(57)【要約】【課題】  電気錫めっきが酸化することのないはんだバンプ形成設備を提供する。【解決手段】  本発明では、下記の工程を一連の設備内で行う。（１）真空設備内で、アルゴンプラズマにより電気錫めっき表面の酸化物を除去する。（２）真空中もしくは、不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で加熱する。（３）不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で接着剤を塗布する。（４）不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で接着剤を半硬化する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成されたウェハおよびその半導体素子を搭載する基板上に微小バンプを、錫を９０％以上含有するはんだの電気めっきで形成し、その電気めっきによる接続導体と絶縁樹脂を用いた、３次元実装プロセスに於いて、バンプ表面の前記電気めっき由来の凹凸を錫の溶融により平滑にするため、前記電気めっき表面に形成された酸化膜を除去するアルゴンプラズマ処理室、錫を溶融させるための加熱室、錫の酸化防止および前記絶縁樹脂材料とするための設備を最低限具備した、はんだバンプ形成設備。
【請求項２】
半導体素子が形成されたウェハおよびその半導体素子を搭載する基板上に微小バンプを、錫を９０％以上含有するはんだの電気めっきで形成し、その電気めっきによる接続導体と絶縁樹脂を用いた、３次元実装プロセスに於いて、バンプ表面の前記電気めっき由来の凹凸を錫の溶融により平滑にするため、前記電気めっき表面に形成された酸化膜を除去するアルゴンプラズマ処理室、錫を溶融させるための加熱室、錫の酸化防止および前記絶縁樹脂材料とするための設備を最低限具備した、はんだバンプ形成設備において、錫を溶融させるための加熱室、錫の酸化防止および前記絶縁樹脂材料とするための設備中の酸素濃度が５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、はんだバンプ形成設備。
【請求項３】
半導体素子が形成されたウェハおよびその半導体素子を搭載する基板上に微小バンプを、錫を９０％以上含有するはんだの電気めっきで形成し、その電気めっきによる接続導体と絶縁樹脂を用いた、３次元実装プロセスに於いて、バンプ表面の前記電気めっき由来の凹凸を錫の溶融により平滑にするため、前記電気めっき表面に形成された酸化膜を除去するアルゴンプラズマ処理室、錫を溶融させるための加熱室、錫の酸化防止および前記絶縁樹脂材料とするための設備に前記絶縁樹脂材料を半硬化させるための加熱設備を具備することを特徴とした、はんだバンプ形成設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は錫を主成分とした、はんだめっき（純錫、または、錫を９０％以上含有するはんだめっき。以下、電気錫めっきと記す）により形成した、はんだバンプの形成設備に関する。本発明の適用例として、表裏面を結ぶ貫通電極を有し、薄型化したシリコンウェハを積層させる３次元実装の接続用はんだバンプの形成に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
薄形、小形化する電子機器の実装方法として、基板の高密度化、部品の小形化によって成されてきた。部品の小形化には、配線幅を狭くするなど、ＬＳＩの加工技術による部分が多かった。しかし、ＬＳＩの加工に更なる微細加工技術を導入することは、膨大な設備投資が必要であり、製品の低コスト化に対するニーズを満たすことが難しくなっている。
【０００３】
また、近年の電子機器を短期間で開発するニーズから、ロジックとメモリなど異なったデバイスを接続するシステムインパッケージ（ＳｉＰ）技術が注目されている。
【０００４】
これらの技術課題を解決するため、シリコンウェハの面に対して垂直方向へ貫通電極を形成し、そのシリコンウェハの表裏面に電極を形成し、その電極同士を接続することで、シリコンウェハを積層し、従来は平面方向（２次元）へ展開していた実装を３次元方向へ展開するものである。
【０００５】
接合用金属の形成は、下記に開示されている。
（非特許文献１）２０μｍピッチ微細バンプ超音波接合技術，  第１２回マイクロエレクトロニクスシンポジウム，ｐｐ１９−２２  ２００２年
この文献では、微細接続に関する記述があるが、接続に用いるバンプ材料は酸化膜が形成されない金であり、接続方法も超音波接続である。
（非特許文献２）高密度接続Ｃｕコア−はんだバンプの作製，  第１３回マイクロエレクトロニクスシンポジウム予稿，ｐｐ１９−２２  ２００３（平成１５）年
（非特許文献３）第５回電子ＳＩ研究報告会予稿，ｐ４０，平成１６年２月２６日
これらの文献では、銅コア材の表面に錫などの酸化しやすい、低融点金属を付し、金属接合により微細バンプを接続しようとするものである。しかし、錫などの接続金属の酸化防止に関する記述はない。
【０００６】
金属面にアルゴンプラズマを照射し、酸化物を除去し、金属同士を接続する方法は、下記に開示されている。
（特許文献１）特開平６−３２６４４８号公報
この文献では、還元性の雰囲気下ではんだを加熱溶融する工程を含むことを特徴とするフラックスレスフラックスレスはんだ接合方法、はんだ供給方法に関する記述があるが、本発明で対象とするような、φ５０μｍ以下のバンプへの適用は、大気中での操作が入ること、加圧工程が必要であることなどより、適用困難と考えられる。
【０００７】
また、金属表面に接着剤を塗布し、接着剤を押しのけることで金属間接続を行う方法が下記に開示されている。
（特許文献２）特開平１１−２０４９３９号公報
この文献では、錫めっき端子の上に接着剤を塗布し、加圧しながら接着することで、接着材が接合金属部を押し退けることにより導通を得るものである。しかし、加圧時に、大きな加重を必要とし、本発明で対象としているような微小バンプへは不向きである。
【０００８】
【非特許文献１】２０μｍピッチ微細バンプ超音波接合技術，  第１２回マイクロエレクトロニクスシンポジウム，ｐｐ１９−２２  ２００２年
【非特許文献２】高密度接続Ｃｕコア−はんだバンプの作製，  第１３回マイクロエレクトロニクスシンポジウム予稿，ｐｐ１９−２２  2003(平成15)年
【非特許文献３】第５回電子ＳＩ研究報告会予稿，ｐ４０，平成１６年２月２６日
【特許文献１】特開平６−３２６４４８号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の従来のバンプ形成方法には、以下の問題点がある。
課題１
電気めっき法（錫を主成分とした、はんだめっき）用いてバンプを形成する工程は、図４および図５に示すように
図４（１）給電膜成膜
図４（２）レジスト形成
図４（３）電気錫めっき
図５（４）レジスト剥離
図５（５）給電膜エッチング
の工程がある。電気めっき直後の表面形状は、図６に示すように凹凸が大きく、この形状のまま接続した場合、接着剤を間に挟み、良好な接続を得ることが出来ない（図７）。
課題２
電気錫めっき直後の電気錫めっきは表面が酸化物で覆われているため、錫の融点以上に加熱してもリフローできない（図８）。
課題３
シリコンウェハの接続には、図２（４）に示すように、全面に接着剤（半導体／プリント基板間に充填するアンダーフィル材を用いることが適当。以下、接着剤と記す）を塗布して接続する。課題２に示したように、酸化膜を除去するためにフラックスを用いて電気錫めっきを球形にリフローした場合、フラックス洗浄の段階で再び酸化物を形成する懸念がある。また、洗浄不良により、接着剤の接着性を低下させる懸念がある。
【００１０】
本発明の課題はこれらの問題点を解決した３次元積層方法および設備を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決するため本発明では次のような手段を採った。
課題１
電気錫めっき直後の表面形状は、図６に示すように凹凸が大きく、この形状のまま接続した場合、接着剤を間に挟み、良好な接続を得ることが出来ない（図７）ことを解決するため、錫の融点以上に加熱し、錫を溶融させ、錫の表面張力を利用して錫を球形にする（図５（６））。
課題２、課題３
電気錫めっき直後の電気錫めっきは表面が酸化物で覆われているため、錫の融点以上に加熱してもリフローしない。通常は、フラックスを塗布し、加熱することで錫がリフローできる。しかし、シリコンウェハの接続には、図２（４）に示すように、全面接着剤を塗布して接続するため、フラックスを用いて電気錫めっきを球形にした場合、フラックス洗浄、その後の放置の段階で酸化物を形成する懸念がある。
【００１２】
洗浄不良により、接着剤の接着性を低下させる懸念がある。
【００１３】
そのため、本発明では、下記の工程を一連の設備内で行う。
（１）真空設備内で、アルゴンプラズマにより電気錫めっき表面の酸化物を除去する。
（２）真空中もしくは、不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で加熱する。
（３）不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で接着剤を塗布する。
（４）不活性ガス（アルゴン、窒素、ヘリウムまた、酸化を抑制するため、不活性ガス中に水素を混合させた気体）中で接着剤を半硬化する。
【００１４】
この一連の工程を行った後の表面は、接着剤で覆われているため、電気錫めっきが酸化することがない。なお、ここで用いている接着剤は、接着剤を介していても電気錫めっきを接続することができるノンフロータイプのアンダーフィル材を用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
前記課題に対し、本発明によれば次の効果が得られる。
【００１６】
課題１の解決により、電気錫めっき上に塗布した接着剤を挟み込むことなく、シリコンウェハ同士を接着しながら、電極部分では、電気的導通を得ることが出来る。
【００１７】
課題２、課題３の解決により、課題１の解決に必要な、表面凹凸のない電極構造を得ることが出来る。この時に、フラックスを用いることがないため、シリコンウェハ同士の接着不良を起こすこともない。また、電極表面は接着剤で覆われているため、電極表面を酸化することもなく、また、接着剤の選択によっては、接着剤を塗布した状態で保管しておくことも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例について図を併用しつつ説明する。なお、全ての図において、同一符号は同一部位を示しているため、重複する説明を省いている場合があり、また説明を容易にするため各部の寸法比を実際とは変えてある。
【００１９】
ここでは、本発明の有効な適用先である、３次元実装を例に取り、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１（１）
シリコンウェハ１に、ドライプロセスを用いて孔を形成し、その側壁を熱酸化して絶縁し（本工程については、図示せず）、ポリシリコン２を用いて導体を充填する。ここでの寸法は、半導体の前工程プロセス、および製造しようとする半導体素子により異なるが、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）を想定した場合、ポリシリコン２の直径が２０〜３０ミクロン、深さが５０〜１００ミクロン、ポリシリコン２のピッチが４０〜１００ミクロン程度である。
【００２０】
ここでは、導体として、ポリシリコンを用いたが、
給電膜成膜→Ｃｕ（銅）電気めっき→表面研磨
導体膜成膜→触媒付与→無電解めっき
の方法を用いることが出来る。ただし、この場合、シリコンが露出している部分からの金属イオン（特に銅）の浸透の懸念があるため、半導体工程には不向きである。ここでは、図示していないが、ポリシリコン端子の上部にアルミを用いて封止することが好ましい。
図１（２）
ポリシリコン２を埋め込んだシリコンウェハ１の表面に、半導体前工程を用いて、半導体素子層３を形成する。
図１（３）
半導体素子層３上に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原材料とした無機物（最終的には、ＳｉＯ２膜）、ポリイミドなどの有機物を用いて、ポリシリコン２端子部以外の表面に絶縁膜４を形成する。その上に、微小バンプ５を形成する（後に詳述）。
図２（４）
微小バンプ５の上に、接着剤６を塗布する。本発明では、この工程部分の微小バンプ形成工程について、良好な接続性を有する微小バンプ形成方法を提供する。この図では、半導体素子３が形成されたシリコンウェハ１をインタポーザ８に積層しているが、半導体素子同士の接続でも可能である。
図２（５）
半導体素子３が形成されたシリコンウェハ１の半導体素子３の反対面を研磨し、ポリシリコンの端子を露出させる。その後、図１（３）と同様な工程で微小バンプ５を形成する。ここでの微小バンプ５は、パッド形状のものでも良い（図６（１）、図９（１））。
図２（６）
本発明による積層された半導体装置の全体図を示す。積層された半導体素子９、インタポーザ８、コントロールチップ１０から構成されている。なお、コントロールチップ１０は、必ずしも最上部に必要でなく、積層された半導体素子９の中間部、インタポーザ８の上などその設置場所は電気特性、コントロールチップ１０の大きさを考慮して決定される。
【００２１】
インタポーザに接続用バンプ１１を形成し、３次元積層半導体装置とする。
【００２２】
これらの一連の工程で３次元積層半導体装置を作成した場合、発明が解決しようとする課題で記述したように、「電気錫めっき直後の電気錫めっきは表面が酸化物で覆われているため、錫の融点以上に加熱してもリフローしない」という現象が発生した。図３に試料形成方法、図７にその状況を示す。
試料形成方法
図３（１）
シリコンウェハ１上にスパッタを用いてチタン１３、銅１４を成膜した。スパッタ膜としては、チタン（５０ナノメートル）／銅（０．５マイクロメートル）の多層膜を形成した。ここでのチタンの機能は、その上下に位置する銅と基板（図では、シリコンウェハ１となっているが、実際の半導体素子では、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ポリイミドである）との接着を確保することにあり、その膜厚はそれらの接着を維持する最低限でかまわない。所要膜厚は、スパッタエッチングおよびスパッタの条件、チタンの膜質などによっても変動する。なお、本実施例で使用したクロム膜に代えてクロム膜やチタン／白金膜、タングステンなどでも代替できる。
【００２３】
一方、銅の膜厚は、後の工程で行う電気錫めっきを行ったときに、膜厚分布が生じない最小限度の膜厚が好ましく、めっき前処理として行なう酸洗などでの膜減り量も考慮に入れたうえで膜厚分布を誘発しない膜厚を決定する。銅の膜厚を必要以上に厚くした場合、例えば１マイクロメートルを越える銅厚の場合には、スパッタ時間が長くなって生産効率が低下するという問題に加えて、後の工程で実施する給電膜１２のエッチング除去の際に長時間エッチングが避けられず、その結果として電気錫めっき１５下の銅１４のサイドエッチングが大きくなる。
図３（２）
レジストを用いて、微小バンプのパターンを形成した。ここで用いたレジストは、電気錫めっきに対する耐性があれば良く、レジスト剥離時に電気錫めっきに大きなダメージを与えるものでなければ制約はない。ここでは、ノボラック系ポジ型レジストを用いた。文献によると、錫は、強アルカリに浸食されるとあるため、アルカリを剥離剤として用いるドライフィルムを用いることは、不可能と考えられるが、発明者らの実験によると４５℃の３％水酸化ナトリウム溶液に３分浸しても浸食されることはなかった。このことからレジスト材料としてドライフィルムを用いることも可能である。ここで、アルカリに対する耐性があるということが後述するリフロー工程で錫が変形しないことと関係する。つまり、電気錫めっき表面が酸化膜で覆われているため、アルカリでも溶解しないものと考えられる。
図３（３）
電気錫めっきを用いて、図３（２）で形成したパターンに錫を析出させた。ここでは、純錫をもちいたが、錫の中に、銀や銅を微量混合させた、はんだめっきを用いても良い。
図４（４）
図３（２）で形成したレジストを剥離した。ここで用いる剥離液は、レジストが溶解し、かつ、電気錫めっきに影響を及ぼさない物であれば、制約はない。本実施例では、有機溶剤（アセトン、または酢酸ブチル）を用いた。また、先に示したように、電気錫めっきは、アルカリに対する耐性もある程度あるため、３％水酸化ナトリウム溶液を用いることも可能である。
図４（５）
図３（１）で形成した給電膜１２をエッチングを用いて除去した。銅１４のエッチングには、塩化鉄、アルカリ系エッチング液等の種類があるが、本実施例ではアンモニアを含有するアルカリ系エッチング液を用いた。ここでのエッチングでは、１０秒以上のエッチング時間がないと制御が困難となって実用的観点では不利であるが、あまりに長い時間エッチングを行なうと、例えば５分を越えてエッチングするような場合には、サイドエッチングが大きくなり、タクトが長くなるという問題も生じる。そのため、エッチング液およびエッチング条件は、適宜実験により求めるのがよい。引き続いて実施する給電膜のチタン１３部分のエッチングには、過酸化水素を主成分とするエッチング液を用いた。いずれのエッチングにおいても電気錫めっきが浸食されなければ、用いるものに制約はない。
図４（６）
錫の融点以上に加熱し、電気錫めっきを溶融させ、球形にする。ここで、電気錫めっきを球形にする理由は、発明が解決しようとする課題で記述したように、「電気めっき直後の表面形状は、図５に示すように凹凸が大きく、この形状のまま接続した場合、接着剤を間に挟み、良好な接続を得ることが出来ない（図６）」ことによる。図７にフラックスを塗布し、リフローした形状を示す。電気錫めっき直後に、フラックスを塗布しないで加熱した場合、電気錫めっき直後の形状を維持している。しかし、電気錫めっき直後のものに、フラックスを塗布し、リフローを行った場合、球形になっていることが分かる。しかし、実工程でフラックスを用いた場合の課題として、発明が解決しようとする課題で記述したように、「フラックスを用いて電気錫めっきを球形にした場合、フラックス洗浄の段階で酸化物を形成する懸念がある」がある。
微小バンプの接続方法
図４（５）に示した表面に凹凸がある状態での微小バンプ接合時の課題および解決方法について、図を用いて説明する。
微小バンプ表面に凹凸がある場合
図６（１）
接続される側シリコンウェハ１９上にパッド２０が形成されている。パッド２０は、チタン１３および銅１４からなる給電膜１２上にパターンめっきを用いて形成されている。材質は、銅、ニッケル、錫などを用いることが出来る。接続する側のシリコンウェハ１は、図４（５）の状態である。そして、接続する側のシリコンウェハ１上には、接着剤６が塗布されている。
図６（２）
図６（１）の微小バンプ５を接続する。その際、加熱すると、接着剤６の粘度が低下し、微小バンプ５部分を押し退ける（図中  矢印）。
図６（３）
更に加熱すると、電気錫めっきから成る微小バンプ５が溶融し、パッド２０と接続する（但、酸化膜があるため、接続は得られない）。
【００２４】
その際、微小バンプ６表面の凹凸に挟まった接着剤６は押し退けられることがないため、金属同士の接続は不十分となる（酸化膜が表面を覆っているため、溶融しないが、外部からの力により変形する）。
微小バンプ表面が球状である場合
図９（１）
接続される側シリコンウェハ１９上にパッド２０が形成されている。パッド２０は、チタン１３および銅１４からなる給電膜１２上にパターンめっきを用いて形成されている。材質は、銅、ニッケル、錫などを用いることが出来る。接続する側のシリコンウェハ１は、図４（６）の状態である。そして、接続する側のシリコンウェハ１上には、接着剤６が塗布されている。
図９（２）
図９（１）の微小バンプ５を接続する。その際、加熱すると、接着剤６の粘度が低下し、微小バンプ５部分を押し退ける（図中  矢印）。
図６（３）
更に加熱すると、電気錫めっきから成る微小バンプ５が溶融し、パッド２０と接続する。
【００２５】
その際、微小バンプ６表面が球状であるため、接着剤６は押し退けられ、金属同士の接続が可能となる。
微小バンプ形成設備
図４（５）に示す電気錫めっき工程が完了した試料を図８に示す設備で処理することにより、球形の微小バンプを形成することができる。
図８  ロードロック室
電気錫めっき工程が完了した試料１５を治具１６に入れ、真空にする。
図８  アルゴンプラズマ処理室
ロードロック室から、電気錫めっき工程が完了した試料１５をアルゴンプラズマ１７中に曝す。この工程では、アルゴンプラズマにより、電気錫めっき表面の酸化膜を除去することが可能となる。なお、この工程まで行い、フラックスを使用せずに接続するという方法は、既に公知である。
図８  加熱室
図では、段を変えて記しているが、アルゴンプラズマ処理室とケートバルブ１８を介して接している。ここでの加熱温度は、錫の融点以上であり、時間は、実験によって求めることが望ましいが、錫の溶融温度２５０℃に加熱後、１０秒以上で溶融する。なお、個々での酸素濃度は、５０ｐｐｍ以下であることが望ましい。
図８  接着剤塗布室
アルゴンプラズマ処理室で錫表面の酸化膜を除去した後に、大気解放を行うと、電気錫めっきの表面が酸化する。しかし、従来の方法では、バンプの直径が１００ミクロンを越えた場合、酸化膜で覆われているものの、錫バンプ内部が溶融し、溶融した錫の重量で酸化膜が破られるため、接続が可能となっていた。
【００２６】
しかし、バンプ直径が５０ミクロンを下回った場合、錫表面に形成された酸化錫を破ることが出来ない。そのため、アルゴンプラズマ処理後に大気解放を行うことは望ましくない。
【００２７】
本発明による設備は、大気解放することなく、接着剤塗布室で、接着剤を塗布する。はんだバンプ上に接着剤を塗布し、接着剤を押し退けることで金属の接続を得る方法については、公知の技術であるが、本設備のように、一連の工程を同一設備内で行う方法はない。この後の接着剤を半硬化させる設備については、必ずしも必要ではないが、付属させた方が、接着剤塗布後の操作が容易である。
図８  加熱室
塗布した接着剤を硬化温度以下で加熱する（樹脂のＢ−ステージ状態）。硬化温度以下で加熱した場合、再度加熱した場合、樹脂が溶融し、更に加熱することで硬化する。
図８  ロードロック室
電気錫めっき工程が完了した試料１５を取り出す際に、加熱室に大気が流入しないように、ロードロック室を設けることが望ましい。本設備では、アルゴンプラズマ処理室から接着剤塗布室までが低酸素濃度である必要があり、加熱室とロードロック室を兼用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】３次元実装工程（その１）。
【図２】３次元実装工程（その２）。
【図３】バンプ形成工程（その１）。
【図４】バンプ形成工程（その１）。
【図５】バンプ形成工程における課題（電気錫めっき直後のバンプ）。
【図６】バンプ形成工程における課題（電気錫めっき直後のバンプを接着した場合の課題）。
【図７】フラックス有無によるバンプ形成形状。
【図８】バンプ形成設備。
【図９】バンプ形成設備により形成したバンプ。
【符号の説明】
【００２９】
１…シリコンウェハ、２…ポリシリコン、３…半導体素子層、４…絶縁膜、５…微小バンプ、６…接着剤、７…レジスト、８…インタポーザ、９…半導体素子、１０…コントロールチップ、１１…接続用バンプ、１２…給電膜、１３…チタン、１４…銅、１５…電気錫めっき工程が完了した試料、１６…治具、１７…アルゴンプラズマ、１８…ケートバルブ、１９…接続される側シリコンウェハ、２０…パッド。
【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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