TGVの導電性の付与と穴内の銅充填　導電性を付与する方法と銅充填の方法は？

この記事で分かること

TGVの導電性の付与と穴内の銅充填

　チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。

　複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。

　前回はガラスインターポーザーのTGVに関する記事でしたが、今回はガラスインターポーザーの製造工程、特にTGVの導電性の付与と穴の銅めっきによる充填に関する記事となります。

インターポーザーとは何か

　インターポーザとは、複数の半導体チップ（チップレット）を接続するための中間基板です。これを用いることで、チップ間の配線距離を短縮し、高密度な接続と高速データ伝送を可能にします。

　インターポーザーには主に、シリコンインターポーザー、ガラスインターポーザー、有機インターポーザーなどがあります。

種類	主な材料	特徴	主な用途
シリコンインターポーザ	シリコン（Si）	最も高密度な配線が可能で、放熱性、電気特性に優れる。（製造コスト高）	AIアクセラレータ、HPC、高性能GPU
ガラスインターポーザ	ガラス	大面積化が容易で、低コスト化・高周波特性に優れる。	次世代パッケージング技術
有機インターポーザ	有機樹脂（RDLインターポーザ）	製造コストが比較的低い。柔軟性や大面積製造が可能。	スマートフォン、モバイルデバイス

　ガラスインターポーザーは

①レーザーやエッチングでTGV（貫通穴）を形成

②シード層を形成

③TGV内の銅での充填

④RDL（再配線層）形成

　という流れで製造されています。

シード層の形成方法は何か

ガラスインターポーザや一般的な半導体パッケージ製造におけるシード層（タネとなる薄い金属膜）の主な形成方法は、PVD（物理気相成長）の一種であるスパッタリングです。

シード層は、主にその後の電解めっきで分厚い銅配線（TGVの充填やRDL配線）を成長させるための電流経路として機能します。

シード層の主な形成方法：スパッタリング

　シード層の形成には、ガラス基板全面に均一な薄膜を高い密着性で形成できるスパッタリング（Sputtering）法が最も広く用いられます。

1. 原理:
   • 真空容器（チャンバー）内にアルゴンなどの不活性ガスを導入し、プラズマを発生させます。
   • プラズマ中のイオンを、成膜したい材料（ターゲット、例：銅やチタン/銅）の複合ターゲット）に高速で衝突させます。
   • 衝突によって弾き飛ばされたターゲット材料の原子が、ガラス基板表面に付着し、薄膜（シード層）を形成します。
2. 特徴:
   • 密着性が高い: ターゲット原子が基板に高いエネルギーで衝突するため、密着性の高い膜が得られ、ガラスのような平坦な表面にもしっかりと付着します。
   • 優れたカバレッジ: 貫通穴（TGV）の側面など、凹凸のある部分にも比較的均一に膜を形成できるため、電解めっきに必要な電流の通り道（シード層）として効果的に機能します。

　シード層の材料としては、下地のガラスへの密着性を高めるためのチタンと、めっきの核となる銅の積層膜が一般的です。

シード層を無電解銅めっきで形成することはあるのか

　電解めっきに必要なシード層の代替として、あるいは完全な配線層として、無電解銅めっきが利用されることがあります。

　ガラスインターポーザの製造では、主に以下の理由で無電解めっきが検討されます。

1. 非導電性基板への対応:
   • ガラスは電気を通さないため、電解めっきを行うにはまず導電性のシード層（通常はスパッタリングによる金属膜）が必要です。しかし、無電解めっきは、薬品の化学反応を利用するため、事前に非導電性のガラス表面に触媒（パラジウムなど）を付着させるだけで、めっき膜を形成できます。
2. 均一な膜厚とコンフォーマル性:
   • 無電解めっきは、電界の偏りの影響を受けないため、TGV（貫通穴）の内部や複雑な形状の表面に、均一な厚さのめっき膜（シード層、または完全な銅層）を形成するのに優れています。

スパッタリングとの使い分け

項目	スパッタリング（PVD）	無電解銅めっき
導電性	必要（めっき不要）	不要（触媒が必要）
プロセス	真空・物理蒸着	溶液・化学反応
TGVカバレッジ	比較的均一だが、穴の奥で膜厚が薄くなる傾向がある。	均一に成膜されやすく、複雑形状への追従性（コンフォーマル性）が高い。
ガラスとの密着	チタンなどを利用することで高い密着性を確保。	触媒とガラス表面のアンカー効果（わずかな凹凸）に依存する。

　高密度なパッケージでは、通常、スパッタリングでシード層を形成し、その上に電解めっきで銅を成長させる手法が主流ですが、TGVの形状やコストによっては、無電解めっきが選択肢になる場合があります。

どのように銅での穴埋めを行うのか

　ガラスインターポーザのTGV（貫通電極）や半導体基板のTSV（貫通電極）などの高アスペクト比（深くて細い）の穴を銅で埋める（フィリング）には、主に特殊な添加剤を使用した電解銅めっきが用いられます。

　穴の内部にボイド（空隙）を残さずに銅を充填することが、高い接続信頼性のために極めて重要です。高アスペクト比の穴を埋めるために用いられるのは、一般的なめっきとは異なるボトムアップ成長という現象を利用した電解銅めっき（硫酸銅めっき）プロセスです。

電解銅めっきによる充填（ボトムアップ成長）

　銅めっきの工程では、抑制剤（Inhibitor）、促進剤（Accelerator）、レベラー（Leveler）という3種類の特殊な有機添加剤を使用します。

• 抑制剤: 穴の表面（開口部）に吸着し、銅の析出速度を遅くします。
• 促進剤: 穴の底部に選択的に作用し、銅の析出速度を速めます。

　これらの添加剤を適切に組み合わせることで、以下の現象（ボトムアップ成長）を引き起こします。

• 開口部の遅延: 抑制剤の働きにより、穴の入口付近（表面）での銅の成長が抑制されます。
• 底部の加速: 穴の底部では促進剤が優位に働き、銅が下から上へと優先的に堆積・成長します。

電解銅めっきによる充填の問題は何か

　電解銅めっきによるTGV/TSV（貫通電極）の充填における主な問題点は、ボイド（空隙）の発生と、それに伴うめっき液の高度な管理、そして充填された銅配線固有の長期的な信頼性リスクの3つに集約されます。

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1. 充填プロセス上の問題点

• ボイド（空隙）の発生: これは最大の問題です。深くて細い穴（高アスペクト比）の開口部が先にめっきで塞がってしまうと、内部にめっき液や空気が閉じ込められ、ボイド（空隙）が発生します。ボイドは導通不良や熱放散の妨げとなり、製品の信頼性を著しく低下させます。
• めっき液の精密な管理: ボイドフリーの充填を実現するためには、ボトムアップ成長を制御する有機添加剤（抑制剤、促進剤、レベラー）の濃度を極めて狭い範囲で精密に維持・制御する必要があります。この管理の難しさが、コストと歩留まりに直結します。
• シード層の不均一性: めっきの土台となるシード層（通常スパッタリングで形成）が、TGVの深部で薄くなったり、均一に付着しなかったりすると、めっきの成長が不均一になり、ボイド発生の原因となります。

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2. 充填後の信頼性課題

• 銅汚染の防止: 充填された銅原子が、周囲のシリコンやガラスといった基板材料に拡散し、半導体素子の特性を劣化させる銅汚染を引き起こすリスクがあります。これを防ぐため、銅と基板の間にバリアメタル層（TiN, TaNなど）を極薄く形成する工程が必須になります。
• 熱応力の問題: 銅の熱膨張係数（CTE）はシリコンやガラスと異なるため、半導体の動作に伴う発熱や温度変化によって、TGV内の銅とめっき層に大きな熱応力が生じます。これにより、配線や周囲の絶縁膜にひび割れや剥離が生じるリスクがあります。
• エレクトロマイグレーション（EM）: 微細な銅配線に高密度な電流が流れると、電子の勢いで銅原子が徐々に移動し、配線にボイドやヒロック（突起）が形成されて、最終的に断線に至るという長期信頼性上の問題があります。