JP6021125B2 - シリコンボードにおけるシリコン貫通配線(tsv)の形成 - Google Patents
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Description
SV)を形成する方法であって、より詳しくは、シリコンボードに用意されている小さい
径の貫通孔の内部の空間を、溶融されたはんだで充填させる技術に関する。複数のシリコ
ンボードが積層されて互いに接合される層間接続の技術にも関する。
集積化技術を必要としている製品の仕様やアーキテクチャ、シリコン(ボード)の厚み、
全体の作製プロセスに応じて、最適な作製方法や材料を選択する必要がある。「貫通孔」
に導電性材料が充填されたものは、充填後には導電路としての機能を果たす配線となり、
「ビア(Via)」とも呼ばれる。
してシリコンボードに貫通孔を形成して、(2)貫通孔の内部の表面に絶縁膜を形成して
、(3)貫通孔の内部の残りの空間に導電性材料の充填させる、という順序をもって作製
がなされる。
性材料(例えば、Cu)を充填させるというプロセスが知られている。しかし、このプロ
セスの実現には、専用のめっき設備が必要となるだけでなく、めっきで金属を表面に堆積
させていくことは時間がかかってしまうため、歩留まりが悪い。
示すものである。
ode)とアノード(Anode)との間のサンプル(Sample)の箇所に、めっき
したい対象物を設置する。溶液(Solution)には、めっきを形成させたい金属の
イオンが含まれている。
してしまっている状況を示す図である。このように導電物質が充填されていない箇所があ
ると、導電路としての機能が十分に果たせず、たとえ作製の直後は導通していても、経年
変化を通じて導通不良が発生してしまうこともあり、信頼性に欠ける。
い(行き渡っていない)状況を示す図である。めっきでは、溶液(Solution)に
含まれている金属イオンを、時間をかけて成長させて堆積させていくため、貫通孔の内部
の空間と外部の空間との境目である入り口の付近において、内部の空間よりも先に金属が
堆積してしまう傾向があるためと思われる。この実験例は、貫通孔の直径Φ=50μmであ
って、貫通孔の深さ(シリコンボードの厚み)t=400μmである。従って、これらより
もスケールが小さい条件の下では、工夫が必要となってくる。
されている。このような技術を応用して、小さい径の金属粒子を小さい径の貫通孔に行き
渡らせてTSVを形成することが考えられる。しかし、金属粒子が最密充填で供給できる
と仮定しても、隙間の無い連続体として供給されるものではないため、充填が完全になる
という保証はない。図7は、このような、微小な金属粒子を利用した従来技術を説明する
図である。
脂を用いて半溶融金属混合物を形成し、多層基板の層間接続の信頼性を向上させる技術が
開示されている。しかし、絶縁基板とシリコンボードとでは、求められている仕様やアー
キテクチャが異なっており、特許文献2で取り扱っているビアホール(貫通孔)の径の大
きさに比べて、本発明で取り扱う貫通孔の径はずっと小さいオーダの径である。
脂を使用してしまうと、溶融の工程でガスが発生してしまい、かえってボイドを生じるお
それがある。
貫通配線(TSV)を形成すること、および、そのシリコンボードを複数積層して接合し
て、層間接続を形成することを目的とする。
る。より具体的には、シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぎ、シリコンボードの貫通孔の
上方(真上または横)に配置されている固形はんだを溶融させて、貫通孔の外部の空間と
内部の空間との間の圧力差によって、溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導いて
充填させるというものである。
については、金属間化合物(IMC)を形成してもよい。
ドが発生して導通不良が生じないようなシリコン貫通配線(TSV)を形成することがで
きる。
を通し易くすることができる。
クトロマイグレーションに強いものにすることができる。
ンチップである場合を含み、典型的にはボード状としてシリコン貫通配線(TSV)が形
成できる限りにおいて、広い概念を含んだものである。通常、シリコンチップの厚さは、
シリコンインターポーザの厚さよりもずっと薄い。
的にかつ機械的に接合されている。図示されているはんだバンプは、溶融されて固形化し
た後のものである。複数のシリコンボードの接合には、第1のシリコンボードを提供して
、その上に、複数個のはんだバンプを提供して、それら複数個のはんだバンプの上に、第
2のシリコンボードを提供して、配置されている固形はんだを溶融させるというプロセス
を経る。
層された構造に積みあがっていく形式である場合には、後のプロセスにおいては、それよ
りも前のプロセスにおいて固形はんだを溶融させるために使用された温度と同等かそれ以
上の高い特定温度が加えられることになったとしても、再溶融しないことが好ましい。な
ぜならば、せっかく接合済みの下のシリコンボードが再溶融によって位置ずれを起こして
しまう可能性があるからである。このような耐性を備えた構造は、エレクトロマイグレー
ションに強い構造と呼ばれている。
にシリコン貫通配線(TSV)を形成する方法を示す模式図である。
、図1に示したようなI/Oパッドや、溶融済みのはんだバンプで塞がれていればよく、
必要となる条件は、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断することに
ある。
、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだが配置される。固形はんだの形状は
、板状である場合もあるし、球状である場合もある。
両方の空間を含む空間を真空引きする。固形はんだが貫通孔の真上に覆い被さった状態に
なっていると貫通孔の内部の空間が真空引きされないのではないかと心配する必要はない
。なぜならば、実際の固形はんだの表面には無数の凸凹があるため、貫通孔の内部の空間
と外部の空間とには隙間があるためである。
きるようにするための様々な工夫をすることができるであろう。貫通孔の外部の空間と内
部の空間との間に圧力差を生じさせるためのプロセスである限りにおいて、「真空引きす
る」という用語の意義は広く解釈されるべきである。
を溶融させる。例えば、260度以上といった固形はんだの融点(はんだの組成によって
は300度以上の場合もある)まで加熱する。雰囲気温度の全体を加熱する方法もあるで
あろうし、固形はんだだけに(技術的に可能である限り、集中的に)熱を加える方法もあ
るであろう。すると、配置されている固形はんだは溶融し、溶融されたはんだは隙間の無
い連続体として流動するので、溶融されたはんだでシリコンの貫通孔の上側が塞がれる。
このことによって、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのが遮断される。
、図2の(a))に戻す。すると、貫通孔の外部の空間は以前の状態と同じ雰囲気圧力に
なるため、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差が生じる。この圧力差によっ
て溶融されたはんだは隙間の無い連続体として流動して、貫通孔の内部の空間へと導かれ
、貫通孔の内部の空間は溶融されたはんだで充填される。
構造および金属層以外の部分については金属間化合物(IMC)を形成させた構造につい
て説明する図である。
模式的に示している。
法としては、(図6で説明したような従来技術の)めっき工程などであってよい。例えば
、次のプロセスにおける濡れ性(他の金属との親和性)などを考慮すると、薄膜の金(A
u)などは、優れた材料として挙げることができる。薄膜の銅(Cu)であってもよい。
ついては、異種の金属(例えば、はんだ)が充填される。図3の(a3)において、貫通
孔の内部の空間に金属間化合物(IMC)が形成される
はCuおよびSnを主成分とするもの)を用いた場合に、形成された金属間化合物(IM
C)の分布を示す図である。Pt1の箇所は純粋な金属層を形成しているが、それ以外の
部分におけるPt2の箇所においてはCuとSnというはんだが充填されて境界が形成さ
れている。
に至っている。これは、図2で説明したようにして、シリコンボードの貫通孔の上方(真
上または横)において、固形はんだが溶融されて、貫通孔の内部の空間へ導かれて貫通孔
を充填していく過程で、シリコンボードの貫通孔の上方(真上または横)に実装されてい
る配線の金属等を引き連れてきたためであると考えられる。
状態図である。CuおよびSnが組成の主成分になっている限りにおいて、この平衡状態
に従った相が現れることを期待できる。矢印で示したところの2箇所の組成割合の2つの
相において、金属間化合物(IMC)として融点が上昇したものが形成され、後のプロセ
スで再溶融しないようにすることができる。
についても適用できることが確認できている。貫通孔の直径が小さいほど、本発明の手法
が有利に働くものと考えられる。
示すと、貫通孔の内部の表面(貫通孔の外周部)に近い厚さの部分には純粋な金属層が形
成されているが、金属層以外の部分については、金属間化合物(IMC)(または、それ
に近い)状態が形成されていることになる。一般的に、純粋な金属に比較して、金属間化
合物(IMC)の電気伝導度が劣ることは知られている。
る。この点、表皮効果(skin
effect)が現れてくる、表皮深さ(skindepth)を考慮する意味は大きい。貫通孔において充
填された内部空間を通して実質的な電気伝導が生じているのはこの厚さ分だけであるので
、予め堆積させるべき適切な金属層の厚さを考慮することができるからである。要求され
ているところの製品の仕様やアーキテクチャ以上に(オーバースペックに)余分な材料を
費やすという無駄を省くことができる。
0GHzほどの高周波にもなると、代表的な電気伝導性の良好な材料である、銅、銀、金
、アルミニウムでは、0.64μm〜0.84μmの範囲にわたって現れる。
ある。これは、金属間化合物(IMC)をできるだけ広範囲にかつ確実に形成させたい場
合に有効なプロセスであり、予め堆積される金属層がCuであってその厚さが厚目に設定
されている場合、例えばその厚さが1μm〜9μmの範囲にまで及んでいる場合において、
Cuを貫通孔の中で効果的に混ぜ合わせることができる。
ておけば、予め堆積されている金属層が厚目に設定されているため、特に微粉と金属層と
が同じ金属(例えば、Cu)であることの相乗効果として、効果的に金属間化合物(IM
C)を形成することを期待できる。このような用途に利用するのであれば、図7で説明し
た従来技術における、微小な金属粒子を利用することも可能かもしれない。
Claims (2)
- 少なくとも2つのシリコンボードが複数個のはんだバンプを介して接合された3次元積層体を製造する方法であって、
表面に複数のはんだバンプが形成された第1のシリコンボードを準備するステップと、
前記複数のはんだバンプと位置合わせされた複数の貫通孔を有する第2のシリコンボードを準備するステップと、
第1のシリコンボード上に第2のシリコンボードを接合して、第2のシリコンボードの貫通孔の下側を位置合わせされたはんだバンプで塞ぐステップであって、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断する、塞ぐステップと、
第2のシリコンボードの、下側がはんだバンプで塞がれた貫通孔の上方(真上または横)に、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだを配置するステップと、
貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を含む空間を真空引きするステップと、
配置されている固形はんだを溶融させるステップであって、溶融されたはんだで貫通孔の上側を塞ぎ、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのを遮断する、溶融させるステップと、
真空引きされている状態を以前の状態に戻すステップであって、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差を生じさせて、そのことで溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導き、貫通孔の内部の空間を溶融されたはんだで充填させる、戻すステップと、を含む製造方法。 - 前記第2のシリコンボードを準備するステップは、前記貫通孔の内部の表面に金属層(薄膜のAuまたは薄膜のCu)を堆積させるステップを含む、請求項1に記載の製造方法。
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