接合部和電配線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及接合部和電配線。
【背景技術(shù)】
[0002]在各種規(guī)模的集成電路、各種半導體元件或者其芯片等電子器件中，作為實現(xiàn)三維電路配置的方法，提出TSV(Through-Silicon-Via,娃穿孔)技術(shù),其是在電路基板上預(yù)先設(shè)置多個貫通導體、將該電路基板進行層疊而接合的技術(shù)。如果在三維電路配置中使用TSV技術(shù)，可以將大量功能裝入較小的占有面積之中。此外，元件彼此的重要的電配線可以急劇地變短，因此可實現(xiàn)處理的高速化。在日本專利第3869859號公報中公開有TSV技術(shù)不可缺少的通孔結(jié)構(gòu)體。
[0003]在日本專利第3869859號公報中公開的通孔結(jié)構(gòu)體在含有高熔點金屬、低熔點金屬或金屬合金、以及交聯(lián)劑的同時必須含有粘合劑和/或反應(yīng)性單體或聚合物。在通孔內(nèi)的固化狀態(tài)下，與合金化金屬網(wǎng)一起同時存在由導電性粘接劑的有機成分的交聯(lián)而生成的聚合物網(wǎng)。
[0004]對于在日本專利第3869859號公報中記載的通孔結(jié)構(gòu)體，根據(jù)其說明書的記載，在通孔內(nèi)的固化狀態(tài)下，與合金化金屬網(wǎng)一起同時存在聚合物網(wǎng)，因此電方面的導電性也相應(yīng)變差。
[0005]進而，作為在金屬擴散接合中所固有的問題，存在發(fā)生由柯肯德爾(Kirkendall)空隙引起的空洞、裂紋等問題?？驴系聽柨障妒怯捎谝蛳嗷U散的不均衡發(fā)生的原子空穴(晶格)沒有消失而是發(fā)生了集聚而產(chǎn)生的。例如，在Sn/Cu的界面的情況下，相對于Cu的擴散，Sn的擴散少，因此空穴集聚在金屬間化合物和Cu界面，從而形成柯肯德爾空隙。該柯肯德爾空隙也有時發(fā)展成更大的空洞或裂紋，從而使導體的可靠性、品質(zhì)降低，進而產(chǎn)生斷線等。在日本專利第3869859號公報中并未公開其對策方法。
[0006]接著，日本特開2002-261105號公報公開有如下技術(shù):利用含有Cu6Sn5的CuSn化合物和具有Cu球的連接部將半導體裝置的電極和安裝基板的電極連接起來，Cu球彼此也用CuSn化合物連結(jié)。但是，由于電極間和Cu球彼此用CuSn化合物連接，因此有在Sn/Cu的界面產(chǎn)生柯肯德爾空隙的可能性。
[0007]在晶片的面上取由貫通導體形成的電配線、由平面狀導體圖案形成的電配線、還有三維系統(tǒng)封裝(3D-SiP)等形態(tài)的電子器件中，在形成將半導體芯片間連接起來的接合部的情況下也產(chǎn)生同樣的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的課題
[0009]本發(fā)明的課題在于提供一種不會產(chǎn)生空洞、裂紋等的接合部和電配線。
[0010]本發(fā)明的另一課題在于提供一種熔融溫度低、凝固后具有高熔點的接合部和電配線。[0011 ] 用于解決課題的方法
[0012]為了解決上述課題中的至少一個，本發(fā)明是將至少2個導體接合的接合部，其具有含有選自S1、B、T1、Al、Ag、B1、In、Sb、Ga、Zn的組中的至少一種、Cu和Sn的化合物區(qū)域。上述化合物區(qū)域在其與上述導體之間形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域。
[0013]如上所述，在本發(fā)明的接合部中，含有選自S1、B、T1、Al、Ag、B1、In、Sb、Ga、Zn的組中的至少一種、Cu和Sn的化合物區(qū)域在其與導體間之間形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域，因此根據(jù)化合物區(qū)域所應(yīng)該含有的金屬成分的選擇，如果有需要則多級控制熔融溫度，可以緩和在上述化合物與導體之間觀察到的相互擴散的不均衡。其結(jié)果是，可形成避免原子空穴(晶格)的集聚、抑制柯肯德爾空隙的產(chǎn)生、沒有柯肯德爾空隙等的接合部。
[0014]而且，上述組成的化合物區(qū)域可以通過其金屬成分的選擇和組合而形成熔融溫度低、凝固后具有高熔點的接合部。因而，可以利用由高熔點的化合物的連結(jié)產(chǎn)生的彈性的內(nèi)聚力來確保高溫強度，在溫度循環(huán)時可以用柔軟的金屬成分、例如Sn的柔軟性來確保壽命O
[0015]本發(fā)明也適用于由基板支撐的電配線。該電配線含有選自S1、B、T1、Al、Ag、B1、In,Sb,Ga,Zn的組中的至少一種、Cu和Sn，在配線內(nèi)部含有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域。
[0016]本發(fā)明的電配線也發(fā)揮在接合部中所述的作用效果。此外，在電配線中包含由貫通導體形成的電配線和由平面狀導體圖案形成的電配線。
[0017]具體而言，本發(fā)明的接合部和電配線可以含有第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分中的至少兩種。在該情況下，既可以含有第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分這3種，也可以僅含有其中兩種。例如，既可以是含有第I金屬成分和第2金屬成分的類型，也可以是含有第I金屬成分和第3金屬成分的類型，還可以是含有第2金屬成分和第3金屬成分的類型。它們的組合可通過觀察第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分中的組成成分的種類、組成成分的相對量等來選擇。
[0018]作為合乎上述目的的具體的第I金屬成分，可以列舉出含有Cu、和選自S1、B、T1、Al、Ag、Zn的組中的至少一種的成分。
[0019]接著，作為第2金屬成分的具體例，可以列舉出含有Sn、Cu、和選自S1、B、T1、Al、Ag、Zn的組中的至少一種的成分。
[0020]并且，具體而言，第3金屬成分可以含有Sn、B1、Ga、和選自上述S1、B、T1、Al、Ag、Zn的組中的至少一種。
[0021]作為另一選擇項，第3金屬成分也可以含有Sn、B1、In、Sb、和選自Ga、S1、B、T1、Al、Ag、Zn的組中的至少一種。
[0022]發(fā)明效果
[0023]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得如下效果。
[0024](a)可以提供一種抑制了柯肯德爾空隙的產(chǎn)生的接合部和電配線。
[0025](b)可以提供一種熔融溫度低、凝固后具有高熔點的接合部和電配線。
[0026]本發(fā)明的其他目的、構(gòu)成和優(yōu)點參照附圖更詳細地進行說明。但是，附圖僅是例
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【附圖說明】
[0027]圖1是表示使用了本發(fā)明的接合部的電子器件的一個例子的圖。
[0028]圖2表示使用以往的Sn-Cu系導電糊劑形成的配線的SEM圖像。
[0029]圖3表示使用本發(fā)明的功能性材料形成的金屬化層的SEM圖像。
[0030]圖4是表示本發(fā)明的電子器件的另一例子的圖。
[0031]圖5是表示本發(fā)明的電子器件的又一例子的圖。
[0032]圖6是表示300°C下的高溫剪切強度試驗結(jié)果的圖。
[0033]符號說明
[0034]I接合部
[0035]3、5電子器件
[0036]31、51 基板
[0037]321,521 擴散區(qū)域
[0038]71 基板
[0039]72電配線
[0040]73絕緣層
[0041]91 基板
[0042]92電配線
【具體實施方式】
[0043]參照圖1，接合部I介于在電子器件3的基板31上設(shè)置的導體32和在電子器件5的基板51上設(shè)置的導體52之間，將兩導體32-52接合。導體32、52也包括被賦予電極、凸塊、端子電極等名稱的導體。導體32、52的組成、結(jié)構(gòu)等適宜地是公知的組成、結(jié)構(gòu)。例如形成為由Cu、Al、N1、Sn、Ag、Au、Pt、Pd等構(gòu)成的單層膜或?qū)盈B膜。
[0044]接合部I含有化合物區(qū)域，該化合物區(qū)域含有選自S1、B、T1、Al、Ag、B1、In、Sb、Ga,Zn的組中的至少一種、Cu和Sn。化合物區(qū)域在其與導體32、52之間具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域321、521。納米復(fù)合結(jié)構(gòu)是指金屬/合金的結(jié)晶、非結(jié)晶或它們的化合物以nm尺寸被一體化并復(fù)合化而成的結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)(日本特開2002-261105號公報等)的對比中，其特征在于，化合物區(qū)域除了含有Cu和Sn之外還含有選自S1、B、T1、Al、Ag、B1、In、Sb、Ga、Zn的組中的至少一種。
[0045]接合部I也可以在其內(nèi)部具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域。
[0046]根據(jù)上述接合部，在化合物區(qū)域和導體32、52之間的金屬擴散區(qū)域321、521中、相互擴散的不均衡被緩和的結(jié)果是，可形成可以避免原子空穴(晶格)的集聚、抑制柯肯德爾空隙的產(chǎn)生、沒有柯肯德爾空隙等的導體間接合部。
[0047]而且，上述組成的化合物區(qū)域可以通過其金屬成分的選擇和組合而形成熔融溫度低、凝固后具有高熔點的接合部。例如，如果設(shè)想為通常的Cu導體，則化合物區(qū)域與該Cu導體反應(yīng)而形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬間化合物。該金屬間化合物的熔點高，在250°C的軟釬焊溫度下可以確保充分的強度。因而，兩次回流焊時的電子器件的接合部成為分擔下述功能的復(fù)合材料，可以充分用于高溫的溫度分級連接用，所述功能為利用由高熔點的化合物的連結(jié)產(chǎn)生的彈性的內(nèi)聚力來確保高溫強度、在溫度循環(huán)時以柔軟的金屬成分的柔軟度來確保壽命的功能。
[0048]另外，本發(fā)明的接合部也可以在其內(nèi)部具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬擴散區(qū)域。在該情況下，也根據(jù)化合物區(qū)域所含有的金屬成分的選擇，如果有需要則多級控制熔融溫度，可以緩和相互擴散的不均衡。其結(jié)果是，可形成可以避免原子空穴(晶格)的集聚、抑制柯肯德爾空隙的發(fā)生、沒有柯肯德爾空隙等的接合部。
[0049]參照圖2和圖3所不的SEM(Scanning Electron Microscope,掃描型電子顯微鏡)圖像對以上的內(nèi)容進行說明。圖2表示使用以往的Sn-Cu系導電糊劑形成的配線的SEM圖像，圖3表示本發(fā)明的組成的接合部的SEM圖像。
[0050]首先，當參照表示使用以往的Sn-Cu系導電糊劑形成的配線的SEM圖像的圖2時，在Cu結(jié)晶與Sn結(jié)晶之間的界面存在Cu3Sn的擴散層，沿著Cu3Sn層與Cu結(jié)晶的界面的大致整體產(chǎn)生了空隙。
[0051]與此相對，當參照圖3時，本發(fā)明的接合部的在Cu結(jié)晶與化合物區(qū)域之間的界面產(chǎn)生的擴散層具有與Cu結(jié)晶和化合物區(qū)域中的任一個的形狀相效仿的形狀，在沒有產(chǎn)生空隙的情況下連續(xù)。擴散區(qū)域構(gòu)成層厚為700nm以下的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0052]在圖3中，Cu結(jié)晶區(qū)域中的圖像顏色的差異呈現(xiàn)出晶體取向的差異。另外，圖3表示接合部內(nèi)的結(jié)構(gòu)，在接合部I與導體32-52之間產(chǎn)生的擴散接合321、521中也可獲得如圖3所示那樣的擴散接合結(jié)構(gòu)。
[0053]參照圖1?圖3來說明的接合部可以含有第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分中的至少2種。在該情況下，既可以含有第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分這3種，也可以僅含有其中的兩種。例如，既可以是含有第I金屬成分和第2金屬成分的類型，也可以是含有第I金屬成分和第3金屬成分的類型，還可以是含有第2金屬成分和第3金屬成分的類型。它們的組合可通過觀察第I金屬成分、第2金屬成分和第3金屬成分中的組成成分的種類、組成成分的相對量等來選擇。
[0054]作為合乎上述目的的具體的第I金屬成分，可以列舉出含有Cu、和選自S1、B、T1、Al、Ag、Zn的組中的至少一種的成分。
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