JP2002289768A

JP2002289768A - 半導体装置およびその製法

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Publication number: JP2002289768A
Application number: JP2001021113A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Shibata; 和孝柴田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2002-10-04
Also published as: TW518740B; WO2002007219A1; KR20020030116A; US6734556B2; KR100846270B1; US20020149117A1; US7384863B2; EP1229583A4; US20040169286A1; EP1229583A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＯＣタイプの半導体装置において、複数の
半導体チップ同士を接続する際に、高温の印加により半
導体チップの特性を劣化させることなく、半導体チップ
の電極端子同士を接続することができる構造の半導体装
置およびその製法を提供する。【解決手段】表面にバンプ電極１１が形成された第１
の半導体チップ１上に、第２の半導体チップ２のバンプ
電極２１が接合されるＣＯＣタイプで形成されている。
この第１および第２の半導体チップ１、２のバンプ電極
１１、２１は、それぞれＡｕのような融点が比較的高い
第１の金属からなり、そのバンプ電極１１、２１の接合
部はその第１の金属と第２の金属との合金層３により形
成され、第２の金属は、第１の金属の溶融温度より低い
温度で溶融して第１の金属と合金化し得る材料からなっ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の半導体チッ
プを対面させて電気的に接続する、いわゆるチップオン
チップ（chip on chip、以下ＣＯＣという）タイプの半
導体装置およびその製法に関する。さらに詳しくは、対
面させた両半導体チップを接続する際に、半導体チップ
に高い温度を印加したり、超音波による機械的衝撃を与
えたりすることにより、半導体チップにダメージを与え
る、ということなく接合することができる構造の半導体
装置およびその製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえばメモリ素子とその駆動回
路の組合せなどのように、回路の組合せにより半導体装
置が構成される場合、立体化による占有面積の縮小化、
回路の一部の汎用化（たとえばメモリ素子部を汎用化し
て駆動回路部分を用途に応じて変更する）などの目的の
ため、半導体回路を複数個のチップにより製造し、一方
の半導体チップ上に他の半導体チップを接続する構造で
ある、いわゆるＣＯＣタイプの半導体装置が用いられる
ことがある。

【０００３】このような構造の半導体装置は、たとえば
図１７に、２個の半導体チップ１、２の接合工程を説明
する図が示されるように、加熱された基板ステージ５１
上に一方の半導体チップ１を固定し、もう一方の半導体
チップ２をマウントヘッド５２に固定して、マウントヘ
ッド５２を押し付けて両チップのＡｕなどからなるバン
プ電極１１、２１を接触させ、加重すると共に、４５０
℃程度に加熱し、バンプ電極１１、２１を接続すること
により製造されている。なお、バンプ電極１１、２１の
材料は、半導体装置を実装基板などに実装するのに、一
般的にはハンダ付けによりなされるので、前述のように
Ａｕなどのハンダより高融点の金属材料が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のようなＣＯＣタ
イプの半導体装置では、複数の半導体チップを予め接続
するのに、バンプ電極にＡｕなどの高融点金属材料が用
いられているため、４５０℃程度の高温で加圧して行わ
ないと、良好な電気的接続が得られない。バンプ電極の
接着時にこのような高温にすると、半導体基板も４５０
℃以上になるため、半導体基板に形成されている回路素
子（トランジスタなどの半導体装置を構成する素子）が
高温になり、素子特性が変動するという問題がある。さ
らに、このような圧力を加えることなどにより、４５０
℃程度で接合するこができるが、一度接合してしまう
と、Ａｕの融点は高いため、両者を分離しようとすると
破壊してしまい、殆ど分離することはできない。

【０００５】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、ＣＯＣタイプの半導体装置において、半導体装
置の実装温度では影響を受けず、高温の印加により半導
体チップの特性を劣化させることなく、半導体チップの
電極端子同士を接続することができる構造の半導体装置
およびその製法を提供することを目的とする。

【０００６】本発明の他の目的は、バンプ電極が小さく
ても、相手方半導体チップとしっかり接合することがで
きる構造の半導体装置を提供することにある。

【０００７】本発明のさらに他の目的は、接続の一方が
配線である場合に、接続を確実にできる構造の半導体装
置を提供することにある。

【０００８】本発明のさらに他の目的は、親チップと子
チップとの接続を確実に行いながら、子チップを取り外
す際には、半導体チップ内の素子に影響を与えることな
く、簡単に分離し得る半導体装置を提供することにあ
る。

【０００９】本発明のさらに他の目的は、親チップと子
チップとを接合した場合に、接合部のバンプ電極などに
力が集中して、その接合部下の半導体層に形成される素
子などに悪影響を与えないような構造の半導体チップを
提供することにある。

【００１０】本発明のさらに他の目的は、低温で接合し
得ると共に、正確な位置合せをしなくても、簡単に接合
することができる半導体装置の製法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、第１の半導体チップの電極端子と、第２の半導体チ
ップの電極端子とがバンプ電極を介して接合されること
により形成される半導体装置であって、前記バンプ電極
が第１の金属からなり、該バンプ電極を介した第１およ
び第２の半導体チップの接合部は該第１の金属と第２の
金属との合金層により形成され、前記第２の金属は、前
記第１の金属の溶融温度より低い温度で溶融して前記第
１の金属と合金化し得る材料からなっている。

【００１２】ここに第１の金属または第２の金属とは、
それぞれが単独の金属のみならず、合金や、２種以上の
複合体金属の場合も含み、２種以上の金属の積層体から
なる場合は外層側の主たる金属を意味する。また、第１
の金属と第２の金属との合金層とは、層全体が合金にな
る場合の他、層の一部が合金で、一部は第１または第２
金属のみや他の化合物を有する場合も含む意味である。
さらに、バンプ電極を介して接合される構造には、両方
の半導体チップの電極端子それぞれにパンプ電極が設け
られ、バンプ電極同士で接合される構造や、一方の半導
体チップの電極端子にバンプ電極が設けられ、他方の半
導体チップの電極端子と直接接合される構造を含む。

【００１３】この構造にすることにより、第２の金属は
融点が低く、比較的低い温度で溶融し、バンプ電極とし
て用いられる第１の金属を合金化して溶融し、第１およ
び第２の半導体チップの電極端子同士を比較的低温で接
合し、電気的接続をすることができる。その結果、バン
プ電極を接続するための加熱温度は、第２の金属を溶融
する程度の低い温度でよいため、第２の金属に、たとえ
ばＳｎなどを選ぶことにより、回路素子に影響を及ぼす
ような温度にする必要はなく、高温による回路素子への
悪影響は生じない。しかもバンプ電極の大部分を構成す
る第１の金属は融点が高く、実装時のハンダ付け温度な
どでは全然支障を来すこともない。

【００１４】本発明による半導体装置の他の形態は、第
１の半導体チップの電極端子と、第２の半導体チップの
電極端子とがバンプ電極を介して接合される場合に、前
記バンプ電極が第１の金属からなり、該バンプ電極の接
合部が該第１の金属より融点の低い第３の金属層を介し
て接合されている。すなわち、バンプ電極や電極端子と
直接合金を形成するようにしなくても、たとえば前述の
第１および第２の金属により形成される合金などの融点
の低い第３の金属層が設けられていることにより、その
第３の金属層が低い温度で溶融し、バンプ電極や電極端
子に拡散して接合する拡散接合により接合される。な
お、第３の金属層も、前述の第１および第２の金属と同
様に、単独の金属のみならず、合金などを含む意味であ
り、とくに接合後には第１の金属および第２の金属との
化合、合金化により均一な組成とは限らない。この場合
も、第３の金属層は融点が低く、温度上昇により溶融し
やすいが、その層は非常に薄く、大部分は第１の金属に
より保持されているため、パッケージにより被覆された
状態では剥離することはなく、逆に温度を上昇させて外
力を加えれば、容易に剥離することができる。

【００１５】本発明による半導体装置のさらに他の形態
は、第１の半導体チップの電極端子と、第２の半導体チ
ップの電極端子とがバンプ電極を介して接合される場合
に、前記バンプ電極を介した前記第１および第２の半導
体チップの接合部が２８０〜５００℃で前記第１および
第２の半導体チップを容易に分離し得る構造に形成され
ている。すなわち、バンプなど接合部は、たとえばＡｕ
などの融点の高い金属で形成されながら、接合部はそれ
より低い、たとえば３００℃以下で溶融するような金属
で接合されることにより、融点の低い金属は非常に薄い
層となり、通常の状態では３００℃程度になっても剥れ
などは生じないが、３００℃程度で外力を加えれば容易
に分離し得る構造になっている。

【００１６】具体的には、前記第１および第２の半導体
チップの両方におけるそれぞれの電極端子に前記バンプ
電極が形成される構造や、前記第１および第２の半導体
チップの一方における電極端子に前記バンプ電極が形成
され、他方の半導体チップの電極端子上に前記第１の金
属または第２の金属からなる金属膜が形成される構造に
おいて、該バンプ電極同士の接合部、または該バンプ電
極と前記電極端子との接合部に前記合金層が形成され
る。また、前記バンプ電極の少なくとも１つが第１の金
属からなり、該バンプ電極の上面および側面に設けられ
る第２の金属との合金層により、または第３の金属層を
介して接合されることにより、バンプ電極が小さくて
も、接合部にフィレットが形成され、強力に接合するこ
とができる。

【００１７】前記第１および第２の半導体チップの接合
部に、前記第１の金属と第２の金属との合金層または前
記第３の金属層からなるフィレットが形成されるように
接合されることにより、非常に接合が強固になる。ここ
にフィレットとは、接合部の隙間から側壁側にはみ出た
部分を意味し、側壁全体に富士山の裾野のように滑らか
に形成されるものに限らず、接合部近傍のみに僅かには
み出ているものも含む意味である。

【００１８】さらに具体的には、前記第１の金属がＡｕ
からなり、前記第２の金属がＳｎからなることにより、
または第３の金属がＡｕ-Ｓｎ合金からなり、前記接合
部がＡｕ-Ｓｎ合金を有することにより、回路素子が温
度の影響を受けない、３００℃程度の低い温度の加熱だ
けでバンプ電極を接続することができる。

【００１９】本発明による半導体装置のさらに他の形態
は、第１の半導体チップと、第２の半導体チップとが、
それぞれの電極端子および配線が形成される側が向き合
されて電気的に接続されると共に接合される場合に、前
記第１および第２の半導体チップの少なくとも一方は、
半導体チップ表面に形成される配線の表面に低融点金属
層からなる接合部を介して接合される構造にすることも
できる。ここに低融点金属層には、前述の第１の金属と
第２の金属との合金化により、少なくとも一部に合金が
形成される接合部や、第３の金属が設けられることによ
り拡散接合された境界部を含む。

【００２０】前記配線の表面が平坦化されるように、前
記半導体チップ表面のパシベーション膜上に第２の絶縁
層を介して前記配線が形成されることにより、接合する
他方の半導体チップのバンプ電極が低かったり、バンプ
電極がなく配線同士の接合でも接合部をしっかりと接触
させて接合することができる。

【００２１】前記第１の半導体チップと第２の半導体チ
ップとの接合が、配線同士の接合で、接合部に前記低融
点金属層が形成され、該接合部以外の前記第１の半導体
チップと第２の半導体チップの配線の間隙部に、第１の
絶縁層を介して接合される構造にすることにより、最表
面に設けられる配線が他の部分と接触する虞れもなく、
しかも配線同士をしっかりと接続しながら固定すること
ができる。

【００２２】配線で接続する場合、配線が、電極端子に
接続して設けられるバリアメタル層を介したＡｕ配線で
あり、前記低融点金属層がＡｕ-Ｓｎ合金の構造にした
り、前記配線が、電極端子と同時に形成されるＣｕから
なり、該配線上にバリアメタル層およびＡｕ層を介して
Ａｕ-Ｓｎ合金からなる前記低融点金属層により接合さ
れる構造にしたり、前記配線が、電極端子と同時に形成
されるＡｕからなり、該配線上でＡｕ-Ｓｎ合金からな
る前記低融点金属層により接合される構造にすることが
できる。

【００２３】前記接合部を構成するＡｕ-Ｓｎ合金が、
Ａｕを６５ｗｔ（重量）％以上含有するＡｕリッチの合
金を有するように形成されることにより、共晶合金にな
るため、しっかりと接続されながら、取り外す場合で
も、融点の低い共晶合金となっているため、３００℃程
度に上昇させることにより容易に取り外すことができ
る。さらに、前記接合部のＡｕ-Ｓｎ合金層が０.８μｍ
以上５μｍ以下であれば、より一層接合強度が安定す
る。

【００２４】また、前記第１の半導体チップと第２の半
導体チップとの接合部の間隙部に、弾性率が前記バンプ
電極とほぼ同じ弾性率を有する絶縁性樹脂が充填されて
いることにより、弾性率がバンプ電極とほぼ同じである
ため、樹脂パッケージの収縮などにより両チップ間に圧
縮力が働いても、半導体層にかかる圧力は、バンプ電極
など電極端子部分に力が集中しないで、半導体チップ全
面に力が分散されるため、面として支持することがで
き、素子の信頼性を向上させることができる。

【００２５】また、前記第１の半導体チップと第２の半
導体チップとの接合部の間隙部に、熱収縮率が４％以下
の絶縁性樹脂が充填されていることにより、両半導体チ
ップを３００℃程度で接着した後に室温に戻っても、バ
ンプ電極などの電極端子接続部より縮むことがなく、電
極端子部に圧縮力が集中することがなくなり、半導体チ
ップ全面に力が分散されるため、面として支持すること
ができ、素子の信頼性を向上させることができる。

【００２６】前記第１の半導体チップおよび第２の半導
体チップの少なくとも一方の前記接合部における半導体
層に回路素子が形成されれば、集積度を向上させること
ができるため好ましい。すなわち、本発明によれば、低
温で圧力を殆どかけることなく接合することができるた
め、電極パッドや配線の接合部の下にも回路素子を形成
することができる。

【００２７】本発明による半導体装置の製法は、第１の
半導体チップまたは基板と、第２の半導体チップとを、
それぞれの電極端子および配線が形成される側を向き合
せて、前記電極端子表面に設けられる金属または配線の
金属との間で接合する半導体装置の製法であって、前記
接合部の少なくとも一方に、該接合部の金属より低融点
の低融点金属層を設け、該低融点金属層を溶融させるこ
とにより、または前記接合部の金属と該低融点金属層と
を合金化させることにより、前記第１の半導体チップま
たは基板と第２の半導体チップを接合することを特徴と
する。

【００２８】本発明による半導体装置の製法における他
の形態は、第１の半導体チップまたは基板と、第２の半
導体チップとを、それぞれの電極端子および配線が形成
される側を向き合せて、前記電極端子表面に設けられる
金属または配線の金属との間で接合する半導体装置の製
法であって、前記接合部の少なくとも一方に、該接合部
の金属より低融点の低融点金属層を設け、該低融点金属
層を液相化させ、該液相化させた低融点金属中に前記電
極端子表面に設けられる金属または配線の金属を拡散さ
せる液相拡散法により、前記第１の半導体チップまたは
基板と第２の半導体チップを接合することを特徴とす
る。

【００２９】また、前記接合部の金属がＡｕからなり、
前記低融点金属層がＡｕ-Ｓｎ合金またはＳｎからな
り、前記第１の半導体チップまたは基板と前記第２の半
導体チップとを接合部が向き合うように重ね、前記Ａｕ
-Ｓｎ合金またはＳｎが溶融する温度まで上げることに
より、セルフアラインで位置合せをして接合することが
できる。すなわち、Ａｕ-Ｓｎ合金により接合すること
により、２８０℃程度に温度を上げれば、完全に溶融状
態になるため、圧力をかける必要がなく、完全な位置合
せをして接合しなくても、接合部が溶融状態になると表
面張力によりバンプなどの接合部の位置に引き寄せられ
て接合するため、自然に位置合せされる。

【００３０】前記電極端子表面に設けられる金属または
配線の金属表面に設けられる前記低融点金属層とを合金
化し、ついで、他方の半導体チップまたは基板と接合す
ることもできる。

【００３１】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体装置およびその製法について説明をする。本
発明による半導体装置は、図１にその一実施形態である
断面構造および２個の半導体チップを接合する前の状態
図が示されるように、表面にバンプ電極１１が形成され
た第１の半導体チップ１上に、第２の半導体チップ２の
バンプ電極２１が接合されるＣＯＣタイプで形成されて
いる。この第１および第２の半導体チップ１、２のバン
プ電極１１、２１は、それぞれＡｕのような融点が比較
的高い第１の金属からなり、そのバンプ電極１１、２１
の接合部はその第１の金属と第２の金属との合金層３に
より形成され、第２の金属は、第１の金属の溶融温度よ
り低い温度で溶融して第１の金属と合金化し得る材料か
らなっている。

【００３２】図１に示される例では、第１の半導体チッ
プ１および第２の半導体チップ２共に、バンプ電極１
１、２１がメッキなどにより１０〜３０μｍ程度の厚さ
に形成され、第１の半導体チップ１のバンプ電極１１表
面には、さらに無電解メッキまたはスパッタリングなど
によりＳｎが０.５〜３μｍ程度の厚さに設けられてい
る。バンプ電極１１、２１自身は、従来と同様に形成さ
れ、たとえば図１（ｃ）にバンプ電極部分の拡大断面図
が示されるように、Ａｌなどからなる電極端子１２、２
２上に、バリアメタル層１４、２４が２層または３層構
造で形成され、バリアメタル層１４、２４の第１層には
ＴｉまたはＣｒが、第２層にはＷ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、
Ｎｉなどが、第３層にはＡｕなどが用いられる。そし
て、その上にバンプ電極１１、２１が、Ａｕ、Ｃｕなど
により形成される。なお、１７、２７は絶縁膜である。

【００３３】Ａｕからなるバンプ電極１１上にＳｎ被膜
１１ａが設けられることにより、Ａｕの融点は、１０６
４℃程度（同一金属同士であるため、加圧しながら加熱
することにより、４５０℃程度で融着する）であるのに
対して、Ｓｎの融点は、２３２℃程度であり、２３０℃
程度になると溶融し、Ａｕと共晶を形成して合金化し、
２８０℃程度でＡｕ-Ｓｎ合金からなる合金層３がその
接合面に形成されて、両者のバンプ電極１１、２１が溶
着する。すなわち、半導体基板に形成される回路素子な
どに対しては支障のない低い温度で両バンプ電極１１、
２１を融着させることができる。したがって、このバン
プ電極１１を構成する第１の金属と、その上に設けられ
る第２の金属の被膜１１ａとの関係は、第２の金属の融
点が、第１の金属の融点より低く、第２の金属が溶融す
ることにより第１の金属を合金化して融着するものであ
ればよく、ＡｕとＳｎとに限られるものではない。

【００３４】第１の半導体チップ１は、たとえばメモリ
の駆動回路などが半導体基板に形成され、その表面には
層間絶縁膜や配線膜などが設けられ、最終的にメモリ回
路などの第２の半導体チップ２との接続用電極端子１２
と、外部リードとの接続用の電極端子１３がＡｌなどに
よりその表面に形成されている。この電極端子１２上に
前述のようにバリアメタル層１４を介してバンプ電極１
１が形成されている。この回路素子（半導体素子）や半
導体基板の表面に形成される配線、電極端子、絶縁膜な
どは、通常の半導体装置の製造工程と同様に形成され
る。なお、通常のシリコン基板でなくても、ＧａＡｓな
ど化合物半導体基板に形成されてもよい。

【００３５】第２の半導体チップ２は、たとえばメモリ
素子がマトリクス状に形成されたもので、駆動回路と接
続される部分や外部リードなどに接続される部分などが
電極端子２２として半導体基板の表面に形成され、その
電極端子２２の表面にも前述の第１の半導体チップ１と
同様に、Ａｕなどによりバンプ電極２１が形成されてい
る。このバンプ電極２１の表面には、Ｓｎ被膜は形成さ
れていないが、前述の第１の半導体チップ１と同様に、
この表面にＳｎ被膜が形成されていてもよい。また、第
１の半導体チップ１にはＳｎ皮膜が形成されないで、第
２の半導体チップ２のバンプ電極２１のみにＳｎ被膜が
形成されてもよい。すなわち、Ｓｎ被膜は、少なくとも
いずれか一方に設けられておればよい。

【００３６】この第２の半導体チップ２は、このような
ＩＣでなくても、トランジスタ、ダイオード、キャパシ
タなどのディスクリート部品などで、半導体基板に形成
されないものでもかまわない。とくに、静電破壊防止用
の複合半導体装置にする場合、ディスクリートの保護ダ
イオードなどを第２半導体チップとして搭載すること
が、大容量の保護素子を内蔵することができるため好ま
しい。

【００３７】この第１の半導体チップ１と第２の半導体
チップ２のバンプ電極１１、２１同士の接続は、たとえ
ば第１の半導体チップ１を加熱し得る基板ステージ上に
載置し、マウンターにより第２の半導体チップ２をその
バンプ同士が大まかに位置合せされるように重ね、第２
の半導体チップの自重程度の重さを加えながら３００℃
程度に加熱することにより、Ｓｎ被膜１１ａが溶融し、
バンプ電極１１、２１のＡｕと共晶を形成し、合金層３
を形成する。この際、図１３（ａ）に示されるように、
第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とが完全
に位置合せされていなくても、３００℃程度で合金層３
が形成され、溶融状態にあると、図１３（ｂ）に示され
るように、バンプなどの表面張力により、それぞれの中
心部で接合するように移動する（セルフアライメン
ト）。そして、加熱を解除することにより、合金層３が
固化して接着する。

【００３８】このセルフアライメントは、半導体チップ
同士の接合でなく、基板と半導体チップとの接合でも、
Ａｕ-Ｓｎ合金層などの低融点金属を溶融状態にするこ
とにより、同様に行うことができる。なお、接合時の加
重は、前述の例では自重のみによったが、バンプなどの
接合部の数が多い場合には、１個当りの加重が減るた
め、ある程度の重しをした方が良い場合もある。たとえ
ば１個のバンプ当り２gの荷重を印加し、３５０℃程度
の温度で行うことができる。

【００３９】第１および第２の半導体チップ１、２の隙
間には、後述するように、エポキシ樹脂またはエラスト
マーなどからなる絶縁性樹脂７が充填され、この接合さ
れた半導体チップ１、２は、通常の半導体装置の製造と
同様に、リードフレームからなるダイアイランド４上に
ボンディングされ、さらに各リード５と金線などのワイ
ヤ６によりボンディングされ、モールド成形により形成
される樹脂パッケージ８により周囲が被覆されている。
そして、リードフレームから各リードが切断分離された
後に、フォーミングされることにより、図１（ａ）に示
されるような形状の半導体装置が得られる。

【００４０】本発明の半導体装置によれば、第１の半導
体チップと第２の半導体チップとの電極端子の接続が、
バンプ電極もしくは電極端子上の金属膜を構成する第１
の金属と、その表面に設けられる、第１の金属より融点
の低い第２金属の被膜との合金化により接着しているた
め、Ａｕなどの融点の高い金属材料によりバンプを形成
しながら、３００℃程度の低い温度で接合することがで
きる。しかも、合金化により接合しているため、半導体
装置を回路基板などにハンダ付けする場合などに２６０
℃程度に温度が上昇しても、合金層が溶けて接着部が剥
れることはない。しかも３００℃程度の低温度で接着さ
れるため、半導体基板に形成される半導体素子（回路素
子）に機械的または熱的ストレスが加わることはなく、
素子特性に変動を来すことは全然ない。そのため、非常
に信頼性の高い半導体装置が得られる。

【００４１】一方、第２の金属被膜が被着された部分
は、第２の金属被膜が若干残存するか、合金化しても第
１の金属の割合が小さく、３００℃程度に温度を上昇さ
せて外力を加えることにより、容易に剥離することがで
きる。すなわち、ハンダリフローの温度では、溶融する
部分があっても非常に薄い層であり、外力が加わらない
ため分離しないが、一方の半導体チップを取り替えたい
場合などには、３００℃程度に温度を上昇させて外力を
加えることにより、容易に分離することができ、半導体
チップを取り替えることができる。Ａｕ-Ｓｎ合金であ
れば、３００℃程度で容易に分離することができるが、
分離する際は、その接合部のみに加熱することができる
ため、２８０〜５００℃程度で分離できるものであれば
よい。

【００４２】本発明によるＳｎなどの低融点金属層を用
いた接合法について、従来のＡｕ-Ａｕ接合と対比して
さらに詳細に説明をする。図１４(ｂ)に示されるよう
に、従来のＡｕバンプとＡｕバンプとを超音波を用いて
接合する方法は、Ａｕ（固相）とＡｕ（固相）とが相互
に相手方に拡散する固相拡散になる。そのため、その拡
散は非常に遅く、温度を高くし、さらに超音波などによ
り衝撃を与えないと拡散が進まず接合しない。一方、本
発明のようにＳｎのような低融点金属をＡｕの表面に被
膜して温度を上げると、図１４（ａ）に示されるよう
に、Ｓｎが低温で溶融して液相のＳｎとなるため、Ａｕ
が液相であるＳｎの中に拡散する液相拡散になる。その
ため、Ａｕが低温で相互に拡散し、超音波などを印加し
なくても、低温で接合することができる。

【００４３】この液相拡散の方法について、さらに詳細
に説明をする。前述の図１（ｂ）に示されるように、一
方のバンプにＳｎなどの低融点金属を被膜して、第１の
半導体チップと第２の半導体チップとをその接合部が接
触するように重ね、接合荷重が２ｇ／バンプ程度になる
ようにして、３５０℃程度にする。そうすると図１４
（ａ）に示されるように、Ｓｎが液相化してＡｕが液相
のＳｎ中に拡散する。すなわち、液相拡散をするため、
固相同士の拡散より非常に早く速やかに拡散する。そし
て、図１４（ａ）の下側に示されるように、Ｓｎ-Ａｕ
合金層が形成される。この状態で温度を下げることによ
り完全に接合される。

【００４４】また、図１（ｂ）に示される例では、第２
の金属被膜１１ａがバンプ電極１１の側面にも覆われる
ように示されている。このように、バンプ電極１１の側
面周囲全体まで覆うように形成されることにより、図２
にバンプ電極部分の接合の様子が示されているように、
バンプ電極１１が小さくても、合金化すると接合部３が
形成される際に、小さいバンプ電極１１の周囲から大き
い方のバンプ電極２１にフィレット３ａが形成され、強
力に接合することができる。後述する図４（ａ）に示さ
れる場合なども含めて、このようなフィレット３ａが形
成されるように接合すれば、非常に強力に接合すること
ができる。なお、図２において、電極パッドなどは省略
して図示すると共に、図１（ｂ）と同じ部分には同じ符
号を付してある。なお、ここでフィレット３ａとは、Ａ
ｕ-Ｓｎ合金層などの低融点金属層が、接合部からバン
プ電極などの側壁にはみ出す部分を意味し、必ずしも一
方のバンプ電極の側壁全体に広がって裾野を形成してい
なくても、たとえば図２（ｂ）に示されるように、バン
プ２１側壁の接合部側の一部が低融点金属層により濡れ
ている程度でも接合強度が向上する。

【００４５】図２（ａ）に示されるような、裾野の大き
いフィレット３ａが形成された場合、その接合強度は図
１５に示されるように、全然フィレットが形成されない
場合に比べ、明らかに接合強度が向上した。なお、図５
において、横軸はシェア強度（Ｎ／ｍｍ２）、縦軸は個
数ｎ（ｐｃｓ）である。このフィレットの形成は、前述
のＡｕ-Ｓｎ層に限られず、第１の金属と第２の金属の
合金層または第３の低融点の合金層で形成されておれば
よい。

【００４６】一方、両方のバンプ電極が充分に大きかっ
たり、第２の半導体チップ２を取り外す可能性が高い場
合などでは、バンプ電極１１の側面には成膜される必要
はなく、図３に示されるように、バンプ電極１１の上
面、すなわち接合面のみに成膜されておればよい。な
お、図３においても、図１（ｂ）と同じ部分に同じ符号
を付してある。この場合、接合した２つの半導体チップ
を取り外す可能性がなく、しっかりと接続するために
は、バンプ電極に大小がある場合、図４（ａ）に示され
るように、大きい方のバンプ電極１１にＳｎ被膜１１ａ
を形成すれば、同図右側に示されるように、フィレット
３ａが形成され、接着強度を強くすることができるし、
図４（ｂ）に示されるように、小さい方のバンプ電極２
１にＳｎ被膜１１ａを形成すれば、接着強度を弱くし
て、取り外しをしやすくなる。

【００４７】さらに、前述の各例に示されるように、Ｓ
ｎ被膜１１ａは一方のバンプ電極１１または２１のみに
形成されることが、接合面の合金層を形成しやすいため
好ましい。すなわち、ＡｕとＳｎとの接触部が合金化し
て接合するため、両方のバンプにＳｎ被膜が設けられて
いると、Ｓｎ被膜とＳｎ被膜との接触部が直ちには接合
せず、バンプ電極表面のＡｕ層とＳｎ被膜との接触部か
ら合金化し、Ａｕが接合部に拡散して合金化することに
より接合するため、Ａｕ層とＳｎ被膜とが接触するよう
に形成されることが好ましい。しかし、両方のバンプ電
極に設けるＳｎ被膜を非常に薄くすることにより、容易
にＡｕが拡散するため、両方のバンプ電極に形成しても
よい。

【００４８】さらに、第１の金属をＡｕとし、第２の金
属をＳｎとした場合、前述の合金層は、完全な共晶合金
になると、Ａｕ８０ｗｔ％（重量％、以下同じ）、Ｓｎ
２０ｗｔ％になるが、接合時に充分に温度を上げる訳で
はないため、接合部は完全な共晶合金にはなりにくい。
しかし、完全な共晶合金にならなくても、Ａｕが６５ｗ
ｔ％以上であれば、強固な接合が得られると共に、分離
する場合でも３００℃程度に加熱することにより、接合
部のみを分離することができる。また、合金層を形成し
ないで、Ａｕ層のみが存在することが、機械的強度が強
く好ましい。

【００４９】ＳｎよりＡｕの拡散が１０倍程度以上大き
いため、接合後のバンプ電極１１、２１および接合部３
におけるＳｎ濃度の分布は、図５に示されるように、Ｓ
ｎ被膜１１ａが設けられた接合部の中心部分で一番Ｓｎ
濃度が高く、バンプ電極１１、２１の根本に行くにした
がって段々小さくなる。したがって、Ｓｎ濃度の一番高
い部分でもＡｕ濃度が６５ｗｔ％以上になり、バンプ電
極１１、２１の根本側では、Ａｕ濃度が１００ｗｔ％に
なるように、Ｓｎ被膜の厚さ、接合時の温度、時間を調
整することが好ましい。なお、このＡｕ濃度に関して
は、完全な定常状態になっている訳ではないため、バン
プ電極の表面積全面に亘って、たとえば６５ｗｔ％以上
ということではなく、６０％以上の面積での濃度を意味
する。このような接合部のＡｕ濃度を６５ｗｔ％以上
で、Ａｕ層が１００ｗｔ％の部分が残るように接合する
には、たとえば接合時の温度、時間、Ｓｎ層の量により
調整することができる。

【００５０】さらに好ましくは、Ａｕ-Ｓｎ共晶層（接
合部３）が０.８μｍ以上５μｍ以下であることが好ま
しい。このようにするには、Ｓｎ被膜の厚さを０.１〜
４μｍ程度にすることにより得られる。この際、完全な
Ａｕ層を残すためには、Ａｕ層（バンプ電極）の厚さを
厚く形成することにより得られる。

【００５１】図１に示される例は、第１および第２の半
導体チップ１、２の両方の電極端子にバンプ電極１１、
２１が形成されていたが、バンプ電極はその接続部にあ
れば一方だけでもよく、バンプ電極と電極端子とで接合
されてもよい。この場合の例が、その接続部だけの拡大
断面説明図で図６に示されている。すなわち、第１の半
導体チップ１における接続用電極端子１２の上には、バ
ンプ電極が形成されないで、バリアメタル層１４を介し
て、たとえばＡｕなどからなる０.２〜０.５μｍ程度の
厚さの金属膜（Ａｕ膜）１５が設けられ、その上に第２
の金属の被膜（Ｓｎ被膜）１６が前述と同様の厚さに設
けられている。そして、第２の半導体チップ２には、前
述と同様にＡｕからなるバンプ電極２１が形成されてお
り、そのバンプ電極２１と電極端子１２上のＡｕ膜１５
とがＳｎ被膜１６により合金化されて融着する構造にな
っている。このＳｎ被膜１６は、第２の半導体チップ２
のバンプ電極２１側に設けられてもよいし、両方に設け
られてもよいこと、その接続方法などは前述の例と同様
である。

【００５２】前述の各例では、第１および第２の半導体
チップの電極端子同士を接合する例であったが、本発明
によれば、第１の金属表面に、その第１の金属と低い温
度で合金化し得る第２の金属被膜を形成し、温度を上昇
させることにより、合金化して接合することができるた
め、表面に露出する配線上に直接接合することができ
る。すなわち、図７に示されるように、Ａｌなどからな
る電極端子１２と接続してＴｉ／Ｗ積層構造からなるバ
リアメタル層１４を介してＡｕからなる配線１８が形成
されている場合に、そのＡｕ配線１８上の接合部にＳｎ
被膜１１ａを形成し、第２の半導体チップ２のバンプ電
極２１を接触させて圧接し、３００℃程度に温度を上昇
させることにより接合することができる。なお、バリア
メタル層１４は、Ａｌ電極端子１２の酸化を防止し、低
抵抗でＡｕ配線１８と接続するためである。図７におい
て、図６と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を
省略する。

【００５３】この配線上で接合する場合、図７に示され
るようにＡｕ配線１８で形成されないで、Ａｌ配線やＣ
ｕ配線が形成される場合がある。このような場合でも、
その配線の接合部にＡｌ配線の場合には、図７と同様の
バリアメタル層、Ａｕ層、Ｓｎ被膜を設けることにより
容易に接合することができる。また、Ｃｕ配線の場合、
図８に示されるように、Ｃｕ配線３１上に、Ｔｉ／Ｗま
たはＮｉからなるバリアメタル層３２を接合部のみにメ
ッキなどにより設け、さらにその上にＡｕ層３３、Ｓｎ
被膜３４を設け、前述と同様にＡｕからなるバンプ電極
２１を有する第２の半導体チップ２を接合することがで
きる。なお、この場合のバリアメタル層３２は、Ａｕ層
３３とＣｕ配線３１との接合を改良するために設けられ
ている。

【００５４】前述の各例では、第２の半導体チップ２側
は常にバンプ電極２１が形成された例であったが、第２
の半導体チップ２側も配線のままで接続することもでき
る。この場合も、配線の材料により積層構造が異なる
が、必要なバリアメタル層などを介して、表面にＡｕ膜
と、Ｓｎ被膜との接触部を設けることにより、前述と同
様に両半導体チップ１、２を接合することができる。

【００５５】すなわち、図９に示されるように、第１半
導体チップ１の配線１８ａと第２半導体チップ２の配線
１８ｂ（それぞれ半導体チップのパシベーション膜の最
表面に形成されている）とがその一部の表面にＳｎ被膜
が形成され、他の部分には、たとえばポリイミドやＳｉ
Ｏ₂などの第１の絶縁層３６が設けられることにより、
Ｓｎ被膜の設けられた部分のみで接合部３７が形成さ
れ、接続することができる。この構造では、配線のＡｕ
層がバンプのように厚くなく、薄くなるため、接合後に
Ｓｎが拡散しないＡｕ層のみの部分ができない可能性が
大きいが、わざわざバンプ電極を形成しなくてもよいた
め、工数低減を図れると共に、絶縁層３６を介して接合
されることにより、接合部のみに力がかかるという問題
もなくなる。しかし、このような配線同士の接続の場合
でも、絶縁層３６を介さないで、前述のバンプ電極同士
の接続と同様に、接続部のみで接合して、後述する絶縁
性樹脂をその間隙部に充填する方法でもよい。

【００５６】さらに、少なくとも一方が配線の場合の接
続構造では、図１０に示されるように、電極パッド１２
ａ表面と絶縁膜（パシベーション膜）１７表面とで段差
があり、そのまま配線を設けると、その上に設けられる
配線も平坦にならないため、接合を行いにくいという問
題がある。これを解消するため、図１０に示されるよう
に、絶縁膜１７上に、たとえばポリイミドなどからなる
第２の絶縁層３８を形成してから、配線１８を形成する
ことにより平坦な配線１８となり、接合しやすくなると
いうメリットがある。

【００５７】前述の図１に示されるように、第１半導体
チップ１と第２半導体チップ２との間隙部には、絶縁性
樹脂が充填されることが好ましい。すなわち、図１１に
示されるように、第１半導体チップ１と第２半導体チッ
プ２とを接合した後に、その間隙部にポリイミドなどか
らなる絶縁性樹脂を滴下して硬化させることにより、ア
ンダーフィル（絶縁性樹脂層）７を形成する。このよう
なアンダーフィル７が形成されることにより、面全体で
両チップが接触するため、パンプ電極の下側の半導体層
に形成される素子に損傷を来すという問題がなくなる。
すなわち、半導体チップ周囲がモールド樹脂によりパッ
ケージングされる際に、半導体チップ間の隙間にはモー
ルド樹脂が侵入し難い。そのため、隙間が生じていると
樹脂パッケージ８により両半導体チップが押し付けら
れ、バンプ電極部分のみでその圧力を吸収する必要があ
るため、前述のような問題が生じるが、アンダーフィル
７が設けられることにより、そのような問題を引き起こ
すことがなくなる。

【００５８】この場合、ポリイミド（弾性率４.５ＧＰ
ａ）を用いることがＡｕの弾性率と近いため好ましい。
アンダーフィル７の弾性率がバンプ電極１１、２１と近
いと、バンプ電極を融着してから温度が下がった場合で
も、バンプ電極にかかる圧縮力と半導体チップの他の部
分にかかる圧縮力とが均等になるため、力が分散してバ
ンプ電極と共に面として第２半導体チップ２を支持する
ことができ、バンプ電極部分のみに特別な力がかかるこ
とがなくなる。

【００５９】さらに、アンダーフィル７として使用する
樹脂は、熱収縮率（熱膨張率）が４％以下のものを使用
することが好ましい。熱収縮率が大きいと、硬化時に３
００℃程度に上げた温度が室温に下がったときに、バン
プ電極であるＡｕの熱収縮率より大きくなり、バンプ電
極部分のみに圧縮力として働き、その下の半導体層への
ダメージが大きくなるからである。

【００６０】前述の各例では、バンプを介して接続する
部分を融点の高い第１の金属と、融点の低い第２の金属
とを接合させ両金属の合金化により低い温度で接合され
ていたが、たとえばＡｕ-Ｓｎ合金のように、３００℃
程度で溶融する第３の金属をその接合面に設けておい
て、その第３の金属を溶融させることにより、接合する
こともできる。その例が図６と同様にバンプ電極部のみ
の拡大説明図により図１２に示されている。第３の金属
としては、後述するＡｕ-Ｓｎ合金などを用いることが
できる。

【００６１】図１２において、図１と同じ部分には同じ
符号を付してその説明を省略する。第１の半導体チップ
１のバリアメタル層１４上に設けられるバンプ電極１１
は、たとえばＮｉなどからなり、その上面の接合部に
は、Ａｕ-Ｓｎ共晶合金（たとえばＡｕ：Ｓｎ＝８０：
２０）などからなる低融点の合金層が、第３の金属層１
９として、たとえば０.５〜３μｍ程度の厚さに設けら
れている。このＡｕ-Ｓｎ層１９は、たとえばスパッタ
リング、または無電解メッキ法などにより成膜すること
により、前述の厚さに設けられる。このバンプ電極１１
上にＡｕ-Ｓｎ層１９が設けられた第１の半導体チップ
１と第２の半導体チップ２との接合は、前述の図１に示
される例と同様に、たとえば第１の半導体チップ１を加
熱し得る基板ステージ上に載置し、マウンターにより第
２の半導体チップ２をそのバンプ同士が一致するように
位置合せをして、加圧しながら３００℃程度に加熱する
ことにより、Ａｕ-Ｓｎ合金層１９が溶融し、バンプ電
極１１、２１のＮｉ内に拡散して金属間化合物を形成す
る、いわゆる拡散接合される。なお、前述のようにＡｕ
-Ｓｎの場合、拡散係数は、Ａｕの方がＳｎより１０倍
程度以上大きい。

【００６２】この構造によれば、バンプ電極表面とＡｕ
-Ｓｎ合金層とは金属間結合をているため、半導体装置
の実装時のハンダリフロー温度である２６０℃程度では
強固に接合している。一方、Ａｕ-Ｓｎ合金層の中心部
では、Ａｕ-Ｓｎ合金の状態であるため、３００℃程度
に近づくと溶融状態になるが、その層は薄いと共に、ハ
ンダリフローの際にはパッケージで被覆された半導体装
置であり、両半導体チップ間に外力が加わらないため、
離れることはない。一方、３００℃程度の高温で、外力
を加えることにより、低融点の合金層は溶融状態になっ
ているため、容易に剥離することができる。そのため、
第２の半導体チップを取り替える場合などには、２８０
〜３００℃近くに昇温し、外力を加えることにより、容
易に分離することができ、半導体チップの取替を容易に
行いやすいというメリットがある。なお、Ａｕ-Ｓｎ合
金層の厚さを調整することにより、３００℃程度では容
易に剥離しないようにすることもできる。

【００６３】また、前述のように、たとえばＡｕからな
る金属表面にＳｎ被膜を設け、予め温度を２８０℃程度
にして合金化することにより、Ａｕバンプ電極表面にＡ
ｕ-Ｓｎ合金層を設けたのと同様の構造になり、その表
面に接合する他のバンプ電極などを接触させて温度を上
げ液相拡散をすることもできる。

【００６４】前述の例では、バンプ電極として、Ｎｉを
用いたが、Ａｌなどでも同様にＡｕ-Ｓｎ合金が拡散し
て拡散接合を得ることができる。さらに、前述の各例に
示される例の構造で、Ｓｎ被膜に代えてＡｕ-Ｓｎ合金
層を設けることもできる。この場合、ＡｕとＡｕ-Ｓｎ
合金とが同じＡｕ系であるため、Ａｕ-Ｓｎ合金が溶融
すると、Ａｕ表面に濡れて接合する。すなわち、図１２
に示される例では、両方の半導体チップ１、２にバンプ
電極１１、２１が形成されていたが、前述の例と同様
に、片方のみがバンプ電極で、他方は電極端子、配線で
もよく、さらに両チップとも配線同士で接続する場合に
も、その接合部の構造をＡｕ-Ｓｎ合金により接合する
ことができる。

【００６５】本発明によれば、接合の際に超音波などに
よる荷重をそれ程かけず、しかも低い温度で接合するこ
とができる。そのため、半導体層にダメージが殆どかか
らず、図１６に示されるように、接合部（バンプ電極や
配線などの形成部）の下にも回路素子３１、３２を形成
することができる。その結果、非常に半導体チップを有
効に利用することができ、高集積化を達成することがで
きる。なお、図１６では回路素子３１、３２が直接電極
端子と接触しているような図になっているが、一般的に
は絶縁膜により分離されたり、回路素子の一部が接続さ
れたりする。図１６において、図１と同じ部分には同じ
符号を付してその説明を省略する。なお、接合部の下の
半導体層に回路素子を形成するのは、両方の半導体チッ
プに設けられなくてもよく、また、全ての接合部に設け
られる必要はない。

【００６６】前述の各例では、１個の半導体チップに１
個の半導体チップをボンディングするだけの構造の半導
体装置であったが、２個以上の複数個の半導体チップを
１個の半導体チップ上にボンディングする場合でも同様
である。また、一方が基板で、他方が半導体チップの場
合でも同様に低温で簡単に接合することができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＣＯＣタイプの半導体装置における、チップ同士の接合
の際に、高温にする必要がないため、半導体基板に形成
される回路素子に影響を及ぼす虞れはなく、回路素子の
信頼性を非常に向上させることができる。

【００６８】さらに、３００℃以下で分離しやすい金属
層を介して接合されているため、一方の半導体チップを
取り替える場合に、温度を上げすぎて半導体チップにダ
メージを与えることなく、非常に簡単に取替を行うこと
ができる。

【００６９】また、半導体チップのパシベーション膜
（絶縁膜）最表面に設けられる配線に接続する場合に、
その配線とパシベーション膜との間に絶縁層を介在させ
て配線を平坦化させることにより、接続が容易で、か
つ、確実に行うことができる。この場合、接合する半導
体チップ間の対向する配線の間にも絶縁層を介在させる
ことにより、より安定した接合を得ることができる。

【００７０】さらに、接合する半導体チップの間隙に弾
性率がバンプ電極と同程度の絶縁性材料を充填すること
により、または収縮率が４％以下の絶縁性樹脂を充填す
ることにより、接合する電極端子部分の半導体層に力が
極部的に印加されることなく、面全体に分散されるた
め、半導体チップの信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の一実施形態を示す断
面、およびチップ同士を接続する際の側面の説明図であ
る。

【図２】バンプ電極の側面までＳｎ被膜を形成したとき
の接合状態の説明図である。

【図３】図１に示される例の変形例を示す断面説明図で
ある。

【図４】バンプ電極の一方にＳｎ被膜を形成する場合の
接続例を説明する図である。

【図５】Ａｕバンプ電極表面にＳｎ被膜を設けて接合し
た状態のＳｎ濃度の分布を示す図である。

【図６】本発明による半導体装置の他の実施形態を示す
断面説明図である。

【図７】本発明による半導体装置の他の実施形態を示す
要部の断面説明図である。

【図８】本発明による半導体装置の他の実施形態を示す
要部の断面説明図である。

【図９】本発明による半導体装置の配線同士を接合する
例の説明図である。

【図１０】本発明による半導体装置の配線と接合する場
合の配線を平坦化する例の説明図である。

【図１１】本発明による半導体装置の半導体チップ間に
絶縁性樹脂を充填する例の説明図である。

【図１２】本発明による半導体装置の他の実施形態を示
す要部の断面説明図である。

【図１３】本発明により、セルフアライメントで接合す
る方法を説明する図である。

【図１４】本発明による液相拡散接合法を説明する概念
図である。

【図１５】本発明による接合構造にフィレットを形成し
た場合と形成しない場合の接合強度を比較する図であ
る。

【図１６】本発明により、接合部下の半導体層の部分に
も回路素子を形成する例の概念説明図である。

【図１７】従来のチップ同士を接続する工程の一例を説
明する図である。

【符号の説明】

１第１の半導体チップ２第２の半導体チップ３合金層１１バンプ電極１１ａＳｎ被膜１８Ａｕ-Ｓｎ合金層２１バンプ電極

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年６月１７日（２００２．６．１
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項６】前記第１および第２の半導体チップの接
合部に、前記第１の金属と第２の金属との合金層または
前記第３の金属層からなるフィレットが形成されてなる
請求項１または２記載の半導体装置。

【請求項７】前記第１の金属がＡｕからなり、前記第
２の金属がＳｎからなり、前記接合部がＡｕ-Ｓｎ合金
を有する請求項１、２または６記載の半導体装置。

【請求項８】前記第３の金属がＡｕ-Ｓｎ合金からな
る請求項１、２または６記載の半導体装置。

【請求項９】第１の半導体チップと、第２の半導体チ
ップとが、それぞれの電極端子および配線が形成される
側が向き合されて電気的に接続されると共に接合される
半導体装置であって、前記第１の半導体チップと第２の
半導体チップとの接合が配線同士の接合で、該配線同士
の接合部に低融点金属層が設けられ、該接合部以外の前
記第１の半導体チップと第２の半導体チップの配線の間
隙部に、第１の絶縁層が設けられ、前記低融点金属層に
より接合されてなる半導体装置。

【請求項１０】前記配線の表面が平坦化されるよう
に、前記半導体チップ表面のパシベーション膜上に第２
の絶縁層を介して前記配線が形成されてなる請求項９記
載の半導体装置。

【請求項１１】前記配線が、電極端子に接続して設け
られるバリアメタル層を介したＡｕ配線であり、前記低
融点金属層がＡｕ-Ｓｎ合金からなる請求項９または１
０記載の半導体装置。

【請求項１２】前記配線が、電極端子と同時に形成さ
れるＣｕからなり、該配線上にバリアメタル層およびＡ
ｕ層を介してＡｕ-Ｓｎ合金からなる前記低融点金属層
により接合されてなる請求項９、１０または１１記載の
半導体装置。

【請求項１３】前記配線が、電極端子と同時に形成さ
れるＡｕからなり、該配線上でＡｕ-Ｓｎ合金からなる
前記低融点金属層により接合されてなる請求項項９、１
０または１１項記載の半導体装置。

【請求項１４】前記接合部を構成するＡｕ-Ｓｎ合金
が、Ａｕを６５ｗｔ％以上含有するＡｕリッチの合金を
有する請求項７、８、１１、１２または１３記載の半導
体装置。

【請求項１５】前記接合部のＡｕ-Ｓｎ合金層が０.８
μｍ以上５μｍ以下である請求項７、８、１１、１２、
１３または１４記載の半導体装置。

【請求項１６】前記第１の半導体チップと第２の半導
体チップとの接合部の間隙部に、弾性率が前記バンプと
ほぼ同じ弾性率を有する絶縁性樹脂が充填されてなる請
求項１ないし８のいずれか１項記載の半導体装置。

【請求項１７】前記第１の半導体チップと第２の半導
体チップとの接合部の間隙部に、熱収縮率が５％以下の
絶縁性樹脂が充填されてなる請求項１ないし８のいずれ
か１項または１６記載の半導体装置。

【請求項１８】前記第１の半導体チップおよび第２の
半導体チップの少なくとも一方の前記接合部における半
導体層に回路素子が形成されてなる請求項１ないし１７
のいずれか１項記載の半導体装置。

【請求項１９】第１の半導体チップまたは基板と、第
２の半導体チップとを向き合せて、前記第１の半導体チ
ップまたは基板と第２の半導体チップのそれぞれに設け
られるバンプ間で接合する半導体装置の製法であって、
前記バンプの少なくとも一方に、該バンプの金属より低
融点の低融点金属層を設け、前記第１の半導体チップま
たは基板と前記第２の半導体チップとを接合部が向き合
うように重ね、前記低融点金属層が溶融する温度まで上
げることにより、セルフアラインで位置合せをして前記
第１の半導体チップまたは基板と第２の半導体チップと
を接合することを特徴とする半導体装置の製法。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、第１の半導体チップと、第２の半導体チップとがそ
れぞれの半導体チップに設けられるバンプを介して接合
されることにより形成される半導体装置であって、前記
バンプが第１の金属からなり、該バンプの接合部は、該
第１の金属と前記バンプの少なくとも一方に設けられ、
前記第１の金属の溶融温度より低い温度で溶融して前記
第１の金属と合金化し得る材料からなる第２の金属との
合金層、または前記バンプの少なくとも一方に設けられ
る前記第１の金属より融点の低い第３の金属からなり、
かつ、前記バンプの少なくとも一方の側面まで前記合金
層または第３の金属層が充分に付着して接合されてい
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】ここに第１の金属または第２の金属とは、
それぞれが単独の金属のみならず、合金や、２種以上の
複合体金属の場合も含み、２種以上の金属の積層体から
なる場合は外層側の主たる金属を意味する。また、第１
の金属と第２の金属との合金層とは、層全体が合金にな
る場合の他、層の一部が合金で、一部は第１または第２
金属のみや他の化合物を有する場合も含む意味である。
さらに、バンプを介して接合される構造には、両方の半
導体チップのそれぞれにパンプが設けられ、バンプ同士
で接合される構造や、一方の半導体チップにバンプが設
けられ、他方の半導体チップと直接接合される構造を含
む。なお、第３の金属層も、前述の第１および第２の金
属と同様に、単独の金属のみならず、合金などを含む意
味であり、とくに接合後には第１の金属および第２の金
属との化合、合金化により均一な組成とは限らない。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】この構造にすることにより、第２の金属は
融点が低く、比較的低い温度で溶融し、バンプとして用
いられる第１の金属を合金化して溶融し、第１および第
２の半導体チップの同士を比較的低温で接合し、接続を
することができる。その結果、バンプを接続するための
加熱温度は、第２の金属を溶融する程度の低い温度でよ
いため、第２の金属に、たとえばＳｎなどを選ぶことに
より、回路素子に影響を及ぼすような温度にする必要は
なく、高温による回路素子への悪影響は生じない。しか
もバンプの大部分を構成する第１の金属は融点が高く、
実装時のハンダ付け温度などでは全然支障を来すことも
ない。また、バンプが小さくても、接合部にフィレット
が形成され、強力に接合することができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】本発明による半導体装置の他の形態は、第
１の半導体チップの電極端子上に設けられるバンプと、
第２の半導体チップの電極端子または該電極端子と接続
した配線とが接合されることにより形成される半導体装
置であって、前記バンプが第１の金属からなり、該バン
プの接合部は、該第１の金属と前記バンプもしくはその
相手方に設けられ、前記第１の金属の溶融温度より低い
温度で溶融して前記第１の金属と合金化し得る材料から
なる第２の金属との合金層、または前記バンプもしくは
その相手方に設けられる前記第１の金属より融点の低い
第３の金属からなり、かつ、前記バンプの側面まで前記
合金層または第３の金属層が充分に付着して接合されて
いる。この場合も、接合部にフィレットが形成され、強
力に接合することができる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】本発明による半導体装置のさらに他の形態
は、第１の半導体チップと、第２の半導体チップとがバ
ンプを介して接合される場合に、前記バンプを介した前
記第１および第２の半導体チップの接合部が２８０〜５
００℃で前記第１および第２の半導体チップを容易に分
離し得る構造に形成されている。すなわち、バンプなど
接合部は、たとえばＡｕなどの融点の高い金属で形成さ
れながら、接合部はそれより低い、たとえば３００℃以
下で溶融するような金属で接合されることにより、融点
の低い金属は非常に薄い層となり、通常の状態では３０
０℃程度になっても剥れなどは生じないが、３００℃程
度で外力を加えれば容易に分離し得る構造になってい
る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】具体的には、前記第１および第２の半導体
チップの両方に前記バンプが形成される構造や、前記第
１および第２の半導体チップの一方に前記バンプ電極が
形成され、他方の半導体チップに前記第１の金属または
第２の金属からなる金属膜が形成される構造において、
該バンプ同士の接合部、または該バンプと前記金属膜と
の接合部に前記合金層が形成される。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】本発明による半導体装置のさらに他の形態
は、第１の半導体チップと、第２の半導体チップとが、
それぞれの電極端子および配線が形成される側が向き合
されて電気的に接続されると共に接合される半導体装置
であって、前記第１の半導体チップと第２の半導体チッ
プとの接合が配線同士の接合で、該配線同士の接合部に
低融点金属層が設けられ、該接合部以外の前記第１の半
導体チップと第２の半導体チップの配線の間隙部に、第
１の絶縁層が設けられ、前記低融点金属層により接合さ
れる構造にすることもできる。ここに低融点金属層に
は、前述の第１の金属と第２の金属との合金化により、
少なくとも一部に合金が形成される接合部や、第３の金
属が設けられることにより拡散接合された境界部を含
む。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】前述の接合部以外の前記第１の半導体チッ
プと第２の半導体チップの配線の間隙部に、第１の絶縁
層を介して接合される構造にすることにより、最表面に
設けられる配線が他の部分と接触する虞れもなく、しか
も配線同士をしっかりと接続しながら固定することがで
きる。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】本発明による半導体装置の製法は、第１の
半導体チップまたは基板と、第２の半導体チップとを向
き合せて、前記第１の半導体チップまたは基板と第２の
半導体チップのそれぞれに設けられるバンプ間で接合す
る半導体装置の製法であって、前記バンプの少なくとも
一方に、該バンプの金属より低融点の低融点金属層を設
け、前記第１の半導体チップまたは基板と前記第２の半
導体チップとを接合部が向き合うように重ね、前記低融
点金属層が溶融する温度まで上げることにより、セルフ
アラインで位置合せをして前記第１の半導体チップまた
は基板と第２の半導体チップとを接合することを特徴と
する。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】削除

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】削除

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】削除

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】図２（ａ）に示されるような、裾野の大き
いフィレット３ａが形成された場合、その接合強度は図
１５に示されるように、全然フィレットが形成されない
場合に比べ、明らかに接合強度が向上した。なお、図１
５において、横軸はシェア強度（Ｎ／ｍｍ² ）、縦軸は
個数ｎ（ｐｃｓ）である。このフィレットの形成は、前
述のＡｕ-Ｓｎ層に限られず、第１の金属と第２の金属
の合金層または第３の低融点の合金層で形成されておれ
ばよい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の半導体チップの電極端子と、第２
の半導体チップの電極端子とがバンプ電極を介して接合
されることにより形成される半導体装置であって、前記
バンプ電極が第１の金属からなり、該バンプ電極を介し
た第１および第２の半導体チップの接合部は該第１の金
属と第２の金属との合金層により形成され、前記第２の
金属は、前記第１の金属の溶融温度より低い温度で溶融
して前記第１の金属と合金化し得る材料からなる半導体
装置。
【請求項２】第１の半導体チップの電極端子と、第２
の半導体チップの電極端子とがバンプ電極を介して接合
されることにより形成される半導体装置であって、前記
バンプ電極が第１の金属からなり、該バンプ電極の接合
部が該第１の金属より融点の低い第３の金属層を介して
接合されてなる半導体装置。
【請求項３】第１の半導体チップの電極端子と、第２
の半導体チップの電極端子とがバンプ電極を介して接合
されることにより形成される半導体装置であって、前記
バンプ電極を介した前記第１および第２の半導体チップ
の接合部が２８０〜５００℃で前記第１および第２の半
導体チップを容易に分離し得る材料からなる半導体装
置。
【請求項４】前記第１および第２の半導体チップの両
方におけるそれぞれの電極端子に前記バンプ電極が形成
され、該バンプ電極同士が接合されてなる請求項１、２
または３記載の半導体装置。
【請求項５】前記第１および第２の半導体チップの一
方における電極端子に前記バンプ電極が形成され、他方
の半導体チップの電極端子上に前記第１の金属からなる
金属膜が形成され、該バンプ電極と前記電極端子とが接
合されてなる請求項１、２または３記載の半導体装置。
【請求項６】前記バンプ電極の少なくとも１つが第１
の金属からなり、該バンプ電極の上面および側面に設け
られる第２の金属との合金層により、または第３の金属
層を介して接合されてなる請求項１ないし５のいずれか
１項記載の半導体装置。
【請求項７】前記第１および第２の半導体チップの接
合部に、前記第１の金属と第２の金属との合金層または
前記第３の金属層からなるフィレットが形成されてなる
請求項１〜６のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項８】前記第１の金属がＡｕからなり、前記第
２の金属がＳｎからなり、前記接合部がＡｕ-Ｓｎ合金
を有する請求項１、４、５、６または７記載の半導体装
置。
【請求項９】前記第３の金属がＡｕ-Ｓｎ合金からな
る請求項２、４、５、６または７記載の半導体装置。
【請求項１０】第１の半導体チップと、第２の半導体
チップとが、それぞれの電極端子および配線が形成され
る側が向き合されて電気的に接続されると共に接合され
る半導体装置であって、前記第１および第２の半導体チ
ップの少なくとも一方は、半導体チップ表面に形成され
る配線の表面に低融点金属層からなる接合部を介して接
合されてなる半導体装置。
【請求項１１】前記第１の半導体チップと第２の半導
体チップとの接合が、配線同士の接合で、接合部に前記
低融点金属層が形成され、該接合部以外の前記第１の半
導体チップと第２の半導体チップの配線の間隙部に、第
１の絶縁層を介して接合されてなる請求項１０記載の半
導体装置。
【請求項１２】前記配線の表面が平坦化されるよう
に、前記半導体チップ表面のパシベーション膜上に第２
の絶縁層を介して前記配線が形成されてなる請求項１０
または１１記載の半導体装置。
【請求項１３】前記配線が、電極端子に接続して設け
られるバリアメタル層を介したＡｕ配線であり、前記低
融点金属層がＡｕ-Ｓｎ合金からなる請求項１０ないし
１２のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項１４】前記配線が、電極端子と同時に形成さ
れるＣｕからなり、該配線上にバリアメタル層およびＡ
ｕ層を介してＡｕ-Ｓｎ合金からなる前記低融点金属層
により接合されてなる請求項１０ないし１２のいずれか
１項記載の半導体装置。
【請求項１５】前記配線が、電極端子と同時に形成さ
れるＡｕからなり、該配線上でＡｕ-Ｓｎ合金からなる
前記低融点金属層により接合されてなる請求項項１０な
いし１３のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項１６】前記接合部を構成するＡｕ-Ｓｎ合金
が、Ａｕを６５ｗｔ％以上含有するＡｕリッチの合金を
有する請求項７、８、１２、１３、１４または１５記載
の半導体装置。
【請求項１７】前記接合部のＡｕ-Ｓｎ合金層が０.８
μｍ以上５μｍ以下である請求項７、８、１２、１３、
１４、１５または１６記載の半導体装置。
【請求項１８】前記第１の半導体チップと第２の半導
体チップとの接合部の間隙部に、弾性率が前記バンプ電
極とほぼ同じ弾性率を有する絶縁性樹脂が充填されてな
る請求項１ないし１０のいずれか１項記載の半導体装
置。
【請求項１９】前記第１の半導体チップと第２の半導
体チップとの接合部の間隙部に、熱収縮率が５％以下の
絶縁性樹脂が充填されてなる請求項１ないし１０のいず
れか１項または１８記載の半導体装置。
【請求項２０】前記第１の半導体チップおよび第２の
半導体チップの少なくとも一方の前記接合部における半
導体層に回路素子が形成されてなる請求項１ないし１９
のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項２１】第１の半導体チップまたは基板と、第
２の半導体チップとを、それぞれの電極端子および配線
が形成される側を向き合せて、前記電極端子表面に設け
られる金属または配線の金属との間で接合する半導体装
置の製法であって、前記接合部の少なくとも一方に、該
接合部の金属より低融点の低融点金属層を設け、該低融
点金属層を溶融させることにより、または前記接合部の
金属と該低融点金属層とを合金化させることにより、前
記第１の半導体チップまたは基板と第２の半導体チップ
を接合することを特徴とする半導体装置の製法。
【請求項２２】第１の半導体チップまたは基板と、第
２の半導体チップとを、それぞれの電極端子および配線
が形成される側を向き合せて、前記電極端子表面に設け
られる金属または配線の金属との間で接合する半導体装
置の製法であって、前記接合部の少なくとも一方に、該
接合部の金属より低融点の低融点金属層を設け、該低融
点金属層を液相化させ、該液相化させた低融点金属中に
前記電極端子表面に設けられる金属または配線の金属を
拡散させる液相拡散法により、前記第１の半導体チップ
または基板と第２の半導体チップを接合することを特徴
とする半導体装置の製法。
【請求項２３】前記接合部の金属がＡｕからなり、前
記低融点金属層がＡｕ-Ｓｎ合金またはＳｎからなり、
前記第１の半導体チップまたは基板と前記第２の半導体
チップとを接合部が向き合うように重ね、前記Ａｕ-Ｓ
ｎ合金またはＳｎが溶融する温度まで上げることによ
り、セルフアラインで位置合せをして接合する請求項２
０記載の半導体装置の製法。
【請求項２４】前記電極端子表面に設けられる金属ま
たは配線の金属表面に設けられる前記低融点金属層とを
合金化し、ついで、他方の半導体チップまたは基板と接
合する請求項２１、２２または２３記載の半導体装置の
製法。