JP2013165265A5 - - Google Patents

Description

貫通電極構造及びその製造方法

本発明は、半導体チップの三次元積層に好適な貫通（或は埋込）電極（以下、貫通電極という）の材料及び実装構造と、その製造方法に関するものである。

半導体チップの三次元積層に必須の基板上の開孔に貫通電極を形成する方法として、従来、概ね以下の３つ方法が知られている。しかし、いずれも次のような難点があるため、実用するには問題がある。

第一は、液相堆積の代表例で、コンフォーマル銅めっき法である。無電解めっき液を用いて、開孔の内壁に沿って、緻密な銅の薄膜（開孔が完全充填されない）を形成する。既に量産で利用されている技術であるが、貫通電極の片側に開孔窪みがあり、配線アライメント工程の関連で、貫通電極の直径より大きな接続線パンターンを要し、高密度の配線は困難である。

第二は、銅メタル充填法である。気相成長の典型例として、高価なイオン化スパッター装置或はメタルＣＶＤ装置を要し、処理時間も長くなり、結果的に製造コストが高くなる。更に、貫通電極の全体が緻密な銅であるため弾性率が大きく半導体基板（例えばシリコンウェハ）と比較して、熱膨張率差が大きいため、加工工程の温度サイクル等の熱衝撃により過大な内部応力が発生し、半導体基板にクラックを発生させる可能性もある。

第三の方法は、導電性の金属ペースト充填法である。金属ペーストの稀釈剤にモノマーが使用されるため、乾燥後の有機残留物が多いので、貫通電極の導通抵抗が高くなる。その影響で、回路設計に制限がかかり電気特性の不安定発生につながる。

上述した三つの方法の改良案は多数開示されており、前記充填法の改良案が比較的多く提案されている。
例えば、特許文献１には、金属粉末の懸濁液を圧力とフィルターによって開孔に堆積させる方法が開示されている。図４は、特許文献１の図１である。同図において、貫通孔１０２を有する基板１０１が、フィルター１４０の上部に配置されている。１３０は金属微粒子の懸濁液である。ピストン１２０を押し下げることにより、１３０が貫通孔１０２の内部に押込まれて堆積される。基板１０１を取出して乾燥させてから、再度、導電性ペーストを貫通孔１０２の内部に充填して硬化させると、電極が形成される。この方法では、金属成分を２回の堆積を通じて、電極の金属比率を高めさせて電極の導電性の改善に寄与する。

特許文献２には、ブレードを用いて、金属ペーストに振動を印加しながら塗布し、同時にウェハ基板の反対側から吸引圧を加えて、ペーストを開孔に沈着させて焼結する方法が開示されている。図５は、特許文献２の図１である。この手法は、ペーストの充填密度を高めたにより、貫通電極の導電性を確保する。
特許文献３には、少量の金属ペーストを塗布した後、真空環境で熱と高速振動を加えて溶融金属を貫流し、沈着させる方法が開示されている。

特許文献１〜３の方法では、それぞれが謳っている目的は達成されているが、加工工程が既存回路パターンに与えるダメージ、補助材（支持ガラス基板等）の脱着、半導体デバイスの実装の全工程を総合的に考慮すると、実用するには支障がある。

特開２０１１−０５４９０７号公報 特開２０１１−０７１１５３号公報 特開２００９−２７７９２７号公報

貫通電極には、加工工程の変温サイクルにおいて材料間の熱膨張係数差に起因するクラック発生等の信頼性低下と、構成材料の導電率による信号伝達特性低下の問題は製品性能の高度化とその品質保証することへの最大の課題である。

また、半導体製造技術の微細化に伴い、より高密度な配置の要求も配慮すべきである。即ち、貫通電極のサイズを小さくしても、同様な信号伝達特性と信頼性を要求される。

本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、半導体製造技術の微細化に応じて、より高密度に配置可能な、低抵抗かつ高信頼性の貫通電極の材料構成と実装構造、及び低コストの製造する方法を提供することにある。
ここに明記しない本発明の他の目的は、以下の説明及び添付図面から明らかになる。

上述した目的を達成するため、本発明では、多孔質体の弾性率と強度が開孔率に反比例すること、及び多孔質体の含浸非完全置換型固溶体の力学特性が概ね多孔質体の特性を示すことに着目し、更に貫通電極の通過電流は高周波電流であることを考慮し、材料の物性特徴を巧みに活用した貫通電極の材料構成と貫通電極の成形工程を考案し、各方面の性能を満たした貫通電極の構造、並びに相応な低コスト製造方法を提供するものである。

本発明の貫通電極構造は、基板の第１主面に配置された少なくとも１個の開孔に第１導電材の粉末を固形成分とするペーストを塗布充填してから、低温焼結処理により、ペーストの液体部分が蒸発され、固形成分同士が部分的に接触し溶融拡散結合されて形成する多孔質の第１導電体と、前記第１導電体の空隙に、第２導電材の粉末を固形成分とするペーストを含浸させて再固化した第２導電体で構成され、前記第２導電材は前記第１導電材とは異なっていることを特徴とするものである。

前記の「基板」とは、既に多数のデバイスが集積化されたシリコンウェハや、デバイスの電気接続を仲介する無地又は配線パターンを施した板である。基板の材質はシリコンや化合物半導体、樹脂、セラミック、ガラス等がある。

前記の「貫通電極」は、図１Ｂ-(ｋ)のような基板の表裏の両面のデバイスや電気配線パターンを相互に電気接続するため、基板を貫通し、両面から接続端子として露出するケースと、図２Ｂ-(ｋ)のような基板の表裏の一面に接続端子として露出し、基板の表裏の一方の反対面は内部配線と連結するケースと、図３の(ｂ) 、(ｃ)、 (ｄ)のような複数の内部配線を連結するケースがある。

前記の「開孔」は、基板の表裏の一方の第１主面から、表裏の他方の面である第２主面へ向けて掘り拓く、貫通電極を構築する孔である。基板を貫通と非貫通の２種類がある。断面は円形が多いが、これに限らない。電気接続の理由で、開孔の内壁に絶縁性を要す。基板の材質が導電性の場合（例えばシリコン）には、内壁表面に絶縁層を付着させる必要がある。

前記の「ペースト」とは、固形成分の多形粉末状の導電性微粒子を分散液で懸濁させ、溶媒で稀釈された粘性懸濁液である。本発明に於いて、使用する分散液及び溶媒の気化蒸発後、有機残留物を有しないものとする。又、蟻酸、カルボン酸等の「ＣＯＯＨ系の酸」或はロジンワックス（松脂）等、導電性微粒子の表面の活性を保たせる還元剤を含まれることもある。
溶媒としては、エチレングリコール、ブチルアルコール、エステルアルコール等の多価アルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトール、パークロールが好ましい。これらの溶媒は、レジストへの攻撃性も低く、且つ、比較的低温（５０℃未満）でも揮発可能のため、塗布後の乾燥が容易になる。このうち、多価アルコールは、室温〜１００℃程度での乾燥が可能であるので特に好ましい。

前記の「第１導電材」は、金属の粒子、合金の粒子、金属化合物の粒子若しくは半導体の粒子、又は、有機系若しくは無機系の部材に異種部材が被覆された導電粒子のうちの少なくとも一つから成る。その粒度は、概ね０．３〜１０μｍとして観察される。例え、実際の粒度が０．１μｍ以下としても、静電力等により凝集される。

第１導電材の選定範囲は概ね以下の通りである。但し、これに限らない。
金属はタングステン、モリブデン、クロム、インジウム、スズ、金、銀等がある。
金属化合物は、上記金属を構成成分とする化合物がある。構成材料の比率は種々あるので「混合物」とも言える。
半導体は、シリコン、ゲルマニウム、化合物半導体、シリコンカーバイト、カーボン等がある。
有機系の部材に異種部材が被覆された導電粒子は、樹脂材料などの微粒子表面にインジウム、金、銀、白金、スズなどの金属をメッキした粒子がある。
無機系の部材に異種部材が被覆された導電粒子は、導電性薄膜が被覆された微粒子状の金属、シリコン、ゲルマニウムなど（半導体）、シリコンカーバイト、カーボン系物質、ダイヤモンドライク物質、窒化シリコン、窒化アルミ、ボロシリケートガラス、窒化ボロンセラミックス等がある。
微粒子の被覆材は、インジウム、インジウム合金、ニッケル・金、金、銀、銅、白金、スズ、亜鉛、ビスマス、ガリウム、カドミウム、チタン、タンタルなどがある。

第１導電材の無機系の部材に異種材が被覆された導電粒子の組合せ例で、
粒子核材（コア）をタングステンとし、被覆部材（スキン）をインジウム、スズ、銅、貴金属類、（金、銀、白金など）のうちの少なくとも一つとする。
なお、粒子核材と被覆部材の剥離強度を増大させるため、粒子核材の表面に、「銅、ニッケル、チタン、タンタル等の金属のいずれか、或は少なくとも二つの組合せでのバリア性金属から成る中間被覆層を設け、その上に前記被覆材を施すこともある。また、この中間被覆層により、核材の電気抵抗低減など電気特性改善することができる。

第１導電材の選定基準として、下記の三点が考えられる：
（１）良好な信頼性を確保するために、基板との熱膨張係数差が小さく、多孔質焼結体と基板の熱膨張係数が３倍を超えないことを推奨する。この制約は高温雰囲気に曝された時に、熱膨張係数差により発生した内部応力が基板に破損しないために必要である。
（２）良好な信号伝達特性を確保するために、電気抵抗が小さいこと。
（３）焼結（拡散結合）温度を３００℃以下とする。貫通電極を形成する基板の大部分が、多数のデバイスが集積化されたシリコンウェハであるため、周辺のデバイス回路にダメージを与えない理由で、集積化工程の最高温度よりも低い温度との制限がある。

前記の「第２導電材」は、低融点の金属の粒子、合金の粒子、半導体の粒子のうちの少なくとも一つから成る。第２導電材の材質は第１導電材と異なり、即ち第２導電材と第１導電材が同一材料の可能性を排除する。且つ第２導電材の粒度が第１導電材より小さいことが特徴である。更に第２導電材の融点温度は、第１導電材の焼結温度またはその焼結合金部分が溶融する温度を超えない値とする。

第２道電材料の例としては、合金はインジウム系合金、スズ系合金（スズ銀、金スズ等）、ビスマス系合金（スズ、ビスマス等）、ガリウム系合金、亜鉛系合金、ハンダ類等の低融点金属系合金または合金率０パーセントの低融点金属であるインジウム、スズ、ガリウム、ビスマス等がある。表１は、その典型的な配合例である。但し、これらに限定するものではない。

前記のペースト塗布充填の手法は基本的に公知の範疇で、ここでの論述は省略する。しかし、充填速度の増大やボイド発生の防止などに留意することが必要である。

前記の「低温焼結処理」とは、原則的に３００℃を超えない低温熱処理である。加熱でペーストの液分が気化蒸発し、水素窒素フォーミングガス等の還元性雰囲気か、又はペーストに含まれる蟻酸、カルボン酸等の「ＣＯＯＨ系の酸」或はロジンワックス（松脂）等還元剤により、活性化された固形成分の微粒子同士が部分的に接触し、接触部の近辺で拡散結合が起き、多孔質の前記した第１導電体が形成（焼結）される。
その場合、拡散結合の温度は、固形成分の微粒子（又は微粒子の表面被覆材）の融点温度より遥かに低い。

又、固形成分の微粒子（又は微粒子の表面被覆材）を適切に異なる金属で組合せば、拡散結合で得た合金の融点温度が焼結温度より遥かに高いことも可能である。これは、後続工程処理において極めて有利な現象である。

多孔質焼結体の空隙の大きさと占める比率は固形成分の微粒子の大きさ、微粒子の外形などに依存する。この空隙に第２導電材を含浸固化させることで、貫通電極を形成する。

前記の「含浸」の手法は、第２導電材を含有するペーストを、基板上の多孔質の第１導電体の上に塗布浸透させてから、熱処理で第２導電材を溶融して、多孔質の第２導電体の空隙に沈着再固化させて前記の「第２導電体」が得られる。

又、第２導電材の融点が低い場合は、塗布機械で第２導電材を溶融し、予熱をかけた基板上の多孔質の第１導電体の上に真空雰囲気または還元性あるいは不活性ガス雰囲気で塗布浸透させ、冷却することにより第２導電体を得ることもある。

形成された貫通電極の成分容積比率として、第１導電体が第２導電体よりも大きいことが好ましい。これが、第１導電体の力学特性を貫通電極の力学特性として保たせるためである。

貫通電極の形成工程において、基板本体のデバイスや配線パターンとの電気接続（埋込電極の内部接続）に関しては、基板材質及び複雑度によって、幾分の変化があるものの、公知範疇のものであり、ここでの論述は省略する。
複雑な周辺要因を省いた基本的な貫通電極の形成工程は、概ね以下の通りで、
（１）基板の表裏の一方の面である第１主面からの開孔工程と
（２）開孔の内壁に絶縁層を施す工程と、
（３）開孔に第１導電材を固形成分とするペーストを塗布し、堆積充填する工程と、
（４）低温焼結処理工程と、
（５）多孔質の第１導電体の上に第２導電材を固形成分とするペースト（或は第２導電材の金属溶融液）を塗布し、堆積する工程と、
（６）第２導電材を溶融含浸させる工程と、
（７）基板の第１主面又は第２主面、或は第１主面と第２主面を平滑化する工程。

其のうち、工程（２）は、基板が樹脂或はセラミックの場合には不要となる。

工程（３）は、必要な固形成分の堆積量を得るため、複数回の繰り返し実施もある。又、固形成分の堆積を促すため、基板に予熱をかけながらの塗布も考えられる。

工程（４）は、処理温度を第１導電材の成分構成に合わせて設定する。又、必要に応じて水素窒素フォーミングガス等の還元性雰囲気や窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスをかけることもある。

工程（５）は、工程（３）と同様、複数回の繰り返し実施もある。塗布物が金属溶融液の場合、真空雰囲気かあるいは弱い還元性を示すミックス雰囲気などが必要と思われる。
工程（６）は、真空雰囲気が必要。又、塗布物が金属溶融液の場合には不要な場合もある。
工程（７）は、凹凸不平の貫通電極の露出端子と基板表面を、後続の回路連結工程のため、掘削、研磨を経て平滑化する。

此処で、形成された貫通電極の構造を以て、貫通電極の材料成分の選定及び貫通電極の形成工程ついて、総合的に説明する。
貫通電極にとって、変温サイクルにおいて熱衝撃は、主に貫通電極の容積変化より基板上に開孔の内壁に与える圧力の形式と考えられる。理論上、基板と同様の熱膨張係数の材料であれば、応力が発生しない。
貫通電極の使用環境では、通過電流は主に高周波電流であり、貫通電極の導通抵抗の軽減処置において、表皮効果は無視できない要因と考えられる。

そこで、低電気抵抗の金属膜を被覆した基板の熱膨張係数に近い材料の微粒子（第１導電材）を、堆積して焼結すれば、連続孔の多孔質導電体が得られる。微粒子の表面金属膜の接触部が連結され、立体網目状の導通路ができる。どの断面でも、微粒子同士の表面連線が、同口径の柱の外周線より長い。即ち、より広い導通表面積を得られる。
断線を防ぐため、溶融した第２導電材の金属溶融液を多孔質体の空隙に含浸最固化するのでより完璧な導通路が確保できる。
その結果、基板の熱膨張係数と近い貫通電極本体を得られ、その高周波における導電性も同口径の金属体と近い。
但し、微粒子の核が金属又は金属合金の場合、貫通電極は成分にムラがある金属体と看做すことができ、通過電流が低周波又は直流の場合でも高い導電性を確保できる。
尚、この形成工程では、高価な設備を必要としないので、本発明の効果的な製造コスト抑制の最大の要点である。

本発明の貫通電極の構造及びその製造方法は、従来の各種の貫通電極形成法に比べて、高価な設備を要せず、比較的に短時間で、基板全体の信頼性の低下がなく、信号伝達特性の劣化がない良導電性の貫通電極を構成することが可能となる。

貫通電極の形成工程において２３０℃を超える高温処理工程を避けることができるため、既に回路が形成されていて高温処理ができない半導体デバイスや有機系デバイス用の半導体やガラスやセラミックなどの基板ウェハ上に、貫通電極を形成する方法として、有効であり、このように貫通電極の作製工程では３００℃以上の高温熱処理を含まないため、例えばシリコンウェハに既に構成されているデバイスの特性変動や劣化を伴わない。さらに、貫通電極の導電率が大きいため、大電流或は高速信号が通過しにくい貫通電極のサイズを小さくすることが可能となり、且つ低製造コストの高集積化や３次元積層化を達成することも可能となる。

本発明の第１実施形態の貫通電極の形成工程を示す図である。 本発明の第１実施形態の貫通電極の形成工程を示す図で、図１Ａの続きである。 本発明の第２実施形態の貫通電極の形成工程を示す図である。 本発明の第２実施形態の貫通電極の形成工程を示す図で、図２Ａの続きである。 本発明の第３実施形態の貫通電極の形成工程を示す図である。 従来の電極構造の製法を示す図である。 従来の貫通電極作製法を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電極構造の製造方法において、導電材粒子（粉末）同士の接合状況を示す説明図である。

以下、本発明の適切な実施形態について、図面を参照して説明する。但し、本発明は多くの異なる形態で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細な構造と材料選択を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。

従って、本発明は、本実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下の説明において、同一部分又は同等機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態の貫通電極の形成工程を示す。本実施例は基板の両面から接続端子として露出のケース（インターポーザ）である。
図１Ａ（ａ）は、用意された基板５０の一部拡大図である。

図１Ａ（ｂ）は開孔後の一部拡大図である。開孔５１は、基板５０の第１主面５２から第２主面５３に至るまで貫通している。開孔５１の内径は、数μｍから数１００μｍである。

図１Ａ（ｃ）は、開孔５１の内壁に絶縁層５４が形成された後の拡大図である。形成手法によっては、絶縁層５４が第１主面５２と第２主面５３の上にも拡げられる。但し、基板５０の材質が絶縁性の場合は、絶縁層５４は不要である。

図１Ａ（ｄ）は、ガラス等の材質の支持板５５を基板５０の第２主面５３に装着後の説明図。支持板５５は、開孔５１の底部を塞ぐ役割を有する。
支持板５５の材質は種々選択できるが、シリコンあるいはゲルマニウムなどの半導体デバイス基板や化合物半導体の基板や半導体デバイスを実装する半導体基板と同等レベルの熱膨張係数を有するガラスやセラミックス基板などがある。

図１Ａ（ｅ）は、第１導電材を含有するペースト５６が開孔５１に充填堆積された様子を示す説明図である。

第１導電材を含有するペースト５６の例として、例えば被被覆粒子の大きさの２００分の１から１０分の１程度の厚さ（本例の場合は、０．００１５μｍから０．０５μｍ厚さ）のスズ被覆された粒度あるいは外形概略寸法が０．３μｍから０．５μｍの大きさのタングステンの微粒子と、同じく例えば被被覆粒子の大きさの２００分の１から１０分の１程度の厚さ（本例の場合は、０．００１５μｍから０．０５μｍ厚さ）の銀で被覆されたタングステンの微粒子と1対1の割合で、分散液と揮発性溶媒を加えて調合した８５ｗ％の粘性混濁液とする。勿論、ペーストの構成物質、含有量、溶媒などは例示した内容に限らない。

これらの被覆金属（この事例では、スズおよび銀のめっきまたは置換等でのコート金属）の厚さは、被被覆微粒子（この事例ではタングステン微粒子）との体積比率が異なる被膜接合点での溶融部分が被被覆材料で作る空隙部を埋めてしまわない厚さ以下にする必要がある。この空隙部は次の加工段階で別の溶融金属が埋める必要があるため、金属粉末の空隙は
一部で固定されても連続した空隙である必要があるからである。
この空隙部が埋まりきれないで表面だけで溶融カバーされてボイドが生じると、抵抗成分が増えてしまうからである。

ペースト５９の充填には、マイクロピペットやスクリーン印刷など周知の手法が利用される。塗布機械の性能、塗布速度、堆積密度等を考慮して、ペースト５９中の微粒子の粒径と固形分比（希釈剤割合）の調整で、容易に対応できる。使用機械は、比較的安価なジェット・ディスペンサとするのが好ましい。選定機種の性能によって、塗布の繰り返し回数が異なる。一般的仕様なら、概ね２回の繰り返しを要する。

図１Ａ（ｆ）は、開孔５１の中に形成された多孔質の第１導電体５７の説明図である。還元性雰囲気での低温焼結処理によって、ペースト５６の堆積物に含まれる揮発性の液体成分が散逸され、固形成分の微粒子同士が収縮沈着し互いに部分接触する。活性化された微粒子同士の表面金属が、互いに拡散結合が起きて多孔質の第１導電体５７として焼結される。収縮沈着の度合いはペーストの堆積物５６の固形成分の含有量によって変わる。
本実施例において、低温焼結処理の条件は、２％のＨ_２を還元剤として含有するＮ_２雰囲気で、温度は２３０℃としたものである。勿論、この限りではない。

図１Ｂ（ｇ）は、多孔質の第１導電体５７の微粒子同士の関係を表す原理図である。

図１Ｂ（ｈ）は、第２導電材を含有するペースト５９が多孔質の第１導電体５７の上に覆うように塗布堆積された後、低温熱処理で溶融し、第２導電体として沈着再固化することを示す説明図である。この場合、一部の熔湯は多孔質の第１導電体５７の空隙に浸透して、非完全置換型固溶体が形成される。

ペースト５９の一例を挙げるならば、インジウム系合金（インジウム５２％、スズ４８％融点約１２０℃）のペーストなどであり、微粒子群は粒径０．０３μｍから０．０５μｍの粒子を構成している。固形成分を８０〜９９ｗｔ％とするのが好ましい。この配合割合であれば、金属粉末の凝集を防ぎ、且つ充填材を十分に供給できるからである。

図１Ｂ（ｉ）は、多孔質の第１導電体５７の空隙に含浸されたペースト５９の熔湯６１と、多孔質の第１導電体５７との接触面に拡散結合（いわゆる金属同士の濡れを起こ）しながら、固化されて非完全置換型固溶体６０を形成する過程の詳細構成概念図である。

図１Ｂ（ｊ）は、貫通電極の形成過程で、できた凸起部を平坦化工程した後の断面図である。かかる平坦化工程は、機械的な研磨やＣＭＰ（化学反応と機械研磨とを併用した平坦化工程）といった周知の手法で実施したものである。

図１Ｂ（ｋ）は、基板５０の第１主面５２と第２主面５３に、貫通電極と接続した電気配線層６５及び６６をそれぞれ形成する概念図である。
以上の工程により、基板５０に貫通電極が形成できる。
（第２実施形態）

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第２実施形態に係る貫通電極の形成工程を示す。本実施例は基板の片面に貫通電極が接続端子として露出し、他方の面では、既に築かれたデバイスの配線と内部から接続する「埋込」電極である。便宜上、同様に「貫通電極」と称している。したがって、第２実施形態も本発明に含まれる。

まず、図２Ａ（ａ）に示すように、半導体ウェハの基板２５０の第２主面２５３（図では下側の面）側に、トランジスタ７０が配置されている。トランジスタ７０には、拡散層７１、ゲート電極７２と拡散層７１の配線層７３がある。配線層７３とゲート電極７２は共に絶縁層（酸化膜であることが多い）７４内に配置されている。

図２Ａ（ｂ）に示すように、周知のパターン形成技術に続くエッチング工程で開孔２５１が形成されている。具体的に、反応性イオンエッチング等により、第１主面２５２側から第２主面２５３側の絶縁膜までエッチングする。

図２Ａ（ｃ）は、ふっ酸（ＨＦ）ガス雰囲気中での反応性イオンエッチングなどにより、絶縁層７４の第１主面２５２側がエッチングされ、配線層７３が露出させた説明図。

次に、図２Ａ（ｄ）に示すように、開孔２５１の内壁と第１主面２５２に絶縁層２５４を形成する。この時、露出した配線層７３の表面（底の面）にも絶縁層２５４が形成されるが、周知の手法により除去される。
以上のプロセスにより、「底面に導体が配置された開孔」が形成される。それ以降の工程は実施例１と類似するので、此処での重複は省く。
（第３実施形態）

図３は、本発明の第３実施形態の説明図である。本実施形態は、本発明の第２実施形態において多層配線を用いた場合である。したがって、図３では、本発明の第２実施形態を示す図２Ａ及び図２Ｂと同一番号は、同一構成要素を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、半導体ウェハの基板２５０は、基板２５０の第２主面２５３の側に、絶縁層７４の内部に複数の配線層７３ａ、７３ｂ、７３ｃが配置されている。これらの配線層の間には層間配線２７０が配置されており、隣接する配線層（図では、第１層７３ａと第２層７３ｂ）の間を電気的に接続している。このような複数の配線層および層間配線は、シリコン集積回路では多用されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、第２層の配線層７３ｂに到達する貫通電極を形成するための開孔２５１ｂが形成される。その後は、上述した第２実施形態と同様にして、開孔２５１ｂに貫通電極が形成される。

図３では、第二層の配線層７３ｂへの貫通電極を形成する場合が示されているが、本発明はこれに限らず、他の層の配線層への貫通電極形成も可能である。図３（ｃ）には第三層の配線層７３ｃへの貫通電極を形成する場合の開孔２５１ｃが示されている。このように、多層配線構造では、指定された任意の配線層に対して貫通電極を形成することが可能である。

図３（ｄ）では、第二層の配線層７３ｂと第三層の配線層７３ｃの両者に対して共通の貫通電極を形成する場合の開孔２５１ｂｃが示されている。このような構成に対して貫通電極を形成すると、配線層７３ｂと７３ｃの層間配線が形成されると同時に、これら両者を第１主面２５２側へ引き出すことが可能となる。即ち、１個の貫通電極に複数の機能を持たせることが可能である。

（第４実施形態）
図６は、本発明の実施形態の導電材微粒子（粉末）同士の接合構造状況を示す説明図である。

図６（ａ）は、第２実施形態を示す図２Ａ、図２の多孔質焼結体２５７或は非完全置換型固溶体２６０の部分に用いる微細粒子２５８に代替しうる多面体の導体粒子３５８の例、すなわち、メタル単体・複合メタル、導体、表面導体コート有機・無機材料を示す。
図６（ｂ）は、金属粒子４５８の例、すなわち、メタルＷ、Ｍｏ，Ｓｉの単体や、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ等で表面メッキされたものを示す。

図６（ｃ）は、表面メッキ付き金属粒子５５８の例である。５８９は被覆するＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ膜をしめし、６８９は下地被覆表面処理するＮｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ膜（比較的低融点金属に表面被覆されたＷ粒子１群）を示し、７８９はさらにその上に被覆する表面Ｓｎ単体膜、Ｓｎ−Ａｇ合金膜、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金膜（比較的高融点金属に表面被覆されたＷの粒子２群）を示し、６５８はＷ、Ｍｏ、Ｓｉ等の金属粒子を示す。

このように二種類の比較的低融点金属に表面被覆されたＷの粒子１群と比較的高融点金属に表面被覆されたＷの粒子２群を準備して混合することにより、焼結温度１１００℃以上のＷの粒子単体と同じレベルの似た特性を有する導電体を３００℃以下の低温で形成出来ることに意味がある。

図６（ｄ）は、粉末寸法小さくしてと水素窒素等の還元雰囲気内で２００℃から２５０℃程度の比較的低温度で、相互拡散などにより部分的Ａｕ−Ｓｎ共晶合金接合部５８９、７８９を形成した例が示してあるが、粉末材料の立体内で網目状の部分的Ａｕ−Ｓｎ共晶合金接合部８６１ができていることを示す。この部分的Ａｕ−Ｓｎ共晶合金接合部の融点は２７５℃以上になるために、半導体の実装時の負荷温度２６５℃以下に十分強度を維持することができる特徴がある。

図６（ｆ）は、表面メッキの金属粒子５５８の例を示しており、８７８は、表面がＳｎ膜で、Ｃｕが含浸されたＷ粒子を示し、９７８は表面がＡｕ膜で、Ａｇ、Ｃｕが含浸されたＷ、Ｍｏ粒子を示す。このＣｕが含浸され多面体Ｗ粒子であれば、多面体のＷ粒子単体よりも電気導電性と熱先導性がよくなり、焼結Ｗの内部のＣｕ含有率が６０重量％以下であればＷの熱膨張率に近い特性が得られる。

図６（ｇ）及び（ｈ）は、貫通電極の内部における各種粒子の状態を示すように、シリコン等の基板５０，２５０との熱膨張差を小さく保持できるため、開孔５１への応力破壊の発生を防止でき、更には貫通電極の電気抵抗を下げることもできるうえ、更には電極を通じた放熱特性もよい構造ができる。
図６（ｉ）は、網目状Ａｕ−Ｓｎ共晶合金接合部８６１の内部構造を示す。

以上ように比較的低温度融点金属の表面処理Ｗの粒子１群と比較的高温度融点金属の表面処理Ｗの粒子２群を混成すれば、図6の多面体導電粒子３５８，４５８，５５８を用いて部分的合金接合部５８９、７８９、網目状Ａｕ−Ｓｎ共晶合金接合部８６１を有する良導電性と良放熱・良熱伝導性による低熱抵抗特性と低熱膨張特性を併せ持つ電極材料構造を提供出来る事例である。

これは、更には３００℃以下で疑似焼結合金ができるため２７５℃の強い接合ができＷの単体とよく似た特性が維持できる特徴があるので、電子部品実装耐性が優れた効果的な電極材料とその構造が実現できる。

以上、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明した。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は記載内容に限定して解釈されるものではない。

本発明により、貫通電極の信頼性や信号伝達特性を大幅に改善することができる。この改善により、半導体製造技術の微細化に伴う高密度な貫通電極の配置が可能となる。

本発明による電極構造およびその製造方法は、半導体分野、特に３次元化構造での基本的な要素技術であるから、本発明は単に貫通電極に留まらず、これらを応用した３次元集積回路（メモリ回路、演算処理回路、ドライバなど）やセンサシステムに広く適用可能である。

５０、２５０ 基板
５１ 貫通電極開孔
５２、２５２ 第１主面
５３、２５３ 第２主面
５４、７４、２５４ 絶縁層
５５ 支持板
５６、５９、２５６、２５９ ペースト
５７、２５７ 多孔質焼結体
６０、２６０ 非完全置換型固溶体
６１、２６１ 金属或は合金
５８、２５８、３５８、４５８、５５８、６５８ 粒子、多面体導電粒子、金属粒子、めっき付金属粒子、めっき付複合メタル
６５、６６、７３、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、２６５ 配線層
７０ トランジスタ
７１ 拡散層
７２ ゲート電極
２５１、２５１ｂ、２５１ｃ、２５１ｂｃ 貫通電極開孔
２７０ 層間配線
８６１ 部分的合金接合部或は網目状部分的合金接合部
８７８ 比較的低温度融点金属の表面処理タングステン・銅含浸Ｗの粒子
９７８ 比較的高温度融点金属の表面処理タングステン・銅あるいは銀含浸タングステンあるいはモリブデン粒子

Claims (9)

1. １種類のコア導電粒子粉体材料上に少なくとも２種類の溶融温度が異なる被覆金属が、個別に表面処理され、少なくとも該異なる被覆金属膜を有する前記コア導電材粒子粉体材料が混合された材料または電極形成ペースト材料の構造
   
2. 前記請求項１のコア導電粒子粉体材料が、タングステン・モリブデンを含む金属、合金、金属化合物もしくは半導体の粒子、又は、有機系若しくは半導体の熱膨張率に近いガラス・セラミックを含む無機系の部材に異種部材が被覆されたいずれかのコア導電粒子であって、それらのうちの少なくとも一つのコア導電粒子粉体材料に、少なくとも２層または２種類の被覆金属を有する粉体が混合されている材料またはペースト電極形成材料の構造
   
3. 前記請求項１および請求項２においてコア導電粒子粉体材料表面にコア導電材料の外形寸法の10分の１から200分の１の厚さに設けられた異なる金属表面処理の材料がコア金属内に拡散または少なくともコア導電粒子の表面に被覆されまたは含浸している前記コア導電粒子粉体材料が少なくとも１種類含有された材料またはペースト電極形成材料の構造
   
4. 前記請求項１、請求項２および請求項３において、網目状または立体網目分散点に合金接合部を有する金属材料および該構造
   
5. 基板の第１主面に配置された少なくとも１個の開孔に前記請求項１、請求項２、請求項３の第１導電材を充填してから熱処理されて形成された多孔質の前記請求項１の第１導電体を有する貫通電極材料と構造または（或は埋込）電極材料および実装構造
   
6. 前記請求項５において、前記第１導電体の空隙に浸透される第２導電材で構成される第２導電体を備え、前記第２導電材は前記第１導電材とは異なっていることを特徴とする貫通電極材料と構造または埋込電極材料および実装構造
   
7. 前記第１導電体は、シリコンあるいはゲルマニウムなどの半導体デバイス基板や化合物半導体の基板や半導体デバイスを実装する半導体基板と同等レベルの熱膨張係数を有するガラスやセラミックス基板の熱膨張係数の３倍を超えない熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項５〜６のいずれかに記載の貫通電極材料と構造または（或は埋込）電極材料および実装構造
   
8. 半導体基板の開孔の内部に貫通電極または埋込電極を形成する貫通（或は埋込）電極構造の製造方法であって、
   半導体基板の開孔に、前記第１導電体となる第１導電材のペーストを充填して乾燥させる工程と、
   前記開孔に前記第１導電材のペーストが充填された前記半導体基板を、還元ガスを含有する雰囲気で固相焼結し、多孔質の第１導電体を形成する工程と、
   前記第１導電体 を覆うように第２導電材のペーストを塗布する工程と、
   前記第２導電材のペーストが塗布された前記半導体基板を、真空環境で熱処理して、前記第２導電材のペーストを融解させ、前記第１導電体に含浸させる工程を備えたことを特徴とする貫通電極材料と貫通電極構造または（或は埋込）電極材料および該実装構造の製造方法。
   
9. 前記第１導電材のペーストは、揮発性溶媒を希釈剤とし、粒径５００ｎｍ以下の金属粉末を調合した液状粘性材料であり、
   前記第２導電材のペーストは、少なくとも１種類の低融点金属を含み、粒径が３０ｎｍ以下の金属粉末を、揮発性溶媒を希釈剤として調合した液状粘性材料であり、
   前記第１導電材のペーストの金属粉末の粒径は、前記第２導電材のペーストの金属粉末の粒径より大きい請求項７に記載の貫通電極材料と構造または（或は埋込）電極材料および実装構造の製造方法。
   

Images