JP2012164792A

JP2012164792A - ヴィア構造およびその作製方法

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Publication number: JP2012164792A
Application number: JP2011023684A
Authority: JP
Inventors: Takuya Tsutsumi; 卓也堤; Tomoyuki Akeyoshi; 智幸明吉; Suehiro Sugitani; 末広杉谷; Kazumi Nishimura; 一巳西村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】より小さな径の基板貫通ヴィアが形成できるようにする。
【解決手段】基板１０１の回路が形成されている主表面１０１ａ側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに形成された第１孔部１０２と、基板１０１の裏面側から形成されて第１孔部１０２に接続する第２孔部１０３と、第１孔部１０２の内部に形成された第１孔部配線１０４と、第１孔部配線１０４に接続して基板１０１の主表面１０１ａ側に形成された表面配線層１０５と、第２孔部１０３の内部に第１孔部配線１０４に接続して形成された第２孔部配線１０６と、第２孔部配線１０６に接続して基板１０１の裏面側に形成された裏面配線層１０７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積回路などが形成される基板を貫通するヴィア構造およびその作製方法

化合物半導体を用いた集積回路（ＩＣ）の高周波化が進展するに従い、高周波信号のチップ内共振周波数が低下するため、チップ内共振は、高周波設計上大きな問題となっている。チップ内共振を抑制するため、近年では、基板を貫通するヴィアを形成して基板裏面のグランドとチップ表面とを接続し、チップのグランドを強化することが極めて重要になってきている。

基板を貫通するヴィア（基板貫通ヴィア）の形成においては、回路形成面（基板表面）のプロセスが完了した後、裏面よりヴィアの形成プロセスを行う「ヴィアラスト方式」が主流である。この方式によれば、回路形成面の凹凸を最小限に抑え、高い歩留まりを維持しながら基板貫通ヴィアを形成することができる。

ヴィアラスト方式では、図８に示すように、まず、基板８０１表面の回路形成面８０１ａに、表面配線層８０２を含む所望とする回路を形成した後、ヴィア形成箇所にランドメタル層８０３を形成する。この後、基板８０１の裏面側より基板貫通ヴィア８０４をエッチング形成する。この形成時に、既に形成してあるランドメタル層８０３が、エッチング停止層として機能する。この後、基板貫通ヴィア８０４内に、表面配線層８０２に接続する貫通配線層８０５を形成し、また、貫通配線層８０５に接続する裏面配線層８０６を形成する。

このような基板貫通ヴィアの形成技術として、例えば、シリコン基板を用いた集積回路では、ボッシュプロセスと呼ばれるエッチングとエッチング側壁保護とを繰り返すヴィア形成方法がある。この技術によれば、微細な径の基板貫通ヴィアが形成可能とされている。

一方、化合物半導体などのシリコン以外の材料による基板の場合、上述したボッシュプロセスを用いることができず、例えば、ＩｎＰ基板の場合、ヨウ化水素ガスを用いたドライエッチングで基板貫通ヴィアを形成している（非特許文献１参照）。また、窒化物化合物半導体，ＳｉＣ，およびサファイアなどの基板の場合、金属マスクを用いたドライエッチングに出基板貫通ヴィアを形成している（特許文献１参照）。

特許第４５１６５３８号公報

小谷謙司他、「ヨウ化水素ガスを用いたＩｎＰ基板へのビアホール形成」、信学技報、ＥＤ２００４−４１、３７-４２頁、２００４年。

しかしながら、上述した基板貫通ヴィアの形成技術では、次に示すような問題がある。

シリコン以外の基板における基板貫通ヴィアの形成では、いわゆるボッシュプロセスが適用できないため、長時間のドライエッチングで基板貫通ヴィアを形成することになる。このため、第１に、ドライエッチングが長くなることによってヴィアのサイドエッチングや残渣の発生が顕著となり、ヴィアの径を拡大する必要が生じ、微細な径のヴィアを形成することが困難であった。例えば、図９の斜視図に示すように、基板貫通ヴィア８０４の深さＤが５０〜２００μｍの場合、孔径ａは、８０μｍ程度となる。このように基板貫通ヴィアの孔径が大きくなると、ランドメタル層を大面積に形成することになり、回路形成面における回路形成領域の減少を招き、チップの大型化、集積度の低下などの問題を招くことになる。

第２に、長いドライエッチング処理が必要となるため、基板貫通ヴィア形成用のエッチングマスク耐性の要求条件が厳しくなるといった問題がある。このため、エッチングマスク材料の制限、およびドライエッチング条件自体に制限が生じるようになる。

第３に、基板貫通ヴィアの大型化に伴ってランドメタル層の基板側に大きな空間が存在するようになる。このため、自身の応力でランドメタル層に反りが発生し、集積回路チップの信頼性を大幅に低下させてしまうという問題が生じていた。ランドメタル層の反りを回避するには、ランドメタル層をより厚く形成することになる。しかしながら、このために、ランドメタル層用のプロセスが別途必要になり、また、表面多層配線を重畳するなど、プロセスの増加が生じ、結果としてスループットの低下、および配線レイアウトの制限などが生じてしまっていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より小さな径の基板貫通ヴィアが形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るヴィア構造は、基板の回路が形成されている主表面側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに形成された第１孔部と、基板の裏面側から形成されて第１孔部に接続する第２孔部と、第１孔部の内部に形成された第１孔部配線と、第１孔部配線に接続して基板の主表面側に形成された表面配線層と、第２孔部の内部に第１孔部配線に接続して形成された第２孔部配線と、第２孔部配線に接続して基板の裏面側に形成された裏面配線層とを少なくとも備える。

上記のヴィア構造において、第１孔部に接触する表面配線層で構成されたランドメタル層を備えるようにしてもよい。なお、第１孔部の孔径は、２〜２０μｍであればよい。

本発明に係るヴィア構造の作製方法は、基板の回路が形成される主表面側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに第１孔部を形成する第１工程と、第１孔部の内部に第１孔部配線を形成する第２工程と、基板の主表面側に第１孔部配線に接続する表面配線層を形成する第３工程と、基板の裏面側から第１孔部に接続する第２孔部を形成する第４工程と、第２孔部の内部に第１孔部配線に接続する第２孔部配線を形成する第５工程と、基板の裏面側に第２孔部配線に接続する裏面配線層を形成する第６工程とを少なくとも備える。

上記ヴィア構造の作製方法において、第１工程では、第１孔部とともに素子間分離のための溝部を形成してもよい。また、第１工程では、第１孔部とともにキャパシタを構成する溝部を形成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、基板の裏面側から形成されて第１孔部に接続する第２孔部を設けるようにしたので、より小さな径の基板貫通ヴィアが形成できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の一部構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の一部構成を示す斜視図である。図４Ａは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｃは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｄは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｅは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｆは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｇは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図４Ｈは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の構成を示す斜視図である。図６は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の一部構成を示す斜視図である。図７は、本発明の実施の形態における他のヴィア構造の構成を示す構成図である。図８は、ヴィア構造の構成を示す断面図である。図９は、ヴィア構造の一部構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の構成を示す構成図である。図１では、ヴィア構造の断面を概略的に示している。

このヴィア構造は、まず、基板１０１の回路が形成される主表面１０１ａ側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに形成された第１孔部１０２と、基板１０１の裏面側から形成されて第１孔部１０２に接続する第２孔部１０３とを備える。

また、このヴィア構造は、第１孔部１０２の内部に形成された第１孔部配線１０４と、第１孔部配線１０４に接続して基板１０１の主表面１０１ａ側に形成された表面配線層１０５と、第２孔部１０３の内部に第１孔部配線１０４に接続して形成された第２孔部配線１０６と、第２孔部配線１０６に接続して基板１０１の裏面側に形成された裏面配線層１０７とを備える。

ここで、基板１０１は、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮなど化合物半導体から構成されたものであればよい。これらの基板の場合、典型的な基板厚は、５０〜２００μｍである。この程度の厚さの基板であれば、孔部（ヴィア）形成などの各プロセスにおける基板のハンドリング性を良好な状態とすることができる。なお、第１孔部１０２と第２孔部１０３よりなるヴィアにおける接地強化効果、および電気伝導や信号伝播特性を良好に維持することができる構造であれば、いかなる基板厚さでも構わない。

上述した本実施の形態におけるヴィア構造によれば、所望の孔径の範囲で形成可能な深さに第１孔部１０２を形成してあるので、裏面から形成する第２孔部１０３は、基板１０１を貫通して形成することなく、基板１０１の途中までエッチングすることで形成すればよい。このため、第２孔部１０３の形成では、エッチング量が減少し、また、エッチング残渣を減少させることができるので、孔径を拡大する必要がなく、微細な孔径に形成することができる。

例えば、第１孔部１０２は、孔径２〜２０μｍ程度とし、深さは５〜２０μｍとすることができる。この場合、例えば、基板１０１の板厚が５０〜２００μｍであれば、第２孔部１０３の深さは、４５〜１８０μｍ程度とし、孔径は２０〜６０μｍ程度とすることができる。ここで、図２の斜視図に示すように、円柱形状とした第１孔部２０２の直径ｃとし、第２孔部２０３の直径をｂとし、図９に示した従来の基板貫通ヴィア８０４の直径をａとすると、ａ＞ｂ＞ｃとすることができる。なお、図２では、各孔部を円筒形状としているが、これに限るものではなく、図３の斜視図に示すように、第１孔部３０２および第２孔部３０３の形状を、角柱およびその他の形状としてもよい。

なお、第１孔部配線１０４および第２孔部配線１０６は、例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｗなどの金属から構成すればよい。例えば、第１孔部配線１０４は、厚さ０．５〜３μｍとし、第１孔部１０２の孔内の表面を被覆するように形成すればよい。一方、第２孔部配線１０６は、厚さ３〜２０μｍとし、第２孔部１０３の孔内の表面を被覆するように形成すればよい。また、孔内を金属で充填して貫通配線としてもよい。

また、本実施の形態によれば、エッチング量を減らすことができるので、エッチングに用いる利用可能なマスク材料の選択肢が増え、また、エッチング種やエッチング温度などのエッチング条件の設計自由度も飛躍的に向上する。

また、第１孔部１０２の側にランドメタル層を形成する場合、ランドメタル層の基板側に大きな空間が形成されることがなくなるので、ランドメタル層における反りの問題が解消できるようになり、ランドメタル層をより薄く形成することが可能となる。

次に、本実施の形態におけるヴィア構造の作製方法について、図４Ａ〜図４Ｈを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｈは、本発明の実施の形態におけるヴィア構造の作製途中の状態を示す断面図である。

まず、図４Ａに示すように、基板１０１を用意する。基板１０１は、例えばＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板などである。

次に、図４Ｂに示すように、回路が形成されている主表面１０１ａの側から、所望の孔径の範囲で形成可能な深さに第１孔部１０２を形成する。例えば、直径２〜２０μｍで深さ５〜２０μｍの円筒形状の第１孔部１０２を形成する。例えば、Ｃｌ₂，ＨＢｒ，ＨＩなどのハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより、第１孔部１０２を形成すればよい。形成した孔部の側壁が滑らかで微細な孔径に形成可能であれば、いかなるガス種を用いても構わない。また、ウェットエッチングが可能なエッチャントによって第１孔部１０２を形成してもよい。

次に、図４Ｃに示すように、第１孔部１０２の内部に第１孔部配線１０４を形成し、また、基板１０１の主表面１０１ａ側に第１孔部配線１０４に接続する表面配線層１０５を形成する。例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｗなどの金属を、例えば、真空蒸着法，スパッタリング法，およびメッキ法などにより堆積することで、第１孔部配線１０４および表面配線層１０５を形成すればよい。図４Ｃでは、第１孔部１０２の壁面を覆うように第１孔部配線１０４を形成した状態を示しているが、第１孔部配線１０４は、第１孔部１０２の内部を金属で充填して形成してもよい。

次に、図４Ｄに示すように、基板１０１の主表面１０１ａ側に、サポート基板２０１を貼り付ける。サポート基板２０１は、例えばガラスから構成すればよい。また、サポート基板２０１は、例えば、ＵＶで接着剤硬化する接着剤および熱で接着剤硬化する接着剤などにより接着すればよい。サポート基板２０１を貼り付けることで、基板１０１の主表面１０１ａの側を保護した状態で、基板１０１の裏面側の様々な処理が行えるようになる。

次に、図４Ｅに示すように、基板１０１を薄層化する。例えば、基板１０１の裏面側を、砥石による研磨装置とＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研削研磨することで、基板１０１を薄層化することができる。例えば、基板厚が、５０〜２００μｍとなるように薄層化する。なお、基板１０１が薄いほど裏面から孔部を形成するときのエッチング時間が短くなるため有利であるが、５０μｍより薄いと、基板のハンドリング性は下がる。このため、基板厚は、５０〜２００μｍとした方がよい。ただし、基板の良好なハンドリング性が確保されれば、基板厚を５０μｍ以下としても構わない。また、良好なドライエッチング条件による深堀エッチングが実現できるのであれば、基板厚は２００μｍ以上としてもよい。

次に、図４Ｆに示すように、基板１０１の裏面側から第１孔部１０２に接続する第２孔部１０３を形成する。例えば、ドライエッチングにより、深さ２０〜６０μｍに第２孔部１０３を形成すればよい。基板表面までドライエッチングする従来の方法よりも、短いドライエッチング時間で、第２孔部１０３が形成できるので、サイドエッチングや残渣が少なく、側壁が滑らかで微細な孔径にすることが可能となる。ここで、形成した孔部の側壁が滑らかで微細な孔径に形成可能であれば、いかなるガス種を用いても構わない。また、ウェットエッチングが可能なエッチャントによって第１孔部１０２を形成してもよい。

次に、図４Ｇに示すように、第２孔部１０３の内部に第１孔部配線１０４に接続する第２孔部配線１０６を形成し、基板１０１の裏面側に第２孔部配線１０６に接続する裏面配線層１０７を形成する。例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｗなどの金属を、例えば、真空蒸着法，スパッタリング法，およびメッキ法などにより堆積することで、第２孔部配線１０６および裏面配線層１０７を形成すればよい。第２孔部配線１０６を形成することで、第１孔部配線１０４および第２孔部配線１０６により、基板１０１の表面から裏面にかけての導電形路が形成され、基板貫通ヴィアが形成された状態となる。なお、図４Ｇでは、第２孔部１０３の壁面を覆うように第２孔部配線１０６を形成した状態を示しているが、第２孔部配線１０６は、第２孔部１０３の内部を充填して形成してもよい。

次に、図４Ｈに示すように、基板１０１の主表面１０１ａよりサポート基板２０１を取り除く。例えば、赤外線レーザの照射および有機溶媒への浸漬によりサポート基板２０１を取り除くことができる。ここで、サポート基板２０１を貼り付けた状態で、基板１０１よりチップの切り出しを行うようにしてもよい。例えば、サポート基板２０１を貼り付けた状態でダイシング用フィルムにマウントし、ダイシング工程を行えばよい。このようにチップに加工した後、サポート基板２０１を取り除くようにしてもよい。このようにすることで、ハンドリング性をより向上させることができる。

ところで、各第２孔部に対し、異なる数の第１孔部が接続するようにしてもよい。例えば、図５の斜視図に示すように、基板５０１の裏面側より形成する第２孔部５０３ａには、４つの第１孔部５０２ａが接続し、第２孔部５０３ｂには、６個の第１孔部５０２ｂが接続する構成としてもよい。第２孔部５０３ａは、表面配線層５０５の形状に対応して配置し、第２孔部５０３ｂは、表面配線層５０５ａの形状に対応して配置している。このようにすることで、例えば、第１孔部５０２ａに接続する表面配線層５０５ａに対し、第１孔部５０２ｂに接続する表面配線層５０５ａの面積を大きくすることができ、表面配線層の形状自由度を向上させることができる。

例えば、表面配線層の一部をランドメタル層とすることができるが、ランドメタル層は、パターンルールなどの制約が大きい。これに対し、上述したように、第２孔部に対して接続する第１孔部の数を調整し、また、第１孔部の寸法や配置を制御することで、より大きな自由度のある状態で、ランドメタル層が形成できるようにようになる。

なお、図５では、第１孔部および第２孔部１０３を円筒形状としたが、これに限るものではなく、図６の斜視図に示すように、第１孔部６０２ａ，第２孔部６０３ａ，第１孔部６０２ｂ，および第２孔部６０３ｂの形状を、角柱としてもよい。なお、図６では、基板を省略して示している。

また、第１孔部の形成では、第１孔部とともに素子間分離のための溝部やキャパシタを構成する溝部を形成してもよい。例えば、図７に示すように、基板７０１の回路が形成されている主表面７０１ａの側から、第１孔部７０２を形成するとともに、キャパシタを構成するためのトレンチ（溝部）７２２を形成する。次に、第１孔部配線７０４および表面配線層７０５を形成するとともに、キャパシタを構成するための一方の電極層７２４を形成する。この後、第１孔部７０２に接続する第２孔部７０３を形成する。この後、第１孔部配線７０４に接続する第２孔部配線７０６および裏面配線層７０７を形成する。このようにすることで、基板貫通ヴィアの微細化を図りながら、回路に使用されるキャパシタの高密度化をも図ることができる。また、プロセスを短縮化することができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、表面保護やエッチングストッパとして、基板の主表面，裏面、または各孔内に、ＳｉＯ₂，ＳｉＮおよび、有機材料からなる保護膜が形成されていてもよい。

１０１…基板、１０１ａ…主表面、１０２…第１孔部、１０３…第２孔部、１０４…第１孔部配線、１０５…表面配線層、１０６…第２孔部配線、１０７…裏面配線層。

Claims

基板の回路が形成される主表面側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに形成された第１孔部と、
前記基板の裏面側から形成されて前記第１孔部に接続する第２孔部と、
前記第１孔部の内部に形成された第１孔部配線と、
前記第１孔部配線に接続して前記基板の主表面側に形成された表面配線層と、
前記第２孔部の内部に前記第１孔部配線に接続して形成された第２孔部配線と、
前記第２孔部配線に接続して前記基板の裏面側に形成された裏面配線層と
を少なくとも備えることを特徴とするヴィア構造。
請求項１記載のヴィア構造において、
前記第１孔部に接触する前記表面配線層で構成されたランドメタル層を備えることを特徴とするヴィア構造。
請求項１または２記載のヴィア構造において、
前記第１孔部の孔径は、２〜２０μｍであることを特徴とするヴィア構造。
基板の回路が形成される主表面側から所望の孔径の範囲で形成可能な深さに第１孔部を形成する第１工程と、
前記第１孔部の内部に第１孔部配線を形成する第２工程と、
前記基板の主表面側に前記第１孔部配線に接続する表面配線層を形成する第３工程と、
前記基板の裏面側から前記第１孔部に接続する第２孔部を形成する第４工程と、
前記第２孔部の内部に前記第１孔部配線に接続する第２孔部配線を形成する第５工程と、
前記基板の裏面側に前記第２孔部配線に接続する裏面配線層を形成する第６工程と
を少なくとも備えることを特徴とするヴィア構造の作製方法。
請求項４記載のヴィア構造の作製方法において、
前記第１工程では、前記第１孔部とともに素子間分離のための溝部を形成することを特徴とするヴィア構造の作製方法。
請求項４記載のヴィア構造の作製方法において、
前記第１工程では、前記第１孔部とともにキャパシタを構成する溝部を形成することを特徴とするヴィア構造の作製方法。