(57)【要約】【課題】半田バンプ同士の接続性を良好に保ちつつ、溶融後の半田バンプ内に発生するボイドを抑制した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】第１の半田バンプ１を有する第１の基板２と第２の半田バンプ３を有する第２の基板４とを、半田バンプ１、３同士を仮固定しつつ積層した後に炉内に配置する。炉内を排気して減圧雰囲気とした後にカルボン酸ガスを導入する。カルボン酸ガスの導入後の炉内の温度を上昇させつつ、カルボン酸ガスによる酸化膜の還元温度以上で、かつ半田バンプ１、３の溶融温度未満の温度域にて、炉内を排気して減圧雰囲気とする。炉内の温度を半田バンプ１、３の溶融温度以上の温度域まで上昇させ、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とを溶融させて接合する。【選択図】図１
2011003765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半田バンプを有する第１の基板上に第２の半田バンプを有する第２の基板を、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを仮固定しつつ積層する工程と、
前記半田バンプ同士を仮固定した前記第１の基板と前記第２の基板との積層体を炉内に配置した後、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、
前記減圧雰囲気の炉内にカルボン酸ガスを導入する工程と、
前記カルボン酸ガスの導入後の前記炉内の温度を上昇させつつ、前記カルボン酸ガスによる前記第１の半田バンプまたは前記第２の半田バンプの酸化膜の還元温度以上で、かつ前記半田バンプの溶融温度未満の温度域にて、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、
前記減圧雰囲気の炉内の温度を前記半田バンプの溶融温度以上の温度域まで上昇させ、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを溶融させて接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記カルボン酸ガスを導入する工程と前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程とを複数回繰り返し実施した後、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとの接合を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記減圧雰囲気とした前記炉内の温度が前記半田バンプの溶融温度以上の温度域の状態にて、前記炉内の雰囲気圧を大気圧まで戻すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
第１の半田バンプを有する第１の基板上に第２の半田バンプを有する第２の基板を、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを仮固定しつつ積層する工程と、
前記半田バンプ同士を仮固定した前記第１の基板と前記第２の基板との積層体を炉内に配置した後、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、
前記減圧雰囲気の炉内の温度を前記半田バンプの溶融温度以上の温度域まで上昇させ、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを溶融させて接合する工程とを具備し、
少なくとも前記半田バンプの溶融温度以上の温度域の前記炉内に、前記炉の雰囲気圧を５×１０3Ｐａ以上３×１０4Ｐａ以下の範囲に維持しつつ、カルボン酸濃度が０．１〜２．８体積％の範囲となるようにカルボン酸ガスを導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
前記減圧雰囲気とした炉内に前記カルボン酸ガスを導入した後、前記炉内の温度を前記半田バンプの溶融温度以上の温度域まで上昇させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの多ピン化、ファインピッチ化、信号速度の高速化に対応するために、配線・接続長が短い実装方式としてフリップチップ接続を適用した半導体装置が使用されている。半導体チップ間の接続や半導体チップとシリコンインターポーザとの接続等にフリップチップ接続を適用する場合、上下のチップ（半導体チップやシリコンインターポーザ）の電極パッド上にそれぞれ半田バンプを形成し、これら半田バンプが対向するように位置合せして積層した後、半田バンプを加熱・溶融して接続する。
【０００３】
通常は半田バンプ表面の酸化膜を除去するために、フラックス剤を半田バンプの表面に塗布した後、上下のチップを位置合せして積層する。次に、リフロー炉で半田バンプを加熱・溶融させて接続した後、フラックス剤を洗浄して除去する。しかし、半田バンプ自体の微小化や形成ピッチの微細化等に伴って、フラックス剤を完全に洗浄することが困難になってきており、そのためにフラックス剤の残渣が問題となっている。
【０００４】
そこで、ギ酸等のカルボン酸で半田バンプ表面の酸化膜を除去しながら、半田バンプを加熱・溶融して接続することが検討されている。特許文献１や特許文献２には、半田バンプを有する半導体チップを配線基板上に搭載した状態で、カルボン酸ガスを含む減圧雰囲気中に配置し、このような雰囲気中で半田バンプを加熱・溶融させることによって、半田バンプや配線の表面に形成された酸化膜を除去しつつ、半導体チップの半田バンプを配線基板の配線に接続することが記載されている。
【０００５】
特許文献１や特許文献２においては、半田加熱時に発生するガスに起因する半田バンプ（半田層）内のボイドを、カルボン酸ガスを含む減圧雰囲気中で半田バンプ（半田層）を加熱・溶融して除去すると同時に、半田バンプ表面の酸化膜を除去している。ここで、上下のチップに設けられた半田バンプ同士を接続する場合には、例えば半田バンプ同士を仮固定した後にリフロー炉内に配置される。この場合、半田バンプ同士の仮固定界面（接触界面）に表面酸化膜が噛み込まれるため、半田バンプ間の接続性の向上と溶融後の半田バンプ内に発生するボイドの抑制とを両立させることが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２４４６１８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、半田バンプ同士の接続性を良好に維持しつつ、半田バンプ内に発生するボイドを抑制することを可能にした半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る半導体装置の製造方法は、第１の半田バンプを有する第１の基板上に第２の半田バンプを有する第２の基板を、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを仮固定しつつ積層する工程と、前記半田バンプ同士を仮固定した前記第１の基板と前記第２の基板との積層体を炉内に配置した後、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、前記減圧雰囲気の炉内にカルボン酸ガスを導入する工程と、前記カルボン酸ガスの導入後の前記炉内の温度を上昇させつつ、前記カルボン酸ガスによる前記第１の半田バンプまたは前記第２の半田バンプの酸化膜の還元温度以上で、かつ前記半田バンプの溶融温度未満の温度域にて、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、前記減圧雰囲気の炉内の温度を前記半田バンプの溶融温度以上の温度域まで上昇させ、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを溶融させて接合する工程とを具備することを特徴としている。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る半導体装置の製造方法は、第１の半田バンプを有する第１の基板上に第２の半田バンプを有する第２の基板を、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを仮固定しつつ積層する工程と、前記半田バンプ同士を仮固定した前記第１の基板と前記第２の基板との積層体を炉内に配置した後、前記炉内を排気して減圧雰囲気とする工程と、前記減圧雰囲気の炉内の温度を前記半田バンプの溶融温度以上の温度域まで上昇させ、前記第１の半田バンプと前記第２の半田バンプとを溶融させて接合する工程とを具備し、少なくとも前記半田バンプの溶融温度以上の温度域の炉内に、前記炉の雰囲気圧を５×１０3Ｐａ以上３×１０4Ｐａ以下の範囲に維持しつつ、カルボン酸濃度が０．１〜２．８体積％の範囲となるようにカルボン酸ガスを導入することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、半田バンプ同士の接続性を良好に保ちつつ、溶融後の半田バンプ内に発生するボイドを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の製造工程における半田バンプの状態を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の製造工程における半田バンプ同士を仮固定した状態を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における半田バンプ表面の酸化膜の除去工程と半田バンプの溶融工程の圧力および温度プロファイルを示す図である。
【図５】図４に示す圧力および温度プロファイルの変形例を示す図である。
【図６】図４に示す圧力および温度プロファイルの他の変形例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における半田バンプ表面の酸化膜の除去工程と半田バンプの溶融工程の圧力および温度プロファイルを示す図である。
【図８】図７に示す圧力および温度プロファイルの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明の実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、第１の半田バンプ１を有する第１の基板２と、第２の半田バンプ３を有する第２の基板４とを用意する。第１および第２の基板２、４は、例えば半導体チップ（シリコン（Ｓｉ）チップ等）やシリコン（Ｓｉ）インターポーザである。第１および第２の基板２、４における組合せは、例えば第１の半導体チップ（２）と第２の半導体チップ（４）との組合せ、Ｓｉインターポーザ（２）と半導体チップ（４）との組合せ、半導体チップ（２）とＳｉインターポーザ（４）との組合せ等、特に限定されるものではない。
【００１３】
第１および第２の半田バンプ１、３は、それぞれ基板２、４の所定の領域内にマトリクス状に配列されている。半田バンプ１、３はそれぞれ図２に示すように、基板２、４の表面側に設けられた電極パッド５、７上にバリアメタル層６、８を介して形成されている。半田バンプ１、３の構成材料としては、例えばＳｎ−Ａｇ系半田合金、Ｓｎ−Ｃｕ系半田合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金、Ｓｎ−Ｂｉ系半田合金、Ｓｎ−Ｉｎ系半田合金等の鉛フリー半田合金、あるいはＳｎ−Ｐｂ系半田合金が用いられる。半田バンプ１、３は、鉛を実質的に含まない鉛フリー半田および鉛半田のいずれであってもよい。
【００１４】
半田バンプ１、３は、例えばメッキ法で形成したり、あるいは半田合金からなる微小ボールを用いて形成される。電極パッド５、７上に形成された直後の半田バンプ１、３の表面には酸化膜が存在していないが、時間を経ると図２に示したように半田バンプ１、３の表面が酸化される。半田バンプ１、３の表面に形成された酸化膜９は、半田バンプ１、３同士を溶融して接続する際に半田バンプ１、３間の抵抗を増大させたり、また半田バンプ１、３間に接続不良を発生させる要因となる。このため、半田バンプ１、３を加熱・溶融する前に、半田バンプ１、３表面の酸化膜９を除去する必要がある。
【００１５】
第１の基板２と第２の基板４とをフリップチップ接続するにあたって、まず第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とを位置合せしつつ、第１の基板２上に第２の基板４を積層する。この際に、図１（ｂ）および図３に示すように、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とを仮固定する。仮固定は次工程（酸化膜９の除去工程）に投入する際に上下の基板２、４が外れない程度の強度が得られればよい。半田バンプ１、３の仮固定には、超音波フリップチップボンダによる室温下での超音波と荷重の印加、パルスヒータ加熱型フリップチップボンダによる半田の融点付近の温度の印加等が適用される。
【００１６】
第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３との仮固定は、それらの表面に酸化膜９が存在している状態で実施されるため、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３との接触界面には酸化膜９が噛み込まれた状態となる。ただし、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とは仮固定された状態であるため、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３との接触界面には図３に示すように隙間Ｇが存在している。このような接触界面の隙間Ｇを利用して、接触界面に噛み込まれた酸化膜９を含めて、半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９をカルボン酸ガスで除去した後に、半田バンプ１、３を加熱・溶融する。
【００１７】
半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９の除去工程と半田バンプ１、３の加熱・溶融工程について、図４に示す加熱炉内の圧力および温度プロファイルを参照して述べる。まず、半田バンプ１、３同士を仮固定した第１の基板２と第２の基板４との積層体を加熱炉（リフロー炉）内に配置した後、加熱炉内を真空引きして減圧雰囲気とする。加熱炉内に残留する酸素は半田バンプ１、３を酸化させるため、加熱炉内を大気圧状態（１．０１×１０5Ｐａ）から１×１０3Ｐａ以下、特に５Ｐａ程度の減圧状態まで排気することが好ましい。このような減圧雰囲気の加熱炉内にカルボン酸ガスを導入する。
【００１８】
カルボン酸ガスは半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９を還元して除去するものである。酸化膜９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、それ自体のコストやガス化のためのコストが低く、また酸化膜９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９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。
【００１９】
加熱炉内にギ酸等のカルボン酸ガスを導入した後、もくしはカルボン酸ガスの導入とほぼ同時に、所定の昇温速度（例えば４０〜５０℃／分）で加熱炉内を昇温する。カルボン酸ガスとしてギ酸を用いた場合、１５０℃以上の温度で酸化膜９の還元作用が発現する。すなわち、ギ酸による酸化膜９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９が還元されて除去される。このような酸化膜９の還元温度Ｔ1以上の温度域において、半田バンプ１、３をギ酸ガス中に例えば数分間晒すことによって、半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９を還元して除去することができる。
【００２０】
カルボン酸ガスの導入後の加熱炉の雰囲気圧は、大気圧より低い状態となるように設定することが好ましい。これによって、カルボン酸ガスで酸化膜９を還元した際に発生するガスを周囲に放散させることができる。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８×１０4Ｐａ以下とすることが好ましい。ただし、このような状態（カルボン酸ガスを導入しただけの状態）で半田バンプ１、３の融点以上の温度まで昇温すると、上述した隙間Ｇに侵入したカルボン酸ガスや酸化膜９の還元時に発生したガスが溶融した半田バンプ１、３の内部に取り込まれてボイドとなるおそれがある。
【００２１】
第１の実施形態においては、カルボン酸ガスによる酸化膜９の還元温度Ｔ1以上で半田バンプ１、３の溶融温度（融点Ｔ2）未満の温度域にて、カルボン酸ガスを除去するように加熱炉内を真空引きする。すなわち、加熱炉に接続された真空ポンプを動作させて加熱炉内の雰囲気を排気して減圧状態とする。このように、半田バンプ１、３の融点Ｔ2に達する以前（半田バンプ１、３を溶融させる以前）に、加熱炉内の雰囲気を真空排気することによって、隙間Ｇに侵入したカルボン酸ガスや酸化膜９の還元時に発生したガスを、半田バンプ１、３同士の接触界面から除去することができる。
【００２２】
そして、隙間Ｇに侵入したカルボン酸ガスや酸化膜９の還元時に発生したガスを半田バンプ１、３同士の接触界面（隙間Ｇ）から除去した後に、半田バンプ１、３を溶融することによって、隙間Ｇに侵入もしくは発生したガスに起因するボイド、すなわち溶融後の半田バンプ１、３の内部に発生するボイドを抑制することが可能となる。また、半田バンプ１、３の融点Ｔ2に達する前にカルボン酸ガスを除去しても、それ以前の段階で半田バンプ１、３はカルボン酸ガスに晒されているため、接触界面に噛み込まれた酸化膜９を含めて、半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９を除去することができる。従って、半田バンプ１、３の溶融工程において、半田バンプ１、３間の接続不良や溶融後の半田バンプ１、３の抵抗の増加を抑制することが可能となる。
【００２３】
加熱炉内の雰囲気ガスを排気するための真空引きは、酸化膜９の還元温度Ｔ1以上で半田バンプ１、３の融点Ｔ2未満の温度域で実施すればよい。ただし、加熱炉の昇温速度にもよるが、加熱炉内の真空引きが早すぎると半田バンプ１、３をカルボン酸ガスに晒す時間が不十分になるおそれがある。一方、加熱炉内の真空引きが遅すぎると接触界面からガスを十分に排出できないおそれがある。真空引きの実施温度は半田バンプ１、３の融点Ｔ2から１０℃低い温度（Ｔ2−１０［℃］）以上で、かつ融点Ｔ2から５℃低い温度（Ｔ2−５［℃］）以下の範囲とすることが好ましい。なお、半田バンプ１、３をカルボン酸ガスに晒す時間が不十分になる場合には、酸化膜９の還元温度Ｔ1以上の温度で所定時間保持したり、あるいはその期間の昇温速度を遅くするようにしてもよい。
【００２４】
半田バンプ１、３の融点Ｔ2未満の温度域における真空引きは、加熱炉内がカルボン酸ガスの導入前の雰囲気圧と同等となるように実施することが好ましい。具体的には、酸化膜９の還元温度Ｔ1以上で半田バンプ１、３の融点Ｔ2未満の温度域にて、加熱炉内の雰囲気圧が１×１０3〜１×１０4Ｐａ程度の減圧状態となるまで、加熱炉内を真空引きすることが好ましい。これによって、接触界面の隙間Ｇに侵入したカルボン酸ガスや酸化膜９の還元時に発生したガスを周囲に放散させることができる。
【００２５】
ここで、半田バンプ１、３同士の接触界面の隙間Ｇは狭いため、加熱炉内にカルボン酸ガスを１回導入しただけでは接触界面に噛み込まれた酸化膜９を全て還元できない場合がある。さらに、半田バンプ１、３の直径や仮固定状態等によっては、隙間Ｇに侵入もしくは発生したガスを十分に除去できないことも考えられる。このような点に対しては、図５に示すようにカルボン酸ガスによる酸化膜９の還元温度Ｔ1以上の温度域にて、加熱炉内へのカルボン酸ガスの導入工程と加熱炉内の真空引き工程（カルボン酸ガスの排気工程）とを複数回繰り返し実施することが好ましい。
【００２６】
このように、加熱炉内にカルボン酸ガスを導入して酸化膜９を還元除去する処理と、酸化膜９を還元した後のカルボン酸ガスおよび酸化膜９の還元時に生じたガスを加熱炉外に排出する処理とを繰り返し実施することによって、接触界面に噛み込まれた酸化膜９をより良好に除去することができる。さらに、接触界面の隙間Ｇに侵入もしくは発生したガスについても、より確実に排出することができる。従って、その後に半田バンプ１、３を溶融させて接合することによって、半田バンプ１、３間の接続不良や溶融後の半田バンプ１、３の抵抗値の増大をより確実に抑制しつつ、溶融後の半田バンプ１、３内に発生するボイドを抑制することが可能となる。
【００２７】
カルボン酸ガスの導入工程と加熱炉内の真空引き工程とを複数回繰り返し実施する場合には、カルボン酸ガスによる酸化膜９の還元温度Ｔ1以上で、かつ半田バンプ１、３の融点Ｔ2未満の温度域で所定時間保持することが好ましい。これによって、半田バンプ１、３の融点Ｔ2に達する以前に、酸化膜９の還元処理とガスの排出処理とを繰り返し実施することができる。カルボン酸ガスの導入工程と加熱炉内の真空引き工程との繰り返し回数は特に限定されるものではないが、これらの工程の繰り返しによる効果と工程時間の増加とを考慮すると、３〜５回の範囲でガス導入と真空引きとを繰り返すことが好ましい。
【００２８】
この後、加熱炉内の温度を半田バンプ１、３の融点Ｔ2以上の温度域まで昇温することによって、半田バンプ１、３を溶融させる。例えば、半田バンプ１、３を鉛フリー半田で構成した場合、鉛フリー半田の融点は半田合金の組成によって異なるものの、おおよそ２２０〜２３０℃であるため、そのような温度以上の温度で加熱して半田バンプ１、３を溶融させる。半田バンプ１、３を鉛半田で構成した場合、鉛半田の融点である１８３℃以上の温度で加熱して半田バンプ１、３を溶融させる。
【００２９】
溶融した半田バンプ１、３は、図１（ｃ）に示すように一体化されて接続部１０を構成する。第１の実施形態では半田バンプ１、３同士の接触界面に噛み込まれた酸化膜９を除去しつつ、接触界面の隙間Ｇに侵入もしくは発生したガスの周囲への放散を促進している。従って、半田バンプ１、３で良好な接続部（形状や導通性等に優れる接続部）１０を形成しつつ、接続部１０内のボイドの発生を抑制することができる。すなわち、電気的および機械的に優れる接続部１０で基板２、４間を接続することが可能となる。
【００３０】
そして、加熱炉内を接続構造体が容易に取り出せる温度、例えば１００℃程度の温度まで降温し、加熱炉内に窒素ガス等の不活性ガスを導入して大気圧まで戻した後に、第１の基板２と第２の基板４とを半田バンプ１、３による接続部１０を介して接続した構造体を加熱炉から取り出す。このように、加熱炉内の大気圧への復帰は接続構造体が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、例えば図６に示すように加熱炉内の温度が半田バンプ１、３の融点Ｔ2以上の温度域の状態で、加熱炉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すことも有効である。
【００３１】
このように、半田バンプ１、３が溶融している間に、加熱炉内の雰囲気圧を一気に大気圧まで戻すことによって、溶融した半田バンプ１、３（溶融状態の接続部１０）内に残存する微細な気泡を圧潰することができる。すなわち、半田バンプ１、３の接触界面のガスに起因する大きなボイドは、半田バンプ１、３の融点Ｔ2未満の温度域にて加熱炉内を真空引きすることで除去できるが、微細なボイドが界面付近に残留する場合がある。このような微細なボイドを、半田バンプ１、３が溶融している間に周囲から圧力を加えて押し潰すことで、より一層健全な接続部１０を得ることが可能となる。
【００３２】
加熱炉から取り出した構造体（第１の基板２と第２の基板４との接続体）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、まず第１の基板２と第２の基板４との間の隙間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を充填し、これをキュア処理して硬化させる。さらに、第１の基板２と第２の基板４との接続体を、例えば配線基板からなる第３の基板上に搭載した後、接続体と第３の基板との間をワイヤー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、アウターリード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。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造工程について、図７および図８を参照して説明する。第２の実施形態による半導体装置の製造工程においては、第１の実施形態（図１〜図３参照）と同様に、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とを位置合せしつつ、第１の基板２上に第２の基板４を積層する。この際に、第１の半田バンプ１と第２の半田バンプ３とを仮固定する。基板２、４の具体例、半田バンプ１、３の構成材料、半田バンプ１、３の仮固定方法等は、第１の実施形態と同様である。
【００３４】
次に、第１の実施形態と同様に、半田バンプ１、３同士を仮固定した第１の基板２と第２の基板４との積層体を加熱炉（リフロー炉）内に配置した後、加熱炉内を真空引きして減圧雰囲気とする。加熱炉内に残留する酸素は半田バンプ１、３を酸化させるため、加熱炉内を大気圧状態（１．０１×１０5Ｐａ）から１×１０3Ｐａ以下、特に５Ｐａ程度の減圧状態まで排気することが好ましい。このような減圧雰囲気の加熱炉内にカルボン酸ガスを導入すると共に、加熱炉内を半田バンプ１、３の溶融温度（融点Ｔ）以上の温度まで昇温する。酸化膜９の還元剤としては第１の実施形態と同様なカルボン酸ガスを使用することができ、特にコストや還元作用の点からギ酸ガスを使用することが好ましい。
【００３５】
カルボン酸ガスの導入は、加熱炉の雰囲気圧を５×１０3Ｐａ以上３×１０4Ｐａ以下の範囲に維持しつつ実施する。すなわち、加熱炉内を適度な減圧状態に維持しつつ、加熱炉内にカルボン酸ガスを導入する。具体的には、加熱炉内の酸素を除去するように真空引きした後、真空引き（排気）を継続しながら適度な濃度と流量のカルボン酸ガスを供給しつ続ける。これによって、加熱炉内のカルボン酸ガスの濃度を適度な状態に維持した減圧雰囲気下で、半田バンプ１、３の溶融工程を実施することができる。
【００３６】
半田バンプ１、３の溶融工程における加熱炉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半田バンプ１、３内に取り込まれてボイドとなる。このようなカルボン酸ガスによるボイドの発生を抑制する上で、第２の実施形態では半田バンプ１、３の溶融工程における加熱炉の雰囲気圧を３×１０4Ｐａ以下としている。加熱炉の雰囲気圧が３×１０4Ｐａを超えると、溶融した半田バンプ１、３内に取り込まれるガス量が増加し、半田バンプ１、３内にボイドが発生しやすくなる。
【００３７】
そして、このような減圧雰囲気におけるカルボン酸ガスの濃度であっても、半田バンプ１、３表面の酸化膜９は還元除去される。すなわち、加熱炉内のカルボン酸ガスの濃度を比較的低濃度側としても、上下の基板２、４に設けられた半田バンプ１、３を溶融して接続する場合には、半田バンプ１、３の表面に存在する酸化膜９を還元して除去することができる。ただし、加熱炉の雰囲気圧が５×１０3Ｐａ未満となると、カルボン酸ガスの濃度が低くなりすぎるため、酸化膜９を十分に還元除去することができない。このため、半田バンプ１、３の溶融工程における加熱炉の雰囲気圧は５×１０3Ｐａ以上とする。
【００３８】
上述した減圧雰囲気下でのカルボン酸ガスの導入工程は、カルボン酸濃度が体積割合で０．１〜２．８％の範囲となるように実施する。このカルボン酸濃度を例えばギ酸のモル濃度に換算すると４．１×１０−4〜３．１×１０−2ｍｏｌ／Ｌの範囲となる。カルボン酸ガスの濃度が２．８体積％を超えると、加熱炉内のガス濃度が増加して半田バンプ１、３内にボイドが発生しやすくなる。一方、カルボン酸ガスの濃度が０．１体積％未満であると、カルボン酸ガスによる酸化膜９の還元作用を十分に得ることができず、半田バンプ１、３間の接続不良や抵抗値の増大等を招くおそれがある。
【００３９】
半田バンプ１、３の溶融工程における加熱炉の雰囲気圧は１．３〜２．７×１０4Ｐａの範囲とすることが好ましい。この際のカルボン酸ガスの濃度は０．１〜２．８体積％の範囲、さらには０．１〜１体積％の範囲とすることがより好ましい。上記した減圧雰囲気下におけるカルボン酸ガスの濃度をより低濃度側に設定することで、溶融した半田バンプ１、３内のボイドをより再現性よく抑制することができる。従って、カルボン酸ガスの濃度は０．１〜１体積％の範囲とすることが望ましい。
【００４０】
上述したような雰囲気圧およびカルボン酸濃度とした加熱炉内の温度を半田バンプ１、３の融点Ｔ以上の温度域まで昇温することによって、半田バンプ１、３を溶融させる。半田バンプ１、３を鉛フリー半田で構成した場合、鉛フリー半田の融点は半田合金の組成によって異なるものの、おおよそ２２０〜２３０℃であるため、その温度以上の温度で加熱して半田バンプ１、３を溶融させる。半田バンプ１、３を鉛半田で構成した場合、鉛半田の融点である１８３℃以上の温度で加熱して半田バンプ１、３を溶融させる。溶融した半田バンプ１、３は、図１（ｃ）に示すように一体化されて接続部１０を構成する。
【００４１】
半田バンプ１、３の溶融時において、加熱炉内に存在するカルボン酸ガスで酸化膜９は還元除去される。この際、加熱炉の雰囲気圧およびガス濃度は酸化膜９の還元作用が得られる範囲内で、溶融した半田バンプ１、３内に取り込まれるガス量を低減することが可能な値まで低下させているため、カルボン酸ガスが接続部１０内に取り込まれてボイドとなることが抑制される。すなわち、酸化膜９を除去して半田バンプ１、３同士を良好に接続すると共に、ボイド量の少ない良好な接続部１０を得ることが可能となる。従って、電気的および機械的に優れる接続部１０で基板２、４間を接続することができる。
【００４２】
カルボン酸ガスとしてギ酸を用いた場合、１５０℃以上の温度で酸化膜９の還元作用が発現するため、そのような温度以上で半田バンプ１、３の融点Ｔ未満の温度域にて一定時間保持してもよい。これによって、酸化膜９の除去効果を高めることができる。ただし、カルボン酸ガスは少なくとも半田バンプ１、３の溶融時に存在していればよいため、図８に示すように半田バンプ１、３の溶融時（融点Ｔ以上の温度域）のみに、加熱炉内にカルボン酸ガスを導入するようにしてもよい。カルボン酸ガスは少なくとも半田バンプ１、３の溶融時に導入されていればよい。この際の雰囲気圧やガス濃度は上述した通りである。
【００４３】
そして、加熱炉内を常温まで降温し、加熱炉内に窒素ガス等の不活性ガスを導入して大気圧まで戻した後に、第１の基板２と第２の基板４とを半田バンプ１、３による接続部１０を介して接続した構造体を加熱炉から取り出す。加熱炉から取り出した構造体（第１の基板２と第２の基板４との接続体）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。アセンブリ工程の具体例は第１の実施形態で述べた通りである。
【００４４】
次に、第２の実施形態による半導体装置の製造工程の具体例について述べる。まず、鉛フリー半田からなる半田バンプ（直径：２５μｍ）を有するＳｉチップを２個用意し、これらＳｉチップの半田バンプ同士を、パルスヒータ加熱型フリップチップボンダ（加熱温度：２５０℃）を用いて仮固定した。この仮固定体を加熱炉内に配置した後、加熱炉内を５Ｐａ以下まで真空引きした。その後の加熱炉内の雰囲気圧と加熱炉に供給するギ酸ガスの濃度および流量を以下のように調整した。
【００４５】
実施例１では、雰囲気圧を１．３×１０4Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に設定した加熱炉内に、所定濃度のギ酸ガスを１５Ｌ／分の流量で流した。この際の炉内のギ酸濃度は１．４体積％（６．２×１０−3ｍｏｌ／Ｌ）である。実施例２では雰囲気圧を１．３×１０4Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に設定した加熱炉内に、所定濃度のギ酸ガスを１Ｌ／分の流量で流すと共に、希釈ガスとして窒素ガスを１４Ｌ／分の流量で流した。この際の炉内のギ酸濃度は０．１体積％（４．１×１０−4ｍｏｌ／Ｌ）である。
【００４６】
また、比較例１として、雰囲気圧を８×１０4Ｐａ（６００Ｔｏｒｒ）に設定した加熱炉内に、所定濃度のギ酸ガスを１５Ｌ／分の流量で流した。この際の炉内のギ酸濃度は８．２体積％（３．７×１０−2ｍｏｌ／Ｌ）である。比較例２では雰囲気圧を８×１０4Ｐａ（６００Ｔｏｒｒ）に設定した加熱炉内に、所定濃度のギ酸ガスを１Ｌ／分の流量で流すと共に、希釈ガスとして窒素ガスを１４Ｌ／分の流量で流した。この際の炉内のギ酸濃度は０．６体積％（２．５×１０−3ｍｏｌ／Ｌ）である。
【００４７】
上述した各例における加熱炉を２６５℃まで昇温し、その温度で３分間保持した後に常温まで降温させた。このようにして、それぞれ２個のＳｉチップの半田バンプ同士を溶融させて接合した。各例のチップ接合体（２個のＳｉチップを半田バンプの溶融・固化体で接続した構造体）をそれぞれ５個ずつ作製し、各チップの同一箇所における半田バンプ（各１６２個／計８１０個）内のボイドの有無を調べた。半田バンプ内のボイドに関しては、直径が１０μｍ以上の大ボイドの有無と直径が１０μｍ未満の小ボイドの有無をそれぞれ調べた。これらの測定結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１から明らかなように、加熱炉内の雰囲気圧を５×１０3〜３×１０4Ｐａの範囲とすると共に、その際のギ酸濃度を０．１〜２．８％の範囲とした実施例１、２では、比較例１、２に比べてボイドが発生したバンプ数が大幅に少ないことが分かる。また、比較例２の結果から、ギ酸濃度を０．１〜２．８％の範囲としても、加熱炉内の雰囲気圧が３×１０4Ｐａを超える場合には、十分なボイドの抑制効果から得られないことが分かる。さらに、実施例の条件を変更した場合の結果を表２に示す。
【００５０】
試料１は実施例２と同一条件で半田バンプを溶融したものである。ただし、温度条件は２２０℃×３分間（保持）→２６５℃×３分間（保持）とした。試料２では２．７×１０4Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）とした加熱炉内に、ギ酸濃度が０．２体積％となるようにギ酸ガス（１Ｌ／分）と窒素ガス（１４Ｌ／分）を流した。試料３では２．７×１０4Ｐａとした加熱炉内に、ギ酸濃度が０．９体積％となるようにギ酸ガス（５Ｌ／分）と窒素ガス（１０Ｌ／分）を流した。
【００５１】
試料４では１．３×１０4Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）とした加熱炉内に、ギ酸濃度が０．５体積％となるようにギ酸ガス（５Ｌ／分）と窒素ガス（１０Ｌ／分）を流した。試料５では１．３×１０4Ｐａとした加熱炉内に、ギ酸濃度が１．４体積％となるようにギ酸ガス（１５Ｌ／分）を流した。試料６では２．７×１０4Ｐａとした加熱炉内に、ギ酸濃度が２．８体積％となるようにギ酸ガス（１５Ｌ／分）を流した。
【００５２】
【表２】
2011003765.tif 000004
【００５３】
表２に示すボイドが発生したバンプ数から明らかなように、半田バンプの溶融時における雰囲気圧を１．３〜２．７×１０4Ｐａの範囲とすると共に、ギ酸濃度を０．１〜１体積％の範囲に設定することによって、ボイドの抑制効果の再現性が向上することが分かる。なお、表２には各試料のチップ接合体の導通試験結果を併せて示している。導通試験の結果から、いずれの例においても半田バンプは良好に溶融・接合されており、バンプ表面の酸化膜が半田バンプ同士の接続を妨げることはないことが分かる。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、フリップチップ接続を適用した各種半導体装置の製造工程に適用することができる。そのような半導体装置の製造方法についても、本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５５】
１…第１の半田バンプ、２…第１の基板、３…第２の半田バンプ、４…第２の基板、５，７…電極パッド、６，８…バリアメタル層、９…酸化膜、１０…接続部。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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