JP6889399B2 - 貫通電極基板 - Google Patents

Description

本開示は、貫通電極基板に関する。

近年の電子デバイスでは、配線基板に貫通電極基板を介して半導体チップが取り付けられた形態が多く用いられている。特許文献１には、ガラスを基板材料とする貫通電極基板が開示されている。

ＷＯ２００５／０３４５９４号

上述の貫通電極基板は、絶縁層を金属で挟み込んだ構造であるＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を有する。ＭＩＭ構造は、例えば、ＭＩＭキャパシタとして利用することができる。キャパシタの容量を設計する際、電極のパターンのサイズや誘電体の誘電率を調整することが考えられる。しかし、貫通電極基板上に高密度にＭＩＭ構造を形成する場合、電極のパターンのサイズに制約がある。また、従来、誘電体として窒化ケイ素（ＳｉＮ）層が用いられるが、窒化ケイ素は誘電率が高いため、誘電率の制御に関して自由度が小さい。

本開示は、キャパシタの容量を制御し易い構造を有する貫通電極基板を提供する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、第１面と前記第１面に対して反対の側の第２面とを有する基板と、前記第１面と前記第２面とを導通する貫通電極と、前記基板の前記第１面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第１導電層と、前記第１導電層の上に配置された第１絶縁層と、前記第１導電層と前記第１絶縁層との間に配置された中間層と、前記第１絶縁層の上に配置された第２導電層と、を備え、前記中間層が、チタン、ニッケル、及び、金の少なくとも１つを含む層であり、前記第１絶縁層が、炭素を含有する窒化ケイ素である、貫通電極基板が提供される。

本開示の技術によれば、キャパシタの容量を制御し易い構造を有する貫通電極基板を提供することができる。本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本開示の一実施形態に係るインターポーザーを示す概略断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本開示の一実施形態に係るＭＩＭ構造の概略断面図である。 本開示の一実施形態に係るＭＩＭ構造の概略断面図である。 本開示の一実施形態に係るＭＩＭ構造の概略断面図である。 サンプルのＸＰＳ測定結果である。

以下、図面を参照して本開示の一実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

本明細書等において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値のそれぞれを下限値及び上限値として含む範囲であることを意味する。

以下では、配線基板と半導体チップ等の間に配置されるインターポーザーの形態を用いて説明するが、これに限定されない。すなわち、以下の実施形態は、貫通電極基板として用いることもできる。ここで、貫通電極基板とは、配線基板と半導体チップ等の間に配置されるインターポーザーだけでなく、半導体チップ等を設置しないＩＰＤ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）等も含んでいる。この場合、上側及び下側の配線基板の一方が貫通電極と電気的に接続するように存在する態様となる。

図１は、本開示の一実施形態に係るインターポーザー１０を示す概略断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。インターポーザー１０は、例えば、絶縁層を金属で挟み込んだ構造であるＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を有する。ＭＩＭ構造は、ＭＩＭキャパシタとして利用することができる。この場合、第１導電層１２の一部が下部電極、第１絶縁層１４が誘電体層、第２導電層１５が上部電極となる。

インターポーザー１０は、第１面１１ａと第１面１１ａに対して反対の側の第２面１１ｂとを有する基板１１と、基板１１の第１面１１ａに配置された第１導電層１２と、第１導電層１２の上に配置された第１絶縁層１４と、第１導電層１２と第１絶縁層１４との間に配置された中間層１３と、第１絶縁層１４の上に配置された第２導電層１５とを備える。なお、第１導電層１２は、基板１１の第１面１１ａに直接配置されていてもよいし、導電性又は絶縁性の層を少なくとも１層を介して基板１１の第１面１１ａに配置されていてもよい。例えば、基板１１の第１面１１ａにエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂から選択される絶縁性樹脂を配置することにより、第１導電層１２と基板１１の熱膨張率の差により発生する応力を緩和することができる。

基板１１は、第１面１１ａと第２面１１ｂとを導通する貫通孔１６を有する。第１導電層１２は、貫通孔１６に形成された貫通電極１７を介して第２面１１ｂに配置された第４導電層２２に電気的に接続されている。貫通孔１６の形態は、図示に限らず、貫通孔１６は、基板１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂから基板１１の厚み方向の中央部に向かうにつれて幅が小さくなる形状であってもよいし、貫通孔１６の側壁は、基板１１の第１面１１ａの法線方向に沿って広がっていてもよいし、基板１１の第１面１１ａの法線方向に沿って狭まっていてもよいし、また、側壁の一部が湾曲した形状を有してもよい。基板１１に、エッチング加工、レーザ加工、レーザ加工とエッチング加工の組合せによる加工、サンドブラスト加工、放電加工、ドリル加工などを行うことにより、貫通孔１６が形成される。貫通電極１７は、図１の形態に限らず、貫通孔１６内に導電材料が充填された形態であってもよい。

基板１１の第１面１１ａ及び第２面１１ｂには、樹脂層２１が形成されている。基板１１の第１面１１ａにおいて、樹脂層２１は、ＭＩＭ構造を覆うように形成されている。樹脂層２１の第２導電層１５に対応する位置には、接続孔１８が設けられている。接続孔１８内には、導電部材１９が充填されている。また、樹脂層２１の表面２１ａには、第３導電層２０が形成されている。基板１１の第１面１１ａ側において、第２導電層１５は、導電部材１９、第３導電層２０、及びはんだボール２４を介して半導体チップ５０に接続されている。

基板１１の第２面１１ｂにおいて、樹脂層２１の第４導電層２２に対応する位置には、接続孔１８が設けられている。接続孔１８内には、導電部材１９が充填されている。また、樹脂層２１の表面２１ｂには、第５導電層２３が形成されている。基板１１の第２面１１ｂ側において、第４導電層２２は、導電部材１９、第５導電層２３、及びはんだボール２４を介して、配線基板４０に接続されている。

この構成によれば、インターポーザー１０と、基板１１の第１面１１ａ側に配置され、貫通電極１７と電気的に接続された半導体チップ５０と、基板１１の第２面１１ｂ側に配置され、貫通電極１７と電気的に接続された配線基板４０と、を有する半導体装置が提供される。本実施形態のインターポーザー１０によれば、狭端子ピッチの半導体チップ５０の、大型の配線基板（マザーボードなど）４０への実装が簡便化される。

基板１１として、ガラス基板、ガラスセラミックス基板、石英基板、サファイア基板、樹脂基板、ガラスエポキシ基板、シリコン基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）基板など、又は、これらが積層された基板を用いることができる。

好ましくは、基板１１は、ガラス基板である。一般にインターポーザーは、その縁に近い領域ほど熱変形による変位が大きくなる。ガラス基板を用いたインターポーザーの場合、この領域に対して、インターポーザーの上下に配置される配線基板等との熱膨張率の差を小さくするように対処できるという利点がある。

より好ましくは、基板１１として無アルカリガラスが用いられる。無アルカリガラスは、ソーダガラスとは異なりＮａ、Ｋなどのアルカリ成分を含まないので、ガラス表面にアルカリ成分が析出することがない。したがって、この態様では、インターポーザーに接続されるべき半導体チップの端子を腐食させる信頼性劣化要因が原理的に生じない利点がある。また、無アルカリガラスは、熱膨張率がシリコンのそれと同程度の大きさであり、接続される半導体チップとの関係で熱膨張率の点で整合性がよい。

上述の各導電層の材料として、金（Ａｕ）、Ａｇ（銀）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）等の導電性を有する材料が用いられる。なかでも導電性が高く、かつ材料コストの低い銅（Ｃｕ）を用いることが好ましい。また、第１導電層１２の厚みは０．５μｍ〜２０μｍが好ましく、第２導電層１５の厚みは０．５μｍ〜５μｍが好ましい。配線パターンについては、金属箔（例えば、Ｃｕ等）のエッチングによるサブトラクティブな形成のほか、導電性ペースト（例えば、金属ナノペースト等）の塗布や、めっきによる形成等のアディティブな形成を採用することもできる。

中間層１３は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び、金（Ａｕ）の少なくとも１つを含む層である。図２の例では、中間層１３は、チタン（Ｔｉ）である。チタン層の厚みは、２０ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは、５０ｎｍ〜１００ｎｍである。

本実施形態の第１絶縁層１４は、炭素（Ｃ）を含有する窒化ケイ素（ＳｉＮ）である。誘電体である第１絶縁層１４に炭素（Ｃ）が増えると、比誘電率が低くなり、キャパシタの容量を制御し易くなる。また、誘電体である第１絶縁層１４に炭素（Ｃ）が増えると、チタン（Ｔｉ）の中間層１３との密着性が高くなる。本実施形態において、第１絶縁層１４の厚みは、５０ｎｍ〜８００ｎｍであり、好ましくは、２００ｎｍ〜４００ｎｍである。

図２に示すように、第１絶縁層１４は、中間層１３の上面１３ｄと第２導電層１５との間に配置された第１絶縁部分１４ａと、第１絶縁部分１４ａから連続的に延びて中間層１３の側面１３ｅ及び第１導電層１２の側面１２ｂを覆う第２絶縁部分１４ｂと、第２絶縁部分１４ｂから連続的に延びて基板１１の第１面１１ａの少なくとも一部を覆う第３絶縁部分１４ｃとを有する。第１絶縁層１４の窒化ケイ素（ＳｉＮ）が炭素（Ｃ）を含有すると、第１絶縁層１４の第３絶縁部分１４ｃと基板１１との密着性も向上させることができる。

本開示の実施形態では、上述の導電層及び絶縁層の成膜プロセスとして、化学蒸着（ＣＶＤ）（例えば、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ））、物理蒸着（ＰＶＤ）（たとえば、スパッタリング又は蒸着）、又は電気めっきなどを使用することができる。また、導電層及び絶縁層のパターンを形成するために、フォトリソグラフィを使用することができる。また、導電層及び絶縁層の平坦化プロセスとして、エッチバック、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）などを使用することができる。

図３は、中間層１３の構成の別の例を示す。中間層１３は、第１導電層１２上のニッケル（Ｎｉ）の第１層１３−１と、第１層１３−１上に配置された金（Ａｕ）の第２層１３−２とから構成されてもよい。本実施形態において、ニッケル（Ｎｉ）の第１層１３−１の厚みは、１μｍ〜５．０μｍであり、金（Ａｕ）の第２層１３−２の厚みは、０．０５μｍ〜０．５μｍであることが好ましい。本例の中間層１３も、第１絶縁層１４との密着性が高いという特長がある。なお、図２の例と図３の例とを比較すると、中間層１３としてチタン（Ｔｉ）を使用した方がより密着性が高くなるため好ましい。

図４は、中間層１３の構成の別の例を示す。中間層１３は、第１導電層１２の上面１２ａと第１絶縁層１４の第１絶縁部分１４ａとの間に配置された第１部分１３ａと、第１部分１３ａから連続的に延びて第１導電層１２の側面１２ｂを覆う第２部分１３ｂと、第２部分１３ｂから連続的に延びて基板１１の第１面１１ａの少なくとも一部を覆う第３部分１３ｃとを有する。本例において、第１絶縁層１４の第２絶縁部分１４ｂは、中間層１３の第２部分１３ｂの少なくとも一部を覆うように配置され、第１絶縁層１４の第３絶縁部分１４ｃは、中間層１３の第３部分１３ｃの少なくとも一部を覆うように配置されている。この構成によれば、中間層１３が基板１１の第１面１１ａまで延びているため、第１絶縁層１４と基板１１の第１面１１ａとの密着性が向上する。

図５は、中間層１３及び第１絶縁層１４の構成の別の例を示す。第１絶縁層１４の第３絶縁部分１４ｃは、中間層１３の第３部分１３ｃの端部を覆い、かつ、基板１１の第１面１１ａの少なくとも一部を覆うように配置されてもよい。

次に、複数の窒化ケイ素（ＳｉＮ）層のサンプル１〜５を用意し、比誘電率及び密着性の評価を行った。各サンプル１〜５の層は、Ｓｉウェハ上に形成され、その層厚は、５００ｎｍである。サンプル１〜３は炭素（Ｃ）を含有しないサンプルであり、サンプル４〜５は炭素（Ｃ）を含有するサンプルである。

図６は、サンプル１〜５に対して、ＥＳＣＡ−３４００（島津製作所製）を用いてＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定を行って得られた各サンプル１〜５の定量値である。測定の条件は以下である。
［ＸＰＳ測定］
入射Ｘ線：Ｍｇ Ｋ α（非単色化Ｘ線）
測定領域：６ｍｍφ
Ｘ線出力：１２０Ｗ
［深さ方向分析］
イオン銃：Ａｒ
加速電圧：０．３ｋＶ
エミッション：３０ｍＡ
エッチング時間：３０ｓ／Ｃｙｃｌｅ（１〜２０Ｃｙｃｌｅまで）、１００ｓ／Ｃｙｃｌｅ（２１〜４５Ｃｙｃｌｅまで）

図６のサンプル１〜５について、比誘電率及び中間層１３との密着性について調べた。炭素（Ｃ）を含有するサンプル４、５は、サンプル１〜３に比べて比誘電率が低くなった。また、サンプル４、５は、サンプル１〜３に比べて中間層１３との密着性が高かった。このように、サンプル４、５を第１絶縁層１４として用いた場合、比誘電率が低くなるため、キャパシタの容量を制御し易くなる。また、誘電体である第１絶縁層１４に炭素（Ｃ）が増えると、中間層１３のチタンとの密着性が高くなることが分かった。

なお、炭素（Ｃ）を含有する窒化ケイ素（ＳｉＮ）であるサンプル４、５は、以下の方法で製造することができる。
例えば、サンプル４を製造する際には、あらかじめ、真空処理室に原料ガス テトラメチルシラン３０ｓｃｃｍおよび窒素ガス１００ｓｃｃｍを導入して、成膜圧力１Ｐａとしておく。支持体上にはヒータが設置され、基板温度を２００℃に制御している。真空処理室の天板からマッチングボックスを介し、高周波電波３ｋｗを印可し、プラズマを発生させる。このプラズマが発生することによって、気相中から化学反応より真空処理室内の支持体載置された被成膜物に、炭素（Ｃ）を含有する窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜が成膜される。
例えば、サンプル５については、同様の成膜方法にて、テトラメチルシランの導入量を６０ｓｃｃｍとして、その他の条件はサンプル４と同様に成膜実施した。

上述のインターポーザー及び貫通電極基板は、携帯電話及びスマートホン、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）デバイス、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテイメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、及び、コンピュータの群から選択されるデバイスに適用することができる。

なお、本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることがあり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ …インターポーザー
１１ …基板
１１ａ …第１面
１１ｂ …第２面
１２ …第１導電層
１３ …中間層
１４ …第１絶縁層
１５ …第２導電層
１６ …貫通孔
１７ …貫通電極
１８ …接続孔
１９ …導電部材
２０ …第３導電層
２１ …樹脂層
２２ …第４導電層
２３ …第５導電層
２４ …はんだボール
４０ …配線基板
５０ …半導体チップ

Claims (9)

1. 第１面と前記第１面に対して反対の側の第２面とを有する基板と、
   前記第１面と前記第２面とを導通する貫通電極と、
   前記基板の前記第１面に配置され、前記貫通電極と電気的に接続された第１導電層と、
   前記第１導電層の上に配置された第１絶縁層と、
   前記第１導電層と前記第１絶縁層との間に配置された中間層と、
   前記第１絶縁層の上に配置された第２導電層と、
   を備え、
   前記中間層が、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び、金（Ａｕ）の少なくとも１つを含む層であり、
   前記第１絶縁層が、炭素を含有する窒化ケイ素である、貫通電極基板。
2. 前記第１絶縁層における炭素の原子組成百分率（ａｔ．％）は、４０〜６０である、請求項１に記載の貫通電極基板。
3. 前記中間層が、チタン（Ｔｉ）である、請求項１又は２に記載の貫通電極基板。
4. 前記中間層が、前記第１導電層上のニッケル（Ｎｉ）の第１層と、前記第１層上に配置された金（Ａｕ）の第２層とから構成される、請求項１又は２に記載の貫通電極基板。
5. 前記基板がガラスである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の貫通電極基板。
6. 前記第１導電層及び第２導電層が銅（Ｃｕ）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の貫通電極基板。
7. 前記第１絶縁層が、前記中間層と前記第２導電層の間に配置された第１絶縁部分と、前記第１絶縁部分から延びて前記中間層の側面及び前記第１導電層の側面を覆う第２絶縁部分と、前記第２絶縁部分から延びて前記基板の前記第１面の少なくとも一部を覆う第３絶縁部分とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の貫通電極基板。
8. 前記中間層が、前記第１絶縁層と前記第１導電層の間に配置された第１部分と、前記第１部分から延びて前記第１導電層の側面を覆う第２部分と、前記第２部分から延びて前記基板の前記第１面の少なくとも一部を覆う第３部分とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の貫通電極基板。
9. 前記第１絶縁層が、前記中間層と前記第２導電層の間に配置された第１絶縁部分と、前記第１絶縁部分から延びて前記中間層の前記第２部分の少なくとも一部を覆う第２絶縁部分と、前記第２絶縁部分から延びて前記中間層の前記第３部分の少なくとも一部を覆う第３絶縁部分とを有する、請求項８に記載の貫通電極基板。

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