(57)【要約】【課題】  本発明は、低コストで、かつ、機械的および電気的に安定した接続を図ることが可能な貫通電極付き基板およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、貫通孔５を有する基板１と非貫通孔１１を有する接合用基板６とを用い、前記貫通孔５と前記非貫通孔１１が連通するように前記基板１と前記接合用基板６との位置合せを行い、前記基板１と前記接合用基板６とを接合する工程と、前記基板１の前記貫通孔５の開口部２８から導電性を有する母材を充填する工程と、前記接合用基板６を除去する工程と、を少なくとも具備することを特徴とする貫通電極付き基板２９の製造方法である。この方法により、基板１内をその厚さ方向に貫通する導電部８と、前記基板１の一方の面から突出し、前記導電部８と一体をなす突出部１０とからなる貫通電極２７を有する貫通電極付き基板２９を製造できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板内をその厚さ方向に貫通する導電部と、前記基板の一方の面から突出し、前記導電部と一体をなす突出部とを有し、前記導電部と前記突出部とで貫通電極を形成しており、前記導電部に前記突出部が重なる方向から見て、前記突出部は前記導電部より広い面積を有していることを特徴とする貫通電極付き基板。
【請求項２】
前記基板の断面方向から見て、前記突出部が前記導電部と接する部分において、前記突出部の幅は前記導電部の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の貫通電極付き基板。
【請求項３】
前記突出部の断面は、略半円状、台形状、方形状のうち何れかの形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の貫通電極付き基板。
【請求項４】
複数の導電部に接してなる前記突出部が一体をなすことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の貫通電極付き基板。
【請求項５】
貫通孔を有する基板と非貫通孔を有する接合用基板とを用い、前記貫通孔と前記非貫通孔が連通するように前記基板と前記接合用基板との位置合せを行い、前記基板と前記接合用基板とを接合する工程と、
前記基板の前記貫通孔の開口部から導電性を有する母材を充填する工程と、
前記接合用基板を除去する工程と、を少なくとも具備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６】
前記位置合せは、光学的手法を用いることを特徴とする請求項５に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
【請求項７】
前記接合用基板として、シリコン基板、又は、ガラス基板を用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
【請求項８】
前記接合用基板がシリコン基板の場合、前記光学的手法は、赤外域に波長を有する光を用いることを特徴とする請求項６に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
【請求項９】
前記接合用基板がガラス基板の場合、前記光学的手法は、可視域に波長を有する光を用いることを特徴とする請求項６に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＣチップなどの半導体装置を、基板を介して３次元に設け、高密度に配線を行なう開発が進められている。
この技術では、基板の表裏に設けてなる半導体装置間を電気的に結ぶため、基板内を、その厚さ方向に貫通する導電部が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。尚、特許文献１では、導電部を貫通電極と呼んでいる。
【特許文献１】特開２００３−８６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来技術においては、基板の主面に対し垂直方向に形成された細孔に導電性物質を充填して貫通電極として機能する導電部を形成してなる貫通電極付き基板を用い、後付けで、貫通電極を、外の配線や回路、素子等へ繋げるために要する接点部を形成している。
この場合、導電部および接点部を形成するためには複数の工程が必要であり、貫通電極付き基板の製造工程が複雑になり、コスト高となる。
また、導電部と接点部との間に界面が生じたり、あるいは、その界面に酸化層が形成されて一体とならず、導電部と接点部との間で電気的不具合が生じる恐れがあった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、低コストで、かつ、機械的および電気的に安定した接続を図ることが可能な貫通電極付き基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、基板と、該基板内をその厚さ方向に貫通する導電部と、前記基板の一方の面から突出し、前記導電部と一体をなす突出部とを有し、前記導電部と前記突出部とで貫通電極を形成しており、前記導電部に前記突出部が重なる方向から見て、前記突出部は前記導電部より広い面積を有していることを特徴とする貫通電極付き基板である。
【０００６】
この構成によれば、突出部は導電部より広い面積を有しているので、突出部が、例えば、外の配線や回路、素子等の他部材と繋がる場合における機械的耐久性を向上でき、貫通電極における導電部と突出部とを界面がない一体構造とすれば、導電部と接点部との間で電気的不具合が生じる恐れを回避できる。
【０００７】
更に、本発明は、前記基板の断面方向から見て、前記突出部が前記導電部と接する部分において、前記突出部の幅は前記導電部の幅より大きくしても良い。
この構成によれば、突出部が、例えば、外の配線や回路、素子等の他部材と繋がる場合における機械的耐久性を向上できる。
【０００８】
更に、本発明は、前記突出部の断面は、略半円状、台形状、方形状のうち何れかの形状であるようにしても良い。
この構成によれば、突出部の断面を略半円状とした場合には、突出部と他部材との繋ぎを様々な方向から行うことができる。突出部の断面を台形状とした場合には、突出部が平面を持つので他部材との繋ぎを容易に行うことができる。突出部の断面を方形状とした場合には、突出部が平面を持つので他部材との繋ぎを容易に行うことができる。特に、方形状の場合は、突出部厚さを大きくして他部材との繋ぎを容易に行うことができるとともに、複数の導電部との繋ぎを行いやすくなる。
【０００９】
更に、本発明は、複数の導電部に接してなる前記突出部が一体をなすものであっても良い。
【００１０】
また、本発明は、貫通孔を有する基板と非貫通孔を有する接合用基板とを用い、前記貫通孔と前記非貫通孔が連通するように前記基板と前記接合用基板との位置合せを行い、前記基板と前記接合用基板とを接合する工程と、前記基板の前記貫通孔の開口部から導電性を有する母材を充填する工程と、前記接合用基板を除去する工程と、を少なくとも具備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。
【００１１】
この方法によれば、導電部と突出部とを同時に成形できるので、製造工程の簡略化が図れ、製造コストを低くすることができる。
また、導電部と突出部を一体として、同時に形成できるので、両者の間に界面が生じる恐れを回避できる。その結果、従来の問題点、すなわち、両者の界面に酸化層が形成されて一体とならず、導電部と突出部との間で電気的不具合が生じる恐れを回避できる。
【００１２】
また、本発明において、前記位置合せは、光学的手法を用いても良い。  
また、本発明において、前記接合用基板として、シリコン基板、又は、ガラス基板を用いても良い。
【００１３】
また、本発明において、前記接合用基板がシリコン基板の場合、前記光学的手法は、赤外域に波長を有する光を用いても良い。
【００１４】
また、本発明において、前記接合用基板がガラス基板の場合、前記光学的手法は、可視域に波長を有する光を用いても良い。
【発明の効果】
【００１５】
以上、述べたように、本発明では、導電部と突出部とで貫通電極を形成しており、導電部に突出部が重なる方向から見て、突出部は導電部より広い面積を有しているので、突出部が、例えば、外の配線や回路、素子等の他部材と繋がる場合における機械的耐久性を向上でき、貫通電極における導電部と突出部とを界面がない一体構造とすれば、導電部と接点部との間で電気的不具合が生じる恐れを回避できる。
【００１６】
また、本発明では、貫通孔を有する基板と非貫通孔を有する接合用基板とを用い、前記貫通孔と前記非貫通孔が連通するように前記基板と前記接合用基板との位置合せを行い、前記基板と前記接合用基板とを接合する工程と、前記基板の前記貫通孔の開口部から導電性を有する母材を充填する工程と、前記接合用基板を除去する工程と、を少なくとも具備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り、導電部と突出部とを同時に成形できるので、製造工程の簡略化が図れ、製造コストを低くすることができる。
また、本発明によれば、導電部と突出部とを同時に成形できるので、両者の間に界面が発生しにくくなり、また、両者間に酸化層が形成されない。よって、導電部と突出部との間で電気的不具合が生じる恐れを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。
図１は、本発明の実施の形態による貫通電極付き基板２９の製造方法を示しており、工程１〜工程６からなる。
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。表面加工前の基板１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１ａとし、その反対の面を裏面１ｂとする。符号２は保護層（表面絶縁層）、符号５は貫通微細孔（貫通孔）、符号６は接合用基板、符号７は壁面絶縁層、符号８は導電部、符号１０は突出部、符号２７は貫通電極である。
【００１８】
（工程１）
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に保護層２を形成後、電極パターンをリソグラフィ技術により保護層２上に転写する。次いで、ウェットエッチング等により電極部位にある保護層２を除去して基板表面１ａを部分的に露出させる。
【００１９】
基板１の厚さは、例えば３００〜６００μｍ程度である。また保護層２は、熱酸化法によって形成される酸化膜（ＳｉＯ２）等が用いられる。貫通微細孔５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、貫通微細孔５の開口形状、配置、個数は、形成する電極パターンにより任意に設計可能である。
また、場合により、基板裏面１ｂに対しても保護層（図示せず）を形成しても良い。
【００２０】
（工程２）
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）を有する貫通微細孔５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、多数の貫通微細孔５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、またレーザー穿孔装置は高価であるところから、シリコン等の基板１の電極用微細孔形成にはＩＣＰ−ＲＩＥが多く用いられている。
【００２１】
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（エッチンググレートの比）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の保護層２をパターンニングするために、保護層２の上層としてレジスト（図示せず）を設け、レジストと保護層２の二層を工程２における貫通微細孔５を形成するためのエッチングマスクとして用いても良い。
【００２２】
もちろん、貫通微細孔５形成に用いられるエッチングマスクの構造として、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の何れも採用可能である。
エッチングにおいて、保護層２がＳｉＯ２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ＳｉＯ２の選択比（エッチンググレートの比）は、１：１００〜２００程度である。
【００２３】
数百μｍ以上の厚さを有するシリコン基板に貫通微細孔５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保護層２の膜厚を適宜決定すればよい。
また、基板１の中心部と周辺部ではエッチンググレートに差が生ずるので、エッチンググレー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定しておくことが必要である。
【００２４】
また、Ｓｉ０２等の酸化膜を保護膜２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５作成終了時に、前記の厚さに達しない場合でも、次工程である内壁絶縁層７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９と基板表面１ａに同時に絶縁層を形成することができる。
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１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。
【００２５】
また、シリコン基板裏面側１ｂに保護層を形成した場合、この保護層は、シリコン基板１と比較して、エッチング速度が遅いため（保護層が酸化膜の場合は選択比で、１：１００〜２００程度、保護層がレジストの場合は選択比で、１：５０〜１００程度）、外周部の孔が貫通した後も、内周部の孔が貫通するまでエッチングを継続することが可能となる。よって、深さが整った貫通微細孔５を形成することができ、貫通微細孔５の深さは基板１の厚さで規定される。
【００２６】
（工程３）
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、非貫通孔１１が形成された接合用基板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。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。
【００２７】
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。接合用基板６の外周全体に酸化膜等の絶縁膜１２が形成された状態で、後述の方法により、非貫通孔１１が形成されている。基板１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、これらの接合方法を説明する。
【００２８】
接合用基板６がシリコン基板である場合は、基板１と接合用基板６を接合する際、両者の位置合せは、光学的手法を用いて行い、光学的手法は、赤外域に波長を有する光を用いる。
熱接合においては、貫通微細孔５を有する基板１および非貫通孔１１を有する接合用基板６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から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１ａおよび貫通微細孔５および非貫通孔１１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。
【００２９】
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６の片面に均一に塗布し、基板１に貼り合せる。その後、加熱処理することによって両基板１、６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。
次に、接合用基板６がガラス基板である場合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。
【００３０】
接合用基板６がガラス基板である場合は、基板１と接合用基板６を接合する際、両者の位置合せは、光学的手法を用いて行い、光学的手法は、可視域に波長を有する光を用いる。
陽極接合法の場合は、基板１とガラスである接合基板６を貼り合せ、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。
【００３１】
次に、接合用基板６に、非貫通孔１１を形成する方法について、図面を参照にして説明する。
接合用基板６がシリコン基板である場合、図２（ａ）におけるように、断面形状が半円状１３である非貫通孔１１（ここでは等方性の非貫通孔という）を形成するため、ウェットエッチングにより形成する際は、フッ酸、硝酸、酢酸の混合液を使用し、ドライエッチングでは、ＳＦ６ガス、ＣＦ４ガス、酸素ガス、又は、これらの混合ガスを使用する。また、図２（ｂ）におけるように、断面形状が、角度の異なる複数の平面１４、１５、１６を有する台形状である非貫通孔１１（ここでは異方性の非貫通孔という）を形成するため、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、または、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用したウェットエッチング、または、ドライエッチングを行う。また、図２（ｃ）におけるように、断面形状が垂直の側面１７を有する長方形状である非貫通孔１１（ここでは垂直性の非貫通孔という）を形成するため、例えば、Deep-RIE法（シリコン基板を垂直に、深くエッチングするドライエッチング方法で、エッチングガスとしては一般にSF6ガスとC4F8ガスを用いる。SF6はシリコンをエッチングする役割、C4F8はエッチング穴の側壁にポリマーの保護膜を形成する役目を担い、エッチングと保護膜形成プロセスを交互い行いながら垂直に且つ深くシリコンをエッチングする）を用いる。
【００３２】
シリコン基板に非貫通孔１１を形成する場合、非貫通孔１１の深さは、例えば１０〜１００μｍ、非貫通孔１１の幅は、例えば３０μｍから１００μｍとなるようにする。
接合用基板６がガラス基板である場合、等方性の非貫通孔１１を形成する場合、ウェットエッチングでは、フッ酸、硝酸、酢酸の混合液、ドライエッチングでは、ＳＦ６ガス、ＣＦ４ガス、酸素ガス、又は、これらの混合ガスを使用する。ガラスでは、等方性の非貫通孔１１のみが形成可能となっており、非貫通孔１１の深さは、例えば１０〜１００μｍ、非貫通孔１１の幅は、例えば３０μｍから１００μｍとなるようにする。
【００３３】
（工程４）
図１に戻って説明すると、工程４において、貫通微細孔５の内壁および接合用基板６に形成された非貫通孔の内壁に壁面絶縁層７を形成する。基板１は、シリコン基板であり、導電性を有するため、基板１と貫通電極２７との間に絶縁性部分を設ける必要があるため、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。
【００３４】
（工程５）
工程５において、壁面絶縁層７を形成した貫通微細孔５および非貫通孔１１に、開口部２８から貫通電極用の金属を充填し、導電部８および、バンプや配線となる突出部１０からなる貫通電極２７を形成する。貫通電極２７は、導電部８と突出部１０とが同時に成形され、導電部８と突出部１０との間に界面のない一体構造となる。一体構造であるため、導電部８と突出部１０との間に、酸化層は検出されない。又、導電部８に突出部１０が重なる方向から見て、突出部１０は、導電部８よりも広い面積を有しており、特に、基板１の断面方向から見て、突出部１０が導電部８に接する部分において、突出部１０の幅は導電部８の幅より大きいものとなっている。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。
【００３５】
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および突出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、微細孔および突出部に金属を充填する。
【００３６】
（工程６）
工程６において、接合用基板６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、ウェ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。
エッチングまたは研磨によって除去する接合用基板６の厚さは、接合用基板６の材質によって異なる。接合用基板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り、この状態で、突出部１０が露出する。よって、従来技術のように、コンタクトホールを形成する必要はない。つまり、突出部１０が形成された状態で、絶縁層部分７が除去されるため、導電部８と絶縁層部分７との間の隙間が生じるという問題は生じない。
【００３７】
一方、接合用基板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。
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５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２７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。
【００３８】
尚、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における、接合用基板６の非貫通孔１１の形状に応じた突出部１０が形成される。特に、図２（ｃ）における接合用基板６を用いた場合、複数の導電部８に接してなる突出部１０が一体をなし、突出部１０が、複数の導電部８と電気的に連通するものとなる。
【００３９】
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保護膜としてのＳｉＯ２膜を形成後、フォトリソグラフィ技術により電極パターンを保護膜上に転写し、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保護膜を除去した。
転写した電極パターンは、孔径が６０μｍの円形孔が、２０００個整列したパターンである。また、ウェットエッチング後のＳｉＯ２膜厚は１μｍであり、これを次の貫通微細孔形成用エッチングのマスクとした。
【００４０】
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って、所定形状の非貫通孔が設けられている。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。
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。
【００４１】
次いで、溶融金属法によって微細孔および非貫通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。
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とともに、バンプや配線となる突出部を有する貫通電極付き基板を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態による貫通電極付き基板の製造方法である。
【図２】本発明の実施の形態による接合用基板を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１‥‥基板、２‥‥保護層、５‥‥貫通微細孔（微細孔）、６‥‥接合用基板、７‥‥壁面絶縁層、８‥‥導電部、１０‥‥突出部、１１‥‥非貫通孔、２７‥‥貫通電極、２８‥‥開口部、２９‥‥貫通電極付き基板
【図１】
2005079554.tif 000003
【図２】
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