(57)【要約】【課題】アンダー・バンプ・メタライゼーション構造体を含む構造体、デバイスを含むシステムおよびデバイスを形成する方法を提供する。【解決手段】アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体は第１の領域および第２の領域を含む。この第１の領域と第２の領域は、ＵＢＭ構造体内で横方向に配置されている。第１の領域は超電導材料を含む。基板がＵＢＭ構造体と向かい合っている。超電導はんだ材料が、第１の領域を基板に接合しており、第２の領域を基板に接合している。【選択図】図１
2020535641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体であって、
第１の領域および第２の領域を含むアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、前記第１の領域と前記第２の領域とが前記ＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第１の領域が超電導材料を含む、前記ＵＢＭ構造体と、
前記ＵＢＭ構造体と向かい合った基板と、
前記第１の領域を前記基板に接合しており、前記第２の領域を前記基板に接合している超電導はんだ材料と
を備える構造体。
【請求項２】
前記第１の領域が前記第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記第１の領域と前記第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記ＵＢＭ構造体が配置された、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記ＵＢＭ構造体が配置された、請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記１つまたは複数の第１の位置が前記１つまたは複数の第２の位置とは異なる、請求項３に記載の構造体。
【請求項５】
前記第２の領域が非超電導材料を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記基板が超電導回路を備え、前記超電導回路に前記第１の領域が電気的に接続されるように、前記超電導回路が前記超電導はんだ材料に接続された、請求項１に記載の構造体。
【請求項７】
前記超電導はんだ材料と前記第１の領域の間に超電導接合が形成された、請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
構造体であって、
第１の領域および第２の領域を含む第１のアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、前記第１の領域と前記第２の領域とが前記第１のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第１のＵＢＭ構造体が第１の基板に接続された、前記第１のＵＢＭ構造体と、
別の第１の領域および別の第２の領域を含む第２のＵＢＭ構造体であり、前記別の第１の領域と前記別の第２の領域とが前記第２のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第２のＵＢＭ構造体が第２の基板に接続された、前記第２のＵＢＭ構造体と、
前記第１のＵＢＭ構造体の前記第１の領域および前記第２の領域を、前記第２のＵＢＭ構造体の前記別の第１の領域および前記別の第２の領域に接合している超電導はんだ材料と
を備え、前記第１の領域および前記別の第１の領域が超電導材料を含む、
構造体。
【請求項９】
前記第１の領域が前記第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記第１の領域と前記第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記第１のＵＢＭ構造体が配置されており、
前記別の第１の領域が前記別の第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記別の第１の領域と前記別の第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記第２のＵＢＭ構造体が配置されている、
請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
前記第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記第１のＵＢＭ構造体が配置されており、
前記別の第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記別の第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記第２のＵＢＭ構造体が配置されている、
請求項８に記載の構造体。
【請求項１１】
前記第２の領域および前記別の第２の領域が非超電導材料を含む、請求項８に記載の構造体。
【請求項１２】
前記第１の基板が、前記超電導はんだ材料に電気的に接続された第１の超電導回路を備え、
前記第２の基板が第２の超電導回路を備え、前記第１の領域、前記別の第１の領域および前記超電導はんだ材料を介して前記第１の超電導回路と前記第２の超電導回路とが電気的に接続されるように、前記第２の超電導回路が前記超電導はんだ材料に電気的に接続された、
請求項８に記載の構造体。
【請求項１３】
前記超電導はんだ材料と前記第１の領域の間および前記超電導はんだ材料と前記別の第１の領域の間に超電導接合が形成された、請求項８に記載の構造体。
【請求項１４】
システムであって、
請求項１ないし１３のいずれかに記載の構造体を備えるデバイスと、
前記デバイスに関連した超電導温度まで温度を下げるように構成された冷却システムと
を備えるシステム。
【請求項１５】
デバイスを形成する方法であって、
第１の領域および第２の領域を含むアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、前記第１の領域と前記第２の領域とが前記ＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第１の領域が超電導材料を含む、前記ＵＢＭ構造体を提供すること、
前記ＵＢＭ構造体と向かい合った基板を提供すること、ならびに
超電導はんだ材料を用いて、前記基板を前記第１の領域および前記第２の領域に接合すること
を含む方法。
【請求項１６】
前記第１の領域が前記第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記第１の領域と前記第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記ＵＢＭ構造体が配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記ＵＢＭ構造体が配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記１つまたは複数の第１の位置が前記１つまたは複数の第２の位置とは異なる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の領域が非超電導材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
デバイスを形成する方法であって、
第１の領域および第２の領域を含む第１のアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、前記第１の領域と前記第２の領域とが前記第１のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第１のＵＢＭ構造体が第１の基板に接続された、前記第１のＵＢＭ構造体を提供すること、
別の第１の領域および別の第２の領域を含む第２のＵＢＭ構造体であり、前記別の第１の領域と前記別の第２の領域とが前記第２のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、前記第２のＵＢＭ構造体が第２の基板に接続された、前記第２のＵＢＭ構造体を提供すること、ならびに
超電導はんだ材料を用いて、前記第１のＵＢＭ構造体の前記第１の領域および前記第２の領域を、前記第２のＵＢＭ構造体の前記別の第１の領域および前記別の第２の領域に接合すること
を含み、前記第１の領域および前記別の第１の領域が超電導材料を含む、
方法。
【請求項２１】
前記第１の領域が前記第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記第１の領域と前記第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記第１のＵＢＭ構造体が配置され、
前記別の第１の領域が前記別の第２の領域と横方向に隣り合い、前記超電導はんだ材料が前記別の第１の領域と前記別の第２の領域の両方と接触することを可能にするように、前記第２のＵＢＭ構造体が配置される、
請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記第１のＵＢＭ構造体が配置され、
前記別の第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、前記別の第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように、前記第２のＵＢＭ構造体が配置される、
請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、集積回路（ＩＣ）内への電子信号およびＩＣからの電子信号をカップリング（coupling）することに関する。より詳細には、本発明は、システム、製造方法およびその結果得られるバンプ・メタライゼーション構造体に関し、このバンプ・メタライゼーション構造体は、バンプとメタライゼーション構造体との間の超電導（superconducting）電気カップリングおよび堅固な機械的接着を提供する。
【背景技術】
【０００２】
さまざまな電子用途および電気光学用途で半導体デバイスが使用されている。ＩＣは通常、半導体ウェーハ上に形成されたさまざまな回路構成の半導体デバイスから形成されている。あるいは、モノリシック（monolithic）デバイス、例えば個別（discrete）デバイスとして半導体デバイスが形成されていることもある。半導体デバイスは、半導体ウェーハの上に多くのタイプの薄い材料膜を堆積させ、それらの薄膜にパターンを形成し、半導体ウェーハの選択領域にドーピングを施すなどによって、半導体ウェーハ上に形成される。
【０００３】
従来の半導体製造プロセスでは、単一のウェーハに多数の半導体デバイスが製造される。ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）は、今日の大部分のコンピュータ・マイクロチップに組み込まれているトランジスタを形成するために使用される半導体製造技術である。ＣＭＯＳ技術では、効果的な電気制御手段を形成する電流ゲートを形成するために、ｎ型トランジスタとｐ型トランジスタの両方が相補的に使用される。ＣＭＯＳ技術製造シーケンスの後の方で実行される処理操作はバックエンドオブライン（ＢＥＯＬ）ＣＭＯＳ処理と呼ばれており、ＣＭＯＳ技術製造シーケンスの前の方で実行される処理ステップはフロントエンドオブライン（ＦＥＯＬ）ＣＭＯＳ処理と呼ばれている。
【０００４】
デバイス・レベルおよび相互接続レベルの製造プロセスが完了した後、ウェーハ上の半導体デバイスは複数のマイクロチップ（すなわちチップ）に分離され、最終製品がパッケージングされる。ＩＣ（またはチップ）パッケージングは通常、ダストもしくは水分にさらされることによってまたは他の物体と接触することによってチップが傷つくことを防ぐ気密封止されたプラスチック、金属またはセラミック・パッケージにシリコン・チップを入れることを含む。ＩＣパッケージングはさらに、ＰＣＢへのより容易な接続を可能にする。ＰＣＢの目的は、ＩＣおよび個別構成部品を互いに接続してより大きな演算回路を形成することである。ＰＣＢに装着することができる部品にはこの他、カード・ソケット、マイクロ波コネクタなどがある。
【０００５】
ワイヤ・ボンディングは、ＰＣＢと他の構成部品（例えば外部構成部品、カード・ソケット、マイクロ波コネクタ、チップ・キャリアなど）との間に電気相互接続を形成する、知られているＢＥＯＬ操作である。ワイヤ・ボンディングでは、１本の小径の軟質金属ワイヤ（例えば金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）など）が、ＰＣＢ上に装着されたコンパチブル（comptible）金属表面またはパッドに、はんだを使用せずに取り付けられまたはボンディングされる。ワイヤとパッドの間の実際の結合は、熱圧縮（termo-connpression）技法、熱音波（thermo-sonic）技法および超音波技法の使用を含むさまざまな手法で形成することができる。ワイヤ・ボンディングは広く使用されているが、追加のワイヤ・ボンド・ハードウェア、特にマイクロ波／無線周波（ＲＦ）用途の追加のワイヤ・ボンド・ハードウェアは、製造に手間がかかり、低温ＣＴＥ（熱膨張率）不整合が生じ、高い信頼性で再現することが難しく、信号経路の問題を引き起こし、コストを上昇させ、体積を増大させ、外来マイクロ波空洞モードを導入する。
【０００６】
いわゆる「フリップ・チップ」組立て（assembly）法は、ワイヤ・ボンディングに代わる方法を提供する。フリップ・チップ組立ては、下向きの（すなわち裏返された）電子ダイを、有機またはセラミック回路板に、チップ・ボンド・パッド上の電導バンプによって直接に電気接続する組立てであり、このチップ・ボンド・パッド上の電導バンプは、「アンダー・バンプ・メタライゼーション」（under bump metallization）（ＵＢＭ）としても知られている。この電導バンプは、はんだの小さな球体（すなわちはんだボール）として形成することができ、はんだボールは、半導体デバイスの接触エリアまたはパッドにボンディングされる。従来のフリップ・チップ組立て法は、半導体チップ／基板上にはんだ材料を置き、チップを裏返し、はんだを、チップ上の接触パッド（すなわちＵＢＭ）と整列させ、炉の中ではんだをリフローさせてはんだを球形にし、はんだバンプ、ＵＢＭおよびチップ間のボンディングを確立することを含みうる。フリップ・チップ組立て法は、微小な寄生インダクタンスおよび寄生静電容量を有する電気接続を提供することができる。加えて、接触パッド（すなわちＵＢＭ）は、ワイヤ・ボンディングの場合のように周縁部に限定されているわけではなく、チップ表面全体に分布している。その結果、チップ面積がより効率的に使用され、相互接続の最大数が増大し、信号相互接続が短くなる。したがって、フリップ・チップ組立て法は、リアルエステートの利用度（real-estate utilization）、性能、信頼性およびコストを含む、伝統的な上向きワイヤ・ボンディング技法に優る利点を有する。
【０００７】
チップ内への電子データおよび他の信号ならびにチップからの電子データおよび他の信号をバンプ・ボンドが伝達するチップ構成では、バンプ・ボンドを通して伝達される電子データおよび他の信号の信号損失を最小化することが望ましいことがある。このような信号損失を最小化する１つの方法は、十分な超電導性を有するようにバンプ／ＵＢＭインタフェースを構成する方法である。超電導性は一般に、事実上ゼロ抵抗で電流を伝導するある種の材料の能力である。
【０００８】
多くの場合、選択されるバンプ金属は、コンパチブルＵＢＭ膜スタック上にさまざまな手法で堆積させたインジウムまたはインジウム合金である。このインジウム・ベースの厚いバンプ金属は、ＵＢＭ膜とは別個のプロセスで堆積させるため、ＵＢＭ膜の組成には制約がある。特に、インジウム合金とＵＢＭの間に良好な結合を形成するため、ＵＢＭの上面は、インジウムの堆積／めっき中に酸化されるべきではない。その結果、ＵＢＭスタックと強い接着を形成する材料を使用することが望ましいことがある。そのような機械的結合を形成する材料は、超電導接続をうまく形成しないことがある（実際には、電気接触さえも提供しないことがある）。例えば、ＵＢＭ膜上の貴金属は、貴金属の表面に酸化物がほとんどまたは全く存在しないため、優れた機械的／金属接続を提供しうるが、場合によっては超電導接触を提供しないことがある。貴金属の表面の酸化レベルは湿潤環境においても非常に低いため、機械的結合を提供する目的には、貴金属は特に魅力的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
アンダー・バンプ・メタライゼーション構造体を含む構造体、デバイスを含むシステムおよびデバイスを形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は構造体を対象としており、この構造体は、第１の領域および第２の領域を含むアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、第１の領域と第２の領域とがＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第１の領域が超電導材料を含む、ＵＢＭ構造体を含む。この構造体は、ＵＢＭ構造体と向かい合った基板と、第１の領域を基板に接合しており、第２の領域を基板に接合している超電導はんだ材料とを含む。
【００１１】
本発明の実施形態は構造体を対象としており、この構造体は、第１の領域および第２の領域を含む第１のアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、第１の領域と第２の領域とが第１のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第１のＵＢＭ構造体が第１の基板に接続された、第１のＵＢＭ構造体を含む。この構造体は、別の第１の領域および別の第２の領域を含む第２のＵＢＭ構造体であり、この別の第１の領域と別の第２の領域とが第２のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第２のＵＢＭ構造体が第２の基板に接続された、第２のＵＢＭ構造体を含む。この構造体はさらに、第１のＵＢＭ構造体の第１の領域および第２の領域を、第２のＵＢＭ構造体の別の第１の領域および別の第２の領域に接合している超電導はんだ材料を含み、第１の領域および別の第１の領域は超電導材料を含む。
【００１２】
本発明の実施形態はシステムを対象としており、このシステムはデバイスを含む。このデバイスは、第１の領域および第２の領域を含むアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、第１の領域と第２の領域とがＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第１の領域が超電導材料を含む、ＵＢＭ構造体を含む。このデバイスは、ＵＢＭ構造体と向かい合った基板と、第１の領域を基板に接合しており、第２の領域を基板に接合している超電導はんだ材料とを含む。このシステムはさらに、デバイスに関連した超電導温度まで温度を下げるように構成された冷却システムを含む。
【００１３】
本発明の実施形態は、デバイスを形成する方法を対象としており、この方法は、第１の領域および第２の領域を含むアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、第１の領域と第２の領域とがＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第１の領域が超電導材料を含む、ＵＢＭ構造体を提供することを含む。この方法は、ＵＢＭ構造体と向かい合った基板を提供すること、ならびに超電導はんだ材料を用いて、基板を第１の領域および第２の領域に接合することを含む。
【００１４】
本発明の実施形態は、デバイスを形成する方法を対象としており、この方法は、第１の領域および第２の領域を含む第１のアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体であり、第１の領域と第２の領域とが第１のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第１のＵＢＭ構造体が第１の基板に接続された、第１のＵＢＭ構造体を提供することを含む。この方法は、別の第１の領域および別の第２の領域を含む第２のＵＢＭ構造体であり、この別の第１の領域と別の第２の領域とが第２のＵＢＭ構造体内で横方向に配置されており、第２のＵＢＭ構造体が第２の基板に接続された、第２のＵＢＭ構造体を提供することを含む。この方法はさらに、超電導はんだ材料を用いて、第１のＵＢＭ構造体の第１の領域および第２の領域を、第２のＵＢＭ構造体の別の第１の領域および別の第２の領域に接合することを含み、第１の領域および別の第１の領域は超電導材料を含む。
【００１５】
追加の特徴および利点は、本明細書に記載された技法を通じて理解される。本明細書には、他の実施形態および態様が詳細に記載されている。さらに理解したければ、本明細書の説明および図面を参照されたい。
【００１６】
本発明とみなされる主題は、本明細書に添付された特許請求の範囲に詳細に記載されており、明確に主張されている。上記の特徴および利点ならびにその他の特徴および利点は、添付図面に関して書かれた以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に基づく２構成要素ＵＢＭ構造体の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に基づく別の２構成要素ＵＢＭ構造体の断面図である。
【図３】１つの製造操作後の本発明の実施形態に基づくＵＢＭ構造体の断面図である。
【図４】図３に示されたＵＢＭ構造体の上面図である。
【図５】１つの製造操作後の本発明の実施形態に基づくＵＢＭ構造体の断面図である。
【図６】図５に示されたＵＢＭ構造体の上面図である。
【図７】１つの製造操作後の本発明の実施形態に基づくＵＢＭ構造体の断面図である。
【図８】図７に示されたＵＢＭ構造体の上面図である。
【図９】本発明の実施形態に基づく別の２構成要素ＵＢＭ構造体の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に基づく下／上２構成要素ＵＢＭ構造体の上面図である。
【図１１】基板にボンディングされる２構成要素ＵＢＭ構造体を形成する本発明の実施形態に基づく方法を示す図である。
【図１２】上および下基板にボンディングされる上および下２構成要素ＵＢＭ構造体を形成する本発明の実施形態に基づく方法を示す図である。
【図１３】上および下基板にボンディングされる上および下２構成要素ＵＢＭ構造体を形成する本発明の実施形態に基づく方法の続きを示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に基づくデバイスを形成する流れ図である。
【図１５】本発明の実施形態に基づくデバイスを形成する流れ図である。
【図１６】基板のさらなる詳細を示す、本発明の実施形態に基づくデバイスの断面図である。
【図１７】本発明の実施形態に基づくシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図および開示された実施形態の以下の詳細な説明では、図に示されたさまざまな要素が３桁または４桁の参照符号を有する。それぞれの参照符号の左端の数字は、その要素が最初に示された図に対応している。
【００１９】
以下の詳細な説明は、シリコン・ウェーハ／チップ上の相互接続メタラジ（metallurgy）に特定のタイプのマイクロ波コネクタを取り付けることに関する説明を含むが、本明細書に記載された教示の実施態様は、特定のタイプのコネクタまたは伝送アーキテクチャに必ずしも限定されないことを予め理解されたい。本発明の実施形態は、現在知られているまたは今後開発される他の任意のコネクタまたは伝送アーキテクチャとともに実施することができる。
【００２０】
本明細書では、本発明のさまざまな実施形態が関連図を参照して説明される。本発明の範囲を逸脱しない代替実施形態が考案されうる。以下の説明および図面では、要素間のさまざまな接続および位置関係（例えば上、下、隣りなど）が記載されていることに留意されたい。これらの接続もしくは位置関係またはその両方は、特に指定されていない限り、直接的なものであることまたは間接的なものであることができ、記載された本発明の実施形態は、この点に関して限定を意図したものではない。したがって、実在物のカップリングは、直接的カップリングまたは間接的カップリングであることができ、実在物間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であることができる。間接的位置関係の例として、詳細な説明に、層「Ａ」を層「Ｂ」の上に形成すると記載されているとき、それは、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連特性および機能が中間層（例えば層「Ｃ」）によって実質的に変更されない限りにおいて、層「Ａ」と層「Ｂ」の間に１つまたは複数の中間層が存在する状況を含む。
【００２１】
本明細書では、説明を平易にするために、図に示された１つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を記述するのに、空間的相対語、例えば「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」などが使用されることがある。それらの空間的相対語は、図に示された向きに加えて、使用中または動作中のデバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解される。例えば、図のデバイスが裏返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「下」にあると記載された要素は、それらの他の要素または特徴の「上方」にあることになる。したがって、用語「下方」は、上方と下方の両方の向きを包含しうる。デバイスがこれら以外の向きに（すなわち９０度回転されてまたは他の向きに）置かれることもあり、本明細書で使用される空間的相対語は、場合に応じて解釈されるべきである。
【００２２】
簡潔にするために、本明細書では、半導体デバイスおよびＩＣ製造に関係した従来の技法が、詳細に説明されたりまたは詳細には説明されなかったりすることがある。さらに、本明細書に記載されたさまざまなタスクおよび処理ステップが、本明細書では詳細に説明されていない追加のステップまたは機能を有するより包括的な手順またはプロセスに包含されていることもある。特に、半導体デバイスおよび半導体ベースのＩＣの製造のさまざまなステップはよく知られており、そのため、本明細書では、簡潔にするために、よく知られたプロセス詳細を提供することなしに、従来の多くのステップが簡単にしか言及されず、または完全に省かれる。
【００２３】
本明細書において以前に述べたとおり、デバイス・レベルおよび相互接続レベルの製造プロセスが完了した後、ウェーハ上の半導体デバイスは複数のマイクロチップ（すなわちチップ）に分離され、最終製品がパッケージングされる。ＩＣパッケージングは通常、ダストもしくは水分にさらされることによってまたは他の物体と接触することによってチップが傷つくことを防ぐ気密封止されたプラスチック、金属またはセラミック・パッケージにシリコン・チップを入れることを含む。ＩＣパッケージングはさらに、ＰＣＢへのより容易な接続を可能にする。ＰＣＢの目的は、ＩＣおよび個別構成部品を互いに接続してより大きな演算回路を形成することである。ＰＣＢに装着することができる部品にはこの他、カード・ソケット、マイクロ波コネクタなどがある。
【００２４】
ワイヤ・ボンディングは、ＰＣＢと他の構成部品（例えば外部構成部品、カード・ソケット、マイクロ波コネクタなど）との間に電気相互接続を形成する、知られているＢＥＯＬ操作である。ワイヤ・ボンディングでは、１本の小径の軟質金属ワイヤ（Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌなど）が、ＰＣＢ上に装着されたコンパチブル金属表面またはパッドに、はんだを使用せずに取り付けられまたはボンディングされる。ワイヤとパッドの間の実際の結合は、熱圧縮技法、熱音波技法および超音波技法を含むさまざまな手法で形成することができる。ワイヤ・ボンディングは広く使用されているが、追加のワイヤ・ボンド・ハードウェア、特にマイクロ波／ＲＦ用途の追加のワイヤ・ボンド・ハードウェアは、製造に手間がかかり、低温ＣＴＥ不整合が生じ、高い信頼性で再現することが難しく、信号経路の問題を引き起こし、コストを上昇させ、体積を増大させ、外来マイクロ波空洞モードを導入する。
【００２５】
前述のとおり、いわゆる「フリップ・チップ」組立て法は、ワイヤ・ボンディングに代わる方法を提供する。フリップ・チップ組立ては、下向きの（すなわち裏返された）電子ダイを、有機またはセラミック回路板に、チップ・ボンド・パッド上の電導バンプによって直接に電気接続する組立てであり、このチップ・ボンド・パッド上の電導バンプは、「アンダー・バンプ・メタライゼーション」（ＵＢＭ）としても知られている。この電導バンプは、はんだの小さな球体（すなわちはんだボール）として形成することができ、はんだボールは、半導体デバイスの接触エリアまたはパッドにボンディングされる。フリップ・チップ組立て法は、リアルエステートの利用度、性能、信頼性およびコストを含む、伝統的な上向きワイヤ・ボンディング技法に優る利点を有する。
【００２６】
チップ内への電子データおよび他の信号ならびにチップからの電子データおよび他の信号をバンプ・ボンドが伝達するチップ構成では、バンプ・ボンドを通して伝達される電子データおよび他の信号の信号損失を最小化することが望ましいことがある。このような信号損失を最小化する１つの方法は、チップ内へのまたはチップからのバンプ／ＵＢＭ接続を、十分な超電導性を有するように構成する方法である。バンプ／ＵＢＭとチップの間の強い機械的／金属接着を有することが望ましいこともある。強い接着は、貴金属からＵＢＭを形成することによって達成することができる。貴金属ＵＢＭ表面には酸化物がほとんどまたは全く存在しないため、こうすることによって優れた機械的／金属接続を提供することができる。
【００２７】
次に、本発明の態様を概観する。本発明の実施形態は、システム、方法およびその結果得られるＵＢＭ構造体を提供し、このＵＢＭ構造体は、十分な超電導性を有し、優れた機械的／金属結合を提供する。本発明の実施形態によれば、このＵＢＭは、２つの構成要素／領域、すなわちボンディング構成要素／領域および電導構成要素／領域を含む。ボンディング領域は、はんだバンプに電気的にカップリングされており、かつはんだバンプに機械的にボンディングされており、電導領域も、はんだバンプに電気的にカップリングされており、かつはんだバンプに機械的にボンディングされている。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、ボンディング領域によって提供された機械的結合は、電導領域によって提供された機械的結合よりも優れている。したがって、新規のＵＢＭ構造体（すなわち電導領域およびボンディング領域）によって提供された全体的な機械的結合は優れた機械的結合である。本発明の実施形態では、酸化に抵抗する材料からボンド領域を形成することにより、ボンディング領域によって提供された機械的結合が、電導領域によって提供された機械的結合よりも改善されている。したがって、本発明の実施形態では、ボンド領域が、電導領域を形成している材料よりも低い表面酸化レベルを有する材料から形成されている。
【００２９】
本発明の実施形態では、ボンディング領域とはんだバンプの間の機械的結合が金属結合であり、（１つのケースでは）金属結合を、金属イオンと電子の「周囲の海（surrounding sea）」との間の引力に起因する結合と定義することができる。所与の材料によって提供される金属結合の強さを測定する１つの手法は、その材料の蒸発エンタルピー（熱）（enthalpy（heat） of vaporization）である。蒸発熱または気化熱としても知られている蒸発エンタルピー（ΔＨｖａｐ）は、物質の所与の量の物質を気体に変えるのに必要なエネルギーである。一般に、１つの金属が別の金属よりも高い蒸発エンタルピーを有することは、その高い蒸発エンタルピーを有する金属の方がより強い金属結合を形成することができることを意味する。本発明の実施形態によれば、ボンディング領域は、電導領域を形成している材料よりも高い蒸発エンタルピーを有する材料から形成される。
【００３０】
本発明の実施形態では、非超電導性である貴金属からボンディング領域が形成される。化学的に、貴金属は、（大部分の卑金属とは違い）湿った空気中で腐食および酸化に抵抗する金属である。化学的に、貴金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む。ボンディング領域は、多数の層を有するスタックから形成することができ、本発明のいくつかの実施形態では、この多数の層が、チタン（ΔＨｖａｐ＝４２５ＫＪ／モル）、パラジウム（ΔＨｖａｐ＝３８０ＫＪ／モル）および金（ΔＨｖａｐ＝３３０ＫＪ／モル）からなるグループから選択される。ボンディング領域とはんだバンプの間の接触を改善するため、本発明の実施形態では、ボンディング領域の露出した表面層の湿潤性が大きい（wettable）。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、電導領域によって提供された電気カップリングは、ボンディング領域によって提供された電気カップリングよりも優れている。電気カップリングを測定する１つの手法は抵抗である。本発明の実施形態では、ボンディング領域を形成している材料よりも低い電気抵抗を有する材料から電導領域が形成される。バンプ自体の抵抗または電導領域材料自体の抵抗とは別に、バンプとＵＢＭの電導領域との間の接続が低抵抗であることも重要である。したがって、新規のＵＢＭ構造体（すなわち電導領域１２２およびボンディング領域）によって提供された全体的な電気カップリングは、低抵抗の優れた電気カップリングである。
【００３２】
本発明の実施形態では、超電導特性を有する材料から電導領域が形成される。超電導性は、事実上ゼロ抵抗で電流を伝導するある種の材料の能力である。材料が超電導体として振舞うためには、低温（例えば１桁ケルビン範囲の温度もしくは１００Ｋの範囲の温度またはそれよりも高い範囲の温度以下）が必要である。電導領域は超電導金属から形成することができ、本発明のいくつかの実施形態では、この超電導金属が、タンタル、アルミニウムおよび他の同種の超電導金属からなるグループから選択される。電導領域は超電導セラミックから形成することができ、本発明のいくつかの実施形態では、この超電導セラミックが、窒化チタン、または任意の超電導セラミックおよび他の同種の超電導セラミックである。
【００３３】
所望のボンディング特性および電気カップリング特性を達成するため、本発明の実施形態では、バンプ／ＵＢＭインタフェースの表面積を、ボンド領域と電導領域との間で選択的かつ動的に割り振ることができる。例えば、選ばれたバンプ／ＵＢＭ材料に基づいて、電導領域内のバンプ／ＵＢＭインタフェース間に超電導性が提供されることが分かる。超電導性に関しては、バンプとＵＢＭ材料の間には接触信頼性が存在すべきであり、バンプ／ＵＢＭインタフェース面積が大きいほど、より長い時間機能し、バンプ／ＵＢＭインタフェースに対する考慮事項には例えば、この面積が、ａ）このオーダのコヒーレンス長サイズ・スケールである、超電導性であるのに十分な大きさを有すること、ｂ）ワイヤがあまりに細いことによるインダクタンスの影響を回避するのに十分な大きさを有すること、もしくはｃ）十分な電流容量を可能にする十分な大きさを有すること、またはこれらの組合せが含まれる。この状況では、バンプ／ＵＢＭインタフェース面積の２０％を電導領域に提供し、バンプ／ＵＢＭインタフェース面積の８０％をボンド領域に提供するように、バンプ／ＵＢＭインタフェースの表面積を選択的かつ動的に割り振ることができる。別の例において、選ばれたバンプ／ＵＢＭ材料に基づいて、バンプ／ＵＢＭインタフェースの面積の６０％をボンド領域に割り振ることにより、十分なバンプ／ＵＢＭ接着が提供されると判定されることができる。この状況では、バンプ／ＵＢＭインタフェース面積の６０％をボンド領域に提供し、バンプ／ＵＢＭインタフェース面積の４０％を電導領域に提供するように、バンプ／ＵＢＭインタフェースの表面積を選択的に割り振ることができる。
【００３４】
本発明の実施形態は、２構成要素ＵＢＭを形成し、そのＵＢＭをバンプに取り付ける新規の製造方法を提供し、この製造方法では、ＵＢＭ構造体のボンディング領域と電導領域とにバンプが接触するように、ＵＢＭがバンプに取り付けられる。本発明の実施形態では（１つのケースにおいて）、バンプの球形の輪郭と整合させるためにボンディング領域が円として形成され、電導領域が、円形のボンディング領域の周囲の環状リングとして形成される。製造中に、バンプと円形のボンディング領域の間の最初の接触が実施され、続いて（例えば熱圧縮ボンディング中に）、バンプを変形させるのに十分な力を使用して、バンプ／ＵＢＭインタフェースが実際に広がり、変形したバンプが、ＵＢＭ構造体の環状リング形の電導領域と接触するのに十分な程度に、バンプが２構成要素ＵＢＭ構造体に対して圧縮される。本発明の実施形態では、変形したバンプを環状リング形の電導領域と接触させるのに必要な力の量を小さくするために、円形のボンディング領域が、環状リング形の電導領域よりも薄い。
【００３５】
本発明の実施形態を利用して、第１の半導体ウェーハと第２の半導体ウェーハの間にバンプ・ボンドを提供することができる。このような構成では、このバンプが、バンプと第１の半導体ウェーハの接続位置の第１の２構成要素ＵＢＭと、バンプと第２の半導体ウェーハの接続位置の第２の２構成要素ＵＢＭとを含むことができる。なお、第２の２構成要素ＵＢＭを、ＵＢＭの代わりにボンド・メタラジと呼ぶこともできる。
【００３６】
次に、本発明の態様をより詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に基づく２構成要素ＵＢＭ構造体１２０を有するバンプ／ＵＢＭインタフェース１００を含むデバイス１０の断面図を示す。図１に示された断面図は、図示のとおりに構成および配置された下半導体ウェーハ／基板１０２、上半導体ウェーハ／基板１０４、はんだボール／バンプ１１０、およびボンディング領域１２６（例えば非酸化性金属（non-oxidizing metal））と電導領域１２２（例えば超電導環状リング）とを有する２構成要素ＵＢＭ構造体１２０を示している。
【００３７】
ボンディング領域１２６は、はんだボール１１０に電気的にカップリングされており、かつはんだボール１１０に機械的にボンディングされており、電導領域１２２も、はんだボール１１０に電気的にカップリングされており、かつはんだボール１１０に機械的にボンディングされている。本発明の実施形態によれば、ボンディング領域１２６によって提供された機械的結合は、電導領域１２２によって提供される機械的結合よりも優れている。したがって、新規のＵＢＭ構造体１２０（すなわち電導領域１２２およびボンディング領域１２６）によって提供された全体的な機械的結合は優れた機械的結合である。本発明の実施形態では、酸化に抵抗する材料からボンディング領域１２６を形成することにより、ボンディング領域１２６によって提供された機械的結合が、電導領域１２２によって提供された機械的結合よりも改善されている。したがって、本発明の実施形態では、ボンド領域１２６が、電導領域１２２を形成している材料よりも低い表面酸化レベルを有する材料から形成されている。
【００３８】
本発明の実施形態では、ボンディング領域１２６とはんだボール１１０の間の機械的結合が金属結合であり、金属結合は、金属イオンと電子の「周囲の海」との間の引力に起因する化学結合と定義することができる。所与の材料によって提供される金属結合の強さを測定する１つの手法は、その材料の蒸発エンタルピー（熱）である。本発明の実施形態によれば、ボンディング領域１２６は、電導領域１２２を形成している材料よりも高い蒸発エンタルピーを有する材料から形成される。
【００３９】
本発明の実施形態では、非超電導性である貴金属からボンディング領域１２６を形成することができる。ボンディング領域１２６は、多数の層を有するスタックから形成することができ、本発明のいくつかの実施形態では、この多数の層が、チタン（ΔＨｖａｐ＝４２５ＫＪ／モル）、パラジウム（ΔＨｖａｐ＝３８０ＫＪ／モル）および金（ΔＨｖａｐ＝３３０ＫＪ／モル）からなるグループから選択される。ボンディング領域１２６とはんだボール１１０の間の接触を改善するため、本発明の実施形態では、ボンディング領域１２６の露出した表面層の湿潤性が大きい。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、電導領域１２２によって提供された電気カップリングは、ボンディング領域１２６によって提供された電気カップリングよりも優れている。電気カップリングを測定する１つの手法は抵抗である。本発明の実施形態では、ボンディング領域１２６を形成している材料よりも低い電気抵抗を有する材料から電導領域１２２が形成される。したがって、新規のＵＢＭ構造体１２０（すなわち電導領域１２２およびボンディング領域１２６）によって提供された全体的な電気カップリングは、低抵抗の優れた電気カップリングである。
【００４１】
本発明の実施形態では、超電導特性を有する材料から電導領域１２２が形成される。電導領域１２２は超電導金属から形成することができ、本発明のいくつかの実施形態では、この超電導金属が、窒化チタン、タンタル、アルミニウムおよび他の同種の超電導金属からなるグループから選択される。
【００４２】
所望のボンディング特性および電気カップリング特性を達成するため、本発明の実施形態では、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースの表面積を、ボンド領域１２６と電導領域１２２との間で選択的かつ動的に割り振ることができる。例えば、選ばれたバンプ１１０／ＵＢＭ１２０材料に基づいて、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースの少なくとも２０％を電導領域１２２に割り振ることにより、十分な超電導性を提供することができると判定されることができる。この状況では、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェース面積の２０％を電導領域に提供し、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェース面積の８０％をボンド領域１２６に提供するように、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースの表面積を選択的かつ動的に割り振ることができる。別の例において、選ばれたバンプ１１０／ＵＢＭ１２０材料に基づいて、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースの面積の６０％をボンド領域１２６に割り振ることにより、十分なバンプ１１０／ＵＢＭ１２０接着が提供されると判定されたとする。この状況では、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェース面積の６０％をボンド領域１２６に提供し、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェース面積の４０％を電導領域１２２に提供するように、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースの表面積を選択的に割り振ることができる。
【００４３】
本発明の実施形態では、はんだボール１１０の球形の輪郭と整合させるためにボンディング領域１２６を円（図６に最もよく示されている）として形成することができ、電導領域１２２を、円形のボンディング領域１２６の周囲の環状リング（図６に最もよく示されている）として形成することができる。ボンディング領域１２６および電導領域１２２に対して使用することができる多くの異なる形状があることを理解すべきである。
【００４４】
製造中に、はんだボール１１０と円形のボンディング領域１２６の間の最初の接触が実施され、続いて（例えば熱圧縮ボンディング中に）、はんだボール１１０を変形させるのに十分な力を使用して、バンプ１１０／ＵＢＭ１２０インタフェースが実際に広がり、変形したはんだボール１１０が、ＵＢＭ１２０の環状リング形の電導領域１２２と接触するのに十分な程度に、はんだボール１１０が２構成要素ＵＢＭ１２０に対して圧縮される。本発明の実施形態では、変形したはんだボール１１０を環状リング形の電導領域１２２と接触させるのに必要な力の量を小さくするために、円形のボンディング領域１２６を、環状リング形の電導領域１２２よりも薄くすることができる。本明細書には、本発明の実施形態に基づく製造方法の追加の詳細が、図１１、１２および１３に示された方法７００、８００に関連して示されている。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態では、はんだボールの互いに反対の側に２つの２構成要素ＵＢＭ構造体が提供される。図２は、本発明の実施形態に基づく第１の２構成要素ＵＢＭ構造体１２０および第２の２構成要素ＵＢＭ構造体２２０を有するバンプ／ＵＢＭインタフェース１００を含む変更されたデバイス１０の断面図を示す。第１の２構成要素ＵＢＭ構造体１２０および第２の２構成要素ＵＢＭ構造体２２０は、図１に示された２構成要素ＵＢＭ１２０と実質的に同じものである。
【００４６】
次に、さまざまな段階のバンプ／ＵＢＭインタフェース１００を形成する本発明の実施形態に基づく製造方法を、図３〜１１を参照して説明する。より詳細には、図３〜８は、さまざまな製造段階後のバンプ／ＵＢＭインタフェース１００を示し、図１１は、図３〜８に示された製造段階に対応する製造方法７００を示す。以下の説明では、図３〜８に示された製造段階および図１１に示された方法７００の対応する操作を択一的に参照する。図解および説明を平易にするため、図１、２および３〜８に示されたバンプ／ＵＢＭインタフェース１００は大幅に単純化されていることに留意されたい。実際には、バンプ／ＵＢＭインタフェースを実施する本発明の態様は、ウェーハ、ウェーハ回路、相互接続層、ボンド層およびはんだ層の多数の構成を含みうる。
【００４７】
図３は、初期の製造段階後の本発明の実施形態に基づくバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の断面図を示し、図４は、図３に示されたバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の上面図を示す。図３および４に示されたバンプ／ＵＢＭインタフェース１００は、超電導金属（例えばニオブ、ＴｉＮ、Ｔａ、Ａｌまたは同種の材料）を堆積させることによって形成することができる。超電導金属の厚さは、約２０ｎｍから約４００ｎｍの範囲とすることができる。超電導金属にパターニングおよびエッチングを実施して、円形の開口３０２または他の所望のパターンを有する環状リング形の電導領域１２２を形成することができる。この超電導金属によって、環状リング形の電導領域１２２を、下半導体ウェーハ／基板１０２上の関心の構造体に接続することができる。
【００４８】
図５は、円形開口３０２の中にボンディング領域１２６を形成した後のバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の断面図を示し、図６は、図５に示されたバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の上面図を示す。本発明の実施形態では、非超電導性、非酸化性の金属からボンディング領域１２６を形成することができる。ボンディング領域１２６は、リフトオフ・レジスト・スキーム（liftoff resist scheme）を使用して円形開口３０２の中に非超電導金属を堆積させることによって形成ることができる。一実施態様では、円形開口３０２の中の非超電導金属がＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ組成物／スタックであり、この組成物／スタックでは、下基板上にＴｉが形成されており、Ｔｉ上にＰｄが形成されており、Ｐｄ上にＡｕが形成されている。円形開口３０２の中の非超電導金属として使用される材料のスタックはこの他にもある。
【００４９】
図７は、はんだボール１１０を形成した後のバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の断面図を示し、図８は、図７に示されたバンプ／ＵＢＭインタフェース１００の上面図を示す。はんだボール１１０は、例えば（例えばマスクを使用した）電気めっき、蒸着、スパッタリングまたは射出成形などの知られている方法を使用して堆積させることができる。さらに、モールド・バックフィル（mold backfill）法を利用してはんだボール１１０を堆積させることもでき、他の堆積方法も適合可能である。はんだボール１１０は、インジウム／インジウム合金およびフラックス（flux）から形成することができる。さらに、フリップ・チップ・バンピング技術を利用することもでき、フリップ・チップ・バンピング技術は、バルクはんだを溶融し、それを、下半導体ウェーハ１０２とＣＴＥが整合したウェーハ・サイズの型に分配する。冷却してはんだを固化させた後、下半導体基板１０２上ではんだを所望の形状に成形する。次に、下半導体基板１０２を、最後のはんだリフロー法に独立してかけて、球形に形作られたはんだボール１１０を得ることができる。
【００５０】
リフロー・プロセスのための加熱は、バンプ／ＵＢＭ構造体１００をリフロー炉の中にもしくは赤外電球の下に通すことによって、または熱空気束（hot air pencil）を用いてボンド／はんだ層スタックをはんだづけすることによって実施することができる。このリフロー・プロセスは、はんだボール１１０を溶融し、電気構成部品を過熱したり傷つけたりすることなく隣り合う表面を加熱する。例示的なリフロー・プロセスは４つの段階またはゾーン、すなわち予熱、均熱（thermal soak）、リフローおよび冷却を含むことができ、それぞれの段階は異なる温度プロフィールを有する。例示的なリフロー・プロセスは、酸環境（acid environment）、例えばギ酸を使用した酸環境中で実施される。この酸環境は、リフロー中、はんだが清浄な状態に留まることを保証する。リフロー後のはんだボール１１０、特にはんだボール１１０がインジウムであるときのリフロー後のはんだボール１１０はコンプライアンスが大きく（compliant）、このことはＣＴＥ不整合の影響を緩和する。はんだボール１１０を形成するためにはんだをリフローさせて球体にした後、はんだボール１１０および（電導領域１２２を含む）下半導体基板１０２は、酸化物を除去するために標準手順を使用して洗浄される。
【００５１】
図１または図２に示されているように、この段階で、バンプ／ＵＢＭ構造体１００は、（例えばチップ・ボンダを使用して）上半導体基板１０４を受け取る準備ができている。圧縮ボンディングを使用して、用意された上半導体基板１０４が、用意された下半導体基板１０２にボンディングされる。はんだボール１１０を変形させ、環状リング形の電導領域１２２（および図２では電導領域２２２）と接触させるために、十分な力が加えられる。
【００５２】
上述のとおり、ＵＢＭ構造体１２０および２２０は、電導領域１２２、２２２およびボンド領域１２６、２２６の特定のパターンまたは形状に限定されない。図９は、本発明の実施形態に基づく別の２構成要素ＵＢＭ構造体１００を含むデバイス１０の断面図を示す。図９および１０は、ＵＢＭ構造体１２０および２２０のボンド領域１２６および２２６の位置が多数、存在しうることを示している。
【００５３】
図１０は、本発明の実施形態に基づく下／上２構成要素ＵＢＭ構造体の上面図を示す。図１０は、ＵＢＭ構造体１２０の上面図およびはんだボール１１０が取り除かれたＵＢＭ２２０を表す部分図でしかない。また、上ＵＢＭ構造体２２０と下ＵＢＭ構造体１２０は同じものとして示されており、ボンド領域の位置および電導領域の位置は同じでなくてもよいことを理解すべきである。図１０は、ボンド領域および電導領域の位置の碁盤状パターンを示す。ボンド領域のこれよりも多くの位置またはこれよりも少ない位置は、電導領域のこれよりも多くの位置またはこれよりも少ない位置とともに使用することができることを理解すべきである。さらに、ボンド領域および電導領域の位置は変更することができ、形状は、円形および長方形だけに限定されない。
【００５４】
本明細書にはいくつかの材料が挙げられているが、ボンド領域１２６、２２６および電導領域１２２、２２２として利用することができるさまざまな材料が存在し、機械的結合プロセスに応じてそれらの材料を変更することができる。直接ボンディングまたは融合ボンディングを使用して、はんだボール／バンプ１１０をＵＢＭ構造体１２０、２２０にボンディングすることができる。直接ボンディングまたは融合ボンディングは、誘電体表面および金属表面を化学的に接合するために利用される。このタイプのプロセスは、陽極ボンディング、表面活性化／加圧処理、圧力／熱、超音波、レーザ溶接および超高真空を含むことができる。ボンド領域１２６、２２６の例示的な材料は、シリコン、酸化シリコン、ガラス、ステンレス鋼などを含むことができる。
【００５５】
別のタイプのボンディングははんだボンディングであり、はんだボンディングは、（ボンド領域１２６、２２６の材料などの）湿潤性が大きい表面を、通常約３００℃以下の液体温度を有する金属または金属合金を用いて接合するものである。このタイプのプロセスは、湿潤性が大きい表面に対してはんだが濡れることを可能にすることを含むことができ、はんだ材料を適用することは、機械、熱、圧力もしくは化学プロセスまたはこれらの組合せを含むことができる。一般的ないくつかのプロセス名は、リフロー、熱圧着、冷間溶接、過渡液相拡散ボンディング（transient liquid phase diffusion bonding）および超音波ボンディングである。例示的なはんだ材料は、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＣｄもしくはＺｎ、またはこれらの組合せを含むことができる。湿潤性が大きい表面に対する例示的な材料は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、ＡｇもしくはＰｔ、またはこれらの組合せを含むことができる。
【００５６】
別のタイプのボンディングは接着ボンディングである。接着ボンディングは、共有結合力またはファンデルワールス力もしくは極性引力などの分子間引力、あるいはその両方によって、２つの表面を化学的に互いに接着するものである。このプロセスは感圧型であり、乾燥プロセスもしくは反応プロセスまたはその両方を含むことができる。例示的な接着剤は、アクリル、エポキシ、シリコーン、ポリイミド、ウレタン、シアノアクリレートなどを含むことができ、一般的な接合表面はほぼ任意の材料とすることができる。
【００５７】
電導領域１２２、２２２に対しては超電導性ジョイント（joint）が使用される。この超電導ジョイントは全体が超電導材料からなる。１つのケースでは、非常に低抵抗のジョイントを使用することができ、その際、この超電導性ジョイントは超電導材料からなることができ、適正に設計されている場合には、この超電導性ジョイントを、超電導材料とともに、明確に画定された幾何学的形状を有する絶縁体を含むものとすることができる（例えばジョゼフソン接合を形成するとき）。超電導性ジョイントのボンディング・プロセスは、上で論じた直接プロセスおよびはんだプロセスと同様である。（電導領域１２２、２２２に対する）例示的な超電導金属材料は、Ｔi、Ｖ、Ｎｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｐｂ、Ｏｓ、Ｓｎ、Ｈｇ、Ｇａ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｍｏ、Ｔａ、ＷもしくはＺｎ、またはこれらの組合せを含むことができる。例示的な絶縁体材料は、例えば酸化アルミニウムなどの金属酸化物を含むことができる。
【００５８】
図１１は、本発明の実施形態に基づく製造方法７００を示す。製造方法７００を使用して、図１および図３から８に示されたバンプ／ＵＢＭ構造体１００を形成することができる。ブロック７０２で、下基板１０２上に超電導金属を堆積させて初期ＵＢＭ構造体１２０を形成する。ブロック７０４で、初期ＵＢＭ構造体１２０にパターニングおよびエッチングを実施して、ＵＢＭ構造体内に超電導領域および非超電導領域を形成する。ブロック７０６で、ＵＢＭ構造体の非超電導領域１２６に非超電導金属を堆積させる。ブロック７０８で、ＵＢＭ構造体の非超電導領域１２６の非超電導金属上にバンプ材料を堆積させる。ブロック７１０で、基板を洗浄する。ブロック７１２で、バンプ材料をリフローさせて球体にする。ブロック７１４で、球体バンプおよび超電導金属表面を洗浄して酸化物を除去する。ブロック７１６で、球体バンプを変形させ、ＵＢＭ構造体１２０の超電導領域１２２の超電導金属と接触させるのに十分な力で、用意された上基板１０４を球体バンプ１１０の反対側にボンディングする。
【００５９】
図１２および１３は、本発明の実施形態に基づく製造方法８００を示す。製造方法８００を使用して、図２および９に示されたバンプ／ＵＢＭ構造体１００を形成することができる。図１２および１３は、図１２および１３では１２０と２２０の両方のＵＢＭ構造体の形成が論じられていることを除き、図１１と同様である。ブロック８０２で、下基板１０２上に超電導金属を堆積させて初期下ＵＢＭ構造体を形成する。ブロック８０４で、初期下ＵＢＭ構造体１２０にパターニングおよびエッチングを実施して、下ＵＢＭ構造体内に超電導領域および非超電導領域を形成する。ブロック８０６で、下ＵＢＭ構造体１０２の非超電導領域１２６に非超電導金属を堆積させる。ブロック８０８で、下ＵＢＭ構造体の非超電導領域１２６の非超電導金属上にバンプ材料を堆積させる。ブロック８１０で、下基板を洗浄する。ブロック８１２で、バンプ材料１１０をリフローさせて球体にする。ブロック８１４で、上ＵＢＭ構造体２２０の上超電導金属／領域２２２および上非超電導金属／領域２２６を有する上基板１０４を（例えば操作８０２、８０４、８０６を使用して）用意する。ブロック８１６で、球体バンプ１１０および上／下超電導金属表面を洗浄して酸化物を除去する。ブロック８１８で、球体バンプを変形させ、上／下ＵＢＭ構造体１２０、２２０の上および下超電導領域１２２、２２２の上および下超電導金属と接触させるのに十分な力で、用意された上基板１０４および用意された下基板１０２を、球体バンプ１１０の互いに反対の側にボンディングする。
【００６０】
図１４は、本発明の実施形態に基づくデバイス１０を形成する流れ図９００を示す。ブロック９０２では、アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体が、第１の領域（例えば電導領域１２２）および第２の領域（例えばボンド領域１２６）を含み、第１の領域と第２の領域とは、ＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）内で横方向に配置されている。第１の領域（例えば電導領域１２２）は超電導材料を含む。
【００６１】
ブロック９０４では、基板（例えば基板１０４）がＵＢＭ構造体１２０と向かい合っている。ブロック９０６では、超電導はんだ材料１１０が、第１の領域を基板に接合し、第２の領域を基板に接合する。
【００６２】
ＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）は、第１の領域が第２の領域と横方向に隣り合い、それによって超電導はんだ材料が第１の領域と第２の領域の両方と接触することを可能にするように配置される。ＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）は、第１の領域（例えば電導領域１２２）を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、第２の領域（例えばボンド領域１２６）を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように配置される。この１つまたは複数の第１の位置はこの１つまたは複数の第２の位置とは異なる。第２の領域（例えばボンド領域１２６）は非超電導材料を含む。基板（例えば基板１０２）は、超電導回路（例えば図１６に示された超電導回路１１０２）を備え、超電導回路（例えば超電導回路１１０２）は、超電導回路に第１の領域（例えば電導領域１２２）が電気的に接続されるように超電導はんだ材料（例えばはんだボール１１０）に接続される。超電導はんだ材料（例えばはんだボール１１０）と第１の領域（例えば電導領域１２２）の間に超電導接合が形成される。
【００６３】
図１５は、本発明の実施形態に基づくデバイス１０を形成する流れ図１０００を示す。ブロック１００２では、第１のアンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）構造体１２０が、第１の領域（例えば電導領域１２２）および第２の領域（例えばボンド領域１２６）を含み、第１の領域と第２の領域とは、第１のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）内で横方向に配置されている。第１のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）は第１の基板（例えば基板１０２）に接続されている。ブロック１００４では、第２のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体２２０）が、別の第１の領域（例えば電導領域２２２）および別の第２の領域（例えばボンド領域２２６）を含み、別の第１の領域と別の第２の領域とは、第２のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体２２０）内で横方向に配置されている。第２のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体２２０）は第２の基板（例えば基板１０４）に接続されている。
【００６４】
ブロック１００６では、超電導はんだ材料（例えばはんだバンプ１１０）が、第１のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体１２０）の第１の領域および第２の領域（例えば電導領域１２２およびボンド領域１２６）を、第２のＵＢＭ構造体（ＵＢＭ構造体２２０）の別の第１の領域および別の第２の領域（例えば電導領域２２２およびボンド領域２２６）に接合する。第１の領域および別の第１の領域は超電導材料を含む。
【００６５】
第１のＵＢＭ構造体（ＵＢＭ構造体１２０）は、第１の領域が横方向に第２の領域と横方向に隣り合い、それによって超電導はんだ材料が第１の領域と第２の領域の両方と接触することを可能にするように配置される。第２のＵＢＭ構造体（例えばＵＢＭ構造体２２０）は、別の第１の領域（例えば電導領域２２２）が別の第２の領域（例えばボンド領域２２６）と横方向に隣り合い、それによって超電導はんだ材料（例えばはんだバンプ１１０）が別の第１の領域と別の第２の領域の両方と接触することを可能にするように配置される。
【００６６】
第１のＵＢＭ構造体（ＵＢＭ構造体１２０）は、第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように配置される。第２のＵＢＭ構造体（ＵＢＭ構造体２２０）は、別の第１の領域を含む１つまたは複数の第１の位置を有し、別の第２の領域を含む１つまたは複数の第２の位置を有するように配置される。第２の領域および別の第２の領域（例えばボンド領域１２６および２２６）は非超電導材料を含む。
【００６７】
第１の基板（例えば基板１０２）は、超電導はんだ材料（例えばはんだバンプ１１０）に電気的に接続された第１の超電導回路（例えば超電導回路１１０２）を備える。第２の基板（例えば基板１０４）は第２の超電導回路（例えば超電導回路１１０４）を備え、第２の超電導回路（例えば超電導回路１１０４）は、第１の領域（例えば電導領域１２２）、別の第１の領域（例えば電導領域２２２）および超電導はんだ材料（例えばはんだバンプ１１０）を介して第１の超電導回路と第２の超電導回路（例えば回路１１０２と回路１１０４）とが電気的に接続されるように、超電導はんだ材料（例えばはんだバンプ１１０）に電気的に接続される。超電導はんだ材料と第１の領域の間および超電導はんだ材料と別の第１の領域の間に超電導接合が形成される。
【００６８】
図１６は、上半導体基板１０４および下半導体基板１０２のさらなる詳細を示すデバイス１０の断面図を示す。下半導体基板１０２は超電導回路１１０２を含み、上半導体基板１０４は超電導回路１１０４を含む。この例では、超電導回路１１０２と超電導回路１１０４とが、はんだボール１１０、電導領域１２２および電導領域２２２によって電気的に接続されている。本発明のいくつかの実施形態では上ＵＢＭ構造体２２０が存在しない。図１６では回路１１０２および１１０４が一定の倍率では描かれていないことを理解すべきである。
【００６９】
図１７は、冷却システム１２０２およびデバイス１０を示す、本発明の実施形態に基づくシステム１２００を示す。デバイス１０は、冷却システム１１０２内に置かれており、１つまたは複数の入力線および出力線１２０４が、冷却システム１２０２内のデバイス１０に接続されている。冷却システム１２０２は、極低温冷却装置、希釈冷凍機などとすることができる。デバイス１０は、超電導回路１１０２および１１０４、電導領域１２２および２２２ならびにはんだボール１１０が超電導性になる超電導温度（低温）まで冷却される。超電導温度の例は、１００ミリケルビン（ｍＫ）よりも低い温度、約１０〜１００ｍＫの温度もしくは約４Ｋの温度、あるいはこれらの組合せを含むことができる。
【００７０】
したがって、以上の詳細な説明および添付図から、本発明の実施形態は、システム、方法およびその結果得られるＵＢＭ構造体を提供し、このＵＢＭ構造体は、十分な超電導性を有し、優れた機械的／金属結合を提供することが分かる。本発明の実施形態によれば、このＵＢＭは、２つの構成要素／領域、すなわちボンディング構成要素／領域および電導構成要素／領域を含む。ボンディング領域は、はんだバンプに電気的にカップリングされており、かつはんだバンプに機械的にボンディングされており、電導領域も、はんだバンプに電気的にカップリングされており、かつはんだバンプに機械的にボンディングされている。
【００７１】
本発明の実施形態によれば、ボンディング領域によって提供された機械的結合は、電導領域によって提供された機械的結合よりも優れている。したがって、新規のＵＢＭ構造体（すなわち電導領域およびボンディング領域）によって提供された全体的な機械的結合は優れた機械的結合である。本発明の実施形態では、酸化に抵抗する材料からボンド領域を形成することにより、ボンディング領域によって提供された機械的結合が、電導領域によって提供された機械的結合よりも改善されている。したがって、本発明の実施形態では、ボンド領域が、電導領域を形成している材料よりも低い表面酸化レベルを有する材料から形成されている。
【００７２】
本発明の実施形態によれば、電導領域によって提供された電気カップリングは、ボンディング領域によって提供された電気カップリングよりも優れている。電気カップリングを測定する１つの手法は抵抗である。本発明の実施形態では、ボンディング領域を形成している材料よりも低い電気抵抗を有する材料から電導領域が形成される。したがって、新規のＵＢＭ構造体（すなわち電導領域１２２およびボンディング領域）によって提供された全体的な電気カップリングは、低抵抗の優れた電気カップリングである。
【００７３】
本発明の実施形態は、２構成要素ＵＢＭを形成し、そのＵＢＭをバンプに取り付ける新規の製造方法を提供し、この製造方法では、ＵＢＭ構造体のボンディング領域と電導領域とにバンプが接触するように、ＵＢＭがバンプに取り付けられる。本発明の実施形態では、バンプの球形の輪郭と整合させるためにボンディング領域が円として形成され、電導領域が、円形のボンディング領域の周囲の環状リングとして形成される。製造中に、バンプと円形のボンディング領域の間の最初の接触が実施され、続いて（例えば熱圧縮ボンディング中に）、バンプを変形させるのに十分な力を使用して、バンプ／ＵＢＭインタフェースが実際に広がり、変形したバンプが、ＵＢＭ構造体の環状リング形の電導領域と接触するのに十分な程度に、バンプが２構成要素ＵＢＭ構造体に対して圧縮される。本発明の実施形態では、変形したバンプを環状リング形の電導領域と接触させるのに必要な力の量を小さくするために、円形のボンディング領域が、環状リング形の電導領域よりも薄い。
【００７４】
本明細書において以前に述べたとおり、簡潔にするために、半導体デバイスおよびＩＣ製造に関係した従来の技法は、詳細に説明されていたりまたは詳細には説明されていなかったりすることがある。しかしながら、本発明の実施形態を実施する際に利用することができる半導体デバイス製造プロセスのより一般的な説明が背景技術の項に記載されている。本発明の実施形態を実施する際に使用される特定の製造操作は個々に、知られていることもまたは知られていないこともあるが、本発明の実施形態の操作もしくはその結果得られる構造体またはその両方の開示された組合せは唯一無二のものである。したがって、本発明の実施形態に基づくカプラ・システムの製造に関して説明された操作のこの唯一無二の組合せは、半導体（例えばシリコン）基板上で実行される個々に知られているさまざまな物理および化学プロセスを利用する。
【００７５】
ＩＣの中にパッケージングされるマイクロチップを形成するために使用されるさまざまなプロセスは一般に、３つのカテゴリ、すなわち膜堆積、パターニング、エッチングおよび半導体ドーピングに分けられる。トランジスタおよびその構成要素を接続および分離するために、導体（例えばポリシリコン、アルミニウム、銅など）と絶縁体（例えばさまざまな形態の二酸化シリコン、窒化シリコンなど）の両方の膜が使用される。半導体基板のさまざまな領域の選択ドーピングは、電圧が印加されたときの基板の導電性を変化させることを可能にする。これらのさまざまな構成要素の構造体を形成することにより、数百万個のトランジスタを構築し、互いに結線して、最新のマイクロエレクトロニクス・デバイスの複雑な回路を形成することができる。
【００７６】
上述の全ての製造プロセスの基本は半導体リソグラフィである。すなわち、半導体基板に３次元レリーフ像またはパターンを転写するために、そのような３次元レリーフ像またはパターンを基板上に形成することである。半導体リソグラフィでは、このパターンが、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーである。トランジスタを構成する複雑な構造体、および回路の数百万のトランジスタを接続する多数のワイヤを構築するために、リソグラフィおよびエッチ・パターン転写ステップが何度も繰り返される。ウェーハ上に印刷するそれぞれのパターンを以前に形成されたパターンと位置合わせし、導体、絶縁体および選択的にドープされた領域をゆっくりと構築して、最終デバイスを形成する。
【００７７】
いくつかの実施形態では、所与の位置で、または１つもしくは複数の装置もしくはシステムの動作に関連して、あるいはその両方で、さまざまな機能または動作を実行することができる。いくつかの実施形態では、所与の機能または動作の一部分を第１のデバイスまたは位置で実行し、その機能または動作の残りの部分を、１つまたは複数の追加のデバイスまたは位置で実行することができる。
【００７８】
添付の特許請求の範囲に記載された全ての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造体、材料、動作および等価物は、特許請求の範囲に記載された他の要素と組み合わせて特許請求の範囲に特に記載されたとおりに機能を実行するための任意の構造体、材料または動作を含むことが意図されている。記載された本発明の実施形態は例示および説明のために示したものであり、それらの実施形態が網羅的であること、または開示された形態に限定されることは意図されていない。当業者には、本発明の範囲および趣旨を逸脱しない多くの改変および変更が明らかである。これらの実施形態を選択し説明したのは、本発明の原理および現実的用途を最大限に説明するため、ならびに、他の当業者が、企図された特定の用途に適したさまざまな変更を有するさまざまな実施形態に関して本発明を理解することができるようにするためである。
【００７９】
本明細書では、用語「例示的な」が、「例、事例または実例として役立つ」ことを意味する。本明細書に「例示的」として記載された実施形態または設計は必ずしも、他の実施形態または設計よりも好ましいまたは有利であるとは解釈されない。用語「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４などを含む。用語「複数の」は、２以上の任意の整数、すなわち２、３、４、５などを含む。用語「接続」は、間接「接続」と直接「接続」の両方を含む。
【００８０】
図面中の流れ図およびブロック図は、本発明のさまざまな実施形態に基づくシステムおよび方法の可能な実施態様の機能および動作を例示する。いくつかの代替実施態様では、ブロックの中に記載された機能が、図に示された順序とは異なる順序で実行される。例えば、連続して示された２つのブロックが実際には実質的に同時に実行されることがあり、または含まれる機能によってはブロックが時に逆順で実行されることもある。動作が異なる順序で実行されることがあり、動作が追加、削除もしくは変更されることもある。また、用語「カップリングされた」は、２つの要素間に信号経路があることを表し、要素間に介在要素／接続がない要素間の直接接続を暗示しない。これらの変動は全て本発明の一部とみなされる。
【００８１】
用語「約」、「実質的に」およびその同等語は、特定の数量の大きさに関連した、本出願の提出時に使用可能な機器に基づく誤差の程度を含むことが意図されている。例えば、用語「約」、「実質的に」およびその同等語は、所与の値の±８％、５％または２％の範囲を含むことがある。
【００８２】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記述することだけが目的であり、それらの用語が、本発明を限定することは意図されていない。文脈からそうではないことが明らかでない限り、本明細書で使用されるとき、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、複数形も含むことが意図されている。本明細書で使用されるとき、用語「備える（comprises）」もしくは「備える（comprising）」またはその両方は、明示された特徴、完全体（integer）、ステップ、操作、要素もしくは構成要素、またはこれらの組合せの存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、操作、要素、構成要素もしくはこれらのグループ、またはこれらの組合せの存在または追加を排除しないことも理解される。
【００８３】
限られた数の実施形態だけに関して本発明を詳細に説明したが、本発明がこのような開示された実施形態だけに限定されないことは直ちに理解されるべきである。むしろ、本明細書には記載されていないが本発明の趣旨および範囲に適う任意の数の変形、変更、置換または等価の構成を含むように、本発明を変更することができる。さらに、本発明のさまざまな実施形態を説明したが、本発明の態様は、記載された実施形態の一部だけを含むことがあることを理解されたい。したがって、本発明は、以上の説明によっては限定されず、添付の特許請求の範囲だけによって限定される。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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