JP5826782B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
従来、基板に半導体素子や集積回路が形成されたチップを多段に積層することによって、半導体装置の専有面積を低減する技術がある。積層される各チップ同士は、基板を貫通する貫通電極によって接続される。貫通電極は、例えば、基板の表裏を貫通する貫通孔に、電界メッキによって金属を埋め込むことにより形成される。
電界メッキによって貫通孔に金属を埋め込んで貫通電極を形成する工程では、貫通電極の内部にボイドと呼ばれる空隙が生じることがある。かかるボイドは、貫通電極の導通特性を低下させる原因の一つとなる。
米国特許公開２００５／２１８４９７号明細書 特開２００８−１３５４８２号公報
本発明の一つの実施形態は、貫通電極の内部にボイドが生じることを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法では、基板の裏面に導電性膜を形成する。前記基板の表裏を貫通し、前記導電性膜に達する貫通孔を形成する。前記貫通孔の内壁面、前記導電性膜の前記貫通孔から露出した面および前記基板の表面に銅を含むシード膜を形成する。電解メッキ法を用いて、前記基板の表裏を貫通する貫通孔の一方の端面から他方の端面へ向けて銅を含む第１の金属層をボトムアップ成長させて、前記他方の端面から前記貫通孔の半径以下の深さまでを残して前記貫通孔を埋める。電解メッキ法を用いて、前記第１の金属層によって前記一方の端面から中途部までが埋められた前記貫通孔の内周面からニッケルを含む第２の金属層をコンフォーマル成長させて、前記第２の金属層の頂面を前記他方の端面から突出させる。前記第２の金属層の頂面に第３の金属層を形成する。前記第３の金属層をマスクとして前記シード膜をエッチングする。前記第３の金属層を熱溶融させて成形する。
実施形態に係る半導体装置を示す説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。図１は、実施形態に係る半導体装置を示す説明図である。なお、図１には、半導体装置における基板２の表裏を貫通する貫通電極１部分の断面を模式的に示している。
図１に示すように、実施形態に係る半導体装置は、基板２の表裏を貫通する貫通電極１を備える。具体的には、貫通電極１は、例えば、シリコンウェハ等の基板２の表裏を貫通する貫通孔（以下、「ビア３」と記載する）の一方の端面（ここでは、下面）から他方の端面（ここでは、上面）へ至る中途部までを埋める第１の金属層４を備える。
さらに、貫通電極１は、ビア３の中途部からビア３の上部端面までを埋めるとともに、頂面がビア３の上部端面から突出する第２の金属層５と、第２の金属層５の頂面に設けられ、熱溶融によって成形された第３の金属層を有するバンプ６とを備える。なお、ビア３の内周面と貫通電極１との間には、絶縁膜８および銅膜９が設けられ、貫通電極１の底面には、電極７が設けられる。
かかる貫通電極１における第１の金属層４は、ビア３の底面から上方へ向けて、例えば、銅を析出させることによって形成される。これにより、第１の金属層４の内部にボイドが発生することを防止することができる。
一方、第２の金属層５は、第１の金属層４によって中途部までが埋められたビア３の底面および周面から、例えば、ニッケルを析出させることによって形成される。これにより、第２の金属層５の内部におけるボイドの発生を抑制することができるとともに、第２の金属層５における頂面の高さを高精度に制御することができる。
以下、かかる貫通電極１を形成する製造工程の一例について、図２〜図５を参照して具体的に説明する。図２〜図５は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。なお、図２〜図５には、貫通電極１が形成される領域の模式的な断面を選択的に示しており、その他の部分については図示を省略している。
図２の（ａ）に示すように、実施形態に係る半導体装置の製造方法では、例えば、半導体メモリ等の半導体素子が形成されたシリコンウェハ等の基板２を用意する。そして、基板２における一方の主面（ここでは、下面）の所定位置に、例えば、金等の導電性膜をパターニングして形成した電極７を設ける。
続いて、図２の（ｂ）に示すように、基板２の他方の主面（ここでは、上面）から一方の主面へ向けて基板２の表裏を貫通するビア３を形成して、電極７の上面を露出させる。そして、図２（ｃ）に示すように、ビア３の内周面および基板２の上面に、例えば、スパッタ法によって酸化シリコン膜等の絶縁膜８を形成する。
その後、電極７の上面に形成された絶縁膜８を除去することで電極７の上面を再度露出させた後、絶縁膜８の表面に、例えば、スパッタ法によって電界メッキのシード膜となる銅膜９を形成する。なお、銅膜９は、シード膜の一例であり、貫通孔３の内壁面、電極７のビア３から露出した面および基板２の表面に形成される銅を含む薄膜であれば銅膜９以外の薄膜でもよい。
続いて、図３の（ａ）に示すように、基板２の上面にレジスト１０を形成した後、ビア３の形成位置におけるレジスト１０を選択的に除去する。このとき、基板２の上面には、ビア３の形成位置に、ビア３の径よりも大きな径の孔部を有するレジスト１０を残す。
続いて、銅膜９によって内周面が被覆されたビア３の内部に、電界メッキによって金属を埋め込む。ここで、ビア３に金属を埋め込む電界メッキには、ボトムアップメッキ、コンフォーマルメッキという２種類のメッキ法がある。
ボトムアップメッキは、ビア３の底面となる一方の端面から上部開口となる他方の端面へ向けて順次金属層を成長させて、ビア３へ金属を埋め込むメッキ法である。ボトムアップメッキでは、ビア３の内側面にメッキ金属が付着することを抑制する界面活性剤を含んだ添加剤をメッキで使用される電解液へ添加することにより、ビア３の底面側から金属層を成長させる。
かかるボトムアップメッキによれば、貫通電極１の内部におけるボイドの発生を抑制することができる。しかし、ボトムアップメッキによってビア３全体を埋める場合、図３の（ａ）に一点鎖線で示すように、ビア３の上部開口から上方へ向けて金属層がドーム状に盛り上がり、オーバーバーデン１１が形成される。
複数のビア３をボトムアップメッキによって一度に埋める場合、各ビア３の上部開口に形成されるオーバーバーデン１１は、ビア３によって高さＨが異なる。また、オーバーバーデン１１の高さＨが均一になるように制御することは非常に困難である。
このため、ボトムアップメッキによって複数のビア３を一度に埋めた場合、ビア３を埋めた金属層上に形成される各バンプ６（図１参照）の高さが不均一になり、後に積層されるチップと、バンプ６との間に接続不良が生じる恐れがある。また、ボトムアップメッキは、コンフォーマルメッキに比べて、金属層によるビア３の埋め込みに時間がかかるという問題もある。
一方、コンフォーマルメッキは、ビア３の底面を含む内周面全体から金属層を成長させて、ビア３へ金属を埋め込むメッキ法である。コンフォーマルメッキによれば、ボトムアップメッキよりも短時間で、金属層によるビア３の埋め込みを完了させることができる。
かかるコンフォーマルメッキでは、ビア３の上部開口の角部に電界が集中することから、ビア３の内側面よりも上部開口の部分で金属層が早く成長する。このため、コンフォーマルメッキによってビア３全体を埋める場合、ビア３の内部が金属層で埋められる前に、ビア３の上部開口が金属層によって閉塞されて、図３の（ａ）に二点鎖線で示すように、ビア３内部にボイド１２が発生することがある。
そこで、本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、まず、ボトムアップメッキによって、ビア３の底面から第１の金属層４のボトムアップ成長を開始させる。ここで、第１の金属層４は、例えば、銅を含む金属層を成長させることによって形成される。その後、ビア３の底面から中途部までを第１の金属層４によって埋めて、ボトムアップメッキを終了する。
具体的には、図３の（ｂ）に示すように、ビア３の上部開口端面からビア３の半径Ｒ以下の深さＤまでを残して、第１の金属層４によってビア３の底面から中途部までを埋めて、ボトムアップメッキを終了する。
続いて、図４の（ａ）に示すように、コンフォーマルメッキを開始して、第１の金属層４によって中途部までが埋められたビア３の内周面から第２の金属層５をコンフォーマル成長させる。ここで、第２の金属層５は、例えば、ニッケル含む金属層を成長させることによって形成される。
このとき、コンフォーマルメッキによって埋められるビア３の深さＤは、前述したように、ビア３の半径Ｒ以下である。このため、ビア３の内側面よりも早くビア３の上部開口の角部で第２の金属層５がコンフォーマル成長しても、第２の金属層５によってビア３の上部開口が閉塞される以前に、ビア３が埋められるため、ボイドの発生を抑制することができる。なお、コンフォーマルメッキによって埋められるビア３の深さＤは、第２の金属層５におけるボイドの発生を抑制可能な深さであれば、ビア３の半径Ｒより深くてもよい。
また、このように、ボトムアップメッキによって中途部までが埋められたビア３の残り部分をコンフォーマルメッキによって埋めるので、ビア３全体をボトムアップメッキによって埋める場合に比べて、短時間でビア３の埋め込みを完了させることができる。
その後、コンフォーマルメッキを継続して、図４の（ｂ）に示すように、第２の金属層５の頂面をビア３の上部開口端面から所定の高さまで突出させて、コンフォーマルメッキを終了する。このように、コンフォーマルメッキによって、第２の金属層５の頂面をビア３の上部開口端面から突出させるので、ボトムアップメッキに比べて、第２の金属層５頂面の高さを高精度に制御することができる。
続いて、図５の（ａ）に示すように、第２の金属層５上に、第３の金属層６ａを形成する。ここで、第３の金属層６ａは、熱溶融によって成形することが可能な金属層であり、例えば、錫によって形成される。
その後、図５の（ｂ）に示すように、レジスト１０を除去した後、ビア３の上部開口端面から突出した第２の金属層５および第３の金属層６ａをマスクとしたウェットエッチングを行うことにより、基板２上に形成されている銅膜９を除去する。
ここでのウェットエッチングでは、銅を溶融可能でニッケルを溶融不可能な薬液を用いる。これにより、第３の金属層６ａの台座（ＰＯＳＴ）となる第２の金属層５がエッチングされることを防止することができる。したがって、第２の金属層５の径が小径化することによる導通特性や機械的強度の低下を防止することができる。
最後に、リフロー処理を施し、第３の金属層６ａを溶融させて略半球形状に成形することにより、バンプ６（図１参照）を形成する。これにより、図１に示す半導体装置が製造される。
上述したように、本実施形態では、基板の表裏を貫通する貫通孔の底面から中途部までをボトムアップメッキによって形成される第１の金属層によって埋める。これにより、貫通孔の中途部までを埋める第１の金属層の内部にボイドが発生することを防止することができる。
また、本実施形態では、第１の金属層によって底面から中途部までが埋められた貫通孔を、コンフォーマルメッキによって形成される第２の金属層によって埋め、さらに、第２の金属層の頂面を貫通孔から突出させる。これにより、第２の金属層の内部にボイドが発生することを抑制することができるとともに、第２の金属層における頂面の高さを高精度に制御することができる。
また、本実施形態では、第２の金属層の頂面に、第３の金属層を熱溶融させて成形したバンプを形成する。これにより、実施形態に係る半導体装置を積層して加熱するだけで、積層された半導体同士を容易に接続することができる。
また、貫通電極の材料として従来から一般的に使用されている銅を用いて第１の金属層を形成することにより、従来の製造工程を大幅に変更することなく、第１の金属層を形成することができる。また、第２の金属層の材料としてニッケルを用いることにより、基板表面に残存する銅膜をウェットエッチングによって除去する工程で、第２の金属膜の側面がエッチングされることを防止することができる。したがって、第２の金属層の導通特性や機械的強度の低下を防止することができる。
また、第１の金属層を形成する工程では、貫通孔の上部開口端面から貫通孔の半径以下の深さまでを残し、第１の金属層によって貫通孔の底面から中途部までを埋める。これにより、第１の金属層によって中途部までが埋められた貫通孔をコンフォーマルメッキによって形成される第２の金属層によって埋める場合に、第２の金属層内部におけるボイドの発生をより確実に抑制することができる。
なお、本実施形態では、メッキのシード膜を銅膜９からなる単層構造としたが、ビア３の内周面を被覆する絶縁膜８の表面に、例えば、チタン膜と銅膜とを順次形成して多層構造としてもよい。また、ビア３の内周面を被覆する絶縁膜８についても、例えば、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを順次形成して多層構造としてもよい。また、本実施形態では、電極７を形成した後に貫通電極１を形成したが、貫通電極１を形成した後に、電極７を形成してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 貫通電極、２ 基板、３ ビア、４ 第１の金属層、５ 第２の金属層、６ａ 第３の金属層、６ バンプ、７ 電極、８ 絶縁膜、９ 銅膜、１０ レジスト

Claims (1)

  1. 基板の裏面に導電性膜を形成する工程と、
    前記基板の表裏を貫通し、前記導電性膜に達する貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通孔の内壁面、前記導電性膜の前記貫通孔から露出した面および前記基板の表面に銅を含むシード膜を形成する工程と、
    電解メッキ法を用いて、前記基板の表裏を貫通する貫通孔の一方の端面から他方の端面へ向けて銅を含む第１の金属層をボトムアップ成長させて、前記他方の端面から前記貫通孔の半径以下の深さまでを残して前記貫通孔を埋める工程と、
    電解メッキ法を用いて、前記第１の金属層によって前記一方の端面から中途部までが埋められた前記貫通孔の内周面からニッケルを含む第２の金属層をコンフォーマル成長させて、前記第２の金属層の頂面を前記他方の端面から突出させる工程と、
    前記第２の金属層の頂面に第３の金属層を形成する工程と、
    前記第３の金属層をマスクとして前記シード膜をエッチングする工程と、
    前記第３の金属層を熱溶融させて成形する工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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