JP5377657B2

JP5377657B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5377657B2
Application number: JP2011532892A
Authority: JP
Inventors: 恵子安部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JPWO2011036819A1; US20120142145A1; WO2011036819A1; US8535977B2

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置（半導体集積回路装置）のより一層の高集積化及び高速化をはかる観点から、３次元集積回路（ＬＳＩ）装置が提案されている。３次元ＬＳＩでは、ＴＳＶ（Through Silicon Via）と呼ばれる貫通電極を用いて基板間の電気的接続が行われる。

３次元ＬＳＩでは通常、上下の基板を加圧してバンプ同士を圧着させた後、基板間の隙間に接着剤を充填することで基板の貼り合わせを行っている。しかしながら、この方法では、上下の基板を加圧する際にＬＳＩ中の素子が大きなダメージを受けるおそれがある。また、基板間の隙間が狭いと、基板間の隙間に接着剤を充填することが困難になる。

上述したような問題に対して、特許文献１には以下のような方法が開示されている。まず、基板（ウエハ）に貫通孔を形成し、貫通孔の内面に絶縁膜を形成する。続いて、基板の裏面を研磨した後、基板の裏面に絶縁層を形成する。さらに、裏面の絶縁層をパターニングした後、基板同士を貼り合わせる。その後、貫通孔に導電性材料を充填することで、基板間の電気的な接続を行う。しかしながら、この方法では、ラフネスの大きい基板の裏面に形成された絶縁層をパターニングするため、十分な加工精度が得られないという問題がある。

このように、従来は３次元ＬＳＩを効果的に作製することが困難であった。

特開２００５−１９７３３９号公報

本発明は、３次元ＬＳＩを効果的に作製することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一視点に係る半導体装置の製造方法は、電極を有する第１の基板を用意する工程と、貫通孔を有する第２の基板を用意する工程と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に絶縁層を介在させた状態で前記第１の基板上に前記第２の基板を積層する工程と、前記第２の基板をマスクとして用いて前記絶縁層をエッチングして、前記貫通孔下の前記絶縁層に前記電極に達する開口を形成する工程と、前記貫通孔及び前記開口を導電物で埋める工程と、を備える。

本発明によれば、３次元ＬＳＩを効果的に作製することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図２は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図３は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図４は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図５は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図６は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図７は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図８は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図９は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１０は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１２は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１３は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１４は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１５は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１６は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１７は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１８は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図１９は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図２０は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図２１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図２２は、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図２３は、実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。図２４は、実施形態の第２の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１〜図２２は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。本実施形態では、３層構造の３次元ＬＳＩを例に説明する。

図１〜図８は、第１層目の基板の製造工程を示した図である。

まず、図１に示すように、集積回路が形成された基板を用意する。図１において、１０２は半導体基板であるシリコン基板（シリコンウエハ）、１０４はシリコン基板１０２の表面領域に形成された回路領域、１０６は回路の接続端子となるトップメタル層、１０８はパッシベーション膜を示している。

次に、図２に示すように、エッチングによって基板に穴１１０を形成する。このエッチングには、ＲＩＥ（reactive ion etching）等の異方性エッチングを用いる。エッチングガスとしては、ＳＦ₆及びＯ₂の混合ガス、或いはＳＦ₆、Ｏ₂及びＣ₄Ｆ₈の混合ガスを用いることができる。

次に、図３に示すように、穴１１０の内面に沿って絶縁膜１１２を堆積する。絶縁膜１１２の材料には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、有機シリカ等を用いることができる。また、絶縁膜１１２の堆積方法には、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法や熱ＣＶＤ法等を用いることができる。

次に、図４に示すように、絶縁膜１１２をパターニングして、トップメタル層１０６の上面に穴を形成するとともに、トップメタル層１０６と後述する貫通電極１１６とを接続する配線のための溝を形成する。

次に、図５に示すように、導電性のバリア膜１１４を形成する。バリア膜１１４を設けることにより、穴１１０等を埋める導電性材料がシリコン基板中へ拡散することを防止できる。バリア膜１１４には、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ等のバリアメタル或いはポリシリコンを用いることができる。また、バリア膜１１４の堆積方法には、熱ＣＶＤ法、ＡＬＤ（atomic layer deposition）法、プラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリング法或いはイオン化スパッタリング法等を用いることができる。なお、穴１１０等を埋める導電性材料としてポリシリコンを用いる場合には、バリア膜１１４の形成工程を省略してもよい。

次に、図６に示すように、導電性材料１１６を全面に堆積し、この導電性材料１１６によって穴１１０並びに図４の工程で形成した穴及び溝を埋める。導電性材料１１６には、Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ或いはポリシリコン等を用いることができる。また、導電性材料１１６の堆積方法には、ＰＶＤ（physical vapor deposition）法、ＣＶＤ法、メッキ法或いはＬＰＣＶＤ法等を用いることができる。

次に、図７に示すように、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）によって導電性材料１１６を研磨する。これにより、穴及び溝以外に形成されている導電性材料１１６を除去する。その結果、穴１１０内に電極が形成される。

次に、図８に示すように、基板の裏面側から機械研磨及びエッチングを行い、電極１１６を露出させる。これにより、ＴＳＶ（Through Silicon Via）構造の貫通電極１１６が得られる。

図９〜図１４は、第２層目の基板の製造工程を示した図である。

まず、図９に示すように、集積回路が形成された基板を用意する。図９において、２０２は半導体基板であるシリコン基板（シリコンウエハ）、２０４はシリコン基板２０２の表面領域に形成された回路領域、２０６は回路の接続端子となるトップメタル層、２０８はパッシベーション膜を示している。

次に、図１０に示すように、エッチングによって基板に穴２１０を形成する。このエッチングには、図２の工程で示した方法と同様の方法を用いることができる。

次に、図１１に示すように、穴２１０の内面に沿って絶縁膜２１２を堆積する。絶縁膜２１２の材料や堆積方法には、図３の工程で示したのと同様の材料や堆積方法を用いることができる。

次に、図１２に示すように、絶縁膜２１２をパターニングして、トップメタル層２０６の上面に穴を形成するとともに、トップメタル層２０６と後述する貫通電極２１８とを接続する配線のための溝を形成する。

次に、図１３に示すように、導電性のバリア膜２１４を形成する。このバリア膜２１４の材料や堆積方法には、図５の工程で示したのと同様の材料や堆積方法を用いることができる。なお、穴２１０等を埋める導電性材料としてポリシリコンを用いる場合には、バリア膜２１４の形成工程を省略してもよい。

次に、図１４に示すように、基板の裏面側から機械研磨及びエッチングを行い、貫通孔２１６を形成する。なお、研磨及びエッチングによる貫通孔入り口へのダメージを防止するために、研磨及びエッチングを行う前に、貫通孔２１６となる穴２１０内にポリシリコン等のダミー材料を充填しておいてもよい。この場合、研磨及びエッチングによって基板の裏面側からダミー材料を露出させた後にダミー材料を除去すればよい。ダミー材料として用いるポリシリコンは、シランガスを用いたＬＰＣＶＤ法で形成することができる。

３層目の基板は、２層目の基板と同様の工程によって製造することができるため、説明は省略する。

図１５〜図２２は、第１層目から第３層目の基板を積層する工程を示した図である。

まず、図１５〜図１８に示すように、第１層目の基板（第１の基板）１００上に第２層目の基板（第２の基板）２００を積層する。具体的には、以下の通りである。

まず、図１５に示すように、第１層目の基板（第１の基板）１００上に絶縁層４００を形成し、絶縁層４００上に第２層目の基板（第２の基板）２００を積層する。このとき、第１の基板１００の貫通電極１１６の中心と第２の基板２００の貫通孔２１６の中心とが一致するようにアライメントを行う。絶縁層４００には、ポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂を用いることができる。また、絶縁層４００にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることも可能である。

次に、図１６に示すように、第２の基板２００をマスクとして用いて絶縁層４００をエッチングして、貫通孔２１６直下の絶縁層４００に貫通電極１１６に達する開口を形成する。すなわち、貫通孔２１６を通してエッチャントを絶縁層４００に供給し、貫通孔２１６と同一の平面形状を有する開口を絶縁層４００に形成する。このエッチングの際に、貫通孔２１６の内面（内壁）に形成された絶縁膜２１２及びバリア膜２１４が消失しないようにするため、絶縁層４００を絶縁膜２１２及びバリア膜２１４に対して選択的にエッチングする。すなわち、絶縁層４００をエッチングする際に用いるエッチャントに対して、絶縁層４００のエッチングレートが絶縁膜２１２のエッチングレート及びバリア膜２１４のエッチングレートよりも高くなるようにする。貫通孔２１６の内面の最上層にバリア膜２１４が形成されている場合には、絶縁層４００としてポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂を用いることができる。また、絶縁層４００にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることも可能である。また、バリア膜２１４を形成せずに、貫通孔２１６の内面の最上層に絶縁膜２１２が形成されている場合には、絶縁膜２１２としてシリコン酸化膜を用い、絶縁層４００としてポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の樹脂を用いることができる。このとき、エッチングガスにＣＦ₄及びＯ₂の混合ガスを用いてＲＩＥを行うことで、ポリイミドやＢＣＢを選択的にエッチングすることができる。

なお、図１４の工程で貫通孔２１６内にダミー材料を充填しておいた場合には、図１６の工程の前にダミー材料を除去しておく。具体的には、図１５の工程で第１の基板１００と第２の基板２００とを積層する前或いは積層した後に、ダミー材料を除去する。第２の基板２００を積層した後にダミー材料を除去する場合には、第２の基板２００を積層する際の貫通孔入り口へのダメージを防止することができる。なお、ダミー材料としてポリシリコンを用いた場合には、エッチングガスにＣＦ₄及びＯ₂の混合ガスを用いたＲＩＥ又はプラズマエッチングによってダミー材料を除去することができる。

次に、図１７に示すように、導電性材料（導電物）２１８を全面に堆積する。この導電性材料２１８によって、貫通孔２１６、貫通孔２１６直下の絶縁層４００に形成した開口、図１３の工程でトップメタル層２０６の上面に形成した穴及び配線用の溝を埋める。この導電性材料２１８の材料や堆積方法には、図６の工程で示したのと同様の材料や堆積方法を用いることができる。

次に、図１８に示すように、ＣＭＰによって導電性材料２１８を研磨する。これにより、穴や溝以外に形成されている導電性材料２１８が除去される。その結果、貫通孔２１６及び貫通孔２１６直下の開口に貫通電極２１８が形成される。すなわち、絶縁層４００に形成された開口を介して、貫通電極１１６と貫通電極２１８とが接続される。

次に、図１９〜図２２に示すように、第２層目の基板（第２の基板）２００上に第３層目の基板（第３の基板）３００を積層する。なお、第３の基板の基本的な積層工程は第２の基板の積層工程と同様であるため、すでに説明した事項の説明は省略する。

まず、図１９に示すように、第２層目の基板（第２の基板）２００上に絶縁層５００を形成し、絶縁層５００上に第３層目の基板（第３の基板）３００を積層する。このとき、第２の基板２００の貫通電極２１８の中心と第３の基板３００の貫通孔３１６の中心とが一致するようにアライメントを行う。

次に、図２０に示すように、第３の基板３００をマスクとして用いて絶縁層５００をエッチングして、貫通孔３１６直下の絶縁層５００に貫通電極２１８に達する開口を形成する。すなわち、貫通孔３１６を通してエッチャントを絶縁層５００に供給し、貫通孔３１６と同一の平面形状を有する開口を絶縁層５００に形成する。

次に、図２１に示すように、導電性材料（導電物）３１８を全面に堆積する。この導電性材料３１８によって、貫通孔３１６、貫通孔３１６直下の絶縁層５００に形成した開口、トップメタル層３０６の上面に形成した穴及び配線用の溝を埋める。

次に、図２２に示すように、ＣＭＰによって導電性材料３１８を研磨する。これにより、穴や溝以外に形成されている導電性材料３１８が除去される。その結果、貫通孔３１６及び貫通孔３１６直下の開口に貫通電極３１８が形成される。すなわち、絶縁層５００に形成された開口を介して、貫通電極２１８と貫通電極３１８とが接続される。

以上のようにして、絶縁層４００に形成された開口及び絶縁層５００に形成された開口を介して、貫通電極１１６、２１８及び３１８が接続された構造が得られる。

以上のように、本実施形態では、第１の基板１００と第２の基板２００との間に介在した絶縁層４００を第２の基板２００をマスクとして用いてエッチングすることで、貫通孔２１６下の絶縁層４００に開口を形成し、貫通孔及び開口を導電物で埋めて貫通電極を形成している。このように、第２の基板２００をマスクとして用いてエッチングを行うため、製造工程を簡略化することができるとともに、積層された基板の電極同士を確実に接続することができる。第２の基板と第３の基板との関係についても同様である。したがって、特性や信頼性に優れた半導体装置を簡単な工程で製造することができる。

また、基板の裏面側からではなく表面側からパターニングを行うため、高精度で微細加工を行うことができ、高密度のパターンを形成することができる。また、バンプを用いて接続を行うものではないため、バンプ接続時の加圧によるダメージを無くすことができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

図２３は、本実施形態の第１の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態では、貫通電極同士の中心が互いに一致するようにしたが、図２３に示すように貫通電極同士の中心が一致していなくてもよい。図２３の例では。第２の基板２００の貫通電極２１８とトップメタル層２０６との接続部分が実質的に電極として機能し、第２の基板２００の貫通電極２１８と第３の基板３００の貫通電極３１８とが電気的に接続される。このような構成であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。

図２４は、本実施形態の第２の変更例に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、第１の基板１００に貫通電極が形成されていない部分が存在し、第２の基板２００の貫通電極２１８が第１の基板のトップメタル層１０６に接続されている。このような構成であっても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。

１００、２００、３００…基板１０２、２０２…シリコン基板
１０４、２０４…回路領域１０６、２０６…トップメタル層
１０８、２０８…パッシベーション膜１１０、２１０…穴
１１２、２１２、３１２…絶縁膜１１４、２１４、３１４…バリア膜
１１６、２１８、３１８…貫通電極２１６、３１６…貫通孔
４００、５００…絶縁層

Claims

電極を有する第１の基板を用意する工程と、
貫通孔を有する第２の基板を用意する工程と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に絶縁層を介在させた状態で前記第１の基板上に前記第２の基板を積層する工程と、
前記第２の基板をマスクとして用いて前記絶縁層をエッチングして、前記貫通孔下の前記絶縁層に前記電極に達する開口を形成する工程と、
前記貫通孔及び前記開口を導電物で埋める工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記貫通孔の内面には絶縁膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記絶縁層をエッチングする際に用いるエッチャントに対して、前記絶縁層のエッチングレートは前記絶縁膜のエッチングレートよりも高い
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記絶縁膜上には導電性のバリア膜が形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記絶縁層をエッチングする際に用いるエッチャントに対して、前記絶縁層のエッチングレートは前記バリア膜のエッチングレートよりも高い
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記絶縁層の材料は、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、シリコン酸化物及びシリコン窒化物から選択される
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記貫通孔を有する第２の基板を用意する工程は、前記貫通孔を形成するための予備的な穴にダミー材料を充填する工程と、前記予備的な穴に充填されたダミー材料を前記第２の基板の裏面側から露出させる工程と、前記ダミー材料を除去する工程と、を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記貫通孔を有する第２の基板を用意する工程は、前記貫通孔を形成するための予備的な穴にダミー材料を充填する工程と、前記予備的な穴に充填されたダミー材料を前記第２の基板の裏面側から露出させる工程と、を含み、
前記第２の基板を積層した後に前記ダミー材料を除去する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。