JP5224550B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、はんだバンプを備える半導体装置に関する。

半導体素子や電子部品を搭載した配線基板には、はんだボールが配線基板上の電極に接続された、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装が用いられることが多い。このようなＢＧＡ実装では、リフロー工程により、はんだボールと配線基板上の電極とを加熱して、はんだボールを溶融させて電極と接合し、はんだバンプを形成することが行われている。

このようなはんだバンプの機械的、電気的信頼性を向上させるための手法が、特開２００４−１５４８４５号公報や、特開２００１−１１４７４７号公報に開示されている。

特開２００４−１５４８４５号公報には、はんだ材料とＣｕでメタライズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される金属間化合物の成長を抑制し、耐衝撃特性にかかわる界面破壊による不良の問題を解決できる鉛フリー電子装置接続用はんだが開示されている。その電子装置接続用はんだは、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ５．０％以下、Ｃｕ１．０％以下及び粒界に偏析する元素０．００８〜０．１０％を含有することを特徴としている。

また、特開２００１−１１４７４７号公報には、はんだバンプの形成時に用いるはんだ付け用フラックスが開示されている。このはんだ付け用フラックスは、電気・電子機器に残存しても絶縁信頼性に影響を与えないようにするために、ジシアンジアミドとグリシドールとを反応させて得られる化合物を活性剤として含有する水溶性はんだフラックスであることを特徴としている。

特開２００４−１５４８４５号公報 特開２００１−１１４７４７号公報

本願発明者の検討の結果、はんだバンプ上に残留するはんだ付け用フラックスの残渣等により、半導体装置の電気的検査工程において、はんだバンプと検査装置のコンタクトピンとの接触不良が発生し、正確に半導体装置の電気的検査を行うことができないという課題があることを見出した。以下は本願発明者の検討結果に基づく。

はんだバンプ近傍における半導体装置１１０の一部を、図１に示す。図１は、図１２における領域Aの部分を拡大した図である。図１２において配線基板１に半導体チップ１５０が搭載され、半導体チップ１５０内の電気回路（図示せず）は、ボンディングワイヤ１６０を介して配線基板１内の配線（図示せず）に接続される。この配線基板１内の配線は、図１における電極２に接続される。電極２は、図１に示すように、配線基板１上に形成されたソルダーレジスト３の開口部に形成される。図１におけるはんだバンプ１０７は、電極２にはんだボール（図示せず）がリフロー工程により加熱接続され、形成される。ここで、電極２とはんだボールとの接続を確実にするために、はんだ付け用フラックスが用いられる（図示せず）。はんだ付け用フラックスにより、リフロー工程において、電極２とはんだボールとが確実に接続される。このはんだ付け用フラックスは、電極２とはんだボールとが接続されて、はんだバンプ１０７が形成された後に、洗浄され、除去される。

はんだバンプ１０７形成後、半導体装置１１０が正常に動作するかどうかを確認するために、電気的検査が行われる。この電気的検査は、はんだバンプ１０７に検査装置のコンタクトピン１１を接触させて行う。

ここで、はんだバンプ１０７から半導体チップ１５０までの電気的接続に問題がないにも関わらず、コンタクトピン１１を接触させて電気的検査を行うと半導体装置１１０が電気的に動作しないケースが見られた。この時のはんだバンプ１０７の表面の解析を行ったところ、図２のようにはんだバンプ１０７の表面に、絶縁性のポリシリコン化合物およびフラックス残渣等による薄い層１２３（以降、高抵抗層１２３と呼ぶ）が形成され、これがはんだバンプ１０７とコンタクトピン１１との電気的接触を悪化させていることがわかった。図２ははんだバンプ１０７の表面近傍を模式的に図示したものである。

はんだバンプ１０７の表面には、錫（Ｓｎ）を主成分とする基材２１上に、４ｎｍ程度の酸化物層２２と、２ｎｍ程度の高抵抗層１２３とが順次積層された構造になっていることがわかった。酸化物層２２は、第１酸化物層２４と第２酸化物層２５から構成される。第１酸化物層２４は、Ｓｎとリン（P）と酸素（O）との化合物が濃化されている層であり、基材２１を構成する合金にその化合物が混合された物質から形成される。化合物としては、Ｓｎのリン酸塩が例示される。また第２酸化物層２５は金属酸化物が濃化されている層であり、Ｓｎに酸化スズＳｎＯ_ｘが混合された物質から形成される。高抵抗層１２３は、はんだバンプ１０７形成後のはんだバンプ１０７の洗浄後に除去されずに残った絶縁性のはんだ付け用フラックスと、絶縁性のポリシリコン化合物等から構成される。ポリシリコン化合物は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などで、ソルダーレジスト３に含有されているが、フラックス中に微量が溶融し、はんだバンプ１０７の表面にフラックスと共に残ったものである。

この高抵抗層１２３は、はんだバンプ１０７とコンタクトピン１１との電気的接触を悪化させると同時に、電気的検査中に剥離し、コンタクトピン１１のはんだバンプ１０７との接触部に付着・堆積する。そのようなコンタクトピン１１を引き続き導通検査に用いると、コンタクトピン１１とはんだバンプ１０７との電気的接触を阻害し、正確な半導体装置１１０の電気的検査を行うことができなくなる。

本発明の半導体装置は、半導体チップが搭載された配線基板と、配線基板の表面に形成された電極と，電極上に形成されたはんだバンプとを有し、はんだバンプは、基材部と、基材部を覆う表層部とを有する。表層部は、銅（Cu）、ニッケル（Ni）、金（Au）、銀（Ag）のいずれかの導電性金属とSnとを少なくとも含有し、単位体積あたりのSn原子の数に対する導電性金属の原子の数の比率が０．０１より大きいことを特徴とする。
本発明によれば、はんだバンプの表層部に導電性金属が含有され、単位体積あたりのSn原子の数に対する導電性金属の原子の数の比率が０．０１より大きくなっているため、検査装置のコンタクトピンとはんだバンプとの間の電気的接触を確実にすることができるため、半導体装置の電気的検査を正確に行うことができる。

本発明によれば、はんだバンプにコンタクトピンを用いて電気的検査を正確に行うことができる半導体装置が提供される。

図１は、本発明の課題を説明するための、半導体装置の検査方法を示すはんだバンプ近傍における断面図である。 図２は、本発明の課題を説明するための、はんだバンプの表面近傍における断面を示す模式図である。 図３は、はんだ付け用フラックスが塗布された後の半導体装置のはんだバンプ近傍における断面図である。 図４は、はんだボールが搭載された後の半導体装置のはんだバンプ近傍における断面図である。 図５は、はんだボールが加熱された後の半導体装置のはんだバンプ近傍における断面図である。 図６は、本発明の半導体装置のはんだバンプ近傍の拡大図である。 図７は、半導体装置を検査するときに用いられるコンタクトピンを示す図である。 図８は、溶剤に適用される物質の属性を示す表である。 図９は、本発明のはんだバンプの表面近傍を拡大した断面図である。 図１０は、はんだバンプの表面に存在するSnに対するCuの原子の数の比率と半導体装置の良品率との関係を示すグラフである。 図１１は、はんだバンプの表面に存在するSnに対するSiの原子の数の比率と半導体装置の再検査により良品となる率との関係を示すグラフである。 図１２は、半導体装置を示す断面図である。

図面を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態を説明する。
図６は本発明の半導体装置１０の、はんだバンプ７近傍における拡大図を示す。図６は図１２における領域Ａの拡大図となっている。

本発明の半導体装置１０は、配線基板１上に複数の電極２が設けられ、それぞれの電極２上にははんだバンプ７が形成される。また、配線基板１には図１２のように半導体チップ１５０が搭載される。半導体チップ１５０が搭載されている面と反対側の配線基板１上の面に形成されたはんだバンプ７は、半導体装置１０と、外部の装置との信号入出力端子と電源端子として機能する、外部接続端子になる。各はんだバンプ７は、電極２を介して、配線基板１内の配線（図示せず）に電気的に接続される。配線基板１内の配線は、半導体チップ１５０内の電気回路（図示せず）と、ボンディングワイヤ１６０または、フリップチップ接続（図示せず）により、電気的に接続される。

図９は本発明の半導体装置１０におけるはんだバンプ７の表面の拡大図を示す。はんだバンプ７は、Snを主成分とする基材部２９と、基材部２９を覆う表層部２３で構成される。表層部２３の厚さはおよそ２ｎｍから６ｎｍ程度である。基材部２９は、基材２１と、その表面を覆う酸化物層２２と、から構成される。

表層部２３は、Snと導電性金属とを含有し、単位体積あたりのSn原子の数に対する導電性金属原子の数の比率が、０．０１より大きいように形成される。ここで、導電性金属とは、Cu、Ni、Au、Agのいずれかまたはそれらの組合せを含む。単位体積あたりのSn原子の数に対する導電性金属原子の数の比率は、０．０１５以上であることがさらに好ましい。なお、この比率は、TOF-SIMS（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy）により定量的に評価することができる。

表層部２３には、さらに、SiまたはCが含まれていても良い。ただし、Siはポリシリコン化合物、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの絶縁性物質、Cは有機絶縁体を形成するため、単位体積あたりのSn原子の数に対するSiまたはC原子の数の比率は０．０１未満とする。

酸化物層２２は厚さがおよそ４ｎｍ程度であり、基材２１側から、第１酸化物層２４と、第２酸化物層２５とから構成される。第１酸化物層２４は、Snとのリン酸塩SnP_xO_yで主に構成される。第１酸化物層２４を覆う第２酸化物層２５は、Snの酸化物SnO_xで主に構成される。

次に、図３〜図７を参照して、本発明の製造方法について説明する。なお、これらの図も、図６と同様に、本発明の半導体装置１０のはんだバンプ７近傍における拡大図である。本発明の半導体装置１０は、図１２のように、はんだバンプ７が複数形成される。まず、半導体チップ１５０が搭載された配線基板１が用意される。配線基板１の表面には複数の電極２が形成されており、電極２を含む配線基板１の表面にソルダーレジスト３が形成され、電極２が露出するようにソルダーレジスト３が開口されている。ソルダーレジスト３は、はんだに濡れにくい材料で構成され、有機シリコン（たとえば、シロキサン）、アクリル、エポキシ等に例示される有機物質を含有している。電極２は、Cu等の金属で構成される。電極２は、配線基板１内の配線（図示せず）を介して、配線基板１に搭載された半導体チップ１５０内の電気回路（図示せず）にボンディングワイヤ１６０を介して電気的に接続されている。

次に、図３に示すように、複数の電極２の上にはんだ付け用フラックス５が塗布される。ハンダ付け用フラックス５は、スキージ印刷法でも、密閉式加圧印刷法でも、その他の方法で行っても良い。はんだ付け用フラックス５は、スキージ印刷法でも、密閉式加圧印刷法でも、その他の方法で行っても良い。なお、ここで用いる、はんだ付け用フラックス５は、後述する特殊な組成のフラックスを使用する。

配線基板１は、はんだ付け用フラックス５が塗布された後に、図４に示すように、複数のはんだボール６が搭載される。複数のはんだボール６は、それぞれ、はんだ付け用フラックス５に接触するように配線基板１に配置される。

配線基板１は、複数のはんだボール６が搭載された後に、リフロー工程により、加熱される。加熱により、はんだ付け用フラックス５は、はんだボール６の表面及び電極２の表面を覆うと同時に、はんだボール６が溶融して、はんだバンプ７が形成される。はんだバンプ７の形成が完了した後のはんだバンプ７の表面には、図５に示すようにはんだ付け用フラックス５によるフラックスの層８が形成される。

フラックスの層８は、はんだ付け用フラックス５の他に、ソルダーレジスト３に含まれる成分や、電極２とはんだボール６のそれぞれを被覆する汚染物に由来する物質等が含有されている。フラックスの層８に含有される物質としては、酸化シリコン化合物Ｒ−ＳＯ_ｘとポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、アクリル、エポキシ等などである。

その後、半導体装置は水洗され、フラックスの層８が除去され、図６のような半導体装置１０が形成される。
本発明で使用するはんだ付け用フラックス５は、後述するように、水への溶解度が０．０１重量％以上の溶剤と、水への溶解度が５重量％以上のアミンを含有しているため、水洗により除去することができる。さらに、本発明で使用するはんだ付け用フラックス５に含まれるアミンには、CuまたはNi、Au、Agが配位結合しているため、水洗時の水により、配位子が除去されて、CuまたはNi、Au、Agがはんだバンプ表面に析出する。析出したCuまたはNi、Au、Agにより、図９における表層部２３が形成される。なお、Cu、Ni、Au、Agの一部は、アミンとの配位結合が一部残っていてもよい。

半導体装置１０は、水洗された後に、検査装置を用いて電気的検査が実施される。検査装置には、図７に示すように、導体で形成されたコンタクトピン１１を備えており、コンタクトピン１１をはんだバンプ７に直接接触させて、導通検査も含めた電気的検査を行う。なお、図７に図示していないが、検査装置には、各はんだバンプ７に対応する複数のコンタクトピン１１を有している。

次に、本発明の製造方法で用いるはんだ付け用フラックス５について説明する。
はんだ付け用フラックス５は、溶剤と、有機酸と、アミンとで構成され、必要に応じて、増粘剤と、界面活性剤とが含まれていてもよい。

はんだ付け用フラックス５の溶剤は、はんだボール６が溶融するはんだ溶融温度以上の沸点であり、水に対する溶解度が０．０１重量％以上６．８重量％以下である物質から成る。

水への溶解度を６．８重量％以下にしたのは、溶剤と有機物質との親和性を高め、電極２、はんだボール６、はんだバンプ７、の表面等に付着する有機物質を溶解して除去させることができるようにするためである。一方、水への溶解度を０．０１重量％以上としたのは、少なくとも水に溶解するように規定するためである。これにより、はんだ付け用フラックス５が水洗により除去することが可能となる。

このような溶剤としては、図８に示されているように、ヘキシルグリコールと２−エチルヘキシルグリコールと２−エチルヘキシルジグリコールとフェニルグリコールとフェニルジグリコールとベンジルグリコールとブチルプロピレンジグリコールとフェニルプロピレングリコールとジブチルジグリコールとプロピルプロピレンジグリコールとブチルプロピレングリコールとが例示される。

電極２やはんだボール６、はんだバンプ７の表面に付着する有機物質としては、ソルダーレジスト３に含まれる、有機シリコン、アクリル、エポキシ等の有機化合物が例示される。これらの有機化合物を除去するためには、水に対する溶解度は５．０重量％以下であることが望ましい。したがって、溶剤の水に対する溶解度が０．０１重量％以上５．０重量％以下である溶媒を用いることが好ましい。このような溶剤としては、ヘキシルグリコールと２−エチルヘキシルグリコールと２−エチルヘキシルジグリコールとフェニルグリコールとフェニルジグリコールとベンジルグリコールとブチルプロピレンジグリコールとフェニルプロピレングリコールとジブチルジグリコールとプロピルプロピレンジグリコールとが例示される。
なお、はんだ付け用フラックス５の溶剤の含有量は、３９重量％〜６９重量％とする。

はんだ付け用フラックス５のアミンは、１つの金属原子に配位する複数の基を有する多座配位子から構成されている。ここで金属原子は、ＣｕまたはＮｉ、Au、Agを指す。たとえば、このアミンは、エチレンジアミンまたはポリオキシエチレンジアミンまたはそれらの誘導体にCuまたはNi、Au、Agが配位結合したものが例示される。これらのアミンにさらに、環状炭化水素または水溶性ポリアミン樹脂を付加したものであってもよい。

はんだ付け用フラックス５のアミンには、CuまたはNi、Au、Agなどの金属が配位結合して一旦溶け込む事ができればよく、はんだ付け用フラック５のアミンにはじめから金属が配位結合していなくても良い。つまり、はんだ付け用フラックス５がはんだボール６と電極２と接触したときに、はんだボール６または電極２に含まれる金属がアミンと配位結合するようになっても良い。

さらに、はんだ付け用フラックス５の水溶性を確保するため、アミンの、水への溶解度は５重量％以上であることが好ましい。また、はんだ付け用フラックス５ははんだ溶融時に用いることから、はんだの融点以上の沸点を有していることが好ましい。具体的には、２５０℃以上の沸点を有するアミンということになる。

これらの条件を満たすアミンとしては、エソデュオミンとジェファーミンとポロキサミンとが例示される。そのエソデュオミンのＣＡＳ番号は、６１７９０−８５−０である。そのジェファーミンのＣＡＳ番号は、６５６０５−３６−９である。そのポロキサミンのＣＡＳ番号は、１１１１１−３４−５である。なお、アミンの含有量は、３０重量％〜６０重量％とする。

はんだ付け用フラックス５の有機酸は、モル当たりの活性を増加させるため、１分子あたり複数の有機酸基を有する分子から構成される。有機酸基としては、カルボキシル基が例示される。有機酸は、リフロー工程の予備加熱領域で活性させるため、融点が１４５℃以上であることが好ましい。さらに融点を上昇させるために、カルボキシル基を除く箇所に存在する水素を他の官能基に置換してもよい。なお、はんだ付け用フラックス５の有機酸の含有量は、１重量％〜２０重量％とする。

有機酸としては、オキシ二酢酸Ｏ（ＣＨ_２ＣＯＯＨ）_２とアジピン酸ＨＣＯＯＨ（ＣＨ_２）_４ＣＯＯＨとジメチロールプロピオン酸Ｃ_５Ｈ_１０Ｏ_４と琥珀酸Ｃ_４Ｈ_６Ｏ_４とクエン酸Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７とが例示される。オキシ二酢酸Ｏ（ＣＨ_２ＣＯＯＨ）_２のＣＡＳ番号は、１１０−９９−６である。アジピン酸ＨＣＯＯＨ（ＣＨ_２）_４ＣＯＯＨのＣＡＳ番号は、１２４−０４−９である。ジメチロールプロピオン酸Ｃ_５Ｈ_１０Ｏ_４のＣＡＳ番号は、４７６７−０３−７である。琥珀酸Ｃ_４Ｈ_６Ｏ_４のＣＡＳ番号は、１１０−１５−６である。クエン酸Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７のＣＡＳ番号は、７７−９２−９である。

はんだ付け用フラックス５の増粘剤は、溶剤と有機酸とアミンとの混合物が所定の粘度を有するように、添加される。なお、はんだ付け用フラックス５は、その溶剤と有機酸とアミンとの混合物が所定の粘度を有しているときに、その増粘剤が含有される必要がなく、その増粘剤の添加を省略することもできる。

はんだ付け用フラックス５の界面活性剤は、溶剤と有機酸とアミンとが十分に混合するように、添加されるが、その界面活性剤の添加を省略することもできる。

次に、図１０および図１１を用いて本発明の効果を説明する。
図１０は、はんだバンプ７の表面に存在するSnに対するCuの量と半導体装置１０の良品率との関係を示している。図１０の横軸は、TOF-SIMSにより測定したはんだバンプ７の表面での、単位体積あたりのSn原子の数に対するCu原子の数の比率を示している。また、図１０の縦軸ははんだバンプ７の電気的検査の項目の中の導通検査における良品の割合を示している。図１０から、はんだバンプ７の表面に存在するCuの量が大きいほど半導体装置１０が良品に判別される確率が大きいことを示している。つまり、はんだバンプ７の表面に存在するSuに対するCuの存在量が大きくなると、表層部２３の導電性が向上することを示している。図１０から、単位体積あたりのSn原子の数に対するCu原子の数の比率が０．０１を超えると良品率が顕著に向上しているのが分る。さらに、原子の数の比率が０．０１５以上ではほぼ１００％の良品率になることがわかる。

本発明では、はんだバンプ７の表層部２３における単位体積あたりのSn原子の数に対するCu原子の数の比率が０．０１より大きい、好ましくは０．０１５以上であると規定しているため、表層部２３の導電性を向上させることができ、はんだバンプ７とコンタクトピン１１との接触抵抗を低減できる。そのため、導通検査において、コンタクトピン１１とはんだバンプ７との電気的な接触不良により誤って不良と判断される可能性を大幅に抑制することが可能と成る。

なお、図１０では、Cuの場合を示したが、Ni、Au、Agについても同様の傾向が得られた。すなわち、単位体積あたりのSn原子の数に対するNi、AuまたはAg原子の数の比率が０．０１を超えると、良品率が顕著に向上し、比率が０．０１５以上でほぼ１００％の良品率になった。

図１１は、はんだバンプ７の表面に存在するSnに対するSiの量と半導体装置１０の良品率との関係を示している。図１１の横軸は、TOF-SIMSにより測定したはんだバンプ７の表面での、単位体積あたりのSn原子の数に対するSi原子の数の比率を示している。また、図１１の縦軸は、導通検査において、一度不良品であると判定された半導体装置１０に対して、再度導通検査を行った場合に良品となった割合を示している。つまり、この縦軸が高いことは、本来不良品でなかったにも関わらず、最初の導通検査において不良品であると判定された、比率が高いことを示している。図１１から、単位体積あたりのSn原子の数に対するSi原子の数の比率が少ないほど、誤判定が少ないことを示している。特に、単位体積あたりのSn原子の数に対するSi原子の数の比率が０．０１未満であると、誤判定は顕著に減少する。全く同じ傾向がCにおいても得られた。はんだバンプ７表面におけるSiやCを含む物質としては、ソルダーレジスト３に由来する絶縁体、例えば、有機シリコン、アクリル、エポキシやポリジメチルシロキサン等の有機化合物が考えられる。

本発明では、はんだ付け用フラックス５の溶剤はこれらソルダーレジスト３に由来する絶縁体を溶解し除去することができるため、SiやCを含む物質による誤判定を抑制することができる。

さらに、本発明では、はんだバンプ７の表層部２３における単位体積あたりのSn原子の数に対するSiまたはC原子の数の比率が０．０１未満としているため、このような誤判定は顕著に抑制される。

なお、以上の説明では、はんだバンプ７の基材の主成分をSnとしたが、Sn以外の金属でも構わない。また、はんだバンプ７の基材がSnとSn以外の金属とで構成されていても構わない。

１ ：配線基板
２ ：電極
３ ：ソルダーレジスト
５ ：はんだ付け用フラックス
６ ：はんだボール
７ ：はんだバンプ
８ ：フラックスの層
１０：半導体装置
１１：コンタクトピン
２１：基材
２２：酸化物層
２３：表層部
２４：第１酸化物層
２５：第２酸化物層
２９：基材部

Claims (9)

1. 半導体チップが搭載された配線基板と、
   前記配線基板の表面に形成された電極と、
   前記電極上に形成されたはんだバンプと、を有し、
   前記はんだバンプは、基材部と、前記基材部を覆う表層部とを有し、
   前記表層部は、Cu、Ni、Au、Agのいずれかの導電性金属とSnとを少なくとも含有し、単位体積あたりのSn原子の数に対する前記導電性金属の原子の数の比率が０．０１より大きく、
   前記表層部は、さらに、SiまたはCを含有し、単位体積あたりのSn原子の数に対するSiまたはCの原子の数の比率が０．０１より小さい
   半導体装置。
2. 前記比率は０．０１５以上である
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記表層部の層厚は、６ｎｍ以下である
   請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記導電性金属の原子の数の比率は、TOF-SIMS法により測定された値である
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記SiまたはCの原子の数の比率は、TOF−SIMS法により測定された値である
   請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記はんだバンプは、前記半導体チップが搭載された面と反対側の前記配線基板の面に形成される
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記はんだバンプは、外部接続端子である
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記導電性金属の一部が、アミンにより配位されている
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記基材部は、Snを含有する
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。

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