(57)【要約】【課題】積層された半導体素子のバンプ電極間で、安定した接続形状を有するとともに、バンプ電極との接触界面での酸化膜を除去することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１半導体素子のはんだバンプと第２半導体素子の第２バンプ電極とを仮固定して積層体が形成される。ついで、炉内をカルボン酸の還元温度以上ではんだバンプの溶融温度未満の温度としながら、炉内を第１カルボン酸ガス濃度とする。その後、炉内の温度が溶融温度となるまで昇温しながら、炉内を第２カルボン酸ガス濃度とする。ついで、炉内の温度を溶融温度以上の温度に維持して、はんだバンプを溶融させる。第２カルボン酸ガス濃度は、第１カルボン酸ガス濃度よりも低く、かつはんだバンプの酸化膜を還元できる最低限のカルボン酸ガスを含む濃度である。炉内の温度が溶融温度に到達したときに、少なくとも炉内は第２カルボン酸ガス濃度を有する。【選択図】図５
2020150202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１バンプ電極と前記第１バンプ電極上に配置されるはんだバンプとを有する第１半導体素子と、第２バンプ電極を有する第２半導体素子と、を前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とを仮固定しつつ積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を配置した炉内を排気する排気工程と、
前記炉内の温度をカルボン酸の還元作用を発現させる還元温度以上で前記はんだバンプが溶融する溶融温度未満の温度としながら、前記炉内が第１カルボン酸ガス濃度となるように、カルボン酸ガスと不活性ガスとを含む還元性ガスを前記炉内に導入して、前記はんだバンプの表面の酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
前記炉内の温度が前記溶融温度となるまで昇温しながら、前記炉内のカルボン酸ガスの濃度が第２カルボン酸ガス濃度となるまで低減させる還元性ガス濃度低減工程と、
前記炉内の温度を前記溶融温度以上の温度に維持して、前記はんだバンプを溶融させて前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とを接続する溶融工程と、
を含み、
前記第２カルボン酸ガス濃度は、前記第１カルボン酸ガス濃度よりも低く、かつ前記はんだバンプと前記第２バンプ電極との間にかみ込まれた前記はんだバンプの酸化膜を還元することができる最低限のカルボン酸ガスを含む濃度であり、
前記溶融工程の開始時点で、少なくとも前記炉内が前記第２カルボン酸ガス濃度を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
第１バンプ電極と前記第１バンプ電極上に配置されるはんだバンプとを有する第１半導体素子と、第２バンプ電極を有する第２半導体素子と、を前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とを仮固定しつつ積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を配置した炉内を排気する排気工程と、
前記炉内の温度を前記はんだバンプが溶融する溶融温度まで昇温しながら、前記炉内にカルボン酸ガスと不活性ガスとを導入して、前記はんだバンプの表面の酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
前記炉内の温度を前記溶融温度以上の温度に維持して、前記はんだバンプを溶融させて前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とを接続する溶融工程と、
前記炉内の温度を低減させるとともに、前記炉内を排気する第２排気工程と、
を含み、
前記酸化膜除去工程では、前記排気工程の後に前記炉内に第１カルボン酸ガス濃度となるように前記カルボン酸ガスと前記不活性ガスとを導入した後、前記溶融工程の開始時点で前記第１カルボン酸ガス濃度よりも低い第２カルボン酸ガス濃度となるように、前記カルボン酸ガスの濃度を段階的に下げるように、前記カルボン酸ガスと前記不活性ガスの導入量とを制御し、
前記第２カルボン酸ガス濃度は、前記第１カルボン酸ガス濃度よりも低く、かつ前記はんだバンプと前記第２バンプ電極との間にかみ込まれた前記はんだバンプの酸化膜を還元することができる最低限のカルボン酸ガスを含む濃度である半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記溶融工程の終了まで、前記炉内を前記第２カルボン酸ガス濃度に維持する請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記溶融工程の終了時点で、前記炉内は前記第２カルボン酸ガス濃度未満である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記酸化膜除去工程から前記溶融工程までの間、前記炉内の圧力を大気圧よりも低い所定の圧力に維持する請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記圧力は、１．３×１０4Ｐａ以上８×１０4Ｐａ以下の範囲である請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１カルボン酸ガス濃度は、０．６体積％より大きく９．２体積％以下である請求項１から６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１カルボン酸ガス濃度は、２．８〜９．２体積％であり、前記第２カルボン酸ガス濃度は、０．６〜２．８体積％である請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１バンプ電極および前記第２バンプ電極は、Ｎｉ，Ｃｕ，ＡｕおよびＰｄの群から選択される１つの金属、またはＮｉ，Ｃｕ，ＡｕおよびＰｄの群から選択される２以上の金属を複数積層した複合膜からなり、
前記はんだバンプは、ＳｎまたはＳｎを含む合金からなる請求項１から８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記カルボン酸ガスに含まれるカルボン酸は、脂肪族の１価または２価の低級カルボン酸である請求項１から７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記低級カルボン酸は、ギ酸、酢酸、アクリル酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸およびマロン酸の群から選択される少なくとも１つを含む請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体チップを積層し、積層された半導体チップのバンプ電極間をバンプによって電気的に接続した半導体装置が知られている。バンプは、安定した接続形状を有するとともに、バンプとバンプ電極との間の接触界面で酸化膜が除去されていることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−３７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの実施形態は、積層された半導体素子のバンプ電極間で、安定した接続形状を有するとともに、バンプ電極との接触界面での酸化膜を除去することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、積層体形成工程と、排気工程と、酸化膜除去工程と、還元性ガス濃度低減工程と、溶融工程と、を含む。前記積層体形成工程では、第１バンプ電極と前記第１バンプ電極上に配置されるはんだバンプとを有する第１半導体素子と、第２バンプ電極を有する第２半導体素子と、を前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とを仮固定しつつ積層して積層体が形成される。前記排気工程では、前記積層体を配置した炉内が排気される。前記酸化膜除去工程では、前記炉内の温度をカルボン酸の還元作用を発現させる還元温度以上で前記はんだバンプが溶融する溶融温度未満の温度としながら、前記炉内が第１カルボン酸ガス濃度となるように、カルボン酸ガスと不活性ガスとを含む還元性ガスを前記炉内に導入して、前記はんだバンプの表面の酸化膜が除去される。前記還元性ガス濃度低減工程では、前記炉内の温度が前記溶融温度となるまで昇温しながら、前記炉内のカルボン酸ガスの濃度が第２カルボン酸ガス濃度となるまで低減される。前記溶融工程では、前記炉内の温度を前記溶融温度以上の温度に維持して、前記はんだバンプを溶融させて前記はんだバンプと前記第２バンプ電極とが接続される。前記第２カルボン酸ガス濃度は、前記第１カルボン酸ガス濃度よりも低く、かつ前記はんだバンプと前記第２バンプ電極との間にかみ込まれた前記はんだバンプの酸化膜を還元することができる最低限のカルボン酸ガスを含む濃度である。前記溶融工程の開始時点で、少なくとも前記炉内が前記第２カルボン酸ガス濃度を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態による半導体装置の製造方法におけるはんだバンプ付近の様子を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、はんだバンプの接続時の様子を模式的に示す図である。
【図４】図４は、還元リフロー処理装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態による還元リフロー処理の条件の一例を示す図である。
【図６】図６は、第２の実施形態による還元リフロー処理の条件の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。図２は、第１の実施形態による半導体装置の製造方法におけるはんだバンプ付近の様子を模式的に示す断面図である。図３は、はんだバンプの接続時の様子を模式的に示す図である。図２および図３では、半導体チップ１０と半導体チップ２０−１との間のバンプ電極１１，２１間を拡大した図を示している。
【０００９】
図１（ａ）に示されるように、半導体装置の製造には、複数の半導体素子である半導体チップ１０，２０−１〜２０−Ｎ（Ｎは任意の自然数）が用意される。ここでは、半導体チップ１０と、複数の半導体チップ２０−１〜２０−Ｎ（なお、以下では個々の半導体チップ２０−１〜２０−Ｎを区別する必要がない場合には、半導体チップ２０と表記する。）と、が用意される。半導体チップ１０は、一方の面である上面にバンプ電極１１を有する。半導体チップ２０は、一方の面である下面にバンプ電極２１と、バンプ電極２１上に接続されるはんだバンプ２２と、を有し、他方の面である上面にバンプ電極２３を有する。
【００１０】
各バンプ電極１１，２１，２３は、２つの半導体チップ１０，２０間を電気的および機械的に接続する接続部となる電極である。バンプ電極１１は、半導体チップ１０の上面の所定の領域内に、例えばマトリクス状に配列されている。バンプ電極２１，２３は、それぞれ半導体チップ２０の下面および上面の所定の領域内に、例えばマトリクス状に配列されている。この例では、各バンプ電極１１，２１，２３は、平坦なパッド形状を有する。各バンプ電極は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｄなどの金属を用いた単体の金属膜もしくはこれらの金属を複数積層した複合膜、またはこれらの金属の合金膜を含む。
【００１１】
図２（ａ）に示されるように、各バンプ電極１１，２１，２３の側面には、バンプ電極１１，２１，２３の表面が酸化された酸化膜３１が存在する。バンプ電極１１，２１の側面に存在する酸化膜３１は、はんだバンプ２２の溶融時に、溶融したはんだがバンプ電極１１，２１の側面に濡れ広がらないようにする機能を有する。バンプ電極１１，２１，２３の側面に酸化膜３１が存在しないと、図３に示されるように、はんだバンプ２２の溶融時に、溶融したはんだがバンプ電極１１，２１の側面に濡れ広がってしまう。つまり、はんだがバンプ電極１１，２１の側面に回り込み、その結果得られるはんだバンプ２２は、高さ方向の中央付近で窪んだ形状を有してしまう。また、このようにバンプ電極１１，２１の側面に回り込んだはんだ２１ａが、バンプ電極１１，２１の配置面に平行な方向に隣接するバンプ電極１１，２１またははんだバンプ２２とショートしてしまう可能性がある。そのため、はんだバンプ２２を溶融するときに、バンプ電極１１，２１，２３の側面の酸化膜３１が除去されないようにする必要がある。
【００１２】
はんだバンプ２２は、半導体チップ２０の下面のバンプ電極２１上に、バンプ電極２１と同様に例えばマトリクス状に配置される。はんだバンプ２２は、例えばめっき法で形成され、あるいははんだ合金からなる微小ボールを用いて形成される。はんだバンプ２２は、たとえばＳｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎなどの単体の金属もしくはこれらの金属の複合物、またはこれらの金属の合金を含む。バンプ電極２１上に形成された直後のはんだバンプ２２の表面には、酸化膜は存在していないが、時間が経過すると、図２（ａ）に示されるように、はんだバンプ２２の表面が酸化され、酸化膜３２が形成される。はんだバンプ２２の表面に形成された酸化膜３２は、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３とを接続するときに、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間の抵抗を増大させたり、またはんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間に接続不良を発生させたりする要因となる。そのため、はんだバンプ２２を溶融する前に、はんだバンプ２２の表面の酸化膜３２をなるべく除去することが求められる。
【００１３】
半導体チップ１０および半導体チップ２０は、例えばシリコン（Ｓｉ）チップ等であるが、少なくとも一方がＳｉインタポーザであってもよい。すなわち、第１半導体素子と第２半導体素子との組み合わせは、半導体チップ１０と半導体チップ２０との組合せの他に、Ｓｉインタポーザと半導体チップ１０，２０との組合せ、半導体チップ１０，２０とＳｉインタポーザとの組合せ等があり、特に限定されるものではない。
【００１４】
ついで、図１（ｂ）に示されるように、支持基板４０上に半導体チップ１０を搭載する。その後、半導体チップ１０のバンプ電極１１と、半導体チップ２０−１のはんだバンプ２２と、が重なるように位置合わせを行った後、半導体チップ１０上に半導体チップ２０を積層する。このとき、バンプ電極１１とはんだバンプ２２とを仮固定する。仮固定は次工程で酸化膜の除去を実施する際に、上下の半導体チップ１０，２０−１が外れない強度が得られればよい。バンプ電極１１とはんだバンプ２２の仮固定には、パルスヒータ加熱型ボンダを用いてはんだバンプ２２の融点未満に加熱しながら荷重を加える固定方法、あるいは図示しない固定材として感光性接着剤または非導電性接着剤を併用する方法などがある。なお、支持基板４０は、例えばリードフレームまたはガラスエポキシ基板である。
【００１５】
その後、半導体チップ２０−２のはんだバンプ２２と、半導体チップ１０と仮固定された半導体チップ２０のバンプ電極２３とを同様の方法で仮固定する。これを、半導体チップ２０−Ｎを仮固定するまで繰り返す。これによって、半導体チップ１０〜２０−Ｎが仮固定された積層体５０が得られる。
【００１６】
ついで、図１（ｂ）で仮固定された積層体５０を、還元リフロー処理して、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３とを本接合する。上下に隣接する半導体チップ１０，２０のバンプ電極１１，２３とはんだバンプ２２との間の仮固定は、はんだバンプ２２の表面に酸化膜３２が存在している状態で実施されるため、バンプ電極１１，２３とはんだバンプ２２との接触界面には酸化膜３２が噛み込まれた状態となる。ただし、図２（ｂ）に示されるように、バンプ電極１１とはんだバンプ２２とは仮固定された状態であるため、バンプ電極１１とはんだバンプ２２との接触界面には、隙間Ｇが存在している。そのため、カルボン酸ガスを、はんだバンプ２２の表面に存在する酸化膜３２に接触させて除去した後に、はんだバンプ２２を溶融するが、本実施形態ではこの溶融をカルボン酸ガスが存在する雰囲気下で行って、はんだバンプ２２の溶融時に接触界面に噛み込まれた酸化膜３２を除去する還元リフロー処理を行う。以下に、この還元リフロー処理について説明する。
【００１７】
図４は、還元リフロー処理装置の構成の一例を模式的に示す図である。還元リフロー処理装置１００は、加熱炉１１０と、排気処理部１３０と、ガス導入部１５０と、を有する。加熱炉１１０は、密閉可能な構造を有する。加熱炉１１０は、加工対象を保持し、加熱機構を有するステージ１１１を内部に有する。ステージ１１１には、例えば複数の仮固定された積層体５０が配置された搬送板６０を載置することができる。
【００１８】
排気処理部１３０は、配管１３１を介して加熱炉１１０と接続され、加熱炉１１０内のガスを外部に排気する真空ポンプ１３２と、真空ポンプ１３２による排気のオンとオフとを切り替える排気バルブ１３３と、真空ポンプ１３２と配管１３１を介して接続され、真空ポンプ１３２によって排気されるガスを無害化する除外装置１３４と、を備える。
【００１９】
ガス導入部１５０は、配管１５１を介して加熱炉１１０と接続され、不活性ガスを貯蔵する不活性ガス貯蔵部１５２と、不活性ガスの加熱炉１１０への供給のオンとオフとを切り替えるバルブ１５３と、を備える。不活性ガス貯蔵部１５２には、窒素ガスなどの不活性ガスが貯蔵される。この配管１５１で接続される経路は、内部が排気された状態の加熱炉１１０を大気圧に戻す大気解放を行う場合に使用される。
【００２０】
また、ガス導入部１５０は、不活性ガス貯蔵部１５５と、還元ガス生成部１５６と、を備える。不活性ガス貯蔵部１５５は、カルボン酸ガスの発生に使用されるキャリアガスとして使用され、またカルボン酸ガスの濃度を調整する希釈ガスとしても使用される不活性ガスを貯蔵する。不活性ガスとして、窒素ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスなどの不活性ガスを用いることができる。図では、不活性ガス貯蔵部１５２と不活性ガス貯蔵部１５５とが別々に設けられているが、大気解放に使用する不活性ガスと、還元性ガスの生成に使用する不活性ガスと、で同じガスを使用する場合には、不活性ガス貯蔵部を共通化してもよい。
【００２１】
不活性ガス貯蔵部１５５に接続される配管１６１は、途中で希釈ガス配管１６２とキャリアガス配管１６３とに分岐される。希釈ガス配管１６２は、加熱炉１１０に接続される。希釈ガス配管１６２には、加熱炉１１０内に導入する希釈ガスとしての不活性ガスの流量を制御する気体流量制御器１５７が設けられる。キャリアガス配管１６３には、還元ガス生成部１５６に導入するキャリアガスとしての不活性ガスの流量を制御する気体流量制御器１５８が設けられる。気体流量制御器１５７，１５８として、マスフローコントローラなどを用いることができる。キャリアガス配管１６３は、還元ガス生成部１５６に接続される。また、配管１６１には、不活性ガスの供給のオンとオフとを切り替えるバルブ１６５が設けられる。
【００２２】
還元ガス生成部１５６は、カルボン酸の液体１５６２を収容した密閉容器１５６１である。密閉容器１５６１には、キャリアガス配管１６３と、密閉容器１５６１内で生成されたカルボン酸の蒸気とキャリアガスとを含む混合ガスを加熱炉１１０内に導入する混合ガス配管１６４と、が接続される。キャリアガス配管１６３の先端は、カルボン酸の液体１５６２中に配置される。また、混合ガス配管１６４の一端は、カルボン酸の液体１５６２と接しないように密閉容器１５６１に設けられ、他端は、希釈ガス配管１６２と接続される。カルボン酸の液体１５６２は、カルボン酸自体が液体の場合には液体でもよいし、カルボン酸を所定の濃度で含むカルボン酸水溶液でもよい。還元ガス生成部１５６は、カルボン酸の液体１５６２を加熱する加熱部１５６３を有する。加熱部１５６３は、例えば密閉容器１５６１を加熱する。密閉容器１５６１を加熱することで、密閉容器１５６１内では、カルボン酸の蒸気が発生する。混合ガス配管１６４中の混合ガスは、希釈ガス配管１６２中の希釈ガスと混合され、所定の濃度のカルボン酸ガスを含む還元性ガスとなり、加熱炉１１０内に供給される。
【００２３】
カルボン酸ガスは、はんだバンプ２２の表面に存在する酸化膜３２を還元して除去するために用いられる。酸化膜３２の還元剤として用いるカルボン酸は特に限定されるものではなく、例えばギ酸、酢酸、アクリル酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸、マロン酸等の脂肪族の１価または２価の低級カルボン酸が挙げられる。これらの内でも、それ自体のコストおよびガス化のためのコストが低く、また酸化膜３２の還元作用に優れることから、ギ酸を使用することが好ましい。なお、以下ではカルボン酸の代表例としてギ酸を用いる場合を中心に説明するが、酸化膜３２の還元剤としてのカルボン酸はこれに限定されるものではない。また、還元ガス生成部１５６の構成はバブリング方式を用いた場合の一例であるが、カルボン酸の蒸気を加熱炉１１０内に供給できるものであれば、ベーキング方式、直接気化方式など他の構成を用いてもよい。
【００２４】
ここで、図４に示される還元リフロー処理装置１００における第１の実施形態による還元リフロー処理について説明する。図５は、第１の実施形態による還元リフロー処理の条件の一例を示す図である。この図で横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度を示し、右側の縦軸は加熱炉１１０内の圧力およびカルボン酸ガスの濃度（体積％）を示す。
【００２５】
まず、支持基板４０に搭載された複数の仮固定された積層体５０を搬送板６０に配置し、加熱炉１１０（リフロー炉）内のステージ１１１上に載置する。その後、加熱炉１１０内を減圧雰囲気とするために、加熱炉１１０内を真空ポンプ１３２で排気する排気処理を実施する（ステップＳ１１）。加熱時に加熱炉１１０内に残留する酸素は、はんだバンプ２２を酸化させるため、大気圧状態（１．０１×１０5Ｐａ）から１×１０3Ｐａ以下、より望ましくは５Ｐａ程度の減圧状態まで加熱炉１１０内を排気することが好ましい。
【００２６】
このような減圧雰囲気の加熱炉１１０内に還元性ガスであるカルボン酸ガスを導入し、はんだバンプ２２の酸化膜を還元する還元処理が行われる（ステップＳ１２）。この還元処理では、加熱炉１１０内の温度が、カルボン酸ガスの還元作用が発現する還元温度Ｔ１以上で、はんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の温度範囲となるように、ステージ１１１の加熱機構によって加熱が行われる。また、加熱炉１１０内の圧力は、所定値となるように維持され、カルボン酸濃度も所定値Ｃ１となるように維持される。以下、この還元処理について具体的に説明する。
【００２７】
図４に示されるように、還元ガス生成部１５６の密閉容器１５６１に収容されたカルボン酸水溶液を加熱部１５６３で加熱し、密閉容器１５６１内にカルボン酸の蒸気を発生させる。この状態の密閉容器１５６１内にキャリアガス配管１６３からキャリアガスを流し込むことで、キャリアガスとカルボン酸の蒸気とが混合した混合ガスが混合ガス配管１６４から送出される。キャリアガスとしては窒素ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスなどが用いられる。
【００２８】
混合ガス配管１６４は希釈ガス配管１６２と接続されているので、混合ガスは希釈ガスと合流する。希釈ガス配管１６２を流れる不活性ガスと、混合ガスと、が混合された、カルボン酸ガス濃度が調整された還元性ガスが生成され、還元性ガスは加熱炉１１０内へと導入される。希釈ガスは、カルボン酸ガスの濃度を調整するためのガスである。希釈ガス配管１６２には、加熱炉１１０内のはんだバンプ２２に存在する酸化膜の還元に必要なカルボン酸の濃度となるように、希釈ガスの流量が気体流量制御器１５７によって調整され、キャリアガスの流量が気体流量制御器１５８によって構成される。希釈ガスには、キャリアガスと同様、不活性ガスが用いられる。希釈ガスとして、窒素ガスなどを用いることができるが、キャリアガスと同一ガスを用いてもよい。
【００２９】
なお、加熱炉１１０内が所定の圧力を有する時の加熱炉１１０内のカルボン酸ガスの濃度と、気体流量制御器１５７，１５８での不活性ガスの流量と、排気バルブ１３３の開度と、の間の対応付け情報が予め実験によって求められている。そして、加熱炉１１０内に還元性ガスを導入するときに、この対応付け情報にしたがって、気体流量制御器１５７，１５８での不活性ガスの流量の制御を行うとともに、排気バルブ１３３の動作による加熱炉１１０内の圧力を調整することで、加熱炉１１０内でのカルボン酸ガスの濃度を制御している。
【００３０】
つまり、加熱炉１１０内には常に新しい還元性ガスが導入される。また、加熱炉１１０の雰囲気圧は大気圧より低い状態、例えば１．３〜８×１０4Ｐａの範囲に維持されるように設定されることが好ましい。加熱炉１１０内の圧力が低すぎると真空断熱による加熱不足によるはんだバンプ２２の未溶融が危惧され、大気圧付近である場合は、カルボン酸ガスを含むアウトガスがはんだに巻き込まれボイド不良となり得る。これによって、還元性ガスで酸化膜３２を還元した際に発生するガスは滞留せず、周囲に放散させることができ、還元時に発生したガスがはんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との接合体（接続体）２５内に取り込まれることが抑制される。具体的な雰囲気圧はカルボン酸ガスの導入量にもよるが、例えば２．７×１０4Ｐａ以下であることが望ましい。
【００３１】
１．３×１０4Ｐａ以上で８×１０4Ｐａ以下の減圧雰囲気下で、所定の存在量（濃度）のカルボン酸ガスが存在すれば、はんだバンプ２２の表面の酸化膜３２を還元除去することができる。例えば、加熱炉１１０内の圧力が２．７×１０4Ｐａである場合には、カルボン酸ガス濃度が０．６体積％〜９．２体積％の範囲となるように還元性ガスが導入されることが好ましい。このカルボン酸ガス濃度を例えばギ酸のモル濃度に換算すると３．１９×１０-6ｍｏｌ／Ｌ〜２．８７×１０-3ｍｏｌ／Ｌの範囲となる。
【００３２】
還元処理工程における加熱炉１１０内のカルボン酸ガスの濃度が高すぎると、余分なカルボン酸ガスが溶融したはんだバンプ２２内に取り込まれてボイドとなる虞がある。一方、カルボン酸ガスの濃度が低すぎると、カルボン酸ガスによる酸化膜３２の還元作用を十分に得ることができず、はんだバンプ２２の接続不良および抵抗値の増大等を招く虞がある。そのため、上記したカルボン酸ガス濃度の範囲であることが望ましい。
【００３３】
上述した環境で加熱炉１１０内に還元性ガスを導入した後、あるいは還元性ガスの導入とほぼ同時に、ステージ１１１の加熱機構によって所定の昇温速度（例えば２０〜５０℃／分）で加熱炉１１０内を昇温する。このとき、加熱炉１１０内の温度が、カルボン酸の還元作用が発現する還元温度Ｔ１以上で、はんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の温度となるように制御される。
【００３４】
カルボン酸としてギ酸が用いられる場合、１５０℃以上の温度で酸化膜３２の還元作用が発現する。すなわち、ギ酸による酸化膜３２の還元温度Ｔ１は約１５０℃であり、それ以上の温度になると酸化膜３２が還元されて除去される。このような酸化膜３２の還元温度Ｔ１以上の温度域において、はんだバンプ２２をギ酸ガス中に例えば数分間晒すことによって、はんだバンプ２２の表面に存在する酸化膜を還元して除去することができる。
【００３５】
ただし、仮固定された積層体５０を構成するそれぞれの半導体チップ２０に配置されるはんだバンプ２２の数は、バンプサイズの微小化またはバンプピッチの微細化等に伴って、１０００を超える。還元リフロー処理の対象がこのような多数のはんだバンプ２２を有する半導体チップ２０を積層させた積層体５０であり、また加熱炉１１０内では複数の積層体５０が一括して還元リフロー処理されるため、はんだバンプ２２の数は８００，０００を超える場合もあり得る。還元が開始される前のこれらのはんだバンプ２２の酸化膜３２の状態は同一ではないため、全てのはんだバンプ２２の酸化膜を一様に除去するには、十分な還元処理の時間が必要となる。
【００３６】
一方、バンプ接続に必要なはんだバンプ２２の接合体２５以外のバンプ電極１１，２１，２３の側面の酸化膜３１が還元されてしまうと、図３に示されるようにはんだバンプ２２のはんだがバンプ電極１１，２１，２３の側面に濡れ広がり、接合体２５の接続に必要なはんだの体積が減少してしまう。また還元力を減少させた、一定の濃度で、バンプ電極１１，２１，２３の側面に濡れ広がりを抑制させる方法は、はんだバンプ２２を還元する時間が長時間になることで、熱履歴によるはんだバンプ２２の接続弊害が予想される。これには例えば低温で金属の固相拡散が進行し、高融点の金属化合物が先に形成されてしまい、融点Ｔ２でのはんだバンプ２２の溶融を阻害してしまう。
【００３７】
そこで、第１の実施形態では、還元処理の後でも、バンプ電極１１，２１，２３の側面の酸化膜３１を還元させずに、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間に還元されずに残った酸化膜３２を除去することができるように、還元処理の後の処理に工夫を施している。つまり、還元処理の後のはんだバンプ２２の溶融処理時にも、加熱炉１１０内に還元性ガスが存在するように加熱炉１１０内の雰囲気が制御される。
【００３８】
ステップＳ１２の還元処理工程の後、加熱炉１１０の温度をはんだバンプ２２の融点（溶融温度）Ｔ２以上に昇温する昇温処理が実施される（ステップＳ１３）。昇温処理では、カルボン酸ガスによる酸化膜の還元温度Ｔ１以上ではんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の温度域で、カルボン酸ガスの濃度を低減させる。すなわち気体流量制御器１５７，１５８で混合ガスに対する希釈ガス配管１６２に流す不活性ガスの流量比率を増加させる制御を行う。これによって、加熱炉１１０内のカルボン酸ガス濃度を低減させることができる。上記したように、加熱炉１１０内のカルボン酸ガス濃度を０にするのではなく、所定値Ｃ２となるまで低減させる。所定値Ｃ２は、昇温工程の終了時点（つぎの溶融工程の開始時点）で、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間にかみ込まれた酸化膜３２を還元することができる最低限のカルボン酸ガス濃度である。なお、加熱炉１１０の雰囲気圧は一定になるよう、たとえば２．７×１０4Ｐａの状態となるように、排気バルブ１７が制御される。
【００３９】
カルボン酸としてギ酸を用いる場合には、たとえば還元温度Ｔ１以上では、ギ酸ガス濃度が２．８体積％となるように、ギ酸ガスを含む混合ガスと希釈ガスとの流量比を制御した還元性ガスを、例えば１５Ｌ／分の割合で流す。その後、加熱炉１１０の温度がはんだバンプ２２の融点Ｔ２に到達したときに、ギ酸ガス濃度が０．６体積％以上となるように、ギ酸ガスを含む混合ガスと希釈ガスとの流量比を制御した還元性ガスを、例えば３０Ｌ／分の割合で流す。なお、ギ酸ガス濃度は一例であり、還元温度Ｔ１以上では、２．８体積％〜９．２体積％であることが望ましく、また、はんだバンプ２２の融点Ｔ２に到達したときには、０．６体積％〜２．８体積％であることが望ましい。これによって、加熱炉１１０内のギ酸ガス濃度が段階的に低減する。この設定では、−０．７体積％／分でギ酸ガス濃度が減少していく。ただし、加熱炉１１０内の全体の圧力は、変化しないように制御される。
【００４０】
その後、加熱炉１１０の温度をはんだバンプ２２の融点Ｔ２以上に維持して、はんだバンプ２２を溶融させる溶融処理が実施される（ステップＳ１４）。溶融処理の開始時点では、上記したように、加熱炉１１０内は、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間にかみ込まれた酸化膜３２を還元することができる最低限のカルボン酸ガス濃度となっている。溶融処理の間も、加熱炉１１０内の全体の圧力は、変化しないように制御される。
【００４１】
酸化反応の標準反応ギブズエネルギを温度に対しプロットしたエリンガム図によると、たとえばＳｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎなどやその複合膜、合金などを用いたはんだバンプ２２は還元されにくいＳｎを主にした金属である。しかし、この方法によって、還元温度Ｔ１以上で還元作用をもつカルボン酸ガスを用いることによって、はんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の低温度域で酸化膜が除去される。一方で、たとえばＣｕ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｄなどの単体、複合膜、合金などを用いたバンプ電極１１，２１，２３は高温下で還元されやすくなる。そこで、還元処理ではんだバンプ２２の表面の酸化膜３２が略除去された後では、加熱炉１１０をカルボン酸ガス濃度を低減した状態で、はんだバンプ２２の融点Ｔ２とすることでバンプ電極１１，２１，２３の酸化膜３１の還元を抑えることができる。
【００４２】
また、積層体５０として仮固定された図２（ｂ）の状態によっては、融点Ｔ２未満でバンプ電極１１とはんだバンプ２２との接触界面２７の隙間Ｇにカルボン酸ガスが侵入できない状態となっている場合があり得る。要するに、バンプ電極１１，２３をはんだバンプ２２が変形して覆ってしまう状態である。はんだバンプ２２は融点Ｔ２以上で溶融されることではんだ形状が変化し、カルボン酸ガスが侵入できるようになるので、はんだバンプ２２の酸化膜３２を継続して除去することができる。そのため、加熱炉１１０内は、少なくとも溶融処理の開始時点では一時的に還元性を有する状態とする。つまり、加熱炉１１０内の温度が融点Ｔ２に到達したときのカルボン酸ガスの濃度は、バンプ電極１１，２３とはんだバンプ２２との間の酸化膜３２を除去することができる最低限の濃度を有するとともに、還元温度Ｔ１でのカルボン酸ガスの濃度よりも小さくなるように制御される。
【００４３】
なお、溶融処理の終了時点では、酸化膜３２を除去することができる最低限のカルボン酸ガスの濃度を有していてもよいし、最低限未満のカルボン酸ガスの濃度を有していてもよい。カルボン酸としてギ酸を用いる場合には、例えば、融点Ｔ２に到達したときのカルボン酸ガス濃度が０．６体積％以上であればよい。
【００４４】
このような加熱炉１１０内の雰囲気で、温度を融点Ｔ２以上とすることで、バンプ電極１１，２３とはんだバンプ２２とは一体化され、接合体２５が形成される。このとき、バンプ電極１１，２３の酸化膜３１が残存した状態ではんだバンプ２２を溶融させているので、溶融したはんだがバンプ電極１１，２３の側面に濡れ広がることなく、エネルギ的に安定したはんだバンプ２２の接続形状となる。はんだバンプ２２の安定した接続形状は、例えば球形状である。その結果、図２（ｃ）に示されるように、電気的および機械的に優れた半導体チップ１０，２０間の接続を実現する積層体５０からなる半導体装置を得ることができる。
【００４５】
その後、排気処理が実施される（ステップＳ１５）。排気処理では、ステージ１１１の加熱機構による加熱を停止するとともに、還元性ガスの加熱炉１１０内への供給を停止し、加熱炉１１０内を真空ポンプ１３２によって排気する。
【００４６】
加熱炉１１０内の温度が積層体５０を容易に取り出せる温度、例えば５０℃程度の温度まで降温した後、大気解放処理が実施される（ステップＳ１６）。大気解放処理では、不活性ガス貯蔵部１５２から配管１５１を介して加熱炉１１０内に窒素ガス等の不活性ガスを導入して大気圧にする。その後、複数の積層体５０が配置された搬送板６０を加熱炉１１０から取り出す。このように、加熱炉１１０内の大気圧への復帰は積層体５０を容易に取り出せる温度まで降温した後に実施してもよいが、還元処理の終了後に、加熱炉１１０内の温度がはんだバンプ２２の融点Ｔ２以上の温度域にある状態で、加熱炉１１０内に窒素ガス等の不活性ガスを一気に導入して大気圧まで戻してもよい。
【００４７】
加熱炉１１０から取り出された積層体５０は、通常の半導体装置と同様にアセンブリ工程に送られる。アセンブリ工程は半導体装置に応じて選択されるものであり、特に限定されるものではない。その一例を述べると、例えば図示しない配線基板上に積層体５０を熱硬化性樹脂で接着し、これをキュア処理して硬化させた後、積層体５０と図示しない基板との間をワイヤボンディング等で接続する。このような構造体を樹脂モールドした後、アウタボールを配置して半導体装置（半導体パッケージ）の外部接続端子を形成する。
【００４８】
第１の実施形態では、半導体チップ１０，２０のバンプ電極１１，２３と、他の半導体チップ２０のはんだバンプ２２とを仮固定した積層体５０を還元リフロー処理する際に、カルボン酸ガスの還元温度Ｔ１以上で、はんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の温度で、カルボン酸ガスを加熱炉１１０内に導入する。その後、加熱炉１１０内の温度がはんだバンプ２２のＴ２に到達した時点で、はんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間に挟まったはんだバンプ２２の酸化膜３２を還元することができる最低限のカルボン酸ガスの濃度となるようにした。これによって、はんだバンプ２２の溶融時に、バンプ電極１１，２３の側面に存在する酸化膜３１の還元を抑えながら、はんだバンプ２２に残された酸化膜３２の還元が行われる。その結果、バンプ電極１１，２３とバンプ電極２１との間に、接続に必要なはんだ体積の減少をなくし、安定した接続形状を有するはんだバンプ２２を形成することができる。また、接続面のはんだには合金層の成長に必要な加熱時間を十分与えることができ、はんだバンプ２２の接続強度を増加させることが可能となる。
【００４９】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態による還元リフロー処理の条件の一例を示す図である。この図で横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度を示し、右側の縦軸は加熱炉１１０内のギ酸の濃度（体積％）を示す。なお、以下では、第１の実施形態の図５と異なる部分のみ説明する。
【００５０】
第２の実施形態では、図５のステップＳ１２の還元処理と、ステップＳ１３の昇温処理と、を組み合わせて１つの還元処理としている（ステップＳ２１）。この還元処理では、カルボン酸ガスの還元温度Ｔ１以上で、はんだバンプ２２の融点Ｔ２未満の温度で、カルボン酸ガス濃度を階段状に低減するように、還元性ガス濃度を変更する。例えば、図６に示されるように、時刻Ｔ１１〜Ｔ１２では、カルボン酸ガス濃度がＣ１となるように第１還元性ガスが導入され、時刻Ｔ１２〜Ｔ１３では、カルボン酸ガス濃度がＣ３となるように第２還元性ガスが導入され、時刻Ｔ１３〜Ｔ１４では、カルボン酸ガス濃度がＣ２となるように第３還元性ガスが導入される。ただし、カルボン酸ガス濃度の大きさは、Ｃ１＞Ｃ３＞Ｃ２となる。濃度の異なる還元性ガス導入の切換え時間と、導入する還元性ガスのカルボン酸ガス濃度の設定は、バンプ電極１１，２３とはんだバンプ２２の形態により任意に設定され、その回数と濃度に制約はないものとする。つまり、加熱炉１１０内の温度が融点Ｔ２に到達したときに、カルボン酸ガス濃度がはんだバンプ２２とバンプ電極１１，２３との間に挟まったはんだバンプ２２の酸化膜３２を還元することができる最低限のカルボン酸ガスの濃度を有するように、カルボン酸ガス濃度をｍ（ｍは２以上の自然数）の階段状に低減していればよい。
【００５１】
第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
なお、上記した説明では、図１および図２に示されるように、一方の半導体チップ２０のバンプ電極２１にはんだバンプ２２が配置される場合を示したが、両方の半導体チップ１０，２０のバンプ電極１１，２１，２３にはんだバンプ２２が配置されていてもよい。また、バンプ電極１１，２１，２３を備えたガラスエポキシ基板とはんだバンプ２２が配置された半導体チップ２０、あるいははんだバンプ２２を備えたガラスエポキシ基板と半導体チップのバンプ電極１１，２１，２３の接合についても同様である。これらの場合にも、同様の方法で還元リフロー処理を行うことで、２つのはんだバンプ２２による安定した接続形状を有する接合体を形成することができる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１０，２０，２０−１〜２０−Ｎ  半導体チップ、１１，２１，２３  バンプ電極、１７  排気バルブ、２２  バンプ、２５  接合体、２７  接触界面、３１，３２  酸化膜、４０  支持基板、５０  積層体、６０  搬送板、１００  還元リフロー処理装置、１１０  加熱炉、１１１  ステージ、１３０  排気処理部、１３１  配管、１３２  真空ポンプ、１３３  排気バルブ、１３４  除外装置、１５０  ガス導入部、１５１，１６１  配管、１５２，１５５  不活性ガス貯蔵部、１５３，１６５  バルブ、１５６  還元ガス生成部、１５７，１５８  気体流量制御器、１６２  希釈ガス配管、１６３  キャリアガス配管、１６４  混合ガス配管、１５６１  密閉容器、１５６２  カルボン酸の液体、１５６３  加熱部。
【図１】
2020150202.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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