JP6859708B2 - 半導体装置を製造する方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップと、基板、他の半導体チップ又は半導体ウエハとを押圧部材により圧着する工程(圧着工程)を備える。図1は、半導体チップに基板を圧着する工程の一実施形態を示す工程図である。
硬化反応率(%)=(ΔH1−ΔH2)/ΔH1×100
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置について説明する。本実施形態に係る半導体装置における接続部は、バンプと配線との金属接合、及び、バンプとバンプとの金属接合のいずれでもよい。本実施形態に係る半導体装置では、例えば、硬化性接着剤層を介して電気的な接続を得るフリップチップ接続を用いることができる。
硬化性接着剤層は、10000以下の分子量を有する熱硬化性樹脂、及びその硬化剤を含有する熱硬化性樹脂組成物を含む層であってもよい。
熱硬化性樹脂は、加熱により架橋構造を形成し得る化合物である。熱硬化性樹脂は10000以下の分子量を有していてもよい。熱硬化性樹脂組成物が硬化剤と反応して架橋構造を形成する化合物(熱硬化性樹脂)を含むことで、分子量が小さい成分が加熱時に分解等して発生させるボイドが抑制されるため、耐熱性の点で有利である。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。
エポキシ樹脂は、分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物である。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ナフタレン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型及びジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、並びに各種多官能エポキシ樹脂が挙げられる。耐熱性、取り扱い性の観点から、エポキシ樹脂を、ビスフェノールF型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、ビフェニル型、及びトリフェニルメタン型エポキシ樹脂から選択してもよい。速硬化性及び耐熱性の観点から、エポキシ樹脂を、ビスフェノールF型及びトリフェニルメタン型エポキシ樹脂から選択してもよい。エポキシ樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アクリル樹脂は、分子内に1個以上の(メタ)アクリロイル基を有する化合物である。アクリル樹脂としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ナフタレン、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル、ビフェニル、トリフェニルメタン、ジシクロペンタジエン、フルオレン、アダマンタン及びイソシアヌル酸から選ばれる化合物に由来する骨格及び(メタ)アクリロイルオキシ基を有する(メタ)アクリレート、並びに各種多官能(メタ)アクリル化合物が挙げられる。耐熱性の観点から、アクリル樹脂を、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ナフタレン、フルオレン、アダマンタン及びイソシアヌル酸から選ばれる化合物に由来する骨格を有する(メタ)アクリレートから選択してもよい。アクリル樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
硬化剤は、熱硬化性樹脂と反応して、熱硬化性樹脂とともに架橋構造を形成する化合物である。硬化剤としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、ホスフィン系硬化剤、アゾ化合物及び有機過酸化物が挙げられる。硬化反応(硬化系)はラジカル重合(ラジカル重合系)であってもよい。硬化剤は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤及びアミン系硬化剤は、それぞれ1種を単独で又は2種以上の混合物として使用することができる。イミダゾール系硬化剤及びホスフィン系硬化剤はそれぞれ単独で用いてもよいが、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤又はアミン系硬化剤と共に用いてもよい。
フェノール樹脂系硬化剤は、分子内に2個以上のフェノール性水酸基を有する。フェノール樹脂系硬化剤としては、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール及び各種多官能フェノール樹脂が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
酸無水物系硬化剤としては、例えば、メチルシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物及びエチレングリコールビスアンヒドロトリメリテートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アミン系硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド及びドデカンジアミンが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
イミダゾール系硬化剤としては、例えば、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−ウンデシルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、及び、エポキシ樹脂とイミダゾール類の付加体が挙げられる。硬化性、保存安定性及び接続信頼性に優れる観点から、イミダゾール系硬化剤を、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール及び2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾールから選択してもよい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらをマイクロカプセル化した潜在性硬化剤として用いてもよい。
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラ(4−メチルフェニル)ボレート及びテトラフェニルホスホニウム(4−フルオロフェニル)ボレートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
アゾ化合物としては、例えば、ジメチルアミノアゾベンゼン、ジメチルアミノアゾベンゼン−カルボン酸、ジエチルアミノアゾベンゼン、及びジエチルアミノアゾベンゼン−カルボン酸が挙げられる。アゾ化合物は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
有機過酸化物としては、例えば、ケトンパーオキサイド、パーオキシケタール、ハイドロパーオキサイド、ジアルキルパーオキサイド、ジアシルパーオキサイド、パーオキシジカーボネイト、パーオキシエステル等が挙げられる。有機過酸化物は、保存安定性の観点から、ハイドロパーオキサイド、ジアルキルパーオキサイド及びパーオキシエステルから選択される1種以上であってもよい。有機過酸化物は、耐熱性の観点から、ハイドロパーオキサイド及びジアルキルパーオキサイドから選択される1種以上であってもよい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、10000以上の重量平均分子量を有する高分子成分を更に含有していてもよい。熱硬化性樹脂、硬化剤等の、高分子成分以外の成分の重量平均分子量又は分子量は、通常、10000未満である。高分子成分としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂及びアクリルゴムが挙げられる。耐熱性及びフィルム形成性に優れるという観点から、高分子量成分を、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、アクリルゴム、シアネートエステル樹脂及びポリカルボジイミド樹脂から選択してもよい。耐熱性及びフィルム形成性に更に優れるという観点から、高分子量成分を、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂及びアクリルゴムから選択してもよい。これらの高分子成分は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、フラックス剤(すなわち、フラックス活性(酸化物及び不純物を除去する活性)を示すフラックス活性剤)を更に含有していてもよい。フラックス剤としては、例えば、イミダゾール類及びアミン類等の非共有電子対を有する含窒素化合物、カルボン酸類、フェノール類及びアルコール類が挙げられる。アルコール等に比べて有機酸(2−メチルグルタル酸等のカルボン酸など)がフラックス活性を強く発現し、接続性及び安定性をより向上させることができる。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、粘度及び硬化物の物性を制御するため、及び、半導体チップ同士、又は半導体チップと基板とを接続した際のボイドの発生及び吸湿率の更なる抑制のために、フィラーを更に含有していてもよい。フィラーとしては、例えば、無機フィラー及び樹脂フィラーが挙げられる。無機フィラーとしては、例えば、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンブラック、マイカ及び窒化ホウ素等の絶縁性無機フィラーが挙げられる。取り扱い性の観点から、無機フィラーをシリカ、アルミナ、酸化チタン及び窒化ホウ素から選択してもよいし、形状統一性(取り扱い性)の観点から、無機フィラーをシリカ、アルミナ及び窒化ホウ素から選択してもよい。絶縁性無機フィラーはウィスカーであってもよい。ウィスカーとしては、例えば、ホウ酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、酸化亜鉛、珪酸カルシウム、硫酸マグネシウム及び窒化ホウ素が挙げられる。樹脂フィラーとしては、例えば、ポリウレタン、ポリイミド、メタクリル酸メチル樹脂及びメタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂(MBS)が挙げられる。フィラーは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。フィラーの形状、粒径、及び含有量は特に制限されない。
本実施形態に係る熱硬化性樹脂組成物は、(f)下記一般式(1):
で表されるシラノール化合物を更に含有していてもよい。式中、R1はアルキル基、フェニル基又はこれらの組み合わせからなる基を示し、R2はアルキレン基を示す。
(a)熱硬化性樹脂
エポキシ樹脂
・トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ樹脂(EP1032H60、三菱化学株式会社製、重量平均分子量:800〜2000)
・ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂(YL983U、三菱化学株式会社製、分子量:約336)
・可撓性半固形状エポキシ樹脂(YL7175−1000、三菱化学株式会社製、重量平均分子量:1000〜5000)
・2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体(2MAOK−PW、四国化成株式会社製)
・フェノキシ樹脂(ZX1356−2、東都化成株式会社製、Tg:約71℃、重量平均分子量:約63000)
・2−メチルグルタル酸(アルドリッチ製、融点:約77℃)
樹脂フィラー
・有機フィラー(EXL−2655、ロームアンドハースジャパン株式会社製、コアシェルタイプ有機微粒子)
無機フィラー
・シリカフィラー(SE2050、株式会社アドマテックス製、平均粒径:0.5μm)
・フェニル表面処理ナノシリカフィラー(YA050C−SP、株式会社アドマテックス製、平均粒径:約50nm)
以下の化学式で表されるシラノール化合物を準備した。
・固形シラノール、R1:フェニル基、R2:アルキレン基、X:H(FCA107、東レダウコーニング株式会社製、分子量:約3000)
各種原材料を表1に示す配合割合で混合し、熱硬化性樹脂組成物Aを調製した。具体的な作製方法を以下に示す。熱硬化性樹脂(EP1032H60、YL983U、及びYL7175−1000)、硬化剤(2MAOK−PW)、フラックス剤(2−メチルグルタル酸)、フィラー(EXL−2655、SE2050、及びYA050C−SP)、及びシラノール化合物(FCA107)を、不揮発分(固形分)濃度が60質量%になるようにメチルエチルケトンに添加した。その後、この混合液にφ1.0mm、φ2.0mmのビーズを固形分と同質量加え、ビーズミル(遊星型微粉砕機P−7、フリッチュ・ジャパン株式会社製)で30分間撹拌した。混合液に高分子成分(ZX1356−2)を加え、ビーズミルで30分間撹拌した。混合液をろ過することでビーズを取り除き、ろ液を熱硬化性樹脂組成物Aとして得た。
作製した熱硬化性樹脂組成物Aを小型精密塗工装置(株式会社廉井精機製)で塗工して塗膜を形成し、塗膜をクリーンオーブン(エスペック株式会社製)で乾燥(70℃/10分)し、フィルム状接着剤を得た。
(実施例1)
7.3mm×7.3mm×0.045mmtのサイズを有するフィルム状接着剤を、はんだバンプ付き半導体チップα(チップサイズ:7.3mm×7.3mm×0.15mmt、バンプ高さ:銅ピラー+はんだ高さ計約45μm、バンプ数:1048ピン、ピッチ:80μm、WALTS−TEG CC80ModelI、WALTS社製)に貼付した。半導体チップαの接続部の表面を形成している金属材料は、はんだ(Sn−Ag)である。このフィルム状接着剤付き半導体チップを、フィルム状接着剤を介して半導体チップβ(チップサイズ:10mm×10mm×0.1mmt、WALTS−TEG IP80、WALTS社製)に接触させ、これを押圧部材(FCB3、パナソニックファクトリーソリューションズ株式会社製)で圧着し(圧着工程)、積層体を得た。半導体チップβの接続部は、Cuと、Cuの表面に積層されたNi−Auとからなる。半導体チップβの接続部の表面を形成している金属材料は、Ni−Auである。圧着工程では、押圧部材のステージの温度は80℃に設定し、押圧部材の圧着ヘッドの温度を130℃に設定し、100Nの圧力で3秒間加熱及び加圧することで、半導体チップαと半導体チップβとを圧着した。続いて、積層体をリフロ炉(株式会社タムラ製作所製)に搬送し、170℃で90秒間加熱した後、続けて190℃で90秒間加熱することで、フィルム状接着剤の硬化反応を進行させた(硬化工程)。その後、硬化工程と連続して同じリフロ炉で積層体を260℃で90秒間加熱することで、半導体チップ同士を電気的に接続して(接続工程)、実施例1の半導体装置を得た。接続工程では、半導体チップαの接続部のはんだ(Sn−Ag)が溶融し、半導体チップβの接続部においてNi−Auが拡散してCuが露出し、Sn−Ag−Cuの金属接合が形成された。
硬化工程及び接続工程の加熱条件を表2に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2及び3、並びに比較例1及び2の半導体装置を製造した。表2中、硬化工程の加熱条件における「X1℃Y1s→X2℃Y2s」(X1、X2、Y1及びY2は、それぞれ数値を表す。sは、秒を表す。)との記載は、X1℃でY1s加熱した後、続けてX2℃でY2s加熱したことを意味する。
(溶融粘度の測定)
熱硬化性樹脂組成物Aについて、圧着工程時の温度における溶融粘度を、レオメーター(MCR301、株式会社アントンパール・ジャパン製)を用いて、以下の方法により測定した。ステージ上に熱硬化性樹脂組成物Aを供給し、ボイドが入らないように測定治具を設置した。測定条件は、ステージと測定治具(φ8mm)の間隔0.3mm、振り角gamma=5%、周波数f=1Hz、ノーマルフォースFN=0μN、昇温速度10℃/分、測定範囲30℃〜180℃とした。粘度曲線から130℃(圧着工程時の温度)の溶融粘度を求めた。熱硬化性樹脂組成物Aの130℃における溶融粘度は、4200Pa・sであった。
作製したフィルム状接着剤について、硬化工程と同じ条件で加熱した後の硬化反応率を、DSC(パーキンエルマー社製DSC−7型)を用いて、以下の方法により測定した。まず、未処理のフィルム状接着剤10mgをアルミパンに入れ、昇温速度20℃/分、30〜300℃の温度範囲の示差走査熱量測定を行って、硬化反応による発熱量ΔH1(J/g)を求めた。続いて、未処理のフィルム状接着剤をホットプレート上で加熱し、加熱処理後のフィルム状接着剤を得た。加熱処理は、表2に示される硬化工程の加熱条件で行った。この熱処理後のフィルム状接着剤10mgをアルミパンに入れ、昇温速度20℃/分、30〜300℃の温度範囲の示差走査熱量測定を行って、硬化反応による発熱量ΔH2(J/g)を求めた。下記の式に基づいて、硬化反応率を算出した。硬化反応率が80%以上である場合を「≧80%」、80%より低い場合を「<80%」として、結果を表2に示す。
硬化反応率(%)=(ΔH1−ΔH2)/ΔH1×100
超音波映像診断装置(Insight−300、インサイト株式会社製)を用いて、接続工程後に積層体の外観画像を撮影した。スキャナ(GT−9300UF、セイコーエプソン株式会社製)で硬化性接着剤層の画像を取り込んだ。画像処理ソフトAdobe Photoshop(登録商標)を用いて、色調補正及び二階調化によりボイド部分を識別した。ヒストグラムにより、硬化性接着剤層の面積(100%)に対するボイド部分の面積の割合(%)をボイド発生率として算出した。ボイド発生率が5%以下である場合を「A」、ボイド発生率が5%より高い場合を「B」として評価した。結果を表2に示す。
マルチメータ(R6871E、株式会社アドバンテスト製)を用いて、半導体装置の初期導通の可否を測定した。ペリフェラル部分の内周の初期接続抵抗値が32.0〜38.0Ωの場合を「A」(接続良好)、それ以外の抵抗値又は未接続の場合を「B」(接続不良)として評価した。結果を表2に示す。
半導体装置を封止材(CEL9750ZHF10、日立化成株式会社製)を用いてモールドし(条件:180℃/6.75MPa/90s)、クリーンオーブン(ESPEC製)内において175℃で5時間アフターキュアを行った。続いて、JEDEC level 2の条件で高温吸湿処理を行い、リフロ炉(株式会社タムラ製作所製)に3回通した。半導体装置における剥離の有無を確認した。その後、上記と同様の方法により、半導体装置の接続評価を行った。剥離がなく、接続良好である場合を「A」、剥離又は接続不良が生じた場合をBとして評価した。結果を表2に示す。
Claims (7)
- 半導体チップと、基板又は他の半導体チップと、これらの間に介在する硬化性接着剤層とを備え、前記半導体チップ、前記基板、及び前記他の半導体チップのそれぞれが接続部を有し、前記接続部の少なくとも一部が金属材料によって形成されており、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とが金属接合によって電気的に接続されている、半導体装置を製造する方法であって、
前記半導体チップと、前記基板、前記他の半導体チップ、又は、前記他の半導体チップに相当する部分を含む半導体ウエハと、これらの間に配置された前記硬化性接着剤層とを有し、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とが対向配置されている、積層体を、対向する一対の押圧部材で挟むことによって加熱及び加圧し、それにより前記半導体チップに前記基板、前記他の半導体チップ又は前記半導体ウエハを、前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とが接触するように圧着する工程と、
前記硬化性接着剤層の硬化反応を進行させる工程と、
前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とを金属接合によって電気的に接続する工程と、
をこの順に備え、
前記一対の押圧部材のうち少なくとも一方が、前記積層体を加熱及び加圧する時に、前記半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点、及び前記基板又は前記他の半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点よりも低い温度に加熱され、
前記硬化性接着剤層の硬化反応を進行させる工程において、前記積層体が、加熱炉内で、前記半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点、及び前記基板又は前記他の半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点よりも低い温度に加熱され、それにより前記硬化性接着剤層の硬化反応を前記硬化性接着剤層の硬化反応率が80%以上となるまで進行させ、
前記半導体チップの接続部と前記基板又は前記他の半導体チップの接続部とを金属接合によって電気的に接続する工程において、前記積層体が、前記半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点、又は前記基板若しくは前記他の半導体チップの接続部を形成している金属材料の融点のうち少なくともいずれか一方の融点以上の温度に加熱される、
方法。 - 前記硬化性接着剤層の溶融粘度が、前記押圧部材が加熱される温度において10000Pa・s以下である、請求項1に記載の方法。
- 前記硬化性接着剤層が、10000以下の分子量を有する熱硬化性樹脂、及びその硬化剤を含有する熱硬化性樹脂組成物を含む層である、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記熱硬化性樹脂組成物が、10000以上の重量平均分子量を有する高分子成分を更に含有する、請求項3に記載の方法。
- 前記高分子成分の重量平均分子量が30000以上であり、前記高分子成分のガラス転移温度が100℃以下である、請求項4に記載の方法。
- 前記硬化性接着剤層が、フィルム状接着剤によって形成された層である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記加熱炉内の圧力が大気圧である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
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