JP4718809B2 - 電子装置およびそれを用いた半導体装置、ならびに半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、この発明の目的は、薄い接合膜であっても比較的低温での溶融接合が可能な電子装置およびそれを用いた半導体装置を提供することである。
さらに、この発明の他の目的は、素子特性への影響を抑制しつつ、半導体チップを半導体基板に接合することができる半導体装置の製造方法を提供することである。
上記の構成によれば、拡散防止膜上に形成された接合膜は、薄膜の状態でも、バンプの材料との相互拡散が生じないので、その材料金属である第2金属材料の単体の状態が保持される。したがって、薄い接合膜でありながら、低融点で溶融させることができ、他の装置の電気接続部との接合時において、比較的低温での溶融接合が可能になる。
さらにこの発明では、接合膜において拡散防止膜上に形成された部分は第2金属材料単体の状態に保持され、バンプの頂面に接して形成された部分は相互拡散によって第1および第2金属材料の合金膜となる。そして、第2金属材料単体の部分は、低温での溶融接合に寄与し、合金膜の部分はバンプと接合膜との接合強度の向上(ひいては相手側装置との接合強度の向上)に寄与することになる。こうして、低温での溶融接合と充分な接合強度とを両立できる。
上記電子装置は、上記バンプを複数有していてもよい(請求項4)。
上記基板が多層の配線構造を有していてもよい(請求項5)。この場合に、上記配線構造のうち最上層の配線の一部は、上記基板に形成された表面保護膜が有する開口から露出していてもよい(請求項6)。
上記バンプは金またはCuからなっていてもよい(請求項7)。
上記接合膜は、Sn、Sn−In合金、インジウムのいずれかからなることが好ましい(請求項8)。
また、上記接合膜の膜厚は、0.1μm以上、5μm以下であることが好ましい(請求項9)。
上記拡散防止膜は、TiW、Ni、Ti、Crのいずれかからなることが好ましい(請求項10)。
上記拡散防止膜の膜厚は、200Å以上であることが好ましい(請求項11)。
上記拡散防止膜は、上記バンプの頂面の中央領域のみに形成されていてもよい(請求項12)。
上記電子装置は、上記接合膜上の中央領域を覆うとともに周縁の環状領域を露出させる第2拡散防止膜をさらに含んでいてもよい(請求項13)。この場合に、上記第2拡散防止膜が200Å以上の膜厚を有することが好ましい(請求項14)。また、上記電子装置は、上記第2拡散防止膜および上記接合膜の露出部分を覆うように積層して形成された第2接合膜をさらに含むことが好ましい(請求項15)。この場合に、上記第2接合膜の膜厚が0.1μm〜5μmであることが好ましい(請求項16)。
この構成により、低温での溶融接合が可能なバンプを有する半導体チップが得られる。
請求項18記載の発明は、上記基板は、絶縁基板上に配線導体が形成された配線基板であり、上記バンプは、上記配線導体に接合された状態で上記配線基板上に設けられていることを特徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の電子装置である。
請求項19記載の発明は、上記絶縁基板の表面は、上記バンプの部位を除き、レジストまたは樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項18記載の電子装置である。
請求項20記載の発明は、それぞれバンプを有する第1半導体チップおよび第2半導体チップをバンプ同士を接合させて結合したチップ・オン・チップ構造の半導体装置であって、上記第1半導体チップおよび第2半導体チップのうちの少なくともいずれか一方が、請求項17記載の電子装置からなっていることを特徴とする半導体装置である。
請求項21記載の発明は、絶縁基板上に配線導体が形成された配線基板と、この配線基板に上記バンプを対向させて上記配線導体に接合された請求項17記載の電子装置とを含むことを特徴とする半導体装置である。
請求項22記載の発明は、半導体基板(たとえば半導体ウエハ)にバンプを介して半導体チップを接合させることによって半導体装置を製造するための方法であって、上記バンプが上記半導体基板および半導体チップの少なくともいずれか一方の表面に形成されており、上記バンプが第1金属材料からなり、このバンプの頂面に単体の状態の融点が上記第1金属材料との合金の融点よりも低い第2金属材料からなる接合膜が形成されており、上記バンプの頂面と上記接合膜との間に、上記バンプの頂面の一部を覆うとともに残余の部分を露出するように、上記第1金属材料に対する拡散係数が上記第2金属材料よりも低い第3金属材料からなる拡散防止膜が形成されており、上記接合膜は、上記拡散防止膜上に形成された部分と、上記バンプの頂面に接して形成された部分とを有しており、上記方法は、上記半導体チップが上記バンプを挟んで上記半導体基板上に配置された状態で、上記第2金属材料の単体の状態の融点以上であって、上記第1金属材料および第2金属材料の合金の融点未満の第1温度に上記接合膜を加熱することにより、上記半導体チップを上記半導体基板に仮接合させる仮接合工程と、この仮接合工程の後に、上記第1金属材料および第2金属材料の合金の融点以上の第2温度に上記接合膜を加熱することにより、上記半導体チップを上記半導体基板に本接合させる本接合工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
この方法によれば、仮接合された複数個の半導体チップに関して、上記本接合工程を一括して行うことができるから、製造工程を短縮することができるうえ、半導体基板および半導体チップが経験することになる高温加熱プロセスの数が少なくなるから、それらに形成された素子の特性を良好に保持することができる。
図1は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この半導体装置は、いわゆるチップ・オン・チップ構造を有していて、親チップ1上に子チップ2,3を接合して構成されている。親チップ1および子チップ2,3はいずれも半導体チップ(たとえばシリコンチップ)であり、親チップ1の活性面(デバイスが形成された活性領域側表面)に子チップ2,3の活性面を対向させたフェース・ツー・フェース状態で接合されている。より具体的には、親チップ1は、活性面を上方に向けた姿勢でリードフレーム5のアイランド部6にダイボンディングされており、この親チップ1の上面に、子チップ2,3がフェースダウン姿勢で接合されている。親チップ1は、外部接続用のパッド(図示せず)を活性面に有しており、このパッドがリードフレーム5のリード部7に、ボンディングワイヤ8を介して電気接続されている。そして、親チップ1、子チップ2,3、ボンディングワイヤ8およびリードフレーム5が、封止樹脂9によって封止されて、半導体パッケージが構成されている。リード部7の一部は、封止樹脂9から露出し、外部接続部(アウターリード部)として機能する。
拡散防止膜14は、たとえば、TiW膜からなる。この拡散防止膜14の材料であるTiWは、バンプB1の材料であるAuに対する拡散係数が、接合膜15の材料であるSnよりも低い。また、拡散防止膜14の膜厚は、200Å以上とされる。拡散防止膜14の膜厚が200Å未満であると、AuやSnの拡散防止が不十分になる。
子チップ2,3のバンプB2,B3は、たとえば、Auで構成されている。これらのバンプB2,B3に関しては、その表面に、バンプB1の場合と同様な拡散防止膜や接合膜が設けられていてもよいが、一般的には、これらは必要ではない。
Snからなる接合膜15とTiWからなる拡散防止膜14との接合強度(密着性)は必ずしも良くない。そこで、単体領域15Aを利用してバンプ間の仮接合工程を行い、その後に、合金領域15Bを利用して本接合工程を行うことにより、充分な接合強度が得られる。
図4(a)は、バンプB1のさらに他の構成例(実施例)を示す断面図であり、図4(b)はその平面図である。この構成例では、拡散防止膜14が、バンプB1の頂面の中央部および周縁部を露出させ、残余の環状領域を覆う環状パターンに形成されている。このような、拡散防止膜14は、拡散防止膜14をバンプB1の頂面の全域に形成した後に、リソグラフィ工程によってパターニングすることにより得られる。
図5(a)は、バンプB1のさらの他の構成例(実施例)を示す断面図であり、図5(b)はその平面図である。この構成例では、図4の構成の場合と同様な環状の第1拡散防止膜14(膜厚200Å以上)がバンプB1の頂面に形成され、この第1拡散防止膜14を覆い、さらにバンプB1の頂面の露出部分を覆うように第1接合膜15(膜厚0.1μm〜5μm)が形成されており、さらに、第1接合膜15上に、その中央領域を覆うとともに周縁の環状領域を露出させる第2拡散防止膜24(膜厚200Å以上)が形成され、さらに、この第2拡散防止膜24および第1接合膜15の露出部分を覆うように第2接合膜25(膜厚0.1μm〜5μm)が積層して形成されている。第1および第2拡散防止膜14,24は、たとえば、いずれも、TiWからなる。また、たとえば、第1接合膜15は、Snからなり、第2接合膜25はSn−In合金からなる。Sn−In合金の融点は、約200℃である。
図6は、この発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この半導体装置は、配線基板40の表面に半導体チップ50,60をフリップチップ接合して構成されている。配線基板40は、絶縁性基板41と、この絶縁性基板41上に形成された配線導体(たとえば、Cuからなる)42と、この配線導体42上に突出して形成された複数のバンプB40とを備えている。絶縁性基板41の表面は、バンプB40の部位を除き、レジストまたは樹脂(以下「レジスト等」という。)44で被覆されている。
半導体チップ50,60のバンプB50,B60は、たとえば、Auで構成されている。これらのバンプB50,B60の表面にも拡散防止膜と接合膜との積層構造を形成してもよいが、通常は不要である。
半導体ウエハW上の所定の複数のチップ領域A(たとえば、すべてのチップ領域A)に半導体チップCを仮接合し終えると、次に、半導体ウエハWは、上記本接合工程に対応した所定の高温(たとえば、280℃程度)に所定の短時間だけ加熱される。これにより、接合膜の合金部分が溶融し、強固な結合が達成される。半導体ウエハWが280℃程度の高温に加熱されるのは、本接合工程における短時間に限定されるから、半導体ウエハWや半導体チップCに形成された素子特性に対する影響を最小限に抑制しつつ、半導体チップCを半導体ウエハWに接合することができる。
以上、この発明の3つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、親チップ1、配線基板40および半導体ウエハWの側に設けられるバンプの頂面に拡散防止膜および接合膜を形成することとしたが、子チップ2,3、半導体チップ50,60および半導体チップCの側に設けられるバンプの頂面に拡散防止膜および接合膜を設けることとし、親チップ1、配線基板40および半導体ウエハW側のバンプの頂面には、拡散防止膜および接合膜を設けないようにしてもよい。
また、互いに接合される電子装置(配線基板または半導体チップ)の両方にバンプを設けておく必要はなく、いずれか一方にのみバンプを設けておいてもよい。たとえば、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接合する場合に、半導体チップ側にのみバンプを設けておき、このバンプを配線基板上に配線導体に接合するようにしてもよい。この場合には、半導体チップ側のバンプの頂面に、拡散防止膜および接合膜の積層構造を形成しておけばよい。
また、上記図6および図7の構成の場合、Cuからなる配線導体42とAuからなるバンプB40との間にNi層を介在させて、これらの間の相互拡散を抑制することが好ましい。
2,3 子チップ
13 表面保護膜
14 拡散防止膜
15 接合膜
15A 単体領域
15B 合金領域
24 拡散防止膜
25 接合膜
31 Au−Sn−In合金領域
32 SnリッチなSn−In合金領域
33 Sn−In合金の単体領域
34 Sn単体領域
35 Au−Sn合金領域
40 配線基板
41 絶縁性基板
42 配線導体
44 レジストまたは樹脂
50,60 半導体チップ
54 拡散防止膜
55 接合膜
70 拡散防止膜
151 中央合金領域
152 単体領域
153 周縁合金領域
B1,B2,B3 バンプ
B40,B50,B60 バンプ
A チップ領域
B バンプ
C 半導体チップ
L スクライブライン
W 半導体ウエハ
Claims (22)
- 基板と、
基板の表面に形成され、第1金属材料からなるバンプと、
このバンプの頂面に形成され、単体の状態の融点が上記第1金属材料との合金の融点よりも低い第2金属材料からなり、他の装置の電気接続部との接合のための接合膜と、
上記バンプの頂面と上記接合膜との間に介在され、上記第1金属材料に対する拡散係数が上記第2金属材料よりも低い第3金属材料からなり、上記バンプの頂面の一部を覆うとともに残余の部分を露出するように形成された拡散防止膜とを含み、
上記接合膜は、上記拡散防止膜上に形成された部分と、上記バンプの頂面に接して形成された部分とを有している
ことを特徴とする電子装置。 - 上記電子装置は、外部接続用のパッドを活性面に有していることを特徴とする請求項1記載の電子装置。
- 上記パッドは、リードフレームのリード部にボンディングワイヤを介して電気接続されていることを特徴とする請求項2記載の電子装置。
- 上記電子装置は、上記バンプを複数有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電子装置。
- 上記基板が多層の配線構造を有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の電子装置。
- 上記配線構造のうち最上層の配線の一部は、上記基板に形成された表面保護膜が有する開口から露出していることを特徴とする請求項5記載の電子装置。
- 上記バンプは金またはCuからなることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の電子装置。
- 上記接合膜が、Sn、Sn−In合金、インジウムのいずれかからなることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の電子装置。
- 上記接合膜の膜厚が0.1μm以上、5μm以下であることを特徴とする1ないし8のいずれかに記載の電子装置。
- 上記拡散防止膜が、TiW、Ni、Ti、Crのいずれかからなることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の電子装置。
- 上記拡散防止膜の膜厚が、200Å以上であることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の電子装置。
- 上記拡散防止膜が、上記バンプの頂面の中央領域のみに形成されていることを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の電子装置。
- 上記接合膜上の中央領域を覆うとともに周縁の環状領域を露出させる第2拡散防止膜をさらに含むことを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の電子装置。
- 上記第2拡散防止膜が200Å以上の膜厚を有することを特徴とする請求項13記載の電子装置。
- 上記第2拡散防止膜および上記接合膜の露出部分を覆うように積層して形成された第2接合膜をさらに含むことを特徴とする請求項13または14記載の電子装置。
- 上記第2接合膜の膜厚が0.1μm〜5μmであることを特徴とする請求項15記載の電子装置。
- 上記基板は、半導体基板であり、
上記電子装置は、半導体チップであることを特徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の電子装置。 - 上記基板は、絶縁基板上に配線導体が形成された配線基板であり、
上記バンプは、上記配線導体に接合された状態で上記配線基板上に設けられていることを特徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の電子装置。 - 上記絶縁基板の表面は、上記バンプの部位を除き、レジストまたは樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項18記載の電子装置。
- それぞれバンプを有する第1半導体チップおよび第2半導体チップをバンプ同士を接合させて結合したチップ・オン・チップ構造の半導体装置であって、
上記第1半導体チップおよび第2半導体チップのうちの少なくともいずれか一方が、請求項17記載の電子装置からなっていることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁基板上に配線導体が形成された配線基板と、
この配線基板に上記バンプを対向させて上記配線導体に接合された請求項17記載の電子装置とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板にバンプを介して半導体チップを接合させることによって半導体装置を製造するための方法であって、
上記バンプが上記半導体基板および半導体チップの少なくともいずれか一方の表面に形成されており、上記バンプが第1金属材料からなり、このバンプの頂面に単体の状態の融点が上記第1金属材料との合金の融点よりも低い第2金属材料からなる接合膜が形成されており、上記バンプの頂面と上記接合膜との間に、上記バンプの頂面の一部を覆うとともに残余の部分を露出するように、上記第1金属材料に対する拡散係数が上記第2金属材料よりも低い第3金属材料からなる拡散防止膜が形成されており、上記接合膜は、上記拡散防止膜上に形成された部分と、上記バンプの頂面に接して形成された部分とを有しており、
上記方法は、
上記半導体チップが上記バンプを挟んで上記半導体基板上に配置された状態で、上記第2金属材料の単体の状態の融点以上であって、上記第1金属材料および第2金属材料の合金の融点未満の第1温度に上記接合膜を加熱することにより、上記半導体チップを上記半導体基板に仮接合させる仮接合工程と、
この仮接合工程の後に、上記第1金属材料および第2金属材料の合金の融点以上の第2温度に上記接合膜を加熱することにより、上記半導体チップを上記半導体基板に本接合させる本接合工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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