貫通電極を備えた配線基板とその製造方法
【課題】深孔相互間の距離を狭くする事ができ、深孔を微細化しても周囲の配線基板から及ぼされる応力の増加が防止でき、信頼性が保たれ、プロセス全体を低コストできる配線基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、それらの２以上の孔を形成する場合に、それらの２以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後に裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
【解決手段】基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、それらの２以上の孔を形成する場合に、それらの２以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後に裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムＬＳＩの性能向上、特に多機能化と高速動作を低コストで実現するために不可欠となって来たＬＳＩの３次元実装分野に関するものであり、特にその三次元実装の中で注目されている、ＴＳＶ（Through Silicon Via：Ｓｉ配線基板を貫通する孔またはそれを用いる電極技術）配線基板技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、従来のＴＳＶ電極技術について、配線基板がＳｉからなる場合を例として図１を用いて説明する。従来は図１（ａ）に示す様に、先ず、配線基板１０１上にマスク層１０２を形成する。次いで所定の位置にレジスト（図示せず）を用いたリソグラフィ技術とフッ素を含有するガスを用いた反応性ドライエッチングなどによって開口部１０３を形成して配線基板１０１のＳｉを露出させる。レジストマスクは除去する必要はなく、マスク層１０２と一体として使用できる。引き続いて開口部１０３のＳｉをエッチングして深孔１０４を形成する。開口部１０３の大きさは概ね直径５０−１００μｍ（実際には角が丸みを帯びた矩形、開口部が小さい場合は円形になる。以下、開口部が矩形の場合はその狭い方の幅を、円形の場合はその直径をまとめて直径と記す）で、深孔１０４の深さは通常は２００μｍ程度である。次いで深孔１０４の内壁に絶縁層１０５を形成する。絶縁層１０５の形成法としては、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition；以下ＣＶＤ法と記す）によるＳｉ酸化膜（ＳｉＯ２）などが主に用いられる。絶縁層１０５形成後、図１（ｂ）の様に、その上にバリアメタル層１０６としてタンタル（Ｔａ）の窒化物（ＴａＮ）、シード層（図示せず）としてＣｕをスパッタリングなどの物理的蒸着法によって形成する。その後、電気メッキ法により同じくＣｕ層１０７を形成して深孔１０４を埋める。その後、同図（ｃ）の様にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨法）などを用いて基板表面のＣｕ層１０７を除去する。また、裏面から配線基板１０１のＳｉを研削（ダイアモンド砥粒などを埋め込んだ砥石でＳｉを削る技術）によって所定の厚さまで削って、埋め込んだＣｕ層裏面１０８を露出させる。研削後の配線基板面には多数の欠陥が生じているので、仕上げとしてＣＭＰによってその欠陥の存在する層を除去する事によって貫通電極が形成される。様々な機能を持つＬＳＩチップにこの様な貫通電極を形成し、それらを積層する事によって多機能で高速動作できるＵＬＳＩを短期間で実現できる。
【０００３】
この様な従来のＴＳＶ電極技術では、ＴＳＶ電極の大きさが直径５０μｍ程度もしくはそれ以上と大きく、高集積化が困難という制約があった。例えばMaedaらが、２００８年に開催されたアドバンストメタリゼーションカンファランスのプロシーディングスの論文番号９１にて発表（Proc. Advanced Metallization Conference, No. 91, 2008）している様に、高集積化のために深孔を単に微細化するだけでは内部の電極Ｃｕに加わる応力が増加して断線を生じさせるなど、信頼性が低下してしまうためである。もう一つの問題は図１における深孔１０４を相互に近接させるとの反応性ドライエッチングが困難化する事である。例えば鈴木らが２００９年発行のパナソニックテクニカルジャーナル第５５巻３号の６３−６５ページ（Panasonic Technical Journal vol. 55, No. 3, pp.63-65, Oct. 2009）にて説明している様に、エッチング速度そのものは２０μｍ／分という高速エッチングが可能であり、２００μｍ深さの深孔も１０分で加工できる。ただし、特殊な高密度プラズマ源や、エッチング中の温度上昇による加工精度劣化や配線基板への損傷発生を抑制するためには高性能の基板冷却機能も必要であり、極めて装置が高コスト、かつプロセスマージンも小さい。また、深孔１０４を相互に近接させると、深孔１０４を相互に隔てるレジストマスクや加工のためのマスク層１０２の幅が狭くなる。ドライエッチングではマスクの角が速くエッチングされて斜めの傾斜が形成されるため、加工のためのマスク層は両側から高速にエッチングされて削られ、急速に除去される。これを避けるためにはレジストマスクやマスク層厚さも十分な厚さと耐ドライエッチング性が必要なため、高コストとなる。さらにＣｕの埋め込みに電気メッキなど枚葉式のプロセスが必要で、これも実装工程のプロセスとしては極めて高コストである。たとえば、電気メッキによって直径５０μｍ程度の深孔を埋め込む場合、メッキＣｕ膜厚として１０μｍ程度は必要で高コストである。また表面に形成された厚さ１０μｍの不要なＣｕ層をＣＭＰによって除去するのも高コストである。この様に、ＴＳＶ電極技術では高集積化が困難であることと高コストの問題を残しており、実用化ははかばかしくは進まなかった。なお、近年では配線基板１０１の薄型化が検討され、研究開発段階では４０μｍ厚さ以下のものも実現されている。この場合は深孔１０４の深さは４０−５０μｍ程度でよい。それに応じて深孔１０４も微細化は可能である。しかし、この様に薄くすると配線基板１０１の反りが増し、機械的にも弱くなるために、積層化などの工程が煩雑化するので一般には１００−２００μｍ厚さが用いられていた。その場合、深孔１０４の直径を小さくする事は困難になり、直径は８０−１００μｍ程度とせざるを得なかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Proc. Advanced Metallization Conference, No. 91, 2008
【非特許文献２】Panasonic Technical Journal vol. 55, No. 3, pp.63-65, Oct. 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消し、深孔相互間の距離を狭くする事ができ、深孔を微細化しても周囲の配線基板から及ぼされる応力の増加が防止でき、信頼性が保たれ、プロセス全体を低コスト化できる配線基板とその製造方法を提供する事を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の技術的手段ないし手法が提供される。
〔１〕基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２個以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、同一電位にある、２個以上の孔を形成する場合に、それらの２個以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２個以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後、裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔２〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、少なくとも２個以上の異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔３〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、すべての異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔４〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、電気的に並列接続を形成する接続孔の少なくとも２個は、同一のホト工程で規定される領域内に形成される事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔５〕上記第〔１〕から第〔４〕のいずれかの発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径よりも小さくする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔６〕上記第〔５〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径の２分の１以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔７〕上記第〔１〕から第〔６〕のいずれかの発明において、当該貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層を設ける事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔８〕上記第〔１〕から第〔７〕のいずれかの発明において、基体の材料としてシリコンを主として構成されているものを用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔９〕上記第〔８〕の発明において、シリコンからなる基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１０〕上記第〔１〕から第〔９〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、１０μｍ以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１１〕上記第〔１〕から第〔９〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１２〕上記第〔１〕から第〔１１〕のいずれかの発明において、陽極酸化法を用いて深孔を形成するにあたり、配線基板と実質的に垂直な向きの、強さが０．１テスラ以上の磁場を加える事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１３〕上記第〔１〕から第〔１２〕のいずれかの発明において、配線基板表面に基体よりも酸化もしくはエッチングされにくい材料からなるマスク層を形成する工程、所定の位置に個々の深孔の直径よりも大きなマスク層の開口部を形成する工程を含む事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１４〕上記第〔１〕から第〔１３〕のいずれかの発明において、陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素酸と有機溶媒とを含むものを用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１５〕上記第〔１〕から第〔１４〕のいずれかの発明において、陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後に酸化性の電解液を用いて陽極酸化処理を行って深孔の内面に基体の酸化物の層を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１６〕上記第〔１〕から第〔１５〕のいずれかの発明において、陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後にアンモニアを含むプラズマに配線基板をさらして、貫通孔の内壁にシリコンの窒化物の層を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１７〕上記第〔１〕から第〔１６〕のいずれかの発明において、貫通電極を形成するにあたり、電極内にＣｕを埋め込む方法として無電界メッキ法を用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１８〕上記第〔１〕から第〔１７〕のいずれかの発明において、配線基板の裏側から研削によって配線基板を削って所定の厚さまで薄くし、深孔とその内部のＣｕとを露出させる工程を含む事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１９〕上記第〔１〕から第〔１８〕のいずれかの発明において、配線基板に加える電圧の平均値が正である交流電圧もしくはパルス電圧を用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔２０〕基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている事を特徴とする配線基板。
〔２１〕上記第〔２０〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径よりも小さい事を特徴とする配線基板。
〔２２〕上記第〔２１〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径の２分の１以下である事を特徴とする配線基板。
〔２３〕上記第〔２０〕から第〔２２〕のいずれかの発明において、貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層が構成されている事を特徴とする配線基板。
〔２４〕上記第〔２０〕から第〔２３〕のいずれかの発明において、基体の材料がシリコンを主として構成されている事を特徴とする配線基板。
〔２５〕上記第〔２４〕の発明において、シリコン基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子が形成されている事を特徴とする配線基板。
〔２６〕上記第〔２０〕から第〔２５〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする配線基板。
〔２７〕上記第〔２０〕から第〔２５〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下であることを特徴とする配線基板。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、ＴＳＶ貫通電極を微細化しても応力の増加を抑制する事が可能となり、信頼性を低下させることなくＴＳＶ貫通電極を微細化、高集積化できる。さらに配線基板の陽極酸化や深孔埋め込みの無電界メッキ技術が低コストなため、ＴＳＶ貫通電極形成の全体的なコストも低減された。本技術により、従来は直径が５０−１００μｍ程度が限界であったＴＳＶ貫通電極の大きさを１０μｍ程度以下にまで微細化する事を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のＴＳＶ電極を説明する図である。
【図２】無電界メッキ装置および配線基板への密集型深孔形成を説明する図である。
【図３】本発明の配線基板構造とその製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について詳述する。
【００１０】
本発明では深孔の加工形成にはドライエッチングではなくて、自己組織的穴明け技術、特に陽極酸化技術を用いる。陽極酸化法による微細孔形成については、例えばB. Gellozらによって２００８年発行のイーシーエス トランザクション 第１６巻の１９６−２００ページ（ECS Transaction,vol.16, pp.196-200）で紹介されている。本発明者らはこの技術において、電流密度および電解液中のＨＦ濃度などを制御することにより、深孔の直径を０．０１−数μｍにわたって、形状、密度などを制御できる事を見いだした。これにより、深孔形成のプロセスおよび装置ともに低コスト化できる。
【００１１】
陽極酸化による密集型微細深孔の形成メカニズムを、図２を用いて説明する。まず、陽極酸化装置の概念図を図２に示す。陽極酸化では表面を酸化したい配線基板２０１と対向電極２０９とを電解液２１０中に浸し、配線基板２０１（陽極）側に正、対向電極２０９（陰極）側に負の電圧を加える。なお、配線基板２０１に電圧を加える方法としては、配線基板２０１に直接に電気的接続を行っても良いし、配線基板２０１の裏面側に導電体電極２１１を設置して電源と接続し、導電体電極２１１と配線基板２０１とを接触させても良い。深孔が形成される反応機構は以下の様に推測される。
【００１２】
図２の構成で電流密度を一定としたガルバノスタティック陽極酸化を行うと、基板からのホール供給によってエッチング反応が生じ、先ずシリコン表面に浅い微細孔が形成される。その後、微細孔先端部における電界集中とホール供給、微細孔側面の水素終端による不動態化の相乗効果により、陽極酸化電流密度、溶液のＨＦ濃度、基板比抵抗に依存するピッチで微細孔が基板に垂直方向に成長し、陽極酸化時間によって決まる深さの深孔構造が形成される。
【００１３】
種々のシリコン基板や加工条件で深孔形成を行ったところ、直径０．３μｍ以上の領域では、直径のシリコン基板の伝導型や伝導度などによる依存性が大きかったが、０．０１μｍから０．３μｍの領域では、直径のシリコン基板の伝導型や伝導度などによる依存性が小さく、孔径の制御性が良かった。
【００１４】
なお、この陽極酸化法による深孔２０４を形成する際に、電界の方向と平行な方向に磁場を加えると、磁界と同一方向のホールは影響を受けないが、磁界方向と異なる方向のホールは微細孔の先端部に供給されにくくなり、基板からの深孔先端部へのホール供給に異方性が生じる。その結果、深孔の形成はより容易かつ高精度になる。すなわち、磁界の存在により、深孔の直径のバラツキが減少し、深孔の形成速度も増す。磁界は概ね０．１テスラ以上の強度で深孔形成に改善効果が見られる。実用的に強い改善効果を得るには１テスラ以上が望ましい。さらに望ましくは２テスラ以上であればさらに効果が顕著となる。ただし、１テスラ以下であれば通常用いられる汎用の永久磁石などで実現できるが、それを超えて２テスラ程度を得るためにはネオジウムやサマリウムなどを含む高強度の特殊磁石もしくは電磁石が必要となり、装置コストが増してしまう。さらに３−５テスラ程度と極度に強い磁場を加えるには、現状では超伝導磁石やかなり大型の電磁石を必要とするので、装置コストの面では不利である。この陽極酸化法による深孔の形成は、現在開発されている最も高速な深孔形成専用のドライエッチング技術を用いた場合の数分の１の形成速度しかないが、陽極酸化装置では真空を必要としないので、装置コストおよびメンテナンスコストが安価で、加工コストとしてはむしろ有利である。また低温、低電圧での加工であるために、配線基板２０１に損傷も入りにくい。
【００１５】
本発明において、深孔を微細化しても電極としての信頼性が低下しない理由について説明する。まず、従来のＴＳＶ構造用の深孔はリソグラフィとドライエッチングを用いて形成していた。最先端のリソグラフィ技術を用いれば、例えば直径１０μｍの深孔パターンは容易に形成できる。しかしながら、それを極度に密接させると、ドライエッチングにおいてマスクパターンの削られる速度が著しく増加し、エッチング選択性が極度に劣化してしまう。このため通常のマスク形成では隣接する深孔との間隔が直径と同等以下の直径数μｍ以下となる様な高密度の深孔形成は困難であった。次に十分に間隔を隔てて深孔を形成して金属Ｃｕなどを埋め込んでＴＳＶ電極とした場合、深孔の周囲の配線基板材料はＳｉなどである。これらは深孔に埋め込まれたＣｕに比べて硬くて熱膨張率が小さい。結果として使用している間に大きな応力が加わり、断線などの故障を引き起こす。このため、従来のＴＳＶ電極ではサイズを微細化する事は困難であった。
【００１６】
それに対して本発明では、図３（ａ）の様にまず配線基板３０１上のマスク層３０２に開口部３０３を形成した後に陽極酸化するので、同図（ｂ）の様に密集した多数の微細深孔３０４（同図（ｂ）において深孔３０４として破線にて目安として囲んだ部分）が形成される。この微細深孔３０４は直径に対して隣接孔間の距離が１／２以下と極めて密集している。典型的条件では深孔直径の１／２−１／１０の範囲で容易に制御できる。この内壁に絶縁層３０５を形成して、その上にバリアメタル層３０６を被着、Ｃｕ層３０７を埋め込む。絶縁層形成に当たっては、熱酸化、ＲＴＯ(Rapid Thermal Oxidation，高速熱酸化)、電気化学的酸化、ＨＷＡ(High pressure Water Vapor Annealing、高圧水蒸気アニール)等が利用出来るが、いずれの場合も、細孔内壁がナノシリコン化されている場合には、ドライエッチングなどで開けた孔の内壁に比べて、低温で、かつ内壁表面だけが容易に酸化出来、電気的絶縁性が良好な層が得られると言う特徴を併せ持つことがわかった。なお同図（ｂ）において深孔３０４間には便宜上、側壁絶縁層３０５が記載されているだけで、配線基板３０１は記載していないが、配線基板３０１は側壁絶縁層３０５の内側に残存していても構わないし、側壁絶縁層３０５形成の際にすべて絶縁化されて側壁絶縁層３０５と一体になっても良い。こうして図３（ｃ）に詳細断面を示す様な密集型微細ＴＳＶが形成される。この様なＴＳＶ深孔では深孔を取り巻く配線基板３０１もしくは側壁絶縁層３０５の層の厚みが極めて薄いために、埋め込まれたＣｕ層３０７に及ぼす応力は小さい。また、図２に詳細を示した様に深孔の側壁には空洞を含むナノシリコン層が存在する。このナノシリコン層は弾力性に富み、応力緩和効果も有する。すなわち、この様な密集型深孔３０４では最外周のＴＳＶ電極には相対的に大きな応力が働いて断線を生じるとしても、その内側のＴＳＶ電極への応力は小さく、それ以上の断線は進まない事がわかった。なお、形成する深孔３０４の深さは裏面の研削やＣＭＰによって配線基板３０１を薄型化して残したい厚さより５−１０％大きな値でよい。例えば積層用配線基板３０１の必要厚さが５０μｍであれば深孔３０４の深さは５５μｍ程度でよい。もちろん製造プロセスの安定化の点で余裕を見込む事が必要ならば深さが６０−１００μｍ程度でも良い。
【００１７】
さらに、微細深孔３０４のＣｕ埋め込みに低コストの無電界メッキ法を用いる。無電界メッキ法による微細孔埋め込みについては、Fukamiらが、２００９年発行のエレクトロケミカ アクタ誌第５４巻の２１９７−２２０２ページ（Electrochemica Acta, vol. 54, pp.2197-2202）で紹介している。この技術では膜形成速度が非常に低いので従来の大きなＴＳＶ深孔埋め込みには非常に長時間を要し、実用的でないという欠点があった。しかし本発明の様に深孔の直径が０．０１から数μｍと微細な場合、たかだか０．００５−２μｍ前後と薄いＣｕ膜を形成すれば良いので十分に実用的である。さらに表面の不要なＣｕ層を除去する場合にＣｕ層が薄いので、ＣＭＰのコストも低い。
【００１８】
上記では細孔の形成に陽極酸化法を用いたが、リソグラフィー技術を用いないで多数の微細孔を自己組織的に形成出来る方法であれば同様に利用出来ることは言うまでもない。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【００２０】
（実施例１）
本発明の第一の実施例について図３を用いて説明する。図３（ａ）では８インチ径のＳｉウェハからなる抵抗率が５Ω・ｃｍの配線基板３０１上に、有機シリコン化合物のテトラエトキシシラン（Tetraethoxysilane：ＴＥＯＳ）とアンモニアとを原料として用い、プラズマＣＶＤ法によって窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を厚さ０．５μｍに形成し、マスク層３０２とした。次に公知のリソグラフィ技術を用いて、直径２０μｍの開口部３０３を形成した。次に、図２に示した陽極酸化装置を用い、ＨＦ（５５％）とエチルアルコールが体積比１：１の液を電解液とし、直流の電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２の条件で陽極酸化を行った。４０分間の陽極酸化により、直径約１μｍ、深さ２００μｍの深孔３０４を形成した。次にアルゴンと酸素との混合ガス雰囲気で７００℃にて１０分間加熱した。この酸化温度は非常に低いが、前述の様に深孔３０４の側壁はナノシリコンにて構成されているために、速やかに酸化され、側壁絶縁層３０５が形成された。
【００２１】
次いで五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）を用いた７００℃のＣＶＤ法によって、厚さ３ｎｍのＴａ膜を形成してバリアメタル層３０６とした。次にＣｕの無電界メッキを行ってＣｕ層３０７を埋め込んだ。メッキ液としては硫酸銅（II）五水和物（ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ）とエチレンジアミン一水和物（ＮＨ２ＣＨ２ＮＨ２）、ビピリジン（Ｃ１０Ｈ８Ｎ２）との混合液を用いた。１５分間のメッキによりＴＳＶ用深孔３０４が埋め込まれた。その後、リンゴ酸とシリカ砥粒とを含む研磨剤を用いて配線基板３０１表面のＣｕを除去した。Ｃｕ膜厚は約０．５μｍであったので、ＣＭＰ時間は約３分であった。次いで既知のダイアモンド砥石を用いて配線基板３０１の裏面を研削し、１９０μｍの厚さとし、続いてシリカ砥粒を含むアルカリ性の研磨剤を用いて研削面の欠陥を除きつつ、深孔内３０４のＣｕ層３０７を露出させ、ＴＳＶ電極を完成させた。なお、配線基板３０１がｐ型の場合には、ＨＦと混合する有機溶媒はエチルアルコールよりもＤＭＦ（ジメチルホルムアミド；（ＣＨ３）２ＮＣＨＯ）を用いた方がより安定に深孔を形成できた。
【００２２】
（実施例２）
第二の実施例として、深い深孔を形成するために陽極酸化時に直流ではなく、パルス電流を加えた場合について説明する。本実施例では３５０μｍ深さの深孔３０４を形成した。図３（ａ）においては開口部３０３を形成するためのプラズマＣＶＤ法によるＳｉＮマスク層の厚さを１μｍと厚くした。配線基板３０１としては、実施例１と同様に抵抗率が５Ω・ｃｍのｎ型Ｓｉウェハを用いた。そこに様々な直径の開口部３０３を形成した。この様な厚いマスク層の場合、開口部３０３が直径３０μｍ以上程度で、その内部に正常に深孔３０４が形成された。
【００２３】
そこで、この様な厚いマスク層３０２を用いた場合に、さらに開口部３０３の直径を小さくするため、図２において直流の代わりに、パルス電流を加えた。パルス電流の振幅は１５０ｍＡ／ｃｍ２、その平均値は１００ｍＡ／ｃｍ２であった。平均の電流密度は実施例１とほぼ同じであったが、陽極酸化速度は約２０％低下した。９０分間の陽極酸化によって深さ３７０μｍの深孔を形成した。この様なパルス電流を加えた場合には深孔３０４の深さの開口部３０３寸法依存性はほぼ解消された。次に電解液を硫酸の３０％希釈液に変更し、深孔３０４の内側に対してＳｉＯ２を形成すべく陽極酸化を行った。なおこの実施例においては深孔３０４間のＳｉは全て酸化されてＳｉＯ２となった。以後は実施例１と同様な工程を経て、ＴＳＶ電極を完成させた。
【００２４】
（実施例３）
本実施例ではマスク層３０２の材料を変更して形成した場合を説明する。本実施例ではマスク層３０２の材料としてＳｉＮではなくて、厚さ０．４μｍのＴａ膜を用いた。Ｔａ膜の形成には公知のスパッタリング法を用いた。フッ素を含むガスによるドライエッチングによって開口部３０３を形成後、実施例１と同様に直流電流を加えて約２００μｍ深さの深孔３０４を形成した。なおこの陽極酸化過程では、マスク層３０２の表面も若干酸化・エッチングされて、陽極酸化の終了時には厚さが０．１μｍ程度に減少し、開口部３０３の寸法も１μｍ程度増加していたが、実用上の問題はなかった。深孔３０４の形成後は実施例１と同様に深孔側壁の酸化からＣｕ埋め込みまでを行い、その後に表面のＣｕとマスクＴａ層とをＣＭＰ除去した。Ｔａ層の除去には市販のＴａ用研磨剤を用いた。その後に裏面の研削と研磨とを行い、ＴＳＶ電極を完成させた。
【００２５】
（実施例４）
本実施例では抵抗率が０．０４−０．０６Ω・ｃｍのｎ型シリコン基板に陽極酸化処理を施すことで、孔径０．１μｍ以下からなるＴＳＶ電極用細孔基板を完成出来た。
【００２６】
陽極酸化条件は、ＨＦ（５５％）とエチルアルコールが体積比１：２の液を電解液とし、直流の電流密度は１２ｍＡ／ｃｍ２、試料表面に垂直方向に磁場１．９Ｔを印加し、暗条件下で１０分間陽極酸化により深孔を形成した。この場合、孔径は実施例１の直径約１μｍとは異なり、直径約０．０６μｍであった。また、この孔径領域で形成される深孔は基板の伝導型や比抵抗の変化による陽極酸化条件の変動が少ないことがわかった。これは、シリコン結晶の陽極酸化による鑽孔において、おおよそ孔径が０．０１μｍ以下、０．０１μｍ−０．３μｍ、および０．３μｍ以上で、鑽孔機構がことなることを見つけ、その結果、本実施例では０．０１μｍ−０．３μｍの領域に該当し、電極界面の広がりが抑制されたと理解できた。これに対し、実施例１の直径１μｍの場合は電極界面の広がりが大きく、基板の伝導型や比抵抗の変化による陽極酸化条件の変動も大きいことがわかった。本実施例は、実施例１に比べて、低電流で、高密度のＴＳＶ電極を形成する場合に適している。
【符号の説明】
【００２７】
１０１、２０１、３０１・・・配線基板
１０２、３０２・・・マスク層
１０３、３０３・・・開口部
１０４、３０４・・・深孔
１０５、３０５・・・側壁の絶縁層
１０６、３０６・・・バリアメタル層
１０７、３０７・・・Ｃｕ層
１０８・・・裏面Ｃｕ層
２０９・・・対向電極
２１０・・・電解液
２１１・・・導電体電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムＬＳＩの性能向上、特に多機能化と高速動作を低コストで実現するために不可欠となって来たＬＳＩの３次元実装分野に関するものであり、特にその三次元実装の中で注目されている、ＴＳＶ（Through Silicon Via：Ｓｉ配線基板を貫通する孔またはそれを用いる電極技術）配線基板技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず、従来のＴＳＶ電極技術について、配線基板がＳｉからなる場合を例として図１を用いて説明する。従来は図１（ａ）に示す様に、先ず、配線基板１０１上にマスク層１０２を形成する。次いで所定の位置にレジスト（図示せず）を用いたリソグラフィ技術とフッ素を含有するガスを用いた反応性ドライエッチングなどによって開口部１０３を形成して配線基板１０１のＳｉを露出させる。レジストマスクは除去する必要はなく、マスク層１０２と一体として使用できる。引き続いて開口部１０３のＳｉをエッチングして深孔１０４を形成する。開口部１０３の大きさは概ね直径５０−１００μｍ（実際には角が丸みを帯びた矩形、開口部が小さい場合は円形になる。以下、開口部が矩形の場合はその狭い方の幅を、円形の場合はその直径をまとめて直径と記す）で、深孔１０４の深さは通常は２００μｍ程度である。次いで深孔１０４の内壁に絶縁層１０５を形成する。絶縁層１０５の形成法としては、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition；以下ＣＶＤ法と記す）によるＳｉ酸化膜（ＳｉＯ２）などが主に用いられる。絶縁層１０５形成後、図１（ｂ）の様に、その上にバリアメタル層１０６としてタンタル（Ｔａ）の窒化物（ＴａＮ）、シード層（図示せず）としてＣｕをスパッタリングなどの物理的蒸着法によって形成する。その後、電気メッキ法により同じくＣｕ層１０７を形成して深孔１０４を埋める。その後、同図（ｃ）の様にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨法）などを用いて基板表面のＣｕ層１０７を除去する。また、裏面から配線基板１０１のＳｉを研削（ダイアモンド砥粒などを埋め込んだ砥石でＳｉを削る技術）によって所定の厚さまで削って、埋め込んだＣｕ層裏面１０８を露出させる。研削後の配線基板面には多数の欠陥が生じているので、仕上げとしてＣＭＰによってその欠陥の存在する層を除去する事によって貫通電極が形成される。様々な機能を持つＬＳＩチップにこの様な貫通電極を形成し、それらを積層する事によって多機能で高速動作できるＵＬＳＩを短期間で実現できる。
【０００３】
この様な従来のＴＳＶ電極技術では、ＴＳＶ電極の大きさが直径５０μｍ程度もしくはそれ以上と大きく、高集積化が困難という制約があった。例えばMaedaらが、２００８年に開催されたアドバンストメタリゼーションカンファランスのプロシーディングスの論文番号９１にて発表（Proc. Advanced Metallization Conference, No. 91, 2008）している様に、高集積化のために深孔を単に微細化するだけでは内部の電極Ｃｕに加わる応力が増加して断線を生じさせるなど、信頼性が低下してしまうためである。もう一つの問題は図１における深孔１０４を相互に近接させるとの反応性ドライエッチングが困難化する事である。例えば鈴木らが２００９年発行のパナソニックテクニカルジャーナル第５５巻３号の６３−６５ページ（Panasonic Technical Journal vol. 55, No. 3, pp.63-65, Oct. 2009）にて説明している様に、エッチング速度そのものは２０μｍ／分という高速エッチングが可能であり、２００μｍ深さの深孔も１０分で加工できる。ただし、特殊な高密度プラズマ源や、エッチング中の温度上昇による加工精度劣化や配線基板への損傷発生を抑制するためには高性能の基板冷却機能も必要であり、極めて装置が高コスト、かつプロセスマージンも小さい。また、深孔１０４を相互に近接させると、深孔１０４を相互に隔てるレジストマスクや加工のためのマスク層１０２の幅が狭くなる。ドライエッチングではマスクの角が速くエッチングされて斜めの傾斜が形成されるため、加工のためのマスク層は両側から高速にエッチングされて削られ、急速に除去される。これを避けるためにはレジストマスクやマスク層厚さも十分な厚さと耐ドライエッチング性が必要なため、高コストとなる。さらにＣｕの埋め込みに電気メッキなど枚葉式のプロセスが必要で、これも実装工程のプロセスとしては極めて高コストである。たとえば、電気メッキによって直径５０μｍ程度の深孔を埋め込む場合、メッキＣｕ膜厚として１０μｍ程度は必要で高コストである。また表面に形成された厚さ１０μｍの不要なＣｕ層をＣＭＰによって除去するのも高コストである。この様に、ＴＳＶ電極技術では高集積化が困難であることと高コストの問題を残しており、実用化ははかばかしくは進まなかった。なお、近年では配線基板１０１の薄型化が検討され、研究開発段階では４０μｍ厚さ以下のものも実現されている。この場合は深孔１０４の深さは４０−５０μｍ程度でよい。それに応じて深孔１０４も微細化は可能である。しかし、この様に薄くすると配線基板１０１の反りが増し、機械的にも弱くなるために、積層化などの工程が煩雑化するので一般には１００−２００μｍ厚さが用いられていた。その場合、深孔１０４の直径を小さくする事は困難になり、直径は８０−１００μｍ程度とせざるを得なかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Proc. Advanced Metallization Conference, No. 91, 2008
【非特許文献２】Panasonic Technical Journal vol. 55, No. 3, pp.63-65, Oct. 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消し、深孔相互間の距離を狭くする事ができ、深孔を微細化しても周囲の配線基板から及ぼされる応力の増加が防止でき、信頼性が保たれ、プロセス全体を低コスト化できる配線基板とその製造方法を提供する事を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の技術的手段ないし手法が提供される。
〔１〕基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２個以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、同一電位にある、２個以上の孔を形成する場合に、それらの２個以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２個以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後、裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔２〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、少なくとも２個以上の異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔３〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、すべての異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔４〕上記第〔１〕の発明において、配線基板において、電気的に並列接続を形成する接続孔の少なくとも２個は、同一のホト工程で規定される領域内に形成される事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔５〕上記第〔１〕から第〔４〕のいずれかの発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径よりも小さくする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔６〕上記第〔５〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径の２分の１以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔７〕上記第〔１〕から第〔６〕のいずれかの発明において、当該貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層を設ける事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔８〕上記第〔１〕から第〔７〕のいずれかの発明において、基体の材料としてシリコンを主として構成されているものを用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔９〕上記第〔８〕の発明において、シリコンからなる基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１０〕上記第〔１〕から第〔９〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、１０μｍ以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１１〕上記第〔１〕から第〔９〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１２〕上記第〔１〕から第〔１１〕のいずれかの発明において、陽極酸化法を用いて深孔を形成するにあたり、配線基板と実質的に垂直な向きの、強さが０．１テスラ以上の磁場を加える事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１３〕上記第〔１〕から第〔１２〕のいずれかの発明において、配線基板表面に基体よりも酸化もしくはエッチングされにくい材料からなるマスク層を形成する工程、所定の位置に個々の深孔の直径よりも大きなマスク層の開口部を形成する工程を含む事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１４〕上記第〔１〕から第〔１３〕のいずれかの発明において、陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素酸と有機溶媒とを含むものを用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１５〕上記第〔１〕から第〔１４〕のいずれかの発明において、陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後に酸化性の電解液を用いて陽極酸化処理を行って深孔の内面に基体の酸化物の層を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１６〕上記第〔１〕から第〔１５〕のいずれかの発明において、陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後にアンモニアを含むプラズマに配線基板をさらして、貫通孔の内壁にシリコンの窒化物の層を形成する事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１７〕上記第〔１〕から第〔１６〕のいずれかの発明において、貫通電極を形成するにあたり、電極内にＣｕを埋め込む方法として無電界メッキ法を用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１８〕上記第〔１〕から第〔１７〕のいずれかの発明において、配線基板の裏側から研削によって配線基板を削って所定の厚さまで薄くし、深孔とその内部のＣｕとを露出させる工程を含む事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔１９〕上記第〔１〕から第〔１８〕のいずれかの発明において、配線基板に加える電圧の平均値が正である交流電圧もしくはパルス電圧を用いる事を特徴とする配線基板の製造方法。
〔２０〕基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている事を特徴とする配線基板。
〔２１〕上記第〔２０〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径よりも小さい事を特徴とする配線基板。
〔２２〕上記第〔２１〕の発明において、最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径の２分の１以下である事を特徴とする配線基板。
〔２３〕上記第〔２０〕から第〔２２〕のいずれかの発明において、貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層が構成されている事を特徴とする配線基板。
〔２４〕上記第〔２０〕から第〔２３〕のいずれかの発明において、基体の材料がシリコンを主として構成されている事を特徴とする配線基板。
〔２５〕上記第〔２４〕の発明において、シリコン基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子が形成されている事を特徴とする配線基板。
〔２６〕上記第〔２０〕から第〔２５〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする配線基板。
〔２７〕上記第〔２０〕から第〔２５〕のいずれかの発明において、貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下であることを特徴とする配線基板。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、ＴＳＶ貫通電極を微細化しても応力の増加を抑制する事が可能となり、信頼性を低下させることなくＴＳＶ貫通電極を微細化、高集積化できる。さらに配線基板の陽極酸化や深孔埋め込みの無電界メッキ技術が低コストなため、ＴＳＶ貫通電極形成の全体的なコストも低減された。本技術により、従来は直径が５０−１００μｍ程度が限界であったＴＳＶ貫通電極の大きさを１０μｍ程度以下にまで微細化する事を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のＴＳＶ電極を説明する図である。
【図２】無電界メッキ装置および配線基板への密集型深孔形成を説明する図である。
【図３】本発明の配線基板構造とその製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について詳述する。
【００１０】
本発明では深孔の加工形成にはドライエッチングではなくて、自己組織的穴明け技術、特に陽極酸化技術を用いる。陽極酸化法による微細孔形成については、例えばB. Gellozらによって２００８年発行のイーシーエス トランザクション 第１６巻の１９６−２００ページ（ECS Transaction,vol.16, pp.196-200）で紹介されている。本発明者らはこの技術において、電流密度および電解液中のＨＦ濃度などを制御することにより、深孔の直径を０．０１−数μｍにわたって、形状、密度などを制御できる事を見いだした。これにより、深孔形成のプロセスおよび装置ともに低コスト化できる。
【００１１】
陽極酸化による密集型微細深孔の形成メカニズムを、図２を用いて説明する。まず、陽極酸化装置の概念図を図２に示す。陽極酸化では表面を酸化したい配線基板２０１と対向電極２０９とを電解液２１０中に浸し、配線基板２０１（陽極）側に正、対向電極２０９（陰極）側に負の電圧を加える。なお、配線基板２０１に電圧を加える方法としては、配線基板２０１に直接に電気的接続を行っても良いし、配線基板２０１の裏面側に導電体電極２１１を設置して電源と接続し、導電体電極２１１と配線基板２０１とを接触させても良い。深孔が形成される反応機構は以下の様に推測される。
【００１２】
図２の構成で電流密度を一定としたガルバノスタティック陽極酸化を行うと、基板からのホール供給によってエッチング反応が生じ、先ずシリコン表面に浅い微細孔が形成される。その後、微細孔先端部における電界集中とホール供給、微細孔側面の水素終端による不動態化の相乗効果により、陽極酸化電流密度、溶液のＨＦ濃度、基板比抵抗に依存するピッチで微細孔が基板に垂直方向に成長し、陽極酸化時間によって決まる深さの深孔構造が形成される。
【００１３】
種々のシリコン基板や加工条件で深孔形成を行ったところ、直径０．３μｍ以上の領域では、直径のシリコン基板の伝導型や伝導度などによる依存性が大きかったが、０．０１μｍから０．３μｍの領域では、直径のシリコン基板の伝導型や伝導度などによる依存性が小さく、孔径の制御性が良かった。
【００１４】
なお、この陽極酸化法による深孔２０４を形成する際に、電界の方向と平行な方向に磁場を加えると、磁界と同一方向のホールは影響を受けないが、磁界方向と異なる方向のホールは微細孔の先端部に供給されにくくなり、基板からの深孔先端部へのホール供給に異方性が生じる。その結果、深孔の形成はより容易かつ高精度になる。すなわち、磁界の存在により、深孔の直径のバラツキが減少し、深孔の形成速度も増す。磁界は概ね０．１テスラ以上の強度で深孔形成に改善効果が見られる。実用的に強い改善効果を得るには１テスラ以上が望ましい。さらに望ましくは２テスラ以上であればさらに効果が顕著となる。ただし、１テスラ以下であれば通常用いられる汎用の永久磁石などで実現できるが、それを超えて２テスラ程度を得るためにはネオジウムやサマリウムなどを含む高強度の特殊磁石もしくは電磁石が必要となり、装置コストが増してしまう。さらに３−５テスラ程度と極度に強い磁場を加えるには、現状では超伝導磁石やかなり大型の電磁石を必要とするので、装置コストの面では不利である。この陽極酸化法による深孔の形成は、現在開発されている最も高速な深孔形成専用のドライエッチング技術を用いた場合の数分の１の形成速度しかないが、陽極酸化装置では真空を必要としないので、装置コストおよびメンテナンスコストが安価で、加工コストとしてはむしろ有利である。また低温、低電圧での加工であるために、配線基板２０１に損傷も入りにくい。
【００１５】
本発明において、深孔を微細化しても電極としての信頼性が低下しない理由について説明する。まず、従来のＴＳＶ構造用の深孔はリソグラフィとドライエッチングを用いて形成していた。最先端のリソグラフィ技術を用いれば、例えば直径１０μｍの深孔パターンは容易に形成できる。しかしながら、それを極度に密接させると、ドライエッチングにおいてマスクパターンの削られる速度が著しく増加し、エッチング選択性が極度に劣化してしまう。このため通常のマスク形成では隣接する深孔との間隔が直径と同等以下の直径数μｍ以下となる様な高密度の深孔形成は困難であった。次に十分に間隔を隔てて深孔を形成して金属Ｃｕなどを埋め込んでＴＳＶ電極とした場合、深孔の周囲の配線基板材料はＳｉなどである。これらは深孔に埋め込まれたＣｕに比べて硬くて熱膨張率が小さい。結果として使用している間に大きな応力が加わり、断線などの故障を引き起こす。このため、従来のＴＳＶ電極ではサイズを微細化する事は困難であった。
【００１６】
それに対して本発明では、図３（ａ）の様にまず配線基板３０１上のマスク層３０２に開口部３０３を形成した後に陽極酸化するので、同図（ｂ）の様に密集した多数の微細深孔３０４（同図（ｂ）において深孔３０４として破線にて目安として囲んだ部分）が形成される。この微細深孔３０４は直径に対して隣接孔間の距離が１／２以下と極めて密集している。典型的条件では深孔直径の１／２−１／１０の範囲で容易に制御できる。この内壁に絶縁層３０５を形成して、その上にバリアメタル層３０６を被着、Ｃｕ層３０７を埋め込む。絶縁層形成に当たっては、熱酸化、ＲＴＯ(Rapid Thermal Oxidation，高速熱酸化)、電気化学的酸化、ＨＷＡ(High pressure Water Vapor Annealing、高圧水蒸気アニール)等が利用出来るが、いずれの場合も、細孔内壁がナノシリコン化されている場合には、ドライエッチングなどで開けた孔の内壁に比べて、低温で、かつ内壁表面だけが容易に酸化出来、電気的絶縁性が良好な層が得られると言う特徴を併せ持つことがわかった。なお同図（ｂ）において深孔３０４間には便宜上、側壁絶縁層３０５が記載されているだけで、配線基板３０１は記載していないが、配線基板３０１は側壁絶縁層３０５の内側に残存していても構わないし、側壁絶縁層３０５形成の際にすべて絶縁化されて側壁絶縁層３０５と一体になっても良い。こうして図３（ｃ）に詳細断面を示す様な密集型微細ＴＳＶが形成される。この様なＴＳＶ深孔では深孔を取り巻く配線基板３０１もしくは側壁絶縁層３０５の層の厚みが極めて薄いために、埋め込まれたＣｕ層３０７に及ぼす応力は小さい。また、図２に詳細を示した様に深孔の側壁には空洞を含むナノシリコン層が存在する。このナノシリコン層は弾力性に富み、応力緩和効果も有する。すなわち、この様な密集型深孔３０４では最外周のＴＳＶ電極には相対的に大きな応力が働いて断線を生じるとしても、その内側のＴＳＶ電極への応力は小さく、それ以上の断線は進まない事がわかった。なお、形成する深孔３０４の深さは裏面の研削やＣＭＰによって配線基板３０１を薄型化して残したい厚さより５−１０％大きな値でよい。例えば積層用配線基板３０１の必要厚さが５０μｍであれば深孔３０４の深さは５５μｍ程度でよい。もちろん製造プロセスの安定化の点で余裕を見込む事が必要ならば深さが６０−１００μｍ程度でも良い。
【００１７】
さらに、微細深孔３０４のＣｕ埋め込みに低コストの無電界メッキ法を用いる。無電界メッキ法による微細孔埋め込みについては、Fukamiらが、２００９年発行のエレクトロケミカ アクタ誌第５４巻の２１９７−２２０２ページ（Electrochemica Acta, vol. 54, pp.2197-2202）で紹介している。この技術では膜形成速度が非常に低いので従来の大きなＴＳＶ深孔埋め込みには非常に長時間を要し、実用的でないという欠点があった。しかし本発明の様に深孔の直径が０．０１から数μｍと微細な場合、たかだか０．００５−２μｍ前後と薄いＣｕ膜を形成すれば良いので十分に実用的である。さらに表面の不要なＣｕ層を除去する場合にＣｕ層が薄いので、ＣＭＰのコストも低い。
【００１８】
上記では細孔の形成に陽極酸化法を用いたが、リソグラフィー技術を用いないで多数の微細孔を自己組織的に形成出来る方法であれば同様に利用出来ることは言うまでもない。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【００２０】
（実施例１）
本発明の第一の実施例について図３を用いて説明する。図３（ａ）では８インチ径のＳｉウェハからなる抵抗率が５Ω・ｃｍの配線基板３０１上に、有機シリコン化合物のテトラエトキシシラン（Tetraethoxysilane：ＴＥＯＳ）とアンモニアとを原料として用い、プラズマＣＶＤ法によって窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜を厚さ０．５μｍに形成し、マスク層３０２とした。次に公知のリソグラフィ技術を用いて、直径２０μｍの開口部３０３を形成した。次に、図２に示した陽極酸化装置を用い、ＨＦ（５５％）とエチルアルコールが体積比１：１の液を電解液とし、直流の電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２の条件で陽極酸化を行った。４０分間の陽極酸化により、直径約１μｍ、深さ２００μｍの深孔３０４を形成した。次にアルゴンと酸素との混合ガス雰囲気で７００℃にて１０分間加熱した。この酸化温度は非常に低いが、前述の様に深孔３０４の側壁はナノシリコンにて構成されているために、速やかに酸化され、側壁絶縁層３０５が形成された。
【００２１】
次いで五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）を用いた７００℃のＣＶＤ法によって、厚さ３ｎｍのＴａ膜を形成してバリアメタル層３０６とした。次にＣｕの無電界メッキを行ってＣｕ層３０７を埋め込んだ。メッキ液としては硫酸銅（II）五水和物（ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ）とエチレンジアミン一水和物（ＮＨ２ＣＨ２ＮＨ２）、ビピリジン（Ｃ１０Ｈ８Ｎ２）との混合液を用いた。１５分間のメッキによりＴＳＶ用深孔３０４が埋め込まれた。その後、リンゴ酸とシリカ砥粒とを含む研磨剤を用いて配線基板３０１表面のＣｕを除去した。Ｃｕ膜厚は約０．５μｍであったので、ＣＭＰ時間は約３分であった。次いで既知のダイアモンド砥石を用いて配線基板３０１の裏面を研削し、１９０μｍの厚さとし、続いてシリカ砥粒を含むアルカリ性の研磨剤を用いて研削面の欠陥を除きつつ、深孔内３０４のＣｕ層３０７を露出させ、ＴＳＶ電極を完成させた。なお、配線基板３０１がｐ型の場合には、ＨＦと混合する有機溶媒はエチルアルコールよりもＤＭＦ（ジメチルホルムアミド；（ＣＨ３）２ＮＣＨＯ）を用いた方がより安定に深孔を形成できた。
【００２２】
（実施例２）
第二の実施例として、深い深孔を形成するために陽極酸化時に直流ではなく、パルス電流を加えた場合について説明する。本実施例では３５０μｍ深さの深孔３０４を形成した。図３（ａ）においては開口部３０３を形成するためのプラズマＣＶＤ法によるＳｉＮマスク層の厚さを１μｍと厚くした。配線基板３０１としては、実施例１と同様に抵抗率が５Ω・ｃｍのｎ型Ｓｉウェハを用いた。そこに様々な直径の開口部３０３を形成した。この様な厚いマスク層の場合、開口部３０３が直径３０μｍ以上程度で、その内部に正常に深孔３０４が形成された。
【００２３】
そこで、この様な厚いマスク層３０２を用いた場合に、さらに開口部３０３の直径を小さくするため、図２において直流の代わりに、パルス電流を加えた。パルス電流の振幅は１５０ｍＡ／ｃｍ２、その平均値は１００ｍＡ／ｃｍ２であった。平均の電流密度は実施例１とほぼ同じであったが、陽極酸化速度は約２０％低下した。９０分間の陽極酸化によって深さ３７０μｍの深孔を形成した。この様なパルス電流を加えた場合には深孔３０４の深さの開口部３０３寸法依存性はほぼ解消された。次に電解液を硫酸の３０％希釈液に変更し、深孔３０４の内側に対してＳｉＯ２を形成すべく陽極酸化を行った。なおこの実施例においては深孔３０４間のＳｉは全て酸化されてＳｉＯ２となった。以後は実施例１と同様な工程を経て、ＴＳＶ電極を完成させた。
【００２４】
（実施例３）
本実施例ではマスク層３０２の材料を変更して形成した場合を説明する。本実施例ではマスク層３０２の材料としてＳｉＮではなくて、厚さ０．４μｍのＴａ膜を用いた。Ｔａ膜の形成には公知のスパッタリング法を用いた。フッ素を含むガスによるドライエッチングによって開口部３０３を形成後、実施例１と同様に直流電流を加えて約２００μｍ深さの深孔３０４を形成した。なおこの陽極酸化過程では、マスク層３０２の表面も若干酸化・エッチングされて、陽極酸化の終了時には厚さが０．１μｍ程度に減少し、開口部３０３の寸法も１μｍ程度増加していたが、実用上の問題はなかった。深孔３０４の形成後は実施例１と同様に深孔側壁の酸化からＣｕ埋め込みまでを行い、その後に表面のＣｕとマスクＴａ層とをＣＭＰ除去した。Ｔａ層の除去には市販のＴａ用研磨剤を用いた。その後に裏面の研削と研磨とを行い、ＴＳＶ電極を完成させた。
【００２５】
（実施例４）
本実施例では抵抗率が０．０４−０．０６Ω・ｃｍのｎ型シリコン基板に陽極酸化処理を施すことで、孔径０．１μｍ以下からなるＴＳＶ電極用細孔基板を完成出来た。
【００２６】
陽極酸化条件は、ＨＦ（５５％）とエチルアルコールが体積比１：２の液を電解液とし、直流の電流密度は１２ｍＡ／ｃｍ２、試料表面に垂直方向に磁場１．９Ｔを印加し、暗条件下で１０分間陽極酸化により深孔を形成した。この場合、孔径は実施例１の直径約１μｍとは異なり、直径約０．０６μｍであった。また、この孔径領域で形成される深孔は基板の伝導型や比抵抗の変化による陽極酸化条件の変動が少ないことがわかった。これは、シリコン結晶の陽極酸化による鑽孔において、おおよそ孔径が０．０１μｍ以下、０．０１μｍ−０．３μｍ、および０．３μｍ以上で、鑽孔機構がことなることを見つけ、その結果、本実施例では０．０１μｍ−０．３μｍの領域に該当し、電極界面の広がりが抑制されたと理解できた。これに対し、実施例１の直径１μｍの場合は電極界面の広がりが大きく、基板の伝導型や比抵抗の変化による陽極酸化条件の変動も大きいことがわかった。本実施例は、実施例１に比べて、低電流で、高密度のＴＳＶ電極を形成する場合に適している。
【符号の説明】
【００２７】
１０１、２０１、３０１・・・配線基板
１０２、３０２・・・マスク層
１０３、３０３・・・開口部
１０４、３０４・・・深孔
１０５、３０５・・・側壁の絶縁層
１０６、３０６・・・バリアメタル層
１０７、３０７・・・Ｃｕ層
１０８・・・裏面Ｃｕ層
２０９・・・対向電極
２１０・・・電解液
２１１・・・導電体電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２個以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、同一電位にある、２個以上の孔を形成する場合に、それらの２個以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２個以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後、裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項２】
配線基板において、少なくとも２個以上の異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項３】
配線基板において、すべての異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項４】
配線基板において、電気的に並列接続を形成する接続孔の少なくとも２個は、同一のホト工程で規定される領域内に形成される事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項５】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径よりも小さくする事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項６】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径の２分の１以下とする事を特徴とする請求項５に記載の配線基板の製造方法。
【請求項７】
当該貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層を設ける事を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項８】
基体の材料としてシリコンを主として構成されているものを用いる事を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項９】
シリコンからなる基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子を形成する事を特徴とする請求項８に記載の配線基板の製造方法。
【請求項１０】
貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、１０μｍ以下とする事を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１１】
貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下とする事を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１２】
陽極酸化法を用いて深孔を形成するにあたり、配線基板と実質的に垂直な向きの、強さが０．１テスラ以上の磁場を加える事を特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１３】
配線基板表面に基体よりも酸化もしくはエッチングされにくい材料からなるマスク層を形成する工程、所定の位置に個々の深孔の直径よりも大きなマスク層の開口部を形成する工程を含む事を特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１４】
陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素酸と有機溶媒とを含むものを用いる事を特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１５】
陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後に酸化性の電解液を用いて陽極酸化処理を行って深孔の内面に基体の酸化物の層を形成する事を特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１６】
陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後にアンモニアを含むプラズマに配線基板をさらして、貫通孔の内壁にシリコンの窒化物の層を形成する事を特徴とする請求項１ら１５のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１７】
貫通電極を形成するにあたり、電極内にＣｕを埋め込む方法として無電界メッキ法を用いる事を特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１８】
配線基板の裏側から研削によって配線基板を削って所定の厚さまで薄くし、深孔とその内部のＣｕとを露出させる工程を含む事を特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１９】
配線基板に加える電圧の平均値が正である交流電圧もしくはパルス電圧を用いる事を特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項２０】
基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている事を特徴とする配線基板。
【請求項２１】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径よりも小さい事を特徴とする請求項２０に記載の配線基板。
【請求項２２】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径の２分の１以下である事を特徴とする請求項２１に記載の配線基板。
【請求項２３】
貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層が構成されている事を特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２４】
基体の材料がシリコンを主として構成されている事を特徴とする請求項２０から２３のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２５】
シリコン基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子が形成されている事を特徴とする請求項２４に記載の配線基板。
【請求項２６】
貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２７】
貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載の配線基板。
【請求項１】
基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２個以上の電極が電気的に並列に接続されている配線基板の製造方法であって、同一電位にある、２個以上の孔を形成する場合に、それらの２個以上の孔を含む領域より大きいサイズのマスクパターンを利用してそれらの２個以上の孔を陽極酸化法を含む自己組織的穴明けプロセスにより所定の深さ以上の孔を形成した後、裏面から基体を削って、孔を裏面に露出させて貫通孔とする事を特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項２】
配線基板において、少なくとも２個以上の異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項３】
配線基板において、すべての異電位の貫通電極が、それぞれ２個以上の並列接続を有する事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項４】
配線基板において、電気的に並列接続を形成する接続孔の少なくとも２個は、同一のホト工程で規定される領域内に形成される事を特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
【請求項５】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径よりも小さくする事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項６】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さを当該貫通孔の直径の２分の１以下とする事を特徴とする請求項５に記載の配線基板の製造方法。
【請求項７】
当該貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層を設ける事を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項８】
基体の材料としてシリコンを主として構成されているものを用いる事を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項９】
シリコンからなる基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子を形成する事を特徴とする請求項８に記載の配線基板の製造方法。
【請求項１０】
貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、１０μｍ以下とする事を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１１】
貫通孔の直径を０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下とする事を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１２】
陽極酸化法を用いて深孔を形成するにあたり、配線基板と実質的に垂直な向きの、強さが０．１テスラ以上の磁場を加える事を特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１３】
配線基板表面に基体よりも酸化もしくはエッチングされにくい材料からなるマスク層を形成する工程、所定の位置に個々の深孔の直径よりも大きなマスク層の開口部を形成する工程を含む事を特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１４】
陽極酸化に用いる電解液としてフッ化水素酸と有機溶媒とを含むものを用いる事を特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１５】
陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後に酸化性の電解液を用いて陽極酸化処理を行って深孔の内面に基体の酸化物の層を形成する事を特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１６】
陽極酸化によって所定の深さまでの深孔を形成し、必要に応じて配線基板の洗浄処理を行い、しかる後にアンモニアを含むプラズマに配線基板をさらして、貫通孔の内壁にシリコンの窒化物の層を形成する事を特徴とする請求項１ら１５のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１７】
貫通電極を形成するにあたり、電極内にＣｕを埋め込む方法として無電界メッキ法を用いる事を特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１８】
配線基板の裏側から研削によって配線基板を削って所定の厚さまで薄くし、深孔とその内部のＣｕとを露出させる工程を含む事を特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項１９】
配線基板に加える電圧の平均値が正である交流電圧もしくはパルス電圧を用いる事を特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
【請求項２０】
基体の主表面からその反対側裏面の両面に貫通する複数の貫通孔を備え、それらの孔が実質的に金属で埋められて貫通電極とされており、それらの内の少なくとも２以上の電極が電気的に並列に接続されている事を特徴とする配線基板。
【請求項２１】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径よりも小さい事を特徴とする請求項２０に記載の配線基板。
【請求項２２】
最隣接貫通孔相互を隔てる基体の最も薄い部分の厚さが当該貫通孔の直径の２分の１以下である事を特徴とする請求項２１に記載の配線基板。
【請求項２３】
貫通孔の内壁の少なくとも一部に絶縁層が構成されている事を特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２４】
基体の材料がシリコンを主として構成されている事を特徴とする請求項２０から２３のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２５】
シリコン基体の少なくとも主表面に複数の半導体素子が形成されている事を特徴とする請求項２４に記載の配線基板。
【請求項２６】
貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載の配線基板。
【請求項２７】
貫通孔の直径が０．０１μｍ以上、０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載の配線基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２５３３３３（Ｐ２０１２−２５３３３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０７８８２（Ｐ２０１２−１０７８８２）
【出願日】平成２４年５月９日（２０１２．５．９）
【出願人】（５０３１１４１６１）株式会社カンタム１４ (12)
【出願人】（５０２０８５３９６）
【出願人】（５１１１１２６３０）ティーイーアイソリューションズ株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月９日（２０１２．５．９）
【出願人】（５０３１１４１６１）株式会社カンタム１４ (12)
【出願人】（５０２０８５３９６）
【出願人】（５１１１１２６３０）ティーイーアイソリューションズ株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]