JP5884582B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。

従来、半導体素子同士、半導体素子と配線基板、配線基板同士の接合材料として、はんだが広く使用されている。はんだを加熱して溶融させることにより、端子同士がはんだ接合によって電気的に接続される。

はんだはその表面に酸化膜が形成されやすいため、接合前に予めリフロー加熱によって酸化膜を除去する作業が行われる。従来では、フラックスをウェハ上に塗布し、リフローを行うことではんだ表面の酸化膜を除去していた。しかし、リフロー後のフラックス洗浄の工程が非常に長いという問題があった。

そこで、はんだの酸化膜を効率的に除去するために、霧状にした蟻酸などの有機酸にはんだ端子を曝しながらリフロー加熱を行う方法が提案されている。この手法は、フラックス洗浄の工程が不要になり、リフロー工程が簡略化するという利点がある。

しかし、霧状の有機酸とはんだ中の錫（Ｓｎ）がリフロー中に反応し、蟻酸錫を生成するという課題がある。ウェハ全面に飛散した蟻酸錫を除去しないまま実装すると蟻酸錫が起点となり、イオンマイグレーションが発生して電子回路のショートの原因になるため、半導体装置の信頼性が低下してしまう。

有機酸に曝して金属端子の酸化膜を除去する技術においても、半導体装置の十分な信頼性が得られることが好ましい。

特開２００７−７０２１６号公報 特開２００７−３０００１２号公報

有機酸に曝して金属端子の酸化膜を除去する方法を含む半導体装置の製造方法及びその方法で使用される半導体装置の製造装置において、信頼性を向上させることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と、前記有機酸と前記金属端子とが反応して生成する有機酸塩に紫外線を照射する工程とを有し、前記半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と前記有機酸塩に紫外線を照射する工程とは、同時に行われる半導体装置の製造方法が提供される。

また、その開示の他の観点によれば、金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハを載置する処理室と、前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに有機酸を供給する有機酸供給部と、前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに前記有機酸を供給しながら、前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに紫外線を照射する紫外線照射部とを有する半導体装置の製造装置が提供される。

以下の開示によれば、半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝して金属端子の酸化膜を除去する際に、金属端子と有機酸とが反応して有機酸塩が生成される、この有機酸塩に紫外線を照射することにより、有機酸塩を分解して除去する。

これにより、半導体素子又は半導体ウェハに、有機酸塩に起因するイオンマイグレーションが発生することが防止され、回路の電気ショートの発生が回避される。

また、半導体素子又は半導体ウェハの金属端子同士を対向させて積層する際も、同様に、金属端子の酸化膜を除去しながら信頼性よく両者を接合することができる。

図１は第１実施形態の半導体装置の製造装置を示す平面図である。 図２は第１実施形態の半導体装置の製造装置を示す断面図である。 図１及び図２の半導体装置の製造装置において、図３（ａ）は窒素を供給して蟻酸を気化させる様子を示す断面図、図３（ｂ）は加熱して蟻酸を気化させる様子を示す断面図である。 図４は第１実施形態の半導体装置の製造方法において、半導体ウェハを蟻酸雰囲気でリフロー加熱しながら紫外線照射を行う工程を説明する図である。 図５は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図６は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図７は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。 図８は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。 図９は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。 図１０は第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その６）である。 図１１（ａ）は第２実施形態で使用される半導体装置を示す断面図、図１１（ｂ）は第２実施形態の半導体装置の製造装置を示す平面図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図１３（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。 図１４（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。 図１５（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。 図１６（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。 図１７（ａ）〜（ｃ）は実施例１〜３で使用した実験サンプルを示す断面図である。

以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

本実施形態の説明の前に、予備的事項として、半導体素子又は半導体ウェハに設けられたはんだ端子をリフロー加熱してはんだ端子の表面の酸化膜を除去するときの問題点について説明する。

はんだは表面に酸化膜が形成されやすいため、予めリフロー加熱によって酸化膜を除去する作業が行われる。このとき、はんだの酸化膜を効率的に除去するために、霧状にした有機酸に半導体素子又は半導体ウェハのはんだ端子を曝しながらリフロー加熱を行う。

リフロー加熱による酸化膜の除去時に、有機酸とはんだの成分である錫が反応して有機酸塩が生成し、半導体ウェハの表面に飛散する。

有機酸塩が飛散した半導体素子又は半導体ウェハから半導体装置を製造し、高温高湿状態で動作させると、有機酸塩及びはんだの錫がイオン化して両者の間に電位差が発生し、錫イオンが有機酸塩に移動して錫の析出が起こる。この現象は、イオンマイグレーションと呼ばれる。

イオンマイグレーションによって発生した錫によって配線同士が繋がると、回路部に過電流が流れて電子回路が電気ショートし、半導体装置が故障してしまう。

この対策として、半導体素子又は半導体ウェハの上に飛散した有機酸塩を硫酸系などの酸処理によって除去する方法があるが、酸と有機酸塩との反応が遅いため多くの時間がかかる。また、時間をかけても除去しきれない場合がある。

また、半導体素子、半導体ウェハ又は配線基板などのはんだ端子同士を有機酸雰囲気でリフロー加熱して酸化膜を除去しながら接合する際にも同様な問題が発生する。

以下に説明する本実施形態では、有機酸雰囲気でリフロー加熱する際に半導体ウェハなどの電子部材に生じる有機酸塩を短時間で確実に除去することができる。

（第１実施形態）
図１〜図３は第１実施形態の半導体装置の製造装置を説明するための図、図４〜図１０は第１実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための図である。第１実施形態では、半導体装置の製造装置として、半導体素子又は半導体ウェハに設けられたはんだ端子をリフロー加熱して酸化膜を除去するリフロー装置を例に挙げて説明する。

最初に、第１実施形態のリフロー装置について説明する。図１は第１実施形態のリフロー装置を上側から透視した平面図であり、図２は図１をＡ方向から透視した側面図である。

図１及び図２に示すように、リフロー装置１は、準備室１０と処理室２０とを備えている。準備室１０の外側には第１ゲートバルブ１４が設けられており、第１ゲートバルブ１４を開けて、外部から半導体ウェハ５が準備室１０のステージ１０ａに載置される。

準備室１０は、半導体ウェハ５を載置した後に、真空ポンプによって減圧されるようにしてもよい。また、複数の半導体ウェハ５が収容されたキャリアを準備室１０に配置してもよい。

準備室１０と処理室２０とは第２ゲートバルブ１６で仕切られており、第２ゲートバルブ１６を開けて、準備室１０の半導体ウェハ５が処理室２０のステージ２０ａに搬送される。

処理室２０の側壁には、蟻酸などの有機酸を処理室２０内に供給するための有機酸供給部３０が設けられている。図３（ａ）に示すように、有機酸供給部３０は、液状の有機酸３２が入った容器３４を有し、容器３４にはバブリング用の窒素（Ｎ₂）を供給するための窒素供給管３６が挿入されている。

窒素供給管３６から窒素を容器３４内の有機酸３２に供給して有機酸３２をバブリングすると、有機酸３２が気化し、有機酸供給部３０から処理室２０に有機酸３２が供給される。

あるいは、図３（ｂ）に示すように、バブリング用の窒素を使用する代わりに、容器３４の下にヒータなどの加熱機構３８を配置し、有機酸３２を加熱することにより気化させてもよい。

図１及び図２に戻って説明すると、処理室２０の天井面には、半導体ウェハ５に紫外線を照射するための紫外線照射部４０が設けられている。紫外線照射部４０から出射される紫外線の波長は１０ｎｍ〜４００ｎｍである。紫外線の光源としては、ＵＶランプなどが使用される。

また、処理室２０の天井面には半導体ウェハ５を加熱するための加熱部４２が設けられている。加熱部４２の好適な例としては、窒素を加熱するヒータなどの加熱手段を有し、加熱された窒素が半導体ウェハ５に供給され、半導体ウェハ５が加熱されて所定の温度に設定される。加熱した窒素を供給する代わりに、処理室２０のステージ２０ａの下にヒータを設置して半導体ウェハ５を加熱するようにしてもよい。

また、処理室２０の天井面には半導体ウェハ５に風を吹き付けるための送風部４４が設けられている。送風部４４は回転羽根（不図示）を備え、回転羽根が回転することにより半導体ウェハ５の表面に送風することができる。

有機酸によって半導体ウェハ５のはんだ端子の酸化膜を除去する際に生成される有機酸塩に、紫外線を照射すると有機酸塩が分解されて錫粒子が析出する。送風部４４は、半導体ウェハ５上に析出する錫粒子を上方に浮遊させるために使用される。

さらに、処理室２０には、第１吸引機構５０と第２吸引機構６０とが接続されている。第１吸引機構５０は、処理室２０に連結された第１排気管５２と、処理室２０の近傍の第１排気管５２に設けられた第１圧力コントロールバルブ５４と、第１排気管５２の末端に取り付けられた第１真空ポンプ５６とを備えている。処理室２０が設定圧力になるように第１圧力コントロールバルブ５４の開度が自動調整される。

第１吸引機構５０は、有機酸を供給する際に処理室２０を所定圧力に減圧して蟻酸の分圧を上げるために使用される。有機酸を供給する時点では、前述した錫粒子はまだ析出しないため異物の発生はほとんどない。このため、第１吸引機構５０の第１真空ポンプ５６として、高性能なターボポンプなどを使用することができ、処理室２０内を比較的低い圧力まで減圧することできる。

また、第２吸引機構６０は、処理室２０に連結された第２排気管６２と、処理室２０の近傍の第２排気管６２に設けられた第２圧力コントロールバルブ６４と、第２排気管６２の末端に取り付けられた第２真空ポンプ６６とを備えている。同様に、処理室２０が設定圧力になるように第２圧力コントロールバルブ６４の開度が自動調整される。

前述したように、半導体ウェハ５上に析出する錫粒子は、送風部４４によって半導体ウェハ５の上方に浮遊する。第２吸引機構６０は、この浮遊した錫粒子を吸引して除去するために使用される。このため、第２吸引機構６０の第２真空ポンプ６６として、異物となる錫粒子を吸引してもトラブルが発生しにくいロータリーポンプが使用される。

次に、前述した第１実施形態のリフロー装置１を使用して、半導体ウェハのはんだ端子の表面の酸化膜を除去する方法について説明する。

図４は第１実施形態の半導体装置の製造方法において、半導体ウェハを有機酸雰囲気でリフロー加熱しながら紫外線照射を行う工程を説明する図である。以下、図５〜図１０に加えて、図４を適宜参照しながら半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図５に示すように、表面にはんだ端子６を備えた半導体ウェハ５を用意する。半導体ウェハ５では、シリコンウェハにトランジスタ、キャパシタ及び抵抗などの素子が形成されている。

各素子の上には、素子を接続するための多層配線（不図示）が形成されており、多層配線の接続パッドにはんだ端子６が形成されている。はんだ端子６は電解めっきで形成されるか、あるいははんだボールが搭載されて形成される。

はんだ端子６の材料としては、錫（Ｓｎ）単体、又はその化合物である錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−金（Ａｕ）系のはんだ、錫（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系のはんだなどが使用される。

半導体ウェハ５のはんだ端子６の外面には、大気の酸素と反応して生成した酸化膜が形成されている。このため、半導体ウェハ５のはんだ端子６を配線基板などの電極に接続する前に酸化膜を除去する必要がある。

本実施形態では、金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハとして、はんだ端子６を備えた半導体ウェハ５を例示し、還元性を有する有機酸として蟻酸を使用し、蟻酸によってはんだ端子６の酸化膜を除去する方法について説明する。

還元性を有する有機酸は、金属端子と反応することで金属端子に形成された酸化膜を除去する機能がある。また、はんだ端子６の他に、銅端子などの各種の金属端子の酸化膜を除去することが可能である。

図５には、前述した図１のリフロー装置１の処理室２０のステージ２０ａ上に半導体ウェハ５が配置された様子が模式的に描かれている。

図４のＴ１の時点において、図５に示すように、図１のリフロー装置1の有機酸供給部３０から蟻酸を半導体ウェハ５の表面に供給し、半導体ウェハ５のはんだ端子６を蟻酸の雰囲気に曝す。このとき、リフロー装置１の第１吸引機構５０の第１圧力コントロールバルブ５４を開け、第１真空ポンプ５６で処理室２０を減圧して一定の圧力に保持する。処理室２０の圧力は、例えば８０ｋＰａに設定される。

次いで、図４のＴ１の時点からＴ２の時点に示すように、図１のリフロー装置１の加熱部４２を稼働させ、半導体ウェハ５がはんだ端子６のリフロー温度に達するまで加熱する。リフロー温度は、はんだ端子６の融点より高い温度に設定される。

例えば、半導体ウェハ５のはんだ端子６が錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系のはんだから形成される場合は、その融点である２２１℃より高い温度に設定する。リフロー温度としては融点より２０℃〜５０℃ほど高い温度、好適には３０℃程度高い温度に設定される。

錫−銀−銅系のはんだの融点は２１７℃であり、錫−銅系のはんだの融点は２２７℃であり、錫−鉛系のはんだの融点は１８３℃であり、錫−ビスマス系のはんだの融点は１３８℃である。

また、錫−インジウム系のはんだの融点は１１７℃であり、錫−亜鉛系の融点は１９０℃である。錫（Ｓｎ）−金（Ａｕ）系のはんだの融点は２８０℃であり、錫（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系のはんだの融点は２４０℃である。はんだ端子６の各はんだ材料の融点に基づいて、その融点より高い最適なリフロー温度に設定される。

これにより、半導体ウェハ５のはんだ端子６は、加熱によってリフローしながら蟻酸の還元作用によって酸化膜が除去される。処理室２０内を減圧しながら蟻酸を供給することにより、処理室２０内の蟻酸の分圧を高くできるため、はんだ端子６の酸化膜を効率よく除去することができる。

なお、必ずしも処理室２０内を減圧しながら蟻酸を供給する必要はなく、大気圧で蟻酸を供給してもはんだ端子６の酸化膜を除去することは可能である。

はんだ端子６の表面に形成されたＳｎＯ又はＳｎＯ₂からなる酸化膜と蟻酸（２ＨＣＯＯＨ）とが以下の反応式（１）、（２）で反応して酸化膜が除去され、蟻酸錫（Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂）が生成される。

ＳｎＯ＋２ＨＣＯＯＨ → Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂＋Ｈ₂Ｏ・・・（１）
ＳｎＯ₂＋２ＨＣＯＯＨ → Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂＋Ｈ₂Ｏ＋Ｏ₂・・・（２）
このようにして、図６に示すように、半導体ウェハ５のはんだ端子６の成分である錫と蟻酸とが反応して蟻酸錫７０が生成される。前述した予備的事項で説明したように、半導体ウェハ５の上に蟻酸錫７０が残存すると、イオンマイグレーションが発生して電子回路が電気ショートすることがある。

そこで、本実施形態では、図４のＴ２の時点からＴ３の時点の間において、図７に示すように、図１のリフロー装置１の紫外線照射部４０から半導体ウェハ５の全面に紫外線を照射する。このとき、半導体ウェハ５のはんだ端子６を蟻酸３２に曝す工程と、半導体ウェハ５をリフロー温度で加熱する工程と、半導体ウェハ５に紫外線を照射する工程は、同時に行われる。

紫外線の照射条件としては、波長が１０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で、例えば１００ｎｍの紫外線を、照射量が１０ｍＪ〜５０００ｍＪの範囲、例えば１００ｍＪの条件で照射する。

蟻酸錫に紫外線（ＵＶ）を照射することにより、以下の反応式（３）のように蟻酸錫（Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂）が分解される。

Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂＋ＵＶ → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ＋Ｓｎ・・・（３）
このようにして、図７に示すように、図６の蟻酸錫（Ｓｎ(ＨＣＯＯ)₂）７０は紫外線と反応し、二酸化炭素（ＣＯ₂）７２、水（Ｈ₂Ｏ）７４、一酸化炭素（ＣＯ）７６、及び錫（Ｓｎ）粒子７８に分解される。

リフロー温度での定温加熱状態で紫外線照射を行うことにより、蟻酸錫７０が半導体ウェハ５の上方の雰囲気に浮遊した状態で蟻酸錫７０に紫外線を照射することができるため、蟻酸錫７０を効率よく分解して除去することができる。

リフロー温度での定温加熱状態で紫外線照射を行う処理時間、すなわち図４のＴ２の時点からＴ３の時点までの時間は、１分〜３分程度であり、半導体ウェハ５を高いスループットで処理することができる。

リフロー温度で加熱しているため、水７４は、二酸化炭素７２及び一酸化炭素７６と共に揮発成分として第１吸引機構５０に排気される。

また、半導体ウェハ５のはんだ端子６は、図７に示すように、リフロー加熱によって丸みを帯びたバンプ形状となる。

そして、図４のＴ３の時点からＴ４の時点の間で、図１のリフロー装置１の加熱部４２からの加熱処理を止め、半導体ウェハ５を室温まで冷却する。なお、リフロー温度での定温加熱状態で紫外線照射を行うことが好ましいが、半導体ウェハ５を室温まで冷却した後に紫外線を照射しても蟻酸錫７０を分解して除去することができる。

図８に示すように、半導体ウェハ５の上の錫粒子７８は、第１吸引機構５０で吸引されずに残渣として残る。

次いで、図１のリフロー装置１の第１吸引機構５０の第１圧力コントロールバルブ５４を閉め、第２吸引機構６０の第２圧力コントロールバルブ６４を開ける。

次いで、図９に示すように、図１のリフロー装置１の送風部４４を稼働させ、半導体ウェハ５に向けて強制風を吹き付ける。これにより、図８で示した半導体ウェハ５の上に残存する錫粒子７８が上方に浮遊し、第２吸引機構６０の排気管６２を通して図１の第２真空ポンプ６６に吸引される。

このとき、前述した図７の二酸化炭素７２、水７４、及び一酸化炭素７６が残っている場合は、それらも同時に第２真空ポンプ６６に吸引される。

以上により、図１０に示すように、半導体ウェハ５上の錫粒子７８が第２吸引機構６０によって吸引されて除去され、半導体ウェハ５の表面はクリーンな状態となる。このようにして、有機酸塩に紫外線を照射することで分解して生成する金属粒子などの生成物を吸引して除去する。

本実施形態のリフロー装置１では、好適な例として、処理室２０に第１吸引機構５０と第２吸引機構６０とが接続され、第１吸引機構５０で蟻酸３２の分圧を調整し、第２吸引機構６０で錫粒子７８を吸引して除去している。

この形態の他に、第１吸引機構５０と第２吸引機構６０とを統合して一ラインの吸引機構とし、蟻酸３２の分圧の調整と、錫粒子７８の吸引とを同じ吸引機構で行うようにしてもよい。

本実施形態では、半導体ウェハ５のはんだ端子６を蟻酸雰囲気でリフロー加熱することにより、半導体ウェハ５のはんだ端子６の外面から酸化膜が除去されると共に、はんだ端子６のバンプ形状が丸みを帯びた形になるように整えられる。

さらに、蟻酸によってはんだ端子６の酸化膜を除去する際に生成される蟻酸錫７０に紫外線を照射することにより、蟻酸錫７０を分解して確実に除去することができる。

このように、半導体ウェハ５上に残渣として残った蟻酸錫を酸処理で除去する方法よりも短時間で確実に除去することができる。従って、半導体ウェハ５から信頼性の高い半導体装置を短時間で製造することができる。

また、半導体ウェハ５上から蟻酸錫７０を確実に除去できるため、蟻酸錫７０に起因するイオンマイグレーションの発生が防止され、回路の電気ショートの発生が回避される。これより、半導体ウェハ５から製造される半導体装置の信頼性を向上させることができる。

第１実施形態の製造方法で得られる半導体ウェハ５は、個々のチップ領域が得られるように切断されてチップ状の半導体素子となり、半導体素子のはんだ端子が配線基板などにフリップチップ接続される。半導体素子のはんだ端子は酸化膜が除去されているため、信頼性よく配線基板などに接続される。

なお、前述した形態では、金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハとして、露出するはんだ端子６を備えた単体の半導体ウェハ５を例示した。この形態の他に、露出するはんだ端子を備えた単体のチップ状の半導体素子、又は、露出するはんだ端子を備えた単体の配線基板などの各種の電子部材にも適用することができる。

また、図５には全体がはんだから形成されたはんだ端子６が例示されているが、少なくとも表面がはんだから形成されていればよい。

また、はんだ端子だけではなく、酸化膜が形成されやすい銅端子などの各種の金属端子にも適用することができる。

（第２実施形態）
前述した第１実施形態では、半導体ウェハのはんだ端子をリフロー加熱して酸化膜を除去する方法を説明した。第２実施形態では、はんだ端子同士を対向させて半導体素子などの半導体部材を積層し、リフロー加熱して酸化膜を除去しながら両者を接合する形態について説明する。

第２実施形態では、半導体装置の製造装置として、半導体部材の金属端子同士を接合する金属接合装置を例に挙げて説明する。

図１１（ａ）は第２実施形態で使用される積層半導体部材を示す断面図、図１１（ｂ）は第２実施形態の半導体装置の製造装置を示す平面図、図１２〜図１６は第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。

第２実施形態では、図１１（ａ）に示すように、金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハとして、積層半導体部材４が使用される。積層半導体部材４では、第１半導体部材４ａの第１金属端子４ｘの上に第２半導体部材４ｂの第２第１金属端子４ｙが対向して接触するように、第１半導体部材４ａの上に第２半導体部材４ｂが積層されている。

そのような積層半導体部材４を金属接合装置で第１実施形態と同様な方法で処理するためには、第１半導体部材４ａと第２半導体部材４ｂとの間の領域Ｂに、紫外線を照射し、送風部によって風を吹き付ける必要がある。

このため、図１１（ｂ）に示すように、第２実施形態の金属接合装置２では、紫外線照射部４０及び送風部４４が処理室２０の側壁に設けられている。これによって、積層半導体部材４の間の領域Ｂに横方向から紫外線を照射できると共に、送風することができる。

図１１（ｂ）の金属接合装置２において、紫外線照射部４０及び送風部４４以外の要素は図１のリフロー装置１と同一であるため、同一符号を付してその説明を省略する。

図１２（ａ）に示すように、図１１（ａ）の積層半導体部材４の第１例として、第１はんだ端子６ａを備えた第１半導体ウェハ５ａと、第２はんだ端子６ｂを備えた第２半導体ウェハ５ｂとを用意する。

そして、第１はんだ端子６ａの上に第２はんだ端子６ｂが対向して接触するように、第１半導体ウェハ５ａの上に第２半導体ウェハ５ｂを積層して積層半導体ウェハ７を得る。第１はんだ端子６ａと第２はんだ端子６ｂとははんだペースト（不図示）などによって仮接着される。

図１２（ａ）及び（ｂ）には、図１１（ｂ）の金属接合装置２の処理室２０のステージ２０ａに積層半導体ウェハ７が配置された様子が模式的示されている。

図１２（ａ）に示すように、第１実施形態と同様な方法で、積層半導体ウェハ７の内部の隙間に蟻酸を供給し、減圧雰囲気でリフロー加熱しながら、生成した蟻酸錫（不図示）に紫外線照射部４０から紫外線を照射する。

さらに、図１２（ｂ）に示すように、送風部４４から積層半導体ウェハ７の内部の隙間に送風し、蟻酸錫から生成した錫粒子（不図示）を積層半導体ウェハ７の外部に浮遊させる。そして、図１１（ｂ）の第２吸引機構６０によって錫粒子を吸引して除去する。

このように、図１１（ｂ）の金属接合装置２では、積層半導体ウェハ７の内部の隙間に横方向から紫外線を照射し、送風することができる。

これにより、図１２（ｃ）に示すように、第１半導体ウェハ５ａの第１はんだ端子６ａと第２半導体ウェハ５ｂの第２はんだ端子６ｂとが酸化膜が除去された状態で信頼性よく接合されて，両者を接続するはんだ接続電極ＳＥとなる。

そして、積層半導体ウェハ７が個々のチップ領域に分割されるように切断されて、積層半導体素子が得られる。

図１３（ａ）に示すように、図１１（ａ）の積層半導体部材４の第２例として、半導体ウェハ５のはんだ端子６の上にチップ状の半導体素子８のはんだ端子９が配置されるように、半導体ウェハ５の上に複数の半導体素子８を積層して積層半導体モジュール７ａを得る。

そして、図１３（ａ）に示すように、第１実施形態と同様な方法で、積層半導体モジュール７ａの内部の隙間に蟻酸を供給し、減圧雰囲気でリフロー加熱しながら、生成した蟻酸錫（不図示）に紫外線照射部４０から紫外線を照射する。

さらに、図１３（ｂ）に示すように、送風部４４から積層半導体モジュール７ａの内部の隙間に送風し、蟻酸錫から生成した錫粒子（不図示）を積層半導体モジュール７ａの外部に浮遊させる。そして、図１１（ｂ）の第２吸引機構６０によって錫粒子を吸引して除去する。

これにより、図１３（ｃ）に示すように、半導体ウェハ５のはんだ端子６と半導体素子８のはんだ端子９とが酸化膜が除去された状態で信頼性よく接合されて、両者を接続するはんだ接続電極ＳＥとなる。

そして、半導体ウェハ５が個々のチップ領域に分割されるように切断されて、積層半導体素子が得られる。

図１４（ａ）に示すように、図１１（ａ）の積層半導体部材４の第３例として、チップ状の第１半導体素子８ａの第１はんだ端子９ａの上にチップ状の第２半導体素子８ｂの第２はんだ端子９ｂが配置されるように、第１半導体素子８ａの上に第２半導体素子８ｂを積層する。これにより、積層半導体素子７ｂを得る。

そして、図１４（ａ）に示すように、第１実施形態と同様な方法で、積層型半導体素子７ｂの内部の隙間に蟻酸を供給し、減圧雰囲気でリフロー加熱しながら、生成した蟻酸錫（不図示）に紫外線照射部４０から紫外線を照射する。

さらに、図１４（ｂ）に示すように、送風部４４から積層半導体素子７ｂの内の隙間に送風し、蟻酸錫から生成した錫粒子（不図示）を積層半導体素子７ｂの外部に浮遊させる。そして、図１１（ｂ）の第２吸引機構６０によって錫粒子を吸引して除去する。

これにより、図１４（ｃ）に示すように、第１半導体素子８ａの第１はんだ端子９ａと第２半導体素子８ｂの第２はんだ端子９ｂとが酸化膜が除去された状態で信頼性よく接合されて、両者を接続するはんだ接続電極ＳＥとなる。

また、図１５（ａ）に示すように、図１１（ａ）の積層半導体部材４の第４例として、配線基板８０のはんだ端子８２の上にチップ状の半導体素子８のはんだ端子９が配置されるように、配線基板８０の上に第２半導体素子８を実装して積層半導体モジュール７ｃを得る。

図１５（ａ）に示すように、第１実施形態と同様な方法で、積層半導体モジュール７ｃの内部の隙間に蟻酸を供給し、減圧雰囲気でリフロー加熱しながら、生成した蟻酸錫に紫外線照射部４０から紫外線を照射する。

さらに、図１５（ｂ）に示すように、送風部４４から積層半導体モジュール７ｃの内部の隙間に送風し、蟻酸錫から生成した錫粒子（不図示）を積層半導体モジュール７ｃの外部に浮遊させる。そして、図１１（ｂ）の第２吸引機構６０によって錫粒子を吸引して除去する。

これにより、図１５（ｃ）に示すように、配線基板８０のはんだ端子８２と半導体素子８のはんだ端子９とが酸化膜が除去された状態で信頼性よく接合されて、両者を接続するはんだ接続電極ＳＥとなる。
また、図１６（ａ）に示すように、図１１（ａ）の積層半導体部材４とは別の形態として、第１配線基板８０ａの第１はんだ端子８２ａの上に第２配線基板８０ｂの第２はんだ端子８２ｂが配置されるように、第１配線基板８０ａの上に第２配線基板８０ｂを積層してもよい。これにより、積層配線基板７ｄが得られる。

図１６（ａ）に示すように、第１実施形態と同様な方法で、積層配線基板７ｄの内部の隙間に蟻酸を供給し、減圧雰囲気でリフロー加熱しながら、生成した蟻酸錫（不図示）に紫外線照射部４０から紫外線を照射する。

さらに、図１６（ｂ）に示すように、送風部４４から積層配線基板７ｄの内部の隙間に送風し、蟻酸錫から生成した錫粒子（不図示）を積層配線基板７ｄの外部に浮遊させる。そして、図１１（ｂ）の第２吸引機構６０によって錫粒子を吸引して除去する。

これにより、図１６（ｃ）に示すように、第１配線基板８０ａの第１はんだ端子８２ａと第２配線基板８０ｂの第２はんだ端子８２ｂとが酸化膜が除去された状態で信頼性よく接合されて、両者を接続するはんだ接続電極ＳＥとなる。

図１２〜図１６の例では、金属端子としてはんだ端子を使用し、はんだ端子同士を接合しているが、図１２〜図１６の各例において、銅端子と銅端子とをはんだなしで接合するときに適用してもよい。この場合は、銅端子の接続面が切削などによって平滑面に加工され、２００℃程度の温度の加熱雰囲気で銅端子と銅端子とが酸化膜が除去された状態で接合される。

また、全体がはんだから形成されたはんだ端子が例示したが、少なくとも表面がはんだから形成されていればよい。

このように、第２実施形態の半導体装置の製造方法は、各種の半導体素子又は半導体ウェハなどの酸化されやすい金属端子同士を酸化膜を除去しながら接合する際に適用することができる。

なお、図１１（ｂ）の金属接合装置２において、積層半導体部材４を載置するステージ２０ａが回転するようにしてもよいし、あるいは、紫外線照射部４０及び送風部４４を処理室２０の複数の側壁にそれぞれ設けるようにしてもよい。

これにより、積層半導体部材４の面積が大きくなる場合であっても、積層半導体部材４の内部の隙間を全体にわたって均一に処理することができる。

第２実施形態は第１実施形態と同様な効果を奏する。第２実施形態では、積層半導体部材４の間の領域Ｂに残渣として残った蟻酸錫を酸処理で除去する方法よりも短時間で確実に除去することができる。これより、積層半導体部材４から製造される半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本願発明者は前述した半導体装置の製造方法の効果を確認するため、以下に示すように実施例１〜３において実験サンプルを作成し、紫外線照射の有無での蟻酸錫の残渣の発生状況を調査した。

（実施例１）
実施例１の実験サンプルとしては、まず、直径が３００ｍｍのシリコンウェハに銅端子を形成した。銅端子の配置ピッチを５０μｍに、銅端子の直径を３０μｍに、銅端子の高さを３０μｍに設定した。

さらに、銅端子の先端の接続面を切削して平滑面とした。そして、シリコンウェハを一辺が１ｍｍの正方形にダイシングすることにより、図１７（ａ）に示すような銅端子９ｘを備えた個々のチップ状の半導体素子８を得た。

有機酸として蟻酸を使用し、容器に収容された蟻酸に窒素を流し込んでバブリングさせて蟻酸を気化させた。大気圧下の蟻酸雰囲気で２００℃の温度で加熱しながら、２つの半導体素子８の銅端子９ｘ同士をはんだなしで相互に３０分間接触させて接合した。

その後に、接合された半導体素子８を分離し、半導体素子８の表面をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）で分析した結果、半導体素子８上に有機酸塩として蟻酸銅が面積比で５％残渣として確認された。

一方、大気圧下の蟻酸雰囲気で２００℃の温度で加熱しながら、半導体素子８の銅端子９ｘ同士を相互に３０分間接触させると同時に、波長が１００ｎｍの紫外線を照射量が１００ｍＪの条件で２つの半導体素子８の間に６０秒間、照射した。さらに、その雰囲気を吸引した。

接合された半導体素子を分離し、半導体素子８の表面をＸＰＳで分析した結果、半導体素子８上の蟻酸銅は面積比で０％であり、蟻酸銅は存在しなかった。

このように、蟻酸銅に紫外線を照射することにより、蟻酸銅が分解されて除去されることが確認された。

（実施例２）
実施例２の実験サンプルとしては、まず、直径が３００ｍｍのシリコンウェハに、Ｓｎ−３．０％Ａｇ―０．５％Ｃｕの組成のはんだ端子を形成した。はんだ端子の配置ピッチを１００μｍに、はんだ端子の直径を５０μｍに設定した。さらに、シリコンウェハを一辺が１ｍｍの正方形にダイシングすることにより、図１７（ｂ）に示すように、はんだ端子９を備えたチップ状の半導体素子８を得た。

そして、有機酸として蟻酸を使用し、容器に収容された蟻酸を１２０℃の温度で加熱して蟻酸を気化させた。蟻酸の還元効果を上げるため処理室を８０ｋＰａの減圧下とし、蟻酸雰囲気に半導体素子８を曝し、２５０℃の温度で加熱してはんだ端子９の酸化膜を除去した。この半導体素子８の表面をＸＰＳで測定した結果、半導体素子８上に有機酸塩として蟻酸錫が面積比で７％残渣として確認された。

一方、同様に、８０ｋＰａの減圧下において蟻酸雰囲気に上記した半導体素子８を曝した状態で、半導体素子８を２５０℃の温度で加熱しながら、波長が１００ｎｍの紫外線を照射量が１００ｍＪの条件で６０秒間、半導体素子８の表面に照射した。さらに、半導体素子８の表面に送風した。

その半導体素子８の表面をＸＰＳで分析した結果、半導体素子８上の蟻酸錫は面積比で０％であり、蟻酸錫は存在しなかった。

このように、第２実施例においても、蟻酸錫に紫外線を照射することにより、蟻酸錫が分解されて除去されることが確認された。

（実施例３）
実施例３の実験サンプルとしては、図１７（ｃ）に示すように、大きさが一辺が４００ｍｍの正方形で、厚さが１ｍｍのガラスエポキシ樹脂基板９２にＳｎ−３８％Ｂｉの組成のはんだ端子９４を形成して配線基板９０とした。はんだ端子９４の配置ピッチを１．２７ｍｍに、はんだ端子９４の直径を６００μｍに設定した。

有機酸として蟻酸を使用し、容器に収容された蟻酸に窒素を流し込んでバブリングさせて蟻酸を気化させた。蟻酸の還元効果を上げるため処理室を８０ｋＰａの減圧下とし、蟻酸雰囲気に配線基板９０を曝し、２５０℃の温度で加熱してはんだ端子９４の酸化膜を除去した。

この配線基板９０の表面をＸＰＳで測定した結果、配線基板９０上に有機酸塩として蟻酸錫が面積比で１０％残渣として確認された。

一方、同様に、８０ｋＰａの減圧下において蟻酸雰囲気に上記した配線基板９０を曝した状態で、配線基板９０を１６０℃の温度で加熱しながら、波長が１００ｎｍの紫外線を照射量が４０００ｍＪの条件で７０秒間、配線基板９０の表面に照射した。さらに、配線基板９０の表面に送風した。

その配線基板９０の表面をＸＰＳで分析した結果、配線基板９０上の蟻酸錫は面積比で０％であり、蟻酸錫は存在しなかった。

このように、第３実施例においても、蟻酸錫に紫外線を照射することにより、蟻酸錫が分解されて除去されることが確認された。

以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と、
前記有機酸と前記金属端子とが反応して生成する有機酸塩に紫外線を照射する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記２）前記有機酸塩に紫外線を照射する工程において、
前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱しながら行うことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。

（付記３）前記有機酸塩に紫外線を照射する工程において、
減圧下で行うことを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記４）前記紫外線の照射によって前記有機酸塩が分解して生成する生成物を吸引して除去する工程を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記５）前記半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と前記有機酸塩に紫外線を照射する工程とは、同時に行われることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

（付記６）前記金属端子は少なくとも表面がはんだより形成され、前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱する際に、前記はんだの融点より高い温度で行うことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記７）前記金属端子は錫を含み、前記有機酸は蟻酸であり、前記有機酸塩は蟻酸錫であることを特徴とする付記１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

（付記８）前記半導体素子又は半導体ウェハは、前記金属端子が露出する単体の半導体素子又は半導体ウェハ、あるいは、前記金属端子同士が対向して積層された積層半導体部材であることを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

（付記９）金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハを載置する処理室と、
前記処理室内の半導体素子又は半導体ウェハに有機酸を供給する有機酸供給部と、
記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに紫外線を照射する紫外線照射部とを有することを特徴とする半導体装置の製造装置。

（付記１０）前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱する加熱部を有することを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造装置。

（付記１１）前記処理室内の雰囲気を吸引する吸引機構を有することを特徴とする付記９又は１０に記載の半導体装置の製造装置。

（付記１２）前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに送風する送風部を有することを特徴とする付記９又は１０に記載の半導体装置の製造装置。

（付記１３）前記吸引機構は、前記有機酸を供給する際に前記処理室内を減圧する第１吸引機構と、前記紫外線の照射によって前記有機酸塩が分解して生成する生成物を吸引して除去する第２吸引機構とを含むことを特徴とする付記１１に記載の半導体装置の製造装置。

（付記１４）前記半導体素子又は半導体ウェハは、前記金属端子が露出する単体の半導体素子又は半導体ウェハであり、
前記紫外線照射部及び送風部は、前記処理室の天井面に設けられていることを特徴とする付記９乃至１３のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。

（付記１５）前記半導体素子又は半導体ウェハは、前記金属端子同士が対向して積層された積層半導体部材であり、
前記紫外線照射部及び送風部は、前記処理室の側壁に設けられていることを特徴とする付記９乃至１３のいずれかに記載の半導体装置の製造装置。

１…リフロー装置、２…金属接合装置、４…積層半導体部材、４ａ，４ｂ…半導体部材、４ｘ，４ｙ…金属端子、５，５ａ，５ｂ…半導体ウェハ、６，６ａ，６ｂ，９，９ａ，９ｂ，８２，８２ａ，８２ｂ…はんだ端子、７…積層半導体ウェハ、７ａ，７ｃ…積層半導体モジュール、７ｂ…積層半導体素子、７ｄ…積層配線基板、８，８ａ，８ｂ…半導体素子、１０…準備室、１０ａ，２０ａ…ステージ、１４，１６…ゲートバルブ、２０…処理室、３０…有機酸供給部、３２…有機酸又は蟻酸、３４…容器、３６…窒素供給管、３８…加熱機構、４０…紫外線照射部、４２…加熱部、４４…送風部、５０…第１吸引機構、５２…第１排気管、５４…第１圧力コントロールバルブ、５６…第１真空ポンプ、６０…第２吸引機構、６２…第２排気管、６４…第２圧力コントロールバルブ、６６…第２真空ポンプ、７０…蟻酸錫、７２…二酸化炭素、７４…水、７６…一酸化炭素、７８…錫粒子、８０，８０ａ，８０ｂ…配線基板、ＳＥ…はんだ接続電極。

Claims (9)

1. 半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と、
   前記有機酸と前記金属端子とが反応して生成する有機酸塩に紫外線を照射する工程と
   を有し、
   前記半導体素子又は半導体ウェハの金属端子を有機酸に曝す工程と前記有機酸塩に紫外線を照射する工程とは、同時に行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記有機酸塩に紫外線を照射する工程において、
   前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱しながら行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記有機酸塩に紫外線を照射する工程において、
   減圧下で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記紫外線の照射によって前記有機酸塩が分解して生成する生成物を吸引して除去する工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記金属端子は少なくとも表面がはんだより形成され、前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱する際に、前記はんだの融点より高い温度で行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
6. 金属端子を備えた半導体素子又は半導体ウェハを載置する処理室と、
   前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに有機酸を供給する有機酸供給部と、
   前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに前記有機酸を供給しながら、前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに紫外線を照射する紫外線照射部と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
7. 前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱する加熱部を有し、
   前記紫外線照射部は、前記加熱部によって前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハを加熱しながら、前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに紫外線を照射することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造装置。
8. 前記処理室内の雰囲気を吸引する吸引機構を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造装置。
9. 前記処理室内の前記半導体素子又は半導体ウェハに送風する送風部を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造装置。

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