(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細空間を充填する合金材料であって、
９２〜９８質量％の範囲のＢｉと、０．５〜７．５質量％の範囲のＳｎと、０．５〜４質量％の範囲のＡｇと、Ｇａとからなる四元系であり、
前記Ｇａの添加は、前記Ｂｉ、Ｓｎ及びＡｇの総量を１００質量部として、その０．０１〜０．８質量％の範囲にある、
合金材料。
【請求項２】
複数枚の基板を積層した電子デバイスであって、
前記基板のそれぞれは、その厚み方向に設けられた電気伝導体を有しており、
前記電気伝導体は、請求項１に記載された合金材料でなる、
電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細空間充填用の合金材料、この合金材料による電気伝導体を有する回路基板、この回路基板を用いた電子デバイス及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種スケールの集積回路、各種半導体素子もしくはそれらのチップ等の電子デバイスにおいて、三次元システム・パッケージ（３Ｄ−ＳｉＰ）などの三次元構造体を実現する手法として、回路基板に多数の貫通電極を設けておき、それらの回路基板を積層するＴＳＶ（Through-Silicon-Via)技術が提案されている。ＴＳＶ技術を適用して三次元構造の電子デバイスを実現すれば、大量の機能を小さな占有面積の中に詰め込めるようになる。加えて、素子同士において重要な電気経路が劇的に短くできるために、処理の高速化が導かれる。特許文献１には、ＴＳＶ技術を用いて三次元構造の電子デバイスを実現するのに極めて有効な手段として、溶融金属充填法により、微細な貫通孔内に溶融金属を充填して貫通電極を形成する技術が開示されている。
【０００３】
しかし、既に、半導体素子が形成されている半導体チップ又はウエハに、溶融金属充填法により、貫通電極を形成する場合、溶融金属の熱によっては、半導体素子が熱的なダメージを受けることがある。溶融熱による半導体素子の劣化を回避するという観点からは、融点の低い金属接合材料を用いればよいが、そうすると、今度は、電子デバイスとしての耐熱性が低くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２７８００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、低温溶融作業が可能でありながら、凝固後の融解点が高く、耐熱性に富む電気伝導体用合金材料、この合金材料による電気伝導体を有する回路基板、この回路基板を用いた電子デバイス及びそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を達成するため、本発明に係る合金材料は、微細空間を充填するものであって、Ｂｉと、Ｓｎと、Ａｇとを含有し、融解点が２５７℃以上で、凝固点が２４０℃以下である。
【０００７】
上述した凝固点及び融解点を持つ合金材料は、例えば２０℃以上６５℃前後の温度階層（温度ヒエラルキー）を確保することができる。このため、本発明によれば、凝固点が低く低温度溶融作業が可能でありながら、凝固後の融解点が高く、耐熱性の高い合金材料を提供することができる。このことは、例えば、溶融金属充填法により、液状化された合金材料を微細空間内に充填する際、２４０℃以下の低温作業環境を維持し、溶融した液状金属の熱により、半導体素子が熱的なダメージを受けるのを回避するとともに、凝固後は２５７℃以上の融解点を確保し、耐熱性の高い電気伝導体、例えば貫通電極を有する回路基板、電子デバイスを実現できることを意味する。
【０００８】
凝固点が２４０℃を超えると、半導体素子が形成されている半導体チップ又はウエハに、熱的なダメージを与えることがある。融解点が２５７℃よりも下回ると、本発明のＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ系では、凝固点２４０℃以上の耐熱性を確保することが困難になる。
【０００９】
本発明に係る合金材料は、Ｂｉ、Ｓｎ及びＡｇを含有するＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ系合金であるから、その組成比を制御することにより、上述した凝固点及び融解点を実現することができる。
【００１０】
本発明に係る合金材料は、各種電子回路基板及び電子デバイスにおいて、微細空間内に電気伝導体を形成するために用いることができる。そのような電気伝導体の一例は、ＴＳＶ技術を実現するのに不可欠な貫通電極である。電子デバイスを構成する電子素子には、発光素子、メモリ、論理ＩＣ、デジタル回路素子もしくはアナログ回路素子またはそれらの組み合わせを含むことができる。
【００１１】
上述した回路基板及び電子デバイスにおいて、貫通電極等の電気伝導体を形成する手法としては、構造体に設けられた微細空間の開口部からその内部に液状金属を充填し、凝固させる金属充填方法を適用することができる。
【００１２】
上述した金属充填方法では、一般に、微細空間内に注入された液状金属に、核発生・成長がランダムに発生するため、凝固したとき、空洞や微細なボイドが、ある確率を持って発生する。これは、微細空間内に形成された電気伝導体の電気的特性、品質を劣化させる。
【００１３】
そこで、本発明は、このような問題を解決するのに有効な金属充填方法を開示する。本発明の開示する金属充填法においては、前記微細空間に、その開口部から底部に向かうにつれて温度が低下する温度勾配を付け、前記微細空間内において、前記液状金属を底部から開口部に向かって一方向に凝固させる。
【００１４】
この方法によれば、微細空間内の底部から凝固を開始させ、底部から開口部に向かって、一方向に凝固を進行させることができるから、空洞や微細なボイドが発生するのを抑制することができる。
【００１５】
上述した金属充填方法において用いられる液状金属は、好ましくは、本発明に係る合金材料である。これにより、２４０℃以下の低温作業環境を維持し、半導体素子が熱的なダメージを受けるのを回避するとともに、凝固後は２４０℃以上の耐熱性を確保し、しかも、空洞や微細なボイドのない優れた電気伝導体を形成することができる。
【００１６】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。但し、添付図面は、単なる例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る合金材料の三元図である。
【図２】図１に示した三元図の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明に係る合金材料の熱特性及び温度特性を示す図である。
【図４】本発明に係る回路基板を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る回路基板の別の例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係るデバイスを模式的に示す断面図である。
【図７】本発明に係る金属充填方法を示す図である。
【図８】図７のステップの後のステップを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る合金材料は、微細空間を充填する合金材料であって、Ｂｉと、Ｓｎと、Ａｇとを含有し、融解点が２５７℃以上で、凝固点が２４０℃以下である。この合金材料は、合金化された状態（インゴット）であってもよいし、各組成分が粉体の状態で混じり合っているものであってもよい。
【００１９】
上述したように、本発明に係る合金材料は、Ｂｉ、Ｓｎ及びＡｇを含有するＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ系三元合金であるから、その組成比によって、融解点が２５７℃以上で、凝固点が２４０℃以下となるように設定することができる。この点については、後で、データによって説明する。
【００２０】
したがって、例えば、溶融金属充填法により、液状化された合金材料を微細空間内に充填する際、２４０℃以下の低温作業環境を維持し、溶融した液状金属の熱により、半導体素子が熱的なダメージを受けるのを回避するとともに、凝固後は２５７℃以上の融解点を確保し、耐熱性の高い電気伝導体、例えば貫通電極を有する回路基板、電子デバイスを実現できる。なお、Ｂｉは、その凝固時体積膨張特性により、微細孔を、空隙や隙間を生じることなく、充填するために寄与する。Ｓｎ及びＡｇ、特にＡｇは、その高い導電率（ ６３ × １０６ ｍ−１Ω−１）により、導電性向上に寄与する。
【００２１】
凝固点が２４０℃を超えると、半導体素子が形成されている半導体チップ又はウエハに、溶融金属充填法により、貫通電極等を形成する場合、溶融金属の熱により、半導体素子が熱的なダメージを受けることがある。また、融解点が２５７℃よりも下回ると、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ系では、凝固点２４０℃以上の耐熱性を確保することが困難になる。
【００２２】
本発明における融解点及び凝固点を実現するのに適した合金材料の組成は、９２〜９８質量％の範囲のＢｉと、０．５〜７．５質量％の範囲のＳｎと、０．５〜４質量％の範囲のＡｇとを含有する組成である。図１の三元組成図、及び、その部分拡大図である図２には、本発明に係る合金材料の組成領域が、斜線領域Ｓ１として示されている。この組成によれば、融解点が２５７℃以上で、凝固点が２４０℃以下となるように設定することができる。また、３５℃以上の温度ヒエラレルキーを確保することができる。
【００２３】
本発明に係る合金材料において、凝固点は、好ましくは、２２０℃以下、更に好ましくは、２１０℃以下である。このような低温凝固点は、本発明のＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ系において、その組成比を制御することにより、実現可能である。その組成比の好ましい例は、９５〜９８質量％の範囲のＢｉと、１．０〜２質量％の範囲のＳｎと、１．９〜２．７質量％の範囲のＡｇとを含有する組成、又は、９３〜９５質量％の範囲のＢｉと、３．０質量％超、４．０質量％以下の範囲のＳｎと、２．０〜３．０質量％の範囲のＡｇとを含有する組成である。これらの組成範囲であれば、凝固点の低下とともに、融解点の上昇、及び、温度ヒエラルキーの拡大の効果が得られる。
【００２４】
本発明に係る合金材料は、更にＧａを含むことができる。Ｇａの添加は、凝固点を低下させる方向となる。Ｇａは、Ｂｉ、Ｓｎ及びＡｇの総量を１００質量部としてその０．０１〜４質量％の範囲、更に好ましくは、０．０１〜０．８質量％の範囲である。次に、表１に示すデータを参照して、更に詳しく説明する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１において、温度階層（温度ヒエラルキー）は、融解点（℃）と凝固点（℃）の温度差△Ｔ（℃）で表わされ、△Ｔ≧３５℃を満たす場合は○印、３３℃≦△Ｔ＜３５℃の範囲にある場合は△印、△Ｔ＜３３℃のときは×印を付けてある。低温充填の欄は、凝固点２１０℃以下、２２０℃以下及び２４０℃以下の３つの欄に分かれており、凝固点が指定温度以下の場合には○印、高い場合は×印を付してある。
【００２７】
表１において、試料Ｎｏ．１は、Ｂｉが１００質量％の場合であり、Ｓｎ、Ａｇ、さらにはＧａを含んでいない点で、本発明の外にある。試料Ｎｏ．１の場合、Ｓｎ、Ａｇ、Ｇａを含有することによる作用効果を得ることができない。試料Ｎｏ．２は、Ｓｎを含有していない点で本発明の外にある。
【００２８】
試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．２３は、９２〜９８質量％の範囲のＢｉと、０．５〜７．５質量％の範囲のＳｎと、０．５〜４質量％の範囲のＡｇとを含有する組成である。この組成では、凝固点が２０２．９℃〜２３３．５℃の範囲にある。したがって、２４０℃以下の低温充填が可能である。また、上述した組成範囲の合金材料は、融解点が２５７．６℃〜２７８℃の範囲にあり、２４０℃以上の耐熱性を、確実に確保することができる。
【００２９】
また、試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．２３は、温度階層△T≧３５を満たしている。温度階層の一例として、図３は、ＤＳＣ（Differential  Scanning  Calorimetry）による試料Ｎｏ．５の熱分析図を示している。点線で示す昇温／降温の温度特性において、昇温過程の２６８℃に溶解点が表れ、降温過程の２０９℃に凝固点が表れている。図示の場合、約５０℃の温度階層が確保されている。したがって、例えば、溶融金属充填法により、液状化された合金材料を微細空間内に充填する際、２１０℃以下の低温作業環境を維持し、溶融した液状金属の熱により、半導体素子が熱的なダメージを受けるのを回避するとともに、凝固後は２６８℃以上の融解点を確保し、耐熱性の高い電気伝導体、例えば貫通電極を有する回路基板、電子デバイスを実現できる。
【００３０】
凝固点が２４０℃を超えると、半導体素子が形成されている半導体チップ又はウエハに、溶融金属充填法により、貫通電極等を形成する場合、溶融金属の温度が２４０℃を超えることになるので、その熱により、半導体素子が熱的なダメージを受けることがある。
【００３１】
本発明に係る合金材料を、半導体チップ又はウエハに適用する場合を想定すると、凝固点は、好ましくは、２２０℃以下、更に好ましくは、２１０℃以下である。また、作業性を考慮すると、温度階層△Ｔ≧３５℃を確保したい。このような低温凝固点及び温度階層は、本発明のＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ系において、その組成比を制御することにより、実現可能である。
【００３２】
凝固点が２２０℃以下である試料は、試料Ｎｏ．５〜８、１５〜１７、２０、２３である。このうち、試料Ｎｏ．５〜８は、９５〜９８質量％の範囲のＢｉと、１．０〜２．０質量％の範囲のＳｎと、１．９〜２．７質量％の範囲のＡｇとを含有する組成である。試料Ｎｏ．１５〜１７は、９３〜９５質量％の範囲のＢｉと、３．０質量％を超え４．０質量％以下の範囲のＳｎと、２．０〜３．０質量％の範囲のＡｇとを含有する組成である。
【００３３】
これらのうちでも、試料Ｎｏ．５、６、１６及び２０は、凝固点が２１０℃以下であり、２１０℃以下の低温充填が可能である。
【００３４】
まず、試料Ｎｏ．５は、９６．６６質量％のＢｉと、１．００質量％のＳｎと、２．２０質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２０９℃である。融解点は２６８℃であり、温度階層は、５９℃である。
【００３５】
試料Ｎｏ．６は、９６．４８質量％のＢｉと、１．００質量％のＳｎと、２．３７質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２０９．５℃である。融解点は２７４℃であり、温度階層は６４．５℃にも達する。
【００３６】
試料Ｎｏ．１６は、９３．７４質量％のＢｉと、３．３８質量％のＳｎと、２．７３質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２０２．９℃であり、しかも、融解点は２６４．１℃であり、温度階層は６１℃である。
【００３７】
試料Ｎｏ．２０は、９３．２３質量％のＢｉと、３．９１質量％のＳｎと、２．７２質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２０７．１℃である。融解点は２６３．８℃であり、温度階層は５６℃である。
【００３８】
凝固点が２１０℃を超え２２０℃以下である試料は、試料Ｎｏ．７、８、１５、１７、２３である。まず、試料Ｎｏ．７は、９６．２３質量％のＢｉと、１．７０質量％のＳｎと、１．９３質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２１８．８℃である。融解点は、２７５．７℃であり、もっとも高い耐熱性を示す。温度階層は５７℃もある。
【００３９】
次に、試料Ｎｏ．８は、９５．１７質量％のＢｉと、２．００質量％のＳｎと、２．６９質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２１９．２℃である。融解点は２６７．３℃であり、温度階層は４８℃である。
【００４０】
試料Ｎｏ．１５は、９４．５７質量％のＢｉと、３．２７質量％のＳｎと、２．０５質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２１６．３℃である。融解点は、２６４．４℃であり、温度階層は、４８℃である。
【００４１】
試料Ｎｏ．１７は、９３．７７質量％のＢｉと、３．８８質量％のＳｎと、２．２１質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２２１．２℃である。融解点は、２５９．７℃であり、温度階層は、３８℃である。
【００４２】
更に、試料Ｎｏ．２３は、９４．２１質量％のＢｉと、４．３０質量％のＳｎと、１．３５質量％のＡｇと、０．４１質量％のＧａを含有するところ、凝固点は２１７．９℃である。融解点は、２５７．６℃と低いが、温度階層は４０℃である。
【００４３】
本発明に係る合金材料において、Ｂｉは、その凝固時体積膨張特性により、微細孔を、空隙や隙間を生じることなく、充填するために寄与する。Ａｇは、その高い導電率（ ６３ × １０６ ｍ−１Ω−１）により、導電性向上に寄与する。更に、低融点のＳｎ（融点２３１．９７℃）及びＢｉ（融点２７１．５℃）の含有は、微細空間への溶融充填作業において、Ｓｎ及びＢｉを低温で溶融させ、その溶融熱によって、Ａｇ（融点９６１．７８ ℃）を、その融点よりも低い温度で溶融させることに寄与する。
【００４４】
本発明に係る合金材料は、更にＧａを含むことができる。Ｇａの添加は、凝固点を低下させる方向となる。表１では、Ｇａは０．４１質量％になっているが、Ｇａは、Ｂｉ、Ｓｎ及びＡｇの総量を１００質量部として、その０．０１〜４質量％の範囲、更に好ましくは、０．０１〜０．８質量％の範囲である。
【００４５】
試料Ｎｏ.２４〜３４では、凝固点は２４０℃以下であるが、融解点が２５７℃よりも低い２５４．５℃以下となっている。融解点が２５７℃よりも下回ると、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ系では、２４０℃以上の耐熱性を確保することが困難になる。よって、試料Ｎｏ．２４〜３４は、本発明外となる。
【００４６】
本発明に係る合金材料は、各種電子回路基板において、微細空間内に電気伝導体を形成するために用いることができる。そのような電気伝導体の一例は、ＴＳＶ技術を実現するのに不可欠な貫通電極である。図４を参照すると、そのような回路基板の一例が図示されている。図示の回路基板は、単層基板又は積層体で構成されたインターポーザであってもよいし、半導体素子、半導体回路等を形成した半導体基板であってもよい。この回路基板は、基板１に、貫通電極となる多数の柱状の電気伝導体２を、例えば行列状に配置したものである。電気伝導体２は、基板１に設けられた微細空間の開口部からその内部に、本発明に係る合金材料を液状化した溶融金属を充填し、凝固させる金属充填方法によって形成することができる。
【００４７】
このようにして得られた回路基板は、そのまま電子デバイスとして用いることもできるし、図５に図示するように、電子素子３と組み合わせて、電子デバイスを構成するために用いることもできる。電子素子３は、基板１によって支持される。基板１が半導体基板である場合には、電子素子３は半導体素子として、基板１の内部に形成されることがある。
【００４８】
更に、図６に示すように、積層電子デバイスであってもよい。この場合、回路基板４は、インターポーザとして、２つのチップ状電子素子５、６の間に配置される。これにより、三次元配置の電子デバイスが実現される。
【００４９】
電子デバイスを構成する電子素子５、６には、発光素子、メモリ、論理ＩＣ、デジタル回路素子もしくはアナログ回路素子またはそれらの組み合わせを含むことができる。
【００５０】
上述した回路基板及び電子デバイスにおいて、柱状の電気伝導体２を形成する手法としては、構造体に設けられた微細空間の開口部からその内部に液状金属を充填し、凝固させる金属充填方法を適用することができる。
【００５１】
上述した金属充填方法では、一般に、微細空間内に注入された液状金属に、核発生・成長がランダムに発生するため、凝固したとき、空洞や微細なボイドが、ある確率を持って発生する。これは、微細空間内に形成された電気伝導体の電気的特性、品質を劣化させる。
【００５２】
本発明は、このような問題を解決する手段として有効な金属充填方法を、図７及び図８に開示する。
【００５３】
まず、図７に図示するように、金属充填方法の適用にあたって、微細な孔径を有する多数の微細空間１０を、所定の間隔で多数設けた基板１を、支持台１１等に載置する。好ましくは、支持台１１及び基板１は、液状金属を差圧充填ができるように、内圧コントロールの可能な真空チャンバ内に配置する。支持台１１には、加熱/冷却装置７１を熱結合させておく。また、基板１の厚み方向の両面に、温度検出器７２、７３を配置する。温度検出器７２、７３の温度検出信号は、温度制御装置７４に供給される。温度制御装置７４は、温度検出器７２、７３から供給される温度検出信号に基づき、微細空間１０の開口部から底部に向かうにつれて温度が低下する温度勾配が生じるように、加熱/冷却装置７１を制御する。これにより、基板１の表面温度Ｔ１と底部の表面温度Ｔ２との間に温度勾配を持たせることができる。もっとも、微細空間１０の開口部から底部に向かうにつれて温度が低下する温度勾配が生じるようにすればよいので、温度制御システムは、図示のものに限らない。
【００５４】
上述した温度制御システムにより、微細空間１０に、その開口部から底部に向かうにつれて温度が低下する温度勾配が付けられる。この状態で、図８に図示するように、液状金属２を微細空間１０内に充填すると、微細空間１０の内部において、液状金属２は微細空間１０の底部から開口部に向かって一方向に凝固する。
【００５５】
この方法によれば、微細空間１０の底部から凝固を開始させ、底部から開口部に向かって、一方向に凝固を進行させることができるから、空洞や微細なボイドが発生するのを抑制することができる。温度勾配は、１０℃／ｍｍ程度でよい。もっとも、この温度差（温度勾配）は、基板１の開口面上における最大温度差よりも大きくする必要がある。
【００５６】
また、上記方法によれば、微細空間１０の内部に充填された液状金属は、高融点相から凝固・析出するため、その組成を選定することにより、微細空間１０の上部（開口側）に低融点相が凝固・析出する。この現象により、接合用バンプがセルフ・アライン的に形成されるので、接合用バンプを形成する工程を経ることなく、そのまま、接合工程に付することが可能になる。
【００５７】
しかも、上記方法によれば、低抵抗であるＳｎ系合金において、高融点相を優先的に析出させることができるので、低抵抗と温度ヒエラルキーの拡大とを同時に実現することができる。
【００５８】
したがって、ここに開示する金属充填方法は、その適用範囲の拡大と究極的なコストパフォーマンスとに資することになる。
【００５９】
微細空間１０の内部に充填された液状金属２を冷却する場合、微細空間１０の開口面側から、その内部にある液状金属２に、押圧板を用いたプレス圧、インジェクション圧又は転圧等を印加しながら冷却し、硬化させることが好ましい。
【００６０】
上述した金属充填方法において用いられる液状金属は、本発明に係る合金材料である。これにより、２４０℃以下の低温作業環境を維持し、半導体素子が熱的なダメージを受けるのを回避するとともに、凝固後は２４０℃以上の耐熱性を確保し、しかも、空洞や微細なボイドのない優れた電気伝導体を形成することができる。
【００６１】
以上、好ましい実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。
【図１】
0005667467.tif 000003
【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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