説明

半導体装置の製造方法

【課題】半導体装置における基板貫通電極の形成において、貫通電極形成用穴内部にバリア層やめっきのためのシード層を成膜する際、貫通電極穴内部の成膜レートと、基板平面部の成膜レートが大きく異なるために、貫通電極形成用穴内部で所定の膜厚を得ようとすると、基板平面部には必要以上の厚みをもった膜が形成されてしまう。結果として、後工程でのウエットエッチングによる配線パターニングの際に、基板横方向へのエッチング液の入り込みによる大幅な寸法シフトが発生し、微細化の妨げとなっている。
【解決手段】貫通電極形成用穴の開口部を除く基板平面部にフォトレジストを形成してから成膜を行い、成膜後にフォトレジスト表面に付着した膜と共にフォトレジストを除去することで、貫通電極形成用穴内部に付着した薄膜は残したまま基板平面部を露出され、改めて基板平面部に必要分だけ成膜を行うことで課題を解決する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置において、基板を貫通して基板の表裏の配線を電気的に接続する、いわゆる貫通電極の製造に関する。特に、配線のパターニングの際に生じる寸法シフト量を低減し、パターンの微細化に対して有用な解決手段を提供するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体装置における配線方法として、基板に穿孔された穴を介して、シリコン基板に形成された電極もしくは配線と実装用のバンプとを接続する方法がある。この方法は、ワイヤーボンディング法などに比べてパッケージの小型化が可能となる方法である。このような従来の配線方法について、図5を用いて説明する。なお、以下の説明において、同一構成には同一符号を付して、説明を省略している。
【0003】
以下に、この構造を形成するプロセスを主要工程ごとに説明する。なお、絶縁酸化膜層の形成については説明を省略する。
【0004】
図5(a)は、従来の貫通電極製造方法の第1工程を示す図であり、図5(b)は、従来の貫通電極製造方法の第2工程を示す図であり、図5(c)は、従来の貫通電極製造方法の第3工程を示す図であり、図5(d)は、従来の貫通電極製造方法の第4工程を示す図であり、図5(e)は、従来の貫通電極製造方法の第5工程を示す図であり、図5(f)は、従来の貫通電極製造方法の第6工程を示す図である。
【0005】
図5(a)において、シリコンの基板1には貫通電極形成用穴2が設けられている。この場合の貫通電極形成用穴2のおおよその寸法は、開口径が100マイクロメートル,深さが250マイクロメートルである。
【0006】
続いて、図5(b)において、貫通電極形成用穴2にTiからなるバリア層3を形成する。この薄膜形成にはスパッタリング法がしばしば用いられるが、通常のスパッタリングを行うと、本図に模式的に示しているように貫通電極形成用穴2の内外で膜厚の差が生じてしまう。これは、基板1に到達するスパッタリング粒子がさまざまな方向で入射してくるためであって、貫通電極形成用穴2内部への成膜レートは基板裏面側平面1aの成膜レートに比べて著しく低くなる。この差は、貫通電極形成用穴2のアスペクト比が高くなるほど顕著になる。
【0007】
続いて、図5(c)において、バリア層3の上に、さらに、Cuからなるシード層4を形成する。このシード層4は、バリア層3と同様に、貫通電極形成用穴2の内外で膜厚差を有している。
【0008】
続いて、図5(d)において、シード層4を電極として形成されたCuからなるめっき層5および、再配線のためのフォトレジスト6を形成する。ここで、フォトレジスト6は、エッチング対象とする部分にレジスト開口部7を有している。
【0009】
続いて、図5(e)において、前述のフォトレジスト6を用いて、Cuからなるめっき層5、およびCuからなるシード層4をウエットエッチング法で除去する。ウエットエッチング法においては、エッチング液は対象物に対して等方的に作用するので、図中に模式的に示すようにCuを除去したシード層除去部8はレジスト開口部7よりも横方向に広がる傾向がある。ここで、シード層除去部8の線幅は、シード層除去線幅8aである。
【0010】
続いて、図5(f)において、フォトレジスト6を除去し、Cuからなるめっき層5とシード層4とをマスクとしてTiからなるバリア層3をウエットエッチング法により除去する。そして、最後に実装用のはんだボール9を設置する。ここでは、前述のシード層4のウエットエッチングの場合と同じく、図中に模式的に示すように、バリア層3を除去したバリア層除去部10はマスクとなるシード層4の開口よりもさらに横方向に広がる傾向がある。このときの除去されたバリア層除去部10の線幅は、バリア層除去線幅10aである。Cu除去線幅8aとバリア層除去線幅10aの差が、寸法シフト量である。
【0011】
この寸法シフト量が一定であれば、それを考慮して初期のフォトレジストの線幅を設計することは可能ではあるが、微細化の妨げとなる。さらに、シード層4の下側にあるバリア層3がえぐられた形状となるので、膜はがれが発生する可能性があるという問題もある。
【0012】
ここで、貫通電極形成用穴底面2aと貫通電極形成用穴側面2bに付着する薄膜の厚みをほぼ同じにするという技術提案が行われている(例えば、特許文献1参照。)。
【0013】
図5(a)は、特許文献1の貫通電極製造方法の第1工程を示す図であり、図5(b)は、特許文献1の貫通電極製造方法の第2工程を示す図であり、図5(c)は、特許文献1の貫通電極製造方法の第3工程を示す図である。
【0014】
図5(a)〜(c)において、スパッタリング法でバリア層11を成膜する際に貫通電極形成用穴2に向けて飛来する膜成分は、ターゲット(図示せず)と貫通電極形成用穴2との関係から2つの成分を含む。すなわち、貫通電極形成用穴2の真上の部分から飛来する基板1に垂直な成分と、他の部分から飛来する傾斜した成分とを含む。ターゲットと基板1との距離が近いと、基板裏面側平面1aにおける成膜速度は速くなるものの、ターゲットに対して傾斜した成分が多くなり、貫通電極形成用穴底面2aまで届く成分の比率が少なくなる。従って、成膜されたバリア層11は基板裏面側平面1aに比較して貫通電極形成用穴底面2aでは、その膜厚が薄くなる。そして、貫通電極形成用穴側面2bでは、底面に近づくほど膜厚が薄くなる傾向が強い。ターゲットと基板1との距離を充分遠くすると、基板裏面側平面1aにおける成膜速度は遅くなり、傾斜した成分が少なくなり、貫通電極形成用穴底面2aまで届く成分の比率が多くなる。従って、成膜されたバリア層11は、基板裏面側平面1aに比較して貫通電極形成用穴底面2aで膜厚が薄くなる傾向は残るものの、その差は小さくなる。そして、貫通電極形成用穴側面2bでは、底面に近づくほど膜厚が薄くなる傾向は残るが、上部開口側と底面側との膜厚の差は少なくなり、全体に平たい基板裏面側平面1aに比較して膜厚が薄くなる。
【0015】
引用文献1は、ターゲットと基板の間の距離による、スパッタされた粒子の飛来角度分布が制御できるという性質を用いて、貫通電極形成用穴底面と貫通電極形成用穴側面に付着する膜厚の差を小さくし、結果的に基板裏面側平面に付着する膜厚を最小にするものである。
【0016】
引用文献1の内容について、具体的に説明する。
【0017】
まず、ターゲットと基板間の距離を例えば300mmというような比較的長い距離に設定し、スパッタリング法による成膜を行う。この場合、基板に飛来する粒子の入射角度は、基板に対してほぼ垂直に揃っているので、貫通電極形成用穴底面に優先的に第1段階目のバリア膜が付着する。
【0018】
続いて、ターゲットと基板1間の距離を例えば80mmというような比較的短い距離に設定し、再度、スパッタリング法による成膜を行う。この場合、基板に飛来する粒子の入射角度は、斜め成分を多く含んだ分布を持っており、貫通電極形成用穴底面には、ほとんど到達せず、貫通電極形成用穴側面に優先的に第2段階目のバリア膜が付着する。
【0019】
結果として、貫通電極形成用穴底面と貫通電極形成用穴側面に、まんべんなく薄膜を形成することができ、通常のスパッタリングでは最も成膜レートが遅い面に付着した膜厚が所定の値に達するまで成膜を行う必要がなくなる。引用文献1は、このようにして、基板裏面側平面の膜厚を最小にしている。
【特許文献1】特開2001−267269号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
従来の貫通電極の製造方法は、基板平面部(基板裏面側平面)に付着する膜厚を小さくする手段としては有効であるが、バリア膜もしくはシード層には、必要以上に厚い膜が付着していることには変わりない。前述のとおり、基板平面部における配線の微細化,フォトレジストに対する寸法シフト量の最小化,膜剥がれ防止のためには、基板平面部に付着する薄膜の厚みをさらに薄くする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
前述の従来の課題を解決するために、本発明では、基板に形成された穴部を除く前記基板表面にフォトレジストを形成した後、前記穴部の側面および底面の第1膜厚が所定の値に達するまで1回目の成膜を行う第1工程と、前記1回目の成膜後に前記フォトレジストを除去する第2工程と、前記除去後に前記基板表面の第2膜厚が所定の値に達するまで2回目の成膜を行う第3工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
以上のように、本発明によれば、基板に設けられた貫通電極形成用穴内部へのバリア層,シード層の膜厚は確保したまま、基板平面部のバリア層,シード層を薄膜化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、本発明を実施するための最良の方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、同一構成には同一符号を付して説明を省略している。
【0024】
(実施の形態1)
図1(a)は、本発明の実施の形態1の貫通電極製造方法の第1工程を示す図であり、図1(b)は、実施の形態1の貫通電極製造方法の第2工程を示す図であり、図1(c)は、実施の形態1の貫通電極製造方法の第3工程を示す図であり、図1(d)は、実施の形態1の貫通電極製造方法の第4工程を示す図であり、図1(e)は、実施の形態1の貫通電極製造方法の第5工程を示す図であり、図1(f)は、実施の形態1の貫通電極製造方法の第6工程を示す図である。
【0025】
図1(a)において、シリコンの基板13には、貫通電極形成用穴14が形成されている。そして、基板裏面側平面13a,貫通電極形成用穴底面14a,貫通電極形成用穴側面14bに薄膜を形成し、基板裏面側平面13aから見て貫通電極形成用穴底面14aに露出している基板表面側平面13bにあらかじめ形成されている電極(図示していない)から、基板裏面側平面13aに配線を引き出すことを目的とする。まず、貫通電極形成用穴14の開口部を除いた基板裏面側平面13aをフォトレジスト15で覆う。本実施の形態で用いたものは、貫通電極形成用穴14の開口径が約100マイクロメートル、同深さが250マイクロメートルのものである。なお、図示していないが、貫通電極形成用穴14内部も含む基板13の表面には、電極膜と基板13を電気的に絶縁するためのSiO2からなる絶縁層が形成されている。
【0026】
続いて、図1(b)において、絶縁層の上に、拡散防止のためのTiからなる第1バリア層16をスパッタリング法により成膜する。連続して同じくスパッタリング法で、配線用Cuめっき層形成の際の電極として作用する第1シード層17を成膜する。この時のスパッタリング装置(図示せず)は、基板13とターゲット(図示せず)が対向して設置されたマグネトロンスパッタリング装置を用い、それぞれTi,Cuからなるターゲットに直流電圧を印加して成膜を行うものである。この際のターゲットと基板13間の距離はおよそ90mm、成膜圧力は0.1Paから0.5Paとする。
【0027】
続いて、図1(c)において、レジスト除去液に浸漬することにより、フォトレジスト15の表面に付着した膜ごとフォトレジスト15を除去し、基板裏面側平面13aを露出させる。
【0028】
続いて、図1(d)において、貫通電極形成用穴14に対して成膜を行った際と同一の材料,装置,条件を用いて、基板裏面側平面13aに、再度、Tiからなる第2バリア層18およびCuからなる第2シード層19の成膜を行う。
【0029】
続いて、図1(e)において、主たる配線層の形成と配線パターニングを行う。電解めっき法により、第1シード層17および第2シード層19を電極とし、Cuからなるめっき層20を形成する。そして、配線パターニングのためのフォトレジスト21を形成し、ウエットエッチング法によりまずCuからなるめっき層20および第2シード層19のエッチングを行う。
【0030】
続いて、図1(f)において、フォトレジスト21を除去し、先ほどパターニングを行ったCu層をマスクとして、Tiからなる第2バリア層18のエッチングを同じくウエットエッチング法で実施する。このようにして形成した除去部22の最終的な配線間の幅を除去部線幅22aとして示す。
【0031】
このようにして形成することで、図5(a)〜(f)に示す従来の方法と比較して、基板裏面側平面13aに形成される薄膜の厚みを薄くすることが可能となる。これにより、配線パターニングの際のエッチング液の入り込みの抑制により寸法シフトの最小化,配線幅の微細化が可能となる。また、エッチング液の入り込みが抑制されることで、バリア層の下部の空洞部分を低減することができ、膜剥がれを防止し、信頼性を向上することができる。
【0032】
続いて、前述の本実施の形態の工程をフローチャートにて示す。
【0033】
図2は、実施の形態1の貫通電極製造方法のフローチャートを示す図である。図2において、ステップS1〜S11を用いて本実施の形態の工程を説明する。
【0034】
まず、貫通電極形成用穴14付きの基板13を、製造装置(図示せず)に配置する(ステップS1)。
【0035】
次に、図1(a)に示すように、貫通電極形成用穴14を除いた基板裏面側平面13に、フォトレジスト15を形成する(ステップS2)。
【0036】
次に、図1(b)に示すように、1回目の成膜工程として、Tiの第1バリア層16を成膜する(ステップS3)。
【0037】
同様に、図1(b)に示すように、1回目の成膜工程として、Cuの第1シード層17を成膜する(ステップS4)。
【0038】
次に、図1(c)に示すように、フォトレジスト15を除去させる(ステップS5)。
【0039】
次に、図1(d)示すように、2回目の成膜工程として、Tiの第2バリア層18を成膜する(ステップS6)。
【0040】
同様に、図1(d)に示すように、2回目の成膜工程として、Cuの第2シード層19を成膜する(ステップS7)。
【0041】
次に、図1(e)に示すように、配線パターン用のフォトレジスト21を形成する(ステップS8)。
【0042】
次に、図1(e)に示すように、Cu層(めっき層20,第2シード層19)をウエットエッチング法によりエッチングする(ステップS9)。
【0043】
次に、図1(f)に示すように、フォトレジスト21を除去させる(ステップS10)。
【0044】
次に、図1(f)に示すように、Ti層(第2バリア層18)をウエットエッチング法によりエッチングする(ステップS11)。
【0045】
このようにして形成された基板を用い、貫通電極を製造する。
【0046】
なお、貫通電極形成用穴底面14a,貫通電極形成用穴側面14bに形成された薄膜は、チタン、窒化チタン、銅のいずれか一つを、少なくとも含む必要がある。
【0047】
なお、本実施例は貫通電極を有する半導体装置を具体例としてあげたが、凹凸形状をもつ基板に対して、スパッタリングなどの真空プロセスをもちいて薄膜を形成する際にも有用であり、例えばインクジェットプリンタヘッドに代表される立体形状物への成膜にも応用できる内容である。
【0048】
(実施の形態2)
図3(a)は、本発明の実施の形態2の貫通電極製造方法の第1工程を示す図であり、図3(b)は、実施の形態2の貫通電極製造方法の第2工程を示す図であり、図3(c)は、実施の形態2の貫通電極製造方法の第3工程を示す図であり、図3(d)は、実施の形態2の貫通電極製造方法の第4工程を示す図であり、図3(e)は、実施の形態2の貫通電極製造方法の第5工程を示す図であり、図3(f)は、実施の形態2の貫通電極製造方法の第6工程を示す図である。
【0049】
図3(a)において、実施の形態1と同様に、貫通電極形成用穴14が設けられた基板13に対して、電極形成用穴14の開口部を除いた基板裏面側平面13aをフォトレジスト15で覆う。
【0050】
本実施の形態では、後述するフォトレジスト除去工程(図3(c))において、貫通電極形成用穴14内部に形成される薄膜の膜厚や形状を制御することを目的として、フォトレジスト15のフォト工程における露光条件により、フォトレジスト15のテーパ角の制御を行っている。このテーパ角に関しては、フォトレジスト15の開口部が基板13側から表面側に向かうにつれて開口径が小さくなる逆テーパ構造とし、フォトレジスト15側面が基板13の鉛直方向となす角度θが10〜20度となるようにする。
【0051】
なお、本実施の形態においては、前述のフォトレジスト15の逆テーパ構造以外は、実施の形態1と同様である。
【0052】
本実施の形態は、実施の形態1に比べて、フォトレジスト15を表面に付着した膜と共に除去する際、膜を分断しながら除去するという事象が発生しないため、特に貫通電極形成用穴14の開口部付近での膜のダレや欠損が起きにくい。したがって、後に成膜を行う第2バリア層18および第2シード層19との連続性および密着性が確保でき、信頼性が向上する。
【0053】
(実施の形態3)
図4(a)〜(f)を用いて、本発明の実施の形態3の工程についいて説明する。
【0054】
図4(a)は、本発明の実施の形態3の貫通電極製造方法の第1工程を示す図であり、図4(b)は、実施の形態3の貫通電極製造方法の第2工程を示す図であり、図4(c)は、実施の形態3の貫通電極製造方法の第3工程を示す図であり、図4(d)は、実施の形態3の貫通電極製造方法の第4工程を示す図であり、図4(e)は、実施の形態3の貫通電極製造方法の第5工程を示す図であり、図4(f)は、実施の形態3の貫通電極製造方法の第6工程を示す図である。
【0055】
図4(a)において、基板13には貫通電極形成用穴14が設けられている。
【0056】
続いて、図4(b)において、成膜工程としてTiの第1バリア層16を成膜する。この時、第1バリア層16は、通常よりも厚めに成膜しておく。
【0057】
続いて、図4(c)において、基板裏面側平面13a上の第1バリア層16を平坦度エッチングにて、その一部を除去する。これにより、貫通電極形成用穴14の表面に充分な厚さの成膜を行なうことにより厚くなった基板裏面側平面13aの膜厚を薄くすることができる。
【0058】
続いて、図4(d)において、成膜工程としてCuの第1シード層17を成膜する。この時、第1シード層17は、通常よりも厚めに成膜しておく。
【0059】
続いて、図4(e)において、基板裏面側平面13a上の第1シード層17を平坦度エッチングにて、その一部を除去する。これにより、貫通電極形成用穴14の表面に充分な厚さの成膜を行なうことにより厚くなった基板裏面側平面13aの膜厚を薄くすることができる。
【0060】
そして、図4(f)において、フォトレジスト15を用いて除去部を形成する。
【0061】
このようにして、本実施の形態では、厚めに成膜した薄膜のうち、基板上の膜のみを平坦度エッチングにより除去することで、本発明の目的を達成している。
【産業上の利用可能性】
【0062】
本発明の製造方法を用いることで、主に貫通電極を有する半導体装置における小型化,微細化および信頼性向上を実現することができるため、貫通電極を有する半導体装置の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】(a)実施の形態1の貫通電極製造方法の第1工程を示す図、(b)実施の形態1の貫通電極製造方法の第2工程を示す図、(c)実施の形態1の貫通電極製造方法の第3工程を示す図、(d)実施の形態1の貫通電極製造方法の第4工程を示す図、(e)実施の形態1の貫通電極製造方法の第5工程を示す図、(f)実施の形態1の貫通電極製造方法の第6工程を示す図
【図2】実施の形態1の貫通電極製造方法のフローチャート
【図3】(a)実施の形態2の貫通電極製造方法の第1工程を示す図、(b)実施の形態2の貫通電極製造方法の第2工程を示す図、(c)実施の形態2の貫通電極製造方法の第3工程を示す図、(d)実施の形態2の貫通電極製造方法の第4工程を示す図、(e)実施の形態2の貫通電極製造方法の第5工程を示す図、(f)実施の形態2の貫通電極製造方法の第6工程を示す図
【図4】(a)実施の形態3の貫通電極製造方法の第1工程を示す図、(b)実施の形態3の貫通電極製造方法の第2工程を示す図、(c)実施の形態3の貫通電極製造方法の第3工程を示す図、(d)実施の形態3の貫通電極製造方法の第4工程を示す図、(e)実施の形態3の貫通電極製造方法の第5工程を示す図、(f)実施の形態3の貫通電極製造方法の第6工程を示す図
【図5】(a)従来の貫通電極製造方法の第1工程を示す図、(b)従来の貫通電極製造方法の第2工程を示す図、(c)従来の貫通電極製造方法の第3工程を示す図、(d)従来の貫通電極製造方法の第4工程を示す図、(e)従来の貫通電極製造方法の第5工程を示す図、(f)従来の貫通電極製造方法の第6工程を示す図
【符号の説明】
【0064】
1 基板
1a 基板裏面側平面
1b 基板表面側平面
2 貫通電極形成用穴
2a 貫通電極形成用穴底面
2b 貫通電極形成用穴側面
3 バリア層
4 シード層
5 めっき層
6 フォトレジスト
7 レジスト開口部
8 シード層除去部
8a シード層除去線幅
9 はんだボール
10 バリア層除去部
10a バリア層除去線幅
11 バリア層
12 バリア膜
13 基板
13a 基板裏面側平面
13b 基板表面側平面
14 貫通電極形成用穴
14a 貫通電極形成用穴底面
14b 貫通電極形成用穴側面
15 フォトレジスト
16 第1バリア層
17 第1シード層
18 第2バリア層
19 第2シード層
20 めっき層
21 フォトレジスト
22 除去部
22a 除去部線幅

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板に形成された穴部を除く前記基板表面にフォトレジストを形成した後、前記穴部の側面および底面の第1膜厚が所定の値に達するまで1回目の成膜を行う第1工程と、
前記1回目の成膜後に前記フォトレジストを除去する第2工程と、
前記除去後に前記基板表面の第2膜厚が所定の値に達するまで2回目の成膜を行う第3工程と、を備えること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記1回目の成膜による膜と前記2回目の成膜による膜が同一材料であること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記穴部の側面および底面に成膜された膜の層数が前記基板表面に成膜された膜の層数より多いこと
を特徴とする請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記穴部の側面および底面に成膜された膜が、バリア層と電極めっき用の電極層とのいずれかの層を少なくとも含むこと
を特徴とする請求項1から3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記穴部の側面または底面に成膜された膜の材料が、チタン、窒化チタン、銅のうち、少なくとも一つ以上を含むこと
を特徴とする請求項1から4いずれか記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記フォトレジストの開口部がテーパ形状であること
を特徴とする請求項1から5いずれか記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記フォトレジストの開口径は、前記基板に接する部分から離れるに従って小さくなること
を特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。

【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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【公開番号】特開2010−141149(P2010−141149A)
【公開日】平成22年6月24日(2010.6.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−316360(P2008−316360)
【出願日】平成20年12月12日(2008.12.12)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】