電極的構(gòu)造,構(gòu)成材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電極的構(gòu)造，構(gòu)成材料及其制造方法，提供了一種隨著半導電體制造技術(shù)的細微化發(fā)展，可更密集布置，低電阻且高可靠性的貫通或嵌入電極的結(jié)構(gòu)，材料成分；以及電極的低成本工藝流程。將由至少2種以上，有著不同熔點的金屬表面覆層的導電性微?；旌隙傻牡?導電材的涂布膏填充于基板的開孔內(nèi)并干燥；將開孔內(nèi)充滿第1導電材的涂布膏堆積物的基板，經(jīng)低溫熱處理，將第1導電材固相燒結(jié)成多孔質(zhì)第1導電體。將低熔點的金屬的第2導電材的涂布膏覆蓋于第1導電體之上，并干燥；經(jīng)熱處理熔化第2導電材，使之浸漬再固化于第1導電體的空隙處形成一個非完全置換的固溶體的貫通或嵌入電極。
【專利說明】電極的構(gòu)造，構(gòu)成材料及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適用于半導電體芯片的三維層疊體的貫通或嵌入電極(可稱為"嵌入 電極"或"貫通電極"，以下統(tǒng)稱為"貫通電極")。
[0002] 與此相關(guān)，在基板上的開孔中構(gòu)筑的貫通電極的結(jié)構(gòu)(在下文中，將包括基板和貫 通電極在內(nèi)的構(gòu)造，統(tǒng)稱為"電極結(jié)構(gòu)"）和構(gòu)成材料；及其制造工藝流程。

【背景技術(shù)】
[0003]作為半導電體芯片的三維層疊技術(shù)所必需的基板上的開孔里貫通電極的形成方 法，主要有下列三種，但各有利弊，實際使用中仍存在問題。
[0004] 其一是液相堆積法的代表例，「保形鍍銅」法?？稍陔姌O孔內(nèi)壁形成質(zhì)地致密，厚 薄均勻的鍍層（電極孔沒有被完全填滿)。該技術(shù)已應(yīng)用于量產(chǎn)，因電極一面中心有空洞，與 平面布線交界處需用大面積引腳，降低了電極的可布置密度。
[0005] 其二是銅金屬填充法。氣相堆積法的典型，需用熱飛濺；電離飛濺或金屬CVD等裝 置，向孔內(nèi)填充金屬微粒，堆積導電層。該方法的設(shè)備價格高昂，處理時間較長，所以制造成 本高極高。而且金屬導電層質(zhì)地致密，彈性摸量也大。在后續(xù)工藝流程的變溫循環(huán)中，如硅 基板則可能因熱膨脹系數(shù)的差異，會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力損壞基板。
[0006] 其三是導電性金屬涂布膏填充法。因為金屬涂布膏用黏度較高的單體作分散媒或 稀釋劑，單體揮發(fā)后有機殘渣較多，電極的電阻較大。由此，限制了電路的設(shè)計，并可能造成 電氣特性的不穩(wěn)。
[0007]上述三個方法已有大量的改良案。以涂布膏填充法的改良案為多。
[0008] 譬如，在專利文獻1中提出了，用壓力和過濾器加速金屬顆粒懸濁液在開孔內(nèi)堆 積的方法。圖4是專利文獻1的圖1示意圖。在該圖中，在基板101上有貫通孔102,安置 在濾網(wǎng)140的上面。130是金屬微粒的懸濁液，在活塞120推動下，被擠入貫通孔內(nèi)部。基 板101取出并干燥后，金屬微粒堆積在貫通孔內(nèi)部。再涂布金屬涂布膏加以固化，形成貫通 電極。此法通過二次金屬微粒的堆積，提高了金屬成分的比例，有助于改善電極的導電性。
[0009] 在專利文獻2中提出了，使用振動片，用振動加大涂布在基板表面的金屬涂布膏 的流動性，并在圓晶的反側(cè)施以負壓，加速金屬涂布膏在貫通孔內(nèi)的堆積。而后燒結(jié)固化的 方案。圖5是專利文獻2的圖1示意圖。該法用振動搗固，防止空腔形成。提高了金屬涂 布膏的堆積密度，有助于改善電極的導電性。
[0010] 在專利文獻3中提出了，涂布少量的金屬涂布膏，在真空環(huán)境中加熱熔融金屬，用 高速振動進行灌流，使之沉淀的方法。
[0011] 雖然文獻1至3提供的方法，都基本實現(xiàn)了各自的目標。考慮到部分加工工藝流 程對器件晶圓原有平面回路的不良影響，輔助材(如支撐玻璃基板）裝卸等因素，從整體工 藝流程而言，應(yīng)用上有較大障礙。
[0012] 【專利文獻】
[0013]專利文獻1:日本專利特開2011-054907號公報
[0014] 專利文獻2 :日本專利特開2011 - 071153號公報
[0015] 專利文獻3 :日本專利特開2009 - 277927號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為確保系統(tǒng)的高性能和高品質(zhì)，對貫通電極而言，必須同時解決因熱膨脹系數(shù)之 差為起因的在加工流程的變溫循環(huán)中的系統(tǒng)熱脆弱性，和因電極材料的導電阻抗為起因的 系統(tǒng)信號傳遞特性制約，這對相互矛盾的課題。
[0017] 另外，隨著半導電體制造技術(shù)的細微化發(fā)展，對貫通電極的布置密度會有更高的 要求。即在確保電極的信號傳遞特性和可靠性前提下，盡可能地縮小電極尺寸。
[0018] 本發(fā)明的目的是提供一種電極的構(gòu)造，構(gòu)成材料及其制造方法。
[0019] 本發(fā)明考慮了上述情況，提出了可追隨半導電體制造技術(shù)的細微化發(fā)展，可更密 集地排列、低阻抗、高可靠性的貫通電極的材料成分和結(jié)構(gòu)，以及有關(guān)低成本的工藝流程。
[0020] 未明確說明處，通過下述說明和附圖將變得顯而易見。
[0021] 技術(shù)方案
[0022] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明，利用多孔質(zhì)材料的彈性摸量和強度反比于其空隙率， 以及多孔質(zhì)材料的浸漬型非完全置換固溶體的力學特性大致依附于多孔質(zhì)材料本體的現(xiàn) 象。并考慮了貫通電極的通過電流以高頻為主的因素。巧妙地利用了各種材料的物理特性， 制定了基本滿足各方要求的貫通電極的材料成分和結(jié)構(gòu)。以及相應(yīng)的低成本的制造方法。
[0023] 本發(fā)明的一種貫通電極，其結(jié)構(gòu)：
[0024] 貫通電極由第1導電材燒結(jié)而成的多孔質(zhì)的第1導電體(多孔質(zhì)燒結(jié)體）；
[0025] 和由填充于上述第1導電體的間隙部里，與第1導電材不同成分構(gòu)成的第2導電 材，固化而成的第2導電體所組成。
[0026] 本發(fā)明的貫通電極，得益于上述結(jié)構(gòu)，在確保貫通電極的高可靠性和低電阻性的 同時，實現(xiàn)了貫通電極的小型化。
[0027] 本發(fā)明的貫通電極的理想結(jié)構(gòu)是，上述多孔質(zhì)的第1導電體和填充固化在其間隙 部的第2導電體形成一個非完全置換的固溶體。
[0028] 本發(fā)明的一種用于在基板上的開孔里構(gòu)筑貫通電極的工藝流程。其特征在于：
[0029] 經(jīng)將涂布膏狀的第1導電材填充于開孔內(nèi)，并加以燒結(jié)形成多孔質(zhì)第1導電體的 工序；
[0030] 以及將與第1導電材不同成分構(gòu)成的第2導電材填充并固化于上述第1導電體的 間隙部里，形成第2導電體的工序；
[0031] 構(gòu)筑包含上述多孔質(zhì)第1導電體和填充并固化在其間隙中的第2導電體的貫通電 極。
[0032] 本發(fā)明的構(gòu)筑貫通電極的工藝流程，得益于上述工序?qū)崿F(xiàn)了，可小型化的、低阻 抗、高可靠性的貫通電極的低成本工藝流程。
[0033] 另外，理想的第1導電材的燒結(jié)工序是低溫燒結(jié)。
[0034] 上述基板是有著可構(gòu)筑貫通電極開孔的平板。如已經(jīng)集成了大量器件的硅晶圓； 作為器件電路連接中介，光地或有著平面電路布線的平板。基板材料可以是硅、化合物半導 體、樹脂、陶瓷、玻璃等。
[0035] 上述貫通電極是器件或平面電路布線連接的中介體。其形態(tài)大致有三種。其一圖 1B(k)所示，作為連接基板兩面的器件或平面布線的接線端，貫穿并裸露于基板兩側(cè)；其 二如圖2B(k)所示，一端作為接線端裸露于基板，另一側(cè)連接于基板反面的內(nèi)部布線；其 三如圖3(b)、（c)、（d)所示，連接于多個內(nèi)部布線層。
[0036]上述「開孔」是從基板正反兩面之一側(cè)(第1平面)，朝相反側(cè)(第2平面）挖掘的 用于構(gòu)筑貫通電極的空洞。類型有貫通和非貫通的兩種。開孔的截面以圓形居多，但不受 限于此。因貫通電極是電路連接的中介體，開孔內(nèi)壁必須絕緣。如基板材質(zhì)具有導電性(如 硅)，則需要在開孔內(nèi)壁面構(gòu)筑絕緣層。
[0037] 上述涂布膏是指，以不定形的粉狀的導電微粒為固體成分，由稀釋溶劑(分散媒） 調(diào)制的粘性懸濁液。本發(fā)明中使用的稀釋溶劑汽化蒸發(fā)后無有機殘渣。另外，也可加入微 量用以保持導電微粒表面活性的甲酸、羧酸、松香蠟等還原劑。
[0038] 稀釋溶劑可以是，乙二醇、丁醇、醇酯、松油醇、松樹油、二甘醇一丁醚乙酸酯、丁基 卡必醇、卡必醇、四氯乙烯等。這些溶劑對晶圓的器件影響小。并且易揮發(fā)，可在較低的溫 度（50°C以下）干燥處理。因為更容易。其中四氯乙烯為最佳，因為它是可在室溫下干燥。
[0039] 上述第1導電材是由一種以上的金屬微粒、合金微粒、金屬化合物微粒、半導電體 微粒，有機或無機的材料上用異種材料覆層的導電微粒所組成。其粒徑一般可看作〇. 3? 10ym。即使實際粒徑小于0.Iiim，因靜電等原因發(fā)生凝聚，也可看作粒徑為0. 3?10iim。
[0040] 第一導電材的選擇范圍大致如下，但不限于此。
[0041] 金屬類有，鶴；鑰；絡(luò)；鋼；錫；金；銀等。
[0042] 合金類有，銦合金；錫合金(含銀錫，金錫）；鉍合金(例，鉍錫）；鎵合金；鋅合金；鎳 鈷；鈷金；諸如焊料等。
[0043]金屬化合物有，以上述金屬為成分化合物的自的各構(gòu)成材料的比率的金屬化合物 (各成分比例有多種，可以稱之為"混合物")。
[0044]半導電體有，娃；鍺；化合物半導電體；碳化娃；碳。
[0045]用異種材料覆層的導電有機微粒有，表面用銦；金；銀；鉬；錫等金屬覆層的樹脂 微粒。
[0046] 用異種材料覆層的導電無機微粒有，表面涂覆導電薄膜的金屬；硅；鍺；碳化硅； 碳系材料；金剛石狀的物質(zhì)；氮化硅；氮化鋁；硼硅酸鹽玻璃；硼的氮化物陶瓷等微粒。
[0047] 微粒表面的覆層材料可以是，銦；銦合金；鎳一金合金；金；銀；銅；鉬；錫；鈦和 鉭。
[0048] 作為第1導電材的異種材料覆層的導電無機微粒的組合例，微粒內(nèi)核可以用鎢， 表面金屬覆層用銦；錫；銅；貴金屬(金、銀、鉬等）的至少其中一種。
[0049]為增加覆層的耐剝離強度，可在內(nèi)核的表面，先用銅、鎳、鈦、鉭等金屬的其中一 種；或至少其中兩種的組合加以中間覆層，而后再用上述金屬覆層材覆層。另外，中間覆層 或可改善微粒的導電性。上述只是一具體例，并不受限于此。
[0050] 第一導電材的選擇材料時，必須考慮以下因素：
[0051] (1)為確?？煽啃?，與基板的熱膨脹系數(shù)之間的差異要小，基板和多孔燒結(jié)體的熱 膨脹系數(shù)最好不超過3倍。
[0052] (2)為了確保良好的信號傳遞特性，電阻要小。
[0053] (3)燒結(jié)（擴散結(jié)合）溫度低于300°C。因為構(gòu)筑貫通電極的基板，大部分是已經(jīng) 集成了大量器件的硅晶圓。為不使器件電路受損，所以加工溫度必須低于集成工序的最高 溫度。
[0054] 上述第2導電材是，由金屬微粒、合金微粒、金屬化合物微粒、半導電體微粒的一 種以上的材料所組成。成分不同于第1導電材。即排除了第1導電材和第2導電材成分相 同的可能。理想的第2導電材，粒度要小于第1導電材的粒度，其熔點以不超過第1導電材 的燒結(jié)溫度或第1導電材的燒結(jié)合金部的熔點。
[0055] 第2導電材的選擇例，可以是焊料類低熔點金屬及其金屬合金。有銦系合金；錫系 合金(錫銀，錫金等）；鉍系合金(錫鉍等）；鎵系合金；鋅系合金等。表1是較為典型的配合 例。但不限于此。
[0056]【表1】
[0057]

【權(quán)利要求】
1. 一種貫通或嵌入電極，其特征是： 由第1導電材經(jīng)未滿300°C的熱處理燒結(jié)而成，多孔質(zhì)的第1導電體； 和由填充于上述第1導電體的間隙部里，與第1導電材不同成分構(gòu)成的第2導電材，固 化而成的第2導電體所組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的貫通或嵌入電極，其特征在于： 上述第1導電體以及上述第1導電材具有網(wǎng)狀或立體網(wǎng)狀的合金結(jié)合部；且其熱膨脹 系數(shù)不超過基板的3倍。
3. -種電極材料，其特征是： 由至少2種以上，粒徑為0. 5?10 iim，有著不同熔點的導電性表面覆層的導電性微粒 混合而成； 上述導電性表面覆層由一層或多層，不同的金屬或合金構(gòu)成； 上述導電性表面覆層的厚度是上述導電性微粒粒徑的二百分之一至十分之一。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電極材料，并具備下列特征： 上述導電性微粒的芯材是由，熱膨脹系數(shù)接近于基板，包括鎢、鑰在內(nèi)的金屬、合金、金 屬化合物、半導體、玻璃、陶瓷、有機材料等，及其混合物所組成。
5. -種貫通或嵌入電極的形成工藝流程，其特征是： 由將上述第1導電材的涂布膏涂布填充于開孔內(nèi)，并予以干燥的工序； 將充滿開孔的上述第1導電材的涂布膏固相燒結(jié)，形成上述多孔質(zhì)第1導電體的工 序； 將上述第2導電材的涂布膏覆蓋涂布于上述第1導電體上；并予以干燥的工序； 經(jīng)熱處理熔化上述第2導電材的涂布膏堆積物，使之浸漬再固化于上述第1導電體的 空隙處的工序等步驟組成。
【文檔編號】H01L21/3205GK104332447SQ201310309186
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】盆子原學, 中村博文, 何奇?zhèn)? 申請人:賽方塊股份有限公司