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JP4318893B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に係り、特に、金属ポストを有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置の高密度化に伴う、半導体の小型化、薄型化のニーズに対応する技術として、ベアチップを基板に直接、実装するフリップチップ実装方法(フリップチップボンディング方法)が知られている。
【０００３】
フリップチップボンディング方法の概要を図１を用いて説明する。フリップチップボンディング方法は、先ず、図１(Ａ)に示すように、ＩＣチップ、ＣＳＰ、ＳＡＷフィルタ等の電子素子３のアクティブな表面に電極(パッド)２１〜２５を設け、その上に、突起電極であるバンプ１１〜１５を形成する。次いで、図１(Ｂ)に示すように、セラミックなどの実装基板５上の電極４１〜４５と、電子素子３上の電極２１〜２５との位置合せを行う。その後、図１(Ｃ)に示すように、加熱、加圧等により、実装基板５上の電極４１〜４５と電子素子３上の電極２１〜２５とをバンプ６により固着する。なお、球状のバンプ１は、溶融され、実装基板５上の電極４１〜４５と電子素子３上の電極２１〜２５との間の表面張力により、円柱(又はフィレット状、樽状)のバンプ６が形成される。
【０００４】
また、バンプの形成方法として、めっき法、蒸着法、転写法、ワイヤボンディング装置のキャピラリを用いてバンプを形成する方法（以下、この方法を「ワイヤボンディング法」と言い、このワイヤボンディング法により、形成されたバンプを「ボンディングバンプ」と言う。）などがある。ところで、めっき法、蒸着法、転写法では、処理工程が多く、設備投資額が大きくなることから、ワイヤボンディング法が多く用いられている。
【０００５】
なお、電子素子は、ＩＣチップ、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ等の電子素子である。
【０００６】
図２にボンディングバンプ法により形成されたボンディングバンプの例を示す。図２のボンディングバンプは、電子素子１１に設けられた電極１２上に形成される。ボンディングバンプは、金、銅、半田等の金属材料で、バンプ部１３とネック部１４から構成されている。例えば、バンプ部１３とネック部１４の合計の高さは、約５０〜６０μｍである。
【０００７】
図３を用いて、ボンディングバンプの形成方法を説明する。２２は、通常のワイヤボンディングに使用するキヤピラリ、２１はキヤピラリ２２を貫通し適当量ずつ順次繰り出されるワイヤ、２３はワイヤ２１の先端に形成された球体、２５は電子素子、２４は電子素子２５上の電極、２６は電極２４上に形成したバンプである。
バンプ２６の形成工程を説明する。先ず、図３(Ａ)に示すように、ワイヤ２１の先端に、加熱、放電スパーク等の手段により、球体２３を形成させる。次いで、キヤピラリ２２を用いて、図３(Ｂ)に示すように、球体２３を電極２４に押圧し、超音波併用して熱圧着させる。次いで、図３(Ｃ)、(Ｄ)に示すように、キヤピラリ２２を引き上げると、ワイヤ２１は、切断され、ボンディングバンプ２６が形成される。以下、この動作の繰り返しによって、電子素子２５の上面には、多数のバンプ２６が形成される。
【０００８】
ところで、フリップチップ実装する場合、フリップチップ接続する半導体装置に子チップが搭載されている場合、子チップに影響しないように、フリップチップ実装するためには、高さのあるバンプを用いる必要がある。
【０００９】
このような、高さのあるバンプを形成するために、バンプを２層とする技術が、特開平８−１６２４９１号公報、特開平８−２６４５４０号公報及び特開平９−１６７７７１号公報に開示されている。なお、特開平８−２６４５４０号公報及び特開平９−１６７７７１号公報に記載されているバンプは、２層ともボンディングバンプであり、特開平８−１６２４９１号公報に記載されているバンプは、下層がめっきバンプで、上層がボンディングバンプである。
【００１０】
なお、前記特開平８−１６２４９１号公報には、高さのあるバンプを形成するために、ボンディングバンプを２層以上の層とすることが開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２６４５４０号公報、特開平９−１６７７７１号公報及び特開平８−１６２４９１号公報に記載された発明は、ボンディングバンプ法により、バンプを形成している。ところで、ボンディングバンプ法では、超音波を用いることから、特開平８−２６４５４０号公報及び特開平９−１６７７７１号公報に記載されている発明では、２回同じ位置の電極(パッド)に超音波が伝達され、ボンディングバンプ下の電極等がダメージを受けるという問題が生じる。特開平８−１６２４９１号公報に記載されている発明は、ボンディングバンプを２層以上の層とするものであるので、更に、大きなダメージを受けるという問題が生じる。
【００１２】
また、特開平８−１６２４９１号公報に記載されているように、ボンディングバンプを多層としているので、高さは稼げるものの、バンプの中心を維持したまま、積層することは、困難で、通常は、中心がずれたまま積層されてしまう。また、中心がずれたまま、バンプが積層されると、接続部における位置合せがうまく行かず、良好なフリップチップ接続ができないという問題が生じる。
【００１３】
また、ボンディングバンプを多層とした場合、ボンディングバンプの高さの制御が難しく、ボンディングバンプの高さが、不揃いとなり、高いボンディングバンプと低いボンディングバンプが生じ、その結果、低いボンディングバンプにおいて、良好なフリップチップ接続ができないという問題が生じる。
【００１４】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、半導体素子に対する超音波振動によるダメージを削減し、位置ずれ、高さのバラツキの少ない半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【００１６】
請求項１に記載された発明は、第１の半導体素子と、該第１の半導体素子の実装基板と、該実装基板に設けられた端子であって前記第１の半導体素子と前記実装基板とをフリップチップ接続するための端子と、前記第１の半導体素子の能動面にフリップチップ接続された第２の半導体素子とを有する半導体装置であって、前記端子は、前記実装基板上に、順に形成された、パッドと、金属ポストと、突起電極とを有し、前記第１の半導体素子は、フェースダウンにて、前記端子により、前記実装基板にフリップチップ実装され、前記実装基板における前記第１の半導体素子が接続される面と、前記第１の半導体素子の能動面との間隔の寸法は、第１の半導体素子の能動面からの前記第２の半導体素子の背面の高さ寸法より長く、前記突起電極は、金を主成分とするボンディングバンプであり、前記金属ポストの前記突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置である。
請求項１に記載された発明によれば、実装基板上に設けたパッドと、該パッドに接続された金属ポストと、該金属ポスト上に設けた突起電極とを有する半導体装置であるので、電子素子をフリップチップボンディングするとき、電子素子に対する超音波振動によるダメージを削減し、位置ずれ、高さのバラツキの少ない半導体装置を提供することができる。
また、突起電極が金を主成分とするボンディングバンプであり、金属ポストの突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることにより、電子素子と実装基板間の接続を確実にすることができる。
また、突起電極は、ボンディングバンプであることにより、電子素子と実装基板間の接合時に、ボンディングバンプが、クッションとなり、フリップチップ接続におけるダメージを少なくすることができる。
【００１９】
請求項２に記載された発明は、請求項１記載の半導体装置において、前記金属ポストは、銅ポストであることを特徴とする。
【００２０】
請求項２に記載された発明によれば、金属ポストが銅ポストであるので、放熱効果のある接続抵抗の少ない半導体装置を提供することができる。
【００２５】
請求項３に記載された発明は、第１の半導体素子と、該第１の半導体素子の実装基板とフリップチップ接続するための端子と、前記第１の半導体素子の能動面にフリップチップ接続された第２の半導体素子とを有する半導体装置の製造方法であって、前記第２の半導体素子とフリップチップ接続するための接続用パッドと、前記端子を形成するための端子形成用パッドとを有する第１の半導体素子を用意する工程と、前記端子形成用パッド上に、順に、金属ポストと、突起電極とを形成することにより、端子を形成する端子形成工程と、前記接続用パッドにより、前記第１の半導体素子と、第２の半導体素子とをフリップチップ接続するフリップチップ接続工程とを有し、前記端子の先端は、前記第２の半導体素子の背面の高さより高く、前記突起電極は、金を主成分とするボンディングバンプであり、前記金属ポストの前記突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００２９】
請求項３に記載された発明によれば、電子素子をフリップチップボンディングするとき、電子素子に対する超音波振動によるダメージを削減し、位置ずれ、高さのバラツキの少ない半導体装置の製造方法を提供することができる。
また、突起電極が金を主成分とするボンディングバンプであり、金属ポストの突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることにより、電子素子と実装基板間の接続を確実にすることができる。
また、突起電極は、ボンディングバンプであることにより、電子素子と実装基板間の接合時に、ボンディングバンプが、クッションとなり、フリップチップ接続におけるダメージを少なくすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。本発明は、ＩＣチップを搭載した電子素子の能動面上に設けたパッドと、該パッド上に設けた金属ポストと、該金属ポスト上に設けた突起電極とを有する端子を用いて、フリップチップ接続するものである。なお、電子素子としては、ＩＣチップ、ＣＳＰ、ＳＡＷフィルタ等の電子素子が適用できる。
【００３１】
図４を用いて、フリップチップ型半導体装置の実装手順を説明する。先ず、図４（Ａ）に示す半導体ウエハを用意する。図４（Ａ）に示す半導体ウエハは、シリコンウエハ３１の能動面上に電極（パッド）３２１〜３２７を設けたものである。なお、電極（パッド）３２１〜３２７として、アルミニウム、銅等を用いる。電極の高さは、約１〜２μｍである。
【００３２】
次いで、図４（Ｂ）に示すように、電極３２１〜３２７上に、めっきにより、金属ポスト３３１〜３３７を形成する。なお、金属ポスト３３１〜３３７として、銅、ニッケル、金、プラチナ、パラジウム、プラチナとパラジウムの合金等の金属を用いる。また、金属ポスト３３１〜３３７の高さは、約１００μｍである。
【００３３】
次いで、図４（Ｃ）に示すように、金属ポスト３３１〜３３７上に、ボンディングバンプ(突起電極)３４１〜３４７を形成する。その後、ＩＣチップ（子チップ）を半導体ウエハに搭載する。ＩＣチップ３０の高さは、約５０μｍである。なお、このＩＣチップは、フリップチップボンディング方法により搭載されるが、図面上では、バンプ等を省略して記載している。
【００３４】
ボンディングバンプは、図３に示された方法によって形成される。ボンディングバンプの高さは、約５０〜６０μｍである。
【００３５】
図４に示されている電極３２、金属ポスト３３及びボンディングバンプの高さの総計は、約１５０〜１６０μｍとなり、ＩＣチップ３０の高さよりも、充分高いので、実装基板に、フリップチップ実装することが可能となる。また、ＩＣチップ３０の高さに応じて、金属ポスト３３の高さを設定するようにしてもよい。
【００３６】
次いで、半導体ウエハを個々の電子素子にダイシングした後、図４（Ｄ）に示すように、図４(Ｃ)の金属ポストを有する電子素子３１を、実装基板４０に、ＵＳ（超音波）ボンディングヘッド３６を用いて、フリップチップ実装方法により、フェースダウン実装したものである。実装基板上４０の端子３５１〜３５７と、電子素子３１上のボンディングバンプ３４１〜３４７とが位置合せされて、フリップチップ接続される。
【００３７】
なお、上記工程では、ボンディングバンプの形成後にＩＣチップ（子チップ）を半導体ウエハに搭載しているが、ＩＣチップ（子チップ）は、半導体ウエハを個々の電子素子にダイシングした後に、個々の電子素子に搭載するようにしてもよい。
【００３８】
このように、電子素子の能動面上に金属ポストを形成し、その上に設けた突起電極により、フリップチップ接続したので、電子素子に設けるＩＣチップの高さに応じて、金属ポストの高さを設定することにより、高さのあるＩＣチップであっても、ＩＣチップを搭載した電子素子をフリップチップ実装することが可能となる。
【００３９】
また、ボンディングバンプ法による、ボンディングバンプの形成は、一度で済み、ボンディングバンプを２層以上の層とするものに比して、ボンディングバンプ法における超音波によるダメージを少なくすることができる。
【００４０】
また、バンプを２層以上の層とするものに比べて、中心ずれの問題は少なく、接続部における位置合せの問題は生じない。
【００４１】
また、バンプを２層以上の層とするものに比べて、高さの不揃いの問題は少なく、高さのばらつきの問題は生じない。
【００４２】
また、金属ポストだけで、電子素子と実装基板とをフリップチップ実装する場合と、比較して、金属ポスト上に、ボンディングバンプが存在するので、接合時に、ボンディングバンプが、クッションとなり、フリップチップ接続におけるダメージを少なくすることができる。
(他の実施の形態)
図４は、電子素子３１のアクティブな表面に、金属ポストを形成した場合であった。本件発明は、それに限らず、実装基板上に金属ポストを形成した場合であっても適用できる。
【００４３】
図５は、図４（Ａ）〜図(Ｃ)と同様に、実装基板４１の電極４２上に、金属ポスト４３及びボンディングバンプ４４を形成し、その後、電子素子４６を、ＵＳボンディングヘッド３６を用いて、実装基板４１に、フリップチップ実装方法により、フェースダウン実装したものである。
【００４４】
こ場合であっても、超音波によるダメージ、位置合せの問題及び高さのばらつきの問題は生じない。
(変形例)
ボンディングバンプが金を主成分とする場合、接続を確実にするために、金属ポストのボンディングバンプと接する面に、金又はニッケル／金メッキを施す。
【００４５】
例えば、図６（Ａ）は、電子素子３１の電極３２上に設けた金属ポスト３３に金メッキ３７を施したものである。また、図６（Ｂ）は、電子素子３１の電極３２上に設けた金属ポスト３３に、ニッケルメッキ３８及び金メッキ３９を施したものである。
【００４６】
また、金属ポストは、台形としてもよい。例えば、図７は、電子素子３１の電極３２上に設けた台形の金属ポスト５１である。金属ポストを台形としたので、ボンディングバンプの作成する際又は超音波でフリップチップ実装する際における振動に耐えることができる。
【００４７】
なお、金属ポストとして、ニッケル等、各種金属を用いてもよいが、銅ポストを用いた場合は、放熱効果のある接続抵抗の少ない端子を提供することができる。特に、能動面上に設けたパッドが銅の場合は、パッドとの親和性がよい。
【００４８】
また、上記実施の形態では、金属ポストとして、ＩＣチップを搭載した電子素子の能動面上に設けた電極上に設けた場合について説明したが、金属ポストは、必ずしも、電極上に直接設ける必要はなく、金属ポストが、電極に接続されていればよい。
【００４９】
また、電子素子の能動面上に電子素子の電極（パッド）と接続する再配線が形成され、この再配線上に形成された電極に、金属ポストが形成されていてもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、電子素子の能動面上にＩＣチップを搭載した場合について説明したが、ＩＣチップに代えて（又はＩＣチップに加えて）、チップキャパシタ、チップ抵抗等の電子素子を搭載するようにしてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、半導体素子に対する超音波振動によるダメージを削減し、位置ずれ、高さのバラツキの少ない半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供するができる。
【００５２】
【図面の簡単な説明】
【図１】フリップチップボンディング方法の概要を説明するための図である。
【図２】ボンディングバンプ法により形成されたボンディングバンプを説明するための図である。
【図３】ボンディングバンプの形成方法を説明するための図である。
【図４】本発明におけるフリップチップ型半導体装置の実装手順を説明するための図である。
【図５】実装基板上に、金属ポスト及びボンディングバンプを形成して、その後、電子素子を、この実装基板に、フェースダウン実装した例を説明するための図である。
【図６】金属ポストに金又はニッケル／金メッキをメッキした例を説明するための図である。
【図７】台形の金属ポストを説明するための図である。
【符号の説明】
１ 突起電極であるバンプ
２、１２、２４、３２、４５ 電子素子上の電極
３、１１、２５、３１、４６ 電子素子
４、３５、４２ 実装基板上の電極
５、４０、４１ 実装基板
１３ ボンディングバンプのバンプ部
１４ ボンディングバンプのネック部
２１ ワイヤ
２２ キヤピラリ
２３ ワイヤの先端に形成された球体
２６、３４、４４ ボンディングバンプ
３０ 子チップ
３３、４３、５１ 金属ポスト
３６ ＵＳボンディングヘッド
３７、３９ 金メッキ
３８ ニッケルメッキ

Claims (3)

  1. 第１の半導体素子と、該第１の半導体素子の実装基板と、該実装基板に設けられた端子であって前記第１の半導体素子と前記実装基板とをフリップチップ接続するための端子と、前記第１の半導体素子の能動面にフリップチップ接続された第２の半導体素子とを有する半導体装置であって、
    前記端子は、前記実装基板上に、順に形成された、パッドと、金属ポストと、突起電極とを有し、
    前記第１の半導体素子は、フェースダウンにて、前記端子により、前記実装基板にフリップチップ実装され、
    前記実装基板における前記第１の半導体素子が接続される面と、前記第１の半導体素子の能動面との間隔の寸法は、第１の半導体素子の能動面からの前記第２の半導体素子の背面の高さ寸法より長く、
    前記突起電極は、金を主成分とするボンディングバンプであり、
    前記金属ポストの前記突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属ポストは、銅ポストであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 第１の半導体素子と、該第１の半導体素子の実装基板とフリップチップ接続するための端子と、前記第１の半導体素子の能動面にフリップチップ接続された第２の半導体素子とを有する半導体装置の製造方法であって、
    前記第２の半導体素子とフリップチップ接続するための接続用パッドと、前記端子を形成するための端子形成用パッドとを有する第１の半導体素子を用意する工程と、
    前記端子形成用パッド上に、順に、金属ポストと、突起電極とを形成することにより、端子を形成する端子形成工程と、
    前記接続用パッドにより、前記第１の半導体素子と、第２の半導体素子とをフリップチップ接続するフリップチップ接続工程とを有し、
    前記端子の先端は、前記第２の半導体素子の背面の高さより高く、
    前記突起電極は、金を主成分とするボンディングバンプであり、
    前記金属ポストの前記突起電極と接する面は、金又はニッケル／金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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