JP5631729B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
成プロセスと同時にTSVが形成される方法である。また、(c)Via Last 法は、素子
形成プロセスの後にTSVが形成される方法である。これらに対して、(d)Via after Bonding 法は、パッシベーション処理の施された半導体素子を有するウェハと他のウェハ、或いはパッシベーション処理の施された半導体素子を有するチップとウェハ、また或いは該チップと他のチップとが高分子樹脂などの接着剤で接着された後にTSVが形成される方法である。
し、耐久性の高い材料が求められる。こうした要請のもと、Via First 法では、熱処理に対して耐久性の低い銅(Cu)がTSVの構成材料から外され、熱処理に対して耐久性の高いタングステン(W)が一般に用いられる。そして、Wの電気抵抗値がCuの電気抵抗値よりも大幅に高いため、結局のところ、Via First 法は、半導体素子の動作を高速化するという点において不可避的な課題を残している。
、パターン寸法がナノメートルオーダーの微細な半導体素子と、パターン寸法がマイクロメートルオーダーのTSVとが同時に形成されることとなる。このようなVia Middle 法
では、素子形成プロセスの処理工程数や処理時間をTSVに合わせて増やす必要があるため、結局のところ、プロセスのコストが大きいという点において不可避的な課題を残している。
一方、(c)Via Last 法、(d)Via after Bonding 法では、ウェハの厚さが100
μm〜数μmまで削られ、その後に、TSV用のホールが形成される。詳しくは、(c)Via Last法では、石英などからなるウェハサポート基板にウェハが仮接着された後に、ウェハの裏面が削られ、その後に、TSVが形成される。また、(d)Via after Bonding 法では、(c)Via Last 法と同様に、一対のウェハが半導体素子の形成された表面同士
で接着された後に、半導体素子の形成されていない裏面が削られ、その後に、TSVが形成される。この際、上述した接着剤は、高分子樹脂から構成されるものであって、その熱処理に対する膨張量や変形量は、半導体素子に用いられている一般的な材料と比較して著しく大きいものである。そして、こうした接着剤の耐熱温度は、通常、180℃以下、好ましくは150℃以下である。そのため、上記(c)Via Last 法や(d)Via after Bonding 法では、こうした接着剤の耐熱温度以下、すなわち、180℃以下、好ましくは1
50℃以下でのプロセスが要求されている。
求される温度条件では、上記基板貫通孔Hの内面への成膜自体は可能であったとしても、膜内に含まれる不純物等のために、所望とする絶縁性を得ることが困難である。したがって、シリコン基板貫通電極を有する半導体装置には、上述のような低温条件下での成膜であっても十分な絶縁性を有する絶縁膜を貫通孔の内面に有することが望まれている。
請求項1に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された多層配線層と、前記半導体基板を貫通して前記多層配線層の内部に延びる基板貫通孔と、前記基板貫通孔内に埋め込まれた基板貫通電極と、前記基板貫通孔の内周面と前記基板貫通電極の外周面とに挟まれた絶縁膜とを備え、前記絶縁膜が、ジルコニウムの酸化ホウ化物膜であることを要旨とする。
・熱CVD法によるシリコン酸化物膜と略同じ程度の優れた絶縁性を有すること。
・シリコン(Si)や銅(Cu)などに対して優れたバリア性を有すること。
[半導体装置の構造]
図1に示されるように、半導体装置10の備える第1シリコン基板11は、トランジスタ等の半導体素子を上面側に有している。第1シリコン基板11の上面には、上記半導体素子に接続される配線を内部に有した絶縁層である第1多層配線層12が積層されている。第1多層配線層12は、例えばシロキサン結合を含む多孔質膜であって、2程度の比誘電率を示すいわゆる低誘電率膜と、銅等で形成された第1電極12aと配線とによって形成されている。
例えば、ZrBO膜とは、ジルコニウムとホウ素とを含む金属含有ガスと活性状態の酸素原子を含む酸化ガスとの反応によって形成することが可能である。具体的には、ZrBO膜は、Zr(BH4)4と活性状態の酸素ガスとの反応によって形成することが可能である。また、具体的には、テトラキスジエチルアミノジルコニウム(TDEAZ)又はテトラキスジメチルアミノジルコニウム(TDMAZ)であるジルコニウム含有ガスとジボランとからなる金属含有ガスを活性状態の酸素原子が含まれる酸化ガスで酸化することによって形成することが可能となる。他方、例えば、ZrBO膜とは、ホウ化ジルコニウムからなるターゲットを酸素プラズマの雰囲気でスパッタすることによっても形成することが可能である。
[実施例]
[ZrBO膜の形成]
直径6μm、深さ45μm(アスペクト比7.5)の凹部を複数有する直径200mmのシリコン基板に対して、CVD法を用いてZrBO膜を形成した。
・キャリアガス(Arガス)流量 100sccm
・N2ガス流量 475sccm
・O2ガス流量 25sccm
・成膜チャンバ内の圧力 300Pa
・マイクロ波電力 50W(ガス励起に消費される電力値)
・基板温度 150℃
・成膜時間 100秒
上記Zr(BH4)4をキャリアガスによってガス化して成膜チャンバ内に供給した。そして、マイクロ波によって活性状態とされた酸素によってZr(BH4)4を酸化することによって上記シリコン基板にZrBO膜を形成した。
[ZrBO膜の安定性]
直径200mmのシリコン基板に対して、上記条件にてZrBO膜を形成して試験用ウェハを得た。そして、成膜直後におけるZrBO膜の膜厚と、シリコン基板とZrBO膜とを純水に48時間浸した後のZrBO膜の膜厚とを測定した。なお、各膜厚は上記と同様の方法で測定した値である。
[ZrBO膜の組成]
直径200mmのシリコン基板に対して、膜厚が約200nmのZrBO膜を上記条件にて形成することによって試験用ZrBO膜を得た。そして、ZrBO膜中に含まれる元素の平均組成をラザフォード後方散乱分光法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry )及び核反応分析(NRA:Nuclear Reaction Analysis )を用いて計測した
。図4及び下記表1は、RBS及びNRAでZrBO膜の深さ方向の組成を計測した結果
を示している。なお、図4において、横軸は上記試験用ZrBO膜の表面からの深さである。また、縦軸は、RBS及びNRAでZrBO膜を分析した結果、ZrBO膜から検出された元素の深さ方向の組成比を示している。
[ZrBO膜の誘電率とリーク電流値]
直径200mm、且つ0.01Ωcm程度の低抵抗P型シリコン基板に対して、膜厚が100nmのZrBO膜を上記条件で形成することによって試験用ZrBO膜を得た。
ン(TiO2)の誘電率を表3に示す。なお、ZrBOの値としては、30個の試料について誘電率を測定した結果のうちの最小値と最大値とを記載している。また、ZrBO以外の酸化物における誘電率は、一般の専門書や文献などを参照した値である。
[ZrBO膜のバリア性]
表面に膜厚100nmのアモルファスシリコン(α−Si)が形成された直径200mmのシリコン基板に対して、膜厚100nmのZrBO膜を上記条件で形成し、その上にPVD法にて膜厚200nmの銅(Cu)を成膜した試験用サンプルウェハを得た。
に示す。図6(a)は、上記試験用サンプルウェハを形成した直後のSTEM写真であり、図6(b)はその試験用サンプルウェハに400℃、1時間のアニール処理を施した直後のSTEM写真である。このSTEM写真の比較から明らかなように、ZrBO100nmを介したCuとSiとの反応(シリサイデーション)は発生していなかった。また、同様の結果が、膜厚50nmのZrBO膜においても認められた。
おけるバリア性やシリサイド耐性の評価には、十分な加速試験温度である。
[N2Oを用いたZrBO膜形成とリーク特性]
直径200mmの0.01Ωcm程度の低抵抗P型シリコン基板に対して、以下の条件にてZrBO膜を形成した。
・N2ガス流量 450sccm
・N2Oガス流量 50sccm
・成膜チャンバ内の圧力 300Pa
・マイクロ波電力 90W(ガス励起に消費される電力値)
・基板温度 140℃
・成膜時間 120秒
図7は、上記条件で低抵抗P型シリコン基板にZrBO膜を形成し、上記水銀プローブでZrBO膜のリーク電流を測定した結果を示している。上記水銀プローブによって印加する電圧は、シリコン基板がP型であるため負側に20Vまでとした。水銀プローブで測定した箇所のZrBO膜厚は約160nmであったことから、該ZrBO膜中の電界強度は1.2MV/cm強の値までしか測定できていないものの、リーク電流は1×10−8A/cm2より十分に小さく、実用レベルのリーク電流値であった。ちなみに、電界1MV/cmでのリーク電流は9.95×10−10A/cm2であった。このように、N2OをZr(BH4)4の酸化ガスとして用いるとともに、基板温度を140℃として成膜したZrBO膜でも、実用に十分な絶縁膜であった。
(1)第1シリコン基板11を貫通する基板貫通孔Hの内周面と該基板貫通孔Hに埋め込まれた基板貫通電極18の外周面との間にZrBO膜が挟入される。そのため、基板貫通孔Hの内周面と基板貫通電極18の外周面とを互いに絶縁する絶縁膜17が、180℃以下という低温で成膜される場合には、該絶縁膜17がシリコン系である場合と比較して、第1シリコン基板11と基板貫通電極18との間の絶縁性を高めることが可能である。
・半導体装置を構成する半導体基板とは、シリコン基板の他、例えばSiC基板やGaN基板等であってもよい。要するに、180℃以下の低温で絶縁膜を形成することの可能な半導体基板であればよい。
Claims (3)
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された多層配線層と、
前記半導体基板を貫通して前記多層配線層の内部に延びる基板貫通孔と、
前記基板貫通孔内に埋め込まれた基板貫通電極と、
前記基板貫通孔の内周面と前記基板貫通電極の外周面とに挟まれた絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜が、ジルコニウムの酸化ホウ化物膜である
ことを特徴とする半導体装置。 - 複数の前記半導体基板を備え、
前記複数の半導体基板の各々が、高分子樹脂からなる接着層を介して互いに接合され、
前記基板貫通孔が、前記接着層を貫通する
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記絶縁膜が、前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記接着層との境界において連続する
請求項2に記載の半導体装置。
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