WO2009101664A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which conductive nanotubes are grown on an electrode formed on the surface of a semiconductor substrate.
- the conductive pads on the mounting board and the conductive pads on the semiconductor chip are mechanically and electrically connected by metal bumps made of metal such as solder.
- the metal atoms constituting the metal bump are easily moved by electromigration.
- the movement of metal atoms causes the disconnection of the bump.
- Sn which is a bump material, easily moves.
- disconnection is likely to occur at the portion where the density is reduced.
- the temperature of the semiconductor chip and the mounting substrate becomes high during solder fusion bonding.
- stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between them.
- the thermal expansion coefficient of the mounting substrate is 10 times or more that of the semiconductor chip.
- the mounting substrate is further contracted. Thereby, a compressive stress in the in-plane direction is applied to the semiconductor chip.
- stress is generated, fracture occurs in the mechanically weakest part. For example, metal bumps, low dielectric constant insulating materials of semiconductor chips, etc. are destroyed.
- a similar stress is also generated by a temperature change during operation after mounting.
- Patent Document 1 A technique for connecting a conductive pad of a mounting substrate and a conductive pad of a semiconductor chip using carbon nanotubes is known (for example, Patent Document 1). Hereinafter, this connection method will be described.
- Carbon nanotubes are grown from the conductive pads of the semiconductor chip by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
- PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
- the base of the carbon nanotube is embedded in the conductive pad of the semiconductor chip, and the tip is embedded in the conductive pad of the mounting substrate. That is, both ends of the carbon nanotube are soldered to the semiconductor chip and the conductive pads of the mounting substrate. Thereby, the semiconductor chip is mechanically and electrically connected to the mounting substrate via the carbon nanotube.
- the mounted semiconductor chip can slightly move in the in-plane direction with respect to the mounting substrate. For this reason, the destruction by the mechanical stress resulting from the difference in a thermal expansion coefficient can be prevented.
- a catalytic metal such as Ni or Co is dispersed on the conductive pad, and carbon nanotubes are grown using acetylene as a source gas.
- the substrate temperature must be heated to about 600 ° C.
- the characteristics of the semiconductor element formed on the semiconductor substrate deteriorate.
- Patent Documents 2 and 3 a technique for transferring carbon nanotubes grown on an alumina substrate or the like onto a conductive pad of a semiconductor substrate is disclosed (for example, Patent Documents 2 and 3). In this method, it is not necessary to grow carbon nanotubes directly on the semiconductor substrate. For this reason, high quality carbon nanotubes can be fixed to the conductive pads without heating the semiconductor substrate to a high temperature.
- a conductive binder such as a conductive paste or a low-melting-point metal is disposed on a region of the substrate surface where the carbon nanotubes are to be planted.
- Carbon nanotubes grown on the surface of an alumina substrate or the like are fixed to the conductive binder.
- the conductive paste or the molten low melting point metal may spread laterally on the surface of the substrate. For this reason, it is difficult to transfer the carbon nanotube only to a desired region.
- a manufacturing method of a first semiconductor device for solving the above-described problem is as follows. Exposing the electrodes formed in a partial region of the surface of the semiconductor substrate and the tips of a plurality of conductive nanotubes grown on the surface of the growth substrate to rare gas plasma; Contacting the tip of the conductive nanotube exposed to the rare gas plasma with the electrode of the substrate, and fixing the conductive nanotube to the electrode; Separating the growth substrate from the semiconductor substrate together with the conductive nanotubes not in contact with the electrodes, and leaving the conductive nanotubes fixed to the electrodes on the semiconductor substrate side.
- a second method for manufacturing a semiconductor device for solving the above-described problem is as follows. Disposing a mask in which an opening corresponding to the electrode is formed on the surface of the semiconductor substrate on which the electrode is formed in a partial region of the surface; Depositing a conductive material on the electrode exposed at the bottom of the opening of the mask; The growth substrate having a plurality of conductive nanotubes on its surface is opposed to the semiconductor substrate, and the conductive nanotubes in the region where the openings of the mask are disposed are deposited in the openings.
- the conductive material Since the conductive material is loaded in the opening of the mask, the conductive material can be prevented from spreading in the lateral direction of the substrate when the conductive nanotubes are brought into contact with each other.
- a third method for manufacturing a semiconductor device for solving the above-described problem is as follows.
- the base film is formed of a metal having a property of improving the adhesion between the conductive nanotube and the surface layer film, and the surface layer film is formed of a metal softer than the base film.
- the contact area between the electrode and the tip metal member can be increased by deformation of the surface layer film.
- 1A to 1C are sectional views (part 1) of the device in the middle of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
- 1D and 1E are sectional views (part 2) of the device in the middle of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.
- 2A to 2C are sectional views (part 1) of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment.
- 2D to 2F are sectional views (part 2) of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment.
- 3A to 3C are sectional views (part 1) of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment.
- 3D to 3F are sectional views (part 2) of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment.
- FIGS. 4A is a cross-sectional view of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment
- FIGS. 4B and 4C are cross-sectional views of the tips of the carbon nanotubes.
- 4D to 4F are sectional views of the device in the middle of the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment.
- 4G and 4H are cross-sectional views of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment.
- FIGS. 4I and J are cross-sectional views of the tip of the carbon nanotube in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment
- FIG. 4K is a cross-sectional view of the device.
- 4L and 4M are sectional views of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment.
- FIG. 4N and 4O are cross-sectional views of the device in the middle of the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment.
- 4P and 4Q are a cross-sectional view of the device in the middle of the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment and a cross-sectional view of the completed semiconductor device.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by a method according to a modification of the fourth embodiment.
- FIGS. 1A to 1E a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described.
- FIG. 1A shows a cross-sectional view of a growth substrate 10 in which a large number of carbon nanotubes 15 are forested.
- a method for growing carbon nanotubes will be described.
- a Ti film 11 is formed on the surface of the growth substrate 10 made of quartz glass, silicon or the like, and a Ni film 12 is formed thereon.
- a number of carbon nanotubes 15 are grown on the surface of the Ni film 12 by chemical vapor deposition (CVD) using a source gas such as acetylene.
- CVD chemical vapor deposition
- the diameter of each carbon nanotube 15 is 5 nm to 10 nm, and the distribution density is 5 ⁇ 10 10 to 1 ⁇ 10 11 pieces / cm 2 .
- the interval between adjacent carbon nanotubes 15 is 30 nm to 100 nm.
- FIG. 1B shows a cross-sectional view of a semiconductor substrate to which carbon nanotubes are to be transferred.
- a pad 21 made of Al or the like is formed on the outermost surface of the semiconductor substrate 20 on which a semiconductor element such as a MOSFET and a multilayer wiring layer are formed.
- a protective film 22 made of an insulating material is formed on the pad 21 and the semiconductor substrate 20.
- a plurality of openings are formed in the protective film 22, and the pad 21 is exposed on the bottom surface of each opening.
- An electrode 23 made of Al or the like is formed on the pad 21 exposed in the opening. The electrode 23 extends to the upper surface of the protective film 22 slightly outside the outer peripheral line of the opening.
- the semiconductor substrate 20 and the growth substrate 10 are arranged in a vacuum chamber, and the electrode 23 is opposed to the carbon nanotube 15 with an interval of, for example, about 15 cm.
- An argon plasma generator 30 is loaded in the vacuum chamber.
- Argon plasma 31 is irradiated from the argon plasma generator 30 toward the tips of the carbon nanotubes 15 standing on the surface of the growth substrate 10 and the surface of the electrode 23 formed on the semiconductor substrate 20. Thereby, the tip of the carbon nanotube 15 is activated.
- each of the carbon nanotubes 15 is normally cylindrical with a closed end, but becomes a cylindrical shape with an open end when irradiated with argon plasma.
- the natural oxide film on the surface of the electrode 23 is removed, and a clean surface is exposed.
- plasma of rare gas other than argon may be used.
- the growth substrate 10 is brought close to the semiconductor substrate 20 without taking out the semiconductor substrate 20 and the growth substrate 10 into the atmosphere, and the tip of the carbon nanotube 15 is placed on the electrode 23. Touch the surface. Since the tip of the carbon nanotube 15 is activated by argon plasma and the surface of the electrode 23 is cleaned, the carbon constituting the carbon nanotube 15 and the aluminum constituting the electrode 23 are in contact with each other. And alloyed. Thereby, the carbon nanotube 15 is fixed to the electrode 23.
- the growth substrate 10 is separated from the semiconductor substrate 20.
- the carbon nanotubes 15 that have not been in contact with the electrode 23 leave the semiconductor substrate 20 while being fixed to the growth substrate 10.
- the carbon nanotubes 15 fixed to the electrode 23 are peeled off from the growth substrate 15 and the state of being fixed to the electrode 23 is maintained.
- Example 1 since the paste-like conductive adhesive is not used, even if the carbon nanotube 15 is brought into contact with the electrode 23, the adhesive does not spread within the substrate surface. Further, since the solder is not melted, the melted solder does not spread in the substrate surface. For this reason, it is possible to prevent the carbon nanotube 15 from adhering to a region other than the electrode 23 of the semiconductor substrate 20.
- Example 1 aluminum was used for the electrode 23, but other metals alloyed with the carbon nanotubes 15 may be used.
- metals include titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), magnesium (Mg), and the like. It is also possible to use an alloy mainly composed of these metals.
- the semiconductor substrate 20, pad 21, protective film 22, and electrode 23 shown in FIG. 2A are the same as those used in Example 1 shown in FIG. 1B.
- the semiconductor substrate 20 is disposed in the vacuum chamber, and the mask 40 is disposed on the semiconductor substrate 20.
- an opening 40A that matches the electrode 23 is formed in the mask 40.
- the electrode 23 is exposed on the bottom surface of the opening 40A.
- a region where the electrode 23 is not formed is covered with a mask 40.
- aluminum films 41a and 41b are formed by vapor-depositing aluminum on the surface of the electrode 23 and the surface of the mask 40.
- the aluminum films 41a and 41b may be formed by sputtering.
- the thickness of the aluminum films 41a and 41b is, for example, 1 ⁇ m.
- the electrode 23 and the aluminum film 41a deposited on the surface thereof constitute an electrode 23A.
- the growth substrate 10 in which the carbon nanotubes 15 are forested is disposed above the semiconductor substrate 20 so that the carbon nanotubes 15 face the semiconductor substrate 20.
- Argon plasma 31 is irradiated to the tip of the carbon nanotube 15, the electrode 23A, and the aluminum film 41b.
- the growth substrate 10 is brought close to the semiconductor substrate 20 and the tips of the carbon nanotubes 15 are brought into contact with the aluminum film 41 b on the mask 40. Further, the growth substrate 10 is pressed against the semiconductor substrate 20, and the tip of the carbon nanotube 15 in the region where the opening 40A is disposed is brought into contact with the surface of the electrode 23A.
- the carbon nanotubes 15 in contact with the aluminum film 41b on the mask 40 are elastically deformed and bent. For example, by applying a force of 3 to 5 N to an area of 1 mm 2 , it is possible to deflect about 30% of the carbon nanotubes standing at a distribution density of 5 ⁇ 10 10 to 1 ⁇ 10 11 / cm 2 .
- “x% bending” means that the linear distance from the base portion to the tip of the carbon nanotube is bent so as to be shorter by x% than the length of the carbon nanotube itself.
- An alloy of carbon and aluminum is formed at the contact portion between the carbon nanotube 15 and the electrode 23A and at the contact portion between the carbon nanotube 15 and the aluminum film 41b. Thereby, the carbon nanotube 15 in contact with the electrode 23A is fixed to the electrode 23A. Further, the carbon nanotubes 15 in contact with the aluminum film 41 b on the mask 40 are fixed to the mask 40.
- the force pressing the growth substrate 10 against the semiconductor substrate 10 is released.
- the growth substrate 10 is lifted from the semiconductor substrate 20 by the restoring force of the bent carbon nanotubes 15.
- the carbon nanotubes 15 fixed to the electrode 23A are separated from the growth substrate 10 and remain (transferred) on the semiconductor substrate 20 side.
- the growth substrate 10 is separated from the semiconductor substrate 20. Since the mask 40 is connected to the growth substrate 10 via the carbon nanotubes 15, the mask 40 is also separated from the semiconductor substrate 20 together with the growth substrate 10.
- Example 2 similarly to Example 1, it is possible to prevent the carbon nanotubes 15 from adhering to unnecessary regions other than the electrodes 23A of the semiconductor substrate 20.
- the growth substrate 10 can be separated from the semiconductor substrate 20 only by releasing the force pressing the growth substrate 10 against the semiconductor substrate 20 from the state shown in FIG. 2D. For this reason, it is not necessary to externally apply a force for peeling the carbon nanotubes 15 fixed to the electrode 23A from the growth substrate 10.
- the thickness of the mask 40 is preferably set within a range of 10 to 30% of the length of the carbon nanotube 15.
- the semiconductor substrate 20, pad 21, protective film 22, and electrode 23 shown in FIG. 3A are the same as those used in Example 1 shown in FIG. 1B.
- a mask 40 is disposed on the semiconductor substrate 20. In the mask 40, an opening 40A that matches the electrode 23 is formed. The electrode 23 is exposed on the bottom surface of the opening 40A. A region where the electrode 23 is not formed is covered with a mask 40.
- a paste-like conductive material 51 is deposited on the electrode 23 in the opening 40A.
- a conductive resin such as a silver paste, a solder paste, or the like can be used.
- the conductive material 51 can be deposited by a screen printing method using a squeegee.
- the growth substrate 10 with the carbon nanotubes 15 standing on the surface is opposed to the semiconductor substrate 20.
- the growth substrate 10 is pressed against the semiconductor substrate 20.
- the carbon nanotubes 15 in contact with the mask 40 are bent, and the tips of the carbon nanotubes 15 in the region where the openings 40A are formed enter the paste-like conductive material 51.
- the deposition amount of the conductive material 51 is adjusted so that the conductive material 51 does not overflow from the opening 40A.
- the conductive material 51 is cured by heating the semiconductor substrate 20.
- the heating temperature depends on the binder resin of the conductive material 51. For example, when an epoxy resin is used, the heating temperature is 150 to 200 ° C., and when a polyimide resin is used, the heating temperature is 200 to 250 ° C.
- the conductive material 51 is cured, the carbon nanotubes 15 are fixed to the electrode 23.
- the mask 40 is made of a material having heat resistance enough to withstand this heating temperature.
- the force pressing the growth substrate 10 against the semiconductor substrate 20 is released.
- the growth substrate 10 is lifted from the semiconductor substrate 20 by the restoring force of the bent carbon nanotubes 15.
- the carbon nanotubes 15 fixed to the electrode 23 are peeled off from the growth substrate 10 and remain (transferred) on the semiconductor substrate 20 side.
- the growth substrate 10 is separated from the semiconductor substrate 20. Since the carbon nanotubes 15 fixed to the electrode 23 have already been peeled off from the growth substrate 10, the growth substrate 10 can be easily separated from the semiconductor substrate 20. As shown in FIG. 3F, the mask 40 is separated from the semiconductor substrate 20.
- Example 3 as shown in FIG. 3C, the paste-like conductive material 51 is loaded in the opening 40 ⁇ / b> A formed in the mask 40. For this reason, it can prevent that the conductive material 51 spreads to the area
- the carbon nanotubes 15 are fixed to the mask 40 in the process illustrated in FIG. 3C.
- the growth substrate 10 can be easily separated from the mask 40 in the step shown in FIG. 3E.
- the thickness of the mask 40 is preferably in the range of 10 to 30% of the length of the carbon nanotube 15 as in the case of the second embodiment.
- Example 4 A method for manufacturing a semiconductor device according to Example 4 will be described with reference to FIGS. 4A to 4Q.
- the growth substrate 10, Ti film 11, Ni film 12, and carbon nanotube 15 shown in FIG. 4A have the same configuration as that of FIG. 1A used in Example 1.
- a base metal and a surface metal are sequentially attached to the tip of the carbon nanotube 15 by sputtering, for example.
- FIG. 4B shows an enlarged cross-sectional view of the tip of the carbon nanotube 15.
- a tip metal member 57 is attached to the tip of the carbon nanotube 15.
- the tip metal member 57 is composed of two layers, a base film 55 that covers the tip surface of the carbon nanotube 15 and a surface layer film 56 that covers the surface.
- the base film 55 may be distributed discretely without continuously covering the surface of the tip of the carbon nanotube 15.
- the surface layer film 56 adheres to each surface of the base film 55 distributed discretely.
- the base film 55 is made of a metal that forms an alloy with carbon, such as Ti, W, or Cr.
- a metal softer than the metal of the base film 55 such as Al or Au, is used.
- the thickness of the carbon nanotube 15 is 5 to 10 nm, and the thickness of each of the base film 55 and the surface layer film 56 is about half of the diameter of the carbon nanotube 15.
- the tip metal members 57 adhering to the tips of the carbon nanotubes 15 adjacent to each other do not continuously form one film.
- the growth substrate 10 may be tilted with respect to the sputtering target.
- the growth substrate 10 is tilted, it becomes difficult for metal atoms to be attached to reach the root of the carbon nanotube 15. Thereby, a metal can be effectively attached to the tip of the carbon nanotube 15.
- the growth substrate 10 may be rotated along its surface during sputtering. By rotating the growth substrate 10, it is possible to prevent the tip metal member 57 from being biased in one direction.
- FIG. 4D shows a cross-sectional view of the first substrate 66 provided with electrodes for adhering carbon nanotubes.
- Electronic circuit elements such as MOSFETs are formed on the surface of the semiconductor substrate 60.
- a multilayer wiring layer 61 is formed on the surface on which the electronic circuit element is formed.
- a plurality of electrodes 62 are formed on the multilayer wiring layer 61.
- a through via hole 63 is formed from the back surface of the semiconductor substrate 60 to reach the bottom surface of the front electrode 62 through the semiconductor substrate 60 and the multilayer wiring layer 61.
- An insulating film 64 is formed on the side surface of the through via hole 63 and the surface on the back side of the semiconductor substrate 60.
- a vertical connecting member 65 is filled in the through via hole 63.
- the vertical connection member 65 is connected to the front electrode 62.
- a method for manufacturing a substrate including the vertical connection member 65 extending from the back surface of the semiconductor substrate 60 to the front electrode 62 is disclosed in, for example, International Publication WO2004 / 064159.
- a first metal mask 68 is disposed on the surface on the back side of the first substrate 66.
- the first metal mask 68 is provided with an opening corresponding to the vertical connection member 65.
- a metal film 70 such as aluminum is formed on the surface of the vertical connection member 65 exposed in the opening of the first metal mask 68 by sputtering, vapor deposition, or the like.
- the thickness of the metal film 70 is, for example, 1 to 2 ⁇ m.
- the metal film 70 also adheres to the surface of the first metal mask 68.
- the first metal mask 68 is removed from the first substrate 66.
- the metal film 70 remains on the surface of the vertical connection member 65.
- a second metal mask 73 is disposed on the surface on the back side of the first substrate 66. Similar to the first metal mask 68 shown in FIG. 4E, the second metal mask 73 is provided with an opening corresponding to the vertical connection member 65.
- the first substrate 66 and the growth substrate 10 are mutually connected so that the surface on which the carbon nanotubes 15 of the growth substrate 10 shown in FIG. 4A stand and the surface on the back side of the first substrate 66 face each other. Place them at intervals.
- the Ar plasma 31 is irradiated on the surfaces facing each other. Thereby, the metal oxide and contaminants on the surface of the metal film 70 and the surface of the tip metal member 57 are removed, and the metal surface is activated.
- the growth substrate 10 is brought close to the first substrate 66, and the tip metal member 57 at the tip of the carbon nanotube 15 is brought into contact with the metal mask 73. Further, pressure is applied until the carbon nanotubes 15 are bent, and the tip metal member 57 is brought into contact with the metal film 70. In this state, the first substrate 66 is heated to about 300 ° C. Thereby, the surface layer film 56 of the tip metal member 57 is bonded to the metal film 70.
- the tip metal members 57 attached to the tips of the carbon nanotubes 15 adjacent to each other are continuously formed into a film shape, the carbon nanotubes 15 are less likely to enter the opening of the second metal mask 73.
- the tip metal member 57 is preferably thin enough that the tip metal members 57 attached to the carbon nanotubes 15 adjacent to each other are not continuous.
- the surface layer film 56 at the tip of the carbon nanotube 15 is deformed to follow the surface of the metal film 70 by pressure and heat, and the contact area between the surface layer film 56 and the metal film 70 increases.
- FIG. 4J even when the tip metal member 57 is discretely attached, the contact area between the metal film 70 and the surface layer film 56 is deformed by the deformation of the surface layer film 56 in contact with the metal film 70. Will increase.
- the carbon nanotube 15 is easily deformed such as a curve macroscopically, but is hardly deformed microscopically. For this reason, when the carbon nanotube 15 is in direct contact with the metal film 70, the contact between them is almost a point contact. In Example 4, the carbon nanotube 15 is more firmly fixed to the metal film 70 by increasing the contact area between the surface layer film 56 and the metal film 70.
- the growth substrate 10 is separated from the first substrate 66.
- the carbon nanotube 15 in which the tip metal member 57 is in contact with the metal film 70 is detached from the growth substrate 10 and fixed (transferred) to the semiconductor substrate 70 side.
- the tip of the transferred carbon nanotube 15 (the end attached to the growth substrate 10) is in a state where carbon is exposed.
- the carbon nanotube 15 in which the tip metal member 57 is in contact with the metal mask 73 remains on the growth substrate 10.
- a tip metal member 85 is attached to the tip of the carbon nanotube 15 transferred to the first substrate 66.
- the tip metal member 85 has a two-layer structure of a base film and a surface layer film, similarly to the tip metal member 57 shown in FIG. 4I or 4J.
- the material of the base film and the surface layer film is the same as that of the tip metal member 57.
- a second substrate 66a to be connected to the first substrate 66 is prepared. Similar to the first substrate 66 shown in FIG. 4D, the second substrate 66a includes a semiconductor substrate 60a, a multilayer wiring layer 61a, an electrode 62a, a through via hole 63a, an insulating film 64a, and a vertical connection member 65a.
- the electrode 62a is made of, for example, aluminum.
- the back surface of the first substrate 66 and the front surface of the second substrate 66a are arranged so as to be opposed to each other.
- Ar plasma 31 is irradiated to the mutually opposing surfaces of the first substrate 66 and the second substrate 66a. Thereby, the surface of the tip metal member 85 and the surface of the electrode 62a are activated.
- the first substrate 66 and the second substrate 66a are brought close to each other, and the tip metal member 85 of the carbon nanotube 15 is brought into contact with the electrode 62a.
- the tip metal member 85 is joined to the electrode 62a by applying pressure and heat.
- the distance between the first substrate 66 and the second substrate 66a is, for example, about 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the third substrate 66b is connected to the surface on the back side of the second substrate 66a.
- An electrode 62b is formed on the front surface of the third substrate 66b, and a metal film 70a is formed on the back surface of the second substrate 66a. Both are mechanically and electrically connected by the carbon nanotube 15a.
- the same method as the method of connecting the second substrate 66a to the first substrate 66 is applied to the connection of the third substrate 66b.
- resins 80a and 80b are filled between the first substrate 66 and the second substrate 66a and between the second substrate 66a and the third substrate 66b, respectively.
- the filled resins 80a and 80b for example, epoxy, cyanate ester, benzocyclobutene, or the like is used.
- the filling of these resins is performed, for example, by immersing a substrate mounted three-dimensionally in a resin solution under reduced pressure and then returning to normal pressure.
- the vertical connection members 65 and 65a penetrate the multilayer wiring layers 61 and 61a from the back surface of the semiconductor substrates 60 and 60a.
- the electrodes 62 and 62a on the front side are reached.
- a substrate having another structure may be used as a structure for electrically connecting the front-side electrode and the back-side electrode of the substrate.
- FIG. 5 shows an example of three-dimensional mounting of a substrate in which the front and back electrodes of the substrate are electrically connected with another structure.
- the vertical connection members 95 and 95a penetrate the semiconductor substrates 60 and 60a, but do not penetrate the multilayer wiring layers 61 and 61a.
- the vertical connection members 95 and 95a are connected to the front-side electrodes 62 and 62a through wirings, plugs, and the like in the multilayer wiring layers 61 and 61a.
- Metal films 70 and 70a are formed on the back surface of the vertical connection members 95 and 95a.
- Such vertical connecting members 95 and 95a are formed by, for example, performing chemical mechanical polishing from the back side surface until the conductive member is exposed after filling a conductive member into a low and low recess having an opening on the front side surface.
- Such vertical connecting members 95 and 95a are formed by, for example, performing chemical mechanical polishing from the back side surface until the conductive member is exposed after filling a conductive member into a low and low recess having an opening on the front side surface.
- Example 4 as shown in FIGS. 4I and 4J, the tip metal member 57 is deformed, so that the mechanical bonding strength between the carbon nanotube 15 and the metal film 70 is increased, and the electrical contact resistance is increased. Decreases.
- the base film 55 is preferably made of a metal that can improve the adhesion between the surface layer film 56 and the carbon nanotube 15.
- metals include metals that form an alloy with carbon, such as Ti, W, and Cr.
- the surface layer film 56 is preferably made of a metal softer than the metal used for the base film 55 in order to increase the contact surface with the electrodes to be joined. It is more preferable to use a metal that is the same as or softer than Cu. Examples of such metals include Al and Au. Further, Au is more preferable in that it is difficult to be oxidized.
- Example 4 As shown in FIG. 4G, after forming the metal film 70 and attaching the tip metal member 57, both surfaces were activated by Ar plasma. After the metal film 70 is formed and after the tip metal member 57 is attached, the treatment with Ar plasma may not be performed when both are bonded while maintaining the vacuum atmosphere.
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Abstract
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極と、成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端とを、希ガスプラズマに晒す。希ガスプラズマに晒された導電性ナノチューブの先端を該電極に接触させ、該導電性ナノチューブを該電極に固定する。成長用基板を、電極に接触していない導電性ナノチューブとともに半導体基板から離し、電極に固定された導電性ナノチューブは半導体基板側に残す。
Description
本発明は、半導体基板の表面に形成されている電極に導電性ナノチューブを林立させた半導体装置の製造方法に関する。
従来、半導体チップを実装基板に実装する場合、半田等の金属からなる金属バンプにより、実装基板上の導電パッドと半導体チップ上の導電パッドとを、機械的及び電気的に接続していた。
半導体チップの集積度が向上し、導電パッドの微細化が進むと、金属バンプを流れる電流密度が増大する。このため、エレクトロマイグレーションにより、金属バンプを構成している金属原子が移動し易くなる。金属原子の移動は、バンプの断線を引き起こす。例えば、半田バンプを用いる場合、バンプ材料であるSnが移動し易い。Snが移動することによってSn密度の低下した部分が生じると、密度の低下した部分で断線が生じ易くなる。
さらに、半田溶融接合の際に、半導体チップと実装基板が高温になる。実装後、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、両者の熱膨張係数の相違によって応力が発生する。通常、実装基板の熱膨張係数は、半導体チップの熱膨張係数の10倍以上である。このとき、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、実装基板がより大きく収縮する。これにより、半導体チップに、面内方向の圧縮応力が印加される。応力が発生すると、機械的に最も弱い部分に破壊が生ずる。例えば、金属バンプ、半導体チップの低誘電率絶縁材料等が破壊されてしまう。なお、実装後の動作時における温度変化によっても、同様の応力が発生する。
カーボンナノチューブを用いて、実装基板の導電パッドと半導体チップの導電パッドとを接続する技術が知られている(例えば、特許文献1)。以下、この接続方法について説明する。
半導体チップの導電パッドから、プラズマ化学気相成長(PECVD)によりカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブの根元を、半導体チップの導電パッドに埋め込むとともに、先端を、実装基板の導電パッドに埋め込む。すなわち、カーボンナノチューブの両端が、半導体チップ及び実装基板の導電パッドに半田付けされた状態になる。これにより、カーボンナノチューブを介して、半導体チップが実装基板に機械的及び電気的に接続される。
カーボンナノチューブ1本に流すことができる電流密度は、従来の金属に比べて2~3桁高いことが知られている。このため、エレクトロマイグレーションによる断線の発生が生じにくくなる。
また、カーボンナノチューブは柔軟性を持つため、実装された半導体チップは、実装基板に対して面内方向に僅かに移動することができる。このため、熱膨張係数の相違に起因する機械的応力による破壊を防止することができる。
一般的に、半導体基板の導電パッド上にカーボンナノチューブを形成する場合、NiやCo等の触媒金属を導電パッド上に散布し、原料ガスとしてアセチレンを用いてカーボンナノチューブを成長させる。このとき、基板温度を600℃程度まで加熱しなければならない。ところが、600℃程度の高温に加熱すると、半導体基板に形成されている半導体素子の特性が劣化してしまう。
半導体素子の性能が劣化しない程度の温度、例えば350℃程度の低温でカーボンナノチューブの成長を行うと、形成されたカーボンナノチューブの品質が悪くなり、かつ数週間という長い成長時間が必要になる。
その他、アルミナ基板等に成長させたカーボンナノチューブを、半導体基板の導電パッド上に転写する技術が開示されている(例えば、特許文献2、3)。この方法では、半導体基板に直接カーボンナノチューブを成長させる必要がない。このため、半導体基板を高温に加熱することなく、導電パッドに高品質のカーボンナノチューブを固定することができる。
上述の方法では、基板表面のうち、カーボンナノチューブを林立させるべき領域に、導電ペーストまたは低融点金属等の導電性バインダを配置する。アルミナ基板等の表面に成長したカーボンナノチューブが、導電性バインダに固着される。カーボンナノチューブの先端を導電性バインダに押し当てたときに、導電ペーストや、溶融した低融点金属が、基板の表面上で横方向に広がってしまう場合がある。このため、所望の領域のみにカーボンナノチューブを転写することが困難である。
基板上の所望の領域にのみ、カーボンナノチューブ等の導電性ナノチューブを転写することが可能な方法の実現が望まれる。
上述の課題を解決するための第1の半導体装置の製造方法は、
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極、及び成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端を、希ガスプラズマに晒す工程と、
前記希ガスプラズマに晒された前記導電性ナノチューブの先端を、前記基板の電極に接触させ、該導電性ナノチューブを該電極に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記電極に接触していない前記導電性ナノチューブとともに前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブは前記半導体基板側に残す工程と
を有する。
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極、及び成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端を、希ガスプラズマに晒す工程と、
前記希ガスプラズマに晒された前記導電性ナノチューブの先端を、前記基板の電極に接触させ、該導電性ナノチューブを該電極に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記電極に接触していない前記導電性ナノチューブとともに前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブは前記半導体基板側に残す工程と
を有する。
ペースト状の導電性材料を用いないため、電極上にのみ導電性ナノチューブを固定することが可能になる。
上述の課題を解決するための第2の半導体装置の製造方法は、
表面の一部の領域に電極が形成されている半導体基板の該表面上に、該電極に対応する開口が形成されたマスクを配置する工程と、
前記マスクの開口の底面に露出した前記電極の上に、導電性材料を堆積させる工程と、
表面に複数の導電性ナノチューブが林立した成長用基板を、前記半導体基板に対向させ、前記マスクの開口が配置されている領域の前記導電性ナノチューブを、該開口内に堆積している前記導電性材料に接触させると共に、該開口が配置されていない領域の前記導電性ナノチューブを前記マスクに押し付けて撓ませる工程と、
前記導電性材料に接触している前記導電性ナノチューブを、該導電性材料に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記導電性材料に固定されていない前記導電性ナノチューブとともに前記半導体基板から離し、前記導電性材料に固定された導電性ナノチューブは前記半導体基板側に残す工程と、
前記マスクを前記半導体基板から離す工程と
を有する。
表面の一部の領域に電極が形成されている半導体基板の該表面上に、該電極に対応する開口が形成されたマスクを配置する工程と、
前記マスクの開口の底面に露出した前記電極の上に、導電性材料を堆積させる工程と、
表面に複数の導電性ナノチューブが林立した成長用基板を、前記半導体基板に対向させ、前記マスクの開口が配置されている領域の前記導電性ナノチューブを、該開口内に堆積している前記導電性材料に接触させると共に、該開口が配置されていない領域の前記導電性ナノチューブを前記マスクに押し付けて撓ませる工程と、
前記導電性材料に接触している前記導電性ナノチューブを、該導電性材料に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記導電性材料に固定されていない前記導電性ナノチューブとともに前記半導体基板から離し、前記導電性材料に固定された導電性ナノチューブは前記半導体基板側に残す工程と、
前記マスクを前記半導体基板から離す工程と
を有する。
導電性材料がマスクの開口内に装填されているため、導電性ナノチューブを接触させたときに、導電性材料が基板の横方向に広がることを抑制できる。
上述の課題を解決するための第3の半導体装置の製造方法は、
成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端に、下地膜及び表層膜がこの順番に積層された先端金属部材を形成する工程と、
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極に、前記先端金属部材を接触させ、前記導電性ナノチューブを前記電極に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブを前記半導体基板側に残す工程と
を有し、
前記下地膜は、前記導電性ナノチューブと前記表層膜との密着性を高める性質を有する金属で形成され、前記表層膜は、前記下地膜よりも柔らかい金属で形成されている。
成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端に、下地膜及び表層膜がこの順番に積層された先端金属部材を形成する工程と、
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極に、前記先端金属部材を接触させ、前記導電性ナノチューブを前記電極に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブを前記半導体基板側に残す工程と
を有し、
前記下地膜は、前記導電性ナノチューブと前記表層膜との密着性を高める性質を有する金属で形成され、前記表層膜は、前記下地膜よりも柔らかい金属で形成されている。
表層膜の変形によって、電極と先端金属部材との接触面積を増大させることができる。
10 成長用基板
11 Ti膜
12 Ni膜
15、15a カーボンナノチューブ
20 半導体基板
21 パッド
22 保護膜
23、23A 電極
30 アルゴンプラズマ発生装置
31 アルゴンプラズマ
40 マスク
40A 開口
41a、41b アルミニウム膜
51 導電性材料
55 下地膜
56 表層膜
57 先端金属部材
60、60a、60b 半導体基板
61、61a、61b 多層配線層
62、62a、62b 電極
63、63a 貫通ビアホール
64、64a 絶縁膜
65、65a 垂直接続部材
66 第1の基板
66a 第2の基板
66b 第3の基板
68 メタルマスク
70、70a 金属膜
73 メタルマスク
80a 樹脂
85 先端金属部材
95、95a 垂直接続部材
11 Ti膜
12 Ni膜
15、15a カーボンナノチューブ
20 半導体基板
21 パッド
22 保護膜
23、23A 電極
30 アルゴンプラズマ発生装置
31 アルゴンプラズマ
40 マスク
40A 開口
41a、41b アルミニウム膜
51 導電性材料
55 下地膜
56 表層膜
57 先端金属部材
60、60a、60b 半導体基板
61、61a、61b 多層配線層
62、62a、62b 電極
63、63a 貫通ビアホール
64、64a 絶縁膜
65、65a 垂直接続部材
66 第1の基板
66a 第2の基板
66b 第3の基板
68 メタルマスク
70、70a 金属膜
73 メタルマスク
80a 樹脂
85 先端金属部材
95、95a 垂直接続部材
以下、図面を参照しながら、実施例について説明する。
図1A~図1Eを参照して、実施例1による半導体装置の製造方法について説明する。
図1Aは、多数のカーボンナノチューブ15が林立した成長用基板10の断面図を示す。以下、カーボンナノチューブの成長方法について説明する。
石英ガラス、シリコン等からなる成長用基板10の表面に、Ti膜11を形成し、その上にNi膜12を形成する。アセチレン等の原料ガスを用いた化学気相成長(CVD)により、Ni膜12の表面に、多数のカーボンナノチューブ15を成長させる。一例として、カーボンナノチューブ15の各々の直径は、5nm~10nmであり、分布密度は、5×1010~1×1011本/cm2である。相互に隣り合うカーボンナノチューブ15の間隔は、30nm~100nmである。
図1Bに、カーボンナノチューブを転写すべき半導体基板の断面図を示す。MOSFET等の半導体素子、及び多層配線層が形成された半導体基板20の最表面に、Al等のパッド21が形成されている。パッド21及び半導体基板20の上に、絶縁材料からなる保護膜22が形成されている。保護膜22に複数の開口が形成されており、各開口の底面にパッド21が露出する。開口内に露出したパッド21の上に、Al等の電極23が形成されている。電極23は、開口の外周線よりもやや外側の保護膜22の上面まで広がっている。
図1Cに示すように、半導体基板20と成長用基板10とを真空チャンバ内に配置し、電極23を、カーボンナノチューブ15に、例えば約15cmの間隔を隔てて対向させる。真空チャンバ内に、アルゴンプラズマ発生装置30が装填されている。アルゴンプラズマ発生装置30から、成長用基板10の表面に林立しているカーボンナノチューブ15の先端、及び半導体基板20に形成されている電極23の表面に向けて、アルゴンプラズマ31を照射する。これにより、カーボンナノチューブ15の先端が活性化される。例えば、カーボンナノチューブ15の各々は、通常は端部が閉じた円筒状であるが、アルゴンプラズマを照射することによって、端部が開いた円筒状になる。また、電極23の表面の自然酸化皮膜が除去されて、清浄な表面が露出する。なお、アルゴンプラズマに代えて、アルゴン以外の希ガスのプラズマを用いてもよい。
図1Dに示すように、アルゴンプラズマの照射後、半導体基板20及び成長用基板10を大気中に取り出すことなく、成長用基板10を半導体基板20に近づけて、カーボンナノチューブ15の先端を、電極23の表面に接触させる。カーボンナノチューブ15の先端が、アルゴンプラズマによって活性化されており、かつ電極23の表面が清浄化されているため、両者の接触箇所において、カーボンナノチューブ15を構成する炭素と、電極23を構成するアルミニウムとが合金化する。これにより、カーボンナノチューブ15が電極23に固定される。
図1Eに示すように、成長用基板10を半導体基板20から離す。電極23に接触していなかったカーボンナノチューブ15は、成長用基板10に固定されたまま半導体基板20から離れる。電極23に固定されたカーボンナノチューブ15は、成長用基板15から剥離され、電極23に固定された状態が維持される。
実施例1では、ペースト状の導電性接着剤を用いないため、カーボンナノチューブ15を電極23に接触させても、接着剤が基板面内に広がることはない。また、半田を溶融させないため、溶融した半田が基板面内に広がることもない。このため、半導体基板20の電極23以外の領域に、カーボンナノチューブ15が接着されてしまうことを防止することができる。
実施例1では、電極23にアルミニウムを用いたが、カーボンナノチューブ15と合金化するその他の金属を用いてもよい。このような金属として、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)等が挙げられる。また、こられの金属を主成分とする合金を用いることも可能である。
図1Dに示した合金化工程においては、カーボンナノチューブ15と電極23とが合金化するのに十分な圧力を加える必要がある。カーボンナノチューブ15と電極23との接続強度が、成長用基板10側のNi膜12とカーボンナノチューブ15との接続強度よりも強くなるように、カーボンナノチューブ15と電極23との接触部を合金化する必要がある。
次に、図2A~図2Fを参照して、実施例2による半導体装置の製造方法について説明する。
図2Aに示した半導体基板20、パッド21、保護膜22、及び電極23は、図1Bに示した実施例1で用いたものと同一である。半導体基板20を真空チャンバ内に配置し、半導体基板20の上に、マスク40を配置する。マスク40には、電極23に整合する開口40Aが形成されている。開口40Aの底面に、電極23が露出する。電極23が形成されていない領域は、マスク40で覆われる。
図2Bに示すように、電極23の表面、及びマスク40の表面に、アルミニウムを蒸着することにより、アルミニウム膜41a及び41bを形成する。なお、アルミニウム膜41a及び41bは、スパッタリングにより形成してもよい。アルミニウム膜41a及び41bの厚さは、例えば1μmとする。電極23と、その表面に堆積したアルミニウム膜41aとが、電極23Aを構成する。
図2Cに示すように、半導体基板20の上方に、カーボンナノチューブ15が林立した成長用基板10を、カーボンナノチューブ15が半導体基板20に対向するように配置する。カーボンナノチューブ15の先端、電極23A、及びアルミニウム膜41bに、アルゴンプラズマ31を照射する。
図2Dに示すように、成長用基板10を半導体基板20に近づけ、カーボンナノチューブ15の先端を、マスク40上のアルミニウム膜41bに接触させる。さらに、成長用基板10を半導体基板20に押し付け、開口40Aが配置されている領域のカーボンナノチューブ15の先端を、電極23Aの表面に接触させる。マスク40上のアルミニウム膜41bに接触しているカーボンナノチューブ15は、弾性変形して撓む。例えば、1mm2の領域に、3~5Nの力を加えることにより、分布密度5×1010~1×1011本/cm2で林立しているカーボンナノチューブを約30%撓ませることができる。ここで、「x%撓む」とは、カーボンナノチューブの基部から先端までの直線距離が、カーボンナノチューブ自体の長さよりもx%短くなるように撓むことを意味する。
カーボンナノチューブ15と電極23Aとの接触部、及びカーボンナノチューブ15とアルミニウム膜41bとの接触部に、炭素とアルミニウムの合金が形成される。これにより、電極23Aに接触しているカーボンナノチューブ15が、電極23Aに固定される。また、マスク40上のアルミニウム膜41bに接触しているカーボンナノチューブ15は、マスク40に固定される。
図2Eに示すように、成長用基板10を半導体基板10に押し付けている力を解放する。撓んでいるカーボンナノチューブ15の復元力により、成長用基板10が半導体基板20から浮き上がる。このとき、電極23Aに固定されているカーボンナノチューブ15が、成長用基板10から引き離され、半導体基板20側に残る(転写される)。
図2Fに示すように、成長用基板10を半導体基板20から離す。マスク40がカーボンナノチューブ15を介して成長用基板10に接続されているため、マスク40も、成長用基板10と共に半導体基板20から離される。
実施例2においても、実施例1と同様に、半導体基板20の電極23A以外の不要な領域に、カーボンナノチューブ15が接着されてしまうことを防止することができる。また、実施例2では、図2Dに示した状態から、成長用基板10を半導体基板20に押し付けていた力を解放するのみで、成長用基板10を半導体基板20から引き離すことができる。このため、電極23Aに固定されたカーボンナノチューブ15を成長用基板10から引き剥がすための力を外部から付与する必要がない。
図2Dに示した状態で、カーボンナノチューブ15の撓み量が少なすぎると、その復元力によって成長用基板10を半導体基板20から引き離すことができなくなる。逆に、カーボンナノチューブ15の撓み量が大きすぎると、成長用基板10に過大な押し付け力を加えなければならなくなる。また、カーボンナノチューブ15の撓みが弾性変形の限界を超えると、復元力を利用することができなくなる。これらを考慮して、カーボンナノチューブ15が10~30%撓むように、カーボンナノチューブ15の長さとマスク40の厚さとを設定することが好ましい。すなわち、マスク40の厚さを、カーボンナノチューブ15の長さの10~30%の範囲内とすることが好ましい。
次に、図3A~図3Fを参照して、実施例3による半導体装置の製造方法について説明する。
図3Aに示した半導体基板20、パッド21、保護膜22、及び電極23は、図1Bに示した実施例1で用いたものと同一である。半導体基板20の上に、マスク40を配置する。マスク40には、電極23に整合する開口40Aが形成されている。開口40Aの底面に、電極23が露出する。電極23が形成されていない領域は、マスク40で覆われる。
図3Bに示すように、開口40A内の電極23上にペースト状の導電性材料51を堆積させる。導電性材料51には、銀ペースト等の導電性樹脂や、半田ペースト等を用いることができる。導電性材料51は、スキージを用いたスクリーン印刷法により堆積させることができる。
図3Cに示すように、表面上にカーボンナノチューブ15が林立した成長用基板10を半導体基板20に対向させる。カーボンナノチューブ15の先端がマスク40に接触した後、成長用基板10を半導体基板20に押し付ける。マスク40に接触しているカーボンナノチューブ15が撓み、開口40Aが形成されている領域のカーボンナノチューブ15の先端が、ペースト状の導電性材料51内に侵入する。このとき、導電性材料51が開口40Aから溢れないように、導電性材料51の堆積量が調整されている。
この状態で半導体基板20を加熱することにより、導電性材料51を硬化させる。加熱温度は、導電性材料51のバインダ樹脂に依存する。例えば、エポキシ系樹脂を用いている場合には、加熱温度を150~200℃とし、ポリイミド系樹脂を用いている場合には、加熱温度を200~250℃とする。導電性材料51が硬化することにより、カーボンナノチューブ15が電極23に固定される。マスク40には、この加熱温度に耐えることができる程度の耐熱性を持つ材料が用いられる。
図3Dに示すように、成長用基板10を半導体基板20に押し付けている力を解放する。撓んでいたカーボンナノチューブ15の復元力により、成長用基板10が半導体基板20から浮き上がる。このとき、電極23に固定されているカーボンナノチューブ15が、成長用基板10から剥離され、半導体基板20側に残る(転写される)。
図3Eに示すように、成長用基板10を半導体基板20から離す。電極23に固定されているカーボンナノチューブ15は、既に成長用基板10から引き剥がされているため、成長用基板10を半導体基板20から容易に離すことができる。図3Fに示すように、マスク40を半導体基板20から離す。
実施例3では、図3Cに示したように、ペースト状の導電性材料51がマスク40に形成された開口40A内に装填されている。このため、導電性材料51が基板面内の電極23が形成されていない領域まで広がることを防止することができる。
マスク40に、炭素と化合物を生成する材料を用いると、図3Cに示した工程において、カーボンナノチューブ15がマスク40に固定されることが懸念される。マスク40に、炭素と化合物を生成しない材料を用いることにより、図3Eに示した工程において、成長用基板10をマスク40から容易に引き離すことができる。また、マスク40の厚さは、実施例2の場合と同様に、カーボンナノチューブ15の長さの10~30%の範囲内とすることが好ましい。
図4A~図4Qを参照して、実施例4による半導体装置の製造方法について説明する。
図4Aに示す成長用基板10、Ti膜11、Ni膜12、及びカーボンナノチューブ15は、実施例1で用いた図1Aのものと同一の構成である。カーボンナノチューブ15の先端に、例えばスパッタリングにより下地金属及び表層金属を順番に付着させる。
図4Bに、カーボンナノチューブ15の先端の拡大断面図を示す。カーボンナノチューブ15の先端に、先端金属部材57が付着している。先端金属部材57は、カーボンナノチューブ15の先端の表面を覆う下地膜55と、その表面を覆う表層膜56の2層で構成される。なお、図4Cに示すように、下地膜55は、カーボンナノチューブ15の先端の表面を連続的に被覆することなく、離散的に分布する場合もある。このとき、表層膜56は、離散的に分布している下地膜55の各々の表面に付着する。
下地膜55には、カーボンと合金を形成する金属、例えばTi、W、Cr等が用いられる。表層膜56には、下地膜55の金属よりも柔らかい金属、例えばAl、Au等が用いられる。一例として、カーボンナノチューブ15の太さは5~10nmであり、下地膜55及び表層膜56の各々の厚さは、カーボンナノチューブ15の直径の約半分である。
カーボンナノチューブ15の間隔が30nm~100nm程度であるため、相互に隣り合うカーボンナノチューブ15の先端に付着している先端金属部材57同士が連続して1枚の膜を構成することはない。
下地膜55及び表層膜56の成膜時に、スパッタリングのターゲットに対して、成長用基板10を傾けてもよい。成長用基板10を傾けると、付着すべき金属原子がカーボンナノチューブ15の根元まで到達しにくくなる。これにより、カーボンナノチューブ15の先端に、効果的に金属を付着させることができる。また、スパッタリング時に、成長用基板10を、その表面に沿って自転させてもよい。成長用基板10を自転させることにより、先端金属部材57が一方向に偏って付着することを防止できる。
図4Dに、カーボンナノチューブを接着させる電極が設けられた第1の基板66の断面図を示す。半導体基板60の表面に、MOSFET等の電子回路素子が形成されている。電子回路素子が形成された表面の上に、多層配線層61が形成されている。多層配線層61の上に、複数の電極62が形成されている。半導体基板60の裏側の表面から、半導体基板60及び多層配線層61を貫通して表側の電極62の底面に達する貫通ビアホール63が形成されている。
貫通ビアホール63の側面、及び半導体基板60の裏側の表面に、絶縁膜64が形成されている。貫通ビアホール63内に、垂直接続部材65が充填されている。垂直接続部材65は、表側の電極62に接続される。このように、半導体基板60の裏側の表面から、表側の電極62まで達する垂直接続部材65を含む基板の作製方法は、例えば国際公開公報WO2004/064159に開示されている。
図4Eに示すように、第1の基板66の裏側の表面に、第1のメタルマスク68を配置する。第1のメタルマスク68には、垂直接続部材65に対応する開口が設けられている。第1のメタルマスク68の開口内に露出している垂直接続部材65の表面に、アルミニウム等の金属膜70を、スパッタリング、蒸着等により形成する。金属膜70の厚さは、例えば1~2μmである。第1のメタルマスク68の表面にも、金属膜70が付着する。
図4Fに示すように、第1のメタルマスク68を第1の基板66から取り外す。垂直接続部材65の表面には、金属膜70が残る。
図4Gに示すように、第1の基板66の裏側の表面に、第2のメタルマスク73を配置する。第2のメタルマスク73には、図4Eに示した第1のメタルマスク68と同様に、垂直接続部材65に対応する開口が設けられている。図4Aに示した成長用基板10のカーボンナノチューブ15が林立する面と、第1の基板66の裏側の表面とが対向するように、第1の基板66と成長用基板10とを、相互に間隔を隔てて配置する。両者の対向する表面にArプラズマ31を照射する。これにより、金属膜70の表面、及び先端金属部材57の表面の金属酸化物や汚染物が除去され、金属表面が活性化する。
図4Hに示すように、成長用基板10を第1の基板66に近づけ、カーボンナノチューブ15の先端の先端金属部材57をメタルマスク73に接触させる。さらに、カーボンナノチューブ15が撓むまで加圧し、先端金属部材57を金属膜70に接触させる。この状態で、第1の基板66を300℃程度まで加熱する。これにより、先端金属部材57の表層膜56が、金属膜70に接合される。
相互に隣り合うカーボンナノチューブ15の先端に付着した先端金属部材57同士が、相互に連続して膜状になると、カーボンナノチューブ15が第2のメタルマスク73の開口内に侵入し難くなる。先端金属部材57を金属膜70に接触させるために、先端金属部材57を、相互に隣り合うカーボンナノチューブ15に付着した先端金属部材57同士が連続しない程度の薄さにすることが好ましい。
図4Iに示すように、カーボンナノチューブ15の先端の表層膜56が、圧力及び熱により、金属膜70の表面に倣うように変形し、表層膜56と金属膜70との接触面積が増大する。図4Jに示すように、先端金属部材57が離散的に付着している場合でも、金属膜70に接触した部分の表層膜56が変形することにより、金属膜70と表層膜56との接触面積が増大する。
カーボンナノチューブ15は、巨視的には湾曲等の変形が生じやすいが、微視的には変形しにくい。このため、カーボンナノチューブ15が金属膜70に直接接触する場合には、両者の接触は、ほぼ点接触となる。実施例4において、表層膜56と金属膜70との接触面積が増大することにより、カーボンナノチューブ15が金属膜70に、より強固に固定される。
図4Kに示すように、成長用基板10を第1の基板66から引き離す。先端金属部材57が金属膜70に接触していたカーボンナノチューブ15は、成長用基板10から脱離し、半導体基板70側に固定(転写)される。転写されたカーボンナノチューブ15の先端(成長用基板10に付着していた端部)は、カーボンが露出した状態になる。先端金属部材57がメタルマスク73に接触していたカーボンナノチューブ15は、成長用基板10に残ったままである。
図4Lに示すように、第1の基板66に転写されたカーボンナノチューブ15の先端に、先端金属部材85を付着させる。先端金属部材85は、図4Iまたは図4Jに示した先端金属部材57と同様に、下地膜と表層膜との2層構造を有する。下地膜と表層膜の材料は、先端金属部材57のものと同じである。
図4Mに示すように、第1の基板66に接続すべき第2の基板66aを準備する。第2の基板66aは、図4Dに示した第1の基板66と同様に、半導体基板60a、多層配線層61a、電極62a、貫通ビアホール63a、絶縁膜64a、及び垂直接続部材65aを含む。電極62aは、例えばアルミニウムで形成される。
図4Nに示すように、第1の基板66の裏側の表面と、第2の基板66aの表側の表面とが対向するように、両者を間隔を隔てて配置する。第1の基板66と第2の基板66aとの相互に対向する面に、Arプラズマ31を照射する。これにより、先端金属部材85の表面、及び電極62aの表面の活性化が行われる。
図4Oに示すように、第1の基板66と第2の基板66aとを近づけて、カーボンナノチューブ15の先端金属部材85を電極62aに接触させる。圧力及び熱を加えることにより、先端金属部材85を電極62aに接合させる。第1の基板66と第2の基板66aとの間隔は、例えば10μm~50μm程度である。
図4Pに示すように、第2の基板66aの裏側の表面に、第3の基板66bを接続する。第3の基板66bの表側の面には、電極62bが形成され、第2の基板66aの裏側の表面には、金属膜70aが形成されている。両者が、カーボンナノチューブ15aにより、機械的及び電気的に接続される。第3の基板66bの接続には、第1の基板66に第2の基板66aを接続する方法と同じ方法が適用される。
図4Qに示すように、第1の基板66と第2の基板66aとの間、及び第2の基板66aと第3の基板66bとの間に、それぞれ樹脂80a及び80bを充填する。充填される樹脂80a及び80bには、例えばエポキシ、シアネートエステル、ベンゾシクロブテン等が用いられる。これらの樹脂の充填は、例えば、3次元実装された基板を、減圧下で樹脂溶液中に浸漬させ、その後常圧に戻すことにより行われる。
上記実施例4で示した第1の基板66及び第2の基板66aにおいては、垂直接続部材65、65aが、半導体基板60、60aの裏側の表面から、多層配線層61、61aを貫通して、表側の電極62、62aまで達している。基板の表側の電極と裏側の電極とを電気的に接続する構造として、他の構造を有する基板を用いることも可能である。
図5に、基板の表側の電極と裏側の電極とを他の構造で電気的に接続した基板を3次元実装した例を示す。垂直接続部材95、95aは、半導体基板60、60aを貫通するが、多層配線層61、61aは貫通しない。垂直接続部材95、95aは、多層配線層61、61a内の配線、プラグ等を介して、表側の電極62、62aに接続される。垂直接続部材95、95aの裏側の表面には、金属膜70、70aが形成されている。このような垂直接続部材95、95aは、例えば表側の表面に開口を持つ有低の凹部内に導電部材を充填した後、裏側の表面から、導電部材が露出するまで化学機械研磨を行うことにより形成される(例えば、国際公開公報WO2005/119776、特開平11-261001号公報等)。
実施例4においては、図4I及び図4Jに示したように、先端金属部材57が変形することによって、カーボンナノチューブ15と金属膜70との機械的な接合強度が高まるとともに、電気的な接触抵抗が低下する。
次に、先端金属部材57の下地膜55及び表層膜56に用いられる好ましい材料について説明する。下地膜55には、表層膜56とカーボンナノチューブ15との密着性を高めることができる金属を用いることが好ましい。このような金属として、カーボンと合金を形成する金属、例えばTi、W、Cr等が挙げられる。表層膜56には、接合すべき電極との接触面を増大するために、下地膜55に用いられている金属よりも柔らかい金属を用いることが好ましい。また、Cuと同一か、またはCuよりも柔らかい金属を用いることが、より好ましい。このような金属として、Al、Au等が挙げられる。また、酸化され難いという点で、Auがより好ましい。
実施例4では、図4Gに示したように、金属膜70を形成し、先端金属部材57を付着させた後、Arプラズマによって、両者の表面を活性化した。金属膜70の成膜後、及び先端金属部材57を付着させた後、真空雰囲気を維持したまま両者を接合させる場合には、Arプラズマによる処理を行わなくてもよい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
Claims (10)
- 半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極と、成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端とを、希ガスプラズマに晒す工程と、
前記希ガスプラズマに晒された前記導電性ナノチューブの先端を、前記電極に接触させ、該導電性ナノチューブを該電極に固定する工程と、
前記成長用基板を、前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブを前記半導体基板側に残す工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記電極を前記希ガスプラズマに晒す前に、前記電極が形成されている表面上に、該電極に対応する開口が形成されたマスクを配置し、
前記希ガスプラズマに晒す工程において、該マスクの表面と、該マスクの開口内に露出している該電極の表面とを前記希ガスプラズマに晒し、
前記導電性ナノチューブを固定する工程において、前記マスクの開口が配置されている領域の前記導電性ナノチューブを、該開口を通して前記電極に接触させると共に、前記開口が配置されていない領域の前記導電性ナノチューブを、前記マスクに押し付けることによって撓ませ、
前記成長用基板を前記半導体基板から離す工程が、前記マスクを前記半導体基板から離す工程を含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記マスクの厚さが、前記導電性ナノチューブの長さの10~30%の範囲内である請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導電性ナノチューブと前記電極との接触部分において、前記導電性ナノチューブの材料と前記電極の材料とを合金化することにより、該導電性ナノチューブを該電極に固定する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導電性ナノチューブの先端を希ガスプラズマに晒す前に、該導電性ナノチューブの先端に、下地膜及び表層膜がこの順番に積層された先端金属部材を形成する工程を有し、
前記下地膜は、前記導電性ナノチューブと前記表層膜との密着性を高める性質を有する金属で形成され、前記表層膜は、前記下地膜よりも柔らかい金属で形成されており、
前記希ガスプラズマに晒す工程において、前記先端金属部材が前記希ガスプラズマに晒される請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記下地膜及び前記表層膜は、ターゲットに対して前記成長用基板を傾けた状態でスパッタリングにより形成する請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成長用基板を自転させながら、スパッタリングにより前記下地膜及び前記表層膜を形成する請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
- 表面の一部の領域に電極が形成されている半導体基板の該表面上に、該電極に対応する開口が形成されたマスクを配置する工程と、
前記マスクの開口の底面に露出した前記電極の上に、導電性材料を堆積させる工程と、
表面に複数の導電性ナノチューブが林立した成長用基板を、前記半導体基板に対向させ、前記マスクの開口が配置されている領域の前記導電性ナノチューブを、該開口内に堆積している前記導電性材料に接触させると共に、該開口が配置されていない領域の前記導電性ナノチューブを前記マスクに押し付けて撓ませる工程と、
前記導電性材料に接触している前記導電性ナノチューブを、該導電性材料に固定する工程と、
前記成長用基板を前記半導体基板から離し、前記導電性材料に固定された導電性ナノチューブを前記半導体基板側に残す工程と、
前記マスクを前記半導体基板から離す工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記導電性材料が導電性ペーストまたは半田ペーストである請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 成長用基板の表面に林立した複数の導電性ナノチューブの先端に、下地膜及び表層膜がこの順番に積層された先端金属部材を形成する工程と、
半導体基板の表面の一部の領域に形成されている電極に、前記先端金属部材を接触させ、前記導電性ナノチューブを前記電極に固定する工程と、
前記成長用基板を前記半導体基板から離し、前記電極に固定された導電性ナノチューブを前記半導体基板側に残す工程と
を有し、
前記下地膜は、前記導電性ナノチューブと前記表層膜との密着性を高める性質を有する金属で形成され、前記表層膜は、前記下地膜よりも柔らかい金属で形成されている半導体装置の製造方法。
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