(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cuを必須成分とし、Cu,Pd,Ptの1種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Ca,Be,Y,Ce,Laの1種以上を総計で0.0005〜0.04重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
【請求項２】
Cu,Pd,Ptの１種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Mn,Crの1種以上を総計で0.01〜0.2重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
【請求項３】
Cu,Pd,Ptの1種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Ca,Be,Y,Ce,Laの1種以上を総計で0.0005〜0.04重量%の範囲で含有し、Mn,Crの1種以上を総計で0.01〜0.2重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
【請求項４】
請求項1乃至請求項3に記載の微小金ボールで接続したバンプ付き半導体素子。
【請求項５】
請求項1乃至請求項3に記載の微小金ボールと、半導体素子上のAlまたはAl合金の電極膜とが接続されたことを特徴とするバンプ付き半導体素子。
【請求項６】
請求項1乃至請求項3に記載の微小金ボールを使用した接続構造を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用されるバンプ用微小金ボールおよび微小金ボールを使用して接続した半導体素子、半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ，ＬＳＩなどの半導体素子上の内部配線と、外部リード部および基板との電気的導通を得る接続法として、線径20〜50μｍの細線を用いたボンディングワイヤ法と、バンプといわれる金属突起物により接続する方式があり、後者のバンプ接続にはＴＡＢ（Tape Automated Bonding）法やＦＣ（Flip Chip ）方式などがある。
【０００３】
ワイヤボンディング法に使用するワイヤは金を主成分とするものであり、その合金成分に関しては、種々の特許公報において開示されている。ワイヤにおける元素添加は、ワイヤの強度、伸びなどの機械的特性の増加、接続されたループ形状などの改善が主目的であり、使用性能を総合的に満足するために、添加量を０．０１％以下の範囲に抑えた高純度（＞99.99 ％）の金が実用化されている。
【０００４】
バンプ接続法は、半導体素子と外部端子の二つの電極間をバンプが電気的および機械的に接続する役割を果たしており、予め一方の電極上に配置された後に、二つの電極材はバンプを介して加熱および加圧により接続される。これらの機能を効果的に発揮するためにはバンプの形状は変形しやすい球状が望ましいと考えられるが、実用化されているバンプの形状としては直方体状のものが大半であった。これはバンプの形成が主としてメッキ法に頼っていたからである。現在のバンプ作製法は大別すると、半導体素子の電極部およびリード先端部にバンプとなる金属をメッキして直接形成する方式と、一旦ガラス基板上に形成したバンプをリード部に転写する方式が主流である。
【０００５】
しかし、メッキによるバンプ形成法では設備が大きくなる上に、少量多品種のバンプ形成に対しては製造コスト面で不利となる。また、バンプとして形成する金属の組成にも制限がある。さらに、半導体チップの電極部に直接メッキによりバンプを形成する場合には、半導体チップがメッキ工程を通過するために歩留まりが低下することが懸念される。
【０００６】
これらの問題を解消する方法として、メッキによらず微細金属球を用いバンプを形成する方式がある。バンプ形成用金属球の製造法として、例えば、特開平4-66602 号公報には、バンプ用素材となる金属細線を用い、これを定尺切断した後、この切断片を互いに隔てた状態で溶融、凝固させ、表面張力を利用して金属球を得る方法が開示されている。また、特開平4-66602 号公報には定尺切断された金属片を炉内で落下させて、微小金属ボールを作製することが提案されている。これらの方法によれば、様々な球径において、均一な径を有する微細金属球を大量に得ることができる。
【０００７】
この微小金ボールをバンプとして使用する接続手法として、図1(a)に示された微小金ボールを、半導体素子上のＡｌおよびＡｌ合金の薄膜に熱圧着により接合し、図1(b)のようなバンプ付き半導体素子を作製する。さらにバンプ付き半導体素子のバンプ部を、基板およびテープ上の電極部に位置合わせをして、図1(ｃ) で示される様な半導体装置を形成する。
【０００８】
微小金ボールによるバンプ接続を用いることは、半導体パッケージの薄型化に有効であり、狭ピッチ接続などの高密度実装に有利であり、さらに多ピンの一括接合など量産性に優れている。従って、ＦＣ法に加え、バンプを用いるＢＧＡ（Ball Grid array ）およびＣＳＰ（Chip Size Package ）などにも有効な接合技術となる。
【０００９】
バンプ形成用の微小金ボールの合金成分としては、例えば、特開平7-283226号公報に、Pdを0.0003-0.02 重量% の範囲で含有すること、 Pd にさらにCu0.0005-0.02 重量% 、Ag0.0005-0.005重量% の範囲で含有することが開示されており、また特開平7-283227号公報に、Ptを0.001-0.05重量% 、Inを0.001-0.005 重量％の範囲で含有することなどが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、実用化されているメッキ法では形成されるバンプとしては、金99.99 ％以上の純度のものが使用されており、元素添加は困難であった。従って、メッキままの成分では硬度が比較的高く、接合に適した硬度を得るために、メッキ後の熱処理により硬度を調整していた。
【００１１】
一方、球状バンプでは真球度、精度の点から、前述したように金の小片を溶解して球状化する方法が優れているが、溶解球状化された金バンプでは硬度が低く、接合性が低下することが懸念される。メッキ法と異なる球状バンプの利点として、予め合金成分を含有することができ、その材料を溶解して微細ボールを作製することにより、種々の金合金からなるバンプを容易に形成できる。
【００１２】
本発明者等は、バンプ用金ボールの接合技術について、種々の検討を行った結果、多様な要求特性の中でも、特に、電極との接合性、ボールの変形性、熱ひずみ耐性、信頼性などを総合的に満足することが課題であることを見出した。
【００１３】
ＡｕボールをＡｌ電極に接合するには電極表面のＡｌ酸化膜を破壊して、Ａｌの新生金属面を露出させ、ＡｕとＡｌの良好な金属接合を行う必要がある。ワイヤボンディング法においては、Ａｕワイヤ先端のボール部を変形するための荷重に加え、さらに超音波振動を印加してＡｌ酸化膜の破壊を助長することにより、ＡｕとＡｌの接合性を高めている。一方、多数のボールバンプを一括して熱圧着により接合する手法においては、通常は超音波を印加しないで接合されるため、ワイヤボンディングのボール部の場合よりも、接合性を向上するために材料選定がより重要となる。
【００１４】
また本発明者等の、狭ピッチ接合に適応するボール材料に関する研究により、上記の接合性に加えて、ボールの変形性も重要な因子であることが明らかとなった。ワイヤボンディング法においては、Ａｕワイヤ先端を溶融してボール部を形成する過程で、ワイヤへの熱伝導によりボール部は急速冷却されるため、ボール内の結晶粒は微細化される傾向にあり、さらにキャピラリの同心円状の先端部でボールを拘束しながら加圧変形することから、比較的等方的に変形が進む。一方、バンプ用ボールは金属片の溶融により形成されるため、ボール内の結晶粒が粗大化し、結晶粒の変形時の異方性を示す傾向があり、隣接バンプの接触および接合強度の低下などが問題となる。
【００１５】
また、熱膨張率など材質が異なる半導体チップと基板またはテープとを接続するのに、現行のワイヤ接続ではワイヤの母線部が緩和する働きも兼ねているが、ボールバンプ接続法では数十μｍのバンプを介してのみ機械的強度を確保しており、熱歪みなどのせん断応力に起因する接合信頼性の低下が懸念される。ボールバンプの接合部に要求される信頼性は、ワイヤの接合部とは異なり、外的要因に対しても高い信頼性が必要となる。
【００１６】
以上のように、ボールバンプ接続における要求特性は、ワイヤボンディング法とは異なり、バンプ用微小金ボールに好適な合金成分および含有量の選定が重要となる。
【００１７】
本発明は、狭ピッチ化に対応する良好な変形性と十分な接合強度が得られ、高い長期信頼性を有することにより、高密度実装に適した微小金ボールを提供し、その微小金ボールを使用して接続したバンプ付き半導体素子および半導体装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく、バンプ用微小金ボールにおける種々の合金成分について検討を行った。その結果、微小金ボールと電極膜との接合性、ボール変形性、熱ひずみ耐性、長期信頼性などの主要特性を改善するための合金化を見出した。本発明は、以下の構成を要旨とする。
【００１９】
(1)   Cuを必須成分とし、Cu,Pd,Ptの1種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Ca,Be,Y,Ce,Laの1種以上を総計で0.0005〜0.04重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
(2)  Cu,Pd,Ptの1種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Mn,Crの1種以上を総計で0.01〜0.2重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
(3)  Cu,Pd,Ptの1種以上を総計で0.03〜5重量%の範囲で含有し、Ca,Be,Y,Ce,Laの1種以上を総計で0.0005〜0.04重量%の範囲で含有し、Mn,Crの1種以上を総計で0.01〜0.2重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特徴とするバンプ用微小金ボール。
(4)  上記(1)乃至(3)記載の微小金ボールで接続したバンプ付き半導体素子。
(5)  上記(1)乃至(3)記載の微小金ボールと、半導体素子上のAlまたはAl合金の電極膜とが接続されたことを特徴とするバンプ付き半導体素子。
(6)  上記(1)乃至(3)記載の微小金ボールを使用した接続構造を有することを特徴とする半導体装置。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、バンプ用微小金ボールに関する本発明の構成についてさらに説明する。
半導体チップの電極材として純Ａｌ、Al-Si 、Al-Si-Cu合金などが用いられている。このAl電極の表面にはＡｌ酸化膜が形成されており、Ａｕボールとの接合性に影響を及ぼす。金とアルミ電極膜との接合性を高めるためには、アルミ薄膜表面の酸化膜を破壊してアルミの金属新生面を露出させ、金とアルミが拡散して接合する必要があるが、高純度金で作製したボールではボール硬度が低く、接合時に金ボールのみの変形が主となり、アルミの新生面と金属接合している領域が少なくなり、接合強度を高めることが困難であった。また接合強度を高めるためには、接合界面におけるＡｕ/ Ａｌ金属間化合物層を形成させるために、拡散を促進することが有効である。以上のことからバンプ用金ボールにおいては、圧着時にＡｌ酸化膜の破壊に有効に作用する機械的特性を有し、且つ、ＡｕとＡｌの接合界面における金属間化合物層を成長させて接合強度を一層高めることが重要となる。
【００２１】
さらにバンプ接合部においては、接合性の向上に加えて、使用時における長期信頼性を高めることが肝要となる。前述したようにボール部を介して、チップと基板を接続するため、熱歪みにも耐え得る強度を有しており、また使用時において高温環境に曝されるため、化合物相の成長においてもボイドが生成しないこと、さらに樹脂封止された状態でも、Au/Al 化合物相と樹脂成分との腐食反応が抑制されていることなどが必要となる。
【００２２】
以上のように、ＡｕボールバンプにおけるＡｌ薄膜との接合性および接合信頼性を高めるためにも、適正な硬さ、変形性、接合界面の拡散性などを選定することが重要である。これらの要求特性を総合的に改善するためには、Ａｕボールに添加する合金元素の成分選定および濃度の適正化が有効であることを見出した。すなわち、ボール部が過剰に硬くなったり、ボール内結晶粒が微細になりすぎると、接合時にチップへの損傷を与える原因となり、接合性も低下させる原因となるため、Ａｕボールバンプ接合に好適な成分、濃度を選定しなくてはならない。
【００２３】
ＡｕにＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔ（第一元素群）の１種以上を添加することにより、Ａｌ酸化膜を破壊し、ＡｕとＡｌの拡散を促進して、Ａｌ薄膜との接合強度を高め、さらに、結晶粒を微細化することにより、変形異方性を低減することができる。また、信頼性においても、高温で長時間加熱により化合物成長してもボイド成長は認められず、封止樹脂との腐食反応も抑制されている。この様な効果を奏するためには少なくとも総計で０．０３重量％以上の濃度が必要であり、添加量が多くなると、硬くなりすぎるため、５重量％を超えない範囲とした。
【００２４】
さらに第一元素群に加えて、Ｃａ，Ｂｅ，Ｙ，Ｃｅ，Ｌａ（第二元素群）の１種以上を総計で０．０００５〜０．０４重量％の範囲で含有させると、ボールバンプの熱圧着時の高温強度が高くなり、接合強度を高めるとともに、変形異方性をさらに向上させる。上記効果として、Ｃａ，Ｂｅ，Ｙ，Ｃｅ，Ｌａの添加により、高温における変形抵抗を促進することによりＡｌ酸化膜の破壊に有効に作用し、凝固後の結晶粒の微細化も促進されており、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔとの複合添加により、その効果を一層高める。この様な効果を奏するためには少なくとも総計で０．０００５重量％以上の濃度が必要であり、添加量が多くなると、ボール製造時において、これらの元素が表面に偏析することにより、接合強度が低下することから、０．０４重量％を超えない範囲とした。また、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの濃度範囲を０．０３〜５重量％の範囲としたのは、前述した理由に基づく。
【００２５】
第一元素群に加えて、Ｍｎ，Ｃｒ（第三元素群）の１種以上を総計で０．０１〜０．２重量％の範囲で含有させることにより、Ａｕ／Ａｌ接合部の高温信頼性がさらに向上する。特に、Ａｕ／Ａｌ化合物の耐腐食性の向上は顕著であり、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔとの複合添加により、その効果を一層高める。この様な効果を奏するためには少なくとも総計で０．０１重量％以上の濃度が必要であり、添加量が多くなると、ボール製造時に表面に偏析することにより、接合強度が低下することから、０．２重量％を超えない範囲とした。
【００２６】
さらに、第一元素群、第二元素群、第三元素群を併用することにより、接合性、変形異方性、接合信頼性が改善され、特に複合添加による効果として、化合物成長のボイドの生成が非常に抑制される。上述した様に第一元素群でもこの効果は得られるが、3 種の複合添加によりボイド抑制の効果は一層高まり、さらにＡｌ膜厚が厚くなるほどこの効果が有効である。Ａｕ／Ａｌ化合物が成長するほどボイドも生成するため、Ａｌ膜厚が厚くなるとこの化合物相厚が増加する結果、ボイドの大きさ、発生頻度も増える。半導体の高集積化を実現するための配線の細線化に伴い、Ａｌ薄膜は薄くなる傾向にあるが、Ａｌ薄膜の膜厚が0.8 μｍ以上において、上記の3 種の複合添加は特に有効であることが確認された。ここで、各元素群の含有量については、上述した理由に基づいて決定した。
【００２７】
上述した合金成分を含有する微小金ボールで接続したバンプ付き半導体素子では、接合性が良好であり、接続における量産性も優れており、狭ピッチ接続を可能にする。さらに、このバンプ付き半導体素子を用いて基板またはテープと接続した半導体装置では、半導体が動作時の発熱および高温環境で使用されても、熱歪みに起因する応力・疲労に対しても強く、長期信頼性が大幅に改善される。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
金純度は約99.999重量％以上の電解金を使用し、高周波真空溶解法により各種合金成分を添加した金合金のインゴット（５ｍｍ径）を作製し、これを圧延して２５μｍ厚のリボン状とした。この金属箔を５０μｍ径の球に対応する小片に切断し、1500℃に加熱した炉中を落下させ、溶融、凝固させてボールを作製した。
このボールをバンプとして用い、バンプ配列用基板に吸着させて、その上に半導体チップのＡｌ電極を位置合わせして重ね合わせ、ボンディングツールにより加圧することにより接合した（一次接合とよぶ）。ここで半導体チップを搭載したステージを300 ℃に加熱している。バンプ変形としては、確実にＡｌ電極に接合され、且つ後工程で剥離などが生じないためにも、初期ボール径の約1.2 倍の圧着径が得られるような接合条件を選定して比較した。次いで、この半導体チップ上のバンプは、基板上の電極部と位置合わせを行い、ボンディングツールにより熱圧着した（二次接合）。
【００２９】
得られた金合金ボールについて、半導体素子用途のボンディング性を中心とした使用性能などを調べた結果を表1、2に併記した。
【００３０】
AuボールバンプとAl電極との接合部の接合強度の評価するために、一次接合により、Al電極上に接合された個々のボールについて、基板への二次接合を行わない状態で、シェア強度試験法により測定し、20個のボール接合部の破断荷重の平均値を測定した。また変形異方性については、これらのAl電極上のボールバンプを上方より観察して、加圧変形後のボールにおける最長径d、最短径fの比d/fを測定し、その30個の平均値を求めた。さらに、ボールバンプおよびAl電極膜を王水で溶解した後に、20個のバンプ直下のシリコンチップ表面をSEM観察して、1個以上でも電極の下に亀裂、ボイドなどの損傷がみられる場合を△印、損傷がみられない場合を○印で表記した。
【００３１】
信頼性評価としては、金ボールをアルミニウム電極に接合した半導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において200℃で200時間加熱処理した後に、40個のシェアテストの平均値により接合強度を測定した。さらに、ボイド生成の評価としては、ボール接合部を垂直研磨して、10個の接合断面を観察した。接合部断面において、接合の中央部に2μm以上のボイドが複数発生している接合部が1箇所でもある場合は、信頼性への悪影響が懸念されるため△印、接合の端部にのみ1μm程度の微小なボイドが形成されている場合は、接合強度の低下をもたらさないため○印、全ての接合部で1μm以上のボイドが認められない場合は信頼性が良好であると判断して◎印で表記した。
【００３２】
接合部における腐食の調査としては、金細線を接合した半導体装置を市販エポキシ樹脂で封止した後に、200℃で300時間加熱処理した後に、ボール接合部を垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層の腐食を観察した。金属間化合物層は灰色を呈し、腐食が進行した化合物層は褐色になり容易に識別可能であることを利用して、ボール接合部における金属間化合物の腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行としては、ボール接合部の研磨断面において腐食領域長さ(b)が金属間化合物層成長の長さ(a)に占める割合で評価したものであり、腐食部が占める割合(b/a)を30個のボール接合部で平均した値が、5%以下では腐食の抑制が顕著であると判断して◎印、40%以上で腐食が顕著なものは△印、その中間である5%〜40%のものは○印で表記した。
【００３３】
【表１】
0003689234.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003689234.tif 000003
【００３５】
【表３】
0003689234.tif 000004
【００３６】
表1、2において、実施例1〜12 は本発明の第一請求項記載に係わるものであり、実施例13〜17は第二項、実施例18〜20は第三請求項に係わる金ボールバンプの結果である。また、比較例である表3では、比較例1は高純度(>99.99%)の純金であり、比較例2〜10は第一請求項記載の成分の範囲に含まれない場合であり、比較例11、12では、第一元素群は第一請求項記載の範囲であるものの、第2元素群が第二請求項に該当しない場合であり、比較例13、14では、第一元素群は第一請求項記載の範囲であるものの、第3元素群が第二請求項に該当しない場合の結果を示した。
【００３７】
実施例1〜12では、Cu,Pd,Ptが該濃度範囲内であり、初期シェア強度は40gf以上と高く、異方性は評価基準となる1.15以下と小さく、高純度金の比較例1と比して明らかに改善されていることが確認された。ここで、当該濃度である0.03重量%よりも少ない比較例2、４、6、8では効果は小さく、一方、5重量%を超えると、ボールが硬化しており、僅かではあるがチップ損傷が観察された。
【００３８】
実施例1〜12ではCu,Pd,Ptの元素群とCa,Be,Y,Ce,Laの元素群を適量含有しており、変形異方性が非常に少なく、達成が困難であった1.05よりも低い範囲に抑えられていた。初期の接合強度が45gf以上の範囲で高く、特に加熱後の接合強度において50gf以上と高いことが確認された。これは、接合直後においてAl酸化膜の破壊が促進されたため、加熱後にAu/Al化合物の均一成長が促進されたためと考える。
【００３９】
実施例13〜17では、Cu,Pd,Ptの元素群とMn,Crの元素群を適量含有しており、特徴として、樹脂封止後の加熱において接合部の腐食が抑制されていた。ここでMn,Crのみ含有する比較例15、16ではこの耐食性の改善効果は少なく、しかも接合強度は5Nと同等程度であった。このことからも、第1元素群と第3元素群の複合添加の効果が確認された。
【００４０】
実施例18〜20では、本発明に関わる3種の元素群を全て含有しており、上記の接合性、耐食性に加え、特徴として接合部における化合物成長においてもボイドが生成しておらず、非常に良好な信頼性が確認された。
【００４１】
これらの実験は、電極膜として純アルミを用いて比較したが、さらにAl-Si,Al-Cu の場合にも同様に、接合性、変形性、信頼性が良好であることを確認している。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金合金で作製した金ボールをバンプとして使用することにより、接合強度が高く、変形時の異方性が少なく、長期信頼性も優れている。さらに、フリップチップやＢＧＡ、ＣＳＰなどの実装に使用すると、薄型化、小型化に有利であり、信頼性も極めて高い半導体装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は微細金ボールを示し、（ｂ）は微細金ボールを電極部に接続したバンプ付き半導体素子を示し、（ｃ）はバンプ付き半導体素子のバンプ部を、基板およびテープ上の電極部に接続した半導体装置を示している。
【符号の説明】
1 ：微細金ボール
2 ：電極部
3 ：半導体素子
4 ：基板またはテープ
【図１】
0003689234.tif 000005