JP5149206B2 - 回路装置、回路装置の製造方法および回路装置の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップの電極または半導体チップを搭載する基板の電極に、金バンプ等の金ボールを固相拡散接合する回路装置に関する。

半導体チップの電極を回路基板に接続するために、金バンプが用いられている。例えば、特許文献１および２には、半導体チップの下面に備えられた接続パッドに金バンプを形成しておき、回路基板上には表面が金メッキ層の接続パッドを形成し、半導体チップの金バンプを回路基板の金メッキ層に加熱しながら加圧することが開示されている。これにより、Au原子が相互に拡散する固相拡散接合により金バンプを金メッキ層に接合している。

特開平９−３６１７２号公報 特開平１０−２７５８２６号公報

固相拡散接合は、接合面同士がAu原子間距離まで密着することが接合の必要条件であり、接合面間に空隙などがあれば原子の拡散は妨げられる。

接合面（界面）で起こるAu原子の拡散は目視で確認することが困難であるため、試料の接合部の断面を顕微鏡などで確認することにより観察されている。試料接合部の断面分析から以下(1)〜(4)の情報が得られる。
(1)金属間化合物の生成
(2)酸化被膜、吸着した汚染被膜の有無
(3)結晶粒径、形状
(4)結晶方位

これらの情報から接合状態を確認することができる。特に(3)の情報に着目し、接合界面近傍の結晶状態、特に結晶粒の成長を観察することにより、Au原子の拡散状態を確認することができる。例えば、図９(a)に示したように接合面に空隙がなく、密着している状態、図９(b)のように結晶が接合界面を渡って再結晶している状態、図９(c)のように空隙が界面に介在し、接合性が図９(a),(b)に比べ劣る状態のいずれかを判別し、良否の判定をすることができる。

しかしながら、密着した接合界面の微細な空隙や結晶粒を観察するためには、高倍率で高精度の観察装置を用いる必要がある。例えば、Auバンプと金メッキ層の結晶粒は微細なため、これを観察するためには５千倍を超える高倍率が必要である。しかも結晶粒が観察できても、接合界面に空隙が多く、接合界面が明瞭に観察できる状態の場合には、界面で固相拡散が生じているのかどうか判断しにくい。また、良好な接合は局部的に生じていることが多く、局部的な再結晶状態や結晶方位が判断基準と一致しているかどうか判断する必要があり、さらに局所的に高倍率で観察することが必要になる。また、観察のみでは判断がつかない場合には、物理的な接合強度データを参照して判断しなければならない。このため接合の良否判定に熟練と時間を要するという問題があった。

本発明の目的は、Au電極に、Auバンプ等のAuボールを固相拡散接合する回路装置であって、接合部の良否判定を容易に行うことができる構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような回路装置が提供される。すなわち、第１電極を備えた第１の部材と、第２電極を備えた第２の部材と、第１および第２の電極に挟まれた位置に配置され、両電極を接続するAuバンプを備えた回路装置であって、第１電極は、少なくとも表面がAu層からなり、第１電極の上には、Au層の結晶粒よりも粒径が小さいAu多結晶からなるAu微細結晶膜が配置されている回路装置である。このようにAu微細結晶膜を第1電極上に配置することにより、Auバンプの接合時に、接合界面を渡って成長する再結晶粒を容易に認識可能になる。

例えば、第１電極のAu層としてはAuメッキ層、Au微細結晶膜としては気相成長により形成された膜を用いる。

Au微細結晶膜は、第１電極のAu層よりも膜厚が薄いことが望ましい。

また、本発明の第２の態様によれば、以下のような回路装置の製造方法が提供される。少なくとも表面がAu層からなるAu電極を備えた基板に、Auバンプを固相拡散接合する工程を含む回路装置の製造方法であって、固相拡散接合工程は、Au電極の上に、Au電極の表面のAu層を構成するAuの結晶粒よりも結晶粒の小さいAu微細結晶膜を形成する工程と、Au微細結晶膜が形成されたAu電極上にAuバンプを加熱圧着する工程とを有する。このようにAu微細結晶膜を第1電極上に配置してから、Auバンプを圧着することにより、接合界面を渡って成長する再結晶粒を容易に認識可能になる。Au層としては、例えばAuメッキ層を用いる。

Au微細結晶膜を形成する工程では、例えば、気相成長法によりAu微細結晶膜を形成する。具体的には、蒸着法あるいはスパッタ法により形成することができる。

本発明の第３の態様によれば、上記回路装置の評価方法が提供される。すなわち、第１電極とAuバンプの断面を拡大観察し、Au微細結晶膜とAuバンプとの接合面を渡って形成された再結晶粒が確認された場合、良品と判断する回路装置の評価方法である。また、Au微細結晶膜と第１電極を渡って形成された再結晶粒、または、微細結晶を介して第１電極とAuバンプとの間を渡って形成された再結晶粒を確認することにより、良品と判断することも可能である。

本発明によれば、Au電極とAuバンプの断面を拡大観察することにより、Au電極とAuバンプとの接合面を渡って形成された再結晶粒を、微細結晶膜の結晶粒の大きさの違いから容易に識別することが可能になるため、固相拡散接合の接合部の良否判定を容易に行うことができる。

本実施形態の半導体装置の側面図。 （ａ）本実施形態のAu膜５の望ましい厚さと結晶粒の大きさとの関係を示す説明図、（ｂ）Au膜５が柱状晶である場合の望ましい粒径（柱の径）とAuメッキ膜の結晶粒サイズとの関係を示す説明図。 （ａ）本実施形態の半導体装置の製造工程を示す説明図、（ｂ）Ａｕバンプ４が形成されたＡｕ電極を示す側面図。 本実施形態の評価方法において、Auバンプ４をAu電極６の断面と、その断面に観察される結晶粒を示す説明図。 （ａ）本実施形態の試料の顕微鏡写真、（ｂ）比較例の試料の顕微鏡写真。 本実施の形態の接合面を渡って形成される再結晶粒６１，６２，６３の位置を示す説明図。 （ａ）〜（ｄ）本実施形態の半導体装置の接合前後の結晶組織の変化を示す説明図、（ｅ）〜（ｈ）比較例の結晶組織の変化を示す説明図。 本実施形態のAu膜をワイヤボンディングされる基板電極に設けた例を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）Auバンプを基板電極に圧着した状態の結晶粒を示す説明図。

本発明の一実施の形態の半導体装置について説明する。

本実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、下面電極２を備える半導体チップ１と、上面にAu電極６を備える回路基板７とをAuバンプ４により接続した構成である。Au電極６は、少なくとも表面がAuメッキ層からなる。Au電極６の全体がAuメッキ層からなる構成であっても、表面のみがAuメッキ層からなり、その下層は１以上の他の金属層からなる構成であってもよい。メッキ層は、メッキ条件にもよるが、一般的に比較的粒径の大きな多結晶が成長するのが特徴であり、電極６のAuメッキ層の結晶粒も比較的粒径が大きい。

本実施の形態では、Au電極６の表面に、Auメッキ層よりも結晶粒の微細なAu膜５を配置する。Au膜５は、例えば、蒸着法やスパッタ法等の気相成長法により形成する。結晶粒の形状は、粒状晶に限らず柱状晶であってもよい。このように、結晶粒の微細なAu膜５を配置することにより、Au電極６とAuバンプ４の接合状態の評価を容易にすることができる。

Au膜５の厚さは、０．５μｍ以上２．０μｍ以下であることが望ましく、１μｍ程度であることがより望ましい。Au電極６は、少なくとも表面のAuメッキ層が２μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましく、２μｍ以上４μｍ以下であることがより望ましい。Au膜５の膜厚は、Au膜５の結晶粒の粒径の３倍以上、すなわち、図２（ａ）に示したようにAu膜５の厚み方向に結晶粒が３個以上並ぶ厚さであることが好ましい。また、Au膜５の結晶粒が柱状晶の場合、図２（ｂ）のように、その粒径（柱の径）が、隣接するAu電極６のAuメッキ層の結晶粒径の１／３以下であることが望ましい。これにより、接合部の結晶粒を５０００倍程度の倍率で観察することができるためである。

この半導体装置の製造方法について説明する。

Au電極６が形成された回路基板７を用意し、Au電極６の表面にAu膜５を形成する。Au膜５の形成方法としては、Au電極６のAuメッキ層の結晶粒よりも微細な結晶粒が形成される成膜方法を用いる。例えば、電子ビーム加熱による蒸着法を用いることができる。電極６以外の部分に蒸着膜が付着しないように、レジストでマスキングする等の手法を用いる。

上面にAu膜５が形成されたAu電極６をAuの融点以下の所定温度（例えば２００℃程度）に加熱しておく。別途用意したAuワイヤの先端に放電加工を施すことにより球状にしたAuボールをAu蒸着膜５付きのAu電極６に超音波を併用しながら加熱および加圧し、接合する。Auワイヤを引き切りすることにより、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、下面がAu電極６にAu−Au固相拡散接合されたAuバンプ４が形成される。

半導体チップ２および回路基板７を図３（ａ）のように位置合わせする。半導体チップ２および回路基板７を所定温度（例えば２００℃程度）に加熱し、半導体チップ１の下面電極２を回路基板７上のAuバンプ４に所定の荷重で圧着する。これにより、Auバンプ４と下面電極２とが固相拡散接合され、図１の形状の半導体装置が製造される。

次に、Auバンプ４とAu電極６の接合界面の評価法について説明する。ここでは、図４に示すように半導体チップ１の接合前、すなわちAuバンプ４とAu電極６とを接合した試料で判定を行う。ただし、半導体チップ１の接合工程における加熱および製造後の使用時における熱が加わることを想定し、所定の熱処理（例えば試料に３００℃１３時間程度）を施した試料について接合状態の判定を行う。

まず、接合後の試料に所定の熱処理（試料に３００℃１３時間程度）を施した後、図４に示すようにAuバンプ４とAu電極６とを基板７の主平面に垂直な面で切断し、観察用試料を作製する。試料の断面を５０００倍の電子顕微鏡で観察する。

得られた断面像において、結晶粒径および形状を観察する。断面写真の一例を図５（ａ）に示す。また、比較例として、Au膜５を形成せず、他の条件は同じにして作製した試料の断面写真を図５（ｂ）に示す。

図５（ａ）のように、本実施の形態の試料は、Auバンプ４とAu膜５との接合界面４１（白破線矢印位置）には白実線矢印部分に空隙が存在するが、破線の形状のように接合界面を渡ってAu結晶が再結晶化し、接合面を渡る再結晶粒が存在することが明確に確認できる。接合面４１を渡る再結晶粒を模式的に図６に図示すると、再結晶粒６１のように存在する。この再結晶粒６１が明確に確認できるのは、Auメッキ層の上に、Auメッキ層よりも結晶粒の小さなAu膜５を配置しているため、接合界面を渡る再結晶粒の周囲に、Au膜５の微細な結晶粒が存在し、結晶粒径を認識することにより、再結晶していないAu膜５の微細な結晶粒と、接合界面４１を渡って再結晶した大きな結晶粒とを容易に見分けることができるためである。

このように接合面を渡る再結晶粒を確認することにより、空隙が存在してもその間の領域の接合界面で、Au原子の固相拡散が生じ良好な接合が得られていると判断できる。

一方、比較例の試料は、図５（ｂ）のように、接合面４１の白実線矢印部分に空隙が存在するが、白破線矢印の指す空隙と空隙の間の領域において、結晶粒が接合界面を渡っていることがほとんど確認できない。さらに、微細な空隙が存在しているのか、結晶粒が密着しているのかどうかを見分けることが難しい。よって、空隙と空隙との間の領域をさらに高倍率で観察しなければ、空隙と空隙との間の領域で良好な固相拡散接合が生じているかどうか判断することが難しく、Auバンプ４とAu膜５の間の接合性を判断するのが困難である。

このように、本実施の形態では、Auバンプ４およびAuメッキ層よりも結晶粒径が微細なAu膜５を間に配置したことにより、接合界面４１を渡る結晶粒を容易に見分けることができ、良好な接合であることを判断できる。

また図６に示したように、Au膜５とAuバンプ４との接合面４１を渡って形成された再結晶粒６１だけでなく、Au膜５とAu電極６との接合面４２を渡って形成された再結晶粒６２、および／または、Au膜５を介してAu電極６からAuバンプ４に渡って形成された再結晶粒６３を確認することにより、さらに高い接合性を得られていることを確認できる。

本実施形態の試料において、接合界面を渡る再結晶粒を結晶粒のサイズにより認識することで、接合の良否を判断できるのは、接合界面での再結晶が生じていることによる。ここで、本実施形態のAuバンプ４とAu電極６との接合時の結晶組織の変化を比較例の試料と比較して、図７を用いて説明する。

図７（ａ）、（ｅ）に示したように、電極６のAuメッキ層はメッキ層であるため結晶粒が大きく、Au膜５の結晶粒は蒸着膜であるため微細である。また、電極６に圧着される前のAuボール６１は、放電加工により形成されているため結晶粒が大きい。

図７（ｂ），（ｆ）のように、Auボール６１を超音波を併用しながら電極６に圧着し、Auバンプ４を形成すると、Auバンプ４（Auボール６１）の結晶粒は、冷間加工硬化により結晶粒内に歪みを残した状態で微細化する。

この状態で半導体チップ１の接合工程のための加熱、および、使用時の熱エネルギーが加わると、冷間加熱硬化により微細化していたAuバンプ４の結晶粒は図７（ｃ）、（ｇ）のように再結晶化し成長する。この再結晶化の際、周囲の結晶を巻き込んで成長するため、接合界面を渡る再結晶が生じる。

上述の写真図５（ａ），（ｂ）は、図７（ｃ）および図７（ｇ）の状態の試料をそれぞれ観察した写真である。図７（ｃ）から明らかなように、本実施形態の試料は、Au電極６のAuメッキ層の表面に、微細な結晶粒のAu膜５が存在するため、再結晶化により生じた接合界面を渡る大きな再結晶と、その周囲の再結晶化していないAu膜５の微細な結晶との粒径差が大きく、容易に接合界面を渡る大きな再結晶を判別することができる。これに対し、図７（ｇ）のように、微細なAu膜５を備えていないAu電極６は、Auメッキ層の結晶粒がもともと大きいため、再結晶化により生じた再結晶と、再結晶化していないAuメッキ層の結晶粒とを判別することが難しい。また、結晶粒界と接合界面とを見分けることも難しい。このため、接合界面を再結晶が渡っているのかどうか判別することが困難である。

このように、本実施形態では、Auメッキ層よりも結晶粒が微細なAu膜５を配置したことにより、容易に接合良否を判別することができる。

なお、図７（ｄ）、（ｈ）の状態の半導体装置は、使用により熱エネルギーがさらに加わることにより、さらに再結晶化が進行し、Auメッキ層の深い部分まで結晶粒が成長した状態を示している。

上述してきたように本実施の形態では、接合界面に微細な多結晶膜のAu膜５を配置することにより、再結晶粒を認識することが容易であり、固相拡散接合の良否を判断することができる。また、界面の接合状態を高倍率観察を用いなくとも判断しやすい。界面の接合状態を、結晶方位測定や分析を用いなくとも、再結晶粒の認識だけで判断することが可能である。空隙等のように接合界面で生じた不具合があっても、空隙の間の接合界面を渡る再結晶があることを容易に観察でき、その間の領域に対してさらに高倍率な観察を用いなくとも接合状態（固相拡散状態）を判断できる。

また、接合界面に微細な多結晶のAu膜５を配置することは、単に接合状態の観察を容易にするだけでなく、接合性を向上させる効果も得られる。すなわち、微細な多結晶のAu膜を施した接合界面は、接合性が向上し空隙の量が少なくなるという効果が得られる。また、微細な多結晶のAu膜５は、それ自体が歪みを多く含んだ結晶構造であるため、再結晶化が進行しやすく、再結晶化により接合性向上の効果が得られる。また、微細な多結晶のAu膜５は、歪みを多く含んでいるため、強度（硬度）が高い。このためAuボールを押し付けるAuバンプ４の形成の際に、押しつけたAuバンプ４に塑性変形が生じやすい。これにより、接合界面に歪みが多く生じることにより、熱エネルギーが加わった際に、再結晶化により結晶粒の大きな結晶構造を回復しようとする原動力となり、再結晶化を促進することができる。

なお、本実施の形態では、Auバンプ４が形成される回路基板７の電極６に、微細結晶のAu膜５を形成したが、これに限られるものではなく、図８に示すように、金ワイヤ７１をボンディングする基板電極７０の表面にAu膜５を形成しておくことによりワイヤボンディングにおいても同様の作用・効果が得られる。

また、本実施の形態では、回路基板７の電極６にAu膜５を形成しておく例について説明したが、半導体チップ１の下面電極２の表面にAu膜５を形成しておくことも可能である。

本発明は、Au−Au接合を用いて回路形成を行う回路や半導体回路等の製品全般に適用することができる。Au膜５は、Au−Au接合する母材のいずれか一方の表面に設ける。

１…半導体チップ、２…下面電極、４…Auバンプ、５…Au膜、６…Au電極、７…回路基板。

Claims (7)

1. 第１電極を備えた第１の部材と、第２電極を備えた第２の部材と、前記第１および第２の電極に挟まれた位置に配置され、両電極を接続するAuバンプを備えた回路装置であって、
   前記第１電極は、少なくとも表面がAu層からなり、当該第１電極の上には、前記Au層の結晶粒よりも粒径が小さいAu多結晶からなるAu微細結晶膜が配置されていることを特徴とする回路装置。
2. 請求項１に記載の回路装置において、前記第１電極のAu層は、Auメッキ層であり、前記Au微細結晶膜は、気相成長により形成された膜であることを特徴とする回路装置。
3. 請求項１または２に記載の回路装置において、前記Au微細結晶膜は、前記第１電極のAu層よりも膜厚が薄いことを特徴とする回路装置。
4. 少なくとも表面がAu層からなるAu電極を備えた基板に、Auバンプを固相拡散接合する工程を含む回路装置の製造方法であって、
   前記固相拡散接合工程は、
   前記Au電極の上に、該Au電極の表面Au層を構成するAuの結晶粒よりも結晶粒の小さいAu微細結晶膜を形成する工程と、
   前記Au微細結晶膜が形成された前記Au電極上に前記Auバンプを加熱圧着する工程とを有することを特徴とする回路装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の回路装置の製造方法において、前記Au微細結晶膜を形成する工程は、気相成長法により前記Au微細結晶膜を形成することを特徴とする回路装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の回路装置の製造方法において、前記Au微細結晶膜を蒸着法あるいはスパッタ法により形成することを特徴とする回路装置の製造方法。
7. 請求項１に記載の回路装置を評価する方法であって、
   前記第１電極とAuバンプの断面を拡大観察し、少なくとも前記Au微細結晶膜とAuバンプとの接合面を渡って形成された再結晶粒が確認された場合、良品と判断することを特徴とする回路装置の評価方法。