JP6146144B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof. - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば半導体基板を貫通する貫通電極を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, for example, a semiconductor device having a through electrode penetrating a semiconductor substrate and a manufacturing method thereof.
半導体チップを積層実装するため、半導体基板を貫通する貫通電極(例えばTSV:Through Silicon Via)を形成することが知られている。貫通電極と貫通孔の間に絶縁膜を形成することが知られている(例えば特許文献1)。 In order to stack and mount semiconductor chips, it is known to form through electrodes (for example, TSV: Through Silicon Via) penetrating a semiconductor substrate. It is known to form an insulating film between a through electrode and a through hole (for example, Patent Document 1).
しかしながら、貫通電極を形成した半導体基板の上面に形成された絶縁膜により、半導体基板が反ってしまうことがある。本半導体装置およびその製造方法は、半導体基板の反りを抑制することを特徴とする。 However, the semiconductor substrate may be warped by the insulating film formed on the upper surface of the semiconductor substrate on which the through electrode is formed. The semiconductor device and the manufacturing method thereof are characterized by suppressing warpage of the semiconductor substrate.
半導体基板の第1面から第2面に向けて形成され、前記第2面まで達していない穴内に貫通電極を形成する工程と、前記半導体基板の前記第2面上に開口を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクに前記半導体基板を除去することにより、前記貫通電極の上面が露出するように前記貫通電極を囲む凹部を形成する工程と、前記凹部内に前記貫通電極の上面が露出するように埋め込まれた絶縁体を形成する工程と、を含み、前記絶縁膜の内部応力は前記絶縁体の内部応力より小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法を用いる。
Forming a through electrode in a hole formed from the first surface to the second surface of the semiconductor substrate and not reaching the second surface; and an insulating film having an opening on the second surface of the semiconductor substrate. Forming a recess surrounding the through electrode so that an upper surface of the through electrode is exposed by removing the semiconductor substrate using the insulating film as a mask, and forming the through electrode in the recess. seen containing a step of forming an upper surface is embedded so as to expose the insulator, wherein the internal stress of the insulating film using the manufacturing method of a semiconductor device, wherein the internal stress smaller than the insulator.
半導体基板と、半導体基板を貫通する貫通電極と、前記半導体基板の表面上に形成された絶縁膜と、前記半導体基板の前記表面に前記貫通電極を囲むように形成された凹部内に前記貫通電極が露出するように埋め込まれた絶縁体と、を具備し、前記絶縁膜の内部応力は前記絶縁体の内部応力より小さいことを特徴とする半導体装置を用いる。 A semiconductor substrate; a through electrode penetrating the semiconductor substrate; an insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate; and the through electrode in a recess formed on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the through electrode. There anda insulator embedded to expose the internal stress of the insulating film is used wherein a internal stress smaller than the insulator.
本半導体装置およびその製造方法によれば、半導体基板の反りを抑制することができる。 According to the present semiconductor device and the manufacturing method thereof, warping of the semiconductor substrate can be suppressed.
図1(a)から図1(e)は、比較例1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図1(a)を参照し、半導体基板10の第1面72上に電極14、金属端子16および半田18が形成されている。第1面72から第2面70にかけて貫通電極12が形成されている。貫通電極12は、半導体基板10を貫通していない。
FIG. 1A to FIG. 1E are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 1. With reference to FIG. 1A, the
図1(b)を参照し、半導体基板10の第2面70を研削または研磨し、貫通電極12を露出させる。図1(c)を参照し、半導体基板10の第2面70上に貫通電極12を覆うように絶縁体50を形成する。図1(d)を参照し、絶縁体50に開口52を形成する。開口52を介し貫通電極12が露出する。図1(e)を参照し、絶縁体50上に開口52を介し貫通電極12に接続する端子54を形成する。
Referring to FIG. 1B, the
図2は、比較例1における課題を説明する図である。図2を参照し、絶縁体50の内部応力が大きい場合、半導体基板10が薄くなると、矢印56のように半導体基板10の反りが大きくなる。絶縁体50が樹脂の場合、内部応力が大きく半導体基板10が反り易い。
FIG. 2 is a diagram illustrating a problem in the first comparative example. Referring to FIG. 2, when the internal stress of the
図3(a)から図3(d)は、比較例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図3(a)を参照し、図1(a)と同様に、半導体基板10に貫通電極12を形成する。図3(b)を参照し、半導体基板10の第2面70を比較例1の図1(b)より多く研削または研磨する。図3(c)を参照し、半導体基板10の第2面70上に貫通電極12を覆うように絶縁体50を形成する。図3(d)を参照し、絶縁体50をエッチングすることにより、貫通電極12を露出させる。
FIG. 3A to FIG. 3D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Comparative Example 2. Referring to FIG. 3A, the
図4(a)および図4(b)は、比較例2における課題を説明する図である。図4(a)を参照し、図3(d)において、絶縁体50の表面全体を矢印62のようにドライエッチングする。図4(b)を参照し、エッチング量が大きすぎると、領域64のように、絶縁体50の膜厚が薄くなる、または、半導体基板10が露出してしまう。これにより、絶縁体50が半導体基板10の保護膜として機能しなくなってしまう。
FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams for explaining the problem in the second comparative example. Referring to FIG. 4A, in FIG. 3D, the entire surface of the
図5(a)から図5(e)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図6は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。図5(a)を参照し、図1(a)と同じように、例えばシリコン基板等の半導体基板10の第1面72上に電極14、金属端子16および半田18を形成する。電極14は、Al(アルミニウム)またはCu(銅)等の金属を主に含む。金属端子16は、Cu等の金属を主に含む。半田は、Sn−Ag、Sn−Bi、Sn−Ag−Cu等を主に含む。貫通電極12が第1面72から第2面70に向けて形成されている。貫通電極12は半導体基板10を貫通していない。貫通電極12は、Cu等の金属を主に含む。第2面70上に絶縁膜20を形成する。絶縁膜20は、酸化シリコンまたは窒化シリコン等の無機絶縁体を主に含む。
FIG. 5A to FIG. 5E are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 6 is a plan view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. Referring to FIG. 5A, as in FIG. 1A, the
図5(b)を参照し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い絶縁膜20に開口22を形成する。開口22は、上から視て貫通電極12より大きく、貫通電極12を含むように形成する。絶縁膜20が酸化シリコンを主に含む場合、絶縁膜20のエッチングには、例えばフッ酸系のウェットエッチングを用いる。絶縁膜20が窒化シリコンを主に含む場合、絶縁膜20のエッチングには、例えばドライエッチングを用いる。図5(c)を参照し、絶縁膜20をマスクに、半導体基板10をエッチングし、凹部24を形成する。凹部24は開口22により画定されている。半導体基板10のエッチングは、例えば異方性エッチングを用いる。凹部24により、貫通電極12の先端が露出する。
Referring to FIG. 5B, an
図5(d)を参照し、凹部24に充填されるように、半導体基板10の第2面70上に絶縁体層25を形成する。絶縁体層25は、例えばエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の樹脂を主に含む。貫通電極12の先端は絶縁体層25により覆われる。
With reference to FIG. 5D, the
図5(e)および図6を参照し、図5(e)は図6のA−A断面を示す。絶縁体層25を全面エッチングする。絶縁体層25が絶縁膜20に対し選択的にエッチングされるように、エッチャントおよび条件を選択する。例えばAr(アルゴン)またはArとO2の混合ガスを用いたドライエッチングを用いる。これにより、半導体基板10の第2面70上の絶縁膜20はほとんどエッチングされず、絶縁体層25がエッチングされる。絶縁体層25から絶縁体26が形成される。よって、半導体基板10の第2面70が絶縁膜20に覆われた状態で貫通電極12の先端が絶縁体26から露出する。貫通電極12の先端が絶縁膜20より低く、絶縁膜20および絶縁体26から形成される窪みの底に貫通電極12が露出する。このように、半導体基板10は第1面72に露出しない。
5 (e) and 6 are referred to, and FIG. 5 (e) shows an AA cross section of FIG. The entire surface of the
図7(a)および図7(b)は、半導体基板のエッチングを示す断面図である。図7(a)を参照し、図5(c)のエッチングの例について説明する。単結晶シリコンには、腐食作用が結晶方向に沿って進む性質がある。このため、エッチング液の選択により、異方性エッチングを行なうことができる。これにより凹部24を形成できる。また、シリコン基板には(100)または(110)基板があり、基板の方位およびエッチング液を選択することで凹部24の形状等を制御できる。
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views showing the etching of the semiconductor substrate. With reference to FIG. 7A, an example of etching in FIG. 5C will be described. Single crystal silicon has the property that the corrosive action proceeds along the crystal direction. For this reason, anisotropic etching can be performed by selecting an etching solution. Thereby, the recessed
図7(a)において、半導体基板10として、(100)面が主面の単結晶シリコン基板を用いる。エッチング液としてKOH等のアルカリ系エッチング液を用いる。上方向が<100>方向であり、奥行き方向が<110>方向である。(100)面からエッチングすると、(111)面がエッチングされにくくなる。このため(111)面によりエッチングが停止する。(111)面と(100)面とのなす角度θは、54.7°である。
In FIG. 7A, a single crystal silicon substrate having a (100) plane as a main surface is used as the
図7(b)を参照し、実施例1における寸法の例を説明する。上図は、凹部24の上面図、下図は断面図である。貫通電極12の直径L1が10μm、貫通電極12のピッチL2が50μmである。貫通電極12の側面の半導体基板10の第2面70から深さD1までが凹部24に露出する場合、貫通電極12と凹部24の間隔L4は、3.5μm程度あれば、十分である。このため、凹部24の幅L3は、17μmとなる。このように、異方性エッチングにより、凹部24を形成することにより、凹部24を精度よく形成することができる。
With reference to FIG.7 (b), the example of the dimension in Example 1 is demonstrated. The upper view is a top view of the
実施例1によれば、図5(a)のように、半導体基板10の第1面72から第2面70に向けて形成され、第2面70まで達していない穴内に貫通電極を形成する。図5(b)のように、半導体基板10の第2面70上に開口22を有する絶縁膜20を形成する。図5(c)のように、絶縁膜20をマスクに半導体基板10を除去することにより、貫通電極12の上面が露出するように貫通電極12を囲む凹部24を形成する。図5(d)および図5(e)のように、凹部24内に貫通電極12の上面が露出するように埋め込まれた絶縁体26を形成する。以上により、図5(e)および図6のように、半導体基板10の第2面70上に絶縁膜20が形成される。また、半導体基板10の第2面70に貫通電極12を囲むように形成された凹部24内に貫通電極12が露出するように埋め込まれた絶縁体26が形成される。
According to the first embodiment, as shown in FIG. 5A, the through electrode is formed in the hole formed from the
エッチング選択性を得るために、絶縁膜20と絶縁体26とは異なる材料である。例えば、絶縁膜20の内部応力を絶縁体26の内部応力より小さくする。これにより、図2のような半導体基板10の反りを抑制できる。例えば、絶縁膜20を無機絶縁膜とし、絶縁体26を樹脂絶縁体とすることにより、絶縁膜20の内部応力を絶縁体26より小さくできる。また、絶縁膜20および絶縁体26が半導体基板10の第2面70を覆っているため、図4(b)のような、第2面70における半導体基板10の露出を抑制できる。
In order to obtain etching selectivity, the insulating
絶縁体26を形成する際には、図5(d)のように、凹部24内、絶縁膜20上および貫通電極12上に絶縁体層25を形成する。図5(e)のように、絶縁体層25を絶縁膜20および貫通電極12に対し選択的にエッチングする。これにより、絶縁体26を形成することができる。
When forming the
図8(a)から図13(b)は、実施例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図8(a)を参照し、半導体基板10の第1面72に電子回路32を形成する。半導体基板10上に絶縁膜30を形成する。電子回路32は、半導体基板10に形成されたトランジスタおよび絶縁膜30内に形成された配線を含む。絶縁膜30は例えば酸化シリコン膜であり、多層配線の層間絶縁膜を含む。
8A to 13B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. With reference to FIG. 8A, the
図8(b)を参照し、第1面72から絶縁膜30および半導体基板10に穴48を形成する。穴48の深さは、例えば50μmよりやや浅い。図8(c)を参照し、穴48内に貫通電極12を形成する。貫通電極12は、例えばCuを主に含み、めっき法を用い形成する。図8(d)を参照し、絶縁膜30および貫通電極12上に絶縁膜36を形成する。絶縁膜36および30内に配線34を形成する。絶縁膜36は、例えば酸化シリコン膜または樹脂膜であり、電子回路32の保護膜である。配線34は、例えばAlまたはCuを主に含む金属である。図8(e)を参照し、絶縁膜36上に、電極14、金属端子16および半田18を形成する。
With reference to FIG. 8B, holes 48 are formed in the insulating
図9(a)を参照し、半導体基板10の第1面72側を接着剤37を介し支持基板38に貼り付ける。支持基板38は例えばシリコン基板である。図9(b)を参照し、半導体基板10の第2面70を研磨または研削する。半導体基板10の膜厚を例えば50μmとする。貫通電極12は、半導体基板10を貫通していない。図9(c)を参照し、半導体基板10の第2面70上に絶縁膜20を形成する。図9(d)を参照し、絶縁膜20に開口22を形成する。
With reference to FIG. 9A, the
図10(a)を参照し、絶縁膜20をマスクに半導体基板10に凹部24を形成する。図10(b)を参照し、絶縁膜20上に絶縁体層25を形成する。図10(c)を参照し、絶縁体層25を選択的にエッチングし、貫通電極12の先端を露出させる。図10(d)を参照し、接着剤37を溶解させ、支持基板38を半導体基板10から剥離する。以上により半導体チップ80が完成する。
Referring to FIG. 10A, a
図11(a)を参照し、配線基板82を準備する。配線基板82は、絶縁基板84の下面に電極86が形成され、上面に電極92が形成されている。絶縁基板84内には配線90が形成され、電極86と92とが配線90により電気的に接続されている。電極92上には半田94が形成されている。絶縁基板84は例えば樹脂基板である。配線90、電極86および92は、例えばCu等の金属を含む。半導体チップ80はボンダヘッド40により支持されている。半導体チップ80aの第1面72が絶縁基板84の上面に配置される。半導体チップ80aは図10(d)の半導体チップ80と同じであり説明を省略する。図11(b)を参照し、位置合わせをし、半導体チップ80と配線基板82を接触させる。半田18と半田94とが接触する。加熱することにより、半田18と94とが接合する。
Referring to FIG. 11A, a
図12(a)を参照し、ボンダヘッド40を用い、半導体チップ80bを半導体チップ80a上に接触させる。半導体チップ80bの半田18が半導体チップ80aの貫通電極12上に接触する。半導体チップ80aの第2面70(上面)には、窪みが形成され、窪みの底に貫通電極12の先端が露出する。このため、半導体チップ80bの半田18は、半導体チップ80aの貫通電極12の先端に案内され半導体チップ80aと80bとの位置合わせが容易となる。半田18を加熱することにより、半田18と貫通電極12とが接合する。図12(b)を参照し、ボンダヘッド40を用い、半導体チップ80cを半導体チップ80b上に接触させる。半導体チップ80cは、貫通電極12が形成されていない以外は半導体チップ80と同じである。半導体チップ80cの半田18が半導体チップ80bの貫通電極12上に接触する。半田18を加熱することにより、半田18と貫通電極12とが接合する。半田18の加熱は、半導体チップ18aから18cを積層した後、一度に行なってもよい。
Referring to FIG. 12A, using the bonder head 40, the
図13(a)を参照し、半田ボール98を形成する。半田ボール98は、例えばSn−Agを主に含む。図13(b)を参照し、電極86に半田ボール98を設ける。実施例2においては、3つの半導体チップを積層する例を説明したが、2層または4層以上積層してもよい。半導体チップ80aから80c間および半導体チップ80aと配線基板82との間にアンダーフィルを形成する工程を省略しているが、半導体チップ80aから80c間および半導体チップ80aと配線基板82との間にアンダーフィルを形成してもよい。
Referring to FIG. 13A,
実施例2のように、半導体チップ80を配線基板82上に実装することができる。また、半導体チップ80を、積層することもできる。半導体チップ80を積層し、貫通電極12を用い半導体チップ間を電気的に接続することにより、チップ間接続距離を短くすることができ、処理速度を向上できる。また、高密度実装が可能となる。さらに、低消費電力が可能となる。
As in the second embodiment, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1)半導体基板の第1面から第2面に向けて形成され、前記第1面まで達していない穴内に貫通電極を形成する工程と、前記半導体基板の前記第2面上に開口を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクに前記半導体基板を除去することにより、前記貫通電極の上面が露出するように前記貫通電極を囲む凹部を形成する工程と、前記凹部内に前記貫通電極の上面が露出するように埋め込まれた絶縁体を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2)前記絶縁体を形成する工程は、前記凹部内、前記絶縁膜上および前記貫通電極上に絶縁体層を形成する工程と、前記絶縁体層を前記絶縁膜および前記貫通電極に対し選択的にエッチングする工程を含むことを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)前記凹部を形成する工程は、前記半導体基板を異方性エッチングすることにより前記凹部を形成する工程を含むことを特徴とする付記1または2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)前記絶縁膜の内部応力は前記絶縁体の内部応力より小さいことを特徴とする付記1から3のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)前記絶縁膜は無機絶縁膜であり、前記絶縁体は樹脂絶縁体であることを特徴とする付記1から3のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)前記無機絶縁膜は酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であることを特徴とする付記5記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)半導体基板と、半導体基板を貫通する貫通電極と、前記半導体基板の表面上に形成された絶縁膜と、前記半導体基板の前記表面に前記貫通電極を囲むように形成された凹部内に前記貫通電極が露出するように埋め込まれた前記絶縁膜とは異なる絶縁体と、を具備することを特徴とする半導体装置。
(付記8)前記凹部は前記絶縁膜に形成された開口により画定されていることを特徴とする付記7記載の半導体装置。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) A step of forming a through electrode in a hole formed from the first surface of the semiconductor substrate toward the second surface and not reaching the first surface; and an opening on the second surface of the semiconductor substrate A step of forming an insulating film, a step of forming a recess surrounding the through electrode so that an upper surface of the through electrode is exposed by removing the semiconductor substrate using the insulating film as a mask; And a step of forming an insulator embedded so that the upper surface of the through electrode is exposed.
(Supplementary Note 2) The step of forming the insulator includes a step of forming an insulator layer in the recess, on the insulating film and on the through electrode, and the insulator layer on the insulating film and the through electrode. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein a step of selectively etching is included.
(Additional remark 3) The process of forming the said recessed part includes the process of forming the said recessed part by anisotropically etching the said semiconductor substrate, The manufacturing method of the semiconductor device of
(Additional remark 4) The internal stress of the said insulating film is smaller than the internal stress of the said insulator, The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Additional remark 1 to 3 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 5) The said insulating film is an inorganic insulating film, The said insulator is a resin insulator, The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of additional marks 1 to 3 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 6) The said inorganic insulating film is a silicon oxide film or a silicon nitride film, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 5 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 7) Semiconductor substrate, through electrode penetrating the semiconductor substrate, insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, and in a recess formed on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the through electrode And an insulator different from the insulating film embedded so as to expose the through electrode.
(Additional remark 8) The said recessed part is demarcated by the opening formed in the said insulating film, The semiconductor device of Additional remark 7 characterized by the above-mentioned.
10 半導体基板
12 貫通電極
14 電極
16 金属端子
18 半田
20 絶縁膜
22 開口
24 凹部
25 絶縁体層
26 絶縁体
30、36 絶縁膜
32 電子回路
34 配線
70 第2面
72 第1面
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体基板の前記第2面上に開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をマスクに前記半導体基板を除去することにより、前記貫通電極の上面が露出するように前記貫通電極を囲む凹部を形成する工程と、
前記凹部内に前記貫通電極の上面が露出するように埋め込まれた絶縁体を形成する工程と、
を含み、
前記絶縁膜の内部応力は前記絶縁体の内部応力より小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a through electrode in a hole formed from the first surface to the second surface of the semiconductor substrate and not reaching the second surface;
Forming an insulating film having an opening on the second surface of the semiconductor substrate;
Removing the semiconductor substrate using the insulating film as a mask to form a recess surrounding the through electrode so that an upper surface of the through electrode is exposed;
Forming an insulator embedded in the recess so that an upper surface of the through electrode is exposed;
Only including,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an internal stress of the insulating film is smaller than an internal stress of the insulator .
前記絶縁体層を前記絶縁膜および前記貫通電極に対し選択的にエッチングする工程を含む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。 Forming the insulator includes forming an insulator layer in the recess, on the insulating film and on the through electrode;
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of selectively etching the insulator layer with respect to the insulating film and the through electrode.
前記絶縁膜の内部応力は前記絶縁体の内部応力より小さいことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate; a through electrode penetrating the semiconductor substrate; an insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate; and the through electrode in a recess formed on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the through electrode. And an insulator embedded so as to be exposed ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein an internal stress of the insulating film is smaller than an internal stress of the insulator .
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