JP2007266054A

JP2007266054A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2007266054A
Application number: JP2006085328A
Authority: JP
Inventors: Takahide Ono; 恭秀大野; Makoto Suenaga; 誠末永; Tatsuya Takeuchi; 達也竹内; Taizo Hagiwara; 泰三萩原
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP5210496B2

Abstract

【課題】電極同士の電気的な接触性を悪化させることなく、容易にフリップチップ接続させることの可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ２および中間基板３の外部引出電極５，８および突起電極６の酸化膜を除去した後、半導体チップ２および中間基板３を大気中に取り出す工程と、大気中で突起電極６と外部引出電極８とを位置合わせしたのち低酸素濃度雰囲気中に入れる工程と、低酸素濃度雰囲気中で半導体チップ２および中間基板３を突起電極６の溶融する温度条件で熱処理を行う工程とを含む。上記の位置合わせ工程では、半導体チップ２および中間基板３は、以下の式を満たす温度ｘ（℃）および曝露期間ｙ（秒）の範囲内でしか大気に曝されないようにしている。
温度ｘが３６℃以下のときには、ｙ≦１０^-(x-57.45)／^6.031…（１）
温度ｘが３６℃より大きいときには、ｙ≦１０^-(x-59.67)／^6.656…（２）
【選択図】図２

Description

本発明は、突起電極を有する基板をＦＣ（フリップチップ) 実装してなる半導体装置の製造方法に関する。

近年、携帯電話やパソコンなどの小型軽量化、高機能化に伴い、半導体チップを積層接続したＣＯＣ(Chip On Chip)実装が注目されている。この実装では高速伝送特性の必要性からフリップチップ接続が必須である。フリップチップ接続とは、半導体チップから基板（プリント基板やインターポーザなど）へのリード線の引き出しをなくし、半導体チップを、２次元配置されたバンプと呼ばれる突起電極を介して基板に接続させる方式であり、互いの表面上にある突起電極同士を接続させたり、一方の表面上の突起電極と他方の表面上の引出電極とを接続させることによりＣＯＣ実装を実現している。

ところで、現在、突起電極を引出電極上に接合するに際して、主にフラックスが用いられている。フラックスは突起電極の表面および内部の酸化物を還元・除去したり、突起電極表面の酸化を防止する目的で用いられているが、突起電極を引出電極と接合した後に基板上に残留すると、半導体の信頼性などに影響を及ぼす。そのため、フラックスが半導体チップと基板との隙間に残らないように、隙間に残ったフラックス残渣を洗浄し、除去することが必要である。

ところが、フリップチップ接続における半導体チップと基板との隙間は、将来的に５０μm 以下になると予測されており、隙間に残ったフラックス残渣の洗浄・除去が極めて困難となる。また、フラックス残渣を完全に除去することは決して容易ではない。そこで、フラックスを使用しないで突起電極を引出電極上に接合する技術が、近年盛んに提案されている。例えば、特許文献１では、アルコールや有機酸を主成分とする接着剤を用いて突起電極を引出電極上に仮止めしたのち、突起電極を、遊離基ガス（水素ラジカル）を含む雰囲気に曝して、突起電極表面の酸化膜を化学的に処理（除去）すると共に、熱処理を行って突起電極を引出電極上に接合する技術が開示されている。

特開２００５−２３０８３０号公報

しかし、特許文献１のようにして突起電極を引出電極上に接合したのち、真空の雰囲気中で半導体チップおよび基板を位置合わせするのは容易ではない。そのため、通常は、半導体チップおよび基板を大気中に取り出してから位置合わせを行う。ところが、半導体チップおよび基板を大気中に長時間曝すと、突起電極の表面に再び酸化膜が形成されてしまうので、電極同士の電気的な接触性が悪化する虞がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電極同士の電気的な接触性を悪化させることなく、容易にフリップチップ接続させることの可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の半導体装置の製造方法は、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の各工程を含むものである。
（Ａ）表面に電極を有すると共に、少なくとも一方の電極表面上に突起電極を有する第１基板および第２基板を用意する工程
（Ｂ）第１基板および第２基板のそれぞれの電極および突起電極の表面に対して化学的処理を行ったのち、第１基板および第２基板を大気中に取り出す工程
（Ｃ）大気中で第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極の位置合わせを行うと共に、第１基板および第２基板を低酸素濃度雰囲気中に入れる工程
（Ｄ）低酸素濃度雰囲気中で第１基板および第２基板を突起電極の溶融する温度条件で熱処理を行う工程
ここで、上記の位置合わせ工程（Ｃ工程）では、第１基板および第２基板は、以下の式を満たす温度ｘ（℃）および曝露期間ｙ（秒）の範囲内でしか大気に曝されないようにしている。
温度ｘが３６℃以下のときには、ｙ≦１０^-(x-57.45)／^6.031…（１）
温度ｘが３６℃より大きいときには、ｙ≦１０^-(x-59.67)／^6.656…（２）

本発明の半導体装置の製造方法では、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極の表面の酸化膜が化学的処理によって除去されたのち、その化学的処理を行った装置から第１基板および第２基板が大気中に取り出され、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極の位置合わせが他の装置で行われる。このとき、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極は、上記した式（１），（２）を満たす温度ｘおよび曝露期間ｙの範囲内でしか大気に曝されないようにしている。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、第１基板および第２基板を大気中に取り出したのち、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極の位置合わせを行うようにしたので、低圧の雰囲気中で行う場合に比べて、第１基板および第２基板の位置合わせを容易に行うことができる。また、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極を、式（１），（２）を満たす温度ｘ（℃）および曝露期間ｙ（秒）の範囲内でしか大気に曝さないようにしたので、大気中に曝している間に電極または突起電極の表面に形成される酸化膜の厚さが所定の値よりも厚くなるのを防止することができる。さらに、その後の熱処理工程を低酸素濃度雰囲気で処理するようにしたので、突起電極を十分に濡らすことができ、第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極を確実に接合することができる。従って、電極同士の電気的な接触性を悪化させることなく、容易にフリップチップ接続させることができる。

以下、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は本発明の一実施の形態に係る半導体装置１を、図２は図１の半導体装置１の製造方法の流れを表すものである。この半導体装置１は、半導体チップ２（第１基板）を中間基板３（第２基板）に張り合わせたものである。

半導体チップ２は、半導体素子４、外部引出電極５および突起電極６を有している。半導体素子４は、その内部に例えば集積回路（図示せず）が組み込まれたものである。外部引出電極５は、半導体素子４の表面に形成されており、例えばその集積回路の一端に接続されている。突起電極６は、外部引出電極５の表面に形成されている。

中間基板３は、例えば、半導体チップ２の外部引出電極５と、半導体装置１を実装するためのプリント基板（図示せず）の表面に設けられた電極パッド（図示せず）とを電気的に接続するためのインターポーザであり、絶縁基板７と、その内部を貫通するビア（図示せず）と、そのビアに接続されると共に中間基板３の表面に形成された外部引出電極８とを有している。

ここで、外部引出電極５，８の少なくとも表面は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｉｎ（インジウム）またはＳｎ（錫）を含む金属により構成されている。突起電極６は、例えば、不純物を含有しないＳｎ（錫）、または、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｐ（燐）およびＰｂ（鉛）のうち少なくとも１つの不純物を含有する錫からなり、例えば、めっき、印刷、ボールまたは蒸着により形成されている。

以下に、図２〜図７を参照して、本発明の実施の形態の半導体装置１の製造方法について説明する。

まず、半導体装置１の製造方法を実施する際に用いる酸化膜除去装置１０および熱処理装置５０について説明する。

酸化膜除去装置１０は、外部引出電極５，８や突起電極６の表面を覆っている酸化膜を除去するための装置である。この酸化膜除去装置１０は、図３に示したように、互いに空間的に分離された上部室１１Ａおよび下部室１１Ｂからなるチャンバ１１を有している。上部室１１Ａには、マイクロ波Ｗを発生するマイクロ波発生装置１４が導波管１３およびマイクロ波導入窓１２を介して配置されており、また、水素ガスを発生する水素ガス源１６が供給管１５を介して配置されている。これにより、上部室１１Ａは、水素ガス源１６から供給された水素ガスをマイクロ波発生装置１４で発生したマイクロ波Ｗによってプラズマ化し、水素ラジカル（遊離基ガス）を発生するようになっている。

上部室１１Ａにはまた、プラズマ発生領域Ｐよりも底面側にシールド１７が、底面にノズル１８がそれぞれ設けられている。シールド１７は、例えば金網からなり、プラズマ中に存在する不要な荷電粒子を可能な限り補集すると共に、上部室１１Ａ内で発生したプラズマ中に含まれるガスを下部室１１Ｂに導入するようになっている。これにより、上部室１１Ａは、水素ラジカルを含むガスをシールド１７を介して下部室１１Ｂに導入するようになっている。

下部室１１Ｂには、処理対象物（半導体チップ２、中間基板３）を載置するための支持台１８が設けられている。支持台１８は、半導体チップ２、中間基板３を支持する部分に、加熱器１９および冷却器２０を有しており、半導体チップ２、中間基板３を所定の手順で加熱・冷却することが可能になっている。下部室１１Ｂにはまた、底面に排気口２１を介して真空ポンプ２２が、底面に圧力計２３がそれぞれ設けられている。真空ポンプ２２は、チャンバ１１内のガスを外部に排気してチャンバ１１内の圧力を減圧するためのものである。圧力計２３は、チャンバ１１内の圧力を計測するためのものである。下部室１１Ｂにはさらに、供給管２４を介して窒素ガス源２５が設けられている。なお、窒素ガス源２５は、上部室１１Ａ側に設けられていてもよい。圧力計２３の計測値は、制御部２６に伝達され、制御部２６は、その計測値に基づいて水素ガス源１５、真空ポンプ２２、窒素ガス源２５を制御するようになっている。これにより、処理対象物を、水素ラジカルを含むガスに曝すことができる。

熱処理装置５０は、突起電極６を溶融させて、半導体チップ２の突起電極６と中間基板３の外部引出電極８とを互いに電気的に接合（フリップチップ接続）するための装置である。熱処理装置５０は、例えば、図４に示したような、処理対象物を連続してチャンバ内に投入することの可能な連続式のリフロー装置である。このリフロー装置は、一の側面に試料導入口５２が、その側面と対向する側面に試料取出口５３がそれぞれ設けられたチャンバ５１を有している。チャンバ５１内には、試料導入口５２から試料取出口５３まで延在するベルトコンベア５４が設けられており、試料を試料導入口５２側から試料取出口５３側へ運搬するようになっている。チャンバ５１内のうち、ベルトコンベア５４の上流側に加熱器５５が、下流側に冷却器５６がそれぞれ設けられている。このチャンバ５１の上面および下面には、窒素ガス源５８が供給管５７を介してそれぞれ配置されている。この窒素ガス源５８は、チャンバ５１内の気圧がチャンバ５１外の気圧よりも高くなるように、窒素ガスをチャンバ５１内に供給するようになっている。これにより、チャンバ５１外からの酸素の流入を防止することができるので、チャンバ５１内を低酸素濃度雰囲気にすることができる。

なお、熱処理装置５０は、例えば、図５に示したような、熱処理中に処理対象物をチャンバ内の所定の場所に載置しておくバッチ式のリフロー装置であってもよい。このリフロー装置は、密閉されたチャンバ６１を有している。チャンバ６１内には、処理対象物（半導体装置１）を載置するための支持台６２が設けられている。支持台６２は、半導体装置１を支持する部分に、加熱器６３および冷却器６４を有しており、半導体装置１を所定の手順で加熱・冷却することが可能になっている。チャンバ６１にはまた、底面に排気口６５を介して真空ポンプ６６が、底面に圧力計６７がそれぞれ設けられている。真空ポンプ６６は、チャンバ６１内のガスを外部に排気してチャンバ６１内の圧力を減圧するためのものである。圧力計６７は、チャンバ６１内の圧力を計測するためのものである。チャンバ６１にはさらに、供給管６８を介して窒素ガス源６９が設けられている。圧力計６７の計測値は、制御部７０に伝達され、制御部７０は、その計測値に基づいて真空ポンプ６６、窒素ガス源６９を制御するようになっている。これにより、チャンバ６１内を低酸素濃度雰囲気にすることができる。

（酸化膜の除去）
さて、上記した構成の酸化膜除去装置１０を用いて、外部引出電極５，８や突起電極６の表面を覆っている酸化膜の除去を行う。

具体的には、まず、チャンバ１１を開いて、支持台１８上に半導体チップ２、中間基板３を、外部引出電極５，８や突起電極６を上にして載置する（ステップＳ１）。なお、図３では、支持台１８上に半導体チップ２を載置した場合が例示されている。続いて、チャンバ１１を閉じたのち、真空ポンプ２２を作動させて、チャンバ１１内のガスを排気し、減圧する（ステップＳ２）。

次に、マイクロ波発生装置１４を作動させて、マイクロ波Ｗを発生させると共に、水素ガス源１６を作動させて、水素ガスを発生させる。これにより、水素ガスがマイクロ波Ｗによってプラズマ化して、水素ラジカル（遊離基ガス）が発生する（ステップＳ３）。その結果、上部室１１Ａで発生した水素ラジカルが、ガス流に乗ってシールド１７を通過すると共に、ノズル１８を介して下部室１１Ｂに導入される。

支持台１８に載置された半導体チップ２および中間基板３の外部引出電極５，８や突起電極６は、ノズル１８から供給される水素ラジカルを含むガスに曝される。これにより、外部引出電極５，８や突起電極６の表面を覆っている酸化膜が水素ラジカルと化学的に反応して気化し、表面から除去される（ステップＳ４）。

（位置合わせ）
次に、半導体チップ２および中間基板３を所定の環境の大気中に取り出したのち（ステップＳ５）、所定の期間内に、半導体チップ２の突起電極６と、中間基板３の外部引出電極８との位置合わせを行う（ステップＳ６、図６、図７参照）。これにより、低圧の雰囲気中で行う場合に比べて、半導体チップ２および中間基板３の位置合わせを容易に行うことができる。なお、大気の環境や大気中に曝す期間についての説明はのちに詳述する。

なお、位置合わせをする際に、半導体チップ２の突起電極６と、中間基板３の外部引出電極８とを互いに仮固定しておくことが好ましい。例えば、後述のリフローを実行したときに残渣が生じにくい有機材料や固定治具を用いたり、中間基板３の外部引出電極８に半導体チップ２の突起電極６を圧着や超音波によりこれらを互いに仮固定することも可能である。また、位置合わせをした後に、半導体チップ２と中間基板３との間隙に不活性ガスなどを導入してその間隙に存在する酸素を不活性ガスなどに置換してもよい。

（接合）
次に、位置合わせの行われた半導体チップ２および中間基板３を熱処理装置５０に入れて、低酸素濃度雰囲気中でリフローを行う（ステップＳ７）。具体的には、まず、熱処理装置５０内を窒素ガスで満たし、熱処理装置５０内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以下となるように窒素ガス源５８，６９を調整する。次に、位置合わせされた半導体チップ２および中間基板３を熱処理装置５０内に投入し、突起電極６の溶融する温度条件で所定の時間、半導体チップ２および中間基板３を加熱し、続いて、加熱された半導体チップ２および中間基板３を十分に冷却することの可能な温度条件で所定の時間、半導体チップ２および中間基板３を冷却する。これにより、半導体チップ２の突起電極６と、中間基板３の外部引出電極８とが互いに接合され、半導体チップ２および中間基板３がフリップチップ接続される。その後、フリップチップ接続により得られた半導体装置１を熱処理装置５０から取り出す。このようにして、半導体チップ２および中間基板３をフリップチップ接続することにより、本実施の形態の半導体装置１が製造される。

ところで、上記の位置合わせ工程では、大気中に曝している間に外部引出電極５，８や突起電極６の表面に酸化膜（例えばＳｎＯ）が形成される。この酸化膜の厚さは、大気の温度や、湿度、大気中に曝している曝露時間などによって変化するが、ある値を超えると、その後の熱処理工程において、突起電極６を十分に濡らすことができなくなり、導体チップ２の突起電極６と、中間基板３の外部引出電極８とを互いに確実に接合させることができなくなる。その結果、半導体装置１の信頼性を低下させる虞がある。そのため、酸化膜の厚さは、突起電極６を十分に濡らすことができる程度の厚さであることが必要となる。

このとき、突起電極６を十分に濡らすことができるか否かを客観的に判断することが重要となるが、その判断要素の１つとして「濡れ広がり率」というものがある。本実施の形態では、この濡れ広がり率Ｚを１００×（３００μｍ−Ｈ）／３００μｍによって求められるものと定義する。

ここで、３００μｍは、突起電極６と同一の材料からなるボールの高さである。Ｈは、突起電極６と同一の材料からなる直径３００μｍのボールを、外部引出電極５，８と同一の材料からなる基板上に載置し、それらを酸素濃度が１００ｐｐｍの低酸素濃度雰囲気中で、温度２３０℃、６０秒間、リフローを実行したときのボールの高さである。なお、右辺の１００は、Ｚを％に換算するためのものである。

この濡れ広がり率Ｚが５０％以上となる場合には突起電極６を十分に濡らすことができ、逆に、濡れ広がり率Ｚが５０％未満となる場合には突起電極６を十分に濡らすことができず、半導体装置１の信頼性および歩留りが低下する虞があることを意味する。

表１は、突起電極６の材料として考えられる材料（Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ａｕ、ＰおよびＰｂ）の組み合わせ（材料Ａ１〜Ａ３３）を複数列挙したものである。ここで、表１内の値は含有率（％）である。また、Ｓｎの欄における「残」とは、全体を１００としたときに、１００から含有元素の割合を減算して得られる値という意味である。なお、材料Ｂ１，Ｂ２は、Ｚｎ（亜鉛）を含有しているため酸化膜中にＺｎＯまたはＮｉＯの含まれる割合が多くＳｎＯの場合と比べて酸化膜を化学的に除去するのが困難な材料であり、本実施の形態の突起電極６の材料としては不適当な材料であるので比較例として挙げられている。

表２は、上記した材料Ａ１〜Ａ３５，Ｂ１，Ｂ２を、外部引出電極５，８の材料として考えられる材料（Ｃｕ（材料Ｃ１）、Ａｕ（材料Ｃ２）、Ｐｄ（材料Ｃ３）、Ａｇ（材料Ｃ４）、Ｉｎ（材料Ｃ５）、Ｓｎ（材料Ｃ６））を複数列挙したものである。ここで、表２内の二重丸は濡れ広がり率Ｚが７０％以上を意味し、一重丸は濡れ広がり率Ｚが５０％以上７０％未満を意味し、バツは濡れ広がり率Ｚが５０％未満を意味している。なお、材料Ｄ１，Ｄ２は、Ｎｉ，Ｚｎであることから、上記の比較例と同様、酸化膜中にＺｎＯまたはＮｉＯの含まれる割合が多くＳｎＯの場合と比べて濡れ性の悪い材料であり、本実施の形態の外部引出電極５，８の材料としては不適当な材料であるので比較例として挙げられている。

表２から、突起電極６がＳｎおよびＰｂからなる材料Ａ１０〜Ａ１３およびＡ１５、またはＳｎ、ＰｂおよびＰからなる材料Ａ１４により構成されている場合には、外部引出電極５，８が材料Ｃ１〜Ｃ６のいずれにより構成されているときであっても濡れ広がり率Ｚが７０％以上となる。突起電極６がそれ以外の材料Ａ１〜Ａ９，Ａ１６〜Ａ３３により構成されている場合には、外部引出電極５，８が材料Ｃ２により構成されているときは濡れ広がり率Ｚが７０％以上となる。これは、材料Ｃ２が表面に酸化膜を形成しないＡｕであり、また、材料Ｃ２とＳｎとの化学的親和力が良いからである。ただし、外部引出電極５，８が材料Ｃ２以外の材料Ｃ１，Ｃ３〜Ｃ５により構成されているときであっても濡れ広がり率Ｚは５０％以上７０％未満となる。

このように、濡れ広がり率Ｚが５０％以上となる、突起電極６の材料と、外部引出電極５，８の材料との組み合わせは多岐に渡るが、突起電極６がＺｎまたはＮｉの含有量の多い材料Ｂ１，Ｂ２により構成されている場合には、外部引出電極５，８が材料Ｃ１〜Ｃ６のいずれの材料により構成されているときであっても濡れ広がり率Ｚが５０％未満となってしまう。また、外部引出電極５，８がＺｎまたはＮｉからなる材料Ｄ１，Ｄ２により構成されている場合には、突起電極６が材料Ａ１〜Ａ３４のいずれの材料により構成されているときであっても濡れ広がり率Ｚが５０％未満となってしまう。

これらのことから、突起電極６や外部引出電極５，８の材料としてＺｎまたはＮｉを含有するものを用いることはあまり好ましくなく、これらを多く含有するものを用いることは不適当であることがわかる。

図８は、ボールの材料が上記の材料Ａ７である場合の、上記の材料Ｃ１上での濡れ広がり率Ｚの時間変化を表したものである。図８中の実線は温度２５℃、一点鎖線は温度３６℃、二点鎖線は温度４５℃のときのものであり、図８中のａは湿度８７ｇ／ｃｍ^-3、ｂ，ｅは湿度１０ｇ／ｃｍ^-3（２０％）、ｃ，ｆは湿度２５ｇ／ｃｍ^-3（６０％）、ｄ，ｇは湿度４０ｇ／ｃｍ^-3（９５％）のときのものである。

図８から、全体的な傾向として、濡れ広がり率Ｚは湿度の影響をほとんど受けないが、温度が大きくなる程、影響を大きく受けることがわかる。また、濡れ広がり率Ｚを５０％以上とするためには、温度２５℃の場合には曝露時間を２．４×１０⁵秒（約６６時間）以内にすることが必要であり、温度３６℃の場合には曝露時間を３．６×１０³秒（約１時間）以内にすることが必要であり、温度４５℃の場合には曝露時間を１．６×１０²秒（約２．５分）以内にすることが必要であることがわかる。なお、この傾向は、他の材料を用いた場合であってもほぼ同様である。

図９は、ボールの材料が上記の材料Ａ７である場合の、上記の材料Ｃ１上での濡れ広がり率Ｚが５０％となる場合の、温度ｘ（℃）と曝露時間ｙ（秒）との関係を表したものである。

図９から、温度ｘが３６℃以下のときには式（１）を満たす温度ｘおよび曝露時間ｙで位置合わせ工程を行うことが必要となり、温度ｘが３６℃より大きいときには式（２）を満たす温度ｘおよび曝露時間ｙで位置合わせ工程を行うことが必要となることがわかる。なお、この傾向は、他の材料を用いた場合であってもほぼ同様である。
ｙ≦１０^-(x-57.45)／^6.031…（１）
ｙ≦１０^-(x-59.67)／^6.656…（２）

以上のように、本実施の形態では、位置合わせ工程において、半導体チップ２および中間基板３のそれぞれの外部引出電極５，８および突起電極６は、上記した式（１），（２）を満たす温度ｘおよび曝露期間ｙの範囲内でしか大気に曝されないようにしたので、大気中に曝している間に外部引出電極５，８および突起電極６の表面に形成される酸化膜の厚さが所定の値よりも厚くなるのを防止することができる。その結果、その後の熱処理工程において、突起電極６を十分に濡らすことができ、半導体チップ２の突起電極６および中間基板３の外部引出電極８を確実に接合することができる。

また、上記したように、位置合わせ工程を低圧の雰囲気中で行う場合に比べて、半導体チップ２および中間基板３の位置合わせを容易に行うことができる。

従って、本実施の形態の半導体装置１の製造方法では、突起電極６と外部引出電極８との電気的な接触性を悪化させることなく、容易にフリップチップ接続させることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、突起電極６と外部引出電極８とを接合するようにしていたが、突起電極同士を接合するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、半導体チップ２と中間基板３とを接合するようにしていたが、半導体チップ２とプリント基板とを互いに接合するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、外部引出電極５，８および突起電極６の表面の酸化膜の除去に水素ラジカルを用いていたが、例えば、水素ガス、水素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、または水素ガスと窒素ガスとの混合ガスなどの還元性ガスや、蟻酸などの有機酸気化ガスを用いてもよい。

また、上記実施の形態では、リフローを行う際の熱処理装置５０内の雰囲気は、窒素ガスを含む低酸素濃度雰囲気であったが、不活性ガスと遊離基ガス、還元性ガスまたは有機酸気化ガスとの混合ガスであってもよく、例えば、窒素雰囲気に５％以下の水素ガスを混ぜた還元性雰囲気や、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガス雰囲気であってもよい。また、真空であってもよい。

また、位置合わせの際に、外部引出電極５，８や突起電極６の表面酸化膜を超音波などで軽減・除去するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、１つの半導体チップ２と、中間基板３とをフリップチップ接続する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１０に示したように、半導体素子４の上面にも外部引出電極５を有する半導体チップ９を半導体チップ２と中間基板３との間に設けた半導体装置に対しても、適用可能である。なお、半導体チップ２および１または複数の半導体チップ９からなる半導体素子が、本発明の「第１基板」の一例に相当する。また、本発明は、例えば、図１１に示したように、中間基板３上に複数の半導体チップ２を設けた半導体装置に対しても、同様に適用可能である。なお、複数の半導体チップ２が、本発明の「第１基板」の一例に相当する。

また、上記実施の形態では、酸化膜の除去と、フリップチップ接続とを互いに異なる装置で行うようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、互いに同一の装置で行うようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る半導体装置の断面構成図である。本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための流れ図である。酸化膜除去工程で用いられる装置の断面図である。リフロー工程で用いられる連続式装置の断面図である。リフロー工程で用いられるバッチ式装置の断面図である。位置合わせ工程における半導体チップおよび中間基板の断面図である。図６の続きの工程を説明するための断面図である。濡れ広がり率と曝露時間との関係図である。濡れ広がり率と温度との関係図である。本発明の一変形例に係る半導体装置の断面構成図である。本発明の他の変形例に係る半導体装置の断面構成図である。

符号の説明

１…半導体装置、２，９…半導体チップ、３…中間基板、４…半導体素子、５，８…外部引出電極、６…突起電極、７…絶縁基板、１０…酸化膜除去装置、１１，５１，６１…チャンバ、１１Ａ…上部室、１１Ｂ…下部室、１２…マイクロ波導入窓、１３…導波管、１４…マイクロ波発生装置、１５，２４，５７，６８…供給管、１６…水素ガス源、１７…シールド、１８，６２…支持台、１９，５５，６３…加熱器、２０，５６，６４…冷却器、２１，６５…排気口、２２，６６…真空ポンプ、２３，６７…圧力計、２５，５８，６９…窒素ガス源、２６，７０…制御部、５０…熱処理装置、５２…試料導入口、５３…試料取出口、５４…ベルトコンベア。

Claims

表面に電極を有すると共に、少なくとも一方の電極表面上に突起電極を有する第１基板および第２基板のそれぞれの電極または突起電極の表面に対して化学的処理を行ったのち、前記第１基板および第２基板を大気中に取り出す工程と、
前記大気中で前記第１基板および第２基板のそれぞれの電極および突起電極の位置合わせを行うと共に、前記第１基板および第２基板を低酸素濃度雰囲気中に入れる工程と、
前記低酸素濃度雰囲気中で前記第１基板および第２基板を前記突起電極の溶融する温度条件で熱処理を行う工程と
を含み、
前記位置合わせ工程において、前記第１基板および第２基板は、以下の式を満たす温度ｘ（℃）および曝露期間ｙ（秒）の範囲内でしか大気に曝されない
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
温度ｘが３６℃以下のときには、ｙ≦１０^-(x-57.45)／^6.031…（１）
温度ｘが３６℃より大きいときには、ｙ≦１０^-(x-59.67)／^6.656…（２）
前記化学的処理は、前記電極または突起電極の表面を、遊離基ガス、還元性ガスまたは有機酸気化ガスに曝すことにより行われる
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。
前記低酸素濃度雰囲気は、不活性ガスと遊離基ガス、還元性ガスまたは有機酸気化ガスとの混合ガス、または真空であり、
前記低酸素濃度雰囲気中に含まれる酸素濃度は、１００ｐｐｍ以下である
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。
前記遊離基ガスは、水素ラジカルを含む
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記還元性ガスは、水素ガス、水素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、または水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを含む
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記有機酸気化ガスは、蟻酸を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記不活性ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記突起電極は、銀、銅、ビスマス、インジウム、ニッケル、金、燐および鉛のうち少なくとも１つを含有する錫、または錫からなる
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。
前記突起電極は、めっき、印刷、ボールまたは蒸着により形成されている
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。
前記電極の表面は、銅、金、パラジウム、銀、インジウムまたは錫を含む
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。
前記第１基板および第２基板のいずれか一方が１または複数の半導体チップであり、他方が中間基板またはプリント基板である
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。