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JP4663165B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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JP4663165B2
JP4663165B2 JP2001195447A JP2001195447A JP4663165B2 JP 4663165 B2 JP4663165 B2 JP 4663165B2 JP 2001195447 A JP2001195447 A JP 2001195447A JP 2001195447 A JP2001195447 A JP 2001195447A JP 4663165 B2 JP4663165 B2 JP 4663165B2
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manufacturing
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Renesas Electronics Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に半導体チップを実装するのための電極の構造とその接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ICあるいはLSIはますます高集積化され大容量化してきている。そして、半導体チップを実装するパッケージは、小型化と共に多ピン化され高密度化されてきている。更には、複数の半導体チップを1つに実装するMCP(Multi−Chip Package)が実用化されてきている。
【0003】
更に、情報技術の急速な普及に伴い、情報処理装置を構成する半導体装置のシステム化の要求はますます大きくなっている。そして、複数のLSIや、化合物半導体を用いた光デバイス・高周波デバイスを含む多様な機能ブロックを集積・システム化する、電子システムインテグレーション技術への期待が高くなってきている。
【0004】
この電子システムインテグレーションにおいて最も重要となる要素技術に、微細接合技術がある。従来から用いられている代表的な接合技術としては、ワイヤーボンディング技術、FC(フリップチップ)接合技術、TAB(Tape Automated Bonding)技術などが挙げられるが、特にフリップチップ接合技術で用いられるバンプ接合技術は汎用性が高く、高密度な接続が可能であるため、非常に重要となる。高密度なMCP技術の1つであるCOC(Chip on Chip)技術でもこのバンプ接合技術を用いる。
【0005】
現状の最も一般的なバンプ接合技術としては、C4(Controlled Collapsible Chip Connection)と呼ばれる、はんだバンプを用いて溶融接合する技術がよく知られている。しかし、最近では、地球環境保全の観点から鉛(はんだに含まれる)のフリー化が求められており、また、はんだ表面の酸化膜除去に用いるフラックスの洗浄後の残渣が品質に及ぼす悪影響も問題になってきている。
【0006】
そこで、はんだバンプの代わりに、近年、Au(金)バンプを用いた接合が検討されている。この技術について図6を参照して概略説明する。図6は、2つの半導体チップを金バンプを介して接合するCOC技術の模式的な工程略断面図である。
【0007】
図6(a)に示すように、第1の半導体基板101表面の所定の領域にパッド電極102が形成され、パッド電極102に第1の金バンプ103が形成される。このようにして第1の半導体チップ104が形成されている。そして、第2の半導体基板105表面に銅等で配線106が形成され、この配線106の所定の領域に第2の金バンプ107が接続される。このようにして第2の半導体チップ108が形成されている。
【0008】
次に、図6(b)に示すように、第1の半導体チップ104と第2の半導体チップ108を重ね合わせをし、第1の半導体チップ104上の第1の金バンプ103と第2の半導体チップ108上の第2の金バンプ107を位置合わせする。そして、加熱・加圧しながら上記第1の金バンプ103と第2の金バンプ107を接合させる。このようにして、第1の半導体チップ104を第2の半導体チップ108に接合する。ここで、上記加熱の温度は250℃以上が必要である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
現在の実装技術で広く用いられているはんだバンプを用いた溶融接合の技術では、はんだ表面の酸化膜除去の為にフラックスが必須である。信頼性を保つために一般的にフラックスは接合完了後に洗浄することが必要になるが、バンプの微細化、狭ピッチ化に伴い、完全に洗浄することが困難になってきている。また、はんだバンプを用いたFC接合では、はんだバンプが溶融しその形状が大きく変化する。このために、バンプの狭ピッチ化に限界があり、半導体装置の高密度化が困難になってくる。
【0010】
上記図面に基づいて説明した金バンプを用いたFC接合の場合では、金同士の接合において金の固相拡散を利用する。そこで、上述したように、250℃以上の比較的に高い温度と圧力が必要になる。このために、実装時においてICに損傷が生じ、ICの特性劣化が起こる。上記のような問題は、ICの高密度化に伴ってより顕在化してくる。
【0011】
また、上記接合での加熱温度の低温化ができると予想される銅バンプを、従来の技術を基に、上記金バンプに代えて電極に適用しようとすると、室温でも容易に酸化される銅の酸化膜により、銅バンプのような電極の接合は非常に難しくなる。
【0012】
本発明の主な目的は、以上の様な現状の接合技術の問題点に鑑み、低温、低エネルギーで接合可能な電極構造とこれを用いた接合プロセスを提供することにある。更には、本発明の他の目的は、半導体装置の高密度化を容易にし促進させることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半導体チップと配線基板間、あるいは、複数の半導体チップ間の接続に用いられる電極において、前記電極の構成原子とは異なる少なくとも1種類以上のハロゲン原子から成る添加物質が前記電極の表面近傍に導入され、且つ、前記電極の表面に絶縁体が形成されていることを特徴とする半導体装置、が提供される。
【0014】
こで、たとえば前記添加物質として少なくともF(フッ素)あるいはCl(塩素)原子を含有する。
【0015】
上記の発明では、前記電極はCu(銅)、Au(金)またはSn(錫)を主成分とする導電体で構成される。そして、前記電極の表面形状は曲面である。あるいは、前記電極はバンプ形状になっている。
【0016】
また、本発明では、前記請絶縁体は無機絶縁膜である。ここで、前記絶縁体は窒化シリコンを含んでいる。あるいは、前記絶縁体は接着剤である。あるいは、前記絶縁体は、電極を直接被覆する無機絶縁膜と前記無機絶縁膜を被覆する接着剤との二重構造となっている。
【0017】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、ハロゲン原子を含むプラズマを照射して、前記電極の表面近傍にハロゲン原子を注入する工程を含む。あるいは、ハロゲン原子を含むイオンビームを照射して、前記電極の表面近傍にハロゲン原子を注入する工程を含む。
【0018】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、上記電極間の接合において、一の電極を接続対象の他の電極に押圧し前記絶縁体を破壊し、前記一の電極と他の電極とを接合させる。ここで、前記押圧するときに、超音波振動またはスクラブ振動を前記電極間の界面に生じさせる。あるいは、前記押圧するときに、前記電極を加熱する。
【0019】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記一の電極と他の電極とを接合させると同時に、前記接着剤により半導体チップと配線基板とを、あるいは複数の半導体チップを接着させる。
【0020】
本発明のように、加熱処理により活性化しやすい添加物質原子を接合電極表面に閉じ込めた構造にすることにより、低エネルギー、低ストレスで電極間の接合が容易になる。そして、半導体装置の高密度化が促進される。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第1の実施の形態について図1と図2に基づいて概略説明する。ここで、図1と図2は、2つの半導体チップをバンプで接続する場合の製造工程順の略断面図である。なお、この製造工程の中で本発明の半導体装置の構造については示される。
【0022】
図1(a)に示すように、第1の半導体基板1表面の所定の領域にパッド電極2を公知の方法で形成する。ここで、パッド電極2はアルミあるいは銅等で形成される。そして、このパッド電極2に接続して銅バンプ3を形成する。この銅バンプ3表面は、金バンプの場合とは異なり酸化され易い。Auのような貴金属と違いCu表面の酸化は室温でも生じ易いからである。そこで、このような第1の半導体チップ4をマルチチャンバーで構成される多目的処理装置に搬入する。先ず初めに、この多目的処理装置の第1のチャンバー内でアルゴン等のプラズマ処理を施す。このプラズマ処理で、上述した銅バンプ3表面の酸化膜を除去する。このプラズマ処理では、アルゴンの他にネオン、ヘリウム、クリプトンあるいは窒素等の不活性ガスをプラズマ励起し、生成するイオン等を用いて酸化膜除去をしてもよい。
【0023】
次に、第1の半導体チップ4を大気に曝すことなく、上記多目的処理装置の第2のチャンバーに搬入する。そして、第1の半導体基板1および銅バンプ3表面をハロゲンのプラズマに曝す。このようにして、図1(b)に示すように、銅バンプ3の表面にハロゲン原子のような添加物質を含む添加層5を設ける。ここで、ハロゲンがフッ素の場合は、NF3 ガス、SF6 ガス、NF2 Clガス、NF2 Hガスあるいはフロロカーボンのような反応ガスをプラズマ励起しFイオンを導入する。また、塩素の場合には、Cl2 ガス、HClガス、NF2 Clガスあるいはクロロカーボンガス等をプラズマ励起する。あるいは、Br(臭素)の場合には、Br2 ガス、HBrガス等をプラズマ励起する。上記の添加層5の形成工程では、第1の半導体チップ4を加熱してもよい。
【0024】
次に、上記の第1の半導体チップ4を多目的処理装置の第3のチャンバーに搬入する。そして、プラズマ励起の化学気相成長(CVD)法で極薄の絶縁膜を全面に形成する。このようにして、図1(c)に示すように、第1の半導体基板1表面および銅バンプ3表面を被覆するコーティング層6を形成する。ここで、上記のコーティング層6は3〜5原子層(例えば10nm程度の厚さ)程度のシリコン窒化膜で構成される。あるいはシリコンオキシナイトライド膜/シリコン窒化膜の積層膜で構成される。
【0025】
このコーティング層6の形成により、上記銅バンプ3の表面領域にある添加層5内の添加物質はこの領域に閉じこめられる。また、このコーティング層6は、銅バンプ3表面の酸化を防止する役割をもつ。ここで、銅バンプ3表面のコーティング層6は、バンプの接合部となる領域では薄く(例えば10nm程度)、それ以外の領域では厚く(例えば100nm程度)なるように形成するとよい。
【0026】
次に、図2(a)に示しているように、第2の半導体基板7表面に銅等で配線8が形成され、この配線8の所定の領域に金バンプ9が接続される。このようにして第2の半導体チップ10が形成されている。そして、第1の半導体チップ4と第2の半導体チップ10を重ね合わせをし、第1の半導体チップ4上でコーティング層6に覆われた銅バンプ3と第2の半導体チップ10上の金バンプ9を位置合わせする。
【0027】
次に、図2(b)に示すように、加熱した押圧処理を施す。この押圧処理では超音波振動を付加するとよい。この押圧処理により上記銅バンプ3と金バンプ9を接合させる。
【0028】
この押圧処理の工程では、銅バンプ3の変形によりコーティング層6は機械的に破壊される。また、上記押圧処理の温度は150℃以下に低減するようになる。この温度の低減は、上記添加層5中のハロゲン原子により、銅バンプ3の銅原子あるいは金バンプ9中の金原子の拡散が増速するようになるからである。
【0029】
上記の接合工程では、押圧時に、適度な超音波振動、あるいはスクラブ等による機械的な摩擦を接合界面に与えることにより、絶縁膜の破壊を促進することも可能となる。
【0030】
次に、図3に基づいて本発明の原理について説明する。図3は、図1と図2で説明した工程において本発明の要点を説明するための工程略断面図である。
【0031】
図3(a)に示すように、上述した銅バンプ3に対応する第1の接合金属11の表面を清浄にする。すなわち、酸化層等を除去し第1の接合金属11面を露出させる。そして、図3(b)に示すように、上述したようなプラズマ処理で、ハロゲン原子等の添加物12を上記第1の接合金属11表面領域にドーピングする。ここで、上記の第1の接合金属11の導電体材料としては、銅の他に金、Sn(錫)、はんだ、あるいは、In(インジウム)、Ag(銀)が用いられる。また、添加物12のドーピングは、イオン注入で行ってもよい。
【0032】
そして、図3(c)に示すように、第1の接合金属11表面にコーティング層13を形成する。このコーティング層13は、上記添加物12を第1の接合金属11内に閉じこめる働きを有する。
【0033】
そして、図3(d)に示すように、第1の接合金属11上に第2の接合金属14を押圧する。この押圧処理の工程で上記添加物12が活性化し、上記第1の接合金属11の他に第2の接合金属14にも入り込む。この添加物12の活性化は低温で容易に起こる。そして、上記第1の接合金属11および第2の接合金属14を構成する金属元素の拡散を増速させるようになる。このようにして、第1の接合金属11と第2の接合金属14の接合が促進され、接合の低温化が可能になる。ここで、上記の第2の接合金属14の導電体材料としては、金の他に銅、錫、はんだ、あるいは、インジウム、銀等が用いられる。
【0034】
本発明では、加熱処理により活性化しやすい原子を接合金属表面に閉じ込めた構造により、低エネルギー、低ストレスで接合可能な電極構造を提供することができる。
【0035】
次に、本発明の第2の実施の形態について図4に基づいて説明する。この実施の形態では、第1の実施の形態で説明したコーティング層に代えて、接着剤を用いる点に特徴がある。そこで、図1あるいは図2と同様のものは同一符号で示している。
【0036】
図4(a)に示すように、第1の実施の形態で説明したのと同様に、第1の半導体基板1表面の所定の領域のパッド電極2、このパッド電極2に接続する銅バンプ3を有する第1の半導体チップ4が形成される。そして、銅バンプ3の表面部に添加層5が形成され、第1の半導体チップ4表面に第1の接着層15が形成される。同様に、第2の半導体基板7表面の配線8、配線8の所定の領域に金バンプ9を有する第2の半導体チップ10が形成され、第2の半導体チップ10表面に第2の接着層16が形成される。ここで、第1あるいは第2の接着層15,16は樹脂系の有機ポリマー、例えばポリイミドで構成される。
【0037】
次に、図4(b)に示すように、第1の半導体チップ4と第2の半導体チップ10を重ね合わせし、第1の半導体チップ4上で銅バンプ3と金バンプ9を位置合わせする。そして、加熱した押圧処理を施す。この押圧処理では超音波振動を付加するとよい。この押圧処理により上記銅バンプ3と金バンプ9を接合させる。この実施の形態では、押圧処理の工程で上記第1の接着層15と第2の接着層16は互いに接着する。このようにして、図4(b)に示すように、第1の半導体チップ4と第2の半導体チップ10の間に接着層17が形成される。ここで、接着層17は樹脂等の有機の接着剤である。このような接着層17は、窒素雰囲気あるいは真空中でのラミネート圧着で形成される。このような手法により、銅バンプ3表面の酸化は防止される。
【0038】
この場合でも、押圧処理の工程で、銅バンプ3および金バンプ9の変形により第1(2)の接着層15,16は機械的に破壊される。そして、上記押圧処理の温度は150℃以下に低減するようになる。この温度の低減は、第1の実施の形態で説明したのと同じで、銅バンプ3表面の添加層5中のハロゲン原子により、銅バンプ3の銅原子あるいは金バンプ9中の金原子の拡散が増速するようになるからである。この場合でも、押圧時に、適度な超音波振動、あるいはスクラブ等による機械的な摩擦を接合界面に与えることによって、接着層の破壊が容易になる。
【0039】
第2の実施の形態でも、第1の実施の形態で説明したのと同様な効果が生じる。さらに、フリップチップ接合工程において一般的に行われるアンダーフィルと呼ばれる接合部の樹脂封止工程が省略される。これは、上記接着層17が自動的に上記樹脂封止の機能を有するからである。
【0040】
次に、本発明の第3の実施の形態について図5に基づいて説明する。この実施の形態は、銅バンプのみを用いたCOC技術に本発明を適用する例である。
【0041】
図5(a)に示すように、第1の実施の形態で説明したのと同様な方法で、第1の半導体基板21表面の所定の領域の第1のパッド電極22、この第1のパッド電極22に接続する第1の銅バンプ23を有する第1の半導体チップ24が形成される。そして、第1の銅バンプ23の表面部に添加層25が形成され、第1の半導体チップ24上および第1の銅バンプ23表面に第1のコーティング層26が形成される。
【0042】
同様に、第2の半導体基板27表面の所定の領域の第2のパッド電極28、この第2のパッド電極28に接続する第2の銅バンプ29を有する第2の半導体チップ30が形成される。そして、第2の半導体チップ30表面および第2の銅バンプ29表面に第2のコーティング層31が形成される。ここで、上記第1あるいは第2のコーティング層26,31は、第1の実施の形態で説明したのと同様にして形成される。
【0043】
次に、図5(b)に示すように、第1の半導体チップ24と第2の半導体チップ30を重ね合わせし、第1の半導体チップ24上の第1の銅バンプ23と第2の半導体チップ30上の第2の銅バンプ29を位置合わせする。そして、加熱した押圧処理を施す。この押圧処理では超音波振動を付加するとよい。この押圧処理により上記第1の銅バンプ23と第2の銅バンプ29を接合させる。この場合でも、押圧処理の工程で、第1の銅バンプ23および第2の銅バンプ29の変形により第1のコーティング層26と第2のコーティング層31の一部は機械的に破壊される。そして、上記押圧処理の温度は100℃以下に低減するようになる。この温度の低減は、第1の実施の形態で説明したのと同じで、第1の銅バンプ23表面の添加層25中のハロゲン原子により、第1(2)の銅バンプ23,29の銅原子の拡散が増速するようになるからである。この場合でも、押圧時に、適度な超音波振動、あるいはスクラブ等による機械的な摩擦を接合界面に与えることによって、上記第1(2)のコーティング層の破壊が容易になる。
【0044】
第3の実施の形態でも、第1の実施の形態で説明したのと同様な効果が生じる。さらに、この場合には、上記第1のコーティング層26および第2のコーティング層31は、半導体チップのパッシベーション膜としても機能する。このために、この場合でも、フリップチップ接合工程において一般的に行われるアンダーフィルと呼ばれる接合部の樹脂封止工程が省略される。また、この場合には、電極が共に銅バンプであるために、接合の低温化がさらに容易になる。このようにして、従来の技術で生じていた実装時におけるICの損傷あるいは特性劣化は生じなくなる。
【0045】
上記の実施の形態では、コーティング層を絶縁膜で形成する場合について説明した。本発明は、これに限定されるものではなく、コーティング層を導電膜、例えば、TiN(窒化チタン)膜、TaN(窒化タンタル)膜、で形成する場合でも同様な効果が生じる。コーティング層を導電膜で形成する場合には、コーティング層は、バンプ表面を被覆するように部分的に形成し、半導体チップ表面全面に亘り形成しないことが必要となる。
【0046】
また、上記第2の実施の形態において、第1の実施の形態で説明したように、コーティング層を形成してからこのコーティング層を被覆するように接着層を形成してもよい。
【0047】
また、本発明は、COC技術の場合に限定されるものではない。パッド電極とワイヤーとのボンディング、あるいはパッケージのリードとワイヤーとのボンディングにおいても同様に適用できるものである。また、半導体チップと配線基板との接続技術にも容易に適用できるものである。更に、その他の金属同士の接合においても本発明は同様に適用できるものである。ここで、接合する電極の表面形状は平坦面であってもよい。
【0048】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態が適宜変更され得る。
【0049】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の要部では、半導体チップと配線基板とをあるいは複数の半導体チップ間を電気接続する電極において、上記電極の構成原子とは異なる少なくとも1種類以上の原子から成る添加物質が電極の表面近傍に導入され、上記電極の表面には絶縁体が形成される。
【0050】
このように、加熱処理により活性化しやすい添加物質原子を接合電極表面に閉じ込めた構造にすることにより、低エネルギー、低ストレスで電極間の接合が容易になる。そして、半導体装置の高密度化が促進されると共に半導体装置の信頼性が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するためのバンプ接合工程順の略断面図である。
【図2】上記の続きのバンプ接合工程順の本略断面図である。
【図3】本発明の接合促進の機構を説明するための金属接合工程順の模式的断面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態を説明するためのバンプ接合工程順の略断面図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態を説明するためのバンプ接合工程順の略断面図である。
【図6】従来の技術を説明するためのバンプ接合工程順の略断面図である。
【符号の説明】
1,21,101 第1の半導体基板
2,102 パッド電極
3 銅バンプ
4,24,104 第1の半導体チップ
5 添加層
6,13 コーティング層
7,27,105 第2の半導体基板
8,106 配線
9,103,107 金バンプ
10,30,108 第2の半導体チップ
11 第1の接合金属
12 添加物
14 第2の接合金属
15 第1の接着層
16 第2の接着層
17 接着層
22 第1のパッド電極
23 第1の銅バンプ
25 添加層
26 第1のコーティング層
28 第2のパッド電極
29 第2の銅バンプ
31 第2のコーティング層

Claims (17)

  1. 半導体チップと配線基板間、あるいは、複数の半導体チップ間の接続に用いられる電極において、前記電極の構成原子とは異なる少なくとも1種類以上のハロゲン原子から成る添加物質が前記電極の表面近傍に導入され、且つ、前記電極の表面に絶縁体が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記添加物質として少なくともF(フッ素)あるいはCl(塩素)原子を含有することを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  3. 前記電極はCu(銅)、Au(金)またはSn(錫)を主成分とする導電体で構成されていることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  4. 前記電極の表面形状が曲面であることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  5. 前記電極がバンプ形状になっていることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁体が無機絶縁膜であることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁体が窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  8. 前記絶縁体が接着剤であることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  9. 前記絶縁体が、電極を直接被覆する無機絶縁膜と前記無機絶縁膜を被覆する接着剤との二重構造であることを特徴とする請求項1から請求項のうち1つの請求項に記載の半導体装置。
  10. 請求項乃至請求項記載の半導体装置の製造方法であって、ハロゲン原子を含むプラズマを照射して、前記電極の表面近傍にハロゲン原子を注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 請求項乃至請求項記載の半導体装置の製造方法であって、ハロゲン原子を含むイオンビームを照射して、前記電極の表面近傍にハロゲン原子を注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. F(フッ素)原子あるいはCl(塩素)原子を含むプラズマを照射して、前記電極の表面近傍にF(フッ素)原子あるいはCl(塩素)原子を注入することを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
  13. F(フッ素)原子あるいはCl(塩素)原子を含むイオンビームを照射して、前記電極の表面近傍にF(フッ素)原子あるいはCl(塩素)原子を注入することを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
  14. の電極を接続対象の他の電極に押圧し前記絶縁体を破壊し、前記一の電極と他の電極とを接合させることを特徴とする請求項10乃至請求項13記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記押圧するときに、超音波振動またはスクラブ振動を前記電極間の界面に生じさせることを特徴とする請求項14記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記押圧するときに、前記電極を加熱することを特徴とする請求項14または請求項15記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記一の電極と他の電極とを接合させると同時に、前記接着剤により半導体チップと配線基板とを、あるいは複数の半導体チップを接着させることを特徴とする請求項14、請求項15または請求項16記載の半導体装置の製造方法。
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