專利名稱：填充用基材及使用了該基材的填充方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在微細(xì)空間內(nèi)填充金屬或合金的導(dǎo)體的填充用基材及使用了該基材的填充方法。
背景技術(shù)：
在各種規(guī)模的集成電路、各種半導(dǎo)體元件或者其芯片等電子設(shè)備中，作為實(shí)現(xiàn)三維電路配置的方法，提出了在電路基板上設(shè)置多個貫通電極再將該電路基板層疊的 TSV (Through-Silicon-Via:硅通孔)技術(shù)。如果使用TSV技術(shù)，則可將大量的功能裝入到小的占有面積中。并且，由于元件之間的重要的電路徑顯著變短，所以有助于處理的高速化。作為TSV技術(shù)中不可缺少的貫通電極形成技術(shù)，在日本特開2002-237468號公報、日本特開2002-368082號公報中公開了熔融金屬填充法。在采用上述熔融金屬填充法對已經(jīng)形成有半導(dǎo)體電路要素的半導(dǎo)體芯片或晶片形成貫通電極的情況下(后通孔(via last))，必須避免因熔融熱導(dǎo)致的半導(dǎo)體電路要素的熱劣化、晶片上附帶的有機(jī)物的熱劣化。為了避免該熱劣化，作為構(gòu)成貫通電極的金屬材料，不得不使用具有約200°C以下的熔點(diǎn)的金屬材料。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)三維電路配置，需要將多枚應(yīng)用TSV技術(shù)而得到的晶片層疊， 并且在300°C以上的氣氛中進(jìn)行接合。然而，構(gòu)成貫通電極的金屬材料的熔點(diǎn)為200°C以下，但晶片的層疊接合時的熱處理溫度為約300°C以上，因此在晶片的接合工序中，貫通電極有可能熔融。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的課題在于提供一種填充時的熔融溫度低、并且在凝固后可確保高熔點(diǎn)的填充用基材及使用了該基材的填充方法。本發(fā)明的另一課題在于提供一種操作性優(yōu)異的填充用基材及使用了該基材的填充方法。為了解決上述課題，本發(fā)明的填充用基材包含支撐基體和金屬層。上述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，且被設(shè)置于上述支撐基體的一面上。上述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融的膜厚。上述第2金屬層是由其熔點(diǎn)比上述第1金屬層的上述熔點(diǎn)低的金屬粒子集合而成的。已知大部分的金屬粒子中，粒徑越小，越能在比熔點(diǎn)低的溫度下熔化。在本說明書中，將該微細(xì)化所產(chǎn)生的熔點(diǎn)降低的效果稱為微細(xì)尺寸效果。將粒徑置換成膜厚，也可以獲得該微細(xì)尺寸效果。即，如果減小金屬層的膜厚，則產(chǎn)生能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔化的微細(xì)尺寸效果。本發(fā)明中，上述第1金屬層是納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融的膜厚。即，第1金屬層的納米金屬粒子或膜厚處于產(chǎn)生微細(xì)尺寸效果的區(qū)域。因此，可獲得微細(xì)尺寸效果所帶來的熔點(diǎn)降低效果。
將金屬層的粒 徑(膜厚)減小到原子的德布羅意波長(幾nm 20nm)左右時， 產(chǎn)生量子尺寸效果。通過量子尺寸效果，能夠使作為高熔點(diǎn)金屬材料的第1金屬層在例如 2500C以下、優(yōu)選在200°C以下、進(jìn)一步優(yōu)選在180°C以下的溫度下熔融。本發(fā)明的填充用基材除了包含第1金屬層21以外，還包含第2金屬層。上述第2 金屬層由其熔點(diǎn)比上述第1金屬層的上述熔點(diǎn)低的金屬粒子集合而成。即，由低熔點(diǎn)金屬材料構(gòu)成。為了使用本發(fā)明的填充用基材向設(shè)置于基板中的微細(xì)空間內(nèi)填充金屬并使其固化，將上述填充用基材的上述一面?zhèn)戎睾系缴鲜鑫⒓?xì)空間開口的上述基板的一面上，接著對上述填充用基材進(jìn)行加熱并且加壓，將上述金屬層的熔融物填充到上述微細(xì)空間內(nèi)。在上述的加熱、加壓工序中，第1金屬層雖然在材料上為高熔點(diǎn)，但通過微細(xì)尺寸效果或量子尺寸效果，在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融，第2金屬層受到該第1金屬層的熔融熱而熔融，被加壓填充到微細(xì)空間內(nèi)。因此，能夠在不會對已經(jīng)形成的半導(dǎo)體電路要素、附帶的有機(jī)物產(chǎn)生熱劣化的低溫下熔融，并填充到微細(xì)空間內(nèi)。并且，在凝固后，由于可以確保第1金屬層所具有的高熔點(diǎn)所帶來的耐熱性，所以微細(xì)孔內(nèi)的金屬導(dǎo)體不會因晶片的層疊、接合時的熱而發(fā)生熔接。此外，本發(fā)明的填充用基材由于在支撐基體的至少一面上具有金屬層，所以與僅由金屬形成的金屬片不同，可以獲得支撐基體所帶來的強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)作用。因此，在向設(shè)置于基板中的微細(xì)空間內(nèi)填充金屬時，變得容易操作，作業(yè)性相應(yīng)地變好。進(jìn)而，對于金屬層，可以獲得支撐基體所帶來的強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)作用，所以能夠避免金屬層的破損、損傷。構(gòu)成填充用基材的支撐基體在填充到微細(xì)空間內(nèi)的金屬的金屬導(dǎo)體固化后剝離。 因此，事后處理作業(yè)也非常簡單。優(yōu)選在使金屬層的熔融物流入到上述微細(xì)空間內(nèi)之后，維持加壓直至固化。由此， 可以抑制由熱收縮導(dǎo)致的填充金屬導(dǎo)體的變形。另外，本發(fā)明中，“金屬”是指由單一金屬元素形成的物質(zhì)、以及它們的合金。合金包括固溶體、共晶及金屬間化合物。通過下面的詳細(xì)說明和所附的以圖解形式給出的附圖可以更好地理解本發(fā)明，但其并不限定本發(fā)明。


圖1是表示本發(fā)明的填充用基材的一部分的截面圖。圖2是表示本發(fā)明的填充方法的工序的圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1，本發(fā)明的填充用基材在支撐基體1的至少一面上具有金屬層2。支撐基體1是具有1 200 μ m左右的厚度的膜或片狀，可以由玻璃或耐熱性合成樹脂膜構(gòu)成。作為耐熱性合成樹脂膜，優(yōu)選短期的耐熱性為200°C以上、長期的耐熱性為150°C以上的合成樹脂膜。這種耐熱性合成樹脂膜已經(jīng)在市場上銷售。
金屬層2包含第1金屬層21和第2金屬層22。第1金屬層21及第2金屬層22 被層疊在支撐基體1的一面上。圖示的金屬層具有η多組(η= 1、2、3…)的第1金屬層21 與第2金屬層22的組合。這些第1金屬層21及第2金屬層22可以利用真空蒸鍍、濺射、 離子鍍等薄膜形成技術(shù)直接形成于支撐基體1上。圖中是在第1金屬層21上層疊有第2 金屬層22的形態(tài)，但也可以相反。第1金屬層21是膜厚處于能夠在比金屬材料原本的熔點(diǎn)低的溫度下熔融的區(qū)域、 例如500nm以下、優(yōu)選為200nm以下、更優(yōu)選為IOOnm以下的區(qū)域的由納米金屬粒子集合而成的金屬層。特別是納米金屬粒子的粒徑為20nm以下時，可發(fā)揮量子尺寸效果，所以能夠在從構(gòu)成材料所具有的熔點(diǎn)大幅降低的較低溫度下、例如250°C以下、優(yōu)選為200°C以下、 進(jìn)一步優(yōu)選為180°C以下熔融。第1金屬層21的膜厚可以通過金屬粒子的粒徑來進(jìn)行控制。第1金屬層21可以由含有選自過渡元素、Al、Zn或半導(dǎo)體配線導(dǎo)體用金屬的組中的至少1種的材料構(gòu)成。具體而言，過渡元素為Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、 Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb。此時，例如 Ag 的熔點(diǎn)為 961. 93°C, Cu 的熔點(diǎn)為1083. 4 °C, Au的熔點(diǎn)為1064. 43 °C, Pt的熔點(diǎn)為1769°C，Ti的熔點(diǎn)為1660 °C, Zn的熔點(diǎn)為419. 58°C, Al的熔點(diǎn)為660. 4°C, Ni的熔點(diǎn)為1453°C，W的熔點(diǎn)為3387°C，Mo的熔點(diǎn)為 2623°C。由這樣的高熔點(diǎn)金屬材料構(gòu)成的第1金屬層21通過量子尺寸效果，能在例如250°C 前后的溫度、優(yōu)選200°C以下的溫度下熔融。第2金屬層22的熔點(diǎn)比第1金屬層21的熔點(diǎn)低，通過第1金屬層21的熔融熱而熔融。因此，能夠在第1金屬層21熔融的同時，也使第2金屬層22熔融。構(gòu)成第2金屬層 22的金屬材料的具體例子為選自Sn、IruBi或Ga的組中的至少1種。Sn的熔點(diǎn)為232°C， In的熔點(diǎn)為156. 61°C,Bi的熔點(diǎn)為271. 3°C。從熔融性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選將第2金屬層22 的膜厚設(shè)定為1 μ m 300 μ m的范圍。進(jìn)而，在將形成于微細(xì)空間中的金屬導(dǎo)體與其他金屬導(dǎo)體連接時，為了將有時形成于金屬導(dǎo)體上的氧化膜還原、形成電阻低的接合，金屬層2也可以包含貴金屬層。貴金屬層可以由選自Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru或Os中的至少一種構(gòu)成。這些元素中，優(yōu)選包含選自Au、Pt或Pd中的至少一種。接著，參照圖2，對使用了圖1所示的填充用基材的填充方法進(jìn)行說明。首先，如圖 2(a)所示，在設(shè)置于真空腔的內(nèi)部的支撐具4上設(shè)置作為處理對象的基板3?；?具有沿著其厚度方向延伸的微細(xì)空間(縱孔)30。微細(xì)空間30必須在基板3的外表面開口，其開口形狀、路徑及數(shù)量等是任意的。不必是圖示的貫通孔，也可以是非貫通孔?；蛘?，也可以是不僅在圖示的縱向、而且在與其正交的橫向上延續(xù)的復(fù)雜形狀?；?的代表例是半導(dǎo)體設(shè)備用晶片，但并不限定于此。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用 于需要向存在于基板3中的微細(xì)空間30內(nèi)填充金屬并使其固化的情況，例如可以廣泛地應(yīng)用于在其他電子設(shè)備、微型機(jī)械等中在內(nèi)部形成微細(xì)的金屬導(dǎo)體填充構(gòu)造或功能部分的情況。此外，基板3只要對熔融處理時所施加的熱具有耐熱性即可，金屬、合金、金屬氧化物、陶瓷、玻璃、塑料或它們的復(fù)合材、或者它們的層疊體均能沒有區(qū)別地廣泛使用?；?的物性、構(gòu)造等根據(jù)作為對象的設(shè)備的種類而不同。例如在半導(dǎo)體設(shè)備的情況下，可以使用Si晶片、SiC晶片或SOI晶片等。在無源電子電路設(shè)備的情況下，有時采用電介質(zhì)、磁性體或它們的復(fù)合體的形態(tài)。在MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory 磁性隨機(jī)存儲器)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems :微機(jī)電系統(tǒng))或光設(shè)備等的制造中，也可以使用具有符合其要求的物性及構(gòu)造的晶片。在晶片中，微細(xì)空間30 通常被稱為貫通孔、非貫通孔(盲孔)或?qū)?via hole)。該微細(xì)空間30的孔徑例如為 60μπι以下。晶片自身的厚度通常為幾十μ m。接著，對真空腔實(shí)行抽真空，將真空腔的內(nèi)壓減壓至例如真空度10-3 左右。不過，該真空度是一個例子，并不限定于此。接著，如圖2(b)所示，將圖1所示的填充用基材5的一面?zhèn)取⒓淳哂薪饘賹?的一側(cè)重合到微細(xì)空間30開口的基板3的一面上。本發(fā)明的填充用基材由于在支撐基體1的至少一面上具有金屬層2，所以與僅由金屬形成的金屬片不同，可以獲得支撐基體1所帶來的強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)作用。因此，向設(shè)置于基板3中的微細(xì)空間30內(nèi)填充金屬時，變得容易操作，作業(yè)性相應(yīng)變好。接著，如圖2 (c)所示，對填充用基材5進(jìn)行加熱，并且進(jìn)行加壓F1，邊使金屬層2 熔融邊壓入到微細(xì)空間30內(nèi)。填充用基材5的加熱、加壓例如可以通過熱壓來實(shí)行。圖 2(a) 圖2(c)為止的工序基本上在真空腔的內(nèi)部的減壓氣氛內(nèi)實(shí)行。由此，熔融金屬4被真空吸入到微細(xì)空間30內(nèi)，熔融金屬201被填充到微細(xì)空間30的內(nèi)部。用于熔融的熱處理溫度例如設(shè)定為200 300°C的范圍。本發(fā)明的填充用基材中，第1金屬層21通過膜厚的微細(xì)尺寸效果或量子尺寸效果，可以在比熱處理溫度200 300°C低的溫度下熔融。并且，第2金屬層22受到該第1金屬層21的熔融熱而熔融，被加壓填充到微細(xì)空間30內(nèi)。因此，能夠在不對已經(jīng)形成的半導(dǎo)體電路要素、附帶的有機(jī)物產(chǎn)生熱劣化的情況下形成縱導(dǎo)體。加壓Fl可以以使用機(jī)械沖壓手段的沖壓壓力的形式來給予，也可以通過碾壓來給予，還可以通過將真空腔內(nèi)的氣氛氣壓從減壓狀態(tài)增壓來給予。加壓Fl的大小可以考慮基板3的機(jī)械強(qiáng)度及微細(xì)空間30的縱橫比等而定。作為一個例子，在基板3為硅晶片的情況下，加壓Fl優(yōu)選在超過大氣壓且為^gf/cm2以下的范圍內(nèi)設(shè)定?；?的機(jī)械強(qiáng)度及微細(xì)空間30的縱橫比較大時，可以施加更高的壓力。在增加真空腔的內(nèi)部的氣壓的情況下，優(yōu)選向真空腔內(nèi)供給隊氣等不活潑性氣體，防止熔融金屬材料的氧化，并增加其氣壓。進(jìn)而，也可以進(jìn)行利用了超聲波振動的填充、利用了磁力的填充。在超聲波振動填充中，可以考慮對基板3給予超聲波振動、或?qū)_壓手段給予超聲波振動。接著，將微細(xì)空間30內(nèi)的熔融金屬201在加壓Fl的狀態(tài)下進(jìn)入到使其冷卻固化的固化工序。由此，如圖2(d)所示，可以獲得金屬導(dǎo)體(縱導(dǎo)體)202。在凝固后，可以確保由第1金屬層21具有的高熔點(diǎn)所帶來的耐熱性，所以金屬導(dǎo)體202不會因晶片的層疊、接合時的熱而發(fā)生熔解。加壓Fl基本上連續(xù)地施加至固化結(jié)束，但也可以在固化進(jìn)行一定程度的階段停止。加壓冷卻基本上是在室溫下的慢慢冷卻，但可以設(shè)定比室溫低的溫度條件，根據(jù)情況， 也可以設(shè)定比室溫高的溫度條件。進(jìn)而，也可以采取隨著時間的經(jīng)過連續(xù)地或階段性地降低溫度的冷卻方法。
固化工序中的加壓可以與流入工序中的加壓工序獨(dú)立地實(shí)行，也可以以連續(xù)的關(guān)系來實(shí)行。在以連續(xù)的關(guān)系來實(shí)行的情況下，兩個加壓工序被合并作為一個加壓工序。其典型例子是將真空腔內(nèi)的氣壓增壓至超過大氣壓的程度的情況。如圖2(e)所示，構(gòu)成填充用基材5的支撐基體1在獲得在微細(xì)空間30內(nèi)固化的金屬導(dǎo)體202后剝離。如圖2(e)所示，在開口面上殘留有金屬薄膜203的情況下，可以采取將開口面上的金屬薄膜203再熔融、并擦去再熔融的金屬薄膜203的工序。不過，由于該后工序是為了除去金屬薄膜202、將基板3的一面平坦化而進(jìn)行的， 所以在無需平坦化的情況下，也可以省略。此外，也可以采用光刻法等細(xì)圖案形成技術(shù)對金屬薄膜203進(jìn)行圖案化另外，上述的各工序沒有必要全部在真空腔內(nèi)實(shí)行。固化工序、后工序也可以在真空腔的外部實(shí)行。本發(fā)明的填充用基材及填充方法能廣泛地應(yīng)用于三維配置的電子設(shè)備及用于其的電路基板的實(shí)現(xiàn)。更具體而言，是系統(tǒng)LSI、存儲器LSI、圖像傳感器或MEMS等?？梢允前M或數(shù)字電路、如DRAM那樣的儲存器電路、如CPU那樣的邏輯電路等的電子設(shè)備，也可以是將模擬高頻電路和低頻低耗電的電路這樣不同種類的電路通過各自的工藝制作、并將它們層疊而成的電子設(shè)備。更具體而言，可以包括傳感器模塊、光電模塊、單極晶體管、MOS FET、CM0S FET、存儲單元、或者它們的集成電路部件(IC)、或各種規(guī)格的LSI等凡是以電子電路作為功能要素的幾乎所有的電子設(shè)備。雖然已就本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)描述，但應(yīng)該理解的是，在不脫離其精神、范圍和發(fā)明啟示的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出各種變更。
權(quán)利要求
1.一種填充用基材，其包含支撐基體和金屬層，所述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，并被設(shè)置于所述支撐基體的一面上，所述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融的膜厚，所述第2金屬層是由其熔點(diǎn)比所述第1金屬層的所述熔點(diǎn)低的金屬粒子集合而成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的填充用基材，其具有多組所述第1金屬層與所述第2金屬層的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的填充用基材，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自 Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、 Si、Ga、Sn、IruBi或用于半導(dǎo)體的配線導(dǎo)體的金屬的組中的至少1種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的填充用基材，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自 Ag、Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、 Si、Ga、Sn、IruBi或用于半導(dǎo)體的配線導(dǎo)體的金屬的組中的至少1種。
5.一種使用填充用基材向設(shè)置于基板中的微細(xì)空間內(nèi)填充金屬并使其固化的方法，所述填充用基材包含支撐基體和金屬層，所述金屬層包含第1金屬層和第2金屬層，并被設(shè)置于所述支撐基體的一面上，所述第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融的膜厚，所述第2金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有一定的膜厚，并具有比所述第1金屬層的所述熔點(diǎn)低的熔點(diǎn)，該方法包括以下工序?qū)⑺鎏畛溆没牡乃鲆幻鎮(zhèn)戎睾系剿鑫⒓?xì)空間開口的所述基板的一面上，對所述填充用基材進(jìn)行加熱并且加壓，將所述金屬層的熔融物填充到所述微細(xì)空間內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述填充用基材具有多組所述第1金屬層與所述第2金屬層的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第1金屬層及所述第2金屬層包含選自Ag、 Cu、Au、Pt、Ni、Pd、Ir、W、Mo、Ta、Hf、Ru、Rh、Sc、Zr、Os、Y、V、Fe、Co、Cr、Mn、Nb、Al、Zn、Ga、 Sn、IruBi或用于半導(dǎo)體的配線導(dǎo)體的金屬的組中的至少1種。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，將所述金屬層的熔融物填充到所述微細(xì)空間內(nèi)后，維持所述加壓直至固化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種填充時的熔融溫度低、在凝固后可確保高熔點(diǎn)、并且作業(yè)操作性優(yōu)異的填充用基材及使用了該基材的填充方法。填充用基材構(gòu)成為將包含第1金屬層和第2金屬層的金屬層設(shè)置在支撐基體的一面上而成的構(gòu)造。第1金屬層是由納米金屬粒子集合而成的，具有能夠在比其熔點(diǎn)低的溫度下熔融的膜厚。第2金屬層是由其熔點(diǎn)比第1金屬層的熔點(diǎn)低的金屬粒子集合而成的。將填充用基材的一面?zhèn)戎睾系轿⒓?xì)空間開口的基板的一面上。然后，對填充用基材進(jìn)行加熱并且加壓，將金屬層的熔融物填充到微細(xì)空間內(nèi)。
文檔編號H01L23/532GK102237325SQ20111010043
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
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