JP3412969B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
- Publication number
- JP3412969B2 JP3412969B2 JP18044095A JP18044095A JP3412969B2 JP 3412969 B2 JP3412969 B2 JP 3412969B2 JP 18044095 A JP18044095 A JP 18044095A JP 18044095 A JP18044095 A JP 18044095A JP 3412969 B2 JP3412969 B2 JP 3412969B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solder
- layer
- barrier metal
- semiconductor device
- bump
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L24/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/11—Manufacturing methods
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/11—Manufacturing methods
- H01L2224/1147—Manufacturing methods using a lift-off mask
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
- H01L2224/73203—Bump and layer connectors
- H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/8119—Arrangement of the bump connectors prior to mounting
- H01L2224/81191—Arrangement of the bump connectors prior to mounting wherein the bump connectors are disposed only on the semiconductor or solid-state body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/91—Methods for connecting semiconductor or solid state bodies including different methods provided for in two or more of groups H01L2224/80 - H01L2224/90
- H01L2224/92—Specific sequence of method steps
- H01L2224/921—Connecting a surface with connectors of different types
- H01L2224/9212—Sequential connecting processes
- H01L2224/92122—Sequential connecting processes the first connecting process involving a bump connector
- H01L2224/92125—Sequential connecting processes the first connecting process involving a bump connector the second connecting process involving a layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/013—Alloys
- H01L2924/0132—Binary Alloys
- H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Wire Bonding (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係り、
特に回路配線基板上にフリップチップ実装する半導体チ
ップのボンディングパッド上に形成するバンプ電極及び
その製造方法に関する。
特に回路配線基板上にフリップチップ実装する半導体チ
ップのボンディングパッド上に形成するバンプ電極及び
その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置は高集積化が進行し
て、実装技術も高密度化が求められている。半導体装置
の高密度実装技術にはワイヤボンディング技術、ＴＡＢ
技術などが代表的には挙げられるが、最も高密度の実装
技術として、フリップチップ実装技術が、コンピュータ
機器などの半導体装置を高密度実装する技術として、多
く用いられている。このフリップチップ実装技術は、米
国特許第３４０１１２６号公報及び米国特許第３４２９
０４０号公報が開示されて以来、広く公知の技術となっ
ている。
て、実装技術も高密度化が求められている。半導体装置
の高密度実装技術にはワイヤボンディング技術、ＴＡＢ
技術などが代表的には挙げられるが、最も高密度の実装
技術として、フリップチップ実装技術が、コンピュータ
機器などの半導体装置を高密度実装する技術として、多
く用いられている。このフリップチップ実装技術は、米
国特許第３４０１１２６号公報及び米国特許第３４２９
０４０号公報が開示されて以来、広く公知の技術となっ
ている。
【０００３】フリップチップ実装は、図２９に示す様
に、半導体チップのボンディングパッド上に突起形状を
有するバンプ電極を形成して、このバンプ電極を介し
て、半導体チップのボンディングパッドと回路配線基板
の電極パッドとを、図３０に示す様に、電気的、機械的
に相互接続する技術である。
に、半導体チップのボンディングパッド上に突起形状を
有するバンプ電極を形成して、このバンプ電極を介し
て、半導体チップのボンディングパッドと回路配線基板
の電極パッドとを、図３０に示す様に、電気的、機械的
に相互接続する技術である。
【０００４】フリップチップ実装技術では、半導体チッ
プの熱膨張係数と回路配線基板の熱膨張係数が一般的に
は互いに異なるため、半導体チップの動作中に発生した
熱がバンプ電極を通して回路配線基板に伝達し、熱膨張
係数の相異に起因する変位が、半導体チップと回路配線
基板に発生する。発生した変位は、半導体チップと回路
配線基板を接続するバンプ電極に、応力歪を発生させ
る。この熱膨張係数の相異に起因する変位による応力歪
は、発熱した半導体装置が冷却した場合にも発生する。
プの熱膨張係数と回路配線基板の熱膨張係数が一般的に
は互いに異なるため、半導体チップの動作中に発生した
熱がバンプ電極を通して回路配線基板に伝達し、熱膨張
係数の相異に起因する変位が、半導体チップと回路配線
基板に発生する。発生した変位は、半導体チップと回路
配線基板を接続するバンプ電極に、応力歪を発生させ
る。この熱膨張係数の相異に起因する変位による応力歪
は、発熱した半導体装置が冷却した場合にも発生する。
【０００５】さらに、外部温度雰囲気に温度差が生じた
場合にも、上述と同様の応力歪が、バンプ電極部分に発
生する。バンプ電極部分の応力歪は、フリップチップ実
装されたバンプ電極を破壊させることになり、信頼性寿
命を低下させる。
場合にも、上述と同様の応力歪が、バンプ電極部分に発
生する。バンプ電極部分の応力歪は、フリップチップ実
装されたバンプ電極を破壊させることになり、信頼性寿
命を低下させる。
【０００６】信頼性寿命は、ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅ
ｖｅｌｏｐ．，１３；２５１（１９６９）に記載されて
いる様にＮｆ＝Ｃｆ1/3 γmax -2．ｅｘｐ（１４２８／
Ｔma x ）で表されるサイクル寿命の式（Ｃ；定数、ｆ；
周波数、Ｔmax ；最大温度）から、バンプ部分に発生す
る最大剪断歪γmax を減少させることにより信頼性寿命
が向上することが知られている。更に、信頼性寿命の式
に示すバンプ電極に発生する最大剪断歪は、以下の式で
表される。
ｖｅｌｏｐ．，１３；２５１（１９６９）に記載されて
いる様にＮｆ＝Ｃｆ1/3 γmax -2．ｅｘｐ（１４２８／
Ｔma x ）で表されるサイクル寿命の式（Ｃ；定数、ｆ；
周波数、Ｔmax ；最大温度）から、バンプ部分に発生す
る最大剪断歪γmax を減少させることにより信頼性寿命
が向上することが知られている。更に、信頼性寿命の式
に示すバンプ電極に発生する最大剪断歪は、以下の式で
表される。
【０００７】
γmax ＝｛１／（Ｄmin ／２）2/β｝（Ｖ／πｈ1+β）1/β・ｄ・ΔＴ・Δα
（Ｄmin ；最小バンプ径、β；材料定数、Ｖ；ハンダ体
積、ｈ；ハンダ高さ、Δα；熱膨張係数の差、ΔＴ；温
度差、ｄ；チップ中心からバンプ中心までの距離） 従って、フリップチップ実装の信頼性を向上させるため
に、（１）半導体チップの中心点からバンプ電極の中心
点までの距離を小さくする、（２）半導体チップの熱膨
張係数と回路配線基板の熱膨張係数の差を小さくする、
（３）温度差が大きくならない様に放熱性を向上させ
る、（４）半導体チップと回路配線基板の隙間に樹脂充
填してフリップチップ実装構造を強固にする、（５）バ
ンプ電極構造と材料を応力歪に対し強固な構造にするな
どの手段を用いることにより解決されてきた。
積、ｈ；ハンダ高さ、Δα；熱膨張係数の差、ΔＴ；温
度差、ｄ；チップ中心からバンプ中心までの距離） 従って、フリップチップ実装の信頼性を向上させるため
に、（１）半導体チップの中心点からバンプ電極の中心
点までの距離を小さくする、（２）半導体チップの熱膨
張係数と回路配線基板の熱膨張係数の差を小さくする、
（３）温度差が大きくならない様に放熱性を向上させ
る、（４）半導体チップと回路配線基板の隙間に樹脂充
填してフリップチップ実装構造を強固にする、（５）バ
ンプ電極構造と材料を応力歪に対し強固な構造にするな
どの手段を用いることにより解決されてきた。
【０００８】例えば、バンプ電極の配置を変更し、半導
体チップの中心点からバンプ電極の中心点までの距離を
小さくする（１）の方法は、特願平４−１９８５５号公
報において記載されている。また、回路配線基板の材料
を考慮し、熱膨張係数を半導体チップの熱膨張係数と類
似また一致させる（２）の提案は、特にＭＣＭ（Ｍｕｌ
ｔｉｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）において、広く公知の技
術になっている。
体チップの中心点からバンプ電極の中心点までの距離を
小さくする（１）の方法は、特願平４−１９８５５号公
報において記載されている。また、回路配線基板の材料
を考慮し、熱膨張係数を半導体チップの熱膨張係数と類
似また一致させる（２）の提案は、特にＭＣＭ（Ｍｕｌ
ｔｉｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）において、広く公知の技
術になっている。
【０００９】更に、半導体チップの温度変化を小さくし
て発生する変位量を小さくする（３）の方法は、例え
ば、特開昭５８−２３４６２号公報において、半導体チ
ップの裏面に放熱フィンを設ける提案などが行われてお
り、公知の技術となっている。
て発生する変位量を小さくする（３）の方法は、例え
ば、特開昭５８−２３４６２号公報において、半導体チ
ップの裏面に放熱フィンを設ける提案などが行われてお
り、公知の技術となっている。
【００１０】更に、半導体チップと回路配線基板の隙間
に樹脂充填し、実装構造を強固する方法（４）は、特開
昭６１−１９４７３２号、特開昭６２−２５２９４６
号、特開昭６１−１３３３７号、特開平４−２１９９４
４号公報などに提案されている。
に樹脂充填し、実装構造を強固する方法（４）は、特開
昭６１−１９４７３２号、特開昭６２−２５２９４６
号、特開昭６１−１３３３７号、特開平４−２１９９４
４号公報などに提案されている。
【００１１】更に、バンプ電極と材料を応力歪に対して
強固にする方法（５）は、米国特許３４０１１２６号公
報、特開昭６０−３８８３９号公報、特開昭５９−５６
３７号公報に記載されている。このバンプ電極構造を制
御する方法は、これまで多くの提案が行われているが、
例えば特開昭６２−１１７３４６号公報、特開昭５９−
２１８７４４号公報では、バンプ電極の構成を、高融点
と低融点の２層の組み合わせで構成してリフローするこ
とにより、バンプ構造をつづみ型にしている。
強固にする方法（５）は、米国特許３４０１１２６号公
報、特開昭６０−３８８３９号公報、特開昭５９−５６
３７号公報に記載されている。このバンプ電極構造を制
御する方法は、これまで多くの提案が行われているが、
例えば特開昭６２−１１７３４６号公報、特開昭５９−
２１８７４４号公報では、バンプ電極の構成を、高融点
と低融点の２層の組み合わせで構成してリフローするこ
とにより、バンプ構造をつづみ型にしている。
【００１２】また、バンプ電極に加わる応力は、上述し
た剪断歪の式から明らかな様に、材料の定数に対しても
依存しているため、ハンダ材料を最適範囲内に限定して
信頼性を向上させる提案が行われている。ハンダ材料に
ついては、Ｐｒｏｃ．２６ｔｈ ＥＣＣ，６７，（１９
７６）に記載されている様に、Ｐｂ−５％Ｓｎ系合金が
信頼性に対して有効である報告が行われている。更に、
特開昭６１−６５４４２号公報、及び特開昭６１−８０
８２８号公報では、Ｓｎの含有量を６５〜８０％、又は
５０％にすることにより信頼性が向上するなど、実情に
即した方法で、応力緩和が行われている。
た剪断歪の式から明らかな様に、材料の定数に対しても
依存しているため、ハンダ材料を最適範囲内に限定して
信頼性を向上させる提案が行われている。ハンダ材料に
ついては、Ｐｒｏｃ．２６ｔｈ ＥＣＣ，６７，（１９
７６）に記載されている様に、Ｐｂ−５％Ｓｎ系合金が
信頼性に対して有効である報告が行われている。更に、
特開昭６１−６５４４２号公報、及び特開昭６１−８０
８２８号公報では、Ｓｎの含有量を６５〜８０％、又は
５０％にすることにより信頼性が向上するなど、実情に
即した方法で、応力緩和が行われている。
【００１３】ところが、ハンダをバンプ電極材料として
用いるときは、ボンディングパッド材料であるアルミニ
ウムとハンダとの拡散を防止するため、ハンダ拡散を防
止するバリア金属を形成する必要がある。
用いるときは、ボンディングパッド材料であるアルミニ
ウムとハンダとの拡散を防止するため、ハンダ拡散を防
止するバリア金属を形成する必要がある。
【００１４】特開昭５９−１２１９５５号公報は、特
に、バリア金属部分での残留応力に対する剥離問題の解
決策を提案するものであり、バリア金属に酸素が分散さ
れたチタン層を用いて、バリア金属に内在する引張応力
を緩和する方法を開示している。チタンを接着金属とし
て用いるバリア金属構造は、基本的に引張応力を内在し
ているが、ここでは、酸素を分散させたチタン膜が圧縮
応力を内在していることを発見したことにより、この酸
素分散チタン膜をバリア金属に適応して、引張応力に起
因する剥離不良を減少させることを提案している。
に、バリア金属部分での残留応力に対する剥離問題の解
決策を提案するものであり、バリア金属に酸素が分散さ
れたチタン層を用いて、バリア金属に内在する引張応力
を緩和する方法を開示している。チタンを接着金属とし
て用いるバリア金属構造は、基本的に引張応力を内在し
ているが、ここでは、酸素を分散させたチタン膜が圧縮
応力を内在していることを発見したことにより、この酸
素分散チタン膜をバリア金属に適応して、引張応力に起
因する剥離不良を減少させることを提案している。
【００１５】更に、特開昭５６−１２１９５５号、米国
特許５１３７８４５号公報は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕから構
成されるバリア金属端部を傾斜を有する構造にして、バ
リア金属端部に集中する応力を緩和させるものである。
図２９は、端部に傾斜を有するバリア金属を用いた図で
あり、この様な構成では、応力歪がバリア金属に集中し
ても、発生する応力は、順次上方に向かって緩和できる
ため、バリア金属部分に対する信頼性は向上するもので
ある。
特許５１３７８４５号公報は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕから構
成されるバリア金属端部を傾斜を有する構造にして、バ
リア金属端部に集中する応力を緩和させるものである。
図２９は、端部に傾斜を有するバリア金属を用いた図で
あり、この様な構成では、応力歪がバリア金属に集中し
ても、発生する応力は、順次上方に向かって緩和できる
ため、バリア金属部分に対する信頼性は向上するもので
ある。
【００１６】以上の様なバリア金属の剥離に関する問題
は、バンプサイズが近年の様に、特に微細化してくると
重要な問題となっている。
は、バンプサイズが近年の様に、特に微細化してくると
重要な問題となっている。
【００１７】米国特許第４３６０１４２号公報、米国特
許４２９００７９号公報はバリア金属の接着強度を向上
させるために、バリア金属をＣｒ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｃｕ／
Ａｕとすることにより、従来剥離が生じていたバリア金
属の信頼性を向上させている。尚、この構成では、最上
層のＡｕはリフロー時にハンダ中に拡散しているため、
最終的には、ハンダと接する界面には銅が配置されてい
る。
許４２９００７９号公報はバリア金属の接着強度を向上
させるために、バリア金属をＣｒ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｃｕ／
Ａｕとすることにより、従来剥離が生じていたバリア金
属の信頼性を向上させている。尚、この構成では、最上
層のＡｕはリフロー時にハンダ中に拡散しているため、
最終的には、ハンダと接する界面には銅が配置されてい
る。
【００１８】ところがこれらの方法では、ハンダ中に含
有されるＳｎ量が多い場合は、Ｃｕ−Ｓｎ合金が形成さ
れ、密着強度が低下して、バンプ電極に応力が加わった
場合は、バリア金属部分で剥離が生じ、フリップチップ
実装の不良が発生する問題があった。
有されるＳｎ量が多い場合は、Ｃｕ−Ｓｎ合金が形成さ
れ、密着強度が低下して、バンプ電極に応力が加わった
場合は、バリア金属部分で剥離が生じ、フリップチップ
実装の不良が発生する問題があった。
【００１９】ハンダと銅が接する界面において金属間化
合物が生成して密着強度が低下する報告も行われてお
り、例えば、Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊ
ｏｕｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｖｏ
ｌ．１６ Ｎｏ．１ Ｆｉｒｓｔ Ｑｕａｔｅｒ １９
９３，では、Ｃｕ−Ｓｎ拡散と接着強度低下の関係が記
載されている。この論文ではＣｕ3 Ｓｎ，Ｃｕ6 Ｓｎ5
などが、ハンダと銅の界面に形成され、特に銅上にＣｕ
3 Ｓｎが形成された後、Ｃｕ6 Ｓｎ5 が成長することに
より接着強度が低下する結果が記載されている。図３１
にはＣｕ−Ｓｎ状態図を示す。
合物が生成して密着強度が低下する報告も行われてお
り、例えば、Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊ
ｏｕｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｖｏ
ｌ．１６ Ｎｏ．１ Ｆｉｒｓｔ Ｑｕａｔｅｒ １９
９３，では、Ｃｕ−Ｓｎ拡散と接着強度低下の関係が記
載されている。この論文ではＣｕ3 Ｓｎ，Ｃｕ6 Ｓｎ5
などが、ハンダと銅の界面に形成され、特に銅上にＣｕ
3 Ｓｎが形成された後、Ｃｕ6 Ｓｎ5 が成長することに
より接着強度が低下する結果が記載されている。図３１
にはＣｕ−Ｓｎ状態図を示す。
【００２０】そこで特開平３−１８４９７号公報では、
ハンダと銅の合金成長を抑えるために、ハンダ中に銅を
含有させ、バリア金属部分における合金生成を防止する
提案が行われている。また、１９９２年電子情報通信学
会秋季大会予稿集ｐ５−１３では、銅がハンダ中に拡散
して接着強度が低下しない様に、銅柱材をハンダ中に配
置する提案を行っている。このハンダ中に柱材を形成す
る提案は特開平５−２３５１０２号、米国特許第３３０
３３９３号公報、特開昭６０−５７９５７号公報におい
ても提案されている。
ハンダと銅の合金成長を抑えるために、ハンダ中に銅を
含有させ、バリア金属部分における合金生成を防止する
提案が行われている。また、１９９２年電子情報通信学
会秋季大会予稿集ｐ５−１３では、銅がハンダ中に拡散
して接着強度が低下しない様に、銅柱材をハンダ中に配
置する提案を行っている。このハンダ中に柱材を形成す
る提案は特開平５−２３５１０２号、米国特許第３３０
３３９３号公報、特開昭６０−５７９５７号公報におい
ても提案されている。
【００２１】ところが、これらの方法においても銅と錫
の拡散進行は抑えられるものではなく、長時間における
電子機器使用ではバリア金属拡散が進行して、バンプ電
極のバリア金属部分で剥離が生じる問題が残っていた。
の拡散進行は抑えられるものではなく、長時間における
電子機器使用ではバリア金属拡散が進行して、バンプ電
極のバリア金属部分で剥離が生じる問題が残っていた。
【００２２】ハンダと銅の界面における密着力の低下に
関する問題は、ハンダの拡散バリア金属として一般的に
用いられるニッケルにおいても発生し、図３２に示す様
にＮｉ3 Ｓｎ4 の生成によりバンプ電極破壊が生じて信
頼性が低下する問題があった。
関する問題は、ハンダの拡散バリア金属として一般的に
用いられるニッケルにおいても発生し、図３２に示す様
にＮｉ3 Ｓｎ4 の生成によりバンプ電極破壊が生じて信
頼性が低下する問題があった。
【００２３】いずれにしろ、従来までの方法では半導体
チップ上にバンプ電極を形成することは可能であるもの
の、ハンダとバリア金属の合金化により、信頼性が必ず
しも充分に確保できない問題があった。特にバリア金属
の最上層に銅、またはニッケルを用いた場合において
は、重要な問題となっていた。
チップ上にバンプ電極を形成することは可能であるもの
の、ハンダとバリア金属の合金化により、信頼性が必ず
しも充分に確保できない問題があった。特にバリア金属
の最上層に銅、またはニッケルを用いた場合において
は、重要な問題となっていた。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】以上の様に、高密度、
高速実装を可能にするフリップチップ実装方法では、半
導体チップと回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因す
る応力歪がバンプ電極部分に発生してバンプ電極を破壊
させる信頼性上極めて重要な問題があった。
高速実装を可能にするフリップチップ実装方法では、半
導体チップと回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因す
る応力歪がバンプ電極部分に発生してバンプ電極を破壊
させる信頼性上極めて重要な問題があった。
【００２５】このため応力歪を減少させる方法として、
（１）半導体チップの中心点からバンプ電極の中心点ま
での距離を短くする、（２）半導体チップの熱膨張係数
と回路配線基板の熱膨張係数の差を小さくする、（３）
温度差が大きくならない様に放熱性を向上させる、
（４）半導体チップと回路配線基板の隙間に樹脂充填し
てフリップチップ構造を強固にする、（５）バンプ電極
構造を応力歪に対して強固な構造にする、などの方法が
提案され、ある程度その効果が発揮されてきた。
（１）半導体チップの中心点からバンプ電極の中心点ま
での距離を短くする、（２）半導体チップの熱膨張係数
と回路配線基板の熱膨張係数の差を小さくする、（３）
温度差が大きくならない様に放熱性を向上させる、
（４）半導体チップと回路配線基板の隙間に樹脂充填し
てフリップチップ構造を強固にする、（５）バンプ電極
構造を応力歪に対して強固な構造にする、などの方法が
提案され、ある程度その効果が発揮されてきた。
【００２６】特に、バンプ電極構造を応力歪に対して強
固にする提案は多く行われており、バンプ電極構造を高
融点と低融点のハンダ材料を積層してつづみ型にした
り、ハンダ材料中のＳｎ量を一定範囲組成に制御する提
案などが行われている。
固にする提案は多く行われており、バンプ電極構造を高
融点と低融点のハンダ材料を積層してつづみ型にした
り、ハンダ材料中のＳｎ量を一定範囲組成に制御する提
案などが行われている。
【００２７】また一方では、バンプ材料のハンダとボン
ディングパッド材料のアルミニウムとの拡散を防止して
バリア金属密着性を向上させるために、形成するバリア
金属構造とその材料を特定化することにより、信頼性を
向上させる提案が行われている。
ディングパッド材料のアルミニウムとの拡散を防止して
バリア金属密着性を向上させるために、形成するバリア
金属構造とその材料を特定化することにより、信頼性を
向上させる提案が行われている。
【００２８】このバリア金属に関する提案には、バリア
金属として用いるチタンに酸素を分散させることにより
密着性を向上させる方法、バリア金属端部に傾斜を形成
して応力歪を順次緩和させる方法などが挙げられるが、
バンプサイズが近年の様の微細化してくるとバリア金属
部分での剥離に関する問題は必ずしも容易に解決される
ものではなかった。
金属として用いるチタンに酸素を分散させることにより
密着性を向上させる方法、バリア金属端部に傾斜を形成
して応力歪を順次緩和させる方法などが挙げられるが、
バンプサイズが近年の様の微細化してくるとバリア金属
部分での剥離に関する問題は必ずしも容易に解決される
ものではなかった。
【００２９】バリア金属部分での剥離を防止して接着力
を向上させる方法としては、積層するバリア金属の各金
属層間に積層する金属の合金層を形成する方法が提案さ
れているが、ハンダとの拡散により密着力が低下するた
め、バンプ電極が破壊される問題は解決されていなかっ
た。
を向上させる方法としては、積層するバリア金属の各金
属層間に積層する金属の合金層を形成する方法が提案さ
れているが、ハンダとの拡散により密着力が低下するた
め、バンプ電極が破壊される問題は解決されていなかっ
た。
【００３０】この拡散によって接着力が低下する問題
は、バリア金属に銅を用いた場合において特に顕著であ
り、バンプ電極を高くするため銅を柱材として用いる場
合は重要な問題であった。銅とハンダの拡散により接着
力が低下する問題は良く知られており、ハンダ中に銅を
含有させる提案も行われているが、ハンダ中に含有させ
る錫量が多い場合には、銅と錫の金属間化合物が形成さ
れるため、接着力が低下する問題は解決されていなかっ
た。同様の問題はバリア金属としてニッケルを用いた場
合においても発生しており、信頼性を向上させるために
は問題があった。
は、バリア金属に銅を用いた場合において特に顕著であ
り、バンプ電極を高くするため銅を柱材として用いる場
合は重要な問題であった。銅とハンダの拡散により接着
力が低下する問題は良く知られており、ハンダ中に銅を
含有させる提案も行われているが、ハンダ中に含有させ
る錫量が多い場合には、銅と錫の金属間化合物が形成さ
れるため、接着力が低下する問題は解決されていなかっ
た。同様の問題はバリア金属としてニッケルを用いた場
合においても発生しており、信頼性を向上させるために
は問題があった。
【００３１】更に、ガラス基板を支持体としている様
な、熱伝導率が低くチップサイズが大きな半導体チップ
をリフロー接続するときは、全体が均一に溶融するまで
長時間を必要とするため、一部のバンプ電極のみが溶融
されて長時間のリフローによりバリア金属のうちハンダ
濡れの良好な金属がハンダ中に溶融され、ハンダ濡れの
悪いバリア金属全体が露出して、ハンダとの密着力が低
下するという問題もあった。
な、熱伝導率が低くチップサイズが大きな半導体チップ
をリフロー接続するときは、全体が均一に溶融するまで
長時間を必要とするため、一部のバンプ電極のみが溶融
されて長時間のリフローによりバリア金属のうちハンダ
濡れの良好な金属がハンダ中に溶融され、ハンダ濡れの
悪いバリア金属全体が露出して、ハンダとの密着力が低
下するという問題もあった。
【００３２】このように、これまでバリア金属に関して
接着力を向上させる提案は行われていたが、これらの提
案は、積層するバリア金属の強度向上を行うものであ
り、ハンダとバリア金属との拡散により生成する金属間
化合物のため接着力が低下する問題に関する提案は行わ
れておらず、バリア金属部分でバンプ電極が破壊される
問題は解決されていなかった。
接着力を向上させる提案は行われていたが、これらの提
案は、積層するバリア金属の強度向上を行うものであ
り、ハンダとバリア金属との拡散により生成する金属間
化合物のため接着力が低下する問題に関する提案は行わ
れておらず、バリア金属部分でバンプ電極が破壊される
問題は解決されていなかった。
【００３３】本発明は、上記の課題を鑑みてなされたも
のであり、半導体チップを回路配線基板にフリップチッ
プ実装する半導体装置のバンプ電極において、バンプ材
料であるハンダ組成を考慮して、ハンダとバリア金属と
の拡散を防ぎ、従来の構造以上に最適にバンプ電極の構
造を特定化することにより、信頼性の高い半導体装置を
提供実現するものである。
のであり、半導体チップを回路配線基板にフリップチッ
プ実装する半導体装置のバンプ電極において、バンプ材
料であるハンダ組成を考慮して、ハンダとバリア金属と
の拡散を防ぎ、従来の構造以上に最適にバンプ電極の構
造を特定化することにより、信頼性の高い半導体装置を
提供実現するものである。
【００３４】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、半導
体チップ、該半導体チップ上に設けられたボンディング
パッド、及び該ボンディングパッド上に突出形成された
ハンダバンプを有するバンプ電極を具備する半導体装置
において、前記バンプ電極は、ボンディングパッド上に
形成されたバリア金属層と、該バリア金属層上に形成さ
れ、ハンダバンプ材料と安定合金化する第１の接続層
と、該第１の接続層上に形成され、該ハンダバンプ材料
のうち、該バリア金属層と安定合金化しない金属を、ハ
ンダバンプよりも高濃度に含む第２の接続層と、該第２
の接続層上に形成されたハンダバンプとを含むことを特
徴とする半導体装置を提供する。
体チップ、該半導体チップ上に設けられたボンディング
パッド、及び該ボンディングパッド上に突出形成された
ハンダバンプを有するバンプ電極を具備する半導体装置
において、前記バンプ電極は、ボンディングパッド上に
形成されたバリア金属層と、該バリア金属層上に形成さ
れ、ハンダバンプ材料と安定合金化する第１の接続層
と、該第１の接続層上に形成され、該ハンダバンプ材料
のうち、該バリア金属層と安定合金化しない金属を、ハ
ンダバンプよりも高濃度に含む第２の接続層と、該第２
の接続層上に形成されたハンダバンプとを含むことを特
徴とする半導体装置を提供する。
【００３５】本発明は、第２に、半導体チップ、該半導
体チップ上に設けられたボンディングパッド、及び該ボ
ンディングパッド上に突出形成されたハンダバンプを有
するバンプ電極を具備する半導体装置を製造する方法で
あって、前記ボンディングパット上に、バリア金属層を
形成する工程、該バリア金属層上にハンダバンプ材料と
安定合金化する第１の接続層を形成する工程、該第１の
接続層上に、該ハンダバンプ材料のうち、該バリア金属
層と安定合金化しない金属を、ハンダバンプよりも高濃
度に含む第２の接続層を形成する工程、及び該第２の接
続層上に、ハンダバンプを形成する工程を含むことを特
徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
体チップ上に設けられたボンディングパッド、及び該ボ
ンディングパッド上に突出形成されたハンダバンプを有
するバンプ電極を具備する半導体装置を製造する方法で
あって、前記ボンディングパット上に、バリア金属層を
形成する工程、該バリア金属層上にハンダバンプ材料と
安定合金化する第１の接続層を形成する工程、該第１の
接続層上に、該ハンダバンプ材料のうち、該バリア金属
層と安定合金化しない金属を、ハンダバンプよりも高濃
度に含む第２の接続層を形成する工程、及び該第２の接
続層上に、ハンダバンプを形成する工程を含むことを特
徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００３６】
【本発明の実施の形態】本発明によれば、バンプ電極を
形成する金属の、特にバリア金属とハンダバンプが接す
る界面に拡散進行を防止する安定な合金の層と、ハンダ
バンプを構成する金属のうち安定な合金を形成する元素
以外の元素の層とが形成配置されているために、この新
規に形成される２種類の金属層が金属拡散ストッパー膜
として作用し、金属間化合物層を必要以上に形成させな
いため、接続強度を向上させることが可能になる。
形成する金属の、特にバリア金属とハンダバンプが接す
る界面に拡散進行を防止する安定な合金の層と、ハンダ
バンプを構成する金属のうち安定な合金を形成する元素
以外の元素の層とが形成配置されているために、この新
規に形成される２種類の金属層が金属拡散ストッパー膜
として作用し、金属間化合物層を必要以上に形成させな
いため、接続強度を向上させることが可能になる。
【００３７】このため従来は半導体装置を長期間に渡っ
て使用していた場合に問題となっていたバリア金属部分
の剥離に起因するバンプ電極破壊を防止することがで
き、フリップチップ実装した半導体装置の信頼性を極め
て向上させることが可能になる。
て使用していた場合に問題となっていたバリア金属部分
の剥離に起因するバンプ電極破壊を防止することがで
き、フリップチップ実装した半導体装置の信頼性を極め
て向上させることが可能になる。
【００３８】更に、本発明によれば、バンプ電極をハン
ダ融点以上に加熱してリフロー接続するとき、バリア金
属として形成した最上層金属がハンダに溶解され、下地
バリア金属が露出することにより密着力が低下するなど
の問題を解決することが可能になる。
ダ融点以上に加熱してリフロー接続するとき、バリア金
属として形成した最上層金属がハンダに溶解され、下地
バリア金属が露出することにより密着力が低下するなど
の問題を解決することが可能になる。
【００３９】以下、図面を参照して本発明を具体的に説
明する。
明する。
【００４０】図１は、本発明に係る半導体装置の基本的
構造を示す断面構成図である。図２は、本発明に係る半
導体装置をフリップチップ実装した電子回路装置の基本
的構造を示す部分構成図である。
構造を示す断面構成図である。図２は、本発明に係る半
導体装置をフリップチップ実装した電子回路装置の基本
的構造を示す部分構成図である。
【００４１】図１に示すように、この半導体装置は、半
導体チップ１と、半導体チップ１上に設けられたボンデ
ィングパッド７と、ボンディングパッド７上に形成され
るバリア金属層２と、バリア金属層２及びハンダバンプ
材料と安定合金化する第１の接続層４と、ハンダバンプ
材料のうちバリア金属層２と安定合金化しない金属を高
濃度に含み、かつ第１の接続層４と安定合金化する第２
の接続層５と、第２の接続層５上に形成されたハンダバ
ンプ３とから基本的に構成される。バリア金属層２とし
ては、例えばＣｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｗ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃ
ｒ，及びＴｉ等から選択される少なくとも１種の金属を
含む層を用いることができる。また、ハンダバンプ材料
としては、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇａ、及び
Ｇｅから選択される少なくとも１種の金属を含む層を用
いることができる。
導体チップ１と、半導体チップ１上に設けられたボンデ
ィングパッド７と、ボンディングパッド７上に形成され
るバリア金属層２と、バリア金属層２及びハンダバンプ
材料と安定合金化する第１の接続層４と、ハンダバンプ
材料のうちバリア金属層２と安定合金化しない金属を高
濃度に含み、かつ第１の接続層４と安定合金化する第２
の接続層５と、第２の接続層５上に形成されたハンダバ
ンプ３とから基本的に構成される。バリア金属層２とし
ては、例えばＣｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｗ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃ
ｒ，及びＴｉ等から選択される少なくとも１種の金属を
含む層を用いることができる。また、ハンダバンプ材料
としては、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇａ、及び
Ｇｅから選択される少なくとも１種の金属を含む層を用
いることができる。
【００４２】この半導体装置は、図２に示すように、回
路基板２１上の接続端子２３に、そのハンダバンプ３を
介して接続してフリップチップ実装することにより、電
子回路装置に適用し得る。なお、ここでは、バリア金属
層２、第１の接続層４、及び第２の接続層５をまとめて
積層体６１として表す。
路基板２１上の接続端子２３に、そのハンダバンプ３を
介して接続してフリップチップ実装することにより、電
子回路装置に適用し得る。なお、ここでは、バリア金属
層２、第１の接続層４、及び第２の接続層５をまとめて
積層体６１として表す。
【００４３】本発明にかかる半導体装置の第１の実施の
形態に係る半導体装置の概略断面図を、図３に示す。
形態に係る半導体装置の概略断面図を、図３に示す。
【００４４】図３に示す半導体装置では、バリア金属層
２は銅からなり、ハンダバンプ３の材料が少なくとも錫
鉛を含有するハンダ合金からなる。ここでは、バリア金
属層２上に、第１の接続層として、Ｃｕ3 Ｓｎ層３１、
Ｃｕ6 Ｓｎ5 層３２の順に形成された２層積層構造の金
属合金層が形成され、この上に、鉛が高濃度に分散され
た第２の接続層５が形成され、その上に、ハンダバンプ
３が形成されている。第１の実施の態様では、第１の接
続層を構成するＣｕ3 Ｓｎ層３１は、Ｃｕ6 Ｓｎ5 層３
２に比較して膜厚が厚く設定される。
２は銅からなり、ハンダバンプ３の材料が少なくとも錫
鉛を含有するハンダ合金からなる。ここでは、バリア金
属層２上に、第１の接続層として、Ｃｕ3 Ｓｎ層３１、
Ｃｕ6 Ｓｎ5 層３２の順に形成された２層積層構造の金
属合金層が形成され、この上に、鉛が高濃度に分散され
た第２の接続層５が形成され、その上に、ハンダバンプ
３が形成されている。第１の実施の態様では、第１の接
続層を構成するＣｕ3 Ｓｎ層３１は、Ｃｕ6 Ｓｎ5 層３
２に比較して膜厚が厚く設定される。
【００４５】上述のように、バンプ材料として錫／鉛ハ
ンダ合金、バリア金属の最上層として銅を形成する場合
において、銅上にＣｕ3 Ｓｎ合金、Ｃｕ6 Ｓｎ5 合金を
順次形成することにより、安定な金属間化合物を形成
し、鉛層をＣｕ6 Ｓｎ5 上に形成しているため、錫／鉛
ハンダと銅との拡散進行を防止することが可能になる。
また、銅上に形成するＣｕ3 Ｓｎ合金膜厚層は、Ｃｕ6
Ｓｎ5 膜厚層に比較して大きく形成することが好まし
く、この構成にすることにより、合金層は一定の膜厚以
上に拡散が進行しない構造となり、さらに安定化され
る。
ンダ合金、バリア金属の最上層として銅を形成する場合
において、銅上にＣｕ3 Ｓｎ合金、Ｃｕ6 Ｓｎ5 合金を
順次形成することにより、安定な金属間化合物を形成
し、鉛層をＣｕ6 Ｓｎ5 上に形成しているため、錫／鉛
ハンダと銅との拡散進行を防止することが可能になる。
また、銅上に形成するＣｕ3 Ｓｎ合金膜厚層は、Ｃｕ6
Ｓｎ5 膜厚層に比較して大きく形成することが好まし
く、この構成にすることにより、合金層は一定の膜厚以
上に拡散が進行しない構造となり、さらに安定化され
る。
【００４６】鉛含有層はハンダ側からＣｕ6 Ｓｎ5 側に
向かって鉛濃度が増加する組成にすることが好ましく、
この組成により、ハンダ中に存在する錫とＣｕ6 Ｓｎ5
合金の拡散進行を防止することができるため、鉛反応防
止ストッパーとしてより効果的に作用し、Ｃｕ6 Ｓｎ5
の生成を抑えることが可能となり、接続信頼性はさらに
向上する。
向かって鉛濃度が増加する組成にすることが好ましく、
この組成により、ハンダ中に存在する錫とＣｕ6 Ｓｎ5
合金の拡散進行を防止することができるため、鉛反応防
止ストッパーとしてより効果的に作用し、Ｃｕ6 Ｓｎ5
の生成を抑えることが可能となり、接続信頼性はさらに
向上する。
【００４７】更に、本発明にかかる半導体装置の第２の
実施の形態を表す概略断面図を図４に示す。この半導体
装置は、図４に示す様に、バリア金属層２がニッケルを
含有する合金からなり、ハンダバンプ３が少なくとも錫
鉛を含有するハンダ合金からなる。ここでは、バリア金
属層２上に、Ｎｉ3 Ｓｎ4 からなる第１の接続層４１が
形成されており、第１の接続層４１上に、鉛が高濃度に
分散された合金層からなる第２の接続層５が形成され、
その上にハンダバンプ３が形成されている。
実施の形態を表す概略断面図を図４に示す。この半導体
装置は、図４に示す様に、バリア金属層２がニッケルを
含有する合金からなり、ハンダバンプ３が少なくとも錫
鉛を含有するハンダ合金からなる。ここでは、バリア金
属層２上に、Ｎｉ3 Ｓｎ4 からなる第１の接続層４１が
形成されており、第１の接続層４１上に、鉛が高濃度に
分散された合金層からなる第２の接続層５が形成され、
その上にハンダバンプ３が形成されている。
【００４８】ここでは、ニッケル上にＮｉ3 Ｓｎ4 を形
成し、鉛層をＮｉ3 Ｓｎ4 上に形成しているため、ハン
ダとバリア金属の拡散が進行しない安定な構造となって
いる。
成し、鉛層をＮｉ3 Ｓｎ4 上に形成しているため、ハン
ダとバリア金属の拡散が進行しない安定な構造となって
いる。
【００４９】このとき、鉛含有層を、ハンダ側からＮｉ
3 Ｓｎ4 側に向かって鉛濃度が増加する組成とすること
が好ましく、この組成により、ハンダ中に存在する錫と
Ｎｉ3 Ｓｎ4 合金の拡散を防止し、鉛反応防止ストッパ
ーとして作用し、Ｎｉ3 Ｓｎ4 の反応生成を抑えること
が可能になり、接続信頼性が向上する。
3 Ｓｎ4 側に向かって鉛濃度が増加する組成とすること
が好ましく、この組成により、ハンダ中に存在する錫と
Ｎｉ3 Ｓｎ4 合金の拡散を防止し、鉛反応防止ストッパ
ーとして作用し、Ｎｉ3 Ｓｎ4 の反応生成を抑えること
が可能になり、接続信頼性が向上する。
【００５０】これまで高温環境下において剪断強度が低
下していた原因は、ハンダと、銅またはニッケル等との
拡散が進行して、ハンダと濡れ性の良くないチタンと接
するようになり、ハンダとチタン間に剥離が生じてい
た。ところが、本発明によれば、拡散を防止するストッ
パーとして、ハンダと例えば銅またはニッケル等から形
成され得る合金層を予め形成しているため、金属拡散が
必要以上に進行せず、バリア金属部分で剥離が生じな
い。従って剪断強度を充分確保することができるため信
頼性を向上させることが可能になった。
下していた原因は、ハンダと、銅またはニッケル等との
拡散が進行して、ハンダと濡れ性の良くないチタンと接
するようになり、ハンダとチタン間に剥離が生じてい
た。ところが、本発明によれば、拡散を防止するストッ
パーとして、ハンダと例えば銅またはニッケル等から形
成され得る合金層を予め形成しているため、金属拡散が
必要以上に進行せず、バリア金属部分で剥離が生じな
い。従って剪断強度を充分確保することができるため信
頼性を向上させることが可能になった。
【００５１】以下に、本発明の第１及び第２の実施の形
態を製造するための方法の一例について説明する。
態を製造するための方法の一例について説明する。
【００５２】第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を図５ないし図１６に示す。
導体装置の製造工程を図５ないし図１６に示す。
【００５３】図５に示すように、先ず、半導体チップ１
上にボンディングパッド７が形成され、ボンディングパ
ッド７の一部分を除いて例えばＰＳＧ（リン・シリカ・
ガラス）またはＳｉＮ（窒化シリコン）から構成される
パッシベーション膜６が形成されている例えばシリコン
製のウエハ１を用意し、このシリコンウエハ１上に、バ
リア金属層２として例えばＣｕ／Ｔｉを全面に蒸着す
る。（Ｃｕ＝１μｍ、Ｔｉ＝０．１μｍ） このＣｕ／Ｔｉ膜は、バンプを電気メッキで形成する場
合のカソード金属として用いられる。更に、このＣｕ／
Ｔｉ膜はハンダバンプ３を電気メッキで形成後、必要部
分をエッチングすることで最終的にはハンダバンプ３の
バリア金属層２となる。
上にボンディングパッド７が形成され、ボンディングパ
ッド７の一部分を除いて例えばＰＳＧ（リン・シリカ・
ガラス）またはＳｉＮ（窒化シリコン）から構成される
パッシベーション膜６が形成されている例えばシリコン
製のウエハ１を用意し、このシリコンウエハ１上に、バ
リア金属層２として例えばＣｕ／Ｔｉを全面に蒸着す
る。（Ｃｕ＝１μｍ、Ｔｉ＝０．１μｍ） このＣｕ／Ｔｉ膜は、バンプを電気メッキで形成する場
合のカソード金属として用いられる。更に、このＣｕ／
Ｔｉ膜はハンダバンプ３を電気メッキで形成後、必要部
分をエッチングすることで最終的にはハンダバンプ３の
バリア金属層２となる。
【００５４】次いで、図６に示すように、Ｃｕ／Ｔｉ蒸
着されたシリコンウエハ１上に、厚膜レジストＡＺ４９
０３（ヘキストジャパン社製）をスピンコートして、膜
厚が１００μｍ厚のレジスト層５１を形成する。このレ
ジスト層５１には、露光／現像により、９０μｍ平方の
開口寸法を有するボンディングパッドよりも一辺が５μ
ｍずつ大きい寸法を有する１００μｍの開口部をＣｕ／
Ｔｉ膜上に形成する。
着されたシリコンウエハ１上に、厚膜レジストＡＺ４９
０３（ヘキストジャパン社製）をスピンコートして、膜
厚が１００μｍ厚のレジスト層５１を形成する。このレ
ジスト層５１には、露光／現像により、９０μｍ平方の
開口寸法を有するボンディングパッドよりも一辺が５μ
ｍずつ大きい寸法を有する１００μｍの開口部をＣｕ／
Ｔｉ膜上に形成する。
【００５５】露光は、レジストの厚みが厚くても充分な
量の露光エネルギーを照射して行なわれ、現像はＡＺ４
００Ｋデベロッパー（ヘキストジャパン社製）により行
われる。薄膜金属と接する部分のレジスト膜の壁面角度
調整は、例えば１３ｔｈ ＩＥＭＴ Ｓｙｍｐ．ｐｐ２
０８，１９９２に記載されているような既知の方法で行
なわれ、露光エネルギー、レジスト面とガラスマスクと
の距離、及び現像液の濃度を調整することにより制御す
る。
量の露光エネルギーを照射して行なわれ、現像はＡＺ４
００Ｋデベロッパー（ヘキストジャパン社製）により行
われる。薄膜金属と接する部分のレジスト膜の壁面角度
調整は、例えば１３ｔｈ ＩＥＭＴ Ｓｙｍｐ．ｐｐ２
０８，１９９２に記載されているような既知の方法で行
なわれ、露光エネルギー、レジスト面とガラスマスクと
の距離、及び現像液の濃度を調整することにより制御す
る。
【００５６】このようにして、ボンディングパッド７に
対応する部分に、ボンディングパッド７よりも大きな寸
法で、レジスト膜５１が開口形成されているシリコンウ
エハ１を、下記の混合溶液からなる硫酸銅メッキ液に浸
漬し、浴温度２５℃でＣｕ／Ｔｉを陰極として、リン含
有（０．０３〜０．０８重量％）高純度銅板を陽極とし
て、電流密度１〜５（Ａ／ｄｍ2 ）で緩やかに攪拌しな
がら、図７に示すように、Ｃｕ／Ｔｉ膜上に銅５２を３
５μｍ電気メッキする。
対応する部分に、ボンディングパッド７よりも大きな寸
法で、レジスト膜５１が開口形成されているシリコンウ
エハ１を、下記の混合溶液からなる硫酸銅メッキ液に浸
漬し、浴温度２５℃でＣｕ／Ｔｉを陰極として、リン含
有（０．０３〜０．０８重量％）高純度銅板を陽極とし
て、電流密度１〜５（Ａ／ｄｍ2 ）で緩やかに攪拌しな
がら、図７に示すように、Ｃｕ／Ｔｉ膜上に銅５２を３
５μｍ電気メッキする。
【００５７】
硫酸銅メッキ液の組成
硫酸銅５水和物 ２オンス／ガロン
硫酸 ３０オンス／ガロン
塩酸 １０ ｐｐｍ
チオキサンテート−ｓ−プロパンスルホン酸
（またはチオキサンテートスルホン酸） ２０ ｐｐｍ
ポリエチレングリコール（分子量：４００，０００） ４０ ｐｐｍ
ポリエチレンイミン（分子量：６００）
と塩化ベンジルとの反応生成物 ２ ｐｐｍ
または
硫酸銅５水和物 ３０オンス／ガロン
硫酸 ８オンス／ガロン
塩酸 ３０ ｐｐｍ
ジチオカルバメート−ｓ−プロパンスルホン酸 ３０ ｐｐｍ
ポリプロピレングリコール（分子量：７００） １０ ｐｐｍ
ポリエチレンイミンと臭化アリル
またはジメチル硫酸との反応生成物 ０．３ ｐｐｍ
このとき形成する銅は必ずしも３５μｍ厚にメッキする
必要はなく、必要に応じて膜厚は任意に設定できる。従
って、銅をＣｕ／Ｔｉ膜上に厚付けする必要は必ずしも
なく、Ｃｕ／Ｔｉ膜のままであっても良い。
必要はなく、必要に応じて膜厚は任意に設定できる。従
って、銅をＣｕ／Ｔｉ膜上に厚付けする必要は必ずしも
なく、Ｃｕ／Ｔｉ膜のままであっても良い。
【００５８】また、Ｃｕ／Ｔｉ膜上に形成する場合の銅
は必ずしもメッキ法である必要はなく、公知の技術であ
るＥＢ蒸着法、スパッタ法を用いて、所定の膜厚を有す
るＣｕを形成しても何ら問題はない。
は必ずしもメッキ法である必要はなく、公知の技術であ
るＥＢ蒸着法、スパッタ法を用いて、所定の膜厚を有す
るＣｕを形成しても何ら問題はない。
【００５９】さらに電気メッキするためのレジストとし
て形成したＡＺ４０９３からなるレジスト層５１を、ア
セトンに浸漬し、図８に示すように、剥離除去する。こ
のとき剥離液として例えばＡＺリムーバー（ヘキストジ
ャパン社製）を用いることも可能である。
て形成したＡＺ４０９３からなるレジスト層５１を、ア
セトンに浸漬し、図８に示すように、剥離除去する。こ
のとき剥離液として例えばＡＺリムーバー（ヘキストジ
ャパン社製）を用いることも可能である。
【００６０】次いで、ウエハ上に対して全面にＣｕ3 Ｓ
ｎを５μｍ、及びＣｕ6 Ｓｎ5 を２μｍ順次スパッタ法
により堆積形成し、図９に示すように、第１の接続層４
を設ける。第１の接続層４は二層積層構造を有するが、
簡略して一層で示されている。このＣｕ3 Ｓｎ及びＣｕ
6 Ｓｎ5 の堆積方法は、スパッタ法に限定されるもので
はなく、電気メッキ法によりＣｕとＳｎを必要な当量膜
厚を堆積させて、Ｃｕ3 ＳｎあるいはＣｕ6 Ｓｎ5 形成
する様に熱処理により形成しても良い。
ｎを５μｍ、及びＣｕ6 Ｓｎ5 を２μｍ順次スパッタ法
により堆積形成し、図９に示すように、第１の接続層４
を設ける。第１の接続層４は二層積層構造を有するが、
簡略して一層で示されている。このＣｕ3 Ｓｎ及びＣｕ
6 Ｓｎ5 の堆積方法は、スパッタ法に限定されるもので
はなく、電気メッキ法によりＣｕとＳｎを必要な当量膜
厚を堆積させて、Ｃｕ3 ＳｎあるいはＣｕ6 Ｓｎ5 形成
する様に熱処理により形成しても良い。
【００６１】次いで、Ｃｕ6 Ｓｎ5 上に鉛含有層５を堆
積させる。この鉛含有層５は、ハンダバンプとしてその
上に形成されるべきハンダ合金中の鉛含有量を予め考慮
して、その鉛含有層５中に含まれる鉛濃度を、ハンダバ
ンプに近付く程順次低下させ、ハンダ合金と接する界面
においてはバンプ金属材料と同量の鉛組成を有する構成
になっていることが最も好ましい。
積させる。この鉛含有層５は、ハンダバンプとしてその
上に形成されるべきハンダ合金中の鉛含有量を予め考慮
して、その鉛含有層５中に含まれる鉛濃度を、ハンダバ
ンプに近付く程順次低下させ、ハンダ合金と接する界面
においてはバンプ金属材料と同量の鉛組成を有する構成
になっていることが最も好ましい。
【００６２】従って、鉛含有層の形成方法は、特に限定
されるものではないが、例えば電気メッキ法により１〜
４Ａ／ｄｍ2 の範囲で電流密度を変える公知の技術によ
り組成を順次変化させる方法が比較的容易である。
されるものではないが、例えば電気メッキ法により１〜
４Ａ／ｄｍ2 の範囲で電流密度を変える公知の技術によ
り組成を順次変化させる方法が比較的容易である。
【００６３】さらに鉛含有層５上に電気メッキ法を用い
てハンダを選択形成する前に、上記と同様の方法を用い
てメッキレジストＡＺ４９０３を用いて、図１０に示す
ように、１００μｍ厚のレジスト膜を形成し、予め形成
された銅突起よりも２μｍ幅広い開口寸法でパターンニ
ングする。
てハンダを選択形成する前に、上記と同様の方法を用い
てメッキレジストＡＺ４９０３を用いて、図１０に示す
ように、１００μｍ厚のレジスト膜を形成し、予め形成
された銅突起よりも２μｍ幅広い開口寸法でパターンニ
ングする。
【００６４】次いで、メッキ浴を下記に記載するスルホ
ン酸ハンダメッキ液に変えて、電気銅メッキの場合と同
様に、Ｃｕ／Ｔｉを陰極としてメッキ液に対応する組成
の、例えば高純度共晶ハンダ液を陽極として電気メッキ
を行う。
ン酸ハンダメッキ液に変えて、電気銅メッキの場合と同
様に、Ｃｕ／Ｔｉを陰極としてメッキ液に対応する組成
の、例えば高純度共晶ハンダ液を陽極として電気メッキ
を行う。
【００６５】
スルホン酸ハンダメッキ液の組成
錫イオン（Ｓｎ2+） １２ ｖｏｌ％
鉛イオン（Ｐｂ2+） ３０ ｖｏｌ％
脂肪族スルホン酸 ４１ ｖｏｌ％
ノニオン系界面活性剤 ５ ｖｏｌ％
カチオン系界面活性剤 ５ ｖｏｌ％
イソプロピルアルコール ７ ｖｏｌ％
電流密度は１〜４（Ａ／ｄｍ2 ）とし、浴温度２５℃で
緩やかに攪拌しながらハンダ組成（Ｐｂ／Ｓｎ）が共晶
組成にほぼ等しい、あるいはＰｂ側またはＳｎ側にわず
かに移行した組成のハンダ合金層３を、図１１に示すよ
うに、銅５２上に６５μｍ析出させる。
緩やかに攪拌しながらハンダ組成（Ｐｂ／Ｓｎ）が共晶
組成にほぼ等しい、あるいはＰｂ側またはＳｎ側にわず
かに移行した組成のハンダ合金層３を、図１１に示すよ
うに、銅５２上に６５μｍ析出させる。
【００６６】こうしてハンダバンプ材料であるハンダ合
金層３がボンディングパッド７上に連続的にメッキ形成
される。次いで、図１２に示すように、ウエハ１上のレ
ジストＡＺ４９０３をアセトンを用いて除去する。
金層３がボンディングパッド７上に連続的にメッキ形成
される。次いで、図１２に示すように、ウエハ１上のレ
ジストＡＺ４９０３をアセトンを用いて除去する。
【００６７】次いで、Ｃｕ／Ｔｉ膜２上のハンダバンプ
３が形成されているウエハ１上に例えばメッキレジスト
と同じＡＺ４９０３（ヘキストジャパン社製）またはＯ
ＦＰＲ−８００（東京応化社製）の粘度調整を行った溶
液をスピンコートし、ハンダバンプ３表面に、レジスト
膜５３を形成する。粘度調整は、メッキ金属厚が厚い場
合でも、メッキ突起電極の側面までレジスト膜５３が形
成される様に高粘度にする。
３が形成されているウエハ１上に例えばメッキレジスト
と同じＡＺ４９０３（ヘキストジャパン社製）またはＯ
ＦＰＲ−８００（東京応化社製）の粘度調整を行った溶
液をスピンコートし、ハンダバンプ３表面に、レジスト
膜５３を形成する。粘度調整は、メッキ金属厚が厚い場
合でも、メッキ突起電極の側面までレジスト膜５３が形
成される様に高粘度にする。
【００６８】レジスト膜３はバンプ金属に対応した形状
を表面に有しており、形成したレジスト膜３は、バンプ
金属上で１０μｍ、バンプ金属が形成されていないＰｂ
／Ｃｕ6 Ｓｎ5 ／Ｃｕ3 Ｓｎ／Ｃｕ／Ｔｉで構成される
カソード金属の部分で５５μｍの膜厚を有していた。
を表面に有しており、形成したレジスト膜３は、バンプ
金属上で１０μｍ、バンプ金属が形成されていないＰｂ
／Ｃｕ6 Ｓｎ5 ／Ｃｕ3 Ｓｎ／Ｃｕ／Ｔｉで構成される
カソード金属の部分で５５μｍの膜厚を有していた。
【００６９】次いで、ハンダバンプ１００μｍよりも開
口寸法が２μｍ大きい一辺が１０４μｍの開口パターン
を有するガラスマスクを必要位置に位置合わせした後に
露光する。露光は露光エネルギー２０００ｍＪで行い、
露光後１５０℃でウェハーをホットプレート上でベーク
する。
口寸法が２μｍ大きい一辺が１０４μｍの開口パターン
を有するガラスマスクを必要位置に位置合わせした後に
露光する。露光は露光エネルギー２０００ｍＪで行い、
露光後１５０℃でウェハーをホットプレート上でベーク
する。
【００７０】次いで、ベークしたウエハを現像液に浸漬
して現像する。
して現像する。
【００７１】以上の工程を行うことで、図１３に示すよ
うに、レジスト膜５３がハンダバンプ３上に選択的に形
成される。このときのレジスト膜５３は、薄膜金属と接
する下方部分で５５μｍ、上方部分で７５μｍ幅であっ
た。
うに、レジスト膜５３がハンダバンプ３上に選択的に形
成される。このときのレジスト膜５３は、薄膜金属と接
する下方部分で５５μｍ、上方部分で７５μｍ幅であっ
た。
【００７２】次いで、例えば塩酸、硝酸の混合溶液で鉛
含有層５をエッチング後、過硫酸アンモニウム、硫酸、
エタノールから構成される混合溶液でＣｕ3 Ｓｎ及びＣ
ｕ6Ｓｎ5 からなる積層体４を同時にエッチング除去す
る。さらに、過硫酸アンモニウム、硫酸、エタノールか
ら構成される混合溶液、またはクエン酸、過酸化水素
水、界面活性剤から構成される混合溶液で銅５２の必要
部分をエッチング除去後、アンモニア、エチレンジアミ
ン４酢酸、過酸化水素水から構成される混合溶液でチタ
ン２の必要部分をエッチング除去し、図１４に示すよう
な、半導体チップを得る。最後に、図１５に示すよう
に、被覆したエッチング用レジスト層５３をアセトンを
用いて溶解除去する。その後、リフローを行なうことに
より、図１６に示すように、半導体チップ上に、銅を最
上層にするバリア金属上にＣｕ3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 及
び鉛含有層が順次形成されたハンダバンプが得られる。
含有層５をエッチング後、過硫酸アンモニウム、硫酸、
エタノールから構成される混合溶液でＣｕ3 Ｓｎ及びＣ
ｕ6Ｓｎ5 からなる積層体４を同時にエッチング除去す
る。さらに、過硫酸アンモニウム、硫酸、エタノールか
ら構成される混合溶液、またはクエン酸、過酸化水素
水、界面活性剤から構成される混合溶液で銅５２の必要
部分をエッチング除去後、アンモニア、エチレンジアミ
ン４酢酸、過酸化水素水から構成される混合溶液でチタ
ン２の必要部分をエッチング除去し、図１４に示すよう
な、半導体チップを得る。最後に、図１５に示すよう
に、被覆したエッチング用レジスト層５３をアセトンを
用いて溶解除去する。その後、リフローを行なうことに
より、図１６に示すように、半導体チップ上に、銅を最
上層にするバリア金属上にＣｕ3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 及
び鉛含有層が順次形成されたハンダバンプが得られる。
【００７３】また、バンプ電極中の銅形状は、図７に示
す形状に限るものではない。図１７及び図１８に、銅形
状の他の例を表す図を示す。例えば図１７または図１８
に示すように、銅の厚さを少し大きくして、バンプの高
さを規定することができる。
す形状に限るものではない。図１７及び図１８に、銅形
状の他の例を表す図を示す。例えば図１７または図１８
に示すように、銅の厚さを少し大きくして、バンプの高
さを規定することができる。
【００７４】以下に、図４に示すような本発明の第２の
実施の形態に係る半導体装置の製造工程について説明す
る。
実施の形態に係る半導体装置の製造工程について説明す
る。
【００７５】第１の実施の形態と同様の構成を有するシ
リコンウエハ上に、バリア金属層２としてＮｉ／Ｔｉを
全面蒸着する。この金属構成はＣｕ／Ｔｉの場合と同様
に、特に限定されるものではない。
リコンウエハ上に、バリア金属層２としてＮｉ／Ｔｉを
全面蒸着する。この金属構成はＣｕ／Ｔｉの場合と同様
に、特に限定されるものではない。
【００７６】次いで、第１の実施の形態と同様の方法を
用いてメッキレジストＡＺ４９０３を必要部分のみ選択
形成して、ボンディングパッド部分のみを開口する。
用いてメッキレジストＡＺ４９０３を必要部分のみ選択
形成して、ボンディングパッド部分のみを開口する。
【００７７】こうしてボンディングパッド部分のみが選
択開口されたレジストを有するシリコンウエハ１を下記
の混合溶液からなるニッケルメッキ液に浸漬し、浴温度
５０℃で、Ｎｉ／Ｔｉを陰極として、高純度ニッケル板
を陽極として、電流密度１〜６（Ａ／ｄｍ2 ）で緩やか
に攪拌しながら、３５μｍ厚のニッケルを電気メッキす
る。
択開口されたレジストを有するシリコンウエハ１を下記
の混合溶液からなるニッケルメッキ液に浸漬し、浴温度
５０℃で、Ｎｉ／Ｔｉを陰極として、高純度ニッケル板
を陽極として、電流密度１〜６（Ａ／ｄｍ2 ）で緩やか
に攪拌しながら、３５μｍ厚のニッケルを電気メッキす
る。
【００７８】
ニッケルメッキ液の組成
硫酸ニッケル ２４０ ｇ／ｌ
塩化ニッケル ４５ ｇ／ｌ
ホウ酸 ３０ ｇ／ｌ
サッカリン １９ ｇ／ｌ
ホルマリン １〜２ ｍｌ／ｌ
次いで、メッキレジストＡＺ４９０３を除去して、Ｎｉ
3 Ｓｎ4 を例えばスパッタ法により全面形成し、第１の
接続層４１を形成する。続いて、第１の実施の形態と同
様にして鉛含有層５を形成する。この鉛層の組成は第１
の実施の形態と同様に、ハンダバンプ金属に向かって濃
度が順次減少する組成が好ましい。さらに第１の実施の
形態と同様の方法を用いてハンダ合金を堆積させる。
3 Ｓｎ4 を例えばスパッタ法により全面形成し、第１の
接続層４１を形成する。続いて、第１の実施の形態と同
様にして鉛含有層５を形成する。この鉛層の組成は第１
の実施の形態と同様に、ハンダバンプ金属に向かって濃
度が順次減少する組成が好ましい。さらに第１の実施の
形態と同様の方法を用いてハンダ合金を堆積させる。
【００７９】また第１の実施の形態と同様の方法を用い
て、カソード金属をエッチングするためのレジストであ
るＡＺ４９０３またはＯＦＰＲ−８００からなるレジス
ト層をハンダバンプ上に選択形成する。
て、カソード金属をエッチングするためのレジストであ
るＡＺ４９０３またはＯＦＰＲ−８００からなるレジス
ト層をハンダバンプ上に選択形成する。
【００８０】次いで、第１の実施の形態と同様の混合溶
液を用いて鉛含有層５をエッチングし、Ｎｉ3 Ｓｎ4 及
びＮｉ層を、硫酸銅５水和物、メタノール、塩酸、過酸
化水素水、及び純水を混合した溶液でエッチングした
後、Ｔｉを第１の実施の形態と同様の溶液を用いてエッ
チングする。
液を用いて鉛含有層５をエッチングし、Ｎｉ3 Ｓｎ4 及
びＮｉ層を、硫酸銅５水和物、メタノール、塩酸、過酸
化水素水、及び純水を混合した溶液でエッチングした
後、Ｔｉを第１の実施の形態と同様の溶液を用いてエッ
チングする。
【００８１】さらに被覆したエッチングレジストをアセ
トンを用いて溶解除去する。
トンを用いて溶解除去する。
【００８２】以上の工程を行うことにより、図４に示す
構成のバンプ電極を形成する。
構成のバンプ電極を形成する。
【００８３】尚、このときのバンプ電極内部に形成され
るニッケルの形状は必ずしも限定されるものではなく、
例えば図１７及び図１８に示す様な構造を有するもので
あっても良い。
るニッケルの形状は必ずしも限定されるものではなく、
例えば図１７及び図１８に示す様な構造を有するもので
あっても良い。
【００８４】以下に、このようにして得られた半導体装
置を回路配線基板に実装する工程について、図１９ない
し図２１を用いて説明する。
置を回路配線基板に実装する工程について、図１９ない
し図２１を用いて説明する。
【００８５】一方、半導体チップを搭載する回路配線基
板は例えば米国特許第４８１１０８２号あるいは通常の
積層ガラスエポキシ基板の様に公知の方法である技術を
用いて形成する。
板は例えば米国特許第４８１１０８２号あるいは通常の
積層ガラスエポキシ基板の様に公知の方法である技術を
用いて形成する。
【００８６】基板の材質及び構造は、本発明の場合は特
に限定されないが、ここでは例としてガラスエポキシ基
板上に絶縁層と導体層をビルドアップさせた方式の、プ
リント基板ＳＬＣ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌａｍｉｎａｒ
Ｃｉｒｃｕｉｔ）基板を用いる。
に限定されないが、ここでは例としてガラスエポキシ基
板上に絶縁層と導体層をビルドアップさせた方式の、プ
リント基板ＳＬＣ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌａｍｉｎａｒ
Ｃｉｒｃｕｉｔ）基板を用いる。
【００８７】図１９に示すように、回路配線基板２１
は、半導体チップのバンプ電極に対応する接続端子２３
に、１１０μｍφの開孔が設けられ、Ｃｕが露出されて
いる。基板の端子２３以外にはソルダレジスト２２が被
覆されている。
は、半導体チップのバンプ電極に対応する接続端子２３
に、１１０μｍφの開孔が設けられ、Ｃｕが露出されて
いる。基板の端子２３以外にはソルダレジスト２２が被
覆されている。
【００８８】次いで、公知の技術であるハーフミラーを
有して位置合わせを行うフリップチップボンダーを用い
て半導体チップと回路配線基板の位置合わせを行い、図
２０に示すように、バンプ電極２４と回路配線基板２１
の接続端子２３を電気的、機械的に接触させる。このと
き回路配線基板２１は加熱機構を有するステージ上に保
持され、Ｐｂ／Ｓｎ＝４０／６０の融点よりも高い２０
０℃に窒素雰囲気中で予備加熱されている。
有して位置合わせを行うフリップチップボンダーを用い
て半導体チップと回路配線基板の位置合わせを行い、図
２０に示すように、バンプ電極２４と回路配線基板２１
の接続端子２３を電気的、機械的に接触させる。このと
き回路配線基板２１は加熱機構を有するステージ上に保
持され、Ｐｂ／Ｓｎ＝４０／６０の融点よりも高い２０
０℃に窒素雰囲気中で予備加熱されている。
【００８９】さらに半導体チップ１と回路配線基板２１
が接触された状態で、半導体チップ１を保持するコレッ
ト５４を基板２１を搭載するステージと同じ温度２００
℃に窒素雰囲気中で加熱して、バンプ２４表面に設けら
れているハンダを溶融することで、半導体チップ１と回
路配線基板２１の電極２３とを、電気的、機械的に仮接
続させる。
が接触された状態で、半導体チップ１を保持するコレッ
ト５４を基板２１を搭載するステージと同じ温度２００
℃に窒素雰囲気中で加熱して、バンプ２４表面に設けら
れているハンダを溶融することで、半導体チップ１と回
路配線基板２１の電極２３とを、電気的、機械的に仮接
続させる。
【００９０】最後に、窒素雰囲気を有する２５０℃に、
加熱されたリフロー炉中に半導体チップを搭載した回路
配線基板を通過させることで、電気的、機械的接続を実
現させる。このとき、ハンダの表面張力により、セルフ
ァライン効果が発生し、マウント時に発生した多少の位
置ずれは修正され、正確な位置にボンディングが可能に
なる。
加熱されたリフロー炉中に半導体チップを搭載した回路
配線基板を通過させることで、電気的、機械的接続を実
現させる。このとき、ハンダの表面張力により、セルフ
ァライン効果が発生し、マウント時に発生した多少の位
置ずれは修正され、正確な位置にボンディングが可能に
なる。
【００９１】以上に示す工程を行うことにより、図２１
及び図２に示す様な半導体装置及び半導体装置をフリッ
プチップ実装した電子回路装置を実現することができ
る。
及び図２に示す様な半導体装置及び半導体装置をフリッ
プチップ実装した電子回路装置を実現することができ
る。
【００９２】尚、図２２に示すように、必要に応じてフ
リップチップ実装した半導体装置１と回路配線基板２１
が作る隙間部分に公知の技術である樹脂を封止すること
も可能である。
リップチップ実装した半導体装置１と回路配線基板２１
が作る隙間部分に公知の技術である樹脂を封止すること
も可能である。
【００９３】本発明に係る半導体装置をフリップチップ
実装した電子回路装置の信頼性を評価したところ、以下
の結果を得た。
実装した電子回路装置の信頼性を評価したところ、以下
の結果を得た。
【００９４】図２３は、１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体チ
ップ上にＰｂ／Ｓｎ＝４０／６０のバンプ電極を２５６
個、径１００μｍφで形成し、ＳＬＣ基板上にフリップ
チップ実装した試料の信頼性を評価した結果である。２
５６ピンの中で１箇所でも接続がオープンになった場合
を不良と評価して、縦軸に信頼性寿命（Ｎｆ50）、横軸
に温度サイクルを示した。サンプル数は１０００個、温
度サイクルは条件は（−５５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃
（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍ
ｉｎ））で行った。
ップ上にＰｂ／Ｓｎ＝４０／６０のバンプ電極を２５６
個、径１００μｍφで形成し、ＳＬＣ基板上にフリップ
チップ実装した試料の信頼性を評価した結果である。２
５６ピンの中で１箇所でも接続がオープンになった場合
を不良と評価して、縦軸に信頼性寿命（Ｎｆ50）、横軸
に温度サイクルを示した。サンプル数は１０００個、温
度サイクルは条件は（−５５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃
（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍ
ｉｎ））で行った。
【００９５】図中、２３１は、ボンディングパッド上に
Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、
２３２は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成
した場合、２３３は、Ｐｂ（５μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ
5 （０．２μｍ）／Ｃｕ3 Ｓｎ（５μｍ）／Ｃｕ（１μ
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、２３４は、
Ｐｂ（５μｍ）／Ｎｉ3 Ｓｎ4 （０．３μｍ）／Ｎｉ
（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、２３
５は、Ｃｕ／Ｔｉの構成でさらに樹脂封止を行った場
合、２３６は、Ｎｉ／Ｔｉの構成でさらに樹脂封止を行
なった場合、２３７は、Ｐｂ／Ｃｕ6 Ｓｎ5 ／Ｃｕ3 Ｓ
ｎ／Ｃｕ／Ｔｉにさらに封止樹脂を行なった場合、２３
８は、Ｐｂ／Ｎｉ3 Ｓｎ4 ／Ｎｉ／Ｔｉにさらに封止樹
脂を行なった場合を各々示す。なお、各々これらの積層
体上にＰｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰｂ−Ｓｎ合金
からなるハンダバンプを設けた。
Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、
２３２は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成
した場合、２３３は、Ｐｂ（５μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ
5 （０．２μｍ）／Ｃｕ3 Ｓｎ（５μｍ）／Ｃｕ（１μ
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、２３４は、
Ｐｂ（５μｍ）／Ｎｉ3 Ｓｎ4 （０．３μｍ）／Ｎｉ
（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した場合、２３
５は、Ｃｕ／Ｔｉの構成でさらに樹脂封止を行った場
合、２３６は、Ｎｉ／Ｔｉの構成でさらに樹脂封止を行
なった場合、２３７は、Ｐｂ／Ｃｕ6 Ｓｎ5 ／Ｃｕ3 Ｓ
ｎ／Ｃｕ／Ｔｉにさらに封止樹脂を行なった場合、２３
８は、Ｐｂ／Ｎｉ3 Ｓｎ4 ／Ｎｉ／Ｔｉにさらに封止樹
脂を行なった場合を各々示す。なお、各々これらの積層
体上にＰｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰｂ−Ｓｎ合金
からなるハンダバンプを設けた。
【００９６】ボンディングパッド上にＣｕ（１μｍ）／
Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した試料は２０サイクルで不
良が発生し１００サイクルで１００％不良になったが、
Ｐｂ（５μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ5 （０．２μｍ）／（Ｃｕ
3 Ｓｎ（５μｍ）／Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μ
ｍ）形成した試料は１０００サイクルまで不良は発生せ
ず、２０００サイクルで１００％不良となった。さら
に、この試料を公知の方法によりエポキシ樹脂で封止し
た試料の信頼性を評価した結果、３５００サイクルまで
不良は発生せず、従来のＣｕ／Ｔｉのみの構成で樹脂封
止を行った試料が３０００サイクルで不良が発生した場
合に比較して信頼性を極めて向上することが解った。
Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した試料は２０サイクルで不
良が発生し１００サイクルで１００％不良になったが、
Ｐｂ（５μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ5 （０．２μｍ）／（Ｃｕ
3 Ｓｎ（５μｍ）／Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μ
ｍ）形成した試料は１０００サイクルまで不良は発生せ
ず、２０００サイクルで１００％不良となった。さら
に、この試料を公知の方法によりエポキシ樹脂で封止し
た試料の信頼性を評価した結果、３５００サイクルまで
不良は発生せず、従来のＣｕ／Ｔｉのみの構成で樹脂封
止を行った試料が３０００サイクルで不良が発生した場
合に比較して信頼性を極めて向上することが解った。
【００９７】更にボンディングパッド上にＮｉ（１μ
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した試料は５０サイク
ルで不良が発生して、２００サイクルで１００％不良に
なったが、Ｐｂ（５μｍ）／Ｎｉ3 Ｓｎ4 （０．３μ
ｍ）／Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）形成した試
料は、１５００サイクルまで不良は発生せず、２５００
サイクルで１００％不良となった。
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した試料は５０サイク
ルで不良が発生して、２００サイクルで１００％不良に
なったが、Ｐｂ（５μｍ）／Ｎｉ3 Ｓｎ4 （０．３μ
ｍ）／Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）形成した試
料は、１５００サイクルまで不良は発生せず、２５００
サイクルで１００％不良となった。
【００９８】更に、この試料を上記と同様のエポキシ樹
脂で封止した試料の信頼性を評価した結果、４５００サ
イクルまで不良は発生せず従来のＮｉ／Ｔｉのみの構成
で樹脂封止した試料が３７００サイクルで不良発生した
場合に比較して信頼性は極めて向上した。
脂で封止した試料の信頼性を評価した結果、４５００サ
イクルまで不良は発生せず従来のＮｉ／Ｔｉのみの構成
で樹脂封止した試料が３７００サイクルで不良発生した
場合に比較して信頼性は極めて向上した。
【００９９】尚、本試験を行ったときの破断モードに関
しては、従来のＣｕ／ＴｉまたはＮｉ／Ｔｉのみを形成
した試料はＣｕ／ＴｉまたはＮｉ／Ｔｉ部分で破断が生
じていたが、本発明による構成ではいずれの場合もハン
ダ部分で破断が生じておりバリア金属部分で破断するこ
とはなかった。
しては、従来のＣｕ／ＴｉまたはＮｉ／Ｔｉのみを形成
した試料はＣｕ／ＴｉまたはＮｉ／Ｔｉ部分で破断が生
じていたが、本発明による構成ではいずれの場合もハン
ダ部分で破断が生じておりバリア金属部分で破断するこ
とはなかった。
【０１００】図２４は、バンプ電極のシェア強度を１５
０℃の高温保存試験を行って測定した結果である。実線
２４１、２４２、２４３は、Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ
（０．１μｍ）を形成した後、その上にＣｕを、その膜
厚を各々１μｍ、５μｍ、３０μｍに変化させて形成し
た場合を示し、実線２４４、２４５は、各々Ｃｕ（１μ
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した後、その上にＣｕ
3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 及びＰｂを各々１０００オングス
トローム／２μｍ／５μｍ、２μｍ／１０００オングス
トローム／５μｍ堆積させた場合を示す。なお、これら
の積層体上には、さらに各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の
割合のＰｂ−Ｓｎ合金からなるハンダバンプが設けられ
ている。
０℃の高温保存試験を行って測定した結果である。実線
２４１、２４２、２４３は、Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ
（０．１μｍ）を形成した後、その上にＣｕを、その膜
厚を各々１μｍ、５μｍ、３０μｍに変化させて形成し
た場合を示し、実線２４４、２４５は、各々Ｃｕ（１μ
ｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した後、その上にＣｕ
3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 及びＰｂを各々１０００オングス
トローム／２μｍ／５μｍ、２μｍ／１０００オングス
トローム／５μｍ堆積させた場合を示す。なお、これら
の積層体上には、さらに各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の
割合のＰｂ−Ｓｎ合金からなるハンダバンプが設けられ
ている。
【０１０１】Ｃｕ膜厚が１μｍのときは２００時間でシ
ェア強度は急激に低下し、Ｃｕ＝５μｍのときは４００
時間で低下する。更にＣｕ膜厚を厚くした３０μｍのと
きはシェア強度が低下するまで時間は増加するが、８０
０時間で急激な減少を示す。これらの破断モードはＣｕ
がハンダ中に拡散して、ハンダとＴｉの界面で発生して
いるものであった。
ェア強度は急激に低下し、Ｃｕ＝５μｍのときは４００
時間で低下する。更にＣｕ膜厚を厚くした３０μｍのと
きはシェア強度が低下するまで時間は増加するが、８０
０時間で急激な減少を示す。これらの破断モードはＣｕ
がハンダ中に拡散して、ハンダとＴｉの界面で発生して
いるものであった。
【０１０２】ところが図２４の２４４、２４５に示す様
に、Ｃｕ3 Ｓｎ Ｃｕ6 Ｓｎ5 をＣｕ上に形成し、その
上に高濃度Ｐｂ層を形成した試料は保存時間が増加して
もシェア強度は急激に減少しない。特に、Ｃｕ3 Ｓｎ膜
厚がＣｕ6 Ｓｎ5 膜厚に比較して厚い場合はシェア強度
はほとんど低下しないことが解った。
に、Ｃｕ3 Ｓｎ Ｃｕ6 Ｓｎ5 をＣｕ上に形成し、その
上に高濃度Ｐｂ層を形成した試料は保存時間が増加して
もシェア強度は急激に減少しない。特に、Ｃｕ3 Ｓｎ膜
厚がＣｕ6 Ｓｎ5 膜厚に比較して厚い場合はシェア強度
はほとんど低下しないことが解った。
【０１０３】図２５は、図２４のために用いられた試験
と同様の試験をバリア金属がＮｉ／Ｔｉの場合に関して
実施した結果である。実線２５１、２５２、及び２５３
は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した
後、その上にＮｉを、その膜厚を各々１μｍ、５μｍ、
３０μｍに変化させて形成した場合を示し、実線２５４
は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した
後、その上にＮｉ3 Ｓｎ4（１μｍ）／Ｐｂ（５μｍ）
形成した場合を示す。なお、これらの積層体上には、さ
らに各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰｂ−Ｓｎ合
金からなるハンダバンプが設けられている。
と同様の試験をバリア金属がＮｉ／Ｔｉの場合に関して
実施した結果である。実線２５１、２５２、及び２５３
は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した
後、その上にＮｉを、その膜厚を各々１μｍ、５μｍ、
３０μｍに変化させて形成した場合を示し、実線２５４
は、Ｎｉ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）を形成した
後、その上にＮｉ3 Ｓｎ4（１μｍ）／Ｐｂ（５μｍ）
形成した場合を示す。なお、これらの積層体上には、さ
らに各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰｂ−Ｓｎ合
金からなるハンダバンプが設けられている。
【０１０４】図２４の場合と同様にＮｉ膜厚が厚くなる
ほどシェア強度は急激に低下しないことが解る。特に、
Ｎｉ／Ｔｉ上にＮｉ3 Ｓｎ4 を形成し、Ｎｉ3 Ｓｎ4 上
に高濃度Ｐｂ層を形成した試料のシェア強度はほとんど
低下しない。
ほどシェア強度は急激に低下しないことが解る。特に、
Ｎｉ／Ｔｉ上にＮｉ3 Ｓｎ4 を形成し、Ｎｉ3 Ｓｎ4 上
に高濃度Ｐｂ層を形成した試料のシェア強度はほとんど
低下しない。
【０１０５】図２６は、Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１
μｍ）上に形成されるＣｕ3 Ｓｎ／Ｃｕ6 Ｓｎ5 または
Ｎｉ／Ｔｉ上に形成されるＮｉ3 Ｓｎ4 の膜厚とシェア
強度との関係を示した結果である。図中、２６１、２６
２は、各々Ｃｕ3 Ｓｎ膜厚＜Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚すなわち
Ｃｕ3 Ｓｎを０．１μｍ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 を２μｍ形成し
た場合、Ｃｕ3 Ｓｎ膜厚＞Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚すなわちＣ
ｕ3 Ｓｎを２μｍ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 を０．１μｍ形成した
場合を示し、２６３は、Ｎｉ3 Ｓｎ4 を１μｍ形成した
場合を示す。なお、これらの積層体上には、さらに、Ｐ
ｂ層５μｍ及び各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰ
ｂ−Ｓｎ合金からなるハンダバンプが設けられている。
μｍ）上に形成されるＣｕ3 Ｓｎ／Ｃｕ6 Ｓｎ5 または
Ｎｉ／Ｔｉ上に形成されるＮｉ3 Ｓｎ4 の膜厚とシェア
強度との関係を示した結果である。図中、２６１、２６
２は、各々Ｃｕ3 Ｓｎ膜厚＜Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚すなわち
Ｃｕ3 Ｓｎを０．１μｍ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 を２μｍ形成し
た場合、Ｃｕ3 Ｓｎ膜厚＞Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚すなわちＣ
ｕ3 Ｓｎを２μｍ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 を０．１μｍ形成した
場合を示し、２６３は、Ｎｉ3 Ｓｎ4 を１μｍ形成した
場合を示す。なお、これらの積層体上には、さらに、Ｐ
ｂ層５μｍ及び各々Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０の割合のＰ
ｂ−Ｓｎ合金からなるハンダバンプが設けられている。
【０１０６】図２４における結果と同様に、Ｃｕ3 Ｓｎ
膜厚＞Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚の場合の方がＣｕ3 Ｓｎ＜Ｃｕ
6 Ｓｎ5 の場合に比較して強度が高いことが解った。
膜厚＞Ｃｕ6 Ｓｎ5 膜厚の場合の方がＣｕ3 Ｓｎ＜Ｃｕ
6 Ｓｎ5 の場合に比較して強度が高いことが解った。
【０１０７】更に、このときのＣｕ3 Ｓｎ膜厚は０．０
５μｍ〜１０μｍの範囲内において強度が高く、別途行
なった同様の試験からＣｕ6 Ｓｎ5 膜厚は０．０２μｍ
〜５μｍの範囲においてシェア強度が高いことも解っ
た。
５μｍ〜１０μｍの範囲内において強度が高く、別途行
なった同様の試験からＣｕ6 Ｓｎ5 膜厚は０．０２μｍ
〜５μｍの範囲においてシェア強度が高いことも解っ
た。
【０１０８】図２７は、第２の接続層として形成される
金属の鉛濃度とシェア強度との関係を示した図である。
実線２７１、２７２，２７３は、各々、ハンダ組成Ｐ
ｂ：Ｓｎ＝１０：９０、Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０、Ｐ
ｂ：Ｓｎ＝９０：１０のときの鉛濃度とバンプ剪断強度
との関係を表すグラフ図を示す。図示するように、形成
するハンダ組成に合わせて、鉛濃度がハンダ組成中の鉛
濃度＞鉛濃度の範囲内において増加するが、鉛濃度が、
ハンダ組成＜鉛濃度において高い一定値を示すことが解
る。
金属の鉛濃度とシェア強度との関係を示した図である。
実線２７１、２７２，２７３は、各々、ハンダ組成Ｐ
ｂ：Ｓｎ＝１０：９０、Ｐｂ：Ｓｎ＝４０：６０、Ｐ
ｂ：Ｓｎ＝９０：１０のときの鉛濃度とバンプ剪断強度
との関係を表すグラフ図を示す。図示するように、形成
するハンダ組成に合わせて、鉛濃度がハンダ組成中の鉛
濃度＞鉛濃度の範囲内において増加するが、鉛濃度が、
ハンダ組成＜鉛濃度において高い一定値を示すことが解
る。
【０１０９】従って、バンプ電極金属を錫鉛合金ハンダ
で構成するとき、第２の接続層として構成する金属は、
バンプ電極材料を構成するハンダ中の鉛濃度＜第２の接
続層中の鉛の組成であることが良いことが解った。
で構成するとき、第２の接続層として構成する金属は、
バンプ電極材料を構成するハンダ中の鉛濃度＜第２の接
続層中の鉛の組成であることが良いことが解った。
【０１１０】また、図２８には、均一な鉛含有層を形成
した場合と、ハンダバンプ層に向かって段階的に鉛含有
量を低下させた段階的鉛層を形成した場合について、そ
の信頼性の評価結果を示す。ここでは、１０ｍｍ×１０
ｍｍの半導体チップのボンディングパッド上にＰｂ（５
μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ5 （０．１μｍ）−Ｃｕ3 Ｓｎ（２
μｍ）／Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）の積層体
を形成し、その上にＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０のバンプ電
極を２５６個、径１００μｍφで形成し、ＳＬＣ基板上
にフリップチップ実装した試料の信頼性を評価した結果
である。
した場合と、ハンダバンプ層に向かって段階的に鉛含有
量を低下させた段階的鉛層を形成した場合について、そ
の信頼性の評価結果を示す。ここでは、１０ｍｍ×１０
ｍｍの半導体チップのボンディングパッド上にＰｂ（５
μｍ）／Ｃｕ6 Ｓｎ5 （０．１μｍ）−Ｃｕ3 Ｓｎ（２
μｍ）／Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（０．１μｍ）の積層体
を形成し、その上にＰｂ／Ｓｎ＝６０／４０のバンプ電
極を２５６個、径１００μｍφで形成し、ＳＬＣ基板上
にフリップチップ実装した試料の信頼性を評価した結果
である。
【０１１１】２５６ピンの中で１箇所でも接続がオープ
ンになった場合を不良と評価して、縦軸に信頼性寿命
（Ｎｆ50）、横軸に温度サイクルを示した。サンプル数
は１０００個、温度サイクルは条件は（−５５℃（３０
ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉ
ｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ））で行った。
ンになった場合を不良と評価して、縦軸に信頼性寿命
（Ｎｆ50）、横軸に温度サイクルを示した。サンプル数
は１０００個、温度サイクルは条件は（−５５℃（３０
ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉ
ｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ））で行った。
【０１１２】図中２８１は、均一な鉛層を形成した場
合、２８２は段階的鉛層を形成した場合を各々示す。
合、２８２は段階的鉛層を形成した場合を各々示す。
【０１１３】図２８の結果から、この鉛金属層は濃度が
一定の値を有する均一層よりも段階的にハンダ層に向か
って低下する場合の方が高い信頼性を示すことが解っ
た。
一定の値を有する均一層よりも段階的にハンダ層に向か
って低下する場合の方が高い信頼性を示すことが解っ
た。
【０１１４】これらの結果から本発明を用いた半導体装
置の信頼性は従来の方法に比較して充分であることが確
認された。
置の信頼性は従来の方法に比較して充分であることが確
認された。
【０１１５】尚、本発明による半導体装置は樹脂封止を
行った場合において、特に信頼性が著しく向上すること
も確認された。
行った場合において、特に信頼性が著しく向上すること
も確認された。
【０１１６】さらに本発明に用いられるバリア金属材料
は、Ｃｕ，Ｎｉに限定するものではなく、例えばＡｕ，
Ｗ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｒ，あるいはＴｉ等を使用すること
ができる。また、形成するハンダバンプ材料は、例えば
Ｐｂ−Ｓｎ合金のみならず、Ｓｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｇａ，
Ｇｅなどが混合されたものであっても良く、その効果は
何ら変わるものではない。
は、Ｃｕ，Ｎｉに限定するものではなく、例えばＡｕ，
Ｗ，Ａｇ，Ａｌ，Ｃｒ，あるいはＴｉ等を使用すること
ができる。また、形成するハンダバンプ材料は、例えば
Ｐｂ−Ｓｎ合金のみならず、Ｓｂ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｇａ，
Ｇｅなどが混合されたものであっても良く、その効果は
何ら変わるものではない。
【０１１７】
【発明の効果】本発明によれば、バンプ電極を形成する
金属の、特にバリアメタルとハンダバンプとの間に拡散
進行を防止する安定な合金からなる第１の接続層と、ハ
ンダバンプを構成する金属のうち安定な合金を形成する
元素以外の元素を高濃度に含む第２の接続層が形成配置
されているために、これらの２種類の金属層がバリアメ
タルとハンダバンプ間の金属拡散ストッパーとして作用
し、金属間化合物が必要以上に生成することを防ぎ、拡
散による接続強度の低下を防止することが可能となる。
また、ハンダバンプをハンダ融点以上に加熱してリフロ
ー接続するとき、バリアメタルとして形成した最上層金
属がハンダに溶解され、ハンダと濡れ性のよくない下地
バリアメタルがハンダと接触し、密着力が低下すること
も防ぐことができる。
金属の、特にバリアメタルとハンダバンプとの間に拡散
進行を防止する安定な合金からなる第１の接続層と、ハ
ンダバンプを構成する金属のうち安定な合金を形成する
元素以外の元素を高濃度に含む第２の接続層が形成配置
されているために、これらの２種類の金属層がバリアメ
タルとハンダバンプ間の金属拡散ストッパーとして作用
し、金属間化合物が必要以上に生成することを防ぎ、拡
散による接続強度の低下を防止することが可能となる。
また、ハンダバンプをハンダ融点以上に加熱してリフロ
ー接続するとき、バリアメタルとして形成した最上層金
属がハンダに溶解され、ハンダと濡れ性のよくない下地
バリアメタルがハンダと接触し、密着力が低下すること
も防ぐことができる。
【０１１８】また、本発明によれば、これまで半導体装
置を長期間に渡って使用した場合に問題となっていたバ
リアメタル部分の剥離に起因するバンプ電極破壊を防止
することができ、フリップチップ実装した半導体装置の
信頼性を極めて向上させることが可能となり、高密度に
半導体チップを実装し、シェア強度が低下しない信頼性
の高い半導体装置を容易に実現することが可能である。
置を長期間に渡って使用した場合に問題となっていたバ
リアメタル部分の剥離に起因するバンプ電極破壊を防止
することができ、フリップチップ実装した半導体装置の
信頼性を極めて向上させることが可能となり、高密度に
半導体チップを実装し、シェア強度が低下しない信頼性
の高い半導体装置を容易に実現することが可能である。
【図１】 本発明に係る半導体装置の基本的構造を示す
断面構成図
断面構成図
【図２】 本発明に係る半導体装置をフリップチップ実
装した電子回路装置の基本的構造を示す部分構成図
装した電子回路装置の基本的構造を示す部分構成図
【図３】 本発明にかかる半導体装置の第１の実施の形
態に係る半導体装置の概略断面図
態に係る半導体装置の概略断面図
【図４】 本発明にかかる半導体装置の第２の実施の形
態を表す概略断面図
態を表す概略断面図
【図５】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半導
体装置の製造工程を説明するための図
体装置の製造工程を説明するための図
【図６】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半導
体装置の製造工程を説明するための図
体装置の製造工程を説明するための図
【図７】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半導
体装置の製造工程を説明するための図
体装置の製造工程を説明するための図
【図８】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半導
体装置の製造工程を説明するための図
体装置の製造工程を説明するための図
【図９】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半導
体装置の製造工程を説明するための図
体装置の製造工程を説明するための図
【図１０】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１１】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１２】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１３】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１４】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１５】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１６】 第１の形態にかかるバンプ電極を備えた半
導体装置の製造工程を説明するための図
導体装置の製造工程を説明するための図
【図１７】 バンプ電極内部に形成されるバリア層の形
状の一例を示す図
状の一例を示す図
【図１８】 バンプ電極内部に形成されるバリア層の形
状の他の一例を示す図
状の他の一例を示す図
【図１９】 半導体装置を回路配線基板に実装する工程
を説明するための図
を説明するための図
【図２０】 半導体装置を回路配線基板に実装する工程
を説明するための図
を説明するための図
【図２１】 半導体装置を回路配線基板に実装する工程
を説明するための図
を説明するための図
【図２２】 本発明にかかるバンプ電極を備えた半導体
装置の他の例を示す図
装置の他の例を示す図
【図２３】 本発明の第１及び第２の形態にかかる電子
回路装置の信頼性を表すグラフ図
回路装置の信頼性を表すグラフ図
【図２４】 高温保存による本発明の第１の形態にかか
る電子回路装置の信頼性を表すグラフ図
る電子回路装置の信頼性を表すグラフ図
【図２５】 高温保存による本発明の第２の形態にかか
る電子回路装置の信頼性を表すグラフ図
る電子回路装置の信頼性を表すグラフ図
【図２６】 二層構造の第１の接続層の各膜厚とシェア
強度との関係を表すグラフ図
強度との関係を表すグラフ図
【図２７】 第２の接続層として形成される金属の鉛濃
度とシェア強度との関係を表すグフ図
度とシェア強度との関係を表すグフ図
【図２８】 鉛含有層の組成による信頼性の違いの評価
結果を示すグラフ図
結果を示すグラフ図
【図２９】 従来の技術を説明するための図
【図３０】 従来の技術を説明するための図
【図３１】 銅−錫状態図
【図３２】 ニッケル−錫状態図
１…半導体チップ
２…バリア金属層
３…はんだバンプ
４…第１の接続層
５…第２の接続層
６…パッシベーション膜
２１…回路配線基板
２２…ソルダーレジスト
２３…接続用端子
２４…バンプ電極
３１…Ｃｕ3 Ｓｎ層
３２…Ｃｕ6 Ｓｎ5 層
３３…高濃度鉛層
４１…Ｎｉ3 Ｓｎ4 層
４２…バリアメタル
５１…メッキレジスト
５２…銅
５３…エッチングレジスト
５４…コレット
５５…基板加熱ヒータ
５６…封止樹脂
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−21140（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−280434（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−13382（ＪＰ，Ａ)
Ｍａｘ Ｈａｎｓｅｎ ＆ Ｋｕｒｔ
Ａｎｄｅｒｋｏ，Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔ
ｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｎａｒｙ Ａｌｌｏ
ｙｓ ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ,
米国，1958年10月 ８日，ｐ775−776,
ｐ1193−1194，特許庁資料館受入第
16038号
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/60
H01L 21/60 311
Claims (6)
- 【請求項１】 半導体チップ、該半導体チップ上に設け
られたボンディングパッド、及び該ボンディングパッド
上に突出形成されたハンダバンプを有するバンプ電極を
具備する半導体装置において、前記バンプ電極は、ボン
ディングパッド上に形成されたバリア金属層と、該バリ
ア金属層上に形成され、ハンダバンプ材料と安定合金化
する第１の接続層と、該第１の接続層上に形成され、該
ハンダバンプ材料のうち、該バリア金属層と安定合金化
しない金属を、ハンダバンプよりも高濃度に含む第２の
接続層と、該第２の接続層上に形成されたハンダバンプ
とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】 前記第１の接続層は、前記バリア金属に
含まれる金属成分の少なくとも１つと、前記ハンダバン
プ材料に含まれる金属成分の少なくとも１つとを含有す
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項３】 前記第２の接続層は、前記バリア金属層
と安定合金化しない金属の濃度が、前記第１の接続層側
から前記ハンダバンプ側にかけて低下する組成であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。 - 【請求項４】 半導体チップ、該半導体チップ上に設け
られたボンディングパッド、及び該ボンディングパッド
上に突出形成されたハンダバンプを有するバンプ電極を
具備する半導体装置を製造する方法であって、前記ボン
ディングパット上に、バリア金属層を形成する工程、該
バリア金属層上にハンダバンプ材料と安定合金化する第
１の接続層を形成する工程、該第１の接続層上に、該ハ
ンダバンプ材料のうち、該バリア金属層と安定合金化し
ない金属を、ハンダバンプよりも高濃度に含む第２の接
続層を形成する工程、及び該第２の接続層上に、ハンダ
バンプを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装
置の製造方法。 - 【請求項５】 前記第１の接続層は、前記バリア金属に
含まれる金属成分の少なくとも１つと、前記ハンダバン
プ材料に含まれる金属成分の少なくとも１つとを含有す
ることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項６】 前記第２の接続層は、前記バリア金属層
と安定合金化しない金属の濃度が、前記第１の接続層側
から前記ハンダバンプ側にかけて低下する組成であるこ
とを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18044095A JP3412969B2 (ja) | 1995-07-17 | 1995-07-17 | 半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18044095A JP3412969B2 (ja) | 1995-07-17 | 1995-07-17 | 半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0936120A JPH0936120A (ja) | 1997-02-07 |
| JP3412969B2 true JP3412969B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=16083279
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18044095A Expired - Lifetime JP3412969B2 (ja) | 1995-07-17 | 1995-07-17 | 半導体装置及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3412969B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100311975B1 (ko) * | 1999-12-16 | 2001-10-17 | 윤종용 | 반도체소자 및 그 제조방법 |
| JP4656275B2 (ja) | 2001-01-15 | 2011-03-23 | 日本電気株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| US8884361B2 (en) | 2002-07-19 | 2014-11-11 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device |
| WO2007085988A1 (en) * | 2006-01-24 | 2007-08-02 | Nxp B.V. | Stress buffering package for a semiconductor component |
| JP4431606B2 (ja) | 2007-10-05 | 2010-03-17 | シャープ株式会社 | 半導体装置、半導体装置の実装方法、および半導体装置の実装構造 |
| JP5715281B2 (ja) * | 2014-04-18 | 2015-05-07 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置 |
| JP6431442B2 (ja) * | 2015-03-17 | 2018-11-28 | 東芝メモリ株式会社 | 半導体装置およびその製造方法 |
-
1995
- 1995-07-17 JP JP18044095A patent/JP3412969B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｍａｘ Ｈａｎｓｅｎ ＆ Ｋｕｒｔ Ａｎｄｅｒｋｏ，Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｎａｒｙ Ａｌｌｏｙｓ ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，米国，１９５８年１０月 ８日，ｐ７７５−７７６，ｐ１１９３−１１９４，特許庁資料館受入第１６０３８号 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0936120A (ja) | 1997-02-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3378334B2 (ja) | 半導体装置実装構造体 | |
| US5937320A (en) | Barrier layers for electroplated SnPb eutectic solder joints | |
| US8497200B2 (en) | Method to form solder alloy deposits on substrates | |
| KR100334593B1 (ko) | 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR100454381B1 (ko) | 반도체 장치 및 그 제조 방법 | |
| TWI275144B (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
| KR20010098699A (ko) | 납 없는 범프 배선의 형성 방법 | |
| KR100476301B1 (ko) | 전기도금법에 의한 반도체 소자의 플립칩 접속용 ｕｂｍ의형성방법 | |
| US6444562B1 (en) | Nickel alloy films for reduced intermetallic formation in solder | |
| US20020009869A1 (en) | Reflow of low melt solder tip C4's | |
| TW201444004A (zh) | 半導體結構及其製造方法 | |
| JP3412969B2 (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| JPH10294337A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| JP3171477B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2002280407A (ja) | 半導体チップ及び半導体装置、回路基板並びに電子機器 | |
| JP3400263B2 (ja) | 半導体装置、回路配線基板及び半導体装置実装構造体 | |
| US20080119056A1 (en) | Method for improved copper layer etching of wafers with c4 connection structures | |
| JPH09205096A (ja) | 半導体素子およびその製造方法および半導体装置およびその製造方法 | |
| JP3397553B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2000349111A (ja) | はんだ接合用電極 | |
| JPH09186161A (ja) | 半導体装置のはんだバンプ形成方法 | |
| US20060266446A1 (en) | Whisker-free electronic structures | |
| TW418470B (en) | Method for forming solder bumps on flip chips and devices formed | |
| JPH0574778A (ja) | バンプおよびその形成方法 | |
| JP3373752B2 (ja) | 半導体装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080328 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090328 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100328 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100328 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110328 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120328 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130328 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130328 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140328 Year of fee payment: 11 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |