JP2004047537A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エリアアレイ型で配列された貴金属バンプ22を備えた第1半導体チップ1と、エリアアレイ型で配列されたはんだバンプ23を備えた第2半導体チップ2とを備え、貴金属バンプ22とはんだバンプ23とが接合されて第1半導体チップ1と第2半導体チップ2とが電気的に接続されている構造を含む。
【選択図】 図7
Description
【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係り、より詳しくは、複数の半導体チップが直接接合された構造を有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】
近年、マルチメディア機器を実現するためのキーテクノロジーであるLSI技術はデータ伝送の高速化、大容量化に向かって着実に開発が進んでいる。これに伴って、LSIと電子機器とのインターフェイスとなる実装技術の高密度化が進められている。
【0003】
高密度実装に対応するパッケージとして、複数の半導体チップをフェイスツーフェイスで重ね合わせて接合したチップ積層タイプ(スタックタイプ)の3次元実装CSP(チップサイズパッケージ)がある。
【0004】
従来、複数の半導体チップを直接接合する方法としては、金(Au)バンプとAuバンプとを超音波で接合する方法、又ははんだパンプと電極パッドとをはんだペーストなどを介して接合する方法などがある。
【0005】
AuバンプとAuバンプとを超音波で接合する方法は、まず、金バンプを備えた2つの半導体チップを用意し、2つの半導体チップの金バンプ同士がアライメントされた状態で積層して配置する。その後、超音波ツールで上側の半導体チップを加圧しながらチップ面に平行な方向に超音波振動を加えることによりAuとAuとを金属接合させる。
【0006】
また、はんだバンプを用いる方法は、まず、はんだバンプを備えた第1の半導体チップとアルミニウムなどからなる電極パッドを備えた第2の半導体チップとを用意する。このはんだバンプは、めっきにより形成された後に加熱処理(ウェットバック)されることにより球状になって所定の高さに調整されている。
【0007】
その後、第2の半導体チップ上にフラックスを塗布して電極パッドの表面の酸化膜を除去した状態で電極パッド上にはんだペーストを塗布する。次いで、2つの半導体チップをはんだバンプと電極パッドとがアライメントされた状態で配置し、リフロー加熱してはんだ接合した後、フラックスを洗浄する。
【0008】
また、特開平11−121521号公報及び特開平11−121522号公報には、第1の半導体チップの周縁部(トランジスタや多層配線が形成されていない領域)に形成された電極パッド上にワイヤボンディング法によりスタッドバンプを形成し、このスタッドバンプを介して第1の半導体チップと第2の半導体チップとを電気的に接合する方法が記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、AuバンプとAuバンプとを超音波で接合する方法では、上側の半導体チップを加圧する際に、大きな荷重(例えば30gf/バンプ)をかける必要がある。このため、チップ全面にAuバンプを備えたエリアアレイ型の半導体チップでは、半導体チップの中央主要部(トランジスタや多層配線が形成されている領域)に大きな荷重がかかることになり、半導体チップにダメージを与え、ひいては半導体回路が破壊されて機能しなくなる恐れがある。
【0010】
また、はんだバンプを用いる方法では、接合する際に大きな荷重をかける必要はないが、上記したようにはんだ付け面となる電極パッドの表面処理材としてフラックスを使用する必要がある。このため、フラックスによって半導体チップの露出面が汚れたり、フューズ(冗長)用のAl配線が露出している場合にはAl配線がフラックスによりエッチングされて消失したりする恐れがある。
【0011】
また、フラックスの残渣は半導体装置の実装構造の信頼性を低下させる要因になるため、半導体チップ同士を接合した後にフラックスを除去する必要がある。しかし、特に2つの半導体チップ間のギャップが狭くなると、フラックスが除去しきれずに残ってしまい、半導体装置の実装構造の信頼性が低下してしまう。特に高密度な実装構造では、僅かなフラックスの残渣でも信頼性上の問題となる。
【0012】
また、上記した特開平11−121521号公報及び特開平11−121522号公報では、バンプがエリアアレイ型に配列される半導体チップ同士の接合に関してはなんら考慮されていない。すなわち、バンプがエリアアレイ型に配列される半導体チップにスタッドバンプを形成する場合、熱併用超音波振動により圧着接合するワイヤボンディング法を使用するため半導体チップの中央主要部に荷重がかかってしまい、これによりトランジスタや多層配線がダメージを受けてチップ歩留りが低下する恐れがある。
【0013】
本発明は以上の問題点を鑑みて創作されたものであり、実装時に半導体チップのトランジスタや多層配線などにダメージを与えず、かつフラックスを使用することなく製造される半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は半導体装置に係り、エリアアレイ型で配列された貴金属バンプを備えた第1半導体チップと、エリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとを有し、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとが接合されて前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとが電気的に接続されていることを特徴とする。
【0015】
本発明の半導体装置では、エリアアレイ型で配列された非酸化性の貴金属バンプを備えた第1半導体チップ1とエリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとが、好適には溶融したはんだバンプ中に貴金属バンプが突き刺さった状態で接合されている。
【0016】
このような接合構造とすることにより、本発明の半導体装置を製造する際、従来技術と違って、はんだ付け面が非酸化性のAuなどの貴金属バンプとなることから酸化膜を除去するためにフラックスを使用する必要がないため、上記したフラックス残渣に起因する問題が解消されて2つの半導体チップの接合の信頼性を向上させることができる。
【0017】
また、溶融したはんだバンプに貴金属バンプが突き刺さる程度の僅かな荷重を半導体チップにかけることで貴金属バンプとはんだバンプとが接合される。このため、エリアアレイ型に配列されたバンプ構造を備えた2つの半導体チップが接合されるとき、半導体チップの中央主要部のトランジスタや多層配線が荷重によってダメージを受けたり、半導体回路が破壊したりする恐れがなくなる。
【0018】
また、上記課題を解決するため、本発明は半導体装置の製造方法に係り、エリアアレイ型で配列され、かつめっきにより形成された貴金属バンプを備えた第1半導体チップと、エリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとを用意する工程と、前記貴金属バンプとはんだバンプを対向させて前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとを配置し、前記はんだバンプが溶融する温度で加熱処理を行って前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程とを有することを特徴とする。
【0019】
本発明の半導体装置の製造方法では、前述したように、貴金属バンプとはんだバンプとを接合する際に、溶融したはんだバンプに貴金属バンプが突き刺さるようにして接合するようにしたことから半導体チップに大きな荷重をかけながら接合する必要がないので、半導体チップのトランジスタや多層配線にダメージを与える恐れがなくなる。
【0020】
また、前述したように、はんだ付け面が非酸化性のAuなどの貴金属バンプとなるためフラックスを塗布する工程やフラックスを洗浄する工程を特別に必要としない。
【0021】
これに加えて、本発明の半導体装置の製造方法では、エリアアレイ型で配列された貴金属バンプ(例えばAuバンプ)をワイヤボンディング法ではなくめっきにより形成するようにしたため、半導体チップのトランジスタや多層配線にダメージを与えることなく貴金属バンプを形成することができる。
【0022】
また、はんだバンプと貴金属バンプを接合するとき、溶融したはんだバンプ内に貴金属バンプが突き刺さるようにして接合されるため、第1及び第2半導体チップ間のギャップは第1半導体チップの貴金属バンプの高さで概ね決定される。すなわち、第2半導体チップのはんだバンプには半導体チップ間のギャップを確保するための機能をもたせる必要がないので、はんだバンプを球状にしてその高さを高くするための加熱処理(ウェットバック)工程を必要としないと共に、はんだバンプの高さを従来技術より低くすることができる。
【0023】
従って、はんだバンプが横方向に膨らんでその占有面積が必要以上に大きくならないので、はんだバンプを半導体チップの電極パッドのピッチに概ね対応させて形成することができるようになる。その結果、例えば100μm程度以下のピッチの電極パッドを備えた半導体チップ同士の接合に適応できるようになる。
【0024】
このように、本発明の半導体装置の製造方法では、フラックスの塗布、洗浄工程及びはんだバンプを球状にしてその高さを高くするための加熱処理(ウェットバック)工程を省略することができるので、製造工程が簡易となり、製造コストを低減することができる。
【0025】
また、はんだバンプの高さを従来技術より低くすることができるため、はんだバンプをめっきで形成する場合、めっき工程のスループットを向上させることができるという利点もある。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【0027】
(第1の実施の形態)
図1及び図2は本発明の第1実施形態の半導体装置に係るAuバンプを備えた第1半導体チップを製造する方法を示す断面図、図3は図2(b)を平面方向からみた概略平面図、図4及び図5は本発明の第1実施形態の半導装置に係るはんだバンプを備えた第2半導体チップを製造する方法を示す断面図である。
【0028】
最初に、本実施形態に係るAuバンプを備えた第1半導体チップを製造する方法について説明する。第1実施形態に係る第1半導体チップは配線基板上に固着される親チップとなるものである。
【0029】
図1(a)では、半導体基板(半導体ウェハ)10に所定の半導体素子及び多層配線(不図示)が形成されており、多層配線構造に係る層間絶縁膜12と、その表面に露出するアルミニウム(Al)又は銅(Cu)などからなる複数の電極パッド14と、電極パッド14が露出する開口部16aを有するパシベーション膜16とが示されている。
【0030】
この電極パッド14は、エリアアレイ型のものであって半導体基板10上方のチップ領域の主要部に複数配列されていて、エリアアレイの中央領域に形成された内側電極パット14aと、該中央領域の外周に形成された外側電極パッド(外部接続パッド)14bとにより構成されている。そして、後に、内側電極パット14aはバリア導電膜及びバンプを介して他の半導体チップのバンプに接続され、また外側電極パッド14bはバリア導電膜及びワイヤを介して配線基板の接続パッドに電気的に接続される。なお、電極パッド14として、その径が40〜50μm□、そのピッチが100μm程度のものを例示して説明する。
【0031】
Auバンプを備えた第1半導体チップを製造する方法は、まず、図1(a)に示すように、パシベーション膜16の開口部16aに電極パッド14が露出した構造を有する半導体基板10を用意する。
【0032】
その後、図1(b)に示すように、例えば、膜厚が1μmのクロム(Cr)膜18a及び膜厚が1μmの銅(Cu)18b膜をパシベーション膜16及び電極パッド14上にスパッタ法などにより成膜してバリア導電膜18とする。なお、バリア導電膜18は上記した積層膜に限定されるものではなく、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、タングステン(W)及びパラジウム(Pd)などから選択される金属膜又はそれらの積層膜を使用してもよい。
【0033】
次いで、図1(c)に示すように、バリア導電膜18上に膜厚が10〜200μm程度の第1ドライフィルムフォトレジスト20をラミネートし、これを露光・現像することにより、内側電極パッド14a上の第1ドライフィルムフォトレジスト20に開口部20aを形成する。
【0034】
なお、本実施形態では,外側電極パッド14bにバンプが接続されない形態を例示するので外側電極パッド14b上の第1ドライフィルムフォトレジスト20には開口部20aを形成しない。外側電極パッド14b上にもバンプを形成する場合は外側電極パッド14b上にも開口部20aを形成すればよい。
【0035】
次いで、同図に示すように、バリア導電膜18をめっき給電層として利用した電解めっきにより第1ドライフィルムフォトレジスト20の開口部20a内にAu膜を成膜してAuバンプ22を形成する。Auバンプ22の高さは、10〜200μm程度、好適には10〜50μm程度、最適値としては20μm程度で形成される。また、Auバンプ22の径は、例えば、電極パッド14の径と同等以下で形成されるようにすればよいがこれに限定されない。
【0036】
なお、Auバンプ22の代わりに、銀(Ag)、白金(Pt)などの貴金属を使用してもよい。AgやPtなどを用いる場合、第1ドライフィルムフォトレジスト20上及びその開口部20a内にスパッタ法などによりAg膜やPt膜を成膜した後、第1ドライフィルムフォトレジスト20上のAg膜やPt膜をリフトオフ法により除去することによりバンプを形成してもよい。つまり、第1半導体チップ1のバンプとしては、空気中で酸化することなく、他の物質の化学作用を殆ど受けない金属材料を使用すればよい。
【0037】
続いて、図2(a)に示すように、第1ドライフィルムフォトレジスト20を除去した後、第2ドライフィルムレジストをラミネートし、これを露光・現像することによりAuバンプ22を被覆する部分と外側電極パッド14bの上方部にレジストマスク20bを形成する。
【0038】
次いで、このレジストマスク20bをマスクに利用してウェットエッチングによりバリア導電膜18をエッチングしてバリア導電膜パターン18xとした後、レジストマスク20bを除去する。
【0039】
これにより、図2(b)に示すように、内側電極パッド14aにバリア導電膜パターン18xを介して電気的に接続されたAuバンプ22が得られる。このとき同時に,外側電極パッド14b上にもバリア導電膜が残されてボンディングパッド18yとなる。前述したように、外側電極パッド14b上にもバリア導電膜を介してAuバンプが形成されるようにしてもよい。
【0040】
なお、バリア導電膜18をエッチングする工程において、第1ドライフィルムフォトレジスト20を除去した後に、第2ドライフィルムフォトレジストを形成せずにAuバンプ22をマスクにして露出するバリア導電膜18をエッチングするようにしてもよい。バリア導電膜18はAuバンプ22に比べてその膜厚が極めて薄いため、バリア導電膜18をエッチングする際のAuバンプ22への影響は殆どない。この場合、外側電極パッド14b上のバリア導電膜18もエッチングされるため、外側電極パッド14bが露出してボンディングパッドとなる。
【0041】
その後、半導体基板10をダイシングすることにより、Auバンプ22を備えた個別の第1半導体チップ1が製造される。
【0042】
本実施形態に係る第1半導体チップ1を平面的にみると、図3に示すように、第1半導体チップ1の中央主要部にはAuバンプ22がエリアアレイ型に複数配列されて形成されており、このAuバンプ22は後で説明するように第2半導体チップのはんだバンプに電気的に接続される。
【0043】
また、第1半導体チップ1の周縁部には、ボンディングパッド18yが露出した状態で形成されており、このボンディングパッド18yは後で説明するように配線基板の接続パッドにワイヤを介して接続される。
【0044】
次に、本実施形態に係るはんだバンプを備えた第2半導体チップを製造する方法について説明する。第1実施形態に係る第2半導体チップは、前述した第1半導体チップ1にフェイスツーフェイスで重ね合って接合される子チップとなるものである。
【0045】
はんだバンプを備えた第2半導体チップを製造する方法は、まず、図4(a)に示すように、多層配線構造に係る層間絶縁膜12と、層間絶縁膜12の表面に露出する電極パッド14xと、電極パッド14x上に開口部16aを有するパシベーション膜16とを有する半導体基板10を用意する。この電極パッド14xはエリアアレイ型のものであって、半導体基板10上方のチップ領域の主要部に複数配列されていて、その径やピッチは第1半導体チップ1の内側電極パッド14aに対応するようになっている。
【0046】
その後、図4(b)に示すように、第1半導体チップ1の製造方法と同様な方法により、電極パッド14x及びパシベーション膜16上にバリア導電膜18を形成する。
【0047】
次いで、図4(c)に示すように、電極パッド14xに対応する部分に開口部20aを有する第1ドライフィルムフォトレジスト20をバリア導電膜18上に形成する。第1ドライフィルムフォトレジスト20はその膜厚が例えば10〜50μm程度で形成される。続いて、同図に示すように、バリア導電膜18をめっき給電層として利用した電解めっきにより第1ドライフィルムフォトレジスト20の開口部20a内にはんだ膜を成膜してはんだバンプ23を形成する。
【0048】
はんだバンプ23としては鉛入りはんだ又は鉛フリーはんだを使用することができる。すなわち、鉛(Pb)−錫(Sn)、錫(Sn)−銀(Ag)−銅(Cu)、錫(Sn)−銀(Ag)、錫(Sn)−銀(Ag)−ビスマス(Bi)、錫(Sn)−金(Au)、錫(Sn)−銅(Cu)、錫(Sn)−亜鉛(Zn)及び錫(Sn)−インジウム(In)などの群から選択される。
【0049】
その後、図5(a)に示すように、第1半導体チップ1の製造方法と同様な方法により、はんだバンプ23を被覆するレジストマスク20bを形成する。続いて、レジストマスク20bをマスクにしてバリア導電膜18をウェットエッチングすることによりバリア導電膜パターン18xとした後、レジストマスク20bを除去する。これにより、図5(b)に示すように、電極パッド14xにバリア導電膜パターン18xを介して電気的に接続されたはんだバンプ23が得られる。
【0050】
なお、はんだバンプ23を電解めっきで形成する代わりに、同様なサイズのはんだボールを搭載してもよい。この場合、バリア導電膜18をパターニンしてバリア導電膜パターン18xを形成し、この上にはんだボールを搭載すればよい。
【0051】
第2半導体チップ2のはんだバンプ23の高さは、10〜50μm程度、好適には10〜20μm程度で形成される。また、はんだバンプ23の径は、第1半導体チップ1のAuバンプ22の径より大きくすることが好ましい。例えば、第1半導体チップ1のAuバンプ22の径が40〜50μm程度の場合、第2半導体チップ2のはんだバンプ23の径は60〜70μm程度とすることが好ましい。
【0052】
第2半導体チップ2のはんだバンプ23は、後で説明するように、前述した第1半導体チップ1のAuバンプ22が溶融されたはんだバンプ23内に突き刺さって接合されるため、2つ半導体チップの間のギャップを確保するための機能をもたせる必要がない。
【0053】
つまり、はんだバンプ23を球状にしてその高さを高くする加熱処理(ウェットバック)工程を特別に行う必要がないと共に、はんだバンプ23の高さを従来技術より低くすることができるため、製造が容易になって製造コストを低減させることができる。
【0054】
その後、半導体基板10をダイシングすることにより、はんだバンプ23を備えた個別の第2半導体チップ2が得られる。第2半導体チップ2のチップサイズは、第1半導体チップ1上に第2半導体チップ2を積層する際に第1半導体チップ1のボンディングパッド18yが露出する程度の大きさでものであり、第2半導体チップ2は第1半導体チップ1より一回り小さいチップサイズで製造される。
【0055】
次に、第1及び第2半導体チップ1,2を配線基板上に実装する方法を説明する。図6は本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図、図7は図6(c)のA部を拡大した部分拡大断面図である。
【0056】
本実施形態では、第1及び第2半導体チップ1,2が実装されるパッケージとしてTBGA(Tape Ball Grid Array)タイプを例に挙げて説明する。
【0057】
図6(a)に示すように、まず、第1及び第2半導体チップ1、2が実装される配線基板3を用意する。この配線基板3では、フィルム24の所定部にスルーホル24aが形成され、フィルム24の一方の面上のスルーホール24aを含む部分にCu配線26が形成されている。
【0058】
フィルム24のCu配線26側の面にはCu配線26の接続パッド部26aを露出する開口部30aを有するソルダレジスト膜30が形成されている。そして、Cu配線26のスルーホール24a内に露出する露出面がはんだボール搭載部26bとなる。
【0059】
その後、図6(b)に示すように、配線基板3のソルダレジスト膜30上に接着層32を介して上記した第1半導体素子1をそのAuバンプ22及びボンディングパッド18yが形成された面が上側になるようにしてダイボンドする。
【0060】
次いで、図6(c)に示すように、第1半導体チップ1のAuバンプ22に第2半導体チップ2のはんだバンプ23が対応するようにして位置合わせして配置する。すなわち、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2とをいわゆるフェイスツーフェイスで重ね合わせる。続いて、はんだバンプ23の融点以上の温度でリフロー加熱を行った後、冷却する。例えば、はんだバンプ23としてSn−Pb系はんだを用いる場合、200〜250℃程度の温度でリフロー加熱する。
【0061】
これにより、図7に示すように、第1半導体チップ1のAuバンプ22は、第2半導体チップの溶融した状態のはんだバンプ23の中に突き刺さり、Auバンプ22の先端面及び上側側面がはんだバンプ23と低いコンタクト抵抗で電気的に接合される。このようにして、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2とが配線基板3上に3次元的に積層されて電気的に接合される。
【0062】
従来技術においては、はんだ付けを行う際にはんだ付け面の酸化膜除去などのためにフラックスを塗布する必要がある。しかしながら、本実施形態に係る接合方法では、はんだ付け面が非酸化性を有するAuバンプ23となるため、Auバンプ22とはんだバンプとを接合する前にフラックスを特別に塗布する必要がない。
【0063】
なお、フラックスを使用しないことでリフロー加熱時に溶融したはんだバンプ23の表面が酸化されて不具合が発生する恐れがある場合は、リフロー加熱を不活性ガスや還元性ガスの雰囲気で行うようにしてもよい。
【0064】
しかも、本実施形態に係る接合方法では、第1半導体チップ1のAuバンプ22が第2半導体チップ2の溶融したはんだバンプ23の中に突き刺さる程度のごく僅かな荷重をかけることにより容易に接合させることができる。このため、第1及び第2半導体チップ1、2には大きな荷重がかからないため、特に第2半導体チップ2の中央主要部のトランジスタや多層配線がダメージを受けたり、その半導体回路が破壊されて機能しなくなったりする恐れがなくなる。
【0065】
次いで、図6(d)に示すように、第1半導体チップ1のボンディングパッド18yと配線基板3の接続パッド部26aとをワイヤボンディング装置を用いてワイヤ34で結線する。
【0066】
その後、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2との間にエポキシ樹脂などを主成分とするアンダーフィル材を充填し、硬化させることによりアンダーフィル樹脂36を形成する。
【0067】
第1半導体チップ1と第2半導体チップ2との間のギャップは、例えば、Auバンプ22の高さが20μm程度、はんだバンプ23の高さが10μm程度である場合、Auバンプ22がはんだバンプ23の中に所定量突き刺さって接合されるとしても25μm程度以上確保することができる。このため、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2との間のギャップが狭くなりすぎてアンダーフィル材が上手く充填されずにボイドなどが発生するなどの不具合が発生する恐れはない。
【0068】
アンダーフィル材としては、粒径が平均1〜2μm程度の酸化ケイ素(シリカ)などからなるフィラーの含有率が50wt%程度以下の樹脂を使用することが好ましい。このようなアンダーフィル材は第1半導体チップ1と第2半導体チップ2との間のギャップが20μm程度以下になる場合においても充填特性がよく好ましい。
【0069】
なお、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2を接合した後に、2つのチップ1,2間にアンダーフィル材を充填する形態を例示したが、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2をと接合する前の工程で、第1及び第2半導体チップ1、2のいずれかのバンプ形成面にアンダーフィル材を塗布又は貼り付け、その後アンダーフィル材を突き破るようにして第1半導体チップ1のAuバンプ22と第2半導体チップのはんだバンプ23とを接合するようにしてもよい。
【0070】
このように、第1半導体チップ1と第2半導体チップ2との間のギャップは、第1半導体チップ1のAuバンプ22の高さで概ね決定されることになり、最終的に得られる半導体装置の厚みやアンダーフィル材の充填特性などを考慮してギャップが決定される。
【0071】
次いで、同じく図6(d)に示すように、配線基板3の第1及び第2半導体チップ1,2が実装された面上に、半導体チップ1,2、ワイヤ34及び配線基板3の接続パッド部26aなどを被覆するようにしてモールド樹脂38を形成する。
【0072】
続いて、同じく図6(d)に示すように、配線基板3の裏面に露出したCu配線26のはんだボール搭載部26bにはんだボール40を搭載した後、半導体チップが連なって実装された配線基板3を切断分離して個別の半導体装置4が得られる。なお、図6(a)における配線基板3のCu配線26の露出部にはAuめっきなどの表面処理が施されている。
【0073】
以上説明したように、本発明の実施形態の半導体装置では、非酸化性のAuバンプ22を有する第1半導体チップ1とはんだバンプ23を有する第2半導体チップ2とが、溶融したはんだバンプ23の中にAuバンプ22が突き刺さった状態で接合される。
【0074】
このため、従来技術と違って、はんだ付け面が非酸化性のAuバンプ22となるようにしたことからフラックスを塗布してはんだ付け面の酸化膜を除去する必要がないので、フラックス残渣に起因する問題がなくなり接合の信頼性を向上させることができる。また、エリアアレイ型に配列されたバンプを有する2つの半導体チップを接合するとき、半導体チップに大きな荷重を加えて接合する必要がないため、半導体チップのトランジスタや多層配線がダメージを受けたり、破壊したりする恐れがなくなる。
【0075】
また、本発明の実施形態の半導体装置4の製造方法では、第1半導体チップ1の製造方法において、エリアアレイ型に配列された内側電極パッド14a上方にめっきによりAuバンプ22を形成するようにしたので、ワイヤボンディング法を用いたスタッドバンプを形成する場合と違って、第1半導体チップ1のトランジスタや多層配線などにダメージを与える恐れがない。
【0076】
また、第2半導体チップ1のはんだバンプ23が接合時に溶融してAuバンプ23の少なくとも先端側部を包み込むようにすればよいので、はんだバンプ23の厚みを例えば10μm程度に薄くすることができる。これにより、はんだバンプ23を形成するためのめっき工程のスループットを向上させることができる。
【0077】
また、Auバンプ22が溶融したはんだバンプ23の中に突き刺さって接合されるようにしたことから第1及び第2半導体チップ1,2間のギャップは、Auバンプ23の高さで概ね決定されるので、第2半導体チップ1のはんだバンプ23にはギャップを確保するための機能をもたせる必要がない。
【0078】
すなわち、はんだバンプ23を球状にしてその高さを高くするための加熱処理(ウェットバック)工程を特別に必要としない。従って、はんだバンプ23が横方向に膨らんで占有面積が必要以上に大きくならないので、はんだバンプ23を電極パッド14xのピッチに概ね対応して形成することができるようになる。その結果、100μm程度以下のピッチの電極パッドを有する半導体チップ同士の接合に適応できるようになる。
【0079】
しかも、フラックスを塗布する工程やフラックスを洗浄する工程を特別に必要としない。
【0080】
このように、本実施形態の半導体装置の製造方法では、はんだバンプの高さを従来技術より低くすることができると共に、フラックスの塗布、洗浄工程及びバンプ高さを高くするためのはんだバンプ23の加熱処理(ウェットバック)工程を省略することができるので、製造工程が簡易となり製造コストを低減することができる。
【0081】
(第2の実施の形態)
図8は第2実施形態の半導体装置に係る第1半導体チップと第2半導体チップとが接合された様子を示す断面図である。第2実施形態は、第1実施形態の接合構造を反転させたものであって、第1実施形態のはんだバンプを備えた第2半導体チップがボンディングパッドを有する親チップとなり、第1実施形態のAuバンプを備えた第1半導体チップがボンディングパッドを備えていない子チップとなるようにした形態である。図8において図7と同一要素についてはその説明を省略する。
【0082】
図8に示すように、第2実施形態に係る第2半導体チップ2xでは、バリア導電膜パターン18x上にはんだバンプ23xが形成されている。特に明記しないが、第2半導体チップ2xははんだバンプ23xが上面になるようにして配線基板上に固着されている。また、第2半導体チップ2xは、第1実施形態の第1半導体チップ1と同様に、その周縁部にボンディングパッドを備えていて、このボンディングパッドと配線基板の接続パッドとがワイヤを介して接続されている。
【0083】
一方、第1半導体チップ1xでは、バリア導電膜パターン18x上にAuバンプ22xが形成されている。また第1半導体チップ1xはその周縁部にボンディングパッドを備えておらず、第2半導体チップ2xより一回り小さいチップサイズで形成されている。そして、第2半導体チップ2xと第1半導体チップ1xとはフェイスツーフェイスで重ね合って接合されていて、第2半導体チップ2xのはんだバンプ23xの中に第1半導体チップ1xのAuバンプ22xが突き刺さった状態で接合されている。他の要素は図6(d)と同様であるのでその説明を省略する。
【0084】
第2実施形態の半導体装置は、第1実施形態の半導体装置と同様な方法により製造されて同様な効果を奏する。
【0085】
以上、第1及び第2実施形態により、本発明の詳細を説明したが、本発明の範囲は上記の実施形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明を逸脱しない要旨の範囲における上記の実施形態の変更は本発明の範囲に含まれる。
【0086】
例えば、第1及び第2半導体チップ1,2が実装されるパッケージタイプは上記したTBGAタイプに限定されるものではなく、他のさまざまなパッケージタイプにも適用することができる。また、第1又は第2半導体チップ1,2xと配線基板3との接続方法はワイヤでの結線に限定されるものではない。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エリアアレイ型で配列された非酸化性の貴金属バンプを備えた第1半導体チップ1とエリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとが、好適には溶融したはんだバンプ中に貴金属バンプが突き刺さった状態で接合されている。
【0088】
このような接合構造とすることにより、はんだ付け面が非酸化性のAuなどの貴金属バンプとなることから酸化膜を除去するためにフラックスを塗布する必要がないため、フラックス残渣に起因する問題が解消されてバンプ接合の信頼性を向上させることができる。
【0089】
また、貴金属バンプとはんだバンプとを接合する際に、溶融したはんだバンプに貴金属バンプが突き刺さる程度の僅かな荷重を半導体チップにかけることで接合することができる。このため、エリアアレイ型に配列されたのバンプ構造を有する2つの半導体チップが接合されるとき、半導体チップのトランジスタや多層配線などがダメージを受けたり、半導体回路が破壊したりする恐れがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の第1実施形態の半導体装置に係るAuバンプを備えた第1半導体チップを製造する方法を示す断面図(その1)である。
【図2】図2は本発明の第1実施形態の半導体装置に係るAuバンプを備えた第1半導体チップを製造する方法を示す断面図(その2)である。
【図3】図3は図2(b)を平面方向からみた概略平面図である。
【図4】図4は本発明の第1実施形態の半導装置に係るはんだバンプを備えた第2半導体チップを製造する方法を示す断面図(その1)である。
【図5】図5は本発明の第1実施形態の半導装置に係るはんだバンプを備えた第2半導体チップを製造する方法を示す断面図(その2)である。
【図6】図6は本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図7】図7は図6(c)のA部を拡大した部分拡大断面図である。
【図8】図8は本発明の第2実施形態に係る第1半導体チップと第2半導体チップとが接合された様子を示す断面図である。
【符号の説明】
1,1x…第1半導体チップ、2,2x…第2半導体チップ、3…配線基板、4…半導体装置、10…半導体基板、12…層間絶縁膜、14a…内側電極パッド、14b…外側電極パッド、14,14x…電極パッド、16…パシベーション膜、16a,20a,30a…開口部、18…バリア導電膜、18a…Cr膜、18b…Cu膜、18x…バリア導電膜パターン、18y…ボンディングパッド、20…第1ドライフィルムフォトレジスト、20b…レジストマスク、22,22x…Auバンプ、23,23x…はんだバンプ、24…フィルム、24a…スルーホール、26…Cu配線、26a…接続パッド部、26b…はんだボール搭載部、30…ソルダレジスト膜、32…接着層、34…ワイヤ、36…アンダーフィル樹脂、38…モールド樹脂、40…はんだボール。
Claims (13)
- エリアアレイ型で配列された貴金属バンプを備えた第1半導体チップと、
エリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとを有し、
前記貴金属バンプと前記はんだバンプとが接合されて前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記貴金属バンプは、該貴金属バンプの少なくとも先端部が前記はんだバンプの中に突き刺さった状態で前記はんだバンプと接合していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記貴金属バンプは、めっきにより形成された金(Au)からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記貴金属バンプの径は、前記はんだバンプの径より小さく、かつ前記貴金属バンプの高さは、前記はんだバンプの高さより高い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。
- 前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとは、前記第1半導体チップの周縁部の外部接続パッドが露出する状態で接合されており、前記第1半導体チップの貴金属バンプが形成された面と反対面が配線基板の上に固着され、前記外部接続パッドと前記配線基板の接続パッドとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとは、前記第2半導体チップの周縁部の外部接続パッドが露出する状態で接合されており、前記第2半導体チップのはんだバンプが形成された面と反対面が配線基板の上に固着され、前記外部接続パッドと前記配線基板の接続パッドとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとの間にはフィラーを含む樹脂が充填されており、前記フィラーの含有率が50wt%程度以下であることを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置。
- エリアアレイ型で配列され、かつめっきにより形成された貴金属バンプを備えた第1半導体チップと、エリアアレイ型で配列されたはんだバンプを備えた第2半導体チップとを用意する工程と、
前記貴金属バンプとはんだバンプを対向させて前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとを配置し、前記はんだバンプが溶融する温度で加熱処理を行うことにより、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合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。 - 前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとを用意する工程の後であって、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の前に、
前記第1半導体チップの前記貴金属バンプを備えた面と反対面を配線基板の上に固着する工程をさらに有し、かつ
前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の後に、
前記第1半導体チップの周縁部の外部接続パッドと前記配線基板の接続パッドとを電気的に接続する工程をさらに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方法。 - 前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとを用意する工程の後であって、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の前に、
前記第2半導体チップの前記はんだバンプを備えた面と反対面を配線基板の上に固着する工程をさらに有し、かつ
前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の後に、
前記第2半導体チップの周縁部の外部接続パッドと前記配線基板の接続パッドとを電気的に接続する工程をさらに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方法。 - 前記貴金属バンプの径は、前記はんだバンプの径より小さく、かつ前記貴金属バンプの高さは、前記はんだバンプの高さより高いことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の後に、前記第1半導体チップと前記第2半導体チップとの間に、フィラーの含有率が50wt%程度以下の樹脂を注入する工程をさらに有することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体チップを前記配線基板の上に固着する工程の後であって、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程の前に、
前記第1又は第2半導体チップのバンプ形成面に、フィラーの含有率が50wt%程度以下の樹脂層を形成する工程をさらに有し、
前記貴金属バンプと前記はんだバンプとを接合する工程において、前記貴金属バンプと前記はんだバンプとは、前記樹脂層を突き破って接合されることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
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