JP2005294534A - 貫通電極構造、半導体基板積層モジュールおよび貫通電極形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気信号の反射や、電気信号の波形が乱れを防ぐことができ、不要輻射を無くすことができ、さらに、半導体装置を小型化および高密度化することができる貫通電極構造、半導体基板積層モジュールおよび貫通電極形成方法を提供する。
【解決手段】貫通電極構造は、素子を搭載すべき主面１ａを有する半導体基板１を備えている。半導体基板１には、主面１ａから裏面１ｂまで貫通する貫通穴２を形成している。貫通穴２には、導体４および誘電体層７，８の一部が入っている。貫通穴２の主面１ａ側の開口部の一部には凸曲面２ａを形成し、貫通穴２の主面１ａ側の開口部の他の一部には略直角部２ｄを形成している。半導体基板１には導体４，５，６および誘電体層７，８，９を形成していて、導体４，および誘電体層７，８の一部が貫通穴２内に入っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、動作周波数が数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚである半導体装置等に使用される貫通電極構造に関する。

近年、ＬＳＩ（大規模集積回路）の集積度の向上に伴い、動作周波数が高くなっている。汎用プロセッサのクロック周波数は、２ＧＨｚを越えるようになっている。

携帯電話や携帯情報機器に代表される電子機器および装置の小型化、軽量化の要求に伴って、半導体装置の小型化および高密度化が進められている。半導体装置を小型化および高密度化する方法としては、例えば特開平１０−２２３８３３号公報（特許文献１）に開示されている。上記公報では、複数の半導体基板を縦に積み重ねる積層構造を半導体装置に用いている。上記半導体装置においては、上下方向において隣接する半導体基板間の距離が数十〜数百μｍ程度と短くしている。

ところで、半導体装置の動作周波数を高くした場合、回路中の電気信号の伝播に対しても特別な配慮が必要となる。すなわち、上記電気信号は波としての性質が強くなり、電磁波としての取り扱いが必要である。直流回路や低周波数の交流回路のように、単に導体がつながっていればよいというのではなく、電気信号を正しく伝播させるためにインピーダンスマッチングが必要であり、経路の環境を変えないようにしながら配線していく必要がある。

しかし、上記特許文献１の半導体装置では、半導体基板上の平面配線部と、半導体基板を貫通する貫通電極とが直角交わる構造を採っているため、平面配線部と貫通電極との接続部で電気信号の波形が乱れたり、その接続部で電気信号が反射されたりするという問題が発生する。さらに、上記接続部によって、電気信号のエネルギーの一部が不要輻射として周囲に放射される問題も発生する。

また、上記特許文献１の半導体装置では、ある平面配線部と、この平面配線部に上下方向において隣り合う平面配線部との距離が近くなっているため、平面配線と貫通電極とが直角に交わる構造は、電磁障害として、装置内部での回路の誤動作を引き起こしてしまう。

言うまでもないが、上記問題は、複数の半導体基板を有する積層構造の半導体装置に限らず、貫通電極を有する単一の半導体基板を有する半導体装置でも生じ、電子機器内部の他の回路に悪影響を及ぼす。

上記問題を解決できる技術としては、例えば特開昭６２−１０６６２９号公報（特許文献２）に開示されたものがある。この公報には、半導体基板を貫通する貫通穴の形成方法が記載されている。

以下、上記形成方法を用いて半導体基板に貫通穴を形成する場合について説明する。

まず、図１１（ａ）に示すように、半導体基板１０１の表面上にフォトレジスト膜１０２を形成する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１０２に、貫通穴を形成するための開口部１１１を形成する。

次に、上記半導体基板１０１に、ドライエッチングによる等方性エッチングを施す。上記半導体基板１０１がＳｉからなる場合、例えばＳＦ₆（六フッ化硫黄）ガスを用いてプラズマを生成し、図１１（ｂ）に示す半導体基板１０１をそのプラズマにさらす。そうすると、上記半導体基板１０１においてサイドエッチングが進み、図１１（ｃ）に示すように、開口部１１１より幅が広い穴１１２が半導体基板１０１に形成される。

次に、上記半導体基板１０１に、ドライエッチングによる異方性エッチングを施す。上記半導体基板１０１がＳｉからなる場合、例えばＣＣｌ₄（四塩化炭素）ガスを用いてプラズマ生成し、そのプラズマに図１１（ｂ）に示す半導体基板１０１をさらすことで、半導体基板１０１の表面に対して垂直方向のエッチングを行う。そうすると、上記半導体基板１０１に、図１１（ｄ）に示す穴１１３が形成される。この穴１１３は、幅広の上部と、この上部に連なる幅狭の下部とからなっている。

次に、上記フォトレジスト膜１０２を除去した後、半導体基板１０１の裏面を研磨すると、図１１（ｅ）に示す貫通穴１１４が得られる。

図１２に、上記貫通穴１１４を用いた半導体装置の模式断面図を示す。

上記半導体装置では、バンプ電極１４０、導体１５０および誘電体層１７０，１７１，１７２を半導体基板１０１に形成している。これにより、上記導体１５０および誘電体層１７０の一部が貫通穴１１４内に入って貫通電極を形成する。この貫通穴１１４の図中上側の開口部には傾斜部１１２が形成されているから、導体１５０において直角に屈曲する部分が無くなっているように見える。

しかしながら、上記傾斜部１１２の表面は凹状に湾曲しているため、導体１５０には直角に近い角度で屈曲する部分があって、上記問題を解決することができない（図１１（ｃ）〜図１１（ｅ）参照。）。

上記傾斜部１１２の表面は凹状に湾曲するのは、ドライエッチングの等方性を利用するため、フォトレジスト膜の開口端から、深さ方向にも横方向にも等距離だけエッチングが進んでいくからである。

また、上記傾斜部１１２を形成するために等方性エッチングを行うと、エッチングが等方的に進むため、半導体基板１０１上に無駄な領域１１５が生じてしまう。この領域１１５には半導体素子や配線を形成することができないため、領域１１５が存在することは半導体装置の小型化および高密度化の目的にそぐわず、そのような領域１１５は排除することが望まれている。また、このような領域１１５上に跨る配線を形成すると、配線の断面形状が屈曲してしまい、その配線は電気特性上好ましくない。
特開平１０−２２３８３３号公報 特開昭６２−１０６６２９号公報

そこで、本発明の課題は、電気信号の反射や、電気信号の波形が乱れを防ぐことができ、不要輻射を無くすことができ、さらに、半導体装置を小型化および高密度化することができる貫通電極構造、半導体基板積層モジュールおよび貫通電極形成方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の発明の貫通電極構造は、
素子を搭載すべき主面を有する半導体基板と、
上記主面から上記半導体基板の裏面まで貫通する貫通穴と、
この貫通穴内に形成され、少なくとも導体を含む貫通電極と、
この貫通電極に接続された配線と
を備え、
上記貫通穴の上記主面側または上記裏面側の少なくとも一方の開口部の一部に、上記主面に対して傾斜する傾斜面が形成され、
上記開口部の他の一部に略直角部が形成され、
上記傾斜面上に上記配線の一部が形成されていることを特徴としている。

上記構成の貫通電極構造によれば、上記開口部の一部に、半導体基板の主面に対して傾斜する傾斜面が形成されているから、貫通電極と配線との接続部が凹形状になるのを防ぐことができる。つまり、上記接続部が半導体基板側に凹むのを防ぐことができる。したがって、上記接続部で電気信号が反射されたり、接続部で電気信号の波形が乱れたりするのを防ぐことができ、接続部から発生する不要輻射を無くすことができる。

また、上記開口部の他の一部に略直角部が形成されているから、半導体基板上の無駄な領域を少なくすることができる。したがって、上記半導体基板上の無駄な領域が少ないから、半導体基板の主面上に多くの素子や配線を形成することができる。つまり、上記素子や配線を高密度化することができる。

また、上記貫通電極構造を電子機器内の半導体装置に用いることにより、電子機器内での電磁障害を無くすことができる。

一実施形態の貫通電極構造では、上記傾斜面は凸曲面である。

上記実施形態の貫通電極構造によれば、上記傾斜面を凸曲面にすることにより、貫通電極と配線とを滑らかに接続することができる。したがって、上記貫通電極と配線との接続部で電気信号が反射されたり、接続部で電気信号の波形が乱れたりするのを防ぐ効果が高まる。

一実施形態の貫通電極構造は、上記開口部の縁の形状は多角形状である。

一実施形態の貫通電極構造は、上記配線は上記開口部の縁の一辺に接続されている。

第２の発明の半導体基板積層モジュールは、上記第１の発明の貫通電極構造が形成された複数の半導体基板を備え、
上記複数の半導体基板は積み重ねられていることを特徴としている。

上記構成の半導体基板積層モジュールによれば、上記貫通電極構造が形成された複数の半導体基板を積み重ねていることによって、同一モジュール内で上下方向に隣接した回路間の不要輻射や電磁障害を阻止できるから、安定動作を実現することができる。

第３の発明の貫通電極形成方法は、
素子を搭載すべき主面を有する半導体基板を用いて、上記主面から上記半導体基板の裏面まで貫通する貫通穴内に、少なくとも導体を含む貫通電極を形成する貫通電極形成方法であって、
上記半導体基板上に金属膜を形成する第１工程と、
上記金属膜の一部をエッチング除去することにより、第１開口部を有する金属マスクを形成する第２工程と、
上記半導体基板および上記金属膜に感光性樹脂を塗布する第３工程と、
上記感光性樹脂をパターニングすることにより、上記第１開口部の一部に一部が重なる第２開口部を有する樹脂マスクを形成する第４工程と、
上記第２開口部から露出している上記金属マスクを除去する第５工程と、
上記主面に対して略垂直な側面を持つ穴を上記半導体基板に形成する第６工程と、
上記半導体基板および上記樹脂マスクの両方に対してエッチング可能なエッチング手段を用いて、上記半導体基板および上記樹脂マスクの一部をエッチング除去する第７工程と
を備えたことを特徴としている。

上記構成の貫通電極形成方法によれば、まず、上記半導体基板上に金属膜を形成した後、金属膜の一部をエッチング除去することにより、第１開口部を有する金属マスクを形成する。

次に、上記半導体基板および金属膜に感光性樹脂を塗布した後、その感光性樹脂をパターニングすることにより、第１開口部の一部に一部が重なる第２開口部を有する樹脂マスクを形成する。そうすると、上記樹脂マスクの一部が半導体基板に接触し、樹脂マスクの第２開口部の残りの部分は金属マスクに接触する。また、上記樹脂マスクの第２開口部の壁面は、半導体基板の表面に対して完全な垂直になっておらず、その表面に対して傾斜している。つまり、上記樹脂マスクの第２開口部の縁部には、半導体基板の表面に対して傾斜する傾斜面が形成されている。

次に、上記第２開口部から露出している金属マスクを除去する。

次に、上記主面に対して略垂直な側面を持つ穴を上記半導体基板に形成する。上記穴の形成は、例えば、半導体基板のエッチングが可能で樹脂マスクがエッチングされることは最小限に抑えられるエッチング方法を選択することが望ましい。これにより、上記穴を深くすることができる。

次に、上記半導体基板および樹脂マスクの両方に対してエッチング可能なエッチング手段を用いて、半導体基板および樹脂マスクの一部をエッチング除去する。

その結果、上記半導体基板と樹脂マスクとが接触している箇所において、樹脂マスクの第２開口部の縁部の傾斜面が半導体基板に転写されるから、穴の開口部の一部には、上記主面に対して傾斜する傾斜面が形成されると共に、その穴の開口部の他の一部には略直角部が形成される。

したがって、上記半導体基板を研磨することにより、開口部の一部に傾斜面が形成され、かつ、開口部の他の一部に略直角部が形成された貫通穴が得られる。

このように、上記貫通穴の開口部の一部に傾斜面を形成することができるから、貫通電極に例えば配線を接続しても、貫通電極と配線との接続部が凹形状になるのを防ぐことができる。つまり、上記接続部が半導体基板側に凹むのを防ぐことができる。したがって、上記接続部で電気信号が反射されたり、接続部で電気信号の波形が乱れたりするのを防ぐことができ、接続部から発生する不要輻射を無くすことができる。

また、上記貫通穴における開口部の他の一部に略直角部を形成することができるから、半導体基板上の無駄な領域を少なくすることができる。したがって、上記半導体基板上の無駄な領域が少ないから、半導体基板の主面上に多くの素子や配線を形成することができる。つまり、上記素子や配線を高密度化することができる。

また、上記貫通電極が形成された半導体基板を電子機器内の半導体装置に用いることにより、電子機器内での電磁障害を無くすことができる。

また、上記半導体基板および樹脂マスクの一部をエッチング手段で除去するとき、樹脂マスクが縮小しても、金属マスクはエッチング手段でエッチングされないから、穴の開口形状がエッチング中に変化するのを防ぐことができる。つまり、上記エッチング中において穴の開口形状を保つことができる。したがって、上記エッチング時間や、例えばプロセスチャンバ内の状態に依存することなく、半導体基板の表面に対して垂直で深い穴を形成することができる。つまり、上記半導体基板の表面に垂直な深掘り形状の穴を得ることができる。

また、上記樹脂マスクの第２開口部から露出している金属マスクを除去するから、樹脂マスクと金属マスクとを別個に製作する場合に想定される位置ずれの問題がなく、樹脂マスクの第２開口部の形状を半導体基板に確実に転写することができる。つまり、上記樹脂マスクの第２開口部と略同形状の開口部を有する穴を半導体基板に確実に形成することができる。

また、上記第７工程においてエッチング手段の一例としてドライエッチングを用いた場合、穴の開口部の一部に形成する傾斜面の形状の制御を容易かつ確実にすることができるから、常に略同一形状の傾斜面を容易に形成することができる。したがって、上記貫通電極の生産性を向上させることができる。

また、上記樹脂マスクの第２開口部の縁部に形成される傾斜面は、感光性樹脂の材料を選択することにより。上に凸形状とすることができる。つまり、上記傾斜面を凸曲面にすることもできる。

上記第６工程は、上述したように、第７工程を行う前に行ってもよいし、または、第７工程を行った後に行ってもよい。

上記第７工程を行った後に第６工程を行う場合、第７工程で形成された傾斜面を例えば保護層で被覆した後、第７工程を行う。このとき、上記第７工程で用いるエッチング手段は、その保護層を略エッチングしないものにする。

一実施形態の貫通電極形成方法では、上記樹脂マスクを形成した後、上記樹脂マスクに１００℃以上２００℃以下の加熱処理を行う。

上記実施形態の貫通電極形成方法によれば、上記樹脂マスクを形成した後、樹脂マスクに１００℃以上２００℃以下の加熱処理を行うことにより、第２開口部の縁部に、より大きな曲率を有する凸曲面を簡単に形成することができる。

一実施形態の貫通電極形成方法では、上記樹脂マスクを形成した後、上記樹脂マスクを有機溶媒の蒸気にさらす。

上記実施形態の貫通電極形成方法によれば、上記樹脂マスクを形成した後、樹脂マスクを有機溶媒の蒸気にさらすことにより、第２開口部の縁部に、より大きな曲率を有する凸曲面を簡単に形成することができる。

一実施形態の貫通電極形成方法では、上記金属膜はＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｆｅ、ＩｎおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含む。

上記実施形態の貫通電極形成方法によれば、上記金属膜はＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉの少なくとも１つを含むから、半導体基板および樹脂マスクの両方に対してエッチング可能なエッチング手段で侵されることがない。したがって、上記貫通穴にすべき穴を、半導体基板の表面に対して確実に垂直でより深くすることができる。

また、上記金属膜はＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｆｅ、ＩｎおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含むから、貫通穴にすべき穴の開口部の一部以外の部分に傾斜面または凸曲面が形成されるのをより確実に防ぐことができる。つまり、上記樹脂マスクの第２開口部の形状を転写すべきでない箇所の保護をより好適に行うことができる。

また、上記金属膜はＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｆｅ、ＩｎおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含むから、その金属膜のエッチングは容易に入手できる他のエッチング手段によって行うことができる。

一実施形態の貫通電極形成方法では、上記第７工程の上記エッチング手段は高速原子ビームである。

上記実施形態の貫通電極形成方法によれば、上記第７工程のエッチング手段は高速原子ビームであることによって、半導体基板と樹脂マスクとの選択比が１に近いエッチングを容易に行うことができる。したがって、上記樹脂マスクの第２開口部の形状を忠実に半導体基板に転写することができる。

また、上記半導体基板をチャンバ内に収容している場合、チャンバ内に導入するガス種を変更することにより、半導体基板と樹脂マスクとの選択比を僅かに１からずらせてエッチングすることも可能である。したがって、上記貫通穴にすべき穴の開口部の一部に形成する凸曲面の形状の微妙な制御が可能である。

第１の発明の半導体基板の貫通電極構造は、貫通穴の主面側または裏面側の少なくとも一方の開口部の一部に、その主面に対して傾斜する傾斜面を形成することによって、貫通電極と配線との接続部が凹形状になるのを防ぐことができるから、接続部で電気信号が反射されたり、接続部で電気信号の波形が乱れたりするのを防ぐことができ、接続部から発生する不要輻射を無くすことができる。

また、上記開口部の他の一部に略直角部が形成されていることによって、半導体基板上の無駄な領域を少なくすることができるから、半導体基板の主面上に多くの素子や配線を形成することができる。つまり、上記素子や配線を高密度化することができる。

第２の発明の半導体基板積層モジュールは、第１の発明の貫通電極構造が形成された複数の半導体基板を積み重ねていることによって、同一モジュール内で上下方向に隣接した回路間の不要輻射や電磁障害を阻止できるから、誤動作を防止することができる。

第３の発明の貫通電極形成方法は、半導体基板上に金属マスクおよび樹脂マスクを形成するという条件の下、半導体基板および樹脂マスクの両方に対してエッチング可能なエッチング手段を用いて、半導体基板および樹脂マスクの一部をエッチング除去するから、開口部の一部には傾斜面が形成され、かつ、開口部の他の一部には略直角部が形成された穴を半導体基板に形成することができる。

したがって、上記半導体基板を研磨することにより、開口部の一部に傾斜面が形成され、かつ、開口部の他の一部に略直角部が形成された貫通穴を得ることができる。

このように、上記貫通穴の開口部の一部に傾斜面を形成することができるから、貫通電極に例えば配線を接続しても、貫通電極と配線との接続部が凹形状になるのを防ぐことができる。したがって、上記接続部で電気信号が反射されたり、接続部で電気信号の波形が乱れたりするのを防ぐことができ、接続部から発生する不要輻射を無くすことができる。

また、上記開口部の他の一部に略直角部を形成することができるから、半導体基板上の無駄な領域を少なくすることができる。したがって、上記半導体基板上の無駄な領域が少ないから、半導体基板の主面上に多くの素子や配線を形成することができる。つまり、上記素子や配線を高密度化することができる。

以下、本発明の半導体基板の貫通電極構造を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態の半導体基板の貫通電極構造が形成された半導体基板１の模式断面図を示す。

上記貫通電極構造はＳｉからなる半導体基板１を備え、この半導体基板１の主面１ａには素子（図示せず）を搭載する。上記半導体基板１には、主面１ａから裏面１ｂまで貫通する略四角筒形状の貫通穴２を形成している。また、上記半導体基板１には、導体４，５，６，１０、誘電体層７，８，９，１１およびバンプ電極１２，１３，１４を形成している。また、上記半導体基板１は、島形状に形成されたアイランド部１ｃを有している。上記導体４，５，６の半導体基板１上の部分と、誘電体層７，８，９の半導体基板１上の部分とが配線の一例を構成している。この配線の一例は同軸配線構造を有している。また、上記導体４の貫通穴２内の部分と、誘電体層７，８の貫通穴２内の部分とが貫通電極の一例を構成している。

上記導体４の部分４ａ，４ｂは、誘電体７と貫通穴２の外周壁面２ｂとの間の隙間を埋めている。また、上記導体４の部分４ａ，４ｂは、貫通穴２の外周壁面２ｂに略等しく形成されている。そして、上記導体４の部分４ａ，４ｂの各部は略同じ厚さになっている。そして、上記導体４の部分４ａは貫通穴２の内周壁面（アイランド部１ｃの側面）２ｃに接触している一方、導体４の部分４ｂは貫通穴２の外周壁面２ｂに接触している。つまり、上記導体４の部分４ａは貫通穴２内の空間における内側の部分を埋めている一方、導体４の部分４ｂは貫通穴２内の空間における外側の部分を埋めている。また、上記導体４の他の部分４ｃ，４ｄ，４ｅは半導体基板１の主面１ａ上に形成されている。上記導体４の他の部分４ｃ，４ｅはグランド配線の一部となり、導体４の他の部分４ｄは信号線の一部となっている。

上記貫通穴２の主面１ａ側の開口縁の一辺を有する部分には凸曲面２ａが形成されている。また、上記開口縁の他の辺を有する各部分には略直角部２ｄが形成されている（図２参照）。つまり、上記開口縁の他の辺においては、主面１ａが外周壁面２ｂに略直角に交わっている。上記開口縁とは半導体基板１の主面１ａにおいて貫通穴２を定義している線である。

上記導体４の凸曲面２ａ近傍の部分（凸曲面２ａに対向する部分）と、誘電体層７の凸曲面２ａ近傍の部分（凸曲面２ａに対向する部分）とは、凸曲面２ａに沿って緩やかに湾曲して素子へ延びている。

図２に、上記半導体基板１を斜め上方から見た模式図を示す。図２では、上記半導体基板１以外の構成部の図示は省略している。なお、図２のＩ−Ｉ線から見た模式断面図が図１である。

上記貫通穴２の主面１ａ側の開口縁の形状は略長方形状となっている。この開口縁において配線を引き出す方向側に凸曲面２ａが形成されている。なお、図２において、Ａは配線の引き出し方向を示す矢印である。つまり、上記矢印Ａが示す方向に向って、導体４，５，６および誘電体層７，８，９が延びている。

上記構成の貫通電極構造によれば、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁の一辺に接続する凸曲面２ａを形成することによって、導体４および誘電体層７の一部も貫通穴２の凸曲面２ａに沿って緩やかに湾曲させることができる。その結果、上記導体４および誘電体層７を用いて伝播する信号が凸曲面２ａ近傍で反射せず、その信号の波形が凸曲面２ａ近傍で乱れず、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁近傍における不要輻射を無くすことができる。

また、上記貫通穴２の主面１ａ側の開口縁の一辺のみに凸曲面２ａが形成されているから、図１０で示したような無駄な領域が半導体基板１上に発生しない。したがって、上記半導体基板１を半導体装置に用いることにより、半導体装置を高密度化することができる。

以下、図３〜図６を用いて、上記貫通穴２の形成方法について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１にすべき半導体基板２１上に金属膜２２を形成する。上記金属膜２２は金属蒸着法やスパッタ法等で形成してもかまわない。本実施形態においては、ＲＦ（無線周波）スパッタ法を用いて、厚さ２００ｎｍのＣｒ（クロム）金属膜を金属膜２２として形成する。

上記金属膜２２の材料としては、Ｃｒの他に、Ａｌ（アルミ）、Ａｕ（金）、Ｆｅ（鉄）、Ｉｎ（インジウム）およびＮｉ（ニッケル）や、これらを含む材料などがあるがこれらに限られない。つまり、上記半導体基板１をエッチングするためのエッチングガスまたはエッチング液に対して耐性のある材料は金属膜２２の材料として用いることができる。本実施形態では、半導体基板１をＳＦ₆でエッチングするので、上述した材料のいずれでもかまわないが、材料自体の価格や膜形成の容易さ、その膜自体のエッチング除去容易性などの観点から、ＣｒまたはＡｌなどが望ましい。

次に、上記金属膜２２上にフォトレジスト膜を塗布してパターニングした後、エッチングを行って、図３（ｂ）に示すように、開口部２３を有する金属膜３２を形成する。本実施形態においては、硝酸第二セリウム・アンモニウムと過塩素酸とを蒸留水に溶かした液を用いたウエットエッチングにより金属膜３２を形成する。上記金属膜３２が金属マスクの一例であり、開口部２３が第１開口部の一例である。

図６に、図３（ｂ）の半導体基板１を上方から見た模式図を示す。図６の二点鎖線Ｌ１が、後に形成される貫通穴２の内周壁面２ｃを示している。また、図６の二点鎖線Ｌ２は貫通穴２の外周壁面２ｂを示している。

図６から判るように、開口部２２の一部と、貫通穴２が形成される領域の一部とが重なっている。この重なり量Ｂは０であってもよいが、実際には、上記貫通穴２の形成位置を定義するパターニング膜は後で形成されるので、そのパターニング膜の形成時のアライメント誤差を許容する程度の量に重なり量Ｂを設定するのが望ましい。本実施形態においては、上記重なり量Ｂが４μｍとなるようなマスクを用いて開口部２２を形成している。

また、図６の幅Ｃは、後で形成するパターニング膜の端部の曲率や、上述と同様のアライメント誤差を考慮して設定されている。本実施形態においては、幅Ｃを１５μｍに設定している。また、上記開口部２３を上方から見た形は長方形である。この長方形の長辺の長さは、二点鎖線Ｌ１，Ｌ２で形成された長方形であり、Ｉ−Ｉ線に直交する方向が長辺になっている。この長方形の長辺の長さは、二点鎖線Ｌ１で形成された長方形の長辺以上の長さであればよい。より望ましくは、二点鎖線Ｌ２で形成された長方形の長辺の長さに一致させるとよい。Ｌ２で形成された長方形の長辺に一致させると貫通穴２の辺１つを完全に凸曲面２とすることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、上記半導体基板２１および金属膜３２の表面に感光性樹脂２４を塗布した後、露光、現像を行うことにより、図４（ａ）に示すように、開口部２５，２６を有するパターニング膜３４を形成する。このパターニング膜３４は、上記貫通穴２の形成位置を定義するためのものである。つまり、上記開口部２５，２６を上方から見た形が、二点鎖線Ｌ１，Ｌ２で形成される形と一致する。本実施形態においては、パターニング膜３４の厚さを７μｍ程度に設定している。また、上記感光性樹脂２４の露光、現像の過程において、開口部２５，２６内に薄くレジスト残りがある場合があるので、酸素プラズマを用いた炭化装置を用いて数分の処理を行っている。上記パターニング膜３４が樹脂マスクの一例であり、開口部２６が第２開口部の一例である。

次に、上記パターニング膜３４をガラス転移温度以上の温度で加熱することにより、パターニング膜３４の角を取る。つまり、図４（ｂ）に示すように、端部に丸みを有するパターニング膜４４を形成する。上記パターニング膜３４は樹脂から形成されているので、ガラス転移温度以上の温度でパターニング膜３４を加熱することにより、パターニング膜３４の端部に一定の丸みが形成される。本実施形態においては、１４５℃設定のオーブン内にパターニング膜３４を１０分程度放置することで、図４（ｂ）の距離Ｄが１０μｍ程度になる丸みを得た。上記パターニング膜４４を得るための加熱処理は１００℃以上２００℃以下の範囲内で行うのが好ましい。

次に、上記パターニング膜４４をマスクとして用いて、金属膜３２のエッチングを行う。これにより、上記パターニング膜４４で覆われていない金属膜３２が除去されて、図４（ｃ）に示す金属膜４２が形成される。この金属膜４２を形成するためのエッチング方法としては、図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態へ変えるための工程と同様のもので十分である。つまり、上記金属膜４２は、硝酸第二セリウム・アンモニウムと過塩素酸とを蒸留水に溶かした液を用いたウエットエッチングで得られる。ここで、上記貫通穴２の形成位置を決めるためのパターニング膜４４を用いて金属膜３２のエッチングを行うため、アライメントの位置ずれが発生しないという効果が得られる。また、上記金属膜４２は、半導体基板２１のエッチング材料に侵されることがないので、後に行う、半導体基板２１の深堀り工程において、パターニング膜４４が縮小してもエッチングマスクとして十分に機能し、垂直な深堀りを実現させることができる。また、上記金属膜４２の開口部３３は、パターニング膜４４で覆われた部分を除くと、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁と略同じ大きさになるように形成している。これにより、後に行う、半導体基板２１とパターニング膜４４との同時エッチング工程においても、特定の方向のみのエッチングを許容して、半導体基板２１に直接接触しているパターニング膜４４の端部の丸みのみが半導体基板２１に転写されるので、凸曲面２ａをパターニング膜４４で形成することができる。

次に、上記半導体基板２１に深い穴を形成するための深堀り工程を行う。この深堀り工程では、ＳＦ₆ガスとＣ₄Ｆ₈ガスとを時間的に切り替えてプラズマ生成し、エッチングと成膜とを交互に繰り返しながら、穴を堀り進めるタイムモジュレーション法を用いる。このような深堀り工程を半導体基板２１に行うことによって、図５（ａ）に示すように、四角筒形状の穴２７が形成された半導体基板３１を得られる。上記深堀り工程では、パターニング膜４４の一部がエッチング除去されても、金属膜４２はＳＦ₆ガスでエッチング除去されないから、穴２７を半導体基板３１の主面に対して垂直に深くすることができる。上記タイムモジュレーション法がエッチング手段の一例である。

次に、上記半導体基板３１およびパターニング膜４４との両方に対してエッチングを行うと、半導体基板３１およびパターニング膜４４は図５（ｂ）示す半導体基板４１およびパターニング膜５４となる。この半導体基板４１には、凸曲面２ａを有する穴３７が形成されている。また、上記半導体基板４１を得るためエッチング方法としては、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法において、ＳＦ₆ガスと酸素ガスとを適切な割合で配合した配合ガスを用いたエッチング法がある。そのような配合ガスを用いることにより、少しずつパターニング膜４４を除去しながら半導体基板３１をエッチングしていくことができる。

本実施形態においては、ＦＡＢ（高速原子ビーム）を用いたエッチングで半導体基板４１を得ている。高速原子ビームは、ＲＩＥ法におけるイオンほどの反応性を持たないので、パターニング膜４４と半導体基
板３１とのエッチング比が１に近い状態でのエッチングが容易である。また、上記ＦＡＢを用いたエッチングでは、対象物との反応性を有するラジカルの照射も行われるので、導入するガスの調節により、選択比の微調整は可能である。すなわち、ＳＦ₆ガスの導入により、Ｓｉのエッチングレートを向上させることができ、酸素ガスの導入により、有機パターニング膜のエッチングレートを向上させることができる。本実施形態においては、ＳＦ₆ガスを１００％導入して高速原子ビームを生成することにより、図５（ｂ）に示す距離Ｅが５〜１０μｍ程度となる丸みが得られる。

次に、上記金属膜４２とパターニング膜４４とを除去すると、図５（ｃ）に示すようになる。

最後に、上記半導体基板４１の裏面側を研磨することにより、半導体基板４１の厚みを薄くしていくと、図１に示す貫通穴２，３が得られる。

上記貫通穴２，３が形成された半導体基板１に、導体４，５，６，１０、誘電体層７，８，９，１１およびバンプ電極１２，１３，１４を形成すると、図１に示すような貫通電極構造が得られる。

図７に、上記貫通電極構造を備えた半導体基板積層モジュールを斜め上方から見た模式図を示す。

上記半導体基板積層モジュールは、モジュール基板６０と、このモジュール基板６０上に積み重ねられた半導体基板６１〜６４とを備えている。この半導体基板６１〜６４のそれぞれに上記貫通電極構造が形成されている。

上記構成の半導体基板積層モジュールによれば、導体基板６１〜６４のそれぞれに上記貫通電極構造が形成されていることによって、貫通電極が凸曲面に沿って湾曲して平面配線部に接続されるので、今後の進展が進む電気信号の高速化に対しても、貫通電極と平面配線との接続部で信号が反射せず、その接続部で信号の波形が乱れず、その接続部による不要輻射を無くすことができる。

また、上記半導体基板積層モジュールにおいては、半導体基板６１〜６４どうしの距離も、数十〜数百μｍ程度と短く、信号の高速化に伴って信号どうしの干渉が懸念されるが、不要輻射がないために、電磁障害による動作不良が発生しない。したがって、上記半導体基板積層モジュールは、高密度化することができ、高速信号に対して安定動作することができる。

つまり、本発明の貫通電極構造が形成された複数の半導体基板を積み重ねることにより、高密度化され、かつ、回路の安定動作も保障されたＬＳＩモジュールを実現できる。

上記第１実施形態では、貫通穴の主面側の開口縁の一辺のみに接続する凸曲面を形成していたが、貫通穴の裏面側の開口縁の一辺のみに接続する凸曲面を形成してもよい。または、貫通穴の主面側の開口縁の一辺のみに接続する凸曲面を形成し、かつ、貫通穴の裏面側の開口縁の一辺のみに接続する凸曲面を形成してもよい。

上記第１実施形態では、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁の形状は四角形状であったが、円形状、三角形状や、五角形以上の多角形の形状にしてもよい。つまり、上記開口縁の形状は四角形状に限定されず、他の形状であってもよい。

上記第１実施形態では、導体と誘電体とで貫通電極を構成していたが、導体のみで貫通電極を形成してもよい。

上記第１実施形態では、略四角筒形状の貫通穴２を形成していたが、他の形状の貫通穴、例えば、円筒形状の貫通穴を形成してもよい。

上記第１実施形態では、貫通電極にバンプ電極を直接接続していたが、貫通電極に裏面配線を介してバンプ電極を接続してもよい。この場合、貫通穴２の裏面側の開口縁に、凸曲面２ａと同様の凸曲面５０ａを形成してもよい。

上記第１実施形態では、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁における一辺を有する部分に凸曲面２ａを形成し、かつ、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁における他の辺を有する部分に略直角部２ｄを形成していたが、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁における一辺を有する部分に、主面１ａに対して傾斜する略平面形状の傾斜面を形成し、貫通穴２の主面１ａ側の開口縁における他の辺を有する部分に略直角部２ｄを形成してもよい。

上記第１実施形態では、開口部２２の一部と、貫通穴２が形成される領域の一部とを重ねていたが、開口部２２の一部と、貫通穴２が形成される領域の一部とを連接させてもよい。

上記第１実施形態では、パターニング膜３４を加熱処理することにより、パターニング膜３４の端部に丸みを形成していたが、パターニング膜３４を有機溶媒中にさらすことにより、パターニング膜３４の端部に丸みを形成してもよい。上記有機溶剤は、感光性樹脂に含有されているものが好適であり、エチルセロソルブアセテートやプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどの酢酸塩類が望ましい。密閉した系内で、それらの有機溶剤と共にパターニング膜３４を加熱して放置し、密閉した系内の雰囲気にパターニング膜３４を数分から１０分程度さらすことにより、図４（ｂ）の距離Ｄを大きくすることができて、滑らかな曲率を有する丸みを得ることができる。

上記第１実施形態では、半導体基板の深堀り工程を行った後、半導体基板およびパターニング膜の両方をエッチング除去する工程を行っていたが、半導体基板およびパターニング膜の両方をエッチング除去する工程を行った後、半導体基板の深堀り工程を行ってもよい。

半導体基板およびパターニング膜の両方をエッチング除去する工程を行った後、半導体基板の深堀り工程を行う場合、そのエッチング除去する工程で形成された凸曲面を保護層で被覆した後、半導体基板の深堀り工程を行う。このとき、上記半導体基板の深堀り工程で用いるエッチング手段は、その保護層をあまりエッチングしないものにする。

また、上記パターニング膜３４の開口部２６の縁に凸曲面を形成するための加熱処理や有機溶媒処理は省いてもよいが、パターニング膜３４の開口部２６の縁により大きな曲率を有する凸曲面を形成する観点上、１００℃以上２００℃以下の加熱処理をパターニング膜３４に施したり、有機溶媒の蒸気にパターニング膜３４をさらしたりするのが望ましい。

上記第１実施形態では、半導体基板６１〜６４のサイズは同一にしていたが、異なるようにしてもよい。このように異なる半導体基板を積み重ねる場合、上下で隣り合う半導体基板間で電極位置が一致するようにしておく。上記電極位置が一致していれば、半導体基板の外形は特に限定されない。

また、上記モジュール基板２０は、配線のみを形成したインターポーザ的なものであってもよく、他の半導体チップであってもよく、通常のプリント配線基板などであってもよい。

（第２実施形態）
図８に、本発明の第２実施形態の貫通電極構造が形成された半導体基板５１を斜め上方から見た模式図を示す。図８では、上記半導体基板５１以外の構成部の図示は省略している。

本実施形態の貫通電極構造は、２本の信号線を１つの貫通穴に接続するためのものである。つまり、上記貫通電極構造は、２芯の同軸配線構造を有する配線と１つの貫通穴とを接続するときに用いる。上記配線は、グランド線と、このグランド線の中心に２本の信号線とを有している。

上記貫通電極構造は、島形状に形成された２つのアイランド部５１ｃ，５１ｄを有する半導体基板５１を備えている。上記半導体基板５１には、主面５１ａから裏面５１ｂまで貫通する貫通穴５０を形成している。この貫通穴５０は、半導体基板５１の主面５１ａ側から見ると、略日の字形状を有している。また、上記貫通穴５０の主面５１ａ側の開口縁の形状は、略正方形状、例えば２５μｍ角の正方形状に形成している。上記開口縁の一辺の有する部分には、凸曲面２ａと同様の凸曲面５０ａを形成している。また、上記開口縁の他の三辺を有する部分には略直角部５０ｄが形成されている。つまり、上記開口縁の他の三辺においては、半導体記憶装置５１の主面５１ａが貫通穴５０の外周壁面に略直角に交わっている。なお、図８においても、Ａは配線の引き出し方向を示す矢印である。

図示しないが、貫通穴５０内には、導体と誘電体とからなる貫通電極、または、導体のみからなる貫通電極を形成している。上記貫通穴５０内に、図１と同様に、導体と誘電体とからなる貫通電極を形成した場合、貫通穴５０の外周壁面に接触する導体がグランド線につながり、貫通穴５０の内周壁面（アイランド部５１ｃ，５１ｄの側面）に接触する導体が信号線につながる。

上記構成の貫通電極構造は、上記第１実施形態の貫通電極構造と同様の効果を奏する。

上記第２実施形態の貫通電極構造は、上記第１実施形態と同様に半導体基板積層モジュールに用いてもよい。

また、上記第２実施形態の貫通電極構造も、上記第１実施形態の形成方法と同様の方法で形成できることは言うまでもない。

（第３実施形態）
図９に、本発明の第３実施形態の半導体基板の貫通電極構造が形成された半導体基板７１の模式断面図を示す。

上記貫通電極構造はＳｉからなる半導体基板７１を備え、この半導体基板７１の主面７１ａには素子（図示せず）を搭載する。上記半導体基板７１には、主面１ａから裏面１ｂまで貫通する略四角柱形状の貫通穴２を形成している。また、上記半導体基板７１には、導体７３、絶縁膜７４、被覆絶縁膜７５，７６およびバンプ電極７７を形成している。上記導体７３の貫通穴７２内の部分が貫通電極の一例を構成している。また、上記導体７３の半導体基板７１上の部分が配線の一例を構成している。

上記貫通穴７２の主面７１ａ側の開口縁の一辺を有する部分には、半導体基板７１の主面７１ａに対して所定の角度の範囲内で傾斜する傾斜面７２ａが形成されている。この傾斜面７２ａは略平坦な平面からなっている。また、上記開口縁の他の辺を有する各部分には略直角部７２ｄが形成されている（図１０参照）。つまり、上記開口縁の他の辺においては、主面７１ａが貫通穴７２の壁面７２ｂに略直角に交わっている。

上記絶縁膜７４は半導体基板７１の主面７１ａと貫通穴７２の壁面７２ｂとを被覆し、また、被覆絶縁膜７６は半導体基板７１の裏面７１ｂを被覆している。

図１０に、上記半導体基板７１を斜め上方から見た模式図を示す。図１０では、上記半導体基板７１以外の構成部の図示は省略している。なお、図１０のIX−IX線から見た模式断面図が図９である。

上記貫通穴７２の主面７１ａ側の開口縁の形状は略長方形状となっている。この開口縁において配線を引き出す方向側に傾斜面７２ａが形成されている。また、上記貫通穴７２内にはアイランド部を形成していない。つまり、上記半導体基板７１は、上記第１，第２実施形態で説明したようなアイランド部を有していない。なお、図１０において、Ａは配線の引き出し方向を示す矢印である。つまり、上記矢印Ａが示す方向に向って、導体７３が延びている。

上記構成の貫通電極構造によれば、貫通穴７２の主面７１ａ側の開口縁の一辺に接続する傾斜面７２ａを形成することによって、導体７４の一部が略直角に屈曲したり、半導体基板７１側に凹状に窪んだりするのを防ぐことができる。その結果、上記導体７４を用いて伝播する信号が傾斜面７２ａ近傍で反射せず、その信号の波形が傾斜面７２ａ近傍で乱れず、貫通穴７２の主面７１ａ側の開口縁近傍における不要輻射を無くすことができる。

上記第３実施形態の貫通電極構造も、上記第１実施形態の形成方法と同様の方法で形成できることは言うまでもない。

上記第１実施形態の形成方法と同様の方法で傾斜面７２ａを形成する場合、例えば、図４において、パターニング膜３４をガラス転移点以上の温度において長時間保持すると距離Ｄが非常に大きな値となり、金属膜３２の開口部２３の一部に傾斜面を形成することができる。この傾斜面は、半導体基板２１の主面に対して斜めに傾斜する略平坦な平面である。上記金属膜３２の開口部２３の一部の断面形状は略直線状の部分を含んでいる。このようにするとパターニング膜４４の傾斜面と半導体基板２１の主面との角度は小さくなるが、エッチングの際のパターニング膜と半導体基板との選択比を半導体基板の方がより早くエッチングされるように設定することで４５°程度の斜面とすることができる。

本発明は、上記第１〜第３実施形態に限定されるわけではなく、様々な実施形態がある。また、本発明は、上記第１〜第３実施形態を適宜組み合わせたものであってもよい。

本発明の貫通電極構造では、貫通電極と、この貫通電極に接続する配線とを同一の材料で形成してもよいし、または、異なる材料で形成してもよい。

本発明の貫通電極構造では、貫通電極と、この貫通電極に接続する配線とを一体にしてもよいし、または、別体にしてもよい。

図１は本発明の第１実施形態の貫通電極構造が形成された半導体基板の模式断面図である。 図２は上記第１実施形態の半導体基板を斜め上方から見た模式図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は上記第１実施形態の貫通電極構造の貫通穴の形成方法を説明するための模式断面図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は上記第１実施形態の貫通穴の形成方法を説明するための模式断面図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は上記第１実施形態の貫通穴の形成方法を説明するための模式断面図である。 図６は上記第１実施形態の貫通穴の形成方法の一工程における半導体基板の模式上面図である。 図７は上記第１実施形態の貫通電極構造を備えた半導体基板積層モジュールを斜め上方から見た模式図である。 図８は本発明の第２実施形態の貫通電極構造が形成された半導体基板を斜め上方から見た模式図である。 図９は本発明の第３実施形態の貫通電極構造が形成された半導体基板の模式断面図である。 図１０は上記第３実施形態の半導体基板を斜め上方から見た模式図である。 図１１（ａ）〜（ｅ）は従来の貫通穴の形成方法を説明するための模式断面図である。 図１２は上記貫通穴内を用いた半導体装置の模式断面図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１，５１，６１，…，６４，７１ 半導体基板
１ａ，５１ａ，７１ａ 主面
１ｂ，５１ｂ，７１ｂ 裏面
２ｄ，５０ｄ，７２ｄ 略直角部
２，５０，７２ 貫通穴
２ａ，５０ａ 凸曲面
７２ａ 傾斜面
４，５，６，１０，７３ 導体
７，８，９，１１ 誘電体層
１２，１３，１４，７７ バンプ電極
２３，２５，２６，３３ 開口部
２２，３２，４２ 金属膜
２４ 感光性樹脂
２７，３７，２８ 穴
３４，４４，５４ パターニング膜
７３ 導体
７４ 絶縁膜
７５，７６ 被覆絶縁膜

Claims (10)

1. 素子を搭載すべき主面を有する半導体基板と、
   上記主面から上記半導体基板の裏面まで貫通する貫通穴と、
   この貫通穴内に形成され、少なくとも導体を含む貫通電極と、
   この貫通電極に接続された配線と
   を備え、
   上記貫通穴の上記主面側または上記裏面側の少なくとも一方の開口部の一部に、上記主面に対して傾斜する傾斜面が形成され、
   上記開口部の他の一部に略直角部が形成され、
   上記傾斜面上に上記配線の一部が形成されていることを特徴とする貫通電極構造。
2. 請求項１に記載の貫通電極構造において、
   上記傾斜面は凸曲面であることを特徴とする貫通電極構造。
3. 請求項１に記載の貫通電極構造において
   上記開口部の縁の形状は多角形状であることを特徴とする貫通電極構造。
4. 請求項３に記載の貫通電極構造において、
   上記配線は上記開口部の縁の一辺に接続されていることを特徴とする貫通電極構造。
5. 請求項１に記載の貫通電極構造が形成された複数の半導体基板を備え、
   上記複数の半導体基板は積み重ねられていることを特徴とする半導体基板積層モジュール。
6. 素子を搭載すべき主面を有する半導体基板を用いて、上記主面から上記半導体基板の裏面まで貫通する貫通穴内に、少なくとも導体を含む貫通電極を形成する貫通電極形成方法であって、
   上記半導体基板上に金属膜を形成する第１工程と、
   上記金属膜の一部をエッチング除去することにより、第１開口部を有する金属マスクを形成する第２工程と、
   上記半導体基板および上記金属膜に感光性樹脂を塗布する第３工程と、
   上記感光性樹脂をパターニングすることにより、上記第１開口部の一部に一部が重なる第２開口部を有する樹脂マスクを形成する第４工程と、
   上記第２開口部から露出している上記金属マスクを除去する第５工程と、
   上記主面に対して略垂直な側面を持つ穴を上記半導体基板に形成する第６工程と、
   上記半導体基板および上記樹脂マスクの両方に対してエッチング可能なエッチング手段を用いて、上記半導体基板および上記樹脂マスクの一部をエッチング除去する第７工程と
   を備えたことを特徴とする貫通電極形成方法。
7. 請求項６に記載の貫通電極形成方法において、
   上記樹脂マスクを形成した後、上記樹脂マスクに１００℃以上２００℃以下の加熱処理を行うことを特徴とする貫通電極形成方法。
8. 請求項６に記載の貫通電極形成方法において、
   上記樹脂マスクを形成した後、上記樹脂マスクを有機溶媒の蒸気にさらすことにより、上記第２開口部の縁に上記凸曲面を形成することを特徴とする貫通電極形成方法。
9. 請求項６に記載の貫通電極形成方法において、
   上記金属膜はＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｆｅ、ＩｎおよびＮｉのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする貫通電極形成方法。
10. 請求項６に記載の貫通電極形成方法において、
    上記第７工程の上記エッチング手段は高速原子ビームであることを特徴とする貫通電極形成方法。

Images