JP2000299343A - 半導体装置 - Google Patents
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- H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
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- Wire Bonding (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリ
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現す
る。 【解決手段】局所的に除去された絶縁膜８の形状は複数
の開口部を有し開口寸法ｗは１００ミクロン以下で、厚
みｔは１ミクロン以上である。この開口部ははんだ３と
接合される拡散防止層９、金属配線７又は絶縁膜８、６
の割れを防止する。はんだ材料と他の部分の材料とに熱
膨張係数差があると温度環境変化で熱応力が発生し、そ
の応力は開口寸法が大きい程、単調に増加し１００ミク
ロン以上で膜の破壊限界を超えるので上記寸法を１００
ミクロン以下とする必要がある。また、開口部が複数な
のではんだボール３と拡散防止層９との接合界面に段差
が形成されこの段差がはんだボール３の層内の亀裂進展
の妨げとなる。
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現す
る。 【解決手段】局所的に除去された絶縁膜８の形状は複数
の開口部を有し開口寸法ｗは１００ミクロン以下で、厚
みｔは１ミクロン以上である。この開口部ははんだ３と
接合される拡散防止層９、金属配線７又は絶縁膜８、６
の割れを防止する。はんだ材料と他の部分の材料とに熱
膨張係数差があると温度環境変化で熱応力が発生し、そ
の応力は開口寸法が大きい程、単調に増加し１００ミク
ロン以上で膜の破壊限界を超えるので上記寸法を１００
ミクロン以下とする必要がある。また、開口部が複数な
のではんだボール３と拡散防止層９との接合界面に段差
が形成されこの段差がはんだボール３の層内の亀裂進展
の妨げとなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、はんだバンプを素
子表面に直接搭載してプリント基板と接続する半導体装
置に関する。
子表面に直接搭載してプリント基板と接続する半導体装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップをプリント基板に高密度実
装する方法として、はんだバンプを使用する方法が広く
採用されている。このような例としてＣＳＰ構造があ
る。このＣＳＰ構造では、はんだ実装が２００度程度の
高温で行われることから、主として高分子からなるプリ
ント基板と、主としてシリコンからなる半導体チップと
の熱膨張係数差に起因して、はんだ中に発生する熱ひず
みが増大し、はんだの接続寿命が低下するという問題が
あった。
装する方法として、はんだバンプを使用する方法が広く
採用されている。このような例としてＣＳＰ構造があ
る。このＣＳＰ構造では、はんだ実装が２００度程度の
高温で行われることから、主として高分子からなるプリ
ント基板と、主としてシリコンからなる半導体チップと
の熱膨張係数差に起因して、はんだ中に発生する熱ひず
みが増大し、はんだの接続寿命が低下するという問題が
あった。
【０００３】このため、例えば、特開平９−２６０５３
３号公報に記載されているように、半導体素子面側に応
力緩和層を形成し、はんだのひずみを低減してきた。
３号公報に記載されているように、半導体素子面側に応
力緩和層を形成し、はんだのひずみを低減してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、環境
問題に対応するため、はんだ材料から鉛を除去する傾向
にあり、はんだ材料は従来の鉛系はんだから、Ｓｎ−Ａ
ｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料に変更されようとしている。
問題に対応するため、はんだ材料から鉛を除去する傾向
にあり、はんだ材料は従来の鉛系はんだから、Ｓｎ−Ａ
ｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料に変更されようとしている。
【０００５】しかし、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料
は、従来の鉛ベースはんだと比較すると、硬くて脆いと
いう性質を有している。半導体素子表面の金属配線材料
として使用されるアルミニウムあるいは銅系合金材料
は、はんだ中の錫等と反応するため、はんだと金属配線
と間の反応を防止するため、はんだボールと金属配線と
の間には拡散防止層と呼ばれる導電層が形成される場合
が多い。
は、従来の鉛ベースはんだと比較すると、硬くて脆いと
いう性質を有している。半導体素子表面の金属配線材料
として使用されるアルミニウムあるいは銅系合金材料
は、はんだ中の錫等と反応するため、はんだと金属配線
と間の反応を防止するため、はんだボールと金属配線と
の間には拡散防止層と呼ばれる導電層が形成される場合
が多い。
【０００６】この拡散防止層材料としてはニッケル、タ
ングステン、銅、金等の金属材料あるいはこれらの合金
あるいは複数材料からなる多層構造が使用されることが
多い。しかし、ニッケル、タングステン等の材料は金属
材料の中では硬くて脆いという性質があることから、高
い応力が発生すると割れやすい。一旦、拡散防止層に割
れが入ると、はんだと金属配線との間の反応が生じて接
触抵抗が高抵抗化したり、大気中の水分を吸湿して金属
配線が腐食してしまうという不良の発生原因となる。
ングステン、銅、金等の金属材料あるいはこれらの合金
あるいは複数材料からなる多層構造が使用されることが
多い。しかし、ニッケル、タングステン等の材料は金属
材料の中では硬くて脆いという性質があることから、高
い応力が発生すると割れやすい。一旦、拡散防止層に割
れが入ると、はんだと金属配線との間の反応が生じて接
触抵抗が高抵抗化したり、大気中の水分を吸湿して金属
配線が腐食してしまうという不良の発生原因となる。
【０００７】はんだ材料が、従来の低応力で塑性変形し
てしまう鉛系はんだから剛性の高い鉛フリー系はんだに
変更されると、はんだと直接接する拡散防止層や金属配
線層の歪み（応力）は増加する傾向にあり、膜の割れや
剥離という不良が発生する場合が生じるという問題点が
あった。
てしまう鉛系はんだから剛性の高い鉛フリー系はんだに
変更されると、はんだと直接接する拡散防止層や金属配
線層の歪み（応力）は増加する傾向にあり、膜の割れや
剥離という不良が発生する場合が生じるという問題点が
あった。
【０００８】本発明の目的は、鉛フリーはんだを搭載し
て半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半
導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線
又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる
半導体装置を実現することである。
て半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半
導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線
又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる
半導体装置を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、次のように構成される。 （１）半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーは
んだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置に
おいて、上記鉛フリーはんだは、半導体素子形成面に形
成された絶縁膜上に配置され、はんだ材料の拡散を防止
する拡散防止層を介して金属配線と接しており、上記拡
散防止層と上記金属配線とが同一平面上で互いに連続的
に接する領域の寸法が１００ミクロン以下である。
め、本発明は、次のように構成される。 （１）半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーは
んだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置に
おいて、上記鉛フリーはんだは、半導体素子形成面に形
成された絶縁膜上に配置され、はんだ材料の拡散を防止
する拡散防止層を介して金属配線と接しており、上記拡
散防止層と上記金属配線とが同一平面上で互いに連続的
に接する領域の寸法が１００ミクロン以下である。
【００１０】（２）好ましくは、上記（２）において、
上記拡散防止層と上記金属配線とが同一平面上で互いに
連続的に接する領域の寸法が５０ミクロン以下である。
上記拡散防止層と上記金属配線とが同一平面上で互いに
連続的に接する領域の寸法が５０ミクロン以下である。
【００１１】（３）また、半導体素子を形成した半導体
チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続
される半導体装置において、上記半導体素子形成面に形
成された絶縁膜は開口部を有し、上記鉛フリーはんだ
は、上記絶縁膜の開口部で金属配線上に直接形成され
た、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と接してお
り、上記拡散防止層と上記はんだとが同一平面上で互い
に連続的に接する領域の上記絶縁膜の開口部の寸法が１
００ミクロン以下である。
チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続
される半導体装置において、上記半導体素子形成面に形
成された絶縁膜は開口部を有し、上記鉛フリーはんだ
は、上記絶縁膜の開口部で金属配線上に直接形成され
た、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と接してお
り、上記拡散防止層と上記はんだとが同一平面上で互い
に連続的に接する領域の上記絶縁膜の開口部の寸法が１
００ミクロン以下である。
【００１２】（４）好ましくは、上記（３）において、
上記拡散防止層と上記はんだとが同一平面上で互いに連
続的に接する領域の上記絶縁膜の開口部の寸法が５０ミ
クロン以下である。
上記拡散防止層と上記はんだとが同一平面上で互いに連
続的に接する領域の上記絶縁膜の開口部の寸法が５０ミ
クロン以下である。
【００１３】（５）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）において、上記はんだと上記
拡散防止層とが接する上記絶縁膜の開口部内面の端面の
断面形状が７０°以下の傾斜を有している。
（２）、（３）又は（４）において、上記はんだと上記
拡散防止層とが接する上記絶縁膜の開口部内面の端面の
断面形状が７０°以下の傾斜を有している。
【００１４】上述した構成において、具体的には金属配
線上に形成した絶縁膜を局所的に除去し、金属配線が露
出した部分と絶縁膜端を覆うように拡散防止層を形成す
る。
線上に形成した絶縁膜を局所的に除去し、金属配線が露
出した部分と絶縁膜端を覆うように拡散防止層を形成す
る。
【００１５】この場合、露出した金属配線開口部が矩形
の場合には１辺の長さが少なくとも１００ミクロン以下
とし、円形の場合は直径が１００ミクロン以下となるよ
うにする。拡散防止膜の上に鉛フリーはんだを搭載し、
プリント基板に実装する。拡散防止層と金属配線間の接
合面積を大きくしたい場合には上記構造を複数近接させ
て配列する。
の場合には１辺の長さが少なくとも１００ミクロン以下
とし、円形の場合は直径が１００ミクロン以下となるよ
うにする。拡散防止膜の上に鉛フリーはんだを搭載し、
プリント基板に実装する。拡散防止層と金属配線間の接
合面積を大きくしたい場合には上記構造を複数近接させ
て配列する。
【００１６】この場合、上記拡散防止層は連続的につな
がっていることが好ましいが、分割されていてもかまわ
ない。この複合構造の上に各はんだを搭載する。なお、
絶縁膜端部の形状は垂直（９０度）よりも７０度以下の
テーパが形成されていることが好ましい。これにより、
開口部内部端面を覆う拡散防止層に発生する応力集中が
緩和され、端面における拡散防止層の割れを防止するこ
とができる。
がっていることが好ましいが、分割されていてもかまわ
ない。この複合構造の上に各はんだを搭載する。なお、
絶縁膜端部の形状は垂直（９０度）よりも７０度以下の
テーパが形成されていることが好ましい。これにより、
開口部内部端面を覆う拡散防止層に発生する応力集中が
緩和され、端面における拡散防止層の割れを防止するこ
とができる。
【００１７】さらに、拡散防止層は必ずしも絶縁膜上に
形成する必要はない。すなわち、金属配線上に拡散防止
層を直接形成した後、表面を絶縁膜で覆い、はんだ搭載
領域のみ絶縁膜を除去する。この場合、開口部形状は既
に述べた形状とする。ただし、はんだと拡散防止層の接
触面積を大きくしたい場合は、開口部を複数隣接させ、
１個のはんだの下に複数の開口部があってもかまわな
い。
形成する必要はない。すなわち、金属配線上に拡散防止
層を直接形成した後、表面を絶縁膜で覆い、はんだ搭載
領域のみ絶縁膜を除去する。この場合、開口部形状は既
に述べた形状とする。ただし、はんだと拡散防止層の接
触面積を大きくしたい場合は、開口部を複数隣接させ、
１個のはんだの下に複数の開口部があってもかまわな
い。
【００１８】また、開口部における絶縁膜端部形状はや
はり垂直よりも７０度以下のテーパ形状となっているこ
とが好ましい。これにより、絶縁膜端部近傍におけるは
んだ内の応力集中を緩和することができ、はんだの接続
寿命向上を図ることができる。
はり垂直よりも７０度以下のテーパ形状となっているこ
とが好ましい。これにより、絶縁膜端部近傍におけるは
んだ内の応力集中を緩和することができ、はんだの接続
寿命向上を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を添付図面を参
照して以下に説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態であ
る半導体装置の全体概略断面構造図であり、図２は図１
の半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
なお、はんだ材料には、地球環境の保護を目的として、
Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系は
んだ材料を使用している。
照して以下に説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態であ
る半導体装置の全体概略断面構造図であり、図２は図１
の半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
なお、はんだ材料には、地球環境の保護を目的として、
Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系は
んだ材料を使用している。
【００２０】本発明の第１の実施形態においては、半導
体素子（半導体チップ）１を形成した半導体チップの素
子形成表面側に、金属配線（Ｃｕ配線）７と絶縁膜６、
８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的に除
去され、露出した金属７表面および絶縁膜８端部近傍の
表面がはんだの金属配線への拡散を防止する拡散防止層
（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌ）９で覆われてい
る。２は表面配線と絶縁膜、３ははんだボール、４は実
装基板、５はチップ配線（Ａｌパッド）である。
体素子（半導体チップ）１を形成した半導体チップの素
子形成表面側に、金属配線（Ｃｕ配線）７と絶縁膜６、
８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的に除
去され、露出した金属７表面および絶縁膜８端部近傍の
表面がはんだの金属配線への拡散を防止する拡散防止層
（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌ）９で覆われてい
る。２は表面配線と絶縁膜、３ははんだボール、４は実
装基板、５はチップ配線（Ａｌパッド）である。
【００２１】なお、この拡散防止層９は、はんだボール
３と金属配線７と間の電気的接続を確保するため、導電
姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の場
合はニッケル、クロム、タングステン、金等材料からな
る合金あるいは積層構造であることが好ましい。
３と金属配線７と間の電気的接続を確保するため、導電
姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の場
合はニッケル、クロム、タングステン、金等材料からな
る合金あるいは積層構造であることが好ましい。
【００２２】なお、拡散防止層９は、金属材料である必
然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が確保で
きる材料であれば高分子系材料でもかまわない。また、
絶縁膜６と絶縁膜８は同一材料であっても構わないし、
異なる材料であっても構わない。
然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が確保で
きる材料であれば高分子系材料でもかまわない。また、
絶縁膜６と絶縁膜８は同一材料であっても構わないし、
異なる材料であっても構わない。
【００２３】図３は、図２の部分拡大図であり、金属配
線７、絶縁膜８、拡散防止層９、はんだボール３の配置
部分を示す図である。図３において、局所的に除去され
た絶縁膜８の形状は、複数の開口部からなり、各開口部
寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下の数十ミクロン
（好ましくは５０ミクロン以下）となるように加工して
ある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μｍ、好ま
しくは、１０〜２０μｍ程度である。
線７、絶縁膜８、拡散防止層９、はんだボール３の配置
部分を示す図である。図３において、局所的に除去され
た絶縁膜８の形状は、複数の開口部からなり、各開口部
寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下の数十ミクロン
（好ましくは５０ミクロン以下）となるように加工して
ある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μｍ、好ま
しくは、１０〜２０μｍ程度である。
【００２４】この絶縁膜８の分割された開口部は、はん
だ３と接合される拡散防止層９あるいはその下部に存在
する金属配線７あるいは絶縁膜８、６の割れを防止する
ために形成されている。
だ３と接合される拡散防止層９あるいはその下部に存在
する金属配線７あるいは絶縁膜８、６の割れを防止する
ために形成されている。
【００２５】すなわち、はんだ材料と上記各材料との間
に熱膨張係数差が存在すると、温度環境の変化により各
材料内に熱応力（歪み）が発生する。その材質が、Ｓ
ｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系はん
だは、従来の鉛系はんだと比較すると、硬いため、上記
材質内に発生する応力が増加する。この場合、応力は熱
膨張あるいは熱収縮に起因して発生するので、異種材質
間の接合面積あるいは長さが大きくなるほど増加する。
に熱膨張係数差が存在すると、温度環境の変化により各
材料内に熱応力（歪み）が発生する。その材質が、Ｓ
ｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系はん
だは、従来の鉛系はんだと比較すると、硬いため、上記
材質内に発生する応力が増加する。この場合、応力は熱
膨張あるいは熱収縮に起因して発生するので、異種材質
間の接合面積あるいは長さが大きくなるほど増加する。
【００２６】応力が異種材質間の接合面積あるいは長さ
が大きくなるほど増加する状況を、図４を参照して説明
する。図４は、はんだと拡散防止層との接合部分を矩形
平面と仮定し、その矩形の一辺の長さを横軸とし、縦軸
は半導体装置の信頼性試験温度範囲、例えば、−５５℃
から１５０℃において発生する最大応力を示し、拡散防
止層の強度で規格化している。この図４から明らかなよ
うに、拡散防止層内に発生する応力は、開口寸法（接触
寸法）が大きくなるほど単調に増加し、１００ミクロン
を超えると膜の破壊限界（Ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅ
ｓｓ）を超える。
が大きくなるほど増加する状況を、図４を参照して説明
する。図４は、はんだと拡散防止層との接合部分を矩形
平面と仮定し、その矩形の一辺の長さを横軸とし、縦軸
は半導体装置の信頼性試験温度範囲、例えば、−５５℃
から１５０℃において発生する最大応力を示し、拡散防
止層の強度で規格化している。この図４から明らかなよ
うに、拡散防止層内に発生する応力は、開口寸法（接触
寸法）が大きくなるほど単調に増加し、１００ミクロン
を超えると膜の破壊限界（Ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｒｅ
ｓｓ）を超える。
【００２７】したがって、拡散防止層９の破壊を防止す
るためには、拡散防止層９とはんだとが同一平面上で連
続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必
要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると、
好ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
るためには、拡散防止層９とはんだとが同一平面上で連
続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必
要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると、
好ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
【００２８】ただし、開口面積をあまり小さくすると、
はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加す
るため、接触抵抗の低減を図るためには、図３に示した
ように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよ
い。
はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加す
るため、接触抵抗の低減を図るためには、図３に示した
ように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよ
い。
【００２９】さらに、開口部が複数あることで、はんだ
ボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成され
るため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が
進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続
寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
ボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成され
るため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が
進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続
寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
【００３０】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリ
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現する
ことができる。
よれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリ
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現する
ことができる。
【００３１】つまり、本発明の第１の実施形態によれ
ば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント
基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下
のはんだ拡散防止層９あるいは金属配線７あるいは絶縁
膜６、８の割れを防止でき、半導体装置の信頼性向上を
図ることができるという効果がある。
ば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント
基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下
のはんだ拡散防止層９あるいは金属配線７あるいは絶縁
膜６、８の割れを防止でき、半導体装置の信頼性向上を
図ることができるという効果がある。
【００３２】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態９を図５、図６を参照して説明する。この第２
の実施形態は、上述した第１の実施形態と、はんだバン
プ３の下の絶縁膜８の端面形状のみが異なるだけなの
で、図５、図６を使用して相違点のみを述べる。図５に
示すように、この第２の実施形態では、絶縁膜８の開口
部の内部端面に、配線パッド７の面からみて７０度のテ
ーパを形成している。
実施形態９を図５、図６を参照して説明する。この第２
の実施形態は、上述した第１の実施形態と、はんだバン
プ３の下の絶縁膜８の端面形状のみが異なるだけなの
で、図５、図６を使用して相違点のみを述べる。図５に
示すように、この第２の実施形態では、絶縁膜８の開口
部の内部端面に、配線パッド７の面からみて７０度のテ
ーパを形成している。
【００３３】なお、この開口部内部端面の傾斜角度は７
０度以下であればかまわない。この傾斜角度の大きさの
差異による効果を図６を使用して説明する。ここで、拡
散防止層９は絶縁膜８の開口部端を覆うように形成する
ため、開口部端では端面に沿った形状となる。
０度以下であればかまわない。この傾斜角度の大きさの
差異による効果を図６を使用して説明する。ここで、拡
散防止層９は絶縁膜８の開口部端を覆うように形成する
ため、開口部端では端面に沿った形状となる。
【００３４】このため、はんだボール３と拡散防止層９
の材料間で発生する熱応力は、拡散防止層９の段差の角
部に集中し、拡散防止層９が割れる場合がある。この応
力集中と端面形状（テーパ角度）との関係をまとめたも
のが図６で、テーパ角度を７０度以下とすることで応力
集中が緩和されることがわかる。これにより、拡散防止
層９の割れを防止できる効果がある。
の材料間で発生する熱応力は、拡散防止層９の段差の角
部に集中し、拡散防止層９が割れる場合がある。この応
力集中と端面形状（テーパ角度）との関係をまとめたも
のが図６で、テーパ角度を７０度以下とすることで応力
集中が緩和されることがわかる。これにより、拡散防止
層９の割れを防止できる効果がある。
【００３５】以上のように、本発明の第２の実施形態に
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る。
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る。
【００３６】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態を図１、図４、図７及び図８を参照して説明す
る。図７は第３の実施形態である半導体装置のはんだ接
続部近傍の拡大断面図であり、図８は、図７の部分拡大
図である。
実施形態を図１、図４、図７及び図８を参照して説明す
る。図７は第３の実施形態である半導体装置のはんだ接
続部近傍の拡大断面図であり、図８は、図７の部分拡大
図である。
【００３７】本発明の第３の実施形態においては、第
１、第２の実施形態と同様に、はんだ材料には、地球環
境の保護を目的として、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ
等からなる鉛フリー系はんだ材料を使用している。ま
た、この第３の実施形態において、半導体素子を形成し
た半導体チップ１の素子形成表面側に、金属配線７と絶
縁膜８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的
に除去され、露出した金属７表面がはんだボール３の金
属配線７への拡散を防止する拡散防止層９で覆われてい
る。
１、第２の実施形態と同様に、はんだ材料には、地球環
境の保護を目的として、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ
等からなる鉛フリー系はんだ材料を使用している。ま
た、この第３の実施形態において、半導体素子を形成し
た半導体チップ１の素子形成表面側に、金属配線７と絶
縁膜８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的
に除去され、露出した金属７表面がはんだボール３の金
属配線７への拡散を防止する拡散防止層９で覆われてい
る。
【００３８】なお、この拡散防止層９は、はんだボール
３と金属配線７との間の電気的接続を確保するため、導
電姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の
場合は、ニッケル、クロム、タングステン、金等の材料
からなる合金あるいは積層構造であることが好ましい。
３と金属配線７との間の電気的接続を確保するため、導
電姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の
場合は、ニッケル、クロム、タングステン、金等の材料
からなる合金あるいは積層構造であることが好ましい。
【００３９】なお、拡散防止層９の材質は、金属材料で
ある必然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が
確保できる材質であれば、高分子系材料でも構わない。
さらに、図中にも示したように、拡散防止層９は、金属
配線７の最表面層として金属配線７と一体に形成しても
構わない。また、絶縁膜６と絶縁膜８とは同一材料であ
っても構わないし、異なる材質でも構わない。
ある必然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が
確保できる材質であれば、高分子系材料でも構わない。
さらに、図中にも示したように、拡散防止層９は、金属
配線７の最表面層として金属配線７と一体に形成しても
構わない。また、絶縁膜６と絶縁膜８とは同一材料であ
っても構わないし、異なる材質でも構わない。
【００４０】局所的に除去された絶縁膜８の開口形状
は、図８に示したように、複数の開口部からなり、各開
口部寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下となるように
加工してある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μ
ｍ程度、好ましくは、１０〜２０μｍ程度である。
は、図８に示したように、複数の開口部からなり、各開
口部寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下となるように
加工してある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μ
ｍ程度、好ましくは、１０〜２０μｍ程度である。
【００４１】この絶縁膜８の分割された開口部は、はん
だボール３と接合される拡散防止層９あるいはその下部
に存在する金属配線７あるいは絶縁膜６、８の割れを防
止するために行っている。
だボール３と接合される拡散防止層９あるいはその下部
に存在する金属配線７あるいは絶縁膜６、８の割れを防
止するために行っている。
【００４２】この第３の実施形態においても、図４に示
した関係から、拡散防止層９の破壊を防止するために
は、拡散防止層９とはんだボール３とが同一平面上で連
続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必
要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると好
ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
した関係から、拡散防止層９の破壊を防止するために
は、拡散防止層９とはんだボール３とが同一平面上で連
続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必
要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると好
ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
【００４３】ただし、開口面積をあまり小さくすると、
はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加す
るため、接触抵抗の低減を図るためには、図８に示した
ように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよ
い。
はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加す
るため、接触抵抗の低減を図るためには、図８に示した
ように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよ
い。
【００４４】さらに、開口部が複数あることで、はんだ
ボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成され
るため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が
進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続
寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
ボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成され
るため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が
進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続
寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
【００４５】以上のように、本発明の第３の実施形態に
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る。
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る。
【００４６】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態を、図９を参照して説明する。この第４の実施
形態では、上記第３の実施形態とはんだバンプ３下の絶
縁膜８の端面形状のみが異なるだけなので、図９を使用
して相違点のみを述べる。
実施形態を、図９を参照して説明する。この第４の実施
形態では、上記第３の実施形態とはんだバンプ３下の絶
縁膜８の端面形状のみが異なるだけなので、図９を使用
して相違点のみを述べる。
【００４７】この第４の実施形態では、絶縁膜８の開口
部の内部端面に７０度のテーパを形成している。なお、
この角度は７０度以下であればかまわない。この形状制
御の効果を第６図を使用して説明する。
部の内部端面に７０度のテーパを形成している。なお、
この角度は７０度以下であればかまわない。この形状制
御の効果を第６図を使用して説明する。
【００４８】はんだ材料は絶縁膜８の開口部内部端面を
覆うように形成するため、開口部内部端面では端面の段
差に沿った形状となる。このため、はんだバンプ（はん
だボール）３と絶縁膜８との間で発生する熱応力は、こ
の段差の角部に集中し、はんだバンプ３内にクラックが
発生しやすくなる。
覆うように形成するため、開口部内部端面では端面の段
差に沿った形状となる。このため、はんだバンプ（はん
だボール）３と絶縁膜８との間で発生する熱応力は、こ
の段差の角部に集中し、はんだバンプ３内にクラックが
発生しやすくなる。
【００４９】この場合、上述した第２の実施形態と同様
に、テーパ角度を７０度以下とすることで応力集中が緩
和される。これにより、はんだバンプ３内のクラック発
生を抑制して、はんだバンプ３の寿命を向上することが
できるという効果がある。
に、テーパ角度を７０度以下とすることで応力集中が緩
和される。これにより、はんだバンプ３内のクラック発
生を抑制して、はんだバンプ３の寿命を向上することが
できるという効果がある。
【００５０】以上のように、本発明の第４の実施形態に
よれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリ
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現する
ことができる。
よれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリ
ント基板間を電気的に接続する半導体装置において、は
んだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥
離の発生を抑制することができる半導体装置を実現する
ことができる。
【００５１】すなわち、本発明の第４の実施形態によれ
ば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント
基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下
のはんだ拡散防止９層あるいは金属配線７あるいは絶縁
膜６、８の割れを防止でき、さらにはんだバンプ３内の
クラック発生を抑制してはんだバンプ３の寿命を向上で
き、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという
効果がある。
ば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント
基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下
のはんだ拡散防止９層あるいは金属配線７あるいは絶縁
膜６、８の割れを防止でき、さらにはんだバンプ３内の
クラック発生を抑制してはんだバンプ３の寿命を向上で
き、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという
効果がある。
【００５２】なお、上述した例においては、鉛フリーは
んだの例として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料を用い
るものとしたが、これに限らず、鉛を用いていなけれ
ば、その他の材料を使用するものでもよい。例えば、Ｓ
ｎ−Ａｇを主体とする鉛フリーはんだも使用可能であ
る。
んだの例として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料を用い
るものとしたが、これに限らず、鉛を用いていなけれ
ば、その他の材料を使用するものでもよい。例えば、Ｓ
ｎ−Ａｇを主体とする鉛フリーはんだも使用可能であ
る。
【００５３】また、上述した例においては、絶縁膜８の
開口部の形状を矩形としたが、矩形に限らず、円形等の
その他の形状とすることができる。この場合、開口部寸
法ｗは、その開口部の最大寸法となる。
開口部の形状を矩形としたが、矩形に限らず、円形等の
その他の形状とすることができる。この場合、開口部寸
法ｗは、その開口部の最大寸法となる。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、鉛フリーはんだを搭載
して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する
半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配
線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができ
る半導体装置を実現することができる。これにより、半
導体装置の信頼性向上を図ることができる。
して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する
半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配
線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができ
る半導体装置を実現することができる。これにより、半
導体装置の信頼性向上を図ることができる。
【図１】本発明の第１の実施形態である半導体装置の全
体概略断面構造図である。
体概略断面構造図である。
【図２】図１の半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断
面図である。
面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】本発明のはんだ接続部の開口寸法と応力との関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態である半導体装置のは
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図６】本発明の絶縁膜端部角度と応力との関係を示す
図である。
図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である半導体装置のは
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態である半導体装置のは
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態である半導体装置のは
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
んだ接続部近傍の拡大断面図である。
１ 半導体素子 ２ 表面配線と絶縁膜 ３ はんだバンプ ４ 実装基板 ５ チップ配線 ６ 絶縁膜 ７ 金属配線 ８ 絶縁膜 ９ 拡散防止層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 俊夫 東京都小平市上水本町五丁目20番地１号 株式会社日立製作所半導体事業本部内 (72)発明者 田中 英樹 東京都小平市上水本町五丁目20番地１号 株式会社日立製作所半導体事業本部内 Ｆターム(参考） 4M104 BB05 BB09 BB13 BB18 FF06 FF11 FF17 HH09 5F044 KK01 QQ05
Claims (5)
- 【請求項１】半導体素子を形成した半導体チップが鉛フ
リーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体
装置において、 上記鉛フリーはんだは、半導体素子形成面に形成された
絶縁膜上に配置され、はんだ材料の拡散を防止する拡散
防止層を介して金属配線と接しており、上記拡散防止層
と上記金属配線とが同一平面上で互いに連続的に接する
領域の寸法が１００ミクロン以下であることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項２】請求項１記載に半導体装置において、上記
拡散防止層と上記金属配線とが同一平面上で互いに連続
的に接する領域の寸法が５０ミクロン以下であることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】半導体素子を形成した半導体チップが鉛フ
リーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体
装置において、 上記半導体素子形成面に形成された絶縁膜は開口部を有
し、上記鉛フリーはんだは、上記絶縁膜の開口部で金属
配線上に直接形成された、はんだ材料の拡散を防止する
拡散防止層と接しており、上記拡散防止層と上記はんだ
とが同一平面上で互いに連続的に接する領域の上記絶縁
膜の開口部の寸法が１００ミクロン以下であることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項４】請求項３記載に半導体装置において、上記
拡散防止層と上記はんだとが同一平面上で互いに連続的
に接する領域の上記絶縁膜の開口部の寸法が５０ミクロ
ン以下であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項５】請求項１、２、３又は４記載の半導体装置
において、上記はんだと上記拡散防止層とが接する上記
絶縁膜の開口部内面の端面の断面形状が７０°以下の傾
斜を有していることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10842799A JP3681571B2 (ja) | 1999-04-15 | 1999-04-15 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10842799A JP3681571B2 (ja) | 1999-04-15 | 1999-04-15 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000299343A true JP2000299343A (ja) | 2000-10-24 |
| JP3681571B2 JP3681571B2 (ja) | 2005-08-10 |
Family
ID=14484508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10842799A Expired - Fee Related JP3681571B2 (ja) | 1999-04-15 | 1999-04-15 | 半導体装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3681571B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003060051A (ja) * | 2001-08-10 | 2003-02-28 | Rohm Co Ltd | 半導体集積回路装置及びそれを用いた電子装置 |
| JP2007019473A (ja) * | 2005-06-10 | 2007-01-25 | Nec Electronics Corp | 半導体装置 |
| JP2007027400A (ja) * | 2005-07-15 | 2007-02-01 | Kawasaki Microelectronics Kk | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
| US7709957B2 (en) | 2008-01-09 | 2010-05-04 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device |
| WO2011058680A1 (ja) * | 2009-11-12 | 2011-05-19 | パナソニック株式会社 | 半導体装置 |
| CN115996035A (zh) * | 2023-01-28 | 2023-04-21 | 无锡市好达电子股份有限公司 | 弹性波器件 |
-
1999
- 1999-04-15 JP JP10842799A patent/JP3681571B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003060051A (ja) * | 2001-08-10 | 2003-02-28 | Rohm Co Ltd | 半導体集積回路装置及びそれを用いた電子装置 |
| JP2007019473A (ja) * | 2005-06-10 | 2007-01-25 | Nec Electronics Corp | 半導体装置 |
| US7663201B2 (en) | 2005-06-10 | 2010-02-16 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device with a diffusion barrier film having a spacing for stress relief of solder bump |
| JP2007027400A (ja) * | 2005-07-15 | 2007-02-01 | Kawasaki Microelectronics Kk | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
| US7709957B2 (en) | 2008-01-09 | 2010-05-04 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device |
| WO2011058680A1 (ja) * | 2009-11-12 | 2011-05-19 | パナソニック株式会社 | 半導体装置 |
| CN115996035A (zh) * | 2023-01-28 | 2023-04-21 | 无锡市好达电子股份有限公司 | 弹性波器件 |
| CN115996035B (zh) * | 2023-01-28 | 2024-05-07 | 无锡市好达电子股份有限公司 | 弹性波器件 |
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| JP3681571B2 (ja) | 2005-08-10 |
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