(57)【要約】  半導体チップ１が接合部材２ａ、２ｂを介して導電部材３ａ、３ｂに電気的に接続された実装構造を有する半導体装置の熱抵抗の低減と熱変形吸収性の向上を両立させるため、接合部材２ａ、２ｂは、半導体チップ１に近い側から順に、ナノオーダーサイズを有する複数のスプリングで構成されるナノスプリング層４と、前記複数のスプリングを支持する平面層５と、接合層６とを備えた積層構造を有し、ナノスプリング層４の厚さは、接合層６の厚さよりも大きく、接合層６の厚さは、平面層５の厚さよりも大きい。
2014109014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
接合部材を介して前記半導体チップに電気的に接続された導電部材と、
を有し、
前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、ナノオーダーサイズを有する複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層と、接合層とを備え、
前記ナノスプリング層の厚さは、前記接合層の厚さよりも大きく、
前記接合層の厚さは、前記平面層の厚さよりも大きい、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングを構成する材料はニッケルである、半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングを構成する材料は銅である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記平面層を構成する材料はニッケルである、半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記平面層を構成する材料は銅である、半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、
前記接合層を構成する材料は錫を主成分とする金属である、半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングはコイル形状を有する、半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングはジグザク形状を有する、半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置において、
前記ナノスプリング層の少なくとも一部に樹脂が充填されている、半導体装置。
【請求項１０】
半導体チップと、
接合部材と、
を有し、
前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、ナノオーダーサイズを有する複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層とを備え、
前記ナノスプリング層の厚さは、前記平面層の厚さよりも大きい、半導体装置。
【請求項１１】
半導体チップと、
接合部材を介して前記半導体チップに電気的に接続された導電部材と、
を有し、
前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、ナノオーダーサイズを有する複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層と、接合層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
（ａ）半導体ウェハの表面に斜め方向から第１原子を照射することにより、前記ナノスプリング層を形成する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、半導体ウェハの表面に垂直な方向から第２原子を照射することにより、前記平面層を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、半導体ウェハの表面に垂直な方向から第３原子を照射することにより、前記接着層を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記半導体ウェハをダイシングして複数の前記半導体チップに個片化する工程と、
を含み、
前記ナノスプリング層の厚さを、前記接合層の厚さよりも大きくし、
前記接合層の厚さを、前記平面層の厚さよりも大きくする、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体ウェハをその表面に垂直な軸に対して回転させることにより、前記ナノスプリング層を構成する前記スプリングをコイル形状にする、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体ウェハの表面に斜め方向から第１原子を照射する工程と、前記半導体ウェハをその表面に垂直な軸に対して１８０°ずつ回転させる工程とを交互に繰り返すことにより、前記ナノスプリング層を構成する前記スプリングをジグザグ形状にする、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、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、半導体チップを組み込んだ半導体実装構造における熱抵抗の低減および熱変形吸収性の向上に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１（特開２００６−２８７０９１号公報）、特許文献２（特開２００３−１８８２０９号公報）、特許文献３（特開２００３−２９８０１２号公報）、および非特許文献１がある。【０００３】
特許文献１には、「高温高荷重を負荷する熱圧着工程から、低温低荷重で接続させる接合プロセス工法を採用し、高温による半導体素子の熱的破壊や高荷重による回路特性や層間膜クラックの発生を防止する」という課題の解決手段として、「複数のパッド電極部２に金属バンプ３を形成した半導体素子１と、配線電極部５を有する回路実装基板４とを備えた半導体装置であって、回路実装基板４の配線電極部５上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体６を形成し、金属バンプ３が導電弾性体６を突き刺した状態で、半導体素子１を回路実装基板４に実装し、絶縁性を有する接着層１０により金属バンプ３と配線電極部５とが電気的に接続固定される」という技術が記載されている（要約参照）。【０００４】
特許文献２には、「半導体チップと回路基板の熱膨張率差に起因する熱応力による接続信頼性の低下を抑制し、さらには高密度実装を実現するのに適した半導体装置とその製造方法を提供する」という課題の解決手段として、「微細加工を施した加工基板とパターニング技術により、形状を制御した微小な導電性接続部を形成し、これを用いて半導体チップと回路基板とを接続をする。半導体装置は、半導体チップの電極パッドが少なくとも２つ以上の屈曲部、湾曲部を有する導電性接続部を介して回路基板の電極パッドに接続し、かつ両者の間に絶縁性封止部が封入された構造となっている。この半導体装置では、熱応力が加わったときに導電性接続部分、及び絶縁性封止部分が変形することによって熱応力を緩和し接続信頼性を向上させることができる」という技術が記載されている。【０００５】
特許文献３には、「接続する素子材料の耐熱性上の制約がなく、応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがなく、隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない半導体装置およびその製造方法を提供する」という課題の解決手段として、「固体撮像素子１０は、走査回路部１２、光電変換部１４、マイクロスプリング１６および接続層１８を有する。マイクロスプリング１６は、金属等により画素電極３０の上に一端が固着されるとともに上方に湾曲した舌片状に形成され、許容範囲内で圧縮された状態で光電変換部側電極４２と接触し、画素電極３０および光電変換部側電極４２を電気的に接続する。接続層１８は、走査回路部１２および光電変換部１４を構造的に接続する」という技術が記載されている。【０００６】
非特許文献１には、本発明で使用するナノスプリング層の製造方法ならびに力学的特性について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２８７０９１号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８２０９号公報
【特許文献３】特開２００３−２９８０１２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Takayuki Kitamura et. al, “FRACTURE NANOMECHANICS”, PAN STANFORD PUBLISHING (2011), ISBN 978-981-4241-83-0
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体チップを組み込んだ実装構造は、複数の異種材料が組み合わされて用いられているため、温度変化に伴って各部材の熱変形の違いに起因する熱応力が発生する。また、半導体装置の使用環境の多様化に伴って、使用される温度域が拡大すると、発生する熱応力も大きくなるため、この熱応力による半導体装置の信頼性の低下を防ぐことが課題となる。特に、半導体チップは周辺の材料と比較して線膨張係数が小さいので、周辺の材料との熱変形差が大きくなる。そのため、半導体チップと導電材など他の部材との接合部には、熱変形差を吸収できる変形吸収性が求められる。【００１０】
また、半導体装置の動作時には、半導体チップが発熱する。そして、実装密度の増加に伴って発熱温度が高くなると、半導体チップの温度上昇が顕著となり、この温度上昇による半導体チップの効率低下や熱応力による部材の破損が懸念される。従って、半導体実装構造は、温度上昇の抑制、すなわち放熱性の向上が課題となる。【００１１】
半導体実装構造の温度上昇を抑制するためには、半導体チップと他の部材との接合部を薄くし、熱抵抗を小さくすることが望ましい。しかしながら、接合部の熱変形吸収性を向上させるためには、接合部を厚くすることが望ましいため、熱抵抗の低減と熱変形吸収性の向上は、トレードオフの関係にある。【００１２】
本発明の目的は、熱抵抗の低減と熱変形吸収性の向上を両立させることのできる実装構造を備えた半導体装置を提供することにある。【００１３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。【００１５】
本発明による半導体装置の一態様は、半導体チップが接合部材を介して導電部材に電気的に接続された実装構造を有し、前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、ナノオーダーサイズを有する複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層と、接合層とを備えた積層構造を有し、前記ナノスプリング層の厚さは、前記接合層の厚さよりも大きく、前記接合層の厚さは、前記平面層の厚さよりも大きい。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。【００１７】
半導体チップを導電部材に接合する接合部材の一部にナノスプリング層を配置することで、半導体チップと導電部材との熱変形差をナノスプリング層の変形によって吸収できる。その結果、接合層に熱変形吸収性を持たせる必要がなくなり、接合層をナノスプリング層よりも薄くできるので熱抵抗を低減できる。また、平面層が接合層よりも薄いことにより、平面層の曲げ剛性が小さくなり、ナノスプリング層の変形に追従することができる。さらに、平面層が薄いことにより、平面層自体の熱抵抗が小さくなり、半導体装置全体の熱抵抗低減に寄与することができる。これらにより、高い熱変形吸収性と低熱抵抗を両立する半導体実装構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、実施の形態１である半導体装置の断面図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図２】（ａ）は、実施の形態１である半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図３】（ａ）は、図２（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図５】（ａ）は、図４（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）は、図５（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハおよび半導体チップの斜視図である。
【図９】図８に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１である半導体装置の効果を説明する図である。
【図１１】（ａ）は、実施の形態２である半導体装置の断面図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図１２】（ａ）は、実施の形態２である半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図１３】（ａ）は、図１２（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図１４】（ａ）は、図１３（ａ）に続く半導体装置の製造方法を示す半導体ウェハの全体斜視図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図１５】（ａ）は、実施の形態３である半導体装置の断面図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【図１６】（ａ）は、実施の形態４である半導体装置の断面図、（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合や、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１である半導体装置の断面図、図１（ｂ）は、同図（ａ）の一部(四角枠で囲んだ領域)を示す拡大断面図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態１の半導体装置は、ｐｎ接合が形成された半導体チップ１の上面が接合部材２ａを介して導電部材３ａに電気的に接続され、下面が接合部材２ｂを介して導電部材３ｂに電気的に接続された実装構造を有している。すなわち、この半導体装置は、一対の導電部材３ａ、３ｂの一方から流入する電流が半導体チップ１内のダイオード素子によって整流され、導電部材３ａ、３ｂのもう一方から流出することによって、ダイオードとして機能する。
【００２２】
上記半導体チップ１は、半導体製造プロセス（前工程）においてダイオード機能を持たせた単結晶シリコン（Ｓｉ）からなり、その寸法は、１辺が約６ｍｍ、厚さが約０．２ｍｍである。また、ダイオードの電極を構成する一対の導電部材３ａ、３ｂのそれぞれは、銅（Ｃｕ）などの金属板からなる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、半導体チップ１を挟む一対の接合部材２ａ、２ｂのうち、接合部材２ｂは、半導体チップ１に近い側から順に、ナノスプリング層４、平面層５、接合層６の３層構造を有している。図示は省略するが、接合部材２ａも同じように、半導体チップ１に近い側から順に、ナノスプリング層４、平面層５、接合層６の３層構造を有している。なお、接合部材２ａ、２ｂのそれぞれのナノスプリング層４と半導体チップ１との間には、ニッケル膜からなる下地層２２（後述）が介在しているが、下地層２２の膜厚は極めて薄いため、図１には示していない。
【００２４】
半導体チップ１と平面層５とを接続するナノスプリング層４は、ナノオーダーサイズ、すなわち１μｍ以下のサイズを有する複数のコイル状スプリングをマトリクス状に配置した構造を有している。例えば複数のコイル状スプリングのそれぞれは、約２５ｎｍの直径を有する略円形の断面形状を持ち、その外径は約１５０ｎｍ、内径は約１００ｎｍ、高さは約１０μｍである。また、隣り合うスプリング間の距離は約５０ｎｍであり、スプリングの材質はニッケル（Ｎｉ）である。
【００２５】
このように、接合部材２ａ、２ｂは、それらの一部であるナノスプリング層４が複数の変形し易いスプリングで構成されていることから、動作時に発生する半導体チップ１と導電部材３ａ、３ｂとの熱変形差をナノスプリング層４で効率よく吸収することができる。その結果、熱応力の増大を防止でき、熱応力による半導体チップ１の割れや接合部材２ａ、２ｂの破壊を防止することができる。
【００２６】
半導体チップ１の主材料であるシリコンと導電部材３ａ、３ｂの主材料である銅の線膨張係数差は、約１３ｐｐｍ／℃である。例えば１辺が約６ｍｍの半導体チップ１と導電部材３ａ、３ｂの温度が２００℃変化した場合、半導体チップ１の端部での熱変形差は約８μｍである。この熱変形差をナノスプリング層４の変形によって吸収するためには、ナノスプリング層４の厚さを少なくとも８μｍ以上とすることが望ましい。そこで、本実施の形態１では、ナノスプリング層４の厚さを１０μｍとした。
【００２７】
また、半導体チップ１と平面層５とが熱伝導率の高いニッケル（Ｎｉ）で構成される複数のスプリングを介して接続されることにより、半導体チップ１と平面層５との間の熱抵抗を小さくすることができ、動作時に半導体チップ１で生じる熱を効率よく導電部材３ａ、３ｂに伝えて半導体チップ１の温度上昇を低減できる。これらのことから、接合部材２ａ、２ｂのそれぞれの一部にナノスプリング層４を備えることで、熱応力や温度上昇を低減した高信頼な半導体装置を提供できる。
【００２８】
平面層５は、ナノスプリング層４を構成するナノオーダーサイズの複数のスプリングがバラバラになることを防止するための支持部材であり、例えばニッケルなどの導電材料で構成され、その厚さは約０．５μｍである。また、ナノスプリング層４に隣接して平面層５を配置することにより、接合層６との接合箇所を平坦にできるので、接合が容易になると共に、接合時にナノスプリング層４の隙間に接合層６が流れ込むことを防止できる。さらに、平面層５の材料にニッケルを用いた場合には、製造段階において平面層５の表面が酸化され難くなるので、表面酸化層が製造の妨げになることを防止できる。
【００２９】
平面層５の厚さは、約０．５μｍとナノスプリング層４と比較して小さい。これは、平面層５を薄く設けることで平面層４の曲げ剛性を小さくし、接合層６を介して平面層５と導電部材３ａ、３ｂとを接合する際の接合性を向上させるためである。すなわち、接合前の平面層５や導電部材３ａ、３ｂの表面に凹凸があった場合でも、ナノスプリング層４の変形によってその凹凸を吸収し、良好な接合を得ることができる。このとき、平面層５が薄く、曲げ剛性が小さいことにより、ナノスプリング層４の変形に追従することができる。さらに、平面層５が薄いことにより、平面層５自体の熱抵抗が小さくなり、半導体装置全体の熱抵抗低減に寄与することができる。
【００３０】
接合層６は、錫（Ｓｎ）あるいは錫合金などの半田材料からなり、その厚さは約５μｍである。接合部材２ａ、２ｂの一部にナノスプリング層４を備えない場合には、接合層６の変形によって半導体チップ１と導電部材３の熱変形差を吸収することになるため、接合層６の厚さを十分に確保する必要がある。一方、接合部材２ａ、２ｂの一部にナノスプリング層４を備えた本実施の形態１の構造では、半導体チップ１と導電部材３の熱変形差をナノスプリング層４の変形によって吸収できる。従って、この熱変形差を接合層６に吸収させる必要がないので、接合層６の厚さを充分に薄くすることができる。
【００３１】
また、接合部材２ａ、２ｂの一部にナノスプリング層４を備えない場合には、接合面の表面凹凸が大きいときにボイドや未接合部の発生が懸念されることから、表面凹凸を吸収できるだけの接合厚さが必要となる。一方、接合部材２ａ、２ｂの一部にナノスプリング層４とナノスプリング層４よりも薄い平面層５とを備えた本実施の形態１の構造では、接合面の表面凹凸をナノスプリング層４の変形で吸収できるため、接合層６をμｍオーダ以下の厚さまで薄くすることができる。このように、本実施の形態１の構造を備えた半導体装置では、接合層６の厚さを、平面層５よりは厚いがナノスプリング層４よりも薄くすることができる。これらのことから、接合層６を充分に薄くしてその熱抵抗を小さくし、半導体装置全体の熱抵抗低減に寄与することができる。
【００３２】
なお、本実施の形態１では、ナノスプリング層４や平面層５の材料にニッケルを用いたが、銅など他の導電材料を用いることも可能である。ナノスプリング層４や平面層５の材料に銅を用いた場合は、接合部材２ａ、２ｂの熱伝導率がより向上するため、半導体装置全体の熱抵抗をさらに低減できる。また、銅は、弾性率や降伏応力がニッケルよりも小さいため、ナノスプリング層４の変形吸収効果や、平面層５の変形追従性がより向上する。一方、銅は、ニッケルと比較して酸化し易い材料であるため、酸化防止処理が必要となることがある。さらに、本実施の形態１では、接合層６の材料に錫を主成分とする金属を用いたが、亜鉛（Ｚｎ）や銀（Ａｇ）などを主成分とする金属を用いることもできる。接合層６の材料を変更する場合は、接合温度や加圧などの条件をそれぞれの材料に合わせて適正化する必要がある。
【００３３】
次に、図２〜図９を参照しながら、本実施の形態１の半導体装置の製造方法について説明する。なお、図２〜図６の各図において、（ａ）は半導体ウェハの全体斜視図であり、（ｂ）は半導体ウェハの表面端部拡大断面図である。
【００３４】
まず、図２に示すように、複数の半導体チップ１で構成される半導体ウェハ２１を用意する。この半導体ウェハ２１の各半導体チップ１には、ｐｎ接合からなるダイオード素子が形成されている。
【００３５】
次に、図３に示すように、蒸着法を用いて半導体ウェハ２１の表面にニッケル膜からなる下地層２２を形成する。下地層２２は、半導体チップ１とナノスプリング層４との接合強度の向上や、ナノスプリング層４に均等に電気や熱を伝える目的で設ける。下地層２２は、蒸着法に代えてメッキ法などで形成することもできる。また、半導体製造プロセス（前工程）で半導体ウェハ２１の表面に金属層を設けた場合には、その金属層を下地層２２として利用することができるので、下地層２２を形成する工程を省略することができる。
【００３６】
次に、図４に示すように、略真空の環境下において、半導体ウェハ２１を下地層２２の表面に垂直な軸に対して回転させる。そして、この状態で斜め上方向に配置した蒸発源（図示せず）からニッケル原子２３を照射し、下地層２２の表面に蒸着させる。
【００３７】
このように、下地層２２の表面に対して斜め方向からニッケル原子２３を蒸着させた場合、下地層２２の表面に蒸着したニッケル原子層には、蒸発源に対して影になる箇所が発生し、その影の部分にはニッケル原子２３が蒸着しない。その結果、下地層２２の表面には、斜め方向に延びる多数の柱状体が蒸着形成される。そして、このとき半導体ウェハ２１を回転させることにより、柱状体は、一方向に延びるのではなくコイル状に成長する。これにより、下地層２２の表面にナノスプリング層４を構成するナノオーダーサイズのコイル状スプリングが多数形成される。
【００３８】
次に、半導体ウェハ２１の回転を止めた後、図５に示すように、ナノスプリング層４の上方からニッケル原子２４を蒸着することにより、ナノスプリング層４の上部に平面層５を形成する。続いて、図６に示すように、半導体ウェハ２１の回転を止めたまま、平面層５の上方から錫原子２５を蒸着することにより、平面層５の上部に接合前の接合層２６を形成する。
【００３９】
ここまでの工程により、半導体ウェハ２１の表面に下地層２２、ナノスプリング層４、平面層５および接合層２６がこの順に形成される。以下、これらの層の集合を表面形成層２７と称する。
【００４０】
次に、半導体ウェハ２１の表裏面を反転させた後、上記と同様の手順を施すことにより、図７に示すように、半導体ウェハ２１の裏面にも表面形成層２７を形成する。
【００４１】
その後、図８に示すように、半導体ウェハ２１をダイシング・個片化することによって、両面に表面形成層２７を備えた多数の半導体チップ１を取得する。
【００４２】
なお、上記の製造方法では、半導体ウェハ２１をダイシング・個片化する工程に先立ってその両面に表面形成層２７を形成したが、半導体ウェハ２１をダイシング・個片化した後、半導体チップ１の両面に上述した方法で表面形成層２７を形成してもよい。なお、この場合は、斜め方向からニッケル原子２３を蒸着させてナノスプリング層４を形成する際、半導体チップ１の側面にニッケル原子２３が蒸着されないように配慮する必要がある。一方、ダイシング・個片化に先立って半導体ウェハ２１の両面に表面形成層２７を形成する場合は、半導体ウェハ２１をダイシング・個片化する際に表面形成層２７を破損しないように配慮する必要がある。従って、ダイシングの方法などに応じて適切な工程を選択することが望ましい。
【００４３】
次に、図９に示すように、両面に表面形成層２７が形成された半導体チップ１を一対の導電部材３ａ、３ｂで挟み込み、さらに導電部材３ａの上部に接合時の加圧に用いる錘４２を配置する。このとき、接合前の各部材（半導体チップ１および導電部材３ａ、３ｂ）の位置ズレを防止するため、カーボン製の接合用治具４１ａ、４１ｂを用いて各部材を位置合わせする。
【００４４】
上記半導体チップ１の両面には、接合前の接合層２６が形成されているため、接合用治具４１ａ、４１ｂを用いて各部材を位置合わせする際に別途接合材を重ねる必要がなく、組立性を向上できる。
【００４５】
次に、接合用治具４１ａ、４１ｂで位置合わせした各部材を、接合前の接合層２６の融点以上の環境下に曝した後、降温する。このとき、液状化した接合前の接合層２６は、平面層５を構成する原子や、導電部材３ａ、３ｂを構成する原子と反応して合金化し、温度降下後には合金化した接合層６となる。そして、この接合層６によって、平面層５と導電部材３ａおよび平面層５と導電部材３ｂがそれぞれ接合される。本実施の形態１では、合金化した接合層６は、錫とニッケル、あるいは錫と銅、あるいは錫とニッケルと銅の合金である。なお、この接合工程は、リフロー炉を用い、略真空環境下で実施する。これにより、接合時に生じる未接合部やボイドを低減することができる。最後に、冷却した接合用治具４１ａ、４１ｂおよび錘４２を取り除くことにより、図１に示した本実施の形態１の半導体装置が完成する。
【００４６】
上述した製造方法によれば、ナノオーダーサイズ、すなわち１μｍ未満の寸法のスプリングを密に配置したナノスプリング層４を作製することが可能となるので、構造および効果において従来技術と顕著な相違を有する半導体実装構造を実現することができる。
【００４７】
次に、本製造方法で作製されたナノスプリング層４を半導体実装構造に用いた場合に得られる特徴について、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、従来技術であるマイクロオーダーサイズの寸法を有するマイクロスプリング１０を示し、図１０（ｂ）は、同図（ａ）に示すマイクロスプリング１０をナノオーダーサイズまで単純にスケールダウンしたナノスプリング１１を示し、図１０（ｃ）は、ナノスプリング１１を密に配置した本実施の形態１のナノスプリング層４をそれぞれ示している。
【００４８】
半導体チップ１と導電部材３の熱変形差は、主にナノスプリング層４のせん断変形によって吸収されることから、スプリングのそれぞれをせん断変形が作用する１本の針と考え、マイクロスプリング１０を線径１０μｍの針１本、ナノスプリング１１を線径１０ｎｍの針１本、ナノスプリング層４を線径１０ｎｍの針１００００００（＝１０００×１０００）本とモデル化した。針の高さおよびナノスプリング層４の厚さは、すべて同じ値Ｌとした。
【００４９】
このとき、針に発生する最大応力（σmax）は次式で表される。
【００５０】
【数１】
2014109014.tif 000003
【００５１】
（式中、Ｅは縦弾性率、ｄは線径、ｕは作用するせん断変位である）
【００５２】
この式から、ナノスプリング層４とナノオーダーサイズのスプリング１１に発生する応力は同じであるが、ｄが１０００倍のマイクロオーダーサイズのスプリング１０では１０００倍の応力が発生し、その破壊防止が課題となる。
【００５３】
一方、熱抵抗（Ｒ）は次式で表される。
【００５４】
【数２】
2014109014.tif 000004
【００５５】
（式中、λは材料の熱伝導率、ｎは本数である）
【００５６】
この式から、ナノスプリング層４とマイクロオーダーサイズのスプリング１０の熱抵抗は同じであるが、ナノオーダーサイズのスプリング１１では熱抵抗が１００００００倍になるため、半導体チップ１の温度上昇が顕著になる。なお、マイクロオーダーサイズのスプリング１０に発生する応力をナノスプリング層４と同じにするためには、高さＬを３２倍にする必要があり、この場合には熱抵抗が３２倍になる。
【００５７】
これらのことから、半導体実装構造に求められる変形吸収と低熱抵抗とを両立する機能は、従来技術であるマイクロオーダーサイズのスプリング１０やそれを単純にスケールダウンしたナノオーダーサイズのスプリング１１では実現できず、本実施の形態１のナノスプリング層４によってはじめて実現できる機能であることが分かる。
【００５８】
なお、本実施の形態１では、ダイオード特性を持つ半導体チップ１の実装構造について説明したが、他の半導体素子を持つ半導体チップを実装することも当然可能であり、その場合は、本実施の形態１の実装構造を各半導体チップの条件に合わせて適宜設計変更すればよい。
【００５９】
（実施の形態２）
図１１（ａ）は、本発明の実施の形態２である半導体装置の断面図、図１１（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【００６０】
実施の形態１との違いは、ナノスプリング層４を構成するスプリングが、コイル状のスプリングではなく、ジグザグ状のスプリングとなっている点である。
【００６１】
ナノスプリング層４をジグザグ状のスプリングで構成することにより、コイル状のスプリングと比較してスプリング１本あたりの占有面積が小さくなるので、単位面積により多くのスプリングを配置することができる。また、各スプリングを真っ直ぐに伸ばしたときの長さを短くできる。
【００６２】
これらのことから、ナノスプリング層４の熱抵抗をさらに低減できるが、熱変形吸収の効率はコイル状スプリングよりも小さくなる場合がある。従って、これらの特徴を鑑み、スプリングの形状を選択すればよい。
【００６３】
次に、図１２〜図１４を参照しながら、本実施の形態２の半導体装置の製造方法について説明する。なお、実施の形態１との違いは、ナノスプリング層４の製造方法のみであるため、ここでは、ナノスプリング層４の製造方法について説明する。図１２〜図１４の各図において、（ａ）は半導体ウェハの全体斜視図であり、（ｂ）は半導体ウェハの表面端部拡大図である。
【００６４】
まず、実施の形態１と同様の方法で半導体ウェハ２１の表面に下地層２２を形成した後、図１２に示すように、略真空の環境下において、半導体ウェハ２１の斜め上方向からニッケル原子２３を照射し、下地層２２の表面に蒸着させる。このとき、実施の形態１の製造方法とは異なり、半導体ウェハ２１は回転させない。
【００６５】
このように、下地層２２の表面に対して斜め方向からニッケル原子２３を蒸着させた場合は、下地層２２の表面に蒸着したニッケル原子層に、蒸発源に対して影になる箇所が発生し、その影の部分にはニッケル原子２３が蒸着されない。その結果、下地層２２の表面には、斜め方向に延びる多数の柱状体が蒸着形成される。
【００６６】
次に、図１３に示すように、半導体ウェハ２１を下地層２２の表面に垂直な軸に対して１８０゜回転させる。これにより、下地層２２の表面に蒸着形成された多数の柱状体の向きが図１２に示す向きと逆になる。
【００６７】
次に、図１４に示すように、この状態で半導体ウェハ２１の斜め上方向からニッケル原子２３を照射すると、多数の柱状体が「く」の字状に成長する。以下、ここまでの工程を所望の回数繰り返すことにより、図１１に示したような多数のジグザグ状のスプリングで構成されたナノスプリング層４が形成される。
【００６８】
（実施の形態３）
図１５（ａ）は、本発明の実施の形態３である半導体装置の断面図、図１５（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【００６９】
実施の形態１との違いは、ナノスプリング層４を平面層５を介して多段に積層した点である。図１５には、２段のナノスプリング層４を積層した例を示したが、ナノスプリング層４の形成と平面層５の形成とを交互に繰り返すことにより、３段以上のナノスプリング層４を積層することも可能である。また、ナノスプリング層４を構成するスプリングは、コイル状のスプリングに限定されず、実施の形態２のようなジグザグ状のスプリングであってもよい。
【００７０】
一般に、本実施の形態３のナノスプリング層４をｎ段積層した場合は、各ナノスプリング層４が吸収する変形量が１／ｎに低減するため、より大きな変形を吸収できるようになる。一方、ナノスプリング層４の全体の熱抵抗や電気抵抗はｎ倍になる。従って、求められる変形吸収能力、熱抵抗、電気抵抗に応じて積層するナノスプリング層４の数を選定することが望ましい。
【００７１】
（実施の形態４）
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態４である半導体装置の断面図、図１６（ｂ）は、同図（ａ）の一部を示す拡大断面図である。
【００７２】
実施の形態１との違いは、ナノスプリング層４を構成する複数のスプリングの隙間に樹脂３０を充填した点である。このようにした場合は、充填する樹脂３０の物性値に応じて、ナノスプリング層４全体の平均的な剛性を制御することが可能となる。
【００７３】
例えば弾性率の小さい樹脂を充填した場合は、ナノスプリング層４全体の平均的な剛性が小さくなり、半導体チップ１や導電部材３ａ、３ｂに発生する熱応力を低減できる。一方、弾性率の大きい樹脂を充填した場合は、ナノスプリング層４全体の平均な剛性が大きくなり、ナノスプリング層４が吸収する熱変形差が小さくなるので、ナノスプリング層４をより薄くして熱抵抗を低減できる。従って、これらの効果を鑑みて、充填する樹脂３０の材料を選定すればよい。
【００７４】
なお、樹脂３０の充填は、半導体チップ１と導電部材３とを接合した後に行う。このようにすると、接合時のナノスプリング層４による表面凹凸の吸収効果が樹脂３０によって妨げられることがない。また、樹脂３０は、複数のスプリングの隙間全体に充填してもよく、複数のスプリングの隙間の一部に充填してもよい。
【００７５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、半導体チップが接合部材を介して導電部材に電気的に接続された実装構造を有する半導体装置に適用することができる。
【図１】
2014109014.tif 000005
【図２】
2014109014.tif 000006
【図３】
2014109014.tif 000007
【図４】
2014109014.tif 000008
【図５】
2014109014.tif 000009
【図６】
2014109014.tif 000010
【図７】
2014109014.tif 000011
【図８】
2014109014.tif 000012
【図９】
2014109014.tif 000013
【図１１】
2014109014.tif 000014
【図１２】
2014109014.tif 000015
【図１３】
2014109014.tif 000016
【図１４】
2014109014.tif 000017
【図１５】
2014109014.tif 000018
【図１６】
2014109014.tif 000019
【図１０】
2014109014.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月29日(2016.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
接合部材を介して前記半導体チップに電気的に接続された主材料が銅からなる導電部材と、
を有し、
前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、１μｍ以下の複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層と、半田材料からなる接合層とを備え、
前記ナノスプリング層の厚さは、前記接合層の厚さよりも大きく、
前記接合層の厚さは、前記平面層の厚さよりも大きい、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングを構成する材料はニッケルである、半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングを構成する材料は銅である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記平面層を構成する材料はニッケルである、半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、
前記平面層を構成する材料は銅である、半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、
前記接合層を構成する材料は錫を主成分とする金属である、半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングはコイル形状を有する、半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、
前記スプリングはジグザク形状を有する、半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置において、
前記ナノスプリング層の少なくとも一部に樹脂が充填されている、半導体装置。
【請求項１０】
半導体チップと、
接合部材を介して前記半導体チップに電気的に接続された主材料が銅からなる導電部材と、
を有し、
前記接合部材は、前記半導体チップに近い側から順に、１μｍ以下の複数のスプリングで構成されるナノスプリング層と、前記複数のスプリングを支持する平面層と、半田材料からなる接合層とを備えた半導体装置の製造方法であって、
（ａ）半導体ウェハの表面に斜め方向から第１原子を照射することにより、前記ナノスプリング層を形成する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、半導体ウェハの表面に垂直な方向から第２原子を照射することにより、前記平面層を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、半導体ウェハの表面に垂直な方向から第３原子を照射することにより、前記接着層を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記半導体ウェハをダイシングして複数の前記半導体チップに個片化する工程と、
を含み、
前記ナノスプリング層の厚さを、前記接合層の厚さよりも大きくし、
前記接合層の厚さを、前記平面層の厚さよりも大きくする、半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体ウェハをその表面に垂直な軸に対して回転させることにより、前記ナノスプリング層を構成する前記スプリングをコイル形状にする、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体ウェハの表面に斜め方向から第１原子を照射する工程と、前記半導体ウェハをその表面に垂直な軸に対して１８０°ずつ回転させる工程とを交互に繰り返すことにより、前記ナノスプリング層を構成する前記スプリングをジグザグ形状にする、半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
2014109014.tif 000021
2014109014.tif 000022
2014109014.tif 000023
2014109014.tif 000024