(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを支持体とする基板上に、銅または銅合金によって形成される配線層と、前記支持体と前記配線層の間に絶縁層、保護層の順に形成されており、前記基板の表裏を貫通する穴が少なくとも１つ以上あり、貫通する穴の側壁には配線層と同じ銅もしくは銅合金によって導通が得られているシリコン配線基板において、
前記絶縁層が、二酸化ケイ素または絶縁性樹脂のいずれか一つにより形成されており、
前記保護層が、少なくともニッケルとホウ素を含む金属であり、保護層の厚さが配線層の厚さ以下で形成されており、
前記絶縁層と保護層の間に、シランカップリング剤を含む密着層が形成されており、
且つ、配線および電極が前記保護層によって覆われることなく少なくとも１つの面で露出していることを特徴とするシリコン配線基板。
【請求項２】
前記基板の少なくとも保護層が接触する部分の表面粗度がＲｚ＝１．５ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン配線基板。
【請求項３】
前記シリコン配線基板の表裏を貫通する穴の中が、銅または銅合金、錫を主体とする合金、導電性樹脂のいずれか一つを充填することにより基板の表裏を導通させることを特徴とする請求項１乃至２のどちらかに記載のシリコン配線基板。
【請求項４】
前記基板のいずれか一方の面には他の基板を実装するための接続用電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のシリコン配線基板。
【請求項５】
前記シリコン配線基板同士を積層する際に、半田電極を用いて少なくとも異なる基板の電極間の導通、もしくは基板間を固定させていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコン配線基板。
【請求項６】
前記シリコン配線基板同士を積層する際に、異方性導電フィルムを用いて異なる基板のパッド間の導通、もしくは固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコン配線基板。
【請求項７】
前記シリコン配線基板同士を積層する際に、前記基板に設けた接続用電極を他方の基板の接続用電極に接触させることで接続し、接続を必要としない部分に非導電性フィルムを充填することで、絶縁性及び基板間を固定させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のシリコン配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅配線を形成したシリコン基板上において銅がシリコン基板に直接接触して拡散しないよう、シリコン基板と銅配線の間に保護層を形成した配線基板の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の配線部分には、かつてアルミニウムが採用されていた。しかしながら、その導電性の面で高周波信号を使用することが困難であった。そこで次世代の配線金属が考えられ、代替材料として導電率が優れる銅が用いられるようになった。
【０００３】
しかし、シリコン基板上に銅配線を直接形成するとシリコン基板上に銅が拡散してしまい、本来なら配線間の絶縁層として使用するシリコン酸化膜が絶縁不良を起こしてしまうという問題があった。この問題を解決する手段として、シリコン酸化膜と銅配線の間に保護層を形成することで、銅配線がシリコン基板上に拡散することを防ぐことが可能になる。
【０００４】
従来、保護層として使用されるものとしてＴｉＮ、ＴａＮなどが挙げられるが、これらはスパッタリング法を用いてシリコン基板上に形成する工程が主である。
【０００５】
この方法で製造されるシリコン基板は、基板表面に配線を形成するだけか、表裏を導通させるためにビアが設けられていたとしても厚さはせいぜい５０μｍ程度でありビアへの配線形成に関して、スパッタリング法を用いて形成しても問題はなかった。
【０００６】
しかしながら、近年はシリコン基板の応用先が広がり始め、その中の一つとしてシリコンインターポーザが挙げられる。このシリコンインターポーザは基板そのものに剛性を持たせる必要があるため、その厚さが３００μｍから７００μｍという厚さが必要になる。
【０００７】
また基板の表裏を導通させることを目的とするインターポーザ基板であるため、その導通の役割を果たすビアの深くなってしまったことにより、従来のスパッタリング法ではビア内、特にビア底に均一に金属を堆積させることが困難になってしまった。
【０００８】
一方で、従来用いられていたＴｉＮやＴａＮなどは配線として用いられる銅との密着強度が弱く、抵抗値も高くなってしまうため配線材料としては適しにくいものであった。
【０００９】
これらの問題を解決するために、保護層をニッケルめっきによりその役目を果たすことを確認した報告があるが、これらはシリコン基板上におけるトレンチを使用した配線形成に特化したものであり、配線の底部、側面、また上部まで保護層を必要とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３５５４６６５号公報
【特許文献２】特許第３６５４３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、従来のスパッタリング法で形成することのできない深いビア、例えば２００μｍ以上の深さであるビアを持ったシリコン配線基板に対して、配線として用いられる銅との密着力が強く、導電性を損なわず、配線として用いられる銅がシリコン基板中に拡散することを抑制することを可能にするシリコン配線基板を提供するものである。
【００１２】
また、基板間の固定にはんだやフィルムを使用することで配線上の基板と接触していない面が他の基板のシリコンに接触しないことから拡散を懸念する必要が無いため、配線表面部に保護層を不要とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために請求項１に係る発明としては、シリコンを支持体とする基板上に、銅または銅合金によって形成される配線層と、前記支持体と前記配線層の間に絶縁層、保護層の順に形成されており、前記基板の表裏を貫通する穴が少なくとも１つ以上あり、貫通する穴の側壁には配線層と同じ銅もしくは銅合金によって導通が得られているシリコン配線基板において、前記絶縁層が、二酸化ケイ素または絶縁性樹脂のいずれか一つにより形成されており、前記保護層が、少なくともニッケルとホウ素を含む金属であり、保護層の厚さが配線層の厚さ以下で形成されており、前記絶縁層と保護層の間に、シランカップリング剤を含む密着層が形成されており、且つ、配線および電極が前記保護層によって覆われることなく少なくとも１つの面で露出していることを特徴とするシリコン配線基板である。
【００１４】
また、請求項２に係る発明としては、前記基板の少なくとも保護層が接触する部分の表面粗度がＲｚ＝１．５ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン配線基板である。
【００１５】
また、請求項３に係る発明としては、前記シリコン配線基板の表裏を貫通する穴の中が、銅または銅合金、錫を主体とする合金、導電性樹脂のいずれか一つを充填することにより基板の表裏を導通させることを特徴とする請求項１乃至２に記載のシリコン配線基板である。
【００１７】
また、請求項４に係る発明としては、前記基板のいずれか一方の面には他の基板を実装するための接続用電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のシリコン配線基板である。
【００１８】
また、請求項５に係る発明としては、前記シリコン配線基板同士を積層する際に、半田電極を用いて少なくとも異なる基板の電極間の導通、もしくは基板間を固定させていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコン配線基板である。
【００１９】
また、請求項６に係る発明としては、前記シリコン配線基板同士を積層する際に、異方性導電フィルムを用いて異なる基板のパッド間の導通、もしくは固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコン配線基板である。
【００２０】
また、請求項７に係る発明としては、前記シリコン配線基板同士を積層する際に、前記基板に設けた接続用電極を他方の基板の接続用電極に接触させることで接続し、接続を必要としない部分に非導電性フィルムを充填することで、絶縁性及び基板間を固定させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のシリコン配線基板である。
【発明の効果】
【００２１】
以上の発明を実施することにより、シリコンインターポーザ基板の保護層に従来よりも導電率良いニッケルを使用することができる。ただし、ニッケルは銅よりも導電率が低いため、少なくとも配線となる部分の半分以下がニッケルである必要があり、できればこの皮膜は保護層としての役割を果たす最低限の厚さであることが好ましい。
【００２２】
また、シリコン基板や半導体素子を重ねて実装しても導電率が下がることがないため、複数段重ねることが可能になり、半導体装置の小型化、省スペース化が可能になる。
【００２３】
また、シリコン基板上に配線層を形成する際に、従来はシリコン基板上へ半導体回路を形成することから、基板上が鏡面に仕上がっており、この表面に配線を形成しても密着力が低くすぐに剥離してしまうという問題があったが、少なくとも保護層が接触する面だけを粗化することで、配線とシリコン基板との接触面積が増え、密着力が向上する。
【００２４】
さらに、シリコン配線基板上に半導体回路を形成しないシリコンインターポーザ基板の用途であれば、基板全面を粗化することで対応が可能である。
【００２５】
このときの表面粗度はＲｚ＝１．５ｕｍ以上あれば、鏡面の場合の約６倍の密着力が得られる。この粗度は、例えばシリコンウエハの製造工程の途中である、化学的機械研磨の前工程の状態で使用することが可能であり、これにより工程削減も可能である。
【００２６】
これらは、シリコン配線基板上に開けられた穴の中に適用することも可能である。
【００２７】
また、絶縁層の上にシランカップリング剤を使用して有機単分子皮膜を形成することで、また、ニッケルとホウ素からなる保護層はめっき処理を施すことにより形成することが可能であり、さらに、このシランカップリング剤が絶縁性であれば、これを絶縁膜として使用することが可能であり、さらなる工程削減が可能となる。
【００２８】
また、シリコン配線基板を別のシリコン配線基板に実装・接続を行って使用する際には電極を形成する必要がある。このとき、配線上に保護層が存在すると実装の際に接続不良や接触抵抗による損失などが発生することから少なくとも他の基板と接続する面は保護層や絶縁層によって覆われないことが必要である。
【００２９】
この電極を用いて他のシリコン配線基板、もしくは有機配線基板に接続するための手法として、例えば半田を用いたり、異方性導電フィルムを使用する事で基板の固定と接続が行える。
【００３０】
さらに、基板を貫通する穴が存在する部分の基板表面を電極とする場合、接続の方法を半田とすれば、基板間を接続すると同時に穴の中に半田を充填し、フィリングを行うことも可能である。
【００３１】
また、シリコン配線基板上に微細配線が不要であればトレンチを形成する必要がなく、配線層や電極が一段高くなるように形成することができる。このように、電極を一段高い位置に形成することで、基板を重ね合わせたとき電極同士が接触して基板間の導通をとることが可能であり、他の部分には非導電性フィルムを充填することにより絶縁性が保たれる。この接続法においても、少なくとも電極同士が接触する面に保護層や絶縁層が存在すると導通をとることが困難になるため、配線層を露出しておく必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例であるビアを有するシリコン配線基板の概念図である。
【図２】本発明の一実施例であるビアと基板の一方の面に配線及び電極を有する半導体回路を形成させたシリコン配線基板の概念図である。
【図３】シリコン配線基板同士を半田を使用して導通をとった多層シリコン配線基板の概念図である。
【図４】シリコン配線基板と他のシリコン配線基板を非導電性フィルムを用いて接続した多層シリコン配線基板の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施例の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１に本発明の実施形態となるシリコン配線基板を示す。なお、図１においては省略しているが、実際にこの基板を使用する際は、少なくとも一方の面に基板を実装している。
【００３５】
シリコン配線基板は、シリコン支持体１にビア１０をあけたものである。ビアを開ける方法はレーザーエッチングやボッシュ法などがある。
【００３６】
ここに絶縁層２を形成するが、例えば絶縁層として二酸化ケイ素膜を形成する方法として、シリコン基板を焼成によって表面を酸化させたり、薬液を塗布することにより生成する方法が考えられる。さらに絶縁層として絶縁性樹脂、例えばポリイミドフィルムなどを積層することも考えられるが、材料がこれに限定されるものではない。
【００３７】
ここで形成される絶縁層表面の粗度はＲｚ=１．５ｕｍ以上あることで保護層や配線層との接触面積が増え密着力を増すことができる。粗化の方法としては物理研磨や化学研磨が考えられる。
【００３８】
次に、絶縁層の上に保護層３を形成する。保護層の主な目的は、この上に積層する配線層４が銅または銅合金である場合、銅または銅合金が支持体であるシリコンまたは絶縁層として設けた二酸化ケイ素膜に触れることにより、銅がシリコンの支持体に拡散して絶縁破壊することを防止するものである。
【００３９】
保護層は少なくともホウ素を含むニッケル金属皮膜で形成することによりこれが保護層となって銅または銅合金がシリコン中に拡散することを防ぐ。ニッケルとホウ素を含む金属を積層させるための方法としてはいろいろ考えられるが、高アスペクト比をもつビア内にも金属を析出させるためには、めっき法が最良であると考えられる。
【００４０】
図示はしないが、絶縁層と保護層の間にシランカップリング剤を用いて密着層を形成する。例えば３‐〔２‐（２‐アミノエチルアミノ）エチルアミノ〕プロピルトリメトキシシランや３−アミノプロピルトリエトキシシランを使用することで絶縁層と保護層の密着力を向上させることが可能であるが、これらの材料に限定されるものではない。
【００４１】
また、密着層に絶縁性のシランカップリング剤を使用することも可能である。例えば、ビニルエトキシシランやγ―メタクリロキシプロピリトリメトキシシランを使用することで、絶縁層の役割も果たし、また上記のような密着力の向上も図ることができる。
【００４２】
次に絶縁層の上に配線層４を形成するが、配線層は導電率を高くする必要があるため、銅または銅合金によって形成されることが望ましい。この配線の形成方法は保護層がニッケルであることからこれを給電層として電解銅めっきによって形成する方法が考えられる。
【００４３】
最後に図示はしないが、フォトリソグラフィー等によって不要な配線をエッチングにより除去し、必要な配線を残すことで配線基板が完成する。
【００４４】
また、保護層であるニッケル金属をシード層として、セミアディティブ法による配線形成も可能である。
【００４５】
また、図示はしないがビア１０は非貫通の状態で片面の配線形成を行い、裏面を研磨することで、非貫通のビアを裏面に露出させ目的の基板厚さにし、再び配線形成を行うことで完成させることができる。この裏面研磨は物理研磨や化学研磨のどちらでも良い。
【００４６】
貫通部５に関しては、必要に応じて導電性物質を充填することができる。
【００４７】
貫通部を充填させるものとしては、例えばめっきを用いれば配線層の形成と同時に銅または銅合金を充填することができる。また基板もしくは半導体装置を実装するときの半田を用いて充填することも考えられるし、印刷法などにより導電性樹脂を充填することも考えられる。
【００４８】
図２は、図１のシリコン配線基板の片面に半導体回路６を形成したものである。
半導体回路は例えば、トランジスタやダイオードを組み合わせたもの、機能を持たせた例としてメモリやＣＭＯＳ、ＣＰＵなどが考えられる。
【００４９】
図３は、シリコン配線基板を２段に重ねた多層シリコン配線基板である。基板間を導通および固定させるために配線層に設けた基板間の接続電極２２上に半田２１を搭載し、これを溶着させることにより基板間を導通および固定させる事が可能になる。
【００５０】
基板を接続したあとは、基板間に封止樹脂２３を充填することで、基板を固定することが可能になる。
【００５１】
図４はシリコン配線基板を２段に重ねたものであるが、上段が半導体素子を持ち合わせたシリコン配線基板である。基板間を導通する手段として、非導電性フィルム２４を使用した例である。
【００５２】
シリコン配線基板間の導通は、表面より一段高い位置に形成された電極部分を接触させることで行える。
【００５３】
非導電性フィルムの代わりに異方性導電フィルムを使用することも可能であり、また図３で使用した半田および封止樹脂を図４に適用することも可能であり、逆に図３において非導電性フィルムや異方性導電体を使用することができる。
【００５４】
図３、図４では基板または半導体素子を２段重ねた図であるが、段数が限定されるわけではなく何段でも重ねることは可能である。
【００５５】
また、すべての基板はシリコン基板に限らず、図示はしないが半導体装置を重ね合わせ、例えば、半導体装置がＣＰＵ、メモリ、ＣＭＯＳを積み重ねることでひとつの装置として完結するシステムインパッケージとしても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１    ・・・シリコン支持体
２    ・・・絶縁層
３    ・・・保護層
４    ・・・配線層
５    ・・・ビア貫通部
６    ・・・半導体回路（配線及び電極）
１０  ・・・ビア
２１  ・・・半田
２２  ・・・接続用電極
２３  ・・・封止樹脂
２４  ・・・非導電性フィルム
【図１】
0005560793.tif 000002
【図２】
0005560793.tif 000003
【図３】
0005560793.tif 000004
【図４】
0005560793.tif 000005