JP2011527830A - 導体間隙が縮小された超小型電子相互接続素子 - Google Patents

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Abstract

超小型電子相互接続素子は、複数の第1の金属線(110)および第1の金属線(110)とインターリーブされた複数の第2の金属線(110’)を含む。第1の金属線および第2の金属線のそれぞれは、同じ基準平面内に延在する表面(122)、(120’)を有している。第1の金属線(110)は、基準平面より上に、基準平面から離れている表面(120)を有し、第2の金属線(110’)は、基準平面より下に、基準平面から離れている表面(122’)を有する。誘電体層(114A)は、第1の金属線の中の金属線を第2の金属線の中の隣接する金属線から分離する。

Description

[関連出願の相互参照]
本願は、2008年7月9日付け出願の米国仮特許出願第61/134,457号の出願日の利益を主張し、この出願の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
[発明の分野]
本願の主題は、超小型電子組立体およびその製造方法に関し、より具体的には、多層相互接続素子の構造体および製造方法に関する。
超小型電子相互接続素子がより高い配線密度を提供することが現在必要とされている。超小型電子相互接続は、たとえば、半導体チップのような超小型電子素子への直接的な相互接続のため使用されるパッケージ基板を含む。他のタイプの相互接続素子は、超小型電子素子へ直接的な接続、または、パッケージ化されたチップのパッケージ基板を経由するような間接的な接続をすることができる回路パネルを含む。特に、金属線のピッチ、および、隣接する金属線間の最小間隙によって測定されるような金属配線ライン、たとえば、誘電体素子上の導電性トレースの密度を改善する必要性が感じられる。
いくつかのパッケージ基板および回路パネルは、複数の誘電体層と、誘電体層の一部または全部に設けられている金属配線ラインとを有している。「高密度相互接続」と呼ばれる従来技術による多層配線基板12は、図1〜2に示される。基板12は、複数の誘電体層を有し、2つのこのような誘電体層14および14’が図1に示される。図1に示されるように、複数の金属線10、10’および10’’のそれぞれは、ほぼ同じ幅wおよび厚さtを有している。
図1に示された基板の1つの制限は、金属線10、10’および10’’のそれぞれが垂直方向30に、すなわち、各金属線の厚さの方向に(線10、10’および10’’のうちの)最も近接した金属線から離間している幅である垂直距離ファクタdである。金属線10および10’のそれぞれは、個別の誘電体層14または14’によって支持されている。図1に示されるように、金属線10’および10’’は、誘電体層14’の厚さtdの一部分を経由して距離dの幅で基板12の垂直方向30に離間している。最小垂直間隙は、金属線および基板12の誘電体層14によって占められた容積内の金属配線密度を制約する。図2にさらに示されるように、水平方向40に互いに隣接する複数のトレース10’’の1つずつは、幅wを有し、隣接するトレース10’’から間隙sによって離間している。よって、隣接するトレースの中心間で測定されたトレース10’’の最小ピッチは、値w+sである。最小間隙sは、トレースの製造可能性のため要求される。たとえば、図2のトレース10’’は、金属層をエッチングすることにより減法的に形成されてもよい。このような場合、最小間隙sの形成における制約は、エッチマスク、たとえば、フォトレジストマスクを画定するため使用されるフォトリソグラフィック露光プロセスの解像度と、厚さtを有している金属層から離間したトレースを確実に製造するためのエッチングプロセスの必要性とによって課される。別の実施例では、図2のトレース10’’が電気めっきによって加法的に形成されるとき、最小間隙sは、線を形成するため使用される電気めっきプロセスにおけるめっきマスク、たとえば、フォトレジストマスクを画定するため使用されるフォトリソグラフィック露光プロセスの解像度と、めっきプロセス後に利用されるプロセス、たとえば、フォトレジストマスク除去の要件とによって課される。したがって、HDIの実施では、結果として得られる多層基板12は、最小間隙sによって基板の水平方向40に離間した隣接するトレース10’’を有している。さらに、最小距離dは、基板の垂直方向30に隣接する誘電体層のトレースを分離する。
一実施形態によれば、本明細書において、超小型電子相互接続素子は、複数の第1の金属線および複数の第2の金属線を含むことができる。第1の金属線および第2の金属線のそれぞれは、同じ基準平面内に延在する表面を有している。第1の金属線は、基準平面より上に、基準平面から離れている表面を有し、第2の金属線は、基準平面より下に、基準平面から離れている表面を有している。誘電体層は、第1の金属線のうちの金属線を第2の金属線のうちの隣接する金属線から分離する。第1の金属線と第1の金属線に隣接する第2の金属線との間のピッチは、第1の金属線のうちの隣接する金属線間のピッチより小さく、第2の金属線のうちの隣接する金属線間のピッチより小さい。
一実施形態によれば、超小型電子相互接続素子は、基準平面内に延在する幅および長さをもつ下方表面と、基準平面から離れている上方表面と、上方表面と下方表面との間に延在するエッジとをそれぞれが有する複数の第1の金属線を有することができる。このような第1の金属線の上方表面と下方表面との間の第1の距離は、このような第1の金属線の厚さを画定することができる。超小型電子素子は、第1の金属線の幅の方向に第1の金属線とインターリーブ(interleave)された複数の第2の金属線をさらに含むことができる。第2の金属線のそれぞれは、基準平面内に延在する幅および長さをもつ上方表面と、基準平面から離れている下方表面とを有している。このような第2の金属線の上方表面と下方表面との間の第2の距離は、このような第2の金属線の厚さを画定することができる。誘電体層は、第1の金属線のうちの金属線を第2の金属線のうちの隣接する金属線から分離することができる。このような第1の金属線と第1の金属線に隣接する第2の金属線との間のピッチは、第1の金属線のうちの隣接する金属線間の第1のピッチより小さくすることができ、第2の金属線のうちの隣接する金属線間の第2のピッチより小さくすることができる。
第1のピッチは、第1の金属線のうちの1つの幅の少なくとも約2倍に等し、第2のピッチは、第1の金属線の幅の方向において、第2の金属線のうちの1つの幅の少なくとも約2倍に等しくあることができる。よって、第1の金属線のうちの少なくとも一部は、第2の金属線の少なくとも一部から絶縁され、第1の金属線のうちの1つの幅より遙かに小さい幅で離間されることができる。
具体的な一実施形態では、第1の金属線および第2の金属線のうちの少なくとも一部は、エッチングによって画定することができる。一実施形態では、第1の金属線および第2の金属線のうちの少なくとも一部はめっきによって画定することができる。
一実施形態では、第1の金属線の幅および第2の金属線の幅は、約60ミクロン未満であることができる。具体的な一実施形態では、幅は、より一層小さくあることができる。よって、第1の金属線の幅および第2の金属線の幅は均一であることができ、最大で10ミクロンとされることができる。幅は、均一である必要はなく、一実施形態では、最大で約20ミクロンとされることができる。
第2の金属線のそれぞれは、このような第2の金属線の上方表面と下方表面との間に延在するエッジを有することができる。第1の金属線のうちの1つのエッジと第2の金属線のうちの1つの隣接するエッジとの間の間隙は、隣接する第1の金属線の幅および第2の金属線の幅より小さくすることができる。
一実施形態では、超小型電子相互接続素子は、基準平面の方向に延在する導電性パッドと、導電性パッドから誘電体層を通って延在する導電性ビアとをさらに含むことができる。導電性ビアは、中実金属バンプを含むことがあり、導電性パッドは、第1の金属線のうちの少なくとも1つに接続されている金属リングと、金属リング内部の導電性接合剤とを含むことができる。中実金属バンプは、導電性接合剤に接合することができる。一実施形態では、中実金属バンプは、エッチングされた金属バンプであることができる。具体的な一実施形態では、金属リングおよび第1の金属線は、同じ金属層から形成することができる。
別の実施形態では、超小型電子相互接続素子を形成する方法が提供される。このような方法では、積層素子は、第1の露出金属層および第2の露出金属層と、第1の金属層と第2の金属層との間に挟まれたエッチングバリア層とを含むことができる。第1の金属線は、第1の露出金属層のエッチングを含むプロセスによって画定することができる。誘電体層は、第1の金属線を覆うように形成することができる。第2の金属線は、第2の露出金属層のエッチングを含むプロセスによって画定することができる。
具体的な一実施形態では、エッチングバリア層は導電性であることが可能であり、この方法は、誘電体層を形成する前に第1の金属線の間のエッチングバリア層の一部分を除去するステップをさらに含むことができる。エッチングバリア層の一部分は、第2の金属線を形成した後に第2の金属線の間で除去することができる。
このような実施形態によれば、第1の金属線のうちの金属線と第2の金属線のうちの隣接する金属線との間のピッチは、第1の露出金属層をエッチングすることにより得られる第1の金属線の間の第1のピッチより小さくすることができ、第2の露出金属層をエッチングすることにより得られる第2の金属線の間の第2のピッチより小さくすることができる。
別の実施形態によれば、超小型電子相互接続素子を形成する方法が提供される。積層素子は、第1の厚さを有する第1の露出金属薄層と、第1の厚さより実質的に大きい第2の厚さを有する第2の露出金属層と、第1の金属層と第2の金属層との間に挟まれた剥離可能層とを含むことができる。複数の第1の金属線は、第1の金属層の第1の表面にめっきすることができる。誘電体層は、第1の金属線を覆うように形成することができる。第2の金属層および剥離可能層は、その後に、第1の金属層の第2の表面を露出させるため除去することができる。複数の第2の金属線は、第1の金属層の第2の表面にめっきすることができる。この方法は、第1の金属線と第2の金属線との間で露出した第1の金属層の少なくとも一部分を除去するステップをさらに含むことができる。
具体的な実施形態によれば、第1の金属線のうちの金属線と第2の金属線のうちの隣接する金属線との間のピッチは、めっきすることにより得られる第1の金属線間の第1のピッチより小さくすることができ、めっきにより得られる第2の金属線間の第2のピッチより小さくすることができる。
従来技術による第1の多層相互接続素子を示す断面図である。 従来技術による第2の相互接続素子を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を示す断面図である。 多層相互接続素子をさらに示す、図3Aに対応する平面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子の製造中の段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を示す断面図である。 図8に示された多層相互接続素子をさらに示す部分断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。 本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。 図11Cは、本明細書における一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。図11C’は、図11Cに示された断面図に対応する平面図である。 発明の一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。 図12Bは、発明の一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。図12B’は、図12Bに示された断面図に対応する平面図である。 発明の一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。 発明の一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。 発明の一実施形態による多層相互接続素子を製造する方法における段階を示す断面図である。
超小型電子相互接続素子が発明の1つ以上の実施形態により提供される。発明の具体的な実施形態では、超小型電子相互接続素子は、たとえば、内部に超小型電子回路を有するチップのような半導体チップのパッドまたは他の接点を接合するために、導電接続のための接点を有するパッケージ基板であることができる。半導体チップは、チップの接点支持面が相互接続素子から離れる方を向く状態でフェイスアップ方向にある相互接続素子に導電接続可能である。代替的に、チップは、チップの接点支持面が相互接続素子に対向する状態でフェイスダウン(フリップチップ)方向にある相互接続素子に接続可能である。別の変形例では、半導体チップは、端子を有するパッケージを画定する相互接続素子がこれの1つ以上の外面で露出された状態で、相互接続素子内の金属形体がチップの接点に導電接続されるように、超小型電子相互接続素子の内部に埋め込むことが可能である。別の変形例では、超小型電子相互接続素子は、半導体チップの接点に直接的に接続されるか、または、接続されないことができる回路パネルとして機能することができる。
一実施形態では、図3Aに示されるような、第1の金属線110および第2の金属線110’が第1の誘電体層114Aによって支持されている超小型電子相互接続素子が提供される。第1の誘電体層114Aに接合された第2の誘電体層114Bは、第3の金属線110’’および第4の金属線110’’’を支持する。図3Bは、第1の金属線110および第2の金属線110’と、誘電体層114Aの露出した表面との方を向く対応する平面図である。図3Bに示されるように、第1の金属線の組および第2の金属線の組は、誘電体層114Aの面で露出したそれぞれの導電性パッドに接続できる。図3Bにおける誘電体層114A上の導電性パッドのサイズ、形状および位置決めは、単なる例示である。これらは、相互接続素子の具体的な用途に応じて変化する可能性があり、そして、相互接続素子が接続されているか、または、接続されるべき回路パネルの対応する端子のサイズ、形状および位置決めに応じて変化する可能性がある。
図3Aにおいてわかるように、隣接する金属線110、110’の間の垂直距離は、基本的に零まで縮小される。従来技術の基板の誘電体層14’の厚さを挟む金属層10’、10’’の間の垂直分離距離d(図1〜2)と比べて、相互接続素子112(図3A)では、隣接する金属層110、110’の間に誘電体層114Aを挟む垂直分離距離はもはや存在しない。図3Aの断面図および金属線110’の方を向く対応する平面図(図3B)に示された実施形態では、複数の第1の金属線110は、基準平面116内で横方向に延在する幅wおよび長さl(図3B)を有する下方表面122を有している。第1の金属線は、基準平面から離れている上方表面120と、上方表面120および下方表面122との間に延在するエッジ124とをさらに有している。第1の金属線110の上方表面120と下方表面122との間の距離126は、第1の金属線の厚さ126を画定する。
複数の第2の金属線110’は、同様に基準平面116内で横方向に延在する幅w’および長さl(図3B)を有する上方表面を有している。第2の金属線は、基準平面116から離れている下方表面122’をさらに有することが可能である。例示的に、第1の金属線および第2の金属製の幅wは、最小限で、数ミクロンから数十ミクロンまで可能である。具体的な実施例では、金属線は、最小幅10ミクロン、または、代替的に20ミクロン、または、代替的に60ミクロンを有することが可能である。第1の金属線および第2の金属製の幅および長さは同じでなくてもよい。
第2の金属線110’の上方表面120’と下方表面122’との間の距離は、第2の金属線の厚さ132を画定する。第1の金属線および第2の金属線のそれぞれの厚さ126および132は、同じであることができ、異なることができる。一実施形態では、第1の金属線および第2の金属線の形成は、これらのそれぞれの厚さ126および132が同じであるか、または、数パーセントの差しかないように制御される。図3A〜Bにおいてわかるように、第1の金属線110の一部または全部は、第1の金属線110の幅wの方向で第2の金属線110’の一部または全部とインターリーブすることが可能である。誘電体層114Aは、第1の金属線の上方表面120およびエッジ124を覆うことができる。このような誘電体層114Aは、第2の金属線110’の少なくとも上方表面120’をさらに覆うことができる。図3Aには示されないが、発明の一実施形態では、誘電体層114Aは、第2の金属線110’のエッジ124’を部分的または完全に覆うことができる。
超小型電子相互接続112の別の特性は、第1の金属線110と第1の金属線に隣接する第2の金属線110’との間に非常に小さい分離距離aを有する能力である。第1の金属線110および第2の金属線110’の隣接する金属線のエッジ124、124’は、隣接する第1の金属線の隣接するエッジ124の間の最小間隙sより小さく、または、遙かに小さくすることができる小さい距離aによって分離することができる。典型的に、小さい距離aは、同様に、第2の金属線のうちの隣接する金属線のエッジ124’の間の間隙s’より遙かに小さい。以下のプロセス実施例の説明(図6A〜6G、または、図7A〜7H)からわかるように、小さい距離aは、エッチングプロセスの能力によって、フォトリソグラフィックオーバーレイ許容範囲未満に制約される。つまり、距離aは、その後に実行されるフォトリソグラフィック・パターニング・プロセスを先行する独立したパターニング・プロセスから得られる構造体と整列する際に、位置合わせ誤り許容範囲の原因となるアライメントファクタを表現することができる。
図3Aにおいてわかるように、1つの誘電体層114Aに存在する第1の金属線110および第2の金属線110’の合成最小ピッチP3は、アライメントファクタaと第1の金属線および第2の金属線のそれぞれの幅の半分との和と同様に小さくすることが可能である。実際に、第1の金属線110および第2の金属線110’が同じ最小幅wをもち、距離aによって接近してかつ一様に離間しているとき、第1の金属線および第2の金属線の合成ピッチP3は、この最小線幅wとアライメントファクタaとの和と等しくすることができる。具体的な実施例では、第1の金属線110は、第1の金属線のうちの1つの幅の少なくとも約2倍に等しい第1のピッチP1で配置することが可能である。同様に、第2の金属線110’は、第2の金属線のうちの1つの幅の少なくとも約2倍に等しい第2のピッチP2で配置することが可能である。アライメントファクタaが第1の金属線110のうちの1つの幅に関して小さいとき、第1の金属線は、隣接する第2の金属線の隣接するエッジから、第1の金属線のうちの1つの幅より遙かに小さい距離であるアライメントファクタaに等しい距離で、離間させることができることが明らかである。第1の金属線および第2の金属線が図3A〜Bに示されるようにインターリーブされる一実施例では、第1の金属線の最小幅が20ミクロンであり、第2の金属線の最小幅が20ミクロンであり、アライメントファクタが1ミクロンであるとき、第1の金属線および第2の金属線の合成最小ピッチは、隣接する第1の金属線および第2の金属線がこれらの間にアライメントファクタaと同程度の大きさ、すなわち、1ミクロンの水平間隙を必要とするので、21ミクロン程度に小さくすることができる。具体的な実施例では、単一誘電体層によって支持される金属線の密度は、相互接続素子112(図3A〜B)において、従来技術(図1〜2)に対して50%増加が達成可能である、と推定される。
後述されるように、相互接続素子の金属線は、金属層をエッチングすることにより減法的に(後述の図6A〜Hを伴う説明を参照のこと)、または、犠牲金属層の露出部分に金属線を選択的にめっきすることにより準減法的に(後述の図7A〜Gを伴う説明を参照のこと)形成することができる。
図4は、具体的な実施形態による超小型電子相互接続素子212を示す断面図である。相互接続素子212は、金属線232が支持誘電体層214の上面230に存在し、第1の金属線210および第2の金属線210’が誘電体層214の下面216にさらに存在するので、「2金属基板」と呼ぶことができる。誘電体層214の下面216は、前述の実施形態(図3A〜B)と同様に、第2の金属線210’の上方表面220’が基本的に基準平面内に位置するように基準平面を画定する。その上、第1の金属線210の下方表面222は、さらに基準平面内に位置している。一事例では、誘電体層の下面216にある導電性パッド234は、下面216の基準平面内に位置している(金属層238に)表面を有することができる。導電性パッド234は、第1の金属線210を覆い、そして、直接的または金属の中間層238を介して第1の金属線に導電接続される主平面を有することができる。図4にさらに示されるように、隣接する金属形体241(金属線または導電性パッド)の大きな表面に導電接続されている導電性パッド240は、下面216の基準平面内に位置している下方表面242を有することができる。一実施例では、導電性パッド244、246の隣接する表面は、導電性パッド244、246が少なくともそれぞれの個別の導電性パッド244、246の厚さ248、250の組み合わせに等しい厚さ252を有するより厚い導電性パッドを形成するように、実際的に、または、基本的に、基準平面216内で寸法的に同じ広がりをもつ可能性がある。
「2金属基板」212と呼ばれることもあるタイプの相互接続素子では、金属層231は、誘電体層214の上面230と、誘電体層214の露出孔の中とに形成されている。金属層231は、基板212の下部で基準平面216に沿った導電性パッド240、244を上面230の金属形体、たとえば、金属線232と導電接続する中空導電性ビアライナを含む。フォトイメージャブルポリマ層、たとえば、半田マスクまたは他の誘電体コーティングもしくは層として設けられるような保護誘電体コーティング260、262は、第1の金属線210および第2の金属線210’と金属層231との露出表面を覆うことができる。図4に示されないが、保護誘電体コーティング260、262は、導電性パッドまたは他の形体を他の超小型電子素子の端子と相互接続するためアクセスできるようにするため、導電性パッドまたは基板212の他の形体と整列させられた開口部を有することができる。例示的には、図4に示された実施形態では、第1の金属線210および第2の金属線210’のそれぞれは、最小幅20ミクロンを有することができる。一実施例では、第1の金属線および第2の金属線のうちの隣接する金属線のエッジ間の間隙は、20ミクロンにすることができる。その結果、第1の金属線110の幅の方向における第1の金属線および第2の金属線のピッチは、40ミクロンである。前述の原理によって(図3A〜B)、第1の金属線および第2の金属線の隣接するエッジ間の間隙は、フォトリソグラフィックオーバーレイ許容範囲の原因であるアライメントファクタaに等しい値まで縮小することが可能である。よって、隣接する第1の金属線210および第2の金属線210’は、実質的により小さいピッチを有することが可能である。0.5ミクロン程度に小さいアライメントファクタは、達成可能であると考えられ、より小さいアライメントファクタもまた、適切に制御された条件下で達成可能である。したがって、第1の金属線210および第2の金属線210’の最小ピッチ270は、最小ピッチが1/2(20)+1/2(20)+0.5ミクロン=20.5ミクロンであることができるように、各金属線の幅の半分と、アライメントファクタの最小値(たとえば、0.5ミクロン)との和と同程度に小さくすることが可能である。
図5は、2つの支持誘電体層314Aおよび314Bのそれぞれが、前述されているような第1の金属線および第2の金属線のインターリーブされた組310Aと、第1の金属線および第2の金属線の別のインターリーブされた組310Bとを有している、図3A〜Bに示された超小型電子相互接続素子と類似した超小型電子相互接続素子312を示す。各組310A、310Bは、相互接続素子312のそれぞれの基準平面316、316’に配置されている。中実金属ポストまたはバンプは、基準平面316に配置された導電性パッドを導電性パッド346および346’のような金属形体とそれぞれの誘電体層314Aおよび314Bの露出表面318および318’に配置された金属線とに接続する。
図6A〜Gは、図4に関連して図示され記載された超小型電子相互接続素子に類似した超小型電子相互接続素子412(図6G)を形成するプロセスを示す断面図である。図6Aでわかるように、製造の準備段階における、多層金属構造体402が示される。多層金属構造体は、第1の金属層404および第2の金属層406を含み、それぞれは、第1の金属線および第2の金属線をそれぞれに形成するためエッチングによってパターン形成される。第1の金属層404および第2の金属層406のそれぞれは、例示的に、数ミクロンでもよく、または、数十ミクロン以上でもよい厚さを有している。具体的な実施形態では、各金属層404および406の厚さは、約5ミクロンから約18ミクロンの間で変化する。第1の金属層および第2の金属層は、基本的に同じ金属、たとえば、銅で構成されることができる。第1の金属層404と第2の金属層406との間に介挿されているのは、第1の金属層および第2の金属層を攻撃するエッチング液によって攻撃されない金属層であり得るエッチングバリア層408である。エッチングバリア層408は、第1の金属層および第2の金属層をパターン形成するため使用されるエッチングプロセスの選択性の程度に応じて、それほど厚くする必要がない。一実施形態では、エッチングバリア層は、エッチングプロセスにおいて銅より優れた選択性を呈示するニッケルのような金属であることができる。他の実施形態では、エッチングバリアは、アルミニウム、ニッケル、銀、金、パラジウム、鉛、および、スズ(AL、Ni、Ag、Au、Pd、Pb、Sn)からなる群より選択された少なくとも1つの金属であることができる。
その後、図6Bでわかるように、フォトレジストマスク409は、フォトレジスト層を堆積させ、フォトリソグラフィ的にパターン形成することによって形成される。フォトレジストマスクは、第1の金属層の部分だけを覆い、一方、第1の金属層の他の部分を露出させる。フォトリソグラフィック露光は、接点マスクを使用することにより、または、フォトマスクの像をフォトレジスト層に投影することにより形成することができる。後者の場合、ステッパが殆どの製造ステップ後に個々の超小型電子相互接続素子に切断される大きいサイズの金属構造体402の個々の部分間で移動するため使用されることができる。
その後、図示された構造体の第1の金属線410および第1の導電性パッド444を画定するためエッチングバリア層408に関して選択的に金属層404の露出部分をエッチングするエッチングプロセスが適用される(図6B)。たとえば、金属層404が銅層であるとき、アルカリ性エッチング液が金属線を画定するため使用できる。次に、図6Cに示されるように、フォトレジストマスク409およびエッチングバリア408の露出部分は、エッチングされた金属構造体402から除去される。一実施例では、エッチングバリア408は、下にある金属層406に関して選択的にエッチングすることにより除去することができる。金属線410および下にある金属層406の露出表面405は、その後に、典型的に例えば1分間のような短期間しか継続しないフラッシュ・ウェット・エッチング・プロセスなどを通じて、粘着を促進するため粗面化することができる。
図6Dに示されるように、誘電体層414は、金属線410および導電性パッド444の露出表面を覆うために形成される。誘電体層は、誘電体材料の厚さ416およびヤング率(弾性率)に依存して硬質、半硬質、または、可撓性を有するものであることができる。一実施例では、誘電体層は、グラスファイバエポキシ構造を有するプリプレグタイプの不硬化性または部分硬化性の層である。代替的に、誘電体層は、ABF複合材料(有機シリカ充填樹脂)またはポリイミドベースの誘電体材料でもよい。このような誘電体層は、熱圧縮ボンディングによってエッチングされた金属構造体402に積層することができる。たとえば、不硬化性または部分硬化性のグラスファイバエポキシ樹脂誘電体層は、金属構造体402および誘電体層414の外面418、419に1cm当たり約10kgの圧力を徐々に増加する温度約160℃で印加し、一定期間に亘ってこのような圧力および温度を維持することによって、エッチングされた金属構造体に積層することが可能である。具体的な実施例では、熱圧縮ボンディングプロセスは、実行するために2〜3時間を要する可能性がある。
他の変形例では、誘電体層414は、誘電体材料をスピンコーティング、ローラーコーティング、スクリーン印刷、ステンシル、または、吐出し、その後に続いて、加熱乾燥を含むことも含まないこともできる硬化のような適切な後処理をすることにより形成することができる。
次に、図6Eに示されるように、導電性ビア433および付加的な金属線432を形成するためにステップが実行される。レーザー穿孔、機械的穿孔、エッチング、または、他の適当な方法を用いて孔が誘電体層414に形成され、その後、導電性ビア433および金属線432が誘電体層にめっきされる。一実施例では、めっきは、典型的に1ミクロン未満の厚さを有している導電性シード層(図示せず)を無電解堆積させ、次に、シード層の一部分を覆うためにフォトレジストマスクを堆積させ、パターン形成し、次に、電気めっきによりシード層に金属線432および導電性ビア433を形成することによって実行できる。その後、たとえば、エッチング液を塗布することによって、フォトレジストマスクは除去され、導電性シード層の露出部分が除去される。一実施例では、シード層は、銅で構成されるか、または、本質的に銅により構成され、金属線432および導電性ビア433は、本質的に銅により構成することができる。このとき、シード層を除去するため使用されるプロセスは、金属線432およびビア433の露出表面を洗浄するためにも役立つ。
次に、金属層406は、図6Fに示されるように、第1の金属線410とインターリーブされた第2の金属線410’を形成するためパターン形成される。このようにして、第1の金属線の下方表面422および第2の金属線の上方表面420’は、同じ基準平面416内の方向に幅および長さを有し、このような基準平面416は、一般に、金属層404、406の界面によって画定されている(図6A)。第2の金属線410’は、金属線410を形成するための金属層404(図6B)のパターン形成に類似したプロセスにおいて金属層406をパターン形成することによって形成することができる。フォトレジストマスクを形成することが可能であり、次に、金属層406を誘電体層414およびエッチングバリア408の材料に関して選択的にエッチングすることができる。導電性パッド446は金属層406から形成されることができる。一実施例では、導電性パッドは、金属層404から形成された導電性パッド444と部分的または完全に整列させることができる。第1の金属線410および第2の金属線410’は別個のエッチングプロセスによって形成されるので、第1の金属線と隣接する第2の金属線との間のピッチP 450(図6G)は、各金属線の幅の半分とアライメントファクタaとの和でもよい。具体的な実施形態では、第1の金属線と第1の金属線に隣接する第2の金属線との間のピッチ450は、エッチングプロセスによって第1の金属線410をパターン形成するときに実現できる第1の金属線間の最小ピッチより小さくすることができる。同様に、ピッチ450は、第2の金属線410’をパターン形成するときに実現できる第2の金属線410’の間のピッチより小さくすることができる。
続いて、図6Gに示されるように、このようなエッチングプロセス後に露出したエッチングバリア408(図6A)の一部分は、図示されるような超小型電子相互接続素子を形成するために、たとえば、前述された短期間のフラッシュ・ウェット・エッチング(図6C)などを用いて次に除去することができる。
図7A〜7Hは、発明の別の実施形態による超小型電子素子512(図7G)を形成するプロセスにおける段階を示す断面図である。超小型電子相互接続素子512を形成するため使用されるステップは、後述されるような点を除いて、超小型電子素子412(図6G)を形成するため使用されたステップと同じである。製造の準備段階(図7A)では、上方金属層504がかなり薄く、たとえば、約1ミクロンと3ミクロンとの間の厚さを有する点を除いて、前述のプロセス(図6A〜G)で使用された構造体402に類似した多層金属構造体502が設けられる。これに反して、構造体502の下方層506は、機械的支持のため設けられたキャリア層であることができ、したがって、比較的厚くすることができ、たとえば、約35ミクロンの厚さを有することができる。具体的な実施形態では、金属層504、506は、本質的に銅または銅合金により構成することができ、エッチングバリア508は本質的にニッケルにより構成することができる。
続いて、図7Bに示されるように、フォトレジストマスクが金属層504の一部分を覆うために形成される。第1の金属層510および導電性パッド544は、次に、電気めっきによって金属層504の露出部分に形成される。電気めっきされた金属線は、エッチングによって形成された金属線410、410’(図6F)のエッジより直線的な、すなわち、より垂直のエッジと共に形成されることができる。いくつかの事例では、最高性能を要求する用途のため、エッチングではなく電気めっきによって金属線を形成することが有利であることができる。
その後、フォトレジストマスクが金属構造体502(図7C)からストリッピングされ、その後、誘電体層512が図6Dに関連して前述されている様なプロセスによって形成される(図7D)。
次に、導電性パッド544と整列した孔を誘電体層512に形成することができ、その後、たとえば、無電解めっきなどによって、導電性シード層518を誘電体層512の露出表面に堆積させることができる。下方金属層506は、除去することができ、図7Fに示されるような構造体が残る。下方金属層は、たとえば、エッチングバリア508(図7A)に関して選択的にエッチングすることにより除去することができる。エッチングバリアは、その後、金属線504に関して選択的に実行されるさらなるエッチングプロセスによって除去することができる。
その後、図7Gに示されるように、たとえば、上に形成されたフォトレジストマスク525によって露出させられた金属層504の一部分に電気めっきすることなどによって、第2の金属線510’および導電性パッド546を形成することができる。たとえば、第2の金属線510’およびパッド546は、銅を金属層504に電気めっきすることにより形成することができる。同じステップ内で、または、異なるステップにおいて、金属線532および導電性ビア533は、別のフォトレジストマスク535によって露出した誘電体層512の反対向きの表面の一部分を覆うように電気めっきにより形成することができる。このような金属線532およびビア533は、たとえば、銅を電気めっきすることにより形成することができる。
前述の製造方法(図6A〜G)と同様に、第1の金属線510と隣接する第2の金属線510’との間で実現できるピッチ550は、めっきプロセスを使用して設けられた隣接する第1の金属線510の間、または、隣接する第2の金属線510’の間で実現できる最小ピッチより小さくすることができる。
図7Hに示された製造の段階では、フォトレジストマスク525、535は除去され、金属線510および510’と導電性パッド546との間に露出した金属層504の一部分は、たとえば、時間制御エッチングプロセスなどによって除去される。同じまたは類似したプロセスが金属線532とビア533との間に露出した導電性シード層の一部分(図7E)を除去するため使用できる。
前述のプロセス(図7A〜H)の変形例では、金属構造体502は、エッチングバリア508の代わりに、除去できる剥離可能な接着剤を含むことができる。剥離可能な接着剤は、下方金属層506がエッチングを必要とするのではなく剥離によって図6Fに示されたステップで除去することができるように、金属層へ剥離可能に付着するよう設計される。このような剥離可能な接着剤は、金属層504の大きな表面が接着剤の除去後に完全に露出するように、たとえば、キャリア金属層506と共に剥離することにより、または、水または他の溶剤中で溶解可能にすることによって、同様に完全に除去される。
図8は、前述の実施形態(図3A〜B、4)の変形例による超小型電子相互接続素子614を示す断面図である。本実施形態では、基準平面616内にそれぞれの表面を有している第1の金属線610および第2の金属線610’は、各線の幅640の方向に互いに整列させられる。このような場合、整列させられた第1の金属線610および第2の金属線610’のペアは、たとえば、相互接続素子614の一方の場所からもう一方の場所へ信号を伝達するための単一の導体を形成することができる。一実施形態では、整列させられた線610、610’によって形成される単一の導体は、金属線が整列させられる適当なフォトレジストマスクを使用するだけで、前述のプロセス(図6A〜G、図7A〜H)を使用して製造することができる。
図9の部分拡大図は、たとえば、前述の方法(図6A〜G、または、図7A〜H)を使用することなどにより形成されるとき、整列させられた金属線のペアの内部に存在する可能性がある3層金属構造体を示す。線610、610’が形成された金属層が、例示的に、12ミクロンといった、比較的薄いとき、整列させられた金属線610、610’によって形成される単一のより厚い導体は、信号伝達を改善することができる。このことは、信号導体の表皮効果および形状がより重大な影響を与え始める1ギガヘルツ(GHz)より大きい周波数を有する信号を伝達するため特に重要である。
超小型電子素子614は、図8に示されたように整列させられた第1の金属線および第2の金属線だけを有する必要はない。これまでに図示され説明された金属線(図3A〜B、図4〜5)のような第1の金属線110と第2の金属線110’とのインターリーブされた組によって形成された非常に密ピッチ化された金属線が整列させられた金属線と同時に形成されることも可能である。このような結果は、このような前述の処理(図6A〜G、図7A〜H)によって、かつ、第1の金属線および第2の金属線がある場所でインターリーブされ、他の場所で整列させられた適切なフォトレジストマスクを形成することによって実現することができる。
図10は、導電性ライン状の孔ではなく、中実金属バンプまたはポスト735が誘電体層714の一方の面730の導電性パッド733を誘電体層の別の面718の導電性パッド746と導電的に相互接続するため使用される発明の別の実施形態による超小型電子相互接続素子712を示す断面図である。中実金属ポストは金属線732に接続されることがあり、パッド733は金属線710、710’に接続されることができる。この場合、金属ポストは、誘電体層の上面730の金属線732を下面718のインターリーブされた金属線710、710’と導電接続することができる。中実金属バンプまたはポスト、たとえば、中実銅ポストは、中空導電性ビア、すなわち、誘電体層内の孔の内側表面に金属ライニングすることによって形成されたビアと比較してより優れた熱伝導性を有する傾向がある。
図10に示されるように、中実金属ポスト735は、導電性パッド746の材料とは異なる導電性接合材料748を介して導電性パッド746へ機械的かつ導電的に接合することができる。導電性接合材料は、たとえば、250℃未満の融解温度を有するスズ、インジウムのような比較的低い融点の金属または金属合金でもあることができ、または、代替的に、金属充填ペースト、たとえば、銀充填もしくは半田充填ペーストのような導電性ペーストであることができる。導電性接合材料は、たとえば、銅製の金属ポスト735を銅製の導電性パッド746と直接的に接合するため必要とされることができる温度および圧力より低い温度および圧力でポスト735と導電性パッド746との間の機械的かつ導電的に十分な接合の形成を助けることができる。
図11A〜Cは、断面図であり、図11C’は線11C−11Cによる図11Cに対応する平面図であり、相互接続素子714の金属構造体702の処理中の段階を示している。図11A〜Bに関して実行されるステップは、金属リング744(図7B、7C’)が平面的な導電性パッドの代わりに金属層704から形成される点を除いて、前述のプロセス(図6A〜B)のステップと同じである。次に、図11Cおよび11C’に示されるように、金属リングは導電性接合材料748で充填される。低融解温度金属を含有する導電性ボールをリングの中にスクリーン印刷、ステンシル、吐出、または、設置し、そして、構造体702の金属リング744内で金属構造体を導電性ボールでリフローするような種々の技術がリングに導電性ペーストを充填するのに使用できる。
図12A〜Bは、断面図であり、図12B’は線12B−12Bによる図12Bに対応する平面図であり、金属キャリア層754(図12B)とその表面の中実金属バンプ735とを有するエッチングされた金属構造体762を形成する段階を示している。図12Aに示されるように、前述の構造体(402)(図6A)と類似しているが、より厚い金属層756、たとえば、厚さ約50ミクロンを有する銅層を有している多層金属構造体752は、中実金属ポスト735(図12B)を形成するため、フォトレジストマスク(図示せず)によるエッチングによってパターン形成される。ポストの形成中に、金属層756は、下にあるエッチングバリア758の高さまで完全にエッチングされる。一実施形態では、エッチバリア758はニッケルであることができる。例示的に、Al、Ni、Ag、Au、Pd、PbまたはSnのうちの1つ以上のような1つ以上の金属がエッチングバリアとして使用できる。
その後、図13A〜Cに示されるように、エッチングされた金属構造体762とエッチングされた金属構造体702とは、2つの金属構造体の間に誘電体層714を用いて接合される。例示的に、誘電体層は50ミクロンでもよいが、機能的要件およびフォームファクタ要件に応じてより薄くあることができ、または、より厚くあることができる。誘電体層714およびこの製造は、図6Dに関して前述されているとおりであることができる。
接合プロセス中に、中実金属ポストの先端738は、接合材料748に圧接し、接合材料を多少変形させることができる。下方金属構造体702の金属リング744とエッチングされた中実金属ポストの先細状の外形との組み合わせは、金属ポスト735の金属リング744の内面とのセルフアライメントに役立つことができる。このようにして、金属構造体702および762を互いに光学的に位置合わせする許容範囲を多少緩和することが可能である。
熱圧縮ボンディングプロセスは、図6Dに関して前述されているような金属構造体を誘電体層と接合するため使用されることができる。たとえば、約150℃〜約250℃までの温度のような適切に上昇する温度で構造体を加熱乾燥することは、ポスト735と導電性パッド746との間に接合材料748を介して機械的かつ導電的に十分な接合を形成するため行うことができる。
その後、前述されているような方法で(図6E〜F)、構造体の露出した金属層は、金属線732および導電性パッド733(図13B)を画定するためパターン形成され、構造体702の露出した金属層は、金属線710’および導電性パッド746を画定するためパターン形成される。その後、図13Cに示されるように、それぞれの金属線732とパッド733との間、および、それぞれの金属線710、710’とパッド746との間で露出している各バリア層の一部分は、たとえば、選択的エッチングプロセスなどによって除去することができる。
前述の説明は、具体的な用途の例示的な実施形態を参照しているが、請求項に係る発明はこれらの実施形態に限定されないことが理解されたい。本明細書中に記載された教示内容を利用できる当業者は、請求項に記載された事項の範囲内で付加的な変形、用途、および、実施形態を認めるはずである。

Claims (18)

  1. 基準平面内に延在する幅および長さをもつ下方表面と、前記基準表面から離れている上方表面と、前記上方表面と下方表面との間に延在するエッジとを第1の金属線毎に有し、この第1の金属線の前記上方表面と前記下方表面との間の第1の距離がこの第1の金属線の厚さを画定する複数の第1の金属線と、
    前記第1の金属線の前記幅の方向に前記第1の金属線とインターリーブされる複数の第2の金属線であって、前記基準平面内に延在する幅および長さをもつ上方表面と、前記基準平面から離れている下方表面とを第2の金属線毎に有し、この第2の金属線の前記上方表面と前記下方表面との間の第2の距離がこの第2の金属線の厚さを画定する複数の第2の金属線と、
    前記第1の金属線のうちの金属線を前記第2の金属線のうちの隣接する金属線から分離する誘電体層と、
    を備える、超小型電子相互接続素子。
  2. 前記第1の金属線と該第1の金属線に隣接する前記第2の金属線との間のピッチが前記第1の金属線のうちの隣接する金属線の間の第1のピッチより小さく、前記第2の金属線のうちの隣接する金属線の間の第2のピッチより小さくされている、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  3. 前記第1のピッチは前記第1の金属線のうちの1つの金属線の幅の少なくとも約2倍に等しく、前記第2のピッチは前記第2の金属線のうちの1つの金属線の幅の少なくとも約2倍に等しく、前記第1の金属線の前記幅の方向で、前記第1の金属線のうちの少なくとも一部は、前記第2の金属線のうちの少なくとも一部から絶縁され、前記第1の金属線のうちの1つの前記幅より遙かに小さい幅で離間されている、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  4. 前記第1の金属線および前記第2の金属線は、エッチングによって画定されている、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  5. 前記第1の金属線および前記第2の金属線のうちの少なくとも一部は、めっきによって画定されている、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  6. 前記第1の金属線の前記幅および前記第2の金属線の前記幅は、約60ミクロン未満である、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  7. 前記第1の金属線の前記幅および前記第2の金属線の前記幅は、最大で約20ミクロンである、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  8. 前記第1の金属線の前記幅および前記第2の金属線の前記幅は、最大で約10ミクロンである、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  9. 前記第2の金属線のそれぞれは、この第2の金属線の前記上方表面と前記下方表面との間に延在するエッジを有し、前記第1の金属線のうちの1つのエッジと前記第2の金属線のうちの1つの隣接するエッジとの間の間隙は、隣接する前記第1の金属線の前記幅および前記第2の金属線の前記幅より小さくされている、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  10. 前記基準平面の方向に延在する導電性パッドと、前記導電性パッドから前記誘電体層を通って延在する導電性ビアとをさらに備える、請求項1に記載の超小型電子相互接続素子。
  11. 前記導電性ビアは中実金属バンプを含み、前記導電性パッドは、前記第1の金属線のうちの少なくとも1つに接続されている金属リングと、前記金属リング内部の導電性接合剤とを含み、前記中実金属バンプは、前記導電性接合剤に接合されている、請求項10に記載の超小型電子相互接続素子。
  12. 前記中実金属バンプは、エッチングされた金属バンプである、請求項11に記載の超小型電子相互接続素子。
  13. 前記金属リングおよび前記第1の金属線は、同じ金属層から形成されている、請求項11に記載の超小型電子相互接続素子。
  14. (a)第1の露出金属層および第2の露出金属層と、前記第1の金属層と前記第2の金属層との間に挟まれたエッチングバリア層とを含む積層素子を提供するステップと、
    (b)前記第1の金属線を覆う誘電体層を形成するステップと、
    (c)前記第2の露出金属層をエッチングすることを含むプロセスによって第2の金属線を画定するステップと、
    を含む、超小型電子相互接続素子を形成する方法。
  15. エッチングバリア層は導電性であり、ステップ(b)の前に前記第1の金属線の間の前記エッチングバリア層の一部分を除去するステップと、ステップ(c)の後に前記第2の金属線の間の前記エッチングバリア層の一部分を除去するステップとをさらに含む、請求項14に記載の超小型電子相互接続素子を形成する方法。
  16. 前記第1の金属線のうちの金属線と前記第2の金属線のうちの隣接する金属線との間のピッチが、前記第1の露出金属層をエッチングすることにより得られる前記第1の金属線の間の第1のピッチより小さく、前記第2の露出金属層をエッチングすることにより得られる前記第2の金属線の間のピッチより小さくされる、請求項14に記載の超小型電子相互接続素子を形成する方法。
  17. (a)第1の厚さを有する第1の露出金属薄層と、前記第1の厚さより実質的に大きい第2の厚さを有する第2の露出金属層と、前記第1の金属層と前記第2の金属層との間に挟まれた剥離可能層と含む積層素子が与えられ、複数の第1の金属線を前記第1の金属層の第1の表面にめっきするステップと、
    (b)前記第1の金属線を覆う誘電体層を形成するステップと、
    (c)前記第1の金属層の第2の表面を露出させるため少なくとも前記第2の金属層および前記剥離可能層を除去するステップと、
    (d)複数の第2の金属線を前記第1の金属層の前記第2の表面にめっきするステップと、
    (e)前記第1の金属線と前記第2の金属線との間で露出した前記第1の金属層の少なくとも一部分を除去するステップと、
    を含む、超小型電子相互接続素子を形成する方法。
  18. 前記第1の金属線のうちの金属線と前記第2の金属線のうちの隣接する金属線との間のピッチが、めっきすることにより得られる前記第1の金属線の間のピッチより小さく、めっきにより得られる前記第2の金属線の間のピッチより小さくされる、請求項17に記載の超小型電子相互接続素子を形成する方法。
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