JP2011159830A

JP2011159830A - 電子回路

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Publication number: JP2011159830A
Application number: JP2010020664A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Sato; 了平佐藤; Eiji Morinaga; 英二森永; Yuichi Oka; 雄一岡; Toshiaki Iwabuchi; 寿章岩渕; Hiroshi Asami; 浅見　　博; Hiroaki Nishimori; 宏明西森
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: JP5544465B2

Abstract

【課題】電子部品を積層接続して構成される電子回路において、耐熱性を低下させることなく接合不良を解消することにより高性能化を図る。
【解決手段】接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成される電子回路であって、対向配置される電子部品１０，２０は、対向する接続用電極同士が直接接合している直接接合部（第１接合部、第３接合部）と、対向する接続用電極同士が金属間化合物３０を介して接合している間接接合部（第２接合部）とにより接続されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子部品を積層接続して構成される電子回路に関する。

半導体ＬＳＩ（Large Scale Integration）の技術（例えば特許文献１〜３）は、近年の高度情報化社会に多大な貢献をもたらしてきたが、半導体の微細化が物理的・経済的限界を迎えつつあり、さらなる高性能化が困難となっている。そこで、近年では、高度情報化社会のより一層の発展を目指し、半導体ＬＳＩの高性能化を図るべく、３Ｄ−ＳｉＰ（System in Package）と称する積層デバイス構造が盛んに研究されている。

特開平１１−２３９８６６号公報（１９９９年９月７日公開）特許第４１３６８４４号公報（２００８年６月１３日登録）特開２００６−３０３３４５号公報（２００６年１１月２日公開）

しかし、従来の積層デバイス構造では、以下のような問題点がある。

すなわち、第１の問題点として、従来の、多数のウェハを多段階で積層接続するＣｕ−Ｃｕ接続技術では、真空中で接合温度や圧力が高いため、安定した製造プロセスが困難である。また、第２の問題点として、従来の、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｉｎ系のＰｂフリーろう材を用いた接続技術では、温度ヒエラルキーとフラックスレス可能な高耐熱の接合系を得ることが困難である。第３の問題点として、多数のウェハを多段階で積層接続した場合、ウェハの面内ばらつきに起因する接合不良が生じる。

以下、第３の問題点であるウェハの面内ばらつきに起因する接合不良について具体的に説明する。図２７は、対向配置される電子部品の概略構成を模式的に示す断面図であり、図２８は、２つの電子部品の接合の様子を模式的に示した断面図である。図２７に示すように、電子部品１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１上に設けられる多数の接続用電極１０２と、接続用電極１０２上に成膜されるろう材１０３とを含んで構成されている。同様に、電子部品２００は、Ｓｉ基板２０１と、Ｓｉ基板２０１上に設けられる多数の接続用電極２０２と、接続用電極２０２上に成膜されるろう材２０３とを含んで構成されている。

ここで、電子部品１００および電子部品２００を互いに接続するために対向配置すると、接合バンプの高さのばらつきにより接合バンプ間の距離にばらつきが生じる。図２８には、ばらつきの状態に応じてケース１〜３が示されている。図２９は、ケース１の接合の様子を模式的に示す断面図である。このケース１では、電子部品１００および電子部品２００同士をつき合わせた際に最初に接する部分であるため、正常な接合が行われる。

これに対して、ケース２，３では、ケース１の接合に対応して、電子部品１００のろう材１０３と、電子部品２００のろう材２０３との間にギャップが生じることになる。そのため、電子部品１００の接続用電極１０２と、電子部品２００の接続用電極２０２とが正常に接合されず、接合不良が生じ、接合部の信頼性が低下する。

また、このような接合不良を解消するために、予めギャップを考慮してろう材を多く供給しておく方法が考えられるが、この方法では、溶融後に低融点のろう材が残ってしまい、耐熱性が低下してしまうという問題が生じる。この低融点ろう材の残留による耐熱性低下の課題に対して、特許文献１では、ＳｎＩｎ系ろう材薄片を用いた低温・高耐熱接合方法が提案されている。しかし、この接合方法では、接続用電極材とろう材とからなる金属間化合物を介して接合されるため、その接合部は、一般に脆くなってしまう。そのため、ウェハ面内全ての接続用電極を、この接合方法で接続すると、信頼性が損なわれるという問題が生じる。

また、特許文献２では、ろう材薄膜が接続用電極材に完全に固液拡散し、接続用電極材とろう材とが全体として単一の合金層となるまで加熱加圧を行う方法が提案されている。この方法で得られる接合部は比較的信頼性が高いので好ましいが、多端子の接合においては、前記ギャップの存在により、全ての接続用電極をこのような形態で接合することは不可能である。

これらのようなろう材を用いる接合においては、ろう材表面に形成される自然酸化膜が接合を阻害するという問題がある。特に、前記先行技術のような、ろう材薄膜を用いた接合においては、この問題が顕著となる。特許文献３では、この問題に対して、Ａｇ膜を形成することで自然酸化膜の形成を抑制する方法が提案されているが、この方法は単なる酸化防止膜という観点では公知である。さらに、ろう材薄膜の表面張力を発揮させ得る酸化防止膜のあるべき姿が明確にされていないという問題がある。

このように、積層デバイスの技術は様々な問題を含んでおり、その標準化された技術は確立されておらず、本格的な実用化には至っていない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品を積層接続して構成される電子回路において、耐熱性を低下させることなく接合不良を解消することにより高性能化を図ることにある。

本発明の電子回路は、上記課題を解決するために、
接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成される電子回路であって、
対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が直接接合している直接接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して接合している間接接合部とにより接続されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、接続用電極同士が直接接続する直接接合部と、接続用電極同士が金属間化合物を介して接続する間接接合部により構成されているため、積層接続する電子部品同士の間（接続用電極間）にギャップが生じたとしても、各電子部品の電気的接続が可能となり、従来のような接合不良を生じることがない。また、ギャップを考慮してろう材を多く供給する必要もないため、耐熱性が低下することもない。よって、従来と比較してより高性能な電子回路を実現することができる。

本発明の電子回路は、上記課題を解決するために、
接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成される電子回路であって、
対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が、スペーサを介して接合している第１接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して接合している第２接合部とにより接続されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、接続用電極同士が直接接続する直接接合部と、接続用電極同士が金属間化合物を介して接続する間接接合部により構成されているため、積層接続する電子部品同士の間（接続用電極間）にギャップが生じたとしても、各電子部品の電気的接続が可能となり、従来のような接合不良を生じることがない。また、ギャップを考慮してろう材を多く供給する必要もないため、耐熱性が低下することもない。よって、従来と比較してより高性能な電子回路を実現することができる。さらに、スペーサに因る一定量の間隔が接合ウェハ間に形成されるため、接合工程の後での樹脂の封入に好適である。よって、高性能かつ高信頼な電子回路を実現することができる。

前記電子回路では、前記スペーサは、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｐ合金，Ｎｉ−Ｂ合金，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，あるいはこれらの組み合わせから成る材料により構成することもできる。

前記電子回路では、前記金属間化合物は、対向する接続用電極間に供給されるろう材と、該接続用電極とにより生成されている構成とすることもできる。

前記電子回路では、前記金属間化合物は、対向する接続用電極間に供給されるろう材と、該接続用電極と、前記スペーサとにより生成されている構成とすることもできる。

前記電子回路では、前記ろう材は、表面に酸化防止膜が形成されている構成とすることもできる。

前記電子回路では、前記ろう材は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、これらの合金、あるいは、これらの材料にＧａ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔを少なくとも１つ含む合金、により構成されていてもよい。

前記電子回路では、前記酸化防止膜は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されていてもよい。

前記電子回路では、前記接続用電極は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されていてもよい。

以上のように、本発明の電子回路は、対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が直接接合している直接接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して接合している間接接合部とにより接続されている構成である。よって、従来と比較してより高性能な電子回路を実現することができる。さらに、多階層にＳｉウェハを積層する際の温度ヒエラルキー（前工程で接合した接続部を、後工程で溶融させない）を可能とし、高性能な三次元積層ＬＳＩ、などの積層デバイスを実現することができる。

実施の形態１に係る電子回路１の概略構成を示す断面図である。実施の形態１に係る電子部品１０および電子部品２０の接続部を模式的に示す断面図である。実施の形態１に係る電子部品１０と電子部品２０とを接合する前の状態を示す図である。実施の形態１に係る電子部品１０と電子部品２０とが接合した状態を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における第１接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における第２接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における第３接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。実施例１に係る電子部品１０ａの一部の構成例を示す断面図である。実施例１に係る電子部品２０ａの一部の構成例を示す断面図である。実施例１において多数接合したバンプの一つについて、接合部の断面を観察した結果を示す図である。実施例２に係る電子部品１０ｂの一部の構成例を示す断面図である。実施例２に係る電子部品２０ｂの一部の構成例を示す断面図である。実施例２においてＳｉ−Ｃｒ−Ｃｕの界面で破断したバンプの一つについて、接合部の断面を観察した結果を示す図である。実施例２における中間層の成分分析を行った結果を示す図である。実施例２における中間層に対して、加熱・冷却・断面観察を行った結果を示す図である。実施例３に係る電子部品１０ｃの一部の構成例を示す断面図である。実施例３に係る電子部品１０ｃにおける、各積層膜バンプ６５の形状プロファイルの平均曲率半径を計測した結果を示すグラフである。実施の形態２に係る電子回路における電子部品７０および電子部品８０の接続部を模式的に示す断面図である。実施の形態２に係る電子回路における電子部品７０と電子部品８０とを接合する前の状態を示す図である。実施の形態２に係る電子回路における電子部品７０と電子部品８０とが接合した状態を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における第１接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における第２接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。実施の形態２に係る電子回路の他の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る電子回路の他の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る電子回路の他の構成を示す断面図である。実施の形態２に係る電子回路の他の構成を示す断面図である。従来の、対向配置される電子部品の概略構成を模式的に示す断面図である。従来の、２つの電子部品の接合の様子を模式的に示した断面図である。従来の、ケース１の接合の様子を模式的に示す断面図である。

本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

〔実施の形態１〕
図１は、本実施の形態１に係る電子回路１の概略構成を示す断面図である。電子回路１は、３次元ＬＳＩなどの積層デバイス（３ＤＳｉＰ）であり、半導体チップ等の複数の電子部品１０，２０，…が積層接続されて構成されている。この図では、一例として、８個のＤＲＡＭメモリチップを積層接続した状態を模式的に示している。以下では、説明の便宜上、電子部品１０およびこれに接続される電子部品２０を例に挙げて説明する。

図２は、電子部品１０および電子部品２０の接続部を模式的に示す断面図である。電子部品１０は、ウェハとしてのＳｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に多数設けられる接続用電極１２と、接続用電極１２上に形成されるろう材１３と、ろう材１３上に形成される酸化防止膜１４とを含んで構成されている。同様に、電子部品２０は、ウェハとしてのＳｉ基板２１と、Ｓｉ基板２１上に多数設けられる接続用電極２２と、接続用電極２２上に形成されるろう材２３と、ろう材２３上に形成される酸化防止膜２４とを含んで構成されている。

接続用電極１２，２２は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはそれらの組み合わせにより構成される。

ろう材１３，２３は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、これらの合金、これらの材料にＧａ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔを少なくとも１つ含む低融点の合金により構成される。また、ろう材１３，２３は、例えば、フォトリソグラフィ・エッチング方式により、バンプパターン状に形成される。

酸化防止膜１４，２４は、貴金属薄膜であって、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。酸化防止膜１４，２４の膜厚は、融点が必要以上に上がらないように、１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、酸化防止膜１４，２４は、ろう材１３，２３を形成後、大気に晒さずに、ろう材１３，２３上に形成する。これにより、ろう材１３，２３の表面酸化膜の形成を防止する。

次に、電子部品１０と電子部品２０との接合方法について説明する。上述したように、電子部品同士を積層接続する場合、多数配される各接続用電極の高さ（バンプ高さ）が一定ではないため、対向する電極部間にギャップが生じる。図３は、電子部品１０と電子部品２０とを接合する前の状態を示している。同図には、バンプ高さのばらつき度合いに応じた、第１接合部（直接接合部）、第２接合部（間接接合部）、および第３接合部（直接接合部）が示されている。なお、各ギャップの大きさは、第１接合部＜第３接合部＜第２接合部の関係を満たしている。図４は、電子部品１０と電子部品２０とが接合した状態を示している。以下では、図３に示す接合前の状態から、図４に示す接合後の状態になるまでの様子を、図５〜図７を用いて説明する。なお、ここでは、電極材をＣｕとする。

図５の（ａ）〜（ｃ）は、第１接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。第１接合部では、電子部品１０および電子部品２０同士をつき合わせた際に最初に接する部分であり、Ｃｕ−Ｃｕの正常（理想的）な接合が行われる。すなわち、同図に示すように、溶融前の段階（ａ）で、電子部品１０の酸化防止膜１４と電子部品２０の酸化防止膜２４とが接触する。続いて、加熱および加圧する溶融の段階（ｂ）では、溶融したろう材１３，２３への酸化防止膜１４，２４の溶解と、溶融したろう材１３，２３の変形および加圧による酸化防止膜１４，２４の破壊とにより、溶融したろう材１３，２３は一つのろう材溶液となる。また、電子部品１０の接続用電極１２の電極材と、電子部品２０の接続用電極２２の電極材とが、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液に溶出および拡散する。さらに、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液が、バンプ周囲に押し出される。そして、接合の段階（ｃ）で、電子部品１０の接続用電極１２と、電子部品２０の接続用電極２２とが直接接合され、その周囲に電極材Ｃｕとろう材とからなる高融点の金属間化合物３０が生成される。このように、第１接合部では、溶融したろう材へＣｕが拡散することにより、Ｃｕ−Ｃｕの直接接合が行われ、理想的な接合部が形成される。

図６の（ａ）〜（ｃ）は、第２接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。第２接合部では、電子部品１０および電子部品２０同士をつき合わせた際に、電子部品１０の酸化防止膜１４と電子部品２０の酸化防止膜２４との間にギャップが生じる（図３参照）。そのため、図６に示すように、溶融前の段階（ａ）では、電子部品１０の酸化防止膜１４と電子部品２０の酸化防止膜２４とは接触しない。続いて、加熱および加圧する溶融の段階（ｂ）では、加圧と、第１接合部および後述の第３接合部でのろう材の溶融変形とによって、第２接合部におけるギャップが減少する。このギャップの減少と、溶融したろう材１３，２３への酸化防止膜１４，２４の溶解と、溶融したろう材１３，２３の変形および加圧による酸化防止膜１４，２４の破壊とにより、溶融したろう材１３，２３は一つのろう材溶液となる。また、電子部品１０の接続用電極１２の電極材と、電子部品２０の接続用電極２２の電極材とが、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液に溶出および拡散する。さらに、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液の一部が、バンプ周囲に押し出される。そして、接合の段階（ｃ）で、電子部品１０の接続用電極１２と、電子部品２０の接続用電極２２との間に高融点の金属間化合物３０が生成される。このように、第２接合部では、電子部品１０の接続用電極１２と電子部品２０の接続用電極２２とが、電極材Ｃｕとろう材とにより生成される高融点の金属間化合物３０を介して接続される。

図７の（ａ）〜（ｃ）は、第３接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。この第３接合部では、第１接合部および第２接合部の中間的な形態の接合部が形成される。また、第３接合部では、第２接合部と同様、電子部品１０および電子部品２０同士をつき合わせた際に、電子部品１０の酸化防止膜１４と電子部品２０の酸化防止膜２４との間にギャップが生じるが、このギャップの大きさは第２接合部よりも小さくなる（図３参照）。図７に示すように、溶融前の段階（ａ）では、第２接合部と同様、電子部品１０の酸化防止膜１４と電子部品２０の酸化防止膜２４とは接触しない。続いて、加熱および加圧する溶融の段階（ｂ）では、加圧と、第１接合部でのろう材の溶融変形とによって、第３接合部におけるギャップが減少する。このギャップの減少と、溶融したろう材１３，２３への酸化防止膜１４，２４の溶解と、溶融したろう材１３，２３の変形および加圧による酸化防止膜１４，２４の破壊とにより、溶融したろう材１３，２３は一つのろう材溶液となる。また、電子部品１０の接続用電極１２の電極材と、電子部品２０の接続用電極２２の電極材とが、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液に溶出および拡散する。さらに、溶融したろう材１３，２３あるいは前記ろう材溶液の一部が、バンプ周囲に押し出される。そして、接合の段階（ｃ）で、電子部品１０の接続用電極１２と、電子部品２０の接続用電極２２とが、対向する領域の一部分で直接接合され、残りの部分に電極材Ｃｕとろう材とからなる高融点の金属間化合物３０が生成される。このように、第３接合部では、Ｃｕ−Ｃｕ直接接合の部分と、高融点の金属間化合物３０を介して接合する部分とが形成される。

以上のように、本実施の形態１に係る電子回路１は、接続用電極同士が直接接続する接合部（第１および第３接合部；直接接合部）と、接続用電極同士が金属間化合物を介して接続する接合部（第２接合部；間接接合部）により構成されている。そのため、積層接続する電子部品同士の間（接続用電極間）にギャップが生じたとしても、従来のような接合不良を生じることがない。また、ギャップを考慮してろう材を多く供給する必要もないため、耐熱性が低下することもない。よって、従来と比較してより高性能な電子回路を実現することができる。

次に、本電子回路１の製造工程の概略を説明する。
（１．ろう材膜バンプ形成工程）
電気素子および接続用電極が形成された基板にレジストパターンを形成し、ろう材膜を形成する。形成方法は、真空中で均一な成膜が可能な電子ビーム蒸着法が好ましい。
（２．表面酸化膜防止工程）
ろう材膜が大気に晒されて表面に自然酸化膜が形成されることを抑制するため、ろう材膜形成後、真空を保持したまま酸化防止膜を電子ビーム蒸着により連続して成膜する。
（３．接合工程）
上述の工程を経てろう材膜バンプを形成した電子部品をボンダーに設置し、位置合わせを行った後、ろう材の融点以上に加熱するとともに加圧し、一定時間保持する。
〔実施例１〕
次に、本実施の形態１に係る電子回路１の実施例１について以下に説明する。

図８は、電子部品１０ａの一部の構成例を示す断面図である。本実施例１における電子部品１０ａを、以下のように形成した。すなわち、直径３０μｍ、高さ３μｍのＣｕバンプ１５のマトリックス状パターンを持つＳｉウェハ片２を用意し、それらのＣｕバンプ１５上に、Ｉｎ５０重量％およびＳｎ５０重量％から成り融点が１１７℃であるＩｎＳｎ合金と、Ａｇインゴットとをそれぞれターゲット材に用いて、電子ビーム蒸着法により、厚さ２μｍのＩｎＳｎ膜１６と厚さ２ｎｍのＡｇ膜１７から成る積層膜１８を形成した。

図９は、電子部品２０ａの一部の構成例を示す断面図である。本実施例１における電子部品２０ａを、以下のように形成した。すなわち、直径３０μｍ、高さ１μｍのＣｕバンプ２５のマトリックス状パターンを持つＳｉウェハ片３を用意し、それらのＣｕバンプ２５上に、Ａｇインゴットをターゲット材に用いて、電子ビーム蒸着法により、厚さ４ｎｍのＡｇ膜２６を形成した。

そして、電子部品１０ａと電子部品２０ａとを対向させ、位置合わせを行った後、１．１ＭＰａ・２５０℃で加圧・加熱し１０分間保持することで接合を行った。多数接合したバンプの一つについて、接合部の断面を観察した結果、図１０のように、中間層は生成されず、Ｃｕ材同士が直接接合していることが確認された。
〔実施例２〕
次に、本実施の形態１に係る電子回路１の実施例２について以下に説明する。

図１１は、電子部品１０ｂの一部の構成例を示す断面図である。本実施例２における電子部品１０ｂを、以下のように形成した。すなわち、Ｃｒインゴットと、Ｃｕインゴットと、Ｉｎ５０重量％およびＳｎ５０重量％から成るＩｎＳｎ合金と、Ａｇインゴットとをそれぞれターゲット材に用いて、電子ビーム蒸着法により、Ｃｒ薄膜４１と、Ｃｕ薄膜４２と、ＩｎＳｎ薄膜４３と、Ａｇ薄膜４４とから成る、直径５０μｍの積層膜バンプ４５を、マトリックス状パターンとして、Ｓｉウェハ片４０上に形成した。

図１２は、電子部品２０ｂの一部の構成例を示す断面図である。本実施例２における電子部品２０ｂを、以下のように形成した。すなわち、Ｃｕインゴットと、Ｉｎ５０重量％およびＳｎ５０重量％から成るＩｎＳｎ合金と、Ａｇインゴットとをそれぞれターゲット材に用いて、電子ビーム蒸着法により、Ｃｕ薄膜５１と、ＩｎＳｎ薄膜５２と、Ａｇ薄膜５３とから成る、直径５０μｍの積層膜バンプ５４を、マトリックス状パターンとして、Ｓｉウェハ片５０上に形成した。

なお、電子部品１０ｂでは、Ｃｒ膜厚を５０ｎｍ、Ｃｕ膜厚を２μｍ、ＩｎＳｎ膜厚を２μｍ、Ａｇ膜厚を２ｎｍとし、電子部品２０ｂでは、Ｃｕ膜厚を２μｍ、ＩｎＳｎ膜厚を１μｍ、Ａｇ膜厚を１０ｎｍとした。

そして、電子部品１０ｂと電子部品２０ｂとを対向させ、位置合わせを行った後、２．１ＭＰａ・１８０℃で加圧・加熱し１０分間保持することで接合を行った。この接合処理の後、電子部品１０ｂと電子部品２０ｂとを引っ張って剥がしたところ、接合部では破断せずに、Ｓｉウェハ片４０における、ＳｉとＣｒ、あるいはＣｒとＣｕの界面で破断したバンプ、Ｓｉウェハ片５０におけるＳｉとＣｕの界面で破断したバンプ、および、Ｓｉウェハ片母材において破断を起こしたバンプ部が多数確認された。このため、本実施例２の構成における接合部の接合強度は不明であるが、一般にＳｉ−Ｃｒ−Ｃｕ積層膜は、非常に強固な密着性が得られることから、高い信頼性を得られることが確認された。

前記のＳｉ−Ｃｒ−Ｃｕの界面で破断したバンプの一つについて、接合部の断面を観察した結果を図１３に示す。同図に示すように、Ｓｉウェハ片内でのバンプ高さのばらつきの存在により、中間層を介した接合形態となっていることが確認された。

次に、前記中間層の成分分析を行った結果を、図１４に示す。同図に示すように、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ（Ａｇは微量のため検出されず）が検出されたことから、前記中間層は、これらの成分から構成される層であることが確認された。

さらに、前記中間層に対して、加熱・冷却・断面観察を行った。４００℃の加熱処理を行った結果を図１５に示す。同図に示すように、接合部は加熱処理を施してもＩｎやＳｎの溶融に起因する組織変化が観察されなかったことから、前記中間層全てがＣｕとＩｎＳｎ材との金属間化合物となっており、４００℃以上の高耐熱性を有することが確認された。
〔実施例３〕
次に、本実施の形態１に係る電子回路１の実施例３について以下に説明する。

図１６は、電子部品１０ｃの一部の構成例を示す断面図である。本実施例３における電子部品１０ｃは、以下のように形成した。すなわち、Ｃｒインゴットと、Ｃｕインゴットと、Ｉｎ５０重量％とＳｎ５０重量％から成るＩｎＳｎ合金と、Ａｇインゴットとをそれぞれターゲット材に用いて、電子ビーム蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＣｒ薄膜６１と、厚さ５０ｎｍのＣｕ薄膜６２と、厚さ２μｍのＩｎＳｎ薄膜６３と、Ａｇ薄膜６４とから成る、直径２０μｍの積層膜バンプ６５を、マトリックス状パターンとして、Ｓｉウェハ片６０上に形成した。この電子部品１０ｃを複数作成し、それぞれのＡｇ膜厚を、０ｎｍ，１０ｎｍ，３０ｎｍ，５０ｎｍとした。

続いて、これらの電子部品１０ｃを１８０℃に加熱し、１０秒間保持した。この熱処理前後のそれぞれの電子部品１０ｃにおける、各積層膜バンプ６５の形状プロファイルの平均曲率半径を計測した結果を図１７に示す。同図に示すように、Ａｇ膜厚が１０ｎｍおよび３０ｎｍの電子部品１０ｃにおいては、自然酸化膜生成が防止され、かつＡｇ膜６４の一部あるいは全てが溶融ろう材に溶解するため、溶融ろう材の表面張力により、バンプの曲率半径が４０μｍ未満と充分小さい値となっているが、Ａｇ膜厚が０ｎｍの電子部品１０ｃにおいては、自然酸化膜の存在によって、曲率半径が４０μｍ以上と大きい値となっている。また、Ａｇ膜厚が５０ｎｍの電子部品１０ｃにおいても、ろう材に溶解せずに残ったＡｇ膜自体の存在により、曲率半径は大きくなっている。

Ａｇ膜６４の溶融ろう材への溶解量は加熱保持時間に関して概ね単調増加であること、本発明による接合形態を実用する場合に必要な加熱保持時間は長くても概ね１００秒程と見積もられること、および、１００秒を加熱保持した場合の平均曲率半径の膜厚依存性に対する実験結果から、本発明におけるＡｇ膜厚は１００ｎｍ以下とすることが好ましいことが見出された。
〔実施の形態２〕
前記実施の形態１で例に挙げた図１の電子回路１において、電子部品１０およびこれに接続される電子部品２０の他の形態について説明する。以下では、説明の便宜上、図１の電子部品１０を電子部品７０と表し、電子部品２０を電子部品８０と表す。

図１８は、本実施の形態２に係る電子部品７０および電子部品８０の接続部を模式的に示す断面図である。電子部品７０は、ウェハとしてのＳｉ基板７１と、Ｓｉ基板７１上に多数設けられる接続用電極７２と、接続用電極７２上に形成されるろう材７３と、ろう材７３上に形成される酸化防止膜７４とを含んで構成されている。同様に、電子部品８０は、ウェハとしてのＳｉ基板８１と、Ｓｉ基板８１上に多数設けられる接続用電極８２と、接続用電極８２上に形成されるろう材８３と、ろう材８３上に形成される酸化防止膜８４とを含んで構成されている。また、スペーサ９０は、スペーサ本体９１と、スペーサ本体９１を覆うように形成されるろう材９２と、ろう材９２を覆うように形成される酸化防止膜９３とを含んで構成されている。また、スペーサ９０は、電子部品７０と電子部品８０との間に形成されている。

接続用電極７２，８２は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはそれらの組み合わせにより構成される。

スペーサ本体９１は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはそれらの組み合わせにより構成される。

ろう材７３，８３，９２は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、これらの合金、これらの材料にＧａ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔを少なくとも１つ含む低融点の合金により構成される。

酸化防止膜７４，８４，９３は、貴金属薄膜であって、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。酸化防止膜７４，８４，９３の膜厚は、融点が必要以上に上がらないように、１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、酸化防止膜７４，８４，９３は、ろう材７３，８３，９２を形成後、大気に晒さずに、ろう材７３，８３上に、およびろう材９２周囲に形成する。これにより、ろう材７３，８３，９２の表面酸化膜の形成を防止する。

次に、電子部品７０と電子部品８０との接合方法について説明する。上述したように、電子部品同士を積層接続する場合、多数配される各接続用電極の高さ（バンプ高さ）が一定ではないため、対向する電極部間にギャップが生じる。図１９は、電子部品７０と電子部品８０とを接合する前の状態を示している。同図には、バンプ高さのばらつき度合いに応じた、第１接合部および第２接合部が示されている。図２０は、電子部品７０と電子部品８０とが接合した状態を示している。以下では、図１９に示す接合前の状態から、図２０に示す接合後の状態になるまでの様子を、図２１および図２２を用いて説明する。なお、ここでは、電極材およびスペーサ本体９１の材料をＣｕとする。

図２１の（ａ）〜（ｃ）は、第１接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。第１接合部では、電子部品７０および電子部品８０同士を、スペーサ９０を介してつき合わせた際に、電子部品７０および電子部品８０がスペーサ９０を介して最初に接する部分であり、正常（理想的）な接合が行われる。すなわち、同図に示すように、溶融前の段階（ａ）で、電子部品７０の酸化防止膜７４とスペーサ９０の酸化防止膜９３とが接触し、電子部品８０の酸化防止膜８４とスペーサ９０の酸化防止膜９３とが接触する。続いて、加熱および加圧する溶融の段階（ｂ）では、溶融したろう材７３，８３，９２への酸化防止膜７４，８４，９３の溶解と、溶融したろう材７３，８３，９２の変形および加圧による酸化防止膜７４，８４，９３の破壊とにより、溶融したろう材７３，８３，９２は一つのろう材溶液となる。また、電子部品７０の接続用電極７２の電極材と、電子部品８０の接続用電極８２の電極材と、スペーサ９０のスペーサ本体９１のＣｕ材とが、溶融したろう材７３，８３，９２あるいは前記ろう材溶液に溶出および拡散する。さらに、溶融したろう材７３，８３，９２あるいは前記ろう材溶液のうち、スペーサ本体９１と接続用電極７２，８２との間に位置する部分が、スペーサ本体９１の周囲に押し出される。そして、接合の段階（ｃ）で、電子部品７０の接続用電極７２とスペーサ９０のスペーサ本体９１とが直接接合され、電子部品８０の接続用電極８２とスペーサ９０のスペーサ本体９１が直接接合され、その周囲に、電極材Ｃｕとスペーサ材Ｃｕとろう材とのうちの２つ以上からなる高融点の金属間化合物９４が生成される。このように、第１接合部では、溶融したろう材へＣｕが拡散することにより、スペーサと各接続用電極の間でＣｕ−Ｃｕの直接接合が行われ、信頼性の高い接合部を形成することができる。

図２２の（ａ）〜（ｃ）は、第２接合部の接合の様子を模式的に示す断面図である。第２接合部では、電子部品７０および電子部品８０同士を、スペーサ９０を介してつき合わせた際に、電子部品８０の酸化防止膜８４とスペーサ９０の酸化防止膜９３との間にギャップが生じる。同図に示すように、溶融前の段階（ａ）では、電子部品７０の酸化防止膜７４とスペーサ９０の酸化防止膜９３とは接触するが、電子部品８０の酸化防止膜８４とスペーサ９０の酸化防止膜９３とは接触しない。続いて、加熱および加圧する溶融の段階（ｂ）では、溶融したろう材７３，９２への酸化防止膜７４，９３の溶解と、溶融したろう材７３，９２の変形と加圧による酸化防止膜７４，９３の破壊とにより、溶融したろう材７３，９２は一つのろう材溶液となる。また、加圧と、第１接合部でのろう材の溶融変形とによって、第２接合部でのギャップが減少する。このギャップの減少と、溶融したろう材８３，９２への酸化防止膜８４，９３の溶解と、溶融したろう材８３，９２の変形および加圧による酸化防止膜８４，９３の破壊とにより、溶融したろう材８３，９２は一つのろう材溶液となる。これにより、溶融ろう材７３，８３，９２は一つのろう材溶液となる。また、電子部品７０の接続用電極７２の電極材と、電子部品８０の接続用電極８２の電極材と、スペーサ９０のスペーサ本体９１とが、溶融したろう材７３，８３，９２あるいは前記ろう材溶液に溶出および拡散する。さらに、溶融したろう材７３，８３，９２あるいは前記ろう材溶液のうち、スペーサ本体９１と接続用電極７２，８２との間に位置する部分の一部が、スペーサ本体９１の周囲に押し出される。そして、接合の段階（ｃ）で、電子部品７０の接続用電極７２とスペーサ９０のスペーサ本体９１との間に高融点の金属間化合物９４が生成され、同様に、電子部品８０の接続用電極８２とスペーサ９０のスペーサ本体９１との間に、高融点の金属間化合物９４が生成される。このように、第２接合部では、電子部品７０の接続用電極７２と電子部品８０の接続用電極８２とが、電極材とスペーサとろう材とにより生成される高融点の金属間化合物９４を介して接続される。

よって、本実施の形態２に係る電子回路１は、接続用電極同士がスペーサを介して接続する接合部（第１接合部）と、接続用電極同士が金属間化合物を介して接続する接合部（第２接合部）により構成されている。そのため、積層接続する電子部品同士の間（接続用電極間）にギャップが生じたとしても、従来のような接合不良を生じることがない。また、ギャップを考慮してろう材を多く供給する必要もないため、耐熱性が低下することもない。さらに、スペーサに因る一定量の間隔が接合ウェハ間に形成されるため、接合工程の後での樹脂の封入に好適である。よって、高性能かつ高信頼な電子回路を実現することができる。

以上のように、本実施の形態２に係る電子回路は、以下の構成とすることができる。

本電子回路は、接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成され、
対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が、該電子部品同士の間の距離を保持するスペーサに接することにより電気的に接続される第１接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して電気的に接続される第２接合部とにより接続されている構成である。

なお、上述の形態（例えば図１８）では、接続用電極７２，８２およびスペーサ本体９１の全てにろう材が形成されているが、本実施の形態２に係る電子回路はこれに限定されるものではなく、例えば、接続用電極７２および接続用電極８２のみにろう材が形成されている形態（図２３）、スペーサ本体９１のみにろう材が形成されている形態（図２４）、接続用電極７２および接続用電極８２のいずれか一方と、スペーサ本体９１にろう材が形成されている形態（図２５，図２６）であってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は高性能な３次元積層デバイスを実現できるため、ＭＥＭＳ系デバイス全般（例えば、イメージセンサデバイス等）や、半導体デバイス全般（例えば、積層メモリデバイス、マルチコア、プロセッサデバイスなど）に適用できる。

１電子回路
１０，２０，７０，８０電子部品
１１，２１，７１，８１Ｓｉ基板、ウェハ
１２，２２，７２，８２接続用電極
１３，２３，７３，８３，９２ろう材
１４，２４，７４，８４，９３酸化防止膜
３０金属間化合物
９０スペーサ
９１スペーサ本体
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ電子部品
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ電子部品

Claims

接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成される電子回路であって、
対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が直接接合している直接接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して接合している間接接合部とにより接続されていることを特徴とする電子回路。
接続用電極を含む複数の電子部品が積層接続されて構成される電子回路であって、
対向配置される各電子部品は、対向する接続用電極同士が、スペーサを介して接合している第１接合部と、対向する接続用電極同士が金属間化合物を介して接合している第２接合部とにより接続されていることを特徴とする電子回路。
前記スペーサは、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｐ合金，Ｎｉ−Ｂ合金，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，あるいはこれらの組み合わせから成る材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子回路。
前記金属間化合物は、対向する接続用電極間に供給されるろう材と、該接続用電極とにより生成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子回路。
前記金属間化合物は、対向する接続用電極間に供給されるろう材と、該接続用電極と、前記スペーサとにより生成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電子回路。
前記ろう材は、表面に酸化防止膜が形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の電子回路。
前記ろう材は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、これらの合金、あるいは、これらの材料にＧａ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔを少なくとも１つ含む合金、により構成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電子回路。
前記酸化防止膜は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項６に記載の電子回路。
前記接続用電極は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらの組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子回路。