JPS58197857A - 半導体装置とその製造方法 - 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】 本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、さら
に詳述すれば半導体集積回路素子の端子電極の構造とそ
の形成方法に関するものである。

半導体集積回路においては昨今の微細加工式術の進歩に
より１チツプ中に非常に多くの機能を搭載できるように
なった。これに伴い入出力の端子電極の数も増加してい
る。従来このように多数の入出力端子電極を形成する方
法にはＣＣＢ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　（：ｏｌｌａｐ
ｓｅｄ　１３ｏｎｄｉｎｇ）あるいは４　Ｃ（Ｃｏｎｔ
ｒｏｌｌｅｄ　Ｃｏ１１ａｐｓｅｄ　ＣｈｉｐＣｏｎｎ
ｅｃｔｉｏｎ　）と呼ぶ、半田による端子電極が適して
いるとされてきた。しかしこの実装方法ではチップを搭
載する基板とチップの熱膨張係数の違いのため温度サイ
クルによる疲労破壊が避けられない問題であつ九、半田
バンプの＠度すイクル寿命は次の式で表わされる仁とが
知られている。

（ｐ、ｌｉｎ　　ｅｔａｌ、　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔ
ｅ　　Ｔｅｃｈ、（１９７０）ＪｎｌＹ） Ｃ：定数 ｆ　　；温度サイクル局波数 ｒＭＡＸ：最大剪断ひずみ ΔＥ　；活性化エネルギー ＴＭＡＸ　：厳高温度　、、 δ　　；最大変位 ＤＭＩＮ　：バンプの最小断面の直径 ＨＪ　；バンプ高さ ■Ｊ　；バンプ体積 この式によれば、バンプは細長い柱のような構造はど最
大剪断ひずみが小さく寿命が長くなる。

しかしながら、溶融し九半田の表面張力を利用して接合
を行う従来のＣＣＢ法では上記のような構造とすること
はむずかしい、また最大変位δを小さくするにはバンプ
関ピッチを小さくすればよいが、第１図に示し次従来の
形成方法では溶触部の半田の形状は図中の破＃ｉ！１９
のごとくなり、これが上記のバンプ間ピッチを小さくす
るためのさま次げとなる。図において、１１はセラミッ
ク基板、１２はペデスタル、１３Ｆｉ半田、１４は金属
端子電極、１５はバンプ下地金属層、１６は絶縁層、１
７はＡ／配線、そして１８は８１基板である。

本発明は、フェースダウンボンディングにおいて、従来
の半田の表面張力を利用したＣＣＢ法では不可能であつ
友円柱状の金属突起電極を形成す　　　　　　すること
により、バンプの集積度′を向上させるとともに、温度
サイクル寿命を飛躍的に向上させることのできる半導体
装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の構成は、断面が５０
〜２００μφ、高さが１００〜２５０μｍの柱状金属突
起電極を設けることにある。以下図面を用りて詳細に説
明する。

第２図は本発明によるバンプを基板に接合したところの
断面概略図である。２１はＬＳＩチップを実装するセラ
ミック等の基板で、２２はセラミック基板側に形成した
電極金属で一般に銅、ニッケル、タングステン等の材料
が用いられることが多い。一方、２８はＬＳＩ（一般に
大規模集積回路）チップで、２７のアルオニウム配線よ
り下側のチップ内能動素子部分は省略しである。２６ｉ
ｊアルミニウム配線の上の層間絶縁膜であって、主にプ
ラズマＣＶＤ　（一般に化学的気相成長法）窒化シリコ
ン、スパッタＳＩＯ黛、ＣＶＤ５ｉＯ雪。

ＣＶＤＰ８　Ｇ　（Ｐｈｏｓｐｈｏ　８口１ｃａｔｅ　
Ｑｌａｓｓ）、ポリイミド等の絶縁膜あるいはこれらを
積層したものが用いられる。２５ｒｉアルミニウム配線
２７につながる第２の配線導体層でかつバンプの下地金
属である。この金属層には上記絶縁膜と接着性のよいチ
タン、クロム、アルミニウム等酸化物生成自由エネルギ
ーの大きい金属群と金、銀、鋼、ニッケル、パラジウム
等のメッキ性のよい金属群の中からそれぞれ１種あるい
は２種以上の金属を選び組合せて用いる。２４はバンプ
金属であり、半田にぬれ性のよい金、銀、銅、ニッケル
等の金属群の中よ０１種を選んで用いる。本発明による
バンプ構造では断面を５０〜２００μφ、高さを１００
〜２５０μｍの柱状にすることが肝要である。このため
、前記第１図に示した従来方法と異り半田の普が少くて
すむために、半田を溶融して接合する際に隣り合うバン
プが溶着する可能性が小さくなる。また従来方法にくら
べ半田の断面形状が球状になることがない０以上２つの
理由により＠度すイクル寿命を低下させることなく、バ
ンブ間ピッチを従来方法で実現できなかつ危１００μｍ
程度にすることが可能となつ友、また本発明によるバン
プ構造は既出願の特許（昭和５５年２月１５日出願）と
組合せて使用することも可能で、半導体基板上に形成さ
れである能動領域の位置に関りなくバンプを形成できる
ので、バンプの集積度は飛躍的に向上し、温度サイクル
寿命本向上する。

上記のごとく、バンプ間ピッチを小さくすることによる
温度サイクル寿命に対する効果のほかに本発明による柱
状バンプ構造ではバンプ単体の温度サイクル寿命を向上
させるのにも効果がある。

本発明をさらに明確にする危めのバンプ断面概念図を第
３図に示した。バンプ高さｈｔ一定とし、ＬＳＩチップ
側とセラミック基板側の接続断面の半径をｒとして、１
，２．３で示した樽形、柱形、つづみ形の断面形状の場
合を比較する。＠配の式２におけるバンプの最小断面の
直径ＤＭＩＮ　Ｆｉ噂形の場合は２ｒ８、っづみ形の場
合Ｆｉ２　ｒ、となるから、式２の中の（ＶＪ／牙ＤＭ
Ｉ）ＩＨＪ）の値は第３図中２の柱状の場合が最小とな
る。したがってこの時ｒ　ＭＡＸ　も最小となり、温度
サイクル寿命Ｎｓは最大となる・ 以下、本比明を実施例を参照して詳細に説明する・ 第４図〜第９図は本発明の概略工程図である。

第４図に示すごとく、ＣＶＤ法により形成した厚さ約０
．５　ｐ　ｍのｐ　８　Ｇ　＜　ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉ
目ｃａｔｅＧｌａｓｓ）からなり所定の位置に開口部の
ある第１絶縁層３３を表面に有するシリコン基板３５上
にＡ／の配線からなり該開口部を経て該シリコン基板の
所定領域と接続する第１配線導体層３２を設け、さらに
所定の位置にコンタクト用開口部（開口部はＣＦａを雰
囲気とするプラズマにより形成し＆）を有する厚さ約１
．１μｍの窒化シリコン膜からなる第２絶縁層３１をプ
ラズマＣＶＤ法により設けた。次に第５図に示すように
、前記絶縁層３１の上に厚さ約０．２μｍの１１層４６
、厚さ約２μｍの０１層４７、厚さ約０．１μｍのＣ１
層４８を順次真空蒸着により形成し、４６，４７゜４８
で示される３層構造の金属層を被着し友。

ヶ。６１ヶオ、よ６１．１，２，２１□　　１用いて０
１層５８を所定のパターンに食刻した。

Ｃｒ層のエツチングにはフェリシアン化カリウム３０ｇ
と水酸化カリウム５ｇを水１００　ＣＣに溶解させ友も
のを用いた。ついで、ホトレジスト層５９を除去し次後
、第６図に示すごとく、厚さ約１５０μｍのポリイミド
インインドロキナゾリンジオンｃ以下ＰＩＫと略称）樹
脂層を形成し、レーザーと一ムロ０１を用いて所定のバ
ンプ形成位置に直径約１００μｍの穴を開口する。つい
で開口部のＣｒ膜をエツチング除去した後Ｃｕ層７７を
陰極として、上記開口部に厚さ１５０ａｍのＮｉ層をメ
ッキによって形成する。この工程ではリフトオフ法を用
いることもできる。ここでバンプの径を１００μｍとし
九のは、バンプ間ピッチを１５０μｍとするためである
が、バンプ径は５０μｍで形成することも可能である。

しかしバンプ径を５０μｍ未満にすると、バンプの強度
が不足して基板との接合作業に不都合を生じる。またバ
ンプ径は２００μｍを越える値のバンプは本発明の目的
である従来方法よりもパンの密＆を上げるという主旨に
そぐわない、ｔた、バンクが円柱の場合、式１より最大
剪断ひずみは ＨＪ　　　　　　　　　　’式３） となるからバンプ高さは断面積に関係なく高い方がよい
、しかしレーザによるＰＩＫ膜の加工性およびメッキ性
からバンプ高さは前述の様に１００〜２５０μｍである
ことが望ましい。ついでＰＩＫ樹脂層７０をエツチング
除去した後、６１層７８をマスクとして０１層７７、Ｔ
Ｉ＃７６を順次エツチングして配線を形成する。第９図
がこのようにし皮形成したバンプおよび配線の断面概略
図である。ＰＩＫのエツチングにはヒドラジンとエチレ
ンジアミンの混合液（混合比３ニア）を用い、Ｃｕのエ
ツチングには、亜塩素酸ナトリウム、炭酸アンモニウム
、塩化アンモニウムおよびアンモニヤ水の混合液からな
る周知の腐食液を用い、ＴＩのエツチングにＦｉＥＤＴ
Ａ　（エチレンジアミン・テトラアセチックアシド）と
アンモニヤ水および過酸化水素水の混合液による周知の
腐食液を用い友。

基板への接合は上記Ｎｉバンプ８０１を半田を用いて基
板側ペデスタルに接合した。

実施例　２ 前記実施例１で示し友ように、厚さ約１５０μｍ（２）
ＰＩＫ樹脂層を形成し九後レーザーによりメッキ用の穴
を開口する替りに、第１０図に示すごとく、既に所定の
位置に開口し、開口部内壁および一方の面にＣｒ９０２
を厚さ１１５μｍ蒸着し九厚さ１５０μｍのポリイミド
樹脂フィルム９０１をＰＩＫ溶液９９を用いてＣｒ＠９
８をバター二／グした後のＢｔ基板上に接着する。その
後ＰＩＫ９９を加熱・硬化する。さらにＰＩＫ層９をＣ
ｒ膜９０２をマスクとして酸素スパッタリングによって
開口する。つぎＫＣｒ膜９０２および開口部のＣｒ膜９
８をエツチング除去すれば前記第６図と同じ構造を得る
ことができる。この後は実施例１に順する方法で本発明
のバンプ構造が形成できる。５゜ 実施例　３ 第１１図は前記実施例１および２で述ぺ九バンブの配置
の平面図で、隣接するバンプを等間隔で配置すればバン
プを最も密に配置することができる。

実施例　４ 前記実施例１および２において、メッキにより金属突起
電極を形成する時、第１２図に示すとと〈絶縁膜層１１
２よゆも厚いメッキを行う、絶縁膜厚さよりも厚いメッ
キ部分は図のごとく横に拡がる。したがってセラミック
基板に接合する際に接合面積が多くなり強度が増す。

実施例　５ 前記実施例１〜４では突起電極形成のためのマスク材料
として主にＰＩＫ樹脂、ボリイｉド樹脂等を用い九が、
他の絶縁膜で所望の形状に穿孔でき、電極形成後他の材
料に損傷を与えることなく除去できる材料であればどの
ような材料でも使用できる。たとえばホトレジストでも
よい。

【図面の簡単な説明】

・　　　　　　　　　　　　　　　　　　１第１図は従
来の半田端子電極を有する半導体装置をセラミック基板
に接合した例を示す概略断面図、第２図は本発明の一実
施例としての金属端子電極を有する半導体装置の概略断
面図、第３図〜第ｚ図は本発明の半導体装置の製造工程
を示す概／２ 略断面図、第１図、第１０図および第１１図は本発明の
他の実施例による部分的な半導体装置の製造工程を示す
概略断面図および平面図である。 １１．２１・・・セラミック基板、１２．２２・・・ペ
デスタル、１３．２３・・・半田、２４・・・金属端子
電極、１５．２５・・・バンプ下地金属層、１７．２７
・・・Ａｌ配線、１６．２６・・・絶縁層、１８．２８
・・・３ｉ基板、３１，４１，５１，６１，７１，８１
゜９１・・・第２絶縁層、３２，４２，５２，６２゜７
２．８２．９２・・・Ａｔ配線、３３，４３，５３゜６
３．７３，８．３．９３・・・第１絶縁層、ｓ７能動領
域との接続のための開口部％３５．４５，５５゜６５．
７５，８５．９５・・・ｓト基板、４６，５６゜６６．
７６．８６．９６・・・Ｔ１％４７．５７゜６７．７７
．８７．９７・Ｃｕ層、４８．５８゜６８．７８，８８
．９８・Ｃｒ層、５９・・・ホトレジスト、６０．７０
・・・ＰＩＫ層、６０１・・・レーザービーム、７０１
，８０１・・・Ｎｉメッキ層、９９・・・ＰＩＫ、１０
２．９０１・・・ＰＩＫフィルム。 ９０２・・・Ｃｒ蒸着膜、１０１・・・バンプ形成孔、
ａ・・・バンプ間ピッチ、１１１・・・メッキ金属層、
１１２・・・絶縁層、１１３・・・下地金属層、１１４
・・・層間絶′￥Ｊ　１　　図 第　ｚ　　図 葛３図 ゴ 第　４　図 ■　Ｂ　目 ７θｌ 第ｑ図 第１θ図 第　　１／　　　図 第１ｚ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属突起電極を有する半導体装置において、該金属
   突起電極の断面直径が５０〜２００μｍであり、高さが
   １００〜２５０４ｍの高さ方向に断面積一定の柱状であ
   ること１０徴とする半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、ＩＩＩ記金属突起
   電極が金、銀、銅、ニッケルおよび、パラジウムからな
   る金属群より選択した少なくとも一材料からなるか、あ
   るいはその他の金属によ秒形成し次金属突起電極の所定
   の表面部分を咄記金属群よ抄選択したー材料で被覆して
   なることを特徴とする半導体装置。 １　所定の半導体基板上に金属突起電ｍｔ−形成させた
   半導体装置の製造方法において、前記金属突起電極を形
   成するマスクとして該金属突起電極の高さと同程度ある
   いはそれ以上の厚さの絶縁ｊ−を形成する工程、骸絶縁
   Ｉ−の所定の位置にレーザー光を用いて所定の大きさの
   孔を穿つ工程を有することを特徴とする半導体装置の製
   造方法・ ４、特許請求の範囲第３項において、前記金属突起電極
   を形成するマスクとして、所望の位置に開口し、かつ開
   口部内壁および片方の面に薄い金属層を形成した絶縁フ
   ィルムを該半導体基板の所定の位置にはりつけることを
   特徴とする半導体装置の製造方法。