JP2007005402A - 半導体基板への貫通配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板に貫設した貫通孔の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔の内周面に形成された絶縁層との密着性が良好な貫通配線を形成可能な半導体基板への貫通配線の形成方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１に貫通孔２を形成し（図１（ａ））、半導体基板１の一表面および他表面および貫通孔２の内周面に絶縁層３を形成する（図１（ｂ））。半導体基板１の上記一表面側に金属層４を形成する際に上記一表面側と貫通孔２の内側とで金属層４が絶縁層３に積層され、且つ、金属層４のうち貫通孔２の内側で絶縁層３に積層される部位の厚みが半導体基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるようにする（図１（ｃ））。金属層４をシード層として電解メッキ法により貫通孔２の内側を埋め込む金属部５を半導体基板１の厚み方向に沿って析出させる（図１（ｅ））。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板への貫通配線の形成方法に関し、例えば、ウェハレベルパッケージングなどで用いられる貫通配線の形成方法に関するものである。

従来から、半導体基板への貫通配線の形成方法が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、上述の半導体基板への貫通配線の形成方法について図３に基づいて説明するが、図３（ａ）〜（ｃ）における半導体基板１はダイシング工程により個々のチップに分離する前のウェハである。

まず、半導体基板１の一表面（図３（ａ）の上面）における貫通孔形成予定部位にエッチング加工などによって貫通孔用の凹部１ａを形成してから、ＣＶＤ法や熱酸化法などによって半導体基板１の上記一表面および凹部１ａの内面に絶縁層３ａを形成するとともに半導体基板１の他表面（図３（ａ）の下面）に絶縁層３ｂを形成することにより、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、半導体基板１の上記一表面および凹部１ａの内面に形成されている絶縁層３ａに金属材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属薄膜４をＣＶＤ法やスパッタ法などによって積層してから、当該金属薄膜４をシード層として電解メッキ法などによって金属材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属部５を析出（堆積）させることにより、図３（ｂ）に示す構造を得る。

次に、半導体基板１の上記他表面側を化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）技術などによって研磨して金属薄膜４を露出させるとともに貫通孔２’を完成させ、続いて、金属部５および金属薄膜４のうち半導体基板１の上記一表面側における不要部分を除去することによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。ここに、図３（ｃ）では、金属部５のうち貫通孔２’に埋め込まれている部分と金属薄膜４のうち貫通孔２’に埋め込まれている部分とで貫通配線６を構成している。

ところで、上述の電解メッキ法により金属部５を析出させる工程においては、図４（ａ）に示すように半導体基板１の上記一表面および凹部１ａの内面に形成されている絶縁層３ａに積層された金属薄膜４をシード層として利用しているので、金属部５は図４（ｂ）に示すように均一に成長するコンフォーマル成長により析出することとなる。

しかしながら、上述のコンフォーマル成長により金属部５を析出させる方法では、凹部１ａのアスペクト比が高くなるにつれて凹部１ａの内側にボイド（空洞）が形成されてしまう（言い換えれば、凹部１ａの内側を隙間なく埋め込むことができない）という問題が起こりやすかった。また、上述のコンフォーマル成長により金属部５を析出させる方法では、凹部１ａが半導体基板１の上記一表面側において上記一表面に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状に形成されている場合に、金属部５の成長途中で凹部１ａの内側が完全に埋め込まれないうちに半導体基板１の一表面側において凹部１ａの開口面が金属部５によって塞がれてしまって凹部１ａの内側にボイドが形成されてしまうという問題があった。

そこで、ボイドの発生が起こりにくい貫通配線の形成方法として、半導体基板の厚み方向に沿って金属部が成長するボトムアップ成長により金属部を析出させる方法が提案されている。

以下、ボトムアップ成長により金属部を析出させる方法を採用した貫通配線の形成方法の一例について図５に基づいて説明する。

まず、図５（ａ）の上側に示すようにエッチング加工などによって貫通孔２を形成した半導体基板１と、図５（ａ）の下側に示すように金属材料などからなる導電層１４が一表面上に形成された基板１５とを用意し、半導体基板１と基板１５とを導電層１４を介在させた形で接合あるいは貼り合わせることにより、図５（ｂ）に示す構造を得る。

その後、導電層１４をシード層として電解メッキ法により金属部５を析出させることにより、図５（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属部５は導電層１４の表面から半導体基板１の厚み方向に沿って成長するボトムアップ成長により形成されることとなるので、貫通孔２の内側にボイドが発生しにくくなる。

さらにその後、上述の導電層１４が一表面側に形成されている基板１５を半導体基板１から剥離することにより、図５（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属部５のうち貫通孔２の内側に形成されている部分が貫通配線となる。その後は、例えば、半導体基板１の裏面（図５（ｄ）における下面）に電極層用の導体層を形成し、当該導体層の不要部分を除去すればよい。

次に、ボトムアップ成長により金属部を析出させる方法を採用した貫通配線の形成方法の他の例について図６に基づいて説明する。

まず、半導体基板１にエッチング加工などによって厚み方向に貫通する貫通孔２を形成することにより、図６（ａ）に示す構造を得る。その後、ＣＶＤ法や熱酸化法などによって半導体基板１の一表面（図６（ａ）における下面）および他表面（図６（ａ）における上面）および貫通孔２の内周面に絶縁層３を形成することにより、図６（ｂ）に示す構造を得る。

続いて、半導体基板１の上記一表面側に金属材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属層４をスパッタ法などによって形成することにより、図６（ｃ）に示す構造を得る。続いて、金属層４をシード層として電解メッキ法によって、貫通孔２の内側が埋め込まれるように金属部５を析出させることにより、図６（ｅ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属部５は、図６（ｄ）に示すように半導体基板１の上記一表面側に析出して半導体基板１の上記一表面側において貫通孔２の開口面を塞ぐように成長した部分５ａと、引き続いて、ボトムアップ成長により半導体基板１の厚み方向に沿って成長した部分５ｂ（図６（ｅ）参照）とで構成されている。金属部５を形成した後、不要部分の除去や平坦化を目的としたＣＭＰを行うことによって、金属部５のうち貫通孔２の内側に形成されている部分からなる貫通配線が完成する。その後は、例えば、半導体基板１の上記一表面側に電極層用の導体層を形成し、当該導体層の不要部分を除去すればよい。
特開２００３−３２８１８０号公報

ところで、上述の図５や図６のようにボトムアップ成長により金属部を析出させる方法を採用した貫通配線の形成方法では、コンフォーマル成長による埋め込みが困難な貫通孔（高アスペクト比の微細孔）への埋め込み性が改善される。しかしながら、ボトムアップ成長により形成された貫通配線では、コンフォーマル成長により成長された金属部５と当該金属部５の析出時のシード層たる金属層４とで構成される貫通配線６に比較して、貫通配線の下地である絶縁層３との密着性が低いので、金属部５の不要部分の除去や平坦化を目的としたＣＭＰを行った場合に、金属部５のうち貫通孔２の内側に形成されている部分の一部が剥離してチップ歩留まりが低下してしまう可能性があった。また、ボトムアップ成長により形成された貫通配線では、絶縁層３のうち貫通孔２の内周面に形成されている部位と金属部５との間に空隙が生じる可能性もあり、パッケージング時に上記空隙に起因して気密性が損なわれてしまう可能性があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、半導体基板に貫設した貫通孔の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔の内周面に形成された絶縁層との密着性が良好な貫通配線を形成可能な半導体基板への貫通配線の形成方法を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板への貫通配線の形成方法であって、半導体基板に厚み方向に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、半導体基板の一表面および他表面および貫通孔の内周面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、半導体基板の前記一表面側に金属層を形成する金属層形成工程と、金属層をシード層として電解メッキ法により貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させる電解メッキ工程とを備え、金属層形成工程では、半導体基板の前記一表面側と貫通孔の内側とで金属層が絶縁層に積層され、且つ、金属層のうち貫通孔の内側で絶縁層に積層される部位の厚みが半導体基板の前記一表面から前記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるようにすることを特徴とする。

この発明によれば、電解メッキ工程においてシード層として利用する金属層が、絶縁層のうち半導体基板の一表面に形成された部位だけでなく貫通孔の内側に形成された部位にも積層されているので、従来のボトムアップ成長により金属部を析出させる場合に比べて絶縁層のうち貫通孔の内側に形成されている部位と貫通配線との密着性を向上させることができ、しかも、金属層のうち貫通孔の内側で絶縁層に積層される部位の厚みが半導体基板の前記一表面から他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるので、貫通孔の内側が金属部によって完全に埋め込まれないうちに半導体基板の前記他表面側において貫通孔の開口面が金属部によって塞がれるのを防止することができるから、半導体基板に貫設した貫通孔の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔の内周面に形成された絶縁層との密着性が良好な貫通配線を形成可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記金属層形成工程では、前記金属層をＣＶＤ法により形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記金属層をスパッタ法や真空蒸着法などによって形成する場合に比べて、前記貫通孔の内側での前記金属層の被覆性を向上させることができ、結果的に、貫通配線の埋め込み性および密着性を高めることができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記貫通孔形成工程では、前記貫通孔を、前記半導体基板の前記一表面から前記他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記電解メッキ工程において前記貫通孔の内側が前記金属部によって完全に埋め込まれないうちに前記半導体基板の前記他表面側において前記貫通孔の開口面が前記金属部によって塞がれるのをより確実に防止することができる。

請求項１の発明では、半導体基板に貫設した貫通孔の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔の内周面に形成された絶縁層との密着性が良好な貫通配線を形成可能になるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態における半導体基板への貫通配線の形成方法について図１に基づいて説明するが、図１（ａ）〜（ｆ）における半導体基板１はダイシング工程を行う前のウェハである。また、本実施形態では、半導体基板１としてシリコン基板を用いる場合について例示する。

まず、半導体基板１における貫通孔形成予定部位を反応性イオンエッチング装置や誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置などを利用してドライエッチングすることで半導体基板１の厚み方向に貫通する貫通孔２を形成する貫通孔形成工程を行うことにより、図１（ａ）に示す構造を得る。なお、貫通孔形成工程では、当該ドライエッチング前に貫通孔形成予定部位に対応する開孔窓を有するエッチングマスク層を形成することは勿論であり、図１（ａ）は当該ドライエッチング後にエッチングマスク層を除去した状態を示している。

その後、熱酸化法やＣＶＤ法などによって半導体基板１の一表面（図１（ａ）における下面）および他表面（図１（ａ）における上面）および貫通孔２の内周面にシリコン酸化膜からなる絶縁層３を形成する絶縁層形成工程を行うことにより、図１（ｂ）に示す構造を得る。なお、絶縁層３をＣＶＤ法によって形成する場合には、絶縁層３をシリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成するようにしてもよい。

続いて、半導体基板１の上記一表面側にＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などによって金属材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属層４を形成する金属層形成工程を行うことにより、図１（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属層形成工程では、半導体基板１の上記一表面側と貫通孔２の内側とで金属層４が絶縁層３に積層され、且つ、金属層４のうち貫通孔２の内側で絶縁層３に積層される部位の厚みが半導体基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるようにする。このような金属層４を形成するには、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などの成膜方法があるが、ＣＶＤ法を採用すれば、金属層４をスパッタ法や真空蒸着法などによって形成する場合に比べて、貫通孔２の内側での金属層４の被覆性を向上させることができ、より微細で高アスペクト比の貫通孔２にも対応することが可能となる。また、金属層４の成膜方法にＣＶＤ法を採用する場合には、成膜条件を適宜設定することによって貫通孔２の内側での金属層４の膜厚を容易に制御することができる。

上述の金属層４を形成した後、金属層４をシード層として電解メッキ法によって、貫通孔２の内側が埋め込まれるように配線材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属部５を半導体基板１の厚み方向に沿って析出させる電解メッキ工程を行うことにより、図１（ｅ）に示す構造を得る。ここで、金属部５は、図１（ｄ）に示すように半導体基板１の上記一表面側に析出して半導体基板１の上記一表面側において貫通孔２の開口面を塞ぐように成長した部分５ａと、引き続いて、ボトムアップ成長により半導体基板１の厚み方向に沿って成長した部分５ｂ（図１（ｅ）参照）とで構成されている。要するに、電解メッキ工程では、まず半導体基板１の上記一表面側からメッキが行われ、続いて、半導体基板１の上記他表面側からメッキが行われる。なお、配線材料としては、例えば、メッキ材料として一般的に用いられ且つ低抵抗な銅を用いればよい。

上述の電解メッキ工程の後、半導体基板１の上記一表面側および上記他表面側それぞれの不要部分をＣＭＰによって除去する研磨工程を行うことにより、図１（ｆ）に示す構造を得る。ここにおいて、研磨工程では、半導体基板１の上記一表面側において絶縁層３が露出するまでＣＭＰを行うことにより金属部５および金属層４それぞれの不要部分を除去し、また、半導体基板１の上記他表面側において絶縁層３のうち金属部５により覆われている部位の表面が露出するまでＣＭＰを行うことにより金属部５の不要部分を除去しており、金属部５の残りの部分と金属層４の残りの部分とで貫通配線６を構成している。

なお、研磨工程の後は、例えば、半導体基板１の上記一表面側で貫通配線６に電気的に接続されるパッドを形成したり、半導体基板１の上記他表面側で貫通配線６に電気的に接続されるパッドを形成したりすればよい。

以上説明した半導体基板１への貫通配線６の形成方法によれば、電解メッキ工程においてシード層として利用する金属層４が、絶縁層３のうち半導体基板１の上記一表面に形成された部位だけでなく貫通孔２の内側に形成された部位にも積層されているので、従来のボトムアップ成長により金属部５を析出させる場合に比べて絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位と貫通配線６との密着性を向上させることができる。しかも、金属層４のうち貫通孔２の内側で絶縁層３に積層される部位の厚みが半導体基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるので、電解メッキを行う際に金属層４の膜厚が薄くなっている部位ほど電流が流れにくくなり、半導体基板１の上記一表面側での析出速度が上記他表面側での析出速度よりも速くなって、金属部５は図１（ｄ）のように成長してから図１（ｅ）のように成長することとなり、貫通孔２の内側が金属部５によって完全に埋め込まれないうちに半導体基板１の上記他表面側において貫通孔２の開口面が金属部５によって塞がれるのを防止することができる。したがって、本実施形態では、半導体基板１に貫設した貫通孔２の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔２の内周面に形成された絶縁層３との密着性が良好な貫通配線６を形成可能になる。

また、上述のように、金属層形成工程において金属層４をＣＶＤ法により形成するようにすれば、金属層４をスパッタ法や真空蒸着法などによって形成する場合に比べて、貫通孔２の内側での金属層４の被覆性を向上させることができるので、結果的に、貫通配線６の埋め込み性および密着性を高めることができる。なお、金属層形成工程において形成する金属層４は、絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位の全面を覆うように形成されている方が望ましいが、貫通孔２の内側の絶縁層３のうち半導体基板１の上記他表面に近い部位を覆っていなくても（つまり、金属層４が半導体基板１の厚み方向の途中までしか形成されておらず、金属層４が絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位の全面を覆っていなくても）、従来のボトムアップ成長により金属部５を析出させる場合に比べて絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位と貫通配線６との密着性を向上させることができる。

（実施形態２）
以下、本実施形態における半導体基板への貫通配線の形成方法について図２に基づいて説明するが、基本的には実施形態１と略同じなので、実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、半導体基板１における貫通孔形成予定部位を反応性イオンエッチング装置や誘導結合型のドライエッチング装置などを利用してドライエッチングすることで半導体基板１の厚み方向に貫通する貫通孔２を形成する貫通孔形成工程を行うことにより、図２（ａ）に示す構造を得る。ここで、実施形態１での貫通孔形成工程では、円形状の貫通孔２の内径を半導体基板１の厚み方向の位置によらず一定の値に設定してあったが、本実施形態での貫通孔形成工程では、円形状の貫通孔２の内径を半導体基板１の一表面（図２（ａ）における下面）から他表面（図２（ａ）における上面）に近づくにつれて徐々に大きくなる形状に形成する。つまり、本実施形態では、貫通孔２を、半導体基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成する。なお、このような形状の貫通孔２は、エッチング条件やエッチングマスク層のパターンなどを適宜設定することにより容易に形成することができる。

貫通孔形成工程の後、熱酸化法やＣＶＤ法などによって半導体基板１の上記一表面および上記他表面および貫通孔２の内周面にシリコン酸化膜からなる絶縁層３を形成する絶縁層形成工程を行うことにより、図２（ｂ）に示す構造を得る。

続いて、半導体基板１の上記一表面側にＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などによって金属材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属層４を形成する金属層形成工程を行うことにより、図２（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属層形成工程では、半導体基板１の上記一表面側と貫通孔２の内側とで金属層４が絶縁層３に積層され、且つ、金属層４のうち貫通孔２の内側で絶縁層３に積層される部位の厚みが半導体基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるようにする。このような金属層４を形成するには、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などの成膜方法があるが、ＣＶＤ法を採用すれば、金属層４をスパッタ法や真空蒸着法などによって形成する場合に比べて、貫通孔２の内側での金属層４の被覆性を向上させることができる。

上述の金属層４を形成した後、金属層４をシード層として電解メッキ法によって、貫通孔２の内側が埋め込まれるように配線材料（例えば、銅、ニッケルなど）からなる金属部５を半導体基板１の厚み方向に沿って析出させる電解メッキ工程を行うことにより、図２（ｅ）に示す構造を得る。ここで、金属部５は、図２（ｄ）に示すように半導体基板１の上記一表面側に析出して半導体基板１の上記一表面側において貫通孔２の開口面を塞ぐように成長した部分５ａと、引き続いて、ボトムアップ成長により半導体基板１の厚み方向に沿って成長した部分５ｂ（図２（ｅ）参照）とで構成されている。要するに、電解メッキ工程では、まず半導体基板１の上記一表面側からメッキが行われ、続いて、半導体基板１の上記他表面側からメッキが行われるが、上記他表面側では貫通孔２の開口面積が上記一表面側に比べて大きくなっているので、実施形態１での電解メッキ工程に比べて、メッキ液が貫通孔２の内側の空間に入り易くなり、メッキが容易になる。また、貫通孔２の内側が金属部５によって完全に埋め込まれないうちに半導体基板１の上記他表面側において貫通孔２の開口面が金属部５によって塞がれるのをより確実に防止することができる。

上述の電解メッキ工程の後は、実施形態１と同様に研磨工程を行うことにより、貫通配線を完成すればよい。また、研磨工程の後は、例えば、半導体基板１の上記一表面側で貫通配線に電気的に接続されるパッドを形成したり、半導体基板の上記他表面側で貫通配線に電気的に接続されるパッドを形成したりすればよい。

しかして、本実施形態の半導体基板１への貫通配線の形成方法によれば、実施形態１と同様に、半導体基板１に貫設した貫通孔２の内側への埋め込み性が良好で且つ貫通孔２の内周面に形成された絶縁層３との密着性が良好な貫通配線を形成可能になる。なお、金属層形成工程において形成する金属層４は、絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位の全面を覆うように形成されている方が望ましいが、貫通孔２の内側の絶縁層３のうち半導体基板１の上記他表面に近い部位を覆っていなくても、従来のボトムアップ成長により金属部５を析出させる場合に比べて絶縁層３のうち貫通孔２の内側に形成されている部位と貫通配線との密着性を向上させることができる。

なお、上記各実施形態では、半導体基板１としてシリコン基板を採用しているが、半導体基板１はシリコン基板に限らず、例えば、ガリウム砒素基板、インジウム燐基板などを採用してもよい。

実施形態１における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。 従来例における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。 他の従来例における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。 別の従来例における半導体基板への貫通配線の形成方法を説明するための主要工程断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 貫通孔
３ 絶縁層
４ 金属層
５ 金属部
６ 貫通配線

Claims (3)

1. 半導体基板への貫通配線の形成方法であって、半導体基板に厚み方向に貫通する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、半導体基板の一表面および他表面および貫通孔の内周面に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、半導体基板の前記一表面側に金属層を形成する金属層形成工程と、金属層をシード層として電解メッキ法により貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させる電解メッキ工程とを備え、金属層形成工程では、半導体基板の前記一表面側と貫通孔の内側とで金属層が絶縁層に積層され、且つ、金属層のうち貫通孔の内側で絶縁層に積層される部位の厚みが半導体基板の前記一表面から前記他表面に近づくにつれて徐々に薄くなるようにすることを特徴とする半導体基板への貫通配線の形成方法。
2. 前記金属層形成工程では、前記金属層をＣＶＤ法により形成することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への貫通配線の形成方法。
3. 前記貫通孔形成工程では、前記貫通孔を、前記半導体基板の前記一表面から前記他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体基板への貫通配線の形成方法。

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