(57)【要約】【課題】バンプ電極が形成された半導体チップを非酸化性雰囲気中に収納して保管することと、パッド電極表面の酸化膜や異物を除去することとが不要な、半導体チップや配線基板のバンプ電極とパッド電極とを強固に接合できる多層配線基体の製造方法を提供することである。【解決手段】多層配線基体の製造方法において、第１の配線基体にバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体にパッド電極を形成する工程と、前記バンプ電極の先端部に金属の微粒子を付着する工程と、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを対向させ、前記先端部に金属の微粒子を付着したバンプ電極を前記パッド電極に接触させて加圧し、この加圧部を加熱して接合する工程とを備えたものである。【選択図】　　　　　図１
2004146731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配線基体にバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体にパッド電極を形成する工程と、前記バンプ電極の先端部に金属の微粒子を付着する工程と、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを対向させ、前記先端部に金属の微粒子を付着したバンプ電極を前記パッド電極に接触させて加圧し、この加圧部を加熱して接合する工程とを備えた多層配線基体の製造方法。
【請求項２】
第１の配線基体と第２の配線基体との間に熱硬化性樹脂層を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多層配線基体の製造方法。
【請求項３】
金属の微粒子が、粒径が１〜１００ｎｍの金属の微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基体の製造方法。
【請求項４】
バンプ電極の形成が、メッキにより行うことを特徴とする請求項１に記載の多層配線基体の製造方法。
【請求項５】
バンプ電極とパッド電極との接合時、前記バンプ電極と前記パッド電極との接合部に超音波を印加することを特徴とする請求項１に記載の多層配線基体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、半導体チップや配線基板などの配線基体をお互いにフリップチップ構造で接続する多層配線基体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小形化、高密度化に伴い、半導体チップや配線基板のような配線基体が相互に接続された多層配線基体の製造方法として、半導体チップの所定位置に複数のバンプを形成し、配線基板の前記バンプと相対する位置にパット電極を形成し、前記バンプ電極と前記パッド電極とを直接に接続するフリップチップ構造の接続方法が用いられている。
【０００３】
従来のフリップチップ構造を有する多層配線基体の製造方法においては、まず半導体チップに、金属細線を溶融、圧潰し、この圧潰部から延びる細線を引き切るワイヤボンディング法により、酸化膜や異物ない金属素地が露呈した凸部を有するバンプ電極を形成する。次に、配線基板に、導体パターンの要部に硬質金属を被覆し、更にその上に金の薄膜を形成することによりパット電極を形成する。そして、前記半導体チップのバンプ電極と前記配線基板のパット電極とを重合させ、加熱圧着により、バンプ電極とパット電極の金の薄膜を被覆した硬質金属との間に合金層を形成することにより、半導体チップと配線基板とを接続している（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２７５８２６号公報（第３ー４頁、第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフリップチップ構造を有する多層配線基体の製造方法においては、半導体チップは、細線を引き切ることにより酸化膜や異物ない金属素地が露呈した凸部を有するバンプ電極が形成されるため、バンプ電極形成後直ちに、半導体チップを非酸化性雰囲気中に収納し、配線基板との重合作業まで保管し、その接合性の劣化を抑える必要があるという問題があった。
また、配線基板は、真空容器に投入され、その表面に真空雰囲気中でアルゴンガスなどの原子やイオンを照射して、パッド電極表面をエッチングすることにより酸化膜や異物を除去する必要があり、多層配線基体の製造効率が低下するとの問題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、バンプ電極が形成された半導体チップを、非酸化性雰囲気中に収納し配線基板との重合作業まで保管しなくても、そして、配線基板のパッド電極を真空雰囲気中でアルゴンガスなどの原子やイオンを照射して、パッド電極表面の酸化膜や異物を除去しなくても、半導体チップのバンプ電極と配線基板のパッド電極とを強固に接合できる多層配線基体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかわる多層配線基体の製造方法は、第１の配線基体にバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体にパッド電極を形成する工程と、前記バンプ電極の先端部に金属の微粒子を付着する工程と、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを対向させ、前記先端部に金属の微粒子を付着したバンプ電極を前記パッド電極に接触させて加圧し、この加圧部を加熱して接合する工程とを備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における多層配線基体の製造方法の工程を示す断面模式図である。
図１に示すように、まず、第１の半導体チップ１表面に形成された電極パッド上に金製のバンプ電極３をワイヤボンディング法にて形成する（ａ）。第１の半導体チップ１は、例えば５ｍｍ四角のシリコンチップであり、バンプ電極３が９６個形成されている。
次に、第２の半導体チップ２の表面には、第１の半導体チップ１のバンプ電極３と相対する位置に同数の表面が金メッキされたパッド電極４を形成する（ｂ）。第２の半導体チップ２は、第１の半導体チップ１より大きく、例えば８ｍｍ四角のシリコンチップである。
【０００９】
次に、バンプ電極３を形成した第１の半導体チップ１をヘッド５に位置決めして固定し、この第１の半導体チップ１が固定されたヘッド５を金属微粒子ペースト７が入った転写ステージ６に移動して、第１の半導体チップ１のバンプ電極先端部を金属微粒子ペースト７に浸漬する（ｃ）。
次に、ヘッド５を移動して、バンプ電極３の先端部に金属微粒子ペースト７が転写された第１の半導体チップ１を、加熱ステージ８に位置決めして固定された第２の半導体チップ２と対向させる（ｄ）。この時、ヘッド５は例えば２００℃に加熱し、加熱ステージ８は例えば１００℃に加熱する。
第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とを接合する装置は、特に制限はないが、ヘッド５と加熱ステージ８とを備え、これらの加熱機能と位置決め精度の点からフリップチップボンダーが好ましい。
【００１０】
次に、ヘッド５を動かし、ヘッド５に固定した第１の半導体チップ１のバンプ電極３と加熱ステージ７に固定した第２の半導体チップ２のパッド電極４とを接触させる。続いて、加熱状態を保持したまま、第１の半導体チップ１に荷重を加え、荷重が例えば、半導体チップ１個あたり５ｋｇに達したときに、速やかにヘッド５を昇温し、例えば２４０℃に達したら１０秒間保持し、ヘッド５により第１の半導体チップ１を加熱する。この加熱条件ではヘッド５を介してバンプ電極３とパッド電極４との接触部が２００℃に加熱され、この加圧と加熱によりバンプ電極３の金と、パッド電極４表面の金メッキが固相拡散層を形成して、バンプ電極３とパッド電極４とが金属結合により接合される（ｅ）。
【００１１】
次に、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２との間隙に、ディスペンサ（表示せず）によりアンダーフィル樹脂１０を注入した後、アンダーフィル樹脂１０を硬化させて（ｆ）、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２とを接合した多層配線基体２０が完成する。アンダーフィル樹脂の使用は、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２との接続強度を更に高め、接続信頼性を向上させる。
【００１２】
本実施の形態に用いる金属微粒子ペースト７としては、金属微粒子が凝集することなく溶剤中に安定して分散しているものであれば特に制限はない。
金属微粒子としては、導電性が高い金属の、金、銀、銅、パラジウム、アルミニウム、錫などがあり、単独またはその混合物が挙げられる。このうち金、銀が、導電性と接合部の固相拡散層性が良く接合信頼性が優れているので好ましい。
金属微粒子のサイズは１〜１００ｎｍの粒子であることが好ましく、特に、金属微粒子は、表面活性が高く良好な接合を形成して接合信頼性が向上する観点から、粒径が１〜１０ｎｍのものが好ましい。
金属微粒子ペースト７には、金属微粒子、溶剤の他に、分散剤や増粘剤等を配合することも可能である。
【００１３】
本実施の形態の製造方法で得られた多層配線基体のバンプ電極３とパッド電極４との接合特性の評価を以下の（Ａ）〜（Ｄ）の手順で行った。
（Ａ）前記製造工程における（ｅ）工程後のバンプ電極３とパッド電極４とが接合された第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とからなる多層配線基体（試験体イ）を準備する。
（Ｂ）試験体イを水酸化カリウム水溶液に浸漬し、第１の半導体チップ１のアルミパッドを溶解し、接合部にダメージを与えずに試験体イから第１の半導体チップ１を取り外す。
（Ｃ）第２の半導体チップ２に転写されたバンプ電極数を確認後、各バンプ電極のバンプシェア強度を測定する。
（Ｄ）顕微鏡にて、（Ｂ）にて取り外した第１の半導体チップ１の電極パッド部を観察し、クラック等の損傷発生の有無を確認する。
この評価において、第１の半導体チップ１に形成した全てのバンプ電極３が第２の半導体チップ２のパッド電極４に接合転写され、かつ全てのバンプ電極３のバンプシェア強度がバンプ電極１個あたり２０ｇｆ以上であり、バンプ電極３とパッド電極４とが、固層拡散よる金属結合を形成していることが確認された。また、第１の半導体チップの電極パッド部にはクラック等の損傷は認められなかった。
【００１４】
本実施の形態の多層配線基体の製造方法によれば、第１の半導体チップ１のバンプ電極３と第２の半導体チップ２のパット電極４との間に、表面活性の高い金属微粒子を介在させており、ワイヤボンディング法にて形成したバンプ電極の接合劣化を防止するための、バンプ電極が形成された半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や、パッド電極表面の酸化物や異物を除去するための、パッド電極が形成された半導体チップのアルゴンガスなどの原子やイオンを照射によるエッチングをすることなしに、２００℃の低温と、第１の半導体チップの電極パッド部にクラックを発生させない低い荷重とで、バンプ電極３とパッド電極４との間に固相拡散層による金属結合を形成でき、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
また、半導体チップを非酸化性雰囲気容器での保管が必要なく、特別の管理が不要であり、半導体チップのパッド電極表面のエッチングが必要なく、真空雰囲気中での工程が不要となるため生産効率が向上する。
【００１５】
実施の形態２．
第１の半導体チップ１のバンプ電極３の形成を、めっき方式で行った以外は、実施の形態１と同様にして多層配線基体２０を製造する。
第１の半導体チップ１の電極パッド上に電気めっき方式により、縦３０μｍ×横３０μｍ×高さ１５μｍの金めっきのバンプ電極３を形成する。
【００１６】
本実施の形態の製造方法で得られ多層配線基体２０のバンプ電極３とパッド電極４との接合特性の評価を以下の（Ｅ）〜（Ｇ）の手順で行った。
（Ｅ）図１の（ｅ）工程後のバンプ電極３とパッド電極４とが接合された多層配線基体（試験体ロ）を準備する。
（Ｆ）試験体ロの第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とのシェア強度を測定する。
（Ｇ）シェア強度測定後、第２の半導体チップ２のパッド電極４表面を観察する。
この評価において、半導体チップのバンプ電極３のシェア強度が半導体チップ１個あたり３ｋｇｆ以上であり、シェア強度を測定後、第２の半導体チップ２のパッド電極部の観察から固層拡散よる金属結合が形成していることがを確認された。
【００１７】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法においても、半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や半導体チップのパッド電極表面のエッチングをすることなしに、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
また、めっき方式では、微細なバンプ電極の形成が可能であるので、高密度な接合が可能となる。
本実施の形態では、バンプ電極の形成方法として電気めっき方式を用いたが、蒸着方式、無電解めっき方式、印刷方式、ボール搭載方式、インクジェットプリンタ方式の原理を利用し溶解した金属をジェッティングしてバンプを形成する方式などのいずれのものでも、半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や半導体チップのパッド電極表面のエッチングをすることなしに、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
【００１８】
実施の形態３．
図２は、この発明の実施の形態３における多層配線基体の製造方法の工程を示す断面模式図である。
図２に示すように、本実施の形態における多層配線基体の製造方法は、まず、実施の形態１と同様にして、第１の半導体チップ１表面に形成された電極パッド上に金製のバンプ電極３をワイヤボンディング法にて形成する（ａ）。
次に、第２の半導体チップ２表面に、表面が金メッキされたパッド電極４を形成した後、このパッド電極４を覆うように熱硬化性樹脂層１１を形成する（ｂ）。
次に、実施の形態１と同様にして、転写ステージ６中の金属微粒子ペースト７に、第１の半導体チップ１のバンプ電極先端部を浸漬する（ｃ）。
次に、ヘッド５に固定され、バンプ電極３の先端部に金属微粒子ペースト７が転写された第１の半導体チップ１を、加熱ステージ８に位置決めして固定された第２の半導体チップ２と対向させる（ｄ）。
次に、第１の半導体チップ１のバンプ電極３と第２の半導体チップ２のパッド電極４とを接触させ、この接触部を実施の形態１と同じ条件で加圧加熱し、バンプ電極３とパッド電極４とを金属結合により接合する。その後、熱硬化性樹脂層１１を硬化して封止樹脂層１２を形成する（ｅ）。本実施の形態の製造方法では、アンダーフィル樹脂の注入はない。
【００１９】
本実施の形態の製造方法で得られ多層配線基体３０のバンプ電極３とパッド電極４との接合特性の評価を以下の（Ｈ）〜（Ｇ）の手順で行った。
（Ｈ）試験体ハとして、（ｅ）工程後の多層配線基体３０を準備する。
（Ｉ）試験体ハを、テトラヒドロフランの有機溶剤中に浸漬し封止樹脂層１２を溶解する。
（Ｊ）封止樹脂層１２が取り除かれた試験体ハを、水酸化カリウム水溶液に浸漬し、第１の半導体チップ１のアルミパッドを溶解し、接合部にダメージを与えずに試験体ハから第１の半導体チップ１を取り外す。
（Ｋ）第２の半導体チップ２に転写されたバンプ電極数を確認後、各バンプ電極のバンプシェア強度を測定する。
（Ｌ）顕微鏡にて（Ｊ）にて取り外した第１の半導体チップ１の電極パッド部を観察し、クラック等の損傷発生の有無を確認する。
この評価において、第１の半導体チップ１に形成したすべてのバンプ電極３が第２の半導体チップ２のパッド電極４に接合転写され、かつ全てのバンプ電極のバンプシェア強度がバンプ電極１個あたり２０ｇｆ以上であり、バンプ電極３とパッド電極４とが、固層拡散よる金属結合を形成していることが確認された。また、第１の半導体チップ１の電極パッド部にはクラック等の損傷は認められなかった。
【００２０】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法においても、半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や半導体チップのパッド電極表面のエッチングをすることなしに、２００℃の低温と、第１の半導体チップの電極パッド部にクラックを発生させない低い荷重とで、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
それと、熱硬化性樹脂層を予め形成しておき、接合と封止を一括で行えるために、接合後アンダーフィル樹脂の注入工程がなく製造効率が向上する。また、半導体チップ間へのアンダーフィル樹脂の注入が不要なため、半導体チップ間が狭い場合にも樹脂封止可能となる。
【００２１】
実施の形態４．
本実施の形態では、接合時に超音波を印加し、ヘッド５の温度を１００℃一定として接合した以外は、実施の形態３と同様にして、多層配線基体３０を製造する。
接合時に超音波は、例えば振幅４μｍの超音波振動を０．５秒間、印加する。
本実施の形態における多層配線基体の製造方法にて得られた多層配線基体を、実施の形態３と同様の評価をした結果、第１の半導体チップ１に形成した全てのバンプ電極が第２の半導体チップに接合転写され、かつ全てのバンプ電極３のバンプシェア強度がバンプ電極１個あたり２０ｇｆ以上となり、第１の半導体チップ１のパッド電極部にはクラック等の損傷は認められなかった。
【００２２】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法においても、半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や半導体チップのパッド電極表面のエッチングをすることなしに、信頼性が高い電気的接続が可能となり、接合時に、超音波振動を併用することにより、接合時間が０．５秒と大幅な短縮が可能となり生産効率が向上する。
【００２３】
実施の形態５．
図３は、この発明の実施の形態５における多層配線基体の製造方法の工程を示す断面模式図である。
図３に示すように、本実施の形態における多層配線基体の製造方法では、第２の半導体チップ２の替わりに、ランド１４を有する配線基板１３を用いた以外、実施の形態３と同様にして、多層配線基体４０を製造する。
具体的には、（ｂ）工程において、配線基板１３、例えばガラスエポキシ銅張り基板に、一般の配線基板製造方法であるサブトラクティブ法によりバンプ電極接合用のランド１４を形成する。ランド１４の表面は金メッキがなされている。更に、配線基板１３の表面に、ランド１４を覆うように熱硬化性樹脂層１１を形成する。
半導体チップ１にバンプ電極３を形成する（ａ）工程と、（ｃ）〜（ｅ）の工程は実施の形態３と同様である。
【００２４】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法にて得られた多層配線基体４０を、実施の形態３と同様の評価をした結果、半導体チップ１に形成した全てのバンプ電極３が、配線基板１３のランド１４に接合転写され、かつ全てのバンプ電極３のバンプシェア強度がバンプ電極１個あたり２０ｇｆ以上であり、また、配線基板１３のランド１４にはクラック等の損傷は認められなかった。
【００２５】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法においても、半導体チップの非酸化性雰囲気容器での保管や配線基板のランド表面のエッチングをすることなしに、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
【００２６】
なお、配線基板に複数個の半導体チップの搭載個所を設け、複数個の半導体チップを１枚の配線基板に接合しても良い。
なお、配線基板の基板材料に関して特に制限はないが、一般的なガラスエポキシ基板以外の耐熱エポキシ樹脂、ビスマレイミド・トリアジン（ＢＴ）樹脂、シアン酸エステル樹脂およびポリフェニレンエーテル等の熱可塑性樹脂を変成した基板材料など各種の基板材料が適用可能である。
また、各種のセラミックの配線基板、セラミック絶縁層と有機絶縁層を複合した配線基板およびポリイミドなどのフィルムを用いた配線基板も適用できる。
更に、異なった基板材料の配線基板の組み合わせでも良い。
【００２７】
比較例１．
金属微粒子ペーストにバンプ電極３の先端部を浸漬する（ｃ）工程を省いた以外実施の形態１と同様にして、多層配線基体を製造する。すなわち、バンプ電極３の先端部の表面に金属微粒子ペーストを転写することなしに、バンプ電極３をパッド電極４に熱圧着をする。
この比較例で得られた第１の半導体チップと第２の半導体チップとの接合体（アンダーフィル樹脂はなし）について、実施の形態１と同様にして評価した。その結果、第１の半導体チップ１に形成したすべてのバンプ電極３が第２の半導体チップ２に転写されず、２００℃の低温では固層拡散よる金属結合形成ができず、信頼性が高い電気的接続が得られなかった。
【００２８】
比較例２．
バンプ電極３とパッド電極４との接合条件を、半導体チップ１個あたりの荷重を１５Ｋｇ、加熱ステージ温度１５０℃、バンプ電極３とパッド電極４との接合部の温度を温度３００℃とした以外、比較例１と同様にして、多層配線基体を製造する。
この比較例で得られた第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との接合体（アンダーフィル樹脂はなし）について、実施の形態１と同様にして評価した。その結果、第１の半導体チップ１に形成したバンプ電極３の７０％が第２の半導体チップ２に転写され、一部のバンプ電極３は固層拡散よる金属結合を形成した。しかし、第１の半導体チップ１におけるパッド電極部の２０％にクラック等の損傷が認められた。
【００２９】
本比較例でのバンプ電極とパッド電極との接合では、一部のバンプ電極は金属結合を形成したが、接合条件が高温高荷重であるために半導体チップに損傷を発生した。
【００３０】
【発明の効果】
この発明にかかわる多層配線基体の製造方法は、第１の配線基体にバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体にパッド電極を形成する工程と、前記バンプ電極の先端部に金属の微粒子を付着する工程と、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを対向させ、前記先端部に金属の微粒子を付着したバンプ電極を前記パッド電極に接触させて加圧し、この加圧部を加熱して接合する工程とを備えたものであり、バンプ電極が形成された配線基体を非酸化性雰囲気容器で保管することなく、そしてパッド電極が形成された配線基体をアルゴンガスなどの原子やイオンの照射によるエッチングをすることなく、２００℃の低温でバンプ電極とパッド電極との間の固相拡散により金属結合を形成でき、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における多層配線基体の製造方法を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態３における多層配線基体の製造方法を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態５における多層配線基体の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１　第１の半導体チップ、２　第２の半導体チップ、３　バンプ電極、４　パット電極、５　ヘッド、６　転写ステージ、７　金属微粒子ペースト、８　加熱ステージ、１０　アンダーフィル樹脂、１１　熱硬化性樹脂層、１２　封止樹脂層、１３　配線基板、１４　ランド、２０，３０，４０　多層配線基体。
【図１】
2004146731.tif 000003
【図２】
2004146731.tif 000004
【図３】
2004146731.tif 000005