JP2005079431A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、配線基板への実装効率を高め、高密度実装を可能にし、信頼性の高い基板実装を実現できるチップ状の半導体装置に関するものであり、特に半導体チップ上で外部端子用の電極パッドが再配線され、外部端子が2次元エリア配置された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a chip-like semiconductor device capable of improving mounting efficiency on a wiring board, enabling high-density mounting, and realizing highly reliable board mounting, and more particularly, electrode pads for external terminals on a semiconductor chip. Relates to a semiconductor device in which the wiring is rewired and the external terminals are arranged in a two-dimensional area.
近年、携帯機器の軽量小型化、高密度化にともない、リード端子を外部端子として有した半導体パッケージの高密度実装化が進む中、より高密度実装を図るため、チップ状の半導体装置を電子機器の配線基板等に実装する技術が開発されている。 In recent years, with the reduction in weight and size and the increase in density of portable devices, semiconductor packages having lead terminals as external terminals are being mounted with higher density. A technology for mounting on a wiring board or the like has been developed.
以下、従来の配線基板への基板実装における半導体装置と、その半導体装置の実装方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a semiconductor device in a conventional substrate mounting on a wiring board and a method for mounting the semiconductor device will be described with reference to the drawings.
図5は従来の半導体装置を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor device.
図5に示す従来の半導体装置は、ベアチップ実装に用いられるチップ状の半導体装置であり、その上面内に半導体集積回路が形成された半導体チップ1上に半導体チップの電極2が形成され、かつ電極2が形成された同一配線層に半導体チップ1の半導体集積回路と電気的に接続された内部配線3が形成されている。また、この半導体チップ1の表面は電極2の部分を開口した絶縁性の保護膜4で覆われている。そして、この半導体チップ2の保護膜4表面には半導体チップ1の電極2と外部接続用電極5の部分を開口した感光性の有機樹脂である第1の有機絶縁膜6が形成されている。この第1の有機絶縁膜6上には半導体チップ1の電極2と外部接続用電極5とを電気的に接続する配線パターン7が形成され、外部接続用電極5上にははんだバンプ8とUBM9(アンダー・バリア・メタル)が形成されている。さらに、外部接続用電極5の周辺部と第1の有機絶縁膜6と配線パターン7上には第2の有機絶縁膜14が形成されている。
The conventional semiconductor device shown in FIG. 5 is a chip-like semiconductor device used for bare chip mounting. A
次に従来の半導体装置の実装方法について図6を参照しながら説明する。 Next, a conventional method for mounting a semiconductor device will be described with reference to FIG.
図5に示したような半導体装置をプリント配線基板上に実装する場合、まず図6(a)に示すように、電子機器に組み込むプリント配線基板10の接続用配線電極11と半導体チップ1に形成したはんだバンプ8とを位置合わせする。
When a semiconductor device as shown in FIG. 5 is mounted on a printed wiring board, first, as shown in FIG. 6A, it is formed on the connecting wiring electrode 11 and the
そして図6(b)に示すように、プリント配線基板10の接続用配線電極11と半導体チップ1のはんだバンプ8とを接続する。この際、はんだボール8を溶融させた状態でプリント配線基板10の接続用配線電極11とを接合する。
Then, as shown in FIG. 6B, the connection wiring electrodes 11 of the printed
そして図6(c)に示すように、プリント配線基板10に半導体チップ1をはんだボール8が接続された状態で、半導体チップ1とプリント配線基板10との間隙に絶縁性樹脂等のアンダーフィル材12を充填封止し、アンダーフィル材12を硬化させて基板実装を完了する。
Then, as shown in FIG. 6C, an underfill material such as an insulating resin is provided in the gap between the
以上のように従来においては、配線基板の配線電極とベアチップ実装に用いるチップ状の半導体装置とを突起電極を介して接続し、両者の間隙にアンダーフィル材を形成して実装するものであり、アンダーフィル材は両者の接続後または、接続前に予め供給して形成するものであった。近年、LSIの小型・高密度化に伴い外部接続用端子の多ピン化が進んでいる。このためLSIパッケージには、パッケージの裏面に半田ボールをエリア配置したBGA(Ball Grid Array)タイプが多用されるようになっている。 As described above, in the past, the wiring electrode of the wiring board and the chip-like semiconductor device used for bare chip mounting are connected via the protruding electrode, and the underfill material is formed in the gap between the two and mounted. The underfill material was formed by supplying in advance after the connection between the two or before the connection. In recent years, with the miniaturization and high density of LSI, the number of pins for external connection has been increased. Therefore, BGA (Ball Grid Array) type in which solder balls are arranged on the back surface of the package is often used for LSI packages.
また、半導体装置に適応した例として、特許文献1,2に示されるように、半導体チップの周辺部に形成された電極より再配線をして、半導体チップ全面にはんだバンプ等の突起電極を用いてプリント基板等と接続するための電極形成構造および電極形成方法が提案されている。
しかし、上述した構造の半導体装置においては下記に示すような課題があった。 However, the semiconductor device having the above-described structure has the following problems.
第1の課題は、半導体装置の回路素子が形成された面上に再配線パターンを形成する構造の半導体装置において、プリント回路基板に接続するためのはんだバンプ等の突起電極を形成するための再配線パターンの外部接続用電極を半導体チップの表面の保護膜に直接形成する際に、外部接続用電極の直下に半導体チップの配線パターンルールの再配線が存在すると、図7に示すように半導体チップ1の保護膜4上に形成された再配線の膜応力により半導体チップ1の保護膜4にクラックAが入り、半導体チップ1の最上層の配線3が断線してしまう課題が出てきた。
A first problem is that in a semiconductor device having a structure in which a rewiring pattern is formed on a surface on which circuit elements of the semiconductor device are formed, re-generation for forming protruding electrodes such as solder bumps for connection to a printed circuit board is performed. When the external connection electrode of the wiring pattern is formed directly on the protective film on the surface of the semiconductor chip, if there is a rewiring of the wiring pattern rule of the semiconductor chip directly under the external connection electrode, the semiconductor chip as shown in FIG. The problem is that the crack A enters the
第2の課題は、半導体チップの最上層に半導体チップの電極をエリア状に半導体チップ表面全面に配置した半導体装置において、半導体チップの電極の直下の配線層に配線が存在すると、電極上に外部接続用電極を形成する際に、外部接続用電極を形成する金属膜の膜応力により、半導体チップの電極の直下の配線層にダメージを与えてしまう課題があった。 A second problem is that, in a semiconductor device in which the semiconductor chip electrodes are arranged in an area on the entire surface of the semiconductor chip on the uppermost layer of the semiconductor chip, if wiring exists in the wiring layer immediately below the electrodes of the semiconductor chip, When the connection electrode is formed, there is a problem that the wiring layer immediately below the electrode of the semiconductor chip is damaged by the film stress of the metal film forming the external connection electrode.
第3の課題は、第2の課題を改善するために、現状半導体チップの配線層の形成時に半導体チップの電極を形成する配線層より下の配線層を上部配線層の応力によるダメージを無くすために平坦化プロセスを導入していたが、平坦化プロセスを導入することで、半導体チップのコストが上昇してしまう課題があった。 The third problem is to eliminate the damage caused by the stress of the upper wiring layer in the wiring layer below the wiring layer forming the electrode of the semiconductor chip when forming the wiring layer of the current semiconductor chip in order to improve the second problem. However, there has been a problem that the cost of the semiconductor chip increases due to the introduction of the planarization process.
したがって、この発明の目的は、上記問題点に鑑み、半導体チップの表面に形成された再配線パターンの外部接続用電極下の半導体チップ内の最上層の配線において、外部接続用電極の金属膜の膜応力により、最上層配線が断線してしまうことを防止する半導体装置を提供することである。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to form the metal film of the external connection electrode in the uppermost layer wiring in the semiconductor chip under the external connection electrode of the rewiring pattern formed on the surface of the semiconductor chip. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that prevents the uppermost layer wiring from being disconnected due to film stress.
上記課題を解決するためにこの発明の請求項1記載の半導体装置は、半導体チップの電極が形成された最上層の面上に、前記半導体チップの電極の位置に第1の開口部および前記半導体チップと電気的に絶縁された第2の開口部をそれぞれ有するように形成した感光性を有する第1の有機絶縁膜と、前記第1の有機絶縁膜、第1の開口部および第2の開口部上に前記半導体チップの電極と電気的に接続されるように形成した配線パターンと、前記第1の有機絶縁膜および前記配線パターン上に形成した第2の有機絶縁膜とを備え、前記第1の開口部と前記第2の開口部とが前記配線パターンで電気的に接続されるとともに前記第2の開口部に形成された前記配線パターンが外部接続用電極となり、前記第2の有機絶縁膜は前記外部接続用電極の位置を開口した半導体装置であって、前記外部接続用電極に相対する前記半導体チップの最上層の位置に、前記第1の有機絶縁膜の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極を有する。 In order to solve the above-described problems, according to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to a first aspect of the present invention, wherein the first opening and the semiconductor are formed on the uppermost surface of the semiconductor chip where the electrodes are formed. A photosensitive first organic insulating film formed so as to have a second opening electrically insulated from the chip, the first organic insulating film, the first opening, and the second opening A wiring pattern formed on the portion so as to be electrically connected to the electrode of the semiconductor chip, a first organic insulating film and a second organic insulating film formed on the wiring pattern, The first opening and the second opening are electrically connected by the wiring pattern, and the wiring pattern formed in the second opening serves as an external connection electrode, whereby the second organic insulation The membrane is the external connection electrode A semiconductor device having a position opened, wherein a wiring or an electrode having a size equal to or larger than that of the second opening of the first organic insulating film is provided at the uppermost layer position of the semiconductor chip opposite to the external connection electrode. Have
請求項2記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記第1の有機絶縁膜の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極が前記半導体チップの内部回路と電気的に独立している。
The semiconductor device according to
請求項3記載の半導体装置は、半導体チップの電極が形成された第1の配線層の面上に、前記半導体チップの電極の位置に開口部を有するように形成した感光性を有する有機絶縁膜と、前記有機絶縁膜の開口部に前記半導体チップの電極と電気的に接続されるように形成した外部接続用電極とを備えた半導体装置であって、前記第1の配線層の下の第2の配線層の、前記第1の配線層に形成された前記半導体チップの電極と相対する位置に、前記有機絶縁膜の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極を有する。
4. The semiconductor device according to
請求項4記載の半導体装置は、請求項3記載の半導体装置において、前記有機絶縁膜の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極が前記半導体チップの内部回路と電気的に独立している。 A semiconductor device according to a fourth aspect is the semiconductor device according to the third aspect, wherein a wiring or an electrode having a size equal to or larger than the opening of the organic insulating film is electrically independent of the internal circuit of the semiconductor chip.
この発明の請求項1記載の半導体装置によれば、第1の課題のように半導体チップの保護膜表面に再配線パターンを形成した構成において、再配線パターンの外部接続用電極に相対する半導体チップの最上層の位置に、第1の有機絶縁膜の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極を有するので、外部接続用電極を形成する金属膜の膜応力により保護膜にクラックが生じて半導体チップの最上層の配線へ与えるダメージを低減することができる。そのため、半導体チップのプロセスコストを低減できる。 According to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, in the configuration in which the rewiring pattern is formed on the surface of the protective film of the semiconductor chip as in the first problem, the semiconductor chip facing the external connection electrode of the rewiring pattern Since the wiring or electrode having a size equal to or larger than that of the second opening of the first organic insulating film is provided at the position of the uppermost layer, the protective film is cracked by the film stress of the metal film forming the external connection electrode. It is possible to reduce damage caused to the uppermost wiring of the semiconductor chip. Therefore, the process cost of the semiconductor chip can be reduced.
請求項2では、第1の有機絶縁膜の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極が半導体チップの内部回路と電気的に独立している構成において、請求項1の効果が得られる。 According to a second aspect of the present invention, the effect of the first aspect can be obtained in a configuration in which a wiring or an electrode having a size equal to or larger than that of the second opening of the first organic insulating film is electrically independent from the internal circuit of the semiconductor chip. It is done.
この発明の請求項3記載の半導体装置によれば、第2、第3の課題のように半導体チップの最上層(第1の配線層)に半導体チップの電極をエリア状に半導体チップ表面全面に配置した構成において、第1の配線層の下の第2の配線層の、第1の配線層に形成された半導体チップの電極と相対する位置に、有機絶縁膜の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極を有するので、はんだ、バンプ等を形成する外部接続用電極を形成する金属膜の応力による電極直下の第2の配線層へのダメージを低減することができる。また、電極下の配線層に平坦化プロセスを導入しなくてもよいので、プロセスコストを低減することができる。 According to the semiconductor device of the third aspect of the present invention, as in the second and third problems, the electrodes of the semiconductor chip are arranged in an area on the entire surface of the semiconductor chip on the uppermost layer (first wiring layer) of the semiconductor chip. In the arrangement, the second wiring layer below the first wiring layer is at a size equal to or larger than the opening of the organic insulating film at a position facing the electrode of the semiconductor chip formed in the first wiring layer. Therefore, it is possible to reduce damage to the second wiring layer immediately below the electrode due to the stress of the metal film forming the external connection electrodes for forming solder, bumps and the like. In addition, since it is not necessary to introduce a planarization process into the wiring layer under the electrode, the process cost can be reduced.
請求項4では、有機絶縁膜の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極が半導体チップの内部回路と電気的に独立している構成において、請求項3の効果が得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, the effect of the third aspect can be obtained in a configuration in which wirings or electrodes having a size equal to or larger than the opening of the organic insulating film are electrically independent from the internal circuit of the semiconductor chip.
この発明の第1の実施の形態を図1および図2に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施形態の半導体装置の断面図である。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
図1において、1は半導体チップ、2は電極、3は内部配線、4は保護膜、5は外部接続用電極、6は第1の有機絶縁膜、7は配線パターン、8ははんだボール、9はUBM(アンダー・バリア・メタル)、13は外部接続用電極下電極、14は第2の有機絶縁膜である。 In FIG. 1, 1 is a semiconductor chip, 2 is an electrode, 3 is an internal wiring, 4 is a protective film, 5 is an external connection electrode, 6 is a first organic insulating film, 7 is a wiring pattern, 8 is a solder ball, 9 Is UBM (under barrier metal), 13 is a lower electrode for external connection, and 14 is a second organic insulating film.
図1に示すように、半導体チップ1の電極2が形成された最上層の面上に、半導体チップ1の電極2の位置に第1の開口部および半導体チップ1と電気的に絶縁された第2の開口部をそれぞれ有するように形成した感光性を有する第1の有機絶縁膜6と、第1の有機絶縁膜6、第1の開口部および第2の開口部上に半導体チップ1の電極2と電気的に接続されるように形成した配線パターン7と、第1の有機絶縁膜6および配線パターン7上に形成した第2の有機絶縁膜14とを備えている。また、第1の開口部と第2の開口部とが配線パターン7で電気的に接続されるとともに第2の開口部に形成された配線パターンが外部接続用電極5となり、第2の有機絶縁膜14は外部接続用電極5の位置を開口部としている。また、外部接続用電極5に相対する半導体チップ1の最上層の位置に、第1の有機絶縁膜6の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極13を有する。
As shown in FIG. 1, the first opening and the
この場合、図1に示す半導体装置は、ベアチップ実装に用いられるチップ状の半導体装置であり、その上面内に半導体集積回路が形成された半導体チップ1上に半導体チップの電極2が形成され、かつ電極2が形成された同一配線層に半導体チップ1の半導体集積回路と電気的に接続された内部配線3が形成されている。また、この半導体チップ1の表面は電極2の部分を開口した絶縁性の保護膜4で覆われている。そして、この半導体チップ2の保護膜4表面には半導体チップ1の電極2と外部接続用電極5の部分を開口した感光性の有機樹脂である第1の有機絶縁膜6が形成されている。この第1の有機絶縁膜6上には半導体チップ1の電極2と外部接続用電極5とを電気的に接続する配線パターン7が形成され、外部接続用電極5上にははんだバンプ8とUBM9(アンダー・バリア・メタル)が形成されている。また、この外部接続用電極5の周辺部と第1の有機絶縁膜6と配線パターン7上に第2の有機絶縁膜14が形成されている。この外部接続用電極5下には半導体チップ1の電極と同一の配線層上に形成された内部配線3として外部接続用電極下電極13が設置された構造になっている。
In this case, the semiconductor device shown in FIG. 1 is a chip-like semiconductor device used for bare chip mounting, and an
さらに、この外部接続用電極下電極13は半導体チップ1の集積回路に電気的に接続されていても、電気的に独立していてもどちらでも良い。
Further, the external connection electrode
図2は本発明の第1の実施形態の外部接続用電極下電極のサイズの関係を示した説明図である。図2において、aは第1の有機絶縁膜6の外部接続用電極5部の開口サイズ、bは外部接続用電極下電極13のサイズを示している。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the size relationship of the external connection electrode lower electrode according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, a indicates the opening size of the
図2(a)は、第1の有機絶縁膜6の外部接続用電極5部の開口サイズaと外部接続用電極下電極13のサイズbが同じである場合である。図2(b)は、外部接続用電極下電極13のサイズbが第1の有機絶縁膜6の外部接続用電極5部の開口サイズaより大きい場合である。
FIG. 2A shows a case where the opening size a of the
以上のように本実施形態によれば、外部接続用電極5に相対する半導体チップ1の最上層の位置に、第1の有機絶縁膜6の第2の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極を有するので、外部接続用電極5を形成する金属膜の膜応力により保護膜4にクラックが生じて半導体チップ1の最上層の配線へ与えるダメージを低減することができる。そのため、半導体チップ1のプロセスコストを低減できる。
As described above, according to the present embodiment, a wiring having a size equal to or larger than that of the second opening of the first organic insulating
この発明の第2の実施の形態を図3および図4に基づいて説明する。図3は本発明の第2の実施形態の半導体装置の断面図である。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
図3において、1は半導体チップ、4は保護膜、5は外部接続用電極、6は第1の有機絶縁膜、8ははんだボール、15は第1の配線層、16は第1の電極、17は第2の配線層、18は第2の電極である。
In FIG. 3, 1 is a semiconductor chip, 4 is a protective film, 5 is an external connection electrode, 6 is a first organic insulating film, 8 is a solder ball, 15 is a first wiring layer, 16 is a first electrode,
図3に示すように、半導体チップ1の電極2が形成された第1の配線層15の面上に、半導体チップ1の電極2の位置に開口部を有するように形成した感光性を有する有機絶縁膜6と、有機絶縁膜6の開口部に半導体チップ1の電極16と電気的に接続されるように形成した外部接続用電極5とを備えている。また、第1の配線層15の下の第2の配線層17の、第1の配線層15に形成された半導体チップの電極16と相対する位置に、有機絶縁膜6の開口部と同等以上のサイズの配線あるいは電極18を有する。
As shown in FIG. 3, a photosensitive organic material formed so as to have an opening at the position of the
この場合、図3に示す半導体装置は、ベアチップ実装に用いられるチップ状の半導体装置であり、その上面内に半導体集積回路が形成された半導体チップ1上に半導体チップ1の半導体集積回路と電気的に接続された第1の配線層15により半導体チップ1の全面にエリア状に第1の電極16が形成されている。また、この半導体チップ1の表面は第1の電極16の部分を開口した絶縁性の保護膜4で覆われている。そして、この半導体チップ1の保護膜4表面には半導体チップ1の第1の電極16の部分を開口した感光性の有機樹脂である第1の有機絶縁膜6が形成されている。この第1の有機絶縁膜6上には半導体チップ1の電極16と接続される外部接続用電極5が形成され、外部接続用電極5上にははんだバンプ8が形成されている。しかも第1の配線層15の下の第2の配線層17の第1の電極16と相対する位置に第2の電極18が形成された構造になっている。
In this case, the semiconductor device shown in FIG. 3 is a chip-like semiconductor device used for bare chip mounting, and is electrically connected to the semiconductor integrated circuit of the
さらに、この第2の電極18は半導体チップ1の集積回路に電気的に接続されていても、電気的に独立していてもどちらでも良い。
Further, the
図4は本発明の第2の実施形態の第1の電極16と第2の電極18のサイズの関係を示した説明図である。図4において、aは第1の電極16のサイズ、bは第2の電極18のサイズを示している。また、第1の電極16のサイズaと第1の有機絶縁膜6の開口部のサイズは同等である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the size relationship between the
図4(a)は、第1の電極16のサイズaと第2の電極18のサイズbが同じである場合である。図4(b),(c)は第1の電極16のサイズaが第2の電極18のサイズbより小さい場合である。
FIG. 4A shows the case where the size a of the
図4(c)は第1の電極16の下に、複数の配線または電極が存在する場合を想定している。第1の電極16の下にある電極あるいは配線が複数個あっても、第1の有機絶縁膜6の開口部の周囲と重なる位置にある電極あるいは配線のエッジ間が、第1の有機絶縁膜6の開口部のサイズより大きければ、図4の(a),(b)と同じ効果が得られる。
FIG. 4C assumes a case where a plurality of wirings or electrodes exist under the
本発明にかかる半導体装置は、外部接続用電極を形成する金属膜の膜応力による半導体チップの最上層の配線へのダメージを低減することができる等の効果を有し、特に半導体チップ上で外部端子用の電極パッドが再配線され、外部端子が2次元エリア配置された半導体装置として有用である。 The semiconductor device according to the present invention has such an effect that the damage to the wiring on the uppermost layer of the semiconductor chip due to the film stress of the metal film forming the external connection electrode can be reduced. This is useful as a semiconductor device in which electrode pads for terminals are rewired and external terminals are arranged in a two-dimensional area.
1 半導体チップ
2 電極
3 内部配線
4 保護膜
5 外部接続用電極
6 第1の有機絶縁膜
7 配線パターン
8 はんだボール
9 UBM(アンダー・バリア・メタル)
10 プリント配線基板
11 接続用配線電極
12 アンダーフィル
13 外部接続用電極下電極
14 第2の有機絶縁膜
15 第1の配線層
16 第1の電極
17 第2の配線層
18 第2の電極
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