シリコンボードにおけるシリコン貫通配線（ＴＳＶ）の形成
【課題】めっき設備や微小な金属粒子を用いることなく、シリコンボードにシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成すること、それらを複数積層して層間接続を形成すること。
【解決手段】溶融されたはんだそのものを用いて、シリコンボードの貫通孔を充填させる。具体的には、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に配置されている固形はんだを溶融させて、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間の圧力差によって、溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導いて充填させる。貫通孔の内部の表面には金属層を予め堆積させてもよいし、さらに、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成してもよい。めっきの堆積のように時間をかけなくても、ボイドが発生して導通不良が生じにくく、予め堆積された金属層により濡れ性を向上させ、高周波の信号を通し易くし、後のプロセスで再溶融しないように金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することができる。
【解決手段】溶融されたはんだそのものを用いて、シリコンボードの貫通孔を充填させる。具体的には、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に配置されている固形はんだを溶融させて、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間の圧力差によって、溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導いて充填させる。貫通孔の内部の表面には金属層を予め堆積させてもよいし、さらに、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成してもよい。めっきの堆積のように時間をかけなくても、ボイドが発生して導通不良が生じにくく、予め堆積された金属層により濡れ性を向上させ、高周波の信号を通し易くし、後のプロセスで再溶融しないように金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元集積化技術においてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法であって、より詳しくは、シリコンボードに用意されている小さい径の貫通孔の内部の空間を、溶融されたはんだで充填させる技術に関する。複数のシリコンボードが積層されて互いに接合される層間接続の技術にも関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元集積化技術の一つに、シリコン貫通配線（ＴＳＶ）技術がある。ＴＳＶは、その集積化技術を必要としている製品の仕様やアーキテクチャ、シリコン（ボード）の厚み、全体の作製プロセスに応じて、最適な作製方法や材料を選択する必要がある。「貫通孔」に導電性材料が充填されたものは、充填後には導電路としての機能を果たす配線となり、「ビア（Ｖｉａ）」とも呼ばれる。
【０００３】
一般的に知られているＴＳＶの作製方法では、（１）シリコン（ボード）をエッチングしてシリコンボードに貫通孔を形成して、（２）貫通孔の内部の表面に絶縁膜を形成して、（３）貫通孔の内部の残りの空間に導電性材料の充填させる、という順序をもって作製がなされる。
【０００４】
これら作製方法の順序のうちの（３）の部分の従来技術として、めっき工程だけで導電性材料（例えば、Ｃｕ）を充填させるというプロセスが知られている。しかし、このプロセスの実現には、専用のめっき設備が必要となるだけでなく、めっきで金属を表面に堆積させていくことは時間がかかってしまうため、歩留まりが悪い。
【０００５】
（図の番号に対して説明が先になるが）図６は、従来技術におけるめっき工程の一例を示すものである。
【０００６】
図６の（ａ）は、従来技術のめっき設備の一例を示すものである。カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）とアノード（Ａｎｏｄｅ）との間のサンプル（Ｓａｍｐｌｅ）の箇所に、めっきしたい対象物を設置する。溶液（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）には、めっきを形成させたい金属のイオンが含まれている。
【０００７】
図６の（ｂ）は、従来技術において、シリコンボードの貫通孔にボイド（空隙）が発生してしまっている状況を示す図である。このように導電物質が充填されていない箇所があると、導電路としての機能が十分に果たせず、たとえ作製の直後は導通していても、経年変化を通じて導通不良が発生してしまうこともあり、信頼性に欠ける。
【０００８】
図６の（ｃ）は、従来技術において、貫通孔の内部の空間までめっきが堆積されていない（行き渡っていない）状況を示す図である。めっきでは、溶液（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）に含まれている金属イオンを、時間をかけて成長させて堆積させていくため、貫通孔の内部の空間と外部の空間との境目である入り口の付近において、内部の空間よりも先に金属が堆積してしまう傾向があるためと思われる。この実験例は、貫通孔の直径Φ＝50μｍであって、貫通孔の深さ（シリコンボードの厚み）ｔ＝400μｍである。従って、これらよりもスケールが小さい条件の下では、工夫が必要となってくる。
【０００９】
特許文献１には、ナノコンポジット構造を有する微小な金属粒子についての技術が開示されている。このような技術を応用して、小さい径の金属粒子を小さい径の貫通孔に行き渡らせてＴＳＶを形成することが考えられる。しかし、金属粒子が最密充填で供給できると仮定しても、隙間の無い連続体として供給されるものではないため、充填が完全になるという保証はない。図７は、このような、微小な金属粒子を利用した従来技術を説明する図である。
【００１０】
特許文献２には、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材を対象として、金属粒子にバインダ樹脂を用いて半溶融金属混合物を形成し、多層基板の層間接続の信頼性を向上させる技術が開示されている。しかし、絶縁基板とシリコンボードとでは、求められている仕様やアーキテクチャが異なっており、特許文献２で取り扱っているビアホール（貫通孔）の径の大きさに比べて、本発明で取り扱う貫通孔の径はずっと小さいオーダの径である。
【００１１】
また、バインダ樹脂は、隙間低減効果を期待して混合させるものであるが、バインダ樹脂を使用してしまうと、溶融の工程でガスが発生してしまい、かえってボイドを生じるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６８０８５６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、めっき設備や微小な金属粒子を用いることなく、シリコンボードにシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成すること、および、そのシリコンボードを複数積層して接合して、層間接続を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、溶融されたはんだそのものを用いて、シリコンボードの貫通孔を充填させる。より具体的には、シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぎ、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に配置されている固形はんだを溶融させて、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間の圧力差によって、溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導いて充填させるというものである。
【００１５】
貫通孔の内部の表面には金属層を予め堆積させてもよいし、さらに、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
めっきで金属を貫通孔の内部の表面に堆積させていくように時間をかけなくても、ボイドが発生して導通不良が生じないようなシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成することができる。
【００１７】
予め堆積された金属層により、貫通孔の内部の表面の濡れ性を向上させ、高周波の信号を通し易くすることができる。
【００１８】
後のプロセスで再溶融しないように、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することで、エレクトロマイグレーションに強いものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、複数のシリコンボードが接合された３次元積層体を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明に従った、溶融されたはんだそのものを用いてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明に従った、シリコンボードの貫通孔の内部の表面に金属層を堆積させた構造および金属層以外の部分については金属間化合物（ＩＭＣ）を形成させた構造について説明する図である。
【図４】図４は、本発明に従った、金属層の表皮効果について説明する図である。
【図５】図５は、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を入れるプロセスを説明するイメージ図である。
【図６】図６は、従来技術におけるめっき工程の一例を示すものである。
【図７】図７は、微小な金属粒子を利用した従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、複数のシリコンボードが接合された３次元積層体を示す断面図である。
【００２１】
本明細書における「シリコンボード」は、シリコンインターポーザである場合やシリコンチップである場合を含み、典型的にはボード状としてシリコン貫通配線（ＴＳＶ）が形成できる限りにおいて、広い概念を含んだものである。通常、シリコンチップの厚さは、シリコンインターポーザの厚さよりもずっと薄い。
【００２２】
複数のシリコンボードは、細かいピッチに配置されているはんだバンプを介して、電気的にかつ機械的に接合されている。図示されているはんだバンプは、溶融されて固形化した後のものである。複数のシリコンボードの接合には、第１のシリコンボードを提供して、その上に、複数個のはんだバンプを提供して、それら複数個のはんだバンプの上に、第２のシリコンボードを提供して、配置されている固形はんだを溶融させるというプロセスを経る。
【００２３】
つまり、要求されている一連の（全体の）作製プロセスが、シリコンボードが順々に積層された構造に積みあがっていく形式である場合には、後のプロセスにおいては、それよりも前のプロセスにおいて固形はんだを溶融させるために使用された温度と同等かそれ以上の高い特定温度が加えられることになったとしても、再溶融しないことが好ましい。なぜならば、せっかく接合済みの下のシリコンボードが再溶融によって位置ずれを起こしてしまう可能性があるからである。このような耐性を備えた構造は、エレクトロマイグレーションに強い構造と呼ばれている。
【００２４】
図２は、本発明に従った、溶融されたはんだそのものを用いてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法を示す模式図である。
【００２５】
図２の（ａ）に示すように、まず、シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぐ。塞ぐ方法は、図１に示したようなＩ／Ｏパッドや、溶融済みのはんだバンプで塞がれていればよく、必要となる条件は、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断することにある。
【００２６】
また、図２の（ａ）に示すように、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだが配置される。固形はんだの形状は、板状である場合もあるし、球状である場合もある。
【００２７】
この状態で、図２の（ａ）に示すように、貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を含む空間を真空引きする。固形はんだが貫通孔の真上に覆い被さった状態になっていると貫通孔の内部の空間が真空引きされないのではないかと心配する必要はない。なぜならば、実際の固形はんだの表面には無数の凸凹があるため、貫通孔の内部の空間と外部の空間とには隙間があるためである。
【００２８】
当業者であれば、貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を真空引きできるようにするための様々な工夫をすることができるであろう。貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差を生じさせるためのプロセスである限りにおいて、「真空引きする」という用語の意義は広く解釈されるべきである。
【００２９】
次に、図２の（ｂ）に示すように、空間が真空引きされた状態にあるところで、はんだを溶融させる。例えば、２６０度以上といった固形はんだの融点（はんだの組成によっては３００度以上の場合もある）まで加熱する。雰囲気温度の全体を加熱する方法もあるであろうし、固形はんだだけに（技術的に可能である限り、集中的に）熱を加える方法もあるであろう。すると、配置されている固形はんだは溶融し、溶融されたはんだは隙間の無い連続体として流動するので、溶融されたはんだでシリコンの貫通孔の上側が塞がれる。このことによって、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのが遮断される。
【００３０】
最後に、図２の（ｃ）に示すように、真空引きされている状態を以前の状態（すなわち、図２の（ａ））に戻す。すると、貫通孔の外部の空間は以前の状態と同じ雰囲気圧力になるため、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差が生じる。この圧力差によって溶融されたはんだは隙間の無い連続体として流動して、貫通孔の内部の空間へと導かれ、貫通孔の内部の空間は溶融されたはんだで充填される。
【００３１】
図３は、本発明に従った、シリコンボードの貫通孔の内部の表面に金属層を堆積させた構造および金属層以外の部分については金属間化合物（ＩＭＣ）を形成させた構造について説明する図である。
【００３２】
図３の（ａ）は、貫通孔の内部の空間に金属間化合物（ＩＭＣ）を形成するプロセスを模式的に示している。
【００３３】
まず、図３の（ａ１）において、貫通孔の内部の表面に金属層が堆積される。堆積の方法としては、（図６で説明したような従来技術の）めっき工程などであってよい。例えば、次のプロセスにおける濡れ性（他の金属との親和性）などを考慮すると、薄膜の金（Ａｕ）などは、優れた材料として挙げることができる。薄膜の銅（Ｃｕ）であってもよい。
【００３４】
次に、図３の（ａ２）において、貫通孔の内部の表面に堆積させた金属層以外の部分については、異種の金属（例えば、はんだ）が充填される。図３の（ａ３）において、貫通孔の内部の空間に金属間化合物（ＩＭＣ）が形成される
【００３５】
図３の（ｂ）は、金属層にはＣｕを用いて、それ以外の部分については、はんだ（組成はＣｕおよびＳｎを主成分とするもの）を用いた場合に、形成された金属間化合物（ＩＭＣ）の分布を示す図である。Ｐｔ１の箇所は純粋な金属層を形成しているが、それ以外の部分におけるＰｔ２の箇所においてはＣｕとＳｎというはんだが充填されて境界が形成されている。
【００３６】
さらに内側であるＰｔ３やＰｔ４の箇所では、ＮｉやＡｕという金属の組成が含まれるに至っている。これは、図２で説明したようにして、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）において、固形はんだが溶融されて、貫通孔の内部の空間へ導かれて貫通孔を充填していく過程で、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に実装されている配線の金属等を引き連れてきたためであると考えられる。
【００３７】
図３の（ｃ）は、金属間化合物（ＩＭＣ）の融点が変化することを示すＣｕ−Ｓｎ系の状態図である。ＣｕおよびＳｎが組成の主成分になっている限りにおいて、この平衡状態に従った相が現れることを期待できる。矢印で示したところの２箇所の組成割合の２つの相において、金属間化合物（ＩＭＣ）として融点が上昇したものが形成され、後のプロセスで再溶融しないようにすることができる。
【００３８】
図３の（ｂ）における実験条件は、貫通孔の直径は5μｍ以下であり、このような場合についても適用できることが確認できている。貫通孔の直径が小さいほど、本発明の手法が有利に働くものと考えられる。
【００３９】
図４は、本発明に従った、金属層の表皮効果について説明する図である。
【００４０】
シリコン貫通配線（ＴＳＶ）の断面（図１〜図３の上から見たものに相当）を模式的に示すと、貫通孔の内部の表面（貫通孔の外周部）に近い厚さの部分には純粋な金属層が形成されているが、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）（または、それに近い）状態が形成されていることになる。一般的に、純粋な金属に比較して、金属間化合物（ＩＭＣ）の電気伝導度が劣ることは知られている。
【００４１】
一方で、電気伝導性の良好な金属は希少である場合も多く、Ａｕなどは高価な金属である。この点、表皮効果(skin
effect)が現れてくる、表皮深さ(skindepth)を考慮する意味は大きい。貫通孔において充填された内部空間を通して実質的な電気伝導が生じているのはこの厚さ分だけであるので、予め堆積させるべき適切な金属層の厚さを考慮することができるからである。要求されているところの製品の仕様やアーキテクチャ以上に（オーバースペックに）余分な材料を費やすという無駄を省くことができる。
【００４２】
表皮効果による表皮深さは、高周波になればなるほど薄くなることが知られており、１０ＧＨｚほどの高周波にもなると、代表的な電気伝導性の良好な材料である、銅、銀、金、アルミニウムでは、0.64μｍ〜0.84μｍの範囲にわたって現れる。
【００４３】
図５は、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を入れるプロセスを説明するイメージ図である。これは、金属間化合物（ＩＭＣ）をできるだけ広範囲にかつ確実に形成させたい場合に有効なプロセスであり、予め堆積される金属層がＣｕであってその厚さが厚目に設定されている場合、例えばその厚さが1μｍ〜9μｍの範囲にまで及んでいる場合において、Ｃｕを貫通孔の中で効果的に混ぜ合わせることができる。
【００４４】
はんだを溶融させるプロセスの前に、金属（Ｃｕ）の微粉を貫通孔の内部の空間に入れておけば、予め堆積されている金属層が厚目に設定されているため、特に微粉と金属層とが同じ金属（例えば、Ｃｕ）であることの相乗効果として、効果的に金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することを期待できる。このような用途に利用するのであれば、図７で説明した従来技術における、微小な金属粒子を利用することも可能かもしれない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元集積化技術においてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法であって、より詳しくは、シリコンボードに用意されている小さい径の貫通孔の内部の空間を、溶融されたはんだで充填させる技術に関する。複数のシリコンボードが積層されて互いに接合される層間接続の技術にも関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元集積化技術の一つに、シリコン貫通配線（ＴＳＶ）技術がある。ＴＳＶは、その集積化技術を必要としている製品の仕様やアーキテクチャ、シリコン（ボード）の厚み、全体の作製プロセスに応じて、最適な作製方法や材料を選択する必要がある。「貫通孔」に導電性材料が充填されたものは、充填後には導電路としての機能を果たす配線となり、「ビア（Ｖｉａ）」とも呼ばれる。
【０００３】
一般的に知られているＴＳＶの作製方法では、（１）シリコン（ボード）をエッチングしてシリコンボードに貫通孔を形成して、（２）貫通孔の内部の表面に絶縁膜を形成して、（３）貫通孔の内部の残りの空間に導電性材料の充填させる、という順序をもって作製がなされる。
【０００４】
これら作製方法の順序のうちの（３）の部分の従来技術として、めっき工程だけで導電性材料（例えば、Ｃｕ）を充填させるというプロセスが知られている。しかし、このプロセスの実現には、専用のめっき設備が必要となるだけでなく、めっきで金属を表面に堆積させていくことは時間がかかってしまうため、歩留まりが悪い。
【０００５】
（図の番号に対して説明が先になるが）図６は、従来技術におけるめっき工程の一例を示すものである。
【０００６】
図６の（ａ）は、従来技術のめっき設備の一例を示すものである。カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）とアノード（Ａｎｏｄｅ）との間のサンプル（Ｓａｍｐｌｅ）の箇所に、めっきしたい対象物を設置する。溶液（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）には、めっきを形成させたい金属のイオンが含まれている。
【０００７】
図６の（ｂ）は、従来技術において、シリコンボードの貫通孔にボイド（空隙）が発生してしまっている状況を示す図である。このように導電物質が充填されていない箇所があると、導電路としての機能が十分に果たせず、たとえ作製の直後は導通していても、経年変化を通じて導通不良が発生してしまうこともあり、信頼性に欠ける。
【０００８】
図６の（ｃ）は、従来技術において、貫通孔の内部の空間までめっきが堆積されていない（行き渡っていない）状況を示す図である。めっきでは、溶液（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）に含まれている金属イオンを、時間をかけて成長させて堆積させていくため、貫通孔の内部の空間と外部の空間との境目である入り口の付近において、内部の空間よりも先に金属が堆積してしまう傾向があるためと思われる。この実験例は、貫通孔の直径Φ＝50μｍであって、貫通孔の深さ（シリコンボードの厚み）ｔ＝400μｍである。従って、これらよりもスケールが小さい条件の下では、工夫が必要となってくる。
【０００９】
特許文献１には、ナノコンポジット構造を有する微小な金属粒子についての技術が開示されている。このような技術を応用して、小さい径の金属粒子を小さい径の貫通孔に行き渡らせてＴＳＶを形成することが考えられる。しかし、金属粒子が最密充填で供給できると仮定しても、隙間の無い連続体として供給されるものではないため、充填が完全になるという保証はない。図７は、このような、微小な金属粒子を利用した従来技術を説明する図である。
【００１０】
特許文献２には、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材を対象として、金属粒子にバインダ樹脂を用いて半溶融金属混合物を形成し、多層基板の層間接続の信頼性を向上させる技術が開示されている。しかし、絶縁基板とシリコンボードとでは、求められている仕様やアーキテクチャが異なっており、特許文献２で取り扱っているビアホール（貫通孔）の径の大きさに比べて、本発明で取り扱う貫通孔の径はずっと小さいオーダの径である。
【００１１】
また、バインダ樹脂は、隙間低減効果を期待して混合させるものであるが、バインダ樹脂を使用してしまうと、溶融の工程でガスが発生してしまい、かえってボイドを生じるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６８０８５６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、めっき設備や微小な金属粒子を用いることなく、シリコンボードにシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成すること、および、そのシリコンボードを複数積層して接合して、層間接続を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、溶融されたはんだそのものを用いて、シリコンボードの貫通孔を充填させる。より具体的には、シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぎ、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に配置されている固形はんだを溶融させて、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間の圧力差によって、溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導いて充填させるというものである。
【００１５】
貫通孔の内部の表面には金属層を予め堆積させてもよいし、さらに、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
めっきで金属を貫通孔の内部の表面に堆積させていくように時間をかけなくても、ボイドが発生して導通不良が生じないようなシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成することができる。
【００１７】
予め堆積された金属層により、貫通孔の内部の表面の濡れ性を向上させ、高周波の信号を通し易くすることができる。
【００１８】
後のプロセスで再溶融しないように、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することで、エレクトロマイグレーションに強いものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、複数のシリコンボードが接合された３次元積層体を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明に従った、溶融されたはんだそのものを用いてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明に従った、シリコンボードの貫通孔の内部の表面に金属層を堆積させた構造および金属層以外の部分については金属間化合物（ＩＭＣ）を形成させた構造について説明する図である。
【図４】図４は、本発明に従った、金属層の表皮効果について説明する図である。
【図５】図５は、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を入れるプロセスを説明するイメージ図である。
【図６】図６は、従来技術におけるめっき工程の一例を示すものである。
【図７】図７は、微小な金属粒子を利用した従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、複数のシリコンボードが接合された３次元積層体を示す断面図である。
【００２１】
本明細書における「シリコンボード」は、シリコンインターポーザである場合やシリコンチップである場合を含み、典型的にはボード状としてシリコン貫通配線（ＴＳＶ）が形成できる限りにおいて、広い概念を含んだものである。通常、シリコンチップの厚さは、シリコンインターポーザの厚さよりもずっと薄い。
【００２２】
複数のシリコンボードは、細かいピッチに配置されているはんだバンプを介して、電気的にかつ機械的に接合されている。図示されているはんだバンプは、溶融されて固形化した後のものである。複数のシリコンボードの接合には、第１のシリコンボードを提供して、その上に、複数個のはんだバンプを提供して、それら複数個のはんだバンプの上に、第２のシリコンボードを提供して、配置されている固形はんだを溶融させるというプロセスを経る。
【００２３】
つまり、要求されている一連の（全体の）作製プロセスが、シリコンボードが順々に積層された構造に積みあがっていく形式である場合には、後のプロセスにおいては、それよりも前のプロセスにおいて固形はんだを溶融させるために使用された温度と同等かそれ以上の高い特定温度が加えられることになったとしても、再溶融しないことが好ましい。なぜならば、せっかく接合済みの下のシリコンボードが再溶融によって位置ずれを起こしてしまう可能性があるからである。このような耐性を備えた構造は、エレクトロマイグレーションに強い構造と呼ばれている。
【００２４】
図２は、本発明に従った、溶融されたはんだそのものを用いてシリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法を示す模式図である。
【００２５】
図２の（ａ）に示すように、まず、シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぐ。塞ぐ方法は、図１に示したようなＩ／Ｏパッドや、溶融済みのはんだバンプで塞がれていればよく、必要となる条件は、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断することにある。
【００２６】
また、図２の（ａ）に示すように、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだが配置される。固形はんだの形状は、板状である場合もあるし、球状である場合もある。
【００２７】
この状態で、図２の（ａ）に示すように、貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を含む空間を真空引きする。固形はんだが貫通孔の真上に覆い被さった状態になっていると貫通孔の内部の空間が真空引きされないのではないかと心配する必要はない。なぜならば、実際の固形はんだの表面には無数の凸凹があるため、貫通孔の内部の空間と外部の空間とには隙間があるためである。
【００２８】
当業者であれば、貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を真空引きできるようにするための様々な工夫をすることができるであろう。貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差を生じさせるためのプロセスである限りにおいて、「真空引きする」という用語の意義は広く解釈されるべきである。
【００２９】
次に、図２の（ｂ）に示すように、空間が真空引きされた状態にあるところで、はんだを溶融させる。例えば、２６０度以上といった固形はんだの融点（はんだの組成によっては３００度以上の場合もある）まで加熱する。雰囲気温度の全体を加熱する方法もあるであろうし、固形はんだだけに（技術的に可能である限り、集中的に）熱を加える方法もあるであろう。すると、配置されている固形はんだは溶融し、溶融されたはんだは隙間の無い連続体として流動するので、溶融されたはんだでシリコンの貫通孔の上側が塞がれる。このことによって、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのが遮断される。
【００３０】
最後に、図２の（ｃ）に示すように、真空引きされている状態を以前の状態（すなわち、図２の（ａ））に戻す。すると、貫通孔の外部の空間は以前の状態と同じ雰囲気圧力になるため、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差が生じる。この圧力差によって溶融されたはんだは隙間の無い連続体として流動して、貫通孔の内部の空間へと導かれ、貫通孔の内部の空間は溶融されたはんだで充填される。
【００３１】
図３は、本発明に従った、シリコンボードの貫通孔の内部の表面に金属層を堆積させた構造および金属層以外の部分については金属間化合物（ＩＭＣ）を形成させた構造について説明する図である。
【００３２】
図３の（ａ）は、貫通孔の内部の空間に金属間化合物（ＩＭＣ）を形成するプロセスを模式的に示している。
【００３３】
まず、図３の（ａ１）において、貫通孔の内部の表面に金属層が堆積される。堆積の方法としては、（図６で説明したような従来技術の）めっき工程などであってよい。例えば、次のプロセスにおける濡れ性（他の金属との親和性）などを考慮すると、薄膜の金（Ａｕ）などは、優れた材料として挙げることができる。薄膜の銅（Ｃｕ）であってもよい。
【００３４】
次に、図３の（ａ２）において、貫通孔の内部の表面に堆積させた金属層以外の部分については、異種の金属（例えば、はんだ）が充填される。図３の（ａ３）において、貫通孔の内部の空間に金属間化合物（ＩＭＣ）が形成される
【００３５】
図３の（ｂ）は、金属層にはＣｕを用いて、それ以外の部分については、はんだ（組成はＣｕおよびＳｎを主成分とするもの）を用いた場合に、形成された金属間化合物（ＩＭＣ）の分布を示す図である。Ｐｔ１の箇所は純粋な金属層を形成しているが、それ以外の部分におけるＰｔ２の箇所においてはＣｕとＳｎというはんだが充填されて境界が形成されている。
【００３６】
さらに内側であるＰｔ３やＰｔ４の箇所では、ＮｉやＡｕという金属の組成が含まれるに至っている。これは、図２で説明したようにして、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）において、固形はんだが溶融されて、貫通孔の内部の空間へ導かれて貫通孔を充填していく過程で、シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に実装されている配線の金属等を引き連れてきたためであると考えられる。
【００３７】
図３の（ｃ）は、金属間化合物（ＩＭＣ）の融点が変化することを示すＣｕ−Ｓｎ系の状態図である。ＣｕおよびＳｎが組成の主成分になっている限りにおいて、この平衡状態に従った相が現れることを期待できる。矢印で示したところの２箇所の組成割合の２つの相において、金属間化合物（ＩＭＣ）として融点が上昇したものが形成され、後のプロセスで再溶融しないようにすることができる。
【００３８】
図３の（ｂ）における実験条件は、貫通孔の直径は5μｍ以下であり、このような場合についても適用できることが確認できている。貫通孔の直径が小さいほど、本発明の手法が有利に働くものと考えられる。
【００３９】
図４は、本発明に従った、金属層の表皮効果について説明する図である。
【００４０】
シリコン貫通配線（ＴＳＶ）の断面（図１〜図３の上から見たものに相当）を模式的に示すと、貫通孔の内部の表面（貫通孔の外周部）に近い厚さの部分には純粋な金属層が形成されているが、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）（または、それに近い）状態が形成されていることになる。一般的に、純粋な金属に比較して、金属間化合物（ＩＭＣ）の電気伝導度が劣ることは知られている。
【００４１】
一方で、電気伝導性の良好な金属は希少である場合も多く、Ａｕなどは高価な金属である。この点、表皮効果(skin
effect)が現れてくる、表皮深さ(skindepth)を考慮する意味は大きい。貫通孔において充填された内部空間を通して実質的な電気伝導が生じているのはこの厚さ分だけであるので、予め堆積させるべき適切な金属層の厚さを考慮することができるからである。要求されているところの製品の仕様やアーキテクチャ以上に（オーバースペックに）余分な材料を費やすという無駄を省くことができる。
【００４２】
表皮効果による表皮深さは、高周波になればなるほど薄くなることが知られており、１０ＧＨｚほどの高周波にもなると、代表的な電気伝導性の良好な材料である、銅、銀、金、アルミニウムでは、0.64μｍ〜0.84μｍの範囲にわたって現れる。
【００４３】
図５は、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を入れるプロセスを説明するイメージ図である。これは、金属間化合物（ＩＭＣ）をできるだけ広範囲にかつ確実に形成させたい場合に有効なプロセスであり、予め堆積される金属層がＣｕであってその厚さが厚目に設定されている場合、例えばその厚さが1μｍ〜9μｍの範囲にまで及んでいる場合において、Ｃｕを貫通孔の中で効果的に混ぜ合わせることができる。
【００４４】
はんだを溶融させるプロセスの前に、金属（Ｃｕ）の微粉を貫通孔の内部の空間に入れておけば、予め堆積されている金属層が厚目に設定されているため、特に微粉と金属層とが同じ金属（例えば、Ｃｕ）であることの相乗効果として、効果的に金属間化合物（ＩＭＣ）を形成することを期待できる。このような用途に利用するのであれば、図７で説明した従来技術における、微小な金属粒子を利用することも可能かもしれない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法であって、
シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぐステップであって、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断する、塞ぐステップと、
シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだを配置するステップと、
貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を含む空間を真空引きするステップと、
配置されている固形はんだを溶融させるステップであって、溶融されたはんだでシリコンの貫通孔の上側を塞ぎ、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのを遮断する、溶融させるステップと、
真空引きされている状態を以前の状態に戻すステップであって、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差を生じさせて、そのことで溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導き、貫通孔の内部の空間を溶融されたはんだで充填させる、戻すステップとを有する、
方法
【請求項２】
貫通孔の内部の表面に金属層（薄膜のＡｕまたは薄膜のＣｕ）を予め堆積させるステップを有する、
請求項１に記載の方法
【請求項３】
貫通孔の内部の表面に堆積される金属層（薄膜のＡｕまたは薄膜のＣｕ）の厚さは、貫通孔において充填された内部空間を通して実質的な電気伝導が生じているという、表皮効果(skin effect)が現れるところの規定された厚さである
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
予め堆積される金属層の厚さは、0.64μｍ〜0.84μｍの範囲であって、貫通孔の直径は50μｍ以下であって、貫通孔の深さは400μｍ以下である、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
貫通孔において充填された内部空間における、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成するステップをさらに有する、
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
溶融させるステップの前に、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を（スキージー等を使用して）入れるステップをさらに有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
予め堆積される金属層がＣｕであってその厚さは、1μｍ〜9μｍの範囲である、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項５に記載のシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法に従って、貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）が形成されたシリコンボード。
【請求項９】
請求項８に記載のシリコンボードを使用することによる、複数のシリコンボードを接合する方法であって、
第１のシリコンボードを提供するステップと、
第１のシリコンボードの上に、複数個のはんだバンプを提供するステップと、
複数個のはんだバンプの上に、第２のシリコンボードを提供するステップと、
配置されている固形はんだを溶融させるステップであって、固形はんだを溶融させるために使用された温度よりも高い特定温度を加えることによってはんだバンプを溶融させる、溶融させるステップとを有する、
方法。
【請求項１０】
複数のシリコンボードを有しており、複数のシリコンボードが請求項９に記載の方法に従って接合された、
３次元積層体。
【請求項１】
シリコンボードの貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法であって、
シリコンボードの貫通孔の下側を塞ぐステップであって、気体が貫通孔の下側から内部の空間へと流入するのを遮断する、塞ぐステップと、
シリコンボードの貫通孔の上方（真上または横）に、貫通孔を後に充填するために用意される固形はんだを配置するステップと、
貫通孔の内部の空間および外部の空間という両方の空間を含む空間を真空引きするステップと、
配置されている固形はんだを溶融させるステップであって、溶融されたはんだでシリコンの貫通孔の上側を塞ぎ、気体が貫通孔の上側から内部の空間へと流入するのを遮断する、溶融させるステップと、
真空引きされている状態を以前の状態に戻すステップであって、貫通孔の外部の空間と内部の空間との間に圧力差を生じさせて、そのことで溶融されたはんだを貫通孔の内部の空間へと導き、貫通孔の内部の空間を溶融されたはんだで充填させる、戻すステップとを有する、
方法
【請求項２】
貫通孔の内部の表面に金属層（薄膜のＡｕまたは薄膜のＣｕ）を予め堆積させるステップを有する、
請求項１に記載の方法
【請求項３】
貫通孔の内部の表面に堆積される金属層（薄膜のＡｕまたは薄膜のＣｕ）の厚さは、貫通孔において充填された内部空間を通して実質的な電気伝導が生じているという、表皮効果(skin effect)が現れるところの規定された厚さである
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
予め堆積される金属層の厚さは、0.64μｍ〜0.84μｍの範囲であって、貫通孔の直径は50μｍ以下であって、貫通孔の深さは400μｍ以下である、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
貫通孔において充填された内部空間における、金属層以外の部分については、金属間化合物（ＩＭＣ）を形成するステップをさらに有する、
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
溶融させるステップの前に、貫通孔の内部に金属（Ｃｕ）の微粉を（スキージー等を使用して）入れるステップをさらに有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
予め堆積される金属層がＣｕであってその厚さは、1μｍ〜9μｍの範囲である、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項５に記載のシリコン貫通配線（ＴＳＶ）を形成する方法に従って、貫通孔にシリコン貫通配線（ＴＳＶ）が形成されたシリコンボード。
【請求項９】
請求項８に記載のシリコンボードを使用することによる、複数のシリコンボードを接合する方法であって、
第１のシリコンボードを提供するステップと、
第１のシリコンボードの上に、複数個のはんだバンプを提供するステップと、
複数個のはんだバンプの上に、第２のシリコンボードを提供するステップと、
配置されている固形はんだを溶融させるステップであって、固形はんだを溶融させるために使用された温度よりも高い特定温度を加えることによってはんだバンプを溶融させる、溶融させるステップとを有する、
方法。
【請求項１０】
複数のシリコンボードを有しており、複数のシリコンボードが請求項９に記載の方法に従って接合された、
３次元積層体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２３８７５２（Ｐ２０１２−２３８７５２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７２８０（Ｐ２０１１−１０７２８０）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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