JP2012049346A - 位置あわせ方法、接合構造、半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で精度よく微細な接合対象物同士を位置あわせができる構造体を提供する。
【解決手段】第１の接合部１を有する第１の接合対象物の所定の箇所に開口１２を形成する。第２の接合部２を有する第２の接合対象物の前記開口１２と対向する位置に、前記開口１２の径よりも小さい径を有し加熱により体積膨張する性質を有する球状構造体３を配置する。前記球状構造体３が前記開口１２内に位置するように、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物を仮配置する。加熱により、前記球状構造体３を前記開口１２内で前記開口１２の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の接合部１と前記第２の接合部２とを自己整合的に位置あわせする。
【選択図】図２

Description

本発明は、位置あわせ方法、接合構造、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。

電子機器の高速化、高機能化にともない、実装の微細ピッチ化が求められている。微細ピッチ化の進展により接続電極のサイズも小さくなっており、微細な部品間での精密な位置あわせが求められている。例えば、微細な接続電極が形成された半導体素子と基板とを高精度に位置あわせすることが必要であるが、現状の位置あわせに用いられているフリップチップボンダーでは、装置の駆動軸が熱膨張の影響を受けることにより、また位置あわせに用いるカメラの熱によるゆらぎなどの影響により、±２μmの搭載精度が限界となっている。つまり微細電極で必要となる１０μm²サイズ以下の電極の場合、±２μmの搭載制度では、隣接電極間のショートの危険性が高まる。また搭載位置がずれた場合、接合面積が減少し、特に微細電極の場合はバンプ断面積における接合部断面積の割合が大幅に減少することから、接合部の強度が大きく低下するといった問題も生じる。またフリップチップボンダーによる別の問題として、高精度アライメントが要求されるボンダーは、装置剛性を高めるために大型化する傾向にあり、装置コストが非常に高くなるということが挙げられる。また高精度な位置決めを行うためには、装置の駆動速度を抑制させなければならず、生産性が低下するなどの問題もある。

従来、位置あわせ方法として、半田バンプを溶融させた際に生じるセルフアライメント効果を用いて自動的に半導体素子と基板の位置あわせをする手法がある。図１に示すように、フラックスが塗布された回路基板１０２０側の半田電極１０２２上に半導体素子１０１０のハンダボール１０１２を仮接着しておき、リフロー処理により半田を溶融させてバンプ電極１０１５により一体化する。このとき、半田表面張力によって自動的に位置が合うというものである。

ところが、このような位置あわせが可能なのは半田電極のサイズが十分に大きい場合であり、微細電極の場合は、チップの自重を支えるのに必要な十分な半田量が得られず、セルフアライメント効果が得られない。また微細電極になると、半田バンプでは隣接間のショートの可能性が高まるため、Ｃｕポスト（Ｃｕバンプ）に半田電極を形成し、半田電極の量を減らして接合する方式が主流となってくる。または半田電極を一切用いず、直接Ｃｕポスト同士を固相拡散によって接続する方式も同様に主流となってくる。このような微細電極同士の接合を考えた場合、接続電極にセルフアライメント効果を持たせるのは困難である。

この問題を解決するために、接続電極とは別に、半導体素子のコーナーに位置あわせ用の半田電極を設けてセルフアライメントを行う方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、半田電極を凹状の電極へ接合する場合、半田の濡れ方の違いなどでボイド等を巻き込みやすく、半田形状が一定にならずに位置ズレが解消されないといった問題があり、高精度なアライメントを達成するのは困難である。

特開２００５-５７１５２号公報

そこで、半田の有無や半田の量にかかわらず、簡易な構成で微細な接合対象物同士を高精度に位置あわせすることが可能な位置あわせ方法と、位置合わせを可能にする接合構造、上記位置あわせの方法と構造を利用した半導体装置とその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、ひとつの側面では、位置あわせ方法は、
第１の接合部を有する第１の接合対象物の所定の箇所に開口を形成し、
第２の接合部を有する第２の接合対象物の前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し加熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を配置し、
前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物を仮配置し、
加熱により、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の接合部と前記第２の接合部とを自己整合的に位置あわせする、工程を含む。

別の側面では、第１の接合部を有する第１の接合対象物と、第２の接合部を有する第２の接合対象物を接合した接合構造を提供する。この接合構造において、
前記第１の接合対象物は、所定の箇所に開口を有し、
前記第２の接合対象物は、前記第１の接合対象物の前記開口内に配置される球状構造体を有し、
前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
前記第１の接合部と前記第２の接合部は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されている。

さらに別の側面では、第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板とが電気的に接続された半導体装置を提供する。この半導体装置において、
前記半導体素子と前記基板のいずれか一方は、所定の箇所に開口を有し、
前記半導体素子と前記基板の他方は、前記開口内に配置される球状構造体を有し、
前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
前記第１の電極と前記第２の電極は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されている。

さらに別の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、(a)第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板のいずれか一方に開口を形成し、(b)前記半導体素子と前記基板の他方において、前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を形成し、(c)前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記半導体素子を前記基板上に仮配置し、(d)前記半導体素子及び前記基板を加熱して、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の電極と前記第２の電極を自己整合的に位置あわせし、(e)前記位置あわせされた状態で、前記第１の電極と前記第２の電極を接合する、工程を含む。

上記の方法、構成を用いることにより、簡易な構成で、微細な接合対象物同士、たとえば半導体素子の突起電極と基板の接続電極を高い精度で位置あわせし、接合することが可能になる。これにより、接続信頼性が向上する。

従来の半田バンプのセルフアライメントを説明するための図である。 本発明の原理を説明するための図である。 第１実施例の球状構造体の概略図である。 半導体装置の接合例を示すプロセス図である。 半導体素子を搭載する基板の平面図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第１実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体の概略図である。 第２実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体を有する基板の製造工程図である。 第２実施例の球状構造体を用いた接合プロセスを示す図である。 第２実施例の球状構造体を用いた接合プロセスを示す図である。 第２実施例の球状構造体を用いた接合プロセスを示す図である。 半導体ウエハ同士の積層アライメントを示す図である。 ウエハ積層の接合例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の最適な例について示す。図２は本発明の基本的な原理を説明するための図である。基本的な構成として、微細な接合部を有する第１の接合体と、第２の接合体とを精度良く位置あわせするために、球状構造体の体積膨張を利用した自己整合的な位置あわせを採用する。第１の接合体と第２の接合体は、たとえば、微細な外部端子又は接続電極を有する電子部品である。

まず、図２（Ａ）に示すように、第１の接合部１１を有する第１の接合体１と、第２の接合部２１を有する第２の接合体２を、大まかに位置あわせにより仮配置する。第１の接合部１は所定の箇所に開口１２を有する。第２の接合体２は、開口１２と対向する位置に球状構造体３を有する。第１の接合部１１と、第２の接合部２１は、球状構造体３の中心が開口１２の中心に位置するときに、互いに位置が揃うように配置、形成されている。第２の接合部２１上にはあらかじめ半田ペースト２２などの接着材料が塗布されている。球状構造体３は、後述するように、位置あわせを行う時点で開口１２の径よりも小さい径を有し、熱により体積膨張する性質を有する。球状構造体３は、ベース２３上に形成された台座２４に配置されている。仮配置された状態では、球状構造体３は必ずしも開口１２の中心に位置するわけではない。したがって、第１の接合部１１と第２の接合部２１もその位置が必ずしも一致しておらず、本来の接合位置からずれている場合が多い。

次に、図２（Ｂ）に示すように、加熱により、球状構造体３を開口１２内で体積膨張させる。球状構造体３が膨張するにつれて、第１の接合体１は第２の接合体２に対して水平方向に位置調整がされる。球状構造体３が開口１２の径まで膨張したときに、球状構造体３の中心と開口１２の中心は一致し、第１の接合部１１と第２の接合部２１は正しい接合位置へと自己整合する。球状構造体３の開口１２内での体積膨張により互いの中心が一致することにより、第１の接合部１１と第２の接合部が自動的に正確な接合位置へと調整されることを、本明細書及び特許請求の範囲では「自己整合的な位置合わせ」と称する。

このようにして位置あわせされた接合体１、２を互いに接合するには、図２（Ｃ）に示すように、例えば加熱・加圧により第１の接合部１１と第２の接合部２１を半田ペースト２２（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）により接合する。これにより正確に位置あわせがされて接合された接合構造１０が完成する。球状構造体３の膨張が可逆的である場合は、接合後、室温に戻ったときに球状構造体３が収縮して、元の大きさで開口１２の内部に残る場合もあるが、接合構造１０の機能には影響しない。

以下で、図２のような位置あわせ方法を適用した具体的例を述べる。

図３は、実施例１の位置あわせ方法に用いる球状構造体３０の模式図である。球状構造体３０は、加熱により体積変化する気体、液体または固体の内包物３１と、この内包物を包含する伸縮性を有する外膜３２と、外膜３２の外周に形成された半田膜又は半田に対する濡れ性を有する金属膜３３を有する。熱により体積膨張する内包物３１として、フロリナートや蟻酸、無水コハク酸などを用いることができる。これを包含する伸縮性を有する外膜３２は、ポリイミド、シリコーンゴムなどの高分子樹脂のカプセル３２である。このようなカプセル３２は界面重合法、相分離法などによって作製することができる。高分子樹脂のカプセル３２の表面に形成される半田膜または半田に濡れる金属膜３３は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどを無電解メッキ法によってサブミクロン厚さで形成した皮膜である。この例では、球状構造体３０は、直径約５０μmサイズとなるように形成されている。

図４は、図３の球状構造体を用いて、半導体素子４０を回路基板、中継基板等の基板５０に位置あわせした半導体装置の製造工程を示す。図４（Ａ）に示すように、半導体素子４０は所定の箇所、たとえば各コーナーに開口４２を有する。この例では、開口４２は半導体素子基板を貫通する直径１００μｍの貫通孔４２として形成されている。半導体素子４０は、たとえばあらかじめ厚さ１００μｍ程度に薄く研磨したウエハに素子（不図示）や配線、貫通ビア４４等を形成したものであり、貫通ビア（や内部配線）４４に接続される突起電極４１を有する。この半導体素子４０を支持体４５で保持し、図示しない汎用マウンタあるいは汎用プレイサを用いて、大まかな位置あわせの下に回路基板５０上に仮搭載する。回路基板５０は接続電極５１を有し、接続電極５１上にあらかじめ接合材料、たとえば半田ペースト５２が塗布されている。回路基板５０はまた、半導体素子４０の開口４２に対向する位置に球状構造体３０を有する。球状構造体３０は、回路基板５０上に形成されたベース５３上の台座５４に搭載されている。ベース５３は、樹脂、金属等、加熱加圧により変形可能な材料で形成されている。

次に、図４（Ｂ）に示すように、アニール炉等で全体を１２０℃に加熱する。これにより、球状構造体３０の内包物３１、たとえば蟻酸、又は無視コハク酸３１は気体となり、球状構造体３０が体積膨張する。その結果、貫通孔４２の中心位置と球状構造体３０の中心とが一致するように自動補正される。この自動補正により、半導体素子４０の突起電極４１と、回路基板５０の接続電極５１とが、自己整合的に位置あわせされる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、１５０℃で１ｇｆ／ｂｕｍｐで加熱加圧し、突起電極４１と接続電極５１とを正確な接合位置で電気的に接続する。最後に、図４（Ｄ）に示すように、半導体素子４０を保持する支持体４５を除去することで、半導体装置１０Ａが完成する。なお、図４の例では、半導体素子４０側の開口として貫通孔４２を形成しているが、素子基板の厚さが厚い場合は、図２のように開口として形成してもよい。貫通孔４２とする場合は、たとえば、シリコン貫通電極を形成する際に一括して貫通孔を形成することができる。

図５は、回路基板５０の平面図、図６は回路基板５０の製造工程図である。回路基板５０の四隅には、球状構造体３０を配置するためのベース５３が設けられ、所定の箇所に電気的な接続をとるための接続電極（半田電極）５２が形成されている。図６Ａ〜図６Ｆは図５の回路基板５０の作製工程をＡ−Ａ’断面で示す図である。

まず、図６Ａに示すように、回路基板５０の全面に電解メッキ形成用のシード層５９を形成し、コーナー部の４箇所に、導電層５３を形成する。ここでは、スクリーン印刷法によりＡｇペーストを印刷し、１５０℃で３０分熱処理することで硬化させ、厚さ約１０μｍのＡｇ導電膜５３を形成した。スクリーン印刷法に代えて、フォトリソ工程によってパターンニングしてもよい。

次に、図６Ｂに示すように、接続電極５１及び台座５４形成用のレジスト膜を形成し、平坦化して、フォトリソ工程によりパターンニングする。これにより、接続電極５１と台座５４が設けられる位置に開口５６を有するメッキレジストマスク５５が形成される。

次に、図６Ｃに示すように、シード層５９を通電させることで電解Ｃｕメッキ膜６１を成長する。コーナー部に設けたＡｇ導電層５３にも通電されるため、Ａｇ導電層５３上にも同様にＣｕメッキ層６１が形成される。Ｃｕメッキ層６１のうち、Ａｇ導電層（ベース）５３上に形成されたＣｕメッキ層６１は、球状構造体３０を保持するための台座（または位置あわせ用電極）５４となる。他方、シード層５９に到達する開口５６内に形成されたＣｕメッキ層６１は、接続電極５１となる。

次に、図６Ｄに示すように半田メッキにより半田層５８を形成する。半田メッキはＳｎとＢｉの２元系メッキによって、共晶組成（Ｓｎ-57wt%Ｂｉ）となるように形成した。

次に、図６Ｅに示すように、メッキレジストマスク５５を除去し、不要な箇所のシード層５９を除去して、台座５４上に球状構造体３０をディスペンスする。ディスペンスは、あらかじめフラックスを基板５０の全面に塗布しておき、メタルマスクを用いて所定の位置（基板の４隅）のみに球状構造体３０を搭載する。フラックスにより球状構造体３０は台座５４上に接着される。この時点では、球状構造体３０は正確に台座５４上の中心に配置されているわけではない。

最後に、図６Ｆに示すように、電解メッキで形成した半田層５８をリフローする。ＳｎＢｉ共晶半田は低温１３９℃で溶融するため、リフロー温度は１５０℃とした。リフローにより、接続電極５１上の半田層５８は溶融して表面張力の影響により半球状の半田電極５２となる。一方、４隅のコーナー部では、球状構造体３０の自重と、金属皮膜３３（図３参照）の半田層５８に対する濡れ性とによるセルフアライメント効果によって、球状構造体３０の位置は台座５４の中心位置へと補正される。球状構造体３０の自重は極めて軽いため、少量の半田層５８でも十分にセルフアライメント効果が発現し、中心位置へ補正される。またこのリフロー工程においても球状構造体３０は膨張するが、伸縮可能な樹脂層３２で内包物３１をコーティングしているため、リフロー後は可逆的に収縮する。収縮した球状構造体３０は、図４を参照してすでに説明したように、半導体素子４０の突起電極４１を回路基板５０の接続電極４１に接合する際の加熱工程により再度膨張し、電極同士のセルフアライメントに用いられる。

このような位置あわせ方法により、従来のフリップチップボンダーでは困難な１μｍ以下の高精度なアライメントを実現することができる。また、高価なフリップチップボンダーで１つ１つ位置あわせをするのではなく、搭載速度が速い汎用プレイサを利用して仮置きすればよいので、生産性が向上する。さらに、位置あわせは温度制御により自動的又は自己整合的に行われるため、バッチ処理によって複数デバイスを一括してアライメントし、一括して同時接合することが可能になる。よって、生産性が大きく向上する。

なお、実施例１では半導体素子４０に貫通孔４２を形成し、回路基板５０側に球状構造体３０を設けたが、逆の構成としてもよい。この場合、半導体素子４０のフリップチップ実装面に球状構造体３０を配置し、回路基板５０側に開口を形成する。半導体素子４０の突起電極４１の形成工程と同工程で、球状構造体３０を保持する台座を形成することができ、台座の中心に球状構造体３０を自己整合的に配置することができる。半導体素子４０側の球状構造体３０を回路基板５０側の開口内に大まかに配置し、加熱して球状構造体３０を体積膨張させることによって、電極同士を高精度に位置あわせすることができる。

図７は、実施例２の位置あわせ方法で用いられる球状構造体７０の模式図である。球状構造体７０は、加熱により体積膨張する気体、液体または固体の内包物７１と、この内包物を包含する伸縮性を有する外膜（カプセル）７２を有する。実施例１と異なり、半田または半田に対する濡れ性を有する金属膜は形成されていない。加熱により体積膨張する内包物３１として、フロリナートや蟻酸、無水コハク酸などを用いることができる。伸縮性を有するカプセル７２は、実施例１と同様にポリイミド、シリコーンゴムなどの高分子樹脂で形成されている。球状構造体７０は、直径約５０μmサイズとなるように形成されている。

図８Ａ〜図８Ｅは、図７の球状構造体７０を用いて半導体素子と回路基板を位置あわせする際の回路基板５０の製造工程図である。まず、図８Ａに示すように、回路基板５０の全面に電解メッキ形成用のシード層５９を形成し、コーナー部の４箇所に、導電層５３を形成する。ここでは、スクリーン印刷法によりＡｇペーストを印刷し、１５０℃で３０分熱処理することで硬化させ、厚さ約１０μｍのＡｇ導電膜５３を形成した。スクリーン印刷法に代えて、フォトリソ工程によってパターンニングしてもよい。

次に、図８Ｂに示すように、接続電極及び台座形成用のレジスト膜を形成し、平坦化して、フォトリソ工程によりパターンニングする。これにより、接続電極及び台座（位置あわせ用電極）が配置される位置に、開口５６を有するメッキレジストマスク５５が形成される。

次に、図８Ｃに示すように、電解メッキにより開口５６内に表面８２が凹状の曲面をなす電極膜８１を形成する。この例では、台座（位置あわせ用電極）となる電極膜８１と接続電極になる電極膜８１を一括して、表面８２が凹状曲面となるようにメッキ形成する。表面が凹状曲面をなす電極膜８１は、たとえばＣｕメッキ液に添加するレベラーの濃度を調整することにより形成することができる。レベラーはたとえばポリアミン等の窒素含有化合物である。レベラーの濃度は、台座及び接続電極の表面形状が、球状構造体７０の曲率半径及び回路基板５０に接合される半導体素子の突起電極の曲率半径に適合する所望の凹状曲面となるように設定される。

次に、図８Ｄに示すように、レジストマスク５５を除去し、不要なシード層５９をエッチングにより除去する。これにより、所定の位置に接続電極８１ａと、Ａｇ導電膜５３上の台座（位置あわせ用電極）８１ｂが形成される。台座８１ｂ上に接着剤８３をディスペンスする。接着剤８３は、たとえば熱硬化性接着剤である。

最後に、図８Ｅに示すように、接着剤８３が塗布された台座８１ｂ上に球状構造体７０をディスペンスする。このとき、台座８１ｂの表面の凹形状と球状構造体７０の自重により球状構造体７０は自動的に位置合わせされる。その後、接着剤８３を１５０℃／時間の条件で硬化させ、球状構造体７０を台座８１ｂ上に固定する。

図９Ａ〜図９Ｃは、図７の球状構造体７０を用いて半導体素子４０を回路基板５０に接合するプロセスを示す概略断面図である。半導体素子４０は、先端が凸状の曲面となっている突起電極４７を有する。突起電極４７の先端の曲面は、回路基板５０の接続電極８１ａの表面の凹形状に対応する形状である。突起電極４７は、半導体素子４０に形成された貫通電極（又は内部配線）４４に接続されている。半導体素子４０の所定の箇所には、たとえば直径１００μｍの開口又は貫通孔４２が形成されている。このような半導体素子４０を、汎用マウンタ又は汎用プレイサ（不図示）により、回路基板５０に対して大まかに位置合わせし、球状構造体７０が開口４２内に配置されるように仮搭載する。

次に、図９Ｂに示すように、全体をアニール炉等で１２０℃に加熱して、球状構造体７０を膨張させる。球状構造体７０が開口（又は貫通孔）４２の大きさに膨張することによって、球状構造体７０の中心が開口（貫通孔）４２の中心と一致し、半導体素子４０は回路基板５０に対して自動的に位置あわせされる。これにより、半導体素子４０の凸状電極４７と回路基板５０の接続電極８１ａが正しい位置で対向する。

最後に、図９Ｃに示すように、２００〜３００℃、数分から３０分、８ｇｆ／bumpの条件で加熱・加圧することにより、凸状曲面を有する電極４７と凹状曲面の接続電極８１ａとを接合し、半導体装置１０Ｂが完成する。なお、半導体素子基板としてあらかじめ薄く研磨したウエハを用いる場合は、図４（実施例１）と同様に支持体４５で半導体素子４０を保持し、仮搭載、熱膨張による自動位置あわせ、加熱・加圧による電極同士の接合を行い、接合後に支持体４５を除去してもよい。

実施例２の構成によれば、半田を使用せずに微細な電極間を接合する場合でも、簡単な構成で高精度な位置あわせをすることができ、生産性を向上することができる。

図１０は、実施例３による半導体ウエハの積層アライメントを説明するための模式図である。半導体ウエハの積層は、図３の球状構造体３０、及び図７の球状構造体７０のいずれを用いても高精度に行なうことができる。ウエハ積層は、半導体チップの三次元化に必要な技術である。半導体チップを三次元化することで、動作の高速化、メモリ容量の向上を図ることができる。たとえば、第１層目のウエハ９０には、複数のチップ領域（ユニット）が縦横に配置され、各ユニットに球状構造体７０（又は３０）と接続電極８１ａ（又は５１）が配置されている。第２層目のウエハ１００の各ユニットには、第１層目のユニットのレイアウトに対応して、開口（又は貫通孔）１０２と電極４７（又は４１）が形成されている。

図１１は、第１層目の半導体ウエハ９０上に第２層目の半導体ウエハ１００を積層する場合の接合例を示す図である。この例では、図７の球状構造体７０を用い、第１層目のウエハ９０において、表面形状が凹状の曲面である台座８１ｂ上に、球状構造体７０が自己整合的に配置されている。この台座８１ｂは、実施例２で説明したように、接合面が凹状曲面の電極８１ａと同時に形成されたものである。他方、第２層目のウエハ１００には、開口１０２としての貫通孔１０２と、先端形状が凸状曲面の電極４７を有する。

図１１（Ａ）に示すように、第２層目のウエハ１００を、その貫通孔１０２の内部に第１層目のウエハ９０の球状構造体７０が位置するように大まかに位置合わせをして、第１層目のウエハ９０上に仮配置する。加熱により球状構造体７０を貫通孔１０２の大きさまで膨張させることによって、自動的に球状構造体７０の中心が貫通孔の中心に一致する。これにより、凸状の電極４７と凹状の電極８１ａとが自己整合的に位置あわせされる。この状態で、第２層目のウエハ１００の電極４７を第１層目のウエハの電極８１ａに対して熱圧着することにより、図１１（Ｂ）に示すように正確な接合位置で積層されたウエハの積層体が完成する。この例では、電極間の接合に半田ペーストを用いなくても、球状構造体７０による自己整合的な位置あわせと、凹状の電極面と凸状の電極面との自己整合的な係合とによって、微細な電極４７と８１ａとを精度よく接合することができる。

なお、ウエハの積層は２層に限定されず、３層以上に積層することができる。例えば、３層目以降のウエハについては、ユニットごとに球状構造体と貫通孔の双方を形成し、球状構造体を下層のウエハの対応するユニットの貫通孔に配置すると同時に、上層のウエハの球状構造体を貫通孔に受け取る構成としてもよい。これにより、３層以上、たとえば１０層程度のウエハを簡易な構成で精度良く積層することができる。

以上の説明に対して以下の付記を提示する。
（付記１）
第１の接合部を有する第１の接合対象物の所定の箇所に開口を形成し、
第２の接合部を有する第２の接合対象物の前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し加熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を配置し、
前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物を仮配置し、
加熱により、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の接合部と前記第２の接合部とを自己整合的に位置あわせする、
ことを特徴とする位置あわせ方法。
（付記２）
前記球状構造体は、加熱により膨張する気体、液体又は固体の内包物を、伸縮性を有する外膜で包含することによって作製されることを特徴とする付記１に記載の位置あわせ方法。
（付記３）
前記球状構造体の配置は、
前記球状構造体の外周に半田又は半田に対する濡れ性を有する金属による皮膜を形成する工程と、
前記前記球状構造体を保持する台座を形成し、前記台座上に半田層を介して前記球状構造体を配置する工程と、
前記球状構造体と前記台座を加熱し、前記球状構造体の自重及び前記半田に対する濡れ性により、前記球状構造体を前記台座の中心に自動的に位置あわせする工程、
を含むことを特徴とする、付記１に記載の位置あわせ方法。
（付記４）
前記球状構造体の配置は、
前記第２の接合部の形成と同時に、表面が凹状の曲面を有する台座を形成する工程と、
前記台座の凹状表面に接着層を介して前記球状構造体を搭載する工程と、
前記球状構造体の自重及び前記凹状の曲面により、前記球状構造体を前記台座の中心に自動的に位置あわせする工程、
を含むことを特徴とする付記１に記載の位置あわせ方法。
（付記５）
前記第１の接合部は、先端が凸状の曲面を有するように形成され、
前記球状構造体の膨張により、前記第１の接合部の前記凸状の曲面と、前記第２の接合部の前記凹状の曲面が自己整合的に係合することを特徴とする付記４に記載の位置あわせ方法。
（付記６）
第１の接合部を有する第１の接合対象物と、第２の接合部を有する第２の接合対象物を接合した接合構造において、
前記第１の接合対象物は、所定の箇所に開口を有し、
前記第２の接合対象物は、前記第１の接合対象物の前記開口内に配置される球状構造体を有し、
前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
前記第１の接合部と前記第２の接合部は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されていることを特徴とする接合構造。
（付記７）
前記球状構造体は、加熱により膨張する気体、液体又は固体である内包物と、
前記内包物を包含する伸縮性を有する外膜と
を有することを特徴とする付記６に記載の接合構造。
（付記８）
前記球状構造体は、前記外膜上に半田又は半田に対する濡れ性を有する金属による皮膜をさらに有し、
前記第２の接合対象物は、半田材料で形成され前記球状構造体を保持する台座を有し、前記球状構造体は、当該球状構造体の自重及び前記半田に対する濡れ性により、前記台座の中心に位置することを特徴とする付記７に記載の接合構造。
（付記９）
前記第２の接合対象物は、前記球状構造体を保持する台座を有し、
前記台座の表面形状は凹状であり、
前記球状構造体は接着層を介して前記台座の凹状面の中心に位置することを特徴とする付記７に記載の接合構造。
（付記１０）
前記第１の接合部は、先端が凸状の曲面を有する第１の電極であり、
前記第２の接合部は、前記凹状の表面形状を有する第２の電極であり、
前記球状構造体の膨張により、前記第１の電極の凸状曲面と前記第２の電極の凹状表面が自己整合的に接合されていることを特徴とする付記９に記載の接合構造。
（付記１１）
前記第１の接合対象物は第１の半導体ウエハであり、前記第２の接合対象物は第２の半導体ウエハであり、前記開口は前記第１の半導体ウエハを貫通する貫通孔であることを特徴とする付記６又は７に記載の接合構造。
（付記１２）
第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板とが電気的に接続された半導体装置において、
前記半導体素子と前記基板のいずれか一方は、所定の箇所に開口を有し、
前記半導体素子と前記基板の他方は、前記開口内に配置される球状構造体を有し、
前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
前記第１の電極と前記第２の電極は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されていることを特徴とする半導体装置。
（付記１３）
第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板のいずれか一方に開口を形成し、
前記半導体素子と前記基板の他方において、前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を形成し、
前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記半導体素子を前記基板上に仮配置し、
前記半導体素子及び前記基板を加熱して、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の電極と前記第２の電極を自己整合的に位置あわせし、
前記位置あわせされた状態で、前記第１の電極と前記第２の電極を接合する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１４）
第１の電極を有する第１の半導体ウエハの所定の箇所に開口を形成し、
第２の電極を有する第２の半導体ウエハにおいて、前記開口と対向する箇所に、前記開口の径よりも小さい径を有し加熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を配置し、
前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記第１の半導体ウエハと前記第２の半導体ウエハを積層し、
加熱により、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の電極と前記第２の電極とを自己整合的に位置あわせし、
前記位置あわせされた状態で前記第１の電極と前記第２の接合部を接合する、
ことを特徴とするウエハの積層方法。
（付記１５）
前記球状構造体は、加熱により膨張する気体、液体又は固体の内包物を、伸縮性を有する外膜で包含することによって作製されることを特徴とする付記１３又は１４に記載の方法。

接合部を有する物品同士の位置あわせ、外部端子を有する電子部品の位置あわせと接合、半導体素子の基板への接合、ウエハの積層接合など、広く適用することができる。

１ 第１の接合体
２ 第２の接合体
３、３０、７０ 球状構造体
１０ 接合構造
１０Ａ、１０Ｂ 半導体装置
１１、４１、４７ 電極（第１の接合部）
１２ 開口
２１、５１、８１ａ 電極（第２の接合部）
２４、５４、８１ｂ 台座（位置合わせ電極）
４０ 半導体素子
４２、１０２ 貫通孔
５０ 基板
９０ 第１の半導体ウエハ
１００ 第２の半導体ウエハ

Claims (8)

1. 第１の接合部を有する第１の接合対象物の所定の箇所に開口を形成し、
   第２の接合部を有する第２の接合対象物の前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し加熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を配置し、
   前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物を仮配置し、
   加熱により、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の接合部と前記第２の接合部とを自己整合的に位置あわせする、
   ことを特徴とする位置あわせ方法。
2. 前記球状構造体の配置は、
   前記球状構造体の外周に半田又は半田に対する濡れ性を有する金属による皮膜を形成する工程と、
   前記第２の接合対象物に前記前記球状構造体を保持する台座を形成し、前記台座上に半田層を介して前記球状構造体を配置する工程と、
   前記球状構造体と前記台座を加熱し、前記球状構造体の自重及び前記半田に対する濡れ性により、前記球状構造体を前記台座の中心に自動的に位置あわせする工程、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の位置あわせ方法。
3. 前記球状構造体の配置は、
   前記第２の接合対象物に、前記第２の接合部の形成と同時に表面が凹状の曲面を有する台座を形成する工程と、
   前記台座の凹状表面に接着層を介して前記球状構造体を搭載する工程と、
   前記球状構造体の自重及び前記凹状の曲面により、前記球状構造体を前記台座の中心に自動的に位置あわせする工程、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置あわせ方法。
4. 第１の接合部を有する第１の接合対象物と、第２の接合部を有する第２の接合対象物を接合した接合構造において、
   前記第１の接合対象物は、所定の箇所に開口を有し、
   前記第２の接合対象物は、前記第１の接合対象物の前記開口内に配置される球状構造体を有し、
   前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
   前記第１の接合部と前記第２の接合部は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されていることを特徴とする接合構造。
5. 前記球状構造体は、加熱により膨張する気体、液体又は固体である内包物と、
   前記内包物を包含する伸縮性を有する外膜と
   を有することを特徴とする請求項４に記載の接合構造。
6. 前記第１の接合対象物は第１の半導体ウエハであり、前記第２の接合対象物は第２の半導体ウエハであり、前記開口は前記第１の半導体ウエハを貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項４又は５に記載の接合構造。
7. 第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板とが電気的に接続された半導体装置において、
   前記半導体素子と前記基板のいずれか一方は、所定の箇所に開口を有し、
   前記半導体素子と前記基板の他方は、前記開口内に配置される球状構造体を有し、
   前記球状構造体は加熱により体積膨張する性質を有し、
   前記第１の電極と前記第２の電極は、前記球状構造体の前記開口内での体積膨張による自己整合的な位置あわせにより接合されていることを特徴とする半導体装置。
8. 第１の電極を有する半導体素子と、第２の電極を有する基板のいずれか一方に開口を形成し、
   前記半導体素子と前記基板の他方において、前記開口と対向する位置に、前記開口の径よりも小さい径を有し熱により体積膨張する性質を有する球状構造体を形成し、
   前記球状構造体が前記開口内に位置するように、前記半導体素子を前記基板上に仮配置し、
   前記半導体素子及び前記基板を加熱して、前記球状構造体を前記開口内で前記開口の径の大きさまで体積膨張させることによって、前記第１の電極と前記第２の電極を自己整合的に位置あわせし、
   前記位置あわせされた状態で、前記第１の電極と前記第２の電極を接合する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。