JP2011023509A - 半導体装置の製造方法、および、これに用いる半導体製造装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、および、これに用いる半導体製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】配線基板の半田バンプと半導体素子側の半田バンプとを良好に接続する。
【解決手段】この半導体装置の製造方法は、基板１２に電極パッド１１を形成する電極パッド形成工程と、電極パッド１１上に、表面の少なくとも一部がフラックス１５で覆われた半田バンプ１４を形成する半田バンプ形成工程と、半田バンプ１４に反応性を有する酸素、例えば、オゾン（Ｏ３）ガスを供給する酸素照射工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、および、これに用いる半導体製造装置に関する。
近年、携帯電子機器等の小型化および高速動作化に伴い、半導体チップと配線基板の間をワイヤーボンディングで接続せずに、半田バンプにより接続するフリップチップ実装技術が広く使用されるようになってきた。このフリップチップ実装では、ワイヤーボンディングによる接続と比較し、接続配線長を短くでき良好な高速伝達特性を有すると同時にパッケージの小型化を行うことができる。
このような半田バンプを形成する方法として、特許文献１には、半田ペーストの塗布を印刷方式により行ってから、半田ペーストのリフロー中に水素プラズマを供給することによりフラックスを揮発させることが記載されている。これにより、良好な半田付けが可能になることが記載されている。
また、特許文献２及び３には、半田バンプ表面に形成された酸化膜を除去するために水素プラズマを用いる方法が記載されている。
特開２００４−６８１８号公報 特開２００７−２６６０５４号公報 特開２００８−４１９８０号公報
フラックスは半田溶融前の半田中の酸化物の除去及び、半田溶融中の半田の再酸化防止のために用いられる。しかし、このフラックスは以下のような問題のあることが、発明者の知見から明らかになった。フラックスの一部は、半田溶融の加熱処理中に熱変質（化学変化）を起こすことがある。特に、鉛（Ｐｂ）および錫（Ｓｎ）の混合系半田においてＰｂの配合量が９５％以上の場合には、半田の溶融温度が３００℃以上の高温になる。そのため、フラックスの化学反応が生じやすい。化学変化を起こしたフラックスは有機溶剤に溶解しにくいため、後の有機溶剤による除去処理を行っても、半田バンプの表面に残留する現象が生じる。
半田バンプ表面上にフラックスが残留した状態で基板に形成された半導体素子を配線基板に搭載すると、配線基板の半田バンプと半導体素子側の半田バンプとの間の電気的な接触不良が発生する。その結果、半導体装置の製造歩留まりを低下させるという不具合が生じる。
しかしながら、特許文献１〜３に記載の従来技術では、化学変化したフラックスを除去することができないという問題があった。
本発明によれば、基板に電極パッドを形成する電極パッド形成工程と、
前記電極パッド上に、表面の少なくとも一部がフラックスで覆われた半田バンプを形成する半田バンプ形成工程と、
前記半田バンプに反応性を有する酸素を照射する酸素照射工程と、
を含む半導体装置の製造方法
が提供される。
また、本発明によれば、電極パッドが形成され、フラックスを含む半田が塗布された基板を戴置するステージと、
前記電極パッドに塗布した前記半田を溶融させる加温部と、
前記半田の溶融により形成された半田バンプに対して反応性を有する酸素を供給する酸素供給部と、
を有する半導体製造装置
が提供される。
この発明によれば、半田を溶融させて半田バンプを形成させた後、反応性を有する酸素を供給する。これにより、半田の溶融の際の加熱処理により化学変化したフラックスを半田バンプから除去することができる。したがって、配線基板の半田バンプと半導体素子側の半田バンプとを良好に接続することができる。
本発明によれば、配線基板の半田バンプと半導体素子側の半田バンプとを良好に接続できるため、半導体装置の製造歩留まりが向上する。
実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 実施の形態の半導体装置の製造方法に用いる装置の模式図である。 実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 実施の形態の第２の変形例に係る半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 比較例としての半導体装置の製造方法を説明する模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、本実施の形態の半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。本実施の形態は、基板１２に電極パッド１１を形成する電極パッド形成工程（図１（ａ））と、電極パッド１１上に、表面の少なくとも一部がフラックス１５で覆われた半田バンプ１４を形成する半田バンプ形成工程（図１（ｃ））と、半田バンプ１４に反応性を有する酸素、例えば、オゾン（Ｏ３）ガスを供給する酸素照射工程（図１（ｅ））と、を含む。
以下、本実施の形態について具体的に説明する。まず、基板１２上の電極パッド１１（図１（ａ））に微小な半田粒とフラックスとを混練してペースト状にした半田ペースト１３を塗布する（図１（ｂ））。
半田ペースト１３を塗布する方法としては、基板１２上にレジスト膜を塗布し、パターニングした後に半田ペーストを刷り込む方法や、メタルマスクを半導体素子上に押し当てた後にメタルマスク上に半田ペースト１３を刷り込んで、電極パッド１１上に半田ペーストを印刷する方法がある。
ついで、半田の溶融温度以上の温度にて加熱処理を行う。加熱処理を施すと、半田ペースト１３は溶融して球状の半田バンプ１４となる。この際、半田ペースト１３中に含まれるフラックス１５は、半田の溶融前の半田中の酸化物除去及び溶融中の半田の再酸化防止という目的を達し、半田バンプ１４の表面に残留する（図１（ｃ））。
ここで、フラックスの一部は半田の溶融中に、炭化反応、酸化反応等の化学変化を起こす。たとえば、フラックスの成分の一種であるアビエチン酸は３００℃に加熱すると、ネオアビエチン酸に変化することが知られている。したがって、半田バンプ１４の表面には化学変化したフラックス１６も残留することとなる。
ついで、半田バンプ１４表面に残留したフラックス１５を除去する。フラックス１５を除去する方法には、たとえば、エチレングリコール等の有機溶剤を用いてフラックス１５を溶解させて除去する方法がある。このとき、化学変化したフラックス１６は有機溶剤には溶解しにくいため、有機溶剤による処理後にも、半田バンプ表面に残留する（図１（ｄ））。
ついで、一定時間オゾンガス（Ｏ３ガス）を照射する（図１（ｅ））。好ましくは、１０秒以上、より好ましくは２０秒以上、さらに好ましくは３０秒以上Ｏ３ガスを供給する。こうすることで、半田バンプ１４表面の化学変化したフラックス１６が二酸化炭素等のガス（ＣＯｘ）となって揮発し、除去される。Ｏ３ガスの照射時間は４０秒以下とするとフラックス１６を効率的に除去しつつスループットの低下を抑制することができる。
なお、このとき、Ｏ３ガスの照射に換えて、半田バンプ１４を酸素を含有するプラズマで処理してもよい。
ここで、Ｏ３ガスの照射により半田バンプ１４表面に酸化膜１７が形成される場合がある（図１（ｆ））。そこで、Ｏ３ガスの照射の後に、水素等の還元性を有するガスを照射して半田バンプ１４を処理することが好ましい（還元性ガス照射工程）。たとえば、半田バンプ１４に対し、一定時間、水素プラズマ処理を行うことができる（水素プラズマ照射工程）。これにより、半田バンプ１４に水素プラズマが照射され（図１（ｇ））、半田バンプ１４表面が還元される。このようにして、酸化膜１７を除去し、半田バンプ１４の形成が完了する（図１（ｈ））。
上記の工程を経ることで半導体素子および配線基板にそれぞれ半田バンプを形成し、互いの半田バンプを接続する。その後、任意の工程を行って、半導体装置を完成させる。
図２は、本実施の形態で用いる装置を示した概略図である。この装置は、電極パッド１１が形成され、フラックスを含む半田ペースト１３が塗布された基板１２を戴置するステージ１００と、電極パッド１１に塗布した半田ペースト１３を溶融させるヒーター（加温部）１０４と、半田ペースト１３の溶融により形成された半田バンプ１４に対してＯ３ガスを供給するＯ３ガス発生部（酸素供給部）１０１と、を有する。Ｏ３ガス発生部１０１のガスはバルブ１２０によりチャンバー１０６への供給量が調整される。
また、この装置は、水素ガスを供給する水素ガス供給部１０２（還元性ガス供給部）とプラズマ発生部１０５とをさらに有していてもよい。水素ガス供給部１０２の水素ガスは、バルブ１２５によりチャンバー１０６への供給量が調整される。プラズマ発生部１０５は、水素ガス供給部１０２によって供給された水素ガスから水素プラズマを発生させる。こうすることで、Ｏ３ガスによって半田バンプ１４に形成された酸化膜１７が水素プラズマ処理され、還元により除去される。チャンバー１０６は、排気用ポンプ１１５により、チャンバー１０６内のガスが排気される。排気用バルブ１１０は、チャンバー１０６からの排気量を調整する。
図２に示す装置では、一つのチャンバー１０６にヒーター１０４と、高周波電力が印加されてプラズマを形成するプラズマ発生部１０５と、を具備し、チャンバー１０６内にＯ３ガスおよび水素ガスを導入する構成となっている。プラズマ発生部１０５は、水素ガスが導入されたときに、高周波電力が印加され、水素プラズマがチャンバー１０６内に発生する。そのため、半田のリフロー処理、Ｏ３ガス照射による半田バンプ１４表面の化学変化したフラックス１６除去処理、及び、水素プラズマ照射による半田バンプ１４表面の酸化膜１７除去処理を連続処理として行うことができる。なお、Ｏ３ガス照射の代わりに、酸素を含有するプラズマで処理してもよい。
次に図２に示す装置を用いた本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。先ず、半田ペースト１３が電極パッド１１上に塗布された基板１２（図１（ｂ））を、図２に示すチャンバー１０６内のステージ１００上に載置する。引き続き、ヒーター１０４で基板１２を加熱して、半田ペースト１３を溶融させて半田バンプ１４を形成する（図１（ｃ））。半田バンプ１４を形成後に、基板１２をチャンバー１０６から一度取り出す。ここでは、チャンバー１０６内のヒーター１０４で基板１２を加熱する例を示したが、別の加熱装置を用いてもかまわない。次に、図２に示す装置とは別の洗浄装置にて、フラックス洗浄を行う（図１（ｄ））。フラックス洗浄は、エチレングリコール等の有機溶剤を用いる。フラックス洗浄した基板１２は再度チャンバー１０６内のステージ１００上に載置され、一定時間Ｏ３ガスが照射される（図１（ｅ））。なお、Ｏ３ガス照射の代わりに、酸素を含有するプラズマ、例えば酸素プラズマで処理してもよい。酸素プラズマは、酸素供給部１０１から酸素またはＯ３ガスをチャンバー１０６に供給しプラズマ発生部１０５に高周波電力を印加することで、発生させることができる。その後、水素ガス供給部１０２から水素ガスをチャンバー１０６内に供給し、プラズマ発生部１０５に高周波電力を印加して水素プラズマを発生させる（図１（ｇ））。Ｏ３ガスおよび水素プラズマ処理は図１の説明で用いた処理条件を用いる。
つづいて、本実施の形態の作用効果について図１を用いつつ説明する。本実施の形態の方法によれば、半田ペースト１３を溶融させて半田バンプ１４を形成させた後Ｏ３ガスを供給する。これにより、半田ペースト１３の溶融の際の加熱処理により化学変化したフラックス１６を二酸化炭素等のガス（ＣＯｘ）として揮発させ、半田バンプ１４から除去することができる。
また、本実施の形態の方法によれば、Ｏ３ガス処理により形成された半田バンプ１４表面の酸化膜１７に対しても、Ｏ３ガス処理後に水素プラズマ処理により還元して除去することができる。したがって、配線基板の半田バンプと半導体素子側の半田バンプとを良好に接続することができる。
本実施の形態では、変質したフラックスをＯ３ガスで除去し、引き続き、酸化した半田バンプ１４表面を水素プラズマ処理で還元することになるが、Ｏ３ガスで除去しきれなかった変質したフラックスは次に示すような作用によりさらに効果的に除去される。つまり、一度Ｏ３ガスにより酸化させることで、変質したフラックスは一旦酸化物に変換される。引き続く水素プラズマ処理により、酸化物は水素と結合して気体となり半田バンプ１４から除去される。このように、効果的に変質したフラックスを除去することが可能となる。この作用により、本実施の形態では、Ｏ３ガスのみおよび水素プラズマ処理のみで除去した場合と比較し効果的に変質したフラックスを除去することが可能となる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
[第１の変形例]
たとえば、実施の形態では、電極パッド１１上に半田ペースト１３を塗布する例を用いて説明したが、本発明では、電極パッド上にメッキ製法を用いて半田バンプを形成する方法を採用することもできる。
図３は、この第１の変形例を説明する図である。まず、電極パッド３１を形成した基板３２（図３（ａ））にフォトレジスト等のパターニング膜を用いてメッキ製法により、半田メッキ膜３３を電極パッド３１に形成する（図３（ｂ））。
ついで、パターニング膜であるフォトレジストを除去した後、電極パッド３１および半田メッキ膜３３を覆うようにフラックス３５を塗布する（図３（ｃ））。
ついで、加熱処理を行い、半田メッキ膜３３を溶融させて半田バンプ３４を形成する。このとき、フラックス３５の一部が化学変化を起こし、化学変化したフラックス３６が半田バンプ３４の表面に残留する（図３（ｄ））。
ついで、フラックス３５をエチレングリコール等の有機溶剤を用いて除去する（図３（ｅ））。このとき、化学変化したフラックス３６は、有機溶剤には溶解しにくいため、有機溶剤による処理後にも、半田バンプ３４表面に残留する。
ついで、一定時間、Ｏ３ガスを照射し、化学変化したフラックス３６を酸化させて二酸化炭素等のガス（ＣＯｘ）として揮発させる（図３（ｆ））。
ついで、Ｏ３ガス照射により半田バンプ３４表面に形成された酸化膜３７（図３（ｇ））を除去するため、水素プラズマ照射処理を施す（図３（ｈ））。一定時間の水素プラズマ照射処理により、半田バンプ３４表面上の酸化膜３７が除去され、半田バンプ３４の形成が完了する（図３(ｉ））。
このように、本発明では、印刷法およびメッキ製法のいずれの半田バンプの形成法にも対応可能である。これにより、半導体装置の製造歩留まりの低下を抑制することができる。
[第２の変形例]
上記に説明した変形例では、フラックス３５を用いたが、フラックス３５を用いない方法を採用することもできる。具体的に図４を用いて第２の変形例を説明する。図４において、電極パッド３１を形成した基板３２（図４（ａ））に、フォトレジスト等のパターニング膜を用いてメッキ製法により半田メッキ膜３３を形成するところまでは、上記変形例と同じである（図４（ｂ））。次に、図４（ｃ）において水素プラズマを照射しながら、半田メッキ膜３３を加熱し、半田バンプ３４を形成する。この第２の変形例では、フラックス３５を用いていないため、Ｏ３ガス照射が不要であり、工程数を削減できる。さらに、除去の難しい化学変化したフラックス３６が発生しないため、配線基板と半導体基板との半田バンプ接続を良好に行うことができるという効果が得られる。
以下に本発明の効果を検証した実験結果を示す。
実験は、図１で示す方法を用いて、基板１２上に半田バンプ１４を形成した。図１（ｆ）で示す工程では、Ｏ３ガスを照射する時間を変えて実験を行った。その他は実施例１と同様な操作を行った。そして、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、飛行時間型二次イオン質量分析）を用いてＣＨ３イオンを観測し、観測されたＣＨ３イオンをカウントして半田バンプ１４表面に付着するフラックス量を調べた。また、得られた半田バンプ１４と配線基板の半田バンプと接続し、接続不良の発生率を調べた。接続不良の発生率は、半田バンプの導通試験から求めた。
Ｏ３ガスを照射する時間は、０秒、１０秒、２０秒、３０秒、４０秒、５０秒、６０秒として実験を行った結果を図５に示す。
図５中、横軸はＯ３ガスの照射時間を示し、縦軸はＴＯＦ−ＳＩＭＳで観測されたＣＨ３イオンのカウント数を示す。図５から、Ｏ３ガス照射を行わない場合（Ｏ３ガス照射時間が０秒）の場合と比較し、Ｏ３ガス照射を１０秒以上行うと、半田バンプ１４表面に残留するフラックス量を約２分の１以下にできることがわかった。また、半田バンプ１４表面に残留するフラックス量はＯ３ガス照射時間が４０秒以上ではほぼ一定となることから、Ｏ３ガス照射時間としては、４０秒行えば充分であることがわかった。Ｏ３ガス照射時間を長くし過ぎると、半田バンプ１４表面の酸化も進むことを考慮すると、Ｏ３ガス照射時間は４０秒以下がよいと考えられる。
図６は、Ｏ３ガス照射時間を変えて半田バンプ１４を形成した基板１２を配線基板の半田バンプに接続した時の接続不良の発生率を示す。横軸はＴＯＦ−ＳＩＭＳで観測されたＣＨ３イオンのカウント数を示し、縦軸は接続不良発生率を示す。Ｏ３ガスを照射しない場合、接続不良発生率が１．５％以上あった。一方、Ｏ３ガスを照射する本発明の場合、Ｏ３ガス照射時間が１０秒、２０秒、３０秒と増加させるに従って、接続不良率は０．６％、０．３％、０．２％に減少しており、特に３０秒以上では接続不良の発生を著しく抑制することができることがわかった。
以上から、接続不良を抑えるためには、Ｏ３ガス照射時間としては、１０秒以上、より好ましくは２０秒以上、さらに好ましくは３０秒以上４０秒以下であればよいことが明らかとなった。
（比較例）
最後に本発明の比較例を示しながら本発明を説明する。
導通端子である半田バンプを形成する比較例の方法を図７（ａ）〜（ｄ）に示す。まず、基板９２に電極パッド９１を形成し（図７（ａ））、電極パッド９１上に、半田ペースト９３を塗布する（図７（ｂ））。半田ペースト９３には、たとえば、ロジンを主成分としたフラックスが含まれている。
ついで、電極パッド９１上に塗布された半田ペースト９３を、半田の溶融温度以上で加熱処理する。こうすることにより、電極パッド９１と半田とを化学結合させ、電極パッド９１上に半田バンプ９４を形成する（図７（ｃ））。
ここで、フラックス９５の使用目的は、半田溶融前の半田中の酸化物の除去及び半田溶融中の半田の再酸化防止である。そのため、半田バンプ９４を形成した後は、フラックス９５は不要となる。フラックス９５が半田バンプ９４に残留すると、他の部材との接続の際、他の基板等に形成された半田バンプとの接続不良を起こす。そのため、半田バンプ９４の形成後、半田バンプ９４の表面に残留したフラックス９５を除去することが一般的に行われている。従来のフラックス９５の除去方法としては、たとえば、有機溶剤による除去処理、および、これに続くＤＩＷ（Ｄｅ−Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ）を用いたリンス処理を行う方法がある。
この場合、半田バンプ９４上に化学変化（熱変質）したフラックス９６が一旦形成されてしまうと（図７（ｄ））、引き続く、有機溶剤による洗浄では除去できなくなってしまう。
一方、本発明では、このように熱変質したフラックス９６に対し、反応性を有する酸素を照射することにより、熱変質したフラックス９６を効果的に除去することができる。
なお、以上の説明では、Ｏ３ガスを用いたが、Ｏ３ガスに変えて酸素プラズマを用いてもよい。ガスチャンバーに酸素ガスを導入した後にプラズマ励起させることで、半田バンプに酸素プラズマを照射することができる。また、還元性ガスとして水素を例示したが、還元性を有すれば水素ガス以外でもかまわない。
１１ 電極パッド
１２ 基板
１３ 半田ペースト
１４ 半田バンプ
１５ フラックス
１６ 化学変化したフラックス
１７ 酸化膜
３１ 電極パッド
３２ 基板
３３ 半田メッキ膜
３４ 半田バンプ
３５ フラックス
３６ 化学変化したフラックス
３７ 酸化膜
９１ 電極パッド
９２ 基板
９３ 半田ペースト
９４ 半田バンプ
９５ フラックス
９６ 化学変化したフラックス
１００ ステージ
１０１ オゾンガス発生部
１０２ 水素ガス供給部
１０４ ヒーター
１０５ プラズマ発生部
１０６ チャンバー
１１０ 排気用バルブ
１１５ 排気用ポンプ
１２０ バルブ
１２５ バルブ

Claims (12)

  1. 基板に電極パッドを形成する電極パッド形成工程と、
    前記電極パッド上に、表面の少なくとも一部がフラックスで覆われた半田バンプを形成する半田バンプ形成工程と、
    前記半田バンプに反応性を有する酸素を照射する酸素照射工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  2. 前記反応性を有する酸素は、オゾンである請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記酸素照射工程において、前記半田バンプに酸素を含有するプラズマを照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記酸素照射工程において、前記半田バンプには酸化膜が形成され、
    前記酸素照射工程の後に、前記酸化膜を還元する還元性ガスを前記半田バンプに照射する還元性ガス照射工程を含む請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記還元性ガス照射工程は、水素プラズマを前記半田バンプに照射する水素プラズマ照射工程である請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記酸素照射工程において、前記オゾンを２０秒以上照射する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記酸素照射工程において、前記オゾンを４０秒以下で照射する請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半田バンプ形成工程は、
    フラックスを含む半田を前記電極パッドに塗布する工程と、
    前記電極パッドに塗布した前記半田を溶融させて半田バンプを形成する工程と、を有する請求項１乃至７いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記半田バンプ形成工程は、
    メッキ製法により半田メッキ膜を前記電極パッドに形成する工程と、
    前記半田メッキ膜上にフラックスを塗布する工程と、
    該フラックスを塗布した前記半田メッキ膜を溶融させて半田バンプを形成する工程と、を有する請求項１乃至７いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 電極パッドが形成され、フラックスを含む半田が塗布された基板を戴置するステージと、
    前記電極パッドに塗布した前記半田を溶融させる加温部と、
    前記半田の溶融により形成された半田バンプに対して反応性を有する酸素を供給する酸素供給部と、
    を有する半導体製造装置。
  11. 前記反応性を有する酸素により形成された酸化膜を還元する還元性ガスを供給する還元性ガス供給部をさらに有する請求項１０に記載の半導体製造装置。
  12. 前記還元性ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生部をさらに有する請求項１１に記載の半導体製造装置。
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