WO2007023743A1 - 半導体装置およびその製造方法ならびに基板 - Google Patents

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semiconductor device
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Motoharu Haga
Yasumasa Kasuya
Hiroaki Matsubara
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Rohm Co., Ltd.
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Abstract

　半導体チップと基板との接合強度を充分に高めることができ、熱衝撃や温度サイクル等によるクラックの発生を確実に防止することが可能な半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体チップと、この半導体チップが金属層を介して接合される接合領域を有する基板とを備える。金属層は、Ａｕ－Ｓｎ－Ｎｉ合金層と、Ａｕ－Ｓｎ－Ｎｉ合金層に重なった半田層とを有する。Ａｕ－Ｓｎ－Ｎｉ合金層と半田層との界面には、凹凸が形成されている。

Description

明 細 書
半導体装置およびその製造方法ならびに基板
技術分野
[0001] この発明は、半導体装置およびその製造方法、ならびに半導体装置に用いられる 基板に関する。
背景技術
[0002] 従来から、 Au層が表面に形成された配線基板上に LSIチップなどの半導体チップ を半田付けし、これらを榭脂封止することにより形成された半導体装置が存在する。 配線基板表面の Au層は、半田濡れ性の確保や配線の酸ィ匕防止などを目的として、 メツキやスパッタリングなどによって形成されている。しかし、このような配線基板に半 導体チップを半田付けすると、 Au層の Auと半田の成分である Snとによって、両者の 界面近傍に Au— Sn合金層が形成され、半導体チップと配線基板との接合強度が 低下する。そのため、熱衝撃や温度サイクルなどによって、 Au— Sn合金層を起点と したクラックが発生するという問題があった。
[0003] この問題を解決するために、 Au層を非常に薄くして、 Au— Sn合金層の形成を防 止することが提案されている（たとえば、特許文献 1参照)。しかし、 Au層を薄くしても 、 Au層と半田との接触箇所が存在する以上、 Au— Sn合金層の形成を完全に防止 することはできず、局所的に Au— Sn合金層が形成されてしまう。したがって、半導体 チップと配線基板との接合強度の低下を充分に防止することはできない。また、 Au 層を薄くすると、半田濡れ性が低下し、その結果、ボイドが発生したり、半導体チップ を半田付けする際にセルファランメントが良好に作用しなくなったりするという問題を 生じる。
[0004] そこで、 Au—Sn合金層と半田層との界面に凹凸を形成し、アンカー効果により、半 導体チップと配線基板との接合強度の向上を図ることが提案されている（たとえば、 特許文献 2参照)。この提案に力かる構成では、 Au層の厚さが確保されているため、 ボイドが発生したり、半導体チップを半田付けする際にセルファライメントが作用し難 くなつたりすることがない。 特許文献 1：特開平 6— 283844号公報
特許文献 2：特開 2004 - 22608号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] アンカー効果は、 Au— Sn合金層と半田層との界面の起伏が激しぐ Au— Sn合金 層が半田層に複雑に入り込んでいるほど良好に作用する。し力しながら、 Auと Snと の合金化では、 Au— Sn合金層表面の形状を、半田層に複雑に入り込むように形成 することが困難である。そのため、充分なアンカー効果を得ることができず、半導体チ ップと配線基板との接合強度を、熱衝撃や温度サイクルによるクラックの発生の防止 に充分な強度にまで高めることができな力つた。
[0006] 本発明の目的は、半導体チップと基板との接合強度が高ぐ熱衝撃や温度サイクル 等によるクラックの発生を確実に防止することができる、半導体装置およびその製造 方法、ならびに半導体装置に用いられる基板を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明の半導体装置は、半導体チップと、上記半導体チップが金属層を介して接 合される接合領域を有する基板とを備えた半導体装置である。上記金属層は、 Au— Sn—Ni合金層と、上記 Au—Sn—Ni合金層に重なった半田層とを有している。上記 Au— Sn— Ni合金層と上記半田層との界面には、凹凸が形成されている。
上記 Au— Sn— Ni合金層と上記半田層との界面に形成された凹凸は、 Au— Sn合 金層と半田層との界面に形成される凹凸 (特許文献 2参照）と比較して、起伏が激し い。そして、上記 Au— Sn— Ni合金層表面の形状は、上記半田層に複雑に入り込ん だ形状を有する。また、上記 Au—Sn—Ni合金は、 Niを含有していて、その強度が 高いので、上記 Au— Sn— Ni合金層の上記半田層への嚙み込みは、 Au— Sn合金 層の場合と比較して強固である。したがって、上記 Au—Sn—Ni合金層と上記半田 層との界面におけるアンカー効果が強く作用し、そのアンカー効果によって、半導体 チップと基板との接合強度を高めることができる。その結果、熱衝撃や温度サイクル などによるクラックの発生を確実に防止することができる。
[0008] 上記 Au— Sn— Ni合金層と上記半田層との界面に、 Au— Sn合金層と半田層との 界面に形成された凹凸よりも起伏の激しい凹凸が形成されるのは、 Niが存在すること によって、上記金属層が形成される際に、上記 Au— Sn— Ni合金層のアンカー形状 の成長が促進されるためであると考えられる。
上記半田層の内部には、 Au—Sn合金相が分散していることが好ましい。半田層の 内部に Au—Sn合金相が分散した構成では、半田層自体の強度が高くなるため、 A u—Sn—Ni合金層と半田層との界面におけるアンカー効果がより強く作用し、そのァ ンカー効果によって、半導体チップと基板との接合強度をより高めることができる。
[0009] 半田層の内部に Au— Sn合金相が分散することによって、半田層自体の強度が高 くなる理由は、以下のとおりである。半田層の内部（たとえば、半田層の表面近傍）に Au Sn合金相が偏在して ヽると、熱衝撃や温度サイクル等によって上記 Au— Sn 合金を起点としたクラックを発生する場合がある力 半田層の内部に Au—Sn合金相 が分散していると、 Au— Sn合金相を起点としたクラックが発生せず、さらに分散強化 によって半田層の強度を高めることができるからである。
[0010] また、本発明の基板は、半導体チップが接合される接合領域を有する基板であつ て、上記接合領域には、 Ni層が形成され、上記 Ni層の表面に、厚さ 0. 1〜2. 0 m の Au層が形成されて!、る。
この構成によれば、上記 Au層は、厚さが 0. 1 m以上であり、凹凸を有する Au— Sn— Ni合金層の形成と半田層への Au— Sn合金相の分散とに必要な量の Auを有 している。また、上記 Au層は、厚さが 2. O /z m以下であり、厚過ぎないため、半田溶 融初期に Au層の Auと半田の成分である Snとによって形成される Au—Sn合金に対 して、下層の Ni層力も Niを均一に拡散させることができる。したがって、この基板を用 いれば、半田層との界面に凹凸を有する Au— Sn— Ni合金層を形成し得るとともに、 半田層に Au— Sn合金相を分散させることが可能である。そのため、半導体チップと 基板との接合強度が高ぐ熱衝撃や温度サイクルなどによるクラックの発生を確実に 防止し得る半導体装置を製造することが可能になる。
[0011] 本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップが接合される接合領域に Ni層 が形成され、上記 Ni層の表面に厚さ 0. 1〜2. 0 mの Au層が形成された基板の上 記 Au層の表面に、 Sn含有半田材を用いて Sn含有半田材層を形成する形成工程と 、上記 Sn含有半田材層の表面に、半導体チップを搭載する搭載工程と、上記 Sn含 有半田層が溶融する温度で加熱する加熱工程とを含む。
[0012] この製造方法によれば、半田層との界面に凹凸を有する Au— Sn— Ni合金層を形 成し得るとともに、半田層に Au—Sn合金相を分散させることができる。そのため、半 導体チップと基板との接合強度が高ぐ熱衝撃や温度サイクルなどによるクラックの発 生を確実に防止し得る半導体装置を製造することができる。
本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を 参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]本発明の一実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図である。
[図 2]図 1に示した半導体装置の接合領域近傍を模式的に示す部分拡大断面図で ある。
[図 3]本発明の一実施形態に係る基板の接合領域近傍を模式的に示す部分拡大断 面図である。
圆 4]搭載工程終了時の接合領域近傍を模式的に示す部分拡大断面図である。 発明を実施するための最良の形態
[0014] 図 1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図である。半 導体装置 1は、ガラス繊維強化樹脂からなる基板 2を備えている。この基板 2の表面 において、半導体チップ 3が接合される接合領域 2a以外の領域には、 Cu層、 Ni層、
Au層の順に積層された構造を有する導体回路 7が形成されている。
ガラス繊維強化榭脂としては、特に限定されるものではなぐエポキシ榭脂、ビスマ レイミド―トリアジン樹脂 (BT樹脂）、ポリエステル樹脂、ポリイミド榭脂、フエノール榭 脂、これらの榭脂にガラス繊維等の補強材を含浸したものなどを挙げることができる。
[0015] 基板 2の裏面には、半田バンプ 4が形成されている。導体回路 7と半田バンプ 4とは 、スルーホール 8を介して電気的に接続されている。本実施形態では、基板 2の裏面 に半田バンプ 4が形成されている場合について説明する力 たとえば、半田バンプ 4 を省略し、半田ボールや半田ペースト等を用いて、半導体装置 1をプリント基板に実 装してちょい。 接合領域 2aには、金属層 10を介して、半導体チップ 3が接合されている。金属層 1 0については、後で詳述する。半導体チップ 3としては、種々のものを用いることが可 能であり、その具体的な機能や内部の回路構成は、特に限定されるものではない。 半導体チップ 3は、上面に電極（図示せず)を有している。この電極と導体回路 7とは 、ワイヤ 6によって電気的に接続されている。
[0016] 半導体装置 1は、半導体チップ 3を封止する榭脂パッケージ部 6を備えている。半 田バンプ 4を含む基板 2の裏面側は、榭脂パッケージ部 6から露出している。榭脂パ ッケージ部 6は、たとえば、エポキシ榭脂等を含有する榭脂組成物力もなる。
図 2は、図 1に示した半導体装置の接合領域近傍を模式的に示す部分拡大断面図 である。金属層 10は、 Cu層 11、 Ni層 12、 Au— Sn— Ni合金層 13、半田層 15およ び Au— Sn合金層 16を有して!/、る。
[0017] Au—Sn—Ni合金層 13と半田層 15との界面には、凹凸が形成されている。 Au— Sn— Ni合金層 13の表面は、半田層 15に複雑に入り込んでいる。
Au—Sn—Ni合金層 13と半田層 15との界面に形成される凹凸の形状は、特に限 定されるものではないが、多様な高さおよび深さの複数の山および谷力もなる不規則 な非直線状パターンであることが望ましぐ Au—Sn—Ni合金層が半田層側に楔状 または絨毛状に入り込む形状であることがより望ま U、。複雑に入り組んだ形状であ るほど、アンカー効果が強く作用し、そのアンカー効果によって、半導体チップ 3と基 板 2との接合強度を高めることができる。
[0018] また、 Au—Sn合金層 16と半田層 15との界面には、凹凸が形成されている。 Au— Sn合金層 16の表面は、半田層 15に複雑に入り込んでいる。 Au— Sn合金層 16と半 田層 15との界面に形成される凹凸の形状は、アンカー効果をより強く作用させるため に、多様な高さおよび深さの複数の山および谷力もなる不規則な非直線パターンで あることが望ましぐ Au— Sn合金層が半田層に楔状または絨毛状に入り込む形状で あることがより望ましい。
[0019] 半田層 15の内部には、 Au—Sn合金相 14が分散している。半田層 15の構成物質 は、特に限定されるものではなぐ半導体装置 1の製造時に用いられる Sn含有半田 材の組成によって定められる。 Sn含有半田材については、後で詳述する。 Au—Sn 合金相 14は、半田層 15の内部において、縦方向（基板 2から半導体チップ 3へ向か う方向）に均一に分散していることが望ましい。 Au— Sn合金相 14が分散していること により、クラックの発生を効果的に防止することができ、その分散強化によって半田層 15自体の強度を高めることができる。
[0020] 本実施形態に係る半導体装置 1では、基板 2と半導体チップ 3とを接合する金属層 10は、 Au— Sn— Ni合金層 13と半田層 15とを有し、両者の界面には凹凸が形成さ れている。そのため、 Au— Sn— Ni合金層 13と半田層 15との界面におけるアンカー 効果が強く作用し、このアンカー効果によって、半導体チップ 3と基板 2との接続強度 を高めることができる。また、半田層 15の内部に Au—Sn合金相 14が分散しており、 分散強化によって半田層 15自体の強度が高くなつているため、 Au—Sn—Ni合金 層 13と半田層 15との界面におけるアンカー効果がより強く作用する。したがって、そ のアンカー効果によって、半導体チップ 3と基板 2との接続強度をより高めることがで きる。その結果、熱衝撃や温度サイクル等によるクラックの発生を確実に防止すること ができる。
[0021] 次に、本発明の基板 2について、図 1および図 3を参照して説明する。
図 3は、本発明の一実施形態に係る基板の接合領域近傍を模式的に示す部分拡 大断面図である。
まず、基板 2の全体について説明する。基板 2の表面には、図 1を参照して説明し たように、接合領域 2a以外の領域に、導体回路 7が形成されている。また、基板 2の 裏面には、半田バンプ 4が形成されている。導体回路 7と半田バンプ 4とは、スルーホ ール 8を介して電気的に接続されている。
[0022] さら〖こ、図 3に示すように、基板 2の接合領域 2aには、基板 2側から、 Cu層 11、 Ni 層 12、 Au層 23力 この順で形成されている。
Cu層 11の厚さは、特に限定されるものではなぐ適宜設定することが可能である。 Cu層 11については、たとえば、導体回路 7の Cu層と同じ厚さとして、その Cu層と同 時に形成することが可能である。 Cu層 11の形成方法としては、特に限定されるもの ではなぐ真空蒸着法、スパッタ法、メツキ法、印刷法などを用いることができる。また 、基板の表面に Cu薄膜を形成し、この Cu薄膜を選択的にエッチングすることにより、 Cu層 11を形成することとしてもよ!/、。
[0023] Ni層 12の厚さは、特に限定されるものではなぐ適宜設定することが可能である。
また、 Ni層 12の形成方法としては、特に限定されるものではなぐ真空蒸着法、スパ ッタ法、メツキ法、印刷法などを用いることができる。
Au層 23の厚さは、 0. 1〜2. O /z mである。これにより、半田層 15との界面に凹凸 を有する Au— Sn— Ni合金層 13を形成し得るとともに、半田層 15に Au - Sn合金相 14を分散させることができる。 Au層 23の厚さ力 . 1 μ m未満である場合、 Au層 23 が薄過ぎるため、凹凸を有する Au— Sn— Ni合金層 13の形成と半田層 15への Au — Sn合金相 14の分散とに必要な量の Auを Au層 13から供給することが困難である 。一方、 Au層 23の厚さが 2. O /z mを超える場合、 Au層 23が厚過ぎるため、半田溶 融初期に Au層 23の Auと半田の成分である Snとによって形成される Au—Sn合金に 対して、下層の Ni層 12から Niを均一に拡散させることが困難である。また、 Au層 23 が厚過ぎると、コストが増大するという問題もある。
[0024] また、 Au層 23の厚さについては、凹凸を有する Au—Sn— Ni合金層 13の形成と 半田層 15への Au—Sn合金相 14の分散とを促進させる点から、 Au層 23の厚さの望 ましい下限値は、 0. 5 mであり、その望ましい上限値は、 1. 0 /z mである。また、 A u層 23の形成方法としては、特に限定されるものではなぐ真空蒸着法、スパッタ法、 メツキ法、印刷法などを用いることができる。
[0025] 本実施形態に係る基板 2は、 Au層 23の厚さ力 SO. 1〜2. 0 μ mであり、 Au層 23力 S 、凹凸を有する Au—Sn—Ni合金層 13の形成と半田層 15への Au—Sn合金相 14 の分散とに必要な量の Auを有し、かつ、 Au—Sn合金に対して Ni層 12から Niを均 一に拡散させ得る厚さを有している。したがって、この基板 2を用いれば、半田層 15 との界面に凹凸を有する Au—Sn— Ni合金層 13を形成し得るとともに、半田層 15に Au—Sn合金相 14を分散させることが可能である。そのため、半導体チップ 3と基板 2との接合強度が高ぐ熱衝撃や温度サイクル等によってクラックが発生することを確 実に防止し得る半導体装置を製造することが可能になる。
[0026] 次に、本発明の半導体装置の製造方法について、図 1〜図 4を参照して説明する。
(A)まず、半導体チップ 3の裏面にメツキ法等により Au層 26を形成する（図 4参照） 。 Au層 26の厚さは、特に限定されるものではない。
(B)次に、形成工程として、基板 2の Au層 23の表面に、 Sn含有半田材を用いて S n含有半田材層 25を形成する。 Sn含有半田材としては、 Snを含有するものであれば 、特に限定されるものではなく、たとえば、 Sn—Pb合金、 Sn—Pb—Ag合金、 Sn-P b— Bi合金、 Sn— Pb— In合金、 Sn— Pb— In— Sb合金、 Sn— Ag系合金、 Sn— Cu 系合金、 Sn単体金属等の合金を含む半田ペーストや半田クリーム等の半田材を挙 げることができる。また、 Sn含有半田材として、 Pb系高温半田材 (85質量％以上の P bを含有する Pb— Sn合金の半田材）を用いることができる。このような Pb系高温半田 材としては、たとえば、 1)ー8311—2八8合金（311を8重量％、 Agを 2重量％含み、残 部が Pbおよび不可避不純物力もなる合金の半田材)を挙げることができる。
[0027] (C)次に、搭載工程として、 Sn含有半田材層 25の上面に、上記 (A)の工程におい て裏面に Au層 26が形成された半導体チップ 3を搭載する。図 4は、この搭載工程終 了時の接合領域近傍を模式的に示す部分拡大断面図である。基板 2の接合領域 2a には、基板 2側から、 Cu層 11、 Ni層 12、 Au層 23、 Sn含有半田材層 25が、この順 に形成されている。 Sn含有半田材層 25上には、裏面に Au層 26が形成された半導 体チップ 3が搭載されて 、る。
[0028] (D)次に、加熱工程として、 Sn含有半田層 25が溶融する温度で、半導体チップ 3 を搭載した基板 2を加熱する。 Sn含有半田層 25が溶融する温度 (溶融温度）は、約 260°C以上であり、好ましくは約 295°C以上である。また、上記加熱工程におけるリフ ロー時間は、 10〜60秒である。この加熱により、図 2および図 4に示すように、 Sn含 有半田材層 25〖こ含まれる Snと Au層 23の Auとによって、 Au— Sn合金が形成され、 上記 Au— Sn合金に対して Ni層 11から Niが拡散し、半田層 15との界面に凹凸を有 する Au— Sn— Ni合金層 13が形成される。このとき、 Niが存在することによって、 Au Sn— Ni合金層 13のアンカー形状の成長が促進されるため、上記界面の凹凸は 起伏が激しいものとなり、 Au— Sn— Ni合金層 13表面の形状は、半田層 15に複雑 に入り込んだ形状を有する。また、 Sn含有半田材層 25に含まれる Snと Au層 26の A uと〖こよって、半田層 15との界面に凹凸を有する Au—Sn合金層 16が形成される。さ らに、 Sn含有半田材層 25に含まれる Snと Au層 22または Au層 26の Auとによって 形成された Au - Sn合金の一部は、 Au— Sn合金相 14として半田層 15の内部に分 散する。その結果、図 2に示す金属層 10が形成され、半導体チップ 3が金属層 10を 介して基板 2に接合される。
[0029] 続いて、図 1に示すように、半導体チップ 3の上面に形成された電極と導体回路 7と を、ワイヤ 6を用いてワイヤボンディングする。その後、エポキシ榭脂等を含有する榭 脂組成物で榭脂パッケージ部 6を形成することにより、半導体装置 1を得ることができ る。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半田層 15との界面に凹凸を有する Au - Sn— Ni合金層 13を形成し得るとともに、半田層 15に Au - Sn合金相 14を分散さ せることができる。そのため、半導体チップ 3と基板 2との接合強度が高ぐ熱衝撃や 温度サイクル等によってクラックが発生することを確実に防止し得る、半導体装置を 製造することができる。
[0030] 以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定され るものではない。本実施形態においては、半田層の下側（基板側）に、 Au— Sn— Ni 合金層が形成される場合について説明したが、たとえば、半田層の上側（半導体チッ プ側）に、 Au— Sn— Ni合金層が形成されてもよい。また、半田層の上側および下側 に、 Au— Sn— Ni合金層が形成されてもよい。
[0031] 本実施形態においては、半田層の内部に Au—Sn合金相が分散している場合に ついて説明したが、必ずしも、半田層の内部に Au— Sn合金相が分散している必要 はない。
本実施形態においては、基板が 1層力もなるものである場合について説明したが、 基板は、複数の板状体が積層されたものであってもよい。また、基板として、リードフ レームを用いることも可能である。
[0032] 榭脂パッケージ部を形成する際に用いられる榭脂としては、特に限定されるもので はなぐたとえば、榭脂主成分としての熱硬化性のエポキシ榭脂と、硬化剤成分とし てのフエノール榭脂と、無機充填剤とを含有した榭脂組成物などを挙げることができ る。また、上記榭脂主成分として、エポキシ榭脂にかえて、たとえば、 PPS (ポリフエ- レンスルフイド)榭脂、 PPE (ポリフエ-レンエーテル)榭脂など、耐熱性の熱可塑性榭 脂を用いることも可能である。また、上記無機充填剤としては、特に限定されるもので はなぐたとえば、石英ガラス、結晶性シリカ、溶融シリカなどを挙げることができる。
[0033] 本実施形態にぉ 、ては、半導体装置のパッケージ方式が BGA (Ball Grid Array) である場合について説明した。し力しながら、ノ ッケージ方式としては、特に限定され るものではなぐたとえば、 LGA (Land Grid Array)、 QFP (Quad Flat Package)、 QF N (Quad Flat Non-leaded package)、 QFJ (Quad Flat J leaded package)、 SOP (Smal 1 Out-line Package)、 SOJ (Small Out-line J leaded package)、 DIP (Dual In-line Pac kage)、 SIP (Single In-line Package)などを挙げることができる。
[0034] その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが 可能である。すなわち、前述の実施形態は、本発明の技術的内容を明らかにするた めに用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべ きではなぐ本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される この出願は、 2005年 8月 22日に日本国特許庁に提出された特願 2005— 24028 5号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体チップと、前記半導体チップが金属層を介して接合される接合領域を有す る基板とを備えた半導体装置であって、
前記金属層は、 Au— Sn— Ni合金層と、前記 Au— Sn— Ni合金層に重なった半 田層とを有し、
前記 Au— Sn— Ni合金層と前記半田層との界面には、凹凸が形成されている。
[2] 請求項 1に係る半導体装置において、
前記半田層の内部には、 Au—Sn合金相が分散している。
[3] 半導体チップが接合される接合領域を有する基板であって、
前記接合領域には、 Ni層が形成され、前記 Ni層の表面に、厚さ 0. 1〜2. O /z mの Au層が形成されている。
[4] 半導体装置の製造方法にぉ 、て、
半導体チップが接合される接合領域に Ni層が形成され、前記 Ni層の表面に厚さ 0 . 1〜2. 0 mの Au層が形成された基板の前記 Au層の表面に、 Sn含有半田材を 用いて Sn含有半田材層を形成する形成工程と、
前記 Sn含有半田材層の表面に、半導体チップを搭載する搭載工程と、 前記 Sn含有半田層が溶融する温度で加熱する加熱工程とを含む。
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