JP5600919B2

JP5600919B2 - 半導体装置

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Publication number: JP5600919B2
Application number: JP2009232333A
Authority: JP
Inventors: 好彦横山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2029-10-06
Also published as: JP2011082291A

Description

本発明は、半導体基板を貫通する貫通孔を備えた半導体装置に関する。

従来、半導体基板を貫通する貫通孔と、上記貫通孔内に形成され、この貫通孔の軸方向に延在する金属プラグと、上記貫通孔内に形成され、上記金属プラグの外側に位置すると共に有機樹脂からなる絶縁層とを備えた貫通電極構造を有する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２６４０５号公報

上記半導体装置においては、貫通孔内への絶縁層（以下、絶縁膜という）の成膜性や金属プラグ（以下、貫通電極部という）の形成のし易さを向上させるために、貫通孔の側壁を傾斜させ、貫通孔の一方の端部の径方向の大きさと他方の端部の径方向の大きさとが異なる場合がある。
この場合には、貫通孔の軸方向において、貫通孔の端部の径方向の大きさが小さい方から大きい方へ引っ張る外力に対する貫通電極部の固定強度が、貫通孔の側壁に傾斜がない場合と比較して僅かながら低くなる虞がある。
これにより、半導体装置は、通常の使用状態より過酷な使用状態を想定した温度サイクル試験などの長期信頼性評価試験において、僅かながら性能が低下する虞がある。

また、半導体装置においては、貫通孔の側壁に傾斜がない場合であっても、貫通電極構造の長期信頼性の向上に資するべく、貫通孔の軸方向における貫通電極部の固定強度のさらなる向上が求められている。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板を貫通する貫通孔と、前記貫通孔の側壁を覆う絶縁膜と、前記半導体基板の一方の面側に形成された配線パターンと、前記半導体基板の他方の面側に形成された電極パッドと、前記絶縁膜に接するように前記貫通孔に充填され、前記配線パターンと前記電極パッドとを接続する貫通電極部とを備え、前記絶縁膜は、前記貫通孔の前記一方の面側の端部における厚さが、前記他方の面側の端部における厚さより厚く形成されている、または前記両端部間に挟まれた中間部の一部における厚さが、前記一部を挟む前記両端部側の部分における厚さより薄くまたは厚く形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、半導体装置は、絶縁膜の、貫通孔の半導体基板の一方の面側の端部における厚さが、他方の面側の端部における厚さより厚く形成されている。または、半導体装置は、絶縁膜の、両端部間に挟まれた中間部の一部における厚さが、一部を挟む両端部側の部分における厚さより薄くまたは厚く形成されている。

前者により、半導体装置は、絶縁膜に接するように貫通孔に充填された貫通電極部の形状を、半導体基板の一方の面側の径方向の大きさが他方の面側の径方向の大きさより小さくなるように形成できることから、貫通孔の軸方向における他方の面側から一方の面側への引っ張り力に対する貫通電極部の固定強度を向上させることができる。
後者により、半導体装置は、絶縁膜に接するように貫通孔に充填された貫通電極部の形状を、貫通孔の中間部の一部における径方向の大きさが、この一部を挟む両端部側の部分における径方向の大きさより、大きくまたは小さくなるように形成できることから、貫通孔の軸方向における引っ張り力に対する貫通電極部の固定強度を、他方の面側から一方の面側へ、及び一方の面側から他方の面側への両方向において向上させることができる。
これらの結果、半導体装置は、長期信頼性の向上を図ることができる。

［適用例２］上記適用例にかかる半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、前記一方の面側の端部から前記他方の面側の端部に向かうに連れて薄く形成されていることが好ましい。

この構成によれば、半導体装置は、絶縁膜の厚さが、一方の面側の端部から他方の面側の端部に向かうに連れて薄く形成されている。
これにより、半導体装置は、絶縁膜に接するように貫通孔に充填された貫通電極部の形状を、半導体基板の一方の面側の径方向の大きさが他方の面側の径方向の大きさより小さくなるように、貫通電極部の側壁に傾斜を持たせて形成できる。
この結果、半導体装置は、貫通孔の軸方向における他方の面側から一方の面側への引っ張り力に対する貫通電極部の固定強度を向上させることができる。

［適用例３］上記適用例１にかかる半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、前記中間部の途中から前記他方の面側の端部まで、前記一方の面側の端部における厚さより薄く形成されていることが好ましい。

この構成によれば、半導体装置は、絶縁膜の厚さが、中間部の途中から他方の面側の端部まで、一方の面側の端部における厚さより薄く形成されている。
これにより、半導体装置は、絶縁膜に接するように貫通孔に充填された貫通電極部の形状を、貫通孔の中間部の途中において、一方の面側の径方向の大きさが他方の面側の径方向の大きさより小さくなるように、貫通電極部に段差（くびれ）を形成できる。
この結果、半導体装置は、貫通孔の軸方向における他方の面側から一方の面側への引っ張り力に対する貫通電極部の固定強度を向上させることができる。

［適用例４］上記適用例にかかる半導体装置において、前記絶縁膜が有機系樹脂を含んでなることが好ましい。

この構成によれば、半導体装置は、絶縁膜が有機系樹脂を含んでなることから、その物性により絶縁膜の厚さの調整を容易に行うことができる。

第１の実施形態の半導体装置の要部断面を示す模式断面図。半導体装置の製造方法について順を追って示す模式断面図。半導体装置の製造方法について順を追って示す模式断面図。半導体装置の製造方法について順を追って示す模式断面図。第２の実施形態の半導体装置の要部断面を示す模式断面図。半導体装置の変形例を示す模式断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体装置の要部断面を示す模式断面図である。なお、便宜的に各構成要素のサイズの比率は異ならせてある。

図１に示すように、半導体装置１は、半導体基板１０と、半導体基板１０を貫通する貫通孔１１と、貫通孔１１の側壁１２を覆う絶縁膜２０と、半導体基板１０の一方の面１３側に絶縁膜２０を介して形成された配線パターン３０と、半導体基板１０の他方の面（能動面）１４側に絶縁層４０を介して形成された電極パッド５０と、絶縁膜２０に接するように貫通孔１１に充填され、配線パターン３０と電極パッド５０とを接続する貫通電極部６０とを備えている。
加えて、半導体装置１は、配線パターン３０を覆うレジスト層３１と、電極パッド５０を覆う樹脂層５１とを備えている。

半導体基板１０には、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体材料が用いられている。半導体基板１０を貫通する貫通孔１１は、平面形状が略円形に形成され、一方の面１３側の孔径が他方の面１４側の孔径より大きくなるように形成されるのが好ましい。これにより、貫通孔１１は、側壁１２が傾斜して形成され、側壁１２に傾斜がない場合と比較して、絶縁膜２０の成膜性が向上する。
なお、貫通孔１１は、側壁１２に傾斜がないように、一方の面１３側の孔径と他方の面１４側の孔径とが略等しく形成されてもよい。

絶縁膜２０には、ポリイミド系、エポキシ系、アクリル系などの有機系樹脂などが用いられている。
絶縁膜２０は、貫通孔１１の一方の面１３側の端部１５における厚さＴ１が、他方の面１４側の端部１６における厚さＴ２より厚く形成されている。
詳述すると、絶縁膜２０の厚さは、一方の面１３側の端部１５から他方の面１４側の端部１６に向かうに連れて、厚さＴ１から厚さＴ２になるように次第に薄く形成されている。

絶縁膜２０に接するように貫通孔１１に充填されている貫通電極部６０は、絶縁膜２０の表面にＴｉ／Ｗ合金、Ｃｕの下地層が形成された後、Ｃｕが電界めっきで貫通孔１１に充填されることにより形成される。
貫通電極部６０は、上記のように、絶縁膜２０の厚さが一方の面１３側の端部１５から他方の面１４側の端部１６に向かうに連れて、厚さＴ１から厚さＴ２になるように次第に薄く形成されていることから、一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１が、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成されている。

電極パッド５０には、Ａｌ、Ａｌ合金などの金属が用いられている。電極パッド５０は、一端が半導体基板１０の他方の面（能動面）１４側に形成された図示しない集積回路に接続されている。また、電極パッド５０は、他端が他方の面１４側の図示しない外部接続端子に接続されていてもよい。
配線パターン３０には、Ｃｕなどの金属が用いられている。配線パターン３０は、一方の面１３側の図示しない外部接続端子や外部素子実装用のランドなどに接続されている。なお、配線パターン３０は、貫通電極部６０の形成の際に、貫通電極部６０と一体に形成されてもよい。
電極パッド５０と配線パターン３０とは、貫通電極部６０を介して電気的に接続されている。

レジスト層３１には、ソルダーレジストなどの絶縁材料が用いられ、絶縁層４０には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの絶縁材料が用いられ、樹脂層５１には、ポリイミド系樹脂などの絶縁材料が用いられている。

ここで、半導体装置１の製造方法について、貫通電極部６０周りを中心に説明する。
図２、図３、図４は、半導体装置の製造方法について、順を追って示す模式断面図である。
［再配置配線層形成工程］
ここでは、絶縁層４０、電極パッド５０、樹脂層５１を含んで再配置配線層といい、まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１０の他方の面１４側に再配置配線層を形成する。なお、この際、半導体基板１０は、個片状態、ウエハー状態のいずれでもよい。

［研磨工程］
ついで、図２（ｂ）に示すように、再配置配線層の樹脂層５１に、ガラスなどの剛性の高いサポート部材７０を貼付し、半導体基板１０の一方の面１３側を所望の厚さ（一例として、１００μｍ程度）になるまで研磨する。

［貫通孔形成工程］
ついで、図２（ｃ）に示すように、半導体基板１０を反転して、半導体基板１０の一方の面１３にレジスト１７を塗布し、露光して貫通孔１１の平面形状パターンを形成し、半導体基板１０をエッチングして貫通孔１１を形成する。
この際、エッチングには、ドライエッチングを用いるのが好ましい。また、ドライエッチングのプロセスは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）で行うのが好ましい。さらに具体的には、深堀ＲＩＥ（ＤｅｅｐＲＩＥ）を行うためのボッシュプロセス（ＢｏｓｃｈＰｒｏｃｅｓｓ）を用いることが好ましい。

ボッシュプロセスは、エッチングとエッチングにより形成した開口部の側壁保護とを交互に繰り返しながら行うエッチングプロセスであり、アスペクト比の高いエッチングが可能となる。なお、エッチングには、他の公知の方法を用いてもよい。
貫通孔１１は、一方の面１３側の孔径が他方の面１４側の孔径より大きくなるように形成されるのが好ましい。これにより、貫通孔１１は、側壁１２が傾斜して形成され、絶縁膜２０の成膜性が向上する。
なお、貫通孔１１は、側壁１２に傾斜がないように、一方の面１３側の孔径と他方の面１４側の孔径とが略等しく形成されてもよい。
なお、貫通孔１１は、所望の個数を所望の径寸法で一括して形成可能である。

［絶縁層エッチング工程］
ついで、図３（ｄ）に示すように、貫通孔１１の形成により露出した絶縁層４０をエッチングして、電極パッド５０を露出させる。この際、エッチングには、ＣＦ系ガス（例えば、ＣＦ₄ガス）によるドライエッチングを用いるのが好ましい。この後、レジスト１７（図２（ｃ）参照）を剥離する。
なお、絶縁層４０のエッチングには、ウエットエッチングを用いてもよい。

［絶縁膜形成工程］
ついで、図３（ｅ）に示すように、半導体基板１０の一方の面１３、及び貫通孔１１の側壁１２を覆うように絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０の形成方法には、スピンコートを用いる。
詳述すると、有機系樹脂を含んでなるコート液をスピンコートする。このとき、コート液の濃度は、一方の面１３側の端部１５から有機系樹脂を含んでなるコート液内の溶剤が滞留し易い貫通孔１１の他方の面１４側の端部１６に行くに連れて、次第に薄くなっていく。

ついで、プリベークを行い溶剤を蒸発させる。この際、絶縁膜２０は、コート液の濃度の違いにより、貫通孔１１の一方の面１３側の端部１５における厚さＴ１が、他方の面１４側の端部１６における厚さＴ２より厚く形成される。
詳述すると、絶縁膜２０の厚さは、一方の面１３側の端部１５から他方の面１４側の端部１６に向かうに連れて、厚さＴ１から厚さＴ２になるように次第に薄く形成されている。
換言すれば、絶縁膜２０を含んだ貫通孔１１の一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１が、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成されていることになる。

ついで、ポストキュアにより絶縁膜２０を焼き付ける。なお、絶縁膜２０にパターン形成などを施す場合は、ポストキュアの前に露光、現像を行い、パターンを形成する。
なお、絶縁膜２０において、一方の面１３側の端部１５の貫通電極部６０側の角部には、丸みがついていてもよい。

［貫通電極部形成工程］
ついで、図３（ｆ）に示すように、貫通孔１１内を含む絶縁膜２０の表面及び電極パッド５０の露出面に、貫通電極部６０の下地層（導電層）６０’をＴｉＮまたはＴｉ／Ｗ合金、Ｃｕを用いてスパッタなどにより形成する。
ついで、図４（ｇ）に示すように、下地層６０’にレジスト１８を塗布し、所望の配線パターン形状にパターニングし、下地層６０’の貫通電極部６０相当部分と配線パターン３０相当部分とを露出させる。

ついで、下地層６０’を電極として電界めっきでＣｕを貫通孔１１に充填させる。これにより、絶縁膜２０に接するようにして貫通電極部６０が形成され、貫通電極部６０と一緒に周辺の配線パターン３０が形成される。
なお、配線パターン３０は、後工程で貫通電極部６０に積層されるように形成されてもよい。

このとき、上記のように、絶縁膜２０の厚さが一方の面１３側の端部１５から他方の面１４側の端部１６に向かうに連れて、厚さＴ１から厚さＴ２になるように次第に薄く形成され、絶縁膜２０を含んだ貫通孔１１の一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１は、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成されている。
これにより、貫通孔１１に充填された貫通電極部６０は、一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１が、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成される。

［レジスト層形成工程］
ついで、図４（ｈ）に示すように、レジスト１８を剥離し、エッチングにより不要な箇所の下地層６０’を除去する。この際、配線パターン３０も一緒にエッチングされるが、Ｃｕが厚付けされていることから、エッチング終了時点で所望の厚さに収まる。
ついで、レジスト層３１をソルダーレジストなどを用いて形成し、貫通電極部６０及び配線パターン３０の必要部分を覆い保護する。
その後、サポート部材７０を剥離して、ウエハー状態であれば個片に分割することで、図１に示すような、半導体装置１が得られる。

上述したように、第１の実施形態の半導体装置１は、絶縁膜２０の厚さが一方の面１３側の端部１５から他方の面１４側の端部１６に向かうに連れて、厚さＴ１から厚さＴ２になるように次第に薄く形成され、絶縁膜２０を含んだ貫通孔１１の一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１は、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成されている。

これにより、貫通孔１１に充填された貫通電極部６０は、側壁１２が傾斜して形成され、一方の面１３側の端部１５における径方向の大きさＤ１が、他方の面１４側の端部１６における径方向の大きさＤ２より小さく形成される。
この結果、半導体装置１は、貫通孔１１の軸方向における他方の面１４側から一方の面１３側への引っ張り力に対する貫通電極部６０の固定強度を向上させることができる。
これにより、半導体装置１は、長期信頼性の向上を図ることができる。

また、半導体装置１は、絶縁膜２０が有機系樹脂を含んでなることから、その物性により厚膜化（例えば、１μｍ以上）が容易であり、絶縁膜２０の厚さ（Ｔ１，Ｔ２）の調整を容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の半導体装置の要部断面を示す模式断面図である。なお、便宜的に各構成要素のサイズの比率は異ならせてある。また、第１の実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図５に示すように、第２の実施形態の半導体装置１０１は、絶縁膜１２０の厚さが、両端部１５，１６に挟まれた中間部の途中から他方の面１４側の端部１６まで、一方の面１３側の端部１５における厚さＴ１１より薄い厚さＴ１２で形成されている。
これにより、半導体装置１０１は、貫通孔１１の中間部の途中において、貫通電極部１６０の、一方の面１３側の径方向の大きさＤ１１が、他方の面１４側の径方向の大きさＤ１２より小さくなるように、貫通電極部１６０に段差（くびれ）を形成できる。
この結果、半導体装置１０１は、貫通孔１１の軸方向における他方の面１４側から一方の面１３側への引っ張り力に対する貫通電極部１６０の固定強度を向上させることができる。
これにより、半導体装置１０１は、長期信頼性の向上を図ることができる。

なお、絶縁膜１２０の上記形状は、上述の絶縁膜形成工程において、プリベークの温度を第１の実施形態より下げて行うことにより形成可能となる。つまり、プリベークの温度を下げることにより、有機系樹脂を含んでなるコート液内の溶剤の蒸発に要する時間が長くなり、コート液が貫通孔１１の中間部の途中から他方の面１４側に長時間滞留することによって、絶縁膜１２０に段差（くびれ）が形成される。

（変形例）
ここで、第２の実施形態の半導体装置の変形例について説明する。
図６は、半導体装置の変形例を示す模式断面図である。なお、便宜的に各構成要素のサイズの比率は異ならせてある。また、第２の実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図６（ａ）に示すように、変形例の半導体装置２０１は、貫通孔１１の側壁１２に傾斜がない場合に、より好適な例である。
つまり、半導体装置２０１は、貫通孔１１の両端部１５，１６間に挟まれた中間部の一部における絶縁膜２２０の厚さＴ２２が、中間部の一部を挟む両端部１５，１６側の部分における絶縁膜２２０の厚さＴ２１，Ｔ２３より薄く形成されている。

これによれば、半導体装置２０１は、貫通孔１１の中間部の一部における貫通電極部２６０の径方向の大きさＤ２２を、中間部の一部を挟む両端部１５，１６側の部分における貫通電極部２６０の径方向の大きさＤ２１，Ｄ２３より、大きくすることができる。
この結果、半導体装置２０１は、貫通孔１１の軸方向における引っ張り力に対する貫通電極部２６０の固定強度を、他方の面１４側から一方の面１３側へ、及び一方の面１３側から他方の面１４側への両方向において向上させることができる。
これにより、半導体装置２０１は、長期信頼性の向上を図ることができる。

図６（ｂ）に示すように、他の変形例の半導体装置３０１は、半導体装置２０１と同様に、貫通孔１１の側壁１２に傾斜がない場合に、より好適な例である。
つまり、半導体装置３０１は、貫通孔１１の両端部１５，１６間に挟まれた中間部の一部における絶縁膜３２０の厚さＴ３２が、中間部の一部を挟む両端部１５，１６側の部分における絶縁膜３２０の厚さＴ３１，Ｔ３３より厚く形成されている。

これによれば、半導体装置３０１は、貫通孔１１の中間部の一部における貫通電極部３６０の径方向の大きさＤ３２を、中間部の一部を挟む両端部１５，１６側の部分における貫通電極部３６０の径方向の大きさＤ３１，Ｄ３３より、小さくすることができる。
この結果、半導体装置３０１は、貫通孔１１の軸方向における引っ張り力に対する貫通電極部３６０の固定強度を、他方の面１４側から一方の面１３側へ、及び一方の面１３側から他方の面１４側への両方向において向上させることができる。
これにより、半導体装置３０１は、長期信頼性の向上を図ることができる。

なお、上記変形例における絶縁膜２２０，３２０の形状は、上述の絶縁膜形成工程において、絶縁膜形成条件（例えば、コート液の濃度、スピンコートの回数、スピンコートの速度、プリベーク温度、プリベーク時間など）を適宜設定することにより形成可能となる。
なお、上記変形例は、貫通孔１１の側壁１２に傾斜があっても適用可能であり、第１の実施形態にも適用できる。
また、上記各半導体装置（１など）は、一方の面１３側に配線パターン３０を経由して電歪素子などの外部素子を実装することにより、長期信頼性に優れた電子デバイスを提供することができる。

１…半導体装置、１０…半導体基板、１１…貫通孔、１２…側壁、１３…一方の面、１４…他方の面、１５…一方の面側の端部、１６…他方の面側の端部、２０…絶縁膜、３０…配線パターン、３１…レジスト層、４０…絶縁層、５０…電極パッド、５１…樹脂層、６０…貫通電極部、Ｔ１，Ｔ２…絶縁膜の厚さ、Ｄ１，Ｄ２…貫通電極部の径方向の大きさ。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔の側壁を覆う絶縁膜と、
前記半導体基板の一方の面側に形成された配線パターンと、
前記半導体基板の他方の面側に形成され、前記他方の面側における前記貫通孔の開口を覆う電極パッドと、
前記絶縁膜に接するように前記貫通孔に充填され、前記配線パターンと前記電極パッドとを接続する貫通電極部とを備え、
前記貫通孔において、前記半導体基板の孔径が、前記他方の面側から前記一方の面側に向かうに連れて大きくなるように形成されており、前記絶縁膜の孔径が、前記一方の面側から前記他方の面側に向かうに連れて大きくなるように形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、前記一方の面側の端部から前記他方の面側の端部に向かうに連れて薄く形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、前記中間部の途中から前記他方の面側の端部まで、前記一方の面側の端部における厚さより薄く形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記絶縁膜が有機系樹脂を含んでなることを特徴とする半導体装置。