(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが相互に対向するように電気的に接続された半導体装置において、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、電極材料と前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された単一の接合材料とにより形成された金属間化合物層を介して接合されており、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成された電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の電極と前記第２の電極とは、同一の形状を有することを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の電極の形状は、凸形状であることを特徴とする請求項２の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電極の寸法と前記第２の電極の寸法とは、相互に異なることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の電極のいずれか一方の形状が凹状であって、他方の電極の形状が凸状であることを特徴とする請求項４の半導体装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の電極が、前記半導体チップ及び基板表面より突出形成されるように前記半導体チップ及び基板に埋め込まれ、前記突出された電極の表面すべてに前記接合材料が供給された構造を有することを特徴とする請求項１、２又は４の半導体装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極が、前記半導体チップ及び基板表面より突出形成されるように前記半導体チップ及び基板に埋め込まれ、前記突出された電極の上面のみに前記接合材料が供給された構造を有することを特徴とする請求項１、２又は４の半導体装置。
【請求項８】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された接合材料が前記電極面積より小さい開口面積の領域に供給されて構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかの半導体装置。
【請求項９】
前記基板は、半導体チップであることを特徴とする請求項１から８のいずれかの半導体装置。
【請求項１０】
前記電極材料が銅で、前記接合材料が錫であることを特徴とする請求項１から９のいずれかの半導体装置。
【請求項１１】
前記電極材料がニッケル、金から選択されたいずれか一つの材料であり、前記接合材料が錫およびインジウム、アンチモン、パラジウムから選択されたいずれか一つの材料であることを特徴とする請求項１から９のいずれかの半導体装置。
【請求項１２】
半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが所望の電極材料により形成され、かつ相互に対向するように電気的に接続された半導体装置の製造方法において、
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極上に、単一の接合材料を形成し、前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、
前記電極材料と前記接合材料との間の拡散により単一の金属間化合物層を形成し、
この金属間化合物層を介して前記第１の電極と前記第２の電極とを接合し、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成される電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下であることすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記接合材料は、第１及び第２の電極の両方に形成されていることを特徴とする請求項１２の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記接合材料が前記電極の面積より小さい開口面積の領域に形成され、
前記電極材料と前記接合材料との間の拡散により金属間化合物層を形成し、
この金属間化合物層を介して前記第１の電極と前記第２の電極とを接合することを特徴とする請求項１２又は１３の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記金属間化合物層は、前記接合材料が前記電極材料中にすべて拡散することにより、接合界面に前記接合材料が残らないように形成されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記接合材料は、前記電極材料に対して拡散可能な単一の金属材料であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが所望の電極材料により形成され、かつ相互に対向するように電気的に接続された半導体装置の製造方法において、
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極上に、単一の接合材料を薄く形成し、前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、
前記第１の電極と前記第２の電極とを位置合わせし、
前記接合材料を介して前記第１及び第２の電極同士を加圧接触させ、
前記接合材料を加熱し、
加熱した状態で保持することにより、すべての接合材料が電極材料と金属間化合物を形成するまで拡散させ、
この金属間化合物層を介して前記第１の電極と第２の電極とを接合し、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成される電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第１及び第２の電極を前記半導体チップに埋め込み、前記半導体チップを研磨し、ドライエッチングにより前記半導体チップを選択的に加工することにより前記電極を突出させ、前記接合材料を前記突出形成された電極の表面全体に供給することを特徴とする請求項１２から１７のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第１及び第２の電極を前記半導体チップに埋め込み、前記半導体チップを研磨し、前記研磨して露出した前記電極上面に前記接合材料を供給し、ドライエッチングにより前記半導体チップを選択的に加工することにより、前記接合材料が上面に供給された前記電極を突出させることを特徴とする請求項１２から１８のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された接合材料が前記電極面積より小さい開口面積の領域に供給されてなることを特徴とする請求項１２から１９のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記加熱温度は、前記接合材料の融点以上であることを特徴とする請求項１７から２０のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記加熱温度は、前記接合材料の融点以下であり、固相拡散により前記金属間化合物を形成することを特徴とする請求項１７から２０のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
前記第１および第２の電極の接合面を活性化させた後加圧接触させ、加熱することを特徴とする請求項１７から２２のいずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
前記活性化処理が、プラズマにより励起されたアルゴン、酸素もしくはフッ素のいずれかのガスを照射することにより行われることを特徴とする請求項２３の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、半導体チップ上の電極と基板上の電極とが相互に対向するように電気的に接続された半導体装置及びその製造方法に関する。特に、半導体装置の接合構造および半導体装置の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップのフリップチップ実装において、電気的接続を得るための接続構造はＳｎとＰｂを使用した２元合金のハンダもしくはＳｎを主成分とした多元合金ハンダによる金属接合が一般的に用いられている。
【０００３】
特に、よく知られた構造としてＣ４（コントロール  コラップス  チップ  コネクション）と称される構造がある。
【０００４】
この従来の接合構造を図１１に示す。
【０００５】
半導体チップ１の電極２およびチップ搭載する基板４の電極２は、ハンダぬれ性の良好なＣｕやＮｉ等のバリアメタルが使用され、ＳｎとＰｂにより構成されるハンダ２０が電極２上にメッキまたはスパッタリングなどによる手法で供給され、一旦加熱溶融されて電極２上にて球状に形成する。
【０００６】
このようにして、ハンダバンプを形成された半導体チップ１を位置あわせし、基板４へ搭載するとともにハンダ２０を加熱溶融してハンダ接合する。ここで得られた接合構造は電極のＣｕとハンダのＳｎが金属間化合物５ａ，５ｂを形成し接続され、ハンダ２０を介して半導体チップ１と基板２とが電気的接続されている。
【０００７】
ハンダ２０は半導体チップ１と、基板４の間隙を形成し、半導体チップ１と基板４との熱膨張差による応力集中を緩和する役目を持っている。ハンダ２０をＳｎＰｂ共晶とした場合は半導体チップ１の電極２にはＮｉもしくはＣｒＣｕ／Ｃｕのバリアメタルとし、Ｐｂ９５％Ｓｎ５％の高融点ハンダを使用する場合はＣｕのバリアメタルが用いられる。
【０００８】
このＣ４接合によれば電極２すなわち半導体チップ１に荷重を掛けることなく加熱のみにより接合できるという利点があり、回路面に電極が配置されたエリアアレイ半導体チップの実装に適する。
【０００９】
また、フリップチップ実装の電気的接続を得るための接続構造において、他の従来技術としてＡｕスタッドバンプを使用したＡｕバンプの圧着技術が挙げられる。
【００１０】
この圧着技術による従来の接合構造を図１２に示す。
【００１１】
半導体チップ１の電極２４上に、Ａｕワイヤボンディングを利用したスタッドバンプ２３を形成し、搭載する相手基板４の電極にはＡｕメッキ２２を施し、加熱、加圧によってＡｕ同士の接続を得る。
【００１２】
この技術によれば、半導体チップ１の電極２４は通常の場合と同じＡｌ電極が使用でき、またＡｕは非常に酸化しにくい材料であるため、単純な加熱と加圧で接合できる利点がある。
【００１３】
上記Ｃ４による接続（図１１参照）は、半導体チップの電極とハンダの界面において高温保管や温度サイクルでの信頼性上の問題点を持っている。
【００１４】
共晶はんだを使用し、電極にＣｕを使用した場合、パッケージ組立時やパッケージ実装時の繰り返しの加熱により、半導体チップの電極をハンダが溶解し、電極下地との密着が劣化するという問題がある。
【００１５】
さらに、通常使用されるＡｌが電極として使用できないので特殊仕様の電極が必要であるためコストが高くなる。
【００１６】
また高温使用環境下において、共晶ハンダを使用したＣ４接続は特殊仕様のバリアメタルであっても、バリアメタルとＳｎとの固相拡散反応により金属間化合物層を形成し、このとき界面近傍のハンダを構成するＳｎおよびＰｂに固溶しているＳｎが拡散するため金属間化合物層付近でＰｂの偏析が起こり、極端に機械的特性の異なる金属間化合物層と偏析したＰｂ層が温度サイクルによる応力集中で破壊の起点となるという問題が発生する。
【００１７】
一方、Ａｕスタッドバンプを使用した圧着接合（図１２参照）においては、通常のＡｌ電極を使用することができるが、Ａｕスタッドバンプ形成時にで荷重や超音波を併用する為、衝撃が大きく掛かる。
【００１８】
また、Ａｕメッキを利用して同様の構造は形成できるが、接合面を塑性変形させ、充分な密着面を出すため、接合時には３００℃〜４００℃の非常に高い温度と高い荷重を掛けて接合する必要がある。
【００１９】
よって、半導体チップ、特に回路面に電極が形成されたエリアアレイ半導体チップに対しては、半導体チップを破壊または特性の変化を起こす恐れがあり、適用することが困難である。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、半導体チップの接合構造において高温保管や温度サイクルによって信頼性を損なうことのなく、欠陥のない安定した接合構造を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は半導体チップの接合構造において高温保管や温度サイクルによって信頼性を損なうことのなく、欠陥のない安定した接合構造を低荷重、低加熱温度によって製造する方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが相互に対向するように電気的に接続された半導体装置において、前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、前記第１の電極と前記第２の電極とは、電極材料と前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された単一の接合材料とにより形成された金属間化合物層を介して接合されており、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成された電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下である。
【００２３】
この場合、前記第１の電極と前記第２の電極とは、同一の形状を有することが好ましい。
【００２４】
前記第１及び第２の電極の形状は、例えば、凸形状である。
【００２５】
前記第１の電極の寸法と前記第２の電極の寸法とは、相互に異なっていても良い。
【００２６】
例えば、前記第１及び第２の電極のいずれか一方の形状が凹状であって、他方の電極の形状が凸状である。
【００２７】
前記第１及び第２の電極は、好ましくは、前記半導体チップ及び基板表面より突出形成されるように前記半導体チップ及び基板に埋め込まれ、前記突出された電極の表面すべてに前記接合材料が供給された構造を有する。
【００２８】
前記第１及び第２の電極は、前記半導体チップ及び基板表面より突出形成されるように前記半導体チップ及び基板に埋め込まれ、前記突出された電極の上面のみに前記接合材料が供給された構造を有しても良い。
【００２９】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された接合材料は、前記電極面積より小さい開口面積の領域に供給されて構成されることが望ましい。
【００３０】
ここで、前記基板は、半導体チップであっても良い。
【００３１】
前記電極材料は、銅で、前記接合材料が錫であることが好ましい。
【００３２】
前記電極材料は、例えば、ニッケル、金から選択されたいずれか一つの材料であり、前記接合材料が錫およびインジウム、アンチモン、パラジウムから選択されたいずれか一つの材料である。
【００３３】
また、本発明では、半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが所望の電極材料により形成され、かつ相互に対向するように電気的に接続された半導体装置の製造方法において、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極上に、単一の接合材料を形成し、前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、前記電極材料と前記接合材料との間の拡散により単一の金属間化合物層を形成し、この金属間化合物層を介して前記第１の電極と前記第２の電極とを接合し、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成される電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下である。
【００３４】
ここで、前記接合材料は、好ましくは、第１及び第２の電極の両方に形成されている。
【００３５】
前記接合材料は、前記電極の面積より小さい開口面積の領域に形成され、前記電極材料と前記接合材料との間の拡散により金属間化合物層を形成し、この金属間化合物層を介して前記第１の電極と前記第２の電極とを接合することが望ましい。
【００３６】
前記金属間化合物層は、前記接合材料が前記電極材料中にすべて拡散することにより、接合界面に前記接合材料が残らないように形成される。
【００３７】
前記接合材料は、例えば、前記電極材料に対して拡散可能な単一の金属材料である。
【００３８】
また、本発明では、半導体チップ上の第１の電極と基板上の第２の電極とが所望の電極材料により形成され、かつ相互に対向するように電気的に接続された半導体装置の製造方法において、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極上に、単一の接合材料を薄く形成し、前記第１の電極と前記第２の電極とは、単一の同じ電極材料で形成されており、前記第１の電極と前記第２の電極とを位置合わせし、前記接合材料を介して前記第１及び第２の電極同士を加圧接触させ、前記接合材料を加熱し、加熱した状態で保持することにより、すべての接合材料が電極材料と金属間化合物を形成するまで拡散させ、この金属間化合物層を介して前記第１の電極と第２の電極とを接合し、金属間化合物層は、接合材料が電極材料中にすべて拡散することにより形成される電極材料と接合材料との二元合金であると共に、接合材料には、電極材料と金属間化合物層を形成しない材料を含まず、前記接合材料の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下である。
【００３９】
この場合、前記第１及び第２の電極を前記半導体チップに埋め込み、前記半導体チップを研磨し、ドライエッチングにより前記半導体チップを選択的に加工することにより前記電極を突出させ、前記接合材料を前記突出形成された電極の表面全体に供給することが好ましい。
【００４０】
あるいは、前記第１及び第２の電極を前記半導体チップに埋め込み、前記半導体チップを研磨し、前記研磨して露出した前記電極上面に前記接合材料を供給し、ドライエッチングにより前記半導体チップを選択的に加工することにより、前記接合材料が上面に供給された前記電極を突出させても良い。
【００４１】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方に供給された接合材料は、例えば、前記電極面積より小さい開口面積の領域に供給されてなる。
【００４２】
前記加熱温度は、前記接合材料の融点以上であることが望ましい。
【００４３】
前記加熱温度は、前記接合材料の融点以下であり、固相拡散により前記金属間化合物を形成しても良い。
【００４４】
また、前記第１および第２の電極の接合面を活性化させた後加圧接触させ、加熱するようにしても良い。
【００４５】
前記活性化処理が、プラズマにより励起されたアルゴン、酸素もしくはフッ素のいずれかのガスを照射することにより行われることが好ましい。
【００４６】
【作用】
本発明による接合構造は、半導体チップの電極と基板の電極との電気的接続を得るために、電極材料と接合材料の拡散により、接合材料がすべて拡散し金属間化合物層となり、接合界面に接合材料の層が残らずに、この金属間化合物層によって接合された構造であることを特徴としている。
【００４７】
本発明によれば、金属間化合物層は電極との界面が拡散によって形成された緻密な界面であり、従来に比べ強度が高くなる。
【００４８】
また、接合材料層がすべて金属間化合物層に変換されているため、高温環境や、温度サイクル環境での実使用時に、従来のように軟質の接合材料から金属間化合物層へ変化するような構造変化がない。
【００４９】
さらに、接合材料はすべて拡散するため、偏析等の欠陥がない接合部が得ることができ、信頼性が向上すると言う効果を持つ。
【００５０】
本発明の接合方法は、電極材料に対して拡散可能な単一の金属材料を接合材料とし、接合材料を極めて薄く電極上に供給し、位置合せの後、接合材料をすべて拡散、金属間化合物化させるまで加圧、加熱することにより金属間化合物層により接合することを特徴とする接合方法である。
【００５１】
この方法によれば、接合材料を拡散させるための時間を極めて短く且つ、荷重をかけることなく信頼性の高い接合部を得ることが可能となる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に詳述する。
【００５３】
（第一の実施の形態）
図１を参照すると、本発明の一実施の形態としての接合部の断面図が示されている。図１（ａ）は接合前の断面図、図１（ｂ）は接合後の断面図をそれぞれ示している。
【００５４】
図１（ａ）では、半導体チップ１の電極２がＣｕで、基板４の電極もＣｕであり、接合材料３はＳｎにより構成されている。この電極２を位置合わせし、Ｓｎ面がすべて接触する程度に加圧し、Ｓｎを所定の温度以上に加熱する。
【００５５】
接合材料であるＳｎと電極２のＣｕは反応が進み、金属間化合物層を形成し、接合が完了する。得られた接合部の構成は、ＳｎがすべてＣｕとの合金化に寄与し、ＣｕＳｎ金属間化合物層５によってＣｕの電極が接合されている状態となる。金属間化合物５はＣｕとＳｎの組成比の異なる数種の金属間化合物が層状に形成される。
【００５６】
図２は、Ｓｎは加熱によってＣｕ中へ拡散するが、層中のＳｎ濃度勾配を均一にするためこのように層状（５ａ，５ｂ，５ｃ）に成長して行き、充分に拡散が進んだ場合は単一の金属間化合物層となることを示す断面図である。
【００５７】
図１及び図２ともどちらの場合も、このように形成されたＣｕとＳｎの接合部は２元合金であるため、拡散によってＳｎＰｂ合金によって接合された接合のように偏析層が生成されることなく、また界面から均一に傾斜した合金層であるため外部からの応力に対して非常に信頼性が高い。
【００５８】
ここでは半導体チップ１と接合する相手は基板４であるが、半導体チップ１同士を接続することも可能で、同様の効果を持つ。
【００５９】
さらに、接合方法として加圧しつつ、加熱し、金属間化合物層５を拡散により形成しているが、加圧および加熱が仮接合の工程であって、この工程の後に一括して加熱層により所定温度で加熱し金属間化合物層５を拡散により形成しても良い。
【００６０】
また、上記では電極の接合面は前処理を行っていないが、接合の前処理として電極を加圧し、加熱する以前に、アルゴン、酸素もしくはフッ素等がプラズマにより励起されたガスを照射して、表面の有機物、もしくは酸化物を除去し、接合を実施しても良い。
【００６１】
（第二の実施の形態）
図３は、本発明の第二の実施の形態を示す断面図である。
【００６２】
接合する２つの相対する電極２ａ，２ｂの寸法を異なるものとして、一方の電極２ａが凹形状であっても、他方の電極２ｂをその電極２ａの凹形状以下の寸法の凸型電極とすることで確実な接触が得られる構造としている。
【００６３】
図３で示す電極２ａはスパッタ法により製作された電極であり、エッチングを利用するため絶縁膜１０でカバーされた配線の段差が電極２ａ上部まで現れる。この段差より小さい面積の電極２ｂを無電解メッキ法により形成したため電極２ｂの表面は、凸形状となり所望の接続構造がなし得る。
【００６４】
ここで、図３では、接合材料３は電極２ａ上にのみ供給されているが、図４及び図５に示すとおり、相対する電極の一方もしくは両方に供給されていてもその効果は変わらない。より具体的には、図４では、電極２ｂの方にのみ接合材料３が供給されている。
【００６５】
一方、図５では、電極２ａ及び電極２ｂの両方に対して、接合材料３が供給されている。
【００６６】
ここでは、凸形状の電極２ｂを得るため無電解メッキによる方法を示したが、電解メッキ法により膜厚を厚くした場合でも同様な形状は得ることができ、また、その他の方法によって凸形状の電極を得ても良い。
【００６７】
（第三の実施の形態）
図６は、本発明の第三の実施の形態を示す断面図である。
【００６８】
相対する電極２ａ，２ｂが同形状である電極が、無電解メッキにより製作されておりどちらの場合も凸形状の電極を用いて、本発明の接合部を得ることも可能である。
【００６９】
この場合において、接合材料３は電極２ａ上および電極２ｂ上に供給されているが、図７に示すとおり、相対する電極の一方に供給されていてもその効果は変わらない。図７では、電極２ａのほうに、接合材料３が供給されている。
【００７０】
ここでは、凸形状の電極２ｂを得るため無電解メッキによる方法を示したが、電解メッキ法により膜厚を厚くした場合でも同様な形状は得ることができる。また、スタッドバンプや、その他の方法によって凸形状の電極を得ても良い。
【００７１】
さらに、接合材料３の供給形態は電極２上の全面に供給されているが、突出された電極の場合、図８に示すように、その側面を覆う場合でも良く、また電極上面より小さい面積に供給されていても良い。その他、電極上に半球形状に滴下された形状であっても良い。
【００７２】
また、半導体チップの裏面に電極２を形成し、半導体チップ１を２つ以上の複数実装する場合は、図９に示すとおり、貫通した電極２を形成して接合する。
【００７３】
まず、半導体チップ１に電極２を埋め込む(図９（ａ）)。
【００７４】
そして、埋め込まれた電極２を裏面から研磨し、電極２の表面を露出させる（図９（ｂ））。
【００７５】
その後、ドライエッチング工程にて選択的にシリコンをエッチングし、突出電極２を形成する（図９（ｃ））。
【００７６】
その後、無電解錫メッキにより、突出した電極２の表面全体をメッキして接合材料３を供給し、電極２として接合する（図９（ｄ））。
【００７７】
一方、図１０では、まず、電極を半導体チップ１に埋め込む（図１０（ａ））。
【００７８】
そして、埋め込まれた電極２を研磨工程により露出させる（図１０（ｂ））。
【００７９】
次に、無電解錫メッキにより、接合材料３を電極２の上面に供給する（図１０（ａ））。
【００８０】
その後、シリコンをドライエッチングにより選択的にエッチングし、電極２として接合する（図１０（ｄ））。
【００８１】
上述した実施の形態では、電極はＣｕであり、接合材料にＳｎと言う構成で示しているが、接合材料としては電極のＣｕに対して拡散、金属間化合物層を形成する材料であればよく、例えばＩｎが挙げられる。
【００８２】
また、接続の温度は高くなるがＳｂ、Ｐｄなど金属間化合物を形成する材料や、金属間化合物は形成しないが全率固溶するＮｉなども単一の合金を形成するため本接合構造を得ることが可能である。
【００８３】
また、電極としてはＮｉ、Ａｕなどを選択することができ、その場合、それらの電極材料と金属間化合物を形成する接合材料を選択する。
【００８４】
【実施例】
次に、図１を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００８５】
図１（ａ）では、半導体チップ１の電極２がＣｕであり５μｍの厚さであり、基板４の電極２はＣｕ１８μｍの厚さを有し、接合材料３はＳｎが０．５μｍの厚さで構成されている。
【００８６】
電極２を位置あわせした後、Ｓｎ面がすべて接触する荷重にて加圧し、Ｓｎの融点以上である３００℃に加熱する。Ｓｎは電極２のＣｕと反応し、反応とともに固溶体もしくは金属間化合物層を順次形成する。
【００８７】
反応により形成された金属間化合物５は融点が３００℃以上の高温であり、当初融点以上に加熱され液相であった接合部は固相化し接合が完了する。得られた接合部の構成はＳｎがすべてＣｕとの合金化に寄与し、ＣｕＳｎ金属間化合物層５によってＣｕの電極２が接合されている状態となる。
【００８８】
金属間化合物５は、ＣｕとＳｎの組成比の異なる数種の金属間化合物が層状に形成される。図２は、上述の状態をさらに加熱継続して得られる接合部の構造である。
【００８９】
Ｓｎは加熱によってＣｕ中へ拡散するが、層中のＳｎ濃度勾配を均一にするためこのように層状（５ａ，５ｂ，５ｃ）に成長して行き、充分に拡散が進んだ場合は単一の金属間化合物層５となる。
【００９０】
図１及び図２のどちらの場合も、このように形成されたＣｕとＳｎの接合部は、２元合金であるため拡散によってＳｎＰｂ合金によって接合された接合のように偏析層が生成されることなく、また界面から均一に傾斜した合金層であるため外部からの応力に対して非常に信頼性が高い。
【００９１】
ここで、供給されるＳｎ層の厚さは０．５μｍを採用しているが加熱時間や拡散時間によって０．５μｍ以上１〜２μｍの厚さがある場合も、また電極表面の平坦性にもよるが電極表面が接触することが可能であれば０．５μｍ〜０．１μｍ以下の厚さでも本発明の接合部の形成は可能である。
【００９２】
さらに、ここでは半導体チップ１を接合する相手は基板２としているが、半導体チップ１で電極２の厚さは搭載する半導体チップ１の厚さと同じであれば接合可能で、同様の効果を持つ。
【００９３】
また、ここでは加圧後の加熱温度はＳｎの融点以上とし、３００℃を選定しているが、融点以下の温度でも本発明の接合構造を得ることができる。加熱温度を１８０℃とした場合は、接合材料３のＳｎは溶融せず電極のＣｕと固相での拡散反応により金属間化合物層５を形成する。
【００９４】
この場合、液相の状態にならないため固溶体を形成せず、金属間化合物層５を順次形成していくため接合部の形成に時間がかかるものの、均一な金属間化合物層５を形成できるという効果を有する。
【００９５】
なお、本発明は上記各実施の形態及び実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において適宜変更され得ることは明らかである。
【００９６】
【発明の効果】
本発明によれば、接合構造は半導体チップの電極と基板の電極との電気的接続を得る為に、電極材料と接合材料の拡散により、接合材料がすべて拡散し、金属間化合物層となり、接合界面に接合材料の層が残らずに、この金属間化合物層によって接合されている。この構造では、金属間化合物層は電極との界面が拡散によって形成された緻密な界面であり従来に比べ強度が高くなるという効果がある。
【００９７】
また、接合材料層がすべて金属間化合物層に変換されているため、高温環境や、温度サイクル環境での実使用時に従来のように軟質の接合材料から金属間化合物層へ変化するような構造変化がなく、かつ接合材料はすべて拡散するため、偏析等の欠陥がない接合部が得ることができ、信頼性が向上するという効果を有する。
【００９８】
さらに、本発明の接合方法は、電極材料に対して拡散可能な単一の金属材料を接合材料とし、接合材料を極めて薄く電極上に供給し、位置合せの後、接合材料をすべて拡散、金属間化合物化させるまで加圧、加熱することにより金属間化合物層により接合することを特徴とする接合方法であり、この方法によれば、接合材料を拡散させるための時間を極めて短くかつ、荷重をかけることなく信頼性の高い接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による半導体装置の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態による半導体装置の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図６】本発明の第三の実施の形態による半導体装置の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第三の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図８】本発明の第三の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第三の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第三の実施の形態による半導体装置の他の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【図１２】従来の他の半導体装置の接合構造および接合方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１  半導体チップ
２  電極
３  接合材料
４  基板
５  金属間化合物層
１０  絶縁膜
１１  配線
１２  バリアメタル
２０  ハンダ
２１  偏析層
２２  Ａｕメッキ
２３  Ａｕスタッドバンプ
２４  Ａｌ電極
【図１】
0003735526.tif 000002
【図２】
0003735526.tif 000003
【図３】
0003735526.tif 000004
【図４】
0003735526.tif 000005
【図５】
0003735526.tif 000006
【図６】
0003735526.tif 000007
【図７】
0003735526.tif 000008
【図８】
0003735526.tif 000009
【図９】
0003735526.tif 000010
【図１０】
0003735526.tif 000011
【図１１】
0003735526.tif 000012
【図１２】
0003735526.tif 000013