JP5450780B1

JP5450780B1 - 微細空間内に導体を形成する方法

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Publication number: JP5450780B1
Application number: JP2012279758A
Authority: JP
Inventors: 重信関根; 由莉奈関根
Original assignee: 有限会社ナプラ
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014150084A

Abstract

【課題】微細空間内に導体を形成するに当たり、熱エネルギーの消費が少なくて済み、しかも、電気伝導度の高い導体を形成し得る方法を提供する。
【解決手段】対象物１に設けられた微細空間３内に導体を形成するに当たり、微細空間３内に充填された導電性微粉末を加熱し、加圧しながら硬化させる工程の前に、導電性微粉末に含まれる金属酸化物微粉末を還元する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細空間内に導体を形成する方法に関する。

例えば、半導体デバイスにおいては、これまで、基板上に半導体チップを平面的に配置し、その間を配線で接続する方法がとられてきた。しかし、この方法では、実装面積が半導体チップの数とともに増加するとともに、配線長も増加してしまうので、半導体デバイスの小型大容量化、高性能化及び低消費電力化を実現することが困難である。微細化技術が極限まで進んだ現状では、半導体チップの微細化、小型化をとおして、大容量化、高性能化及び低消費電力化を実現することは、限界に来ている。

そこで、半導体チップを積層し、チップ間を貫通電極で接続するいわゆるＴＳＶ（Through Silicon Via）方式に係る三次元配置の半導体デバイスの開発が進められている。ＴＳＶ技術を使えば、大量の機能を小さな占有面積の中に詰め込めるようになるし、また、素子同士の重要な電気経路が劇的に短く出来るために、処理の高速化が導かれる。

ＴＳＶ方式に係る三次元配置の半導体デバイスを実現する代表的な技術は、めっき技術を適用して貫通電極を形成するめっき方法、及び、微細空間を持つシリコン基板を、真空圧に減圧した真空チャンバー内で溶融金属槽に挿入し、シリコン基板が溶融金属とほぼ同じ温度に達した後、真空チャンバー内を例えば大気圧以上に加圧して、溶融金属を微細空間に充填し、硬化させて、溶融凝固導体でなる貫通導体を形成する溶融金属充填方法である。

しかし、高アスペクト比を持つ微細空間内に、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空間に溶融金属を充填し硬化させる方法であって、前記微細空間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、前記微細空間の他端側を閉じた状態で、前記微細空間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、微細空間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。

特許文献１，２に開示された発明は、ＴＳＶ（through silicon via）技術の実用化に極めて有用な技術であるが、用いる金属種によっては、その本来持っている固有の電気抵抗や、酸化により、ＴＳＶを構成する導体の電気抵抗が増大することがある。また、溶融金属を得るための熱エネルギーを必要とし、またその加熱装置も必要である。

特許第４２７８００７号公報特許第４５０５５４０号公報

本発明の課題は、微細空間内に導体を形成するに当たり、熱エネルギーの消費が少なくて済む方法を提供することである。

本発明のもう一つの課題は、電気伝導度の高い導体を形成する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、対象物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、金属又は合金の微粉末(以下金属/合金微粉末と称する)を、前記微細空間内に充填し、次に、前記対象物を還元雰囲気内において前記金属/合金微粉末に含まれる金属酸化物微粒子を還元する。次に、前記金属/合金微粉末を加熱し加圧しながら硬化させる。

上述したように、本発明では、金属/合金微粉末を、対象物に設けられた微細空間内に充填し、次に、対象物を還元雰囲気内において、金属/合金微粉末に含まれる金属酸化物微粒子を還元するから、金属/合金微粉末を構成する金属微粒子が、仮に酸化されていても、還元され、金属化される。したがって、微細空間内に電気伝導度の高い導体を形成することができる。

しかも、本発明では、金属/合金微粉末を、前記微細空間内に充填し、次に、金属/合金微粉末に含まれる金属酸化物微粒子を還元し、次に、金属/合金微粉末を加熱し加圧しながら硬化させるから、溶融金属充填方法と異なって、熱エネルギーの消費が少なくて済む。還元工程及びその後の工程において、金属/合金微粉末を加熱する必要はあるが、この工程では、必ずしも、金属/合金微粉末を溶融させる必要はないから、従来の溶融金属充填法よりも、消費熱エネルギーが少なくて済む。

更に、金属/合金微粉末を加圧しながら硬化させる工程を含むから、冷却時の体積縮小によって微細空間と成形体との間に生じることのある隙間、空隙の発生を、加圧によって回避し、隙間や空隙のない高品質の導体を形成することができる。

更に、加圧しながら硬化させるから、導体の粒成長、結晶成長が抑制される。この結果、柱状結晶の成長が抑制され、等軸晶化が進展する・このため、応力が低下し、微細空間を有する対象物にマイクロクラックが発生する等の不具合を回避することができる。

前記還元雰囲気は、真空チャンバを用いて形成することができる。この還元雰囲気は、カルボン酸蒸気を含むことができる。カルボン酸の中でも、還元の高い蟻酸蒸気が有効である。

金属/合金微粉末を微細空間内に充填する方法として、金属/合金微粉末を、液状分散媒中に分散させた分散系機能性材料を、微細空間内に充填し、その後、前記液状分散媒を蒸発させる工程が有効である。この方法によれば、本来、充填の困難な金属/合金微粉末を、分散系機能性材料の流動性を利用して、微細空間内に確実に充填することができる。液状分散媒を蒸発させた後、還元処理が実行される。

金属/合金微粉末は、高融点金属微微粒子及び低融点金属微粒子を含有することができる。金属/合金微粉末及び分散系機能性材料を、微細空間内に充填する場合、真空チャンバ内の減圧雰囲気で処理することが好ましい。減圧処理の後、真空チャンバの内圧を増圧する差圧充填方式を採用してもよい。この差圧充填によれば、金属/合金微粉末及び分散系機能性材料を、微細空間の内部に確実に充填することができる。金属/合金微粉末及び分散系機能性材料を微細空間内に充填する際、例えば、対象物又は装置に超音波振動等を与えると、充填作業を円滑に行うことができる。

本明細書において、分散系とは、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。液状分散媒としては、水性分散媒又は揮発性有機分散媒を用いることができる。

更に、本明細書において、微細空間とは、対象物の内部及び/又は外面に開放空間または閉鎖空間として、三次元的に配置されたものをいい、代表的には孔、溝又はそれらの組合せが含まれる。

以上述べたように、本発明によれば、微細空間内に導体を形成するに当たり、熱エネルギーの消費が少なくて済み、しかも、電気伝導度の高い導体を形成することができる。したがって、本発明は、ＴＳＶ技術への適用において、省エネルギーで、電気伝導度の高い高品質の貫通電極を形成することができる。

本発明に係る第１の方法を示すブロック図である。本発明に係る第２の方法を示すブロック図である。本発明に係る第３の方法を示すブロック図である。

まず、図１を参照して本発明に係る第１の方法を説明する。図１(ａ)にあるように、微細空間３を有する対象物１を準備する。対象物１には、ウエハ、回路基板、積層基板、半導体チップ、または、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)等、微細空間を有するものが広く含まれる。具体的には、ＴＳＶ（Through Silicon Via）で代表される貫通孔、非貫通孔（盲孔）の他、積層された基板間に生じる微細隙間等である。対象物１は、内部の雰囲気を制御・設定できるチャンバ７の内部に設置することが好ましい。対象物１に設けられた微細空間３は、この実施例では、貫通孔又は非貫通孔であり、開口部の孔径、深さを有している。孔径は、例えば２５μｍ以下であり、深さは、孔径とのアスペクト比が、１以上、好ましくは５以上となる値である。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。

次に、図１(ｂ)に示すように、対象物１の微細空間３に、金属/合金微粉末５を充填（流し込み）する。金属/合金微粉末５を、微細空間３内に充填する場合、チャンバ７の内圧を、大気圧よりも低い圧力に減圧し、減圧処理の後、チャンバ７の内圧を増圧する差圧充填方式を採用してもよい。この差圧充填によれば、金属/合金微粉末５を、微細空間３の内部に確実に充填することができる。金属/合金微粉末５は、粒径が不揃いであっても、統一されていてもよい。

金属/合金微粉末５は、低融点金属粉末と、高融点金属粉末とを含むことができる。低融点金属微粉末としては、Ｓｎ合金ベースの微粉末を用いることができる。Ｓｎ合金微粉末をベースとし、他の金属微粉末、例えばＢｉ微粉末、Ｇａ微粉末、Ｉｎ微粉末を含んでいてもよい。

高融点金属微粉末は、具体的には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ又はＮｉの群から選択された少なくとも１種を含む材料によって構成することができる。これらの高融点金属微粉末は、ｎｍサイズ（１μｍ以下）に属するナノ微粒子又はナノコンポジット構造を有する微粒子で構成されていることが好ましい。低融点金属微粉及び高融点金属微粉末は、粒径が不揃いであっても、統一されていてもよい。また、球状、鱗片状、扁平状等、任意の形状をとることができる。

高融点金属微粉末としては、Ｃｕを用いることが好ましい。Ｃｕは、電気抵抗が低く、Ag等と比較して安価であるからである。ただ、高融点金属微粉末として、Ｃｕを用いた場合、空気中で容易に酸化され、CuOとなってしまう。CuOのままであると、Ｃｕが本来持っている低電気抵抗の利点を生かすことができない。本発明によれば、この問題を解決することができる。その手段が、図１(ｃ)に示す還元工程である。この還元工程は、CuOの場合のみならず、他の金属酸化物の還元においても、有効である。

還元工程は、図１(ｃ)に示すように、チャンバ７の内部を、還元雰囲気とし、その還元雰囲気の中に、金属/合金微粉末５を充填した対象物１を設置し、金属/合金微粉末５に含まれる金属酸化物微粉末、例えばCuO微粉末を還元する。

還元雰囲気を形成するための還元剤としては、好ましくは、カルボン酸（R-COOH、Rは一価の官能基）の蒸気を用いることができる。カルボン酸としては、例えば蟻酸、酢酸、アクリル酸、プロピオン酸、プチリック酸、カプロン酸、蓚酸、コハク酸、サリチル酸、マロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、乳酸、カプリン酸等があり、それらから１つ選択するか、或いは複数を選択して混合してもよい。これらのカルボン酸のうちでも、CuO微粉末の還元には、蟻酸が適している。

カルボン酸による還元作用は、一般的にはその沸点を超える温度、例えば２００℃以上の温度において顕著になる。従って、還元工程は、上述した温度を得るための加熱ステップを含む。還元に寄与したカルボン酸は、フラックスを使用した場合のように残渣を生じさせないが、還元によって生じた還元ガスは、チャンバ７の外部にパージし、窒素ガス等の不活性ガスをチャンバ７内に導入することが好ましい。

上述したように、本発明では、金属/合金微粉末５を、対象物１に設けられた微細空間３内に充填し、次に、対象物１を還元雰囲気内において、金属/合金微粉末５に含まれる金属酸化物微粒子を還元するから、金属/合金微粉末５を構成する金属微粒子が、仮に酸化されていても、還元され、金属化される。したがって、微細空間３内に電気伝導度の高い導体を形成することができる。

また、金属/合金微粉末５を微細空間３の内部に充填するので、溶融金属を用いる従来技術と異なって、溶融プロセスが不要である。低温状態にある金属/合金微粉末５を、ガス圧、プレス圧、射出圧、又は転圧から選択された少なくとも１種の加圧力を与える手段によって、微細空間３の内部に充填することができる。また、微細空間３を有する対象物１が、既に、半導体回路等を形成したウエハ等である場合、半導体回路に対する熱的な悪影響を最小限に抑えることができる。更に、溶融のための熱エネルギーを必要としないから、消費エネルギーを低減し得る。

この後、微細空間３の内部にある金属/合金微粉末５を加熱し、更に加圧しながら冷却し、硬化させる。具体的には、図１(ｄ)に示すように、金属/合金微粉末５を微細空間３の内部に充填し、加圧Ｆ１しながら冷却し、硬化させる。上述したプロセスにより、高融点金属及び低融点金属でなる導体５０が得られることになる。成型に当たっては、低融点金属微粉末と高融点金属微粉末との間の拡散結合を利用することができ、他に結合材を必要としない。このため、高融点金属微粉末及び低融点金属微粉末の持つ特性をそのまま発揮させることができる。

また、高融点金属微粉末及び低融点金属微粉末の溶解物を加圧Ｆ１しながら冷却するので、冷却時の体積縮小によって微細空間３と成形体との間に生じることのある隙間、空隙の発生を、加圧Ｆ１によって回避し、隙間や空隙のない高品質の導体５０を形成することができる。

更に、加圧しながら冷却し、成型するから、低融点金属及び高融点金属の粒成長、結晶成長が抑制される。この結果、低融点金属及び高融点金属が等軸晶化され、応力が低下し、微細空間３を有する対象物１にマイクロクラックが発生する等の不具合を回避することができる。

図２は、本発明に係る第２の方法を示す図である。図において、図１に現れた部分と同一の部分については、同一の参照符号を付し、重複説明を省略することがある。図１に示した実施の形態との対比において、特徴的な点は、分散系機能性材料を用いること、分散系機能性材料を微細空間に流し込んだ後に分散媒を蒸発させること、そして、その後に還元工程を実行することにある。

まず、図２(ａ),(ｂ)に示すように、分散系機能性材料５を、前述した差圧充填法により、対象物１に設けられた微細空間３の内部に充填する。分散系機能性材料５は、例えば、低融点金属微粉末５２及び高融点金属微粉末５３を、液状分散媒５１中に分散させたものである。

機能性微粒子を分散させる液状分散媒５１としては、水性分散媒又は揮発性有機分散媒を用いることができる。特に、常温で揮発するような揮発性有機分散媒が好ましい。そのような液状分散媒としては、種々のものが知られているので、それらを選択使用すればよい。対象物１、微細空間３、低融点金属微粉末５２及び高融点金属微粉末５３等は、図１に示した実施の形態で述べたとおりである。

分散系機能性材料５を、微細空間３内に充填する場合、チャンバ７内の減圧雰囲気で処理することが好ましい。減圧処理の後、チャンバ７の内圧を増圧する差圧充填方式を採用してもよい。この差圧充填によれば、分散系機能性材料５を、微細空間３の内部に確実に充填することができる。

次に、液状分散媒５１を蒸発させる(図２(ｃ)）。これにより、低融点金属微粉末５２及び高融点金属微粉末５３の微粒子の間に隙間Ｇ１が生じる。

次に、図２(ｄ)に示すように、還元工程を実行する。還元工程は、チャンバ７の内部を、還元雰囲気とし、その還元雰囲気の中に、金属/合金微粉末５を充填した対象物１を設置し、金属/合金微粉末５に含まれる金属酸化物微粉末、例えば高融点金属微粉末５３として選択されたCuO微粉末を還元する。還元によって生じた還元ガスは、チャンバ７の外部にパージし、代わりに、窒素ガス等の不活性ガスをチャンバ７内に導入することが好ましい。

この後、微細空間３の内部にある金属/合金微粉末５を加熱し、更に加圧しながら冷却し、硬化させる。具体的には、図２(ｅ)に示すように、微細空間３の内部に充填された金属/合金微粉末５を加熱し、その後、加圧Ｆ１しながら冷却し、硬化させる。上述したプロセスにより、高融点金属及び低融点金属でなる導体５０が得られることになる。成型に当たっては、低融点金属微粉末と高融点金属微粉末との間の拡散結合を利用することができ、他に結合材を必要としない。このため、高融点金属微粉末及び低融点金属微粉末の持つ特性をそのまま発揮させることができる。

図３は、本発明に係る第３の方法を示す図である。図において、図１に現れた部分と同一の部分については、同一の参照符号を付し、重複説明を省略することがある。図１に示した実施の形態との対比において、特徴的な点は、還元工程を経た後の金属/合金微粉末を、微細空間内に充填することである。

まず、図３(ａ)に示すように、還元工程を実行する。還元工程は、既に述べたように、チャンバ７の内部を、還元雰囲気とし、その還元雰囲気の中に、金属/合金微粉末５を置き、金属/合金微粉末５に含まれる金属酸化物微粉末、例えば高融点金属微粉末として選択されたCuO微粉末を還元する。還元によって生じた還元ガスは、図３(ｂ)に示すように、チャンバ７の外部にパージし、代わりに、窒素ガス等の不活性ガスをチャンバ７内に導入することが好ましい。還元ガスの種類等についは、既に述べたとおりである。

この後、図３(ｃ)に示すように、チャンバ７の不活性ガス雰囲気内で、還元された金属/合金微粉末５を、対象物1に設けられた微細空間３の内部に充填する。

この後、図３(ｄ)に示すように、微細空間３の内部に充填された金属/合金微粉末５を加熱し、その後、加圧Ｆ１しながら冷却し、硬化させる。上述したプロセスにより、導体５０が得られることになる。

図３に示した第３の方法によっても、第１の方法及び第２の方法と同様の作用効果を得ることができる。

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分散系機能性材料
５０導体
５１分散媒
５２，５３機能性微粉末

Claims

対象物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、
前記微細空間内に充填された導電性微粉末を加熱し、加圧しながら硬化させる工程を含み、
前記工程前に、前記導電性微粉末に含まれる金属酸化物微粉末を、前記微細空間内で還元する工程を含んでおり、
前記対象物は、ウエハ、回路基板、積層基板、又は、半導体チップの何れかである、
方法。