JPH1012670A - 半導体素子、半導体装置、および半導体装置の検査方法 - Google Patents

半導体素子、半導体装置、および半導体装置の検査方法

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JPH1012670A
JPH1012670A JP16578396A JP16578396A JPH1012670A JP H1012670 A JPH1012670 A JP H1012670A JP 16578396 A JP16578396 A JP 16578396A JP 16578396 A JP16578396 A JP 16578396A JP H1012670 A JPH1012670 A JP H1012670A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁基板上のアルミニウム配線パターンにバ
ンプ電極を介して良好に接続される半導体素子を提供す
る。 【解決手段】 絶縁基板上に形成された配線パターンに
バンプを介して電気的、機械的に接続される半導体素子
である。前記バンプは、導電性材料からなる第1の層
と、前記第1の層の上に形成されたAu4 Alからなる
第2の層と、前記第2の層の上に形成され、前記配線パ
ターンとの固相拡散反応により金属間化合物を生じるた
めのAuからなる第3の層とを有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バンプを介して基
板に実装するための半導体素子、および半導体素子がフ
ェイスダウンボンディングによって基板に実装された半
導体装置に関する。また、本発明は、バンプを介して半
導体素子が基板上に実装された半導体装置の検査方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子を配線基板上に実装す
るに当たっては、ワイヤを用いて電気的に接続を行なう
ワイヤボンディング実装が用いられていたが、半導体装
置をより薄く、かつ、より高密度に実装する方法が求め
られている。そこで、このワイヤボンディング実装に代
わって、バンプが形成された半導体素子を、配線基板に
直接接続し実装するフェイスダウン実装技術が開発され
てきている。
【0003】このフェイスダウン実装は、スーパーコン
ピューターなどに適用されるハンダバンプを用いたフリ
ップチップ技術や、液晶ディスプレイなどに適用される
COG(Chip on Glass)等、用途に応じ
て種々の接続材料および実装方式が提案されている。C
OG実装の一つの手法としては、半導体素子上に形成さ
れた低融点かつ硬度の低いハンダバンプを、基板上の配
線パターンに圧接して半導体素子と絶縁基板とを電気的
に接続する方法が挙げられる。しかしながら、この方法
は、特開平3−108734号公報に開示されているよ
うに、機械的強度が弱いので、信頼性を確保するために
最終的に樹脂封止を行なわなければならない。また、基
板上の配線パターンがアルミニウム等の強固な酸化膜を
形成しやすい金属で形成されている場合には、接続前の
配線パターン表面が酸化膜で覆われてしまうので、ハン
ダバンプを配線パターンに圧接しても、配線パターン表
面の酸化膜を十分に破壊することができない。このた
め、ハンダバンプと配線のアルミニウムとを確実に接続
することができず、十分な接続信頼性を得られないとい
う問題があった。
【0004】ハンダバンプにより半導体素子を配線基板
上に実装するための他の方法としては、ハンダバンプを
溶融して配線パターンの金属と合金化し、それによって
ハンダバンプと配線パターンとを接続する方法が知られ
ている。しかしながら、この合金化の方法を用いても、
アルミニウム等のハンダにぬれにくい金属で配線パター
ンが形成されている場合には、ハンダバンプと配線パタ
ーンとを良好に接続することができなかった。
【0005】これらの問題点を解決するために、金バン
プを介して半導体素子を絶縁基板上のアルミニウム配線
パターンに接続する方法が提案されている。この方法に
よれば、配線パターンを構成するアルミニウムとバンプ
を構成する金とは、固相拡散によって接合されるので、
強固な酸化膜が生じ得るアルミニウムなどで配線パター
ンが形成されている場合でも、接続部の信頼性をある程
度高めることができる。
【0006】なお、金とアルミニウムとを固相拡散反応
させた場合には、AuAl2 、AuAl、Au2 Al、
Au5 Al2 、およびAu4 Alの5種類の金属間化合
物が生じることが知られている。上述したとおり、CO
G実装やワイヤボンディングでは、基板上のアルミニウ
ム配線が1μm程度の薄膜であるのに対し、金は20μ
m程度の高さを有するバンプであったり、80μm程度
のボール状の部分を有する細線であったりする。したが
って、アルミニウムの量に比べて金の量がはるかに多い
ことになる。固相拡散の初期反応が良好に進行しなけれ
ば、金とアルミニウムとの間に安定な金属間化合物を生
じさせることができず、接合部にクラック等が発生する
ことがある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、絶
縁基板上のアルミニウム配線パターンにバンプ電極を介
して良好に接続される半導体素子、および高い接続信頼
性を有する半導体装置を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、アルミニウム配線に金バンプを介して半
導体素子を接続する際の検査方法を提供することを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第1の発明は、絶縁基板上に形成された配線パター
ンにバンプを介して電気的、機械的に接続される半導体
素子において、前記バンプは、導電性材料からなる第1
の層と、前記第1の層の上に形成されたAu4Alから
なる第2の層と、前記第2の層の上に形成され、前記配
線パターンとの固相拡散反応により金属間化合物を生じ
るためのAuからなる第3の層とを有することを特徴と
する半導体素子を提供する。
【0009】また、第1の発明は、表面にアルミニウム
配線パターンが形成された絶縁基板と、膜厚0.05μ
m以上のAu4 Al層上にAu薄膜が形成されたバンプ
を介して前記絶縁基板のアルミニウム配線パターンに電
気的に接続された半導体素子とを具備し、前記アルミニ
ウム配線パターンとバンプとの接触領域には、バンプの
表面薄膜であるAuと配線のアルミニウムとの固相拡散
反応により生じたAu−Al金属間化合物が形成されて
いることを特徴とする半導体装置を提供する。
【0010】さらに、第2の発明は、絶縁基板の表面に
形成されたアルミニウム配線パターンに、半導体素子に
形成された金バンプを接触させ、前記基板と半導体素子
とを加熱・圧接して、前記配線パターンの基板に接する
側にはアルミニウムを残しつつ、この配線パターンの金
バンプに接する側には、前記配線を構成するアルミニウ
ムとバンプを構成する金との間で固相拡散反応を生ぜし
めてAu−Al金属間化合物層を形成することにより、
半導体素子を絶縁基板に仮接続する工程と、前記半導体
素子の接続状態および動作を検査する工程とを具備し、
前記検査により不良が認められない場合には、前記半導
体素子および基板を加熱しつつ圧接してバンプと配線と
の接続部に、基板表面に到達するようにAu−Al金属
間化合物層を形成することにより半導体素子を基板に本
接合し、前記検査により不良が認められた場合には、加
圧せずに前記半導体素子、基板および接続部の少なくと
も1つを加熱して、前記仮接続の工程で生じたAu−A
l金属間化合物層とバンプを構成する金との界面に欠陥
を発生させ、この欠陥部から半導体素子を剥離すること
を特徴とする半導体装置の検査方法を提供する。
【0011】以下、第1の発明を詳細に説明する。第1
の発明の半導体素子においては、金バンプの表面に、A
4 Alからなる層とAu薄膜とが積層されている。こ
のようなバンプを有する半導体素子を基板上に形成され
たAl配線に接続するに当たっては、主としてAu4
l層上のAu薄膜と配線のAlとの間において、固相拡
散反応が生じてAu−Al金属間化合物が形成される。
なお、AuとAlとの固相拡散反応により種々のAu−
Al金属間化合物が生じるが、このなかではAu4 Al
が最も安定な最終生成物である。かかる構造のバンプと
Al配線とを熱圧接した場合に、Au4 Al中へのAl
の拡散は、Au4 Alの化学量論性を崩すことになるの
で、そのような現象は熱力学的に生じにくい。
【0012】ここで、Au−Al金属間化合物の反応速
度を図2のグラフに示す。図2中、直線aは、Au4
lとAlとの反応速度を表し、直線bは、金とアルミニ
ウムとの固相拡散反応によるAu−Al金属間化合物の
形成される速度を表している。このように、Au4 Al
とAlとの反応速度は、AuとAlとの拡散速度(直線
b)の1/5程度であり極めて遅いことがわかる。
【0013】なお、Au−Al金属間化合物は、金がア
ルミニウム中に拡散することによって形成される。本発
明者らは、圧力を加えずに加熱のみによって固相拡散反
応を生じさせてAu−Al金属間化合物を形成して金バ
ンプをアルミニウム配線に接続した場合には、高温放置
試験に供した際に接続抵抗値が徐々に増加することを見
出した。さらに、抵抗値が増加した試料の接続部分を観
察したところクラック(ボイド)を確認し、この現象に
ついて鋭意検討した結果、次のような知見を得た。すな
わち、金属間化合物は、上述したように金がアルミニウ
ム中に拡散することによって形成されるが、金のアルミ
ニウムに対する拡散量と、バンプ側から供給される金の
量とのバランスが崩れ、金の供給量より金のアルミニウ
ムに対する拡散が速く進むと、金の供給が追いつかない
領域が生じる。このため、高温放置試験において金がア
ルミニウムに拡散して金の供給が追いつかない領域近傍
で、カーケンタルボイドと呼ばれるボイド(クラック)
が発生した。
【0014】そこで、本発明者らは、金とアルミニウム
との接合部におけるボイドの発生を避けるためには、金
の拡散を抑制することが有効な手段であることを見出し
た。前述の図2のグラフに示したように、Au4 Alと
Alとの反応は、AuとAlとの反応より極めて遅いの
で、金バンプとアルミニウム配線との間にAu4 Alを
介在させれば、このAu4 Alがバリアとして作用して
バンプの金がアルミニウムへ拡散するのを抑制すること
ができる。これにより、高温放置試験に供してもボイド
の発生は阻止されるので、接続抵抗値の増加を防止する
ことができる。
【0015】すなわち、第1の発明の半導体素子におい
ては、バンプに形成されたAu4 Al層は、いわゆるバ
リア層として作用するので、かかる半導体素子を基板に
加熱・圧接して実装した第1の発明の半導体装置におい
ては、前記バンプと前記アルミニウム配線との接続は、
専らバンプ最表面のAu薄膜と配線のAlとの固相拡散
反応のみによって成される。なお、バンプとアルミニウ
ム配線との接合部に形成されるAu−Al金属間化合物
はAu4 Alであることが好ましいが、特に限定されな
い。さらに、場合によっては、配線の基板側にアルミニ
ウムが残留していても、上述したように第1の発明で
は、Au4 Al層がバンプに形成されているので、金バ
ンプからアルミニウム配線にこれ以上金が拡散されるこ
とはなく、バンプと配線との接合部にはボイドは発生す
ることがない。配線のアルミニウムが残留している場合
には、必要に応じて半導体素子を取り外すこともでき
る。この際、剥離は配線とAu−Al金属間化合物との
界面、もしくはAu−Al金属間化合物内で起こるた
め、アルミニウム配線が剥離したり基板が割れてしまう
等の不具合は生じず、同じ領域に再度、別の半導体素子
を実装することも可能である。
【0016】このように、第1の発明の半導体素子にお
いては、バンプの表面にAu4 Alからなる層上にAu
薄膜が積層された積層膜が予め形成されていることに起
因して、金バンプから金がアルミニウム配線中へこれ以
上拡散されないので、バンプ中にボイドが発生すること
なく、高温放置試験の際に高い信頼性を維持することが
できる。
【0017】次に、第2の発明の検査方法について説明
する。上述したように、金バンプを直接アルミニウム配
線に仮接続させ、その後圧力を加えずに加熱のみにより
金とアルミニウムとの固相拡散反応を進行させると金の
拡散が過剰となるために接合部にボイドが生じる。本発
明者らは、このボイドの発生メカニズムに着目し、仮接
続後、素子の動作状態等に不良が発見された場合には、
このボイドを利用して配線から半導体素子を剥離するこ
とを見出した。
【0018】バンプと配線との接続部に若干のボイドが
発生していれば、そのままの状態でも素子を基板から剥
離することは可能であるが、この場合、機械的に引き剥
がすことになるので配線は損傷してしまう。そこで、圧
力をかけずに熱処理することで接続部のボイドを十分に
成長させれば、配線表面には何等ダメージを与えること
なく半導体素子を基板から取り除くことができ、露出し
た配線表面には再度、別の素子を接続することが可能で
ある。
【0019】第2の発明の方法においては、まず、配線
表層部のアルミニウムがAu−Alに変化し、基板側に
はアルミニウムが残留している固相反応の初期段階に、
半導体素子の接続状態や動作を検査する。
【0020】ここで、不良が発見されず検査に合格した
ものは、半導体素子と基板とを圧接して加熱することに
よって、金とアルミニウムとの固相拡散反応をさらに基
板表面まで進行させてAu−Al金属間化合物を形成す
る。この場合、生じたAu−Al金属間化合物全体にお
けるAu4 Alの割合は、50%以上であることが好ま
しく、80%以上であることがより好ましい。
【0021】一方、検査により不良が発見されたもの
は、半導体素子全体、あるいはバンプ接合部のみを圧力
を加えずに加熱して、上述したようなメカニズムにした
がって、バンプと配線との接続部にボイド(クラック)
を発生させる。すなわち、金のアルミニウムに対する拡
散量と、供給される金の量との間のバランスが崩れ、金
の供給量より金のアルミニウムに対する拡散が速く進
み、金の供給が追いつかなくなった領域でボイドが発生
する。十分にボイドを成長させた後、バンプのAuと、
固相拡散反応により生じたAu−Alとの界面で、半導
体素子を基板から剥離することができる。
【0022】半導体素子を取り除いた配線には、別途用
意した半導体素子を前述と同様の工程により仮接続、検
査し、本接続して長期にわたって高い信頼性を有する半
導体装置を得ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
半導体素子および半導体装置、ならびに検査方法を詳細
に説明する。 (実施例I)図1に、第1の発明の半導体装置の断面図
を示す。図1に示すように、第1の発明の半導体装置1
においては、半導体素子2を基板9のアルミニウム配線
パターン11に接続するためのバンプの表面には、Au
4 Al層7上にAu薄膜8が積層された積層膜が形成さ
れている。バンプ最表面のAu薄膜8と、配線11の表
面およびその近傍に存在するアルミニウムのみが、Au
−Al金属間化合物(図示せず)を形成したバンプとの
接続に寄与している。配線パターンのより下方にあるア
ルミニウムは、バンプ表面との固相拡散反応に関与せず
に、もとの状態で存在している。
【0024】このように基板に接続される半導体素子
は、以下のようにして製造することができる。図3〜5
に、第1の発明の半導体素子の製造工程の一例を表す断
面図を示す。まず、図3(a)に示すように、アルミニ
ウム電極4上に成膜されたバリアメタル5上にPEP工
程によりレジストマスク17を形成しておく。この上
に、メッキによりバンプ6を形成する。このバンプ6の
材料は、金、ニッケル等が挙げられ、バンプサイズ、バ
ンプピッチおよびバンプ高さは、それぞれ10〜300
μm角、20〜400μm、および5〜500μmとす
ることができる。
【0025】バンプ6を形成した後レジストマスク17
を剥離する前に、Au4 Al層とAu薄膜とを順次成膜
する。Au4 Al層は、スパッタ法や蒸着法を用いて形
成してもよいが、次のように形成することもできる。ま
ず、図3(b)のようにAl薄膜13をスパッタ法や蒸
着法などにより、例えば0.2〜1μmの厚さで形成し
たシリコンウェハ12を用意する。ここで、図3(c)
に示すように、アルミニウム薄膜13を、バンプ6の径
やピッチ等に合わせて予めエッチング等により所定の寸
法に加工しておいてもよい。続いて、図4(a)に示す
ように、前述のバンプが形成された半導体素子を、前記
Al薄膜を形成したシリコンウェハに加圧、加熱して、
素子とAl薄膜とをいったん接続する。具体的には、ア
ルミニウム薄膜を形成したシリコンウェハを約30〜1
00℃に加熱するとともに、半導体素子を約200〜5
00℃に加熱する。このとき、1バンプ当たり、10〜
200gとなるように半導体素子に荷重をかけつつ、約
1〜30秒間圧接する。この加熱処理によって、バンプ
6とアルミニウム薄膜12との接触領域には、図4
(b)に示すようなAu4 Al層7が形成される。な
お、Au4 Al層の層厚は、加熱温度、時間、および圧
力等を変化させることによって適宜選択することができ
る。
【0026】次に、この半導体素子をシリコンウェハ1
1から引き剥がすことにより、図4(c)に示すよう
に、バンプ表面にAu4 Al層7が転写される。このA
4 Al層7、およびレジストマスク17上の全面に図
5(a)に示すように、Au薄膜8をスパッタ、蒸着等
により成膜した後、メッキ前に形成したレジストマスク
17を剥離することによって、図5(b)に示すよう
に、表面にAu4 Al層7上にAu薄膜8が積層された
バンプが得られる。この後、バンプをマスクとしてバリ
アメタル5をエッチングすることにより、図6に示す第
1の発明の半導体素子が得られる。
【0027】なお、Au4 Al層7の膜厚は、AuとA
lとの拡散の進行を抑止するためには、少なくとも0.
05μm程度であることが好ましく、0.2μm以上で
あることがより好ましい。ただし、Au4 Al層7の膜
厚が過剰に厚い場合には、バンプ全体の延性が低下する
おそれがあるため、Au4 Al層7の膜厚の上限は5μ
m程度とすることが好ましい。また、Au薄膜8の膜厚
は1μm以下であることが接続後にAuが反応し残らな
い点から好ましく、一方反応生成物中のAu4Alの割
合を多くすることを考慮すると、Au薄膜8の膜厚は少
なくとも100nm以上であることが好ましい。
【0028】前述のようにして、バンプ表面にAu4
l層上にAu薄膜が積層された積層膜を有する半導体素
子は、例えば、モリブデン層とアルミニウム層との積層
構造からなる配線を有するガラス基板に実装することが
できる。この場合、モリブデン層は、約30〜100n
mの膜厚で、スパッタ法、蒸着法等により形成すること
ができる。また、アルミニウム層は、約0.3〜1μm
の膜厚で、スパッタ法、蒸着法等により形成することが
できる。
【0029】このような配線が形成された基板に半導体
素子を実装する際には、例えば、フリップチップボンダ
ーなどを用いて接続することができる。接続に当たって
は、半導体素子側を200〜500℃に加熱するととも
に、ガラス基板を30〜100℃に加熱し、1バンプ当
たり10〜200gの荷重をかけながら、1〜30秒間
圧接して一度に全てのパッドを接続する。以上の工程に
より、図7に示す第1の発明の半導体装置が得られる。
【0030】なお、ここでは半導体素子を実装するため
の基板としてガラス基板を使用したが、セラミックスま
たは樹脂基板などに前述と同様の方法で実装してもよ
く、図8に示すように絶縁基板上に実装することもでき
る。なお、図8中、15は絶縁基板を表し、この表面に
はアルミニウム配線11が形成されている。半導体素子
2は、表面にAu4 Al層7およびAu薄膜(図示せ
ず)が形成されたバンプを介して配線に接続されてお
り、バンプと配線との接続部には、バンプ最表面のAu
と配線のAlとの固相拡散反応によりAu−Al金属間
化合物層14が形成されている。またさらに、第1の発
明は、図9に示すように液晶表示素子に応用してもよ
い。図9中、16は表示部を表し、ガラス基板9上に形
成されたアルミニウム配線11に接続されている。半導
体素子2は、前述と同様に、表面にAu4Al層7およ
びAu薄膜(図示せず)が形成されたバンプを介して配
線に接続されており、バンプと配線との接続部には、バ
ンプ最表面のAuと配線のAlとの固相拡散反応により
Au−Al金属間化合物層14が形成されている。
【0031】以下、具体例を示して本発明をより詳細に
説明する。 (実施例I−1)まず、半導体素子(5mm×5mm)
のアルミニウム電極の上に、バリアメタルを介して金バ
ンプを以下の手順で形成した。スパッタ等で成膜したバ
リアメタル上に、PEP工程により予めレジストマスク
を高さ15μmに形成し、金メッキによりバンプサイズ
50μm角、バンプピッチ80μm、バンプ高さ20μ
mのバンプを形成した。なお、別途用意したシリコンウ
ェハの表面には、0.3μmの厚さで、スパッタ法によ
りアルミニウム薄膜を形成しておいた。次に、このシリ
コンウェハを80℃に加熱しつつ、半導体素子を400
℃に加熱してシリコンウェハ表面のアルミニウム薄膜に
バンプを接触させ、さらに1バンプ当たり50gの荷重
をかけながら1.5秒間圧接した。その後、半導体素子
をシリコンウェハから引き剥がして、バンプの表面にA
4 Al層を形成した。そのAu4 Al層上にAu薄膜
をスパッタ法により80nm厚に成膜した後、金メッキ
に先だって形成したレジストマスクを剥離し、バンプを
マスクとしてバリアメタルのエッチングを行ない、バン
プ表面にAu4 Al層上にAu薄膜が積層された積層膜
を有する第1の発明の半導体素子を得た。なお、表面に
形成されたAu4 Alの膜厚は、約0.3μmであっ
た。
【0032】このようにバンプが形成された半導体素子
を、Al配線を有するガラス基板上のパッドにフリップ
チップボンダーを用いて接続した。なお、基板として
は、モリブデン層(50nm)と、アルミニウム層(5
00nm)との積層構造の配線が形成された基板を用い
た。接続に当たっては、半導体素子側を400℃に加熱
しつつガラス基板を80℃に加熱し、1バンプ当たり5
0gの荷重をかけながら1.5秒間圧接して、一度に全
てのパッドを接続して半導体装置を得た。この接続にお
いて電気的不良は発生しなかった。
【0033】得られた半導体装置を、熱衝撃試験(−4
0℃/120℃、30分/30分、1000サイクル)
に供して信頼性を調べたところ、図10に示すように極
めて安定な電気的接続が得られた。これは、半導体素子
のバンプに形成されたAu4Al層がバリアとして作用
して、バンプの金が配線のアルミニウムへ拡散するのを
抑制しているためである。また、前記バンプ電極とAl
配線パターンとの間の接続断面をSEM(走査型電子顕
微鏡)により観察した結果、クラックなどの不良は認め
られなかった。
【0034】また、高温放置試験(125℃、大気中)
を行なったところ、1000時間後も抵抗の増加はなく
安定な接続が得られ、接合部にはボイド等の欠陥が何等
発生していないことがわかった。すなわち、第1の発明
の半導体装置においては、半導体素子のバンプに形成さ
れたAu4 Al層がバリアとして作用して、金バンプか
らアルミニウム配線にこれ以上金が拡散されないので、
接合部におけるボイドの発生を避けることができた。
【0035】なお、半導体素子を基板のアルミニウム配
線から取り外したところ、アルミニウム配線の剥離や基
板の割れは全く起こらず、バンプ表面のAu4 Al金属
間化合物とバンプを構成するAuとの界面で剥離するこ
とができた。剥離後の半導体素子をアルミニウム配線側
からAES深さ方向分析に供して、固相拡散反応層の厚
さを調べた結果、反応層の厚さは200nm未満であっ
た。
【0036】この半導体素子を取り外した配線の同様の
領域に、新たな半導体素子を前述と同様の条件で接続し
ても電気的接続不良はなく、さらに、上述と同様の熱衝
撃試験および高温放置試験に供したところ、1000サ
イクル後もしくは1000時間後でも不良は発生せずに
極めて安定な電気的接続が得られた。また、前記バンプ
電極とAl配線パターン間の接続断面をSEMにより観
察した結果、クラックなどの不良は認められなかった。
【0037】(実施例I−2)半導体装置上に形成する
バンプ表面のAu4 Al層をAu薄膜と同様に、スパッ
タ法で形成し、メッキ用に形成したレジストマスクのリ
フトオフによりパターニングした以外、実施例(I−
1)と同様な半導体装置を組み立てた。このような接続
において電気的接続不良はなかった。
【0038】得られた半導体装置を、熱衝撃試験(−4
0℃/120℃、30分/30分、1000サイクル)
に供して信頼性を調べたところ、実施例(I−1)の場
合と同様に1000サイクルでも不良は発生せず、極め
て安定な電気的接続が得られた。これは、半導体素子の
バンプに形成されたAu4 Al層がバリアとして作用し
て、金のアルミニウムへの拡散を抑制しているためであ
る。また、前記バンプ電極とAl配線パターン間の接続
断面をSEMにより観察した結果、クラックなどの不良
は認められなかった。
【0039】また、高温放置試験(125℃、大気中)
を行なったところ、1000時間後も抵抗の増加はなく
安定な接続が得られ、接合部にはボイド等の欠陥が何等
発生していないことがわかった。
【0040】なお、半導体素子を基板のアルミニウム配
線から取り外したところ、アルミニウム配線の剥離や基
板の割れは全く起こらず、バンプ表面のAu4 Al金属
間化合物とバンプを構成するAuとの界面で剥離するこ
とができた。剥離後の半導体素子をアルミニウム配線側
からAES深さ方向分析に供して、固相拡散反応層の厚
さを調べた結果、反応層の厚さは100nm未満であっ
た。
【0041】この半導体素子を取り外した配線の同様の
領域に、新たな半導体素子を前述と同様の条件で接続し
ても電気的接続不良はなく、さらに、上述と同様の熱衝
撃試験および高温放置試験に供したところ、1000サ
イクル後もしくは1000時間後でも不良は発生せずに
極めて安定な電気的接続が得られた。また、前記バンプ
電極とAl配線パターン間の接続断面をSEMにより観
察した結果、クラックなどの不良は認められなかった。
【0042】(比較例I)半導体素子上に形成するバン
プ電極を、半導体素子上に形成されているAl電極上に
Auを電気メッキによって20μmの高さに形成して作
製した以外は、前述の実施例(I−1)と同様な半導体
装置を組み立てた。このような接続において、電気的接
続不良はなく、さらに上述と同様の熱衝撃試験に供して
信頼性を調べたところ、安定な接続が得られた。しかし
ながら、高温放置試験(125℃、大気中)に供したと
ころ、約100時間後には抵抗値が平均初期抵抗の10
%増加し、1000時間後にはほぼ全部の接続点で抵抗
値が初期値の2倍以上、大きなものは100倍以上増加
した。抵抗が増加した試料の接続部分を観察したとこ
ろ、接合面にはクラック(ボイド)が観察された。
【0043】すなわち、金のみからなりAu4 Al層が
形成されていないバンプを介して半導体素子を基板のア
ルミニウム配線パターンに接続した場合には、バンプの
金は何等制約を受けていないので配線のアルミニウム中
に容易に拡散し、それによって接続部にボイドが発生す
る。このため、長期にわたって安定した接続を得ること
ができない。
【0044】以上の結果から、第1の発明の半導体素子
は、Au4 Al層とAu薄膜との積層膜を表面に有する
バンプが形成されているので、加熱・加圧して基板のア
ルミニウム配線に接続した際には、バンプと配線との接
続部でのボイドの発生を避け、長期にわたって高い信頼
性を有する半導体装置が得られることがわかる。 (実施例II)以下、図面を参照して、第2の発明の半導
体装置の検査方法を詳細に説明する。
【0045】(実施例II−1)図11は、第2の発明の
方法により半導体装置を検査する際の、半導体素子が絶
縁基板に仮接合された状態を示す断面図である。
【0046】図示するようにアルミニウムからなる配線
パターン20を表面に有する絶縁性基板22と、前記配
線パターン上に金バンプ24を介して半導体装置26が
実装されている。また、アルミニウム配線パターン20
と金バンプとの接合部には、その下層にアルミニウム部
分を残してAu−Al金属間化合物28が形成されてい
る。
【0047】かかる半導体装置は、以下のようにして製
造した。まず、厚さ1.1mmのガラス基板上に、スパ
ッタ法によりアルミニウム膜を1000nmの膜厚で形
成し、パターニングして配線を形成した。なお、絶縁性
基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム等のセラミ
ックス基板、ガラエポ基板等を用いることもできる。ま
た、アルミニウム膜を形成するに先だって、100nm
程度の膜厚のクロム膜を予め基板上に形成してもよい。
【0048】なお、別途用意した半導体素子には、アル
ミニウム電極上にバリアメタル層を形成し、この上に電
気メッキによりAuバンプを20μmの高さで形成して
おいた。
【0049】次に、半導体素子と絶縁性基板との位置合
わせを行ない、Auバンプが形成された半導体素子を4
00℃に加熱し、1バンプ当たり100gfの荷重で1
0秒間圧接し接合した。このとき、配線表層部のアルミ
ニウムはAu−Al金属間化合物28に変化した。なお
このAu−Al金属間化合物層の厚さは、約300nm
であった。
【0050】次に、半導体素子の接続状態を抵抗測定装
置により調べるとともに、動作をプローバーにより検査
した。検査に合格したものは、半導体素子が搭載された
基板を100℃に加熱し、再び400℃に加熱されたヘ
ッドを半導体素子裏面からバンプ当たり130gfの荷
重で15秒間圧接した。この結果、図12に示したよう
に、バンプ24下のアルミニウム配線は、基板表面に到
達するまで概略全てAu−Al金属間化合物28に変化
した。この金属間化合物を分析すると、Au4 Alおよ
びAu5 Al2が検出され、金属間化合物としては、A
4 Alの割合が最も多く80%以上であった。
【0051】得られた半導体装置について、高温放置試
験(125℃、大気中)を行なったところ、1000時
間後も抵抗の増加はなく、安定な接続が得られた。一
方、検査に不合格のものは、半導体素子全体、あるいは
バンプ接合部のみを圧力を加えずに加熱し、バンプのA
uとAu−Al金属間化合物層との界面で剥離した。具
体的には、ガラス基板の裏面から赤外線を照射してバン
プ接合部を550℃に加熱し5分間放置した。
【0052】このように圧力を加えずに加熱することに
より、過剰の金がアルミニウムに拡散し、供給される金
の量が追いつかなくなってボイドが発生する。さらに、
バンプのAu24とAu−Al金属間化合物層28との
界面でクラックを成長させて、図13に示すようにクラ
ック部において半導体素子を基板から剥離した。
【0053】半導体素子を取り去った後、別の半導体素
子を前述と同様に加熱、加圧しながら基板に仮接続し、
前述と同様にして検査した後、不良がないことを確認し
て、さらに加熱・加圧することにより半導体素子を基板
に本実装した。接合部に生じたAu−Al間金属間化合
物を分析すると、Au4 AlおよびAu5 Al2 が検出
され、金属間化合物としては、Au4 Alが80%以上
と最も多かった。
【0054】得られた半導体装置について、高温放置試
験(125℃、大気中)を行なったところ、1000時
間後も抵抗の増加はなく、安定な接続が得られた。この
ように、第2の発明の方法により、半導体素子を基板上
に仮接続した状態でその動作を検査し、動作等に不良が
発見されても、接続部にクラックを発生・成長させてそ
の領域から素子を剥離した後、新たに半導体素子を実装
することによって長期にわたって高い信頼性を有する半
導体装置を得ることができる。
【0055】(実施例II−2)ガラス基板上のアルミニ
ウム配線の膜厚を550nmとした以外は、上述の実施
例(II−1)と同様の半導体素子を、同様の条件で接続
した。仮接続の段階で動作試験を行なったところ正常に
作動したので、さらに加熱・加圧して本接続を行なっ
て、バンプ下方のアルミニウムを完全に固相拡散反応に
関与させて、図12に示すように基板表面までAu−A
l金属間化合物が形成された半導体装置を得た。
【0056】なお、得られた半導体装置の接続抵抗は約
30mΩであった。また、金属間化合物層を分析する
と、Au4 AlおよびAu5 Al2 が検出され、金属間
化合物としては、Au4 Alの割合が最も多く80%以
上であった。
【0057】次に、得られた半導体装置について、高温
放置試験(125℃、大気中)を行なった結果、100
0時間後も抵抗の増加はなく、安定な接続が得られた。
また、半導体素子と絶縁基板との密着強度を調べたとこ
ろ、10g/100μm□であった。
【0058】(実施例II−3)厚さ0.7mmのガラス
基板上にスパッタ法によりクロム膜を100nmの膜厚
で形成した後、さらにこの上にアルミニウム膜を550
nm形成し、パターニングして配線を形成した以外は、
上述の実施例(II−1)と同様の半導体素子を用いて、
同様の条件で接続した。仮接続の段階で動作試験を行な
ったところ正常に作動したので、さらに加熱・加圧して
本接続を行なって、バンプ下方のアルミニウムを完全に
固相拡散反応に関与させて、図12に示すように基板表
面までAu−Al金属間化合物が形成された半導体装置
を得た。
【0059】接続後、バンプ下に位置する配線のAl
は、基板表面に到達するまで概略全てAu−Al金属間
化合物に変化した。金属間化合物層を分析すると、Au
4 AlおよびAu5 Al2 が検出され、Au4 Alの割
合が80%以上と最も多かった。
【0060】次に、得られた半導体装置について、高温
放置試験(125℃、大気中)を行なったところ、10
00時間後も抵抗の増加はなく、安定な接続が得られ
た。また、半導体素子と絶縁基板との密着強度を調べた
ところ、15g/100μm□であり、実施例(II−
2)の場合より優れていた。これは、本実施例におい
て、配線パターンをクロム膜とアルミニウム膜との積層
膜で構成したことによるものである。クロム等の高融点
金属は、融点が高いゆえに安定しているので、アルミニ
ウム膜と絶縁基板との密着性を高める作用を有する。例
えば、LCDパネルなどでは、ガラス基板上にITOな
どの透明導電膜とアルミニウム膜とを積層する際に、高
融点金属膜をこれらの間に形成して、抵抗の増加を防止
し安定性を向上を図っている。
【0061】なお、高融点金属としては、クロム以外に
もモリブデンやタングステンなどが挙げられ、これらは
単体または2種以上を組み合わせて、あるいはこのうち
の一つを主成分とする合金として使用することができ
る。
【0062】(参考例II−1)検査後の圧接時間を10
秒間とした以外は、実施例(II−1)と同様の半導体素
子を用い、同様の条件で接続して半導体装置を製造し
た。得られた半導体装置の接続抵抗は、約30mΩであ
った。また、接合断面を分析すると、上からAu/Au
−Al/Alの積層構造であり、Au−Al金属間化合
物層を分析すると、Au4 Al、Au5 Al2 、Au2
AlおよびAuAl2 が検出された。
【0063】得られた半導体装置について、さらに半導
体素子と基板との隙間をエポキシ樹脂で封止し、熱衝撃
試験(〜40/100℃、各30分)を1000サイク
ル行なった結果、接続抵抗の変化は少なく安定な接続が
得られた。しかしながら、高温放置試験(125℃、大
気中)に供すると、約100時間後には抵抗が平均初期
抵抗の10%上昇し、1000時間後にはほぼ全部の接
続点で抵抗値が初期の2倍以上、大きなものは100倍
以上上昇した。また、抵抗が増加した試料の接続部分を
観察すると接合面にクラック(ボイド)が確認された。
【0064】上述の実施例(II−1)および(II−2)
と参考例(II−1)との比較から、アルミニウム配線パ
ターンと金バンプとの接続部においては、基板表面に到
達するようにAu−Al金属間化合物層を形成すること
が好ましく、特に、金属間化合物中のAu4 Alの割合
を多くすることによって、接続安定性がよりいっそう高
められることがわかる。このようなアルミニウム配線と
金との固相拡散反応による接続は、金バンプを金細線に
代えても応用することができる。
【0065】以下に、アルミニウムからなる端子に金細
線を接続する場合について説明する。 (参考例II−2)図14は、第2の発明を応用して製造
した半導体素子の構造を示す断面図である。
【0066】図示するように、ダイシングされたシリコ
ン基板(半導体素子)30の上に能動領域32が形成さ
れており、該能動領域の外側には半導体素子の入出力用
端子34が形成されている。半導体素子の配線および入
出力端子34(以下、端子と称する)は、アルミニウム
を主成分としており、この端子上にAuの細線36が接
合されている。前記端子34とAu細線36との間は、
金とアルミニウムとの固相拡散反応によって金属間化合
物層38を形成して接合されている。金細線36の下の
アルミニウムは、基板に到達するまで概略全てAu−A
l金属間化合物層38に変化している。
【0067】かかる半導体素子は、以下のようにして製
造した。まず、シリコン基板上に、厚さ800nm、A
lを主成分とし1%未満のシリコンと銅とが添加されて
いる入出力用端子を形成した。一方、細線36として
は、純度99.99%の金からなる直径25μmのもの
を用い、その先端を放電によりボール状に形成した。ボ
ール状に形成された金細線の先端を、60mWの超音波
を印加しつつ、300℃に加熱したシリコン基板に約1
25gfの荷重で2.0秒間圧接した。このとき、端子
を構成するアルミニウムは、基板表面に到達するまで概
略全てAu−Al金属間化合物に変化した。金属間化合
物層を分析すると、Au4 AlおよびAu5 Al2 が検
出され、Au4 Alの割合が80%以上と最も多かっ
た。
【0068】端子と接合した金細線と別の一方は、一般
的な半導体素子のパッケージング工程と同様にリードフ
レーム上にボンディングし、樹脂モールドした後、リー
ドフレームを切断、曲げ加工して半導体パッケージとし
た。
【0069】なお、端子と接続したAu−Al接合部分
の信頼性を評価するために、半導体素子をパッケージン
グせずにAu−Al接合部分を露出させ、高温オーブン
に放置し、高温放置試験(125℃、大気中)を行な
い、接合強度の劣化を測定したところ、1000時間後
も接合強度の劣化は初期接続時の接合強度より50%以
内の強度劣化の範囲に入り、安定な接続が得られた。
【0070】(参考例II−3)シリコン基板上の端子
を、厚さ10nmのモリブデン膜と、厚さ800nmの
アルミニウムを主成分とする膜との積層構造とした以外
は、上述の参考例(II−2)と同様にして半導体素子を
製造した。
【0071】前記端子とAu細線との間は、金とアルミ
ニウムとの固相拡散反応によって金属間化合物層を形成
して接合されている。金細線の下のアルミニウム端子
は、モリブデン膜表面に到達するまで概略全てAu−A
l金属間化合物層に変化しており、接合断面を分析する
と、上からAu/Au−Al/Moの積層構造になって
いた。Au−Al金属間化合物層を分析すると、Au4
AlおよびAu5 Al2が検出され、Au4 Alの割合
が80%と最も多かった。
【0072】端子と接合した金細線と別の一方は、一般
的な半導体素子のパッケージング工程と同様にリードフ
レーム上にボンディングし、樹脂モールドした後、リー
ドフレームを切断、曲げ加工して半導体パッケージとし
た。
【0073】なお、端子と接続したAu−Al接合部分
の信頼性を評価するために、半導体素子をパッケージン
グせずにAu−Al接合部分を露出させ、高温オーブン
に放置し、高温放置試験(125℃、大気中)を行な
い、接合強度の劣化を測定したところ、1000時間後
も接合強度の劣化は初期接続時の接合強度より50%以
内の強度劣化の範囲に入り、安定な接続が得られた。
【0074】(参考例II−4)前述の参考例(II−2)
と同様のシリコン基板および金細線を用い、次のような
条件でこれらを接続した。すなわち、ボール状に形成し
た金細線の先端を、60mWの超音波を印加しつつ、1
50℃の加熱したシリコン基板に約125gfの荷重で
20ミリ秒間圧接した。前記端子とAu細線との間は、
金とアルミニウムとの固相拡散反応によって金属間化合
物層を形成して接合されている。金細線の下のアルミニ
ウム端子の表層部には、金属間化合物層が形成され、接
合断面を分析すると、上からAu/Au−Al/Alの
積層構造であった。Au−Al金属間化合物層を分析す
ると、Au4 Al、Au5 Al2 、Au2 AlおよびA
uAl2 が検出された。
【0075】端子と接続したAu−Al接合部分の信頼
性を評価するために、Au−Al接合部分を露出させ、
高温オーブンに放置し、高温放置試験(125℃、大気
中)を行ない、接合強度の劣化を測定したところ、10
00時間後には検査したほぼ全部の接続点で、接合強度
は初期接続時の接合強度の10%程度であり、強度劣化
が激しかった。強度が劣化した試料の接続部分を観察し
たところ、接合面にクラック(ボイド)が確認された。
このボイドは、高温放置試験において、金がアルミニウ
ムに拡散し、金属間化合物を形成するときに供給される
金の量が追いつかずに発生したことがわかった。
【0076】
【発明の効果】以上説明したように、第1の発明によれ
ば、絶縁基板上の配線パタ−ンにバンプを介して良好に
接続される半導体素子、および高信頼性を有する半導体
装置が提供される。かかる半導体装置は、特に液晶表示
装置として有用である。
【0077】また、第2の発明によれば、アルミニウム
配線に金バンプを介して半導体素子を接続する際の検査
方法が提供される。本発明を応用することにより、アル
ミニウム配線パターンを有する全ての基板に対し、金バ
ンプあるいは金細線を接続して長期信頼性を有するデバ
イスを製造することが可能となり、その工業的価値は大
きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の半導体素子の一例を示す断面図。
【図2】Au−Al金属間化合物の増加速度を示すグラ
フ図。
【図3】第1の発明の半導体素子の製造工程の一例を示
す断面図。
【図4】第1の発明の半導体素子の製造工程の一例を示
す断面図。
【図5】第1の発明の半導体素子の製造工程の一例を示
す断面図。
【図6】第1の発明の半導体素子の一例を示す断面図。
【図7】第1の発明の半導体装置の一例を示す断面図。
【図8】第1の発明の半導体装置の他の例を示す断面
図。
【図9】第1の発明の半導体装置の他の例を示す断面
図。
【図10】第1の発明の半導体装置におけるAl配線パ
ターンとバンプとの間の接続部の熱衝撃試験後の電気的
特性を示す特性図。
【図11】第2の発明の方法により検査される半導体装
置の一例を示す断面図。
【図12】第2の発明の検査方法により検査し、製造し
た半導体装置の他の例を示す断面図。
【図13】第2の発明の方法により検査し、接続部で半
導体素子を基板から剥離した状態を示す断面図。
【図14】第2の発明を応用して接続した半導体素子の
一例を示す断面図。
【符号の説明】
1…半導体装置 2…半導体素子 3…絶縁膜 4…アルミニウム電極 5…バリアメタル 6…バンプ 7…Au4A l層 8…Au薄膜 9…ガラス基板 10…モリブデン層 11…アルミニウム配線 12…シリコンウェハ 13…アルミニウム層 14…Au−Al金属間化合物層 15…絶縁基板 16…表示部 17…レジストマスク 20…アルミニウム配線パターン 22…絶縁性基板 24…金バンプ 26…半導体素子 28,38…Au−Al金属間化合物層 30…シリコン基板 32…能動領域 34…入出力用端子 36…Au細線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // H01L 21/321 H01L 21/92 602D

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上に形成された配線パターンに
    バンプを介して電気的、機械的に接続される半導体素子
    において、 前記バンプは、導電性材料からなる第1の層と、 前記第1の層の上に形成されたAu4 Alからなる第2
    の層と、 前記第2の層の上に形成され、前記配線パターンとの固
    相拡散反応により金属間化合物を生じるためのAuから
    なる第3の層とを有することを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項2】 表面にアルミニウム配線パターンが形成
    された絶縁基板と、膜厚0.05μm以上のAu4 Al
    層上にAu薄膜が形成されたバンプを介して前記絶縁基
    板のアルミニウム配線パターンに電気的に接続された半
    導体素子とを具備し、 前記アルミニウム配線パターンとバンプとの接触領域に
    は、バンプの表面薄膜であるAuと配線のアルミニウム
    との固相拡散反応により生じたAu−Al金属間化合物
    が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】 絶縁基板の表面に形成されたアルミニウ
    ム配線パターンに、半導体素子に形成された金バンプを
    接触させ、前記基板と半導体素子とを加熱・圧接して、
    前記配線パターンの基板に接する側にはアルミニウムを
    残しつつ、この配線パターンの金バンプに接する側に
    は、前記配線を構成するアルミニウムとバンプを構成す
    る金との間で固相拡散反応を生ぜしめてAu−Al金属
    間化合物層を形成することにより、半導体素子を絶縁基
    板に仮接続する工程と、 前記半導体素子の接続状態および動作を検査する工程と
    を具備し、 前記検査により不良が認められない場合には、 前記半導体素子および基板を加熱しつつ圧接してバンプ
    と配線との接続部に、基板表面に到達するようにAu−
    Al金属間化合物層を形成することにより半導体素子を
    基板に本接合し、 前記検査により不良が認められた場合には、 加圧せずに前記半導体素子、基板および接続部の少なく
    とも1つを加熱して、前記仮接続の工程で生じたAu−
    Al金属間化合物層とバンプを構成する金との界面に欠
    陥を発生させ、この欠陥部から半導体素子を剥離するこ
    とを特徴とする半導体装置の検査方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278976A (ja) * 2005-03-30 2006-10-12 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法および半導体装置
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JP2008047604A (ja) * 2006-08-11 2008-02-28 Tokuyama Corp メタライズ基板、半導体装置
KR100968008B1 (ko) 2002-03-07 2010-07-07 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 반도체장치 및 그 제조방법
JP2023051712A (ja) * 2021-09-30 2023-04-11 日亜化学工業株式会社 発光装置の製造方法

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