(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する半導体素子と、該半導体素子の電極の上に設けられた金バンプ要素と、該金バンプ要素のまわりに取り付けられ、金バンプ要素を保護する第１の金属層と、該第１の金属層のまわりの第２の金属層とからなるメタルバンプとからなり、該第１の金属層は金の拡散を抑えるかももしくは金との反応性の乏しい金属からなり、該第２の金属層は銅に濡れやすいはんだからなり、かつ該第１の金属層の融点は該金バンプ要素の融点よりも低く、該第２の金属層の融点は該第１の金属層の融点よりも２０℃以上低いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
さらに電極を有する配線基板を備え、該半導体素子の電極に取り付けられたメタルバンプが配線基板の電極と接続されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
該メタルバンプにおいて、該第１の金属層は、インジウム、金−錫、錫、ビスマス、ニッケル、亜鉛、カドミウム、クロム、ゲルマニウム、ガリウム又は銀からなり、かつ該第２の金属層はインジウム−錫、インジウム−銀、錫−ビスマス−銀、錫−鉛−インジウムからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
該メタルバンプにおいて、該第１の金属層は銀からなり、半導体素子の電極の上に金バンプ要素を取り付け、該半導体素子を銀と水銀とを混合したアマルガム合金を溶融した槽中に浸漬して該金バンプ要素の上に銀−水銀アマルガム合金層を形成し、該半導体素子を加熱して銀−水銀アマルガム合金の水銀を蒸発させて銀層を形成したものであり、かつ該第２の金属層は該第１の金属層の上にはんだを溶融転写することにより形成したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の進歩により、非常の多くの端子( 例えば３００以上の端子）をもった半導体素子が市場に出回るようになっている。それにともなって、半導体素子の端子（電極）を配線基板の端子（電極）に接続する技術の向上及びコストの削減が強く望まれている。
【０００３】
メタルバンプを利用して半導体素子の電極を配線基板の電極に一括して接続する技術が進歩している。すなわち、半導体素子の電極にはんだバンプや金バンプ等のメタルバンプを取り付けておき、半導体素子を配線基板に向かってフェースダウンで押しつけるとメタルバンプが配線基板の電極に接合され、よって半導体素子の電極が配線基板の電極に接続される。
【０００４】
半導体素子の集積回路の導体はアルミニウムで作られるので、半導体素子の電極は一般にアルミニウムで作られる。これに対して、配線基板の導体は銅で作られるので、配線基板の電極は一般に銅で作られる。
はんだバンプを使用するときには、はんだはアルミニウムに直接に接合しにくいので、半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を付加しておき、はんだバンプを半導体素子の複合構造の電極に接合するようになっている。それから、半導体素子を配線基板に加熱しながら押しつけると、はんだバンプは配線基板の電極上で溶けて広がるので、はんだバンプは配線基板の電極に良好に接続される。
【０００５】
金バンプを使用するときには、金はアルミニウムに直接に接合されるので、はんだバンプを使用する場合のように半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を設けておく必要はない。しかし、金バンプは突起を有するスタッドバンプとして半導体素子の電極に取り付けられ、スタッドバンプの表面をレベリングし且つ金バンプの表面に導電性接着剤を取り付けた後で、半導体素子を熱をかけながら配線基板に押しつけ、金バンプを導電性接着剤を介して配線基板の電極に接続する。導電性接着剤は熱硬化性の樹脂に金属フィラーを混合したものであり、導電性接着剤は熱硬化される。その後、半導体素子と配線基板との間を固定用接着剤（絶縁樹脂）で封止する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、はんだバンプを使用するときは、半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を付加しておくことが必要であるが、ニッケル層及びチタン層の付加は真空チャンバー等の特別の設備を必要とするので、半導体素子の全てのユーザーが所望に応じてニッケル層及びチタン層を付加することはできない。そのために、ニッケル層及びチタン層が付加されていない半導体素子を購入した場合には、はんだバンプを使用できないことがある。
【０００７】
一方、スタッドバンプとして形成した金バンプに導電性接着剤を付加した場合には、スタッドバンプのレベリングした表面が配線回路の表面と必ずしも平行にならず、導電性接着剤を使用しても十分な電気的な接続が取れるとは言えず、接続の信頼性が低い。また、使用材料が多くなり、製造工程が複雑であり、樹脂が硬化するまで加熱を続ける必要があり、生産性が悪い。さらに、半導体素子の不良あるいは実装不良が生じた場合に、半導体素子を取り換えるには、配線基板の電極から導電性接着剤を剥がす必要がある。しかし、導電性接着剤は熱硬化性樹脂を含むために、一旦熱硬化された導電性接着剤を剥がすことが難しい。そのため、半導体素子や配線基板のリペアがきわめて困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、半導体素子を配線基板にフェイスダウンにてマウントすることができ、且つ接続部の信頼性向上及び半導体素子の交換の容易化を図り得る半導体装置及びその製造方法及び製造装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、電極を有する半導体素子と、該半導体素子の電極の上に設けられた金バンプ要素と、該金バンプ要素のまわりに取り付けられ、金バンプ要素を保護する第１の金属層と、該第１の金属層のまわりの第２の金属層とからなるメタルバンプとからなり、該第１の金属層の融点は該金バンプ要素の融点よりも低く、該第２の金属層の融点は該第１の金属層の融点よりも２０℃以上低いことを特徴とする。
さらに電極を有する配線基板を備え、該半導体素子の電極に取り付けられたメタルバンプが配線基板の電極と接続される。
【００１０】
また本発明による半導体装置の製造方法は、半導体素子の電極の上に金バンプ要素を取り付け、該半導体素子を金を保護する金属と水銀とを混合したアマルガム合金を溶融した槽中に浸漬して該金バンプ要素の上にアマルガム合金層を形成し、該半導体素子を加熱してアマルガム合金の水銀を蒸発させ且つ金バンプ要素の上に金を保護する金属膜を形成し、該金属膜の上にはんだ要素を溶融転写することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は参考例の半導体装置を示す図である。図１において、半導体装置１０は、電極１４を有する半導体素子１２と、電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６とからなる。
メタルバンプ１６はボール状のコア１８と該コアのまわりを覆う表面層２０とからなる。半導体素子１２は半導体集積回路を構成するベアチップであり、集積回路（図示せず）及び集積回路に接続された導体１２ａを含む。電極１４は導体１２ａに接続されている。図１においては、１つの電極１４及び１つのメタルバンプ１６のみが示されているが、半導体素子１２の端子数に従った複数の電極１４及びメタルバンプ１６が設けられることは言うまでもない。このことは後の実施例についても同様である。
【００１２】
図２においては、半導体装置１０は、図１の構成に加えて、さらに電極２４を有する配線基板２２を備える。配線基板２２の電極２４は配線基板２２内の回路パターン（図示せず）に接続され、半導体素子１２の電極１４と同じ配列で配置されている。フェイスダウンボンディングにて半導体素子１２を熱をかけながら配線基板２２に押しつけることによって、半導体素子１２の電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６が配線基板２２の電極２４と接続される。この例においては、メタルバンプ１６は配線基板２２の電極２４と直接に接合されている。従って、半導体素子１２を配線基板２２から取り外してリペアを行うことができる。また、半導体素子１２と配線基板２２との間には固定用接着剤２６が充填される。固定用接着剤（絶縁性樹脂）２６は予め配線基板２２に塗布しておくこともでき、あるいは半導体素子１２を配線基板２２に押しつけた後に充填することもできる。
【００１３】
半導体素子１２の電極１４はアルミニウムで作られ、配線基板２２の電極２４は銅で作られる。図１及び図２の例においては、メタルバンプ１６のコア１８は直径１００μｍの銅で作られ、表面層２０は厚さ１０μｍの金で作られる。
図３は参考例の半導体装置を示す図である。この例においては、半導体装置１０は、電極１４を有する半導体素子１２と、半導体素子１２の電極１４の上に設けられた金バンプ要素６２と、金バンプ要素６２のまわりに取り付けられ、金バンプ要素６２を保護する第１の金属層６４とからなるメタルバンプ１６とからなる。
【００１４】
第１の金属層６４は、金の拡散を抑える性質をもったはんだからなるのが好ましい。はんだとは、前に説明したように、４００℃以下の融点をもつ金属単体もしくは合金からなるロウ材である。金の拡散を抑えるのに適したはんだは、インジウム（Ｉｎ、融点２８０℃）や、Ａｕ−Ｓｎ２０パーセントの合金（融点２８０℃）等がある。
【００１５】
また、第１の金属層６４は、金との反応性の乏しいバリアとなる金属とすることもできる。金との反応性の乏しい金属は、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｇａ等がある。このように、金バンプ要素６２のまわりに第１の金属層６４を設けることによって、金バンプ要素６２の長期的な安定した作用が保証され、メタルバンプ１６の信頼性が高くなる。
【００１６】
図４は本発明の実施例の半導体装置を示す図である。この実施例においては、図３の第１の金属層６４のまわりにさらに第２の金属層６６が設けられている。第１の金属層６４が金バンプ要素６２を保護するのに対して、第２の金属層６６は銅に濡れやすいはんだからなる。従って、半導体素子１２が配線基板２２に取り付けられるときに第２の金属層６６は配線基板２２の銅の電極２４により確実に接合される。
【００１７】
金の拡散を抑える性質をもった第１の金属層６４と、銅に濡れやすい第２の金属層６６との組み合わせの例は下記例１の通りである。
例１
組み合わせ          （ａ）      （ｂ）      （ｃ）      （ｄ）
第１の金属層６４     In         In        Au-Sn 20％     In
第２の金属層６６   In-Sn      Sn-Bi-Ag 1％  同左       In-Ag
また、金との反応性に乏しい性質をもった第１の金属層６４と、銅に濡れやすい第２の金属層６６との組み合わせの例は下記例２の通りである。
例２
組み合わせ          （ａ）      （ｂ）
第１の金属層６４     Bi         Ni
第２の金属層６６   In-Sn      Sn-Pb-In
これらの例において、Inの融点は１５７℃、Au-Sn 20％の融点は２８０℃、 In-Sn共晶の融点は１１７℃、Sn-Bi-Ag 1％の融点は１３９℃、Sn-Pb-Inの融点は１６２℃である。Bi及びNiの厚さは５０００オングストローム程度にする。次の例３に述べるSnの融点は２３２℃である。
【００１８】
さらに、第１の金属層６４及び第２の金属層６６は溶融転写により形成されることができる。この場合には、第２の金属層６６の融点は第１の金属層６４の融点よりも２０℃以上低いようにするのが望ましい。２０℃以上の温度差がないと、第２の金属層６６を溶融転写するときに、第１の金属層６４及び第２の金属層６６の溶融槽内に溶融し、第２の金属層６６が第１の金属層６４の上に適切に転写されないからである。例３は、このような条件を満たす。
例３
組み合わせ          （ａ）      （ｂ）
第１の金属層６４     In         Sn
第２の金属層６６   In-Sn      Sn-Pb-In
融点の差          ４０℃      ７０℃
図５は本発明の他の実施例を示す図である。半導体装置１０は、前の実施例と同様に、金バンプ要素６２と、第１の金属層７０と、第２の金属層７４とからなるメタルバンプを有する。この実施例は、そのような半導体装置の製造方法に関する。
【００１９】
図５（Ａ）において、半導体素子１２の電極１４の上に金バンプ要素６２を取り付け、半導体素子１２を金を保護する金属と水銀とを混合したアマルガム合金を溶融した槽６８中に浸漬してアマルガム合金層を形成する。ここでは、金を保護する金属として、金と反応性に乏しい銀が選ばれる。銀は水銀と混合されてアマルガム合金（Hg＋Ag）となる。
【００２０】
図５（Ｂ）において、半導体素子１２を加熱してアマルガム合金（Hg＋Ag）の水銀を蒸発させ、その結果として、金バンプ要素６２の上に金を保護するAg金属膜７０を形成する。図５（Ｃ）において、半導体素子１２をはんだを溶融していれたはんだ槽７２中に浸漬する。従って、図５（Ｄ）に示されるように、金属膜７０の上にはんだ要素７４が溶融転写される。このようにして形成したメタルバンプを使用して、半導体素子１２を配線基板２２に取り付ける。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子を配線基板にフェイスダウンにてマウントすることができ、且つ接続部の信頼性向上及び半導体素子の交換の容易化を図り得る半導体装置及びその製造方法及び製造装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の半導体装置を示す図である。
【図２】図１の半導体素子を回路基板に取り付けた状態を示す図である。
【図３】参考例の半導体装置を示す図である。
【図４】本発明の実施例の半導体装置を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例の半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
１０…半導体装置
１２…電極
１４…半導体素子
２２…配線基板
２４…電極
２６…固定用接着剤
６２…金バンプ要素
６４…第１の金属層
６６…第２の金属層
６８…アマルガム合金を溶融した槽
７０…第１の金属層
７４…第２の金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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