JP4387548B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に電極間の電気的かつ機械的接続にバンプ電極を使用する半導体装置及びこの半導体装置の製造方法に関する。特に本発明は、基板の電極と半導体素子（半導体チップ）のボンディングパッドとの間をバンプ電極を介在させて電気的かつ機械的に接続する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機等の携帯端末機器に使用される半導体装置には、携帯性を高めるために、より一層の小型化、軽量化が要求されている。また、この種の半導体装置においては、例えば動作速度の高速性能の向上に伴う優れた電気的特性が要求されている。これらの要求を満たすために、フリップチップ構造が半導体装置に採用される傾向にある。
【０００３】
フリップチップ構造とは、基板の電極と半導体素子のボンディングパッドとの間をバンプ電極（突起電極）を介在させて電気的かつ機械的に接続した構造である。基本的には、半導体チップの平面サイズと同等まで基板の平面サイズを縮小することができるので、フリップチップ構造は半導体装置の小型化及び軽量化を実現することができる。さらに、基板の電極と半導体素子のボンディングパッドとの間には配線長が長くなるワイヤを使用しないので、動作周波数を高くすることができ、フリップチップ構造は半導体装置の動作速度の高速化を実現することができる。
【０００４】
フリップチップ構造を採用する半導体装置において、電極間の接続方式には大きく分けて、接触接続方式と合金接続方式とが主流である。前者の接触接続方式は異方性導電膜（ＡＣＦ：anisotropic conductive film）を使用したフリップチップ接続である。異方性導電膜は、基板の電極と半導体素子のボンディングパッドとの間に配置し、熱圧着することにより、電極とボンディングパッドとの間を簡単に機械的に接続することができる。しかしながら、異方性導電膜と電極との間の接触抵抗、並びに異方性導電膜とボンディングパッドとの間の接触抵抗が大きく、動作速度の高速化が要求される半導体装置においては使用することが難しい。
【０００５】
後者の合金接続方式は、基板の電極とバンプ電極との間に合金を生成し、この合金を使用したフリップチップ接続である。この合金接続方式は、電極とバンプ電極との間の接続抵抗を非常に小さくすることができるので、半導体装置の動作速度の高速化を実現することができる。
【０００６】
図８及び図９に示すように、フリップチップ構造の合金接続方式を採用する半導体装置１００は、基板１０１の電極１０２と、この電極１０２上の低融点金属層１２１と、この低融点金属層１２１上のバンプ電極１２３と、このバンプ電極１２３上の半導体素子１１０のボンディングパッド１１１とを備え、低融点金属層１２１とバンプ電極１２３との間に合金層１２２を備えて構成されている。
【０００７】
電極１０２は銅（Ｃｕ）箔により形成され、ボンディングパッド１１１はアルミニウム合金膜により形成されている。バンプ電極１２３には金（Ａｕ）バンプ電極が使用され、低融点金属層１２１には錫銀（Ｓｎ−Ａｇ）合金層が使用されている。合金層１２２は、熱圧着ボンディングにより生成された、低融点金属層１２１のＳｎとバンプ電極１２３のＡｕとのＡｕ−Ｓｎ共晶（８０重量％Ａｕ−２０重量％Ｓｎ）合金により形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８及び図９に示す半導体装置１００において、合金層１２２がＡｕ−Ｓｎ共晶合金で形成されると、基板１０１の電極１０２のＣｕがＡｕ−Ｓｎ共晶合金内に拡散され、合金層１２２の一部がＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕからなる３元系合金に変化してしまう。同時にＡｕ−Ｓｎ共晶合金のＡｕ、Ｓｎのそれぞれが電極１０２内部に拡散されるが、ＣｕがＡｕ−Ｓｎ共晶合金内部に拡散する速度の方が、Ａｕ、Ｓｎのそれぞれが配線１０２の内部に拡散する速度に比べて速いので、カーケンドール（Kirkendall）効果によりＣｕとＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕ合金との間にボイドが発生することが知られている（例えば、Au-Sn bonding metallurgy of TAB contacts and its influence on the Kirkendall effect in ternay Cu-Au-Sn system. 1992 Proceedings. 42nd Electronic Components and Technology Conference (Cat.No.92CH3056-9) (USA) xviii+1095 P.P.360-71 等）。このようにして発生したボイドは、熱サイクルにより合金層１２２の機械的接合強度を劣化させ、断線不良を誘発する可能性が指摘されていた。
【０００９】
また、上記半導体装置１００においては、合金層１２２をＡｕ−Ｓｎ共晶合金とするために、バンプ電極１２３の体積に比べて１．５〜２倍程度の体積の低融点金属層１２１を形成している。低融点金属層１２１のＳｎの供給量が過剰になると、安定したＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ２、Ａｕ−Ｓｎ４等の金属間化合物が生成されてしまい、これらの金属間化合物は脆いと考えられている。つまり、これらの安定な金属間化合物が生成された場合には、熱サイクルにより合金層１２２の機械的接合強度を劣化させ、断線不良を誘発する可能性が指摘されていた。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明の目的は、電極間の接合層のボイドの発生を減少することができ、かつ接合層の機械的強度を向上することができ、熱サイクルに対する信頼性を向上することができる半導体装置を提供することである。
【００１１】
さらに、本発明の目的は、上記目的を達成することができる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、第１の電極と、第１の電極上の錫合金及びＡｕと錫との金属間化合物からなる接合層と、この接合層上の、金又は金合金からなるバンプ電極と、バンプ電極上の第２の電極とを備え、接合層が、周辺部と、この周辺部に囲まれこの周辺部よりも薄い中央部とを形成するように、不均一の厚み分布を有する半導体装置としたことである。ここで、「第２の電極」は、少なくともバンプ電極側の表面層がＣｕ又はＣｕを主組成とする合金であることが好ましい。「Ａｕを主組成とするバンプ電極」とは、少なくとも第１の電極側の表面層がすべてＡｕで形成される場合、例えば硬度調節のために適度な添加物を含むＡｕ合金の場合のいずれもが含まれる意味で使用される。接合層の「錫合金」には、Ｓｎ、又はＳｎとＡｇ、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、Ｃｕ、Ｐｂ等の少なくともいずれか１つの金属との合金（Ｓｎを主組成とする錫合金）を実用的に使用することができる。「接合層」は、その体積の５０％以上が、（１）Ａｕ１−Ｓｎ１、（２）Ａｕ１−Ｓｎ２、（３）Ａｕ１−Ｓｎ４の金属間化合物の１つ又は複数により生成されていることが好ましい。「金属間化合物を主組成とする」とは、このように接合層にその体積の５０％以上の金属間化合物が含まれているという意味で使用される。
【００１３】
このように構成される本発明の第１の特徴に係る半導体装置においては、第１の電極とバンプ電極との間の接合層を金属間化合物とし、又は接合層の体積の５０％以上を金属間化合物としたことにより、接合層部分のボイドの発生を防止することができ、熱サイクルに対する電極間の接合部の信頼性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係る半導体装置において、接合層の体積を、バンプ電極の体積に比べて小さくしたことである。ここで、「接合層の体積がバンプ電極の体積に比べて小さい」とは、バンプ電極に対する錫合金のＳｎ量の相対的な割合を表現しており、バンブ電極のＡｕとＳｎとの金属間化合物の生成量を減少させる意味で使用される。
【００１５】
このように構成される本発明の第２の特徴に係る半導体装置においては、本発明の第１の特徴に係る半導体装置で得られる効果に加えて、バンプ電極のＡｕと接合層のＳｎとの金属間化合物の成長を制御し、脆い性質を有する安定な金属間化合物を生成させないようにすることができるので、熱サイクルに対する電極間の接合部の信頼性を向上することができる。
【００１６】
本発明の第３の特徴は、第１の電極上に錫合金を形成する工程と、第２の電極上に、錫合金よりも体積が大きくなるように、Ａｕを主組成とするバンプ電極を中央部が凸になるように形成する工程と、錫合金とバンプ電極とを接触させ、荷重を加えることにより、錫合金を変形させ、錫合金に周辺部と、該周辺部に囲まれ該周辺部よりも薄い中央部とによる不均一の厚み分布を設ける工程と、接触状態で、錫合金とバンプ電極とを加熱することにより、バンプ電極の金と錫との金属間化合物を、錫合金とバンプ電極との界面に生成し、接合層及びバンプ電極を介在させて第１の電極と第２の電極との間を電気的かつ機械的に接続する工程とを備えた半導体装置の製造方法としたことである。
【００１７】
このような本発明の第３の特徴に係る半導体装置の製造方法においては、上記本発明の第１の特徴に係る半導体装置を製造することができ、電極間の接合部の信頼性を向上することができるので、製造上の歩留まりを向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
［半導体装置の構造］
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に係るフリップチップ構造を採用し、かつ合金接合方式を採用する半導体装置１は、第１の電極１２と、第１の電極１２上の少なくともＡｕを主組成とするバンプ電極３０と、バンプ電極３０上の第２の電極２１とを備え、第１の電極１２とバンプ電極３０との間に、バンプ電極３０のＡｕと低融点金属との金属間化合物を主組成とする接合層４０を備えて構築されている。
【００２０】
第１の電極１２は、基板１０の絶縁基材１１の表面上に配設されており、本発明の実施の形態において導電性に優れたＣｕ箔膜により形成されている。第１の電極１２は、少なくともバンプ電極３０側の表面層にＣｕを備えていればよい。また、第１の電極１２又はその表面層には、Ｃｕ合金を使用することができる。第１の電極１２は本発明に係る「第１の電極」の一具体例に対応するものである。
【００２１】
絶縁基材１１には、例えばポリイミド系樹脂基板、エポキシ系樹脂基板等、プラスチック基板を実用的に使用することができる。基板１０の絶縁基材１１の裏面上には外部端子１３が配設されている。外部端子１３は絶縁機材１１に配設された接続孔配線１４を通して第１の電極１２と電気的に接続されている。外部端子１３には半田ボール１５が電気的かつ機械的に接続されている。半田ボール１５は例えば鉛（Ｐｂ）−Ｓｎ半田を実用的に使用することができる。
【００２２】
半導体素子２０は例えばシリコン単結晶チップにより形成されており、半導体素子２０の主面には図示しない回路が搭載されている。半導体素子２０の主面上に第２の電極２１が配設されている。この第２の電極２１は、いわゆるボンディングパッドであり、例えば半導体素子２０の回路間を電気的に接続するアルミニウム（Ａｌ）配線又はＡｌ合金（例えばＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ等）配線と同一配線材料により形成されている。第２の電極２１の周囲には実際にはパッシベーション膜等が配設されているが、それらの詳細な構造はここでは省略する。
【００２３】
バンプ電極３０は、本発明の実施の形態において、スタッドＡｕバンプ電極で構成されている。スタッドＡｕバンプ電極は、第２の電極２１の表面上に熱圧着ボンディングされているので、第２の電極２１の表面上に直接接続されている。バンプ電極３０は、必ずしも純Ａｕにより形成される必要はなく、例えば硬度調節のために適度な添加物を含むＡｕ合金を使用してもよい。
【００２４】
また、バンプ電極３０はスクリーン印刷法やエッチング法により形成してもよい。この場合、バンプ電極２１は、第２の電極２１上にバリヤメタル層を介在させて電気的かつ機械的に接続されている。バリヤメタル層には、例えば、第２の電極２１の表面からその上方に向かってチタン（Ｔｉ）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜、パラジウム（Ｐｄ）膜のそれぞれを順次積層した複合膜を実用的に使用することができる。
【００２５】
接合層４０は上記のようにバンプ電極３０のＡｕと低融点金属との金属間化合物を主組成として構成されており、この金属間化合物を生成する低融点金属には、Ｓｎ、又はＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ等のＳｎと少なくともいずれか１つの金属との合金（Ｓｎを主組成とする低融点金属）を実用的に使用することができる。さらに、低融点金属にはＳｎを主組成とする三元以上の合金を使用することができる。本発明の実施の形態において、低融点金属にはＳｎ−Ａｇが使用されている。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る接合層４０は、その体積の５０％以上の大部分が、Ａｕ１−Ｓｎ１金属間化合物、Ａｕ１−Ｓｎ２金属間化合物、Ａｕ１−Ｓｎ４金属間化合物の１つ又は複数により生成され、Ｓｎ−Ａｇの錫合金の領域は僅かで、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金を極力含まないように構成されている。図３（Ａ）に示す、本発明者が実際に製作した半導体装置１において、バンプ電極３０は接合層４０の中央部分を押し込み変形させて第１の電極１２側に近接しており、接合層４０の周辺部分が比較的厚い膜厚で盛り上がっている。図３（Ｂ）に示すように、この接合層４０の周辺部分の比較的膜厚が厚い部分において、複数の結晶領域４１〜４５が観察され、図４に各結晶領域４１〜４５の分析結果を示す。
【００２７】
バンプ電極３０に最も近接した結晶領域４１（分析点Ａ）はＡｕ１−Ｓｎ１金属間化合物、バンプ電極３０に次に近接した結晶領域４２（分析点Ｂ）はＡｕ１−Ｓｎ２金属間化合物、バンプ電極３０にさらに次に近接した結晶領域４３（分析点Ｃ）はＡｕ１−Ｓｎ４金属間化合物である。結晶領域４１においては、バンプ電極３０のＡｕの供給量が多いと考えられる。結晶領域４２、４３のそれぞれはバンプ電極３０から徐々に離間し、逆に低融点金属に近づいてくるので、Ｓｎの供給量が多いと考えられる。これらの金属間化合物は、バンプ電極３０の体積よりも接合層４０の体積を小さく設定し、Ｓｎの相対的な供給量を減少させているので、安定な状態まで成長しないようになっている。
【００２８】
この結晶領域４３の外側には低融点金属であるＳｎ−Ａｇの結晶領域４４（分析点Ｄ）が存在している。また、バンプ電極３０の中央部分と第１の電極１２との中央部分との間の接合層４０にはＡｎ−Ｓｎ−Ｃｕの結晶領域４５（分析点Ｅ）が存在している。結晶領域４５は第１の配線１２に近いので、Ｃｕの拡散が若干あるものと考えられる。
【００２９】
基板１０の表面と半導体素子２０の主面との間には保護樹脂５０が配設されている。この保護樹脂５０は、基本的には半導体素子２０への水分の浸入や汚染物質の侵入を防止する目的で形成されているが、さらに少なくとも接合層４０を被覆するように形成されており、接合層４０に加わる外部応力を緩和するようになっている。つまり、保護樹脂５０は熱サイクルに対する接合層４０の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
このように構成される本発明の実施の形態に係る半導体装置１においては、第１の電極１２とバンプ電極３０との間の接合層４０の主組成を金属間化合物とし、又は接合層４０の体積の５０％以上を金属間化合物とし、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金を生成しないようにしたことにより、第１の電極１２の接合層４０近傍部分のボイドの発生を防止することができ、熱サイクルに対する電極間の接合部の信頼性を向上することができる。
【００３１】
さらに、本発明の実施の形態に係る半導体装置１においては、接合層４０の体積を、バンプ電極３０の体積に比べて小さくしたことにより、バンプ電極３０のＡｕと接合層４０のＳｎとの金属間化合物の成長を制御し、脆い性質を有する安定な金属間化合物を生成させないようにすることができるので、熱サイクルに対する電極間の接合部の信頼性を向上することができる。
【００３２】
［半導体装置の製造方法］
次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置１の製造方法を、図５乃至図７を用いて説明する。
【００３３】
（１）まず、基板１０を準備し、図５に示すように、基板１０の第１の電極１２上に低融点金属層４７を形成する。低融点金属４７は、本発明の実施の形態においてＳｎ−Ａｇ合金を使用し、例えばスクリーン印刷により第１の電極１２上に形成される。ここで、後に形成する接合層４０の体積がバンプ電極３０の体積より小さくなり、かつ低融点金属４７のＳｎ量の供給量を適切に減少できるように、低融点金属４７の膜厚は薄く調節されるようになっている。
【００３４】
（２）一方、半導体素子２０を準備し、図６に示すように、半導体素子２０の第２の電極（ボンディングパッド）２１上にバンプ電極３０を形成する。このバンプ電極３０には上記のようにスタッドＡｕバンプ電極が使用され、このスタッドＡｕバンプ電極はワイヤボンディング法により形成される。なお、第２の電極２１上へのバンプ電極３０の形成工程は、第１の電極１２上に低融点金属４７を形成する工程よりも前に行ってもよい。
【００３５】
（３）基板１０の第１の電極１２と半導体素子２０の第２の電極２１との位置合わせを行い、引き続き第１の電極１２上の低融点金属４７に第２の電極２１上のバンプ電極３０を接触させ、適度な荷重を加えることにより、図７に示すように低融点金属４７及びバンプ電極３０を変形させる。
【００３６】
（４）例えば２００℃〜３００℃の温度範囲で熱処理を行い、前述の図２に示すように、低融点金属４７のＳｎとバンプ電極３０のＡｕとの金属間化合物を主組成とする接合層４０を、第１の電極１２とバンプ電極３０との間に形成する。上記のように、接合層４０は、その体積の５０％以上の大部分が、Ａｕ１−Ｓｎ１金属間化合物、Ａｕ１−Ｓｎ２金属間化合物、Ａｕ１−Ｓｎ４金属間化合物の１つ又は複数により生成され、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金を極力含まないように形成されている。この接合層４０の形成により、第１の電極１２と第２の電極２１との間が、接合層４０及びバンプ電極３０を介在させて電気的かつ機械的に接続される。同時に、基板１０上に半導体素子２０がマウントされる。
【００３７】
（５）基板１０と半導体素子２０との間において、半導体素子２０の主面、第１の電極１２と第２の電極２１との接合部分等を覆う保護樹脂５０を形成する。この保護樹脂５０には、例えば滴下塗布（ポッティング）法により形成されるエポキシ系樹脂を実用的に使用することができる。
【００３８】
（６）これらの一連の製造工程が終了すると、本発明の実施の形態に係る半導体装置１を完成させることができる。
【００３９】
このような本発明の実施の形態に係る半導体装置１の製造方法においては、第１の電極１２と第２の電極２１との間の接合部の信頼性を向上することができるので、製造上の歩留まりを向上することができる。
【００４０】
（その他の実施の形態）
本発明は上記実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４１】
例えば、上記実施の形態に係る半導体装置１は基板１０の第１の電極１２と半導体素子２０の第２の電極２１との接合部分に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は上下に積層される基板の電極間の接続部分にも適用することができる。
【００４２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、電極間の接合層のボイドの発生を減少することができ、かつ接合層の機械的強度を向上することができ、熱サイクルに対する信頼性を向上することができる半導体装置を提供することができる。
【００４４】
さらに、本発明は、上記効果を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るフリップチップ構造を採用する半導体装置の断面構造図である。
【図２】図１に示す半導体装置の電極間接続部分の断面構造図である。
【図３】（Ａ）は図２に示す半導体装置の電極間接続部分の断面写真に基づき作成した結晶断面図、（Ｂ）は（Ａ）に符号Ｆ３Ｂを付けて示す電極間接続部分の要部の拡大結晶断面図である。
【図４】図３（Ｂ）に示す電極間接続部分の接合層の各結晶領域の組成分析結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置の工程断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の工程断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の工程断面図である。
【図８】本発明の先行技術に係る半導体装置の断面構造図である。
【図９】図８に示す半導体装置の電極接続部の拡大断面構造図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
１０ 基板
１２ 第１の電極
２０ 半導体素子
２１ 第２の電極（ボンディングパッド）
３０ バンプ電極
４０ 接合層
４７ 低融点金属
５０ 保護樹脂

Claims (6)

  1. 第１の電極と、
    前記第１の電極上の錫合金及び金と錫との金属間化合物からなる接合層と、
    該接合層上の、金又は金合金からなるバンプ電極と、
    前記バンプ電極上の第２の電極
    とを備え、前記接合層が、周辺部と、該周辺部に囲まれ該周辺部よりも薄い中央部とを形成するように、不均一の厚み分布を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記錫合金は、錫、又は錫と銀、インジウム、ビスマス、銅、鉛の少なくともいずれか１つの金属との合金であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接合層が、前記バンプ電極に最も近接した第１結晶領域をなすＡｕ１−Ｓｎ１金属間化合物、前記バンプ電極に次に近接した第２結晶領域をなすＡｕ１−Ｓｎ２金属間化合物、前記バンプ電極にさらに次に近接した第３結晶領域をなすＡｕ１−Ｓｎ４金属間化合物と、第４結晶領域をなす前記錫合金を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記接合層の周辺部において、前記第１結晶領域及び前記第２結晶領域の厚さが、前記第３結晶領域の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記接合層の体積は、前記バンプ電極の体積に比べて小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 第１の電極上に錫合金を形成する工程と、
    第２の電極上に、前記錫合金よりも体積が大きくなるように、金又は金合金からなるバンプ電極を中央部が凸になるように形成する工程と、
    前記錫合金と前記バンプ電極とを接触させ、荷重を加えることにより、前記錫合金を変形させ、前記錫合金に周辺部と、該周辺部に囲まれ該周辺部よりも薄い中央部とによる不均一の厚み分布を設ける工程と、
    前記接触状態で、前記錫合金と前記バンプ電極とを加熱することにより、前記バンプ電極の金と錫との金属間化合物を、前記錫合金と前記バンプ電極との界面に生成し、前記接合層及び前記バンプ電極を介在させて前記第１の電極と前記第２の電極との間を電気的かつ機械的に接続する工程
    とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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