JP2024042010A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に配線が形成された配線基板、配線基板の製造方法および配線基板を含む半導体装置を提供する。【解決手段】配線基板１００は、第１の元素を含む基板１０２、基板１０２に接し、第１の金属元素を含む拡散層１０６および拡散層１０６に接し、第２の金属元素を含む第１の金属膜１０４を有する。拡散層１０６は、少なくとも第１の元素と第１の金属元素を含む領域と、第１の金属元素と第２の金属元素を含む領域を有する。拡散層１０６における第２の金属元素の濃度は、厚さ方向において基板１０２に近づくにつれて減少してもよい。拡散層１０６における第１の元素の濃度は、厚さ方向において第１の金属膜１０４に近づくにつれて減少してもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、基板上に配線が形成された配線基板、配線基板の製造方法、および配線基板を含む半導体装置に関する。

電子機器には、通常、基板とその上に設けられる配線を含む基本構造（以下、配線基板と記す）が用いられる。このような配線基板は、それ自体が半導体装置として機能するだけでなく、種々の電子部品を電気的に接続するための基板として、あるいは半導体装置を電子機器に実装するための基板（インターポーザ）としても広く応用されている。基板上に配線を設けるための様々な方法が開発されており、例えば特許文献１、２に開示された方法では、絶縁性の基板と配線の間に金属酸化物を含む膜を設け、これにより基板と配線間の密着性の向上が図られている。

特表２０１６／５３３４３０号明細書 特表２０１６／５３３４２９号明細書

本開示の課題の一つは、配線基板とその製造方法を提供することである。例えば本開示の課題の一つは、基板と配線間の密着性が高い配線基板とその製造方法を提供することである。あるいは本開示の課題の一つは、この配線基板を有する半導体装置を提供することである。

本開示の実施形態の一つは、配線基板である。この配線基板は、第１の元素を含む基板、基板に接し、第１の金属元素を含む拡散層、および拡散層に接し、第２の金属元素を含む第１の金属膜を有する。拡散層は、少なくとも第１の元素と第１の金属元素を含む領域と、第１の金属元素と第２の金属元素を含む領域を有する。

本開示の実施形態の一つは、配線基板の製造方法である。この製造方法は、第１の金属元素の酸化物を含む第１の中間層を第１の元素を含む基板上に形成すること、第１の元素を第１の中間層へ拡散することによって第１の中間層を第２の中間層に変換すること、第２の金属元素を含む第１の金属膜を第２の中間層の上に形成すること、および第２の金属元素を第２の中間層に拡散することによって第２の中間層を拡散層へ変換することを含む。

実施形態の一つに係る配線基板の模式的断面図、および配線基板の厚さ方向の濃度プロフィールの模式図。 実施形態の一つに係る配線基板の、厚さ方向における元素濃度プロフィールの模式図。 実施形態の一つに係る配線基板の、厚さ方向における元素濃度プロフィールの模式図。 実施形態の一つに係る配線基板の、厚さ方向における元素濃度プロフィールの模式図。 実施形態の一つに係る配線基板の、厚さ方向における元素濃度プロフィールの模式図。 実施形態の一つに係る配線基板の模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板の製造方法を示す模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板の製造方法を示す模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板の製造方法を示す模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板の製造方法を示す模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板を含む半導体装置の模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板を含む半導体装置の模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板を含む半導体装置の模式的断面図。 実施形態の一つに係る配線基板のエネルギー分散型Ｘ線分析結果。

以下、本開示の各実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省くことがある。

本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上、あるいは下に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」、あるいは「下」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上、あるいは直下に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方あるいは直下に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。

本明細書および請求項において、「ある構造体が他の構造体から露出するという」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。

（第１実施形態）
本実施形態では、本開示の実施形態の一つに係る配線基板１００について説明する。

１．基本構造
配線基板１００の断面模式図を図１（Ａ）に示す。配線基板１００は、基板１０２、基板１０２上に位置し、基板１０２と接する拡散層１０６、拡散層１０６の上に位置し、拡散層１０６と接する第１の金属膜１０４を含む。配線基板１００はさらに、第１の金属膜１０４の上に位置し、第１の金属膜１０４と接する第２の金属膜１０８を任意の構成として備えてもよい。

基板１０２は第１の元素を含む。ここで第１の元素は、酸素以外の元素から選択され、基板１０２の主成分に含まれる元素である。本明細書と請求項では、ある構成の主成分とは、その構成の９０重量％以上を占める成分である。基板１０２としては、ガラス基板、石英基板、ケイ素やゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウムなどの半導体を含む半導体基板、アルミナやジルコニアなどのセラミックを含むセラミック基板、サファイア基板などの単結晶金属酸化物を含む基板などが例示される。ガラスを主成分とする基板の場合、樹脂が複合されていてもよい。上述した基板を用いる場合、第１の元素はケイ素、ゲルマニウム、アルミニウム、ジルコニウム、ヒ素、窒素などから選択される。

上述した基板の中でも、ガラス基板は安価に入手でき、優れた絶縁性を示すことから、配線基板１００を半導体装置のインターポーザとして利用する場合に好ましい。ガラス基板に含まれるガラスとしては、ソーダ石灰ガラスやフッ化物ガラス、リン酸ガラス、ホウ酸ガラスなどが挙げられる。

基板１０２の表面の粗さに制約はなく、例えば０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以上、５ｎｍ以上であってよい。基板１０２の表面の粗さは２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、あるいは５０ｎｍ以下でもよい。基板１０２の表面の粗さは０．１ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下でもよい。表面粗さは、例えば光干渉顕微鏡を用いて測定すればよい。基板１０２上に比較的厚さの小さい配線を設けると、その表面に基板１０２の表面粗さが反映されるが、基板１０２の表面粗さを上述した範囲に調整することにより、配線の表面粗さの増大も抑制される。このため、配線基板１００を高周波回路基板に適用した場合、伝送損失を低減することができる。また、配線をフォトリソグラフィーによって加工する場合、露光機からの光の散乱を抑制することができ、配線の微細加工が妨げられることを防止することができる。

ここで表面粗さは、以下の式で表されるパラメータである、算術平均粗さＲａによって評価することができる。この式において、Ｌは評価対象である基板１０２上の測定長であり、ｆ（ｘ）は測定長方向をｘとした時の高さである。Ｒａは、測定長における高さの絶対値を測定長で平均したものである。

算術平均粗さＲａの測定方法の一例は以下の通りである。まず、基板１０２上の任意の測定領域を複数選択する。測定領域の大きさは、例えば０．３０ｍｍ×０．２２ｍｍの四角形とすればよい。例えば基板１０２上の四隅と中央の五か所を測定領域として選択すればよい。次に複数の領域のそれぞれにおいて任意の二点を設定する。この二点間の距離は０．１ｍｍとし、これが測定長Ｌに相当する。この二点間の算術平均粗さＲａを測定し、複数の測定領域で得られる算術平均粗さＲａの平均を基板１０２の表面粗さとして採用する。例えば基板１０２上の四隅と中央の五か所を測定領域として選択した場合、五つの測定結果の平均が基板１０２の表面粗さとなる。なお、それぞれの測定領域で複数の測定を行い、その平均を一つの測定領域における算術平均粗さＲａとして採用してもよい。算術平均粗さＲａは、例えば白色干渉計を用いた３Ｄ光学プロファイラー（例えばＺｙｇｏ社製３Ｄ光学プロファイラーＺｙｇｏ Ｎｅｗ Ｖｉｅｗ５０００など）を用いて測定することができる。

第１の金属膜１０４は、０価の金属元素（第２の金属元素）を含み、配線基板１００の配線として、あるいは第２の金属膜１０８もしくは配線基板１００上に設けられる種々の配線（図示しない）を電解めっき法で形成するためのシード層として機能することができる。第２の金属元素としては、銅、チタン、クロム、ニッケル、金などが挙げられる。第１の金属膜１０４の厚さに制約は無く、例えば０．５μｍ以上、１μｍ以上、あるいは５μｍ以上であり、５０μｍ以下、３０μｍ以下、あるいは２０μｍ以下とすることができる。第１の金属膜１０４の厚さは０．５μｍ以上５０μｍ以下、１μｍ以上３０μｍ以下、あるいは５μｍ以上２０μｍ以下でもよい。第１の金属膜１０４の厚さをこの範囲に設定することで、配線として十分な導電性を確保することが可能である。また、例えば第１の金属膜１０４をめっき法で形成する場合でも短時間で形成することができ、フォトリソグラフィーで第１の金属膜１０４を形成した場合でも、微細加工を容易に行うことができる。

拡散層１０６は、第１の金属膜１０４を基板１０２に強固に接着する機能を有し、したがって、密着層とも呼ばれる。拡散層１０６は、第１の金属膜１０４と基板１０２の間に設けられる中間層の相互拡散により生成されるものである。中間層は第１の金属元素を含む。例えば、中間層は第１の金属の酸化物、あるいは窒化物を含み、第１の金属としては、亜鉛、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、スズなどが挙げられる。中間層の第１の金属を含む領域を拡散層１０６とする。拡散層１０６の厚さは１ｎｍ以上であればよい。これにより、拡散層１０６が基板１０２の表面粗さに追従することができ、第１の金属膜１０４と基板１０２との高い密着性を確保できるのみならず、第１の金属膜１０４と同時に微細加工を施すことができる。拡散層１０６の厚さは１μｍ以下、１００ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、あるいは１０ｎｍ以下であってもよい。拡散層１０６の厚さは１ｎｍ以上１μｍ以下、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、あるいは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。これにより、拡散層１０６を短時間で形成することができるとともに、エッチングなどの加工時にエッチング残渣が基板１０２上に残存することなく、近接する配線間を確実に絶縁することができる。例えば基板１０２の算術平均粗さＲａが５ｎｍの場合、拡散層１０６の厚さを１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で設定すればよい。

２．拡散層の組成
拡散層１０６にはさらに、第１の金属元素に加え、基板１０２に含まれる第１の元素、および第１の金属膜１０４に含まれる第２の金属元素が含まれる。より具体的には、拡散層１０６は、第１の元素、第１の金属元素、および第２の金属元素が共存する領域、第１の金属元素と第１の元素が共存する領域、および第１の金属元素と第２の金属元素が共存する領域の少なくとも一つを含む。例えば拡散層１０６は、第１の金属元素と第１の元素を含む領域と、第１の金属元素と第２の金属元素を含む領域を有してもよい。

したがって拡散層１０６の厚さは中間層の厚さとは必ずしも一致せず、上記三つの領域のうち少なくとも一つが存在する部分の厚さとして定義することができる。この場合の厚さの測定は、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析により行うことができる。具体的には、基板１０２上に少なくとも拡散層１０６と第１の金属膜１０４が配置された試料を集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）を用いて加工して断面を露出し、各層間の界面を走査するように基板１０２側から電子線を照射し、Ｓｉドリフト検出器などを用いて特性Ｘ線を検出する。特性Ｘ線の強度に基づいて各元素の原子組成分率（ａｔｏｍｉｃ％）を得る。これにより、深さ方向の元素分布が得られ、上記領域が特定される。これらの領域の少なくとも一つが存在する部分の厚さを算出することで拡散層１０６の厚さとすることができる。

図１（Ｂ）に、第１の元素、第１の金属元素、第２の金属元素の配線基板１００の厚さ方向における濃度プロフィールを模式的に示す。以下図１（Ｂ）から図５（Ｂ）では、縦軸は、規格化された元素濃度（すなわち、単位体積当たりの第１の元素、第１の金属元素、第２の金属元素の原子の数）であり、横軸は配線基板１００の深さである。深さとは、第１の金属膜１０４の上面の法線に沿った、基板１０２へ向かう方向における第１の金属膜１０４の上面からの距離である。

図１（Ｂ）に示すように、第１の元素の濃度１０２ａは、厚さ方向において基板１０２と拡散層１０６の界面１０３から第１の金属膜１０４に近づくにつれて低下する。同様に、第２の金属元素の濃度１０４ａは、厚さ方向において拡散層１０６と第１の金属膜１０４との界面１０５から基板１０２に近づくにつれて減少する。これらの濃度変化は連続的でもよい。ここで界面１０３とは、第１の金属元素が存在しない、あるいは実質的に検出できない領域と、第１の金属元素が存在する、あるいは検出可能な領域との間に位置し、かつ、第１の金属膜１０４よりも基板１０２に近い面である。界面１０５とは第１の金属元素が存在しない、あるいは実質的に検出できない領域と、第１の金属元素が存在する、あるいは検出可能な領域との間に位置し、かつ、基板１０２よりも第１の金属膜１０４に近い面である（図１（Ｂ）参照）。これらの界面１０３、１０５の間が拡散層１０６であり、拡散層１０６では、第１の金属元素の濃度１０６ａの深さに対するプロットは、少なくとも一つのピークを与える（図１（Ｂ））。

したがって拡散層１０６では、配線基板１００の深さに対する第２の金属元素の濃度１０４ａのプロット（図１（Ｂ）中の一点鎖線）は、深さに対する第１の元素のプロット（図１（Ｂ）中の破線）と交差する。なお、第１の元素の濃度１０２ａ、第１の金属元素の濃度１０６ａ、および第２の金属元素の濃度１０４ａは、例えばＥＤＸ分析などによって測定することができる。

図１（Ｂ）に示した例では、第２の金属元素の濃度１０４ａは、拡散層１０６内で基板１０２に近づくにつれて減少し、界面１０３において実質的に検出できなくなる。同様に、第１の元素の濃度１０２ａは、拡散層１０６内で第１の金属膜１０４に近づくにつれて減少し、界面１０５において実質的に検出できなくなる。換言すると、拡散層１０６の全体にわたって第１の元素、第１の金属元素、および第２の金属元素が共存する。

拡散層１０６における第１の元素と第２の金属元素の濃度プロフィールは図１（Ｂ）に示したものに限られない。例えば図２（Ａ）に示すように、拡散層１０６は、第１の元素が存在しない、あるいは実質的に検出できない領域１０６ｂを界面１０５側に有してもよい。あるいは図２（Ｂ）に示すように、拡散層１０６は、第２の金属元素が存在しない、あるいは実質的に検出できない領域１０６ｃを界面１０３側に有してもよい。

あるいは図３（Ａ）に示すように、第２の金属元素は、拡散層１０６だけでなく基板１０２に含まれてもよい。この場合、基板１０２内の第２の金属元素の濃度１０４ａは、界面１０３から遠ざかるにつれて減少する。逆に、第１の元素が拡散層１０６だけでなく第１の金属膜１０４に含まれてもよい（図３（Ｂ））。この場合、第１の金属膜１０４内の第１の元素の濃度１０２ａは、界面１０５から遠ざかるにつれて減少する。

拡散層１０６は、上述した濃度プロフィールが組み合わされるように構成してもよい。例えば図４（Ａ）に示すように、拡散層１０６は、領域１０６ｂと領域１０６ｃの両者をそれぞれ界面１０５側、１０３側に有してもよい。この場合、拡散層１０６において第１の元素、第１の金属元素、および第２の金属元素が共存する領域が領域１０６ｂ、１０６ｃに挟まれる。

あるいは図４（Ｂ）に示すように、拡散層１０６が領域１０６ｃを有するとともに、第１の元素が拡散層１０６だけでなく第１の金属膜１０４に含まれてもよい。逆に、図５（Ａ）に示すように、拡散層１０６が領域１０６ｂを有するとともに、第２の金属元素が拡散層１０６だけでなく基板１０２に含まれてもよい。あるいは図５（Ｂ）に示すように、第１の元素が拡散層１０６だけでなく第１の金属膜１０４に含まれ、かつ、第２の金属元素が拡散層１０６だけでなく基板１０２に含まれてもよい。

いずれの濃度プロフィールを有する場合でも、拡散層１０６では、配線基板１００の深さに対する第２の金属元素の濃度１０４ａのプロットは、深さに対する第１の元素の濃度のプロットと交差する。したがって、拡散層１０６のいずれの領域でも第１の金属元素に加え、第１の元素と第２の金属元素の少なくとも一方が含まれ、第１の金属元素は含まれるものの第１の元素と第２の金属元素の両者がともに含まれない領域は存在しない。

３．変形例
図６（Ａ）に示すように、配線基板１００の基板１０２は貫通孔１１０を有していてもよい。この場合、拡散層１０６と第１の金属膜１０４は、基板１０２の上面と下面、および貫通孔１１０の側壁を覆うように設けられる。任意の構成として設けられる第２の金属膜１０８も基板１０２の上面と下面、および貫通孔１１０の側壁を覆うように配置してもよい。貫通孔１１０の全体を第１の金属膜１０４、あるいは第２の金属膜１０８で塞がない場合、貫通孔１１０を埋めるように充填材１１２を形成してもよい。充填材１１２としては、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどの有機化合物が挙げられる。有機化合物には酸化ケイ素などの無機材料が混合されていてもよい。あるいは図６（Ｂ）に示すように、貫通孔１１０を塞ぐように第２の金属膜１０８、あるいは第１の金属膜１０４を設けてもよい。後述するように、第１の金属膜１０４、あるいは第１の金属膜１０４と第２の金属膜１０８の積層は、基板１０２に搭載される種々の素子や半導体装置を電気的に接続するための貫通配線として機能することができる。

上述した構成を有する配線基板１００では、実施例において実験的に証明されるように、拡散層１０６の存在に起因して基板１０２と第１の金属膜１０４との間に大きな接着力が得られる。また、拡散層１０６には第１の元素の酸化物が単独で存在する領域が実質的に存在しないため、拡散層１０６は、実質的に第１の元素の酸化物のみからなる領域を有する膜と比較して高いエッチング耐性を有する。このため、拡散層１０６は第１の金属膜１０４と同程度のエッチング速度を示し、第１の金属膜１０４のエッチング時、第１の金属膜１０４の下に位置する拡散層１０６のエッチング（サイドエッチング）が生じにくい。特に拡散層１０６が第１の元素、第１の金属元素、および第２の金属元素が共存する領域を有する場合、中間層が単独で存在することが無いため、このようなサイドエッチングが防止され、高い接着力を発現することができる。その結果、第１の金属膜１０４が基板１０２から剥離する現象を効果的に抑制することができ、信頼性の高い配線基板、およびそれを含む半導体装置を提供することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で述べた配線基板１００の製造方法について述べる。第１実施形態で述べた構成と同様、あるいは類似する構成については説明を割愛することがある。

まず、拡散層１０６の前駆体となる第１の中間層１２０を基板１０２－１上に形成する（図７、Ｓ１）。第１の中間層１２０は、第１の元素の酸化物を含み、スパッタリング法、電子線蒸着や真空蒸着などの物理的気相成長（ＰＶＰ）法、あるいはゾル－ゲル法などによって形成される。ゾル－ゲル法を用いる場合には、テトラエチル亜鉛やテトラエトキシチタン、テトラエトキシジルコニウムなどの金属アルコキシドを原料として用い、これを含む溶液、あるいは混合液をスピンコート法やディップコーティング法、印刷法などによって基板１０２－１上に塗布し、その後、金属アルコキシドを加水分解することによって第１の中間層１２０が形成される。第１の中間層１２０の厚さは５ｎｍ以上であればよく、２０ｎｍ、あるいは１５ｎｍ以下とすればよい。第１の中間層１２０の厚さは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、あるいは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下でもよい。

中間層の厚さは、薄膜検量線法で測定することができる。具体的には、まず、既知の厚さを有し、中間層１２０に含まれる金属を含む金属薄膜を標準サンプルとして用い、これにＸ線を照射して得られる蛍光Ｘ線強度を測定する。厚さの異なるサンプルを複数用い、厚さと蛍光Ｘ線強度の関係を示す検量線を作製する。次に基板１０２上に形成される中間層１２０に対して同様の測定を行い、得られる蛍光Ｘ線強度から検量線を用いて厚さを見積もる。この測定においても、中間層１２０の複数の領域で測定を行い、それぞれの領域で得られる厚さを平均することで得られる値と中間層１２０の厚さとして採用することができる。複数の領域としては、例えば基板１０２の四隅と中央の五つの領域を選択することができる。

測定装置の一例としては、半導体検出器と比例計数管の両者を検出器として搭載し、０．１ｍｍ径のコリメータが搭載されたセイコーインスツル製蛍光Ｘ線分析装置ＳＦＴ９４５０が挙げられる。本装置を用い、管電流１５００μＡ、測定時間３０秒の条件下、上述した方法に従って中間層１２０の厚さを測定される。

その後、基板１０２－１、およびその上に形成された第１の中間層１２０に対して加熱処理を行い、基板１０２－１に含まれる第１の元素を第１の中間層１２０へ拡散させる。加熱処理は、例えば１００℃以上、２００℃以上、２５０℃以上、あるいは３５０℃以上であり、７００℃以下、６００℃以下、あるいは５５０℃以下の温度範囲から設定される温度で行えばよい。この温度範囲は、１００℃以上７００℃以下、２００℃以上７００℃以下、２５０℃以上６００℃以下、あるいは３５０℃以上５５０℃以下でもよい。加熱温度にも依存するが、加熱時間は、例えば１０分以上、１５分以上、あるいは３０分以上でよく、５時間以下、あるいは２時間以下でよい。典型的な加熱時間は１時間である。加熱時間は、１０分以上５時間以下、１５分以上５時間以下、あるいは３０分以上２時間以下でもよい。基板１０２の耐熱温度（ガラス転移温度、あるいは融点）よりも高い温度で加熱する場合には、１秒から３０秒程度の短時間で加熱処理を行うことが好ましい。この加熱処理により、第１の中間層１２０は、第１の金属元素と第１の元素を含む第２の中間層１２２へ変換される（図７、Ｓ２）。第１の金属元素の少なくとも一部は酸化物として存在する。基板１０２－１と第１の中間層１２０はそれぞれ相互拡散により、基板１０２－２と第２中間層１２２に変換される。

引き続き、金属膜１０４－１を第２の中間層１２２上に形成する。第２の中間層１２２は、例えば無電解めっき法、スパッタリング法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を含む化学気相成長（ＣＶＤ）法、真空蒸着や電子線蒸着などのＰＶＤ法などによって形成すればよい。この時の温度は、室温（２０℃以上２５℃以下）または室温以上であり、１００℃以下または５０℃以下の温度で行うことができる（図７、Ｓ３）。金属膜１０４－１形成時の温度は、室温以上１００℃以下、あるいは室温以上５０℃以下でもよい。

この後、再度加熱処理を行い、金属膜１０４－１に含まれる第１の金属を第２の中間層１２２へ拡散させる。加熱処理の温度や時間は、上述した範囲から適宜選択することができる。この時、基板１０２に含まれる第１の元素がさらに第２の中間層１２２へ拡散してもよい。この加熱処理により、第２の中間層１２２は、第１実施形態で述べた濃度プロフィールを有する拡散層１０６へ変換される（図７、Ｓ４）。また、第２の中間層１２２と相互拡散を行った後の金属膜１０４－１を第１の金属膜１０４とする。図示しないが、第１の金属膜１０４上に第２の金属膜１０８を形成してもよい。第２の金属膜１０８は、スパッタリング法やＣＶＤ法、ＰＶＤ法などによって形成することができる。あるいは第１の金属膜１０４をシード層として用い、第１の金属膜１０４に給電することによって第２の金属膜１０８を形成してもよい。

貫通孔１１０を有する配線基板１００を製造する場合には、まず、基板１０２に貫通孔１１０を設ける（図８、Ｓ１０）。貫通孔１１０はプラズマエッチングやウェットエッチングなどのエッチング、レーザ照射、あるいはサンドブラストや超音波ドリルなどの機械的な加工によって形成すればよい。必要に応じ、貫通孔１１０を形成した後に基板１０２をフッ酸で処理し、基板１０２の上面や下面、貫通孔１１０の側壁の平坦化を行ってもよい。

貫通孔１１０を形成した後、第１の中間層１２０を基板１０２の上面、下面、および貫通孔１１０の側壁を覆うように形成する（図８、Ｓ１１）。その後、上述した加熱処理によって第１の中間層１２０を第２の中間層１２２へ変換し（図８、Ｓ１２）、第２の中間層１２２上に金属膜１０４－１を形成する（図８、Ｓ１３）。この後、上述した加熱処理を行って第２の中間層１２２を拡散層１０６へ変換する（図９、Ｓ１４）。

この後、基板１０２の上面と下面の一部に第２の金属膜１０８を形成する。例えば図９のＳ１５に示すように、第２の金属膜１０８を設けない領域を覆うようにレジストマスク１２４を第１の金属膜１０４上に設ける。レジストマスク１２４は液体のレジストを塗布、硬化することで形成しても良いが、基板１０２が貫通孔１１０を有しているため、フィルム状のレジストを基板１０２の上面と下面に貼り付け、その後露光と現像を行うことでレジストマスク１２４を効率よく形成することができる。

この後、第１の金属膜１０４に対して給電を行って電解めっきを行う。これにより、レジストマスク１２４から露出した第１の金属膜１０４上に第２の金属膜１０８が形成される（図９、Ｓ１６）。この後、レジストマスク１２４を除去し（図１０、Ｓ１７）、エッチングによって第２の金属膜１０８から露出した第１の金属膜１０４と拡散層１０６を除去する（図１０、Ｓ１８）。エッチングは、硫酸などの酸を含むエッチャントを使用して行うことができる。以上のプロセスにより、貫通孔１１０を有する配線基板１００を製造することができる。詳細な説明は割愛するが、貫通孔１１０は、第１の金属膜１０４を形成した後、あるいは第２の金属膜１０８を形成した後に形成してもよい。

上述したように、本開示の拡散層１０６は第１の金属膜１０４と同程度のエッチング速度を示すため、第１の金属膜１０４のエッチングプロセス（Ｓ１８）においても拡散層１０６のサイドエッチングが起こらない、あるいは非常に遅い。したがって、拡散層１０６を介し、第１の金属膜１０４と基板１０２間に十分な接触面積を提供することができる。その結果、第１の金属膜１０４や第２の金属膜１０８の剥離を効果的に防ぐことができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態で述べた配線基板１００を利用した半導体装置について説明する。ここでは、図１０のステップＳ１８で得られる配線基板１００を利用した半導体装置を代表的な例として説明する。

図１１に示す半導体装置１３０は、メイン基板１３２と、その上に積層された複数の配線基板１００（配線基板１００－１、１００－２、１００－３）を有する。配線基板１００の数に制限はなく、半導体装置１３０に要求される性能に従って決定される。メイン基板１３２には種々の半導体チップ（メモリ装置、中央演算ユニット）や半導体素子（微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）など）が接続される。図１１には中央演算ユニット１３３をメイン基板１３２に設置した例を示す。第１実施形態で述べたように、配線基板１００は貫通配線として機能し、基板１０２の上面と下面に設けられる第２の金属膜１０８と第１の金属膜１０４（以下、これらを合わせて接続配線１３４と記す）を有し、接続配線１３４は半導体装置１３０における上下方向の電気的接続に寄与する。最下層の配線基板１００－１の接続配線１３４は、層間絶縁層１４２、１４２の間に配置されたビアホールまたは配線を通してバンプ１３６－１を介してメイン基板１３２上に設けられる端子１３８と電気的に接続される。配線基板１００－１の上部に設けられる接続配線１３４は、層間絶縁層１３９、１４０の間に設置されたビアホールまたは配線を通してバンプ１３６－２を介して配線基板１００－２に電気的に接続される。同様に、配線基板１００－２と配線基板１００－３もバンプ１３６－３を介して電気的に接続される。バンプ１３６には、インジウム、銅、金などの金属、あるいははんだなどの合金が含まれる。

図１２に示す半導体装置１５０のように、積層される配線基板１００は互いにサイズや形状が異なっていてもよく、メイン基板１３２上で積層される配線基板１００の数も異なっていてもよい。図１２に示した例では、一部の領域では二つの配線基板１００－４、１００－５が積層され、一部の領域では三つの配線基板１００－１、１００－２、１００－３が積層されている。

図１３に示す半導体装置１６０は、複数の半導体チップ１６２－１、１６２－２が配線基板１００を介してメイン基板１３２上に積層された構造を有する。半導体チップ１６２－１、１６２－２にはそれぞれ端子１６４、１６６が形成され、これらがバンプ１６８を介して配線基板１００－１の接続配線１３４と電気的に接続される。半導体チップの例としては、半導体チップ１６２－１は駆動チップ、半導体チップ１６２－２はメモリーチップ等が挙げられる。これにより、半導体チップ１６２－１、１６２－２が互いに電気的に接続される。また、ワイヤ配線１７０により、半導体チップ１６２－２とメイン基板１３２を電気的に接続してもよい。図１１から図１３では、接続配線１３４が直接バンプ１３６、１６８と接続されるように示されているが、バンプ１３６、１６８と接続配線１３４の間にリード配線などの他の配線が設けられてもよい。

１．実施例１
本実施例では、第２実施形態で述べた製造方法に従って作製された配線基板１００に含まれる元素を分析した結果について述べる。

配線基板１００の構造は図１（Ａ）に示すとおりであり、具体的な作製方法は以下の通りであった。酸化亜鉛を含む膜をゾル－ゲル法によってガラス基板（３０ｃｍ×４０ｃｍ、厚さ０．５ｍｍ、表面粗さ５ｎｍ）上に形成することによって第１の中間層１２０（厚さ１５ｎｍ）を形成した。その後、５５０℃で１時間加熱を行い、第１の中間層１２０を第２の中間層１２２へ変換した。引き続き、無電解めっき法を適用して銅の膜（厚さ０．５μｍ）を第１の金属膜１０４として第２の中間層１２２上に形成した。その後、再度４５０℃で１時間加熱を行い、第２の中間層１２２を拡散層１０６へ変換した。

なお、比較例として、表面粗さが５ｎｍ、２００ｎｍ、および１μｍ（１０００ｎｍ）の三つの基板を用い、第１の中間層１２０を形成せずに第１の金属膜１０４を基板上に直接形成した試料も作製した。これらの試料はそれぞれ、後述する表１の試料８から１０に相当し、拡散層１０６を持たない試料である。

元素分析は、加熱を行った後の配線基板１００をＦＩＢを用いて加工することによって断面を露出させ、各層間の界面を走査するように、基板１０２側からＥＤＸによって元素分析を行った。得られる特性Ｘ線強度を原子組成分率に変換し、深さ方向の元素分布を評価した。測定装置としては、元素分析装置を搭載した透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製、型番：ＨＤ－２７００）を用い、加速電圧２００ｋＶでビーム径約０．２ｎｍの電子線を配線基板１００に照射し、発生した特性Ｘ線をＳｉドリフト検出器を用いて検出した。元素分析装置としては堀場製作所製ＥＭＡＸ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎを用いた。エネルギー分解能は約１３０ｅＶ、Ｘ線取出角は２４．８°、立体角は２．２ｓｒであった。取り込み点数は１００点とし、各取り込み時間は１秒とした。

ＥＤＸ分析結果を図１４に示す。図１４では、配線基板１００の深さに対する亜鉛、ケイ素、および銅の濃度変化が示されている。図１４に示すように、深さが０ｎｍから３５ｎｍの領域と５０ｎｍより深い領域では亜鉛が実質的に検出できない。したがって、基板１０２と拡散層１０６の界面１０３、および拡散層１０６と第１の金属膜１０４の界面１０５はそれぞれ３５ｎｍ、５０ｎｍの深さに位置することが分かる。拡散層１０６に含まれる亜鉛の濃度のプロットは、拡散層１０６において一つのピークを示すことが確認された。

図１４から、基板１０２に含まれる第１の元素であるケイ素は、界面１０３から第１の金属膜１０４に近づくにつれてその濃度が減少することが分かる。同様に、第１の金属膜１０４に含まれる銅の濃度も界面１０５から基板１０２に近づくにつれて減少することが理解される。以上のことから、拡散層１０６には第１の金属元素である亜鉛が含まれ、かつ、第１の元素であるケイ素と第２の金属元素である銅が含まれることが確認された。また、拡散層１０６において、深さに対するケイ素と銅の濃度プロットは互いに交差する。このことから、拡散層１０６は、いずれの領域においても、第１の金属元素に加え、少なくとも第１の元素と第２の金属元素の一方が含まれることが分かった。

２．実施例２
本実施例では、基板１０２と第１の金属膜１０４との間の接着力に対する拡散層１０６の効果を評価した結果を示す。

実施例１で作製した配線基板１００の第１の金属膜１０４に対して給電を行い、電解めっき法により銅の膜（厚さ３μｍ）を第２の金属膜１０８として形成した。本実施例では、第１の中間層１２０の厚さは１５ｎｍとし、第２の金属膜１０８を形成した後の加熱温度を変化させ、拡散層１０６の効果を評価した。また、試料８から１０、すなわち拡散層１０６を設けない配線基板も比較例として評価した。

第１の金属膜１０４と基板１０２間の接着性に対する拡散層１０６の効果は、テープピール試験、およびエッチング試験により評価した。前者は、ポリイミドを基材とする接着テープ（日東電工社製、型番：耐熱絶縁用ポリイミド粘着テープＮｏ．３６０ＵＬ）を第２の金属膜１０８に貼り付けた後に粘着テープをはがし、粘着テープを目視で観察することで評価した。後者は、配線基板１００に対してエッチングを行い、エッチング中に第１の金属膜１０４や第２の金属膜１０８の剥離の有無を目視で確認することによって行った。エッチングは、エッチャントとして１％過硫酸アンモニウムを用い、２３℃、１ｍｉｎの条件で行った。

結果を表１に示す。表１に示すように、本開示で示した構造を有する拡散層１０６を用いる場合、第２の金属膜１０８形成後の加熱温度が２５０℃以上であれば（試料番号３から７）、テープピール試験において剥離が観測されず、第１の金属膜１０４、および第２の金属膜１０８が基板１０２上に残存することが分かった。また、加熱温度が３５０℃以上であれば（試料番号４から７）テープピール試験とエッチング試験のいずれにおいても剥離は観測されなかった。一方、拡散層１０６を用いない比較例（試料番号８）、すなわち、第１の中間層１２０を基板１０２上に形成しない場合では、第２の金属膜１０８形成後の加熱温度が４５０℃であってもテープピール試験において剥離が観察された。これらの結果は、本開示の拡散層１０６を設けない場合には第１の金属膜１０４と基板１０２との接着性が小さく、第１の金属膜１０４や第２の金属膜１０８が容易に基板１０２から剥離するのに対し、本開示の拡散層１０６を設けることで、基板１０２上に強固な接着力で金属配線を形成できることを明確に表している。

ここで、基板の表面粗さが増大するとアンカー効果が発現するため、通常、その上に形成される金属膜との密着性が向上する。しかしながら基板１０２の表面粗さが２００ｎｍであってもテープピール試験において剥離が観察され（試料９）、拡散層１０６を設けない場合には、表面粗さ１０００ｎｍという粗い表面が必要であることが試料１０の結果から確認された。しかしながら１０００ｎｍもの厚い拡散層１０６を設ける場合、上述したように微細加工が困難となり、例えばライン－スペース（Ｌ／Ｓ）が１０μｍ／１０μｍの配線を形成するには著しく不利となる。したがって、本開示の拡散層１０６を用いることにより、アンカー効果が期待されない程度の表面粗さを有する基板、すなわち、表面の平坦性が極めて高い基板上に微細加工が施された配線を形成することが可能となる。これは、例えば配線の高い平坦性が要求される高周波回路基板などの配線基板の製造に寄与するものである。

本開示の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本開示の要旨を備えている限り、本開示の範囲に含まれる。

また、上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本開示によりもたらされるものと理解される。

１００：配線基板、１００－１：配線基板、１００－２：配線基板、１００－３：配線基板、１００－４：配線基板、１００－５：配線基板、１０２：基板、１０２－１：基板、１０２－２：基板、１０２ａ：第１の元素の濃度、１０３：界面、１０４：第１の金属膜、１０４－１：金属膜、１０４ａ：第２の金属元素の濃度、１０５：界面、１０６：拡散層、１０６ａ：第１の金属元素の濃度、１０６ｂ：領域、１０６ｃ：領域、１０８：第２の金属膜、１１０：貫通孔、１１２：充填材、１２０：第１の中間層、１２２：第２の中間層、１２４：レジストマスク、１３０：半導体装置、１３２：メイン基板、１３３：中央演算ユニット、１３４：接続配線、１３６：バンプ、１３６－１：バンプ、１３６－２：バンプ、１３６－３：バンプ、１３８：端子、１４０：層間絶縁層、１４１：層間絶縁層、１５０：半導体装置、１６０：半導体装置、１６２－１：半導体チップ、１６２－２：半導体チップ、１６４：端子、１６６：端子、１６８：バンプ、１７０：ワイヤ配線

Claims (8)

1. 第１の元素を含む基板、
   前記基板に接し、第１の金属元素を含む拡散層、
   前記拡散層と接し、第２の金属元素を含む第１の金属膜、および
   前記第１の金属膜上に位置し、前記第１の金属膜と接する第２の金属膜を有し、
   前記拡散層は、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
   前記拡散層において、前記第１の元素、前記第１の金属元素、および前記第２の金属元素が共存する、配線基板。
2. 前記拡散層における前記第２の金属元素の濃度は、厚さ方向において前記基板に近づくにつれて減少し、
   前記拡散層における前記第１の元素の濃度は、前記厚さ方向において前記第１の金属膜に近づくにつれて減少する、請求項１に記載の配線基板。
3. 前記拡散層において、前記拡散層の厚さに対する前記第２の金属元素の濃度のプロットが前記厚さに対する前記第１の元素の濃度のプロットと交差する領域が存在する、請求項２に記載の配線基板。
4. 前記第１の元素はケイ素であり、
   前記第２の金属元素は、銅、チタン、クロム、ニッケル、および金から選択される、請求項１に記載の配線基板。
5. 前記第１の金属元素は、亜鉛、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、およびスズから選択される、請求項４に記載の配線基板。
6. 前記第１の金属元素は、前記拡散層において酸化物として存在する、請求項１に記載の配線基板。
7. 前記基板は、ガラス基板、石英基板、半導体基板、およびセラミック基板から選択される、請求項１に記載の配線基板。
8. 前記基板は貫通孔を有し、
   前記拡散層、前記第１の金属膜、およびは前記第２の金属膜は、前記基板の上面と下面、および前記貫通孔の側壁を連続的に覆う、請求項１に記載の配線基板。
   

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