JP5460069B2 - Semiconductor substrate, semiconductor package, and semiconductor substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、貫通電極を有する半導体基板と半導体パッケージおよび半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate having a through electrode, a semiconductor package, and a method for manufacturing the semiconductor substrate.
貫通電極を有するこの種の半導体基板を内蔵した半導体パッケージの一例を図11に示す。
この半導体パッケージでは、半導体基板1にドライエッチング加工などで貫通孔21を形成し、貫通孔21の側壁にCVD法などにより絶縁膜を堆積する。この絶縁膜の上にシード層を形成し、めっき法などにより導電性物質を充填させることによって半導体基板を貫通する電極(貫通電極と呼ぶ)が形成されている。
An example of a semiconductor package incorporating this type of semiconductor substrate having a through electrode is shown in FIG.
In this semiconductor package, a
貫通孔21の形成後、或いは形成前に半導体基板1の上面に配線層5Aを形成して、半導体基板1に実装された、或いは半導体基板1自体に作り込まれた回路素子22と前記貫通電極とを電気的に接続している。
After or before the formation of the through-
また、この貫通電極を有するこの種の半導体基板1は、半導体基板1の下面に配線層3Aを形成した後、樹脂基板等の基板17にフリップチップ接続し、アンダーフィル材18でその接続部を保護した後、基板全体を樹脂19で覆い、基板17に半田ボール等の導電部材20を搭載することにより半導体パッケージが作製され、導電部材20を介してプリント基板等の外部回路と電気的に接続されている。
Also, in this type of
半導体基板1に回路素子が作り込まれている場合、半導体基板1の上面に絶縁層が形成されている場合が多い。半導体基板1の前記上面と下面の間に導通経路を形成するためには、半導体基板1に貫通孔21を形成後、前記絶縁層に開口部を形成して前記配線層3Aを露出させる必要がある。
When circuit elements are formed in the
特許文献1には、図12(a)〜(d)に示す第1の方法が記載されている。
図12(a)では、半導体基板1に貫通孔形成用のレジスト10を形成して、半導体基板1に貫通孔23を形成する。
In FIG. 12A, a through
図12(b)では、半導体基板1に形成されている第1絶縁層2を、レジスト10をマスクとしてエッチングして開口部24を形成して、半導体基板1に形成されている第1配線層3を貫通孔23に露出させる。
In FIG. 12B, the first
図12(c)では、レジスト10を除去し、CVD法などにより半導体基板1の表面と貫通孔23の側壁および開口部24に第2絶縁層7を形成する。
図12(d)では、貫通孔23の底部のみ第2絶縁層7を除去したあと、スパッタ等によるシード層形成やメッキ法により第2配線層5を形成して貫通電極を形成している。15は充填された絶縁体である。
In FIG. 12C, the
In FIG. 12D, after the second
また、特許文献2には図13(a)〜(h)に示す第2の方法が記載されている。
図13(a)では、半導体基板1に貫通孔形成用のレジスト10を形成し、さらに、等方性エッチングによって貫通孔上部にすり鉢形状25を形成する。
In FIG. 13A, a through
図13(b)では、レジスト10をマスクにし、異方性エッチングによって貫通孔26を形成する。
図13(c)では、レジスト10を除去する。
In FIG. 13B, the
In FIG. 13C, the
図13(d)では、貫通孔26の底部の第1絶縁層2に開口部を形成するために、レジスト27を貫通孔26の全体に塗布する。
図13(e)では、露光現像することによってパターニングする。
In FIG. 13D, a
In FIG. 13E, patterning is performed by exposure and development.
図13(f)では、レジスト27をマスクにして第1絶縁層2に開口部28を形成する。
図13(g)では、レジスト27を除去する。
In FIG. 13F, an
In FIG. 13G, the
図13(h)では、スパッタ等によるシード層形成やメッキ法により第1配線層3に達する第2配線層5を形成し、貫通電極を形成している。
しかしながら、第1の方法では、第1絶縁層2に開口部24を形成する際に下地の第1配線層3をエッチングしてしまうため、第1配線層3から飛び出した金属粒子が第1絶縁層2の開口部24の側壁に付着し、第1配線層3と半導体基板1とが導通してしまい、結果として、形成した貫通電極の信頼性が低くなる。
However, in the first method, when the
また、第2の方法では、図13(e)〜(f)において、半導体基板1に形成した貫通孔26の底面の一部に第1絶縁層2の開口部28を形成するため、図13(g)に示すように貫通孔26と開口部28との接続部分に段部29が形成されており、第1絶縁層2の開口部28の側壁に金属粒子が付着しても半導体基板1との導通経路が形成されない。
In the second method, the
しかし、図13(h)において第1絶縁層2の上に第2配線層5が形成されるため、それらの熱膨張係数の違いから、リフロー等の後工程で熱ストレスがかかった際に膜の密着力が低くなり貫通電極の信頼性が低くなる。また、レジスト形成とレジスト除去工程が2回必要なため処理工程数が多くなり、貫通電極の作製リードタイムが長くなる。さらに、アスペクト比が高い貫通電極を作製する場合、図13(e)に示すように、開口部にすり鉢形状を形成させても、貫通孔26の底部まで光が入りにくいため露光が不十分になり、また貫通孔26が深いため孔底部まで現像液が入り込まず現像も困難であるため、第1絶縁層2に開口部28を形成する際のレジスト形成が困難になるという課題を有している。
However, since the
本発明は、高信頼性の貫通電極を有する半導体基板と半導体パッケージおよび半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor substrate having a highly reliable through electrode, a semiconductor package, and a method for manufacturing the semiconductor substrate.
本発明の請求項1記載の半導体基板は、半導体基板の一方の面に第1絶縁層を介して第1配線層が形成され、前記半導体基板を貫通する貫通孔の内周に第2配線層を形成した貫通電極を有する半導体基板であって、前記貫通孔は、前記半導体基板の他方の面から前記第1絶縁層に向かって形成された第1開口部と、前記第1開口部よりも開口面積が小さく前記第1開口部の底部から前記第1絶縁層を貫通して前記第1配線層に達する第2開口部と、前記第1開口部の内周と前記第2開口部の間に位置する前記第1絶縁層の面に形成された凹部と、前記凹部と前記第2開口部との間に存在する前記第1絶縁層で形成する側壁部と、を有しており、前記第2配線層が、前記第1開口部の内周面と前記凹部と前記第1絶縁層で構成する前記側壁部および前記第2開口部を経て前記第1配線層に電気接続されていることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided the semiconductor substrate, wherein the first wiring layer is formed on one surface of the semiconductor substrate via the first insulating layer, and the second wiring layer is formed on the inner periphery of the through hole penetrating the semiconductor substrate. A through-hole formed in the semiconductor substrate, wherein the through-hole has a first opening formed from the other surface of the semiconductor substrate toward the first insulating layer, and more than the first opening. A second opening having a small opening area and penetrating from the bottom of the first opening through the first insulating layer to the first wiring layer; and between the inner periphery of the first opening and the second opening. A recess formed on the surface of the first insulating layer located at the side, and a sidewall formed by the first insulating layer existing between the recess and the second opening, and a second wiring layer, wherein the side wall portion contact constituted by the first insulating layer and the inner peripheral surface and the concave portion of the first opening Characterized in that it is electrically connected to said first wiring layer through a fine second opening.
本発明の請求項2記載の半導体基板は、請求項1において、前記凹部の周面から前記貫通孔の前記第1開口部の周面にわたって第2絶縁層が形成され、前記第2配線層と前記半導体基板の間に前記第2絶縁層が介在していることを特徴とする。
The semiconductor substrate according to
本発明の請求項3記載の半導体基板は、請求項2において、前記第2配線層の材料は、Ti、W、Cu、Cr、Au、Al、Ag、Ni等の金属材料やTiN等の金属化合物、またはそれらを含有した導電性材料、ポリシリコン等のSi系材料であり、前記第2配線層は単層または2層以上の多層膜であることを特徴とする。
The semiconductor substrate according to
本発明の請求項4記載の半導体基板は、請求項2において、前記第2絶縁層の材料は、SiN、SiO2、BPSG、熱酸化膜等のSi化合物やAl2O3等の金属化合物、またはポリイミド樹脂等の有機化合物であり、前記第2絶縁層は単層または2層以上の多層膜であることを特徴とする。 A semiconductor substrate according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor substrate according to the second aspect, wherein the material of the second insulating layer is a Si compound such as SiN, SiO 2 , BPSG, or a thermal oxide film, or a metal compound such as Al 2 O 3 , Or it is organic compounds, such as a polyimide resin, The said 2nd insulating layer is a single layer or a multilayer film of two or more layers, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の請求項5記載の半導体基板は、請求項1において、前記第2配線層上にその表面の一部を露出するように形成された保護膜と、前記第2配線層上に外部回路と電気的に接続するための導電部材とを備えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor substrate according to the first aspect, wherein the protective film is formed on the second wiring layer so as to expose a part of the surface thereof, and the external circuit is formed on the second wiring layer. And a conductive member for electrical connection.
本発明の請求項6記載の半導体基板は、請求項1において、前記貫通孔の内部に形成された空隙部の一部、または全体に絶縁材料が充填されていることを特徴とする。
本発明の請求項7記載の半導体基板は、請求項1において、前記第1開口部の半導体基板1の他方の面1bの孔径は、前記凹部の底部の孔径より大きいことを特徴とする。
A semiconductor substrate according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, an insulating material is filled in a part or the whole of the void formed inside the through hole.
The semiconductor substrate according to
本発明の請求項8記載の半導体基板は、請求項1において、前記半導体基板が、シリコン、シリカゲルマニウム等のシリコン系半導体、あるいはガリウムヒ素、ガリウムナイトライド、インジウムリン等の化合物半導体であることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor substrate according to the first aspect, wherein the semiconductor substrate is a silicon-based semiconductor such as silicon or silica gelmanium or a compound semiconductor such as gallium arsenide, gallium nitride, or indium phosphide. Features.
本発明の請求項9記載の半導体基板は、請求項1において、複数の前記第2開口部を前記第1絶縁層に形成したことを特徴とする。
本発明の請求項10記載の半導体基板の製造方法は、半導体基板の一方の面に第1絶縁層を介して第1配線層が形成され、前記半導体基板を前記一方の面から他方の面に貫通する貫通孔の内周に第2配線層を形成した貫通電極を有する半導体基板を作成するに際し、マスクを介して前記半導体基板の前記他方の面から前記第1配線層に向かって第1貫通孔と前記第1貫通孔を取り囲む第2貫通孔を同時に形成し、前記第1貫通孔を前記第1絶縁層に達するまで前記半導体基板をエッチングするとともに前記第2貫通孔を前記第1絶縁層に凹部が形成されるまでエッチングすることによって、第1開口部と前記第1開口部よりも開口面積が小さい第2開口部と、前記第1開口部の内周と前記第2開口部の間に位置する前記第1絶縁層の面に凹部と、前記凹部と前記第2開口部との間に存在する前記第1絶縁層で形成する側壁部と、を形成し、前記第1開口部の内周面と前記凹部と前記第1絶縁層で構成する前記側壁部および前記第2開口部を経て前記第1配線層に第2配線層を形成して電気接続することを特徴とする。
A semiconductor substrate according to a ninth aspect of the present invention is the semiconductor substrate according to the first aspect, wherein a plurality of the second openings are formed in the first insulating layer.
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor substrate manufacturing method, wherein the first wiring layer is formed on one surface of the semiconductor substrate via the first insulating layer, and the semiconductor substrate is moved from the one surface to the other surface. When forming a semiconductor substrate having a through electrode in which a second wiring layer is formed on the inner periphery of a through hole penetrating therethrough, a first penetration is made from the other surface of the semiconductor substrate to the first wiring layer through a mask. Forming a hole and a second through hole surrounding the first through hole simultaneously, etching the semiconductor substrate until the first through hole reaches the first insulating layer, and forming the second through hole in the first insulating layer; Etching until a recess is formed in the first opening, the second opening having a smaller opening area than the first opening, and the inner periphery of the first opening and the second opening. A recess in the surface of the first insulating layer located at , In the first side wall portion formed of an insulating layer, is formed, the first insulating layer and the inner peripheral surface and the concave portion of the first opening that exists between said concave second opening A second wiring layer is formed on the first wiring layer through the side wall portion and the second opening portion, and is electrically connected.
本発明の請求項11記載の半導体パッケージは、請求項1〜請求項9の何れかに記載の半導体基板を内蔵したことを特徴とする。 A semiconductor package according to an eleventh aspect of the present invention includes the semiconductor substrate according to any one of the first to ninth aspects.
本発明によれば、第1開口部と、前記第1開口部よりも開口面積が小さい第2開口部と、前記第1開口部の内周と前記第2開口部の間に位置する前記第1絶縁層の面に形成された凹部とを経由して、その上に前記第2配線層が形成して電気接続しているので、前記凹部により前記半導体基板と第1配線層間の絶縁性が向上し、さらに第2配線層と第1絶縁層との密着力が向上し、貫通電極の信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, a first open mouth, said a first open mouth part second opening mouth opening area is smaller than between the inner peripheral and the second opening in the first open mouth Since the second wiring layer is formed on and electrically connected to the concave portion formed on the surface of the first insulating layer located at the first insulating layer, the semiconductor substrate and the first wiring are formed by the concave portion. The insulation between the layers is improved, the adhesion between the second wiring layer and the first insulating layer is improved, and the reliability of the through electrode can be improved.
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図10に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図5は本発明の実施の形態1を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
(Embodiment 1)
1 to 5
図1は貫通電極を有する半導体基板を示している。
半導体基板1の一方の面1aに第1絶縁層2を介して第1配線層3が形成され、半導体基板1を貫通する貫通孔4の内周に第2配線層7を形成した貫通電極を有する半導体パッケージであって、半導体基板1の厚さ方向にドライエッチングによって形成された貫通孔4は開口径が5μmから200μm程度で、孔深さは10μmから400μm程度の大きさである。
FIG. 1 shows a semiconductor substrate having through electrodes.
A through electrode in which a
貫通孔4は、半導体基板1に形成された第1の開口部としての大径部4aと、大径部4aの底部から第1絶縁層2を貫通して第1配線層3に達する第2の開口部としての小径部4bを有している。第1絶縁層2の非開口部、具体的には、大径部4aの内周と小径部4bの間に位置する第1絶縁層2の面に幅2〜10μm程度で、深さ数μm以下の凹部6が形成されている。7は第2絶縁層である。8は保護膜、9は半導体パッケージの回路素子を外部回路との接続に使用される導電部材である。なお、半導体基板1の内部または表面上には回路素子が構築されている。
The through hole 4 has a
この貫通電極は、図2〜図5に示す貫通電極形成プロセスによって作成されている。
図2(a)では、半導体基板1にスピンコーティングによりフォトレジスト10を塗布し、フォトリソグラフィ工法により開口部11,12を形成する。開口部11,12の平面形状を図2(b)に示す。開口部11の直径D1は3μm〜200μm程度、開口部12の幅D2は0.5μm〜10μm程度であり、D1はD2より十分に大きいことが望ましい。
This penetration electrode is produced by the penetration electrode formation process shown in FIGS.
In FIG. 2A, a
図2(c)では、フォトレジスト10をマスクにして半導体基板2をドライエッチングして直径D1の第1貫通孔13と、幅D2のリング状の第2貫通孔14を形成する。エッチングガスとしてはSF6ガス(50〜500sccm)に同程度以下のO2ガスを混合することによりSF6への分圧を低下させ、半導体基板エッチングに作用するFラジカルの発生を抑制することによって、イオン性の高いプラズマを生成した。さらに、圧力を1〜15Paと高真空条件にし、基板バイアスを20〜200W程度印加することにより、そのイオンを半導体基板に引き込むことが可能になるため、開口幅の小さい第2貫通孔14を形成することができる。このときD1はD2よりも十分に大きいので、第1貫通孔13,14の部分の形成速度は、半導体基板1の第1貫通孔13の部分に引き込まれるイオンやラジカルの量が第1貫通孔13のほうが第2貫通孔14よりも多く、第1貫通孔13のほうが第2貫通孔14よりもエッチングレートが速い。よって、第1貫通孔13が先に第1配線層3に到達する。
In FIG. 2C, the
図2(d)では、第1貫通孔13が第1絶縁層2に到達してからも引き続きエッチングし、第2貫通孔14が第1絶縁層2に到達した時には、第1貫通孔13の底部はオーバーエッチングになって、第1貫通孔13の底部の第1絶縁層2が若干エッチングされている。
In FIG. 2 (d), etching continues after the first through
第2貫通孔14の底部において、第1絶縁層2の上に半導体基板1が残った場合には電流リークが発生する。そのため図3(a)では、さらに十分にオーバーエッチングすることによって、第2貫通孔14の底部に存在する半導体基板1ができるだけ少なくなるように除去する。その際のオーバーエッチング時間を制御して、第2貫通孔14の底部の第1絶縁層2の表面に凹部6を形成する。
When the
なお、図4に示すように大径部4aの半導体基板1の他方の面1bの孔径D41は、凹部6の底部の孔径D42より大きいことが望ましい。この点については以下の各実施の形態においても同様である。理由は後工程で絶縁膜や金属膜等の成膜を実施する際に、カバレッジ性をよくするためである。
As shown in FIG. 4, the hole diameter D41 of the
図3(b)では、残っているフォトレジスト10をマスクにして第1絶縁層2をエッチングし、第1絶縁層2に第1配線層6に達する小径部4bを形成して第1配線層3の一部を、小径部1bを介して第1貫通孔13の底部に露出させる。これは、最終的に貫通電極を形成する場合に、第1配線層3と後工程で形成する第2配線層5(図5(c)を参照)との導通を十分に確保するためである。絶縁層材質がSiO2の場合、エッチングガスとしてはCHF3ガスやCF4ガス、C4F8ガス、Arガス等の混合ガスを使用した。第1絶縁層2をエッチングする場合も、図2(c)で説明した半導体基板のエッチングと同様、開口径が広い第1貫通孔13の底部の第1絶縁層2が第2貫通孔14の底部の第1絶縁層2よりもエッチングレートが速い。よって、第1貫通孔13の底部のほうが先に第1配線層3に到達する。また、凹6の深さも若干深くなる。
In FIG. 3B, the first insulating
第1絶縁層2に小径部4bを形成する加工方法として、ドライエッチング法のほかに、フッ酸などを用いたウェットエッチング法でもよい。
また、特に図示はしないが、小径部4bの作製方法として、第1絶縁層2をエッチングしてからフォトレジスト10を除去する方法を説明したが、先にフォトレジスト10を除去してから最後に第1貫通孔13の底部の第1絶縁層2をエッチングしても構わない。その場合、第1貫通孔13の側壁部(第1貫通孔13と第2貫通孔14の間に存在する半導体基板1)と第2貫通孔14の外側の半導体基板2をマスクにして、第1絶縁層2を再度ドライエッチして小径部4bを形成する。また、エッチング加工用のマスクとしてフォトレジスト10を使用する説明をしたが、マスク材料としてSiO2やSiN等のハードマスクやAlやNi等のメタルマスクでもよい。
As a processing method for forming the
Although not shown in the drawings, the method for removing the
図3(c)では、アッシングや有機溶剤によってフォトレジスト10を除去する。
次に、図3(d)に示すように、第1貫通孔13の側壁部を等方性ドライエッチング法により除去して大径部4aを形成する。このとき、エッチングガスとしてはSF6ガス等を使用した。図2(c)〜(d),図3(a)の貫通電極の形成方法では、半導体基板1の厚み方向に加工するため、イオン性の高いプラズマを生成して異方性エッチングをしている。しかし本工程では、主に半導体基板1の厚み方向ではなく平面方向に加工するため、圧力は20〜50Paで前記基板バイアスはほとんど印加せずにラジカル性の高いプラズマを生成することにより、等方性エッチングをしている。当然、半導体基板1の表面もエッチングされるため半導体基板1の厚みは薄くなる。また、第2貫通孔14の側壁部も当然エッチングされるが、D1の方がD2よりも大きいため、貫通孔1の形成時の異方性ドライエッチングと同様、第2貫通孔14へのイオンやラジカル流入量が第1貫通孔13よりもかなり少ないため、第2貫通孔14の側壁部のエッチング量は少なく、第1貫通孔13の側壁が主にエッチングされる。
In FIG. 3C, the
Next, as shown in FIG. 3 (d), the sidewall portion of the first through
第1貫通孔13の側壁部の除去方法は、ドライエッチング法の他に、KOHやNaOH、NH4OHあるいはフッ酸と硝酸の混酸等を用いたウェットエッチング法でもよい。
次に、図5(a)に示すように、半導体基板2の前記他方の面1bから大径部4aの内壁や凹部6と小径部4bの内側に掛けて、CVD法により第2絶縁層7を形成する。絶縁膜材料としてはSiN、SiO2、BPSG、熱酸化膜等のSi酸化物やAl2O3等の金属酸化物、またはポリイミド樹脂等のカーボン系ポリマーなどでもよい。また、第2絶縁層7は単層であったが2層以上の多層膜でも構わない。絶縁膜形成方法として、スパッタや熱酸化、ゾルゲル法により形成してもよい。
The method for removing the side wall portion of the first through-
Next, as shown in FIG. 5A, the second insulating
図5(b)では、凹部6の底部と、大径部4aの底部で第1絶縁層2の上と、小径部4bの底部とに形成されていた第2絶縁層7の膜をドライエッチング法により除去する。
この場合も大径部4aの形成時と同様、異方性ドライエッチングを用いるため、大径部1aの内部にある第2絶縁層7の上面(半導体基板1の一方の面1aの側)のみエッチングされ、大径部4a,凹部6,小径部4bの側壁部に形成された第2絶縁層7は、ほとんどエッチングされないため残る。
In FIG. 5B, the film of the second insulating
In this case as well, since anisotropic dry etching is used as in the formation of the large-
図5(c)では、第2配線層5を、半導体基板1の他方の面1bの上の第2絶縁層7の上と、大径部4aの内周の第2絶縁層7の上と、凹部6の内周の第2絶縁層7の上と、凹部6の底部の第1絶縁層2の上と、大径部4aの底部の第2絶縁層7と第1絶縁層2の上とに、スパッタ法やメッキ法により形成し、半導体基板2の他方の面1bの側から第1配線層3に達する貫通電極を形成する。
In FIG. 5C, the
図5(d)では、第2配線層5をパターニングし、貫通孔4の内部に絶縁体15を充填する。第2配線層5を保護するため、第2配線層5の上に保護膜8が形成する。その後、その保護層もパターニングして第2配線層5の一部を露出させ、その部分に外部回路と電気的に接続するための半田ボール等の導電部材9を形成して図1の状態になる。
In FIG. 5D, the
第2配線層5の形成方法は、スパッタ法やめっき法の他に印刷法やインクジェットによる塗布等でもよい。その場合は、シード層はなくてもよい。第2配線層5の材料は、Ti、W、Cu、Cr、Au、Al、Ag、Ni等の金属材料やTiN等の金属化合物、又はそれらを含有した導電性材料、ポリシリコン等のSi系材料でもよい。また、前記配線層は単層又は2層以上の多層膜でも構わない。さらに錫、錫を含む合金やインジウム、インジウムを含む合金からなる低融点金属でもよい。
The formation method of the
銅などのシード層と第1絶縁層2との間には、チタンやチタンタングステン、チタンナイトライド、タンタルナイトライドからなる拡散防止膜(図示せず)が形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。
A diffusion prevention film (not shown) made of titanium, titanium tungsten, titanium nitride, or tantalum nitride may be formed or formed between the seed layer such as copper and the first insulating
また、第1貫通孔13,第2貫通孔14の断面形状が真円であったが、楕円や四角形等の多角形でもよい。
この構成によれば、半導体基板1に形成された貫通孔4において、第1絶縁層2に大径部4aの底部の面積より小さな面積の小径部4bを備え、大径部4aの内周と小径部1bの間に位置する第1絶縁層2の面に凹部6を形成しているため、半導体基板1と第1配線層3と間の絶縁性が向上する。さらに、第2配線層5と第1絶縁層2との密着力が向上し、貫通電極およびそれを設けた半導体パッケージの信頼性を向上させることができる。
Moreover, although the cross-sectional shape of the 1st through-
According to this configuration, in the through hole 4 formed in the
なお、実施の形態1において、絶縁体15は貫通孔4の内部を完全に充填したが、貫通孔4の内部の一部のみに充填しても構わないし、無くてもよい。
さらに、絶縁体15と保護膜8は別々だが、同一材料を用いて、絶縁体充填と保護層形成を同時に実施しても構わない。
In
Furthermore, although the
(実施の形態2)
図6,図7(a)(b),図8(a)(b)は本発明の実施の形態2を示す。
実施の形態1の図3(d)では、半導体基板1に断面形状が真円の単一の小径部4bを形成していたのに対して、この図6と図7(a)(b)の例では、この小径部の形状が異なっている点だけが実施の形態1と異なっている。
(Embodiment 2)
6, 7 (a), 7 (b), 8 (a) and 8 (b) show a second embodiment of the present invention.
In FIG. 3D of the first embodiment, the single small-
図6は貫通電極を有する半導体基板を示している。
図7(a)は、図6の貫通電極を半導体基板2に形成する過程において、貫通孔4を形成した段階の断面図を示し、図7(b)は半導体基板1の他方の面1bから貫通孔4の底部を見た状態を示している。
FIG. 6 shows a semiconductor substrate having through electrodes.
FIG. 7A shows a cross-sectional view of the stage where the through hole 4 is formed in the process of forming the through electrode of FIG. 6 in the
この実施の形態では貫通孔4が、大径部4aと2つの小径部4b1,4b2で構成されている。小径部4b1,4b2の形状は断面形状が半円に形成されている。
実施の形態1の場合、小径部4bが1箇所であったため、例えば、貫通孔形成後にパーティクル等が貫通孔底部に堆積してしまうと、第1配線層3と第2配線層5の密着力が低下し、配線抵抗が大きくなり、最悪膜剥がれが発生してしまう等、貫通電極としての信頼性が低くなることが予想される。
In this embodiment, the through hole 4 is composed of a
In the case of the first embodiment, since the small-
これに対して、実施の形態2では2つの小径部4b1,4b2で構成することにより、仮に1つの小径部において上記のような不具合が発生しても、他の小径部において導通経路を確保することができる。さらに、2つの小径部4b1,4b2を形成することにより、貫通孔4の底部の凸凹形状が小径部が1つの場合に比べてさらに複雑になるため、第1絶縁層2と第2配線層5との密着力が向上する。さらに第1配線層3と第2配線層5との導通経路を複数確保できるため、その後に形成される貫通電極およびそれを設けた半導体パッケージの信頼性を向上させることができる。
On the other hand, in the second embodiment, by configuring with two small diameter portions 4b1 and 4b2, even if the above-described problem occurs in one small diameter portion, a conduction path is secured in the other small diameter portions. be able to. Further, since the two small diameter portions 4b1 and 4b2 are formed, the uneven shape of the bottom portion of the through hole 4 becomes more complicated as compared with the case where there is one small diameter portion, so that the first insulating
図8(a)(b)は別の例を示している。
図7(a)(b)では小径部の数が2つで、その形状が半円形状であったが、この例ではその形状が円形状の小径部4b1,4b2,4b3,4b4で構成されている点だけが異なっている。
FIGS. 8A and 8B show another example.
7A and 7B, the number of the small diameter portions is two and the shape thereof is a semicircular shape. However, in this example, the shape is configured by circular small diameter portions 4b1, 4b2, 4b3, and 4b4. The only difference is that
なお、実施の形態2において、複数の小径部の断面形状は、楕円や四角形等の多角形でもよい。また、円弧でなくても四角形等の多角形でもいい。
(実施の形態3)
図9は本発明の実施の形態3を示す。
In the second embodiment, the cross-sectional shape of the plurality of small diameter portions may be a polygon such as an ellipse or a quadrangle. Further, it may be a polygon such as a quadrangle instead of an arc.
(Embodiment 3)
FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention.
実施の形態1では貫通孔4の内側には絶縁体15が一部または全部に充填されていたが、この実施の形態では、貫通孔4の内側にはメッキ等の導電材料16を埋め込んでしまい孔全体で第2配線層5と導電材料16とで実施の形態1の第2の配線層5を形成している点が大きく異なっている。導電部材9は、貫通孔4の内側に埋め込まれた導電材料16の上に設けられている。
In the first embodiment, the
この実施の形態3では、半導体基板1を2枚重ねて導電材料16を介して上下の半導体基板を電気接続している様子を示している。
図10は2枚重ねの半導体基板1を内蔵した半導体パッケージを示している。
In the third embodiment, two
FIG. 10 shows a semiconductor package in which two
図10では、上記のように貫通電極を有している半導体基板1,1をダイボンド材等で積層したものを基板17にフリップチップ接合し、アンダーフィル材18で接続部を保護した後、基板17の半導体基板1,1の実装部分の全体を樹脂19で覆い、最後に半田ボール等の導電部材20を搭載することにより半導体パッケージが形成されている。
In FIG. 10, the
複数の半導体基板の積層時に、あるいは積層基板を他の回路基板へ実装する時に貫通電極に衝撃が作用しても、貫通孔4は、第1の開口部としての大径部4aと、第2の開口部としての小径部4bとを有しており、第2配線層5と導電材料16が、大径部4aの内周面と凹部6および小径部4bを経て第1の配線層3に電気接続されているため、積層時の衝撃を分散吸収することが可能になるので、第1配線層3の破壊を防止でき、半導体パッケージの信頼性を向上させることができる。また、樹脂モールド形成時やこの半導体パッケージを別のプリント基板等にリフロー等で接続する場合、パッケージ全体が高温にさらされ、貫通電極部分に多くの熱エネルギーがかかることが予想されるが、半導体基板1に形成された貫通電極には、大径部4aと小径部4bと大径部4aと小径部4bの間に位置する第1絶縁層2の面に形成された凹部6を備えているため、熱による第1絶縁層2と第2配線層5の熱膨張を抑制させることができるため、半導体パッケージの信頼性を向上させることができる。
Even when an impact is applied to the through electrode when a plurality of semiconductor substrates are stacked or when the stacked substrate is mounted on another circuit board, the through hole 4 has a
なお、ここでは2枚の半導体基板1を積層した半導体パッケージの場合を説明したが、単数もしくは複数枚を基板17の上に平置きして樹脂パッケージした場合も同様である。
ここでは図9に示した貫通電極を有する半導体基板を積層して樹脂パッケージした半導体パッケージの場合を例に挙げて説明したが、実施の形態1または実施の形態2に示した貫通電極を有する半導体基板を単数もしくは複数枚を基板17の上に平置きまたは積層して樹脂パッケージした場合も同様である。
Here, the case of a semiconductor package in which two
Here, the semiconductor package in which the semiconductor substrate having the through electrode shown in FIG. 9 is stacked and resin packaged is described as an example. However, the semiconductor having the through electrode shown in the first embodiment or the second embodiment is described. The same applies to the case where a single or a plurality of substrates are laid flat or laminated on the
なお、上記の各実施の形態における半導体基板の材質はシリコン、シリカゲルマニウム等のシリコン系半導体、あるいはガリウムヒ素、ガリウムナイトライド、インジウムリン等の化合物半導体である。 In addition, the material of the semiconductor substrate in each of the above embodiments is a silicon semiconductor such as silicon or silica gel, or a compound semiconductor such as gallium arsenide, gallium nitride, or indium phosphide.
本発明は、貫通電極を用いた半導体デバイスの小型化、多段チップ積層技術の用途に有用であり、各種の集積回路の信頼性を向上に寄与できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for miniaturization of semiconductor devices using through electrodes and multi-stage chip stacking technology, and can contribute to improving the reliability of various integrated circuits.
1 半導体基板
1a 半導体基板1の一方の面
1b 半導体基板1の他方の面
2 第1絶縁層
3 第1配線層
4 貫通孔
4a 大径部(第1の開口部)
4b 小径部(第2の開口部)
4b1,4b2,4b3,4b4 小径部
5 第2配線層
6 凹部
7 第2絶縁層
8 保護膜
9 導電部材
10 フォトレジスト
11,12 開口部
13 第1貫通孔
14 第2貫通孔
15 絶縁体
16 導電材料
17 基板
D1 開口部11の直径
D2 開口部12の幅
DESCRIPTION OF
4b Small diameter part (second opening)
4b1, 4b2, 4b3, 4b4
Claims (11)
前記貫通孔は、
前記半導体基板の他方の面から前記第1絶縁層に向かって形成された第1開口部と、
前記第1開口部よりも開口面積が小さく前記第1開口部の底部から前記第1絶縁層を貫通して前記第1配線層に達する第2開口部と、
前記第1開口部の内周と前記第2開口部の間に位置する前記第1絶縁層の面に形成された凹部と、
前記凹部と前記第2開口部との間に存在する前記第1絶縁層で形成する側壁部と、
を有しており、前記第2配線層が、前記第1開口部の内周面と前記凹部と前記第1絶縁層で構成する前記側壁部および前記第2開口部を経て前記第1配線層に電気接続されている
半導体基板。 A semiconductor substrate having a through electrode in which a first wiring layer is formed on one surface of a semiconductor substrate via a first insulating layer, and a second wiring layer is formed on the inner periphery of a through hole penetrating the semiconductor substrate. ,
The through hole is
A first opening formed from the other surface of the semiconductor substrate toward the first insulating layer;
A second opening having a smaller opening area than the first opening and reaching the first wiring layer from the bottom of the first opening through the first insulating layer;
A recess formed in the surface of the first insulating layer located between the inner periphery of the first opening and the second opening;
A side wall formed by the first insulating layer existing between the recess and the second opening;
And the second wiring layer passes through the side wall portion and the second opening portion formed by the inner peripheral surface of the first opening portion, the concave portion, and the first insulating layer , and the first wiring layer. A semiconductor substrate that is electrically connected to the substrate.
前記第2配線層と前記半導体基板の間に前記第2絶縁層が介在している
請求項1記載の半導体基板。 A second insulating layer is formed from the peripheral surface of the recess to the peripheral surface of the first opening of the through hole,
The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second insulating layer is interposed between the second wiring layer and the semiconductor substrate.
請求項2記載の半導体基板。 The material of the second wiring layer is a metal material such as Ti, W, Cu, Cr, Au, Al, Ag, Ni, a metal compound such as TiN, or a conductive material containing them, Si-based material such as polysilicon 3. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the second wiring layer is a single layer or a multilayer film of two or more layers.
請求項2記載の半導体基板。 The material of the second insulating layer is a Si compound such as SiN, SiO 2 , BPSG, or a thermal oxide film, a metal compound such as Al 2 O 3 , or an organic compound such as polyimide resin. 3. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is a multi-layer film having two or more layers.
前記第2配線層上に外部回路と電気的に接続するための導電部材とを備える
請求項1記載の半導体基板。 A protective film formed on the second wiring layer so as to expose a part of the surface thereof;
The semiconductor substrate according to claim 1, further comprising a conductive member electrically connected to an external circuit on the second wiring layer.
請求項1記載の半導体基板。 2. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the hole diameter of the other surface 1 b of the semiconductor substrate 1 in the first opening is larger than the hole diameter of the bottom of the recess.
請求項1記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon-based semiconductor such as silicon or silica gel-manium, or a compound semiconductor such as gallium arsenide, gallium nitride, or indium phosphide.
請求項1記載の半導体基板。 The semiconductor substrate according to claim 1, wherein a plurality of the second openings are formed in the first insulating layer.
マスクを介して前記半導体基板の前記他方の面から前記第1配線層に向かって第1貫通孔と前記第1貫通孔を取り囲む第2貫通孔を同時に形成し、
前記第1貫通孔を前記第1絶縁層に達するまで前記半導体基板をエッチングするとともに前記第2貫通孔を前記第1絶縁層に凹部が形成されるまでエッチングすることによって、第1開口部と前記第1開口部よりも開口面積が小さい第2開口部と、前記第1開口部の内周と前記第2開口部の間に位置する前記第1絶縁層の面に凹部と、前記凹部と前記第2開口部との間に存在する前記第1絶縁層で形成する側壁部と、を形成し、前記第1開口部の内周面と前記凹部と前記第1絶縁層で構成する前記側壁部および前記第2開口部を経て前記第1配線層に第2配線層を形成して電気接続する
半導体基板の製造方法。 A first wiring layer is formed on one surface of the semiconductor substrate via a first insulating layer, and a second wiring layer is formed on the inner periphery of a through hole penetrating the semiconductor substrate from the one surface to the other surface. When creating a semiconductor substrate having a through electrode,
Simultaneously forming a first through hole and a second through hole surrounding the first through hole from the other surface of the semiconductor substrate to the first wiring layer through a mask;
Etching the semiconductor substrate until the first through-hole reaches the first insulating layer and etching the second through-hole until a recess is formed in the first insulating layer. A second opening having a smaller opening area than the first opening; a recess on the surface of the first insulating layer located between the inner periphery of the first opening and the second opening; the recess; A side wall portion formed by the first insulating layer existing between the second opening portion and the side wall portion configured by an inner peripheral surface of the first opening portion, the concave portion, and the first insulating layer. And the manufacturing method of the semiconductor substrate which forms a 2nd wiring layer in the said 1st wiring layer through the said 2nd opening part, and is electrically connected.
半導体パッケージ。 A semiconductor package incorporating the semiconductor substrate according to claim 1.
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