(57)【要約】【課題】半導体装置のバンプ構造において、フリップチップ接続時の超音波振動による応力に起因する半導体素子の電極部などの機械的損傷や劣化を防止する。【解決手段】本発明のバンプ構造は、半導体素子の電極パッド上に形成されたスタッド形状を有する第１のバンプと、その上に積重ねて形成されたスタッド形状を有する第２のバンプと、第１のバンプの側周面を覆うように形成された有機樹脂層を備える。有機樹脂層は、第１のバンプの先端部と第２のバンプの底面との間に形成されたくびれ部の少なくとも一部を充填するように形成され、かつ第２のバンプの底面より上方へは延出しないように形成されている。半導体装置は、このようなバンプ構造を有する半導体素子と、電極端子を有する配線基板を備え、第２のバンプの先端部が配線基板の電極端子に接合されフリップチップ接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極パッド上に形成されたスタッド形状を有する第１のバンプと、該第１のバンプの上に積重ねて形成されたスタッド形状を有する第２のバンプと、前記半導体素子の前記電極パッド形成面上に前記第１のバンプの側周面を覆うように形成された有機樹脂層を備えるバンプ構造であり、
前記有機樹脂層は、前記第１のバンプの先端部と前記第２のバンプの底面との間に形成されたくびれ部の少なくとも一部を充填するように形成され、かつ該有機樹脂層の上面は前記第２のバンプの底面で留まり、それより上方へは延出していないことを特徴とするバンプ構造。
【請求項２】
前記第１のバンプと前記第２のバンプは、いずれも金を主成分とするものであることを特徴とする請求項１記載のバンプ構造。
【請求項３】
前記請求項１または２記載のバンプ構造を有する半導体素子と、電極端子を有する配線基板を備え、前記バンプ構造の前記第２のバンプの先端部が前記配線基板の電極端子に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記バンプ構造の前記第２のバンプと前記配線基板の電極端子との接合は、超音波振動が印加された加熱・加圧による接合であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子の電極パッド上にスタッド形状を有する第１のバンプを形成する工程と、
前記第１のバンプの上にスタッド形状を有する第２のバンプを積重ねて形成する工程と、
前記半導体素子の前記電極パッド形成面上に、前記第１のバンプの側周面を覆い、かつ該第１のバンプの先端部と前記第２のバンプの底面との間に形成されたくびれ部の少なくとも一部を充填するように有機樹脂を塗布し、前記第１のバンプの高さに相当する厚さの有機樹脂層を形成する工程と、
前記有機樹脂層を硬化させる工程と、
前記半導体素子をその電極パッド形成面が下向きになるようにして、電極端子を有する配線基板上に配置し、前記第２のバンプの先端部を配線基板の電極端子に位置合わせして、押圧力と超音波振動を印加して接合する工程
とを備え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、半導体素子のバンプ構造と、バンプ構造を備えた半導体装置、および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高密度化に伴う小型化、薄型化のニーズに対応する技術として、半導体のベアチップを配線基板に直接実装するフリップチップ接続が知られている。そして、フリップチップ接続の中でも、超音波振動を利用し金属拡散により接合する技術は、低接続抵抗、高接合強度、短時間接合などの特徴を有し、最近ますます注目を集めている。
【０００３】
従来のフリップチップ接続では、半導体チップ表面の電極パッド上に、例えばボールボンディング法により金バンプを形成し、この金バンプを配線基板の電極端子に位置合わせし、押圧力と超音波振動を印加して接合することが行われている。
【０００４】
しかし、このような超音波フリップチップ接続においては、半導体チップの電極パッドと金バンプとの接合界面、および電極パッドの下層の半導体素子部に、超音波振動に起因する大きな機械的応力がかかる。そして、金バンプと配線基板の電極端子との接合が進むにつれて、前記応力の作用点は金バンプと半導体チップの電極パッドとの接合界面に近づき、接合が完了すると接合界面に応力が集中することになる。そのため、金バンプと電極パッドとの接合界面あるいは電極パッドの下層の半導体素子部が、機械的応力により損傷を受けて劣化するという問題があった。
【０００５】
また、半導体チップと配線基板との間を広く確保し、封止樹脂の流し込み性などを向上させるために、金バンプを２段にあるいは２段以上の多段に積重ねて形成したバンプ構造も提案されている（例えば、特許文献１参照。）が、このようなバンプ構造においても、超音波フリップチップ接続の際に、半導体チップの電極パッドと下層の金バンプとの接合界面、および電極パッドの下層の半導体素子部に大きな機械的応力が作用するため、前記接合界面あるいは電極パッド下層の半導体素子部が劣化するという問題があった。
【０００６】
このような超音波フリップチップ接続の際の応力集中による接合界面等の劣化を防止するため、スタッド形状のバンプの台座部を覆い、かつ先端部が突出するような厚さの有機系樹脂膜を形成する提案がなされている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
しかし、特許文献２に記載された方法では、有機系樹脂膜の膜厚の調整が難しく、十分な作業性を得ることが難しかった。すなわち、スピンコート法や印刷法で有機系樹脂膜を形成し硬化させた後、プラズマ洗浄やレーザーの照射等により、バンプの先端部に付着した有機系樹脂膜や異物などを除去することで膜厚を調整する方法が採られており、除去が不十分な場合は、有機系樹脂膜や異物の付着により配線基板との接合強度が低下するなどの問題が生じていた。また、プラズマ洗浄やレーザーの照射等により、有機系樹脂膜や異物だけでなくバンプ自体を削るおそれがあった。
【特許文献１】特開平８−２６４５４０号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、フリップチップ接続時の超音波振動による応力に起因する半導体素子の電極部などの機械的損傷や劣化が防止されたバンプ構造、およびそのようなバンプ構造によりフリップチップ接続された半導体装置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】
【０００９】
本発明の一態様に係るバンプ構造は、半導体素子の電極パッド上に形成されたスタッド形状を有する第１のバンプと、該第１のバンプの上に積重ねて形成されたスタッド形状を有する第２のバンプと、前記半導体素子の前記電極パッド形成面上に前記第１のバンプの側周面を覆うように形成された有機樹脂層を備えるバンプ構造であり、前記有機樹脂層は、前記第１のバンプの先端部と前記第２のバンプの底面との間に形成されたくびれ部の少なくとも一部を充填するように形成され、かつ該有機樹脂層の上面は前記第２のバンプの底面で留まり、それより上方へは延出していないことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る半導体装置は、前記した一態様に係るバンプ構造を有する半導体素子と、電極端子を有する配線基板を備え、前記バンプ構造の前記第２のバンプの先端部が前記配線基板の電極端子に接合されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子の電極パッド上にスタッド形状を有する第１のバンプを形成する工程と、前記第１のバンプの上にスタッド形状を有する第２のバンプを積重ねて形成する工程と、前記半導体素子の前記電極パッド形成面上に、前記第１のバンプの側周面を覆い、かつ該第１のバンプの先端部と前記第２のバンプの底面との間に形成されたくびれ部の少なくとも一部を充填するように有機樹脂を塗布し、前記第１のバンプの高さに相当する厚さの有機樹脂層を形成する工程と、前記有機樹脂層を硬化させる工程と、前記半導体素子をその電極パッド形成面が下向きになるようにして、電極端子を有する配線基板上に配置し、前記第２のバンプの先端部を配線基板の電極端子に位置合わせして、押圧力と超音波振動を印加して接合する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様に係るバンプ構造によれば、フリップチップ接続時の超音波振動に起因する応力による半導体素子の電極部などの機械的劣化を防止することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の記載では実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバンプ構造を示す断面図である。第１の実施形態のパンプ構造１０は、半導体チップ１の電極パッド２上に形成された第１のバンプ３と、この第１のバンプ３の上に積重ねて形成された第２のバンプ４を有している。第１のバンプ３と第２のバンプ４はいずれも金を主成分とする金バンプであり、かつ台座部３ａ，４ａの上にそれより細径の突出部３ｂ，４ｂが連接して形成されたスタッド（鋲）形状を呈している。そして、第１のバンプ３の突出部３ｂの上に、この突出部３ｂを完全には潰すことなく第２のバンプ４が形成されており、第１のバンプ３の細径の突出部３ｂと第２のバンプ４の台座部４ａの底面との間にくびれ部５が形成されている。
【００１５】
また、半導体チップ１の電極パッド２形成面のポリイミド等から成る保護膜６上には、有機樹脂層７が形成されている。この有機樹脂層７は、例えばポリイミド系、エポキシ系などの熱硬化性樹脂にシリカなどの無機系フィラーを添加した樹脂により構成されており、半導体チップ１の電極パッド２形成面上に流動性の樹脂をコーティングする方法により、第１のバンプ３の高さに相当する厚さをなすように形成されている。すなわち、この有機樹脂層７は、第１のバンプ３の台座部３ａおよび突出部３ｂの側周面を覆い、かつ前記した第１のバンプ３の突出部３ｂと第２のバンプ４の台座部４ａの底面との間のくびれ部５を完全に充填する（埋める）ように形成されている。そして、コーティングの際に第２のバンプ４の台座部４ａの底面がストップ部となり、有機樹脂層７の上面が第２のバンプ４の底面より上方へ這い上がり、あるいは延出することがないので、有機樹脂層７の厚さは、第１のバンプ３のみを覆い第２のバンプ４の側周面を被覆しないように調整されている。
【００１６】
なお、有機樹脂層７は、必ずしも第１のバンプ３と第２のバンプ４との間のくびれ部５を完全に埋めていなくてもよい。すなわち、図２に示すように、第１のバンプ３の細径の突出部３ｂと第２のバンプ４の台座部４ａの底面との間のくびれ部５の一部を充填するように有機樹脂層７が形成されていても、十分に効果を上げることができる。
【００１７】
第１の実施形態のバンプ構造１０は、以下に示すように製造することができる。すなわち、キャピラリを用いたボールボンディング法により、半導体チップ１の電極パッド２上にスタッド形状を有する第１のバンプ３を形成した後、この第１のバンプ３の上に、同様にボールボンディング法により、スタッド形状を有する第２のバンプ４を積重ねて形成する。なお、第２のバンプ４の形成時に、第１のバンプ３の突出部３ｂの一部（先端部）が潰れるが、完全には潰れることがなく、第１のバンプ３の細径の突出部３ｂと第２のバンプ４の台座部４ａの底面との間にくびれ部５を有する２段のバンプが得られる。
【００１８】
次いで、半導体チップ１の電極パッド２形成面上に、ポリイミド系、エポキシ系などの熱硬化性樹脂にシリカなどの無機系フィラーを添加した流動性の樹脂をコーティングし、第１のバンプ３と第２のバンプ４との間の前記くびれ部５の少なくとも一部を充填するような厚さの有機樹脂層７を形成する。コーティング工程では、第２のバンプ４の台座部４ａの底面がストップ部となり、有機樹脂層７の上面が第２のバンプ４の底面より上方へ這い上がりあるいは延出することがないので、有機樹脂層７は第１のバンプ３のみを覆う厚さに調整され、第２のバンプ４の側周面に有機樹脂が付着することがない。その後、この有機樹脂層７をキュアオーブン等を用いて熱硬化させる。
【００１９】
こうして形成される第１の実施形態のバンプ構造１０においては、第１のバンプ３の台座部３ａおよび突出部３ｂの側周面を覆い、かつ第１のバンプ３の突出部３ｂと第２のバンプ４の台座部４ａの底面との間のくびれ部５を充填する（埋める）ように、有機樹脂層７が形成されており、この有機樹脂層７により、半導体チップ１の電極パッド２と第１のバンプ３との接合部が固定され補強されているので、フリップチップ接続時の超音波振動による応力に起因する前記接合部および半導体チップ１の電極パッド２下層の機械的劣化を防止することができる。また、このような機械的劣化の防止により、接合の際の超音波振動の条件（振幅量および振動時間）を制御する範囲が広がるので、接合の信頼性をより高めることができる。
【００２０】
また、第２のバンプ４の台座部４ａの底面がストップ部となり、有機樹脂層７の上面が第２のバンプ４の底面より上方へ這い上がりあるいは延出することがなく、有機樹脂層７は第１のバンプ３のみを覆い、第２のバンプ４の側周面に付着することがない厚さに調整されるので、プラズマ洗浄等により付着した樹脂成分を除去する工程を必要とせず、生産性の高い構造となっている。さらに、有機樹脂層７が第２のバンプ４の底面より上の部分を被覆していないので、フリップチップ接続の際に第２のバンプ４の突出部４ｂが十分に変形して潰れることで、強固な接合を達成することができる。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図３において、図１と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２２】
図３に示す第２の実施形態の半導体装置２０は、第１の実施形態のバンプ構造１０を有する半導体チップ１と、電極端子８を有する配線基板９を備えている。そして、前記バンプ構造１０の第２のバンプ４の突出部４ｂが、配線基板９の電極端子８に接合されている。
【００２３】
このような第２の実施形態の半導体装置は、以下に示すようにして製造される。すなわち、第１の実施形態のバンプ構造１０を有する半導体チップ１を、その電極パッド２形成面を下向き（フェースダウン）にして、電極端子８を有する配線基板９の上に配置する。そして、第２のバンプ４の突起部４ｂの先端部を配線基板９の電極端子８に位置合わせし、当接させた後、この当接部に押圧力を加えるとともに、超音波発振器により超音波振動を印加する。さらに、この当接部を所定の温度に加熱することで、第２のバンプ４の突起部４ｂの先端部は変形し、電極端子８に接合する。
【００２４】
このように構成される半導体装置２０においては、前記した第１の実施形態のバンプ構造１０を有する半導体チップ１が配線基板９上にフェースダウンで搭載され、超音波フリップチップボンディングにより接続されているので、フリップチップ接続時の超音波振動の応力に起因する、半導体チップ１の電極パッド２と第１のバンプ３との接合部および半導体チップ１の電極パッド２下層部などの機械的劣化を防止することができる。したがって、半導体装置２０の製造の歩留りが向上するうえに、従来は半導体チップ１の素子部あるいは電極パッド２とバンプ３との接合面のダメージ回避のために制限されていた超音波振動のエネルギーを増大することができるので、より接合の信頼性が高い半導体装置２０を得ることができる。
【００２５】
さらに、第２の実施形態の半導体装置２０は、半導体チップ１が、スタッド形状を有する第１のバンプ３である金バンプの上に同じくスタッド形状を有する第２のバンプ４である金バンプが２段に積重ねて形成されたバンプ構造１０を介してフリップチップ接続されており、１段のバンプ構造のものに比べて、半導体チップ１と配線基板９との間の間隙を広くすることができるため、封止樹脂の充填が容易となるうえに、封止樹脂の選定の範囲が広がる。さらに、２段に積重ねられた第１のバンプ３と第２のバンプ４との接合部は、半導体チップ１と配線基板９との熱膨張係数の差に起因する応力の集中を抑え、破壊を防止する効果も有する。
【００２６】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については、概略的に示したものにすぎず、また各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。したがって、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、さまざまな形態に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るバンプ構造を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態のバンプ構造の別の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
1…半導体チップ、２…電極パッド、３…第１のバンプ、４…第２のバンプ、５…くびれ部、７…有機樹脂層、８…電極端子、９…配線基板、１０…バンプ構造、２０…半導体装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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