半導体装置
【課題】 半導体素子の電極がはんだバンプを介して接続パッドに電気的に接続されているとともに、エレクトロマイグレーションが効果的に抑制された半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板１の電極３の外周の一部に電子回路２が直接に接続されてなる半導体素子と、半導体素子の電極３と対向して配置された接続パッド５を備える配線基板４と、電極３と接続パッド５との間に介在して、電極３および接続パッド５に接合されたはんだバンプ６とを備え、電極３とはんだバンプ６との界面に沿って、電極３の外周の電子回路２が接続されている一部に接した部分において他の部分よりも厚いニッケル層７が介在している半導体装置である。ニッケル層７の厚みの差に応じた電気抵抗差によって、半田バンプ６に流れる電流の電流密度を均一化し、電流の集中によるマイグレーションを抑制できる。
【解決手段】 半導体基板１の電極３の外周の一部に電子回路２が直接に接続されてなる半導体素子と、半導体素子の電極３と対向して配置された接続パッド５を備える配線基板４と、電極３と接続パッド５との間に介在して、電極３および接続パッド５に接合されたはんだバンプ６とを備え、電極３とはんだバンプ６との界面に沿って、電極３の外周の電子回路２が接続されている一部に接した部分において他の部分よりも厚いニッケル層７が介在している半導体装置である。ニッケル層７の厚みの差に応じた電気抵抗差によって、半田バンプ６に流れる電流の電流密度を均一化し、電流の集中によるマイグレーションを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子がセラミック配線基板等の配線基板上に搭載され、半導体素子の主面の電極と配線基板の主面の接続パッドとがはんだバンプを介して互いに接合されてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路素子（ＩＣ）等の半導体素子は、通常、半導体素子搭載用のセラミック配線基板等の配線基板に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器，センサ機器等を構成する外部の電気回路（マザーボード等）に実装されて使用されている。
【０００３】
半導体素子は、一般に、シリコン等の半導体基板の一主面に電子回路が形成され、この電子回路と電気的に接続された円形状等の電極が一主面に配置された構造である。電子回路は、その一端が電極の外周の一部に直接に接続することによって、電極と電気的に接続されている。
【０００４】
配線基板は、例えばセラミック基板等の絶縁基板の主面に、半導体素子の電極の配置に対応させて接続パッドが形成された構造である。半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとを互いに対向させて、両者の間に介在させたはんだバンプを介して両者を互いに接合させれば、半導体装置が形成される。
【０００５】
半導体装置は、上記電子機器の基板に実装され、半導体素子の電子回路と外部の電気回路との間で各種の電気信号の送受等が行なわれる。電子信号の送受に伴い、半導体素子の電子回路とはんだバンプとの間で電流が通電される。
【０００６】
なお、半導体素子の電極は、例えば銅やアルミニウム，チタン，ニッケル等の金属材料からなり、はんだバンプは、例えばスズ−銀やスズ−銀−銅等のはんだからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−211722号公報
【特許文献２】特開2002−203925号公報
【特許文献３】特開2007−59937号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来の半導体装置においては、電子回路とはんだバンプとの間で送受される信号としての電流（電流密度）が、電極のうち電子回路が直接に接続されている一部において他の部分よりも大きくなる傾向がある。そのため、この一部において、電極を形成している銅やアルミニウム等の金属材料がはんだバンプ中に拡散移動するエレクトロマイグレーションを生じやすいという問題点があった。このようなエレクトロマイグレーションが生じると、電極の一部に空隙（ボイド）が生じ、電極とはんだバンプとの間で局部的な電気抵抗の増加や断線等の不具合を生じる。
【０００９】
特に、近年、半導体素子の高速化に伴い、電子回路からはんだバンプに流れる電流がさらに大きくなる傾向にあるため、上記電子回路の接続されている一部における電流密度の増加が顕著であり、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなってきている。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、半導体素子の電極がはんだバンプを介して接続パッドに電気的に接続されてなる半導体装置において、電極の、特に電子回路と直接に接続された部分におけるエレクトロマイグレーションが効果的に抑制された、ボイドの発生を抑制することが可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置は、電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記ニッケル層がリンを含有していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置によれば、上記構成を備え、半導体素子の電極とはんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在していることから、ニッケル層によって、電極を形成している金属材料のはんだバンプへの拡散が抑制される。つまり、ニッケル層が、銅やアルミニウム等の金属材料のエレクトロマイグレーション（以下、単にマイグレーションという）に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。
【００１６】
また、このニッケル層は、電極の電子回路が接続されている一部に接した部分（接続部）において他の部分よりも厚く、銅等からなる電極に比べて電気抵抗（抵抗率）が高いことから、接続部（つまり、半導体素子の電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分）において、電極とはんだバンプとの間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極のボイドが効果的に抑制される。すなわち、ニッケル層は、バリア層として機能すると同時に、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を調整して電流密度が電極の一部分において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機能する。
【００１７】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、ニッケル層がリンを含有している場合には、ニッケル層の電気抵抗（抵抗率）がリン成分の作用によって、ニッケルのみの場合に比べて大きくなっている。そのため、ニッケル層の厚みの差によって生じる電気抵抗の差がより大きくなり、ニッケル層の厚みの差によって調整することが可能な上記電流密度の範囲を（ニッケル層の厚みの差をより小さく抑えながら）より大きくすることができる。そのため、この場合には、ニッケル層について、上記電流密度調整用の層としての実用性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが薄い場合には、電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流密度の大きさの減少に合わせて、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。
【００１９】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ電極の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、電極の外周部においてニッケル層が厚いため、ニッケル層の中央部が凹状になる。そのため、電極にはんだバンプを、間にニッケル層を介して接合させる際に、ニッケル層の凹状の部分にはんだバンプの端部分を入り込ませて、はんだバンプ（または、はんだバンプとなるはんだボール等）の電極に対する位置ずれを抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す半導体装置の要部を拡大して示す要部断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図（透視図）である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図（透視図）である。
【図５】図４（ａ）に示す半導体装置の半導体素子部分を下面側から見た分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の半導体装置を添付の図面を参照して説明する。図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。また、図２（ａ）は、図１に示す半導体装置の要部を拡大して示す拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図（透視図）である。図１および図２において、１は半導体基板，２は電子回路，３は電極，４は配線基板，５は接続パッド，６ははんだバンプ，７はニッケル層である。電子回路２および電極３を備える半導体基板１と、接続パッド５を備える配線基板４とがはんだバンプ６を介して電気的および機械的に接続されて半導体装置が基本的に構成されている。図１においては、ニッケル層７を省略している。また、図２（ｂ）においては、配線基板４およびはんだバンプ６を省略し、半導体素子の電極３部分を下面側から透視した状態を示している。
【００２２】
半導体基板１は、シリコンやガリウム砒素リン，ゲルマニウム，ヒ化ガリウム，窒化ガリウム，炭化珪素等の半導体材料からなり、このような半導体材料のウエハが所定の形状および寸法に切断されて作製されている。半導体基板１は、例えば、１辺の長さが約３〜10ｍｍ程度の四角板状のシリコン基板である。
【００２３】
半導体基板１の主面には、アルミニウムや銅，金等の金属材料からなる電子回路２が配置されている。電子回路２は、例えばトランジスタやダイオード等の機能を備える部分も含み、半導体基板１の主面に集積回路として形成している。
【００２４】
この電子回路２は、電極３の外周の一部に直接に接続されていて、電極３を介して外部
の電気回路に電気的に接続される。これらの半導体基板１，電子回路２および電極３によって、半導体集積回路素子（ＩＣ）等の半導体素子（符号なし）が形成されている。電極３は、例えば銅やアルミニウム，銀，パラジウム，ニッケル等の金属材料によって形成されている。これらの金属材料のうち銅およびアルミニウムが、電気抵抗が低いことや経済性等を考慮して電極３を形成する金属材料の主成分として多く用いられる。
【００２５】
なお、電極３の形状および寸法は、電子回路２の配置位置等に応じて適宜設定され、例えば、直径が約100〜300μｍの円形状等に形成されている。
【００２６】
半導体素子は、例えば半導体基板１（実際にはシリコンウエハ等）の主面にシリコンの酸化膜（図示せず）を形成した後、アルミニウム等からなる電子回路２を蒸着法やフォトリソグラフ法等の微細加工技術を適用して形成することによって作製されている。
【００２７】
電極３を介して電子回路２と外部の電気回路との間で信号の送受等が行なわれ、電子回路２において所定の演算や記憶，解析等の各種の処理が実行される。
【００２８】
半導体素子は、上記のように配線基板４と電気的および機械的に接続されて、つまり配線基板４に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器，検査装置等の各種の電子機器に部品として実装される。電子機器が備えるマザーボード等の回路が外部の電気回路に相当する。
【００２９】
配線基板４は、半導体素子を搭載して半導体装置を作製するための、いわゆるＩＣパッケージ等である。配線基板４は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体やガラスセラミック焼結体，ムライト質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料や、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料、セラミック材料やガラス材料等と樹脂材料との複合材料等の絶縁材料によって形成された絶縁基板４ａの主面に接続パッド５が配置されて形成されている。
【００３０】
絶縁基板４ａは、例えば、ガラスセラミック焼結体からなる場合、次のようにして製作することができる。即ち、酸化アルミニウムにガラス，焼結助剤を添加した原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得て、その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工により適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約800〜1000℃の温度で焼成することに
よって製作される。
【００３１】
接続パッド５は、絶縁基板４ａの主面（図１の例では上面）に、半導体素子の主面（図１の例では下面）に配置された電極３と対向するように配置されている。接続パッド５と半導体素子の電極３とがはんだバンプ６を介して互いに接合されていることによって、半導体素子と配線基板４とが電気的および機械的に接続され、半導体装置が形成されている。
【００３２】
接続パッド５は、例えば絶縁基板４ａの下面等の表面や内部に形成された配線導体８を介して外部の電気回路（符号なし）と電気的に接続される。配線導体８は、絶縁基板４ａの内部に形成された貫通導体（ビア導体）を含む。配線導体８と外部の電気回路との電気的な接続は、例えばはんだや導電性接着剤等の導電性接続材９を介して行なわれる。配線導体８は、例えば後述する接続パッド５と同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。
【００３３】
接続パッド５は、タングステンやモリブデン，マンガン，銅，銀，パラジウム，金，白金，チタン等の金属材料により形成されている。これらの金属材料、特に銅および銀は、電気抵抗が低いため、電極パッド２における電気抵抗を低く抑えて、電子部品11を電極パッド２に電気的に接続したときの導通抵抗等の電気特性を高くする上で有利である。
【００３４】
接続パッド５は、例えば平面視で円形状や楕円形状，四角形状等であり、対向して接続される電極３の形状や寸法に応じて適宜、形状および寸法が設定されている。接続パッド５は、例えば電極３が上記のように直径が約100〜300μｍの円形状等の場合であれば、これよりも若干大きな円形状（直径が約200〜400μｍ）等に形成される。
【００３５】
半導体素子の電極３と配線基板４の接続パッド５とを接続しているはんだバンプ６は、例えば図１および図２に示したように上下（電極３側および接続パッド５側）が平らに潰れた球状である。
【００３６】
はんだバンプ６は、スズ−鉛やスズ−銀やスズ−銀−銅，スズ−銀−ビスマス等のはんだ材料によって形成されている。はんだバンプ６は、環境への悪影響を避ける上では、鉛等の有害物質を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだであることが好ましい。
【００３７】
はんだバンプ６を介した電極３と接続パッド５との接続は、例えば以下のようにして行なわれている。すなわち、まずスズ−銀はんだ等のはんだボールを準備して、このはんだボールを電極３上に（電極３が上を向くように半導体素子をセットした状態で）位置決めして載せ、このはんだボールをリフロー等の方法で加熱して電極３に接合し、次に、半導体素子をひっくり返して配線基板４上に、はんだバンプ６が接続パッド５に載るように位置合わせして搭載し、その後、はんだバンプ６を再度加熱して接続パッド５に接合させることによって、はんだバンプ６を介して電極３と接続パッド５とが互いに接続される。そして、以上の工程によって、半導体素子と配線基板４とがはんだバンプ６を介して電気的および機械的に接続されてなる半導体装置が製作されている。
【００３８】
このはんだバンプ６と電極３との間には、これらの接合の界面に沿ってニッケル層７が介在している。また、このニッケル層７は、電極３の外周の電子回路２が接続されている一部に接した部分において他の部分よりも厚い。
【００３９】
半導体素子の電極３とはんだバンプ６との接合界面に沿ってニッケル層７が介在していることから、ニッケル層７によって、電極３を形成している金属材料（特に、主成分である銅やアルミニウム）のはんだバンプ６への拡散が抑制される。つまり、ニッケル層７が、銅やアルミニウム等の金属材料のマイグレーション（前述したように、電子の移動に起因する金属成分の拡散であるエレクトロマイグレーション）に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。
【００４０】
また、このニッケル層７は、銅等からなる電極３に比べて電気抵抗（抵抗率）が高く、電極３の電子回路２が直接に接続されている一部（接続部）に接した部分において他の部分よりも厚いことから、接続部（つまり、半導体素子の電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分）において、電極３とはんだバンプ６との間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極３のボイドが効果的に抑制される。
【００４１】
すなわち、ニッケル層７は、銅等の電極３の成分の拡散を抑制するバリア層として機能すると同時に、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を調整して電流密度が電極３の一部において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機
能する。
【００４２】
また、ニッケルは、銅やアルミニウム，スズ−銀はんだ等のはんだ材料のいずれに対しても密着性が良好である。そのため、ニッケル層７は電極３およびはんだバンプ６の両方に対する密着性が良好で、それぞれの間の機械的な接合強度も高い。したがって、電極３とはんだバンプ６との間にニッケル層７を介在させた構成において、電極３と半田バンプ６との間の電気的および機械的な接続の信頼性を高く確保することができる。
【００４３】
電極３とはんだバンプ６との間にニッケル層７を介在させるには、例えば前述した工程で半導体装置を製作する際に、はんだボールを電極３上に載せる前に、電極３の表面にニッケル層７を無電解めっき法等の方法で被着させておき、その後、はんだボールを電極３（実際にはニッケル層７）の表面に上記と同様の方法で接合させるようにすればよい。
【００４４】
ニッケル層７は、例えばニッケルや、ニッケルを主成分とし、これに他の金属等の成分を含む材料によって形成されている。他の金属等の成分は、例えば上記のように無電解めっき法等の方法でニッケル層７を電極３に被着させる際に共析する成分である。ニッケル層７の形成には、電極３の材料である銅等の表面に形成するとき、銅との密着性や形成コスト，耐薬品性，実装性の観点を重視した場合には、無電解ニッケル−リンめっきが用いられる。
【００４５】
ニッケル層７を無電解めっき法（無電解ニッケル−リン）で形成する場合、半導体基板１の電極３を、硫酸ニッケル等のニッケル塩と次亜リン酸ナトリウム等の還元剤とを主成分とし、錯化剤や安定剤等が添加されてなる無電解ニッケルめっき液中に所定時間浸漬することによって形成することができる。この場合、形成されたニッケル層７は、還元剤の分解生成物であるリンを５〜10質量％程度含んでいる。
【００４６】
なお、これらの金属の電気抵抗（μΩ・cｍ）は、ニッケルが約6.9，銅が約1.694，ア
ルミニウムが約2.67であり、ニッケルの電気抵抗が銅およびアルミニウムよりも高いため、上記のように電気抵抗を大きくすることができる。また、無電解めっき法でニッケル層７を形成した場合、ニッケル層７としてのニッケルめっき皮膜はリンを含むニッケル―リン合金になる。このニッケル−リン合金の電気抵抗はリン濃度が約８質量％程度で50〜60μΩ・cｍとなり、はんだ材料のスズの約12.6μΩ・cｍと比べても高いため、ニッケル層７の一部厚い部分の抵抗値をより大きくすることができる。
【００４７】
すなわち、ニッケル層７は、電極３とはんだバンプ６との間の電流密度調整用の層としての機能をより有効とすることを考慮した場合には、リンを含有していることが好ましい。リンを含有するニッケル層７は、例えば上記のように無電解ニッケル−リンめっきでニッケル層７となるニッケルめっき層を電極３に被着させることによって形成することができる。
【００４８】
ニッケル層７におけるリンの含有率は、ニッケル層７の電気抵抗を高くする上では多いほど好ましい。しかし、リンの含有率が多くなり過ぎると半田実装時に実装信頼性（はんだバンプ６とニッケル層７との接続信頼性）が低下する等の不具合が誘発される可能性がある。したがって、ニッケル層７におけるリンの含有率は、５〜10質量％の範囲が好ましい。
【００４９】
ニッケル層７について、リンの含有率を上記の範囲に調整するには、例えば上記の無電解ニッケル−リンめっき液を用い、特にｐＨを制御することが重要である。ｐＨが高くなるとリンの含有率が低下するため、酸性タイプのニッケルめっき液では4.4〜4.8程度、中性タイプでは6.0〜6.8程度に制御すればよい。
【００５０】
なお、ニッケル層７にリンを含有させる場合、ニッケル層７におけるリンの分布は、ほぼ均一であることが好ましい。
【００５１】
また、ニッケル層７における電気抵抗（抵抗率）を大きくするためにニッケル層７に添加する材料としては、リンに加えてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂を添加する方法等が挙げられる。これらのリンと樹脂とをニッケル層７に添加する方法では、例えば樹脂等を粒子の状態でめっき液中に添加・分散させてめっきを行なうことで、ニッケル層７中に添加させることができる。
【００５２】
ニッケル層７の厚みは、電極３の接続部に接した部分において他の部分よりも厚くする必要があるが、それぞれの部位における具体的な厚みは、電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流の大きさや半導体装置が使用される環境の温度，ニッケル層７自体の電気抵抗（抵抗率），電極３を形成している金属材料の組成等の、マイグレーションに影響を与える各種の条件、および生産性や経済性等に応じて適宜設定すればよい。
【００５３】
例えば、電子回路２から電極３を経て流れる電流密度は電極３一つ当たり８ｋＡ/ｃｍ
２であり、電極３が銅からなり、ニッケル層７がリンを約５質量％程度含むものである場合であれば、ニッケル層７の厚みは、電極３の接続部に接した部分において約８〜15μｍとし、他の部分において約２〜８μｍとすればよい。
【００５４】
この場合には、ニッケル層７に上記のように厚みが厚い部分を設けたことによって、言い換えれば、電流の流れやすさに応じて、抵抗が高い部分を電極３とはんだバンプ６との間に設けたことによって、電極３の全域において、電極３からはんだバンプ６に流れる電流の電流密度をほぼ同じ程度に揃えることができる。
【００５５】
簡便な方法としては、ニッケル層７の上記他の部分の厚みを約４μｍとし、その約２〜４倍の厚みを、電極３の接続部に接した部分の厚みとして設定する方法が挙げられる。
【００５６】
ニッケル層７について、上記のように厚みが他の部分よりも厚い部分を形成するには、例えば、マスキングによる方法を用いることができる。
【００５７】
すなわち、まず電極３の表面の全面に比較的薄く（例えば上記のように他の部分における厚み４μｍ程度に）無電解めっき法等の方法で被着させる（第１層）。その後、この第１層の表面を、電極３の接続部に接した部分（つまりニッケル層７を厚くした部分）を除いてマスキング材で被覆する。マスキング材としては、例えばレジスト加工に用いるノボラック樹脂等を用いることができ、フォトリソグラフィ法の方法で所定パターンに被着させることができる。その後、このマスキング材で被覆されずに露出した第１層の表面にニッケルめっきを追加して行ない、所定の厚みとした後にマスキング材を除去すれば、電極３の接続部に接した部分において他の部分よりも厚いニッケル層７を形成することができる。
【００５８】
なお、ニッケル層７の厚みを厚くする部分は、電極３の接続部に接した部分を必ず含み、この部分から、例えば電流密度の大きさや、上記のようにマスキングによってニッケル層７の厚みに差をつける際の作業性等に応じて、適宜設定すればよい。図２に示した例では、平面視で、接続部を含む電極３の外周に沿った、一定の幅の円弧状の部分においてニッケル層７を他の部分よりも厚くしている。
【００５９】
また、この半導体装置は、例えば図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが漸次薄
くなる場合には、電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流密度の減少に合わせて、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を漸次大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極３の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。なお、図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。図３において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。
【００６０】
言い換えれば、この場合には、電極３の接続部で最も大きく、この接続部から離れるほど漸次低下する傾向がある電流に合わせて、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を漸次増加させることによって、電流密度を電極３の全域においてより確実に同じ程度に揃えることができる。これによって、過大な電流密度に起因するマイグレーションによる電極３の空隙を抑制することができる。
【００６１】
このような効果は、ニッケル層７がリンを含有している場合も同様である。ニッケル層７がリンを含有している場合には、ニッケル層７の厚みの変化に応じた電気抵抗の変化の割合がより大きくなる。また、同じ程度の電気抵抗を得る上で必要なニッケル層７の厚み自体をより小さく抑えることができる。
【００６２】
なお、図３（ａ）は、ニッケル層７の厚みを、電極３の接続部に接した部分から他の部分にかけて、しだいに薄くなるようにした例である。この例の場合には、電流の増加および減少の傾向に合わせて、ニッケル層７における電気抵抗をより精度よく調整することができる。そのため、より精度の高い電流密度の調整を行なう上で有利である。
【００６３】
また、図３（ｂ）は、ニッケル層７の厚みを、階段状に変化させた例である。この場合には、それぞれの厚みに応じてマスキングを併用する方法等でニッケル層７を、無電解めっき法等の方法で形成することができる。そのため、この場合には、上記のようにニッケル層７の厚みを電極３の接続部から他の部分にかけて漸次変化させる際の作業性を高くする上で有利である。
【００６４】
また、この半導体装置は、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示すような形態でも構わない。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図（透視図）である。図４において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。図４（ａ）および（ｂ）に示す例において得られる効果は、ニッケル層７がリンを含有している場合も同様に得ることができる。
【００６５】
半導体装置は、例えば図４（ａ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の接続部に接した部分で最も厚く、かつ電極３の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、この場合には、電極３の外周部においてニッケル層７が厚いため、ニッケル層７の中央部が凹状になる。そのため、電極３にはんだバンプ６を、間にニッケル層７を介して接合させる際に、ニッケル層７の凹状の部分にはんだバンプ６の端部分を入り込ませて、はんだバンプ６の電極３に対する位置ずれを抑制することもできる。
【００６６】
すなわち、図７に示すように、はんだバンプ６は、前述したはんだバンプ６となるスズ−銀はんだ等のはんだボール６ａが電極３（ニッケル層７）上に位置決めして載せられて、加熱されたものである。これに対して、図７（ａ）に示した例のような場合には、はんだボール６ａの下側の一部をニッケル層７の中央の凹状の部分にはめて、転がらないように仮固定することができる。そのため、半導体装置としての生産性等を向上させる上で有利である。
【００６７】
また、半導体装置７は、例えば図４（ｂ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の接続部に接した部分を中心とした扇形の範囲において他の部分よりも厚い場合には、この中心で最も高くなる傾向があり、この中心から等距離において同じ程度の値にまで減少する傾向がある電流に合わせて、漸次ニッケル層７の電気抵抗を高くすることができる。そのため、この場合には、電流密度を電極３の一部において他の部分よりも大きくなることをより効果的に抑制する上で適した半導体装置とすることができる。
【実施例】
【００６８】
下記の半導体素子および配線基板を準備し、半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとをスズ−銀はんだからなるはんだバンプを介して互いに電気的および機械的に接続して、実施例の半導体装置および比較例の半導体装置を作製した。実施例の半導体装置は、はんだバンプと電極との間に下記のニッケル層を介在させ、比較例の半導体装置ではニッケル層を介在させなかった（電極とはんだバンプとを直接に接続させた。）。
【００６９】
半導体素子：半導体基板として、辺の長さが５×５ｍｍの正方形板状のシリコン基板を用い、この半導体基板の主面にシリコンの酸化膜を介してアルミニウムからなる電子回路と銅からなる電極を配置したものを用いた。電極の個数は64個であり、半導体基板の主面に縦横の並びに配列させた。電極は、直径が約100μｍの円形状であり、電極に流れる電
流は８ｋＡ/ｃｍ２であった。
【００７０】
配線基板：ガラスセラミック焼結体を用いて作製した、辺の長さが約10×10×１ｍｍの正方形板状の絶縁基板の主面（上面）に、タングステン（銅）のメタライズ層によって、直径が約150μｍの円形状の接続パッドを形成した。接続パッドの個数は半導体素子の電
極の個数と同じ64個であり、各接続パッドは、半導体素子の電極に対応する位置に形成した。
【００７１】
はんだバンプ：スズ−銀−銅（Ｓｎ−３Ａｇ−0.5Ｃｕ）はんだを用いた。はんだバン
プの形成は、上記組成のはんだボールを半導体素子の電極上に載せて、約260℃で加熱し
て溶融接合させて行なった。
【００７２】
ニッケル層：実施例の半導体装置において、はんだバンプを電極に接合する前に、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とし、ｐＨを4.6に調整した無電解ニッケルめっき液を用いて
、電極の表面にニッケル層を形成した。ニッケル層のリン含有率は約５質量％であった。ニッケル層の厚さは、電極の接続部に接した部分（厚い部分）で約16μｍとし、他の部分において約４μｍとした。また、ニッケル層の厚みの差は、マスキング材を用いた方法で行なった。すなわち、まず電極の全面に厚さ４μｍでニッケル層を被着させた後、ノボラック樹脂を用いてフォトリソグラフィ法により電極の接続部に接した部分以外をマスクし、厚い部分の厚みが16μｍになるように、追加してニッケルめっきを行なった。なお、この実施例においてニッケル層を厚くした、電極の接続部に接した部分の範囲は、この接続部を中心とした半径が約50μｍの扇形状の範囲とした。
【００７３】
以上の実施例および比較例、それぞれの半導体装置について、プリント回路基板に実装した後、半導体素子とプリント回路基板の回路（外部の電気回路）との間で上記電流の通電を500時間行なった後、電極における通電前後の抵抗値の上昇率を算出し、上昇率20％
以上で故障と判定した。
【００７４】
以上の結果、本発明の実施例の半導体装置では故障発生が見られなかったのに対し、比較例の半導体装置では20％の電極において故障が発生していた。これにより、本発明の半導体装置における、電極での空隙の発生を抑制する効果を確認することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・半導体基板
２・・・電子回路
３・・・電極
４・・・配線基板
４ａ・・絶縁基板
５・・・接続パッド
６・・・はんだバンプ
６ａ・・はんだボール
７・・・ニッケル層
８・・・配線導体
９・・・導電性接続材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子がセラミック配線基板等の配線基板上に搭載され、半導体素子の主面の電極と配線基板の主面の接続パッドとがはんだバンプを介して互いに接合されてなる半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路素子（ＩＣ）等の半導体素子は、通常、半導体素子搭載用のセラミック配線基板等の配線基板に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器，センサ機器等を構成する外部の電気回路（マザーボード等）に実装されて使用されている。
【０００３】
半導体素子は、一般に、シリコン等の半導体基板の一主面に電子回路が形成され、この電子回路と電気的に接続された円形状等の電極が一主面に配置された構造である。電子回路は、その一端が電極の外周の一部に直接に接続することによって、電極と電気的に接続されている。
【０００４】
配線基板は、例えばセラミック基板等の絶縁基板の主面に、半導体素子の電極の配置に対応させて接続パッドが形成された構造である。半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとを互いに対向させて、両者の間に介在させたはんだバンプを介して両者を互いに接合させれば、半導体装置が形成される。
【０００５】
半導体装置は、上記電子機器の基板に実装され、半導体素子の電子回路と外部の電気回路との間で各種の電気信号の送受等が行なわれる。電子信号の送受に伴い、半導体素子の電子回路とはんだバンプとの間で電流が通電される。
【０００６】
なお、半導体素子の電極は、例えば銅やアルミニウム，チタン，ニッケル等の金属材料からなり、はんだバンプは、例えばスズ−銀やスズ−銀−銅等のはんだからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−211722号公報
【特許文献２】特開2002−203925号公報
【特許文献３】特開2007−59937号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような従来の半導体装置においては、電子回路とはんだバンプとの間で送受される信号としての電流（電流密度）が、電極のうち電子回路が直接に接続されている一部において他の部分よりも大きくなる傾向がある。そのため、この一部において、電極を形成している銅やアルミニウム等の金属材料がはんだバンプ中に拡散移動するエレクトロマイグレーションを生じやすいという問題点があった。このようなエレクトロマイグレーションが生じると、電極の一部に空隙（ボイド）が生じ、電極とはんだバンプとの間で局部的な電気抵抗の増加や断線等の不具合を生じる。
【０００９】
特に、近年、半導体素子の高速化に伴い、電子回路からはんだバンプに流れる電流がさらに大きくなる傾向にあるため、上記電子回路の接続されている一部における電流密度の増加が顕著であり、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなってきている。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、半導体素子の電極がはんだバンプを介して接続パッドに電気的に接続されてなる半導体装置において、電極の、特に電子回路と直接に接続された部分におけるエレクトロマイグレーションが効果的に抑制された、ボイドの発生を抑制することが可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置は、電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記ニッケル層がリンを含有していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置によれば、上記構成を備え、半導体素子の電極とはんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在していることから、ニッケル層によって、電極を形成している金属材料のはんだバンプへの拡散が抑制される。つまり、ニッケル層が、銅やアルミニウム等の金属材料のエレクトロマイグレーション（以下、単にマイグレーションという）に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。
【００１６】
また、このニッケル層は、電極の電子回路が接続されている一部に接した部分（接続部）において他の部分よりも厚く、銅等からなる電極に比べて電気抵抗（抵抗率）が高いことから、接続部（つまり、半導体素子の電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分）において、電極とはんだバンプとの間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極のボイドが効果的に抑制される。すなわち、ニッケル層は、バリア層として機能すると同時に、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を調整して電流密度が電極の一部分において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機能する。
【００１７】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、ニッケル層がリンを含有している場合には、ニッケル層の電気抵抗（抵抗率）がリン成分の作用によって、ニッケルのみの場合に比べて大きくなっている。そのため、ニッケル層の厚みの差によって生じる電気抵抗の差がより大きくなり、ニッケル層の厚みの差によって調整することが可能な上記電流密度の範囲を（ニッケル層の厚みの差をより小さく抑えながら）より大きくすることができる。そのため、この場合には、ニッケル層について、上記電流密度調整用の層としての実用性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが薄い場合には、電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流密度の大きさの減少に合わせて、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。
【００１９】
また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ電極の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、電極の外周部においてニッケル層が厚いため、ニッケル層の中央部が凹状になる。そのため、電極にはんだバンプを、間にニッケル層を介して接合させる際に、ニッケル層の凹状の部分にはんだバンプの端部分を入り込ませて、はんだバンプ（または、はんだバンプとなるはんだボール等）の電極に対する位置ずれを抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す半導体装置の要部を拡大して示す要部断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図（透視図）である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図（透視図）である。
【図５】図４（ａ）に示す半導体装置の半導体素子部分を下面側から見た分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の半導体装置を添付の図面を参照して説明する。図１は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。また、図２（ａ）は、図１に示す半導体装置の要部を拡大して示す拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図（透視図）である。図１および図２において、１は半導体基板，２は電子回路，３は電極，４は配線基板，５は接続パッド，６ははんだバンプ，７はニッケル層である。電子回路２および電極３を備える半導体基板１と、接続パッド５を備える配線基板４とがはんだバンプ６を介して電気的および機械的に接続されて半導体装置が基本的に構成されている。図１においては、ニッケル層７を省略している。また、図２（ｂ）においては、配線基板４およびはんだバンプ６を省略し、半導体素子の電極３部分を下面側から透視した状態を示している。
【００２２】
半導体基板１は、シリコンやガリウム砒素リン，ゲルマニウム，ヒ化ガリウム，窒化ガリウム，炭化珪素等の半導体材料からなり、このような半導体材料のウエハが所定の形状および寸法に切断されて作製されている。半導体基板１は、例えば、１辺の長さが約３〜10ｍｍ程度の四角板状のシリコン基板である。
【００２３】
半導体基板１の主面には、アルミニウムや銅，金等の金属材料からなる電子回路２が配置されている。電子回路２は、例えばトランジスタやダイオード等の機能を備える部分も含み、半導体基板１の主面に集積回路として形成している。
【００２４】
この電子回路２は、電極３の外周の一部に直接に接続されていて、電極３を介して外部
の電気回路に電気的に接続される。これらの半導体基板１，電子回路２および電極３によって、半導体集積回路素子（ＩＣ）等の半導体素子（符号なし）が形成されている。電極３は、例えば銅やアルミニウム，銀，パラジウム，ニッケル等の金属材料によって形成されている。これらの金属材料のうち銅およびアルミニウムが、電気抵抗が低いことや経済性等を考慮して電極３を形成する金属材料の主成分として多く用いられる。
【００２５】
なお、電極３の形状および寸法は、電子回路２の配置位置等に応じて適宜設定され、例えば、直径が約100〜300μｍの円形状等に形成されている。
【００２６】
半導体素子は、例えば半導体基板１（実際にはシリコンウエハ等）の主面にシリコンの酸化膜（図示せず）を形成した後、アルミニウム等からなる電子回路２を蒸着法やフォトリソグラフ法等の微細加工技術を適用して形成することによって作製されている。
【００２７】
電極３を介して電子回路２と外部の電気回路との間で信号の送受等が行なわれ、電子回路２において所定の演算や記憶，解析等の各種の処理が実行される。
【００２８】
半導体素子は、上記のように配線基板４と電気的および機械的に接続されて、つまり配線基板４に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器，検査装置等の各種の電子機器に部品として実装される。電子機器が備えるマザーボード等の回路が外部の電気回路に相当する。
【００２９】
配線基板４は、半導体素子を搭載して半導体装置を作製するための、いわゆるＩＣパッケージ等である。配線基板４は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体やガラスセラミック焼結体，ムライト質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料や、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料、セラミック材料やガラス材料等と樹脂材料との複合材料等の絶縁材料によって形成された絶縁基板４ａの主面に接続パッド５が配置されて形成されている。
【００３０】
絶縁基板４ａは、例えば、ガラスセラミック焼結体からなる場合、次のようにして製作することができる。即ち、酸化アルミニウムにガラス，焼結助剤を添加した原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得て、その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工により適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約800〜1000℃の温度で焼成することに
よって製作される。
【００３１】
接続パッド５は、絶縁基板４ａの主面（図１の例では上面）に、半導体素子の主面（図１の例では下面）に配置された電極３と対向するように配置されている。接続パッド５と半導体素子の電極３とがはんだバンプ６を介して互いに接合されていることによって、半導体素子と配線基板４とが電気的および機械的に接続され、半導体装置が形成されている。
【００３２】
接続パッド５は、例えば絶縁基板４ａの下面等の表面や内部に形成された配線導体８を介して外部の電気回路（符号なし）と電気的に接続される。配線導体８は、絶縁基板４ａの内部に形成された貫通導体（ビア導体）を含む。配線導体８と外部の電気回路との電気的な接続は、例えばはんだや導電性接着剤等の導電性接続材９を介して行なわれる。配線導体８は、例えば後述する接続パッド５と同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。
【００３３】
接続パッド５は、タングステンやモリブデン，マンガン，銅，銀，パラジウム，金，白金，チタン等の金属材料により形成されている。これらの金属材料、特に銅および銀は、電気抵抗が低いため、電極パッド２における電気抵抗を低く抑えて、電子部品11を電極パッド２に電気的に接続したときの導通抵抗等の電気特性を高くする上で有利である。
【００３４】
接続パッド５は、例えば平面視で円形状や楕円形状，四角形状等であり、対向して接続される電極３の形状や寸法に応じて適宜、形状および寸法が設定されている。接続パッド５は、例えば電極３が上記のように直径が約100〜300μｍの円形状等の場合であれば、これよりも若干大きな円形状（直径が約200〜400μｍ）等に形成される。
【００３５】
半導体素子の電極３と配線基板４の接続パッド５とを接続しているはんだバンプ６は、例えば図１および図２に示したように上下（電極３側および接続パッド５側）が平らに潰れた球状である。
【００３６】
はんだバンプ６は、スズ−鉛やスズ−銀やスズ−銀−銅，スズ−銀−ビスマス等のはんだ材料によって形成されている。はんだバンプ６は、環境への悪影響を避ける上では、鉛等の有害物質を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだであることが好ましい。
【００３７】
はんだバンプ６を介した電極３と接続パッド５との接続は、例えば以下のようにして行なわれている。すなわち、まずスズ−銀はんだ等のはんだボールを準備して、このはんだボールを電極３上に（電極３が上を向くように半導体素子をセットした状態で）位置決めして載せ、このはんだボールをリフロー等の方法で加熱して電極３に接合し、次に、半導体素子をひっくり返して配線基板４上に、はんだバンプ６が接続パッド５に載るように位置合わせして搭載し、その後、はんだバンプ６を再度加熱して接続パッド５に接合させることによって、はんだバンプ６を介して電極３と接続パッド５とが互いに接続される。そして、以上の工程によって、半導体素子と配線基板４とがはんだバンプ６を介して電気的および機械的に接続されてなる半導体装置が製作されている。
【００３８】
このはんだバンプ６と電極３との間には、これらの接合の界面に沿ってニッケル層７が介在している。また、このニッケル層７は、電極３の外周の電子回路２が接続されている一部に接した部分において他の部分よりも厚い。
【００３９】
半導体素子の電極３とはんだバンプ６との接合界面に沿ってニッケル層７が介在していることから、ニッケル層７によって、電極３を形成している金属材料（特に、主成分である銅やアルミニウム）のはんだバンプ６への拡散が抑制される。つまり、ニッケル層７が、銅やアルミニウム等の金属材料のマイグレーション（前述したように、電子の移動に起因する金属成分の拡散であるエレクトロマイグレーション）に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。
【００４０】
また、このニッケル層７は、銅等からなる電極３に比べて電気抵抗（抵抗率）が高く、電極３の電子回路２が直接に接続されている一部（接続部）に接した部分において他の部分よりも厚いことから、接続部（つまり、半導体素子の電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分）において、電極３とはんだバンプ６との間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極３のボイドが効果的に抑制される。
【００４１】
すなわち、ニッケル層７は、銅等の電極３の成分の拡散を抑制するバリア層として機能すると同時に、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を調整して電流密度が電極３の一部において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機
能する。
【００４２】
また、ニッケルは、銅やアルミニウム，スズ−銀はんだ等のはんだ材料のいずれに対しても密着性が良好である。そのため、ニッケル層７は電極３およびはんだバンプ６の両方に対する密着性が良好で、それぞれの間の機械的な接合強度も高い。したがって、電極３とはんだバンプ６との間にニッケル層７を介在させた構成において、電極３と半田バンプ６との間の電気的および機械的な接続の信頼性を高く確保することができる。
【００４３】
電極３とはんだバンプ６との間にニッケル層７を介在させるには、例えば前述した工程で半導体装置を製作する際に、はんだボールを電極３上に載せる前に、電極３の表面にニッケル層７を無電解めっき法等の方法で被着させておき、その後、はんだボールを電極３（実際にはニッケル層７）の表面に上記と同様の方法で接合させるようにすればよい。
【００４４】
ニッケル層７は、例えばニッケルや、ニッケルを主成分とし、これに他の金属等の成分を含む材料によって形成されている。他の金属等の成分は、例えば上記のように無電解めっき法等の方法でニッケル層７を電極３に被着させる際に共析する成分である。ニッケル層７の形成には、電極３の材料である銅等の表面に形成するとき、銅との密着性や形成コスト，耐薬品性，実装性の観点を重視した場合には、無電解ニッケル−リンめっきが用いられる。
【００４５】
ニッケル層７を無電解めっき法（無電解ニッケル−リン）で形成する場合、半導体基板１の電極３を、硫酸ニッケル等のニッケル塩と次亜リン酸ナトリウム等の還元剤とを主成分とし、錯化剤や安定剤等が添加されてなる無電解ニッケルめっき液中に所定時間浸漬することによって形成することができる。この場合、形成されたニッケル層７は、還元剤の分解生成物であるリンを５〜10質量％程度含んでいる。
【００４６】
なお、これらの金属の電気抵抗（μΩ・cｍ）は、ニッケルが約6.9，銅が約1.694，ア
ルミニウムが約2.67であり、ニッケルの電気抵抗が銅およびアルミニウムよりも高いため、上記のように電気抵抗を大きくすることができる。また、無電解めっき法でニッケル層７を形成した場合、ニッケル層７としてのニッケルめっき皮膜はリンを含むニッケル―リン合金になる。このニッケル−リン合金の電気抵抗はリン濃度が約８質量％程度で50〜60μΩ・cｍとなり、はんだ材料のスズの約12.6μΩ・cｍと比べても高いため、ニッケル層７の一部厚い部分の抵抗値をより大きくすることができる。
【００４７】
すなわち、ニッケル層７は、電極３とはんだバンプ６との間の電流密度調整用の層としての機能をより有効とすることを考慮した場合には、リンを含有していることが好ましい。リンを含有するニッケル層７は、例えば上記のように無電解ニッケル−リンめっきでニッケル層７となるニッケルめっき層を電極３に被着させることによって形成することができる。
【００４８】
ニッケル層７におけるリンの含有率は、ニッケル層７の電気抵抗を高くする上では多いほど好ましい。しかし、リンの含有率が多くなり過ぎると半田実装時に実装信頼性（はんだバンプ６とニッケル層７との接続信頼性）が低下する等の不具合が誘発される可能性がある。したがって、ニッケル層７におけるリンの含有率は、５〜10質量％の範囲が好ましい。
【００４９】
ニッケル層７について、リンの含有率を上記の範囲に調整するには、例えば上記の無電解ニッケル−リンめっき液を用い、特にｐＨを制御することが重要である。ｐＨが高くなるとリンの含有率が低下するため、酸性タイプのニッケルめっき液では4.4〜4.8程度、中性タイプでは6.0〜6.8程度に制御すればよい。
【００５０】
なお、ニッケル層７にリンを含有させる場合、ニッケル層７におけるリンの分布は、ほぼ均一であることが好ましい。
【００５１】
また、ニッケル層７における電気抵抗（抵抗率）を大きくするためにニッケル層７に添加する材料としては、リンに加えてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂を添加する方法等が挙げられる。これらのリンと樹脂とをニッケル層７に添加する方法では、例えば樹脂等を粒子の状態でめっき液中に添加・分散させてめっきを行なうことで、ニッケル層７中に添加させることができる。
【００５２】
ニッケル層７の厚みは、電極３の接続部に接した部分において他の部分よりも厚くする必要があるが、それぞれの部位における具体的な厚みは、電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流の大きさや半導体装置が使用される環境の温度，ニッケル層７自体の電気抵抗（抵抗率），電極３を形成している金属材料の組成等の、マイグレーションに影響を与える各種の条件、および生産性や経済性等に応じて適宜設定すればよい。
【００５３】
例えば、電子回路２から電極３を経て流れる電流密度は電極３一つ当たり８ｋＡ/ｃｍ
２であり、電極３が銅からなり、ニッケル層７がリンを約５質量％程度含むものである場合であれば、ニッケル層７の厚みは、電極３の接続部に接した部分において約８〜15μｍとし、他の部分において約２〜８μｍとすればよい。
【００５４】
この場合には、ニッケル層７に上記のように厚みが厚い部分を設けたことによって、言い換えれば、電流の流れやすさに応じて、抵抗が高い部分を電極３とはんだバンプ６との間に設けたことによって、電極３の全域において、電極３からはんだバンプ６に流れる電流の電流密度をほぼ同じ程度に揃えることができる。
【００５５】
簡便な方法としては、ニッケル層７の上記他の部分の厚みを約４μｍとし、その約２〜４倍の厚みを、電極３の接続部に接した部分の厚みとして設定する方法が挙げられる。
【００５６】
ニッケル層７について、上記のように厚みが他の部分よりも厚い部分を形成するには、例えば、マスキングによる方法を用いることができる。
【００５７】
すなわち、まず電極３の表面の全面に比較的薄く（例えば上記のように他の部分における厚み４μｍ程度に）無電解めっき法等の方法で被着させる（第１層）。その後、この第１層の表面を、電極３の接続部に接した部分（つまりニッケル層７を厚くした部分）を除いてマスキング材で被覆する。マスキング材としては、例えばレジスト加工に用いるノボラック樹脂等を用いることができ、フォトリソグラフィ法の方法で所定パターンに被着させることができる。その後、このマスキング材で被覆されずに露出した第１層の表面にニッケルめっきを追加して行ない、所定の厚みとした後にマスキング材を除去すれば、電極３の接続部に接した部分において他の部分よりも厚いニッケル層７を形成することができる。
【００５８】
なお、ニッケル層７の厚みを厚くする部分は、電極３の接続部に接した部分を必ず含み、この部分から、例えば電流密度の大きさや、上記のようにマスキングによってニッケル層７の厚みに差をつける際の作業性等に応じて、適宜設定すればよい。図２に示した例では、平面視で、接続部を含む電極３の外周に沿った、一定の幅の円弧状の部分においてニッケル層７を他の部分よりも厚くしている。
【００５９】
また、この半導体装置は、例えば図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが漸次薄
くなる場合には、電子回路２から電極３を経てはんだバンプ６に流れる電流密度の減少に合わせて、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を漸次大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極３の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。なお、図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。図３において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。
【００６０】
言い換えれば、この場合には、電極３の接続部で最も大きく、この接続部から離れるほど漸次低下する傾向がある電流に合わせて、電極３とはんだバンプ６との間の電気抵抗を漸次増加させることによって、電流密度を電極３の全域においてより確実に同じ程度に揃えることができる。これによって、過大な電流密度に起因するマイグレーションによる電極３の空隙を抑制することができる。
【００６１】
このような効果は、ニッケル層７がリンを含有している場合も同様である。ニッケル層７がリンを含有している場合には、ニッケル層７の厚みの変化に応じた電気抵抗の変化の割合がより大きくなる。また、同じ程度の電気抵抗を得る上で必要なニッケル層７の厚み自体をより小さく抑えることができる。
【００６２】
なお、図３（ａ）は、ニッケル層７の厚みを、電極３の接続部に接した部分から他の部分にかけて、しだいに薄くなるようにした例である。この例の場合には、電流の増加および減少の傾向に合わせて、ニッケル層７における電気抵抗をより精度よく調整することができる。そのため、より精度の高い電流密度の調整を行なう上で有利である。
【００６３】
また、図３（ｂ）は、ニッケル層７の厚みを、階段状に変化させた例である。この場合には、それぞれの厚みに応じてマスキングを併用する方法等でニッケル層７を、無電解めっき法等の方法で形成することができる。そのため、この場合には、上記のようにニッケル層７の厚みを電極３の接続部から他の部分にかけて漸次変化させる際の作業性を高くする上で有利である。
【００６４】
また、この半導体装置は、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示すような形態でも構わない。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図（透視図）である。図４において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。図４（ａ）および（ｂ）に示す例において得られる効果は、ニッケル層７がリンを含有している場合も同様に得ることができる。
【００６５】
半導体装置は、例えば図４（ａ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の接続部に接した部分で最も厚く、かつ電極３の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、この場合には、電極３の外周部においてニッケル層７が厚いため、ニッケル層７の中央部が凹状になる。そのため、電極３にはんだバンプ６を、間にニッケル層７を介して接合させる際に、ニッケル層７の凹状の部分にはんだバンプ６の端部分を入り込ませて、はんだバンプ６の電極３に対する位置ずれを抑制することもできる。
【００６６】
すなわち、図７に示すように、はんだバンプ６は、前述したはんだバンプ６となるスズ−銀はんだ等のはんだボール６ａが電極３（ニッケル層７）上に位置決めして載せられて、加熱されたものである。これに対して、図７（ａ）に示した例のような場合には、はんだボール６ａの下側の一部をニッケル層７の中央の凹状の部分にはめて、転がらないように仮固定することができる。そのため、半導体装置としての生産性等を向上させる上で有利である。
【００６７】
また、半導体装置７は、例えば図４（ｂ）に示すように、ニッケル層７が、電極３の接続部に接した部分を中心とした扇形の範囲において他の部分よりも厚い場合には、この中心で最も高くなる傾向があり、この中心から等距離において同じ程度の値にまで減少する傾向がある電流に合わせて、漸次ニッケル層７の電気抵抗を高くすることができる。そのため、この場合には、電流密度を電極３の一部において他の部分よりも大きくなることをより効果的に抑制する上で適した半導体装置とすることができる。
【実施例】
【００６８】
下記の半導体素子および配線基板を準備し、半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとをスズ−銀はんだからなるはんだバンプを介して互いに電気的および機械的に接続して、実施例の半導体装置および比較例の半導体装置を作製した。実施例の半導体装置は、はんだバンプと電極との間に下記のニッケル層を介在させ、比較例の半導体装置ではニッケル層を介在させなかった（電極とはんだバンプとを直接に接続させた。）。
【００６９】
半導体素子：半導体基板として、辺の長さが５×５ｍｍの正方形板状のシリコン基板を用い、この半導体基板の主面にシリコンの酸化膜を介してアルミニウムからなる電子回路と銅からなる電極を配置したものを用いた。電極の個数は64個であり、半導体基板の主面に縦横の並びに配列させた。電極は、直径が約100μｍの円形状であり、電極に流れる電
流は８ｋＡ/ｃｍ２であった。
【００７０】
配線基板：ガラスセラミック焼結体を用いて作製した、辺の長さが約10×10×１ｍｍの正方形板状の絶縁基板の主面（上面）に、タングステン（銅）のメタライズ層によって、直径が約150μｍの円形状の接続パッドを形成した。接続パッドの個数は半導体素子の電
極の個数と同じ64個であり、各接続パッドは、半導体素子の電極に対応する位置に形成した。
【００７１】
はんだバンプ：スズ−銀−銅（Ｓｎ−３Ａｇ−0.5Ｃｕ）はんだを用いた。はんだバン
プの形成は、上記組成のはんだボールを半導体素子の電極上に載せて、約260℃で加熱し
て溶融接合させて行なった。
【００７２】
ニッケル層：実施例の半導体装置において、はんだバンプを電極に接合する前に、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とし、ｐＨを4.6に調整した無電解ニッケルめっき液を用いて
、電極の表面にニッケル層を形成した。ニッケル層のリン含有率は約５質量％であった。ニッケル層の厚さは、電極の接続部に接した部分（厚い部分）で約16μｍとし、他の部分において約４μｍとした。また、ニッケル層の厚みの差は、マスキング材を用いた方法で行なった。すなわち、まず電極の全面に厚さ４μｍでニッケル層を被着させた後、ノボラック樹脂を用いてフォトリソグラフィ法により電極の接続部に接した部分以外をマスクし、厚い部分の厚みが16μｍになるように、追加してニッケルめっきを行なった。なお、この実施例においてニッケル層を厚くした、電極の接続部に接した部分の範囲は、この接続部を中心とした半径が約50μｍの扇形状の範囲とした。
【００７３】
以上の実施例および比較例、それぞれの半導体装置について、プリント回路基板に実装した後、半導体素子とプリント回路基板の回路（外部の電気回路）との間で上記電流の通電を500時間行なった後、電極における通電前後の抵抗値の上昇率を算出し、上昇率20％
以上で故障と判定した。
【００７４】
以上の結果、本発明の実施例の半導体装置では故障発生が見られなかったのに対し、比較例の半導体装置では20％の電極において故障が発生していた。これにより、本発明の半導体装置における、電極での空隙の発生を抑制する効果を確認することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・半導体基板
２・・・電子回路
３・・・電極
４・・・配線基板
４ａ・・絶縁基板
５・・・接続パッド
６・・・はんだバンプ
６ａ・・はんだボール
７・・・ニッケル層
８・・・配線導体
９・・・導電性接続材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ニッケル層がリンを含有し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３】
前記ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ニッケル層は、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項１】
電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ニッケル層がリンを含有し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３】
前記ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ニッケル層は、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４２４８８（Ｐ２０１２−１４２４８８Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１６（Ｐ２０１１−６１６）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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