JP3698160B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

３次元的実装形態の半導体装置が開発されている。また、３次元的実装を可能にするため、半導体基板に貫通電極を形成することが知られている。例えば、半導体基板の表面から凹部を形成し、凹部に導電部を形成し、半導体基板の裏面を研磨及びエッチングして凹部内の導電部を露出させる。従来の方法によれば、ウエットエッチング工程を行う場合に、導電部がエッチャント（エッチング液）にさらされることがあった。この場合、導電部がウエットエッチングされない性質を有していないと、導電部までもがエッチングされ、貫通電極が形成できなくなる。なお、導電部又はエッチャントの材料選択の自由度を高めることは重要である。

本発明の目的は、高品質の貫通電極を形成することにある。
特開２００１−５３２１８号公報

（１）本発明に係る半導体装置の製造方法は、
（ａ）集積回路が形成された半導体基板に第１の面から凹部を形成すること、
（ｂ）前記凹部の少なくとも底面に樹脂層を設けること、
（ｃ）前記凹部の前記樹脂層よりも内側に導電部を形成すること、
（ｄ）ウエットエッチングすることによって、前記半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面から前記樹脂層を露出させること、
（ｅ）前記半導体基板の前記第２の面から前記導電部を露出させること、
を含む。本発明によれば、樹脂層はウエットエッチングされにくい、あるいは、ウエットエッチングされにくい材料のものが多いので、導電部のウエットエッチングを防止し、導電部の損傷を防止することができる。したがって、高品質の貫通電極を形成することができる。
（２）この半導体装置の製造方法において、
前記（ｂ）工程で、前記樹脂層を、前記凹部の前記底面及び前記底面から連続するように内壁面に設けてもよい。これによれば、樹脂層が凹部の高さ方向に導電部を覆っているので、ウエットエッチング工程において、半導体基板の第２の面から導電部をより高く突出させることができる。
（３）この半導体装置の製造方法において、
前記（ｂ）工程で、前記樹脂層の材料を、液滴吐出方式によって設けてもよい。
（４）この半導体装置の製造方法において、
前記（ｂ）工程後に、前記凹部の前記樹脂層よりも内側に絶縁層を形成することをさらに含み、
前記（ｃ）工程で、前記導電部を前記絶縁層よりも内側に形成してもよい。これによって、導電部と半導体基板の電気的な接続を遮断することができる。
（５）この半導体装置の製造方法において、
前記（ｄ）工程前に、
前記半導体基板を前記第２の面から研磨することをさらに含んでもよい。これによって、短時間かつ簡単な工程で半導体基板の一部を除去して薄くすることができる。
（６）この半導体装置の製造方法において、
前記（ｅ）工程は、
（ｅ_１）前記樹脂層を除去すること、
（ｅ_２）前記半導体基板を前記第２の面からドライエッチングすることを含んでもよい。
（７）この半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板には、複数の前記集積回路が形成され、それぞれの前記集積回路に対応して前記凹部を形成し、
前記半導体基板を切断することをさらに含んでもよい。
（８）本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記方法によって製造された複数の半導体装置を積層し、前記導電部を通して電気的接続を図ることをさらに含む。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１〜図１３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。

本実施の形態では、半導体基板（例えばシリコン基板）１０を使用する。半導体基板１０は、半導体ウエハであってもよいし、半導体チップであってもよい。半導体基板１０には、集積回路１２が形成されている。半導体基板１０を複数の半導体チップに切り出す場合、個々の半導体チップが個々の集積回路１２を有することになる。半導体基板１０には、複数の電極（例えばパッド）１４が形成されている。各電極１４は、集積回路１２に電気的に接続されている。１つの半導体チップ（又は集積回路１２）に対応して複数の電極１４が形成されていてもよい。各電極１４は、アルミニウムで形成されていてもよい。電極１４の表面の形状は特に限定されないが矩形であることが多い。

半導体基板１０には、１層又は複数層のパッシベーション膜１６，１８が形成されている。パッシベーション膜１６，１８は、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ポリイミド樹脂などで形成することができる。図１に示す例では、パッシベーション膜１６上に、電極１４と、集積回路１２と電極１４を接続する配線（図示せず）とが形成されている。また、他のパッシベーション膜１８が電極１４の表面の少なくとも一部を避けて形成されている。パッシベーション膜１８は、電極１４の表面を覆って形成した後、その一部をエッチングして電極１４の一部を露出させてもよい。エッチングにはドライエッチング及びウエットエッチングのいずれを適用してもよい。パッシベーション膜１８のエッチングのときに、電極１４の表面がエッチングされてもよい。

本実施の形態では、半導体基板１０に、その第１の面２０から凹部２２（図３参照）を形成する。第１の面２０は、電極１４が形成された側（集積回路１２が形成された側）の面である。凹部２２は、集積回路１２の素子及び配線を避けて形成する。図２に示すように、電極１４に貫通穴２４を形成してもよい。貫通穴２４の形成には、エッチング（ドライエッチング又はウエットエッチング）を適用してもよい。エッチングは、リソグラフィ工程によってパターニングされたレジスト（図示せず）を形成した後に行ってもよい。電極１４の下にパッシベーション膜１６が形成されている場合、これにも貫通穴２６（図３参照）を形成する。電極１４のエッチングがパッシベーション膜１６で止まる場合、貫通穴２６の形成には、電極１４のエッチングに使用したエッチャントを別のエッチャントに換えてもよい。その場合、再び、リソグラフィ工程によってパターニングされたレジスト（図示せず）を形成してもよい。

図３に示すように、貫通穴２４（及び貫通穴２６）と連通するように、半導体基板１０に凹部２２を形成する。貫通穴２４（及び貫通穴２６）と凹部２２を合わせて、凹部ということもできる。凹部２２の形成にも、エッチング（ドライエッチング又はウエットエッチング）を適用することができる。エッチングは、リソグラフィ工程によってパターニングされたレジスト（図示せず）を形成した後に行ってもよい。あるいは、凹部２２の形成に、レーザ（例えばＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザ等）を使用してもよい。レーザは、貫通穴２４，２６の形成に適用してもよい。一種類のエッチャント又はレーザによって、凹部２２及び貫通穴２４，２６の形成を連続して行ってもよい。凹部２２の形成には、サンドブラスト加工を適用してもよい。

図４に示すように、凹部２２の少なくとも底面（例えば底面のみ）に樹脂層２８を設ける。樹脂層２８は、凹部２２の底面の全部を覆うように設ける。ただし、樹脂層２８によって凹部２２を埋めないようにする。樹脂層２８によって凹部を形成してもよい。樹脂層２８の材料を、液滴吐出方式によって凹部２２内に吐出させてもよい。液滴吐出方式の一例として、インクジェット方式を適用してもよいし、ディスペンサによる吐出を行ってもよい。あるいは、印刷方式（例えばスクリーン印刷方式）を適用して、樹脂層２８の材料を凹部２２とオーバーラップする領域に印刷してもよい。樹脂層２８の材料は、例えばポリイミド樹脂であってもよいし、半導体装置製造プロセスに使用される公知のものを使用することができる。なお、樹脂層２８が熱硬化性を有する場合、樹脂層２８を設ける工程は樹脂の硬化工程を含んでもよい。

図５に示すように、凹部２２の内側に絶縁層２９を形成してもよい。絶縁層２９は、凹部２２の樹脂層２８よりも内側に形成する。絶縁層２９は、酸化膜又は窒化膜であってもよい。例えば、半導体基板１０がシリコンから形成されている場合、絶縁層２９はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）であってもよいしシリコン窒化膜（ＳｉＮ）であってもよい。図５に示す例では、絶縁層２９は、凹部２２の底面の樹脂層２８上に形成するが、樹脂層２８のみによって絶縁処理を図れる場合には形成しなくてもよい。図５に示すように、凹部２２の内壁面が露出している場合、絶縁層２９は凹部２２の内壁面にも形成する。絶縁層２９は、凹部２２を埋め込まないように形成する。すなわち、絶縁層２９によって凹部を形成する。絶縁層２９は、パッシベーション膜１６の貫通穴２６の内壁面に形成してもよい。絶縁層２９は、パッシベーション膜１８上に形成してもよい。

絶縁層２９は、電極１４の貫通穴２４の内壁面に形成してもよい。絶縁層２９は、電極１４の一部（例えばその上面）を避けて形成する。電極１４の表面全体を覆って絶縁層２９を形成し、その一部をエッチング（ドライエッチング又はウエットエッチング）して、電極１４の一部を露出させてもよい。エッチングは、リソグラフィ工程によってパターニングされたレジスト（図示せず）を形成した後に行ってもよい。

次に、凹部２２に導電部３０（図７参照）を設ける。導電部３０は、凹部２２の樹脂層２８よりも内側に形成する。導電部３０は、凹部２２の絶縁層２９よりも内側に形成する。導電部３０は、Ｃｕ又はＷなどで形成してもよい。図６に示すように、導電部３０の外層部３２を形成した後に、その中心部３４を形成してもよい。中心部３４は、Ｃｕ，Ｗ，ドープドポリシリコン（例えば低温ポリシリコン）のいずれかで形成することができる。外層部３２は、少なくともバリア層を含んでもよい。バリア層は、中心部３４又は次に説明するシード層の材料が、半導体基板１０（例えばＳｉ）に拡散することを防止するものである。バリア層は、中心部３４とは異なる材料（例えばＴｉＷ、ＴｉＮ）で形成してもよい。中心部３４を電解メッキで形成する場合、外層部３２は、シード層を含んでもよい。シード層は、バリア層を形成した後に形成する。シード層は、中心部３４と同じ材料（例えばＣｕ）で形成する。なお、導電部３０（少なくともその中心部３４）は、無電解メッキやインクジェット方式によって形成してもよい。

図７に示すように、外層部３２をパッシベーション膜１８上にも形成した場合、図８に示すように、外層部３２のパッシベーション膜１８（及び絶縁層２９）上の部分をエッチングする。外層部３２を形成した後、中心部３４を形成することで、導電部３０を設けることができる。導電部３０の一部は、半導体基板１０の凹部２２内に位置する。凹部２２の内壁面と導電部３０との間には絶縁層２９が介在するので、両者の電気的な接続が遮断される。導電部３０は、電極１４と電気的に接続されている。例えば、電極１４の絶縁層２９からの露出部に導電部３０が接触していてもよい。導電部３０の一部は、パッシベーション膜１８上に位置していてもよい。導電部３０は、電極１４の領域内にのみ設けてもよい。導電部３０は、少なくとも凹部２２の上方で突出していてもよい。例えば、導電部３０は、パッシベーション膜１８（及び絶縁層２９）より突出していてもよい。

図９に示すように、導電部３０上に、ろう材３６を設けてもよい。ろう材３６は、例えばハンダで形成し、軟ろう及び硬ろうのいずれで形成してもよい。ろう材３６は、導電部３０以外の領域をレジストで覆って形成してもよい。

図１０に示すように、ウエットエッチングすることによって、半導体基板１０の第２の面（第１の面２０とは反対側の面）２１から樹脂層２８を露出させる。ウエットエッチング工程前に、半導体基板１０を第２の面２１から研磨（研削）してもよい。例えば、機械的研磨・研削及び化学的研磨・研削の少なくとも１つの方法によって、半導体基板１０を削ってもよい。本工程は、凹部２２に設けられた樹脂層２８が露出する手前まで行う。本工程を行うことによって、短時間かつ簡単な工程で、半導体基板１０の一部を除去して薄くすることができる。あるいは、本工程を省略して、ウエットエッチング工程を行ってもよい。

ウエットエッチングすることによって、半導体基板１０の一部を、樹脂層２８が露出する厚みまで除去する。その場合、導電部３０は露出させない。絶縁層２８は露出させないほうが好ましいが露出させても構わない。半導体基板１０をスピンさせた状態で、エッチャント（エッチング液）を半導体基板１０の第２の面２１に垂らすことによって、ウエットエッチング（いわゆるスピンエッチング）してもよい。エッチャントとして、フッ酸及び硝酸の混合液あるいはフッ酸、硝酸及び酢酸の混合液を使用してもよい。研磨・研削工程後に本工程を行う場合には、本工程において、研磨・研削工程で生じる半導体基板１０のクラックを除去することができる。また、ウエットエッチングは、ドライエッチングよりも処理速度が速く、単純なプロセスで行うことができる。

本実施の形態よれば、樹脂層２８は、絶縁層（例えばＳｉＯ_２）２９及び導電部（例えばＣｕ）３０のいずれよりも、ウエットエッチングされにくい（エッチングレートが低い）。あるいは、樹脂層２８は、それらよりもウエットエッチングされにくい材料のものが多い。そのため、樹脂層２８はウエットエッチングされず、これによって導電部３０がウエットエッチングされないようにすることができるので、導電部３０の損傷を防止し、高品質の貫通電極を形成することができる。また、半導体装置の製造方法に関して、歩留まりの向上を図ることができる。また、例えば長時間又は高濃度下でウエットエッチングすることができ、導電部３０を損傷させることなく、半導体基板１０のエッチング量を多くすることができるので、エッチング加工性に優れている。さらに、導電部３０はその材料又はエッチャントの選択によらず、ウエットエッチングされないようになっているので、導電部３０又はエッチャントの材料選択の自由度を高めることができる。

図１１に示すように、半導体基板１０の第２の面２１から導電部３０を露出させる。まず、樹脂層２８を除去する。これによって絶縁層２９を露出させてもよい。樹脂層２８の除去は、例えば所定の溶剤を使用して樹脂を溶かしてもよい。

その後、半導体基板１０を第２の面２１からドライエッチングしてもよい。ドライエッチングによって、絶縁層２８で覆われた状態で導電部３０を突出させてもよいし、絶縁層２８から露出するように導電部３０を突出させてもよい。エッチングは、半導体基板（例えばＳｉ）１０に対するエッチング量が絶縁層（例えばＳｉＯ₂）２９に対するエッチング量よりも多くなる性質のエッチャントによって行ってもよい。エッチャントは、ＳＦ₆又はＣＦ₄又はＣｌ₂ガスであってもよい。なお、可能であれば、ドライエッチングによって樹脂層２８を除去してもよい。

以上の工程により、半導体基板１０の第２の面２１から導電部３０を露出（例えば突出）させることができる。導電部３０は、半導体基板１０の第１及び第２の面２０，２１の貫通電極となっている。本実施の形態では、貫通電極の損傷を防止することができる。

図１２に示すように、半導体基板１０が半導体ウエハである場合、それぞれの集積回路１２（図１参照）に対応して凹部２２などを形成し、半導体基板１０を切断（例えばダイシング）してもよい。切断には、カッタ（例えばダイサ）３８又はレーザ（例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザなど）を使用してもよい。こうして、半導体基板１０を複数の半導体チップ４０に個片にすることができる。

図１３に示すように、複数の半導体装置（例えば半導体チップ４０を含む）を積層し、導電部３０（及びろう材３６）を通してそれぞれの電気的接続を図ってもよい。本実施の形態は、このような３次元実装を行うときに効果的である。図１３に示す例では、半導体装置は、複数の半導体チップ４０を有する。第１の面２０の方向に最も外側（図１３では最も下）に位置する半導体チップ４０は、外部端子（例えばハンダボール）４２を有する。外部端子４２は、応力緩和層（例えば樹脂層）４４上に形成された配線４６上に設けられている。配線４６は、第１の面２０側で導電部３０に電気的に接続されている。

図１４は、本実施の形態の変形例を説明する図である。本変形例では、樹脂層５０を凹部２２の底面及び底面から連続するように内壁面に設ける。その場合、樹脂層５０によって凹部２２を埋めずに、樹脂層５０の内側に凹部を形成する。図１４に示すように、樹脂層５０は、凹部２２の内壁面（半導体基板１０の部分）の全部を覆ってもよいし、一部（凹部２２の底面に近い部分）のみを覆ってもよい。樹脂層５０は、凹部２２の内面の全部を覆うように設けてもよい。本変形例によれば、上述の実施の形態による効果を有するとともに、樹脂層５０が凹部２２の高さ方向に導電部３０（及び絶縁層２９）を覆っているので、ウエットエッチング工程において、半導体基板１０の第２の面２１から導電部３０をより高く突出させることができる。なお、その他の詳細は、上述した内容を適用することができる。

図１５は、本実施の形態の他の変形例を説明する図である。本変形例では、凹部２２の少なくとも底面（図１５では底面及びそれに連続する内壁面）に樹脂層５２を設けた後、凹部２２の樹脂層５２よりも内側に導電部３０を形成する。本変形例では、上述の絶縁層２９は形成しない。言い換えれば、凹部２２の内側に形成する絶縁層を樹脂で形成する。樹脂層５２によって凹部２２を埋めずに、樹脂層５２の内側に凹部を形成する。導電部３０と半導体基板１０の絶縁を図るためには、樹脂層２８を凹部２２の内面（底面及び内壁面）の全部を覆うように設ける。本変形例によれば、上述の変形例による効果を有するとともに、上述の絶縁層２９の形成工程を省略することができるので、製造プロセスの簡略化を図ることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図１２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図１３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図１４は、本発明の実施の形態の変形例を説明する図である。 図１５は、本発明の実施の形態の他の変形例を説明する図である。

符号の説明

１０…半導体基板 １２…集積回路 １４…電極 １６…パッシベーション膜
１８…パッシベーション膜 ２０…第１の面 ２１…第２の面 ２２…凹部
２８…樹脂層 ２９…絶縁層 ３０…導電部 ５０…樹脂層 ５２…樹脂層

Claims (7)

1. （ａ）集積回路が形成された半導体基板に第１の面から凹部を形成すること、
   （ｂ）前記凹部の底面のみに樹脂層を設け、さらに、前記凹部の前記樹脂層よりも内側に前記樹脂層よりもウエットエッチングされやすい絶縁層を形成すること、
   （ｃ）前記凹部の前記絶縁層よりも内側に導電部を形成すること、
   （ｄ）ウエットエッチングすることによって、前記半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面から前記樹脂層及び前記絶縁層を露出させること、
   （ｅ）ウエットエッチング以外の工程により前記樹脂層及び前記絶縁層を除去することによって、前記半導体基板の前記第２の面から前記導電部を露出させること、
   を含む半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｂ）工程で、前記絶縁層を、前記凹部の前記樹脂層上及び前記凹部の内壁面に連続するように設ける半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｂ）工程で、前記樹脂層の材料を、液滴吐出方式によって設ける半導体装置の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｄ）工程前に、
   前記半導体基板を前記第２の面から研磨することをさらに含む半導体装置の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｅ）工程で、前記半導体基板を前記第２の面からドライエッチングする半導体装置の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体基板には、複数の前記集積回路が形成され、それぞれの前記集積回路に対応して前記凹部を形成し、
   前記半導体基板を切断することをさらに含む半導体装置の製造方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の方法によって製造された複数の半導体装置を積層し、前記導電部を通して電気的接続を図ることをさらに含む半導体装置の製造方法。

Images