JP2014143305A - 半導体装置の実装構造および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実装基板1に形成された凹型バンプ16と半導体素子2に形成された凸型バンプ27とにより、低融点はんだを介して実装基板1と半導体素子2との電極部11,21が接合される。これにより、高温にしたり高荷重をかけたりすることなく実装基板1に半導体素子2を取り付けることができるので、結果として、半導体素子2の破損や劣化を防ぐことができる。また、低融点はんだがバリア層14とバンプポスト23の他端部の上面および側面を被覆するバリア層25とを接続することにより、低融点はんだの接触面積が大きくなるので、接合時の加熱により生じる熱応力に耐えうる接合強度が得られるため、結果として、実装基板1に半導体素子2をより確実に取り付けることができる
【選択図】 図1
Description
高融点金属を用いる場合には、バンプ530に対して400℃程度の高温でかつ100MPa以上の高荷重を印加して、バンプの金属を拡散、塑性変形させるいわゆる拡散接合が行われている。
一方、低融点はんだを用いる場合には、バンプを200℃〜300℃程度に加熱することでバンプを溶融させるいわゆる溶融接合が行われている。
図1に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、実装基板1と、この実装基板1上に実装された半導体素子2とから構成される。なお、図1では、便宜上、半導体装置の一部を示している。
そこで、本実施の形態では、バリア層14,25を設けることにより電極部12およびバンプポスト23とはんだ部材15との接触を防いでいるので、低融点はんだからなるはんだ部材15と高融点金属からなる電極部12およびバンプポスト23との間で相互拡散が生じることを防ぐことができ、結果として、凹型バンプ16と凸型バンプ27の接合強度の劣化を防ぐことができる。
次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図2A〜図2Fを参照して、半導体装置を構成する実装基板1の製造方法について説明する。なお、図2A〜図2Fは、便宜上、実装基板1の一部を示している。
Ti層は、W層とAu層との密着性を良くするために、少なくとも100nm程度の厚さに形成することが望ましい。
Au層は、はんだ部材15との濡れ性を向上させるために用いられるが、10〜30nm程度であるとはんだ部材15との十分な接合強度が得られず、200nm以上であるとはんだ部材15中のSnと反応して金属化合物を生成することにより接合強度の低下を引き起こす恐れがあるので、50〜200nm程度の厚さに形成することが望ましい。
このようなはんだ層202の厚さは、2μm以下では熱応力を緩和させることが難しく、また実装時に対向する凸型バンプ27と接合することが困難になる。一方、10μm以上にすると熱応力緩和させることが容易くなるが接着層13の膜厚も10μm以上と厚膜化しなければならないために反りの増加によって接合時の荷重が増加する。このため、はんだ層202は、2〜10μm程度の厚さに形成することが望ましい。
金属層201とはんだ層202の除去は、例えば、サーフェースプレーナを用いて金属層201とはんだ層202を研削することにより行うことができる。このサーフェースプレーナは、ダイヤモンド製の刃を高速回転させて接触させることにより、有機樹脂やAu,Cuのような金属材料を一括して切削することができる。また、化学機械研磨(CMP)やリソグラフィとドライエッチングを用いたエッチングにより、金属層201とはんだ層202を除去するようにしてもよい。
SnAu等の低融点はんだは、一般にSn組成が高く、表面酸化膜が形成されている。また、はんだ層202を蒸着法で形成した場合には、表面粗さが200〜300nm程度となる。このため、リフローさせずに実装基板1と半導体素子2と実装すると、低融点はんだの溶融が酸化膜により阻害されて接合界面にボイドが発生し、接合強度が低下する恐れがある。そこで、はんだ層202を還元溶融することにより、接合強度の低下を防ぐことができる。
なお、還元溶融としては、例えば水素プラズマリフローを用いるようにすればよい。水素プラズマリフローは、平面波プラズマにより高い還元作用をもつ水素ラジカルを生成して低融点はんだが形成された基板に照射することにより、はんだを加熱して溶融させる方法である。一般的な還元性フラックスを塗布した後リフローすることで酸化膜除去する方法と比較して、塗布およびリフロー後の洗浄工程が不要となるので、製造工程を簡素化することができる。
まず、図3A〜図3Eを参照して、半導体装置を構成する半導体素子2の製造方法について説明する。なお、図3A〜図3Eは、便宜上、半導体素子2の一部を示している。
ここで、また、バンプポスト23の高さは、接着層26の高さよりも高くする必要がある。これは、例えばバンプポスト23を2μm以下とすると、接着層26を形成するとその高さが目減りするので、実装時に未接合の恐れが高くなるからである。ところが、バンプポスト23を高くすると、接合強度が向上するがコストが高くなってしまう。そこで、バンプポスト23は、例えば2〜10um程度の高さに形成することが望ましい。
バリア層25を構成するW層、Ti層、Au層の厚さについては、上述した金属層201と同等とすればよい。
次に、図4を参照して、半導体装置の実装方法について説明する。
ここで、凸型バンプ27の高さは、接着層26の上面からバンプポスト23の他端を被覆するバリア層25の表面までの距離を意味する。凸型バンプ27の幅は、バンプポスト23の側面を被覆するバリア層27と、バンプポスト23の軸線に直交する直線との2つの交点の距離を意味する。凸型バンプ27の体積は、上述した凸型バンプ27の高さ部分の体積を意味する。はんだ層202の厚さは、バリア層14内部に収容されたはんだ層202の厚さを意味する。凹型バンプ16の深さは、バリア層14の内部空間の深さを意味する。凹型バンプ16の幅は、バリア層14の内部空間の対向する側面の距離を意味する。
そこで、凹型バンプ16と凸型バンプ27とが接合するためには、凸型バンプ27の高さは、凹型バンプ16の深さとはんだ層202の厚さの差より大きくする必要があり、例えば、少なくとも1μm以上が望ましい。また、低融点はんだが凹型バンプ16から溢れることを防止するためには、凸型バンプ27の体積とはんだ層202の体積の合計が、バリア層14の内部空間の体積以下になるように凸型バンプ27の直径とはんだ層202の厚さを設定すればよい。また、凹型バンプ16の幅と凸型バンプ27の幅と差は、実装時のアライメント精度の2倍以上とすることが望ましい。このように設定することにより、少ないバンプ数で過剰な荷重がかかっても接合時にバンプ間が短絡せず、また未接合も抑制することができる。
高融点金属により固相金属同士の拡散接合する場合には、半導体素子と実装基板の配線を接合するためには、400℃程度の高温でかつバンプ当たり100MPa程度の荷重が必要であった。これに対して、本実施の形態では、接合部を250℃、10MPa程度と低荷重および低温の条件で接合が実現できる。これにより、特に、半導体素子2として化合物半導体素子を用いた場合には、電気特性を損なわずかつ機械的に破損させることなく実装が可能となる。
これに対して、本実施の形態では、接着層13,26を設けることにより、実装基板1と半導体素子2との配線間の接合とともに、凹型バンプ16および凸型バンプ27以外の領域も接着層13,26同士で一括して接合でき、さらに接合強度を向上させるとともにはんだバンプにかかる熱応力を緩和させ微細なはんだバンプの信頼性を向上させることができる。
Claims (5)
- 実装基板の上面に形成された電極部と、半導体素子の上面に形成された電極部とを電気的に接続した状態で、前記実装基板上に前記半導体素子を取り付ける半導体装置の実装構造であって、
前記半導体素子および前記実装基板のうちの一方の電極部上に一端が接続された高融点金属からなる柱状のバンプポスト、および、このバンプポストの他端部の上面および側面を被覆した第1のバリア層を有する凸型バンプと、
前記半導体素子および前記実装基板のうちの他方の電極部上に形成された第2のバリア層、および、この第2のバリア層と前記凸型バンプの前記第1のバリア層により被覆された上面および側面とを接続する低融点はんだからなるはんだ部材を有する凹型バンプと
を備えたことを特徴とする半導体装置の実装構造。 - 前記実装基板上面および前記半導体素子上面にそれぞれ形成されて、互いを接続する接着層をさらに備え、
前記半導体素子および前記実装基板のうちの一方に形成された接着層は、前記第1のバリア層における前記バンプポストの一端側を被覆し、
前記半導体素子および前記実装基板のうちの他方に形成された接着層は、前記第2のバリア層の前記はんだ部材が接続される面と反対側の面を被覆する
ことを特徴とする請求項1記載の実装構造。 - 前記接着層から露出した前記凸型バンプの体積と前記はんだ部材の体積の和は、前記第2のバリア層の内部空間の体積以下とし、
前記接着層表面からの前記凸型バンプの高さは、前記第2のバリア層の内部空間の深さと前記内部空間に含まれる前記低融点はんだの厚さの差よりも大きくし、
第2のバリア層の内部空間の幅と前記凸型バンプの幅との差は、所定の値以上とする
ことを特徴とする請求項2記載の実装構造。 - 前記第1のバリア層および前記第2のバリア層は、タングステンまたはタングステン化合物を含む
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の実装構造。 - 実装基板の上面に形成された電極部と、半導体素子の上面に形成された電極部とを電気的に接続した状態で、前記実装基板上に前記半導体素子を取り付けた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子および前記実装基板のうちの一方の電極部上に一端が接続された高融点金属からなる柱状のバンプポスト、および、このバンプポストの他端部の上面および側面を被覆した第1のバリア層を有する凸型バンプと、前記半導体素子および前記実装基板のうちの他方の電極部上に形成された第2のバリア層、および、この第2のバリア層と前記凸型バンプの前記第1のバリア層により被覆された上面および側面とを接続する低融点はんだからなるはんだ部材を有する凹型バンプとを対向させて、前記実装基板と前記半導体素子とを前記低融点はんだの融点に加熱した上で圧着する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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