2017 Fiscal Year Annual Research Report
Directed Self-Assembly based Interconnect Technology for Next-Generation 3D LSI
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16H04323
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大山 俊幸 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (30313472)
ベ ジチョル 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (40509874)
橋本 宏之 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 産学官連携研究員 (80589432)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 誘導自己組織化 / ボトムアップ / TSV / 狭ピッチ電極接合 / 3D LSI / 熱硬化性樹脂 / ナノコンポジット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱硬化性樹脂と金属からなる複合材料の相分離を用いて三次元積層型集積回路(3D LSI)の基幹配線となる微細なTSV（シリコン貫通配線）、およびマイクロバンプ電極を形成する過程を解析し、メカニズムを分析するための基礎検討を引き続き行った。誘導自己組織化を誘起できるSi深穴のサイズを特定し、Si深穴の側壁材料がナノ相分離構造に与える影響を評価した。側壁材料にはSi、シリコン酸化膜、Niの３種を用意した。また、樹脂の組成と分子量、および構造、特に金属に配位しやすい構造を導入して、ナノコンポジットを調製し、ナノ構造の形成過程を追跡して相分離に必要な温度と時間を求めた。さらに、TSV形成後の電気的特性を評価するためのマスク設計とマスク作製を行った。これによってDSAによって形成された連続金属構造が配線として機能しうるかどうかを電気的に評価できる。一方、狭ピッチ電極に関しては、ピッチ10um、電極直径5um、電極総数1,000,000個のデイジーチェーンが測定できるレイアウトを作成し、フォトマスクを作製した。Ni, Co, Fe, Cu, Au, In, Snなどの金属を中心に樹脂との分散性を評価し、使用可能な金属の特定と相分離構造をSEMで観察し、目的の構造を得るために必要なチップ接合条件を決定した。トップチップサイズは３ｍｍ角、ボトムチップは５ｍｍ角とし、チップ側にナノコンポジットを供給して熱圧着し、電気的な導通を確認した。アライメント精度の問題も並行して検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今回、金属を含まない系では、直径５μｍ、深さ１０μｍのSi深穴では大きすぎてガイドとなるSi深穴の側壁と穴の中心に存在する樹脂の距離が離れすぎているため、ブロック高分子を用いたナノ相分離構造の構造が乱れることが分かった。一方、直径３μｍ、深さ１０μｍのSi深穴では整然としたナノ構造がSEMにより観察できた。ラメラ構造のピッチ40nmであった。そのため、基礎検討に使用するサンプルのサイズを直径３μｍ、深さ１０μｍとした。また、相分離に必要な温度は樹脂のガラス転移点以上が必要であり、１５０℃程度から相分離は起こるが、２５０℃以上では１時間の短時間でナノ相分離構造が形成できることが分かった。今年度新たに得られた知見として、Si深穴の側壁材料が酸化膜であっても、Siであっても金属を含まない樹脂の誘導自己組織化現象は起こり、どちらも同じサイズのナノ構造が形成された点が挙げられる。一方、金属を含む樹脂を誘導自己組織化させた場合、側壁にNiなどの金属を堆積させておくと、Si深穴の底部から混合した金属がある角度を持ってまっすぐに成長する現象を確認できた。これまでSi深穴の底部では、底部のラウンドした形状に沿って、樹脂が配向していたが、このように混合した金属からナノワイヤを形成することは特異的である。金属の選定に関しては、FeやAuを含む化合物で高い分散性と充填性を示すことが分かった。チップ接合に関しては、数μｍの位置ずれで接合でき、抵抗はまだ高いが電気的に接続できることを確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、樹脂の構造や下地の金属の堆積法、および混合する金属のサイズや修飾法を検討し、その金属ナノワイヤの方向を含めた成長を制御する条件を追及している。今後、金属を含む樹脂の誘導自己組織化を引き起こすために必要なパラメーターの抽出を優先して研究を推進する。特に重要となるのは、金属成分をいかに樹脂と相互作用できるように修飾するかということである。また、球状だけではなく、ロッド状なども含めた金属の形状を変えることで、配線構造を導くことができないか検討したい。さらにはレーザーによる熱処理で相分離を短時間で進行できないか、並行して検討していきたい。金属の連続構造として機能することが分かれば、今年度に作製したフォトマスクを用いて、TSV、および狭ピッチ電極のデイジーチェーンを作製し、TSV１本あたり、もしくは狭ピッチ電極１つの抵抗を測定することができる。目標とするTSV１本あたりの抵抗を１キロΩ以下にする。これによって、既存の横方向配線に置き換え可能な垂直配線を作製でき、高性能、且つ大容量の3D LSIの実現が近づく。
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