半導体装置およびその製造方法
【課題】２枚のシリコン基板を重ね合わせて接着し、２枚のシリコン基板のそれぞれに形成されたバンプ電極同士を電気的に接続する半導体装置において、樹脂によるバンプ保護性能の低下を防ぎ、また、バンプ電極間の接続性の低下を防ぐ。
【解決手段】第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれに、上面の高さが揃ったバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を形成した後、第１シリコン基板１００と第２シリコン基板１０１とをそれぞれの基板に形成されたバンプ電極同士が電気的に接続されるように接着させる。その際、ダミーバンプ２４０を対向するシリコン基板上の耐熱性樹脂膜３００に接着するように配置することで、バンプ電極同士の良好な電気的接続と、耐熱性が高くボイドがない樹脂膜によるバンプ保護性能を併せ持った半導体装置を実現できる。
【解決手段】第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれに、上面の高さが揃ったバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を形成した後、第１シリコン基板１００と第２シリコン基板１０１とをそれぞれの基板に形成されたバンプ電極同士が電気的に接続されるように接着させる。その際、ダミーバンプ２４０を対向するシリコン基板上の耐熱性樹脂膜３００に接着するように配置することで、バンプ電極同士の良好な電気的接続と、耐熱性が高くボイドがない樹脂膜によるバンプ保護性能を併せ持った半導体装置を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、バンプ電極を介して複数枚の半導体基板同士を電気的に接続する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の小型化、高性能化を実現する方法の一つとして、単結晶シリコンからなる半導体基板（以下、シリコン基板という）を積層し、微細な電極配線を使ってシリコン基板同士を電気的に接続する実装技術が発展している。
【０００３】
上記した実装技術のうち、最近注目されている手法として、バンプ電極と呼ばれるシリコン基板同士を接続する微細な電極、および、シリコン貫通電極(Through Silicon Via)と呼ばれるシリコン基板を貫通する電極を使用して、複数枚のシリコン基板に形成された集積回路同士を電気的に接続する手法がある。
【０００４】
上記の手法を採用した半導体装置の場合、シリコン基板に加わる熱または衝撃などによる応力によって、シリコン基板同士を接続するバンプ電極の接続信頼度が劣化する。そのため、バンプ電極の周囲を樹脂などの絶縁体で封止することによってバンプ電極を保護し、バンプ電極の接続信頼度を確保する技術もまた必要となる。
【０００５】
シリコン基板上に形成するバンプ電極材料として現在広く用いられているのは、スズ（Ｓｎ）または鉛（Ｐｂ）などを主成分としたハンダ材料である。シリコン基板上に形成した、ハンダ材料からなるバンプ電極を、ハンダ材料の融点以上に加熱し、接続先の基板上に形成した対向するバンプ電極に接合することでそれぞれ別のシリコン基板上に形成された集積回路同士を電気的に接続することが可能となる。また、このようなハンダ材料を用いたバンプ電極の保護には、プロセス温度の制約からエポキシ系樹脂を用い、熱膨張係数を調整するためにフィラーと呼ばれる酸化シリコンの微粒子を添加するのが一般的である。
【０００６】
しかし、ハンダ材料は融点が低いため、電気的な長期の信頼性が低くなると言う問題がある。例えば現在電子部品用で広く用いられている鉛フリーハンダ材料であるスズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）材料の融点は２２０℃程度である。これは集積回路の内部配線として広く用いられているアルミニウム（Ａｌ）の融点（６６０℃）と比較して大幅に低いため、エレクトロマイグレーションと呼ばれる電流に起因した電気的な接続不良が発生しやすい問題がある。特に、バンプ電極が微細化し、電流密度が高くなる状況では深刻な信頼度低下を引き起こす。
【０００７】
そこで、バンプ電極の材料として、エレクトロマイグレーション信頼度の高い金属材料を用いる手法が提案されている。
【０００８】
例えば、特許文献１（米国特許公開２００７／０２０７５９２号公報）には、バンプ電極の部材に銅（Ｃｕ）を用いる方法が開示されている。銅は融点が１０８４℃と高く、アルミニウムに比べてもエレクトロマイグレーション信頼度が高いことが知られている。これにより、バンプ電極が微細化し、バンプ電極の電流密度が高くなっても、銅を主体とするバンプ電極を用いた装置ではエレクトロマイグレーション信頼度の低下を防いで接続することが可能となる。以下では、特許文献１に記載された手法を従来例１と呼ぶ。
【０００９】
特許文献２（特開２００３−１００８０１号公報）には、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に金属配線と保護膜を形成し、シリコン基板同士の貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にバンプ保護用の樹脂を注入することが記載されている。以下、特許文献２に記載された手法を従来例２と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許公開２００７／０２０７５９２号公報
【特許文献２】特開２００３−１００８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来例１では、シリコン基板上に耐熱性樹脂であるベンゾシクロブテンからなる膜を成膜してパターニングした後、バリアメタル膜と銅膜を形成後、化学的機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)法を用いてベンゾシクロブテン上の余分な銅膜、バリアメタル膜を除去し、周囲を耐熱性樹脂膜で囲まれた銅からなる微細バンプ電極を形成する方法が示されている。さらに、このようにして形成したバンプ同士に２５０℃から３５０℃に加熱し、直径２００ｍｍのシリコン基板あたり１０ｋＮ（キロニュートン）の荷重をかけることで、バンプ同士を接合させる方法が開示されている。
【００１２】
しかし、上記従来例１の場合、ＣＭＰ法を用いてバンプを形成した場合、ＣＭＰ時にバンプの一部が削れ、また、隣接するバンプ間のベンゾシクロブテン（樹脂膜）が局所的に削れるなどしてシリコン基板表面の平坦性が低下し、シリコン基板同士を貼り合わせたときにバンプの接続信頼度が低下する問題がある。
【００１３】
ＣＭＰ法を用いた研磨による平坦性を向上させるためにバンプの周囲にダミーバンプを設置すればこの問題は解決可能であるが、１つのバンプ当たりの接合荷重を一定に保つためには、バンプの設置数を増やした分、シリコン基板に加える荷重を増やす必要がある。シリコン基板表面を平坦に保つためにシリコン基板当たりのバンプ数が膨大になった場合、市販されている貼り合わせ装置の最大荷重（１００ｋＮ程度）では十分な銅バンプ同士の接合が得られず、バンプ電極の接続信頼度が低下する問題がある。
【００１４】
この問題を解決するための手法が、従来例２に開示されている。
【００１５】
図１８は、上記従来例２におけるシリコン基板貼り合わせ後の半導体装置と同様の構造を有する半導体装置の要部断面図を比較例として示すものである。シリコン基板１０２上に金属配線２００を複数形成した後、一部の金属配線２００上にバンプ電極２３１を形成し、他の金属配線２００上にダミーバンプ２４１方を形成する。これとは別に、シリコン基板１０３上に金属配線２０１および保護膜３１０を順次形成する。金属配線２０１の上面の一部は保護膜３１０から露出するものとする。このようにして準備したシリコン基板１０２、１０３に対し、シリコン基板１０２上のバンプ電極２３１とシリコン基板１０３上の金属配線２０１が接続されるように貼り合わせを行うことで、シリコン基板１０２とシリコン基板１０３を電気的に接続することが可能となる。この際、シリコン基板１０２上のダミーバンプ２４１はシリコン基板１０３上に形成された絶縁物である保護膜３１０と接するため、ダミーバンプ２４１を金属配線２０１に接合させる場合に比べ、金属接合を形成するための接合エネルギー、すなわちシリコン基板を接着する貼り合わせ装置で加える荷重を低減することができる。
【００１６】
図１９は、上記従来例２において、図１８を用いて説明した方法により貼り合わせたシリコン基板間に、バンプ保護のためのアンダーフィル樹脂を形成（充填）した後の半導体装置の要部断面図である。シリコン基板１０２、１０３を貼り合わせた後、バンプ電極２３１を保護するために貼り合わせたシリコン基板の端部から、アンダーフィル樹脂の前駆体を流し込み、熱処理を行うことでシリコン基板１０２と１０３の間の隙間をアンダーフィル樹脂膜３２０で埋め込む。
【００１７】
このように、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に金属配線と保護膜を形成し、シリコン基板貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にバンプ保護用の樹脂を注入する上記従来例２は、以下のような課題を有している。
【００１８】
第１に、シリコン基板の貼り合わせ時にバンプの周囲が絶縁膜で保護されていないため、シリコン基板を貼り合わせた後にシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入する必要がある。そのため、バンプの高さが低くなり、シリコン基板間の隙間が狭くなると、シリコン基板の端部から注入した樹脂が完全には充填されず、前記樹脂内部にボイドと呼ばれる空隙が発生し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００１９】
第２に、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低いという傾向がある。例えば、注入用樹脂の代表例であるエポキシ系樹脂は、２５０℃程度から熱分解が始まり、体積収縮を生じる。したがって、貼り合わせたシリコン基板にエポキシ系樹脂を注入した後、次のシリコン基板を貼り合わせる際には、貼り合わせの温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮、変質し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００２０】
第３に、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線２０１と保護膜３１０の高さを完全に同一にするか、またはバンプ電極２３１とダミーバンプ２４１の高さを完全に同一にするなどの対策が必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極２３１と金属配線２０１の合計高さとダミーバンプ２４１と保護膜３１０の合計の高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００２１】
本発明の目的は上記課題を解決しようとするものであり、エレクトロマイグレーション信頼度に優れた銅をバンプ電極の材料に用いた半導体装置において、シリコン基板貼り合わせ時に必要とされる荷重を過剰に増やすことなく、接続信頼度が高いバンプ接合と耐熱性が高い樹脂膜によるバンプ保護を実現することにある。
【００２２】
すなわち、本発明の目的は、半導体装置の信頼性を向上させることにある。
【００２３】
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
本願の一発明による半導体装置は、
一面に第１電極と第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極と第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続した半導体装置であって、
前記第１絶縁膜の第１領域に前記第１電極が形成され、前記第１絶縁膜の第２領域に、前記第１電極と同一の材料で構成された第１ダミーバンプが形成され、前記第２絶縁膜の第１領域に前記第２電極が形成され、前記第２絶縁膜の第２領域に、前記第２電極と同一の材料で構成された第２ダミーバンプが形成され、
前記第１基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第１基板の前記一面から前記第１電極の上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１ダミーバンプの上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、前記第２基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第２基板の前記一面から前記第２電極の上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２ダミーバンプの上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、
前記第１ダミーバンプは前記第２絶縁膜に接し、前記第２ダミーバンプは前記第１絶縁膜に接し、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいるものである。
【００２６】
また、本願の一発明による半導体装置は、
一面に第１電極、第１ダミーバンプおよび第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極、第２ダミーバンプおよび第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
前記第１電極および前記第１ダミーバンプの形成工程は、
（ａ１）前記第１基板上の前記一面上に前記第１絶縁膜を形成する工程、
（ａ２）前記第１絶縁膜の第１領域および第２領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ａ３）前記第１領域および前記第２領域の各開口部の内部を第１導電膜で埋め込む工程、
（ａ４）化学的機械研磨法を用い、前記第１領域および前記第２領域の各開口部に埋め込まれた前記第１導電膜の上面と前記第１絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第１導電膜を研磨することで、前記第１領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１電極を形成し、前記第２領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記第２電極および前記第２ダミーバンプの形成工程は、
（ｂ１）前記第２基板上の前記一面上に前記第２絶縁膜を形成する工程、
（ｂ２）前記第２絶縁膜の第３領域および第４領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ｂ３）前記第３領域および前記第４領域の各開口部の内部を第２導電膜で埋め込む工程、
（ｂ４）化学的機械研磨法を用い、前記第３領域および前記第４領域の各開口部に埋め込まれた前記第２導電膜の上面と前記第２絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第２導電膜を研磨することで、前記第３領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２電極を形成し、前記第４領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記（ａ４）工程および前記（ｂ４）工程の後、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着する際に、前記第１ダミーバンプを前記第２絶縁膜に接着し、かつ、前記第２ダミーバンプを前記第１絶縁膜に接着させるものである。
【発明の効果】
【００２７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２８】
本発明によれば、基板同士を電気的に接続させるバンプ電極の接続信頼度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【図２】図１に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図３】図２に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図４】図３に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図５】図４に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図６】図３に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図７】図６のＡ−Ａ線における要部断面図である。
【図８】図６に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１である半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【図１０】本発明の実施の形態１である半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【図１１】本発明の実施の形態２である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【図１２】図１１に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１３】図１２に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１４】図１３に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２である積層半導体の変形例の製造工程を説明する要部断面図である。
【図１６】図１５に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１７】図１６に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１８】比較例として示す半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１９】図１８に続く半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図２０】比較例として示す製造工程中の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００３１】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置は、主面に複数のバンプ電極およびそれらの周囲を囲む樹脂膜を形成した２枚のシリコンウエハを接着し、それぞれのシリコンウエハに形成された集積回路同士を、バンプ電極を介して電気的に接続した積層型の半導体装置である。
【００３３】
以下、図１〜図９を参照しながら、本実施の形態の半導体装置の製造方法を工程順に説明する。図１〜図３、図７および図８は発明の実施の形態１である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図であり、図４〜図６は製造工程中の積層半導体のバンプの配置を示す平面レイアウトであり、図９は本実施の形態の半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【００３４】
まず、図１に示すように、主面に金属配線２００が形成された第１シリコン基板１００を用意し、その主面に、金属配線２００を覆うように耐熱性樹脂膜３００を形成する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、金属配線２００の一部が露出するようにバンプ開口部４００を形成し、同工程により金属配線２００以外の領域の第１シリコン基板１００の主面の一部が露出するようにダミーバンプ開口部４１０を形成する。耐熱性樹脂膜３００は例えばポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ：polybenzoxazole）を主成分とする絶縁材料からなり、ここではその厚みを５μｍとしている。
【００３５】
また、第１シリコン基板１００は、いわゆる前工程が完了したシリコン基板であり、その所定の領域には半導体素子およびそれらを接続する配線などからなる集積回路が形成されている。なお、図１には、第１シリコン基板１００に形成された配線の一部（金属配線２００）のみを示し、半導体素子や層間絶縁膜などの図示は省略している。すなわち、第１シリコン基板１００は、主にシリコンからなる基板、前記基板の主面に形成された半導体素子、前記半導体素子を覆うように前記基板上に形成された層間絶縁膜などを含んでいる。前記層間絶縁膜の上部には金属配線２００が形成されており、金属配線２００は、前記層間絶縁膜内に形成された配線を介して前記半導体素子などに電気的に接続されている。
【００３６】
なお、金属配線２００は例えば主にアルミニウム（Ａｌ）からなる金属膜を第１シリコン基板１００上にスパッタリング法で形成した後、前記金属膜をフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてパターニングすることで形成された配線である。
【００３７】
次に、図２に示すように、耐熱性樹脂膜３００の上面と、バンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０のそれぞれの内壁および底面とを覆うように、膜厚が７０ｎｍ程度のＴｉＮ（窒化チタン）膜と膜厚５００ｎｍ程度の銅膜からなる金属膜２１０とを第１シリコン基板１００側から順にスパッタリング法により堆積する。このＴｉＮ膜は、銅膜の接着性を確保する機能を有する。また、このＴｉＮ膜は、後の工程でバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０の内部に埋め込んだ銅膜が耐熱性樹脂膜３００内に拡散することを防ぐために形成するバリア導体膜である。このバリア導体膜は、高融点金属およびその化合物で構成されていてもよい。例えば当該バリア導体膜を、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜の積層膜としてもよい。
【００３８】
このように、銅膜と耐熱性樹脂膜３００との間、銅膜と金属配線２００との間、銅膜と第１シリコン基板１００との間のそれぞれにＴｉＮ膜を介在させることにより、耐熱性樹脂膜３００、金属配線２００および第１シリコン基板１００のそれぞれと銅膜との接着性を向上させている。なお、図２ではＴｉＮ膜および銅膜をまとめて金属膜２１０として示している。
【００３９】
次に、図３に示すように、ＣＭＰ法を用いて耐熱性樹脂膜３００の上部の銅膜およびＴｉＮ膜からなる金属膜２１０を研磨し、耐熱性樹脂膜３００の上面を露出させる。その後、バンプ開口部４００に埋め込まれた銅膜とＴｉＮ膜からなる金属膜２１０の上面と耐熱性樹脂膜３００の上面との間に段差がなくなるまで研磨を行う。
【００４０】
ここまでの工程により、耐熱性樹脂膜３００に形成されたバンプ開口部４００に埋め込まれた金属膜２１０からなるバンプ電極２３０と、ダミーバンプ開口部４１０に埋め込まれた金属膜２１０からなるダミーバンプ２４０とが形成される。バンプ電極２３０はその底部に形成された金属配線２００と電気的に接続され、金属配線２００を介して第１シリコン基板１００に形成された半導体素子（図示しない）などと電気的に接続されているのに対し、ダミーバンプ２４０の底面は金属配線２００と電気的に接続されておらず、第１シリコン基板１００の上面に形成された層間絶縁膜（図示しない）に接している。バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの側面は上述したバリア導体膜により覆われており、周囲の耐熱性樹脂膜３００とは直接接していない。
【００４１】
ダミーバンプ２４０は電気的に他の電極または配線などと絶縁されており、半導体装置内の回路に接続されておらず、電気的には意味が無い導電層であるが、上述したＣＭＰ法による研磨工程において、ダミーバンプ２４０は耐熱性樹脂膜３００の上面が過剰に削れることにより、耐熱性樹脂膜３００の上面の高さがバンプ電極２３０の上面の高さよりも低くなることを防ぐ役割を有している。
【００４２】
仮に、広い領域にかけてバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０が存在せず耐熱性樹脂膜３００が形成されているような場合には、耐熱性樹脂膜３００の上面の高さがバンプ電極２３０の上面の高さよりも低くなる。これは、耐熱性樹脂膜３００が、銅などの金属からなるバンプ電極２３０またはダミーバンプ２４０よりもＣＭＰ法により削られやすい性質を有するためである。
【００４３】
例えば、図２０に比較例として示すように、隣り合うバンプ電極２３０間の広い領域にダミーバンプなどの金属層が形成されておらず、金属層よりもＣＭＰ法により研磨されやすい耐熱性樹脂膜３００などの樹脂膜のみが形成されている場合、耐熱性樹脂膜３００の上面が凹むように研磨されるために耐熱性樹脂膜３００と他のバンプとの上面の高さが揃わなくなる。なお、図２０は比較例として示す積層半導体の製造工程における要部断面図であり、図２０に示す製造工程中の半導体装置は図１〜図３を用いて説明した方法とほぼ同様の方法で形成されており、シリコン基板１００ａ上に形成された耐熱性樹脂膜３００と、その開口部４００に埋め込まれ、開口部４００の底部に形成された金属配線２００と電気的に接続されたバンプ電極２３０とを有している。ただし、図３に示す製造工程中の半導体装置と異なり、比較例である図２０の製造工程中の半導体装置にはダミーバンプが形成されていない。
【００４４】
この場合、後の工程においてシリコン基板１００ａと他のシリコン基板とを貼り合わせて積層半導体を形成する際、前記他のシリコン基板との界面では上面が凹んだ耐熱性樹脂膜３００が前記他のシリコン基板に接着されず、貼り合わせたシリコン基板同士の接着信頼度が低下する問題がある。なお、貼り合わせたシリコン基板同士はそれらの界面に形成されたバンプ電極２３０を介して電気的に接続されるものとする。
【００４５】
しかし、上記のように耐熱性樹脂膜３００の接着性が悪化すれば、貼り合わせたシリコン基板同士を電気的に接続するバンプ電極２３０の接続信頼度も低下するため、半導体装置が正常に動作しなくなる虞がある。また、図２０に示すように、耐熱性樹脂膜３００の凹むように研磨された上面の端部に隣接して形成されたバンプ電極２３０は、隣接する耐熱性樹脂膜３００の上部が削られることでその上部の一部が削られやすくなり、他のバンプ電極２３０よりも上面の高さが低くなる虞がある。このような場合にも、上記積層半導体を形成した際に貼り合わせたシリコン基板のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の接続信頼度が低下してしまう。
【００４６】
本実施の形態の半導体装置では、図３に示すように、近傍にバンプ電極２３０が配置されていない領域であっても、バンプ電極２３０と同層に適度にダミーバンプ２４０を配置することにより、上記研磨工程によって耐熱性樹脂膜３００の高さがバンプの高さよりも低くなることを防いでいる。つまり、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面の高さを同一にし、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む面を平坦にすることができる。すなわち、第１シリコン基板１００の主面に対して垂直な方向において、第１シリコン基板１００の主面からバンプ電極２３０の上面までの距離と、第１シリコン基板１００の主面ダミーバンプ２４０の上面までの距離と、第１シリコン基板１００の主面から耐熱性樹脂膜３００の上面までの距離とを同一にすることができる。言い換えれば、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む平坦な面を第１シリコン基板１００の主面に沿って形成することができる。
【００４７】
図４は、第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００およびバンプ電極２３０（図３参照）およびダミーバンプ２４０（図３参照）を含む複数のバンプ２５０を示す平面レイアウトであり、図５は、図４の一部の領域であって、ダイシングラインＤＬにより区分けされ、後の工程で一つのチップとなる領域を拡大して示す平面レイアウトである。
【００４８】
図４および図５に示すように、バンプ２５０は、第１シリコン基板１００のダイシングラインＤＬに沿って格子状に形成されている。つまり、バンプ２５０は第１シリコン基板１００の主面に沿う方向である第１方向に沿って複数並んで形成されており、また、第１方向に直交し、第１シリコン基板１００の主面に沿う方向である第２方向に沿って複数並んで形成されている。ただし、図５に示すように、バンプ２５０は第１方向において必ずしも一定の間隔を空けて並んで配置されているわけではなく、第２方向においても必ず等間隔で配置されているわけではない。なお、図４および図５ではダイシングラインＤＬを破線で示している。
【００４９】
次に、所定の領域に集積回路が形成された第２シリコン基板１０１を用意し、第２シリコン基板１０１に対して上記図１から図５と同様の処理を施す。すなわち、第２シリコン基板１０１上に形成した耐熱性樹脂膜３００にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を形成した後、バンプ開口部４００内にバンプ電極２３０を形成する。また、ダミーバンプ開口部４１０内にダミーバンプ２４０を形成する。第２シリコン基板１０１の上面とバンプ電極２３０との間には金属配線２００が形成されており、バンプ電極２３０は金属配線２００を介して第２シリコン基板１０１に形成された前記集積回路などに電気的に接続されている。
【００５０】
第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０は第１シリコン基板１００上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０と同様に形成されているため、第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面の高さは同一となっている。すなわち、第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面を含む面は平坦な面であり、第２シリコン基板１０１の主面と平行に形成されている。
【００５１】
次に、図６および図７に示すように、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を重ね合わせて加熱・圧着し、２枚のシリコン基板の主面のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の電気的接続と、耐熱性樹脂膜３００同士の接着とを同時に行う。つまり、第１シリコン基板１００の主面側および第２シリコン基板１０１の主面側を対向させて第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせて接着する。
【００５２】
図６は第１シリコン基板１００（図示しない）および第２シリコン基板１０１（図示しない）の接着面（界面）における各バンプの平面レイアウトである。図６にはバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の接着面のみを示し、他の耐熱性樹脂膜３００の接着面などは示していない。つまり、図６は第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせた際の、両シリコン基板の主面に形成されたバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の平面視における配置を示す図である。図７は、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせて形成した積層半導体の要部断面図であり、図６のＡ−Ａ線における要部断面図に相当する。
【００５３】
図７に示すように、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を接着させて積層半導体を形成する際は、それぞれのシリコン基板の主面同士を対向させて接触させた状態で、それぞれのシリコン基板の裏面から圧力を加えることで圧着する。このとき、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上にそれぞれ形成された各ダミーバンプ２４０の上面は耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させる。つまり、第１シリコン基板１００の主面に形成されたダミーバンプ２４０の上面は、第２シリコン基板１０１の主面のダミーバンプ２４０およびバンプ電極２３０には接着されず、第２シリコン基板１０１の主面に形成された耐熱性樹脂膜３００に接着される。同様に、第２シリコン基板１０１の主面に形成されたダミーバンプ２４０の上面は、第１シリコン基板１００の主面のダミーバンプ２４０、バンプ電極２３０には接着されず、第１シリコン基板１００の主面に形成された耐熱性樹脂膜３００に接着される。バンプ電極２３０同士の間の接着は、高温かつ高圧であるほど確実になり、接続信頼度が高くなる。ここでは樹脂膜の耐熱性（熱分解温度）とシリコン基板を貼り合わせる装置の性能から、圧着の際の温度は３５０℃とし、両シリコン基板に加える荷重は３０ｋＮとする。
【００５４】
第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面は第１シリコン基板１００の主面と平行で平坦な面内に含まれており、同様に第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面は第２シリコン基板１０１の主面と平行で平坦な面内に含まれている。すなわち、前記積層半導体において、第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む表面と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む表面とが接着している界面は、第１シリコン基板１００の主面と平行な平面である。言い換えれば、第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を含む第１の層と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を含む第２の層とが接着している界面は、第１シリコン基板１００の主面と平行な平面である。
【００５５】
このため、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれの主面同士を接着した積層半導体を構成する第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１の間にはボイド（空隙）が形成されておらず、各基板上の耐熱性樹脂膜３００同士およびバンプ電極２３０同士はそれぞれ十分な接着強度を有している。
【００５６】
図６では、図７に示す第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０とが接する界面をバンプ電極５００として示している。つまり、バンプ電極５００のレイアウトパターンはバンプ電極２３０の上面のパターンである。
【００５７】
同様に、図６では第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０と、第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００とが接する界面をダミーバンプ５１０として示している。つまり、ダミーバンプ５１０のレイアウトパターンは、第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０の上面のパターンである。
【００５８】
同様に、図６では第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０と、第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００とが接する界面をダミーバンプ５１１として示している。つまり、ダミーバンプ５１１のレイアウトパターンは、第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０の上面のパターンである。
【００５９】
図６に示すように、バンプ電極同士を接着させるために、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれのバンプ電極２３０（図７参照）のレイアウトパターン（バンプ電極５００）は重なるようにレイアウトされている。つまりバンプ電極２３０のレイアウトであるレイアウトパターン（バンプ電極５００）は、前記積層半導体を構成するシリコン基板の主面を対向させたときにバンプ電極２３０同士が対向するように配置されている。したがって、シリコン基板同士を貼り合わせた際に、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上に形成されたそれぞれのバンプ電極２３０同士は互いに接続される。
【００６０】
一方、第１シリコン基板１００上のダミーバンプ２４０（図７参照）のレイアウトパターン（ダミーバンプ５１０）および第２シリコン基板１０１上のダミーバンプ２４０（図７参照）のレイアウトパターン（ダミーバンプ５１１）は、前記積層半導体を構成するシリコン基板の主面を対向させたときに平面視において重ならないように配置されている。したがって、シリコン基板同士を貼り合わせた際に、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上に形成されたそれぞれのダミーバンプ２４０同士は接続されない。
【００６１】
図６に示すダミーバンプの平面レイアウトでは、ダミーバンプ５１０、５１１およびバンプ電極５００は格子状（マトリクス状）に並んでおり、特定のダミーバンプの第１方向および第２方向の最近接位置に、異なるシリコン基板上に設置されたバンプがレイアウトされている。つまり、第１方向において複数のバンプが所定の間隔を空けて等間隔に並んで配置されており、第２方向においても、複数のバンプが所定の間隔を空けて等間隔に並んで配置されている。
【００６２】
ここで、バンプ電極５００間の最短距離をＳ１と定義し、バンプ電極５００とダミーバンプ５１０の最短距離をＳ２、同一シリコン基板上のダミーバンプ５１０間の最短距離をＳ３と定義する。また、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれ異なるシリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離をＳ４と定義する。本実施の形態では、Ｓ２およびＳ４をＳ１と同じ長さにしている。
【００６３】
次に、図８に示すように、図７に示した積層半導体に対し、フォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて、第１シリコン基板１００の表面であって、半導体素子が形成されていない方の面（裏面）に裏面絶縁膜２９０を形成する。続いて、裏面絶縁膜２９０の底部から、半導体素子が形成されている面（表面）に向けて、第１シリコン基板１００に開口部（シリコン貫通孔）を設ける。つまり、シリコン貫通孔は裏面絶縁膜２９０を貫通し、第１シリコン基板１００の裏面から第１シリコン基板１００の内部に達するものである。なお、裏面絶縁膜２９０を形成する前に、必要に応じて第１シリコン基板１００の裏面を薄化してもよい。
【００６４】
続いて化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いシリコン貫通孔の内壁を覆うように酸化シリコン膜を形成する。ただし、このときシリコン貫通孔の内部を完全には埋め込まないように前記酸化シリコン膜を形成する。その後、ドライエッチング技術を用いてシリコン貫通孔の底部の酸化膜を除去し、前記酸化シリコン膜からなる絶縁膜２７２を形成をシリコン貫通孔の内壁に形成する。続いてスパッタ法とメッキ法を用いてシリコン貫通孔の内部にＴｉＮからなるバリアメタル膜および銅膜を順次埋め込む。
【００６５】
続いて、ＣＭＰ法を用いて第１シリコン基板１００の裏面上に形成されたＴｉＮからなるバリアメタル膜および銅膜を除去し、裏面絶縁膜２９０を露出させることで、裏面絶縁膜２９０を貫通し、第１シリコン基板１００の裏面から、第１シリコン基板１００の表面に形成された半導体素子に対して電気的接続を行うための貫通電極２７０を形成する。このように半導体素子または金属配線などの形成（いわゆる前工程）が完了した後に貫通電極２７０を形成する方法は、一般的にビア・ラスト法と呼ばれる。貫通電極を形成する方法は図１〜図３を用いて説明したバンプの形成方法とほぼ同様であるが、貫通電極２７０と第１シリコン基板１００との間には絶縁膜２７２を形成することで貫通電極２７０と第１シリコン基板１００とが電気的に導通することを防いでいる。
【００６６】
続いて、貫通電極２７０を形成した第１シリコン基板１００の裏面にハンダバンプ２６０を形成した後、ダイシング装置によって積層半導体装置を複数のチップ（半導体チップ）に個片化する。
【００６７】
続いて、個片化したチップをフリップチップボンダを用いて、金属配線２０１が形成されたチップ搭載部材１２０上に搭載し、ハンダバンプ２６０と金属配線２０１を電気的に接続させることで本実施の形態の半導体装置が完成する。なお、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００の主面に接して形成された導体膜、または第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０などの導電体に直接接してはいない。ここでは、貫通電極２７０は、第１シリコン基板１００の主面上に形成された半導体素子などが有する電極にコンタクトプラグを介して形成された配線であって、耐熱性樹脂膜３００よりも下層に形成された配線に接することで前記半導体素子に電気的に接続された電極であるものとする。
【００６８】
裏面絶縁膜２９０はハンダバンプ２６０と第１シリコン基板１００とが電気的に導通することを防ぐために設けられている。第１シリコン基板１００の主面に沿う方向において、ハンダバンプ２６０は貫通電極２７０よりも大きい幅で形成されるため、裏面絶縁膜２９０により第１シリコン基板１００の裏面を覆っていなければ、ハンダバンプ２６０と第１シリコン基板１００とが電気的に接続されて半導体装置が正常に動作しなくなる虞がある。
【００６９】
また、図８では第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を含む層をバンプ形成層２８０として示している。同様に、第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を含む層をバンプ形成層２８１として示している。
【００７０】
上記のようにして製造された半導体装置において、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１は各シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜およびバンプ電極およびダミーバンプ、つまりバンプ形成層２８０とバンプ形成層２８１とによって接着しており、各シリコン基板上に形成された半導体素子は、バンプ電極２３０（図示しない）と貫通電極２７０とハンダバンプ２６０とチップ搭載部材１２０上に形成された金属配線２０１とを介して、半導体装置の外部と電気的に接続されている。
【００７１】
次に、本実施の形態の半導体装置の効果を、比較例１および比較例２を用いて説明する。比較例１および比較例２の半導体装置は、本実施の形態の半導体装置に対してバンプの配置が異なることを除いては、製造工程およびレイアウトに差違のない半導体装置である。具体的には、比較例１はダミーバンプを全く設けない半導体装置であり、比較例２は、第１シリコン基板上および第２シリコン基板上に形成したそれぞれのダミーバンプが、シリコン基板同士を貼り合わせた際に互いに接着するようにダミーバンプを配置した半導体装置である。
【００７２】
本発明者らは、このようにして形成した比較例１および比較例２の半導体装置に対し、赤外線顕微鏡および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用い、積層半導体の接合面に発生したボイド（空隙、隙間）の評価を行った。その結果、比較例１では、バンプが近傍に存在せず、樹脂膜同士が接着されるべき領域において、白くムラになったコントラストが観察されたが、本実施の形態の半導体装置および比較例２の半導体装置においてはそのような白くムラになったコントラストは観察されなかった。
【００７３】
比較例１の接着面近傍の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、各シリコン基板上の耐熱性樹脂膜同士の間に隙間が存在しており、超音波深傷装置で観察された白いムラは樹脂膜間に発生した隙間（空隙）に起因して現れていることが分かった。一方、本実施の形態の半導体装置と比較例２に対し、同様の観察を行ったが、樹脂膜間に隙間は観察されなかった。このように比較例１において耐熱性樹脂膜間に隙間が生じるのは、図３を用いて説明した工程に対応する研磨工程において、比較例１ではダミーバンプを設けないため、近傍にダミーバンプおよびバンプ電極が存在しない広い領域が形成され、その領域の耐熱性樹脂膜の表面が過剰に研磨されることに起因する。
【００７４】
主に金属からなるバンプ電極およびダミーバンプに比べ耐熱性樹脂膜はＣＭＰ法の研磨により削られやすい性質を有しているため、バンプ密度が低い領域ではバンプの上面の高さよりも耐熱性樹脂膜の上面の高さが低くなり、凹んだような形状になる可能性がある。このように耐熱性樹脂膜の表面が凹み、耐熱性樹脂膜およびバンプの高さが均一でないシリコン基板同士の主面を対向させて接着しても、耐熱性樹脂膜の凹みにより接着面積が十分に確保できず、接着強度が低下してしまう。接着強度が低いために接着信頼度が低い半導体装置では、接着したシリコン基板同士が剥がれやすくなることでバンプ電極同士の電気的接続が切断され、半導体装置が正常に動作しなくなる問題がある。
【００７５】
このように、シリコン基板同士を接着して形成する積層半導体を有する半導体装置では、接着信頼度を向上させるため、第１シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面から第１シリコン基板までの距離を一定にすることが重要となる。同様に、第２シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面から第２シリコン基板までの距離を一定にすることが重要である。言い換えれば、シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面の高さを揃え、平坦にすることが好ましい。
【００７６】
なお、本願でいう耐熱性樹脂膜、バンプ電極またはダミーバンプなどの上面とは、それぞれの層の表面のうち、その層が形成されているシリコン基板の主面に対して垂直な方向において、当該シリコン基板の主面から最も遠い表面までの距離をいうものとする。ただし、前述した各層の上面（最上面）には、湾曲して高低差を有する曲面も含み、例えば上述した比較例１の半導体装置の耐熱性樹脂膜のようにバンプの近傍に比べてバンプから離れた位置の面が凹んでいるような場合には、凹んだ領域の面を耐熱性樹脂膜の上面の一部であるものとして定義する。本実施の形態ではダミーバンプを耐熱性樹脂膜と同層の所定の位置に複数配置しているため、耐熱性樹脂膜の上面には湾曲するような箇所はなく、平坦に研磨されている。このため、耐熱性樹脂膜の上面の高さは、いずれの領域においてもバンプの上面の高さよりも低くなっていない。
【００７７】
なお、図６または図８などに示す第２シリコン基板１０１のように、断面図において主面を下側に向けて配置されている基板の主面に形成されている層については、その層の上面は図の下側に向かって配置されているものとして説明する。つまり、図８では第２シリコン基板１０１の主面は第２シリコン基板１０１の裏面よりも第１シリコン基板１００に近い方に位置し、第２シリコン基板１０１の主面上に形成されたバンプ形成層２８１の上面は図において第２シリコン基板１０１の下側に設けられている。したがって、第２シリコン基板１０１上のバンプ形成層２８１の上面は１シリコン基板１００上のバンプ形成層２８０の上面に接している。
【００７８】
次に、上記の半導体装置に対して、走査型電子顕微鏡を用いて各シリコン基板上のバンプ電極同士の接着状態を評価した。その結果、本実施の形態の半導体装置および比較例１の半導体装置においては、バンプ電極間には良好な接着が確認できた。これに対し、比較例２の半導体装置においては、２枚のシリコン基板上にそれぞれ形成されたバンプ電極同士の間に一部隙間があり、十分な接着が得られていないことが分かった。これは、比較例２の半導体装置において、ダミーバンプ同士の接続数がバンプ電極同士の接続数よりも大幅に多いため、シリコン基板同士の接着の際にバンプ電極一つ当たりの荷重が減少し、バンプ電極同士の接着面で確実な接着が得られなかったためである。このように例えば銅からなるバンプなどの金属層同士が接合する面積の割合が大きくなった場合、各バンプ電極に掛かる圧力が低くなることでバンプ電極同士が接続されないために半導体装置が正常に動作しなくなる問題がある。
【００７９】
また、複数のシリコン基板を貼り合わせる方法としては、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に保護膜と前記保護膜から露出する金属配線とを形成し、シリコン基板貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にシリコン基板間の隙間にバンプ保護用の樹脂を注入する方法が考えられるが、この方法は以下の課題を有している。
【００８０】
第１に、シリコン基板の貼り合わせ時にバンプの周囲が絶縁膜で保護されていないため、シリコン基板を貼り合わせた後にシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入する必要がある。そのため、バンプの高さが低くなり、シリコン基板間の隙間が狭くなると、シリコン基板の端部から注入した樹脂が完全には充填されず、前記樹脂内部にボイドと呼ばれる空隙が発生し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８１】
第２に、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低い傾向がある。例えば、注入用樹脂の代表例であるエポキシ系樹脂は、２５０℃程度から熱分解が始まり、体積収縮を生じる。したがって、貼り合わせたシリコン基板にエポキシ系樹脂を注入した後、次のシリコン基板を貼り合わせる際には、貼り合わせの温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮、変質し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８２】
第３に、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線と保護膜の高さを完全に同一にしたり、バンプ電極とダミーバンプの高さを完全に同一にしたりする必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極と金属配線の合計高さとダミーバンプと保護膜の合計高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８３】
本発明は、第１シリコン基板上および第２シリコン基板上のそれぞれに形成された耐熱性樹脂膜と、耐熱性樹脂膜と高さが揃ったバンプ電極とを有するシリコン基板同士を、バンプ電極同士が電気的に接続されるように接着させて形成する半導体装置に適用するものである。このような接着を行う際、本実施の形態のように、バンプ電極の近傍に耐熱性樹脂膜と高さが揃ったダミーバンプを設け、ダミーバンプを対向する基板上の耐熱性樹脂膜に接着させることにより、良好なバンプ電極同士の接続と耐熱性が高くボイドのない樹脂膜によるバンプ保護を併せ持った接続信頼度の高い接着面を有する半導体装置を実現することが可能となる。
【００８４】
つまり、各シリコン基板上に形成したダミーバンプを、対向するシリコン基板上に形成した絶縁膜（耐熱性樹脂膜）に接続し、当該絶縁膜と同層のダミーバンプに接続しないことで、積層半導体を構成するシリコン基板同士の接着面におけるバンプ同士、すなわち金属層同士の接着面積を低減することを可能としている。金属層同士の接着面積を低減することにより、バンプ電極一つ当たりの接着に必要な加重を低減することができるため、ダミー電極を多数配置しても、低い加重でシリコン基板同士を接着することが可能になり、また、バンプ電極同士の接続信頼度を向上させることができる。
【００８５】
シリコン基板の主面または裏面を他のシリコン基板の主面または裏面に接着し、それぞれのシリコン基板同士をバンプ電極を介して電気的に接続する方法としては、図１８に示すように、一方のシリコン基板１０２上に形成されたバンプ電極２３１を、他方のシリコン基板１０３上に形成された金属配線２０１と接続させた後、図１９に示すようにシリコン基板１０２、１０３間に樹脂を流し込んで埋め込むことが考えられる。なお、図１８および図１９は比較例の半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【００８６】
このとき、バンプ電極２３１の同層に、バンプ電極２３１と同様にシリコン基板１０２上に形成されたダミーバンプ２４１を形成しておき、シリコン基板１０２および１０３を貼り合わせる際にシリコン基板１０３上に形成しておいた保護膜３１０に接続させることで、バンプの配置に起因するシリコン基板の撓みの発生を防ぐことが考えられる。この場合、ダミーバンプ２４１はバンプ電極２３１と高さ、つまりシリコン基板１０２の主面からシリコン基板１０２の主面に対して垂直な方向における距離が同一になるように形成する必要があるため、バンプ電極２３１と同様にシリコン基板１０２上に金属電極２００を介して配置されている。
【００８７】
このようにバンプ電極２３１およびダミーバンプ２４１を形成したシリコン基板１０２と他のシリコン基板１０３を接着し、その後にバンプ電極２３１およびダミーバンプ２４１と同層の領域であってシリコン基板１０２および１０３間の隙間にバンプ保護のためのアンダーフィル樹脂などの樹脂を流し込んで形成（充填）する場合、樹脂が完全に埋め込まれずに空隙（ボイド、隙間）が形成される可能性がある。
【００８８】
貼り合わせたシリコン基板同士の間に空隙が形成されれば、シリコン基板同士の接着強度が低下することで接着したシリコン基板が剥がれ、バンプ電極２３１と金属配線２０１との電気的接続が断たれることにより半導体装置が正常に動作しなくなる。また、空隙がバンプ電極２３１に接して形成され、空隙内に残る水分によってバンプ電極２３１が腐食することでバンプ電極２３１が導通しなくなり、半導体装置の信頼性が低下する問題がある。
【００８９】
また、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低いという傾向があり、粘度が低く２５０℃程度で堆積収縮を起こすエポキシ系樹脂などを基板間に注入した際は、それ以降の製造工程で生じる温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮して変質し、バンプ電極の接続信頼度が低下する。
【００９０】
また、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線２０１と保護膜３１０の高さを完全に同一にするか、またはバンプ電極２３１とダミーバンプ２４１の高さを完全に同一にするなどの対策が必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極２３１と金属配線２０１の合計高さとダミーバンプ２４１と保護膜３１０の合計の高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００９１】
本実施の形態の半導体装置では、耐熱性樹脂膜に形成した開口部内にバンプ電極およびダミーバンプを形成し、シリコン基板同士を接着させる際に各シリコン基板の耐熱性樹脂膜同士も接着するため、シリコン基板同士の接着工程の後に端部から樹脂を注入する必要が無い。このため、樹脂の注入不良に起因したバンプの接続信頼度の低下および半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
【００９２】
また、本実施の形態の半導体装置では、シリコン基板同士の接着工程の後に端部から樹脂を注入する必要が無いため、樹脂前駆体の粘度に対する制約が緩く、比較的粘度が高い耐熱性樹脂材料をバンプ保護用の樹脂材料として用いることが可能となる。粘度が高い樹脂は耐熱性が高い傾向があるため、第１シリコン基板（第１基板）と第２シリコン基板（第２基板）の接着により形成した積層半導体に対し、チップ搭載部材（第３基板）を、銅バンプ接合で必要とされる高温（例えば２５０℃以上）で接着しても、第１基板と第２基板の間に形成したバンプ保護用の樹脂膜が変質しない。したがって、バンプの接続信頼度低下を抑制することができる。
【００９３】
また、本実施の形態の半導体装置では、第１基板上に形成したバンプ電極（第１電極）、ダミーバンプ（第１ダミーバンプ）および耐熱性樹脂膜（第１絶縁膜）の高さを揃えている。また、第２シリコン基板（第２基板）上に形成したバンプ電極（第２電極）、ダミーバンプ（第２ダミーバンプ）および耐熱性樹脂膜（第２絶縁膜）の高さを揃えている。したがって、第１電極と第２電極とが電気的に接続されるように第１基板および第２基板を接着させると、同時に第１ダミーバンプと第２絶縁膜とが接着し、第２ダミーバンプと第１絶縁膜とが接着するため、第１電極と第２電極に与えられる荷重がばらつかず、バンプの接続信頼度の低下を抑制することができる。
【００９４】
また、本実施の形態の半導体装置では第１ダミーバンプおよび第２ダミーバンプを設けることで第１電極および第１絶縁膜の高さを一定に保ち、かつ、第２電極および第２絶縁膜の高さを一定に保つことを可能にしている。したがって、第１基板と第２基板を接着させた際に、第１絶縁膜と第２絶縁膜の高さのばらつきに起因する接着面の隙間が発生しないため、バンプ電極の接続信頼度の低下を抑制できる。また、第１ダミーバンプは第２絶縁膜に接着し、第２ダミーバンプは第１絶縁膜に接着しているため、ダミーバンプ数を増やしても第１基板と第２基板の接着に必要な荷重の増大を抑制できる。したがって、バンプ一つ当たりの接続荷重低下によるバンプの接続信頼度低下を抑制できるため、第１電極および第２電極の間の電気的接続が接続信頼度を高めることができる。
【００９５】
本実施の形態では図６を用いて説明したように、バンプ電極５００間の最短距離（Ｓ１）、バンプ電極５００とダミーバンプ５１０の最短距離（Ｓ２）および同一シリコン基板上のダミーバンプ５１０間の最短距離（Ｓ３）を全て同じ長さであるものとしたが、これらの長さは必ずしも全て同一にする必要はない。比較例１の半導体装置において、バンプ電極が配置されていない領域の赤外線顕微鏡写真に見られたボイド（隙間、空隙）に相当する白いムラは、バンプ電極の端部からＳ１の５倍離れた距離から発生していることが判明している。すなわち、比較例１のような積層半導体であって、耐熱性樹脂膜の上面において、任意の点からＳ１の５倍の距離内にダミーバンプまたはバンプ電極が存在していない領域を有するような半導体装置では、耐熱性樹脂膜の表面が凹み、シリコン基板同士を貼り合わせた際にシリコン基板間にボイド（隙間）が生じる虞がある。
【００９６】
言い換えれば、第１電極（第１シリコン基板上に形成されたバンプ電極５００）同士の間の最短距離をＳ１とし、前記第１電極と第１ダミーバンプ（第１シリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０）との間の最短距離をＳ２とし、第１ダミーバンプ同士の間の最短距離をＳ３とした場合に、Ｓ２およびＳ３がＳ１の５倍以上の長さだとシリコン基板間にボイドが生じ、貼り合わせたシリコン基板間の接続信頼度が低下する可能性がある。
【００９７】
よって、ボイドの発生を抑制するためには、Ｓ２およびＳ３をＳ１の５倍未満の長さにすることが好ましい。また、レイアウト的な制約がなければ、ＣＭＰ法により研磨する面の平坦性の観点からは、Ｓ２およびＳ３をＳ１と同程度にすることがより望ましい。さらに、バンプ電極５００の接続信頼度に悪影響を与えない範囲で、ダミーバンプ５１０、５１１を適宜間引いて配置することも可能である。
【００９８】
一方、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれ異なるシリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離（Ｓ４）が短すぎると、シリコン基板を貼り合わせたときの合わせずれにより、ダミーバンプ５１０とダミーバンプ５１１とが接着し、バンプ電極にかかるべき接合時の荷重の一部が失われ、バンプ電極同士の接着の確実性が低下する虞がある。したがって、Ｓ４の長さはシリコン基板を貼り合わせる装置の合わせずれ（合わせ精度）よりも大きくする必要がある。合わせずれは１μｍ未満の範囲で生じる可能性が高くなるため、本実施の形態ではダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離（Ｓ４）を１μｍ以上の長さとしている。
【００９９】
また、図６に示し本実施の形態の半導体装置では、第１シリコン基板１００（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１０の上下左右の最近接位置に第２シリコン基板１０１（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１１が配置されているが、ダミーバンプのレイアウトはこれに限定される物ではない。例えば、図９に示す本実施の形態の半導体装置の変形例のように、第１シリコン基板１００（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１０の第１方向（図の左右方向）および第２方向（図の上下方向）の最近接位置には、同じ第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ５１０を配置することも可能である。
【０１００】
つまり、第１方向または第２方向において、隣り合うダミーバンプ５１０の間にダミーバンプ５１１を配置せず、例えばダミーバンプ５１１を、第１方向において隣り合うダミーバンプ５１０同士の中間点から第２方向に向かってＳ３の半分の長さだけ移動した位置に配置するレイアウトも考えられる。言い換えれば、任意のダミーバンプ５１０と、そのダミーバンプと第１方向において隣り合うダミーバンプ５１０に対して第２方向において隣り合うダミーバンプ５１０との間にダミーバンプ５１１を配置するようなレイアウトでも、前述した白いムラ（ボイド、空隙、隙間）の発生を防ぎ、シリコン基板同士の接着信頼度を向上させることができる。
【０１０１】
また、上述したようにＳ２およびＳ３をＳ１の５倍未満の長さにするというバンプ配置に関するレイアウト制限を遵守すれば、数種類のレイアウトを混在させることも可能である。例えば、自動レイアウトツールを用い、チップ内のバンプ電極の配置密度をある程度平準化するようにダミーバンプを配置することで、ＣＭＰ平坦度を向上させることも可能である。
【０１０２】
また、本実施の形態ではダミーバンプ５１０、５１１の平面レイアウト形状を正方形としたが、これ以外の形状でも同様の効果が期待できる。ダミーバンプ５１０、５１１の平面視における形状は例えば図１０（ａ）に示す長方形などの四角形、図１０（ｂ）に示す六角形、図１０（ｃ）に示す八角形、図１０（ｄ）に示す十六角形または図１０（ｅ）に示す円形であってもよい。また、ダミーバンプ５１０、５１１の平面視における形状は図図１０（ｆ）に示す２つの長方形の組み合わせた形状である十字形、図１０（ｇ）に示すＬ字形または図１０（ｈ）に示すＴ字形などを採用してもよい。ただし、銅メッキの埋込み形状およびＣＭＰ時の平坦性の観点からは、多角形および円形の場合には、その外接円の直径がバンプ電極の外接円の直径と同程度であり、２つの長方形を組み合わせた図形の場合には、その長方形の短辺長がバンプ電極の外接円の直径と同程度であることが望ましい。
【０１０３】
図１０（ａ）〜（ｈ）は本実施の形態の半導体装置に用いるダミーバンプ５１０、５１１の変形例を示す平面レイアウトである。図１０（ａ）〜（ｈ）は順に、平面視におけるダミーバンプ５１０、５１１の形状が四角形の場合、四角形の場合、六角形の場合、八角形の場合、十六角形の場合、円形の場合、十字形の場合、Ｌ字形の場合およびＴ字形の場合の平面レイアウトを示している。
【０１０４】
なお、ダミーバンプ５１０、５１１は周囲の耐熱樹脂膜３００などに応力を与えないようにする観点から、三角形のような鋭角な角部を有するパターンよりも、円形のように角がないパターンを有する方が好ましい。したがって、平面視におけるダミーバンプ５１０、５１１のパターンは、図１０（ａ）に示すような四角形（長方形）を採用する場合に比べ、図１０（ｃ）に示す正八角形のようなパターンを採用する場合の方が、シリコン基板上に生じる応力を低減することができる。
【０１０５】
また、前記実施の形態では、耐熱性樹脂膜３００としてポリベンゾオキサゾールを用いたが、他の耐熱性樹脂を用いることも可能である。ポリイミドまたはベンゾシクロブテンなどの樹脂も利用可能である。また、樹脂が感光性を有していれば、エッチングなどの工程を省略できるので、工程数削減が可能となる。
【０１０６】
また、前記実施の形態では、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせた後に、第１シリコン基板１００に貫通電極２７０を裏面から形成する、いわゆる裏面ビアラストプロセスを採用したがこれ以外の方法、例えば、前工程の一部として貫通電極を形成する方法、でも本手法は有効である。
【０１０７】
また、本実施の形態では、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１の両方に半導体素子が形成された例について説明したが、本願発明の有効性はこれに限定される物ではなく、半導体素子が形成されたシリコン基板と半導体素子が形成されていない基板（配線基板）とを接着する場合などにも利用可能である。
【０１０８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体素子が形成されたシリコン基板の表面と半導体素子が形成されていない裏面との接着により得られる半導体装置の例を図１１〜図１４を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態１にてすでに説明した構成と同一の符号を付された構成および同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図１１〜図１４は本実施の形態の積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【０１０９】
まず、図１１に示すように、第１シリコン基板１００の半導体素子が形成されていない裏面に、例えば酸化シリコン膜からなる裏面絶縁膜３３０を形成した後、前記実施の形態１にて図８を用いて説明した方法と同様の方法により、第１シリコン基板１００の半導体素子が形成されている主面と電気的接続を取るための貫通電極２７０を形成する。貫通電極２７０は、裏面絶縁膜３３０を貫通し、第１シリコン基板１００の主面に形成された半導体素子にコンタクトプラグを介して形成された配線（図示しない）に達する電極である。なお、図１１において、半導体素子および層間絶縁膜などの図示は省略する。
【０１１０】
なお図１１では、前記実施の形態１で説明した第１シリコン基板１００と異なり第１シリコン基板１００の上下を逆さまにして示している。すなわち、図１１〜図１４に示す第１シリコン基板１００の下の面が第１シリコン基板１００の主面であり、上の面であって裏面絶縁膜３３０が形成されている面が第１シリコン基板１００の裏面である。この後の工程の説明では、第１シリコン基板１００の裏面側を上方として説明する。つまり、例えば後述する耐熱性樹脂膜３００は第１シリコン基板１００上に形成されているものとする。
【０１１１】
続いて、第１シリコン基板１００の裏面上に裏面絶縁膜３３０を介してポリベンゾオキサゾールからなる耐熱性樹脂膜３００を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて耐熱性樹脂膜３００を加工することで、貫通電極２７０の上面を露出するバンプ開口部４００を形成し、同工程により裏面絶縁膜３３０の上面の一部を露出するダミーバンプ開口部４１０を形成する。なお、第１シリコン基板１００の薄化を行った場合には、その後の搬送のために第１シリコン基板１００を支持基板に固定する場合があるが、当該支持基板などの図示は省略する。
【０１１２】
次に、図１２に示すように、バンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０のそれぞれの内壁および底部を覆うように、耐熱性樹脂膜３００上、裏面絶縁膜３３０上、および貫通電極２７０上にスパッタリング法により膜厚７０ｎｍ程度のＴｉＮ膜と膜厚５００ｎｍ程度の銅膜からなる金属膜２１０を第１シリコン基板１００の裏面側から順に堆積する。
【０１１３】
次に、図１３に示すように、ＣＭＰ法により金属膜２１０を研磨し、耐熱性樹脂膜３００の上面を露出させることで、バンプ開口部４００内の金属膜２１０からなるバンプ電極２３０と、ダミーバンプ開口部４１０内の金属膜２１０からなるダミーバンプ２４０とを形成する。このとき、耐熱性樹脂膜３００の上面、バンプ電極２３０の上面およびダミーバンプ２４０の上面の間に段差がなくなるようにＣＭＰを行う。ここでは、前記実施の形態１で説明したように、所定の間隔でダミーバンプ２４０を複数配置していることにより、耐熱性樹脂膜３００の上面が削れすぎてバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面よりも高さが低くなることを防いでいる。
【０１１４】
次に、図１４に示すように、所定の領域に集積回路が形成された第２シリコン基板１０１を用意し、第２シリコン基板１０１に対して前記実施の形態１において図１〜図５を用いて説明した工程と同様の処理を施す。すなわち、第２シリコン基板１０１上の耐熱性樹脂膜３００にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を形成した後、バンプ開口部４００内にバンプ電極２３０を形成し、また、ダミーバンプ開口部４１０にダミーバンプ２４０を形成する。第２シリコン基板１０１上において、バンプ電極２３０の底部は金属配線２００を介して第２シリコン基板１０１の主面の半導体素子などに電気的に接続されているが、ダミーバンプ２４０は金属配線２００には接続されておらず、前記半導体装置とも電気的に絶縁されている。
【０１１５】
続いて、第１シリコン基板１００の裏面と第２シリコン基板１０１の主面とを対向させて貼り合わせて加熱・圧着し、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の電気的接続と、それぞれのシリコン基板に形成された耐熱性樹脂膜３００同士の接着とを同時に行う。この際、第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０は第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させ、第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０は第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させる。ここでは、２枚のシリコン基板を貼り合わせた後のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の平面レイアウトは図６に示す平面レイアウトと同一であるものとする。
【０１１６】
その後、貫通電極２７０を形成したシリコン基板上にハンダバンプを形成した後、ダイシング装置によって積層半導体装置を個片化し、図８と同様にチップ搭載部材１２０に搭載すれば、本実施の形態の半導体装置が完成する。このとき、第１シリコン基板１００に形成された貫通電極２７０は、図８と同様にハンダバンプ２６０とチップ搭載部材１２０上に形成された金属配線２０１とを介して半導体装置の外部と電気的に接続されている。ただし、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００内の半導体素子の配線に接続されているため、貫通電極２７０とハンダバンプ２６０は直接接触していない。つまり、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００の裏面の反対側の上面に達していない。ここでは、貫通電極２７０と電気的に接続された電極であって、第１シリコン基板１００の上面に露出する電極とハンダバンプ２６０とが直接接することで、貫通電極２７０とハンダバンプ２６０とが前記電極を介して電気的に接続されているものとする。
【０１１７】
上記のようにして製造された半導体装置について、本発明者らが耐熱性樹脂膜に生じるボイド評価およびバンプ接合状態の分析を行ったところ、前記実施の形態１と同等のバンプ接続信頼度が得られることが判明した。
【０１１８】
このことから、前記実施の形態１とは異なり、本実施の形態のようにシリコン基板の主面と裏面を接着させても前記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。前記実施の形態１のようにシリコン基板の主面同士を対向させた接着しか行わない場合にはシリコン基板の積層数が２層に限定されるが、本実施の形態に基づきシリコン基板の主面と他のシリコン基板の裏面との接着を行えば３層以上の基板の積層も実施可能となる。
【０１１９】
また、本実施の形態では、シリコン基板の主面と他のシリコン基板の裏面とを接着しているが、前記実施の形態１に示したシリコン基板の主面同士を接着する方法と本実施の形態の半導体装置の製造方法と組み合わせることにより、汎用性の高い積層構造を実現することが可能である。その一例を図１５〜図１７に示す。図１５〜図１７は本実施の形態２の変形例である積層半導体の製造方法を示す要部断面図である。
【０１２０】
まず、図１５に示すように、前記実施の形態１の半導体装置の製造方法に基づき第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれの主面同士を対向させて接着し、第２シリコン基板１０１の裏面に貫通電極２７０を形成する。続いて、図１１を用いて説明した工程と同様の工程により、第２シリコン基板１０１の裏面上にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を有する耐熱性樹脂膜３００を形成する。
【０１２１】
次に、図１６に示すように、図１２および図１３を用いて説明した工程に基づき、バンプ開口部４００内およびダミーバンプ開口部４１０内のそれぞれにバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を形成する。
【０１２２】
次に、図１７に示すように、第２シリコン基板１０１の裏面に、第２シリコン基板１０１とほぼ同様に形成され、半導体素子、耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を有する第３シリコン基板１０４の主面を接着することで、シリコン基板が３層積層された半導体装置を形成することが可能となる。
【０１２３】
なお、図１５〜図１７を用いて説明した本実施の形態の半導体装置の変形例では、バンプ電極とダミーバンプとのレイアウト、形状、耐熱性樹脂膜および材料などは、前記実施の形態１と同様の構成としている。ただし、本実施の形態の構成はこれに限られず、前記実施の形態１において図９または図１１（ａ）〜（ｈ）などを用いて説明した応用例は、本実施の形態においても同様に適用可能である。
【０１２４】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、バンプを介してシリコン基板同士を電気的に接続する半導体装置の製造技術に適用して有効である。
【符号の説明】
【０１２６】
１００ 第１シリコン基板
１００ａ シリコン基板
１０１ 第２シリコン基板
１０２、１０３ シリコン基板
１０４ 第３シリコン基板
１２０ チップ搭載部材
２００、２０１ 金属配線
２１０ 金属膜
２３０、２３１ バンプ電極
２４０、２４１ ダミーバンプ
２５０ バンプ
２６０ ハンダバンプ
２７０ 貫通電極
２８０、２８１ バンプ形成層
２９０、３３０ 裏面絶縁膜
３００ 耐熱性樹脂膜
３１０ 保護膜
３２０ アンダーフィル樹脂膜
４００ バンプ開口部
４１０ ダミーバンプ開口部
５００ バンプ電極
５１０、５１１ ダミーバンプ
ＤＬ ダイシングライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、バンプ電極を介して複数枚の半導体基板同士を電気的に接続する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の小型化、高性能化を実現する方法の一つとして、単結晶シリコンからなる半導体基板（以下、シリコン基板という）を積層し、微細な電極配線を使ってシリコン基板同士を電気的に接続する実装技術が発展している。
【０００３】
上記した実装技術のうち、最近注目されている手法として、バンプ電極と呼ばれるシリコン基板同士を接続する微細な電極、および、シリコン貫通電極(Through Silicon Via)と呼ばれるシリコン基板を貫通する電極を使用して、複数枚のシリコン基板に形成された集積回路同士を電気的に接続する手法がある。
【０００４】
上記の手法を採用した半導体装置の場合、シリコン基板に加わる熱または衝撃などによる応力によって、シリコン基板同士を接続するバンプ電極の接続信頼度が劣化する。そのため、バンプ電極の周囲を樹脂などの絶縁体で封止することによってバンプ電極を保護し、バンプ電極の接続信頼度を確保する技術もまた必要となる。
【０００５】
シリコン基板上に形成するバンプ電極材料として現在広く用いられているのは、スズ（Ｓｎ）または鉛（Ｐｂ）などを主成分としたハンダ材料である。シリコン基板上に形成した、ハンダ材料からなるバンプ電極を、ハンダ材料の融点以上に加熱し、接続先の基板上に形成した対向するバンプ電極に接合することでそれぞれ別のシリコン基板上に形成された集積回路同士を電気的に接続することが可能となる。また、このようなハンダ材料を用いたバンプ電極の保護には、プロセス温度の制約からエポキシ系樹脂を用い、熱膨張係数を調整するためにフィラーと呼ばれる酸化シリコンの微粒子を添加するのが一般的である。
【０００６】
しかし、ハンダ材料は融点が低いため、電気的な長期の信頼性が低くなると言う問題がある。例えば現在電子部品用で広く用いられている鉛フリーハンダ材料であるスズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）材料の融点は２２０℃程度である。これは集積回路の内部配線として広く用いられているアルミニウム（Ａｌ）の融点（６６０℃）と比較して大幅に低いため、エレクトロマイグレーションと呼ばれる電流に起因した電気的な接続不良が発生しやすい問題がある。特に、バンプ電極が微細化し、電流密度が高くなる状況では深刻な信頼度低下を引き起こす。
【０００７】
そこで、バンプ電極の材料として、エレクトロマイグレーション信頼度の高い金属材料を用いる手法が提案されている。
【０００８】
例えば、特許文献１（米国特許公開２００７／０２０７５９２号公報）には、バンプ電極の部材に銅（Ｃｕ）を用いる方法が開示されている。銅は融点が１０８４℃と高く、アルミニウムに比べてもエレクトロマイグレーション信頼度が高いことが知られている。これにより、バンプ電極が微細化し、バンプ電極の電流密度が高くなっても、銅を主体とするバンプ電極を用いた装置ではエレクトロマイグレーション信頼度の低下を防いで接続することが可能となる。以下では、特許文献１に記載された手法を従来例１と呼ぶ。
【０００９】
特許文献２（特開２００３−１００８０１号公報）には、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に金属配線と保護膜を形成し、シリコン基板同士の貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にバンプ保護用の樹脂を注入することが記載されている。以下、特許文献２に記載された手法を従来例２と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許公開２００７／０２０７５９２号公報
【特許文献２】特開２００３−１００８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来例１では、シリコン基板上に耐熱性樹脂であるベンゾシクロブテンからなる膜を成膜してパターニングした後、バリアメタル膜と銅膜を形成後、化学的機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)法を用いてベンゾシクロブテン上の余分な銅膜、バリアメタル膜を除去し、周囲を耐熱性樹脂膜で囲まれた銅からなる微細バンプ電極を形成する方法が示されている。さらに、このようにして形成したバンプ同士に２５０℃から３５０℃に加熱し、直径２００ｍｍのシリコン基板あたり１０ｋＮ（キロニュートン）の荷重をかけることで、バンプ同士を接合させる方法が開示されている。
【００１２】
しかし、上記従来例１の場合、ＣＭＰ法を用いてバンプを形成した場合、ＣＭＰ時にバンプの一部が削れ、また、隣接するバンプ間のベンゾシクロブテン（樹脂膜）が局所的に削れるなどしてシリコン基板表面の平坦性が低下し、シリコン基板同士を貼り合わせたときにバンプの接続信頼度が低下する問題がある。
【００１３】
ＣＭＰ法を用いた研磨による平坦性を向上させるためにバンプの周囲にダミーバンプを設置すればこの問題は解決可能であるが、１つのバンプ当たりの接合荷重を一定に保つためには、バンプの設置数を増やした分、シリコン基板に加える荷重を増やす必要がある。シリコン基板表面を平坦に保つためにシリコン基板当たりのバンプ数が膨大になった場合、市販されている貼り合わせ装置の最大荷重（１００ｋＮ程度）では十分な銅バンプ同士の接合が得られず、バンプ電極の接続信頼度が低下する問題がある。
【００１４】
この問題を解決するための手法が、従来例２に開示されている。
【００１５】
図１８は、上記従来例２におけるシリコン基板貼り合わせ後の半導体装置と同様の構造を有する半導体装置の要部断面図を比較例として示すものである。シリコン基板１０２上に金属配線２００を複数形成した後、一部の金属配線２００上にバンプ電極２３１を形成し、他の金属配線２００上にダミーバンプ２４１方を形成する。これとは別に、シリコン基板１０３上に金属配線２０１および保護膜３１０を順次形成する。金属配線２０１の上面の一部は保護膜３１０から露出するものとする。このようにして準備したシリコン基板１０２、１０３に対し、シリコン基板１０２上のバンプ電極２３１とシリコン基板１０３上の金属配線２０１が接続されるように貼り合わせを行うことで、シリコン基板１０２とシリコン基板１０３を電気的に接続することが可能となる。この際、シリコン基板１０２上のダミーバンプ２４１はシリコン基板１０３上に形成された絶縁物である保護膜３１０と接するため、ダミーバンプ２４１を金属配線２０１に接合させる場合に比べ、金属接合を形成するための接合エネルギー、すなわちシリコン基板を接着する貼り合わせ装置で加える荷重を低減することができる。
【００１６】
図１９は、上記従来例２において、図１８を用いて説明した方法により貼り合わせたシリコン基板間に、バンプ保護のためのアンダーフィル樹脂を形成（充填）した後の半導体装置の要部断面図である。シリコン基板１０２、１０３を貼り合わせた後、バンプ電極２３１を保護するために貼り合わせたシリコン基板の端部から、アンダーフィル樹脂の前駆体を流し込み、熱処理を行うことでシリコン基板１０２と１０３の間の隙間をアンダーフィル樹脂膜３２０で埋め込む。
【００１７】
このように、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に金属配線と保護膜を形成し、シリコン基板貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にバンプ保護用の樹脂を注入する上記従来例２は、以下のような課題を有している。
【００１８】
第１に、シリコン基板の貼り合わせ時にバンプの周囲が絶縁膜で保護されていないため、シリコン基板を貼り合わせた後にシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入する必要がある。そのため、バンプの高さが低くなり、シリコン基板間の隙間が狭くなると、シリコン基板の端部から注入した樹脂が完全には充填されず、前記樹脂内部にボイドと呼ばれる空隙が発生し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００１９】
第２に、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低いという傾向がある。例えば、注入用樹脂の代表例であるエポキシ系樹脂は、２５０℃程度から熱分解が始まり、体積収縮を生じる。したがって、貼り合わせたシリコン基板にエポキシ系樹脂を注入した後、次のシリコン基板を貼り合わせる際には、貼り合わせの温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮、変質し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００２０】
第３に、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線２０１と保護膜３１０の高さを完全に同一にするか、またはバンプ電極２３１とダミーバンプ２４１の高さを完全に同一にするなどの対策が必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極２３１と金属配線２０１の合計高さとダミーバンプ２４１と保護膜３１０の合計の高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００２１】
本発明の目的は上記課題を解決しようとするものであり、エレクトロマイグレーション信頼度に優れた銅をバンプ電極の材料に用いた半導体装置において、シリコン基板貼り合わせ時に必要とされる荷重を過剰に増やすことなく、接続信頼度が高いバンプ接合と耐熱性が高い樹脂膜によるバンプ保護を実現することにある。
【００２２】
すなわち、本発明の目的は、半導体装置の信頼性を向上させることにある。
【００２３】
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
本願の一発明による半導体装置は、
一面に第１電極と第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極と第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続した半導体装置であって、
前記第１絶縁膜の第１領域に前記第１電極が形成され、前記第１絶縁膜の第２領域に、前記第１電極と同一の材料で構成された第１ダミーバンプが形成され、前記第２絶縁膜の第１領域に前記第２電極が形成され、前記第２絶縁膜の第２領域に、前記第２電極と同一の材料で構成された第２ダミーバンプが形成され、
前記第１基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第１基板の前記一面から前記第１電極の上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１ダミーバンプの上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、前記第２基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第２基板の前記一面から前記第２電極の上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２ダミーバンプの上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、
前記第１ダミーバンプは前記第２絶縁膜に接し、前記第２ダミーバンプは前記第１絶縁膜に接し、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいるものである。
【００２６】
また、本願の一発明による半導体装置は、
一面に第１電極、第１ダミーバンプおよび第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極、第２ダミーバンプおよび第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
前記第１電極および前記第１ダミーバンプの形成工程は、
（ａ１）前記第１基板上の前記一面上に前記第１絶縁膜を形成する工程、
（ａ２）前記第１絶縁膜の第１領域および第２領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ａ３）前記第１領域および前記第２領域の各開口部の内部を第１導電膜で埋め込む工程、
（ａ４）化学的機械研磨法を用い、前記第１領域および前記第２領域の各開口部に埋め込まれた前記第１導電膜の上面と前記第１絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第１導電膜を研磨することで、前記第１領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１電極を形成し、前記第２領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記第２電極および前記第２ダミーバンプの形成工程は、
（ｂ１）前記第２基板上の前記一面上に前記第２絶縁膜を形成する工程、
（ｂ２）前記第２絶縁膜の第３領域および第４領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ｂ３）前記第３領域および前記第４領域の各開口部の内部を第２導電膜で埋め込む工程、
（ｂ４）化学的機械研磨法を用い、前記第３領域および前記第４領域の各開口部に埋め込まれた前記第２導電膜の上面と前記第２絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第２導電膜を研磨することで、前記第３領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２電極を形成し、前記第４領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記（ａ４）工程および前記（ｂ４）工程の後、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着する際に、前記第１ダミーバンプを前記第２絶縁膜に接着し、かつ、前記第２ダミーバンプを前記第１絶縁膜に接着させるものである。
【発明の効果】
【００２７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２８】
本発明によれば、基板同士を電気的に接続させるバンプ電極の接続信頼度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【図２】図１に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図３】図２に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図４】図３に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図５】図４に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図６】図３に続く積層半導体の製造方法を説明する平面レイアウトである。
【図７】図６のＡ−Ａ線における要部断面図である。
【図８】図６に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１である半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【図１０】本発明の実施の形態１である半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【図１１】本発明の実施の形態２である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【図１２】図１１に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１３】図１２に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１４】図１３に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２である積層半導体の変形例の製造工程を説明する要部断面図である。
【図１６】図１５に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１７】図１６に続く積層半導体の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１８】比較例として示す半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図１９】図１８に続く半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図２０】比較例として示す製造工程中の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００３１】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態の半導体装置は、主面に複数のバンプ電極およびそれらの周囲を囲む樹脂膜を形成した２枚のシリコンウエハを接着し、それぞれのシリコンウエハに形成された集積回路同士を、バンプ電極を介して電気的に接続した積層型の半導体装置である。
【００３３】
以下、図１〜図９を参照しながら、本実施の形態の半導体装置の製造方法を工程順に説明する。図１〜図３、図７および図８は発明の実施の形態１である積層半導体の製造工程を説明する要部断面図であり、図４〜図６は製造工程中の積層半導体のバンプの配置を示す平面レイアウトであり、図９は本実施の形態の半導体装置の変形例を示す平面レイアウトである。
【００３４】
まず、図１に示すように、主面に金属配線２００が形成された第１シリコン基板１００を用意し、その主面に、金属配線２００を覆うように耐熱性樹脂膜３００を形成する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、金属配線２００の一部が露出するようにバンプ開口部４００を形成し、同工程により金属配線２００以外の領域の第１シリコン基板１００の主面の一部が露出するようにダミーバンプ開口部４１０を形成する。耐熱性樹脂膜３００は例えばポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ：polybenzoxazole）を主成分とする絶縁材料からなり、ここではその厚みを５μｍとしている。
【００３５】
また、第１シリコン基板１００は、いわゆる前工程が完了したシリコン基板であり、その所定の領域には半導体素子およびそれらを接続する配線などからなる集積回路が形成されている。なお、図１には、第１シリコン基板１００に形成された配線の一部（金属配線２００）のみを示し、半導体素子や層間絶縁膜などの図示は省略している。すなわち、第１シリコン基板１００は、主にシリコンからなる基板、前記基板の主面に形成された半導体素子、前記半導体素子を覆うように前記基板上に形成された層間絶縁膜などを含んでいる。前記層間絶縁膜の上部には金属配線２００が形成されており、金属配線２００は、前記層間絶縁膜内に形成された配線を介して前記半導体素子などに電気的に接続されている。
【００３６】
なお、金属配線２００は例えば主にアルミニウム（Ａｌ）からなる金属膜を第１シリコン基板１００上にスパッタリング法で形成した後、前記金属膜をフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてパターニングすることで形成された配線である。
【００３７】
次に、図２に示すように、耐熱性樹脂膜３００の上面と、バンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０のそれぞれの内壁および底面とを覆うように、膜厚が７０ｎｍ程度のＴｉＮ（窒化チタン）膜と膜厚５００ｎｍ程度の銅膜からなる金属膜２１０とを第１シリコン基板１００側から順にスパッタリング法により堆積する。このＴｉＮ膜は、銅膜の接着性を確保する機能を有する。また、このＴｉＮ膜は、後の工程でバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０の内部に埋め込んだ銅膜が耐熱性樹脂膜３００内に拡散することを防ぐために形成するバリア導体膜である。このバリア導体膜は、高融点金属およびその化合物で構成されていてもよい。例えば当該バリア導体膜を、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜の積層膜としてもよい。
【００３８】
このように、銅膜と耐熱性樹脂膜３００との間、銅膜と金属配線２００との間、銅膜と第１シリコン基板１００との間のそれぞれにＴｉＮ膜を介在させることにより、耐熱性樹脂膜３００、金属配線２００および第１シリコン基板１００のそれぞれと銅膜との接着性を向上させている。なお、図２ではＴｉＮ膜および銅膜をまとめて金属膜２１０として示している。
【００３９】
次に、図３に示すように、ＣＭＰ法を用いて耐熱性樹脂膜３００の上部の銅膜およびＴｉＮ膜からなる金属膜２１０を研磨し、耐熱性樹脂膜３００の上面を露出させる。その後、バンプ開口部４００に埋め込まれた銅膜とＴｉＮ膜からなる金属膜２１０の上面と耐熱性樹脂膜３００の上面との間に段差がなくなるまで研磨を行う。
【００４０】
ここまでの工程により、耐熱性樹脂膜３００に形成されたバンプ開口部４００に埋め込まれた金属膜２１０からなるバンプ電極２３０と、ダミーバンプ開口部４１０に埋め込まれた金属膜２１０からなるダミーバンプ２４０とが形成される。バンプ電極２３０はその底部に形成された金属配線２００と電気的に接続され、金属配線２００を介して第１シリコン基板１００に形成された半導体素子（図示しない）などと電気的に接続されているのに対し、ダミーバンプ２４０の底面は金属配線２００と電気的に接続されておらず、第１シリコン基板１００の上面に形成された層間絶縁膜（図示しない）に接している。バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの側面は上述したバリア導体膜により覆われており、周囲の耐熱性樹脂膜３００とは直接接していない。
【００４１】
ダミーバンプ２４０は電気的に他の電極または配線などと絶縁されており、半導体装置内の回路に接続されておらず、電気的には意味が無い導電層であるが、上述したＣＭＰ法による研磨工程において、ダミーバンプ２４０は耐熱性樹脂膜３００の上面が過剰に削れることにより、耐熱性樹脂膜３００の上面の高さがバンプ電極２３０の上面の高さよりも低くなることを防ぐ役割を有している。
【００４２】
仮に、広い領域にかけてバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０が存在せず耐熱性樹脂膜３００が形成されているような場合には、耐熱性樹脂膜３００の上面の高さがバンプ電極２３０の上面の高さよりも低くなる。これは、耐熱性樹脂膜３００が、銅などの金属からなるバンプ電極２３０またはダミーバンプ２４０よりもＣＭＰ法により削られやすい性質を有するためである。
【００４３】
例えば、図２０に比較例として示すように、隣り合うバンプ電極２３０間の広い領域にダミーバンプなどの金属層が形成されておらず、金属層よりもＣＭＰ法により研磨されやすい耐熱性樹脂膜３００などの樹脂膜のみが形成されている場合、耐熱性樹脂膜３００の上面が凹むように研磨されるために耐熱性樹脂膜３００と他のバンプとの上面の高さが揃わなくなる。なお、図２０は比較例として示す積層半導体の製造工程における要部断面図であり、図２０に示す製造工程中の半導体装置は図１〜図３を用いて説明した方法とほぼ同様の方法で形成されており、シリコン基板１００ａ上に形成された耐熱性樹脂膜３００と、その開口部４００に埋め込まれ、開口部４００の底部に形成された金属配線２００と電気的に接続されたバンプ電極２３０とを有している。ただし、図３に示す製造工程中の半導体装置と異なり、比較例である図２０の製造工程中の半導体装置にはダミーバンプが形成されていない。
【００４４】
この場合、後の工程においてシリコン基板１００ａと他のシリコン基板とを貼り合わせて積層半導体を形成する際、前記他のシリコン基板との界面では上面が凹んだ耐熱性樹脂膜３００が前記他のシリコン基板に接着されず、貼り合わせたシリコン基板同士の接着信頼度が低下する問題がある。なお、貼り合わせたシリコン基板同士はそれらの界面に形成されたバンプ電極２３０を介して電気的に接続されるものとする。
【００４５】
しかし、上記のように耐熱性樹脂膜３００の接着性が悪化すれば、貼り合わせたシリコン基板同士を電気的に接続するバンプ電極２３０の接続信頼度も低下するため、半導体装置が正常に動作しなくなる虞がある。また、図２０に示すように、耐熱性樹脂膜３００の凹むように研磨された上面の端部に隣接して形成されたバンプ電極２３０は、隣接する耐熱性樹脂膜３００の上部が削られることでその上部の一部が削られやすくなり、他のバンプ電極２３０よりも上面の高さが低くなる虞がある。このような場合にも、上記積層半導体を形成した際に貼り合わせたシリコン基板のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の接続信頼度が低下してしまう。
【００４６】
本実施の形態の半導体装置では、図３に示すように、近傍にバンプ電極２３０が配置されていない領域であっても、バンプ電極２３０と同層に適度にダミーバンプ２４０を配置することにより、上記研磨工程によって耐熱性樹脂膜３００の高さがバンプの高さよりも低くなることを防いでいる。つまり、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面の高さを同一にし、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む面を平坦にすることができる。すなわち、第１シリコン基板１００の主面に対して垂直な方向において、第１シリコン基板１００の主面からバンプ電極２３０の上面までの距離と、第１シリコン基板１００の主面ダミーバンプ２４０の上面までの距離と、第１シリコン基板１００の主面から耐熱性樹脂膜３００の上面までの距離とを同一にすることができる。言い換えれば、バンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む平坦な面を第１シリコン基板１００の主面に沿って形成することができる。
【００４７】
図４は、第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００およびバンプ電極２３０（図３参照）およびダミーバンプ２４０（図３参照）を含む複数のバンプ２５０を示す平面レイアウトであり、図５は、図４の一部の領域であって、ダイシングラインＤＬにより区分けされ、後の工程で一つのチップとなる領域を拡大して示す平面レイアウトである。
【００４８】
図４および図５に示すように、バンプ２５０は、第１シリコン基板１００のダイシングラインＤＬに沿って格子状に形成されている。つまり、バンプ２５０は第１シリコン基板１００の主面に沿う方向である第１方向に沿って複数並んで形成されており、また、第１方向に直交し、第１シリコン基板１００の主面に沿う方向である第２方向に沿って複数並んで形成されている。ただし、図５に示すように、バンプ２５０は第１方向において必ずしも一定の間隔を空けて並んで配置されているわけではなく、第２方向においても必ず等間隔で配置されているわけではない。なお、図４および図５ではダイシングラインＤＬを破線で示している。
【００４９】
次に、所定の領域に集積回路が形成された第２シリコン基板１０１を用意し、第２シリコン基板１０１に対して上記図１から図５と同様の処理を施す。すなわち、第２シリコン基板１０１上に形成した耐熱性樹脂膜３００にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を形成した後、バンプ開口部４００内にバンプ電極２３０を形成する。また、ダミーバンプ開口部４１０内にダミーバンプ２４０を形成する。第２シリコン基板１０１の上面とバンプ電極２３０との間には金属配線２００が形成されており、バンプ電極２３０は金属配線２００を介して第２シリコン基板１０１に形成された前記集積回路などに電気的に接続されている。
【００５０】
第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０は第１シリコン基板１００上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０と同様に形成されているため、第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面の高さは同一となっている。すなわち、第２シリコン基板１０１上のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面を含む面は平坦な面であり、第２シリコン基板１０１の主面と平行に形成されている。
【００５１】
次に、図６および図７に示すように、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を重ね合わせて加熱・圧着し、２枚のシリコン基板の主面のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の電気的接続と、耐熱性樹脂膜３００同士の接着とを同時に行う。つまり、第１シリコン基板１００の主面側および第２シリコン基板１０１の主面側を対向させて第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせて接着する。
【００５２】
図６は第１シリコン基板１００（図示しない）および第２シリコン基板１０１（図示しない）の接着面（界面）における各バンプの平面レイアウトである。図６にはバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の接着面のみを示し、他の耐熱性樹脂膜３００の接着面などは示していない。つまり、図６は第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせた際の、両シリコン基板の主面に形成されたバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の平面視における配置を示す図である。図７は、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせて形成した積層半導体の要部断面図であり、図６のＡ−Ａ線における要部断面図に相当する。
【００５３】
図７に示すように、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を接着させて積層半導体を形成する際は、それぞれのシリコン基板の主面同士を対向させて接触させた状態で、それぞれのシリコン基板の裏面から圧力を加えることで圧着する。このとき、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上にそれぞれ形成された各ダミーバンプ２４０の上面は耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させる。つまり、第１シリコン基板１００の主面に形成されたダミーバンプ２４０の上面は、第２シリコン基板１０１の主面のダミーバンプ２４０およびバンプ電極２３０には接着されず、第２シリコン基板１０１の主面に形成された耐熱性樹脂膜３００に接着される。同様に、第２シリコン基板１０１の主面に形成されたダミーバンプ２４０の上面は、第１シリコン基板１００の主面のダミーバンプ２４０、バンプ電極２３０には接着されず、第１シリコン基板１００の主面に形成された耐熱性樹脂膜３００に接着される。バンプ電極２３０同士の間の接着は、高温かつ高圧であるほど確実になり、接続信頼度が高くなる。ここでは樹脂膜の耐熱性（熱分解温度）とシリコン基板を貼り合わせる装置の性能から、圧着の際の温度は３５０℃とし、両シリコン基板に加える荷重は３０ｋＮとする。
【００５４】
第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面は第１シリコン基板１００の主面と平行で平坦な面内に含まれており、同様に第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面は第２シリコン基板１０１の主面と平行で平坦な面内に含まれている。すなわち、前記積層半導体において、第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む表面と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００のそれぞれの上面を含む表面とが接着している界面は、第１シリコン基板１００の主面と平行な平面である。言い換えれば、第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を含む第１の層と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０、ダミーバンプ２４０および耐熱性樹脂膜３００を含む第２の層とが接着している界面は、第１シリコン基板１００の主面と平行な平面である。
【００５５】
このため、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれの主面同士を接着した積層半導体を構成する第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１の間にはボイド（空隙）が形成されておらず、各基板上の耐熱性樹脂膜３００同士およびバンプ電極２３０同士はそれぞれ十分な接着強度を有している。
【００５６】
図６では、図７に示す第１シリコン基板１００上に形成されたバンプ電極２３０と、第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０とが接する界面をバンプ電極５００として示している。つまり、バンプ電極５００のレイアウトパターンはバンプ電極２３０の上面のパターンである。
【００５７】
同様に、図６では第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０と、第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００とが接する界面をダミーバンプ５１０として示している。つまり、ダミーバンプ５１０のレイアウトパターンは、第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０の上面のパターンである。
【００５８】
同様に、図６では第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０と、第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００とが接する界面をダミーバンプ５１１として示している。つまり、ダミーバンプ５１１のレイアウトパターンは、第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０の上面のパターンである。
【００５９】
図６に示すように、バンプ電極同士を接着させるために、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれのバンプ電極２３０（図７参照）のレイアウトパターン（バンプ電極５００）は重なるようにレイアウトされている。つまりバンプ電極２３０のレイアウトであるレイアウトパターン（バンプ電極５００）は、前記積層半導体を構成するシリコン基板の主面を対向させたときにバンプ電極２３０同士が対向するように配置されている。したがって、シリコン基板同士を貼り合わせた際に、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上に形成されたそれぞれのバンプ電極２３０同士は互いに接続される。
【００６０】
一方、第１シリコン基板１００上のダミーバンプ２４０（図７参照）のレイアウトパターン（ダミーバンプ５１０）および第２シリコン基板１０１上のダミーバンプ２４０（図７参照）のレイアウトパターン（ダミーバンプ５１１）は、前記積層半導体を構成するシリコン基板の主面を対向させたときに平面視において重ならないように配置されている。したがって、シリコン基板同士を貼り合わせた際に、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上に形成されたそれぞれのダミーバンプ２４０同士は接続されない。
【００６１】
図６に示すダミーバンプの平面レイアウトでは、ダミーバンプ５１０、５１１およびバンプ電極５００は格子状（マトリクス状）に並んでおり、特定のダミーバンプの第１方向および第２方向の最近接位置に、異なるシリコン基板上に設置されたバンプがレイアウトされている。つまり、第１方向において複数のバンプが所定の間隔を空けて等間隔に並んで配置されており、第２方向においても、複数のバンプが所定の間隔を空けて等間隔に並んで配置されている。
【００６２】
ここで、バンプ電極５００間の最短距離をＳ１と定義し、バンプ電極５００とダミーバンプ５１０の最短距離をＳ２、同一シリコン基板上のダミーバンプ５１０間の最短距離をＳ３と定義する。また、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれ異なるシリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離をＳ４と定義する。本実施の形態では、Ｓ２およびＳ４をＳ１と同じ長さにしている。
【００６３】
次に、図８に示すように、図７に示した積層半導体に対し、フォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて、第１シリコン基板１００の表面であって、半導体素子が形成されていない方の面（裏面）に裏面絶縁膜２９０を形成する。続いて、裏面絶縁膜２９０の底部から、半導体素子が形成されている面（表面）に向けて、第１シリコン基板１００に開口部（シリコン貫通孔）を設ける。つまり、シリコン貫通孔は裏面絶縁膜２９０を貫通し、第１シリコン基板１００の裏面から第１シリコン基板１００の内部に達するものである。なお、裏面絶縁膜２９０を形成する前に、必要に応じて第１シリコン基板１００の裏面を薄化してもよい。
【００６４】
続いて化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いシリコン貫通孔の内壁を覆うように酸化シリコン膜を形成する。ただし、このときシリコン貫通孔の内部を完全には埋め込まないように前記酸化シリコン膜を形成する。その後、ドライエッチング技術を用いてシリコン貫通孔の底部の酸化膜を除去し、前記酸化シリコン膜からなる絶縁膜２７２を形成をシリコン貫通孔の内壁に形成する。続いてスパッタ法とメッキ法を用いてシリコン貫通孔の内部にＴｉＮからなるバリアメタル膜および銅膜を順次埋め込む。
【００６５】
続いて、ＣＭＰ法を用いて第１シリコン基板１００の裏面上に形成されたＴｉＮからなるバリアメタル膜および銅膜を除去し、裏面絶縁膜２９０を露出させることで、裏面絶縁膜２９０を貫通し、第１シリコン基板１００の裏面から、第１シリコン基板１００の表面に形成された半導体素子に対して電気的接続を行うための貫通電極２７０を形成する。このように半導体素子または金属配線などの形成（いわゆる前工程）が完了した後に貫通電極２７０を形成する方法は、一般的にビア・ラスト法と呼ばれる。貫通電極を形成する方法は図１〜図３を用いて説明したバンプの形成方法とほぼ同様であるが、貫通電極２７０と第１シリコン基板１００との間には絶縁膜２７２を形成することで貫通電極２７０と第１シリコン基板１００とが電気的に導通することを防いでいる。
【００６６】
続いて、貫通電極２７０を形成した第１シリコン基板１００の裏面にハンダバンプ２６０を形成した後、ダイシング装置によって積層半導体装置を複数のチップ（半導体チップ）に個片化する。
【００６７】
続いて、個片化したチップをフリップチップボンダを用いて、金属配線２０１が形成されたチップ搭載部材１２０上に搭載し、ハンダバンプ２６０と金属配線２０１を電気的に接続させることで本実施の形態の半導体装置が完成する。なお、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００の主面に接して形成された導体膜、または第２シリコン基板１０１上に形成されたバンプ電極２３０などの導電体に直接接してはいない。ここでは、貫通電極２７０は、第１シリコン基板１００の主面上に形成された半導体素子などが有する電極にコンタクトプラグを介して形成された配線であって、耐熱性樹脂膜３００よりも下層に形成された配線に接することで前記半導体素子に電気的に接続された電極であるものとする。
【００６８】
裏面絶縁膜２９０はハンダバンプ２６０と第１シリコン基板１００とが電気的に導通することを防ぐために設けられている。第１シリコン基板１００の主面に沿う方向において、ハンダバンプ２６０は貫通電極２７０よりも大きい幅で形成されるため、裏面絶縁膜２９０により第１シリコン基板１００の裏面を覆っていなければ、ハンダバンプ２６０と第１シリコン基板１００とが電気的に接続されて半導体装置が正常に動作しなくなる虞がある。
【００６９】
また、図８では第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を含む層をバンプ形成層２８０として示している。同様に、第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を含む層をバンプ形成層２８１として示している。
【００７０】
上記のようにして製造された半導体装置において、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１は各シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜およびバンプ電極およびダミーバンプ、つまりバンプ形成層２８０とバンプ形成層２８１とによって接着しており、各シリコン基板上に形成された半導体素子は、バンプ電極２３０（図示しない）と貫通電極２７０とハンダバンプ２６０とチップ搭載部材１２０上に形成された金属配線２０１とを介して、半導体装置の外部と電気的に接続されている。
【００７１】
次に、本実施の形態の半導体装置の効果を、比較例１および比較例２を用いて説明する。比較例１および比較例２の半導体装置は、本実施の形態の半導体装置に対してバンプの配置が異なることを除いては、製造工程およびレイアウトに差違のない半導体装置である。具体的には、比較例１はダミーバンプを全く設けない半導体装置であり、比較例２は、第１シリコン基板上および第２シリコン基板上に形成したそれぞれのダミーバンプが、シリコン基板同士を貼り合わせた際に互いに接着するようにダミーバンプを配置した半導体装置である。
【００７２】
本発明者らは、このようにして形成した比較例１および比較例２の半導体装置に対し、赤外線顕微鏡および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用い、積層半導体の接合面に発生したボイド（空隙、隙間）の評価を行った。その結果、比較例１では、バンプが近傍に存在せず、樹脂膜同士が接着されるべき領域において、白くムラになったコントラストが観察されたが、本実施の形態の半導体装置および比較例２の半導体装置においてはそのような白くムラになったコントラストは観察されなかった。
【００７３】
比較例１の接着面近傍の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、各シリコン基板上の耐熱性樹脂膜同士の間に隙間が存在しており、超音波深傷装置で観察された白いムラは樹脂膜間に発生した隙間（空隙）に起因して現れていることが分かった。一方、本実施の形態の半導体装置と比較例２に対し、同様の観察を行ったが、樹脂膜間に隙間は観察されなかった。このように比較例１において耐熱性樹脂膜間に隙間が生じるのは、図３を用いて説明した工程に対応する研磨工程において、比較例１ではダミーバンプを設けないため、近傍にダミーバンプおよびバンプ電極が存在しない広い領域が形成され、その領域の耐熱性樹脂膜の表面が過剰に研磨されることに起因する。
【００７４】
主に金属からなるバンプ電極およびダミーバンプに比べ耐熱性樹脂膜はＣＭＰ法の研磨により削られやすい性質を有しているため、バンプ密度が低い領域ではバンプの上面の高さよりも耐熱性樹脂膜の上面の高さが低くなり、凹んだような形状になる可能性がある。このように耐熱性樹脂膜の表面が凹み、耐熱性樹脂膜およびバンプの高さが均一でないシリコン基板同士の主面を対向させて接着しても、耐熱性樹脂膜の凹みにより接着面積が十分に確保できず、接着強度が低下してしまう。接着強度が低いために接着信頼度が低い半導体装置では、接着したシリコン基板同士が剥がれやすくなることでバンプ電極同士の電気的接続が切断され、半導体装置が正常に動作しなくなる問題がある。
【００７５】
このように、シリコン基板同士を接着して形成する積層半導体を有する半導体装置では、接着信頼度を向上させるため、第１シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面から第１シリコン基板までの距離を一定にすることが重要となる。同様に、第２シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面から第２シリコン基板までの距離を一定にすることが重要である。言い換えれば、シリコン基板上に形成された耐熱性樹脂膜、バンプ電極およびダミーバンプのそれぞれの上面の高さを揃え、平坦にすることが好ましい。
【００７６】
なお、本願でいう耐熱性樹脂膜、バンプ電極またはダミーバンプなどの上面とは、それぞれの層の表面のうち、その層が形成されているシリコン基板の主面に対して垂直な方向において、当該シリコン基板の主面から最も遠い表面までの距離をいうものとする。ただし、前述した各層の上面（最上面）には、湾曲して高低差を有する曲面も含み、例えば上述した比較例１の半導体装置の耐熱性樹脂膜のようにバンプの近傍に比べてバンプから離れた位置の面が凹んでいるような場合には、凹んだ領域の面を耐熱性樹脂膜の上面の一部であるものとして定義する。本実施の形態ではダミーバンプを耐熱性樹脂膜と同層の所定の位置に複数配置しているため、耐熱性樹脂膜の上面には湾曲するような箇所はなく、平坦に研磨されている。このため、耐熱性樹脂膜の上面の高さは、いずれの領域においてもバンプの上面の高さよりも低くなっていない。
【００７７】
なお、図６または図８などに示す第２シリコン基板１０１のように、断面図において主面を下側に向けて配置されている基板の主面に形成されている層については、その層の上面は図の下側に向かって配置されているものとして説明する。つまり、図８では第２シリコン基板１０１の主面は第２シリコン基板１０１の裏面よりも第１シリコン基板１００に近い方に位置し、第２シリコン基板１０１の主面上に形成されたバンプ形成層２８１の上面は図において第２シリコン基板１０１の下側に設けられている。したがって、第２シリコン基板１０１上のバンプ形成層２８１の上面は１シリコン基板１００上のバンプ形成層２８０の上面に接している。
【００７８】
次に、上記の半導体装置に対して、走査型電子顕微鏡を用いて各シリコン基板上のバンプ電極同士の接着状態を評価した。その結果、本実施の形態の半導体装置および比較例１の半導体装置においては、バンプ電極間には良好な接着が確認できた。これに対し、比較例２の半導体装置においては、２枚のシリコン基板上にそれぞれ形成されたバンプ電極同士の間に一部隙間があり、十分な接着が得られていないことが分かった。これは、比較例２の半導体装置において、ダミーバンプ同士の接続数がバンプ電極同士の接続数よりも大幅に多いため、シリコン基板同士の接着の際にバンプ電極一つ当たりの荷重が減少し、バンプ電極同士の接着面で確実な接着が得られなかったためである。このように例えば銅からなるバンプなどの金属層同士が接合する面積の割合が大きくなった場合、各バンプ電極に掛かる圧力が低くなることでバンプ電極同士が接続されないために半導体装置が正常に動作しなくなる問題がある。
【００７９】
また、複数のシリコン基板を貼り合わせる方法としては、一方のシリコン基板上にバンプ電極とダミーバンプを形成し、もう一方のシリコン基板上に保護膜と前記保護膜から露出する金属配線とを形成し、シリコン基板貼り合わせ時にバンプ電極が金属配線と接合され、ダミーバンプが保護膜と接合され、接合後にシリコン基板間の隙間にバンプ保護用の樹脂を注入する方法が考えられるが、この方法は以下の課題を有している。
【００８０】
第１に、シリコン基板の貼り合わせ時にバンプの周囲が絶縁膜で保護されていないため、シリコン基板を貼り合わせた後にシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入する必要がある。そのため、バンプの高さが低くなり、シリコン基板間の隙間が狭くなると、シリコン基板の端部から注入した樹脂が完全には充填されず、前記樹脂内部にボイドと呼ばれる空隙が発生し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８１】
第２に、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低い傾向がある。例えば、注入用樹脂の代表例であるエポキシ系樹脂は、２５０℃程度から熱分解が始まり、体積収縮を生じる。したがって、貼り合わせたシリコン基板にエポキシ系樹脂を注入した後、次のシリコン基板を貼り合わせる際には、貼り合わせの温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮、変質し、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８２】
第３に、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線と保護膜の高さを完全に同一にしたり、バンプ電極とダミーバンプの高さを完全に同一にしたりする必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極と金属配線の合計高さとダミーバンプと保護膜の合計高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００８３】
本発明は、第１シリコン基板上および第２シリコン基板上のそれぞれに形成された耐熱性樹脂膜と、耐熱性樹脂膜と高さが揃ったバンプ電極とを有するシリコン基板同士を、バンプ電極同士が電気的に接続されるように接着させて形成する半導体装置に適用するものである。このような接着を行う際、本実施の形態のように、バンプ電極の近傍に耐熱性樹脂膜と高さが揃ったダミーバンプを設け、ダミーバンプを対向する基板上の耐熱性樹脂膜に接着させることにより、良好なバンプ電極同士の接続と耐熱性が高くボイドのない樹脂膜によるバンプ保護を併せ持った接続信頼度の高い接着面を有する半導体装置を実現することが可能となる。
【００８４】
つまり、各シリコン基板上に形成したダミーバンプを、対向するシリコン基板上に形成した絶縁膜（耐熱性樹脂膜）に接続し、当該絶縁膜と同層のダミーバンプに接続しないことで、積層半導体を構成するシリコン基板同士の接着面におけるバンプ同士、すなわち金属層同士の接着面積を低減することを可能としている。金属層同士の接着面積を低減することにより、バンプ電極一つ当たりの接着に必要な加重を低減することができるため、ダミー電極を多数配置しても、低い加重でシリコン基板同士を接着することが可能になり、また、バンプ電極同士の接続信頼度を向上させることができる。
【００８５】
シリコン基板の主面または裏面を他のシリコン基板の主面または裏面に接着し、それぞれのシリコン基板同士をバンプ電極を介して電気的に接続する方法としては、図１８に示すように、一方のシリコン基板１０２上に形成されたバンプ電極２３１を、他方のシリコン基板１０３上に形成された金属配線２０１と接続させた後、図１９に示すようにシリコン基板１０２、１０３間に樹脂を流し込んで埋め込むことが考えられる。なお、図１８および図１９は比較例の半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【００８６】
このとき、バンプ電極２３１の同層に、バンプ電極２３１と同様にシリコン基板１０２上に形成されたダミーバンプ２４１を形成しておき、シリコン基板１０２および１０３を貼り合わせる際にシリコン基板１０３上に形成しておいた保護膜３１０に接続させることで、バンプの配置に起因するシリコン基板の撓みの発生を防ぐことが考えられる。この場合、ダミーバンプ２４１はバンプ電極２３１と高さ、つまりシリコン基板１０２の主面からシリコン基板１０２の主面に対して垂直な方向における距離が同一になるように形成する必要があるため、バンプ電極２３１と同様にシリコン基板１０２上に金属電極２００を介して配置されている。
【００８７】
このようにバンプ電極２３１およびダミーバンプ２４１を形成したシリコン基板１０２と他のシリコン基板１０３を接着し、その後にバンプ電極２３１およびダミーバンプ２４１と同層の領域であってシリコン基板１０２および１０３間の隙間にバンプ保護のためのアンダーフィル樹脂などの樹脂を流し込んで形成（充填）する場合、樹脂が完全に埋め込まれずに空隙（ボイド、隙間）が形成される可能性がある。
【００８８】
貼り合わせたシリコン基板同士の間に空隙が形成されれば、シリコン基板同士の接着強度が低下することで接着したシリコン基板が剥がれ、バンプ電極２３１と金属配線２０１との電気的接続が断たれることにより半導体装置が正常に動作しなくなる。また、空隙がバンプ電極２３１に接して形成され、空隙内に残る水分によってバンプ電極２３１が腐食することでバンプ電極２３１が導通しなくなり、半導体装置の信頼性が低下する問題がある。
【００８９】
また、貼り合わせたシリコン基板の端部からバンプ保護用の樹脂を注入するため、樹脂の注入中は樹脂の粘度を低く維持する必要がある。一般的に、低粘度の樹脂は耐熱性が低いという傾向があり、粘度が低く２５０℃程度で堆積収縮を起こすエポキシ系樹脂などを基板間に注入した際は、それ以降の製造工程で生じる温度を２５０℃以下にする必要がある。つまり、シリコン基板の貼り合わせおよび樹脂の注入を行った後、比較的高い温度が必要な銅バンプによる貼り合わせを行うと、先に形成したバンプ保護用の樹脂膜が体積収縮して変質し、バンプ電極の接続信頼度が低下する。
【００９０】
また、銅バンプのように接合時に溶融しないバンプ材料を用いる場合には、金属配線２０１と保護膜３１０の高さを完全に同一にするか、またはバンプ電極２３１とダミーバンプ２４１の高さを完全に同一にするなどの対策が必要がある。銅は融点が高く、代表的な接合温度（４００℃以下）では、溶融状態とならない。そのため、バンプ電極２３１と金属配線２０１の合計高さとダミーバンプ２４１と保護膜３１０の合計の高さを揃えないと、シリコン基板貼り合わせ時に、バンプ電極に与えられる荷重がばらつき、バンプの接続信頼度が低下する。
【００９１】
本実施の形態の半導体装置では、耐熱性樹脂膜に形成した開口部内にバンプ電極およびダミーバンプを形成し、シリコン基板同士を接着させる際に各シリコン基板の耐熱性樹脂膜同士も接着するため、シリコン基板同士の接着工程の後に端部から樹脂を注入する必要が無い。このため、樹脂の注入不良に起因したバンプの接続信頼度の低下および半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。
【００９２】
また、本実施の形態の半導体装置では、シリコン基板同士の接着工程の後に端部から樹脂を注入する必要が無いため、樹脂前駆体の粘度に対する制約が緩く、比較的粘度が高い耐熱性樹脂材料をバンプ保護用の樹脂材料として用いることが可能となる。粘度が高い樹脂は耐熱性が高い傾向があるため、第１シリコン基板（第１基板）と第２シリコン基板（第２基板）の接着により形成した積層半導体に対し、チップ搭載部材（第３基板）を、銅バンプ接合で必要とされる高温（例えば２５０℃以上）で接着しても、第１基板と第２基板の間に形成したバンプ保護用の樹脂膜が変質しない。したがって、バンプの接続信頼度低下を抑制することができる。
【００９３】
また、本実施の形態の半導体装置では、第１基板上に形成したバンプ電極（第１電極）、ダミーバンプ（第１ダミーバンプ）および耐熱性樹脂膜（第１絶縁膜）の高さを揃えている。また、第２シリコン基板（第２基板）上に形成したバンプ電極（第２電極）、ダミーバンプ（第２ダミーバンプ）および耐熱性樹脂膜（第２絶縁膜）の高さを揃えている。したがって、第１電極と第２電極とが電気的に接続されるように第１基板および第２基板を接着させると、同時に第１ダミーバンプと第２絶縁膜とが接着し、第２ダミーバンプと第１絶縁膜とが接着するため、第１電極と第２電極に与えられる荷重がばらつかず、バンプの接続信頼度の低下を抑制することができる。
【００９４】
また、本実施の形態の半導体装置では第１ダミーバンプおよび第２ダミーバンプを設けることで第１電極および第１絶縁膜の高さを一定に保ち、かつ、第２電極および第２絶縁膜の高さを一定に保つことを可能にしている。したがって、第１基板と第２基板を接着させた際に、第１絶縁膜と第２絶縁膜の高さのばらつきに起因する接着面の隙間が発生しないため、バンプ電極の接続信頼度の低下を抑制できる。また、第１ダミーバンプは第２絶縁膜に接着し、第２ダミーバンプは第１絶縁膜に接着しているため、ダミーバンプ数を増やしても第１基板と第２基板の接着に必要な荷重の増大を抑制できる。したがって、バンプ一つ当たりの接続荷重低下によるバンプの接続信頼度低下を抑制できるため、第１電極および第２電極の間の電気的接続が接続信頼度を高めることができる。
【００９５】
本実施の形態では図６を用いて説明したように、バンプ電極５００間の最短距離（Ｓ１）、バンプ電極５００とダミーバンプ５１０の最短距離（Ｓ２）および同一シリコン基板上のダミーバンプ５１０間の最短距離（Ｓ３）を全て同じ長さであるものとしたが、これらの長さは必ずしも全て同一にする必要はない。比較例１の半導体装置において、バンプ電極が配置されていない領域の赤外線顕微鏡写真に見られたボイド（隙間、空隙）に相当する白いムラは、バンプ電極の端部からＳ１の５倍離れた距離から発生していることが判明している。すなわち、比較例１のような積層半導体であって、耐熱性樹脂膜の上面において、任意の点からＳ１の５倍の距離内にダミーバンプまたはバンプ電極が存在していない領域を有するような半導体装置では、耐熱性樹脂膜の表面が凹み、シリコン基板同士を貼り合わせた際にシリコン基板間にボイド（隙間）が生じる虞がある。
【００９６】
言い換えれば、第１電極（第１シリコン基板上に形成されたバンプ電極５００）同士の間の最短距離をＳ１とし、前記第１電極と第１ダミーバンプ（第１シリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０）との間の最短距離をＳ２とし、第１ダミーバンプ同士の間の最短距離をＳ３とした場合に、Ｓ２およびＳ３がＳ１の５倍以上の長さだとシリコン基板間にボイドが生じ、貼り合わせたシリコン基板間の接続信頼度が低下する可能性がある。
【００９７】
よって、ボイドの発生を抑制するためには、Ｓ２およびＳ３をＳ１の５倍未満の長さにすることが好ましい。また、レイアウト的な制約がなければ、ＣＭＰ法により研磨する面の平坦性の観点からは、Ｓ２およびＳ３をＳ１と同程度にすることがより望ましい。さらに、バンプ電極５００の接続信頼度に悪影響を与えない範囲で、ダミーバンプ５１０、５１１を適宜間引いて配置することも可能である。
【００９８】
一方、第１シリコン基板１００上および第２シリコン基板１０１上のそれぞれ異なるシリコン基板上に形成されたダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離（Ｓ４）が短すぎると、シリコン基板を貼り合わせたときの合わせずれにより、ダミーバンプ５１０とダミーバンプ５１１とが接着し、バンプ電極にかかるべき接合時の荷重の一部が失われ、バンプ電極同士の接着の確実性が低下する虞がある。したがって、Ｓ４の長さはシリコン基板を貼り合わせる装置の合わせずれ（合わせ精度）よりも大きくする必要がある。合わせずれは１μｍ未満の範囲で生じる可能性が高くなるため、本実施の形態ではダミーバンプ５１０およびダミーバンプ５１１間の最短距離（Ｓ４）を１μｍ以上の長さとしている。
【００９９】
また、図６に示し本実施の形態の半導体装置では、第１シリコン基板１００（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１０の上下左右の最近接位置に第２シリコン基板１０１（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１１が配置されているが、ダミーバンプのレイアウトはこれに限定される物ではない。例えば、図９に示す本実施の形態の半導体装置の変形例のように、第１シリコン基板１００（図示しない）上に形成されたダミーバンプ５１０の第１方向（図の左右方向）および第２方向（図の上下方向）の最近接位置には、同じ第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ５１０を配置することも可能である。
【０１００】
つまり、第１方向または第２方向において、隣り合うダミーバンプ５１０の間にダミーバンプ５１１を配置せず、例えばダミーバンプ５１１を、第１方向において隣り合うダミーバンプ５１０同士の中間点から第２方向に向かってＳ３の半分の長さだけ移動した位置に配置するレイアウトも考えられる。言い換えれば、任意のダミーバンプ５１０と、そのダミーバンプと第１方向において隣り合うダミーバンプ５１０に対して第２方向において隣り合うダミーバンプ５１０との間にダミーバンプ５１１を配置するようなレイアウトでも、前述した白いムラ（ボイド、空隙、隙間）の発生を防ぎ、シリコン基板同士の接着信頼度を向上させることができる。
【０１０１】
また、上述したようにＳ２およびＳ３をＳ１の５倍未満の長さにするというバンプ配置に関するレイアウト制限を遵守すれば、数種類のレイアウトを混在させることも可能である。例えば、自動レイアウトツールを用い、チップ内のバンプ電極の配置密度をある程度平準化するようにダミーバンプを配置することで、ＣＭＰ平坦度を向上させることも可能である。
【０１０２】
また、本実施の形態ではダミーバンプ５１０、５１１の平面レイアウト形状を正方形としたが、これ以外の形状でも同様の効果が期待できる。ダミーバンプ５１０、５１１の平面視における形状は例えば図１０（ａ）に示す長方形などの四角形、図１０（ｂ）に示す六角形、図１０（ｃ）に示す八角形、図１０（ｄ）に示す十六角形または図１０（ｅ）に示す円形であってもよい。また、ダミーバンプ５１０、５１１の平面視における形状は図図１０（ｆ）に示す２つの長方形の組み合わせた形状である十字形、図１０（ｇ）に示すＬ字形または図１０（ｈ）に示すＴ字形などを採用してもよい。ただし、銅メッキの埋込み形状およびＣＭＰ時の平坦性の観点からは、多角形および円形の場合には、その外接円の直径がバンプ電極の外接円の直径と同程度であり、２つの長方形を組み合わせた図形の場合には、その長方形の短辺長がバンプ電極の外接円の直径と同程度であることが望ましい。
【０１０３】
図１０（ａ）〜（ｈ）は本実施の形態の半導体装置に用いるダミーバンプ５１０、５１１の変形例を示す平面レイアウトである。図１０（ａ）〜（ｈ）は順に、平面視におけるダミーバンプ５１０、５１１の形状が四角形の場合、四角形の場合、六角形の場合、八角形の場合、十六角形の場合、円形の場合、十字形の場合、Ｌ字形の場合およびＴ字形の場合の平面レイアウトを示している。
【０１０４】
なお、ダミーバンプ５１０、５１１は周囲の耐熱樹脂膜３００などに応力を与えないようにする観点から、三角形のような鋭角な角部を有するパターンよりも、円形のように角がないパターンを有する方が好ましい。したがって、平面視におけるダミーバンプ５１０、５１１のパターンは、図１０（ａ）に示すような四角形（長方形）を採用する場合に比べ、図１０（ｃ）に示す正八角形のようなパターンを採用する場合の方が、シリコン基板上に生じる応力を低減することができる。
【０１０５】
また、前記実施の形態では、耐熱性樹脂膜３００としてポリベンゾオキサゾールを用いたが、他の耐熱性樹脂を用いることも可能である。ポリイミドまたはベンゾシクロブテンなどの樹脂も利用可能である。また、樹脂が感光性を有していれば、エッチングなどの工程を省略できるので、工程数削減が可能となる。
【０１０６】
また、前記実施の形態では、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１を貼り合わせた後に、第１シリコン基板１００に貫通電極２７０を裏面から形成する、いわゆる裏面ビアラストプロセスを採用したがこれ以外の方法、例えば、前工程の一部として貫通電極を形成する方法、でも本手法は有効である。
【０１０７】
また、本実施の形態では、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１の両方に半導体素子が形成された例について説明したが、本願発明の有効性はこれに限定される物ではなく、半導体素子が形成されたシリコン基板と半導体素子が形成されていない基板（配線基板）とを接着する場合などにも利用可能である。
【０１０８】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体素子が形成されたシリコン基板の表面と半導体素子が形成されていない裏面との接着により得られる半導体装置の例を図１１〜図１４を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態１にてすでに説明した構成と同一の符号を付された構成および同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図１１〜図１４は本実施の形態の積層半導体の製造工程を説明する要部断面図である。
【０１０９】
まず、図１１に示すように、第１シリコン基板１００の半導体素子が形成されていない裏面に、例えば酸化シリコン膜からなる裏面絶縁膜３３０を形成した後、前記実施の形態１にて図８を用いて説明した方法と同様の方法により、第１シリコン基板１００の半導体素子が形成されている主面と電気的接続を取るための貫通電極２７０を形成する。貫通電極２７０は、裏面絶縁膜３３０を貫通し、第１シリコン基板１００の主面に形成された半導体素子にコンタクトプラグを介して形成された配線（図示しない）に達する電極である。なお、図１１において、半導体素子および層間絶縁膜などの図示は省略する。
【０１１０】
なお図１１では、前記実施の形態１で説明した第１シリコン基板１００と異なり第１シリコン基板１００の上下を逆さまにして示している。すなわち、図１１〜図１４に示す第１シリコン基板１００の下の面が第１シリコン基板１００の主面であり、上の面であって裏面絶縁膜３３０が形成されている面が第１シリコン基板１００の裏面である。この後の工程の説明では、第１シリコン基板１００の裏面側を上方として説明する。つまり、例えば後述する耐熱性樹脂膜３００は第１シリコン基板１００上に形成されているものとする。
【０１１１】
続いて、第１シリコン基板１００の裏面上に裏面絶縁膜３３０を介してポリベンゾオキサゾールからなる耐熱性樹脂膜３００を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて耐熱性樹脂膜３００を加工することで、貫通電極２７０の上面を露出するバンプ開口部４００を形成し、同工程により裏面絶縁膜３３０の上面の一部を露出するダミーバンプ開口部４１０を形成する。なお、第１シリコン基板１００の薄化を行った場合には、その後の搬送のために第１シリコン基板１００を支持基板に固定する場合があるが、当該支持基板などの図示は省略する。
【０１１２】
次に、図１２に示すように、バンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０のそれぞれの内壁および底部を覆うように、耐熱性樹脂膜３００上、裏面絶縁膜３３０上、および貫通電極２７０上にスパッタリング法により膜厚７０ｎｍ程度のＴｉＮ膜と膜厚５００ｎｍ程度の銅膜からなる金属膜２１０を第１シリコン基板１００の裏面側から順に堆積する。
【０１１３】
次に、図１３に示すように、ＣＭＰ法により金属膜２１０を研磨し、耐熱性樹脂膜３００の上面を露出させることで、バンプ開口部４００内の金属膜２１０からなるバンプ電極２３０と、ダミーバンプ開口部４１０内の金属膜２１０からなるダミーバンプ２４０とを形成する。このとき、耐熱性樹脂膜３００の上面、バンプ電極２３０の上面およびダミーバンプ２４０の上面の間に段差がなくなるようにＣＭＰを行う。ここでは、前記実施の形態１で説明したように、所定の間隔でダミーバンプ２４０を複数配置していることにより、耐熱性樹脂膜３００の上面が削れすぎてバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０のそれぞれの上面よりも高さが低くなることを防いでいる。
【０１１４】
次に、図１４に示すように、所定の領域に集積回路が形成された第２シリコン基板１０１を用意し、第２シリコン基板１０１に対して前記実施の形態１において図１〜図５を用いて説明した工程と同様の処理を施す。すなわち、第２シリコン基板１０１上の耐熱性樹脂膜３００にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を形成した後、バンプ開口部４００内にバンプ電極２３０を形成し、また、ダミーバンプ開口部４１０にダミーバンプ２４０を形成する。第２シリコン基板１０１上において、バンプ電極２３０の底部は金属配線２００を介して第２シリコン基板１０１の主面の半導体素子などに電気的に接続されているが、ダミーバンプ２４０は金属配線２００には接続されておらず、前記半導体装置とも電気的に絶縁されている。
【０１１５】
続いて、第１シリコン基板１００の裏面と第２シリコン基板１０１の主面とを対向させて貼り合わせて加熱・圧着し、第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれに形成されたバンプ電極２３０同士の電気的接続と、それぞれのシリコン基板に形成された耐熱性樹脂膜３００同士の接着とを同時に行う。この際、第１シリコン基板１００上に形成されたダミーバンプ２４０は第２シリコン基板１０１上に形成された耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させ、第２シリコン基板１０１上に形成されたダミーバンプ２４０は第１シリコン基板１００上に形成された耐熱性樹脂膜３００の上面と接着させる。ここでは、２枚のシリコン基板を貼り合わせた後のバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０の平面レイアウトは図６に示す平面レイアウトと同一であるものとする。
【０１１６】
その後、貫通電極２７０を形成したシリコン基板上にハンダバンプを形成した後、ダイシング装置によって積層半導体装置を個片化し、図８と同様にチップ搭載部材１２０に搭載すれば、本実施の形態の半導体装置が完成する。このとき、第１シリコン基板１００に形成された貫通電極２７０は、図８と同様にハンダバンプ２６０とチップ搭載部材１２０上に形成された金属配線２０１とを介して半導体装置の外部と電気的に接続されている。ただし、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００内の半導体素子の配線に接続されているため、貫通電極２７０とハンダバンプ２６０は直接接触していない。つまり、貫通電極２７０は第１シリコン基板１００の裏面の反対側の上面に達していない。ここでは、貫通電極２７０と電気的に接続された電極であって、第１シリコン基板１００の上面に露出する電極とハンダバンプ２６０とが直接接することで、貫通電極２７０とハンダバンプ２６０とが前記電極を介して電気的に接続されているものとする。
【０１１７】
上記のようにして製造された半導体装置について、本発明者らが耐熱性樹脂膜に生じるボイド評価およびバンプ接合状態の分析を行ったところ、前記実施の形態１と同等のバンプ接続信頼度が得られることが判明した。
【０１１８】
このことから、前記実施の形態１とは異なり、本実施の形態のようにシリコン基板の主面と裏面を接着させても前記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。前記実施の形態１のようにシリコン基板の主面同士を対向させた接着しか行わない場合にはシリコン基板の積層数が２層に限定されるが、本実施の形態に基づきシリコン基板の主面と他のシリコン基板の裏面との接着を行えば３層以上の基板の積層も実施可能となる。
【０１１９】
また、本実施の形態では、シリコン基板の主面と他のシリコン基板の裏面とを接着しているが、前記実施の形態１に示したシリコン基板の主面同士を接着する方法と本実施の形態の半導体装置の製造方法と組み合わせることにより、汎用性の高い積層構造を実現することが可能である。その一例を図１５〜図１７に示す。図１５〜図１７は本実施の形態２の変形例である積層半導体の製造方法を示す要部断面図である。
【０１２０】
まず、図１５に示すように、前記実施の形態１の半導体装置の製造方法に基づき第１シリコン基板１００および第２シリコン基板１０１のそれぞれの主面同士を対向させて接着し、第２シリコン基板１０１の裏面に貫通電極２７０を形成する。続いて、図１１を用いて説明した工程と同様の工程により、第２シリコン基板１０１の裏面上にバンプ開口部４００およびダミーバンプ開口部４１０を有する耐熱性樹脂膜３００を形成する。
【０１２１】
次に、図１６に示すように、図１２および図１３を用いて説明した工程に基づき、バンプ開口部４００内およびダミーバンプ開口部４１０内のそれぞれにバンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を形成する。
【０１２２】
次に、図１７に示すように、第２シリコン基板１０１の裏面に、第２シリコン基板１０１とほぼ同様に形成され、半導体素子、耐熱性樹脂膜３００、バンプ電極２３０およびダミーバンプ２４０を有する第３シリコン基板１０４の主面を接着することで、シリコン基板が３層積層された半導体装置を形成することが可能となる。
【０１２３】
なお、図１５〜図１７を用いて説明した本実施の形態の半導体装置の変形例では、バンプ電極とダミーバンプとのレイアウト、形状、耐熱性樹脂膜および材料などは、前記実施の形態１と同様の構成としている。ただし、本実施の形態の構成はこれに限られず、前記実施の形態１において図９または図１１（ａ）〜（ｈ）などを用いて説明した応用例は、本実施の形態においても同様に適用可能である。
【０１２４】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、バンプを介してシリコン基板同士を電気的に接続する半導体装置の製造技術に適用して有効である。
【符号の説明】
【０１２６】
１００ 第１シリコン基板
１００ａ シリコン基板
１０１ 第２シリコン基板
１０２、１０３ シリコン基板
１０４ 第３シリコン基板
１２０ チップ搭載部材
２００、２０１ 金属配線
２１０ 金属膜
２３０、２３１ バンプ電極
２４０、２４１ ダミーバンプ
２５０ バンプ
２６０ ハンダバンプ
２７０ 貫通電極
２８０、２８１ バンプ形成層
２９０、３３０ 裏面絶縁膜
３００ 耐熱性樹脂膜
３１０ 保護膜
３２０ アンダーフィル樹脂膜
４００ バンプ開口部
４１０ ダミーバンプ開口部
５００ バンプ電極
５１０、５１１ ダミーバンプ
ＤＬ ダイシングライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面に第１電極と第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極と第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続した半導体装置であって、
前記第１絶縁膜の第１領域に前記第１電極が形成され、前記第１絶縁膜の第２領域に、前記第１電極と同一の材料で構成された第１ダミーバンプが形成され、前記第２絶縁膜の第１領域に前記第２電極が形成され、前記第２絶縁膜の第２領域に、前記第２電極と同一の材料で構成された第２ダミーバンプが形成され、
前記第１基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第１基板の前記一面から前記第１電極の上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１ダミーバンプの上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、前記第２基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第２基板の前記一面から前記第２電極の上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２ダミーバンプの上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、
前記第１ダミーバンプは前記第２絶縁膜に接し、前記第２ダミーバンプは前記第１絶縁膜に接し、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１基板および前記第２基板は半導体ウエハまたは半導体チップであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は耐熱性樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は感光性樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極、前記第１ダミーバンプ、前記第２電極および前記第２ダミーバンプは銅を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプの平面レイアウト形状は四角形、六角形、八角形、十六角形、円形、十字形、Ｌ字形またはＴ字形であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１電極および前記第１ダミーバンプ間の最短距離と、前記第１ダミーバンプ同士の間の最短距離とは、いずれも前記第１電極同士の間の最短距離の５倍未満の長さであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプ間の最短距離は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
一面に第１電極、第１ダミーバンプおよび第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極、第２ダミーバンプおよび第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
前記第１電極および前記第１ダミーバンプの形成工程は、
（ａ１）前記第１基板上の前記一面上に前記第１絶縁膜を形成する工程、
（ａ２）前記第１絶縁膜の第１領域および第２領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ａ３）前記第１領域および前記第２領域の各開口部の内部を第１導電膜で埋め込む工程、
（ａ４）化学的機械研磨法を用い、前記第１領域および前記第２領域の各開口部に埋め込まれた前記第１導電膜の上面と前記第１絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第１導電膜を研磨することで、前記第１領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１電極を形成し、前記第２領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記第２電極および前記第２ダミーバンプの形成工程は、
（ｂ１）前記第２基板上の前記一面上に前記第２絶縁膜を形成する工程、
（ｂ２）前記第２絶縁膜の第３領域および第４領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ｂ３）前記第３領域および前記第４領域の各開口部の内部を第２導電膜で埋め込む工程、
（ｂ４）化学的機械研磨法を用い、前記第３領域および前記第４領域の各開口部に埋め込まれた前記第２導電膜の上面と前記第２絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第２導電膜を研磨することで、前記第３領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２電極を形成し、前記第４領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記（ａ４）工程および前記（ｂ４）工程の後、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着する際に、前記第１ダミーバンプを前記第２絶縁膜に接着し、かつ、前記第２ダミーバンプを前記第１絶縁膜に接着させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１基板および前記第２基板は半導体ウエハまたは半導体チップであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は耐熱性樹脂を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は感光性樹脂を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１電極、前記第１ダミーバンプ、前記第２電極および前記第２ダミーバンプは銅を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプの平面レイアウト形状は四角形、六角形、八角形、十六角形、円形、十字形、Ｌ字形またはＴ字形であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１電極および前記第１ダミーバンプ間の最短距離と、前記第１ダミーバンプ同士の間の最短距離とは、いずれも前記第１電極同士の間の最短距離の５倍未満の長さであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプ間の最短距離は１μｍ以上であることを特徴とする請求９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
一面に第１電極と第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極と第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続した半導体装置であって、
前記第１絶縁膜の第１領域に前記第１電極が形成され、前記第１絶縁膜の第２領域に、前記第１電極と同一の材料で構成された第１ダミーバンプが形成され、前記第２絶縁膜の第１領域に前記第２電極が形成され、前記第２絶縁膜の第２領域に、前記第２電極と同一の材料で構成された第２ダミーバンプが形成され、
前記第１基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第１基板の前記一面から前記第１電極の上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１ダミーバンプの上面までの距離と、前記第１基板の前記一面から前記第１絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、前記第２基板の前記一面に対して垂直な方向において、前記第２基板の前記一面から前記第２電極の上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２ダミーバンプの上面までの距離と、前記第２基板の前記一面から前記第２絶縁膜の上面までの距離とは同一であり、
前記第１ダミーバンプは前記第２絶縁膜に接し、前記第２ダミーバンプは前記第１絶縁膜に接し、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１基板および前記第２基板は半導体ウエハまたは半導体チップであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は耐熱性樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は感光性樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極、前記第１ダミーバンプ、前記第２電極および前記第２ダミーバンプは銅を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプの平面レイアウト形状は四角形、六角形、八角形、十六角形、円形、十字形、Ｌ字形またはＴ字形であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１電極および前記第１ダミーバンプ間の最短距離と、前記第１ダミーバンプ同士の間の最短距離とは、いずれも前記第１電極同士の間の最短距離の５倍未満の長さであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプ間の最短距離は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
一面に第１電極、第１ダミーバンプおよび第１絶縁膜が形成された第１基板と、一面に第２電極、第２ダミーバンプおよび第２絶縁膜が形成された第２基板とを積層し、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着することによって、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
前記第１電極および前記第１ダミーバンプの形成工程は、
（ａ１）前記第１基板上の前記一面上に前記第１絶縁膜を形成する工程、
（ａ２）前記第１絶縁膜の第１領域および第２領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ａ３）前記第１領域および前記第２領域の各開口部の内部を第１導電膜で埋め込む工程、
（ａ４）化学的機械研磨法を用い、前記第１領域および前記第２領域の各開口部に埋め込まれた前記第１導電膜の上面と前記第１絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第１導電膜を研磨することで、前記第１領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１電極を形成し、前記第２領域の開口部の内部に前記第１導電膜からなる前記第１ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記第２電極および前記第２ダミーバンプの形成工程は、
（ｂ１）前記第２基板上の前記一面上に前記第２絶縁膜を形成する工程、
（ｂ２）前記第２絶縁膜の第３領域および第４領域のそれぞれに開口部を形成する工程、
（ｂ３）前記第３領域および前記第４領域の各開口部の内部を第２導電膜で埋め込む工程、
（ｂ４）化学的機械研磨法を用い、前記第３領域および前記第４領域の各開口部に埋め込まれた前記第２導電膜の上面と前記第２絶縁膜の上面との間に段差が無くなるまで前記第２導電膜を研磨することで、前記第３領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２電極を形成し、前記第４領域の開口部の内部に前記第２導電膜からなる前記第２ダミーバンプを形成する工程、
を含み、
前記（ａ４）工程および前記（ｂ４）工程の後、前記第１基板の前記一面と前記第２基板の前記一面とを接着する際に、前記第１ダミーバンプを前記第２絶縁膜に接着し、かつ、前記第２ダミーバンプを前記第１絶縁膜に接着させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１基板および前記第２基板は半導体ウエハまたは半導体チップであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、またはベンゾシクロブテンのうち少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は耐熱性樹脂を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は感光性樹脂を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１電極、前記第１ダミーバンプ、前記第２電極および前記第２ダミーバンプは銅を含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプの平面レイアウト形状は四角形、六角形、八角形、十六角形、円形、十字形、Ｌ字形またはＴ字形であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１電極および前記第１ダミーバンプ間の最短距離と、前記第１ダミーバンプ同士の間の最短距離とは、いずれも前記第１電極同士の間の最短距離の５倍未満の長さであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第１ダミーバンプおよび前記第２ダミーバンプ間の最短距離は１μｍ以上であることを特徴とする請求９記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２２２１８４（Ｐ２０１２−２２２１８４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７０６１（Ｐ２０１１−８７０６１）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発／多機能高密度三次元集積化技術・三次元回路再構成可能デバイス 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発／多機能高密度三次元集積化技術・三次元回路再構成可能デバイス 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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