JP2011228571A - 充填用基材及びそれを用いた充填方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】充填時の溶融温度が低く、凝固後は高い融点を確保することができ、しかも、作業操作性に優れた充填用基材及びそれを用いた充填方法を提供すること。
【解決手段】充填用基材５は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含む金属層２を支持基体１の一面上に設けた構造になっている。第１金属層２１は、その融点よりも低い温度で溶融可能なナノ金属粒子の集合したものでなり、第２金属層２２は、その融点が第１金属層２１の融点よりも低い金属粒子の集合したものでなる。充填用基材５の一面側を、微細空間３０の開口する基板３の一面上に重ねる。そして、充填用基材５を加熱し、かつ、加圧Ｆ１して、金属層２の溶融物を微細空間３０内に充填する。
【選択図】図２
【解決手段】充填用基材５は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含む金属層２を支持基体１の一面上に設けた構造になっている。第１金属層２１は、その融点よりも低い温度で溶融可能なナノ金属粒子の集合したものでなり、第２金属層２２は、その融点が第１金属層２１の融点よりも低い金属粒子の集合したものでなる。充填用基材５の一面側を、微細空間３０の開口する基板３の一面上に重ねる。そして、充填用基材５を加熱し、かつ、加圧Ｆ１して、金属層２の溶融物を微細空間３０内に充填する。
【選択図】図２
Description
本発明は、微細空間内に金属又は合金の導体を充填するために用いられる充填用基材及びそれを用いた充填方法に関する。
各種スケールの集積回路、各種半導体素子もしくはそのチップ等の電子デバイスにおいて、三次元回路配置を実現する手法として、回路基板に多数の貫通電極を設けておき、この回路基板を積層するＴＳＶ（Through-Silicon-Via)技術が提案されている。ＴＳＶ技術を使用すれば、大量の機能を小さな占有面積の中に詰め込めるようになる。加えて、素子同士の重要な電気経路が劇的に短くできるために、処理の高速化に寄与しえる。特許文献１、２には、ＴＳＶ技術に不可欠な貫通電極形成技術として、溶融金属充填法が開示されている。
上述した溶融金属充填法を用いて、既に、半導体回路要素が形成されている半導体チップ又はウエハに対して貫通電極を形成する場合（ビア・ラスト）、溶融熱による半導体回路要素の熱的劣化や、ウエハに付帯する有機物の熱的劣化を回避しなければならない。この熱的劣化回避のためは、貫通電極を構成する金属材料として、約２００℃以下の融点を有する金属材料を使用せざるを得ない。
一方、三次元回路配置を実現するに当たっては、ＴＳＶ技術を適用して得られたウエハの複数枚を積層し、かつ、３００℃以上の雰囲気中で接合する必要がある。
ところが、貫通電極を構成する金属材料の融点が２００℃以下であるのに、ウエハの積層接合時の熱処理温度が約３００℃以上であるから、ウエハの接合工程において、貫通電極が溶融してしまう恐れがある。
本発明の課題は、充填時の溶融温度が低く、凝固後は高い融点を確保し得る充填用基材及びそれを用いた充填方法を提供することである。
本発明のもう一つの課題は、操作性に優れた充填用基材及びそれを用いた充填方法を提供することである。
上述した課題を解決するため、本発明に係る充填用基材は、支持基体と、金属層とを含む。前記金属層は、第１金属層と第２金属層とを含み、前記支持基体の一面上に設けられている。前記第１金属層は、その融点よりも低い温度で溶融可能なナノ金属粒子の集合したものでなり、前記第２金属層は、その融点が前記第１金属層の前記融点よりも低い金属粒子の集合したものでなる。
殆どの金属粒子は、粒径が小さければ小さいほど、融点よりも低い温度で溶けることが知られている。この微細化による融点低下効果を、本明細書では、微細サイズ効果と称する。この微細サイズ効果は、粒径を膜厚に置き換えても得られる。即ち、金属層の膜厚を小さくすれば、その融点よりも低い温度で溶ける微細サイズ効果を生じる。
本発明では、前記第１金属層は、その融点よりも低い温度で溶融可能なナノ金属粒子の集合したものでなる。即ち、第１金属層は、そのナノ金属粒子又は膜厚が微細サイズ効果を生じる領域にある。従って、微細サイズ効果による融点低下効果が得られる。
金属層の粒径（膜厚）を、原子のド・ブロイ波長（数ｎｍ〜２０ｎｍ）程度まで小さくすると、量子サイズ効果を生じる。量子サイズ効果により、高融点金属材料である第１金属層２１を、例えば、２５０℃以下、好ましくは２００℃以下、さらに好ましくは１８０℃以下の温度で溶融させることが可能になる。
本発明に係る充填用基材は、第１金属層２１の他、第２金属層をも含んでいる。前記第２金属層は、その融点が前記第１金属層の前記融点よりも低い金属粒子の集合でなる。即ち、低融点金属材料によって構成する。
本発明に係る充填用基材を用いて、基板に設けられた微細空間内に金属を充填し、硬化させるには、前記充填用基材の前記一面側を、前記微細空間の開口する前記基板の一面上に重ね、次に、前記充填用基材を加熱し、かつ、加圧して、前記金属層の溶融物を前記微細空間内に充填する。
上述した加熱・加圧工程において、第１金属層は、材料的には高融点でありながら、微細サイズ効果又は量子サイズ効果により、その融点よりも低い温度で溶融し、この第１金属層の溶融熱を受けて、第２金属層が溶融し、微細空間内に加圧充填される。
したがって、既に形成された半導体回路要素や、付帯する有機物に対する熱的劣化を生じさせることのない低温で溶融し、微細空間内に充填することが可能になる。
しかも、凝固後は、第１金属層の持つ高い融点による耐熱性が確保されるから、ウエハの積層・接合時の熱によっても、微細孔内の金属導体が溶解することがなくなる。
また、本発明に係る充填用基材は、支持基体の少なくとも一面に、金属層を有するから、金属だけでなる金属シートと異なって、支持基体による強度補強作用が得られる。このため、基板に設けられた微細空間内に、金属を充填する際、操作しやすくなり、その分、作業性がよくなる。
更に、金属層に対し、支持基体による強度補強作用が得られるので、金属層の破損、損傷を回避することができる。
充填用基材を構成する支持基体は、微細空間内に充填された金属の金属導体が硬化した後に剥離する。従って、事後処理作業も極めて簡単になる。
好ましくは、金属層の溶融物を前記微細空間内に流し込んだ後、硬化するまで、加圧を維持する。これにより、熱収縮による充填金属導体の変形を抑えることができる。
なお、本発明において、「金属」とは、単一金属元素からなるもの、及び、それらの合金を言う。合金には、固溶体、共晶及び金属間化合物が含まれる。
図１を参照すると、本発明に係る充填用基材は、支持基体１の少なくとも一面に、金属層２を有する。支持基体１は、１〜２００μｍ程度の厚みを有するフィルム又はシート状であって、ガラスや耐熱性合成樹脂フィルムで構成することができる。耐熱性合成樹脂フィルムとしては、短期的耐熱性が２００℃以上、長期的耐熱性が１５０℃以上のものが好ましい。そのような耐熱性合成樹脂フィルムは、既に市販されている。
金属層２は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含んでいる。第１金属層２１及び第２金属層２２は、支持基体１の一面上で積層されている。図示の金属層は、第１金属層２１及び第２金属層２２の組み合わせを、複数組ｎ（ｎ＝１、２、３・・・）有している。これらの第１金属層２１及び第２金属層２２は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの薄膜形成技術を利用して、支持基体１上に直接に形成することができる。図では、第１金属層２１の上に第２金属層２２が積層された形態であるが、その逆であってもよい。
第１金属層２１は、その膜厚が、金属材料本来の融点よりも低い温度で溶融可能な領域、例えば、５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下の領域にあるナノ金属粒子の集合でなる。特に、ナノ金属粒子の粒径（膜厚）が、２０ｎｍ以下になると、量子サイズ効果を奏するようになるので、構成材料の有する融点から大幅に低下した低い温度、例えば２５０℃以下、好ましくは２００℃以下、さらに好ましくは１８０℃以下で溶融させることが可能になる。第１金属層２１の膜厚は、金属粒子の粒径によってコントロールすることができる。
第１金属層２１は、遷移元素、Ａｌ、Ｚｎ又は半導体配線導体用金属の群から選択された少なくとも１種を含む材料によって構成することができる。遷移元素は、具体的には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｏｓ、Ｙ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｂである。この場合、例えば、Ａｇの融点は９６１．９３℃、Ｃｕの融点は１０８３．４℃、Ａｕの融点は１０６４．４３℃、Ｐｔの融点は１７６９℃、Ｔｉの融点は１６６０℃、Ｚｎの融点は４１９．５８℃、Ａｌの融点は６６０．４℃、Ｎｉの融点は１４５３℃、Ｗの融点は３３８７℃、Ｍｏの融点は２６２３℃である。このような高融点金属材料で構成された第１金属層２１が、量子サイズ効果により、例えば２５０℃前後の温度、好ましくは２００℃以下の温度で溶融するようになるのである。
第２金属層２２は、その融点が第１金属層２１の融点よりも低く、第１金属層２１の溶融熱により溶融する。したがって、第１金属層２１の溶融と共に、第２金属層２２をも溶融させることができる。第２金属層２２を構成する金属材料の具体例は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ又はＧａの群から選択された少なくとも１種である。Ｓｎの融点は２３２℃、Ｉｎの融点は１５６．６１℃、Ｂｉの融点は２７１．３℃である。第２金属層２２は、膜厚１μｍ〜３００μｍの範囲に設定することが、溶融性の観点から好ましい。
更に、微細空間に形成された金属導体を他の金属導体と接続する際、金属導体に形成されることのある酸化膜を還元し、電気抵抗の低い接合を形成するため、金属層２は、貴金属層を含んでいてもよい。貴金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ又はＯｓから選択された少なくとも一種によって構成することができる。これらの元素のうちでも、Ａｕ、Ｐｔ又はＰｄから選択された少なくとも一種を含むことが好ましい。
次に、図２を参照し、図１に示す充填用基材を用いた充填方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、真空チャンバの内部に設けられた支持具４の上に、処理対象となる基板３を設置する。基板３は、その厚み方向に延びる微細空間（縦孔）３０を有している。微細空間３０は、基板３の外面に開口している必要はあるが、その口形、経路及び数等は任意である。図示の貫通孔である必要はないし、非貫通孔であってもよい。あるいは、図示の縦方向のみならず、これと直交する横方向に連なるような複雑な形状であってもよい。
基板３の代表例は、半導体デバイス用ウエハであるが、これに限定されない。本発明は、基板３に存在する微細空間３０に金属を充填し固化する必要のある場合に、広く適用できるもので、例えば、他の電子デバイスや、マイクロマシン等において、内部に微細な金属導体充填構造又は機能部分を形成する場合に、広く適用することができる。
また、基板３は、溶融処理時に加わる熱に対する耐熱性を有するものであれば、金属、合金、金属酸化物、セラミックス、ガラス、プラスチックもしくはそれらの複合材、又は、それらの積層体の別を問わず、広く用いることができる。
基板３の物性、構造などは、対象とするデバイスの種類によって異なる。例えば、半導体デバイスの場合には、Ｓｉウエハ、ＳｉＣウエハ又はSOIウエハ等が用いられる。受動電子回路デバイスの場合には、誘電体、磁性体又はそれらの複合体の形態をとることがある。ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）又は光デバイスなどの製造においても、その要求に沿った物性及び構造を持つウエハが用いられる。ウエハにおいて、微細空間３０は、一般には、貫通孔、非貫通孔（盲孔）又はビア・ホールと称される。この微細空間３０は、例えば、孔径が６０μm以下である。ウエハ自体の厚みは、通常、数十μｍである。
次に、真空チャンバに対して真空引きを実行し、真空チャンバの内圧を、例えば真空度１０-3Ｐａ程度まで減圧する。もっとも、この真空度は一例であって、これに限定されるものではない。
次に、図２（ｂ）に示すように、図１に示した充填用基材５の一面側、即ち、金属層２のある側を、微細空間３０の開口する基板３の一面上に真空（減圧）張り合わせして重ねる。本発明に係る充填用基材は、支持基体１の少なくとも一面に、金属層２を有するから、金属だけでなる金属シートと異なって、支持基体１による強度補強作用が得られる。このため、基板３に設けられた微細空間３０内に、金属を充填する際、操作しやすくなり、その分、作業性がよくなる。
次に、図２（ｃ）に示すように、充填用基材５を加熱し、かつ、加圧Ｆ１して、金属層２を溶融させつつ、微細空間３０内に押込む。充填用基材５の加熱・加圧は、例えば、熱プレスによって実行することができる。図２（ｃ）までの工程は、真空チャンバの内部の減圧雰囲気内で実行されることを基本とする。これにより、溶融金属４が微細空間３０内に真空吸入され、微細空間３０の内部に溶融金属２０が充填されることになる。
溶融のための熱処理温度は、例えば、２００〜３００℃の範囲に設定される。本発明に係る充填用基材において、第１金属層２１は、膜厚の微細サイズ効果又は量子サイズ効果により、熱処理温度２００〜３００℃よりも低い温度で溶融させることができる。しかも、この第１金属層２１の溶融熱を受けて、第２金属層２２が溶融し、微細空間３０内に加圧充填される。したがって、既に形成された半導体回路要素や、付帯する有機物に対する熱的劣化を生じさせることなく、縦導体を形成することが可能になる。
加圧Ｆ１は、機械的なプレス手段を用いたプレス圧として与えてもよいし、転圧によって与えてもよいし、真空チャンバ内の雰囲気ガス圧を、減圧状態から増圧することによって与えてもよい。
加圧Ｆ１の大きさは、基板３の機械的強度及び微細空間３０のアスペクト比などを考慮して定める。一例として、基板３がシリコンウエハである場合、加圧Ｆ１は、大気圧超〜２Kgf/cm2以下の範囲で設定することが好ましい。基板３の機械的強度及び微細空間３０のアスペクト比が大きい場合には、更に高い圧力を印加することができる。
真空チャンバの内部のガス圧を増圧する場合には、真空チャンバ内にＮ2ガスなどの不活性ガスを供給して、溶融金属材料の酸化を防止しつつ、そのガス圧を加圧するのが好ましい。
更に、超音波振動を利用した充填、磁力を利用した充填を行なうこともできる。超音波振動充填では、基板３に超音波振動を与えるか、プレス手段に超音波振動を与えることが考えられる。
次に、微細空間３０内の溶融金属２０１を、加圧Ｆ１した状態で、冷却し硬化させる硬化工程に移る。これにより、図２（ｄ）に示すように、金属導体（縦導体）２０２が得られる。凝固後は、第１金属層２１の持つ高い融点による耐熱性が確保されるから、ウエハの積層・接合時の熱によっても、貫通電極が溶解することがなくなる。
加圧Ｆ１は、硬化が完了するまで、継続して印加されることを基本とするが、硬化がある程度進んだ段階で停止してもよい。加圧冷却は、基本的には室温中での徐冷であるが、室温よりも低い温度条件を設定してもよいし、場合によっては、室温よりも高い温度条件を設定してもよい。更に、時間経過とともに、連続的又は段階的に温度を低下させる冷却方法をとってもよい。
硬化工程における加圧は、流し込み工程における加圧工程から独立して実行してもよいし、連続的な関係で実行してもよい。連続的な関係で実行された場合は、両加圧工程は、一つの加圧工程として吸収されることになる。その典型例は、真空チャンバ内のガス圧を、大気圧を超える程度まで増圧する場合である。
充填用基材５を構成する支持基体１は、図２（ｅ）に示すように、微細空間３０内に硬化した金属導体２０２が得られた後に剥離する。
図２（ｅ）に示すように、開口面上に金属薄膜２２が残った場合は、開口面上の金属薄膜２０３を再溶融し、再溶融された金属薄膜２０２を拭き取る工程を採ることができる。
もっとも、この後工程は、金属薄膜２０２を除去し、基板３の一面を平坦化するためのものであるから、平坦化の必要がない場合には、省略することもがきる。また、金属薄膜２０３を、フォトリソグラフィ等のファイン・パターン形成技術を用いて、パターン化してもよい。
なお、上述した各工程の全てが、真空チャンバ内で実行される必要はない。硬化工程や、後工程は、真空チャンバの外部で実行されてもよい工程を含んでいる。
本発明に係る充填用基材及び充填方法は、三次元配置の電子デバイス及びそのための回路基板の実現に、広く適用することができる。より具体的には、システムＬＳＩ、メモリＬＳＩ、イメージセンサ又はＭＥＭＳ等である。アナログやデジタルの回路、ＤＲＡＭのようなメモリ回路、ＣＰＵのようなロジック回路などを含む電子デバイスであってもよいし、アナログ高周波回路と低周波で低消費電力の回路といった異種の回路を、別々のプロセスによって作り、それらを積層した電子デバイスであってもよい。更に具体的には、センサーモジュル、光電気モジュール、ユニポーラトランジスタ、ＭＯＳ ＦＥＴ、ＣＭＯＳ ＦＥＴ、メモリーセル、もしくは、それらの集積回路部品（ＩＣ）、又は各種スケールのＬＳＩ等、凡そ、電子回路を機能要素とする電子デバイスのほとんどのものが含まれ得る。
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様及び説明されない他の適用技術分野を想到しえることは自明である。
１ 支持基体
２ 金属層
３ 基板
４ 支持具
２０ 溶融金属
２１ 第１金属層
２２ 第２金属層
２ 金属層
３ 基板
４ 支持具
２０ 溶融金属
２１ 第１金属層
２２ 第２金属層
Claims (6)
- 支持基体と、金属層とを含む充填用基材であって、
前記金属層は、第１金属層と第２金属層とを含み、前記支持基体の一面上に設けられており、
前記第１金属層は、その融点よりも低い温度で溶融可能なナノ金属粒子の集合したものでなり、
前記第２金属層は、その融点が前記第１金属層の前記融点よりも低い金属粒子の集合したものでなる、
充填用基材。 - 請求項１に記載されて充填用基材であって、前記第１金属層及び前記第２金属層の組み合わせを複数組有する充填用基材。
- 請求項１又は２に記載された充填用基材であって、前記第１金属層は、前記膜厚が２０ｎｍ以下である、充填用基材。
- 請求項１乃至３の何れかに記載された充填用基材であって、前記第１金属層及び前記第２金属層は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｏｓ、Ｙ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、又は半導体配線導体用金属の群から選択された少なくとも１種を含む、充填用基材。
- 基板に設けられた微細空間内に金属を充填し、硬化させる方法であって、
請求項１乃至４の何れかに記載された前記充填用基材を用い、前記充填用基材の前記一面側を、前記微細空間の開口する前記基板の一面上に真空張り合わせして重ね、
前記充填用基材を加熱し、かつ、加圧して、前記金属層の溶融物を前記微細空間内に充填する、
工程を含む方法。 - 請求項５に記載された方法であって、前記金属層の溶融物を前記微細空間内に充填した後、硬化するまで、前記加圧を維持する、方法。
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