JP5971987B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置の製造方法、特にインターポーザと半導体素子をフリップチップ接合する装置において、その内部応力を低くする等の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for reducing the internal stress in an apparatus for flip-chip bonding an interposer and a semiconductor element.
通信機器、映像機器、オーディオ機器等では、社会のユビキタス化に基づくモバイル化やウェラブル化等により小型化、薄型化が進展し、これらの機器に使用される半導体装置でも、小型化、薄型化の要求が一層高まっており、このような要求に応じて、CSP(Chip Scale Package)等の半導体装置が製作されている。 Communication equipment, video equipment, audio equipment, etc. have become smaller and thinner due to mobile and wearable technologies based on ubiquitous society, and semiconductor devices used in these equipment are also becoming smaller and thinner. The demand is further increased, and a semiconductor device such as a CSP (Chip Scale Package) is manufactured in response to such a demand.
上記CSPのインターポーザには、金属リードフレーム、セラミック、有機等の材料が用いられており、熱伝導、配線引き回し、厚み、コスト等の要素を考慮し、用途に応じて使い分けられるが、近年の低コスト化・高放熱性の方向では銅リードフレーム、小型化の方向ではセラミック又は有機(プラスチック等)の材料が用いられている。この有機材料のインターポーザが用いられる理由としては、VIA(孔)加工に金型が不要であること、少量多品種の需要に対応できること、有機の加工技術が向上しセラミックと同等の微細加工が可能になってきたこと、原材料が安いこと等がある。 The CSP interposer uses materials such as metal lead frames, ceramics, and organic materials, and can be properly used depending on the application in consideration of factors such as heat conduction, wiring routing, thickness, and cost. A copper lead frame is used in the direction of cost reduction and high heat dissipation, and a ceramic or organic (plastic) material is used in the direction of downsizing. The reason why this organic material interposer is used is that there is no need for a mold for VIA (hole) processing, that it can respond to the demand for a small variety of products, and that organic processing technology has been improved to enable fine processing equivalent to ceramics. And raw materials are cheap.
上記インターポーザは、複数の半導体装置がマトリクス状に配置された集合基板において使用されるのが一般的で、優れた生産性を発揮するものとして適用される。このインターポーザにおける無電解めっきによるメタライズは、例えば銅(Cu)、タングステン(W)等のベース配線に、還元めっきにて3〜7μm程度のニッケルめっきを施し、その上に、還元めっき又は置換めっきにて金めっきを施すことで行われる。上記のニッケルめっきを中間層として用いる理由は、密度が高く、ピンホールが比較的少なく、融点が高い等の特性を持つことから、上記ベース配線と金めっきの拡散防止材として利用できるためである。 The interposer is generally used in a collective substrate in which a plurality of semiconductor devices are arranged in a matrix, and is applied as one that exhibits excellent productivity. In the metallization by electroless plating in this interposer, for example, a base wiring such as copper (Cu), tungsten (W), etc. is subjected to nickel plating of about 3 to 7 μm by reduction plating, and then applied to reduction plating or displacement plating. This is done by applying gold plating. The reason why the above nickel plating is used as the intermediate layer is that it can be used as a diffusion preventing material for the base wiring and the gold plating because of its high density, relatively few pinholes, and a high melting point. .
また、上記インターポーザのボンディングランドは、最終めっきとした金めっきが比較的ピンホールが多いことに起因し、ステージ加熱温度・時間に応じたニッケルの拡散からNi(OH)2等の阻害因子が生じ、これによって、接合力の低下が著しく発生するという不都合がある。この阻害因子の影響を少なくするには、ステージ加熱温度を下げることが最も有効であるが、接合エネルギーの一部として使われているステージ加熱温度の低温化は、接合強度を低下させ、接合品質へ大きな影響を与えるため、100〜150℃までと限界がある。 Also, the bonding land of the interposer is caused by the fact that gold plating as the final plating has relatively many pinholes, resulting in an inhibitory factor such as Ni (OH) 2 from the diffusion of nickel according to the stage heating temperature and time. As a result, there is an inconvenience that the bonding force is remarkably reduced. In order to reduce the influence of this inhibitory factor, it is most effective to lower the stage heating temperature. However, lowering the stage heating temperature, which is used as part of the bonding energy, lowers the bonding strength and increases the bonding quality. Has a limit to 100 to 150 ° C.
上記のようなインターポーザと半導体素子との接続方法には、金属細線にて接続するワイヤボンディング方法、金属バンプを用いて接続するフリップチップ接合(バンプ接合)方法等がある。このフリップチップ接合では、例えば半導体素子面上の金(Au)、アルミニウム(Al)等の電極の上に、めっき法又はワイヤボンディング法等を用いてバンプが形成され、このバンプをインターポーザのボンディングランドに画像又は機械アライメントを実施しながら接合することで、ボンディングが行われる。 As a method for connecting the interposer and the semiconductor element as described above, there are a wire bonding method for connecting with metal thin wires, a flip chip bonding (bump bonding) method for connecting with metal bumps, and the like. In this flip chip bonding, for example, bumps are formed on electrodes such as gold (Au) and aluminum (Al) on the surface of a semiconductor element by using a plating method or a wire bonding method, and the bumps are formed on the bonding land of the interposer. Bonding is performed by performing bonding while performing image or machine alignment.
また、フリップチップ方法では、接続材料、接続エネルギーによる違いにより、半田を熱で溶融させる方法、異方性導電材料を中間媒体に用い、熱圧着法でバンプ−ボンディングランド間の接合を行う方法、金属バンプを熱圧着により接合する方法、超音波及び熱で接合する方法、また上記接続方法を複合させた方法等、多くの方法が存在する。その中に、金バンプを用い、金のボンディングランド(電極)上に、超音波と熱及び圧力を用いて直接接続を行うGGI(GGI:Gold to Gold Interconnection)法があり、このGGI法は、高温等の過酷な環境下でも脆い合金層の成長がなく、接合箇所の抵抗が低く、接合時間が短く、洗浄工程等の追加工程が不要である等の多くの利点から積極的に用いられている。特に、通信部品等のギガヘルツ(GHz)帯の高周波信号を取り扱う用途では、抵抗が低い接合方法の採用は必要な条件となっている。 Further, in the flip chip method, depending on the connection material and the connection energy, a method of melting solder by heat, a method of using an anisotropic conductive material as an intermediate medium, and bonding between bumps and bonding lands by a thermocompression bonding method, There are many methods such as a method of bonding metal bumps by thermocompression bonding, a method of bonding by ultrasonic waves and heat, and a method of combining the above connection methods. Among them, there is a GGI (GGI: Gold to Gold Interconnection) method in which a gold bump is used and a gold bonding land (electrode) is directly connected using ultrasonic waves, heat and pressure, and this GGI method is It is actively used for many advantages such as no brittle alloy layer growth even in harsh environments such as high temperatures, low joint resistance, short joining time, and no additional steps such as cleaning steps. Yes. In particular, in applications that handle high-frequency signals in the gigahertz (GHz) band such as communication parts, it is a necessary condition to employ a bonding method with low resistance.
次に、上記のGGI法を用いた一般的なCSPの組立工程の概略を説明する。まず、搭載する半導体素子には、個片化される前の集合基板(ウェハー)の状態で、めっき法又はワイヤボンディングを応用したSBB(Stud Bump Bonding)法等を用いて、電極上に金バンプが形成される。この金バンプが形成された集合基板は、ダイシングにより個別の半導体素子に分割され、それぞれの半導体素子が別の設備によって取り出され、コレットによって吸着保持される。このコレットが反転(フリップ)することで、ボンディングツールに半導体素子が受け渡され、この半導体素子はボンディングツールに吸着された状態で保持され、80〜200℃程度のステージで加熱されたインターポーザの最終めっきである金のボンディングランド上に、画像による位置合せによって、バンプが位置合せされ、その後、超音波と荷重を半導体素子に印加することで、バンプ接合が実施される。 Next, an outline of a general CSP assembly process using the above GGI method will be described. First, the semiconductor elements to be mounted are gold bumps on the electrodes using an SBB (Stud Bump Bonding) method or the like that applies plating or wire bonding in the state of an assembled substrate (wafer) before being singulated. Is formed. The collective substrate on which the gold bumps are formed is divided into individual semiconductor elements by dicing, and each semiconductor element is taken out by another facility and held by suction with a collet. When the collet is inverted (flip), the semiconductor element is delivered to the bonding tool, and the semiconductor element is held in a state of being adsorbed to the bonding tool, and finally heated at a stage of about 80 to 200 ° C. Bumps are aligned on the gold bonding lands that are plating by image alignment, and then bump bonding is performed by applying ultrasonic waves and a load to the semiconductor element.
上記バンプ接合直前では、上記インターポーザのボンディングランドの金めっき後の金属界面の活性が高く、接合の阻害因子によって汚染されやすいため、Ar等のプラズマ処理によって、ボンディングランドに吸着した硫黄化合物等の接合の阻害因子となる汚染物を除去し、再活性化した後ボンディングを実施することによって接合強度の安定化を図ることがある。 Immediately before the bump bonding, the metal interface after gold plating of the bonding land of the interposer is high and easily contaminated by bonding inhibiting factors. Therefore, bonding of sulfur compounds adsorbed on the bonding land by plasma treatment with Ar or the like In some cases, the bonding strength is stabilized by removing the contaminants that become an inhibitory factor and performing the bonding after the reactivation.
上記GGI法で大きな超音波エネルギーを加えることは、上記阻害因子層の破壊に効果的であるが、昨今の薄型半導体装置に搭載される半導体素子は80〜150μmと薄くなる傾向のため、半導体素子の抗折強度が低下しており、Z軸方向の変形が伴う過度の超音波エネルギーを加えることは難しい。 Applying large ultrasonic energy by the GGI method is effective for destroying the inhibitor layer, but the semiconductor element mounted on a recent thin semiconductor device tends to be as thin as 80 to 150 μm. Therefore, it is difficult to apply excessive ultrasonic energy accompanied by deformation in the Z-axis direction.
ところで、上記のフリップチップ接合では、半導体素子とインターポーザとの線膨張係数の差等からバンプ周辺に応力がかかり、バンプの破断、ブリッジ等を生じさせる不都合がある。即ち、半導体素子の線膨張係数(C.T.E.:Coefficient Thermal Expansion)は、例えばシリコン(Si)で2.4ppm程度、ガリウムヒ素(GaAs)で7ppm程度、炭化珪素(SiC)で4.5ppm程度であるのに対し、インターポーザのCTEは、銅リードフレームで15〜18ppm程度、有機基板で10〜20ppm程度と比較的大きい。従来から積極的に用いられていたセラミックは、2〜11ppm程度と半導体素子のCTEに近く、接合後のバンプ周辺にかかる応力は小さかったが、インターポーザとして銅リードフレームや有機基板が多く選択される近年の半導体装置では、接合後のバンプ周辺に内在する応力は大きく、温度サイクル等の環境負荷に対する耐力が低下するため、バンプの破断等が発生し易くなる。なお、GGI接合時のバンプ材として用いられる金のCTEは、15ppm程度と銅リードフレーム、有機基板と同程度であるが、金の弾性率はそれらに比べ1/2〜1/3と小さく応力に与える影響は少ない。 By the way, in the flip chip bonding described above, there is a problem in that stress is applied to the periphery of the bump due to a difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the interposer, and the bump is broken or bridged. That is, the linear thermal expansion coefficient (CTE: Coefficient Thermal Expansion) of the semiconductor element is, for example, about 2.4 ppm for silicon (Si), about 7 ppm for gallium arsenide (GaAs), and about 4 ppm for silicon carbide (SiC). Whereas it is about 5 ppm, the CTE of the interposer is relatively large, about 15 to 18 ppm for the copper lead frame and about 10 to 20 ppm for the organic substrate. The ceramic that has been actively used in the past is about 2 to 11 ppm, which is close to the CTE of the semiconductor element, and the stress applied to the periphery of the bump after bonding is small, but a copper lead frame or an organic substrate is often selected as an interposer. In recent semiconductor devices, the stress inherent in the periphery of the bump after bonding is large, and the proof stress against an environmental load such as a temperature cycle is reduced, so that the bump is likely to break. The gold CTE used as a bump material during GGI bonding is about 15 ppm, which is the same as that of a copper lead frame and an organic substrate, but the elastic modulus of gold is as small as 1/2 to 1/3 of the stress. Has little effect on
このようなことから、従来では、下記特許文献1及び2のように、バンプを多段にすることで、CTEの差が大きい半導体素子とインターポーザとの距離を離す方法が提案されている。
図7には、特許文献1の半導体装置の構成が示されており、この図7では、半導体素子1の電極2又は回路基板3の電極4のいずれか一方に3段の金バンプ5が形成され、熱・圧力を加えることで、半導体素子1が回路基板3上に金バンプ5によって接合される。これによれば、実装後の半導体素子1と回路基板3との間隔を大きくし、バンプ周辺にかかる応力を低減することができる。
For this reason, conventionally, as disclosed in
FIG. 7 shows the configuration of the semiconductor device of Patent Document 1. In FIG. 7, three-level gold bumps 5 are formed on either the
しかしながら、図7のように、多段バンプによって半導体素子1と回路基板3との距離(間隔)を大きくすれば、応力は低下するが、例えば金の多段バンプを用いたGGI法の場合、金の弾性率が低いこともあり、50μm以上のバンプ高さでは超音波振動が伝達されず、接合不足により信頼性が著しく低下し、1段バンプ以外では安定したフリップチップ接合が行えないという問題があった。また、バンプ接合では、ボンディングツールによって超音波振動が与えられるが、このボンディングツールの変位量は、超音波振動を発振するトランスデューサとの関係で特性上ばらつきが生じ易く、過度的な超音波振動が与えられると、半導体素子の平面方向やZ方向に傾き(姿勢変化)が発生し、特定箇所でバンプが接合しなくなり、品質の安定化が難しくなる。しかも、一義的に金バンプを高くすると、それに連動してバンプ径も大きくせざるを得ないため、パッドサイズ、パッドピッチが縮小化される傾向にある昨今の実装デザインでは対応が困難となっている。
However, as shown in FIG. 7, if the distance (interval) between the semiconductor element 1 and the
また、多段バンプの形成方法としては、例えば特許文献2のように予め半導体素子側に多段バンプを形成するのが一般的であるが、特に多層化された半導体素子ボンディングパッド周辺は、応力に弱く、バンプを1つずつ積み重ねる際のボンディング負荷による機械的ダメージを蓄積させることで半導体素子が破壊されるため、半導体素子のボンディングパッドには何回もボンディング負荷をかけない方が好ましく、インターポーザ側に多段バンプを形成する方が好ましい。
In addition, as a method for forming multi-stage bumps, for example, it is common to form multi-stage bumps on the semiconductor element side in advance as in, for example,
更に、GGI法では、複数個ある半導体素子のボンディングパッドの全てに金バンプを形成した後、フリップチップ接合が実施されるため金バンプの平坦性と、半導体素子とインターポーザの平行度が極めて重要であり、3〜5μm程度のバラツキしか許容されず、その範囲内でも、平坦性、平行度の若干の差異によって、バンプ毎に接合強度のバラツキが発生するという問題がある。 Furthermore, in the GGI method, since gold bumps are formed on all the bonding pads of a plurality of semiconductor elements and then flip chip bonding is performed, the flatness of the gold bumps and the parallelism between the semiconductor elements and the interposer are extremely important. However, only a variation of about 3 to 5 μm is allowed, and even within that range, there is a problem that the bonding strength varies for each bump due to a slight difference in flatness and parallelism.
また、従来には、上記特許文献3に示されるように、基板上のICチップの実装位置にフォトレジストの硬化層を設け、ICチップの基板上の高さを規制し、半田接合部の横への広がりを防止してブリッジの発生を防ぎ、高さを確保して実装の信頼性を向上させるものがある。
Conventionally, as shown in
図8には、フリップチップ接合を行うペリフェラル型(電極を周辺に配置するタイプ)の半導体装置の構造が示され、図9には、このペリフェラル型の半導体装置に、特許文献3を適用して考えられる構成が示されている。図8(A)は、インターポーザ7の表面を示し、このインターポーザ7の表面には、その周辺の複数の接続VIA(孔)8に接続してそれぞれのボンディングランド(電極)9が半導体素子配置位置50の周辺に形成され、図8(B)は、半導体素子10の裏面を示し、この半導体素子10の裏面には、その周辺部に複数のボンディングパッド(電極)11が形成される。そして、この半導体素子10のボンディングパッド11と上記インターポーザ7のボンディングランド9が図9のようにバンプによって接合される。
FIG. 8 shows the structure of a peripheral type (type in which electrodes are arranged in the periphery) semiconductor device that performs flip-chip bonding. FIG. 9 shows the application of
このような半導体装置では、図9(A)に示されるように、インターポーザ7の中央部に、配線13の上にレジスト(硬化層)14が設けられ、半導体素子10のボンディングパッド11には半田バンプ(GGI法では金バンプ)15が形成され、図9(B)のような状態で、半田バンプ15によって接合される。
In such a semiconductor device, as shown in FIG. 9A, a resist (cured layer) 14 is provided on the
上記のように、電極を周辺に配置するペリフェラル型半導体装置では、インターポーザ7のボンディンググランド9と半導体素子10のボンディングパッド11のバンプ接合点が、接続VIA8よりもパッケージ(半導体装置)中心に近い位置に配置されており(Fan Out)、電極の引き回しが簡単になるという利点がある。即ち、ペリフェラル型ではないアレイ型半導体装置では、逆に接続VIA8がバンプ接合点よりパッケージ中心に近い位置に配置されており、このバンプ接合点からパッケージ中心の電極に引き回すためには、接続VIA8間の狭いスペースに配線を通す必要があるが、ペリフェラル型では接続VIA8間に配線を通す必要がないため、ボンディングランドとして十分広いスペースが確保されるという利点がある。特に、有機材料をインターポーザ7とするGGI接合では、基材強度が軟弱なため、ボンディングランド9を十分な大きさに設定する必要があり、スペースに余裕があるペリフェラル型の方が有利である。また、このことは、予めバンプを形成した半導体素子をボンディングランドにアライメントし接合させる従来の製造方法にも合致しており、ボンディングランドのバンプ搭載位置はアライメント搭載後に決定されるため、上記バンプ搭載位置がボンディングランドで一義的に決定される必要はない。
As described above, in the peripheral type semiconductor device in which the electrodes are arranged in the periphery, the bump junction point between the
しかしながら、図9のように、レジスト14を用いたとき、半田バンプ(GGI法では金バンプ)が過度に変形すると、レジスト14と半導体素子10との接触が起こり、半導体素子上の例えばSiN等のパッシベーション膜がダメージを受け、耐湿性等の信頼性を低下させる等の問題が生じる。
However, as shown in FIG. 9, when the resist 14 is used, if the solder bump (gold bump in the GGI method) is excessively deformed, the resist 14 and the
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定した接合により、半導体素子とインターポーザ間の接合バンプを高くした場合でも、接合不足が発生せず、熱ストレスによる内部応力を低減することができ、しかもレジストと半導体素子との接触によりパッシベーション膜がダメージを受けて耐湿性等の信頼性が低下することのない半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to achieve stable bonding, even when the bonding bump between the semiconductor element and the interposer is increased, so that insufficient bonding does not occur, and internal stress due to thermal stress occurs. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which the passivation film is not damaged by contact between a resist and a semiconductor element and reliability such as moisture resistance is not lowered.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、インターポーザ上に半導体素子をバンプにより接合(フリップチップ接合)するバンプ接合工程を有する半導体装置の製造方法において、上記インターポーザには、所定のボンディングランドに1段以上のバンプを形成すると共に、上記ボンディングランドとは別にダミーランドを形成し、かつこのダミーランド上に、接合時バンプに加わる応力を低減する厚さのレジストを形成し、上記半導体素子には、上記インターポーザ側のバンプに接続する1段のバンプを形成すると共に、上記インターポーザのダミーランド上のレジストに対向する位置にボンディングパッドを介してダミーバンプを形成し、上記バンプ接合工程では、上記インターポーザのダミーランド上のレジストに、上記半導体素子のダミーバンプを当接しながら、上記インターポーザ側のバンプと半導体素子側のバンプとを用いて多段バンプ接合を行うことを特徴とする。
請求項2の発明は、金バンプを用い、超音波、熱及び圧力を与えるGGI接合を行うと共に、上記ダミーバンプを上記半導体素子の中心部に配置したことを特徴とする。
請求項3の発明は、上記インターポーザ側のバンプ径を、上記半導体素子側のバンプ径よりも大きく設定したことを特徴とする。
請求項4の発明は、上記インターポーザに、上記半導体素子の搭載位置を特定するためのアライメントマーク(位置決めマーク)を表示したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is directed to a semiconductor device manufacturing method including a bump bonding step in which a semiconductor element is bonded to a surface of the interposer by a bump (flip chip bonding) . and forming one or more stages of the bumps to the bonding lands, and the bonding land formed separately dummy land, and on the dummy land, forming a thickness of the resist to reduce the stress applied to the joint during the bumps, the In the semiconductor element, one bump to be connected to the bump on the interposer side is formed, and a dummy bump is formed through a bonding pad at a position facing the resist on the dummy land of the interposer. The resist on the dummy land of the interposer While it is in contact with the dummy bumps of the body element equivalent, and performing multistage bump bonding using a bump bump and the semiconductor device side of the interposer side.
The invention according to
The invention according to
The invention of
本発明の構成によれば、インターポーザのレジストと半導体素子のダミーバンプとにより、多段バンプの接合が安定して行われる。 According to the configuration of the present invention, the joining of the multi-stage bumps is stably performed by the resist of the interposer and the dummy bumps of the semiconductor element.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子とインターポーザ間の接合バンプを高くした場合でも、接合不足が発生せず、熱ストレスによる内部応力を低減できるという効果がある。即ち、如何なる接合条件であっても、接合後のバンプの高さが、レジストの厚さ(5〜30μm程度)にダミーバンプの接合時厚さ(変形厚:5μm程度)を加算したものとなり、CTE差が大きい半導体素子とインターポーザ間を十分に離すことができるので、バンプ周辺に加わる応力が低減され、温度サイクル等の熱ストレスによって生じる応力を緩和でき、信頼性を向上させることが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, even when the bonding bump between the semiconductor element and the interposer is increased, there is an effect that insufficient bonding occurs and internal stress due to thermal stress can be reduced. That is, under any bonding condition, the height of the bump after bonding is obtained by adding the thickness at the time of bonding the dummy bump (deformation thickness: about 5 μm) to the resist thickness (about 5 to 30 μm). Since the semiconductor element and the interposer having a large difference can be sufficiently separated from each other, the stress applied to the periphery of the bump is reduced, the stress caused by the thermal stress such as the temperature cycle can be relieved, and the reliability can be improved.
しかも、接合が安定して行われるので、半導体素子の平面方向やZ方向に傾きが発生することもなく、特定箇所のバンプ接合不足も発生せず、品質の安定化が図られ、従来のように、応力に対処するためにバンプ径を大きくする必要もなく、狭パッドサイズ、狭パッドピッチの半導体素子への対応に対して有利となる。
また、ダミーバンプを設けることで、レジストが半導体素子に接触することがなく、このレジストにより半導体素子のパッシベーション膜がダメージを受けて耐湿性等の信頼性が低下することもない。
Moreover, since the bonding is performed stably, there is no inclination in the plane direction or the Z direction of the semiconductor element, and there is no shortage of bump bonding at a specific location, so that the quality can be stabilized, as in the past. In addition, it is not necessary to increase the bump diameter in order to cope with the stress, which is advantageous for dealing with a semiconductor element having a narrow pad size and a narrow pad pitch.
Further, by providing the dummy bumps, the resist does not come into contact with the semiconductor element, and the passivation film of the semiconductor element is damaged by the resist and reliability such as moisture resistance is not lowered.
請求項3の発明によれば、インターポーザ側の大きな径のバンプに半導体素子側の小さな径のバンプを当接・接合するので、搭載位置の精度が高くない場合でも、バンプの接合が安定して行われ、搭載位置精度を緩和できるという利点がある。また、半導体素子とインターポーザのCTE差で生じる周辺電極部の応力は、インターボーザと金バンプ間の接合界面が最も大きくなることから、この界面で生じ易い接合不良を回避することができる。
請求項4の発明によれば、アライメントマークに基づいて半導体素子が正確に把握されるので、精度のよいバンプ接合を行いながら、半導体素子を容易に搭載することが可能になる。
According to the invention of
According to the invention of
図1乃至図4には、本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法の構成が示されており、実施例は、有機材料(合成樹脂材等)の基板(コア材)からなるインターポーザ17に、半導体素子10がフリップチップ接合される。実施例は、電極が周辺に配置されるペリフェラル型の構成であり、金バンプを用い、熱及び超音波又は圧力により接合するGGI(Gold to Gold Interconnection)法が適用される。
1 to 4 show the configuration of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In the embodiment, the
図1及び図3に示されるように、インターポーザ17の周辺に、複数の接続VIA(孔)8が設けられ、この接続VIA8を介して配線と裏面電極19が形成され、インターポーザ表面には図3(A)のように、バンプ接合位置に円形のボンディングランド(上層が金めっきの電極ランド)21が形成される。このボンディングランド21は、各ボンディング点を明確にするため、バンプセンター(ボンディング点)を中心とする円形、正方形、長方形等とされる。また、このボンディングランド21の形成と同時に、インターポーザ17の半導体素子搭載位置50の中央には方形のダミーランド22が形成される。
As shown in FIGS. 1 and 3, a plurality of connection VIAs (holes) 8 are provided around the
次に、上記ダミーランド22の上に、方形のレジスト23を被覆・形成しており、このレジスト23は、例えばフォトレジストの硬化層であり、印刷法、ロールコータ法等により5〜30μm程度の厚みに形成される。そして、このインターポーザ17では、上記ボンディングランド21の上に、ワイヤーボンダー等により1段の金(Au)のバンプ24が形成される。なお、3段以上のバンプ接合とする場合は、このインターポーザ17側に、2段以上のバンプを形成する。
Next, a rectangular resist 23 is coated and formed on the
一方、半導体素子10には、図3(C)にも示されるように、その周辺位置に複数のボンディングパッド(電極パッド)11が配置されると共に、中心位置に同様の構成のダミーボンディングパッド25が形成される。そして、上記のボンディングパッド11に1段の金のバンプ24が形成されると共に、上記ダミーボンディングパッド25には1段の金のダミーバンプ26がワイヤーボンダー等によって形成される(この半導体素子10側のバンプは、1段のみとすることが好ましい)。
On the other hand, as shown in FIG. 3C, the
上記インターポーザ17上の金バンプ24の作製方法として、スタッドバンプボンダーやワイヤーボンダーによる形成方法があり、特に後者の形成方法は比較的容易に実施できる。即ち、ワイヤーボンダーを用いる場合は、ボンディングステージ上にインターポーザ17を配置し、99.99%からなる15〜20μm程度の金ワイヤーの先端部に電気トーチ法から球状の金ボールを形成することで、インターポーザ17の所定の位置にボールボンディングが行われる。1段目のボールボンディングの形成は、超音波を併用した方がよく、2段目以降の形成については、上記特許文献2で記載されているように超音波を排除した熱圧着でも接合可能である。これは、一般的に純金を使用した金バンプ同士の接合は比較的容易に行えるためと考えられる。また、金バンプと金線の引き剥がしは、金線の一部を薄く潰した後、金線を引きちぎる方法(プルカット法)がある。一方、半導体素子10側の金のバンプ24とダミーバンプ26の作製方法としては、スタッドバンプボンダーを使用する。なお、半導体素子10側の金のバンプ24及びダミーバンプ26はダメージ等の問題を避けるため1段バンプとする。
As a method for producing the
図4には、インターポーザ17に形成されるボンディングランドの他の例が示されており、この例では、バンプ接合位置に正方形のボンディングランド31が形成される。このボンディングランド31でも、バンプセンターを中心とした正方形を形成することで、各ボンディングのセンターを明確にする役目をする。なお、このボンディングランド31は、長方形、六角形等の他の多角形でもよい。即ち、ボンディングランド31を円形、正方形等とし、その中心位置をバンプ形成の所望位置と同じにすることによって、一義的にインターポーザ配線上に形成されるバンプ位置が決定されるため、インターポーザ17側のバンプ24と半導体素子10側のバンプ24がずれたりして半導体素子上のパッシベーション膜等へダメージを与えることなく、安定した多段バンプを形成することが可能となる。
FIG. 4 shows another example of bonding lands formed on the
その後、上記インターポーザ17の所定位置に半導体素子10を配置し、バンプ接合が行われる。
実施例では、バンプ24による接合位置、半導体素子10の搭載位置の位置決めと確認が容易となるように、図5のアライメントマークMaと搭載後位置確認用マークMbが形成される。図5(A)において、アライメントマークMaは、半導体素子搭載位置50の外形(四角形)ラインの四隅に設けられた三角形の位置決めマークで、搭載後位置確認用マークMbは四隅以外の外形ライン上(ラインを跨ぐように)に中心点を置く円形の確認用マークである。
Thereafter, the
In the embodiment, the alignment mark Ma and the post-mounting position confirmation mark Mb in FIG. 5 are formed so that the bonding position by the
即ち、インターポーザ17上のボンディングランド21は、例えばCADデータを用いて、ダミーボンディングパッド25の中心を原点として、半導体素子10上のボンディングパッド11の各位置が鏡面上で一致する位置に配置される。そのため、上記アライメントマークMaは、半導体素子10の横方向サイズをX、縦方向サイズをYとしたとき、ダミーボンディングパッド22の中心(半導体素子搭載位置の中心)を原点とし、(X/2,Y/2),(−X/2,Y/2),(X/2,−Y/2),(−X/2,−Y/2)の4箇所の位置に、直角二等辺三角形の90度の内角をもつ頂点が一致するように形成される。この4点中の少なくとも2点の座標を実測することで、インターポーザ17上に形成された各ボンディング点の精度を確認することができ、画像装置を用いれば、自動検査等によって精度の高いインターポーザ17の供給ができる。
That is, the bonding
また、インターポーザ17上のバンプ24の位置精度は特に重要であり、ボンディングランド21上に金バンプ24を形成する際にも、例えばCADデータに基づいて、図5(A)のアライメントマークMaの少なくとも2点、例えば(−X/2,Y/2),(X/2,−Y/2)を座標順に検出することで、入力された座標に従ってバンプ24がボンディングランド21上に正確にボンディングされる。
Further, the positional accuracy of the
また、バンプ接合では、半導体素子10をインターポーザ17側へフェイスダウンして位置決めするが、この際にも、フリップチップボンダーでは上記アライメントマークMaが用いられ、例えば(−X/2,Y/2),(X/2,−Y/2)の座標順に検出することで、半導体素子10とインターポーザ17のバンプ24同士の接合が行われる。
In the bump bonding, the
図2(A),(B)には、バンプ接合の様子が示されており、このバンプ接合では、超音波振動、熱及び圧力が与えられるが、半導体素子10及びインターポーザ17上に形成されるバンプ24の径は40〜90μm(φ)程度、バンプ24の高さは5〜50μm程度であり、フリップチップ接合時に与えられるエネルギーがバンプ接合のエネルギーとバンプが変形して潰れるエネルギーに変換されることで、それぞれのバンプ24の径が広がり、その高さは2/3程度となる。
FIGS. 2A and 2B show the state of bump bonding. In this bump bonding, ultrasonic vibration, heat, and pressure are applied, but the bump bonding is formed on the
更に、実施例では、図2に示されるように、インターポーザ17側のバンプ24の径を半導体素子10側のバンプ24の径よりも大きく設定している。これによれば、インターポーザ17の大きな径のバンプ24に半導体素子10の小さな径のバンプ24が当接され、接合されるので、搭載位置の精度がそれ程、高くない場合でも、バンプの接合を安定して行うことができる。
Further, in the embodiment, as shown in FIG. 2, the diameter of the
実施例では、上記バンプ接合後に、搭載後位置確認用マークMbにより半導体素子10において位置ずれや角度ずれが生じていないことを確認することができる。例えば、円形の搭載後位置確認用マークMbの径を50μmとした場合、この半円を目視等することで、搭載位置を確認するができる。なお、インターポーザ17側のバンプ24の径を100μm、半導体素子10側のバンプ24の径を50μmとした場合では、接合位置の外れが生じることはなく、初期確認等の手段により品質が推持できる。
In the embodiment, after the bump bonding, it can be confirmed by the post-mounting position confirmation mark Mb that no positional deviation or angular deviation has occurred in the
そして、実施例によれば、バンプ接合は、レジスト23にダミーバンプ26が当接されて実行されるから、バンプ24の接合時の高さは、レジストの厚み(5〜30μm程度)とダミーバンプ26の限界変形厚(5μm程度)の合計以上となる。従って、過大な接合エネルギーが誤って加えられたとしても、バンプ高さは上記高さで設定されるから、安定した接合ができ、信頼性が確保される。即ち、従来のように、多段バンプが横へ広がったり、ブリッジしたりすることがない。
According to the embodiment, since the bump bonding is performed with the dummy bumps 26 in contact with the resist 23, the height at the time of bonding of the
また、実施例のバンプ接合は、バンプ24の密度が高く、ピンホールが比較的少なく、十分な容積を持っている等の理由より、下地層及び環境汚染等の影響を受けることが少ないため、少ない接合エネルギーにて十分接合することができ、例えば数100gfの荷重のみを加えるだけで、十分な接合が得られる可能性もある。その結果、半導体素子の脆いボンディングパッド周辺の機械的な破壊が防止され、また薄型の半導体素子の破損も防ぐことができる。
In addition, the bump bonding of the embodiment is less affected by the underlayer and environmental contamination due to the high density of the
図6には、組立完了後、環境負荷が与えられたことを想定し、組立温度150℃から環境温度−65℃まで変動させた時のパッケージ内部応力のシミュレータ解析結果が示されており、図6(A)は、金のバンプ24(90μmφ)の高さを30μm(2段)とした時の図、図6(B)は、金のバンプ24(90μmφ)の高さを15μm(1段)とした時の図である。図6(B)の1段バンプでは、3.2×105mN/mm2の領域と4×105mN/mm2の領域が存在するのに対し、図6(A)の2段バンプでは、2.5×105mN/mm2の領域までで、低い応力の発生しかないことが分かる。また、バンプを2段にした場合、ボンディングランド−バンプ間の応力は25%程度に低減すると見積もられており、バンプを更に多段にすれば、この応力は更に低減される。 FIG. 6 shows a simulator analysis result of the package internal stress when the assembly temperature is changed from 150 ° C. to the environmental temperature −65 ° C. assuming that an environmental load is applied after the assembly is completed. 6A is a view when the height of the gold bump 24 (90 μmφ) is 30 μm (two steps), and FIG. 6B is the height of the gold bump 24 (90 μmφ) is 15 μm (one step). ). In the one-step bump of FIG. 6 (B), the region of 3.2 × 10 5 mN / mm 2 and the region of 4 × 10 5 mN / mm 2 exist, whereas the two-step bump of FIG. 6 (A). Then, it can be seen that only low stress is generated up to a region of 2.5 × 10 5 mN / mm 2 . In addition, when the bumps are formed in two stages, the stress between the bonding land and the bump is estimated to be reduced to about 25%. If the bumps are further formed in multiple stages, this stress is further reduced.
実施例によれば、多段バンプの形成によって、CTE差が大きい半導体素子−インターポーザ間の距離を十分に離すことができ、接合不足もなく、熱ストレスによる内部応力が低減され、従来のようにバンプ径を大きくする必要もなく、狭パッドサイズ、狭パッドピッチの半導体素子に対応するこができる。また、レジストが半導体素子に接触してパッシベーション膜にダメージを与えることもなく、耐湿性等の信頼性が維持される。 According to the embodiment, by forming multi-stage bumps, the distance between the semiconductor element and the interposer having a large CTE difference can be sufficiently separated, and the internal stress due to thermal stress is reduced without the lack of bonding. It is not necessary to increase the diameter, and it is possible to cope with a semiconductor element having a narrow pad size and a narrow pad pitch. Further, the resist does not contact the semiconductor element and damage the passivation film, and reliability such as moisture resistance is maintained.
実施例では、図1(B)に示されるように、バンプ接合が終了した半導体装置は、インターポーザ17上の全体が樹脂28でオーバーコートモールド(モールド工程)によって封止される。即ち、接合の機械的強度向上のため半導体素子10とインターポーザ17との間隙に、毛細管現象を利用して液状の樹脂(エポキシ樹脂)28が充填(アンダーフィル)され、その後、金型成型又は液状樹脂28によるオーバーコートモールドが施される。従来の1段バンプの場合は、半導体素子−インターポーザ間の間隙が通常30μm以下となるため、封止材として使用されるエポキシ樹脂のフィラー径が上記間隙以上のとき、この間隙に侵入することができず、モールド特性に大きな影響が出ていたが、実施例では、バンプ周辺に毛細管現象により液状のエポキシ樹脂を充填した後、オーバーコートモールドすることで、モールド特性の影響をなくしている。そして、樹脂封止された、複数の半導体装置が搭載されたインターポーザ17をダイシング等の方法によって個片化することにより、個々の半導体装置が製作される。
In the embodiment, as shown in FIG. 1B, the entire semiconductor device after bump bonding is sealed with
上記実施例のバンプ24の形成前において、半導体素子10の場合にはウェハ単位、インターポーザ17の場合には、半導体素子集合基板単位でAr等のプラズマを照射し、ボンディング点の清浄化が図られる。インターポーザ上のボンディングランド21には、バンプ形成時に大きな負荷を加えても接合ダメージが生じないため、ボンディングランド表面の接合阻害層を効率よく破壊でき、安定な接合を実施することが容易である。また、インターポーザ17として有機基板を用いた場合のボンディングランド21は、その基板の強度が弱いため、従来のフリップチップ接合では、十分なエリアを確保する必要があったが、本発明では、十分な接合エネルギーを加えることができるため、ボンディングランド21は、バンプ潰れ径程度に小さく設定することが可能である。これは、インターポーザ上の配線引き回しの自由度向上と、密着強度が低い金めっきエリアを減らし、半導体装置の剥離防止にも繋がる。
Prior to the formation of the
また、一般に、多段バンプ接合では、半導体素子10側に多段バンプを形成して接合するが、特に多層化された半導体素子10のボンディングパッド周辺は、応力に弱く、バンプを1つずつ積み重ねる際のボンディング負荷による機械的ダメージを蓄積させることで、半導体素子10の破壊が起こるため、半導体素子10のボンディングパッドには複数回のボンディング負荷をかけない方が好ましい。実施例では、多段バンプの場合でも、インターポーザ17側にもバンプ24を形成することで、半導体素子10に形成するバンプ24が1つとなるので、半導体素子10のボンディングパッド11に加わる接合時の負荷は、バンプ形成時とフリップチップ接合時の2回に限られるため、ダメージの懸念がないという利点がある。
In general, in multi-stage bump bonding, multi-stage bumps are formed on the
上記実施例では、インターポーザ17のボンディングランドに1段以上のバンプを形成し、半導体素子10には1段のバンプを形成するようにしているが、これによって、GGI法で必須となる金バンプの平坦性、ボンディングする半導体素子10とインターポーザ(集合基板)17の平行度の管理が緩和できる。例えば、1段バンプでは3〜5μm程度のバラツキしか許容されなかった規格が、2段バンプではその2倍の6〜10μm程度、3段バンプでは、その3倍の9〜15μm程度のバラツキが許容されるようになる。
In the above-described embodiment, one or more bumps are formed on the bonding land of the
また、GGI法で上記配線上に予めバンプ24を形成する際、バンプ形成時の超音波エネルギーに対する条件範囲は広く、過度のパワーを加えたとしても、半導体素子の破壊の懸念がないため、ステージ加熱温度・時間に応じたニッケルの拡散から生じるNi(OH)2等の阻害因子層を効果的に破壊し易く、また、上記ステージ温度を100℃以下とすることができる等、低温化を図ることも可能である。
Further, when the
また、GGI法で用いられる金バンプ24は、金めっきに比べピンホールが少なく、しかもその厚みは2段バンプの場合、10〜100μm程度と、めっき厚0.03〜0.5μm程度に対して非常に厚く、そのバンプ上にFCB接合を施すことで、金めっき下層のニッケルの拡散から生じる阻害因子の影響はなく、また、硫化物の生成等の環境雰囲気下での汚染影響も金めっきに比べて小さい。そのため、フリップチップ接合時の超音波エネルギーを低く設定することができ、昨今の半導体装置に搭載される破壊強度が低い、80〜150μmの薄型の半導体素子のFCB接合も容易であり、過渡的な超音波エネルギー変動も小さいため、半導体素子の姿勢の変化も起こり難い。
In addition, the
上記実施例では、フリップチップ接合する際にインターポーザ17側のバンプ24と半導体素子10側の金バンプ24を高速衝突させ、そのインパクトによって瞬時に凝着現象を起こさせることで、接合を行うこともでき、この場合は、超音波の印加エネルギーを低下させることができる。
In the above embodiment, when the flip chip bonding is performed, the
1,10…半導体素子、 5,15,24…バンプ、
7,17…インターポーザ、 8…接続VIA、
9,21,31…ボンディングランド、
14,23…レジスト、 22…ダミーランド、
25…ダミーボンディングパッド、 26…ダミーバンプ、
28…モールド樹脂、 50…半導体素子搭載位置、
Ma…アライメントマーク、
Mb…搭載後位置確認用マーク。
1,10 ...
7, 17 ... Interposer, 8 ... Connection VIA,
9, 21, 31 ... Bonding land,
14, 23 ... resist, 22 ... dummy land,
25 ... dummy bonding pad, 26 ... dummy bump,
28 ... mold resin, 50 ... semiconductor element mounting position,
Ma ... alignment mark,
Mb: A mark for confirming the position after mounting.
Claims (4)
上記インターポーザには、所定のボンディングランドに1段以上のバンプを形成すると共に、上記ボンディングランドとは別にダミーランドを形成し、かつこのダミーランド上に、接合時バンプに加わる応力を低減する厚さのレジストを形成し、
上記半導体素子には、上記インターポーザ側のバンプに接続する1段のバンプを形成すると共に、上記インターポーザのダミーランド上のレジストに対向する位置にボンディングパッドを介してダミーバンプを形成し、
上記バンプ接合工程では、上記インターポーザのダミーランド上のレジストに、上記半導体素子のダミーバンプを当接しながら、上記インターポーザ側のバンプと半導体素子側のバンプとを用いて多段バンプ接合を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a manufacturing method of a semiconductor device having a bump bonding step of bonding a semiconductor element on an interposer by a bump,
In the interposer, a bump having one or more bumps is formed on a predetermined bonding land, a dummy land is formed separately from the bonding land , and a thickness for reducing stress applied to the bump at the time of bonding is formed on the dummy land. Of resist,
In the semiconductor element, one bump is formed to be connected to the bump on the interposer side, and a dummy bump is formed through a bonding pad at a position facing the resist on the dummy land of the interposer,
In the bump bonding step, multi-stage bump bonding is performed using the bump on the interposer side and the bump on the semiconductor element side while contacting the dummy bump of the semiconductor element to the resist on the dummy land of the interposer. A method for manufacturing a semiconductor device.
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