(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の凹部と前記第１の凹部内に形成された第２の凹部とを有する支持基板を準備する工程と、
前記第２の凹部に、第１の電極層を配置する工程と、
半導体素子に配設した第２の電極層を前記第１の凹部に受容し、前記第１の電極層の一部を前記第２の電極層内に貫入する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
スタッドバンプ法で円錐状の前記第１の電極層を前記第２の凹部に形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の凹部の周縁部は、テーパ形状をしていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の電極層の一部を前記第２の電極層内に貫入する工程後に、
前記支持基板を前記第１の電極層及び前記第２の電極層から分離する工程と、
前記支持基板が分離された前記第１の電極層を、前記半導体素子を実装する部材に配設された被接合部に接合する工程と、
前記第１の電極層が接合された前記被接合部に前記第２の電極層を接合する工程と
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１の電極層と前記被接合部とを超音波接合により接合することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２の電極層と前記被接合部とを半田付けにより接合することを特徴とする請求項４または５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体素子と、
前記半導体素子に配設された突起電極と
を含み、
前記突起電極は、
円錐状の第１の電極層と、
前記第１の電極層の周部を被覆する第２の電極層と、
を備え、
円錐状の前記第１の電極層が、先細の先端部を前記半導体素子側に向けて配設され、前記先端部と反対側の端部が前記第２の電極層から突出する
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法及び半導体装置に関し、特に突起電極を備えた半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路基板に実装する半導体素子には、予め、半導体素子に突起電極（バンプ電極）を配設する場合がある。当該突起電極の形成方法として、スタッドバンプ形成方法または転写バンプ形成方法等がある。
【０００３】
スタッドバンプ形成方法は、ピン形状の突起電極を半導体素子の主面に形成された電極上に形成するものである。近年では、当該突起電極の高さを揃えるために、半導体素子に配置した突起電極を、研磨冶具により研磨する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、転写バンプ形成方法は、例えば、絶縁基板の表面にバンプ電極の平面視形状と略等しい形状の下地導体を形成し、下地導体の表面を除く基板表面に、ポリイミド樹脂等の耐熱性の保護層を形成する。そして、下地導体の表面に鍍金電極を形成し、当該鍍金電極の表面に、茸形の突起電極を形成するというものである（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平５−２５１４５３号公報
【特許文献２】特開平５−１６６８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述したスタッドバンプ形成方法は、研磨手段を用いるために、半導体素子に配設する突起電極の高さを充分に制御することができない。
また、上述した転写バンプ形成方法では、バンプ転写時に溶融状態が異なり、バンプ電極の高さ、形状等が不均一になることがある。
【０００６】
このように高さや形状の異なる突起電極が半導体素子に形成すると、実装時において夫々の突起電極と被接合部との接合面積が異なり、半導体装置としての接合信頼性が低下してしまう。
【０００７】
特に、最近の半導体素子は、高集積化により益々、突起電極の狭ピッチ化が進行する傾向にある。従って、確実に高さ、形状の揃った突起電極を半導体素子に配設することが望ましい。
【０００８】
また、上述した研磨に委ねると、研磨により発生する発塵を除去する作業が必要になり、作業効率を向上させることができない。また、研磨による半導体素子へのダメージも無視できない。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い半導体装置を製造する方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、第１の凹部と前記第１の凹部内に形成された第２の凹部とを有する支持基板を準備する工程と、前記第２の凹部に、第１の電極層を配置する工程と、半導体素子に配設した第２の電極層を前記第１の凹部に受容し、前記第１の電極層の一部を前記第２の電極層内に貫入する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
更に、本発明の一観点によれば、前記第１の電極層の一部を前記第２の電極層内に貫入する工程後に、前記支持基板を前記第１の電極層及び前記第２の電極層から分離する工程と、前記支持基板が分離された前記第１の電極層を、前記半導体素子を実装する部材に配設された被接合部に接合する工程と、前記第１の電極層が接合された前記被接合部に前記第２の電極層を接合する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の一観点によれば、半導体素子と、前記半導体素子に配設された突起電極とを含み、前記突起電極は、円錐状の第１の電極層と、前記第１の電極層の周部を被覆する第２の電極層と、を備え、円錐状の前記第１の電極層が、先細の先端部を前記半導体素子側に向けて配設され、前記先端部と反対側の端部が前記第２の電極層から突出する半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記手段によれば、信頼性の高い半導体装置を製造する方法及び半導体装置を実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法及び半導体装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は半導体装置の製造方法の概要を説明するフロー図である。このフロー図には、半導体装置の製造方法に係る工程の概要が示されている。
【００１５】
先ず、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、複数の第１の凹部と当該第１の凹部内に形成された第２の凹部とを有した支持基板を準備する（ステップＳ１）。
次に、第２の凹部に、第１の電極層を配置する（ステップＳ２）。例えば、第２の凹部にスタッドバンプ法で円錐状の電極層を立設する。
【００１６】
次に、複数の第２の電極層を配設した半導体素子を準備する。そして、当該第２の電極層に加熱処理を施すことにより、第２の電極層を溶融状態にする。更に、支持基板と複数の第２の電極層を配設した半導体素子との主面間を接近させる（ステップＳ３）。この際、支持基板の主面と半導体素子の主面との平行状態を維持しながら、夫々の主面を接近させる。
【００１７】
次に、加熱処理を継続し、第２の電極層を支持基板の第１の凹部に受容しながら、第２の電極層内に第１の電極層の一部を貫入する（ステップＳ４）。
続いて、加熱処理により第１の電極層と第２の電極層との固溶拡散接合を促進させた後、第１の電極層及び第２の電極層を冷却し、支持基板を第１の電極層及び第２の電極層から離反する（ステップＳ５）。
【００１８】
このような方法により、高さまたは形状の揃った突起電極を配設した半導体装置が完成する。
次に、上述した半導体装置の製造方法の概要に基づき、より具体的な半導体装置の製造方法を説明する。以下に示す、図２乃至図６には、半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図が例示されている。
【００１９】
先ず、図２（ａ）に示すように、段差の異なる複数の凹部１０ａ，１０ｂを備えた支持基板１０を準備する。ここで、支持基板１０の材質は、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素樹脂またはポリイミド樹脂を主たる成分とする樹脂が適用される。
【００２０】
具体的には、支持基板１０上に、後述する半導体素子に配設されている電極パッド（電極端子）と同ピッチの凹部１０ａ（第１の凹部）を形成する。この凹部１０ａの底面は、当該電極パッドと同寸法である。また、夫々の凹部１０ａの深さは同一とする。そして、この凹部１０ａの側壁（周縁部）には、テーパ部１０ａｔを設ける。
【００２１】
更に、凹部１０ａの底面の中心部に、別の凹部１０ｂ（第２の凹部）を形成する。ここで、夫々の凹部１０ｂの深さ及び幅は同一とする。そして、当該凹部１０ｂの中心は、凹部１０ａの中心と一致させる。これにより、半導体素子に配設されている電極パッドと凹部１０ｂのピッチとが一致する。
【００２２】
このような凹部１０ａ，１０ｂの形成は、例えば、型による転写法、成形法、レーザ加工法、フォトリソグラフィ等の何れかの方法により行う。
また、凹部１０ｂの底面１０ｂｂは、平坦性が良好であり、支持基板１０の主面と平行となるように形成されている。
【００２３】
また、この図では、凹部１０ｂの側壁が略垂直となるように表示されているが、必要に応じて、その側壁にテーパを設けてもよい。
続いて、図２（ｂ）に示すように、凹部１０ｂの底面１０ｂｂに金属膜１１ａを選択的に形成する。ここで、金属膜１１ａの材質は、例えば、金（Ａｕ）を主たる成分とする金属が適用される。このような金属膜１１ａは、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、鍍金法等の何れかの手段により形成する。
【００２４】
そして、図２（ｃ）に示すように、金属膜１１ａ上に、スタッドバンプ法によって円錐状のバンプ１１ｂを接合する。このバンプ１１ｂの材質は、例えば、金（Ａｕ）を主たる成分とする金属が適用される。
【００２５】
尚、金属膜１１ａとバンプ１１ｂの主たる成分は同一であり、金属膜１１ａとバンプ１１ｂはスタッドバンプ法によって互いに接合することから、以下、一体となった金属膜１１ａとバンプ１１ｂをバンプ電極層（第１の電極層）１１と称する。
【００２６】
次に、図３に示すように、半導体素子２０を準備し、支持冶具３０によって半導体素子２０の主面を吸着・保持する。そして、支持冶具３０によって吸着・保持されていない半導体素子２０の主面をバンプ電極層１１を配置した支持基板１０の主面に対向させ、半導体素子２０と支持基板１０との主面同士を平行にする。
【００２７】
ここで、支持冶具３０は、半導体素子２０を吸着・保持する機構の他、半導体素子２０を加熱・冷却する機構を備えている。また、支持冶具３０は、支持基板１０の主面と半導体素子２０の主面との平行状態を維持しながら、その主面間を接近させたり、離反させたりする移動機構を備えている。
【００２８】
また、半導体素子２０においては、シリコン（Ｓｉ）またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体基材の一方の主面に、所謂ウエハプロセスを適用し、トランジスタ等の能動素子、容量素子等の受動素子を形成させた半導体チップが適用される。更に、半導体チップには、これらの素子に接続された多層構造の配線層が形成されている。そして、半導体素子２０の主面には、上記配線層に電気的に接続された電極パッド２０ａが配設されている。更に、電極パッド２０ａ上には、予め、半田層（第２の電極層）２１ａが形成されている。このような半田層２１ａは、鍍金法、スクリーン印刷法、蒸着法、スパッタ法等のいずれかの手段により形成する。
【００２９】
尚、電極パッド２０ａの材質は、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）を主たる成分とする金属が適用される。
また、半田層２１ａの材質は、例えば、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶系半田、または鉛（Ｐｂ）フリーである２元系の錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）半田、或いは３元系の錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）半田が適用される。
【００３０】
このような半導体素子２０と、支持基板１０の主面同士を平行に対向させた後、半田層２１ａとバンプ電極層１１との位置あわせを行う。
上述したように、電極パッド２０ａと凹部１０ｂとのピッチは一致している。従って、上記の位置あわせにより、電極パッド２０ａ上に形成させた半田層２１ａと、凹部１０ｂに設けたバンプ電極層１１とのピッチも一致する。また、半田層２１ａとバンプ電極層１１との中心位置も一致する。
【００３１】
そして、支持冶具３０の加熱機構により、電極パッド２０ａ上に形成した半田層２１ａが溶融状態になるまで加熱する。処理温度は、１５０℃〜３００℃である。例えば、上記に例示した半田材の融点以上の温度にまで、半田層２１ａを加熱する。
【００３２】
次に、図４（ａ）に示すように、支持冶具３０を支持基板１０に対し降下させ、溶融状態にある半田層２１ｂ内に、バンプ電極層１１の一部を貫入する。上述したように、半田層２１ａとバンプ電極層１１との中心位置が一致していることから、夫々のバンプ電極層１１は、夫々の半田層２１ｂの中心に貫入する。
【００３３】
続いて、半導体素子２０の主面と支持基板１０の主面との距離を所定の距離だけ隔てた状態を維持しながら、加熱処理を所定の時間継続する。処理温度は、１５０℃〜３００℃である。このような加熱処理により、半田層２１ｂとバンプ電極層１１との界面における固相拡散が促進する。
【００３４】
例えば、半田層２１ｂに貫入したバンプ電極層１１は、固相状態にあるが、このような加熱処理により、バンプ電極層１１の表面から所定の深さに、半田層２１ｂを構成する元素が拡散する。
【００３５】
なお、当該加熱処理中には、溶融状態にある半田層２１ｂが支持基板１０の凹部１０ａに受容された状態が維持される。
この溶融状態にある半田層２１ｂは、半田材の金（Ａｕ）材に対する濡れ性の良さ、更には、凹部１０ａに設けたテーパ部１０ａｔのダム効果または半田材の樹脂材に対する濡れ性の悪さから、バンプ電極層１１の周囲に回り込むだけにとどまる。従って、夫々の半田層２１ｂが凹部１０ａ外に流出することはない。
【００３６】
また、半田材自体の表面張力により、半田層２１ｂの外形は球状になる。
また、凹部１０ｂにおいては、バンプ電極層１１を構成する金属材が埋設していることから、当該凹部１０ｂ内に、半田層２１ｂが回り込むことはない。
【００３７】
そして、図４（ｂ）に示すように、支持冶具３０の冷却機構によって、半田層２１ｂを冷却し、固相状態の半田層２１をバンプ電極層１１の周囲に形成する。
これにより、半田層２１とバンプ電極層１１とが一体となり、電極パッド２０ａと導通する突起電極２２が半導体素子２０に配置される。
【００３８】
尚、半田層２１は、固相状態となったことから、半田層２１ｂより若干、外形が収縮する。
また、半導体素子２０の主面と支持基板１０の主面間の平行状態を維持しながら、半田層２１内に、バンプ電極層１１を貫設したので、半導体素子２０の主面からバンプ電極層１１の高さは均一に構成されている。
【００３９】
また、図４（ａ）に示す半田層２１ｂ内に、バンプ電極層１１を貫入する場合には、半田層２１ｂを完全な溶融状態とせず、半溶融状態としてもよい。上述したように、バンプ電極層１１は円錐状であるために、半田層２１ｂが溶融状態または半溶融状態のいずれの場合でも、バンプ電極層１１が容易に半田層２１ｂに貫入する。
【００４０】
次に、図５（ａ）に示すように、支持冶具３０に吸着・保持された半導体素子２０を上方に移動させ、支持基板１０をバンプ電極層１１及び半田層２１から離反する。
ここで、金属材と有機樹脂を主成分とする支持基板１０との密着性は弱いので、上記の移動により、バンプ電極層１１及び半田層２１と支持基板１０とは容易に剥離する。
【００４１】
そして、図５（ｂ）に示すように、半導体素子２０を支持冶具３０から開放し、形状または高さの揃った突起電極２２を配設した半導体装置１を得る。
尚、突起電極２２に含まれる半田層２１とバンプ電極層１１との界面は、固相拡散接合をさせたことから、それらは強固に密着している。
【００４２】
また、上述したように、バンプ電極層１１は、凹部１０ｂを下地として形成させたことから、当該凹部１０ｂに半田層２１が回り込むことがない。従って、突起電極２２の下部においては、凹部１０ｂの内形状に対応するように、バンプ電極層１１の下面が半田層２１の先端から表出する構造を有している。
【００４３】
このように、これまでの方法で作製した半導体装置１は、複数の層からなる突起電極２２を複数個、配設した構造を有している。更に、この突起電極２２は、バンプ電極層１１と、バンプ電極層１１の周部を被覆する半田層２１と、を備え、バンプ電極層１１の下面が半田層２１の先端から突出した構造を有している。
【００４４】
次に、この半導体装置１を、更に別の部材に実装する半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、その部材として配線基板を用いた場合の半導体装置の製造方法について説明する。
【００４５】
先ず、図６（ａ）に示すように、半導体装置１に配設した突起電極２２と配線基板４０に配設した電極パッド４０ａとが接触するように、半導体装置１を配線基板４０上に載置する。
【００４６】
ここで、半導体素子２０の主面からのバンプ電極層１１の高さは均一であり、突起電極２２の下面は平坦であることから、夫々のバンプ電極層１１と夫々の電極パッド４０ａの全ての接触面が隙間なく接触する。
【００４７】
尚、配線基板４０の材質は、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、またはポリイミド等の有機材絶縁性樹脂を主たる成分としている。また、セラミックあるいはガラス等の無機絶縁材料を主たる成分とする場合もある。また、配線基板４０は、回路基板、インターポーザ、或いはパッケージ基板とも称される。
【００４８】
また、配線基板４０の主面に配設した、夫々の電極パッド４０ａは、配線基板４０内に積層された回路（図示しない）と導通している。また、電極パッド４０ａは、半導体装置１の突起電極２２と接続する接続用端子になる。
【００４９】
また、電極パッド４０ａの材質は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）の少なくとも一つを含む金属を主たる成分としている。また、電極パッド４０ａの表面には、例えば、下層からニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の２層メッキが施されている。
【００５０】
続いて、突起電極２２が配設されている半導体素子２０の主面とは反対側の主面に、超音波振動子３１を設置し、当該超音波振動子３１を作動することによって、バンプ電極層１１の先端に超音波を印加する。
【００５１】
これにより、バンプ電極層１１と電極パッド４０ａの界面での超音波接合が遂行され、バンプ電極層１１の下面と電極パッド４０ａの上面とが接合する。この接続を仮接続と称する。この仮接続により、電極パッド２０ａ，４０ａの中心位置同士が一致する。そして、当該仮接続を完了させた後、超音波振動子３１を半導体素子２０の主面から離反する（図示しない）。
【００５２】
次に、図６（ｂ）に示すように、仮接続により一体となった半導体装置１及び配線基板４０を加熱容器（図示しない）に設置し、加熱処理（リフロー処理）を半導体装置１及び配線基板４０に施す。処理温度は、１５０℃〜３００℃である。なお、当該加熱処理においては、必要に応じて、予め、仮接続がなされていない電極パッド４０ａ上面に、フラックス材を塗布してもよい。
【００５３】
このリフロー処理によって、再び、半田層２１は溶融状態となり、半田層２１が仮接続した部分以外の電極パッド４０ａに濡れ広がる。但し、半田材の金（Ａｕ）材に対する濡れ性の良さ、または半田材自体の表面張力から、夫々の半田層２１が電極パッド４０ａ外に漏出することはない。
【００５４】
そして、この後においては、半導体装置１及び配線基板４０を加熱容器から取り出し、半導体装置１及び配線基板４０を室温まで冷却する。
これにより、半導体装置１の電極パッド２０ａと配線基板４０の電極パッド４０ａとが仮接続の他、半田層２１を通じて、電気的に接続される。この接続を本接続と称する。
【００５５】
尚、仮接続後において、電極パッド２０ａ，４０ａの中心位置同士が一致していることから、当該本接続においても、電極パッド２０ａ，４０ａの中心位置同士は一致する。
また、加熱処理により、半田層２１と電極パッド４０ａとの界面における固相拡散が促進するので、半田層２１と電極パッド４０ａとは、強固に密着する。
【００５６】
このように、本実施の形態では、仮接続により、半導体装置１に設けられたバンプ電極層１１と、配線基板４０に設けられた電極パッド４０ａの中心部とを接合する。これにより、半導体装置１と配線基板４０との相対位置が完全に固定する。続いて、本接続により、当該中心部分以外の電極パッド４０ａに、突起電極２２の半田層２１を接合する。
【００５７】
尚、半導体装置１の被実装基板としては、配線基板４０に限ることはない。配線基板４０の代わりに、別の半導体素子を用いてもよい。即ち、当該別の半導体素子に設けられた電極パッドに、突起電極２２を上記と同様の方法で接合して、複数の半導体素子を積層させた半導体装置を作製してもよい。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態は、以下に示す有利な効果を有する。
半導体装置１では、半導体素子２０の主面から高さの揃った突起電極２２を複数個、配設している。また、当該突起電極２２においては、半田層２１の先端からバンプ電極層１１の底面を表出させた構造としている。また、夫々のバンプ電極層１１の底面の平坦性は良好で、その面積は均一である。
【００５９】
このような半導体装置１を用いることにより、半導体装置１に配設された全ての突起電極２２と被接合部とが隙間なく接合する。
また、半田層２１の先端からバンプ電極層１１の底面を表出させた構造とすることにより、接続工程を仮接続と本接続に分けることが可能になり、接合信頼性がより向上する。
【００６０】
特に、最近の半導体素子は、高集積化により益々、突起電極の狭ピッチ化が進行する傾向にあるが、上述した半導体装置の製造方法によれば、高さ、形状の揃った突起電極を配設した半導体装置を確実に実現することができる。
【００６１】
また、上記の半導体装置の製造方法では、研磨工程がないため、研磨による発塵が発生しない。また、研磨工程により生じる半導体素子のダメージも発生しない。
このように、本実施の形態によれば、信頼性の高い半導体装置を製造する方法及び半導体装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】半導体装置の製造方法の概要を説明するフロー図である。
【図２】半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その１）。
【図３】半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その２）。
【図４】半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その３）。
【図５】半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その４）。
【図６】半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その５）。
【符号の説明】
【００６３】
１  半導体装置
１０  支持基板
１０ａ，１０ｂ  凹部
１０ａｔ  テーパ部
１０ｂｂ  底面
１１  バンプ電極層
１１ａ  金属膜
１１ｂ  バンプ
２０  半導体素子
２０ａ，４０ａ  電極パッド
２１，２１ａ，２１ｂ  半田層
２２  突起電極
３０  支持冶具
３１  超音波振動子
４０  配線基板
【図１】
0004952527.tif 000002
【図２】
0004952527.tif 000003
【図３】
0004952527.tif 000004
【図４】
0004952527.tif 000005
【図５】
0004952527.tif 000006
【図６】
0004952527.tif 000007