(57)【要約】【課題】電極パッドにＵＢＭ膜を介してバンプを形成したベアチップを実装基板にフリップチップ接合した半導体装置について、その実装工程でＵＢＭ膜に生じたクラックを非破壊検査で検知する接合部検査方法を提供する。【解決手段】ベアチップ１の裏面に配した電極パッド（Ａｌパッド）２に、ＴｉＷ等のバリアメタル８とＡｕメッキ層９を積層したＵＢＭ（Under Bump Metal）膜１０を介してバンプ３を形成し、フェイスダウンで実装基板４にフリップチップ接合した半導体装置について、その実装工程で加わる加圧，超音波振動などのストレス荷重によりＵＢＭ膜に生じたクラックを検知する手段として、ベアチップのＳｉ基板側から赤外線を照射して前記電極パッドの裏面を赤外線顕微鏡１３で観察し、その光学画像上で識別される電極パッドに生成した金属間化合物（クラックを通してバンプ側から電極パッドに拡散して生成したＡｕ／Ａｌ合金層）の像からＵＢＭ膜に発生したクラックの有無，およびその発生状況を検証する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベアチップの裏面に配した電極パッドにＵＢＭ（Under Bump Metal）膜を介してバンプを形成し、フェイスダウンで実装基板にフリップチップ接合した半導体装置について、その実装工程で加わるストレスにより前記ＵＢＭ膜に生じたクラックを検知する手段として、ベアチップのＳｉ基板側から赤外線を照射して前記電極パッドの裏面を赤外線顕微鏡で観察し、その光学画像上で識別される電極パッドに生成した金属間化合物の像から前記ＵＢＭ膜に発生したクラックを検証するようにしたことを特徴とする半導体装置の接合部検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の検査方法において、ベアチップのバンプがＡｕバンプ、電極パッドがＡｌを含む金属膜、ＵＢＭ膜がＴｉＷ等のバリアメタル層とＡｕメッキ層の積層膜であり、ベアチップの実装工程でＵＢＭ膜に生じたクラックを通してＡｕバンプ側から電極パッドに拡散したＡｕとの反応により生成，成長して電極パッドの裏面に達した金属間化合物のＡｕ／Ａｌ合金層を、赤外線顕微鏡の光学画像上で暗パターン像としてＡｌ電極パッドの明パターン像と区別して識別するようにしたことを特徴とする半導体装置の接合部検査方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の検査方法において、赤外線顕微鏡による検査の前段工程としてバンプ接合部を熱エージング処理し、電極パッドに生成した金属間化合物の成長を促進させることを特徴とする半導体装置の接合部検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベアチップをダウンフェイスで実装基板にフリップチップ接合した半導体装置について、その実装工程で接合部に生じたダメージ（クラック）を非破壊検査で検証する検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、頭記したフリップチップ実装方式による半導体装置の従来例の組立構造，およびその実装方法を模式図として図３〜図５に示す。各図において、１はＳｉをチップ基材として作られたＩＣ，ＬＳＩなどのベアチップ、２はベアチップ１の回路パターン面に形成した電極パッド（Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどの箔膜）、３は電極パッド２の面上に形成したバンプ（Ａｕバンプ）、４はベアチップ１を搭載するプリント基板などの実装基板、５は実装基板４の上面に形成した基板電極（Ａｕメッキを施しておく）である。
ここで、ベアチップ１を実装基板４にフリップチップ接合するには、図３のようにベアチップ１をフェイスダウンで実装基板４に位置決め載置し、この状態でベアチップ１の上に重ねたフリップチップボンディング用ツール６に加圧力と超音波振動を加え、Ａｕバンプ３と基板電極５との界面でＡｕ同士を金属接合させる。なお、フリップチップボンディングには超音波接合法の他に、加熱，加圧による工法、あるいは導電性粒子を含む樹脂シートを実装基板４に貼り付けてその上にベアチップ１のバンプ３を加圧接触させる工法などもある。
【０００３】
また、前記のように実装基板４にベアチップ１をフェイスダウンでフリップチップ接合した半導体装置は、そのバンプ接合部がベアチップ１，実装基板４の裏側に隠れていて外部から直接観察することができない。そこで、前記のバンプ接合部を非破壊検査する手段として赤外線顕微鏡を用い、Ｓｉ基板を透過する赤外線の性質を利用して電極パッド２と当該パッドに直接接触するように形成されたバンプ３との接合状態をベアチップ１の上面側から観察して該接合部の良否を判定するようにした検査方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一方、前記したフリップチップ実装方式のベアチップについて、最近では図６で示すように、電極パッド２にバンプ３を形成する際に、あらかじめ電極パッド２の面上にＴｉＷなどのバリアメタル層９とＡｕメッキ層９の積層膜になるＵＢＭ（Under Bump Metal）膜１０を成膜した上で、このＵＢＭ膜１０の上にＡｕバンプ３を形成する接合構造が広く採用されるようになっている。
【０００４】
すなわち、図３のようにベアチップ１の電極パッド２にバンプ３を直接形成した上で、超音波接合法，加熱−加圧工法などによりベアチップ１を実装基板４にフリップチップ接合すると、図５で示すようにベアチップ１のバンプ（Ａｕバンプ）３と電極パッド（Ａｌを含むパッド）２との間の接合界面にはＡｕとＡｌとの相互拡散により金属間化合物としてＡｕ／Ａｌ合金層７が生成し、この合金層７が十分に成長するとバンプ下の領域はパッドの厚さ方向が全てＡｕ／Ａｌ合金層となる。しかも、このＡｕ／Ａｌ合金層は、ＡｕとＡｌの組成比によっては脆性が増して応力緩和機能が低下するほか、Ｓｉ基板のＳｉＯ２との間の界面強度が低下し、これが原因で半導体装置の使用時に加わるヒートサイクルなどにより電極パッド４の破断，接合面剥離が生じて導通性のダメージを与えるおそれがある。かかる点、図６のようにＡｌの電極パッド２とＡｕバンプ３との間をＵＢＭ膜１０で隔離したバリア構造にすることで、Ａｌの電極パッド２とＡｕバンプ３との接触を阻んで電極パッド２に金属間化合物（Ａｕ／Ａｌ合金層）が生成するのを防ぐことができて接合信頼性が向上する。
【特許文献１】特開２００１−６０６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図６に示したＵＢＭ膜付きの電極構造を採用しても、ＵＢＭ膜１０のバリア層９の膜質、および超音波接合法などによる実装条件によっては次記のような不良の生じることがある。すなわち、図７で示すようにベアチップ１の実装工程で加圧，超音波振動を加えると、そのストレスによってＵＢＭ膜１０にクラック（亀裂）１１が生じることがある。なお、ＵＢＭ膜１０にクラック１１が生じると、このクラックを通してバンプ３側からＡｕが電極パッド（Ａｌパッド）２に拡散し、図８で表すようにパッドにＡｕ／Ａｌ合金の金属間化合物１２が生成するようになる。
この場合に、ＵＢＭ膜１０にクラックが生じても、前記のＡｕ／Ａｌ合金層１２，およびクラックの生じてない領域を通じてベアチップ１と実装基板４と間には電気的な接続状態が保たれるため、電気的な導通検査ではクラック１１の発生を検知することはできない。また、先記した赤外線顕微鏡による非破壊検査方法（特許文献１参照）は、前述のようにあくまでも電極パッド２と当該パッドに直接接触する形で形成されたバンプ３との接合状態を検査するためのものであり、ＵＢＭ膜のクラックを検知するための非破壊検査方法は知られていなかった。
【０００６】
しかも、前記のようなクラックの発生を見過ごして半導体装置の製品を出荷すると、その後の経時変化，実使用時のヒートサイクルなどにより前記のクラックがさらに成長し、そのためにＵＢＭ膜のバリア機能が低下して図５で述べたようなデバイスのダメージに進展するおそれがある。そこで、接合欠陥のない高信頼性の製品を市場に提供するためにも、ベアチップを実装基板にフリップチップ接合した状態で、非破壊検査方法により前記ＵＢＭ膜に生じたクラックの状況を的確に検証できる検査方法の確立が望まれる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、電極パッドにＵＢＭ膜を介してバンプを形成したベアチップを実装基板にフリップチップ接合した半導体装置について、その実装工程で前記ＵＢＭ膜に生じたクラックを非破壊検査で検知する新規な接合部検査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、ベアチップの裏面に配した電極パッドにＵＢＭ（Under Bump Metal）膜を介してバンプを形成し、フェイスダウンで実装基板にフリップチップ接合した半導体装置について、
その実装工程で加わる加圧，超音波振動などのストレスにより前記ＵＢＭ膜に生じたクラックを検知する手段として、ベアチップのＳｉ基板側から赤外線を照射して前記電極パッドの裏面を赤外線顕微鏡で観察し、その光学画像上で識別される電極パッドに生成した金属間化合物の像から前記ＵＢＭ膜に発生したクラックを検証するものとする（請求項１）。
ここで、前記のベアチップは、バンプがＡｕバンプ、電極パッドがＡｌを含む金属膜、ＵＢＭ膜がＴｉＷ等のバリアメタル層とＡｕメッキ層の積層膜であり、ベアチップの実装工程でＵＢＭ膜に生じたクラックを通してＡｕバンプ側から電極パッドに拡散したＡｕとの反応により生成，成長して電極パッドの裏面に達した金属間化合物のＡｕ／Ａｌ合金層を赤外線顕微鏡の光学画像上で暗パターン像としてＡｌ電極パッドの明パターン像と区別して識別するようにする（請求項２）。
【０００８】
また、本発明によれば、前記の検査方法において、赤外線顕微鏡で観察する以前の前処理工程としてバンプ接合部を熱エージング処理し、電極パッドに生成した金属間化合物の成長を促進させて金属間化合物の層が電極パッドの裏面に露呈するようにする（請求項３）。
【発明の効果】
【０００９】
上記の検査方法によれば、ベアチップの実装工程で加わるストレスによりＵＢＭ膜にクラックが発生した場合に、このクラックを通じて電極パッド側に拡散したＡｕとの反応で電極パッドに生成したＡｕ／Ａｌ合金の金属間化合物がパッドの厚さ方向に成長し、このＡｕ／Ａｌ合金層が電極パッドの回路パターン面上に露呈するようになるという現象を利用することにより、赤外線顕微鏡を使ってベアチップ側からＳｉ基板を透視して観察した電極パッドの光学画像上で、実装の際にＵＢＭ膜に生じたクラック，およびその発生状況を検証，解析することができる。
すなわち、ベアチップの実装工程で加圧，超音波振動などのストレスを加えてもＵＢＭ膜にクラックが発生しなかった場合には、ＵＢＭ膜のバリア機能で電極パッドにはＡｕ／Ａｌの金属間化合物が生成されることはない。したがって、実装後に行うチップの検査工程で赤外線顕微鏡により電極パッドを観察しても、その光学画像には電極パッド自身のＡｌ面に対応した像が明パターン像として表示されるだけである。この場合には、ＵＢＭ膜のクラック発生無しと判定される。
これに対して、実装工程で加わるストレスによりＵＢＭ膜にクラックが発生した場合には、このクラックを通じて電極パッド側に拡散したＡｕとの反応で電極パッドに生成したＡｕ／Ａｌ合金の金属間化合物がパッドの厚さ方向に成長し、このＡｕ／Ａｌ合金層が電極パッドの裏面上に露呈するようになる。このような状況の下で赤外線顕微鏡を使って前記と同様に電極パッドの裏面を観察すれば、その光学画像に前記のＡｕ／Ａｌ合金層に対応した像が暗パターン像として、電極パッド自身のＡｌ面に対応した明パターン像と区別して識別される（後記の図２（ａ），（ｂ）参照）。しかも、この金属間化合物はＵＢＭ膜に生じたクラックに対応して生成しているので、この場合には赤外線顕微鏡の光学画像からＵＢＭ膜にクラック発生有りと判定される。
このように、ベアチップをフリップチップ接合した状態で赤外線顕微鏡を用いて検査を行うことにより、接合部の不良（ＵＢＭ膜のクラック発生）を非破壊検査で検証，解析することかできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、ベアチップの実装工程で加わるストレスによりＵＢＭ膜にクラックが発生した場合に、このクラックを通じて電極パッド側に拡散したＡｕとの反応で電極パッドに生成したＡｕ／Ａｌ合金の金属間化合物がパッドの厚さ方向に成長し、このＡｕ／Ａｌ合金層が電極パッドの回路パターン面上に露呈するようになるという現象と、Ｓｉ基板を透過する赤外線の性質を結び付けることにより、ＵＢＭ膜に生じたクラックを検知できる非破壊検査方法を実現するものである。
以下、本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。図１は本発明の検査方法を実施するための検査装置、図２（ａ），（ｂ）は検査装置のモニター画像（写真）である。
まず、図１において、被検査対象の半導体装置は図６〜図８で述べたフリップチップ実装の半導体装置に対応している。また、１３はその接合部検査用の赤外線顕微鏡で、１３ａは赤外線顕微鏡１３の赤外線光源、１３ｂはハーフミラー、１３ｃは対物レンズ、１３ｄは赤外線カメラ、１３ｅは画像処理装置、１３ｆはモニターである。
【００１１】
そして、前記の赤外線顕微鏡１３を用いて実装基板４にフリップチップ接合したベアチップ１のバンプ接合部を検査するには、図示のようにベアチップ１を上にして被検査半導体装置を図示してないＸ−Ｙテーブルの上にセットして検査位置に位置決めした状態で、赤外線光源１３ａより出射した赤外線を上方から照射し、Ｓｉ基板を透過して電極パッド２の裏面で反射した赤外線を赤外線カメラ１３ｄに取り込み、その光学画像を画像処理装置１３ｅを経てモニター１３ｆに映し出して観察する。
ここで、前記のＵＢＭ膜１０にクラックが生じてない場合には、赤外線顕微鏡１３のモニター１３ｆに映しだされた光学画像は、図２（ａ）の写真で示すように電極パッド２の裏面全域が明るいパターン像として観察される。
これに対して、図７，図８で述べたようにＵＢＭ膜１０にクラックが発生し、このクラックを通して電極パッド２に生成した金属間化合物１２（Ａｕ／Ａｌ合金層）が成長して電極パッドの裏面まで達していると、赤外線顕微鏡１３で観察した光学画像には、図２（ｂ）の写真で示すように電極パッド２の輪郭に対応した明パターン像の中に、金属間化合物１２の存在を示すＡｕ／Ａｌ合金層の像が暗パターン像として観察される。しかも、このＡｕ／Ａｌ合金層の像はＵＢＭ膜１０に生じたクラックに対応しているので、赤外線顕微鏡の光学画像を観察することで、ＵＢＭ膜に生じたクラックの発生状況を検証することができる。
【００１２】
なお、電極パッド２に生成した金属間化合物１２（図８参照）の成長度合いは温度，時間経過によって異なることから、電極パッド２の膜厚，フリップチップ接合時の温度条件によっては赤外線顕微鏡で検査する際にＡｕ／Ａｌ合金層が電極パッド２の裏面に達して露呈するまで十分に成長せず、このためにＵＢＭ膜１０に発生したクラックを的確に検知できない場合がある。
かかる問題に対しては、検査前の前段処理工程として、フリップチップ実装した被検査の半導体装置に熱エージング処理を施すことにより解決できる。すなわち、熱エージング処理により電極パッド２に生成した金属間化合物１２の成長が進み、そのＡｕ／Ａｌ合金層がパッドの裏面に露呈するようになる。これにより赤外線顕微鏡による観察でＵＢＭ膜１０に生じたクラックの発生状況を的確に検知して半導体装置の良否判定を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の検査方法に用いる赤外線顕微鏡に被検査対象の半導体装置をセットした状態を表す図
【図２】図１における赤外線顕微鏡のモニターで観察されたベアチップの電極パッド裏面の光学画像を表す写真で、（ａ），（ｂ）はそれぞれＵＢＭ膜のクラック発生有り，クラック発生無しの状態に対応した写真
【図３】ＵＢＭ膜無しのフリップチップ実装型半導体装置の模式構造図で、フリップチップ実装前の状態図
【図４】超音波接合法による図３のフリップチップ接合工程を表す図
【図５】図４に対応するフリップチップ接合後の実装状態を表す図
【図６】バンプにＵＢＭ膜を組み合わせたフリップチップ実装型半導体装置の模式構造図で、フリップチップ実装前の状態図
【図７】図６の半導体装置について、超音波接合法によるフリップチップ接合でＵＢＭ膜にクラックが発生した状態を表す図
【図８】図７の半導体装置について、ＵＢＭ膜に生じたクラックを介して電極パッドに金属間化合物が生成した状態を表す図
【符号の説明】
【００１４】
１    ベアチップ
２    電極パッド（Ａｌパッド）
３    Ａｕバンプ
４    実装基板
５    基板電極
８    バリアメタル層
９    Ａｕメッキ層
１０    ＵＢＭ（Under Bump Metal）膜
１１    クラック
１２    金属間化合物（Ａｕ／Ａｌ合金層）
１３    赤外線顕微鏡
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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