JP4228270B2 - 導電体パターンの形成方法及び実装回路基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は導電体パターンの形成方法及び実装回路基板に関するものであり、特に、2種類以上の絶縁層と、Cu等の良導体層との間を同時に接着するとともに、良導電体層の構成元素の拡散を防止するためのバリア層の構成に特徴のある導電体パターンの形成方法及び実装回路基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体搭載用基板として用いられていたのはプリント配線板、もしくはセラミック基板であり、プリント配線板の場合の上下接続方法としては、ドリルもしくはCO2 レーザでスルーホールを形成し、無電解Cuメッキでメッキシード層を形成したのち、電解銅メッキで厚付けしている。
【0003】
一方、セラミック基板の場合の上下接続方法としては、Cuパターンを形成したグリーンシートを数層重ねて焼結することにより一体化している。
或いは、スルーホールを予め形成したAlNのようなセラミック基板にWを充填して焼結している。
【0004】
インターネットや携帯電話/端末が普及し、より高性能化が求められる現在、タイムリーな製品提供の要求に対応可能で、且つ、システムLSIに近い性能を実現するシステムインパッケージ(SIP)技術が台頭している。
【0005】
この様なSIPの基板としては、プリント配線板を使用するビルドアップ基板や厚膜セラミックスと比較して、高周波特性に優れたキャパシタの無機薄膜が形成でき、且つ、10μm付近の高密度配線が可能なSiウェハが検討されている。
【0006】
この様なSiウェハを用いた構造としては、Siウエハ表面に形成されたキャパシタおよび薄膜配線層と上下接続のビアホールからなるが、コスト減のために、ホール充填と配線層を銅メッキにより同時形成することが検討されている。
【0007】
この場合、薄膜配線層を形成するための下地となる樹脂絶縁層とビアホールの内壁に形成されたSiO2 もしくはSi3 N4 に対するバリア層も同時に形成することが必要になる。
つまり、2種類以上の絶縁層をバリアし、かつ密着層としても作用する必要がある。
【0008】
また、配線層の形成工程においては、メッキ後にバリア層を除去する行程が必要となり、手番を増やさず且つコスト減のためにも、バリア層はウェットエッチングで除去可能であることが必要である。
【0009】
なお、半導体装置技術分野においては、通常、バリア層としてTaNやTiNなどをスパッタ法或いはCVD法で形成している。
また、ポリイミドなどの樹脂層を層間絶縁膜として多層配線構造を形成する際には、スパッタCr層を10〜100nmほど形成して、樹脂層へのバリア層と樹脂層との密着層としている。
【0010】
そこで、Siウェハを用いた実装回路基板においても、半導体装置技術分野におけるコンタクトホールにおけるバリア層として使用されるTaNやTiN等をスパッタ法或いはCVD法で形成することや、ポリイミド層に対して用いられているCr層を用いることも考えられる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バリア層としてTaNやTiNを用いた場合には、TaNやTiNはウエットによるエッチングができないため、ドライエッチングをする必要があり、工程数が増大するという問題がある。
【0012】
一方、ポリイミドを層間絶縁膜とした薄膜多層配線においてバリア層として用いられているCr層をSiウェハに設けたビアホールにおけるバリア層をして用いた場合には、下記の表1に示すように耐Cu拡散能があまり良好ではないため、ビアホールの内壁に設けたSiO2 膜を介してSiウェハ中にCuが拡散して絶縁性が低下するという問題がある。
【表1】
【0013】
また、ビアのサイズは、深さ50〜300μm、アスペクト2〜10で、形状はテーパのほとんどない円柱状であるため、スパッタでCr層を形成した場合、ビアホール側壁上の膜厚はビアホール底部付近に近づくほど薄くなり、ほとんどバリアメタルとして機能しない程度し堆積していない可能性がある。
この場合、長時間スパッタして底部付近の側壁の膜厚を厚くする方法もあるが、厚くするとクラックが入り、剥離が発生するという問題がある。
【0014】
したがって、本発明は、バリア層を2種類以上の絶縁層に対して耐拡散性と密着性とを同時に満たすようにするとともに、ウェット・エッチングにより除去可能にすることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1(a)及び(b)参照
上記目的を達成するため、本発明は、基板1の表面に絶縁樹脂層を形成する工程と、前記基板1にスルーホールを形成する工程と、前記スルーホールの内壁にSiO 2 或いはSi 3 N 4 のいずれかからなる絶縁層を形成する工程と、前記基板1の同一面上に設けた前記絶縁樹脂層及び前記絶縁層の露出部上にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上にCuまたはCuを主成分とする導電材料からなる導電体パターン6,7を形成する工程と、前記バリア層の露出部をウェットエッチングする工程とを有する導電体パターン6,7の形成方法において、前記バリア層が、前記絶縁樹脂層と前記絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層4と、前記導電体パターン6,7に対する密着層として機能する第2の金属層5とからなり、且つ、前記第1の金属層4或いは第2の金属層5の少なくとも一方が、前記導電体パターン6,7を構成するCuに対する耐拡散バリア機能を有し、前記導電体パターン6,7が、前記絶縁樹脂層及び前記バリア層を介して形成される配線層と、前記スルーホール内に前記絶縁層及びバリア層を介して充填されるビアとを含むことを特徴とする。
【0016】
この様に、バリア層を、基板1の表面に形成した絶縁樹脂層とスルーホールの内壁に形成した絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層4と、前記導電体パターン6,7に対する密着層として機能する第2の金属層5とにより構成することによって、密着性、バリア性、及び、ウェットエッチング容易性の条件を全て満たすことができる。
【0018】
また、この場合、導電体パターン6,7としては、配線層とビアの両方とし、この配線層とビアを同時に形成することによって、低コスト化が可能になる。
なお、この場合のビアを形成するためのスルーホールのサイズとしては、深さ30〜300μm、アスペクト比2〜10、且つ、ピッチ10〜500μmが好適である。
【0019】
また、絶縁樹脂層としては、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ベンゾシクロブテン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、或いは、エポキシ樹脂のいずれかが好適である。
【0020】
また、第1の金属層4としては、Cr、Ti、W、Mo、Co、或いは、Niのいずれかが好適であり、それによって、2種類以上の絶縁層2,3に対する接着性を高めることができ、また、第2の金属層5としては、Cr、Ti、Co、或いは、Niのいずれかを用いることによって、導電体パターン6,7に対する密着性を高めることができる。
【0021】
また、この場合のAlより導電性の高い導電材料としては、Cu或いはCuを主成分とする導電材料が典型的なものであり、また、基板1としては、Cuの拡散が問題となる単結晶シリコン基板1が典型的なものである。
【0022】
また、上述の構成によってウェットエッチングによってバリア層の選択的除去が可能になるので、高周波特性に優れ、且つ、高密度配線が可能な実装回路基板を低コストで製造することが可能になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
ここで、図2及び図4を参照して、本発明の第1の実施の形態の製造工程を説明する。
図2(a)参照
まず、厚さが、例えば、600μmのシリコン基板11上に、厚さが5〜20μm、例えば、5μmのポリイミド膜12を形成したのち、CO2 レーザを用いてレーザ光13を照射することによって、開口部14を形成する。
なお、この場合のポリイミド膜12としては、ポリイミドPI2611(日立化成製商品名)を用いた。
【0024】
図2(b)参照
次いで、レジストマスク15を設け、このレジストマスク15をマスクとして、誘導結合性高周波プラズマ発生装置(ICP)を用いてシリコン基板11をエッチングすることによってブラインドビア16を形成する。
なお、この場合のブラインドビア16のサイズは、深さ50〜300μm、例えば、150μm、アスペクト比2〜10、例えば、3で、ピッチは10〜500μm、例えば、200μmである。
【0025】
図2(c)参照
次いで、レジストマスク15を除去したのち、CVD法を用いて全面にSiO2 膜17を堆積させる。
この場合のSiO2 膜17の膜厚は、シリコン基板11の主表面において、0.5〜2μm、例えば、1μmである。
【0026】
図2(d)参照
次いで、レジストパターン18を形成し、このレジストパターン18をマスクとして、CF4 +O2 を原料ガスとするドライエッチングを施すことによって、露出しているSiO2 膜17を除去する。
【0027】
図3(e)参照
次いで、レジストパターン18を除去したのち、スパッタ法を用いて、全面に厚さが0.1〜2μm、例えば、1μmのW層19、及び、厚さが0.1〜2μm、例えば、1μmのCr層20を順次堆積させる。
【0028】
図3(f)参照
引き続いて、スパッタ法により、全面に厚さが0.1〜0.5μm、例えば、0.3μmのCuメッキシード層21を堆積させる。
【0029】
図3(g)参照
次いで、レジストを塗布し、露光・現像することによってメッキフレーム22を形成したのち、メッキフレーム22をマスクとして電解Cuメッキを施すことによって、ブラインドビア16を充填するCuビア23とCu配線層24,25を同時に形成する。
なお、この場合のCu配線層24,25の膜厚は30〜150μm、例えば、30μmであり、幅は5〜20μm、例えば、10μmである。
【0030】
図4(h)参照
次いで、メッキフレーム22を除去したのち、ペルオキソニ硫酸アンモニウム水溶液を用いてエッチングすることによって、Cuメッキシード層21の露出部を除去する。
【0031】
図4(i)参照
次いで、フェリシアン化カリウム/NaOH溶液を用いてウェット・エッチングを施すことによって、Cr層20及びW層19の露出部を順次除去する。
【0032】
図4(j)参照
次いで、シリコン基板11の表面をポリイミド層で被覆・保護したのち、シリコン基板11の裏面をグラインダによる研削とCF4 によるドライエッチングを施すことによって、Cuビア23の先端部を露出させることによって、スルービアと配線層とを有する実装回路基板の基本構成が得られる。
【0033】
この様に、本発明の第1の実施の形態においては、ポリイミド膜12とSiO2 膜17の異なった二種類の絶縁膜に対するバリア層を、絶縁膜との密着性を高めるW層19と、Cuとの密着性を高めるCr層20の2層構造で形成しているので、バリア性、密着性、及び、ウェット・エッチング性の三つの条件を満たすことができる。
【0034】
即ち、2種類の絶縁層がポリイミドとSiO2 の場合、Wはいずれとも接着性が良く、Cuに対するバリア性は充分であるが、Cuとの密着性はないため、W上にCrを設けたものである。
【0035】
なお、ブラインドビアのピッチがサブμmの半導体装置においては、絶縁層であるSiO2 膜は数〜十数nmと薄く、TaNやTiNのような緻密性が高く、薄くてもバリア性の高い材料が必要であるが、実装回路基板ではSiO2 は数十〜数百nmと厚くすることができ、またピッチも大きいため、TaNやTiNよりはバリア性は劣るが膜厚を厚くすることのできるバリアメタルが適当となる。
【0036】
上述の表1に示すように、本発明の第1の実施の形態においては、Crの耐Cuバリア性はあまり高くないので、Wがバリアとして機能することになる。
なお、表に示してしないが、Ta、Pt、Irなどもバリア層としては効果があるが、エッチングにはフッ酸など強酸を用いなければならず、SiO2 に対する選択エッチングが不可能であるので不適格である。
【0037】
次に、図5及び図6を参照して、本発明の第2の実施の形態の製造工程を説明するが、バリア層として、W/Cr構造に代えてCr/Co構造を用い、それに伴うエッチング工程が異なるだけで、他の構成は上記の第1の実施の形態と同様である。
【0038】
図5(a)参照
まず、上述の図2(a)乃至図2(d)と全く同じ工程を経ることによって、ブラインドビア16の内部及び周辺部にのみSiO2 膜17を形成したのち、スパッタ法を用いて厚さが0.5〜2μm、例えば、1μmのCr層26を堆積させたのち、Cr層26をシード層として厚さが0.5〜2μm、例えば、1μmのCo層27を無電解メッキ法によって成膜する。
【0039】
図5(b)参照
次いで、再び、上記の第1の実施の形態と全く同様に、Cuメッキシード層21を形成したのち、電解メッキ法を用いて選択的にCuビア23及びCu配線層24,25を形成し、次いで、ペルオキソニ硫酸アンモニウム水溶液を用いて処理することによりCuメッキシード層21の露出部を選択的に除去する。
【0040】
図6(c)参照
引き続いて、希硫酸を用いたウェット・エッチングによってCo層27の露出部を除去する。
【0041】
図6(d)参照
次いで、フェリシアン化カリウム/NaOH溶液を用いて、Cr層26の露出部を除去する。
【0042】
図6(e)参照
次いで、再び、上記の第1の実施の形態と同様に、シリコン基板11の表面をポリイミド層で被覆・保護したのち、シリコン基板11の裏面をグラインダによる研削とCF4 +O2 によるドライエッチングを施すことによって、Cuビア23の先端部を露出させることによって、スルービアと配線層とを有する実装回路基板の基本構成が得られる。
【0043】
この様に、本発明の第1の実施の形態においては、ポリイミド膜12とSiO2 膜17の異なった二種類の絶縁膜に対するバリア層を、絶縁膜との密着性を高めるCr層26と、Cuとの密着性を高めるCo層27の2層構造で形成しているので、バリア性、密着性、及び、ウェット・エッチング性の三つの条件を満たすことができる。
【0044】
即ち、2種類の絶縁層がポリイミドとSiO2 の場合、Crのいずれとも接着性が良いが、Cuに対するバリア性が充分でないため、Cuとの密着性が良好で、且つ、表1に示すように耐Cuバリア性に優れるCoをCr上に設けたものである。
【0045】
この第2の実施の形態の工程は、ブラインドビアのアスペクト比が上がり、スパッタ法ではブラインドビアの内壁深部への形成が困難となった場合に特に有効であり、この場合、Crはブラインドビアの内壁全体に膜形成されている必要があるが、数nm程度でも十分である。
【0046】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態の説明においては、ポリイミド膜に開口部を形成する際に、CO2 レーザを用いているが、CO2 レーザに限られるものではなく、UV−YAGレーザ或いはエキシマレーザ等を用いても良いものである。
【0047】
また、上記の各実施の形態においてはシリコン基板の主表面を覆う絶縁膜としてポリイミドを用いているが、ポリイミドに限られるものではなく、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、或いは、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂を用いて良いものである。
【0048】
また、シリコン基板の主表面を覆う絶縁膜は、絶縁樹脂に限られるものではなく、セラミックス、ガラス、SiO2 、Si3 N4 、或いは、Al2 O3 を用いても良いものである。
【0049】
また、上記の各実施の形態においては、ブラインドビアの内壁を絶縁するためにSiO2 を用いているが、SiO2 に限られるものではなく、Si3 N4 を用いても良いものである。
【0050】
また、上記の各実施の形態においては、電解メッキしたままの膜厚で配線層を形成しているが、必要に応じてCMP(化学機械研磨)法を用いて、5〜20μmまで薄層化しても良いものである。
【0051】
また、上記の各実施の形態においては、SiO2 膜を除去する際に、CF4 を用いたドライエッチングを用いているが、BHF(バッファフッ酸)を用いたウェット・エッチングによって除去しても良いものである。
【0052】
また、上記の各実施の形態においては、Cuメッキシード層を除去する際に、ペルオキソニ硫酸アンモニウム水溶液を用いているが、ペルオキソニ硫酸アンモニウム水溶液に限られるものではなく、塩化銅(CuCl2 )水溶液と硫酸(H2 SO4 )の混合溶液、或いは、H2 O2 と塩酸(HCl)の混合溶液を用いても良いものである。
【0053】
また、上記の各実施の形態においては、バリア層としてW/Cr構造或いはCr/Co構造を用いているが、これらの組合せに限られるものではなく、絶縁層との密着性を高めるための下層としてはCr、Ti、W、Mo、Co、或いは、Niを用いれば良く、また、Cuとの密着性を高めるための上層としてはCr、Ti、Co、或いは、Niを用いれば良く、少なくとも一方の層が耐Cuバリア性を有するように選択すれば良い。
【0054】
また、上記の各実施の形態においては、Cuビア及びCu配線層を電解メッキ法によって形成しているが、電解メッキ法に限られるものではなく、無電解メッキ法を用いても良いものである。
【0055】
また、上記の各実施の形態においては、配線層をCuによって形成しているが、純粋なCuに限られるものではなく、Cuを主成分とするCu合金でも良く、さらには、Alより導電率の高い導電材料でも良い。
【0056】
ここで、再び図1を参照して、改めて本発明の詳細な構成を説明する。
図1参照
(付記1) 基板1の表面に絶縁樹脂層を形成する工程と、前記基板1にスルーホールを形成する工程と、前記スルーホールの内壁にSiO 2 或いはSi 3 N 4 のいずれかからなる絶縁層を形成する工程と、前記基板1の同一面上に設けた前記絶縁樹脂層及び前記絶縁層の露出部上にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上にCuまたはCuを主成分とする導電材料からなる導電体パターンを形成する工程と、前記バリア層の露出部をウェットエッチングする工程とを有する導電体パターン6,7の形成方法において、前記バリア層が、前記絶縁樹脂層と前記絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層4と、前記導電体パターン6,7に対する密着層として機能する第2の金属層5とからなり、且つ、前記第1の金属層4或いは第2の金属層5の少なくとも一方が、前記導電体パターン6,7を構成するCuに対する耐拡散バリア機能を有し、前記導電体パターン6,7が、前記絶縁樹脂層及び前記バリア層を介して形成される配線層と、前記スルーホール内に前記絶縁層及びバリア層を介して充填されるビアとを含むことを特徴とする導電体パターンの形成方法。
(付記2) 前記配線層と前記ビアとを同時に形成することを特徴とする付記1記載の導電体パターンの形成方法。
(付記3) 前記スルーホールのサイズが、深さ30〜300μm、アスペクト比2〜10、且つ、ピッチ10〜500μmであることを特徴とする付記1または2に記載の導電体パターンの形成方法。
(付記4) 前記絶縁樹脂層が、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ベンゾシクロブテン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、或いは、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の導電体パターンの形成方法。
(付記5) 前記第1の金属層4が、Cr、Ti、W、Mo、Co、或いは、Niのいずれかからなり、また、第2の金属層5が、Cr、Ti、Co、或いは、Niのいずれかからなることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の導電体パターンの形成方法。
(付記6) 前記基板1が、単結晶シリコン基板であることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の導電体パターンの形成方法。
(付記7) スルーホールが形成された基板1、前記基板1の同一面上に設けた絶縁層、前記絶縁層の露出部上に設けられたバリア層、及び、前記バリア層上に設けられたCuまたはCuを主成分とする導電材料からなる導電体パターン6,7を備えた実装回路基板であって、前記バリア層が、前記絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層4と、前記導電体パターン6,7に対する密着層として機能する第2の金属層5とからなり、且つ、前記第1の金属層4或いは第2の金属層5の少なくとも一方が、前記導電体パターン6,7を構成するCuに対する耐拡散バリア機能を有し、前記絶縁層が、前記スルーホールの内壁に形成されるSiO 2 或いはSi 3 N 4 のいずれかからなる内壁絶縁層と、前記基板1の表面に形成される絶縁樹脂層とからなり、前記導電体パターン6,7が、前記バリア層を介して形成される配線層と、前記スルーホール内に前記内壁絶縁層及びバリア層を介して充填されるビアとからなることを特徴とする実装回路基板。
【0057】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の導電体パターンの形成方法によると、2種類以上の絶縁層と導電体パターンに対するバリア性及び接着性を同時に解決できる上、ウエットエッチングが可能であるため、安価な実装回路基板を製造することができ、高性能電子機器の低コスト化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の図2以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の図3以降の製造工程の説明図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態の途中までの製造工程の説明図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態の図5以降の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
1 基板
2 絶縁層
3 絶縁層
4 第1の金属層
5 第2の金属層
6 導電体パターン
7 導電体パターン
11 シリコン基板
12 ポリイミド膜
13 レーザ光
14 開口部
15 レジストマスク
16 ブラインドビア
17 SiO2 膜
18 レジストマスク
19 W層
20 Cr層
21 Cuメッキシード層
22 メッキフレーム
23 Cuビア
24 Cu配線層
25 Cu配線層
26 Cr層
27 Co層
Claims (5)
- 基板の表面に絶縁樹脂層を形成する工程と、前記基板にスルーホールを形成する工程と、前記スルーホールの内壁にSiO 2 或いはSi 3 N 4 のいずれかからなる絶縁層を形成する工程と、前記基板の同一面上に設けた前記絶縁樹脂層及び前記絶縁層の露出部上にバリア層を形成する工程と、前記バリア層上にCuまたはCuを主成分とする導電材料からなる導電体パターンを形成する工程と、前記バリア層の露出部をウェットエッチングする工程とを有する導電体パターンの形成方法において、前記バリア層が、前記絶縁樹脂層と前記絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層と、前記導電体パターンに対する密着層として機能する第2の金属層とからなり、且つ、前記第1の金属層或いは第2の金属層の少なくとも一方が、前記導電体パターンを構成するCuに対する耐拡散バリア機能を有し、前記導電体パターンが、前記絶縁樹脂層及び前記バリア層を介して形成される配線層と、前記スルーホール内に前記絶縁層及びバリア層を介して充填されるビアとを含むことを特徴とする導電体パターンの形成方法。
- 前記配線層と前記ビアとを同時に形成することを特徴とする請求項1記載の導電体パターンの形成方法。
- 前記絶縁樹脂層が、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ベンゾシクロブテン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、或いは、エポキシ樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載の導電体パターンの形成方法。
- 前記第1の金属層が、Cr、Ti、W、Mo、Co、或いは、Niのいずれかからなり、また、第2の金属層が、Cr、Ti、Co、或いは、Niのいずれかからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の導電体パターンの形成方法。
- スルーホールが形成された基板、前記基板の同一面上に設けた絶縁層、前記絶縁層の露出部上に設けられたバリア層、及び、前記バリア層上に設けられたCuまたはCuを主成分とする導電材料からなる導電体パターンを備えた実装回路基板であって、前記バリア層が、前記絶縁層に対する接着層として機能する第1の金属層と、前記導電体パターンに対する密着層として機能する第2の金属層とからなり、且つ、前記第1の金属層或いは第2の金属層の少なくとも一方が、前記導電体パターンを構成するCuに対する耐拡散バリア機能を有し、前記絶縁層が、前記スルーホールの内壁に形成されるSiO 2 或いはSi 3 N 4 のいずれかからなる内壁絶縁層と、前記基板の表面に形成される絶縁樹脂層とからなり、前記導電体パターンが、前記バリア層を介して形成される配線層と、前記スルーホール内に前記内壁絶縁層及びバリア層を介して充填されるビアとからなることを特徴とする実装回路基板。
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