JP2022021741A

JP2022021741A - 半導体基板に設けられた微細空間内に導体を形成する方法

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Publication number: JP2022021741A
Application number: JP2020125519A
Authority: JP
Inventors: 重信関根; Shigenobu Sekine
Original assignee: Napra Co Ltd
Current assignee: Napra Co Ltd
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: JP6808882B1

Abstract

【課題】ち密な構造を持ち、電気抵抗が低く、機械的強度に優れた導体を、半導体回路配線基板に設けられた微細空間内に容易に形成可能な方法を提供する。【解決手段】半導体基板に設けられた微細空間３内に導体を形成する方法であって、微細空間３は、孔径が１０μｍ～１００μｍであり、かつアスペクト比が１～１０であり、微細空間３に充填可能な大きさの微粒子からなる第一金属材料と金属間化合物である第二金属材料とを液状分散媒中に分散させて分散液を得る工程（１）と、真空下、前記分散液を微細空間３内に充填する工程（２）と、前記工程（２）を経た後、微細空間３に対し遠心力を施し加圧する工程（３）と、を有する前記方法によって前記課題を解決した。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に設けられた微細空間内に導体を形成する方法に関する。

例えば、半導体デバイスによって代表される電子デバイスや、マイクロマシン等においては、内部に高アスペクト比を持つ微細な導体充填構造、絶縁構造又は機能構造を形成しなければならないことがある。このような場合、予め選択された充填材を微細孔内に充填することによって、導体充填構造、絶縁構造及び機能構造等を実現する技術が知られている。しかし、高アスペクト比を持つ微細孔内に、空隙や硬化後変形などを生じさせることなく、その底部まで充填材を充分に充填することは困難を極める。

そのような技術的困難性を克服し得る先行技術として、特許文献１及び２に記載された充填製造方法及び装置が知られている。

特許文献１に記載された技術は、ウエハに存在する微細孔に溶融金属を充填し硬化させる製造方法であって、前記微細孔内の前記溶融金属に対し、大気圧を超える強制外力を印加したままで、前記溶融金属を冷却し硬化させる工程を含む。前記強制外力は、プレス圧、射出圧又は転圧から選択された少なくとも１種で与えられ、前記微細孔の他端側を閉じた状態で、前記微細孔の開口する開口面側から前記溶融金属に印加される。特許文献２は、特許文献１に記載された製造方法を実施するための装置を開示している。

上述した特許文献１，２に記載された技術によれば、空隙やボイドなどを生じることなく、微細孔を充填物によって満たし得ること、微細隙間で冷却された硬化金属の凹面化を回避し得ること、及び、工程の簡素化、歩留りの向上などに寄与し得ること、等の優れた作用効果を得ることができる。ただしこれらは、半導体基板配線前での作業工程で完成させている前工程微細孔形成であり、この作業を半導体基板配線後での作業工程では、配線をも溶融金属にて配線を拡散溶融してしまい後工程微細孔成形には不向きであり高コストである。

特許第４２７８００７号公報特許第４５０５５４０号公報

本発明の課題は、電気抵抗が低くかつち密な構造を有する導体を、半導体配線設置基板を破壊せず、半導体配線設置基板に設けられた微細空間内に導通孔の形成可能な方法を提供することである。

上述した課題を達成するため、本発明は、半導体基板に設けられた微細空間内に導体を形成する方法であって、前記微細空間は、孔径が１０μｍ～１００μｍであり、かつアスペクト比が１～１０であり、前記微細空間に充填可能な大きさの微粒子からなる第一金属材料と金属間化合物である第二金属材料とを液状分散媒中に分散させて分散液を得る工程（１）と、真空下、前記分散液を前記微細空間内に充填する工程（２）と、前記工程（２）を経た後、前記微細空間に対し遠心力を施し加圧する工程（３）と、を有することを特徴とする前記方法を提供するものである。

本発明によれば、半導体配線設置基板の配線を破壊せず、電気抵抗が低くかつち密な構造を有する導体を、半導体配線設置基板に設けられた微細空間内を容易に導通貫通孔の形成可能な方法を提供することができる。
なお本発明の方法によれば、配線回路が出来上がっている半導体基板の該配線回路にダメージを与えることなく、半導体基板に設けられた貫通孔の金属導通導線を容易に作成することができる。

本発明の一実施形態を説明するための、微細空間の断面図である。本発明における第一金属材料および第二金属材料の一実施形態説明するための断面図である。実施例１で得られた微細空間の断面顕微鏡写真である。比較例１で得られた微細空間の断面顕微鏡写真である。比較例２で得られた微細空間の断面顕微鏡写真である。比較例３で得られた微細空間の断面顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。
本発明の工程（１）は、微細空間に充填可能な大きさの微粒子からなる第一金属材料と金属間化合物である第二金属材料とを液状分散媒中に分散させて分散液を得る工程である。前記第一金属材料は、ＣｕまたはＣｕ合金であり、前記Ｃｕ合金を使用する場合、該Ｃｕ合金は、Ｃｕと、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｆｅ、ＳｉおよびＺｎから選択された少なくとも１種との合金であることができる。

Ｃｕ合金を使用する場合、Ｃｕ合金中のＣｕの含有量は、例えば70～95質量％が好ましく、85～95質量％がさらに好ましい。

前記第二金属材料は、Ｓｎと、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｚｎ、ＴｉおよびＮｉから選択された少なくとも１種との金属間化合物であることができる。

前記金属間化合物中のＳｎの含有量は、例えば70～99.3質量％が好ましく、85～92質量％がさらに好ましい。

前記第一金属材料の平均粒径としては、例えば2μｍ～5μｍが好ましく、2μｍ～3μｍがさらに好ましい。
前記第二金属材料の平均粒径としては、例えば2μｍ～20μｍが好ましく、3μｍ～7μｍがさらに好ましい。

前記液状分散媒としては、フラックス、マロン酸等の有機酸、エタノール等のアルコール類、またはこれらの混合物等が挙げられ、液状分散媒中の第一金属材料および第二金属材料の含有量は、例えば70～90質量％が好ましく、87～82質量％がさらに好ましい。
第一金属材料および第二金属材料の使用割合（質量比）は、前者：後者として例えば１０：９０～９０：１０である。

本発明の工程（２）は、真空下、前記分散液を前記微細空間内に充填する工程である。
この工程（２）は、例えば、真空スクリーン印刷法等の公知の技術により行うことができる。前記真空スクリーン印刷法としては、例えば公知の真空スクリーン印刷機を用い、具体的には、真空スクリーン印刷機の真空チャンバに対象物を設置し、該真空チャンバ内の真空度を10²～10⁴Ｐａ程度とし、該真空チャンバ内にて対象物表面に工程（１）で調製した分散液（ペースト）を添加し、スキージー動作、印刷埋め込み開始、刷り込み動作を行った後、該真空チャンバ内を大気圧に戻し、対象物を取り出すステップを経て行うことができる。

本発明の工程（３）は、前記工程（２）を経た後、前記微細空間に対し遠心力を施し加圧する工程である。
この工程（３）は、例えば、遠心分離機に対象物を設置し、遠心分離機内雰囲気を例えば窒素のような不活性ガスで置換した後、例えば55～1000×g程度で前記微細空間に対し遠心力を施し加圧する工程が挙げられる。

また本発明では、この工程（３）を行った後、工程（４）として、加圧チャンバー内で0.11ＭＰａ～0.3ＭＰａ程度の雰囲気圧力を前記対象物に施す形態が好ましい。雰囲気圧力の制御は常法にしたがい行えばよく、加圧時間は例えば1分～60分程度である。また工程（４）においては、50～250℃に雰囲気温度を上昇させることが好ましい。

なお、上記工程（４）において雰囲気温度を上記のように上昇させると、溶剤のような前記微細空間内の前記液状分散媒を蒸発させることができる。これにより、前記微細空間内の第一金属材料および第二金属材料がより緻密構造となる。

本発明の工程（２）および（３）によれば、上記特定の方法を組み合わせて前記分散液（機能性材料）を微細空間内に充填するから、本来、充填の困難な微粉末形態を有する第一金属材料および第二金属材料を、機能性材料の流動性を利用して、微細空間内に例えば溶剤ともに確実に充填することができる。なお、本発明の工程（３）または工程（４）を経た後は、第一金属材料および第二金属材料を冷却固化させる。冷却温度は、使用する第一金属材料および第二金属材料の融点を考慮して適宜設定すればよい。

前記微細空間内の第一金属材料は、溶融金属凝縮抑えアンカーの役割を果たし、第二金属材料は金属拡散接合の役割をなし微細空間での導通孔配線及び放熱材の役割を果たし、得られた導体は電気抵抗が低く、機械的強度に優れる。また、上記各工程はシンプルでありかつコスト的にも優れる。

なお、本明細書において、分散液とは、微細な固体粒子が液体の分散媒中に分散した懸濁液又はペーストを言い、同じ粒度の粒子がそろった単分散系，粒度が不ぞろいに変化する多分散系の両系を含む。また、粗粒の分散系のみならず、コロイダルな分散系をも含む。

以下、図面を参照しながら本発明をさらに説明する。
図１は、本発明の一実施形態を説明するための、微細空間の断面図である。
まず、微細空間３を有する対象物１を準備する（図１（ａ））。対象物１には、ウエハ、回路基板、積層基板、半導体チップ、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）等、微細空間を有するものが広く含まれる。微細空間３には、TSV（Through Silicon Via）で代表される貫通孔、非貫通孔（盲孔）等が含まれる。対象物１が、半導体基板等、導電性を有する場合、微細空間３の内壁面は、絶縁膜又は絶縁層によって構成される。

対象物１に設けられた微細空間３は、貫通孔又は非貫通孔であり、開口部の孔径Ｄ１、深さＨ１を有している。孔径Ｄ１は、例えば１０μｍ～１００μｍであり、深さＨ１は、孔径Ｄ１とのアスペクト比が、１以上１０以下、好ましくは５以上１０以下となる値である。対象物１が、例えばウエハである場合には、上述した微細空間３は、ウエハ面内に多数設けられる。

上述した対象物１の微細空間３に、機能性材料５を充填する。機能性材料５は、微粉末の第一金属材料５２および第二金属材料５３を液状分散媒５１中に分散させた（図１(ｂ)）ものでなる。充填方法は、上記本発明の工程（２）および（３）で説明した通りである。

次に、液状分散媒５１を蒸発させた後、冷却固化することにより、微細空間３の内部においてち密な構造を持ち、電気抵抗が低く、機械的強度に優れた導体が形成される（図１(ｃ)）。

前記第一金属材料および／または第二金属材料は、好ましくは、樹脂膜で被覆された金属粒子であることが好ましい。樹脂被覆された金属粒子は、酸化防止及び凝集防止作用が得られるからである。その概念図を、図２に示した。図２を参照すると、第一金属材料または第二金属材料からなる金属コア部分５０１を、樹脂膜５０２で被覆した金属微粒子５００が図示されている。樹脂膜５０２は、酸化防止膜及び凝集防止膜として機能する。そのような技術は、例えば、特開２００６－２２３８４号公報で知られている。

特開２００６－２２３８４号公報に開示された技術によれば、金属粒子の表面が樹脂層で被覆された樹脂被覆金属粒子を製造するに当たり、金属粒子として、トリアジンチオール化合物で表面処理された金属粒子と、重合性反応基を有し且つトリアジンチオール化合物と反応し得る有機化合物とを反応させて得られた表面に重合性反応基を有する金属粒子を用い、前記表面に重合性反応基を有する金属粒子と、重合性単量体との重合によって樹脂被覆を行う。

上述のようにして樹脂膜５０２で被覆した金属微粒子５００は、液状分散媒中に分散され、機能性材料を構成する。

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明が下記例に制限されるものではない。

（実施例１）
微細空間３を有する対象物１として、TSV（Through Silicon Via）における貫通孔を準備した。
該貫通孔は、孔径が１５μｍであり、かつアスペクト比が４であった。

第一金属材料として、平均粒径２μｍのＣｕ粉末を用いた。
第二金属材料として、Ｓｎ92質量％、Ｃｕ8質量％の平均粒径5μｍの金属間化合物を用いた。

液状分散媒としてマロン酸/エタノールを用い、第一金属材料を10質量％、第二金属材料を90質量％の割合で混合し、分散させ、分散液を調製した（工程（１））。

得られた分散液を用い、下記工程（２）および（３）を行い、微細空間３内に分散液を充填した。

工程（２）：真空チャンバに対象物を設置し、真空チャンバ内の真空度を10²Paとし、この真空チャンバ内にて対象物表面に分散液を添加し、スキージー動作、印刷埋め込み開始、刷り込み動作を行う真空スクリーン印刷を行った後、大気圧に戻し、対象物を取り出した。
工程（３）：前記取り出した対象物を、遠心分離機のチャンバ内ボックスに設置し、チャンバ内ボックス内をN₂雰囲気で充満させ、大気圧、500rpm、1分間の遠心分離を行った。
工程（４）：続いて、チャンバ内ボックス内にN₂ガスを加圧導入し、０．２MPaに到達させ、この加圧雰囲気を２分維持したまま、５００ｒｐｍで遠心分離を行い、２分後、同回転数でチャンバ内ボックス内を２３０℃、２分間維持し、その後減速遠心を行い、４０℃まで冷却し、対象物を取り出した。なお本発明ではこの工程（４）を行わなくてもよい。

微細空間３内に形成された導体の断面顕微鏡写真（倍率：１５００倍）を図３に示す。
図３の結果から、微細空間３内に、ち密な構造を有する導体３２が形成されていることが判明した。

（比較例１）
実施例１において、真空スクリーン印刷法の代わりに、大気圧下でのスクリーン印刷法を行い、また加圧加熱遠心法を行わず、大気圧下での加熱を行ったこと以外は実施例１を繰り返した。
結果を図４に示す。
図４の結果から、ち密な構造を有する導体３４は、微細空間３内の全体に形成されないことが判明した。

（比較例２）
実施例１の工程（３）を行わず、工程（１）、（２）、（４）の順番で各工程を行ったこと以外は実施例１を繰り返した。
結果を図５に示す。
図５の結果から、ち密な構造を有する導体３６は、微細空間３内の全体に形成されないことが判明した。

（比較例３）
上記特許文献１（特許第４２７８００７号公報）に記載された実施形態を追試したところ、後工程で溶融金属を使用した方法では、図６に示すように、微細な銅配線が崩壊していることが判明した。

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対象物
３微細空間
５機能性材料
５１液状分散媒
５２第一金属材料
５３第二金属材料
５００金属微粒子
５０１金属コア部分
５０２樹脂膜

Claims

半導体基板に設けられた微細空間内に導体を形成する方法であって、
前記微細空間は、孔径が１０μｍ～１００μｍであり、かつアスペクト比が１～１０であり、
前記微細空間に充填可能な大きさの微粒子からなる第一金属材料と金属間化合物である第二金属材料とを液状分散媒中に分散させて分散液を得る工程（１）と、
真空下、前記分散液を前記微細空間内に充填する工程（２）と、
前記工程（２）を経た後、前記微細空間に対し遠心力を施し加圧する工程（３）と、
を有することを特徴とする前記方法。
前記第一金属材料は、ＣｕまたはＣｕ合金であり、前記Ｃｕ合金は、Ｃｕと、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｆｅ、ＳｉおよびＺｎから選択された少なくとも１種との合金であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第二金属材料は、Ｓｎと、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｚｎ、ＴｉおよびＮｉから選択された少なくとも１種との金属間化合物であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。