(57)【要約】      （修正有）【課題】基板接合時の信頼性を向上させた半導体装置及び半導体チップのボンディング方法を提供する。【解決手段】半導体チップ１０の電極１１の上に形成され、電極１１から離れるに従って幅が狭くなる楔形突起１３と、半導体チップ１０の電極１１に対応して基板２０に配置された電極２１の上に形成され、電極２１から離れるに従って溝２７の幅が広くなる溝形突起２８とを備え、半導体チップ１０の楔形突起１３を基板２０の溝形突起２８の溝２７に押しつけて半導体チップ１０を基板２０に接合した半導体装置１００であって、楔形突起先端１５の幅Ｗ1は溝形突起先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも狭く、楔形突起根元１４の幅Ｗ2は溝形突起先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも広く、楔形突起側面１６の半導体チップ１０の電極１１の表面１２に対する傾斜角αは溝形突起２８の傾斜面２６の基板２０の電極２１の表面２２に対する傾斜角β以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの各電極上に形成され、各電極から離れるに従って幅が狭くなる各楔形突起と、
半導体チップの各電極に対応して基板に配置された各電極上に形成され、各電極から離れるに従って溝幅が広くなる各溝形突起と、を備え、
半導体チップの各楔形突起を基板の各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合した半導体装置であって、
各楔形突起先端の幅は各溝形突起先端の溝幅よりも狭く、各楔形突起根元の幅は各溝形突起先端の溝幅よりも広く、各楔形突起側面の半導体チップの各電極面に対する傾斜角は各溝形突起の溝側面の基板の各電極面に対する傾斜角以下であること、
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
溝形突起は、基板の各電極から離れるに従って幅が狭くなる一対の台形突起で形成され、溝側面は、各台形突起の対向する傾斜面であり、
各台形突起の高さは根元の幅よりも大きいこと、
を特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置であって、
各楔形突起は角柱形状で、同一方向に延びるよう半導体チップの各電極上に形成され、
各溝形突起は、溝の方向が同一方向に延びるよう基板の電極上に形成され、
各楔形突起の延びる方向を溝形突起の溝の延びる方向に合わせ、超音波加振によって各楔形突起を各溝の延びる方向に振動させつつ各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合したこと、
を特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体チップの各電極から離れるに従って幅が狭くなる各楔形突起と、半導体チップの各電極に対応して基板に配置された各電極から離れるに従って溝幅が広くなる各溝形突起と、を各楔形突起先端の幅が各溝形突起先端の溝幅よりも狭く、各楔形突起の根元の幅が各溝形突起先端の溝幅よりも広く、各楔形突起側面の半導体チップの各電極面に対する傾斜角が各溝形突起の溝側面の基板の各電極面に対する傾斜角以下となるように半導体チップの各電極上と基板の各電極上に各突起を形成する突起形成工程と、
半導体チップの各楔形突起を基板の各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合する接合工程と、
を備えることを特徴とする半導体チップのボンディング方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体チップのボンディング方法であって、
突起形成工程は、基板の各電極から離れるに従って幅が狭くなり、その高さが根元の幅よりも大きく、その対向する傾斜面が溝側面となる一対の台形突起で溝形突起を形成すること、
を特徴とする半導体チップのボンディング方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の半導体チップのボンディング方法であって、
突起形成工程は、同一方向に延びる角柱形状に各楔形突起を形成し、溝の方向が同一方向に延びるように各溝形突起を形成し、
接合工程は、各楔形突起の延びる方向を各溝形突起の溝の延びる方向に合わせた後、超音波加振によって各楔形突起を各溝の延びる方向に振動させつつ各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合すること、
を特徴とする半導体チップのボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを基板に接合した半導体装置及び半導体チップを基板に接合するボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを基板に実装する場合には、半導体チップの電極と基板の電極の上に鉛やはんだなどによってそれぞれバンプを形成し、半導体チップを反転させて半導体チップの電極上に形成されたバンプを基板のバンプの上に合わせた後、半導体チップと基板とを加熱して各バンプを溶かして一体の接続層とした後、半導体チップと基板とを冷却して半導体チップを基盤に接続する方法が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、近年、電子機器の小型化の要求から、半導体チップの電極の間隔は非常に狭くなってきている。この場合、上記のようはんだバンプを溶融させて半導体チップを基板に接合する方法では、溶融したはんだによって隣接する電極同士が接続されてしまう場合があり、電極ピッチの狭い半導体チップを基板に接合することが困難となってきた。
【０００４】
このため、半導体チップの電極上に金バンプを形成し、この金バンプを銅などで形成された基板のランドに圧接させる方法が用いられるようになってきている。例えば、基板の上に封止樹脂をポッティングした後、半導体チップの電極上に形成した金バンプを１０μｍ程度沈みこませるようにランドに向かって加圧して金バンプとランドとを接続させた後、封止樹脂を加熱する。加熱による封止樹脂の収縮によって半導体チップと基板とが引き合う力を発生させ、この力によって半導体チップと基板とを電気的、物理的に接続する方法や、基板のランドに凹部を設け、この凹部に金バンプの先端を押しつけて凹部に沿った形状に金バンプを変形させて金バンプを凹部に嵌合させる方法が用いられている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】実開昭６２−１６３９４５号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４９１３号公報
【特許文献３】特開２００３−２４９５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、半導体チップの集積度が高くなると、半導体チップに設けられる電極の数も多くなってくる。近年は、電極の数が数百以上の半導体チップもある。このような多くの電極を同時に基板の電極に接合する場合には、例えば、半導体チップの電極上に金バンプを形成し、基板の電極には錫バンプを形成し、金バンプを錫バンプに圧接すると共に３００℃程度に加熱し、金と錫との共晶によってバンプ同士を金属的に接合する方法が用いられている。
【０００７】
しかし、この方法は、すべての金属バンプ同士を圧接することが必要なため、高さにバラツキがあると半導体チップに過大な荷重が加わる場合があり、半導体チップや基板が損傷を受ける場合がある。特に、近年は誘電率による伝送損失の低減を図るため基板は非常に薄いものが使用される場合が多く、基板が損傷を受け、半導体装置の信頼性が低下する場合が多いという問題があった。また、バンプの位置にずれがあった場合に、圧接の際にバンプ同士が横方向に逃げ、隣接するバンプ同士が接触してショートする場合があり、半導体装置の信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、半導体チップを基板に接合した半導体装置の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置は、半導体チップの各電極上に形成され、各電極から離れるに従って幅が狭くなる各楔形突起と、半導体チップの各電極に対応して基板に配置された各電極上に形成され、各電極から離れるに従って溝幅が広くなる各溝形突起と、を備え、半導体チップの各楔形突起を基板の各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合した半導体装置であって、各楔形突起先端の幅は各溝形突起先端の溝幅よりも狭く、各楔形突起根元の幅は各溝形突起先端の溝幅よりも広く、各楔形突起側面の半導体チップの各電極面に対する傾斜角は各溝形突起の溝側面の基板の各電極面に対する傾斜角以下であること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置において、溝形突起は、基板の各電極から離れるに従って幅が狭くなる一対の台形突起で形成され、溝側面は、各台形突起の対向する傾斜面であり、各台形突起の高さは根元の幅よりも大きいこと、としても好適であるし、各楔形突起は角柱形状で、同一方向に延びるよう半導体チップの各電極上に形成され、各溝形突起は、溝の方向が同一方向に延びるよう基板の電極上に形成され、各楔形突起の延びる方向を溝形突起の溝の延びる方向に合わせ、超音波加振によって各楔形突起を各溝の延びる方向に振動させつつ各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合することとしても好適である。
【００１１】
本発明の半導体チップのボンディング方法は、半導体チップの各電極から離れるに従って幅が狭くなる各楔形突起と、半導体チップの各電極に対応して基板に配置された各電極から離れるに従って溝幅が広くなる各溝形突起と、を各楔形突起先端の幅が各溝形突起先端の溝幅よりも狭く、各楔形突起の根元の幅が各溝形突起先端の溝幅よりも広く、各楔形突起側面の半導体チップの各電極面に対する傾斜角が各溝形突起の溝側面の基板の各電極面に対する傾斜角以下となるように半導体チップの各電極上と基板の各電極上に各突起を形成する突起形成工程と、半導体チップの各楔形突起を基板の各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合する接合工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体チップのボンディング方法において、突起形成工程は、基板の各電極から離れるに従って幅が狭くなり、その高さが根元の幅よりも大きく、その対向する傾斜面が溝側面となる一対の台形突起で溝形突起を形成すること、としても好適であるし、突起形成工程は、同一方向に延びる角柱形状に各楔形突起を形成し、溝の方向が同一方向に延びるように各溝形突起を形成し、接合工程は、各楔形突起の延びる方向を各溝形突起の溝の延びる方向に合わせた後、超音波加振によって各楔形突起を各溝の延びる方向に振動させつつ各溝形突起の溝に押しつけて半導体チップを基板に接合すること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、半導体チップを基板に接合した半導体装置の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図１（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、半導体チップ１０に設けられた電極１１の表面１２に形成された楔形の断面を有する楔形突起１３と、基板２０に設けられた電極２１の表面２２に形成され、台形の溝２７を有する溝形突起２８と、を備え、楔形突起１３が溝形突起２８の溝２７にはまり込んで半導体チップ１０と基板２０とを接合したものである。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、楔形突起１３は、半導体チップ１０の電極１１の表面１２から離れるに従って幅が狭くなるような楔形の断面で、根元１４の幅Ｗ2は先端１５の幅Ｗ1よりも大きくなっている。楔形突起１３の先端１５から見た平面形状を図１（ａ）に示す。図１（ａ）に示すように、楔形突起１３は、四角形状の電極１１の一辺に平行な方向に延びる角柱形状となっている。図１(ｂ)に示すように、対向する各側面１６は、電極１１の表面１２に対して傾斜角αだけ傾斜している。楔形突起１３は、電極１１の表面１２に金をメッキして形成されたもので、その高さは例えば、２０〜３０μｍである。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、基板２０の表面には、電極２１がメッキなどによって形成されている。電極２１は半導体チップ１０の電極１１に対応する位置に形成され、形状も半導体チップ１０の電極１１と同様の四角形状である。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、溝形突起２８は、電極２１の表面２２から離れるに従って幅が広くなる台形の溝２７を有している。溝形突起２８の先端２５の溝の幅Ｗ4は、電極２１の表面２２の溝の幅Ｗ3よりも広くなっている。溝形突起２８は、電極２１の表面２２から離れるに従ってその幅が小さくなる台形状の断面を持つ一対の台形突起２３によって構成されている。溝型突起２８の先端２５から見た平面形状を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）に示すように、各台形突起２３は四角い電極２１の一つの辺に平行な方向であって、楔形突起１３と同様の方向に延びる角柱形状となっている。図１（ｂ）に示すように、各台形突起２３の対向する各傾斜面２６は、溝２７の側面を形成し、各傾斜面２６は電極２１の表面２２に対して傾斜角βだけ傾斜している。また、各台形突起２３高さＨは根元２４の幅Ｗ5よりも大きく、例えば、高さＨは根元２４の幅Ｗ5の２から３倍となっていてもよい。各台形突起２３は、電極２１の表面２２に錫メッキして形成されたもので、その高さは例えば、２０〜３０μｍである。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、楔形突起１３の先端１５の幅Ｗ1は溝形突起２８の先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも狭く、楔形突起１３の根元１４の幅Ｗ2は溝形突起２８の先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも広く、楔形突起１３の側面１６の電極１１の表面１２に対する傾斜角αは溝形突起２８の溝２７の側面を構成する傾斜面２６の電極２１の表面２２に対する傾斜角βと略同一である。傾斜角αは傾斜角βよりも小さな角度となっていてもよい。
【００１９】
図２と図３を参照しながら、半導体チップ１０と基板２０との接合について説明する。半導体チップ１０の電極１１の表面１２の上に先に説明した楔形突起１３を形成し、基板２０の電極２１の表面２２の上に先に説明した一対の台形突起２３によって構成される溝形突起２８を形成する（突起形成工程）。楔形突起１３の形成された半導体チップ１０は、図示しない反転装置によって楔形突起１３が下面となる様に反転されて図示しないボンディング装置のコレットに吸着される。また、基板２０はボンディングステージに吸着固定される。コレット側のヒータとボンディングステージ側のヒータによって半導体チップ１０と基板２０は加熱される。
【００２０】
反転した半導体チップ１０は、図示しないボンディング装置のコレットの位置を調整することによって楔形突起１３の延びる方向を基板２０の溝形突起２８の溝２７の延びる方向となる様に方向を合わせ、また、楔形突起１３の先端１５の位置が溝２７の幅方向の中心となる様に位置合わせをする。位置合わせが終了したら、ボンディング装置のコレットを降下させる。楔形突起１３の先端の幅Ｗ1は溝形突起２８の先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも狭いので、楔形突起１３の先端１５は溝形突起２８の溝２７の中に入り込んでいく。
【００２１】
図３に示すように、楔形突起１３が溝２７の中に入り込んでいくと、楔形突起１３の根元１４の幅Ｗ2は溝形突起２８の先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも広く、楔形突起１３の側面１６の電極１１の表面１２に対する傾斜角αは溝形突起２８の溝２７の側面を構成する傾斜面２６の電極２１の表面２２に対する傾斜角βと略同一または小さな角度となっているので、楔形突起１３の各側面１６は溝形突起２８を形成する一対の台形突起２３の各傾斜面２６に当たる。各台形突起２３は根元２４の幅の２から３倍の高さを持っているので、各台形突起２３の傾斜面２６に楔形突起１３の各側面１６が押しつけられると、その押しつけ力によって各台形突起２３は左右に曲がり変形をする。この台形突起２３の曲がり変形によって溝２７の幅が広がり、楔形突起１３は溝２７の中に割り込んで入ることができる。このため、楔形突起１３は比較的小さな押しつけ力で溝２７の中に割り込むことができる。
【００２２】
そして、所定の位置まで半導体チップ１０を基板２０に向かって押し付けたら半導体チップの降下を停止する。半導体チップ１０と基板２０との加熱によって楔形突起１３と各台形突起２３も加熱されているので、金の楔形突起１３の側面１６が錫の傾斜面２６に接すると、その接合部に金と錫の共晶ができ、これによって楔形突起１３と台形突起２３とが金属的に接合される。この接合は、固相状態の金属同士を接合するもので固相接合となっている（接合工程）。
【００２３】
図４に示すように、半導体チップ１０には複数の電極１１が配置され、基板２０の半導体チップ１０の各電極１１に対応する位置に複数の電極２１が配置され、半導体チップ１０の電極１１には各楔形突起１３が形成され、基板２０の各電極２１には溝形突起２８が形成されている。各楔形突起１３の高さにバラツキがあった場合、各楔形突起１３は各溝形突起２８の溝２７に入り込む深さが異なることとなるが、楔形突起１３は比較的小さな力で溝２７の中に割り込むことができるため、複数の楔形突起１３の高さにバラツキがある場合でも比較的小さな押しつけ力で各楔形突起１３の各側面１６を各溝２７の側面を構成する傾斜面２６に接しさせることができる。このため、楔形突起１３の高さにバラツキがあった場合でも半導体チップ１０あるいは基板２０の損傷を抑制しつつ金の楔形突起１３と錫の台形突起２３の傾斜面２６を加熱しながら接しさせることによって容易に半導体チップ１０の電極１１と基板２０の電極２１とを電気的、金属的に接合することができ、半導体装置１００の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００２４】
また、本実施形態では、楔形突起１３の先端１５の幅Ｗ1は溝形突起２８の先端２５の溝２７の幅Ｗ4よりも狭くなっているので、楔形突起１３の先端１５の位置が溝２７の中央の位置となっていなくても、楔形突起１３の先端１５は溝２７の中に入り込むことができる。そして、楔形突起１３の先端１５は一旦溝２７の間に入ると、各台形突起２３の各傾斜面２６によってガイドされ、溝２７の外に外れることがない。このため、楔形突起１３が隣接する楔形突起１３と接触してショートが発生することを抑制することができるので、半導体装置１００の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００２５】
半導体チップ１０の楔形突起１３を基板２０の溝形突起２８の溝２７に割り込ませる際に、楔形突起１３を傾斜面２６の延びる方向に超音波振動によって加振することとしてもよい。この場合、超音波加振によって楔形突起１３の側面１６と溝２７の傾斜面２６とが擦れ合うので、より小さな力で楔形突起１３を溝形突起２８の溝２７の中に割り込ませることができ、より小さな押しつけ力で各楔形突起１３の各側面１６を各溝２７の側面を構成する傾斜面２６に接しさせることができ、半導体チップ１０あるいは基板２０の損傷をより抑制することができるという効果を奏する。
【００２６】
図４に示すように、半導体チップ１０に複数の電極１１が縦方向と横方向とに二次元的に並べて配置されている場合には、各半導体チップ１０の電極１１に形成される楔形突起１３の延びる方向と基板２０の電極２１に形成される溝形突起２８の溝２７の延びる方向が超音波加振の方向となるようにすることによって、電極１１が一列に配置されていない場合でも、楔形突起１３溝２７に割り込ませる際に超音波加振を行うことができ、様々な電極１１の配置に対応することができるという効果を奏する。
【００２７】
以上説明した各実施形態では、溝型突起２８は基板２０の電極２１の上に形成された一対の台形突起２３によって構成されたものとして説明したが、各台形突起２３を電極２１の上に別途形成せず、例えば、電極２１の表面２２にメッキ層を形成し、その後、溝２７の部分のみをエッチングして一体の溝型突起２８としてもよい。また、楔形突起１３はメッキによらず、バンプボンダなどによって形成するようにしてもよい。また、本実施形態では、楔形突起１３は金によって構成され、溝型突起２８は錫によって構成されることとして説明したが、加熱によって共晶による固相接合ができれば、他の金属を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態における半導体装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体装置の半導体チップと基板との接合手順を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における半導体装置の半導体チップと基板との接合手順を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における半導体装置の半導体チップと基板との接合手順を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  半導体チップ、１１，２１  電極、１２，２２  表面、１３  楔形突起、１４，２４  根元、１５，２５  先端、１６  側面、２０  基板、２３  台形突起、２６  傾斜面、２７  溝、２８  溝形突起、１００  半導体装置、Ｗ1〜Ｗ5  幅、α，β  傾斜角。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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