JP4979213B2 - 回路基板、回路基板の製造方法および回路装置 - Google Patents

回路基板、回路基板の製造方法および回路装置 Download PDF

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Description

本発明は回路基板、回路基板の製造方法および回路装置に関し、特に、回路素子が実装されてインターポーザーとして用いられる回路基板、回路基板の製造方法および回路装置に関する。
従来に於いて回路装置は、例えば表面に導電路が形成された実装基板に、ICチップ等の半導体素子を搭載することにより形成されていた。実装基板上の導電路と、半導体素子とを接続する構造としては、フェイスアップおよびフェイスダウン(フリップチップ法)の2つの実装構造がある。
半導体素子が実装基板にフェイスアップで実装される場合は、半導体素子の下面が実装基板に固着される。そして、半導体素子の上面に形成されたパッドと実装基板の導電路とは、金属細線によりワイヤボンディグされる。しかしながらワイヤボンディングを用いた接続方法では、金属細線を形成するための領域を半導体素子の周辺部に確保する必要があるため、半導体素子の実装に必要な面積が増大してしまう問題があった。
フェイスダウンにて半導体素子が実装基板に実装される場合は、下面に配置された半導体素子のパッド電極と実装基板上の導電路とは、半田バンプ等を用いて接続される。フェイスダウンにて半導体素子を実装することにより、実装に必要とされる面積を素子の大きさと同等にすることができる。しかしながら、実装基板と半導体素子とでは熱膨張係数が異なるので、両者を接合させる半田バンプには、温度変化に伴い熱応力が作用する。この熱応力により半田バンプにクラックが発生し、半導体素子の接続信頼性が低下してしまう問題があった。
この問題を解決するために、チップと同等の線膨張係数を持つインターポーザーを介して、半導体素子と実装基板とを接続する構造が提案されている。
図10の断面図を参照して、インターポーザーとして回路基板を用いた半導体素子の接続構造を説明する。ここでは、多数のパッドを有するLSIチップである半導体素子101が、回路基板100を介して、実装基板104に実装されている。半導体素子101の下面に位置するパッドと回路基板100とは、接続電極102により接続されている。また、実装基板104の上面に形成された導電路105と回路基板100とは、外部電極103により接続されている。更に、回路基板100の上面および下面には、絶縁層107により絶縁された導電パターン106が形成されている。
即ち、回路基板100およびその上面に実装された半導体素子101により回路装置が構成されてた。
インターポーザーである回路基板100の材料として、熱膨張係数が実装基板104よりも半導体素子101に近い材料を採用すると、接続電極102に作用する熱応力が低減される。従って、接続電極102の熱応力に対する接続信頼性を向上させることができる。回路基板100の具体的な材料としては、樹脂、金属、セラミック等が採用される。回路基板100の材料として、シリコン等の半導体を採用した技術が特許文献1に記載されている。
特開2001−326305号公報
しかしながら、上述した背景技術では、半導体素子101等の全ての回路素子が回路基板100の上面に実装されていたので、多数個の回路素子を回路基板100に実装すると回路装置が平面的に大きく成ってしまう問題があった。また、回路基板100の上面および下面の両方に回路素子を実装すると、回路装置の厚みが増してしまう問題があった。
更に、回路基板100を用いた上述の構造では、導電パターン106と回路基板100との間に寄生容量や電圧低下が発生し、グランドが不安定になる事により半導体素子101の誤動作等を招く恐れがあった。具体的には、回路基板100はフローティング状態となっており、電位が固定されていない。従って、導電パターン106と回路基板100との間に電位差が生じ易く、両者の間に寄生容量が発生する。
更にまた、回路基板100ではノイズ対策が施されていないので、回路基板100を透過したノイズが半導体素子101に侵入して、半導体素子101が誤動作してしまう問題があった。特に、ノイズに敏感なアナログ回路が半導体素子101に形成された場合、外部から侵入したノイズにより、半導体素子101が誤動作してしまう恐れがあった。更に、半導体素子101から発生するノイズが、回路基板100を透過して外部に伝搬し、他の回路素子に悪影響を与えてしまう問題もあった。
本発明は、上記問題点を鑑みてなされ、本発明の主な目的は、多数個の回路素子が実装された場合でも、装置全体の大型化を抑制可能な回路基板、回路基板の製造方法および回路装置を提供することにある。
本発明の回路基板は、実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板であり、半導体から成る半導体基板と、前記半導体基板の一主面を部分的に窪ませた凹部と、前記凹部が配置された領域で、前記半導体基板の他主面から前記凹部まで貫通すると共に絶縁膜により前記半導体基板と絶縁された第1接続電極と、前記半導体基板の一主面または他主面を被覆する絶縁膜の表面に形成された導電パターンと、前記導電パターンと前記半導体基板とを接続する第2接続電極と、前記凹部に収納されると共に、前記第1接続電極を介して前記導電パターンと接続された回路素子と、前記凹部以外の領域で前記半導体基板を貫通すると共に絶縁膜により前記半導体基板と絶縁され、前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極と、を具備することを特徴とする。
本発明の回路基板は、実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板であり、絶縁層を介して積層された第1半導体基板および第2半導体基板から成る積層基板と、前記積層基板の一主面を部分的に窪ませた凹部と、前記凹部が配置された領域で、前記積層基板の他主面から前記凹部まで貫通すると共に絶縁膜により前記積層基板と絶縁された第1接続電極と、前記積層基板の一主面または他主面を被覆する絶縁膜の表面に形成された導電パターンと、前記導電パターンと前記第1半導体基板または前記第2半導体基板とを接続する第2接続電極と、前記凹部に収納されると共に、前記第1接続電極を介して前記導電パターンと接続された回路素子と、前記凹部以外の領域で前記積層基板を貫通すると共に絶縁膜により前記積層基板と絶縁され、前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極と、を具備することを特徴とする。
本発明は、実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板の製造方法であり、半導体から成る半導体基板を一主面からエッチングして、前記半導体基板を厚み方向に延在する第1接続孔を形成する工程と、前記第1接続孔が形成された領域の前記半導体基板を、他主面からエッチングすることにより、底部に前記第1接続孔が露出して且つ回路素子が収納可能な凹部を形成する工程と、前記半導体基板を厚み方向に途中まで延在する第2接続孔と、前記凹部以外の領域で前記半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔を、エッチングにより形成する工程と、前記半導体基板の両主面、前記第1接続孔および前記貫通孔の側壁を絶縁膜で被覆する工程と、前記絶縁膜で被覆される前記第1接続孔の内部に導電材料を形成して第1接続電極を設け、前記絶縁膜で被覆される前記半導体基板の一主面または他主面に導電パターンを設け、前記第2接続孔の内部に導電材料を形成して第2接続電極を設けることで前記導電パターンと前記半導体基板とを接続し、前記絶縁膜で被覆される前記貫通孔の内部に導電材料を形成することにより前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極を形成する工程と、前記凹部に前記回路素子を収納すると共に、前記回路素子と前記第1接続電極とを接続する工程と、を具備することを特徴とする。
本発明は、実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板の製造方法であり、第1半導体基板および第2半導体基板が絶縁層を介して積層された積層基板を用意する工程と、前記積層基板の一主面からエッチングを行い、前記積層基板を厚み方向に延在する第1接続孔を形成する工程と、前記第1接続孔が形成された領域の前記積層基板を、他主面からエッチングすることにより、底部に前記第1接続孔が露出して且つ回路素子が収納可能な凹部を形成する工程と、前記積層基板を厚み方向に途中まで延在する第2接続孔と、前記凹部以外の領域で前記積層基板を厚み方向に貫通する貫通孔を、エッチングにより形成する工程と、前記積層基板の両主面、前記第1接続孔および前記貫通孔の側壁を絶縁膜で被覆する工程と、前記絶縁膜で被覆される前記第1接続孔の内部に導電材料を形成して第1接続電極を設け、前記絶縁膜で被覆される前記積層基板の一主面または他主面に導電パターンを設け、前記第2接続孔の内部に導電材料を形成して第2接続電極を設けることで、前記導電パターンと前記第1半導体基板または前記第2半導体基板とを接続し、前記絶縁膜で被覆される前記貫通孔の内部に導電材料を形成することにより前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極を形成する工程と、前記凹部に前記回路素子を収納すると共に、前記回路素子と前記第1接続電極とを接続する工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の回路装置は、上記した回路基板と、前記回路基板に実装された半導体素子と、を具備することを特徴とする
本発明の回路基板および回路装置によれば、半導体基板を部分的に窪ませた凹部に回路素子を収納させることで、半導体基板の厚み部分に回路素子を収納させることができる。従って、多数個の回路素子を回路基板に実装することによる回路素子の大型化を抑制することができる。
更に、凹部に収納される回路素子は、半導体基板を厚み方向に延在する第1接続電極を介して、半導体基板の表面に形成された導電パターンと接続される。従って、回路素子と電気的に接続された導電パターンを回路基板の表面に於いて引き回す必要がないので、回路基板の表面に形成される導電パターンの構成を簡略化することができる。これらの効果は、第1半導体基板および第2半導体基板から成る積層基板を用いた回路基板でも奏することができる。
更にまた、第2接続電極を介して半導体基板を接地電位または電源電位に接続することができるので、半導体基板と導電パターンとの間に発生する寄生容量を低減させることができる。更には、半導体基板のシールド効果を向上させることもでき、回路基板に実装された素子の動作を安定化できる。更にまた、第2接続電極を介して、任意の箇所に於いて、導電パターンを接地電位または電源電位と接続可能である。従って、半導体基板の表面に於いて接地電位や電源電位と接続された導電パターンを引き回す必要がないことから、導電パターンの構成を簡略化することができる。
更に、積層基板の第1半導体基板を接地電位とし、第2半導体基板を電源電位とすることで、積層基板の表面に形成された導電パターンを任意の箇所で、接地電位および電源電位と接続することができる。従って、接地電位および電源電位と接続された導電パターンを、積層基板の表面で引き回す必要が無いので、導電路の配線密度を抑制し、信号伝播に伴う遅延を抑制できる。その上、配線密度の抑制は等長配線などのタイミング調整の為に必要なエリアを確保し、さらなる高い信頼性を持った電気回路を実現できる。また、第1半導体基板および第2半導体基板は、基板全体が接地電位または電源電位と接続された導電路として機能するので、接地インピーダンスおよび電源インピーダンスを低減させることができる。
本発明の製造方法によれば、半導体基板の一主面から行うエッチングにより、第1接続電極が内部に形成される第1接続孔を形成し、更に、他主面から行うエッチングにより回路素子が収納可能な凹部を形成している。従って、エッチングによる単純な形成方法で、凹部および第1接続孔を、半導体基板に形成することができる。
更には、第1接続孔を形成する工程または凹部を形成する工程にて、同時に、半導体基板を貫通する貫通孔や、半導体基板を厚み方向に途中まで延在する第2接続孔を形成することができる。従って、工数を増加させることなく貫通孔や接続孔を、凹部等と同時に形成することができる。
上記した製造方法の効果は、半導体基板に替わりに、絶縁層を介して第1半導体基板と第2半導体基板とが積層された積層基板を用いても奏することができる。
<第1の実施の形態>
本形態では、図1および図2を参照して、回路基板の構造を説明する。図1(A)は回路基板10Aの断面図であり、図1(B)は回路基板10Aの凹部27の部分を拡大した断面図である。また、図1(C)は他の形態の凹部27を示す断面図である。
図1(A)および図1(B)を参照して、本形態の回路基板10Aは、半導体基板11を下面から部分的に窪ませた凹部27が形成されており、凹部27の内部にはチップ型の回路素子28が収納されている。更に、半導体基板11の上面から凹部27まで、接続電極16B、16Cが延在している。接続電極16B、16Cの先端部は、凹部27の内壁に露出して回路素子28と電気的に接続されている。
更に、回路基板10Aでは、半導体基板11を厚み方向に貫通して形成された貫通電極13と、半導体基板11を厚み方向に途中まで延在して半導体基板11と電気的に接続された接続電極16A、16Dが形成されている。更に、半導体基板11の上面および下面には、第1導電パターン14および第2導電パターン15が形成されている。
本形態に於いて回路基板10Aはインターポーザーとして用いられる。インターポーザーとは、半導体素子等の回路素子と実装基板との間に位置して、回路装置等を構成するために用いられる基板である。回路基板10Aの構成を以下にて詳述する。
半導体基板11は、シリコン等の半導体から成りその厚みは、例えば100μm〜400μm程度である。半導体基板11の材料としては、真性半導体または不純物半導体を採用することができる。特にP型またはN型の不純物で拡散された半導体基板11を採用すれば、その基板の電気導電性や熱伝導性が高まり、金属基板の機能に近づく。つまりシールド機能、放熱機能等の色々な機能を半導体基板11に持たせることが可能となる。またグランド配線が設けられた場合、グランド配線と基板とを同電位にするができ、グランド配線に寄生する容量を無くすることも可能である。不純物半導体としては、ボロン等のP型不純物が導入されたP型半導体、リン等のN型不純物が導入されたN型半導体が採用される。不純物半導体を半導体基板11の材料として用いることで、半導体基板11の電気抵抗が低くなり電流が流れやすくなるので、接続電極16A、16Dと半導体基板11との導通を容易にすることができる。
更に、シリコンから成る半導体基板11は、LSIチップ等の半導体素子と同じ材料から成る。従って、実装される半導体素子の熱膨張係数と、回路基板10Aの熱膨張係数とは等しくなるので、両者の接続信頼性を向上させることができる。例えば、半導体チップは、フェイスアップ、フェイスダウンどちらでも実装が可能である。フェイスアップの場合は、金属細線やリード板等の接続手段を使って接続するため、接続手段と半導体素子との接続箇所の信頼性が向上する。また、バンプ電極を用いて半導体素子をフリップチップ法により回路基板10Aの上面に実装する場合を考えると、両者を接続するバンプ電極に作用する熱応力は極めて小さくなり、接続信頼性が向上される。
凹部27は、半導体基板11の下面を部分的に窪ませて形成されており、回路素子28が収納可能な大きさとなっている。凹部27を半導体基板11に形成することにより、回路素子28を半導体基板11の厚み部分に収納することができる。従って、回路素子28を実装することによる、回路装置の大型化が抑制される。図1(A)に於いては、凹部27の大きさは回路素子28と同程度以上であり、回路素子28は、ほぼ完全に凹部27に収納されている。しかしながら、凹部27の深さは回路素子28の厚みよりも浅くても良い。この場合は、回路素子28は半導体基板11の下面よりも下方に突出するが、回路素子28を実装することによる回路装置の厚みの増加を抑止できる効果がある。
ここでは、半導体基板11の下面から1つの凹部27が設けられているが、複数個の凹部27を半導体基板11に設けても良い。更に、半導体基板11の表面および裏面の両方に凹部27を設けることも可能である。このようにすることで、より多数個の回路素子28を、半導体基板11に収納させることができる。
回路素子28は、半導体基板11に設けた凹部27に収納される素子である。図1(A)では、チップ型の回路素子28が凹部27に収納されている。チップ型の回路素子28としては、チップ抵抗器、チップコンデンサ、インダクタンス、サーミスタ、アンテナ、発振器等が採用される。例えば、回路素子28の大きさが縦×横×厚さ=1.5mm×2.5mm×0.1mmである場合は、凹部27の大きさは縦×横×深さ=2mm×3mm×0.15mm程度である。即ち、凹部27は回路素子28よりも若干大きく形成される。チップ型の回路素子28の中でも、比較的大型であるのが電源用のバイパスコンデンサとして用いられるタンタルコンデンサである。本形態では、このような大型の回路素子28が回路基板10Aに実装された場合でも、凹部27に回路素子28を収納させることができるので、回路素子28を実装することによる装置全体の大型化を抑制することができる。
また、回路素子28としては、チップ型の素子の他にも、フェイスダウンで実装されるLSI等の半導体素子を採用することができる。更には、コイル等の受動素子や、ダイオード、トランジスタ、樹脂封止型の回路装置等も、回路素子28として採用可能である。
図1(B)を参照して、接続電極16B、16Cは、半導体基板11の上面から凹部27の内壁まで延在している。具体的には、半導体基板11の上面から凹部27まで貫通して形成された接続孔17B、17Cに導電材料を埋め込むことにより、接続電極16B、16Cが形成される。接続電極16B、16Cの先端部は凹部27の底辺に露出し、半田等の接合材26を介して回路素子28と電気的に接続される。
また、接続電極16Bは、接続孔17Bの内壁を被覆する絶縁膜12により、半導体基板11と絶縁されている。同様に、接続孔17Cの内壁を被覆する絶縁膜12を介して、接続電極16Cと半導体基板11とは絶縁されている。
ここでは、両端に2つの電極を有するチップ型の回路素子28が、凹部27に収納されるので、2つの接続電極16B、16Cが設けられている。しかしながら、多数個の電極を有するLSI等の素子が凹部27に収納される場合は、3つ以上の多数個の接続電極が設けられる。
図1(C)を参照して、ここでは、接続電極16B、16Cが露出する部分を除いて、凹部27の底面および側面が全面的に絶縁膜12により被覆されている。このようにすることにより、凹部27に収納される回路素子28や接合材26と半導体基板11とがショートするのを防止することができる。
絶縁膜12は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはポリイミド等の樹脂膜から成り、半導体基板11の上面及び下面を被覆している。絶縁膜12により、第1導電パターン14および第2導電パターン15と、半導体基板11とが絶縁されている。また、貫通孔23の側面も絶縁膜12により被覆されている。更に、接続孔17A、17Dに関しては、側面は絶縁膜12により被覆され、底面は半導体基板11が露出するため、絶縁膜12により覆われていない。更に、接続孔17B、17Cの側壁も上記したように絶縁膜12により被覆されている。また、上述したように、凹部27の内壁も絶縁膜12により被覆される。
第1導電パターン14および第2導電パターン15は、半導体基板11の上面および下面に形成されている。これらの導電パターンは、銅を主材料とする金属から成る。またAl、Au等の他の金属材料でこれらの導電パターンを構成しても良い。第1導電パターン14は、半導体基板11の上面に形成されて、半導体素子等が接続されるパッド(例えばダイパッドまたはボンディングパッド)や、パッドどうしを接続する配線等を形成している。第2導電パターン15は、半導体基板11の下面に形成されて、実装基板等との接続に用いられるパッドや、これらのパッドどうしを接続する配線等を形成している。2層からなる導電パターンが形成されるので、クロスオーバーが可能である。
ここでは、単層の第1導電パターン14および第2導電パターン15が形成されているが、これらの導電パターンを多層に形成することも可能である。
貫通電極13は、半導体基板11を厚み方向に貫通して設けた貫通孔23に設けられた導電材料から成る。貫通電極13により、第1導電パターン14と第2導電パターン15とが接続される。貫通電極13と半導体基板11とは、貫通孔23の内壁に設けた絶縁膜12により絶縁されている。貫通電極13は、例えば、後述するメッキ法で形成され、第1導電パターン14および第2導電パターン15と電気的に接続された金属膜により形成することができる。ここでは、幅(W1)が40μm程度の貫通孔23の内壁に、厚みが数μm程度の金属膜から成る貫通電極13が形成されている。また、貫通電極13に埋め込まれた導電材料により、貫通電極13を構成しても良い。
接続電極16Aは、半導体基板11の上面から厚み方向に途中まで延在する接続孔17Aに埋め込まれた導電材料から成る。接続電極16Aの最下部が、接続孔17Aの底面に露出する半導体基板11にオーミック接触することで、接続電極16Aと半導体基板11とは電気的に接続される。接続電極16Aを介して、第1導電パターン14と半導体基板11とが電気的に接続される。接続電極16の幅W2は、貫通電極13と同等かそれ以下が好ましく、例えば40μm〜10μm程度に設定される。接続電極16Aの深さは、半導体基板11を貫通しない程度であれば良く、例えば100μm程度である。接続電極16Aは、第1導電パターン14と一体に形成される金属膜により形成することができる。接続電極16Aは、図1(A)に示すように接続孔17Aを完全に埋め込むタイプでも良いし、接続孔17Aの側壁に設けた金属膜から成るタイプでも良い。
更に、接続電極16Aは、不図示のバリヤ膜を介して半導体基板11と接続される。即ち、接続孔17Aの内壁はバリヤ膜により被覆され、このバリヤ膜の内部に形成された銅(Cu)等の導電材料により接続電極16Aが形成される。バリヤ膜を形成することにより、接続電極16Aの材料である銅(Cu)が、シリコンから成る半導体基板11に拡散してしまうのを防止することができる。このバリヤ層の材料としては、チタン(Ti)、チタンナイトライド(TiN)、チタンタングステン(TiW)、タンタルナイトライド(TaN)等の高融点金属や高融点金属を含んだ化合物が採用される。バリヤ膜を用いたこのような構造は、他の接続電極および貫通電極も同様である。
接続電極16Dは、半導体基板11の下面から厚み方向の途中まで延在して、半導体基板11と電気的に接続されている。接続電極16Dを介して、半導体基板11と第2導電パターン15とは電気的に接続されている。接続孔17Dの内部に形成される接続電極16Dの構造は、上述した接続電極16Aと同様である。
ここでは、2つの接続電極16A、16Dが、半導体基板11の両主面から形成されているが、何れか一方の主面からのみ接続電極が形成されても良い。即ち、半導体基板11の上面から接続電極16Aのみが形成されても良いし、半導体基板11の下面から接続電極16Dのみが形成されても良い。
また接続電極16A、16Dの構造は、通常の半導体プロセスで採用するコンタクトの如き構造でも良い。即ち、絶縁膜12のみが除去される程度の深さの接続孔17A、17Dに、接続電極16A、16Dが形成されても良い。
本形態では、接続電極16Aを介して第1導電パターン14と半導体基板11とを電気的に接続することで、第1導電パターン14と半導体基板11との間に発生する寄生容量を低減させることができる。具体的には、第1導電パターン14は、絶縁膜12を介して半導体基板11の上面に形成されている。換言すると、第1導電パターン14と半導体基板11との間には、誘電体としての絶縁膜12が位置している。従って、導電パターン14と半導体基板11との電位が異なると、電位差に応じた寄生容量が発生する。そこで、本形態では、半導体基板11と導電パターン14とを電気的に接続することで、両者の電位を等しくて寄生容量の発生を抑止している。寄生容量が低減されることにより、回路基板10Aに実装される回路素子の誤動作を防止することができる。この事項は、接続電極16Dを介して接続される半導体基板11と第2導電パターン15についても同様である。
更に、半導体基板11は、接続電極16A、16Dを介して接地電位に固定されることが好ましい。このことにより、接地電位と接続された第1導電パターン(GNDライン)14と、半導体基板11との間に生じる寄生容量が無くなる。更にまた、半導体基板11を接地電位に接続すると、半導体基板11の電位を常に同電位(0V)に固定することができるので、半導体基板11の電位が変動することを防止することもできる。ここで、接地電位の替わりに、電源電位(Vcc)を採用しても良い。
また外部のGND電位を半導体基板11に接続すれば、半導体基板11と接続される導電パターンが、安定してGND電位を維持できる。更にまた、半導体基板11のまとまった領域を接地電位にできるので、シールド効果が向上され、回路基板10Aを透過するノイズの伝搬が防止されている。特に半導体基板11全体をGNDに落とせば、ノイズの吸収、遮断に効果を有する。
更にまた、半導体基板11が接地電位と接続された場合を考えると、半導体基板11上の任意の箇所に於いて、接続電極16Aを用いて第1導電パターン14を接地電位に接続することができる。従って、接地電位と接続された導電パターンを半導体基板11の上面に引き回す必要がないので、第1導電パターン14の構成を簡素化することができる。ここで、半導体基板11を電源電位に接続して、接続電極16Aを介して第1導電パターン14を電源電位に接続しても良い。また、接続電極16Dを介して、第2導電パターン15を接地電位または電源電位に接続することも可能である。この場合は、第2導電パターン15の構成を簡素化することができる。更に、接続電極16Dを介して、外部に位置する接地電位または電源電位と半導体基板11とを接続しても良い。
図2(A)を参照して、本形態の回路基板10Aがインターポーザーとして用いられた回路装置20Aを説明する。ここでは、回路基板10Aの上面に回路素子18が実装されることで、回路装置20Aが構成されている。回路基板10Aの下面は、外部電極21を介して実装基板30の上面に形成された導電路31に固着されている。
回路素子18は回路基板10Aの上面に実装される素子であり、抵抗、コンデンサまたは/およびコイル等の受動素子や、ダイオード、トランジスタ、IC、LSI等の能動素子を全般的に採用することができる。更に、複数個の回路素子18が回路基板10Aに実装されて、システム機能を一つの回路装置20Aで実現しても良い。また光センサ、圧力センサ、磁気センサ等のセンサ類が回路基板10Aに実装されても良い。
LSIである回路素子18は、フリップチップ法により、回路基板10Aの上面に形成された第1導電パターン14に、バンプ電極19を介して接続されている。上述したように、回路基板10Aの基材である半導体基板11は、回路素子18の材料と同じようにシリコンから成る。従って、回路基板10Aと回路素子18との熱膨張係数は等しいことから、両者を接続するバンプ電極19に作用する熱応力は極めて小さくなり、接続信頼性が向上されている。また、回路素子18と回路基板10Aとの間には、両者の接続信頼性を更に向上する為に、アンダーフィル36が充填されても良い。
本形態の回路装置20Aでは、半導体基板11に設けた凹部に回路素子28を収納させることにより、回路素子18の近傍に回路素子28を配置させることができる。具体的には、回路素子18と回路素子28とは、半導体基板11を厚み方向に貫通する接続電極16B、16Cを介して接続される。従って、回路素子18と回路素子28との距離は、例えば100μm程度に短くすることができる。このことから、回路素子28が、回路素子18に発生するノイズを低減させるコンデンサである場合は、ノイズ低減の効果を大きくすることができる。
更に、本形態では、高周波で動作する回路素子18の特性を劣化させずに、回路基板10Aの上面にて動作させることができる。高周波(例えば数GHz)で動作する半導体素子は寄生容量の悪影響を受けやすく、寄生容量により信号の遅延や劣化が発生する恐れがある。本形態では、上述した構成により、回路基板に発生する寄生容量を低減させることで、高周波の半導体素子にも対応可能となっている。また、このような形態の導電路(マイクロ・ストリップ・ライン)では、高速伝送で一般的な特性インピーダンスと整合する事で誘電損失を防止する事が可能になる。
更に、回路素子18と回路基板10Aとの間に位置する絶縁材料を、低誘電材料とすることにより、回路素子18と回路基板10Aとの間に発生する寄生容量を低減させることが可能となる。ここでは、両者の間に位置しているアンダーフィル36を、低誘電材料であるブラックダイヤモンドまたはフッ化ポリイミドにて構成することで、寄生容量を低減させ、特性インピーダンスを整合させている。
また、半導体基板11は、接続電極16D、外部電極21、導電路31を介して、外部の電源電位または接地電位に固定することができる。このことにより、上述したように、寄生容量の低減、シールド効果の向上等の効果を得ることができる。
図2(B)を参照して、他の形態の回路装置20Bの構成を説明する。回路装置20Bでは、フェイスアップの状態で回路素子18が回路基板10Aの上面に実装されている。また、回路素子18が封止されるように回路基板10Aの上面に封止樹脂37が形成されている。このようにフェイスアップにて回路素子18を実装した場合でも、上記した効果を得ることができる。
ここでは、回路基板10Aの上面及び下面に形成された第1導電パターン14および第2導電パターン15は、電気的に接続される領域を除いて、被覆層22により被覆されている。回路基板10Aの上面に於いては、回路素子18と接続される領域の第1導電パターン14が、被覆層22から露出している。回路基板10Aの下面に於いては、外部電極が付着される箇所の第2導電パターン15が被覆層22から露出している。この被覆層22は、上述した回路装置20Aに設けられても良い。更には、被覆層22を省いて回路装置20Bが構成されても良い。
回路素子18の下面は、接合材26を介して、回路基板10Aの上面に固着されている。回路素子18の上面に形成された電極は、第1導電パターン14と金属細線25を介して接続されている。
回路素子18の固着に用いる接合材26としては、上述したように低誘電材料が好ましい。このことにより、回路素子18とその下方に位置する第1導電パターン14との間に発生する寄生容量を低減させることができる。
ここで、図2(A)に於いて、実装基板30として、ガラスエポキシ基板、セラミック基板、ガラス基板、金属基板、フレキシブル基板等が考えられる。しかしながら半導体基板11と回路素子18は、Siにより構成されることを考えると、実装基板30としては、フレキシブル基板が好ましい。更には、回路素子18としてメモリチップを採用し、メモリ容量の拡大を考慮し、チップを上層に何枚も積層したスタック構造でも良い。
<第2の実施の形態>
図3から図5を参照して、他の形態の回路基板10Bの構成を説明する。図3(A)は回路基板10Bの断面図であり、図3(B)および図3(C)は回路基板10Bの凹部27の部分を拡大した断面図である。
回路基板10Bの基本的な構成は、第1の実施の形態に示した回路基板10Aと同様である。回路基板10Bでは、2枚の半導体基板を積層させた積層基板32が基体として用いられている。この積層基板32が、第1の実施の形態の半導体基板11に対応している。以下では、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図3(A)を参照して、本形態の回路基板10Bでは、絶縁層32Cを介して積層された第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bから積層基板32が形成されている。また、回路素子28が収納される凹部27が積層基板32の下面から形成されている。更に、積層基板32の上面から凹部27まで延在する接続電極16B、16Cが設けられている。更にここでは、第1半導体基板32Aと第1導電パターン14とを接続する接続電極16Aおよび、第2半導体基板32Bと第2導電パターン15とを接続する接続電極16Dが設けられている。
積層基板32は、絶縁層32Cを介して張り合わされた第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bから形成されている。積層基板32の材料としては、貼り合わせSOI(Silicon On Insulator)基板を採用することができる。積層基板32の厚みは、例えば100μm〜400μm程度である。
第1半導体基板32Aは、厚みが50μm〜200μm程度のシリコン等の半導体から成る。第1半導体基板32Aの材料としては、真性半導体または不純物半導体を採用することができる。また、第2半導体基板32Bは、第1半導体基板32Aと同様の材料から成り、絶縁層32Cを介して、第1半導体基板32Aと積層されている。
上述した第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bは、接地電位または電源電位に接続することが出来る。この場合は、第1半導体基板32Aが接地電位に接続されて第2半導体基板32Bが電源電位に接続されても良いし、第1半導体基板32Aが電源電位に接続されて第2半導体基板32Bが接地電位に接続されても良い。
絶縁層32Cは、SiOや樹脂膜等の絶縁性の材料から成り、第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bを貼り合わせ且つ両者を絶縁させる機能を有する。
シリコンから成る本形態の回路基板10Bは、LSIチップ等の半導体素子と同じ材料から成る。従って、実装される半導体素子の熱膨張係数と、回路基板10Bの熱膨張係数とは等しくなるので、両者の接続信頼性を向上させることができる。
絶縁膜12は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはポリイミド等の樹脂膜から成り、積層基板32の上面及び下面を被覆している。絶縁膜12により、第1導電パターン14および第2導電パターン15と、積層基板32とが絶縁されている。また、絶縁膜12は、接続孔17A、17B、17C、17Dおよび貫通孔23の内壁にも形成される。また、接続孔17Aの底面は、絶縁膜12により覆われずに、第1半導体基板32Aが露出している。更に、接続孔17Dの底面も絶縁膜12により覆われずに、第2半導体基板32Bが露出している。更に、凹部27の内壁も、接続電極16B、16Cが露出する領域を除いて絶縁膜12により被覆されても良い。
第1導電パターン14および第2導電パターン15は、積層基板32の上面および下面に形成されている。ここでは、上層の第1半導体基板32Aの上面に第1導電パターン14が形成され、下層の第2半導体基板32Bの下面に第2導電パターン15が形成されている。
貫通電極13は、積層基板32を厚み方向に貫通して設けた貫通孔23に設けられた導電材料から成る。貫通電極13により、第1導電パターン14と第2導電パターン15とが接続される。
接続電極16Aは、積層基板32の上面から形成されて第1半導体基板32Aと電気的に接続された電極である。接続電極16Aにより、積層基板32の上面に形成された第1導電パターン14と、上層の第1半導体基板32Aとを電気的に接続することができる。
接続電極16Dは、積層基板32の下面から形成され、下層の第2半導体基板32Bと電気的に接続された電極である。接続電極16Dにより、積層基板32の下面に形成された第2導電パターン15と、下層の第2半導体基板32Bとが電気的に接続される。
本形態では、上述した接続電極16Aを介して、第1半導体基板32Aを接地電位または電源電位に接続することができる。更に、接続電極16Dを介して、第2半導体基板32Bを接地電位または電源電位に接続することもできる。更には、接続電極16Aおよび接続電極16Dを介して、積層基板32の任意の箇所で、接地電位または電源電位を取り出すこともできる。この事項の詳細は、図5を参照して後述する。
図3(A)では、第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bから成る2層の半導体基板が積層されているが、3層以上の半導体基板を積層させ、各層の半導体基板を異なる電位に接続しても良い。
図3(B)を参照して、凹部27の詳細を説明する。ここでは、第2半導体基板32Bを部分的に除去して凹部27が形成されている。従って、凹部27の深さは、第2半導体基板32Bの厚みと同じ50μm〜200μm程度である。また、接続電極16B、16Cは、上層の第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して、凹部27の底面まで延在している。凹部27に露出する接続電極16B、16Cの先端部は、半田や導電性ペーストから成る接合材26を介して、回路素子28と電気的に接続される。
ここでは、凹部27を積層基板32の下面側に設けているが、積層基板32の上面側に凹部27を形成しても良い。この場合は、上層の第1半導体基板32Aを部分的に除去して凹部27が形成される。また、1つの積層基板32に対して複数個の凹部27を設けても良い。
回路素子28は、凹部27に収納される素子でありその詳細は、第1の実施の形態と同様である。図では、チップコンデンサ等のチップ型の素子が回路素子28として採用され
、接合材26を介して接続電極16B、16Cの先端部と接続されている。
図3(C)を参照して、ここでは、凹部27は、積層基板32の下面から第2半導体基板32Bおよび接続層32Cを貫通して、第1半導体基板32Aの途中まで延在している。このように凹部27を形成することで、凹部27が深く形成され、より大型の回路素子28を凹部27に収納させることができる。
図4を参照して、次に、第1半導体基板32Aまたは第2半導体基板32Bと電気的に接続される接続電極16A、16Dの構成を更に説明する。
図4(A)を参照して、接続電極16A、16Dの異なる形状を説明する。ここでは、接続電極16Aが第2半導体基板32Bと接続され、接続電極16Dが第1半導体基板32Aと接続されている。
接続電極16Aは、積層基板32の上面から、第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して、第2半導体基板32Bまで延在している。換言すると、積層基板32の上面から、第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して、第2半導体基板32Bの途中まで延在する接続孔17Aの内部に接続電極16Aが形成されている。接続孔17Aの底部に露出した第2半導体基板32Bに、接続電極16Aの端部が接触している。接続孔17Aの側壁に形成された絶縁膜12により、接続電極16Aと第1半導体基板32Aとは絶縁されている。このような形状の接続電極16Aを形成することで、積層基板32の上面に形成された第1導電パターン14と、下層の第2半導体基板32Bとを任意の箇所で接続することができる。
接続電極16Dは、積層基板32の下面から、第2半導体基板32Bおよび絶縁層32Cを貫通して、第1半導体基板32Aまで延在している。接続電極16Dの基本的な構成は、上述した接続電極16Aと同様である。即ち、接続電極16Dの端部は、上層の第1半導体基板32Aに接触している。更に、接続孔17Dの内部に接続電極16Bが形成され、接続孔17Dの内壁を被覆する絶縁膜12により、接続電極16Dと第2半導体基板32Bとが絶縁されている。接続電極16Dにより、上層に位置する第1半導体基板32Aと、積層基板32の下面に形成された第2導電パターン15とを任意の箇所で電気的に接続することができる。
図4(B)を参照して、接続電極16A、16Dの更なる他の構成を説明する。ここでは、接続電極16A、16Dが、積層基板32の上面から内部に延在している。
接続電極16Aは、積層基板32の上面から、第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して第2半導体基板32Bまで延在している。この接続電極16Aの構成は、図4(A)と同様である。
接続電極16Dは、接続電極16Aと同様に積層基板32の上面から形成され、第1半導体基板32Aと接続されている。ここでは、接続電極16Dは接続電極16Aよりも浅く形成され、その先端部は第1半導体基板32Aの途中でストップしている。
積層基板32の上面に接続電極16A、16Dを設けることにより、積層基板32の表面に形成された第1導電パターン14を、任意の箇所にて、第1半導体基板32Aまたは第2半導体基板32Bと接続することが可能となる。従って、第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bが接地電位や電源電位と接続された場合は、接続電極16A、16Dを介して、積層基板32上の任意の箇所にて、第1導電パターン14を接地電位や電源電位と接続することができる。
接続電極16A、16Dを設けることによる利点を説明する。例えば図3(A)を参照すると、接続電極16Aを介して第1導電パターン14と第1半導体基板32Aとを電気的に接続することで、第1導電パターン14と第1半導体基板32Aとの間に発生する寄生容量を低減させることができる。この事項は、接続電極16Dを介して接続される第2半導体基板32Bと第2導電パターン15についても同様である。更にまた、積層基板32が接地電位または電源電位に接続されるので、シールド効果が向上され、回路基板10Bを透過するノイズの伝搬が防止されている。
図5を参照して、本形態の回路基板10Bがインターポーザーとして用いられた回路装置20Cを説明する。ここでは、回路基板10Bの上面に回路素子18が実装されることで、回路装置20Cが構成されている。回路基板10Bの下面は、半田等の導電性材料から成る外部電極21を介して実装基板30の上面に形成された導電路31に固着されている。
上述した第1の実施の形態と同様に、回路基板10Bの下面に設けた凹部27に回路素子28が収納され、上面には半導体素子等の回路素子18が実装されている。凹部27に回路素子28が収納されることにより、回路装置20Cの大型化を抑止して、回路基板10Bに多数個の回路素子を実装することができる。更にまた、第1の実施の形態でも説明したように、回路素子18の下方に設けた凹部27に回路素子28を収納させることにより、ノイズ対策用のコンデンサである回路素子28を回路素子18に接近させることができる。従って、接続電極16B、16Cを介して、短い距離で回路素子18と回路素子28とを接続することができるので、回路素子28のノイズ低減の効果を向上させることができる。
次に、回路基板10Bに設けた接続電極16A、16E、16D、16Fについて説明する。これらの接続電極は、回路基板10Bの表面に設けた導電パターンと、第1半導体基板32Aまたは第2半導体基板32Bとを接続する役割を有する。以下の説明では、上層の第1半導体基板32Aが電源電位に接続され、下層の第2半導体基板32Bが接地電位に接続されるものとする。
回路基板10Bの上面からは、接続電極16A、16Eが形成されている。接続電極16Aは、積層基板32の上面から、第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して、下層の第2半導体基板32Bまで延在している。従って、接地電位に電位が固定された下層の第2半導体基板32Bを、接続電極16Aを介して、第1導電パターン14と接続することが可能となる。一方、接続電極16Eは、積層基板32の上面から第1半導体基板32Aまで延在している。従って、電源電位に電位が固定された上層の第1半導体基板32Aを、接続電極16Eを介して、第1導電パターン14と接続することができる。従って、接続電極16A、16Eを介して、回路基板10Bの任意の箇所で、第1導電パターン14を、接地電位または電源電位に接続することができる。
積層基板32の下面からは、接続電極16D、16Fが形成されている。接続電極16Dは、積層基板32の下面から第2半導体基板32Bの途中まで延在している。従って、接続電極16Dを介して、第2半導体基板32Bを、外部に位置する接地電位に接続することができる。接続電極16Fは、積層基板32の下面から、第2半導体基板32Bおよび絶縁層32Cを貫通して、上層の第1半導体基板32Aまで延在している。従って、接続電極16Fを介して、第1半導体基板32Aを、外部に位置する電源電位と接続することが可能となる。ここで、接続電極16D、16Fは、実装基板30の上面に形成された導電路31および外部電極21を介して外部と接続される。また、接続電極16D、16Fを介して、積層基板32の下面に位置する第2導電パターン15を、接地電位または電源電位に接続することも可能である。
上記した本形態の構成により、積層基板32の任意の箇所にて、電源電位に電位が固定された第1半導体基板32Aに、接続電極16Eを介して第1導電パターン14を接続することができる。更には、接地電位に電位が固定された第2半導体基板32Bに、接続電極16Aを介して、第1導電パターン14を接続することもできる。従って、積層基板32の表面に於いて、接地電位または電源電位と接続された第1導電パターン14を引き回す必要が無いので、回路基板10B表面の配線密度を抑制することができる。このことから、実装される回路素子18同士で授受される電気信号が通過する第1導電パターン14を等長配線して、タイミング調整をすることができる。更には、第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bの全面を、電源電位または接地電位と接続された経路として用いることが可能であるので、電源インピーダンスおよび接地インピーダンスを低減させることができる。
<第3の実施の形態>
本形態では、図6および図7を参照して、図1(A)に示した構成の回路基板10Aの製造方法を説明する。
図6(A)を参照して、先ず、半導体基板11を用意して、開口部(エッチング領域)を設けたエッチングマスク40Aにより半導体基板11の上面(一主面)を被覆する。
半導体基板11は、シリコン等の半導体から成る厚みが100μmから400μm程度の基板である。上述したように、半導体基板11としては、不純物が基板内に拡散されたものが採用できる。
エッチングマスク40Aは、一般には、ホトレジストを採用するが、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を採用することができる。後のエッチング方法としてリアクティブイオンエッチング(RIE)を行う場合は、耐エッチング性に優れたシリコン酸化膜またはレジストが好適である。ここで、前もって半導体基板11の外周面を酸化膜により被覆しても良い。
エッチングマスク40Aには、開口部41A、41B、41Cおよび42が設けられている。
開口部42からは、半導体基板11を貫通する貫通孔23が形成される領域が露出される。開口部42の平面的な形状は、例えば円形または矩形であり、その幅W1は例えば40μm程度に形成される。
開口部41Aからは、半導体基板11を厚み方向に途中まで延在する接続孔が形成される。従って、開口部の幅W4は、エッチングレートを遅くするために開口部42の幅W1よりも狭く、例えば10μm〜20μm程度である。
開口部41B、41Cからは後の工程にて凹部27まで延在する接続孔17B、17Cが形成される。接続孔17B、17Cは半導体基板11を貫通しても良いし、貫通しなくても良い。従って、開口部41B、41Cの幅W3、W2は、例えば10μm〜40μmの範囲でよい。
図6(B)を参照して、次に、エッチングマスク40Aを介して半導体基板11をエッチングすることで、貫通孔23および接続孔17A、17B、17Cを形成する。本工程で行うエッチングとしては、プラズマエッチング、スパッタエッチング、RIE、ECR等のドライエッチングが採用される。これらのドライエッチングには、SF、O、C等を含むエッチングガスが用いられる。ここでは、エッチングを半導体基板11の上面から下方に進行させている。また、ドライエッチングの代わりに、ウェットエッチングを行っても良い。
本工程では、半導体基板11を厚み方向に貫通する貫通孔23が開口部42から形成されるまで、エッチングマスク40Aを介して半導体基板11をエッチングする。同時に、開口部41A、41Bおよび41Cから、接続孔17A、17Bおよび17Cを形成する。
前述したように、開口部41Aの大きさは、開口部42よりも小さい。従って、開口部41Aのエッチングレートは、開口部42よりも遅いために、接続孔17Aは半導体基板11の下面まで到達せず、半導体基板11の厚み方向の途中でストップしている。このようにすることで、半導体基板11と接続される接続電極16A(図7(C)参照)を接続孔17Aの内部に形成することができる。
また、接続孔17B、17Cについては、図では、接続孔17Aと同様に半導体基板11の途中まで延在しているが、半導体基板11を貫通するように形成しても良い。
本工程では、エッチングマスク40Aに設けた開口部の径を異ならせることで、深さが異なる貫通孔23および接続孔17A等を同時に形成することができる。従って、貫通孔23と接続孔17A等とを別々の工程にて形成する必要が無いことから、製造コストを安くすることができる。本工程が終了した後に、エッチングマスク40Aは半導体基板11から剥離される。
図6(C)を参照して、次に、半導体基板11の他主面を、開口部45、41Dが設けられたエッチングマスク40Bにより被覆する。更に、前工程にて接続孔17A等が形成された半導体基板11の一主面を、接着材43を介して、支持基板44に貼着する。
開口部45からは、凹部27が形成される領域の半導体基板11が露出される。凹部27は、チップコンデンサ等の回路素子が収納される領域である。従って、開口部45の平面的な大きさは、収納予定の回路素子よりも若干大きく形成され、例えば縦×横=2mm×3mmの矩形に形成される。
開口部41Dからは、半導体基板11と接続される接続孔17Dが形成される。従って、開口部41Dの幅W5は、上述した開口部41Aと同様に10μm〜20μm程度で良い。
図6(D)を参照して、次に、エッチングマスク40Bを介して半導体基板11をエッチングすることにより、凹部27および接続孔17Dを形成する。凹部27の深さは、少なくとも接続孔17B、17Cの先端部に到達する程度以上に形成される。このようにすることで、接続孔17B、17Cと凹部27とが連通した状態になる。従って、後の工程で、接続孔17B、17Cの内部に設けられる導電材料から成る接続電極を、凹部27の内部に露出させることができる。
更に本工程では、半導体基板11の厚み方向に途中まで延在する接続孔17Dが、開口部41Dから形成される。開口部41Dの大きさは開口部45よりも小さいので、開口部41Dのエッチングレートは遅くなり、凹部27よりも浅い接続孔17Dが形成される。
本工程が終了した後に、エッチングマスク40Bは半導体基板11から剥離される。更に、半導体基板11は、支持基板44から分離される。
更にまた、上記の説明では、半導体基板11の一主面から接続孔17B、17Cを形成した後に、他主面から凹部27を形成したが、これらの工程の順番を逆にしても良い。即ち、半導体基板11の一主面から凹部27を形成した後に、他主面から接続孔17B、17Cを形成しても良い。また、上記の説明では、接続孔17A、17B、17Cを形成する工程にて貫通孔23を形成したが、凹部27を形成する工程にて貫通孔23を形成することもできる。
図7(A)を参照して、次に、半導体基板11の表面に、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等から成る絶縁膜12を形成する。本工程では、接続孔17A、17B、17C17D、凹部27および貫通孔23の内壁にも絶縁膜12が形成される。
一般に絶縁膜12を形成する場合は、例えばCVD法等の被膜が一般的である。この場合、チャンバー内のウェハテーブルに半導体基板11と成るウェハが載置されるため下面には、絶縁膜12が形成されない。従って、この場合は、表と裏に分けて2回の成膜工程が必要になる。接続孔17A、17Dの側壁に形成される絶縁膜12の厚みは、一回の成膜工程を経るので、半導体基板11の上面および下面に形成される絶縁膜12と同じ膜厚になる。しかし、貫通孔23、接続孔17B、接続孔17C、凹部27の内壁は二度の成膜を経るので、これらの部位に形成される絶縁膜12の厚みは、半導体基板11の上面等に形成される絶縁膜12よりも厚く形成される。
図7(B)を参照して、次に、接続孔17A、17Dの底部を被覆する絶縁膜12を除去する。接続孔17A、17Dの底部を被覆する絶縁膜12のエッチングには、異方性エッチングが好ましい。つまり接続孔17A、17Dの側壁よりも底部をエッチングするため、底部のみを露出させることができる。また、半導体基板11表面の絶縁膜12を残し、接続孔17A、17Dの底部及び側壁を被覆する絶縁膜12を取り除いても良い。このようにすれば、接続孔17A、17Dの内部に形成される接続電極のコンタクト抵抗を大きく低下できる。
接続孔17A、17Dの底部を被覆する絶縁膜12を除去するエッチングの方法としては、エッチングマスクを用いる場合と、用いない場合とがある。
エッチングマスクを用いる場合は、半導体基板11の主面に形成された絶縁膜12をエッチングマスク(不図示)にて被覆した後に、異方性ドライエッチングを行うことで、接続孔17A、17Dの底部に位置する絶縁膜12を除去する。
エッチングマスクを用いない場合は、以下の方法が好ましい。つまり図面では絶縁膜12の膜厚は均一に示されているが、実際は、接続孔17A、17Dの内部に形成される絶縁膜12は、半導体基板11の上面に形成される絶縁膜12よりも薄い。例えば、接続孔17A、17Dの底部を被覆する絶縁膜12の厚みは、半導体基板11の上面に形成される絶縁膜12の半分程度である。従って、エッチングマスクを用いずにドライエッチングを半導体基板11の主面から一様に行うと、半導体基板11の主面に形成された絶縁膜12が除去される前に、接続孔17A、17Dの底部の絶縁膜12を除去することができる。
本工程に於いて、凹部27の底部を被覆する絶縁層12は、除去しても良いし残存させても良い。凹部27の底部を被覆する絶縁層12を除去することにより、図1(B)に示すような構造が得られる。また、凹部27の底部を被覆する絶縁層12を残存させることにより、図1(C)に示すような構造が得られる。ここで、凹部27の底部に絶縁層12を残存させる場合は、凹部27の底部をレジストで被覆した後に、本工程のエッチングを行う。
また、上記したように、凹部27の内壁の内壁を被覆する絶縁層12を、接続孔17A、17Dを被覆する絶縁層12よりも厚くすることで、エッチングマスクを用いることなく、凹部27の底部に絶縁層12を残存させることができる。
図7(C)を参照して、半導体基板11の上面および下面が被覆されるように例えば銅(Cu)から成る金属膜29を形成する。更に本工程では、接続孔17A、17B、17C、17D、凹部27および貫通孔23の内部にも金属膜29が形成される。
接続孔17A、17B、17Cおよび17Dに充填された金属膜29により、接続電極16A、16B、16Cおよび16Dが形成される。また、貫通孔23の内壁に設けられた金属膜29により、貫通電極13が形成されている。
具体的には、先ず、銅(Cu)の拡散を防止するために、接続孔17A等の内壁も含めた半導体基板11の上面及び下面にバリヤ層を形成する。このバリヤ層は、チタン(Ti)、チタンナイトライド(TiN)、チタンタングステン(TiW)、タンタルナイトライド(TaN)等からなり、スパッタ法またはCVD法等により形成される。更に、このバリヤ層の上面に、スパッタ法またはCVD法等により、厚みが数百nm程度の金属膜から成るシード層を形成し、このシード層を電極として用いて電解メッキを行うことで、厚みが数μm程度の金属膜29を形成する。
ここでは、接続孔17A等は金属膜29により埋め込まれているが、貫通電極13と同じように、接続孔17Aの側壁に薄膜の状態で形成されても良い。即ち、接続孔17Aの内壁が金属膜により被覆されて内部に空洞が形成されている状態でも良い。更に、フィリングメッキ法を行うことにより、貫通孔23を金属膜29により埋め込んでも良い。
図7(D)を参照して、次に、半導体基板11の上面および下面に形成された金属膜29をエッチング等によりパターニングすることで、第1導電パターン14および第2導電パターン15を形成する。更に、凹部27の内壁を被覆する金属膜29も本工程にて除去される。
更に、電気的接続箇所を除いて、第1導電パターン14および第2導電パターン15は、被覆樹脂により被覆される。上記の工程により、インターポーザーとして使用可能な回路基板10A(図1参照)が形成される。更にまた、凹部27の内部には、チップ素子等の回路素子が収納され、この回路素子と接続電極16B、16Cとは、半田等の接合材を介して電気的に接続される。
ここでは、各導電パターンが1層で構成されているが、この後絶縁膜の形成、導電材料の形成、パターニングを何回か繰り返し、積層された複数層の導電パターンを形成しても良い。
<第4の実施の形態>
本実施の形態では、図8および図9を参照して、図3に構造を示した回路基板10Bの製造方法を説明する。本形態の製造方法は、基本的には上述した第3の実施の形態と同様であり、相違点は半導体基板が積層された積層基板32を用いる点にある。この相違点を中心に、本形態の回路基板の製造方法を以下に説明する。
図8(A)を参照して、先ず、積層基板32を用意して、開口部を設けたエッチングマスク40Aにより積層基板32の一主面(上面)を被覆する。
積層基板32は、シリコンから成る第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bが、絶縁層32Cを介して積層されて形成されている。積層基板32としては、貼り合わせSOI(Silicon On Insulator)基板を採用することができる。厚みが50μm〜200μm程度の第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bを積層させることにより、厚みが100μm〜400μm程度の積層基板32が形成される。第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bとしては、不純物が拡散された不純物半導体が好適である。
エッチングマスク40Aには、開口部41A、41B、41Cおよび42が設けられている。各開口部の幅は第3の実施の形態と基本的に同様である。ここで、開口部41Aの幅を、開口部42の半分以下にして、開口部41Aのエッチングレートを小さくすることが好適である。このことにより、開口部41Aから形成される接続孔17Aの先端部を、第1半導体基板32Aの途中でストップさせることができる。従って、接続孔17Aの内部に形成される接続電極16A(図9(B)参照)の先端部を、第1半導体基板32Aに接触させることができる。
図8(B)を参照して、次に、エッチングマスク40Aを介して積層基板32をエッチングすることで、貫通孔23および接続孔17A、17B、17Cを形成する。本工程で行うエッチングとしては、プラズマエッチング、スパッタエッチング、RIE、ECR等のドライエッチングが採用される。
更に本形態では、第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bをエッチングする場合と、絶縁層32Cをエッチングする場合とでは、異なるエッチングガスを用いる。シリコンから成る第1半導体基板32Aおよび第2半導体基板32Bをエッチングする際には、CFとOの混合ガス、CFとOの混合ガスを用いてエッチングを行うことができる。また、酸化膜(SiO)から成る絶縁層32Cをエッチングする際には、CFとHの混合ガス、CHFまたはCF6等を用いてエッチングを行うことができる。
しかしながら、エッチングガスを替えずに、第1半導体基板32A、第2半導体基板32Bおよび絶縁層32Cをエッチングすることも可能である。この場合は、SiFおよびCOを用いてドライエッチングが行われる。
本工程では、積層基板32を厚み方向に貫通する貫通孔23が形成されるまで、エッチングマスク40Aを介して積層基板32をエッチングする。前述したように、径の小さい開口部41Aのエッチングレートが遅いために、接続孔17Aは第1半導体基板32Aの下面まで到達しない。即ち、接続孔17Aは、第1半導体基板32Aの厚み方向の途中まで延在している。
また、開口部41B、41Cから形成される接続孔17B、17Cは、第1半導体基板32Aおよび絶縁層32Cを貫通して第2半導体基板32Bまで延在している。接続孔17B、17Cをこのような深さにすることにより、後の工程で第1半導体基板32Aを除去して設けられる凹部27と、接続孔17B、17Cとを連通させることができる。
本工程が終了した後に、エッチングマスク40Aは積層基板32から剥離される。
図8(C)および図8(D)を参照して、積層基板32の他の主面から、凹部27および接続孔17Dを形成する。ここでは、積層基板32の表裏が反転されて、第1半導体基板32Aが下層に位置している。
具体的には、第1半導体基板32Aの表面が接着材43を介して支持基板44に接着されている。また、第2半導体基板32Bから成る半導体基板11の他主面が、開口部45、41Dが設けられたエッチングマスク40Bにより被覆されている。
そして、エッチングマスク40Bを介して、積層基板32をエッチングして、凹部27および接続孔17Dを形成する。凹部27の深さは、少なくとも接続孔17B、17Cの先端部に到達する程度以上に形成される。ここでは、第2半導体基板32Bが除去されて、底部に絶縁層32Cが露出されるように、凹部27が形成される。
また、本工程により、第2半導体基板32Bの厚み方向に途中まで延在する接続孔17Dが、開口部41Dから形成される。
図9(A)を参照して、次に、積層基板32の表面に、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等から成る絶縁膜12を形成する。本工程では、接続孔17A、17B、17C、17D、凹部27および貫通孔23の内壁にも絶縁膜12が形成される。更に、接続孔17Aおよび接続孔17Dの底部を被覆する絶縁膜12は除去される。従って、接続孔17Aの底部には第1半導体基板32Aが露出して、接続孔17Dの底部には第2半導体基板32Bが露出する。
図9(B)を参照して、次に、積層基板32の表面に金属膜を形成し、この金属膜をパターニングして、第1導電パターン14および第2導電パターン15を形成する。更に本形態では、接続孔17A、17B、17Cおよび17Dに充填された金属膜により、接続電極16A、16B、16Cおよび16Dが形成される。また、貫通孔23の内壁に設けられた金属膜により、貫通電極13が形成されている。
以上の工程により、図3に構造を示す回路基板10Bが製造される。
本発明の回路基板を示す図であり、(A)−(C)は断面図である。 本発明の回路基板が採用された回路装置の構成を示す図であり、(A)および(B)は断面図である。 本発明の回路基板を示す図であり、(A)−(C)は断面図である。 本発明の回路基板を示す図であり、(A)および(B)は断面図である。 本発明の回路基板が採用された回路装置の構成を示す断面図である。 本発明の回路基板の製造方法を示す図であり、(A)−(D)は断面図である。 本発明の回路基板の製造方法を示す図であり、(A)−(D)は断面図である。 本発明の回路基板の製造方法を示す図であり、(A)−(D)は断面図である。 本発明の回路基板の製造方法を示す図であり、(A)および(B)は断面図である。 従来の回路基板を示す断面図である。
符号の説明
10A、10B 回路基板
11 半導体基板
12 絶縁膜
13 貫通電極
14 第1導電パターン
15 第2導電パターン
16A〜16D 接続電極
17A〜17D 接続孔
18 回路素子
19 バンプ電極
20A、20B、20C 回路装置
21 外部電極
22 被覆層
23 貫通孔
25 金属細線
26 接合材
27 凹部
28 回路素子
29 金属膜
30 実装基板
31 導電路
32 積層基板
32A 第1半導体基板
32B 第2半導体基板
32C 絶縁層
36 アンダーフィル
37 封止樹脂
40A、40B エッチングマスク
41A〜41D 開口部
42 開口部
43 接着剤
44 支持基板
45 開口部

Claims (17)

  1. 実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板であり、
    半導体から成る半導体基板と、
    前記半導体基板の一主面を部分的に窪ませた凹部と、
    前記凹部が配置された領域で、前記半導体基板の他主面から前記凹部まで貫通すると共に絶縁膜により前記半導体基板と絶縁された第1接続電極と、
    前記半導体基板の一主面または他主面を被覆する絶縁膜の表面に形成された導電パターンと、
    前記導電パターンと前記半導体基板とを接続する第2接続電極と、
    前記凹部に収納されると共に、前記第1接続電極を介して前記導電パターンと接続された回路素子と、
    前記凹部以外の領域で前記半導体基板を貫通すると共に絶縁膜により前記半導体基板と絶縁され、前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極と、
    を具備することを特徴とする回路基板。
  2. 前記第2接続電極を介して、前記半導体基板を接地電位または電源電位に接続することを特徴とする請求項1に記載の回路基板。
  3. 前記半導体基板の一主面および他主面には、前記絶縁膜で絶縁された第1導電パターンおよび第2導電パターンが形成され、
    前記貫通電極により前記第1導電パターンと前記第2導電パターンが接続されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回路基板。
  4. 前記凹部には、チップ型の前記回路素子が収納されることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の回路基板。
  5. 実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板であり、
    絶縁層を介して積層された第1半導体基板および第2半導体基板から成る積層基板と、
    前記積層基板の一主面を部分的に窪ませた凹部と、
    前記凹部が配置された領域で、前記積層基板の他主面から前記凹部まで貫通すると共に絶縁膜により前記積層基板と絶縁された第1接続電極と、
    前記積層基板の一主面または他主面を被覆する絶縁膜の表面に形成された導電パターンと、
    前記導電パターンと前記第1半導体基板または前記第2半導体基板とを接続する第2接続電極と、
    前記凹部に収納されると共に、前記第1接続電極を介して前記導電パターンと接続された回路素子と、
    前記凹部以外の領域で前記積層基板を貫通すると共に絶縁膜により前記積層基板と絶縁され、前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極と、
    を具備することを特徴とする回路基板。
  6. 前記凹部は、前記第1半導体基板または前記第2半導体基板を部分的に除去して設けられ、前記凹部の下面には、前記絶縁層が露出することを特徴とする請求項に記載の回路基板。
  7. 前記積層基板の一主面および他主面には、前記絶縁膜で絶縁された第1導電パターンおよび第2導電パターンが形成され、
    前記貫通電極により前記第1導電パターンと前記第2導電パターンが接続されることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の回路基板。
  8. 前記凹部には、チップ型の前記回路素子が収納されることを特徴とする請求項5から請求項7の何れかに記載の回路基板。
  9. 実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板の製造方法であり、
    半導体から成る半導体基板を一主面からエッチングして、前記半導体基板を厚み方向に延在する第1接続孔を形成する工程と、
    前記第1接続孔が形成された領域の前記半導体基板を、他主面からエッチングすることにより、底部に前記第1接続孔が露出して且つ回路素子が収納可能な凹部を形成する工程と、
    前記半導体基板を厚み方向に途中まで延在する第2接続孔と、前記凹部以外の領域で前記半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔を、エッチングにより形成する工程と、
    前記半導体基板の両主面、前記第1接続孔および前記貫通孔の側壁を絶縁膜で被覆する工程と、
    前記絶縁膜で被覆される前記第1接続孔の内部に導電材料を形成して第1接続電極を設け、前記絶縁膜で被覆される前記半導体基板の一主面または他主面に導電パターンを設け、前記第2接続孔の内部に導電材料を形成して第2接続電極を設けることで前記導電パターンと前記半導体基板とを接続し、前記絶縁膜で被覆される前記貫通孔の内部に導電材料を形成することにより前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極を形成する工程と、
    前記凹部に前記回路素子を収納すると共に、前記回路素子と前記第1接続電極とを接続する工程と、
    を具備することを特徴とする回路基板の製造方法。
  10. 前記貫通孔は、前記凹部または前記第1接続孔を形成する工程にて同時に形成されることを特徴とする請求項に記載の回路基板の製造方法。
  11. 前記第2接続孔は、前記凹部を形成する工程または前記第1接続孔を形成する工程にて同時に形成されることを特徴とする請求項または請求項10に記載の回路基板の製造方法。
  12. 実装基板と半導体素子との間に配置される回路基板の製造方法であり、
    第1半導体基板および第2半導体基板が絶縁層を介して積層された積層基板を用意する工程と、
    前記積層基板の一主面からエッチングを行い、前記積層基板を厚み方向に延在する第1接続孔を形成する工程と、
    前記第1接続孔が形成された領域の前記積層基板を、他主面からエッチングすることにより、底部に前記第1接続孔が露出して且つ回路素子が収納可能な凹部を形成する工程と、
    前記積層基板を厚み方向に途中まで延在する第2接続孔と、前記凹部以外の領域で前記積層基板を厚み方向に貫通する貫通孔を、エッチングにより形成する工程と、
    前記積層基板の両主面、前記第1接続孔および前記貫通孔の側壁を絶縁膜で被覆する工程と、
    前記絶縁膜で被覆される前記第1接続孔の内部に導電材料を形成して第1接続電極を設け、前記絶縁膜で被覆される前記積層基板の一主面または他主面に導電パターンを設け、前記第2接続孔の内部に導電材料を形成して第2接続電極を設けることで、前記導電パターンと前記第1半導体基板または前記第2半導体基板とを接続し、前記絶縁膜で被覆される前記貫通孔の内部に導電材料を形成することにより前記半導体素子の電極と前記実装基板の導電路とを接続する貫通電極を形成する工程と、
    前記凹部に前記回路素子を収納すると共に、前記回路素子と前記第1接続電極とを接続する工程と、
    を具備することを特徴とする回路基板の製造方法。
  13. 前記凹部を形成する工程では、
    前記絶縁層が露出されるまでエッチングを行うことを特徴とする請求項12に記載の回路基板の製造方法。
  14. 前記貫通孔は、前記凹部または前記第1接続孔を形成する工程にて同時に形成されることを特徴とする請求項12または請求項13に記載の回路基板の製造方法。
  15. 前記第2接続孔は、前記凹部を形成する工程または前記第1接続孔を形成する工程にて同時に形成されることを特徴とする請求項12から請求項14の何れかに記載の回路基板の製造方法。
  16. 請求項1から請求項4の何れかに記載された回路基板と、
    前記回路基板に実装された半導体素子と、
    を具備することを特徴とする回路装置。
  17. 請求項5から請求項8の何れかに記載された回路基板と、
    前記回路基板に実装された半導体素子と、
    を具備することを特徴とする回路装置。

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