JP5140961B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子及びその製造方法、並びに半導体装置及びその製造方法に関し、特に、フリップチップ方式の実装形態におけるバンプ構造に関する。 The present invention relates to a semiconductor element and a manufacturing method thereof, and a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a bump structure in a flip chip mounting form.
フリップチップ方式を用いた半導体装置の実装形態において、接続材料に高融点はんだ(鉛(Pb)95%/錫(Sn)5%)等の鉛(Pb)を主成分としたはんだ材料が使用されている。図9は、フリップチップ方式のはんだバンプを使用した従来の半導体素子の構造の一例である。図9に示すように、半導体基板101上には、電極102とその電極102上に開口を有するカバーコート膜103が形成されている。そして、電極102上には密着層104及びバリアメタル層108を介して、はんだバンプ109が形成されている。
In a semiconductor chip mounting form using a flip chip method, a solder material mainly composed of lead (Pb) such as high melting point solder (lead (Pb) 95% / tin (Sn) 5%) is used as a connection material. ing. FIG. 9 shows an example of the structure of a conventional semiconductor element using flip-chip solder bumps. As shown in FIG. 9, an
図11に示すように、上述の従来の半導体素子は、以下のようにして製造される。先ず、半導体基板101の回路形成面上に形成された電極102及びこの電極102上に開口を有するカバーコート膜103上の全面に、スパッタ法により密着層104を形成する(図11(a)及び(b))。その後、フォトレジスト等を用いて基板の全面にめっきレジスト膜117を供給し、電極102上に開口部を設ける(図11(c))。次に、このめっきレジスト膜117の開口部にバリアメタル層108、はんだバンプ109となるはんだ層をめっき法にて充填させた後(図11(d))、アッシング等によりめっきレジスト膜117を除去し、はんだ層をマスクとして密着層104をエッチング除去する(図11(e))。最後に、この半導体基板101を加熱処理することで、はんだ層を溶融させ、球状のはんだバンプ109を形成する(図11(f))。なお、図示はしていないが、その他の従来のはんだバンプ製造方法として、バリアメタル層を形成後、はんだボールを搭載、又は印刷にてはんだ供給した後、はんだを溶融させバンプを形成する方法がある。
As shown in FIG. 11, the above-described conventional semiconductor element is manufactured as follows. First, an
また、近時、半導体基板と配線基板との熱膨張差によって生じる応力を緩和し、信頼性の高いフリップチップ接続構造を提供する技術が提案されている。このような接続構造として、半導体基板と配線基板との間にスタンドオフを確保する構造があり、一例として、特許文献1に開示された従来技術がある。図10は、特許文献1に記載の図1をもとに、従来のフリップチップ構造の半導体素子を模式的に示した断面図である。図10に示すように、半導体基板101上には電極102と、この電極102上に開口を有するカバーコート膜103が形成されている。更に、電極102上には、密着層104を介して、銅(Cu)からなる柱状バンプ107が形成されている。また、柱状バンプ107の側面には、酸化膜等からなる濡れ防止膜123が形成されている。このように、特許文献1では、バンプに銅(Cu)からなる柱状突起を用い、スタンドオフを稼ぐことで、配線基板の接続時にアンダーフィル樹脂の充填を容易にし、且つ信頼性の向上を図る構造としている。
Recently, there has been proposed a technique for relaxing a stress caused by a difference in thermal expansion between a semiconductor substrate and a wiring substrate and providing a highly reliable flip chip connection structure. As such a connection structure, there is a structure in which a standoff is ensured between a semiconductor substrate and a wiring substrate. As an example, there is a conventional technique disclosed in
また、上述とは別の高信頼性のフリップチップ接続構造として、絶縁性の樹脂からなる応力緩和層をはんだ接続部近傍に設ける構造が提案されている。例えば、特許文献2においては、半導体基板上の電極と、はんだバンプの下部電極との間に、複数の低応力耐熱性樹脂層及び少なくとも1層の導電層からなる多層配線層を設けた半導体素子が記載されており、この絶縁性の低応力耐熱性樹脂層が応力緩和層として機能する。また、特許文献3においては、配線基板側に絶縁性樹脂層を応力緩和層として内部に有する突起電極を形成し、この突起電極を介して、配線基板と半導体素子の電極部との間をはんだ接続している。
Further, as a highly reliable flip chip connection structure different from the above, a structure in which a stress relaxation layer made of an insulating resin is provided in the vicinity of a solder connection portion has been proposed. For example, in
また、特許文献4においては、導電性の樹脂からなる応力緩和層が設けられたフリップチップ接続構造が開示されている。即ち、半導体素子及び配線基板の電極端子同士の接続は、導電性樹脂を配線基板側に供給し、これを応力緩和層として半導体素子側の突起電極と接続することでなされる。このように、導電性の樹脂を使用することで、接続部の応力を緩和する構造が提案されている。
しかしながら、上述の従来技術には以下に示すような問題点がある。 However, the above-described prior art has the following problems.
近時、環境規制への対応として製造製品に対する鉛フリー化が急務とされ、フリップチップ方式を用いた半導体装置の実装形態においても、接続材料に高融点はんだ(Pb95%/Sn5%)等の鉛(Pb)を主成分としたはんだ材料から錫(Sn)を主成分としたはんだ材料に移行している。しかしながら、錫(Sn)を主成分としたはんだは、鉛(Pb)を主成分としたはんだと比較して、硬く変形しにくいため、配線基板と半導体素子との熱膨張差によって生じる応力を緩和しきれない。このため、半導体基板においては、電極の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜へのクラックが発生し破壊されてしまうという問題点がある。 In recent years, there has been an urgent need to eliminate lead in manufactured products in response to environmental regulations, and lead materials such as high-melting-point solder (Pb95% / Sn5%) are also used as connecting materials in flip-chip semiconductor device mounting forms. There is a shift from a solder material mainly composed of (Pb) to a solder material mainly composed of tin (Sn). However, since solder containing tin (Sn) as a main component is harder and less deformable than solder containing lead (Pb) as a main component, the stress caused by the difference in thermal expansion between the wiring board and the semiconductor element is alleviated. I can't do it. For this reason, in the semiconductor substrate, there is a problem that a crack is generated in the interlayer insulating film constituting the circuit formed under the electrode and is destroyed.
また、特許文献1においては、このような応力緩和を目的とした構造を開示しているが、Cu(銅)からなる柱状バンプを使用しているため、バンプ自体が硬い材質であり、バンプの変形による応力の緩和が困難である。従って、スタンドオフを稼ぎアンダーフィル樹脂の充填性が向上しただけでは応力緩和が十分に図れず、層間絶縁膜にクラックが発生するという問題点がある。
Further,
更にまた、特許文献2及び3においては、絶縁性の樹脂からなる応力緩和層をはんだ接続部近傍に設ける構造が提案されており、詳細には、特許文献2は、このような構造を半導体素子側に設けるものであり、特許文献3は、配線基板側に設けるものである。但し、配線基板上の電極との導通が得られるように構成する必要があり、このため、特許文献2では多層配線構造を構成し、また、特許文献3では、樹脂層を内部に有する突起電極を構成している。
Furthermore,
これに対して、特許文献4では、導電性の樹脂からなる応力緩和層を利用しており、絶縁性樹脂を使用する場合に比べて、より簡素な構造により応力緩和を図っている。しかしながら、特許文献4においては、導電性樹脂は配線基板側に供給されている。ところで、近時、パッケージの薄型化に伴い、半導体素子の厚さも薄くする必要があるため、バンプが形成された状態で半導体素子の裏面を研磨する。このため、半導体素子の製造工程において、ウェハの裏面研磨によって生じる外的応力がバンプを通じて層間絶縁膜にダメージを与えることが起こり得る。このように、特に半導体素子の裏面研磨工程で、半導体基板の電極の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜を破壊してしまうという問題点があるが、特許文献4においては、応力緩和層としての導電性樹脂を配線基板側に設けているため、このような問題に対処することが困難である。
On the other hand, in
また原因の一つとして、近時は、半導体素子の微細化と高性能化に伴い、回路を構成する層間絶縁膜に脆弱なLow−k(低誘電率)材料が適用されていることがあげられる。層間絶縁膜が従来のものより脆弱であるため、耐久性に乏しく、層間絶縁膜自体にクラックが発生し破壊し易いためである。 One of the causes is that, recently, with the miniaturization and high performance of semiconductor elements, fragile low-k (low dielectric constant) materials have been applied to interlayer insulating films constituting circuits. It is done. This is because the interlayer insulating film is more fragile than the conventional one, so that the durability is poor, and the interlayer insulating film itself is cracked and easily broken.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、半導体素子の製造工程、特に半導体素子の裏面研磨工程で生じる外的応力を緩和し、回路を構成する層間絶縁膜へのダメージを軽減できるバンプ構造を備えた半導体素子及びその製造方法、並びにこの半導体素子を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and alleviates external stress generated in the manufacturing process of a semiconductor element, particularly in the back surface polishing process of the semiconductor element, and reduces damage to the interlayer insulating film constituting the circuit. An object of the present invention is to provide a semiconductor element having a bump structure that can be formed, a method for manufacturing the same, a semiconductor device having the semiconductor element, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る半導体素子は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された電極と、この電極が形成された前記半導体基板上に形成され前記電極上に開口部が設けられたカバーコート膜と、前記開口部を含む前記電極上に形成された第1の密着層と、この第1の密着層を介して前記電極上に形成されその表面の少なくとも一部に平坦部が形成された導電性樹脂層と、この導電性樹脂層の前記平坦部上に形成された第2の密着層と、この第2の密着層上に形成された金属バンプと、を有し、前記導電性樹脂層は、第1の合金粒子と、この第1の合金の融点よりも低い低融点合金相を有する第2の合金粒子とを含有し、前記第1の合金粒子と前記第2の合金粒子とが金属間結合をすることにより導電性を有することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present onset Ming, a semiconductor substrate, an electrode formed on the semiconductor substrate, a cover coat film which is provided with an opening on the electrode is formed on the semiconductor substrate formed the upper electrode And a first adhesion layer formed on the electrode including the opening, and a conductive portion formed on the electrode through the first adhesion layer and having a flat portion formed on at least a part of the surface thereof. A conductive resin layer, a second adhesion layer formed on the flat portion of the conductive resin layer, and a metal bump formed on the second adhesion layer, and the conductive resin layer Contains first alloy particles and second alloy particles having a low melting point alloy phase lower than the melting point of the first alloy, and the first alloy particles and the second alloy particles are It is characterized by having electrical conductivity by bonding between metals.
前記金属バンプは、銅(Cu)からなる柱状バンプとすることができる。又は、前記金属バンプは、錫(Sn)を主成分とするはんだバンプとすることができる。 The metal bump may be a columnar bump made of copper (Cu). Alternatively, the metal bump may be a solder bump containing tin (Sn) as a main component.
また、前記第1及び第2の密着層は夫々、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)−タングステン(W)合金、若しくは銅(Cu)の単層又は1若しくは複数種数の層の積層とすることができる。 The first and second adhesion layers may each be a single layer of titanium (Ti), titanium nitride (TiN), titanium (Ti) -tungsten (W) alloy, or copper (Cu), or one or a plurality of types. It is possible to form a stack of these layers.
本発明に係る半導体装置は、前記半導体素子と、この半導体素子に対向して配置され前記半導体素子の電極に対応する位置にパッドを有する配線基板と、前記半導体素子と前記配線基板との間に形成された間隙に充填されたアンダーフィル樹脂と、を有し、前記アンダーフィル樹脂の弾性率及び熱膨張率は、前記導電性樹脂層を構成する樹脂の弾性率及び熱膨張率と同等であることを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes the semiconductor element, a wiring substrate disposed opposite to the semiconductor element and having a pad at a position corresponding to the electrode of the semiconductor element, and between the semiconductor element and the wiring substrate. An underfill resin filled in the formed gap, and the elastic modulus and thermal expansion coefficient of the underfill resin are equal to the elastic modulus and thermal expansion coefficient of the resin constituting the conductive resin layer. It is characterized by that.
本発明に係る半導体素子の製造方法は、半導体基板の回路形成面上に形成された電極及びこの電極上に開口部を有するカバーコート膜上の全面に第1の密着層を形成する工程と、前記電極が配置された位置に前記第1の密着層の上から導電性樹脂を供給する工程と、前記導電性樹脂を硬化させる工程と、高さのばらつきが無くその表面が平坦になるように前記導電性樹脂を研削する工程と、を有し、前記導電性樹脂は、第1の合金粒子と、この第1の合金の融点よりも低い低融点合金相を有する第2の合金粒子とを含有し、前記第1の合金粒子と前記第2の合金粒子とが金属間結合をすることにより導電性を有することを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first adhesion layer on an entire surface of a cover coat film having an electrode formed on a circuit formation surface of a semiconductor substrate and an opening on the electrode; A step of supplying a conductive resin from above the first adhesion layer to a position where the electrode is disposed, a step of curing the conductive resin, and a flatness of the surface without variation in height. have a, a step of grinding the electrically conductive resin, the conductive resin includes a first alloy particles, and a second alloy particles having a low low melting point alloy phase than the melting point of the first alloy contains, as the first alloy particles and the second alloy particles, characterized in that have a conductivity by the intermetallic bond.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の回路形成面上に形成された電極及びこの電極上に開口部を有するカバーコート膜上の全面に第1の密着層を形成する工程と、前記電極が配置された位置に前記第1の密着層の上から導電性樹脂を供給する工程と、前記導電性樹脂を硬化させる工程と、高さのばらつきが無くその表面が平坦になるように前記導電性樹脂を研削する工程と、前記第1の密着層を除去する工程と、前記半導体基板の回路形成面上に第2の密着層を形成する工程と、前記導電性樹脂の前記平坦部に金属バンプを形成する工程と、前記第2の密着層を除去する工程と、を有し、前記導電性樹脂は、第1の合金粒子と、この第1の合金の融点よりも低い低融点合金相を有する第2の合金粒子とを含有し、前記第1の合金粒子と前記第2の合金粒子とが金属間結合をすることにより導電性を有することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first adhesion layer on an entire surface of an electrode formed on a circuit formation surface of a semiconductor substrate and a cover coat film having an opening on the electrode; A step of supplying a conductive resin from above the first adhesion layer to a position where the electrode is disposed, a step of curing the conductive resin, and a flatness of the surface without variation in height. Grinding the conductive resin, removing the first adhesion layer, forming a second adhesion layer on a circuit formation surface of the semiconductor substrate, and the flat portion of the conductive resin. forming a metal bump, said removing the second contact layer, have a, the conductive resin includes a first alloy particles, low melting point lower than the melting point of the first alloy Second alloy particles having an alloy phase, the first alloy Characterized in that said particle second alloy particles have a conductivity by the intermetallic bond.
本願請求項1に係る発明によれば、電極と金属バンプとの間に導電性樹脂層を形成することにより、半導体素子の製造工程、特に半導体素子の裏面研磨工程で生じる外的応力に対し、この半導体素子側に形成された導電性樹脂層が緩衝材として機能し、電極の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜へのダメージを軽減させることが可能となる。
また、本願請求項1に係る発明によれば、半導体素子と配線基板との接続部に供給するアンダーフィル樹脂の弾性率及び熱膨張率等の特性と半導体素子の導電性樹脂層の弾性率及び熱膨張率等の特性とを同等程度とすることにより、熱サイクル等によって生じたアンダーフィル樹脂の変形に対し、導電性樹脂層が同じように変形し柔軟に追従することができる。従って、電極の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜、及び接続部へ印加される応力が軽減され、高い信頼性を得ることができる。
According to the invention of
Further, according to the invention of
また、本発明の半導体素子の実装時及び実装後において、半導体素子と配線基板との熱膨張差によって生じる応力に対し、導電性樹脂層が変形することで応力の緩和が図られる。従って、電極の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜への応力が軽減され、クラックの発生を抑制することが可能となる。また、同時に、接続部へのクラックの発生も抑制することができる。 In addition, when the semiconductor element of the present invention is mounted and after the mounting, the stress is reduced by the deformation of the conductive resin layer against the stress caused by the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the wiring board. Therefore, the stress on the interlayer insulating film constituting the circuit formed under the electrode is reduced, and the generation of cracks can be suppressed. At the same time, the occurrence of cracks in the connecting portion can be suppressed.
更にまた、導電性樹脂層の平坦部上に第2の密着層を介して金属バンプが形成されているため、金属バンプの高さばらつきがなく、半導体素子の実装において安定した接続状態を確保することが可能となる。 Furthermore, since the metal bump is formed on the flat portion of the conductive resin layer via the second adhesion layer, there is no variation in the height of the metal bump, and a stable connection state is ensured in the mounting of the semiconductor element. It becomes possible.
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の構成を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. First, a semiconductor element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態に係る半導体素子においては、配線層(図示せず)が形成された半導体基板1上に電極2が形成されており、この電極2の外周を含む半導体基板1上にはカバーコート膜3が形成されている。つまり、半導体基板1及び電極2は、電極2上に開口部を有するカバーコート膜3により覆われている。そして、電極2上には、第1の密着層4を介して、その表面に平坦部が形成された導電性樹脂からなる導電性樹脂層5が形成されている。更に、導電性樹脂層5の平坦部上には、第2の密着層6を介して、例えば銅(Cu)からなる柱状バンプ7が形成されている。第2の密着層6は、導電性樹脂層5の平坦部上に成膜されているため、その上面は同様に平坦である。第1及び第2の密着層6は、例えば、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)−タングステン(W)合金、若しくは銅(Cu)の単層又は1若しくは複数種数の層の積層を使用することができる。
As shown in FIG. 1, in the semiconductor element according to the present embodiment, an
また、ここで示した導電性樹脂とは、図3に示す様に、その断面形状が例えば楕円又はフレイク(剥片)形状の銀(Ag)等の材料からなる金属粒子10を樹脂成分11中に含有した樹脂であり、樹脂成分11が硬化した後、この金属粒子10同士が接触することで導電性が得られるものである。
In addition, as shown in FIG. 3, the conductive resin shown here includes, in the
また、樹脂成分11の特性は、半導体パッケージの信頼性規格を満足する特性であり、硬化後の熱膨張係数及び弾性率等の特性が、半導体素子の実装時に半導体素子と配線基板との間に充填され一般にアンダーフィル材料と呼ばれる樹脂の特性と同等なものが好ましい。
Further, the characteristics of the
更にまた、ここで示した銅(Cu)からなる柱状バンプ7の表面に、はんだ及び/又は金(Au)からなる層を形成した構造、及び柱状バンプ7の側壁に銅酸化膜等による濡れ防止膜を形成した構造も可能である。
Furthermore, a structure in which a layer made of solder and / or gold (Au) is formed on the surface of the
次に、上述の如く構成された本実施形態の動作について説明する。近時、パッケージの薄型化に伴い、半導体素子の厚さも薄くする必要があるため、バンプが形成された状態で半導体素子の裏面を研磨している。このため、半導体素子の製造工程、特に半導体素子の裏面研磨工程においては、バンプ接合部分に外的応力が発生するが、本実施形態においては、半導体素子側に形成された導電性樹脂層5がこのような外的応力を緩和する。また、半導体装置の組立工程中での加熱処理等の熱サイクルにより、半導体基板及び配線基板の温度が変化する。半導体基板及び配線基板の熱膨張係数は夫々異なるため、熱膨張量も相互に異なる。その結果、半導体基板と配線基板との間には、柱状バンプ7を介して相互に外的応力が印加される。しかしながら、その際、半導体素子側に形成された導電性樹脂層5が変形することで、このような外的応力が緩和される。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. Recently, as the package becomes thinner, the thickness of the semiconductor element needs to be reduced. Therefore, the back surface of the semiconductor element is polished with the bumps formed. For this reason, in the manufacturing process of the semiconductor element, in particular, in the back surface polishing process of the semiconductor element, external stress is generated at the bump bonding portion. In this embodiment, the
本実施形態においては、電極2上に第1の密着層を介してその上面に平坦部を有する導電性樹脂層5が形成され、更に、導電性樹脂層5の平坦部上に第2の密着層を介して柱状バンプ7が形成されている。このように、電極2と柱状バンプ7との間に導電性樹脂層5を形成することにより、半導体素子の製造工程、特に半導体素子の裏面研磨工程で生じる外的応力に対し、この半導体素子側に形成された導電性樹脂層5が緩衝材として機能し、半導体基板1内の層間絶縁膜へのダメージを軽減させることが可能となる。
In the present embodiment, a
また、本実施形態の実装形態において、実装時及び実装後の半導体素子と配線基板との熱膨張差によって生じる応力に対し、この導電性樹脂層5が変形することで応力の緩和が図られる。従って、電極2の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜への応力が軽減され、クラックの発生を抑制することが可能となる。また、同時に、接続部へのクラックの発生も抑制することができる。
Further, in the mounting form of the present embodiment, the stress is relieved by the deformation of the
更にまた、導電性樹脂層5の平坦部上に第2の密着層6を介して柱状バンプ7が形成されているため、柱状バンプ7の高さばらつきがなく、半導体素子の実装において安定した接続状態を確保することが可能となる。
Furthermore, since the
また、バンプを融点がはんだより高い銅(Cu)からなる柱状バンプ7とすることで、実装後におけるスタンドオフを確保できることから、応力緩和を図れると共に、隣接バンプとのはんだショート不良の抑制、アンダーフィル樹脂の封入性の向上が可能となり、微細ピッチの実装にも有効となる。
In addition, since the bumps are
次に、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の製造方法について説明する。図6は、第1の実施形態に係る半導体素子の製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、半導体基板1の回路形成面上に形成された電極2と、この電極2上に開口部を有すると共に電極2の端部を含む半導体基板1上に形成されたカバーコート膜3上の全面にスパッタ法等により第1の密着層4を形成する(図6(a)及び(b))。より具体的には、半導体基板1上に形成されたアルミニウム合金からなる配線層(図示せず)上に、厚さが例えば1μmのSiON及び厚さが6μmのポリイミドからなるカバーコート膜3を形成する。このカバーコート膜3に対して、配線層先端部に形成され辺の長さが120μm程度の例えば正方状の電極2上に、例えば直径70μmの開口部をSiON、ポリイミドの夫々に対して形成する。更に、カバーコート膜3及びカバーコート膜3の開口部全面に、例えば、チタン(Ti)、銅(Cu)の順に第1の密着層4をスパッタ法により形成する。このとき、チタン(Ti)の厚さは例えば30nm、銅(Cu)の厚さは例えば300nmである。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor element according to the first embodiment in the order of steps. First, the
その後、電極2上のカバーコート膜3が開口された部分に、第1の密着層4の上から印刷法等により導電性樹脂層5となる銀(Ag)等の金属粒子を含有した導電性樹脂を供給する(図6(c))。図6(c)においては、印刷スキージ16を使用し、印刷マスク5を介して、導電性樹脂を供給している。より具体的には、半導体基板1上に形成された電極2と相対する位置に直径70μmの開口部が形成された板厚約40μmの印刷用マスクを用い、例えば、金属粒子:銀(Ag)、ガラス転移温度Tg:約100℃、熱膨張係数:約100ppm/℃、弾性率:約5.8GPaの導電性樹脂を印刷法にて供給する。その他の樹脂供給方法として、ディスペンス、インクジェット法による供給方法、及び感光特性のある樹脂を用いてリソグラフィ法により必要な部分にのみ供給することも可能である。
Thereafter, a conductive material containing metal particles such as silver (Ag) which becomes the
次に、導電性樹脂層5を硬化させる。このとき、導電性樹脂の硬化後の形状としては、樹脂の流動性により電極2上のカバーコート膜3の開口部より数μm程度広く丸みを帯びた形状であり、その高さには、ばらつきが生じている。次に、高さばらつきがなく樹脂表面が平坦になるように樹脂層5を研削する(図6(d))。その後、第1の密着層4を、導電性樹脂層5をマスクとしエッチング除去する(図6(e))。
Next, the
次に、半導体基板1の回路形成面上の全面に第2の密着層6をスパッタ法にて形成する(図6(f))。第2の密着層6としては、例えば、厚さ30nmのチタン(Ti)、厚さ300nmの銅(Cu)を順にスパッタ法により形成する。次に、第2の密着層6の上からめっきレジスト膜17を供給した後、半導体基板1の電極2の位置に開口部を形成する。このとき、めっきレジスト膜17の開口サイズは、2層目の密着層である銅(Cu)のエッチングレートを考慮し、銅(Cu)からなる柱状バンプが所定のサイズとなる様に、サイズを調整する。その後、電解めっき法により銅(Cu)からなる柱状バンプ7を形成する。このとき、柱状バンプ7の寸法は、例えば、直径約88μm、高さ約70μmであり、導電性樹脂層5の平坦部内の位置に柱状バンプ7が形成される(図6(g))。最後に、めっきレジスト膜17をアッシング等により除去し、第2の密着層6を、柱状バンプ7をマスクとしエッチング除去する(図6(h))。
Next, the
本実施形態の製造方法においては、導電性樹脂層の形成時に導電性樹脂の研削加工を実施することで、高さばらつきがなく且つ平坦な導電性樹脂層5を形成することができる。従って、この導電性樹脂層5の平坦部上にバンプを形成することで、高さばらつきのない柱状バンプ7を形成することが可能となる。更に、半導体素子の回路形成面上の全面に第1の密着層4を供給した後に導電性樹脂層5の形成を行うことで、第1の密着層4が保護膜として機能し、樹脂供給時、研削時における印刷ダレ、研削屑等から半導体素子の回路面上に導電性樹脂が直接付着することを防止する。従って半導体素子への汚染を回避することが可能となる。
In the manufacturing method of the present embodiment, the
次に、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子を備えた半導体装置について説明する。図8は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子を備えた半導体装置の構成を示す断面図である。図8においては、第1の実施形態に係る半導体素子が、半導体基板1の電極2と相対する位置にパッド20が形成された配線基板18上に実装されている。即ち、配線基板18のパッド20上には、はんだ21が供給されており、半導体基板1側の柱状バンプ7とはんだ21とが接合されている。また、配線基板18上のパッド20が形成されてない領域には、ソルダーレジスト膜19が形成されている。更に、本実施形態の半導体素子と配線基板18との間の間隙、即ち、接続部である柱状バンプ7及びはんだ21により形成された両者の間の空間には、アンダーフィル樹脂22が封入されている。アンダーフィル樹脂22の特性は、導電性を除いては、半導体基板側に形成された導電性樹脂層5の特性と同等程度であることが好ましく、特に、アンダーフィル樹脂22硬化後の熱膨張係数及び弾性率が、導電性樹脂層5の樹脂の熱膨張係数及び弾性率と同等であることが好ましい。
Next, a semiconductor device including the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device including the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 8, the semiconductor element according to the first embodiment is mounted on a
半導体基板1側の柱状バンプ7の表面にはんだが供給されている場合は、配線基板18のパッド20上に金(Au)めっきを供給した構造又は銅(Cu)表面にフラックスを供給した構造をとることができる。また、このとき、ローカルリフロー方式により実装することで、更にスタンドオフを確保することが可能である。その他の接続構造として、半導体基板1側の柱状バンプ7の表面と配線基板18側のパッド20表面との金属の組合せを、金(Au)めっき同士、若しくは薄いはんだめっきと銅(Cu)、又は薄いはんだめっき同士の組合せとし、表面を清浄化して拡散接合技術で実装することが可能である。
When solder is supplied to the surface of the
このような半導体装置の実装構造においては、第1の実施形態の半導体素子と配線基板18との接合部に供給するアンダーフィル樹脂22の導電性を除いた特性(熱膨張率、弾性率等)を、導電性樹脂層5の樹脂の特性(熱膨張率、弾性率等)と同等程度とすることにより、実装後の温度サイクル等から生じたアンダーフィル樹脂22の変形に対し、導電性樹脂層5が柔軟に変形し追従することができる。従って、電極2の下に形成された回路を構成する層間絶縁膜、及び接続部へ掛かる応力を軽減し、高い信頼性を得ることができる。更に、拡散接合技術を適用した場合では、柱状バンプ7の表面が平坦化されていることによって、低ストレス実装が可能となる。
In such a semiconductor device mounting structure, characteristics (thermal expansion coefficient, elastic modulus, etc.) excluding the conductivity of the
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図8を参照して説明する。銅(Cu)からなる柱状バンプ7が形成された半導体基板1を、半導体基板1の電極2と相対する位置にパッド20が配置されている配線基板18にフリップチップ実装する。このとき、配線基板18のパッド20上にはSn−Ag−Cu系のはんだ21が供給されており、半導体基板1の柱状バンプ7の表面には、Sn−Ag系のはんだがめっき供給されている。実装時において、互いのはんだを溶融させ合い、パッド20と銅(Cu)からなる柱状バンプ7とを接続する。その後、半導体素子と配線基板18との接続部に、ガラス転移温度Tg:約125℃、熱膨張係数:約98ppm/℃、弾性率:約7.7GPaの樹脂特性を持つアンダーフィル樹脂22を封入する。最後に、アンダーフィル樹脂22を熱硬化させる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIG. The
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体素子について、図2及び図7を参照して説明する。図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体素子の構成を示す断面図であり、図7は、第2の実施形態に係る半導体素子の製造方法を工程順に示す断面図である。第1の実施形態においては、銅(Cu)等からなる柱状バンプを使用しているが、図2に示すように、本実施形態においては、第2の密着層6上のバンプとして、バリアメタル層8を介して形成されたはんだバンプ9を使用している。なお、その他の構成は、第1の実施形態の構成を示す図1と同様であるため、同一の構成物には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in the order of steps. In the first embodiment, columnar bumps made of copper (Cu) or the like are used, but as shown in FIG. 2, in this embodiment, the bump metal on the
はんだ材料には、錫(Sn)を主成分とした錫(Sn)−銀(Ag)系はんだ等を使用することが可能である。また、ここで、はんだバンプ9の直径は樹脂層5のサイズより大きくてよく、はんだバンプ9がバリアメタル層8を介し第2の密着層6と接続されている部分で、樹脂層5の平坦部内にあり、平坦部から突出していなければ良い。
As the solder material, tin (Sn) -silver (Ag) based solder containing tin (Sn) as a main component can be used. Here, the diameter of the solder bump 9 may be larger than the size of the
本実施形態においては、金属バンプ材質に銅(Cu)よりも柔らかいはんだ材を用いることによって、金属バンプ自体が変形しやすくなる。従って、金属バンプ自体が変形することで、半導体素子と配線基板1との熱膨張差によって生じる応力に対し、この応力を緩和できる能力を向上させることが可能となる。
In the present embodiment, by using a solder material softer than copper (Cu) as the metal bump material, the metal bump itself is easily deformed. Therefore, by deforming the metal bumps themselves, it is possible to improve the ability to relieve the stress caused by the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体素子の製造方法について説明する。図7に示すように、第2の実施形態は、図7(a)乃至図7(f)まで、第1の実施形態と同じ製造方法(図6(a)乃至図6(f))で形成する。次に、第2の密着層6上にバリアメタル層8をめっき法にて形成した後、同じめっきレジスト膜17ではんだバンプ9となるはんだ層をめっき法にて形成する(図7(g))。バリアメタル層8は、はんだバンプ9の主成分である錫(Sn)が第2の密着層6等に拡散することを防止する。錫(Sn)が第2の密着層6等に拡散した場合、硬く脆い合金層を形成してしまい、信頼性低下の原因となる。従って、錫(Sn)と拡散が進行しにくいニッケル(Ni)等の金属でバリアメタル層8を形成する。最後に第2の密着層6をはんだバンプ9となるはんだ層をマスクとしてエッチング処理し、半導体基板1を加熱処理することで球状のはんだバンプ9を形成することができる(図7(h))。なお、図7では、電解めっき法によりはんだバンプを形成しているが、バリアメタル層8を形成後、はんだボールを搭載、又は印刷にてはんだ供給した後、はんだを溶融させバンプを形成する方法によっても、はんだバンプを形成できる。
Next, a method for manufacturing a semiconductor element according to the second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 7, the second embodiment is the same manufacturing method (FIG. 6 (a) to FIG. 6 (f)) as the first embodiment from FIG. 7 (a) to FIG. 7 (f). Form. Next, after the barrier metal layer 8 is formed on the
本実施形態の製造方法においては、導電性樹脂からなる導電性樹脂層5を研削加工により平坦化しているので、その直上に形成する球状のはんだバンプ9の高さばらつきをなくすことができる。
In the manufacturing method of the present embodiment, since the
本実施形態の半導体素子を備えた半導体装置は、第1の実施形態と同様に構成することができる。即ち、図8において、第1の実施形態の半導体素子の替わりに第2の実施形態の半導体素子を使用すればよく、具体的には、銅(Cu)等からなる柱状バンプ7の替わりに、バリアメタル層8を介してはんだバンプ9を設けることにより、本実施形態の半導体装置を構成することができる。
A semiconductor device including the semiconductor element of the present embodiment can be configured in the same manner as in the first embodiment. That is, in FIG. 8, the semiconductor element of the second embodiment may be used instead of the semiconductor element of the first embodiment. Specifically, instead of the
本実施形態の半導体装置は、半導体素子をローカルリフロー方式で配線基板に実装することで接続後のスタンドオフを確保することが可能である。また、スタンドオフの確保、及び第1の実施形態と同様にアンダーフィル樹脂に対する半導体素子側の導電性樹脂層5の追従性、並びに、はんだバンプ9自体の変形の3つの相乗効果から応力緩和を図ることができ、接続信頼性を向上させることが可能となる。
The semiconductor device of this embodiment can secure a standoff after connection by mounting a semiconductor element on a wiring board by a local reflow method. In addition, stress relaxation is achieved from the three synergistic effects of securing the standoff and following the
次に、本発明の第3の実施形態について、図4を参照して詳細に説明する。図4は、第3の実施形態における導電性樹脂層の材料である導電性樹脂の構成を示す断面図である。本実施形態において、第1及び第2の実施形態と相違する点は、導電性樹脂層5に金属粒子10と金属ナノ粒子12とを含有した導電性樹脂を使用している点である(図4)。図4に示すように、本実施形態で使用される導電性樹脂は、その断面形状が例えば楕円又はフレイク(剥片)形状の銀(Ag)等の材料からなり、その粒径が0.1乃至5.0μm程度の金属粒子10と、粒径が1乃至20nm程度の金属ナノ粒子12とが、樹脂成分11の中に含有されている。そして、金属ナノ粒子12は、相互に隣接する金属粒子10間において、これらの金属粒子10間の導通を図るように多数個が集結している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conductive resin that is a material of the conductive resin layer according to the third embodiment. In this embodiment, the difference from the first and second embodiments is that a conductive resin containing
本実施形態においては、導電性樹脂層5形成工程での加熱処理時に金属ナノ粒子12が焼結し、金属粒子10間の接続が得られる。従って、金属粒子10同士の接触のみならず、金属ナノ粒子12が接続していることにより、電極と導電性樹脂層、及び導電性樹脂層と金属バンプ間で安定した導電性を得ることが可能となる。なお、導電性樹脂層5に含まれる金属ナノ粒子12の金属粒子10に対する割合としては、(金属ナノ粒子の含有質量)/(金属ナノ粒子の含有質量+金属粒子の含有質量)が10乃至70質量%の範囲にあることが好ましい。このように、金属ナノ粒子12を含有することにより、金属ナノ粒子12の融着反応で金属粒子10間を金属間結合することができ、より導電性が向上するという効果を奏する。その他の構成、動作、及び効果は、第1及び第2の実施形態と同様である。
In the present embodiment, the
次に、本発明の第4の実施の形態について、図5を参照して詳細に説明する。図5は、第4の実施形態における導電性樹脂層の材料である導電性樹脂の構成を示す断面図である。本実施形態において、第1、第2及び第3の実施形態と相違する点は、導電性樹脂層5に、母合金粒子13と低融点合金相を有する合金粒子14の2種類の粒子を混合させた導電性金属結合型の導電性樹脂を使用している点である(図5)。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conductive resin that is a material of the conductive resin layer according to the fourth embodiment. In the present embodiment, the difference from the first, second and third embodiments is that the
本実施形態においては、母合金粒子13と低融点合金相を有する合金粒子14とが樹脂層形成工程における加熱処理時に反応し、金属間結合する。母合金粒子13は、例えばCuからなり、低融点合金相を有する合金粒子14は、例えばSnからなる。更に、熱拡散により合金相が変化し、融点が上昇することで耐熱性が確保される。従って、第1、第2、及び第3の実施の形態よりも、電極と導電性樹脂層、及び導電性樹脂層と金属バンプ間の導電性を向上させることができる。なお、その他の構成、動作、及び効果は、第1、第2及び第3の実施形態と同様である。
In this embodiment, the
1、101;半導体基板
2、102;電極
3、103;カバーコート膜
4;第1の密着層
5;導電性樹脂層
6;第2の密着層
7;柱状バンプ
8、108;バリアメタル層
9、109;はんだバンプ
10;金属粒子
11;樹脂成分
12;金属ナノ粒子
13;母合金粒子
14;低融点合金相を有する合金粒子
15;印刷用マスク
16;印刷スキージ
17、117;めっきレジスト膜
18;配線基板
19;ソルダーレジスト膜
20;パッド
21;はんだ
22;アンダーフィル樹脂
23;濡れ防止膜
24;ドライフィルム
104;密着層
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