JPH05235102A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 半導体装置のバンプ接続部を熱伝導性と電気
伝導性が良く融点が高い第１の材料と融点が低い第２の
材料とで構成して、放熱性、電気伝導性に優れ、熱スト
レスに対して信頼性が高い半導体装置とその製造方法を
実現する。 【構成】 半導体素子１をフェイスダウンで接続する半
導体装置において、熱伝導性、電気伝導性に優れた配線
基板８の電極９に接する部分が平坦化されたマッシュル
ーム型金属を中心にして、マッシュルーム型金属の周囲
を融点の低い金属材料で覆ったバンプ構造にする。 【効果】 放熱性に優れ、接続強度が高い、熱ストレス
と耐湿度に優れた高信頼性を有する、薄型化が可能な半
導体装置を簡易な方法によって得ることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に係り、特に
マッシュルーム構造のバンプを有する半導体素子を基板
上にフェイスダウンで接続する構造を有する半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は近年高集積化の方向にあ
り、その半導体装置を高密度に実装する要求がなされて
おり、フリップチップ接続方法が最近は主に行われてい
る。

【０００３】このフリップチップ接続方法を可能にする
ため半導体素子のボンディングパッド上には、突起形状
を有するバンプが形成される。このバンプ形成方法に関
してはいろいろな方法が提案されており、“半導体実装
ハンドブック”サイエンスフォーラムｐｐ１３１に詳し
い。例えば、図４に示す様に、半導体素子１のボンディ
ングパッド５上にバリアメタル４を形成しその上にハン
ダを電気メッキにより形成するものがあり、一般にマッ
シュルームバンプと呼ばれている。さらに、図５に示す
様に半導体素子１のボンディングパッド５上にバリアメ
タル４を形成し、ボンディングパッド部分が開口された
厚膜レジストを用いて、電気メッキ等によりバンプを垂
直に形成するものがあり、一般にストレートウォールバ
ンプと呼ばれている。図４、５中で６はパッシベーショ
ン膜を示す。

【０００４】フリップチップ接続はバンプと基板の端子
電極の位置を合わせた後、マウントし、リフローして接
続を行う。この様な方法で実装したときの半導体チップ
と回路基板の接続部における断面構造を図６に示す。多
くの場合ハンダはバンプ上に予め形成する場合と配線基
板上に予備ハンダの形で供給する場合のうちいずれか一
方、または両方の組合せで行う。またフリップチップ実
装は一般に半導体素子１と配線基板８の熱膨張係数の相
異から発生する応力がバンプに集中するのを防止するた
めに、半導体素子と配線基板の間に樹脂を設置する方法
が行われている。この樹脂を設置することにより熱膨張
に起因する故障はある程度減少することが必ずしも十分
ではない。特に、半導体素子と配線基板の熱膨張係数が
大きく異なるときは、基板と樹脂の界面に応力が集中し
てバンプが破壊する。このバンプは電気的接続と機械的
接続を同時に行っているので破壊すると直ちに電気特性
に影響が現れ半導体装置の故障になる。そこで配線基板
の熱膨張係数を半導体素子の基材となるシリコンの熱膨
張係数に近づける試みがなされている。

【０００５】例えば、基板にシリコンを用いるＣＯＷ
（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｗａｆｅｒ）が提案されているが、
基板製作上、半導体素子と同等あるいはそれ以上の複雑
な工程を必要とし、極めてコストの高いものになる。一
方、熱ストレスによるバンプ接合部分での破断不良を解
決するためにバンプ構造を熱ストレスに対して耐性ある
構造にすることが行われている。

【０００６】例えば、電子通信情報学会技術研究報告Ｃ
ＰＭ−１９〜２４（１９８７）に示す様に、熱ストレス
の緩和を目的として、バンプをポリイミドテープをはさ
んで積層する構造であるが、この方法はバンプシートと
呼ばれるものを別に作ったりして、形成方法が複雑で、
コストの高い方法である。

【０００７】また、熱ストレスによる破断不良はバンプ
の半導体装置と接触する界面付近で発生するため、接続
方法を考慮してバンプ形状をつづみ型にする方法も提案
されている。

【０００８】この方法は、バンプを有する半導体素子を
接続する場合に、バンプが溶融された状態で、１度接続
された半導体素子との距離を引き離すことでつづみ型に
するものであるが、この方法は引き離す距離を十分に計
算しないと接続不良が生じたりして、形状制御が十分に
できないという問題があった。

【０００９】さらに、フリップチップ接続はフェイスダ
ウン実装であることから、半導体素子の発熱面が配線基
板と対向して、発熱した熱量は半導体チップに蓄積され
やすく、蓄積した熱量は半導体素子の故障を引き起こ
す。特に、半導体素子と配線基板間に樹脂を封入した場
合は、蓄熱の影響が著した。このため発熱した熱量の放
熱方法としては、放熱フィンを設ける方法も考えられて
いるが、薄型化を要求する機器には実用的ではないとい
う問題があった。

【００１０】そこで図７に示す様に、Ｃｕ等の熱伝導性
の良好な金属３を中心にしてその周囲をハンダ２で覆う
構造もあるが、この方法を用いるとある程度の放熱効果
は期待できるものの、Ｃｕの形成方法が複雑であったり
不均一であったりしてＣｕと電極面間にハンダが残り、
接続強度が低下する問題があり、高信頼性を要求される
機器に関しては必ずしも十分ではなかった。なお図６、
７中の番号は図４、５と同様のものを示している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上の様にボンディン
グパッド上にバンプを形成した半導体素子を実装した場
合、配線基板と半導体素子との熱膨張係数の相異に起因
する熱ストレスによりバンプ部分での破断が生じる問題
があった。これゆえ、配線基板の熱膨張係数を半導体素
子の熱膨張係数と同等にする試みの１つとして半導体素
子をシリコンウェハ上に搭載するＣＯＷがあるが、製作
上極めてコストの高い工程を必要とした。他方、バンプ
が形成されているポリイミドテープを用い、バンプを多
段にしたり、実装工程上の制御によりバンプをつづみ型
にするなど、バンプに加わる応力を緩和する構造が用い
られているが、この場合においても、バンプ製作上の厳
密な制御を必要とするにも関わらず、接続不良が生じた
りして必ずしも十分な方法ではなかった。さらに、フリ
ップチップ接続の放熱方法はチップの裏面に放熱フィン
を取り付けることである程度解決されるが、薄型化には
実用的ではない。

【００１２】また、バンプを通しての放熱経路として熱
伝導係数の高い金属を埋め込む方法もあるが、ストレー
ト形状のものは形成が困難であったり、電極と熱伝導係
数の高い金属間にハンダが残存したり、さらには接続抵
抗の増加や、接続強度の低下を生じたりした。

【００１３】本発明は以上の問題点を鑑みてなされたも
のであり、半導体素子の熱膨張係数と熱膨張係数が異な
る配線基板上に半導体素子を実装する半導体装置におい
て、実装工程または実装後の熱ストレスにより半導体素
子のバンプ部分での基板との破断を生じなく、放熱構造
に優れた低い接触抵抗で接続できるバンプを有するフェ
イスダウン構造の半導体装置を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はボンディングパ
ッド上に金属またはその合金によりマッシュルーム構造
のバンプを形成した半導体素子を配線基板上の端子電極
にフェイスダウン構造で接続した半導体装置において、
半導体素子のボンディングパッドと配線基板上の端子電
極とは前記バンプを構成する第１の金属またはその合金
により電気的に接続され、前記第１の金属またはその合
金の周囲は第２の金属またはその合金により覆うように
形成され、かつ、前記第１の金属またはその合金の前記
配線基板上の端子電極に接する部分は前記バンプの支柱
より狭い面積が平坦化されたマッシュルーム構造を有す
ることとを備えたことを特徴とする半導体装置である。

【００１５】なお、マッシュルーム構造を有する第１の
金属または合金としては、第２の金属または合金と比べ
電気抵抗が小さく、熱伝導係数は大きく、かつ高融点の
材料を用いることが好ましく、実用上第１の金属または
合金としてはＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｎｉ等を含むも
のを、又第２の金属または合金としてはＰｂ、Ｓｎ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ等を含むものを用いることが好ましい。

【００１６】また、前記第２の金属またはその合金の形
成量は少なくとも前記第１の金属またはその合金が形成
されるマッシュルーム下の空隙以上の量であると共に前
記半導体素子と前記配線基板との空隙に絶縁性樹脂を浸
透硬化させて封止する構造とすることが好ましい。また
本発明に係る半導体装置の製造方法としては、例えば、
半導体素子上にレジスト膜を形成し、前記レジストの前
記第１の金属またはその合金が形成される部分に第１の
開口部を形成し、この開口部にマッシュルーム構造を有
する第１の金属またはその合金を形成し、前記第１の金
属またはその合金を形成後連続して第２の金属またはそ
の合金を形成して、前記レジストを除去し、前記第１の
金属またはそのマッシュルーム合金の平坦部を前記配線
基板の電極に対応するように位置合せした後、前記バン
プの前記第２の金属またはその合金の融点よりも高く、
前記第１の金属またはその合金の融点よりも低い温度で
加熱し前記第２の金属またはその合金を溶融させ、前記
マッシュルーム構造を有する第１の金属またはその合金
の平坦化された部分を前記配線基板の電極に対応させて
接続させる方法を挙げることができる。

【００１７】

【作用】本発明によればマッシュルーム構造を有する金
属またはその合金は配線基板の端子電極に接触する部分
が平坦化された構造となっているために放熱経路を大き
くすることができ、従来の方法に比較して放熱特性を著
しく向上させることができると共にマッシュルーム下の
空隙部に第２の金属または合金が回り込み、半導体素子
のボンディングパッド又はその上に設けられたバリアメ
タルと接合するために接合強度が極めて高くなる。な
お、前記平坦部の面積をマッシュルーム構造の支柱より
狭くしたのは製造工程上の容易性及び配線基板の端子電
極との接触の容易性等によるものである。さらに第１の
金属または合金の熱伝導係数を第２の金属または合金の
それよりも大きくした場合には熱伝導係数の高い第１の
金属または合金によって半導体素子のボンディングパッ
ドと配線基板の端子電極とが接続されてその周囲を第２
の金属または合金によって覆われた形状により接続され
ているために、半導体素子からの発熱は熱伝導係数の高
い第１の金属または合金によって配線基板に対して放熱
され、チップに熱量が蓄積されることなく、さらに放熱
フィンを取り付けることなくフリップチップ接続が可能
になり、蓄熱による半導体素子の故障を防止することが
でき、薄型化が可能になる。また、第２の金属またはそ
の合金の融点よりも高く、第１の金属または合金の融点
よりも低い温度で加熱し、第２の金属またはその合金を
溶融させるために、バンプを構成する第２の金属または
その合金は溶融するが、第１の金属またはその合金は溶
融されない。これゆえ、第１の金属またはその合金の配
線基板に接触する部分が平坦化された構造を保って第２
の金属またはその合金が溶融されるため、半導体素子と
配線基板との間に必要量の空隙を容易に保つことがで
き、放熱性、信頼性に優れたバンプ構造を容易に実現で
きる。

【００１８】また、例えばＣｕからなるマッシュルーム
構造を有する第１の金属の周囲はハンダからなる第２の
合金で覆われているために、たとえその界面において脆
い金属間化合物が形成された場合でもマッシュルームの
傘部分が“引っ掛かり”の役割を果たして接続強度の低
下を防ぐことができる。さらに、電気的接続と放熱の役
割を果たす第１の金属またはその合金は、外部雰囲気に
よって腐食されるのを防止することができる。

【００１９】以上の様に本発明により、ボンディングパ
ッド上にバンプが形成されたチップをフリップチップ接
続する半導体装置を薄型で放熱性に優れた、熱ストレス
に対して強固な低接続抵抗を有する構造が可能になり、
接続に関する信頼性に優れた半導体装置を実現すること
が可能になる。

【００２０】

【実施例】以下、図１、図２、図３を参照して本発明の
実施例を説明する。

【００２１】図１は本発明に係る半導体装置を示す１実
施例であり、図２は本発明に係る半導体素子に設けられ
たバンプ構造を示す断面構造であり、図３は図１に示す
半導体装置を実現するための工程断面図である。図１、
図２、図３において、１は半導体素子、２は例えばＰｂ
／Ｓｎ＝４０／６０の共晶ハンダからなる第２の金属ま
たは合金、３は例えばＣｕからなる第１の金属または合
金、４はバリアメタル、５はボンディングパッド，６は
パッシベーション膜、７は第１及び第２の金属または合
金からなるバンプ、８は配線基板、９は端子電極であ
る。

【００２２】次に、上記バンプを有する半導体装置の製
造方法の実施例を図３を用いて説明する。先ず、図３に
おいて、半導体素子１上にボンディングパッド５が形成
され、ボンディングパッドの部分を除いてパッシベーシ
ョン膜６が形成されているウェハ上に、バリアメタル４
として例えばＴｉ／Ｃｕの積層体を全面蒸着する。（図
３−ａ）

【００２３】次いで、厚膜レジストＡＺ４９０３（ヘキ
ストジャパン）をスピンコートし、膜厚５μｍのレジス
ト３１を形成して、露光、現像によりボンディングパッ
ド１００μｍよりも１辺が３０μｍ小さい、７０μｍの
寸法の開口部をレジストに形成する。（図３−ｂ）

【００２４】こうしてボンディングパッドに対応する部
分のボンディングパッドよりも小さな寸法でレジストが
開口されているウェハを硫酸銅２５０ｇ／ｌ、硫酸（比
重１．８４）５０ｇ／ｌからなる溶液に浸漬して、浴温
度２５℃で先のＴｉ／Ｃｕを陰極とし、高純度銅板を陽
極とし、電流密度５Ａ／ｄｍ² 印加して緩やかに撹拌し
ながら銅を等方的に高さ３０μｍ、側方方向３０μｍメ
ッキを行い、上部に平坦部を有するマッシュルーム構造
の第１の金属または合金３を形成する。（図３−ｃ）

【００２５】次いでメッキ浴を全スズ４０ｇ／ｌ、第１
スズ３５ｇ／ｌ、鉛４４ｇ／ｌ、遊離ホウ酸４０ｇ／
ｌ、ホウ酸２５ｇ／ｌ、ニカワ３．０ｇ／ｌからなる溶
液に変えて、先の場合と同様にＴｉ／Ｃｕを陰極とし、
４０％スズを陽極として電流密度３．２Ａ／ｄｍ² 印加
して浴温度２５℃で緩やかに撹拌しながらＰｂ／Ｓｎ＝
４０／６０合金を、等方的に高さ３５μｍ、側方方向３
５μｍ連続メッキを行い、第２の金属または合金２とし
てのハンダを形成した。（図３−ｄ）

【００２６】このように形成されたバンプとしての銅及
びハンダ（Ｐｂ／Ｓｎ合金）がボンディングパッド上の
バリアメタル４表面に設けられたウェハからメッキレジ
ストＡＺ−４９０３をアセトンにより除去する。（図３
−ｅ）

【００２７】再度ポジレジストＯＦＰＲ−８００（東京
応化）を被覆してハンダ／Ｃｕ、２００μｍφのバンプ
をマスクにして、レジストをパターニングする。このパ
ターニングされたレジストをマスクとしてまず過硫酸ア
ンモニウム、硫酸、エタノールからなる混合溶液でバリ
アメタル４中のＣｕをエッチング後次いでＥＤＴＡ、ア
ンモニア、過酸化水素水からなる溶液でバリアメタル４
中のＴｉをエッチングしてバリアメタル全体をパターニ
ングした後、レジストをアセトンで除去する。（図３−
ｆ）

【００２８】以上の様な工程を行うことにより図２に示
す構造を有するバンプが得られる。このように製造され
たマッシュルーム構造を有する第１の金属または合金と
第２の金属または合金からなるバンプを設けた半導体素
子と配線基板との接続方法を以下に述べる。

【００２９】この方法は半導体素子を配線基板に対して
フェイスダウンの位置関係を保ち、半導体素子のバンプ
と配線基板の端子電極とを公知の技術であるハーフミラ
ーを用いた方法により位置合せして半導体素子のバンプ
とアルミナ基板８の厚膜配線からなる端子電極９とをバ
リアメタル４を介して接触させる。（図３−ｇ）

【００３０】このとき配線基板は加熱機構を有するステ
ージ上に保持され、バンプに形成されている共晶ハンダ
の融点よりも高く、Ｃｕの融点よりも低い２８０℃に予
備加熱されている。

【００３１】半導体素子のバンプを配線基板の端子電極
に接触させた状態でチップを保持するコレットを配線基
板を搭載するステージと同じ温度２８０℃に窒素雰囲気
中で加熱してバンプに形成されているハンダを溶融させ
ることで半導体素子と電気的に接続する。（図３−ｈ）

【００３２】このとき、バリアメタル４となるＣｕ／Ｔ
ｉはハンダ被覆面積分だけＣｕコアより大きくなってい
るため、第２の金属または合金とボンディングパッドと
の接触角は約６０°となり、熱ストレスに強い構造のバ
ンプ形状となる。なおボンディングパッドとの接触角は
９０°未満の場合、熱ストレスに対し、信頼性の高い接
続を得ることができる。次いで半導体素子を覆う様にシ
リコン樹脂等を半導体素子と配線基板との隙間に充填し
て半導体装置を形成する。

【００３３】以上に示してきたバンプ構造を有する半導
体装置の熱抵抗値を評価したところアルミナ基板に搭載
した場合において５ｍｍのチップで自然冷却により２０
℃／Ｗの値を得た。また、比較のためにＣｕを中心とし
ない、ハンダのみのバンプを有する半導体装置では、４
０℃／Ｗの値を示しており放熱特性は２倍にも向上し
た。

【００３４】さらに、ハンダのみのバンプを有する半導
体装置の熱抵抗値を２０℃／Ｗにまで向上させるにはチ
ップの裏面に５枚のフィンを有する放熱フィンを設けな
ければ同等の効果を得ることはできなく、厚みは熱抵抗
値を同等にする場合、１／１０まで減少することができ
た。またバンプと配線基板の端子電極との接続抵抗は
０．００５Ω／パッドとなり、従来の図６、図７に掲げ
る方法と比較して約１／２まで減少することができた。

【００３５】さらに熱膨張係数がシリコン（半導体素
子）の３．５×１０^-6／℃の約２倍あるアルミナ基板
６．０〜６．５×１０^-6／℃上に図１の接続構造でフリ
ップチップ接続した結果、バンプとパッドの接触角が半
導体装置側でも基板側でも６０°になり温度サイクル試
験（−５５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ）〜１
５０℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃（５ｍｉｎ））を３００
０サイクル行っても接続箇所には破断は認められなかっ
た。また本発明による半導体素子を配線基板にフリップ
チップ接続して高温高湿保存試験を行った結果３０００
Ｈまで故障は認められなかった。さらに半導体素子と配
線基板との間に樹脂を封入した場合は５０００Ｈまで故
障は認められなかった。

【００３６】従って以上の結果から、本発明による半導
体装置はその信頼性は十分であった。 尚、本発明は上
記実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更可能である。

【００３７】例えば、形成する融点の異なる合金はＣ
ｕ、Ｐｂ／Ｓｎに限定されるものではなく第２の金属ま
たはその合金中には例えば、Ｉｎ、Ｓｂ、等を添加して
も良く、またこれらを主成分とする合金であっても良
く、さらにその厚みは限定されるものではない。

【００３８】さらに実施例中に示したメッキの際に陰極
となるバリアメタルはその寸法、厚み、構成について限
定されるものではなく、レジストについても同様に限定
されない。

【００３９】バンプの形成方法についても同様で電気メ
ッキに限られるものではなく、第１の金属またはその合
金はバンプの形成後に平坦化処理を行っても良く、さら
に無電解メッキを用いても良く、金属の形成方法は限定
されない。また、実施例中には、アルミナからなる配線
基板上に実装する場合について記したが、基板をシリコ
ンにした場合でも良く、その材料は限定されない。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、マッシュルーム構造を
有する第１の金属またはその合金は配線基板の端子電極
に接触する部分が平坦化された構造となっているために
放熱経路を大きくすることができ、放熱特性を著しく向
上させることができ、さらに接触抵抗を極めて小さくす
ることが可能になる。

【００４１】また、マッシュルーム構造を有する第１の
金属またはその合金の周囲は、第２の金属で覆われてい
るため、たとえ脆い金属間化合物がその界面近傍で形成
された場合でも、マッシュルームの傘部分が“引っ掛か
り”の役割を果たして接続強度の低下を防ぐことができ
る。

【００４２】さらに、電気的接続と放熱の役割を果たす
第１の金属またはその合金の周囲を第２の金属またはそ
の合金が覆っているために、第１の金属またはその合金
が外部雰囲気によって腐食されるのを防止することがで
きる。

【００４３】さらに第１の金属または合金として第２の
金属または合金より熱伝導係数の大きい材料を用いた場
合には熱伝導係数の高い第１の金属または合金によって
半導体素子のボンディングパッドと基板の電極とが接続
されてその周囲を第２の金属または合金によって覆われ
た形状により接続されているために、半導体素子からの
発熱は熱伝導係数の高い第１の金属または合金によって
基板に対して放熱され、チップに熱量が蓄積されること
なく、さらに放熱フィンを取り付けないでフリップチッ
プ接続が可能になり、蓄熱による半導体素子の故障を防
止することができ、薄型化が可能になる。

【００４４】さらに第１の金属または合金として第２の
金属または合金より融点の高い材料を用いた場合には、
また、第２の金属またはその合金の融点よりも高く、第
１の金属または合金の融点よりも低い温度で加熱し、第
２の金属またはその合金を溶融させるために、バンプを
構成する第２の金属またはその合金は溶融するが、第１
の金属またはその合金は溶融されない。これゆえ、第１
の金属またはその合金の配線基板に接触する部分が平坦
化された構造を保って第２の金属またはその合金が溶融
されるため、半導体素子と配線基板との間に必要量の空
隙を容易に保つことができ、放熱性、信頼性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体装置のバンプ部分での１
実施例を示す断面図。

【図２】 本発明に係る半導体装置のバンプ部分での断
面図。

【図３】 第１図に示す半導体装置の製造方法を説明す
るための工程断面図。

【図４】 従来の技術を説明するためのバンプ断面図。

【図５】 従来の技術を説明するためのバンプ断面図。

【図６】 従来の技術を説明するためのバンプ断面図。

【図７】 従来の技術を説明するためのバンプ断面図。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ ハンダ ３ Ｃｕ ４ バリアメタル ５ ボンディングパッド ６ パッシベーション膜 ７ バンプ ８ 配線基板 ９ 端子電極 ３１ メッキレジスト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボンディングパッド上に金属またはその
   合金によりマッシュルーム構造のバンプを形成した半導
   体素子を配線基板上の端子電極にフェイスダウン構造で
   接続した半導体装置において、半導体素子のボンディン
   グパッドと配線基板上の端子電極とは前記バンプを構成
   する第１の金属またはその合金により電気的に接続さ
   れ、前記第１の金属またはその合金の周囲は第２の金属
   またはその合金により覆うように形成され、かつ、前記
   第１の金属またはその合金の前記配線基板上の端子電極
   に接する部分は前記バンプの支柱部より狭い面積が平坦
   化されたマッシュルーム構造を有することとを備えたこ
   とを特徴とする半導体装置。