(57)【要約】【課題】金属バンプの結合部に発生する接合強度のばらつきや結合位置のずれを抑制できる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】パッド３を含む半導体チップ１とランド６を含む基板５とを、バンプ接合によって接続する半導体装置の製造方法であって、パッド３およびランド６のうち、一方に金属バンプ４を接続しておいて、他方に金属バンプ４を接触させる接触工程を含む。半導体チップ１と基板５とによって粘着フィルム樹脂２を挟みこんだ状態としたのちに、超音波振動を印加して、金属バンプ４と上記他方とを結合する工程を含む。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッドを含む半導体チップと、
ランドを含む基板と
を、バンプ接合によって接続する半導体装置の製造方法であって、
前記パッドおよび前記ランドのうち、一方に金属バンプを接続して、他方に前記金属バンプを接触させる接触工程と、
前記半導体チップと前記基板とによって粘着フィルム樹脂を挟みこんだ状態で、超音波振動を印加して、前記金属バンプと前記他方とを結合する工程と
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記接触工程では、前記パッドに前記金属バンプが接続されたものを用いる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記接触工程では、前記基板として、前記粘着フィルム樹脂が主表面に配置されたものを用いる、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】
前記接触工程では、前記基板として、前記金属バンプが前記粘着フィルム樹脂を突き破る位置に前記粘着フィルム樹脂が配置されたものを用いる、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記接触工程では、前記半導体チップとして、前記粘着フィルム樹脂が主表面に配置されたものを用いる、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６】
前記基板として有機基板を用いる、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。特に、半導体チップと基板とを結合する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板の主表面に形成された電気回路と半導体チップなどのチップの主表面に形成された電気回路とを接続する方法としてフリップチップボンディングがある（特許文献１参照）。フリップチップボンディングは、チップを裏返しにして基板に接合する方法であり、その中でも一度に複数箇所の電極を接続する方法の一つとして、バンプ結合がある。バンプ結合は、絶縁基板又はパッケージの電極を直接対向させて、位置を合わせて密着させ、熱および圧力を加えて接合する方法である。従来の技術によるバンプ結合の方法を以下に説明する。
【０００３】
主表面にＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）や電気回路が形成された半導体チップと主表面に電気回路などが形成された基板との結合においては、半導体チップの主表面上に電極としてのパッドを形成して、このパッド上に金属バンプを形成したものと、基板の主表面上に電極としてのランドを形成したものを準備する。パッドおよびランドは、電気的な接続が必要な箇所に形成する。金属バンプとパッドとが接触するように半導体チップと基板とを接触させる。この際、半導体チップの主表面と基板の主表面とが平行になるように保持する。その後、半導体チップの裏面（金属バンプが形成されている面と反対側の面）にボンディングツールを押し当てて加圧しながら、超音波振動を印加することによって金属バンプとランドとを機械的に結合させる。超音波で振動させる方向は、半導体チップの主表面および基板の主表面に平行な方向である。金属バンプとランドとの結合が完了すると、半導体チップの主表面と基板の主表面とが略平行に離間した状態で、電気的に接続されたこととなる。この後に、半導体チップと基板との隙間にアンダフィル樹脂を流し込み、高温にしてアンダフィル樹脂を硬化させることによって、半導体チップと基板とを一体化する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６４３８４号公報（第２−６頁、第１，５図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
金属バンプとランドとの結合において、超音波振動を印加する際は、基板の主表面に対して半導体チップの主表面が平行に配置される。半導体チップはボンディングツールに固定されており、超音波振動を印加する方向は、基板の主表面に平行な方向である。よって、超音波振動の印加を開始したときの半導体チップの振動方向は、基板の主表面に平行である。しかし、金属バンプとランドとの接合が開始すると、振動方向の変位に対する抵抗が生じて、半導体チップおよびボンディングツールが基板の主表面に対して、僅かに傾く変位成分が発生する。すなわち、半導体チップと基板との距離が接合位置によって異なってくる。半導体チップが傾いたまま超音波振動を継続すると、半導体チップと基板との距離が短い側では、金属バンプ部に対して加圧されている向きに力が加わるように振動が行なわれて圧縮応力が生じる。これに対して、半導体チップと基板との距離が長い側では、金属バンプ部に対して加圧されている向きと逆向きの力が加わるように振動が行なわれて引張応力が生じる。このまま金属バンプとランドとの結合を行なうと、金属バンプ部の接合強度にばらつきが生じやすくなる。接合強度のばらつきは、半導体装置の製品化後の熱サイクル時の信頼性（接合部の導通に関しての疲労寿命）を悪化するという不具合があった。
【０００６】
半導体チップと基板との隙間に未硬化状態の樹脂を予め注入しておき、高温で樹脂を溶融状態（ゲル状）にして、超音波振動を印加することによって、半導体チップが基板に対して傾くことを抑制する方法がある。この場合は、未硬化状態にある樹脂の粘性によって上記の半導体チップの傾きは小さくなるが、傾きの抑制効果を大きくするために樹脂の粘性が大きなものを選定した場合、超音波振動の減衰により、金属バンプ結合のための十分な振動を発生することができなかった。このため、樹脂の粘度には上限があり、半導体チップが超音波印加中に傾くことを十分に抑制できなかった。また、従来の金属バンプ結合においては、超音波振動を印加すると、基板に対して半導体チップの位置がずれ易いという問題も併存していた。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、金属バンプの結合部に発生する接合強度のばらつきや結合位置のずれを抑制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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に基づく半導体装置の製造方法は、パッドを含む半導体チップとランドを含む基板とを、バンプ接合によって接続する半導体装置の製造方法であって、上記パッドおよび上記ランドのうち、一方に金属バンプを接続しておいて、他方に上記金属バンプを接触させる接触工程を含む。上記半導体チップと上記基板とによって粘着フィルム樹脂を挟みこんだ状態にして、超音波振動を印加して、上記金属バンプと上記他方とを結合する工程を含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１から図６を参照して、本発明に基づく実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１０】
図１は半導体チップの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に関する矢視断面図である。半導体チップ１は平板状である。半導体チップ１にはＩＣが形成された主表面と同じ主表面の外縁に沿うようにして、略等間隔に、平板状のパッド３が形成されている。本実施の形態においては、パッド３としてアルミ板を用いており、パッド３はＩＣに電気的に接続されている。
【００１１】
図２に示すように、それぞれのパッド３に金属バンプ４を配置する。金属バンプ４はパッド３と電気的に接続されている。金属バンプ４は先端が尖るように形成されており、本実施の形態においては、金属バンプ４は金を材料に形成されている。
【００１２】
図３に半導体チップを接合する有機基板５の平面図を示す。有機基板５は平板状であり、主表面には外縁に沿うようにして、略等間隔に、平板状のランド６を形成している。本実施の形態においては、ランド６を銅で形成している。後の工程において、ランド６はパッド３上に形成された金属バンプ４と結合されるため、全てのパッド３の位置と対応する位置に形成されている。ランド６は有機基板５の外縁に沿うように略四角形に配置されており、この四角形の４つの隅にある複数のランド６を覆うように、粘着フィルム樹脂２を貼り付ける。このように粘着フィルム樹脂２を貼り付けることによって、後工程において金属バンプが粘着フィルム樹脂２を突き破るようにすることができる。
【００１３】
本実施の形態においては、粘着フィルム樹脂２として粘着性のあるエポキシ系の熱硬化型樹脂を用いている。この樹脂は、室温では半硬化状態のゲル状であり、ここでは樹脂シートを専用の機械で小さく切断したものを使用している。粘着フィルム樹脂２の特性としては、後の工程において、超音波振動が印加される際に粘着フィルム樹脂２の温度も上昇するため、この時の温度１００℃〜１５０℃程度では硬化せず、ゲル化温度がこの温度より高いものであることが好ましい。また、製品化された半導体装置は、実使用時に温度が変化する。使用時の熱サイクルの際に粘着フィルム樹脂２の膨張によって金属バンプに引張応力がかからないように、硬化後の粘着フィルム樹脂２の線膨張係数が金属バンプの線膨張係数と近いものを選定することが好ましい。
【００１４】
図４に示すように、半導体チップ１と有機基板５とを結合する。金属バンプ４が形成された半導体チップ１の主表面とランド６が形成された有機基板５の主表面とが平行になり、かつ対向するように配置する。次に、矢印１１に示す向きに移動して、パッド３上に形成された全ての金属バンプ４と、有機基板５上に形成されたランド６とを接触させる。この際、ランド６が粘着フィルム樹脂２に覆われている箇所では、金属バンプ４が粘着フィルム樹脂２を突き破るように接触させる。
【００１５】
図５に示すように、ボンディングツール７を半導体チップ１の上面に配置して、半導体チップ１を有機基板５に圧接させながら、矢印１２に示す方向に超音波振動を印加して金属バンプ４を有機基板上５のランド６と機械的に結合する。結合が進むと、半導体チップ１と基板５との距離は短くなり、粘着フィルム樹脂２が半導体チップ１および有機基板５に接触する。すなわち、粘着フィルム樹脂２が半導体チップ１と基板５とに挟みこまれた状態で超音波振動を印加する。金属バンプ４とランド６との結合が完了したら、ボンディングツール７をとりはずした後、温度を上げて粘着フィルム樹脂２を硬化させる。
【００１６】
その後、図６に示すように、補強のために半導体チップ１と有機基板５との間に液状のアンダフィル樹脂８を流し込み、高温にして硬化させて半導体チップ１と有機基板５とを一体化させる。
【００１７】
本発明に基づく結合方法においては、半導体チップと有機基板との間に粘着フィルム樹脂を挟みこむことによって、基板表面に垂直な振動成分を吸収することができ、超音波振動の印加の際に半導体チップが傾くことを抑制できる。よって、接合強度のばらつきが少ない良好なバンプ結合を行なうことができる。その結果、製品化された後における温度変化が生じる状況下において、バンプ結合部の熱サイクルによる疲労寿命（導通に関する疲労寿命）に対する信頼性を向上させることができる。粘着フィルム樹脂が挟みこまれる位置は、半導体チップの主表面または、有機基板の主表面において、複数個の粘着フィルム樹脂が対称位置に配置されることが好ましい。
【００１８】
また、金属バンプを予めパッドに接続することによって、後に超音波を印加してバンプ結合する工程を、ワイヤボンディング装置を使用して行なうことができる。
【００１９】
また、粘着フィルム樹脂が予め有機基板に貼りつけられたものを使用することによって、容易に粘着フィルム樹脂を半導体チップと上記基板との間に挟みこむことができる。
【００２０】
また、有機基板として、金属バンプが粘着フィルム樹脂を突き破る位置に粘着フィルム樹脂が配置されたものを用いることによって、超音波振動を印加して金属バンプを結合する際に、金属バンプの周囲を粘着フィルム樹脂で取囲む状態にすることができ、金属バンプの結合位置にずれが生じることを防止できる。
【００２１】
粘着フィルム樹脂は、超音波振動する方向と垂直な方向に働く力成分を吸収するため、粘着フィルム樹脂同士の距離を互いに遠くにした方がその効果は大きい。すなわち、図５においては、矢印１２の方向に超音波振動を印加すると、それに伴って発生する矢印１３の方向に傾むく変位は半導体チップ１の端部で最大となる。よって、該位置に粘着フィルム樹脂を配置すると矢印１３の方向に傾こうとする振動成分を効率よく吸収することができる。本実施の形態においては、金属バンプ４が粘着フィルム樹脂２を突き破る方法を採用することによって、粘着フィルム樹脂２を半導体チップ１の一辺の外端に配置することができて、効率よく半導体チップの傾きを防止することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図７から図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００２３】
図７は、半導体チップ１の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、図７（ａ）におけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に関する矢視断面図である。半導体チップ１の主表面であって、ＩＣなどが形成されている面と同じ面にパッド３を形成する。パッド３は、略等間隔で配置され、半導体チップ１の外縁に沿うように形成する。すなわち、パッド３は、半導体チップ１の主表面に略四角形に配置されている。この四角形の内側であって、４つの角の近傍には、粘着フィルム樹脂２が貼り付けられている。
【００２４】
図８に示すようにパッド３の上側に、金属バンプ４を配置する。金属バンプ４の高さとパッド３の高さを合わせた高さは、粘着フィルム樹脂２の厚さより大きくなるように形成されている。
【００２５】
図９に示すように有機基板５の主表面にランド６を配置する。有機基板５は平板状であり、ランド６は有機基板５の主表面の外縁に沿うように略等間隔に配置する。ランド６はパッド３上に形成された金属バンプ４に結合されるため、パッド３の位置に対応させて配置する。
【００２６】
図１０に示すように、金属バンプ４および粘着フィルム樹脂２とが配置されている半導体チップ１の主表面とランド６が配置されている有機基板５の主表面とを対向させて、矢印１１の向きに、金属バンプ４とランド６とを圧接させる。全ての金属バンプ４を対応する位置に配置されたランド６と圧接させる。
【００２７】
図１１に示すように、半導体チップ１の裏側にボンディングツール７を配置して、半導体チップ１と有機基板５とが近づく向きに加圧しながら超音波振動を印加する。振動の向きは矢印１２に示す向きである。超音波振動が印加されている時は、粘着フィルム樹脂２は、半導体チップ１および有機基板５に接触している状態である。金属バンプ４を有機基板５上のランド６に機械的に結合する。超音波振動の印加による結合が完了したら、ボンディングツールをとりはずした後、温度を上昇させて粘着フィルム樹脂２を硬化させる。
【００２８】
図１２に示すように、その後、バンプ結合部の補強のため半導体チップ１と有機基板５との隙間に液状のアンダフィル樹脂８を流し込み、高温にして硬化させて一体化する。
【００２９】
本実施の形態においては、半導体チップの主表面に予め粘着フィルム樹脂を貼りつけて、金属バンプ結合を行なっている。この方法を採用することにより、容易に半導体チップと基板との間に粘着フィルム樹脂を挟みこむことができる。また、金属バンプの周囲を粘着フィルム樹脂で取囲むような構成は有しないが、粘着フィルム樹脂自体が粘着性を有するために、金属バンプの接合部の位置ずれを防止することができる。
【００３０】
その他の作用および効果については、実施の形態１と同様である。すなわち、超音波振動時に半導体チップが傾くことを抑制して、接合強度のばらつきが少ない良好な金属バンプ結合を行なうことができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図１３から図１８を参照して、本発明に基づく実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００３２】
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、多くの工程において実施の形態１または実施の形態２に係る半導体装置の製造方法と同様である。
【００３３】
図１３は半導体チップの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は図１３（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に関する矢視断面図である。図１３（ａ）および（ｂ）に示すように半導体チップ１の上にパッド３を略等間隔に形成し、図１４に示すように、パッド３の主表面に金属バンプ４を形成することは、実施の形態１と同様である。
【００３４】
本実施の形態においては、図１５に示すように、有機基板５の主表面のうちランド６が形成されている面に、粘着フィルム樹脂２を貼り付ける。この際に、粘着フィルム樹脂２は、複数のランド６で囲まれる形状の略四角形の内側に配置されている。また、有機基板５の主表面において互いに対称になるように粘着フィルム樹脂２を貼り付ける。
【００３５】
次に図１６に示すように、半導体チップ１上の全ての金属バンプ４と有機基板５上のランド６とが接するように、半導体チップ１と有機基板５とを圧接させる。この際に、実施の形態１で行なったような金属バンプ４が粘着フィルム樹脂２を突き破ることは必要としない。
【００３６】
図１７および図１８の工程については、実施の形態２における図１１および図１２の工程と同じであるのでここでは説明を繰返さない。また、上記以外の製造方法については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰返さない。
【００３７】
本実施の形態においては、予め有機基板５の主表面に粘着フィルム樹脂２を配置しておくことによって、容易に粘着フィルム樹脂を半導体チップと有機基板とで挟みこむ状態にすることができる。その他の作用および効果については、実施の形態２と同様である。すなわち、金属バンプの位置ずれを防止することができ、さらに、超音波振動時に半導体チップが傾くことを抑制して接合強度のばらつきが少ない良好なバンプ結合を行なうことができる。
【００３８】
上記の全ての実施の形態においては、粘着フィルム樹脂が貼り付けられる位置は４箇所であったが、とくに４箇所に限定される訳ではなく、超音波の印加状況に合わせて、粘着フィルム樹脂の枚数、位置、大きさを適宜変更することが好ましい。また、上記の実施の形態においては、有機基板と半導体チップの結合について説明したが、有機基板の代わりに半導体チップを用いて半導体チップ同士を結合する場合においても同様の効果が得られる。
【００３９】
また、上記の全ての実施の形態においては、基板として有機基板を用いているが、たとえば、基板の材質としてセラミックやガラスなどを用いた基板であってもよい。上記の実施の形態において使用した有機基板のような軟らかい基板を用いる場合は、セラミック基板などの硬い基板を用いる場合と比較して、超音波印加の際に半導体チップが傾くことを防止する効果が顕著になる。
【００４０】
さらに、上記の全ての実施の形態においては、金属バンプを先に半導体チップに配置したが、金属バンプを先に基板に配置して、超音波振動を印加して接合してもよい。
【００４１】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波振動を付加する際に、半導体チップと有機基板との間に、粘着フィルム樹脂を挟むことによって、金属バンプ部の接合強度に発生する強度のばらつきの抑制や位置ずれの抑制が可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における第１の工程を説明する図である。
【図２】本発明に基づく実施の形態１における第２の工程を説明する図である。
【図３】本発明に基づく実施の形態１における第３の工程を説明する図である。
【図４】本発明に基づく実施の形態１における第４の工程を説明する図である。
【図５】本発明に基づく実施の形態１における第５の工程を説明する図である。
【図６】本発明に基づく実施の形態１における第６の工程を説明する図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態２における第１の工程を説明する図である。
【図８】本発明に基づく実施の形態２における第２の工程を説明する図である。
【図９】本発明に基づく実施の形態２における第３の工程を説明する図である。
【図１０】本発明に基づく実施の形態２における第４の工程を説明する図である。
【図１１】本発明に基づく実施の形態２における第５の工程を説明する図である。
【図１２】本発明に基づく実施の形態２における第６の工程を説明する図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態３における第１の工程を説明する図である。
【図１４】本発明に基づく実施の形態３における第２の工程を説明する図である。
【図１５】本発明に基づく実施の形態３における第３の工程を説明する図である。
【図１６】本発明に基づく実施の形態３における第４の工程を説明する図である。
【図１７】本発明に基づく実施の形態３における第５の工程を説明する図である。
【図１８】本発明に基づく実施の形態３における第６の工程を説明する図である。
【符号の説明】
１  半導体チップ、２  粘着フィルム樹脂、３  パッド、４  金属バンプ、５有機基板、６  ランド、７  ボンディングツール、８  アンダフィル樹脂、１１，１２，１３  矢印。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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