專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)，尤其涉及使用貫穿半導(dǎo)體芯片間的電極 來進(jìn)行上下間的半導(dǎo)體芯片、布線襯底的電連接的層疊方法以及使用了該層疊方法的半導(dǎo) 體器件、電氣設(shè)備。另外，本發(fā)明還涉及一種有效應(yīng)用于層疊了安裝有半導(dǎo)體芯片的布線襯 底的半導(dǎo)體器件、電子器件的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，在便攜電話、數(shù)碼相機(jī)等電子設(shè)備中，電子設(shè)備的高性能化、小型輕型化 非常重要，作為用于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的電子器件，需要高性能、小型、薄型的電子器件。因此，由 安裝電子器件的半導(dǎo)體芯片的大規(guī)模集成電路(LSI)的精細(xì)化所引起的高密度化、和作為 封裝的結(jié)構(gòu)而采用SiP (System in Package 系統(tǒng)封裝)技術(shù)所帶來的高密度化正逐漸發(fā) 展起來。但是，為了使LSI更加精細(xì)化，必須更新LSI生產(chǎn)線，需要巨額的設(shè)備投資。另外， 由于精細(xì)化，漏電流等問題也變得顯著，還出現(xiàn)了性能提高度偏離理論值的情況。SiP的結(jié)構(gòu)是在被稱為中介層襯底等的中間襯底上安裝多個LSI并用樹脂密封的 結(jié)構(gòu)，芯片電極和中介層襯底電極之間大多使用Au線等通過引線接合進(jìn)行連接。引線的 轉(zhuǎn)動自由度高，因此引線接合對電連接是有效的。作為能減少安裝面積的方法，使安裝在 中介層襯底的正上方的芯片的有源元件面朝向中介層襯底一側(cè)，利用Au凸塊、焊錫凸塊、 ACF (Anisotropic conductive film:異方性導(dǎo)電膜)等倒裝式連接芯片的情況正不斷增 加。因此，為了使該SiP結(jié)構(gòu)的電子器件更加高密度化、小型化，需要進(jìn)行芯片和襯底 的薄型化、電極的窄間距化等，但是由于主要由有機(jī)襯底構(gòu)成的中間襯底的制造極限、Au線 等的引線細(xì)線化極限、精細(xì)區(qū)域的引線接合可靠性等而難以實(shí)現(xiàn)。并且，在面向便攜設(shè)備的 電子器件中，對低功耗的要求變得嚴(yán)格。在SiP結(jié)構(gòu)中，由于從各芯片經(jīng)由中間襯底連接一 次，從而出現(xiàn)布線長度長、難以進(jìn)行高速傳送、且功耗也變大的問題。如上所述，上述由LSI精細(xì)化引起的高密度化和采用SiP技術(shù)引起的高密度化的 對策已經(jīng)不足以應(yīng)對日益發(fā)展的高性能化、小型化、進(jìn)而低功耗化的要求。因此，三維LSI作為解決上述問題的一個方法而受到關(guān)注。該三維LSI使用貫通 芯片的電極進(jìn)行上下間的芯片、襯底的電連接，能夠縮短布線長度，因此對高速傳送、低功 耗化是有效的。并且，安裝面積也變小，對小型化也是有利的。因此，為了進(jìn)行上下間的層 疊連接，提出有各種方式(例如專利文獻(xiàn)1 3)。在專利文獻(xiàn)1中記載有半導(dǎo)體芯片的疊加方法。在確定了多個芯片安裝區(qū)域的半 導(dǎo)體襯底的各芯片安裝位置處疊加芯片。然后，用密封材料封裝所堆疊的芯片。之后，在芯 片安裝區(qū)域外側(cè)的所確定的位置切斷半導(dǎo)體襯底，分離成多個半導(dǎo)體器件。在專利文獻(xiàn)2中記載有襯底層疊方法。提供一種在層疊襯底時能夠抑制襯底的彎 曲、并易于處理襯底的襯底層疊方法，是一種在襯底間連接之后，從背面切削至貫通電極露出的薄型化方法。在專利文獻(xiàn)3中記載有降低接合溫度進(jìn)行連接的方法。其為如下的方法經(jīng)由包 括銅-銦合金的中間層使用由銦構(gòu)成的導(dǎo)體而與導(dǎo)體層連接，其能夠利用Sn-3. 5Ag等焊料 合金凸塊而設(shè)定較低的接合溫度。專利文獻(xiàn)1日本特開2005-51150號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2008-135553號公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開2007-234841號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述那樣的三維LSI中，隨著為了將芯片、襯底高密度化而將其薄型化， 容易產(chǎn)生彎曲，使處理難以進(jìn)行。并且，也難以將這些具有彎曲的部件正確地對準(zhǔn)位置進(jìn)行 連接。另外，若連接時變?yōu)楦邷?，則有時會由于連接部件之間的材料物理性能的不同而 導(dǎo)致彎曲量的差別變大。因此，優(yōu)選的是連接時的溫度不為高溫。例如，使用Sn-Ag類焊料 等的熔點(diǎn)為220°C前后的材料的情況下，連接部受限于材料的凝固溫度(熔點(diǎn))，由于冷卻 至室溫為止的材料收縮量的不同而造成應(yīng)力殘余在連接部，需要針對連接部的長期的可靠 性而減少該殘余應(yīng)力量。因此，在低溫連接的方法是有效的。特別是在襯底/芯片間的連 接中，由于襯底的半導(dǎo)體芯片間的熱膨脹系數(shù)差較大而使連接部的殘余應(yīng)力變大，因此若 能夠在襯底的玻化溫度以下固化連接部，則能夠使殘余應(yīng)力大幅降低。因此，提出有使用上述專利文獻(xiàn)3所示的銦等金屬進(jìn)行連接的方式。但是，為了層疊芯片、襯底而提供高密度的半導(dǎo)體封裝，需要每層疊連接一次芯片 等時就加熱一次的工序，連接部被加熱熔化多次。因此，開始連接的部分之后再被加熱，可 能會產(chǎn)生熔化脫落的問題。從而，需要預(yù)先準(zhǔn)備好開始連接的部分之后被加熱也不產(chǎn)生問 題的連接部。另外，特別是在層疊連接薄芯片的工序中，需要以低負(fù)荷進(jìn)行層疊連接來避免產(chǎn) 生對芯片的損壞。如上所述，為了層疊薄芯片、襯底而實(shí)現(xiàn)具有高性能、可高速傳送的高可靠半導(dǎo)體 封裝(半導(dǎo)體器件)，本發(fā)明的目的在于，提供一種能在低溫、低負(fù)荷下可靠連接，連接部即 使在層疊工藝、其后的安裝工藝等中被加熱也能夠保持形狀的連接方法、連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的上述目的、其他目的以及新特征將會從本說明書的記載和附圖中得到明確。簡單說明本申請所公開的發(fā)明中具有代表性的技術(shù)方案的概要如下。(1) 一種半導(dǎo)體器件，層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了搭載有半導(dǎo)體芯片的布線襯底， 其特征在于所層疊的上述半導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的電極間的連接結(jié)構(gòu)，包括以Cu 為主要成分的一對電極；和夾在上述電極間的、基于Sn-In類合金的焊料層，在上述焊料層 中分散有Sn-Cu-Ni化合物。(2) 一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該半導(dǎo)體器件層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了搭載 有半導(dǎo)體芯片的布線襯底，該半導(dǎo)體器件的制造方法的特征在于，包括在要層疊的上述半 導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的表面上形成以Cu為主要成分的電極的工序；向上述電極之間提供由使Ni粒子分散的Sn-In類合金形成的焊料的工序；以及對上述電極之間進(jìn)行加熱， 使Sn-Cu-Ni化合物分散在上述焊料中的工序。(3) 一種半導(dǎo)體器件，層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了搭載有半導(dǎo)體芯片的布線襯底， 其特征在于所層疊的上述半導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的電極間的連接結(jié)構(gòu)，包括以Cu 為主要成分的一對電極；和夾在上述電極間的、由Sn-In類合金形成的焊料層，在上述焊料 層中分散有具有兩種粒徑分布的Sn-Cu-Ni化合物。(4) 一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該半導(dǎo)體器件層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了搭載 有半導(dǎo)體芯片的布線襯底，該半導(dǎo)體器件的制造方法的特征在于，包括在要層疊的上述半 導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的表面上形成以Cu為主要成分的電極的工序；向上述電極之間 提供由使具有兩種粒徑分布的Ni粒子分散的Sn-In類合金形成的焊料的工序；以及對上述 電極之間進(jìn)行加熱，使Sn-Cu-Ni化合物分散在上述焊料中的工序。(5) 一種焊料，用于制造層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了搭載有半導(dǎo)體芯片的布線 襯底的半導(dǎo)體器件，該焊料的特征在于，包括焊料粉末和粒子，焊料粉末由Sn-In、Sn-Bi, Sn-Bi-In中的一種組成，或進(jìn)而在這些基礎(chǔ)上添加Ag、Ge、Cu、Al、Fe、Pt、P中的至少一種 以上，粒子使用Ni、Al、Fe、Ge、Ag、Pt，可由單質(zhì)含有這些粒子或組合多個材料而含有這些 粒子。(6) 一種半導(dǎo)體芯片或布線襯底的層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于，為了使該層疊結(jié)構(gòu)能夠 經(jīng)受再加熱，使電極間的連接部的高度為50 μ m以下，進(jìn)而優(yōu)選的是連接部的高度為30μπι 以下。另外，優(yōu)選的是有以下結(jié)構(gòu)在該連接部中所析出的化合物與上下電極相鄰的界面上 生成的化合物層相接觸。簡單說明由本申請所公開的發(fā)明中具有代表性的技術(shù)方案所得到的效果如下。為了利用Sn-In類合金進(jìn)行連接，在Sn-In類合金中，在Sn-52maSS% In的情況下 其熔點(diǎn)能夠低至120°C，因此能夠進(jìn)行低溫連接，減少彎曲所產(chǎn)生的問題，能夠使連接成品
率提高。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的第一連接結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示用于實(shí)現(xiàn)圖1所示的第一連接結(jié)構(gòu)的前階段的結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示作為用于實(shí)現(xiàn)圖1所示的第一連接結(jié)構(gòu)的前階段的結(jié)構(gòu)的其他例子的 圖。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的第二連接結(jié)構(gòu)的圖。圖5是表示用于實(shí)現(xiàn)圖4所示的第二連接結(jié)構(gòu)的前階段的結(jié)構(gòu)的圖。圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的第三連接結(jié)構(gòu)的圖。圖7是表示用于實(shí)現(xiàn)圖6所示的第三連接結(jié)構(gòu)的前階段的結(jié)構(gòu)的圖。圖8是表示在本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體器件的制造方法中Si晶片和半導(dǎo)體 芯片的配置的圖。圖9是表示使用了圖8的Si晶片的半導(dǎo)體芯片的形成方法的圖。圖10是表示圖9所示的半導(dǎo)體芯片的層疊連接方法和半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖。圖11是接著圖10、表示半導(dǎo)體芯片的層疊連接方法和半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖。
圖12是表示層疊連接圖9到圖11所示的半導(dǎo)體芯片時的連接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)變化的 圖。圖13是表示本發(fā)明實(shí)施方式3的半導(dǎo)體器件的制造方法中半導(dǎo)體芯片的層疊連 接方法和半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖。圖14是表示接著圖13、表示半導(dǎo)體芯片的層疊連接方法和半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的 圖。圖15是表示作為本發(fā)明的實(shí)施方式4將具有Cu接線柱的半導(dǎo)體芯片連接到有機(jī) 襯底上的方法的圖。圖16是表示作為使用了本發(fā)明實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu)的其他的連接方式，將半導(dǎo) 體封裝層疊連接為3級的結(jié)構(gòu)的圖。標(biāo)號說明
1連接結(jié)構(gòu)(第一)
2電極
3電極
4Sn-Cu-Ni化合物(界面)
5焊料層
6Sn-Cu-Ni化合物(焊料中)
7Sn-In焊料粉末
8Ni粒子
9有機(jī)成分
10焊錫膏
IlNi 核
12Sn-In 層
13連接結(jié)構(gòu)(第二)
HSn-Cu-Ni化合物(大粒徑)
15Sn-Cu-Ni化合物(小粒徑)
16焊錫膏(添加具有兩種粒徑分布的M粒子)
17Ν 粒子(粒徑5 20 μ m)
18Ni粒子(粒徑0. 1 5 μ m)
19Ni (具有凸起形狀)
20焊錫膏(包括具有凸起的Ni粒子)
2ISn-Cu-Ni化合物(具有凸起的形狀)
22連接結(jié)構(gòu)(第三)
31Si晶片
32半導(dǎo)體芯片
33焊錫凸塊
34有源元件面(Si晶片)
35凹部
36導(dǎo)電零件
37焊錫膏(混合Sn-In焊料粉末、Ni粒子以及有機(jī)成分)38金屬掩模40電極(背面)41邊界線42熱壓接裝置的載物臺43填充樹脂44層疊連接的半導(dǎo)體芯片45有機(jī)襯底46 電極47焊錫球(外部端子用)48半導(dǎo)體器件49底部填充樹脂50半導(dǎo)體器件5ICu 接線柱52半導(dǎo)體芯片53有機(jī)襯底54 電極55焊錫膏(混合Sn-Bi焊料粉末、Ni粒子以及有機(jī)成分)56連接結(jié)構(gòu)體61 襯底62半導(dǎo)體芯片63半導(dǎo)體封裝64通孔電極65連接結(jié)構(gòu)66填充樹脂67焊錫球
具體實(shí)施例方式以下，根據(jù)附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。另外，在用于說明實(shí)施方式的 所有附圖中，原則上對相同的部件標(biāo)以相同的符號，省略其反復(fù)的說明?！秾?shí)施方式1》使用圖1對本發(fā)明實(shí)施方式1中的第一連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。在本實(shí)施方式中，以 層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了安裝有半導(dǎo)體芯片的布線襯底的半導(dǎo)體器件為例，對層疊后的 半導(dǎo)體芯片或布線襯底的電極間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖1所示的第一連接結(jié)構(gòu)1包括所層疊的下側(cè)的半導(dǎo)體芯片或布線襯底的電極 2 ；所層疊的上側(cè)的半導(dǎo)體芯片或布線襯底的電極3 ；以及被夾在這對電極2、3之間的焊料 層5。在該第一連接結(jié)構(gòu)1中，在一對電極2、3的界面上析出Sn-Cu-Ni化合物4，并且，在 焊料層5的內(nèi)部分散有Sn-Cu-Ni化合物6。電極2、3由Cu或以Cu為主要成分的材料構(gòu)成。此時的電極2和電極3之間的間隔(連接部的高度)dl為50 μ m以下，優(yōu)選為30 μ m以下。焊料層5由Sn-In類合金的焊 料構(gòu)成。另外，更優(yōu)選的是，在焊料層5內(nèi)部所形成的Sn-Cu-Ni化合物6與在某一個電極 界面所形成的Sn-Cu-Ni化合物4相接觸，進(jìn)而更優(yōu)選的是，該Sn-Cu-Ni化合物6與在兩個 電極界面所形成的Sn-Cu-Ni化合物4相接觸。圖2示出用于實(shí)現(xiàn)圖1所示的第一連接結(jié)構(gòu)1的前階段的結(jié)構(gòu)。圖2示出如下的 狀態(tài)向使用Cu的電極2、3之間提供焊錫膏10，該焊錫膏10利用使M粒子分散的Sn-In 類合金，具體而言混合了 Sn-In焊料粉末7、Ni粒子8以及有機(jī)成分9，通過加熱該焊錫膏 10，從Sn-In焊料粉末7提供Sn，從Ni粒子8提供Ni，如圖1所示，在使用Cu的電極2、3 的界面上析出Sn-Cu-Ni化合物4。另外，在焊錫膏10的內(nèi)部以添加的M粒子8為核，通過 與來自電極2、3的Cu和Sn-In焊料粉末7中的Sn反應(yīng)而析出Sn-Cu-Ni化合物6，變成圖 1所示那樣的結(jié)構(gòu)。為了提高焊料的浸潤性，有機(jī)成分9除了有機(jī)溶劑以外，還可以含有酸、有機(jī)酸等 具有活性的助焊劑成分。若能在連接后的處理中清洗，則這些焊錫膏10還可以含有活性強(qiáng) 的鹵成分。但是，為了應(yīng)對無清洗處理，殘余的助焊劑沒有腐蝕性是很重要的，故低鹵、無鹵 的助焊劑很重要。另外，在加熱后的殘余助焊劑成為問題的情況下，取為有機(jī)溶劑易揮發(fā)、 固體成分少的有機(jī)成分9。為了提高連接后的強(qiáng)度，若使用包括加熱時固化的樹脂成分的有 機(jī)成分9，則能夠使用樹脂覆蓋連接結(jié)構(gòu)周圍，能夠提高連接強(qiáng)度。向電極2、3提供焊錫膏10的方法，使用分配器提供、印刷方式、以及浸入方式等進(jìn) 行提供。在難以少量提供焊料量的情況下，為了形成較薄的焊料層5，以下方法在一定程度 上是可行的通過增加焊錫膏10中的有機(jī)成分9的比例來調(diào)整加熱后殘余的焊料量。在圖3中示出作為用于實(shí)現(xiàn)圖1所示的第一連接結(jié)構(gòu)1的前階段的結(jié)構(gòu)的其他例 子。圖3中，在焊錫膏10中包括用Sn-In層12包覆了 Ni核11的焊料粒子。除此之外，還 包括Sn-In焊料粉末7和有機(jī)成分9，通過加熱這些物質(zhì)，從電極2、3提供Cu，在Ni核11的 周圍形成化合物，如圖1所示，在Sn-In類合金的焊料層5中析出Sn-Cu-Ni化合物6。圖3 所示方式的優(yōu)點(diǎn)在于，由于Ni核11預(yù)先被包覆，因此原本浸潤性不太好的Ni的浸潤性問 題被減小。另外，在圖2和圖3中，向電極2、3之間提供焊錫膏10，一次性加熱形成圖1的連 接結(jié)構(gòu)1，但也可以通過向一對電極2、3中的一個電極提供焊錫膏并加熱，然后，對準(zhǔn)另一 個電極加熱來形成圖1的連接結(jié)構(gòu)。在這種情況下，接合另一個電極時的焊錫性會成為問 題，但能夠通過噴涂、旋涂、分配器等方法另外添加助焊劑成分等而得到解決。由于焊料層5的厚度限制，對于Sn-In焊料粉末7、Ni粒子8的大小而言，Sn-In 焊料粉末為30 μ m以下，優(yōu)選為15 μ m以下，Ni粒子8為20 μ m以下。作為本發(fā)明實(shí)施方式1中的其他的連接結(jié)構(gòu)，在圖4中示出形成了具有兩種粒徑 分布的Sn-Cu-Ni化合物的第二連接結(jié)構(gòu)13。即，第二連接結(jié)構(gòu)13為以下結(jié)構(gòu)在使用Cu 的電極2、3界面上形成Sn-Cu-Ni化合物4，在Sn-In類合金的焊料層5中形成有大粒徑的 Sn-Cu-Ni化合物14和小粒徑的Sn-Cu-Ni化合物15。在圖5中示出用于實(shí)現(xiàn)該第二連接結(jié)構(gòu)13的前階段的結(jié)構(gòu)。圖5表示加熱前的情 況，處于向電極2、3之間提供了焊錫膏16的狀態(tài)，該焊錫膏16利用使具有兩種粒徑分布的 Ni粒子分散的Sn-In類合金，具體而言，包括5 20 μ m的Ni粒子17和0. 1 μ m 5 μ m的Ni粒子18，此外還包括Sn-In焊料粉末7和有機(jī)成分9。大粒徑的Ni粒子17與Cu、Sn形 成化合物后體積增加，成為圖4中的Sn-Cu-Ni化合物14，通過其后的加熱也有助于連接結(jié) 構(gòu)13能夠穩(wěn)定化。另一方面，精細(xì)的Ni粒子18在加熱后變成圖4中的小粒徑的Sn-Cu-Ni 化合物15，由于表面積比例變大因而有助于提高反應(yīng)性。另外，作為其他的效果，例如在熱 壓接連接處理等中使熱壓頭下降時，由粒徑大的Ni粒子17所形成的大粒徑的Sn-Cu-Ni化 合物14對穩(wěn)定地確定連接部的高度d2是有效的。對于以上說明的第一連接結(jié)構(gòu)1和第二連接結(jié)構(gòu)13中的焊錫膏的成分，除了 Sn-In焊料粉末以外，還可以應(yīng)用Sn-Bi、Sn-Bi-In、進(jìn)而在這些基礎(chǔ)上添加Ag、Ge、Cu、Al、 Fe、Pt、P中的至少一種以上的焊料粉末。作為Ni粒子以外的成分，有Al、Fe、Ge、Ag、Pt，這 些粒子可以作為單質(zhì)包含在焊錫膏中，即使組合多種材料而含有這些粒子也具有效果。但 是，在上述焊料粉末成分中熔化上述粒子成分形成合金以后，即使將其粉末化也不具有效 果?；蛘撸词棺龀煞磻?yīng)后成為金屬的有機(jī)成分進(jìn)行添加也不具有效果。即，作為金屬粒子 添加到焊錫膏中，以此為核使之反應(yīng)，在連接結(jié)構(gòu)中析出Sn-Cu-Ni化合物是很重要的。在圖6中示出作為本發(fā)明實(shí)施方式1中的其他的連接結(jié)構(gòu)的第三連接結(jié)構(gòu)22。在 圖7中示出用于實(shí)現(xiàn)該第三連接結(jié)構(gòu)22的前階段的結(jié)構(gòu)。如圖7所示，第三連接結(jié)構(gòu)22 使用了添加具有凸起形狀的M 19的焊錫膏20，加熱后如圖6所示，成為具有凸起形狀的 Sn-Cu-Ni化合物21卡在電極2、3界面上所形成的Sn-Cu-Ni化合物4上的狀態(tài)，能夠增加 防止之后再加熱時焊料層5發(fā)生移動的效果?！秾?shí)施方式2》作為本發(fā)明的實(shí)施方式2，使用圖8至圖12對使用了上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu) 的半導(dǎo)體器件的制造方法進(jìn)行說明。該半導(dǎo)體器件的規(guī)格為具有以下結(jié)構(gòu)在中間襯底上 層疊4層半導(dǎo)體芯片，在中間襯底的背面裝配用于安裝在主板上的焊錫凸塊。圖8是表示Si晶片和半導(dǎo)體芯片的配置的圖。圖9是表示使用了圖8的Si晶片 的半導(dǎo)體芯片的形成方法的圖。圖10和圖11是表示圖9所示的半導(dǎo)體芯片的層疊連接方 法和半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖。圖12是表示層疊連接圖9至圖11所示的半導(dǎo)體芯片時的連 接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)變化的圖。為了制造該半導(dǎo)體器件，首先，如圖8的(1)所示在Si晶片31上形成電路。這是 切割成各半導(dǎo)體芯片32 (沿著各半導(dǎo)體芯片32的邊界線41進(jìn)行切割)之前的狀態(tài)，如圖 8的(2)所示，在每個半導(dǎo)體芯片32的芯片區(qū)域周圍配置的貫通電極中，具有焊錫凸塊33。在圖9中表示具有該焊錫凸塊33的半導(dǎo)體芯片32的形成方法。(1)使用形成了 有源元件面34的Si晶片31，(2)在Si晶片31的有源元件面34形成凹部35，向此凹部35 中填充導(dǎo)電部件36之后，(3)使用金屬掩模38通過印刷向各貫通電極提供混合了 Sn-In 焊料粉末、M粒子以及有機(jī)成分的焊錫膏37，并進(jìn)行加熱，(4)形成了焊錫凸塊33。之后， (5)通過研磨圖8的Si晶片31的形成有焊錫凸塊33的有源元件面34的背面，使凹部35 內(nèi)的導(dǎo)電部件36在背面露出而做成背面的電極40。由此，貫通Si晶片31的上下面。在凹 部35內(nèi)填充的導(dǎo)電部件36使用Cu。接著，(6)通過切塊來切斷各半導(dǎo)體芯片32的邊界線 41，得到單片的半導(dǎo)體芯片32。在圖10和圖11中示出半導(dǎo)體芯片32完成后的工序。(1)將形成了焊錫凸塊33 的半導(dǎo)體芯片32安裝在熱壓接裝置的載物臺42上，(2)將第二層半導(dǎo)體芯片32對準(zhǔn)位置進(jìn)行安裝，并加熱，從而(3)使第一層半導(dǎo)體芯片32和第二層半導(dǎo)體芯片32的上下間電極 層疊連接。(4)反復(fù)實(shí)施這樣的貫通電極間的層疊連接，層疊4層的半導(dǎo)體芯片(44)，(5) 反轉(zhuǎn)像這樣層疊連接的半導(dǎo)體芯片44而對準(zhǔn)有機(jī)襯底45的電極46，通過加熱進(jìn)行連接。 之后，(6)在有機(jī)襯底45的背面裝配外部端子用的焊錫球47，將有機(jī)襯底45切割為各個單 片，完成半導(dǎo)體器件48。在此，在圖12中示出層疊連接半導(dǎo)體芯片時的連接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)變化。在圖12中， 示出在上述實(shí)施方式1中使用圖1和圖2說明的第一連接結(jié)構(gòu)的例子。圖12的(1)表示以下的狀態(tài)使用金屬掩模38通過印刷向由導(dǎo)電部件36形成的 貫通電極上提供混合了 Sn-In焊料粉末7、Ni粒子8以及有機(jī)成分9的焊錫膏37，其中該 導(dǎo)電元件36由在形成于Si晶片31上的凹部35中填充的Cu構(gòu)成。接著，圖12的⑵表示取下金屬掩模38，加熱到Sn-In焊料粉末7的熔點(diǎn)即120°C 以上的溫度例如145°C的情況。由此，在使用Cu的貫通電極(導(dǎo)電部件36)與Sn-In類合 金的焊料層5的界面上發(fā)現(xiàn)了 Sn-Cu-Ni化合物4，并且，在焊料層5的內(nèi)部也分散著以添加 的Ni粒子8為核所形成的Sn-Cu-Ni化合物6。這些物質(zhì)成為焊錫凸塊33的成分。接著，對于此結(jié)構(gòu)的形成有焊錫凸塊33的半導(dǎo)體芯片，在該半導(dǎo)體芯片的焊錫凸 塊33的上部連接其他的半導(dǎo)體芯片的由Cu形成的貫通電極，如圖12的(3)所示，成為在 Sn-In類合金的焊料層5中分散著Sn-Cu-Ni化合物6的結(jié)構(gòu)。另外，在與由Cu形成的貫通 電極的界面上發(fā)現(xiàn)了 Sn-Cu-Ni化合物4。說明能夠使用具有這樣的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行層疊連接的理由。首先，在Sn-In類合金 的焊料層5中分散著的Sn-Cu-Ni化合物6的熔點(diǎn)高，因此，該Sn-Cu-Ni化合物6即使在之 后的再加熱工序中也不會熔化。并且，通過使基于焊料層5的連接高度變薄，在此連接高度 中局部形成Sn-Cu-Ni化合物6所占比例較高的部分，即使焊料層5的部分再熔化，連接部 也不會斷裂。因此，能夠進(jìn)行層疊連接。但是，更有效的是，能夠通過樹脂密封整體，謀求提高基于粘結(jié)材料的強(qiáng)度，可靠 地防止斷裂。該結(jié)構(gòu)能夠通過使用倒裝焊接機(jī)等接合設(shè)備進(jìn)行熱壓接工序?qū)崿F(xiàn)。在熱壓接工序 中能夠通過加壓縮短被連接部之間的距離，因此能夠?qū)⑺纬傻腟n-Cu-Ni化合物壓至到 達(dá)電極的上下面，能夠形成在熔化時更穩(wěn)定的連接部。即使是回流爐等不加壓的設(shè)備，也能 夠通過使焊料量最佳化來形成熔化時穩(wěn)定的連接部。通過上述那樣的工序，能夠得到層疊有半導(dǎo)體芯片32的半導(dǎo)體器件48。該半導(dǎo)體 器件48的特征為使用了 Sn-In類合金的焊料層5，因此能夠低溫接合，并能夠減少殘余在 連接部的應(yīng)力。特別是有機(jī)襯底(FR4、FR5)的玻化溫度分別為120°C、15(TC左右，由于焊料 在?；瘻囟纫韵鹿袒?，因此與熔點(diǎn)為220°C附近的Sn-Ag類、熔點(diǎn)為280°C附近的Sn-Au類 相比，其殘余應(yīng)力變小，連接部形成的成品率提高，并且具有優(yōu)越的長期可靠性的結(jié)構(gòu)?！秾?shí)施方式3》 作為本發(fā)明的實(shí)施方式3，使用圖13和圖14對使用了上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu) 的其他的半導(dǎo)體器件的制造方法進(jìn)行說明。在上述實(shí)施方式2中，在Si晶片上一并形成焊 錫凸塊，并切割成片，然后使用單片的半導(dǎo)體芯片32，將該半導(dǎo)體芯片32的有源元件面34 作為上側(cè)進(jìn)行層疊，最后集中連接在有機(jī)襯底45上。但是，并不限于此方法。
在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的制造方法中，作為半導(dǎo)體芯片的層疊連接方法和半 導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，例如，圖13和圖14表示將半導(dǎo)體芯片32的有源元件面34作為下側(cè)而連 接在有機(jī)襯底45上的例子。首先，(1)將半導(dǎo)體芯片32的有源元件面34朝向有機(jī)襯底45 —側(cè)，對準(zhǔn)有機(jī)襯 底45上的電極46進(jìn)行熱壓接。該有機(jī)襯底45不是對應(yīng)一個半導(dǎo)體芯片、而是對應(yīng)多個半 導(dǎo)體芯片的有機(jī)襯底，最終切割成各個區(qū)域。接著，(2)對其加熱，將第一層半導(dǎo)體芯片32 連接到有機(jī)襯底45上。然后，(3)為提高連接部的可靠性，在半導(dǎo)體芯片32和有機(jī)襯底45 的間隙中注入底部填充樹脂49，使之固化。接著，(4)將有機(jī)襯底45再次返回到熱壓接裝 置的載物臺42上，使第二層半導(dǎo)體芯片32對準(zhǔn)而進(jìn)行熱壓接。反復(fù)進(jìn)行該操作，(5)在有 機(jī)襯底45上層疊了 4層半導(dǎo)體芯片32。接著，(6)向有機(jī)襯底45上所需部分整體注入填 充樹脂43并封裝，(7)裝配外部端子用的焊錫球47，⑶切割成各半導(dǎo)體器件50。在此，關(guān)于保護(hù)連接部周圍的底部填充樹脂49，在圖13和圖14的例子中，只保護(hù) 連接于有機(jī)襯底45的半導(dǎo)體芯片32的連接部。這是考慮到了以下情況在第一層的半導(dǎo) 體芯片32中，由于有機(jī)襯底45和半導(dǎo)體芯片32的熱膨脹系數(shù)的差而導(dǎo)致應(yīng)力大，但是第 一層以后，例如在第二層和第三層中，由于變?yōu)镾i晶片彼此的連接，因此熱膨脹系數(shù)差變 小，不太需要保護(hù)連接部，但也可以分別使用底部填充樹脂?；蛘撸部梢宰龀烧婵諝夥斩?一并密封底部填充樹脂。另外，此時，也可以通過在熱壓接處理之前使用分配器等提供樹脂 進(jìn)行熱壓接，從而使用該樹脂固化那樣的先涂敷樹脂?！秾?shí)施方式4》作為本發(fā)明的實(shí)施方式4，使用圖15，說明將上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu)用于其他 連接方式的例子。圖15是表示將具有Cu接線柱51的半導(dǎo)體芯片52連接在有機(jī)襯底53 上的方法的例子。首先，(1)向有機(jī)襯底53上的由Cu形成的電極54提供混合了 Sn-Bi焊料粉末、 Ni粒子以及有機(jī)成分的焊錫膏55。(2)使其對準(zhǔn)形成了 Cu接線柱51的半導(dǎo)體芯片52，然 后通過熱壓接工序進(jìn)行連接，(3)得到所期待的連接結(jié)構(gòu)體56。此時，使用包括Sn-Bi焊料 粉末的焊錫膏55，因此連接溫度設(shè)為170°C，保證了可靠的浸潤性。另外，該連接結(jié)構(gòu)體56 在其后的工序中要經(jīng)過以下的工序其他的半導(dǎo)體芯片和有機(jī)襯底53之間的絲焊連接；有 機(jī)襯底53背面的外部端子用的焊錫球的裝配；安裝到主板上等，通過在焊料連接部中析出 以Ni粒子為核而生成的Sn-Cu-Ni化合物，在其后的工序中不產(chǎn)生剝離等問題。如上所述，可知通過采用上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu)，能夠低溫加熱，減少應(yīng)力， 并且能夠承受層疊連接。以上，根據(jù)實(shí)施方式具體說明了由本發(fā)明人完成的發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí) 施方式，當(dāng)然，在不超出其要旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變更。例如，作為使用了上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu)的其他連接方式，也能夠應(yīng)用于CoC 連接等半導(dǎo)體芯片/半導(dǎo)體芯片間的連接、封裝結(jié)構(gòu)的層疊連接、PoP連接等，對提高可靠 性是有效的。其中，圖16表示封裝結(jié)構(gòu)的層疊連接的例子。在圖16中，示出了將半導(dǎo)體封裝63 層疊連接成3層的結(jié)構(gòu)。各個半導(dǎo)體封裝63通過將半導(dǎo)體芯片62安裝在襯底61上并用 填充樹脂66密封而成。各半導(dǎo)體封裝63之間使用上述實(shí)施方式1的連接結(jié)構(gòu)65，經(jīng)由各半導(dǎo)體封裝63的通孔電極64進(jìn)行電連接。而且，最下層的半導(dǎo)體封裝63的背面裝配有外 部端子用的焊錫球67。在這樣的連接結(jié)構(gòu)中，也能夠得到與上述實(shí)施方式同樣的效果。本申請的實(shí)施方式中記載的發(fā)明使用Sn-In類合金進(jìn)行連接，因此，在Sn-In類合 金中，在Sn-52maSS% In的情況下熔點(diǎn)能夠低溫化至120°C，因而能夠低溫連接，能減少由 于彎曲而產(chǎn)生的問題，提高連接成品率。另外，本申請的實(shí)施方式中記載的發(fā)明，由于電極間的連接部中的焊料固化溫度 進(jìn)行低溫化，因而能夠減少連接部的殘余應(yīng)力，能夠提高連接部的可靠性。特別是對于有機(jī) 襯底的?；瘻囟?，耐高溫的有機(jī)襯底為150°C左右，通常的FR4等級的有機(jī)襯底在120°C左 右，因此能夠在?；瘻囟纫韵碌臏囟冗M(jìn)行固化，因此能夠大幅度減少殘余應(yīng)力。另外，本申請的實(shí)施方式中記載的發(fā)明，在電極材料中以Cu為主要成分，且在焊 料中預(yù)先添加Ni粒子，因而，在焊料層中析出Sn-Cu-Ni化合物，因此，連接后進(jìn)而在下一個 半導(dǎo)體芯片等的層疊連接、焊錫凸塊裝配、安裝于主板等的加熱處理中，即使連接部再熔化 也不會產(chǎn)生連接部的斷裂等的問題，能夠進(jìn)行層疊。而且，在本申請的實(shí)施方式中記載的發(fā)明，示出在焊料中添加具有兩種以上粒徑 分布的Ni粒子的情況下細(xì)小的粒徑( 5μπι以下)的Ni粒子促進(jìn)反應(yīng)的效果，若粒徑大 的M粒子(5 μ m 20 μ m)與焊料成分、電極成分反應(yīng)而使體積增大的化合物被夾在電極 間，則能夠應(yīng)用于調(diào)節(jié)連接部的高度。進(jìn)而，利用夾著該化合物的電極間的結(jié)構(gòu)，即使連接 部再熔化，也能夠更牢固地防止連接部的斷裂。另外，本申請實(shí)施方式中記載的發(fā)明，由于使焊料材料熔化連接，因此能夠進(jìn)行低 負(fù)荷的連接，也能夠適用于較薄的半導(dǎo)體芯片。另外，本申請實(shí)施方式中記載的發(fā)明，作為本發(fā)明的其他的效果如下在現(xiàn)有的倒 裝式連接中，利用貴金屬Au易溶于Sn中的性質(zhì)，往往采用使焊料在連接時進(jìn)行高熔點(diǎn)熔化 的Au焊錫處理等，但即使不使用Au，與Cu-Sn的生成速度相比，Cu-Ni-Sn化合物的生成速 度較快，因此能夠進(jìn)行不使用Au的脫Au連接。這可以說是對低成本化有效的工藝處理。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)，尤其能夠廣泛應(yīng)用于層疊了半導(dǎo)體芯片 或安裝有半導(dǎo)體芯片的布線襯底的半導(dǎo)體器件、電氣設(shè)備以及電子器件等。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體器件，層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了安裝有半導(dǎo)體芯片的布線襯底，其特征在于，所層疊的上述半導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的電極之間的連接結(jié)構(gòu)包括以Cu為主要成分的一對電極；和夾在上述電極之間的基于Sn In類合金的焊料層，在上述焊料層中分散有Sn Cu Ni化合物。
2.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該半導(dǎo)體器件層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了安裝有半導(dǎo) 體芯片的布線襯底，該半導(dǎo)體器件的制造方法的特征在于，包括在要層疊的上述半導(dǎo)體芯片或上述布線襯底的表面上形成以Cu為主要成分的電極的工序；向上述電極之間供給基于使Ni粒子分散的Sn-In類合金的焊料的工序；以及 對上述電極之間進(jìn)行加熱，使Sn-Cu-Ni化合物分散在上述焊料中的工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于， 上述Sn-Cu-Ni化合物具有兩種粒徑分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在供給上述焊料的工序中，向上述電極之間供給基于使具有兩種粒徑分布的M粒子 分散的Sn-In類合金的焊料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，其中半導(dǎo)體器件層疊了半導(dǎo)體芯片或?qū)盈B了安裝有半導(dǎo)體芯片的布線襯底，在此器件中，層疊了半導(dǎo)體芯片或布線襯底的電極間的連接結(jié)構(gòu)(1)包括以Cu為主要成分的一對電極(2，3)；和夾在一對電極(2，3)之間的由Sn-In類合金形成的焊料層(5)，在該焊料層(5)中分散有Sn-Cu-Ni化合物(6)。能在低溫、低負(fù)荷下可靠連接，連接部即使在層疊工藝、其后的安裝工藝等中被加熱也能保持形狀。
文檔編號H01L21/60GK101958298SQ20101020606
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者中村真人, 依田智子, 木下順弘, 秦英惠, 紺野順平 申請人:瑞薩電子株式會社