JPH10229162A - 両面回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コスト化及び高性能化を妨げることなく集
積度の高い両面回路基板を提供すること。 【解決手段】 この両面回路基板１は、単結晶シリコン
基板２の表裏両側に形成された能動素子ＴＲ1 ，ＴＲ2
同士を貫通電極８により電気的に接続したものである。
貫通電極８は、単結晶シリコン基板２の所定領域におい
て基板厚さ方向に沿って形成された導電層１１と、その
導電層１１を周囲の導電性領域からアイソレートする絶
縁層１２とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、両面回路基板に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シリコン単結晶のウェハから
半導体回路基板を製造する技術が知られている。この種
の技術では、切り出されたウェハの片側面に、例えばバ
イポーラウェハプロセス等によってトランジスタなどの
能動素子が形成される。そして、これらのトランジスタ
等により、ＩＣデバイスが構築されるようになってい
る。また、最近ではこの種のデバイスの高集積化が強く
要求されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術に
おいて同一チップサイズでの高集積化を達成するために
は、回路のパターンルールをファインなものに変更する
必要がある。しかしながら、このようなパターンルール
の変更は製造工程を複雑化するばかりでなく、低コスト
化及び高性能化を妨げる。

【０００４】同一チップサイズでの高集積化を達成する
別の手法としては、多層化による能動素子の形成があ
る。しかし、この方法であると高コスト化が避けられな
い。本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、
その主たる目的は、低コスト化及び高性能化を妨げるこ
となく集積度の高い両面回路基板を提供することにあ
る。

【０００５】また、本発明の別の目的は、上記の優れた
両面回路基板の製造に適した製造方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、単結晶シリコン基板
の表裏両側に形成された能動素子同士を貫通電極により
電気的に接続したことを特徴とする両面回路基板をその
要旨とする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１におい
て、前記貫通電極は、前記単結晶シリコン基板の所定領
域において基板厚さ方向に沿って形成された導電層と、
その導電層を周囲の導電性領域からアイソレートする絶
縁層とからなるとした。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項２におい
て、前記導電層は前記絶縁層によって完全に包囲されて
いるとした。請求項４に記載の発明は、請求項３におい
て、前記貫通電極は断面略円形状であるとした。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項４におい
て、前記導電層は両端部に不純物拡散領域を有するｐ型
シリコンからなり、前記絶縁層は酸化シリコンからなる
とした。

【００１０】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５
のいずれか１項に記載の両面回路基板を製造する方法で
あって、単結晶シリコン基板の表裏両側にエピタキシャ
ル成長層を形成する工程と、前記エピタキシャル成長層
において後に貫通電極の導体層及び絶縁層となるべき部
分に拡散層を形成する工程と、前記拡散層のうち後に絶
縁層となるべき部分のみを選択的に多孔質化することに
より、表裏両側を貫通する多孔質シリコン層を形成する
工程と、熱酸化により前記多孔質シリコン層を酸化する
工程とを含む両面回路基板の製造方法をその要旨とす
る。

【００１１】以下、本発明の「作用」を説明する。請求
項１〜５に記載の発明によると、シリコン基板の表裏両
側に形成された能動素子同士を貫通電極により電気的に
接続することによって、表裏両側のエリアを有効に利用
して回路を構築することができる。このため、同一チッ
プサイズであっても、回路のパターンルールの変更や多
層化を伴うことなく高集積化を達成することができる。
また、製造工程の複雑化が回避される結果、低コスト化
及び高性能化を妨げることもなくなる。

【００１２】請求項２に記載の発明によると、絶縁層に
よって導電層が周囲の導電性領域からアイソレートされ
ているため、表裏両側を介した通電が可能となる。請求
項３に記載の発明によると、導電層が絶縁層によって完
全に包囲されていると、導電層のアイソレートがより確
実なものとなり、ひいては回路の信頼性の向上にもつな
がる。

【００１３】請求項４に記載の発明によると、断面円形
状の貫通電極であると、構造的にみて各部位に応力が集
中しにくくなるため、回路の信頼性の向上にもつなが
る。請求項６に記載の発明によると、まず、単結晶シリ
コン基板の表裏両側にエピタキシャル成長層が形成され
る。次の工程では、エピタキシャル成長層に拡散層が形
成される。この拡散層は、後に貫通電極の導体層及び絶
縁層となる。そのうち、後に絶縁層となるべき部分のみ
について選択的に多孔質化する。すると、表裏両側を貫
通する多孔質シリコン層が形成される。この多孔質され
たシリコン部分は、多孔質化されていない他の部分に比
較して酸化レートが大きい。よって、次の工程において
熱酸化を行うと、多孔質シリコン層のみが選択的に改質
され、そこに酸化シリコンからなる絶縁層が形成され
る。その結果、導体層とそれを周囲の導電性領域からア
イソレートする絶縁層とからなる貫通電極を簡単にかつ
確実に得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を両面ＩＣ回路基板
１に具体化した一実施の形態を図１〜図７に基づき詳細
に説明する。

【００１５】図１に示されるように、この両面ＩＣ回路
基板１は、単結晶シリコン基板２を主要な構成要素とす
る。ここでは、第１の導電型であるｐ型のシリコン単結
晶からなるシリコン基板２が使用されている。ｐ型単結
晶シリコン基板２の表面側（図１の上面側）及び裏面側
（図１の下面側）には、ともにエピタキシャル成長層３
が積層形成されている。これらのエピタキシャル成長層
３は、第２の導電型であるｎ型のシリコンからなる。ま
た、エピタキシャル成長層３の表層には、酸化シリコン
層４、配線パターン層５、パッシベーション層６、バン
プ７が形成されている。表面側のエピタキシャル成長層
３内には、能動素子としての第１のトランジスタＴＲ1
が形成されている。裏面側のエピタキシャル成長層３に
は、同様に能動素子としての第２のトランジスタＴＲ2
が形成されている。本実施形態において、前記両トラン
ジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 はｎｐｎ型である。両トランジス
タＴＲ1 ，ＴＲ2 は、貫通電極８を介して電気的に接続
されている。その結果、図７に示すような回路が両面Ｉ
Ｃ回路基板１に構築されている。前記貫通電極８は、導
電層１１と絶縁層１２とによって構成されている。導電
層１１は、ｐ型単結晶シリコン基板２の所定領域におい
て、基板厚さ方向に沿って形成されている。絶縁層１２
は、導電層１１を完全に包囲することにより導電層１１
を周囲の導電性領域からアイソレートしている。本実施
形態の貫通電極８は、断面略円形状である。また、前記
絶縁層１２は酸化シリコンからなる。一方、前記導電層
１１は、両端部にｐ型の不純物拡散領域を有するｐ型シ
リコンからなる。より具体的にいうと導電層１１は、シ
リコン基板２内に形成された円柱状のｐ型シリコンの導
電領域１３と、エピタキシャル成長層３内に形成された
ｐ⁺ 型のシリコン拡散層２１とからなる。

【００１６】次に、この両面ＩＣ回路基板１を製造する
手順を図２〜図６に基づいて詳細に説明する。基本的
に、この両面ＩＣ回路基板１は、通常のバイポーラウェ
ハプロセスを経て製造することができる。まず、直方体
状をした面方位（１１０）または（１００）のｐ型単結
晶シリコン基板２をウェハの状態で用意する。そして、
図２に示されるように、シリコン基板２の表裏両側に、
気相成長によってｎ型単結晶シリコンのエピタキシャル
成長層３を積層する。

【００１７】次に、フォトリソグラフィによって、エピ
タキシャル成長層３の上面に図示しない所定のマスクを
形成する。このマスクは所定箇所に開口部を有する。前
記開口部は、後に貫通電極８の導体層１１及び絶縁層１
２となるべき部分に対応して形成される。絶縁層１２に
対応する開口部はドーナツ形状をしている。導体層１１
に対応する開口部は円形状をしており、前記ドーナツ状
開口部の中心に存在している。

【００１８】この状態でほう素のような不純物の打ち込
み・熱拡散を行う。これよって、図３に示されるよう
に、マスクから露出している領域にｐ⁺ 型シリコン拡散
層２１，２２をそれぞれ形成する。前記ｐ⁺ 型シリコン
拡散層２１，２２は、ともにシリコン基板２がある深さ
まで到達する。このとき、円形状のｐ型シリコン拡散層
２１は、ドーナツ状のｐ⁺ 型シリコン拡散層２２によっ
て完全に包囲される。以上の工程は、通常のバイポーラ
ＩＣのアイソレーション拡散が必要なときには同時に行
われてもよい。

【００１９】次いで、前記マスクをいったん除去すると
ともに、シリコン基板２の表裏両側に新たに別のマスク
２３を形成する。このマスク２３は、ドーナツ状のｐ⁺
型シリコン拡散層２２に対応する箇所に開口部２４を有
している。従って、円形状のｐ⁺ 型シリコン拡散層２１
は同マスク２３下にあり、それによって保護されてい
る。

【００２０】このようなマスク２３を設けたシリコン基
板２をふっ酸水溶液中に浸漬し、かつシリコン基板２を
陽極側として電流を流す。このとき、シリコン基板２の
裏面側の一方向を陽極側とすることにより、表面側から
裏面側に向かって、前記のような陽極化成処理によりｐ
⁺ 型シリコン拡散層２２の部分のみを選択的に多孔質化
する。これにより、図４に示されるように、当該部分を
多孔質シリコン層２５に変化させる。なお、前記ドーナ
ツ状のｐ⁺ 型シリコン拡散層２２は、表面側及び裏面側
において各々対応する箇所に設けられている。従って、
陽極化成を行うと、表裏両側にある多孔質シリコン層２
５がシリコン基板２内においてつながり一体化する。

【００２１】本実施形態では、前記陽極化成のときの好
適な条件として、ふっ酸水溶液の温度を２０℃〜３０℃
に、処理時間を１０分〜２０分に、通電量を２０ｍＡ／
ｃｍ ² 〜５０ｍＡ／ｃｍ² に設定している。かかる範囲
を逸脱すると、処理効率が悪化するおそれがある。そし
て、上記の陽極化成の後、不要となったマスク２３を剥
離する。

【００２２】次に、シリコン基板２を高温の酸化雰囲気
中に晒すことによって、図５，図６に示されるように、
多孔質シリコン層２５を全体的に酸化シリコンに変化さ
せる。多孔質化されたシリコン部分は、多孔質化されて
いない他の部分に比較して酸化レートが大きい。よっ
て、多孔質シリコン層２５のみが選択的に改質される。
また、このような熱酸化処理を行うと、シリコン基板２
の外表面に薄い酸化シリコン層４も形成される。そし
て、以上の結果、表裏両側を貫通する貫通電極８が形成
される。

【００２３】本実施形態では、熱酸化工程における好適
な条件として、処理温度を１０００℃〜１０５０℃に、
処理時間を３０分〜４０分に設定している。これ以降の
工程では、一般的なバイポーラプロセスに従ってトラン
ジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 等を形成する。まず、酸化シリコ
ン層４の所定箇所に開口部を形成したうえで、ｐ型不純
物を打込み・拡散させる。その結果、後にトランジスタ
ＴＲ1 ，ＴＲ2 のベースとなるｐ型シリコン拡散層１５
を、エピタキシャル成長層３内に形成する。次に、酸化
シリコン層４の別の箇所に開口部を形成したうえで、ｎ
型不純物を打込み・拡散させる。その結果、後にトラン
ジスタＴＲ1 ，ＴＲ2のエミッタとなるｎ⁺ 型シリコン
拡散層１６を、前記ｐ型シリコン拡散層１５内に形成す
る。また、後にトランジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 のコレクタ
となるｎ⁺ 型シリコン拡散層１７を、エピタキシャル成
長層３において前記ｐ型シリコン拡散層１５内の脇に形
成する。

【００２４】この後、シリコン基板２の熱酸化によっ
て、再度全面に酸化シリコン層４を形成し、さらにフォ
トエッチングによってその酸化シリコン層４の所定部分
にコンタクトホール１８を形成する。このとき各コンタ
クトホール１８は、エミッタ、コレクタ及びベース、並
びに貫通電極８のｐ⁺ 型シリコン拡散層２１に対応する
箇所にそれぞれ形成される必要がある。この後、スパッ
タリング等の従来公知の技術を用いて、配線パターン層
５、パッシベーション層６、バンプ７を形成する。図１
の両面ＩＣ回路基板１は、以上のようなプロセスを経て
作製される。

【００２５】さて、次に本実施形態における特徴的な作
用効果を列挙する。 （イ）本実施形態の両面ＩＣ回路基板１は、ｐ型の単結
晶シリコン基板２の表裏両側に能動素子としてのｎｐｎ
トランジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 を１個ずつ形成し、それら
同士を貫通電極８により電気的に接続した構成となって
いる。従って、シリコン基板２の表裏両側のエリア、即
ち従来の約２倍のエリアを有効に利用することにより、
ＩＣ回路を構築することができる。このため、同一チッ
プサイズであっても、回路のパターンルールの変更や多
層化を伴うことなく、集積度の高い優れたＩＣデバイス
を構築することができる。また、製造工程の複雑化が回
避される結果、低コスト化及び高性能化を妨げることも
なくなる。

【００２６】（ロ）本実施形態の両面ＩＣ回路基板１で
は、絶縁層１２によって導電層１１が周囲の導電性領域
からアイソレートされている。よって、シリコン基板２
の表裏両側を介した通電が可能となる。また、円柱状の
導電層１１は円筒状の絶縁層１２によって完全に包囲さ
れているため、導電層１１のアイソレートはより確実な
ものとなっている。従って、構築される回路の信頼性も
確実に向上する。

【００２７】（ハ）また、本実施形態の両面ＩＣ回路基
板１では、貫通電極８が断面円形状になっている。ゆえ
に、ヒートサイクル等に遭遇したとき等においても、構
造的にみて各部位に応力が集中しにくいという特徴があ
る。このため、熱応力によるクラック等も生じにくくな
り、その意味において回路の信頼性が向上する。

【００２８】（ニ）本実施形態の製造方法では、あらか
じめ形成した多孔質シリコン層２５を酸化レートの相違
を利用して選択的に改質することにより、酸化シリコン
からなる絶縁層１２を形成している。その結果、導体層
１１を周囲の導電性領域から簡単にかつ確実にアイソレ
ートすることができ、ひいては貫通電極８を簡単にかつ
確実に得ることができる。また、前記多孔質シリコン層
２５の選択的改質は、シリコン基板２の外表面に薄い酸
化シリコン層４を形成するための通常の熱酸化処理を実
施する際、同時に実施されることが可能である。従っ
て、選択的改質を実施をしたとしても製造工程が複雑に
なることはなく、低コスト化及び高性能化を達成するこ
とができる。

【００２９】以上のことから、この製造方法は両面ＩＣ
回路基板１の製造に極めて適したものであると言うこと
ができる。なお、本発明は上記の実施形態のみに限定さ
れることはなく、例えば次のように形態に変更すること
が可能である。

【００３０】◎ 図８（ａ），図８（ｂ）に示される別
例のような構成の貫通電極３１であってもよい。この貫
通電極３１は、シリコン基板２の端面に配置されてい
る。導電層１１を構成するｐ⁺ 型シリコン拡散層２１及
び導電性領域１３は、絶縁層１２によって、周囲にある
導電性領域からアイソレートされている。しかし、導電
層１１は、前記実施形態のときとは異なり、絶縁層１２
によって完全に包囲されているわけではない。従って、
シリコン基板２の端面から導電性領域１３が露出してい
る点が相違している。

【００３１】◎ トランジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 の数は片
面側に１個ずつ（合計２個）に限定されることはなく、
片面側に複数（2,3,4,5,6,7,8,9,10…）個ずつであって
も勿論よい。また、両側のトランジスタＴＲ1 ，ＴＲ2
の数は、同じ数でなくてもよい。

【００３２】◎ トランジスタＴＲ1 ，ＴＲ2 以外の能
動素子として、例えばダイオード等を形成してもよい。
なお、上記のような能動素子ばかりでなく、併せて抵抗
やコンデンサ等の受動素子を形成しても勿論よい。

【００３３】◎ 断面略円形状の貫通電極８に代えて、
断面楕円形状の貫通電極を形成してもよい。なお、貫通
電極８はこれらの断面形状には勿論限定されることはな
く、例えば、断面三角形状、断面四角形状、断面五角形
状、断面六角形状等のような断面多角形状であってもよ
い。もっとも、角のないラウンド状の断面を有するもの
のほうがより好ましい。

【００３４】◎ 酸化シリコンからなる絶縁層１２を採
用した実施形態に代えて、例えば窒化シリコンからなる
絶縁層を形成してもよい。ただし、実施形態のような酸
化シリコンからなる絶縁層１２は、熱酸化処理で簡単に
得られるという点において有利である。

【００３５】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 請求項１〜６のいずれか１項において、前記単
結晶シリコン基板はｐ型シリコンであり、前記エピタキ
シャル成長層はｎ型シリコンであること。このようにす
ると製造がより簡単になる。

【００３６】（２） 請求項１〜６のいずれか１項にお
いて、前記能動素子はトランジスタであること。このよ
うにすると、限られたシリコン基板上に高集積度のＩＣ
デバイスを構築することができる。

【００３７】（３） 請求項６において、前記多孔質化
シリコン層は陽極化成により形成されることを特徴とす
る両面回路基板の製造方法。この方法によると、酸化シ
リコンからなる絶縁層を、多孔質シリコン層を経て極め
て簡単に貫通形成することができる。

【００３８】（４） 単結晶シリコン基板の所定領域に
おいて基板厚さ方向に沿って形成された導電層と、その
導電層を周囲の導電性領域からアイソレートする絶縁層
とからなることを特徴とする両面回路基板用の貫通電
極。このような構成であると、シリコン基板の表裏両側
を電気的に接続可能となるため、表裏両側の能動素子か
らなるＩＣデバイスを構築することができ、高性能化及
び高集積化を達成することができる。

【００３９】（５）請求項１乃至５のいずれか１項に記
載の両面ＩＣ回路基板を製造する方法であって、ｐ型単
結晶シリコン基板の表裏両側にｎ型シリコンからなるエ
ピタキシャル成長層を形成する工程と、前記エピタキシ
ャル成長層において後に貫通電極の導体層及び絶縁層と
なるべき部分に、ｐ型シリコンの打込み・拡散により拡
散層を形成する工程と、前記拡散層のうち後に絶縁層と
なるべき部分のみを露出させる開口部を有するマスクを
形成する工程と、後に絶縁層となるべき部分のみを陽極
化成処理により選択的に多孔質化することにより、表裏
両側を貫通する多孔質シリコン層を形成する工程と、熱
酸化により前記多孔質シリコン層を酸化する工程と、バ
イポーラウェハプロセスによって表裏両側にトランジス
タを形成する工程とを含む両面ＩＣ回路基板の製造方
法。

【００４０】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。 「陽極化成： 電解液中で基板を陽極として電流を流す
ことにより、その基板に多孔質層を形成する一括改質加
工をいう。」

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜５に記
載の発明によれば、低コスト化及び高性能化を妨げるこ
となく集積度の高い両面回路基板を提供することができ
る。

【００４２】特に請求項３に記載の発明によれば、アイ
ソレートがより確実になることで、回路の信頼性が向上
する。請求項４に記載の発明によれば、貫通電極に応力
が集中しにくくなることで、回路の信頼性が向上する。

【００４３】請求項６に記載の発明によれば、上記の優
れた両面回路基板の製造に適した製造方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施形態の両面ＩＣ回路
基板を示す断面図。

【図２】同両面ＩＣ回路基板の製造方法を説明するため
の断面図。

【図３】同両面ＩＣ回路基板の製造方法を説明するため
の断面図。

【図４】同両面ＩＣ回路基板の製造方法を説明するため
の断面図。

【図５】同両面ＩＣ回路基板の製造方法を説明するため
の断面図。

【図６】図５のＡ−Ａ線における断面図。

【図７】同両面ＩＣ回路基板の等価回路図。

【図８】（ａ）は別例の両面ＩＣ回路基板の製造方法に
おける部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における
断面図。

【符号の説明】

１…両面回路基板としての両面ＩＣ回路基板、２…単結
晶シリコン基板、３…エピタキシャル成長層、８，３１
…貫通電極、１１…導電層、１２…絶縁層、２１…不純
物拡散領域としてのｐ⁺ 型シリコン拡散層、２２…拡散
層、２５…多孔質シリコン層、ＴＲ1 ，ＴＲ2 …能動素
子としてのトランジスタ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶シリコン基板の表裏両側に形成され
   た能動素子同士を貫通電極により電気的に接続したこと
   を特徴とする両面回路基板。
2. 【請求項２】前記貫通電極は、前記単結晶シリコン基板
   の所定領域において基板厚さ方向に沿って形成された導
   電層と、その導電層を周囲の導電性領域からアイソレー
   トする絶縁層とからなることを特徴とする請求項１に記
   載の両面回路基板。
3. 【請求項３】前記導電層は前記絶縁層によって完全に包
   囲されていることを特徴とする請求項２に記載の両面回
   路基板。
4. 【請求項４】前記貫通電極は断面略円形状であることを
   特徴とする請求項３に記載の両面回路基板。
5. 【請求項５】前記導電層は両端部に不純物拡散領域を有
   するｐ型シリコンからなり、前記絶縁層は酸化シリコン
   からなることを特徴とする請求項４に記載の両面回路基
   板。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の両
   面回路基板を製造する方法であって、 単結晶シリコン基板の表裏両側にエピタキシャル成長層
   を形成する工程と、 前記エピタキシャル成長層において後に貫通電極の導体
   層及び絶縁層となるべき部分に拡散層を形成する工程
   と、 前記拡散層のうち後に絶縁層となるべき部分のみを選択
   的に多孔質化することにより、表裏両側を貫通する多孔
   質シリコン層を形成する工程と、 熱酸化により前記多孔質シリコン層を酸化する工程とを
   含む両面回路基板の製造方法。