(57)【要約】【課題】  半導体基板の表面に形成された半導体素子からの信号を該半導体基板の裏側に引出すために貫通電極が設けられた半導体装置において、貫通電極の導電材料と半導体基板との間に均一な膜厚の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板表面に形成された半導体素子からの信号を半導体基板裏面に引出すための貫通電極が形成され、該貫通電極は該半導体基板表面から該半導体基板裏面に向かって設けられた孔に導電材料を充填して形成され、かつ、該孔において、半導体基板と該導電材料との間に、該導電材料を囲繞するように絶縁膜が形成される半導体装置の製造方法であって、該絶縁膜は、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから該半導体基板表面に吐出させて該孔の内壁に付着させて形成されることを特徴とする、半導体装置の製造方法である。【選択図】      図２
2006147873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に形成された半導体素子からの信号を半導体基板裏面に引出すための貫通電極が形成され、
前記貫通電極は前記半導体基板表面から前記半導体基板裏面に向かって設けられた孔に導電材料を充填して形成され、かつ
前記孔において、半導体基板と前記導電材料との間に、前記導電材料を囲繞するように絶縁膜が形成されてなる半導体装置の製造方法であって、
前記絶縁膜は、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから前記半導体基板表面に吐出させて前記孔の内壁に付着させることにより形成されることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁膜の形成において、前記絶縁材料を含むミストを前記スプレーノズルから連続的に吐出させる工程と、前記ミストを吐出させない工程とからなる吐出サイクルが複数回繰り返され、前記ミストの平均直径が吐出サイクル毎に異なるように設定されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁膜の形成において、前記絶縁材料を含むミストを前記スプレーノズルから連続的に吐出させる工程と、前記ミストを吐出させない工程とからなる吐出サイクルが複数回繰り返され、前記ミストの平均直径が吐出サイクルの繰り返し毎に大きくなるように設定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記絶縁膜の形成において、第１の吐出サイクルと第２の吐出サイクルとの間に乾燥工程が設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に積層構造の半導体装置において、半導体基板表面に形成された半導体素子からの信号を半導体基板裏面に引出すために、導電材料が充填された貫通電極が設けられ、該導電材料と半導体基板との間に絶縁膜が均一な膜厚で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話および携帯情報機器などの携帯用電子機器は、その使用態様における利便性を追求するために小型化および軽量化が図られている。この目的のために、搭載される半導体装置自体の小型化および高密度化が進められている。そこで、半導体装置には１パッケージ内に半導体チップを複数個積み重ね、相互に接続したものが多用されている。更に、電子機器の動作の高速化に対応する為、半導体素子間の接続配線を極力短くすることが必要となってきている。
【０００３】
半導体装置に対するこのような要求に対し、半導体素子を縦に積み重ねた積層構造の半導体装置が提案されている（たとえば特許文献１）。図６は、積層構造の半導体装置の構造を示す断面図である。図６に示すように、半導体装置１１の積層構造を実現するために、最下層の回路基板１０８上に積み重ねられる半導体基板１０１ａ、１０１ｂに、厚み方向に貫通する貫通電極１０２をそれぞれ設け、この貫通電極１０２によって、半導体基板１０１ａ、１０１ｂの一方の表面側に形成された配線１０３を、表面配線１０４を介して他方の表面側に引出す構造を用いている。
【０００４】
この貫通電極１０２が形成された半導体基板１０１ａ，１０１ｂを、突起電極１０７を介して回路基板１０８上に積層することによって、３次元的な実装を行うことができる。
【０００５】
半導体基板１０１ａ、１０１ｂを回路基板１０８上に３次元的に実装することによって、半導体基板１０１ａ、１０１ｂを回路基板１０８上に平面的に実装する場合に比べ、半導体装置１１を小型化することがでる。
【０００６】
上記のような３次元的な実装を実現する上で、貫通電極１０２には、半導体基板１０１ａ、１０１ｂと、導電材料より形成された導電体１０５との間の電気的な絶縁を得るための絶縁膜１０６が形成されている。
【０００７】
絶縁膜１０６の形成にあたり、半導体基板１０１ａ、１０１ｂには次に示すプロセスで深孔が作製される。まず、半導体基板１０１ａ、１０１ｂに所定の開口を有するレジストを形成し、その開口に対応して例えば六フッ化硫黄（化学式：ＳＦ6）などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを実施する。その後、専用のレジスト剥離剤を用いてレジストの除去を行う。このようにして、半導体基板１０１ａ、１０１ｂには貫通していない深孔が形成される。
【０００８】
絶縁膜の形成に関し、特に溶液を用いた形成手法としては、一般的な薄膜の形成方法で知られているスピンコート法がある。スピンコート法においては、半導体基板をステージに吸着させ、溶液を半導体基板に滴下し、ステージを高速回転させることにより、溶液が遠心力により周囲に広がり表面に均一に塗布される。
【０００９】
しかしながら、スピンコート法では、溝の側壁にのみ膜を形成したい場合でも、深孔や溝を溶液で完全に埋めてしまい、半導体基板の表面と裏面とを電気的に接続する導電材料を充填できないという問題がある。また、深孔や溝を埋めずに表面にのみ良好に膜が形成できた場合であっても、半導体基板の中心部と最外周部とでは、回転時にかかる遠心力が異なる為、膜厚が均一にならないという問題がある。
【００１０】
絶縁膜の膜厚の均一性を改善する目的で、深孔に段差を形成する方法も提案されている（たとえば特許文献２）。図７は、従来の方法について説明する断面図である。深孔に段差１０９を形成し、段差１０９にて液だまりの効果を働かせることにより、溶液の「流れ」を抑制し、深孔内での塗布むらを改善し、均一な膜１１０を形成するものである。
【００１１】
しかしながら、深孔に段差１０９を設けて膜形状の改善が図られたとしても、この段差を形成するためには複数回のエッチングプロセスやレジスト塗布工程が必要であり、工程が複雑であり、コストが高くなるという課題を有する。
【特許文献１】特開平１１−２５１３１６号公報
【特許文献２】特開平１１−４５４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決し、高アスペクト比を有する深孔の内壁に対し、工程を複雑にすることなく均一な膜厚の絶縁膜を形成することによって、微細サイズの貫通電極を有する半導体装置を生産効率良く製造することを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、半導体基板表面に形成された半導体素子からの信号を半導体基板裏面に引出すための貫通電極が形成され、
該貫通電極は該半導体基板表面から該半導体基板裏面に向かって設けられた孔に導電材料を充填して形成され、かつ
該孔において、半導体基板と該導電材料との間に、該導電材料を囲繞するように絶縁膜が形成されてなる半導体装置の製造方法であって、
該絶縁膜は、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから該半導体基板表面に吐出させて該孔の内壁に付着させることにより形成されることを特徴とする、半導体装置の製造方法に関する。
【００１４】
本発明の該絶縁膜の形成においては、該絶縁材料を含むミストを該スプレーノズルから連続的に吐出させる工程と、該ミストを吐出させない工程とからなる吐出サイクルが複数回繰り返され、該ミストの平均直径が吐出サイクル毎に異なるように設定されることが好ましい。
【００１５】
本発明の該絶縁膜の形成においては、該絶縁材料を含むミストを該スプレーノズルから連続的に吐出させる工程と、該ミストを吐出させない工程とからなる吐出サイクルが複数回繰り返され、該ミストの平均直径が吐出サイクルの繰り返し毎に大きくなるように設定されることが好ましい。
【００１６】
該絶縁膜の形成においては、第１の吐出サイクルと第２の吐出サイクルとの間に乾燥工程が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、貫通電極を形成するために半導体基板表面に設けられる貫通していない孔の内壁に、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから吐出することにより、均一な膜厚を有する絶縁膜を形成することが可能となり、微細サイズの貫通電極を有する半導体装置を生産効率良く製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、特に積層構造の半導体装置の製造に対して好適に適用され、半導体基板表面に形成された半導体素子からの信号を半導体基板裏面に引出すための貫通電極を形成する際、貫通電極に充填されるべき導電材料と半導体基板との電気的な絶縁のために設けられる絶縁膜を均一な膜厚で形成することを特徴とする。
【００１９】
貫通電極の形成は、半導体基板表面から該半導体基板裏面側に向かって設けられた貫通していない孔に導電材料を充填した後、半導体基板裏面から半導体基板を研磨するなどの方法で導電材料を半導体基板裏面に露出させることにより行なわれる。
【００２０】
微細サイズの貫通電極を形成する際、半導体基板表面から半導体基板裏面に向かって設けられる貫通していない孔は、孔の深さに対して半導体基板表面における孔径が著しく小さい深孔の形状とする必要があり、該深孔は高アスペクト比を有することとなる。本発明においては、高アスペクト比を有する該深孔に対しても均一な膜厚で絶縁膜を形成することができる。
【００２１】
本発明においては、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから半導体基板表面に吐出させ、半導体基板表面に設けられた深孔の内壁に該ミストを付着させることにより絶縁膜を形成した後、該深孔に導電材料を充填し、半導体基板裏面に該導電材料を露出させて貫通電極を形成する。
【００２２】
絶縁材料を、好ましくは溶剤中に溶解させた溶液とすることによって霧化し、該深孔の内壁にスプレー塗布することにより、高アスペクト比を有する深孔の内壁に対しても均一な膜厚の絶縁膜を形成することができる。
【００２３】
本発明において絶縁材料を含むミストをスプレー塗布する際には、スプレーノズルからミストを連続的に吐出させる工程と、該ミストを吐出させない工程とからなる吐出サイクルが複数回繰り返されることが好ましい。この場合、１回目の吐出サイクルによって深孔の内壁に形成された絶縁膜の膜厚不均一を、２回目以降の吐出サイクルによってスプレー塗布される絶縁材料を含むミストによって解消させることにより、１回の吐出サイクルのみで絶縁膜を形成する場合と比べ、より容易に均一な膜厚の絶縁膜を得ることができる。
【００２４】
吐出サイクルが複数回繰り返される場合には、スプレーノズルから吐出される絶縁材料を含むミストの直径が吐出サイクル毎に異なるように設定されることが好ましい。１回の吐出サイクルのみで深孔全体に均一な膜厚を有する絶縁膜を形成するためには吐出条件を厳密に制御する必要があるが、深孔の内壁に対するミストの付着状態は吐出させる絶縁材料を含むミストの直径を変えることによって比較的容易に制御できる。すなわち、直径の比較的小さいミストを吐出させた場合、該ミストは空気抵抗の影響を受け難いために深孔内部に進入し易く、結果として深孔底部に絶縁材料が多く堆積する。一方、直径の比較的小さいミストを吐出させた場合、該ミストは空気抵抗の影響を受け易いため、結果として深孔上部に絶縁材料が多く堆積する。したがって、吐出サイクル毎に絶縁材料を含むミストの付着状態を変え、全体として均一な膜厚の絶縁膜を形成する方法は工程管理の面からも有利である。
【００２５】
スプレーノズルから吐出されるミストの直径が吐出サイクルの繰り返し毎に大きくされる場合、初期の吐出サイクルにおいては絶縁材料を深孔底部近傍に多く堆積させ、吐出サイクルを繰り返す毎に、絶縁材料が最も多く堆積する部位を徐々に深孔上部に移行させることにより、全体として均一な膜厚の絶縁膜を容易に形成できるため好ましい。
【００２６】
本発明の絶縁膜としては、半導体装置の絶縁膜として一般的に使用される材質のものが挙げられるが、たとえばエポキシ系樹脂などの有機絶縁膜が好ましく例示される。
【００２７】
（実施の形態１）
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は、本発明において絶縁材料を含むミストをスプレー塗布する方法について説明する断面図である。
【００２９】
まず、深孔１を有する半導体基板２を、温度制御可能なステージ３に配置する。半導体基板２の上方には、塗布されるべき絶縁材料が溶剤中に溶け込んだ溶液４がノズル５に供給されている。ノズル５の先端は、溶液４が絞り６を介して供給されるように構成されている。ノズル５の先端にガスを吹き付けることにより溶液４が霧化され、絶縁材料を含むミスト８となって半導体基板２に付着する。
【００３０】
本実施の形態では、絶縁膜としてエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いた場合について説明するが絶縁膜の材質はこれに限定されない。
【００３１】
半導体基板２は、たとえばシリコン（Ｓｉ）ウェハなどの半導体材料からなる基板である。半導体基板２に対する深孔１の形成は、所定の開口を有するマスク（図示せず）を用い、たとえば六フッ化硫黄（化学式：ＳＦ6）などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングによって行われることができる。深孔１は、たとえば開口が約７０μｍ角、深さが約１１０μｍになるように形成される。
【００３２】
上記の方法により、貫通しない深孔１が形成された半導体基板２に対し、絶縁膜を形成する。
【００３３】
図２は、図１における深孔１に対して絶縁膜を形成するフローについて説明する断面図である。なお、本実施の形態ではスプレー塗布法により２回の吐出サイクルで絶縁膜を形成する場合を説明するが、多数回サイクルで塗布を実施しても良い。
【００３４】
まず、半導体基板２に形成された開口約７０μｍ角、深さ約１１０μｍの深孔１に対し（図２（ａ））、スプレー塗布法を用い、第１の吐出サイクルとして、深孔１の底部を中心とする領域に第１の絶縁膜７ａを形成する（図２（ｂ））。その後、第２の吐出サイクルとして、深孔１の上部を中心とする領域に第２の絶縁膜７ｂを形成する（図２（ｃ））。上記のフローに基づいて深孔１の内壁全体に絶縁膜７を形成する。
【００３５】
図２（ｂ）において、深孔１の底部を中心とする領域に絶縁膜を形成する手法について説明する。スプレー塗布法によって絶縁材料を含むミストを深孔の内壁に付着させる場合、スプレー塗布時のミストの直径が小さいほど空気抵抗の影響が少なく、閉じられた空間である深孔１への進入が容易である。スプレー塗布時にミストの微細化を行なうことによってミストの直径を小さくすることができる。
【００３６】
ミストの微細化に関するパラメータとしては、（１）ノズルへの溶液供給量、（２）溶液粘度、（３）スプレー塗布時の噴霧ガス圧、などが挙げられる。
【００３７】
本実施の形態においては、第１の吐出サイクルにてスプレー塗布されるミストの平均直径を５μｍとするため、それぞれのパラメータを以下のように決定した。
【００３８】
図３は、ノズルへの溶液供給量とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。上記（１）のノズルへの溶液供給量に関しては、他の塗布パラメータが一定の場合、図３に示すように、溶液の供給量が多い方がスプレー塗布時におけるミストの粒子が大きい傾向がある。これは、溶液とそれを霧化するために供給されるガス量との割合が変化するためである。従って、ミストの粒子を小さくするためには、ノズルへの溶液の供給量を少なくする必要がある。本実施の形態においては、溶液の供給量を０．５ｃｃ／ｍｉｎ、供給ガス量を約２４Ｎｌ／ｍｉｎにて塗布を実施することにより、深孔の底部までミストを到達させることが可能である。
【００３９】
図４は、溶液粘度とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。上記（２）の溶液粘度に関しては、他の塗布パラメータが一定の場合、図４に示すように、溶液粘度が低い方が、ノズルからの吐出時における溶液のちぎれ性が高くなり、ミストの粒子が小さくなる傾向がある。溶液粘度は、絶縁材料の種類に応じて適切な希釈剤を用いて調合することにより容易に調整可能である。但し、微細なミストを得ようとして希釈剤を多量に調合し、固形分濃度を低くし過ぎると、深孔の底部に付着する絶縁材料の量が減少し、膜厚の大きい絶縁膜を形成したい場合には長い塗布時間が必要になるという問題がある。そのため溶液粘度は適正な範囲内に設定される必要がある。本実施の形態においては、エポキシを主成分とする溶液を、溶液粘度４００ｍＰａ・ｓ以下、絶縁材料濃度５７ｗｔ％となるように調合した溶液を用いることにより、深孔の底部までミストを到達させることが可能である。
【００４０】
図５は、噴霧ガス圧とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。上記（３）の噴霧時のガス圧に関しては、他の塗布パラメータが一定の場合、図５に示すように、噴霧ガス圧が高い方がミストの粒子が小さくなる傾向がある。これは、噴霧ガス圧が高い場合、高速に加速されたガスによって溶液が分散されやすくなるためである。本実施の形態においては、ノズルの噴霧ガス圧を５ｋｇｆ／ｃｍ2（４．９０３３２５×１０5Ｐａ）としてスプレー塗布を実施することにより、深孔の底部まで溶液を到達させることが可能である。
【００４１】
上述のように各パラメータを適宜設定することにより、図２（ｂ）に示すような第１の絶縁膜７ａを深孔の底部を中心とする領域に形成することができる。
【００４２】
次に、図２（ｃ）において、深孔１の上部を中心とする領域に第２の絶縁膜７ｂを形成する手法について説明する。
【００４３】
第２の絶縁膜７ｂの形成に際しては、第１の絶縁膜７ａを形成する場合とは異なり、ミストの直径を大きくして空気抵抗を増大させ、閉じられた空間である深孔１への進入性を乏しくすることによって、深孔の上部を中心とする領域にミストを付着させ、絶縁膜を形成する。
【００４４】
すなわち、第２の絶縁膜７ｂの形成においては、第１の絶縁膜７ａの形成の際スプレー塗布されるミストとは逆に、ミストの直径を大きくするためのパラメータ設定を行なう。具体的には、ノズルへの溶液供給量または溶液粘度を大きくする、噴霧ガス圧を低くするなどの方法を採用する。
【００４５】
本実施の形態においては、第２の吐出サイクルとして、絶縁材料の溶液からなる平均直径１０μｍのミストをスプレー塗布する。該ミストは、第１の吐出サイクルで用いたのと同じ溶液を用いて、溶液供給量０．５ｃｃ／ｍｉｎ、溶液粘度４００ｍＰａ・ｓ以下、噴霧ガス圧２．５ｋｇｆ／ｃｍ2（２．４５１６６２５×１０5Ｐａ）に設定してスプレー塗布を行なうことによって得る。
【００４６】
上記条件により、第２の絶縁膜７ｂを深孔の上部を中心とする領域に形成可能である。
【００４７】
本実施の形態における絶縁膜はエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いて形成される。従って、絶縁材料を含むミストのスプレー塗布後にはエポキシ系の熱硬化性樹脂を硬化させ、絶縁膜として形成する。
【００４８】
第１の吐出サイクルにおいて絶縁材料を含むミストを深孔の底部を中心とする領域に付着させた後には、９０℃で３０分間、該ミストの仮乾燥を行ない、ミスト中の溶剤を揮発させて、内壁に対する絶縁材料の付着の安定化を図ることが好ましい。その後、第２の吐出サイクルで絶縁材料を含むミストを深孔の上部と中心とする領域に付着させ、同じく９０℃で３０分間、ミストの仮乾燥を行ない、１５０℃で３時間硬化反応させて絶縁膜の形成を行なうことで、図２（ｃ）に示す貫通していない深孔の内壁に絶縁膜が形成される。
【００４９】
第１の吐出サイクルの後に絶縁材料を含むミストの仮乾燥を実施することで、第１の吐出サイクルにおいて深孔の上部に付着した微量のミストに含まれる絶縁材料が内壁に安定に保持される場合、第２の吐出サイクルでスプレー塗布されるミストが深孔の上部の内壁になじみ易くなり、深孔の上部へのミストの付着がし易くなるという利点が得られる。本実施の形態では吐出サイクルが２回繰り返される場合について説明するが、吐出サイクルが３回以上繰り返される場合も、同様に第１の吐出サイクルの後にミストの仮乾燥が行なわれることが好ましい。また吐出サイクルが３回以上繰り返される場合、第１の吐出サイクルの後のみでなくすべての吐出サイクルの後に仮乾燥が行なわれることも好ましい。
【００５０】
以上の方法で、第１の絶縁膜７ａの厚みを、たとえば第２の絶縁膜７ｂとの境界部において最低膜厚１μｍ、深孔の底部にて最大膜厚４μｍとし、第２の絶縁膜7ｂの厚みを、たとえば第１の絶縁膜７ａとの境界部において最低膜厚１μｍ、深孔の上部にて最大膜厚４μｍとして、最終的に深孔内壁の平均膜厚が１〜４μｍ程度となるよう、均一性の良い絶縁膜を深孔全体に形成することができる。
【００５１】
以上の方法によって、貫通していない深孔に絶縁膜７を形成した後、深孔の内部空間に導電材料を充填し、素子の形成されていない半導体基板裏面から半導体基板２を研磨し、導電材料を裏面に露出させることにより、半導体基板に貫通電極を形成することができる。
【００５２】
貫通電極を形成した半導体基板を用いた本発明に係る半導体装置の構造は限定されないが、典型的には、たとえば図６に示すような積層構造の半導体装置が構成されることができる。この半導体装置においては、最下層の回路基板１０８上に、貫通電極１０２が形成された半導体基板１０１ａ、１０１ｂが積み重ねられ、該貫通電極１０２によって、半導体基板１０１ａ、１０１ｂの一方の表面側に形成された配線１０３を、表面配線１０４を介して他方の表面側に引出す構造が形成される。半導体基板１０１ａ，１０１ｂを、突起電極１０７を介して回路基板１０８上に積層することにより、３次元的な実装が行なわれた半導体装置が完成される。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、半導体基板表面に形成された孔の内壁に、絶縁材料を含むミストをスプレーノズルから吐出することにより、均一な膜厚を有する絶縁膜を形成することができる。これにより微細サイズの貫通電極が精度良く形成された半導体装置を生産効率良く製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明において絶縁材料を含むミストをスプレー塗布する方法について説明する断面図である。
【図２】図１における深孔１に対して絶縁膜を形成するフローについて説明する断面図である。
【図３】ノズルへの溶液供給量とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。
【図４】溶液粘度とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。
【図５】噴霧ガス圧とミストの粒子の大きさとの関係を示す図である。
【図６】積層構造の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図７】従来の方法について説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  深孔、２  半導体基板、３  ステージ、４  溶液、５  ノズル、６  絞り、７，１０６  絶縁膜、７ａ  第１の絶縁膜、７ｂ  第２の絶縁膜、８  ミスト、１１  半導体装置、１０１ａ，１０１ｂ  半導体基板、１０２  貫通電極、１０３  配線、１０４  表面配線、１０５  導電体、１０７  突起電極、１０８  回路基板、１０９  段差、１１０  膜。
【図１】
2006147873.tif 000003
【図２】
2006147873.tif 000004
【図３】
2006147873.tif 000005
【図４】
2006147873.tif 000006
【図５】
2006147873.tif 000007
【図６】
2006147873.tif 000008
【図７】
2006147873.tif 000009