(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上に形成されたバンプを介して基板と接続されるフリップチップ実装型半導体装置であって、前記半導体チップ上に第１の金属層と前記第１の金属層より厚い第２の金属層を重ねることによって形成された第１のバンプ領域と、前記第２の金属層によって形成された第２のバンプ領域を具備し、前記第１のバンプ領域の半導体チップからの高さは前記第２のバンプ領域の高さより高く、かつ前記第１のバンプ領域と前記第２のバンプ領域とは分離されていることを特徴とするフリップチップ実装型半導体装置。
【請求項２】
前記第１のバンプ領域の面積が前記第２のバンプ領域の面積より小さいことを特徴とする前記請求項１に記載のフリップチップ実装型半導体装置。
【請求項３】
前記第１の金属層と第２の金属層の少なくとも一方が金で形成されていることを特徴とする前記請求項１に記載のフリップチップ実装型半導体装置。
【請求項４】
半導体チップ上に形成されたバンプを介して該半導体チップと基板が接続されてなるフリップチップ実装型半導体装置の製造方法において、前記半導体チップ上に第１の金属層を形成し、さらに前記第１の金属層より厚い第２の金属層を形成することによって、第１の金属層と第２の金属層が重なってなる第１のバンプ領域と、前記第２の金属層によってなる第２のバンプ領域を形成し、前記第２のバンプ領域の高さによって実装後のバンプ高さを制御することを特徴とするフリップチップ実装型半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体チップ上に形成されたバンプを介して該半導体チップと基板が接続されてなるフリップチップ実装型半導体装置の製造方法において、前記半導体チップ上に第１の金属層を形成し、さらに前記第１の金属層より厚い第２の金属層を形成することによって、第１の金属層と第２の金属層が重なってなる第１のバンプ領域と、前記第２の金属層によってなる第２のバンプ領域を形成し、前記第１の金属層の厚さによって実装時のバンプつぶれ量を制御することを特徴とする前記請求項４に記載のフリップチップ実装型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にトランジスタ等の能動素子や、抵抗、インダクタ、キャパシタ等の受動素子を備えた半導体チップを、セラミックや半絶縁体で形成された基板やパッケージに実装する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上にトランジスタ等の能動素子や、抵抗、インダクタ、キャパシタ等の受動素子を備えた半導体チップを低抵抗、低インダクタンス、低熱抵抗で実装する方法として、半導体チップ上の電極上に形成したバンプを、セラミック等で形成された基板上の金属配線に一括圧着することによって電気的、物理的接続を行うフリップチップ実装が知られている。
【０００３】
図５（ａ）はフリップチップ実装技術の一般的な構造を示すものであり、図５（ｂ）はバンプ及び配線部分の拡大断面図である。図５（ａ）中の１は半導体チップであり、表面に半導体素子６と金属配線７と電極２が形成されており、該電極上に金、アルミニウム等を用いたバンプ３が形成されている。バンプの高さは５〜１００μｍ程度が一般的であり、めっき法によって形成される場合が多い。
【０００４】
理想的には、図６（ａ）に示されるように、半導体チップ１上の電極２と、セラミック等で形成された基板４上に形成された金属配線５とをバンプ３を介して圧着し接合することによって、電気的、物理的な接続がなされる。
【０００５】
しかし、実際は、圧着に際し、図６（ｂ）に示すように金属配線５の厚みやバンプ３の高さのばらつき、あるいは基板４の反りや凹凸によって、バンプ３と金属配線５の接続が不十分で強度が低下したり高抵抗化するといった不良が発生することがある。それを防ぐため、実装時にバンプにかかる圧力によって基板の反りや凹凸、あるいはバンプ高さのばらつきを吸収できる範囲までバンプがつぶれるようにし、反りや凹凸があっても全バンプが良好に接続されるようにしている。そのため、実装時には圧着の圧力・温度・時間を調整し、バンプが適切なつぶれ量になるようにしていた。
【０００６】
この様なバンプを用いたフリップチップ実装方法としては、バンプ材質としてはんだを用い、リフローによってはんだバンプを溶融し一括接続する方法があるが、その他に金やアルミニウムを用いる方法も行われている。金やアルミニウムは、はんだに比べて電気的及び熱的にも低抵抗であり、電気的特性が良好でかつ放熱性に優れるため半導体素子の信頼性が向上する。さらに、バンプ面積を拡大することで電気的特性、放熱性が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この電気的、熱的に低抵抗である金やアルミニウムをバンプに用いる場合、以下のような問題点が発生する。
まず、はんだバンプによるフリップチップ実装においては、はんだバンプがリフロー時に溶融し、柔軟に変形しうることで上記の接合不良要因を吸収し、均一な接合が可能であるのに対し、金やアルミニウムのバンプによるフリップチップ実装では半田バンプほどの柔軟な変形ができないため、実装時の圧力や温度のばらつきが即バンプのつぶれ量のばらつきにつながり、一部のバンプのつぶれ量の不足による接合部の電気抵抗、熱抵抗の増大や最悪の場合はオープン不良を招く。あるいはオープン不良を避けんがためにバンプをつぶしすぎショート不良を招くなどの問題がある。
【０００８】
また、電気的特性、放熱性を向上させるバンプ面積の拡大は、実装時に半導体素子にかける荷重の増大を招くことから、物理的なストレスによる半導体素子の故障が起こり易くなり、特性向上と生産性を両立しづらいという問題もある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決し、バンプのつぶれ量のばらつき、つぶしすぎのない良好な実装を再現性良く行えるバンプ構造、および、バンプ面積を拡大した場合でも、実装時の物理的ストレスの少ないバンプ構造を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では二層の配線の組み合わせ（バンプめっきと配線めっきの２層の組み合わせ等）によって、実装時につぶれるバンプと、つぶれないダミーバンプを形成している。
【００１１】
この構造によると、実装時に圧力をかけてバンプをつぶす過程で、バンプの高さが所定のつぶれ量（ダミーバンプと同じ高さ）に達したところでほとんどの圧力はダミーバンプに分散し、実効的にバンプをつぶす圧力は半減する。これによって必要以上にバンプがつぶれることがなくなり、ショート不良を防ぐことができる。また、実装時の圧力を高めに設定可能となるため、バンプのつぶれ量不足も解消でき、オープン不良も抑制された再現性の良い均一な接続が可能となる。
【００１２】
さらに、ダミーバンプはストッパーとしての役割だけでなく電極としても接続されるので、ダミーバンプによって接続されるバンプ面積が拡大し、バンプでの電気抵抗・熱抵抗ともに低下しする。しかも、つぶすバンプの面積は増加しないので実装時にかける圧力を高くする必要がなく、半導体素子にかかる物理的ストレスによる故障が起こりにくくなり、電気抵抗・熱抵抗共に低減し半導体素子の特性を向上することができる。
【００１３】
たとえば、シリコン半導体やガリウム砒素等の化合物半導体を用いて作製された、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタを用いた大電力用トランジスタは、複数の単位トランジスタで構成されることが多く、各単位トランジスタが均一に動作することが特性向上のために必要であるが、各単位トランジスタの基板との接合部の電気抵抗、熱抵抗のばらつきが大電力用トランジスタの特性を低下させるため、本発明を大電力用トランジスタに適用することは各単位トランジスタを均一動作させ大電力用トランジスタを高性能化することに有効である。
【００１４】
具体的には、半導体チップ上に形成されたバンプを介して該半導体チップと基板が接続されてなるフリップチップ実装型半導体装置であって、前記半導体チップ上に第１の金属層と前記第１の金属層より厚い第２の金属層を重ねることによって形成された第１のバンプ領域と、前記第２の金属層によって形成された第２のバンプ領域を具備し、前記第１のバンプ領域の半導体チップからの高さは前記第２のバンプ領域の高さより高いことを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１のバンプ領域の面積が前記第２のバンプ領域の面積より小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の金属層と第２の金属層の少なくとも一方が金で形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第２のバンプ領域の高さによって実装後のバンプ高さを制御することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１の金属層の厚さによって実装時のバンプつぶれ量を制御することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図を示しながら説明する。
（実施例）
図１は本発明によるバンプを備えたフリップチップ実装型半導体装置の構造を示す図である。図１（ａ）に示すように、半導体チップ１上に半導体素子６と電極２を形成しており、この半導体素子６と電極２は半導体チップ１上の金属配線７によって電気的に接続している。本実施例では半導体チップ１に半絶縁性のガリウム砒素基板、半導体素子６にヘテロ接合バイポーラトランジスタを用い、金属配線７と電極２は厚さ１μｍの金を蒸着することによって形成した。さらに、図１（ａ）中のｐ−ｐ’における断面の拡大図を図１（ｂ）に示す。電極２の一部には配線めっき１０（第１の金属層）を形成する。配線めっき１０は実装時にバンプをつぶす量とほぼ同一の厚さとする。そして、バンプめっき１１（第２の金属層）を配線めっき１０より厚く形成する。この状態で、配線めっき１０とバンプめっき１１の重なった部分は最も厚く、この部分をバンプ３ａとし、次いで厚いバンプめっき１１だけの部分をダミーバンプ３ｂとする。そして、配線メッキ１０だけの部分は低抵抗の配線として用いる。本実施例では配線めっき１０は厚さ１０μｍの金、バンプめっき１１は厚さ２０μｍの金で形成した。バンプ３ａは高さ３０μｍ、ダミーバンプ３ｂは２０μｍとなる。
【００２０】
本実施例のバンプは、バンプ３ａとダミーバンプ３ｂがつながった図１（ｂ）のような形状をしているが、図１（ｃ）のような形状でもよい。これによって、めっきによる金属層は厚い方から順に、配線めっき１０とバンプめっき１１の重なった部分、バンプめっき１１だけの部分、そして配線めっき１０だけの部分の３種類の厚さを持つ。これは、バンプ３ａが実装時の圧力によって半導体チップ面に対して垂直方向につぶれ、水平方向に広がるため、横方向の広がりを妨げないようなバンプ構造が好ましいためである。例えば半導体チップ表面方向から見たバンプの形状は少なくとも１方向の幅がバンプの高さと同程度かそれ以下となるようにするのが望ましい。本実施例では、幅２０μｍ、長さ４０μｍの長方形とした。また、図１（ｄ）のような３ａと３ｂを分離した形状にしてバンプ３ａがよりつぶれやすくすることもできる。
【００２１】
本実施例では、上記方法によって半導体チップ上に形成したバンプを、半導体チップの周辺部に並べたバイポーラトランジスタの入力、出力、接地の各電極に配置した。
【００２２】
そして、この半導体チップを図３に示すような基板４に実装する。基板４はセラミックやシリコン等の絶縁体又は半絶縁体で形成され、表面にはバンプ３ａとの熱圧着が可能な金属によって金属配線５が施されて半導体チップが接続される電極を備えている。本実施例では基板４にセラミックを用い、金属配線５に金を用いている。
【００２３】
フリップチップ実装のためのバンプの接続は熱圧着によってなされる。図４に示すように半導体チップ１を実装ツール８に、基板４を実装ステージ９に吸着する。そして実装ツール８と実装ステージ９の温度を上げ、実装ツール８を実装ステージ９方向に降下させて圧力をかけて圧着する。実装ステージ９は温度を、実装ツール８は一定の圧力と温度を保つような構造となっている。
【００２４】
実装時、半導体チップ１上に形成されたバンプ３ａは基板４の金属配線５に接触し、その圧力によって変形しつぶれる。バンプの変形量は同時に変形するバンプの面積に反比例する。図５に示すような従来の技術では、実装中にバンプがつぶれてゆき、所定のつぶし量になった時点で温度と圧力を下げ、実装を終了しなければならない。そのために、バンプつぶれ量が適当となるような温度、圧力、時間の条件をあらかじめ出し、設定しておく。しかし、圧力や温度の設定は制御が難しく、バンプのつぶれ量が安定しないという問題があった。圧力が高くバンプをつぶしすぎるとショート不良をおこし、逆に圧力が小さいとオープン不良となる。
【００２５】
本発明でも従来と同様に温度、圧力、時間を設定して実装するが、本発明のバンプ構造が実装時のつぶれすぎを防止できる構造であるため、従来より圧力を少し高めに設定しておくことが可能となる。このことにより、オープン不良を低減することができる。本実施例では、温度は３８５℃、圧力をバンプ３ａに対して２０ｋｇ／ｍｍ2、時間を５秒とした。従来技術ではバンプ面積に対して１５ｋｇ／ｍｍ2程度である。
【００２６】
本発明での実装時にバンプが変形しつぶれていく過程では、まずバンプ３ａがつぶれていく。バンプ３ａがダミーバンプ３ｂと同じ高さまでつぶれたとき、半導体チップ１にかかった圧力はダミーバンプ３ｂにも分散するが、これは相対的にバンプ面積が増大したことになり、時間あたりのバンプのつぶれ量が著しく減少する。そのため、以降のバンプのつぶれはほとんど無くなる。そして、所定の時間が経過した時点で温度を下げた後、実装ツール８を上昇させて実装を終了する。
【００２７】
上記のように、本発明では実装途中でバンプつぶれ量が減少することでダミーバンプ３ｂがストッパーとして働き、バンプのつぶし過ぎを防ぐことができるが、このバンプつぶれ量の変化はバンプ３ａとダミーバンプ３ｂの面積比に影響される。したがって、ダミーバンプ３ｂの面積をより大きくしたりバンプ３ａの面積を小さくすればダミーバンプ３ｂはよりつぶれにくく、あるいはバンプ３ａがつぶれやすくなり、つぶれ量の減少をより大きくすることができる。本実施例では、バンプ３ａの面積をダミーバンプ３ｂの約半分の面積にし、ダミーバンプ３ｂがストッパーとして十分働くようにしている。
【００２８】
また、上記のバンプのつぶれ量の変化は、バンプの材料によっても変えることができる。そのためには図２（ａ），（ｂ）のようにバンプめっき１１を形成した上に配線めっき１０を形成し、バンプめっき１１を配線めっき１０より硬い材料にする。それによってダミーバンプ３ｂがつぶれにくくなり、つぶれ量の減少をより大きくすることができる。例えば、低抵抗、低熱抵抗な材料としてアルミニウム、金、銀、銅、白金が考えれ、それらの硬さ（ブリネル硬さ）はそれぞれ２６〜４５、２５、３０、６０、２５である。また、はんだの硬さは７〜１１である（日本化学会編  化学便覧基礎編  Ｐ４７６に記載）。さらに、これらの金属それぞれについて、めっきの条件を変えてバンプの硬さを変える方法も挙げられる。つまり、これらの金属から適宜組み合わせることにより、所望の硬さのバンプを形成することができる。例えば、配線めっき１０を金より硬い材質である銀やアルミニウムで形成する方法や、金のめっきの条件を変えてバンプの硬さを変える方法などが挙げられる。この場合は配線めっき１０は配線基板上の金属配線５と熱圧着が可能なバンプ材料にする必要があり、配線めっき１０と金属配線５の組み合わせとしては、金と金、銀と金、はんだと金などが考えられる。本実施例では電気特性と熱伝導が良いことや、プロセスの簡略化、安定性などを考慮して、配線めっき１０とバンプめっき１１の材料には同じ組成の金を用いている。
【００２９】
こうして、本発明によればバンプの変形がダミーバンプ３ｂの高さで実質的に止まるため、バンプをつぶしすぎることがない。また、バンプ３ａが変形しつぶれる量はバンプ３ａとダミーバンプ３ｂの高さの差、すなわち配線めっき１０の厚さにほぼ等しい。これは、配線めっき１０の厚さを制御することによってバンプのつぶれ量を制御できることを意味し、同様にバンプめっき１１の厚さによって実装後のバンプ高さをも制御できることになる。バンプめっき１１は、配線めっき１０より厚く形成しているので、ダミーバンプ３ｂによって制御される実装後のバンプ高さは、配線めっき１０より必ず高くなる。そのため、配線めっき１０が基板４上の金属配線５とショートすることを防止することができる。これによって配線めっき１０は、低抵抗・低熱抵抗の配線として半導体チップ１上に形成して用いることができる。
【００３０】
本発明による構造と実装方法では、バンプ３ａの面積をそのままにダミーバンプ３ｂの面積を増大させても実装時に半導体チップにかかる圧力は従来とほとんど変わらないため物理的ストレスが小さく、バンプ面積の増大による不良を起こすことなく電気抵抗および熱抵抗を低減することができる。
【００３１】
以上によって本発明では、従来の技術で起こっていたバンプつぶれ量の変化による不良をなくし、再現性の良い実装が可能となると同時に、半導体素子の性能を向上することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によって、フリップチップ実装時のバンプのつぶれすぎを防ぎ、ショート不良が低減される。それによって実装時のチップへの荷重を大きめに設定できるのでオープン不良も低減される。また、めっきプロセスによって生じるバンプ面積やバンプ硬度のばらつきに起因するバンプつぶれ量のばらつきが無くなり、特性の再現性が良くなる。
【００３３】
さらには、ダミーバンプの面積を大きくすることで、実装時のチップへの荷重を増加することなく半導体素子の性能が良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフリップチップ実装型半導体装置の構造およびバンプ拡大図である。
【図２】本発明のバンプ拡大図である。
【図３】本発明の基板全景図である。
【図４】本発明の実装方法を示す図である。
【図５】従来の技術の半導体チップ全景図およびバンプ拡大図である。
【図６】従来の技術の実装後の形態を示す図および実装後の不良形態を示す図である。
【符号の説明】
１  半導体チップ
２  電極
３  バンプ
４  基板
５  金属配線
６  半導体素子
７  金属配線
８  実装ツール
９  実装ステージ
１０  配線めっき
１１  バンプめっき
【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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