護部材21が、ガラスの基板11の外周を覆うように配置されているため、保護部材21がインターポーザー10の製造工程や取付工程において邪魔にならず、しかも、ガラス基板の端部からの亀裂の発生を防ぐことができる。
図2は、本開示の一実施形態に係る基板11及び保護部材21を示す概略平面図であり、基板11の第1基板面11a側から見た図である。図2では、基板11と保護部材21のみが示されており、インターポーザー10における他の構成要素は省略されている。基板11は、矩形形状を有する。なお、基板11の形状は、矩形に限定されず、円形など他の形状でもよい。基板11の外周は、第1基板辺11h及び第2基板辺11iと、第1基板辺11h及び第2基板辺11iと実質的に直交する第3基板辺11j及び第4基板辺11kとを有する。図2の例では、保護部材21は、第1基板辺11h、第2基板辺11i、第3基板辺11j及び第4基板辺11kの全てを覆うように配置されている。
図3は、本開示の一実施形態に係る基板11及び保護部材21を示す概略平面図であり、基板11の第1基板面11a側から見た図である。保護部材21は、基板11の外周の一部を覆うように配置されてもよい。インターポーザー10の製造工程において矩形形状の基板11を治具で保持する場合、治具による力が基板全体に分散せずにコーナー部に集中し、これにより、コーナー部またはその近傍から亀裂が入る虞がある。したがって、好ましくは、保護部材21は、基板11のコーナー部を少なくとも覆うように配置される。図3の例では、保護部材21は、第1基板辺11hと第3基板辺11jとの間の第1コーナー部25a、第3基板辺11jと第2基板辺11iとの間の第2コーナー部25b、第2基板辺11iと第4基板辺11kとの間の第3コーナー部25c、及び、第4基板辺11kと第1基板辺11hとの間の第4コーナー部25dを覆うにように配置されている。
図4は、本開示の一実施形態に係る基板11及び保護部材21を示す概略断面図である。基板11の第1基板面11aと第3基板面11cとの間の第1角部11d(図1参照)、及び、基板11の第2基板面11bと第3基板面11cとの間の第2角部11e(図1参照)は面取りされてもよい。図4の例では、基板11の第1基板面11aと第3基板面11cとの間、及び、基板11の第2基板面11bと第3基板面11cとの間が、ラウンド形状の断面を有する。ラウンド形状の断面は、例えば、R面取り加工を施すことにより作製することができる。なお、面取りされた部分は、直線状の断面を有してもよい。直線状の面取り部は、C面取り加工等を施すことにより作製することができる。図4の例では、第3基板面11cの全体がラウンド形状の断面を有し、保護部材21が、第3基板面11cの全体を覆うように配置されている。この構成によれば、治具によって保持したときの角部への力の集中を防ぎつつ、保護部材21による基板11の端部の保護が可能となる。これにより、基板11における亀裂の発生を防ぐことができる。
図5は、本開示の一実施形態に係る基板11及び保護部材21を示す概略断面図である。保護部材21は、基板11の第3基板面11cの一部を覆うように配置されてもよい。図5の例では、保護部材21は、第1保護部材21−1と第2保護部材21−2とによって構成されている。好ましくは、第1保護部材21−1は、第1基板面11aと第3基板面11cとの境界点Pを覆うように配置され、第2保護部材21−2は、第3基板面11cと第2基板面11bとの境界点Pを覆うように配置される。
次に、基板11上の積層構造と保護部材21との関係について説明する。以下で説明する式は、第1基板面11aにおける保護部材21に関するものであるが、同様に第2基板面11bにおける保護部材21に対しても適用可能である。
図1に示すように、インターポーザー10には、配線基板41や半導体チップ42と接続するためにバンプ40が形成され、バンプ40を介してインターポーザー10が配線基板41及び半導体チップ42に取付けられる。このとき、保護部材21の厚みが大きいと、保護部材21が邪魔になり、バンプ形成時の作業性が悪くなる。したがって、基板11の第1基板面11aにおける保護部材21の高さをHとし、基板11の第1基板面11aから第1基板面11a上に形成された積層構造の最も外側の層までの高さをHとしたとき、以下の(1)を満たすことが好ましい。
≦H ・・・(1)
なお、高さHは、第1基板面11a上における積層構造において、第1基板面11aからの距離が最大となる位置で定義される。また、配線構造の最も外側の層は、図1のような樹脂層の場合もあり得るし、他の材料の層の場合もあり得る。
また、保護部材21の端部が、第1基板面11a上における積層構造が形成される領域に近すぎると、保護部材21に近い位置での導電層や絶縁層の成膜に影響が出る虞がある。したがって、保護部材21の端部から第1基板面11a上に形成される構造の端部までの距離をLとしたとき、以下の(2)を満たすのが好ましい。
1mm≦L≦10mm ・・・(2)
なお、距離Lは、第1基板面11a上に形成される積層構造の周囲のうち、保護部材21の端部との距離が最小の位置で定義される。また、図1は、第1基板面11a上に形成される構造の端部が樹脂層18の場合を示すが、これ限定されず、他の材料の層の端部の場合もあり得る。
図6は、本開示の一実施形態に係るインターポーザーの製造工程を説明する図であり、第1導電層12の上に第1絶縁層13を形成する工程を示す。第1導電層12の上に第1絶縁層13を形成した後、フォトマスク26を所定のギャップで配置する。その後、露光装置(図示省略)により露光工程を実施する。このとき、保護部材21の高さHが大きいと、フォトマスク26と第1絶縁層13の間のギャップが大きくなり、解像不良となる。したがって、基板11から第1絶縁層13の上面までの高さをHとしたとき、保護部材21の高さHは、フォトマスク26の配置などを考慮して以下の(3)を満たすのが好ましい。
≦H+10μm ・・・(3)
なお、高さHは、基板11の第1基板面11aから第2導電層14の下面までの高さで定義される。これは、基板11上の積層構造では複数の絶縁層が積層される場合があり、第1絶縁層13と他の絶縁層との境界を特定することが難しい場合があるためである。
より好ましくは、保護部材21の高さHは、以下の(4)を満たす。
≦H ・・・(4)
図7は、インターポーザーの製造工程を説明する図であり、基板11の第1基板面11a上に第1導電層12を形成する工程を示す。ここでは、下地層(シード層)27上にレジスト層28を形成し、その後、めっき層を成長させることにより、第1導電層12を形成する場合について説明する。めっき層の形成は、下地層27に通電する電解めっき法によって行われる。具体的には、電解めっき用の治具30が、基板11の端部(保護部材21側の位置)に配置され、治具30によって、電解めっき用シード層29を介して給電が行われる。
図7(a)は、本開示の一実施形態に係る保護部材21を用いた製造工程の一例を説明する図である。図7(a)の保護部材21の場合、基板11の第1基板面11aと保護部材21の第3面21cとのなす角度θが120°より大きい。この場合、保護部材21の第3面21cにおいて下地層27と電解めっき用シード層29とが分断される虞がある。この場合、治具30によって下地層27に通電できず、結果として、めっき層の成長が進まなくなる。なお、製造過程で付着/析出された導電材料によって下地層27と電解めっき用シード層29とが分断されない場合や、上述した電解めっき法以外の成膜プロセスで第1導電層12を形成する場合においては、角度θの値に左右されず、第1導電層12の形成が可能である。
図7(b)は、本開示の一実施形態に係る保護部材21を用いた製造工程の一例を説明する図である。上述の図7(a)を考慮して、好ましくは、角度θが以下の(5)を満たす。
θ≦120° ・・・(5)
この構成によれば、図7(b)に示すように、下地層27と電解めっき用シード層29とが分断されることなく、治具30による下地層27への通電が可能となる。これにより、めっき層が成長し、第1導電層12を形成することが可能となる。
次に、図8及び図9を参照して、本開示の一実施形態に係るインターポーザー10を製造する方法を説明する図である。
図8は、本開示の一実施形態に係るインターポーザー10を製造する方法を説明する図である。図8(a)に示すように、第1基板面11aと第2基板面11bを接続する貫通孔15を有する基板11を準備する。貫通孔15は、レーザー加工、エッチング等の手法により形成される。
図8(b)に示すように、基板11の外周の少なくとも一部に保護部材21を配置する。この例では、保護部材21は、第1基板面11aの端部、第2基板面11bの端部、及び、第1基板面11aと第2基板面11bとを接続する第3基板面11cを覆うように配置される。保護部材21がテープである場合、基板11の外周にテープを貼合することにより保護部材21を形成することができる。また、保護部材21が樹脂膜である場合、例えば、感光性樹脂を基板11の外周の少なくとも一部を含むように塗布し、当該塗布膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることにより保護部材21を形成することができる。
図8(c)に示すように、貫通孔15内に貫通電極16を形成する。なお、本実施形態では、保護部材21が貫通電極16の形成後に配置されているが、これに限らず、保護部材21が貫通電極16の形成前に配置されてもよい。
図8(d)に示すように、貫通電極16に電気的に接続された第1導電層12及び第3導電層17、第1導電層12の上に配置された第1絶縁層13、第1絶縁層13の上に配置された第2導電層14を順次形成し、インターポーザー10が作製される。このように、基板11の外周の少なくとも一部に保護部材21を配置されることにより、基板11の外周の破損を抑制することができる。
なお、上述の製造方法において、レジスト層を形成した後に電解めっきを行うことにより、第1導電層12、貫通電極16、及び第3導電層17が同時に形成されるような工程が実施されてもよい。
さらに、図9は、本開示の一実施形態に係るインターポーザー10を製造する方法を説明する図である。図9(a)に示すように、第1基板面11a、第2基板面11b、及び第3基板面11cを有する基板11を準備する。
図9(b)に示すように、基板11の外周の少なくとも一部に保護部材21を配置する。この例では、保護部材21は、第1基板面11aの端部、第2基板面11bの端部、及び、第1基板面11aと第2基板面11bとを接続する第3基板面11cを覆うように配置される。保護部材21がテープである場合、基板11の外周にテープを貼合することにより保護部材21を形成することができる。また、保護部材21が樹脂膜である場合、例えば、感光性樹脂を基板11の外周の少なくとも一部を含むように塗布し、当該塗布膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることにより保護部材21を形成することができる。
図9(c)に示すように、第1基板面11aと第2基板面11bを接続する貫通孔15を形成する。貫通孔15は、レーザー加工、エッチング等の手法により形成される。
図9(d)に示すように、貫通孔15内に貫通電極16を形成する。
図9(e)に示すように、貫通電極16に電気的に接続された第1導電層12及び第3導電層17、第1導電層12の上に配置された第1絶縁層13、第1絶縁層13の上に配置された第2導電層14を順次形成、インターポーザー10が作製される。このように、基板11の外周の少なくとも一部に保護部材21を配置されることにより、基板11の外周の破損を抑制することができる。
なお、図1〜図9に示した実施形態において、保護部材21は、2つ以上の層で構成されてもよい。保護部材21が複数の層で構成される場合、保護部材21は、基板11に接触する第1層と、第1層上の第2層を含んでもよい。この場合、第2層は、第1層から剥離可能に構成されていてもよい。例えば、第2層は、インターポーザー10の製造後であって、バンプ形成前に第1層から剥離可能に取付けられた追加の層でもよい。この場合、製造工程や取付工程において実際に影響する第1層の高さが、上述の式における保護部材21の高さHに対応する。
なお、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることがあり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
10 …インターポーザー
11 …基板
12 …第1導電層
13 …第1絶縁層
14 …第2導電層
15 …貫通孔
16 …貫通電極
17 …第3導電層
18 …樹脂層
19 …ビアホール
20 …接続部
21 …保護部材
22 …保護部材の第1部分
23 …保護部材の第2部分
24 …保護部材の第3部分
40 …バンプ
41 …配線基板
42 …半導体チップ

Claims (1)

  1. 第1基板面と、前記第1基板面に対して反対の側の第2基板面と、前記第1基板面と前記第2基板面とを接続する第3基板面とを有する基板と、
    前記第1基板面と前記第2基板面とを導通する貫通電極と、
    前記第1基板面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第1導電層と、
    前記第1導電層の上に配置された絶縁層と、
    前記絶縁層の上に配置された第2導電層と、を備え、
    前記基板の外周の少なくとも一部に保護部材が配置されている、インターポーザー。

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