JP2013122964A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突起電極のコアとなる導電性樹脂に電解メッキ法で良質なメッキ膜を形成できる製造方法を提供する。
【解決手段】導電性樹脂をコアとする突起電極１５，１６を有するＬＥＤダイ１０の製造方法において、ウェハー３１に共通電極膜３２を形成し、共通電極膜３２上に樹脂コア１５ｂ，１６ｂを形成したら、樹脂コア１５ｂ，１６ｂに酸素プラズマ３５を当てる。その後、樹脂コア１５ｂ，１６ｂの表面に電解メッキ法でメッキ層１５ａ，１６ａを形成し、続いて突起電極１５，１６をマスクとして共通電極膜３２をエッチングし、最後にウェハー３１を切断しＬＥＤダイ２０を得る。
【選択図】図４

Description

本発明は、導電性樹脂をコアとする突起電極を備えた半導体素子の製造方法に関する。

突起電極を備えたベアチップ状態の半導体素子をマザー基板に直接的にフリップチップ実装することがある。特に半導体発光素子（以下とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）は、ダイオードであり、接続用端子を２個にまとめられことが多いため、配線ピッチの粗いマザー基板であってもフリップチップ実装しやすいと考えられる。しかしながらこれまでのＬＥＤダイは、ダイサイズ自体が小さく、さらに発光を阻害することからｎ電極をｐ電極に比べ極端に小さくしていたため、ＬＥＤダイとマザー基板との間の電極間ピッチの違いを補正することを目的として、いったんセラミックや金属、樹脂などからなる板材に電極を形成した回路基板（インターポーザともいう）上に実装しパッケージ化することが多かった。

最近では高輝度化にともないＬＥＤダイも大型化し、１ｍｍ×（０．５〜１）ｍｍ程度のものも入手できるようになってきた。このサイズになるとＬＥＤダイの底面において、突起電極のサイズや位置をある程度調整できるようになるため、マザー基板と同じピッチの接続電極が形成できるようになる。この結果インターポーザ用の回路基板を不要できる。ところが回路基板はインターポーザとしての機能以外に、汚染防止や応力緩和といった副次的な機能も担っていた。例えば回路基板がない場合には、水分や硫化物などの汚染物質がＬＥＤダイの絶縁膜に存在するピンホールから侵入し半導体層を劣化させてしまうことがある。これに対しては絶縁膜を２層化して補強することが考えられている。

応力対策にもいろいろな提案があり、そのなかでＬＥＤダイに設けた突起電極の柔軟性により外部から侵入してくる応力を分散させるものがある。例えば特許文献１の図１には、柔軟性の高い導電性樹脂をコア（以下とくに断らない限り樹脂コアと呼ぶ）とし、表面にメッキ層を備えた半導体チップ用バンプ（突起電極）が示されている。

特許文献１の図１を図５に示し説明を追加する。図５は従来例として示す突起電極（半導体チップ用電極バンプ）の断面図である。図５において半導体チップ１の下面にはアルミパッド２があり、さらにアルミパッド２の下面にバリアメタル層３がある。バリアメタル層３にはスクリーン印刷法で形成した導電性樹脂５（樹脂コア）が付着しており、導電性樹脂５の表面にＮｉメッキ層６とＡｕメッキ層７がある。導電性樹脂５はＡｇ等の金属粉末をフェノール樹脂、エポキシ樹脂等に混練したものである。なお一般に導電性樹脂は半田付けしにくいので表面にメッキ層を形成しておく。

特開平１１−１６８１１６号公報 （図１）

特許文献１はＮｉメッキ層６及びＡｕメッキ層７の形成方法について詳しく記載していない。メッキ法は、電解メッキ法、蒸着、スパッタ法などから選択できる。そこで本願の発明者は、特許文献１がＮｉ及びＡｕメッキ層６，７を電解メッキ法により形成したものと推定し、導電性樹脂からなるバンプ（樹脂コア）に電解メッキを施してみた。ところが電解メッキ法では良質なメッキ層を形成できなかった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、導電性樹脂をコアとする突起電極を備える半導体素子に対し、電解メッキ法を適用しても導電性樹脂表面に良質なメッキ層が形成できる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため本発明の半導体素子の製造方法は、導電性樹脂をコアとする突起電極を有する半導体素子の製造方法において、
ウェハーに共通電極膜を形成する共通電極膜形成工程と、
前記共通電極膜上に前記導電性樹脂により前記突起電極のコアを形成する樹脂コア形成工程と、
前記樹脂コアに酸素プラズマを当てるアッシング工程と、
前記樹脂コアの表面に電解メッキ法でメッキ層を形成する電解メッキ工程と、
前記突起電極を形成する領域以外の領域を占める前記共通電極膜を除去する共通電極膜除去工程と、
前記ウェハーを切断し前記半導体素子を得る個片化工程と
を備えることを特徴とする。

前記半導体素子が半導体発光素子であっても良い。

前記樹脂コア形成工程において前記共通電極膜上に前記突起電極を形成する領域が開口したマスク用樹脂を印刷し、前記開口部を金属ペーストで埋め、該金属ペーストを熱処理して前記樹脂コアを形成しても良い。

前記共通電極膜の表面にＡｕを損傷しないエッチング液でエッチングできる金属により低抵抗化金属層を形成し、前記突起電極の表面にＡｕメッキ層を形成しても良い。

前記低抵抗化金属層がＣｕからなっても良い。

本発明の半導体素子の製造方法では、突起電極のコアとなる樹脂コアをプラズマでアッシングしている。この工程により導電性樹脂の表面部に存在する金属粒子を覆っている薄い樹脂層が除去され、金属粒子表面が露出する。この状態で電解メッキを行うと金属粒子の露出面を核としてメッキ層が成長し最終的に良質なメッキ層が得られる。

本発明の実施形態の製造方法で製造されるＬＥＤダイの外観を示す図。 図１に示すＬＥＤダイの断面図。 図１に示すＬＥＤダイの製造工程の説明図。 図１に示すＬＥＤダイの製造工程の説明図。 従来例として示す突起電極の断面図。

以下、添付図１〜４を参照しながら本発明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、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。また本発明の半導体素子の製造方法はフリップチップ用の半導体素子に適用可能であるが、実施形態としては半導体発光素子（ＬＥＤダイ）について説明する。

添付図１〜４を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。まず図１と図２により、本発明の製造方法により製造されるＬＥＤダイ１０の構造を説明する。図１はＬＥＤダイ１０の外観を示す図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が底面図である。ＬＥＤダイ１０を上面から眺めると、長方形のサファイア基板１１が見える（ａ）。ＬＥＤダイ１０を正面から眺めると、サファイア基板１１の下にｎ型半導体層１２、絶縁膜１４、及び突起電極１５，１６が見える（ｂ）。ＬＥＤダイ１０を下から眺めると、絶縁膜１４に囲まれた領域に突起電極１５，１６が見える（ｃ）。なお参考のためｐ型半導体層１３（図２参照）の外延を点線で示した。サファイア基板１１、ｎ型半導体層１２及び絶縁膜１４の外延（平面的な外形）は等しい。このときｐ型半導体層１３の占める領域は、ｎ型半導体層１２等の占める領域の内側にあり、図の右側に切り欠いた部分がある。

次に図２によりＬＥＤダイ１０の内部構造を説明する。図２は図１（ａ）のＡＡ線に沿って描いたＬＥＤダイ１０の断面図である。ＬＥＤダイ１０において、サファイア基板１１の下面にｎ型半導体層１２が形成され、さらにｎ型半導体層１２の下面にｐ型半導体層１３がある。絶縁膜１４は、ｎ型半導体層１２の下面とｐ型半導体層１３を覆い、二つの開口部を有する。図の左側の開口部ではｐ型半導体層１３と突起電極１５が接続し、右側の開口部ではｎ型半導体層１２と突起電極１６とが接続している。突起電極１５，１６は、上部に共通電極膜１５ｃ，１６ｃがあり、共通電極膜１５ｃ，１６ｃの下部に樹脂コア１５ｂ，１６ｂを備え、樹脂コア１５ｂ，１６ｂの表面にメッキ層１５ａ，１６ａがある。突起電極１６は、マザー基板に半田接続しやすくするため平面サイズを大きくしてある。この結果、突起電極１６はｐ型半導体層１３の一部と絶縁膜１４を介して積層している。

サファイア基板１１は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１２０μｍである。ｎ型半導体層１２はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層１３は、反射層や原子拡散防止層などを含む金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１２の境界部にあり、平面形状はｐ型半導体層１３とほぼ等しい。絶縁膜１４はＳｉＯ２やポリイミドからなり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。突起電極１５，１６において、共通電極膜１５ｃ，１６ｃはＴｉＷとＣｕからなり、それぞれの厚さが１００ｎｍ程度である。樹脂コア１５ｂ，１６ｂはＡｇ粒子を含有したエポキシ樹脂であり、高さが数１０μｍ程度である。メッキ層１５ａ，１６ａは下地がＮｉ層で表面側がＡｕ層であり、それぞれ厚さが１μｍ〜５μｍ及び数１００ｎμｍである。

次に図３と図４によりＬＥＤダイ１０の製造方法を説明する。図３と図４はＬＥＤダイ１０の製造方法を示す説明図であり、各工程の代表的な状態を断面図として示している。（ａ）は、突起電極１５，１６を形成する前の状態のＬＥＤダイ１０が連結したウェハー３１を準備する工程である。ウェハー３１はサファイア基板１１上にｎ型半導体層１２、ｐ型半導体層１３及び絶縁膜１４が連続的に形成されたものである（図２参照）。ウェハー３１には突起電極１５，１６を形成した後で切断するとＬＥＤダイ１０となる部分が多数存在するが、図３，４では説明のため２個で示している。また、ｎ型半導体層１２や絶縁膜１４等（図２参照）の詳細な構造は図示していない。

（ｂ）はウェハー３１に共通電極膜３２を形成する共通電極膜形成工程を示している。まず（ａ）で準備したウェハー３１の電極面全体に対しスパッタ法でＴｉＷ層を形成する。ＴｉＷ層は厚さが１００ｎｍ程度である。次にＴｉＷ層上にＣｕ層を形成する。Ｃｕ層は共通電極膜３２を低抵抗化するための低抵抗化金属層であり、厚さは１００ｎｍ程度で良い。低抵抗化金属としては、Ａｕメッキ層にダメージを与えずエッチングできるものから選ばれ、Ｃｕ以外にはＡｌ，Ｔａ，Ｓｎなどがある。ＴｉＷ層だけでも電解メッキ用の共通電極膜として機能するが、電流分布を均一化しよりいっそう良質なメッキ層を得よう
とする場合は低抵抗化金属層を備えるのが好ましい。なおＣｕは酸化しやすいので、共通電極膜３２を形成したら短時間で次工程に進むのが良い。

（ｃ），（ｄ），（ｅ）は共通電極膜３２上に導電性樹脂により突起電極１５，１６のコア（樹脂コア１５ｂ，１６ｂ）を形成する樹脂コア形成工程を示している。先ず（ｃ）で示すようにマスク用樹脂３３を印刷する。このマスク用樹脂３３は、突起電極１５，１６を形成する領域が開口しており厚さが数１０μｍである。このマスク用樹脂３３は感光性レジストに対するホトリソグラフィ法で形成しても良い。次に（ｄ）に示すようにスキージ法によりマスク用樹脂３３の開口部を金属ペースト３４で埋める。金属ペースト３４は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はポリイミド樹脂にＡｇ等の金属粒を混練したものである。最後に（ｅ）で示すように、ウェハー３１を１２０℃〜１５０℃で２時間前後熱処理する。このとき樹脂コア１５ｂ，１６ｂが形成されるとともに、マスク用樹脂３３と金属ペースト３４が収縮しマスク用樹脂３３と樹脂コア１５ｂ，１６ｂとの間に隙間ができる。

（ｆ）は樹脂コア１５ｂ,１６ｂに酸素プラズマ３５を当てるアッシング工程を示している。酸素プラズマ処理は、高周波によって生成された原子状態の酸素を対象物に当てるものであり、対象物が有機物である場合、原子状態の酸素により対象物を穏やかに水と二酸化炭素に分解するものである。本工程では樹脂コア１５ｂ，１６ｂの表面を薄く覆っている有機膜を原子状態の酸素で除去している。

（ｇ）は樹脂コア１５ｂ，１６ｂの表面に電解メッキ法でメッキ層１５ａ，１６ａを形成する電解メッキ工程を示している。まずＮｉメッキ液にウェハー３１を浸し電解メッキ法でＮｉ層を形成する。次にＡｕメッキ液にウェハー３１を浸し電解メッキ法でＡｕ層を形成する。Ｎｉ膜を形成する最初の段階では（ｆ）で露出させた金属粒子の表面からＮｉ膜が成長し始め、その後樹脂コア１５ｂ，１６ｂ全体にＮｉ膜が広がる。

（ｈ）と（ｉ）は突起電極１５，１６を形成する領域以外の領域を占める共通電極膜３２を除去する共通電極膜除去工程を示している。まず（ｈ）に示すようにマスク用樹脂３３を除去する。この結果、突起電極１５，１６を形成する領域以外の領域に共通電極膜３２が露出する。次に（ｉ）に示すように突起電極１５，１６をマスクとして共通電極膜３２をエッチングする。まず塩化第二鉄溶液等のＣｕ用エッチング液で共通電極膜３２上のＣｕ層をエッチングする。このとき突起電極１５，１６上のＡｕメッキ層（メッキ層１５ａ，１６ａの表層側）はダメージを受けない。続いて過酸化水素水でＴｉＷ層だけをエッチングする。このときもＡｕメッキ層はダメージを受けない。この結果、最終的に突起電極１５，１６の下部にだけ共通電極膜１５ｃ，１６ｃが残る。

（ｊ）はウェハー３１を切断しＬＥＤダイ１０を得る個片化工程を示している。まずウェハー３１をダイシングシートに貼り付け、つづいてダイサーによりウェハー３１を切断する。

以上のように、ウェハー３１に形成した樹脂コア１５ｂ，１６ｂを酸素プラズマ３５でアッシングすることにより、メッキ層１５ａ，１６ａを電解メッキ法で形成できるようになった。なお樹脂コア１５ｂ，１６ｂは特許文献１のように印刷法で形成しても良い。ただ本実施形態のように先にマスク用樹脂３３を設け、その開口部に金属ペースト３４を充填する手法は、樹脂コア１５ｂ，１６ｂの形状を一定に保ち易いという特徴がある。

１０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
１１…サファイア基板、
１２…ｎ型半導体層、
１３…ｐ型半導体層、
１４…絶縁膜、
１５，１６…突起電極、
１５ａ，１６ａ…メッキ層、
１５ｂ，１６ｂ…樹脂コア、
１５ｃ，１６ｃ，３２…共通電極膜、
３１…ウェハー、
３３…マスク用樹脂、
３４…金属ペースト、
３５…酸素プラズマ。

Claims (5)

1. 導電性樹脂をコアとする突起電極を有する半導体素子の製造方法において、
   ウェハーに共通電極膜を形成する共通電極膜形成工程と、
   前記共通電極膜上に前記導電性樹脂により前記突起電極のコアとなる樹脂コアを形成する樹脂コア形成工程と、
   前記樹脂コアに酸素プラズマを当てるアッシング工程と、
   前記樹脂コアの表面に電解メッキ法でメッキ層を形成する電解メッキ工程と、
   前記突起電極を形成する領域以外の領域を占める前記共通電極膜を除去する共通電極膜除去工程と、
   前記ウェハーを切断し前記半導体素子を得る個片化工程と
   を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 前記半導体素子が半導体発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記樹脂コア形成工程において前記共通電極膜上に前記突起電極を形成する領域が開口したマスク用樹脂を印刷し、前記開口部を金属ペーストで埋め、該金属ペーストを熱処理して前記樹脂コアを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記共通電極膜の表面にＡｕを損傷しないエッチング液でエッチングできる金属によりで低抵抗化金属層を形成し、前記突起電極の表面にＡｕメッキ層を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記低抵抗化金属層がＣｕからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
   

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