JP2010114149A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より確実にバンプを接合することによって、信頼性の高い半導体装置を高い歩留りで製造す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】第１の基材１１の上に半田部２４ｂが形成される。半田部２４ｂに大気圧中でプラズマＰＬが照射される。このプラズマＰＬの照射の後に、第１の基材１１と第２の基材とが半田部２４ｂによって接合される。プラズマＰＬは半田部２４ｂの融点以上の温度を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半田部を有する半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の実装にＢＧＡ(Ball Grid Array)が用いられることがある。たとえば半導体チップが基板にＢＧＡを用いてフリップチップ実装されることがある。この際、ＢＧＡのバンプ間のピッチおよび各バンプの体積が十分に大きければ、半導体チップのバンプと、この半導体チップが実装される基板のバンプとが互いに接続されるために押し込まれる寸法を大きくすることができる。すなわちバンプ表面の酸化膜厚さに比して十分に大きな寸法だけバンプを押し込むことができるので、この酸化膜がバンプ接合の障害となることは少なかった。

しかし近年、バンプの狭ピッチ化・低バンプ化が進んでいることから、バンプが押し込まれる寸法を大きくすることが困難となってきた。このためバンプを確実に接合するために、接合前にバンプ表面の酸化膜を薄くする工程が必要となってきた。

酸化膜を薄くする手法として、たとえばフラックスを用いる技術がある。このフラックスは半導体装置を腐食することがあるので、洗浄によって除去される必要がある。この洗浄がバンプ接合前に行なわれる場合、フラックスを除去する専用工程が設けられることとなるので製造コストが増大する。またこの洗浄がバンプ接合後に行なわれる場合、バンプのピッチが小さい部分においてフラックスの洗浄が不十分となることがある。

また接合前のバンプを真空中でプラズマにより洗浄する方法が提案されている。この方法では工程の処理時間が長くなるという問題や、バンプにボイドが発生することがあるという問題がある。

そこでプラズマを大気圧中で照射する技術が提案されている。このような技術は、たとえば特開２００２−６４２６８号公報（特許文献１）および特開２００２−１５１５４０号公報（特許文献２）に開示されている。
特開２００２−６４２６８号公報 特開２００２−１５１５４０号公報

上記の技術ではバンプが確実に接合されないことがあったため、半導体装置の製造における歩留りが低下したり、半導体装置の信頼性が低下したりするという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より確実にバンプを接合することによって、信頼性の高い半導体装置を高い歩留りで製造することができる半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の一の実施の形態によれば、半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
第１の基材の上に半田部が形成される。半田部に大気圧中でプラズマが照射される。このプラズマの照射の後に、第１の基材と第２の基材とが半田部によって接合される。上記のプラズマは半田部の融点以上の温度を有する。

本発明の他の実施の形態によれば、半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
第１の基材の上に半田部が形成される。半田部に大気圧中でプラズマが照射される。プラズマが照射された後に、第１の基材と第２の基材とが半田部によって接合される。上記のプラズマの照射は、半田部を溶融させながら行なわれる。

上記の一の実施の形態によれば、プラズマが半田部の融点以上の温度を有することによって、より十分にバンプの酸化膜を除去することができる。これによってバンプがより確実に接合されるので、信頼性の高い半導体装置を高い歩留りで製造することができる。

本発明の他の実施の形態によれば、半田部を溶融させながらプラズマの照射が行なわれることによって、より十分にバンプの酸化膜を除去することができる。これによってバンプがより確実に接合されるので、信頼性の高い半導体装置を高い歩留りで製造することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態の半導体装置は、フリップチップＢＧＡパッケージ(Flip Chip Ball Grid Array Package)であって、配線基板１１（第１の基材）と、半導体チップ１２（第２の基材）と、半田接合部２４と、アンダーフィル樹脂材１３と、接着材２５と、ヒートスプレッダ１５と、電子部品３１と、半田ボール１６とを有する。

配線基板１１は、たとえば多層構造（図示せず）を有する。この多層構造は、たとえば樹脂からなる基材と、配線と、ビアコンタクトとから構成されている。半導体チップ１２は、複数の電極（図示せず）を有する。それぞれの電極は半田接合部２４を介して配線基板１１の所定の配線に電気的に接続されている。すなわち半導体チップ１２は、配線基板１１にフリップチップ接続されている。アンダーフィル樹脂材１３は、配線基板１１と半導体チップ１２との隙間に充填されている。

半田ボール１６は、配線基板１１の裏面（図中の下面）に設けられている。半田ボール１６は、本実施の形態の半導体装置を実装基板（図示せず）と接合するためのものである。

接着材２５は、たとえばシリコーン系接着材であり、半導体チップ１２とヒートスプレッダ１５とを接着している。ヒートスプレッダ１５は、配線基板１１の平面形状とほぼ同じ平面形状を有する金属板である。ヒートスプレッダ１５は、半導体チップ１２において発生した熱を外部に放散させる機能を有する。

電子部品３１は、配線基板１１と電気的に接続されている。電子部品３１は、たとえばチップコンデンサなどの受動部品である。

次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について、以下に説明する。
図２は、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。図２を参照して、配線基板１１の上に、半田からなる基板側バンプ２４ｂ（半田部）が形成される。この半田の組成は、たとえばＳｎ（錫）‐Ａｇ（銀）‐Ｃｕ（銅）である。また、この半田の融点は、たとえば２２０℃である。

基板側バンプ２４ｂの表面には自然酸化膜が形成される。また電子部品３１がリフロー法によって実装される。リフローの際の加熱によって、基板側バンプ２４ｂの自然酸化膜の厚さは、より大きくなる。

図３は、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。また、図４は、図３のプラズマヘッドの動きを示す概略的な平面図である。

図３および図４を参照して、配線基板１１の基板側バンプ２４ｂが形成された面が露出するように、配線基板１１がプラズマ照射ステージＳＰ上に載置される。プラズマ照射ステージＳＰは、たとえば真空吸着によって配線基板１１を固定する。またプラズマ照射ステージＳＰの有するヒータＨＰによって、配線基板１１が加熱される。これによって基板側バンプ２４ｂの温度が上昇する。

次に、大気圧中で、プラズマヘッドＰＨから基板側バンプ２４ｂにプラズマＰＬが照射される。好ましくは、プラズマＰＬは、Ａｒ（アルゴン）ガスおよびＮ₂（窒素）ガスの少なくともいずれかの不活性ガスと、Ｈ₂（水素）ガスとの混合ガスＧＰを用いて生成される。混合ガスＧＰの組成は、たとえば流量比としてＨ₂：Ｎ₂＝１：４またはＨ₂：Ａｒ＝１：２５である。

プラズマＰＬの照射の際、プラズマヘッドＰＨと基板側バンプ２４ｂとの間の距離、すなわちワーク・ヘッド間距離は、適宜調整される。またプラズマヘッドＰＨは、図３および図４の矢印Ｓ１およびＳ２に示すように走査される。これにより基板側バンプ２４ｂが形成された領域ＢＡ（図４）全体にプラズマＰＬが照射される。この走査の速度は、たとえば等速とされる。

またこの照射の際、プラズマＰＬに晒される基板側バンプ２４ｂおよびその近傍には雰囲気調整ガスＧＡが吹き付けられる。雰囲気調整ガスＧＡをより効率よく吹き付けるために、プラズマヘッドＰＨの周囲にカバーＣＶが設けられる。雰囲気調整ガスＧＡは、大気に比して基板側バンプ２４ｂを酸化させにくいガスである。すなわち雰囲気調整ガスＧＡは、大気中の酸素濃度に比して低い酸素濃度を有するガスであって、より具体的には、たとえば窒素ガスである。

プラズマＰＬの照射とヒータＨＰによる加熱とを受けた基板側バンプ２４ｂは、その融点以上まで加熱される。これによって基板側バンプ２４ｂは溶融される。このように基板側バンプ２４ｂをその融点以上まで加熱するためには、プラズマＰＬあるいはヒータＨＰの少なくともいずれかが、基板側バンプ２４ｂの融点以上の温度とされる。

好ましくは、基板側バンプ２４ｂの融点に比して、プラズマＰＬの温度は高く、かつヒータＨＰの温度は低くされる。たとえば、基板側バンプ２４ｂの融点が２２０℃となるような半田が用いられ、かつプラズマＰＬの温度がこの融点以上とされ、かつヒータＨＰの温度が１００℃以下とされる。プラズマＰＬの温度は、たとえばプラズマＰＬ中に熱電対温度計を挿入することで実測することができる。

図５は、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。図５を参照して、基板側バンプ２４ｂが露出するように、配線基板１１がボンディングステージＳＢ上に載置される。ボンディングステージＳＢに取り付けられたヒータＨＢｂによって基板側バンプ２４ｂは融点以下の設定温度まで加熱される。この設定温度は、融点が２２０℃の場合、たとえば２００℃である。

またチップ側バンプ２４ａが形成された半導体チップ１２がボンディングヘッドＢＨに吸着され、基板側バンプ２４ｂの上方に搬送される。そしてボンディングヘッドＢＨがボンディングステージＳＢに向かって変位することによって、チップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂとが互いに押し付けられる。このとき、チップ側バンプ２４ａおよび基板側バンプ２４ｂは、ボンディングヘッドＢＨのヒータＨＢａによって融点以上に加熱される。この融点が２２０℃の場合、たとえばヒータＨＢａの温度は２５０℃とされる。

図６は、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。また図７は、図６における半田接合部およびその近傍の概略拡大図である。主に図６および図７を参照して、溶融したチップ側バンプ２４ａおよび基板側バンプ２４ｂ（図５）が一体となって、半田接合部２４が形成される。この半田接合部２４によって、配線基板１１と半導体チップ１２とが互いに接合される。

図８〜図１１のそれぞれは、本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第５〜第８工程を概略的に示す断面図である。図８を参照して、配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂材１３が充填され、そして硬化される。これによってアンダーフィル樹脂材１３を介して半導体チップ１２と配線基板１１とが互いに密着される。図９を参照して、半導体チップ１２上に接着材２５が塗布される。図１０を参照して、接着材２５によって半導体チップ１２上にヒートスプレッダ１５が接着される。図１１を参照して、配線基板１１の裏面に形成された外部電極（図示せず）の上に半田ボール１６が形成される。

以上によって、図１に示す半導体装置が製造される。
図１２は、比較例における半田接合部およびその近傍の概略拡大図である。主に図１２を参照して、本比較例においては、プラズマＰＬ（図３）が照射されることなしに、図５に示すボンディングが行なわれる。すなわち基板側バンプ２４ｂの表面の酸化膜が除去されずにチップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂとが接合される。この結果、図７（本実施の形態）に比してチップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂとが十分に一体化しない。このため本比較例においてはチップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂとの接合が不十分となりやすい。

本実施の形態によれば、図３に示すように、基板側バンプ２４ｂを溶融させながらプラズマＰＬの照射が行なわれる。これによって基板側バンプ２４ｂの表面の酸化膜を十分に除去することができる。よってチップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂと（図５）が確実に接合されるので、接合性の高い半田接合部２４（図７）が形成される。これにより、信頼性の高い半導体装置を高い歩留りで製造することができる。

またプラズマＰＬ（図３）の照射は、真空中ではなく、大気圧中で行なわれる。これによって、真空引きが不要となり、プロセス温度の昇降速度が速くなる。これらの要因によって、プラズマＰＬの照射に関わる工程の時間を短くすることができる。またプラズマＰＬの照射に用いられる装置に真空チャンバーや真空ポンプを備える必要がないので、製造装置のコストを抑制することができる。また基板側バンプ２４ｂの内外の圧力差によって基板側バンプ２４ｂ内にボイドが形成されることを抑制することができる。

また混合ガスＧＰにＡｒ（アルゴン）およびＮ（窒素）の少なくともいずれかと、Ｈ（水素）とを含む混合ガスが用いられる。これにより、プラズマＰＬの温度を基板側バンプ２４ｂの融点以上まで容易に高めることができる。

なお、上記の実施の形態においては、基板側バンプ２４ｂのみにプラズマが照射され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、チップ側バンプ２４ａにプラズマが照射されてもよい。

また基板側バンプ２４ｂとチップ側バンプ２４ａとの両方にプラズマが照射されてもよい。以下に、この方法について説明する。

上述した図２〜図４の工程によって、配線基板１１（第１の基材）の上に基板側バンプ２４ｂ（第１の半田部）が形成され、基板側バンプ２４ｂに大気圧中でプラズマＰＬ（第１のプラズマ）が照射される。また半導体チップ１２（第２の基材）にチップ側バンプ２４ａ（第２の半田部）が形成され、チップ側バンプ２４ａに大気圧中でプラズマ（第２のプラズマ）が照射される。この第２のプラズマとしては、第１のプラズマ（プラズマＰＬ）と同様のものを用いることができる。

次に、上記のように第１および第２のプラズマのそれぞれが照射された基板側バンプ２４ｂおよびチップ側バンプ２４ａによって、配線基板１１と半導体チップ１２とが、図５〜図７と同様の工程により接合される。

本変形例によれば、プラズマ照射により、基板側バンプ２４ｂおよびチップ側バンプ２４ａの両方の表面の酸化膜を除去することができる。よってチップ側バンプ２４ａと基板側バンプ２４ｂとが、より確実に接合される。

またプラズマ照射は、真空中ではなく、大気圧中で行なわれる。これによって、真空引きが不要となり、プロセス温度の昇降速度が速くなる。これらの要因によって、プラズマの照射に関わる工程の時間を短くすることができる。またプラズマの照射に用いられる装置に真空チャンバーや真空ポンプを備える必要がないので、製造装置のコストを抑制することができる。またチップ側バンプ２４ａの内外の圧力差によってチップ側バンプ２４ａ内にボイドが形成されることを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半田部を有する半導体装置の製造方法に特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。 図３のプラズマヘッドの動きを示す概略的な平面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。 図６における半田接合部およびその近傍の概略拡大図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第５工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第６工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第７工程を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法の第８工程を概略的に示す断面図である。 比較例における半田接合部およびその近傍の概略拡大図である。

符号の説明

ＣＶ カバー、ＧＡ 雰囲気調整ガス、ＧＰ 混合ガス、ＨＰ ヒータ、ＰＨ プラズマヘッド、ＰＬ プラズマ、１１ 配線基板（第１の基材）、１２ 半導体チップ（第２の基材）、２４ 半田接合部、１３ アンダーフィル樹脂材、２５ 接着材、１５ ヒートスプレッダ、３１ 電子部品、１６ 半田ボール。

Claims (9)

1. 第１の基材の上に半田部を形成する工程と、
   前記半田部に大気圧中でプラズマを照射する工程と、
   前記照射する工程の後に、前記第１の基材と第２の基材とを前記半田部によって接合する工程とを備え、
   前記プラズマは前記半田部の融点以上の温度を有する、半導体装置の製造方法。
2. 第１の基材の上に半田部を形成する工程と、
   前記半田部に大気圧中でプラズマを照射する工程と、
   前記照射する工程の後に、前記第１の基材と第２の基材とを前記半田部によって接合する工程とを備え、
   前記照射する工程は、前記半田部を溶融させながら行なわれる、半導体装置の製造方法。
3. 前記プラズマは前記半田部の融点以上の温度を有する、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記照射する工程は、前記半田部をヒータによって溶融させながら行なわれる、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記プラズマは、アルゴンガスおよび窒素ガスの少なくともいずれかの不活性ガスと、水素ガスとの混合ガスを用いて生成される、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第２の基材は半導体チップである、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第１の基材は配線基板である、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記半田部を形成する工程と前記照射する工程との間に、前記配線基板上に電子部品がリフロー法によって実装される工程をさらに備えた、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 第１の基材の上に第１の半田部を形成する工程と、
   前記第１の半田部に大気圧中で第１のプラズマを照射する工程と、
   第２の基材の上に第２の半田部を形成する工程と、
   前記第２の半田部に大気圧中で第２のプラズマを照射する工程と、
   前記第１の基材と第２の基材とを、前記第１および第２のプラズマのそれぞれが照射された前記第１および第２の半田部によって接合する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。

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