JP2009194357A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムを主成分とするパッドに導電性ボールを容易に接合できる構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１１に形成された半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッド１２と、アルミニウムを主成分とするパッド１２上に形成された焼結導電層１３と、焼結導電層１３上に溶着された導電性ボール１４と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、半導体チップをリードフレームにダイボンディングした後、ワイヤボンディングにより半導体素子とリードフレームの電気接続が行なわれていた。
近年、半導体装置の高集積化、高機能化、小型化に対応して、ワイヤボンディングより高速信号処理の点で優れているバンプを用いたフリップチップ接続がおこなわれている。

半導体チップのボンディングパッド上にバンプを形成する方法として、ボンディングパッドに対応する位置に開口を有するレジストをマスクとして、ボンディングパッド上にハンダをメッキし、リフローしてボール状のハンダバンプを形成する方法や、ボンディングパッド上に粒状のハンダを含むハンダペーストを印刷法で塗布し、リフローしてボール状のハンダバンプを形成する方法などが知られている。

然しながら、半導体チップのアルミニウムパッドにハンダバンプを形成する場合に、アルミニウムはハンダとの濡れ性が悪いので、アルミニウムパッドとハンダボールを直接接合させることが難しいという問題がある。

これに対して、接続用端子と金属ボールとの密着性を高めるためにＵＢＭ(Under Bump Metal）と呼ばれる金属膜を介して金属ハンダバンプを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に開示されたハンダバンプの形成方法は、導体の表面に無電解ニッケル合金メッキ被膜、無電解金メッキ被膜をこの順に形成し、その上に鉛を含まないハンダボールを溶着している。

然しながら、特許文献１に開示されたバンプの形成方法は、ＵＢＭを無電界メッキにより形成しているので、工程が複雑になり、高い生産性、低コスト化が難しいという問題がある。
特開２００２−１１８１３５号公報

本発明は、アルミニウムを主成分とするパッドに導電性ボールを容易に接合できる構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。

本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板に形成された半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッドと、前記アルミニウムを主成分とするパッド上に形成された焼結導電層と、前記焼結導電層上に溶着された導電性ボールと、を具備することを特徴としている。

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された半導体基板に、前記半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッドを形成する工程と、前記アルミニウムを主成分とするパッドに対応する位置に第１の開口を有する第１マスクを用いて、前記アルミニウムを主成分とするパッド上に導電性ペーストを選択的に塗布する工程と、前記アルミニウムを主成分とするパッドに対応する位置に第２の開口を有する第２マスクを用いて、前記導電性ペースト上に前記第２の開口よりサイズの小さい導電性ボールを選択的に載置する工程と、熱処理を施し、前記導電性ペーストを熱硬化して焼結導電層を形成し、前記導電性ボールを溶融して前記焼結導電層上に溶着し、前記アルミニウムを主成分とするパッドに前記焼結導電層を介して前記導電性ボールを接合する工程と、を具備することを特徴としている。

本発明によれば、アルミニウムを主成分とするパッドに導電性ボールを容易に接合できる構造を有する半導体装置およびその製造方法が得られる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る半導体装置について、図１を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る半導体装置の要部を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部の拡大断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施例の半導体装置１０は、半導体基板１１に形成された半導体素子（図示せず）を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッド１２と、アルミニウムを主成分とするパッド１２上に形成された焼結導電層１３と、焼結導電層１３上に溶着されたハンダボール（導電性ボール）１４と、アルミニウムを主成分とするパッド１２を保護する保護膜１５、例えばポリイミド膜とを具備している。

図１（ｂ）に示すように、アルミニウムを主成分とするパッド１２と焼結導電層１３との間に、アルミニウムを主成分とするパッド１２と焼結導電層１３に含まれる金属とが反応した第１合金層１６が形成され、焼結導電層１３とハンダボール１４との間に、焼結導電層１３に含まれる金属とハンダボール１４とが反応した第２合金層１７が形成されている。

ここで、アルミニウムを主成分とするパッド１２とは、純アルミニウムのパッド、および膜の導電性や強度などを改善する目的で、少量の不純物、例えばシリコン（Ｓｉ）や、銅（Ｃｕ）を含有するアルミニウムのパッドを意味している。
以後、アルミニウムを主成分とするパッド１２を、単にアルミニウムパッド１２と称する。

焼結導電層１３は、錫（Ｓｎ）および銀（Ａｇ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）が微量添加された導電性ペーストが熱硬化して形成された導電性硬化層である。
ここで、微量の銅（Ｃｕ）は、焼結導電層１３の弾性を高めるために添加されている。また、錫（Ｓｎ）および銀（Ａｇ）を主成分とするとは、ＳｎとＡｇの合計の成分が５０％ｗｔ以上であることを意味している。

ハンダボール１４は、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）の中から選択された少なくとも２つを主成分とする合金であり、０．０５重量％乃至１重量％の燐（Ｐ）を含有している。
ハンダボール１４は、大きさが１００〜３００μｍφ程度で、所謂、鉛（Ｐｂ）フリーハンダである。

微量の燐（Ｐ）は、ハンダボール１４が溶融したときに、酸化されて五酸化燐（Ｐ_２Ｏ_５）になって昇華する性質を有しているので、ハンダボール１４の酸化を防止するとともに、活性化するために添加されている。

次に、半導体装置１０の製造方法について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は半導体装置１０の製造工程を示すフローチャート、図３および図４は半導体装置１０の製造工程の要部を示す断面図である。

図２に示すように、半導体ウェーハ１１に、周知の方法により半導体素子、例えばディスクリート半導体素子を形成し、半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムパッド１２を形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、アルミニウムパッド１２の表面に、アルゴン（Ａｒ）または酸素（Ｏ_２）を用いたプラズマ処理を施して表面の汚染（付着有機物、表面酸化膜）を除去し、アルミニウムパッド１２の表面を活性化する。
例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いて、アルミニウムパッド１２の表面を１０〜３０ｎｍ程度エッチングする。

次に、図３（ｂ）に示すように、アルミニウムパッド１２と対応する位置に第１の開口２０を有する第１マスク２１を用いて、アルミニウムパッド１２上に導電性ペースト２２を選択的に塗布する。
例えば、スクリーン印刷法により、第１の開口２０を有するレジスト膜が形成されたスクリーンをマスクとして、ローラ２３により第１の開口２０内に導電性ペースト２２を刷り込んでアルミニウムパッド１２上に導電性ペースト２２を、厚さが数十ミクロン程度になるように塗布する。

次に、図３（ｃ）に示すように、アルミニウムパッド１２と対応する位置に第２の開口２４を有する第２マスク２５を用いて、アルミニウムパッド１２上に塗布された導電性ペースト２２上に、第２の開口２４より小さいサイズのハンダボール１４を選択的に載置する。
例えば、半導体基板１１のアルミニウムパッド１２上に、第２の開口２４を有するステンレス製の第２マスク２５を、スペーサ２６を介して近接して配置し、加振しながらハンダボール１４を第２マスク２５上に均一に分散させて１つの第２の開口２４に１個のハンダボール１４を振り込む。

ここで、余剰のハンダボール１４を掃きだし、第２マスク２５を取り除いた後に、画像処理によりハンダボール１４の配列状態を検査することが望ましい。

次に、図４（ａ）に示すように、高温リフロー（３２０〜５５０℃×６０〜３００ｓｅｃ）を施し、アルミニウムパッド１２に焼結導電層１３を介してハンダボール１４を接合する。
ヒータ２７の加熱により、導電性ペースト２２が熱硬化してアルミニウムパッド１２上に導電性硬化層である焼結導電層１３が形成され、ハンダボール１４が溶解して、焼結導電層１３上にハンダボール１４が溶着する。
図４（ｃ）は焼結導電層１３を介してアルミニウムパッド１２に接合されたハンダボール１４を示すＳＥＭ（Secondary Electron Microscopy）写真である。

このときに、アルミニウムパッド１２と焼結導電層１３との間に、ＡｌとＳｎ、Ａｇが固層拡散して反応した第１合金層１６が形成され、焼結導電層１３とハンダボール１４との間に、Ｓｎ、Ａｇとハンダが固層拡散して反応した第２合金層１７が形成される。

次に、図５に示すように、ナイフエッジ２８を用いて、焼結導電層１３に溶着したハンダボール１４を横から押圧し、ハンダボール１４が焼結導電層１３から剥離した時の荷重を求めることにより、ハンダボール１４のシェア強度を測定したところ、従来のＵＢＭとして金属メッキ膜を用いた場合と比べて、遜色ない値が得られた。

ハンダボール１４のシェア強度は、高温リフロー条件に依存する。一般に、リフロー温度が高いほどシェア強度が大きくなる傾向を示すが、０．７〜５Ｎ（０．０７〜０．５１ｋｇｆ）程度の値を得ることは容易である。

ハンダボール１４からアルミニウムパッド１２に至る縦方向の断面を露出させ、ＸＭＡ（X-ray Micro Analyzer）により、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属元素の縦方向プロファイルを測定したところ、第１合金層１６および第２合金層１７の存在が確認された。例えば、第１合金層１６は、主にＡｌと低融点のＳｎの相互拡散と推定された。

これから、第１合金層１６および第２合金層１７の存在により、アルミニウムバッド１２と、ハンダボール１４とが実質的に一体化され、上述のシェア強度が得られるものと推定される。第１合金層１６および第２合金層１７の厚さは、高温リフロー条件に依存して変化する。

次に、半導体ウェーハ１１のハンダボール１４側の面にマスキングテープを貼付け、所定の厚みになるまで裏面研削を行い、ポリシュ加工研削（Ｒａ：０．０２μm以下）を施す。
次に、半導体ウェーハ１１に、裏面側からレーザビームを集光して照射し、ダイシングラインへ改質痕を導入する、所謂ステルスダイシングを施す。
次に、耐熱テ−プで半導体ウェーハ１１を支持し、半導体ウェーハ１１の裏面に、スパッタリング法または蒸着法により裏面電極を形成する。

次に、高伸張性のテ−プに半導体ウェーハ１１を転写し、テ−プを引き伸ばして、その伸張力により半導体ウェーハ１１を半導体チップに固片化する。
これにより、アルミニウムパッド１２上に、導電性ペーストが熱硬化して形成された焼結導電層１３を介してハンダボール１４が接合された半導体チップが得られる。
次に、ハンダボール１４を有する半導体チップを、基板にフリップチップ接合し、樹脂でモールドすることにより、半導体装置１０が得られる。

以上説明したように、本実施例では、プラズマ処理により表面が活性化されたアルミニウムパッド１２上に導電性ペーストを塗布し、導電性ペースト上にハンダボール１４を載置して、高温リフローしている。

その結果、アルミニウムパッド１２上に導電性ペーストが熱硬化して形成された焼結導電層１３を介してハンダボール１４を接合することができる。
従って、アルミニウムパッド１２にハンダボール１４を容易に接合できる構造を有する半導体装置１０およびその製造方法が得られる。

ここでは、ハンダボール１４に微量の燐（Ｐ）が添加されている場合について説明したが、高温リフローを非酸化性雰囲気中で行う場合には、燐（Ｐ）は添加されていなくとも構わない。

本発明の実施例２に係る半導体装置について、図６を参照して説明する。図６は本発明の実施例２に係る半導体装置の要部を示す図で、図６（ａ）はその断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の要部の拡大断面図、図６（ｃ）は半導体装置が基板に実装された状態を示す断面図である。

本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、焼結導電層をハンダボールなみに厚くしたことにある。

図６（ａ）に示すように、本実施例の半導体装置４０は、アルミニウムパッド１２上に形成された厚さＬ１の焼結導電層４１を具備している。
図６（ｂ）に示すように、アルミニウムパッド１２と焼結導電層４１との間に、アルミニウムパッド１２と焼結導電層４１に含まれる金属とが反応した第１合金層１６が形成されている。

図６（ｃ）に示すように、半導体装置４０は、フリップチップ接続されて基板４２に実装される。
半導体装置４０は、焼結導電層４１の上面４１ａが絶縁性の基板４２上に形成された導電性パッド４３に接合され、導電性パッド４３から延伸した配線４４を介して外部に電気的に接続される。

従って、焼結導電層４１の厚さＬ１は、半導体基板１１が支障なく基板４２上に保持されるに足る厚さ、即ち図１に示すハンダボール１４なみの厚さ１００〜３００μｍ程度あれば十分である。

焼結導電層４１は、錫（Ｓｎ）および銀（Ａｇ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）が微量添加された導電性ペーストが熱硬化して形成された導電性硬化層である。
導電性ペーストは、周知のようにハンダ成分とフラックス成分とからなるが、厚塗りにより高さＬ１を得るために、ハンダ成分として１０〜３０ｗｔ％のＳｎと、９０〜７０ｗｔ％のＡｇとを有し、Ｓｎの粒子径が５〜３０μｍ、Ａｇの粒子径が１〜４μｍ程度のものが望ましい。

フラックス成分は、周知のようにロジン、活性剤、チクソ剤、添加物、および溶剤等の混合物であり、ハンダ成分が８０〜９０ｗｔ％に対して、フラックス成分２０〜１０ｗｔ％程度が適当である。

後述するように、導電性ペーストをアルミニウムパッド１２上に塗布するときに、マスクからの導電性ペーストの離れを良くする、即ちマスクの抜け性を良くして、半導体基板１１への導電性ペーストの転写を確実に行うためである。

これにより、ハンダボール１４なみの厚さ、１００〜３００μｍ程度の厚さに導電性ペーストを塗布することが可能になる。種々テストを行ったところ、５００μｍ程度の高さまで塗布することが可能な見込みが得られた。

図７は半導体装置の製造工程を示すフローチャート、図８は半導体装置の製造工程の要部を示す断面図である。

図７に示すように、本実施例では、ハンダボールなみの厚さを有する焼結導電層４１を基板４２の導電性パッド４３に直接接合できるので、ハンダボールの振込み工程が不要になるが、それ以外の工程は同様に実施される。

即ち、半導体ウェーハ１１に、周知の方法により半導体素子、例えばディスクリート半導体素子を形成し、半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムパッド１２を形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、アルミニウムパッド１２の表面に、アルゴン（Ａｒ）または酸素（Ｏ_２）を用いたプラズマ処理を施して表面の汚染（付着有機物、表面酸化膜）を除去し、アルミニウムパッド１２の表面を活性化する。

次に、図８（ｂ）に示すように、アルミニウムパッド１２と対応する位置に開口５０を有し、厚さがＬ１より若干大きいＬ２のマスク５１を用いて、アルミニウムパッド１２上に導電性ペースト５２を選択的に塗布する。
例えば、スクリーン印刷法により、開口５０を有するレジスト膜が形成されたスクリーンをマスク５１として、ローラ２３により開口５０内に導電性ペースト５２を刷り込んでアルミニウムパッド１２上に導電性ペースト５２を塗布する。

マスク５１の厚さＬ２は、導電性ペースト５２が熱硬化するときにフラックス成分中の溶剤などが揮発し、導電性ペースト５２が縮むことを見込んで、焼結導電層４１の高さＬ１よりδだけ大きくしておくことが望ましい。

導電性ペースト５２はマスク５１からの離れが良い、即ち抜け性が良いので、マスク５１を除去すると、導電性ペースト５２が半導体基板１１へ確実に転写され、厚さＬ２に塗布される。

次に、図８（ｃ）に示すように、高温リフロー（３２０〜５５０℃×６０〜３００ｓｅｃ）を施す。ヒータ２７の加熱により、導電性ペースト５２が熱硬化してアルミニウムパッド１２上に導電性硬化層である厚さＬ１の焼結導電層４１が形成される。これにより、図６（ａ）に示す半導体装置４０が得られる。

次に、焼結導電層４１の上面４１ａを導電性パッド４３、例えばハンダバンプに当接させた後、加熱してハンダを溶解させ、焼結導電層４１に導電性パッド４３を溶着する。
これにより、半導体装置４０は、フリップチップ接続されて絶縁性の基板４２に実装される。

以上説明したように、本実施例の半導体装置４０は、ハンダボール１４なみの厚さを有する焼結導電層４１を具備している。
これにより、半導体装置４０を基板４２に直接実装することができるので、導電性ボール１４が不要となり、材料の削減、組み立て工程を簡略化することができる利点がある。

本発明の実施例１に係る半導体装置の要部を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部の拡大断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャート。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程の要部を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程の要部を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体装置の製造工程の要部を示す断面図。 本発明の実施例２に係る半導体装置の要部を示す図で、図６（ａ）はその断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の要部の拡大断面図、図６（ｃ）は半導体装置が基板に実装された状態を示す断面図。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャート。 本発明の実施例２に係る半導体装置の製造工程の要部を示す断面図。

符号の説明

１０、４０ 半導体装置
１１ 半導体基板
１２ アルミニウムパッド（アルミニウムを主成分とするパッド）
１３、４１ 焼結導電層
１４ ハンダボール（導電性ボール）
１５ 保護膜
１６ 第１合金層
１７ 第２合金層
２０ 第１の開口
２１ 第１マスク
２２、５２ 導電性ペースト
２３ ローラ
２４ 第２の開口
２５ 第２マスク
２６ スペーサ
２７ ヒータ
２８ ナイフエッジ
４２ 基板
４３ 導電性パッド
４４ 配線
５０ 開口
５１ マスク

Claims (5)

1. 半導体基板に形成された半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッドと、
   前記アルミニウムを主成分とするパッド上に形成された焼結導電層と、
   前記焼結導電層上に溶着された導電性ボールと、
   を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記アルミニウムを主成分とするパッドと前記焼結導電層との間に、前記アルミニウムと前記焼結導電層に含まれる金属とが反応した第１合金層が形成され、前記焼結導電層と前記導電性ボールとの間に、前記焼結導電層に含まれる金属と前記導電性ボールとが反応した第２合金層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記焼結導電層は、ＳｎおよびＡｇを主成分とし、Ｃｕが添加された導電性ペーストが熱硬化して形成された導電性硬化層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記導電性ボールは、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇの中から選択された少なくとも２つを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 半導体素子が形成された半導体基板に、前記半導体素子を外部に電気的に接続するためのアルミニウムを主成分とするパッドを形成する工程と、
   前記アルミニウムを主成分とするパッドに対応する位置に第１の開口を有する第１マスクを用いて、前記アルミニウムを主成分とするパッド上に導電性ペーストを選択的に塗布する工程と、
   前記アルミニウムを主成分とするパッドに対応する位置に第２の開口を有する第２マスクを用いて、前記導電性ペースト上に前記第２の開口よりサイズの小さい導電性ボールを選択的に載置する工程と、
   熱処理を施し、前記導電性ペーストを熱硬化して焼結導電層を形成し、前記導電性ボールを溶融して前記焼結導電層上に溶着し、前記アルミニウムを主成分とするパッドに前記焼結導電層を介して前記導電性ボールを接合する工程と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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