(57)【要約】【課題】３０μｍピッチ以下の半導体チップとチップ支持基板の、フリップチップ金−金超音波接続を可能にした半導体装置を提供することにある。【解決手段】狭パッドピッチの場合において、細長く形成せず、半導体チップに設けられたバンプは立方体及び円柱にチップ支持基板の配線は四角形及び円形に形成することによって、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、平行な方向に延在する配線と、直角な方向に延在するバンプ及び配線とが存在しないような半導体装置にする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の表面電極が形成された半導体チップと、
前記半導体チップの前記表面電極に接続される突起電極であり、立法形状の金バンプと、
前記金バンプと接続する金層を表面に備えた配線が形成されたチップ支持基板とを備え、
前記半導体チップに設けられた金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
複数の表面電極が形成された半導体チップと、
前記半導体チップの前記表面電極に接続される突起電極であり、円柱形状の金バンプと、
前記金バンプと接続する金層を表面に備えた配線が形成されたチップ支持基板とを備え、
前記半導体チップに設けられた金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置であって、前記配線を四角形にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の半導体装置であって、前記配線を円形にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
表面が金層の細長い配線が設けられたチップ支持基板と、
複数の表面に突起電極である金バンプが設けられた半導体チップとを備え、
各々の前記金バンプを数個に分断し、独立した立方体を数個直列に形成するとともに、
当該金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
表面が金層の細長い配線が設けられたチップ支持基板と、
複数の表面に突起電極である金バンプが設けられた半導体チップとを備え、
各々の前記金バンプを数個に分断し、独立した円柱を数個直列に形成するとともに、
当該金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続することを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の半導体装置であって、前記表面電極を数個に分断し、独立した四角形を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項５または６記載の半導体装置であって、前記表面電極を数個に分断し、独立した円形を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
複数の表面電極が形成された半導体チップと
前記半導体チップの前記表面電極に接続される突起電極である金バンプと、
前記金バンプと接続する金層を表面に備えた配線が形成されたチップ支持基板とを備え、
前記半導体チップに設けられた金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続するものであって、
超音波振動方向と同一方向の前記金バンプを立方体にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
複数の表面電極が形成された半導体チップと
前記半導体チップの前記表面電極に接続される突起電極である金バンプと、
前記金バンプと接続する金層を表面に備えた配線が形成されたチップ支持基板とを備え、
前記半導体チップに設けられた金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続するものであって、
超音波振動方向と同一方向の前記金バンプを円柱にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の半導体装置であって、超音波振動方向と同一方向の前記配線を四角形にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項９または１０記載の半導体装置であって、超音波振動方向と同一方向の前記配線を円形にすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
表面が金層の細長い配線が設けられたチップ支持基板と、
複数の表面に突起電極である金バンプが設けられた半導体チップとを備え、
前記半導体チップに設けられた前記金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続するものであって、
超音波振動方向と同一方向の前記金バンプを数個に分断し、独立した立方体を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
表面が金層の細長い配線が設けられたチップ支持基板と、
複数の表面に突起電極である金バンプが設けられた半導体チップとを備え、
前記半導体チップに設けられた前記金バンプとこれに対応する前記配線とを位置合わせし、加圧しながら超音波を印加して、前記金バンプと前記配線の金層とのよる金−金接合で前記半導体チップを前記チップ支持基板にフリップチップ接続するものであって、
超音波振動方向と同一方向の前記前記金バンプを数個に分断し、独立した円柱を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の半導体装置であって、超音波振動方向と同一方向の前記表面電極を数個に分断し、独立した四角形を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
請求項１３または１４記載の半導体装置であって、超音波振動方向と同一方向の前記表面電極を数個に分断し、独立した円形を数個直列に形成することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、特に、超音波を用いた金−金によるフリップチップ接続に適用して有効な半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体チップの実装密度や電気特性を向上させるための実装方法として、半導体チップをそのバンプ電極面とチップ支持基板のチップ支持面とを対向させてフェイスダウンによって実装するフリップチップ接続が知られている。
【０００３】
前記フリップチップ接続では、まず、半導体チップのパッド（表面電極）側に金バンプを形成し、この金バンプとチップ支持基板の配線との位置を合わせて半導体チップを搭載する。その後、チップ裏面から熱・荷重・超音波を印加することにより、一括して金バンプと基板の配線の金層とを接続するものである。
【０００４】
フリップチップ接続の一例として、チップ支持基板の配線は、半導体チップの各パッドに対応するように配置されるが、狭パッドピッチの場合、細長く形成されるため、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、平行な方向に延在する配線と、直角な方向に延在する配線とが存在する。そこで、チップ支持基板の細長い配線の長手方向に対して振幅方向を斜めにして超音波をかけることにより、何れの方向に延在する配線に対してもその見かけ上の配線幅をほぼ同じにすることができる。その結果、配線延在方向ごとの接合エネルギの差を低減して延在方向ごとの接合力のばらつきを低減できる工法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特願２００１−１７３３９１（第８−１２頁、第１７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記したフリップチップ接続技術において、狭パッドピッチ化によってチップパッドピッチが、例えば、３０μｍの半導体チップを搭載しようとすると、チップ支持基板の最小配線幅が１５μｍとなり、搭載位置精度を±２μｍ以内にする必要がある。また、チップパッドが細長く形成されるため、チップ支持基板の細長い配線の長手方向に対して振幅方向を斜めにして超音波をかける必要がある。
【０００７】
しかし、ボンディング機構部に超音波ホーンをθ回転（−９０°＜θ＜９０°）することができる超音波フリップチップボンダでは搭載精度が±５μｍしかでず、しかも、θ回転時間がボンディングサイクルタイムを遅くさせる問題があった。
【０００８】
また、半導体チップに設けられた金バンプが高さ１５〜２０μｍで電極間ピッチが３０μｍ以下において、チップ支持基板の細長い配線の長手方向に対して振幅方向を斜めにして、金−金超音波・荷重・加熱併用で接続した場合、超音波を印可しながら荷重をかけることにより金バンプが半分程度７〜１０μｍの高さまでつぶれた後、つぶれて余った金バンプが隣接間の電極へ飛び出すことにより、隣接バンプショートが発生し、接続が不可能であった。
【０００９】
本発明が解決しようとしている課題は、３０μｍピッチ以下の半導体チップとチップ支持基板の超音波接合は不可能であった従来の工法の欠点を解消し、フリップチップ金−金超音波接続における金バンプの接続強度向上させ、かつ、接合力のばらつきを低減し、かつ、製造歩留まりの良い半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来の実装工法の課題を解決するため、本発明の半導体装置は、表面が金層の四角形及び円形の配線が設けられたチップ支持基板と、複数の四角形及び円形の表面電極に金バンプが設けられた半導体チップと、半導体チップとチップ支持基板とを対向させた後、半導体チップの金バンプと配線とを位置合わせし、半導体チップに超音波を印加して、金−金接合で半導体チップをフリップチップ接続するものである。
【００１１】
また、本発明の半導体装置は表面が金層の四角形及び円形の配線が設けられたチップ支持基板と、複数の細長い表面電極に金バンプが設けられた半導体チップと、半導体チップとチップ支持基板とを対向させた後、半導体チップの金バンプと配線とを位置合わせし、半導体チップに超音波を印加して、金−金接合で半導体チップをフリップチップ接続するものである。
【００１２】
さらに、本発明の半導体装置は表面が金層の細長い配線が設けられたチップ支持基板と、複数の四角形及び円形の表面電極に金バンプが設けられた半導体チップと、半導体チップとチップ支持基板とを対向させた後、半導体チップの金バンプと配線とを位置合わせし、半導体チップに超音波を印加して、金−金接合で半導体チップをフリップチップ接続するものである。
【００１３】
その詳細について以下に述べる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置において、半導体チップをそのバンプ電極面とチップ支持基板のチップ支持面とを対向させてフェイスダウンによって実装するフリップチップ接続するものである。
【００１５】
前記フリップチップ接続では、まず、半導体チップのパッド（表面電極）側に金バンプを形成し、この金バンプとチップ支持基板の配線との位置を合わせて半導体チップを搭載する。その後、チップ裏面から熱・荷重・超音波を印加することにより、一括して金バンプと基板の配線の金層とを接続するものである。
【００１６】
フリップチップ接続の一例として、半導体チップに設けられたバンプとチップ支持基板の配線は、半導体チップの各パッドに対応するように配置されるが、狭パッドピッチの場合においても、細長く形成せず、バンプは立方体及び円柱に、配線は四角形及び円形に形成することによって、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、平行な方向に延在するバンプ及び配線と、直角な方向に延在するバンプ及び配線とが存在しないようにする。
【００１７】
さらに、接合強度を向上させ、ばらつきを安定させるために半導体チップの各々同一電極に複数の立方体及び円柱のバンプを配線方向に直列に形成し、またはチップ支持基板の各々同一配線に複数の四角形及び円形のパッドを配線方向に直列に形成する。
【００１８】
さらに、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、接合強度が出ていない方向のパッドのみ、四角形及び円形に形成し、または接合強度を向上させ、ばらつきを安定させるために半導体チップの接合強度が出ていない方向の半導体チップ電極に複数の立方体及び円柱のバンプを配線方向に直列に形成し、または接合強度を向上させ、ばらつきを安定させるために半導体チップの接合強度が出ていない方向のチップ支持基板の同一配線に複数の四角形及び円形のパッドを配線方向に直列に形成する。
【００１９】
このように半導体チップのバンプ形状を立方体及び円柱または、チップ支持基板のパッド配線形状を四角形及び円形にすることにより、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、３６０度どの方向から印加しても、３０μｍピッチ以下の接合が可能となる。
【００２０】
また、超音波振幅を斜めに印可させる機構を保有する高価なフリップチップボンダを使用する必要はない。さらに、超音波振幅を斜めに印可させる機構を使用してボンディングしないため、θ回転１０度範囲で微細に角度を調整できるため搭載精度を±２μｍ出すことができ、製造歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。
【００２１】
さらに、超音波振幅を斜めに印可させる機能を準備するためにθ回転を４５度±５度ボンディング毎に行う必要が無く、実装工程のサイクルタイムを減少させ生産性を大幅に向上させることが可能となる。
【００２２】
さらに、半導体チップに設けられた金バンプが高さ１５〜２０μｍで電極間ピッチが３０μｍ以下において、立方体の金バンプ及び四辺形の金層配線電極が金−金超音波・荷重併用で接続した場合、超音波を印可しながら荷重をかけることにより金バンプが半分程度７〜１０μｍの高さまでつぶれた後、つぶれて余った金バンプが３６０度の方向の電極間へが均一に飛び出すことにより、隣接バンプショートが発生せず、接合が可能となる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
本実施例による半導体装置の実装構造の断面を図１に模式的に示す。同図において１は半導体チップ、２はアルミ電極、３は保護膜、４は金バンプ、５は金層配線電極、６は導通配線、７は基板である。
【００２５】
本実施例において、半導体チップ１に設けられた金バンプ４と基板７に設けられた金層配線電極５を超音波振動で接続する。すなわち、図１に示すように複数のパッド（表面電極）２が形成された半導体チップ１と、半導体チップ１のパッド２を３個の正方形に分割する保護膜３と、半導体チップ１のパッド２の保護膜３が設けられていない部分に形成される突起電極である金バンプ４と、金バンプ４と接続する金（Ａｕ）層を表面に備えた正方形の３個の配線電極５、３個の配線電極を短絡させる導通配線６が形成されるとともに、かつ半導体チップ１のアルミ電極２と対向して半導体チップ１の金バンプ４を介して支持するチップ支持基板である基板５とからなり、金バンプ４が配線電極５と対向する位置関係になるように位置合わせを行い、金−金超音波・荷重・熱併用接続されている。
【００２６】
この金バンプ４を正立方体にし、配線電極５を正方形にすることにより、半導体チップ１への超音波印加時に、下地が樹脂からなるフィルム製の基板（チップ支持基板）７の超音波振幅方向に対して延在方向及び垂直方向の配線電極に対して、超音波の振幅方向３６０度どの方向から印加しても全ての電極に対して均一にかかる。
【００２７】
この数個の金バンプの形成方法としては予め、半導体チップのアルミ電極は細長く製作しておき保護膜付けるときにアルミ電極が正方形になるように細長いアルミ電極を分断するようにエッチングし、その後、金バンプをメッキで生成する。
【００２８】
また、この数個の金層配線電極の形成方法としては最初からチップ支持基板に金バンプに対向する正方形の数個の配線電極を作成すると同時に数個の配線電極を短絡させる配線をチップ支持基板内部または裏面に形成しておく。
【００２９】
また、この数個の金バンプの間隔は金バンプのピッチ、高さにより決まるが、金バンプが高さ１５〜２０μｍで電極間ピッチが３０μｍ場合においては、１０〜１５μｍが良い。
【００３０】
また、３０μｍピッチの金バンプになると接合面積が１５×１５μｍとなるため、１バンプにつき５ｇのシェア強度が得られるが、接合強度を増大させる時は、図１のように同一形状の金バンプ及び金層配線電極を数個形成することにより可能である。
【００３１】
以上のような半導体装置にすることで、３０μｍピッチ以下の半導体チップとチップ支持基板フリップチップ金−金超音波接続における金バンプの接続強度向上させ、かつ、接合力のばらつきを低減し、かつ、製造歩留まりの良くする事が可能となる。
【００３２】
（実施例２）
本実施例２の半導体装置の実装構造断面を図２に模式的に示す。
【００３３】
半導体チップ１に設けられた金バンプ４と基板７に設けられた金層配線電極５を超音波振動で接続する。すなわち、図２に示すように複数のパッド（表面電極）２が形成された半導体チップ１と、半導体チップ１のパッド２に形成される突起電極である金バンプ４と、金バンプ４と接続する金（Ａｕ）層を表面に備えた四辺形の３個の配線電極５、３個の配線電極を短絡させる導通配線６が形成されるとともに、かつ半導体チップ１のアルミ電極２と対向して半導体チップ１の金バンプ４を介して支持するチップ支持基板である基板７とからなり、金バンプ４が配線電極５と対向する位置関係になるように位置合わせを行い、金−金超音波・荷重・熱併用接続されている。
【００３４】
この３個の配線電極５を四辺形にすることにより、半導体チップ１への超音波印加時に、下地が樹脂からなるフィルム製の基板（チップ支持基板）７の超音波振幅方向に対して延在方向及び垂直方向の配線電極に対して、超音波の振幅幅を電極に対して同一することが可能である。この数個の金層配線電極の形成方法としては最初からチップ支持基板に金バンプに対向する正方形の数個の配線電極を作成すると同時に数個の配線電極を短絡させる配線をチップ支持基板内部または裏面に形成しておく。
【００３５】
また、この数個の金層配線電極の形状は超音波振幅幅により決まり、３０μｍピッチの場合は一辺が１５μｍの正方形が良い。
【００３６】
また、この数個の金層配線電極の間隔は金バンプのピッチ、高さにより決まるが、金バンプが高さ１５〜２０μｍで電極間ピッチが３０μｍ場合においては、１５μｍが良い。
【００３７】
また、この数個の金層配線電極の数は設計要求接続強度により決まるが、電極間ピッチが３０μｍ場合においては、１バンプにつき３個は必要である。
【００３８】
（実施例３）
本実施例３の半導体装置の実装構造断面を図３に模式的に示す。
【００３９】
半導体チップ１に設けられた金バンプ４と基板７に設けられた金層配線電極５を超音波振動で接続する。すなわち、図３に示すように複数のパッド（表面電極）２が形成された半導体チップ１と、半導体チップ１のパッド２を３個の正方形に分割する保護膜３と、半導体チップ１のパッド２の保護膜３が設けられていない部分に形成される突起電極である金バンプ４と、金バンプ４と接続する金（Ａｕ）層を表面に備えた細長い配線電極５が形成されるとともに、かつ半導体チップ１のアルミ電極２と対向して半導体チップ１の金バンプ４を介して支持するチップ支持基板である基板７とからなり、金バンプ４が配線電極５と対向する位置関係になるように位置合わせを行い、金−金超音波・荷重・熱併用接続されている。
【００４０】
この金バンプ４を正立方体にすることにより、半導体チップ１への超音波印加時に、下地が樹脂からなるフィルム製の基板（チップ支持基板）５の超音波振幅方向に対して延在方向及び垂直方向の配線電極に対して、超音波の振幅幅を電極に対して同一することが可能である。
【００４１】
この数個の金バンプの形成方法としては予め、半導体チップのアルミ電極は細長く製作しておき保護膜付けるときにアルミ電極が正方形になるように細長いアルミ電極を分断するようにエッチングし、その後、金バンプをメッキで生成する。
【００４２】
また、この数個の金バンプの間隔は金バンプのピッチ、高さにより決まるが、金バンプが高さ１５〜２０μｍで電極間ピッチが３０μｍ場合においては、１０〜１５μｍが良い。
【００４３】
また、３０μｍピッチの金バンプになると接合面積が１５×１５μｍとなるため、１バンプにつき５ｇのシェア強度が得られるが、接合強度を増大させる時は、図３のように同一形状の金バンプ及び金層配線電極を数個形成することにより可能である。
【００４４】
また、電解メッキで生成される金バンプはバンプ周辺の端部がバンプ中央部より最大３μｍ最小１μｍ高く形成される傾向があるが、金バンプを立方体にすることにより、超音波振幅方向に対して延在方向及び垂直方向の細長い配線電極に同一超音波エネルギを印可することが可能である。また、超音波振幅方向に対して、接合強度の弱い方向の配線電極に対向する金バンプ電極のみ形状を立方体にすることで、接合強度を向上させることも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、狭パッドピッチの場合において、細長く形成せず、半導体チップに設けられたバンプは立方体及び円柱にチップ支持基板の配線は四角形及び円形に形成することによって、超音波の振幅方向（印加方向）に対して、平行な方向に延在する配線と、直角な方向に延在するバンプ及び配線とが存在しないような半導体装置にすることで、３０μｍピッチ以下の半導体チップとチップ支持基板フリップチップ金−金超音波接続における金バンプの接続強度向上させ、かつ、接合力のばらつきを低減し、かつ、製造歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す模式的断面図である。
【図４】従来の接続構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１  半導体チップ
２  アルミ電極
３  保護膜
４  金バンプ
５  金属配線電極
６  導通配線
７  基板
【図１】
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【図２】
2004281931.tif 000004
【図３】
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【図４】
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