填充用基材及使用了該基材的填充方法
2023-05-30 23:46:16
專利名稱：填充用基材及使用了該基材的填充方法
技術領域：
本發明涉及用於在微細空間內填充金屬或合金的導體的填充用基材及使用了該基材的填充方法。
背景技術：
在各種規模的集成電路、各種半導體元件或者其晶片等電子設備中，作為實現三維電路配置的方法，提出了在電路基板上設置多個貫通電極再將該電路基板層疊的 TSV (Through-Silicon-Via:矽通孔)技術。如果使用TSV技術，則可將大量的功能裝入到小的佔有面積中。並且，由於元件之間的重要的電路徑顯著變短，所以有助於處理的高速化。作為TSV技術中不可缺少的貫通電極形成技術，在日本特開2002-237468號公報、日本特開2002-368082號公報中公開了熔融金屬填充法。在採用上述熔融金屬填充法對已經形成有半導體電路要素的半導體晶片或晶片形成貫通電極的情況下(後通孔(via last))，必須避免因熔融熱導致的半導體電路要素的熱劣化、晶片上附帶的有機物的熱劣化。為了避免該熱劣化，作為構成貫通電極的金屬材料，不得不使用具有約200°C以下的熔點的金屬材料。另一方面，為了實現三維電路配置，需要將多枚應用TSV技術而得到的晶片層疊， 並且在300°C以上的氣氛中進行接合。然而，構成貫通電極的金屬材料的熔點為200°C以下，但晶片的層疊接合時的熱處理溫度為約300°C以上，因此在晶片的接合工序中，貫通電極有可能熔融。
發明內容
本發明的課題在於提供一種填充時的熔融溫度低、並且在凝固後可確保高熔點的填充用基材及使用了該基材的填充方法。本發明的另一課題在於提供一種操作性優異的填充用基材及使用了該基材的填充方法。為了解決上述課題，本發明的填充用基材包含支撐基體和金屬層。上述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，且被設置於上述支撐基體的一面上。上述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點低的溫度下熔融的膜厚。上述第2金屬層是由其熔點比上述第1金屬層的上述熔點低的金屬粒子集合而成的。已知大部分的金屬粒子中，粒徑越小，越能在比熔點低的溫度下熔化。在本說明書中，將該微細化所產生的熔點降低的效果稱為微細尺寸效果。將粒徑置換成膜厚，也可以獲得該微細尺寸效果。即，如果減小金屬層的膜厚，則產生能夠在比其熔點低的溫度下熔化的微細尺寸效果。本發明中，上述第1金屬層是納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點低的溫度下熔融的膜厚。即，第1金屬層的納米金屬粒子或膜厚處於產生微細尺寸效果的區域。因此，可獲得微細尺寸效果所帶來的熔點降低效果。
將金屬層的粒 徑(膜厚)減小到原子的德布羅意波長(幾nm 20nm)左右時， 產生量子尺寸效果。通過量子尺寸效果，能夠使作為高熔點金屬材料的第1金屬層在例如 2500C以下、優選在200°C以下、進一步優選在180°C以下的溫度下熔融。本發明的填充用基材除了包含第1金屬層21以外，還包含第2金屬層。上述第2 金屬層由其熔點比上述第1金屬層的上述熔點低的金屬粒子集合而成。即，由低熔點金屬材料構成。為了使用本發明的填充用基材向設置於基板中的微細空間內填充金屬並使其固化，將上述填充用基材的上述一面側重合到上述微細空間開口的上述基板的一面上，接著對上述填充用基材進行加熱並且加壓，將上述金屬層的熔融物填充到上述微細空間內。在上述的加熱、加壓工序中，第1金屬層雖然在材料上為高熔點，但通過微細尺寸效果或量子尺寸效果，在比其熔點低的溫度下熔融，第2金屬層受到該第1金屬層的熔融熱而熔融，被加壓填充到微細空間內。因此，能夠在不會對已經形成的半導體電路要素、附帶的有機物產生熱劣化的低溫下熔融，並填充到微細空間內。並且，在凝固後，由於可以確保第1金屬層所具有的高熔點所帶來的耐熱性，所以微細孔內的金屬導體不會因晶片的層疊、接合時的熱而發生熔接。此外，本發明的填充用基材由於在支撐基體的至少一面上具有金屬層，所以與僅由金屬形成的金屬片不同，可以獲得支撐基體所帶來的強度補強作用。因此，在向設置於基板中的微細空間內填充金屬時，變得容易操作，作業性相應地變好。進而，對於金屬層，可以獲得支撐基體所帶來的強度補強作用，所以能夠避免金屬層的破損、損傷。構成填充用基材的支撐基體在填充到微細空間內的金屬的金屬導體固化後剝離。 因此，事後處理作業也非常簡單。優選在使金屬層的熔融物流入到上述微細空間內之後，維持加壓直至固化。由此， 可以抑制由熱收縮導致的填充金屬導體的變形。另外，本發明中，「金屬」是指由單一金屬元素形成的物質、以及它們的合金。合金包括固溶體、共晶及金屬間化合物。通過下面的詳細說明和所附的以圖解形式給出的附圖可以更好地理解本發明，但其並不限定本發明。
圖1是表示本發明的填充用基材的一部分的截面圖。圖2是表示本發明的填充方法的工序的圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的填充用基材在支撐基體1的至少一面上具有金屬層2。支撐基體1是具有1 200 μ m左右的厚度的膜或片狀，可以由玻璃或耐熱性合成樹脂膜構成。作為耐熱性合成樹脂膜，優選短期的耐熱性為200°C以上、長期的耐熱性為150°C以上的合成樹脂膜。這種耐熱性合成樹脂膜已經在市場上銷售。
金屬層2包含第1金屬層21和第2金屬層22。第1金屬層21及第2金屬層22 被層疊在支撐基體1的一面上。圖示的金屬層具有η多組(η= 1、2、3…)的第1金屬層21 與第2金屬層22的組合。這些第1金屬層21及第2金屬層22可以利用真空蒸鍍、濺射、 離子鍍等薄膜形成技術直接形成於支撐基體1上。圖中是在第1金屬層21上層疊有第2 金屬層22的形態，但也可以相反。第1金屬層21是膜厚處於能夠在比金屬材料原本的熔點低的溫度下熔融的區域、 例如500nm以下、優選為200nm以下、更優選為IOOnm以下的區域的由納米金屬粒子集合而成的金屬層。特別是納米金屬粒子的粒徑為20nm以下時，可發揮量子尺寸效果，所以能夠在從構成材料所具有的熔點大幅降低的較低溫度下、例如250°C以下、優選為200°C以下、 進一步優選為180°C以下熔融。第1金屬層21的膜厚可以通過金屬粒子的粒徑來進行控制。第1金屬層21可以由含有選自過渡元素、Al、Zn或半導體配線導體用金屬的組中的至少1種的材料構成。具體而言，過渡元素為Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、 Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb。此時，例如 Ag 的熔點為 961. 93°C, Cu 的熔點為1083. 4 °C, Au的熔點為1064. 43 °C, Pt的熔點為1769°C，Ti的熔點為1660 °C, Zn的熔點為419. 58°C, Al的熔點為660. 4°C, Ni的熔點為1453°C，W的熔點為3387°C，Mo的熔點為 2623°C。由這樣的高熔點金屬材料構成的第1金屬層21通過量子尺寸效果，能在例如250°C 前後的溫度、優選200°C以下的溫度下熔融。第2金屬層22的熔點比第1金屬層21的熔點低，通過第1金屬層21的熔融熱而熔融。因此，能夠在第1金屬層21熔融的同時，也使第2金屬層22熔融。構成第2金屬層 22的金屬材料的具體例子為選自Sn、IruBi或Ga的組中的至少1種。Sn的熔點為232°C， In的熔點為156. 61°C,Bi的熔點為271. 3°C。從熔融性的觀點出發，優選將第2金屬層22 的膜厚設定為1 μ m 300 μ m的範圍。進而，在將形成於微細空間中的金屬導體與其他金屬導體連接時，為了將有時形成於金屬導體上的氧化膜還原、形成電阻低的接合，金屬層2也可以包含貴金屬層。貴金屬層可以由選自Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru或Os中的至少一種構成。這些元素中，優選包含選自Au、Pt或Pd中的至少一種。接著，參照圖2，對使用了圖1所示的填充用基材的填充方法進行說明。首先，如圖 2(a)所示，在設置於真空腔的內部的支撐具4上設置作為處理對象的基板3。基板3具有沿著其厚度方向延伸的微細空間(縱孔)30。微細空間30必須在基板3的外表面開口，其開口形狀、路徑及數量等是任意的。不必是圖示的貫通孔，也可以是非貫通孔。或者，也可以是不僅在圖示的縱向、而且在與其正交的橫向上延續的複雜形狀。基板3的代表例是半導體設備用晶片，但並不限定於此。本發明可以廣泛地應用 於需要向存在於基板3中的微細空間30內填充金屬並使其固化的情況，例如可以廣泛地應用於在其他電子設備、微型機械等中在內部形成微細的金屬導體填充構造或功能部分的情況。此外，基板3隻要對熔融處理時所施加的熱具有耐熱性即可，金屬、合金、金屬氧化物、陶瓷、玻璃、塑料或它們的複合材、或者它們的層疊體均能沒有區別地廣泛使用。基板3的物性、構造等根據作為對象的設備的種類而不同。例如在半導體設備的情況下，可以使用Si晶片、SiC晶片或SOI晶片等。在無源電子電路設備的情況下，有時採用電介質、磁性體或它們的複合體的形態。在MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory 磁性隨機存儲器)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems :微機電系統)或光設備等的製造中，也可以使用具有符合其要求的物性及構造的晶片。在晶片中，微細空間30 通常被稱為貫通孔、非貫通孔(盲孔)或導通孔(via hole)。該微細空間30的孔徑例如為 60μπι以下。晶片自身的厚度通常為幾十μ m。接著，對真空腔實行抽真空，將真空腔的內壓減壓至例如真空度10-3 左右。不過，該真空度是一個例子，並不限定於此。接著，如圖2(b)所示，將圖1所示的填充用基材5的一面側、即具有金屬層2的一側重合到微細空間30開口的基板3的一面上。本發明的填充用基材由於在支撐基體1的至少一面上具有金屬層2，所以與僅由金屬形成的金屬片不同，可以獲得支撐基體1所帶來的強度補強作用。因此，向設置於基板3中的微細空間30內填充金屬時，變得容易操作，作業性相應變好。接著，如圖2 (c)所示，對填充用基材5進行加熱，並且進行加壓F1，邊使金屬層2 熔融邊壓入到微細空間30內。填充用基材5的加熱、加壓例如可以通過熱壓來實行。圖 2(a) 圖2(c)為止的工序基本上在真空腔的內部的減壓氣氛內實行。由此，熔融金屬4被真空吸入到微細空間30內，熔融金屬201被填充到微細空間30的內部。用於熔融的熱處理溫度例如設定為200 300°C的範圍。本發明的填充用基材中，第1金屬層21通過膜厚的微細尺寸效果或量子尺寸效果，可以在比熱處理溫度200 300°C低的溫度下熔融。並且，第2金屬層22受到該第1金屬層21的熔融熱而熔融，被加壓填充到微細空間30內。因此，能夠在不對已經形成的半導體電路要素、附帶的有機物產生熱劣化的情況下形成縱導體。加壓Fl可以以使用機械衝壓手段的衝壓壓力的形式來給予，也可以通過碾壓來給予，還可以通過將真空腔內的氣氛氣壓從減壓狀態增壓來給予。加壓Fl的大小可以考慮基板3的機械強度及微細空間30的縱橫比等而定。作為一個例子，在基板3為矽晶片的情況下，加壓Fl優選在超過大氣壓且為^gf/cm2以下的範圍內設定。基板3的機械強度及微細空間30的縱橫比較大時，可以施加更高的壓力。在增加真空腔的內部的氣壓的情況下，優選向真空腔內供給隊氣等不活潑性氣體，防止熔融金屬材料的氧化，並增加其氣壓。進而，也可以進行利用了超聲波振動的填充、利用了磁力的填充。在超聲波振動填充中，可以考慮對基板3給予超聲波振動、或對衝壓手段給予超聲波振動。接著，將微細空間30內的熔融金屬201在加壓Fl的狀態下進入到使其冷卻固化的固化工序。由此，如圖2(d)所示，可以獲得金屬導體(縱導體)202。在凝固後，可以確保由第1金屬層21具有的高熔點所帶來的耐熱性，所以金屬導體202不會因晶片的層疊、接合時的熱而發生熔解。加壓Fl基本上連續地施加至固化結束，但也可以在固化進行一定程度的階段停止。加壓冷卻基本上是在室溫下的慢慢冷卻，但可以設定比室溫低的溫度條件，根據情況， 也可以設定比室溫高的溫度條件。進而，也可以採取隨著時間的經過連續地或階段性地降低溫度的冷卻方法。
固化工序中的加壓可以與流入工序中的加壓工序獨立地實行，也可以以連續的關係來實行。在以連續的關係來實行的情況下，兩個加壓工序被合併作為一個加壓工序。其典型例子是將真空腔內的氣壓增壓至超過大氣壓的程度的情況。如圖2(e)所示，構成填充用基材5的支撐基體1在獲得在微細空間30內固化的金屬導體202後剝離。如圖2(e)所示，在開口面上殘留有金屬薄膜203的情況下，可以採取將開口面上的金屬薄膜203再熔融、並擦去再熔融的金屬薄膜203的工序。不過，由於該後工序是為了除去金屬薄膜202、將基板3的一面平坦化而進行的， 所以在無需平坦化的情況下，也可以省略。此外，也可以採用光刻法等細圖案形成技術對金屬薄膜203進行圖案化另外，上述的各工序沒有必要全部在真空腔內實行。固化工序、後工序也可以在真空腔的外部實行。本發明的填充用基材及填充方法能廣泛地應用於三維配置的電子設備及用於其的電路基板的實現。更具體而言，是系統LSI、存儲器LSI、圖像傳感器或MEMS等。可以是包含模擬或數字電路、如DRAM那樣的儲存器電路、如CPU那樣的邏輯電路等的電子設備，也可以是將模擬高頻電路和低頻低耗電的電路這樣不同種類的電路通過各自的工藝製作、並將它們層疊而成的電子設備。更具體而言，可以包括傳感器模塊、光電模塊、單極電晶體、MOS FET、CM0S FET、存儲單元、或者它們的集成電路部件(IC)、或各種規格的LSI等凡是以電子電路作為功能要素的幾乎所有的電子設備。雖然已就本發明的優選實施方式進行了詳細描述，但應該理解的是，在不脫離其精神、範圍和發明啟示的情況下，本領域技術人員可以作出各種變更。
權利要求
1.一種填充用基材，其包含支撐基體和金屬層，所述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，並被設置於所述支撐基體的一面上，所述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點低的溫度下熔融的膜厚，所述第2金屬層是由其熔點比所述第1金屬層的所述熔點低的金屬粒子集合而成的。
2.根據權利要求1所述的填充用基材，其具有多組所述第1金屬層與所述第2金屬層的組合。
3.根據權利要求1所述的填充用基材，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自 Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、 Si、Ga、Sn、IruBi或用於半導體的配線導體的金屬的組中的至少1種。
4.根據權利要求2所述的填充用基材，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自 Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、 Si、Ga、Sn、IruBi或用於半導體的配線導體的金屬的組中的至少1種。
5.一種使用填充用基材向設置於基板中的微細空間內填充金屬並使其固化的方法，所述填充用基材包含支撐基體和金屬層，所述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，並被設置於所述支撐基體的一面上，所述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點低的溫度下熔融的膜厚，所述第2金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有一定的膜厚，並具有比所述第1金屬層的所述熔點低的熔點，該方法包括以下工序將所述填充用基材的所述一面側重合到所述微細空間開口的所述基板的一面上，對所述填充用基材進行加熱並且加壓，將所述金屬層的熔融物填充到所述微細空間內。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述填充用基材具有多組所述第1金屬層與所述第2金屬層的組合。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自Ag、 Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、Zn、Ga、 Sn、IruBi或用於半導體的配線導體的金屬的組中的至少1種。
8.根據權利要求5所述的方法，其中，將所述金屬層的熔融物填充到所述微細空間內後，維持所述加壓直至固化。
全文摘要
本發明提供一種填充時的熔融溫度低、在凝固後可確保高熔點、並且作業操作性優異的填充用基材及使用了該基材的填充方法。填充用基材構成為將包含第1金屬層和第2金屬層的金屬層設置在支撐基體的一面上而成的構造。第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點低的溫度下熔融的膜厚。第2金屬層是由其熔點比第1金屬層的熔點低的金屬粒子集合而成的。將填充用基材的一面側重合到微細空間開口的基板的一面上。然後，對填充用基材進行加熱並且加壓，將金屬層的熔融物填充到微細空間內。
文檔編號H01L23/532GK102237325SQ20111010043
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月22日
發明者關根由莉奈, 關根重信, 桑名良治 申請人:納普拉有限公司