(57)【要約】【課題】チップ間や、チップと基板間を接続する際に、カーボンナノチューブバンプで接合する際の接触抵抗のバラツキや、カーボンナノチューブの端部の広がりを防止する。【解決手段】半導体チップ（１０）と、前記半導体チップを任意の基板に接続するカーボンナノチューブバンプ電極（２０）とを有する半導体装置において、前記カーボンナノチューブバンプ電極は、カーボンナノチューブ（２１）と、当該カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部（２５）と、を有し、前記金属被覆部は、前記半導体チップ又は前記基板のいずれか一方に接続される【選択図】  図２
2008210954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と
で構成されるカーボンナノチューブバンプ構造体。
【請求項２】
半導体チップと、
前記半導体チップを任意の基板に接続するカーボンナノチューブバンプ電極と
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ電極は、
カーボンナノチューブと
前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と
を有し、前記金属被覆部は、前記半導体チップ又は前記基板のいずれか一方に接続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体チップと、
ヒートシンクと、
前記半導体チップとヒートシンクとの間に挿入されるカーボンナノチューブバンプ構造体と、
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ構造体は、
カーボンナノチューブと、
前記半導体チップ又はヒートシンクのいずれか一方の側で、前記カーボンナノチューブの端部を選択的に被覆する金属被覆膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板上の所定の箇所でカーボンナノチューブを成長し、
前記カーボンナノチューブの成長端の疎水性を低減し、
前記成長端の疎水性が低減されたカーボンナノチューブにメッキ処理を施すことによって、前記成長端を選択的に金属被覆する
ことを特徴とするカーボンナノチューブ構造の製造方法。
【請求項５】
前記疎水性の低減は、前記成長端を真空紫外照射する工程
を含むことを特徴とする請求項４に記載のカーボンナノチューブバンプ構造体の製造方法。
【請求項６】
前記疎水性の低減は、前記カーボンナノチューブの成長端をグラファイト化する工程
を含むことを特徴とする請求項４に記載のカーボンナノチューブバンプ構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブバンプ構造体に関し、特にチップ間或いはチップと基板間を機械的、電気的、及び／又は熱的に接続するカーボンナノチューブのバンプ構造体と、その製造方法、およびこれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体チップを実装基板に実装する場合、図１（ａ）に示すように、半田等の金属からなる金属バンプ１２０を用いて、実装基板１０１上の導電パッド１０２と、半導体チップ１１０上の導電パッド１１４とを、機械的及び電気的に接続していた。半導体チップ１１０の集積度が向上し、導電パッド１１４の微細化が進むと、金属バンプ１２０を流れる電流密度が増大する。電流密度が増大すると、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、金属バンプ１２０の断線を引き起こす。例えば、半田バンプを用いる場合、一定の電流密度以上で電流を流し続けると、バンプ材料のＳｎ原子が容易に移動する。Ｓｎの移動によってＳｎ密度が低下した部分が生じ、この部分で断線が生じ易くなるのである。
【０００３】
さらに、半田溶融接合の際に、半導体チップ１１０と実装基板１０１が高温になるが、実装後、半導体チップ１１０と実装基板１０１が室温に下がるときに、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１０１の熱膨張係数は、半導体チップ１１０の熱膨張係数の１０倍以上である。リフロー後に半導体チップ１１０と実装基板１０１が降温すると、実装基板１０１のほうが、より大きく収縮する。これにより、半導体チップ１１０に、図１の矢印Ａで示す面内方向の圧縮応力が印加される。応力が生じると、機械的に最も弱い部分に破壊が生ずる。図１の例では、金属バンプ１２０と、半導体チップ１１０のＬｏｗ−ｋ材料１１２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。
【０００４】
半導体チップが抱える高電流密度による電極断線、応力による破壊を抑制する方法として、図１（ｂ）に示すようにバンプ電極１３０にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を適用する方法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この例では、実装基板１０１上の導電パッド１０２と、半導体チップ１１０の導体パッド１１４とを、ＣＮＴバンプ電極１３０で接続している。しかし、このようなＣＮＴバンプ電極１３０では、カーボンナノチューブと金属（たとえば半導体チップ１１０上の導電パッド１１４）との間の接点接続時の接触抵抗が増大したり、バラツキが生じたりするという問題が生じる。さらに、図１（ｂ）のサークルで示すように、カーボンナノチューブの端部が広がってしまうという問題もある。
【０００５】
一方、図１（ｃ）に示すようなカーボンナノチューブ配線１４０が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。図示しない半導体基板１０１上に形成された絶縁膜１０４上に、Ｎｉ粒子１１５で構成される薄膜を形成し、このＮｉ粒子１１５を核としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１４１を成長させる。ＣＮＴ１４１の成長後、絶縁膜１０２上に金属膜１４２を堆積し、所定の形状にパターニングして配線１４０を形成する。この方法では、カーボンナノチューブ１４１は全体的に金属膜１４２の中に埋め込まれ固定されている。
【特許文献１】ＷＯ２００４／０５１７２６Ａ１
【非特許文献１】ＩＩＩＥ  ＩＤＭ２００５  ｐｐ．２６５−２６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、ＣＮＴバンプ電極における接触抵抗の増大やバラツキを抑制し、端部の広がりを解消して、安定した接続を実現することを課題とする。
【０００７】
また、ＣＮＴバンプ電極を用いた半導体装置とその製造方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を実現するために、たとえば半導体チップ同士、或いは半導体チップと実装基板等の接続に、カーボンナノチューブバンプ構造体を用いる。カーボンナノチューブバンプ構造体において、カーボンナノチューブの一端側は、Ａｕ等の金属で選択的に被覆される。なお、本明細書および特許請求の範囲で「カーボンナノチューブ」という場合は、単層カーボンナノチューブや多層カーボンナノチューブに代表される繊維状のカーボンナノ材料の他、カーボンナノホーンやフラーレンに代表される粒子状のカーボンナノ材料も含むものとする。また、「カーボンナノチューブ」というときは、カーボンナノチューブ束をも意味するものとする。
【０００９】
具体的には、第１の側面では、カーボンナノチューブバンプ構造体を提供する。カーボンナノチューブバンプ構造体は、カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と、を有する。
【００１０】
第２の側面では、このようなカーボンナノチューブバンプ構造体を用いた半導体装置を提供する。半導体装置は、
（ａ）半導体チップと、
（ｂ）前記半導体チップを任意の基板に接続するカーボンナノチューブバンプ電極と、
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ電極は、カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と、を有し、前記金属被覆部は、前記半導体チップ又は前記基板のいずれか一方に接続される。
【００１１】
第３の側面では、半導体装置は、
（ａ）半導体チップと、
（ｂ）ヒートシンクと、
（ｃ）前記半導体チップとヒートシンクとの間に挿入されるカーボンナノチューブバンプ構造体と、
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ構造体は、カーボンナノチューブと、前記半導体チップ又はヒートシンクのいずれか一方の側で、前記カーボンナノチューブの端部を選択的に被覆する金属被覆膜と、を有する。
【００１２】
第４の側面では、カーボンナノチューブバンプ構造の製造方法を提供する。この方法は、
（ａ）基板上の所定の箇所でカーボンナノチューブを成長し、
（ｂ）前記カーボンナノチューブの成長端の疎水性を低減し、
（ｃ）前記成長端の疎水性が低減されたカーボンナノチューブにメッキ処理を施すことによって、前記成長端を選択的に金属被覆する
工程を含む。
【００１３】
良好な実施例では、前記疎水性の低減は、前記成長端を真空紫外照射する工程を含む。また、別の例では、前記疎水性の低減は、前記カーボンナノチューブの成長端をグラファイト化する工程を含む。
【発明の効果】
【００１４】
上述した構成のＣＮＴバンプ構造体により、電気的、機械的、熱的に安定した接続が実現される。その結果、これを利用した半導体装置で高電流密度に対する耐性が向上し、応力破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、本発明のカーボンナノチューブバンプ構造体の一例として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）バンプ電極２０を用いた半導体装置を示す概略図である。ＣＮＴバンプ電極２０は、半導体チップ１０と実装基板１とを電気的に接続する。半導体チップ１０は、たとえばシリコン基板１１に形成されたＬｏｗ−ｋ材料の絶縁層１２を有する。図示はしないが、シリコン基板１１上には種々の素子が形成され、絶縁層１２には１層以上の配線が形成されている。
【００１６】
半導体チップ１０には、接続用の導電パッド１４が形成されている。一方、実装基板１上にも、接続用の導電パッド２が形成されている。半導体チップ１０の導電パッド１４と、実装基板１の導電パッド２を接続するＣＮＴバンプ電極２０は、束状に延びるカーボンナノチューブ２１と、このカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ束）２１の一端側を選択的に被覆する金属被覆部２５を含む。
【００１７】
この構成では、金属で被覆されたカーボンナノチューブ２１の先端が、対応する導電パッド１４に接触することにより、接触抵抗のバラツキのない良好な電気的接続が確保される。ＣＮＴバンプ電極２０全体が金属で固められているのではなく、先端部でのみ導電パッド１４に接触しているので、実装基板１から半導体チップ１０を容易に取り外すことができる。また、カーボンナノチューブ２１の先端が金属被覆部２５で被覆されているので、接点接続時のカーボンナノチューブ２１の広がりによる電気的不具合も解消できる。
【００１８】
カーボンナノチューブ２１自体は非常に抵抗が低く、高電流密度に対する耐性が高いうえに、半導体チップ１０と基板１の熱膨張係数の相違に起因する応力を吸収することができる。また、カーボンナノチューブ２１が有する撓み性とその復元力により、チップ間、あるいはチップと実装基板の間の電気的な接続を確実にすることができる。このような低抵抗ＣＮＴバンプ電極２０を用いた半導体チップ１０の実装は、後述するように、ＬＳＩモジュールの実装、高出力・高周波電力増幅器の実装など、多岐にわたって応用することができる。
【００１９】
図３は、本発明の第１実施形態のＣＮＴバンプ電極の製造工程図である。まず、図３（ａ）に示すように、実装基板１上に、５ｎｍのＴｉ膜、５０nmのＰｔ膜および３００nmのＡｕ膜を順次蒸着する。続いて所定の形状のレジストパターン（不図示）を形成し、これをマスクとして積層された金属膜を加工して、実装基板１の導電パッド（電極パッド）２を形成する。いったん、レジストマスクを剥離し、再度レジストパターンを形成して、スパッタ法により、厚さが、例えば５ｎｍのＴｉＮ膜と１ｎｍのＣｏ膜をカーボンナノチューブ成長用の触媒として順次体積させる。レジストパターンを除去することによって、導電パッド２上に所定のパターンの触媒５が形成される。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）２１を成長する。成長条件の例として、プロセスガスとしてアセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガスを用い、キャリアガスとしてＡｒガスもしくは水素ガスを用い、１００Ｐａの圧力、６００℃の成長温度とする。カーボンナノチューブ２１の長さは、成長時間によって制御することができ、たとえば、上記の条件では１μｍ／ｍｉｎの成長レートとなり、１０分程度の処理を行って１０μｍの長さに成長する。本実施形態のように、触媒５にＴｉＮ／Ｃｏを用いた場合は、カーボンナノチューブ２１の先端が局所的にグラファイト構造２２になる。
【００２１】
次に、図３（ｃ）に示すように、電解メッキによりカーボンナノチューブ２１の先端にのみ金属被覆部２５を形成する。この例では、Ａｕメッキを施す。カーボンナノチューブ２１は通常、グラファイト２２よりも疎水性が強いため、電解メッキを行うと、カーボンナノチューブ２１の先端のグラファイト構造２２にのみ、選択的にメッキが形成され、先端部のみが金属で被覆された構造が実現される。これによって、ＣＮＴバンプ電極２０が出来上がる。なお、図３（ｃ）では、説明の便宜上、グラファイト２２の上部表面のみに金属被覆部２５が形成されるかのように描かれているが、実際はグラファイト２２の側面にも金属被覆部２５で覆われる。
【００２２】
最後に、図３（ｄ）に示すように、表面に導電パッド（電極パッド）１４が形成されたＬＳＩチップ１０を、ＣＮＴバンプ電極２０に対してフリップ接合する。図示しないが、この後にパッケージング工程を経て半導体装置が完成する。
【００２３】
図４は、本発明の第２実施形態のＣＮＴバンプ電極の製造工程図である。まず、図４（ａ）において、図３（ａ）と同様にして、実装基板１上に、導電パッド（電極パッド）２を形成し、導電パッド２上に、触媒５を形成する。第２実施形態では、触媒５として５ｎｍのＡｌ膜と２ｎｍのＦｅ膜の積層を用いる。
【００２４】
次に、図４（ｂ）に示すように、触媒５からカーボンナノチューブ２１を成長する。Ａｌ／Ｆｅ触媒５を用いた場合、図３と異なり、先端がつながっていないカーボンナノチューブ束が形成される。
【００２５】
次に、図４（ｃ）に示すように、メッキの前工程として、ＶＵＶ（真空紫外光）照射を行う。図４（ｂ）のように先端がつがなっていないカーボンナノチューブ２１にそのまま電解メッキを行うと、カーボンナノチューブ２１の先端と側面部で、メッキの選択比が得られない。そこで、メッキの前工程でＶＵＶ処理を行って、金属メッキに対する選択比を持たせる。すなわち、カーボン原子どうしの結合は、カーボンナノチューブ２１の先端部では側面に比較して弱いので、ＶＵＶ処理により、先端部分のカーボン原子間の結合を選択的に切断する。その結果、カーボンナノチューブ２１の先端部において、メッキ液に対する疎水性が弱まるのである。
【００２６】
次に、図４（ｄ）に示すように、電解メッキを行う。上述のように、ＶＵＶ処理により原子間結合が切れて疎水性が弱まった（メッキ液に対する親水性が相対的に高まった）カーボンナノチューブ２１の先端に、選択的にメッキ被膜が形成され、金属被覆部２５が形成される。これにより、先端が終端されたＣＮＴバンプ電極２０が出来上がる。
【００２７】
最後に、図４（ｅ）に示すように、表面に導電パッド（電極パッド）１４が形成されたＬＳＩチップ１０を、ＣＮＴバンプ電極２０に対してフリップ接合する。この後、図示しないパッケージングにより、半導体装置が完成する。
【００２８】
図５は、図３（ｂ）および図３（ｃ）の工程に対応するＳＥＭ写真である。図５（ｂ）は図３（ｂ）の工程に対応し、電解メッキを行う前の状態である。バンプ状に成長したカーボンナノチューブ２１の先端部に、グラファイト構造２２が形成されている。図５（ｃ）は図３（ｃ）の工程に対応し、電解メッキにより、カーボンナノチューブ２１の先端部分にだけ選択的に金属被膜部２５が形成された様子が確認される。
【００２９】
このようなＣＮＴバンプ電極２０は、抵抗が非常に低いので高電流密度に耐えることができる。また、先端部のみに金属被覆部２５を有するので、応力を吸収し、かつカーボンナノチューブ２１の広がりや接触抵抗のバラツキを解消することができる。その結果、電気特性を維持しつつ、応力破壊を抑制した半導体チップの実装が実現される。
【００３０】
なお、製造の容易性から、第１および第２の実施形態では、実装基板１側の導電パッド２上にカーボンナノチューブ２１を成長させたが、半導体チップ１０側の導電パッド１４上にカーボンナノチューブ２１を成長させてもよい。この場合は、金属被覆部２５で終端された側の端部が、実装基板１の導電パッド２と接続されることになる。
【００３１】
図６は、本発明を高出力・高周波電力増幅器のカーボンナノチューブ放熱バンプに適用
した例を示す。図６（ａ）に示すように、パッケージキャップ３０の内側にカーボンナノチューブバンプ３１を形成し、先端部に金属皮膜部３２を設ける。図６（ｂ）のように、このパッケージキャップ３０で、パッケージ４０を封止する。図６（ｃ）は、封止された半導体装置の概略断面図である。パッケージキャップ３０に形成されたカーボンナノチューブバンプ３１は、金属被覆部３２を介して、発熱源であるフリップチップ増幅器（アンプチップ）４５の一方の面に接続されている。フリップチップ増幅器４５の他方の面は、図２に示す構造のＣＮＴバンプ電極２０により、ＡｌＮ基板４１に接続されている。この構成では、カーボンナノチューブバンプ３１とＣＮＴバンプ電極２０は、ＣＮＴ放熱バンプとして機能する。このような構成により、実装されるアンプチップ４５の両面から熱を逃がすことができる。
【００３２】
なお、パッケージキャップ３０側のＣＮＴ放熱バンプ３１は、熱を逃がすことが主目的であって、接触抵抗のばらつきやＣＮＴ３１の広がりは問題とならないので、金属被覆部３２を省略してもよい。一方、アンプチップ４５とＡｌＮ基板４１との間の接続は、ＡｌＮ基板が実装用の配線基板である場合は、接触抵抗のバラツキや接続部でのＣＮＴの広がりを抑えるために、金属被覆部２５を有するＣＮＴバンプ電極２０（図２参照）を用いるが、ＡｌＮ基板４１がもっぱらヒートシンクとして機能する場合は、先端の金属被覆部２５を省略してもよい。
【００３３】
このように、本発明のカーボンナノチューブバンプ構造体は、半導体ＬＳＩチップの実装や、高出力・高周波電力増幅器の実装に、好適に適用される。
【００３４】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）
カーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と
で構成されるカーボンナノチューブバンプ構造体。
（付記２）
半導体チップと、
前記半導体チップを任意の基板に接続するカーボンナノチューブバンプ電極と
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ電極は、
カーボンナノチューブと
前記カーボンナノチューブの一端側を選択的に被覆する金属被覆部と
を有し、前記金属被覆部は、前記半導体チップ又は前記基板のいずれか一方に接続されることを特徴とする半導体装置。
（付記３）
半導体チップと、
ヒートシンクと、
前記半導体チップとヒートシンクとの間に挿入されるカーボンナノチューブバンプ構造体と、
を有し、前記カーボンナノチューブバンプ構造体は、
カーボンナノチューブと、
前記半導体チップ又はヒートシンクのいずれか一方の側で、前記カーボンナノチューブの端部を選択的に被覆する金属被覆膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
（付記４）
基板上の所定の箇所でカーボンナノチューブを成長し、
前記カーボンナノチューブの成長端の疎水性を低減し、
前記成長端の疎水性が低減されたカーボンナノチューブにメッキ処理を施すことによって、前記成長端を選択的に金属被覆する
ことを特徴とするカーボンナノチューブ構造の製造方法。
（付記５）
前記疎水性の低減は、前記成長端を真空紫外照射する工程
を含むことを特徴とする付記４に記載のカーボンナノチューブバンプ構造体の製造方法。
（付記６）
前記疎水性の低減は、前記カーボンナノチューブの成長端をグラファイト化する工程、
を含むことを特徴とする付記４に記載のカーボンナノチューブバンプ構造体の製造方法。
（付記７）
前記基板上に所定の箇所にＴｉＮ／Ｃｏ触媒を形成する工程
をさらに含み、前記疎水性の低減工程は、前記カーボンナノチューブの成長端のグラファイト化を含むことを特徴とする付記４に記載のカーボンナノチューブバンプ構造体の製造方法。
（付記８）
基板上の所定の箇所にカーボンナノチューブを成長し、
前記カーボンナノチューブの成長端を終端する金属被覆部を形成し、
前記金属被覆部に対して半導体チップをフリップ接合する
工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記基板は、配線実装基板であることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記基板は、ヒートシンク基板であることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の技術を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブバンプ電極の概略構成図である。
【図３】第１実施形態のカーボンナノチューブバンプ電極の製造工程図である。
【図４】第２実施形態のカーボンナノチューブバンプ電極の製造工程図である。
【図５】図３の方法で製造されたカーボンナノチューブバンプ電極の電解メッキ前と電解メッキ後のＳＥＭ写真である。
【図６】本発明のカーボンナノチューブバンプの高出力・高周波電力増幅器への適用例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  実装基板
２、１４  導電パッド
５  触媒
１０  半導体チップ（ＬＳＩチップ）
２０  ＣＮＴバンプ電極
２１、３１  カーボンナノチューブ
２２  グラファイト構造
２５  金属被覆部
４１  ＡｌＮ基板（ヒートシンク）
【図１】
2008210954.tif 000003
【図２】
2008210954.tif 000004
【図３】
2008210954.tif 000005
【図４】
2008210954.tif 000006
【図６】
2008210954.tif 000007
【図５】
2008210954.tif 000008