半導体装置の製造方法
【課題】半田接続部に生じる熱応力の緩和効果を維持しつつ、半田接続部の耐疲労性を向上させることを可能にした半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態においては、配線基板２の接続パッド４上にＳｎ合金からなる予備半田層１０を形成する。半導体チップ２の電極パッド５上にＳｎ合金からなる半田バンプ１３を形成する。予備半田層１０と半田バンプ１３とを位置合せしつつ接触させた後、予備半田層１０及び半田バンプ１３の融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含むＳｎ合金からなる半田接続部６を形成する。予備半田層１０と半田バンプ１３のうち、予備半田層１０のみをＡｇを含むＳｎ合金で形成する。
【解決手段】実施形態においては、配線基板２の接続パッド４上にＳｎ合金からなる予備半田層１０を形成する。半導体チップ２の電極パッド５上にＳｎ合金からなる半田バンプ１３を形成する。予備半田層１０と半田バンプ１３とを位置合せしつつ接触させた後、予備半田層１０及び半田バンプ１３の融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含むＳｎ合金からなる半田接続部６を形成する。予備半田層１０と半田バンプ１３のうち、予備半田層１０のみをＡｇを含むＳｎ合金で形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの多ピン化、ファインピッチ化、信号速度の高速化に対応するために、配線・接続長が短い実装方式としてフリップチップ（ＦＣ）接続を適用した半導体装置が使用されている。ＦＣ接続に使用される半導体チップは、電極パッド上にバリアメタル層を介して形成された半田バンプを有している。半導体チップが接続される配線基板は、半導体チップの電極パッドと対応する接続パッドと、接続パッド上に直接又はバリアメタル層を介して形成された予備半田層とを有している。
【０００３】
半導体チップに形成される半田バンプや配線基板に形成される予備半田層には、Ｐｂを実質的に含まないＰｂフリー半田が使用されている。Ｐｂフリー半田としては、例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金等のＳｎ合金が使用されている。バリアメタル層は主にＮｉを含み、半田バンプや予備半田層の組成等に応じて選択される。バリアメタル層としては、例えばＮｉ／ＴｉやＮｉ／Ｃｕ／Ｔｉ等の積層膜が適用されている。
【０００４】
Ｓｎ−Ａｇ合金中のＡｇは半田を硬くするため、ＦＣ接続後の半田接続部（半田バンプと予備半田層との溶融固化体）による接続強度を向上させるという利点を有する。その反面、Ａｇは半田接続部のクリープ性を低下させるため、ＦＣ接続等の際に半導体チップと配線基板との熱膨張係数の差に基づいて半田バンプに生じる熱応力を十分に緩和することができない。このため、半導体チップにクラックや層間剥離が生じやすくなる。特に、半導体チップの層間絶縁膜に配線間容量の低減が可能な低誘電率絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）を用いた場合、ｌｏｗ−ｋ膜はそれ自体の強度や他の膜との接着強度が低いため、クラックや層間剥離が生じやすくなる。
【０００５】
Ｓｎ−Ｃｕ合金中のＣｕは半田のクリープ性を向上させ、半田バンプに生じる熱応力を緩和させる効果を有する。このため、半導体チップのクラックや層間剥離、特にｌｏｗ−ｋ膜のクラックや層間剥離を抑制することが可能となる。その反面、半田バンプに生じる熱応力を緩和する際に、半田内の結晶粒が成長して半田が脆化しやすい。これによって、半田接続部の耐疲労性を低下させてしまう。これは半導体装置に熱サイクル試験（ＴＣＴ）を施した際に、半田接続部にクラック等を生じさせる原因となる。
【０００６】
半導体装置（半導体パッケージ）と配線基板との接続構造において、Ｓｎ−Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成された半田接続部が知られている。半田バンプは、一般的に合金の電解めっきにより形成されるが、合金めっき液は高価であり、また寿命も短いため、半田バンプの形成コストが増加する。半田バンプの形成に低コストの積層めっき（合金の各構成元素のめっき膜の積層）を適用することも検討されているが、Ａｇめっきは凹形状に形成され、膜厚ばらつきが大きいため、数％程度の微量濃度を制御することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３３０６７８号公報
【特許文献２】特開２００３−２０３９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、半田接続部に生じる熱応力の緩和効果を維持しつつ、半田接続部の耐疲労性を向上させることを可能にした半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の半導体装置の製造方法は、配線基板の接続パッド上にＳｎ合金からなる予備半田層を形成する工程と、半導体チップの電極パッド上にＳｎ合金からなる半田バンプを形成する工程と、予備半田層と半田バンプとを位置合せしつつ接触させる工程と、予備半田層及び半田バンプの融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金からなる半田接続部を形成して、配線基板の接続パッドと半導体チップの電極パッドとを接続する工程とを具備する。予備半田層と半田バンプのうち、予備半田層のみがＡｇを含有するＳｎ合金からなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の製造方法を適用して作製した半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態の半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は実施形態の製造方法を適用して作製した半導体装置の構成を示す断面図である。同図に示す半導体装置１は、配線基板２とその上に実装された半導体チップ３とを具備している。半導体装置１は、配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とを半田接続部６で電気的及び機械的に接続した構造、いわゆるフリップチップ（ＦＣ）接続構造を有している。半田接続部６は半導体チップ３の電極パッド５と配線基板２の接続パッド４にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１２】
半導体チップ３は、半導体基板の素子形成面（回路形成面）に設けられた複数の電極パッド５を有している。図１では図示を省略したが、半導体チップ３はＳｉ基板等の半導体基板と、その上に形成された半導体素子部と、金属配線と層間絶縁膜とで構成された回路部とを有している。半導体チップ３の回路部には、例えばＣｕ配線と比誘電率が３．５以下のＳｉＯＦ膜、ＳｉＯＣ膜、有機シリカ系膜、これらの多孔質膜等からなる低誘電率絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）とが用いられている。電極パッド５は、回路部の金属配線と電気的に接続されており、例えばＣｕパッドとＡｌパッドとの積層体で構成されている。
【００１３】
半導体チップ３が搭載される配線基板２は、有機樹脂基板のような絶縁基板の内部や表面に配線網を設けたものである。配線基板２の具体例としては、ガラス−エポキシ樹脂やＢＴ樹脂（ビスマレイミド・トリアジン樹脂）等からなる絶縁性樹脂基板に配線網を設けたプリント配線板が挙げられる。配線基板２は、チップ搭載面となる第１の面２ａと、それとは反対側の第２の面２ｂとを有している。
【００１４】
配線基板２の第１の面２ａには、複数の接続パッド４が配列されている。複数の接続パッド４は半導体チップ３の電極パッド５の配列形状に応じて配置されている。図１では図示を省略したが、配線基板２の第２の面２ｂには半導体装置１の外部接続端子が設けられる。外部接続端子は配線基板２の配線網を介して接続パッド４と電気的に接続される。半導体装置１をＢＧＡパッケージとして使用する場合には、外部接続端子として半田ボール等の金属ボールが適用される。半導体装置１をＬＧＡパッケージとして使用する場合には、外部接続端子として金属ランドが適用される。
【００１５】
配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とは、半田接続部６で電気的及び機械的に接続されている。半田接続部６は、半導体チップ３の電極パッド５上にバリアメタル層（図１では図示せず）を介して形成された半田バンプと、配線基板２の接続パッド４上に必要に応じてバリアメタル層（図１では図示せず）を介して形成された予備半田層とを接触させた後、半田バンプ及び予備半田層の融点以上の温度に加熱して溶融させることにより形成されたものである。半導体チップ３は配線基板２にＦＣ接続を適用して実装されている。半導体装置１はＦＣ接続部として半田接続部６を有している。
【００１６】
配線基板２と半導体チップ３との間の隙間には、アンダーフィル樹脂７が充填されている。アンダーフィル樹脂７は熱硬化性樹脂からなり、キュア処理（熱硬化処理）により硬化されている。このようなアンダーフィル樹脂７によって、半田バンプ６は保護されている。アンダーフィル樹脂７には、例えばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。さらに、配線基板２上には封止樹脂層８が形成されている。半導体チップ３は封止樹脂層８で覆われている。
【００１７】
次に、上述した半導体装置１の製造工程、すなわち配線基板２と半導体チップ３とのＦＣ接続工程について、図２を参照して説明する。図２（ａ）に示すように、配線基板２の接続パッド（Ｃｕパッド）４上にバリアメタル層９を介して予備半田層１０を形成する。予備半田層１０は後に詳述するように、接続パッド４上に直接形成してもよい。なお、図中の符号１１はソルダレジスト層である。一方、半導体チップ３の電極パッド（Ｃｕ／Ａｌパッド）５上にバリアメタル層１２を介して半田バンプ１３を形成する。予備半田層１０及び半田バンプ１３は、Ｓｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成される。半導体チップ３のバリアメタル層１２としては、Ｎｉ／Ｔｉ積層膜、Ｎｉ／Ｃｕ／Ｔｉ積層膜、Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉ積層膜等が適用される。
【００１８】
予備半田層１０を有する配線基板２上に必要に応じて接続用のフラックスを塗布した後、配線基板２上に半田バンプ１３を有する半導体チップ３を配置する。半導体チップ３は、電極パッド５を配線基板２の接続パッド４に対して位置合せした後、電極パッド５上に設けられた半田バンプ１３が接続パッド４上に設けられた予備半田層１０と接触するように配置される。半田バンプ１３及び予備半田層１０の融点以上の温度に加熱し、半田バンプ１３及び予備半田層１０を溶融させることで、図２（ｂ）に示すように配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とを接続する半田接続部６を形成する。配線基板２と半導体チップ３とは半田接続部６を介して機械的及び電気的に接続される。
【００１９】
配線基板２と半導体チップ３との間には、半田接続部６の高さに基づいて隙間が生じる。このような配線基板２と半導体チップ３との間の隙間に、アンダーフィル樹脂７となる熱硬化性樹脂組成物（液状樹脂）を注入し、これをキュア処理して硬化させることによって、熱硬化された熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル樹脂７を形成する。このようにして、アンダーフィル樹脂７で半田接続部６を保護しつつ、半導体チップ３を配線基板２に固定することによって、図１に示した半導体装置１が作製される。配線基板２の第２の面２ｂには必要に応じて外部接続端子が形成される。
【００２０】
予備半田層１０及び半田バンプ１３の形成材料には、半田接続部６をＡｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金で構成することが可能なＳｎ合金が適用される。このようなＳｎ合金で半田接続部６を構成することで、半田接続部６に生じる熱応力を緩和しつつ、半田接続部６の耐疲労性を向上させることができる。すなわち、半田接続部６を構成するＳｎ合金にＣｕを含有させることで、半田接続部６のクリープ性が向上し、ＦＣ接続時やＴＣＴ時に半田接続部６に生じる熱応力を緩和することができる。従って、半導体チップ３のクラックや層間剥離、特にｌｏｗ−ｋ膜のクラックや層間剥離を抑制することが可能となる。
【００２１】
上記した熱応力の緩和効果を得る上で、半田接続部６を構成するＳｎ合金は０．３質量％以上のＣｕを含有することが好ましい。Ｃｕの含有量が０．３質量％未満であると半田接続部６のクリープ性を十分に向上させることができないおそれがある。Ｃｕの含有量は１質量％以下とすることが好ましい。ただし、半田接続部６を構成するＳｎ合金がＣｕのみを含有する場合には、半田接続部６に生じる熱応力を緩和する際に、Ｓｎ合金内の結晶粒が成長して脆化し、半田接続部６の耐疲労性が低下してしまう。そこで、半田接続部６を構成するＳｎ合金はＣｕに加えてＡｇを含有している。
【００２２】
半田接続部６を構成するＳｎ合金にＣｕと共にＡｇを含有させることによって、Ｓｎ合金内の結晶粒の成長が抑制される。従って、Ｃｕに基づいて半田接続部６のクリープ性を向上させた上で、半田接続部６の耐疲労性を高めることができる。これによって、ＴＣＴにおける半田接続部６のクラックや破壊等を抑制することが可能となる。なお、Ｃｕの含有量が１質量％を超えると、Ｃｕと共に適量のＡｇを含有させた場合においても、半田接続部６の耐疲労性を十分に高めることができないおそれがある。このため、Ｓｎ合金のＣｕの含有量は１質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
半田接続部６の耐疲労性を向上させる上で、半田接続部６を構成するＳｎ合金は０．２質量％以上のＡｇを含有することが好ましい。Ａｇの含有量が０．２質量％未満であると半田接続部６の耐疲労性を十分に向上させることができない。ただし、Ｓｎ合金のＡｇ含有量が多すぎると、半田接続部６が硬くなりすぎてクリープ性が低下する。このため、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＡｇ含有量は１．５質量％以下とすることが好ましい。さらに、Ｓｎ合金のＡｇ含有量は１質量％未満とすることがより好ましい。特に、後に詳述するように、バリアメタル層９、１２にＮｉ膜を適用する場合には、Ｓｎ合金のＡｇ含有量を１質量％未満とすることが望ましい。
【００２４】
半田接続部６は、０．２〜１．５質量％の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（第１のＳｎ基合金）で形成することが好ましい。さらに、半田接続部６は、０．２質量％以上１．０質量％未満の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（第２のＳｎ基合金）で形成することがより好ましい。第２のＳｎ基合金はバリアメタル層９、１２の少なくとも一方がＮｉ膜を有する場合に有効である。
【００２５】
上述したＡｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金で半田接続部６を形成するにあって、Ａｇは予備半田層１０のみに含有させる。すなわち、予備半田層１０をＳｎ−Ａｇ合金又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成し、半田バンプ１３をＳｎ−Ｃｕ合金で形成する。これによって、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が制御しやすくなるため、クリープ性と耐疲労性とを両立させた半田接続部６を再現性よく得ることが可能となる。
【００２６】
予備半田層１０は、０．４〜６質量％の範囲のＡｇを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）、又は０．４〜６質量％の範囲のＡｇと０．５〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成することが好ましい。Ｓｎ合金のＡｇ含有量は０．４〜４質量％の範囲がより好ましい。半田バンプ１３は、０．５〜１質量％の範囲のＣｕを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成することが好ましい。
【００２７】
予備半田層１０や半田バンプ１３を形成するＳｎ合金の組成は、半田接続部６を構成するＳｎ合金の目的組成や予備半田層１０や半田バンプ１３の形状に応じて適宜に設定される。半田接続部６を構成するＳｎ合金の組成は、基本的には予備半田層１０と半田バンプ１３の合金組成や体積比に基づくものである。半田バンプ１３の体積は、その厚さと電極パッド（Ｃｕ／Ａｌパッド）５上に形成するバリアメタル層１２のサイズとによって決まる。予備半田層１０の体積は、接続パッド（Ｃｕパッド）４上のソルダレジスト層１１による開口サイズや半田印刷マスクのデザイン（厚さと開口径）等によって決まる。
【００２８】
半田バンプ１３と予備半田層１０との体積比が２：１である場合、例えば半田バンプ１３を０．７５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成し、予備半田層１０を３．５質量％のＡｇを含有するＳｎ合金で形成する（実施例１）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成はＳｎ−１．２質量％Ａｇ−０．７質量％Ｃｕ程度となる。ＦＣ接続後の半田接続部６のＡｇ濃度は、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比から概ね１／３となる。しかし、Ｃｕ濃度は両者の体積比のみでは決まらない。これは半田接続部６中にＣｕパッド（接続パッド）４からＣｕが拡散するからである。
【００２９】
Ｃｕパッド４上にＮｉ膜等のバリアメタル層９が存在していない場合、配線基板２のＣｕパッド４上に予備半田層１０を形成する際に、Ｓｎ−Ａｇ合金からなる予備半田層１０中にＣｕが拡散する。このため、ＦＣ接続後の半田接続部６のＣｕ濃度は、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比で決まる濃度（０．５質量％）よりも多くなる傾向にある。実施例１の半田バンプ１３と予備半田層１０との組み合わせにおいては、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度は０．７質量％程度となる。
【００３０】
ただし、配線基板２のＣｕパッド４上にＮｉ膜等のバリアメタル層９を形成しなくても、金属拡散によりＣｕ−Ｓｎ合金であるＣｕ6Ｓｎ5層が形成されると、これがバリアのように作用するため、半田接続部６へのＣｕの拡散が抑制される。例えば、半田バンプと予備半田層の双方にＳｎ−０．７５質量％Ｃｕ半田（共晶半田）を使用しても、ＦＣ接続後の半田接続部のＣｕ濃度は１質量％未満である。逆に、Ｃｕを含まないＳｎ−Ａｇ合金系半田を双方に使用した場合でも、半田接続部のＣｕ濃度は０．３質量％程度となる。
【００３１】
実施例１と同様に、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比が２：１である場合に、半田バンプ１３を０．７５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成し、予備半田層１０を３．０質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成する（実施例２）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成はＳｎ−１．０質量％Ａｇ−０．８質量％Ｃｕ程度となる。実施例１と比較して、予備半田層１０をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成しているために、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度の差異は小さい。
【００３２】
さらに、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなる半田バンプ１３は、ＳｎめっきとＣｕめっきの積層めっき、又はＳｎ−Ｃｕ合金ボール（Ｓｎ−Ｃｕ合金からなる半田ボール）の搭載により形成することが好ましい。これによって、半田バンプ１３の形成コスト、ひいては半導体装置１の製造コストを低減することが可能となる。Ａｇを含有するＳｎ合金で半田バンプ１３を形成する場合に積層めっきを適用しようとすると、Ａｇめっきは凹形状に形成され、膜厚ばらつきが大きいため、数％程度の微量濃度を制御することが困難となる。このため、合金めっき液を用いた電解めっきを適用する必要があるが、合金めっきは前述したように半田バンプの形成コストを増加させる要因となる。
【００３３】
上述した実施例１及び実施例２の条件（半田バンプ１３及び予備半田層１０の合金組成と体積比、半田接続部６の合金組成）に基づいて、半導体チップ３を配線基板２にＦＣ接続し、さらに配線基板２と半導体チップ３との間にアンダーフィル樹脂７を充填したサンプルを用いて、−５５℃×２０分→常温（２５℃）×２０分→１２５℃×２０分を１サイクルとするＴＣＴを実施した。実施例１及び実施例２の半導体装置１は、いずれも信頼性良否判定サイクル後においてもｌｏｗ−ｋ膜の剥離や半田接続部６のクラック、破壊等の発生が認められなかった。さらに、半田バンプ１３の形成に積層めっきを適用しているため、半田バンプ１３の形成コストを低減することが可能であった。
【００３４】
一方、３．５質量％のＡｇを含有するＳｎ合金からなる半田バンプを有する半導体チップを、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金（比較例１）、１．０質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金（比較例２）からなる予備半田層を有する配線基板にＦＣ接続し、さらに配線基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を充填したサンプルを用いて、実施例と同様にしてＴＣＴを実施した。その結果、比較例１及び比較例２においては、信頼性良否判定サイクル後にｌｏｗ−ｋ膜の剥離が認められた。
【００３５】
さらに、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金からなる半田バンプを有する半導体チップを、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金からなる予備半田層を有する配線基板にＦＣ接続し、さらに配線基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を充填したサンプル（比較例３）を用いて、実施例と同様にしてＴＣＴを実施した。その結果、比較例３においては信頼性良否判定サイクル後に半田クラックが認められた。
【００３６】
半田接続部６を構成するＳｎ合金の組成は、バリアメタル層９、１２の構成に応じても適宜に設定することが好ましい。なお、バリアメタル層９、１２を適用しない例については前述した通りである。例えば、実施例２と同組成のＳｎ合金で半田バンプ１３を形成し、配線基板２のＣｕパッド４上にＡｕ／Ｎｉ積層膜（積層めっき膜）からなるバリアメタル層９を介して、実施例２と同組成のＳｎ合金で予備半田層１０を形成する（実施例３）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成は実施例２と同様にＳｎ−１．０質量％Ａｇ−０．８質量％Ｃｕ程度となる。バリアメタル層９中のＮｉ膜は、半田接続部６へのＣｕの拡散を阻止するため、半田接続部６のＣｕ濃度の制御性が向上する。
【００３７】
ただし、実施例２と比較して、ＦＣ接続時に半田バンプ１３に生じる熱応力が増大する。これは配線基板２のＣｕパッド４上に形成したバリアメタル層９からＮｉが半田接続部６に拡散するためである。ＮｉはＡｇと類似の特性を有し、半田の硬度を高める一方で、クリープ性を低下させる。そのため、ＦＣ接続後の半田接続部６のＡｇ濃度が１質量％以上となるような構成で、Ｃｕパッド４上にバリアメタル層９としてＡｕ／Ｎｉ積層膜を形成すると、半田接続部６にＮｉが拡散することによって、ＦＣ接続時やＴＣＴ時にｌｏｗ−ｋ膜に剥離が生じるおそれが高まる。
【００３８】
バリアメタル層９としてＡｕ／Ｎｉ積層膜等を適用する場合、言い換えると半田接続部６にＮｉが拡散するようなＮｉ膜を有するバリアメタル層９を適用する場合には、Ａｇ濃度が１質量％未満のＳｎ合金で半田接続部６を構成することが好ましい。０．２質量％以上１．０質量％未満の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有するＳｎ合金からなる半田接続部６（実施例４）によれば、Ｎｉの拡散によるクリープ性の低下を抑制することができる。ＮｉはＡｇと同様に作用するため、Ａｇ濃度が１質量％未満であっても耐疲労特性を高めることができる。半導体チップ３のバリアメタル層１２が半田接続部６中にＮｉが拡散するようなＮｉ膜を有する場合も同様であり、半田接続部６をＡｇ濃度が１質量％未満のＳｎ合金で構成することが好ましい。
【００３９】
さらに、バリアメタル層９としてＡｕ／Ｐｄ／Ｎｉ積層膜等を有する配線基板２を用いた構成（実施例５）も有効である。バリアメタル層９がＮｉ膜より予備半田層１０に近い側に配置されたＰｄ膜を有する場合には、Ｐｄ膜がＮｉの半田接続部６への拡散を阻止するため、バリアメタル層９を適用しない場合と同様なＡｇ濃度を適用することができる。また、Ｃｕパッド４からのＣｕの拡散はバリアメタル層９中のＮｉ膜で阻止されるため、半田接続部６のＣｕ濃度をより精度よく制御することができる。
【００４０】
バリアメタル層１２としてＰｄ／Ｎｉ／Ｔｉ積層膜等を有する半導体チップ３を用いた構成（実施例６）も同様である。バリアメタル層１２がＮｉ膜より半田バンプ１３に近い側に配置されたＰｄ膜を有する場合には、Ｐｄ膜がＮｉの半田接続部６への拡散を阻止するため、半田接続部６にＡｇ濃度が１．５質量％以下のＳｎ合金を適用することができる。すなわち、半田接続部６に０．２〜１．５質量％の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有するＳｎ合金を適用することができる。
【００４１】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１…半導体装置、２…配線基板、３…半導体チップ、４…接続パッド、５…電極パッド、６…半田接続部、７…アンダーフィル樹脂、８…封止樹脂層、９，１２…アンダーフィル樹脂、１０…予備半田層、１３…半田バンプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの多ピン化、ファインピッチ化、信号速度の高速化に対応するために、配線・接続長が短い実装方式としてフリップチップ（ＦＣ）接続を適用した半導体装置が使用されている。ＦＣ接続に使用される半導体チップは、電極パッド上にバリアメタル層を介して形成された半田バンプを有している。半導体チップが接続される配線基板は、半導体チップの電極パッドと対応する接続パッドと、接続パッド上に直接又はバリアメタル層を介して形成された予備半田層とを有している。
【０００３】
半導体チップに形成される半田バンプや配線基板に形成される予備半田層には、Ｐｂを実質的に含まないＰｂフリー半田が使用されている。Ｐｂフリー半田としては、例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金等のＳｎ合金が使用されている。バリアメタル層は主にＮｉを含み、半田バンプや予備半田層の組成等に応じて選択される。バリアメタル層としては、例えばＮｉ／ＴｉやＮｉ／Ｃｕ／Ｔｉ等の積層膜が適用されている。
【０００４】
Ｓｎ−Ａｇ合金中のＡｇは半田を硬くするため、ＦＣ接続後の半田接続部（半田バンプと予備半田層との溶融固化体）による接続強度を向上させるという利点を有する。その反面、Ａｇは半田接続部のクリープ性を低下させるため、ＦＣ接続等の際に半導体チップと配線基板との熱膨張係数の差に基づいて半田バンプに生じる熱応力を十分に緩和することができない。このため、半導体チップにクラックや層間剥離が生じやすくなる。特に、半導体チップの層間絶縁膜に配線間容量の低減が可能な低誘電率絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）を用いた場合、ｌｏｗ−ｋ膜はそれ自体の強度や他の膜との接着強度が低いため、クラックや層間剥離が生じやすくなる。
【０００５】
Ｓｎ−Ｃｕ合金中のＣｕは半田のクリープ性を向上させ、半田バンプに生じる熱応力を緩和させる効果を有する。このため、半導体チップのクラックや層間剥離、特にｌｏｗ−ｋ膜のクラックや層間剥離を抑制することが可能となる。その反面、半田バンプに生じる熱応力を緩和する際に、半田内の結晶粒が成長して半田が脆化しやすい。これによって、半田接続部の耐疲労性を低下させてしまう。これは半導体装置に熱サイクル試験（ＴＣＴ）を施した際に、半田接続部にクラック等を生じさせる原因となる。
【０００６】
半導体装置（半導体パッケージ）と配線基板との接続構造において、Ｓｎ−Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成された半田接続部が知られている。半田バンプは、一般的に合金の電解めっきにより形成されるが、合金めっき液は高価であり、また寿命も短いため、半田バンプの形成コストが増加する。半田バンプの形成に低コストの積層めっき（合金の各構成元素のめっき膜の積層）を適用することも検討されているが、Ａｇめっきは凹形状に形成され、膜厚ばらつきが大きいため、数％程度の微量濃度を制御することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３３０６７８号公報
【特許文献２】特開２００３−２０３９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、半田接続部に生じる熱応力の緩和効果を維持しつつ、半田接続部の耐疲労性を向上させることを可能にした半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の半導体装置の製造方法は、配線基板の接続パッド上にＳｎ合金からなる予備半田層を形成する工程と、半導体チップの電極パッド上にＳｎ合金からなる半田バンプを形成する工程と、予備半田層と半田バンプとを位置合せしつつ接触させる工程と、予備半田層及び半田バンプの融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金からなる半田接続部を形成して、配線基板の接続パッドと半導体チップの電極パッドとを接続する工程とを具備する。予備半田層と半田バンプのうち、予備半田層のみがＡｇを含有するＳｎ合金からなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の製造方法を適用して作製した半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態の半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は実施形態の製造方法を適用して作製した半導体装置の構成を示す断面図である。同図に示す半導体装置１は、配線基板２とその上に実装された半導体チップ３とを具備している。半導体装置１は、配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とを半田接続部６で電気的及び機械的に接続した構造、いわゆるフリップチップ（ＦＣ）接続構造を有している。半田接続部６は半導体チップ３の電極パッド５と配線基板２の接続パッド４にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１２】
半導体チップ３は、半導体基板の素子形成面（回路形成面）に設けられた複数の電極パッド５を有している。図１では図示を省略したが、半導体チップ３はＳｉ基板等の半導体基板と、その上に形成された半導体素子部と、金属配線と層間絶縁膜とで構成された回路部とを有している。半導体チップ３の回路部には、例えばＣｕ配線と比誘電率が３．５以下のＳｉＯＦ膜、ＳｉＯＣ膜、有機シリカ系膜、これらの多孔質膜等からなる低誘電率絶縁膜（ｌｏｗ−ｋ膜）とが用いられている。電極パッド５は、回路部の金属配線と電気的に接続されており、例えばＣｕパッドとＡｌパッドとの積層体で構成されている。
【００１３】
半導体チップ３が搭載される配線基板２は、有機樹脂基板のような絶縁基板の内部や表面に配線網を設けたものである。配線基板２の具体例としては、ガラス−エポキシ樹脂やＢＴ樹脂（ビスマレイミド・トリアジン樹脂）等からなる絶縁性樹脂基板に配線網を設けたプリント配線板が挙げられる。配線基板２は、チップ搭載面となる第１の面２ａと、それとは反対側の第２の面２ｂとを有している。
【００１４】
配線基板２の第１の面２ａには、複数の接続パッド４が配列されている。複数の接続パッド４は半導体チップ３の電極パッド５の配列形状に応じて配置されている。図１では図示を省略したが、配線基板２の第２の面２ｂには半導体装置１の外部接続端子が設けられる。外部接続端子は配線基板２の配線網を介して接続パッド４と電気的に接続される。半導体装置１をＢＧＡパッケージとして使用する場合には、外部接続端子として半田ボール等の金属ボールが適用される。半導体装置１をＬＧＡパッケージとして使用する場合には、外部接続端子として金属ランドが適用される。
【００１５】
配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とは、半田接続部６で電気的及び機械的に接続されている。半田接続部６は、半導体チップ３の電極パッド５上にバリアメタル層（図１では図示せず）を介して形成された半田バンプと、配線基板２の接続パッド４上に必要に応じてバリアメタル層（図１では図示せず）を介して形成された予備半田層とを接触させた後、半田バンプ及び予備半田層の融点以上の温度に加熱して溶融させることにより形成されたものである。半導体チップ３は配線基板２にＦＣ接続を適用して実装されている。半導体装置１はＦＣ接続部として半田接続部６を有している。
【００１６】
配線基板２と半導体チップ３との間の隙間には、アンダーフィル樹脂７が充填されている。アンダーフィル樹脂７は熱硬化性樹脂からなり、キュア処理（熱硬化処理）により硬化されている。このようなアンダーフィル樹脂７によって、半田バンプ６は保護されている。アンダーフィル樹脂７には、例えばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。さらに、配線基板２上には封止樹脂層８が形成されている。半導体チップ３は封止樹脂層８で覆われている。
【００１７】
次に、上述した半導体装置１の製造工程、すなわち配線基板２と半導体チップ３とのＦＣ接続工程について、図２を参照して説明する。図２（ａ）に示すように、配線基板２の接続パッド（Ｃｕパッド）４上にバリアメタル層９を介して予備半田層１０を形成する。予備半田層１０は後に詳述するように、接続パッド４上に直接形成してもよい。なお、図中の符号１１はソルダレジスト層である。一方、半導体チップ３の電極パッド（Ｃｕ／Ａｌパッド）５上にバリアメタル層１２を介して半田バンプ１３を形成する。予備半田層１０及び半田バンプ１３は、Ｓｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成される。半導体チップ３のバリアメタル層１２としては、Ｎｉ／Ｔｉ積層膜、Ｎｉ／Ｃｕ／Ｔｉ積層膜、Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉ積層膜等が適用される。
【００１８】
予備半田層１０を有する配線基板２上に必要に応じて接続用のフラックスを塗布した後、配線基板２上に半田バンプ１３を有する半導体チップ３を配置する。半導体チップ３は、電極パッド５を配線基板２の接続パッド４に対して位置合せした後、電極パッド５上に設けられた半田バンプ１３が接続パッド４上に設けられた予備半田層１０と接触するように配置される。半田バンプ１３及び予備半田層１０の融点以上の温度に加熱し、半田バンプ１３及び予備半田層１０を溶融させることで、図２（ｂ）に示すように配線基板２の接続パッド４と半導体チップ３の電極パッド５とを接続する半田接続部６を形成する。配線基板２と半導体チップ３とは半田接続部６を介して機械的及び電気的に接続される。
【００１９】
配線基板２と半導体チップ３との間には、半田接続部６の高さに基づいて隙間が生じる。このような配線基板２と半導体チップ３との間の隙間に、アンダーフィル樹脂７となる熱硬化性樹脂組成物（液状樹脂）を注入し、これをキュア処理して硬化させることによって、熱硬化された熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル樹脂７を形成する。このようにして、アンダーフィル樹脂７で半田接続部６を保護しつつ、半導体チップ３を配線基板２に固定することによって、図１に示した半導体装置１が作製される。配線基板２の第２の面２ｂには必要に応じて外部接続端子が形成される。
【００２０】
予備半田層１０及び半田バンプ１３の形成材料には、半田接続部６をＡｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金で構成することが可能なＳｎ合金が適用される。このようなＳｎ合金で半田接続部６を構成することで、半田接続部６に生じる熱応力を緩和しつつ、半田接続部６の耐疲労性を向上させることができる。すなわち、半田接続部６を構成するＳｎ合金にＣｕを含有させることで、半田接続部６のクリープ性が向上し、ＦＣ接続時やＴＣＴ時に半田接続部６に生じる熱応力を緩和することができる。従って、半導体チップ３のクラックや層間剥離、特にｌｏｗ−ｋ膜のクラックや層間剥離を抑制することが可能となる。
【００２１】
上記した熱応力の緩和効果を得る上で、半田接続部６を構成するＳｎ合金は０．３質量％以上のＣｕを含有することが好ましい。Ｃｕの含有量が０．３質量％未満であると半田接続部６のクリープ性を十分に向上させることができないおそれがある。Ｃｕの含有量は１質量％以下とすることが好ましい。ただし、半田接続部６を構成するＳｎ合金がＣｕのみを含有する場合には、半田接続部６に生じる熱応力を緩和する際に、Ｓｎ合金内の結晶粒が成長して脆化し、半田接続部６の耐疲労性が低下してしまう。そこで、半田接続部６を構成するＳｎ合金はＣｕに加えてＡｇを含有している。
【００２２】
半田接続部６を構成するＳｎ合金にＣｕと共にＡｇを含有させることによって、Ｓｎ合金内の結晶粒の成長が抑制される。従って、Ｃｕに基づいて半田接続部６のクリープ性を向上させた上で、半田接続部６の耐疲労性を高めることができる。これによって、ＴＣＴにおける半田接続部６のクラックや破壊等を抑制することが可能となる。なお、Ｃｕの含有量が１質量％を超えると、Ｃｕと共に適量のＡｇを含有させた場合においても、半田接続部６の耐疲労性を十分に高めることができないおそれがある。このため、Ｓｎ合金のＣｕの含有量は１質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
半田接続部６の耐疲労性を向上させる上で、半田接続部６を構成するＳｎ合金は０．２質量％以上のＡｇを含有することが好ましい。Ａｇの含有量が０．２質量％未満であると半田接続部６の耐疲労性を十分に向上させることができない。ただし、Ｓｎ合金のＡｇ含有量が多すぎると、半田接続部６が硬くなりすぎてクリープ性が低下する。このため、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＡｇ含有量は１．５質量％以下とすることが好ましい。さらに、Ｓｎ合金のＡｇ含有量は１質量％未満とすることがより好ましい。特に、後に詳述するように、バリアメタル層９、１２にＮｉ膜を適用する場合には、Ｓｎ合金のＡｇ含有量を１質量％未満とすることが望ましい。
【００２４】
半田接続部６は、０．２〜１．５質量％の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（第１のＳｎ基合金）で形成することが好ましい。さらに、半田接続部６は、０．２質量％以上１．０質量％未満の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（第２のＳｎ基合金）で形成することがより好ましい。第２のＳｎ基合金はバリアメタル層９、１２の少なくとも一方がＮｉ膜を有する場合に有効である。
【００２５】
上述したＡｇ及びＣｕを含有するＳｎ合金で半田接続部６を形成するにあって、Ａｇは予備半田層１０のみに含有させる。すなわち、予備半田層１０をＳｎ−Ａｇ合金又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成し、半田バンプ１３をＳｎ−Ｃｕ合金で形成する。これによって、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が制御しやすくなるため、クリープ性と耐疲労性とを両立させた半田接続部６を再現性よく得ることが可能となる。
【００２６】
予備半田層１０は、０．４〜６質量％の範囲のＡｇを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）、又は０．４〜６質量％の範囲のＡｇと０．５〜１質量％の範囲のＣｕとを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成することが好ましい。Ｓｎ合金のＡｇ含有量は０．４〜４質量％の範囲がより好ましい。半田バンプ１３は、０．５〜１質量％の範囲のＣｕを含有し、残部が実質的にＳｎからなるＳｎ合金（Ｓｎ基合金）で形成することが好ましい。
【００２７】
予備半田層１０や半田バンプ１３を形成するＳｎ合金の組成は、半田接続部６を構成するＳｎ合金の目的組成や予備半田層１０や半田バンプ１３の形状に応じて適宜に設定される。半田接続部６を構成するＳｎ合金の組成は、基本的には予備半田層１０と半田バンプ１３の合金組成や体積比に基づくものである。半田バンプ１３の体積は、その厚さと電極パッド（Ｃｕ／Ａｌパッド）５上に形成するバリアメタル層１２のサイズとによって決まる。予備半田層１０の体積は、接続パッド（Ｃｕパッド）４上のソルダレジスト層１１による開口サイズや半田印刷マスクのデザイン（厚さと開口径）等によって決まる。
【００２８】
半田バンプ１３と予備半田層１０との体積比が２：１である場合、例えば半田バンプ１３を０．７５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成し、予備半田層１０を３．５質量％のＡｇを含有するＳｎ合金で形成する（実施例１）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成はＳｎ−１．２質量％Ａｇ−０．７質量％Ｃｕ程度となる。ＦＣ接続後の半田接続部６のＡｇ濃度は、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比から概ね１／３となる。しかし、Ｃｕ濃度は両者の体積比のみでは決まらない。これは半田接続部６中にＣｕパッド（接続パッド）４からＣｕが拡散するからである。
【００２９】
Ｃｕパッド４上にＮｉ膜等のバリアメタル層９が存在していない場合、配線基板２のＣｕパッド４上に予備半田層１０を形成する際に、Ｓｎ−Ａｇ合金からなる予備半田層１０中にＣｕが拡散する。このため、ＦＣ接続後の半田接続部６のＣｕ濃度は、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比で決まる濃度（０．５質量％）よりも多くなる傾向にある。実施例１の半田バンプ１３と予備半田層１０との組み合わせにおいては、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度は０．７質量％程度となる。
【００３０】
ただし、配線基板２のＣｕパッド４上にＮｉ膜等のバリアメタル層９を形成しなくても、金属拡散によりＣｕ−Ｓｎ合金であるＣｕ6Ｓｎ5層が形成されると、これがバリアのように作用するため、半田接続部６へのＣｕの拡散が抑制される。例えば、半田バンプと予備半田層の双方にＳｎ−０．７５質量％Ｃｕ半田（共晶半田）を使用しても、ＦＣ接続後の半田接続部のＣｕ濃度は１質量％未満である。逆に、Ｃｕを含まないＳｎ−Ａｇ合金系半田を双方に使用した場合でも、半田接続部のＣｕ濃度は０．３質量％程度となる。
【００３１】
実施例１と同様に、半田バンプ１３と予備半田層１０の体積比が２：１である場合に、半田バンプ１３を０．７５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成し、予備半田層１０を３．０質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金で形成する（実施例２）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成はＳｎ−１．０質量％Ａｇ−０．８質量％Ｃｕ程度となる。実施例１と比較して、予備半田層１０をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金で形成しているために、半田接続部６を構成するＳｎ合金のＣｕ濃度の差異は小さい。
【００３２】
さらに、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなる半田バンプ１３は、ＳｎめっきとＣｕめっきの積層めっき、又はＳｎ−Ｃｕ合金ボール（Ｓｎ−Ｃｕ合金からなる半田ボール）の搭載により形成することが好ましい。これによって、半田バンプ１３の形成コスト、ひいては半導体装置１の製造コストを低減することが可能となる。Ａｇを含有するＳｎ合金で半田バンプ１３を形成する場合に積層めっきを適用しようとすると、Ａｇめっきは凹形状に形成され、膜厚ばらつきが大きいため、数％程度の微量濃度を制御することが困難となる。このため、合金めっき液を用いた電解めっきを適用する必要があるが、合金めっきは前述したように半田バンプの形成コストを増加させる要因となる。
【００３３】
上述した実施例１及び実施例２の条件（半田バンプ１３及び予備半田層１０の合金組成と体積比、半田接続部６の合金組成）に基づいて、半導体チップ３を配線基板２にＦＣ接続し、さらに配線基板２と半導体チップ３との間にアンダーフィル樹脂７を充填したサンプルを用いて、−５５℃×２０分→常温（２５℃）×２０分→１２５℃×２０分を１サイクルとするＴＣＴを実施した。実施例１及び実施例２の半導体装置１は、いずれも信頼性良否判定サイクル後においてもｌｏｗ−ｋ膜の剥離や半田接続部６のクラック、破壊等の発生が認められなかった。さらに、半田バンプ１３の形成に積層めっきを適用しているため、半田バンプ１３の形成コストを低減することが可能であった。
【００３４】
一方、３．５質量％のＡｇを含有するＳｎ合金からなる半田バンプを有する半導体チップを、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金（比較例１）、１．０質量％のＡｇと０．５質量％のＣｕを含有するＳｎ合金（比較例２）からなる予備半田層を有する配線基板にＦＣ接続し、さらに配線基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を充填したサンプルを用いて、実施例と同様にしてＴＣＴを実施した。その結果、比較例１及び比較例２においては、信頼性良否判定サイクル後にｌｏｗ−ｋ膜の剥離が認められた。
【００３５】
さらに、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金からなる半田バンプを有する半導体チップを、０．７質量％のＣｕを含有するＳｎ合金からなる予備半田層を有する配線基板にＦＣ接続し、さらに配線基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を充填したサンプル（比較例３）を用いて、実施例と同様にしてＴＣＴを実施した。その結果、比較例３においては信頼性良否判定サイクル後に半田クラックが認められた。
【００３６】
半田接続部６を構成するＳｎ合金の組成は、バリアメタル層９、１２の構成に応じても適宜に設定することが好ましい。なお、バリアメタル層９、１２を適用しない例については前述した通りである。例えば、実施例２と同組成のＳｎ合金で半田バンプ１３を形成し、配線基板２のＣｕパッド４上にＡｕ／Ｎｉ積層膜（積層めっき膜）からなるバリアメタル層９を介して、実施例２と同組成のＳｎ合金で予備半田層１０を形成する（実施例３）と、ＦＣ接続後の半田接続部６の合金組成は実施例２と同様にＳｎ−１．０質量％Ａｇ−０．８質量％Ｃｕ程度となる。バリアメタル層９中のＮｉ膜は、半田接続部６へのＣｕの拡散を阻止するため、半田接続部６のＣｕ濃度の制御性が向上する。
【００３７】
ただし、実施例２と比較して、ＦＣ接続時に半田バンプ１３に生じる熱応力が増大する。これは配線基板２のＣｕパッド４上に形成したバリアメタル層９からＮｉが半田接続部６に拡散するためである。ＮｉはＡｇと類似の特性を有し、半田の硬度を高める一方で、クリープ性を低下させる。そのため、ＦＣ接続後の半田接続部６のＡｇ濃度が１質量％以上となるような構成で、Ｃｕパッド４上にバリアメタル層９としてＡｕ／Ｎｉ積層膜を形成すると、半田接続部６にＮｉが拡散することによって、ＦＣ接続時やＴＣＴ時にｌｏｗ−ｋ膜に剥離が生じるおそれが高まる。
【００３８】
バリアメタル層９としてＡｕ／Ｎｉ積層膜等を適用する場合、言い換えると半田接続部６にＮｉが拡散するようなＮｉ膜を有するバリアメタル層９を適用する場合には、Ａｇ濃度が１質量％未満のＳｎ合金で半田接続部６を構成することが好ましい。０．２質量％以上１．０質量％未満の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有するＳｎ合金からなる半田接続部６（実施例４）によれば、Ｎｉの拡散によるクリープ性の低下を抑制することができる。ＮｉはＡｇと同様に作用するため、Ａｇ濃度が１質量％未満であっても耐疲労特性を高めることができる。半導体チップ３のバリアメタル層１２が半田接続部６中にＮｉが拡散するようなＮｉ膜を有する場合も同様であり、半田接続部６をＡｇ濃度が１質量％未満のＳｎ合金で構成することが好ましい。
【００３９】
さらに、バリアメタル層９としてＡｕ／Ｐｄ／Ｎｉ積層膜等を有する配線基板２を用いた構成（実施例５）も有効である。バリアメタル層９がＮｉ膜より予備半田層１０に近い側に配置されたＰｄ膜を有する場合には、Ｐｄ膜がＮｉの半田接続部６への拡散を阻止するため、バリアメタル層９を適用しない場合と同様なＡｇ濃度を適用することができる。また、Ｃｕパッド４からのＣｕの拡散はバリアメタル層９中のＮｉ膜で阻止されるため、半田接続部６のＣｕ濃度をより精度よく制御することができる。
【００４０】
バリアメタル層１２としてＰｄ／Ｎｉ／Ｔｉ積層膜等を有する半導体チップ３を用いた構成（実施例６）も同様である。バリアメタル層１２がＮｉ膜より半田バンプ１３に近い側に配置されたＰｄ膜を有する場合には、Ｐｄ膜がＮｉの半田接続部６への拡散を阻止するため、半田接続部６にＡｇ濃度が１．５質量％以下のＳｎ合金を適用することができる。すなわち、半田接続部６に０．２〜１．５質量％の範囲のＡｇと０．３〜１質量％の範囲のＣｕとを含有するＳｎ合金を適用することができる。
【００４１】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１…半導体装置、２…配線基板、３…半導体チップ、４…接続パッド、５…電極パッド、６…半田接続部、７…アンダーフィル樹脂、８…封止樹脂層、９，１２…アンダーフィル樹脂、１０…予備半田層、１３…半田バンプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板の接続パッド上にＳｎ合金からなる予備半田層を形成する工程と、
半導体チップの電極パッド上にＳｎ合金からなる半田バンプを形成する工程と、
前記予備半田層と前記半田バンプとを位置合せしつつ接触させる工程と、
前記予備半田層及び前記半田バンプの融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含むＳｎ合金からなる半田接続部を形成して、前記配線基板の前記接続パッドと前記半導体チップの前記電極パッドとを接続する工程とを具備し、
前記予備半田層と前記半田バンプのうち、前記予備半田層のみがＡｇを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記予備半田層はＳｎ−Ａｇ合金又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなり、前記半田バンプはＳｎ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田バンプを、ＳｎめっきとＣｕめっきの積層めっき又はＳｎ−Ｃｕ合金ボールの搭載により形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田接続部は、０．２質量％以上１．５質量％以下の範囲のＡｇ及び０．３質量％以上１質量％以下の範囲のＣｕを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田バンプは前記電極パッド上に第１のバリアメタル層を介して形成されていると共に、前記予備半田層は前記接続パッド上に第２のバリアメタル層を介して形成されており、
前記第１のバリアメタル層及び前記第２のバリアメタル層の少なくとも一方はＮｉ膜を有し、
かつ、前記半田接続部は０．２質量％以上１質量％未満の範囲のＡｇ及び０．３質量％以上１質量％以下の範囲のＣｕを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
配線基板の接続パッド上にＳｎ合金からなる予備半田層を形成する工程と、
半導体チップの電極パッド上にＳｎ合金からなる半田バンプを形成する工程と、
前記予備半田層と前記半田バンプとを位置合せしつつ接触させる工程と、
前記予備半田層及び前記半田バンプの融点以上の温度に加熱して溶融させ、Ａｇ及びＣｕを含むＳｎ合金からなる半田接続部を形成して、前記配線基板の前記接続パッドと前記半導体チップの前記電極パッドとを接続する工程とを具備し、
前記予備半田層と前記半田バンプのうち、前記予備半田層のみがＡｇを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記予備半田層はＳｎ−Ａｇ合金又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなり、前記半田バンプはＳｎ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田バンプを、ＳｎめっきとＣｕめっきの積層めっき又はＳｎ−Ｃｕ合金ボールの搭載により形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田接続部は、０．２質量％以上１．５質量％以下の範囲のＡｇ及び０．３質量％以上１質量％以下の範囲のＣｕを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田バンプは前記電極パッド上に第１のバリアメタル層を介して形成されていると共に、前記予備半田層は前記接続パッド上に第２のバリアメタル層を介して形成されており、
前記第１のバリアメタル層及び前記第２のバリアメタル層の少なくとも一方はＮｉ膜を有し、
かつ、前記半田接続部は０．２質量％以上１質量％未満の範囲のＡｇ及び０．３質量％以上１質量％以下の範囲のＣｕを含むＳｎ合金からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−２２２９８６（Ｐ２０１１−２２２９８６Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４３４３（Ｐ２０１１−６４３４３）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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