(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、半導体基板（１１，４１）の主面に対し垂直方向に形成された細孔（１２，４２）の孔壁表面を多孔質化して多孔質層（１５，４４）を形成する多孔質層形成工程と、前記多孔質層を酸化して絶縁層（１６，４５）を形成する酸化工程と、前記細孔に導電性物質（１７，４７）を充填する金属充填工程とを有する貫通電極の製造方法であって、
さらに前記多孔質層形成工程の前に、前記半導体基板の前記細孔形成面に対して反対側の面に、導電性膜を形成する工程を有し、
前記多孔質層形成工程において、前記導電性膜を電極として前記半導体基板に通電することにより、前記細孔の孔壁表面を多孔質化し、
さらに前記金属充填工程の前に、前記導電性膜を剥離し、前記半導体基板を研磨することにより、前記半導体基板の両面間で前記細孔を貫通させる貫通工程を有することを特徴とする貫通電極の製造方法。
【請求項２】
前記酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化することを特徴とする請求項１に記載の貫通電極の製造方法。
【請求項３】
前記酸溶液は、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類であることを特徴とする請求項２に記載の貫通電極の製造方法。
【請求項４】
前記細孔は、Deep-Reactive Ion Etching法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで穿孔されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の貫通電極の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板としてｎ型シリコン基板を用い、前記細孔形成工程を光励起電解研磨法で行い、前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前記酸化工程とを同一の処理装置（２５，５６）を用いて連続的に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の貫通電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、シリコンＩＣチップを積層して高密度実装する際の電気配線に利用する貫通電極およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンＩＣチップの高密度実装や、電子デバイス、光デバイス等の各種デバイスに貫通電極を用いることがある。この貫通電極は、例えば、図５（ｃ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板６１に形成された、半導体基板を貫通する細孔の孔壁に絶縁層６３が形成されており、細孔には金属等の導電性物質６４が充填されている。
この貫通電極を製造する製造方法では、まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板６１に、半導体基板６１を貫通する細孔６２を形成する細孔形成工程を行う。細孔６２を形成する方法としては、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）に代表されるＤＲＩＥ（Deep- Reactive Ion Etching）法、ＫＯＨ溶液等を用いた異方性エッチング法、マイクロドリルによる機械加工法、光励起電解研磨法などが挙げられる。
次いで、酸化工程において、図５（ｂ）に示すように、シリコン基板を酸化雰囲気中で熱処理して熱酸化し、シリコン基板６１の表面にシリコン酸化膜からなる絶縁層６３を形成させる。
次いで、金属充填工程において、スパッタ、めっき、スクリーン印刷などにより、図５（ｃ）に示すように、金属等の導電性物質６４を細孔内に充填する。このようにして、貫通電極を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の貫通電極の製造方法において、酸化工程における熱酸化は、約１０００℃の高温で処理を施す必要があった。そのため、高温状態を保つのに要するエネルギー量が多くなるだけでなく、その処理条件が要する設備は高価であった。さらに、酸化処理に要する時間が長く、貫通電極製造の生産性が低かった。これらの結果、貫通電極のコストが高くなっていた。
本発明は、前記事情を鑑みて行われたものであり、細孔孔壁表面の絶縁層を形成する際の酸化処理を低温かつ短時間で施すことができる貫通電極の製造方法及び貫通電極を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体基板を多孔質化した後に酸化することにより、高温に長時間暴露する熱酸化処理を行わずに絶縁膜を形成させることができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明の貫通電極の製造方法は、少なくとも、半導体基板の主面に対し垂直方向に形成された細孔の孔壁表面を多孔質化して多孔質層を形成する多孔質層形成工程と、前記多孔質層を酸化して絶縁層を形成する酸化工程と、前記細孔に導電性物質を充填する金属充填工程とを有する貫通電極の製造方法であって、さらに前記多孔質層形成工程の前に、前記半導体基板の前記細孔形成面に対して反対側の面に、導電性膜を形成する工程を有し、前記多孔質層形成工程において、前記導電性膜を電極として前記半導体基板に通電することにより、前記細孔の孔壁表面を多孔質化し、さらに前記金属充填工程の前に、前記導電性膜を剥離し、前記半導体基板を研磨することにより、前記半導体基板の両面間で前記細孔を貫通させる貫通工程を有することを特徴としている。
【０００５】
本発明の貫通電極の製造方法では、多孔質層形成工程と酸化工程を有しており、細孔形成工程で形成した細孔の孔壁表面に多孔質層を形成させた後、この多孔質層を酸化することにより、約１０００℃の高温下に長時間暴露する熱酸化処理を行わなくても、多孔質層を低温かつ短時間に酸化することができ、絶縁膜を形成できる。そのため、酸化に要するエネルギー量が削減され、高温に耐えうる設備を必要としないので製造設備が安価となる。また、処理時間が短縮されるため、生産性が向上する。これらの結果として、貫通電極のコストを下げることができる。
【０００６】
また、本発明の貫通電極の製造方法において、前記酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化すること好ましい。前記酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化すると、多孔質層を室温で酸化できるので、酸化のためのエネルギー量をさらに削減できる。
【０００７】
また、前記多孔質層を酸溶液で酸化する場合において、前記酸溶液は、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類であることが好ましい。前記酸溶液が、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類であると、多孔質層を速く酸化させることができるので、酸化工程の生産性が向上し、結果的に貫通電極製造の生産性が向上する。しかも、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫酸、王水は容易に入手可能であり、かつ価格も安いので、結果的に、貫通電極のコストをさらに下げることができる。
【０００８】
また、前記細孔は、Deep-Reactive Ion Etching法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで穿孔されたことが好ましい。前記細孔形成工程を、Deep-Reactive Ion Etching法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで行うと、微細な加工が容易であるため、目的とする細孔を半導体基板に効率的に形成することができる。
【０００９】
また、前記半導体基板としてｎ型シリコン基板を用い、前記細孔形成工程を光励起電解研磨法で行う場合には、前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前記酸化工程とは装置構成及び反応プロセスが類似するため、前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前記酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行うことができる。前記細孔形成工程と前記多孔質層形成工程と前記酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行うと、連続的なプロセスを確立でき、各工程間の時間を短縮できるので、貫通電極の製造時間を短縮することができ、結果的に生産性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第一実施形態）
本発明に係る第一実施形態の貫通電極の製造方法について図１および図２を参照しながら説明する。本実施形態の貫通電極の製造方法では、半導体基板としてｐ型シリコン基板を用い、ＤＲＩＥによって細孔を形成することを特徴としている。
なお、図１は、本実施形態の貫通電極の製造方法を工程順に示し、半導体基板を細孔の延在方向に切断したときの断面図であり、図２は、本実施形態において使用される処理装置の概略を模式的に示す図である。
【００１２】
本実施形態の製造方法では、まず、細孔形成工程において、図１（ａ）に示すように、厚さ３００μｍの半導体基板１１であるｐ型シリコン基板（以下、本実施形態では、半導体基板１１をｐ型シリコン基板１１と称する）に、ＤＲＩＥ法によって直径１００μｍ、深さ２５０μｍの細孔１２を形成する。
次いで、図１（ｂ）に示すように、細孔１２が形成された反対側の面に、導電性膜１３であるアルミニウム膜（以下、本実施形態では、導電性膜１３をアルミニウム膜１３と称する）を積層する。ここで、主面とは、最も広い面積を有する面のことであり、通常半導体基板を使用する際に、表または裏となる面のことである。
次いで、図１（ｃ）に示すように、細孔１２表面以外のｐ型シリコン基板１１表面に金属薄膜からなるマスク１４を施す。
【００１３】
次いで、多孔質層形成工程において、図１（ｄ）に示すように、ｐ型シリコン基板１１の細孔１２の孔壁表面を多孔質化して多孔質層１５を形成する。なお、細孔１２の孔壁表面を多孔質化する際には、図２に示すような、電解液２１が満たされた反応容器２２と、反応容器２２内部に設けられた白金板２３と、定電流電源２４とを有する処理装置２５を用いる。この処理装置２５の白金板２３と対向する位置にｐ型シリコン基板１１を取り付け、白金板２３とｐ型シリコン基板１１とを定電流電源２４を介して接続する。なお、電解液２１は５０重量％のフッ化水素水溶液とエタノールとを２：１で混合したものである。
そして、ｐ型シリコン基板１１を陽極、白金板２３を陰極として、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２ 一定で５分間通電する。通電することによりｐ型シリコン基板１１は多孔質化されるが、ｐ型シリコン基板１１にはマスク１４が施されているので、細孔１２孔壁のみに厚さ約８μｍの多孔質層１５を形成できる。このような多孔質層１５は単位体積あたりの表面積が非常に大きいので、高い電気抵抗率を有すると共に、反応性に富んでいる。
【００１４】
次いで、酸化工程において、多孔質層１５を酸化して絶縁層１６を形成する。この酸化工程では、上述した多孔質化工程で使用した処理装置２５において、反応容器２２内の電解液２１を、５重量％のシュウ酸水溶液に入れ替え、ｐ型シリコン基板１２を陽極、白金板２３を陰極として、室温下、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２ で定電流を流して多孔質層１５を酸化する。
【００１５】
次いで、貫通工程において、図１（ｅ）に示すように、ｐ型シリコン基板１１に積層されたアルミニウム膜１３およびマスク１４を剥離し、さらに研磨することにより、細孔１２をｐ型シリコン基板表裏面間で貫通させる。
次いで、金属充填工程において、図１（ｆ）に示すように、細孔１２に導電性物質１７であるインジウムを溶融金属吸引法により充填して、貫通電極１８を得ることができる。
【００１６】
上述したｐ型シリコン基板１１はマスクを施した後に、多孔質形成工程において、細孔１２孔壁のみに多孔質層１５を形成させたが、ｐ型シリコン基板１１にマスク１４を施さない場合には、多孔質形成工程において、ｐ型シリコン基板１１の構造上、細孔１２孔壁以外のｐ型シリコン基板１１表面にも多孔質層が形成されることがある。なお、細孔１２孔壁以外のｐ型シリコン基板１１表面にも多孔質層が形成されても、本発明の効果を著しく阻害することはない。
上述した多孔質形成工程では、電解液を５０重量％のフッ化水素水溶液とエタノールとを２：１で混合したものを用い、電流密度を５０ｍＡ／ｃｍ２ 、反応時間を５分としたが、これらの条件は形成する細孔の大きさや数、目標とする多孔質層の厚さなどに応じて、適宜変更することができる。ただし、電流密度については、２００ｍＡ／ｃｍ２ を超えると、多孔質化できないことがあるので、２００ｍＡ／ｃｍ２ 以下であることが好ましい。
【００１７】
また、上述した酸化工程では、５重量％のシュウ酸水溶液を使用したが、リン酸、硝酸、硫酸、王水等の酸水溶液を使用することもできる。また、電流密度を５０ｍＡ／ｃｍ２ としたが、適宜変更することができる。
【００１８】
上述した第一実施形態にあっては、細孔形成工程をＤＲＩＥ法によって行い、微細な加工を施すことができるので、ｐ型シリコン基板１１に効率的に細孔１２を形成することができる。また、多孔質層形成工程において、細孔１２孔壁表面に多孔質化した多孔質層１５を形成させて、孔壁表面の反応性を高めた後、酸化工程において、室温下、シュウ酸により多孔質層１５を酸化して絶縁層１６を形成するので、熱酸化のように高温にする必要が無く、酸化に要するエネルギー量を削減でき、酸化のための装置も安価となる。また、酸化に要する時間も短縮され、生産性が向上する。このような結果、貫通電極１８のコストを下げることができる。
【００１９】
なお、上述した第一実施形態では、細孔形成工程をＤＲＩＥ法によって行ったが、本発明はこれに限定されず、使用するシリコン基板の厚さや形成する細孔の大きさに応じて、水酸化カリウム水溶液等による異方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法等の機械加工法などを行うこともできる。
また、上述した第一実施形態では、金属充填工程を溶融金属充填法により行ったが、本発明はこれに限定されず、充填する細孔の直径や深さに応じてスパッタ法、めっき法、スクリーン印刷法等により行うことができる。
【００２０】
また、上述した第一実施形態では、ｐ型シリコン基板１１を用いたが、ｎ型シリコン基板を用いてもよい。ｎ型シリコン基板の面方位については特に制限されないが、細孔形成工程を光励起電解研磨法で行う場合には、面方位が（１００）であることが好ましい。また、多孔質層の形成には、シリコン基板中のホール（正孔）が関与しているため、ｎ型シリコン基板を用いた場合には、少数キャリアであるホールを生成するために、基板に光照射する必要がある。
【００２１】
（第二実施形態）
次に、本発明に係る第二実施形態の貫通電極の製造方法について図３および図４を参照しながら説明する。本実施形態の貫通電極の製造方法は、半導体基板としてｎ型シリコン基板を用い、光励起電解研磨法によって細孔を形成し、細孔形成工程と多孔質層形成工程と酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続して行うことを特徴としている。
なお、図３は、本実施形態の貫通電極の製造方法を工程順に示し、半導体基板を細孔の延在方向に切断したときの断面図であり、図４は、本実施形態において使用される処理装置の概略を模式的に示す図である。
【００２２】
本実施形態の製造方法では、まず、細孔形成工程において、図３（ａ）に示すように、半導体基板４１であるｎ型シリコン基板（以下、本実施形態では、半導体基板４１をｎ型シリコン基板４１と称する）に細孔４２を形成する。その際、ｎ型シリコン基板４１としては、裏面にパターニングが施された導電性膜４３であるアルミニウム膜４３（以下、本実施形態では、導電性膜４３をアルミニウム膜４３と称する）を有し、面方位が（１００）、厚さが３００μｍのものを使用する。
なお、このｎ型シリコン基板４１には、細孔を形成させようとする箇所にＶ字状の溝をあらかじめ形成しておく。また、アルミニウム膜４３をパターニングする理由は、ｎ型シリコン基板にホールを生成させるために、後述するようにｎ型シリコン基板の裏面から基板に光照射するが、その際、ｎ型シリコン基板に直接光を照射するためである。
細孔形成工程では、図４に示すような、２．５重量％のフッ化水素水溶液の電解液５１が満たされた反応容器５２と、反応容器５２内部に設けられた白金板５３と、定電流電源５４と、ｎ型シリコン基板４１の裏面から光を照射する光源５５とを有する処理装置５６を使用する。この処理装置５６にｎ型シリコン基板４１を取り付け、ｎ型シリコン基板４１の裏面側から、Ｖ字状溝に対応する部分に光源５５により光を照射しながら、ｎ型シリコン基板４１を陽極、白金板５３を陰極として、定電流を流す。このようにして、Ｖ字状の溝先端を選択的にエッチングして直径約１００μｍの細孔４２を形成する。
【００２３】
次いで、多孔質層形成工程において、図３（ｂ）に示すように、細孔４２が形成されたｎ型シリコン基板４１の細孔４２の孔壁を多孔質化して多孔質層４４を形成させる。この多孔質層形成工程では、細孔形成工程後、ｎ型シリコン基板４１を取り外さずに上述した処理装置５６を使用する。すなわち、ｎ型シリコン基板４１を処理装置５６に取り付けたまま、細孔形成工程において使用した反応容器５２内の電解液５１を、５０重量％のフッ化水素溶液とエタノールとを２：１で混合した溶液に入れ替え、次いで、ｎ型シリコン基板４１を陽極、白金板５３を陰極として、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２ で５分間通電して、厚さ約８μｍの細孔４２の孔壁表面に多孔質層４４を形成させる。
【００２４】
次いで、酸化工程において、多孔質層４４を酸化する。この酸化工程においても、多孔質層形成工程後、ｎ型シリコン基板を取り外さずに上述した処理装置５６を使用する。すなわち、ｎ型シリコン基板を処理装置５６に取り付けたまま、多孔質層形成工程において使用した反応容器５２内の５０重量％のフッ化水素溶液とエタノールとを２：１で混合した溶液を、５重量％のシュウ酸水溶液に入れ替え、次いで、ｎ型シリコン基板４１を陽極、白金板５３を陰極として、室温下、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２ で定電流を流して多孔質層４４を酸化する。
このようにして、細孔形成工程と多孔質層形成工程と酸化工程とを同一の処理装置で連続的に行う。
【００２５】
次いで、貫通工程において、図３（ｃ）に示すように、ｎ型シリコン基板４１裏面のアルミニウム膜４３を剥離し、さらに研磨することにより、ｎ型シリコン基板４１の表裏を貫通する。
次いで、金属充填工程において、図３（ｄ）に示すように、形成した細孔４６に導電性物質４７であるインジウムを溶融金属吸引法により充填して、貫通電極４８を得ることができる。
【００２６】
上述した第二実施形態にあっては、ｎ型シリコン基板の細孔形成工程を光励起電解研磨法で行うので、細孔形成工程と、多孔質層形成工程ならびに酸化工程とにおける装置構成およびプロセスが類似する。そのため、細孔形成工程と多孔質層形成工程と酸化工程とを同一の処理装置で連続して行うことができ、各工程間の時間を短縮できる。その結果、貫通電極の製造時間を短縮することができ、結果的に生産性を向上させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の貫通電極の製造方法によれば、多孔質層を酸化することにより低温かつ短時間に酸化して絶縁膜を形成できる。そのため、酸化のためのエネルギー量が削減される。また、高温に耐えうる設備を必要としないので製造設備が安価である。さらに、処理時間が短縮されるため、生産性が向上する。これらの結果として、貫通電極のコストを下げることができる。
また、酸化工程では、前記多孔質層を酸溶液で酸化すると、多孔質層を室温で酸化できるので、酸化のためのエネルギー量をさらに削減できる。
また、多孔質層を酸溶液で酸化する場合において、酸溶液が、シュウ酸、リン酸、硝酸、硫酸、王水のうちから選ばれる少なくとも１種類であると、酸化工程の生産性が向上する上に、貫通電極のコストをさらに下げることができる。
また、前細孔を、Deep-Reactive Ion Etching法、溶液による異方性エッチング法、レーザ加工法、マイクロドリル加工法のうちの少なくとも１つで穿孔すると、目的とする細孔を半導体基板に効率的に形成することができる。
また、半導体基板としてｎ型シリコン基板を用い、細孔形成工程を光励起電解研磨法で行い、細孔形成工程と多孔質層形成工程と酸化工程とを同一の処理装置を用いて連続的に行うと、貫通電極の製造時間を短縮することができ、結果的にさらに生産性を向上させることができる。
また、本発明の貫通電極は、上述した貫通電極の製造方法で得られたことを特徴としているので、効率的に生産され、コストを低くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る第一実施形態の貫通電極の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】  第一実施形態の貫通電極の製造方法において使用される処理装置を示す模式図である。
【図３】  本発明に係る第二実施形態の貫通電極の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図４】  第二実施形態の貫通電極の製造方法において使用される処理装置を示す模式図である。
【図５】  従来の貫通電極の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１１，４１…半導体基板（ｐ型シリコン基板、ｎ型シリコン基板）、１２，４２…細孔、１３，４３…導電性膜（アルミニウム膜）、１５，４４…多孔質層、１６，４５…絶縁層、１７，４７…導電性物質、２５，５６…処理装置
【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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