半导体连接用的Cu柱用圆柱状形成物的制作方法

本发明涉及能够作为半导体连接用的Cu柱使用的圆柱状形成物。

背景技术：

半导体装置，通过在半导体芯片上形成电子电路，并将半导体芯片上的电极与半导体封装体上的电极连接来形成。以往，半导体芯片上的电极与半导体封装体上的电极之间使用Au或Cu制的接合线来电连接。

最近，为了半导体装置的小型化，采用倒装芯片法作为半导体芯片与半导体封装体之间的连接方法。作为倒装芯片法中的代表性的连接方法，采用Au凸块和/或焊料凸块。

进而，随着芯片的高集成化，最近，使用了Cu柱的倒装芯片技术被采用。关于Cu柱，在半导体芯片上形成Cu的柱(pillar)，并将Cu柱顶端与半导体封装体的电极连接。作为Cu柱，使用了柱直径为70μm以下、柱高度为50～60μm的柱。

Cu柱的材质为低电阻的Cu，因此与焊料凸块相比能够应对大电流。另外，Cu柱与焊料凸块相比能够抑制焊料供给量，因此能够实现凸块间距的微细化。而且，Au凸块与电极的接触面积小，与此相对，Cu柱从半导体芯片上的电极到半导体封装体上的电极为止能够维持相同的截面积，能够应对大电流。

如专利文献1、2所记载的那样，作为在半导体芯片上形成Cu柱的方法，可采用镀敷法。在半导体芯片上形成光致抗蚀剂层(光刻胶层：photoresist layer)，并将形成Cu柱的部分的光致抗蚀剂层开口，在开口部分形成镀Cu层，进而在镀Cu层的顶部形成焊料镀层。通过将抗蚀层剥离，镀Cu层部分成为Cu柱。将Cu柱顶部的焊料镀层部分作为焊料凸块，与半导体封装体之间连接。由于通过镀敷来形成Cu柱，因此也能够应对微细间距。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-29636号公报

专利文献2：日本特表2012-532459号公报

技术实现要素：

在通过镀敷来形成Cu柱时，采用将光致抗蚀剂层开口，并在开口部分形成镀Cu层的方法。当要采用这样的方法形成Cu柱的高度/直径比大的细长的Cu柱时，必须在直径小且深的孔中使镀层生长。该情况下，难以向开口部持续输送充分浓度的镀液，其结果会发生下述等等的问题：(1)镀层的生长变慢，生产率恶化；(2)Cu柱的直径比目标直径细等，形状变得不稳定；(3)析出的Cu产生空隙等，品质变差。因此，难以使Cu柱的高度/直径比为2.0以上。

为了采用镀敷法形成Cu柱，制造Cu柱所需的时间较长，妨碍了生产率。如果能够将Cu柱高度增高到200μm以上，则很适合于模塑底部填充(mold underfill)。但是，如果想要使Cu柱的高度比以往的50～60μm高，则制造所需的时间会进一步延长。

用于车载的半导体装置，被要求在严酷条件(高温)下的可靠性。为了提高Cu柱的可靠性，将Cu柱的组成合金化是有效的，但用于形成Cu柱的镀层一般为单质析出，合金化的自由度低。

本发明的目的是在半导体芯片上设置Cu柱来进行电连接时，与如以往那样采用镀敷法形成Cu柱的方法相比，能够增大Cu柱的高度/直径比，提高生产率，增高Cu柱的高度，提高Cu柱的可靠性。

以往，关于Cu柱，是采用电镀法来形成。与此相对，如果预先将Cu柱用的材料形成为圆柱状形成物，并将该圆柱状形成物与半导体芯片上的电极连接，则能够使Cu柱的高度/直径比为2.0以上。另外，即使Cu柱的高度为200μm以上，也能够不妨碍生产率地进行制造。而且，因为由进行了锭熔炼的材料形成圆柱状形成物，因此能够自由地调整成分。

本发明是基于上述见解而完成的，其主旨如下。

(1)一种圆柱状形成物，其特征在于，以Cu为主成分；该圆柱状形成物是直径为50～100μm的圆柱形状，该圆柱的高度/直径比为2.0以上；作为半导体连接用的Cu柱使用。

(2)一种圆柱状形成物，其特征在于，以Cu为主成分；该圆柱状形成物是直径为100～400μm的圆柱形状；作为半导体连接用的Cu柱使用。

(3)根据上述(2)所述的圆柱状形成物，其特征在于，圆柱的高度为200～800μm。

(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的圆柱状形成物，其特征在于，还以总计为5.0质量％以下的范围含有Pd、Pt、Au、Ni中的一种或两种以上。

(5)根据上述(1)～(4)的任一项所述的圆柱状形成物，其特征在于，还含有15质量ppm以下的Ti。

(6)根据上述(1)～(5)的任一项所述的圆柱状形成物，其特征在于，还含有150质量ppm以下的P。

(7)根据上述(1)～(6)的任一项所述的圆柱状形成物，其特征在于，作为杂质而含有的S含量和Cl含量的总计为1质量ppm以下。

本发明通过预先将Cu柱用的材料形成为圆柱状形成物，并将该圆柱状形成物与半导体芯片上的电极连接，能够不采用电镀法就形成Cu柱。通过将该圆柱状形成物与半导体芯片上的电极连接，能够使Cu柱的高度/直径比为2.0以上。另外，即使Cu柱的高度为200μm以上，也能够不妨碍生产率地进行制造。将通过锭熔炼而制造的锭进行轧制和拉丝制成细线后切断，从而形成圆柱状形成物，因此能够自由调整锭熔炼阶段中的成分，因此能够容易地进行可靠性高的Cu柱的合金成分设计。由于能够容易地制造粗直径的Cu柱，因此能够实现作为大电流用(功率系)Cu柱的用途。

附图说明

图1是本发明的Cu柱用圆柱状形成物的立体图。

图2(a)是表示将本发明的圆柱状形成物作为Cu柱而与半导体芯片连接的状况的图，(b)是表示进一步将Cu柱顶端与半导体封装体连接的状况的图。

具体实施方式

如上所述，以往采用电镀法形成Cu柱。

与此相对，在本发明中，通过预先将Cu柱用的材料如图1所示那样形成为圆柱状形成物1，并将该圆柱状形成物1如图2(a)所示那样与半导体芯片3上的电极4连接，来形成Cu柱2。例如，通过在半导体芯片3的电极4上涂布SnAg糊5，或在圆柱状形成物的端面涂布SnAg糊，然后使本发明的圆柱状形成物1的端面与半导体芯片3的电极4相面对地接触而配置，进行升温，使SnAg糊5回熔，由此能够如图2(a)所示那样在半导体芯片3的电极4上形成Cu柱2。

由于是将Cu柱用的材料形成为圆柱状形成物，因此通过制成直径与Cu柱相等且成分组成相同的Cu细线，并将该Cu细线切成与目标Cu柱高度相同的高度(长度)从而成为圆柱状的形状，能够容易地得到作为目标的圆柱状形成物。

本发明的Cu柱用的圆柱状形成物，作为第一实施方式，是将其直径设为50～100μm，将圆柱的高度/直径比设为2.0以上。如果如以往那样采用将光致抗蚀剂层开口并在开口部分形成镀Cu层的方法形成Cu柱，则难以使Cu柱的高度/直径比为2.0以上。与此相对，本发明预先将Cu柱用的材料形成为圆柱状形成物，并将该圆柱状形成物与半导体芯片上的电极连接，能够使Cu柱的高度/直径比为2.0以上。因此，即使Cu柱的直径较细为50～100μm，也能够增高Cu柱的高度。在Cu柱的直径较细为50～100μm的情况下，如果过于增大Cu柱的高度/直径比，则会发生连接精度降低、连接不良的发生概率增高的问题，但如果高度/直径比为8.0以下，则不会发生这样的问题，能够形成良好的Cu柱。

本发明的Cu柱用的圆柱状形成物，作为第二实施方式，是将其直径设为100μm以上。如果直径为100μm以上，则能够容易地使Cu柱高度成为200μm以上。另外，将其直径设为400μm以下。即使直径过大，也不会存在Cu柱制造上的问题，且也不会存在Cu柱特性上的问题，但如果超过400μm，则不符合作为半导体用的Cu柱所要求的尺寸。

本发明的直径为100μm以上的Cu柱用的圆柱状形成物，优选圆柱的高度为200～800μm。以往，由于采用镀敷法形成Cu柱，因此制造Cu柱所需的时间较长，妨碍了生产率。如果想要使Cu柱的高度比以往的50～60μm高，则制造所需的时间会进一步延长。与此相对，在本发明中，使Cu柱用的材料成为圆柱状形成物，因此即使增高Cu柱的高度也丝毫不会对生产率造成不良影响。因此，作为Cu柱用的圆柱状形成物形状通过将圆柱的高度设为200～800μm，能够确保将圆柱状形成物的直径增粗为100μm以上所带来的稳定性，并且能够将Cu柱的高度设为以往不可能实现的200μm以上。通过使Cu柱高度为200μm以上，很适合于模塑底部填充。通过使圆柱状形成物的直径在400μm以下的范围内更粗，能够进一步确保设置于半导体芯片上的Cu柱的稳定性，能够将Cu柱的高度增高至800μm。与以往的采用镀敷法形成的Cu柱相比，Cu柱的可制作的尺寸(直径、高度)的变化(variation)扩大，由此获得了半导体封装体的设计自由度格外扩大这样的效果。

本发明的Cu柱用圆柱状形成物以Cu为主成分。在此，所谓以Cu为主成分意指由Cu和不可避免的杂质构成的成分，或者如下述那样含有规定的元素、且余量由Cu和不可避免的杂质构成的成分。

以往的采用镀敷法形成的Cu柱，由于采用镀敷法，因此通常为单质析出从而仅含有Cu，或在设为Cu合金的情况下含有的成分和含量也受到限制，合金设计的自由度低。与此相对，在本发明中，将通过锭熔炼而制造的锭进行轧制和拉丝制成细线后切断而形成圆柱状形成物，因此能够自由调整锭熔炼阶段中的成分。因此，具有能够容易地进行可靠性高的Cu柱的合金成分设计这样的效果。

本发明的Cu柱用圆柱状形成物，优选以Cu为主成分，且以总计为0.1～4.0质量％的范围含有Pd、Pt、Au、Ni中的一种或两种以上。如果以总计为0.1～4.0质量％的范围含有Pd、Pt、Au、Ni中的一种或两种以上，则可得到控制接合界面的Cu、Al的相互扩散的效果，作为高湿加热评价试验而进行的PCT试验(后述)中的接合部的寿命提高。作为在此的接合部的评价，是在PCT试验后测定电阻，进而将树脂开封除去，通过拉扯(pull)试验来评价接合部的断裂状况。在此，如果Cu柱用圆柱状形成物中的Pd、Pt、Au、Ni的浓度总计小于0.1质量％，则上述的PCT试验可靠性的改善效果小、不充分。另一方面，如果Cu柱用圆柱状形成物中的Pd、Pt、Au、Ni的浓度总计超过4.0质量％，则低温接合中的与Al电极的初始的接合强度降低，因此PCT试验中的长期可靠性降低，或BGA(球栅阵列：Ball Grid Array)、CSP(芯片尺寸封装：Chip Size Package)等的对基板、带等的接合的量产裕度(margin)变窄。更优选的是，Pd、Pt、Au、Ni的浓度总计为0.5～3质量％的范围。如果为该范围，则PCT试验中的可靠性进一步提高。再者，即使Pd、Pt、Au、Ni中的一种或两种以上按总计量计在0.1～4.0质量％的范围以外，虽然不能够发挥通过含有这些成分而带来的上述特别的效果，但是如果为5.0质量％，则也能够得到本发明的基本效果。因此，本发明规定了以总计为5.0质量％以下的范围含有Pd、Pt、Au、Ni中的一种或两种以上。

本发明的Cu柱用圆柱状形成物，优选以Cu为主成分，且还含有3～10质量ppm的Ti。含有Ti的效果与含有上述Pd、Pt、Au、Ni的效果同样。再者，即使Ti含量在3～10质量ppm以外，虽然不能够发挥通过含有Ti而带来的上述特别的效果，但是如果为15质量ppm以下，则也能够得到本发明的基本效果。因此，本发明规定了以15质量ppm以下的范围含有Ti。

本发明的Cu柱用圆柱状形成物，优选以Cu为主成分，且还含有5～100质量ppm的P。由此，能够发挥确保接合强度的效果。再者，即使P含量在5～100质量ppm以外，虽然不能够发挥通过含有P而带来的上述特别的效果，但是如果为150质量ppm以下，则也能够得到本发明的基本效果。因此，本发明规定了以150质量ppm以下的范围含有P。

本发明的Cu柱用圆柱状形成物，作为杂质而含有的S含量和Cl含量的总计优选为1质量ppm以下。由于S、Cl具有腐蚀Cu的性质，因此如果它们的含有浓度增高，则会促进接合部的腐蚀，有时接合强度降低。通过将S含量和Cl含量的总计设为1质量ppm以下，能够避免接合强度的降低。

对本发明的Cu柱用圆柱状形成物的优选的形状进行说明。

表示图1所示的本发明的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优选为5μm以下。如果上表面11和底面12的表面粗糙度Ra为5μm以下，则在利益真空镊子吸附切断面来进行运送时，能够无失误地进行运送。通过应用下述本发明的Cu柱用圆柱状形成物的制造方法进行制造，能够使上表面11和底面12的表面粗糙度Ra为5μm以下。

在直径300μm、高度500μm的Cu柱切割时，使用各种粗糙度的切割刀(dicing blade)，来制作切断面的表面粗糙度Ra不同的Cu柱，实施用真空镊子吸附切断面并进行运送的试验，可以评价是否能够无失误地运送100个。其结果，当切断面的表面粗糙度Ra为0.8～4.8μm时，没有发生吸附失误，但在切断面的表面粗糙度Ra为6.3μm的情况下有时发生由吸附失误导致的落下。

优选本发明的Cu柱用形成物1的上表面11与侧面13构成的角度以及圆柱的底面12与侧面13构成的角度(面角度)都为88～92度。如果圆柱的上表面11或底面12与侧面13构成的角度(面角度)都为88～92度，则在用真空镊子吸附切断面来进行运送时，能够无失误地进行运送。通过应用下述本发明的Cu柱用圆柱状形成物的制造方法进行制造，能够使圆柱的上表面11或底面12与侧面13构成的角度(面角度)都成为88～92度。

在直径300μm、高度500μm的Cu柱切割时，故意地与切断面形成角度，来制作面角度为90～94度的Cu柱，实施用真空镊子吸附切断面来进行运送的试验，可以评价是否能够无失误地运送100个。其结果，当面角度为90度、92度时，没有发生吸附失误，但在面角度为94度的情况下，有时发生由吸附失误导致的柱倒下。

对本发明的Cu柱用圆柱状形成物的制造方法进行说明。

使用Cu纯度为4N～6N(99.99质量％～99.9999质量％)的高纯度铜，通过熔炼来制作含有所需浓度的添加元素的铜合金。熔炼是在真空中或者在氮气或氩气气氛中在1100℃以上的温度下加热。然后，在炉中缓冷，来制作锭(铸块)。为了清洗锭表面，进行酸洗和水洗，并使其干燥。作为Cu中的添加元素的浓度分析，ICP(电感耦合等离子体：InductivelyCoupled Plasma)分析等是有效的。

通过轧制来对锭进行加工而形成线材。在轧制工序中，采用槽型辊或模锻(swaging)等。在制造的Cu柱用圆柱状形成物的直径为粗直径的情况下，以轧制状态向下一工序推进。在Cu柱用圆柱状形成物的直径为细直径的情况下，通过轧制后的拉丝加工来拉细到最终线径。在拉丝工序中，使用能够安装多个涂覆有金刚石的拉模的连续拉丝装置。根据需要在加工的途中阶段或在最终线径下实施热处理。这样地制造出直径为100～400μm的Cu线。

通过将制造出的线切断为规定的长度，来形成圆柱状形成物。在切割中，通过将线用蜡固定在碳基体上，能够垂直精度良好地切断(图1)。切割时可以使用外周刃的切丁机、线锯。切断为目标长度后，将蜡熔化，取出Cu制圆柱状形成物。然后，进行酸洗和水洗，并使其干燥。根据需要涂布防锈剂等并使其干燥。

实施例

(实施例1)

制成了由表1所示的成分和余量的Cu以及不可避免的杂质构成的Cu制圆柱状形成物。通过熔炼来制作在Cu纯度为6N的高纯度铜中含有所需浓度的添加元素的铜合金，然后在炉中缓冷，从而制作出锭。为了清洗锭表面，进行酸洗和水洗，并使其干燥。通过ICP分析来测定了含有的成分。

通过轧制来对锭进行加工，从而形成线材，进而通过拉丝加工来拉细到最终线径。在拉丝工序中，使用了能够安装多个涂覆有金刚石的拉模的连续拉丝装置。根据需要在加工的途中阶段或在最终线径下实施热处理。这样地制造出直径为300μm的Cu线。

将制造出的线用蜡固定在碳基体上，采用外周刃的切丁机切断为长度500μm。将蜡熔化，取出圆柱状形成物1。然后，进行酸洗和水洗，并使其干燥。

作为半导体芯片3使用Si半导体芯片，作为半导体芯片3上的电极4形成Al电极，在圆柱状形成物1的端面涂布SnAg糊后，使本发明的圆柱状形成物1的端面与半导体芯片3的电极4相面对地接触而配置，进行升温，使SnAg糊5回熔，由此如图2(a)所示那样在半导体芯片3的电极4上形成了Cu柱2。

作为剪切强度测定用试样，使用了如图2(a)所示那样在上述半导体芯片上形成有Cu柱的试样。作为PCT试验、TCT试验用试样，使用了如图2(b)所示那样在半导体芯片3上的Cu柱2顶端形成焊料凸块，且经由焊料凸块8将Cu柱顶端与半导体封装体6的电极7连接了的试样。将各试样进行树脂密封，供下述各可靠性试验用。

PCT试验(压力锅蒸煮试验)，是将预先连接有40根Cu柱的试样在饱和型条件即温度121℃、相对湿度100％、两个大气压的高温高湿环境下加热了200、500小时。然后，评价所述连接的40根Cu柱的电特性，将评价结果记载于表1的“PCT可靠性/电阻”栏中。在电阻上升到初始的3倍以上的Cu柱的比例为30％以上(相对于40根的比例，以下同样)的情况下，由于接合不良而标记为×。在电阻上升到3倍以上的Cu柱的比例为5％以上且小于30％的范围的情况下，能够用于可靠性要求不严格的IC，因此标记为△。在电阻上升到3倍以上的Cu柱的比例小于5％、并且电阻上升到1.5倍以上的Cu柱的比例为5％以上且小于30％的情况下，实用上没有问题，因此标记为○。在电阻上升到1.5倍以上的Cu柱的比例小于5％的情况下，由于良好而标记为◎。

在PCT试验中加热200小时、500小时之后，将树脂开封而除去，评价了100根Cu柱的接合部的剪切强度。关于PCT试验后的剪切强度的平均值相对于加热前的初始的剪切强度的平均值的比率，在小于40％的情况下由于可靠性不良而标记为×，在为40％以上且小于60％的范围的情况下能够用于可靠性要求不严格的IC，因此标记为△，在为60％以上且小于80％的情况下，实用上没有问题，因此标记为○，在为80％以上的情况下，由于PCT可靠性良好而标记为◎，这些记号均标记在表1的“PCT可靠性/剪切强度”的200小时、500小时的各“剪切强度”栏中。

TCT试验使用了市售的TCT试验装置。将预先连接有400根Cu柱的试样用于过于严格的温度过程的条件(-55℃/30分钟～155℃/30分钟)的试验，在该试验后，对所述连接的400根Cu柱进行电测定，并评价了电导通。在不良率为零的情况下，由于可靠性高而标记为◎，如果不良率小于2％则判断为实用上没有大的问题而标记为○，如果不良率为2％～5％的范围则标记为△，如果不良率超过5％则由于需要改善而标记为×，这些记号均标记在表1中的“TCT可靠性/电特性”栏中。

表1

将结果示于表1。

本发明的实施例1～39，PCT可靠性试验的电阻、剪切强度，在200小时的条件下都基本为◎，即使在500小时的条件下也实现了○或◎的成绩，TCT可靠性试验也实现了○或◎的成绩。关于实施例6～24、30、31，Pd、Pt、Au、Ni的总计或Ti含量在本发明的优选范围内，PCT可靠性试验的电阻、剪切强度在500小时的条件下大部分为◎，TCT可靠性试验也实现了◎的成绩。

本发明的实施例40～43，S、Cl的合计含量在本发明的优选范围以外，各成绩为△，是合格水平，但与其它实施例相比，品质降低。

(实施例2)

关于表1的实施例1的成分和实施例23的成分，在Cu柱的尺寸为直径50μm～400μm、高度100μm～800μm的范围下实施了与实施例1同样的试验。

表2

将结果示于表2。再者，关于实施例44～53、57～66，由于是与引用权利要求1的权利要求4的发明对应的实施例，因此将“高度/直径比”的数值记入，关于实施例54～56、67～69，由于是与引用权利要求2的权利要求4的发明对应的实施例，因此没有记入“高度/直径比”的数值。

本发明的实施例44～69，在PCT可靠性试验的电阻、剪切强度、TCT可靠性试验中，都实现了○或◎的成绩。

作为比较例，采用下述方法来试着制作了Cu柱：在半导体芯片上形成光致抗蚀剂层，将光致抗蚀剂层以作为目标的直径、深度开口，在开口部分形成镀Cu层。在开口部直径为50μm的情况下，能够制作出直到深度80μm都能实用的Cu柱，但如果深度超过80μm则镀液变得不能充分循环，从柱下端附近的直径开始变细，当深度达到100μm时，不能够制作目标直径的Cu柱。因此，当采用镀敷法时，在直径为50μm的情况下不能够制作高度为100μm的Cu柱。在开口部直径为100μm的情况下，能够制作出直到深度160μm都能实用的Cu柱，但如果深度超过160μm则镀液变得不能充分循环，从柱下端附近的直径开始变细，当深度达到200μm时，不能够制作目标直径的Cu柱。因此，当采用镀敷法时，在直径为100μm的情况下不能够制作高度为200μm的Cu柱。

附图标记说明

1 圆柱状形成物

2 Cu柱

3 半导体芯片

4 电极

5 SnAg糊

6 半导体封装体

7 电极

8 焊料凸块

11 上表面

12 底面

13 侧面