JP2014090098A

JP2014090098A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2014090098A
Application number: JP2012239534A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Nakamura; 正利中村; Yasuhito Akutagawa; 泰人芥川; Hiroyuki Yoda; 博行依田
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP5924235B2

Abstract

【課題】接続部材に加わる応力を緩和すること。
【解決手段】半導体素子１１と、前記半導体素子と基板２１とを電気的および機械的に接続し、複数の金属粒子と前記複数の金属粒子間を接続するめっき層とを含み、金属３２と空洞３４が混在するポーラス構造を含む接続部材３０と、を具備する半導体装置。半導体素子１１上にマスク層を形成し、前記マスク層の開口内に複数の金属粒子３２ａを配置し、前記複数の金属粒子３２ａ間をめっきにより接続することにより、前記半導体素子と基板２１とを電気的および機械的に接続し、金属３２と空洞３４が混在するポーラス構造を含む接続部材３０を形成する半導体装置の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、例えばポーラス構造を含む接続部材を備える半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置の微細化に伴い、半導体素子と配線基板等の基板とを電気的および機械的に接続するピラー等の接続部材としてＣｕ等の金属を用いることが検討されている。

樹脂膜を貫通するポストに、銅粒子と銅粒子より平均粒径の小さい銀粒子とを用いることが知られている（特許文献１）。

特開２００６−１２０７１６号公報

半導体素子と基板とを接続する接続部材には、半導体素子と基板との熱膨張係数の差等により応力が加わる。応力により接続部材が剥がれることがある。一方、銅粒子と銀粒子を用いたポストを接続部材とする場合、銅粒子間を銀粒子で接続しているため、強度が弱い。

本半導体装置およびその製造方法は、接続部材に加わる応力を緩和することを目的とする。

半導体素子と、前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、複数の金属粒子と前記複数の金属粒子間を接続するめっき層とを含み、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材と、を具備することを特徴とする半導体装置を用いる。

半導体素子上にマスク層を形成し、前記マスク層の開口内に複数の金属粒子を配置し、前記複数の金属粒子間をめっきにより接続することにより、前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を用いる。

本半導体装置およびその製造方法によれば、接続部材に加わる応力を緩和することを目的とする。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の断面図であり、図２（ｃ）は、接続部材の拡大図である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。図９は、めっき処理を行う処理装置を示す模式図である。

まず、比較例を説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の断面図である。半導体素子１１においては、半導体基板１０上にパッド１２が形成されている。半導体基板１０には、例えばシリコン基板にトランジスタが形成されており、シリコン基板上に多層配線層が形成されている。パッド１２は、例えばＡｌを主に含む金属パッドである。半導体基板１０の上面は保護膜１４で覆われている。保護膜１４は、例えば絶縁性であり、例えばポリイミド樹脂を主に含む。半導体基板１０とパッド１２の間には、絶縁膜が形成されていてもよい。基板２１においては、絶縁基板２０上にパッド２２が形成されている。絶縁基板２０は、例えば配線基板であり、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂基板に配線が形成されている。パッド２２は、例えばＣｕを主に含む金属パッドである。絶縁基板２０の上面は保護膜２４で覆われている。保護膜２４は、例えば絶縁性であり、例えばポリイミド樹脂を主に含む。半導体素子１１と基板２１とは接続部材３０により電気的および機械的に接続されている。接続部材３０は、例えばめっきにより形成されたＣｕを主に含む。接続部材３０は、半田４０によりパッド２２と接続されている。半田４０は、例えばＡｇＳｎＣｕまたはＡｇＳｎを主に含む。

図１（ｂ）に示すように、半導体素子１１と基板２１との熱膨張係数の差等により、半導体素子１１に矢印５２、基板２１に矢印５０のように応力が加わる。熱応力は、例えばリフローのような熱処理の際に、接続部材３０の周囲が窒素ガス等の気体に露出している際に加わりやすい。この場合、接続部材３０は全体が金属のため接続部材３０では十分に応力の歪みを吸収できない。このため、矢印５４のように接続部材３０のパッド１２または２２との境界に応力が集中する。符号５６に示すように、接続部材３０は、パッド１２または２２から剥がれる。またはパッド１２または２２が半導体基板１０または絶縁基板２０から剥がれる。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。図２（ｃ）は、接続部材の拡大図である。図２（ａ）に示すように、接続部材３０は、半導体素子１１と基板２１とを電気的および機械的に接続する。接続部材３０は、金属３２と空洞３４とが混在するポーラス構造である。図２（ｃ）に示すように、金属３２は、複数の金属粒子３２ａと複数の金属粒子３２ａを接続するめっき層３２ｂを含んでいる。その他の構成は比較例と同じであり、説明を省略する。

図２（ｂ）に示すように、接続部材３０がポーラス構造を備えるため、接続部材３０の空洞３４が歪みを吸収し柔らかくなる。このため、半導体素子１１に矢印５２の応力、基板２１に矢印５０の応力が加わった場合、接続部材３０は角度θ傾く。これにより、接続部材３０の付け根に矢印５４の応力の集中が緩和できる。よって、接続部材３０の剥離等を抑制できる。

実施例１によれば、接続部材３０が金属３２と空洞３４とが混在するポーラス構造を含むため、図２（ｂ）のように、接続部材３０に加わる応力を緩和することができる。これにより、応力による接続部材３０の剥がれを抑制できる。また、図２（ｃ）のように、接続部材３０が複数の金属粒子３２ａと、複数の金属粒子３２ａ間を接続するめっき層３２ｂとを含む。金属粒子３２ａ間をめっきで接続するため、金属粒子３２ａ間の接続強度を大きくできる。

複数の金属粒子３２ａとめっき層３２ｂとは異なる金属を主成分としてもよいが、同じ金属を主成分とすることが好ましい。これにより、金属粒子３２ａとめっき層３２ｂとが一体化し、金属粒子３２ａ間の接続強度を大きくできる。金属としては銅を主成分とすることが好ましい。これにより、接続部材３０を低抵抗化できる。

次に、実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図３（ａ）から図８（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、半導体素子１１は、半導体基板１０、パッド１２および保護膜１４を含む。半導体基板１０は、例えばシリコン基板である。パッド１２は、例えばＡｌを主に含む金属膜である。保護膜１４は、例えばポリイミド樹脂等の樹脂を主に含む絶縁膜である。

図３（ｂ）に示すように、全面にシード層６０を例えばスパッタ法を用い形成する。シード層６０は、例えば半導体基板１０側からＴｉ膜およびＣｕ膜を含む金属層である。Ｔｉ膜およびＣｕ膜の膜厚は、例えば１００ｎｍおよび２５０ｎｍである。シード層６０は、半導体基板１０側からＴｉＷ膜およびＣｕ膜Ｔｉ等他の金属でもよい。図３（ｃ）に示すように、パッド１２に開口６４を備えるフォトレジスト６２をシード層６０上に形成する。開口６４の径は例えば３０μｍであり、例えば１０μｍから５０μｍである。フォトレジスト６２の膜厚は、例えば３５μｍである。フォトレジスト６２の膜厚は、接続部材３０の高さと半田４０の高さを考慮し設定する。

図４（ａ）に示すように、スキージ６６を用い、Ｃｕを主に含む金属粒子３２ａを含有するペースト４２を開口６４内に充填する。金属粒子３２ａの径は、適度に空洞が形成されるように、開口６４の径の１／５から１／２であることが好ましい。金属粒子３２ａの径は、例えば１０μｍとする。ペースト４２の溶剤は水溶性であることが好ましい。ペースト４２の溶剤としては例えば水を用いる。

図４（ｂ）に示すように、フォトレジスト６２上に開口６４を覆うようにシート６８を配置する。シート６８は、上下に貫通する複数の孔６９を備えている。孔６９は、金属粒子３２ａは通過しないが、水およびめっき液等の液体は通過する。例えば孔６９の径は金属粒子３２ａの径より小さい。孔６９は、水およびめっき液等を速く置換できるように、多数形成されていることが好ましい。シート６８は、親水性であり、電気めっき（電解めっき）に用いた際にめっきされないように絶縁性であることが好ましい。シート６８としては、例えば樹脂を主に含む

図５（ａ）に示すように、シート６８を介し開口６４内のペースト４２の溶剤を水４４に置換する。水４４内に矢印のような液流７０を形成することにより、ペースト４２と水４４との置換が容易となる。また、液流７０により、シート６８がフォトレジスト６２から剥がれないようになる。図５（ｂ）に示すように、シート６８を介し開口６４内の水４４をめっき液４６に置換する。なお、ペースト４２の溶剤がめっき液に溶けても問題ない場合は、図５（ａ）の工程を行わず、開口６４内のペースト４２の溶剤をめっき液４６に置換してもよい。

図６（ａ）に示すように、シード層６０を介し通電することにより、シード開口６４内のシード層６０と、シード層６０に接する金属粒子の外側とからＣｕめっきが始まる。シード層６０に接している金属粒子の周りにめっき層が形成される。図６（ｂ）に示すように、金属粒子の周囲のめっき層が厚くなり互いに電気的に接続されると、上部の金属粒子の周りにもめっき層が形成される。これにより、金属粒子同士をめっき層が接続する。これにより、複数の金属粒子は、めっき層により固定される。めっき層はシート６８側の固定された金属粒子から成長しやすく、連続して金属粒子が固定される。これにより、金属粒子とめっき層とにより開口６４が完全に塞がらず、空洞３４が形成される。これにより、接続部材３０としてピラーが形成される。また、接続部材３０の先端の金属粒子間の隙間をめっき層で埋めてもよい。これにより、接続部材３０上の半田をリフローしたとき（図８（ｂ）参照）に、ポーラス構造の空洞に半田が進入することを抑制できる。Ｃｕめっきの後、Ｎｉめっき等の接続部材３０とは別の材料のめっきを連続的に行ないＮｉめっき層等により金属粒子の隙間を埋めてもよい。接続部材３０の高さは、例えば３０μｍであり、例えば１０μｍから５０μｍである。

図７（ａ）に示すように、シート６８を介し開口６４内のめっき液４６を水４４に置換する。開口６４が、金属粒子とめっき層により完全には塞がっていないため、空洞３４内のめっき液４６を水４４に置換できる。図７（ｂ）に示すように、シート６８を介し開口６４内の水４４を半田めっき液４８に置換する。シード層６０を介し通電することにより、接続部材３０上に半田４０が形成される。

図８（ａ）に示すように、開口６４内の半田めっき液４８を水４４に置換した後、乾燥させる。その後、フォトレジスト６２を除去する。半田４０をマスクにシード層６０を除去する。図８（ｂ）に示すように、リフローすることにより半田４０を平坦化する。リフローは、例えば２３０℃から２５０℃の温度で行う。

その後、半田４０と基板２１のパッド２２とを電気的および機械的に接続する。これにより、実施例１に係る半導体装置が形成される。

図９は、めっき処理を行う処理装置を示す模式図である。図９に示すように、処理装置９０は、処理槽８０、貯液槽８８およびポンプ８９を備える。処理槽８０は第１槽８３と第２槽８２を備える。ウエーハステージ９２に半導体基板であるウエーハ１８を固定する。ウエーハ１８をシート６８を介し第１槽８３の開口に押し当てる。ウエーハ１８の前面には液流７０を発生させる液流装置８６を配置する。さらに、ウエーハ１８の前面にはアノード８４を配置する。めっき液４６は、貯液槽８８に貯められている。ポンプ８９は、めっき液４６を第１槽８３に供給する。めっき液４６は第１槽８３の上部から第２槽８２に注がれる。第２槽８２から貯液槽８８に戻る。アノード８４とウエーハ１８との間に電流を流すことにより、めっき層３２ｂおよび半田４０を形成することができる。このように、めっき層３２ｂおよび半田４０のめっきに、処理装置９０を用いることができる。

実施例１によれば、図４（ａ）のように、半導体素子１１上にフォトレジスト６２（マスク層）を形成する。フォトレジスト６２の開口６４内に複数の金属粒子３２ａを配置する。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、複数の金属粒子３２ａ間をめっきにより接続する。これにより、ポーラス構造を含む接続部材３０を形成できる。

また、図４（ａ）のように、複数の金属粒子３２ａと溶剤を含むペースト４２を印刷法により開口６４内に配置する。図６（ａ）および図６（ｂ）のように、複数の金属粒子３２ａ間を電気めっきにより接続する。これにより、ポーラス構造を含む接続部材３０を形成できる。

図５（ａ）および図５（ｂ）のように、開口６４上に複数の金属粒子３２ａの径より小さな孔６９を備えるシート６８を配置し、ペースト４２の溶剤とめっき液４６とを交換する。これにより、金属粒子３２ａが流出しないように、ペースト４２の溶剤とめっき液４６とを置換することができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）半導体素子と、前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、複数の金属粒子と前記複数の金属粒子間を接続するめっき層とを含み、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材と、を具備することを特徴とする半導体装置。
（付記２）前記複数の金属粒子と前記めっき層とは同じ金属を主成分とすることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記金属は銅を主成分とすることを特徴とする付記２記載の半導体装置。
（付記４）半導体素子上にマスク層を形成し、前記マスク層の開口内に複数の金属粒子を配置し、前記複数の金属粒子間をめっきにより接続することにより、前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記５）前記複数の金属粒子と溶剤を含むペーストを印刷法により前記開口内に配置することを特徴とする付記４記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記開口に前記複数の金属粒子の径より小さな孔を備えるシートを配置し、前記孔を介し前記溶剤とめっき液とを交換することを特徴とする付記５記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）前記複数の金属粒子間を電気めっきにより接続することを特徴とする付記４から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）前記複数の金属粒子間を前記金属粒子と同じ主成分の金属により接続することを特徴とする付記４から７のいずれか一項記載の半導体装置。
（付記９）前記金属は銅を主成分とすることを特徴とする付記８記載の半導体装置。

１１半導体素子
２１基板
３０接続部材
３２ａ金属粒子
３２ｂめっき層
３４空洞部
４２ペースト
４６めっき液
６８シート
６９孔

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、複数の金属粒子と前記複数の金属粒子間を接続するめっき層とを含み、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記複数の金属粒子と前記めっき層とは同じ金属を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
半導体素子上にマスク層を形成し、
前記マスク層の開口内に複数の金属粒子を配置し、
前記複数の金属粒子間をめっきにより接続することにより、前記半導体素子と基板とを電気的および機械的に接続し、金属と空洞が混在するポーラス構造を含む接続部材を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記複数の金属粒子と溶剤を含むペーストを印刷法により前記開口内に配置することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記開口に前記複数の金属粒子の径より小さな孔を備えるシートを配置し、
前記孔を介し前記溶剤とめっき液とを交換することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。