(57)【要約】【課題】配線基板と半導体チップとの接合部分における抵抗値の上昇を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、接続パッドＰ２を有する配線基板２０と、接続パッドＰ２に接合部材５０を介して電気的に接続された接続端子４０を有する半導体チップ３０とを有する。接合部材５０は、接続パッドＰ２との界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５１と、接続端子４０との界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５２と、金属間化合物層５１，５２間に設けられ、Ｃｕ６Ｓｎ５からなる金属間化合物層５３と、金属間化合物層５３内に点在して設けられたＢｉ単体とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続パッドを有する配線基板と、
前記接続パッドに接合部材を介して電気的に接続された接続端子を有する半導体チップと、を有し、
前記接合部材は、
前記接続パッドとの界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎ又はＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる第１金属間化合物層と、
前記接続端子との界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎ又はＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる第２金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間に設けられ、Ｃｕ６Ｓｎ５又は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる第３金属間化合物層と、
前記第３金属間化合物層内に点在して設けられたＢｉ単体と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合部材には、Ｓｎ単体が含まれていない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】
前記接続端子は、柱状の金属ポストであ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】
前記接続端子は、銅又は銅合金からなる柱状の金属ポストと、前記金属ポストの第１面を被覆し、ニッケル又はニッケル合金からなる金属層とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記配線基板は、
最外層の配線パターンと、
前記配線パターンの少なくとも一部を前記接続パッドとして露出する開口部を有するソルダレジスト層と、
を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配線基板に半導体チップを搭載した半導体装置が知られている。配線基板としては、例えば、シリコンからなる基板本体に複数の配線層と複数の絶縁層とが交互に積層され、絶縁層を介して上下に隣接する配線層同士が、隣接する配線層に挟持された絶縁層を貫通するビアにより接続された配線基板が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
このような半導体装置において、例えば配線基板の最外層には接続パッドが形成されており、この接続パッドが、はんだバンプ等の接合部材を介して、半導体チップの電極パッドと電気的に接続されている。上記接合部材としては、例えば、環境問題に配慮し、鉛（Ｐｂ）を含まない鉛フリーはんだが用いられる。この鉛フリーはんだとしては、例えば、融点が比較的低いＳｎ−Ｂｉ系はんだが知られている。
【０００４】
次に、上記半導体装置の製造方法の一例を説明する。
図９（ａ）に示すように、まず、配線基板７０の接続パッド７０Ｐ上にはんだバンプ７２を形成する。このはんだバンプ７２としては、例えばＳｎ−５７Ｂｉ（融点が１３７℃）が用いられる。次に、半導体チップ８０の電極パッド（図示略）上に形成された接続端子８１の先端を上記はんだバンプ７２に当接させ、配線基板７０上にはんだバンプ７２を介して半導体チップ８０を配置した状態でリフロー炉に投入する。そして、はんだバンプ７２を加熱して溶融させた後に凝固させて、図９（ｂ）に示すように、配線基板７０の接続パッド７０Ｐと半導体チップ８０の電極パッドとを接続端子８１及びはんだバンプ７２を介して電気的に接続する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５９７７号公報
【特許文献２】特開２０１３−９３５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようにはんだバンプ７２を介して接続パッド７０Ｐと接続端子８１とが接合されると、図９（ｂ）に示すように、接続パッド７０Ｐとはんだバンプ７２との界面に金属間化合物層７３，７４が形成される。また、接続端子８１とはんだバンプ７２との界面に金属間化合物層７５，７６が形成される。ここで、接続パッド７０Ｐ及び接続端子８１の材料が銅（Ｃｕ）である場合には、金属間化合物層７３，７５は、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなり、金属間化合物層７４，７６は、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物からなる。また、はんだバンプ７２の組成はＳｎ−Ｂｉ系である。
【０００７】
このように製造された半導体装置９０に対して加速試験等の信頼性試験を実施すると、接続パッド７０Ｐと接続端子８１との接合部分における抵抗値が上昇するという問題が発生することが、本発明者らの鋭意研究により分かってきた。詳述すると、図９（ｂ）に示すようにＳｎ−Ｂｉ系はんだバンプ７２を介して接続端子８１と接続パッド７０Ｐが接合された後に、温度を１２０℃〜１３０℃程度とした加速試験が行われると、半導体装置９０が１２０℃〜１３０℃程度の高温環境下に置かれる。図９（ｃ）に示すように、接続パッド７０Ｐとはんだバンプ７２との界面、及び接続端子８１とはんだバンプ７２との界面で、はんだバンプ７２中のＳｎと接続パッド７０Ｐや接続端子８１から拡散したＣｕとが反応して金属間化合物層７３，７４，７５，７６が形成される。さらに、上記Ｓｎの反応が進んでＳｎとＣｕの金属間化合物の生成が進むと、Ｂｉが偏析し、例えば金属間化合物層７４，７６間にＢｉ層７７が形成される。このように、抵抗値の高いＢｉが層状に形成されていくにつれて、接続パッド７０Ｐと接続端子８１との接合部分における抵抗値が高くなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、接続パッドを有する配線基板と、前記接続パッドに接合部材を介して電気的に接続される接続端子を有する半導体チップと、を有し、前記接合部材は、前記接続パッドとの界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎ又はＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる第１金属間化合物層と、前記接続端子との界面に設けられ、Ｃｕ３Ｓｎ又はＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる第２金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間に設けられ、Ｃｕ６Ｓｎ５又は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる第３金属間化合物層と、前記第３金属間化合物層内に点在して設けられたＢｉ単体と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一観点によれば、配線基板と半導体チップとの接合部分における抵抗値の上昇を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、第１実施形態の半導体装置を示す概略断面図、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体装置の一部を拡大した拡大断面図。
【図２】第１実施形態の半導体装置の作用を示す説明図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図。
【図４】リフロー処理における温度プロファイルを示すグラフ。
【図５】（ａ）は、第２実施形態の半導体装置を示す概略断面図、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体装置の一部を拡大した拡大断面図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略断面図。
【図７】（ａ）は、変形例の半導体装置を示す概略断面図、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体装置の一部を拡大した拡大断面図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の接合部分をＥＰＭＡによって分析した結果を示す説明図。（ａ）は反射電子像、（ｂ）は相図、（ｃ）はＣｕ−Ｓｎ系散布図を示している。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体装置の問題点を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して各実施形態を説明する。なお、添付図面は、特徴を分かりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材のハッチングを梨地模様に代えて示し、一部の部材のハッチングを省略している。
【００１２】
（第１実施形態）
以下、図１〜図４に従って第１実施形態を説明する。
図１（ａ）に示すように、半導体装置１０は、配線基板２０と、その配線基板２０上に実装された一又は複数の半導体チップ３０と、配線基板２０と半導体チップ３０との隙間に充填されたアンダーフィル樹脂３１とを有している。
【００１３】
配線基板２０は、基板本体２１と、最上層の配線パターン２２と、最下層の配線パターン２３と、ソルダレジスト層２５，２６とを有している。基板本体２１としては、配線パターン２２と配線パターン２３とが基板内部を通じて相互に電気的に接続された構造を有していれば十分である。したがって、基板本体２１の内部には配線層が形成されている。例えば、複数の配線層が層間絶縁層を介して積層され、各配線層と各絶縁層に形成されたビアとによって上記配線パターン２２と配線パターン２３とが電気的に接続される。そして基板本体２１としては、例えばコア基板を有するコア付きビルドアップ基板やコア基板を有さないコアレス基板等を用いることができる。
【００１４】
配線パターン２３は、基板本体２１の下面に設けられている。この配線パターン２３は、当該配線基板２０をマザーボード等の実装用基板に実装する際に使用されるはんだボールやリードピン等の外部接続端子を配設するための外部接続用パッドＰ１を有している。なお、配線パターン２３の材料としては、例えば銅（Ｃｕ）や銅合金を用いることができる。
【００１５】
ソルダレジスト層２６は、配線パターン２３の一部を覆うように基板本体２１の下面に設けられている。ソルダレジスト層２６には、配線パターン２３の一部を上記外部接続用パッドＰ１として露出させるための複数の開口部２６Ｘが形成されている。これら開口部２５Ｘから露出する配線パターン２３上、つまり外部接続用パッドＰ１上には金属層２４が形成されている。金属層２４の例としては、金（Ａｕ）層、ニッケル（Ｎｉ）層／Ａｕ層（配線パターン２３の下面にＮｉ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）や、Ｎｉ／パラジウム（Ｐｄ）／Ａｕ層（配線パターン２３の下面にＮｉ層とＰｄ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）などを挙げることができる。このような金属層２４によって外部接続用パッドＰ１が被覆される場合には、その金属層２４が外部接続用パッドとして機能する。
【００１６】
なお、開口部２６Ｘから露出する配線パターン２３上にＯＳＰ（Organic Solderability Preservative）処理を施して上記金属層２４の代わりにＯＳＰ膜を形成し、そのＯＳＰ膜に外部接続端子を接続するようにしてもよい。また、上記開口部２６Ｘから露出する配線パターン２３（あるいは、配線パターン２３上に金属層２４やＯＳＰ膜が形成されている場合には、それら金属層２４又はＯＳＰ膜）自体を、外部接続端子としてもよい。
【００１７】
上記開口部２６Ｘ及び外部接続用パッドＰ１（金属層２４）の平面形状は例えば円形状であり、その直径は例えば１００〜１０００μｍ程度とすることができる。配線パターン２３の下面からソルダレジスト層２６の下面までの厚さは、例えば１５〜３０μｍ程度とすることができる。このソルダレジスト層２６の材料としては、例えばエポキシ系又はアクリル系の絶縁性樹脂を用いることができる。
【００１８】
一方、配線パターン２２は、基板本体２１のチップ実装面（図１（ａ）では、上面）に設けられている。この配線パターン２２は、当該配線基板２０に実装される半導体チップ３０の接続端子４０が接続される接続パッドＰ２を有している。接続パッドＰ２は、半導体チップ３０が実装される実装領域に、半導体チップ３０の接続端子４０の配設形態に応じた形態で配列されている。なお、配線パターン２２の材料としては、例えば銅や銅合金を用いることができる。
【００１９】
ソルダレジスト層２５は、配線パターン２２を覆うように基板本体２１の上面に設けられている。ソルダレジスト層２５には、配線パターン２２の一部を上記接続パッドＰ２として露出させるための複数の開口部２５Ｘが形成されている。
【００２０】
なお、開口部２５Ｘ及び接続パッドＰ２の平面形状は例えば円形状であり、その直径は例えば１０〜５０μｍ程度とすることができる。配線パターン２２の上面からソルダレジスト層２５の上面までの厚さは、例えば３〜３０μｍ程度とすることができる。このソルダレジスト層２５の材料としては、例えばエポキシ系又はアクリル系の絶縁性樹脂を用いることができる。
【００２１】
半導体チップ３０は、その回路形成面（図１（ａ）では、下面）に、複数の接続端子４０が形成されている。例えば、半導体チップ３０は、シリコン（Ｓｉ）等からなる薄板化された半導体基板上に半導体集積回路（図示略）が形成された回路形成面側が保護膜で覆われ、その回路形成面に接続端子４０が配設された構造を有している。半導体チップ３０は、接続端子４０及び接合部材５０を介して、配線基板２０の接続パッドＰ２と電気的に接続されている。
【００２２】
半導体チップ３０としては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）チップやＧＰＵ（Graphics Processing Unit）チップなどのロジックチップを用いることができる。また、半導体チップ３０としては、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）チップ、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）チップやフラッシュメモリチップなどのメモリチップを用いることができる。なお、配線基板２０に複数の半導体チップ３０を搭載する場合には、ロジックチップとメモリチップとを組み合わせて配線基板２０に搭載するようにしてもよい。
【００２３】
半導体チップ３０の大きさは、例えば平面視で３ｍｍ×３ｍｍ〜３０ｍｍ×３０ｍｍ程度とすることができる。半導体チップ３０の厚さは、例えば３０〜７７５μｍ程度とすることができる。
【００２４】
接続端子４０としては、例えば金属ポストを用いることができる。この接続端子４０は、半導体チップ３０の回路形成面から下方に延びる柱状の接続端子である。本例の接続端子４０は、例えば円柱状に形成されている。このような接続端子４０の高さは、例えば１０〜２０μｍ程度とすることができる。接続端子４０の直径は、例えば２０〜５０μｍ程度とすることができる。また、隣接する接続端子４０のピッチは、例えば２５〜２００μｍ程度とすることができる。接続端子４０の材料としては、例えば銅や銅合金を用いることができる。なお、接続端子４０としては、金属ポストの他に、例えば金バンプを用いることもできる。
【００２５】
接合部材５０は、接続パッドＰ２に接合されるとともに、接続端子４０に接合されている。接合部材５０は、例えばソルダレジスト層２５の開口部２５Ｘを充填するように形成されている。接合部材５０としては、例えば融点の比較的低いＳｎ−Ｂｉ系はんだを用いることができる。接合部材５０の高さ、つまり配線パターン２２の上面から接続端子４０の下面までの高さは、例えば４〜８μｍ程度とすることができる。
【００２６】
アンダーフィル樹脂３１は、配線基板２０の上面と半導体チップ３０の下面との隙間を充填するように設けられている。このアンダーフィル樹脂３１は、接続端子４０と接続パッドＰ２との接続部分の接続強度を向上させると共に、配線パターン２２の腐食やエレクトロマイグレーションの発生を抑制し、配線パターン２２の信頼性の低下を防ぐための樹脂である。アンダーフィル樹脂３１の材料としては、例えばエポキシ系の絶縁性樹脂を用いることができる。
【００２７】
次に、配線パターン２２（接続パッドＰ２）と、接合部材５０と、接続端子４０との接合構造について説明する。
図１（ｂ）に示すように、接合部材５０は、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５１と、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５２と、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３と、Ｂｉ単体からなる金属５４とを有している。
【００２８】
金属間化合物層５１は、接続パッドＰ２と接合部材５０との界面（接合界面）に形成されている。すなわち、金属間化合物層５１は、接続パッドＰ２と接合部材５０との接合部分に形成されている。換言すると、金属間化合物層５１によって接続パッドＰ２と接合部材５０とが実質的に接合されている。金属間化合物層５１は、例えばソルダレジスト層２５の開口部２５Ｘに露出する配線パターン２２（接続パッドＰ２）の上面全面を被覆するように形成されている。なお、金属間化合物層５１の厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度とすることができる。
【００２９】
一方、金属間化合物層５２は、接続端子４０と接合部材５０との界面に形成されている。すなわち、金属間化合物層５２は、接続端子４０と接合部材５０との接合部分に形成されている。換言すると、金属間化合物層５２によって接続端子４０と接合部材５０とが実質的に接合されている。金属間化合物層５２は、例えば接続端子４０の下面全面を被覆するように形成されている。なお、金属間化合物層５２の厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度とすることができる。
【００３０】
金属間化合物層５３は、金属間化合物層５１と金属間化合物層５１との間に設けられている。金属間化合物層５１と金属間化合物層５２とは金属間化合物層５３によって接続されている。また、金属間化合物層５３は、例えば接続パッドＰ２と接合部材５０との界面や、接続端子４０と接合部材５０との界面に形成されている。このように、接続パッドＰ２及び接続端子４０との界面における接合部材５０の全ては金属間化合物層５１〜５３によって構成されている。すなわち、接続パッドＰ２及び接続端子４０との界面における接合部材５０には、Ｓｎ単体からなる金属が存在せず、Ｃｕ３Ｓｎ又はＣｕ６Ｓｎ５からなる金属間化合物のみが存在する。
【００３１】
金属間化合物層５３内には、複数の金属５４が点在して設けられている。具体的には、金属５４は、金属間化合物層５３内で層状に存在せず、金属間化合物層５３内に点在している。このような金属５４は、例えば、表面の少なくとも一部が金属間化合物層５３によって被覆されている。すなわち、各金属５４は、金属間化合物層５３によって取り囲まれている。金属５４の平均粒径は、例えば２〜１０μｍ程度とすることができる。
【００３２】
このように、接合部材５０には、Ｓｎ単体からなる金属が存在せず、ＳｎとＣｕの金属間化合物からなる金属間化合物層５１〜５３と、Ｂｉからなる金属５４とのみが存在する。
【００３３】
次に、図１及び図２を参照して半導体装置１０の作用について説明する。
配線基板２０の接続パッドＰ２と半導体チップ３０の接続端子４０とを接合する接合部材５０を、ＳｎとＣｕの金属間化合物からなる金属間化合物層５１〜５３と、Ｂｉ単体からなる金属５４とから構成するようにした。また、ＳｎとＣｕの金属間化合物からなる金属間化合物層５１〜５３によって金属５４の表面全面又は表面の一部を被覆するようにした。換言すると、Ｂｉが偏析で層状に形成される前に、そのＢｉの周囲にＣｕ３Ｓｎ又はＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が形成される。そして、接合部材５０には、Ｓｎ単体からなる金属は存在しない。
【００３４】
このため、半導体装置１０が加速試験等の信頼性試験等の上述の高温環境下に置かれた場合であっても、接合部材５０には、接続パッドＰ２や接続端子４０から拡散したＣｕと金属間化合物層５１〜５３を形成するためのＳｎがすでに存在しないため、Ｂｉの偏析が起こらず、金属５４（Ｂｉ）が層状に形成されることが抑制される。したがって、接合部材５０における抵抗値の変化が抑制され、接合部材５０における抵抗値の上昇が抑制される。なお、図２に示すように、半導体装置１０が高温環境下に置かれると、Ｃｕ６Ｓｎ５の一部がＣｕ３Ｓｎに変わる。このため、高温放置後の接合部材５０では、高温放置前（図１（ｂ）参照）に比べて、金属間化合物層５１，５２の厚みが厚くなる。
【００３５】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、配線基板２０を用意する。配線基板２０は、公知の製造方法により製造することが可能であるため、図示を省略して詳細な説明を割愛するが、例えば以下のような方法で製造される。
【００３６】
まず、例えばセミアディティブ法やサブトラクティブ法などの各種の配線形成方法により、基板本体２１の上面に配線パターン２２を形成し、基板本体２１の下面に配線パターン２３を形成する。次に、配線パターン２２の一部を接続パッドＰ２として露出させるための開口部２５Ｘを有するソルダレジスト層２５を基板本体２１の上面に形成し、配線パターン２３の一部を外部接続用パッドＰ１として露出させるための開口部２６Ｘを有するソルダレジスト層２６を基板本体２１の下面に形成する。続いて、例えば無電解めっき法により、外部接続用パッドＰ１上に金属層２４を形成する。
【００３７】
また、図３（ａ）に示す工程では、柱状の接続端子４０を有する半導体チップ３０を用意する。接続端子４０は、公知の製造方法により製造することが可能であるため、図示を省略して詳細な説明を割愛するが、例えば以下のような方法で製造される。
【００３８】
まず、半導体チップ３０の回路形成面（ここでは、下面）に、例えば電極パッドを露出させる開口部を有する保護膜を形成し、その保護膜の下面及び電極パッドの下面を被覆するようにシード層を形成する。次に、接続端子４０の形成領域に対応する部分のシード層（上記電極パッドの下面を被覆するシード層）を露出させたレジスト層を形成する。続いて、レジスト層から露出されたシード層上に、そのシード層を給電層に利用する電解めっき法を施すことにより、電極パッド上に柱状の接続端子４０を形成する。
【００３９】
続いて、接続端子４０の下面に、はんだめっき層６０を形成する。このはんだめっき層６０は、例えば上記レジスト層をめっきマスクに利用し、上記シード層をめっき給電層に利用する電解はんだめっき法により、接続端子４０の下面にはんだを被着することにより形成することができる。その後、不要なシード層及びレジスト層を除去する。このような製造工程により、図３（ａ）に示した構造体を得ることができる。
【００４０】
ここで、はんだめっき層６０としては、例えば融点が比較的低いＳｎ−Ｂｉ系はんだめっきを用いることができる。はんだめっき層６０の組成としては、例えばＳｎ−５７Ｂｉ（融点が１３７℃程度）などを採用することができる。このようなＳｎ−５７Ｂｉからなるはんだめっき層６０が、Ｃｕからなる接続端子４０の下面に被着されると、図３（ｂ）に示すように、接続端子４０とはんだめっき層６０との界面に、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５２と、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３とが形成される。例えば、接続端子４０の下面を被覆するように金属間化合物層５２が形成され、その金属間化合物層５２の下面を被覆するように金属間化合物層５３が形成される。そして、金属間化合物層５３の下面を被覆するようにはんだめっき層６０が形成される。このとき、金属間化合物層５２の厚さは例えば０．５〜２μｍ程度とすることができ、金属間化合物層５３の厚さは例えば０．５〜２μｍ程度とすることができる。また、はんだめっき層６０の厚さは例えば５〜１２μｍ程度とすることができる。
【００４１】
さらに、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した工程では、配線基板２０と半導体チップ３０とを相対的に位置合わせする。具体的には、配線基板２０の接続パッドＰ２側の面（ここでは、上面）と、半導体チップ３０の接続端子４０側の面（ここでは、下面）とを対向させて、接続パッドＰ２と接続端子４０及びはんだめっき層６０とが対向するように位置決めする。
【００４２】
次に、図３（ｃ）に示す工程では、配線基板２０の接続パッドＰ２上に、半導体チップ３０の接続端子４０をフリップチップ接合する。例えば、配線基板２０と半導体チップ３０とを位置合わせした後に、リフロー処理を行ってはんだめっき層６０を溶融させ、接続端子４０を接続パッドＰ２に電気的に接続する。リフロー処理では、例えばはんだめっき層６０（ここでは、Ｓｎ−５７Ｂｉはんだめっき）の融点（ここでは、１３７℃）よりも高い温度で加熱が行われる。リフロー処理では、はんだめっき層６０中の全てのＳｎが金属間化合物を形成するまで上記加熱が行われる。例えば、上記リフロー処理では、はんだめっき層６０中の全てのＳｎが、接続パッドＰ２や接続端子４０等からはんだめっき層６０中に拡散した金属元素（ここでは、Ｃｕ）と反応して金属間化合物を形成するまで上記加熱が行われる。例えば、上記リフロー処理では、はんだめっき層６０中の全てのＳｎがＣｕと反応してＣｕ６Ｓｎ５又はＣｕ３Ｓｎの金属間化合物を形成するまで上記加熱が行われる。換言すると、上記リフロー処理では、接続端子４０と接続パッドＰ２との接合部分にＳｎ単体からなる金属が存在しなくなるまで上記加熱が行われる。また、上記リフロー処理では、偏析ではんだめっき層６０中のＢｉが層状に形成される前に、はんだめっき層６０中のＳｎによる金属間化合物の生成が進むように、はんだめっき層６０の融点よりも十分に高い温度（例えば、１７５℃以上の温度）で加熱が行われる。
【００４３】
以上説明したリフロー処理により、接続パッドＰ２とはんだめっき層６０との界面にＣｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる金属間化合物層５１が形成され、接続端子４０とはんだめっき層６０との界面に金属間化合物層５２が形成される。さらに、金属間化合物層５１と金属間化合物層５２との間に、はんだめっき層６０中のＳｎがＣｕと反応してＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３が形成される。このとき、はんだめっき層６０中の大部分のＢｉは、Ｂｉ単体からなる金属５４として金属間化合物層５３によって取り囲まれた状態となる。換言すると、上記リフロー処理により、金属５４の表面全面を被覆するように金属間化合物層５３が形成される。本工程により、接続端子４０と接続パッドＰ２との間に、金属間化合物層５１〜５３及び金属間化合物層５３内に点在する金属５４からなる接合部材５０が形成され、その接合部材５０を介して接続端子４０と接続パッドＰ２とが接合される。
【００４４】
以下に、上記リフロー処理における加熱条件（温度プロファイル）の一例について説明する。
図４に示すように、リフロー処理の開始直後の３０秒程度で室温から１８０℃まで急激に上昇させた後、１８０℃で５秒間加熱する。このように、リフロー処理開始直後に、はんだめっき層６０を固相領域から液相領域まで一気に加熱し、はんだめっき層６０の融点１３７℃よりも十分に高い温度（１８０℃）で比較的長時間（ここでは、５秒間）の加熱を行う。これにより、はんだめっき層６０中のすべてのＳｎをＣｕと反応させることができ、上記すべてのＳｎをＳｎとＣｕの金属間化合物に変換させることができる。このとき、本例のはんだめっき層６０は薄く（５〜１２μｍ程度）形成されており、はんだめっき層６０中のＳｎの量が少ないため、１８０℃で５秒程度加熱を行えば、すべてのＳｎを金属間化合物層５１〜５３の生成に消費させることができる。なお、上記５秒間の加熱後は、１８０℃から２秒程度かけて８０℃程度（はんだめっき層６０の融点以下の温度）まで低下させる。
【００４５】
以上の製造工程により、半導体チップ３０の接続端子４０が接合部材５０を介して配線基板２０の接続パッドＰ２と電気的に接続され、半導体チップ３０が配線基板２０にフリップチップ接合される。
【００４６】
続いて、配線基板２０と半導体チップ３０との間に、液状のアンダーフィル樹脂３１を充填し、硬化する。アンダーフィル樹脂３１は、例えば、１００℃程度の温度でプレヒートした後に、１５０℃程度の温度で２時間キュア（熱硬化処理）を行うことにより硬化される。
【００４７】
以上の製造工程により、本実施形態の半導体装置１０を製造することができる。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）接続パッドＰ２と接続端子４０とを接合する接合部材５０を、ＳｎとＣｕの金属間化合物からなる金属間化合物層５１〜５３と、Ｂｉからなる金属５４とから構成するようにした。また、ＳｎとＣｕの金属間化合物によって金属５４の表面全面を被覆するようにした。これにより、例えば半導体装置１０に対して加速試験等の信頼性試験を行った場合であっても、接合部材５０における抵抗値が上昇することを抑制することができる。
【００４８】
（２）さらに、接続パッドＰ２と接続端子４０との接合部分に融点の高い金属間化合物が形成されるため、接合部分における熱耐性が高くなる。このため、高温において、接続パッドＰ２（配線基板２０）と接続端子４０（半導体チップ３０）との高い接続信頼性を得ることができる。なお、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物の融点は６７６℃であり、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の融点は４１５℃である。
【００４９】
（３）ところで、従来技術のように、例えばＳｎ−５７Ｂｉからなるはんだバンプ７２とＣｕからなる接続パッド７０Ｐとの界面にＳｎ−Ｃｕの金属間化合物が形成された場合に、半導体装置９０が高温放置されると、ＣｕとＳｎとの拡散速度の違いから、ＣｕとＣｕ３Ｓｎの界面にカーケンダルボイドが多数発生する。さらに、このカーケンダルボイドが原因となって、Ｃｕ（例えば、接続パッド７０Ｐや接続端子８１）とＣｕ３Ｓｎ（例えば、金属間化合物層７３，７５）との界面に破断が生じるおそれがある。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、はんだめっき層６０中に存在していたＳｎの全てがＣｕ３ＳｎやＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の形成に消費されており、Ｓｎ単体からなる金属が接合部分に存在しない。このため、接合部材５０から接続パッドＰ２や接続端子４０へのＳｎの移動がほとんど無い。したがって、Ｃｕ（例えば、接続パッドＰ２や接続端子４０）とＣｕ３Ｓｎ（例えば、金属間化合物層５１，５２）との界面におけるカーケンダルボイドの成長を抑制することができる。さらに、エレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。
【００５１】
（第２実施形態）
以下、図５及び図６に従って第２実施形態を説明する。先の図１〜図４に示した部材と同一の部材にはそれぞれ同一の符号を付して示し、それら各要素についての詳細な説明は省略する。
【００５２】
図５に示すように、半導体チップ３０の回路形成面（図５（ａ）では、下面）には、複数の接続端子４０が形成されている。各接続端子４０は、金属ポスト４１と、金属層４２とを有している。金属ポスト４１は、半導体チップ３０の回路形成面から下方に延びる柱状の接続端子である。本例の金属ポスト４１は、例えば円柱状に形成されている。このような金属ポスト４１の高さは、例えば１０〜２０μｍ程度とすることができる。金属ポスト４１の材料としては、例えば銅や銅合金を用いることができる。
【００５３】
金属層４２は、金属ポスト４１の下面（第１面）全面を被覆するように形成されている。金属層４２の例としては、例えばＮｉ層を挙げることができる。また、金属層４２の他の例としては、Ｎｉ／Ａｕ層（金属ポスト４１の下面にＮｉ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）や、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（金属ポスト４１の下面にＮｉ層とＰｄ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）などを挙げることができる。これらＮｉ層、Ａｕ層、Ｐｄ層としては、例えば電解めっき法により形成された金属層（電解めっき金属層）を用いることができる。また、上記Ｎｉ層はＮｉ又はＮｉ合金からなる金属層、Ａｕ層はＡｕ又はＡｕ合金からなる金属層、Ｐｄ層はＰｄ又はＰｄ合金からなる金属層である。なお、金属層４２がＮｉ層である場合には、金属層４２（Ｎｉ層）の厚さを例えば１〜３μｍ程度とすることができる。
【００５４】
接続端子４０（金属ポスト４１及び金属層４２）の直径は、例えば２０〜５０μｍ程度とすることができる。また、隣接する接続端子４０のピッチは、例えば２５〜１００μｍ程度とすることができる。
【００５５】
図５（ｂ）に示すように、接合部材５０は、金属間化合物層５１と、金属間化合物層５２と、金属間化合物層５３と、Ｂｉからなる金属５４とを有している。
金属間化合物層５１は、接続パッドＰ２と接合部材５０との界面に形成されている。金属間化合物層５１は、例えばＣｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる。金属間化合物層５２は、接続端子４０の金属層４２と接合部材５０との界面に形成されている。この金属間化合物層５２によって金属層４２（接続端子４０）と接合部材５０とが実質的に接合されている。金属間化合物層５２は、例えば金属層４２の下面全面を被覆するように形成されている。金属間化合物層５２は、例えばＣｕ３ＳｎやＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる。金属間化合物層５３は、金属間化合物層５１と金属間化合物層５２との間に形成されている。金属間化合物層５３は、例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる。
【００５６】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。
図６（ａ）に示すように、接続端子４０を有する半導体チップ３０を用意する。まず、半導体チップ３０の回路形成面に、例えば電極パッドを露出させる開口部を有する保護膜を形成し、その保護膜の下面及び電極パッドの下面を被覆するようにシード層を形成する。次に、接続端子４０の形成領域に対応する部分のシード層を露出させたレジスト層を形成する。続いて、レジスト層から露出されたシード層上に、そのシード層を給電層に利用する電解めっき法を施すことにより、電極パッド上に柱状の金属ポスト４１を形成する。
【００５７】
続いて、金属ポスト４１の下面に、その下面全面を被覆する金属層４２を形成する。この金属層４２は、例えば上記レジスト層をめっきマスクに利用し、上記シード層を給電層に利用する電解めっき法（例えば、電解Ｎｉめっき法）を施すことにより形成することができる。
【００５８】
次いで、金属層４２の下面に、はんだめっき層６０を形成する。このはんだめっき層６０は、例えば上記レジスト層をめっきマスクに利用し、上記シード層をめっき給電層に利用する電解はんだめっき法により、金属層４２の下面にはんだを被着することにより形成することができる。その後、不要なシード層及びレジスト層を除去する。
【００５９】
ここで、はんだめっき層６０の組成としては、例えばＳｎ−５７Ｂｉを採用することができる。このようなＳｎ−５７Ｂｉからなるはんだめっき層６０が、金属層４２（Ｎｉ層）及び金属ポスト４１（Ｃｕ層）からなる接続端子４０の下面に被着されると、金属層４２とはんだめっき層６０との界面に、金属間化合物層５２と金属間化合物層５３とが形成される。例えば、金属層４２とはんだめっき層６０との界面において、金属層４２側からＣｕ３ＳｎやＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる金属間化合物層５２と、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３とが順に形成される。
【００６０】
次に、図６（ｂ）に示す工程では、配線基板２０の接続パッドＰ２上に、半導体チップ３０の接続端子４０をフリップチップ接合する。例えば、配線基板２０と半導体チップ３０とを位置合わせした後に、リフロー処理を行ってはんだめっき層６０を溶融させ、接続端子４０を接続パッドＰ２に電気的に接続する。上記リフロー処理では、例えば図４に示すように、リフロー処理の開始直後の３０秒程度で室温から１８０℃まで急激に上昇させた後、１８０℃で５秒間加熱が行われる。これにより、接続端子４０（金属層４２）と接続パッドＰ２との間に、金属間化合物層５１〜５３及び金属５４からなる接合部材５０が形成され、その接合部材５０を介して接続端子４０と接続パッドＰ２とが接合される。
【００６１】
続いて、配線基板２０と半導体チップ３０との間に、液状のアンダーフィル樹脂３１を充填する。その後、例えば、１００℃程度の温度でプレヒートし、１５０℃程度の温度で２時間キュアすることにより、アンダーフィル樹脂３１を硬化する。
【００６２】
以上の製造工程により、本実施形態の半導体装置１０を製造することができる。
以上説明した本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６３】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、接続パッドＰ２上に金属層２７を形成してもよい。例えば、金属層２７は、ソルダレジスト層２５の開口部２５Ｘから露出する配線パターン２２の上面全面を被覆するように形成されている。金属層２７の例としては、Ａｕ層、Ｎｉ層／Ａｕ層（配線パターン２２の上面にＮｉ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）や、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（配線パターン２２の上面にＮｉ層とＰｄ層とＡｕ層をこの順番で積層した金属層）などを挙げることができる。この場合には、金属層２７が接続パッドとして機能する。なお、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ｐｄ層としては、例えば無電解めっき法により形成された金属層（無電解めっき金属層）を用いることができる。
【００６４】
図７（ｂ）に示すように、この場合の金属間化合物層５１は、金属層２７と接合部材５０との界面に形成されている。この金属間化合物層５１によって金属層２７と接合部材５０とが実質的に接合されている。金属間化合物層５１は、例えば金属層２７の上面全面を被覆するように形成されている。金属間化合物層５１は、例えばＣｕ３ＳｎやＮｉ３Ｓｎ４の金属間化合物からなる。金属間化合物層５２は、接続端子４０と接合部材５０との界面に形成されている。金属間化合物層５２は、例えばＣｕ３Ｓｎの金属間化合物からなる。金属間化合物層５３は、金属間化合物層５１と金属間化合物層５２との間に形成されている。金属間化合物層５３は、例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる。
【００６５】
・上記実施形態では、はんだめっき層６０の組成をＳｎ−５７Ｂｉとしたが、はんだめっき層６０はＳｎ−Ｂｉ系はんだであれば、その組成は特に限定されない。このとき、Ｂｉの含有量が多くすれば、Ｓｎの含有量が少なくなるため、リフロー処理における加熱時間を短く設定することができる。また、はんだめっき層６０の組成が融点の低い組成であるほど、接続パッドＰ２と接続端子４０との接合処理（はんだ付け）を低温で行うことができる。
【００６６】
・また、はんだめっき層６０に、添加剤として例えばアンチモン（Ｓｂ）、亜鉛（Ｚｎ）及びＮｉの少なくとも１つの金属を添加するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、接続端子４０の下面にはんだめっき層６０を形成し、そのはんだめっき層６０を溶融・凝固させて接続パッドＰ２と接続端子４０とを接合するようにした。これに限らず、例えば接続パッドＰ２上にはんだバンプを形成し、そのはんだバンプを溶融・凝固させて接続パッドＰ２と接続端子４０とを接合するようにしてもよい。なお、この場合には、はんだバンプの径を小さく設定するなどして、Ｓｎの含有量を少なくすることが好ましい。
【００６７】
・上記各実施形態における金属間化合物層５１〜５３の組成は、Ｓｎを含む金属間化合物であれば、その組成は特に限定されない。
・上記各実施形態における接合部材５０の構造は特に限定されない。例えば金属間化合物層５１，５２を省略するようにしてもよい。すなわち、接合部材５０を、Ｃｕ６Ｓｎ５や（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３とＢｉからなる金属５４とのみからなる構造としてもよい。
【００６８】
・上記各実施形態におけるソルダレジスト層２５を省略するようにしてもよい。
・上記第１実施形態における接続端子４０は金属ポストに限定されない。
（実施例１）
図６（ａ）に示した構造体と同様の構造体、つまり半導体チップ３０の回路形成面（ここでは、下面）に金属ポスト４１と金属層４２とからなる接続端子４０を形成し、その接続端子４０（金属層４２）の下面にはんだめっき層６０を形成した構造体を用意した。ここで、金属ポスト４１の厚さを１０μｍ、金属層４２の厚さを２μｍ、はんだめっき層６０の厚さを８μｍに設定し、接続端子４０（金属ポスト４１及び金属層４２）の直径を２５μｍに設定した。また、金属ポスト４１の組成をＣｕ、金属層４２の組成をＮｉ、はんだめっき層６０の組成をＳｎ−５７Ｂｉに設定した。
【００６９】
このような半導体チップ３０の接続端子４０を、上記第２実施形態で説明した製造方法と同様の方法により、厚さが１５μｍ、直径が３０μｍの接続パッドＰ２にフリップチップ接合した。具体的には、接続パッドＰ２と接続端子４０とが対向するように位置決めし、リフロー処理を行ってはんだめっき層６０を溶融させた。リフロー処理では、図４に示すように、リフロー処理の開始直後の３０秒で室温から１８０℃まで急激に上昇させた後に、はんだめっき層６０を１８０℃で５秒間加熱した。なお、上記接続パッドＰ２の組成はＣｕである。
【００７０】
そして、このように接合された接続パッドＰ２と接続端子４０との接合構造について、電子プローブ・マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による分析を行った。そのＥＰＭＡによる分析結果を図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示した。図８（ａ）は反射電子像（Backscattered Electron：ＢＳＥ像）を示し、図８（ｂ）は相図を示し、図８（ｃ）はＣｕ−Ｓｎ系散布図を示している。
【００７１】
図８（ａ）に示したＢＳＥ像から、上記リフロー処理により、接続端子４０が配線パターン２２に確実に接続されていることを確認することができた。図８（ｂ）に示した相図から、配線パターン２２と接続端子４０との接合部分がＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物とＢｉとから形成されていることを確認することができた。また、上記相図から、Ｂｉからなる金属５４がＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物からなる金属間化合物層５３に囲まれていることを確認することができた。さらに、図８（ｃ）に示したＣｕ−Ｓｎ系散布図から、接続パッドＰ２と接続端子４０との接合部分に、Ｃｕ相、Ｃｕ３Ｓｎ相、Ｃｕ６Ｓｎ５相が存在する一方で、Ｓｎ相（破線円参照）が存在しないことを確認することができた。換言すると、はんだめっき層６０中に存在していたＳｎの全てがＣｕ６Ｓｎ５等の金属間化合物の形成に消費されていることを確認することができた。
【符号の説明】
【００７２】
１０  半導体装置
２０  配線基板
２２  配線パターン
２５  ソルダレジスト層
３０  半導体チップ
４０  接続端子
４１  金属ポスト
４２  金属層
５０  接合部材
５１  金属間化合物層（第１金属間化合物層）
５２  金属間化合物層（第２金属間化合物層）
５３  金属間化合物層（第３金属間化合物層）
５４  金属
６０  はんだめっき層
Ｐ２  接続パッド
【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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【図６】
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【図７】
2015072996.tif 000009
【図８】
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【図９】
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