【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップを基板に接続することによって得られる半導体チップ実装体の製造方法、およびこの製造に用いられるボンディングツールに係り、特に、ボンディングの生産性を向上するのに適する半導体チップ実装体の製造方法、ボンディングツールに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップをフリップチップ接続するボンディングについて、図５を参照して説明する。 図５
は、半導体チップをフリップチップ接続するためのボンディングの態様を示す正面断面図（図５（ａ））、およびボンディングツールの寿命にかかわるその劣化態様を説明する図（図５（ｂ））である。

【０００３】半導体チップのフリップチップ接続は、図５（ａ）に示すように、機能面に接続電極４３と金属バンプ４２とが形成された半導体チップ４１の背面をボンディングツール４４でバキューム吸着し、基板４５上に形成された電極４６の位置に金属バンプ４２が合うように配置することから始める。 このような半導体チップ４
１と基板４５との配置関係において、ボンディングツール４４は、面接触した半導体チップ４１の背面を基板４
５方向に加圧しかつこれに超音波を供給する。

【０００４】超音波は、その振動方向が図面横方向であり、この振動により半導体チップ４１を介して金属バンプ４２が振動し、金属バンプ４２が電極４６に電気的・
機械的に接続されるものである。 この接続部位での接続自体のメカニズムはワイヤボンディングと同じである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなフリップチップ接続を、ボンディングツール４４を用いて繰り返し行うと、ボンディングツール４４には、ある劣化が生じる。 図５（ｂ）は、このような劣化の典型例を示すものであり、半導体チップ４１との接触面に凹凸が生じることにより劣化する。

【０００６】凹凸の深さは、ボンディングの回数により増加するが、この深さが０．０５μｍないし０．１μｍ
程度に達したときまたは達していると想定されるとき、
ボンディングツール４４の表面を研磨するかボンディングツールそのものを交換するかを行う。 このような研磨ないし交換をしないでボンディングを継続すると凸部が支点となってボンディング加圧時に半導体チップ４１が割れるなどの不良が生じやすくなるからである。

【０００７】このボンディングツール４４の表面に生じる凹凸は、解析の結果、半導体チップ４１の裏面が削れてその脱離物４７が徐々に堆積することにより生じているものであることが判明している。 このように、現状のボンディングツールでは、その寿命にひとつの限界があり、交換ないし研磨を必要とすることで半導体チップ実装体の生産性低下の原因となっている。

【０００８】本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、半導体チップを基板にボンディング接続することによって得られる半導体チップ実装体の製造方法、
およびこの製造に用いられるボンディングツールにおいて、ボンディングの生産性を向上することが可能な半導体チップ実装体の製造方法、ボンディングツールを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体チップ実装体の製造方法は、基板上の導電体と半導体チップ上の導電体との間に金属バンプがはさまれるように前記基板と前記半導体チップとを配置する第１の工程と、前記半導体チップ上の前記導電体が存在する第１の面とは反対の前記半導体チップの第２の面に、前記第２の面の硬さと同等ないしほぼ１．
７倍の値以下のビッカース硬さの面を有するボンディングツールを接触させる第２の工程と、前記ボンディングツールを前記基板方向に加圧しかつ前記ボンディングツールから超音波を発することにより前記基板と前記半導体チップとを電気的および機械的に接続する第３の工程とを有することを特徴とする。

【００１０】すなわち、本発明では、半導体チップとボンディング時に接触するボンディングツールの面の硬さを指定し、その硬さを半導体チップの硬さと同等ないしほぼ１．７倍の値のビッカース硬さのものとする。 このように表面硬さが指定されたボンディングツールによれば、半導体チップの裏面が削られて離脱物がボンディングツール表面に堆積する程度が小さくなる。 また、ボンディングツールの面が必要以上に軟らかくもないため、
逆にボンディングツールが削られて表面に凹凸が生じる程度も小さい。

【００１１】したがって、ボンディングツールの研磨ないし交換なしにボンディングできる回数を増加させることができる。 よって、ボンディングの生産性を向上することが可能になる。

【００１２】なお、基板は、それ自体が導電体であってもよい。 これには、例えば、リードフレームを挙げることができる。

【００１３】また、本発明に係るボンディングツールは、被接続体との接触面と、前記接触面に超音波を供給する超音波発生部とを有し、前記接触面が６００ないし１２００の範囲のビッカース硬さであることを特徴とする。

【００１４】すなわち、ボンディングツールの被接続体との接触面の硬さを６００ないし１２００の範囲のビッカース硬さに限定する。 この範囲は、ＧａＡｓ半導体チップの表面硬さと同等ないしほぼ１．７倍の値のビッカース硬さであり、ＧａＡｓ半導体チップをフリップチップ接続する場合に、その研磨ないし交換の頻度を小さくすることができる。 したがって、そのボンディングの生産性を向上することが可能になる。

【００１５】なお、ここで被接続体とはボンディングが施されるものいい、例えば、半導体チップ、リードフレームをも含む基板などである。

【００１６】また、ビッカース硬さとは、ＪＩＳ Ｚ
２２４４に規定される試験法により計測される硬さをいい、試験加重と永久くぼみ表面積とから算出される値である。

【００１７】また、本発明は、ボンディングツールの被接続体との接触面の硬さを９００ないし１７００の範囲のビッカース硬さに限定することもできる。 この範囲は、Ｓｉ半導体チップの表面硬さと同等ないしほぼ１．
７倍の値のビッカース硬さであり、Ｓｉ半導体チップをフリップチップ接続する場合に、その研磨ないし交換の頻度を小さくすることができる。 したがって、そのボンディングの生産性を向上することが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１、第２、および第３の工程は、前記半導体チップがＧａＡｓ基板のチップであり、前記第２の工程は、前記ボンディングツールが有する前記面の硬さが、６００ないし１２００の範囲のビッカース硬さである。

【００１９】これは、上述のように、この範囲の硬さがＧａＡｓ半導体チップの表面硬さと同等ないしほぼ１．
７倍の値のビッカース硬さだからであり、ＧａＡｓ半導体チップのフリップチップ接続に適するからである。

【００２０】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１、第２、および第３の工程は、前記半導体チップがＳｉ基板のチップであり、
前記第２の工程は、前記ボンディングツールが有する前記面の硬さが、９００ないし１７００の範囲のビッカース硬さである。

【００２１】これは、上述のように、この範囲の硬さがＳｉ半導体チップの表面硬さと同等ないしほぼ１．７倍の値のビッカース硬さだからであり、Ｓｉ半導体チップのフリップチップ接続に適するからである。

【００２２】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第２の工程は、前記ボンディングツールの前記面を構成する材料が超硬合金である。

【００２３】超硬合金によれば、ビッカース硬さの指定されたボンディングツール面を形成することが容易である。 例えば、ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金であれば、Ｃｏの含有率が少なく、また、炭化物ＷＣの粒径が小さいほど硬度が大きくなる。 また、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ
系の超硬合金であれば、Ｃｏの含有率が小さく、また、
ＴｉＣの含有率が多いほど硬度が大きくなる。

【００２４】なお、超硬合金とは、金属炭化物粉末と金属粉末を配合して圧縮成形ののち燒結して製造される合金のことである。

【００２５】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第２の工程は、前記ボンディングツールの前記面の大きさが、前記半導体チップの第２の面に内包される大きさである。

【００２６】半導体チップの第２の面よりボンディングツールの接触面の方が大きいと、ボンディングツールの接触面の周縁部付近が半導体チップのエッジで削られ段差が生じ易くなる。 この段差は、やはり、ボンディング時の半導体チップの割れを引き起こす原因となり得るからである。

【００２７】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１の工程は、前記金属バンプに、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、
Ｂｉ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、これらの一部を組成とする合金、これらの一部を含有する化合物、これらの一部からなる混合物、のうちのいずれかを適用することができる。

【００２８】金属バンプとしては、半導体チップのパッド（接続電極）および基板のパッド（接続電極）と加圧接合できるものである必要がある。 これらの材料であれば加圧接合に適するものとなり得る。

【００２９】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１および第３の工程は、
前記基板に、セラミック、樹脂、ガラスのうちのいずれかを適用することができる。

【００３０】基板は、ボンディングツールと直接接触することがないので、種々のものを用いることができる。
セラミックには、窒化アルミニウムなどを例示することができる。 樹脂には、例えばポリイミドのようなフレキシブルな材料、ガラスエポキシ樹脂のようなリジッドな材料いずれも用いることができる。 ガラスは、例えば液晶表示装置用の基板として用いることができる。

【００３１】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１の工程は、前記基板上の前記導電体の表面が、Ａｕを有し、前記第１および第２の工程は、前記半導体チップ上の前記導電体の表面がＡｕを有する。

【００３２】ボンディング技術として最も一般的な金ボンディングを適用するものである。

【００３３】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１において、前記第１の工程は、前記金属バンプの存在する線密度が、１ｍｍ当り５個ないし２０個である。 すなわち、本発明は狭ピッチの接続電極同士の接続にも適用できる。

【００３４】また、本発明の好ましい実施の形態として、請求項１０または１１において、ボンディングツールの半導体チップとの接触面を構成する材料は超硬合金である。 この理由はすでに述べた通りである。

【００３５】以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００３６】図１は、本発明の一実施形態を説明する図である。 同図（ａ）は、半導体チップ１１の機能面を示す平面図である。 半導体チップ１１には、外部との接続のためパッド（半導体チップ上の導電体に相当する。）
１２が形成されている。 パッド１２は、例えば２層の金属で形成され、その下層がバリア金属としてＮｉ、上層がボンディング金属としてのＡｕである。 同図（ｂ）
は、図１（ａ）におけるＡ１−Ａ２に沿う断面図である。

【００３７】半導体チップ１１の各パッド１２上には、
図１（ｃ）に示すように、ボールバンプボンダ１７により金属バンプ１３が形成される。 なお、この金属バンプ１３の形成は、ダイシング前のウエハの状態の半導体チップに施すようにしてもよい。 この場合は、各パッド１
２への金属バンプ１３の形成を終えたあとダイシングする。

【００３８】金属バンプ１３が形成されかつダイシングされている半導体チップ１１は、図１（ｄ）に示すように、その背面をボンディングツール１４により面接触されて基板１５上に配置され、このとき基板１５の接続ランド（基板上の導電体に相当する。）１６それぞれと半導体チップ１１の各金属バンプ１３とが接触する。 ここで、ボンディングツール１４が半導体チップ１１の背面への付着を維持し図１（ｄ）に示すような配置に移行するためには、ボンディングツール１４の半導体チップ１
１との接触面においてバキューム吸着を利用することができる。

【００３９】図１（ｄ）に示す配置においてボンディングツール１４を基板１５方向に加圧し、かつ、横方向に超音波を印加する。 これにより、半導体チップ１１は、
基板１５にフリップチップ接続される。 ここでボンディングツール１４の半導体チップ１１との接触面の大きさは、上記のように半導体チップ１１の背面の大きさに内包される大きさとする方が好都合である。

【００４０】なお、以上の実施形態では、半導体チップ１１のパッド１２上に金属バンプ１３をあらかじめ形成してから、半導体チップ１１を基板１５にフリップチップ接続するようにしたが、基板１１の接続ランド１６上に金属バンプをあらかじめ形成してから、金属バンプの形成されていない半導体チップ１１を基板１５にフリップチップ接続してもよい。

【００４１】

【実施例】以下、実施例を説明する。 ３インチ径のＧａ
Ａｓウエハであって、チップサイズ１ｍｍ角のデバイスが多数作り込まれたものを用意した。 各チップには、１
００μｍ角のＡｕパッドが１３箇所形成されている。 ウエハの状態において、Ａｕボールバンプをこのパッド上に形成した。

【００４２】Ａｕボールバンプを形成した後、ダイシングし１ｍｍ角のチップを得、このチップを用いて、Ａｕ
表面の接続ランドを有するアルミナ基板と超音波フリップチップ接続を行った。 ここで、ボンディングツールの接触面の大きさは０．９ｍｍ角としてチップより小さくし、またその材質には超硬合金を用いて、半導体チップとの接触面のビッカース硬さを種々変化させたものを用意した。

【００４３】ビッカース硬さが制御された超硬合金としては、ＷＣ−Ｃｏ系（タングステン炭化物−コバルト）
のものを用いた。 ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金では、Ｃｏの含有率が小さく、また、炭化物の粒径が小さいほど硬くなる。 例えば、ビッカース硬さを９５０にするには、Ｃｏ
を２５％、ＷＣを７５％とし、平均粒径を５μｍとして混合し生成する。 また、ビッカース硬さを１３００にする場合は、Ｃｏを１１％、ＷＣを８９％として、粒径を３〜５μｍとして混合して生成する。

【００４４】なお、ＷＣ−Ｃｏ系の他にも、ＷＣ−Ｔｉ
Ｃ−ＴａＣ−Ｃｏ系やＷＣ−ＴｉＣ−ＮｂＣ−Ｃｏ系のものを用いることもできる。 これらのものでは、Ｃｏの含有率が小さく、また、ＴｉＣの含有率が大きいほど硬くなる。 例えば、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系では、
ＷＣを５９％、ＴｉＣを７％、ＴａＣを２２％、Ｃｏを１２％とするとビッカース硬さは約１３００になる。

【００４５】超音波フリップチップ接続の実装条件は、
バンプ当り加重０．８８Ｎ、超音波強度１Ｗ、超音波周波数６０ｋＨｚ、超音波印加時間０．５ｓ、温度２００
度とした。 これにより製造された実装体を試験した結果、せん断方向に対しての強度（ダイシア強度）がバンプ当り０．８Ｎ以上であり十分な強度が得られた。 −６
５度／１５０度、１０００サイクルの温度サイクル試験においても問題となる不良発生がなかった。

【００４６】図２は、ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの、その半導体チップとの接触面に生じる半導体の離脱物の付着量を測定した結果を示すグラフである。 それぞれ実装回数は９０００回である。
この付着量の測定には表面粗さ計を用いた。

【００４７】同図に示すように、ビッカース硬さが１２
００程度より小さい場合には、付着量はごく小さいことが分かった。 この程度の小ささであれば、その凹凸が原因として生じるフリップチップ実装時の半導体チップの割れは起こらないことは経験的に知見されている。 したがって、上限としてビッカース硬さが１２００程度以下にすることがＧａＡｓチップ用のボンディングツールとして適切であると結論づけられる。 なお、ＧａＡｓチップのビッカース硬さは約７００であり、この数値との関係で言うと約１．７倍である。

【００４８】すなわち、定性的にはボンディングツールを半導体チップよりやや硬めにするのが最も望ましく、
これは、ボンディングツールは何度も繰り返し加圧されるところ、半導体チップは一つについて１度のみの加圧であることに起因するものと考えられる。

【００４９】次に、もう一つの実施例について説明する。 ６インチ径のＳｉウエハであって、チップサイズ１
ｍｍ角のデバイスが多数作り込まれたものを用意した。
各チップには、１００μｍ角のＡｌパッドが１３箇所形成されている。 ウエハの状態において、Ａｕボールバンプをパッド上に形成した。 ダイシングおよびフリップ接続工程については、ボンディングツールのビッカース硬さを除き、上記の例と同様である。

【００５０】これにより製造された実装体を試験した結果、せん断方向に対しての強度がバンプ当り０．８Ｎ以上であり十分な強度が得られた。 −６５度／１５０度、
１０００サイクルの温度サイクル試験においても問題となる不良発生がなかった。

【００５１】図３は、ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの、その半導体チップとの接触面に生じる半導体の離脱物の付着量を測定した結果を示すグラフである。 それぞれ実装回数は９０００回である。
この付着量の測定には表面粗さ計を用いた。

【００５２】同図に示すように、この場合、ビッカース硬さが１７００程度より小さい場合には、付着量はごく小さいことが分かった。 この程度の小ささであれば、その凹凸が原因として生じるフリップチップ実装時の半導体チップの割れは起こらないことは経験的に知見されている。 したがって、上限としてビッカース硬さが１７０
０程度以下にすることがＳｉチップ用のボンディングツールとして適切であると結論づけられる。 なお、Ｓｉチップのビッカース硬さは約１０００であり、この数値との関係で言うとやはり上限は半導体チップのビッカース硬さの約１．７倍となっている。

【００５３】次に、上記２つの実施例のうち前者においてボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの耐久実装回数を調べた結果について説明する。 図４
は、ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの耐久実装回数を調べた結果を示すグラフである。
ここで、耐久実装回数は、ボンディングツールの半導体チップとの接触面に最大０．１μｍの凹凸が生じたときの回数である。 凹凸は表面粗さ計を用いて測定した。 また、図４において、ビッカース硬さ６００〜１２００については、９０００回実装においても上記の大きさの凹凸は生じず、それ以上の試行はしていないことを示している。

【００５４】図４に示すように、ビッカース硬さの上限については、１２００程度まで良好に実装回数の高い水準を維持していることがわかり、これは、図２に示した結果とも符合する。 すなわち、この上限近辺においてはボンディングツールの接触面に生じた凹凸は半導体チップの離脱物による付着物である。

【００５５】また、ボンディングツールのビッカース硬さが６００程度より小さい場合にも、その接触面に凹凸が生じやすくなることが示される。 これは、ＧａＡｓチップのビッカース硬さが約７００であることから、逆にボンディングツールの方が半導体チップにより削られ、
表面が荒れたものと考えられる。 すなわち、この結果から、ボンディングツールとして、その生産性を向上するためには接触面の硬さの下限についても条件があり、それは、ほぼ半導体チップと同程度のビッカース硬さ（この場合は約６００以上のビッカース硬さ）であるということである。

【００５６】なお、以上より、ボンディングツールのビッカース硬さは、半導体チップのビッカース硬さに比してほぼ１．３倍程度（ここでは、ビッカース硬さ９００
程度）のときが高水準の耐久実装回数の中でも中央に位置し最適であると言える。

【００５７】上記２つの実施例のうち後者においても同様の測定を行えば同様の結果が得られるものと考えられ、この場合下限については約９００以上のビッカース硬さであることが条件となる。

【００５８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る半導体チップ実装体の製造方法によれば、半導体チップとボンディング時に接触するボンディングツールの面の硬さを半導体チップの硬さと同等ないしほぼ１．７倍の値のビッカース硬さのものとすることにより、半導体チップの裏面が削られて離脱物がボンディングツール表面に堆積する程度を小さくできる。 また、ボンディングツールの面が必要以上に軟らかくもないため、逆にボンディングツールが削られて表面に凹凸が生じる程度も小さい。
したがって、ボンディングツールの研磨ないし交換なしにボンディングできる回数を増加させることができ、よって、ボンディングの生産性を向上することが可能になる。

【００５９】また、本発明に係るボンディングツールは、被接続体との接触面と、前記接触面に超音波を供給する超音波発生部とを有し、前記接触面が６００ないし１２００の範囲のビッカース硬さ、または、９００ないし１７００のビッカース硬さ、すなわち、ＧａＡｓ半導体チップの表面硬さ、またはＳｉ半導体チップの表面硬さと同等ないしほぼ１．７倍の値のビッカース硬さであり、半導体チップの裏面を削る程度が小さく、かつボンディングツールが削られる程度も小さい。 したがって、
ボンディングツールの研磨ないし交換の頻度を小さくすることができ、ボンディングの生産性を向上することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を説明する図。

【図２】ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの、その半導体チップとの接触面に生じる半導体の離脱物の付着量を測定した結果を示すグラフ（半導体チップはＧａＡｓ）。

【図３】ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの、その半導体チップとの接触面に生じる半導体の離脱物の付着量を測定した結果を示すグラフ（半導体チップはＳｉ）。

【図４】ボンディングツールのビッカース硬さを種々変えたときの耐久実装回数を調べた結果を示すグラフ（半導体チップはＧａＡｓ）。

【図５】半導体チップをフリップチップ接続するためのボンディングの態様を示す正面断面図（図５（ａ））、
およびボンディングツールの寿命にかかわるその劣化態様を説明する図（図５（ｂ））。

【符号の説明】

１１…半導体チップ １２…パッド １３…金属バンプ １４…ボンディングツール １５…基板 １６…接続ランド １７…ボールバンプボンダ

フロントページの続き (72)発明者 野邑 宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Ｆターム(参考） 5F044 PP16