JP2021180333A - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、シリコン貫通電極(TSV:Through Silicon Via)を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a through silicon via (TSV).
シリコン基板等の半導体基板を貫通する貫通孔を介して電極を設ける構造を備える半導体装置やその製造方法が種々提案されている。 Various semiconductor devices having a structure in which electrodes are provided through through holes penetrating a semiconductor substrate such as a silicon substrate and methods for manufacturing the same have been proposed.
本発明者がTSVを備える半導体装置およびその製造方法を鋭意研究した結果、シリコン基板に設けられた貫通孔に形成したメッキ用のシード層にピンホール等の欠陥が生じ、その欠陥からシリコン基板の表面に設けた電極層に侵食が生じてしまい、それが原因となって、半導体装置の信頼性が低くなってしまうことがあることを見出した。 As a result of diligent research by the present inventor on a semiconductor device equipped with a TSV and a method for manufacturing the same, defects such as pinholes occur in the seed layer for plating formed in the through holes provided in the silicon substrate, and the defects cause defects in the silicon substrate. It has been found that the electrode layer provided on the surface is eroded, which may reduce the reliability of the semiconductor device.
本発明の主な目的は、基板に設けられた貫通電極を備える半導体装置であって、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。 A main object of the present invention is to provide a semiconductor device provided with a through electrode provided on a substrate, and to provide a highly reliable semiconductor device.
本発明の第1の態様に係る半導体装置は、一主面と前記一主面とは反対側の他の主面とを有する半導体基板と、前記他の主面側に設けられた第1の導電層と、前記一主面から前記他の主面まで前記半導体基板を厚さ方向に貫通して前記第1の導電層を露出する貫通孔内であって前記半導体基板上に設けられた第2の導電層と、前記貫通孔内であって前記第1の導電層上に設けられた第3の導電層と、前記貫通孔の端部であって前記第2の導電層と前記第3の導電層の間に形成された第4の導電層と、を備える。 The semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a semiconductor substrate having one main surface and another main surface opposite to the one main surface, and a first surface provided on the other main surface side. A first provided on the semiconductor substrate in a through hole that penetrates the semiconductor substrate from the one main surface to the other main surface in the thickness direction and exposes the first conductive layer. The second conductive layer, the third conductive layer in the through hole provided on the first conductive layer, the second conductive layer at the end of the through hole, and the third conductive layer. A fourth conductive layer formed between the conductive layers of the above.
本発明の第2の態様に係る半導体装置は、一主面と前記一主面とは反対側の他の主面とを有する半導体基板と、前記他の主面側に設けられた第1の導電層と、前記第1の導電層上に設けられた第2の導電層と、前記一主面から前記他の主面まで前記半導体基板を厚さ方向に貫通して前記第1の導電層を露出する貫通孔内であって前記半導体基板上に設けられた第3の導電層と、前記貫通孔内であって前記第1の導電層上に設けられた第4の導電層と、前記第3の導電層と前記第4の導電層の間に前記第3の導電層及び前記第4の導電層の一方と一体に形成され、前記第3の導電層及び前記第4の導電層のいずれよりも厚さが小さい第5の導電層と、を備える。 The semiconductor device according to the second aspect of the present invention includes a semiconductor substrate having one main surface and another main surface opposite to the one main surface, and a first surface provided on the other main surface side. The conductive layer, the second conductive layer provided on the first conductive layer, and the first conductive layer penetrating the semiconductor substrate from the one main surface to the other main surface in the thickness direction. A third conductive layer provided on the semiconductor substrate in the through hole that exposes the surface, a fourth conductive layer provided on the first conductive layer in the through hole, and the above. Between the third conductive layer and the fourth conductive layer, the third conductive layer and one of the fourth conductive layers are integrally formed, and the third conductive layer and the fourth conductive layer are formed. A fifth conductive layer having a thickness smaller than any of the above is provided.
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置が提供される。 According to the present invention, a highly reliable semiconductor device is provided.
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1−5(J)を参照すれば、本発明の好ましい第1の実施の形態の半導体装置1は、半導体シリコン基板10と、酸化シリコン膜12と、TiN膜14と、Al膜16と、貫通孔20と、CVD酸化膜22と、シードメタル層24と、Cuめっき層26と、Cuめっき層30と、ソルダーレジスト32とを備えている。
(First Embodiment)
Referring to FIG. 1-5 (J), the
酸化シリコン膜12は、シリコン基板10の主面11上に設けられている。TiN膜14は、酸化シリコン膜12上に設けられている。Al膜16は、TiN膜14上に設けられている。貫通孔20は、シリコン基板10の主面11とは反対側の主面13から主面11までシリコン基板10を貫通し、さらに酸化シリコン膜12およびTiN膜14を貫通し、底部にAl膜16を露出して設けられている。CVD酸化膜22は、貫通孔20の側面21およびシリコン基板10の主面13上に設けられている。シードメタル層24は、貫通孔20内のCVD酸化膜22上および主面13上のCVD酸化膜22上ならびに貫通孔20の底部に露出するAl膜16上に設けられている。Cuめっき層26は、貫通孔20内のシードメタル層24上および主面13上のシードメタル層24上ならびに貫通孔20の底部に設けられたシードメタル層24上に設けられている。Cuめっき層30は、貫通孔20内のCuめっき層26上および主面13上のCuめっき層26上ならびに貫通孔20の底部に設けられたCuめっき層26上に設けられている。ソルダーレジスト32は、シリコン基板10の主面13上のCVD酸化膜22上、主面13上のCuめっき層30上および貫通孔20内のCuめっき層30の開孔31内に設けられている。なお、MOSトランジスタ等の半導体素子等の回路素子(図示せず)は、シリコン基板10の主面11に形成され、酸化シリコン膜12によって覆われている。Al膜16は、半導体装置1を接続するデバイスパッド等として用いられる。
The
次に、図1−1〜1−5、図2〜5を参照して本発明の好ましい第1の実施の形態の半導体装置1の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
MOSトランジスタ等の半導体素子等の回路素子(図示せず)を、シリコン基板10の主面11に形成する。
A circuit element (not shown) such as a semiconductor element such as a MOS transistor is formed on the
図1―1(A)を参照すれば、次に、シリコン基板10の主面11上に酸化シリコン膜12を形成し、酸化シリコン膜12上にTiN膜14を形成し、TiN膜14上にAl膜16を形成する。なお、TiN膜14はAlのマイグレーションを防止するために設けている。
Referring to FIG. 1-1 (A), next, a
図1―1(B)を参照すれば、次に、シリコン基板10の主面11とは反対側の主面13上にレジスト18を形成し、レジスト18に選択的に開孔19を形成する。その後、レジスト18をマスクとしてシリコン基板10をエッチングして、シリコン基板10の主面13から主面11までシリコン基板10を貫通する貫通孔20を形成する。
Referring to FIG. 1-1 (B), next, a
図1―1(C)を参照すれば、次に、さらに酸化シリコン膜12およびTiN膜14をエッチングして、貫通孔20の底部にAl膜16を露出させる。
Referring to FIG. 1-1 (C), the
図1―2(D)を参照すれば、次に、貫通孔20の側面21、底部およびシリコン基板10の主面13上に、CVD酸化膜22を形成する。
Referring to FIG. 1-2 (D), next, a
図1―2(E)を参照すれば、次に、CVD酸化膜22をエッチバックして、貫通孔20の底部にAl膜16を露出させる。
Referring to FIG. 1-2 (E), the CVD
図1―3(F)を参照すれば、次に、スパッタ法により、貫通孔20内のCVD酸化膜22上および主面13上のCVD酸化膜22上ならびに貫通孔20の底部に露出するAl膜16上に、シードメタル層24を形成する。シードメタル層24は、最初にTiをスパッタし、その後、Cuをスパッタして形成する。
Referring to FIG. 1-3 (F), next, Al exposed on the
図1―3(G)を参照すれば、次に、全面Cuめっきにより、貫通孔20内のシードメタル層24上および主面13上のシードメタル層24上ならびに貫通孔20の底部に設けられたシードメタル層24上に、Cuめっき層26を形成する。Cuめっき層26は無電解めっきまたはシードメタル層24を利用した電解めっきで行う。
Referring to FIG. 1-3 (G), next, the entire surface is Cu-plated to be provided on the
図1―4(H)を参照すれば、次に、ドライフィルム28を形成し、ドライフィルム28に選択的に開孔29を形成する。開孔29は、貫通孔20を露出し、貫通孔20周辺のCuめっき層26を露出するように形成する。
Referring to FIG. 1-4 (H), the
図1―4(I)を参照すれば、次に、ドライフィルム28をマスクとして、貫通孔20内のCuめっき層26上、主面13上であってドライフィルム28の開孔29内のCuめっき層26上ならびに貫通孔20の底部に設けられたCuめっき層26上に、Cuめっき層30を形成する。Cuめっき層30はシードメタル層24およびCuめっき層26を利用した電解めっきで行う。
Referring to FIG. 1-4 (I), next, using the
図1―5(J)を参照すれば、次に、ドライフィルム28を除去し、その後、Cuめっき層30に覆われていないCuめっき層26およびシードメタル層24を除去する。その後、ソルダーレジスト32を、シリコン基板10の主面13上のCVD酸化膜22上、主面13上のCuめっき層30上および貫通孔20内のCuめっき層30の開孔31内に形成する。
Referring to FIG. 1-5 (J), the
スパッタにより貫通孔20内にシードメタル層24を均一に形成するのは困難であり、貫通孔20の底部の角部では、図2に示すように、未スパッタ部分241が発生する場合がある。本実施の形態では、全面Cuめっきにより、シードメタル層24上に、Cuめっき層26を形成しているので、図3に示すように、全面Cuめっきにより、未スパッタ部分241に蓋をすることができる。Cuめっきは等方成長なので、図4に示すように、未スパッタ部分241は、全面Cuめっきにより埋め込まれる。従って、図5に示すように、ドライフィルム28の現像液34(炭酸ナトリウム混合液)が未スパッタ部分241を介してAl膜16に侵入して、Al膜16を侵食するのを防止できる。なお、埋め込むためのCuめっき層26の膜厚は1.0〜1.5μmが好ましい。
It is difficult to uniformly form the
これに対して、図12に示すように、全面Cuめっきにより、シードメタル層24上にCuめっき層26を形成せずに、シードメタル層24上にドライフィルム28を形成し、ドライフィルム28に選択的に開孔29を形成すると、図13に示すように、ドライフィルム28の現像液34が未スパッタ部分241を介してAl膜16に侵入して、Al膜16を侵食し、Al空洞部161を形成してしまう。そして、その後、図14に示すように、ドライフィルム28をマスクにしてシードメタル層24上にCuめっき層30を形成し、その後ソルダーレジスト32を形成する。その後の工程の半田ボール形成時のリフロ熱や半導体装置1の実装時の実装リフロ熱、外部応力、熱ストレス等が加わると、図15に示すように、Al空洞部161を起点としてCVD酸化膜22にクラック221が生じ、その結果、リーク不良の可能性が高くなり、信頼性を低下させてしまう。
On the other hand, as shown in FIG. 12, the
(第2の実施の形態)
図6−4(I)を参照すれば、本発明の好ましい第2の実施の形態の半導体装置2は、半導体シリコン基板10と、酸化シリコン膜12と、TiN膜14と、Al膜16と、貫通孔20と、CVD酸化膜22と、シードメタル層24と、Cuめっき層30と、ソルダーレジスト32とを備えている。
(Second embodiment)
Referring to FIG. 6-4 (I), the
第1の実施の形態では、全面Cuめっきにより、シードメタル層24上に、Cuめっき層26を形成して、シードメタル層24の未スパッタ部分241に蓋をすることにより、その後のドライフィルム28の現像液34(炭酸ナトリウム混合液)が未スパッタ部分241を介してAl膜16に侵入して、Al膜16を侵食するのを防止したのに対して、本実施の形態では、シードメタル層24上に、全面CuめっきによりCuめっき層26を形成しない。第1の実施の形態では、酸化シリコン膜12およびTiN膜14をエッチングして、貫通孔20の底部にAl膜16を露出させた(図1―1(C)参照)が、本実施の形態では、酸化シリコン膜12のみを除去し、TiN膜14は除去しない。従って、貫通孔20は、シリコン基板10の主面11とは反対側の主面13から主面11までシリコン基板10を貫通し、さらに酸化シリコン膜12を貫通し、底部にTiN膜14を露出して設けられている。CVD酸化膜22は、貫通孔20の側面21およびシリコン基板10の主面13上に設けられている。シードメタル層24は、貫通孔20内のCVD酸化膜22上および主面13上のCVD酸化膜22上ならびに貫通孔20の底部に露出するTiN膜14上に設けられている。Cuめっき層30は、貫通孔20内のシードメタル層24上および主面13上のシードメタル層24上ならびに貫通孔20の底部に設けられたシードメタル層24上に設けられている。ソルダーレジスト32は、シリコン基板10の主面13上のCVD酸化膜22上、主面13上のCuめっき層30上および貫通孔20内のCuめっき層30の開孔31内に設けられている。なお、酸化シリコン膜12は、シリコン基板10の主面11上に設けられ、TiN膜14は、酸化シリコン膜12上に設けられ、Al膜16は、TiN膜14上に設けられている。MOSトランジスタ等の半導体素子等の回路素子(図示せず)は、シリコン基板10の主面11に形成され、酸化シリコン膜12によって覆われている。
In the first embodiment, the
次に、図6−1〜6−4、図7〜11を参照して本発明の好ましい第2の実施の形態の半導体装置2の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
MOSトランジスタ等の半導体素子等の回路素子(図示せず)を、シリコン基板10の主面11に形成する。
A circuit element (not shown) such as a semiconductor element such as a MOS transistor is formed on the
図6―1(A)を参照すれば、次に、シリコン基板10の主面11上に酸化シリコン膜12を形成し、酸化シリコン膜12上にTiN膜14を形成し、TiN膜14上にAl膜16を形成する。なお、TiN膜14はAlのマイグレーションを防止するために設けている。
Referring to FIG. 6-1 (A), next, a
図6―1(B)を参照すれば、次に、シリコン基板10の主面11とは反対側の主面13上にレジスト18を形成し、レジスト18に選択的に開孔19を形成する。その後、レジスト18をマスクとしてシリコン基板10をエッチングして、シリコン基板10の主面13から主面11までシリコン基板10を貫通する貫通孔20を形成する。
Referring to FIG. 6-1 (B), next, a resist 18 is formed on the
図6―1(C)、図7を参照すれば、次に、さらに酸化シリコン膜12をエッチングして、貫通孔20の底部にTiN膜14を露出させる。
Referring to FIGS. 6-1 (C) and 7, the
図6―2(D)、図8を参照すれば、次に、貫通孔20の側面21、底部およびシリコン基板10の主面13上に、CVD酸化膜22を形成する。
Referring to FIGS. 6-2 (D) and 8, next, a
図6―2(E)、図9を参照すれば、次に、CVD酸化膜22をエッチバックして、貫通孔20の底部にTiN膜14を露出させる。
Referring to FIGS. 6-2 (E) and 9, the
図6―3(F)、図10を参照すれば、次に、スパッタ法により、貫通孔20内のCVD酸化膜22上および主面13上のCVD酸化膜22上ならびに貫通孔20の底部に露出するTiN膜14上に、シードメタル層24を形成する。シードメタル層24は、最初にTiをスパッタし、その後、Cuをスパッタして形成する。
Referring to FIGS. 6-3 (F) and 10, next, by a sputtering method, the
図6―3(G)を参照すれば、次に、ドライフィルム28を形成し、ドライフィルム28に選択的に開孔29を形成する。開孔29は、貫通孔20を露出し、貫通孔20周辺のシードメタル層24を露出するように形成する。
Referring to FIG. 6-3 (G), the
図6―4(H)を参照すれば、次に、ドライフィルム28をマスクとして、貫通孔20内のシードメタル層24上、主面13上であってドライフィルム28の開孔29内のシードメタル層24上ならびに貫通孔20の底部に設けられたシードメタル層24上に、Cuめっき層30を形成する。Cuめっき層30はシードメタル層24を利用した電解めっきで行う。
Referring to FIG. 6-4 (H), next, using the
図6―5(I)を参照すれば、次に、ドライフィルム28を除去し、その後、Cuめっき層30に覆われていないシードメタル層24を除去する。その後、ソルダーレジスト32を、シリコン基板10の主面13上のCVD酸化膜22上、主面13上のCuめっき層30上および貫通孔20内のCuめっき層30の開孔31内に形成する。
Referring to FIG. 6-5 (I), the
スパッタにより貫通孔20内にシードメタル層24を均一に形成するのは困難であり、貫通孔20の底部の角部では、図11に示すように、未スパッタ部分242が発生する場合がある。本実施の形態では、TiN膜14を除去せずに残しているので、未スパッタ部分242が発生したとしても、TiN膜14がバリアとなり、ドライフィルム28の現像液34(炭酸ナトリウム混合液)が未スパッタ部分242を介してAl膜16に侵入して、Al膜16を侵食するのを防止できる。
It is difficult to uniformly form the
なお、本実施の形態のように、TiN膜14を除去せずに残す場合であっても、酸化シリコン膜12をエッチングするが、貫通孔20の底部にTiN膜14を残す際の面内のエッチング特性のばらつきにより、TiN膜14が一部除去されてしまい、ドライフィルム28の現像液34により、未スパッタ部分242とTiN膜14が一部除去されてしまった部分からAl膜16が侵食される可能性もあるので、第1の実施の形態のように、全面Cuめっきにより、シードメタル層24上に、Cuめっき層26を形成することがより好ましい。
Even when the
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。 Although various typical embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to those embodiments. Therefore, the scope of the present invention is limited only by the following claims.
10 半導体シリコン基板
12 酸化シリコン膜
14 TiN膜
16 Al膜
20 貫通孔
22 CVD酸化膜
24 シードメタル層
26 Cuめっき層
28 ドライフィルム
30 Cuめっき層
32 ソルダーレジスト
10
Claims (4)
前記他の主面側に設けられた第1の導電層と、
前記一主面から前記他の主面まで前記半導体基板を厚さ方向に貫通して前記第1の導電層を露出する貫通孔内であって前記半導体基板上に設けられた第2の導電層と、
前記貫通孔内であって前記第1の導電層上に設けられた第3の導電層と、
前記貫通孔の端部であって前記第2の導電層と前記第3の導電層の間に形成された第4の導電層と、
を備える半導体装置。 A semiconductor substrate having one main surface and another main surface opposite to the one main surface,
The first conductive layer provided on the other main surface side and
A second conductive layer provided on the semiconductor substrate in a through hole that penetrates the semiconductor substrate from the one main surface to the other main surface and exposes the first conductive layer. When,
A third conductive layer in the through hole provided on the first conductive layer,
A fourth conductive layer formed between the second conductive layer and the third conductive layer at the end of the through hole.
A semiconductor device equipped with.
前記第3の導電層は前記第2の導電層と同じ材料を含み前記貫通孔の底部に形成される
請求項1記載の半導体装置。 The second conductive layer is formed on the side of the through hole, and the second conductive layer is formed on the side portion of the through hole.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the third conductive layer contains the same material as the second conductive layer and is formed at the bottom of the through hole.
前記他の主面側に設けられた第1の導電層と、
前記第1の導電層上に設けられた第2の導電層と、
前記一主面から前記他の主面まで前記半導体基板を厚さ方向に貫通して前記第1の導電層を露出する貫通孔内であって前記半導体基板上に設けられた第3の導電層と、
前記貫通孔内であって前記第1の導電層上に設けられた第4の導電層と、
前記第3の導電層と前記第4の導電層の間に前記第3の導電層及び前記第4の導電層の一方と一体に形成され、前記第3の導電層及び前記第4の導電層のいずれよりも厚さが小さい第5の導電層と、
を備える半導体装置。 A semiconductor substrate having one main surface and another main surface opposite to the one main surface,
The first conductive layer provided on the other main surface side and
The second conductive layer provided on the first conductive layer and
A third conductive layer provided on the semiconductor substrate in a through hole that penetrates the semiconductor substrate from the one main surface to the other main surface in the thickness direction and exposes the first conductive layer. When,
A fourth conductive layer in the through hole provided on the first conductive layer,
Between the third conductive layer and the fourth conductive layer, the third conductive layer and one of the fourth conductive layers are integrally formed, and the third conductive layer and the fourth conductive layer are formed integrally. A fifth conductive layer, which is thinner than any of the above,
A semiconductor device equipped with.
前記貫通孔内であって前記第3の導電層、前記第4の導電層及び前記第5の導電層上に設けられた第6の導電層をさらに備えた
請求項3記載の半導体装置。 The fifth conductive layer is formed at the end of the through hole and is formed.
The semiconductor device according to claim 3, further comprising a third conductive layer, a fourth conductive layer, and a sixth conductive layer provided on the fifth conductive layer in the through hole.
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