(57)【要約】 【課題】  導電性に優れ、導電性にばらつきのない貫通電極を安定して形成することのできる貫通電極形成方法を提供する。【解決手段】  基板２１の一方の面に開口部２４ａを有し、基板２１内部に底部２４ｂを有する非貫通孔２４を形成し、非貫通孔２４に臨む基板２１の内壁に絶縁膜２６を形成する。ここで、非貫通孔２４は、非貫通孔２４の底部２４ｂに臨む基板２１の面積が、開口部２４ａの面積よりも大きくなるように形成される。次いで、絶縁膜２６が形成された非貫通孔２４に導体である導電プラグ３５ａを充填し、基板２１の他方の面を導体である導電プラグ３５ａが外方に露出するまで後退させる。【選択図】      図１Ｂ
2006165112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を貫通する貫通電極の形成方法において、
基板の一方の面に開口部を有し、基板内部に底部を有する非貫通孔を形成する非貫通孔形成工程と、
非貫通孔に臨む基板の内壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
絶縁膜が形成された非貫通孔に導体を充填する導体充填工程と、
基板の他方の面を、導体が外方に露出するまで後退させる貫通孔形成工程とを含み、
非貫通孔は、
非貫通孔の底部に臨む基板の面積が、開口部の面積よりも大きくなるように形成されることを特徴とする貫通電極の形成方法。
【請求項２】
非貫通孔は、
非貫通孔の底部に臨む基板の面が、略円形状になるように形成されることを特徴とする請求項１記載の貫通電極の形成方法。
【請求項３】
非貫通孔は、
非貫通孔に臨む基板の内壁から非貫通孔内部に向かうベクトルであって、基板の一方の面に垂直な仮想断面において、非貫通孔の底部周縁部と、前記非貫通孔の底部周縁部と連なって形成される基板の内壁面の非貫通孔の開口部周縁部とを結ぶ仮想平面の法線単位ベクトルと、
基板の一方の面から外方に向かうベクトルであって、基板の一方の面の法線単位ベクトルとの内積が、−０．５以上−０．０３４以下となるように形成されることを特徴とする請求項１または２記載の貫通電極の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の貫通電極の形成方法を用いる半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置であって、
半導体基板の半導体素子が形成される側の面である一方の面から一方の面と反対側の他方の面に向かって半導体基板を貫通する貫通電極と、
貫通電極と半導体基板との間に設けられる絶縁膜とを含み、
絶縁膜は、
半導体基板の厚み方向に垂直な仮想平面における断面積が、半導体基板の一方の面から他方の面に向かうのに伴って大きくなり、
貫通電極は、
半導体基板の一方の面を含む仮想平面における面積と、半導体基板の他方の面を含む仮想平面における面積とが略等しいことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通電極形成方法およびそれを用いる半導体装置の製造方法、ならびに該方法によって得られる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ、通信機器などの電子機器には、多数のトランジスタ、抵抗などの素子が半導体基板上に集積形成される半導体装置が搭載される。このような半導体装置の性能は、電子機器全体としての性能に大きく影響する。
【０００３】
近年では、半導体装置は携帯電話機などの携帯情報機器に代表される電子機器にも搭載される。このような携帯情報機器などの電子機器は、小型化および軽量化が要求されており、電子機器に搭載される半導体装置についても、小型化および高密度化が図られている。半導体装置を小型化および高密度化するために、複数の半導体装置を積層したマルチチップ半導体装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。マルチチップ半導体装置は、平面面積が小さく、構造が単純で、かつ厚さが薄いので、さらに開発が進められている。
【０００４】
図１２は、マルチチップ半導体装置１の構成の一例を簡略化して示す断面図である。マルチチップ半導体装置１は、複数（図１２においては３つ）のチップ２が積層されて構成される。各チップ２は、それぞれ、表面に不図示の素子が集積形成された半導体基板３と、半導体基板３上に集積形成された素子の表面に形成される層間絶縁膜４と、半導体基板３を貫通する貫通孔内に形成され、チップ２同士を電気的に接続する貫通電極５とを含む。半導体基板３と貫通電極５との間には、側壁絶縁膜６が形成され、半導体基板３と貫通電極５とが絶縁されるようになっている。半導体基板３の層間絶縁膜４が設けられる側と反対側の表面には、裏面絶縁膜７および不図示の裏面配線が形成される。このようなマルチチップ半導体装置１では、各チップ２に設けられる貫通電極５と、貫通電極５同士を接続するバンプ電極８とによって、チップ２同士が電気的に接続される。
【０００５】
このようなマルチチップ半導体装置１に含まれるチップ２は、次のような手順で製造される。まず、ウエーハ状の半導体基板３の一方の面に素子を集積形成し、該集積形成された素子の表面に層間絶縁膜４を形成し、半導体基板３の素子が形成される側の面（以後、主面と呼ぶことがある）側から、半導体基板３を貫通しない非貫通孔を形成する。次いで半導体基板３の非貫通孔に臨む内壁に側壁絶縁膜６を形成し、側壁絶縁膜６が形成された非貫通孔内部に導電性の材料を充填する。その後、半導体基板３の主面と反対側の面である他方の面（以後、裏面と呼ぶことがある）を機械研削などにより研磨して後退させ、充填した導電性の材料を半導体基板３の裏面において外方に露出させ、貫通電極５を形成する。次に、貫通電極５が形成された半導体基板３の裏面に、裏面絶縁膜７および裏面配線を形成する。このようにして電極、絶縁膜などが形成されたウエーハ状の半導体基板３を切断し、チップ２を切り出す。
【０００６】
ここで、側壁絶縁膜６は、たとえば、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着法）を用いてシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を半導体基板３の非貫通孔に臨む内壁に成膜することによって形成される。しかしながら、このようなＣＶＤ法による側壁絶縁膜６の形成は、成膜に時間がかかり、製造原価の増加につながる。したがって、低コストで容易に側壁絶縁膜６を形成する方法として、孔版印刷法、スプレー法などを用いて絶縁材料を半導体基板３の非貫通孔に臨む内壁に塗布する方法が用いられている。
【０００７】
図１３は、非貫通孔１１ａ，１１ｂに、絶縁膜１３ａ，１３ｂおよび貫通電極１４ａ，１４ｂを形成する方法を説明するための図である。以下特定の非貫通孔および絶縁膜を指定して説明する場合を除いて、アルファベットを省略して記載する。孔版印刷法、スプレー法などによって絶縁材料を非貫通孔１１に臨む半導体基板１２の内壁に塗布する際、非貫通孔１１は通常、図１３（ａ）に示すように、開口部の面積と非貫通孔１１の底部に臨む基板（以後、非貫通孔１１の底部と呼ぶことがある）の面積とがほぼ等しくなるように形成される。
【０００８】
このような非貫通孔１１に臨む半導体基板１２の内壁（以後、非貫通孔１１の内壁と呼ぶことがある）には、孔版印刷法、スプレー法などによって、樹脂などの絶縁材料が塗布される。ここで、絶縁材料は、その自重によって、非貫通孔１１の内壁をつたって非貫通孔１１の底部に流れようとする。また絶縁材料はその表面張力によって、非貫通孔１１の底部の方に流れようとする絶縁材料と、非貫通孔１１の内壁に留まろうとする絶縁材料との表面積が小さくなる状態に保持される。その結果、図１３（ｂ）に示すように、絶縁材料は開口部付近にはあまり塗布されず、非貫通孔１１の内壁の底部付近に多量に塗布されることとなる。ここで、非貫通孔１１の内壁に塗布された絶縁材料を硬化させた絶縁膜１３の表面１５の法線単位ベクトルｖ１と、半導体基板１２の主面の法線単位ベクトルｖ２とが成す角度θ１は、６０°〜８８°である。また各法線単位ベクトルｖ１、ｖ２の内積は、０．０３４〜０．５である。
【０００９】
次いで図１３（ｃ）に示すように、上記のような状態で絶縁膜１３が形成された非貫通孔１１に導体１６を充填し、図１３（ｄ）に示すように、機械研磨、エッチングなどの手法によって半導体基板１２の裏面を後退させ、充填された導体１６を半導体基板１２の裏面に露出させ、貫通電極１４を形成する。
【００１０】
上記のような従来の方法によって貫通電極１４を形成すると、外部に露出する貫通電極１４の面積が、半導体基板１２の主面側と裏面側とで異なってしまう。また、たとえば、図１３に示すように、２つの貫通電極１４ａ，１４ｂが形成される場合、非貫通孔１１ａの形成される深さと非貫通孔１１ｂの形成される深さとが異なると、それぞれの非貫通孔１１ａ，１１ｂにおいて、半導体基板１２の裏面から露出する貫通電極１４ａ，１４ｂの面積も異なってしまう。
【００１１】
このような貫通電極１４が形成された半導体基板１２は、裏面側で露出する貫通電極１４の面積減少によって先細りし、抵抗値が増加するので安定な導電性を得ることができない。また、貫通電極１４ａと貫通電極１４ｂとの間で、裏面から露出する面積が異なってしまい、各貫通電極の抵抗値にばらつきを生じてしまうという問題がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−２２３８３３号公報（第５−６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、導電性に優れ、導電性にばらつきのない貫通電極を安定して形成することのできる貫通電極形成方法および半導体装置の製造方法、ならびにその製造方法で製造される半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、基板を貫通する貫通電極の形成方法において、
基板の一方の面に開口部を有し、基板内部に底部を有する非貫通孔を形成する非貫通孔形成工程と、
非貫通孔に臨む基板の内壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
絶縁膜が形成された非貫通孔に導体を充填する導体充填工程と、
基板の他方の面を、導体が外方に露出するまで後退させる貫通孔形成工程とを含み、
非貫通孔は、
非貫通孔の底部に臨む基板の面積が、開口部の面積よりも大きくなるように形成されることを特徴とする貫通電極の形成方法である。
【００１５】
また本発明は、非貫通孔は、
非貫通孔の底部に臨む基板の面が、略円形状になるように形成されることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、非貫通孔は、
非貫通孔に臨む基板の内壁から非貫通孔内部に向かうベクトルであって、基板の一方の面に垂直な仮想断面において、非貫通孔の底部周縁部と、前記非貫通孔の底部周縁部と連なって形成される基板の内壁面の非貫通孔の開口部周縁部とを結ぶ仮想平面の法線単位ベクトルと、
基板の一方の面から外方に向かうベクトルであって、基板の一方の面の法線単位ベクトルとの内積が、−０．５以上−０．０３４以下となるように形成されることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記いずれか１つに記載の貫通電極の形成方法を用いる半導体装置の製造方法である。
【００１８】
また本発明は、前記半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置であって、
半導体基板の半導体素子が形成される側の面である一方の面から一方の面と反対側の他方の面に向かって半導体基板を貫通する貫通電極と、
貫通電極と半導体基板との間に設けられる絶縁膜とを含み、
絶縁膜は、
半導体基板の厚み方向に垂直な仮想平面における断面積が、半導体基板の一方の面から他方の面に向かうのに伴って大きくなり、
貫通電極は、
半導体基板の一方の面を含む仮想平面における面積と、半導体基板の他方の面を含む仮想平面における面積とが略等しいことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、貫通電極の形成方法は、基板の一方の面に開口部を有し、基板内部に底部を有する非貫通孔を形成する非貫通孔形成工程と、非貫通孔に臨む基板の内壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜が形成された非貫通孔に導体を充填する導体充填工程と、基板の他方の面を導体が外方に露出するまで後退させる貫通孔形成工程とを含み、非貫通孔は、非貫通孔の底部に臨む基板の面積が、開口部の面積よりも大きくなるように形成される。このような非貫通孔が形成されると、非貫通孔に臨む基板の内壁に形成される絶縁膜の形状が好適となり、充填された導体は、基板の一方の面（以後、主面と呼ぶことがある）を含む仮想平面における面積と、基板の他方の面（以後、裏面と呼ぶことがある）を含む仮想平面における面積とが略等しくなる。このことによって、主面と裏面とで露出する面積が異なり、貫通電極が先細りの形状になることに起因する電極の抵抗値の増加を防止することができる。また複数の貫通電極を形成する場合においても、各電極間での電極の主面および裏面を含む仮想平面における面積にばらつきがない。したがって、導電性に優れ、複数の電極間で導電性にばらつきのない貫通電極を得ることができる。
【００２０】
また本発明によれば、非貫通孔は、非貫通孔の底部に臨む基板の面が、略円形状になるように形成される。非貫通孔の底部に臨む基板の面が、たとえば矩形状に形成されると、非貫通孔に臨む基板の内壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程の際、非貫通孔底部の矩形の角部分に、絶縁膜材料が多量に貯留してしまう。このように絶縁膜材料が多量に貯留してしまうと、貫通孔形成工程が行われた後の充填された導体の基板の裏面で露出される面積が、基板の主面で露出される面積よりも小さくなってしまい、抵抗値の増加を招く恐れがある。非貫通孔の底部に臨む基板の面が、角のない形状、すなわち略円形状になるように形成されると、このような底部の角部分における絶縁膜材料の貯留が防止できるので、非貫通孔の底部に臨む基板の面は略円形状に形成されることが好ましい。
【００２１】
また本発明によれば、非貫通孔は、非貫通孔に臨む基板の内壁から非貫通孔内部に向かうベクトルであって、基板の主面に垂直な仮想断面において、非貫通孔の底部周縁部と、前記非貫通孔の底部周縁部と連なって形成される基板の内壁面の非貫通孔の開口部周縁部とを結ぶ仮想平面の法線単位ベクトルと、基板の主面から外方に向かうベクトルであって、基板の主面の法線単位ベクトルとの内積が、−０．５以上−０．０３４以下となるように形成される。このように非貫通孔が形成されると、非貫通孔に臨む基板の内壁に形成される絶縁膜は、絶縁膜の非貫通孔中心に臨む面が、基板の主面に対して略垂直となるように形成される。したがって、基板との間にこのような絶縁膜が形成される非貫通孔に導体を充填すると、導体の絶縁膜に接する面についても基板の主面に対して略垂直とすることができる。その結果、貫通孔形成工程後において、基板の主面と裏面とで同じ面積の導体が露出されることとなり、導電性に優れ、複数の電極間で導電性にばらつきのない貫通電極を形成することができる。
【００２２】
また本発明によれば、前記のような貫通電極の形成方法を用いて半導体装置を製造することができるので、導電性に優れ、複数の電極間で導電性にばらつきのない貫通電極を形成することができる。したがって製造される半導体装置としても、信号の遅延などが防止され、その性能が向上する。
【００２３】
また本発明によれば、前記のような半導体装置の製造方法によって製造され、半導体基板の主面から裏面に向かって半導体基板を貫通する貫通電極と、貫通電極と半導体基板との間に設けられる絶縁膜とを含み、絶縁膜は、半導体基板の厚み方向に垂直な仮想平面における断面積が、半導体基板の主面から裏面に向かうのに伴って大きくなり、貫通電極は、半導体基板の主面を含む仮想平面における面積と、半導体基板の裏面を含む仮想平面における面積とが略等しい。このような貫通電極を備える半導体装置は、導電性に優れ、導電性にばらつきのない貫通電極を備えるので、優れた性能を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施の一態様である半導体装置の製造方法の概要を説明するための図である。本実施態様の半導体装置の製造方法は、本発明の貫通電極の形成方法を用いて半導体基板２１を貫通する貫通電極２７を形成する工程を含む。本実施態様における貫通電極２７の形成方法は、半導体基板２１の一方の面に開口部２４ａを有し、半導体基板２１内部に底部２４ｂを有する非貫通孔２４を形成する非貫通孔形成工程と、非貫通孔２４に臨む半導体基板２１の内壁に側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程と、側壁絶縁膜２６が形成された非貫通孔２４に導体３５を充填する導体充填工程と、半導体基板２１の他方の面を、導体３３が外方に露出するまで後退させる貫通孔形成工程とを含み、非貫通孔２４は、非貫通孔２４の底部２４ｂに臨む半導体基板２１の面積が、開口部２４ａの面積よりも大きくなるように形成されることを特徴とする。
【００２５】
以下、図１に基づいて上記の本実施態様の半導体装置の製造方法を説明する。まず半導体基板２１の一方の面に、不図示の半導体素子を集積形成し、半導体回路を形成する。以後、この不図示の半導体素子が集積される側の面である一方の面を主面と呼ぶことがある。次いで半導体基板２１の主面に、層間絶縁膜２２を形成し、その表面に不図示の表面電極を形成する。半導体基板２１は、たとえば単結晶ケイ素であり、特にその面方位は限定されるものではない。半導体基板２１の厚さとしては、たとえば、７００μｍのものが用いられる。
【００２６】
層間絶縁膜２２は、たとえば二酸化ケイ素で構成され、半導体基板２１および半導体基板２１に形成される半導体回路と、不図示の表面電極とを絶縁するために設けられる。不図示の表面電極は、たとえば、銅−アルミニウム合金膜、チタン膜、窒化チタン膜などで構成され、半導体回路と外部装置との接続端子として設けられる。
【００２７】
上記のように不図示の半導体素子、層間絶縁膜２２および表面電極が主面に形成された半導体基板２１に、図１（ａ）に示すように半導体基板２１の主面に開口部２４ａを有し、半導体基板２１内部に底部２４ｂを有する非貫通孔２４を形成する。非貫通孔２４は、たとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法によって、半導体基板２１の主面と反対側の面（以後、裏面と呼ぶことがある）を貫通しないように形成される。以下、非貫通孔２４を形成する非貫通孔形成工程について説明する。
【００２８】
図２は、非貫通孔２４の形成方法を説明する図である。本発明で最も特徴とする底部２４ｂに臨む半導体基板２１の面積が開口部２４ａの面積よりも大きくなるような非貫通孔２４は、次のようにして形成される。なお図２では、図１に示す層間絶縁膜２２の記載を省略する。
【００２９】
まず、図２（ａ）に示すように、層間絶縁膜２２および表面電極が形成された半導体基板２１に、フォトレジスト液を塗布して露光現像を行い、ハードベークを行うことによって、非貫通孔２４を形成するべく位置に予め定められる位置にレジスト開口部を有するパターンマスク２３を得る。パターンマスク２３を形成するためのフォトレジスト液には、一般的なポジ型レジストを用いることができる。ポジ型レジストとしては、たとえば、ノボラック・ジアゾナフトキノン系のものが挙げられる。フォトレジスト液は、スピンコート法などを用いて半導体基板２１に塗布される。スピンコート法などで塗布されて形成されるパターンマスク２３は、たとえば８μｍ程度の厚みを有する。レジスト開口部は、たとえば直径４０μｍの円形に形成される。
【００３０】
このようなパターンマスク２３を形成後、表面電極のエッチングを行う。具体的には、パターンマスク２３のレジスト開口部を介して露出する部分の表面電極を、ウエットエッチングによって除去する。ウエットエッチングでは、たとえば、銅−アルミニウム合金膜の除去には、一般的なリン酸、酢酸、硝酸の混合水溶液を用いることができる。チタン膜および窒化チタン膜の除去には、一般的な過酸化水素とフッ酸との混合液を用いることができる。なお窒化チタン膜の除去については、水酸化ナトリウム、過酸化水素および有機化合物の混合水溶液を用いてもよい。また、表面電極のエッチングは、上記のウエットエッチングに限定されることなく、ドライエッチングの手法を用いることも可能である。
【００３１】
レジスト開口部を介して露出する部分の表面電極を除去すると、次いでレジスト開口部を介して露出する部分の層間絶縁膜２２の除去を行う。層間絶縁膜２２の除去は、ドライエッチングまたはウエットエッチングなどの公知の手法で実現することができ、たとえばフッ酸緩衝溶液を用いたウエットエッチングなどが好適に用いられる。層間絶縁膜２２の除去によって、レジスト開口部を通して半導体基板２１が図２（ａ）に示すように露出される。
【００３２】
次に半導体基板２１に非貫通孔２４を形成する。半導体基板２１に対する非貫通孔２４の形成は、反応性イオンエッチング法などのドライエッチング法で行うことができる。反応性イオンエッチングに用いるエッチングガスとしては、フッ化物を含むガスを用いることが好ましい。フッ化物を含むガスとしては、たとえば六フッ化硫黄と、垂直入射性の高いアルゴンとの混合ガスが好適に用いられる。図２（ｂ）に示す工程では、半導体基板２１を構成するケイ素を、六フッ化硫黄ガスと反応させて四フッ化ケイ素とすることによって揮発させる。
【００３３】
図２（ｃ）に示す工程では、たとえば八フッ化四炭素ガスなどによって、非貫通孔２４に臨む半導体基板２１の内壁（以後、非貫通孔２４の内壁と呼ぶことがある）および非貫通孔２４の底部２４ｂに臨む半導体基板２１の表面（以後、非貫通孔２４の底部２４ｂまたは底部２４ｂと呼ぶことがある）に保護膜２５を形成する。図２（ｄ）に示す工程では、保護膜２５が形成された非貫通孔２４に対して、垂直入射性の高いアルゴンガスによって、保護膜２５のうち非貫通孔２４の底部２４ｂに形成された保護膜２５のみを除去する。次いで六フッ化硫黄ガスによってエッチングを行い、非貫通孔２４を掘り下げる。
【００３４】
以上のような図２（ｄ）に示す非貫通孔２４の掘り下げと、図２（ｃ）に示す保護膜２５の形成とを、たとえば、５〜６秒ごとに複数回繰返すことによって、非貫通孔２４を所望の大きさに形成する。このように各工程を繰返す際、図２（ｃ）に示す保護膜２５の形成工程では八フッ化四炭素ガスの使用量を徐々に少なくし、図２（ｄ）に示す非貫通孔２４の掘り下げ工程では六フッ化硫黄ガスの使用量を徐々に多くする。このことによって、底部２４ｂの面積が開口部２４ａの面積よりも大きくなるような非貫通孔２４を形成することができる。
【００３５】
上記のような非貫通孔形成工程によって、図１Ａ（ａ）に示すような非貫通孔２４が形成される。なお、非貫通孔２４の内壁は、実際には図２（ｄ）に示すように半導体基板２１の主面から裏面にいくにしたがって底部２４ｂが段階的に大きく形成されるけれども、図面の煩雑化を避けるために、図２を除く各図の断面図において非貫通孔２４の内壁を直線に近似して表す。
【００３６】
図３は図２に示す方法によって円錐台形状に形成された非貫通孔２４を有する半導体基板２１の断面図であり、図４は非貫通孔２４を有する半導体基板２１を主面側から見た平面図である。非貫通孔２４は、開口部２４ａおよび底部２４ｂが円形状である円錐台形状に形成され、底部２４ｂの直径ｒｂが開口部２４ａの直径ｒａよりも大きい。したがって、非貫通孔２４は、底部２４ｂの面積が、開口部２４ａの面積よりも大きくなるように形成される。また非貫通孔２４は、底部２４ｂから開口部２４ａまで面積が収束するように形成される。
【００３７】
非貫通孔２４の大きさについて例示すると、開口部２４ａの直径ｒａが４０μｍ、底部２４ｂの直径ｒｂが５１μｍ、深さｄが１００μｍである。このような大きさの非貫通孔２４を形成すると、非貫通孔２４の底部２４ｂ周縁部と非貫通孔２４の開口部２４ａ周縁部とを結ぶ面の法線単位ベクトルｖａと、半導体基板２１主面の法線単位ベクトルｖｂとの内積が、−０．０５４（θ２＝９３．１°）となる。
【００３８】
ここで非貫通孔２４は、非貫通孔２４に臨む半導体基板２１の内壁から非貫通孔２４内部に向かうベクトルであって、半導体基板２１の一方の面に垂直な仮想断面において、非貫通孔２４の底部２４ｂ周縁部と、非貫通孔２４の底部２４ｂ周縁部と連なって形成される半導体基板２１の内壁面の非貫通孔２４の開口部２４ａ周縁部とを結ぶ仮想平面の法線単位ベクトル（以後、単に非貫通孔２４の内壁面の法線単位ベクトルｖａと称する）をｖａとし、半導体基板２１の一方の面から外方に向かうベクトルであって、半導体基板２１の一方の面の法線単位ベクトル（以後、単に半導体基板２１主面の法線単位ベクトルｖｂと称する）をｖｂとするとき、ｖａとｖｂとの内積が、−０．５以上−０．０３４以下となるように形成されることが好ましい。すなわち、非貫通孔２４の内壁面の法線単位ベクトルｖａと、半導体基板２１主面の法線単位ベクトルｖｂとが成す角度θ２が、９２°以上１２０°以下であることが好ましい。この角度θ２の限定理由については後ほど説明する。
【００３９】
前述のように底部の面積が開口部の面積よりも大きくなるような非貫通孔が形成されると、非貫通孔の開口部の面積を増加させることなく底部の面積を増加させることができるので、半導体基板主面における貫通電極による占有面積の増加はなく、半導体基板主面の面積を減少させることはない。したがって、半導体基板主面に形成される表面電極を形成できる面積は変化せず、表面電極の微細化を達成することができ、安定した導電性を有する半導体装置を製造することができる。
【００４０】
以上のようにして非貫通孔２４を形成した後、図１Ａ（ｂ）に示すように、非貫通孔２４が形成された半導体基板２１の主面に形成されたパターンマスク２３を剥離する。パターンマスク２３の剥離は、公知の手法により実現することができ、たとえば、市販のレジスト剥離液を用いて行うことができる。パターンマスク２３の剥離後、図１Ａ（ｃ）に示すように、非貫通孔２４に臨む半導体基板２１の内壁に側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程を行う。
【００４１】
図５は、孔版印刷法によって側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。図５に示す絶縁膜形成工程では、孔版印刷法を用いて非貫通孔２４に臨む半導体基板２１の内壁に絶縁材料３２を塗布する。孔版印刷法を用いる絶縁膜形成工程では、まず不図示のチャンバ内に設けられる印刷用ステージ上に半導体基板２１を固定し、非貫通孔２４の中心が、印刷マスク３１のマスク開口部の中心と略一致するように、印刷マスク３１と印刷用ステージとの位置を調整する。
【００４２】
印刷マスク３１は、たとえば厚さ６０μｍのステンレス鋼製であり、テープとスクリーンとを介して、ステンレス鋼の版枠に取り付けられた構造であるので、弾性変形が可能である。印刷マスク３１のマスク開口部は、印刷マスク３１を厚さ方向に貫通して円柱形状に形成され、開口部の直径が、非貫通孔２４の開口部２４ａの直径と略等しく、たとえば４０μｍである。なお、印刷マスク３１は、上記のようなステンレス鋼からなるメタルマスクに限定されることなく、スクリーンマスクであってもよい。
【００４３】
次に、印刷マスク３１と半導体基板２１に形成される不図示の半導体素子および層間絶縁膜２２とが接触せず、１０〜２００μｍの間隔が得られるように印刷用ステージの高さを調整する。絶縁材料３２の供給はチャンバ内で行われ、このときのチャンバ内の圧力は、本実施態様においては大気圧（１０１．３ｋＰａ）よりも低い１．０ｋＰａ以上５．０ｋＰａ以下とする。
【００４４】
印刷に用いられる絶縁材料３２としては、たとえば、芳香族アミン系硬化剤または酸無水物硬化剤を添加したビスフェノールＡ型樹脂などのエポキシ系樹脂であり、平均粒径が約５μｍの二酸化ケイ素がフィラとして含まれるものなどを用いることができる。
【００４５】
このような絶縁材料３２は、スキージ３３によって印刷マスク３１の開口部に移動される。スキージ３３は、たとえばウレタンゴムからなり、印刷マスク３１に臨む先端部と印刷マスク３１とが成す傾斜角度がたとえば４５°になるように設けられる。なおスキージ３３は、ウレタンゴム製のものに限定されることなく、他の材料からなるものであってもよい。またスキージ３３の印刷マスク３１を臨む側の先端部の傾斜角度は、４５°に限定されることなく、絶縁材料３２の種類などに応じて適宜変更できる。
【００４６】
以下、図５を用いて絶縁材料３２を非貫通孔２４の内壁に塗布することによって側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程について説明する。本実施態様においては、絶縁膜の形成は非貫通孔２４の内壁および底部２４ｂに対して行う。
【００４７】
まず、絶縁材料３２を印刷マスク３１上に供給し、絶縁材料３２が供給された印刷マスク３１をスキージ３３による押圧力によって半導体基板２１に向かって下降させる。さらにスキージ３３によって絶縁材料３２を印刷マスク３１の開口部に向かって移動させる。
【００４８】
スキージ３３が非貫通孔２４の開口部を通過すると、弾性変形可能な印刷マスク３１は上昇して半導体基板２１から離反する。絶縁材料３２の印刷が終了すると、印刷用ステージを下降させる。このとき絶縁材料３２は、図５（ａ）に示すように、表面張力の作用によって非貫通孔３２の開口部に残留し、非貫通孔３２の開口部をキャップ状に閉塞する。ここで、キャップ状に塞がれた非貫通孔２４の内部空間３４は、大気圧よりも低い圧力となっている。
【００４９】
このように絶縁材料３２を非貫通孔２４に供給した後、チャンバ内の圧力を大気圧に戻す。チャンバ内の圧力を大気圧に戻すことによって、絶縁材料３２によって閉塞された非貫通孔２４の内部空間３４の圧力が、チャンバ内の圧力よりも小さくなることで生じるチャンバ内と内部空間３４との圧力差を利用して、図５（ｂ）に示すように、絶縁材料３２を非貫通孔２４の底部に向かって吸引する。このようにチャンバ内の圧力と非貫通孔２４の内部空間３４の圧力との差によって絶縁材料３２が非貫通孔２４の内部へ吸引されると、ボイドなどを生じさせることなく非貫通孔２４に絶縁材料３２を充填することができる。このような絶縁材料３２の非貫通孔２４への充填は、絶縁材料３２の充填量に応じて複数回繰返されてもよい。
【００５０】
非貫通孔２４に絶縁材料３２が充填されると、非貫通孔２４に絶縁材料３２が充填された半導体基板２１を、絶縁材料３２の硬化温度以上（たとえば１５０℃程度）に加熱したオーブンに投入し、所定時間（たとえば１時間）加熱して絶縁材料３２を硬化させる。このように絶縁材料３２を硬化させると、硬化後の体積が、硬化させる前の非貫通孔２７に充填された絶縁材料の２０〜３０％となり、図１Ａ（ｃ）および図５（ｃ）に示すように側壁絶縁膜２６が形成される。
【００５１】
ここで、前述の非貫通孔形成時における角度θ２の限定理由について説明する。絶縁材料３２を供給および硬化する際、絶縁材料３２は、その自重によって非貫通孔２４の内壁をつたって非貫通孔２４の底部２４ｂのほうに流れようとする。また絶縁材料３２は、その表面張力によって、非貫通孔２４の底部のほうに流れようとする絶縁材料３２と、非貫通孔２４の内壁に留まろうとする絶縁材料との表面積が小さくなる状態に保持される。
【００５２】
本実施形態においては、前述の図３に示すように、非貫通孔２４の内壁面の法線単位ベクトルｖａと、半導体基板２１主面の法線単位ベクトルｖｂとが成す角度θ２が、９２°以上１２０°以下である。すなわち、断面図において直線に近似される非貫通孔２４の内壁が、半導体基板２１の主面に対して９２°から１２０°の範囲で傾斜するように形成される。したがって、非貫通孔２４の底部のほうに流れようとする絶縁材料３２と、非貫通孔２４の内壁に留まろうとする絶縁材料３２との表面積が小さくなる状態は、側壁絶縁膜２６の非貫通孔２４中心に臨む側の面が半導体基板２１の主面に対して略垂直となる状態において達成される。
【００５３】
したがって、前述のように非貫通孔２４は、非貫通孔２４の内壁面の法線単位ベクトルをｖａとし、半導体基板２１の主面の法線単位ベクトルをｖｂとするとき、ｖａとｖｂとの内積が、−０．５以上−０．０３４以下となるように形成されることが好ましい。
【００５４】
ここで、θ２が９２°よりも小さいと、すなわち、ｖａとｖｂとの内積が−０．０３４より大きいと、側壁絶縁膜２６の非貫通孔２４中心に臨む側の面が、半導体基板２１の主面の法線と比べて非貫通孔２４の底部２４ｂ中心側に傾斜してしまう。一方、θ２が１２０°を超えると、すなわち、ｖａとｖｂとの内積が−０．５未満であると、側壁絶縁膜２６の非貫通孔２４中心に臨む側の面が、半導体基板２１の主面の法線と比べて非貫通孔２４の底部２４ｂ周縁部側に傾斜してしまう。
【００５５】
以上のようにして側壁絶縁膜２６を形成した後、側壁絶縁膜２６を形成した非貫通孔２４に対して、図１Ｂ（ｄ）に示すように貫通電極２７の材料となる導体３５を充填して導電プラグ３５ａを得る導体充填工程を行う。
【００５６】
なお導体３５が充填されて形成される導電プラグ３５ａは、非貫通孔２４の底部２４ｂに臨む端部が後述する工程によって露出されて、半導体基板２１を貫通する貫通電極２７となる。このように半導体基板を貫通する状態になった導電プラグを、本発明では共通して貫通電極と呼ぶ。
【００５７】
図６は、導体充填工程の一例の概要を説明する図である。図６（ａ）では、貫通電極２７の形成を行うために、側壁絶縁膜２６が形成された非貫通孔２４内部の空隙へ導体３５を充填する。導体３５としては、たとえば数μｍから数十μｍ程度の粒径を有する銀などの金属ボールが用いられる。金属ボールを非貫通孔２４内部の空隙へ埋込み、１６０℃程度の温度で熱処理を行うことによって、図６（ｂ）に示すように側壁絶縁膜２６が形成された非貫通孔２４に導体３５を充填し、導電プラグ３５ａを形成する。
【００５８】
このように側壁絶縁膜２６が形成された非貫通孔２４内部の空隙へ導体３５を充填すると、側壁絶縁膜２６の非貫通孔２４中心に臨む面が半導体基板２１の主面に対して略垂直となる。したがって、導電プラグ３５ａは、非貫通孔２４の開口部２４ａを含む仮想平面における面積と、非貫通孔２４の底部２４ｂを含む仮想平面における面積とが略等しくなる。
【００５９】
次に、導電プラグ３５ａが形成された半導体基板２１の裏面を、図１Ｂ（ｅ）に示すように、導電プラグ３５ａが外方に露出するまで後退させる貫通孔形成工程を行う。本実施態様では、非貫通孔２４の深さが１００μｍ程度であるので、貫通孔形成工程において、裏面研削によって半導体基板２１の厚さを８０μｍ程度にして導電プラグ３５ａを外方に露出させ、貫通電極２７を形成する。
【００６０】
半導体基板の裏面を後退させる方法としては、公知の方法を用いることができる。貫通孔形成工程を行う方法としては、たとえば、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法などのドライエッチング法、フッ酸、硝酸などによるウェットエッチング法、機械研磨法などを用いることができる。またこれらの手法を組合わせて用いることもできる。
【００６１】
上記のようにして、導電プラグ３５ａが半導体基板２１の外方に露出することによって形成された貫通電極２７は、半導体基板２１の一方の面である主面を含む仮想平面における面積と、半導体基板２１の他方の面である裏面を含む仮想平面における面積とが略等しくなる。このような貫通電極２７は、主面と裏面とで露出する面積が略等しいので、主面と裏面とで露出する面積が異なることに起因する貫通電極２７の抵抗値の増加を防止することができる。また複数の貫通電極２７を形成する場合においても、各電極間での貫通電極２７の露出面積にばらつきがない。したがって、本発明の貫通電極の形成方法を用いると、導電性に優れ、複数の電極間で導電性にばらつきのない貫通電極を形成することができる。
【００６２】
また、非貫通孔の形成される深さが小さくても、各電極間での貫通電極２７の露出面積にばらつきがない。したがって、厚みのある半導体基板を用いる場合であっても非貫通孔を深く掘り下げる必要がないので、製造時間を短縮化できるとともに製造原価の増加が防止できる。
【００６３】
ここで、非貫通孔２４の形状としては、図３および図４に示すような円錐台形状に限定されることなく、他の形状であってもよい。非貫通孔は、たとえば、底部および開口部が矩形状に形成されるものであってもよい。
【００６４】
図７は、底部４１ａおよび開口部４１ｂが矩形状に形成される非貫通孔４１が形成される半導体基板４２の断面図であり、図８は非貫通孔４１が形成される半導体基板４２を主面側から見た平面図である。非貫通孔４１は、開口部４１ａおよび底部４１ｂが略正方形状に形成され、底部４１ｂの一辺の長さｘｂが開口部４１ａの一辺の長さｘａよりも長い。したがって、非貫通孔４１は、底部４１ｂの面積が、開口部４１ａの面積よりも大きくなるように形成される。
【００６５】
非貫通孔４１の大きさについて例示すると、開口部４１ａの一辺の長さｘａが４０μｍ、底部４１ｂの一辺の長さｘｂが４９μｍ、深さｄが１００μｍである。このような大きさの非貫通孔４１を形成すると、非貫通孔４１の底部４１ｂ周縁部と非貫通孔４１の開口部４１ａ周縁部とを結ぶ面の法線単位ベクトルｖａと、半導体基板４２主面の法線単位ベクトルｖｂとの内積が、−０．０４５（θ２＝９２．６°）となる。
【００６６】
このように非貫通孔の底部の形状は、円錐台形状に形成されることに限定されることなく、他の形状に形成されてもよい。しかしながら、底部が矩形状に形成された非貫通孔の内壁に絶縁材料を塗布すると、矩形状の底部の角部分において絶縁材料が多量に堆積してしまう恐れがある。絶縁材料によって形成された側壁絶縁膜の非貫通孔中心に臨む面が、底部の角部分付近において、角部分以外の部分に比べて中心寄りに広がって形成される。このような場合、底部付近における側壁絶縁膜の非貫通孔中心に臨む面は、半導体基板の主面の法線と比べて非貫通孔の底部中心側に傾斜する可能性がある。このような非貫通孔に導体を充填して貫通電極とすると、半導体基板の主面で露出する貫通電極の面積と、裏面で露出する貫通電極の面積とで大きさが異なってしまう可能性がある。したがって、非貫通孔の底部は角がない形状、すなわち略円形状に形成されることが最も好ましい。なお本発明においては、略円形状は円形状を含む。
【００６７】
また絶縁材料３２の非貫通孔２４への供給は、前述の図５に示すような孔版印刷法を用いる方法だけに限定されることなく、たとえば、スプレー法などによる絶縁材料の滴下などの方法によって行われてもよい。また側壁絶縁膜２６の形成は、上記のようにチャンバ内と内部空間３４との圧力差を利用する方法に限定されない。
【００６８】
図９は、スプレー法によって側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。スプレー法では、半導体基板２１主面の上方から、スプレー５１を用いて非貫通孔２４内部へ粒子状の絶縁材料５２を塗布することによって非貫通孔２４の内壁に絶縁膜を形成する。スプレー５１のノズル径は１〜２ｍｍ程度、粒子状の絶縁材料５２の粒径は５μｍ程度とすることが好ましい。またスプレー５１と半導体基板２１主面との距離ｈを３０〜１００ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００６９】
粒子状の絶縁材料５２は、非貫通孔２４の内壁をつたって非貫通孔２４の底部に浸入していき、非貫通孔２４底部の周縁部から堆積していく。ここで、非貫通孔２４は、底部２４ｂの面積が開口部２４ａの面積より大きいので、スプレー５１によって供給された絶縁材料５２が形成する側壁絶縁膜２６の非貫通孔２４中心に臨む面は、半導体基板２１の主面に対して略垂直となる。
【００７０】
ただし、絶縁材料３２の非貫通孔２４への供給が、前述の図５に示すような孔版印刷法によって行われると、開口部が４０μｍ程度の直径である微細な非貫通孔２４への絶縁材料３２の供給が、容易かつ経済的に行える。また、絶縁材料３２の供給量を制御しやすいので、形成する側壁絶縁膜２６の膜厚の精度を高くすることができる。したがって、絶縁材料の非貫通孔への供給は、孔版印刷法が用いられるのが好ましい。
【００７１】
また導体充填工程を行う方法としては、金属ボールを非貫通孔２４内部の空隙へ埋込む方法に限定されることなく、他の公知の方法を用いることもできる。導体の充填方法としては、たとえば、ＣＶＤ法、めっき法などを用いることができる。また、図５に示す絶縁膜形成工程と同様に、孔版印刷法によって銀、銅などのペーストを充填することもできる。孔版印刷法を用いて印刷時と充填時との圧力差を利用すると、ボイドなどを含まない導電プラグ３５ａを形成することができる。
【００７２】
以上のようにして本発明の貫通電極の形成方法を用いて貫通電極２７が形成されると、図１Ｂ（ｆ）に示すように、半導体基板２１の裏面に裏面絶縁膜２８を形成する絶縁膜形成工程が行われる。絶縁膜形成工程は、公知の方法を用いて実行することができ、その概要を説明する図を省略する。絶縁膜形成工程では、たとえば、半導体基板２１裏面全面に二酸化ケイ素などの裏面絶縁膜材料を塗布し、貫通電極２７の部分を開口するようにフォトリソグラフィーによってパターンニングを行った後、残存するフォトレジストを除去するアッシングを行い、ベークを行って半導体基板２１を乾燥することによって裏面絶縁膜２８を形成する。
【００７３】
裏面絶縁膜２８が形成されると、図１Ｂ（ｇ）に示すように、貫通電極２７と外部回路との電気的接続を行うための裏面配線２９を、たとえば、めっき法によって形成する。めっき法による裏面配線形成工程では、スパッタによって半導体基板２１裏面に導電性材料を用いて導電膜を形成し、導電膜上にめっきレジストを塗布し、配線パターン以外の部分にめっきレジストが残存するようにパターンニングする。次いで、めっきレジストの形成されていない部分である配線パターン部分に電界めっきなどによってめっきを施す裏面配線めっきを行う。その後、アルカリ剥離液などの剥離液を用いる剥離法などによって、めっきレジストを剥離し、露出している導電膜をエッチングで除去して、裏面配線２９が形成される。以上のようにして、本発明の半導体装置が製造される。
【００７４】
図１０は、本発明の製造方法によって製造される半導体装置６２を積層して得られるマルチチップ半導体装置６１を示す概略断面図である。上記のようにして製造した本発明の半導体装置６２を、裏面配線を用いてめっき法などによって形成したバンプ電極６３を用いて積層し、半導体装置６２間の電気的な接続を行い、マルチチップ半導体装置６１を形成する。ここでバンプ電極６３は、貫通電極２７の直下に形成されることに限定されない。
【００７５】
図１１は、裏面配線を用いずにバンプ電極１１を形成する方法を示す図である。半導体装置６２同士の電気的な接続は、裏面配線２９を形成した後、バンプ電極６３を形成することによって行われることに限定されない。たとえば、図１１に示す方法のように、裏面配線２９を形成せずに、半導体基板２１裏面にバンプ電極７３を形成する方法を用いてもよい。このような方法では、図１Ｂ（ｇ）に示す裏面配線形成工程を行う代わりに、図１１（ａ）に示すようなサポートガラス７１および保護テープ７２を使用する。サポートガラス７１は、たとえば、石英ガラスからなり、裏面研削によって、薄型化された半導体装置の取扱性を向上させる。保護テープ７２には、導電ペーストが埋込まれ、該保護テープ７２を給電層として電気めっきにより、図１１（ｂ）に示すように半導体基板裏面側にバンプ電極７３を形成することができる。なお無電解めっきによりバンプ電極７３を形成してもよい。
【００７６】
上記のような本発明の半導体装置を積層接続して得られるマルチチップ半導体装置は、１００μｍ程度にまで薄くした半導体基板２１を有する半導体装置が複数個積層されたものであるので、マルチチップ半導体装置の省スペース化に大きく寄与できる。ひいては、そのマルチチップ半導体装置を搭載した電子機器、たとえば携帯情報機器の性能向上に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１Ａ】本発明の実施の一態様である半導体装置の製造方法の概要を説明するための図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の一態様である半導体装置の製造方法の概要を説明するための図である。
【図２】非貫通孔２４の形成方法を説明する図である。
【図３】図２に示す方法によって円錐台形状に形成された非貫通孔２４を有する半導体基板２１の断面図である。
【図４】非貫通孔２４を有する半導体基板２１を主面側から見た平面図である。
【図５】孔版印刷法によって側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。
【図６】導体充填工程の一例の概要を説明する図である。
【図７】底部４１ａおよび開口部４１ｂが矩形状に形成される非貫通孔４１が形成される半導体基板４２の断面図である。
【図８】非貫通孔４１が形成される半導体基板４２を主面側から見た平面図である。
【図９】スプレー法によって側壁絶縁膜２６を形成する絶縁膜形成工程を説明する図である。
【図１０】本発明の製造方法によって製造される半導体装置６２を積層して得られるマルチチップ半導体装置６１を示す概略断面図である。
【図１１】裏面配線を用いずにバンプ電極１１を形成する方法を示す図である。
【図１２】マルチチップ半導体装置１の構成の一例を簡略化して示す断面図である。
【図１３】非貫通孔１１ａ，１１ｂに、絶縁膜１３ａ，１３ｂおよび貫通電極１４ａ，１４ｂを形成する方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００７８】
２１  半導体基板
２２  層間絶縁膜
２３  パターンマスク
２４  非貫通孔
２４ａ  非貫通孔開口部
２４ｂ  非貫通孔底部
２５  保護膜
２６  側壁絶縁膜
２７  貫通電極
２８  裏面絶縁膜
２９  裏面配線
３５  導体
３５ａ  導電プラグ
【図１Ａ】
2006165112.tif 000003
【図１Ｂ】
2006165112.tif 000004
【図２】
2006165112.tif 000005
【図３】
2006165112.tif 000006
【図４】
2006165112.tif 000007
【図５】
2006165112.tif 000008
【図６】
2006165112.tif 000009
【図７】
2006165112.tif 000010
【図８】
2006165112.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2006165112.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2006165112.tif 000015
【図１３】
2006165112.tif 000016