JP4060195B2 - 貫通電極付き半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスや光デバイスなどの配線や、デバイスを積層溶接する際の配線層として好適に利用できる貫通電極を有する半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体基板を積層した状態でデバイス内部に実装する場合、この半導体基板に貫通電極を設けることによって、電極間の配線の少スペース化が可能となり、電子デバイスや光デバイスなどの小型化、高機能化が実現できる。
図2は、半導体基板11に形成された貫通電極の一例を示す断面図である。この貫通電極は、シリコンなどからなる半導体基板11の2つの主面を貫通するように形成された微細孔12内に、金属などの導電性物質14が充填されたものである。
【0003】
図3は、従来の貫通電極付き半導体基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である(特願2002-324135号)。
まず図3(a)に示されたように、半導体基板101の一方の主面101aのみに開口した非貫通の微細孔102を形成する。次に図3(b)に示されたように、微細孔102の内壁と半導体基板101の2つの主面101a,101bに絶縁層131を形成する。そして、図3(c)に示されたように、微細孔102内に金属などの導電性物質を充填して固化し、充填部104を形成する。
次に、図3(d)に示されたように、半導体基板101の他方の主面101bをエッチングして2点鎖線部を除去し、充填部104が半導体基板101の他方の主面101bから5μm程度突出した状態とする。そして、図3(e)に示されたように、半導体基板101の他方の主面101b上に、充填部104の突出高さよりも厚く絶縁層132を形成する。通常、絶縁層132の厚さは6μm程度である。
その後、絶縁層132全面を研磨して、図3(f)に示されたように2点鎖線部を除去し、導電性物質104を露出させて貫通電極とする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の方法では、図3(f)に示されたように、充填部104のうち、半導体基板101の他方の主面101bから突出した部分も含めて絶縁層132全面を研磨するため、表面に研磨ムラが生じ易い。このため、研磨ムラを考慮して、予め絶縁層132を半導体基板101の他方の主面上に6μm程度と厚く形成しておく必要がある(図3(e))。
例えば、CVD法などにより絶縁層132を形成する場合、絶縁層132を厚くするためにはプロセス時間を長くする必要がある。また、絶縁層132に係る材料費が増加し、製造コストが高くなってしまう。
更に、絶縁層132が厚いほど、絶縁層132と半導体基板101との熱膨張係数の差によって半導体基板101に反りが生じ易くなり、絶縁層132を精度良く研磨することが難しくなる。このため、貫通電極付き半導体基板の歩留まりを大きく低下させることとなる。
【0005】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち絶縁層の形成に係る時間の短縮と材料費の削減が実現でき、また歩留まり良く製造でき、かつ絶縁層と半導体基板との熱膨張係数の差によって生じる半導体基板の反りがほとんど無く、また研磨ムラのない絶縁層が形成された貫通電極付き半導体基板が製造できる製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、一方の主面のみに開口した微細孔を有する半導体基板の微細孔内に導電性物質を充填して充填部を形成する工程と、半導体基板の他方の主面をエッチングして、充填部が半導体基板の他方の主面から突出した状態とする工程と、エッチング後の半導体基板の他方の主面上に、該他方の主面からの充填部の突出高さ寸法よりも小さい厚さ寸法で絶縁層を形成する工程と、充填部のうち、前記絶縁層から突出した部分が無くなるように加工して、前記充填部と絶縁層の表面を同一の高さとする工程とを少なくとも有することを特徴とする貫通電極付き半導体基板の製造方法である。
請求項2に係る発明は、前記半導体基板の他方の主面をエッチングする工程にて、半導体基板の他方の主面からの充填部の突出高さ寸法T1が5μm≦T1≦20μmとなる状態とし、前記絶縁層を形成する工程にて、エッチング後の半導体基板の他方の主面上に、絶縁層の厚さ寸法T2が0.3μm≦T2<5μmとなるように絶縁層を形成することを特徴とする請求項1に記載の貫通電極付き半導体基板の製造方法である。
【0007】
【発明の実施の形態】
[貫通電極付き半導体基板の製造方法、貫通電極付き半導体基板]
図1は、本実施形態の貫通電極付き半導体基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
まず、一方の主面1aのみに開口した非貫通の微細孔2を有する半導体基板1を以下の方法により用意する。
半導体基板1として、厚さが350μmのシリコン基板を用い、DRIE法(DRIE:Deep-Reactive Ion Etching)を用いた方法により、前記半導体基板1の一方の主面1aに、直径が50μm、深さが300μm程度の微細孔2を形成する。ここで、DRIE法を用いた方法とは、エッチングガスとして六フッ化硫黄(SF6)を用い、高密度プラズマによるエッチングと、基板壁面へのパッシベーション製膜とを交互に行うこと(Boschプロセス)によって、半導体基板1を深堀エッチングして、半導体基板1の一方の主面1aに微細孔2を形成する方法である。
ここで、本実施形態では、半導体基板1の2つの主面のうち、非貫通の微細孔2が開口している主面を一方の主面1aとし、微細孔2が開口していない主面を他方の主面1bと言う。また図1は、誇張して描いており、半導体基板1や各層の厚さ、微細孔2などの寸法比は、実際のものと一致していない。
【0008】
なお、半導体基板1として、シリコン基板を採用しているが、例えばガリウム砒素(GaAs)などの半導体材料からなるもの、エポキシ樹脂などの有機材料やガラスなどと、半導体材料からなる基板とを積層一体化したものなども採用可能である。半導体基板1の厚さは、50μm〜1mm程度のものが使用できる。
また、微細孔2の直径は、5μm〜200μm程度であり、深さは半導体基板1を貫通しなければ、半導体基板1の厚さなどに応じて適宜設定される。微細孔2の断面形状(軸方向に垂直な断面の形状)も、円形、楕円形、三角形、矩形(四角形を含む)などいかなる形状であっても良い。
この微細孔2を形成する方法としては、前記したDRIE法を用いた方法以外に、水酸化カリウム(KOH)水溶液などのエッチング溶液を用いたウエットエッチング法,マイクロドリルによる機械加工法,光誘起電解研磨法なども採用可能である。
【0009】
次に、半導体基板1を熱酸化処理によって、図1(b)に示されたように、微細孔2の内壁と半導体基板1の2つの主面上に酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁層31を形成する。ここで、図1中では、絶縁層を厚く描いているが、実際はきわめて薄いものである。
微細孔2の内壁と半導体基板1の2つの主面上に絶縁層31を形成する方法は、熱酸化処理以外に、プラズマCVD法により酸化シリコン(SiO2)を形成する方法や、絶縁樹脂をコーティングして樹脂層とする方法なども適用できる。
【0010】
そして、溶融金属吸引法などによって、図1(c)に示されたように、微細孔2内に導電性物質として金−錫合金(Au(80重量%)−Sn(20重量%))を充填する。
溶融金属吸引法としては、一例を以下に示す。導電性物質の金−錫合金(Au(80重量%)−Sn(20重量%))を溶融状態で貯留した溶融金属槽と、前記半導体基板1とを減圧チャンバーに収容し、この減圧チャンバー内を減圧する。減圧状態を保ったまま、半導体基板1を溶融金属槽の溶融状態の導電性物質中に浸漬する。この溶融状態の導電性物質への半導体基板1の浸漬は、その一方の主面1aを上側として、一方の主面1aが露出しないように半導体基板1全体を溶融状態の導電性物質中に埋没させることで行い、次いで減圧チャンバー内を加圧することによって、半導体基板1に形成された微細孔2内に溶融状態の導電性物質を流入、充填させることができる。
そして、半導体基板1を溶融状態の導電性物質から引き上げ、導電性物質を冷却固化することによって、微細孔2内に導電性物質として金−錫合金(Au(80重量%)−Sn(20重量%))が充填された状態となる。この微細孔2内に充填され、固化した導電性物質が充填部4となる。
【0011】
なお、導電性物質は、特に限定されず、異なる組成の金−錫合金や、錫(Sn),インジウム(In)などの金属、また錫−鉛(Sn−Pb)合金系,錫(Sn)基,鉛(Pb)基,金(Au)基,インジウム(In)基,アルミニウム(Al)基などのハンダを使用しても構わない。
この微細孔2に導電性物質を充填する方法は、前記した方法以外に、印刷法によりペースト状の導電性物質を微細孔2周辺に転写し、更に減圧して微細孔2内充填する方法や、メッキ法などが適用できる。
【0012】
次に、前記微細孔2内に導電性物質からなる充填部4が充填された半導体基板1(図1(c))の他方の主面1bをある程度研磨した後、六フッ化硫黄(SF6)を用いたドライエッチングによって、半導体基板1の他方の主面1bのうち、シリコン(Si)部分をエッチングする。以上により、図1(d)の2点鎖線で示された部分が除去されて、微細孔2に充填された充填部4が半導体基板1の他方の主面1bから突出した状態とする。
本実施形態では、半導体基板1の他方の主面1bからの充填部4の突出高さ寸法T1は8μmである。また、充填部4と絶縁層31のうち、半導体基板1の他方の主面1bから突出した部分を凸部5と言う。
なお、この半導体基板1の他方の主面1bをエッチングする工程は、まず半導体基板1の他方の主面1b上の絶縁層31をエッチングして除去し、次いで六フッ化硫黄(SF6)を用いたドライエッチングによって、半導体基板1の他方の主面1bのうち、シリコン(Si)部分をエッチングする方法であってもよい。
【0013】
そして、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料としてプラズマCVD法により酸化珪素(SiO2)からなる絶縁層32を半導体基板1の他方の主面1b上に形成する。このとき図1(e)に示されたように、絶縁層32の厚さ寸法T2が、充填部4の突出高さ寸法T1よりも小さくなるように絶縁層32を形成する。本実施形態では、厚さ寸法T2が3μmとなるように絶縁層32を形成する。
【0014】
次に、充填部4のうち、前記絶縁層32から突出した部分が無くなるように加工して、前記充填部4と絶縁層32の表面を同一の高さとする。この加工工程では、例えば凸部5とこの凸部5の上面と側面に形成された絶縁層32のうち、半導体基板1の他方の主面1b上の絶縁層32から突出した部分を研磨して図1(f)の2点鎖線で示された部分を除去する方法が採用できる。
これにより、充填部4は絶縁層32から露出し、半導体基板1を貫通する貫通電極となり、貫通電極付き半導体基板6が製造できる。
なお、本発明において、充填部4と絶縁層32が同一な高さとは、必ずしも完全な水平面を意味しない。充填部4のうち、前記絶縁層32から突出した部分を研磨などの加工をした後において、充填部4の表面が多少ドーム状を呈する場合も含むものである。
【0015】
本実施形態では、前述したように、半導体基板1の他方の主面1bをエッチングし、微細孔2に充填された充填部4が半導体基板1の他方の主面1bから突出した状態とした後に、この充填部4の突出高さ寸法T1よりも小さい厚さ寸法T2で絶縁層32を形成する。
この半導体基板1の他方の主面1bからの充填部4の突出高さ寸法T1を5μm≦T1≦20μmとし、かつ半導体基板1の他方の主面1bに形成する絶縁層32の厚さ寸法T2を0.3μm≦T2<5μmとすることが好ましい。
半導体基板1の他方の主面1bからの充填部4の突出高さ寸法T1は、更に好ましくは7μm≦T1≦10μmである。また絶縁層32の厚さ寸法T2は、更に好ましくは1μm≦T2≦3μmである。
【0016】
以上により、次の工程にて充填部4のうち、絶縁層32から突出した部分のみを研磨などの加工を行うことによって、充填部4と絶縁層32の表面を同一の高さとすることができ、充填部4を絶縁層32から露出させることができる。このため、絶縁層32の表面に研磨ムラを生じさせることなく研磨できる。また研磨によって貫通電極となる充填部4の露出表面を平滑とすることも容易である。これにより歩留まり良く貫通電極付き半導体基板6を製造できる。
【0017】
また、前記したように絶縁層32の表面に研磨ムラを生じさせることなく研磨できるため、従来のように研磨ムラを考慮して、予め半導体基板1の他方の主面1b上に絶縁層32を厚く形成する必要が無く、絶縁層32の厚さ寸法T2を小さくすることができ、これにより絶縁層32の形成に係る時間を短縮できる。また材料費の削減が実現できる。
更に、前記したように絶縁層32の厚さ寸法T2を小さくできるため、絶縁層32と半導体基板1との熱膨張係数の差によって熱応力が生じにくい。このため、熱応力によって半導体基板1に反りが生じにくく、精度良く研磨することが可能となる。このため例えば充填部4と絶縁層32の表面を同一の高さとすることが容易に実現できる。また、研磨によって貫通電極となる充填部4の露出表面を平滑とすることも容易に実現できる。更に、貫通電極付き半導体基板6の製造歩留まりを著しく向上させることができる。
【0018】
半導体基板1の他方の主面1bからの充填部4の突出高さ寸法T1が5μm未満の場合、絶縁層32の厚さ寸法T2と接近するため、ムラのない研磨が困難となる。
また、半導体基板1の他方の主面1bからの充填部4の突出高さ寸法T1が20μmよりも大きい場合、半導体基板1の他方の主面1bのエッチングに要する時間が長くなり、好ましくない。
【0019】
また、絶縁層32の厚さ寸法T2が0.3μm未満の場合、絶縁層32の絶縁耐圧が低い。また、絶縁層32が剥離しやすく、例えば次の工程にて、充填部4のうち、前記絶縁層32から突出した部分が無くなるように研磨などの加工を行う際、この突出した部分以外の絶縁層32が剥離する場合があり、十分な電気絶縁性が安定して得られず、歩留まりが悪くなるため好ましくない。
絶縁層32の厚さ寸法T2が5μm以上の場合、絶縁層32と半導体基板1との熱膨張係数の差によって半導体基板1に反りが生じることとなり、好ましくない。
【0020】
以上の本実施形態の製造方法によって製造された貫通電極付き半導体基板6は、絶縁層32の表面に研磨ムラがない。また、絶縁層32と半導体基板1との熱膨張係数の差によって生じる半導体基板1の反りがほとんど無く、貫通電極となる充填部4の露出表面が平滑に研磨されており、高い接続信頼性が実現できる。
【0021】
[電子装置]
本実施形態の電子装置は、前述した本実施形態の貫通電極付き半導体基板を用いた装置,機器,部品類の総称であり、例えば携帯電話,電子計算機,各種電気通信装置(光通信用も含む),ICカード類など種々存在する。
本実施形態の貫通電極付き半導体基板を用いることによって、電極間の接続信頼性に優れた電子装置が実現できる。また、デバイスの更なる小型化、高機能化が実現できる。
【0022】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の貫通電極付き半導体基板の製造方法によれば、半導体基板の他方の主面をエッチングし、微細孔に充填された充填部が半導体基板の他方の主面から突出した状態とした後に、この充填部の突出高さ寸法よりも小さい厚さ寸法で絶縁層を形成することによって、充填部のうち、絶縁層から突出した部分のみの研磨によって、充填部と絶縁層の表面を同一の高さとし、この充填部を他方の主面の表面から露出させて貫通電極とすることができる。
このため、絶縁層の表面に研磨ムラを生じさせることなく研磨できる。また研磨によって貫通電極となる充填部の露出表面を平滑とすることも容易である。これにより歩留まり良く貫通電極付き半導体基板を製造できる。
【0023】
また絶縁層の表面に研磨ムラを生じさせることなく研磨できるため、研磨ムラを考慮して、予め半導体基板の他方の主面上に絶縁層を厚く形成する必要が無く、絶縁層の厚さ寸法を小さくすることができる。これにより絶縁層の形成に係る時間を短縮できる。また材料費の削減が実現できる。更に、前記したように絶縁層を厚く設ける必要が無いため、絶縁層と半導体基板との熱膨張係数の差によって熱応力が生じにくい。このため、熱応力によって半導体基板に反りが生じにくく、精度良く研磨することが可能となる。このため例えば充填部と絶縁層の表面を同一の高さとすることが容易に実現できる。また、貫通電極付き半導体基板の製造歩留まりを著しく向上させることができる。
【0024】
本発明の貫通電極付き半導体基板は、前記した本発明の方法により製造されたものであり、絶縁層の表面に研磨ムラがない。また、絶縁層と半導体基板との熱膨張係数の差によって生じる半導体基板の反りがほとんど無く、貫通電極となる充填部の露出表面が平滑に研磨されており、高い接続信頼性が実現できる。
【0025】
また、本発明の電子装置は、前記本発明の貫通電極付き半導体基板を有するものであり、電極間の接続信頼性に優れた電気特性が実現できる。また、デバイスの更なる小型化、高機能化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態の貫通電極付き半導体基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図2】 貫通電極付き半導体基板の要部断面図である。
【図3】 従来の貫通電極付き半導体基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1‥‥半導体基板、1a‥‥半導体基板の一方の主面、1b‥‥半導体基板の他方の主面、2‥‥微細孔、4‥‥充填部、5‥‥凸部、6‥‥貫通電極付き半導体基板、31,32‥‥絶縁層
Claims (2)
- 一方の主面のみに開口した微細孔を有する半導体基板の微細孔内に導電性物質を充填して充填部を形成する工程と、
半導体基板の他方の主面をエッチングして、充填部が半導体基板の他方の主面から突出した状態とする工程と、
エッチング後の半導体基板の他方の主面上に、該他方の主面からの充填部の突出高さ寸法よりも小さい厚さ寸法で絶縁層を形成する工程と、
充填部のうち、前記絶縁層から突出した部分が無くなるように加工して、前記充填部と絶縁層の表面を同一の高さとする工程とを少なくとも有することを特徴とする貫通電極付き半導体基板の製造方法。 - 前記半導体基板の他方の主面をエッチングする工程にて、半導体基板の他方の主面からの充填部の突出高さ寸法T1が5μm≦T1≦20μmとなる状態とし、前記絶縁層を形成する工程にて、エッチング後の半導体基板の他方の主面上に、絶縁層の厚さ寸法T2が0.3μm≦T2<5μmとなるように絶縁層を形成することを特徴とする請求項1に記載の貫通電極付き半導体基板の製造方法。
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