JPH04133330A - 半導体装置およびその接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はバンプを有する半導体装置およびその半導体
装置のバンプと基板上に形成された配線パターンとの電
気的な接続方法に関する。

（従来の技術） 周知のように半導体装置は、高集積化方向にあるととも
に、配線基板などに対して高密度に実装することが要求
されている。この高密度実装への対応としては、たとえ
ばフリップチップ接続やＴＡＢ（Ｔａｐｅ　Ａｕｏｔｇ
ｇａｔｅｄ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）などの手段が知られてい
る。しかして、前記フリップチップ接続およびＴＡＢの
場合は、配線基板上の配線パターンなどへの接続を可能
にするため、半導体素子のボンディングパッド上に突起
形状を有するバンプが形成される。

第６図は半導体素子１のボンディングパッド２上にバリ
アメタル層３を介して、たとえばめっき法、デイツプ法
もしくは蒸着法などによって半田から成るバンプ４を突
起形状（マツシュルームバンプ）に形成した構成を断面
的に示したものである。また、第７図は半導体素子】の
ボンディングパッド２上にバリアメタル層３を介して、
前記パッド２部分が開口した厚膜レジストを用い、たと
えばめっき法などによって半田から成るバンプ４を垂直
に（ストレートウオールバンプ）に形成した構成を断面
的に示したものである。なお、第６図および第７図にお
いて５はパッシベーション膜を示す。

さらにこの改良手段として、前記バンプ４上に、バンプ
４を構成する金属より低融点の金属もしくは合金を積層
して低温接続を可能・にすることも試みられている（Ｉ
ＥＥＥ　ＪＡＰＡＮ　ＩＥＭＴ　ＳＹＭＰＯ８ＩＵＭ　
１９８９ｐＨ４〜１１８）。

一方、上記バンプ４か形成された半導体装置（半導体素
子）を配線基板に実装する場合、たとえば半導体装置を
主に形成するシリコンと、半導体装置を実装する基板と
の熱膨脹係数が大きく異なると、温度サイクルなどに起
因する熱ストレスによって、前記バンプなどによる接続
部分で破断を生じるという問題がある。これを改善する
手段として、たとえば基板にシリコンを用いるＣ０Ｗ（
ｃｈｉｐ　Ｏｎ　ｗａｆｅｒ）が提案されている。しか
し、この手段は基板を製作するために、半導体装置を製
作（製造）する場合と同等あるいはそれ以上の複雑な工
程を要しコストアップとなる。

さらに、熱ストレスによるバンプ部分での破断不良を解
決する手段として、バンプ構造を熱ストレスに対して耐
性を呈する構造とすることも知られている。たとえば、
ポリイミド樹脂テープを挾む積層構造とし、熱ストレス
を緩和する方式がある（電子通信情報学会技術研究報告
ＣＰＭ−１９−２４（１９８７））。しかし、この方式
の場合は、バンプシートと呼称されるものを別途作成す
る必要があり、形成方法も複雑でコストアップとなるば
かりでなく、重ねるバンプ段数の増加に伴い、接続箇所
が増加するため、信頼性の上で問題がある。

また、熱ストレスによる破断不良は、バンプ４が半導体
装置１に接する界面付近で発生するため、バンプ４が溶
融して接続された状態とした後、半導体装置１と基板と
を引き離すことにより、バンプ４による接合部の形状を
鼓型にすることも試みられている。しかしながら、この
バンプ４による接合部の形状を鼓型にする手段の場合は
、半導体装置１と基板とを引き離す距離を十分かつ適確
に選択・設定しないと、接続不良など生じ易く信頼性に
問題があるとともに、外観も損なわれるという問題があ
る。

（発明が解決しようとする課題） 前記したようにボンディングパッド２上に構成ないし形
成されたバンプ４を有する半導体装置を、熱膨脹係数の
異なる所要の基板面上にたとえばフェイスダウンに搭載
・実装した場合、前記熱膨張率の相違に起因する熱スト
レスによりバンプ部分で破断か生しるという問題かある
。しかして、この解決策ないし回避策もいろいろ試みら
れているが、工程か繁雑であったり、大幅なコストアッ
プを招いたり、あるいは接続不良など起き信頼性に問題
かあって、実用上十分満足し得る手段とはいえない。

本発明は上記事情に対処してなされたもので、半導体装
置の熱膨脹係数と異なる熱膨脹係数を有する基板に、前
記半導体装置を実装する場合において、実装工程や実装
後の熱ストレスにより、半導体装置のバンプ部分での破
断発生を全面的に容易かつ確実に防止ないし回避しバン
プ構造を有する半導体装置およびその半導体装置を基板
に接続する方法の提供を目的とする。

〔発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る半導体装置は、ボンディングパッド上に融
点の異なる複数種の金属もしくは合金で形成されたバン
プを有する半導体装置において、前記バンプは第１の金
属もしくは合金面上に第１の金属もしくは合金よりも融
点の高い第２の金属もしくは合金層か形成されているこ
とを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置の接続方法は、ボンティ
ングバットおよびこのボンディングパッド上に形成され
たバンプを介して半導体装置を基板面に接続する半導体
装置の接続方法において、前記半導体装置のボンディン
グパッド上に形成されたバンプとなる第１の金属もしく
は合金層と、基板上に形成されたバンプとなる第１の金
属もしくは合金よりも融点の高い第２の金属もしくは合
金層とを、前記第２の金属もしくは合金よりも融点の低
い第３の金属層を介して、前記第２の金属もしくは合金
の融点より低温で第１の金属もしくは合金あるいは第３
の金属層のすくなくともいずれか一方をを溶融させて半
導体装置を基板上に接続する工程を具備することを特徴
とする。

（作用） 本発明によれば、ボンディングパッド上に第１の金属な
いし合金層、第１の金属ないし合金よりも融点の高い第
２の金属ないし合金層か順次形成されている。しかして
、第２の金属ないし合金の融点よりも低温度で、第１の
金属ないし合金を溶融したとき、バンプを形成している
第１の金属ないし合金が、下地となるボンディングパッ
ド界面まで広がり、前記第１の金属ないし合金とボンデ
ィングパッドとの接触角は９０度未満になる。

このような構造を採ることにより、ボンディングパッド
とバンプ界面でバンプに加わる応力が緩和されるため、
熱ストレスに対してすぐれた耐性を呈する。

また、前記半導体装置を基板面に接続（実装）するとき
には、第３の金属ないし合金層を接合面に介在させ、第
２の金属ないし合金の融点よりも低温度で、第１の金属
ないし合金および第３の金属ないし合金の少なくともい
ずれか一方を溶融すると、半導体装置側は勿論のこと基
板側のパッドとバンプ界面でも、バンプとパッドとの接
触角が９０度未満になる。したがって、ボンディングパ
ッドとバンプ界面でバンプに加わる応力が容易に緩和さ
れるため、熱ストレスに対してすぐれた耐性を呈するこ
とになり、たとえば接続部を鼓型に形成するなどの煩雑
な操作など要せずに信頼性の高い接続が実現される。

（実施例） 以下第１図〜第５図を参照して本発明の詳細な説明する
。

第１図および第２図は本発明に係る半導体装置の要部の
構成、すなわち本発明に係る半導体装置の異なるバンプ
構造例をそれぞれ断面的に示し、また第３図は本発明に
係る半導体装置を基板面に実装・接続したときのバンプ
接続部の構成を断面的に示したものである。

これら第１図〜第３図において、１は半導体素子、２は
ボンディングパッド、３はバリアメタルたとえばＴｉ層
３ａとＣｕ層３ｂとの２層構造をなしている。さらに、
５はパッシベーション膜、６は第１の金属ないし合金の
層でたとえばＰｂ／　Ｓｎ　−６０／　４０の融点２６
０℃の合金、７は第２の金属ないし合金層でたとえばＰ
ｂ／　Ｓｎ　−９５／　５の融点３２０　”Ｃの合金、
８は第３の金属ないし合金の層でたとえばＰｂ／Ｓｎ−
６０／　４０の融点２６０℃の合金、９は基板１０側の
パッドをそれぞれ示す。

上記のような構造のバンプを有する半導体装置は、たと
えば第４図（ａ）〜（ｆ）に断面図で実施態様を模式的
に示すような工程で製造し得る。

先ず、半導体素子領域１の所定面上にボンディングパッ
ド２が形成され、さらにそのボンディングパッド２を除
いた面上にパッシベーション膜が形成されたウェハを用
意しまたとえば蒸着法によってＴｉ／Ｃｕ膜３を全面蒸
着する（第４図（ａ））。

次いで、厚膜用レジストＡＺ４９０３（商品名、ヘキス
トジャバン）をスピンコードして膜厚３５μｌのレジス
ト層を形成し、露光・現像処理してたとえば一辺が１０
０μ園の方形の開口を有するボンディングパッド２より
も、−辺が２０μｍ大きい１２０μ■の方形に、レジス
ト１１を開口する（第４図（ｂ））。

このようにして、ボンディングパッド２に対応する部分
のレジスト層１１が開口されたウェハを、予め用意して
おいた全スズ４０ｇ／Ｉ　、第一スズ３５ｇ／ｇ、鉛４
４ｇ＃　、遊離ホウ酸４０ｇ＃！　１ホウ酸２５ｇ／ｉ
）およびニカワ３．０ｇ／　Ｎからなる溶液に浸漬して
、前記Ｔｆ／Ｃｕ膜３を陰極とし、また４０％スズ合金
を陽極とし、電流密度３．２Ａ／ｄＩｍ印加、浴温２５
Ｃ１ゆるやかに攪拌しなからＰｂ／５ｎ−８０／４０合
金６を２５μ■厚さにめっきする。

次いで、前記めっき液を全スズ５ｇ／　ｆｌ　、第一ス
ズ４ｇ／　Ｉ）　、鉛９０ｇ／Ｉ、遊離ホウフッ酸４０
ｇ＃　、ホウ酸２５ｇ／ｌおよびニカワ０．５ｇ／　ｇ
からなる溶液に変え、Ｔｌ／Ｃｕ膜３を陰極とし、また
５％スズ合金を陽極とし、電流密度３．２＾／ｄａ印加
、浴温２５℃、ゆるやかに攪拌しながらＰｂ／Ｓｎ　−
９５１５合金７を１０μ謹厚さにめっきする（第４図（
Ｃ））。

上記によりＰｂ／Ｓｎ　＝６０／４０６０／４０びＰｂ
／Ｓｎ−９５１５合金７を形成した後、前記めっきレジ
スト層１１を除去しく第４図（ｄ）　）　、再度ポジレ
ジスト０ＦＰＩ？−８［１０（商品名、東京応化）で、
前記Ｐｂ／Ｓｎ合金６．７を形成した領域を、その寸法
よりも太きい一辺１４０μｍの島状にマスキングし、過
硫酸アンモニウム、硫酸およびエタノールから成る混合
溶液でＣｕ膜３ｂをエツチング除去後、ＥＤＴ＾、アン
モニアおよび過酸化水素水から成る溶液てＴｉ膜３ａを
エツチング除去し、マスクをアセトンで除去した（第４
図（ｅ））。

しかる後、前記第２の金属７であるＰｂ／Ｓｎ　＝９５
１５の融点（３２０℃）よりも低く、第１の金属６であ
るＰｂ／５ｎ−６０／４０の融点（２６０℃）よりも高
い２８０℃でリフローすることによって、所望のバンプ
構造を有する半導体装置が得られる（第４図（ｆ）さら
に、本発明に係る半導体装置の他の構成例は、たとえば
第５図（ａ）〜（ｄ）に断面図で実施態様を模式的に示
すような工程で製造し得る。

先ず、半導体素子領域１の所定面上にボンディングパッ
ド２が形成され、さらにそのボンディングパッド２を除
いた面上にバ；ンシベーション膜５が形成されたウェハ
を用意し、厚膜用レジストＡＺ４９０３　　（商品名、
ヘキストジャバン）をスピンコードして膜厚３５μＩの
レジスト層を形成し、露光・現像処理してたとえば一辺
か１００μ膿の方形の開口を有するボンディングパッド
２よりも一辺が２０μ■小さい８０μ−の方形に、ボン
ディングパッド２上のレジスト１１を開口する（第５図
（ａ））。

このようにして、ボンディングパッド２に対応する部分
のレジスト層１１を開口したウェハに対して、蒸着法に
よって第１の金属としてＰｂ／Ｓｎ　−６０／４０合金
層６を１５μｍ厚さに形成した後、蒸発源を変え、Ｐｂ
／５ｎ−９５１５合金層７を２０μ■厚さに連続形成す
る（第５図（ｂ））。

上記によりＰｂ／Ｓｎ　＝６０／４０合金層６およびＰ
ｂ／５ｎ−９５７５合金層７を形成した後、前記めっき
レジスト層１１およびレジスト層上の合金層６．７を除
去（第５図（ｃ）　）　してから、前記第２の金属７で
あるＰｂ／５ｎ−９５１５の融点（３２０℃）よりも低
く、第１の金属６であるＰｂ／Ｓｎ　＝６０／４０の融
点（２６０℃）よりも高い２９０℃でリフローすること
によって、所望のバンプ構造を有する半導体装置が得ら
れる（第５図（ｄ）。

次に、上記のごと（構成した半導体装置を、基板に接続
する例について説明する。

前、？Ｃ！第４図（ｃ）もしくは第５図（ｂ）に示すよ
うなバンプ構造の第２の金属層７上に、この第２の金属
層７よりも融点の低い第３の金属層８、たとえばＰｂ／
５ｎ−６０／４０の金属層８を電気めっき法もしくは蒸
着法を選択的に形成する。しかる後、前記第３の金属層
８を対応する基板のパッドに対接させ、前記第２の金属
７の融点よりも低い温度で、第３の金属８／第１の金属
６の少なくともいずれか一方を加熱溶融させることによ
って、バンプ部分で破断なと起こさず容易に接続し得る
。

たとえば、前記構成のバンプを有する半導体装置（チッ
プ）を、熱膨脹係数６．０〜Ｂ、５　ｘ　ｚＯ−６／℃
（シリコンの３．５　Ｘｌ０−６／”Ｃに比べ約２倍）
のアルミナ基板に対し、前記第３図に図示したように接
続した場合、半導体チップのバンプ４と基板１０側バツ
ド９との接触角が両側とも６０度であり、温度サイクル
試験（−５５℃（３０■ｆｎ）　〜２５℃（５ｓｉｎ）
　〜１５０℃（３０■ｆｎ）　〜２５℃（５ｓｉｎ）を
３０００サイクル行っても、接続箇所には破断は認めら
れず、半導体装置としての特性にも変化かなく、実装基
板としての信頼性も十分であった。

なお、本発明は上記実施例に限られるものでなく、その
要旨を逸脱しない範囲で変形することができる。たとえ
ば、融点の異なる金属として上記では、Ｐｂ／Ｓｎ系を
例示したが、Ｐｂ／Ｓｎ系にＩｎ、Ｓｂなど添加したも
の、あるいは＾ｕ、Ｎ１．Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉなど
の金属もしくはこれらを主成分とする合金を用いてもよ
く、また金属層の厚さも適宜選択し得る。さらに、これ
らの金属層の形成手段や接合する基板も前記例示に限定
されないことはもちろんである。

［発明の効果コ 本発明によれば、半導体装置のボンディングパッド上に
第１の金属ないし合金、および前記第１の金属ないし合
金よりも融点の高い第２の金属ないし合金の層が順次形
成されている。しかして、融点の低い第１の金属ないし
合金を溶融させたとき、その第１の金属ないし合金は溶
融前のバンプ径よりも大きな面積を有する下地金属の端
部間で流出するが、第２の金属ないし合金が溶融しない
状態を保持しているため、表面張力により第１の金属な
いし合金のボンディングパッドとの接触角も９０度未満
にすることが可能となり、ボンディングパッドとバンプ
界面における熱ストレスに起因する応力が緩和され、強
固な接続構造を形成する。

また、前記接続において、第２の金属ないし合金上ある
いは基板のパッド上に、基板のパッド面積よりも小さい
径で第３の金属ないし合金層を形成しておき、第２の金
属ないし合金の融点よりも低い温度で第１もしくは第３
の金属ないし合金を溶融して接続した場合は、半導体装
置側は勿論のこと基板側のパッドとバンプ界面でも、バ
ンフトパッドとの接触角を９０度未満となし得る。つま
り、半導体装置と基板との間に存在するバンプと、半導
体装置のボンディングパッドもしくは基板の接続パッド
との界面に加わる応力を最小限にすることができ、信頼
性ある半導体装置の接続を実現できる。しかも、前記バ
ンプ構造および接続方式によれば、半導体装置と基板と
を接続する場合、従来のようにバンプを溶融させた後、
半導体装置と基板とを若干引き離すという工程も要しな
い。つまり、前記バンプをリフローするときの温度を調
節するだけの安易な手段（熟練など不要）で、熱ストレ
スに対し、十分信頼性の高い半導体装置の接続を達成し
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に係る半導体装置の要部構
成のそれぞれ異なる例を示す断面図、第３図は本発明に
係る半導体装置を基板に接続（実装）したときの要部構
成例を示す断面図、第４図（ａ）〜（「）および第５図
（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る半導体装置のそれぞれ異
なる製造例を模式的に示す断面図、第６図および第７図
は従来の半導体装置の要部構成のそれぞれ異なる例を示
す断面図である。 １・・・・・・半導体素子 ２・・・・・・ボンディングパッド ３・・・・・・バリアメタル ４・・・・・・バンプ ５・・・・・・パッシベーション膜 ６・・・・・・第１の金属層 ７・・・・・・第２の金属層 ８・・・・・・第３の金属層 ９・・・・・・基板側パッド ｌＯ・・・・・・基板 １１・・・・・・レジスト層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ボンディングパッド上に融点の異なる複数種の金
   属もしくは合金で形成されたバンプを有する半導体装置
   において、 前記バンプは第１の金属もしくは合金面上に第１の金属
   もしくは合金よりも融点の高い第２の金属もしくは合金
   層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. （２）ボンティングパッドおよびこのボンディングパッ
   ド上に形成されたバンプを介して半導体装置を基板面に
   接続する半導体装置の接続方法において、 前記半導体装置のボンディングパッド上に形成されたバ
   ンプとなる第１の金属もしくは合金層と、基板上に形成
   されたバンプとなる第１の金属もしくは合金よりも融点
   の高い第２の金属もしくは合金層とを、前記第２の金属
   もしくは合金よりも融点の低い第３の金属層を介して、
   前記第２の金属もしくは合金の融点より低温で第１の金
   属もしくは合金あるいは第３の金属層のすくなくともい
   ずれか一方をを溶融させて半導体装置を基板上に接続す
   る工程を具備することを特徴とする半導体装置の接続方
   法。