(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面上に線路が形成された基板と、パッド部を備えた半導体チップとを有し、前記半導体チップは、前記パッド部と前記線路とが重なるように前記基板上にフリップチップ実装され、前記線路の厚さと、前記線路と前記パッド部との重なり部分の厚さと、前記パッド部の厚さとが等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記パッド部の幅と前記線路の幅とが等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記パッド部と前記線路とが、前記パッド部よりも硬い材料で構成されたバンプにより接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記線路がコプレーナ線路であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか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】
本発明は高周波半導体装置、特にフリップチップボンディングを用いたマイクロ波〜ミリ波帯ＩＣの実装に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信分野の進展は著しく、扱う周波数帯もマイクロ波帯からミリ波帯へとより高い周波数への展開が図られている。それに伴ってこれらの通信機器に用いられるトランジスタの高速化も著しく、最近ではヘテロ接合化合物半導体トランジスタなどで１００ＧＨｚを越えるカットオフ周波数をもつデバイスが実現されている。
【０００３】
さらに、これらのトランジスタを用いて、整合回路などの受動回路も同時に集積したマイクロ波〜ミリ波帯ＭＭＩＣの研究開発も精力的に行われている。
【０００４】
ところが、これらの超高周波デバイスの応用技術の分野においては、実装による特性劣化の問題がある。例えば通常のトランジスタやＩＣの実装に用いられるワイヤボンディングでは、ワイヤによる寄生インダクタンスやボンディングパッドによる寄生容量の影響が周波数に比例して大きくなるので、周波数が高くなればなるほどトランジスタの性能はこれら寄生部分の影響に埋もれて本来の特性を発揮できなくなってしまう。さらに、ミリ波の領域ではワイヤやパッド等の寸法が波長に比べて無視できなくなってくるので、これらを集中定数として取り扱うことができず、問題は複雑である。そこで我々は特願平６−６７１２７号に示すデバイスを提案した。
【０００５】
ＭＭＩＣの実装についても同様である。ＭＭＩＣでは、ＩＣ内部の配線はある特性インピーダンス（通常５０Ω）のマイクロストリップ型あるいはコプレーナ型の線路でなされており、このＭＭＩＣを実装する基板の線路も同じくある特性インピーダンス（通常同じ５０Ω）で設計されているのが普通である。ところが、実装の際、両者の信号線を接続するワイヤの部分でこの特性インピーダンスが乱れ、接続部分でインピーダンスのミスマッチが生じる。そのため、この部分で信号の反射や損失が生じ、ＩＣの本来の特性を引き出すのが困難となってしまうのである。
【０００６】
ワイヤボンディングによる寄生成分は、それだけで回路に悪影響を与えるが、その影響を正確に把握しかつ再現することも困難であるため、あらかじめ寄生効果の影響をキャンセルするような工夫も困難である。従って、実装による特性劣化を軽減するためには、この接続部の寄生効果を如何に小さく抑え、特性インピーダンスを保つかが重要となる。
【０００７】
このようなワイヤボンディングによる寄生効果の問題を解決する手段として、フリップチップ実装と呼ばれる従来技術がある。中でも文献「ナショナルテクニカルレポート第３５巻第３号第９５項から第１０２項」等に示されるマイクロバンプボンディング（以後、ＭＢＢと言う）と呼ばれる技術は、チップの表面を基板側に向けて実装し、マイクロバンプなる非常に小さなバンプを介して基板上の線路とチップ上の線路を接続するもので、ワイヤボンディングや他のフリップチップボンディング実装方式に比べて接続部の寄生効果は大きく低減される。
【０００８】
図４にＭＢＢで実装された半導体装置における、チップ上の信号線路と基板上の信号線路の接続部分の断面図を示す。１は基板、１１は基板上の線路、２１は同線路の一部（端部）に設けられたボンディング用パッドであり、２がチップ、１２がチップ上の線路、２２が同線路の一部（端部）に設けられたボンディング用パッドである。両パッドはマイクロバンプ３０を介して電気的に接続されており、チップと基板は光硬化型樹脂４０の収縮力により固定されている。
【０００９】
実装前のバンプの直径は通常１０−２０μｍ程度、高さは数μｍ程度であるが、実装後は実装時の加圧で変形して直径が数１０μｍに広がり、高さは一部配線パッドにめり込む部分を除いて１−２μｍ程度になる。すなわち、基板上の線路とチップ上の線路はほとんど接する程度に近づけることができるため、バンプによるインダクタ成分はかなり小さく抑えることができる。
【００１０】
図５は図４のバンプ周辺を上からみた透視図で、各番号は図４と同じ部分を指している。図から分かるように、パッドの部分だけ線路の幅が大きくなるため、この部分は容量に見えるが、寸法があらかじめ分かっているので設計の段階でこの部分の影響を考慮することが可能となる。また、ＭＢＢではバンプの径を小さくすることも容易であるので、パッドサイズを小さくし、線路の幅と同程度にすることも可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術によっては前述の問題を一応解決できるが、周波数がミリ波程度に高くなると、その効果については十分に満足することができない。従来の技術では、ボンディング用パッドの幅を線路の幅とほぼ等しく設定することで線路の幅の変化に起因するインピーダンスの乱れをなくすことはできるが、従来例からも明らかなように、接続部分で信号線の厚さが変化するという問題が残っている。
【００１２】
この線路厚の変化は、幅の変化同様インピーダンスの乱れを生じ、発明者らの実験では線路のサイズにもよるが、厚さ数μｍの線路を用いた場合でも、概ね３０−４０ＧＨｚ以上では無視できない影響を与えることがわかってきた。
【００１３】
そこで本発明は接続部でのインピーダンスの乱れが小さく、優れたミリ波帯のチップ実装を実現した半導体装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明はバンプ接続する部分（パッド）の線路厚をあらかじめ薄くするなど調節しておき、これをＭＢＢ実装した半導体装置を提供するものである。
【００１５】
本発明は上記構成により、ＭＢＢを用いた実装後も基板やチップ側の線路と接続部の線路厚をほぼ等しくすることが可能となり、ミリ波帯においてもインピーダンス変化の小さい良好な接続が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置及び実装方法を示す図である。図中（ａ）は実装前の断面図であり、（ｂ）は実装後の断面構造図である。
【００１８】
図１（ａ）において、１００はＳｉ基板（ガラス基板であってもよい）、１０１は１００の一主面上に形成されたＧＮＤプレーンであり、例えばＡｌＳｉＣｕなどを１μｍ程度堆積してある。１０２は誘電体膜であり、例えばＳｉＯ２を２０μｍ程度堆積したものである。１０３、１０４はシリコン基板１００側の線路であり、材料は例えばＡｕ等を用いるのが望ましい。厚さは例えば３−５μｍ程度としている。線路１０３，１０４は、ボンディング用のパッド部１３１，１３２を有しており、かつ、この部分の厚さを、他の線路部分の半分程度に薄くしてある。
【００１９】
ここで線路１０３，１０４は誘電体膜１０２とＧＮＤプレーン１０１とでマイクロストリップ線路を構成しており、この例では５０Ω線路の線幅は約４０μｍ程度であるので、パッド部１３１，１３２の幅を線路幅と同じにすることは十分可能である。
【００２０】
パッド部１３１，１３２にはＭＢＢ（マイクロバンプボンディング）実装用のマイクロバンプ１５１，１５２が形成されている。このバンプは後から転写パンプ等によって形成しているが、別の手法としては、パッド部の線路厚を薄くする際、一部を残してバンプとすることもできる。
【００２１】
同図において、１１０はＭＭＩＣチップ（高周波用トランジスタチップでもよい）、１１１〜１１３はチップ１１０上の線路（配線）であり、１１１，１１２はボンディング用のパッド部１４１，１４２を有し、かつ基板上のパッド同様この部分の厚さを他の部分の半分程度に薄くしてある。
【００２２】
このチップをＭＢＢ実装技術によって基板に接続すると、図１（ｂ）に示したように、パッド部分をあらかじめ薄くしておいたので、実装後はパッド部分の厚さがちょうどもとの線路の厚さと同じ程度になり、従来例で問題となっていた線路の厚さの変化によるインピーダンスの乱れを飛躍的に低減することができる。つまり、従来では図１（ｄ）のように線路の接続部で線路の厚さが異なっていたが、本実施の形態では図１（ｃ）のように接続部でも線路の厚さがほぼ線路厚と同じになっている。
【００２３】
この例ではチップ上の配線（１１１，１１２）は、基板１００上の誘電体１０２とＧＮＤプレーン１０１とでマイクロストリップを形成するので、基板の線路と同じ幅にしておけば、同じ特性インピーダンスが得られる。パッド部分の幅も線路幅と同じにしておけば、基板からチップ内まで特性インピーダンスの乱れのない、理想的な実装が実現できる。
【００２４】
なお、同図では簡単のため、光硬化型樹脂を示していないが、実際にはチップを接続する前に基板上に同樹脂を塗布し、チップを基板に押し付けた状態で紫外線を照射して樹脂を硬化させ、チップ固定する。また、この実施の形態ではバンプを基板側のパッド上に形成したが、チップ側に設けても良い。
【００２５】
また、この実施の形態では基板・チップのパッド部をそれぞれ線路の半分の厚さに調整したが、実装後に両パッド厚とバンプ高さの合計がもとの線路の高さになるようにするならば、それぞれのパッド部の厚さはどのように設定してもかまわない。また、本実施の形態ではマイクロストリップ線路を用いた場合について示しているが、コプレーナ線路を用いる場合でもまったく同様である。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における半導体装置及び実装方法を示す図で、実装直前の様子のみ断面構造図で示している。図２において、２００はＳｉ基板、２０１は２００の一主面上に形成されたＧＮＤプレーン、２０２は誘電体膜、２０３、２０４は基板側の線路でボンディング用のパッド部２３１、２３２を有し、２１０はトランジスタ或はＭＭＩＣチップ、２１１〜２１３はチップ上の線路（配線）であり、２１１、２１２はボンディング用のパッド部２４１、２４２を有している。
【００２７】
実施の形態１と異なるのは、パッド部２３１、２３２、２４１、２４２が一様に薄くするのではなく、厚さを徐々に変化させ、図２に示すような斜めに傾斜した断面構造をもたせていることである。このような構造にすることで、第１の実施の形態同様、実装後にパッド部の厚さを線路の厚さと同じにする事ができる。
【００２８】
さらにここでは、基板側のパッドとチップ側のパッドがちょうどはまるように斜めに傾斜させているので自然に位置合わせができるため、第１の実施の形態に比べて位置合わせが容易であるという特徴を持つ。以上のように、この実施の形態では線路の幅、厚さばかりでなく位置合わせまで簡単にすることのできる半導体装置を提供することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における半導体装置及び実装方法を示す図で、実装直前の様子のみ断面構造図で示している。図３において、３００はＳｉ等の基板、３０１は３００の一主面上に形成されたＧＮＤプレーン、３０２は誘電体膜、３０３、３０４は基板側の線路でボンディング用のパッド部３３１、３３２を有し、３１０はトランジスタ或はＭＭＩＣチップ、３１１〜３１３はチップ上の線路（配線）であり、３１１、３１２はボンディング用のパッド部３４１、３４２を有し、そこにはＭＢＢ用のバンプ３５１、３５２が形成されている。
【００３０】
実施の形態１と異なるのは、パッド部３４１、３４２上のバンプ３５１、３５２がパッド部３３１、３３２、３４１、３４２に比べて堅い金属で構成されていることである。例えばパッド金属はＡｕ等の柔らかいメタルを用い、バンプにはＴｉやＷといった堅いメタルを使用する。この状態でチップを基板に押しつけ、バンプをパッドにめり込ませていく。堅いメタルであるバンプの高さを適当に調節しておけば、ちょうどバンプ部の高さが配線の厚さと同じ程度になったところで止めることができる。ただし、この方法は通常のＭＢＢ実装より多くの圧力を加えることになるので、パッド部分の変形による面積の広がりが大きくなる。したがって、実装後にパッドの幅がちょうど線路の幅と等しくなる様にするには、（ｃ）に示すようにあらかじめパッド幅を線路幅より細くしておく等の工夫が必要である。このようにしておけば、実装により線路が広がっても配線幅が同じところで実装を止めることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、実装後のパッド部分の厚さを線路の厚さと同じにできるため、接合部分でのインピーダンスの乱れの小さい良好な実装を実現することができる。これにより、半導体装置の設計時にインピーダンスの乱れを考慮する必要がないので、設計が容易になる。さらに、信号の損失が小さくなるので実装する半導体チップの利得をそのまま活かせるとともに、信号の反射も減らせるので、他の回路に与える影響も少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置及び実装方法を示す断面構造図
【図２】本発明の実施の形態２における半導体装置及び実装方法を示す断面構造図
【図３】本発明の実施の形態２における半導体装置及び実装方法を示す断面構造図
【図４】ＭＢＢで実装された半導体装置における、チップ上の信号線路と基板上の信号線路の接続部分の断面図
【図５】図４のバンプ周辺を上からみた透視図
【符号の説明】
１  基板
２  チップ
１１  基板上の線路
１２  チップ上の線路
２１  基板上の線路の一部（端部）に設けられたボンディング用パッド
２２  チップ上の線路の一部（端部）に設けられたボンディング用パッド
３０  マイクロバンプ
４０  光硬化型樹脂
１００、２００、３００  Ｓｉ等の基板
１０１、２０１、３０１  ＧＮＤプレーン
１０２、２０２、３０２  誘電体膜
１０３、１０４、２０３、２０４、３０３、３０４  基板側の線路
１１０、２１０、３１０  トランジスタ或はＭＭＩＣチップ
１１１〜１１３、２１１〜２１３、３１１〜３１３  チップ上の線路（配線）
１３１、１３２、２３１、２３２、３３１、３３２  基板側のボンディング用パッド部
１５１、１５２、３５１、３５２  マイクロバンプ
１４１、１４２、２４１、２４２、３４１、３４２  ボンディング用のパッド部
【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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