JP5303791B2 - 電子ウェーハを相互接続する方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は３次元（３Ｄ）電子モジュールの相互接続に、そしてより正確にはその垂直の相互接続に関する。

３次元電子モジュールは異種混合の電子部品のスタックである。用語「異種混合の構成部品」は、共に接続された１つ以上の能動素子及び／又は受動素子を同時に含み、従って所与の電子機能を確実にする電子回路を形成する電子部品を意味すると理解される。能動素子は一般に「チップ」と呼ばれ、かつ半導体技術を用いる、あらゆる構成部品を含む。それは例えばダイオード、トランジスタ、集積回路、専用ＡＳＩＣ回路、メモリ、あるいはマイクロプロセッサであってもよい。用語「受動素子」はそれらが抵抗、コンデンサ、インダクタンス・タイプの従来の表面実装型部品か、あるいはシリコン内へエッチングされ、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）として知られる、電気機械部品かのいずれにせよ、その他の構成部品を意味すると理解される。

用語「垂直の相互接続」は、積み重ねる方向への相互接続と理解される。

３次元電子モジュールを相互接続するために多くの技術が存在し、次の２つのグループに分割され得る。
−異種混合の構成部品の相互接続及び積み重ね、
−各々が多数の同じ異種混合の構成部品を含む、シリコンウェーハの相互接続及び積み重ね。

本発明はそのようなウェーハの垂直の相互接続に関する。

既知の技術によれば、これらのウェーハはビアホール、すなわちウェーハから電気的に絶縁され次に金属化された、ウェーハをその厚さ方向に貫通している穴により相互接続される。構成部品はビアホールに接続される。金属化されたビアホールの相互接続はデリケートであり、次の方法に基づく。
−熱圧着、
−はんだ合金のリフロー、
−その他。

一般に、これらの方法は、
−無視できない数の構成部品を損傷する、各相互接続に対する高温の処理及び／又は圧力、
−達成が困難な、極度に正確な位置合わせ、
−全てのビアホールが接触しなければならないため、非常に良好な平坦度、
を必要とする。

さらに、得られた３次元モジュールは個々に点検されるが、相互接続の品質は点検されない。

本発明の目的はこれらの欠点を克服することである。

本発明は、ビアホール上に置かれるインク中に存在する、銀のナノ粒子の焼結による相互接続に基づく。

より正確には、本発明の主題は第１のウェーハの電子部品と第２のウェーハの電子部品を相互接続する方法であって、各ウェーハが当該ウェーハを厚さ方向に貫通する金属化されたビアホールを有し、方法が、
−第１のウェーハの各ビアホール上に、溶剤を含む導電性のインクの液滴を置く第１のステップと、
−前記第１のステップの後に行われるステップであって、第２のウェーハのビアホールが実質的に第１のウェーハのビアホール上に重なるように、第２のウェーハを第１のウェーハ上に積み上げる第２のステップと、
−前記第２のステップの後に行われるステップであって、ペースト状のインクを得るように、加熱又は真空の適用によって、液滴の中に含まれる溶剤を５０〜９０％除去する第３のステップと、
−前記第３のステップの後に行われるステップであって、重なっている金属化されたビアホール間に電気的接続を生成するように、ペースト状のインクの液滴をレーザー焼結する第４のステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明の１つの特徴によれば、それは集積されたレーザーダイオードを用いた少なくとも１つの電気的接続を点検する、追加ステップを含む。

第１のウェーハは、場合によっては少なくとも１つの別のウェーハに前もって接続されたウェーハである。

導電性のインクは、典型的にはＡｇ又はＣｕ、あるいはＡｕなどの金属のナノ粒子を含む。

本発明のその他の特徴と利点は、制限されない例として与えられた以下の詳細説明を読み、添付図を参照することにより明らかになるであろう。

図１はビアホールの各種実施形態の断面図を概略的に示す。 図２、図２’は本発明による相互接続方法における、各種ステップの断面図を概略的に例示する。 図３、図３’は本発明による３つのウェーハのスタックを相互接続するためのステップの１つの断面図を例示する。

１つの図から別の図にわたり、同じ要素は同一の参照番号により識別される。

本発明は金属化されたビアホールを備えるウェーハの垂直の相互接続に関し、各ウェーハは相互に、及び／又はこれらのビアホールに電気的に接続された、多数の同じ異種混合の構成部品を含む。ウェーハは典型的には１０〜２００μｍの厚さを有する。

ビアホールの幾つかの実施形態が想定され、これらは図１に関連して説明されている。ビアホールの金属は例えば銅又は金であり、それはビアホールの壁のみを覆うか、あるいはピラーを形成するように、それらを完全に満たし得る。典型的には、ビアホールは２〜５０μｍの直径を有する。各ビアホール１は図１ａに示すように、ＳｉＯ_２などの電気絶縁体４によりシリコンウェーハＴから電気的に絶縁される。突起物１１がピラー１の一端に生成され得る（図１ｂを参照）。導電性の突起した隆起もまたピラー上に成長し得る。１つの実施形態によれば、例えば銅製の導電性のカラー２が、ウェーハＴの片面又は両面（ａ、ｂ）においてビアホール１を囲む。場合によっては、カラー２はビアホール上にほぼ中心のある中空でない円板を形成する。これら２つのカラー形状は図１ｄに例示され、円板を形成するカラーはａ面上に置かれている。カラー２は微小な隆起２１又は大きな隆起２２を備えることがあり、これらは例えば金で作られて導電性であり、それぞれ図１ｃ及び図１ｆに示されている。

本発明による方法の様々なステップはこれから、図２又は２’に関連して説明される。図２及び３に示すビアホール１はピラーであり、円板２は各ウェーハの両面ａとｂにおいてビアホール上に置かれている。図２’及び３’において、ビアホール１の金属は壁のみを覆い、カラー２は各ウェーハの両面ａとｂにおいて、これらビアホールの周りに置かれている。

厚さ１〜２０μｍの導電性インクの液滴３は、図２ａ’及び２ａに例示されているように、第１のウェーハＴ１の各ビアホール１上に置かれ、この液滴は場合によってはあり得るカラーにより中心に置かれ、又はカラーが円板のときは実質的に当該カラーを覆っている。図１に示す、場合によってはあり得る隆起又は突起物１１、２１、又は２２の目的は、インクの液滴３との接触点を強化することである。ピラーの突起物１１及び突出した隆起２２はまた、図１ｆに例示されるように、カラー２により境界を定められる空洞内へ、又は隆起の幾何学的形状に適合する中空のビアホール１内へ嵌まり込むよう意図されている。このインクは溶剤中に溶かされた金属のナノ粒子を含み、金属は典型的には銀、銅、又は金である。これらの液滴３は、例えば要求に応じた滴下方法を用いるノズルによるインクジェット、又はシルクスクリーン印刷により置かれる。それらはビアホール上又はそのカラー上に局部的に置かれ得る。

第２のウェーハＴ２は、第２のウェーハのビアホール１が第１のウェーハのビアホール上に完全に、あるいは実質的に重なるように、第１のウェーハ上に積み重ねられる。これは図２ｂ及び２ｂ’において見られる。そのような積み重ねの後で、インクの液滴３はその元の位置から僅かにずらされ得る。

インクの液滴中に含まれる溶剤は、オーブン内において１００℃未満で加熱されるか、又は１００〜２００ミリバールの減圧を作ることによる真空下で、部分的に除去される。図２ｃ及び２ｃ’における矢印３３により例示される、この溶剤除去の目的は、ペースト状のインクを得るように、その５０〜９０％を取り除くことである。

図２ｄ及び２ｄ’を参照すると、次のステップはエネルギー３４の供給により得られる、導電性の液滴３を焼結することである。焼結は材料を溶かす所まで行かずに、エネルギーの供給により得られる材料の圧密である。この場合、材料は銀のナノ粒子を含む前記インクである。このエネルギーの影響下で、ナノ粒子は１つにされ、従って機械的又は電気的接続を形成する。このエネルギー供給３４は、例えば１〜５０ｋＨｚの間のパルス反復周波数において、約数ｎｓの持続時間の、ＹＡＧ又はＣＯ_２レーザー放射パルスなどのパルス状レーザーを用いて得られる、ビアホール１における局部的なエネルギーの供給であることが望ましい。積み重ねられたウェーハを、水素／窒素の混合であるフォーミング・ガスを一般的に含む、還元性又は非酸化性の雰囲気内に置くことにより、液滴の全体的加熱を行なうこともまた可能である。

ウェーハＴ２の上面ａへと主に向けられる熱３４は、この熱を導きウェーハＴ２の下面ｂの円板２に伝える、ビアホール１の金属化された中央ピラー内へ拡散する。インクの液滴３と接触するこの円板２は、第１のウェーハＴ１上面の円板２ともまた接触する（場合によっては部分的接触）、この液滴の中へも熱を伝える。例えそれらの円板が図に例示されているように完全に重ねられていなくても、熱は第２のウェーハＴ２の下部円板２と、第１のウェーハＴ１の上部円板２との間の銀の粒子を焼結するために役立つ。従って電気的接続３１が第１と第２のウェーハＴ１、Ｔ２のビアホール１間で生成される。

次に、そのステップは必須ではないが、２つのウェーハＴ１、Ｔ２の間の接続３１（図２ｅ及び２ｅ’を参照）を点検するステップを実施することが望ましい。それはこの接続の熱的な識別特徴を解析することにより、有利に行なわれる。これは第１のウェーハＴ１の上部円板２（ａ面）と、第２のウェーハＴ２の下部円板２（ｂ面）との間の熱伝達、従って熱的な識別特徴が、当該接続の有無によって完全に異なるためである。この識別特徴は焼結用に使われるレーザーにより有利にも解析され、当該レーザーはそのとき、上部ウェーハＴ２の円板２から返される信号３２を解析するためのダイオードを備えている。

ウェーハの数ｎ＞３の場合は、ｎ個のウェーハのスタックを得るように、２つのウェーハＴ１、Ｔ２を積み重ねて接続した後で、本方法は既に接続されたスタックの上部ウェーハＴ２に第３のウェーハＴ３を接続し、そしてそれが続けられるように繰り返され得る。図２ｂに示すステップに対応する、インクの液滴がウェーハＴ２上に置かれた後のウェーハＴ３を積み重ねるステップは図３に示され、本方法により接続された３つのウェーハのスタックは図３’に示されている。１つの変形として、その上にインクの液滴が置かれているｋ個（ｋ＞２）のウェーハが積み重ねられる。溶剤を部分的に蒸発させるステップ、液滴を焼結するステップ、及び場合によっては接続を点検するステップが、次にスタックに適用される。

Claims (10)

1. 第１のウェーハ（Ｔ１）の電子部品と第２のウェーハ（Ｔ２）の電子部品を相互接続する方法であって、各ウェーハが、当該ウェーハを厚さ方向に貫通する金属化されたビアホール（１）を有し、
   −前記第１のウェーハ（Ｔ１）の各ビアホール（１）上に、溶剤を含む導電性のインクの液滴（３）を置く第１のステップと、
   −前記第１のステップの後に行われるステップであって、前記第２のウェーハ（Ｔ２）の前記ビアホール（１）が実質的に前記第１のウェーハ（Ｔ１）の前記ビアホール（１）に重なるように、前記第２のウェーハ（Ｔ２）を前記第１のウェーハ上に積み上げる第２のステップと、
   −前記第２のステップの後に行われるステップであって、ペースト状のインクを得るように、加熱又は真空の適用によって、前記液滴（３）の中に含まれる前記溶剤を５０〜９０％除去する第３のステップと、
   −前記第３のステップの後に行われるステップであって、前記重なっている金属化されたビアホール（１）間に電気的接続（３１）を生成するように、前記ペースト状のインクの液滴（３）をレーザー焼結する第４のステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 集積されたレーザーダイオードを用いて少なくとも１つの電気的接続（３１）を点検する追加ステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のウェーハ（Ｔ１）が、少なくとも１つの別のウェーハに前もって接続されたウェーハ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。
4. 前記導電性のインクが、Ａｇ、Ｃｕ、あるいはＡｕなどの金属のナノ粒子を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記液滴（３）が、インクジェット又はシルクスクリーン印刷により置かれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記金属化されたビアホールの前記金属が前記ビアホールを完全に満たし、従ってピラーを形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. ピラーが突起物（１１）により延長されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ウェーハが２つの面（ａ、ｂ）を有し、導電性のカラー（２）がウェーハの片面又は両面において、金属化されたビアホール（１）を囲み、前記ビアホール（１）上に置かれた液滴（３）がこのカラー（２）と接触することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記カラー（２）が、前記ビアホール（１）上にほぼ中心のある中空でない円板を形成することを特徴とする、請求項６及び８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも１つのカラー（２）が隆起（２１）を備えることを特徴とする、請求項８あるいは９のいずれか一項に記載の方法。

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