(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ搭載基板と、
前記半導体チップ搭載基板の上に備えられた第１の半導体チップと、
前記第１の半導体チップの上に形成されたはんだバンプと、
前記第１の半導体チップの上の前記はんだバンプを取り囲んだ外側に、４つの辺と４つのそれぞれの円弧をほぼ９０度ずつ切り取った形状の大きさ以下である１／４以下の円弧が交互に繋がって全体として略矩形環状に配置されたはんだダムと、
前記第１の半導体チップの前記はんだダムの外側に配置された電極パッドと、
前記はんだバンプを介して前記第１の半導体チップと電気的に接続され前記第１の半導体チップの上に備えられた第２の半導体チップと、
前記はんだダムの内側にて前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの隙間を充填するアンダーフィル材とを備え、
前記はんだダムは、前記円弧の内径と外径の差は６０μｍ以上で、かつ前記円弧の内径と外径との中間の位置にある円弧の半径は２０７．５μｍより大きい
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記はんだバンプおよび前記はんだダムは、ＳｎＣｕ或いはＳｎＡｇである
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記はんだダムの下面から頂上までの高さは、２０±３μｍである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体チップの上の前記はんだダムを取り囲んだ外側に、４つの辺と４つの円弧をほぼ９０度ずつ切り取った形状の大きさ以下である１／４以下の円弧が交互に繋がって全体として略矩形環状に配置された第２はんだダムをさらに備え、
前記第２はんだダムの円弧の内径と外径の差が６０μｍ以上で、前記第２はんだダムの円弧の内径と外径との中間の位置にある円弧の半径が２０７．５μｍより大きい
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体チップおよび前記第２の半導体チップの一方がメモリーチップで他方がロジックチップである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器等の電子機器の高性能化、多機能化、小型化を実現する技術として、メモリー、ロジック等の複数の半導体素子を三次元に積層するＣＯＣ（Chip on Chip：チップオンチップ)技術が知られている。このＣＯＣ技術を利用した半導体装置のなかでも、２枚の半導体素子をマイクロバンプ接続した半導体装置は、小型化、チップ間のデータ転送速度の高速化等に有利であり、各種電子機器に多用されつつある。
【０００３】
従来、このマイクロバンプ接続を用いたＣＯＣ構造の半導体装置は、２枚の半導体素子のそれぞれの表面（回路形成面）の端子同士をはんだバンプを介して接合した後、上層と下層の半導体素子の隙間にアンダーフィル材（ＵＦ樹脂）を充填することにより製造されている。はんだバンプは、接合する半導体素子の少なくとも一方の端子上に形成され、リフロー処理によりはんだバンプを溶融させ接合する。
【０００４】
はんだバンプには、環境保全の観点からＰｂを含まない無鉛はんだ（例えば、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ等）が一般に使用される。アンダーフィル材を充填する際に樹脂が規定の領域よりも外側に流れ出して電極パッドなどにかかることを防ぐために、下段の半導体素子の上に環状のダムを設ける。
【０００５】
しかしながら、ダムをはんだで形成する場合、はんだ材料となる金属を半導体素子上にめっきした後にリフローではんだを溶融する。このリフロー工程において、主にダムのコーナー部分には、はんだが凝集し、はんだ溜まりが発生し、ウェハのクラックやバンプ接続不良などを引き起こす。
【０００６】
このため、半導体素子のはんだ溜まりの発生を抑える技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−５９５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一つの実施形態は、はんだ溜まりが発生しないダムを備えた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】
【０００９】
本発明の一つの実施形態の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に備えられた第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップの上に形成されたはんだバンプと、前記第１の半導体チップの上の前記はんだバンプを取り囲んだ外側に、４つの辺と４つの１／４以下の円弧が交互に繋がって全体として略矩形環状に配置されたはんだダムと、前記第１の半導体チップの前記はんだダムの外側に配置された電極パッドと、前記はんだバンプを介して前記第１の半導体チップと電気的に接続され前記第１の半導体チップの上に備えられた第２の半導体チップと、前記はんだダムの内側にて前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとの隙間を充填するアンダーフィル材とを備える。前記円弧の内径と外径の差は６０μｍ以上で、かつ前記円弧の中心半径は２０７．５μｍより大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態の半導体装置の構成を模式的に示す断面図を示す図である。
【図２】図２は、実施形態の第１の半導体チップおよび第２の半導体チップの部分の断面をさらに詳細に示した断面図である。
【図３】図３は、実施形態の第１の半導体チップの上面図である。
【図４】図４は、実施形態においてはんだバンプおよびはんだダムを同時形成する様子を示した断面図である。
【図５】図５は、実施形態においてはんだバンプおよびはんだダムを同時形成する様子を示した断面図である。
【図６】図６は、図３に示した本実施形態のダムのコーナー（円弧）の部分Ａを拡大した上面図である。
【図７】図７は、従来のダムのデザインを示した上面図である。
【図８】図８は、従来のダムのデザインによるはんだ溜まりを示した図である。
【図９】図９は、ダム幅とコーナー半径Ｒとの関係ではんだ溜まりが発生しない領域を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
（実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１００は、基板１の上にマウント樹脂２を介して第１の半導体チップ（下チップ）３を備える。第１の半導体チップ３は、例えばメモリーチップである。半導体装置１００は、第１の半導体チップ３の上に第２の半導体チップ（上チップ）４がマイクロバンプ接続されたＣＯＣ構造を有している。第２の半導体チップ４は、例えばロジックチップである。また、第１の半導体チップ３がロジックチップで、第２の半導体チップ４がメモリーチップであってもよい。
【００１３】
図２は、第１の半導体チップ３および第２の半導体チップ４の部分の断面をさらに詳細に示した断面図である。第１の半導体チップ３は、電極パッド（電極）７と、電極パッド７の表面が露出するように設けられた開口部１２を有する絶縁樹脂硬化膜１４を備える。電極パッド７は例えばアルミニウムで、絶縁樹脂硬化膜１４は例えばポリイミド(polyimide)で形成されている。一方、第２の半導体チップ４も、表面（端子面）に絶縁樹脂硬化膜１５を備える。
【００１４】
図１および図２に示すように、第１の半導体チップ３と第２の半導体チップ４とは、端子面同士がはんだバンプ５を介して接合され、その隙間にはＵＦ樹脂（アンダーフィル材）６が充填されている。はんだバンプ５は、第１の半導体チップ３の各端子部（図示せず）上に形成されたはんだバンプ５ａと第２の半導体チップ４の各端子部（図示せず）上に形成されたはんだバンプ５ｂとをリフロー処理によって一体に接合したものである。
【００１５】
はんだバンプ５は、凝固点が２２０℃以上２４０℃以下の金属材料、例えばＳｎＣｕ（凝固点２２７℃）、ＳｎＡｇ（凝固点２２１℃）等で形成されている。バンプ径およびバンプピッチは、それぞれ、例えば５〜５０μｍ程度および１０〜１００μｍ程度である。なお、第１の半導体チップ３の周縁部は第２の半導体チップ４の外周より外側に露出しており、その露出した周縁部の表面に、上記した電極パッド７が形成されている。
【００１６】
図２に示すように、はんだダム１０は第１の半導体チップ３上のはんだバンプ５ａと電極パッド７の間に設置されておりＵＦ樹脂６をせき止めて外周に流れ出ないようにするためのものである。これにより、はんだダム１０のさらに外側に設けられている電極パッド７は、ＵＦ樹脂６から守られており、基板１の電極パッド８とワイヤ９により接続されている。はんだダム１０の高さは、１０〜４０μｍ程度である。
【００１７】
そして、基板１の上のマウント樹脂２、第１の半導体チップ３、ＵＦ（アンダーフィル）樹脂６、第２の半導体チップ４、はんだダム１０、電極パッド７、８、及びワイヤ９の全体は、モールド（Ｍｏｌｄ）樹脂１１で覆われている。
【００１８】
図３は、第１の半導体チップ３の上面図であり。第１の半導体チップ３上の第２の半導体チップ４、電極パッド７が示されている。そして第２の半導体チップ４と電極パッド７の間には、図示したように環状のはんだダム１０が備えられている。はんだダム１０は、例えば図３に示すように、正方形或いは長方形などの略矩形環状の概形を有しつつ、その４つの角（コーナー）はそれぞれ円弧をほぼ１／４（９０度）分ずつ切り取った形状となっており、４つの各コーナーと４つの直線状の部分は交互に繋がって全体として１つながりの環状（枠状）のダムを形成している。
【００１９】
上記したように第１の半導体チップ３と第２の半導体チップ４は、はんだバンプ５を介して電気的に接続されているが、半導体装置１００を形成するにあたり、はんだバンプ５ａを備えた第１の半導体チップ３とはんだバンプ５ｂを備えた第２の半導体チップ４をバンプ５ａおよび５ｂを接合させることにより貼り合わせている。第１の半導体チップ３上に形成されているはんだダム１０は、以下に述べるように第１の半導体チップ３に上にはんだバンプ５ａを形成するときに同時形成する。
【００２０】
第１の半導体チップ３において、はんだバンプ５ａおよびはんだダム１０を同時形成する様子を順に図４および図５の断面図に示す。まず、図４（ａ）に示すように、第１の半導体チップ３上にアンダーバリアメタルであるＴｉ４０およびＣｕ４１をスパッタリングにより形成する。第１の半導体チップ３には図示してあるように、ＬＳＩ３０、Ａｌの電極パッド７、ＳｉＮ及びＳｉＯからなる絶縁層３１、第１ポリイミド層３２、アンダーバリアメタルであるＴｉ３３およびＣｕ３４、Ｃｕ配線めっき層３５、第２ポリイミド層３６がすでに形成されているが、このような構造に限定されるわけではない。
【００２１】
その後、図４（ｂ）に示すように、フォトレジスト（めっきレジスト）４２を塗布した後に、露光・現像を実行する（図示せず）。これによって、バンプ及びダム形成のためにフォトレジスト４２が除去された領域にＮｉ４３をめっきし、その上にＣｕ４４めっき及びＳｎ４５めっきを積層する。バンプ及びダム形成のためにフォトレジスト４２が除去された領域の横幅は、各バンプに対しては２０μｍ、ダムに対しては６０μｍ又は７５μｍである。またこのときのＮｉ４３の上面からみたＣｕ４４めっき層及びＳｎ４５めっき層の高さの合計はバンプ及びダム形成予定部分共に同じ高さ１５．５５μｍである。
【００２２】
さらに、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト４２を除去し、アンダーバリアメタルのＣｕ４１およびＴｉ４０をエッチングする。その後に、図５（ａ）に示すようにフラックスコートを行い、リフロー（加熱）させることによりＳｎＣｕのはんだバンプ５ａおよびはんだダム１０を形成する（リフロー工程）。その後、フラックス洗浄を行ったあとの様子が図５（ｂ）である。このときのＮｉ４３の上面からみた、バンプ５ａの頂上までの高さは１８±２．７μｍ、はんだダム１０の頂上までの高さは２０±３μｍである。
【００２３】
ＳｎＣｕのはんだのかわりにＳｎＡｇではんだバンプ５ａおよびはんだダム１０を形成する場合は、図４（ｂ）のＮｉ４３めっき工程の後に、ＳｎＡｇのめっき液を用いて一度にＳｎＡｇめっきを形成するが、その後の工程は、図４（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）と同様である。
【００２４】
本実施形態においては、図３に示すような環状のはんだダム１０を形成するために、上記した図４（ｂ）の工程にてフォトレジスト４２が除去された領域の形状を図３に示したはんだダム１０の形状にして形成する。図３に示した本実施形態のダム１０のコーナー（円弧）の部分Ａを拡大した上面図が、図６（ａ）および図６（ｂ）である。図６（ａ）の場合は、ダム１０の幅、即ち円弧の内径と外径の差は６０μｍ、コーナー半径Ｒ（円弧部分の中心半径）は３０７．５μｍである。Ｒはダム１０の幅の中心を通る円弧についての半径なので、図示したように図６（ａ）の場合のコーナーの内径は２７７．５μｍである。図６（ｂ）の場合は、ダム１０の幅、即ち円弧の内径と外径の差は７５μｍ、コーナー半径Ｒは３００μｍである。従って、図６（ｂ）の場合のコーナーの内径は２６２．５μｍである。
【００２５】
これに対して従来のダムのデザインを示した例が図７である。図７においてはダムの幅は共に４５μｍであるが、コーナー半径Ｒは１４０μｍおよび２１５μｍである。これら従来のデザインでダムを設計した場合は、単独の環状ダムの場合でも、或いは内側の環状ダムとそれを覆う外側の環状ダムとの二重ダム構造にした場合でもいずれの場合も図８（ａ）または図８（ｂ）に示すように、上述したリフロー（ウェットバック工程）ではんだを溶融したときにはんだ溜まりが発生した。それに対して、図６（ａ）および図６（ｂ）の本実施形態のダム１０の場合ははんだ溜まりが発生しなかった。
【００２６】
本実施形態の図６のデザインのダムと、図７及びその他の従来のダムのデザインの場合について、ダム幅とコーナー半径Ｒをプロットし、はんだ溜まりが発生しない領域を示したものが図９である。図９のデータは全て、バンプのめっき時の横幅が２０μｍで、リフロー後のはんだバンプの下面から頂上までの高さが１８±２．７μｍとなる条件で取得したものである。図９からわかるように、ダム幅、即ち１／４円弧部の内径と外径の差が６０μｍ以上で１／４円弧部のコーナー半径（中心半径）Ｒが２０７．５μｍより大きいとはんだ溜まりが発生しないことがわかる。図９の結果は、はんだダム及びバンプが共にＳｎＣｕの場合の結果であるが、はんだ溜まりは、はんだの表面張力が所望のダム形状を維持出来なくなって発生するので、表面張力がＳｎＣｕとほぼ同じＳｎＡｇを用いても同様の結果が得られると考えられる。
【００２７】
はんだ溜まりが発生すると、通常その部分におけるダムの高さ（図５（ｂ）のＮｉ４３の上面からみたはんだダム１０の高さ）は２００μｍを超え、３００μｍ程度に達することもある。この場合、上記図５（ｂ）の工程の後の半導体素子を薄くする工程（バック サイド グラインド（以下、BSGと称す））において、半導体チップ（下層の半導体チップ）が１枚のウェハに集積形成された状態で裏面研磨したときに、はんだ溜まりの部分が大きく飛び出ていることによりその裏側がその分大きく削られてしまう。その結果、はんだ溜まりを起点としてウェハが割れてしまう（クラックが生じる）ことがある。
【００２８】
また、下層の半導体チップのBSG工程でクラックが発生しない場合でも、はんだ溜まりが発生している場所の近傍の（裏面部分の）半導体層は薄くなってしまう。従って、半導体素子厚が薄く仕上がるために、フリップチップ接続時にバンプ未接続不良が発生する。即ち、上層の半導体チップとＣＯＣ構造を形成させるためにバンプ同士を介して接合する際には、上層と下層の半導体チップの裏面同士は互いに逆向きに平行な状態で行うので、下層の半導体チップのはんだ溜まり近傍が凹んだ状態で接合することになる。この結果、下層の半導体チップのはんだ溜まり近傍のバンプとそれに対向する上層の半導体チップのバンプ同士が接続しなくなるという問題が発生する。
【００２９】
さらに、ダムのコーナーにはんだが溜まりが形成されて高くなることによってはんだがはんだ溜まりに集まってしまい、ダムの他の部分の高さが低くなってダムとしての機能を十分果たせなくなるという問題も生じる。即ち、アンダーフィル工程において、はんだ溜まりが発生したダムにおいては、凝集した場所以外のダム高さが低くなり、アンダーフィル樹脂の流れ出し抑制効果が小さくなるために、規定領域よりも外側への樹脂付着が発生する可能性がある。これらの問題のため、半導体素子のはんだ溜まりの発生を抑える技術が求められていた。しかし、本実施形態のはんだダムによってはんだ溜まり発生を防ぐことが可能となるので、上記問題点を全て解決することが可能となる。
【００３０】
また、上記実施形態においては略矩形環状のダムが１つの場合について説明したが、各辺の長さを変えた複数の略矩形環状のダムを多重に設けても上記実施形態のデザインルールに従えばはんだ溜まりの発生を回避して上記と同様な効果が得られる。また、上記実施形態においてはＣＯＣ構造として２層の半導体チップの例について説明したが、半導体チップをさらに多数積層して、下層の複数の半導体チップに上記実施形態のダムを設けても構わない。また、上記実施形態においては、ダムの円弧部を１／４円弧部としているが、１／４円弧以下の円弧を形成していてもかまわない。
【００３１】
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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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ともに、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】
【００３２】
１  基板、２  マウント樹脂、３  第１の半導体チップ、４  第２の半導体チップ、５、５ａ、５ｂ  はんだバンプ、６  ＵＦ（アンダーフィル）樹脂、７、８  電極パッド、９  ワイヤ、１０  はんだダム、１１  モールド（Ｍｏｌｄ）樹脂、１００  半導体装置、１４、１５  絶縁樹脂硬化膜。
【図１】
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【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】
0005537341.tif 000008
【図８】
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【図９】
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