JP2000022338A - 多層配線基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低抵抗導体からなる配線層を同時焼成により形
成し、銅の拡散による配線層間の絶縁劣化を防止し、高
密度の配線層が形成可能であり、且つ研磨工程等を必要
としない安価な多層配線基板の製造方法を提供する。 【解決手段】Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の酸化物セラミックスからな
る複数の絶縁層１ａ，１ｂ、１ｃを積層してなる絶縁基
板１と、絶縁基板１内部に、少なくとも銅単体、あるい
は銅とタングステンおよび／またはモリブデンを含み、
Ｃｕ／（Ｃｕ＋Ｗ＋Ｍｏ）の体積比率が０．３以上の複
合材料を主成分とする導体からなる内部配線層２ａが配
設され、水素を含む露点が−２０℃以下の非酸化性雰囲
気中で同時焼成することにより、内部配線層２ａの周囲
のセラミックスへの銅の拡散距離を２０μｍ以下とする
とともに、平均表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の平滑性
に優れた基板を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物セラミック
スを絶縁基板とする多層配線基板に関し、詳細には１４
００℃〜１５００℃の温度での焼結が可能で良好な熱伝
導率を有し、かつマイグレーションの少ない低抵抗の配
線層を具備した多層配線基板とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体素子の高集積化に伴い、半導
体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤
動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可
能な配線基板が必要である。

【０００３】一方、電気的な特性としては、演算速度の
高速化により、信号の遅延が問題となり、導体損失の小
さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてき
た。従来から多用されているタングステンを主体とした
導体では高々８ｍΩ／□程度までしか低くできなかっ
た。そこで低抵抗導体である銅や銀と同時焼成可能な、
いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提
案されている。

【０００４】ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率
は高々数Ｗ／ｍ・Ｋしかなく、前記熱的問題を解決する
ことが難しくなってきている。そこで、この熱的問題点
と、電気的問題点を同時に解決する方法として、酸化ア
ルミニウムに、銅、または銅とタングステンまたはモリ
ブデンを組み合わせた導体層を同時焼成により形成する
方法が特開平７−１５１０１号、特開平８−８５０２
号、特許第２６６６７４４号に提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−８５０２号は、そもそも酸化アルミニウムを緻密化
させるために、１６００℃以上の高い温度で焼成するこ
とを前提とするものであり、その結果、配線層中の銅成
分が、焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、配
線層間の絶縁性が劣化するという問題があった。

【０００６】銅の拡散を抑制する為には、セラミックス
の低温での焼結性を改善して焼成温度を低くするも有効
的と考えられるが、焼成温度を低くしても焼成炉及び焼
成治具等から発生する酸素またはこの酸素と雰囲気中の
水素との反応で生成する水蒸気により銅が酸化してしま
い、銅が拡散しやすい酸化銅となるために、結果として
焼成中の拡散または揮散を防止することができず、配線
層間の絶縁性が劣化を防止できないという問題があっ
た。

【０００７】しかも、特開平７−１５１０１号によれ
ば、すべての配線層を絶縁基板内部に配設して同時焼成
した後、研磨等により表面の絶縁層を除去して導体を表
面に露出させて表面配線層を形成することが開示されて
いるが、本方法では当然ながら、研磨等の工程が付加さ
れるためコストアップにつながるものであった。

【０００８】さらに、特許第２６６６７４４号には、平
均粒径が５〜５０ｎｍの微細なアルミナ粉末を用い１２
００℃以下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法
が開示されているが、このような微粉末を用いることは
工程上、大きな困難を伴うことになり、コストアップに
つながるものであった。

【０００９】従って、本発明は、銅を含む低抵抗導体か
らなる内部配線層を同時焼成により形成し、銅の拡散に
よる配線層間の絶縁劣化を防止し、高密度の配線層が形
成可能であり、且つ研磨工程等を必要としない安価な多
層配線基板と、その製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対して検討を重ねた結果、酸化物セラミックスを絶縁
基板とする多層配線基板において、配線層中の銅のセラ
ミックス中への拡散距離が２０μｍ以下であると実質的
に配線層間の絶縁性が劣化しないこと、また、焼成温度
及び雰囲気の最適化を図ることにより、配線層中の銅の
拡散または揮散を抑制し、銅の拡散距離を小さくでき、
しかも焼き肌面の表面粗さを小さくできることを見出し
本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明の多層配線基板は、主結晶相
の平均結晶粒径が１．５〜５．０μｍの酸化物セラミッ
クスからなる複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、
該絶縁基板内部に、銅とタングステンおよび／またはモ
リブデンを含み、Ｃｕ／（Ｃｕ＋Ｗ＋Ｍｏ）の体積比率
が０．３以上の複合材料を主成分とする導体からなる内
部配線層が配設され、前記内部配線層の周囲のセラミッ
クスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下であり、且つ焼き
肌面の表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下であることを特徴
とするものである。

【００１２】なお、前記酸化物セラミックスは、熱伝導
率が１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の酸化アルミニウム質セラミッ
クスからなることが望ましい。

【００１３】また、かかる多層配線基板の製造方法とし
て、平均粒径が０．５〜２．５μｍの酸化物セラミック
粉末を主成分とする混合粉末からなり、その表面に少な
くとも銅、あるいは銅とタングステンおよび／またはモ
リブデンとの複合材料を主成分とする導体ペーストを配
線パターン状に印刷塗布してなる複数のシート状成形体
を積層した後、該積層体を水素を含む露点−２０℃以下
の非酸化性雰囲気中で１４００〜１５００℃の温度で焼
成することを特徴とするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の多層配線基板の
一実施態様を示す概略断面図を基に説明する。図１の多
層配線基板は、酸化物セラミックスからなる複数の絶縁
層１ａ，１ｂ、１ｃが積層された絶縁基板１と、その絶
縁層１ａ，１ｂ，１ｃ間に、内部配線層２ａ、さらには
最表面の絶縁層１ａの表面に表面配線層２ｂが設けられ
ている。そして、上記の配線層のうち、内部配線層２ａ
を少なくとも銅、あるいは銅とタングステンおよび／ま
たはモリブデンとの複合材料を主成分とする導体によっ
て形成したものであり、この内部配線層２ａは、絶縁基
板１と同時焼成によって形成されたものである。

【００１５】また、各層の配線層間は、絶縁層を貫通す
るように形成されたビアホール導体３によって電気的に
接続される。このビアホール導体３も内部配線層２ａと
同様な導体によって同時焼成によって形成されることが
望ましい。

【００１６】本発明によれば、図２に示すように、上記
少なくとも銅を含む内部配線層２ａの周囲の絶縁基板１
のセラミックスへの銅の拡散距離ｘが２０μｍ以下、特
に１０μｍ以下であることが重要である。即ち、銅のセ
ラミックス中への拡散距離が２０μｍを超えると、配線
層間の絶縁性が低下し、配線基板としての信頼性が保証
できなくなるためである。なお、拡散距離ｘは、ＥＰＭ
Ａ（Ｘ線マイクロアナライザー）分析において、配線層
２ａの端部から同一平面内において、銅元素が検出され
る領域の最外部までの距離ｘを１０箇所測定した平均値
である。

【００１７】また、絶縁基板１を形成する酸化物系セラ
ミックスとしては、酸化アルミニウム、ムライト、フォ
ルステライト等が知られているが、本発明における絶縁
基板１は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック
スであることが望ましい。これは、ムライトやフォルス
テライトセラミックスは、一般に熱伝導率が低く、前記
熱的問題の解決には有効でないためである。また、絶縁
基板１の熱伝導率は１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に２０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。

【００１８】なお、絶縁基板１が、酸化アルミニウムか
ら構成される場合、セラミックス中には、内部配線層２
ａとの同時焼結性を達成する上で、焼結助剤として、Ｓ
ｉＯ₂ およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類
元素酸化物、さらに着色剤としてタングステン、モリブ
デン等の遷移金属を含んでもよい。

【００１９】なお、これらの焼結助剤成分は、合計で
０．３〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。
これらの焼結助剤の量が０．３重量％よりも少ないと、
銅含有導体からなる内部配線層２ａとの同時焼結性が低
下し、１０重量％よりも多いと、絶縁基板１の熱伝導性
が低下するために、絶縁基板１のガラスセラミックスに
対する長所が発揮されないためである。特に、銅含有導
体との同時焼結性を高める上では、ＳｉＯ₂ およびＭｇ
Ｏ、ＣａＯを酸化物換算で０．４〜８重量％の割合で含
有せしめることが望ましい。

【００２０】絶縁基板１を形成する酸化物セラミックス
の主結晶相を構成する酸化アルミニウム結晶は、粒状ま
たは柱状の結晶として存在するが、これら主結晶層の平
均結晶粒径は、１．５〜５．０μｍであることが必要で
ある。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平
均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。

【００２１】この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍ
よりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．
０μｍよりも大きいと、銅がセラミックス中へ拡散する
ときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速
度も速くなるために拡散距離が３０μｍを超えてしまう
とともに、基板材料として用いる場合に要求される十分
な強度が得られないためである。また、上記焼結助剤成
分は、上記主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相と
して存在するが、銅の拡散を抑制し、熱伝導性を高める
上で粒界中に結晶相が形成されていることが望ましい。

【００２２】本発明によれば、上記多層配線基板におい
て、内部配線層２ａ、さらにはビアホール導体３は、い
ずれも絶縁基板１と同時焼成によって形成されるもので
あるが、絶縁基板１を形成するセラミックスの焼成温度
に応じて、配線層を形成する導体も変えることが望まし
い。

【００２３】例えば、絶縁基板１の焼成温度が１１００
℃以下の場合には、銅単味で可能であるが、１４００℃
以上の場合には、銅に対して、タングステンあるいはモ
リブデンを添加することにより、導体の焼成温度を徐々
に高めることができ、酸化物系セラミックスとの焼成温
度を整合させることができる。但し、タングステンやモ
リブデンの配合量が多くなると、導体の抵抗が大きくな
り、銅導体を用いることの長所が生かせなくなる。

【００２４】焼成温度を１４００℃以上で整合させるこ
とと、導体抵抗の抵抗を８ｍΩ／□以下とする上で、銅
とタングステンおよび／またはモリブデンの体積比は、
Ｃｕ／（Ｃｕ＋Ｗ＋Ｍｏ）は、０．３以上、特に０．４
以上が望ましいが、酸化物セラミックスとの同時焼結を
可能にし、配線のにじみ防止および熱膨張差を小さくす
る上で０．９以下が望ましい。

【００２５】また、本発明の多層配線基板において、表
面配線層２ｂは、内部配線層２ａと同様に、上記銅含有
導体によって絶縁基板１と同時焼成によって形成するこ
ともできるが、概して、銅含有導体の最適焼成温度より
も高い温度で焼成すると、導体が溶融して表面張力によ
って凝集してしまう傾向にある。従って、表面配線層２
ｂは、Ｗおよび／またはＭｏからなる導体成分に、酸化
アルミニウム、または絶縁基板と同じ成分の粉末を２〜
１０重量％程度添加含有した組成のメタライズ層によっ
て形成されることが望ましい。

【００２６】なお、本発明の多層配線基板は、内部配線
層２ａ中の銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることによ
り、前記配線層のうち、同一平面内に形成された配線層
間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下
の高密度配線化を図ることができる。また、同様に図１
に示すように、１つの絶縁層内に複数のビアホール導体
３が形成される場合、そのビアホール導体３間の最小離
間距離も上記と同様な理由から１００μｍ以下、特に９
０μｍ以下に制御することが可能である。

【００２７】さらに本発明の多層配線基板は、後述する
ように焼成温度及び雰囲気を制御して焼成することによ
って、絶縁基板１の表面の平均表面粗さＲａを１μｍ以
下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成で
きるものであり、その結果、絶縁基板１の表面に表面配
線層２ｂを形成する場合、絶縁基板１表面を研磨加工等
を施す必要がないことも大きな特徴である。

【００２８】次に、本発明の多層配線基板の製造方法に
ついて具体的に説明する。まず、絶縁基板を形成するた
めに、酸化物セラミック粉末として、平均粒径が０．５
〜２．５μｍ、特に０．５〜２．０μｍの粉末を用い
る。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉
末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、
２．５μｍよりも高いと、１５００℃以下の温度で焼成
することが難しくなるためである。

【００２９】また、酸化物セラミック粉末には、適宜焼
結助剤を添加することができる。例えば、酸化アルミニ
ウム原料粉末に対しては、焼結助剤成分として、ＳｉＯ
₂ およびＭｇＯ、ＣａＯ粉末等を０．４〜８重量％の割
合で添加混合する。そして、この混合粉末を用いて絶縁
層を形成するためのシート状成形体を作製する。

【００３０】シート状成形体は、周知の成形方法によっ
て作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機
バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ド
クターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機
バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定
の厚みのシート状成形体を作製できる。

【００３１】このようにして作製したシート状成形体に
対して、銅粉末、あるいは銅粉末とタングステン粉末お
よび／またはモリブデン粉末とを、Ｃｕ／（Ｃｕ＋Ｗ＋
Ｍｏ）の体積比率が０．３以上、特に０．４以上、さら
には０．９以下の割合からなる混合粉末を主成分とする
導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶縁
層にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印
刷塗布する。また、表面配線層として、上記銅含有導体
用ペーストに代えて、固形成分として、タングステンお
よび／またはモリブデンを導体成分とする導体ペースト
を所定のシート状成形体表面に印刷塗布してもよい。

【００３２】なお、ビアホール導体を形成する場合に
は、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザ
ー等により直径が５０〜２５０μｍのビアホールを形成
した後、このビアホール内に上記銅含有導体ペースト、
あるいは上記銅無添加導体ペーストを充填する。

【００３３】これらの導体ペースト中には、絶縁層との
密着性を高めるために、絶縁層を形成する酸化物セラミ
ックスの主成分と同一の酸化アルミニウム粉末や、絶縁
層の形成組成と同一の組成物を２〜１０重量％の割合で
添加することが望ましい。

【００３４】その後、導体ペーストを印刷塗布したシー
ト状成形体を位置合わせして積層圧着する。この時、銅
含有導体ペーストを印刷したシート状成形体は、内部配
線層を形成するように、導体ペースト塗布面に他のシー
ト状成形体が積層される。

【００３５】次に、本発明によれば、この焼成を、水素
及び窒素を含み露点−２０℃以下、特に−３０℃以下の
非酸化性雰囲気中、１４００〜１５００℃の温度で行う
ことが必要である。この焼成条件において、水素は銅含
有導体の焼成前までの製造工程中で不可避的に生成され
た酸化膜を還元して除去する上で必要である。また、所
望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよ
い。

【００３６】なお、焼成時の露点が−２０℃より高い
と、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが
反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が
反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでな
く、銅の拡散を助長してしまうためである。

【００３７】また、焼成温度が１５００℃より高いと、
酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常
粒成長が発生するようになり、銅がセラミックス中へ拡
散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに
拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に抑
制することが困難となるためである。好適には、１４３
０〜１４８０℃の範囲がよい。

【００３８】

【実施例】以下、本発明を実施例をもとに説明する。酸
化アルミニウム粉末（平均粒径０．６５μｍ）を主成分
として表１に示すような各種焼結助剤と、成形用有機樹
脂（バインダー）としてアクリル系バインダーと、トル
エンを溶媒として混合した後、ドクターブレード法にて
厚さ２５０μｍのシート状に成形した。 そして、所定箇
所にホール径１２０μｍのビアホールをレーザーにより
形成した。

【００３９】次に、銅粉末（平均粒径５μｍ）とＷ粉末
（平均粒径１．２μｍ）あるいはＭｏ粉末（平均粒径１
μｍ）とを表１および３に示す比率で混合しアクリル系
バインダーとをアセトンを溶媒として内部配線層用導体
ペーストを作製した。また、Ｗ粉末（平均粒径：１．２
μｍ）とアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒とし
て混合し表面配線層用およびビアホール導体用の導体ペ
ーストを調製した。

【００４０】そして、シート状成形体上に内部配線層用
導体ペーストを印刷塗布、乾燥を繰り返した。また、最
表面絶縁層用のシート状成形体の表面には、表面配線層
用導体ペーストを印刷塗布し乾燥した。なお、各シート
状成形体のビアホール導体には、上記表面配線層用導体
ペーストを充填した。

【００４１】上記のようにして作製した各シート状成形
体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製し
た。その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まな
い酸素含有雰囲気中（Ｎ₂ ＋Ｏ₂ または大気中）で脱脂
を行った後、表１に示した温度、雰囲気にて焼成した。

【００４２】得られた焼結体の内部抵抗の導体抵抗、長
さ、幅、厚みを測定した後、厚さ１５μｍの導体に換算
したシート抵抗（ｍΩ／□）を算出した。同時に導体間
抵抗は線間距離１００μｍの導体間の抵抗値を測定して
求めた。また同試料について、銅の拡散距離をＥＰＭＡ
（Ｘ線マイクロアナライザー）を用いて測定した。

【００４３】なお、各絶縁基板の熱伝導率をレーザーフ
ラッシュ法により測定し、その結果を表１に示した。ま
た、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に対してインタセプ
ト法に基づき絶縁基板における主結晶粒子の平均結晶粒
径を求めた。さらに、絶縁基板の最表面における平均表
面粗さＲａを触針式表面粗さ計により測定した。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】表１に示すように、同時焼成時の露点が−
２０℃よりも高い試料Ｎo.１では、導体抵抗の上昇、銅
の拡散距離が２０μｍを超え且つ表面荒さも低下した。
また、雰囲気中に水素を含まない試料Ｎo.１９、２０で
は、メタライズの酸化が起こり、導体抵抗が上昇した。

【００４７】また、内部配線層組成において、Ｃｕ／
（Ｃｕ＋Ｗ＋Ｍｏ）の体積比が０．３よりも小さい試料
Ｎo.９、１３では、導体抵抗が８ｍΩ／□よりも大きく
なった。また、同時焼成の温度が１５００℃よりも高い
試料Ｎo.１７では、銅拡散距離が２０μｍよりも大きく
なることにより絶縁基板の絶縁性が劣化した。

【００４８】これらの比較例に対して、本発明の多層配
線基板によれば、シート抵抗が８ｍΩ／□以下、銅の拡
散距離２０μｍ以下であり、これにより配線層間の抵抗
を１０⁹ Ω以上に高めることができた。しかも、いずれ
も表面粗さＲａが１μｍ以下であり、表面平滑性に優れ
るものであった。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の銅含有導体
からなる内部配線層を形成する場合、水素を含む露点が
−２０℃以下の非酸化性雰囲気中で同時焼成することに
より、銅の絶縁基板中への拡散を２０μｍ以下に抑制で
き、これにより配線層間の絶縁劣化を防止し、高信頼性
の高密度の配線層を形成することができる。しかも、焼
成後の基板表面の平滑性に優れ、研磨工程等を必要とし
ない安価な多層配線基板を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多層配線基板の一実施態様を示す概略
断面図である。

【図２】本発明の多層配線基板における内部配線層中の
銅の拡散状態を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 絶縁基板 １ａ，１ｂ、１ｃ 絶縁層 ２ａ 内部配線層 ２ｂ 表面配線層 ３ ビアホール導体 ４ 銅元素

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主結晶相の平均結晶粒径が１．５〜５．０
   μｍの酸化物セラミックスからなる複数の絶縁層を積層
   してなる絶縁基板と、該絶縁基板内部に、銅とタングス
   テンおよび／またはモリブデンを含み、Ｃｕ／（Ｃｕ＋
   Ｗ＋Ｍｏ）の体積比率が０．３以上の複合材料を主成分
   とする導体からなる内部配線層が配設されてなり、前記
   内部配線層の周囲のセラミックスへの銅の拡散距離が２
   ０μｍ以下であり、且つ前記絶縁基板の焼き肌面の表面
   粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下であることを特徴とする多層
   配線基板。
2. 【請求項２】前記酸化物セラミックスが、熱伝導率が１
   ５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の酸化アルミニウム質セラミックスで
   ある請求項１記載の多層配線基板。
3. 【請求項３】平均粒径が０．５〜２．５μｍの酸化物セ
   ラミック粉末を主成分とする混合粉末からなり、その表
   面に少なくとも銅、あるいは銅とタングステンおよび／
   またはモリブデンとの複合材料を主成分とする導体ペー
   ストを配線パターン状に印刷塗布してなる複数のシート
   状成形体を積層した後、該積層体を水素および窒素を含
   む露点−２０℃以下の雰囲気中で１４００〜１５００℃
   の温度で焼成することを特徴とする多層配線基板の製造
   方法。