JP4323303B2

JP4323303B2 - 基板の製造方法

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Publication number: JP4323303B2
Application number: JP2003419970A
Authority: JP
Inventors: 英之和田; 龍夫末益
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2005183548A

Description

この発明は、シリコンＩＣチップなどを積層する高密度３次元実装あるいは配線に用いて好適な、基板の製造方法に関する。より詳しくは、配線を形成した基板の表裏面を電気的に接続するため当該基板の表裏を貫通して電気的に接続する配線を有するような基板（貫通配線基板）において、その表裏面を貫通する孔に充填された導電性材料（金属）が、この孔すなわち貫通配線部から脱落することを有利に防止し、よって貫通配線基板の耐久性を向上させ得る基板の製造方法に関する。

近年、ＣＰＵやメモリ、センサなど半導体デバイスのさらなる高速・高機能化、小型・軽量化を目指し、シリコン基板などを３次元方向に積層した３次元積層素子によるシステムの高密度実装が検討されている。かかる高密度実装を具現化する一つの手段として、シリコン基板をその厚み方向に貫通して電気的に接続すること、すなわち貫通配線を形成することが提案されている。貫通配線による高密度実装による利点としては次のことが挙げられる。まず、シリコン基板は機能素子と同材質であるから、かようなシリコン基板を３次元配線の基板材料に用いることは、熱収縮による歪を小さくすることができるだけでなく、優れた熱伝導性により、発熱の激しい素子（例えばＣＰＵやレーザダイオードなど）の実装にも優位である。また、単一の積層しないシリコンデバイス、例えばイメージセンサのように検出部の有効面積をできるだけ大きくしたい場合にも、貫通配線によりチップの裏面に端子を取り出すことでパッケージサイズを大幅に縮小できるという利点がある。

以上のような貫通配線を形成させたシリコン基板に関して、例えば、特許文献１に記載がある。この特許文献１には、シリコン、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの基板に、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（ディープ反応性イオンエッチング、以下、単に「ＤＲＩＥ」という。）法、ウェットエッチング法、マイクロドリル機械加工法などにより貫通孔または非貫通孔を形成し、次いで、この貫通孔または非貫通孔を形成した基板を、減圧状態で溶融金属槽に浸漬させて溶融金属をこの貫通孔または非貫通孔内に充填させた後、冷却固化することで貫通配線を形成させた基板が開示されている。

このような貫通配線基板を図３に断面図で示す。図３（ａ）において貫通孔近傍の要部を示すように、ＤＲＩＥ法により貫通孔が形成されたシリコン基板３１には、このシリコン基板の表裏面及び貫通孔に熱酸化法により電気絶縁層３２が形成されており、この電気絶縁層３２が形成された貫通孔に金属が充填されて貫通配線３３が形成されている。このシリコン基板の裏面には、同図（ｂ）に示すように、必要に応じて貫通配線と接続する外部配線３４が、ガラスなどによる固定基板３５とともに設けられる。
特開２００３−１６８８５９号公報

特許文献１に開示されているように、従来の貫通配線基板においては、基板の一方の面から他方の面まで貫通して形成された孔は、基板の厚み方向と垂直な面における径が、基板の厚み方向にわたって基板の表面における孔の開口径とほぼ同一の、円柱状をしている。すなわち、基板の厚み方向断面においては、貫通孔は表面部近傍における径と厚み方向中央部近傍における径が、ほぼ同じになっている。

このような貫通孔形状を有する基板に導電性材料を充填することにより、基板の表裏面を導通する貫通配線が形成されるのであるが、この貫通孔に充填された金属は、基板に用いられる材料であるシリコンやガラスなどと濡れ性が悪く、充填した後に固化した状態において、基板とは化学的にも引力的（分子間力、クーロン力）にも結合していない。したがって、基板と充填金属とは熱膨張係数が大きく異なることも要因となって、基板の使用時などにおける温度変化によっては、貫通孔に充填された配線金属が、その金属の融点以下であっても貫通孔から外部へ脱落しようとする場合があった。その結果、貫通配線が導通不良を来たすおそれがあった。

図４に、基板に設けた貫通孔の従来例を断面図で示す。同図（ａ）は、貫通孔ｈが基板３１ａで円柱形状になる例である。同図（ｂ）は貫通孔ｈが基板３１ｂの表面で孔径が小さい部分を有する形状の例であって、このような形状の貫通孔は、ＤＲＩＥ法により深堀エッチングを行う際に、エッチングにより形成された孔が一方の面から他方の面に到達した時点でエッチングを終了した場合に形成される。同図（ｃ）は、貫通孔ｈが基板３１ｃにおける一方の表面から他方の表面にかけて、孔径が直線的に減少する形状の例であり、例えばＤＲＩＥ法により深堀エッチングを行う際に、圧力条件を変動させた場合に形成される。同図（ｄ）は、貫通孔ｈが、その中央部近傍に段差を有する形状の例であり、小さな径のエッチングマスクを用いてエッチングし貫通孔を形成した後、大きな径のエッチングマスクを用いてこの貫通孔に深堀エッチングを基板３１ｄの厚み方向中央部まで行った場合に形成される。これら図４に示した従来の貫通孔では、金属を充填させた後においては、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、矩形断面の貫通孔形状（図５（ａ））では、基板の両面から充填金属が脱落するおそれがあり、また、図５（ｂ）〜（ｄ）に示した貫通孔形状では、充填金属が基板の一方の面から脱落するおそれがあった。

貫通配線基板は、自動車などの温度変化の激しい環境で用いられる可能性があり、また、パワー素子など発熱量の高いデバイスの高集積度化に活用される可能性があることから、環境温度が変動する場合においても、貫通孔から配線金属が脱落しないことが要求される。

そこで、この発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、基板に設けた貫通孔の形状に工夫を加えることにより、貫通孔に充填された配線金属が、この貫通孔から脱落することを防止することのできる基板の製造方法を提案することを目的とする

この発明の基板の製造方法においては、導電性材料を充填すべき貫通孔を形成する基板の製造方法において、基板の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の一方の面に開口を形成する工程と、前記開口に対しＤＲＩＥ法により他方の絶縁層に到達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔形成後、継続してエッチングを行い、前記他方の絶縁層の近傍に基板表面の孔径に比べてこの孔径が拡大している部分を、この基板に形成する工程とを備えることを特徴とする。

この発明により得られる基板は、基板に形成された貫通孔は、基板表面を除く厚み方向において、両面の孔径に比べて孔径が拡大している。このように配線用として基板に形成された孔について、基板表面の孔径に比べて拡大している部分を、基板の厚み方向に有することにより、この基板表裏面における孔径とは異なる径になる部分が、孔に充填された導電性材料の係止部となり、この導電性材料の移動を規制するから、環境の温度変化が生じても、貫通配線を形成する導電性材料が孔から脱落することを防止できる。

更に、上記形状になる孔を有する基板に導電性材料を充填して、基板の厚み方向に配線を形成した基板は、充填された導電性材料が環境温度の変動によらず脱落することを防止できるから、配線の信頼性の高い基板を得ることができる。

また、この発明は、導電性材料を充填すべき貫通孔を形成するに際して、基板の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の一方の面に開口を形成する工程と、前記開口に対しＤＲＩＥ法により他方の絶縁層に到達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔形成後、継続してエッチングを行い、前記他方の絶縁層の近傍に基板表面の孔径に比べてこの孔径が拡大している部分を、この基板に形成する工程とを備えることにより、この発明の、基板の厚み方向断面の孔径が基板表面の孔径に比べて拡大している部分を一箇所以上で有する孔形状になる基板を、容易に製造することができる。

図１に、この発明に従って得られる基板の一例を要部断面図で示す。図１（ａ）に示した基板においては、シリコンよりなる基板１１の表面にＳｉＯ２の絶縁層１２が形成されている。そして、この基板の一方の表面から他方の表面に向かう貫通孔が形成され、この貫通孔に導電性材料（金属）を充填することより貫通配線１３が形成されている。また、この基板１１の一方の面には、貫通配線１３と接続するように、外部配線となるＩ／Ｏパッド１４が、ガラスなどによる固定基板１５とともに設けてある。そして、この図１（ａ）に示した基板における貫通孔の形状は、図示したように基板の厚み方向断面において、Ｉ／Ｏパッド１４と接する部分より内側の領域において、貫通孔の径方向に拡大する部分を有している。

このように貫通孔が、基板の表面部以外の部分にて、その径方向に拡大する部分、換言すれば基板表面の孔開口径（孔径）よりも大きい部分を有していることにより、この孔に導電性材料を充填して固化してなる貫通配線１３は、この径方向に拡大した部分が、貫通孔と貫通配線１３との係止部となる。よって、貫通配線１３を構成すべく孔に空隙なく充填され、固化した金属は、たとえ基板と金属とに化学的、引力的な結合力がなくても、この係止部がストッパーの役割を果たすから、基板両面のいずれの方向に向けても移動することが抑止される。その結果、この充填された金属が脱落することを効果的に防止できる。

固定基板１５の材料は、シリコン、ガラス、金属板、樹脂、プラスチックスなど、用途に応じて適宜選択することができる。

また、Ｉ／Ｏパッド１４の材料には、典型元素金属、遷移金属など、電極に用いることができる公知の材料を用いることができる。

同図（ｂ）には、この発明に従って得られる基板の他の例を要部断面図で示す。同図の例は基板の一方の面（下面）に外部配線や固定基板を設けてない場合の例である。

同図（ｂ）の例では、シリコンよりなる基板１６の表面にＳｉＯ_２からなる絶縁層１７が形成されている。また基板１６の厚み方向中央部にＳｉＯ_２からなる絶縁層１８が形成されている。そして、この基板の一方の表面から他方の表面に向かう貫通孔が形成され、この貫通孔に導電性材料（金属）を充填することより貫通配線１９が形成されている。そして、この貫通孔は、基板の厚み方向中央部近傍において、表面の開口径よりも拡大している孔径の部分を有している。そして、このような形状になる貫通孔に導電性材料（金属）を充填することにより、貫通配線１８を形成すると、この孔の径拡大部分が係止部となって、図１（ａ）に示した例と同様に、孔に充填され、固化した導電性材料（金属）が基板の両面いずれかから脱落するのを防止することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）に示した実施例において、基板の厚み方向において孔径が拡大する部分のサイズと、基板表面における孔の開口径との関係は、図２に示すようになる。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）、（ｂ）に示した基板に対応し、金属を充填する前段階における基板を示している。

図２（ａ）の基板における基板表面における開口径をａ、孔径が拡大する部分の径をｂ、Ｉ／Ｏパッドの幅をｃすると、不等式ａ＜ｂ＜ｃの関係を満たすように、この孔径が拡大する部分を形成する。また、図２（ｂ）の基板における一方の基板表面における開口径をｄ、孔径が拡大する部分の径をｅ、他方の基板表面における開口径をｆとすると、ｄ≦ｆ＜ｅ又はｆ≦ｄ＜ｅの関係を満たすように、この孔径が拡大する部分を形成する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示した形状になる基板は、次のようにして形成することができる。まず、図１（ａ）に示した基板について説明する。

まず、シリコン基板１１を用意し、このシリコン基板１１に熱酸化法などにより表面にＳｉＯ_２の絶縁層１２を形成する。次いで、シリコン基板１１の一方の面に、Ｉ／Ｏパッド１４及び固定基板１５を設ける。この固定基板１５には、例えば、ガラス、シリコン基板、金属板などを用いることができる。次いで、シリコン基板１１の他方の面において、フォトリソグラフィー法によりＳｉＯ_２絶縁層１２に、貫通孔を形成するため開口を選択的に形成する。次いで、ＳｉＯ_２絶縁層１２をエッチングマスクとして用い、形成した開口に対し深堀エッチングを行って、シリコン基板１１に貫通孔を形成する。この深堀エッチングには、既に述べたＤＲＩＥ法を用いることができる。なお、ＤＲＩＥ法は、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜とを交互に行うことにより（Boschプロセス）、シリコン基板を深堀エッチングすることができるものである。

このＤＲＩＥ法による深堀エッチングの際、シリコン基板をその厚み方向にエッチングしていくと、孔は、開口が形成された面から他方の面のＳｉＯ_２絶縁層まで達する。ここにおいて、従来法における貫通孔の形成の場合は、この他方の面のＳｉＯ_２絶縁層と接する部分の孔径が、一方の面の孔開口径とほぼ同じになった時点でエッチングを終了していた（これを「ジャストエッチング」という。）。これに対して、この発明に従い基板を製造する場合は、ジャストエッチングになってもエッチングを終了せず、さらにエッチングを続ける（これを「オーバーエッチング」という。）。そうすると、ＳｉＯ_２保護膜により厚み方向のエッチングが抑制されるため、このＳｉＯ_２保護膜よりも内側のシリコン基板部分が、貫通孔の径を拡大するようにエッチングされる。このようにして、深堀エッチング法を用いたオーバーエッチングにより、基板両面の孔開口径に比べて大きな径になる部分を形成することができる。

オーバーエッチングの後は、孔底に相当する部分のＳｉＯ_２絶縁層を除去して孔を貫通させ、次いで、熱酸化法などにより貫通孔側面及び基板表面にＳｉＯ_２絶縁層を形成してから、貫通孔に金属を充填する。以上のような工程により、図１（ａ）に示した基板が得られる。

次に、図１（ｂ）に示した形状になる基板は、次のようにして形成することができる。まず、シリコン基板１６を２枚用意し、このシリコン基板１６のそれぞれについて、熱酸化法などにより表面（両面）にＳｉＯ_２の絶縁層１７を形成する。次いで、これらの２枚のシリコン基板１６を厚み方向に接合する。この接合法には、例えば、陽極接合法を用いることができる。次いで、シリコン基板１６の両面それぞれにおいて、フォトリソグラフィー法によりＳｉＯ_２絶縁層１７に開口を選択的に形成する。この開口は、貫通孔を形成するためのものであるから、両面の開口は貫通孔を形成する位置に位置合わせしてある。次いで、シリコン基板表面のＳｉＯ_２絶縁層１７をエッチングマスクとして用い、上記開口から、厚み方向中央部に向けた深堀エッチングを行う。この深堀エッチングは、ＤＲＩＥ法を用いることができる。

エッチングを行う基板は、上述のようにＳｉＯ_２絶縁層を表面に被成したシリコン基板２枚を接合して形成されているから、厚み方向中央部には、接合したときのＳｉＯ_２絶縁層１８が存在している。したがって、このＤＲＩＥ法により基板の厚み方向にエッチングを行って、孔がこの厚み方向中央部のＳｉＯ_２絶縁層に達すると、このＳｉＯ_２絶縁層１８の存在により、これより先へは厚み方向へ孔が形成されない。この状態でエッチングを継続すると（オーバーエッチング）、厚み方向中央部のＳｉＯ_２絶縁層１８近傍のシリコン基板１６部分が、貫通孔の径を拡大するようにエッチングされる。このようなオーバーエッチングを、両面の表面から厚み方向中央部までそれぞれ行うことにより、厚み方向中央部に、基板両面の孔開口径に比べて大きな径になる部分を形成することができる。

オーバーエッチングの後は、孔における厚み方向中央部のＳｉＯ_２絶縁層を除去して孔を貫通させ、次いで、熱酸化法などにより貫通孔側面及び基板表面にＳｉＯ_２絶縁層を形成してから、貫通孔に金属を充填する。以上のような工程により、図１（ｂ）に示した基板が得られる。

なお、図１（ｂ）に示した例では、２枚の基板を貼り合わせているが、３枚以上の基板を厚み方向に貼り合わせて、この発明に従い基板を得ることもできる。

また、図１（ｂ）に示した形状になる基板を製造する別の方法としては、次のものがある。この方法は、要するに２枚のシリコン基板を用意し、各シリコン基板にオーバーエッチングを行って貫通孔を形成した後に、この２枚のシリコン基板を接合する方法である。

まず、シリコン基板１６を２枚用意し、このシリコン基板１６のそれぞれについて、熱酸化法などにより表面（両面）にＳｉＯ_２の絶縁層１７を形成する。次いで、それぞれのシリコン基板１６について、フォトリソグラフィー法によりＳｉＯ_２絶縁層１７に開口を選択的に形成する。この開口は、貫通孔を形成するためのものである。次いで、各シリコン基板表面のＳｉＯ_２絶縁層１７をエッチングマスクとして用い、上記開口から、厚み方向に深堀エッチングを、例えば、ＤＲＩＥ法により行う。

深堀エッチングを行うことにより孔が他方の表面に形成されているＳｉＯ_２絶縁層に達してもエッチングを継続する（オーバーエッチング）。かくして、このＳｉＯ_２保護膜よりも内側のシリコン基板部分が、貫通孔の径を拡大するようにエッチングされ、換言すれば、深堀エッチング法を用いたオーバーエッチングにより、基板両面の孔開口径に比べて大きな径になる部分が形成される。

オーバーエッチングの後は、孔底に相当する部分のＳｉＯ_２絶縁層を除去して孔を貫通させ、次いで、熱酸化法などにより貫通孔側面及び基板表面にＳｉＯ_２絶縁層を形成する。

このような工程を経た２枚のシリコン基板を、貫通孔の位置を合わせて接合する。この接合法には、例えば、陽極接合法を用いることができる。次いで、貫通孔に金属を充填することにより、図１（ｂ）に示した基板が得られる。

ＤＲＩＥ法による深堀エッチングを行って、図１に示したような、基板の厚み方向断面の孔径が基板表面の孔径に比べて拡大している部分を有する孔形状の貫通孔を形成するのに活用できる、オーバーエッチングの好適な条件について説明する。

図６（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示した形状になる基板を製造する過程を時系列的に示す断面図である。既に説明したように、シリコン基板１１の表面にＳｉＯ_２の絶縁層１２を形成し、このＳｉＯ_２絶縁層１２に開口を選択的に形成する（図６（ａ））。このシリコン基板の厚みをｔとする。次いで、ＳｉＯ_２絶縁層１２をエッチングマスクとして用い、形成した開口に対しＤＲＩＥ法により深堀エッチングを行って、シリコン基板１１に貫通孔を形成する（（図６（ｂ））。この貫通孔の開口径をａとする。ジャストエッチングになってもエッチングを終了せず、さらにエッチングを継続し（オーバーエッチング）、ＳｉＯ_２保護膜よりも内側のシリコン基板部分に、基板両面の孔開口径に比べて大きな径になる部分を形成する（（図６（ｃ））。この拡口部の径をｂとし、Ｉ／Ｏパッドの幅をｃとする。

ＤＲＩＥ法による基板厚み方向のエッチングレートをＥ_１とし、エッチングにより孔底部の孔径が、開口部の孔径ａと同じになるまでのエッチング時間（ジャストエッチング時間）をｙ_１とすると、ｔ＝Ｅ_１ｙ_１の関係が成り立つ。

このエッチングを継続すると、孔底部にはＳｉＯ_２絶縁層１２を有することにより、厚み方向のエッチングがストップし、孔底部近傍の孔側壁部がエッチングされるようになる。この側壁方向へのエッチングレートをＥ_２とし、エッチングの開始から拡口部の径がｂとなるまでのエッチング時間（全エッチング時間）をｙ_２とすると、ｂ＝Ｅ_２（ｙ_２−ｙ_１）＞０となる。よって、拡口部の径がｂとなる基板を得るためには、ｙ_２＞ｙ_１すなわち、ジャストエッチングよりも長時間エッチングを行う必要があり、かつ、ｂ＝Ｅ_２（ｙ_２−ｙ_１）＞０を満たす条件でエッチングを行う必要がある。

また、Ｉ／Ｏパッド１４を、貫通孔に充填した金属と接続する場合には、上記した拡口部の径ｂは、Ｉ／Ｏパッド１４の幅ｃよりも小さくなければならない。したがって、ｃ＞ｂ＝Ｅ_２（ｙ_２−ｙ_１）＞０の条件を満足する必要がある。この不等式から、全エッチング時間の上限が定まる。すなわち、ｙ_２＜ｃ／Ｅ_２−ｔ／Ｅ_１となる条件でエッチングを行うことが肝要である。なお、Ｅ_１、Ｅ_２は、装置、エッチング条件で決まる値である。

この発明は、上述した実施例に限定されず、幾多の変形が可能である。

例えば、貫通孔の開口形状、すなわち、基板の平面図における孔の開口形状は、楕円形を含む円形ばかりでなく、三角形、四角形あるいはそれ以上の多角形など、形状は問わない。

また、貫通孔を設ける基板は、シリコン以外にも、ガラス、セラミックス、金属など、基板として用いられるものであれば材料を問わない。

また、貫通孔は、基板表面に対して垂直方向に設けられた孔ばかりでなく、インターポーザー等の用途として、基板表面に対して０〜９０°の角度をなす、いずれの方向に形成された孔についてこの発明に従う孔形状を適用することができる。

また、貫通孔に金属を充填する方法は、溶融金属吸引法やめっき法が代表的な方法であり、この発明の基板を製造する際には、上記の方法のいずれを用いても良い。また、従来公知の他の方法を用いることもできる。

また、シリコン基板の表面に形成させる絶縁層は、ＳｉＯ_２絶縁層に限定されず、例えば、ＳｉＮ層など、誘電率が高いものを用いることもできる。

この発明に従って得られる基板の一例を示す要部断面図である。この発明に従って得られる基板に設けられた貫通孔のサイズを説明する図である。従来の貫通配線基板の要部を示す断面図である。従来の貫通孔の形状例を示す断面図である。従来の貫通孔に充填された金属の脱落例を説明する断面図である。この発明に従う基板の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１１基板
１２絶縁層
１３貫通配線
１４Ｉ／Ｏパッド
１５固定基板

Claims

導電性材料を充填すべき貫通孔を形成する基板の製造方法において、
基板の表面に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の一方の面に開口を形成する工程と、前記開口に対しＤＲＩＥ法により他方の絶縁層に到達する貫通孔を形成する工程と、貫通孔形成後、継続してエッチングを行い、前記他方の絶縁層の近傍に基板表面の孔径に比べてこの孔径が拡大している部分を、この基板に形成する工程とを備えることを特徴とする基板の製造方法。