JP5927850B2

JP5927850B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP5927850B2
Application number: JP2011247216A
Authority: JP
Inventors: 今泉　延弘; 延弘今泉; 将森田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: JP2013105809A

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、半導体装置の製造工程では、突起状の接続端子を用いて半導体素子と回路基板を接合することがある。突起状の接続端子は、柱状の金属端子を有し、金属端子の表面に金属端子より融点が低い溶融金属が設けられている。半導体素子と回路基板の間の熱膨張率の差や、反りを吸収できるように、金属端子は端子幅に対するアスペクト比が１以上になるように形成されている。このような接続端子を用いると、溶融金属の量を減少させることができるので、隣接する他の接続端子とのショートを防止できる。また、柱状の金属端子によって半導体素子と回路基板の間に十分なギャップが確保されるので、アンダーフィル剤の充填が容易になる。

金属端子上に形成された溶融金属は、一般的には電解めっきにより形成される。さらに、溶融金属を上向きにして接続端子をリフロー炉に導入して加熱し、溶融金属を溶融させてドーム状にする。これは、めっき処理の直後の溶融金属の表面には凹凸があるので、そのままの状態で接合すると、相手側の端子に対する溶融金属の濡れ性が低下し、接合部分にボイドを発生し易くなるためである。

ここで、溶融金属の量が多くなると、リフロー処理でドーム状に整形するときに金属端子の側面に溶融金属が落下し易くなる。溶け落ちた溶融金属が基板上の回路に達すると、配線を溶食して回路不良の原因になり易い。

そこで、従来の接続端子では、金属端子をニッケル又は銅からなる第１の層と、アルミニウムやチタンかなる第２の層の２層構造とし、第２の層の上に溶融金属を配置したものがある。第２の層は溶融金属に対する濡れ性が低い材料から形成されており、第２の層の外側面に形成される酸化膜によって溶融金属の側面への流れ落ち難くする。

特開２００６−１０８１８２

ここで、溶融金属の量が少ない場合には、接合後の半導体素子と回路基板の熱膨張率の差に起因して発生する応力によって、接合部分にクラックが生じ易くなる。これを防止するために、溶融金属の量を増やすと、金属端子の側面の濡れ性を低下させた接続端子であっても溶融金属が流れ落ち易くなる。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接続端子を用いた接合において接続不良や回路の不良を防止することを目的とする。

実施形態の一観点によれば、半導体回路を含む配線層を形成した基板の上方の電極パッド上に金属端子を形成する工程と、前記金属端子の上に、加熱によって溶融可能な第１の溶融金属を配置する工程と、前記第１の溶融金属の上に、前記第１の溶融金属より融点が低い第２の溶融金属を配置する工程と、前記第１の溶融金属を溶融させずに前記第２の溶融金属を溶融させて、前記第２の溶融金属の先端部分を球面形状に整形する工程と、を含み、前記第２の溶融金属の先端部分を整形する工程は、マイクロ波照射によって発熱する材料を含むフラックスを前記第２の溶融金属に塗布する工程と、前記第２の溶融金属及び前記フラックスにマイクロ波を照射して前記第２の溶融金属を溶融させる工程とを有し、先端部分を整形した前記第２の溶融金属を他の部品の電極上に載置した後に、前記第１の溶融金属及び前記第２の溶融金属の両方が溶融する温度まで加熱し、前記第１の溶融金属及び前記第２の溶融金属を溶融させて前記電極と接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法を特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

半導体回路を含む配線層を形成した基板と、前記配線層の上方に配置され、他の基板との接合時の加熱により溶融可能な接続端子と、を含み、前記接続端子は、前記配線層に電気的に接続される金属端子と、加熱によって溶融可能で前記金属端子上に配置された第１の溶融金属と、前記第１の溶融金属上に配置され、前記第１の溶融金属より融点が低く、先端部分が球面形状に整形された第２の溶融金属と、を含むことを特徴とする半導体装置が提供される。

溶融金属の量を十分に確保してクラックの発生を防止する一方で、優先的に溶かしてドーム形状にする領域を溶融金属の一部分にすることで溶融金属の溶け落ちを防止できる。接合部分の熱膨張差、反りやうねりを要因とする接続不良を改善できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の接合前の接続端子の構成を示す図である。図３Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その１）である。図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その２）である。図３Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その３）である。図３Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その４）である。図３Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その５）である。図３Ｆは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その６）である。図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。

発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に概略構成を示すように、半導体装置１は、回路基板２上に半導体素子３（半導体装置）が実装されている。半導体素子３は、基板５上に半導体回路を含む配線層６が形成されている。半導体素子３は、回路基板２に配線層６を向けたフェイスダウン状態で実装されている。配線層６には、複数の電極パッド７が形成されており、各電極パッド７に接続端子８が１つずつ設けられている。これら接続端子８を用いて半導体素子３の電極パッド７と、回路基板２の電極パッド９とが電気的に接続されている。

図２に回路基板２に接合する前の半導体装置１の概略構成を示す。半導体装置１からは複数の接続端子８が延びている。各接続端子８は、円柱形状の金属端子１０と、金属端子１０の端面上に形成された溶融金属１１とを有する。金属端子１０は、直径に対する長さの比であるアスペクト比が１以上になっている。また、溶融金属１１は、金属端子より融
点が低い材料、例えば融点が３５０℃以下の材料が用いられており、金属端子１０上の第１の溶融金属１２と、第１の溶融金属１２上の第２の溶融金属１３とを有する。

第１及び第２の溶融金属１２，１３の例としては、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕの少なくとも１つを含む材料がある。例えば、第１の溶融金属１２は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを選択できる。第２の溶融金属１３は、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕを選択できる。

ここで、溶融金属１１の２層構造を形成する金属材料の組み合わせは、先端側の第２の溶融金属１３の融点が第１の溶融金属１２の融点より低くなるように選択される。例えば、第１の溶融金属１２がＳｎ−Ｃｕの場合、相対的に融点が低い第２の溶融金属は、Ｓｎ−Ｃｕが用いられる。また、第１の溶融金属１２がＳｎ―Ａｇ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの場合、第２の溶融金属は、Ｓｎ−Ｂｉが用いられる。

次に、半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図３Ａに示す構造を得るまでの工程について説明する。
シリコン等の基板５上に半導体回路を有する配線層６を形成する。配線層６の表面には、電極パッド７を、例えば電解めっき法によって形成する。各電極パッド７は、不図示の半導体回路に電気的に接続される。続いて、電極パッド７を含む半導体素子の全面に密着層２０を形成する。密着層２０には、例えばＴｉが用いられスパッタ法によって１００ｎｍの厚さに形成される。さらに、密着層２０の上に、シード層２１（導電膜）として例えばＣｕをスパッタ法によって５００ｎｍの厚さに形成する。

さらに、図３Ｂに示す構造を得るまでの工程について説明する。
シード層２１の全面に、ポジ型のレジスト膜２２を例えばスピンコート法によって塗布する。レジスト膜２２を硬化させた後、レジスト膜２２を露光及び現像してレジストパターン２３を形成する。レジストパターン２３は、例えば、接続端子８の形状に合わせた開口部２３Ａが少なくとも１つ形成される。例えば、半導体チップ３のサイズが４ｍｍ×８ｍｍのときには、開口部２３Ａが５０μｍのピッチで、９６０個形成される。この後、レジストパターン２３に対してＯ_２アッシング処理して、めっき液との濡れ性を改善させる。

続いて、図３Ｃに示す構造を得るまでの工程について説明する。
半導体素子３を不図示のめっき装置に導入し、基板５に対して例えば、４Ａ／ｃｍ^２の密度の電流を３０分供給する。シード層２１が給電部として働くことによって、レジストパターン２３の開口部２３Ａ内にＣｕ膜が３０μｍの厚さに成長する。そして、開口部２３Ａに埋め込まれたＣｕ膜によって金属端子１０が形成される。

さらに、金属端子１０の上に第１の溶融金属１２として例えばＳｎ−Ａｇハンダを７μｍの厚さにめっきする。この後、第１の溶融金属１２の上に、第２の溶融金属１３として例えばＳｎ−Ｂｉハンダを７μmの厚さにめっきする。この後、図３Ｄに示すように、レジストパターン２３をアッシング又は薬液処理によって半導体素子３の表面から除去する。このとき、下地のめっきシード層２１を基板５上に残存させる。

ここで、第１の溶融金属１２と第２の溶融金属１３の厚さの比率は、１対１に限定されない。第２の溶融金属１３の厚さは、表面をドーム等の曲面形状に整形できる量であれば良い。第１の溶融金属１２の厚さは、第２の溶融金属１３との合計量が十分な接合強度が得られる量であれば良い。

次に、図３Ｅに示す構造を得るまでの工程について説明する。
第２の溶融金属１３の上にフラックス２５を塗布する。フラックス２５の塗布方法としては、例えば、不図示のサポート基板上にフラックス２５を所定の厚さに塗布し、表面をスキージで平坦化させてフラックスの層を形成する。続いて、基板５を下向きにして第２の溶融金属１３の先端をフラックスの層内に浸漬させる。これによって、第２の溶融金属１３の表面にフラックス２５が付着する。

フラックス２５は、後の工程でマイクロ波を用いた加熱処理を効果的にするために用いられる。ここで、フラックス２５には、電磁波を効率良く吸収して発熱する電磁波吸収体が含まれている。電磁波吸収体は、例えば、ＳｉＣ、ＢａＴｉＯ_３、ＭｎＯ_２等の微細な粒子である。電磁波吸収体の粒径は、例えば１μｍ、電磁波吸収体の配合量は５ｗｔ％とする。

さらに、フラックス２５には、接合時に溶融金属１２，１３を活性化させることで接合を容易にする活性成分が混合されている。活性成分としては、例えば、アニリン塩酸塩、ヒドラジン塩酸塩、臭化セチルピリジンに代表されるロジン、塩酸、フッ化水素酸に代表される無機酸、フッ化リチウム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウムに代表されるフッ化物、塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムに代表される塩化物、臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウムに代表される臭化物、乳酸、クエン酸、オレイン酸に代表される有機酸、グルタミン酸塩酸塩、アニリン塩酸塩に代表される有機ハロゲン化合物がある。

第２の溶融金属１３にフラックス２５を塗布したら、マイクロ波を第２のフラックス２５及び第２の溶融金属１３に照射する。マイクロ波加熱では、外部電界の変化によってフラックス２５内のフィラーの分子の向きが変化させられる。この場合は、外部電界の変化の方が早いため、分子の遅い振動との差分によって熱が発生する。マイクロ波は、第１の溶融金属１２は溶けないが、先端側の第２の溶融金属１３が整形可能に溶融する温度まで加熱される条件で照射する。例えば、マイクロ波は、３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数、標準的には２．４ＧＨｚが用いられる。

ここで、配線層６に有機物が使用されているので、マイクロ波を照射すると、配線層６も加熱される。この実施の形態では、配線層６が金属製のシード層２１で覆われているので、配線層６の加熱が防止される。これは、金属材料が、マイクロ波によって加熱され難いためである。このように、シード層２１は、マイクロ波の照射時に半導体素子３の配線層６を保護する役割を担う。

このようなマイクロ波加熱によって、第１の溶融金属１２及び第２に溶融金属１３が加熱される。先端側の第２の溶融金属１３はフラックス２５によって加熱され易く、かつ第１の溶融金属１２より融点が低いので、下側の第１の溶融金属１２が溶融する前に、第２の溶融金属１３が溶融する。これによって、図３Ｆに示すように、第２の溶融金属１３のみが溶融してドーム形状になる。このようにして、円筒形の第１の溶融金属１２の上にドーム形の第２の溶融金属１３が配置された接続端子８が形成される。第２の溶融金属１３の量は少なく、例えば、ドーム形状を形成するために必要な程度の量であるので、溶融した第２の溶融金属１３が第１の溶融金属１２や金属端子１０の側面に垂れ落ちることはない。

ここで、超音波照射の代わりに、リフロー炉を用いて全体を加熱すると、第１の溶融金属１２と金属端子１０との界面にも熱が印可され、第１の溶融金属１２と金属端子１０が固相拡散し易くなる。このために、リフロー炉による加熱は、溶融金属量が減少する原因となる。これに対して、マイクロ波は、極所的な加熱が可能であり、第１の溶融金属１２
と金属端子１０間の加熱量が削減でき、溶融金属成分をより多く残存できる。このため、半導体素子３と回路基２の接合時の信頼性をさらに高められる。

また、比較のために、金属端子１０の上に、Ｓｎ−Ｂｉハンダのみを１４μｍの厚さに形成した端子を製造し、マイクロ波の照射によってドーム形状に整形したところ、溶融金属が落下した端子が８６％発生し、高さのばらつきは１２％であった。これに対して、この実施の形態の接続端子８は、高さのばらつきが２％以内で、金属端子１０側面への溶融金属の落下はなかった。

マイクロ波加熱後には、シード層２１を例えばウェットエッチングによって除去する。シード層２１は、金属端子１０から露出している部分が除去され、金属端子１０の下方の領域のシード層２１は電極パッド７上に残される。この後、半導体素子３のプローブテストし、半導体素子がマイクロ波により破壊されていないことを確認する。このようにして形成された半導体ウェハをダイシング工程で切断し、複数の半導体チップ３に個片化する。

続いて、半導体チップ３を回路基板２上に載置し、リフロー炉に導入して溶融金属１１を溶融させる。加熱温度は、第１の溶融金属１２及び第２の溶融金属１３の両方が溶融する温度である。これによって、溶融金属１１の全体が溶融し、接続端子８が回路基板２の電極パッド９に接合させられる。接続端子８において接合に寄与する成分は、第１の溶融金属１２及び第２の溶融金属１３であり、これら溶融金属１２，１３の量は、必要な接合強度を得るのに十分な量である。従って、溶融金属１１が欠如することなく、良好な接合状態の半導体装置１が得られる。半導体装置１は、−５５℃から１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル、１２５℃の高温放置試験を５０４時間実施しても良好な接合状態を維持できた。

以上、説明したように、この実施の形態では、金属端子１０上に第１の溶融金属１２を設け、第１の溶融金属１２上に融点が相対的に低い第２の溶融金属１３を配置したので、溶融金属１３のみを溶融させてドーム形状に整形することができる。溶融金属１１の整形時に溶融させる金属の量を減らすことができるので、溶融金属１１の垂れ落ちによる配線腐食やショートを防止できる。
また、接合工程では第２の溶融金属１３に加えて第１の溶融金属１２も溶融させることで、接合に必要な金属量を確保することによって接合部分におけるクラック等の発生を防止する。

これらのことから、この実施の形態では、溶融金属１１の量を増やすことによってクラックの発生を防止する一方で、優先的に溶かしてドーム形状にする領域を溶融金属１１の一部分にすることで溶融金属１１の溶け落ちを防止することができる。従って、半導体装置１を構成する部材の熱膨張差、反りやうねりを要因とする接続不良を大幅に改善できる。

さらに、第２の溶融金属１３をドーム形状に整形するためにマイクロ波を用いたので、局所加熱が加熱になり、熱効率が良い。また、電磁波吸収体を含むフラックス２５を用いることで、第２の溶融金属１３を効率良く加熱できる。電解めっき工程で給電部として用いたシード層２１を残した状態でマイクロ波を照射して第２の溶融金属１３をドーム状に整形するようにしたので、半導体回路がマイクロ波に影響を受けることを防止できる。

ここで、この実施形態の変形例について説明する。
図４に示すように、レジストパターン２３の開口部２３Ａを利用してフラックス２５を塗布しても良い。フラックス２５は、例えばスキージを用いて開口部２３Ａの隙間に充填
される。

また、図３Ｄに示すようにレジストパターン２３を除去した後、シード層２１及び密着層２０を除去しても良い。この場合には、少なくとも、金属製の電極パッド７を除く領域に、シード層２１以外の金属層を例えばスパッタ法によって形成する。そして、マクロ波の照射後には金属層を除去する。

さらに、溶融金属１１は、融点の異なる２層構造としたが、３層以上の積層構造にしても良い。この場合には、最も先端側から順番に融点が低い金属材料を配置することが好ましい。
また、第２の溶融金属１３の整形は、マイクロ波を用いずにリフロー炉などを用いて加熱しても良い。この場合、第１の溶融金属１２と金属端子１０は、固相拡散し難い材料を用いて製造することが好ましい。配線層６がマイクロ波に影響を受け難い材料から形成されている場合には、シード層２１を形成せずにマイクロ波を照射しても良い。

ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。

以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１）半導体回路を含む配線層を形成した基板の上方の電極パッド上に金属端子を形成する工程と、前記金属端子の上に、加熱によって溶融可能な第１の溶融金属を配置する工程と、前記第１の溶融金属の上に、前記第１の溶融金属より融点が低い第２の溶融金属を配置する工程と、前記第１の溶融金属を溶融させずに前記第２の溶融金属を溶融させて、前記第２の溶融金属の先端部分を球面形状に整形する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）前記第２の溶融金属の先端部分を整形する工程は、マイクロ波照射によって発熱する材料を含むフラックスを前記第２の溶融金属に塗布する工程と、前記第２の溶融金属及び前記フラックスにマイクロ波を照射して前記第２の溶融金属を溶融させる工程とを含む付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）前記電極パッドを含む前記配線層を導電膜で覆ってから前記金属端子を形成し、前記第２の溶融金属にマイクロ波照射した後に前記導電膜の露出部分を除去することを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）先端部分を整形した前記第２の溶融金属を他の部品の電極上に載置した後に加熱し、前記第１の溶融金属及び前記第２の溶融金属を溶融させて前記電極と接合させる工程を含むことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）半導体回路を含む配線層を形成した基板と、前記配線層の上方に配置された接続端子とを含み、前記接続端子は、前記配線層に電気的に接続される金属端子と、加熱によって溶融可能で前記金属端子上に配置された第１の溶融金属と、前記第１の溶融金属上に配置され、前記第１の溶融金属より融点が低い第２の溶融金属と、を含むことを特徴とする半導体装置。
（付記６）半導体回路を含む前記配線層に電気的に接続される金属端子と、加熱によって溶融可能で前記金属端子上に配置された第１の溶融金属と、前記第１の溶融金属上に配置され、前記第１の溶融金属より融点が低い第２の溶融金属と、を含むことを特徴とする半導体装置の接続端子。

１半導体装置
３半導体素子（半導体装置）
５基板
６配線層
７電極パッド
８接続端子
１０金属端子
１１溶融金属
１２第１の溶融金属
１３第２の溶融金属
２１シード層（導電膜）
２５フラックス

Claims

半導体回路を含む配線層を形成した基板の上方の電極パッド上に金属端子を形成する工程と、
前記金属端子の上に、加熱によって溶融可能な第１の溶融金属を配置する工程と、
前記第１の溶融金属の上に、前記第１の溶融金属より融点が低い第２の溶融金属を配置する工程と、
前記第１の溶融金属を溶融させずに前記第２の溶融金属を溶融させて、前記第２の溶融金属の先端部分を球面形状に整形する工程と、
を含み、
前記第２の溶融金属の先端部分を整形する工程は、マイクロ波照射によって発熱する材料を含むフラックスを前記第２の溶融金属に塗布する工程と、前記第２の溶融金属及び前記フラックスにマイクロ波を照射して前記第２の溶融金属を溶融させる工程とを有し、
先端部分を整形した前記第２の溶融金属を他の部品の電極上に載置した後に、前記第１の溶融金属及び前記第２の溶融金属の両方が溶融する温度まで加熱し、前記第１の溶融金属及び前記第２の溶融金属を溶融させて前記電極と接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記電極パッドを含む前記配線層を導電膜で覆ってから前記金属端子を形成し、前記第２の溶融金属にマイクロ波照射した後に前記導電膜の露出部分を除去することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
半導体回路を含む配線層を形成した基板と、
前記配線層の上方に配置され、他の基板との接合時の加熱により溶融可能な接続端子と、
を含み、
前記接続端子は、
前記配線層に電気的に接続される金属端子と、
加熱によって溶融可能で前記金属端子上に配置された第１の溶融金属と、
前記第１の溶融金属上に配置され、前記第１の溶融金属より融点が低く、先端部分が球面形状に整形された第２の溶融金属と、
を含むことを特徴とする半導体装置。