JP2005209833A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フレックスレスの半田接合において、半田バンプ同士を接合する際の接合強度を高めることができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半田バンプ３を有する半導体チップ１と、半田バンプ４を有する半導体チップ２とを、半田バンプ３，４同士を接合して積層状態に実装する実装工程を有する半導体装置の製造方法として、実装工程は、半導体チップ１，２を半田溶融温度よりも低い温度で予熱するとともに、当該予熱状態で半田バンプ３，４同士を接触させて擦り合わせる第１の工程と、半田バンプ３，４同士を接触させた状態で半導体チップ１，２を半田溶融温度以上に加熱するとともに、当該加熱状態で半田バンプ３，４同士を所定量だけ押し込み、かつ当該押し込み状態で半田バンプ３，４同士の接触部分に垂直方向の微小振動を付与する第２の工程とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、第１の基板と第２の基板を半田バンプ同士の接合によって積層状態に実装した半導体装置の製造方法に関する。

現在、高性能な半導体装置のパッケージ形態の一つとして、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリなどの複数のＬＳＩ(Large Scale Integration)デバイスを単一のパッケージに形成してシステム化を実現したＳＩＰ(System in Package)が知られている。ＳＩＰのパッケージ形態としては、複数の半導体チップを共通の実装基板（インターポーザ）に実装したものや、ある半導体チップを別の半導体チップに実装したもの（チップオンチップ型）などがある。

このようなＳＩＰのパッケージ形態を採用した半導体装置の実装方式としてフリップチップ方式が知られている。フリップチップ方式では、半導体チップの電極パッド上にバンプを形成し、このバンプを介して、半導体チップと実装基板又は半導体チップ同士を電気的かつ機械的に接続する。そのため、フリップチップ方式は、電極取り出し位置の自由度が高い、配線長が最短距離になる、高密度実装が可能であるなどの利点を有している。

ところで、従来においては、フリップチップ接続の１つの形態として、バンプ同士を接合した実装構造を有する半導体装置が知られている。さらに、２つの半導体チップ（ＩＣ）を半田バンプ同士の接合によって接続した半導体装置の構成も知られている（例えば、特許文献１参照）。一般に、半田バンプを用いた半田接合では、半田バンプの表面の酸化膜を除去して濡れ性を改善するためにフラックスが用いられる。ただし、フラックスを使用すると、半田接合時にフラックス残渣が発生するため、半田接合後に洗浄を行う必要がある。また、ＳＩＰの半導体装置では、バンプ接合部分のギャップが非常に狭いため、洗浄によってフラックス残渣を完全に取り除くことが困難になる。そのため、ギャップ部分に封止材を注入する際に、フラックス残渣の影響で封止材の流れが局部的に阻害され、そこにボイドなどの欠陥が生じやすくなる。また、フラックス残渣によるエレクトロマイグレーションの発生も問題となる。

そこで、例えば、下記特許文献２には、フラックスを使用せずに（フラックスレスで）半田接合を行う技術が提案されている。この特許文献２に記載された技術では、電子部品に形成された半田バンプを基板上の電極に接合する際に、半田バンプを電極に位置合わせした状態で電子部品に水平方向の超音波振動を付与することにより、半田バンプ表面の酸化膜を摩擦によって部分的に破壊するとともに、半田バンプを超音波圧接して電極に仮固定し、その後、基板を加熱して半田バンプを溶融して電極に接合することにより、フラックスレスでの半田接合を実現するとしている。

特開平６−１１２４０２号公報 特開２０００−１７４０５９号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載された技術では、超音波圧接によって半田バンプ表面の酸化膜を部分的に破壊しても、半田バンプ同士の接触部分（接触界面）に互いの酸化膜が残存した状態となるため、その後の加熱によって半田バンプを溶融しても双方の半田バンプが十分に溶け合わず、接合強度が弱くなる恐れがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、フレックスレスの半田接合において、半田バンプ同士を接合する際の接合強度を高めることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半田バンプを有する第１の基板と、半田バンプを有する第２の基板とを、半田バンプ同士を接合して積層状態に実装する実装工程を有する半導体装置の製造方法に適用されるもので、実装工程は、第１の基板と第２の基板とを半田溶融温度よりも低い温度で予熱するとともに、当該予熱状態で半田バンプ同士を接触させて擦り合わせる第１の工程と、半田バンプ同士を接触させた状態で第１の基板と第２の基板とを半田溶融温度以上に加熱するとともに、当該加熱状態で半田バンプ同士を所定量だけ押し込み、かつ当該押し込み状態で半田バンプ同士の接触部分に微小振動を付与する第２の工程とを有するものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法においては、第１の基板と第２の基板とを半田溶融温度よりも低い温度で予熱することにより、双方の半田バンプの表面に形成された酸化膜にバンプ自体の熱膨張によって亀裂が生じるため、この予熱状態で半田バンプ同士を接触させて擦り合わせることにより、当該接触部分に過度の圧力を加えなくても、各々の半田バンプが摩擦によってを部分的に破壊される。また、予熱状態で半田バンプ同士を接触させたまま、第１の基板と第２の基板とを半田溶融温度以上に加熱するとともに、当該加熱状態で半田バンプ同士を所定量だけ押し込むことにより、半導体バンプ同士の接触部分だけでなく、非接触部分でも酸化膜が破壊され、さらにこの押し込み状態のもとで半田バンプ同士の接触部分に微小振動を付与することにより、溶融状態にある半田バンプの流動が促進されるとともに、各々の半田バンプの表面に残存している酸化膜が拡散される。その結果、各々の半田バンプの接触界面から酸化膜が除去されてバンプ同士が十分に溶け合うようになる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、半田接合にフラックスを使用しなくても、第１の基板に設けられた半田バンプと第２の基板に設けられた半田バンプとを十分に溶け合わせて接合することができる。そのため、フレックスレスの半田接合において、半田バンプ同士を接合する際の接合強度を高めることができる。その結果、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本発明は、半田バンプを有する第１の基板と、半田バンプを有する第２の基板とを、半田バンプ同士を接合して積層状態に実装する実装工程を有する半導体装置の製造方法に適用されるもので、以下に具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、第１の基板と第２の基板がいずれも半導体チップ（半導体素子）で構成されたチップ・オン・チップ型のＳＩＰ構造を有する半導体装置の製造方法を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限らず、例えば、第１の基板が半導体チップで、第２の基板がシリコンインターポーザやガラスエポキシ基板などの実装基板であっても同様に適用可能である。

先ず、半導体装置を製造するにあたっては、図１に示すように、チップサイズが異なる大小２つの半導体チップ１，２を用意する。サイズが大きい方の半導体チップ１には複数の半田バンプ３が形成され、サイズが小さい方の半導体チップ２にも複数の半田バンプ４が形成されている。さらに詳述すると、半導体チップ１は例えばシリコン基板をベースに構成されるもので、その主面（回路形成面）上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜５、窒化シリコンからなる保護膜（パッシベーション膜）６及びアルミニウムからなる電極パッド７が形成され、電極パッド７上にアンダーバンプメタル８を介して半田バンプ３が形成されている。同様に、半導体チップ２は例えばシリコン基板をベースに構成されるもので、その主面（回路形成面）上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜９、窒化シリコンからなる保護膜（パッシベーション膜）１０及びアルミニウムからなる電極パッド１１が形成され、電極パッド１１上にアンダーバンプメタル１２を介して半田バンプ４が形成されている。

この場合、半導体チップ１に半田バンプ３を形成するバンプ形成工程や、半導体チップ２に半田バンプ４を形成するバンプ形成工程では、それぞれ同種の半田材料（例えば、Ｓｎ−Ａｇ５％）を用いて半田バンプ３，４を形成することが望ましい。この理由は、バンプ形成工程の後で行われる下記の実装工程のなかで、各々の半田バンプ３，４を加熱により溶融する際の条件（温度等）を揃えるためである。各々の半田バンプ３，４は、例えば、バンプ直径が３０μｍ、チップ平面内でのバンプ中心間距離（ピッチ）が４０μｍ〜６０μｍ、１チップ当たりのバンプ個数が２０００個〜５０００個の条件で形成される。

上記構成からなる２つの半導体チップ１，２を積層状態に実装する実装工程では、まず、一方（サイズが大）の半導体チップ１を図示しないボンディングステージ上に上向きで固定するとともに、他方（サイズが小）の半導体チップ２を図示しないボンディングヘッド（吸着治具）で下向きに保持する。このとき、上記図１に示すように、２つの半導体チップ１，２を互いに上下方向で向かい合わせた状態で、半導体チップ１側の半田バンプ３とこれに対応する半導体チップ２側の半田バンプ４を相互に位置合わせする。この位置合わせ中又は位置合わせ後に、２つの半導体チップ１，２を常温よりも高くかつ半田溶融温度（半田融点）よりも低い温度（例えば、２００℃前後）で予熱する。このような予熱を行うと、例えば図２（Ａ）に示すように、半田バンプ４の表面に酸化膜１３が形成されている場合、予熱に伴う半田バンプ４の熱膨張により、図２（Ｂ）に示すように、半田バンプ４表面の酸化膜１３に亀裂が生じる。こうした亀裂は半田バンプ３の表面の酸化膜にも生じる。

次に、上記予熱状態のもとで、例えばボンディングヘッドの下降動作により図３に示すように半導体チップ２を半導体チップ１側に接近させて半田バンプ３，４同士を接触させ、かつ当該接触部分にボンディングヘッドによって適度な圧力を加える。このとき、双方の半田バンプ３，４は、予熱温度が半田溶融温度よりも低く設定されることから、固相状態となっている。そこで、半田バンプ３，４同士を接触させた状態でボンディングヘッド又はボンディングステージに水平方向の超音波振動を付与することにより、固相状態にある半田バンプ３，４同士を接触部分で擦り合わせる。これにより、半田バンプ３，４の接触部分に過度の圧力を加えなくても、図４に示すように、各々の半田バンプ３，４表面の酸化膜１３が摩擦によって部分的に破壊されるとともに、互いのバンプ接触部分（バンプ頂部）が若干押し潰された状態となる。

また、半田バンプ３，４同士を接触させて擦り合わせた後（超音波振動を停止した後）に、半田バンプ３，４同士の接触状態を維持しつつ、例えば図５（Ａ）に示す温度プロファイルにしたがって加熱温度を予熱温度Ｋ１（例えば、Ｋ１＝２００℃）から半田溶融温度Ｋ２（例えば、Ｋ２＝２２０℃）へと上昇（昇温）させると、その上昇過程で各々の半田バンプ３，４が軟化するため、ボンディングヘッドの加圧作用によって図６に示すようにバンプ形状が変形（横方向に押し潰されたように膨張）する。このバンプ形状の変形により各々の半田バンプ３，４の表面では、互いの接触部分だけでなく、非接触部分でも酸化膜１３の破壊が起こる。ただし、酸化膜１３自体は、各々の半田バンプ３，４の表面に残存したままとなる。なお、図５（Ａ），（Ｂ）において、時間軸（横軸）上のＴ１は、半田バンプ３，４同士が接触したタイミング、Ｔ２は加熱温度が温度上昇によって半田溶融温度Ｋ２に達したタイミング、Ｔ３は加熱温度が温度降下によって半田溶融温度Ｋ２に達したタイミングを示している。

続いて、上述のように半田バンプ３，４同士を接触（圧接）させたまま、図５（Ａ）に示す温度プロファイルにしたがって２つの半導体チップ１，２を半田溶融温度Ｋ２以上に加熱すると、加熱温度が半田溶融温度Ｔ２に到達（昇温）する前後で、各々の半田バンプ３，４の状態が固相状態から液相状態に変化する。つまり、加熱温度の上昇によって各々の半田バンプ３，４が溶融した状態となる。そこで、このような加熱状態（半田バンプ３，４を溶融した状態）のもとで（時間がＴ２からＴ３に至るまでの期間内で）、例えば図５（Ｂ）に示すギャップ寸法（半導体チップ１，２間の隙間寸法）のプロファイルにしたがってボンディングヘッドを更に下降動作させることにより、半導体チップ２を半導体チップ１側に接近させて半田バンプ３，４同士を所定量Ｌだけ押し込む。この押し込み量Ｌは、２つの半導体チップ１，２の対向部分に確保されるギャップ寸法が、予め設定された寸法（例えば、２０μｍ）となるように調整（設定）される。

また、上述の押し込み状態では２つの半導体チップ１，２を相対的に接離する方向、すなわち図７（Ａ）に示す上下方向に半導体チップ２（又は半導体チップ１）を往復微動させることにより、図７（Ｂ）に示すように半田バンプ３，４同士の接触部分に同方向（矢印方向）の微小振動を付与する。この微小振動は、ボンディングヘッド又はボンディングステージに上下方向（垂直方向）の超音波振動を付与することにより行ってもよいし、超音波（人間の可聴周波数）よりも低周波の振動を付与することにより行ってもよい。また、微小振動の付与は、双方の半田バンプ３，４を常時接触させた状態で、例えば半導体チップ１に対して半導体チップ２の押し込みと引き離しを繰り返すことにより行う。

こうした微小振動を半田バンプ３，４の接触部分に付与することにより、溶融状態（液相状態）にある半田バンプ３，４の流動性が高まるとともに、上述のように各々の半田バンプ３，４の表面に残存していた酸化膜１３が強制的に拡散される。特に、上下方向に微小振動を付与した場合は、互いに接触する半田バンプ３，４の間で半田材料の流動が促進されるため、酸化膜１３の拡散が効率的に行われる。こうした拡散現象により、半田バンプ３，４の接触部分に残存していた酸化膜１３は、半田バンプ３，４を構成している半田材料中にスムーズに取り込まれる。その結果、半田バンプ３，４の接触界面から酸化膜１３が除去される。これにより、双方の半田バンプ３，４が酸化膜１３に阻害されることなく十分に溶け合うようになる。そのため、加熱終了後に各々の半導体チップ１，２を常温まで冷却した段階では、バンプ接合部に高い接合強度が得られる。

その後、各々の半導体チップ１，２を常温まで冷却したら、図８に示すように、２つの半導体チップ１，２間のギャップ部分に、例えばエポキシ系の樹脂からなる封止材１４を注入する。このとき、各々の半導体チップ１，２の主面にはフラックス残渣が全く存在しないため、フラックス残渣によって封止材１４の流れが阻害されることはない。したがって、ボイドなどの欠陥を生じることなく、封止材１４をスムーズに注入することができる。また、フラックス残渣によるエレクトロマイグレーションの発生も回避することができる。

なお、上記実施形態においては、上述のように押し込み状態で２つの半導体チップ１，２が相対的に接離する方向（垂直方向）で半田バンプ３，４同士の接触部分に微小振動を付与するものとしたが、本発明はこれに限らず、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、２つの半導体チップ１，２が相対的に接離する方向と直交する方向（水平方向）で半田バンプ３，４同士の接触部分に微小振動を付与するものとしたり、各々の方向（垂直方向、水平方向）で同時に、または順に、半田バンプ３，４同士の接触部分に微小振動を付与するものとしてもよい。また、その場合は、前工程で行われる予熱状態での水平方向の超音波振動を再開することにより、溶融状態にある半田バンプ３，４同士の接触部分に同方向の微小振動を付与するものとしてもよい。

本発明に係る半導体装置の製造方法で採用した実装工程の処理内容を説明する図（その１）である。 半田バンプの熱膨張による酸化膜の状態変化を説明する図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で採用した実装工程の処理内容を説明する図（その２）である。 実装工程での半田バンプの接触状態の推移を説明する図（その１）である。 実装工程における加熱温度のプロファイルとギャップ寸法のプロファイルを示す図である。 実装工程での半田バンプの接触状態の推移を説明する図（その２）である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で採用した実装工程の処理内容を説明する図（その３）である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で採用した実装工程の処理内容を説明する図（その４）である。 本発明に係る半導体装置の製造方法で採用した実装工程の他の処理例を説明する図である。

符号の説明

１，２…半導体チップ、３，４…半田バンプ、１３…酸化膜、１４…封止材

Claims (5)

1. 半田バンプを有する第１の基板と、半田バンプを有する第２の基板とを、前記半田バンプ同士を接合して積層状態に実装する実装工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記実装工程は、
   前記第１の基板と前記第２の基板とを半田溶融温度よりも低い温度で予熱するとともに、当該予熱状態で前記半田バンプ同士を接触させて擦り合わせる第１の工程と、
   前記半田バンプ同士を接触させた状態で前記第１の基板と前記第２の基板とを半田溶融温度以上に加熱するとともに、当該加熱状態で前記半田バンプ同士を所定量だけ押し込み、かつ当該押し込み状態で前記半田バンプ同士の接触部分に微小振動を付与する第２の工程とを有する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第２の工程においては、前記第１の基板と前記第２の基板とが相対的に接離する方向で前記微小振動を付与する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第２の工程においては、前記第１の基板と前記第２の基板とが相対的に接離する方向と直交する方向で前記微小振動を付与する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記実装工程は、前記第２の工程の後に、前記第１の基板と前記第２の基板との間のギャップ部分に封止材を注入する第３の工程を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記実装工程の前に、前記第１の基板と前記第２の基板とにそれぞれ同種の半田材料を用いて半田バンプを形成するバンプ形成工程を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
   

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