(57)【要約】【課題】高アスペクト比の貫通孔に導電性ペーストを短時間で空洞なく充填でき、かつ設備コストの低い配線方法及び配線装置を提供する。【解決手段】多数の固体撮像素子と配線用の貫通孔１５とが形成された配線対象基板２６をチャンバー３０内のステージ３７上に載置する。真空ポンプ３４によってチャンバー３０内を減圧し、配線対象基板２６上にペースト供給部３２から導電性ペースト４５を供給する。次いで、ステージ３７を図中Ａ方向にスライドさせ、印刷部３３のスキージ４０で配線対象基板２６上に導電性ペースト４５を展開する。導電性ペースト４０の展開後、真空ポンプ３４を停止してエアコンプレッサ３５を作動させ、チャンバー３０内を加圧する。これにより、貫通孔１５内とチャンバー内との差圧によって、導電性ペースト４５が貫通孔１５内に充填される。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が設けられた基板に貫通孔を形成し、この貫通孔内に導電性材料を充填して配線を形成する半導体素子の配線方法において、
前記基板が配置された配置環境を減圧状態とし、この減圧状態下で基板の上にペースト状の導電性材料を印刷した後、該配置環境を加圧状態にして、貫通孔と配置環境との差圧により貫通孔内に導電性材料を充填することを特徴とする半導体素子の配線方法。
【請求項２】
前記差圧は、少なくとも１０１３００Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の配線方法。
【請求項３】
前記導電性材料の印刷厚みを、貫通孔の深さ以上としたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子の配線方法。
【請求項４】
前記半導体素子は、固体撮像素子であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の半導体素子の配線方法。
【請求項５】
半導体素子が設けられた基板を収納する圧力容器と、この圧力容器内を減圧する減圧手段、及び加圧する加圧手段と、減圧状態の圧力容器内で基板の貫通孔にペースト状の導電性材料を印刷する印刷手段とを備え、導電性材料の印刷後に圧力容器内を加圧手段で加圧して、貫通孔内に導電性材料を充填することを特徴とする半導体素子の配線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の配線方法及び装置に関し、更に詳しくは、半導体素子に高アスペクト比の貫通配線を形成する方法とこれに用いる装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
銀塩フイルムの代わりに固体撮像装置と半導体メモリとを使用したデジタルカメラが普及している。また、固体撮像装置と半導体メモリとを組み込むことで、手軽に撮影を行なえるようにした携帯電話や、電子手帳等の小型電子機器も普及している。そのため、固体撮像装置の小型化が望まれている。
【０００３】
固体撮像装置を小型化する実装方式の一つとして、パッケージを使用せずにウエハレベルで固体撮像装置の実装を完了するウエハレベルチップサイズパッケージ方式（以下、ウエハレベルＣＳＰと略称する）がある（例えば、特許文献１参照）。このウエハレベルＣＳＰを用いた固体撮像装置は、固体撮像素子チップの上面に、固体撮像素子の周囲を取り囲むようにスペーサーを配し、このスペーサーの上に固体撮像素子を封止するようにカバーガラスを取り付けて固体撮像装置を形成している。また、固体撮像装置と、この固体撮像装置が組み込まれる電子機器との間で配線を行なうために、固体撮像素子チップやカバーガラスの表面に、接続端子が形成されている。
【０００４】
固体撮像装置では、カバーガラス内の固体撮像素子と上記接続端子との間で配線をしなければならない。この配線方法の一つとして、シリコン基板やカバーガラスを貫通して設けられる貫通配線が用いられている。貫通配線は、３次元積層素子などの半導体素子の配線に用いられる配線方法で、シリコン基板やカバーガラス等に貫通孔を形成し、この貫通孔に導電性ペーストを充填することによって、シリコン基板の両面に形成された素子や回路，接続端子等を電気的に接続する。
【０００５】
上記貫通孔は、孔径が数μｍ〜数十μｍオーダーであるため、数百μｍの厚みの基板に形成されると、そのアスペクト比が非常に高くなる。この貫通孔のアスペクト比の高さから、導電性ペーストの充填が難しいものとされていた。従来の導電性ペーストの充填方法として、例えば、溶融金属吸引方式（非特許文献１参照）と、メッキ方式（非特許文献２参照）と、真空印刷方式（特許文献２参照）とが知られている。
【０００６】
溶融金属吸引方式は、貫通孔が形成された基板を真空中で溶融金属中に浸漬し、所定時間後に真空状態から大気圧状態に戻すことで、貫通孔内の圧力と大気圧との圧力差によって溶融金属を貫通孔内に吸引するようにしたものである。また、メッキ方式は、基板に電解メッキを実施することで、貫通孔内に銅等の導電性材料を充填する。更に、真空印刷方式は、真空条件下で貫通孔の上に導電性ペーストをスクリーン印刷し、その後に真空状態から大気圧状態へと戻すことで、貫通孔内に導電性ペーストを吸引する。
【０００７】
【特許文献１】
特願２００２−１１９２６２号明細書
【特許文献２】
特開２０００−２０２９８６号公報
【非特許文献１】
末益龍夫，外３名、「シリコン基板へ形成した高アスペクト比貫通配線」、フジクラ技報、株式会社フジクラ、平成１４年４月、第１０２号
【非特許文献２】
富坂学，外３名、「３次元実装に用いるチップ貫通電極形成技術」、デンソーテクニカルレビュー、株式会社デンソー、平成１３年１２月Ｖｏｌ６，Ｎｏ．２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記溶融金属吸引方式及びメッキ方式は、ともに設備コストが大きく、貫通配線の形成に時間がかかる。また、溶融金属吸引方式では、貫通孔に充填する導電材料として低融点金属しか使用することができない。また、メッキ方式では、貫通孔内への導電性材料の充填不良が発生し、貫通孔内に空洞が発生することがあった。このような空洞は、貫通配線の絶縁抵抗や内部抵抗を変化させることが知られており、特に固体撮像素子においては、出力波形が乱れて画質が低下することがある。
【０００９】
これに対し、真空印刷方式は、安価な設備コストで短時間に貫通配線を形成することができる。しかしながら、導電性ペーストの充填を複数回に分けて実施しているため、２回目以降の充填では、最初に充填された導電性ペーストが抵抗となり空洞が発生しやすくなる。更に、真空を利用していることから、１０１３００Ｐａ以上の差圧で充填することができないため吸引力が弱く、表面粗さの粗いカバーガラスの貫通孔では内部に空洞が発生しやすくなる、という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するためのもので、高アスペクト比の貫通孔に導電性ペーストを短時間で空洞なく充填し、かつ設備コストを低減させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の固体撮像装置の配線方法は、基板が配置された配置環境を減圧状態とし、この減圧状態下で基板の上にペースト状の導電性材料を印刷した後、配置環境を加圧状態にして、貫通孔と配置環境との差圧により貫通孔内に導電性材料を充填するようにしたものである。また、差圧は、少なくとも１０１３００Ｐａ以上としたものである。これにより、高アスペクト比の貫通孔内に導電性材料を隙間や空洞なく充填することができるので、配線の絶縁抵抗及び内部抵抗を均一にすることができる。
【００１２】
また、導電性材料の貫通孔への充填を確実なものとするために、導電性材料の印刷厚みを貫通孔の深さ以上にするとよい。さらに、本発明の配線方法は、固体撮像素子にも用いることができる。
【００１３】
また、本発明の半導体の配線装置は、半導体素子が設けられた基板を収納する圧力容器と、この圧力容器内を減圧する減圧手段、及び加圧する加圧手段と、減圧状態の圧力容器内で基板の貫通孔にペースト状の導電性材料を印刷する印刷手段とから構成したものである。これにより、導電性材料の印刷後に圧力容器内を加圧手段で加圧することで、貫通孔内に導電性材料を隙間なく充填することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の配線方法及び装置が用いられたウエハレベルＣＳＰ構造の固体撮像装置の外観形状を示す斜視図、及び要部断面図である。固体撮像装置２は、固体撮像素子３が設けられた矩形状の固体撮像素子チップ４と、固体撮像素子３を取り囲むように固体撮像素子チップ４上に取り付けられた枠形状のスペーサー５と、このスペーサー５の上に取り付けられて固体撮像素子３を封止するカバーガラス６と、固体撮像素子チップ４の下面に取り付けられる補強板７と、この補強板７の下面に形成される複数個のバンプ８とからなる。
【００１５】
固体撮像素子チップ４は、矩形のシリコン基板４ａと、このシリコン基板４ａ上に形成された固体撮像素子３と、金層からなる複数個の内部ボンディングパッド（以下、ＢＰと略称する）１０とからなる。固体撮像素子３は、例えば、ＣＣＤからなる。このＣＣＤの上には、カラーフイルタやマイクロレンズが積層されている。内部ＢＰ１０と固体撮像素子３との間は、シリコン基板４ａ上に印刷等で形成された配線によって電気的に接続されている。
【００１６】
スペーサー５は、例えば、シリコン等の無機材料で形成されている。カバーガラス６には、ＣＣＤのフォトダイオードの破壊を防止するために、透明なα線遮蔽ガラスが用いられている。補強板７は、例えばガラス板等で形成されており、固体撮像装置２を補強するためにシリコン基板４ａの下面に取り付けられている。
【００１７】
バンプ８は、補強板７の下面に形成された外部ＢＰ１２の下面に形成されている。外部ＢＰ１２は、図中垂直方向において内部ＢＰ１０に対面する位置に配置されている。内側ＢＰ１０と外側ＢＰ１２との間には、内部ＢＰ１０と外部ＢＰ１２とを電気的に接続する貫通配線１４が設けられている。なお、シリコン基板４ａと貫通配線１４との間を絶縁するために、貫通孔１５の内壁面には酸化シリコンなどの絶縁膜１６が形成されている。
【００１８】
以下、固体撮像装置２の製造工程について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。なお、本実施形態で用いている固体撮像装置の製造方法は、ウエハレベルで一括して実装して一体化してから、各固体撮像素子ごとに分離するウエハレベルＣＳＰ法に基づくものである。
【００１９】
第１の工程では、図４（Ａ）に示すように、カバーガラス６の基材となるガラス基板１８の上に多数のスペーサー５を形成し、これとは別のラインでウエハ２３上に多数の固体撮像素子３と内部ＢＰ１０とを形成する。ウエハ２３への固体撮像素子３とＢＰ１０の作成は、周知のシリコンプロセスを用いて行なわれるので、詳しい説明は省略する。
【００２０】
ガラス基板１８へのスペーサー５の作成は、例えば、ガラス基板１８とシリコンウエハとを接着剤１９で貼り合わせ、次いで、フォトリソグラフィ技術，現像，エッチング等を用いてシリコンウエハを部分的に除去することにより行なわれる。なお、ガラス基板１８の上にシリコン等の無機材料を塗布して無機材料膜を作成し、この無機材料膜からスペーサー５を形成してもよい。また、ガラス基板１８上に無機材料をスペーサー５の形状で印刷して、スペーサー５を直接形成してもよい。
【００２１】
第２の工程では、ガラス基板１８上のスペーサー５の端面に接着剤２１が薄く均一に塗布される。接着剤２１の種類としては、硬化時の反りを防止するために、常温硬化型接着剤や紫外線硬化接着剤，熱硬化接着剤等が用いられる。また、数μｍ程度の薄く均一な接着剤層を形成するために、粘度の低い接着剤が使用される。
【００２２】
そして、図４（Ｂ）に示すように、多数の固体撮像素子３及び内部ＢＰ１０が形成されたウエハ２３上に、ガラス基板１８が貼り合わされる。ウエハ２３の下面には、既に補強板７の基材となる補強基板２４が貼り付けられている。ガラス基板１８とウエハ２３との貼り合わせには、アライメント貼り付け装置が使用される。このアライメント貼り付け装置は、ガラス基板１８とウエハ２３とのＸＹ方向及び回転方向の位置調整を行ない、なおかつガラス基板１８とウエハ２３とが適正に貼り合わされるように加圧を行なう。以上のように、ガラス基板１８，ウエハ２３，補強基板２４が一体化された状態を本実施形態では、配線対象基板２６と呼ぶ。
【００２３】
第３の工程では、図５のフローチャートに示す順序に従って、配線対象基板２６に貫通配線１４が形成される。まず、図６（Ａ）に示すように、ウエハ２３と補強基板２４の内部ＢＰ１０に対応する位置に貫通孔１５が形成される。この貫通孔１５の形成には、スペーサー５と同様にフォトリソグラフィ技術，現像，エッチング等が用いられる。次いで、同図（Ｂ）に示すように、貫通孔１５の内壁に、ＣＶＤ装置等を用いて絶縁膜１６が形成される。なお、絶縁膜１６の形成後には、内部ＢＰ１０も絶縁膜１６によって被覆されているため、異方性エッチング等を実施して内部ＢＰ１０上の絶縁膜１６を除去する必要がある。
【００２４】
絶縁膜１６が形成された貫通孔１５には、内部ＢＰ１０に接続する導電性ペーストが充填される。貫通孔１５への導電性ペーストの充填には、図７に示す配線装置２８が用いられる。配線装置２８は、気密性及び耐圧性を有するチャンバー３０と、このチャンバー３０内に設置された水平移動ステージ部３１と、ペースト供給部３２と、印刷部３３と、チャンバー３０内を減圧及び加圧する真空ポンプ３４及びエアコンプレッサ３５とからなる。
【００２５】
水平移動ステージ部３１は、配線対象基板２６が載置されるステージ３７と、このステージ３７を図中左右方向で水平移動させるステージ移動機構３８とからなる。印刷部３３は、配線対象基板２６の上面に当接するスキージ４０と、このスキージ４０を上下方向で移動させて配線対象基板２６との面合わせや隙間調整に用いられるスキージ移動機構４１とからなる。ペースト供給部３２は、導電性ペースト４５を収納して供給する供給タンク４３と、配線対象基板２６の近傍で導電性ペースト４５を吐出するノズル４４とからなる。
【００２６】
導電性ペースト４５の充填は、図８のフローチャートに示す手順に従って行なわれる。まず、配線対象基板２６がステージ３７上に位置決めして載置され、ずれ動かないように吸着固定される。スキージ４０は、スキージ移動機構４１によって上下方向で移動され、配線対象基板２６の上面に対する面合わせや隙間調整が実施される。ペースト供給部３２は、ノズル４４から適量の導電性ペースト４５を吐出して、配線対象基板２６の上に供給する。
【００２７】
真空ポンプ３４は、パイプ３４ａを通してチャンバー３０内の空気を排出し、チャンバー３０内の気圧を例えば２ｋｐａ程度まで減圧する。ステージ移動機構３８は、ステージ３７を図中左方のＡ方向に向けて移動させる。これにより、図９に示すように、スキージ４０によって導電性ペースト４５が配線対象基板２６の上に均一な厚さで展開される。なお、この時の導電性ペースト４５の塗布厚Ｃは、貫通孔１５への充填を確実なものにするために、貫通孔１５の深さＤよりも多くするとよい。
【００２８】
ステージ３７が図７中に２点鎖線で示す位置まで移動すると、配線対象基板２６に対する導電性ペースト４５の塗布は完了する。すると、真空ポンプ３４による減圧作業が停止され、代わってエアコンプレッサ３５が動作を開始する。エアコンプレッサ３５は、パイプ３５ａを通してチャンバー３０内にエアーを供給し、チャンバー３０内の気圧を１５０ｋＰａまで加圧する。これにより、図１０（Ａ）に示すように、貫通孔１５内の気圧とチャンバー３０内の気圧との差（約２５０ｋＰａ）によって、導電性ペースト４５が貫通孔１５内に吸引され、隙間や空洞を発生させずに貫通孔１５内を導電性ペースト４５で満たすことができる。なお、エアコンプレッサ３５として加圧コントロールが可能なものを用いれば、貫通孔１５内とチャンバー３０との差圧を適宜変更することができる。
【００２９】
貫通孔１５への導電性ペースト４５の充填完了後、エアコンプレッサ３５の動作が停止される。スキージ４０は、スキージ移動機構４１によって先端が配線対象基板２６に当接する位置まで下降される。また、ステージ移動機構３８は、ステージ３７を図７中のＢ方向に移動させる。これにより、図１０（Ｂ）に示すように、スキージ４０によって配線対象基板２６上に余った導電性ペースト４５が除去される。なお、配線対象基板２６上の導電性ペースト４５がスキージ４０だけで除去しきれない場合には、後述する導電性ペースト４５の加熱硬化処理の後に、研削あるいは化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  ）によって補強基板２４の表面を研磨するとよい。
【００３０】
余分な導電性ペースト４５が除去された配線対象基板２６は、配線装置２８から取り出されて加熱炉にセットされる。図示しない加熱炉は、配線対象基板２６を加熱（例えば、１６０°Ｃ×２時間）して導電性ペースト４５を硬化させ、貫通配線１４が完成する。
【００３１】
第４の工程では、図１１（Ａ）に示すように、補強基板２４の貫通配線１４の上に、印刷等によって外部ＢＰ１２とバンプ８とが形成される。
【００３２】
第５の工程では、図１１（Ｂ）に示すように、ガラス基板１８にダイシングテープ４８が貼り付けられて、ダイシングが実施される。このダイシングは、ダイヤモンドカッター４９と配線対象基板２６とが必要以上に加熱されないように、ノズル５０で冷却水を掛けながら行なわれる。固体撮像素子３は、スペーサー５とカバーガラス６とによって封止されているので、冷却水がカバーガラス６内に侵入することはない。
【００３３】
なお、上記実施形態では、シリコン基板４ａと補強板７とを貫通する貫通配線１４を有する固体撮像装置２について説明したが、図１２に示すように、スペーサー５とカバーガラス６とを貫通する貫通配線５５を備えた固体撮像装置５６においても、同様に実施することができる。この場合には、カバーガラス６の上にＢＰ５７が形成される。
【００３４】
また、補強基板２４の全域に導電性ペースト４５を塗布したが、補強基板２４の上に、貫通孔１５に対応する位置に孔が形成されたマスク板を載置し、このマスク板の孔の中に導電性ペースト４５を注入してから、貫通孔１５の中に充填するようにするとよい。これによれば、私用する導電性ペーストの量を少なくすることができる。また、本発明の配線方法及び配線装置は、固体撮像装置の貫通配線だけではなく、その他の半導体素子の貫通配線にも使用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置の配線方法及び装置によれば、低い設備コストで、高アスペクト比の貫通孔に導電性ペーストを短時間で空洞なく充填することができる。これにより、絶縁抵抗及び内部抵抗の均一な貫通配線を作成することができ、半導体の性能向上にも資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いて製造される固体撮像装置の構成を示す外観斜視図である。
【図２】固体撮像装置の構成を示す要部断面図である。
【図３】固体撮像装置の製造手順を示すフローチャートである。
【図４】固体撮像装置の製造に係る第１工程及び第２工程を示す要部断面図である。
【図５】固体撮像装置の製造に係る第３工程である貫通配線の製造手順を示すフローチャートである。
【図６】貫通孔の形成と貫通孔への絶縁膜の塗布状態を示す要部断面図である。
【図７】配線装置の構成を示す概略図である。
【図８】導電性ペーストの充填手順を示すフローチャートである。
【図９】導電性ペーストの印刷状態を示す要部断面図である。
【図１０】導電性ペーストが貫通孔内に充填されている状態、及び余剰導電性ペーストの除去状態を示す要部断面図である。
【図１１】固体撮像装置の製造に係る第４工程及び第５工程を示す要部断面図である。
【図１２】本発明を実施した固体撮像装置の別の例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
２  固体撮像装置
３  固体撮像素子
４  シリコン基板
５  スペーサー
６  カバーガラス
７  補強板
１０  内部ボンディングパッド
１２  外部ボンディングパッド
１４  貫通配線
１５  貫通孔
１６  絶縁膜
１８  ガラス基板
２３  ウエハ
２４  補強基板
２６  配線対象基板
２８  配線装置
３０  チャンバー
３１  水平移動ステージ部
３２  ペースト供給部
３３  印刷部
３４  真空ポンプ
３５  エアコンプレッサ
【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】
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【図１０】
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【図１１】
2004296737.tif 000013
【図１２】
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