JP6163436B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体装置および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、半導体装置の占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孔に金属が埋め込まれた貫通電極によって電気的に接続される。

貫通孔への金属の埋め込みは、一般的に電解めっきによって行われる。かかる電解めっきとして、例えば、貫通孔の閉塞された底面から開口へ向けて金属を徐々に析出させるボトムアップめっきと、貫通孔の内周面全体から金属を析出させるコンフォーマルめっきとがある。

コンフォーマルめっきは、ボトムアップめっきに比べて短時間で貫通孔へ金属の埋め込みを完了することができるという利点がある。かかるコンフォーマルめっきでは、貫通孔の開口端部に電界が集中するため、貫通孔の内周面よりも開口端部の方が金属の析出速度が速い。したがって、貫通孔に埋め込まれた金属の内部には、空洞が生じることがある。

金属の内部に生じた空洞は、コンフォーマルめっき中に金属を流れる電流に起因したエレクトロマイグレーションによって、金属の内部を移動して金属に形状欠損を生じさせることがある。かかる金属の形状欠損は、貫通電極の導通特性の信頼性を低下させることがある。

特開２０１２−１４２４１４号公報 米国特許出願公開第２０１２／０２７６７３３号明細書

本発明の一つの実施形態は、貫通電極の導通特性の信頼性を向上させることができる半導体装置および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、半導体装置が提供される。半導体装置は、貫通孔と、金属部とを備える。貫通孔は、半導体基板の表裏を貫通する。金属部は、前記貫通孔の内部に、金、銀、ニッケル、コバルト、パラジウム、タングステン、タンタル、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、レニウム、モリブデン、ニオブ、ホウ素、ハフニウムのうち、少なくとも１種類の金属を含む材料によって形成され、空洞を内包する。

実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図。 実施形態の変形例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。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１の構成を模式的に示す断面図である。なお、以下では、便宜上、図示する基板２の上面を表面と称し、下面を裏面と称することがある。図１に示すように、半導体装置１は、例えば、Ｓｉ（シリコン）などの半導体によって形成される基板２の表裏を貫通する貫通電極を備える。なお、基板２の表面は、絶縁膜６によって被覆されており、基板２の裏面は、絶縁膜３によって被覆される。

貫通電極は、バンプ１０と、電極パッド４と、シード膜７と、金属部８とを含む。バンプ１０は、例えば、はんだによって形成され、基板２の表面側に設けられる。また、電極パッド４は、例えば、シリサイドによって形成され、基板２を挟んでバンプ１０と対向する位置に設けられる。

シード膜７は、例えば、Ｃｕ（銅）によって形成される。かかるシード膜７は、基板２の表裏を貫通する貫通孔５の内周面を被覆する部分の絶縁膜６の表面、電極パッド４の表面、および基板２の表面における貫通孔５の開口周りを被覆する部分の絶縁膜６の表面に設けられる。

金属部８は、コンフォーマルめっきによってシード膜７の表面に金属を析出させることによって形成される。これにより、金属部８は、シード膜７よりも貫通孔５の孔芯側に形成される。コンフォーマルめっきでは、シード膜７の表面全体から徐々に金属が析出する。

そこで、半導体装置１では、図１に示すように、貫通孔５の深さ方向の寸法が深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きく形成される。これにより、半導体装置１では、コンフォーマルめっきによって金属部８が形成される場合に、貫通孔５における基板２表面側の開口が金属部８によって確実に閉塞される。

また、金属部８は、貫通孔５の孔芯側に空洞９を内包する。このように、半導体装置１は、金属部８の内部に空洞９を備えるので、例えば、バンプ１０の形状を半球状に加工する熱処理を行う場合に、基板２の破損を抑制することができる。

具体的には、熱処理を行う工程では、金属部８が熱膨張を起こす場合がある。かかる場合に、金属部８内部の空洞９は、金属部８が外部へ及ぼす熱膨張力を吸収し、金属部８から基板２へ加わる力を軽減することによって、基板２の破損を抑制することができる。

また、金属部８は、Ｃｕ以外の金属、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｏ（コバルト）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）のうち、少なくとも１種類の金属を含む材料によって形成される。これにより、半導体装置１は、コンフォーマルめっきが行われる工程において、金属部８に形状欠損が発生することを抑制することができる。

具体的には、コンフォーマルめっきを行う工程では、金属部８に比較的高い電圧が掛る場合がある。かかる場合に、貫通電極の材料として一般的なＣｕを用いて金属部８を形成すると、Ｃｕは、比較的エレクトロマイグレーションに対する耐性が低い金属であるため、形状欠損が発生する恐れがある。

そこで、半導体装置１では、金属部８がＣｕに比べてエレクトロマイグレーションに対する耐性が高いＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆのうち、少なくとも１種類の金属を含む材料によって形成される。

これにより、半導体装置１は、コンフォーマルめっきが行われる工程において、金属部８に形状欠損が発生することを抑制することができる。したがって、半導体装置１によれば、貫通電極の導通特性を向上させることができる。

次に、図２〜図４を参照し、実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する。図２〜図４は、実施形態に係る半導体装置１の製造工程を示す断面図である。ここでは、半導体装置１が備える基板２の表裏を貫通する貫通電極部分を形成する製造工程について説明する。

半導体装置１の貫通電極部分を形成する場合、図２に（ａ）で示すように、まず、基板２の裏面に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって酸化Ｓｉ膜などの絶縁膜３を形成する。そして、絶縁膜３の裏面側における所定位置に、例えば、シリサイドをパターニングすることによって、基板２の裏面側に電極パッド４を形成する。

続いて、基板２表面における電極パッド４と対向する位置に対してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を行うことによって、図２に（ｂ）で示すように、基板２の表裏を貫通する貫通孔５を形成し、電極パッド４の表面を露出させる。

このとき、貫通孔は、深さ方向の寸法が深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きくなるように形成される。これにより、後に、コンフォーマルめっきによって金属部８を形成する場合に、貫通孔５における基板２表面側の開口を金属部８によって確実に閉塞することができる。

続いて、図２に（ｃ）で示すように、露出した電極パッド４の表面、貫通孔５の内周面、および基板２の表面に、例えば、ＣＶＤによって酸化Ｓｉ膜などの絶縁膜６を形成する。その後、図３に（ａ）で示すように、電極パッド４の表面に形成された絶縁膜６をエッチングによって選択的に除去することにより、電極パッド４の表面を再度露出させる。

続いて、図３に（ｂ）で示すように、露出した電極パッド４の表面、貫通孔５の内周面を被覆した絶縁膜６の表面、および基板２の表面を被覆した絶縁膜６の表面に、例えば、Ｃｕの膜を形成することによって、次に行うめっきのシード膜７を形成する。かかるシード膜７は、例えば、真空蒸着やスパッタリングによって形成する。

その後、図３に（ｃ）で示すように、基板２の表面側を被覆するシード膜７の表面に、例えば、樹脂などのレジスト２１を形成する。そして、レジスト２１をパターニングすることによって、レジスト２１における電極パッド４と対向する位置に開口を形成する。このとき、開口は、基板２の厚さ方向と直交する断面の寸法が、電極パッド４の対応する断面の寸法と略等しくなるように形成される。

続いて、図４に（ａ）で示すように、レジスト２１によって被覆されていないシード膜７の表面に対して、例えば、Ｎｉのコンフォーマルめっきを行う。これにより、基板２の裏面側における他方の開口がシード膜７によって閉塞された貫通孔５の内部で、コンフォーマルめっきによって金属部８の形成が開始される。

なお、ここでは、シード膜７の表面にＮｉをコンフォーマルめっきすることによって金属部８を形成するが、金属部８の材料は、Ｎｉに限定されるものではなく、Ｃｕに比べてエレクトロマイグレーションに対する耐性が高い他の金属であってもよい。

金属部８の材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆのうちのいずれか１種類の金属、もしくは、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆのうち、少なくとも１種類の金属を含む合金であってもよい。

金属部８の形成当初、金属部８によって被覆された貫通孔５の内部は基板２の表面が開口された状態となっている。かかる基板２表面側の開口は閉塞されなければ、後に行われる熱処理の際に、半導体装置１の破損の原因となる。このため、その後、Ｎｉのコンフォーマルめっきを継続し、図４に（ｂ）で示すように、貫通孔５における基板２表面側の一方の開口を金属部８によって閉塞する。これにより、金属部８の中央には、空洞９が形成される。

その後、図４に（ｃ）で示すように、レジスト２１によって囲まれた金属部８の表面に、例えば、はんだ層を積層することによってバンプ１０を形成する。最後に、レジスト２１とともに、レジスト２１直下のシード膜７を除去し、熱処理を施してバンプ１０を半球状に加工することによって、図１に示す半導体装置１が完成する。

上述したように、実施形態に係る半導体装置１は、基板２の表裏を貫通する貫通孔５と、貫通孔５の内部にコンフォーマルめっきによって形成され、空洞９を内包する金属部８とを備える。かかる半導体装置１によれば、製造工程において熱処理を行う場合に、金属部８が内包する空洞９によって、金属部８の熱膨張力を緩和することができるので、金属部８の熱膨張力による基板２の破損を抑制することができる。

また、実施形態に係る半導体装置１の金属部８は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆのうち、少なくとも１種類の金属を含む。これらＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆは、Ｃｕに比べてエレクトロマイグレーションに対する耐性が高い金属である。

したがって、半導体装置１によれば、金属部８をコンフォーマルめっきによって形成する場合に、金属部８へ掛る電圧に起因したエレクトロマイグレーションによる金属部８の形状欠損の発生を抑制することにより、貫通電極の導通特性を向上させることができる。

なお、上記した実施形態は一例であり、種々の変形が可能である。図５は、実施形態の変形例に係る半導体装置１ａの構成を模式的に示す断面図である。以下、図１に示す構成要素と同一の構成要素については、図１に示す符号と同一の符号を付することにより、その説明を一部省略する。

図５に示すように、半導体装置１ａは、金属部８ａにおける貫通孔５側の外周面を被覆するＣｕ層７ａを備える点を除き、図１に示す半導体装置１と同様の構成である。なお、Ｃｕ層７ａは、図３の（ｃ）に示すシード膜７の表面に、Ｃｕをコンフォーマルめっきすることによって形成される。

金属部８ａは、Ｃｕ層７ａの表面に、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、Ｈｆのうち、少なくとも１種類の金属を含む材料をコンフォーマルめっきすることによって形成される。これにより、金属部８ａは、Ｃｕ層７ａよりも貫通孔５の孔芯側に形成される。かかる金属部８ａも図１に示す金属層８と同様に、内部に空洞９を備える。

したがって、半導体装置１ａによれば、製造工程において熱処理を行う場合に、金属部８ａが内包する空洞９によって、金属部８ａの熱膨張力を緩和することができるので、金属部８ａの熱膨張力による基板２の破損を抑制することができる。

また、半導体装置１ａにおける空洞９は、Ｃｕに比べてエレクトロマイグレーションに対する耐性の高い金属に内包されている。したがって、半導体装置１ａによれば、金属部８ａをコンフォーマルめっきによって形成する場合に、エレクトロマイグレーションによる金属部８ａの形状欠損の発生を抑制することにより、貫通電極の導通特性を向上させることができる。

また、半導体装置１ａによれば、金属部８ａの形成に使用するＮｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂ、ＨｆなどのＣｕに比べて高価な金属の量を低減することができるので、製造コストを削減することができる。

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。

１，１ａ 半導体装置、２ 基板、３，６ 絶縁膜、４ 電極パッド、５ 貫通孔、７ シード膜、７ａ Ｃｕ層、８，８ａ 金属部、９ 空洞、１０ バンプ

Claims (5)

1. 半導体基板の表裏を貫通し、深さ方向の寸法が前記深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きい貫通孔と、
   前記貫通孔の内部に、銀、白金、ロジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、モリブデン、ニオブ、ホウ素、ハフニウムのうち、少なくとも１種類の金属を含む材料によって形成され、空洞を内包する金属部と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板の表裏を貫通し、深さ方向の寸法が前記深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きい貫通孔と、
   前記貫通孔の内部に形成される銅層と、
   前記銅層よりも前記貫通孔の孔芯側に、銀、白金、ロジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、モリブデン、ニオブ、ホウ素、ハフニウムのうち、少なくとも１種類の金属を含む材料によって形成され、空洞を内包する金属部と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
3. 深さ方向の寸法が前記深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きくなるように、半導体基板の表裏を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔の内部に、銀、白金、ロジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、モリブデン、ニオブ、ホウ素、ハフニウムのうち少なくとも１種類の金属を含み、空洞を内包する金属部をコンフォーマルめっきにより形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 半導体基板の表裏を貫通し、深さ方向の寸法が前記深さ方向と直交する方向の寸法よりも大きい貫通孔と、
   前記貫通孔の内部に、銀および白金のうち、少なくともいずれかの金属を含む材料によって形成され、空洞を内包する金属部と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
5. 前記金属部における前記貫通孔側の外周面を被覆する銅層
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体装置。

Images