JP2008016754A

JP2008016754A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008016754A
Application number: JP2006188901A
Authority: JP
Inventors: Yuji Shimizu; 裕司清水
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】有機不純物がパッドに付着した状態でも、その有機不純物が原因となって、半田中に気泡が発生することを防止した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】表面に電極パッド２０が設けられた半導体基板１０を加熱し、電極パッド２０に付着した有機不純物を揮発させる。その後、電極パッド２０上に半田を形成する。続いて、電極パッド２０上に形成された半田を溶融させることにより、電極パッド２０上に半田バンプを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１，２には、外部電極端子として半田バンプが設けられた半導体装置が開示されている。従来、かかる半田バンプの形成は、次のようにして行われていた。まず、例えば半田ペーストの印刷により、半導体基板の表面に設けられたパッド上に半田を形成する。その後、当該半田をリフローにより溶融し、上記パッド上に半田バンプを形成する。
特開２００１−４４２４０号公報特開平１０−２１４８３９号公報

しかしながら、上記パッドには、その形成時または形成後に、有機不純物が付着することがある。有機不純物がパッドに付着した状態で半田を形成した場合、リフロー時に、その有機不純物が原因となり、半田中に気泡が発生する。その気泡は、形成される半田バンプ内にボイドとして残存することとなる。このことは、当該半導体装置を配線基板等に接続する際に、接続不良を引き起こす一要因となってしまう。

本発明による半導体装置の製造方法は、表面にパッドが設けられた半導体基板を加熱する加熱工程と、上記加熱工程の後に、上記半導体基板の上記パッド上に半田を形成する半田形成工程と、上記パッド上に形成された上記半田を溶融させることにより、上記パッド上に半田バンプを形成するリフロー工程と、を含むことを特徴とする。ここで、「半導体基板」は、配線層が形成されたものを指し、ウエハ状態（ダイシング前の状態）にあってもよいし、チップ状態（ダイシング後の状態）にあってもよい。

この製造方法においては、パッド上に半田を形成する前に、半導体基板を加熱処理している。これにより、パッド上の有機不純物が炭化作用によって除去されるため、リフロー工程において半田中に気泡が発生するのを抑制することができる。

本発明によれば、半田バンプ内でのボイドの発生率を小さく抑えることが可能な半導体装置の製造方法が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

図１および図２を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を説明する。まず、半導体基板１０を準備する。半導体基板１０は、図３に示すように、シリコン基板等の基板部分１２と、その上に形成された配線層１４とを含んでいる。配線層１４上には、保護膜としてパッシベーション膜１６が形成されている。ただし、パッシベーション膜１６を設けることは必須ではない。

次に、半導体基板１０上に電極パッド２０を形成する（図１（ａ））。続いて、半導体基板１０を加熱する（加熱工程）。これにより、電極パッド２０に付着していた有機不純物９０は揮発し、電極パッド２０上から除去される（図１（ｂ））。このときの加熱温度は、後述するリフロー工程において半田３２を溶融させる際のピーク温度以上であることが好ましい。これらの加熱温度とピーク温度とが互いに略等しければ特に好ましい。また、加熱時間についても、リフロー工程において半田３２を溶融させる際の加熱時間と略等しいことが好ましい。

上記ピーク温度は、当然ながら、半田３２の溶融温度（半田３２を溶融するのに必要な最低温度）以上である。この溶融温度は、例えば、半田３２がＰｂ−Ｓｎ共晶半田の場合には１８３℃程度、９５Ｐｂ−５Ｓｎの場合には３２０℃程度、９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇ／０．５Ｃｕの場合には２２１℃程度である。参考として、Ｐｂ−Ｓｎ半田についての平衡状態図を図４に示す。同図において横軸はＰｂの組成割合（質量％）を表し、縦軸は溶融温度（℃）を表している。

次に、電極パッド２０の部分に開口部が形成された印刷マスク８２を半導体基板１０上に載置する（図１（ｃ））。この状態で、印刷マスク８２上に半田ペースト３０を盛った後、スキージ８４を用いたスキージ印刷法により、印刷マスク８２の開口部内に半田ペースト３０を充填させる（図２（ａ））。なお、半田ペースト３０はフラックスを含有している。続いて、印刷マスク８２を除去する。これにより、電極パッド２０上に半田３２が形成される（図２（ｂ））。ここで、有機不純物の電極パッド２０への再付着を抑えるという観点から、半田３２の形成は、半導体基板１０を加熱した後できるだけ早く行うことが好ましい。

次に、リフロー装置（図示せず）を用いて、リフロー工程を実行する。すなわち、半田３２を溶融させることにより、電極パッド２０上に半田バンプ３４を形成する。その後、フラックスの残渣を除去する。以上により、外部電極端子として半田バンプ３４が設けられた半導体装置１が得られる（図２（ｃ））。

本実施形態の効果を説明する。本実施形態においては、電極パッド２０上に半田３２を形成する前に、半導体基板１０を加熱処理している。これにより、電極パッド２０上の有機不純物が炭化作用によって除去されるため、リフロー工程において半田３２中に気泡が発生するのを抑制することができる。よって、半田バンプ３４内でのボイドの発生率を小さく抑えることが可能である。

特に半導体基板１０の加熱温度がリフロー工程において半田３２を溶融させる際のピーク温度以上である場合、ボイドの発生率を一層小さく抑えることができる。また、これらの加熱温度とピーク温度とが互いに略等しい場合、加熱工程とリフロー工程とを同一の温度条件で実行できるので、工程管理が容易となる。さらに、加熱工程における加熱時間とリフロー工程における加熱時間とが互いに略等しい場合には、工程管理が一層容易となる。

ところで、半田３２中での気泡の発生は、電極パッド２０に付着した有機不純物だけでなく、電極パッド２０またはパッシベーション膜１６（図３参照）中に含まれる水分またはガスによっても引き起こされることがある。すなわち、電極パッド膜やパッシベーション膜に、これらの膜の吸湿性により水分が取り込まれたり、成膜材料から発生したガスが取り込まれたりし、その水分やガスがリフロー時に気泡となって半田中に生成されてしまうことがある。この点、本実施形態によれば、かかる水分やガスについても、加熱工程において除去することができる。

本実施形態においては、半田３２の形成が半田ペースト３０の印刷により行われている。これにより、容易に半田３２を形成することができる。一方で、従来、このようにスクリーン印刷法を用いて半田を形成した場合には、その他の方法（例えばメッキ法）を用いた場合に比して、パッドに付着した有機不純物に起因して半田中に気泡が発生するという問題が顕著であった。したがって、スクリーン印刷法を用いて半田を形成する場合には、半田中での気泡の発生を抑制できる本発明が特に有用である。

半田ペースト３０がフラックスを含有している。これにより、半田バンプ３４の形成時に、当該半田バンプ３４を所望の形状に容易に成形することができる。
（第２実施形態）

図５を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を説明する。まず、第１実施形態と同様にして、半導体基板１０上に電極パッド２０を形成する（図５（ａ））。続いて、半導体基板１０を加熱する（加熱工程）。これにより、電極パッド２０に付着していた有機不純物９０が除去される（図５（ｂ））。

本実施形態において、この加熱工程は真空中で実行される。すなわち、真空ポンプ８８により内部が真空状態にされた熱処理装置８６中に半導体基板１０を配置し、加熱処理を行う。熱処理装置８６内の圧力は、０．１Ｐａ以下であることが好ましい。その後の工程は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、加熱工程を真空雰囲気中にて実行している。これにより、有機不純物の除去を一層効率的に行うことができる。このため、半田バンプ内でのボイドの発生率を、第１実施形態よりも更に小さく抑えることが可能である。本実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
（比較例）

図６および図７を参照しつつ、上記実施形態の比較例に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、半導体基板１１０上に電極パッド１２０を形成する（図６（ａ））。続いて、印刷マスク８２を半導体基板１１０上に載置する（図６（ｂ））。この状態で、印刷マスク８２上に半田ペースト１３０を盛った後、スキージ印刷法により、印刷マスク８２の開口部内に半田ペースト１３０を充填させる（図６（ｃ））。

このように、この比較例においては、上記実施形態とは異なり、電極パッド１２０の形成後、加熱処理を行うことなく半田ペースト１３０の印刷を行う。それゆえ、半田ペースト１３０の印刷後においても、電極パッド１２０上には有機不純物９０が付着したままである。

次に、印刷マスク８２を除去する。これにより、電極パッド１２０上に半田１３２が形成される（図７（ａ））。その後、リフローを行うことにより、電極パッド１２０上に半田バンプ１３４を形成する（図７（ｂ））。

本比較例においては、半導体基板１１０上に電極パッド１２０を形成した後、半田ペースト１３０を電極パッド１２０上に印刷するまでの間に、雰囲気からの汚染、或いは自己汚染等により、電極パッド１２０上に有機不純物９０が堆積する。有機不純物９０が堆積した状態で電極パッド１２０上に半田ペースト１３０の印刷を行うと、電極パッド１２０と半田ペースト１３０との間に有機不純物９０が存在した状態となる。

すると、その後のリフロー処理時に半導体基板１１０に熱が加わった際に、上記有機不純物９０が化学変化を起こし、ＣＯ_２に代表されるガス成分を生じさせる。また、半田ペースト１３０自体も加熱により溶融するため、有機不純物９０から発生したガスは、溶融した半田１３２中に取り込まれる。半田１３２中に取り込まれたガスの一部は半田１３２を通り抜けて大気中に放出されるが、残りは半田１３２中に残存する。したがって、この状態で半田１３２が固体化されることにより形成される半田バンプ１３４内では、ボイド１３６が発生する（図７（ｂ）参照）。

ボイド１３６の発生は、半田バンプ１３４の抵抗値特性の劣化、強いては半導体装置の特性の劣化につながる可能性がある。その結果、半導体装置の歩留まりが低下すると言う問題が生じる。例えば半田バンプ１３４の径の１／２以上の径をもつボイドが発生した場合に、当該半導体装置は不良と判定される。

図８は、実施形態と比較例との間で、半田ハンプ内でのボイドの発生率を比較した結果を示すグラフである。グラフ中の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）が、それぞれ、上記比較例、第１実施形態および第２実施形態についての結果を示している。グラフの縦軸は、バンプ径の１／２以上の径をもつボイドの発生率（％）、すなわち当該ボイドが発生している半田バンプ数の、検査対象とした半田バンプの総数に占める割合を表している。検査対象とした半田バンプの総数は、比較例、第１実施形態および第２実施形態の各々について、５０００〜７０００個程度とした。

このグラフからわかるように、上記実施形態によれば、比較例に比して、ボイドの発生率を大幅に低下させることができる。また、第２実施形態によれば、第１実施形態よりも更に低下させることができる。

本発明による半導体装置の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては半田ペーストの印刷により電極パッド上に半田を形成する例を示したが、メッキ法により形成してもよい。その場合、電極パッド上に形成された半田上にフラックスを塗布することが好ましい。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。実施形態に係る製造方法で用いられる半導体基板を示す断面図である。Ｐｂ−Ｓｎ半田についての平衡状態を示すグラフである。（ａ）および（ｂ）は、本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施形態の比較例に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。（ａ）および（ｂ）は、実施形態の比較例に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。実施形態と比較例との間で、半田ハンプ内でのボイドの発生率を比較した結果を示すグラフである。

符号の説明

１半導体装置
１０半導体基板
１２基板部分
１４配線層
１６パッシベーション膜
２０電極パッド
３０半田ペースト
３２半田
３４半田バンプ
８２印刷マスク
８４スキージ
８６熱処理装置
８８真空ポンプ
９０有機不純物

Claims

表面にパッドが設けられた半導体基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程の後に、前記半導体基板の前記パッド上に半田を形成する半田形成工程と、
前記パッド上に形成された前記半田を溶融させることにより、前記パッド上に半田バンプを形成するリフロー工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程においては、前記リフロー工程において前記半田を溶融させる際のピーク温度以上の温度で、前記半導体基板を加熱する半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程においては、前記リフロー工程において前記半田を溶融させる際のピーク温度と等しい温度で、前記半導体基板を加熱する半導体装置の製造方法。
請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程においては、前記リフロー工程において前記半田を溶融させる際の加熱時間と等しい加熱時間で、前記半導体基板を加熱する半導体装置の製造方法。
請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程は、真空中で実行される半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田形成工程においては、半田ペーストの印刷により、前記パッド上に前記半田を形成する半導体装置の製造方法。
請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田ペーストは、フラックスを含有している半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田形成工程においては、メッキ法により、前記パッド上に前記半田を形成する半導体装置の製造方法。
請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記パッド上に形成された前記半田上にフラックスを塗布する塗布工程を含む半導体装置の製造方法。
請求項７または９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記リフロー工程よりも後に、前記フラックスの残渣を除去する除去工程を含む半導体装置の製造方法。