JP2019204894A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

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一平 久米
Ippei Kume
一平 久米
竹人 松田
Taketo Matsuda
竹人 松田
真也 奥田
Shinya Okuda
真也 奥田
仁彦 村野
Hitohiko Murano
仁彦 村野
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Abstract

【課題】欠陥の発生を抑制することが可能なＴＳＶを有する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態にかかる半導体装置は、第１面から第１面とは反対側の第２面まで貫通する貫通孔が設けられた半導体基板と、貫通孔の内部に形成された金属部と、半導体基板の第２面上及び貫通孔の側面に設けれた第１の絶縁膜と、半導体基板の貫通孔の側面における金属部側の１の絶縁膜上に設けられ、誘電率が６．５以下である第２の絶縁膜と、を有する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ −Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）を用いた半導体装置の作製方法
において、半導体基板上にデバイス（半導体回路等）を作製した後に、Ｓｉを薄膜化して
ＴＳＶを形成する方法（Ｖｉａ Ｌａｓｔ構造）がある。デバイスは微細化が進むのに対
し、デバイスの外側からＴＳＶにて接続するためにテクノロジーノードによらず、微細化
の必要性が低い。また、製造難易度が高くなっていく微細デバイスの形成後にTSVを形成
するため、デバイス歩留りに影響しにくい。
しかしながら、半導体基板を支持基板に再剥離可能な接着剤で貼り合わせ、薄Ｓｉ化し
ながらＴＳＶを形成する必要がある。ＴＳＶを作成する際、低温で作製する必要がある。
特開２０１３−７４２７５号公報
実施形態は、欠陥の発生を抑制することが可能なＴＳＶを有する半導体装置及び半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。
実施形態によれば、半導体装置は、第１面から第１面とは反対側の第２面まで貫通する
貫通孔が設けられた半導体基板と、貫通孔の内部に形成された金属部と、半導体基板の第
２面上及び貫通孔の側面に設けられた第１の絶縁膜と、半導体基板の貫通孔の側面におけ
る金属部側の１の絶縁膜上に設けられ、比誘電率が６．５以下である第２の絶縁膜と、を
有する。
図１は実施形態にかかる半導体装置の概略構成例を示す断面図である。 図２は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図３は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図４は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図５は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図６は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図７は実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図８は施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。 図９は各温度で熱処理した際のシリコン酸化膜の測定結果を示す図である。
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。また、
以下の説明では、素子形成対象の半導体基板における素子形成面を第１面とし、この第１
面と反対側の面を第２面としている。
図１は、実施形態にかかる半導体装置の概略構成例を示す断面図である。図１に示すよ
うに、半導体装置１は、半導体基板１０と、絶縁層１１と、ＳＴＩ１２と、絶縁層１３と
、第１貫通電極１４と、第２貫通電極１８と、接合材（バンプ）１９とを備えている。
半導体基板１０は、たとえばシリコン基板である。この半導体基板１０は、５０μｍ（
マイクロメートル）以下、たとえば３０±５μｍ程度まで薄厚化されていてもよい。
半導体基板１０の第１面には、半導体素子を形成するアクティブエリアとアクティブエ
リア間を電気的に分離するＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ
）１２とを有する。アクティブエリアには、メモリセルアレイ、トランジスタ、抵抗素子
、キャパシタ素子等の半導体素子（図示せず）が形成されている。ＳＴＩ１２には、例え
ば、シリコン酸化膜等の絶縁膜が用いられている。ＳＴＩ１２上には、半導体素子を第２
貫通電極１８に電気的に接続する第１貫通電極１４や配線構造３５が設けられている。配
線構造３５は、ＳＴＩ１２上に設けられており、半導体基板１０の第１面上に設けられた
半導体素子（例えば、トランジスタ）に電気的に接続されている。半導体素子および配線
構造３５は、絶縁層１１、１３によって被覆される。半導体基板１０の第２面には、第２
貫通電極１８に電気的に接続される接合材１９等が設けられている。
絶縁層１３は、配線構造３５を保護する目的で、配線構造３５を覆っている。この絶縁
層１３には、配線構造３５をカバーするパッシベーションと、パッシベーション上を覆う
有機層とが含まれてもよい。パッシベーションは、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン
酸化膜（ＳｉＯ２）または酸化窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ）の単層膜、もしくは、それら
のうち２つ以上の積層膜であってよい。有機層には、感光性ポリイミドなどの樹脂材料が
用いられてもよい。
第１貫通電極１４は、配線構造３５と接触している。第１貫通電極１４は、少なくとも
貫通孔内表面を覆うバリアメタル層１４１と、バリアメタル層１４１上のシードメタル層
１４２と、シードメタル層１４２上の貫通電極１４３とを含んでもよい。バリアメタル層
１４１は省略されてもよい。貫通電極１４３上には、半導体装置１の縦方向への集積化の
際に機能する材料膜１４４が設けられていてもよい。
バリアメタル層１４１には、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）
などが用いられてもよい。シードメタル層１４２には、銅（Ｃｕ）やニッケルと銅との積
層膜（Ｎｉ／Ｃｕ）などが用いられてもよい。貫通電極１４３には、ニッケル（Ｎｉ）な
どが用いられてもよい。材料膜１４４には、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、錫−
銅（ＳｎＣｕ）、錫−金（ＳｎＡｕ）、錫−銀（ＳｎＡｇ）などが用いられてもよい。た
だし、第１貫通電極１４の層構造および材料は、目的に応じて適宜変更可能である。たと
えば貫通電極１４３に用いる導電性材料や形成方法に応じてバリアメタル層１４１／シー
ドメタル層１４２または材料膜１４４の層構造や材料が適宜変更されてよい。
第２貫通電極１８は、配線構造３５と接触することで、配線構造３５を半導体基板１０
の第２面上まで電気的に引き出している。
第２貫通電極１８は、少なくとも貫通孔内表面を覆うバリアメタル層（第１メタル層）
１８１と、バリアメタル層１８１上のシードメタル層（第２メタル層）１８２と、シード
メタル層１８２上の貫通電極（金属部、第３メタル層）１８３とを含んでもよい。それぞ
れに用いられる金属材料は、第１貫通電極１４のバリアメタル層１４１、シードメタル層
１４２および貫通電極１４３と同様であってよい。貫通電極１８３の内部には、空隙が形
成されていてもよい。また、貫通電極１８３上には、複数の半導体装置１を縦方向（半導
体基板１０の厚さ方向）へ集積する際に半導体装置１をそれぞれ接合するための接合材１
９が設けられてもよい。この接合材１９には、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、錫−銅（ＳｎＣ
ｕ）、錫−金（ＳｎＡｕ）、錫−銀（ＳｎＡｇ）などのはんだが用いられてもよい。
半導体基板１０の第２面上においては、シリコン酸化膜１７１が設けられ、シリコン酸
化膜１７１上にはシリコン酸化膜１７１よりも吸湿性の低い第１の絶縁膜１７２が設けら
れる。つまり、第１の絶縁膜１７２はシリコン酸化膜１７１よりも水分を含んでいない。
これにより、シリコン酸化膜１７１が露出されることを防ぎ、シリコン酸化膜１７１の防
湿効果を高めている。第１の絶縁膜１７２は、例えば、シリコン窒化膜であり、厚膜は５
０ｎｍ以上であることが好ましい。
半導体基板１０に形成された貫通孔内の内側面及び半導体基板１０の第２面上にはシリ
コン酸化膜１７１が設けられ、シリコン酸化膜１７１上に第１の絶縁膜１７２が設けられ
る。つまり、シリコン酸化膜１７１は、半導体基板１０と第１の絶縁膜１７２との間に設
けられることになる。
第２の絶縁膜１７３は、貫通孔の側面において金属部１８３側の第１絶縁膜上に設けら
れる。第２の絶縁膜１７３は、半導体基板１０の第２面上には設けられていない。第２の
絶縁膜１７３の比誘電率は第１の絶縁膜１７２の比誘電率の比誘電率よりも低く、第２の
絶縁膜１７３の比誘電率は６．５以下であることが好ましい。また、第２の絶縁膜１７３
の膜厚は、シリコン酸化膜１７１の膜厚より厚い。これにより、第２貫通電極１８と半導
体基板１０とが電気的に短絡することを防止する効果を高めている。第２の絶縁膜１７３
は、シリコン酸化物を主成分とする膜である。つまり、第２の絶縁膜は、シリコン酸化膜
である。
つづいて、実施形態にかかる半導体装置１の製造方法について、以下に図面を参照して
詳細に説明する。図２〜図８は、実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス
断面図である。なお、図２〜図８では、図１と同様の断面を用いて説明する。ただし、図
２では、説明の都合上、断面の上下関係が図１および図３〜図８までの上下関係とは反転
している。
まず、図２に示すように、半導体基板１０の第１面上にＳＴＩ１２を形成し、アクティ
ブエリアを決める。半導体基板１０は、例えば、シリコン基板である。ＳＴＩ１２は、例
えば、シリコン酸化膜である。次に、アクティブエリアに半導体素子（図示せず）を形成
する。半導体素子は、例えば、メモリセルアレイ、トランジスタ、抵抗素子、キャパシタ
素子等でよい。半導体素子の形成の際に、ＳＴＩ１２上には、例えば、配線構造３５が形
成される。半導体素子および配線構造３５は、絶縁層１１、１３によって被覆される。な
お、絶縁層１３には、配線構造３５をカバーするパッシベーションと、パッシベーション
上を覆う有機層とが含まれてもよい。有機層には、感光性ポリイミドなどが用いられ、こ
の有機層に第１貫通電極１４を形成するための開口パターンが転写される。開口パターン
の開口径は、たとえば１０μｍ程度であってもよい。
つぎに、たとえば有機層をマスクとして絶縁層１３のパッシベーションおよび絶縁層１
２をエッチングすることで、配線構造３５を露出させる。パッシベーションおよび絶縁層
１２のエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などが用いられてよい。つづ
いて、貫通孔内部を含む絶縁層１３上全体にチタン（Ｔｉ）を用いたバリアメタル層と銅
（Ｃｕ）を用いたシードメタル層とを順次積層する。バリアメタル層とシードメタル層と
の成膜には、それぞれスパッタリング法や化学気相成長（ＣＶＤ）法などが用いられても
よい。シードメタル層の膜厚はたとえば５００ｎｍ程度であってよい。
つぎに、シードメタル層上に貫通電極１４３を形成するためのマスクをたとえばＰＥＰ
（Ｐｈｏｔｏ Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ）技術を用いて形成する。このマス
クの絶縁層１３に形成された貫通孔に対応する位置には、開口が形成されている。つづい
て、マスクの開口から露出するシードメタル層上にニッケル（Ｎｉ）を用いた貫通電極１
４３を形成する。貫通電極１４３の形成にはコンフォーマルめっきなどが用いられてもよ
い。
つぎに、マスクを除去した後、露出したシードメタル層とバリアメタル層とが除去され
る。これにより、貫通電極１４３下のシードメタル層１４２とバリアメタル層１４１とが
パターニングされる。なお、シードメタル層１４２とバリアメタル層１４１とのパターニ
ングには、ウェットエッチングが用いられてよい。
つぎに、形成された貫通電極１４３の上面上に、金（Ａｕ）を用いた材料膜１４４を形
成する。材料膜１４４の形成には、リフトオフなどの形成方法が用いられてもよい。その
結果、図２に示すように、半導体基板１０の素子形成面（第１面）側に、配線構造３５を
絶縁層１３上まで引き出す第１貫通電極１４が形成される。
つぎに、図３に示すように、第１貫通電極１４が形成された絶縁層１３上に接着剤を塗
布し、この接着剤に支持基板１６を貼り合わせることで、図３に示すように、半導体装置
１の素子形成面側に支持基板１６を接着する。つづいて、支持基板１６をステージに固定
した状態で半導体基板１０を素子形成面（第１面）とは反対側の第２面からグラインドす
ることで、半導体基板１０をたとえば３０±５μｍ程度に薄厚化する。
つぎに、図４に示すように、半導体基板１０上に感光性フォトレジスト１８０Ｍが塗布
され、このフォトレジスト１８０Ｍに第２貫通電極１８を形成するための開口パターンが
転写される。なお、開口パターンの開口径は、たとえば１０μｍ程度であってもよい。つ
づいて、開口パターンが転写されたフォトレジスト１８０Ｍをマスクとして半導体基板１
０を第２面側から掘り込むことで、配線構造３５まで達する貫通孔１８０Ｈを形成する。
半導体基板１０の掘り込みには、高いアスペクト比が得られる異方性ドライエッチングな
どが用いられてもよい。
つぎに、図５に示すように、貫通孔１８０Ｈの内部を含む半導体基板１０の第２面上全
体にシリコン酸化膜１７１を成膜する。シリコン酸化膜１７１の成膜には、例えば、ＣＶ
Ｄ法などが用いられる。シリコン酸化膜１７１は、例えば、１５０℃以下の条件で成膜す
るものとする。１５０℃よりも高い温度条件でシリコン酸化膜１７１を成膜した場合、接
着剤１５が劣化することにより、支持基板１６が第１貫通電極１４および絶縁層１３から
剥がれるおそれがあるからである。さらに、例えばＣＶＤ法を用いて、同様の温度条件下
で、第１の絶縁膜１７２及び第２の絶縁膜１７３をシリコン酸化膜１７１上に形成する。
第１の絶縁膜は、シリコン酸化膜１７１よりも吸湿性の低い膜であり、例えばシリコン窒
素膜である。第２の絶縁膜は、第１の絶縁膜よりも比誘電率が低い膜である。第２の絶縁
膜の比誘電率は、６．５以下であることが望ましい。これにより、第２貫通電極１８と半
導体基板１０とが電気的に短絡することを防止する効果を高めることができる。
ここで、発明者は、それぞれ１５０℃および４００℃でシリコン酸化膜を形成した場合
における膜中Ｓｉ−Ｏの結合量に対するＳｉ−ＯＨの結合量について調べた。
図９（ａ）は、各温度で熱処理した際のシリコン酸化膜の測定結果を示す。図９（ｂ）
は、図９（ａ）をもとに得られた解析結果を示す。図９（ｂ）の解析結果は、図９（ａ）
におけるシリコン酸化膜が含むＳｉ−ＯＨ結合及びＳｉ−Ｏ結合のピーク強度比から得ら
れる。図９（ａ）に示すように、１５０℃で成膜したシリコン酸化膜（Ａ）のＳｉ−ＯＨ
結合のピーク強度は、４００℃で成膜したシリコン酸化膜（Ａ）のＳｉ−ＯＨ結合のピー
ク強度と比較して大きい。図８（ｂ）に示すように、４００℃で成膜したシリコン酸化膜
（Ｂ）におけるＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比は、２．３％であるのに対し、１５０℃で
成膜したシリコン酸化膜（Ａ）におけるＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比は、１１．１％で
ある。つまり、シリコン酸化膜（Ａ）におけるＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比は、５％以
上１５％以下である。このため、１５０℃で成膜したシリコン酸化膜（Ａ）は、４００℃
で成膜したシリコン酸化膜（Ｂ）よりもＳｉ−ＯＨ結合を多く含む。１５０℃下で成膜し
たシリコン酸化膜（Ｂ）は、４００℃で成膜したシリコン酸化膜（Ａ）と比較して水をよ
り多く含みやすい。例えば、Ｓｉ−ＯＨはＨ原子と水素結合しやすいからである。この場
合、１５０℃で成膜したシリコン酸化膜（Ｂ）は、水を含むことにより膨潤しやすい。シ
リコン酸化膜（Ｂ）は、ある一定量膨潤すると、クラック（欠陥）が生じる。また、１５
０℃で成膜したシリコン酸化膜を４００℃で熱処理し、Ｓｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比を
３％以下にすることも可能であり、成膜時に温度を４００℃にすることと同様に吸湿性の
低い膜を得られる。
本実施形態においては、半導体基板の第２面上に形成されたシリコン酸化膜１７１上に
、シリコン酸化膜１７１よりも吸湿性の低い第１の絶縁膜１７２を形成する。前述のよう
に第１の絶縁膜１７２はシリコン窒化膜でもよいし、４００℃で成膜したシリコン酸化膜
でもよい。これにより、シリコン酸化膜１７１が露出されることを防ぐ。これにより、シ
リコン酸化膜１７１が膨潤して、シリコン酸化膜１７１にクラックが生じることを防ぐ。
シリコン酸化膜１７１にクラックが生じることを防ぐことにより、半導体装置の歩留まり
を向上させることができる。
つぎに、図６に示すように、ＲＩＥによりＳＴＩ１２をエッチバックすることで、貫通
孔１８０Ｈの底部に形成されたＳＴＩ１２を除去する。このエッチバックは、ＳＴＩ１２
が除去されて配線構造３５が露出されるまで行われる。また、ＲＩＥにより半導体基板１
０の第２面上に形成された第２の絶縁膜１７３を除去する。この結果、半導体基板１０の
第２面上に第１の絶縁膜１７２が露出されるとともに、貫通孔１８０Ｈの内側面は第２の
絶縁膜１７３上に形成された第２の絶縁膜１７３により覆われ、さらに、貫通孔１８０Ｈ
の底部に配線構造３５が露出される。
つぎに、図７に示すように、貫通孔内部を含む第２の絶縁膜１７３上全体にチタン（Ｔ
ｉ）を用いたバリアメタル層１８１Ａと銅（Ｃｕ）を用いたシードメタル層１８２Ａとを
順次積層する。バリアメタル層１８１Ａおよびシードメタル層１８２Ａは、単にメタル層
と称される場合がある。シードメタル層１８２Ａの膜厚は、シードメタル層１４２Ａより
厚くてもよい。
つぎに、シードメタル層１８２Ａ上に貫通電極１８３を形成するためのマスク１８３Ｍ
を、たとえばＰＥＰ技術を用いて形成する。このマスク１８３Ｍの半導体基板１０に形成
された貫通孔１８０Ｈに対応する位置には、開口が形成されている。つづいて、図８に示
すように、マスク１８３Ｍの開口から露出するシードメタル層１８２Ａ上にニッケル（Ｎ
ｉ）の貫通電極１８３を形成する。貫通電極１８３の形成には、コンフォーマルめっきな
どが用いられてもよい。
つぎに、マスク１８３Ｍを除去した後、露出したシードメタル層１８２Ａとバリアメタ
ル層１８１Ａとが除去される。シードメタル層１８２Ａとバリアメタル層１８１Ａとの除
去には、ウエットエッチングが用いられてよい。
つぎに、貫通電極１８３の上面上に、接合材１９を形成する。接合材１９の形成には、
電解めっき法や無電解めっき法などが用いられてもよい。以上の工程を経ることで、半導
体基板１０の第２面側に配線構造３５を電気的に引き出す第２貫通電極１８が形成され、
図１に示す断面構造を備えた半導体装置１が製造される。
以上、本実施形態によれば、半導体基板の第２面上に形成されたシリコン酸化膜１７１
上に、シリコン酸化膜１７１よりも吸湿性の低い第１の絶縁膜１７２を形成する。これに
より、シリコン酸化膜１７１が露出されることを防ぎ、シリコン酸化膜１７１にクラック
が生じることを防ぐことができる。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この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…半導体装置、１０…半導体基板、１１…絶縁層、１２…ＳＴＩ、１３…絶縁層、１４
…第２貫通電極、１５…接着剤、１６…支持基板、１８…第１貫通電極、１９…接合材、
１７１…シリコン酸化膜、１７２…第１の絶縁膜、１７３…第２の絶縁膜、バリアメタル
層１８１…バリアメタル層、１８２…シードメタル層、１８３…貫通電極（金属部）

Claims (7)

  1. 第１面から前記第１面とは反対側の第２面まで貫通する貫通孔が設けられた半導体基板
    と、
    前記貫通孔の内部に形成された金属部と、
    前記半導体基板の前記第２面上及び前記貫通孔の側面に設けれた第１の絶縁膜と、
    前記半導体基板の貫通孔の側面における前記金属部側の第１の絶縁膜上に設けられ、比
    誘電率が６．５以下である第２の絶縁膜と、
    を有する半導体装置。
  2. 前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりもＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比が低い請
    求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１の絶縁膜はシリコン窒化膜である請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記第２の絶縁膜はシリコン酸化膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導
    体装置。
  5. 半導体基板を貫通し、開口する貫通孔を形成する工程と、
    前記半導体基板上の第２面上及び前記貫通孔の内部にシリコン酸化膜を１５０℃以下で
    成膜する工程と、
    前記半導体基板上の第２面上及び前記貫通孔の内部の前記シリコン酸化膜上に第１の絶
    縁膜を成膜する工程と、
    前記半導体基板上の第２面上及び前記貫通孔の内部の前記第１の絶縁膜上に比誘電率が
    ６．５以下である第２の絶縁膜を成膜する工程と、
    前記半導体基板上の第２面上の前記第２の絶縁膜を除去する工程と、
    前記貫通孔の内部に金属部を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  6. 前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりもＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏ結合量比が低い請
    求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記シリコン酸化膜を形成後、前記金属部を形成前に、所定時間熱処理し、前記絶縁膜
    中におけるＳｉ−ＯＨ/Ｓｉ−Ｏの結合比を１５%以下とする請求項５又は６に記載の半導
    体装置の製造方法。

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