JP6157206B2 - 積層構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層構造体の製造方法に関するものである。

LSI(Large Scale Integrated circuits)は微細加工技術の発展とともにその性能を向上させてきた。しかし、近年、素子の微細化によるリーク電流の増大や、配線遅延といった問題も顕著になっているため、従来のペースで半導体の性能を向上させることが困難になりつつある。この課題を解決する有望な技術として、Si貫通電極を持つLSIチップを三次元に積層する三次元LSIが提案されている。三次元LSIは、チップ間の配線長を飛躍的に短くすることができるため、配線遅延を低減させることができ、さらに、パッケージ面積も小さくなるため、高集積化を実現できる。三次元にチップを積層するための主な要素技術には、マイクロバンプ電極の接合技術、樹脂封止技術がある。マイクロバンプ電極の接合技術はチップ間の電気的接続を担い、樹脂封止技術は接合されたチップ間のマイクロバンプ電極の補強や腐食防止、短絡防止をする技術である。

従来、チップ間の樹脂封止技術には、チップの接合後に樹脂を充填する工法であるキャピラリーアンダーフィル(CUF: Capillary Underfill)と、チップの接合前にあらかじめチップに樹脂を塗布しておく工法であるノーフローアンダーフィル(NFU: No-Flow Underfill)とウェハレベルアンダーフィル(WLU:Wafer-Level Underfill)がある。キャピラリーアンダーフィルは、チップ接合後に毛細管力を利用して樹脂を注入する工法である。この工法では、バンプ電極のサイズが小さくなり、狭ピッチになると、表面状態に起因してボイドが発生することがある。一方、ノーフローアンダーフィルは、樹脂を接合前に基板に滴下し、バンプ電極の接合と同時に樹脂封止も行う工法である。

ウェハレベルアンダーフィルは、樹脂をウェハに塗布した後にそれをチップに切り出して、バンプの接合と同時に樹脂封止も行う工法である。しかし、これらの先塗のアンダーフィル技術は、高スループットの反面、チップ全面に樹脂が塗布されるため、狭ピッチのバンプに必要とされる高精度なアライメントが困難になることが課題としてあげられる。このウェハレベルアンダーフィルの問題点を解決する方法として、バンプと樹脂を同時に接合するハイブリッド接合(HB: Hybrid Bonding)が提案されている。ハイブリッド接合においては、バンプ電極と接着剤とを同時に接合できる構造が必要となる。

バンプ電極と接着剤とを同時に接合するため、電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いたハイブリッド接合がある。例えば、化学機械研磨で電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いたハイブリッド接合が開示されている（非特許文献１）。上記非特許文献１に記載されている平坦な構造の作製工程は、まずシリコン基板に樹脂を塗布して、電極部をパターニングする。次いで、シード層を形成し、電界めっきで樹脂の開口部を埋める。最後に余剰に析出した電極を化学機械研磨で平坦にする。

また、ダイヤモンドの刃による切削で電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いたハイブリッド接合が開示されている（非特許文献２）。上記非特許文献２に記載されている平坦な構造の作製工程は、まずバンプ電極を作製し、樹脂を塗布する。樹脂は未硬化状態が好ましい。最後にダイヤモンドの刃で機械的にバンプと樹脂を切削して平坦にする。

バンプ電極と接着剤とを同時に接合するための他の手段として、ロックアンドキー構造を用いたハイブリッド接合が開示されている（非特許文献３）。非特許文献３には具体的な方法が開示されていない。

Bonding interfaces inwafer-level metal/adhesive bonded 3D integration, J. J. McMahon, et al.,Proceedings of ECTC, p.871-878, 2008 A new flip chipbonding method using ultra-precision cutting of metal/adhesive layers, TaijiSakai, et al., Proceedings of ICEP, p.99-104, 2007 A 300-mm Wafer-levelThree-Dimensional Integration Scheme Using Tungsten Through-Silicon Via andHybrid Cu-Adhesive Bonding, F.Liu et al., Digest of International ElectronDevices Meeting(IEDM)，p.588〜p.591， 2008,

しかしながら上記非特許文献１の場合、化学機械研磨には、ディッシングやエロ―ジョンなどの問題があるため、電極と樹脂の表面の高さを完全に揃えることが困難である。また、硬化した樹脂は接着性を発現しないため、樹脂の接合が困難であるという問題がある。

上記非特許文献２の場合、切削を用いるため接合面にスクラッチや削りくずの付着が生じることがあり、接合不良の原因となる可能性がある。

そこで本発明は、より確実に電極同士を接合することができる積層構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る積層構造体の製造方法は、２以上の構造体を積層した３次元構造を有する積層構造体の製造方法において、第１構造体に形成され、周囲が熱硬化性樹脂を定着させた未硬化樹脂部で囲まれ、当該未硬化樹脂部から表面が突出している第１電極と、第２構造体に形成され、受容部で囲まれた第２電極とを所定の加熱温度において接合する工程を備え、前記接合する工程は前記第１電極と前記第２電極を圧着して変形させることにより、前記未硬化樹脂部と前記受容部を接触させる工程を含むことを特徴とする。

また本発明に係る接合構造は、２以上の構造体を積層した３次元構造を有する積層構造体において、第１構造体に形成され、周囲が熱硬化性樹脂を定着させた未硬化樹脂部で囲まれ、当該未硬化樹脂部から表面が突出している第１電極と、第２構造体に形成され、受容部で囲まれた第２電極とを所定の加熱温度において圧着して変形させることにより接合したことを特徴とする。

本発明によれば、従来のように電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いずに第１電極と第２電極を接合することができるので、より確実に電極同士を接合することができる。

第１実施形態に係る接合構造を適用した積層構造体を構成する第１構造体と第２構造体の構成を示す縦端面図である。 第１実施形態に係る積層構造体の第１構造体と第２構造体の構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係る第１構造体の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図３Ａは第１電極を形成した基板上に熱硬化性樹脂を塗布した段階、図３Ｂは基板上に塗布した熱硬化性樹脂を定着させる段階、図３Ｃは離形膜を除去する段階、図３Ｄはエッチングにより被覆未硬化樹脂部を除去する段階を示す図である。 第１実施形態に係る第２構造体の製造方法を段階的に示す縦端面図であり、図４Ａは第２電極を形成した基板上に熱硬化性樹脂を塗布した段階、図４Ｂは基板上に塗布した熱硬化性樹脂を硬化させる段階、図４Ｃはホトレジストマスクを形成した段階、図４Ｄはエッチングにより被覆硬化樹脂部を除去した段階、図４Ｅはホトレジストマスクを除去した段階を示す図である。 第１実施形態に係る積層構造体の製造方法を段階的に示す縦端面図であり、図５Ａは第１構造体と第２構造体を重ねて室温で保持した段階、図５Ｂは第１加熱温度で加圧した段階、図５Ｃは第２加熱温度で加圧した段階を示す図である。 第２実施形態に係る接合構造を適用した積層構造体を構成する第１構造体と第２構造体の構成を示す縦端面図である。 第２実施形態に係る第１構造体の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図７Ａは第１電極を形成した基板上に熱硬化性樹脂を塗布した段階、図７ＢはＣＭＰにより被覆未硬化樹脂部を除去する段階を示す図である。 第２実施形態に係る第２構造体の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図８Ａは第２電極を形成した基板上に熱硬化性樹脂を塗布した段階、図８Ｂは基板上に塗布した熱硬化性樹脂を硬化させる段階、図８ＣはＣＭＰにより被覆半硬化樹脂部を除去した段階を示す図である。 第２実施形態に係る積層構造体の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図９Ａは第１構造体と第２構造体を重ねて第１電極と第２電極を接触させた段階、図９Ｂは第１加熱温度で加圧した段階、図９Ｃは第２加熱温度で加圧した段階を示す図である。 第１実施形態に対応する実施例に係るＡｕバンプを示す図であり、図１０Ａは光学顕微鏡像、図１０ＢはＳＥＭ像である。 第１実施形態に対応する実施例に係るＡｕバンプを示す図であり、図１１Ａは断面斜視ＳＥＭ像、図１１Ｂは第１電極及び第２電極の表面のＡＦＭ像である。 第１実施形態に対応する実施例に係る熱硬化性樹脂の粘度特性を示すグラフである。 第１実施形態に対応する実施例に係る第１構造体の製造段階におけるＳＥＭ像であって、図１３Ａは離形膜を除去した後の第１電極が形成された基板の斜視図、図１３Ｂは第１電極の断面斜視図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る第１構造体の製造段階におけるＳＥＭ像であり、図１４Ａは被覆未硬化樹脂部膜を除去した後の第１電極が形成された基板の斜視図、図１４Ｂは第１電極表面の拡大斜視図、図１４Ｃは第１電極の断面図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る第１構造体の各部の寸法を示す縦断面図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る第２構造体のＳＥＭ像であり、図１６Ａは第２電極の斜視図、図１６Ｂは第２電極表面の拡大斜視図、図１６Ｃは第２電極の断面斜視図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る第２構造体の各部の寸法を示す縦断面図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る積層構造体のＣ−ＳＡＭ像である。 第１実施形態に対応する実施例に係る積層構造体における接合構造の接合強度の測定方法を示す縦断面図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る積層構造体の接合構造における断面ＳＥＭ像であり、図２０Ａは縦断面図、図２０Ｂは拡大断面図、図２０Ｃは第１電極と第２電極の界面における拡大断面図である。 第１実施形態に対応する実施例に係る接合構造における第１電極と第２電極の界面の断面図であり、図２１ＡはＳＥＭ像、図２１ＢはＴＥＭ像である。 第１実施形態に対応する実施例に係る接合構造におけるＥＤＸの測定結果を示グラフであり、図２２Ａは図１９の１１８Ａ、図２２Ｂは図１９の１１８Ｂにおける測定結果である。 第２実施形態に対応する実施例に係るＡｕバンプ表面のＡＦＭ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第１構造体のＳＥＭ像であり、図２４Ａは第１電極表面の拡大斜視図、図２４Ｂは第１電極の断面斜視図である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第１構造体の各部の寸法を示す縦断面図である。 第２実施形態に対応する実施例に係るＡＦＭ像であり、図２６Ａは第１電極のＡＦＭ像、図２６Ｂは未硬化樹脂部のＡＦＭ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第２構造体のＳＥＭ像であり、図２７Ａは第１電極表面の拡大斜視図、図２７Ｂは第１電極の断面斜視図である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第２構造体の各部の寸法を示す縦断面図である。 第２実施形態に対応する実施例に係るＡＦＭ像であり、図２９Ａは第２電極のＡＦＭ像、図２９Ｂは受容部のＡＦＭ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第１構造体の平面顕微鏡像であり、図３０ＡはＳＥＭ像、図３０ＢはＣマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像、図３０ＣはＡｕマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る第２構造体の平面顕微鏡像であり、図３１ＡはＳＥＭ像、図３１ＢはＣマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像、図３１ＣはＡｕマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る積層構造体のＣ−ＳＡＭ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る積層構造体における接合構造の接合強度の測定方法を示す縦断面図である。 第２実施形態に対応する実施例に係る積層構造体の接合構造における断面ＳＥＭ像である。 第２実施形態に対応する実施例に係る積層構造体の接合構造におけるＳＥＭ像であり、図３５Ａは第１電極と第２電極の界面における拡大図、図３５Ｂは接着部における拡大図である。 第１実施形態に係る第１電極及び第２電極の変形例を示す縦断面図であり、図３６Ａはバンプとパッドの組み合わせ、また図３６Ｂははんだボールとパッドとの組み合わせ、図３６Ｃははんだバンプとパッドとの組み合わせ、図３６Ｄははんだボールとはんだボールの組み合わせを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

１．第１実施形態
（１）全体構成
図１は、本実施形態に係る接合構造を適用した積層構造体の構成を示す。積層構造体は、２以上の構造体を積層した３次元構造を有する。本実施形態の場合、積層構造体は、第１構造体２と、第２構造体１０とを積層して形成される。

第１構造体２は、基板４と当該基板４上に形成された１又は２以上の第１電極６と、当該第１電極６の周囲を囲むように前記基板４上に形成された未硬化樹脂部９とを有する。第１電極６は特に限定されるものではないが、例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎなどで形成することができる。本実施形態の場合、第１電極６はバンプである。

第２構造体１０は、基板１２と当該基板１２上に形成された１又は２以上の第２電極１４と、当該第２電極１４の周囲を囲むように形成された受容部１６とを有する。第２電極１４は、第１電極６と同様特に限定されず、例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎなどで形成することができる。本実施形態の場合、第２電極１４はバンプである。また、第１電極６と第２電極１４は同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。

図２に示すように、本実施形態に係る第１構造体２は、第１電極６が２個形成されている。第１電極６は基板４上に層状に形成された未硬化樹脂部９の表面１１から表面７が突出している。

また、第２構造体１０は、第２電極１４が２個形成されている。また基板１２上には、層状に受容部１６が形成されている。受容部１６には、充填室１８が形成されている。充填室１８は基板表面１３を底部とする穴であることが好ましい。受容部１６の高さは、第２電極１４の高さよりも高く、かつ、第１電極６と第２電極１４を突き当てた状態で受容部表面１７が未硬化樹脂部表面１１に接触しない高さに形成されるのが好ましい。第２電極１４は、受容部１６から表面１５が凹んだ状態に形成されている。

未硬化樹脂部９と受容部１６は、同じ熱硬化性樹脂で形成されるのが好ましい。熱硬化性樹脂は特に限定されるものではないが、例えばベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。

未硬化樹脂部９は、液状の熱硬化性樹脂を例えば加熱・加圧して基板４上に定着することにより形成されている。熱硬化性樹脂を定着させる加熱・加圧条件は、再び加熱・加圧することにより未硬化樹脂部９が流動し得る条件に設定される。受容部１６は、液状の熱硬化性樹脂を硬化させて形成されている。

（２）積層構造体の製造方法
上記のように構成された接合構造を用いた積層構造体１の製造方法について説明する。本実施形態に係る積層構造体１の接合構造においては、第１構造体２と、第２構造体１０をそれぞれ形成し、最後に第１構造体２と第２構造体１０とを接合する。まず、第１構造体２の製造方法について説明する。

図３に示すように、第１電極６を形成した基板４上に熱硬化性樹脂２０を塗布する（図３Ａ）。熱硬化性樹脂２０を塗布する方法は特に限定されないが、例えばスピンコートや噴霧により塗布することができる。

次いで、前記熱硬化性樹脂２０を基板４上に定着させる（図３Ｂ）。熱硬化性樹脂２０を定着させる方法は特に限定されないが、本実施形態の場合、離形膜２２を基板４上に載置し、離形膜２２上から加圧基板２４を用いて基板４上から加熱・加圧することにより熱硬化性樹脂２０を第１電極６が形成された基板４上に定着させることができる。離形膜２２は、例えば、厚さ方向に変形可能な樹脂膜を用いることができる。これにより第１電極６と基板４表面の間の凹凸を離形膜２２が吸収することにより、第１電極６と基板４表面上とに塗布された熱硬化性樹脂２０を均一に加熱・加圧することができる。

次いで、離形膜２２を基板４表面から除去する（図３Ｃ）。これにより第１電極６が形成された基板４上には、熱硬化性樹脂２０を定着させた被覆未硬化樹脂部２６が形成される。被覆未硬化樹脂部２６は、基板４表面だけでなく、第１電極表面７を覆う場合もある。

最後に、第１電極表面７から被覆未硬化樹脂部２６を除去することにより、未硬化樹脂部９を形成する（図３Ｄ）。被覆未硬化樹脂部２６を除去する方法は、特に限定されないが、例えば酸素プラズマや、スパッタリングを用いたエッチングにより除去することとしてもよい。以上のようにして第１構造体２を製造することができる。

次に第２構造体１０の製造方法について説明する。まず図４に示すように、第２電極１４を形成した基板１２上に熱硬化性樹脂２８を塗布する（図４Ａ）。熱硬化性樹脂２８を塗布する方法は特に限定されないが、例えばスピンコートや噴霧により塗布することができる。

次いで、前記熱硬化性樹脂２８を硬化させて被覆硬化樹脂部３０を形成する（図４Ｂ）。熱硬化性樹脂２８を硬化させる方法は特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂２８を加熱・加圧する方法や、硬化剤を混合する方法を用いることができる。

次いで、充填室１８の形状に合わせてホトレジストマスク３２を選択的に形成（図４Ｃ）した後、ホトレジストマスク３２の開口部分の被覆硬化樹脂部３０を除去する（図４Ｄ）。被覆硬化樹脂部３０を除去する方法は特に限定されないが、例えば酸素／ＣＨＦ_３プラズマや、スパッタリングを用いたエッチングにより除去することとしてもよい。

最後にホトレジストマスク３２を除去する（図４Ｅ）ことにより、第２構造体１０を製造することができる。

次に第１構造体２と、第２構造体１０とを接合して積層構造体１を製造する方法について説明する。まず図５に示すように、第１電極６と第２電極１４を接触させるように第１構造体２と第２構造体１０を配置する（図５Ａ）。第１電極６と第２電極１４を接触させた状態において、未硬化樹脂部表面１１と受容部表面１７は接触していない。そして第１電極６及び第２電極１４の周囲には充填部１９が形成される。ここで充填部１９は、第２構造体１０の第２電極１４の周囲に形成された充填室１８と、未硬化樹脂部表面１１と受容部表面１７の間に形成される隙間２１とで形成される。室温で、所定の圧力で加圧しながら所定時間保持する。これにより、次工程において第１電極６と第２電極１４の接合界面への未硬化樹脂の噛み込みを防ぐことができる。

次いで、加圧した状態を保持しながら第１加熱温度としての所定の加熱温度に加熱し、この状態を所定時間保持する。加熱・加圧されることにより第１電極６及び第２電極１４が押し潰されて接合すると共に、未硬化樹脂部表面１１と受容部表面１７が接触する。そして加熱されることにより、未硬化樹脂部９は流動し、充填部１９へ流れ込む（図５Ｂ、符号３６）。このときの加熱温度は熱硬化性樹脂が流動し得る温度であって硬化する温度未満の温度である。これにより熱硬化性樹脂は充填部１９に行き渡る。

次いで、加圧した状態を保持しながら第２加熱温度としての所定の加熱温度に加熱し、この状態を所定時間保持する（図５Ｃ）。このときの加熱温度は熱硬化性樹脂が硬化する温度以上の温度である。これにより第１電極６及び第２電極１４が接合すると共に充填部１９に流れ込んだ未硬化樹脂部９が硬化し接着部８を形成する。

最後に加圧せずに第２加熱温度で所定時間保持し、接着部８を完全に硬化させる。以上のようにして接合構造４１を形成し、積層構造体１を製造することができる。接合構造４１は、接着部８（充填部１９）と受容部１６の間に境界線２３が形成されている。

（３）作用及び効果
本実施形態に係る接合構造４１は、未硬化樹脂部表面１１から表面７が突出している第１電極６を第２電極１４に圧着させて変形させることにより未硬化樹脂部９と受容部１６を接触させて接合する。これにより、接合構造４１は、従来のように電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いずに第１電極６と第２電極１４を接合することができるので、より確実に電極同士を接合することができる。
また、接合構造４１は、未硬化樹脂部９を流動させ受容部１６と一体化させて接着部８を形成することにより、熱硬化性樹脂同士で第１構造体２と第２構造体１０を接合するので、接合強度をより大きくすることができる。

本実施形態に係る接合構造４１は、いわゆるロックアンドキー構造である。すなわち第１電極６が未硬化樹脂部９から突出しているのに対し、第２電極１４が受容部１６より凹んだ状態に形成されている。これにより接合構造４１は、従来のように電極と絶縁層の表面を揃えた平坦な構造を用いずに、第１電極６と第２電極１４を接合することができるので、より確実に電極同士を接合することができる。

また本実施形態に係る接合構造４１は、受容部１６で形成した充填室１８に未硬化樹脂部９を流動させて流し込み、硬化させて接着部８を形成することとした。したがって接合構造４１は、流動した未硬化樹脂部９により第１電極６及び第２電極１４の境界を囲むので、接合強度を大きくすることができる。

本実施形態に係る接合構造４１は、従来のように化学機械研磨やダイヤモンドの刃による切削を用いずに積層構造体を製造することができるので、プロセス管理を簡素化できると共に、ドライプロセスであるため廃液を排出しないで製造することができる。

２．第２実施形態
次に第２実施形態に係る接合構造について説明する。

（１）全体構成
図６は、本実施形態に係る接合構造を適用した積層構造体の構成を示す。積層構造体は、２以上の構造体を積層した３次元構造を有する。本実施形態の場合、積層構造体は、第１構造体４２と、第２構造体５３とを積層して形成される。

第１構造体４２は、基板４３と、当該基板４３上に形成された絶縁層４４と、当該絶縁層４４上に形成された配線層４５と、当該配線層４５上に形成された１又は２以上の第１電極４６と、当該第１電極４６の周囲を囲むように前記基板４３上に層状に形成された未硬化樹脂部４７とを有する。配線層４５は、基板４３側からＴｉ層４８、Ｃｕ層４９、Ｎｉ層５０、Ａｕ層５１を積層して形成されている。第１電極４６は、未硬化樹脂部４７の表面７２から表面７１が突出している。第１電極４６は特に限定されるものではないが、例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎなどで形成することができる。本実施形態の場合、第１電極４６はバンプである。

第２構造体５３は、基板５４と、当該基板５４上に形成された絶縁層５５と、当該絶縁層５５上に形成された配線層５６と、当該配線層５６上に形成された１又は２以上の第２電極５７と、当該第２電極５７を囲むように層状に形成された受容部５８とを有する。配線層５６は、基板５４側からＴｉ層５９、Ｃｕ層６０、Ｎｉ層６１、Ａｕ層６２を積層して形成されている。第２電極５７は、受容部５８の表面７４から表面７３がわずかに突出している。第２電極５７は、第１電極４６と同様特に限定されず、例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎなどで形成することができる。本実施形態の場合、第２電極５７はバンプである。また、第１電極４６と第２電極５７は同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。

本実施形態の場合、受容部５８に充填室が形成されていない点が、上記第１実施形態と異なる。また、第１電極４６の表面７１及び第２電極５７の表面７３は、二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が５nm以下であることが好ましい。第１電極表面７１及び第２電極表面７３の二乗平均粗さが３nm以下であることにより、良好な接合を得ることができる。

未硬化樹脂部４７は、同じ熱硬化性樹脂で形成してもよい。熱硬化性樹脂は特に限定されるものではないが、例えばベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。

未硬化樹脂部４７は、液状の熱硬化性樹脂を例えば加熱・加圧して基板４３上に定着させることにより形成されている。熱硬化性樹脂を定着させる加熱・加圧条件は、再び加熱・加圧することにより未硬化樹脂部４７が流動し得る条件に設定される。

受容部５８は、特に限定されず、例えば半硬化状態の熱硬化性樹脂、硬化状態の熱硬化性樹脂やＳｉＯ_２で形成してもよい。硬化性樹脂は、特に限定されないが未硬化樹脂部４７と同じ熱硬化性樹脂を用いることができる。受容部５８は、半硬化状態の熱硬化性樹脂で形成されるのが好ましい。半硬化状態とは、樹脂が完全に硬化していないが、再び加熱しても流動しない程度に硬化している状態をいう。半硬化状態の熱硬化性樹脂で形成された受容部５８は、未硬化樹脂部４７との接着性がより向上するので接合強度がより大きくなる。熱硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂の硬化温度未満で加熱することにより、半硬化状態にすることができる。

（２）積層構造体の製造方法
上記のように構成された接合構造を用いた積層構造体の製造方法について説明する。本実施形態に係る積層構造体の接合構造においては、上記第１実施形態と同様、第１構造体４２と、第２構造体５３をそれぞれ形成し、最後に第１構造体４２と第２構造体５３とを接合する。まず、第１構造体４２の製造方法について説明する。

図７に示すように、絶縁層４４、配線層４５、及び第１電極４６が形成された基板４３上に熱硬化性樹脂６４を塗布する（図７Ａ）。熱硬化性樹脂６４を塗布する方法は特に限定されないが、例えばスピンコートや噴霧により塗布することができる。

次いで、前記熱硬化性樹脂６４を、例えば上記第１実施形態と同様な方法により基板４３上に定着させて、被覆未硬化樹脂部６５を形成する。

最後に、第１電極表面７１から被覆未硬化樹脂部６５を除去することにより、未硬化樹脂部４７を形成する（図７Ｂ）。本実施形態の場合、被覆未硬化樹脂部６５は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)により除去する。第１電極４６と被覆未硬化樹脂部６５の研磨速度の違いにより、第１電極表面７１が未硬化樹脂部表面７２から突出する。このようにして第１構造体４２を製造することができる。

次に第２構造体５３の製造方法について説明する。まず図８に示すように、絶縁層５５、配線層５６、及び第２電極５７が形成された基板５４上に熱硬化性樹脂６６を塗布する（図８Ａ）。熱硬化性樹脂６６を塗布する方法は特に限定されないが、例えばスピンコートや噴霧により塗布することができる。

次いで、前記熱硬化性樹脂６６を半硬化させて被覆半硬化樹脂部６７を形成する（図８Ｂ）。熱硬化性樹脂６６を半硬化させる方法は特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂６６の硬化温度未満で加熱する方法を用いることができる。

最後に、第２電極表面７３から被覆半硬化樹脂部６７をＣＭＰにより除去し、受容部５８を形成する（図８Ｃ）。第２電極５７と受容部５８の研磨速度の違いにより、第２電極表面７３が受容部表面７４から突出する。このようにして第２構造体５３を製造することができる。

次に第１構造体４２と、第２構造体５３とを接合して積層構造体を製造する方法について説明する。まず図９に示すように、第１電極４６と第２電極５７を接触させるように第１構造体４２と第２構造体５３を配置する（図９Ａ）。第１電極４６と第２電極５７を接触させた状態において、未硬化樹脂部表面７２と受容部表面７４は接触していない。室温で、所定の圧力で加圧しながら所定時間保持する。

次いで、加圧した状態を保持しながら第１加熱温度としての所定の加熱温度に加熱し、この状態を所定時間保持する。これにより第１電極４６及び第２電極５７が押し潰されて接合するとともに、未硬化樹脂部表面７２と受容部表面７４が接触する。そして加熱されることにより、未硬化樹脂部４７は流動し、受容部５８との間のわずかな隙間を埋める。

次いで、加圧した状態を保持しながら第２加熱温度としての所定の加熱温度に加熱し、所定時間保持する（図９Ｃ）。これにより流動した未硬化樹脂部４７が硬化し、同時に半硬化樹脂で形成された受容部５８も効果することによって、一体となって接着部６８が形成される。

最後に加圧せずに第２加熱温度で所定時間保持し、接着部６８を完全に硬化させる。以上のようにして接合構造６９を形成し、積層構造体７０を製造することができる。

（３）作用及び効果
本実施形態に係る接合構造６９は、未硬化樹脂部表面７２から表面７１が突出している第１電極４６を第２電極５７に圧着させて変形させることにより未硬化樹脂部４７と受容部５８を接触させて接合するので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、接合構造６９は、未硬化樹脂部４７を流動させ受容部５８と一体化させることにより接着部６８を形成するので、接合強度を大きくすることができる。さらに受容部５８は半硬化樹脂で形成することにより、未硬化樹脂部４７との密着性が向上するので、より接合強度を大きくすることができる。

本実施形態に係る接合構造６９は、ＣＭＰにより被覆未硬化樹脂部６５及び被覆半硬化樹脂部６７を除去するとともに、第１電極表面７１と第２電極表面７３も平坦化することにより、ボイドを抑制することができる。また、受容部５８に充填室を形成する必要がないので、その分、製造工程を簡略化することができる。

３．接合構造の特性
次に上記のように構成された接合構造の特性について説明する。

（１）第１実施形態に対応する接合構造
（１−１）評価に用いた試料について
まず第１電極６及び第２電極１４としてＡｕバンプをＳｉ基板４，１２上にそれぞれ作製した。Ａｕバンプは、直径が１０μｍ、ピッチ１００μｍ、高さ１．８５μｍ、縦横に３０個、合計９００個作製した。図１０に作製した第１電極６及び第２電極１４を示す。本実施例の場合、第１電極６及び第２電極１４は、ＡｕバンプがＴｉ膜上に形成されている。本図Ａは第１電極６及び第２電極１４を形成したＳｉ基板４，１２の平面を撮影した光学顕微鏡像、本図Ｂは作製した第１電極６及び第２電極１４の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）像である。

図１１は作製した第１電極６及び第２電極１４の断面ＳＥＭ像（本図Ａ）と、第１電極表面７及び第２電極表面１５の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）像（本図Ｂ）である。第１電極表面７及び第２電極表面１５は、二乗平均粗さ（RMS）が３４ｎｍ、十点平均粗さ（Rz）が２１２ｎｍであった。

図３に示した第１構造体２の製造段階における図３Ａの工程に対応して、第１電極６が形成された基板４上に、熱硬化性樹脂２０をスピンコート法により塗布した。用いた熱硬化性樹脂２０の粘度特性を図１２に示す。本図は縦軸が粘度（Ｐａ・ｓ）、横軸が温度（℃）、曲線が使用した熱硬化性樹脂２０の温度に対する粘度特性を示す。本図より使用した熱硬化性樹脂２０は、２００℃を超えると硬化し始めることが分かる。このことから本実施例においては、熱硬化性樹脂２０を定着させて未硬化樹脂部９を形成する加熱温度（再び加熱・加圧することにより流動する未硬化樹脂部９を形成し得る温度）を１５０℃とした。また本実施例においては、熱硬化性樹脂２０を硬化させる加熱温度を２５０℃とした。

図３に示した第１構造体２の製造段階における図３Ｂの工程に対応して、第１電極６が形成された基板４を、加熱温度１５０℃、圧力２．２ＭＰａ、真空度１０^−３Ｐａ、３分間、の条件で加熱・加圧した。離形膜２２としてフッ素膜を用い、加圧基板２４としてＳｉ基板を用いた。

図１３は、図３Ｃに対応する離形膜２２を除去した後の第１電極６が形成された基板４のＳＥＭ像であり、図１３Ａは斜視図、図１３Ｂは断面斜視図である。第１電極６上に形成された被覆未硬化樹脂部２６の厚さは、１００ｎｍ未満であった。

次いで図３Ｄの工程に対応して、容量結合プラズマ(ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma)を用い、酸素の供給量２０ｓｃｃｍ、圧力２０Ｐａ、供給電力１００Ｗの条件にて酸素プラズマを生成し、第１電極６上の被覆未硬化樹脂部２６を除去した。図１４は被覆未硬化樹脂部２６を除去した後の第１電極６を撮影したＳＥＭ像である。第１電極表面７と未硬化樹脂部表面１１の高さの差は７００ｎｍ未満であった（図１５）。

図４に示した第２構造体１０の製造段階における図４Ｄの工程に対応して、ＣＣＰを用い、酸素／ＣＨＦ_３の供給量２０ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍ、圧力２０Ｐａ、供給電力１００Ｗの条件にて酸素／ＣＨＦ_３プラズマを生成し、ホトレジストマスク３２の開口部分の被覆硬化樹脂部３０を除去した。図１６は、被覆硬化樹脂部３０及びホトレジストマスク３２を除去した後の第２電極１４を撮影したＳＥＭ像である。第２電極表面１５と硬化樹脂部表面１７の高さの差は７００ｎｍ未満であった（図１７）。

（１−２）接合強度特性
図５に示した積層構造体１の製造段階における図５Ａの工程に対応して、まず室温で２．８ＭＰａで加圧しながら５秒間保持した。次いで、図５Ｂの工程に対応して加圧した状態を保持しながら第１加熱温度として１５０℃に加熱し、３００秒間保持した。加熱・加圧されることにより第１電極６及び第２電極１４が潰され未硬化樹脂部９表面と受容部１６表面とが接触すると共に、未硬化樹脂部９は流動し、充填部１９へ流れ込む。

次いで図５Ｃの工程に対応して、加圧した状態を保持しながら第２加熱温度として２５０℃に加熱し、５００秒間保持した。これにより第１電極６及び第２電極１４が拡散接合すると共に充填部１９に流れ込んだ未硬化樹脂部９が硬化し接着部８を形成する。最後に加圧せずに第２加熱温度である２５０℃に加熱した状態で１時間保持した。このようにして積層構造体１を製造した。

図１８は製造した積層構造体１の超音波顕微鏡（Ｃ−ＳＡＭ：Constant-depth mode Scanning Acoustic Microscope）像である。本図から、各第１電極６と第２電極１４間、接着部８及び受容部表面１７にボイドがないことが確認できた。

次に製造した積層構造体１の接合構造４１における接合強度を測定した。接合強度は、図１９に示す方法にてシェア強度を測定した。本図に示す方向に工具４０を移動し、当該工具４０に生じる力（せん断力）を測定した。比較例として、接着部８及び受容部１６が形成されていない第１電極６及び第２電極１６同士のみを接合した接合構造を有する積層構造体を作製した。比較例における接合構造においては、第１電極６及び第２電極１４を加熱温度２５０℃で２．８ＭＰａで加圧しながら５００秒間保持して接合した。その結果を表１に示す。

表１に示すようにシェア強度（３×３ｍｍ^２あたり）は、本実施例が使用した装置の測定限界である１３ｋｇを超えたのに対し、比較例では２．５ｋｇであった。このことから本実施例に係る接合構造４１を有する積層構造体１はより大きな接合強度が得られることが確認できた。

（１−３）断面測定
図２０は製造した積層構造体１の接合構造４１における断面ＳＥＭ像である。本図から第１電極６と第２電極１４、並びに接着部８と受容部１６が共に接合していることが確認できた。なお第１電極６及び第２電極１４の界面に見られるボイド３９は、第１電極６及び第２電極１４の表面粗さに起因する。

図２１は製造した積層構造体１の接合構造４１における断面ＳＥＭ像及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）像である。本図から第１電極６及び第２電極１４の界面Ａｕ同士が良好に接合していることが確認できた。

また図２２は、製造した積層構造体１の接合構造４１におけるエネルギー分散型X線分析(ＥＤＸ：Energy
dispersive X-ray spectrometry)結果を示し、図２２Ａは図１９の１１８Ａ、図２２Ｂは図１９の１１８Ｂにおける測定結果である。図２２Ａ，Ｂはそれぞれ縦軸がカウント数、横軸がエネルギー（ｋｅＶ）を示す。図２２Ｂは第２電極１４のバルクの部分の測定結果であるので、Ｃ（炭素）が検出されていない。また図２２Ａは第１電極６及び第２電極１４の界面における測定結果であるが、図２２Ｂと同様にＣが検出されていないことから、第１電極６及び第２電極１４の界面には熱硬化性樹脂の残渣がないことが確認できた。

（１−４）導通試験
本実施例に係る接合構造４１を用いてＴＥＧ（評価用素子）を作製し、各接合構造４１の導通試験を行ったところ、９００個のすべての接合構造４１において電気接続も確認でき、実測値と計算値を比較した結果良好な抵抗値が得られた。

（２）第２実施形態に対応する接合構造
（２−１）評価に用いた試料について
まず第１電極４６及び第２電極５７となるＡｕバンプを、絶縁層４４，５５としてのＳｉＯ_２層、配線層４５，５６が形成されたＳｉ基板４３，５８上にそれぞれ作製した。ＳｉＯ_２層４４，５５は、厚さが５００ｎｍである。配線層４５，５６は、Ｓｉ基板４３，５８側からＴｉ層（厚さ３０ｎｍ）４８，５９、Ｃｕ層（厚さ５００ｎｍ）４９，５０、Ｎｉ層（厚さ２００ｎｍ）５０，６１、Ａｕ層（厚さ２００ｎｍ）５１，６２を順に積層して形成した。Ａｕバンプは、Ｓｉ基板４３，５８側からＴｉ層（厚さ３０ｎｍ）、Ａｕ層（３．５μｍ）が積層されており、直径が１０μｍ、ピッチ１００μｍ、高さ３．５μｍ、縦横に３０個、合計９００個作製した。

図２３は、作製したＡｕバンプの表面のＡＦＭ像である。Ａｕバンプの表面は、二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が４９．７５ｎｍであった。

次いで、図７に示した第１構造体４２の製造段階における図７Ａの工程、及び図８に示した第２構造体５３の製造段階における図８Ａの工程に対応して、Ａｕバンプが形成されたＳｉ基板４３，５４上に熱硬化性樹脂６４、６６をスピンコート法により塗布した。用いた熱硬化性樹脂６４、６６は、上記第１実施形態と同じである。

次いで第１構造体４２においては、熱硬化性樹脂６４を１００℃で２分間、１５０℃で２分間、の条件で加熱し、溶剤を蒸発させた。次に図７Ｂの工程に対応して、ＣＭＰで被覆未硬化樹脂部６５を第１電極表面７１まで研磨した。研磨条件は、ヘッド回転数：１０ｒｐｍ、ステージ回転数：１０ｒｐｍ、荷重：１．３ｋｇｆ、時間：１分４０秒間とした。図２４は被覆未硬化樹脂部６５を研磨した後の第１電極４６を撮影したＳＥＭ像である。第１電極４６と未硬化樹脂部表面７２の高さの差は１μｍであった（図２５）。図２６は、作製した第１電極４６及び未硬化樹脂部表面７２のＡＦＭ像である。第１電極表面７１は二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が２．２３ｎｍ、未硬化樹脂部表面７２は二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が５．６０ｎｍであった。この結果から、ＣＭＰによって第１電極表面７１が未硬化樹脂部表面７２と同時に平坦化できることが分かった。

第２構造体５３おいては、図８に示した第２構造体５３の製造段階における図８Ｂの工程に対応して、１８０℃で１時間の条件で加熱して熱硬化性樹脂６６を半硬化させた。次に図８Ｃの工程に対応して、ＣＭＰで被覆半硬化樹脂部６７を第２電極表面７３まで研磨した。研磨条件は、ヘッド回転数：２０ｒｐｍ、ステージ回転数：６０ｒｐｍ、荷重：１．３ｋｇｆ、時間：８分間とした。図２７は被覆半硬化樹脂部６７を研磨した後の第２電極５７を撮影したＳＥＭ像である。第２電極表面７３と受容部表面７４の高さの差は１５０ｎｍであった（図２８）。図２９は、作製した第２電極５７及び受容部表面７４のＡＦＭ像である。第２電極表面７３は二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が２．２９ｎｍ、受容部表面７４は二乗平均粗さ（ＲＭＳ）が０．８２ｎｍであった。この結果から、ＣＭＰによって第２電極表面７３が受容部表面７４と同時に平坦化できることが分かった。

図３０は第１電極表面７１におけるＣマッピング、ＡｕマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像、図３１は第２電極表面７３におけるＣマッピング、ＡｕマッピングのＳＥＭ−ＥＤＸ像である。この結果から、第１電極４６及び第２電極表面７３には、有意な樹脂の残渣がないことが確認できた。

（２−２）接合強度特性
図９に示した積層構造体７０の製造段階における図９Ａの工程に対応して、まず室温で２．７ＭＰａで加圧しながら５秒間保持した。次いで、図９Ｂの工程に対応して加圧した状態を保持しながら第１加熱温度として１５０℃に加熱し、３００秒間保持した。加熱・加圧されることにより、第１電極４６及び第２電極４７が潰され未硬化樹脂部表面７２と受容部表面７４とが接触すると共に、未硬化樹脂部４７は流動する。

次いで図９Ｃの工程に対応して加圧した状態を保持しながら第２加熱温度として２５０℃に加熱し、５００秒間保持した。これにより第１電極４６及び第２電極５７が拡散接合すると共に、流動した未硬化樹脂部４７と受容部５８とが硬化して一体となって接着部６８を形成する。最後に加圧せずに第２加熱温度である２５０℃に加熱した状態で１時間保持した。このようにして積層構造体７０を製造した。

図３２は製造した積層構造体７０のＣ−ＳＡＭ像である。本図から、各第１電極４６と第２電極５７の間及び接着部６８にボイドがないことが確認できた。

次に製造した積層構造体７０の接合構造６９における接合強度を測定した。接合強度は、図３３に示す方法にてシェア強度を測定した。本図に示す方向に工具４０を移動し、当該工具４０に生じる力（せん断力）を測定した。シェア強度は１３ＭＰａを超えた。このことから本実施例に係る接合構造６９を有する積層構造体７０はより大きな接合強度が得られることが確認できた。

（２−３）断面測定
図３４は製造した積層構造体７０の接合構造６９における断面ＳＥＭ像である。また図３５Ａは第１電極４６と第２電極５７の界面における拡大図、図３５Ｂは接着部６８における拡大図である。図３４及び図３５から、第１電極４６と第２電極５７の界面Ａｕ同士が良好に接合しており、さらに未硬化樹脂部４７と受容部５８が一体となって接着部６８が形成されていることが確認できた。

（２−４）導通試験
本実施例に係る接合構造６９を用いてＴＥＧ（評価用素子）を作製し、各接合構造６９の導通試験を行ったところ、９００個のすべての接合構造６９において電気接続も確認でき、実測値と計算値を比較した結果良好な抵抗値が得られた。

４．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記第１実施形態では、第１電極６及び第２電極１４がバンプである場合について説明したが、本発明はこれに限られない。以下、第１電極６及び第２電極１４の変形例について説明するが、上記実施形態と同様の構成については同様の符号を付し説明を省略する。

例えば第１電極及び第２電極は、図１と同様の符号を付した図３６Ａに示すように、バンプとパッドの組み合わせでもよい。すなわち本変形例に係る積層構造体８０Ａは、第１構造体２と第２構造体８２とを備える。第２構造体８２は、第２電極８４がパッドである点が上記実施形態と異なる。第２電極８４の周囲には受容部１６で充填室８６が形成されている。

また図３６Ｂに示すようにはんだボールとパッドとの組み合わせでもよい。すなわち別の変形例に係る積層構造体８０Ｂは、第１構造体８８と第２構造体８２とを備え、第１構造体８８は、第１電極９０がはんだボールである。また第２構造体８２は、第２電極８４がパッドである。

さらに図３６Ｃに示すようにはんだバンプとパッドとの組み合わせでもよい。すなわちさらに別の変形例に係る積層構造体８０Ｃは、第１構造体９２と第２構造体８２とを備え、第１構造体９２は、第１電極９４がはんだバンプである。また第２構造体８２は、第２電極８４がパッドである。

加えて図３６Ｄに示すようにはんだボールとはんだボールの組み合わせでもよい。すなわち加えて別の変形例に係る積層構造体８０Ｄは、第１構造体８８と第２構造体９６とを備え、第１電極９０及び第２電極９８がはんだボールである。第２電極９８の周囲には受容部１６で充填室９９が形成されている。

また上記実施形態の場合、第１電極６及び第２電極１４の形状は平面視において円形状である場合について図示したが本発明はこれに限らず、多角形状であってもよい。

また電極の数は適宜変更して適用できることはいうまでもない。

上記実施形態の場合、接合構造の適用例として積層構造体について説明したが、本発明はこれに限らず、２次元のフリップチップ実装やフレキシブルな基板の積層構造（それは例えばプリンテッドエレクトロニクス用基板等）に適用することができる。

上記実施形態の場合、接合構造の適用例として第１構造体と第２構造体とを積層した２層の積層構造体について説明したが、本発明はこれに限らず、構造体を３層以上積層する場合に適用してもよい。

１ 積層構造体
２ 第１構造体
６ 第１電極
８ 接着部
９ 未硬化樹脂部
１０ 第２構造体
１４ 第２電極
１６ 受容部
１８ 充填室
１９ 充填部
２３ 境界線
４１ 接合構造

Claims (5)

1. ２以上の構造体を積層した３次元構造を有する積層構造体の製造方法において、
   第１構造体に形成され、周囲が熱硬化性樹脂を定着させた未硬化樹脂部で囲まれ、当該未硬化樹脂部から表面が突出している第１電極と、
   第２構造体に形成され、受容部で囲まれた第２電極と
   を所定の加熱温度において接合する工程を備え、
   前記接合する工程は前記第１電極と前記第２電極を圧着して変形させることにより、前記未硬化樹脂部と前記受容部を接触させる工程を含み、
   前記接合する工程は、
   前記第１電極と前記第２電極を圧着して室温で保持した後、
   前記未硬化樹脂部が流動する第１加熱温度と、
   流動した前記未硬化樹脂部が硬化する第２加熱温度と
   からなる前記所定の加熱温度で順に圧着し、
   さらに加圧せずに前記第２加熱温度で保持する
   ことを特徴とする積層構造体の製造方法。
2. 前記第１電極及び前記第２電極はＣＭＰで研磨されていることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
3. 前記第２電極は、前記受容部に形成された充填室内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
4. 前記接合する工程において、前記未硬化樹脂部が流動し前記充填室と接着することを特徴とする請求項３記載の積層構造体の製造方法。
5. 前記第１構造体は、
   前記第１電極が形成された基板表面に熱硬化性樹脂を塗布する工程と、
   前記熱硬化性樹脂を前記基板上に定着させる工程と、
   前記第１電極上に定着した前記熱硬化性樹脂を除去する工程と
   により、前記未硬化樹脂部が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の積層構造体の製造方法。