JP2005026715A6 - Semiconductor device having low melting point metal bump and flip chip bonding method - Google Patents

Semiconductor device having low melting point metal bump and flip chip bonding method Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、高品質の低融点金属ボールを備えフリップチップボンディングにより基板に実装することができる半導体装置と、フリップチップボンディング方法を提供する。
【解決手段】 半導体チップ2上に形成された電極8と、これらの電極にフラックスにより接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボール3とを含む半導体装置、及びこれを用いたフリップチップボンディング方法である。
【選択図】 図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device provided with a high-quality low melting point metal ball and mounted on a substrate by flip chip bonding, and a flip chip bonding method.
A semiconductor device including an electrode 8 formed on a semiconductor chip 2 and a low-melting-point metal ball 3 having a predetermined size formed in a spherical shape, which is adhesively bonded to these electrodes by a flux, and a semiconductor device using the same This is a flip chip bonding method.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、低融点金属のバンプを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device provided with a low melting point metal bump and a method of manufacturing the same.

半導体装置は、現在様々な分野で広く使用されている。通常、これらの半導体装置は、基板に実装して使用される。それらの実装の方法には、テープ自動化接着(tape automated bonding, TAB)、ワイヤボンディング、フリップチップボンディング等の接合方法が含まれる。   Semiconductor devices are currently widely used in various fields. Usually, these semiconductor devices are used by being mounted on a substrate. These mounting methods include bonding methods such as tape automated bonding (TAB), wire bonding, and flip chip bonding.

TABやワイヤボンディングは、リードを介して半導体装置を基板に実装する技術である。リードは半導体装置の周囲の1辺当たりに1列に配列される。そのため、これらの技術は半導体装置の高密度の実装には向いていない。それに対し、フリップチップボンディングは、半導体装置の電極を基板上の電極端子に接合用金属を介して直接接続する技術である。半導体装置の電極は表面全体に格子状に設けることができることから、この技術は高密度実装に適している。フリップチップボンディングにおける接合用金属としては、低い温度での融解により接合を行うために、各種の半田が一般に用いられている。   TAB and wire bonding are techniques for mounting a semiconductor device on a substrate via leads. The leads are arranged in one row per side around the semiconductor device. Therefore, these techniques are not suitable for high-density mounting of semiconductor devices. In contrast, flip-chip bonding is a technique for directly connecting an electrode of a semiconductor device to an electrode terminal on a substrate via a bonding metal. Since the electrodes of the semiconductor device can be provided in a lattice pattern on the entire surface, this technique is suitable for high-density mounting. As a bonding metal in flip chip bonding, various solders are generally used in order to perform bonding by melting at a low temperature.

フリップチップボンディングにおいては、電極上に接合用の低融点金属のバンプを設けた半導体装置を使用し、そのバンプを融解及び再固化させるリフロー手法により半導体装置を基板の電極端子に接続する。   In flip chip bonding, a semiconductor device in which bumps of low melting point metal for bonding are provided on electrodes is used, and the semiconductor device is connected to the electrode terminals of the substrate by a reflow method in which the bumps are melted and resolidified.

一般に、バンプは蒸着やメッキにより形成される。ところが、このようなバンプ形成法は、いずれもマスクを用いた複雑な処理工程を繰り返し行わなくてはならない。更に、蒸着によりバンプを形成する方法では、バンプを形成しない部分にバンプ材料が被着し、その部分への被着量が非常に多くなる。そのため、この方法はコスト的にも効率的にも好ましいものではない。更に、電気メッキや無電解メッキ等の湿式メッキは、ウエハーの汚れを生じたり、環境問題を生じたりし、そのような問題への対策を欠くことができない。このように、通常のバンプ形成方法は比較的コストが高く、実用化は限定されている。   In general, the bump is formed by vapor deposition or plating. However, in any of these bump forming methods, complicated processing steps using a mask must be repeated. Further, in the method of forming bumps by vapor deposition, the bump material is deposited on the portion where the bump is not formed, and the amount of deposition on the portion is very large. Therefore, this method is not preferable in terms of cost and efficiency. Furthermore, wet plating such as electroplating and electroless plating causes contamination of the wafer and environmental problems, and countermeasures against such problems are indispensable. As described above, the normal bump forming method is relatively expensive, and its practical use is limited.

蒸着やメッキ以外のバンプ形成方法として、スタッドバンプ方式がある。この方式ではバンプを1つずつ形成するために、製造効率が悪く、その上、個々のバンプの量にばらつきが生じやすい。   As a bump forming method other than vapor deposition and plating, there is a stud bump method. In this method, since bumps are formed one by one, the manufacturing efficiency is low, and the amount of individual bumps tends to vary.

従って、半導体装置と基板との接合の均一性の確保が困難である。   Therefore, it is difficult to ensure the uniformity of bonding between the semiconductor device and the substrate.

本発明の目的は、高品質の低融点金属ボールを備えフリップチップボンディングにより基板に実装することができる半導体装置と、その製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high-quality low melting point metal ball that can be mounted on a substrate by flip chip bonding, and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体装置は、半導体チップ上に形成された電極を含み、そしてこの電極上にフラックスにより接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールを備えている。
好ましくは、半導体チップ上の電極は、CuもしくはCu合金、AlもしくはAl合金、又はAuもしくはAu合金の電極材料から形成される。
電極材料がAl又はAl合金である場合、好ましくは、その電極材料で形成された層に当該電極材料よりも融点が高い金属又は金属合金の層が少なくとも一つ積層される。
この積層された層は、好ましくは、Ti、W、Ni、Cr、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、Sn及びPbから選択された金属又はこれらの金属の合金で形成される。
好ましくは、電極材料層に積層された層のうち、電極材料層に接する層はTi、W、Ni、Cr、Pd、CuもしくはPt又はこれらの金属の合金で形成され、低融点金属ボールに接する層はNi、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、SnもしくはPb又はこれらの金属の合金で形成される。
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体チップ上に形成された電極を有し、そしてそれぞれの電極に接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールを備えた半導体装置を製造する方法であって、フラックスを前記電極に塗布してから、
上記低融点金属ボールを、
低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、
浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、
上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び
上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、
を含む方法により前記それぞれの電極に接着結合することを特徴とする。
本発明の別の側面において、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体チップの電極に低融点金属のバンプを備えた半導体装置を製造する方法であって、
フラックスを電極に塗布する工程、
球状に形成された所定寸法の低融点金属のボールを、低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、を含む方法により前記電極に接着結合する工程、及び
これらの低融点金属ボールをリフローさせて半球状バンプを形成する工程、
を含む。
The semiconductor device of the present invention includes an electrode formed on a semiconductor chip, and includes a low-melting-point metal ball having a predetermined size formed in a spherical shape and adhesively bonded to the electrode by a flux.
Preferably, the electrode on the semiconductor chip is formed of an electrode material of Cu or Cu alloy, Al or Al alloy, or Au or Au alloy.
When the electrode material is Al or an Al alloy, preferably, at least one metal or metal alloy layer having a melting point higher than that of the electrode material is laminated on the layer formed of the electrode material.
This stacked layer is preferably formed of a metal selected from Ti, W, Ni, Cr, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn and Pb or alloys of these metals.
Preferably, of the layers stacked on the electrode material layer, the layer in contact with the electrode material layer is formed of Ti, W, Ni, Cr, Pd, Cu, or Pt or an alloy of these metals and is in contact with the low melting point metal ball. The layer is formed of Ni, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn or Pb or an alloy of these metals.
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor device having electrodes formed on a semiconductor chip and having a low-melting point metal ball of a predetermined size formed in a spherical shape and adhesively bonded to each electrode. A method of manufacturing, wherein a flux is applied to the electrode,
The low melting point metal ball,
Applying a small amplitude vibration to a container containing low melting point metal balls to float those low melting point metal balls;
The floating low melting point metal ball is adsorbed to the suction hole of the array plate provided with the suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be bonded and bonded. A process of arranging and supporting low melting point metal balls
Removing the extra low melting point metal balls attached to the array plate or adhering to the low melting point metal balls adsorbed to the suction port by vibrating the array plate; A step of bringing melting point metal balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump;
And adhesively bonding to each of the electrodes.
In another aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a low melting point metal bump on an electrode of a semiconductor chip,
Applying flux to the electrode;
A process of floating low-melting metal balls of low-melting metal balls of a predetermined size formed into a spherical shape by applying minute amplitude vibration to a container containing the low-melting metal balls, floating the low-melting metal balls, A low melting point metal ball is adsorbed to the suction port of the array plate provided with a suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be adhesively bonded, and the low melting point metal ball is arranged on the array plate. A step of removing the extra low melting point metal ball attached to the array plate or adhering to the low melting point metal ball adsorbed to the suction port by vibrating the array plate, and on the array plate. A step of adhesively bonding the supported and arranged low-melting-point metal balls to the electrodes by a method including a step of bringing the balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump, and these low-melting-point metals Reflowing the ball to form a hemispherical bump,
including.

本発明の半導体装置は、半導体チップ上に形成されたそれぞれの電極に直接接着結合された低融点金属ボールのバンプを備えていることが明らかである。金属ボールの大きさを均一にすることで高品質のバンプを作ることができる。金属ボールは、従来の方法でもってメッキ法や蒸着法等で半導体チップの電極上に形成するのではなく、電極へ接着結合することができる。従って、本発明の半導体装置は、マスクを用いず、また環境汚染の心配なく、製造することができる。   It is apparent that the semiconductor device of the present invention includes low-melting point metal ball bumps that are directly bonded to the respective electrodes formed on the semiconductor chip. High quality bumps can be made by making the size of the metal balls uniform. The metal balls can be adhesively bonded to the electrodes instead of being formed on the electrodes of the semiconductor chip by plating or vapor deposition using conventional methods. Therefore, the semiconductor device of the present invention can be manufactured without using a mask and without concern about environmental pollution.

更に、低融点金属ボールの大きさを加減することにより、バンプ量を容易に、かつ高精度にコントロールすることができ、バンプの信頼性を向上することができる。   Furthermore, by adjusting the size of the low melting point metal ball, the amount of bumps can be controlled easily and with high accuracy, and the reliability of the bumps can be improved.

本発明は、半導体装置の基板への高密度実装を可能にするフリップチップボンディングに有利に応用することができる。   The present invention can be advantageously applied to flip chip bonding that enables high-density mounting on a substrate of a semiconductor device.

図1に、本発明の半導体装置1を示す。この半導体装置1は、半導体チップ2の表面に形成した電極(図示せず)上に接着結合された低融点金属ボール3を備えている。   FIG. 1 shows a semiconductor device 1 of the present invention. The semiconductor device 1 includes a low melting point metal ball 3 adhesively bonded on an electrode (not shown) formed on the surface of a semiconductor chip 2.

低融点金属ボール3は、半導体装置を基板へ実装するのに使用される各種の半田類の一つから形成することができる。それらの半田の例には、Sn合金、例えばSn−Pb合金及びSn−Ag合金等の半田や、Pb合金、例えばPb−In合金等の半田が含まれる。   The low melting point metal ball 3 can be formed from one of various solders used for mounting a semiconductor device on a substrate. Examples of such solders include solders such as Sn alloys such as Sn—Pb alloys and Sn—Ag alloys, and solders such as Pb alloys such as Pb—In alloys.

低融点金属ボールのバンプ3を接着結合させる電極は、Cu又はCu合金、Al又はAl合金、あるいはAu又はAu合金の電極材料から形成することができる。本発明の半導体装置では、表面積が900から22,500μm2までの電極を使用するのが好ましい。すなわち、正方形の電極を使用する場合には、電極の1辺は30〜150μmの寸法を有する。 The electrode for adhesively bonding the bump 3 of the low melting point metal ball can be formed from an electrode material of Cu or Cu alloy, Al or Al alloy, or Au or Au alloy. In the semiconductor device of the present invention, it is preferable to use an electrode having a surface area of 900 to 22,500 μm 2 . That is, when a square electrode is used, one side of the electrode has a size of 30 to 150 μm.

電極材料がAl又はAl合金である場合、半田ボール(以下、この用語は低融点金属ボールを指示するものとし、そして下記ではこの用語を使用する)をリフローさせて電極と接続すると、半田ボールと電極との密着性が低下する。電極材料としてAl又はAl合金を使用する場合には、この低下を避けるため、その電極材料で形成された層に電極材料よりも融点が高い金属又は金属合金の層を少なくとも一つ積層する。そのために用いられる材料の代表例は、Ti、W、Ni、Cr、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、Sn及びPbから選択された金属又はこれらの金属の合金である。これらの物質のうち、Ti、W、Ni、Cr、Pd、CuもしくはPt又はこれらの金属の合金は、当該材料とAl又はその合金から作られた層との密着性に特に有効である。従って、Al又はその合金の層と接する層として上記の金属又はこれらの金属の合金のうちのいずれかを使用するのが好ましい。   When the electrode material is Al or an Al alloy, solder balls (hereinafter, this term shall indicate a low melting point metal ball, and this term will be used below) are reflowed and connected to the electrode. Adhesion with the electrode decreases. When Al or an Al alloy is used as the electrode material, in order to avoid this decrease, at least one metal or metal alloy layer having a melting point higher than that of the electrode material is laminated on the layer formed of the electrode material. Typical examples of materials used for this purpose are metals selected from Ti, W, Ni, Cr, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn and Pb or alloys of these metals. Of these substances, Ti, W, Ni, Cr, Pd, Cu or Pt or alloys of these metals are particularly effective for adhesion between the material and a layer made of Al or an alloy thereof. Therefore, it is preferable to use any of the above metals or alloys of these metals as the layer in contact with the Al or its alloy layer.

更に、半田は一般に、Ni、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、SnもしくはPb又はこれらの金属の合金に対して良好な濡れ性を示す。従って、AlもしくはAl合金の電極材料層に積層された層のうちの半田ボールに接する層は、好ましくはこれらの材料から形成される。   Furthermore, solder generally exhibits good wettability to Ni, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn or Pb or alloys of these metals. Therefore, the layer in contact with the solder ball among the layers laminated on the electrode material layer of Al or Al alloy is preferably formed from these materials.

このように、電極は、Al又はAl合金を使用する場合、図2に例示したように多層構造を持つ。図2において、電極8は、半導体チップ2の表面にAl(又はAl合金)で作られた第一の層5と、この第一の層の上にCrから作られた第二の層6と、この第二の層の上にCuから作られた第三の層7とを含む積層構造として形成される。   As described above, when Al or Al alloy is used, the electrode has a multilayer structure as illustrated in FIG. In FIG. 2, an electrode 8 includes a first layer 5 made of Al (or an Al alloy) on the surface of the semiconductor chip 2, and a second layer 6 made of Cr on the first layer. A laminated structure including the third layer 7 made of Cu is formed on the second layer.

電極材料としてAl又はその合金を使用する電極の積層構造の例には、図2に例示したように半導体チップ側から順次Al(又はAl合金)層、Cr層、Cu層を有する積層構造(このような積層構造を、以下においてはAl/Cr/Cuのように表示する)のほかに、Al/Ni、Al/Ni/Au、Al/Ni/Cu/Au、Al/Cr/Cu/Au、Al/Ti/Cu/Au、Al/Ti/TiW(合金)/Cu/Au、Al/TiW(合金)/Cu/Au、Al/Cr/Ni/Pd、Al/Pd/Au、Al/Ni/Sn、Al/Cr/Cu/Pd、及びAl/Cr/Ptを含めることができる。言うまでもなく、本発明の半導体装置において有効な電極積層構造は上述の構造に限定されない。   As an example of an electrode laminated structure using Al or an alloy thereof as an electrode material, as shown in FIG. 2, a laminated structure having an Al (or Al alloy) layer, a Cr layer, and a Cu layer sequentially from the semiconductor chip side (this In addition to Al / Ni, Al / Ni / Au, Al / Ni / Cu / Au, Al / Cr / Cu / Au, and the like, in the following, such a laminated structure is indicated as Al / Cr / Cu). Al / Ti / Cu / Au, Al / Ti / TiW (alloy) / Cu / Au, Al / TiW (alloy) / Cu / Au, Al / Cr / Ni / Pd, Al / Pd / Au, Al / Ni / Sn, Al / Cr / Cu / Pd, and Al / Cr / Pt can be included. Needless to say, the electrode stacking structure effective in the semiconductor device of the present invention is not limited to the above-described structure.

半田ボールを電極に接着結合するのにフラックスを使用する。半導体装置の製造で一般に使用されているフラックスのうちのいずれを使用しても差し支えない。フラックスは、電極表面に塗布する。電極表面にフラックスを塗布する方法としては、スクリーン印刷等の標準的方法を利用することができる。   Flux is used to adhesively bond the solder balls to the electrodes. Any of the fluxes generally used in the manufacture of semiconductor devices can be used. The flux is applied to the electrode surface. As a method for applying the flux to the electrode surface, a standard method such as screen printing can be used.

本発明の半導体装置を基板にフリップチップボンディングする際には、半田ボールのバンプを基板のそれぞれの電極端子に対向させ、位置合わせを行い、そしてそれと接触させてから、バンプをリフローさせればよい。このようなフリップチップボンディングの方法
は広く知られており、ここで詳細に説明するには及ばない。
When flip-chip bonding the semiconductor device of the present invention to a substrate, the bumps of the solder balls are opposed to the respective electrode terminals of the substrate, aligned, brought into contact with the bumps, and then the bumps are reflowed. . Such flip-chip bonding methods are widely known and need not be described in detail here.

本発明の半導体装置は、半田ボールを一旦リフローさせて半球状のバンプとしてから基板にフリップチップボンディングしてもよい。図3に、半球状バンプの例を示す。図3における半球状バンプ10は、図2で説明した積層電極8に接着結合した半田ボールのバンプ3をリフローさせて形成される。   In the semiconductor device of the present invention, the solder balls may be reflowed once to form hemispherical bumps and then flip-chip bonded to the substrate. FIG. 3 shows an example of a hemispherical bump. The hemispherical bump 10 in FIG. 3 is formed by reflowing the solder ball bump 3 adhesively bonded to the laminated electrode 8 described in FIG.

なお、ここでは半田ボールをリフローさせて形成した図3のバンプ10を「半球状」と称している。この用語は主として、図3に示したようにリフロー後のバンプの縦断面形状を基にしている。半導体チップ上の電極の形状には、円形や正方形や、その他の任意の形状といったように、様々なものがある。例えば正方形の電極上の半田ボールをリフローさせて形成したバンプは、図3に見られるように半球状の縦断面形状を持つ。しかしながら、融解した半田は正方形の電極表面全体を濡らしてから固化するため、上方から見た形状(横断面形状)は円ではなく正方形又は正方形に近い形状になる。従って、ここで言う半球状バンプとは、リフロー後に上方から見た場合に円形の横断面形状を持つように見えるバンプばかりでなく、バンプの下の電極形状を反映して任意の横断面形状を持つバンプをも包含することに注目すべきである。すなわち、ここでの「半球状バンプ」とは、任意の形状の電極に接着結合した半田ボールをリフローさせて形成した全ての種類のバンプを指示するものである。   Here, the bumps 10 of FIG. 3 formed by reflowing solder balls are referred to as “hemispherical”. This term is mainly based on the vertical cross-sectional shape of the bump after reflow as shown in FIG. There are various shapes of electrodes on the semiconductor chip, such as a circle, a square, and other arbitrary shapes. For example, a bump formed by reflowing a solder ball on a square electrode has a hemispherical longitudinal cross-sectional shape as seen in FIG. However, since the melted solder wets the entire square electrode surface and solidifies, the shape seen from above (cross-sectional shape) is not a circle but a square or a shape close to a square. Therefore, the hemispherical bump referred to here is not only a bump that appears to have a circular cross-sectional shape when viewed from above after reflow, but also an arbitrary cross-sectional shape that reflects the electrode shape under the bump. It should be noted that it also includes the bumps it has. In other words, the “hemispherical bump” herein indicates all types of bumps formed by reflowing solder balls bonded and bonded to electrodes of an arbitrary shape.

半田ボールをリフローさせて電極上に半球状バンプを適切に形成するためには、電極に接着結合する半田ボールの半径Rを、電極の表面積をAとして、次の式を満足するように選ぶのが望ましい。
0.4×A0.5 ≦ R ≦ 2×A0.5
半田ボールの半径Rが0.4×A0.5に満たない場合には、半田量が不十分になり、リフロー後に良好な半球状バンプを形成するのが困難になる。半田ボールの半径Rが2×A0.5を超える場合には、電極の大きさに比べて半球状バンプが大きくなり、その結果電極とバンプとの接合部が応力集中を受けて破断しやすくなる。
In order to reflow the solder balls and appropriately form the hemispherical bumps on the electrodes, the radius R of the solder balls that are adhesively bonded to the electrodes is selected so that the surface area of the electrodes is A and the following formula is satisfied. Is desirable.
0.4 × A 0.5 ≦ R ≦ 2 × A 0.5
When the radius R of the solder ball is less than 0.4 × A 0.5 , the amount of solder becomes insufficient, and it becomes difficult to form a good hemispherical bump after reflow. When the radius R of the solder ball exceeds 2 × A 0.5 , the hemispherical bump is larger than the size of the electrode, and as a result, the joint between the electrode and the bump is easily stressed and easily broken.

本発明の半導体装置において表面積が900〜22,500μm2の電極を使用する場合、好ましい半田ボールの半径Rは上記の式から12〜300μmとなる。 When an electrode having a surface area of 900 to 22,500 μm 2 is used in the semiconductor device of the present invention, the preferable radius R of the solder ball is 12 to 300 μm from the above formula.

次に、図4を参照して、本発明の半導体装置の製造の一例を説明する。
図4(a)に示すように、半導体チップ41上に、100×100μmのAl合金(Al−Si−Cu合金)の電極42を、スパッタ法により1.0μmの厚さで形成する。この図中の43は、こうして形成した電極を区画しているパッシベーション膜を示している。次に、図4(b)に示すように、チップ電極42にNiの金属層44とCuの金属層45とをスパッタ法によりそれぞれ80nmの厚さで順次積層する。
Next, an example of manufacturing the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4A, an electrode 42 of 100 × 100 μm Al alloy (Al—Si—Cu alloy) is formed on a semiconductor chip 41 to a thickness of 1.0 μm by sputtering. In this figure, reference numeral 43 denotes a passivation film that partitions the electrodes thus formed. Next, as shown in FIG. 4B, a Ni metal layer 44 and a Cu metal layer 45 are sequentially stacked on the chip electrode 42 with a thickness of 80 nm by sputtering.

以上は、低融点金属のバンプを形成する下地を形成する工程である。次に、図4(c)に示すように、前記Cuの金属層45に直径80μmのPb−Sn合金の半田ボール46を接着結合する。半田ボールを接着結合する時には、まず、金属層45の表面にスクリーン印刷でフラックス(図示せず)を塗布する。次いで、そのフラックスに半田ボール46を接着結合する。半田ボールを電極に接着結合する方法は後述する。   The above is the process of forming the base for forming the low melting point metal bump. Next, as shown in FIG. 4C, Pb—Sn alloy solder balls 46 having a diameter of 80 μm are adhesively bonded to the Cu metal layer 45. When the solder balls are bonded and bonded, a flux (not shown) is first applied to the surface of the metal layer 45 by screen printing. Next, a solder ball 46 is adhesively bonded to the flux. A method of adhesively bonding the solder ball to the electrode will be described later.

このようにして製造された本発明の半導体装置は、半田ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、ボールの位置合わせを行い、ボールを電極端子と接触させ、そしてボールをリフローさせることで基板にフリップチップボンディングすることができる。   The semiconductor device of the present invention thus manufactured has the solder balls opposed to the corresponding electrode terminals of the substrate, aligns the balls, brings the balls into contact with the electrode terminals, and reflows the balls. Can be flip-chip bonded to the substrate.

図4(c)に示された半田ボール46を備えた本発明の半導体装置は、図4(d)に示したように半田ボールを一旦リフローさせて半球状のバンプ47を形成してから基板にフリップチップボンディングしてもよい。   The semiconductor device of the present invention having the solder ball 46 shown in FIG. 4 (c) has a substrate after the solder balls are reflowed to form hemispherical bumps 47 as shown in FIG. 4 (d). Flip chip bonding may be used.

上述の例では電極材料としてAl合金を使用しているので、半田バンプにより半導体装置を基板に強固に結合するためAl合金層にNi層及びCu層を積層している。しかし、電極材料がAlでもAl合金でもない場合、例えばCu又はCu合金、あるいはAu又はAu合金である場合には、低融点金属のボールを形成するための下地(電極材料層の上の1又は2以上の金属(又は合金)層)を形成する必要がない。従って、図5に示すように、半導体チップ51の電極52の上に半田ボール53のバンプを直接形成することができる。この半田ボールも、一旦リフローさせて半球状のバンプにしてからフリップチップボンディングに使用することができる。   In the above example, since an Al alloy is used as the electrode material, a Ni layer and a Cu layer are laminated on the Al alloy layer in order to firmly bond the semiconductor device to the substrate by solder bumps. However, when the electrode material is neither Al nor an Al alloy, for example, Cu or Cu alloy, or Au or Au alloy, an underlayer for forming a low-melting point metal ball (1 or There is no need to form two or more metal (or alloy) layers. Therefore, as shown in FIG. 5, bumps of the solder balls 53 can be directly formed on the electrodes 52 of the semiconductor chip 51. This solder ball can also be used for flip chip bonding after being reflowed to form a hemispherical bump.

次に、直径50μmの電極上に直径150μmの半田ボールバンプを形成するもう一つの例を説明する。この場合には、直径50μm、厚さ1.0μmのAl−Cu合金の電極上に、スパッタ法により同じ直径もしくはやや大きい直径のCr層、Cu層及びAu層をそれぞれ80nm、80nm、30nmの厚さで順次重ねる。次いで、Au層の表面にフラックスを塗布し、その上に直径150μmのPb−Sn合金の半田ボールを接着結合する。この半田ボールをリフローさせて形成した半球状バンプについて剪断試験を行ったところ、破断はいずれも半田ボール内で起こり、バンプと電極との接合部に破断は認められなかった。   Next, another example in which a solder ball bump having a diameter of 150 μm is formed on an electrode having a diameter of 50 μm will be described. In this case, a Cr layer, a Cu layer and an Au layer having the same diameter or a slightly larger diameter are sputtered onto an Al-Cu alloy electrode having a diameter of 50 μm and a thickness of 1.0 μm by a thickness of 80 nm, 80 nm and 30 nm, respectively. Then we will layer them one after another. Next, a flux is applied to the surface of the Au layer, and a solder ball of a Pb—Sn alloy having a diameter of 150 μm is adhesively bonded thereon. When a shear test was performed on the hemispherical bumps formed by reflowing the solder balls, all the breaks occurred in the solder balls, and no breaks were observed at the joints between the bumps and the electrodes.

次に、半田ボールを電極に接着結合する方法を説明する。ここでは、多層積層構造の電極ではなく、図5で説明したように単一材料で構成された電極上への半田ボールの接着結合を説明する。   Next, a method for adhesively bonding solder balls to electrodes will be described. Here, adhesive bonding of a solder ball onto an electrode made of a single material as described with reference to FIG. 5 instead of an electrode having a multilayer structure will be described.

図6(a)に示すように、半田ボール53を収容した容器60に微小振幅の振動を加えて半田ボール53を浮遊させる。次に、浮遊した半田ボール53を、半田ボール53を接着結合しようとする半導体チップの電極の位置に対応する位置に吸着口61を設けた配列板63の当該吸着口61に吸着して(半田ボールを吸着のための吸引機構は図示せず)、配列板63上に半田ボール53を配列して担持する。図6(a)に示したように、半田ボールを吸着・配列する際に、余分な半田ボール53′が配列板63の吸着口61以外の箇所に付着し、あるいは吸着口61に吸着した半田ボール53に別の余分な半田ボール53″が付着する。そこで、これらの余分な半田ボール53′、53″を除去する。そのためには、配列板63に水平方向の超音波振動を適用することで余分な半田ボール53′、53″を好ましく除くことができる。図6(a)の配列板63には、簡単にするため二つの吸着口61しか図示されていないが、実際の配列板には半導体チップの電極に接着結合しようとする半田ボールの数と同じ数の吸着口があることに注意すべきである。   As shown in FIG. 6A, the solder ball 53 is floated by applying a minute amplitude vibration to the container 60 containing the solder ball 53. Next, the floating solder ball 53 is adsorbed to the adsorbing port 61 of the array plate 63 provided with the adsorbing port 61 at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the solder ball 53 is to be bonded and bonded (soldering). A suction mechanism for adsorbing the balls is not shown), and the solder balls 53 are arranged and supported on the arrangement plate 63. As shown in FIG. 6A, when the solder balls are attracted / arranged, the extra solder balls 53 ′ are attached to locations other than the suction ports 61 of the array plate 63, or the solder that is attracted to the suction ports 61. Another extra solder ball 53 "adheres to the ball 53. Therefore, these extra solder balls 53 'and 53" are removed. For this purpose, it is possible to preferably remove the excess solder balls 53 ′ and 53 ″ by applying horizontal ultrasonic vibration to the array plate 63. The array plate 63 of FIG. For this reason, only two suction ports 61 are shown, but it should be noted that the actual array plate has the same number of suction ports as the number of solder balls to be adhesively bonded to the electrodes of the semiconductor chip.

次いで、図6(b)に示すように、半田ボール53を所定位置に担持した配列板63を半導体チップ51上へ移動して、半田ボール53と半導体チップ51のそれぞれの電極52との適切な位置合わせを行ってから、配列板63を下方へ移動させて半田ボール53をそれぞれの電極52と接触させる。接触後、配列板63への半田ボール53の吸着を停止し(吸引機構の停止による)、配列板63を上方へ移動させる。   Next, as shown in FIG. 6B, the array plate 63 carrying the solder balls 53 in a predetermined position is moved onto the semiconductor chip 51, and the solder balls 53 and the respective electrodes 52 of the semiconductor chip 51 are appropriately connected. After alignment, the array plate 63 is moved downward to bring the solder balls 53 into contact with the respective electrodes 52. After the contact, the adsorption of the solder balls 53 to the array plate 63 is stopped (by stopping the suction mechanism), and the array plate 63 is moved upward.

半田ボール53は、電極52の表面にフラックス(図示せず)が塗布してあればその粘着性のために電極に接着結合される。   If a flux (not shown) is applied to the surface of the electrode 52, the solder ball 53 is adhesively bonded to the electrode due to its adhesiveness.

ここで説明したような方法により半導体チップの多数の電極に半田バンプを一括して接着結合することができるので、この方法は本発明の半導体装置の製造にとって非常に有利である。   This method is very advantageous for manufacturing the semiconductor device of the present invention because the solder bumps can be collectively bonded to a large number of electrodes of the semiconductor chip by the method described here.

半導体チップは、一般に1枚のウエハーに多数が作られ、そして切断して個々のチップにされる。上述の方法は、ウエハーから切り離す前の複数の半導体チップに対して適用することもでき、あるいはウエハーから切り離した後の個別の半導体チップに対して適用することもできる。ここで説明したことから、本発明における半導体チップは、切り離された個々の半導体チップばかりでなく、1枚のウエハー上に製作された状態の複数の半導体チップをも包含することは明らかである。   Semiconductor chips are generally made in large numbers on a single wafer and then cut into individual chips. The above-described method can be applied to a plurality of semiconductor chips before being separated from the wafer, or can be applied to individual semiconductor chips after being separated from the wafer. From what has been described here, it is apparent that the semiconductor chip according to the present invention includes not only individual semiconductor chips that have been separated but also a plurality of semiconductor chips that are manufactured on a single wafer.

本発明の半導体装置を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における電極を説明する図である。It is a figure explaining the electrode in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の低融点金属ボールをリフローさせて形成した半球状バンプを説明する図である。It is a figure explaining the hemispherical bump formed by reflowing the low melting metal ball of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 単一材料のチップ電極上に直接形成した半田ボールのバンプを説明する図である。It is a figure explaining the bump of the solder ball formed directly on the chip electrode of a single material. 低融点金属ボールをそれぞれの電極上に接着結合する好ましい方法を説明する図である。It is a figure explaining the preferable method of adhesive-bonding a low melting metal ball | bowl on each electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体装置
2 半導体チップ
3 低融点金属ボール
5 第一の層
6 第二の層
7 第三の層
8 電極
10 半球状バンプ
41、51 半導体チップ
42、52 電極
43 パッシベーション膜
44、45 金属層
46、53 半田ボール
47 半球状バンプ
60 容器
61 吸着口
63 配列板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Semiconductor chip 3 Low melting-point metal ball 5 1st layer 6 2nd layer 7 3rd layer 8 Electrode 10 Hemispherical bump 41, 51 Semiconductor chip 42, 52 Electrode 43 Passivation film | membrane 44, 45 Metal layer 46 53 Solder balls 47 Hemispherical bumps 60 Containers 61 Adsorption ports 63 Array plate

本発明は、低融点金属のバンプを備えた半導体装置及びフリップチップボンディング方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a low melting point metal bump and a flip chip bonding method.

半導体装置は、現在様々な分野で広く使用されている。通常、これらの半導体装置は、基板に実装して使用される。それらの実装の方法には、テープ自動化接着(tape automated bonding、TAB)、ワイヤボンディング、フリップチップボンディング等の接合方法が含まれる。   Semiconductor devices are currently widely used in various fields. Usually, these semiconductor devices are used by being mounted on a substrate. These mounting methods include bonding methods such as tape automated bonding (TAB), wire bonding, and flip chip bonding.

TABやワイヤボンディングは、リードを介して半導体装置を基板に実装する技術である。リードは半導体装置の周囲の1辺当たりに1列に配列される。そのため、これらの技術は半導体装置の高密度の実装には向いていない。それに対し、フリップチップボンディングは、半導体装置の電極を基板上の電極端子に接合用金属を介して直接接続する技術である。半導体装置の電極は表面全体に格子状に設けることができることから、この技術は高密度実装に適している。フリップチップボンディングにおける接合用金属としては、低い温度での融解により接合を行うために、各種の半田が一般に用いられている。   TAB and wire bonding are techniques for mounting a semiconductor device on a substrate via leads. The leads are arranged in one row per side around the semiconductor device. Therefore, these techniques are not suitable for high-density mounting of semiconductor devices. In contrast, flip-chip bonding is a technique for directly connecting an electrode of a semiconductor device to an electrode terminal on a substrate via a bonding metal. Since the electrodes of the semiconductor device can be provided in a lattice pattern on the entire surface, this technique is suitable for high-density mounting. As a bonding metal in flip chip bonding, various solders are generally used in order to perform bonding by melting at a low temperature.

フリップチップボンディングにおいては、電極上に接合用の低融点金属のバンプを設けた半導体装置を使用し、そのバンプを融解及び再固化させるリフロー手法により半導体装置を基板の電極端子に接続する。   In flip chip bonding, a semiconductor device in which bumps of low melting point metal for bonding are provided on electrodes is used, and the semiconductor device is connected to the electrode terminals of the substrate by a reflow method in which the bumps are melted and resolidified.

一般に、バンプは蒸着やメッキにより形成される。ところが、このようなバンプ形成法は、いずれもマスクを用いた複雑な処理工程を繰り返し行わなくてはならない。更に、蒸着によりバンプを形成する方法では、バンプを形成しない部分にバンプ材料が被着し、その部分への被着量が非常に多くなる。そのため、この方法はコスト的にも効率的にも好ましいものではない。更に、電気メッキや無電解メッキ等の湿式メッキは、ウエハーの汚れを生じたり、環境問題を生じたりし、そのような問題への対策を欠くことができない。このように、通常のバンプ形成方法は比較的コストが高く、実用化は限定されている。   In general, the bump is formed by vapor deposition or plating. However, in any of these bump forming methods, complicated processing steps using a mask must be repeated. Further, in the method of forming bumps by vapor deposition, the bump material is deposited on the portion where the bump is not formed, and the amount of deposition on the portion is very large. Therefore, this method is not preferable in terms of cost and efficiency. Furthermore, wet plating such as electroplating and electroless plating causes contamination of the wafer and environmental problems, and countermeasures against such problems are indispensable. As described above, the normal bump forming method is relatively expensive, and its practical use is limited.

蒸着やメッキ以外のバンプ形成方法として、スタッドバンプ方式がある。この方式ではバンプを1つずつ形成するために、製造効率が悪く、その上、個々のバンプの量にばらつきが生じやすい。従って、半導体装置と基板との接合の均一性の確保が困難である。
先行技術文献としては、下記の特許文献1〜6がある。
As a bump forming method other than vapor deposition and plating, there is a stud bump method. In this method, since bumps are formed one by one, the manufacturing efficiency is low, and the amount of individual bumps tends to vary. Therefore, it is difficult to ensure the uniformity of bonding between the semiconductor device and the substrate.
Prior art documents include the following Patent Documents 1 to 6.

特開昭59−148352号公報JP 59-148352 A 特開平2−180036号公報JP-A-2-180036 特開平8−139097号公報JP-A-8-139097 特開平8−118005号公報JP-A-8-118055 特開平8−139093号公報JP-A-8-139093 特開平8−162494号公報JP-A-8-162494

本発明の目的は、高品質の低融点金属ボールを備えフリップチップボンディングにより基板に実装することができる半導体装置と、フリップチップボンディング方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that includes a high-quality low melting point metal ball and can be mounted on a substrate by flip chip bonding, and a flip chip bonding method.

(1)半導体チップ上に形成されたCuもしくはCu合金又はAuもしくはAu合金のみからなる電極と、これらの電極にフラックスにより接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールとを含む半導体装置
(2)半導体チップ上に形成された、Al又はAl合金から構成された電極材料の層と、この電極材料層に積層された、当該電極材料よりも融点が高い金属層又は金属合金層を少なくとも一つ(但し、半田層を除く)含む電極と、これらの電極にフラックスにより接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールとを含む半導体装置
(3)前記電極材料の層に積層された前記少なくとも一つの層が、Ti、W、Ni、Cr、Au、Pd、Cu、Pt又はgから選択された金属又はこれらの金属の合金で形成されている(2)記載の半導体装置
(4)前記電極材料に積層され当該電極材料層に接する前記少なくとも一つの層がTi、W、Ni、Cr、Pd、CuもしくはPt又はこれらの金属の合金で形成され、また前記電極材料層から一番遠く前記低融点金属ボールに接する前記少なくとも一つのNi、Au、Pd、Cu、Ptもしくはg又はこれらの金属の合金で形成されている(3)記載の半導体装置
(5)半導体チップ上に形成された、CuもしくはCu合金又はAuもしくはAu合金のみからなる電極、又は、Al又はAl合金から構成された電極材料の層とこの電極材料層に積層された当該電極材料よりも融点が高い金属層又は金属合金層を少なくとも一つ(但し、半田層を除く)含む電極と、これらの電極に接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールとを含む半導体装置を製造する方法であって、
フラックスを前記電極に塗布してから、上記低融点金属ボールを、低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、
浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、
上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び
上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、
を含む方法により前記電極に接着結合することを含む半導体装置製造方法により製造された、
半導体チップのそれぞれの電極に接着結合した低融点金属ボールを備えた半導体装置
(6)半導体チップ上に低融点金属のバンプを備えた半導体装置を製造する方法であって、
CuもしくはCu合金又はAuもしくはAu合金のみからなる電極、又は、Al又はAl合金から構成された電極材料の層とこの電極材料層に積層された当該電極材料よりも融点が高い金属層又は金属合金層を少なくとも一つ(但し、半田層を除く)含む電極に、フラックスを塗布する工程、
球状に形成された所定寸法の低融点金属のボールを、低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、を含む方法により前記電極に接着結合する工程、及び
この低融点金属ボールをリフローさせて半球状バンプを形成する工程、
を含むことを含む半導体装置の製造方法により製造された、
半導体チップの電極に低融点金属を備えた半導体装置
(7)(1)に記載の半導体装置の低融点金属ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、ボールを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。
(8)(5)に記載の半導体装置の低融点金属ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、ボールを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。
(9)(6)に記載の半導体装置の半球状バンプを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、半球状バンプを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。
(1) An electrode made of only Cu or Cu alloy or Au or Au alloy formed on a semiconductor chip, and a low-melting point metal ball of a predetermined size formed in a spherical shape, which is adhesively bonded to these electrodes by flux. Including semiconductor devices .
(2) At least a layer of electrode material made of Al or Al alloy formed on the semiconductor chip and a metal layer or metal alloy layer laminated on this electrode material layer and having a melting point higher than that of the electrode material A semiconductor device comprising an electrode including one (excluding a solder layer) and a low melting point metal ball of a predetermined size formed in a spherical shape, which is adhesively bonded to these electrodes by a flux .
(3) at least one layer laminated on said layer of electrode material, Ti, W, Ni, Cr , Au, Pd, Cu, In Pt or A g or we selected metal or an alloy of these metals The semiconductor device according to (2), which is formed.
(4) The at least one layer laminated on the electrode material and in contact with the electrode material layer is formed of Ti, W, Ni, Cr, Pd, Cu or Pt or an alloy of these metals, and from the electrode material layer farthest wherein the at least one layer in contact with the low melting point metal balls Ni, Au, Pd, Cu, Pt or a g or is an alloy of these metals (3) the semiconductor device according.
(5) An electrode made of Cu or Cu alloy or Au or Au alloy formed on a semiconductor chip, or a layer of electrode material composed of Al or Al alloy and the electrode laminated on the electrode material layer An electrode including at least one metal layer or metal alloy layer (excluding a solder layer) having a melting point higher than that of the material, and a low-melting-point metal ball having a predetermined size formed in a spherical shape, adhesively bonded to these electrodes A method of manufacturing a semiconductor device including :
Applying a flux to the electrode, and then applying the low-melting metal balls to the container containing the low-melting metal balls by applying a minute amplitude vibration to float the low-melting metal balls.
The floating low melting point metal ball is adsorbed to the suction hole of the array plate provided with the suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be bonded and bonded. A process of arranging and supporting low melting point metal balls
Removing the extra low melting point metal balls attached to the array plate or adhering to the low melting point metal balls adsorbed to the suction port by vibrating the array plate; A step of bringing melting point metal balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump;
Manufactured by the semiconductor device manufacturing method comprising adhesively bonding before Symbol electrodes by a process comprising,
A semiconductor device comprising a low melting point metal ball adhesively bonded to each electrode of a semiconductor chip .
(6) A method of manufacturing a semiconductor device having a low melting point metal bump on a semiconductor chip ,
An electrode made of only Cu or Cu alloy or Au or Au alloy, or a layer of electrode material composed of Al or Al alloy and a metal layer or metal alloy having a melting point higher than that of the electrode material laminated on the electrode material layer Applying flux to an electrode including at least one layer (excluding a solder layer) ;
A step of suspending low-melting metal balls of low-melting metal balls of a predetermined size formed into a spherical shape by applying micro-amplitude vibration to a container containing the low-melting metal balls to float the low-melting metal balls, A low melting point metal ball is adsorbed to the suction port of the array plate provided with a suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be bonded and bonded, and the low melting point metal ball is arranged on the array plate A step of removing the extra low melting point metal ball attached to the array plate or adhering to the low melting point metal ball adsorbed to the suction port by vibrating the array plate, and on the array plate. A step of adhesively bonding the supported and arranged low melting point metal balls to the electrode by a method including the step of bringing the low melting point metal balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump; The process of forming a hemispherical bump by reflowing
Manufactured by a method of manufacturing a semiconductor device including
A semiconductor device provided with a low melting point metal in an electrode of a semiconductor chip .
(7) The low melting point metal ball of the semiconductor device described in (1) is opposed to the corresponding electrode terminal of the substrate, aligned, and the ball is brought into contact with the electrode terminal, and then reflow is performed. Flip chip bonding method.
(8) The low melting point metal ball of the semiconductor device according to (5) is opposed to each corresponding electrode terminal of the substrate, aligned, brought into contact with the electrode terminal, and then reflowed. Flip chip bonding method.
(9) The hemispherical bumps of the semiconductor device according to (6) are made to face each corresponding electrode terminal of the substrate, aligned, the hemispherical bump is brought into contact with the electrode terminal, and then reflow is performed. Flip chip bonding method characterized.

本発明の半導体装置は、半導体チップ上に形成されたそれぞれの電極に直接接着結合された低融点金属ボールのバンプを備えていることが明らかである。金属ボールの大きさを均一にすることで高品質のバンプを作ることができる。金属ボールは、従来の方法でもってメッキ法や蒸着法等で半導体チップの電極上に形成するのではなく、電極へ接着結合することができる。従って、本発明の半導体装置は、マスクを用いず、また環境汚染の心配なく、製造することができる。   It is apparent that the semiconductor device of the present invention includes low-melting point metal ball bumps that are directly bonded to the respective electrodes formed on the semiconductor chip. High quality bumps can be made by making the size of the metal balls uniform. The metal balls can be adhesively bonded to the electrodes instead of being formed on the electrodes of the semiconductor chip by plating or vapor deposition using conventional methods. Therefore, the semiconductor device of the present invention can be manufactured without using a mask and without concern about environmental pollution.

更に、低融点金属ボールの大きさを加減することにより、バンプ量を容易に、かつ高精度にコントロールすることができ、バンプの信頼性を向上することができる。   Furthermore, by adjusting the size of the low melting point metal ball, the amount of bumps can be controlled easily and with high accuracy, and the reliability of the bumps can be improved.

本発明は、半導体装置の基板への高密度実装を可能にするフリップチップボンディングに有利に応用することができる。   The present invention can be advantageously applied to flip chip bonding that enables high-density mounting on a substrate of a semiconductor device.

図1に、本発明の半導体装置1を示す。この半導体装置1は、半導体チップ2の表面に形成した電極(図示せず)上に接着結合された低融点金属ボール3を備えている。   FIG. 1 shows a semiconductor device 1 of the present invention. The semiconductor device 1 includes a low melting point metal ball 3 adhesively bonded on an electrode (not shown) formed on the surface of a semiconductor chip 2.

低融点金属ボール3は、半導体装置を基板へ実装するのに使用される各種の半田類の一つから形成することができる。それらの半田の例には、Sn合金、例えばSn−Pb合金及びSn−Ag合金等の半田や、Pb合金、例えばPb−In合金等の半田が含まれる。   The low melting point metal ball 3 can be formed from one of various solders used for mounting a semiconductor device on a substrate. Examples of such solders include solders such as Sn alloys such as Sn—Pb alloys and Sn—Ag alloys, and solders such as Pb alloys such as Pb—In alloys.

低融点金属ボールのバンプ3を接着結合させる電極は、Cu又はCu合金あるいはAu又はAu合金のみから形成する、又は、Al又はAl合金から構成された電極材料の層と、この電極材料層に積層された、当該電極材料よりも融点が高い金属層又は金属合金層を少なくとも一つ(但し、半田層を除く)含むものである。本発明の半導体装置では、表面積が900から22,500μm2までの電極を使用するのが好ましい。すなわち、正方形の電極を使用する場合には、電極の1辺は30〜150μmの寸法を有する。 Electrodes for adhesively bonding bumps 3 of low melting point metal balls, Cu or Cu coupling Kimua Rui is formed only Au or an Au alloy, or a layer of an electrode material composed of Al or an Al alloy, the electrode material It includes at least one metal layer or metal alloy layer (excluding the solder layer) laminated on the layer and having a melting point higher than that of the electrode material . In the semiconductor device of the present invention, it is preferable to use an electrode having a surface area of 900 to 22,500 μm 2 . That is, when a square electrode is used, one side of the electrode has a size of 30 to 150 μm.

電極材料がAl又はAl合金である場合、半田ボール(以下、この用語は低融点金属ボールを指示するものとし、そして下記ではこの用語を使用する)をリフローさせて電極と接続すると、半田ボールと電極との密着性が低下する。電極材料としてAl又はAl合金を使用する場合には、この低下を避けるため、その電極材料で形成された層に電極材料よりも融点が高い金属又は金属合金の層を少なくとも一つ積層する。そのために用いられる材料の代表例は、Ti、W、Ni、Cr、Au、Pd、Cu、Pt又はgから選択された金属又はこれらの金属の合金である。これらの物質のうち、Ti、W、Ni、Cr、Pd、CuもしくはPt又はこれらの金属の合金は、当該材料とAl又はその合金から作られた層との密着性に特に有効である。従って、Al又はその合金の層と接する層として上記の金属又はこれらの金属の合金のうちのいずれかを使用するのが好ましい。 When the electrode material is Al or an Al alloy, solder balls (hereinafter, this term shall indicate a low melting point metal ball, and this term will be used below) are reflowed and connected to the electrode. Adhesion with the electrode decreases. When Al or an Al alloy is used as the electrode material, in order to avoid this decrease, at least one metal or metal alloy layer having a melting point higher than that of the electrode material is laminated on the layer formed of the electrode material. Representative examples of materials used for this, a Ti, W, Ni, Cr, Au, Pd, Cu, Pt or A g or we selected metals or alloys of these metals. Of these substances, Ti, W, Ni, Cr, Pd, Cu or Pt or alloys of these metals are particularly effective for adhesion between the material and a layer made of Al or an alloy thereof. Therefore, it is preferable to use any of the above metals or alloys of these metals as the layer in contact with the Al or its alloy layer.

更に、半田は一般に、Ni、Au、Pd、Cu、Ptもしくはg又はこれらの金属の合金に対して良好な濡れ性を示す。従って、AlもしくはAl合金の電極材料層に積層された層のうちの半田ボールに接する層は、好ましくはこれらの材料から形成される。 Furthermore, solder generally shows Ni, Au, Pd, Cu, good wettability to Pt or A g or alloys of these metals. Therefore, the layer in contact with the solder ball among the layers laminated on the electrode material layer of Al or Al alloy is preferably formed from these materials.

このように、電極は、Al又はAl合金を使用する場合、図2に例示したように多層構造を持つ。図2において、電極8は、半導体チップ2の表面にAl(又はAl合金)で作られた第一の層5と、この第一の層の上にCrから作られた第二の層6と、この第二の層の上にCuから作られた第三の層7とを含む積層構造として形成される。   As described above, when Al or Al alloy is used, the electrode has a multilayer structure as illustrated in FIG. In FIG. 2, an electrode 8 includes a first layer 5 made of Al (or an Al alloy) on the surface of the semiconductor chip 2, and a second layer 6 made of Cr on the first layer. A laminated structure including the third layer 7 made of Cu is formed on the second layer.

電極材料としてAl又はその合金を使用する電極の積層構造の例には、図2に例示したように半導体チップ側から順次Al(又はAl合金)層、Cr層、Cu層を有する積層構造(このような積層構造を、以下においてはAl/Cr/Cuのように表示する)のほかに、Al/Ni、Al/Ni/Au、Al/Ni/Cu/Au、Al/Cr/Cu/Au、Al/Ti/Cu/Au、Al/Ti/TiW(合金)/Cu/Au、Al/TiW(合金)/Cu/Au、Al/Cr/Ni/Pd、Al/Pd/Au、Al/Cr/Cu/Pd、及びAl/Cr/Ptを含めることができる。言うまでもなく、本発明の半導体装置において有効な電極積層構造は上述の構造に限定されない。 As an example of an electrode laminated structure using Al or an alloy thereof as an electrode material, as shown in FIG. 2, a laminated structure having an Al (or Al alloy) layer, a Cr layer, and a Cu layer sequentially from the semiconductor chip side (this In addition to Al / Ni, Al / Ni / Au, Al / Ni / Cu / Au, Al / Cr / Cu / Au, and the like, in the following, such a laminated structure is indicated as Al / Cr / Cu). Al / Ti / Cu / Au, Al / Ti / TiW (alloy) / Cu / Au, Al / TiW (alloy) / Cu / Au, Al / Cr / Ni / Pd, Al / Pd / Au , Al / Cr / Cu / Pd, and Al / Cr / Pt. Needless to say, the electrode stacking structure effective in the semiconductor device of the present invention is not limited to the above-described structure.

半田ボールを電極に接着結合するのにフラックスを使用する。半導体装置の製造で一般に使用されているフラックスのうちのいずれを使用しても差し支えない。フラックスは、電極表面に塗布する。電極表面にフラックスを塗布する方法としては、スクリーン印刷等の標準的方法を利用することができる。   Flux is used to adhesively bond the solder balls to the electrodes. Any of the fluxes generally used in the manufacture of semiconductor devices can be used. The flux is applied to the electrode surface. As a method for applying the flux to the electrode surface, a standard method such as screen printing can be used.

本発明の半導体装置を基板にフリップチップボンディングする際には、半田ボールのバンプを基板のそれぞれの電極端子に対向させ、位置合わせを行い、そしてそれと接触させてから、バンプをリフローさせればよい。このようなフリップチップボンディングの方法は広く知られており、ここで詳細に説明するには及ばない。   When flip-chip bonding the semiconductor device of the present invention to a substrate, the bumps of the solder balls are opposed to the respective electrode terminals of the substrate, aligned, brought into contact with the bumps, and then the bumps are reflowed. . Such flip-chip bonding methods are widely known and need not be described in detail here.

本発明の半導体装置は、半田ボールを一旦リフローさせて半球状のバンプとしてから基板にフリップチップボンディングしてもよい。図3に、半球状バンプの例を示す。図3における半球状バンプ10は、図2で説明した積層電極8に接着結合した半田ボールのバンプ3をリフローさせて形成される。   In the semiconductor device of the present invention, the solder balls may be reflowed once to form hemispherical bumps and then flip-chip bonded to the substrate. FIG. 3 shows an example of a hemispherical bump. The hemispherical bump 10 in FIG. 3 is formed by reflowing the solder ball bump 3 adhesively bonded to the laminated electrode 8 described in FIG.

なお、ここでは半田ボールをリフローさせて形成した図3のバンプ10を「半球状」と称している。この用語は主として、図3に示したようにリフロー後のバンプの縦断面形状を基にしている。半導体チップ上の電極の形状には、円形や正方形や、その他の任意の形状といったように、様々なものがある。例えば正方形の電極上の半田ボールをリフローさせて形成したバンプは、図3に見られるように半球状の縦断面形状を持つ。しかしながら、融解した半田は正方形の電極表面全体を濡らしてから固化するため、上方から見た形状(横断面形状)は円ではなく正方形又は正方形に近い形状になる。従って、ここで言う半球状バンプとは、リフロー後に上方から見た場合に円形の横断面形状を持つように見えるバンプばかりでなく、バンプの下の電極形状を反映して任意の横断面形状を持つバンプをも包含することに注目すべきである。すなわち、ここでの「半球状バンプ」とは、任意の形状の電極に接着結合した半田ボールをリフローさせて形成した全ての種類のバンプを指示するものである。   Here, the bumps 10 of FIG. 3 formed by reflowing solder balls are referred to as “hemispherical”. This term is mainly based on the vertical cross-sectional shape of the bump after reflow as shown in FIG. There are various shapes of electrodes on the semiconductor chip, such as a circle, a square, and other arbitrary shapes. For example, a bump formed by reflowing a solder ball on a square electrode has a hemispherical longitudinal cross-sectional shape as seen in FIG. However, since the melted solder wets the entire square electrode surface and solidifies, the shape seen from above (cross-sectional shape) is not a circle but a square or a shape close to a square. Therefore, the hemispherical bump referred to here is not only a bump that appears to have a circular cross-sectional shape when viewed from above after reflow, but also an arbitrary cross-sectional shape that reflects the electrode shape under the bump. It should be noted that it also includes the bumps it has. In other words, the “hemispherical bump” herein indicates all types of bumps formed by reflowing solder balls bonded and bonded to electrodes of an arbitrary shape.

半田ボールをリフローさせて電極上に半球状バンプを適切に形成するためには、電極に接着結合する半田ボールの半径Rを、電極の表面積をAとして、次の式を満足するように選ぶのが望ましい。
0.4×A0.5 ≦ R ≦ 2×A0.5
半田ボールの半径Rが0.4×A0.5に満たない場合には、半田量が不十分になり、リフロー後に良好な半球状バンプを形成するのが困難になる。半田ボールの半径Rが2×A0.5を超える場合には、電極の大きさに比べて半球状のバンプが大きくなり、その結果電極とバンプとの接合部が応力集中を受けて破断しやすくなる。
In order to reflow the solder balls and appropriately form the hemispherical bumps on the electrodes, the radius R of the solder balls that are adhesively bonded to the electrodes is selected so that the surface area of the electrodes is A and the following formula is satisfied. Is desirable.
0.4 × A 0.5 ≦ R ≦ 2 × A 0.5
When the radius R of the solder ball is less than 0.4 × A 0.5 , the amount of solder becomes insufficient, and it becomes difficult to form a good hemispherical bump after reflow. When the radius R of the solder ball exceeds 2 × A 0.5 , the hemispherical bump becomes larger than the size of the electrode, and as a result, the joint between the electrode and the bump is easily stressed and easily broken. .

本発明の半導体装置において表面積が900〜22,500μm2の電極を使用する場合、好ましい半田ボールの半径Rは上記の式から12〜300μmとなる。 When an electrode having a surface area of 900 to 22,500 μm 2 is used in the semiconductor device of the present invention, the preferable radius R of the solder ball is 12 to 300 μm from the above formula.

次に、図4を参照して、本発明の半導体装置の製造の一例を説明する。
図4(a)に示すように、半導体チップ41上に、100×100μmのAl合金(Al−Si−Cu合金)の電極42を、スパッタ法により1.0μmの厚さで形成する。この図中の43は、こうして形成した電極を区画しているパッシベーション膜を示している。次に、図4(b)に示すように、チップ電極42にNiの金属層44とCuの金属層45とをスパッタ法によりそれぞれ80nmの厚さで順次積層する。
Next, an example of manufacturing the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4A, an electrode 42 of 100 × 100 μm Al alloy (Al—Si—Cu alloy) is formed on a semiconductor chip 41 to a thickness of 1.0 μm by sputtering. In this figure, reference numeral 43 denotes a passivation film that partitions the electrodes thus formed. Next, as shown in FIG. 4B, a Ni metal layer 44 and a Cu metal layer 45 are sequentially stacked on the chip electrode 42 with a thickness of 80 nm by sputtering.

以上は、低融点金属のバンプを形成する下地を形成する工程である。次に、図4(c)に示すように、前記Cuの金属層45に直径80μmのPb−Sn合金の半田ボール46を接着結合する。半田ボールを接着結合する時には、まず、金属層45の表面にスクリーン印刷でフラックス(図示せず)を塗布する。次いで、そのフラックスに半田ボール46を接着結合する。半田ボールを電極に接着結合する方法は後述する。   The above is the process of forming the base for forming the low melting point metal bump. Next, as shown in FIG. 4C, Pb—Sn alloy solder balls 46 having a diameter of 80 μm are adhesively bonded to the Cu metal layer 45. When the solder balls are bonded and bonded, a flux (not shown) is first applied to the surface of the metal layer 45 by screen printing. Next, a solder ball 46 is adhesively bonded to the flux. A method of adhesively bonding the solder ball to the electrode will be described later.

このようにして製造された本発明の半導体装置は、半田ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、ボールの位置合わせを行い、ボールを電極端子と接触させ、そしてボールをリフローさせることで基板にフリップチップボンディングすることができる。   The semiconductor device of the present invention thus manufactured has the solder balls opposed to the corresponding electrode terminals of the substrate, aligns the balls, brings the balls into contact with the electrode terminals, and reflows the balls. Can be flip-chip bonded to the substrate.

図4(c)に示された半田ボール46を備えた本発明の半導体装置は、図4(d)に示したように半田ボールを一旦リフローさせて半球状のバンプ47を形成してから基板にフリップチップボンディングしてもよい。   The semiconductor device of the present invention having the solder ball 46 shown in FIG. 4 (c) has a substrate after the solder balls are reflowed to form hemispherical bumps 47 as shown in FIG. 4 (d). Flip chip bonding may be used.

上述の例では電極材料としてAl合金を使用しているので、半田バンプにより半導体装置を基板に強固に結合するためAl合金層にNi層及びCu層を積層している。しかし、電極材料がAlでもAl合金でもない場合、例えばCu又はCu合金、あるいはAu又はAu合金である場合には、低融点金属のボールを形成するための下地(電極材料層の上の1又は2以上の金属(又は合金)層)を形成する必要がない。従って、図5に示すように、半導体チップ51の電極52の上に半田ボール53のバンプを直接形成することができる。この半田ボールも、一旦リフローさせて半球状のバンプにしてからフリップチップボンディングに使用することができる。   In the above example, since an Al alloy is used as the electrode material, a Ni layer and a Cu layer are laminated on the Al alloy layer in order to firmly bond the semiconductor device to the substrate by solder bumps. However, when the electrode material is neither Al nor an Al alloy, for example, Cu or Cu alloy, or Au or Au alloy, an underlayer for forming a low-melting point metal ball (1 or There is no need to form two or more metal (or alloy) layers. Therefore, as shown in FIG. 5, bumps of the solder balls 53 can be directly formed on the electrodes 52 of the semiconductor chip 51. This solder ball can also be used for flip chip bonding after being reflowed to form a hemispherical bump.

次に、直径50μmの電極上に直径150μmの半田ボールバンプを形成するもう一つの例を説明する。この場合には、直径50μm、厚さ1.0μmのAl−Cu合金の電極上に、スパッタ法により同じ直径もしくはやや大きい直径のCr層、Cu層及びAu層をそれぞれ80nm、80nm、30nmの厚さで順次重ねる。次いで、Au層の表面にフラックスを塗布し、その上に直径150μmのPb−Sn合金の半田ボールを接着結合する。この半田ボールをリフローさせて形成した半球状バンプについて剪断試験を行ったところ、破断はいずれも半田ボール内で起こり、バンプと電極との接合部に破断は認められなかった。   Next, another example in which a solder ball bump having a diameter of 150 μm is formed on an electrode having a diameter of 50 μm will be described. In this case, a Cr layer, a Cu layer and an Au layer having the same diameter or a slightly larger diameter are sputtered onto an Al-Cu alloy electrode having a diameter of 50 μm and a thickness of 1.0 μm by a thickness of 80 nm, 80 nm and 30 nm, respectively. Then we will layer them one after another. Next, a flux is applied to the surface of the Au layer, and a solder ball of a Pb—Sn alloy having a diameter of 150 μm is adhesively bonded thereon. When a shear test was performed on the hemispherical bumps formed by reflowing the solder balls, all the breaks occurred in the solder balls, and no breaks were observed at the joints between the bumps and the electrodes.

次に、半田ボールを電極に接着結合する方法を説明する。ここでは、多層積層構造の電極ではなく、図5で説明したように単一材料で構成された電極上への半田ボールの接着結合を説明する。   Next, a method for adhesively bonding solder balls to electrodes will be described. Here, adhesive bonding of a solder ball onto an electrode made of a single material as described with reference to FIG. 5 instead of an electrode having a multilayer structure will be described.

図6(a)に示すように、半田ボール53を収容した容器60に微小振幅の振動を加えて半田ボール53を浮遊させる。次に、浮遊した半田ボール53を、半田ボール53を接着結合しようとする半導体チップの電極の位置に対応する位置に吸着口61を設けた配列板63の当該吸着口61に吸着して(半田ボールを吸着のための吸引機構は図示せず)、配列板63上に半田ボール53を配列して担持する。図6(a)に示したように、半田ボールを吸着・配列する際に、余分な半田ボール53’が配列板63の吸着口61以外の箇所に付着し、あるいは吸着口61に吸着した半田ボール53に別の余分な半田ボール53”が付着する。そこで、これらの余分な半田ボール53’、53”を除去する。そのためには、配列板63に水平方向の超音波振動を適用することで余分な半田ボール53’、53”を好ましく除くことができる。図6(a)の配列板63には、簡単にするため二つの吸着口61しか図示されていないが、実際の配列板には半導体チップの電極に接着結合しようとする半田ボールの数と同じ数の吸着口があることに注意すべきである。   As shown in FIG. 6A, the solder ball 53 is floated by applying a minute amplitude vibration to the container 60 containing the solder ball 53. Next, the floating solder ball 53 is adsorbed to the adsorbing port 61 of the array plate 63 provided with the adsorbing port 61 at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the solder ball 53 is to be bonded and bonded (soldering). A suction mechanism for adsorbing the balls is not shown), and the solder balls 53 are arranged and supported on the arrangement plate 63. As shown in FIG. 6A, when the solder balls are attracted / arranged, the extra solder balls 53 ′ are attached to locations other than the suction ports 61 of the array plate 63, or the solder that is attracted to the suction ports 61. Another extra solder ball 53 ″ adheres to the ball 53. Therefore, these extra solder balls 53 ′ and 53 ″ are removed. For this purpose, it is possible to preferably remove the extra solder balls 53 ′ and 53 ″ by applying horizontal ultrasonic vibration to the array plate 63. The array plate 63 of FIG. For this reason, only two suction ports 61 are shown, but it should be noted that the actual array plate has the same number of suction ports as the number of solder balls to be adhesively bonded to the electrodes of the semiconductor chip.

次いで、図6(b)に示すように、半田ボール53を所定位置に担持した配列板63を半導体チップ51上へ移動して、半田ボール53と半導体チップ51のそれぞれの電極52との適切な位置合わせを行ってから、配列板63を下方へ移動させて半田ボール53をそれぞれの電極52と接触させる。接触後、配列板63への半田ボール53の吸着を停止し(吸引機構の停止による)、配列板63を上方へ移動させる。   Next, as shown in FIG. 6B, the array plate 63 carrying the solder balls 53 in a predetermined position is moved onto the semiconductor chip 51, and the solder balls 53 and the respective electrodes 52 of the semiconductor chip 51 are appropriately connected. After alignment, the array plate 63 is moved downward to bring the solder balls 53 into contact with the respective electrodes 52. After the contact, the adsorption of the solder balls 53 to the array plate 63 is stopped (by stopping the suction mechanism), and the array plate 63 is moved upward.

半田ボール53は、電極52の表面にフラックス(図示せず)が塗布してあればその粘着性のために電極に接着結合される。   If a flux (not shown) is applied to the surface of the electrode 52, the solder ball 53 is adhesively bonded to the electrode due to its adhesiveness.

ここで説明したような方法により半導体チップの多数の電極に半田バンプを一括して接着結合することができるので、この方法は本発明の半導体装置の製造にとって非常に有利である。   This method is very advantageous for manufacturing the semiconductor device of the present invention because the solder bumps can be collectively bonded to a large number of electrodes of the semiconductor chip by the method described here.

半導体チップは、一般に1枚のウエハーに多数が作られ、そして切断して個々のチップにされる。上述の方法は、ウエハーから切り離す前の複数の半導体チップに対して適用することもでき、あるいはウエハーから切り離した後の個別の半導体チップに対して適用することもできる。ここで説明したことから、本発明における半導体チップは、切り離された個々の半導体チップばかりでなく、1枚のウエハー上に製作された状態の複数の半導体チップをも包含することは明らかである。   Semiconductor chips are generally made in large numbers on a single wafer and then cut into individual chips. The above-described method can be applied to a plurality of semiconductor chips before being separated from the wafer, or can be applied to individual semiconductor chips after being separated from the wafer. From what has been described here, it is apparent that the semiconductor chip according to the present invention includes not only individual semiconductor chips that have been separated but also a plurality of semiconductor chips that are manufactured on a single wafer.

本発明の半導体装置を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置における電極を説明する図である。It is a figure explaining the electrode in the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の低融点金属ボールをリフローさせて形成した半球状バンプを説明する図である。It is a figure explaining the hemispherical bump formed by reflowing the low melting metal ball of the semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 単一材料のチップ電極上に直接形成した半田ボールのバンプを説明する図である。It is a figure explaining the bump of the solder ball formed directly on the chip electrode of a single material. 低融点金属ボールをそれぞれの電極上に接着結合する好ましい方法を説明する図である。It is a figure explaining the preferable method of adhesive-bonding a low melting metal ball | bowl on each electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体装置
2 半導体チップ
3 低融点金属ボール
5 第一の層
6 第二の層
7 第三の層
8 電極
10 半球状バンプ
41、51 半導体チップ
42、52 電極
43 パッシベーション膜
44、45 金属層
46、53 半田ボール
47 半球状バンプ
60 容器
61 吸着口
63 配列板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Semiconductor chip 3 Low melting-point metal ball 5 1st layer 6 2nd layer 7 3rd layer 8 Electrode 10 Hemispherical bump 41, 51 Semiconductor chip 42, 52 Electrode 43 Passivation film | membrane 44, 45 Metal layer 46 53 Solder balls 47 Hemispherical bumps 60 Containers 61 Adsorption ports 63 Array plate

Claims (12)

半導体チップ上に形成された電極と、これらの電極にフラックスにより接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールとを含む半導体装置。   A semiconductor device comprising: an electrode formed on a semiconductor chip; and a low-melting point metal ball of a predetermined size formed in a spherical shape, which is adhesively bonded to these electrodes by a flux. 前記電極が、CuもしくはCu合金、AlもしくはAl合金、又はAuもしくはAu合金の電極材料から形成されている、請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the electrode is formed of an electrode material of Cu or Cu alloy, Al or Al alloy, or Au or Au alloy. 前記電極が、Al又はAl合金から構成された電極材料の層と、この電極材料層に積層された、当該電極材料よりも融点が高い金属層又は金属合金層を少なくとも一つ含む、請求項2記載の半導体装置。   The electrode includes at least one layer of an electrode material composed of Al or an Al alloy, and at least one metal layer or metal alloy layer laminated on the electrode material layer and having a melting point higher than that of the electrode material. The semiconductor device described. 前記電極材料の層に積層された前記少なくとも一つの層が、Ti、W、Ni、Cr、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、Sn又はPbから選択された金属又はこれらの金属の合金で形成されている、請求項3記載の半導体装置。   The at least one layer stacked on the electrode material layer is formed of a metal selected from Ti, W, Ni, Cr, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn, or Pb or an alloy of these metals. The semiconductor device according to claim 3. 前記電極材料層に積層され当該電極材料層に接する前記少なくとも一つの層がTi、W、Ni、Cr、Pd、CuもしくはPt又はこれらの金属の合金で形成され、また前記電極材料層から一番遠く前記低融点金属ボールに接する前記少なくとも一つの層がNi、Au、Pd、Cu、Pt、Ag、SnもしくはPb又はこれらの金属の合金で形成されている、請求項4記載の半導体装置。   The at least one layer stacked on the electrode material layer and in contact with the electrode material layer is formed of Ti, W, Ni, Cr, Pd, Cu, or Pt, or an alloy of these metals. The semiconductor device according to claim 4, wherein the at least one layer that is in contact with the low melting point metal ball is formed of Ni, Au, Pd, Cu, Pt, Ag, Sn, or Pb or an alloy of these metals. 半導体チップ上に形成された電極と、これらの電極に接着結合された、球状に形成された所定寸法の低融点金属ボールとを含む半導体装置を製造する方法であって、
フラックスを前記電極に塗布してから、
上記低融点金属ボールを、
低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、
浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、
上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び
上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、
を含む方法により前記電極に接着結合することを含む半導体装置製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising electrodes formed on a semiconductor chip and low-melting-point metal balls of a predetermined size formed in a spherical shape, adhesively bonded to these electrodes,
After applying flux to the electrode,
The low melting point metal ball,
Applying a small amplitude vibration to a container containing low melting point metal balls to float those low melting point metal balls;
The floating low melting point metal ball is adsorbed to the suction hole of the array plate provided with the suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be bonded and bonded. A process of arranging and supporting low melting point metal balls
Removing the extra low melting point metal balls attached to the array plate or adhering to the low melting point metal balls adsorbed to the suction port by vibrating the array plate; A step of bringing melting point metal balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: adhesively bonding to the electrode by a method including:
半導体チップ上に低融点金属のバンプを備えた半導体装置を製造する方法であって、
フラックスを電極に塗布する工程、
球状に形成された所定寸法の低融点金属のボールを、低融点金属ボールを収容した容器に微小振幅の振動を加えてそれらの低融点金属ボールを浮遊させる工程、浮遊した低融点金属ボールを、低融点金属ボールを接着結合しようとする前記半導体チップの前記電極の位置に対応する位置に吸着口を設けた配列板の当該吸着口に吸着して、配列板上に低融点金属ボールを配列して担持する工程、上記配列板に付着しあるいは上記吸着口に吸着した低融点金属ボールに付着した余分の低融点金属ボールを、配列板を振動させることによって除去する工程、及び上記配列板上に担持及び配列した低融点金属ボールを、前記半導体チップの前記電極に一括して接触させる工程、を含む方法により前記電極に接着結合する工程、及び
この低融点金属ボールをリフローさせて半球状バンプを形成する工程、
を含むことを含む半導体装置製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a low melting point metal bump on a semiconductor chip,
Applying flux to the electrode;
A step of suspending low-melting metal balls of low-melting metal balls of a predetermined size formed into a spherical shape by applying micro-amplitude vibration to a container containing the low-melting metal balls to float the low-melting metal balls, A low melting point metal ball is adsorbed to the suction port of the array plate provided with a suction port at a position corresponding to the position of the electrode of the semiconductor chip to which the low melting point metal ball is to be bonded and bonded, and the low melting point metal ball is arranged on the array plate A step of removing the extra low melting point metal ball attached to the array plate or adhering to the low melting point metal ball adsorbed to the suction port by vibrating the array plate, and on the array plate. A step of adhesively bonding the supported and arranged low melting point metal balls to the electrode by a method including the step of bringing the low melting point metal balls into contact with the electrodes of the semiconductor chip in a lump; The process of forming a hemispherical bump by reflowing
A method of manufacturing a semiconductor device.
請求項6に記載の方法により製造された、半導体チップのそれぞれの電極に接着結合した低融点金属ボールを備えた半導体装置。   A semiconductor device comprising a low melting point metal ball manufactured by the method according to claim 6 and adhesively bonded to each electrode of a semiconductor chip. 請求項7に記載の方法により製造された、半導体チップの電極に低融点金属を備えた半導体装置。   A semiconductor device manufactured by the method according to claim 7, wherein a low melting point metal is provided on an electrode of a semiconductor chip. 請求項1に記載の半導体装置の低融点金属ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、ボールを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。   2. A flip characterized in that the low melting point metal ball of the semiconductor device according to claim 1 is opposed to each corresponding electrode terminal of the substrate, aligned, brought into contact with the electrode terminal, and then reflowed. Chip bonding method. 請求項8に記載の半導体装置の低融点金属ボールを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、ボールを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。   9. A flip characterized in that the low melting point metal ball of the semiconductor device according to claim 8 is opposed to each corresponding electrode terminal of the substrate, aligned, brought into contact with the electrode terminal, and then reflowed. Chip bonding method. 請求項9に記載の半導体装置の半球状バンプを基板のそれぞれの対応する電極端子に対向させ、位置合わせを行い、半球状バンプを電極端子に接触させてから、リフローを行うことを特徴とするフリップチップボンディング方法。   The hemispherical bump of the semiconductor device according to claim 9 is made to face each corresponding electrode terminal of the substrate, alignment is performed, and the hemispherical bump is brought into contact with the electrode terminal, and then reflow is performed. Flip chip bonding method.
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