(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側に導体金属からなる電極ランド（２１、２２）が形成された第１の部材（１）と、導体金属部材（３、７）を介して前記電極ランドと接合された第２の部材（５）とを備える導体金属を用いた接合構造において、
前記導体金属部材が金を主成分とする金属であり、
１つの前記導体金属部材に対応する前記電極ランドが、アルミニウムを主成分とする金属、錫、及び、半田のうちのいずれか１種類よりなる第１の電極ランド（２１）と、銅を主成分とする金属、ニッケルを主成分とする金属、パラジウム、及び、白金のうちのいずれか１種類よりなる第２の電極ランド（２２）との２種類よりなり、前記第１の電極ランドと前記導体金属部材との金属の拡散性が前記第２の電極ランドと前記導体金属部材との金属の拡散性より高くされており、
前記第１の電極ランドおよび前記第２の電極ランドと前記１つの導体金属部材とが接合されていることを特徴とする導体金属を用いた接合構造。
【請求項２】
前記導体金属を用いた接合構造は、半導体装置に適用されるものであることを特徴とする請求項１に記載の導体金属を用いた接合構造。
【請求項３】
前記導体金属部材が、金属バンプ（３）又は、ボンディングワイヤ（７）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の導体金属を用いた接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導体金属を用いた接合構造に関し、特に、金属バンプを介して半導体基板の電極ランド部等と半導体素子等とを接合するバンプボンディング法や、半導体素子の電極ランド等とリードフレームの電極ランド等とをワイヤを介して接合するワイヤボンディング法等に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
基板と半導体素子等の電子部品とを導体金属部材であるバンプやワイヤを介して電気的に接続したり、基板とリードフレームとをワイヤを介して電気的に接続したりするマイクロ接合法では、接合部における双方の金属又は一方の金属を溶融させずに、金属を拡散させることにより接合する。この接合では、接合部に拡散層が形成されて接合が行われており、その様な接合方法としては、マイクロバンプを用いたボンディング法やワイヤボンディング法がある。
【０００３】
図５は、一般的なマイクロバンプを用いたボンディングの構造を示す概略断面図である。図５に示すように、基板１０１に形成された電極ランド１０２上に金属バンプ１０３が形成され、この金属バンプ１０３を介して電子部品１０４と電極ランド１０２とが接合されている。この場合、通常、電極ランド１０２と金属バンプ１０３とは異なる金属であり、電極ランド１０２と金属バンプ１０３とは熱圧着や超音波振動等によって、電極ランド１０２の金属と金属バンプ１０３の金属とが拡散されて接合されている。
【０００４】
この様な、金属同士を拡散により接合する場合には、金属間の接合を容易にするために、接合部において互いに拡散性の高い金属を組み合わせるのが一般的である。図６は、基板１０１と電子部品１０４との接合において、互いに拡散性の高い金属を電極ランド１０２と金属バンプ１０３の金属として組み合わせた場合（例えば、電極ランド１０２がＡｌ等、金属バンプ１０３がＡｕ等）の接合構造を示す概略断面図であって、（ａ）は接合直後の状態であり、（ｂ）は製品使用時における高温環境下に保持した後の状態である。
【０００５】
図６（ａ）に示すように、拡散性の高い金属を組み合わせているため、たとえ低い加熱温度や振動エネルギーで接合しても、接合直後から良好に接合するために必要な拡散層１０５の厚さＬ１を有することができ、接合性に優れている。その反面、図６（ｂ）に示すように、製品使用時の高温環境下では拡散層１０５が成長し過ぎて過大な厚さＬ２になり、合金層が形成されて接合部が脆くなったり、ボイド１０６が形成されて接合部が破壊されたりする。その結果、接合部分の長期信頼性が損なわれやすい。
【０００６】
そこで、製品の高温使用環境下での信頼性を高めるために、接合部において拡散性の低い金属を組み合わせる方法がある。図７は、この拡散性の低い金属を組み合わせた場合（例えば、電極ランド１０２がＣｕ等、金属バンプ１０３がＡｕ等）の接合構造を示す概略断面図であって、（ａ）は接合直後の状態であり、（ｂ）は製品使用時における高温環境下に保持した後の状態である。
【０００７】
図７（ａ）に示すように、拡散性の低い金属を用いているため、接合直後においては拡散層１０５の厚さＬ３が非常に薄くて接合性に劣るため、接合時の歩留りが低下してしまう。しかし、図７（ｂ）に示すように、拡散層１０５の成長が遅いため、製品使用時の高温下で拡散層１０５が接合性を維持するのに適正な厚さＬ４である時間が長く、長期信頼性に優れている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
つまり、拡散による金属間の接合においては、拡散性の高い金属を組み合わせた場合は、接合時の金属間の接合性が良く生産性に優れるが、製品使用時の信頼性は拡散性の低い金属を組み合わせた場合よりも劣る。一方、拡散性の低い金属を組み合わせた場合は、接合時の金属間の接合性が低いため、拡散性の高い金属を組み合わせた場合よりも生産性が劣るが、製品使用時の信頼性は優れている。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、導体金属を用いた接合において、生産性と製品使用時の信頼性とが共に優れた接合構造を提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面側に導体金属からなる電極ランド（２１、２２）を形成した第１の部材（１）と、導体金属部材（３、７）を介して電極ランドと接合した第２の部材（５）とを備える導体金属を用いた接合構造において、導体金属部材を、金を主成分とする金属とし、１つの導体金属部材に対応する電極ランドを、アルミニウムを主成分とする金属、錫、及び、半田のうちのいずれか１種類よりなる第１の電極ランド（２１）と、銅を主成分とする金属、ニッケルを主成分とする金属、パラジウム、及び、白金のうちのいずれか１種類よりなる第２の電極ランド（２２）との２種類から構成し、第１の電極ランドと導体金属部材との金属の拡散性を第２の電極ランドと導体金属部材との金属の拡散性より高くし、第１の電極ランドおよび第２の電極ランドと１つの導体金属部材とを接合していることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、導体金属部材を、金を主成分とする金属とし、導体金属部材との拡散性が高い第１の電極ランド（２１）により、接合時における電極ランドと導体金属部材との接合性を良好に確保し、導体金属部材との拡散性が低い第２の電極ランド（２２）により、製品使用時における電極ランドと導体金属部材との接合性を良好に確保することができる。従って、生産性と製品使用時の信頼性とが共に優れた接合構造を提供することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、請求項１の発明の導体金属を用いた接合構造を半導体装置に適用することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明のように、請求項１又は２の発明において、導体金属部材としては、金属バンプ（３）又は、ボンディングワイヤ（７）を適用することができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図に示す実施形態について説明する。本実施形態は、半導体基板と半導体素子との接合を金属バンプを用いて行う場合に本発明を適用したものとして説明する。図１は本実施形態の半導体装置における接合構造を示す概略断面図であって、（ａ）は接合直後の状態であり、（ｂ）は製品使用時における高温環境下に保持した後の状態である。
【００１８】
図１に示すように、半導体基板（本発明でいう、第１の部材）１の表面側に対して、導体金属である金属膜からなる２種類の電極ランド２１、２２が形成されている。また、２種類の電極ランド２１、２２の各々と接合するように導体金属部材としての金属バンプ３が形成されている。
【００１９】
この電極ランド２１、２２と金属バンプ３とは、電極ランド２１、２２と金属バンプ３の一方或は双方の金属が溶融されずに固相接合されている。つまり、電極ランド２１、２２と金属バンプ３との境界において、電極ランド２１、２２に含まれる金属と金属バンプ３に含まれる金属とが相互に拡散して拡散層４１、４２が形成されている。
【００２０】
また、金属バンプ３上には半導体素子（本発明でいう、第２の部材）５が搭載されており、金属バンプ３と半導体素子５における図示しない導体部とが電気的に接続されている。
【００２１】
次に、この２種類の電極ランド２１、２２について説明する。２種類の電極ランド２１、２２は、各々の電極ランド２１、２２の金属と金属バンプ３の金属との拡散性が異なる。２種類の電極ランド２１、２２のうち、第１の電極ランド２１は金属バンプ３との金属の拡散性が高く、第２の電極ランド２２は金属バンプ３との金属の拡散性が低い。この様な、金属バンプ３と第１及び第２の電極ランド２１、２２との材質の組み合わせの例を、図２に示す。
【００２２】
図２に示すように、金属バンプ３として、純度９８％以上のＡｕ（金）を用いる場合は、第１の電極ランド２１として、純Ａｌ（アルミニウム）やＡｌを主成分とし、Ａｌ以外の成分が３％以下の合金、或はＳｎ（錫）や半田を用いることができる。また、第２の電極ランド２２として、純Ｃｕ（銅）やＣｕを主成分とし、Ｃｕ以外の成分が３％以下の合金、或は、純Ｎｉ（ニッケル）やＮｉを主成分とし、Ｎｉ以外の成分が１５％以下の合金、又はＰｄ（パラジウム）やＰｔ（白金）を用いることができる。
【００２３】
また、金属バンプ３として、Ｓｎや半田を用いる場合は、第１の電極ランド２１として、純度９８％以上のＡｕを用いることができ、第２の電極ランド２２として、純ＮｉやＮｉを主成分とし、Ｎｉ以外の成分が１５％以下の合金を用いることができる。
【００２４】
次に、この様な接合構造を形成する方法について一例を示す。まず、半導体基板１上に印刷等により第１及び第２の電極ランド２１、２２を形成する。その後、第１及び第２の電極ランド２１、２２上に、金属バンプ３を形成するためのワイヤを備えたキャピラリを用意し、キャピラリの先端でワイヤの先端部にボール部を形成する。そして、ボール部を第１及び第２の電極ランド２１、２２に熱圧着したり超音波圧着したりして金属バンプ３を形成する。続いて、金属バンプ３に半導体素子５を搭載することにより、図１に示す半導体装置における接合構造が完成する。
【００２５】
ところで、本実施形態によれば、金属バンプ３との金属の拡散性が異なる２種類の電極ランド２１、２２を用いているため、接合の初期においても製品使用時においても、良好な接合性を確保することができる。以下に、この接合性の確保について詳しく述べる。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、接合の初期では、第２の電極ランド２２と金属バンプ３との境界においては、第２の電極ランド２２と金属バンプ３との間の金属の拡散性が低いため、拡散層４２の厚さが薄くて接合が不十分である。しかし、第１の電極ランド２１と金属バンプ３との境界においては、第１の電極ランド２１と金属バンプ３との間の金属の拡散性が高いため、接合時の加熱温度や振動エネルギーが低くても、良好な接合が得られる程度に拡散層４１の厚さを確保することができる。その結果、接合の初期において良好に接合を確保することができ、生産性に優れている。
【００２７】
また、製品使用時における高温環境下では、第１及び第２の電極ランド２１、２２と金属バンプ３との間の金属の拡散が進行する。この際、金属の拡散性が高い第１の電極ランド２１と金属バンプ３との間では拡散層４１が成長し過ぎて、図１（ｂ）に示すように、合金層を生成して脆くなったりボイド６を形成して接合部が破壊することがある。しかし、第２の電極ランド２２と金属バンプ３との間では拡散層４２の成長が遅いため、良好な接合が得られる程度に拡散層４２の厚さを確保することができる。その結果、製品使用時の信頼性に優れている。
【００２８】
このように、接合の初期においては第１の電極ランド２１により、金属バンプ３と良好な接合を確保することができ、製品使用時においては遅効的に金属が拡散する第２の電極ランド２２により、金属バンプ３との接合性を確保することができる。従って、生産性と製品使用時の信頼性とが共に優れた接合構造を提供することができる。
【００２９】
なお、第１及び第２の電極ランド２１、２２と金属バンプ３との接合に必要な面積が確保されれば良く、第１及び第２の電極ランド２１、２２は正確に位置合わせする必要はない。図３に、第１及び第２の電極ランド２１、２２の配置の変形例を概略断面図で示す。図３（ａ）に示すように、第１及び第２の電極ランド２１、２２間に隙間があっても良い。また、図３（ｂ）に示すように、第１の電極ランド２１と第２の電極ランド２２との間に段差があったり、図３（ｃ）に示すように、一方の電極ランド２１が他方の電極ランド２２にかぶさっていても良い。図３（ｂ）や（ｃ）の場合は、接合時に金属バンプ３を塑性変形させれば良い。なお、図３では拡散層を省略している。
【００３０】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、半導体基板１と半導体素子５との電気的な接続を金属バンプ３を用いて行う場合に本発明を適用したが、半導体基板等でワイヤボンディングする場合にも本発明を適用することができる。図４に、ワイヤボンディングを行う場合の接合構造を概略断面図にて示す。
【００３１】
図４に示すように、図１と同様にして、半導体基板１上に第１の電極ランド２１と第２の電極ランド２２とが形成されている。そして、ボンディングワイヤ（本発明でいう導体金属部材）７のボール部７ａが第１及び第２の電極ランド２１、２２の両方に接合されている。このように、ワイヤボンディングを行う場合にも、ボンディングワイヤ７との金属の拡散性が異なる第１及び第２の電極ランド２１、２２とボール部７ａとを接合することにより、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００３２】
なお、ボンディングワイヤ７のボール部７ａの材料は、図２に示した金属バンプ３の材料と同様のものを用いることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、電極ランド２１、２２は半導体基板１上に形成されていたが、プリント基板、セラミック基板やリードフレーム等に形成された電極ランドにも本実施形態の構造を適用することができる。また、半導体素子だけではなく、一般的な電子部品を搭載する際にも適用することができる。
【００３４】
また、上記各実施形態では、２種類の電極ランド２１、２２を形成する例について示したが、金属バンプ３やボンディングワイヤ７との金属の拡散性が異なる３種類以上の電極ランドを形成しても良い。
【００３５】
また、本発明は、突起状の微細な金属を用いて電気的な接続を行う場合に広く適用することができ、例えば、ＴＡＢ（tape automated bonding）用のバンプやフリップチップ用のバンプを用いる場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の導体金属を用いた接合構造を示す概略断面図である。
【図２】金属バンプと電極ランドとの材質の組み合わせを示す図表である。
【図３】第１実施形態の導体金属を用いた接合構造の他の例を示す概略断面図である。
【図４】第２実施形態の導体金属を用いた接合構造を示す概略断面図である。
【図５】従来のマイクロバンプを用いた接合構造を示す概略断面図である。
【図６】拡散性の高い金属を組み合わせた場合の接合構造を示す概略断面図である。
【図７】拡散性の低い金属を組み合わせた場合の接合構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、３…金属バンプ、５…半導体素子、
７…ボンディングワイヤ、２１…第１の電極ランド、２２…第２の電極ランド。
【図１】
0004450130.tif 000002
【図２】
0004450130.tif 000003
【図３】
0004450130.tif 000004
【図４】
0004450130.tif 000005
【図５】
0004450130.tif 000006
【図６】
0004450130.tif 000007
【図７】
0004450130.tif 000008