JP2008541460A - シリコン基板内のビアを封止する材料及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 無溶剤で低粘度の高温安定性高分子を用いてビアを封止する方法を提供すること。
【解決手段】 無溶剤で低粘度の高温安定性高分子又は低粘度の高固形分含有量高分子溶液を用いてビアを封止する方法であって、ここで高分子材料は上昇された温度でビア内に含浸する方法が提供される。上昇された温度で、典型的には高分子材料を液化するのに十分に高い温度で高分子材料を塗布するために、チャンバが導入される。高分子材料は、ポンプ、ピストン、又はチャンバ内で維持される真空による力の下で、加熱された供給ラインを通って導入される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、一般に集積回路に関するものであり、特に、多数の集積回路チップ及び／又はその他のデバイスを搭載し及びパッケージするための半導体又はガラス基板ベースのキャリアに関する。

パッケージング用途に用いられるシリコン（Ｓｉ）基板における深いビアの形成及び金属化は、現在の最先端技術を駆使したプロセスでも成し遂げることが困難である。障害の１つは、パッケージング用途に必要とされるビア・サイズであり、それは典型的にはＶＬＳＩデバイス用途で用いられるビアより数段大きい。ビアが金属化された後、大きいサイズのビアは、周囲の構造内に高い熱・機械的応力を引き起こすことがある。シリコン内のビアの金属化は、典型的には、プラズマ気相成長法（ＰＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、化学めっき法などの金属堆積法、又はこれらの技術の組み合わせを用いて成し遂げられる。その結果得られるビアは、本質的に純金属又は金属合金で金属化されている。金属の高い熱膨張率（ＣＴＥ）は、比較的高い弾性率と共に、ビア及び周囲のシリコン内に高い熱・機械的応力をもたらす。この高い応力水準は、周囲のシリコン内でクラックを形成し、及び／又はビア金属／シリコン界面で界面破壊を引き起こすことがある。

このような問題の解決策の１つは、ビアを充填するためにより低いＣＴＥの複合材料を利用することである。シリコン内のビア・ホールを複合材料で充填するステップは、複合ペースト又は懸濁液を作るステップと、次いでビア・ホールをペースト／懸濁液で充填するステップとを含む。複合ビアの導電性成分を「稠密化する」ために、焼結ステップが必要である。複合ペースト又は懸濁液は粒子から構成されているので、ビア・ホールの完全な固体充填は不可能である。典型的には、複合ペーストで充填されたビアの多孔度は、約４０パーセントから５０パーセントである。このことは、ビアがその細孔ネットワークの内部に液体及び汚染物質を捕捉することがあることを意味する。捕捉された物質は、その後のプロセス・ステップにおいて、最終的にガス放出及び揮発して、深刻な問題を引き起こすことになる。それゆえ、液体及び汚染物質の進入を防ぐためにはビアの小孔を封止する方法が必要である。それに加えて、封止されたビアは、シリコン・キャリアの製造並びにチップの取り付けに必要な全ての後続プロセスに耐えることができなければならない。図１は、ビア封止無しの、ブランケット金属化後のペースト充填ビア３００の部分分解図を示す。金属化後の高温暴走（high temperature excursion)の間に、液体状の浸透物が揮発して、それと一緒にペーストの成分を持ち上げ、これが次に高温暴走の間に表面上で凝固して、構造体３１０が発生する。

従来技術の問題点及び欠点に鑑みて、本発明の目的は、無溶剤で低粘度の高温安定性高分子を用いてビアを封止する方法を提供することである。

本発明の目的は、シリコン構造体内の多孔質ビアを封止することである。

本発明の他の目的は、低粘度の高固形分含有量の高分子溶液を用いてシリコン基板内のペースト充填された深いビアを含浸するための方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、ビア構造体の小孔に浸透できる多孔質ビア用封止溶液を提供することである。

本発明の他の目的は、３６０℃を超える処理温度に耐えることができる多孔質ビア用封止溶液を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、低ＣＴＥのビア材料、シリコン、及びビア・ライナ材料に対する優れた付着特性を有する多孔質ビア用封止溶液を提供することである。

本発明のさらに他の目的及び利点は、一部は本明細書から自明であり、且つ一部は明白であろう。

当業者には明らかである上記及びその他の目的が本発明において達成され、本発明は、基板と、少なくとも１つの半導体チップと、少なくとも１つの露出端部とその中に充填された多孔質材料とを有する、前記基板内の少なくとも１つの電気伝導性のビアと、少なくとも１つの電気伝導性ビアの多孔質材料を封止するシーラントとを含む、半導体チップ・パッケージ組立体に向けられている。シーラントは高分子材料を含む。高分子材料は、ポリイミド材料又は高い熱安定性の熱硬化性材料を含む。高分子材料はまた、ポリイミド前駆体溶液を含むこともできる。ポリイミド前駆体溶液は、高濃度の固形分を含み、約１センチポアズ（ｃＰ）から１５０ｃＰまでの粘度を有する。ポリイミド材料は、その前駆体状態において低粘度及び低融点のニートな熱硬化性材料である。熱安定性の熱硬化性材料は、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）、ＰＭＤＡ‐ＯＤＡ、ＢＰＤＡ‐ＰＤＡ、又はＰＩ２５６２を含む。シーラントはまた、堆積された銅被覆を含むこともできる。

第２の態様において、本発明は、半導体チップ・パッケージ組立体内の半導体基板内の、上端部及び下端部を有するビアを封止する方法に向けられるものであり、この方法は、高分子材料の含浸が上昇された温度で行われるようにビアの上端部を高分子材料で封止するステップを含む。この方法はさらに、基板を薄くしてビアの下端部を露出させるステップと、高分子材料を用いてビアの下端部を封止するステップとを含む。この方法は、無溶剤で低粘度の高温安定性ポリマーを含む高分子材料でビアの上端部を封止するステップを含むことができる。この方法はまた、導電性成分を有する多孔質複合ペースト材料でビアを充填するステップと、ビアを焼結して、ペースト材料の導電性成分を稠密化するステップとを含むこともできる。この方法は、ビアの上端部を、ビアを含浸するために低い粘度を有する高固形分含有量の高分子溶液で封止するステップをさらに含む。また、この装置は、前記基板を固定するために前記機械式チャックに取り付けられた接続ピンを含む。

第３の態様において、本発明は、半導体基板内のペースト充填されたビアにシーラント材料を塗布するときの周囲条件を制御するための装置に向けられるものであり、この装置は、高分子材料を液化することができる温度まで加熱するための熱的に密閉された供給チャンバと、ほぼ供給チャンバの温度で高分子材料を送達するための熱的に隔離された供給管と、高分子材料の流動を可能にする供給管内のバルブと、供給チャンバ内への高分子材料の流入を制御する供給ノズルと、基板を取り付け、且つ保持するようにされた機械式チャックであって、抵抗加熱又は放射加熱される機械式チャックと、を含む。この装置は、バルブが開いているときに高分子材料が減圧下で供給管を通って供給チャンバに流入するように、供給チャンバと流体連通している真空ポンプを含む。供給管を通り供給チャンバ内へと流入する高分子材料の流れを促進するためのポンプ又はピストンを含むこともできる。

第４の態様において、本発明は、基板内のペースト充填されたビアを封止する方法に向けられるものであり、この方法は、液化温度まで高分子材料を加熱するステップと、液化温度又はそれに近い温度に保たれた供給チャンバに供給管を通じて加熱された高分子材料を供給するステップと、高分子材料をビアの上部に塗布し、それによって上部封止面でビアを含浸するステップとを含む。この方法はさらに、無溶剤で低粘度の高温安定性高分子を含む高分子材料でビアを封止するステップを含む。付加的に、この方法は、高分子材料の塗布ステップに先立って、導電性成分を有する多孔質複合ペースト材料でビアを充填するステップと、ビアを焼結してペースト材料の導電性成分を稠密化するステップとを含むことができる。

新規であると考えられる本発明の特徴及び本発明に特徴的な要素は、添付の特許請求の範囲において詳細に説明されている。図面は説明目的のためだけであり、一定の縮尺で描かれてはいない。しかしながら、本発明それ自体は、構成及び操作方法の両方に関して、添付の図面と共に、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の好ましい実施形態を説明する上で、本明細書において、図１〜１０が参照され、ここで、同じ数字は本発明の同様の特徴を表している。本発明は図面に描かれた態様に限られるものではないことを理解するべきである。

本発明は、深く貫通するビアを持つシリコン・キャリアに向けられる。シリコン・キャリアは通常、多数のさまざまな技術のチップをそれらが１つのチップであるかのように接合するために使われる。次に、このパッケージは、深く貫通するビアを通してシリコン・キャリアを通る電気的接続を有する第２のレベルのパッケージに、接合される。

ペースト充填されたビアに対する封止材料の選択は、幾つかの要因、すなわちａ）約数十マイクロメートルの深さでビアの上層を封止する能力、ｂ）ペーストに対する優れた付着特性、ｃ）ビアの側壁の金属化、ｄ）固形分の含有率、ｅ）機械的特性、ｆ）優れた熱安定性、及びｇ）優れた化学機械研磨特性、によって左右される。

第１の実施形態において、本発明は、ポリアミドアミン材料、すなわちＭａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）又はその他の同様の材料のような高温安定性材料を用いてビアを封止する方法を提供する。この材料は、加熱され、又はおよそ２０％から５０％までの濃度でｎ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）と混合して用いることができる。ＮＭＰと共に使われる場合には、溶液は多孔質のビア構造体の中に室温で真空含浸することができ、ＮＭＰはその後、蒸発させられる。次に、この推奨される材料は、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）又はその他の同様の材料の場合にはおよそ１３０℃から１５０℃までである、その融点に曝されて、融解し、水より低い粘度となる。これにより、材料のリフロー及び細孔ネットワーク内へのさらなる浸入が促進されることになる。ポリイミド前駆体を用いると、より高い固形分含有量を可能にしながら、同時に比較的低い粘性を維持することができる。ポリイミド前駆体材料の１つのタイプは、ＰＩ２５６２タイプ材料である。

硬化前の材料の熱可塑性の挙動は、細孔ネットワークの稠密な密封された封止達成する上で重要である。Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）等の材料の硬化は、材料を１３０℃から１５０℃で１時間保持し、その後、３３０℃でさらに硬化させることで達成されことができる。

表Ｉは、これらの要件を満たすいくつかのポリイミド材料の特性を列挙している。用いられることが可能な材料のタイプにはいかなる制限も示されておらず、表Ｉで挙げられたものはこのように用いられることが可能な材料の全てのタイプを含んでいるわけではない。

これらのタイプの低粘度材料は、加熱された状態で周囲圧力で基板に塗布され、これによりビアの封止を促進する。図２は、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）で封止された多孔質ビア１０を示す。Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）層１２の侵入深さは、約７０μｍに制御されている。好ましくは、侵入深さは、およそ数十マイクロメートルである。封止されると、ビアは、元々は多孔質であるビア内部に処理溶剤が進入することなく、化学機械研磨（ＣＭＰ）及び金属めっきプロセスに供されることができる。図３は、無溶剤の低粘度ポリイミドを用いて封止された、ペースト充填ビア１００の例を示す。ポリイミドは、上部のおよそ７０μｍに浸透するように塗布され、ペースト３００とポリイミドとの間に約１００μｍの深さの複合体３２０を形成する。図４は、図３のペースト充填された深いビア３００内の、染料に曝露された低粘度ポリイミド・シール３２０の蛍光顕微鏡写真を示す。

図５は、硬化及び化学機械プロセス後の、ポリイミド溶液で封止されたビア３５０の平面図を示す。図６は、固体金属４００でライニングされ、ポリイミド溶液２００で封止された、本発明の方法で封止されたペースト充填ビア３００を示す。次に、ビアを硬化させ、化学機械プロセスに供して、その結果、シリコン・ウエーハ１００の主表面と同一平面にある高分子層としてのポリイミド層が得られる。

図６の試料の明視野及び蛍光顕微鏡写真が、図７に示される。ポリマー封止キャップ２００は図７Ａにおいて可視であり、より薄い色を示している。図７Ｂは、化学機械プロセス後に、ポリイミドで封止されたビアの内部に染料が浸透していないことを実証している。

さらに他の実施形態において、図８は、ペースト充填されたビア３００の底部で研削されたシリコン・ウエーハ１００を図示する。ペースト充填されたビア３００は、上部がポリイミド溶液２００で封止されている。底部の研削後、前面においてＢＥＯＬプロセス４００が完了した後にビア内の多孔質ペーストが露出される。次に、新たに底部に露出した多孔質ペーストがポリイミド封止プロセスを用いて封止され、続いて化学機械プロセスが行われる。これにより、底部シール５００がもたらされる。（ビア側壁及び底部の金属化は図中で示されていないが、この実施形態において実行できる通常のプロセス・ステップである。）また、反応性イオンエッチングの遅れ（ｌａｇ）の問題のために、ビア底部のライニング金属のところで封止を形成することが常に可能であるとは限らず、背面でビア内の多孔質ペーストが露出する可能性が残っている。

他の実施形態において、図９で示されるように、高温の低粘度材料を塗布するための装置及び方法は、環境内の圧力の制御が可能な密閉系内で加熱されたウエーハ・スピナーを用いて使用されることができる。制御された環境内に密閉されたスピナーを用いることで、異なる深さの溶液の浸透をチャンバの真空の関数として達成することができる。

図９Ａは、シーラント材料のための、制御された周囲の塗布ツールを図示する。密閉された供給チャンバ６３０は、選択されたポリイミドを液化し、かつ粘度を低下させるために必要な温度まで加熱される。供給管６１０及び供給ノズルは、それらの温度を供給チャンバの温度に近づけるように制御するために、熱的に隔離されている。ペースト充填された深いビアを持つウエーハを保持する機械式チャック６００は、チャンバ６５０内で回転し、且つ、その支持回転軸６９０を通して抵抗加熱されるか又は一次熱源６０５によって放射加熱される。含浸深さを増大するためにチャンバの圧力を低下させることが、真空ポンプに連結された出力ポート６７０を通じて可能である。過剰の材料は、こちらもまた取り外し可能な、チャックの下のボウル６２０内に集められる。バルブ６４０は、管６１０に取り付けられ、ウエーハ表面上への高分子の流れを制御する。チャンバ排気（真空）を利用しない場合は、ウエーハ表面上へと高分子を流れさせるためにポンプ装備（図示せず）又はピストン構成（図示せず）が必要になることがある。

図９Ｂは、図９Ａの機械式チャック６００の上面を詳細に示す。機械式チャック６００は、ウエーハのノッチに適合し、高分子の塗布の間中、ウエーハを所定の位置に保持するための３つの接点６２５及び１つのピン６３５と共に示されている。接点及びピンは全て、使用されるウエーハのおおよその厚みに等しい高さまで、チャック６００の表面の上方に延びている。

高分子シーラントに対する代替アプローチとして、図１０は、シーラントとして厚い銅被覆を示す。この被覆は、ジェットプラズマ堆積技術を用いて導入されたが、その他の堆積方法を利用することもでき、このアプローチは、いかなる特定の堆積方法にも限定されない。図１０Ａは、ジェット銅で封止されたビアに曝露された蛍光染料の明視野画像を示す。図１０Ｂは、図１０Ａのビアの蛍光顕微鏡写真を示し、蛍光への曝露によって明らかなように、ビア全体にわたる染料の浸透が示されている。

本発明を特定の好ましい実施形態に関連して詳述してきたが、前述の説明に照らして、多くの選択肢、改変及び変更が当業者には明白であることが明らかである。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真正な範囲及び精神に含まれるものとして、このような選択肢、改変及び変更のいかなるものをも含むことが意図される。

ビア封止無しの、ブランケット金属化後の、ペースト充填されたビアの部分分解図を示す。 Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）で封止された多孔質ビアを示す。 無溶剤で低粘度のポリイミドを用いて封止されている、ペースト充填されたビアを示す。 図３のペースト充填された深いビアにおける、染料に曝露された低粘度ポリイミド・シールの蛍光顕微鏡写真を示す。 硬化及び化学機械プロセス後の、ポリイミド溶液で封止されたビアの平面図を示す。 固体金属でライニングされ、ポリイミド溶液で封止された、本発明の方法で封止されたペースト充填ビアを示す。 図６の試料の明視野及び蛍光顕微鏡写真を示す。 ペースト充填されたビアの底部で研削され、上部及び底部が封止されたシリコン・ウエーハを図示する。 環境内の圧力の制御を可能にする密閉系において、加熱されたウエーハ・スピナーを用いて高温の低粘度材料を塗布するための装置を示す。 シーラントとしての厚い銅被覆を示す。

符号の説明

１０：多孔質ビア
１２：Ｍａｒｉｍｉｄ（登録商標）層
１００：ペースト充填ビア、シリコン・ウエーハ
２００：ポリイミド溶液、ポリマー封止キャップ
３００：ペースト充填ビア、ペースト
３１０：構造体
３２０：複合体、ポリイミド・シール
３５０：ビア
４００：固体金属、ＢＥＯＬ
５００：底部シール
６０５：一次熱源
６００：機械式チャック
６１０：供給管
６２０：ボウル
６２５：接点
６３０：供給チャンバ
６３５：ピン
６４０：バルブ
６５０：チャンバ
６７０：出力ポート
６９０：支持回転軸

Claims (28)

1. 基板と、
   少なくとも１つの半導体チップと、
   少なくとも１つの露出端部とその中に充填された多孔質材料とを有する、前記基板内の少なくとも１つの電気伝導性ビアと、
   前記少なくとも１つの電気伝導性ビアの前記多孔質材料を封止するシーラントと、
   を含む、半導体チップ・パッケージ組立体。
2. 前記シーラントが高分子材料を含む、請求項１に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
3. 前記高分子材料が、ポリイミド材料又は高い熱安定性の熱硬化性材料を含む、請求項２に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
4. 前記高分子材料が、ポリイミド前駆体溶液を含む、請求項２に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
5. 前記ポリイミド前駆体溶液が、高濃度の固形分を含み、１ｃＰから１５０ｃＰまでの粘度を有する、請求項４に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
6. 前記ポリイミド材料が、その前駆体状態において低粘度及び低融点のニートな熱硬化性材料である、請求項３に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
7. 前記熱安定性の熱硬化性材料が、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）、ＰＭＤＡ‐ＯＤＡ、ＢＰＤＡ‐ＰＤＡ、又はＰＩ２５６２を含む、請求項３に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
8. 前記シーラントが堆積された銅被覆を含む、請求項１に記載の半導体チップ・パッケージ組立体。
9. 半導体チップ・パッケージ組立体内の半導体基板内の、上端部及び下端部を有するビアを封止する方法であって、高分子材料の含浸が上昇された温度で行われるように前記高分子材料で前記ビアの前記上端部を封止するステップを含む方法。
10. 前記基板を薄くして前記ビアの前記下端部を露出させるステップと、前記高分子材料を用いて前記ビアの前記下端部を封止するステップとをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記高分子材料が無溶剤で低粘度の高温安定性高分子を含む、請求項９に記載の方法。
12. 導電性成分を有する多孔質複合ペースト材料で前記ビアを充填するステップと、前記ビアを焼結して、前記ペースト材料の前記導電性成分を稠密化するステップとを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記高分子材料が、ポリイミド材料又は高い熱安定性の熱硬化性材料を含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記高分子材料が、ポリイミド前駆体溶液を含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記ポリイミド前駆体溶液が、高濃度の固形分を含み、１ｃＰから１５０ｃＰまでの粘度を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ポリイミド材料が、その前駆体状態において低粘度及び低い融点のニートな熱硬化性材料である、請求項１３に記載の方法。
17. 前記熱安定性の熱硬化性材料が、Ｍａｔｒｉｍｉｄ（登録商標）、ＰＭＤＡ‐ＯＤＡ、ＢＰＤＡ‐ＰＤＡ、又はＰＩ２５６２を含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記ビアの前記上端部を、前記ビアを含浸するために低い粘度を有する高固形分含有量の高分子溶液で封止するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
19. 半導体基板内のペースト充填されたビアにシーラント材料を塗布するときの周囲条件を制御するための装置であって、
    高分子材料を液化することができる温度まで加熱するための熱的に密閉されたチャンバと、
    前記チャンバの温度で前記高分子材料を送達するための熱的に隔離された供給管と、
    前記高分子材料の流動を可能にする前記供給管内のバルブと、
    前記チャンバ内への前記高分子材料の流入を制御する供給ノズルと、
    前記基板を取り付け、且つ保持するようにされた機械式チャックであって、抵抗加熱又は放射加熱される機械式チャックと、
    を含む装置。
20. 前記バルブが開いているときに前記高分子材料が減圧下で前記供給管を通って前記供給チャンバに流入するように、前記チャンバと流体連通している真空ポンプを含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記供給管を通り前記チャンバ内へと流入する高分子材料の流れを促進するためのポンプ又はピストンのいずれかを含む、請求項１９に記載の装置。
22. 前記基板を固定するために前記機械式チャックに取り付けられた接続ピンを含む、請求項１９に記載の装置。
23. 基板内のペースト充填されたビアを封止する方法であって、
    液化温度まで高分子材料を加熱するステップと、
    前記液化温度又はそれに近い温度に保たれたチャンバに供給管を通じて前記加熱された高分子材料を供給するステップと、
    前記高分子材料を前記ビアの上部に塗布し、それによって上部封止面で該ビアを含浸するステップと、
    を含む方法。
24. 前記高分子材料が無溶剤で低粘度の高温安定性高分子を含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記高分子材料の塗布ステップに先立って、導電性成分を有する多孔質複合ペースト材料で前記ビアを充填するステップと、前記ビアを焼結して、前記ペースト材料の前記導電性成分を稠密化するステップとを含む、請求項２３に記載の方法。
26. 前記高分子材料が、ポリイミド材料又は高い熱安定性の熱硬化性材料を含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記高分子材料が、ポリイミド前駆体溶液を含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記高分子材料を塗布するステップが、前記ビアの上部に数十マイクロメートルの厚さの高分子層を形成するステップを含む、請求項２３に記載の方法。

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