半導體連接用的Cu柱用圓柱狀形成物的制作方法

本發明涉及能夠作為半導體連接用的Cu柱使用的圓柱狀形成物。

背景技術：

半導體裝置，通過在半導體芯片上形成電子電路，并將半導體芯片上的電極與半導體封裝體上的電極連接來形成。以往，半導體芯片上的電極與半導體封裝體上的電極之間使用Au或Cu制的接合線來電連接。

最近，為了半導體裝置的小型化，采用倒裝芯片法作為半導體芯片與半導體封裝體之間的連接方法。作為倒裝芯片法中的代表性的連接方法，采用Au凸塊和/或焊料凸塊。

進而，隨著芯片的高集成化，最近，使用了Cu柱的倒裝芯片技術被采用。關于Cu柱，在半導體芯片上形成Cu的柱(pillar)，并將Cu柱頂端與半導體封裝體的電極連接。作為Cu柱，使用了柱直徑為70μm以下、柱高度為50～60μm的柱。

Cu柱的材質為低電阻的Cu，因此與焊料凸塊相比能夠應對大電流。另外，Cu柱與焊料凸塊相比能夠抑制焊料供給量，因此能夠實現凸塊間距的微細化。而且，Au凸塊與電極的接觸面積小，與此相對，Cu柱從半導體芯片上的電極到半導體封裝體上的電極為止能夠維持相同的截面積，能夠應對大電流。

如專利文獻1、2所記載的那樣，作為在半導體芯片上形成Cu柱的方法，可采用鍍敷法。在半導體芯片上形成光致抗蝕劑層(光刻膠層：photoresist layer)，并將形成Cu柱的部分的光致抗蝕劑層開口，在開口部分形成鍍Cu層，進而在鍍Cu層的頂部形成焊料鍍層。通過將抗蝕層剝離，鍍Cu層部分成為Cu柱。將Cu柱頂部的焊料鍍層部分作為焊料凸塊，與半導體封裝體之間連接。由于通過鍍敷來形成Cu柱，因此也能夠應對微細間距。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2011-29636號公報

專利文獻2：日本特表2012-532459號公報

技術實現要素：

在通過鍍敷來形成Cu柱時，采用將光致抗蝕劑層開口，并在開口部分形成鍍Cu層的方法。當要采用這樣的方法形成Cu柱的高度/直徑比大的細長的Cu柱時，必須在直徑小且深的孔中使鍍層生長。該情況下，難以向開口部持續輸送充分濃度的鍍液，其結果會發生下述等等的問題：(1)鍍層的生長變慢，生產率惡化；(2)Cu柱的直徑比目標直徑細等，形狀變得不穩定；(3)析出的Cu產生空隙等，品質變差。因此，難以使Cu柱的高度/直徑比為2.0以上。

為了采用鍍敷法形成Cu柱，制造Cu柱所需的時間較長，妨礙了生產率。如果能夠將Cu柱高度增高到200μm以上，則很適合于模塑底部填充(mold underfill)。但是，如果想要使Cu柱的高度比以往的50～60μm高，則制造所需的時間會進一步延長。

用于車載的半導體裝置，被要求在嚴酷條件(高溫)下的可靠性。為了提高Cu柱的可靠性，將Cu柱的組成合金化是有效的，但用于形成Cu柱的鍍層一般為單質析出，合金化的自由度低。

本發明的目的是在半導體芯片上設置Cu柱來進行電連接時，與如以往那樣采用鍍敷法形成Cu柱的方法相比，能夠增大Cu柱的高度/直徑比，提高生產率，增高Cu柱的高度，提高Cu柱的可靠性。

以往，關于Cu柱，是采用電鍍法來形成。與此相對，如果預先將Cu柱用的材料形成為圓柱狀形成物，并將該圓柱狀形成物與半導體芯片上的電極連接，則能夠使Cu柱的高度/直徑比為2.0以上。另外，即使Cu柱的高度為200μm以上，也能夠不妨礙生產率地進行制造。而且，因為由進行了錠熔煉的材料形成圓柱狀形成物，因此能夠自由地調整成分。

本發明是基于上述見解而完成的，其主旨如下。

(1)一種圓柱狀形成物，其特征在于，以Cu為主成分；該圓柱狀形成物是直徑為50～100μm的圓柱形狀，該圓柱的高度/直徑比為2.0以上；作為半導體連接用的Cu柱使用。

(2)一種圓柱狀形成物，其特征在于，以Cu為主成分；該圓柱狀形成物是直徑為100～400μm的圓柱形狀；作為半導體連接用的Cu柱使用。

(3)根據上述(2)所述的圓柱狀形成物，其特征在于，圓柱的高度為200～800μm。

(4)根據上述(1)～(3)的任一項所述的圓柱狀形成物，其特征在于，還以總計為5.0質量％以下的范圍含有Pd、Pt、Au、Ni中的一種或兩種以上。

(5)根據上述(1)～(4)的任一項所述的圓柱狀形成物，其特征在于，還含有15質量ppm以下的Ti。

(6)根據上述(1)～(5)的任一項所述的圓柱狀形成物，其特征在于，還含有150質量ppm以下的P。

(7)根據上述(1)～(6)的任一項所述的圓柱狀形成物，其特征在于，作為雜質而含有的S含量和Cl含量的總計為1質量ppm以下。

本發明通過預先將Cu柱用的材料形成為圓柱狀形成物，并將該圓柱狀形成物與半導體芯片上的電極連接，能夠不采用電鍍法就形成Cu柱。通過將該圓柱狀形成物與半導體芯片上的電極連接，能夠使Cu柱的高度/直徑比為2.0以上。另外，即使Cu柱的高度為200μm以上，也能夠不妨礙生產率地進行制造。將通過錠熔煉而制造的錠進行軋制和拉絲制成細線后切斷，從而形成圓柱狀形成物，因此能夠自由調整錠熔煉階段中的成分，因此能夠容易地進行可靠性高的Cu柱的合金成分設計。由于能夠容易地制造粗直徑的Cu柱，因此能夠實現作為大電流用(功率系)Cu柱的用途。

附圖說明

圖1是本發明的Cu柱用圓柱狀形成物的立體圖。

圖2(a)是表示將本發明的圓柱狀形成物作為Cu柱而與半導體芯片連接的狀況的圖，(b)是表示進一步將Cu柱頂端與半導體封裝體連接的狀況的圖。

具體實施方式

如上所述，以往采用電鍍法形成Cu柱。

與此相對，在本發明中，通過預先將Cu柱用的材料如圖1所示那樣形成為圓柱狀形成物1，并將該圓柱狀形成物1如圖2(a)所示那樣與半導體芯片3上的電極4連接，來形成Cu柱2。例如，通過在半導體芯片3的電極4上涂布SnAg糊5，或在圓柱狀形成物的端面涂布SnAg糊，然后使本發明的圓柱狀形成物1的端面與半導體芯片3的電極4相面對地接觸而配置，進行升溫，使SnAg糊5回熔，由此能夠如圖2(a)所示那樣在半導體芯片3的電極4上形成Cu柱2。

由于是將Cu柱用的材料形成為圓柱狀形成物，因此通過制成直徑與Cu柱相等且成分組成相同的Cu細線，并將該Cu細線切成與目標Cu柱高度相同的高度(長度)從而成為圓柱狀的形狀，能夠容易地得到作為目標的圓柱狀形成物。

本發明的Cu柱用的圓柱狀形成物，作為第一實施方式，是將其直徑設為50～100μm，將圓柱的高度/直徑比設為2.0以上。如果如以往那樣采用將光致抗蝕劑層開口并在開口部分形成鍍Cu層的方法形成Cu柱，則難以使Cu柱的高度/直徑比為2.0以上。與此相對，本發明預先將Cu柱用的材料形成為圓柱狀形成物，并將該圓柱狀形成物與半導體芯片上的電極連接，能夠使Cu柱的高度/直徑比為2.0以上。因此，即使Cu柱的直徑較細為50～100μm，也能夠增高Cu柱的高度。在Cu柱的直徑較細為50～100μm的情況下，如果過于增大Cu柱的高度/直徑比，則會發生連接精度降低、連接不良的發生概率增高的問題，但如果高度/直徑比為8.0以下，則不會發生這樣的問題，能夠形成良好的Cu柱。

本發明的Cu柱用的圓柱狀形成物，作為第二實施方式，是將其直徑設為100μm以上。如果直徑為100μm以上，則能夠容易地使Cu柱高度成為200μm以上。另外，將其直徑設為400μm以下。即使直徑過大，也不會存在Cu柱制造上的問題，且也不會存在Cu柱特性上的問題，但如果超過400μm，則不符合作為半導體用的Cu柱所要求的尺寸。

本發明的直徑為100μm以上的Cu柱用的圓柱狀形成物，優選圓柱的高度為200～800μm。以往，由于采用鍍敷法形成Cu柱，因此制造Cu柱所需的時間較長，妨礙了生產率。如果想要使Cu柱的高度比以往的50～60μm高，則制造所需的時間會進一步延長。與此相對，在本發明中，使Cu柱用的材料成為圓柱狀形成物，因此即使增高Cu柱的高度也絲毫不會對生產率造成不良影響。因此，作為Cu柱用的圓柱狀形成物形狀通過將圓柱的高度設為200～800μm，能夠確保將圓柱狀形成物的直徑增粗為100μm以上所帶來的穩定性，并且能夠將Cu柱的高度設為以往不可能實現的200μm以上。通過使Cu柱高度為200μm以上，很適合于模塑底部填充。通過使圓柱狀形成物的直徑在400μm以下的范圍內更粗，能夠進一步確保設置于半導體芯片上的Cu柱的穩定性，能夠將Cu柱的高度增高至800μm。與以往的采用鍍敷法形成的Cu柱相比，Cu柱的可制作的尺寸(直徑、高度)的變化(variation)擴大，由此獲得了半導體封裝體的設計自由度格外擴大這樣的效果。

本發明的Cu柱用圓柱狀形成物以Cu為主成分。在此，所謂以Cu為主成分意指由Cu和不可避免的雜質構成的成分，或者如下述那樣含有規定的元素、且余量由Cu和不可避免的雜質構成的成分。

以往的采用鍍敷法形成的Cu柱，由于采用鍍敷法，因此通常為單質析出從而僅含有Cu，或在設為Cu合金的情況下含有的成分和含量也受到限制，合金設計的自由度低。與此相對，在本發明中，將通過錠熔煉而制造的錠進行軋制和拉絲制成細線后切斷而形成圓柱狀形成物，因此能夠自由調整錠熔煉階段中的成分。因此，具有能夠容易地進行可靠性高的Cu柱的合金成分設計這樣的效果。

本發明的Cu柱用圓柱狀形成物，優選以Cu為主成分，且以總計為0.1～4.0質量％的范圍含有Pd、Pt、Au、Ni中的一種或兩種以上。如果以總計為0.1～4.0質量％的范圍含有Pd、Pt、Au、Ni中的一種或兩種以上，則可得到控制接合界面的Cu、Al的相互擴散的效果，作為高濕加熱評價試驗而進行的PCT試驗(后述)中的接合部的壽命提高。作為在此的接合部的評價，是在PCT試驗后測定電阻，進而將樹脂開封除去，通過拉扯(pull)試驗來評價接合部的斷裂狀況。在此，如果Cu柱用圓柱狀形成物中的Pd、Pt、Au、Ni的濃度總計小于0.1質量％，則上述的PCT試驗可靠性的改善效果小、不充分。另一方面，如果Cu柱用圓柱狀形成物中的Pd、Pt、Au、Ni的濃度總計超過4.0質量％，則低溫接合中的與Al電極的初始的接合強度降低，因此PCT試驗中的長期可靠性降低，或BGA(球柵陣列：Ball Grid Array)、CSP(芯片尺寸封裝：Chip Size Package)等的對基板、帶等的接合的量產裕度(margin)變窄。更優選的是，Pd、Pt、Au、Ni的濃度總計為0.5～3質量％的范圍。如果為該范圍，則PCT試驗中的可靠性進一步提高。再者，即使Pd、Pt、Au、Ni中的一種或兩種以上按總計量計在0.1～4.0質量％的范圍以外，雖然不能夠發揮通過含有這些成分而帶來的上述特別的效果，但是如果為5.0質量％，則也能夠得到本發明的基本效果。因此，本發明規定了以總計為5.0質量％以下的范圍含有Pd、Pt、Au、Ni中的一種或兩種以上。

本發明的Cu柱用圓柱狀形成物，優選以Cu為主成分，且還含有3～10質量ppm的Ti。含有Ti的效果與含有上述Pd、Pt、Au、Ni的效果同樣。再者，即使Ti含量在3～10質量ppm以外，雖然不能夠發揮通過含有Ti而帶來的上述特別的效果，但是如果為15質量ppm以下，則也能夠得到本發明的基本效果。因此，本發明規定了以15質量ppm以下的范圍含有Ti。

本發明的Cu柱用圓柱狀形成物，優選以Cu為主成分，且還含有5～100質量ppm的P。由此，能夠發揮確保接合強度的效果。再者，即使P含量在5～100質量ppm以外，雖然不能夠發揮通過含有P而帶來的上述特別的效果，但是如果為150質量ppm以下，則也能夠得到本發明的基本效果。因此，本發明規定了以150質量ppm以下的范圍含有P。

本發明的Cu柱用圓柱狀形成物，作為雜質而含有的S含量和Cl含量的總計優選為1質量ppm以下。由于S、Cl具有腐蝕Cu的性質，因此如果它們的含有濃度增高，則會促進接合部的腐蝕，有時接合強度降低。通過將S含量和Cl含量的總計設為1質量ppm以下，能夠避免接合強度的降低。

對本發明的Cu柱用圓柱狀形成物的優選的形狀進行說明。

表示圖1所示的本發明的Cu柱用形成物1的上表面11和底面12的平滑性的表面粗糙度Ra優選為5μm以下。如果上表面11和底面12的表面粗糙度Ra為5μm以下，則在利益真空鑷子吸附切斷面來進行運送時，能夠無失誤地進行運送。通過應用下述本發明的Cu柱用圓柱狀形成物的制造方法進行制造，能夠使上表面11和底面12的表面粗糙度Ra為5μm以下。

在直徑300μm、高度500μm的Cu柱切割時，使用各種粗糙度的切割刀(dicing blade)，來制作切斷面的表面粗糙度Ra不同的Cu柱，實施用真空鑷子吸附切斷面并進行運送的試驗，可以評價是否能夠無失誤地運送100個。其結果，當切斷面的表面粗糙度Ra為0.8～4.8μm時，沒有發生吸附失誤，但在切斷面的表面粗糙度Ra為6.3μm的情況下有時發生由吸附失誤導致的落下。

優選本發明的Cu柱用形成物1的上表面11與側面13構成的角度以及圓柱的底面12與側面13構成的角度(面角度)都為88～92度。如果圓柱的上表面11或底面12與側面13構成的角度(面角度)都為88～92度，則在用真空鑷子吸附切斷面來進行運送時，能夠無失誤地進行運送。通過應用下述本發明的Cu柱用圓柱狀形成物的制造方法進行制造，能夠使圓柱的上表面11或底面12與側面13構成的角度(面角度)都成為88～92度。

在直徑300μm、高度500μm的Cu柱切割時，故意地與切斷面形成角度，來制作面角度為90～94度的Cu柱，實施用真空鑷子吸附切斷面來進行運送的試驗，可以評價是否能夠無失誤地運送100個。其結果，當面角度為90度、92度時，沒有發生吸附失誤，但在面角度為94度的情況下，有時發生由吸附失誤導致的柱倒下。

對本發明的Cu柱用圓柱狀形成物的制造方法進行說明。

使用Cu純度為4N～6N(99.99質量％～99.9999質量％)的高純度銅，通過熔煉來制作含有所需濃度的添加元素的銅合金。熔煉是在真空中或者在氮氣或氬氣氣氛中在1100℃以上的溫度下加熱。然后，在爐中緩冷，來制作錠(鑄塊)。為了清洗錠表面，進行酸洗和水洗，并使其干燥。作為Cu中的添加元素的濃度分析，ICP(電感耦合等離子體：InductivelyCoupled Plasma)分析等是有效的。

通過軋制來對錠進行加工而形成線材。在軋制工序中，采用槽型輥或模鍛(swaging)等。在制造的Cu柱用圓柱狀形成物的直徑為粗直徑的情況下，以軋制狀態向下一工序推進。在Cu柱用圓柱狀形成物的直徑為細直徑的情況下，通過軋制后的拉絲加工來拉細到最終線徑。在拉絲工序中，使用能夠安裝多個涂覆有金剛石的拉模的連續拉絲裝置。根據需要在加工的途中階段或在最終線徑下實施熱處理。這樣地制造出直徑為100～400μm的Cu線。

通過將制造出的線切斷為規定的長度，來形成圓柱狀形成物。在切割中，通過將線用蠟固定在碳基體上，能夠垂直精度良好地切斷(圖1)。切割時可以使用外周刃的切丁機、線鋸。切斷為目標長度后，將蠟熔化，取出Cu制圓柱狀形成物。然后，進行酸洗和水洗，并使其干燥。根據需要涂布防銹劑等并使其干燥。

實施例

(實施例1)

制成了由表1所示的成分和余量的Cu以及不可避免的雜質構成的Cu制圓柱狀形成物。通過熔煉來制作在Cu純度為6N的高純度銅中含有所需濃度的添加元素的銅合金，然后在爐中緩冷，從而制作出錠。為了清洗錠表面，進行酸洗和水洗，并使其干燥。通過ICP分析來測定了含有的成分。

通過軋制來對錠進行加工，從而形成線材，進而通過拉絲加工來拉細到最終線徑。在拉絲工序中，使用了能夠安裝多個涂覆有金剛石的拉模的連續拉絲裝置。根據需要在加工的途中階段或在最終線徑下實施熱處理。這樣地制造出直徑為300μm的Cu線。

將制造出的線用蠟固定在碳基體上，采用外周刃的切丁機切斷為長度500μm。將蠟熔化，取出圓柱狀形成物1。然后，進行酸洗和水洗，并使其干燥。

作為半導體芯片3使用Si半導體芯片，作為半導體芯片3上的電極4形成Al電極，在圓柱狀形成物1的端面涂布SnAg糊后，使本發明的圓柱狀形成物1的端面與半導體芯片3的電極4相面對地接觸而配置，進行升溫，使SnAg糊5回熔，由此如圖2(a)所示那樣在半導體芯片3的電極4上形成了Cu柱2。

作為剪切強度測定用試樣，使用了如圖2(a)所示那樣在上述半導體芯片上形成有Cu柱的試樣。作為PCT試驗、TCT試驗用試樣，使用了如圖2(b)所示那樣在半導體芯片3上的Cu柱2頂端形成焊料凸塊，且經由焊料凸塊8將Cu柱頂端與半導體封裝體6的電極7連接了的試樣。將各試樣進行樹脂密封，供下述各可靠性試驗用。

PCT試驗(壓力鍋蒸煮試驗)，是將預先連接有40根Cu柱的試樣在飽和型條件即溫度121℃、相對濕度100％、兩個大氣壓的高溫高濕環境下加熱了200、500小時。然后，評價所述連接的40根Cu柱的電特性，將評價結果記載于表1的“PCT可靠性/電阻”欄中。在電阻上升到初始的3倍以上的Cu柱的比例為30％以上(相對于40根的比例，以下同樣)的情況下，由于接合不良而標記為×。在電阻上升到3倍以上的Cu柱的比例為5％以上且小于30％的范圍的情況下，能夠用于可靠性要求不嚴格的IC，因此標記為△。在電阻上升到3倍以上的Cu柱的比例小于5％、并且電阻上升到1.5倍以上的Cu柱的比例為5％以上且小于30％的情況下，實用上沒有問題，因此標記為○。在電阻上升到1.5倍以上的Cu柱的比例小于5％的情況下，由于良好而標記為◎。

在PCT試驗中加熱200小時、500小時之后，將樹脂開封而除去，評價了100根Cu柱的接合部的剪切強度。關于PCT試驗后的剪切強度的平均值相對于加熱前的初始的剪切強度的平均值的比率，在小于40％的情況下由于可靠性不良而標記為×，在為40％以上且小于60％的范圍的情況下能夠用于可靠性要求不嚴格的IC，因此標記為△，在為60％以上且小于80％的情況下，實用上沒有問題，因此標記為○，在為80％以上的情況下，由于PCT可靠性良好而標記為◎，這些記號均標記在表1的“PCT可靠性/剪切強度”的200小時、500小時的各“剪切強度”欄中。

TCT試驗使用了市售的TCT試驗裝置。將預先連接有400根Cu柱的試樣用于過于嚴格的溫度過程的條件(-55℃/30分鐘～155℃/30分鐘)的試驗，在該試驗后，對所述連接的400根Cu柱進行電測定，并評價了電導通。在不良率為零的情況下，由于可靠性高而標記為◎，如果不良率小于2％則判斷為實用上沒有大的問題而標記為○，如果不良率為2％～5％的范圍則標記為△，如果不良率超過5％則由于需要改善而標記為×，這些記號均標記在表1中的“TCT可靠性/電特性”欄中。

表1

將結果示于表1。

本發明的實施例1～39，PCT可靠性試驗的電阻、剪切強度，在200小時的條件下都基本為◎，即使在500小時的條件下也實現了○或◎的成績，TCT可靠性試驗也實現了○或◎的成績。關于實施例6～24、30、31，Pd、Pt、Au、Ni的總計或Ti含量在本發明的優選范圍內，PCT可靠性試驗的電阻、剪切強度在500小時的條件下大部分為◎，TCT可靠性試驗也實現了◎的成績。

本發明的實施例40～43，S、Cl的合計含量在本發明的優選范圍以外，各成績為△，是合格水平，但與其它實施例相比，品質降低。

(實施例2)

關于表1的實施例1的成分和實施例23的成分，在Cu柱的尺寸為直徑50μm～400μm、高度100μm～800μm的范圍下實施了與實施例1同樣的試驗。

表2

將結果示于表2。再者，關于實施例44～53、57～66，由于是與引用權利要求1的權利要求4的發明對應的實施例，因此將“高度/直徑比”的數值記入，關于實施例54～56、67～69，由于是與引用權利要求2的權利要求4的發明對應的實施例，因此沒有記入“高度/直徑比”的數值。

本發明的實施例44～69，在PCT可靠性試驗的電阻、剪切強度、TCT可靠性試驗中，都實現了○或◎的成績。

作為比較例，采用下述方法來試著制作了Cu柱：在半導體芯片上形成光致抗蝕劑層，將光致抗蝕劑層以作為目標的直徑、深度開口，在開口部分形成鍍Cu層。在開口部直徑為50μm的情況下，能夠制作出直到深度80μm都能實用的Cu柱，但如果深度超過80μm則鍍液變得不能充分循環，從柱下端附近的直徑開始變細，當深度達到100μm時，不能夠制作目標直徑的Cu柱。因此，當采用鍍敷法時，在直徑為50μm的情況下不能夠制作高度為100μm的Cu柱。在開口部直徑為100μm的情況下，能夠制作出直到深度160μm都能實用的Cu柱，但如果深度超過160μm則鍍液變得不能充分循環，從柱下端附近的直徑開始變細，當深度達到200μm時，不能夠制作目標直徑的Cu柱。因此，當采用鍍敷法時，在直徑為100μm的情況下不能夠制作高度為200μm的Cu柱。

附圖標記說明

1 圓柱狀形成物

2 Cu柱

3 半導體芯片

4 電極

5 SnAg糊

6 半導體封裝體

7 電極

8 焊料凸塊

11 上表面

12 底面

13 側面