JP2007059547A - 半導体チップおよび半導体チップの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】他の半導体チップなどの固体装置に対して平行に接合されているか否かを正確に判定することができる半導体チップおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】子チップ２の最表層をなす表面保護膜２５には、電極パッド２４と対向する位置にパッド開口２６が形成されており、電極パッド２４は、そのパッド開口２６を介して表面保護膜２５から露出している。また、表面保護膜２５には、その周縁部に、表面保護膜２５をその表面１１と直交する方向に貫通する貫通孔２７が形成されている。そして、機能バンプ１２は、電極パッド２４上に設けられ、パッド開口２６を貫通して、表面保護膜２５上に所定の突出量で突出している。また、接続確認用バンプ１３は、貫通孔２７に臨む層間絶縁膜２３の表面から隆起し、貫通孔２７を貫通して、表面保護膜２５上に機能バンプ１２の突出量よりも小さな突出量で突出している。
【選択図】 図２

Description

この発明は、チップ・オン・チップ構造やフリップ・チップ・ボンディング構造の半導体装置に適用される半導体チップおよびその製造方法に関する。

半導体装置の小型化および高集積化を図るための構造として、たとえば、半導体チップの表面を他の半導体チップの表面に対向させて接合するチップ・オン・チップ構造が知られている。
チップ・オン・チップ構造の半導体装置では、各半導体チップの表面に、多数の機能バンプおよび接続確認用バンプが設けられる。たとえば、各半導体チップの表面において、その中央部に多数の機能バンプが格子状に配列され、４つの角部に接続確認用バンプが配置される。

各半導体チップにおいて、機能バンプは、銅（Ｃｕ）などの金属材料を用いて、すべて同じ高さ（半導体チップの表面からの突出量）に形成されている。また、一方の半導体チップの各機能バンプの先端部には、機能バンプの材料と合金化をなし得るはんだ接合材が形成されている。このはんだ接合材を介して、一方の半導体チップの各機能バンプと他方の半導体チップの各機能バンプとが接続されることにより、半導体チップ間における電気的および機械的な接続が達成される。

一方、各半導体チップにおいて、接続確認用バンプは、機能バンプと同じ金属材料を用いて、機能バンプと同じ高さ（半導体チップの表面からの突出量）に形成されている。また、一方の半導体チップの各接続確認用バンプの先端部には、はんだ接合材が形成されている。これにより、両半導体チップが互いに平行に接合された場合には、一方の半導体チップの各接続確認用バンプと他方の半導体チップの各接続確認用バンプとがはんだ接合材を介して接続される。したがって、それらの接続確認用バンプ間の接続状態を調べることにより、両半導体チップが互いに平行に接合されているか否かを判定することができる。すなわち、すべての接続確認用バンプ間の接続状態が良好であれば、両半導体チップは互いに平行に接合されていると判定することができる。一方、接続確認用バンプの接続状態が１つでも不良であれば、両半導体チップが互いに平行に接合されていない（一方の半導体チップが他方の半導体チップに対して傾いて接合されている）と判定することができる。
特開平８−１５３７４７号公報

ところが、従来の構成では、一方の半導体チップが他方の半導体チップに対して多少傾いた状態で接合されても、接続確認用バンプの先端部のはんだ接合材が熱処理時に溶融して膨張することにより、両半導体チップのすべての接続確認用バンプが接続されるという不具合を生じることがあった。この場合、一方の半導体チップが他方の半導体チップに対して傾いて接合されているにもかかわらず、両半導体チップが互いに平行に接合されていると判断されてしまう。

そこで、この発明の目的は、他の半導体チップなどの固体装置に対して平行に接合されているか否かを正確に判定することができる半導体チップおよびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、固体装置にその表面を対向させた状態で接合される半導体チップであって、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う表面保護膜と、前記半導体基板と前記表面保護膜との間に介在され、前記表面保護膜に形成されたパッド開口に臨んで配置された電極パッドと、前記電極パッド上に設けられ、前記パッド開口を貫通して、前記表面保護膜上に第１の突出量で突出し、前記固体装置に接続される第１のバンプと、前記電極パッドよりも前記半導体基板側から隆起し、前記表面保護膜に貫通形成された貫通孔を貫通して、前記表面保護膜上に前記第１の突出量よりも小さい第２の突出量で突出し、前記固体装置に接続される第２のバンプとを含むことを特徴とする。

この構成では、第２のバンプが第１のバンプよりも低く形成されているので、半導体チップの表面が固体装置に対して少しでも傾いていると、固体装置と半導体チップの表面との間隔が広い部分において、固体装置において第２のバンプが接続されるべき部分（たとえば、固体装置の表面に配置されたパッドまたはバンプ）と第２のバンプの先端部との間に広い隙間が生じる。そのため、第２のバンプを接続確認用バンプとすれば、第２のバンプと固体装置とが第２のバンプに形成された接合材を介して接合される場合に、接合材が膨張しても、その接合材は固体装置に届かず、第２のバンプと固体装置との接続が達成されない。よって、第２のバンプと固体装置との接続状態に基づいて、半導体チップが固体装置に対して平行に接合されているか否かを正確に判定することができる。

なお、請求項２に記載のように、前記半導体基板と前記表面保護膜との間に介在され、その表面上に前記電極パッドが配置される層間膜をさらに含み、前記第２のバンプは、前記層間膜の表面から隆起していてもよい。
また、請求項３に記載のように、前記第２のバンプは、前記半導体基板の表面から隆起していてもよい。

請求項４記載の発明は、固体装置にその表面を対向させた状態で接合される半導体チップを製造する方法であって、電極パッドを有する半導体基板の表面に表面保護膜を形成する工程と、前記表面保護膜に、前記電極パッドを露出させるパッド開口および前記表面保護膜を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記パッド開口および前記貫通孔をそれぞれ貫通する第１および第２のバンプを形成する工程とを含むことを特徴とする。

この方法により、請求項１記載の半導体チップを製造することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す図解的な断面図である。
この半導体装置は、固体装置としての親チップ１と半導体チップとしての子チップ２とを重ね合わせて接合したチップ・オン・チップ構造を有している。
親チップ１は、平面視略矩形状に形成されており、その表面（親チップ１の基体をなす半導体基板におけるデバイスが形成された活性領域側表面を覆う表面保護膜の表面）３を上方に向けたフェイスアップ姿勢で、リードフレーム４のアイランド部５にダイボンディングされている。この親チップ１の表面３には、その中央部に、子チップ２が接合される略矩形状のチップ接合領域が設定されている。そして、チップ接合領域内に、複数の機能バンプ６が突出（隆起）して形成されている。また、チップ接合領域内の各角部には、接続確認用バンプ７が突出して形成されている。さらに、親チップ１の表面３には、チップ接合領域を取り囲む周縁部に、複数の外部接続用パッド８が設けられている。この外部接続用パッド８は、ボンディングワイヤ９を介して、リードフレーム４のリード部１０に電気的に接続（ワイヤボンディング）されている。

子チップ２は、平面視において親チップ１よりも小さな略矩形状に形成されており、その表面（後述する表面保護膜２５の表面）１１を下方に向けたフェイスダウン姿勢で、親チップ１の表面３のチップ接合領域に接合されている。この子チップ２の表面１１には、親チップ１の機能バンプ６とそれぞれ接続される第１のバンプとしての機能バンプ１２が突出して形成されている。また、子チップ２の表面１１の各角部には、親チップ１の接続確認用バンプ７とそれぞれ接続される第２のバンプとしての接続確認用バンプ１３が突出して形成されている。

親チップ１と子チップ２とが接合された状態で、親チップ１の機能バンプ６および接続確認用バンプ７とこれらにそれぞれ対応する子チップ２の機能バンプ１２および接続確認用バンプ１３とは、互いに頂面を突き合わせて対向し、それらの間に介在される接続金属層１４を挟んで接続されている。これにより、親チップ１および子チップ２は、機能バンプ６，１２を介して、電気的に接続され、かつ、互いの間に所定間隔を保った状態で機械的に接続されている。また、親チップ１および子チップ２は、リードフレーム４およびボンディングワイヤ９とともに、封止樹脂１５により封止されている。リードフレーム４のリード部１０の一部は、封止樹脂１５から露出し、外部接続部（アウターリード部）として機能する。

図２は、子チップ２の構成を図解的に示す断面図である。
子チップ２は、たとえば、その基体をなす半導体基板（たとえば、シリコン基板）２１上に多層配線構造を有している。具体的には、子チップ２は、半導体基板２１上に、半導体基板２１に作り込まれているデバイスと電気的に接続された配線層２２と、半導体基板２１および配線層２２上に形成された層間絶縁膜２３と、この層間絶縁膜２３上に配置されて、配線層２２とビアホール（図示せず）を介して電気的に接続された電極パッド２４と、層間絶縁膜２３および電極パッド２４上に形成されて、子チップ２の最表層をなす表面保護膜２５とを備えている。

表面保護膜２５には、電極パッド２４と対向する位置にパッド開口２６が形成されており、電極パッド２４は、そのパッド開口２６を介して表面保護膜２５から露出している。また、表面保護膜２５には、その周縁部に、表面保護膜２５をその表面１１と直交する方向に貫通する貫通孔２７が形成されている。
そして、機能バンプ１２は、電極パッド２４上に設けられ、パッド開口２６を貫通して、表面保護膜２５上に所定の突出量（たとえば、２０μｍ）で突出している。また、接続確認用バンプ１３は、貫通孔２７に臨む層間絶縁膜２３の表面から隆起し、貫通孔２７を貫通して、表面保護膜２５上に機能バンプ１２の突出量よりも小さな突出量（たとえば、１８μｍ）で突出している。すなわち、表面保護膜２５の表面１１を基準として、接続確認用バンプ１３は、機能バンプ１２よりも１〜５μｍ（好ましくは、１〜２μｍ）だけ低く形成されている。

なお、この実施形態では、機能バンプ６，１２および接続確認用バンプ７，１３は、すべて同じ金属材料（たとえば、銅または金）を用いて形成されている。また、親チップ１において、機能バンプ６および接続確認用バンプ７は、すべて同じ高さ（親チップ１の表面３からの突出量）に形成されている。
図３は、機能バンプ６，１２の接続部分および接続確認用バンプ７，１３の接続部分を図解的に示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、親チップ１と子チップ２との接合前の状態において、子チップ２の機能バンプ１２および接続確認用バンプ１３の先端部には、はんだ接合材１６が形成されている。
機能バンプ１２と接続確認用バンプ１３との高さの違いにより、親チップ１と子チップ２とが接合される過程において、機能バンプ１２の先端部のはんだ接合材１６が親チップ１の機能バンプ６の頂面に接触した時点で、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と親チップ１の接続確認用バンプ７の頂面との間に隙間Ｄが生じる。

親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１とが互いに平行であれば、すべての接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と接続確認用バンプ７の頂面との間の隙間Ｄは、機能バンプ１２と接続確認用バンプ１３との高さの差に相当する間隔となる。したがって、その後に熱処理が行われると、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６が溶融して膨張し、そのはんだ接合材１６により、すべての接続確認用バンプ７，１３間が接続される。そして、図３（ｂ）に示すように、互いに対向する各機能バンプ６，１２間および各接続確認用バンプ７，１３間のはんだ接合材１６が接続金属層１４となって、それらの各間の良好な接続（導通）が達成される。

一方、子チップ２の表面１１が親チップ１の表面３に対して傾いていると、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１との間隔が広い部分と狭い部分とが生じ、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と接続確認用バンプ７の頂面との間の隙間Ｄに広狭が生じる。そして、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１との間隔が広い部分では、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と接続確認用バンプ７の頂面との間の隙間Ｄの間隔が、機能バンプ１２と接続確認用バンプ１３との高さの差よりも広くなる。そのため、はんだ接合材１６の量が適当な一定量であれば、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１との間隔が広い部分において、熱処理時に接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６が膨張しても、そのはんだ接合材１６が接続確認用バンプ７の頂面に届かず、接続確認用バンプ７，１３間の接続が達成されない。

したがって、すべての接続確認用バンプ７，１３間の接続が達成されていれば、子チップ２が親チップ１に対して平行に接合されていると判定することができ、いずれか１組の接続確認用バンプ７，１３間の接続が達成されていなければ、子チップ２が親チップ１に対して傾いて接合されている（平行に接合されていない）と判定することができる。
従来の構成と同様に、親チップ１の接続確認用バンプ７が機能バンプ６と同じ高さに形成され、子チップ２の接続確認用バンプ１３が機能バンプ１２と同じ高さに形成されている場合、子チップ２が親チップ１に対して傾いて接合されても、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１との間隔が広い部分において、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と接続確認用バンプ７の頂面との間に生じる隙間は僅かである。そのため、はんだ接合材１６が溶融して膨張すると、そのはんだ接合材１６が接続確認用バンプ７の頂面に達し、接続確認用バンプ７，１３間の接続が達成されてしまう。

これに対し、この実施形態の構成では、子チップ２の接続確認用バンプ１３が機能バンプ１２よりも低く形成されているので、子チップ２の表面１１が親チップ１の表面３に対して少しでも傾いていると、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１との間隔が広い部分において、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と接続確認用バンプ７の頂面との間に広い隙間が生じる。そのため、はんだ接合材１６が膨張しても、そのはんだ接合材１６が接続確認用バンプ７の頂面に届かず、接続確認用バンプ７，１３間の接続が達成されない。よって、子チップ２が親チップ１に対して平行に接合されているか否かを正確に判定することができる。

図４は、子チップ２の製造工程を工程順に示す図解的な断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、配線層２２、層間絶縁膜２３および電極パッド２４が形成された半導体基板２１上の全面に、たとえば、窒化シリコンまたは酸化シリコンが堆積されることにより表面保護膜２５が形成される。窒化シリコンまたは酸化シリコンは、ＣＶＤ法により堆積させることができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程により、表面保護膜２５に、パッド開口２６および貫通孔２７が貫通形成される。
その後、図４（ｃ）に示すように、選択めっき法により、パッド開口２６および貫通孔２７内に金属材料が堆積されて、機能バンプ１２および接続確認用バンプ１３が形成される。パッド開口２６の底面（電極パッド２４の表面）と貫通孔２７の底面（層間絶縁膜２３の表面）との高さ位置が異なるので、機能バンプ１２と接続確認用バンプ１３とを同一工程で形成することにより、特別な工程を必要とせずに、表面保護膜２５の表面に対する高さ（突出量）が互いに異なる機能バンプ１２および接続確認用バンプ１３を得ることができる。

図５は、子チップ２の他の構成を示す図解的な断面図である。この図５において、図２に示す各部に相当する部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示している。また、以下では、図２に示す構成の子チップ２との相違点のみを取り上げて説明し、各部の詳細な説明は省略する。
この図５に示す子チップ２では、層間絶縁膜２３に、表面保護膜２５の貫通孔２７と連通する連通孔２８が貫通して形成されている。そして、接続確認用バンプ１３は、半導体基板２１の表面から隆起し、貫通孔２７を貫通して、表面保護膜２５上に機能バンプ１２の突出量よりも小さな突出量（たとえば、１５μｍ）で突出している。

この構成によっても、図２に示す構成の場合と同様な効果を達成することができる。
以上、この発明の一実施形態を説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上述の実施形態では、子チップ２において、接続確認用バンプ１３が機能バンプ１２よりも低く形成されているとしたが、図６に示すように、親チップ１においても、接続確認用バンプ７が機能バンプ６よりも低く形成されてもよい。この場合、図６（ａ）に示すように、接続確認用バンプ７，１３は、親チップ１と子チップ２とが接合される過程において、機能バンプ１２の先端部のはんだ接合材１６が親チップ１の機能バンプ６の頂面に接触した時点で、接続確認用バンプ１３の先端部のはんだ接合材１６と親チップ１の接続確認用バンプ７の頂面との間に、１〜５μｍ（好ましくは、１〜２μｍ）の隙間Ｄが生じるような高さにそれぞれ形成されるとよい。このように形成すれば、図６（ｂ）に示すように、親チップ１の表面３と子チップ２の表面１１とが互いに平行であれば、互いに対向する各機能バンプ６，１２間および各接続確認用バンプ７，１３間のはんだ接合材１６が接続金属層１４となって、それらの各間の良好な接続が達成される。

また、接続確認用バンプ７，１３は、それぞれ親チップ１および子チップ２の内部回路と接続されていてもよいし、それぞれ親チップ１および子チップ２の内部回路から電気的に切り離されていてもよい。接続確認用バンプ７，１３が内部回路から切り離される場合、図７に示すように、親チップ１において、チップ接合領域の各角部に２個１組の接続確認用バンプ７が配置されるとともに、チップ接合領域外に各接続確認用バンプ７と電気的に接続された外部取出用電極１７が設けられる。一方、子チップ２において、各角部に２個１組の接続確認用バンプ１３が配置されるとともに、その２個１組の接続確認用バンプ１３が互いに電気的に接続される。これにより、親チップ１と子チップ２とが平行をなして接合されると、各組の接続確認用バンプ７，１３の間が接続されて、各組の外部取出用電極１７間が短絡されるので、これらの間の電気抵抗が小さくなる。一方、子チップ２が親チップ１に対して傾いて接合されると、それらの表面間の間隔が広い部分において、接続確認用バンプ７，１３の接続が達成されず、外部取出用電極１７間の電気的導通が得られないので、それらの間の電気抵抗が大きくなる。したがって、各組の外部取出用電極１７間の電気抵抗の測定結果に基づいて、子チップ２が親チップ１に対して平行に接合されているか否かを正確に判定することができる。

また、チップ・オン・チップ構造の半導体装置を例示したが、この発明は、半導体チップの表面を配線基板（固体装置）に対向させて接合するフリップ・チップ・ボンディング構造の半導体装置に適用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す図解的な断面図である。 子チップの構成を図解的に示す断面図である。 親チップおよび子チップ間における機能バンプの接続部分および接続確認用バンプの接続部分の図解的な断面図であり、（ａ）は、子チップの機能バンプの先端部のはんだ接合材が親チップの機能バンプの頂面に接触した時の状態を示し、（ｂ）は、親チップと子チップとの接合が完了した時の状態を示す。 子チップの製造工程を工程順に示す図解的な断面図である。 子チップの他の構成（接続確認用バンプが半導体基板の表面から隆起した構成）を示す図解的な断面図である。 この発明の変形例（親チップにおいても、接続確認用バンプが機能バンプよりも低く形成された態様）を説明するための図解的な断面図であり、（ａ）は、子チップの機能バンプの先端部のはんだ接合材が親チップの機能バンプの頂面に接触した時の状態を示し、（ｂ）は、親チップと子チップとの接合が完了した時の状態を示す。 接続確認用バンプが親チップおよび子チップの内部回路から電気的に切り離された場合の構成を示す図解的な平面図である。

符号の説明

１ 親チップ
２ 子チップ
１２ 機能バンプ
１３ 接続確認用バンプ
２１ 半導体基板
２３ 層間絶縁膜
２４ 電極パッド
２５ 表面保護膜
２６ パッド開口
２７ 貫通孔

Claims (4)

1. 固体装置にその表面を対向させた状態で接合される半導体チップであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面を覆う表面保護膜と、
   前記半導体基板と前記表面保護膜との間に介在され、前記表面保護膜に形成されたパッド開口に臨んで配置された電極パッドと、
   前記電極パッド上に設けられ、前記パッド開口を貫通して、前記表面保護膜上に第１の突出量で突出し、前記固体装置に接続される第１のバンプと、
   前記電極パッドよりも前記半導体基板側から隆起し、前記表面保護膜に貫通形成された貫通孔を貫通して、前記表面保護膜上に前記第１の突出量よりも小さい第２の突出量で突出し、前記固体装置に接続される第２のバンプとを含むことを特徴とする、半導体チップ。
2. 前記半導体基板と前記表面保護膜との間に介在され、その表面上に前記電極パッドが配置される層間膜をさらに含み、
   前記第２のバンプは、前記層間膜の表面から隆起していることを特徴とする、請求項１記載の半導体チップ。
3. 前記第２のバンプは、前記半導体基板の表面から隆起していることを特徴とする、請求項１記載の半導体チップ。
4. 固体装置にその表面を対向させた状態で接合される半導体チップを製造する方法であって、
   電極パッドを有する半導体基板の表面に表面保護膜を形成する工程と、
   前記表面保護膜に、前記電極パッドを露出させるパッド開口および前記表面保護膜を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記パッド開口および前記貫通孔をそれぞれ貫通する第１および第２のバンプを形成する工程とを含むことを特徴とする、半導体チップの製造方法。

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