半導体装置、半導体装置の実装構造体、半導体装置の製造方法、および半導体装置の実装構造体の製造方法
【課題】外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に実現することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】外部接続用電極を備えた半導体装置であって、前記外部接続用電極が、半導体基板上に形成されたメタル層１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備え、バリアメタル層１４が、絶縁層１３に垂直な平面とバリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有する。
【解決手段】外部接続用電極を備えた半導体装置であって、前記外部接続用電極が、半導体基板上に形成されたメタル層１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備え、バリアメタル層１４が、絶縁層１３に垂直な平面とバリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体装置の実装構造体、半導体装置の製造方法、および半導体装置の実装構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の実装構造体の一種に、ＬＳＩなどの半導体素子の電極端子上にはんだバンプなどの突起電極を形成してなる半導体装置をフェイスダウンで回路基板に実装するフリップチップ実装にかかる実装構造体がある。フリップチップ実装においては、通常、はんだバンプを加熱した状態で回路基板の電極端子へ向けて圧接する。
【０００３】
ＬＳＩなどの半導体素子の電極端子上にはんだバンプを形成する方法としては、スクリーン印刷やディスペンスや電解メッキで電極端子上にはんだを供給した後、その供給されたはんだを、リフロー炉でその融点以上に加熱する工法が一般的に採用されている。この工法によれば、半導体素子の電極端子上に突起状のはんだバンプを形成することができる。また、はんだバンプを用いる場合は、半導体素子と回路基板との間の空隙に封止樹脂を充填させて、半導体素子の電極端子と回路基板の電極端子との接合強度を補強している。
【０００４】
ところで近年、半導体素子の高密度化と電極端子の多ピン化の両立を図るべく、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化および面積縮小化が進められており、特に、狭ピッチ化の進展が著しい。そのため、従来のフリップチップ実装のように、電極端子を半導体素子の外周部に１列で配置したり、２列で千鳥状に配置しただけでは、電極端子間で短絡が発生したり、半導体素子と回路基板との熱膨張係数の差に起因する反りによって接続不良などが発生することがあった。
【０００５】
そこで、電極端子間ピッチを広げるために、電極端子を碁盤の目のようにエリア状に配置する、所謂エリア配置が採用されるようになってきた。つまり、半導体素子の外周部にのみ電極端子を１列または２列で配列するよりも、電極端子を碁盤目のようにエリア状に配置したほうが、電極端子を配置する領域の面積を大きくとれるので、電極端子間ピッチを広げることができる。
【０００６】
しかし、近年ではエリア配置でも狭ピッチ化の進展が著しい。また、半導体素子と回路基板との間の距離も縮まってきた。そのため、エリア配置であっても、フリップチップ実装工法の加熱および圧接工程において、溶融したはんだが変形し、はんだの表面張力によりはんだバンプ同士が繋がる不良、所謂はんだブリッジ不良が発生するようになってきた。
【０００７】
このような問題に対応するために、バンプを２層構造にすることが提案されている。
【０００８】
例えば、金や銅から成る金属製突起電極の表面を覆うように、金属粒子を含有した絶縁性皮膜を形成した２層構造のバンプが、特許文献１に提案されている。このようにすれば、絶縁性皮膜や金属製突起電極がフリップチップ実装時に溶融せずに、半導体素子と回路基板との間に注入した封止樹脂の硬化収縮による圧縮方向の力によって金属粒子が絶縁性皮膜を突き破ることで電気的導通を得ることができるので、電極端子間での短絡を防ぐことができ、電極端子の狭ピッチ化に対応できる。
【０００９】
しかしながら、近年、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化の要求が非常に厳しくなってきており、それに伴い、電極端子の面積縮小化も進んでいる。そのため、特許文献１に記載されているように、絶縁性皮膜を突き破った金属粒子が電極端子と拡散接合せずに接触するのみで電気的な導通を確保する接続形態では、半導体素子の電極端子の面積が小さくなると当然、半導体素子の電極端子と回路基板の電極端子との間に介在する金属粒子の数が少なくなり、その結果、接続抵抗が高くなって、信号の伝送損失が増大するという問題が起こる。
【００１０】
そこで、フリップチップ実装時に溶融しない高融点の下層電極の上に、はんだから成る上層電極を形成した２層構造のバンプが、例えば、特許文献２に提案されている。このようにすれば、はんだ一層から成るバンプよりも、はんだの量を減らすことができるので、フリップチップ実装時に平面方向へ押し出されるはんだの量が減り、はんだブリッジ不良の発生を防ぐことができる。その上、はんだが電極端子と拡散接合するので、接続抵抗を低くでき、信号の伝送を損なうこともない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２８２６１７号公報
【特許文献２】特開平９−９７７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら近年、配線ルールの微細化や信号処理の高速化の要求がさらに高まってきており、これらの要求に対応する目的で、半導体素子の電極端子の更なる狭ピッチ化（例えば、１０〜５０μｍ）が図られるようになってきた。
【００１３】
図７は特許文献２に記載された従来の半導体装置を概念的に示す断面図である。図７に示すように、半導体素子１の図示しない電極端子上には、フリップチップ実装時に溶融しない高融点の下層電極３ａの上に、はんだから成る上層電極３ｂを形成した２層構造のバンプ２が設けられており、この半導体素子１を回路基板４上にフリップチップ実装する際には、半導体素子１のバンプ２と回路基板４の電極端子５との位置を合わせた後、半導体素子１を加熱しながら回路基板４へ向けて加圧して、上層電極３ｂのはんだを溶融することにより、半導体素子１を回路基板４上に搭載する。
【００１４】
しかしながら、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化が、例えば、１０〜５０μｍまで進展すると、はんだの体積の絶対量が微小となるので、はんだの体積に対してはんだの表面積が増し、はんだの表面を覆うはんだ酸化皮膜の含有率が多くなる。したがって、フラックスを用いてはんだ酸化皮膜を除去することが望まれるが、電極端子間ピッチが１０〜５０μｍまで狭くなると、フラックスを用いた場合、フラックス洗浄工程において半導体素子の中央部のフラックスを除去しきれず、その除去できなかったフラックスが残渣として残る。この残渣は、アンダーフィル封止を阻害する。また、フラックスの残渣とはんだ接合部との線膨張係数が違うために、フラックスの残渣が加熱に伴い膨張すると、半導体素子の半導体基板に垂直な方向の引張応力がはんだ接合部に加わり、このフラックスの残渣による引張応力がはんだ接合部の破断応力を上回ると、はんだクラックが発生する。よって、フラックスの残渣は、急激な温度差が発生する環境下において、はんだクラックを発生させる。
【００１５】
また、特許文献２に記載された従来の半導体装置において、半導体素子１の下層電極３ａは、回路基板４に対向する上面が平坦な円柱状となっている。そのため、フラックスを用いずにフリップチップ実装を行うと、半導体素子１の下層電極３ａの上面と、回路基板４の電極端子５の上面とがいずれも平坦であるために、溶融している上層電極３ｂのはんだに一様に応力が加わり、硬いはんだ酸化皮膜で覆われた上層電極３ｂのはんだが圧縮されてつぶされ、応力が水平方向に作用して下層電極３ａの周囲にはんだがはみだし、隣接する下層電極３ａ上に形成されたはんだ同士が繋がって、はんだブリッジ不良が発生する。その上、はんだ酸化皮膜を破ることができずに、オープン不良が発生する。
【００１６】
本発明は、上記問題に鑑み、電極端子が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保できる半導体装置、半導体装置の実装構造体、半導体装置の製造方法、および半導体装置の実装構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、外部接続用電極を備えた半導体装置であって、前記外部接続用電極が、半導体基板上に形成されたメタル層と、前記メタル層と接触するように形成され、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層の開口部から露出する前記メタル層と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層と、を備え、前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部の領域に対応する前記バリアメタル層の表面が平坦であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形であり、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形であり、前記バリアメタル層を平面視したとき前記直径Ａの円形と前記直径Ｂの円形の中心が一致しており、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記外部接続用電極が複数個形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の半導体装置の実装構造体は、上記した半導体装置と、前記半導体装置の前記絶縁層の開口部に対向するように電極端子が設けられた基板と、前記半導体装置の前記バリアメタル層と前記基板の電極端子とを電気的に接続するはんだ接合部と、を備えた半導体装置の実装構造体であって、前記絶縁層の開口部の中心と前記基板の電極端子の中心とが前記絶縁層の開口部内で偏心していることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、メタル層を有する半導体基板上に、前記メタル層と接触し、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、無電解めっき工法により前記絶縁層の開口部からバリアメタル層を成長させる工程と、を具備することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部の領域に対応する表面が平坦であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、前記絶縁層を形成する際に、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形となるようにし、前記バリアメタル層を成長させる際に、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍となるようにすることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の半導体装置の実装構造体の製造方法は、上記した半導体装置のバリアメタル層と基板の電極端子とを対向させる工程と、対向する前記バリアメタル層と前記電極端子との間に介在するはんだをその融点以上に加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させる工程と、を具備し、前記はんだを加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させることにより、前記はんだの表面を覆う酸化皮膜が破れ、前記はんだが加圧されて、その加圧される第１方向に垂直な第２方向に押し出され、その第２方向に膨らんだはんだ接合部が形成されることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の半導体装置の実装構造体の製造方法の他の側面は、前記はんだを加圧した後、前記半導体装置の絶縁層に垂直な方向に前記半導体装置と前記基板を引き離す工程を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す拡大断面図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す工程別断面図
【図３】本発明の実施の形態１における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図４】本発明の実施の形態２における半導体装置の構造を示す拡大断面図
【図５】本発明の実施の形態２における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図６】本発明の実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図７】従来の半導体装置を概念的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的または概念的に示している。また図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は図面作成の都合上から、実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３３】
また、以下の実施の形態では、電子部品として半導体素子を例に説明する。また、電子部品が実装される基板として半導体基板を例に説明する。しかし、電子部品と、その電子部品が実装される基板はこれらに限定されるものではない。例えば、電子部品として、電極端子間ピッチが狭いコンデンサや、コイル、抵抗などの受動部品を用いる場合も、同様の効果が得られる。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す拡大断面図である。
【００３５】
この実施の形態１における半導体装置は、半導体素子１１の表面に外部接続用電極を備える。その外部接続用電極は、詳しくは、図１に示すように、半導体素子１１の半導体基板上に形成されたメタル層（電極端子の一例）１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備える。
【００３６】
さらに、この実施の形態１における半導体装置の外部接続用電極は、バリアメタル層１４と接触するように形成されたはんだ１５を備える。そのはんだ１５の表面は、はんだ酸化皮膜１５ａで覆われている。
【００３７】
半導体素子１１には構成材料として、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウム砒素などを用いることができる。また、メタル層１２には構成材料として、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどを用いることができ、絶縁層１３には構成材料として、例えばＳｉ３Ｎ４を用いることができる。この実施の形態１では、メタル層１２の構成材料としてＡｌを用いる場合について説明する。
【００３８】
さらに、この実施の形態１における半導体装置において、絶縁層１３の開口部１３ａは直径Ａの円形状をしており、好適には、円形状のメタル層１２の中心と絶縁層１３の開口部１３ａの中心は一致している。また、バリアメタル層１４は、平面視したときに直径Ｂの円形状をしている。そして、バリアメタル層１４を平面視したとき、絶縁層１３の開口部１３ａ（直径Ａの円形）とバリアメタル層１４（直径Ｂの円形）の中心が一致している。
【００３９】
さらに、バリアメタル層１４の表面は、登頂部１４ａと周囲部１４ｂに区分できる。登頂部１４ａは、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応して形成されており、半導体素子１１のメタル層１２の表面に平行な円板状をしており、平坦または略平坦である。周囲部１４ｂは登頂部１４ａの周囲に形成されており、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直で、かつ絶縁層１３の開口部１３ａを通らない平面によって切断した断面形状は半円状をしている。
【００４０】
したがって、バリアメタル層１４は、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な平面とバリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分（バリアメタル層１４の周囲部１４ｂ）に、曲率半径Ｒｚを有する。
【００４１】
また、バリアメタル層１４の登頂部１４ａが平坦または略平坦であるので、絶縁層１３の開口部１３ａ内の任意の点を通り、かつ絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な平面と、バリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応する部分（バリアメタル層１４の登頂部１４ａ）の曲率半径Ｒｔが、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分（バリアメタル層１４の周囲部１４ｂ）の曲率半径Ｒｚ以上の大きさとなる。なお、登頂部１４ａが平坦である場合、その曲率半径Ｒｔは無限大となる。
【００４２】
バリアメタル層１４は、例えば、Ｎｉ−Ｐ等から成る。この実施の形態１では、バリアメタル層１４が、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕフラッシュめっきを形成して成る場合について説明する。
【００４３】
また、この実施の形態１における半導体装置では、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４（登頂部１４ａ）の高さをＨとしたとき、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａは、バリアメタル層１４の高さＨの１．５〜２倍である。
【００４４】
また、この実施の形態１における半導体装置では、バリアメタル層１４の直径Ｂと、絶縁層１３の開口径Ａと、バリアメタル層１４の高さＨとの間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ）＝（絶縁層１３の開口径Ａ）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ）
の関係が成立している。
【００４５】
さらに、この実施の形態１における半導体装置では、複数個の外部接続用電極が等間隔で碁盤目のようにエリア状に配列されており、外部接続用電極のピッチをＣとしたとき、ピッチＣは、バリアメタル層１４の直径Ｂの１．３〜２倍である。なお、ピッチとは、隣接するメタル層１２の中心間距離のことである。
【００４６】
続いて、図１に示す構造を有する半導体装置の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す工程別断面図である。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示す通り、メタル層１２を有する半導体基板上に、メタル層１２と接触し、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３を形成する。このとき、絶縁層１３の開口部１３ａを、その形状が直径Ａの円形となり、かつ、その中心が円形状のメタル層１２の中心と一致するように形成する。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示す通り、無電解めっき工法により絶縁層１３の開口部１３ａからバリアメタル層１４を成長させる。このとき、成長したバリアメタル層１４を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、バリアメタル層１４の直径Ｂと、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａと、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨとの間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ）＝（絶縁層１３の開口径Ａ）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ）
の関係が成立するようにバリアメタル層１４を成長させる。
【００４９】
具体的には、Ａｌからなるメタル層１２の表面から不純物を除去した後、半導体素子１１を亜鉛めっき液に浸漬して、メタル層１２のＡｌとＺｎとの置換反応を行う。次に、メタル層１２からＺｎ核を除去した後、半導体素子１１を、再度、亜鉛めっき液に漬け、より微細なＺｎ核をメタル層１２のＡｌ上に成長させる。次に半導体素子１１をＮｉ−Ｐめっき液中に浸漬してＺｎを溶解し、Ｎｉ−Ｐ皮膜をメタル層１２のＡｌ上に成長させる。このとき、絶縁層１３の表面からのＮｉ−Ｐの高さ（バリアメタル層１４の登頂部１４ａの高さ）Ｈが、絶縁層１３の開口径Ａの１／２〜２／３になるまで成長させる。更に、半導体素子１１を無電解金めっき液に浸漬して、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕ皮膜を薄く成長させる。
【００５０】
無電解めっき工法では、高さ方向と平面方向が一定の割合で成長するため、絶縁層１３の開口部１３ａの端点を起点に、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨの０．７〜１倍の半径を有する球面の一部が、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域（登頂部１４ａの周囲）に形成される。したがって、絶縁層１３の円形状の開口部１３ａから無電解めっき工法によりバリアメタル層１４を成長させることで、平面視したときに、絶縁層１３の開口部１３ａと中心が一致する直径Ｂの円形状をしており、表面が、平坦または略平坦な登頂部１４ａと、曲率半径を有する周囲部１４ｂとに区分される、上述したバリアメタル層１４が形成される。
【００５１】
次に、成長したバリアメタル層１４上に、表面がはんだ酸化皮膜１５ａで覆われたはんだ１５を形成する。例えばＰＥＴなどから成るベース材上に形成された粘着剤にはんだ粉を貼付け、はんだ転写基材を形成する。はんだ粉には、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用いることができる。また、粘着剤には、例えばゴム系樹脂を用いることができる。そして、はんだ転写基材を半導体素子１１のバリアメタル層１４に対向するように配置し、加熱して、半導体素子１１へ向けて加圧する。加熱によりはんだ粉とバリアメタル層１４が拡散接合する。その後、バリアメタル層１４上のはんだにフラックスを塗布し、リフロー炉ではんだを溶融させた後、フラックスを洗浄すると、図２（ｃ）に示すように、はんだ１５とはんだ酸化皮膜１５ａが形成される。
【００５２】
以上の方法によれば、メタルマスクなどを用いないため位置あわせをする必要がなく、簡易にメタルバンプを有する半導体装置を形成することができる。
【００５３】
続いて、図１に示す構造を有する半導体装置を用いた実装構造体の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。
【００５４】
この実施の形態１では、図１に示す半導体装置を実装する基板として、他の半導体装置の半導体基板を用いる。つまり、この実施の形態１では、複数個の半導体装置を積層する場合について説明する。また、この実施の形態１では、図１に示す構造の外部接続用電極を有する半導体装置同士を積層する場合について説明する。
【００５５】
すなわち、図３（ａ）に示すように、下側の半導体装置が図１に示す半導体装置である場合、上側の半導体装置の半導体素子２１には、下側の半導体装置のメタル層１２に対向する位置にメタル層（電極端子の一例）２２が形成されている。そして、上側の半導体装置の外部接続用電極は、下側の半導体装置の外部接続用電極と同様に、上側の半導体素子２１の半導体基板上に形成されたメタル層２２と、メタル層２２と接触するように形成され、かつメタル層２２の一部を露出させる開口部２３ａを有する絶縁層２３と、絶縁層２３の開口部２３ａから露出するメタル層２２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層２４と、バリアメタル層２４と接触するように形成されたはんだ２５を備え、そのはんだ２５の表面が、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われている。
【００５６】
なお、はんだ１５、２５は、例えば、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＺｎ、ＳｎＺｎＢｉ、ＳｎＰｂ、ＳｎＢｉ、ＳｎＡｇＢｉＩｎ、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎなどの組成から成る。
【００５７】
上記した半導体装置同士を積層する際には、まず、図３（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００５８】
次に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ１５、２５の融点以上に加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧して、対向する半導体装置同士を接近させる。この上側の半導体素子２１の加熱により、対向するはんだ１５、２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。なお、下側の半導体素子１１を加熱してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加熱してもよい。また、下側の半導体素子１１を加圧してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加圧してもよい。
【００５９】
上側の半導体素子２１を加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、対向するはんだ酸化皮膜１５ａとはんだ酸化皮膜２５ａが接触した後、対向するバリアメタル層１４とバリアメタル層２４との間のギャップが徐々に狭くなり、はんだ酸化皮膜１５ａ、２５ａが破れて、図３（ｂ）に示すように、溶融しているはんだ１５、２５が、圧縮ないしは加圧され、押しつぶされ、水平方向（はんだ１５、２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）へ押し出される。
【００６０】
押し出されたはんだ１５、２５は、図３（ｂ）に示すように、対向するバリアメタル層１４、２４の周囲部間のギャップにぬれ広がる。このギャップは、対向するバリアメタル層１４、２４の登頂部間のギャップよりも広く、かつ、はんだ１５、２５は曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、図３（ｂ）に示すように、はんだ１５、２５は大きくはみだすことなく、水平方向（はんだ１５、２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に膨らんだ太鼓状または樽状のはんだ接合部３１を形成する。この状態で、大気に触れるはんだ接合部３１の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜３１ａが形成される。
【００６１】
次に、この実施の形態１では、図３（ｃ）に示すように、上側の半導体素子２１をはんだ接合部３１が円柱状または、くびれを有する円柱状になるまで引き上げる。そして、下側の半導体素子１１の絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な方向に上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１を引き離した後、円柱状または、くびれを有する円柱状となったはんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることで、積層型半導体装置を得る。
【００６２】
以上の工程により、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備えた半導体装置の実装構造体を得ることができる。
【００６３】
この実施の形態１では、例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが６ｍｍ×６ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、バリアメタル層１４、２４は、直径Ｂ＝３５μｍ、高さＨ＝１０μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、ピッチＣ＝５０μｍで等間隔に、１チップあたり１０，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば、直径Ａ＝１５μｍの円形である。
【００６４】
以上説明した製造工程によって得られた半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を断面観察した結果、はんだがはみだすことなく、かつバリアメタル層とはんだの界面に隙間が無い状態で、対向する外部接続用電極同士が接合されていることが観察された。また、１０，０００ピン安定して接続を確保することができた。これは、メタル層の表面と平行な円板状の登頂部と、曲率半径を有する周囲部とからなるバリアメタル層の表面同士が接近した後離間したので、はんだが球面の一部を成す周囲部の全面にぬれ広がりながら引き上げられたからである。
【００６５】
なお、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値が、バリアメタル層の高さＨの１．４倍より小さければ、バリアメタル層の周囲部の曲率半径が小さくなるので、はんだを圧縮ないしは加圧した後に引きげても、はんだがぬれる面積が少なくなり、はんだブリッジ不良が発生する。一方、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値が、バリアメタル層の高さＨの２倍より大きければ、隣接するバリアメタル層間のスペースが狭くなり、無電解めっき工法によってバリアメタル層を形成する際にめっきブリッジ不良が発生したり、バリアメタル層上にはんだを転写する際に、はんだブリッジ不良が発生する。このような理由から、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値は、バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍が望ましい。
【００６６】
以上のように、この実施の形態１によれば、外部接続用電極が５０μｍピッチのように狭ピッチであっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【００６７】
なお、この実施の形態１では、対向するバリアメタル層１４、２４の両方にはんだ１５、２５が形成されている場合について説明したが、無論、いずれか一方のバリアメタル層にのみはんだが形成されていてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２について、前述した実施の形態１と異なる点を中心に説明し、前述した実施の形態１で説明した部材に対応する部材については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６９】
図４は本発明の実施の形態２における半導体装置の構造を示す拡大断面図である。この実施の形態２における半導体装置は、絶縁層１３の開口径Ａ１’の大きさが、その絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨ１’以下である点で、前述した実施の形態１と異なる。
【００７０】
すなわち、この実施の形態２における半導体装置は、半導体素子１１の表面に外部接続用電極を備える。その外部接続用電極は、詳しくは、図４に示すように、半導体素子１１の半導体基板上に形成されたメタル層（電極端子の一例）１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備える。但し、この実施の形態２では、前述した実施の形態１と異なり、バリアメタル層１４上にはんだは形成されていない。
【００７１】
半導体素子１１には構成材料として、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウム砒素などを用いることができる。また、メタル層１２には構成材料として、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどを用いることができ、絶縁層１３には構成材料として、例えばＳｉ３Ｎ４を用いることができる。この実施の形態２では、メタル層１２の構成材料としてＡｌを用いる場合について説明する。
【００７２】
また、この実施の形態２における半導体装置において、絶縁層１３の開口部１３ａは直径Ａ１’の円形状をしており、好適には、円形状のメタル層１２の中心と絶縁層１３の開口部１３ａの中心は一致している。また、バリアメタル層１４は、平面視したときに直径Ｂ１’の円形状をしている。そして、バリアメタル層１４を平面視したとき、絶縁層１３の開口部１３ａ（直径Ａ１’の円形）とバリアメタル層１４（直径Ｂ１’の円形）の中心が一致している。
【００７３】
また、バリアメタル層１４の表面は、登頂部１４ａと周囲部１４ｂに区分できる。登頂部１４ａは、前述した実施の形態１と同様に、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応して形成されており、半導体素子１１のメタル層１２の表面に平行な円板状をしており、平坦または略平坦である。周囲部１４ｂも、前述した実施の形態１と同様に、登頂部１４ａの周囲に形成されており、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直で、かつ絶縁層１３の開口部１３ａを通らない平面によって切断した断面形状は半円状をしている。
【００７４】
バリアメタル層１４は、例えば、Ｎｉ−Ｐ等から成る。この実施の形態２では、バリアメタル層１４が、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕフラッシュめっきを形成して成る場合について説明する。
【００７５】
また、この実施の形態２における半導体装置では、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４（登頂部１４ａ）の高さをＨ１’としたとき、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａ１’は、バリアメタル層１４の高さＨ１’の０．５〜１．０倍である。
【００７６】
また、前述した実施の形態１と同様に、この実施の形態２における半導体装置においても、バリアメタル層１４の直径Ｂ１’と、絶縁層１３の開口径Ａ１’と、バリアメタル層１４の高さＨ１’との間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ１’）＝（絶縁層３の開口径Ａ１’）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ１’）
の関係が成立している。
【００７７】
さらに、この実施の形態２における半導体装置では、複数個の外部接続用電極が等間隔で碁盤目のようにエリア状に配列されており、外部接続用電極のピッチをＣとしたとき、ピッチＣは、バリアメタル層１４の直径Ｂ１’の１．３〜２倍である。なお、ピッチとは、隣接するメタル層１２の中心間距離のことである。
【００７８】
以上説明した半導体装置の製造方法は、前述した実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。
【００７９】
続いて、図４に示す構造を有する半導体装置を用いた実装構造体の製造方法について、図５を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態２における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。
【００８０】
この実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様に、図４に示す半導体装置を実装する基板として、他の半導体装置の半導体基板を用いる。つまり、この実施の形態２においても、複数個の半導体装置を積層する場合について説明する。また、この実施の形態２においても、図４に示す構造の外部接続用電極を有する半導体装置同士を積層する場合について説明する。但し、この実施の形態２では、前述した実施の形態１と異なり、一方の半導体装置の外部接続用電極にのみはんだが形成されている。
【００８１】
すなわち、図５（ａ）に示すように、この実施の形態２では、下側の半導体装置が図４に示す半導体装置である。一方、上側の半導体装置の半導体素子２１には、下側の半導体装置のメタル層１２に対向する位置にメタル層（電極端子の一例）２２が形成されている。そして、上側の半導体装置の外部接続用電極は、下側の半導体装置の外部接続用電極と同様に、上側の半導体素子２１の半導体基板上に形成されたメタル層２２と、メタル層２２と接触するように形成され、かつメタル層２２の一部を露出させる開口部２３ａを有する絶縁層２３と、絶縁層２３の開口部２３ａから露出するメタル層２２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層２４とを備える。さらに、上側の半導体装置の外部接続用電極は、バリアメタル層２４と接触するように形成されたはんだ２５を備え、そのはんだ２５の表面が、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われている。はんだ２５は、例えば、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＺｎ、ＳｎＺｎＢｉ、ＳｎＰｂ、ＳｎＢｉ、ＳｎＡｇＢｉＩｎ、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎなどの組成から成る。
【００８２】
上記した半導体装置同士を積層する際には、実施の形態１と同様に、まず、図５（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子２１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００８３】
次に、実施の形態１と同様に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ２５の融点以上に加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧して、対向する半導体装置同士を接近させる。この上側の半導体素子２１の加熱により、上側の半導体装置に設けられたはんだ２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。なお、下側の半導体素子１１を加熱してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加熱してもよい。また、下側の半導体素子１１を加圧してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加圧してもよい。
【００８４】
上側の半導体素子２１を加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、溶融しているはんだ２５の表面を覆うはんだ酸化皮膜２５ａが下側の半導体装置のバリアメタル層１４に接触した後、対向するバリアメタル層１４とバリアメタル層２４との間のギャップが徐々に狭くなり、はんだ酸化皮膜２５ａが破れ、溶融しているはんだ２５が、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の表面のＡｕにぬれ広がるとともに、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の平坦部（登頂部１４ａ）に集中的に応力がかかるために圧縮ないしは加圧されて、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に押し出される。
【００８５】
押し出されたはんだ２５は、対向するバリアメタル層１４、２４の周囲部間のギャップにぬれ広がる。このギャップは、対向するバリアメタル層１４、２４の登頂部間のギャップよりも広く、かつ、はんだ２５は曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、はんだ２５は大きくはみだすことなく、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に膨らんだ太鼓状または樽状のはんだ接合部を形成する。この状態で、大気に触れるはんだ接合部の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜が形成される。
【００８６】
次に、図５（ｂ）に示すように、半導体素子２１をはんだ接合部３１が円柱状または、くびれを有する円柱状になるまで引き上げる。そして、下側の半導体素子１１の絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な方向に上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１を引き離した後、円柱状または、くびれを有する円柱状となったはんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることで、積層型半導体装置を得る。
【００８７】
以上の工程により、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備えた半導体装置の実装構造体を得ることができる。
【００８８】
この実施の形態２では、例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが８ｍｍ×８ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、下側のバリアメタル層１４は、直径Ｂ１’＝２４μｍ、高さＨ１’＝１０μｍであり、上側のバリアメタル層２４は、直径Ｂ２’＝２８μｍ、高さＨ２’＝１２μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、ピッチＣ＝３５μｍで等間隔に、１チップあたり２６，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば、直径Ａ１’、Ａ２’＝８μｍの円形である。
【００８９】
以上説明した製造工程によって得られた半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を断面観察した結果、はんだがはみだすことなく、かつバリアメタル層とはんだの界面に隙間が無い状態で、対向する外部接続用電極同士が接合されていることが観察された。また、２６，０００ピン安定して接続を確保することができた。
【００９０】
以上のように、この実施の形態２によれば、前述した実施の形態１よりも外部接続用電極が狭ピッチ（例えば、３５μｍ）であっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【００９１】
なお、この実施の形態２では、対向するバリアメタル層１４、２４の一方のバリアメタル層２４にのみはんだ２５が形成されている場合について説明したが、無論、バリアメタル層１４にのみはんだが形成されていてもよいし、両方のバリアメタル層１４、２４にはんだが形成されていてもよい。
【００９２】
（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３について、前述した実施の形態２と異なる点を中心に説明し、前述した実施の形態１および２で説明した部材に対応する部材については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００９３】
この実施の形態３は、複数個の半導体装置が積層された実装構造体において、上側の半導体素子２１の外形サイズが前述した実施の形態２に比べて大きい点で、前述した実施の形態２と異なる。
【００９４】
図６は本発明の実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。この実施の形態３における半導体装置の実装構造体の構成要素およびその材料は前述した実施の形態２と同様である。しかし、前述した実施の形態２と比べて、上側の半導体素子２１の外形サイズが１０×１０ｍｍと大きい。例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１６ｍｍ×１６ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、バリアメタル層１４、２４は、平面視したときの直径が２８μｍ、高さが１０μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、５０μｍピッチ（隣接するメタル層の中心間距離）で等間隔に、１チップあたり２０，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば直径１０μｍの円形である。
【００９５】
以下に、この実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法について述べる。
【００９６】
まず、前述した実施の形態２と同様に、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００９７】
次に、前述した実施の形態２と同様に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ２５の融点以上に加熱する。その結果、上側の半導体装置に設けられたはんだ２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。また、上側の半導体素子２１が熱膨張により延び、図６（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心がずれた状態になる。
【００９８】
この状態で、例えば、上側の半導体素子２１を下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、はんだ酸化皮膜２５ａが下側の半導体装置のバリアメタル層１４に接触し、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われたはんだ２５が圧縮ないしは加圧されて、押しつぶされ、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に押し出される。このとき、バリアメタル層１４をバリアメタル層２４に投影する方向にバリアメタル層１４とバリアメタル層２４とが重なる面積が、実施の形態２よりも小さいために、圧縮応力が実施の形態２よりも高くなり、より容易にはんだ酸化皮膜２５が破れる。
【００９９】
押し出されたはんだ２５は、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の金表面上で、曲率半径を有するバリアメタル層１４の周囲部にまでぬれ広がる。その後、上側の半導体素子２１を引き上げることにより、溶融しているはんだ２５は、曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定のぬれ角でぬれ、図６（ｂ）に示すように、斜め円柱状のはんだ接合部３１が形成される。この状態で、大気に触れるはんだ接合部３１の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜が形成される。
【０１００】
その後、はんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることにより、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備え、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体基板のメタル層２２の中心とが、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａ内で偏心している半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を得ることができる。
【０１０１】
このように、対向するメタル層１２、２２間に、例えば５μｍの位置ズレが起きても、対向するバリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）の接近時に、そのバリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）同士の重なり合う面積が、前述した実施の形態２よりも小さくなるので、圧縮応力が実施の形態２よりも増し、はんだ酸化皮膜２５ａを破ることが容易になる。さらにバリアメタル層１４、２４が平坦部（登頂部）の周囲に曲率半径を有するので、バリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）の間からはみ出したはんだが、バリアメタル層１４、２４間の空隙を充填した後、対向するバリアメタル層１４、２４を離間することで、斜め円柱状のはんだ接合部３１を形成することが可能になる。特に大型の半導体素子では、半導体素子自体の熱膨張により、半導体素子のコーナー部においてズレ量が大きくなるが、この実施の形態３によれば、位置ズレが起こっても、良好な接続を得ることができる。
【０１０２】
以上のように、この実施の形態３によれば、薄型および大型の半導体素子を積層する場合に、外部接続用電極が狭ピッチであっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【０１０３】
なお、この実施の形態３では、対向するバリアメタル層１４、２４の一方のバリアメタル層２４にのみはんだ２５が形成されている場合について説明したが、無論、バリアメタル層１４にのみはんだが形成されていてもよいし、両方のバリアメタル層１４、２４にはんだが形成されていてもよい。
【０１０４】
以上の各実施の形態１〜３によれば、圧縮ないしは加圧されて水平方向へ押し出されたはんだが、曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、はんだブリッジ不良の発生を防止することができる。
【０１０５】
また、はんだを圧縮ないしは加圧した後に、半導体素子１１と半導体素子２１との間の隙間を広げ、はんだ接合部３１を円柱状または斜め円柱状にしたので、フラックスの残渣があっても、封止樹脂が半導体素子１１と半導体素子２１との間に行き渡りやすくなり、良好なアンダーフィル封止を達成することができる。したがって、フラックスを用いることができるので、はんだ酸化皮膜を破ることができずにオープン不良が発生することもない。
【０１０６】
したがって、各実施の形態１〜３によれば、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保することが可能となる。
【０１０７】
なお、上記した各実施の形態１〜３では、登頂部が平坦ないしは略平坦でかつ周囲部に曲率半径を有する突起状のバリアメタル層１４、２４同士をはんだ接合部３１で電気的に接続する場合について説明したが、このようなバリアメタル層は少なくとも一方の半導体素子に形成されていればよく、他方の半導体素子には、たとえば、Ｃｕピラー等の柱状の外部接続用電極や、面状のバリアメタル層を設けてもよい。
【０１０８】
また、上記した各実施の形態１〜３では、複数個の半導体装置を積層する場合について説明したが、無論、回路基板等の、半導体装置の半導体基板以外の基板に、半導体装置を実装する場合も同様に実施できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に実現することができ、狭ピッチ化が進展する半導体素子などを実装する実装分野において特に有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 半導体素子
２ ２層構造のバンプ
３ａ 下層電極
３ｂ 上層電極
４ 回路基板
５ 電極端子
１１ 半導体素子
１２ メタル層
１３ 絶縁層
１３ａ 絶縁層の開口部
１４ バリアメタル層
１４ａ 登頂部
１４ｂ 周囲部
１５ はんだ
１５ａ はんだ酸化皮膜
２１ 半導体素子
２２ メタル層
２３ 絶縁層
２３ａ 絶縁層の開口部
２４ バリアメタル層
２５ はんだ
２５ａ はんだ酸化皮膜
３１ はんだ接合部
３１ａ はんだ酸化皮膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体装置の実装構造体、半導体装置の製造方法、および半導体装置の実装構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の実装構造体の一種に、ＬＳＩなどの半導体素子の電極端子上にはんだバンプなどの突起電極を形成してなる半導体装置をフェイスダウンで回路基板に実装するフリップチップ実装にかかる実装構造体がある。フリップチップ実装においては、通常、はんだバンプを加熱した状態で回路基板の電極端子へ向けて圧接する。
【０００３】
ＬＳＩなどの半導体素子の電極端子上にはんだバンプを形成する方法としては、スクリーン印刷やディスペンスや電解メッキで電極端子上にはんだを供給した後、その供給されたはんだを、リフロー炉でその融点以上に加熱する工法が一般的に採用されている。この工法によれば、半導体素子の電極端子上に突起状のはんだバンプを形成することができる。また、はんだバンプを用いる場合は、半導体素子と回路基板との間の空隙に封止樹脂を充填させて、半導体素子の電極端子と回路基板の電極端子との接合強度を補強している。
【０００４】
ところで近年、半導体素子の高密度化と電極端子の多ピン化の両立を図るべく、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化および面積縮小化が進められており、特に、狭ピッチ化の進展が著しい。そのため、従来のフリップチップ実装のように、電極端子を半導体素子の外周部に１列で配置したり、２列で千鳥状に配置しただけでは、電極端子間で短絡が発生したり、半導体素子と回路基板との熱膨張係数の差に起因する反りによって接続不良などが発生することがあった。
【０００５】
そこで、電極端子間ピッチを広げるために、電極端子を碁盤の目のようにエリア状に配置する、所謂エリア配置が採用されるようになってきた。つまり、半導体素子の外周部にのみ電極端子を１列または２列で配列するよりも、電極端子を碁盤目のようにエリア状に配置したほうが、電極端子を配置する領域の面積を大きくとれるので、電極端子間ピッチを広げることができる。
【０００６】
しかし、近年ではエリア配置でも狭ピッチ化の進展が著しい。また、半導体素子と回路基板との間の距離も縮まってきた。そのため、エリア配置であっても、フリップチップ実装工法の加熱および圧接工程において、溶融したはんだが変形し、はんだの表面張力によりはんだバンプ同士が繋がる不良、所謂はんだブリッジ不良が発生するようになってきた。
【０００７】
このような問題に対応するために、バンプを２層構造にすることが提案されている。
【０００８】
例えば、金や銅から成る金属製突起電極の表面を覆うように、金属粒子を含有した絶縁性皮膜を形成した２層構造のバンプが、特許文献１に提案されている。このようにすれば、絶縁性皮膜や金属製突起電極がフリップチップ実装時に溶融せずに、半導体素子と回路基板との間に注入した封止樹脂の硬化収縮による圧縮方向の力によって金属粒子が絶縁性皮膜を突き破ることで電気的導通を得ることができるので、電極端子間での短絡を防ぐことができ、電極端子の狭ピッチ化に対応できる。
【０００９】
しかしながら、近年、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化の要求が非常に厳しくなってきており、それに伴い、電極端子の面積縮小化も進んでいる。そのため、特許文献１に記載されているように、絶縁性皮膜を突き破った金属粒子が電極端子と拡散接合せずに接触するのみで電気的な導通を確保する接続形態では、半導体素子の電極端子の面積が小さくなると当然、半導体素子の電極端子と回路基板の電極端子との間に介在する金属粒子の数が少なくなり、その結果、接続抵抗が高くなって、信号の伝送損失が増大するという問題が起こる。
【００１０】
そこで、フリップチップ実装時に溶融しない高融点の下層電極の上に、はんだから成る上層電極を形成した２層構造のバンプが、例えば、特許文献２に提案されている。このようにすれば、はんだ一層から成るバンプよりも、はんだの量を減らすことができるので、フリップチップ実装時に平面方向へ押し出されるはんだの量が減り、はんだブリッジ不良の発生を防ぐことができる。その上、はんだが電極端子と拡散接合するので、接続抵抗を低くでき、信号の伝送を損なうこともない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２８２６１７号公報
【特許文献２】特開平９−９７７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら近年、配線ルールの微細化や信号処理の高速化の要求がさらに高まってきており、これらの要求に対応する目的で、半導体素子の電極端子の更なる狭ピッチ化（例えば、１０〜５０μｍ）が図られるようになってきた。
【００１３】
図７は特許文献２に記載された従来の半導体装置を概念的に示す断面図である。図７に示すように、半導体素子１の図示しない電極端子上には、フリップチップ実装時に溶融しない高融点の下層電極３ａの上に、はんだから成る上層電極３ｂを形成した２層構造のバンプ２が設けられており、この半導体素子１を回路基板４上にフリップチップ実装する際には、半導体素子１のバンプ２と回路基板４の電極端子５との位置を合わせた後、半導体素子１を加熱しながら回路基板４へ向けて加圧して、上層電極３ｂのはんだを溶融することにより、半導体素子１を回路基板４上に搭載する。
【００１４】
しかしながら、半導体素子の電極端子の狭ピッチ化が、例えば、１０〜５０μｍまで進展すると、はんだの体積の絶対量が微小となるので、はんだの体積に対してはんだの表面積が増し、はんだの表面を覆うはんだ酸化皮膜の含有率が多くなる。したがって、フラックスを用いてはんだ酸化皮膜を除去することが望まれるが、電極端子間ピッチが１０〜５０μｍまで狭くなると、フラックスを用いた場合、フラックス洗浄工程において半導体素子の中央部のフラックスを除去しきれず、その除去できなかったフラックスが残渣として残る。この残渣は、アンダーフィル封止を阻害する。また、フラックスの残渣とはんだ接合部との線膨張係数が違うために、フラックスの残渣が加熱に伴い膨張すると、半導体素子の半導体基板に垂直な方向の引張応力がはんだ接合部に加わり、このフラックスの残渣による引張応力がはんだ接合部の破断応力を上回ると、はんだクラックが発生する。よって、フラックスの残渣は、急激な温度差が発生する環境下において、はんだクラックを発生させる。
【００１５】
また、特許文献２に記載された従来の半導体装置において、半導体素子１の下層電極３ａは、回路基板４に対向する上面が平坦な円柱状となっている。そのため、フラックスを用いずにフリップチップ実装を行うと、半導体素子１の下層電極３ａの上面と、回路基板４の電極端子５の上面とがいずれも平坦であるために、溶融している上層電極３ｂのはんだに一様に応力が加わり、硬いはんだ酸化皮膜で覆われた上層電極３ｂのはんだが圧縮されてつぶされ、応力が水平方向に作用して下層電極３ａの周囲にはんだがはみだし、隣接する下層電極３ａ上に形成されたはんだ同士が繋がって、はんだブリッジ不良が発生する。その上、はんだ酸化皮膜を破ることができずに、オープン不良が発生する。
【００１６】
本発明は、上記問題に鑑み、電極端子が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保できる半導体装置、半導体装置の実装構造体、半導体装置の製造方法、および半導体装置の実装構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、外部接続用電極を備えた半導体装置であって、前記外部接続用電極が、半導体基板上に形成されたメタル層と、前記メタル層と接触するように形成され、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層の開口部から露出する前記メタル層と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層と、を備え、前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部の領域に対応する前記バリアメタル層の表面が平坦であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形であり、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形であり、前記バリアメタル層を平面視したとき前記直径Ａの円形と前記直径Ｂの円形の中心が一致しており、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の半導体装置の他の側面は、前記外部接続用電極が複数個形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の半導体装置の実装構造体は、上記した半導体装置と、前記半導体装置の前記絶縁層の開口部に対向するように電極端子が設けられた基板と、前記半導体装置の前記バリアメタル層と前記基板の電極端子とを電気的に接続するはんだ接合部と、を備えた半導体装置の実装構造体であって、前記絶縁層の開口部の中心と前記基板の電極端子の中心とが前記絶縁層の開口部内で偏心していることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、メタル層を有する半導体基板上に、前記メタル層と接触し、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、無電解めっき工法により前記絶縁層の開口部からバリアメタル層を成長させる工程と、を具備することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部の領域に対応する表面が平坦であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の半導体装置の製造方法の他の側面は、前記絶縁層を形成する際に、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形となるようにし、前記バリアメタル層を成長させる際に、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍となるようにすることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の半導体装置の実装構造体の製造方法は、上記した半導体装置のバリアメタル層と基板の電極端子とを対向させる工程と、対向する前記バリアメタル層と前記電極端子との間に介在するはんだをその融点以上に加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させる工程と、を具備し、前記はんだを加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させることにより、前記はんだの表面を覆う酸化皮膜が破れ、前記はんだが加圧されて、その加圧される第１方向に垂直な第２方向に押し出され、その第２方向に膨らんだはんだ接合部が形成されることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の半導体装置の実装構造体の製造方法の他の側面は、前記はんだを加圧した後、前記半導体装置の絶縁層に垂直な方向に前記半導体装置と前記基板を引き離す工程を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す拡大断面図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す工程別断面図
【図３】本発明の実施の形態１における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図４】本発明の実施の形態２における半導体装置の構造を示す拡大断面図
【図５】本発明の実施の形態２における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図６】本発明の実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図
【図７】従来の半導体装置を概念的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的または概念的に示している。また図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は図面作成の都合上から、実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３３】
また、以下の実施の形態では、電子部品として半導体素子を例に説明する。また、電子部品が実装される基板として半導体基板を例に説明する。しかし、電子部品と、その電子部品が実装される基板はこれらに限定されるものではない。例えば、電子部品として、電極端子間ピッチが狭いコンデンサや、コイル、抵抗などの受動部品を用いる場合も、同様の効果が得られる。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す拡大断面図である。
【００３５】
この実施の形態１における半導体装置は、半導体素子１１の表面に外部接続用電極を備える。その外部接続用電極は、詳しくは、図１に示すように、半導体素子１１の半導体基板上に形成されたメタル層（電極端子の一例）１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備える。
【００３６】
さらに、この実施の形態１における半導体装置の外部接続用電極は、バリアメタル層１４と接触するように形成されたはんだ１５を備える。そのはんだ１５の表面は、はんだ酸化皮膜１５ａで覆われている。
【００３７】
半導体素子１１には構成材料として、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウム砒素などを用いることができる。また、メタル層１２には構成材料として、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどを用いることができ、絶縁層１３には構成材料として、例えばＳｉ３Ｎ４を用いることができる。この実施の形態１では、メタル層１２の構成材料としてＡｌを用いる場合について説明する。
【００３８】
さらに、この実施の形態１における半導体装置において、絶縁層１３の開口部１３ａは直径Ａの円形状をしており、好適には、円形状のメタル層１２の中心と絶縁層１３の開口部１３ａの中心は一致している。また、バリアメタル層１４は、平面視したときに直径Ｂの円形状をしている。そして、バリアメタル層１４を平面視したとき、絶縁層１３の開口部１３ａ（直径Ａの円形）とバリアメタル層１４（直径Ｂの円形）の中心が一致している。
【００３９】
さらに、バリアメタル層１４の表面は、登頂部１４ａと周囲部１４ｂに区分できる。登頂部１４ａは、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応して形成されており、半導体素子１１のメタル層１２の表面に平行な円板状をしており、平坦または略平坦である。周囲部１４ｂは登頂部１４ａの周囲に形成されており、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直で、かつ絶縁層１３の開口部１３ａを通らない平面によって切断した断面形状は半円状をしている。
【００４０】
したがって、バリアメタル層１４は、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な平面とバリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分（バリアメタル層１４の周囲部１４ｂ）に、曲率半径Ｒｚを有する。
【００４１】
また、バリアメタル層１４の登頂部１４ａが平坦または略平坦であるので、絶縁層１３の開口部１３ａ内の任意の点を通り、かつ絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な平面と、バリアメタル層１４の表面とが交わって形成される線分のうち、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応する部分（バリアメタル層１４の登頂部１４ａ）の曲率半径Ｒｔが、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域に対応する部分（バリアメタル層１４の周囲部１４ｂ）の曲率半径Ｒｚ以上の大きさとなる。なお、登頂部１４ａが平坦である場合、その曲率半径Ｒｔは無限大となる。
【００４２】
バリアメタル層１４は、例えば、Ｎｉ−Ｐ等から成る。この実施の形態１では、バリアメタル層１４が、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕフラッシュめっきを形成して成る場合について説明する。
【００４３】
また、この実施の形態１における半導体装置では、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４（登頂部１４ａ）の高さをＨとしたとき、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａは、バリアメタル層１４の高さＨの１．５〜２倍である。
【００４４】
また、この実施の形態１における半導体装置では、バリアメタル層１４の直径Ｂと、絶縁層１３の開口径Ａと、バリアメタル層１４の高さＨとの間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ）＝（絶縁層１３の開口径Ａ）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ）
の関係が成立している。
【００４５】
さらに、この実施の形態１における半導体装置では、複数個の外部接続用電極が等間隔で碁盤目のようにエリア状に配列されており、外部接続用電極のピッチをＣとしたとき、ピッチＣは、バリアメタル層１４の直径Ｂの１．３〜２倍である。なお、ピッチとは、隣接するメタル層１２の中心間距離のことである。
【００４６】
続いて、図１に示す構造を有する半導体装置の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す工程別断面図である。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示す通り、メタル層１２を有する半導体基板上に、メタル層１２と接触し、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３を形成する。このとき、絶縁層１３の開口部１３ａを、その形状が直径Ａの円形となり、かつ、その中心が円形状のメタル層１２の中心と一致するように形成する。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示す通り、無電解めっき工法により絶縁層１３の開口部１３ａからバリアメタル層１４を成長させる。このとき、成長したバリアメタル層１４を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、バリアメタル層１４の直径Ｂと、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａと、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨとの間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ）＝（絶縁層１３の開口径Ａ）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ）
の関係が成立するようにバリアメタル層１４を成長させる。
【００４９】
具体的には、Ａｌからなるメタル層１２の表面から不純物を除去した後、半導体素子１１を亜鉛めっき液に浸漬して、メタル層１２のＡｌとＺｎとの置換反応を行う。次に、メタル層１２からＺｎ核を除去した後、半導体素子１１を、再度、亜鉛めっき液に漬け、より微細なＺｎ核をメタル層１２のＡｌ上に成長させる。次に半導体素子１１をＮｉ−Ｐめっき液中に浸漬してＺｎを溶解し、Ｎｉ−Ｐ皮膜をメタル層１２のＡｌ上に成長させる。このとき、絶縁層１３の表面からのＮｉ−Ｐの高さ（バリアメタル層１４の登頂部１４ａの高さ）Ｈが、絶縁層１３の開口径Ａの１／２〜２／３になるまで成長させる。更に、半導体素子１１を無電解金めっき液に浸漬して、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕ皮膜を薄く成長させる。
【００５０】
無電解めっき工法では、高さ方向と平面方向が一定の割合で成長するため、絶縁層１３の開口部１３ａの端点を起点に、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨの０．７〜１倍の半径を有する球面の一部が、絶縁層１３の開口部１３ａの周囲の領域（登頂部１４ａの周囲）に形成される。したがって、絶縁層１３の円形状の開口部１３ａから無電解めっき工法によりバリアメタル層１４を成長させることで、平面視したときに、絶縁層１３の開口部１３ａと中心が一致する直径Ｂの円形状をしており、表面が、平坦または略平坦な登頂部１４ａと、曲率半径を有する周囲部１４ｂとに区分される、上述したバリアメタル層１４が形成される。
【００５１】
次に、成長したバリアメタル層１４上に、表面がはんだ酸化皮膜１５ａで覆われたはんだ１５を形成する。例えばＰＥＴなどから成るベース材上に形成された粘着剤にはんだ粉を貼付け、はんだ転写基材を形成する。はんだ粉には、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用いることができる。また、粘着剤には、例えばゴム系樹脂を用いることができる。そして、はんだ転写基材を半導体素子１１のバリアメタル層１４に対向するように配置し、加熱して、半導体素子１１へ向けて加圧する。加熱によりはんだ粉とバリアメタル層１４が拡散接合する。その後、バリアメタル層１４上のはんだにフラックスを塗布し、リフロー炉ではんだを溶融させた後、フラックスを洗浄すると、図２（ｃ）に示すように、はんだ１５とはんだ酸化皮膜１５ａが形成される。
【００５２】
以上の方法によれば、メタルマスクなどを用いないため位置あわせをする必要がなく、簡易にメタルバンプを有する半導体装置を形成することができる。
【００５３】
続いて、図１に示す構造を有する半導体装置を用いた実装構造体の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は本発明の実施の形態１における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。
【００５４】
この実施の形態１では、図１に示す半導体装置を実装する基板として、他の半導体装置の半導体基板を用いる。つまり、この実施の形態１では、複数個の半導体装置を積層する場合について説明する。また、この実施の形態１では、図１に示す構造の外部接続用電極を有する半導体装置同士を積層する場合について説明する。
【００５５】
すなわち、図３（ａ）に示すように、下側の半導体装置が図１に示す半導体装置である場合、上側の半導体装置の半導体素子２１には、下側の半導体装置のメタル層１２に対向する位置にメタル層（電極端子の一例）２２が形成されている。そして、上側の半導体装置の外部接続用電極は、下側の半導体装置の外部接続用電極と同様に、上側の半導体素子２１の半導体基板上に形成されたメタル層２２と、メタル層２２と接触するように形成され、かつメタル層２２の一部を露出させる開口部２３ａを有する絶縁層２３と、絶縁層２３の開口部２３ａから露出するメタル層２２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層２４と、バリアメタル層２４と接触するように形成されたはんだ２５を備え、そのはんだ２５の表面が、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われている。
【００５６】
なお、はんだ１５、２５は、例えば、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＺｎ、ＳｎＺｎＢｉ、ＳｎＰｂ、ＳｎＢｉ、ＳｎＡｇＢｉＩｎ、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎなどの組成から成る。
【００５７】
上記した半導体装置同士を積層する際には、まず、図３（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００５８】
次に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ１５、２５の融点以上に加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧して、対向する半導体装置同士を接近させる。この上側の半導体素子２１の加熱により、対向するはんだ１５、２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。なお、下側の半導体素子１１を加熱してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加熱してもよい。また、下側の半導体素子１１を加圧してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加圧してもよい。
【００５９】
上側の半導体素子２１を加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、対向するはんだ酸化皮膜１５ａとはんだ酸化皮膜２５ａが接触した後、対向するバリアメタル層１４とバリアメタル層２４との間のギャップが徐々に狭くなり、はんだ酸化皮膜１５ａ、２５ａが破れて、図３（ｂ）に示すように、溶融しているはんだ１５、２５が、圧縮ないしは加圧され、押しつぶされ、水平方向（はんだ１５、２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）へ押し出される。
【００６０】
押し出されたはんだ１５、２５は、図３（ｂ）に示すように、対向するバリアメタル層１４、２４の周囲部間のギャップにぬれ広がる。このギャップは、対向するバリアメタル層１４、２４の登頂部間のギャップよりも広く、かつ、はんだ１５、２５は曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、図３（ｂ）に示すように、はんだ１５、２５は大きくはみだすことなく、水平方向（はんだ１５、２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に膨らんだ太鼓状または樽状のはんだ接合部３１を形成する。この状態で、大気に触れるはんだ接合部３１の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜３１ａが形成される。
【００６１】
次に、この実施の形態１では、図３（ｃ）に示すように、上側の半導体素子２１をはんだ接合部３１が円柱状または、くびれを有する円柱状になるまで引き上げる。そして、下側の半導体素子１１の絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な方向に上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１を引き離した後、円柱状または、くびれを有する円柱状となったはんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることで、積層型半導体装置を得る。
【００６２】
以上の工程により、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備えた半導体装置の実装構造体を得ることができる。
【００６３】
この実施の形態１では、例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが６ｍｍ×６ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、バリアメタル層１４、２４は、直径Ｂ＝３５μｍ、高さＨ＝１０μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、ピッチＣ＝５０μｍで等間隔に、１チップあたり１０，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば、直径Ａ＝１５μｍの円形である。
【００６４】
以上説明した製造工程によって得られた半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を断面観察した結果、はんだがはみだすことなく、かつバリアメタル層とはんだの界面に隙間が無い状態で、対向する外部接続用電極同士が接合されていることが観察された。また、１０，０００ピン安定して接続を確保することができた。これは、メタル層の表面と平行な円板状の登頂部と、曲率半径を有する周囲部とからなるバリアメタル層の表面同士が接近した後離間したので、はんだが球面の一部を成す周囲部の全面にぬれ広がりながら引き上げられたからである。
【００６５】
なお、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値が、バリアメタル層の高さＨの１．４倍より小さければ、バリアメタル層の周囲部の曲率半径が小さくなるので、はんだを圧縮ないしは加圧した後に引きげても、はんだがぬれる面積が少なくなり、はんだブリッジ不良が発生する。一方、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値が、バリアメタル層の高さＨの２倍より大きければ、隣接するバリアメタル層間のスペースが狭くなり、無電解めっき工法によってバリアメタル層を形成する際にめっきブリッジ不良が発生したり、バリアメタル層上にはんだを転写する際に、はんだブリッジ不良が発生する。このような理由から、平面視したときのバリアメタル層の直径Ｂと、絶縁層の開口径Ａとの差分の値は、バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍が望ましい。
【００６６】
以上のように、この実施の形態１によれば、外部接続用電極が５０μｍピッチのように狭ピッチであっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【００６７】
なお、この実施の形態１では、対向するバリアメタル層１４、２４の両方にはんだ１５、２５が形成されている場合について説明したが、無論、いずれか一方のバリアメタル層にのみはんだが形成されていてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２について、前述した実施の形態１と異なる点を中心に説明し、前述した実施の形態１で説明した部材に対応する部材については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６９】
図４は本発明の実施の形態２における半導体装置の構造を示す拡大断面図である。この実施の形態２における半導体装置は、絶縁層１３の開口径Ａ１’の大きさが、その絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４の高さＨ１’以下である点で、前述した実施の形態１と異なる。
【００７０】
すなわち、この実施の形態２における半導体装置は、半導体素子１１の表面に外部接続用電極を備える。その外部接続用電極は、詳しくは、図４に示すように、半導体素子１１の半導体基板上に形成されたメタル層（電極端子の一例）１２と、メタル層１２と接触するように形成され、かつメタル層１２の一部を露出させる開口部１３ａを有する絶縁層１３と、絶縁層１３の開口部１３ａから露出するメタル層１２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層１４と、を備える。但し、この実施の形態２では、前述した実施の形態１と異なり、バリアメタル層１４上にはんだは形成されていない。
【００７１】
半導体素子１１には構成材料として、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウム砒素などを用いることができる。また、メタル層１２には構成材料として、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕなどを用いることができ、絶縁層１３には構成材料として、例えばＳｉ３Ｎ４を用いることができる。この実施の形態２では、メタル層１２の構成材料としてＡｌを用いる場合について説明する。
【００７２】
また、この実施の形態２における半導体装置において、絶縁層１３の開口部１３ａは直径Ａ１’の円形状をしており、好適には、円形状のメタル層１２の中心と絶縁層１３の開口部１３ａの中心は一致している。また、バリアメタル層１４は、平面視したときに直径Ｂ１’の円形状をしている。そして、バリアメタル層１４を平面視したとき、絶縁層１３の開口部１３ａ（直径Ａ１’の円形）とバリアメタル層１４（直径Ｂ１’の円形）の中心が一致している。
【００７３】
また、バリアメタル層１４の表面は、登頂部１４ａと周囲部１４ｂに区分できる。登頂部１４ａは、前述した実施の形態１と同様に、絶縁層１３の開口部１３ａの領域に対応して形成されており、半導体素子１１のメタル層１２の表面に平行な円板状をしており、平坦または略平坦である。周囲部１４ｂも、前述した実施の形態１と同様に、登頂部１４ａの周囲に形成されており、絶縁層１３（または半導体基板）に垂直で、かつ絶縁層１３の開口部１３ａを通らない平面によって切断した断面形状は半円状をしている。
【００７４】
バリアメタル層１４は、例えば、Ｎｉ−Ｐ等から成る。この実施の形態２では、バリアメタル層１４が、Ｎｉ−Ｐ上にＡｕフラッシュめっきを形成して成る場合について説明する。
【００７５】
また、この実施の形態２における半導体装置では、絶縁層１３の表面からのバリアメタル層１４（登頂部１４ａ）の高さをＨ１’としたとき、絶縁層１３の開口部１３ａの直径（開口径）Ａ１’は、バリアメタル層１４の高さＨ１’の０．５〜１．０倍である。
【００７６】
また、前述した実施の形態１と同様に、この実施の形態２における半導体装置においても、バリアメタル層１４の直径Ｂ１’と、絶縁層１３の開口径Ａ１’と、バリアメタル層１４の高さＨ１’との間に、
（バリアメタル層１４の直径Ｂ１’）＝（絶縁層３の開口径Ａ１’）＋（１．４〜２）×（バリアメタル層１４の高さＨ１’）
の関係が成立している。
【００７７】
さらに、この実施の形態２における半導体装置では、複数個の外部接続用電極が等間隔で碁盤目のようにエリア状に配列されており、外部接続用電極のピッチをＣとしたとき、ピッチＣは、バリアメタル層１４の直径Ｂ１’の１．３〜２倍である。なお、ピッチとは、隣接するメタル層１２の中心間距離のことである。
【００７８】
以上説明した半導体装置の製造方法は、前述した実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。
【００７９】
続いて、図４に示す構造を有する半導体装置を用いた実装構造体の製造方法について、図５を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態２における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。
【００８０】
この実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様に、図４に示す半導体装置を実装する基板として、他の半導体装置の半導体基板を用いる。つまり、この実施の形態２においても、複数個の半導体装置を積層する場合について説明する。また、この実施の形態２においても、図４に示す構造の外部接続用電極を有する半導体装置同士を積層する場合について説明する。但し、この実施の形態２では、前述した実施の形態１と異なり、一方の半導体装置の外部接続用電極にのみはんだが形成されている。
【００８１】
すなわち、図５（ａ）に示すように、この実施の形態２では、下側の半導体装置が図４に示す半導体装置である。一方、上側の半導体装置の半導体素子２１には、下側の半導体装置のメタル層１２に対向する位置にメタル層（電極端子の一例）２２が形成されている。そして、上側の半導体装置の外部接続用電極は、下側の半導体装置の外部接続用電極と同様に、上側の半導体素子２１の半導体基板上に形成されたメタル層２２と、メタル層２２と接触するように形成され、かつメタル層２２の一部を露出させる開口部２３ａを有する絶縁層２３と、絶縁層２３の開口部２３ａから露出するメタル層２２と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層２４とを備える。さらに、上側の半導体装置の外部接続用電極は、バリアメタル層２４と接触するように形成されたはんだ２５を備え、そのはんだ２５の表面が、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われている。はんだ２５は、例えば、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＺｎ、ＳｎＺｎＢｉ、ＳｎＰｂ、ＳｎＢｉ、ＳｎＡｇＢｉＩｎ、ＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎなどの組成から成る。
【００８２】
上記した半導体装置同士を積層する際には、実施の形態１と同様に、まず、図５（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子２１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００８３】
次に、実施の形態１と同様に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ２５の融点以上に加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧して、対向する半導体装置同士を接近させる。この上側の半導体素子２１の加熱により、上側の半導体装置に設けられたはんだ２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。なお、下側の半導体素子１１を加熱してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加熱してもよい。また、下側の半導体素子１１を加圧してもよいし、上側と下側の両方の半導体素子２１、１１を加圧してもよい。
【００８４】
上側の半導体素子２１を加熱しながら、下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、溶融しているはんだ２５の表面を覆うはんだ酸化皮膜２５ａが下側の半導体装置のバリアメタル層１４に接触した後、対向するバリアメタル層１４とバリアメタル層２４との間のギャップが徐々に狭くなり、はんだ酸化皮膜２５ａが破れ、溶融しているはんだ２５が、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の表面のＡｕにぬれ広がるとともに、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の平坦部（登頂部１４ａ）に集中的に応力がかかるために圧縮ないしは加圧されて、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に押し出される。
【００８５】
押し出されたはんだ２５は、対向するバリアメタル層１４、２４の周囲部間のギャップにぬれ広がる。このギャップは、対向するバリアメタル層１４、２４の登頂部間のギャップよりも広く、かつ、はんだ２５は曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、はんだ２５は大きくはみだすことなく、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に膨らんだ太鼓状または樽状のはんだ接合部を形成する。この状態で、大気に触れるはんだ接合部の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜が形成される。
【００８６】
次に、図５（ｂ）に示すように、半導体素子２１をはんだ接合部３１が円柱状または、くびれを有する円柱状になるまで引き上げる。そして、下側の半導体素子１１の絶縁層１３（または半導体基板）に垂直な方向に上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１を引き離した後、円柱状または、くびれを有する円柱状となったはんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることで、積層型半導体装置を得る。
【００８７】
以上の工程により、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備えた半導体装置の実装構造体を得ることができる。
【００８８】
この実施の形態２では、例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが８ｍｍ×８ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、下側のバリアメタル層１４は、直径Ｂ１’＝２４μｍ、高さＨ１’＝１０μｍであり、上側のバリアメタル層２４は、直径Ｂ２’＝２８μｍ、高さＨ２’＝１２μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、ピッチＣ＝３５μｍで等間隔に、１チップあたり２６，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば、直径Ａ１’、Ａ２’＝８μｍの円形である。
【００８９】
以上説明した製造工程によって得られた半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を断面観察した結果、はんだがはみだすことなく、かつバリアメタル層とはんだの界面に隙間が無い状態で、対向する外部接続用電極同士が接合されていることが観察された。また、２６，０００ピン安定して接続を確保することができた。
【００９０】
以上のように、この実施の形態２によれば、前述した実施の形態１よりも外部接続用電極が狭ピッチ（例えば、３５μｍ）であっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【００９１】
なお、この実施の形態２では、対向するバリアメタル層１４、２４の一方のバリアメタル層２４にのみはんだ２５が形成されている場合について説明したが、無論、バリアメタル層１４にのみはんだが形成されていてもよいし、両方のバリアメタル層１４、２４にはんだが形成されていてもよい。
【００９２】
（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３について、前述した実施の形態２と異なる点を中心に説明し、前述した実施の形態１および２で説明した部材に対応する部材については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００９３】
この実施の形態３は、複数個の半導体装置が積層された実装構造体において、上側の半導体素子２１の外形サイズが前述した実施の形態２に比べて大きい点で、前述した実施の形態２と異なる。
【００９４】
図６は本発明の実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法を示す工程別断面図である。この実施の形態３における半導体装置の実装構造体の構成要素およびその材料は前述した実施の形態２と同様である。しかし、前述した実施の形態２と比べて、上側の半導体素子２１の外形サイズが１０×１０ｍｍと大きい。例えば、下側の半導体素子１１は、外形サイズが１６ｍｍ×１６ｍｍ、厚みが０．２ｍｍであり、上側の半導体素子２１は、外形サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍであり、バリアメタル層１４、２４は、平面視したときの直径が２８μｍ、高さが１０μｍであり、メタル層１２、メタル層２２は、５０μｍピッチ（隣接するメタル層の中心間距離）で等間隔に、１チップあたり２０，０００ピン配置されている。また、絶縁層１３、２３の開口部は、例えば直径１０μｍの円形である。
【００９５】
以下に、この実施の形態３における半導体装置の実装構造体の製造方法について述べる。
【００９６】
まず、前述した実施の形態２と同様に、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体素子２１のメタル層２２とが対向するように、上側の半導体素子２１と下側の半導体素子１１の少なくとも一方を移動させる。好適には、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と、上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心とが一致するようにする。これにより、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体装置のメタル層２２が対向する。
【００９７】
次に、前述した実施の形態２と同様に、例えば、上側の半導体素子２１を、対向するバリアメタル層１４、２４間に介在するはんだ２５の融点以上に加熱する。その結果、上側の半導体装置に設けられたはんだ２５が、その融点以上の温度に加熱されて、溶融する。また、上側の半導体素子２１が熱膨張により延び、図６（ａ）に示すように、下側の半導体素子１１の絶縁層１３の開口部１３ａの中心または下側の半導体素子１１のメタル層１２の中心と上側の半導体素子２１の絶縁層２３の開口部２３ａの中心または上側の半導体素子２１のメタル層２２の中心がずれた状態になる。
【００９８】
この状態で、例えば、上側の半導体素子２１を下側の半導体素子１１へ向けて加圧すると、はんだ酸化皮膜２５ａが下側の半導体装置のバリアメタル層１４に接触し、はんだ酸化皮膜２５ａで覆われたはんだ２５が圧縮ないしは加圧されて、押しつぶされ、水平方向（はんだ２５が加圧される第１方向に垂直な第２方向）に押し出される。このとき、バリアメタル層１４をバリアメタル層２４に投影する方向にバリアメタル層１４とバリアメタル層２４とが重なる面積が、実施の形態２よりも小さいために、圧縮応力が実施の形態２よりも高くなり、より容易にはんだ酸化皮膜２５が破れる。
【００９９】
押し出されたはんだ２５は、下側の半導体装置のバリアメタル層１４の金表面上で、曲率半径を有するバリアメタル層１４の周囲部にまでぬれ広がる。その後、上側の半導体素子２１を引き上げることにより、溶融しているはんだ２５は、曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定のぬれ角でぬれ、図６（ｂ）に示すように、斜め円柱状のはんだ接合部３１が形成される。この状態で、大気に触れるはんだ接合部３１の表面が酸化して、新たなはんだ酸化皮膜が形成される。
【０１００】
その後、はんだ接合部３１のはんだを、その凝固点まで冷却して凝固させることにより、下側の半導体装置と、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａに対向するようにメタル層（電極端子の一例）２２が設けられた上側の半導体基板（上側の半導体素子２１の半導体基板）と、下側の半導体装置のバリアメタル層１４と上側の半導体基板のメタル層２２とを電気的に接続するはんだ接合部３１と、を備え、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａと上側の半導体基板のメタル層２２の中心とが、下側の半導体装置の絶縁層１３の開口部１３ａ内で偏心している半導体装置の実装構造体（積層型半導体装置）を得ることができる。
【０１０１】
このように、対向するメタル層１２、２２間に、例えば５μｍの位置ズレが起きても、対向するバリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）の接近時に、そのバリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）同士の重なり合う面積が、前述した実施の形態２よりも小さくなるので、圧縮応力が実施の形態２よりも増し、はんだ酸化皮膜２５ａを破ることが容易になる。さらにバリアメタル層１４、２４が平坦部（登頂部）の周囲に曲率半径を有するので、バリアメタル層１４、２４の平坦部（登頂部）の間からはみ出したはんだが、バリアメタル層１４、２４間の空隙を充填した後、対向するバリアメタル層１４、２４を離間することで、斜め円柱状のはんだ接合部３１を形成することが可能になる。特に大型の半導体素子では、半導体素子自体の熱膨張により、半導体素子のコーナー部においてズレ量が大きくなるが、この実施の形態３によれば、位置ズレが起こっても、良好な接続を得ることができる。
【０１０２】
以上のように、この実施の形態３によれば、薄型および大型の半導体素子を積層する場合に、外部接続用電極が狭ピッチであっても、はんだ接合において、はんだがつぶれたり、バリアメタル層とはんだとの界面に酸化皮膜が残存することなく、良好な接続を得ることができる。
【０１０３】
なお、この実施の形態３では、対向するバリアメタル層１４、２４の一方のバリアメタル層２４にのみはんだ２５が形成されている場合について説明したが、無論、バリアメタル層１４にのみはんだが形成されていてもよいし、両方のバリアメタル層１４、２４にはんだが形成されていてもよい。
【０１０４】
以上の各実施の形態１〜３によれば、圧縮ないしは加圧されて水平方向へ押し出されたはんだが、曲率半径を有するバリアメタル層１４、２４の周囲部の接線方向に対して一定の接触角をもってぬれようとするため、はんだブリッジ不良の発生を防止することができる。
【０１０５】
また、はんだを圧縮ないしは加圧した後に、半導体素子１１と半導体素子２１との間の隙間を広げ、はんだ接合部３１を円柱状または斜め円柱状にしたので、フラックスの残渣があっても、封止樹脂が半導体素子１１と半導体素子２１との間に行き渡りやすくなり、良好なアンダーフィル封止を達成することができる。したがって、フラックスを用いることができるので、はんだ酸化皮膜を破ることができずにオープン不良が発生することもない。
【０１０６】
したがって、各実施の形態１〜３によれば、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に確保することが可能となる。
【０１０７】
なお、上記した各実施の形態１〜３では、登頂部が平坦ないしは略平坦でかつ周囲部に曲率半径を有する突起状のバリアメタル層１４、２４同士をはんだ接合部３１で電気的に接続する場合について説明したが、このようなバリアメタル層は少なくとも一方の半導体素子に形成されていればよく、他方の半導体素子には、たとえば、Ｃｕピラー等の柱状の外部接続用電極や、面状のバリアメタル層を設けてもよい。
【０１０８】
また、上記した各実施の形態１〜３では、複数個の半導体装置を積層する場合について説明したが、無論、回路基板等の、半導体装置の半導体基板以外の基板に、半導体装置を実装する場合も同様に実施できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、外部接続用電極が狭ピッチであっても、高い接続信頼性を簡易に実現することができ、狭ピッチ化が進展する半導体素子などを実装する実装分野において特に有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 半導体素子
２ ２層構造のバンプ
３ａ 下層電極
３ｂ 上層電極
４ 回路基板
５ 電極端子
１１ 半導体素子
１２ メタル層
１３ 絶縁層
１３ａ 絶縁層の開口部
１４ バリアメタル層
１４ａ 登頂部
１４ｂ 周囲部
１５ はんだ
１５ａ はんだ酸化皮膜
２１ 半導体素子
２２ メタル層
２３ 絶縁層
２３ａ 絶縁層の開口部
２４ バリアメタル層
２５ はんだ
２５ａ はんだ酸化皮膜
３１ はんだ接合部
３１ａ はんだ酸化皮膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続用電極を備えた半導体装置であって、
前記外部接続用電極が、
半導体基板上に形成されたメタル層と、
前記メタル層と接触するように形成され、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層の開口部から露出する前記メタル層と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層と、
を備え、前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記絶縁層の開口部の領域に対応する前記バリアメタル層の表面が平坦であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形であり、
前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形であり、
前記バリアメタル層を平面視したとき前記直径Ａの円形と前記直径Ｂの円形の中心が一致しており、
（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記外部接続用電極が複数個形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置と、
前記半導体装置の前記絶縁層の開口部に対向するように電極端子が設けられた基板と、
前記半導体装置の前記バリアメタル層と前記基板の電極端子とを電気的に接続するはんだ接合部と、
を備えた半導体装置の実装構造体であって、
前記絶縁層の開口部の中心と前記基板の電極端子の中心とが前記絶縁層の開口部内で偏心している
ことを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【請求項７】
メタル層を有する半導体基板上に、前記メタル層と接触し、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、
無電解めっき工法により前記絶縁層の開口部からバリアメタル層を成長させる工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
成長した前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部の領域に対応する表面が平坦であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁層を形成する際に、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形となるようにし、
前記バリアメタル層を成長させる際に、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍となるようにする
ことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１記載の半導体装置のバリアメタル層と基板の電極端子とを対向させる工程と、
対向する前記バリアメタル層と前記電極端子との間に介在するはんだをその融点以上に加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させる工程と、
を具備し、前記はんだを加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させることにより、前記はんだの表面を覆う酸化皮膜が破れ、前記はんだが加圧されて、その加圧される第１方向に垂直な第２方向に押し出され、その第２方向に膨らんだはんだ接合部が形成されることを特徴とする半導体装置の実装構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記はんだを加圧した後、前記半導体装置の絶縁層に垂直な方向に前記半導体装置と前記基板を引き離す工程を具備することを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の実装構造体の製造方法。
【請求項１】
外部接続用電極を備えた半導体装置であって、
前記外部接続用電極が、
半導体基板上に形成されたメタル層と、
前記メタル層と接触するように形成され、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層の開口部から露出する前記メタル層と電気的に接続するように形成されたバリアメタル層と、
を備え、前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記絶縁層の開口部の領域に対応する前記バリアメタル層の表面が平坦であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形であり、
前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形であり、
前記バリアメタル層を平面視したとき前記直径Ａの円形と前記直径Ｂの円形の中心が一致しており、
（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記外部接続用電極が複数個形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体装置と、
前記半導体装置の前記絶縁層の開口部に対向するように電極端子が設けられた基板と、
前記半導体装置の前記バリアメタル層と前記基板の電極端子とを電気的に接続するはんだ接合部と、
を備えた半導体装置の実装構造体であって、
前記絶縁層の開口部の中心と前記基板の電極端子の中心とが前記絶縁層の開口部内で偏心している
ことを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【請求項７】
メタル層を有する半導体基板上に、前記メタル層と接触し、かつ前記メタル層の一部を露出させる開口部を有する絶縁層を形成する工程と、
無電解めっき工法により前記絶縁層の開口部からバリアメタル層を成長させる工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
成長した前記バリアメタル層が、前記絶縁層に垂直な平面と前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分に、曲率半径を有することを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部内の任意の点を通り、かつ前記絶縁層に垂直な平面と、前記バリアメタル層の表面とが交わって形成される線分のうち、前記絶縁層の開口部の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｔが、前記絶縁層の開口部の周囲の領域に対応する部分の曲率半径Ｒｚ以上の大きさであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
成長した前記バリアメタル層において、前記絶縁層の開口部の領域に対応する表面が平坦であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁層を形成する際に、前記絶縁層の開口部の形状が直径Ａの円形となるようにし、
前記バリアメタル層を成長させる際に、前記バリアメタル層を平面視したときの形状が直径Ｂの円形となり、かつ、（Ｂ−Ａ）の値が、前記絶縁層の表面からの前記バリアメタル層の高さＨの１．４〜２倍となるようにする
ことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１記載の半導体装置のバリアメタル層と基板の電極端子とを対向させる工程と、
対向する前記バリアメタル層と前記電極端子との間に介在するはんだをその融点以上に加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させる工程と、
を具備し、前記はんだを加熱しながら、前記半導体装置と前記基板とを接近させることにより、前記はんだの表面を覆う酸化皮膜が破れ、前記はんだが加圧されて、その加圧される第１方向に垂直な第２方向に押し出され、その第２方向に膨らんだはんだ接合部が形成されることを特徴とする半導体装置の実装構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記はんだを加圧した後、前記半導体装置の絶縁層に垂直な方向に前記半導体装置と前記基板を引き離す工程を具備することを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の実装構造体の製造方法。
【図４】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−８９８８６（Ｐ２０１３−８９８８６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１３１０（Ｐ２０１１−２３１３１０）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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