(57)【要約】【課題】半導体チップと配線基板とを金属バンプを介してフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を充填する半導体装置において、パッド部にクラックや剥離が発生する。【解決手段】半導体チップ１と、半導体チップをフェイスダウン搭載する配線基板７と、半導体チップの電極パッド上に形成された開口を有する第１絶縁膜３と、第１絶縁膜上に形成された開口を有する第２絶縁膜４と、電極パッドおよび第１絶縁膜上に形成された下地金属層５と、半導体チップの下地金属層と配線基板の電極ランドとを機械的および電気的に接続した半田からなる金属バンプ６と、半導体チップと配線基板との隙間で金属バンプ間に充填されたアンダーフィル樹脂８を備え、下地金属層の径φs が電極パッドの径φp より小さくかつ第１絶縁膜の開口径φ1 より大きく構成され、かつ第２絶縁膜の開口径φ2 が下地金属層の径φs より大きく構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に電極パッドを有する半導体チップと、両面に電極ランドを有し前記半導体チップをフェイスダウン搭載する基板と、前記半導体チップの前記電極パッド上に形成された一部開口を有する第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された一部開口を有する第２絶縁膜と、前記電極パッドおよび前記第１絶縁膜上に形成された下地金属層と、前記半導体チップの前記下地金属層と前記基板の前記電極ランドとを機械的および電気的に接続した半田からなる金属バンプと、前記半導体チップと前記基板との隙間で前記金属バンプ間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備えた半導体装置であって、
前記下地金属層の径が前記電極パッドの径より小さくかつ前記第１絶縁膜の開口径より大きく構成され、かつ前記第２絶縁膜の開口径が前記下地金属層の径より大きく構成されている半導体装置の電極構造。
【請求項２】
前記第２絶縁膜の開口径が前記電極パッドの径より小さい請求項１に記載の半導体装置の電極構造。
【請求項３】
前記第２絶縁膜の開口径は前記下地金属層の径の１．１倍以上である請求項１または請求項２に記載の半導体装置の電極構造。
【請求項４】
前記第１絶縁膜の膜厚が１μｍ以下である請求項１から請求項３までのいずれかに記載の半導体装置の電極構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の電極構造を有する半導体チップが複数個形成された半導体ウェハ。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の電極構造を有する半導体チップが配線基板にフリップチップ実装され、前記半導体チップと前記配線基板との隙間にアンダーフィル樹脂が充填されている半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置が搭載されている電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップをフリップチップ実装した半導体装置の電極構造に関する。また、それに関連する半導体ウェハ、半導体装置および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信機器や事務用電子機器の小型化および高機能化が進展するのに伴って、これらの機器に搭載される半導体集積回路装置等の半導体装置について、小型化とともに、入出力のための外部端子の数を増加することが要求されている。しかし、半導体チップの周辺に電極パッドを形成してワイヤボンディング方式で外部回路と接続する方式では、外部端子数の増加と半導体チップの小型化の両立が困難になってきている。
【０００３】
これらの要求を実現させる技術として、電極パッドを能動領域上に形成し、ワイヤボンディングやインナーリードボンディングを行うパッドオンエレメントと呼ばれる技術がある。さらに、能動領域上に形成された電極パッド上にバンプと呼ばれる外部接続端子を形成し、バンプを介して外部回路と接続するフリップチップ技術が採用されるようになってきた。
【０００４】
図５は従来の技術におけるＢＧＡ（Ball Grid Array）型の半導体装置の電極構造を示す断面図、図６は図５に示す半導体チップ１を配線基板７にフリップチップ実装し、アンダーフィル（underfill）樹脂８を注入した状態を示す断面図である。図５に示すように、半導体チップ１には、半導体素子に電気的に接続された電極パッド２と、この電極パッド２の上側に開口部を有する絶縁膜３とが形成されている。絶縁膜３の上部および開口部を含む電極パッド２上に下地金属層５が形成されている。下地金属層５上には、半田からなる金属バンプ６が形成されている。半導体チップ１は、図６に示すように、配線基板７にフェイスダウン搭載され、半導体チップ１の電極パッド２と配線基板７の電極ランド７ａとが金属バンプ６を介して機械的および電気的に接続されている。そして、半導体チップ１と配線基板７との隙間で金属バンプ６間にアンダーフィル樹脂８が充填されている。また、配線基板７の反対側の面には半田ボール１０が形成されている。
【０００５】
アンダーフィル樹脂８を充填するのは、次の理由による。半導体チップ１と配線基板７とでは熱膨張係数に差があることから、熱履歴等を受けた場合には、接合部とりわけ金属バンプ６のチップ側根元部分に応力がかかることになる。この応力集中を緩和するため、半導体チップ１と配線基板７との間の金属バンプ６以外の部分に封止樹脂としてアンダーフィル樹脂８を注入し、硬化することによって補強している。このアンダーフィル樹脂８には、エポキシ系樹脂などのベースとなる樹脂８ａの他に、半導体チップ１の熱膨張係数と似た熱膨張係数とするための適当な大きさのフィラー成分９が添加されている（filler：詰め物）。そして、フィラー成分９の添加量や粒径を調整することによって熱膨張係数を調整している。アンダーフィル樹脂８には、外部からの水分の浸入を抑制し、耐湿性を高める役割もある。
【０００６】
ここで、前述したようなフリップチップ実装方式による半導体装置の製造方法について、図７の工程断面図を用いて説明する。
【０００７】
まず図７（ａ）に示すように、電極パッド２上に電気めっき法や印刷法などの方法で金属バンプ６を形成したバンプ付の半導体チップ１と、金属バンプ６に対応する位置に金属パッド７ａを形成した配線基板７とを用意する。そして、半導体チップ１を配線基板７に対してフリップチップで搭載する。
【０００８】
次に図７（ｂ）に示すように、半導体チップ１の金属バンプ６をリフローすることにより、半田を溶融し接続する。
【０００９】
その後、図７（ｃ）に示すように、半導体チップ１と配線基板７との隙間を清浄化し、ディスペンサ１１を用いてその隙間にアンダーフィル樹脂８を注入する。注入はチップの周辺部から行うが、毛細管現象により全面に浸入し、半導体チップ１と配線基板７との隙間にアンダーフィル樹脂８が充填される。
【００１０】
その後、熱処理を行い、アンダーフィル樹脂８を硬化することによって封止する。
【００１１】
次に、図７（ｄ）に示すように、チップ搭載面と反対側の面に引き出された金属パッドに半田ボール１０を搭載し、リフローする。
【００１２】
以上により、ＢＧＡ型の半導体装置が完成する。
【特許文献１】特開平４−１９６３９２号公報（第３−４頁、第２図）
【特許文献２】特開２００６−１９５５０号公報（第６−８頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、近年の半導体装置の小型化、高機能化の進展に伴って、金属バンプ６のピッチが小さくなり、また半導体チップ１と配線基板７との隙間が狭くなってきた。隙間が小さくなると、金属バンプ６の根元部分に対してより大きな応力が加わることになる。その結果、図８のように、金属バンプ６の根元部分から半導体チップ１の内部にクラック１２（太線参照）が発生しやすくなる。その要因に、下地金属層５の端部直下に電極パッド２が存在していないことが挙げられる。
【００１４】
クラック１２の発生を抑制する方法として、図９（ａ）に示すように、金属バンプ６下の下地金属層５を調整する方法がある（例えば特許文献１参照）。４は第２絶縁膜である。第１絶縁膜３の上に膜厚が比較的に大きい第２絶縁膜４を形成し、第２絶縁膜４と電極パッド２の上に段差を伴う下地金属層５を形成している。第２絶縁膜４の存在によって、下地金属層５の端部を起点とした下地金属層界面でのクラックは低減できる。しかし、依然として下地金属層５の端部の応力集中において、チップ内部に進むクラック抑制が充分ではない。また、下地金属層５と第２絶縁膜４との密着性が弱いことや、下地金属層５の端部が中央部よりも高い位置にあってバンプ根元部分の強度が充分でなくなることから、剥離１３（太線参照）が起きやすい。この場合も、下地金属層５の端部直下に電極パッド２が存在していない。
【００１５】
また、図１０に示すように、第１絶縁膜３や第２絶縁膜４の開口部形状をスロープ状に調整することによって剥離を抑制する方法がある（例えば特許文献２参照）。それによって、下地金属層５の端部を起点とした剥離は低減することができる。しかし、依然として下地金属層５の端部が第１絶縁膜３の上に乗り上げていることにより、下地金属層５と第１絶縁膜３との密着性が弱く、剥離を完全に抑制できない。また、金属バンプ６の根元部と第２絶縁膜４との隙間が非常に狭くなり、アンダーフィル樹脂が未充填になったり、フィラー成分が充填されないなど、半導体装置の信頼性に重大な影響を与える。
【００１６】
一方、半導体製造プロセスの著しい進化に伴って、半導体チップの構造も微細化、高集積化が進み、配線材料として比較的抵抗の小さい銅配線が用いられたり、層間絶縁膜として比誘電率の低い、いわゆる低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料が用いられたりするケースが多くなってきている。しかし、低誘電率材料は機械的強度が弱いため、実装後に低誘電率膜にクラックや剥離が生じてしまうことが多くなってきた。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、半導体チップと基板とを半田からなる金属バンプを介して機械的および電気的に接続し、半導体チップと基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填してなる半導体装置において、パッド部のクラックや剥離の発生を確実に抑制できる電極構造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】
【００１８】
本発明による半導体装置の電極構造は、主面に電極パッドを有する半導体チップと、両面に電極ランドを有し前記半導体チップをフェイスダウン搭載する基板と、前記半導体チップの前記電極パッド上に形成された一部開口を有する第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された一部開口を有する第２絶縁膜と、前記電極パッドおよび前記第１絶縁膜上に形成された下地金属層と、前記半導体チップの前記下地金属層と前記基板の前記電極ランドとを機械的および電気的に接続した半田からなる金属バンプと、前記半導体チップと前記基板との隙間で前記金属バンプ間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備えた半導体装置であって、前記下地金属層の径が前記電極パッドの径より小さくかつ前記第１絶縁膜の開口径より大きく構成され、かつ前記第２絶縁膜の開口径が前記下地金属層の径より大きく構成されていることを特徴するものである。
【００１９】
ここで理解を容易にするため、下地金属層の径をφs とし、電極パッドの径をφp とし、第１絶縁膜の開口径をφ1 とし、第２絶縁膜の開口径をφ2 とする。上記は、
φ1 ＜φs ＜φp かつφs ＜φ2 
ということである。
【００２０】
これに対して、上述した特許文献２（図１０）の場合は、
φ1 ＜φs ＜φp ではあるが、φs ≧φ2 
となっている。第１の条件式は同じであるが、第２の条件式が逆転している。すなわち、本発明の特徴は、特許文献２との対比において、第２絶縁膜の開口径φ2 が下地金属層の径φs より大きい（φs ＜φ2 ）という点にある。
【００２１】
金属バンプが直接に接合される下地金属層の径φs に対して、金属バンプの外周側を囲む第２絶縁膜の開口径φ2 の方が大きく構成されているので、金属バンプ根元部分と第２絶縁膜との間に比較的大きな隙間を確保することが可能となる。この比較的大きな隙間には、アンダーフィル樹脂が良好に充分に充填されることになる。すなわち、アンダーフィル樹脂の未充填の問題が解消される。また、充填されるのが樹脂成分のみでフィラー成分が充填されないといった問題も解消され、フィラー成分も充分に充填される。
【００２２】
熱履歴等を受けた場合に、半導体チップと基板との熱膨張係数の差に起因して金属バンプ根元部分に応力がかかるが、金属バンプ根元部分の外周部に第２絶縁膜が存在し、金属バンプ根元部分と第２絶縁膜との間の比較的大きい隙間にはアンダーフィル樹脂が充分に充填されることから、アンダーフィル樹脂およびフィラー成分による応力緩和作用が充分に発揮されることになる。その結果、電極パッド周辺の回路部において、クラックや剥離の発生が抑制される。
【００２３】
さらに、機械的強度が弱いとされている低誘電率材料を層間絶縁膜として用いる半導体チップにおいても、実装後に低誘電率膜におけるクラックや剥離の発生を抑制することが可能となる。
【００２４】
もちろん、下地金属層の径φs に対して電極パッドの径φp を大きくしていて、下地金属層の端部直下に電極パッドを存在させているので、下地金属層端部に応力が集中しても、電極パッドが応力を支え、半導体チップ内部に応力が伝わることを防止する効果も期待される。
【００２５】
以上の相乗により、半導体チップ内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生が抑制される。
【００２６】
まとめると、本発明の半導体装置の電極構造によれば、半導体チップと配線基板とを半田からなる金属バンプを介して機械的および電気的に接続し、半導体チップと基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填してなる半導体装置において、電極パッド部のクラックや剥離の発生を確実に抑制できる。したがって、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【００２７】
上記構成の半導体装置の電極構造において、前記第２絶縁膜の開口径について、前記電極パッドの径より小さくするという態様がある。すなわち、φ2 ＜φp である。このように構成すると、第２絶縁膜の開口端に応力が集中しても、その開口端直下に電極パッドが存在していて応力を支え、半導体チップ内部に応力が伝わりにくくなるため、第２絶縁膜から半導体チップ内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生も抑制される。
【００２８】
また上記構成の半導体装置の電極構造において、前記第２絶縁膜の開口径は、前記下地金属層の径の１．１倍以上であるという態様がある。すなわち、φ2 ≧１．１×φs である。このように構成すると、下地金属層に接合される金属バンプの根元部分と第２絶縁膜との間に大きな隙間を確実に確保することが可能で、金属バンプ根元部分へのアンダーフィル樹脂およびフィラー成分の充填を確実なものにすることが可能となる。
【００２９】
また上記構成の半導体装置の電極構造において、前記第１絶縁膜は、その膜厚が１μｍ以下であることが望ましい。このように構成すると、下地金属層において、下地金属層が第１絶縁膜の上部にある箇所と上部にない箇所の高低差が小さくなるため、下地金属層と第１絶縁膜との剥離が抑制される。
【００３０】
本発明の半導体ウェハは、上記のいずれかの電極構造を有する半導体チップが複数個形成されているものである。
【００３１】
本発明の半導体装置は、上記のいずれかの電極構造を有する半導体チップが配線基板にフリップチップ実装され、前記半導体チップと前記配線基板との隙間にアンダーフィル樹脂が充填されているものである。
【００３２】
本発明の電子機器は、上記の半導体装置が搭載されているものである。
【００３３】
このように構成すると、電極パッド部近傍および周辺の回路部でのクラックや剥離を抑制することが可能となるので、高信頼性の半導体装置やそれを搭載した電子機器を得ることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、半導体チップと配線基板とを半田からなる金属バンプを介して機械的および電気的に接続し、半導体チップと基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填してなる半導体装置において、第２絶縁膜の開口径を下地金属層の径より大きく構成したので、電極パッド部の周辺の回路部でのクラックや剥離を確実に抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明にかかわる半導体装置の電極構造の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の電極構造を示す断面図である。図２は図１に示す半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を注入した状態を示す断面図である。
【００３７】
図１に示すように、半導体チップ１には、複数の半導体素子とそれに電気的に接続されたアルミニウム（Ａｌ）からなる電極パッド２と、この電極パッド２の上側に開口部を有するチッ化シリコンからなる第１絶縁膜３とが形成されている。また、第１絶縁膜３の上側にはさらに第１絶縁膜３上に開口部を有するポリイミドからなる第２絶縁膜４が形成されている。この第２絶縁膜４は、電極パッド２の外側で電極パッド２の近傍に形成されている。また、第１絶縁膜３の上部および開口部を含む電極パッド２上に下地金属層５が形成されている。下地金属層５は、例えばスパッタ法によって形成されたチタン（Ｔｉ）からなるバリアメタルと胴（Ｃｕ）からなる下部金属膜と、その上方に電気めっき法によって形成されたニッケル（Ｎｉ）からなる上部金属膜によって構成されている。下地金属層５上には、半田からなる金属バンプ６が形成されている。
【００３８】
なお、第１絶縁膜３を構成する材料はチッ化シリコンに限られず、酸化シリコンやポリイミドなどでもよい。第２絶縁膜４を構成する材料についてもポリイミドに限られず、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）膜などでもよい。下部金属層５ａのバリアメタルを構成する材料はＴｉに限られず、第１絶縁膜３との強い密着性を有する材料であればよく、例えばＴｉＷやＣｒ等を用いてもよい。また、下地金属層５の構成要素のＣｕについてもこれに限られず、導電性を有する材料であればよい。また、下地金属層５はここではスパッタ法および電気めっき法によって形成しているが、これに限られず、例えば無電解めっき法によって、Ａｌからなる電極パッド上に直接Ｎｉを形成してもよい。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、金属バンプ６のチップ側根元部分は第１絶縁膜３の上部に形成される形となり、下地金属層５の径φs が、電極パッド２の径φp より小さく、かつ第１絶縁膜３の開口径φ1 より大きく、かつ第２絶縁膜４の開口径φ2 より小さくなっている。この場合の条件式は、
φ1 ＜φs ＜φp かつφs ＜φ2 
となる。
【００４０】
下地金属層５の径φs に対して電極パッド２の径φp を大きくしていて、下地金属層５の端部直下に電極パッド２を存在させているので、下地金属層５の端部に応力が集中しても、電極パッド２が応力を支え、半導体チップ１の内部に応力が伝わることを防止することができる。その結果として、半導体チップ１の内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生が抑制される。半導体チップ１を配線基板７にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂８を注入した後の応力に対しても、上記同様の効果が発揮される。
【００４１】
さらに、下地金属層５の径φs に対して第２絶縁膜４の開口径φ2 を大きくしてあるので、次のような効果が発揮される。熱履歴等を受けた場合に、半導体チップ１と配線基板７との熱膨張係数の差に起因して金属バンプ６の根元部分に応力がかかるが、金属バンプ６の根元部分の外周部に第２絶縁膜４が存在し、金属バンプ６の根元部分と第２絶縁膜４との間の比較的大きい隙間にはアンダーフィル樹脂８が充分に充填されることから、アンダーフィル樹脂８およびフィラー成分による応力緩和作用が充分に発揮されることになる。その結果、電極パッド２の周辺の回路部において、クラックや剥離の発生が抑制される。
【００４２】
さらに、機械的強度が弱いとされている低誘電率材料を層間絶縁膜として用いる半導体チップにおいても、実装後に低誘電率膜におけるクラックや剥離の発生を抑制することが可能となる。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における半導体装置の電極構造を示す断面図である。図３において、実施の形態１の図１におけるのと同じ符号は同一構成要素を指している。本実施の形態に特有の構成は、次のとおりである。
【００４４】
第２絶縁膜４の開口径φ2 について、これを電極パッド２の径φp より小さく構成している。すなわち、φ2 ＜φp である。実施の形態１の場合の第１の条件式（φ1 ＜φs ＜φp ）および第２の条件式（φs ＜φ2 ）は踏襲されるから、すべてをまとめると、本実施の形態の条件式は、
φ1 ＜φs ＜φ2 ＜φp 
となる。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態においては、第２絶縁膜４の開口端直下に電極パッド２が存在することから、第２絶縁膜４の開口端に応力が集中しても、開口端直下の電極パッド２が応力を支え、半導体チップ１の内部に応力が伝わりにくくなるため、第２絶縁膜４から半導体チップ１の内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生も抑制される。その他の効果については、実施の形態１の場合と同様である。
【００４６】
（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における半導体装置の電極構造を示す断面図である。図４において、実施の形態１の図１におけるのと同じ符号は同一構成要素を指している。本実施の形態に特有の構成は、次のとおりである。
【００４７】
第２絶縁膜４の開口径φ2 が、下地金属層５の径φs の１．１倍以上となっている。すなわち、φ2 ≧１．１×φs である。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
金属バンプ６のピッチが小さくなると、接続後の半導体チップ１と配線基板７のギャップが狭くなり、アンダーフィル樹脂８の注入性を確保するためにフィラー成分９の径も比例的に小さくする。その際の、金属バンプ６と第２絶縁膜４との隙間にフィラー成分９が十分充填される条件として、φ2 ≧１．１×φs であることが実験的に確かめられた。
【００４９】
本実施の形態によれば、下地金属層５に接合される金属バンプ６の根元部分と第２絶縁膜４との間に大きな隙間を確実に確保し、金属バンプ６の根元部分へのアンダーフィル樹脂８およびフィラー成分９の充填を確実なものにすることができる。その他の効果については、実施の形態１の場合と同様である。
【００５０】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、上述の実施の形態１〜３における第１絶縁膜３の膜厚を１μｍ以下とするものである。その理由は次のとおりである。すなわち、下地金属層５が第１絶縁膜３の上部にある箇所と上部にない箇所の高低差が１μｍより大きい場合、従来の技術で説明したように図１０（ｂ）に示すような下地金属層５と第１絶縁膜３との間での剥離が発生することが実験的に求められた。そこで、第１絶縁膜３の膜厚を１μｍ以下としている。
【００５１】
本実施の形態によれば、下地金属層５が第１絶縁膜３の上部にある箇所と上部にない箇所の高低差が１μｍ以下と小さく、下地金属層５と第１絶縁膜３との間での剥離を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の半導体装置の電極構造は、電極パッド部近傍および周辺の回路部でのクラックや剥離を抑制することが可能になるので、信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く製造するための技術として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の電極構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を充填した状態を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態２における半導体装置の電極構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態３における半導体装置の電極構造を示す断面図
【図５】従来の技術における半導体装置の電極構造を示す断面図
【図６】従来の技術半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を充填した状態を示す断面図
【図７】従来の技術における半導体装置の製造工程を示す断面図
【図８】従来の技術における問題点指摘の断面図
【図９】別の従来の技術における半導体装置の電極構造を示す断面図および問題点指摘の断面図
【図１０】さらに別の従来の技術における半導体装置の電極構造を示す断面図
【符号の説明】
【００５４】
１  半導体チップ
２  電極パッド
３  第１の絶縁膜
４  第２の絶縁膜
５  下地金属層
６  金属バンプ
７  配線基板
８  アンダーフィル樹脂
９  フィラー成分
１０  ＢＧＡボール
【図１０】
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【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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