(57)【要約】【課題】フリップチップ接合のリフロー時にバンプすなわち半田ボールが容易に電極と溶融接合して電気的接続がなされる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体デバイスチップあるいは半導体デバイスが形成されているウエハ上の接続用電極端子の個々の端子上に、金属の微細粒子を含むフラックスを塗布し、そのフラックス上に半田ボールまたは金属ボールを固着する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスチップあるいは半導体デバイスが形成されているウエハ上の接続用電極端子の個々の端子上に、金属の微細粒子を含むフラックスが塗布されており、前記フラックス上に半田ボールまたは金属ボールが固着されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記フラックス中に含まれる微細金属粒子が溶融を経て半田層となり、前記半田ボールまたは金属ボールと金属接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記フラックス中に含まれる微細金属粒子が溶融を経て半田層となり、前記半田ボールまたは金属ボールの一部または全部が溶融して、両者が金属接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記フラックス中の微細金属粒子のフラックスに対する重量割合が１０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記フラックス中の微細金属粒子の体積割合が前記半田ボールまたは金属ボールの体積の３０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記フラックス中の微細金属粒子の溶融時の融点もしくは固相線温度が、前記半田ボールまたは金属ボールの固相線温度より低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記フラックス中の微細金属粒子が融点の異なる２種以上の金属または合金からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記フラックス中の微細金属粒子の平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体デバイスの電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に半田ボールまたは金属ボールを吸引保持し、当該配列板に保持された前記半田ボールまたは金属ボールを、前記半導体デバイスの電極端子上に塗布された微細金属粒子を含むフラックス上に位置合わせして転写接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体デバイスの電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に半田ボールまたは金属ボールを吸引保持し、当該配列板に保持された前記半田ボールまたは金属ボールを、前記半導体デバイスの電極端子上に塗布された微細金属粒子を含むフラックス上に位置合わせして転写接合する半導体装置の製造方法であって、転写接合された状態で加熱して、前記微細金属粒子または、前記微細金属粒子と前記半田ボールまたは金属ボールとの両方を溶融し、前記半導体装置の電極端子と接合す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の電気的接続に用いられるバンプ付半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスチップの電気的接続においては、半田類からなる微小金属球を使用して形成したバンプを利用したフリップチップ接合が用いられるようになっている。
【０００３】
この場合、一般的には半導体デバイスが形成されているウエハのバンプ形成したい電極上に電気的接続の信頼性を確保するためにバンプ下地金属（ＵＢＭ：Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌ）を形成する（以下、電極上にＵＢＭを形成した場合にも電極と呼称する。）。さらに、多数の半田ボールを電極上に一括搭載した後、半田ボールをリフローして溶融させ、冷却固化させてバンプを形成する。その後、半導体デバイスが形成されているウエハを個々のチップに切断するダイシングを行い、バンプが形成された半導体デバイスチップをフリップチップ接合の対象となる基板等の電極に接続して、半導体デバイスチップの実装が完了する。
【０００４】
なお、接続に際しては、基板等の対象物の電極にフラックスあるいは半田ペーストを塗布しておき、当該電極と半導体デバイスチップの接続したい電極上のバンプを位置合わせした後、図３に示すように重ねた状態でリフローすることにより、図４に示すようにバンプを溶融させて電極と接合する。
【０００５】
なお、図３および図４において、１０は半導体デバイスチップ、１１は電極、３１はフラックス、３２は半田ボールである。また、３３は基板、３４は基板電極、３５はフラックス（またはペースト）、４１は半田である。
【０００６】
ところで、上述した方法によるバンプ付半導体デバイスチップは、リフローにより半田バンプと電極が溶融接合されている。そのため、フリップチップ接合に先立って行う検査によりバンプに欠陥が見つかったとしても、リペアが容易ではないという欠点がある。
【０００７】
また、バンプ形成のためのリフロー時にバンプ内にしばしば発生するボイドによりバンプの高さが不均一になるため、フリップチップ接合工程で半導体デバイスチップと基板等を重ねてリフローした際に、周囲よりも低いバンプが基板等の電極と接触しないまま再度固化することによる接続不良が生じる問題がある。
【０００８】
また、最少でもバンプ形成時とフリップチップ接合時の２回のリフロー工程を経るため、電極と半田ボールの接合部に電気的接続の信頼性を損なう金属間化合物が成長しやすいという問題がある。さらには、バンプ形成のリフロー時に部分的に除去されなかった半田ボールあるいは電極表面の酸化膜が障害となって半田ボールが電極と溶融接合される（濡れる）ことなく再度固化し、バンプ欠落を生じることがある。
【０００９】
これに対し、フラックスにより半田ボールまたは金属ボール（以下、半田ボールと金属ボールを併せて「半田ボール」と呼称する。）を固着した半導体装置及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。上記特許文献１に記載された発明によれば、フリップチップ接合に用いる半導体デバイスチップのバンプは、フラックスにより固着された半田ボールであるため、検査により欠陥が見つかった場合にリペアが容易である。
【００１０】
【特許文献１】
特表２００１−５０１３６６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１記載の半導体装置及びその製造方法では、フラックスのみによりボールを固着しているため、フリップチップ接合の際に半導体デバイスチップの電極及びフラックスと半田ボールが適正な状態で接触していたとしても、バンプ形成のリフロー時と同様に半田ボールあるいは電極表面に生成している酸化膜が障害となって、半田が電極と溶融接合しない（濡れない）ことがあるという問題がある。
【００１２】
本発明はかかる実情に鑑み、フリップチップ接合のリフロー時にバンプすなわち半田ボールが容易に電極と溶融接合して電気的接続がなされる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。あるいは、半導体デバイスが形成されているウエハへのバンプ形成のリフロー時に半田ボールが容易に電極と溶融接合して電気的接続がなされる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体デバイスチップあるいは半導体デバイスが形成されているウエハ上の接続用電極端子の個々の端子上に、金属の微細粒子を含むフラックスが塗布されており、前記フラックス上に半田ボールまたは金属ボールが固着されていることを特徴とする。
また、前記フラックス中に含まれる微細金属粒子が溶融を経て半田層となり、前記半田ボールまたは金属ボールと金属接合されていることを特徴とする。
また、前記フラックス中に含まれる微細金属粒子が溶融を経て半田層となり、前記半田ボールまたは金属ボールの一部または全部が溶融して、両者が金属接合されていることを特徴とする。
また、前記フラックス中の微細金属粒子のフラックスに対する重量割合が１０％以上であることを特徴とする。
また、前記フラックス中の微細金属粒子の体積割合が前記半田ボールまたは金属ボールの体積の３０％以下であることを特徴とする。
また、前記フラックス中の微細金属粒子の溶融時の融点もしくは固相線温度が、前記半田ボールまたは金属ボールの固相線温度より低いことを特徴とする。
また、前記フラックス中の微細金属粒子が融点の異なる２種以上の金属または合金からなることを特徴とする。
また、前記フラックス中の微細金属粒子の平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体デバイスの電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に半田ボールまたは金属ボールを吸引保持し、当該配列板に保持された前記半田ボールまたは金属ボールを、前記半導体デバイスの電極端子上に塗布された微細金属粒子を含むフラックス上に位置合わせして転写接合することを特徴とする。
また、半導体デバイスの電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に半田ボールまたは金属ボールを吸引保持し、当該配列板に保持された前記半田ボールまたは金属ボールを、前記半導体デバイスの電極端子上に塗布された微細金属粒子を含むフラックス上に位置合わせして転写接合する半導体装置の製造方法であって、転写接合された状態で加熱して、前記微細金属粒子または、前記微細金属粒子と前記半田ボールまたは金属ボールとの両方を溶融し、前記半導体装置の電極端子と接合することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、すべてのバンプすなわち半田ボールがフリップチップ接合あるいはバンプ形成のリフロー時に容易に電極と溶融接合するため、接続不良あるいはバンプ欠落が生じない。
さらには、バンプがリフローしていない半田ボールの状態であるため、リペア性に優れるとともに、フリップチップ接合時の高さの均一性に優れるという利点がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による半導体装置及びその製造方法の好適な実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態による半導体装置を示す図である。図１に示す半導体装置は、半導体デバイスチップ１０の表面に形成した電極１１上に金属の微細粒子を含むフラックス１２により固着された半田ボール１３のバンプを備えている。
【００１８】
フラックス１２に含まれる金属の微細粒子は、実装後の電気的接続の信頼性を損なわない各種半田類から選択すれば良い。それらの半田の例としては、Ｓｎ（すず）及びＳｎ合金、Ｉｎ（インジウム）及びＩｎ合金、Ｐｂ（鉛）及びＰｂ合金などがある。
【００１９】
また、半田ボール１３は、実装後の電気的接続の信頼性を損なわない各種半田類及び金属から選択すれば良い。それらの例としては、Ｓｎ及びＳｎ合金、Ｉｎ及びＩｎ合金、Ｐｂ及びＰｂ合金の他、Ｃｕ（銅）及びＣｕ合金、Ａｕ（金）及びＡｕ合金、Ｃｕボールの表面に半田層を形成したものなどがある。
【００２０】
フラックス１２は、一般に半導体実装に用いられるものであれば何でも良い。例えば、固着力に優れたロジン系などが用いられる。
フリップチップ接合時のフラックス１２の役割は、電極１１表面及び半田ボール１３の酸化膜を除去し、それらを溶融接合しやすく（濡れやすく）することである。
【００２１】
しかしながら、電極１１及び半田ボール１３は、その取り扱い中に瞬時に酸化膜が生成する。そのため、リフロー時に十分な酸化物除去効果が得られない場合には、酸化膜が障害となって濡れないまま再度固化するため、実装済みパッケージとして電気的接続を得られない欠陥が生じる。ハロゲン等の成分を調整することで酸化膜除去性能を強化したフラックスも存在するが、リフロー後の洗浄で十分除去できない場合には、腐食の原因となって電気的接続の信頼性に悪影響を及ぼすことから一般には使用されない。
【００２２】
これに対して、本実施形態のようにあらかじめ微細金属粒子を含有しているフラックスでは、常温保持時にフラックスが持っている酸化膜除去効果により、微細金属粒子の表面が濡れやすい状態になっていること、さらには金属粒子が微細であるために反応性が上がっている上にその表面積が大きくなっていることでリフロー時に濡れが始まる機会が多くなることなどから、フラックス単独に比べて格段に濡れが生じ易い。
【００２３】
本実施形態における半導体装置は、フラックス中の微細金属のみを一度リフローさせても良い。図２は、微細金属のみを一度リフローさせた半導体装置を示す図であり、２１は金属層である。特に、微細金属をＩｎ等の融点が低く濡れ性が良い金属とした場合には、リフローの熱履歴による信頼性の低下がなく、リペアが容易である。
【００２４】
また、上述したように微細金属粒子の存在により濡れ性が格段に上がっていることから、フリップチップ接合に用いる前にリフローする場合にも確実にバンプが形成される。
【００２５】
さらには、微細金属粒子が濡れ性を改善する役割を果たしていることから、フラックスに対するその重量割合（重量％）は１０％以上が好ましい。
しかしながら、隣り合う電極同士の接触を避けるため、バンプの大きさは均一にする必要があることから、フラックス中の微細金属粒子の体積割合（体積％）は半田ボールの体積の３０％以下が好ましい。
【００２６】
半田ボールよりも融点が低い微細金属粒子を使用すると、金属粒子のみを溶融させて接合を行うことでフリップチップ接合後の半導体デバイスチップと基板等の間隔を一定にすることができる。
【００２７】
また、融点の低い微細金属粒子と高い微細金属粒子とを併せて含有するフラックスを用いると、低い温度から溶融が始まって濡れが生じやすいとともに、融点が高い微細金属粒子が溶融した際、低い金属と合金を形成して融点が高くなるために、実装後の電気的接続の信頼性を向上させることができる。
【００２８】
さらには、上述の微細金属粒子の濡れ性向上効果は、同じ金属であれば微細なほど大きく、６μｍ以下が好ましい。
【００２９】
次に、図５は、本実施形態における半導体装置の製造方法を工程順に示す図である。本実施形態では、半導体パッケージの小型化、高密度実装化の観点から、近年では直径１５０［μｍ］以下の微小な半田ボールが用いられている。
【００３０】
図５に示すように、半導体デバイスが形成されているウエハ等のワークを受け取ったならば（ステップＳ１０１）、検査を行い（ステップＳ１０２）、必要であれば洗浄する（ステップＳ１０３）。その後、ウエハ上の電極のうちバンプ形成するものの位置にスパッタ法、無電解メッキ法、電解メッキ法等により多数のバンプ下地金属（ＵＢＭ）を形成する（ステップＳ１０４）。
【００３１】
次に、検査を行ってから（ステップＳ１０５）、スタンプ転写方式や印刷方式等により微細金属粒子を含むフラックスを各電極上に塗付する（ステップＳ１０６）。
【００３２】
続いて、多数の半田ボールを各電極上に搭載する（ステップＳ１０７）。特に、搭載する際には、半導体デバイスの電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に半田ボールまたは金属ボールを吸引保持する。そして、当該配列板に保持されたボールを、前記半導体デバイスの電極端子上に塗布された微細金属粒子を含むフラックス上に位置合わせして転写接合する。この方法によれば、転写接合の際に配列板に荷重をかけることで、半田ボールを確実に電極表面に接触させることができる。
【００３３】
半田ボールを各電極上に搭載した後、半田ボールの欠落および余剰等の搭載ミスの有無について検査を行う（ステップＳ１０８）。この検査方法として、例えば図示しないカメラによりウエハの上面を撮像し、カメラにより得られた画像情報から半田ボールの搭載ミスの有無を検査すればよい。
【００３４】
そして、搭載ミスがなければ、ダイシング後そのままフリップチップ接合に供するが、仮に搭載ミスがあれば半田ボールを再搭載するリペア工程（ステップＳ１０９）を経てもよい。
【００３５】
また、取り扱いの容易さから、さらに半田ボールをリフローして溶融させ、冷却固化させてバンプを形成することもできる。この場合には、洗浄を行って、フリップチップ接合に供することになる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で種々変更等が可能である。たとえば、半田は溶融すると表面張力で一定の形状になるため、バンプに必要な所定量の半田であればボール形状でなくてもよい。
【００３７】
（実施例）
以下、本実施形態による具体的な実施例について説明する。
パッドピッチ２００μｍのアルミニウム電極が形成された電極数２５×２５＝６２５、ＩＣ数６１６、総バンプ数３８，５０００からなる８インチ（２００ｍｍ）ウエハの各電極上に、ステンシル印刷法を用いて表１に示す微細金属粒子含むフラックスを厚さ１０μｍに塗布した。さらに、同じく表１に示す直径１００μｍの半田ボールを電極端子に対応する位置に吸引孔を設けたボール配列板に吸引保持し、当該配列板に保持されたボールを位置合わせして転写接合することにより搭載した。
【００３８】
これをチップにダイシング後、基板とフリップチップ接合を行い、接続状況を調べた。また、併せて表１に示したように、備考に記載がない場合には同じ条件で同様の処理を行った従来の手法についても、チップにダイシング後、基板とフリップチップ接合を行い、接続状況を調べた。
【００３９】
これらの結果、表１の判定欄に示したように、本発明を適用した場合には接合不良は皆無であったのに対し、従来法では接続不良が生じた。なお、接続不良の原因を調べた結果、バンプ高さが不均一なため基板電極とバンプが接触していないもの、及び接触しているが電極表面と半田の間に酸化皮膜が存在するため電気的接続がなされていないことが判った。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フリップチップ接合のリフロー時にすべてのバンプが容易に電極と溶融接合する（濡れる）ため、接続不良が生じない。したがって、歩留まりの向上を図れるとともに、接合信頼性に優れた実装を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るバンプ付半導体装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る微細金属粒子のみ溶融させたバンプ付半導体装置の概略構成を示す図である。
【図３】フリップチップ接合時のリフロー前の概略構成を示す図である。
【図４】フリップチップ接合後の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態におけるバンプ付半導体装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  半導体デバイス
１１  電極
１２  フラックス
１３  半田ボール
２１  金属層
【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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