(57)【要約】半導体素子（１００）における絶縁層上に配設された複数の電極パッド（４７）と、一端が前記電極パッド（４７）の表出部に接続され、前記電極パッド（４７）毎に前記絶縁層上に延在して配設された複数の導電層（５１）と、前記導電層（５１）の他端に配設された突起電極（５２）と、を備え、前記導電層（５１）の延在する方向は、前記電極パッド（４７）に対して一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
2009013826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の配線層に配設された複数の電極パッドと、
前記電極パッドを表出して前記配線層上に配設された絶縁層と、
一端が前記電極パッドの表出部に接続され、前記複数の電極パッド毎に前記絶縁層上に延在して配設された複数の導電層と、
前記導電層の他端に配設された突起電極と、を備え、
前記導電層の延在する方向は、前記複数の電極パッドに対して一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
全ての前記導電層の延在する方向が、一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記導電層の延在する方向は、前記半導体基板の中心部から外周方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記導電層の延在する方向は、前記半導体基板の外周部から中心方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記電極パッドは、前記半導体基板の主面において、縦方向及び横方向に略同一の間隔にマトリクス状に複数配設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記配線層は、比誘電率が５以下の層間絶縁膜を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記絶縁層は、無機絶縁膜と、前記無機絶縁膜上に形成された有機絶縁膜とから構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置であって、
前記無機絶縁膜は、前記電極パッド上において、開口径が１５μｍ以上である開口部を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８記載の半導体装置であって、
前記無機絶縁膜の前記開口部内において、前記有機絶縁膜の開口部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記有機絶縁膜の膜厚は、５μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記導電層は複数の金属層から構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記導電層はチタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）を含む材料から構成される第１バンプ下地金属層、及び、銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）を含む材料から構成されるが第２バンプ下地金属層５１からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２いずれか一項記載の半導体装置であって、
前記突起電極は、略半球状又は略円柱状の形状を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
半導体基板上の配線層に配設された電極パッドと、
前記電極パッドの表面の一部及び前記配線層上に配設された絶縁層と、
前記電極パッドの表出部を覆い且つ前記絶縁層上に延在して配設された導電層と、
前記電極パッド上の、前記導電層上に配設された突起電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の半導体装置であって、
前記電極パッドの表出部は前記絶縁膜により複数の領域に分割され、当該分割された領域上に前記導電層が配設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５記載の半導体装置であって、
前記導電層は複数の金属層から構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６記載の半導体装置であって、
前記半導体装置は、配線基板にフリップチップ実装されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に外部接続用突起電極を介して配線基板などの支持基板にフリップチップ実装される半導体素子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高機能化、高速動作化に伴い、当該電子機器に搭載される半導体装置にあっても、より高機能化、高集積化、小形化が求められている。この為、配線基板などの支持基板上に半導体素子を実装する際、当該半導体素子の実装手段として、当該半導体素子を、半田バンプと称される外部接続用突起電極を介して配線基板にフェイスダウン状態をもって実装する、所謂フリップチップ実装方式が採用されている。【０００３】
このようなフリップチップ実装に適用される半導体素子の、半田バンプ配設面を図１に示し、また、図１の点線Ａ−Ａにおける断面を図２に示す。【０００４】
図１及び図２を参照するに、半導体素子３０あっては、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１に所謂ウエハープロセスが適用されて、その一方の主面に、トランジスタなどの能動素子ならびに容量素子などの受動素子が複数個形成されている（図示せず）。そして、これら能動素子、受動素子などの機能素子は、当該半導体基板１の一方の主面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層などの絶縁層２を介して形成された多層配線層３を介して相互に接続され、電子回路が形成されている。【０００５】
かかる多層配線層３は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）等からなる配線層４が層間絶縁層５を介して複数積層されて形成されている。そして層間接続部６を介して上下の配線層４間、ならびに前記半導体基板１に形成されている機能素子が適宜接続されている。【０００６】
前記層間絶縁層５を構成する材料としては、例えば、有機樹脂、炭素（Ｃ）を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、或いはフッ素（Ｆ）が添加されたシリコンガラス（ＦＳＧ：Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｇｌａｓｓ）等の誘電率の低い材料（所謂Ｌｏｗ−Ｋ材料）が用いられ、配線間に生ずる容量を低減し、電気信号の伝達の高速化が図られる。【０００７】
当該多層配線層３の上部には、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極パッド７が複数個選択的に配設され、多層配線層３を構成する配線層４と適宜接続されている。【０００８】
また当該多層配線層３上には、前記電極パッド７の中央部を表出するよう選択的に開口を有して、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、パッシベーション層とも称される無機絶縁層８が選択的に配設されている。【０００９】
更に、半導体素子の表面の保護を図るべく、前記無機絶縁層８の上面及び電極パッド７の上に於ける無機絶縁層８の端面を覆って有機絶縁層９が選択的に配設されている。【００１０】
当該有機絶縁層９は、例えば、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、フェノール樹脂、又はポリベンゾオキサゾール等の有機絶縁性材料から選択される。【００１１】
無機絶縁層８及び有機絶縁層９により被覆されない電極パッド７の上には、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）からなる第１バンプ下地金属（ＵＢＭ：Ｕｎｄｅｒ−Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）層１０、及びニッケル（Ｎｉ）又は銅（Ｃｕ）からなる第２バンプ下地金属層１１積層して配置されており、当該第１バンプ下地金属層１０第２バンプ下地金属層１１は、前記有機絶縁層８９口端面からその周囲を覆って配設されている。【００１２】
そして第２バンプ下地金属層１１には、略球状の外部接続用突起電極１２が配設されている。当該外部接続用突起電極１２は、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）、又は銅（Ｃｕ）を含む錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）等、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田から構成され、半田バンプとも称される。【００１３】
このような構造を有する半導体素子３０は、以下の工程を経て形成される。【００１４】
即ち、前記多層配線層３上に、当該多層配線層３の上部に配設された電極パッド７選択的に表出して、無機絶縁層８有機絶縁層９配設される。当該絶縁層８，９は所謂気相成長法などにより形成され、また当該絶縁層に対する選択的開口の形成は、所謂フォトエッチング法を適用することができる。【００１５】
次いで、当該電極パッド７表出部を含み、有機絶縁層９に延在する第１バンプ下地金属層１０を形成する。当該第１バンプ下地金属層１０は、所謂スパッタリング法により被着することができる。【００１６】
次いで、第１バンプ下地金属層１０上に、フォトレジスト層を形成し、露光、現像、硬化処理を行って、当該フォトレジスト層に対して、前記電極パッド７於ける外部接続用突起電極１２の形成予定位置に対応する開口を形成する。【００１７】
次いで、電解めっき処理を行い、前記フォトレジスト層の開口部内に表出されている第１バンプ下地金属層１０上に、第２バンプ下地金属層１１を形成する。次いで、当該第２バンプ下地金属層１１に、外部接続用電極層１２形成する。このとき、当該外部接続用電極層１２は、前記フォトレジスト層上に延在して形成される。【００１８】
しかる後、フォトレジスト層を剥離除去し、更に、外部接続用電極層１２をエッチングマスクとして用いて、前記第１バンプ下地金属層１０の不要部分を除去する。【００１９】
次いで、リフロー加熱にて前記外部接続用電極層１２溶融し、略球状に整形処理する。これにより、半導体基板１の第２バンプ下地金属層１１上に、略球状の外部接続用電極１２配設された半導体素子３０が形成される。【００２０】
当該半導体素子３０を、配線基板にフリップチップ実装した状態を図３に示す。当該半導体素子３０は、配線基板２１上にフェイスダウン状態をもって実装されている。かかる配線基板２１、ガラスエポキシ材，ポリイミドテープ等からなる有機ビルドアップ基板から形成されている。当該配線基板２１の一方の主面（上面）には、電極パッド２２が複数個選択的に配設され、当該電極パッド２２の中央部を表出するよう選択的に開口を有するソルダーレジスト２３が被覆配設されている。【００２１】
当該配線基板２１上に配設された電極パッド２２に対して、前記半導体素子３０の外部接続用突起電極１２が接続され、また、当該半導体素子３０と配線基板２１との間には、所謂アンダーフィル材２４が充填されている。一方、当該配線基板２１の他方の主面（下面）には、半田からなる外部接続用突起電極２５が配設されている。【００２２】
このような構造を有する半導体装置５０は、以下の工程を経て形成される。【００２３】
即ち、半導体素子３０を配線基板２１一方の主面（上面）に対しフリップチップ（フェイスダウン）方式にて搭載する。【００２４】
次いで、当該半導体素子３０の外部接続用突起電極１２と、配線基板２１の電極パッド２２上に予め配設されている予備半田（半田プリコート・図示せず）とをリフロー加熱処理により溶融し、当該半導体素子３０の外部接続用突起電極１２と配線基板２１上の電極パッド２２とを接続する。【００２５】
次いで、半導体素子１０と配線基板２１との間にアンダーフィル材２４を充填し、硬化せしめる。【００２６】
しかる後、配線基板２１の他方の主面（下面）に半田ボールを搭載し、リフロー加熱工程及び冷却工程を経て、外部接続用突起電極２５を配設する。【００２７】
この様に、半導体基板上に外部接続端子を設ける際に、半導体装置の電気的特性の劣化を防止する為に、半導体基板内に形成された電子回路に接続された内部配線層と、前記半導体基板上の任意の位置で該内部配線層と接続され前記半導体基板上に形成された保護層から表出されたビアと、該ビアと接続され前記保護層上に形成された配線層と、該配線層と接続され所定の高さを有する外部接続端子とを有する半導体装置であって、前記ビアの直下には電子回路を設けず、前記ビアの径が前記配線層の幅と同等以下の寸法である構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【００２８】
また、半導体基板上に形成された半導体集積回路の引出し電極上に、バンプ下地導体層を介して、錫（Ｓｎ）を含有する半田バンプ電極を設けてなる半導体集積回路装置であって、前記バンプ下地導体層は、引出し電極上に設けられた接着機能を有する導体層上に、パラジウム（Ｐｄ）を含有する導体層を設けてなる半導体集積回路装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４３８７６号公報
【特許文献２】特許３６４５３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
前述の如く、半導体素子３０を、その表面に配設された外部続用突起電極１２を介して、配線基板２１にフリップチップ実装する半導体装置の製造にあっては、リフロー加熱工程に於いて、外部接続用突起電極１２及び配線基板２１の電極パッド２２上に予め被覆された予備半田（半田プリコート）を溶融することにより、半導体素子３０の外部接続用突起電極１２と配線基板２１上の電極パッド２２とを接続する。しかる後、冷却処理を施して当該外部接続用突起電極を固化している。【００３０】
かかる半導体素子３０を構成するシリコン（Ｓｉ）基板の熱膨張係数は、約３乃至４ｐｐｍ／℃であり、一方有機材料から形成される配線基板２１の熱膨張係数は約１０乃至１７ｐｐｍ／℃であって、当該配線基板２１の熱膨張係数は半導体素子３０の熱膨張係数よりも大きい。【００３１】
従って、外部接続用突起電極のリフロー加熱工程後、冷却されると、半導体素子３０の熱膨張係数と配線基板２１の熱膨張係数の相違に基づき、歪み応力が顕著に発生ずる。即ち、配線基板２１の熱膨張係数が半導体素子３０の熱膨張係数よりも大きいため、かかる冷却処理時に、温度変化による伸縮が大きい配線基板２１から半導体素子３０に対して、応力が作用する。【００３２】
かかる状態は、半田材（外部接続用突起電極１２及び予備半田）が固化した状態に於いて生ずる為、配線基板２１から半導体素子３０に作用する応力を当該半田によって吸収することができない。【００３３】
従って、配線基板２１から半導体素子３０の外部接続用突起電極１２に作用する応力は、第２バンプ下地金属層１１、第１バンプ下地金属層１０及び電極パッド７を介して、多層配線層３に於ける所謂Ｌｏｗ−Ｋ材料から構成される層間絶縁層５に作用してしまう。【００３４】
その結果、当該層間絶縁層５を介して積層されている配線層４に於いて層間剥離が発生し、半導体装置５０に電気的不良を生じてしまう。【００３５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、外部接続用突起電極を介して半導体素子を配線基板に実装する際に、配線基板から前記外部接続用突起電極を介して半導体素子のＬｏｗ−Ｋ材料等から構成される層間絶縁層を含む多層配線部に作用する応力を緩和し、当該配線層に於ける層間剥離の発生を防止することができる半導体装置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】
【００３６】
本発明の一観点によれば、半導体基板上の配線層に配設された複数の電極パッドと、前記電極パッドを表出して前記配線層上に配設された絶縁層と、一端が前記電極パッドの表出部に接続され、前記複数の電極パッド毎に前記絶縁層上に延在して配設された複数の導電層と、前記導電層の他端に配設された突起電極と、を備え、前記導電層の延在する方向は、前記複数の電極パッドに対して一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置が提供される。【００３７】
全ての前記導電層の延在する方向が、一定の方向に延在していてもよい。また、前記導電層の延在する方向は、前記半導体基板の中心部から外周方向に延在していてもよい。更に、前記導電層の延在する方向は、前記半導体基板の外周部から中心方向に延在していてもよい。前記電極パッドは、前記半導体基板の主面において、縦方向及び横方向に略同一の間隔にマトリクス状に複数配設されていてもよい。前記配線層は、比誘電率が５以下の層間絶縁膜を含むこととしてもよい。前記導電層は複数の金属層から構成されることとしてもよい。【００３８】
本発明の別の観点によれば、半導体基板上の配線層に配設された電極パッドと、前記電極パッドの表面の一部及び前記配線層上に配設された絶縁層と、前記電極パッドの表出部を覆い且つ前記絶縁層上に延在して配設された導電層と、前記電極パッド上の、前記導電層上に配設された突起電極とを有することを特徴とする半導体装置が提供される。【００３９】
前記電極パッドの表出部は前記絶縁膜により複数の領域に分割され、当該分割された領域上に前記導電層が配設されていてもよい。【００４０】
上述の半導体装置は、配線基板にフリップチップ実装されることとしてもよい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、外部接続用突起電極を介して半導体素子を配線基板に実装する際に、配線基板から前記外部接続用突起電極を介して、半導体素子のＬｏｗ−Ｋ材料等から構成される層間絶縁層を含む多層配線部に作用する応力が緩和され、配線層に於ける層間剥離の発生を防止することができる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の半導体素子の構造を示す平面図である。
【図２】図１の点線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】図１及び図２に示す半導体素子を配線基板にフリップチップ実装した状態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置に適用される半導体素子の平面図である。
【図５】図４の点線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図６】図５に示す半導体素子の変形例の図である。
【図７】図４及び図５に示す半導体素子を配線基板にフリップチップ実装した状態を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子に於いて、第１バンプ下地金属層及び第２バンプ下地金属層の積層構造体の導出・延在形態の第１の変形例を示す平面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子に於いて、第１バンプ下地金属層及び第２バンプ下地金属層の積層構造体の導出・延在形態の第２の変形例を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置に適用される半導体素子の構造を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１００、１１０、１２０、１５０        半導体素子
４１                                  半導体基板
４３                                  多層配線層
４４                                  配線層
４５                                  層間絶縁層
４６                                  配線接続部
４７                                  電極パッド
４８                                  無機絶縁層
４９                                  有機絶縁層
５０                                  第１バンプ下地金属層
５１                                  第２バンプ下地金属層
５２                                  外部接続用突起電極
５５                                  絶縁部材
７１                                  配線基板
２００                                半導体装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。【００４５】
１．半導体装置
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子の主面を図４に示す。また、当該図４の、点線Ａ−Ａにおける断面を図５に示す。【００４６】
図４及び図５を参照するに、本発明の第１の実施の形態における半導体素子１００にあっては、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板４１に所謂ウエハープロセスが適用されて、その一方の主面に、トランジスタなどの能動素子ならびに容量素子などの受動素子が配設されている（図示せず）。【００４７】
そして、これら能動素子、受動素子などの機能素子は、当該半導体基板４１の一方の主面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層などの絶縁層４２を介して形成された多層配線層４３を介して相互に接続されて、電子回路が形成されている。【００４８】
かかる構成において、多層配線層４３は、図５に示すように、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）等からなる配線層４４が層間絶縁層４５を介して複数層積層されて形成されている。そして層間接続部４６を介して上下の配線層４４間ならびに前記半導体基板１に形成されている機能素子が適宜接続されている。即ち、当該配線層の一部は、前記絶縁層４２を選択的に貫通して、前記半導体基板４１に形成されている機能素子に接続されている。【００４９】
当該層間接続部４６は、前記アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）あるいはタングステン（Ｗ）などをもって形成される。【００５０】
ここで、層間絶縁層４５を構成する材料としては、例えば、有機樹脂、炭素（Ｃ）を含む酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、或いはフッ素（Ｆ）が添加されたシリコンガラス（ＦＳＧ：Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｇｌａｓｓ）等の比誘電率５以下の材料（所謂Ｌｏｗ−Ｋ材料）が用いられ、配線間に形成される電気容量を低減し、電気信号の伝達の高速化が図られる。【００５１】
当該多層配線層４３の上部には、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極パッド（電極部）４７が複数個配設され、多層配線層４３を構成する配線層４４と適宜接続されている。当該電極パッド４７は、図４に示されるように、半導体素子１００の主面において、格子状に、即ち、縦方向並びに横方向にほぼ等間隔に、複数個が所謂マトリックス状に配設されている。【００５２】
また、前記多層配線層４３上には、前記電極パッド４７の中央部を表出する開口を有して、窒化シリコン（ＳｉＮ）あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の無機絶縁層４８が選択的に配設されている。当該無機絶縁層４８はパッシベーション層とも称される。【００５３】
尚、電極パッド４７上に配設される無機絶縁層４８の開口の開口径は、１５μｍ以上とされる。当該開口径が、１５μｍよりも小であると、コンタクト抵抗が大となり、良好な電気的接続が困難となる。【００５４】
更に、半導体素子１００の表面の保護を図るべく、前記無機絶縁層４８の上面及び電極パッド４７の上に於ける無機絶縁層４８の内側面を覆って、有機絶縁層４９が配設されている。【００５５】
当該有機絶縁層４９としては、約２乃至２０ＧＰａのヤング率を有する絶縁材料が適用され、例えばポリイミド、ベンゾシクロブテン、フェノール樹脂、又はポリベンゾオキサゾール等から選択される。当該有機絶縁層４９の膜厚は、５μｍ以上とされる。【００５６】
そして、前記電極パッド４７表出部、即ち前記無機絶縁層４８及び有機絶縁層４９により被覆されていない表面には、当該有機絶縁層４９上に延在して、第１バンプ下地金属層（ＵＢＭ：Ｕｎｄｅｒ−Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）５０及び第２バンプ下地金属層５１が積層状態を呈して配設されている。当該第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体は、前記電極パッド４７の表出部から延在する方向に従って、その幅が漸次拡大されている。【００５７】
ここで、前記第１バンプ下地金属５０は、チタン（Ｔｉ）あるいはクロム（Ｃｒ）からなる下層金属層５０Ａと、当該下層金属層５０Ａ上に配設された銅（Ｃｕ）からなる上層金属層５０Ｂから構成されている（図示せず）。これらの金属層は、スパッタリッグ法により被着される。そして下層金属層５０Ａは、有機絶縁層４９を構成する有機絶縁材料との密着性も考慮されて選択される。【００５８】
一方、第２バンプ下地金属層５１しては、銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）が適用される。当該第２バンプ下地金属層５１を構成する金属層は、メッキ法により被着される。この時、前記第１バンプ下地金属５０に於ける上層金属層５０Ａは、当該第２バンプ下地金属層５１の被着を容易化する。当該第２バンプ下地金属層５１は、その厚さを５μｍ以上とされ、熱収縮時における応力の緩和を支援する。【００５９】
そして、当該第２バンプ下地金属層５１上には、外部接続用突起電極５２が選択的に配設されている。当該外部接続用突起電極５２は、ニッケル（Ｎｉ）あるいは銅（Ｃｕ）からなる下地層５２Ａと、当該下地層５２Ａ上に配設された低融点金属層５２Ｂから構成される。【００６０】
当該低融点金属層５２Ｂは、融点が約３５０℃以下の合金、例えば錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）、又は銅（Ｃｕ）を含む錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）など、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田、所謂鉛フリー半田から構成される。当該低融点金属層５２Ｂは、半田バンプとも称される。当該低融点金属層５２Ｂは、下地層５２Ａに対し、前記電極パッド４７よりも大きな面積をもって接している。【００６１】
そして、当該外部接続用突起電極５２の表面には、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、あるいは錫（Ｓｎ）などの金属被覆が配設形成されていてもよい。また、当該外部接続用突起電極５２は、図示されるところの略半球状の形状に限らず、略円柱状であってもよい。【００６２】
かかる構成に於いて、複数の電極パッド４７に接続された、前記第１バンプ下地金属５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体は、図４に示されるように、それぞれ同一方向に、同等の長さをもって延在して配設されている。【００６３】
この結果、外部接続用突起電極５２は、半導体素子１００の主面において、前記電極パッド４７の間隔とほぼ同等の間隔をもって、縦方向及び横方向にほぼ等間隔に、所謂マトリックス状に配設されている。【００６４】
なお、当該半導体素子１００にあっては、図６に示すように、第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体の上面であって、外部接続用突起電極５２によって被覆されず表出している部位を含む有機絶縁層４９の上面を、有機物からなる絶縁部材５５によって被覆してもよい。【００６５】
かかる絶縁材部５５の被覆により、第２バンプ下地金属層５１の表面の酸化を防止することができ、また有機絶縁層４９を保護することができる。【００６６】
この様な構成を有する半導体素子１００を、配線基板上にフリップチップ実装した状態を、半導体装置２００として、図７に示す。【００６７】
ここで、配線基板７１、ガラスエポキシ材，ポリイミドテープ等からなる有機ビルドアップ基板から構成されている。当該配線基板７１の一方の主面（上面）には、電極パッド７２が複数個選択的に配設され、当該電極パッド７２の中央部を表出するよう開口を有するソルダーレジスト７３が選択的に配設されている。【００６８】
配線基板７１上に配設された電極パッド７２に対して半導体素子１００の外部接続用突起電極５２が接続されている。当該半導体素子１００と配線基板７１との間には、所謂アンダーフィル材７４が充填されている。また、配線基板７１の他方の主面（下面）には、半田からなる外部接続用突起電極７５が配設されている。【００６９】
前述の如く、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子１００にあっては、外部接続用突起電極５２は、バンプ下地金属５１，５２の延在によって、電極パッド４７から横方向に偏寄した領域に位置して配設されている。即ち、当該外部接続用突起電極５２はその下面全面が、第２バンプ下地金属層５１及び第１バンプ下地金属層５０を介して、有機絶縁層４９上に位置している。【００７０】
従って、半導体素子１００を配線基板７１に実装する際に、リフロー加熱工程後に冷却されて、半導体素子１００の熱膨張係数と配線基板７１の熱膨張係数の差に基づき、配線基板７０から半導体素子１００の外部接続用突起電極５２に応力が作用しても、当該応力は電極パッド４７部に直接には及ばない。そして、当該応力は、第２バンプ下地金属５１、第１バンプ下地金属層５０及び有機絶縁層４９などによって分散され、緩和される。【００７１】
これにより、半導体素子１００を配線基板７１に実装する際に、当該半導体素子１００の外部接続用突起電極５２に作用する応力が、電極パッド４７介して多層配線層４３に於ける所謂Ｌｏｗ−Ｋ材料から構成される層間絶縁層４５部分に作用することが防止される。そして、当該層間絶縁層４５を介して積層されている配線層４４に於ける層間剥離の発生を防止することができ、半導体装置２００に於ける電気的不良の発生を回避することができる。【００７２】
尚、前記有機絶縁層４９は弾性を有することから、半導体素子１００を配線基板７１に実装する際に、当該配線基板７１から外部接続用突起電極５２を介して、第２バンプ下地金属（第２金属部）５１方向に対して作用する応力を分散（緩和）させることに寄与する。【００７３】
前記半導体素子１００に於ける第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体の導出・延在方向は、前記実施の態様に限られず、種々選択することができる。即ち、例えば図８又は図９に示す態様を採ることもできる。【００７４】
図８に、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子１１０に於いて、第１バンプ下地金属層４９及び第２バンプ下地金属層５０の積層構造体の導出・延在形態の第１の変形例を示す。【００７５】
当該半導体素子１１０の主面には、その中央部を除いて、電極パッド４７、格子状に、即ち縦方向ならびに横方向に等間隔に複数個配設されている。そして、ここでは、当該電極パッド４７はその配設位置に対して四つのグループとされており、当該電極パッド４７に接続された第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体は、当該グループに対応してグループ化されており、当該グループがそれぞれ半導体素子１１０の四つの隅部（コーナー部）方向に導出・延在されている。【００７６】
かかる構成により、隣り合う外部接続用突起電極５２は、それぞれの位置が互いに重なることなく、配置の自由度を高めることができ、また当該半導体素子１１０の主面の端部近傍に於いて、外部接続用突起電極５２が偏った方向に形成されることを防止することができる。【００７７】
また、図９に、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子１２０に於いて、第１バンプ下地金属層５０ならびに第２バンプ下地金属層５１の導出・延在形態の第２の変形例を示す。【００７８】
当該半導体素子１２０の主面には、その四つの隅部（コーナー部）に分散する如く、電極パッド４７が、格子状に、即ち縦方向ならびに横方向に等間隔に複数個配設されている。【００７９】
そして、ここでは、当該電極パッド４７は、その配設位置に対して四つのグループとされており、当該電極パッド４７に接続された第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体は、当該グループに対応してグループ化されており、当該グループがそれぞれ半導体素子１２０のほぼ中央部に向かって導出・延在されている。【００８０】
かかる構成によっても、隣り合う外部接続用突起電極５２は、それぞれの位置が互いに重なることなく、配置の自由度を高めることができ、また当該半導体素子１２０の主面の端部近傍に於いて、外部接続用突起電極５２が偏寄した方向に形成されることを防止することができる。【００８１】
一般に、半導体素子が実装される配線基板において温度変化による伸縮に伴って作用する応力は、半導体素子の四つの隅部（コーナー部）が大きい。従って、このように第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体を配設し、電極パッド４７の位置からその半導体素子１２０の中央部側寄りに位置ずらして外部接続用突起電極５２を配設することにより、当該電極パッド４７に作用する応力を抑制することができる。【００８２】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子について、図１０を参照して説明する。【００８３】
当該図１０にあっては、第２の実施の形態に係る半導体素子１５０に於ける、１個の外部接続用突起電極５２と当該外部接続用突起電極５２に接続される配線層構造を主体に示している。ここで、図１０Ａは、当該外部接続用突起電極５２と当該外部接続用突起電極５２に接続される配線層の断面構造を示しており、一方、図１０Ｂは、当該外部接続用突起電極５２及びバンプ下地金属層が配設される前の電極パッド部の平面形状を示している。図１０Ａは、図１０ＢのＡ−Ａ'断面に相当する。【００８４】
尚、当該図１０に於いては、前記第１の実施の形態に係る半導体素子１００に於ける構成と対応する部位には、同じ符号を付している。【００８５】
本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子１５０にあっては、半導体基板４１に所謂ウエハープロセスが適用されて、その一方の主面にトランジスタなどの能動素子及び容量素子などの受動素子が形成され（図示せず）、更に当該半導体基板４１の一方の主面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層４２等の絶縁層を介して多層配線層４３が配設されている。【００８６】
かかる多層配線層４３は、配線層４４が層間絶縁層４５を介して複数層積層されて形成されている。そして層間接続部４６を介して上下の配線層４４間が適宜接続されている。【００８７】
当該多層配線層４３の上部には、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極パッド（電極部）４７が複数個配設され、多層配線層４３を構成する配線層４４と適宜接続されている。本実施の形態においても、当該電極パッド４７は、半導体素子１５０の主面において格子状に、即ち、縦方向並びに横方向にほぼ等間隔に、複数個が所謂マトリックス状に配設されている。【００８８】
また、多層配線層４３上には、前記電極パッド４７表面を選択的に表出する開口を有して、窒化シリコン（ＳｉＮ）あるいは酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる無機絶縁層４８及びポリキミドなどの有機絶縁層４９が積層されて配設されている。【００８９】
本実施の形態に於ける特徴的構成として、当該電極パッド４７上には、当該電極パッド４７表面を複数の領域に分割して表出するよう、前記絶縁層が選択的に配設されている。即ち、前記電極パッド４７上には、当該電極パッド４７の表面を選択的に覆う無機絶縁層４８、及び当該無機絶縁層４７の上面ならびに側面を被覆する有機絶縁層４９が配設されている。【００９０】
これにより、有機絶縁層４９は、無機絶縁層４８の表面を覆い、且つ前記電極パッド４７の表面を選択的に表出している。【００９１】
図１０に示される様に、本実施の態様にあっては、電極パッド４７の表面に十字形状に無機絶縁層４８が配設され、更に当該無機絶縁層４８を覆って有機絶縁層４９が配設されている。【００９２】
これにより、当該電極パッド４７の表面は４個の領域４７ａ乃至４７ｄに分割され、それぞれが有機絶縁層４９に於けるところの扇状を有する開口４９Ａに於いて表出されている。【００９３】
そして、当該電極パッド４７は、扇状の開口４９Ａのそれぞれに於いて、バンプ下地金属層５７に接している。即ち、当該バンプ下地金属層５７は、電極パッド４７に対し、４ヶ所に分散（分割）されて接続されている。【００９４】
当該第バンプ下地金属層５７の厚さは、前記有機絶縁層４９及び無機絶縁層４８の積層された厚さよりも薄く、前記扇状の開口内外に段差を生じて配設されている。【００９５】
ここで、当該バンプ下地金属層５７としては、前記第１の実施の形態に於ける第１バンプ下地金属５０と同一の材料からなる下層、第２バンプ下地金属５１と同一の材料からなる中間層、及び外部接続用突起電極の下地層５２Ａと同一の材料からなる上層とから構成される３層構造が適用される。【００９６】
そして、当該バンプ下地金属５７上には、外部接続用突起電極５２が配設される。当該外部接続用突起電極５２は、当該バンプ下地金属５７を介して、前記電極パッド４７と電気的に導通接続される。【００９７】
この様な半導体素子構造によれば、配線基板７１に実装する際に、リフロー加熱工程後に冷却され、半導体素子１５０の熱膨張係数と配線基板７１の熱膨張係数の差に基づき、配線基板７１から半導体素子１５０の外部接続用突起電極５２に応力が作用しても、当該外部接続用突起電極５２に生ずる応力は、バンプ下地金属５７を介して、電極パッド４７の表面に対し、複数の領域に分割されて印可される。即ち、当該応力は、分散されて電極パッド４７に印可される。これにより、当該電極パット４７に於ける応力の集中は緩和される。【００９８】
従って、本実施の形態においても、半導体素子１５０を配線基板７１に実装する際、当該半導体素子１５０の外部接続用突起電極５２に作用する応力が電極パッド４７を介して多層配線層４３に於ける所謂Ｌｏｗ−Ｋ材料から構成される層間絶縁層４５部分に作用することを防止することができる。これにより、当該層間絶縁層４５を介して積層されている配線層４４に於ける層間剥離の発生を防止することができ、半導体装置１５０に於ける電気的不良の発生を回避することができる。【００９９】
なお、図１０に示す実施の形態では、電極パッド４７の表出される表面は、扇形状を有する４つの領域に分割されているが、本発明はかかる態様に限定されるものではない。【０１００】
即ち、当該電極パッド４７の表面を覆う絶縁層に設けられる開口の形状は、必要に応じて選択することができる。そして、当該開口の数を複数個とすることにより、配線基板などへの実装の際、半導体素子の外部接続用突起電極に作用する応力を分散させることができる。【０１０１】
２．半導体装置の製造方法
［第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法］
図５、図７、図９及び図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置２００の製造方法について説明する。【０１０２】
半導体基板の一方の主面上に於いて、多層配線層を介して配設された電極パッド４７を表出するよう選択的に開口が形成された有機絶縁層４９上に、第１バンプ下地金属層５０を、スパッタリング法により被着する。（図１１  ステップＳ１）。このとき、前記電極パッド４７を表出する有機絶縁層４９の開口径は、例えば１５μｍ以上に設定され、また当該有機絶縁層４９の膜厚は、例えば約５μｍ以上に設定される。【０１０３】
次いで、第１バンプ下地金属層５０に、スピンコート法によりフォトレジスト層を形成する。（図１１  ステップＳ２）当該フォトレジスト層に対し、露光、現像、硬化処理を行い、当該フォトレジスト層に対して、第２バンプ下地金属５１の形成予定位置に対応する開口を形成する。【０１０４】
図５に示す例では、電極パッド４７の形成位置から、同一方向に偏寄させた箇所に、また図８に示す例では、電極パッド４７の形成位置から、より外縁部方向にス偏寄させた箇所に、更に図９に示す例では、電極パッド４７の形成位置から半導体素子の中心方向に偏寄させた箇所に、当該開口を形成する。【０１０５】
次いで、電解めっき処理を行い、前記フォトレジスト層の開口部内に、第２バンプ下地金属層５１を形成する（図１１  ステップＳ３）。このとき、当該第２バンプ下地金属層５１の厚さは、例えば５μｍ以上に選択される。【０１０６】
次いで、前記フォトレジスト層を除去する（図１１  ステップＳ４）。【０１０７】
しかる後、第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属層５１の積層構造体上に、スピンコートにより、再度フォトレジスト層を形成する（図１１  ステップＳ５）。【０１０８】
そして、露光、現像、硬化処理を施し、当該フォトレジスト層に対して、前記外部接続用突起電極形成予定位置に対応する開口を形成する。【０１０９】
次いで、当該フォトレジスト層開口部内に、外部接続用突起電極下地層５２Ａ及び外部接続用突起電極５２Ｂを順次形成する（図１１  ステップＳ６）。このとき、外部接続用突起電極５２Ｂの一部は、フォトレジスト層上に延在する。【０１１０】
しかる後、前記フォトレジスト層を除去する（図１１  ステップＳ７）。【０１１１】
次いで、前記第２バンプ下地金属層５１マスクとして、所謂ウエットエッチング法により、前記第１バンプ下地金属５０の不要部分を除去する（図１１  ステップＳ８）。【０１１２】
次いで、リフロー加熱にて前記外部接続用電極層５２を溶融し、これを略球状に整形処理する（図１１  ステップＳ９）。即ち、半導体基板１の、前記第１バンプ下地金属層５０及び第２バンプ下地金属５１の積層構造体上に、略球状の外部接続用電極５２が形成される。【０１１３】
この様に略球状の外部接続用電極５１が形成された半導体素子１００を、配線基板７１に対しフリップチップ（フェイスダウン）方式にて搭載した後に、リフロー加熱処理により、外部接続用突起電極５２及び配線基板７１の電極パッド７２上に設けられ予備半田（半田プリコート・図示を省略）を溶融し、当該半導体素子１００の外部接続用突起電極５２と配線基板７０に於ける電極パッド７２とを接続する。【０１１４】
次いで、半導体素子１００と配線基板７１との間にアンダーフィル材７４を充填し、硬化せしめる。【０１１５】
しかる後、配線基板７１の下面に半田ボールを搭載し、リフロー加熱工程及び冷却工程を経て、外部接続用突起電極７５を配設する。【０１１６】
尚、必要であれば、当該外部接続用突起電極７５を配設に先行して、前記半導体素子１００を被覆する樹脂封止部が配設されてもよい。【０１１７】
これにより、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置２００が形成される。【０１１８】
［第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法］
図１０に示す、本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子１５０は、以下の工程を経て形成される。【０１１９】
周知の方法により、半導体基板４１上に設けられた配線層４３上に、無機絶縁層４８及び有機絶縁層４９を、順次被覆形成する。このとき、無機絶縁層４８及び有機絶縁層４９には、電極パッド４７の表面を選択的に表出するための開口が、選択的に形成される。【０１２０】
即ち、当該電極パッド４７を覆う無機絶縁層４８に対し選択エッチング処理を施し、当該無機絶縁層４８に、電極パッド４７の表面を複数個の領域に於いて表出する開口を形成する。【０１２１】
次いで、当該無機絶縁層４８上に有機絶縁層４９を被着し、当該有機絶縁層４９に対しても選択エッチング処理を施して、前記電極パッド４７上にあって無機絶縁層４６に設けられている開口に対応する開口を形成する。これにより、当該有機絶縁層４９に設けられた複数個の開口内それぞれに、前記電極パッド４７の上面が表出される。【０１２２】
次に、スパッタリング法を用い、前記電極パッド４７の表出部及び有機絶縁層４９上に、バンプ下地金属層５７の下層(前記第１の実施の形態に於ける第１バンプ下地金属５０と同一の材料からなる金属層)を形成する。【０１２３】
次いで、当該バンプ下地金属層５７の下層上に、バンプ下地金属層の上層(前記第１の実施の形態に於ける第２バンプ下地金属５１と同一の材料からなる金属層)を、フォトレジスト層をマスクとする所謂選択メッキ法により被着する。【０１２４】
更に、前記バンプ下地金属５７の上層上に、スピンコートによりフォトレジスト層を塗布形成し、露光、現像、硬化処理を行って、当該フォトレジスト層に対して、前記電極パッド４７上に於ける外部接続用突起電極５２の形成位置に対応する開口を形成する。【０１２５】
そして、電気めっき処理を行い、前記フォトレジスト層の開口部内に、外部接続用突起電極下地層５２Ａ(前記第１の実施の形態に於ける外部接続用突起電極の下地層５２Ａと同一の材料からなる金属層)を形成する。【０１２６】
次いで、電気めっき処理を行い、前記フォトレジスト層の開口部内において、前記外部接続用突起電極下地層５２Ａ上に、外部接続用電極層５２Ｂを形成する。当該外部接続用電極層５２Ｂは、前記フォトレジスト層上にその一部が延在して形成される。【０１２７】
しかる後、前記フォトレジスト層を剥離除去し、更に、前記外部接続用電極層５２をマスクとして用いて、所謂ウエットエッチング法により、前記バンプ下地金属層５７の不要部分を除去する。【０１２８】
これにより、各電極パッド部にあっては、バンプ下地金属層５７は、有機絶縁層４９の開口部内に於いて電極パッド４７の表面に接し、且つ当該電極パッド４７周囲の有機絶縁層４９上に延在して配設される。【０１２９】
次いで、リフロー加熱にて前記外部接続用電極層５２Ｂを溶融し、これを略球状に整形処理する。これにより、バンプ下地金属層５７上に、略球状の外部接続用電極５２が形成される。【０１３０】
この様に、略球状の外部接続用電極５２が形成された半導体素子１５０を、配線基板に対しフリップチップ（フェイスダウン）方式にて搭載した後に、リフロー加熱処理により、外部接続用突起電極５２及び配線基板の電極パッド７２上に設けられ予備半田（半田プリコート・図示を省略）を溶融し、当該半導体素子１５０の外部接続用突起電極５２と配線基板上の電極パッド７２とを接続する。【０１３１】
次いで、半導体素子１５０と配線基板との間にアンダーフィル材を充填し、硬化せしめる。【０１３２】
しかる後、配線基板の下面に半田ボールを搭載し、リフロー加熱工程及び冷却工程を経て、外部接続用突起電極７５を接続する。尚、必要であれば、当該外部接続用突起電極の配設に先行して、前記半導体素子１５０を被覆する樹脂封止部が配設されてもよい。【０１３３】
これにより、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置が形成される。【０１３４】
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明思想の範囲内に於いて種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明は、半導体装置に適用され、より具体的には、外部接続用突起電極を介して配線基板に実装される半導体装置に適用される。
【図１】
2009013826.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月18日(2010.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の配線層に配設された複数の電極パッドと、
前記電極パッドを表出して前記配線層上に配設された絶縁層と、
一端が前記電極パッドの表出部に接続され、前記複数の電極パッド毎に前記絶縁層上に延在して配設された複数の導電層と、
前記導電層の他端に配設された突起電極と、を備え、
前記複数の導電層は、前記複数の電極パッドに対して一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記電極パッドは、前記半導体基板の主面において、縦方向及び横方向に略同一の間隔にマトリクス状に複数配設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置であって、
前記突起電極は、前記半導体基板の主面において、縦方向及び横方向に略同一の間隔にマトリクス状に複数配設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記電極パッドから、前記電極パッドと前記導電層によって接続された前記突起電極までの距離は、すべて等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置であって、
全ての前記導電層が、一定の方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記導電層は、前記半導体基板の中心部から外周方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記導電層は、前記半導体基板の外周部から中心方向に延在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記絶縁層は、無機絶縁膜と、前記無機絶縁膜上に形成された有機絶縁膜とから構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置であって、
前記導電層は複数の金属層から構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置であって、
前記導電層はチタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）を含む材料から構成される第１バンプ下地金属層、及び、銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）を含む材料から構成される第２バンプ下地金属層からなることを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
2009013826.tif 000014
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