JP5424675B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、貫通電極の接続抵抗を簡易に判定することが可能である半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。
近年電子機器の小型・高性能化に伴い、半導体装置は小型化、高密度化が要求されている。そのため、貫通電極によって半導体基板の表裏面の導通をとることにより、半導体基板の裏面において外部の端子と接続する構成が用いられている(特許文献1参照)。あるいは、半導体基板の裏面にも配線を形成し複数個の半導体基板を積層して、それらの各表裏面を電気的に接続することで実装密度を高めることも知られている(特許文献2参照)。また、半導体装置における貫通電極は、半導体メモリ、CMOSセンサ、AFセンサ等に用いる半導体チップや、複数の半導体チップを積層した半導体パッケージや、インクジェットヘッド本体の接続など、さまざまな分野でニーズが高まっている。
特開平09−092675号公報 特開2004−235416号公報
半導体基板に貫通電極を形成した半導体装置は、半導体基板に貫通孔を形成する際、孔あけ加工のばらつき等により、貫通孔の開口面積が均一に形成できない場合がある。このような場合、貫通電極による半導体基板の表面と裏面の接続状態にもばらつきが生じてしまう場合がある。貫通電極の接続状態を知ることは信頼性を確保するために重要であり、接続状態を好適に検査する方法が望まれている。
さらに、半導体素子面側の電極部に電気検査用コンタクトプローブを当てることができない構造を持つ半導体基板において、貫通電極は半導体素子に繋がっているために、数Ωの抵抗値を検査するのに適した方法がなかった。このため、貫通電極と半導体基板のパッド部との接続状態を電気チェッカーで検査することができなかった。
本発明は、半導体基板の貫通電極の接続状態を、容易に検査し得る半導体装置を提供することを目的とするものである。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板を貫通する孔に導電層を形成し、前記半導体基板の表面に形成された電極パッド前記半導体基板の裏面とを電気的に接続する電極を有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板を貫通する、前記孔と、前記孔よりも開口面積が大きい孔と小さい孔を2つずつ形成する工程と、前記2つの大きい孔のそれぞれと、前記2つの小さい孔のそれぞれとに、導電層を形成し、前記半導体基板の表面に形成された配線により、前記2つの大きい孔のそれぞれの導電層を接続し、前記半導体基板の表面に形成された配線により、前記2つの小さい孔のそれぞれの導電層を接続する工程と、前記半導体基板の裏面から、前記大きい孔と前記小さい孔の前記接続した導電層の抵抗値をそれぞれ測定する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、半導体基板を貫通する孔に形成された導電層と、前記半導体基板の表面に形成された電極パッドと前記半導体基板の裏面とを電気的に接続する電極を有する半導体装置であって、前記半導体基板を貫通する、前記孔よりも開口面積が大きい孔と小さい孔を2つずつ有し、前記2つの大きい孔の内部にはそれぞれに導電層が形成され、前記それぞれの導電層は、前記半導体基板の表面に形成した配線により接続され、前記2つの小さい孔の内部には、その内部それぞれに導電層が形成され、前記それぞれの導電層は、前記半導体基板の表面に形成した配線により接続され、前記半導体基板の裏面には、前記大きい孔と前記小さい孔の前記接続された導電層の抵抗値を測定するための引出電極がそれぞれ形成されていることを特徴とする。
貫通孔の開口面積が大、中、小の少なくとも3種類の貫通電極を設けることにより、半導体基板の貫通電極の接続状態を、容易に検査することができる。
一実施形態による半導体装置を示す図 製造方法の一実施形態を説明する工程図 製造方法の一実施形態を説明する工程図 製造方法の一実施形態を説明する工程図 製造方法の一実施形態を説明する工程図 製造方法の一実施形態を説明する工程図 貫通電極の孔形状を示す図 検査用貫通電極の実寸法を示す平面図 半導体装置を切り出すウエハを示す平面図 一変形例を示す平面図
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。まず、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。図2〜6は、本発明の製造方法の一実施形態を説明する工程図である。本発明の半導体装置は、図9に示すように半導体ウエハ等の基板に複数個形成し、ダイシングにより切断分離した1つの半導体装置Waを指してもよいし、半導体ウエハ等の基板に形成された複数個の半導体装置全体Wを半導体装置としてもよい。
図2(a)は、半導体基板1に電極パッド13、半導体素子11、配線12が通常の半導体プロセスにより形成された状態を示す。半導体基板1の表面には半導体素子11、電極パッド13、配線12を被覆する構造体15が形成されている。半導体基板1は、シリコン、ゲルマニウム、セレン等の単一元素や、酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、アンチモン化合物、ヒ素化合物、リン化合物等の化合物、ガラス、セラミックや有機半導体材料等を主成分とした基板を用いることができる。また半導体基板1の形状としては、ウエハ状、四角形、多角形のものを好適に用いることができ、マイクロマシーン等で多用されている複雑に加工された形状を用いることもできる。構造体15は、有機材料、無機材料、有機材料及び無機材料からなる材料を用いることができる。
図2(b)に示すように、構造体15上にウエハ補強材であるWSS17を貼り付けてウエハを補強し、次に裏面側をバックグラインダーにて研摩を行い、半導体基板1の厚みを薄化する。薄化後にウエハ端面のトリミング処理及び、スピンエッチャーによる破砕片の除去処理を行う。この処理により、後工程でのウエハ端面クラックや破砕片による不良を抑制する。半導体基板1の裏面にはCVD法などにより保護膜2を付けてもよい。保護膜2は、SiO2,SiN等を用いる。
次に、半導体基板の表面に形成された電極パッド13に対向する半導体基板の裏面から貫通孔を形成し、貫通孔底部に電極パッドを露出させる。図2(c)において、4及び5bが貫通電極を形成するための貫通孔である。3は貫通電極を形成するための貫通孔ではないが、同時に孔開け処理を行なうことが可能である。また、4及び5bよりも開口面積が小さい貫通孔5a(不図示)、4及び5bよりも開口面積が大きい貫通孔5c(不図示)も同時に形成する。貫通孔の形成方法としては、ドリル加工法、レーザ加工法、光励起陽極化成法、エッチング法、ICP−RIE法等が挙げられ、半導体基板1の材質、貫通孔4の形状、アスペクト比、生産性等を考慮して適宜選択される。半導体基板1の裏面(或いは裏面表面に保護膜2が形成されている場合は保護膜2)上に、マスク18を形成しパターニング処理を行ない、貫通孔を形成してもよい。これらの貫通孔の加工は、開口面積によりその形状や加工スピードが大きく変わる。また、加工装置や、半導体基板内での位置により、形状や加工スピードにばらつきがでる。
一例として、図7に示すように、直径50μm(開口面積約2000μm)の孔H4の貫通電極を形成する場合には、直径30μm、40μm、45μm、60μm、70μm、の孔H1、H2、H3、H5、H6のような孔形状が発生しやすい。開口面積が大きいと貫通孔底部がオーバーエッチングされてしまい、オーバーエッチング部に後工程で形成する導電層が付きづらくなり、電気的な接続状態があまり良好でない場合がある。また、開口面積が小さいと貫通孔が底部までしっかり形成されず、後工程で形成する導電層と、貫通孔底部に形成されている電極バッドとの接触面積が十分取れず、電気的な接続状態があまり良好でない場合がある。そこで、例えば、直径50μmの孔H4を採用して貫通電極を作成する場合には、直径50μmよりも大きな開口面積を有する孔と直径50μmよりも小さな開口面積を有する孔の少なくとも3種類の貫通孔を同時に形成する。直径50μmよりも大きな開口面積を有する孔は例えば直径60μmの孔H5、直径50μmよりも小さな開口面積を有する孔は例えば直径45μmの孔H3を形成する。つまり、開口面積が大、中、小の少なくとも3種類の貫通孔を形成する。以下、貫通電極として採用した貫通孔の開口面積より大きな開口面積を有する貫通孔を大の貫通孔と称する。また、貫通電極として採用した貫通孔の開口面積より小さな開口面積を有する貫通孔を小の貫通孔と称する。そして、後工程において説明する導電層を前記3種類の貫通孔に形成し、3種類の貫通電極を作成し、この3種類のうち、少なくとも開口面積が大の貫通孔を有する貫通電極及び小の貫通孔を有する貫通電極の接続抵抗をそれぞれ測定する。これらの貫通電極の接続抵抗が基準を満たしていれば、おのずと貫通電極の貫通孔として採用した直径50μmの孔H4の貫通電極の接続状態は基準を満たしていることになるからである。
貫通電極の接続抵抗の測定方法としては、後述する後工程で形成する貫通孔に形成された導電層、あるいは導電層に接続された配線に半導体基板の裏面側から電気検査用コンタクトプローブの片側を接触させる。そして、半導体基板の表面に形成された電極パッド、あるいは電極パッドに接続された配線に、電気検査用コンタクトプローブのもう片側をあてる。このようにして、電気抵抗値を計測することにより、貫通電極の接続状態を測定することができる。しかし半導体基板の表面に構造体が形成され、表面側から電極パッドに電気検査用コンタクトプローブをあてることができない場合もある。このような場合には、図8に示すように、大、中、小の貫通孔を有する3つの貫通電極を2組ずつ、つまり同じ直径の貫通電極を2個ずつ近接させて配置し、検査用パターン配線によって同じ直径の貫通電極を接続する。このようにすることで、裏面側から電気抵抗値を計測することが可能となる。ここでは検査用に大、中、小の3つの貫通孔を形成する例を示したが、少なくとも大、小の2つの貫通孔を形成すれば本発明の目的は達成される。以下、検査用パターンに接続された貫通孔5a、5b、5cを有する貫通電極を検査用貫通電極と称することにする。
半導体ウエハ等の基板全体の貫通電極の接続抵抗を測定する場合、検査用貫通電極は、半導体ウエハ等の基板の少なくとも端部の複数箇所に形成することが好ましい。中心部にもさらに形成するとより好ましい。孔開け処理の速度が基板上の位置によって異なるため、基板端部の複数箇所に形成すると、より正確な検査を実行することが可能となる。
次に、図3(a)において、マスク18の剥離を行い、図3(b)において、貫通孔4を有する貫通電極及び貫通孔5b、5a(不図示)、5c(不図示)を有する検査用貫通電極等の内側表面(壁面)、及び半導体基板1の裏面側の表面に保護膜6を形成する。保護膜6は、有機膜材料を塗布することにより形成する。保護膜6の形成方法は、CVD、蒸着等でもよい。そして、貫通孔4及び5b、5a(不図示)、5c(不図示)の底部に露出させた電極パッドの表面に形成された保護膜6を、マスクを使用したエッチング等により除去し、再び貫通孔の底部に電極パッドを露出させる。
図3(c)において、貫通孔4及び5b、5a(不図示)、5c(不図示)の内側表面(貫通孔の側壁及び底部)及び半導体基板1の裏面に導電層を形成する。本実施形態では、バリア・シード層7とメッキ層8により導電層を形成する例を記載するが、もちろんこれに限るものではなく、一層から成る導電層でもよいし、3層以上から成る導電層でもよい。バリア・シード層7としては、Ti/Au等がありイオンコーテイング、蒸着重合法により形成される。バリア・シード層7は、次工程で形成するメッキ層8との密着も非常に良く、剥がれることがない。
図4(a)において、貫通孔5b、5a(不図示)、5c(不図示)を有する検査用貫通電極及び貫通孔4を有する貫通電極の内部に形成されたバリア・シード層7の表面、及び半導体基板1の裏面側にメッキ層8を形成する。メッキ層8は、貫通孔4及び5b、5a(不図示)、5c(不図示)を有する貫通電極の表面側と裏面側とを電気的に接続する電気配線をなしており、導体基板1の表裏面及び表側面を確実に導通するもので、プロセスマージンや環境耐性が充分にあり、設計値や許容差等を満足するものであればよい。導電層の製法としては、処理温度が1000℃を超えるPVDやCVDを使用することは難しい。しかし、ドライメッキ、ウエットメッキ、ジェットプリンティング法、導電ペーストや溶融金属の成膜法、スパッタ法と電解めっき法、無電解めっき法等を併用して使用することができ、貫通電極孔4の形状やアスペクト比に応じて適宜選択される。
図4(a)に示すように、通常のフォトリソグラフィープロセスにより、ドライフィルムのマスキング21を用いて導電層をパターンニングする。導電層は半導体基板1の表面に設けられた電極パッド13が、お互いにショートしないように選択的にパターニングされる。また半導体基板1の裏面もパターニングにより所定の導電性の配線を形成必要な部分にめっきを施す。図4(b)においてドライフィルムによるマスキング21を剥離する。図4(c)において再度マスキング22を行い、必要な部分にのみめっきを施し、金属膜9及びバンプ10を形成し、図5(a)に示すように、マスキング22を剥離する。
図5(b)において、貫通電極及び検査用貫通電極の保護のために再度マスキング23を施し、非電極孔である貫通孔3のバリア・シード層7をエッチングにて除去する。この際、貫通孔4を有する貫通電極の電源接続を判定するための貫通孔5b、5a(不図示)、5c(不図示)を有する検査用貫通電極及び取出電極5となる部分も同様にマスキングし、検査用パターンを保護する。図5(c)において、非電極孔のバリア・シード層7のマスキング23を剥離する。
そして、図6に示すように、3種類の異なる開口面積を持つ貫通孔5b、5a(不図示)、5c(不図示)を有する検査用貫通電極の抵抗値を、例えば、低抵抗電気検査用の4端子コンタクトプローブTを用いて測定する。この際の抵抗値判定は、開口面積ごとに仕切り値を設け、この数値により半導体装置の電気接続の信頼性を評価する。抵抗値が所定の値以内であった場合は、最後に、図9に示すように、ウェハWから通常のダイサーを使って、各半導体装置Waをダイシングにより切断分離する。
次に、本発明の半導体装置について図面に基づいて説明する。図1は、一実施形態による半導体装置を示す。この半導体装置の半導体基板1は、第1の保護膜2、貫通孔3、貫通電極を形成するための貫通孔4、検査用貫通電極を形成するための貫通孔5a、5b、5cを有する。さらに、これらの孔の壁面を保護する第2の保護膜6、導電層であるバリア・シード層7及びメッキ層8、金属膜9及びバンプ10等を有する。半導体基板1は、シリコン、ゲルマニウム、セレン等の単一元素や、酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、アンチモン化合物、ヒ素化合物、リン化合物等の化合物、ガラス、セラミックや有機半導体材料等を主成分とした半導体基板である。
半導体基板1の表面側には、半導体素子11、配線12、電極パッド13、及び抵抗が10Ω以下の配線体である検査用パターン配線14が形成され、これらは、あらかじめ半導体基板1の表面に半導体プロセス等により形成されている。半導体素子11は、半導体基板1の表面から埋め込まれるように形成された半導体素子である。電極パッド13は半導体基板1の表面に形成された電極パッドである。配線12は電極パッド13の一部から延びた配線であり、配線12により半導体素子11と電気的に接続されている。
貫通孔5a、5b、5cを有する検査用貫通電極とともに検査用パターンを構成する検査用パターン配線14は、抵抗値測定用の回路で、半導体基板1の表面に形成されている。貫通孔4と同じ開口面積を有する貫通孔を5bとした時、5bより小さな開口面積を有する貫通孔5aと、5bより大きな開口面積を有する貫通孔5cの、大、中、小の、異なる開口面積の3種類の貫通孔を形成する。また、大、中、小の、異なる開口面積の3種類の貫通孔5a、5b、5cを有する検査用貫通電極は、2組、すなわち、各開口面積ごとに同じ開口面積の検査用貫通電極が2個ずつ設けられ、検査用パターン配線14によって接続されている。本実施形態では各開口面積ごとに同じ開口面積の検査用貫通電極が2個ずつ設けられているが、半導体基板の表側から検査プローブが挿入可能な場合は、1つずつでも検査可能である。また、本実施形態では大、中、小の、異なる開口面積の3種類の貫通孔5a、5b、5cを有する検査用貫通電極を設けているが、少なくとも大、小の異なる開口面積の貫通孔5a、5cが形成されていればよい。半導体基板1の半導体素子面側は、構造体15により被われている。ここでは、貫通孔4より大きな開口面積をもつ貫通孔を有する貫通電極を大の貫通電極、貫通孔4と同じ開口面積をもつ貫通孔を有する貫通電極を中の貫通電極、貫通孔4より小さな開口面積をもつ貫通孔を有する貫通電極を小の貫通電極と定義する。
保護膜6は、絶縁性であって、貫通孔3、貫通電極を形成するための貫通孔4及び5a、5b、5cの壁面と、半導体基板1の裏面に形成される。貫通孔4及び5a、5b、5cに形成された保護膜6の上には、導電層が形成され、さらに金属膜9及びバンプ10が形成されている。
従来、半導体基板の貫通電極は、素子に繋がっているために、低い抵抗値の判別をすることができなかった。しかし貫通電極の接続状態の確認においては、0.1Ω〜数Ωレベルの抵抗値の判定が非常に重要である。
本実施形態によれば、半導体装置の裏面側に設けられた、異なる開口面積を持つ貫通孔5a、5b、5cを有する検査用貫通電極から取出した取出電極5dに電気検査用コンタクトプローブを接触させて抵抗値を測定する。この抵抗値測定によって貫通電極の抵抗値を判別する。すなわち、半導体基板1の裏面側に、貫通電極の電気接続を判定するための検査用貫通電極と、抵抗が10Ω以下の配線体である取出電極5dとを、半導体装置の製造プロセスにおいて貫通電極等と同時に形成する。そして、取出電極5dに電気検査用コンタクトプローブを当てて半導体装置の接続抵抗値を測定するものである。
従来は、半導体回路の回路抵抗も同時に測定するため、貫通電極単独の微妙な抵抗値変化を読み取れず、初期動作は問題ないが、長期の信頼性は、エージング等の手間を掛けなければ判断することができなかった。
本実施形態では、検査用貫通電極の抵抗値をよむことで、例えば1Ωの場合は、ヒートサイクル100サイクル以上もつとか、100Ωだと10サイクルしか耐久性がないなどの判定ができる。この時、あらかじめそれぞれの設計ごとに実験あるいはシュミレーションにより求めたデータを、判別データとして利用する。判別データにより、測定した抵抗値が、所望の抵抗値以下であるならば製品の貫通電極の接続状態は良好とみなすことができる。孔あけ加工等、加工プロセスそのもののバラツキ、また、ウエハ内のチップの配置により各製品チップごとに、貫通電極の接続状態が異なることが考えられる。したがって、各製品チップごとに形成された検査用パターンを用いて、製品そのもので電気接続の検査ができることは非常に有効である。また、現在では、エージングを省くことが一般的であり、新技術の貫通電極を形成したデバイスだからといって、そのためにエージングを復活させることは、コスト上、作業上からも問題があった。本発明は、これらの課題を簡易に解決することができる。
図2(a)に対応する工程として、シリコン製の基板である6inchの半導体基板1を準備する。半導体基板1の表面にはあらかじめ電極パッド13、半導体素子11、配線12が設けられている。半導体基板1の表面には0.1μmの不図示の保護膜が形成されている。すなわち半導体素子11の表面及び電極パッド13、配線12と半導体基板1との間に保護膜は形成されている。電極パッド13の厚さは2.1μmで、配線12の厚さは0.6μmである。保護層は半導体プロセスによりSiO2とSiNの積層により形成されている。半導体基板1の厚さは200μmである。
次に、図2(b)、(c)及び図3(a)に対応する工程として、ICP−RIEを用いて貫通孔4等の孔を形成する。貫通電極4は、φ53μm、アスペクト比約4である。
次に、図3(b)に対応する工程として、シランカップリング材を溶液浸漬でコーティングして、CVD法により保護膜6を形成する。シランカップリング処理としては、メタノール溶媒のKBM−603(信越化学工業)0.1%等を使い、カップリングの液きり、乾燥、水洗、乾燥等のプロセスを行う。
次に、図3(c)に対応する工程として、バリア・シード層7をイオンコート法を使用して貫通電極4等の内側表面、基板1の裏面側全体に形成する。
次に、図4(a)、(b)に対応する工程として、感光性ドライフィルムレジスト、感光性液状レジスト、メタルマスク等をエッチングレジストして、O2アッシング、CDE等により、CVD法による有機絶縁膜の必要部分以外を除去するパターニングを行う。そして、導電層8を電解メッキにより形成し、マスクを剥離する。
次に、図4(c)に対応する工程として、金属膜9及びバンプ10のパターンニングを行う。パターニング方法は、まず、ラミネータにより、ドライフィルムレジスト(東京応化社製等)をラミネートした後、110℃で90秒間乾燥させる。次にパターニングに対応したマスクを用いて、アライナーで露光した後、現像液(NMD−W、東京応化社製)で現像する。フッ化アンモニュウム等のエッチング液に15分浸漬することでエッチングした。最後にレジスト剥離液(剥離液104、東京応化社製)でレジストを剥離し、所定のパターニングが完成する。
次に、図5に対応する工程として、貫通電極4の内側表面の金属膜9及びバンプ10をめっきにより埋め込んだ。そして、不要なバリア・シード層7を除去する。
最後に、図9に示すように、ウェハWから通常のダイサーを使って、各半導体装置Waをダイシングにより切断分離し、半導体装置は完成する。本実施例の場合、6インチのウエハから約550チップが取れる。
図10は一変形例を示す。これは、検査用パターンを、検査用貫通電極5a〜5cの各開口面積ごとに分割する。そして、分割された検査用パターン配線14a〜14cに、同じ開口面積の検査用貫通電極5a〜5cを2個ずつ接続し、製品チップのあいた部分に間隔を空けて配置したものである。これにより、製品のサイズを大きくすることなく、検査用パターンを配置することができる。
1 半導体基板
3、4、5a、5b、5c 貫通孔
7 バリア・シード層
8 メッキ層
9 金属膜
10 バンプ
11 半導体素子
12 配線
13 電極パッド
14、14a、14b、14c 検査用パターン配線

Claims (6)

  1. 半導体基板を貫通する孔に導電層を形成し、前記半導体基板の表面に形成された電極パッド前記半導体基板の裏面とを電気的に接続する電極を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板を貫通する、前記孔と、前記孔よりも開口面積が大きい孔と小さい孔を2つずつ形成する工程と、
    前記2つの大きい孔のそれぞれと、前記2つの小さい孔のそれぞれとに、導電層を形成し、
    前記半導体基板の表面に形成された配線により、前記2つの大きい孔のそれぞれの導電層を接続し、
    前記半導体基板の表面に形成された配線により、前記2つの小さい孔のそれぞれの導電層を接続する工程と、
    前記半導体基板の裏面から、前記大きい孔と前記小さい孔の前記接続した導電層の抵抗値をそれぞれ測定する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記導電層は、バリア・シード層およびメッキ層からなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記バリア・シード層は、イオンコーティング、蒸着重合法により形成されることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記抵抗値は、前記半導体基板の裏面に設けられた取出電極にコンタクトプローブを接触させることにより測定されることを特徴とする請求項1乃至3いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 半導体基板を貫通する孔に形成された導電層と、前記半導体基板の表面に形成された電極パッドと前記半導体基板の裏面とを電気的に接続する電極を有する半導体装置であって、前記半導体基板を貫通する、前記孔よりも開口面積が大きい孔と小さい孔を2つずつ有し、前記2つの大きい孔の内部にはそれぞれに導電層が形成され、前記それぞれの導電層は、前記半導体基板の表面に形成した配線により接続され、
    前記2つの小さい孔の内部には、その内部それぞれに導電層が形成され、前記それぞれの導電層は、前記半導体基板の表面に形成した配線により接続され、
    前記半導体基板の裏面には、前記大きい孔と前記小さい孔の前記接続された導電層の抵抗値を測定するための引出電極がそれぞれ形成されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 前記導電層は、TiあるいはAuであることを特徴とする請求項5の半導体装置。
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