JP3284034B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、接続パッド、バリアメ
タル被膜及びハンダ突起電極が形成された半導体装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エレクトロニクスの急速な発展と
素子化などに伴い、回路基板に接続されるＬＳＩも多種
多様化してきている。また、高密度実装の要求から、ハ
ンダ突起電極（バンプ）を用いて、ＬＳＩを回路基板の
接続パッドに直接実装するフリップチップ実装が行われ
るようになってきている。

【０００３】ところが、市販されている半導体素子の電
極パッド上には、必ずしもハンダバンプが形成されてい
るとは限らず、回路基板に実装する場合の障害となって
いる。すなわち、回路基板に実装されるすべての半導体
素子にハンダバンプが形成されていると、一括リフロー
による実装が容易に可能である。ところが、一個でもハ
ンダバンプの形成されていない半導体素子があると、一
括リフローで接続できず、ハンダバンプの形成されてい
ない半導体素子は、その電極パッド上に金バンプを形成
した後に別工程での実装を行うか、あるいはワイヤーボ
ンディングによる接続を行うことになる。このように別
工程での実装が行われる理由は、半導体素子チップのＡ
ｌ電極パッドはハンダとぬれず、Ａｌ電極パッド上に直
接ハンダバンプを形成することが困難なことがあげられ
る。

【０００４】一方、半導体素子の電極パッドにバンプ型
電極をハンダにより形成する方法としては、特開平４−
１９９６３１、特開平４−１５５８３５公報に記載され
ている様に、電気メッキ法や特開平４−１５７７２８公
報記載のパルスメッキ方法などがある。いずれの方法も
電極パッド上にメッキ下地金属層（バリアメタル）を形
成し、バンプ形成領域のみを開口させたフォトレジスト
を形成して、電気メッキ法によりハンダバンプを形成し
た後、フォトレジストを除去し、メッキ下地金属層をエ
ッチングし、半導体装置の電極パッド上にハンダバンプ
が形成される。電気メッキ法でハンダバンプを形成する
ためには、メッキ時の電極となる下地金属層を形成する
ことが必須であり、シリコンウエハ上では半導体素子が
形成できない部分の下地金属層をメッキ電極として使用
している。ところが、ダイシングされた個々の半導体チ
ップでは、メッキ下地電極となり得る余分なスペースが
なく、メッキ法を用いてハンダパンプを形成することが
困難である。

【０００５】また、これらの半導体装置やその他の電子
部品を回路基板に機械的に接続し、電気回路を形成する
材料としては錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）系ハンダが多く用い
られている。

【０００６】ところが、近年、この半導体装置や他の電
子部品と回路基板とを接続しているハンダ接続部から、
ハンダ中のＰｂが溶けだし、健康障害や環境を汚染する
として大きな問題となっている。このハンダ中のＰｂ溶
出は、リサイクルが困難であり、放置された回路基板の
ハンダ接続部が、酸性度の強い雨に曝されることにより
起きると考えられている。したがって、半導体装置やそ
の他の電子部品を回路基板へ接続するハンダとして、Ｐ
ｂを含まないハンダ（Ｐｂフリーハンダ）の使用が望ま
れている。

【０００７】また、メッキ法では、Ｓｎ−Ｐｂ系などの
二元系ハンダを用いた場合には、組成を制御してハンダ
バンプを形成することが可能であるが、Ｐｂを含まない
多元系ハンダを用いた場合には、組成を制御してハンダ
バンプを形成することは困難であり、多元系ハンダの構
成元素のなかにはメッキそのものができない元素もある
という問題があった。また、組成によっては所望の厚さ
のシートに加工することが難しい多元系ハンダもあり、
このようなハンダは、打ち抜き転写法を用いてもハンダ
バンプの形成ができないという問題もあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体素子の電
極パッド上へのハンダバンプ電極の形成では、半導体素
子接続部の信頼性を確保するために、電極パッド上に下
地金属層（保護層）を形成し、この下地金属層をメッキ
電極として使用している。このため、シリコンウエハ上
では、半導体素子を形成していない部分をメッキ電極と
して使用し、メッキ法によるハンダバンプの形成が容易
であったが、余分なスペースのないダイシングされた半
導体チップの電極パッド上へ、メッキ法によりハンダバ
ンプを形成するためのメッキ電極を取ることができない
という問題があった。

【０００９】そこで、本発明の第１の目的は、半導体装
置の電極パッド上に、メッキ法を使用せずにバリアメタ
ル層及びハンダバンプを容易に形成し得る半導体装置の
製造方法を提供することにある。

【００１０】また、本発明の第２の目的は、半導体装置
の電極パッド上に、メッキ法を使用せずに、バリアメタ
ル層及びハンダバンプを形成することにより、信頼性の
高い半導体装置を提供することにある。

【００１１】また、従来の半導体装置の電極パッド上へ
のハンダ突起電極の形成では、半導体装置接続部の信頼
性を確保するために、電極パッド上に下地金属層を形成
し、この下地金属層をメッキ電極として、フォトレジス
トを突起電極の形成領域で開口させ、電気メッキ法によ
り組成制御しながらハンダ突起電極を形成している。こ
の電気メッキ法で容易に組成制御ができるのは、Ｓｎ−
Ｐｂ系のような二元系のハンダであり、Ｐｂ−ｆｒｅｅ
ハンダの様な多元系ハンダでは、組成制御しながら電気
メッキ法によりハンダ突起電極を形成することが困難で
ある。

【００１２】そこで、本発明の第３の目的は、メッキ法
を用いずに、組成制御されたハンダ突起電極を形成し得
る半導体装置の製造方法を提供することにある。さらに
また、本発明の第４の目的は、メッキ法を用いずに、組
成制御されたハンダ突起電極を形成することにより、信
頼性の高い半導体装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、第１の金属を含む複数の接続パ
ッドと該接続パッド上に形成された接合層とを有する半
導体装置の製造方法において、弾性を有する転写用基材
シート上に、前記第１の金属と固相拡散反応し得る第２
の金属を含む接合層を配置し、雄型を用いて、該接合層
側から転写用基材シートへ打ち抜くことにより、型抜き
された接合層を有する転写シートを形成する工程と、型
抜きされた接合層を、前記接続パッドと位置合せする工
程と、前記転写用基材シート側から加熱、加圧すること
により、型抜きされた接合層を、前記接続パッド上に転
写すると共に、前記第１の金属及び前記第２の金属間に
固相拡散反応を起こし、前記接続パッド上に前記接合層
を接合する工程を具備することを特徴とする半導体装置
の製造方法を提供する。

【００１４】本発明は、第２に、第１の金属を含む複数
の接続パッドと、該接続パッド上に形成された接合層と
を有する半導体装置において、弾性を有する基材シート
上に、前記第１の金属と固相拡散反応し得る第２の金属
を含む接合層を順に配置し、雄型を用い、前記接合層側
から基材シートへ打ち抜いて転写シートを形成し、型抜
きされた接合層を、前記接続パッドと位置合わせし、前
記基材シート側から加熱、加圧し、前記接続パッド上に
転写すると共に、前記第１の金属及び前記第２の金属間
に固相拡散反応を起こし、前記接続パッド上に前記接合
層が接合されることを特徴とする半導体装置を提供す
る。

【００１５】第１及び第２の発明において、第１の金属
はアルミニウムからなり、第２の金属は金からなり、接
合層上に銅からなるバリアメタル層をさらに形成するこ
とが好ましい。

【００１６】第１及び第２の発明において、接合工程の
後、弾性を有するハンダ転写用基材シート上にハンダシ
ートを配置し、雄型を用いて該ハンダシートを該ハンダ
転写用基材シート上へ打ち抜くことにより、型抜きされ
たハンダを有するハンダ転写シートを用意し、型抜きさ
れたハンダを前記接続パッドと位置合せする工程と、前
記基材シート側から加熱、加圧することにより、位置合
せされたハンダを、前記接合層上に転写する工程をさら
に具備することが好ましい。

【００１７】本発明は、第３に、ハンダ材料層を、弾性
を有する樹脂シート上に配置し、雄型を用いて樹脂シー
ト上に打ち抜き、ハンダ材料層転写シートを形成する工
程、打ち抜かれたハンダ材料層を半導体装置の接続パッ
ドと位置合せする工程、及び該ハンダ材料層を該接続パ
ッド上に転写し、突起電極を形成する工程を含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

【００１８】本発明は、第４に、ハンダ材料層を、弾性
を有する樹脂シート上に配置し、雄型を用いて樹脂シー
ト上に打ち抜いて形成されたハンダ材料層転写シートを
使用し、該打ち抜かれたハンダ材料層を転写することに
より接続パッド上に形成された突起電極を有する半導体
装置を提供する。

【００１９】第３及び第４の発明において、ハンダ材料
層は、少なくとも二種の異なる金属材料層または合金層
を含むことが好ましい。第３及び第４の発明において、
ハンダ材料層はまた、錫、ビスマス、亜鉛、アンチモ
ン、インジウム、銀、及び銅からなる群から選択される
少なくとも二種を含むことがさらに好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明を詳
細に説明する。まず、第１の発明及び第２の発明にかか
る半導体装置について説明する。図１に、ダイシングさ
れた半導体チップの接続部の一例を表す拡大図を示す。
図示するように、半導体チップ１の絶縁膜２上に形成さ
れた接続パッド３は、保護膜（パッシベーション膜）４
によりパッド端部が覆われていた構造を有する。

【００２１】この接続パッド３の上に接合層及びバリア
メタル層を形成するために、本発明では、転写シートを
用いる。図２に、第１及び第２の発明に用いられる転写
シートの一実施形態を表す該略断面図を示す。この転写
シートは、弾性を有する樹脂フィルム９と、この樹脂フ
ィルム９上に形成され、所定のピッチで型抜きされた複
数の積層体５とから構成される。積層体５として、ここ
では、樹脂フィルム側から金／ニッケル／銅／金の順に
積層されたものを用いる。ここで、ニッケルは、銅の酸
化防止剤として好ましく設けられ、銅の片面のみなら
ず、その両面に適用することもできる。

【００２２】この転写シートは、打ち抜き転写法により
得られる。転写シートの打ち抜きを行なうためには、ま
ず、樹脂フィルム９上に一方の面に金コーティング５
ａ、他方の面にニッケル層５ｃ／金層５ｄの順にコーテ
ィングが施された銅箔５ｂを、その拡散接合面すなわち
一方の面が上向きなるように重ね、続いて、プレス用雄
型により打ち抜く。転写シートが打ち抜かれた状態を表
す概略断面図を図３に示す。図３に示すように、樹脂フ
ィルム９上に、型抜きされた金層５ｄ／ニッケル層５ｃ
／銅層５ｂ／金層５からなる積層体５が打ち抜かれる。
なお、このとき樹脂フィルム９の下方には、これを支持
するための当て型１１を設置しておくことが望ましい。
プレスによって樹脂フィルム９は、図３に示すように変
形し、打ち抜かれたバリアメタル層を周囲からくわえ込
み、雌型として作用する。雄型によりプレスして変形さ
れた樹脂フィルム９は、雄型を離すと元に戻り、図２に
示すような転写シートが得られる。

【００２３】次いで、打ち抜かれたバリアメタル積層体
５と、半導体基板１の接続パッド３を位置合わせし、バ
リアメタル積層体５を半導体基板１の接続パッド３上に
転写する。図４に、転写シートのバリアメタル積層体と
半導体基板の接続パッドとを位置合わせした様子を表す
該略図を示す。このとき、マウンターヘッド１２中の加
熱ヒーターおよびマウンターのステージ内の加熱ヒータ
ーを用い、半導体基板１および樹脂フィルム９上のバリ
アメタル積層体５を、バリアメタル積層体５及び接続パ
ッド３が溶融しない程度の所定温度まで加熱し、半導体
基板１のＡｌ接続パッド３と、バリアメタル層５ｂ上の
金コーティングからなる接合層５ａとの間で拡散反応を
おこさせて、接続パッド３上にバリアメタル積層体５に
よる被膜が接合される。

【００２４】図５に、バリアメタル積層体が転写、接合
された半導体装置の接続部を表す概略断面図を示す。こ
のとき、接続パッド３の開口部とバリアメタル積層体５
の大きさは、図５に示すように、好ましくは、バリアメ
タル積層体５の方が接続パッド３の開口部より小さく設
定される。なぜならば、接続パッド３の開口部よりバリ
アメタル積層体５が大きいと、転写工程において保護膜
４が破壊され、ハンダ付け工程などにおいて、接続パッ
ド３とフラックスとの接触や大気中の水分にフラックス
成分が溶け込み、接続パッド３に腐食等が発生し、半導
体装置の接続信頼性を低下させる原因となるからであ
る。また、バリアメタル積層体５の大きさと接続パッド
３の開口部が同じ大きさであっても転写工程での位置ズ
レにより、バリアメタル積層体５が保護膜４を破壊し、
前述したような半導体装置の信頼性を低下させることに
なる。

【００２５】図６は、接続パッド３とバリアメタル層５
ｂを、固相拡散反応を利用して接合する工程を説明する
ための図で、バリアメタル層３側から加圧しながら加熱
することで、接続パッド３のＡｌとバリアメタル層５ｂ
上のＡｕ接合層５ａの間で拡散が起こりＡｕとＡｌの拡
散層６が形成され、これにより接続パッド３とバリアメ
タル層５ｂとが拡散接合される。この拡散層６はアルモ
ファス、固溶体、金属間化合物のいずれかであり、拡散
反応が進むにつれ金属間化合物層へと変化する。また、
この場合、拡散反応がすすむと、金属間化合物層中にＡ
ｕ₄ Ａｌが多くなり安定する。

【００２６】ところで、バリアメタル積層体５は接続パ
ッド３の開口部より小さいと、事実上接続パッド３のＡ
ｌはバリアメタル積層体５からなる被膜で覆い隠すこと
ができない。ところが、本発明では、バリアメタル層５
ｂ上のＡｕ接合層５ａと接続パッド３のＡｌとの間で拡
散反応を起こさせ、ＡｌとＡｕの拡散接合により接続を
行なう際、この拡散反応領域を、保護膜４の下側の接続
パッド３まで起こさせることにより、拡散反応により生
成された拡散層６が、バリアメタル積層体５で覆うこと
のできなかった部分の接続パッド３表面を覆い、接続パ
ッド３のＡｌが直接露出しないようにすることができ
る。また、拡散反応は特別な方法を必要とせず、打ち抜
き転写時に加熱されることにより保護層４の下側まで拡
散反応を進行させることができる。

【００２７】このようにして形成されたバリアメタル積
層体５上に、樹脂フィルム上にハンダシートを打ち抜い
て得られたハンダ転写シートを、ハンダを下向きにして
配置し、前記バリアメタル層３の上に転写することがで
きる。図７はバリアメタル積層体５の上に突起電極とな
るハンダバンプ７を打ち抜き転写法で形成したところを
示した図である。ハンダを打ち抜いた後、所定の雰囲気
中でリフローすることにより、ハンダ７とＮｉ酸化防止
層５ｂ上のＡｕ層５ｄとがぬれて、ハンダバンプ電極を
形成することができる。

【００２８】このようにして突起電極を形成した半導体
装置の接続部を表す概略断面図を図８に示す。図８に示
すように、ハンダバンプ７は拡散層６により接続パッド
３と接合されたバリアメタル層５ｂを含むバリアメタル
積層体５をコアとして、半導体基板１の接続パッド３上
に形成されている。

【００２９】上述の実施形態では、バリアメタル積層体
５の構成を接続パッド側から、Ａｕ層５ａ／Ｃｕ層５ｂ
／Ｎｉ層５ｃ／Ａｕ層５ｄとしたが、Ａｕ／Ｃｕ、Ａｕ
／Ｃｕ／Ａｕ、Ａｕ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｎｉ／
Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕでもよく、また最上層の接合層として
使用される金はパラジウムなどと置き換えて、Ａｕ／Ｃ
ｕ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｃｕ／Ｎｉ／ＰｄあるいはＡｕ／Ｎｉ
／Ｃｕ／Ｎｉ／Ｐｄとしてもよい。

【００３０】第１及び第２の発明の半導体装置において
は、接続パッドとバリアメタル層が、接続パッドの金属
とバリアメタル層上に形成された接合層の金属との拡散
反応を利用して接合されている。ここで、バリアメタル
を含む層が接続パッドより小さく設定されていても、拡
散反応により生成された金属間化合物層は、接続パッド
のＡｌを覆い隠し、腐食等による接続部の信頼性劣化を
防止することができる。さらに、本発明では、メッキ法
を用いず、突起電極を打ち抜き転写法で形成することか
ら、ダイシングにより半導体チップとされた半導体素子
の接続パッド上にも、バリアメタル層と共に突起電極を
容易に形成することができる。

【００３１】以下に、第１及び第２の発明について、具
体的な製造例を示し、本発明の半導体装置を詳細に説明
する。本実施形態においては、半導体チップは接続パッ
ド３の大きさが１００μｍ角、接続パッド３のピッチが
２２０μｍ、接続パッド数６４個、大きさが５ｍｍ角の
半導体基板１を用いた。

【００３２】バリアメタル積層体の打ち抜きに当たって
は、まず、市販の１μｍ厚の銅箔の片面に、０．６μｍ
圧のＡｕをスパッタにより形成した後、その裏面にＮｉ
とＡｕをそれぞれ０．３μｍと０．６μｍの厚さを、同
じくスパッタにより形成し、金コート銅箔８を作成し
た。この金コート銅箔８を樹脂フィルム９上に載せ、半
導体装置１の接続パッド３の開口部より周囲が３μｍず
つ小さなプレス用雄型を用いてバリアメタル積層体５を
打ち抜いた。

【００３３】次に、マウンターを用い、樹脂フィルム９
上のバリアメタル積層体５の上に、半導体基板１の接続
パッド３とを位置合わせ転写し、そのままの状態で２ｋ
ｇまで加圧しながら３００℃まで加熱して１０秒間保持
し、半導体基板１の接続パッド３のＡｌとバリアメタル
積層体５のＡｕ５ａとを拡散接合し、バリアメタル付き
半導体基板とした。

【００３４】続いて、樹脂フィルム９４上に市販の０．
０５ｍｍ厚のＳｎ−Ｐｂ共晶系ハンダシートを載せ、プ
レス用雄型１１を用い打ち抜き、前記バリアメタル付き
半導体基板のバリアメタル層５の上に転写した。最後
に、窒素雰囲気中、２２０℃でリフローを行うことによ
り、ハンダバンプ付き半導体装置を得た。

【００３５】得られた半導体装置の各ハンダバンプを、
シアーテスターを用いてシアー強度を測定した。シアー
強度の測定は、半導体装置の全バンプについて行い、各
半導体装置の１バンプ当たりの平均強度を求めた。ま
た、半導体装置を、樹脂製の配線基板に実装し、樹脂封
止をして、熱サイクル試験（−５５〜＋１２５℃、１サ
イクル／１時間）を１０００サイクルまで行い、半導体
装置と配線基板との接続の有無を調べることにより、接
続部の信頼性を評価した。

【００３６】測定結果を表１および表２に示す。また、
比較試料として従来のメッキ法でハンダバンプを形成し
た半導体装置を用い、本実施形態の試料と同様の試験を
行った。

【００３７】その測定結果を表１および表２に併記す
る。なお、比較試料のバリアメタル層の構成は、本実施
形態の試料のバリアメタル層と同じ構成とした。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】表１に示すように、半導体装置のハンダバ
ンプ形成を打ち抜き転写と拡散接合法を用いて行って
も、比較の試料で示す従来のメッキ法でハンダバンプを
形成した半導体装置とほぼ同等のシアー強度を有してい
た。さらに、熱サイクル試験を行ってもハンダバンプの
破断は認められず、従来方法で形成したハンダバンプ接
続部と同等の信頼性を有していることがわかった。

【００４１】なお、本発明において、金などを銅箔にコ
ーティングする方法としては、メッキ法、蒸着法、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法など通常の成膜方法を用いることがで
きる。また、その厚さとしては０．２〜１μｍ程度が望
ましい。この金コーティングは必ずしも銅箔の両面にす
る必要はなく、拡散接合を行う面だけでも良い。また、
必要に応じ突起電極側の銅箔表面に、Ａｕ、Ｐｄなどを
コーティングし銅表面の酸化防止をはかったり、Ｃｕと
Ａｕの接合力を高めるためＣｕとＡｕの間にＮｉ層を設
けても良い。

【００４２】さらに、本実施形態では突起電極の形成に
Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダを使用したが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハ
ンダの替わりにＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｚ
ｎ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ
系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−
Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系などのＰｂを含まないハンダ（鉛フ
リーハンダ）を用いて突起電極を形成しても良い。

【００４３】以上説明した打ち抜き転写と拡散接合を用
いた第１及び第２の発明にかかる半導体装置の適用範囲
は広く、その産業上の利用効果は大きい。次に、第３及
び第４の発明について説明する。

【００４４】図９は、半導体装置の接続部を表す拡大図
を示す。図示するように、この接続部は、半導体装置１
の絶縁層２上に設けられた接続パッド３と、この接続パ
ッド３を両側からくわえ込むように形成された保護膜４
と、前記接続パッド３上の保護膜４の一部と接続パッド
３上に形成されたバリアメタル層５５から主に構成され
る。本発明においては、ハンダシートの打ち抜き転写法
を用いて、この半導体装置の接続パッド３上に、ハンダ
パンプが形成される。

【００４５】このハンダシート打ち抜き転写法では、ま
ず、弾性を有する樹脂例えばゴム製のシート１０上にハ
ンダ材料層を打ち抜く。ハンダ材料としては、好ましく
は少なくとも二種の異なる金属材料層または合金層を用
いることができる。例えば電極パッド上に、異なる多元
系ハンダの構成元素単体からなるシート、多元系ハンダ
の構成元素の少なくとも２種類以上からなる合金シー
ト、またはその両者を組み合わせて組成制御しながら、
組み合わせた複数のシートを打ち抜き転写し、半導体装
置上に多元系ハンダによる突起電極を形成することがで
きる。

【００４６】図１０に、ハンダ材料層の打ち抜きを説明
するための図を示す。例えばＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ四
元系ハンダを使用する場合、図示するように、Ｓｎシー
ト２６ｄ上に、Ｃｕシート２６ｃ、及びＳｎ−Ｂｉ合金
シート層２６ｂを重ね、さらにＡｇシート２６ａを重ね
て配置し、雄型２９を用いて樹脂シート１０１上に打ち
抜くことにより、ハンダ材料層転写シート２０が形成さ
れる。プレスにより弾性を有する樹脂シート１０１は、
図１０に示すように変形し、打ち抜かれたハンダ材料層
２６を周囲からくわえ込み、雌型として作用する。

【００４７】図１１に、第３及び第４の発明に用いられ
るハンダ材料層転写シートの一実施形態を表す概略断面
図を示す。得られたハンダ材料層転写シート２０は、図
示するように、弾性を有する樹脂シート１０１の上に、
Ｓｎ層２６ｄ、Ｃｕ層２６ｃ、Ｓｎ−Ｂｉ合金層２６
ｂ、及びＡｇ層２６ａが順に積層された構成を有する。
図１０では、ハンダ材料層転写シート２０の弾性を有す
る樹脂シート１０１は、雄型２９の打ち抜きにより変形
されているが、雄型２９を離すと元に戻り、図１１に示
すようなハンダ材料層転写シート２０が得られる。

【００４８】ここで、ハンダの組成比は、ハンダ材料層
の各層の厚さを変化させることで容易に調節し得る。こ
のハンダ材料層転写シート上のハンダ材料層２６は、バ
リアメタル５５が形成された接続パッド３と位置合せさ
れ、転写される。図１２は、ハンダ材料層が転写された
半導体装置の接続部の概略を表す図である。図１２に示
すように、打ち抜き転写により、バリアメタル５５上
に、Ａｇ層２６ａ、Ｓｎ−Ｂｉ合金層２６ｂ、Ｃｕ層２
６ｃ、及びＳｎ層２６ｄから構成される複数のハンダ材
料層が形成される。

【００４９】また、第３及び第４の発明においては、複
数のシートを打ち抜き転写した後、リフロー工程により
多元系ハンダを半導体装置の接続パッド上で合金化する
ことができる。

【００５０】転写されたハンダ材料層は、リフローされ
ることにより、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ四元系のバンプ
電極を形成する。図１３にリフローされた突起電極が形
成された半導体装置の接続部の該略図を示す。図示する
ように、ハンダ材料層は、リフローにより、バリアメタ
ル層５５を核として球状を呈する突起電極となるととも
に、ハンダ材料層が合金化される。

【００５１】第３及び第４の発明では、例えばハンダ材
料層の各シートの厚さを変えることで、目的組成のハン
ダ突起電極が得られる。また、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ
四元系のように、ハンダ構成元素単体でシート作成が困
難なＢｉのような元素を用いる場合には、他のハンダ構
成元素と合金化してシートを作成することにより、打ち
抜き転写を行い、目的組成のハンダ突起電極を形成する
ことができる。もちろん、目的組成の突起電極のシート
作成が容易である場合は、初めからハンダ突起電極組成
のシートを使用することが望ましい。このように、本発
明によれば、ハンダ突起電極組成のハンダシートの作成
が困難な場合でも、前述したように多元系突起電極を形
成した半導体装置が得られる。また、蒸着やスパッタな
どの成膜方法を利用し、ベースとなるシート上に各構成
元素を成膜法により形成しても良い。

【００５２】ハンダ突起電極の組成制御はまた、打ち抜
かれる各ハンダ材料層の各シートの厚さを変化させて行
なうだけでなく、打ち抜かれるハンダ材料層の大きさを
変えても、同様な効果が得られる。

【００５３】ハンダ材料層はまた、錫、ビスマス、亜
鉛、アンチモン、インジウム、銀、及び銅からなる群か
ら選択される少なくとも二種を含むことが好ましい。ま
た、多元系ハンダはＰｂを含まないことが好ましい。毒
性のあるＰｂを排除することにより、環境汚染の低減に
役立つ。

【００５４】以上説明したように、第３及び第４の発明
によれば、電極パッド上に、メッキ法を用いずに組成制
御されたと電極を容易に形成することができる。また、
厚さの異なる多元系ハンダの構成元素単体からなるシー
ト、多元系ハンダの構成元素の少なくとも２種類以上か
らなる合金シート、またはその両者を組み合わせた複数
のシートを、接続パッド上に打ち抜き転写する打ち抜き
転写法を用いることにより、メッキ法では形成すること
が困難であった多元系ハンダの突起電極を、容易に形成
することが可能となる。

【００５５】以下、第３及び第４の発明に係る半導体装
置の他の実施形態について説明する。図１４は、第３及
び第４の発明にかかる半導体装置の他の実施形態におけ
る接続部付近の概略断面図である。

【００５６】図１４に示すように、この実施形態では、
ハンダ材料層２８は、打ち抜き転写法により、半導体装
置１の接続パッド３上に形成されたバリアメタル層５５
上に転写されており、Ｓｎ−Ｂｉ合金シート２８ｃ上に
形成されたＣｕスパッタ膜２８ｂとＡｇスパッタ膜２８
ａとから構成されている。

【００５７】ハンダ材料層の組成は、所望の組成により
厚さの異なる多元系ハンダの構成元素単体からなるシー
トあるいは多元系ハンダの構成元素の少なくとも２種類
以上からなる合金シートまたはその両者を組み合わせ
て、これらの複数のシートを打ち抜き転写して突起電極
を形成することにより調整することができ、この場合、
Ｓｎ−Ｂｉ合金シート２８ｃ、Ｃｕスパッタ膜２８ｂ、
及びＡｇスパッタ膜２８ａの各膜の膜厚により調整可能
である。

【００５８】図１４に示した半導体装置は、まず、弾性
を有する樹脂フィルム上にＣｕとＡｇのスパッタ膜を形
成したＳｎ−Ｂｉ合金シートを、スパッタ膜面が上にく
るように重ね、ハンダ突起電極となるハンダ材料層のシ
ートを得る。続いて、プレス用雄型により打ち抜いてハ
ンダ材料層を得る。図１５に、第３及び第４の発明の半
導体装置の他の実施形態に用いられるハンダ材料層の打
ち抜き状態を表す図を示す。図１５に示すように、ハン
ダ材料層２８を樹脂フィルム１０１上に設置し、プレス
雄型２９で打ち抜き、ハンダ材料層２８を樹脂フィルム
１０１上に形成する。なお、樹脂フィルム１０１の下方
には、これを支持するための当金１１を設置しておく。
プレスにより樹脂フィルム１０１は、図１５に示すよう
に変形し、打ち抜かれたハンダ材料層２８を周囲からく
わえ込み、雌型として作用する。

【００５９】次いで、打ち抜かれたハンダ材料層と半導
体装置の接続パッドをマウンター等を用いて位置合わせ
し、ハンダ材料層を半導体装置の接続パッド上に転写す
る。次いで、リフローによりハンダ材料層を溶融し、合
金化することにより、図１３に示すハンダ突起電極と同
様の突起電極が得られる。

【００６０】ここで、リフローは通常の温風リフローや
赤外線リフローなどを用いても良いが、レーザーを用
い、ハンダ突起電極構成シートを局部的に加熱し、合金
化することにより、半導体装置の熱による劣化を防止す
ることができる。

【００６１】以下に、具体的な製造例を示して、本発明
の他の実施形態に係る半導体装置をさらに詳細に説明す
る。半導体装置としては、Ｓｉウェハ上に接続パッド３
の大きさが１００μｍ角、接続パッド３のピッチが２２
０μｍ、接続パッド数６４個、大きさ５ｍｍ角のものを
用いた。

【００６２】バリアメタル層５５は半導体装置１の接続
パッド３上にフォトレジスト法により設けた開口部へ、
スパッタにより形成した。また、ハンダ材料層２８は、
まず９９．９９％以上のＳｎとＢｉを用いて、Ｂｉ量が
重量パーセントで１２．４％のＳｎ−Ｂｉ合金インゴッ
トを作成した。次いで、前記Ｓｎ−Ｂｉ合金インゴット
を圧延し、シートを得た。このＳｎ−Ｂｉ合金シート上
にスパッタによりＣｕとＡｇを成膜し、また、場合によ
っては、前記Ｃｕ、ＡｇをスパッタしたＳｎ−Ｂｉ合金
シートにＳｎシートを重ね合わせて、ハンダ突起電極構
成シート８を作成した。このハンダ突起電極構成シート
２８を樹脂フィルム１０１上に載せ、１００μｍ角のプ
レス雄型２９を用いてハンダ材料層２８を打ち抜いた。

【００６３】次に、マウンターを用い、樹脂フィルム１
０１上のハンダ材料層２８の上に、半導体装置１の接続
パッド３を位置合わせして転写した。この半導体装置の
ハンダ突起形成領域をレーザーによりスキャンし、ハン
ダ材料層２８を溶融して合金化した。得られたハンダ突
起電極の組成を表１に示す。

【００６４】次いで、シアーテスターを用いて、半導体
装置の各ハンダ突起電極のシアー強度を測定した。シア
ー強度の測定は、各半導体装置の全突起電極について行
い、各半導体装置１バンプの平均値として求めた。その
結果を表２に示す。

【００６５】比較試料は、従来のメッキ法で半導体装置
の接続パッド上に、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダ突起電極を形
成し、本実施形態の試料と同様の試験を行った。その結
果を表３及び４に併記する。

【００６６】

【表３】

【００６７】

【表４】

【００６８】表３及び表４から、本発明によれば、毒性
を有する鉛を使用せずに、ハンダ突起電極が形成でき、
また、そのとき、使用するハンダ材料層の厚さにより、
突起電極の組成を正確に制御することが可能であり、さ
らに得られた突起電極の強度も良好であることがわか
る。

【００６９】

【発明の効果】第１の発明及び第２の発明によれば、メ
ッキ法を用いることなく、打ち抜き転写と拡散接合によ
り、半導体素子の接続パッド上にバリアメタル層及び突
起電極を有する半導体装置を容易に得ることができる。
また、バリアメタル層を、ダイシングされた半導体チッ
プの接続用パッドの上に形成することも可能となる。

【００７０】また、第１の発明および第２の発明によれ
ば、このようにして形成されたバリアメタル層をコアと
して、接続用パッド上に突起電極を有する半導体装置が
容易に得られる。この突起電極の形成は、ダイシングさ
れた半導体チップ上にも容易に可能である。

【００７１】さらに、第１の発明及び第２の発明によれ
ば、打ち抜き転写による位置ズレを考慮すると、接続パ
ッドよりバリアメタル層を小さく設定することが好まし
いが、バリアメタル層と接合層との拡散反応による金属
間化合物層を、バリアメタル層の形成されない接続パッ
ド表面にも形成することにより、接続パッドとハンダと
の拡散防止が可能となり、信頼性の高い半導体装置が得
られる。

【００７２】第３及び第４の発明によれば、メッキ法を
用いずに、信頼性の高いハンダ突起電極が形成された半
導体装置を得ることが可能となる。また、メッキ法では
形成が困難な多元系のハンダを用いる場合でも、半導体
装置の接続パッド上に、そのハンダ組成を正確に制御し
て、良好な強度を有する突起電極を形成することがで
き、また、シート製造が困難なハンダ材料を用いる場合
には、母合金シートや、ベース金属へ成膜を行ったり、
ハンダ組成の一部を合金化してシート製造することによ
り、打ち抜き転写が可能となり、多元系ハンダの突起電
極が得られる。

【００７３】また、第３及び第４の発明によれば、ハン
ダ材料として、鉛を使用しない多元系ハンダを適用する
ことができる。鉛を使用しないハンダは、環境汚染の防
止の観点から、その適用範囲は広く産業上の利用効果は
大きい。

【００７４】さらに、本発明によれば、第１及び第２の
発明と第３及び第４の発明とを組合せることにより、半
導体装置の電極パッド上に、メッキ法を用いずに、バリ
アメタル層及び突起電極を容易に形成することが可能と
なる。これにより、通常の半導体装置のみならず、ダイ
シングされた半導体チップにも、バリアメタル層及び組
成制御された多元系突起電極を形成することが可能とな
る。得られた半導体装置は、良好な信頼性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 半導体チップの接続部の一例を表す拡大図

【図２】 第１及び第２の発明に用いられるバリアメタ
ル転写シートの一実施形態を表す該略図

【図３】 バリアメタル転写シートが打ち抜かれた状態
を表す概略図

【図４】 バリアメタル転写シートのバリアメタル積層
体と半導体基板の接続パッドとを位置合わせした様子を
示す該略図

【図５】 バリアメタル積層体が転写、接合された半導
体装置の接続部を表す概略図

【図６】 接続パッドとバリアメタル層を、固相拡散反
応を利用して接合する工程を説明するための図

【図７】 バリアメタル積層体上にハンダを打ち抜き転
写法で形成した様子を示す図

【図８】 バリアメタル積層体をコアとして突起電極が
形成された様子を示す図

【図９】 半導体装置の接続部の他の例を表す拡大図

【図１０】 第３及び第４の発明の半導体装置の一実施
形態に用いられるハンダ材料層の打ち抜き状態を説明す
るための図

【図１１】 第３及び第４の発明に用いられるハンダ材
料層転写シートの一実施形態を示す図

【図１２】 第３及び第４の発明にかかる半導体装置の
一実施形態の接続部の概略図

【図１３】 リフローされた突起電極が形成された半導
体装置の接続部の該略図

【図１４】 第３及び第４の発明にかかる半導体装置の
他の実施形態の接続部付近の概略図

【図１５】 第３及び第４の発明の半導体装置の他の実
施形態に用いられるハンダ材料層の打ち抜き状態を説明
するための図

【符号の説明】

１…半導体基板 ２…絶縁膜 ３…接続パッド ４…保護膜 ５，５５…バリアメタル積層体 ５ａ，８ａ…金層 ５ｂ，８ｂ…銅層 ５ｃ，８ｃ…ニッケル層 ５ｄ，８ｄ…金層 ６…拡散層 ７…ハンダバンプ ８…金コート銅箔 ９…樹脂フィルム １０…プレス雄型 １１…当て金 １２…マウンターヘッド ２０…ハンダ材料層転写シート ２６，２８…ハンダ材料層 ２６ａ…Ａｇシート ２６ｂ，８ｃ…Ｂｉ−Ｓｎ合金シート ２６ｃ…Ｃｕシート ２６ｄ…Ｓｎシート ２８ａ…Ａｇスパッタ膜 ２８ｂ…Ｃｕスパッタ膜 ２９…プレス雄型 １０１…樹脂シート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 邦明 東京都青梅市末広町２丁目９番地 株式 会社東芝青梅工場内 (56)参考文献 特開 平４−152682（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69640（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−246479（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−193068（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/60

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の金属を含む複数の接続パッドと該
   接続パッド上に形成された接合層とを有する半導体装置
   の製造方法において、弾性を有する転写用基材シート上
   に、前記第１の金属と固相拡散反応し得る第２の金属を
   含む接合層を配置し、雄型を用いて、該接合層側から転
   写用基材シートへ打ち抜くことにより、型抜きされた接
   合層を有する転写シートを形成する工程と、型抜きされ
   た接合層を、前記接続パッドと位置合せする工程と、前
   記転写用基材シート側から加熱、加圧することにより、
   型抜きされた接合層を、前記接続パッド上に転写すると
   共に、前記第１の金属及び前記第２の金属間に固相拡散
   反応を起こし、前記接続パッド上に前記接合層を接合す
   る工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記第１の金属はアルミニウムからな
   り、前記第２の金属は金からなり、前記接合層上に銅か
   らなるバリアメタル層がさらに形成されることを特徴と
   する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記接合工程の後、弾性を有するハンダ
   転写用基材シート上にハンダシートを配置し、雄型を用
   いて該ハンダシートを該ハンダ転写用基材シート上へ打
   ち抜くことにより、型抜きされたハンダを有するハンダ
   転写シートを用意し、型抜きされたハンダを前記接続パ
   ッドと位置合せする工程と、前記基材シート側から加
   熱、加圧することにより、位置合せされたハンダを、前
   記接続パッド上に転写する工程をさらに具備することを
   特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 第１の金属を含む複数の接続パッドと、
   該接続パッド上に形成された接合層とを有する半導体装
   置において、弾性を有する基材シート上に、前記第１の
   金属と固相拡散反応し得る第２の金属を含む接合層を順
   に配置し、雄型を用い、前記接合層側から基材シートへ
   打ち抜いて転写シートを形成し、型抜きされた接合層
   を、前記接続パッドと位置合わせし、前記基材シート側
   から加熱、加圧し、前記接続パッド上に転写すると共
   に、前記第１の金属及び前記第２の金属間に固相拡散反
   応を起こし、前記接続パッド上に前記接合層が接合され
   ることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 前記第１の金属はアルミニウムからな
   り、前記第２の金属は金からなり、前記接合層上に銅か
   らなるバリアメタル層がさらに形成されることを特徴と
   する請求項４に記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 弾性を有するハンダ転写用基材シート上
   にハンダシートを配置し、雄型を用いて該ハンダシート
   を該ハンダ転写用基材シート上へ打ち抜き転写すること
   により形成されたハンダ転写シートを用意し、打ち抜か
   れたハンダを前記接続パッドと位置合せし、前記基材シ
   ート側から加熱、加圧することにより、前記バリアメタ
   ル層上に転写することにより、前記接合層上にハンダ突
   起電極がさらに形成されることを特徴とする請求項４に
   記載の半導体装置。
7. 【請求項７】 ハンダ材料層を、弾性を有する樹脂シー
   ト上に配置し、雄型を用いて樹脂シート上に打ち抜き、
   ハンダ材料層転写シートを形成する工程、打ち抜かれた
   ハンダ材料層を半導体装置の接続パッドと位置合せする
   工程、及び該ハンダ材料層を該接続パッド上に転写し、
   突起電極を形成する工程を含むことを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記ハンダ材料層は、少なくとも二種の
   異なる金属材料層または合金層を含むことを特徴とする
   請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記ハンダ材料層は、錫、ビスマス、亜
   鉛、アンチモン、インジウム、銀、及び銅からなる群か
   ら選択される少なくとも二種を含むことを特徴とする請
   求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 ハンダ材料層を、弾性を有する樹脂シ
    ート上に配置し、雄型を用いて樹脂シート上に打ち抜い
    て形成されたハンダ材料層転写シートを使用し、該打ち
    抜かれたハンダ材料層を転写することにより接続パッド
    上に形成された突起電極を有する半導体装置。
11. 【請求項１１】 前記ハンダ材料層は、少なくとも二種
    の異なる金属材料層または合金層を含むことを特徴とす
    る請求項１０に記載の半導体装置。
12. 【請求項１２】 前記ハンダ材料層は、錫、ビスマス、
    亜鉛、アンチモン、インジウム、銀、及び銅からなる群
    から選択される少なくとも二種を含むことを特徴とする
    請求項１１に記載の半導体装置。