JP2019096783A

JP2019096783A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2019096783A
Application number: JP2017226008A
Authority: JP
Inventors: 三賀　大輔; Daisuke Sanga; 大輔三賀; 統多留木; Osamu Taruki
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: JP7069496B2

Abstract

【課題】基板と半導体素子との位置合わせ精度が高く、機械的強度が高い半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１の製造方法は、第１構造体１０の複数のパッド１２に、複数のバンプ３０を介して、複数の発光素子部２３を接合する工程を備える。第１構造体１０は、基板１１、基板１１上に設けられた複数のパッド１２、パッド１２間に配置されパッド１２同士を接続する導電膜１３、及び、導電膜１３を覆う絶縁層１４、を含む。前記方法は、バンプ３０の表面に導電材料を電解めっきする工程と、導電膜１３を絶縁化する工程と、を備える。【選択図】図４

Description

実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

発光装置等の半導体装置には、実装基板上に複数のパッドを設け、この複数のパッドにバンプを介して発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等の半導体素子を搭載するものがある。このような半導体装置においては、バンプを小型化するほど、実装基板に対して半導体素子を高精度に位置決めすることができる。しかしながら、バンプを小型化すると、実装基板と半導体素子との間の機械的強度が低下する。

特開２００９−７１１５６号公報

実施形態は、基板と半導体素子との位置合わせ精度が高く、機械的強度が高い半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１構造体の複数のパッドに、バンプを介して、半導体素子を接合する工程を備える。前記第１構造体は、基板、前記基板上に設けられた前記複数のパッド、前記パッド間に配置され前記パッド同士を接続する導電膜、及び、前記導電膜を覆う絶縁層、を含む。前記方法は、前記バンプの表面に導電材料を電解めっきする工程と、前記導電膜を絶縁化する工程と、を備える。

実施形態によれば、基板と半導体素子との位置合わせ精度が高く、機械的強度が高い半導体装置の製造方法を実現できる。

実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。図４の領域Ａを示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。実施形態に係る半導体装置を示す端面図である。図１２の領域Ｂを示す端面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。
図２〜図４は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。
図５は、図４の領域Ａを示す端面図である。
図６〜図１０は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す端面図である。
図１１は、本実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。
図１２は、本実施形態に係る半導体装置を示す端面図である。
図１３は、図１２の領域Ｂを示す端面図である。

以下、図面に基づいて詳細に説明する。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
さらに以下は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置の製造方法を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、理解を容易にする等のために誇張している場合がある。

（半導体装置１）
本実施形態に係る発光装置の製造方法によって得られる半導体装置１の構成について、図１１及び図１２を参照して説明する。
半導体装置１は、基板１１と、基板１１上に設けられた複数のパッド１２と、複数のパッド１２間に設けられ、複数のパッド１２に接した絶縁膜４５と、パッド１２上に接合された半導体素子２３と、パッド１２と半導体素子２３との間に設けられ、パッド１２及び半導体素子２３に接続された導電部材４２と、を備える。導電部材４２は、バンプ３０とめっき層４１とを含む。

（半導体装置１の製造方法）
先ず、図１及び図２に示すように、第１構造体１０を用意する。第１構造体１０においては、１枚の基板１１が設けられている。基板１１は例えば絶縁性部材からなる実装用の基板である。

基板１１上には、複数のパッド１２が設けられている。複数のパッド１２は、相互に離隔しており、例えば、マトリクス状に配列されている。なお、図１においては、図を簡略化するために、９つのパッド１２しか示していないが、基板１１上には、より多くのパッド１２が設けられていてもよい。パッド１２は、導電材料からなり、例えば、金属材料からなり、例えば、金（Ａｕ）等の貴金属からなる。各パッド１２の形状は、例えば矩形の板状である。

パッド１２間には、導電膜１３が設けられている。導電膜１３の平面視形状は、例えば、パッド１２間の隙間を埋めるような格子状である。導電膜１３は、パッド１２の材料とは異なる導電材料で形成され、例えば、酸化又は窒化等の化学反応により絶縁材料となり得る金属材料が挙げられる。このような金属材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）等からなる群より選択された少なくとも一種を含む金属材料が挙げられる。なかでもアルミニウム（Ａｌ）を単独で用いることが好ましい。アルミニウムは高温、高湿下に一定時間晒すことで酸化され酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）とすることができる。導電膜１３の側面は、パッド１２の側面に接している。これにより、導電膜１３はパッド１２同士を電気的に接続している。つまり、基板１１上の複数のパッド１２は、導電膜１３を介して電気的に接続されている。

導電膜１３上には、導電膜１３を覆う絶縁層１４が設けられている。絶縁層１４は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）等の絶縁性材料からなる。上方から見て、絶縁層１４の形状は、例えば、導電膜１３よりも太い幅の格子状である。絶縁層１４は、導電膜１３の上面を被覆するとともに、パッド１２の上面の少なくとも一部を被覆している。

一方、第１構造体１０とは別に、第２構造体２０を用意する。第２構造体２０は、例えば支持基板上に複数の半導体素子がアレイ状に形成された構造体である。第２構造体２０においては、例えばサファイア等の支持基板２１の下面に、半導体層２２が形成されている。半導体層２２の下面には、半導体素子としての発光素子部２３が複数形成されている。発光素子部２３は、第２構造体２０の下面を第１構造体１０の上面に重ねたときに、第１構造体１０のパッド１２に対向する位置に配置されている。すなわち、半導体層２２の下面には、複数の発光素子部２３が相互に離隔し、マトリクス状に配列されている。

次に、第１構造体１０のパッド１２に、バンプを介して半導体素子（つまり第２構造体２０の発光素子部２３）を接合する。
各発光素子部２３の下面には、複数のバンプ３０が形成されている。バンプ３０は、例えば、金からなる。バンプ３０は例えば先鋭バンプであり、バンプ３０の先端、すなわち、下端が尖っている。

次に、図３に示すように、第１構造体１０上に第２構造体２０を配置する。このとき、第２構造体２０の各半導体素子、すなわち、各発光素子部２３が、第１構造体１０の各パッド１２に対向するように、第２構造体２０を第１構造体１０に対して配置する。この結果、各発光素子部２３の下面側に形成されたバンプ３０の先端が、パッド１２の上面に当接する。

次に、例えば、第２構造体２０に第１構造体１０に向かう方向の荷重、及び超音波を印加することにより、バンプ３０をパッド１２に接合する。これにより、半導体素子である発光素子部２３が、バンプ３０を介して、パッド１２に接合される。なお、本明細書において、「接合」とは、複数の部材同士が電気的に接続されると共に、機械的に連結されることをいう。これにより、第１構造体１０にバンプ３０を介して第２構造体２０が接合された第３構造体４０が作製される。

次に、前記バンプの表面に導電材料を電解めっきする。
図４に示すように、第３構造体４０に導電材料、例えば、貴金属、例えば金を電解めっきする。これにより、バンプ３０の表面に、導電材料、例えば、金からなるめっき層４１が形成される。

このとき、基板１１上の複数のパッド１２は、導電膜１３を介して相互に接続されており、バンプ３０はいずれかのパッド１２に接続されているため、めっき層４１は、全てのパッド１２の表面、及び、全てのバンプ３０の表面に形成される。バンプ３０及びめっき層４１により、導電部材４２が構成される。導電部材４２の表面はめっき層４１によって形成され、バンプ３０は導電部材４２の内部に配置される。なお、導電膜１３は絶縁層１４によって覆われているため、導電膜１３の表面には、めっき層４１は形成されない。

図５に示すように、めっき層４１は、隣り合うバンプ３０間において、バンプ３０の側面及びパッド１２の上面に形成される。更に、めっき層４１は、発光素子部２３の下面の一部にも形成される。このため、バンプ３０間において、隣り合うバンプの表面に形成されためっき層４１同士が隙間なく密着し、めっき層４１により複数のバンプ３０が一体となる場合もあり、密着するめっき層４１間にボイド４３が形成される場合もあり、隣接するめっき層４１の一部が接することにより凹部４４が形成される場合もある。いずれの場合も、めっき層４１は隣接するバンプ３０間に形成されるため、ボイド４３の表面及び凹部４４の表面を含む導電部材４２の表面の形状は、凹面状を有する。また、隣り合うバンプ３０同士が導電材料からなるめっき層４１によって相互に接続されて、電気的に一体化する。

次に、導電膜１３を絶縁化する。
図６に示すように、第３構造体４０に対して、高温、高湿且つ高圧の環境下で酸化処理を施す。これにより、導電膜１３が酸化されて金属酸化物となり、絶縁膜４５が形成される。すなわち、導電膜１３が絶縁化する。この結果、パッド１２同士が絶縁膜４５によって電気的に分離される。なお、パッド１２、バンプ３０及びめっき層４１は、例えば金等の貴金属により形成されているため、酸化されにくい。

次に、図７に示すように、流動性のアンダーフィル材料４７を第１構造体１０と第２構造体２０との間に充填する。アンダーフィル材料４７は、樹脂材料からなる母材中に無機材料からなるフィラーを添加した材料とする。アンダーフィル材料４７の熱膨張を抑制するためには、フィラーの割合を可及的に多くして、樹脂材料の割合を可及的に少なくすることが好ましい。その後、アンダーフィル材料４７を硬化させる。

次に、図８に示すように、第３構造体４０から支持基板２１（図７参照）を除去する。

次に、図９に示すように、例えばエッチバック法により、第３構造体４０から半導体層２２（図８参照）を除去する。これにより、複数の発光素子部２３が相互に電気的に分離される。発光素子部２３の下面は導電部材４２に覆われ、側面はアンダーフィル材料４７に覆われ、上面は外部に露出する。
なお、半導体層２２は除去されずに、複数の発光素子部２３は半導体層２２で電気的に繋がっていてもよい。

次に、図１０に示すように、例えばエッチング加工を施して、発光素子部２３の上面を粗面化する。これにより、発光素子部２３からの光取り出し効率が向上する。

次に、図１１〜図１３に示すように、発光素子部２３の上面に、蛍光体層４９を形成する。蛍光体層４９は、例えば、スプレーによる塗布、又は、蛍光体を含有する透光部材を配置することにより形成する。蛍光体層４９においては、透明樹脂材料からなる母材中に、蛍光体粒子が分散されている。このようにして、本実施形態に係る半導体装置１が製造される。

次に、本実施形態の製造方法により製造された半導体装置１の構成について説明する。

（基板１１、パッド１２）
基板１１は、半導体素子としての発光素子部２３を配置させるための部材であり、半導体素子と外部電極を電気的に接続するためのパッド１２を有する。基板１１の主な材料としては、絶縁性材料が好ましく、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴレジン、ポリフタルアミド等の樹脂を挙げることができる。なお、樹脂を用いる場合には、必要に応じて、ガラス繊維、酸化ケイ素、酸化チタン、アルミナ等の無機フィラーを樹脂に混合してもよい。これにより、機械的強度の向上や熱膨張率の低減、光反射率の向上を図ることができる。また、基板１１は、金属部材の表面に絶縁性材料を形成したものでもよい。パッド１２は、上記絶縁性材料の上に、所定のパターンで形成される。パッド１２の材料として、少なくとも最表面に金、銀、プラチナ等の貴金属を含むことが好ましい。パッドは、めっき、蒸着、スパッタ等によって形成することができる。

（絶縁膜４５、絶縁層１４）
パッド１２間には、絶縁材料、例えば金属酸化物、例えばアルミニウム酸化物からなる絶縁膜４５が設けられている。絶縁膜４５の側面は、パッド１２の側面に接している。上方から見て、絶縁膜４５の形状は、パッド１２間を埋める格子状である。絶縁膜４５上、及び、パッド１２における絶縁膜４５側の部分上には、絶縁層１４が設けられている。絶縁層１４は、絶縁材料、例えば、絶縁膜４５とは異なる絶縁材料からなり、例えばシリコン酸化物からなる。絶縁膜４５の下面は基板１１に接し、側面はパッド１２に接し、上面は絶縁層１４に接している。

（半導体素子）
半導体素子としては、発光ダイオードを用いることが好ましい。発光ダイオードは、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光ダイオードとしては、ＺｎＳｅや窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰを用いたものを用いることができる。また、赤色の発光ダイオードとしては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる発光ダイオードを用いることもできる。用いる半導体素子の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。蛍光体を有する発光装置とする場合には、その蛍光体を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。

実施形態の半導体素子は、同一面側に正負の電極を有する発光素子であり、正負の電極が導電性接合部材を介して基板上にフリップチップ実装されている。発光素子は、電極の形成された下面と対向する上面を主な光出射面としている。このような発光素子は、バンプや導電ペーストなどの導電性接合部材を用いて基板上に接続されるため、金属ワイヤなどで接続される発光素子と比較して、電極と基板との接触面積を大きくでき、接続抵抗を低くできる。

（導電部材４２）
各パッド１２上には、導電部材４２が設けられている。導電部材４２はパッド１２に接し、従ってパッド１２に接続されている。導電部材４２においては、パッド１２に接した複数のバンプ３０と、バンプ３０間に設けられた導電性のめっき層４１が設けられている。めっき層４１は、バンプ３０の側面、パッド１２の上面、発光素子部２３の下面に設けられている。バンプ３０及びめっき層４１は、導電材料からなり、例えば貴金属からなり、例えば金からなる。バンプ３０の材料とめっき層４１の材料は同じでもよく、相互に異なっていてもよい。バンプ３０の材料とめっき層４１の材料が同じである場合は、バンプ３０とめっき層４１との界面が明瞭に観察されない場合もある。

導電部材４２の表面は、めっき層４１によって構成されており、バンプ３０は導電部材４２の内部に存在している。導電部材４２には、ボイド４３及び／又は凹部４４が形成されていてもよい。導電部材４２がボイド４３及び／又は凹部４４を有する場合、ボイド４３及び凹部４４の内面にもめっき層４１が露出している。ボイド４３の内面及び凹部４４の内面を含めて、導電部材４２の側面の形状は凹面状である。

（蛍光体層４９）
蛍光体層は、例えば、樹脂、ガラス、セラミックス等の透光性材料を蛍光体のバインダーとして混合したものを用いることができる。なかでも、蛍光体層４９は、透光性の樹脂材料に蛍光体粒子を含有させた蛍光体含有樹脂層であることが好ましい。樹脂材料としては、フェニルシリコーン樹脂やジメチルシリコーン樹脂を用いることができる。蛍光体としては、公知の蛍光体を適宜選択することができる。例えば、青色発光素子または紫外線発光素子で励起可能な蛍光体としては、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ）、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ：Ｃｅ）、ユウロピウムおよび／またはクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム系蛍光体（例えばＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２：Ｅｕ）、ユウロピウムで賦活されたシリケート系蛍光体（（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ）、β サイアロン蛍光体、ＣＡＳＮ系蛍光体（ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ）、ＳＣＡＳＮ系蛍光体（（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ）等の窒化物系蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ）、硫化物系蛍光体、量子ドット蛍光体等が挙げられる。これらの蛍光体と、青色発光素子または紫外線発光素子と組み合わせることにより、所望の発光色の発光装置（例えば白色系の発光装置）を製造することができる。白色に発光可能な半導体装置１とする場合、蛍光体層４９に含有される蛍光体の種類、濃度によって白色となるよう調整される。樹脂を含む溶媒に添加される蛍光体の濃度は、例えば、５〜５０質量％程度である。

（アンダーフィル材料４７）
基板１１上には、アンダーフィル材料４７が設けられている。アンダーフィル材料４７においては、樹脂材料からなる母材中に、無機材料からなるフィラーが含有されている。発光素子部２３の全体、絶縁膜４５、絶縁層１４、パッド１２及び導電部材４２の大部分、蛍光体層４９の上面を除く部分は、アンダーフィル材料４７で被覆されている。蛍光体層４９の上部は、アンダーフィル材料４７から露出している。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、図２に示すように、バンプ３０を細く形成することにより、図３に示す半導体素子を接合する工程において、バンプ３０をパッド１２に対して精度良く位置決めすることができる。また、小さいエネルギーでバンプ３０をパッド１２に接合できる。バンプ３０として先鋭バンプを使用すれば、位置決めの精度はより向上し、接合に必要なエネルギーはより減少する。

そして、図４に示すバンプの表面に導電材料を電解めっきする工程において、バンプ３０の表面、パッド１２の上面、及び発光素子部２３の下面に、導電性材料によるめっき層４１を形成する。これにより、バンプ３０がめっき層４１で被覆された導電部材４２が形成される。このように、バンプ３０がめっき層４１で被覆されることにより、バンプ３０よりも体積の大きな導電部材４２が、パッド１２と発光素子部２３との間の電流経路となり、実効的な電流経路を太らせることができる。この結果、パッド１２と発光素子部２３との間の電気抵抗が減少する。また、パッド１２と発光素子部２３との間の機械的強度が向上する。更に、パッド１２と発光素子部２３との間の熱伝導性が向上し、発光素子部２３の放熱性が向上する。

また、バンプ３０間にめっき層４１を形成することにより、アンダーフィル材料４７の充填量を低減できる。この結果、アンダーフィル材料４７に起因する熱応力を低減することができる。

更に、図４及び図５に示す電解めっき工程においては、パッド１２間に導電膜１３が設けられているため、全てのパッド１２及びこれらのパッド１２に当接したバンプ３０を電気的に接続し、全てのパッド１２及び全てのバンプ３０の表面に、めっき層４１を形成することができる。その後、図６に示す導電膜を絶縁化する工程において、導電膜１３を酸化して絶縁膜４５とすることにより、パッド１２同士を絶縁することができる。

また、以上説明した半導体装置の製造方法においては、バンプ３０が形成された発光素子部２３とパッド１２とを接合するとして説明したが、例えばバンプ３０はパッド１２上に形成され、バンプ３０が形成されたパッド１２と発光素子部２３の下面とを接合してもよい。この場合でも、パッド１２上に、バンプ３０を細く形成することにより、半導体素子を接合する工程において、バンプ３０を発光素子部２３に対して精度良く位置決めすることができる。また、小さいエネルギーでバンプ３０を発光素子部２３に接合できる。

このように、本実施形態によれば、基板と半導体素子との位置合わせ精度が高く、機械的強度が高い半導体装置及びその製造方法を実現できる。

前述の実施形態は、本発明を具現化した例であり、本発明はこの実施形態には限定されない。例えば、前述の実施形態において、いくつかの構成要素若しくは工程を追加、削除又は変更したものも本発明に含まれる。

本発明は、例えば、発光装置及び演算装置等に利用することができる。

１：半導体装置
１０：第１構造体
１１：基板
１２：パッド
１３：導電膜
１４：絶縁層
２０：第２構造体
２１：支持基板
２２：半導体層
２３：半導体素子（発光素子部）
３０：バンプ
４０：第３構造体
４１：めっき層
４２：導電部材
４３：ボイド
４４：凹部
４５：絶縁膜
４７：アンダーフィル材料
４９：蛍光体層
Ａ、Ｂ：領域

Claims

基板、前記基板上に設けられた複数のパッド、前記パッド間に配置され前記パッド同士を接続する導電膜、及び、前記導電膜を覆う絶縁層、を含む第１構造体の前記複数のパッドに、バンプを介して、半導体素子を接合する工程と、
前記バンプの表面に導電材料を電解めっきする工程と、
前記導電膜を絶縁化する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
前記導電膜を金属により形成し、
前記絶縁化する工程は、前記導電膜を酸化させる工程を有する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記接合する工程において、複数の前記半導体素子が支持基板上に設けられており、前記複数の半導体素子が前記複数のパッドにそれぞれ接合される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記接合する工程において、前記複数のパッドに複数の前記バンプを介して前記複数の半導体素子を接合し、
前記電解めっきする工程において、前記発光素子部に接合された前記複数のバンプが前記導電材料によって相互に接続される請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体素子を接合する工程の前に、前記半導体素子に前記バンプを形成する工程をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
基板上に設けられたパッドに、複数のバンプを介して、半導体素子を接合する工程と、
前記複数のバンプに導電材料を電解めっきする工程と、
を備え、
前記電解めっきする工程は、前記導電材料により前記複数のバンプが一体となった導電部材を形成する半導体装置の製造方法。