(57)【要約】【課題】基板厚さが一定で製造毎の再現性が高く、かつ効率的な貫通電極付き基板の製造方法を提供する。【解決手段】基板表面１ａに表面絶縁層２を形成し、エッチング等の手法により電極部位の表面絶縁層２を選択的に除去して基板表面１ａを露出させる。前記基板露出部位にエッチング等の手法により貫通微細孔５を形成する。次いで、基板裏面１ｂに接合用基板６を接合した後、前記貫通微細孔５に壁面絶縁層７を形成する。次いで、前記貫通微細孔５に電極用金属を充填し導電層８を形成した後、前記接合用基板６をエッチング等で全部あるいは一部除去する。次いで裏面絶縁層４の電極部位をエッチング等で選択的に除去しコンタクトホ−ルを形成することにより、基板１と同じ厚さの貫通電極付き基板を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通電極付き基板の製造方法であって、基板上の電極部位に貫通微細孔を形成したのち、前記基板に接合用基板を接合し、次いで、前記貫通微細孔内壁に絶縁層を形成し、前記微細孔に金属を充填して導電層を形成した後、前記接合用基板の一部または全部を除去することを特徴とする貫通電極付き基板の製造方法。
【請求項２】
接合用基板がシリコン基板あるいはガラス基板である請求項１の貫通電極付き基板の製造方法。
【請求項３】
接合用基板がガラス基板であって、前記接合用ガラス基板を絶縁層として用いることを特徴とする請求項１の貫通電極付き基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高密度３次元実装タイプの半導体装置などに用いられる貫通電極付き基板を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣチップなどの半導体装置を３次元に積層し、高密度配線を行うためには、シリコン等の基板の表裏両面に素子を形成し、これらを配線することが不可欠であり、そのためには表面と裏面を接続する貫通電極が必要となる。
【０００３】
基板への貫通電極形成方法としては、従来、基板表面にレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって所望の電極パタ−ンをレジスト上に転写し、次いで選択的エッチングにより基板の電極部分に非貫通微細孔を形成した後、前記非貫通微細孔内壁に絶縁層を形成し、次いで前記非貫通微細孔に金属を充填し、基板の裏面を研磨することにより貫通電極とする方法が一般的である。
【０００４】
以下に、図２によって従来行われている貫通電極付き基板の製法を説明する。図２（ａ）は貫通電極付き基板の平面図を示したものであり、符号９は基板、符号１０は貫通電極である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ方向における断面において、貫通電極の製造手順を示したものである。
【０００５】
図２（ｂ）において、符号１１は基板、符号１１ａは基板１１の表面、符号１１ｂは基板１１の裏面である。表面加工前の基板は表裏の区別はなく、本明細書では、微細孔を形成するために最初に穿孔する面を表面とし、その反対の面を裏面とする。符号１３はレジスト、符号１２は表面絶縁層、符号１４は裏面絶縁層、符号１５はブラインドビアホ−ル（ｂｌｉｎｄ  ｖｉａ  ｈｏｌｅ、非貫通電極用微細孔）、符号１６は内壁絶縁層、符号１７は導電層、符号１８はコンタクトホ−ルである。
【０００６】
工程１１において、基板の表面１１ａおよび裏面１１ｂを鏡面研磨し、次いで、基板表面１１ａに酸化膜等により表面絶縁層１２を形成し、表面絶縁層１２の表面にレジストを塗布して電極パタ−ンをリソグラフィ技術により転写後、エッチング技術により貫通電極となる部位の表面絶縁層１２およびレジスト１３を除去して、基板表面１１ａを部分的に露出させる。
【０００７】
表面絶縁層１２は、熱酸化法等により形成されるが、このとき同時に裏面絶縁層１４を形成しても良い。表面絶縁層１２および裏面絶縁層１４は、基板表面保護としての機能、および電極形成後の絶縁層の機能を兼ねている。裏面絶縁層１４は、工程１１においては、パタ−ン形成されていない平坦層である。
【０００８】
工程１２では、電極パタ−ン形成により露出した電極部位となる基板表面１１ａに非貫通微細孔であるブラインドビアホ−ル１５をエッチング技術を用いて形成する。ブラインドビアホ−ルの形状、面積、個数は電極パタ−ンにより任意に設定可能である。また、ブラインドビアホ−ル１５の深さは通常、基板１１の厚さの７０〜９０％である。
【０００９】
工程１３では、形成したブラインドビアホール１５の内壁に酸化膜等の壁面絶縁層１６を形成する。次いで工程１４では、壁面絶縁層１６を形成したブラインドビアホール１５に貫通電極用の金属を充填し、導電層１７を形成する。
【００１０】
工程１５では、基板裏面１１ｂにおいて研磨等の手法で基板１１の一部を除去し、電極となる金属部分を露出させる。この場合、後に説明するように、基板１１上の複数のブラインドビアホ−ルはエッチングによる穿孔においてその深さが基板１１の径方向において変動している。
【００１１】
そのため、ブラインドビアホ−ル１５形成後に研磨等により基板裏面１１ｂの全面に一括して貫通微細孔を形成するためには、最も浅いブラインドビアホ−ル１５の深さを研磨基準位置とし、この研磨基準位置まで研磨することが必要である。また、裏面絶縁層１４を形成していた場合は、この研磨工程で除去されてしまう。
【００１２】
工程１６では、基板裏面１１ｂの保護および絶縁用に裏面絶縁層１４を裏面全面に形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて電極部位の裏面絶縁層１４を選択的に除去して金属部位を露出させ、コンタクトホ−ル（導通用の微細孔）１８を作製する。
【００１３】
このように貫通電極を最初に作らずに、ブラインドビアホ−ルを形成したのちに電極用金属を充填し、エッチングあるいは研磨によって裏面に電極を露出させることにより貫通電極を作製する理由は、基板にエッチングその他の処理を行う場合に、台座に基板を固定するには通常真空吸引によって行うため、貫通微細孔があっては基板固定に不都合であること、また、基板にエッチング、洗浄等の処理を行う場合、ガス、溶液等が貫通微細孔から裏面へ漏れ出し、基板表面や台座を汚染、侵食してしまうことなどであった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製造方法においては、以下の問題点があった。すなわち、ブラインドビアホ−ル形成時にエッチング法を用いる場合においては、エッチングの深さ、すなわちブラインドビアホ−ルの深さが基板の径方向の穿孔位置により変動する現象が生じ、この変動が貫通電極付き基板の仕上がり厚さの変動に反映する。
【００１５】
エッチングの深さは、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）では、エッチング時間、ＲＦパワ−、エッチングガスの流量によって制御され、ＰＡＥＣＥ（Ｐｈｏｔｏ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｅ１ｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａ１ｅｔｃｈｉｎｇ）ではエッチング時間、エッチャント濃度、印加電圧、照射光量などによって制御される。これらのパラメ−タが変動した場合には、エッチングする基板ごとに、前記研磨基準位置が変動し、その結果、研磨後の基板の仕上がり厚さが変動する。
【００１６】
また、同一基板にあっても、市販のＲＩＥ装置を用いた場合、基板中心部のエッチングレ−トは、外周部に比較して遅くなり、その結果、外周部のブラインドビアホ−ルは中心部に比較して深くエッチングされる。
【００１７】
市販のＲＩＥ装置においては、反応容器内の台座に固定された基板の上方から反応容器内に反応ガスが導入され、高周波電界等の印加によりラジカルやイオンなどの反応種となったガスが基板表面に到達し、基板中心部から外周部に向かって基板表面上に沿って流れながら、基板表面をエッチングした後、台座の下方に設置された排気口より反応容器外に排出されるという構造が一般的である。
【００１８】
このような装置構造においては、エッチングの進行中に基板外周部周辺においてエッチングに寄与するガス、ラジカル、イオンが中心部に比較して多く存在するために基板外周部においてエッチングが早く進行すると考えられる。
【００１９】
中心部と外周部のエッチング深さの差異は、エッチング深さの５〜１０％に達し、数十μｍ以上となる。例えば基板厚さが６００μｍであり、ブラインドビアホ−ルの平均的深さを基板厚さの８０％である４８０μｍであるとすると、基板中心部と外周部のブラインドビアホ−ルの深さの差異は、２４〜４８μｍとなる。
【００２０】
ところで、研磨によりすべてのブランドビアホ−ルを一括して露出させるためには、研磨基準位置すなわち、最浅ブラインドビアホ−ルの深さを正確に測定し、基板裏面から研磨基準位置まで、数十μｍの量を除去する必要がある。
【００２１】
しかしながら、通常このような微細孔の測定に用いられるレ−ザ−顕微鏡の深度測定機能では、孔径が３０μｍ以下の場合、深さが２００μｍ以上になると測定が困難になり、通常２５０μｍ以上となるブラインドビアホ−ル深さの測定においては十分な精度が得られていなかった。
【００２２】
そのため、裏面研磨においては研磨量の過不足が生ずる場合があり、研磨後に未貫通微細孔が残っていれば再研磨を行い、また、研磨量が多すぎて、基板厚さの許容範囲を逸脱する場合などが生じた。このように、従来法にあっては、基板毎に貫通電極形成後の仕上がり厚さが数十μｍ程度変動することがあり、基板厚さに高い精度と再現性が求められるＬＳＩ用基板にとっては望ましいものではなかった。
【００２３】
また、図２（ｂ）の工程１５および１６に示したように、工程１１において基板裏面１１ｂに形成されていた裏面絶縁層１４は、工程１５の裏面研磨によって除去されるため、貫通微細孔の作製後に新たに裏面絶縁層１４を形成する必要があった。
【００２４】
このような貫通電極付き基板の作製方法に関する先行技術文献には、例えば本出願人が先に出願している特願２００２−２７０５６３号がある。（平成１４年９月１７日出願）
【００２５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、請求項１にかかる発明は、基板に貫通電極を形成する方法であって、基板上の電極部位に貫通微細孔を形成したのち、前記基板に接合用基板を接合し、次いで、前記貫通微細孔内壁に絶縁層を形成し、前記微細孔に金属を充填して導電層を形成した後、前記接合用基板を全部または一部除去することを特徴とする貫通電極付き基板の製造方法である。
【００２６】
請求項２にかかる発明は、接合用基板がシリコン基板あるいはガラス基板である請求項１の貫通電極付き基板の製造方法である。
【００２７】
請求項３にかかる発明は、接合用基板がガラス基板であって、前記接合用ガラス基板を絶縁層として用いることを特徴とする請求項１の貫通電極付き基板の製造方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来の貫通電極付き基板の製造方法の問題点を解決するものであり、貫通微細孔形成後に新たなシリコン基板または、ガラスの基板を接合し、その後、電極用導体を微細孔に充填するプロセスを行うことを特徴とする貫通電極製造方法である。図１を用いて本発明にかかる貫通電極付き基板の製造方法を説明する。
【００２９】
図１は、基板の断面を示した図である。図１において、符号１は基板、符号１ａは基板１の表面、符号１ｂは基板１の裏面である。  表面、裏面については、従来法において説明した通りである。符号２は表面絶縁層、符号３はレジスト、符号４は裏面絶縁層、符号５は貫通微細孔、符号６は接合用基板、符号７は壁面絶縁層、符号８は導電層、符号９はコンタクトホ−ルである。
【００３０】
以下に図１を用いて本発明による貫通電極付き基板の製造方法を説明する。基板１は、以下の説明ではシリコン基板を例として説明するが、材質はシリコンに限定されるものではない。工程１において、基板１の表面１ａに表面絶縁層２を形成後、表面絶縁層２にレジスト３を塗布して電極パタ−ンをリソグラフィ技術によりレジスト上に転写する。
【００３１】
基板の厚さは、例えば３００〜６００μｍ程度である。また表面絶縁層２は、熱酸化法によって形成される酸化膜（Ｓｉ０２）等が用いられる。貫通電極の口径は通常、基板厚さより小さく、例えば５〜２００μｍ程度である。また、貫通電極の開口形状、配置、個数は、形成する電極パタ−ンにより任意に設計可能である。
【００３２】
次いで、ウェットエッチング等により電極部位にある表面絶縁層２およびレジスト３を除去して基板表面１ａを部分的に露出させる。接続用基板６がシリコンである場合は、基板裏面１ｂに裏面絶縁層４を形成しても良い。
【００３３】
工程２においてエッチング技術により基板表面１ａの電極部位を穿孔し、貫通微細孔５を形成する。孔径が数十μｍであり、深さが数百μｍ以上である高アスペクト比（微細孔の孔径と深さの比）を有するブラインドビアホ−ルおよび貫通微細孔を形成する方法としては、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ），ＰＡＥＣＥ、レーザー法、マイクロドリル法などがあるが、多数のブラインドビアホ−ルを短時間で一括穿孔するためにはマイクロドリル法は効率が悪く、またレ−ザ−穿孔装置は高価であるところから、シリコン等の基板の電極用微細孔形成にはＩＣＰ−ＲＩＥが多く用いられている。
【００３４】
また、基板穿孔においては、エッチング深さが数百μｍに及ぶため、シリコンとエッチングマスクの選択比（エッチングレ−トの比）を大きくし、厚いエッチングマスクを用いる必要がある。そのため、工程１の表面絶縁層２をパタ−ンニングするために用いたレジスト３と表面絶縁層２の二層を工程２における貫通微細孔５形成のためのエッチングマスクとして用いる場合が多い。
【００３５】
もちろん、貫通微細孔形成に用いられるエッチングマスクの構造は、図１に例示したものに限られず、フォトレジスト等のレジストあるいは、酸化膜や窒化膜等をそれぞれ単独でエッチングマスクとして用いることも可能である。
【００３６】
エッチングにおいて、表面絶縁層２がＳｉ０２であり、基板１がシリコンである場合、ＩＣＰ−ＲＩＥにおけるシリコンとＳｉ０２の選択比（エッチングレ−トの比）は１：１００〜２００程度であり、シリコンとフォトレジストの選択比は、１：５０〜１００程度である。
【００３７】
数百μｍ以上の厚さを有するシリコン基板に貫通微細孔を形成するためには、基板１の厚さと、前記選択比の値からレジスト３と表面絶縁層２の膜厚を適宜決定すればよい。
【００３８】
また、既に説明したように、基板１の中心部と周辺部ではエッチングレ−トに差が生ずるので、エッチングレ−トの遅い中心部が貫通するために必要なエッチング時間に対応したエッチングマスクの厚さを設計しておくことが必要である。
【００３９】
また、Ｓｉ０２等の酸化膜を絶縁層として機能させるためには、０．５〜３μｍ程度の厚さが必要であるが、貫通微細孔作製終了時に、Ｓｉ０２膜がエッチングされ、前記の厚さに達しない場合でも、次工程である内壁縁層形成において、基板表面１ａも同時に膜形成作用を受けるように露出させておけば、微細孔壁面と基板表面に同時に絶縁層を形成することができる。
【００４０】
このように貫通微細孔５を形成することにより、目視により基板上の微細孔が全てエッチングされ、貫通したことを確認することが可能となるので、過度のエッチングにより基板１の厚さが変動することはない。
【００４１】
次に、工程３において、貫通微細孔５を形成済みの基板１に接合用基板６を接合する。接合用基板６には、シリコン基板またはガラス基板を用いる。また、接合前にレジスト３が残っていれば除去しておくことが望ましい。接合用基板６の接合方法および、接合し電極用金属を充填した後の除去方法は、接合用基板６の材質によって異なる。
【００４２】
まず、接合用基板６がシリコン基板である場合を説明する。シリコン基板は、例えば厚さが１００〜３００μｍ程度が望ましい。工程１において、裏面絶縁層４を形成しなかった場合には、この接合用基板６の接合面に酸化膜等の絶縁層を形成しておくと良い。基板の接合方法は、熱接合または、フォトレジスト等の樹脂による接合が使用される。以下にこれらの接合方法説明する。
【００４３】
熱接合においては、貫通電極を形成する基板１および接合用基板５をアンモニアと過酸化水素の混合水溶液で洗浄することにより親水化処理を行ってから、両者を貼り合わせる。その後、酸素雰囲気、または窒素雰囲気、または窒素と酸素の混合雰囲気により、加熱処理することによって接合が完了する。加熱処理における温度は８００〜１２００℃、時間は３０分〜１２時間の間が望ましい。この場合、加熱処理中に、シリコン基板１の表面および貫通微細孔５の内壁に熱酸化反応により酸化膜が形成されるため、後に述べる工程４における壁面絶縁層７の形成は不要となる。
【００４４】
また、樹脂による接合においては、フォトレジストを例えば、０．５〜５０μｍ程度の厚さで接合用基板５の片面に均一に塗布し、基板１に貼合せる。その後、加熱処理することによって両基板の接合が完了する。温度は、８０〜２００℃、時間は３０分〜２時間の間が望ましい。
【００４５】
次に、接合用基板６がガラス基板である場における接合を説明する。この場合、接合用基板６の厚さは１００〜５００μｍが望ましい。接合方法は、陽極接合または樹脂による接合が行われる。以下に接合方法を説明する。
【００４６】
陽極接合法の場合は、貫通微細孔５を形成した後に、基板１とガラスである接合基板６を貼合わせ、基板１を陽極側に、接合用基板６を陰極側に接続し、電圧を印加しながら加熱処理を行うことにより接合する。印加電圧は６００Ｖ、加熱温度は４００〜５００℃、加熱時間は１〜２時間が望ましい。また、樹脂による接合の方法は、接合用基板６がシリコンである場合に同様である。
【００４７】
工程４において、貫通微細孔５の内壁に壁面絶縁層７を形成する。壁面絶縁層７はＳｉＯ２等の酸化膜であり、形成方法は、熱酸化法、ＰＥ−ＣＶＤ法、陽極酸化法などである。基板接合において熱接合を行った場合は、この工程は不要である。
【００４８】
工程５において、壁面絶縁層７を形成した貫通微細孔５に貫通電極用の金属を充填し、導電層７を形成する。充填方法として、溶融金属吸引法、印刷法、ＣＶＤ法などが使用される。
【００４９】
溶融金属吸引法は、高アスペクト比の微細孔に金属を充填する場合に用いられる方法であって、まず、減圧した気密容器内において微細孔を形成した基板を加熱溶融した金属に挿入する。次いで容器内を加圧することにより、微細孔内部と気密容器内部の気圧差を利用して微細孔内部に溶融金属を充填した後、基板を溶融金属から取り出して冷却することにより、微細孔に金属を充填する。
【００５０】
工程６において、接合用基板４を、研磨もしくはエッチングにより除去する。エッチングは、ドライエッチング、ウエットエッチングのどちらも適用可能である。ドライエッチングの場合は、ＳＦ６ガス・ＣＦ４ガス・酸素ガス、又はこれらの混合ガスを用い、ウェットエッチングの場合は、フッ酸、硝酸、酢酸の混合液あるいは、水酸化カリウム水溶液などが用いられる。
【００５１】
エッチングまたは研磨によって除去する接合基板の厚さは、接合基板６の材質によって異なる。接合基板６がシリコンである場合は、すでに基板１と接合用基板６の間に裏面絶縁層４が形成されているため、接合用基板６の厚さに等しい厚さを研磨もしくはエッチングして除去すれば、裏面絶縁層４が露出する状態となる。
【００５２】
一方、接合基板６がガラス基板の場合は、基板１と接合用基板６との間に裏面絶縁層４がないため、ガラスである接合用基板５を、その厚さが数μｍ程度残るところで除去を中止し、残存したガラス層を裏面絶縁層４として絶縁および表面保護に用いる。
【００５３】
いずれの接合用基板除去方法においても、基板１はその厚さが変化することはないので、貫通微細孔の深さは一定であり、基板１の厚さに等しい。従って、貫通電極作成後の基板１の厚さは、高い精度で一定となり、厚さ再現性の高い貫通電極付き基板の製造が可能である。
【００５４】
工程７では、貫通電極部位にある裏面絶縁層４を、リソグラフィ技術によりパタ−ンニングした後、エッチング、または研磨により選択的に除去し、導通用孔９（コンタクトホ−ル）を形成する。
【００５５】
次に、本発明の実施例について説明する。直径が２インチであり、厚さが４００μｍであるシリコン基板を用意し、シリコン基板の表面に熱酸化法によりＳｉ０２膜を形成後、前記酸化膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により電極パタ−ンをレジスト上に転写し、ウェットエッチングにより電極部位となるシリコン基板上のフォトレジストとＳｉ０２膜を除去した。
【００５６】
転写した電極パタ−ンは、孔径が６０μｍの円形孔が、２０００個整列したパタ−ンである。また、ウェットエッチング後のＳｉＯ２膜厚さは１μｍ、フォトレジスト厚さは２μｍであり、この２層を次の貫通微細孔形成用エッチングのマスクとした。
【００５７】
貫通微細孔は、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した。次に基板接合を行った。接合する基板は、直径が２インチであり、厚さが２００μｍのシリコン基板である。両方の基板をアンモニアと過酸化水素の混合水溶液で洗浄することにより親水化処理を行ったのち、貼り合わせた。
【００５８】
貼り合わせた基板を、酸素雰囲気中で１１００℃、３時間の加熱処理を行った。この例においては、熱接合法をもちいたため、接合工程において壁面絶縁層が形成され、新たに壁面絶縁層形成を行う必要はなかった。
【００５９】
次いで、溶融金属法によって微細孔中に電極となる金属を注入し、接合した基板を研磨によって除去した。研磨量は２００μｍであり、接合した基板の厚さに等しい。次いで、ＳｉＯ２絶縁層が形成されている基板裏面に対して、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を用いて電極部位にあるＳｉＯ２膜を選択的にエッチングして除去し、コンタクトホ−ルを形成した。
【００６０】
このようにして、出発基板の厚さと実質的に同じ厚さを有する貫通電極付き基板を得ることができた。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、基板に貫通電極を形成する際に、基板に貫通微細孔を形成した後に接合用基板を基板に接合し、前記貫通微細孔に電極用金属を充填した後、前記接合用基板を除去して、電極部位にコンタクトホ−ルを形成する。従って、貫通微細孔の深さは一定であり、穿孔前の基板の厚さに等しい。そのため、貫通電極形成後の基板厚さが製造毎に変動することはなく、出発基板と同じ厚さの貫通電極付き基板を再現性よく効率的に製造することができる。また、接合用基板を基板に接合する工程において、絶縁層が形成されるため、接合用基板除去後の裏面絶縁層形成は不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による貫通電極作製工程の例を示す図である。
【図２】従来例による貫通電極作製工程の例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・基板、１ａ・・・・・基板表面、１ｂ・・・・・基板裏面、２・・・・・表面絶縁層、３・・・・・レジスト、４・・・・・裏面絶縁層、５・・・・・貫通微細孔、６・・・・・接合用基板、７・・・・・壁面絶縁層、８・・・・・導電層、９・・・・・コンタクトホ−ル
【図１】
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【図２】
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