(57)【要約】【課題】ウエハを張り合わせて高集積デバイスを製造するためにウエハを貫通する電極を形成する。その製造工程を広い性能水準で評価するために共通に使用できるウエハ、即ちテストウエハが必要であった。【解決手段】工程の広い性能水準を評価できるように、孔の形や深さ、底面の形、設計仕様を表す文字の入れ方を貫通電極の工程の特徴を踏まえて設計した。そのために、トレンチのパターンと孔の混在、丸から多角形・四角までの平面形状、異なる深さ、丸い底面を持つテストウエハを発明した。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハであって、当該シリコンをエッチングした孔が作製されてあって、当該孔が複数の異なる平面パターンを有してあって、孔の平面パターンの幅Ｗと隣同士のパターンの間隔Ｓが最低でも２μｍ以上であって、当該孔の深さが異なる深さでエッチングされていることを特徴とするシリコンウエハである。
【請求項２】
上記孔の平面パターンが四角に加えて、四角の隅を面取りして丸くした形、正多角形の形、丸の形のいずれか、またはこれらの混合したパターンを配置していることを特徴とする請求項１記載のシリコンウエハ。
【請求項３】
上記孔の底面が丸くなっていることを特徴とする請求項１ないし２記載のシリコンウエハ。
【請求項４】
上記パターンが孔パターンに加えてトレンチパタンを有することを特徴とする請求項１〜３記載のシリコンウエハ。
【請求項５】
上記孔の隣同士の位置が幅Ｗより小さい一定の刻みでずらして並ばせたことを特徴とする請求項１〜４記載のシリコンウエハ。
【請求項６】
上記幅Ｗと間隔Ｓが一定の孔が並ぶ領域の傍にその一定値を表す文字が形成してあり、その一定値の値が一定方向に増加または減少するように並べてあることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウエハ。
【請求項７】
上記シリコンウエハが直径３００ｍｍであり、（１００）が主面であることを特徴とする請求項１〜６記載のシリコンウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
機能の違うデバイスを集積するシステムＬＳＩがある。機能の違うデバイスにはＣＰＵ、キャシュメモリー、ＦＰＧＡ、不揮発性メモリ（フラッシュメモリー、ＭＲＡＭ、ＦｅＲＡＭ、ＰＲＡＭなど），パワーデバイス、ＲＦアナログデバイス、発光受光デバイス、撮像デバイス、センサーデバイス、ＭＥＭＳデバイスなどがある。
【０００２】
これらは、違う電位や電圧領域、違う設計ルール、違う製造装置を用いるので、同じ製造プロセスで作ることはできず、システムＬＳＩの機能と性能には限りがある。
【０００３】
ウエハの表と裏が電極で接続されて、基板ウエハと電極が絶縁されるなら、チップの積層によりさらに違うルールの機能デバイスを一つの配線デバイスに積層できる。これを発展させると３次元に積層された機能デバイスは人工知能デバイスと同じくらいの機能をもつことができるであろう。ＲＦ通信でつながる人工知能ロボットが近未来に可能になる可能性がある。発明のニーズは設計や製造ルールの異なる機能デバイスを積層することである。
【０００４】
チップに切断してからチップを重ねる考えがある。これだと積層デバイス当たりの工数が多くなるので安価な製造はできない。そこで、ウエハを厚み方向に貫通する孔を開けて、これに金属を充填してウエハを貫通する電極（貫通電極という）をつくり、この貫通電極同士で２枚あるいはそれ以上のウエハを重ねて電極を接続させるウエハ積層方法が提案された。これは３次元実装の一つである。この方法でメモリーデバイスを積層する開発が行われている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００５】
それの図２の主要部を書き写して図１１に示した。この例では汚染原因となる恐れのある金属を使わず、その代わりにドープしたポリシリコンが用いられた。ＤＲＡＭの積層などには十分な低抵抗が得られたと記述されている。
【０００６】
しかし、導通時の抵抗を小さくさせる必要のあるデバイスを積層するには、ポリシリコンでなく金属を充填した貫通電極を作製する必要がある。そのためには、金属の拡散をブロックする絶縁膜を貫通電極の孔の内壁に低温で成長させることが試みられている（例えば、特許文献１を参照）。貫通電極の工程性能を比較評価することが開発のために必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１０７５８貫通電極を形成した半導体装置及びその製造方法
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】沖テクニカルレビユー（ｐ６６，第２１１号Ｖｏｌ．７４  Ｎｏ．３、２００７年１０月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
貫通電極はデバイス作製の終ったシリコンウエハを貫通させて作る。最適な工程条件を見出すための開発段階では工程毎の性能試験が必要である。貫通電極を作った後のウエハ断面の模式図を図１に示す。デバイスが作られた表面に貫通電極を形成している。
【００１０】
この例では電極の大きさは２０μｍ，深さは５０μｍである。金属がシリコンウエハの中に拡散しないように絶縁膜を貫通孔の内壁に形成する。その後バリアーメタルを形成する。その後、銅（Ｃｕ）をめっきで埋め込む。表の銅とバリアーメタルを化学機械研磨（ＣＭＰという）で平坦に除去し、裏面のシリコンを研削する。表と裏に貫く貫通電極（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａともいう）が形成される。
【００１１】
これらの工程の性能を調べて、ＴＳＶの設計ルールが決められる。工程性能を調べるために、商品全体の工程を行うのでなく、目的の工程の性能のみを知るためのウエハが作られる。このウエハをテストウエハという。貫通電極のテストウエハの製造工程の模式図を図２に示す。
【００１２】
最初に（Ａ）シリコンウハにレジストでパターンを形成する。次に（Ｂ）シリコンをエッチングする。次に（Ｃ）バリアーメタル膜を形成する。次に（Ｄ）ＣｕめっきでめっきＣｕ膜を形成する。よく埋まるように一般的に１０μｍ以上の厚みでめっきＣｕ膜を形成する。次に（Ｅ）めっきＣｕとバリアーメタルのＣＭＰを行い平坦な表面にする。次に（Ｆ）ウエハ裏面を研削して裏面に電極を露出させる。
【００１３】
貫通電極の不具合の典型例を図３に示す。シリコンウエハ１にＤ１の深さの貫通電極３とＤ２の深さの貫通電極４がある。貫通電極３のパターン幅Ｗ１は貫通電極４の幅Ｗ２より小さい。Ｄ１はＤ２より浅い。貫通電極３には不具合のバリアーメタル膜の薄い角の部分がある。また不具合の空洞５がある。これらの不具合の発生をテストするのが貫通電極テストウエハである。
【００１４】
テストウエハにおける課題の一つは、ウエハ毎に異なる深さを持つ貫通電極孔を開けたテストウエハを用い、工程に使用する装置の条件を変えた場合のバリアーメタル付着性能とＣｕめっきの埋め込み性能を評価したい時や、最適な条件を見出したい時等で、装置の性能がウエハ処理枚数に依存して変化することがある（これをローディング効果という）。また制御できてない理由により性能が変化してしまうために、貫通電極孔の仕様別データの単純比較ができない。
【００１５】
課題の二つ目はバリアーメタルをスパッタリングで形成するとき、孔の形が四角いために、４隅の角の部分の厚みが薄くなることである。
【００１６】
課題の三つ目は底面と側壁が直角であるために、角の部分の厚みが薄くなることである。これらバリアーメタルの薄い部分は電気抵抗が高いので、Ｃｕの電解めっき時、Ｃｕのめっき速度が遅れて成長不足が生じる。それが原因で貫通電極のＣｕ内部に空洞が生じることがある。これはテストウエハの不良品である。
【００１７】
テストウエハは工程の性能を調べるものなので、全部でなくても一部の仕様で電極の埋め込み特性が完全である必要がある。商品としてのデバイスの製造では最良の結果になるように仕様は統一されて一定の形、一定の設計ルール、一定の製造方法が用いられ、全ての貫通電極が完全に仕上がる。これに対して、テストウエハは異なるパターンサイズ、異なる設計ルールに対して、その全てのものを最適化できない製造装置と製造条件の組み合わせであっても、被覆性・埋め込み性の良好な結果が一部で得られるように製造することが求められる。
【００１８】
パターンの中にはリング状のものがある。例えば０（ゼロ）のような文字情報である。実際の商品では、価値を生み出さない文字を入れることは無いが、テストウエハでは設計仕様が分かる文字を配置する。
【００１９】
貫通電極の加工では特別なことが起きる。ウエハの表裏を研削するとリングの中の島状シリコンが抜けて落ちることがある。パターンの仕様を示す数字や文字情報はパターンの傍に上記抜け落ちが起きないように配置する必要がある。
【００２０】
実際の商品ではウエハを割って断面を調べることは定常的には行っていない。しかし、テストウエハでは埋め込みや被覆性を調べる時、断面を観察する。断面はウエハを割って作る。このとき必ず、作製した孔パターンに断面が当たる必要がある。肉眼で割る場所が分かる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
貫通電極を形成するまでのテストウエハの各工程、即ち（Ａ）パターン形成、（Ｂ）シリコンのエッチングと洗浄、（Ｃ）バリアー膜の成長、（Ｄ）銅のめっき、（Ｅ）銅の高速化学機械研磨（ＣＭＰ）（Ｆ）シリコンの裏面研磨を確実に行うための製造余裕を与え、かつ孔の設計仕様別のデータ比較を確実に行うことが必要である。また確実に貫通電極が仕上がる設計仕様の部分が必要である。
【００２２】
まず、課題の解決手段の一つは、異なる形状と深さの孔を１枚のウエハに作製することである。それは、パラメータとして変化させる孔またはトレンチの幅Ｗ、またはそれに対して異なる密度になるように隣り合うパターン同士の間隔Ｓを変化させたパターンを１枚のウエハに配置し異なる深さにエッチングして製造することである。それらの仕様の中には確実に貫通電極が製造できる余裕のある仕様が必要である。
【００２３】
課題の２つ目である四角い孔の角のバリアーメタル膜が薄くなることを解決する手段は四角い角を発生させない平面設計を加えることである。９０度に交差しないように、四角のパターンに加えて、角の面取りをした孔パターン、正多角形の孔パターン、確実に角のない丸い孔パターンを仕様として加えて同じ一枚のウエハに配置する。
【００２４】
課題の３つ目である孔底の角のバリアーメタルが薄くなることを解決する手段は角が出来ないように孔底の角を丸くすることである。丸くするには、エッチングの最後を異方性からの等方性に切り替えることで、それが可能である。
【００２５】
確実に割って断面を見ることができる方法は四角い孔ではなく、一辺が長い長方形、即ち、トレンチのパターンを配置することである。長手方向を肉眼で分かるように、例えば１ｍｍの長さのトレンチのパターンを配置する。長手方向と直角に割ることで、孔の断面形状をみることができる。このとき、ウエハの容易    劈開面（100）が長手方向と直角になるようにパターンを配置する。
【００２６】
リングパターンを使わずに文字を形成する方法は孔を並べて文字を描くことである。リングではない孔なら、ウエハ両面を研削したとき、リングの中の離れ小島が無いので小島のシリコンの抜け落ちがない。
【００２７】
貫通電極を用いるウエハの重ね合わせは、高集積デバイスで商品価値がでるので、特に３００ｍｍ以上のウエハで価値が生まれる。
【００２８】
そして、請求項１に係る発明はシリコンウエハであって、当該シリコンをエッチングした孔が作製されてあって、当該孔が複数の異なる平面パターンを有してあって、孔の平面パターンの幅Ｗと隣同士のパターンの間隔Ｓが最低でも２μｍ以上であって、当該孔の深さが異なる深さでエッチングされてあることを特徴とするシリコンウエハである。
【００２９】
請求項２に係わる発明は、上記孔の平面パターンが四角に加えて、四角の隅を面取りして丸くした形、正多角形の形、丸の形のいずれか、またはこれらの混合したパターンを配置してあることを特徴とする請求項１記載のシリコンウエハである。
【００３０】
請求項３に係わる発明は、上記孔の底面が丸くなっていることを特徴とする請求項１ないし２記載のシリコンウエハである。
【００３１】
請求項４に係わる発明は、上記パターンが孔パターンに加えてトレンチパタンを有することを特徴とする請求項１〜３記載のシリコンウエハである。
【００３２】
請求項５に係わる発明は、上記孔の隣同士の位置が幅Ｗより小さい一定の刻みでずらして並ばせたことを特徴とする請求項１〜４記載のシリコンウエハである。
【００３３】
請求項６に係わる発明は、上記幅Ｗと間隔Ｓが一定の孔が並ぶ領域の傍にその一定値を表す文字が形成してあり、その一定値の値が一定方向に増加または減少するように並べていることを特徴とする請求項１〜５記載のシリコンウエハである。
【００３４】
請求項７に係わる発明は、上記シリコンウエハが直径３００ｍｍであり、（１００）が主面であることを特徴とする請求項１〜６記載のシリコンウエハである。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１〜３に係わる発明によれば、大きさや深さの異なる孔が１枚のウエハに配置されてあり、その一部の仕様は膜の被覆率や電極の埋め込みに余裕があるように設計されているので、一枚のウエハで貫通電極の工程実力と良好な結果を生み出す仕様の範囲を評価することができる。
【００３６】
請求項４と５に係わる発明によれば、ウエハを割って断面を観察するだけで、確実にパターンのある場所にその断面が当たる。従って、ＦＩＢなどの高額の断面加工装置を使わなくとも当該テストウエハを用いて孔の断面を評価できる。
【００３７】
請求項６に係わる発明によれば、観察したい設計仕様の孔の場所が容易に見つけられる。観察する孔またはトレンチと同じ条件で文字と数字が作製されているので、それが消えることも無い。また、仕様は不規則に並べるのでなく、一定方向に数字が増えるか減るように並べると場所の発見が容易になる。
【００３８】
請求項７に係わる発明によれば、３００ｍｍのウエハでテストウエハが提供される。微細化が行き詰まってビット当たりのコストが低減しなくなったのは３００ｍｍの世代ウエハからである。ウエハ積層のための貫通電極ＴＳＶは３００ｍｍのウエハから価値を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は典型的な貫通電極（ＴＳＶ）の断面の模式図である。
【図２】図２は貫通電極形成の工程模式図である。
【図３】図３は貫通電極を形成したテストウエハの断面模式図である。
【図４】図４は孔のパターンとトレンチのパターンの仕様を表現する図である。Ｗはパターンの幅、Ｓは隣接パターンの間隔である。幅Ｗと間隔Ｓは２μｍから１００μｍまでの範囲から選ばれる。密度指標Ｓ／Ｗは選ばれた値により０．５から９まで変化させた。
【図５】図５は孔とトレンチのエッチ深さＤの幅Ｗ依存性である。
【図６】図６は貫通電極孔にバリアー膜を形成したテストウエハの平面模式図である。
【図７】図７は貫通電極の孔の平面模式図である。（Ａ）は四角、（Ｂ）は角を面取りした形、（Ｃ）は正多角形の形、（Ｄ）は丸の形である。
【図８】図８は底が丸い貫通電極を形成したテストウエハの断面模式図である。
【図９】図９は隣同士のパターンの位置を幅Ｗより小さい刻みで孔の位置をずらしたパターンである。
【図１０】図１０は貫通電極の平面パターンにブロック名を配置した平面パターンである。ブロック名は孔またはトレンチのパターンの仕様で形成する。
【図１１】図１１は貫通電極の従来技術である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、これら添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００４１】
第１の実施例を図４に示す。図４には四角トレンチと四角の孔のパターンの設計パラメータの値と配置を示した。Ｗはパターンの幅である。Ｓはその隣同士の間隔である。Ｓ／Ｗは密度指標である。図５にシリコンのエッチング実験結果を示す。
【００４２】
密度指標を一定として、Ｗを１０から３０μｍの間で変化させたときにエッチング深さＤは異なる。このウエハのエッチング深さは孔のＷにより異なる。幅Ｗを一定にすると密度が小さくなるに従い深いエッチング深さが実現した。密度１０以上に大きくした孤立パターンでさらに深い深さＤが実現した。
【００４３】
第２の実施例を図６と図７に示す。図６にはバリアーメタル膜６２を成長したときの膜厚分布を誇張して示した。四角い貫通電極の孔６１では角の四隅で薄いバリアーメタル膜６３ができた。同じパターン幅Ｗでも丸い貫通電極の孔６４では均一に角のないバリアーメタル膜６５が成長した。
【００４４】
従って、角が出来ないようにすることで、厚みの均一性が改善される。薄い部分は電気抵抗が高いので、Ｃｕのめっき厚みが薄くなったり、空洞５の原因になる。丸いパターンはマスク作製の電子ビームが作る最小単位としての四角いパターンを細かにする必要があるために、数〜数十μｍ以上の幅の大きな丸パターンを作製するのはコストの点で適さない。従って、角をなくする中間の形を設計した。
【００４５】
図７には採用した孔の形を示した。孔の形は（Ａ）四角に加えて、（Ｂ）角の面取りをした形、（Ｃ）正多角形の形、（Ｄ）丸の形を採用した。これによりバリアーメタル膜の被覆性の孔の形依存性を評価できる。丸は最も余裕のある形である。
【００４６】
第３の実施例を図８に示す。孔の底は丸い底面である。この形により底面と側壁が作る角の隅が無くなり、角の無いバリアーメタル膜８４が成長し被覆性が増した。底を丸くするために、異方性の強いエッチング条件、例えばボッシュエッチングの条件の後に、当方性のエッチング条件に切り替えることで可能である。
【００４７】
第４の実施例を図９に示す。トレンチ４２のパターンと孔４１のパターンが同一の領域（ここではブロック９１という）にある。隣り合う孔同士の位置がトレンチ４２の長手方向に孔の幅より小さい刻み９２だけずらす。トレンチ４２の長手方向に直角に割ることにより、断面はどれかの孔に必ず当たるので、孔の断面観察が必ず可能である。
【００４８】
トレンチは大きいので長手方向が肉眼で分かるので、割るべき場所と方向が判断できる。幅Ｗは２μｍを最小とした。コンタクトアライナーでもパターン転写が可能である範囲を選んだ。
【００４９】
第５の実施例を図１０に示す。幅Ｗと密度指標Ｓ／Ｗの設計値をブロック名１０１としてそのパターンの配置されたブロックの傍に配置する。このとき設計値が一定方向に増える、または減るように配置する。文字は孔の並びで表現する。リング状にならない文字はトレンチで表現しても良い。孔の幅はブロックの設計幅でもよいし、ウエハ全体の仕様の中で工程余裕のある値を選んでも良い。貫通電極は幅２０〜３０μｍで作られることが多いので、この幅の孔を選ぶのもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は貫通電極の製造工程に用いる製造装置の実力を測定する標準測定器となる。ウエハの張り合わせによる積層デバイスの製造技術の開発に貢献できる。
【符号の説明】
【００５１】
１  シリコンウエハ
２  バリアーメタル膜
３  貫通電極
４  貫通電極
５  空洞
４１孔
４２トレンチ
６１四角い貫通電極の孔
６２バリアーメタル膜
６３薄いバリアーメタル膜
６４丸い貫通電極の孔
８３貫通電極
８４角の無いバリアーメタル膜
９１ブロック
９２パターンずらし量
１０１ブロック名
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010287704.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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