(57)【要約】【課題】  基板同士の横方向のずれを抑制するために、接合時の荷重を小さくすると、バンプ表面の薄い酸化膜を破壊してバンプの清浄面同士を接触させることが困難になる。【解決手段】  表面に複数の部分球状の第１のバンプが形成された第１の基板と、表面の、前記複数の第１のバンプに対応する位置にそれぞれ部分球状の第２のバンプが形成された第２の基板とを、相互に対応する該第１のバンプと該第２のバンプとが接触するように対向させる。第１のバンプと第２のバンプとが接触した状態で、第１のバンプと第２のバンプとを加熱して溶融させた後、固化させる。溶融する前の第１のバンプの各々の体積が、溶融する前の対応する第２のバンプの体積と異なる。【選択図】  図１−３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の部分球状の第１のバンプが形成された第１の基板と、表面の、前記複数の第１のバンプに対応する位置にそれぞれ部分球状の第２のバンプが形成された第２の基板とを、相互に対応する該第１のバンプと該第２のバンプとが接触するように対向させる工程と、
前記第１のバンプと前記第２のバンプとが接触した状態で、該第１のバンプと該第２のバンプとを加熱して溶融させた後、固化させる工程と
を有し、溶融する前の前記第１のバンプの各々の体積が、溶融する前の対応する前記第２のバンプの体積と異なる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
溶融する前の前記第１のバンプの頂上部における曲率半径と、溶融する前の前記第２のバンプの頂上部における曲率半径との差が、両者のうち大きい方の曲率半径の２３％以上である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
溶融する前の前記第１のバンプと前記第２のバンプの小さい方のバンプの体積が、前記第１のバンプと前記第２のバンプとの合計の体積の３０％以下である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１のバンプと前記第２のバンプとが接触するように前記第１の基板と前記第２の基板とを対向させた状態で、該第１の基板または該第２の基板に、該第１の基板と該第２の基板とが近づく向きの荷重を印加する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１のバンプと前記第２のバンプとを溶融させた後、固化した状態において、前記第１のバンプと前記第２のバンプとが一体になったバンプの高さが６μｍ以上になるように、前記第１のバンプ及び前記第２のバンプの体積が調整されている請求項１乃至４のいずれか１項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】
本発明は、部分球状のバンプ同士を接触させ、両者を溶融させて一体化させるホットウェルディング工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨｇＣｄＴｅフォトダイオードアレイ、量子井戸型赤外線検知素子（ＱＷＩＰ）アレイ、量子ドット型赤外線検知素子（ＱＤＩＰ）アレイ等の受光素子基板が、信号処理回路が形成された集積回路素子基板にフリップチップボンディングされる。赤外線検知素子アレイ用の基板には、例えばＧａＡｓ等の化合物半導体が用いられ、集積回路素子基板には、例えばシリコンが用いられる。赤外線検知素子アレイの各画素は、インジウム（Ｉｎ）等の柔らかい金属のバンプを介して、集積回路素子に電気的に接続される。
【０００３】
赤外線検知素子アレイは、熱励起による暗電流の発生を抑制するために、８０Ｋ程度まで冷却して使用される。赤外線検知素子アレイ用の基板と集積回路素子基板との熱膨張係数の差に起因して、バンプにせん断応力が発生する。せん断応力に起因するバンプ破壊を防止するために、バンプには、柔らかく、塑性変形しやすい材料を用いることが好ましい。
【０００４】
また、赤外線検知素子用の基板と集積回路素子基板との接合には、両者のバンプを溶融させて一体化させるホットウェルディングが用いられる。ホットウェルディングを採用すると、バンプ同士を単に圧着するコールドウェルディングに比べて、熱サイクル耐性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１８１３０３号公報
【特許文献２】特開平７−２１１７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ホットウェルディングにおいては、接合前に、Ｉｎバンプの表面酸化膜を除去する必要がある。表面酸化膜の除去のために、バンプが形成されている基板表面に高濃度のフラックスを塗布し、窒素雰囲気中において２００℃程度の熱処理が行われる。この熱処理時にＩｎバンプが一旦溶融するため、バンプ形状が部分球状になる。高濃度のフラックスを除去した後、部分球状のバンプの表面に、有機溶剤で希釈したフラックスを塗布する。高濃度のフラックスを除去した後、希釈されたフラックスを塗布する前に、バンプが大気に晒されることにより、バンプ表面に薄い酸化膜が形成される。
【０００７】
２枚の基板をフリップチップボンディングにより接合する際に、バンプ同士を接触させた状態で荷重を印加し、バンプの清浄面同士を接触させる。このとき、バンプが潰れて変形する。この状態で荷重を開放した後、バンプを溶融させて、一体化させる。
【０００８】
赤外線検知素子アレイの画素数が増えると、画素ごとに配置されるバンプの間隔が狭くなる。２枚の基板のバンプ同士を接触させて荷重を印加したときに、一方の基板が他方の基板に対して横方向にずれる場合がある。バンプの間隔が狭くなると、基板が横方向にずれた際に、相互に隣り合うバンプ同士の接触が生じやすくなる。
【０００９】
バンプの体積を小さくすれば、バンプ同士の接触は回避されるが、小さなバンプに、せん断応力が集中することになる。このため、熱サイクル耐性が低下してしまう。
【００１０】
基板同士の横方向のずれを抑制するために、荷重を小さくすることも考えられる。ただし、荷重が小さいと、バンプ表面の薄い酸化膜を破壊してバンプの清浄面同士を接触させることが困難になる。酸化膜が残っていると、バンプを溶融させても、２つのバンプが一体化せず、接続不良が発生してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する半導体装置の製造方法は、
表面に複数の部分球状の第１のバンプが形成された第１の基板と、表面の、前記複数の第１のバンプに対応する位置にそれぞれ部分球状の第２のバンプが形成された第２の基板とを、相互に対応する該第１のバンプと該第２のバンプとが接触するように対向させる工程と、
前記第１のバンプと前記第２のバンプとが接触した状態で、該第１のバンプと該第２のバンプとを加熱して溶融させた後、固化させる工程と
を有し、溶融する前の前記第１のバンプの各々の体積が、溶融する前の対応する前記第２のバンプの体積と異なる。
【発明の効果】
【００１２】
第１のバンプと第２のバンプとを接触させたときに、より少ない荷重で良好な接触を得ることができる。これにより、基板の横方向のずれが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１−１】実施例による半導体装置の製造方法の製造途中段階における装置の断面図である。
【図１−２】実施例による半導体装置の製造方法の製造途中段階における装置の断面図である。
【図１−３】実施例による半導体装置の製造方法の製造途中段階、及び製造された装置の断面図である。
【図２】（２Ａ）は、バンプの体積が等しい比較例において、基板がずれて接合された状態の写真であり、（２Ｂ）は、実施例において、基板がずれて接合された状態の断面図である。
【図３】第２のバンプの体積割合と、接続成功率との関係を示すグラフである。
【図４】実施例による半導体装置の製造方法で採用されるバンプの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１Ａ〜図１Ｈを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
【００１５】
図１Ａに示すように、第１の基板１０の表面に、複数の導電性のパッド１１が形成されている。第１の基板１０は、シリコン等の下地基板１０Ａ、その表面に形成されたＭＯＳトランジスタ等の電子素子１０Ｂ、及び電子素子の上に配置される多層配線層１０Ｃを含む。パッド１１は、多層配線層１０Ｃの最上層に、２次元的に分布する。第１の基板１０の表面が、酸化シリコン等の絶縁性の保護膜１２で被覆されている。保護膜１２に開口が形成されており、その内部にパッド１１の上面が露出している。この開口の平面形状は、例えば直径６μｍの円形である。
【００１６】
パッド１１の上に、インジウム（Ｉｎ）等の第１のバンプ１３が形成されている。この段階で、第１のバンプ１３の各々は、円錐台形状を有する。第１のバンプ１３の表面には、酸化膜１４が形成されている。第１の基板１０の上に、フラックス１５を塗布し、第１のバンプ１３をフラックス１５で覆う。
【００１７】
図１Ｂに示すように、窒素雰囲気中で第１の基板１０を２００℃程度で熱処理する。この熱処理により、酸化膜１４が除去される。第１のバンプ１３は、一旦溶融し、部分球状になる。ここで、「部分球状」とは、幾何学的に厳密な球の一部分の形状を意味するのではなく、球に近い立体の一部分の形状を意味する。例えば、液体が表面張力及び重力等の影響を受けて丸くなったときの形状が部分球状である。部分球状になった第１のバンプ１３の底面は、保護膜１２に形成されている開口の形状にほぼ整合する。すなわち、第１のバンプ１３の底面は、直径６μｍの円形になる。熱処理により、フラックス１５が樹脂状に固化する。固化したフラックス１５を、有機溶剤により除去する。
【００１８】
図１Ｃに示すように、フラックス１５を除去すると、第１のバンプ１３が露出する。
【００１９】
図１Ｄに示すように、第１の基板１０及び第１のバンプ１３の表面に、有機溶剤で希釈したフラックス１７を塗布する。フラックス１７は、第１の基板１０の表面及び第１のバンプ１３の表面に倣うように、表面を被覆する。
【００２０】
図１Ｅに示すように、第２の基板２０の表面に複数のパッド２１が形成されている。第２の基板２０は、例えばＧａＡｓ等の下地基板２０Ａ、及びその上に形成された複数の画素２０Ｂを含む。画素２０Ｂは、フォトダイオード、量子井戸型赤外線検知素子（ＱＷＩＰ）、量子ドット型赤外線検知素子（ＱＤＩＰ）等を含む。各画素２０Ｂに対応して、パッド２１が配置されている。画素２０Ｂの各々に対応するパッド２１の数は、画素２０Ｂの構成によって異なり、画素１個あたり１個〜３個のパッド２１が配置される。
【００２１】
第２の基板２０の表面が、酸化シリコン等の絶縁性の保護膜２２で覆われている。保護膜２２に開口が形成されており、この開口内にパッド２１が露出する。開口の平面形状は、図１Ａに示した保護膜１２に形成されている開口の平面形状と同一である。このため、第２のバンプ２３の底面は、図１Ｄに示した第１のバンプ１３の底面の形状とほぼ同一である。ただし、第２のバンプの各々の体積は、第１のバンプ１３の各々の体積と異なる。
【００２２】
パッド２１の上に、部分球状のＩｎ等の第２のバンプ２３が形成されている。第２のバンプ２３は、第２の基板２０を第１の基板１０に対向させたとき、第２のバンプ２３が第１のバンプ１３に対向するように分布している。
【００２３】
第２のバンプ２３の表面、及び第２の基板２０の表面が、フラックス２７で覆われている。第２のバンプ２３及びフラックス２７は、図１Ｄに示した第１のバンプ１３及びフラックス１７の形成方法と同じ方法で形成される。
【００２４】
図１Ｆに示すように、第１の基板１０と第２の基板２０とを、双方のバンプ同士が対向するように配置する。
【００２５】
図１Ｇに示すように、相互に対向する第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とを接触させ、さらに、第１の基板１０と第２の基板２０との間隔が狭くなる向きの荷重を印加する。第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との表面に形成されていた薄い酸化膜が破壊され、両者が清浄面を介して接触する。このとき、第１のバンプ１３及び第２のバンプ２３が潰されるように変形する。
【００２６】
図１Ｈに示すように、窒素雰囲気中で第１のバンプ１３及び第２のバンプ２３を加熱し、溶融させる。これにより、両者が一体化したバンプ３０が形成される。第２の基板２０が第１の基板１０の上方に配置された状態で、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とを溶融させると、第１の基板１０と第２の基板２０との間隔は、溶融したインジウムの表面張力、第２の基板２０の自重、バンプの数等によって決まる。一例として、一体化したバンプ３０の高さを８μｍにしたい場合、溶融したインジウムの表面張力と第２の基板２０の自重等から、バンプ３０の体積は約７００μｍ３と算出される。バンプ３０の体積を約７００μｍ３にするためには、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との合計の体積を７００μｍ３にしておけばよい。
【００２７】
図２Ａに、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との体積が等しい構成のときの荷重印加時における写真を示す。一方の基板が他方の基板に対して横方向（表面に平行な方向）にずれている。相互に隣り合うバンプの間隔が狭くなると、基板のずれによって、隣り合うバンプ同士が接触し易くなる。
【００２８】
基板のずれを抑制するために、荷重を小さくすると、図１Ｇに示した工程において、接触しているバンプ同士の界面に酸化膜が残り易くなる。界面に酸化膜が残っていると、図１Ｈに示した溶融工程において、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とが一体化せず、良好な電気的導通を得ることができない。
【００２９】
図２Ｂに、実施例による方法を適用したときに、第１の基板１０と第２の基板２０とが、相対的に横方向にずれた状態の一例を示す。一体化後のバンプ３０（図１Ｈ）に必要な体積７００μｍ３を第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とに１：１に配分すると、第１のバンプ１３及び第２のバンプ２３の体積は３５０μｍ３になる。実施例においては、例えば、バンプ３０に必要な体積が、第２のバンプ２３と第１のバンプ１３とに、１：９に配分される。このとき、第２のバンプ２３の体積は７０μｍ３になる。
【００３０】
このように、実施例においては、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との体積を等しくする場合（比較例）に比べて、第２のバンプ２３の体積が小さくなる。第２のバンプ２３が小さいため、基板同士が横方向にずれた場合に、相互に隣接するバンプ同士が接触し難い。
【００３１】
また、第２のバンプ２３が小さいため、その曲率半径も小さい。このため、比較例に比べて、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との接触面積が小さくなる。荷重が一定であれば、バンプ同士の接触面に加わる圧力が高くなる。また、より小さな荷重で、バンプ同士の接触面に、比較例と同等の圧力を印加することができる。このため、比較例の構成で印加する荷重よりも小さな荷重で、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との界面の酸化膜を破壊し、清浄面を介してバンプ同士を接触させることができる。荷重が小さくなると、基板の横方向のずれが生じにくくなる。
【００３２】
また、第２のバンプ２３の曲率半径が小さいため、バンプの接触面に加わる圧力が狭い領域に集中し易い。このため、第１のバンプ１３が変形しやすくなる。第１のバンプが変形すると、基板同士の横方向のずれが生じにくくなる。
【００３３】
上述のように、実施例による方法を適用することにより、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との電気的接続不良の発生を抑制し、かつ隣り合うバンプ同士の接触を抑制することができる。
【００３４】
第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との体積の比率を変えて、第２の基板２０を第１の基板１０に、フリップチップボンディングにより接続し、接続結果を評価した。バンプの配列周期（ピッチ）を１５μｍとし、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との合計の体積を７００μｍ３とし、第１のバンプ１３及び第２のバンプ２３の底面の直径を６μｍとした。
【００３５】
図３に、その評価結果を示す。横軸は、第２のバンプ２３の体積割合を単位「％」で表し、縦軸は、接続成功率を単位「％」で表す。「第２のバンプ２３の体積割合」は、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との合計の体積に対する第２のバンプ２３の体積の比を意味する。「接続成功」は、相互に対向する第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とが接続後に一体化し、かつ相互に隣り合うバンプ同士が接触していないことを意味する。なお、基板の接合時に印加する荷重は、第２のバンプ２３の体積割合が１０％のときに最適になるように調整されている。
【００３６】
第２のバンプ２３の体積割合が０％であるということは、第１の基板１０のみにバンプが形成されており、第２の基板２０にはバンプが形成されていないことを意味する。第２のバンプ２３の体積割合が０％のときの接続成功率は、予測計算に基づくものである。第２のバンプ２３の体積割合が１０％以上のときの接続成功率は、実際に評価用試料を作製して測定することにより算出した。
【００３７】
第２のバンプ２３の体積割合が０％のとき、図１Ｂに示したように、第１のバンプ１３を溶融させた状態で、その直径が約１１μｍになる。このため、相互に隣り合う第１のバンプ１３の間隔が約４μｍになる。接続時に、第１の基板１０と第２の基板２０との間隔が６μｍ程度になるまで荷重を印加すると、第１のバンプ１３が変形することにより、相互に隣り合う第１のバンプ１３同士が接触してしまう。このため、接続成功率は０％になる。
【００３８】
第２のバンプ２３の体積割合が１０％及び２０％のとき、９５％以上の接続成功率が得られている。
【００３９】
第２のバンプ２３の体積割合が３０％を超えると、接続成功率が低くなる。これは、荷重不足により、第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との界面に酸化膜が残ってしまい、溶融後に第１のバンプ１３と第２のバンプ２３とが一体化しないためである。第１のバンプ１３と第２のバンプ２３との間の酸化膜が破壊される程度の荷重を印加すると、電気的な導通不良の発生は抑制される。ただし、基板の横方向のずれが発生しやすくなるため、相互に隣り合うバンプ同士が接触することにより、絶縁不良が発生しやすくなる。このため、荷重を最適化したとしても、接続成功率を９５％程度まで高めることは困難である。
【００４０】
この評価結果から、第１の基板１０と第２の基板２０との接続の歩留まりを高めるために、第２のバンプ２３の体積割合を１０％〜３０％の範囲内にすることが好ましいことがわかる。
【００４１】
図４Ａ〜図４Ｃに、それぞれ第２のバンプ２３の体積割合が１０％、２０％、及び３０％のときの部分球状の第１のバンプ１３及び第２のバンプ２３の断面図を示す。
【００４２】
第２のバンプ２３の体積割合が１０％の時には、図４Ａに示すように、第１のバンプ１３の曲率半径が５．３５μｍ、高さが９．７７μｍになり、第２のバンプ２３の曲率半径が３．０３μｍ、高さが３．４５μｍになる。第２のバンプ２３の体積割合が２０％の時には、図４Ｂに示すように、第１のバンプ１３の曲率半径が５．１６μｍ、高さが９．３５μｍになり、第２のバンプ２３の曲率半径が３．４２μｍ、高さが５．０４μｍになる。第２のバンプ２３の体積割合が３０％の時には、図４Ｃに示すように、第１のバンプ１３の曲率半径が４．９４μｍ、高さが８．８６μｍになり、第２のバンプ２３の曲率半径が３．８１μｍ、高さが６．１５μｍになる。
【００４３】
第１の基板１０と第２の基板２０との接合時に印加する荷重の好適な範囲は、第１のバンプ１３の頂上部における曲率半径と第２のバンプ２３の頂上部における曲率半径との差に依存していると考えられる。曲率半径の差が大きいほど、より小さな荷重で、バンプの接触面の酸化膜を破壊することができる。第２のバンプ２３の体積割合が３０％のとき、曲率半径の差は１．１３μｍである。この差は、大きい方のバンプ、すなわち第１のバンプ１３の曲率半径の約２３％である。接続成功率を高めるために、第１のバンプ１３の頂上部における曲率半径と、第２のバンプ２３の頂上部における曲率半径との差が、両者のうち大きい方の曲率半径の２３％以上になるようにバンプを形成することが好ましい。
【００４４】
以下、具体的なＱＷＩＰイメージセンサについて考察する。例えば、バンプの配列周期（ピッチ）が２０μｍの６４０×５１２画素のＱＷＩＰイメージセンサで、バンプ底面の直径を７μｍにし、一体化後のバンプの高さを８μｍにする場合、接合時の好適な荷重は約２５ｋｇｗである。バンプの配列周期が１５μｍの９６０×７２０画素のＱＷＩＰイメージセンサの場合には、バンプ底面の直径が約６μｍに設定され、一体化後のバンプの体積が７００μｍ３に設定される。６４０×５１２画素のＱＷＩＰイメージセンサに比べて、バンプの総数が増加しているため、好適な荷重は約４０ｋｇｗになる。この条件で接合を行うと、相互に隣接するバンプの絶縁不良が多数発生してしまう。
【００４５】
基板サイズが大きいため、基板のわずかな傾斜があっても、基板の一部の領域の間隔が、目標値よりも著しく狭くなる。基板の間隔が狭くなると、バンプの変形量が大きくなり、相互に隣接するバンプ同士が接触し易くなる。
【００４６】
６４０×５１２画素のＱＷＩＰイメージセンサにおいて、一方の基板のバンプの体積割合を２０％にすると、荷重が２５ｋｇｗでも、バンプ接触面の酸化膜を破壊することができる。このように、バンプ数が増加しても、実施例の構成を採用することにより、バンプ数が少ない構成で適用した荷重と同程度の荷重を採用することができる。
【００４７】
上記実施例では、第１の基板１０の下地基板１０Ａにシリコンを用い、第２の基板２０の下地基板２０ＡにＧａＡｓを用いた。これらの下地基板には、他の材料を用いてもよい。相互に接合される２枚の基板の熱膨張係数が異なる場合には、一体化したバンプの高さを６μｍ以上にすることが好ましい。このように、バンプを無条件に小さくすることができない場合に、上記実施例を適用することが好ましい。上記実施例では、一体化後のバンプの高さが６μｍ以上である場合に、格別の効果が得られる。
【００４８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４９】
１０  第１の基板
１１  パッド
１２  保護膜
１３  第１のバンプ
１４  酸化膜
１５、１７  フラックス
２０  第２の基板
２１  パッド
２２  保護膜
２３  第２のバンプ
２７  フラックス
３０  一体化したバンプ
【図１−１】
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【図１−２】
2010238887.tif 000004
【図１−３】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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