JP4581864B2

JP4581864B2 - 半導体基板への貫通配線の形成方法

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Publication number: JP4581864B2
Application number: JP2005181074A
Authority: JP
Inventors: 亮友井田; 薫戸根; 將有鎌倉; 規裕山内; 久徳城石; 巧田浦
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: JP2007005403A

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有底孔（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有底孔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有底孔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）からなる金属層（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、当該金属層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層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および金属層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層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有底孔１ａの内面の全体に亘って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、有底孔１ａのアスペクト比が高くなるにつれて有底孔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、有底孔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、有底孔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の成長途中で有底孔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有底孔１ａの開口面が金属部５によって塞がれてしまって有底孔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、半導体基板に貫設される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し前記厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくな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、半導体基板の前記他表面側を除いて前記一表面側および貫通孔の内側で絶縁層の表面に金属層を被着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であり金属層とともに貫通配線を構成する金属部を析出させる電解メッキ工程とを備え、絶縁層形成工程では、絶縁層を形成した後も貫通孔の内側では半導体基板の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となるように絶縁層を成膜することを特徴とする。

この発明によれば、貫通孔形成工程において半導体基板に貫設される貫通孔が半導体基板の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となり、絶縁層形成工程では、絶縁層を形成した後も貫通孔の内側では半導体基板の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となるように絶縁層を成膜し、金属層形成工程では、半導体基板の前記他表面側を除いて前記一表面側および貫通孔の内側で絶縁層の表面に金属層を被着するので、電解メッキ工程において金属層をシード層として金属部を析出させる際に貫通孔の中間位置近傍にて貫通孔が塞がるまではコンフォーマル成長で金属部が析出し、引き続いて半導体基板の前記一表面側および前記他表面側それぞれへ金属部が成長していき貫通孔の内側が金属部によって埋め込まれることとなり、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、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一表面側や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、半導体基板に貫設される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１の発明では、半導体基板に貫設される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）〜（ｅ）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。ここにおいて、貫通孔形成工程では、貫通孔２の形状が、半導体基板１の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となる（言い換えれば、半導体基板１の厚み方向の中間位置から離れるほど内径が徐々に大きくなる形状となる）ように、半導体基板１の一表面側（図１（ａ）における上面側）および他表面側（図１（ａ）における下面側）それぞれからドライエッチングを行う。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。また、上述のような形状の貫通孔２は、例えば反応性イオンエッチング装置やＩＣＰ型のドライエッチング装置などを用いてドライエッチングを行う際のエッチング条件を適宜設定することにより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１（ｂ）に示す構造を得る。なお、絶縁層形成工程では、絶縁層３を形成した後も貫通孔２の内側では半導体基板１の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となるように絶縁層３を成膜する。また、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、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などによって配線材料（例えば、銅、ニッケルなどの金属材料）よりなる金属層４を絶縁層３のうち半導体基板１の上記一表面および貫通孔２の内周面に形成されている部位の表面に被着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の内側での絶縁層３の表面に対する金属層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を析出させる電解メッキ工程を行うことにより、図１（ｄ）に示す構造を得る。ここで、電解メッキ工程において金属層４をシード層として金属部５を析出させる際には、貫通孔２の中間位置近傍にて貫通孔２が塞がるまではコンフォーマル成長で金属部５が析出し、引き続いて半導体基板１の上記一表面側および上記他表面側それぞれへ金属部が成長していき貫通孔２の内側が金属部５によって隙間なく埋め込まれることとなり、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の上記一表面側や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。

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（ｅ）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、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、しかも、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の上記一表面側や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から、半導体基板１に貫設される貫通孔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、本実施形態では、電解メッキ工程において金属部５を成長させる実質的な距離が半導体基板１の厚み寸法よりも小さくなるので、従来のボトムアップ成長により金属部を成長させる方法に比べてメッキ処理時間を大幅に短縮することが可能となる。

（参考例）
以下、本参考例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、図２（ａ）〜（ｈ）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、本参考例では、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の一表面（図２（ａ）の上面）における貫通孔形成予定部位に有底孔（凹部）１ｂを形成する有底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、有底孔形成工程では、反応性イオンエッチング装置やＩＣＰ型のドライエッチング装置などを利用して半導体基板１の上記一表面から貫通孔形成予定部位を途中までドライエッチングすることにより有底孔１ｂを形成する。なお、有底孔形成工程では、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第１の開孔窓を有する第１のエッチングマスク層を形成することは勿論であり、図２（ａ）は当該ドライエッチング後に第１のエッチングマスク層を除去した状態を示している。

有底孔形成工程の後、ＣＶＤ法などによって半導体基板１の上記一表面および有底孔１ｂの内面にシリコン酸化膜からなる第１の絶縁層３ａを形成する第１の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。なお、第１の絶縁層３ａはＣＶＤ法に限らず、熱酸化法により形成してもよい。また、第１の絶縁層３ａをＣＶＤ法によって形成する場合には、第１の絶縁層３ａ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。

上述の第１の絶縁層形成工程の後、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などによって配線材料（例えば、銅、ニッケルなどの金属材料）よりなる金属層４を第１の絶縁層３ａの表面に被着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の内側での絶縁層３の表面に対する金属層４の被覆性を向上させることができる。

上述の金属層形成工程の後、金属層４をシード層として電解メッキ法によって有底孔１ｂ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）からなる第１の金属部５ａを析出させる第１の電解メッキ工程を行うことにより、図２（ｄ）に示す構造を得る。

続いて、半導体基板１の上記他表面において有底孔１ｂに重なる部位を上記他表面から金属層４が露出するまで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（ｅ）に示す構造を得る。ここで、貫通孔形成工程では、反応性イオンエッチング装置やＩＣＰ型のドライエッチング装置などを利用して半導体基板１の上記他表面から有底孔１ｂに重なる部位（つまり、貫通孔形成予定部位）をドライエッチングすればよい。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第２の開孔窓を有する第２のエッチングマスク層を形成することは勿論であり、図２（ｅ）は当該ドライエッチング後に第２のエッチングマスク層を除去した状態を示している。

上述の貫通孔形成工程の後、ＣＶＤ法などによって半導体基板１の上記他表面および貫通孔２の内面の露出部位にシリコン酸化膜からなる第２の絶縁層３ｂを形成する第２の絶縁層形成工程を行うことにより、図２（ｇ）に示す構造を得る。ここで、第２の絶縁層形成工程では、図２（ｆ）に示すように、半導体基板１の上記他表面および貫通孔２の内面および金属層４および第１の絶縁層３ａの露出部位にシリコン酸化膜からなる第２の絶縁層３ｂを成膜する成膜プロセスと、当該成膜プロセスの後で、金属層４を露出させるように第２の絶縁層３ｂの不要部分を除去するパターニングプロセスとを備えている。なお、成膜プロセスでは、第１の金属部５ａの露出表面が酸化されないように低温でのシリコン酸化膜の成膜が可能なＣＶＤ法を採用することが望ましい。また、成膜プロセスにおいて第１の金属部５ａの露出表面にも絶縁層が形成される場合には、当該絶縁層をエッチングなどにより除去する必要がある。

そして、上述の第２の絶縁層形成工程の後、金属層４のうち貫通孔２内で表面が露出している部位をシード層として電解メッキ法により貫通孔２の内側の充足されていない空間を埋め込む第２の金属部５ｂであり金属層４と第１の金属部５ａとともに貫通配線を構成する第２の金属部５ｂを析出させる第２の電解メッキ工程を行うことにより、図２（ｈ）に示す構造を得る。

上述の第２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、第１の金属部５ａおよび第２の金属部５ｂそれぞれの不要部分を除去すればよい。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１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、本参考例の半導体基板１への貫通配線の形成方法によれば、第１の金属部５ａと金属層４と第２の金属部５ｂとで貫通配線が構成されるので、図３の従来例のように有底孔１ａの内側の金属層４と当該金属層４をシード層としてコンフォーマル成長により析出した金属部５とで貫通配線６を構成する場合に比べて、有底孔１ｂの深さ寸法を小さくできて有底孔１ｂのアスペクト比を低減できるので、有底孔１ｂの内側が第１の金属部５ａによって完全に埋め込まれないうちに半導体基板１の上記一表面側において有底孔１ｂの開口面が第１の金属部５ａによって塞がれるのを防止することができる。しかも、第２の金属部５ｂはボトムアップ成長により析出するからボイドが発生しにくく、その上、図５や図６の従来例のようにボトムアップ成長により半導体基板１の厚み方向の全長に亘って金属部５を析出させる場合に比べて絶縁層３ａ，３ｂ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、半導体基板１に貫設される貫通孔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３ａ，３ｂとの密着性が良好な貫通配線を形成可能になる。また、本参考例では、メッキ処理の回数は従来に比べて増えるが、１回のメッキ処理において対象となる空間の深さを半減することが可能となるので、図５や図６の従来例のようにボトムアップ成長により半導体基板１の厚み方向の全長に亘って金属部５を析出させる場合に比べて工程が容易なるとともに、メッキ処理の時間の短縮が可能となる。

なお、上記実施形態１および参考例では、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。参考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。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

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し前記厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくな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、半導体基板の前記他表面側を除いて前記一表面側および貫通孔の内側で絶縁層の表面に金属層を被着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であり金属層とともに貫通配線を構成する金属部を析出させる電解メッキ工程とを備え、絶縁層形成工程では、絶縁層を形成した後も貫通孔の内側では半導体基板の厚み方向の両側から中間位置に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状となるように絶縁層を成膜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。