(57)【要約】【課題】電極部を平坦化することを必要とせずに良好に接合することができる基板を提供する。【解決手段】所定の厚さを有する基材１５と、基材の厚さ方向Ｄの一方の面１５ａに形成された電極部２０とを備える基板１０であって、電極部は、基材の一方の面から突出するように形成され、導電性の第一の結晶粒２１ａを有する第一のバンプ２１と、第一のバンプに積層して形成され、導電性の第二の結晶粒２２ａを有する第二のバンプ２２とを備え、第一の結晶粒の結晶粒径は、第二の結晶粒の結晶粒径よりも大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚さを有する基材と、前記基材の厚さ方向の一方の面に形成された電極部とを備える基板であって、
前記電極部は、
前記基材の一方の面から突出するように形成され、導電性の第一の結晶粒を有する第一のバンプと、
前記第一のバンプに積層して形成され、導電性の第二の結晶粒を有する第二のバンプと、
を備え、
前記第一の結晶粒の結晶粒径は、前記第二の結晶粒の結晶粒径よりも大きいことを特徴とする基板。
【請求項２】
前記第一のバンプの前記第一の結晶粒は、熱処理をして結晶粒径が大きく形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記熱処理は焼鈍しであることを特徴とする請求項２に記載の基板。
【請求項４】
前記基材は、シリコン、化合物半導体、樹脂、セラミックス、ガラスのいずれか１つで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項５】
前記基材に設けられ、前記電極部と接続された配線を備えることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項６】
前記第一のバンプおよび前記第二のバンプは、金、銅、ニッケル、錫、アルミニウム、鉛、およびインジウムのいずれか１つで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項７】
前記第一のバンプおよび前記第二のバンプは、金、銅、ニッケル、錫、アルミニウム、鉛、およびインジウムのいずれか１つを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項８】
前記第一のバンプと前記第二のバンプとは、同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項９】
前記第二のバンプは、前記第一のバンプにメッキ処理をすることで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項１０】
前記第一のバンプと前記第二のバンプとは、電気メッキ方法および無電解メッキ方法のうちの互いに異なる方法で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項１１】
前記第一のバンプと前記第二のバンプとは、電気メッキ方法および無電解メッキ方法のうちの互いに同一の方法で形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項１２】
前記第一のバンプは、前記熱処理をする前に真空蒸着または印刷で形成されてなることを特徴とする請求項２に記載の基板。
【請求項１３】
複数の基板を積層して、前記複数の基板同士を電気的に接続した半導体装置であって、
前記複数の基板のうちの少なくとも１つは請求項１に記載の基板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の基板を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
所定の厚さを有する基材の厚さ方向の一方の面に電極部を形成した基板を製造する基板の製造方法であって、
前記基材の一方の面から突出するように導電性の第一の結晶粒を有する第一のバンプを形成し、
導電性の第二の結晶粒を有する第二のバンプを前記第一のバンプに積層して形成し、
前記第一の結晶粒の結晶粒径は、前記第二の結晶粒の結晶粒径よりも大きいことを特徴とする基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、より詳しくは、基板上に多数の電極部が突出して形成された基板、これを用いた半導体装置、撮像装置、および基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
システムの高機能化・小型化のために、より小型で高性能な半導体装置が要請され、電極として機能する微小なバンプが多数形成されたウエハ（基板）同士を接合する「シリコンウエハ直接接合」という手法が検討されている。このシリコンウエハ直接接合は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスなどに用いられている。
【０００３】
シリコンウエハ直接接合において、バンプ同士を電気的に接続するためには、ウエハに荷重をかける必要があるが、必要な荷重はバンプの数とともに増加する。例えば、８インチ（２３．２ｃｍ）のウエハ全面に径が１０μｍ程度のバンプが形成された場合、バンプの数は数億個になり、接合に必要な荷重は数トンになる。
ここで、バンプの高さにバラつきがあると、まず高く形成されたバンプに荷重が集中することになり、このバンプへのダメージが懸念される。このため、接合荷重の低減を図るために、バンプの上面を研削や化学機械研磨（ＣＭＰ）などにより平坦化することも検討されているが、数億個以上のバンプを均一にダメージなく平坦化することは容易ではなく、納期やコストの面でも問題がある。
【０００４】
この問題に関連して、特許文献１には、押し付け装置を用いてバンプの上面に微小な凹凸を設ける方法が開示されている。形成された微小な凹凸はバンプの高さバラつきを吸収する潰れ代となり、接合に必要な荷重が低下されるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６７３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、押し付けによりバンプの結晶組織が塑性変形し、ウエハ同士が接合しにくくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、電極部を平坦化することを必要とせずに良好に接合することができる基板、およびこの基板を備える半導体装置、撮像装置、そして、基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の基板は、所定の厚さを有する基材と、前記基材の厚さ方向の一方の面に形成された電極部とを備える基板であって、前記電極部は、前記基材の一方の面から突出するように形成され、導電性の第一の結晶粒を有する第一のバンプと、前記第一のバンプに積層して形成され、導電性の第二の結晶粒を有する第二のバンプと、を備え、前記第一の結晶粒の結晶粒径は、前記第二の結晶粒の結晶粒径よりも大きいことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の基板の製造方法は、所定の厚さを有する基材の厚さ方向の一方の面に電極部を形成した基板を製造する基板の製造方法であって、前記基材の一方の面から突出するように導電性の第一の結晶粒を有する第一のバンプを形成し、導電性の第二の結晶粒を有する第二のバンプを前記第一のバンプに積層して形成し、前記第一の結晶粒の結晶粒径は、前記第二の結晶粒の結晶粒径よりも大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の基板、半導体装置、撮像装置および基板の製造方法によれば、バンプを平坦化することを必要とせずに良好に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の基板の上面図である。
【図２】同基板の側面の断面図である。
【図３】同基板の製造方法の一例における一過程を示す図である。
【図４】同基板の製造方法の一例における一過程を示す図である。
【図５】同基板の製造方法の一例における一過程を示す図である。
【図６】同基板および第二の基板を有する半導体装置の側面の断面図である。
【図７】同半導体装置の製造方法の一例における一過程を示す図である。
【図８】同半導体装置から形成した固体撮像装置を備える撮像装置のブロック図である。
【図９】同半導体装置の製造方法の変形例における一過程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る半導体装置の一実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態の基板１０は、所定の厚さを有するシート状に形成された基材１５と、基材１５の厚さ方向Ｄの一方の面１５ａに形成された複数の電極部２０とを有している。
【００１３】
基材１５は、シリコン、化合物半導体などの半導体、または、樹脂、セラミックス、ガラスなどの絶縁体で形成することができる。化合物半導体とは、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの２つ以上の原子がイオン結合により結合してできる半導体のことを意味する。
本実施形態では、基材１５はシリコンウエハで形成されている
【００１４】
各電極部２０は、略円柱状に形成されている。電極部２０は、基材１５の一方の面１５ａから突出するように形成された第一のバンプ２１と、第一のバンプ２１に積層して形成された第二のバンプ２２とを備えている。
第一のバンプ２１は、後で詳しく述べるように電気メッキ方法で形成されたバンプ２５（熱処理をする前の第一のバンプ２１。）を焼鈍し（熱処理）して形成したものである。第一のバンプ２１は、複数の第一の結晶粒２１ａを有していて、導電性の金、銅、ニッケル、錫、アルミニウム、鉛、およびインジウムのいずれか１つで形成されている。本実施形態では、第一のバンプ２１は金で形成されている。熱処理をする前の第一のバンプ２１であるバンプ２５は、焼鈍しをすると、バンプ２５を構成する結晶粒の粒径が大きくなり、第一のバンプ２１の第一の結晶粒２１ａが形成される。
本実施形態では、基材１５の一方の面１５ａと第一のバンプ２１との間には、導電性の金属で形成された電極パッド２４が設けられている。電極パッド２４は第一のバンプ２１に電気的に接続されている。電極パッド２４は、第一のバンプ２１を電気メッキ方法で形成する際のシード層としても機能するものである。
【００１５】
第二のバンプ２２は、電気メッキ方法で形成されている。第二のバンプ２２は、複数の第二の結晶粒２２ａを有していて、導電性の金、銅、ニッケル、錫、アルミニウム、鉛、およびインジウムのいずれか１つ、あるいは、金、銅、ニッケル、錫、アルミニウム、鉛、およびインジウムのいずれか１つを主成分とする合金で形成されている。ここで言う主成分とは、元素（金属）を重量比で５０％以上含むことを意味する。
本実施形態では、第二のバンプ２２は金で形成されている。すなわち、第一のバンプ２１と第二のバンプ２２とは、同一の材料で形成されている。第二のバンプ２２は第一のバンプ２１に接触し、第一のバンプ２１と第二のバンプ２２とは金属結合している。
【００１６】
第一の結晶粒２１ａの結晶粒径は、第二の結晶粒２２ａの結晶粒径よりも大きい。言い換えれば、第一の結晶粒２１ａは第二の結晶粒２２ａよりも粗大化している。第一の結晶粒２１ａの結晶粒径は、第二の結晶粒２２ａの結晶粒径よりも２倍以上３倍以下程度大きいことが好ましい。結晶粒２１ａ、２２ａの結晶粒径は、公知の線分法などにより測定することができる。
第二の結晶粒２２ａの結晶粒径が第一の結晶粒２１ａの結晶粒径よりも小さいことで、第二のバンプ２２は第一のバンプ２１よりも硬い（硬度が高い）。
【００１７】
次に、以上のように構成された基板１０の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、電極パッド２４を形成した基材１５の一方の面１５ａ上にレジスト層１０１を形成する。レジスト層１０１に、電極部２０を形成するパターン、すなわち電極パッド２４の位置に応じて複数の開口１０２を形成する。
【００１８】
次に、公知の電気メッキ方法（メッキ処理）により、各開口１０２内にメッキ液に含まれる金を析出させる。レジスト層１０１を除去すると、図４に示すように複数のバンプ２５が形成される。各バンプ２５は複数の結晶粒２５ａを有している。バンプ２５は、基材１５の一方の面１５ａから突出するように形成されている。形成された複数のバンプ２５の上面は、所定の高さバラつき（バンプ２５の上面から一方の面１５ａまでの距離のバラつき。）を有する。
【００１９】
ここで、基材１５を、例えば２００℃程度の炉の中に所定時間入れることなどにより焼鈍しをする。このとき、バンプ２５の結晶粒２５ａが再結晶し、図５に示すように、結晶粒２５ａよりも結晶粒径が大きな第一の結晶粒２１ａを有する第一のバンプ２１が形成される。
第一の結晶粒２１ａの結晶粒径は、結晶粒２５ａの結晶粒径よりも２倍以上３倍以下程度大きいことが好ましい。
結晶粒２５ａの結晶粒径が大きくなることで、バンプ２５の上面の凹凸に比べて第一のバンプ２１の上面の凹凸は大きくなる。
【００２０】
続いて、図２に示すように、各第一のバンプ２１の上面に電気メッキ方法により第二のバンプ２２を形成する。なお、メッキ処理を施す前に、第一のバンプ２１の側面にレジストなどでマスクをしておく。このようにメッキ処理をすることで、メッキ液に含まれる金が第一のバンプ２１の上面に析出し、第二のバンプ２２が形成される。
第二のバンプ２２の第二の結晶粒２２ａの結晶粒径は、前述のバンプ２５の結晶粒２５ａの結晶粒径と同程度の大きさであり、第一のバンプ２１の第一の結晶粒２１ａの結晶粒径よりも小さい。ただし、第二の結晶粒２２ａの結晶粒径が第一の結晶粒２１ａの結晶粒径よりも小さければ、結晶粒２１ａ、２２ａの結晶粒径は、特に限定されない。
形成された複数の電極部２０の上面は、所定の高さバラつきを有する。第二の結晶粒２２ａの結晶粒径がバンプ２５の結晶粒２５ａの結晶粒径と同程度の大きさであるため、第一のバンプ２１の上面の凹凸に比べて第二のバンプ２２の上面の凹凸は小さくなる。
この後で、レジストを除去する工程などを適宜行い、基板１０が完成する。
【００２１】
このように構成された基板１０は、図６に示す公知の第二の基板５０と接合されて、第二の基板５０とともに半導体装置２を構成する。すなわち、半導体装置２は積層された一対の基板１０、５０を有するものである。
第二の基板５０は、第二の基材５５と、第二の基材５５に形成された複数の第二の電極部６０とを有している。
【００２２】
第二の基材５５は、基材１５と同様に形成することができる。第二の電極部６０は、第二のバンプ２２と同様に形成されている。すなわち、第二の電極部６０は第一のバンプ２１よりも硬度が高い。この例では、第二の基材５５と第二の電極部６０との間には、電極パッド２４と同様に構成された電極パッド６１が設けられている。
第二のバンプ２２と第二の電極部６０とは対向するように配置され、第二のバンプ２２と第二の電極部６０とが接合されている。
【００２３】
本半導体装置２の製造方法は、以下のようになる。
前述のように基板１０を製造した後で、図７に示すように、基板１０の第二のバンプ２２と第二の基板５０の第二の電極部６０とを対向させた状態で位置決めする。位置決めには、公知のウエハ接合装置などを用いることができる。なお、接合前に、基材１５、５５の表面および電極部２０、６０をプラズマクリーニングや逆スパッタなどにより清浄化してもよい。
【００２４】
基板１０に対して第二の基板５０を近づけると、対応する電極部２０の第二のバンプ２２と第二の電極部６０との組のうち、距離が最も短い電極部２０Ａと第二の電極部６０Ａとが接触する。
基板１０および第二の基板５０を加熱しつつ加圧する（基板１０と第二の基板５０とを近づけるように押圧する。）と、電極部２０Ａおよび第二の電極部６０Ａには、他の電極部２０および第二の電極部６０に比べて比較的大きい圧縮力が作用する。電極部２０Ａの第一のバンプ２１は、電極部２０Ａの第二のバンプ２２および第二の電極部６０Ａに比べて硬度が低いため、速やかに厚さ方向Ｄに圧縮される。第二のバンプ２２は第一のバンプ２１よりも硬度が高いため、基板１０と第二の基板５０との間に作用する圧縮力が確実に第一のバンプ２１に伝達される。これにより、電極部２０Ａと第二の電極部６０Ａとが接合する。
【００２５】
電極部２０Ａ、第二の電極部６０Ａ以外の電極部２０、第二の電極部６０も、距離に応じて順次接触、圧縮されていく。
対向する電極部２０、第二の電極部６０は、圧縮されることで確実に電気的に接続され、接合される。
以上の工程により、半導体装置２が製造される。
【００２６】
なお、基板１０と第二の基板５０の一方に入射光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を配置し、他方に光電変換素子で生成した信号電荷を処理する処理回路を配置し、半導体装置２を適切な大きさにダイシングすることで、固体撮像装置とすることができる。
【００２７】
次に、図８を用いて上記固体撮像装置５を備える本発明の撮像装置６について説明する。図８は、撮像装置６の概略構成を示したブロック図である。撮像装置６の具体的な例としては、例えば、デジタル一眼カメラ、内視鏡、顕微鏡等を挙げることができる。
撮像装置６は、レンズユニット部２００、固体撮像装置５、画像信号処理装置２１０、記録装置２２０、カメラ制御装置２３０、および表示装置２４０から構成される。
【００２８】
レンズユニット部２００は、カメラ制御装置２３０によってズーム、フォーカス、絞りなどが駆動制御され、被写体の像を固体撮像装置５に結像させる。
固体撮像装置５は、基板１０および第二の基板５０の一方に入射光量に応じた信号電荷を生成する不図示の光電変換素子を配置し、他方に光電変換素子で生成した信号電荷を処理する処理回路を配置した半導体装置２を、適切な大きさにダイシングした固体撮像装置である。固体撮像装置５は、カメラ制御装置２３０によって駆動・制御され、レンズユニット部２００を介して固体撮像装置５内に入射した被写体からの光を電気信号に変換し、入射光量に応じた画像信号を画像信号処理装置２１０に出力する。
【００２９】
画像信号処理装置２１０は、固体撮像装置５から入力された画像信号に対して、信号の増幅、画像データへの変換および各種の補正、画像データの圧縮などの処理を行う。画像信号処理装置２１０は、各処理における画像データの一時記憶手段として図示しないメモリを利用する。
【００３０】
記録装置２２０は、半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体であり、画像データの記録または読み出しを行う。
カメラ制御装置２３０は、撮像装置６の全体の制御を行う制御装置である。
表示装置２４０は、固体撮像装置５に結像され、画像信号処理装置２１０によって処理された画像データ、または記録装置２２０から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。
【００３１】
このように構成された撮像装置６は、被写体の像を画像データとして取得し、取得した画像データを記録装置２２０に記録したり、表示装置２４０に表示したりする。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態の基板１０、半導体装置２、撮像装置６、および基板１０の製造方法によれば、基板１０に対して第二の基板５０を近づけたときに、電極部２０Ａの第二のバンプ２２に第二の電極部６０Ａが接触する。第一の結晶粒２１ａの結晶粒径は第二の結晶粒２２ａの結晶粒径よりも大きいため、第一のバンプ２１は第二のバンプ２２よりも硬度が低い。電極部２０Ａに第二の電極部６０Ａが接触した状態で基板１０および第二の基板５０を加熱しつつ加圧すると、第二のバンプ２２よりも硬度が低い第一のバンプ２１が厚さ方向Ｄに圧縮され、電極部２０Ａと第二の電極部６０Ａとが電気的に接続、接合される。
電極部２０Ａ、第二の電極部６０Ａ以外の電極部２０、第二の電極部６０も、順次圧縮、接続されていく。
複数の電極部２０間には高さバラつきがあるが、第一のバンプ２１がいわゆる「潰れ代」として好適に機能して圧縮されるため、電極部２０を平坦化することを必要とせずに、基板１０と第二の基板５０とを良好に接合することができる。
【００３３】
焼鈍しの熱処理をすることで、第二の結晶粒２２ａの結晶粒径に比べて第一の結晶粒２１ａの結晶粒径を容易に大きくできる。これにより、第一のバンプ２１を第二のバンプ２２よりもさらに硬度を低くすることができる。
バンプ２５、第二のバンプ２２のそれぞれが電気メッキ方法により同一の材料である金で形成されている。このため、バンプ２５、２２を同一のメッキ液を用いて同一のプロセスで形成することができ、基板１０を容易に製造することができる。
また、本実施形態の半導体装置２によれば、基板１０と第二の基板５０を積層し、確実に接合させることができる。
【００３４】
なお、前記実施形態では、基板１０に第二の基板５０を接合する前に、図９に示すように、各電極部２０の第二のバンプ２２の上面の高さが一定になるように平坦化してもよい。第二のバンプ２２の平坦化は、研削や化学機械研磨などにより行うことができる。このように第二のバンプ２２を平坦化することで、基板１０を第二の基板５０により接合しやすくすることができる。
半導体装置２は、本発明の基板１０と公知の第二の基板５０とを積層させて構成されると説明したが、半導体装置２は、本発明の基板１０を一対積層させた状態で構成されてもよい。この場合、一対の基板１０のうち、一方の基板１０の第二のバンプ２２と他方の基板１０の第二のバンプ２２とが接合されることになる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。
例えば、前記実施形態では、バンプ２５、第二のバンプ２２のそれぞれが電気メッキ方法により形成されている、すなわち、バンプ２５と第二のバンプ２２とが互いに同一の方法により形成されているとした。しかし、バンプ２５、２２は、それぞれ無電解メッキ方法で形成されてもよい。また、バンプ２５が電気メッキ方法で形成され、かつ、第二のバンプ２２が無電解メッキ方法で形成されてもよいし、バンプ２５が無電解メッキ方法で形成され、かつ、第二のバンプ２２が電気メッキ方法で形成されてもよい。このように、メッキ方法の種類を変えることなどにより、熱処理をすることなく第一のバンプを形成しても、第二の結晶粒の結晶粒径に比べて第一の結晶粒の結晶粒径が大きくなるように調節することができる。
【００３６】
前記実施形態では、第一のバンプ２１と第二のバンプ２２とは同一の材料で形成されているとした。しかし、第一のバンプ２１と第二のバンプ２２とは異なる材料で形成されているとしてもよい。例えば、第一のバンプ２１をニッケルで形成するとともに、第二のバンプ２２を金で形成してもよい。このように構成することで、基板を外部と金で接続して信頼性を確保しつつ、ニッケルを用いて基板の製造に要する材料コストを低減させることができる。
第一のバンプ２１および第二のバンプ２２は電気メッキ方法で形成されるとしたが、これらは真空蒸着（金属材料の蒸着）、印刷、スパッタリング、溶融はんだの微小滴の滴下などで形成されてもよい。
【００３７】
基板１０は電極パッド２４を備えるとしたが、基板１０が電極パッド２４を備えなくてもよい。第二の基板５０についても、電極パッド６１を備えなくてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
２    半導体装置
６    撮像装置
１０  基板
１５  基材
１５ａ  一方の面
２０  電極部
２１  第一のバンプ
２１ａ  第一の結晶粒
２２  第二のバンプ
２２ａ  第二の結晶粒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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