(57)【要約】      （修正有）【課題】拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させる金属層の接続方法であって、金属層に加えられる外部力を用いずに、金属層が自己整合する接続方法を提供する。【解決手段】拡散はんだ付けプロセスの前に、後に接続される金属層２、１１がそれぞれはんだ層３、１２によってめっきされていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させる金属層の接続方法であって、
上記拡散はんだ付けプロセスを実行する前に、後に接続されるそれぞれの上記金属層を、それぞれのはんだ層でめっきする工程を含むことを特徴とする金属層の接続方法。
【請求項２】
上記拡散はんだ付けプロセス中に、両方の上記金属層が、上記金属層を接合する融解されたはんだの表面張力によって、互いに自己整合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記融解されたはんだの濡れ性が向上することにより、上記表面張力が増すことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記拡散はんだ付けプロセスを実行する工程は、プロセス中に、上記金属層に外部の機械的な圧力を加えずに上記拡散はんだ付けプロセスを実行することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
上記はんだ層のはんだを、はんだの融点よりも高い温度で一度だけ加熱する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記はんだ層を接触させて配置し、それらを互いに位置あわせした後、上記はんだを加熱することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記金属層の少なくとも１つとそのはんだ層との間に、拡散障壁層を配置することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記金属層は、銅、銀、金、及び、パラジウムから選ばれる少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記はんだ層は、スズ、銀、インジウム、ガリウム、ビスマス、金、及び、銅から選ばれる少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記拡散はんだ付けプロセスを行う前に、不活性ガス雰囲気下または真空において、蟻酸の分圧下で上記はんだ層のガスを抜くガス抜き工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
上記ガス抜き工程は、上記はんだの融点よりも低い温度で行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記蟻酸の分圧は２０〜１００ｍｂａｒであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記ガス抜き工程は、２〜３分の間行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
上記拡散はんだ付けプロセス中に、上記金属層および上記はんだ層を、上記はんだ層の全ての上記はんだが融解された状態が少なくとも存在するような速度で加熱する加熱工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
上記加熱工程は、上記金属層およびはんだ層を、常圧より高い圧力下で、上記はんだの融点よりも高い温度で加熱することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記加熱工程の雰囲気は、不活性ガス中にガス状のフラックス材を含んでなることを特徴とする請求項１５に記載の方法。 
【請求項１７】
上記ガス状のフラックス材は、原子状水素、分子状水素、一酸化炭素、アンモニア、及び、蟻酸から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記金属層および上記はんだ層を、蟻酸の分圧が２０〜１００ｍｂａｒである真空中において、上記はんだの融点よりも高い温度に加熱することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
上記金属層をキャリアに配置し、パターニングすることにより、少なくとも１つのパッドを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
上記はんだ層を各金属層と同じ形状にパターニングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記はんだ層を各金属層とは異なる形状にパターニングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
上記パターニングする工程は、上記はんだ層を、はんだレジストによってパターニングすることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
上記パターニングする工程は、互いに面した上記金属層における上記はんだレジストを、上記金属層が互いに対称的であるように、パターニングする工程を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。 
【請求項２４】
上記少なくとも１つのパッドの側壁を、上記融解されたはんだによって濡れない層によって、覆う工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
互いに面した上記金属層の上記パッドは、互いに対称的に構成されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。 
【請求項２６】
上記パッドは、第１パッドおよび第２パッドを含み、
上記第２パッドの面積は、上記第１パッドの面積よりも広く、少なくとも２つの第２パッド間には、少なくとも１つの第１パッドが配置されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
上記第２パッドを、上記第１パッドの各側面に位置する上記第２パッドの静水力の合計が同じであるように、配置する工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
上記パッドは、第１パッドおよび第２パッドを含み、
上記第２パッドの面積は、上記第１パッドの面積よりも広く、少なくとも２つの第１パッド間には、少なくとも１つの第２パッドが配置されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。 
【請求項２９】
上記第２パッドを、上記第２パッドの各側面に位置する上記第１パッドの静水力の合計が同じであるように、配置する工程を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
上記第１パッドの直径は３０μｍ未満であり、上記第２パッドの直径は３０μｍより大きいことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
拡散はんだ付けプロセスを実行する間に、上記第２パッドの静水圧を用いて、上記第１パッド間の上記融解されたはんだに圧力を加えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
上記キャリアは、電子部品のウェハーおよび基板を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させるための機械的接続であって、
後に接続される上記金属層はそれぞれはんだ層によってめっきされていることを特徴とする機械的接続。
【請求項３４】
上記金属層の少なくとも１つとそのはんだ層との間に、拡散障壁層が配置されていることを特徴とする請求項３３に記載の接続。
【請求項３５】
上記金属層は、銅、銀、金、及び、パラジウムから選ばれる少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項３４に記載の接続。
【請求項３６】
上記はんだ層は、スズ、銀、インジウム、ガリウム、ビスマス、金、及び、銅から選ばれる少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項３５に記載の接続。
【請求項３７】
上記金属層はキャリアに配置され、パターニングされることにより、少なくとも１つのパッドを形成していることを特徴とする請求項３３に記載の接続。
【請求項３８】
上記少なくとも１つのパッドは、シールリング、上記第１接触部の応力緩和、放熱、電磁シールド、配線面、および、アライメントマークからなる群より選ばれる少なくとも１つに用いられることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項３９】
上記少なくとも１つのパッドの側壁は、上記融解されたはんだによって濡れない層によって、覆われていることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項４０】
互いに面した上記金属層の上記パッドは、互いに対称的に構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項４１】
水平化素子が、少なくとも１つの上記金属層の少なくとも２つのパッド間に配置され、
上記水平化素子の厚さは、上記金属層の厚さと同じであり、
上記２つのパッドの間の隙間が上記水平化素子によって充填されていることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項４２】
上記水平化素子は、電気的に絶縁性であり、はんだによって濡れないことを特徴とする請求項４１に記載の接続。
【請求項４３】
上記パッドは、第１パッドおよび第２パッドを含み、
上記第２パッドの面積は、上記第１パッドの面積よりも広く、少なくとも２つの第２パッド間には、少なくとも１つの第１パッドが配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項４４】
上記パッドは、第１パッドおよび第２パッドを含み、
上記第２パッドの面積は、上記第１パッドの面積よりも広く、少なくとも２つの第１パッド間には、少なくとも１つの第２パッドが配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の接続。
【請求項４５】
上記第１パッドの直径は３０μｍ未満であり、上記第２パッドの直径は３０μｍより大きいことを特徴とする請求項４３に記載の接続。
【請求項４６】
上記キャリアは、電子部品のウェハーおよび基板を含むことを特徴とする請求項３７に記載の接続。 
【請求項４７】
上記第１パッドは、上記ウェハーの電気接続部および基板の電気接続部への電気的な接続に用いられることを特徴とする請求項４６に記載の接続。
【請求項４８】
拡散はんだ付けプロセスによって処理され、接合構造を形成するための層構造であって、
複数の第１のパッドを規定する第１のパターンによって第１の金属層が形成される第１の基板と、
複数の第２のパッドを規定する第２のパターンによって第２の金属層が形成される第２の基板と、
上記第１のパターンによって上記第１の金属層にめっきされる第１のはんだ層と、
上記第２のパターンによって上記第２の金属層にめっきされる第２のはんだ層と、
融解されたはんだが側壁に付着することを防止するための手段であって、少なくとも１つの上記第１の金属層および第２の金属層の側壁に設けられた手段と、
を含み、
上記第１のはんだ層および第２のはんだ層が接するように配置することによって、上記第１の基板および第２の基板を配置し、上記拡散はんだ付けプロセスによって、上記第１の基板および第２の基板を接合させることを特徴とする層構造。
【請求項４９】
上記手段は、側壁に配置された、濡れない層であることを特徴とする請求項４８の層構造。
【請求項５０】
複数の水平化素子をさらに含み、
上記水平化素子が、少なくとも１つの上記第１のパッドおよび上記第２のパッド間に配置され、
上記水平化素子は電気的に絶縁性であり、
上記パッドのはんだが上記水平化素子に付着し上記パッドを結合することを防止するため、融解されたはんだによって濡れない材料によって形成されていることを特徴とする請求項４８の層構造。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、拡散はんだ付けプロセスを用いた金属層の接続方法に関するものである。
【０００２】
〔発明の背景〕
固体液体相互拡散ボンディングとしても知られている拡散はんだ付けとは、等温凝固の原理に基づく鉛フリーの配線技術のことである。２つの高融点金属層間または基板間に位置する低融点はんだ層を加熱し、急速に反応させて、上記低融点はんだよりも融点が高い金属間化合物を形成する。
【０００３】
図１は、従来の拡散はんだ付けプロセスを用いた２つの金属層の接続を示している。上部チップ１０の活性主領域が、下部ウェハー１上に位置している。あるいは、下部ウェハー１または基板に、複数の上部チップ１０を配置することができる。下部ウェハー１には、パターニングされた金属層２が配置されており、上部チップ１０には、通常対称的にパターニングされた他の金属層１１が配置されている。上記金属層２、１１は銅からなり、それらの厚さは１〜５μｍである。上部チップ１０の金属層１１に沿って、薄いはんだ層１２が形成されている。このはんだ層１２は、通常、スズまたはスズと銀との合金からなり、上記はんだ層の厚さは０．５〜３μｍである。金属層２、１１、および、はんだ層１２の全体の厚さは、通常、１０μｍ未満である。ボンディングワイヤ、伝導性の接着剤、または、はんだボール、といった他の接続方法に比べて、上記金属層の厚さが薄いので、上記金属層２、１１を１μｍの範囲内にパターニングできる。この繊細なパターニングにより、拡散はんだ付けを用いてチップを非常に高い配線密度で配線することができる。
【０００４】
電気的接続を形成するために、上部チップ１０を、配置手段を用いて下部ウェハー１上に配置し、接着剤によって所定の位置に固定する。次に、下部ウェハー１をはんだ付け炉に配置し、はんだ層１２のはんだが融解するまで加熱する。はんだ付けを行っている間、上部チップ１０を、耐温マット２０を用いて下部ウェハー１に押圧する。融解されたはんだが下部ウェハー１の金属層２を十分に濡らすには、約３バールの圧力が必要である。また、耐温マット２０の圧力により、融解されたはんだの中に窪みが形成されないようにする。
【０００５】
上記耐温マット２０の圧力により、上部チップ１０は所定の位置に固定される。これにより、上記上部チップは、それ自体、はんだ付けプロセス中に融解されたはんだの表面張力によって自己整合できなくなる。自己整合できないので、位置調整精度の高い配置手段を用いる必要がある。しかし、高精度の配置手段のコストが高いだけでなく、処理速度が遅いので、製造処理量が少ない。正確に位置調整できた場合でさえ、耐温マット２０が、上部チップ１０の横変位を引き起こすこともある。これは、はんだ付けプロセス中に、上記耐熱マット２０が熱膨張するからである。上部チップ１０と下部ウェハー１との間の横変位が大きい場合、上記はんだは、向かい側の金属層２の一部とのみ反応する。この場合、金属層２の側壁は、銅層２と下のアルミニウムパッドとを隔てている拡散障壁が破損され、かつ、銅とアルミニウムとの界面での腐食の問題が生じる程に深く、合金化されてしまう。
【０００６】
下部ウェハー１および上部チップ１０に圧力を加えた場合の他の不都合が、融解されたはんだ１２への圧力によって、はんだ１２の蒸発速度が上がり、これにより、薄いはんだ層が、金属層パターン間の隙間に堆積される点である。この堆積されたはんだ層の抵抗は、通常、１〜１０ｋΩであり、これにより、漏れ電流が数ｍＡになる。これに対して、外部圧力をかけない拡散はんだ付けプロセスの漏れ電流は、ｐＡ程度である。
【０００７】
上部チップ１０を下部ウェハー１に押圧するために耐温マット２０を用いるさらに他の不都合が、はんだ１２への圧力が上部チップ１０の厚さによって決まるという点である。同じ工程においていくつかの上部チップ１０をはんだ付けする必要がある場合、上部チップ１０が厚ければ、上記チップのはんだの一部が、圧力が高いために押しつぶされる。一方、上部チップ１０が薄ければ、濡れが不十分であり窪みがあることにより、接続の質が悪くなってしまう。なお、はんだ１２への圧力は、金属層１１のパターンの面積と、上部チップの面積との比率によっても決まる。これにより、金属被覆部とチップ面積との面積比率が異なっている上部チップ１０の場合でも、同じことが言える。
【０００８】
これらの問題に対する解決策が、耐温マット２０を除去し、各上部チップ１０にばねを使用することである。このばねにより、上部チップ１０の少なくともわずかな横への動きが可能になり、したがって、はんだ付けプロセス中のわずかな自己整合が可能になる。しかし、各上部チップにばねを供給し、上記ばねを異なる高さに調整し、金属層のパターンとチップ面積との比率を変えることは、複雑であり、コストがかかる。さらに、上記圧力のゆえに、上記はんだの蒸発速度は依然として速く、それによって、堆積されたはんだ層を介して漏れが生じてしまう。
【０００９】
上述の不都合のゆえに、外部圧力をかける必要のない、拡散はんだ付けを用いることが好ましい。実験により、窪みの形成がはんだの体積によって決まるということが分かった。大きい拡散はんだ付け接合部の場合は、融解されたはんだが反応して金属間化合物が形成されることによって、はんだの体積が低減される。外部圧力を用いないため、上記の融解されたはんだは、結果として生じた窪みへ押圧されない。これに対して、小さな拡散はんだ接合部は、外部圧力をかけずに形成され、それでもなお、非常に小さな窪みのみを有している。したがって基本的に、小さなはんだ付け接合部に外部圧力をかけずに、拡散はんだ付け方法を用いることができる。
【００１０】
しかし、上記拡散はんだ付けプロセスには体積の小さいはんだを用いるので、上部チップ１０の自己整合はなおも生じない。体積の大きいはんだ（例えば、表面実装された装置（ＳＭＤ）またはフリップチップアセンブリ。ここでは、直径が６０〜１００μｍのはんだボールを用いる）に関して、はんだの凝固は、上記接合部を冷却して初めて生じる。上記はんだを、上部チップ１０が所望の位置に移動するまで、融解された状態にしておくことができる。しかし、拡散はんだ付けに関して、全てのはんだが反応して金属間化合物が形成されたとき、上記はんだ付けの温度で凝固が生じる。このはんだの体積が小さいので、凝固は数十分の一秒でしか起こらない。このことが、上部チップ１０が機械的に自己整合するための十分な時間を有していないことを意味する場合もあるため、時間が制限されていることにより、他の問題が生じる。融解されたはんだ１２は、下部ウェハー１の金属層２を濡らす必要がある。このことは、上記はんだが上記金属層と反応して金属間化合物を形成する前に行われる。濡れプロセスは、常に、例えば酸化物が存在することにより、動力学的に抑制される。これにより、融解されたはんだは金属層を、即座にではなく、ある速度で濡らす。表面実装された装置またはフリップチップアセンブリにおいて用いられるはんだの体積がより大きい場合、冷却によって凝固するまでの時間は、金属層を完全に濡らすには十分に長い。これに対して、圧力を加えない拡散はんだ付け接合部は、金属層を完全に濡らす前に凝固する。結果として、表面張力によって自己整合が生じないので、融解されたはんだの縁部には凹凸ができる。基本的に、自己整合は、はんだの体積が大きくなることによって得られる場合がある。しかし、その場合、拡散はんだ付け接合部における完全に合金化された接触部に特有の特性（例えば、融点が高い、または、電子の移動抵抗率が高い）は失われる。
【００１１】
〔発明の概要〕
したがって、本発明の目的は、拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させる金属層の接続方法であって、上記金属層に加えられる外部力を用いずに、上記金属層が自己整合する接続方法を提供することにある。同時に、上記金属層が、上記融解されたはんだによってよく濡らされる必要があり、上記融解されたはんだを十分に窪みのないようにする必要がある。
【００１２】
結果的に、本発明の一局面では、拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させる金属層の接続方法であって、上記拡散はんだ付けプロセスを実行する前に、後に接続されるそれぞれの上記金属層をそれぞれのはんだ層でめっきする工程を含むことを特徴とする金属層の接続方法を提供している。上記金属層の両方ともはんだ層によってめっきされているため、上記融解されたはんだは上記金属層を濡らさなくてもよい。上記金属層はすでにはんだに覆われているため、濡れが酸化物の存在によって妨げられることがない。
【００１３】
具体的には、上記拡散はんだ付けプロセス中に、両方の上記金属層は、上記金属層を接合する上記融解されたはんだ中の表面張力によって互いに自己整合する。上記自己整合は、両方の金属層を、上記融解されたはんだの表面積が最小になるような位置に互いに移動させる力に起因する。これにより、精度が低く、処理能力が高い、配置手段を使用することができる。
【００１４】
本発明は、拡散はんだ付けプロセスを用いて少なくとも２つの金属層を接続させる機械的接続であって、後に接続される上記金属層がそれぞれはんだ層によってめっきされることを特徴とする機械的接続をも提供している。
【００１５】
本発明の他の局面および特徴は、添付図面およびそれに伴う書面説明で明白になるであろう。
【００１６】
〔図面の簡単な説明〕
本発明について、添付図面を参照しながら詳述する。
【００１７】
図１は、従来の拡散はんだ付けプロセスを用いた２つの金属層の接続を示す図である。
【００１８】
図２は、本発明の模式的な一実施形態にかかる拡散はんだ付けプロセスを用いた２つの金属層の接続を示す図である。
【００１９】
図３は、拡散はんだ付けプロセスを用いて２つの金属層を接続するための本発明の方法を示す流れ図である。
【００２０】
図４は、第１パッドおよび第２パッドを備えた本発明の第１実施形態を示す平面図である。
【００２１】
図５は、所定のはんだの厚さが変位することにより直径の異なるパッドに作用する力を示すグラフである。
【００２２】
図６は、第１パッドおよび第２パッドを備えた本発明の第２実施形態を示す平面図である。
【００２３】
〔好適な実施形態の説明〕
以下に、本発明について図面を参照しながら詳述する。
【００２４】
図２は、下部ウェハー１および上部チップ１０の側面図を示している。下部ウェハー１は、他のチップであってもよく、上記下部ウェハー１上には、複数の上部チップ１０が配置されていてもよい。下部ウェハー１には、金属層２が配置されている。金属層２上に配置されているのは、はんだ層３である。上記はんだ層は、金属層２と同様にパターニングされている。上部チップ１０に沿って配置されているのは、金属層１１であり、それに沿って、他のはんだ層１２が配置されている。上記はんだ層１２は、金属層１１と同様にパターニングされており、下部ウェハー１のはんだ層３および金属層２のパターニングと対称的になっている。上記パターンは、下部ウェハー１および上部チップ１０の構造に接続するパッドを構成している。金属層２、１１は銅から形成されているが、他の金属を使用してもよい。はんだ層３、１２は、スズ（Ｓｎ）または銀とスズとの合金（Ａｇ‐Ｓｎ）から形成されているが、他の金属および他の合金でもよい。図１とは対照的に、金属層２、１１の両方とも、はんだ層３、１２がめっきされている。さらに、はんだ付けプロセス中、上部チップ１０に外部機械力を加えるための耐温マット２０を用いない。
【００２５】
金属層２の側壁は、図示したように、非湿潤性の層４によって覆われている。上記非湿潤性の層は、融解されたはんだが金属層２の側壁に付着しないようにするために用いられる。非湿潤性の層４は存在してもしなくてもよく、上部チップ１０の金属層１１の側壁に存在していてもよい。
【００２６】
図２にさらに示したように、上部チップ１０の金属層１０とはんだ層１２との間に、拡散障壁層１３が位置していてもよい。ここでも、この拡散障壁層１３は存在してもしなくてもよく、下部ウェハー１の金属層２とはんだ層３との間に位置していてもよい。拡散障壁層１３を、ニッケル、タングステン、または、チタンから形成でき、この層を用いて、加熱時に、上記はんだが金属層に拡散する速度を低減することができる。このようにして、下部ウェハー１上で上部チップ１０を自己整合するために、および、拡散はんだ付け接合部の凝固が生じる前に、はんだ層３、１２を濡らすために必要な時間を長くすることができる。
【００２７】
図２にさらに示すように、金属層１１のパッド間に水平化素子１４が配置されている。水平化素子１４は、存在してもしなくてもよく、下部ウェハー１の金属層２のパターンの側壁間に配置されていてもよい。水平化素子１４の目的は、横方向の位置調整が上記パッド間の隙間よりも広い場合、下部ウェハー１のパッドを上部チップ１０のパッドと連結せずに精度の低い配置手段を使用することを可能にするということである。水平化素子１４は、位置調整精度よりも広い間隔で隔てられたパッド間にのみ配置される必要がある。短絡を防止するために、水平化素子１４は、電気的に絶縁性である必要があり、上記パッドのはんだが水平化素子に付着して、パッド間を結合することのないように、上記融解されたはんだによって濡れないものである必要がある。
【００２８】
本発明の拡散はんだ付け方法には、いくつかの利点がある。自己整合するので、金属層２のパッドと金属層１１のパッドとの間の横変位は非常にわずかである。これにより、浮遊容量の値が同じになり、設計パラメータの変化量をよりわずかすることができる。さらに、パッド間の平均的な横間隔が広くなることにより、電気強度が高くなり、パッドの絶縁性が上がる。他の利点は、厚さの異なる上部チップ１０と、さらには受動素子とを、同じ拡散はんだ付け工程においてはんだ付けできる点である。形成された金属間化合物の融点が高いので、一連の拡散はんだ付け工程を行うことも可能である。さらに、上部チップ１０に圧力を加える必要がないので、本発明を用いて、通常圧力が加えられることにより湾曲または破損するであろう薄いチップを、拡散はんだ付けできる。最後に、上記はんだのはんだ蒸発速度は下がり、漏れ電流がよりわずかに生じる。
【００２９】
図３は、拡散はんだ付けプロセスを用いて２つの金属層を接続するための、本発明の方法を示す流れ図である。図示するために、上記金属層が、図２に示したようにキャリアとして用いられている下部ウェハー１および上部チップ１０に沿って位置していると仮定する。しかし、当業者は、他の配置を用いるために、上記方法を適用または変更できる。
【００３０】
工程Ａでは、金属層２、１１およびはんだ層３、１２を下部ウェハー１および上部チップ１０に配置し、パターニングする。上記層を、上記パターニングをリソグラフィによって実行している間に、電気めっきをする種層をスパッタすることによって、堆積してもよい。
【００３１】
工程Ｂでは、蟻酸を２０〜１００ｍｂａｒの分圧にして、はんだの融点よりもほんのわずかに低い温度で、２〜３分の間、はんだ層３、１２のガスを抜く。その代わりに、または、これに加えて、このガス抜き工程を工程Ｆにおいて行ってもよい。上記ガス抜き工程を工程Ｂにおいて（つまり、工程Ｃにおいて上部チップ１０を下部ウェハー１に配置する前に）行う場合、はんだ層３、１２の表面に接近しやすい。上記ガス抜き工程を、上記はんだ付け炉よりも、例えば加熱に必要な時間に関してガス抜きにより適した炉において、行ってもよい。しかし、上記はんだ付け炉において工程Ｂを行う利点は、下部ウェハー１および上部チップ１０をガス抜き炉からはんだ付け炉に搬送する必要がないという点である。
【００３２】
工程Ｃでは、上部チップ１０を下部ウェハー１上に配置する。上部チップ１０を、接着剤によって下部ウェハー１に固定してもよい。次に、下部ウェハー１をはんだ付け炉の中に配置する。
【００３３】
相互に代替可能な工程Ｄ、Ｅでは、はんだ層３、１２に沿った表面酸化物を除去する。この洗浄を、はんだ付け炉内で行ってもよい。上記洗浄は、下部ウェハー１のスズ３が上部チップ１０のスズ１２を濡らすために必要である。
【００３４】
工程Ｄでは、上記はんだ付け炉を窒素で充填することにより、不活性ガスの雰囲気が形成され、酸素が除去される。上記炉を、１７０℃に加熱し、蟻酸を添加する。
【００３５】
代わりの工程Ｅでは、はんだ付け炉内に真空を形成し、蟻酸を添加し、次に、１７０℃に加熱する。
【００３６】
これらの工程Ｄおよび工程Ｅを、上記はんだの融点（例えば、１５０℃〜２００℃の温度）よりも低い温度で行う。選択されたこの温度は、工程Ｂのガス抜き用の温度よりも低い。上記蟻酸の分圧を２０〜１００ｍｂａｒになるように選択し、上記洗浄を２〜３分間続ける。下部ウェハー１への上部チップ１０の固定に用いられる接着剤は、加熱中に蒸発し、したがって、上部チップ１０は、自己整合が生じるには十分自由に動くことができる。
【００３７】
工程Ｆは、工程Ｂと同じであり、工程Ｂをすでに実行した場合には実行してもしなくてもよい。工程Ｂを実行していない場合には、工程Ｆを実行してはんだ層３、１２のガスを抜く必要がある。
【００３８】
実際にはんだ付けを行う前に、相互に代替可能な工程ＧまたはＨを実行する。
【００３９】
工程Ｇでは、ガス状のフラックス材（例えば、原子状水素、分子状水素、一酸化炭素、アンモニア、または、蟻酸（Ｈ、Ｈ２、ＣＯ、ＮＨ３、ＣＨ２Ｏ２）とともに不活性ガスを添加することにより、はんだ付け炉の圧力を上げる。圧力の上昇により、融解されたはんだの圧力が上がる。これにより、金属間化合物を形成するために体積が低減されることによって形成された窪みが圧縮され、はんだによって充填される。
【００４０】
代わりの工程Ｈでは、蟻酸の分圧が２０〜１００ｍｂａｒである真空を、上記はんだ付け炉内に形成する。圧力が低減されたことにより、融解されたはんだ内の窪みが拡張し、破裂する。工程Ｈを、蟻酸を用いずに実行してもよい。これらの工程Ｇおよび工程Ｈは、融解されたはんだ内の窪みを低減し、金属層またははんだ層に存在している酸化物を除去することを目的としている。どの工程を用いるかは、接合部のはんだの体積に応じて決めてもよい。
【００４１】
工程Ｉでは、金属層２、１１およびはんだ層３、１２を、はんだの融点よりも高い温度（通常約２５０〜２７０℃）で加熱する。融解されたはんだ層３、１２は、互いに濡らし合い、金属層２、１１に拡散し、反応して金属間化合物を形成し、次に、凝固する。
【００４２】
金属層２およびはんだ層３だけでなく、金属層１１およびはんだ層１２においても形成されたパターンを用いて、電気的に接続するためのパッドを形成することができる。これらのパッドは、次に、下部ウェハー１または上部チップ１０の接触部同士を接続する。
【００４３】
図４は、金属層２、１１だけではなくはんだ層３、１２をパターニングして、より大きな第２パッド３１間に配置された小さい第１パッド３０を形成する、第１実施形態を示す平面図である。第１パッド３０の直径は３０μｍ未満であり、第２パッド３１の直径は３０μｍよりも長い。上記パッドの直径によって表面張力が決まり、静水圧は、融解されたはんだによって支持される。より小さい第１パッド３０間の融解されたはんだは、より大きい第２パッド３１間の融解されたはんだよりも球体を形成する傾向が大きい。第１パッド３０および第２パッド３１がそれぞれ対応する融解されたはんだの部分と接触している場合、第１パッド３０は、したがって、金属層２、１１を押し開ける傾向にあり、他方、第２パッド３１は、上記金属層を離れないように保とうとする。金属層２、１１を押し開ける力の合計が、上記金属層を離れないように保とうとする力の合計と同じである場合、これらの力の平衡が生じる。
【００４４】
図５は、上記パッド間の融解されたはんだの厚さをパッドの直径に応じて変えるために必要な力を示している。図示したのは、直径が１０、２０、５０、１００、２００、５００、１０００μｍであり、初めのはんだの厚さが３μｍであるパッドに関する、ｍｍ２ごとの力である。直径の短いパッドに関して、はんだの厚さを変えるために、小さな力のみが必要であり、他方、直径がより長いパッドのはんだの厚さを変えるためには、大きな力が必要である。より大きな第２パッド３１間の融解されたはんだは、より小さな第１パッド３０間のはんだよりも剛性の高いばねを形成する。結果として、平衡状態でのはんだの厚さは、３μｍよりもわずかに厚い程度であろう。これにより、第２パッドを用いて、第１パッド３０間の融解されたはんだに圧力を加えることができるようになる。この圧力により窪みが減少するとともに、はんだの濡れ性が上がる。
【００４５】
図６は、金属層２、１１だけではなくはんだ層３、１２をもパターニングして、第１パッド３０および第２パッド３１を形成する、第２実施形態を示す平面図である。第２パッド３１は長方形の形状をしており、第１パッド３０は、上記第２パッド間に配置された円の形状をしている。長方形３１が互いに直角に配置されているので、２方向の自己整合が実現される。下部ウェハー１または上部チップ１０の接触部を接続するために他の配線面を用いる場合、長方形の第２パッド３１が特に有効である。
【００４６】
図４および図６に示した実施形態を、第２パッド３１を第１パッド３０間に配置するように変更してもよい。いずれの場合にも、第１パッド３０および第２パッド３１の位置調整およびサイズを選択する。この選択を、金属層２、１１に加える静水力が互いに平衡を保ち、互いに平行な金属層２、１１の表面を位置あわせするように行う。結果として、金属層２と金属層１１との間のはんだの厚さは、均一になる。第１パッド３０間の間隔が、上記配置手段の位置調整精度よりも広い場合、向かい合うはんだ層２、１１の上記第１パッド３０同士が互いに接触していないということが予想しうる。この場合、より大きな第２パッド３１の大きさを、向かい合う金属層２、１１の少なくともいくつかの第２パッド３１同士が互いに接触しており、上記第２パッドを用いて、融解されたはんだの表面張力によって自己整合を行うように、定め、配置できる。金属層２、１１は、次に、所定の位置に移動する。これにより、上記第１パッド同士が初めに互いにずらしたとしても、上記第１パッド３０も共にはんだ付けされる。
【００４７】
本発明が、上記したように従来の拡散はんだ付けプロセスに関する欠陥を克服する拡散はんだ付けプロセスによって、少なくとも２つの金属層を接続するための方法を対象にしていることが、認識される。特に、上記したように、金属層に加えられる外部力を用いずに、自己整合が改善される。
【００４８】
上記自己整合は、融解されたはんだの表面積が最小化されるような位置に金属層同士を互いに動かそうとする力よって生じる。これにより、精度が低く、処理能力が高い、配置手段を使用することができる。
【００４９】
具体的には、融解されたはんだの濡れ性が上がることにより、表面張力が増す。融解されたはんだがすでに金属層と接触している間、融解されたスズ同士が濡らしあわないということが、知られている。結果として、はんだ層がそれぞれめっきされた２つの金属層を拡散はんだ付けしようとしたとき、自己整合力は発生しない。はんだ付けプロセス中に自己整合を達成するために、上記融解されたはんだの濡れ性を上げる必要がある。
【００５０】
したがって、拡散はんだ付けプロセス中に、上記金属層に外部機械的な圧力を加えない。上記金属層は、自己整合できるように、横方向に自由に動くことができる。重力および大気圧を外部機械力であると見なさない。
【００５１】
上記はんだ層のはんだを、はんだの融点よりも高い温度で一度加熱するだけである。このことは、はんだボール接続方法またはフリップチップ接続方法とは対照的である。上記接続方法では、初めにはんだを加熱してはんだボールを形成し、次に、接合される部分同士を互いに接触部に配置した後再び加熱する方法である。本発明では、上記はんだを融点よりも高い温度で加熱するとき、上記はんだをスパッタおよび電気めっきによって形成する。これにより、上記はんだは上記金属層と反応し、金属間化合物を形成する。
【００５２】
上記はんだ層同士を接触させて配置し、それらを互いに位置あわせした後、上記はんだを加熱する。初めに、上記はんだ層同士を、配置手段によって互いにおおよそ位置あわせする。次に、融解されたはんだの表面張力に基づいて、上記自己整合によって正確な位置調整を実現する。
【００５３】
さらに、上記金属層の少なくとも１つとそのはんだ層との間に、拡散障壁層を配置する。上記拡散障壁層は、上記金属層への上記はんだの拡散の速度を低減し、したがって、上記反応の速度を低減して、金属間化合物を形成する。結果として、拡散はんだ付け接合部が凝固する前に、自己整合および濡れに、より多くの時間を使うことができる。
【００５４】
上記金属層を複数の適切な材料を用いて形成できるが、模式的な材料は、銅、銀、金、パラジウムの中の少なくとも１つを含んでいる。同様に、上記はんだ層を、スズ、銀、インジウム、ガリウム、ビスマス、金、銅の中の少なくとも１つから形成できる。
【００５５】
上記はんだ付けを行う前に、不活性ガス雰囲気下または真空において、蟻酸の分圧で上記はんだ層のガスを抜く。実験が示したことは、蟻酸を用いた上記ガス抜きは、はんだ層のスズが外部機械的な圧力を加えずにスズに濡らされるために必要である、ということである。このガス抜き工程は、通常、はんだの融点よりも低い温度で行われ、蟻酸の分圧は２０〜１００ｍｂａｒである。上記ガス抜きは、一実施形態では、２〜３分の間行われる。
【００５６】
本発明では、上記拡散はんだ付けプロセス中に、上記金属層および上記はんだ層を、上記はんだ層の全てのはんだが融解された状態が少なくとも存在するような速度速度で加熱する。加熱速度が非常に遅い場合、はんだの中にはすでに金属層と反応し、金属間化合物を形成し、凝固して、これにより、自己整合できなくなるものもある。上記金属層およびはんだ層を、常圧より高い圧力下で、はんだの融点よりも高い温度で加熱する。上記金属層および上記はんだ層を、常圧より高い圧力下で加熱することにより、上記はんだ内の窪みの形成を低減できる。上記はんだ付け炉内の圧力は、上記融解されたはんだを等方性に圧縮して金属間化合物の形成によって窪みに押圧することにより、窪みの膨張を防止する。一局面では、上記雰囲気は、不活性ガス中のガス状のフラックス材を含んでいる。上記ガス状のフラックス材は、原子状水素、分子状水素、一酸化炭素、アンモニア、蟻酸の中の少なくとも１つである。上記不活性ガスは、窒素または他の酸素を含まない雰囲気であってもよい。
【００５７】
あるいは、上記金属層および上記はんだ層を、はんだの融点よりも高い温度で、蟻酸の分圧が２０〜１００ｍｂａｒである真空において加熱する。真空において上記はんだを加熱することにより、上記融解されたはんだの窪みは拡張し、破裂する。このことは、上記はんだ付け炉の圧力が１バールよりも著しく低い場合にも当てはまる。
【００５８】
上記金属層をキャリアに配置し、パターニングすることにより、少なくとも１つのパッドを形成できる。上記はんだ層を各金属層と同じ形状にパターニングすることが好ましい。したがって、上記はんだ層および金属層を共にパターニングしてもよい。あるいは、上記はんだ層を各金属層とは異なる形状にパターニングしてもよい。上記金属層は、より大きなパッド（例えば、電磁シールドに用いられるパッド）を構成できる。かかる場合、上記はんだ層のパターンは、上記金属層により小さなパッドを構成し、上記金属層の位置あわせに用いられる。
【００５９】
上記はんだ層を、はんだレジストによってパターニングできる。上記はんだレジストを上記金属層に塗布し、パターニングする。金属層をめっきするとき、上記はんだ層は、上記はんだレジストによって覆われていない金属層の一部に形成されるだけである。拡散はんだ付けプロセス中、上記はんだレジストのパターンは、上記金属層のパターンの代わりに、上記融解されたはんだの形状を規定し、上記融解されたはんだの表面張力に基づく力を決定する。互いに面した上記金属層におけるはんだレジストのパターニングは、互いに対称的である。例えば、１つの金属層のはんだレジストによって形成された円に対応して、同じ位置および同じサイズで、向かい側の金属層のはんだレジストによって形成された円が存在している。
【００６０】
本発明の他の局面では、少なくとも１つのパッドの側壁は、上記融解されたはんだによって濡れない層によって、覆われている。この濡れない層により、上記融解されたはんだを金属層の上面に止め、これにより、パッド間の結合を回避する。互いに面した金属層のパッドは、互いに対称的に構成される。パッドが対称であることにより、自己整合力が上がり、より正確な位置あわせが可能になる。さらに、上記はんだは、上記向かい側の金属層を濡らすために拡散する必要がない。
【００６１】
上記パッドは、第１パッドおよび第２パッドの形状であってもよい。上記第２パッドの面積は、上記第１パッドの面積よりも広く、少なくとも２つの第２パッド間には、少なくとも１つの第１パッドが配置されている。あるいは、少なくとも２つの第１パッド間には、少なくとも１つの第２パッドが配置されている。上記融解されたはんだを濡らした後、上記金属層に静水力が作用する。上記静水力は、上記パッドの面積に応じて決まる。これにより、適切に位置調整された、サイズの異なるパッドを用いることができ、上記はんだの自己整合および濡れ性が改善される。上記第１パッドの直径は３０μｍ未満であり、上記第２パッドの直径は３０μｍより大きい。
【００６２】
上記拡散はんだ付けプロセス中、上記第２パッドの静水圧を用いて、上記第１パッド間の融解されたはんだに圧力を加える。上記第２パッド間のはんだには有効な曲率が大きいため、より大きな第２パッドの静水圧は、より小さな第１パッドの平衡状態での静水圧よりも低い。同時に、上記より大きな第２パッド間のはんだの剛性は、上記より小さな第１パッド間のはんだの剛性よりも高い。結果として、上記第２パッドを用いて、これらの第１パッド間の融解されたはんだに圧力を加えることができる。
【００６３】
第１パッドを間に備えた上記第２パッドは、上記第１パッドの各側面に位置する上記第２パッドの静水力の合計が同じであるように、配置されている。これにより、各第１パッドに同じ圧力を形成できる。
【００６４】
同様に、第１パッド間に配置された上記第２パッドは、上記第２パッドの各側面に位置する上記第１パッドの静水力の合計が同じであるように、配置されている。この圧力を用いて、上記第１パッド間の上記融解されたはんだの濡れ性が改善される。
【００６５】
一実施形態では、上記キャリアは、電子部品のウェハーおよび基板である。上記ウェハーおよび基板の電気接続部が上記金属層に接続されている。これにより、本発明を用いて、チップと電子部品とを拡散はんだ付けによって接合できる。
【００６６】
上記第１パッドは、電気的接続に用いられる。上記金属層の自己整合によって機械的な接続の正確な位置調整がなされる一方、上記第１パッドを用いて、ウェハー、電子部品、チップなどを互いに電気的に接続することができる。上記第２パッドは、機械的接続、上記第１接触部の応力緩和、放熱、電磁シールド、配線面、および、アライメントマークの中の少なくとも１つに用いられる。上記第２パッドは、上記はんだの自己整合および濡れを支援することに加えて、上述の機能を実行することもできる。
【００６７】
他の局面では、少なくとも１つの金属層の少なくとも２つのパッド間に水平化素子が配置されている。上記水平化素子の厚さは、上記金属層の厚さと同じである。上記水平化素子は、電気的に絶縁されており、上記はんだによって濡れない。
【００６８】
当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明に様々な変更および変型がなされることが、明らかとなろう。以上のことを考慮して、本発明は、請求項およびそれらに相当する箇所の範囲に含まれる、本発明の変更および変型に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の拡散はんだ付けプロセスを用いた２つの金属層の接続を示す図である。
【図２】本発明の模式的な一実施形態にかかる拡散はんだ付けプロセスを用いた２つの金属層の接続を示す図である。
【図３】拡散はんだ付けプロセスを用いて２つの金属層を接続するための本発明の方法を示す流れ図である。
【図４】第１パッドおよび第２パッドを備えた本発明の第１実施形態を示す平面図である。
【図５】所定のはんだの厚さが変位することにより直径の異なるパッドに作用する力を示すグラフである。
【図６】第１パッドおよび第２パッドを備えた本発明の第２実施形態を示す平面図である。
【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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【外国語明細書】
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