(57)【要約】  フリップチップ方式の実装形態において、微細ピッチに対応し且つ高い信頼性を得ることができる半導体装置、複合回路装置及びそれらの製造方法を提供する。本発明にかかる半導体装置は、半導体素子１上の電極３と基板２上の電極３とが相互に対向するように電気的に接合された接合部１０を有する。さらに、本発明にかかる半導体装置は、接合部１０に存在し、半導体素子１上の電極３の構成材料及び基板２上の電極３の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体層１０とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部と、
前記接合部に存在し、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領域とを有する半導体装置。
【請求項２】
前記固溶体領域は、前記第１電極部の構成材料と前記第２電極部の構成材料の一方又は両方の濃度が傾斜した傾斜層である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１電極部の構成材料と前記第２電極部の構成材料がＣｕであり、前記接合材料がＡｕであり、前記固溶体領域がＣｕとＡｕからなる、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１電極部の構成材料と前記第２電極部の構成材料は一方がＣｕで他方がＡｕであり、前記固溶体領域がＣｕとＡｕからなる、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極部と前記第２電極部の一方又は両方がＣｕバンプであり、前記接合材料がＡｕであり、前記固溶体領域がＣｕバンプとＡｕからなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１電極部と前記第２電極部は一方がＣｕバンプで他方の構成材料がＡｕであり、前記固溶体領域がＣｕとＡｕからなる、請求項１，２，４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記基板が半導体素子である、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１電極部と前記第２電極部の一方又は両方がバンプ構造からなり、隣接する接合部間には前記バンプの高さよりも低く且つ中央が窪んだ保護膜が設けられている、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１電極部と前記第２電極部の一方又は両方がバンプ構造からなり、前記接合部は、前記バンプの接合部側が平坦化した接合面を持つバンプで形成されてなる、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記固溶体領域の構成材料が全率固溶体型の材料からなる、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが電気的に接合される接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、
前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せし、
前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、
前記加圧接触させた状態で加熱し、
前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部を前記金属材料で埋めて前記電極部を形成し、
前記開口部に形成した電極部と該開口部以外のレジストとを加工して該電極部を平坦化し、
前記電極部上に前記固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、
前記平坦化加工後のレジストを除去し、
前記電極部以外の前記密着層と前記接着層を除去する請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部を前記金属材料で埋めて前記電極部を形成し、
残りのレジストを除去し、
前記電極部以外の前記密着層と前記接着層を除去し、
前記電極部を覆うように保護膜を形成し、
前記電極部と前記保護膜を加工して該電極部を平坦化し、
前記電極部上に前記固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、
前記保護膜を均一に所定量除去して前記電極部を突出させる請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記電極部の平坦化では、
前記レジスト又は保護膜のエッチングレートの方が速く、前記レジスト又は保護膜は前記接合部間の前記電極部の高さよりも低く且つ中央が窪むように加工する、請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記電極部上への前記接合材料の供給では、無電解めっき法で行う、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記電極部がＣｕバンプであり、前記接合材料がＡｕである、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記電極部上への前記接合材料の供給では、置換Ａｕめっき浴を用いて前記ＣｕバンプにＡｕの薄膜を形成し、更に置換と還元の併用型のＡｕめっき浴を用いて所望の膜厚に形成する、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが電気的に接合する接合部が固溶体領域を有するように、一方をＣｕバンプとし、他方の構成材料をＡｕとする、前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、
前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せする位置合わせし、
前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、
前記加圧接触させた状態で加熱し、
前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｃｕバンプからなる電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部をＣｕで埋めて前記Ｃｕバンプを形成し、
前記開口部に形成したＣｕバンプと該開口部以外のレジストとを加工して該電極部を平坦化し、
前記平坦化加工後のレジストを除去し、
前記Ｃｕバンプ以外の前記密着層と前記接着層を除去する請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記Ｃｕバンプからなる電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部をＣｕで埋めて前記Ｃｕバンプを形成し、
残りのレジストを除去し、
前記Ｃｕバンプ以外の前記密着層と前記接着層を除去し、
前記Ｃｕバンプを覆うように保護膜を形成し、
前記Ｃｕバンプと前記保護膜を加工して該Ｃｕバンプを平坦化し、
前記保護膜を均一に所定量除去して前記Ｃｕバンプを突出させる請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記Ｃｕバンプの平坦化では、
前記レジスト又は保護膜のエッチングレートの方が速く、前記レジスト又は保護膜は前記接合部間の前記電極部の高さよりも低く且つ中央が窪むように加工する、請求項１９又は２０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
回路板上の第１電極部と他の回路板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部と、
前記接合部に存在し、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領とを有する複合回路装置。
【請求項２３】
回路板上の第１電極部と他の回路板上の第２電極部とが電気的に接合する接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、
前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せし、
前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、
前記加圧接触させた状態で加熱し、
前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成する複合回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にフリップチップ方式の実装形態を用いた微細ピッチ接合に対応できる、半導体装置、複合回路装置及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高性能化、高機能化に対応するパッケージ構造として、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等の複数個の半導体素子を１パッケージ化することでシステム化を実現したＳｉＰ（System  in  Package）構造が知られている。このＳｉＰ構造における半導体素子の実装形態では、多ピン化や電極間ピッチの微細化に対応するために、半導体素子の回路面上に形成されたバンプを介して基板上に実装するフリップチップ方式が用いられている。また近年では、ＣＰＵとメモリ間におけるデータ転送能力の向上等を目的としたチップ・オン・チップ（Chip  on  Chip）型のＳｉＰ構造が採用されている。このＳｉＰ構造は、２つの半導体素子の回路面が向き合った状態で配置され、バンプを介し接合されている構造である。従って、両方共に半導体素子であるため、微細な配線や電極を形成することができ、半導体素子間における接合部を微細ピッチに形成することが可能である。【０００３】
図９Ａ及び図９Ｂは、上記した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。初めに、電極３上に密着層６と接着層７がその順で形成され、さらにその上にバリアメタル１４を介してＳｎを主成分とするハンダバンプ１５が形成された電極部を有する半導体素子１を形成する。半導体素子１と同様に、電極３上に密着層６と接着層７がその順で形成され、さらにその上にバリアメタル１４を介しハンダバンプ１５が形成された電極部、もしくはそのバリアメタル１４上にＡｕ薄膜が形成された電極部を具備する基板２を形成する。上記の構成を有する、半導体素子１と基板２とを、両方の電極部が対向する位置に位置合わせを行う〔図９Ａ〕。ここで、ハンダバンプ１５はめっき法で形成されていることから、めっき精度により面内で高さバラツキ（体積バラツキ）が生じ易い。その後、両方の電極部を当接し、加熱、荷重を加えて電極部同士を接合した後、半導体素子１と基板２との間の隙間にアンダーフィル樹脂層１１となる熱硬化性樹脂を封入し、硬化させることで半導体装置を得ている〔図９Ｂ〕。【０００４】
アンダーフィル樹脂層１１の形成時において、半導体素子１と基板２とは、両方の電極部の位置が一致した状態で両方の電極部を介して電気的に接合されている。また、半導体素子１と基板２の回路面上には電極部形成領域を開口した保護膜５が形成されている。そのため、半導体素子１と基板２との間の隙間は、電極部形成領域では広く、その他の領域では狭くなっている。従って、こうしたギャップ差のある半導体素子１と基板２との間に熱硬化性樹脂を封入してアンダーフィル樹脂層１１を形成しなければならない。
【特許文献１】特開２００２−１１０７２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９６３５号公報
【特許文献３】特開２００５−３１１１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような構造には幾つかの問題点がある。【０００６】
第１の課題は、隣接するハンダバンプ間でハンダのショート不良が発生し易いことである。この原因は、ハンダを溶融させてバンプ形成したりバンプ接合したりすることに起因する。ハンダバンプ構造では、バンプ形成時やバンプ接合時の溶融状態において、バンプは横方向への広がりが生じる。さらに、各ハンダバンプ間では、ハンダめっきの精度の点でもバラツキがある。従って、微細ピッチの接合では隣接するバンプ間の間隔が狭いことから、バンプ形成工程やバンプ接合工程においてハンダショートが発生し易く、そのまま凝固してしまうことで歩留まりが低下するおそれがある。【０００７】
第２の課題は、十分な接合信頼性を得にくいということである。ＬＳＩはトランジスタや配線が微細化されることによって消費電力などが低減されてきたが、近年では低電力化に限界が生じ、微細化が進展しても単位配線あたりに流れる電流は低減されないという現象が発生する。このため、エレクトロマイグレーション現象が大きな課題としてクローズアップされている。これまでハンダによって接合されたフリップチップ実装部分では、ＳｎとＮｉもしくはＣｕとの金属間化合物層がエレクトロマイグレーション現象によって加速的に成長し、偏析することで、カーケンダルボイドの発生や界面でのクラック発生を引き起こし、その信頼性が低下することが知られている。今後、電極の微細化は進むが、半導体素子の低電力化は大きく進展しないため、バンプ当たりの電流密度は増加する傾向にある。そのため、１バンプ当りに流れる電流（電流密度）が増加することから、ますますエレクトロマイグレーションによるＳｎとＮｉとの金属間化合物層の偏析並びにカーケンダルボイドの発生が顕著になり、信頼性が低下してしまうおそれがある。【０００８】
ハンダバンプを用いない微細ピッチ電極の接合構造として、例えば特許文献１のように、ＣｕバンプをＳｎとＣｕとの金属間化合物で接合した構造が提案されている。ここで提案された接合部は、ＳｎとＣｕとの金属化合物層が接合中心である。ＳｎとＣｕの反応は電流が印加されたときにエレクトロマイグレーション現象を起こすおそれがあり、ＳｎもしくはＣｕの移動が発生して金属間化合物の層分離（多層化）やカーケンダルボイドの発生を引き起こすおそれがある。こうした金属間化合物は結晶構造が特定の原子比率により構成される特殊な構造であることから、機械的に脆い特性を有するとともに、母金属との界面でクラックが発生したり、また結晶構造の違いからカーケンダルボイドが界面で発生したりするおそれがある。【０００９】
また、バンプの微細化には次の課題もある。微細ピッチ化は電極サイズを小さくするため、バンプ形成時のめっきバラツキや、下地の電極と絶縁膜開口部の形状によるバンプ形状への影響が顕著に現われやすい。そのため、初期接合時にバンプ接合界面に隙間が発生しやすいが、そうした隙間の発生を防止するために高い荷重で実装すると、柱状電極の変形による接合不具合が発生することがある。【００１０】
更に、例えば特許文献２のように、めっき法のみでバンプを形成した構造では、電極部と絶縁膜とからなる開口形状の影響を受け、バンプ表面の形状に凹凸が生じたり、めっき精度により各バンプ間で高さが不均一になったりするおそれがある。従って、半導体素子の接合時においては、バンプ表面の凹凸や高さバラツキをキャンセルするために、実装荷重は高い設定となり、半導体素子に損傷を与えてしまうおそれがある。【００１１】
また更に、例えば特許文献３ではＣｕバンプ上にＡｕとＡｇの一方又は両方を形成したバンプと、Ｃｕバンプ上にＰｔとＰｄの一方又は両方を形成したバンプとを接合する構造が提案されているが、Ｃｕバンプと機械的特性が大きく異なるＡｕやＰｔ等の層が複数存在することで信頼性の点で課題がある。加えて、接合材料としてＡｇが用いられた場合では、イオンマイグレーションにより隣接バンプ間との絶縁不良が生じるおそれがある。【００１２】
第３の課題は、アンダーフィル樹脂層の形成時において、ボイドが発生してしまうことである。この原因は、ハンダバンプの接合後の状態として、ハンダバンプが配置されたエリアとそうでない領域とで保護膜の有無により半導体素子と基板との間にギャップ差が生じることにある。こうしたギャップ差は、アンダーフィル樹脂の封入時に場所によって流速差を生じさせ、その流速差から空気の巻き込み等が生じ、接合部におけるボイドの発生や、ボイドを起点として接合部にクラックが発生するおそれがある。【００１３】
本発明は、上記した技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、特にフリップチップ方式の実装形態において微細ピッチに対応し、且つ高い信頼性を得ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。【００１４】
また、本発明の他の目的は、半導体素子同士の接合や基板同士の接合にも適用できる複合回路装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（半導体装置）
上記課題を解決するための本発明の半導体装置は、半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部と、前記接合部に存在し、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領域とを有するものである。【００１６】
（第１の観点に係る半導体装置の製造方法）
上記課題を解決するための本発明の第１の観点に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが電気的に接合される接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せし、前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、前記加圧接触させた状態で加熱し、前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成するものである。【００１７】
（第２の観点に係る半導体装置の製造方法）
上記課題を解決するための本発明の第２の観点に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが電気的に接合する接合部が固溶体領域を有するように、一方をＣｕバンプとし、他方の構成材料をＡｕとする、前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せする位置合わせし、前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、前記加圧接触させた状態で加熱し、前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成するものである。【００１８】
（複合回路装置及びその製造方法）
本発明の複合回路装置は、回路板上の第１電極部と他の回路板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部と、前記接合部に存在し、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領とを有するものである。【００１９】
また、本発明の複合回路装置の製造方法は、回路板上の第１電極部と他の回路板上の第２電極部とが電気的に接合する接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せし、前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、前記加圧接触させた状態で加熱し、前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特にフリップチップ方式の実装形態において微細ピッチに対応し、且つ高い信頼性を得ることができる半導体装置、複合回路回路装置及びそれらの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体装置の接合構造を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｄ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｅ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｆ】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による半導体装置の接合構造を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｃ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｄ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｅ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｆ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｇ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４Ｈ】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による半導体装置の接合構造を示す断面図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｃ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｄ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｅ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｆ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｇ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６Ｈ】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態による半導体装置の接合構造を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明の第４の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８Ｂ】本発明の第４の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８Ｃ】本発明の第４の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８Ｄ】本発明の第４の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８Ｅ】本発明の第４の実施の形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９Ａ】関連する半導体装置の接合構造及び接合方法を示す断面図である。
【図９Ｂ】関連する半導体装置の接合構造及び接合方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  半導体素子
２  基板
３  電極
４  絶縁膜
５  保護膜
６  密着層
７  接着層
８  バンプ（電極部）
９  接合材料
１０  固溶体層（接合部）
１１  アンダーフィル樹脂層
１２  レジスト
１３  Ａｕバンプ（電極部）
１４  バリアメタル
１５  ハンダバンプ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の半導体装置は、半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部を有している。そして、その接合部は、第１電極部の構成材料及び第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領域（固溶体層）が存在しているように構成される。【００２４】
これにより、その固溶体領域を介して接合した第１電極部と第２電極部は、規則格子である金属間化合物層を介して接続した場合と異なり、その接合部は接合界面からの濃度が傾斜した傾斜層となる。例えば、固溶体領域は、第１電極部の構成材料と第２電極部の構成材料の一方又は両方の濃度が傾斜した傾斜層である。その結果、接合部に不連続部がなく、機械的強度に優れ、接合信頼性が高い半導体装置を提供できる。また、得られた半導体装置は、拡散反応やエレクトロマイグレーション現象が進行しても不連続な接合界面とはならないので、不良、クラックなどの起点が生じず、接合信頼性の高い構造が得られる。【００２５】
特に、その固溶体領域は、ＣｕとＡｕとの固溶体層であることが好ましい。例えば、第１電極部の構成材料と第２電極部の構成材料がＣｕであり、接合材料がＡｕであり、固溶体領域がＣｕとＡｕからなるように構成してもよい。又は、第１電極部の構成材料と第２電極部の構成材料は一方がＣｕで他方がＡｕであり、固溶体領域がＣｕとＡｕからなるように構成してもよい。【００２６】
第１電極部と第２電極部の一方又は両方がＣｕバンプであり、接合材料がＡｕであり、固溶体領域がＣｕバンプとＡｕからなるように構成してもよい。又は、第１電極部と第２電極部は一方がＣｕバンプで他方の構成材料がＡｕであり、固溶体領域がＣｕとＡｕからなるように構成してもよい。【００２７】
なお、基板が半導体素子であるように構成してもよい。【００２８】
また、本発明の半導体装置によれば、半導体素子と基板に保護膜を形成しない、もしくは隣り合う接合部間で中央部が窪んだ保護膜を形成してもよい。例えば、第１電極部と第２電極部の一方又は両方がバンプ構造からなり、隣接する接合部間にはバンプの高さよりも低く且つ中央が窪んだ保護膜が設けられていてもよい。これにより、アンダーフィル樹脂の封入性を向上させることができ、樹脂内のボイド発生を抑制することができる。【００２９】
また、第１電極部と第２電極部の一方又は両方がバンプ構造からなり、接合部は、バンプの接合部側が平坦化した接合面を持つバンプで形成されてなるように構成してもよい。接合材料としてＡｕの厚さを極薄で形成すれば、ＦＣ実装時に短時間で固溶体層を形成することができるので、生産性が向上し、Ａｕの使用量を抑制でき、経済的効果が高い。この効果はバンプを平坦化することでさらに効果を増すことができる。【００３０】
また、固溶体領域の構成材料が、全率固溶体型の材料からなるように構成してもよい。【００３１】
他方、上記の半導体装置の製造方法の例としては、まず、第１電極部と第２電極部との接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる第１電極部と第２電極部とを形成し、第１電極部と第２電極部とが相互に対向するよう位置合せする。そして、第１電極部と第２電極部とを加圧接触させ、加圧接触させた状態で加熱し、加熱した状態で保持して接合部に固溶体領域を形成する。【００３２】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子側から加熱を加えて固溶体層を生成させるが可能なので、１つの基板に複数個の半導体素子を連続して接合する場合においても、基板への加熱による負荷や、電極部の経時変化による組成の変化を抑制することができ、偏析などによる局所的な強度の変化による信頼性低下を防ぐことができる。【００３３】
また、本発明の半導体素子の製造方法によれば、半導体素子の電極上と基板の電極上にそれぞれＣｕバンプを形成した場合、そのＣｕバンプの表面を平坦化加工することにより、高さが均一で表面が平担な電極部とすることができるので、低い実装荷重で各電極部間を当接でき、その結果、半導体素子への損傷がない。【００３４】
上記の電極部の形成の一例としては、半導体素子及び基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、接着層上にレジストを形成し、電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、開口部を金属材料で埋めて電極部を形成する。その後、開口部に形成した電極部と開口部以外のレジストとを加工して電極部を平坦化し、電極部上に固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、平坦化加工後のレジストを除去し、電極部以外の密着層と接着層を除去する。【００３５】
上記の電極部の形成の他の例としては、半導体素子及び基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、接着層上にレジストを形成し、電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、開口部を金属材料で埋めて電極部を形成する。その後、残りのレジストを除去し、電極部以外の密着層と接着層を除去し、電極部を覆うように保護膜を形成し、電極部と保護膜を加工して電極部を平坦化し、電極部上に固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、保護膜を均一に所定量除去して電極部を突出させる。【００３６】
上記の電極部の平坦化では、レジスト又は保護膜のエッチングレートの方が速く、レジスト又は保護膜は接合部間の電極部の高さよりも低く且つ中央が窪むように加工してもよい。【００３７】
また、上記の電極部上への接合材料の供給では、無電解めっき法で行ってもよい。【００３８】
また、電極部がＣｕバンプであり、接合材料がＡｕであるように構成してもよい。【００３９】
他方、電極部上への接合材料の供給では、置換Ａｕめっき浴を用いてＣｕバンプにＡｕの薄膜を形成し、更に置換と還元の併用型のＡｕめっき浴を用いて所望の膜厚に形成してもよい。【００４０】
半導体装置の製造方法の他の例としては、その電極部の形成では、第１電極部と第２電極部との接合部が固溶体領域を有するように、第１電極部と第２電極部の一方をＣｕバンプとし、他方の構成材料をＡｕとするものがある。【００４１】
Ｃｕバンプからなる電極部の形成の一例としては、半導体素子及び基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、接着層上にレジストを形成し、電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、開口部をＣｕで埋めてＣｕバンプを形成する。その後、開口部に形成したＣｕバンプと開口部以外のレジストとを加工して電極部を平坦化し、平坦化加工後のレジストを除去し、Ｃｕバンプ以外の密着層と接着層を除去する。【００４２】
Ｃｕバンプからなる電極部の形成の他の例としては、半導体素子及び基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、接着層上にレジストを形成し、電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、開口部をＣｕで埋めてＣｕバンプを形成する。その後、残りのレジストを除去し、Ｃｕバンプ以外の密着層と接着層を除去し、Ｃｕバンプを覆うように保護膜を形成し、Ｃｕバンプと保護膜を加工してＣｕバンプを平坦化し、保護膜を均一に所定量除去してＣｕバンプを突出させる。【００４３】
また、電極部の平坦化では、レジスト又は保護膜のエッチングレートの方が速く、レジスト又は保護膜は接合部間の電極部の高さよりも低く且つ中央が窪むように加工してもよい。【００４４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。【００４５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。図１に示す半導体装置は、半導体素子１に設けられた電極３上にＣｕバンプ８があり、基板２に設けられた電極３上にも同様にＣｕバンプ８があり、両方のバンプ８，８がＣｕとＡｕとからなる固溶体層１０を介して接合されている。ここで、固溶体層１０は、半導体素子１側と基板２側の両方のＣｕバンプ８，８の接合部にある領域（固溶体領域）に存在する層であり、この固溶体層１０は、Ｃｕの濃度が均一に傾斜した傾斜層となっている。一例として、この固溶体層１０の厚さを０．５μｍとし、Ｃｕバンプ８の厚さを１μｍ以上とし、望ましくは３μｍ以上とすれば、高温保管環境での長期保管信頼性が高くなる。そして、半導体素子１と基板２との間には、アンダーフィル樹脂層１１が形成されている。【００４６】
なお、詳しくは、半導体素子１に設けられた電極３の上、及び基板２に設けられた電極３の上には、密着層６と接着層７とがその順で設けられており、Ｃｕバンプ８はその接着層７上に設けられている。また、半導体素子１上及び基板２上の電極３以外の面には、絶縁膜４が設けられている。【００４７】
本願において、固溶体層１０は、固溶体を構成する材料の濃度が均一に傾斜している場合を含むので、Ｃｕバンプ８との間の境界が明瞭でない場合がある。そのため、本願では、例えばＣｕバンプ８のＣｕと接合材料であるＡｕとを含む領域を固溶体領域と呼び、その固溶体領域が接合部に存在するものとしている。また、電極部とは、電極３からＣｕバンプ８までの部分、主には電極３上に設けられたバンプ８を指し、第１電極部とは一方の側の回路板である半導体素子１における電極部を指し、第２電極部とは他方の側の回路板である基板２における電極部を指している。また、接合部とは、対向するＣｕバンプ８，８が接合して固溶体層１０が形成された部分を指すものとする。【００４８】
本実施の形態に係る半導体装置では、ＣｕとＡｕとの固溶体層１０を介して半導体素子１と基板２の電極同士を接合しており、この固溶体層１０は、半導体素子１側と基板２側のＣｕバンプ８，８からＣｕの濃度勾配が均一に傾斜した傾斜層（反応層ともいう）であるので、不連続がなく、機械的強度に優れている。また、この固溶体層１０が形成された接続部は、拡散反応やエレクトロマイグレーション現象が進行しても不連続な接合界面とはならないので、不良、クラックなどの起点が生じない。従って、信頼性を向上させることが可能となる。【００４９】
次に、この第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。【００５０】
初めに、回路面上に設けられたＡｌ等からなる電極３と、その電極３上の一部に開口部を有した態様で回路面上を覆うＳｉＯＮやＳｉＯ２等からなる絶縁膜４とを有する半導体素子１及び基板２を作製又は準備する。この半導体素子１及び基板２の電極形成面側に、スパッタ法等を用いてＴｉ等からなる密着層６とＣｕ等からなる接着層７を、その電極３と絶縁膜４の全面に形成する。そして、スピンコート等によって感光性のレジスト１２を接着層７上に形成し、露光現像することで電極上方のレジスト１２のみを除去し、電極３上に所望の大きさで開口部を形成する。更に、このレジスト１２の開口部に電解めっき法等でバンプ８となるＣｕを析出させる〔図２Ａ〕。このとき、Ｃｕバンプ８の高さは各電極３間でバラツキが生じていてもよい。【００５１】
次に、Ｃｕバンプ８の平坦化加工を行う。平坦化加工は、開口部に形成された電極部であるＣｕバンプ８と、Ｃｕバンプ８以外のレジスト１２とを、機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）、研削加工等の各種の平坦化加工手段を用いて行う〔図２Ｂ〕。【００５２】
次に、無電解めっき法等を用いて、Ｃｕバンプ８上に、最終的にＣｕと固溶体領域を形成するための接合材料９であるＡｕ薄膜を形成する〔図２Ｃ〕。ここで、無電解めっき法で行う場合は、置換Ａｕめっき浴を用いて所望のめっき厚のＡｕを形成することができる。また、置換Ａｕめっき浴にてＡｕ薄膜を形成した後、置換と還元の併用型のＡｕめっき浴を用いて所望のめっき厚のＡｕ薄膜を形成してもよい。Ａｕ等からなる接合材料９の厚さは特に限定されないが、例えば０．０３μｍから０．５μｍの範囲を例示できるが、それ以外の厚さであってもよい。【００５３】
その後、残りのレジスト１２を除去し、Ｃｕバンプ８の下以外に形成されている密着層６と接着層７とをウェットエッチング法等を用いて除去する。こうして、本実施の形態に係る半導体装置に用いられる半導体素子１及び基板２を得ることができる。これらは、平坦化されたＣｕバンプ８の接合面上にＡｕからなる接合材料９が設けられた態様で得られる〔図２Ｄ〕。【００５４】
次に、Ｃｕバンプ８と接合材料９が形成された半導体素子１と基板２を用いて、両方の電極部の位置が一致するように位置合を行う〔図２Ｅ〕。このとき、半導体素子１は、ダイシング加工によって所望のサイズに個片化がなされている。また、半導体素子１の裏面を研磨法等にて加工し、所望の薄さに薄型化してもよい。基板２についても同様に個片化や薄型化を行ってもよい。【００５５】
その後、対向する電極部の接合材料９，９面が全て接触する程度に加圧し、両方のＣｕバンプ８と接合材料９を所定の温度以上に加熱する。ここで、加熱方法は、基板側を常温又はＣｕとＡｕとの反応が急速に進行しない程度の予備加熱とし、半導体素子１側よりＣｕとＡｕを反応させるための加熱を行ってもよい。【００５６】
次に、この加熱状態を保持することによって半導体素子１と基板２の両方の接合材料９であるＡｕとＣｕバンプ８との反応が進み、ＡｕとＣｕとが固溶体化し、両方のＣｕバンプ８の濃度勾配が均一に傾斜し、厚さが例えば０．５μｍの固溶体層１０となることで接合される。最後に、半導体素子１と基板２との間に、樹脂を注入することによりアンダーフィル樹脂層１１を形成して、本発明の第１の実施の形態からなる半導体装置が得られる〔図２Ｆ〕。【００５７】
本発明の半導体装置の製造方法では、半導体素子１側から加熱を加えて固溶体層１０を生成させることで、１つの基板２に複数個の半導体素子１を連続して接合する場合においても、基板２への加熱による負荷や、電極部の経時変化による組成の変化を抑制することが可能であり、偏析などによる局所的な強度の変化による信頼性低下が発生しない。【００５８】
また、半導体素子１と基板２の電極３上に形成したＣｕバンプ８を平坦化することで、各電極部はその高さが均一で且つ表面が平面となる。その結果、低い実装荷重設定で対向する各電極部を当接することができるので、半導体素子１への損傷を抑制することが可能である。【００５９】
更に、半導体素子１と基板２に保護膜（図９Ａ及び図９Ｂの符号５を参照）を形成しないことによって、半導体素子１と基板２との間隔を広く保てると共にギャップ差が無いので、アンダーフィル樹脂の封入性を向上させることができ、樹脂内ボイドの発生を抑制が可能であることから、高い信頼性が得られる。【００６０】
また更に、不要箇所の密着層６と接着層７の除去を行う前にＡｕからなる接合材料９を供給しているため、無電解めっきにて接合材料９を供給する場合に、各電極間における電位差はない。従って、各Ｃｕバンプ間での電位差によるめっき厚のバラツキや未析出を抑制することができ、各Ｃｕバンプ間で安定した接合状態を得ることが可能である。【００６１】
また更に、レジスト１２を形成した後にＣｕバンプ８の平坦化加工を行い、その後、Ａｕからなる接合材料９を形成し、その後、レジスト１２を除去することによって、Ｃｕの研磨屑等が半導体素子１や基板２の回路面に残存しにくい。従って、半導体装置における絶縁不良等の発生を抑制でき、信頼性を向上させることが可能である。【００６２】
本発明においては、半導体素子１と基板２とを接合した構造を示したが、半導体素子同士１，１を接合した複合回路装置であってもよいし、基板同士２，２を接合した複合回路装置であってもよい。【００６３】
また、Ａｕからなる接合材料９の供給を半導体素子１と基板２の両方に行っているが、何れか一方の電極部側だけであってもよい。また更に、半導体素子１の電極部と基板２の電極部の何れか一方のみを、Ｃｕバンプ８とＡｕからなる接合材料９で構成し、他方はバンプ構造とせずにＣｕ電極を形成して両者を接合した構造であってもよい。また、半導体素子１の電極部と基板２の電極部の何れか一方のみをＣｕバンプ８で構成し、他方はバンプ構造とせずにＣｕ電極を形成し、そのＣｕ電極上にＡｕからなる接合材料９を形成して両者を接合したものであってもよい。【００６４】
また、この実施の形態ではＣｕとＡｕとの固溶体層１０を介した接合構造としているが、本発明においては、ＡｕバンプとＰｔや、ＡｕバンプとＰｄや、ＣｕバンプとＰｔや、ＣｕバンプとＰｄや、ＣｏバンプとＰｄ等のバンプ材と接合材料の組合せであってもよく、それらの組合せにより固溶体層１０を形成し、この固溶体層１０を介した接合構造としてもよい。こうした固溶体領域の構成材料は全率固溶体型の材料からなるものが好ましい。【００６５】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、隣接するＣｕバンプ８，８間に中央が窪んだ円弧状の保護膜５が形成されている点である。【００６６】
本実施の形態では、そうした保護膜５を形成することで、半導体素子１及び基板２とアンダーフィル樹脂層１１との密着性が向上し、また、その保護膜５は、半導体素子１と基板２の線膨張差等によって生じる応力に対して緩和層として機能することから、信頼性を向上させることが可能である。【００６７】
また、保護膜５の表面が隣接するバンプ８，８間で中央が窪んだ円弧状であることによって、接合後の半導体素子１と基板２との間を広く確保することができる。その結果、アンダーフィル樹脂の封入性を確保でき、樹脂内ボイドの発生を抑制し、高い信頼性を得ることが可能となる。【００６８】
図４Ａ〜図４Ｈは、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。本実施の形態では、バンプ８となるＣｕをレジスト１２の開口部に析出させる工程まで、第１の実施の形態と同様である〔図４Ａ〕。【００６９】
次に、残りのレジスト１２を除去し、バンプ８の下以外に形成されている密着層６と接着層７とをウェットエッチング法等を用い除去する〔図４Ｂ〕。【００７０】
次に、バンプ８を覆うように熱硬化性のポリイミド樹脂等からなる保護膜５をスピンコート法等を用いて供給し硬化させる〔図４Ｃ〕。【００７１】
そして、保護膜５とバンプ８を機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）、研削加工等の各種の平坦化加工手段で加工し、バンプ８の平坦化加工を行う〔図４Ｄ〕。このとき、Ｃｕのエッチングレートよりも保護膜５の研磨量又は研削量の方が多くなるようにスラリーや加工条件を調整して研磨又は研削し、保護膜５の表面が隣接するバンプ８，８間で中央が窪んだ円弧状となるように加工する。その窪みの程度は特に限定されないが、後工程で保護膜５を均一に所定量除去した後であっても、下層である絶縁膜４等が保護膜５よりも露出しない程度であればよい。【００７２】
更に、無電解めっき法等を用いてバンプ８にＡｕからなる接合材料９を形成する〔図４Ｅ〕。ここで、無電解めっき法で行う場合は、置換Ａｕめっき浴を用いて所望のめっき厚のＡｕを形成することができる。また、置換Ａｕめっき浴にてＡｕ薄膜を形成した後、置換と還元の併用型のＡｕめっき浴を用いて所望のめっき厚のＡｕ薄膜を形成してもよい。【００７３】
その後、ドライエッチング法等にて保護膜５を均一に所定量除去し、バンプ８の先端側を突出させることで、本発明の実施の形態で用いられる半導体素子１及び基板２の平坦化されたＣｕバンプ８とＡｕからなる接合材料９の構造が得られる〔図４Ｆ〕。【００７４】
次に、このバンプ８と接合材料９が形成された半導体素子１と基板２とを用いて、両方の電極３，３の位置が一致するように位置合わせを行う〔図４Ｇ〕。このとき、半導体素子１は、ダイシング加工によって所望のサイズに個片化がなされている。また、半導体素子１の裏面を研磨法等にて加工し、所望の薄さに薄型化してもよい。基板２についても同様に個片化や薄型化を行ってもよい。【００７５】
その後、第１の実施の形態と同様に加圧、加熱し、半導体素子１と基板２は両方のバンプ８，８の間でＣｕとＡｕとの固溶体層１０が形成され、固溶体層１０を介して接合される。最後に、半導体素子１と基板２との間に、アンダーフィル樹脂層１１を形成し、本実施の形態の半導体装置の構造が得られる〔図４Ｈ〕。【００７６】
本実施の形態では、バンプ８と保護膜５との密着性が得られている状態でバンプ８の平坦化加工を行うので、加工時にバンプ８と保護膜５とが剥がれや研磨ダレや研削ダレ等のバンプ形状不良及びバンプ損失を抑制することが可能である。また、保護膜５を形成することにより、半導体素子１及び基板２の回路面に対する保護性を向上させることができ、製造工程中における損傷を抑制することが可能である。【００７７】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。図５に示すように、本実施の形態は、半導体素子１と基板２の保護膜５より突出したバンプ８側壁にもＣｕとＡｕとの固溶体層１０が形成されている点において、第１及び第２の実施の形態と相違する。【００７８】
図６Ａ〜図６Ｈは、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。本実施の形態では、バンプ８の平坦化加工まで第２の実施の形態と同様である〔図６Ａ〜図６Ｄ〕。その後、ドライエッチング法等を用いて保護膜５を均一に所定量除去し、バンプ８の先端側を突出させる〔図６Ｅ〕。そして、Ａｕからなる接合材料９をバンプ８の先端に形成する。こうして、本実施の形態における半導体素子１及び基板２のＣｕバンプ８は、平坦化された先端側の面に接合材料９を形成してなる構造が得られる〔図６Ｆ〕。次に、このバンプ８に接合材料９が形成された半導体素子１と基板２とを用いて、対向する両方の電極部の位置が一致するように位置合わせを行う〔図６Ｇ〕。このとき、半導体素子１は、ダイシング加工によって所望のサイズに個片化がなされている。また、半導体素子１の裏面を研磨法等にて加工し所望の薄さに薄型化してもよい。基板２についても同様に個片化や薄型化を行ってもよい。その後、第１の実施の形態と同様に加圧、加熱し、半導体素子１と基板２は両方のバンプ８，８の間でＣｕとＡｕとの固溶体層１０が形成され、その固溶体層１０を介して接合される。最後に、半導体素子１と基板２との間に、アンダーフィル樹脂層１１を形成し本実施形態の半導体装置が得られる〔図６Ｈ〕。【００７９】
本実施の形態では、先に保護膜５を均一に所定量除去しバンプ８を突出させることで、めっきにより接合材料９を形成する領域を先端に連なる先端近傍の側面にも増加させているため、表面積の小さい微細なバンプにおいてもめっき反応の起点ができ易く、Ａｕからなる接合材料９の供給バラツキや未析出を抑制することができる。従って、各バンプ間で安定した接合状態を得ることが可能である。【００８０】
また、本実施の形態では、先に保護膜５を均一に所定量除去し、バンプの先端側を突出させた後、Ａｕからなる接合材料９の形成工程を行う。その結果、保護膜５の除去時における接合材料表面への汚染がない。従って、接合材料表面の汚染による接合不良の発生を抑制できるため、信頼性の高い接合構造を得ることが可能である。【００８１】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。図７に示すように、本実施の形態において、第１、第２、第３の実施の形態と相違する点は、半導体素子１の電極部に対向する、基板２の電極部がＡｕバンプ１３で構成されている点である。半導体素子１のバンプ８と基板２のＡｕバンプ１３とは、ＣｕとＡｕとの固溶体層１０を介して接合されている。ここで、固溶体層１０は、半導体素子１のＣｕバンプ８から基板２のＡｕバンプ１３に向けＣｕの濃度が均一に傾斜した傾斜層（反応層）である。そして、半導体素子１と基板２との間には、アンダーフィル樹脂層１１が形成されている。【００８２】
本実施の形態では、第１から第３の実施の形態と同様に、ＣｕとＡｕとの固溶体層１０を介して半導体素子１と基板２の電極部同士を接合しており、この固溶体層１０は、半導体素子１側のバンプ８から基板２側のバンプ１３に向けてＣｕの濃度が少なくなるように傾斜した傾斜層（反応層）である。その結果、その接合部においては、元素の不連続部分がなく、機械的強度に優れている。また、拡散反応やエレクトロマイグレーション現象が進行しても、不連続な接合界面とはならないので、不良、クラックなどの起点が生じない。従って、信頼性を向上させることが可能となる。【００８３】
図８Ａ〜図８Ｅは、本実施の形態で用いられる半導体装置の製造方法を示す工程図である。初めに、回路面上に設けられたＡｌ等からなる電極３と、その電極３上の一部に開口部を有した態様で回路面上を覆うＳｉＯＮやＳｉＯ２等からなる絶縁膜４とを有する基板２を作製又は準備する。この基板２の電極形成側に、スパッタ法等を用いてＴｉ等からなる密着層６とＣｕ等からなる接着層７を、その電極３と絶縁膜４の全面に形成する。そして、スピンコート等によって感光性のレジスト１２を接着層７上に供給し、露光現像することで電極上方のレジスト１２のみを除去し、電極３上に所望の大きさで開口部を形成する。更に、このレジスト１２の開口部に電解めっき法等でバンプ１３となるＡｕを析出させる〔図８Ａ〕。このとき、Ａｕバンプ１３の高さは各電極３間でバラツキが生じてもよい。【００８４】
次に、Ａｕバンプ１３の平坦化加工を行う。平坦化加工は、開口部に形成された電極部であるＡｕバンプ１３と、Ａｕバンプ１３以外のレジスト１２とを、機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）、研削加工等の各種の平坦化加工手段を用いて行う〔図８Ｂ〕。【００８５】
次に、残りのレジスト１２を除去し、Ａｕバンプ１３の下以外に形成されている密着層６と接着層７とをウェットエッチング法等を用いて除去する。こうして、本実施の形態で用いられる基板２を得ることができる。この基板２は、平坦化されたＡｕバンプ１３を電極部として備える構造である〔図８Ｃ〕。【００８６】
次に、このＡｕバンプ１３の構造を有する基板２と、第１の実施の形態で示した平坦化されたＣｕバンプ８とそのＣｕバンプ８の先端面に形成されたＡｕからなる接合材料９とを有した半導体素子１とを用いて、両方の電極部の位置が一致するように位置合を行う〔図８Ｄ〕。このとき、半導体素子１は、ダイシング加工によって所望のサイズに個片化がなされている。また、半導体素子１の裏面を研磨法等にて加工し所望の薄さに薄型化してもよい。基板２についても同様に個片化や薄型化を行ってもよい。【００８７】
その後、Ｃｕバンプ８の接合材料９面と、Ａｕバンプ１３の先端面とが全て接触する程度に加圧し、Ｃｕバンプ８、接合材料９及びＡｕバンプ１３を所定の温度以上に加熱する。ここで、加熱方法は、基板側を常温又はＣｕとＡｕとの反応が急速に進行しない程度の予備加熱とし、半導体素子１側よりＣｕとＡｕを反応させるための加熱を行ってもよい。【００８８】
次に、この加熱状態を保持することによって基板２のＡｕバンプ１３及び半導体素子１の接合材料９であるＡｕと、半導体素子１のＣｕバンプ８との反応が進み、半導体素子１のＣｕバンプ８と基板２のＡｕバンプ１３との間でＣｕとＡｕとが固溶体化し、両側の電極部は固溶体層１０を介して接合される。最後に、半導体素子１と基板２との間に、樹脂を注入することによりアンダーフィル樹脂層１１を形成して、本発明の第４の実施の形態からなる半導体装置が得られる〔図８Ｅ〕。【００８９】
本実施の形態では、半導体素子１の電極部と基板２の電極部の何れか一方のバンプをＣｕよりも変形しやすいＡｕで構成したので、接合時に、より低い実装荷重設定でバンプ表面同士を接触させることができ、その結果、半導体素子１への損傷を抑制することが可能である。【００９０】
本実施の形態においても、半導体素子１と基板２とを接合した構造を示したが、半導体素子１，１同士の接合や基板２，２同士の接合であってもよい。また、半導体素子１として、第１の実施の形態で示した平坦化されたＣｕバンプ８とＡｕからなる接合材料９の構造を用いたが、第２、第３の実施の形態で示した構造であってもよい。また更に、第１から第３の実施の形態で示した構造を半導体素子１又は基板２に用いる場合、Ａｕからなる接合材料９の供給を行わない構造を採ってもよい。また更に、Ａｕバンプ１３には平坦化処理を行わない構造や、Ａｕバンプ１３の先端側が尖った構造からなる先鋭形状の構造を取り入れてもよい。
【実施例】
【００９１】
次に、実施例について、本発明の半導体装置の製造方法を示す図６Ａ〜図６Ｈの例を参照して説明する。【００９２】
図６Ａ〜図６Ｈに示すように、初めに、回路面上に設けられたＡｌ等からなる電極３と、その電極３上の一部に開口部を有した態様で回路面上を覆うＳｉＯＮからなる絶縁膜４とを有する半導体素子１及び基板２を準備した。この半導体素子１及び基板２の電極形成面側に、スパッタ法を用いてＴｉからなる密着層６とＣｕからなる接着層７を、その電極３と絶縁膜４の全面に形成した。そして、スピンコート法によって感光性のレジスト１２を接着層７上に形成し、露光現像することで電極上方のレジスト１２のみを除去し、電極３上に所望の大きさで開口部を形成した。更に、このレジスト１２の開口部に電解めっき法で厚さ８μｍとなるようにバンプ８となるＣｕを析出させた〔図６Ａ〕。ここで、バンプ８の高さは各電極３間で±２μｍのバラツキが生じていた。【００９３】
次に、残りのレジスト１２をエッチング法で除去し、バンプ８の下以外に形成されている密着層６と接着層７とをウェットエッチング法で除去した〔図６Ｂ〕。【００９４】
次に、バンプ８を覆うように、熱硬化性のポリイミド樹脂をスピンコート法によって供給し、熱硬化させて保護膜５を形成した〔図６Ｃ〕。このとき、バンプ８は最低１μｍ程度の厚さの保護膜５によって覆われていた。【００９５】
そして、保護膜５とバンプ８を化学機械研磨法を用いてバンプ８の高さが５μｍとなるまで研磨し平坦化を行った〔図６Ｄ〕。ここで、Ｃｕのエッチングレートよりも保護膜５の研磨量の方が多くなるように、スラリーと加工条件を調整し、加工後の保護膜５の表面が隣接するバンプ８，８間で中央が窪んだ円弧状になるようにした。【００９６】
その後、ドライエッチング法にて保護膜５を退化させ、バンプ８の先端側を２μｍ突出させた〔図６Ｅ〕。【００９７】
更に、無電解めっき法を用いて突出したバンプ８の表面にＡｕからなる接合材料９を形成することで、平坦化されたＣｕバンプ８の先端面とその先端面に連なる先端近傍の側面にもＡｕからなる接合材料９を形成した〔図６Ｆ〕。この無電解めっき法においては、置換Ａｕめっき浴を用いてＡｕ膜をＣｕバンプ８の先端面とその先端面に連なる先端近傍の側面とに０．０３μｍの厚さで形成した後、置換と還元の併用型のＡｕめっき浴を用いて最終的な接合材料９の厚さである０．１μｍに形成した。【００９８】
次に、このバンプ８に接合材料９が形成された半導体素子１と基板２とを用いて、対向する両方の電極部の位置が一致するように位置合わせを行った〔図６Ｇ〕。このとき、半導体素子１は、ダイシング加工によって８ｍｍ□サイズに個片化されたものとし、また研磨法にて半導体素子１の裏面は６００μｍの薄さに薄型化されたものとした。その後、対向する電極部の接合材料９面同士が全て接触するように７５Ｎ／Ｃｈｉｐで加圧し、加熱を行った。このときの加熱条件は、接合部が３００℃となるよう半導体素子１側より加熱を行った。次に、この加熱状態を１５ｓｅｃ間保持することによって、半導体素子１と基板２の両方の接合材料９であるＡｕと両方のバンプ８材料であるＣｕとの反応が進み、両方のバンプ８，８間でＣｕとＡｕとが固溶体化し、形成された固溶体層１０を介して接合された。ここで、接合後の固溶体層１０の状態は、両方のバンプ８，８から接合中心に向かってＣｕの濃度が少なくなるように傾斜し、接合中心のＣｕ濃度がＣｕバンプ８のバルク濃度に対して１０ａｔ％程度となっていた。また、見積もられた固溶体層１０の厚さは０．５μｍ程度であった。最後に、半導体素子１と基板２との間に、アンダーフィル樹脂層１１となる熱硬化性樹脂を基板２が７０℃となる温度で流し込み、１５０℃の環境温度のもと１時間加熱し加熱硬化することで本実施例の半導体装置を得た〔図６Ｈ〕。【００９９】
なお、この実施例では、接合材料であるＡｕの厚さを０．１μｍ、接合により形成される固溶体層の厚さを０．５μｍとしたが、接合材料の厚さ、バンプのめっき条件による結晶粒の大きさ、及び接合条件などによりそれらの厚さは変動する。【０１００】
ここで重要なことは、接合材料であるＡｕの厚さとバンプであるＣｕの厚さとの関係である。まず、接合材料であるＡｕの厚さは、接合プロセスにおけるＣｕ表面の酸化防止の機能も併せ持つことから、一方の電極部側で最低０．０３μｍの厚さとすることが好ましい。また、Ａｕの厚さの上限値は、両方の電極部の表面に供給されたＡｕの厚さの総和が１μｍを超える場合、電極またはバンプのＣｕとすべて反応させるために大きなエネルギーを与える必要があること、Ａｕのコストがかかり、生産性や経済的に好ましくないことから規定される。【０１０１】
ここで、高温保管による電極部の拡散反応の進行が信頼性に与える影響を考慮することが重要であり、長期高温保管において、電極部にはＣｕが残存している必要がある。この観点から、半導体素子１と基板２の両方の電極あるいはバンプ表面に接合材料であるＡｕを０．１μｍ供給した場合において形成される固溶体層の厚さは０．５μｍ程度であったことから、一方の電極側でＣｕの厚さは少なくとも１μｍ以上必要となると考えられる。言い換えると、Ａｕの厚さに対するＣｕの厚さは１：１０以上の比率となり、１：３０以上の比率となることがより好ましい。さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。【０１０２】
この出願は、２００８年３月３１日に出願された日本出願特願２００８−０９００９６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、特にフリップチップ方式の実装形態を用いた微細ピッチ接合に対応できる、半導体装置、複合回路装置及びそれらの製造方法に適応できる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが相互に対向するように電気的に接合された接合部と、
前記接合部に存在し、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方と固溶する接合材料を含む固溶体領域とを有し、
前記固溶体領域は、前記第１電極部の構成材料及び前記第２電極部の構成材料の一方又は両方の濃度が傾斜した傾斜層であり、
前記固溶体領域の構成材料は全率固溶体型の材料からなる、半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極部及び前記第２電極部の一方又は両方がＣｕバンプであり、前記接合材料がＡｕであり、前記固溶体領域がＣｕバンプとＡｕからなり、
前記第１電極部及び前記第２電極部の一方又は両方であるＣｕバンプの厚さと前記接合材料であるＡｕの厚さとの比が、３０：１以上である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体素子上の第１電極部と基板上の第２電極部とが電気的に接合される接合部が固溶体領域を有するように選択された金属材料からなる前記第１電極部と前記第２電極部とを形成し、
前記第１電極部と前記第２電極部とが相互に対向するよう位置合せし、
前記第１電極部と前記第２電極部とを加圧接触させ、
前記加圧接触させた状態で加熱し、
前記加熱した状態で保持して前記接合部に固溶体領域を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部を前記金属材料で埋めて前記電極部を形成し、
前記開口部に形成した電極部と該開口部以外のレジストとを加工して該電極部を平坦化し、
前記電極部上に前記固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、
前記平坦化加工後のレジストを除去し、
前記電極部以外の前記密着層と前記接着層を除去する請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記電極部の形成では、
前記半導体素子及び前記基板の一方又は両方の電極を覆うように密着層と接着層とを積層し、
前記接着層上にレジストを形成し、
電極上方のレジストを除去して開口部を形成し、
前記開口部を前記金属材料で埋めて前記電極部を形成し、
残りのレジストを除去し、
前記電極部以外の前記密着層と前記接着層を除去し、
前記電極部を覆うように保護膜を形成し、
前記電極部と前記保護膜を加工して該電極部を平坦化し、
前記電極部上に前記固溶体領域を形成するための接合材料を供給し、
前記保護膜を均一に所定量除去して前記電極部を突出させる請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記電極部の平坦化では、
前記レジスト又は保護膜のエッチングレートの方が速く、前記レジスト又は保護膜は前記接合部間の前記電極部の高さよりも低く且つ中央が窪むように加工する、請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記電極部上への前記接合材料の供給では、無電解めっき法で行う、請求項４から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
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