(57)【要約】【課題】low-κ膜等に起因するクラックや剥離等を抑制し得るフリップチップ接続構造を適用することで、半導体装置の接続工程における製造歩留りを高める。【解決手段】半導体装置２０は、複数の第１の電極パッド２５および半田バンプ２３を有する半導体チップ２１と、それぞれ半田バンプ２３を介して第１の電極パッド２５と接続された複数の第２の電極パッド２８を有する基板２２とを具備する。半田バンプ群は、第１の電極パッド２５と半田バンプ２３の中心を通る断面を見たとき、第１の電極パッド２５と半田バンプ２３の輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数Ｋが、チップセンタ側よりチップエッジ側の方が小さいかまたは等しい半田バンプ２３Ａを有する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極パッドを有する第１の電極パッド群と、前記第１の電極パッド群上にそれぞれ形成された複数の半田バンプを有する半田バンプ群とを備える半導体チップと、
前記半田バンプを介して前記第１の電極パッドと接続された複数の電極パッドを有する第２の電極パッド群を備える基板とを具備し、
前記半田バンプ群は、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの中心を通る断面を見たとき、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数が、前記半導体チップのセンタ側よりエッジ側の方が小さいかまたは等しい半田バンプを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記半田バンプ群は所定の領域内にマトリクス状に配列されており、かつ前記エッジ側の応力拡大係数が小さい半田バンプは前記半田バンプ群の少なくともコーナー部に配置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１または請求項２記載の半導体装置において、
前記エッジ側の応力拡大係数が小さい半田バンプは、前記第２の電極パッドの中心より常温時に前記半導体チップのエッジ側にずれた中心を有する前記第１の電極パッド上に形成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３記載の半導体装置において、
前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドの中心のずれ量（Δｒ）は、前記半導体チップの熱膨張係数をＥc、前記基板の熱膨張係数をＥs、前記半田バンプの加熱溶融温度をＴr、常温をＴrt、前記半導体チップの中心から前記第１の電極パッドまでの常温時における距離をｒとしたとき、
10μm≦Δｒ≦（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・（Ｅs−Ｅc）
の範囲であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
第１の電極パッドと前記第１の電極パッド上に形成された半田バンプとを有する半導体チップと、第２の電極パッドを有する基板とを、前記第１の電極パッドと第２の電極パッドとが対応するように位置合せする工程と、
前記基板の温度が前記半導体チップの温度より低くなる加熱条件下で、前記位置合せした半導体チップおよび基板を加熱し、前記半田バンプを加熱溶融する工程と、
前記加熱溶融された半田バンプを冷却し、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの中心を通る断面を見たとき、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数が前記半導体チップのセンタ側よりエッジ側の方が小さいかまたは等しい形状を有する半田バンプを介して、前記半導体チップの第１の電極パッドと前記基板の第２の電極パッドとを接続する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップ接続を適用した半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの多ピン化、ファインピッチ化、信号速度の高速化、高発熱化等に対応するために、配線・接続長の短い実装方式としてフリップチップ接続が利用されている（例えば特許文献１〜３等参照）。フリップチップ接続に用いる半導体チップは、例えばエリア状に形成された電極パッドと、これら電極パッド上に形成された半田バンプとを有している。一方、半導体チップが実装される基板は、半導体チップの電極パッドと対応する位置に形成された電極パッドを有している。基板側の電極パッドの表面は、半田バンプが溶融した際に濡れて接続できるように、例えばＡｕや半田等で構成されている。
【０００３】
フリップチップ接続は、上記した半導体チップと基板の電極パッド同士が対向するように位置合せした後、半田バンプを加熱・溶融させることによって、半導体チップと基板の電極パッド間を接続する方法である。通常は半田の酸化被膜を還元するために、フラックス剤を基板または半導体チップに塗布した後、ボンダを用いて基板上に半導体チップを位置合せして搭載する。次いで、リフロー炉で半田バンプを加熱・溶融させて接続した後にフラックス剤を洗浄し、さらに基板と半導体チップとの間のギャップにアンダフィル剤を注入・キュアして封止する、という各工程を経てフリップチップ接続が実施される。
【０００４】
また、より簡易な接続工程としては、フラックス剤を内在するノーフローアンダフィル剤を基板に塗布することによって、フラックス剤の洗浄工程やアンダフィル剤の注入工程を省くことも行われている。いずれにしても、半導体チップを基板上にフリップチップ接続した後に、アウターリードボンディング、キャップや放熱板の取り付け、マーキング等を実施して、半導体装置（半導体パッケージ）を最終形状に仕上げる。
【０００５】
ところで、半導体チップのさらなるファインピッチ化や高速化に対応するために、配線の低抵抗化を実現するＣｕ配線、および配線間容量を低減する低誘電率（low-κ）の層間絶縁膜（low-κ膜）の適用が進められている。比誘電率（κ値）の物理的な下限値は真空の場合の1である。すなわち、材料中にできるだけ多くの空孔を導入するほどκ値を下げることができる。しかしながら、例えば空孔を内在するlow-κ材料は機械的強度が弱いことから、フリップチップ接続を適用した接続工程の際にlow-κ膜にクラックや剥離等が生じやすいという問題を招いてしまう。
【０００６】
low-κ膜に生じる剥離やクラック等の原因としては、半田バンプの加熱・溶融工程における半導体チップと基板の熱膨張係数の違いが挙げられる。すなわち、半導体チップの熱膨張係数は3ppm程度であるのに対して、基板の熱膨張係数は半導体チップのそれより大きく、特に樹脂系の基板では10ppm以上となる。半導体チップの電極パッドと基板の電極パッドは、通常、常温時に位置が整合するように形成されている。言い換えると、半導体チップと基板の電極パッドのピッチは常温状態で同じとされている。
【０００７】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、半導体チップ１の電極パッド２と基板３の電極パッド４とは常温（Ｔrt）の状態で位置合せした後、リフロー炉に投入されて半田バンプ５を加熱・溶融する。この加熱溶融温度（Ｔr）の状態において、図１１（ｂ）に示すように、基板３の熱膨張係数の方が半導体チップ１のそれより大きいため、基板３のパッドピッチの方が半導体チップ１のパッドピッチよりも広がって、半導体チップ１の電極パッド２と基板３の電極パッド４とがずれてしまう。基板３のパッドピッチの方が広がった状態において、半田バンプ５はチップセンタ側に傾いた状態で変形しているが、溶融しているので半田バンプ５内に歪みは発生していない。
【０００８】
溶融した半田バンプ５が冷却されて再度固まる温度（Ｔm）に達すると、半田バンプ５の変形量は多少小さくなるが、やはり基板３のパッドピッチの方が半導体チップ１のそれより広がっているため、半田バンプ５はチップセンタ側に傾いた状態で変形している。常温（Ｔrt）まで冷却される過程で、半田バンプ５の変形は減少していくが、半田バンプ５内の応力は逆に大きくなっていく。半導体チップ１と基板３とは多数の半田バンプ５で接続されているため、再度常温に戻ったときでも両者のパッドピッチは完全には等しくならず、図１１（ｃ）に示すように、半田バンプ５のチップセンタ側に傾いた変形が残る。
【０００９】
通常はパッド径が100μm程度と広く、さらにセルフアライン効果も作用するため、再固化状態および常温状態における半田バンプ５の変形は接続を阻害するほどのものとはならない。しかしながら、上述したようにlow-κ膜は機械的強度が弱いため、半田バンプ５の変形に基づく応力でクラックや剥離等が容易に生じてしまう。このように、図１１（ｃ）に示したような半田バンプ５のチップセンタ側に傾いた状態の変形と内部応力の増加が、機械的強度が弱いlow-κ膜のクラックや剥離等の原因となっている。
【００１０】
なお、特許文献１には半導体チップと基板との熱変形量の違いに基づいて半田バンプに生じるせん断応力を抑制するために、片持ち梁構造の突起部に半田バンプを形成することが記載されている。また、特許文献２には半導体チップと基板の双方にバンプを設けた二層構造のバンプにおいて、半導体チップと基板の電極パッドがチップ動作時の温度で一致するようにパッド位置を設定した構造が記載されている。特許文献３には加熱処理時における半導体チップのバンプと基板の電極パッドとの位置ずれを防いで接触面積を確保するために、電極パッドの形成ピッチをバンプの形成ピッチと異ならせた構造が記載されている。特許文献２や特許文献３に記載されている構造は位置ずれを防いでいるにすぎず、機械的強度が弱いlow-κ膜のクラックや剥離等を抑制する接続部（半田バンプによる接続部）の形状については十分に考慮されていない。
【特許文献１】特開平5-29389号公報
【特許文献２】特開平6-13431号公報
【特許文献３】特開2002-26072号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、層間絶縁膜にlow-κ膜を適用した半導体チップは、配線のさらなるファインピッチ化や高速化等に対して有効であるものの、従来のフリップチップ接続では機械的強度が弱いlow-κ膜がクラックや剥離等の発生原因となり、基板上に半導体チップをフリップチップ接続した半導体装置の製造歩留りを低下させるという問題を招いている。このようなことから、機械的強度が弱いlow-κ膜に起因するクラックや剥離等の発生を抑制し得る接続構造を実現することが望まれている。
【００１２】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、例えば機械的強度が弱いlow-κ膜等に起因するクラックや剥離等を抑制し得るフリップチップ接続構造を適用することによって、半導体チップと基板との接続工程における製造歩留りを高めることを可能にした半導体装置とその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係る半導体装置は、複数の電極パッドを有する第１の電極パッド群と、前記第１の電極パッド群上にそれぞれ形成された複数の半田バンプを有する半田バンプ群とを備える半導体チップと、前記半田バンプを介して前記第１の電極パッドと接続された複数の電極パッドを有する第２の電極パッド群を備える基板とを具備し、前記半田バンプ群は前記第１の電極パッドと前記半田バンプの中心を通る断面を見たとき、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数が、前記半導体チップのセンタ側よりエッジ側の方が小さいかまたは等しい半田バンプを有することを特徴としている。
【００１４】
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第１の電極パッドと前記第１の電極パッド上に形成された半田バンプとを有する半導体チップと、第２の電極パッドを有する基板とを、前記第１の電極パッドと第２の電極パッドとが対応するように位置合せする工程と、前記基板の温度が前記半導体チップの温度より低くなる加熱条件下で、前記位置合せした半導体チップおよび基板を加熱し、前記半田バンプを加熱溶融する工程と、前記加熱溶融された半田バンプを冷却し、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの中心を通る断面を見たとき、前記第１の電極パッドと前記半田バンプの輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数が前記半導体チップのセンタ側よりエッジ側の方が小さいかまたは等しい形状を有する半田バンプを介して、前記半導体チップの第１の電極パッドと前記基板の第２の電極パッドとを接続する工程とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様に係る半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、半導体チップと基板との熱膨張係数の違いに基づくクラックや剥離等の発生を抑制することができる。従って、例えば機械的強度が低い低誘電率膜（low-κ膜）を有する半導体チップを使用した場合においても、フリップチップ接続を適用した半導体装置の製造歩留りを高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施態様としての半導体装置において、半導体チップに形成された半田バンプ群は、半導体チップの電極パッド（第１の電極パッド）と半田バンプの中心を通る断面を見たとき、第１の電極パッドと半田バンプの輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数が、半導体チップのセンタ側よりエッジ側の方が小さいかまたは等しい半田バンプを有している。
【００１７】
図１に示すように、均質な材料１１中に切り欠き１２が存在する場合、切り欠き端１３付近の応力は切り欠き端１３を原点とした応力特異場となることが知られている。すなわち、切り欠き端１３付近の応力σは、
【数１】
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で表され、原点付近に集中する。破壊力学では切り欠き１２の構造で決まる係数Ｋを用いて、図２に示すように、σ＝Ｋ／（2πｒ）1/2（ｒ：原点からの距離）と表される。Ｋは応力拡大係数と呼ばれ、クラックの進展のしやすさを示すものである。応力拡大係数Ｋが大きいほどクラックが進展しやすい。また、切り欠き１２が鋭くまた長い方が、同じ力が作用してもクラックが進展しやすい。
【００１８】
図３に示すように、第１の材料１４と第２の材料１５とが接合した界面端からクラックが進展する場合においても、応力の式が複雑になるものの基本的には同じである。図１と同様に応力拡大係数Ｋが定義され、切り欠き角θが小さい方が応力の集中度合いが大きい。従って、クラックが進展しやすい部分の応力拡大係数Ｋを小さくすることができれば、耐クラック性が向上する。前述した図１１（ｃ）に示したように、従来のフリップチップ接続を適用した半導体装置において、接続後の半田バンプ５はチップセンタ側に傾いた形状となっている。電極パッド２と半田バンプ５の輪郭とで形成される切り欠き形状におけるクラックの進展のしやすさは、図３で説明することができる。
【００１９】
チップセンタ側に傾いて変形した半田バンプ５において、電極パッド２と半田バンプ５の輪郭とで形成される切り欠き形状は、図１１（ｃ）に示すように、チップエッジ側の角度θceがチップセンタ側の角度θccより小さいため、チップエッジ側の角部（角度θceの部分）からクラックが入りやすいことが分かる。なお、基板３の電極パッド４と半田バンプ５の輪郭とで形成される切り欠き形状においては、基板センタ側の角度θscが基板エッジ側の角度θseより小さい。しかし、接続工程の冷却過程においては、図１１（ｃ）中に矢印で示すような力が作用し、基板センタ側の角部（角度θscの部分）に圧縮応力が働くため、この部分からはクラックが発生しにくい。
【００２０】
このように、半田バンプの加熱溶融温度（Ｔr）から再固化温度（Ｔm）、さらには常温（Ｔrt）までの冷却過程において、半導体チップと基板との熱膨張係数の違いに基づくクラックの発生は、チップエッジ側の角部（角度θceの部分）の応力拡大係数Ｋを小さくすることで抑制することができる。具体的には、半田バンプの加熱溶融（Ｔr）から再固化温度（Ｔm）、さらには常温（Ｔrt）まで冷却する過程における半田バンプのチップエッジ側の角部（角度θceの部分）の応力拡大係数Ｋを小さくする。このような形状のフリップチップ接続構造（半田バンプの形状）を適用することによって、半導体チップ側の耐クラック性を向上させることが可能となる。
【００２１】
本発明の実施態様としての半導体装置において、半田バンプ群は例えば所定の領域内にマトリクス状に配列されている。このような配列形状を有する半田バンプ群においては、バンプ形成領域の外周側（エッジ側）、特にコーナー部に配置されている半田パンプにクラックが生じやすい。従って、バンプ形成領域の少なくともコーナー部に位置する半田バンプのチップエッジ側の応力拡大係数Ｋを小さくすることが有効である。これによって、半導体チップの耐クラック性を向上させることができる。
【００２２】
本発明の他の実施態様としての半導体装置は、チップエッジ側の応力拡大係数Ｋが小さい半田バンプとして、基板側の電極パッド（第２の電極パッド）の中心よりチップエッジ側に中心をずらした電極パッド（第１の電極パッド）上に形成された半田バンプを有している。半田バンプの加熱溶融温度における基板側のパッドピッチがチップ側のパッドピッチより広がることを見越して、予め常温時における第１の電極パッドの中心を第２の電極パッドの中心よりチップエッジ側にずらしておくことによって、接続工程後における半田バンプのチップエッジ側の応力拡大係数Ｋを小さくすることができる。さらに、接合時の半導体チップの温度より基板の温度が低くなるように加熱条件を設定することによって、半田バンプの変形量を低減することかできる。このような接合工程によっても、半田バンプのチップエッジ側の応力拡大係数Ｋを小さくすることができる。
【００２３】
第１の電極パッドの中心を第２の電極パッドの中心よりずらす量は、半導体チップの熱膨張係数Ｅc、基板の熱膨張係数Ｅs、半田バンプの加熱溶融温度Ｔr、対象とする半田バンプの半導体チップの中心からの距離（常温時）ｒ等に基づいて設定することが好ましい。本発明の一実施態様としての半導体装置は、第１の電極パッドと第２の電極パッドの中心のずれ量（Δｒ）が
10μm≦Δｒ≦（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・（Ｅs−Ｅc）  …(1)
の範囲とされている。前述したように、半田バンプの加熱溶融温度Ｔrまで加熱すると、基板の熱膨張係数Ｅsの方が半導体チップの熱膨張係数Ｅcより大きいため、基板のパッドピッチが半導体チップのパッドピッチより広がる。
【００２４】
すなわち、半田バンプの加熱溶融温度Ｔrにおける半導体チップの膨張量Δｒcは、
Δｒc＝（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・Ｅc  …(2)
であるのに対して、基板の膨張量Δｒsは、
Δｒs＝（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・Ｅs  …(3)
であるため、両者の差（Δｒs−Δｒc）は最大で、
Δｒs−Δｒc＝（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・（Ｅs−Ｅc）  …(4)
となる。従って、第１の電極パッドと第２の電極パッドの中心のずれ量Δｒを、（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・（Ｅs−Ｅc）の範囲内で設定することによって、半田バンプのチップエッジ側の応力拡大係数Ｋを小さくすることができる。ただし、常温時のずれ量Δｒが小さすぎると、チップエッジ側の応力拡大係数Ｋの低減効果を十分に得ることができないため、ずれ量Δｒは10μm以上とすることが好ましい。
【００２５】
本発明の実施態様としての半導体装置は、比誘電率が3.5以下の層間絶縁膜を有する半導体チップを具備している。前述したように、層間絶縁膜として使用する低誘電率膜（low-κ膜）は機械的強度が低いため、通常の半導体チップでは問題とならないような応力であってもクラックや剥離等が容易に生じる。従って、このような低強度のlow-κ膜を層間絶縁膜として有する半導体チップを、基板にフリップチップ接続する場合において、チップエッジ側の応力拡大係数Ｋの減少に基づくクラックや剥離等の抑制効果はより有効に作用する。なお、low-κ膜以外にも低強度の層間膜等を有する半導体チップに対して、チップエッジ側の応力拡大係数Ｋの低減は有効に作用するものである。
【００２６】
以上の点を踏まえて、本発明の半導体装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は本発明の一実施形態による半導体装置の概略構造を示す図である。同図に示す半導体装置（半導体モジュール）２０は、半導体チップ２１と基板２２とを複数の半田バンプ２３で電気的に接続した構造、すなわちフリップチップ接続構造を有している。半導体チップ２１と基板２２との間のギャップ部分には、アンダフィル剤２４が注入、固化されている。半導体チップ２１の一方の面には、複数の電極パッド２５を有する第１の電極パッド群が形成されている。第１の電極パッド２５はバリア性や濡れ性等を考慮して、例えば多層金属膜により構成される。具体例としては、Ｃｕパッド上にＡｌパッドを形成し、さらにＡｌパッドの表面にＴｉ膜、Ｎｉ膜およびＰｄ膜を順に積層形成したものが挙げられるが、これに限定されるものではなく、種々の金属層を適用することができる。
【００２７】
半田バンプ２３は上記した半導体チップ２１側の電極パッド２５上にそれぞれ形成されており、半田バンプ群を構成している。半田バンプ２３は多ピン化に対応するために、例えば後に詳述する図７に示すように、所定の領域内にマトリクス状に配列されている。このような半田バンプ２３は、例えば電解メッキ法により形成される。電解メッキ法による半田バンプ２３は、標準的にはメッキ電極となるメタル層の形成、レジストの塗布、パッド部分の開口、電解メッキ、レジストの除去、不要なメタル層の除去の各工程を経て形成される。半田バンプ２３にはＳｂ−Ｐｂ共晶半田等が用いられるが、これ以外にも各種の金属材料からなる半田を使用することが可能である。
【００２８】
さらに、半導体チップ２１は図５に示すように、低誘電率膜（low-κ膜）からなる層間絶縁膜２６とＣｕ配線２７とで構成された回路を有しており、第１の電極パッド２５はＣｕ配線２７と電気的に接続されている。層間絶縁膜２６としてのlow-κ膜には、比誘電率が3.5以下の材料が適用される。比誘電率が3.5以下のlow-κ膜としては、フッ素がドープされた酸化ケイ素膜（ＳｉＯＦ膜）、炭素がドープされた酸化ケイ素膜（ＳｉＯＣ膜）、有機シリカ（organic-silica）膜、ＭＳＱ膜（methyl silsesquioxane膜）、ＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane）膜、ＰＡＥ（polyarylether）膜、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）膜、ＢＣＢ（benzocyclobutene）膜、さらにはこれらの多孔質膜等が挙げられる。
【００２９】
半導体チップ２１が実装される基板２２には、樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等、各種材料からなる基板を適用することができる。樹脂基板としては、一般的な多層銅張積層板（多層プリント配線板）等が使用される。基板２２の表面には、半導体チップ２１をフリップさせた際に複数の半田バンプ２３に対応する位置に、それぞれ電極パッド２８が形成されており、これらが第２の電極パッド群を構成している。第２の電極パッド２８の表面は、半田バンプ２３との濡れ性や耐食性等を観点から、Ａｕ膜や半田層等で構成されている。なお、第２の電極パッド２８以外の部分はレジスト等で保護されている。
【００３０】
上述したような半導体装置２０において、半導体チップ２１と基板２２とを電気的に接続する半田バンプ群は、図６に示すように、第１の電極パッド２５と半田バンプ２３の中心を通る断面を見たとき、第１の電極パッド２５と半田バンプ２３の輪郭とで形成される切り欠き形状における応力拡大係数Ｋが、半導体チップ２１のセンタ側よりエッジ側の方が小さい半田バンプ２３Ａを有している。言い換えると、上記した第１の電極パッド２５と半田バンプ２３の輪郭とで形成される切り欠き形状において、チップセンタ側の切り欠き形状の応力拡大係数をＫcc、チップエッジ側の切り欠き形状の応力拡大係数をＫceとしたとき、半田バンプ２３ＡはＫcc≧Ｋceを満足している。
【００３１】
半田バンプ２３Ａの形状について詳述すると、図６に示す第１の電極パッド２４と半田バンプ２３の輪郭とで形成される切り欠き形状においては、チップエッジ側の角度θceがチップセンタ側の角度θccより大きい。切り欠き角θが大きいほど応力集中が緩和されるため、クラックが進展しにくい。これを応力拡大係数Ｋに当てはめると、チップエッジ側の角部（角度θceの部分）はチップセンタ側の角部（角度θccの部分）より応力拡大係数Ｋが小さい。前述したように、クラックはチップエッジ側の角部（角度θccの部分）から入りやすいため、この部分の応力拡大係数Ｋが小さい半田バンプ２３Ａは半導体チップ２１側の耐クラック性の向上に寄与する。
【００３２】
このように、半田バンプの加熱溶融温度（Ｔr）から再固化温度（Ｔm）、さらには常温（Ｔrt）まで冷却する過程における半田バンプ２３Ａの形状を、チップエッジ側の角部（角度θceの部分）の応力拡大係数Ｋを小さくすることによって、チップエッジ側の角部に生じるクラック等を有効に抑制することができる。チップエッジ側の角部の応力拡大係数Ｋをチップセンタ側の角部と等しくした場合も同様である。従って、機械的強度が弱いlow-κ膜を層間絶縁膜２６として有する半導体チップ２１を用いた場合においても、半導体チップ２１と基板２２との熱膨張係数の違いに基づくクラックの発生を有効に抑制することが可能となる。
【００３３】
半田バンプ２３の形状は本来変形させないことが、応力の発生を防止する点から好ましい。ただし、前述したように半導体チップ２１と基板２２とは熱膨張係数が異なることから、半田バンプ２３を加熱溶融して接合する過程で、半田バンプ２３の変形は避けられない。このような場合において、半田バンプ２３Ａの断面を見た際の切り欠き形状における応力拡大係数を、チップセンタ側（Ｋcc）よりチップエッジ側（Ｋce）が小さいかまたは等しくすることで、クラックが生じやすいチップエッジ側の角部の耐クラック性を高めることができる。これによって、半導体チップ２１と基板２２との熱膨張係数の違いに基づくクラックの発生を有効に抑制することが可能となる。なお、チップセンタ側の角部（角度θccの部分）は応力拡大係数Ｋが大きいものの、この部分には冷却過程で圧縮応力が働くため、チップセンタ側の角部からクラックは発生しにくい。
【００３４】
上述したチップエッジ側の角部の応力拡大係数Ｋが小さい半田バンプ２３Ａは、全ての半田バンプ２３に適用してもよいが、半導体チップ２１と基板２２との熱膨張係数の違いに基づくずれ量は(4)式からも明らかなように、半田バンプ２３の半導体チップ２１の中心からの距離ｒに比例するので、距離ｒが最も大きいコーナー部の半田バンプ２３から優先して適用することが効率的である。図４に示した半導体装置２０においては、エリア状に配列された半田バンプ群の四隅の部分に、チップエッジ側の角部の応力拡大係数Ｋを小さくした半田バンプ２３Ａを配置している。このような構成によっても、半導体チップ２１のlow-κ膜にクラックや剥離等が生じることを抑制することができる。なお、他の半田バンプ２３も同様な構成とすることによって、low-κ膜のクラックや剥離等をより有効に抑制できることは言うまでもない。
【００３５】
図６に示したような半田バンプ２３Ａは、予め常温時における第１の電極パッド２５の中心を第２の電極パッド２８の中心よりチップエッジ側にずらしておくことで得ることができる。その具体的な方法としては、例えば図７に示すように、半田バンプ群の四隅に相当する第１の電極パッド２５Ａの中心を、それらと対応する第２の電極パッド２８の中心よりチップエッジ側にΔｒだけずらす方法が挙げられる。このように、半導体チップ２１の電極パッド２５をずらして形成してもよいが、1種類の半導体チップ２１に対して用途等により数種類の基板２２が適用される場合があるため、図８に示すように、半田バンプ群の四隅に相当する第２の電極パッド２８Ａの中心を、それらと対応する第１の電極パッド２５の中心よりチップセンタ側にΔｒだけずらすことが好ましい。
【００３６】
第１の電極パッド２５と第２の電極パッド２８の中心のずれ量Δｒは、半導体チップ２１のサイズや基板２２の種類等に応じて適宜設定することが好ましい。具体的には、上述した(1)式の範囲となるように、ずれ量Δｒを設定することが好ましい。ずれ量Δｒの最大値は（Ｔr−Ｔrt）・ｒ・（Ｅs−Ｅc）であり、この範囲内で接続性のマージン等を考慮して設定することが好ましい。ただし、ずれ量Δｒが小さすぎるとチップエッジ側の角部の応力拡大係数Ｋを効果的に減少させることができないため、常温時のずれ量Δｒは10μm以上とすることが好ましい。例えば、半導体チップ２１の形状が18×18mm、熱膨張係数Ｅcが3ppm、基板２２の熱膨張係数Ｅsが13ppmとしたとき、半田バンプ群の四隅に相当する第１の電極パッド２５は、第２の電極パッド２８より10〜20μmの範囲でチップエッジ側にずらして形成することが好ましい。
【００３７】
第１の電極パッド２５と第２の電極パッド２８との間にずれ量Δｒを設定した半田バンプ２３Ａの接合過程における挙動を、半導体装置２０の製造工程と併せて図９を参照して説明する。まず、基板２２上にフラックス剤（図示せず）を塗布する。フラックス剤は半導体チップ２１側に供給してもよい。次に、図９（ａ）に示すように、ボンダ（図示せず）を用いて半導体チップ２１と基板２２の位置合せを行う。ここで、半田バンプ群の四隅に位置する半田バンプ２３Ａは、第２の電極パッド２８に対してΔｒだけずらした状態で位置合せされる。他の半田パンプ２３は従来と同様に位置合せされる。基板２２と半導体チップ２１の位置合せマーク等は従来と同様とされている。
【００３８】
次に、位置合せした半導体チップ２１と基板２２をリフロー炉に入れ、半田バンプ２３を加熱溶融する。半田バンプ２３の加熱溶融温度（Ｔr）においては、図９（ｂ）に示すように、半導体チップ２１に比べて基板２２の熱膨張量が大きいため、当初のずれ量Δｒに応じて半田バンプ２３の変形量が減少する。この状態から半田バンプ２３の再固化温度（Ｔm）、さらには常温（Ｔrt）まで冷却する過程において、図９（ｃ）に示すように、当初のずれ量Δｒに応じて半田バンプ２３はチップエッジ側に傾いて変形する。すなわち、クラックの発生に影響を及ぼす冷却過程（図９（ｂ）から図９（ｃ）への過程）で、半田バンプ２３Ａの切り欠き形状における応力拡大係数Ｋは、チップエッジ側（角度θceの部分）が小さくなる。従って、チップエッジ側の角部に生じるクラック等を有効に抑制することが可能となる。
【００３９】
このようにして、半導体チップ２１と基板２２とをフリップチップ接続した後、フラックス剤の洗浄、半導体チップ２１と基板２２との間へのアンダフィル剤２４の注入およびキュア等の各工程を経ることによって、目的とする半導体装置２０が作製される。なお、ここではアンダフィル剤による封止をキャピラリーフロー方式で実施した例について説明したが、例えばフラックス剤を用いないノーフローアンダフィル剤を用いた封止方式を適用することも可能である。
【００４０】
上述した実施形態の半導体装置の製造工程は、半田バンプ２３の加熱溶融に一般的なリフロー炉を適用しており、半導体チップ２１と基板２２はそれぞれ半田バンプ２３の加熱溶融温度（Ｔr）まで加熱される。ここで、半田バンプ２３は半導体チップ２１に設けられているため、半導体チップ２１は半田バンプ２３の加熱溶融温度（Ｔr）まで加熱する必要があるが、基板２２の温度は接続が問題なく行われる範囲で加熱溶融温度（Ｔr）より低い温度（Ｔr′）であってもよい。すなわち、半田バンプ２３を加熱溶融する際に、基板２２の温度は加熱溶融温度（Ｔr）より低い温度（Ｔr′）とすることができる。
【００４１】
このように、基板温度（Ｔs）がチップ温度（Ｔc）より低くなる加熱条件を適用することによって、基板２２の熱膨張量が軽減されるため、半田バンプ２３の変形量を低減することが可能となる。これはクラック等の発生原因となる応力の減少に繋がる。例えば、半田バンプ２３の加熱溶融温度Ｔr（＞Ｔs）における第１の電極パッド２５と第２の電極パッド２８のずれ量Δｒは、
Δｒ＝｛（Ｔs−Ｔrt）・Ｅs−（Ｔr−Ｔrt）・Ｅc｝・ｒ  …(5)
となる。また、基板温度Ｔsが半田バンプ２３の再固化温度Ｔmより低い（Ｔs＜Ｔm）場合には、再固化温度Ｔmにおけるずれ量Δｒも、
Δｒ＝｛（Ｔs−Ｔrt）・Ｅs−（Ｔm−Ｔrt）・Ｅc｝・ｒ  …(6)
となって、半田バンプ２３の変形量が減少する。
【００４２】
ただし、最終的な半田バンプ２３の形状が図１１（ｃ）に示したようにチップセンタ側に傾いているとクラックが生じやすくなるため、常温まで冷却された半田バンプ２３の形状は図６に示したように、チップセンタ側の応力拡大係数Ｋccよりチップエッジ側の応力拡大係数Ｋceが小さいかまたは等しくなるような形状とする。このような場合において、半田バンプ２３の変形量の低減は予め設定するずれ量Δｒの減少に繋がるため、半田バンプ２３による接続部の信頼性をより一層高めることが可能となる。すなわち、層間絶縁膜２６としてlow-κ膜を有する半導体チップ２１にクラック等が生じることを抑制すると同時に、常温状態における接続部の信頼性を高めることができる。
【００４３】
図１０は基板温度（Ｔs）がチップ温度（Ｔc）より低くなる加熱条件を適用した半導体装置の製造工程の一実施形態を示す図である。この実施形態の半導体装置の製造工程について、図１０を参照して説明する。まず、図１０（ａ）に示すように、基板２２をボンディングステージ３１上に配置し、その表面にフラックス剤（図示せず）を塗布する。次いで、ボンディングツール３２を用いて半導体チップ２１を基板２２に対して位置合せする。ここで、ボンディングツール３２は半導体チップ２１側から半田パンプ２３を局所的に加熱する機構を有している。このような加熱機構としては、例えばパルスヒートボンディングを適用することができる。
【００４４】
上述したボンディングツール３２に内蔵された加熱機構等を利用することによって、図１０（ｂ）に示すように、半田パンプ２３を半導体チップ２１側から局所的に加熱して溶融する。この際、半導体チップ２１の温度（Ｔc）は半田バンプ２３の加熱溶融温度Ｔrとなるが、基板２２の温度（Ｔs）は接合に支障を来たさない範囲で加熱溶融温度Ｔrより低い温度（Ｔs＜Ｔr）に設定されている。このような加熱条件下で半田バンプ２３を加熱溶融し、さらにそのような温度から半田バンプ２３を冷却固化することによって、図１０（ｃ）に示すように、半導体チップ２１と基板２２とが半田パンプ２３を介して接続された半導体装置２０が得られる。なお、フラックス剤の洗浄やアンダフィル剤の注入・キュア等は前述した実施形態と同様にして行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】均質な材料中に切り欠きが存在する場合の応力集中を説明するための概念図である。
【図２】均質な材料中に切り欠きが存在する場合の応力と切り欠き端からの距離との関係を示す図である。
【図３】2種の材料の接合界面に切り欠きが存在する場合の応力集中を説明するための概念図である。
【図４】本発明の一実施形態による半導体装置の概略構成を示す図である。
【図５】図４に示す半導体装置に適用した半導体チップの要部構成を一部断面で示す図である。
【図６】図４に示す半導体装置の要部構成を一部断面で示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に適用される半導体チップのパッド配列の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に適用される基板のパッド配列の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による半導体装置の要部製造工程を一部断面で示す図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による半導体装置の要部製造工程を示す図である。
【図１１】従来の半導体装置の要部製造工程を一部断面で示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０…半導体装置、２１…半導体チップ、２２…基板、２３…半田バンプ、２５…第１の電極パッド、２６…low-κ膜、２８…第２の電極パッド。
【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】
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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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