JP5217260B2 - 半導体ウエハーの接合方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 第1の半導体ウエハーと第2の半導体ウエハーとを積層して電気的に接続する半導体ウエハーの接合方法であって、
前記第1の半導体ウエハーの厚さ方向に貫通して設けられた複数の接続部を有する前記第1の半導体ウエハーと、
前記第2の半導体ウエハーの厚さ方向に貫通して設けられた複数の接続部と、前記第2の半導体ウエハーの裏面側において前記接続部の端部に接続された半田バンプとを有する前記第2の半導体ウエハーとを用意する第1の工程と、
前記第1の半導体ウエハーと、前記第2の半導体ウエハーとの間に、フラックス活性を有する硬化剤と、熱硬化性樹脂とを構成材料として含む接合層を介在させるとともに、前記第1の半導体ウエハーの機能面側における接続部の端部と、前記第2の半導体ウエハーの裏面側における半田バンプとが対応するように位置決めして、前記第1の半導体ウエハーと前記第2の半導体ウエハーとが積層された半導体ウエハー積層体を得る第2の工程と、
前記半導体ウエハー積層体を、加熱しつつ、その厚さ方向に加圧することにより、前記半田バンプを溶融・固化するとともに、前記熱硬化性樹脂を硬化して、前記第1の半導体ウエハーと前記第2の半導体ウエハーとが固着することにより、前記半田バンプの固化物で、前記第1の半導体ウエハーの接続部と前記第2の半導体ウエハーの接続部とが電気的に接続された半導体ウエハー接合体を得る第3の工程とを有し、
前記接合層は、酸化処理した銅板の表面に該接合層を形成して、大気中、230℃で1分間還元処理したとき、下記式(I)で表される該銅板の酸化銅還元率が70%以上のものであることを特徴とする半導体ウエハーの接合方法。
酸化銅還元率(%)={1−(還元処理後のO原子濃度)/(酸化処理後のO原子濃度)}×100 ・・・式(I)
前記個片化した半導体素子を基板に搭載する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
図2は、半導体装置の製造方法を説明するための縦断面図、図3は、半導体ウエハー同士を接合する第1の接合方法を説明するための縦断面図、図4は、半導体ウエハー同士を接合する第2の接合方法を説明するための縦断面図である。なお、以下の説明では、図2〜図4中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
まず、半導体ウエハーの第1の接合方法を用いて半導体ウエハー接合体240を得る方法について説明する。
[ただし、式中、nは、0以上20以下の整数を表す。]
(1A)70μm厚の銅板(三井金属(株)社製、3EC−3、2〜3μm厚)を市販のエッチング液でソフトエッチングする。
(i) 光電子脱出角 45deg
(ii) X線源 Alkα線(モノクロ)
(iii)分析範囲 0.8mmΦ。
酸化銅還元率(%)={1−(還元処理後のO原子濃度)/(酸化処理後のO原子濃度)}×100 ・・・ 式(I)
(1B)ベアCu板(平井精密工業(株)製)に厚み15μmの接着テープを貼り付ける。
(i)「M31」(Sn/Ag/Cu、融点217℃、千住金属工業(株)製)
(ii)「L20」(Sn/Bi、融点138℃、千住金属工業(株)製)
(4B)ベアCu板上に濡れ拡がった半田ボールの高さを計測する。
半田濡れ拡がり率(%)=[{(半田ボールの直径)−(濡れ拡がり後の半田の厚み)}/(半田ボールの直径)]×100 ・・・ 式(II)
次に、半導体ウエハーの第2の接合方法を用いて半導体ウエハー接合体240を得る方法について説明する。
以上のような工程を経て、半導体ウエハー接合体240を得ることができる。
以上のような工程を経ることにより、半導体装置10を製造することができる。
1. 接合シートの作製および接合層形成用材料の調製
なお、以下に示すサンプルNo.の番号は、各サンプルNo.の接合シートまたは接合層形成用材料を用いて形成された各実施例(半導体装置)の番号に対応する。
[サンプルNo.1〜34]
下記表1に示した配合で各成分(構成材料)を、トルエン、キシレンのような芳香族炭化水素系溶剤、酢酸エチル、酢酸ブチルのようなエステル系有機溶剤、アセトン、メチルエチルケントンのようなケトン系有機溶剤に溶解し、得られたワニス(接合シート形成用材料)を、ポリエステルシート上に塗布し、上記溶剤が揮発する温度に適宜設定し、ワニスを乾燥させることにより、各サンプルNo.の接合シートを作製した。
また、下記表1中の各成分の配合量は、各成分の合計量に対する重量%である。
[サンプルNo.35〜45]
下記表2に示した配合の各成分(構成材料)を三本ロールにより混練した後、真空脱泡することにより、各サンプルNo.の接合層形成用材料(液状材料)を調製した。
以下の各実施例および各比較例において、半導体装置を20個ずつ製造した。
−1A− まず、図5に示すような貫通金属電極311(銅)を有する20mm×20mmの回路310が50個設けられたSiウエハー(8インチ試験用ウエハー、厚さ:60μm)を用意した。
なお、隣接する貫通金属電極311同士の間隔(ピッチ)は、150μmとした。
なお、この半田バンプの直径は、40μmであった。
なお、仮積層する際の処理条件は、150℃、1.0MPaとした。
前記工程−3A−において、サンプルNo.1の接合シートに代えて、それぞれ、サンプルNo.2〜34の接合シートを用いた以外は、前記実施例1と同様にして、実施例2〜34の半導体装置を製造した。
前記工程−3A−に代えて、下記工程−3B−とした以外は、前記実施例1と同様にして、実施例35の半導体装置を製造した。
前記工程−3B−において、サンプルNo.35の接合層形成用材料に代えて、それぞれ、サンプルNo.36〜40の接合層形成用材料を用いた以外は、前記実施例35と同様にして、実施例36〜40の半導体装置を製造した。
前記工程−3B−において、サンプルNo.35の接合層形成用材料に代えて、それぞれ、サンプルNo.41〜45の接合層形成用材料を用い、さらに前記工程−3B−の後に、90℃×90分の加熱処理を施すことにより、接合層をB−stage硬化(仮硬化)させることにより接合層の形状を保持した以外は、前記実施例35と同様にして、実施例36〜40の半導体装置を製造した。
前記工程−3A−において、サンプルNo.1の接合シートに代えて、比較例1としては異方性導電フィルム(「AC−200」、日立化成工業株式会社製)、比較例2として、異方性導電フィルム(「FP2511K」、ソニーケミカル社製)を用い、前記工程−5A−を省略した以外は、前記実施例1と同様にして、比較例1および2の半導体装置を製造した。
得られた各実施例および各比較例の半導体装置をそれぞれ20個ずつ、−55℃の条件下に30分、125℃の条件下に30分ずつ交互に晒す事を1サイクルとする、温度サイクル試験を100サイクル行った。
これらの評価結果を、それぞれ、以下の表1および表2に示す。
20 半導体チップ
210 第1の半導体ウエハー
220 第2の半導体ウエハー
211、221 機能面
212、222 接続部
213、223 裏面
224 半田バンプ
225 接続部
226 絶縁部
230 半導体ウエハー積層体
240 半導体ウエハー接合体
30 インターポーザー
40 配線パターン
60、60’ 接合層
61 液状材料
65 接合シート
70 バンプ
80 封止層
82 接続部
310 回路
311 貫通金属電極
312 導電体
313 固化物
314 裏面
315 機能面
316 配線
320 回路接合体
330 評価用チップ
100 半導体装置
510、520 半導体ウエハー
511、521 接続部
530 接合体
540、550 半導体チップ
560 半導体チップ接合体
620 バンプ
630 インターポーザー
640 配線パターン
Claims (10)
- 第1の半導体ウエハーと第2の半導体ウエハーとを積層して電気的に接続する半導体ウエハーの接合方法であって、
前記第1の半導体ウエハーの厚さ方向に貫通して設けられた複数の接続部を有する前記第1の半導体ウエハーと、
前記第2の半導体ウエハーの厚さ方向に貫通して設けられた複数の接続部と、前記第2の半導体ウエハーの裏面側において前記接続部の端部に接続された半田バンプとを有する前記第2の半導体ウエハーとを用意する第1の工程と、
前記第1の半導体ウエハーと、前記第2の半導体ウエハーとの間に、フラックス活性を有する硬化剤と、熱硬化性樹脂とを構成材料として含む接合層を介在させるとともに、前記第1の半導体ウエハーの機能面側における接続部の端部と、前記第2の半導体ウエハーの裏面側における半田バンプとが対応するように位置決めして、前記第1の半導体ウエハーと前記第2の半導体ウエハーとが積層された半導体ウエハー積層体を得る第2の工程と、
前記半導体ウエハー積層体を、加熱しつつ、その厚さ方向に加圧することにより、前記半田バンプを溶融・固化するとともに、前記熱硬化性樹脂を硬化して、前記第1の半導体ウエハーと前記第2の半導体ウエハーとが固着することにより、前記半田バンプの固化物で、前記第1の半導体ウエハーの接続部と前記第2の半導体ウエハーの接続部とが電気的に接続された半導体ウエハー接合体を得る第3の工程とを有し、
前記接合層は、酸化処理した銅板の表面に該接合層を形成して、大気中、230℃で1分間還元処理したとき、下記式(I)で表される該銅板の酸化銅還元率が70%以上のものであることを特徴とする半導体ウエハーの接合方法。
酸化銅還元率(%)={1−(還元処理後のO原子濃度)/(酸化処理後のO原子濃度)}×100 ・・・式(I) - 前記第2の工程において、前記接合層は、前記構成材料を含有するフィルム状の接合シートを、前記第1の半導体ウエハーと前記第2の半導体ウエハーとの間に介在させることにより形成される請求項1に記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記第2の工程において、前記接合層は、前記構成材料を含有する液状材料を、前記第1の半導体ウエハーの機能面および/または前記第2の半導体ウエハーの裏面に塗布することにより形成される請求項1に記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記第1の工程において、さらに、前記接続部の機能面側の端部に接続された半田バンプを有する前記第1の半導体ウエハーを用意する請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記第3の工程において、前記半導体ウエハー積層体が加熱圧着される際に、前記半田バンプの溶融に遅れて、前記熱硬化性樹脂の硬化が完了する請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記半導体ウエハー接合体における、前記接合層の厚さは、1〜200μmである請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記フラックス活性を有する硬化剤は、カルボキシル基および/またはフェノール水酸基を備える請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂である請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- さらに、前記構成材料は、フィルム形成性樹脂を含み、該フィルム形成性樹脂は、(メタ)アクリル系樹脂、フェノキシ樹脂およびポリイミド樹脂のうちの少なくとも1種である請求項1ないし8のいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法。
- 請求項1ないし9のうちのいずれかに記載の半導体ウエハーの接合方法により接合された前記半導体ウエハー接合体を前記個別回路毎に切断して、複数の半導体素子に個片化する工程と、
前記個片化した半導体素子を基板に搭載する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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