JP2007250712A

JP2007250712A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2007250712A
Application number: JP2006070347A
Authority: JP
Inventors: Hideya Murai; 秀哉村井; Koichi Honda; 広一本多; Katsu Kikuchi; 克菊池; Koji Soejima; 康志副島; Yoshitaka Kyogoku; 好孝京極; Shintaro Yamamichi; 新太郎山道
Original assignee: NEC Electronics Corp; NEC Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp; NEC Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】基板と半導体チップとの熱膨張係数差に起因する熱応力を効率よく緩和させることによって接続部等の破断を防止し、信頼性が優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ搭載側に複数の第２のパッド２３が設けられた基板２１と、表面に樹脂層１２が設けられ樹脂層１２の上に複数の第１のパッド１３が設けられた半導体チップ１１とがフリップチップ接続によって電気的に接続されている半導体装置において、半導体チップ１１の第１のパッド１３のうち少なくとも１個が傾斜又は変形して、第１のパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側端部の方が半導体チップ１１の中心側端部よりも大きく形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板にフリップチップ接続によって半導体素子が搭載された半導体装置及びその製造方法に関し、特に信頼性に優れた半導体装置及びその製造方法に関する。

ＬＳＩ（Large Scale Integration）チップ等の半導体素子は、シリコン等からなるチップ又はウエハの表面に形成される。シリコンの熱膨張係数は約４ｐｐｍ／℃と小さいのに対し、半導体素子を搭載する基板は樹脂等の有機材料又は樹脂等を構成材料とするＦＲ−４等のコンポジット材料からなり、その熱膨張係数は１０ｐｐｍ／℃以上乃至数十ｐｐｍ／℃とシリコンの熱膨張係数よりも極めて大きい。このため、半導体素子と基板とを接続すると、使用される異種材料の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が発生する。

このような熱応力を発生させる熱因子として、フリップチップ接続のはんだを溶融するための加熱及び加熱状態からの冷却、熱サイクル試験における加熱及び冷却、並びに半導体素子からの発熱に伴う加熱及び冷却等が挙げられる。

このような熱応力を緩和する方法として、半導体装置に熱応力を緩和させる構造を設けることが種々検討されている。

図１０は、特許文献１に開示された半導体装置の断面を示す模式図である。この技術は、熱応力によるひずみを緩和する手段として、半導体素子５１の電極部及び接続基板５２のパッド部の少なくとも一方に、弾性変形量の大きい材料によって形成された片持ち梁構造を有する突起部５４を設け、この突起部５４の片持ち梁先端部に半田バンプ５３を設けるか又は半田バンプ５３を接続することによって、温度変化が生じた場合に発生する熱ひずみを緩和し、接続部等の破断を防止するというものである。

また、特許文献２に開示された技術は、回路基板上の半導体素子の搭載部分に、４隅に厚膜部が形成された樹脂シートを貼り付け、この上から半導体素子を位置合わせし、加熱及び荷重によって樹脂シートを軟化及び流動させ、この軟化及び流動した樹脂シートによって半導体素子を取り囲み、後の温度降下によって樹脂シートを硬化させることによって、半導体素子と回路基板との機械的接続及び樹脂封止とを同時に行うというものである。樹脂シートの４隅に厚膜部が形成されているため、半導体素子の４つの角まで確実に樹脂封止でき、これにより、半導体素子と回路基板との耐環境性を向上させ、また、機械的に補強されることによって、接続信頼性を向上させるというものである。

また、特許文献３には、半導体素子表面に応力緩和機能を有する樹脂層を少なくとも１層設けることにより、熱応力を緩和する方法が開示されている。

図１１は、特許文献３に開示された半導体装置の断面を示す模式図である。この半導体装置においては、半導体素子電極部６２の直上にパッケージ電極を設けず、半導体素子６１表面のパッシベーション膜６３上に所定の弾性率及び厚さを有する第１樹脂層６４を設け、この第１樹脂層６４上に半導体素子電極部６２から配線６６を伸ばし、この配線６６をパッケージ電極６７に接続する構造にすることによって熱応力を緩和している。

特開平５−２９３８９号公報（図１乃至３、段落０００８乃至００１０）特開平１１−３４０２７８号公報（図１乃至３、段落００２５乃至００４３）特開２０００−３２３６２８号公報（図１、段落番号００４１乃至００４３）

しかしながら、特許文献１に開示された技術に示す半導体素子５１の電極部及び接続基板５２のパッド部の少なくとも一方に、弾性変形量の大きい材料によって形成された片持ち梁構造を有する突起部５４を設ける方法では、片持ち梁構造は、構造上不安定であり、十分に熱応力を吸収することができず、また製造が困難であるという問題点がある。

また、特許文献２及び３に開示された技術においては、以下のような問題点がある。半導体素子と基板との熱膨張係数差に起因する熱応力は、半導体素子の中心からの距離に比例して大きくなるため、半導体素子が大型になると、半導体素子の端部においては計算上数十μｍ乃至百μｍ程度の大きな変位を生じることになる。上述の特許文献２及び３に記載された技術のように、樹脂層だけによって応力を緩和する構造では、このような大きな変位を吸収することができない。この結果、半導体素子と基板との熱膨張係数差に起因する熱応力は、半導体素子のパッドと樹脂層の界面及び基板のパッドと樹脂層の界面に働き、経時的に半導体素子のパッドと樹脂層及び基板のパッドと樹脂層において、剥がれを引き起こすという問題点がある。

この半導体素子のパッドと樹脂層及び基板のパッドと樹脂層における剥がれは、直接電気的な断線をもたらすものではないが、半導体素子を基板に搭載し、アンダーフィル樹脂を充填した後等において、半導体素子のパッドと樹脂層及び基板のパッドと樹脂層において剥がれが生じ、そこに閉空間が形成されるため、この後のはんだ付け（半導体パッケージのマザーボードへの接続等）等の加熱処理時に樹脂層等にクラックが生じる原因になる。特に湿度の高い状態では、この閉空間に水分等が溜まり、この後に、はんだ付け等の加熱処理を行うと、この閉空間に溜まった水分の気化による応力等によって基板等にクラックが生じる虞がある。

更に、半導体素子による加熱及び冷却並びに温度サイクル試験等により剥がれが経時的に進展するために、この閉空間は半導体素子の信頼性に影響を与える。特に、この閉空間は、ＳＡＴ（Scan Acoustic Tomograph：超音波探傷映像装置）観察において剥離と判断されるため、剥離が経時的に増加していくことは製品品質上も問題視されることになる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、基板と半導体チップとの熱膨張係数差に起因する熱応力を効率よく緩和させることによって接続部等の破断を防止し、信頼性が優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体チップ搭載側に複数の第２のパッドが設けられた基板と、表面に樹脂層が設けられ前記樹脂層の上に複数の第１のパッドが設けられた半導体チップとがフリップチップ接続によって電気的に接続されている半導体装置において、前記半導体チップの前記第１のパッドのうち少なくとも１個が傾斜又は変形して、前記第１のパッドと前記半導体チップ表面との間の距離が、前記半導体チップの周辺側端部の方が前記半導体チップの中心側端部よりも大きいことを特徴とする。

これにより、基板と半導体チップとの熱膨張係数差に起因する熱応力が効率よく緩和され、半導体装置の信頼性を高めることができる。

前記傾斜又は変形した第１のパッドは前記半導体チップの周辺側端部において前記樹脂層から離れていることが好ましい。

これにより、基板と半導体チップとの熱膨張係数差に起因する熱応力はより効率よく緩和され、半導体装置の信頼性を高めることができる。

また、前記第１のパッドの前記樹脂層から離れている部分に、前記樹脂層とは他の樹脂を充填することもできる。

これにより、前記第１のパッドの前記樹脂層から離れている部分が安定化し、経時変化等が生じる虞がないため、更に信頼性が優れる半導体装置が得られる。

また、前記半導体チップの前記樹脂層の上に、前記第１のパッドを被覆しないように開口部を設けた他の樹脂層が形成されてもよい。

また、前記傾斜又は変形した第１のパッドの側面に前記第１のパッドと前記半導体チップとを接続する配線が接続されていることが好ましい。

これにより、前記第１のパッドが傾斜又は変形しても、断線等が起こりにくい。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、樹脂層の上にフリップチップ接続用の複数の第１のパッドが設けられている半導体チップと半導体チップ搭載側にフリップチップ接続用の複数の第２のパッドが設けられている基板とを加熱下でフリップチップ接続する工程を有し、その後の冷却工程により前記第１のパッドと前記半導体チップの表面との間の距離が前記半導体チップの周辺側端部の方が前記半導体チップの中心側端部よりも大きくなるように前記第１のパッドの少なくとも１個を傾斜又は変形させることを特徴とする。

半導体チップと基板とをフリップチップ接続した工程の後の冷却工程において発生する熱応力を利用することにより、特別な工程を追加せずに効率よく第１のパッドを傾斜又は変形させることができる。

本発明によれば、半導体チップのフリップチップ接続用のパッドの少なくとも１個が傾斜又は変形する構造となっていることにより、半導体チップと基板との熱膨張係数の違いにより発生する熱応力が効率よく緩和されるため、接続部等の破断が防止され、信頼性に優れた半導体装置が得られる。

次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。半導体チップと基板との間には通常多くのフリップチップ接続部が存在するが、図１においては、本実施形態の特徴である形状を有する１個のみを拡大表示している。

基板２１の半導体チップ１１を搭載する側の表面に、第２のパッドとしてフリップチップパッド２３が設けられている。半導体チップ１１の表面に樹脂層１２が設けられ、樹脂層１２の表面に、第１のパッドとしてフリップチップパッド１３が設けられている。このフリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側（図１において矢印Ｂの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ｂが、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図１において矢印Ａの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ａよりも大きくなるように傾斜（変形）して設けられ、このフリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れている。

樹脂層１２にはフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とを接続する接続配線１４が形成されており、この接続配線１４によって、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図１において矢印Ａの方向）端部においてフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とが接続されている。

半導体チップ１１は、フェイスダウンの状態で基板２１と対向するように配置され、基板２１のフリップチップパッド２３と半導体チップ１１のフリップチップパッド１３とが、フリップチップバンプ３１によって電気的に接続されている。本実施形態に係る半導体装置は、少なくとも１個のフリップチップパッド１３が傾斜又は変形して、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側端部の方が半導体チップ１１の中心側端部よりも大きく、この傾斜又は変形したフリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れている。

次に、上述の如く構成された本実施形態の半導体装置の動作について説明する。熱応力は、半導体チップ１１と基板２１との熱膨張係数の違いに起因し、一般に、基板２１の熱膨張係数が半導体チップ１１の熱膨張係数より大きいため、加熱後の冷却が起こったとき、基板２１の方が半導体チップ１１よりも大きく熱収縮する。このとき、基板２１の熱収縮による変位は、半導体チップ１１の周辺側（図１において矢印Ｂの方向）端部の方が半導体チップ１１の中心側（図１において矢印Ａの方向）端部よりも大きい。

熱応力は、基板２１が半導体チップ１１よりも大きく熱収縮することによって発生する力であり、基板２１からフリップチップパッド２３及びフリップチップバンプ３１を介し、フリップチップパッド１３に伝わる。このとき、より大きな熱応力がかかるフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の周辺側（図１において矢印Ｂの方向）端部において、フリップチップパッド１３が樹脂層１２から離れているため、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触するまでの距離において、この熱応力を緩和する。また、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触している部分において、この熱応力をフリップチップパッド１３の下に設けられた樹脂層１２によって分散し、半導体チップ１１に到達する前に緩和する。

樹脂層１２には種々のものを使用することができる。熱応力により樹脂が容易に変形するという観点からは、弾性率が小さい樹脂が望ましいが、基板２１側からフリップチップバンプ３１を介し、フリップチップパッド１３に伝わる熱応力を、半導体チップ１１に到達する前に緩和させるという観点からは、弾性率が比較的大きいものが望ましい。樹脂層１２の弾性率が比較的大きいことにより、フリップチップパッド１３に伝搬した熱応力が、フリップチップパッド１３の下層の樹脂層１２によって効率よく分散される。

半導体チップ１１と基板２１との熱膨張係数の違いに起因する熱応力は、半導体チップ１１の中心からの距離に比例して大きくなる。本実施形態に係る半導体装置は、図１に示すように、少なくとも１個のフリップチップパッド１３が傾斜又は変形して、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側端部の方が半導体チップ１１の中心側端部よりも大きく、この傾斜又は変形したフリップチップパッド１３は、より大きな熱応力がかかる半導体チップ１１の周辺側（図１において矢印Ｂの方向）端部において樹脂層１２から離れているため、半導体チップ１１と基板２１との間に発生する熱応力が効率よく緩和され、信頼性に優れる半導体装置が得られる。

近時、半導体装置の高性能化に向け、半導体素子内部の絶縁層に、Ｌｏｗ−Ｋ材料（低誘電率膜：比誘電率が低い層間絶縁膜）が使用される傾向にある。Ｌｏｗ−Ｋ材料は、従来使用されてきた材料よりも機械的強度が小さいため、従来の半導体装置の構造では熱応力がそのまま半導体素子を構成するＬｏｗ−Ｋ材料に加わり、半導体素子の破壊等の問題が生じる虞がある。

本発明によれば、より大きな熱応力がかかるフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の周辺側（図１において矢印Ｂの方向）端部において、フリップチップパッド１３が樹脂層１２から離れているため、半導体素子１１と基板２１との熱膨張係数の違いに起因する熱応力、即ち基板２１の方が半導体素子１１よりも大きく熱収縮することによって発生する力が発生したとき、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触するまでの距離において、この熱応力を緩和する。また、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触している部分において、この熱応力をフリップチップパッド１３の下に設けられた樹脂層１２によって分散し、半導体チップ１１に到達する前に緩和するため、Ｌｏｗ−Ｋ材料を使用した半導体素子においても、この熱応力緩和効果を利用して、Ｌｏｗ−Ｋ材料へのダメージを減少させることができる。

上述のような傾斜又は変形したフリップチップパッド１３は、例えばフリップチップ接続時の熱応力を有効に活用することにより作製することができる。図２は、本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法の一例を段階的に示す模式図である。図２において、図１と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

半導体チップ１１の表面に樹脂層１２を設け、この樹脂層１２に半導体チップ１１のＬＳＩ素子等と電気的に接続する接続配線１４を設け、樹脂層１２の表面に接続配線１４と電気的に接続するようにフリップチップパッド１３を設ける（ステップ１）。これにより、半導体チップ１１内部のＬＳＩ素子等とフリップチップパッド１３とが、接続配線１４によって電気的に接続される。

フリップチップパッド１３上に、フリップチップバンプ３１としてはんだボールを形成する（ステップ２）。次に、基板２１のフリップチップパッド２３にはんだボール（フリップチップバンプ）３１を接触させ、はんだの融点まで加熱することではんだを溶融させ、基板２１のフリップチップパッド２３と半導体チップ１１のフリップチップパッド１３とをフリップチップ接続する（ステップ３）。これにより、基板２１のフリップチップパッド２３と半導体チップ１１のフリップチップパッド１３とが、フリップチップバンプ３１によって電気的に接続される。

その後、半導体チップ１１及び基板２１を室温近くまで冷却すると、一般に、基板２１の熱膨張係数は半導体チップ１１の熱膨張係数より大きいため、熱膨張係数の大きい基板２１の方が半導体チップ１１よりも大きく熱収縮する。このとき、基板２１の熱収縮による変位は、半導体チップ１１の周辺側（図２において矢印Ｂの方向）端部の方が半導体チップ１１の中心側（図２において矢印Ａの方向）端部よりも大きいため、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側（図２において矢印Ｂの方向）端部の方が半導体チップの中心側（図２において矢印Ａの方向）端部よりも大きくなるように、半導体チップ１１の樹脂層１２上に設けられたフリップチップパッド１３を傾斜又は変形させる熱応力が働く。これにより、傾斜又は変形したフリップチップパッド１３が得られる（ステップ４）。

上述の半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法は、フリップチップバンプ３１がはんだボールからなる例を示しているが、フリップチップバンプ３１ははんだボールに限定されず、他に印刷バンプ又は金バンプ等を使用することもできる。

なお、半導体チップ１１の上に設けられる樹脂層１２は、半導体チップ１１完成後に形成される応力緩和用の樹脂層のように、半導体チップ１１と別個の構造をなすものであってもよく、また、半導体チップ１１の一部であり、半導体チップ構造の最外層にあたるものであってもよい。

半導体チップ１１の表面に設けられた樹脂層１２は、半導体チップ１１上に形成されているトランジスタ等の半導体素子を保護する機能も有しており、また、半導体チップ１１の表面に樹脂層１２が設けられていることで、樹脂の表面にフリップチップパッド１３及びフリップチップパッド１３に接続する接続配線１４を形成できるため、通常の銅めっき工程等を使用することができる。

また、フリップチップパッド１３の下に樹脂層１２が設けられているため、フリップチップパッド１３及びフリップチップパッド１３に接続する配線の破断が発生する可能性が極めて低い。よって、フリップチップパッド１３及びフリップチップパッド１３に接続する配線の材料に、一般に使用される銅等の安価な金属をそのまま使用できるという利点もある。

また、フリップチップパッド１３の下に樹脂層１２が設けられているため、フリップチップパッド１３の傾斜角度及び変形量の調整を容易に行うことが可能である。

次に、本実施形態の変形例１について説明する。図３は本変形例１に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。図３において、図１及び２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。傾斜又は変形したフリップチップパッド１３の形状は、図１及び２に示す直線的なものである必要はなく、図３に示すような屈曲した形状を有していても良い。

本変形例１においては、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図３において矢印Ａの方向）においてフリップチップパッド１３は半導体チップ１１と平行に設けられ、長手方向の中点付近において基板２１の方向に屈曲（変形）し、半導体チップ１１の周辺側（図３において矢印Ｂの方向）端部において樹脂層１２から離れている。樹脂層１２にはフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とを接続する接続配線１４が形成されており、この接続配線１４によって、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図３において矢印Ａの方向）端部においてフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とが接続されている。本変形例１における上記以外の構成、動作及び効果は、上述の第１実施形態と同様である。

次に、本実施形態の変形例２について説明する。図４は本変形例２に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。図４において、図１乃至３と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。傾斜又は変形したフリップチップパッド１３の形状は、図１及び２に示す直線的なもの又は図３のように直線状のものが屈曲したものである必要はなく、図４に示すような湾曲した形状を有していても良い。

本変形例２においては、フリップチップパッド１３がフリップチップバンプ３１に沿って湾曲（変形）しており、半導体チップ１１の中心側（図４において矢印Ａの方向）端部において樹脂層１２と密着し、半導体チップ１１の周辺側（図４において矢印Ｂの方向）端部において樹脂層１２から離れている。樹脂層１２にはフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とを接続する接続配線１４が形成されており、この接続配線１４によって、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図４において矢印Ａの方向）端部においてフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とが接続されている。
本変形例２における上記以外の構成、動作及び効果は、上述の第１実施形態と同様である。

なお、このようなフリップチップパッド１３の傾斜又は変形した形状は、傾斜又は変形した部分の断面サンプルを作製し、顕微鏡観察等を行うことにより容易に特定することができる。

次に、本実施形態の変形例３について説明する。図５は本変形例３に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。図５において、図１乃至４と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。フリップチップパッド１３の多くは、半導体チップ１１内部のＬＳＩ素子等と電気的に接続されている必要がある。フリップチップパッド１３と半導体チップ１１内部のＬＳＩ素子等との接続は接続配線１４によって行われるが、その接続形態は図１に示すように、樹脂層１２に形成された接続配線１４によって、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１とがフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図１において矢印Ａの方向）端部において接続されている必要はなく、図５に示すようにフリップチップパッド１３の中央付近において接続されていても良い。

本変形例３においては、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図３において矢印Ａの方向）においてフリップチップパッド１３は半導体チップ１１と平行に設けられ、長手方向の中点付近において基板２１の方向に屈曲（変形）し、半導体チップ１１の周辺側（図３において矢印Ｂの方向）端部において樹脂層１２から離れている。樹脂層１２にはフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とを接続する接続配線１４が形成されており、この接続配線１４によって、フリップチップパッド１３の中央付近においてフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とが接続されている。本変形例３における上記以外の構成、動作及び効果は、上述の第１実施形態と同様である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図、図６（ｂ）は同じくフリップチップ接続部におけるフリップチップパッド１３及び接続配線１４の位置関係を示す模式図である。上述の第１実施形態は、フリップチップパッド１３が傾斜して設けられ、樹脂層１２に形成された接続配線１４によって、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図１において矢印Ａの方向）端部においてフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とが接続されているのに対し、本実施形態は、フリップチップパッド１３が上述の第１実施形態の変形例１と同様の屈曲した形状を有し、この屈曲したフリップチップパッド１３の側面にフリップチップパッド１３と半導体チップ１１とを接続する接続配線１４が接続されている点において異なり、その他は第１実施形態と同様の構成を有している。また、半導体チップと基板との間には通常多くのフリップチップ接続部が存在するが、図６（ａ）及び（ｂ）においては、本実施形態の特徴である形状を有する１個のみを拡大表示している。図６（ａ）及び（ｂ）において、図１乃至５と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図６（ａ）において矢印Ａの方向）においてフリップチップパッド１３は半導体チップ１１と平行に設けられ、長手方向の中点付近において基板２１の方向に屈曲（変形）し、半導体チップ１１の周辺側（図６（ａ）において矢印Ｂの方向）端部において樹脂層１２から離れている。再配線構造及び応力緩和特性を有する樹脂層１２上に配線が形成され、この樹脂層１２上の配線が樹脂層１２内部に形成された再配線と接続されることによって接続配線１４を形成し、この接続配線１４がフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側の側面に接続されている。このとき、図６（ｂ）に示すように、フリップチップパッド１３と接続配線１４とは平面視において夫々の一部が重なっていることが好ましい。

半導体チップ１１は、フェイスダウンの状態で基板２１と対向するように配置され、基板２１のフリップチップパッド２３と半導体チップ１１のフリップチップパッド１３とが、フリップチップバンプ３１によって電気的に接続されている。

接続配線１４によるフリップチップパッド１３と半導体チップ１１との接続形態は、図１、５及び６のいずれの接続形態を有することもできるが、フリップチップパッド１３が傾斜又は変形する際に、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の端部側の方が半導体チップ１１の中心側よりも大きく変位するため、本実施形態の接続形態（図６の接続形態）、即ち接続配線１４がフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側の側面に接続されている構造（図６の接続形態）が特に好ましい。これにより、フリップチップパッド１３と接続配線１４との接続部において接触不良又は断線等の可能性が極めて低くなり、信頼性が向上する。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。通常、フリップチップ接続時のはんだの塗布領域を制限するため、樹脂層１２の上に他の樹脂としてソルダーレジスト等の樹脂層１５がフリップチップパッド１３を被覆するように形成されるが、このソルダーレジスト等の樹脂層１５の開口部を意図的にフリップチップパッド１３よりも大きく設け、フリップチップパッド１３を被覆しないようにすることもできる。図７（ａ）はソルダーレジスト等の樹脂層１５の開口部を意図的に大きく設け、フリップチップパッド１３を被覆しないようにしたときの断面を示す模式図、図７（ｂ）は同じくフリップチップパッド１３及び接続配線１４の位置関係を示す模式図、図７（ｃ）は本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。
図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において、図１乃至６と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、図７（ｃ）に示すように、樹脂層１２の上に、フリップチップパッド１３を被覆しないように開口部を大きく設けられたソルダーレジスト等の樹脂層１５が形成され、フリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側（図７（ｃ）において矢印Ｂの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ｂが、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図７（ｃ）において矢印Ａの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ａよりも大きくなるように傾斜（変形）して設けられ、このフリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れている。再配線構造及び応力緩和特性を有する樹脂層１２上に配線が形成され、この樹脂層１２上の配線が樹脂層１２内部に形成された再配線と接続されることによってこれらが接続配線１４を形成し、この接続配線１４がフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側の側面に接続されている。このとき、図７（ｂ）に示すように、フリップチップパッド１３と接続配線１４とは平面視において夫々の一部が重なっていることが好ましい。

図７（ａ）に示すように、フリップチップパッド１３がソルダーレジスト等の樹脂層１５によって被覆されていないため、容易にフリップチップパッド１３を半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離すことができる。よって、効率よくフリップチップパッド１３を変形又は傾斜及び樹脂層１２からの剥離を生じさせることができる。

また、半導体チップ１１の表面に設けられた樹脂層１２とフリップチップパッド１３との密着強度を小さくすることにより、より積極的にフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の周辺側端部を樹脂層１２から離れさせることもできる。

樹脂層１２とフリップチップパッド１３との密着強度を小さくする方法として、例えばスパッタ法で金属層を形成する方法では、通常、樹脂層と金属層との間の密着強度を大きくするために、クロム等の密着性向上のための金属層を形成するが、この密着性向上のための金属層を意図的に形成しないという方法が挙げられる。また、フリップチップパッド１３の形成に無電解めっきを使用する方法では、通常、アッシング又はデスミア等によって樹脂層の表面を荒し、凹凸を形成することによって密着性を高めるが、このアッシング又はデスミア等の処理を行わない等の方法が挙げられる。樹脂層１２とフリップチップパッド１３との密着強度を小さくすることによりフリップチップパッド１３の周辺側が樹脂層１２から離れ易くなり、これによって、フリップチップパッド１３がより容易に傾斜又は変形し、樹脂層１２から剥離する。

一方、フリップチップパッド１３の傾斜又は変形は、フリップチップパッド１３が下層の樹脂層１２と密着したままの状態で行うこともできる。この場合、樹脂層１２とフリップチップパッド１３とが剥がれないように、樹脂層１２とフリップチップパッド１３との密着強度を大きくすることが望ましい。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本実施形態は、上述の第３実施形態に係る半導体装置に対し、フリップチップパッド１３の樹脂層１２から離れている部分に、樹脂層１２とは異なる樹脂４２が充填されている点において異なり、その他は第３実施形態と同様の構成を有している。また、半導体チップと基板との間には通常多くのフリップチップ接続部が存在するが、図８においては、本実施形態の特徴である形状を有する１個のみを拡大表示している。図８において、図１乃至７と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の半導体装置は、図８に示すように、樹脂層１２の上に、フリップチップパッド１３を被覆しないように開口部を大きく設けられたソルダーレジスト等の樹脂層１５が形成され、フリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側（図８（ｃ）において矢印Ｂの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ｂが、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側（図８（ｃ）において矢印Ａの方向）端部の半導体チップ１１表面−フリップチップパッド１３間距離ａよりも大きくなるように傾斜（変形）して設けられ、このフリップチップパッド１３は、半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れている。そして、フリップチップパッド１３の樹脂層１２から離れている部分に、樹脂層１２とは異なる樹脂４２が充填されている。再配線構造及び応力緩和特性を有する樹脂層１２上に配線が形成され、この樹脂層１２上の配線が樹脂層１２内部に形成された再配線と接続されることによってこれらが接続配線１４を形成し、この接続配線１４がフリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側の側面に接続されている。

次に、上述の如く構成された本実施形態の半導体装置の動作について説明する。本実施形態においては、上述の第３実施形態と同様の動作に加え、フリップチップパッド１３の樹脂層１２から離れている部分に、樹脂層１２とは異なる樹脂４２を充填することによって、傾斜又は変形したフリップチップパッド１３を固定している。これにより、更に信頼性に優れる半導体装置が得られる。

次に、本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法の一例を説明する。図９は、本実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法の一例を段階的に示す模式図である。図９において、図１乃至８と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

半導体チップ１１の表面に、再配線構造及び応力緩和特性を有する樹脂層１２を設け、この樹脂層１２の上に配線を形成する。この配線が樹脂層１２内部に形成された再配線と接続されることによって接続配線１４を形成する。また、樹脂層１２の表面にフリップチップパッド１３を設け、接続配線１４は、フリップチップパッド１３の半導体チップ１１の中心側の側面から接続する。これにより、半導体チップ１１内部のＬＳＩ素子等とフリップチップパッド１３とが、接続配線１４によって電気的に接続される。樹脂層１２の上に、ソルダーレジスト等の樹脂層１５を、樹脂層１５がフリップチップパッド１３を被覆しないように開口部を大きく設けて形成する（ステップ１）。

その後、半導体チップ１１及び基板２１を室温近くまで冷却すると、一般に、基板２１の熱膨張係数は半導体チップ１１の熱膨張係数より大きいため、熱膨張係数の大きい基板２１の方が半導体チップ１１よりも大きく熱収縮する。このとき、基板２１の熱収縮による変位は、半導体チップ１１の周辺側（図９において矢印Ｂの方向）端部の方が半導体チップ１１の中心側（図９において矢印Ａの方向）端部よりも大きいため、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側（図９において矢印Ｂの方向）端部の方が半導体チップの中心側（図９において矢印Ａの方向）端部よりも大きくなるように、半導体チップ１１の樹脂層１２上に設けられたフリップチップパッド１３を傾斜又は変形させる熱応力が働く。

このとき、樹脂層１２の上に設けられたソルダーレジスト等の樹脂層１５の開口部を大きく設けたことにより、フリップチップパッド１３がソルダーレジスト等の樹脂層１５によって被覆されていないため、容易にフリップチップパッド１３を半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れ易く、これにより、フリップチップパッド１３の傾斜又は変形が生じ易くなる。これにより、傾斜又は変形したフリップチップパッド１３が得られる（ステップ４）。

上述のように、樹脂層１２に低弾性率を有する樹脂層１２を使用すれば、フリップチップパッド１３が容易に傾斜又は変形する。また、樹脂層１２とフリップチップパッド１３との間の密着強度を小さくしたり、図８及び９に示すように樹脂層１２の上に設ける他の樹脂層１５の開口部をフリップチップパッド１３に接しないように大きく設けたりすることにより、フリップチップパッド１３の周辺側の一部が樹脂層１２から離れ易く、よって、フリップチップパッド１３の傾斜又は変形が生じ易くなる。

ステップ４における半導体装置は、少なくとも１個のフリップチップパッド１３が傾斜又は変形して、フリップチップパッド１３と半導体チップ１１表面との間の距離が、半導体チップ１１の周辺側端部の方が半導体チップ１１の中心側端部よりも大きく、この傾斜又は変形したフリップチップパッド１３は、より大きな熱応力がかかる半導体チップ１１の周辺側端部において樹脂層１２から離れているため、半導体素子１１と基板２１との熱膨張係数の違いに起因する熱応力、即ち基板２１の方が半導体素子１１よりも大きく熱収縮することによって発生する力が発生したとき、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触するまでの距離において、この熱応力を緩和する。また、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とが接触している部分によって、この熱応力をフリップチップパッド１３の下に設けられた樹脂層１２によって分散し、半導体チップ１１に到達する前に緩和するため、半導体チップ１１が受ける熱応力は小さくなっており、経時的に更に変形等が進む可能性は極めて低い。

本実施形態においては、更に、フリップチップパッド１３の樹脂層１２から離れている部分に、樹脂層１２とは異なる樹脂４２を充填する（ステップ５）。これにより、樹脂４２によって傾斜又は変形したフリップチップパッド１３を固定するため、更に信頼性に優れる半導体装置が得られる。

半導体素子１１を基板２１に搭載し、アンダーフィル樹脂を充填した後等において、フリップチップパッド１３と樹脂層１２とに剥離が生じた場合、これによって形成された閉空間によって、樹脂層１２等にクラックが生じる虞があるが、フリップチップパッド１３と樹脂層１２との間に樹脂４２を充填して埋めることにより、フリップチップパッド１３と樹脂層１２との剥離による閉空間が形成されない。このため、経時的な変化によりフリップチップパッド１３と下層の樹脂層１２との間隔が成長していく虞もない。

フリップチップパッド１３と樹脂層１２との間隔に充填する樹脂４２としては、アンダーフィル樹脂として広く使用されている樹脂を使用することができる。この場合、通常と同様のアンダーフィル工程により樹脂を充填することができるため、付加的な工程も必要とされない。

本発明の半導体装置は、半導体素子１１と基板２１との熱膨張係数の違いに起因する熱応力を効率よく緩和することができるため、信頼性が要求される半導体装置に使用できる。特にチップサイズが大きくピン数の多い半導体装置、半導体素子内部の絶縁層に機械的強度が小さいＬｏｗ−Ｋ材料が使用された半導体装置等に適用することが有用である。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本発明の第１実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法の一例を段階的に示す模式図である。本発明の第１実施形態の変形例１に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本発明の第１実施形態の変形例２に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本発明の第１実施形態の変形例３に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。（ａ）は本発明の第２実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図、（ｂ）は同じくフリップチップ接続部におけるフリップチップパッド１３及び接続配線１４の位置関係を示す模式図である。（ａ）はソルダーレジスト等の樹脂層１５の開口部を意図的に大きく設け、フリップチップパッド１３を被覆しないようにしたときの断面を示す模式図、（ｂ）は同じくフリップチップパッド１３及び接続配線１４の位置関係を示す模式図、（ｃ）は本発明の第３実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本発明の第４実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の断面を示す模式図である。本発明の第４実施形態に係る半導体装置のフリップチップ接続部の形成方法の一例を段階的に示す模式図である。従来技術の半導体装置の断面を示す模式図である。従来技術の半導体装置の断面を示す模式図である。

符号の説明

１１；半導体チップ
１２；樹脂層
１３；フリップチップパッド
１４；接続配線
１５；樹脂層
２１；基板
２３；フリップチップパッド
３１；フリップチップバンプ
４２；樹脂
Ａ；チップ中心方向
Ｂ；チップ周辺方向
ａ；チップ中心側端部のチップ−チップパッド間距離
ｂ；チップ周辺側端部のチップ−チップパッド間距離
５１；半導体素子
５２；接続基板
５３；半田バンプ
５４；突起部
６１；半導体素子
６２；半導体素子電極部
６３；パッシベーション膜
６４；第１樹脂層
６５；第２樹脂層
６６；配線
６７；パッケージ電極

Claims

半導体チップ搭載側に複数の第２のパッドが設けられた基板と、表面に樹脂層が設けられ前記樹脂層の上に複数の第１のパッドが設けられた半導体チップとがフリップチップ接続によって電気的に接続されている半導体装置において、前記半導体チップの前記第１のパッドのうち少なくとも１個が傾斜又は変形して、前記第１のパッドと前記半導体チップ表面との間の距離が、前記半導体チップの周辺側端部の方が前記半導体チップの中心側端部よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
前記傾斜又は変形した第１のパッドは前記半導体チップの周辺側端部において前記樹脂層から離れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１のパッドの前記樹脂層から離れている部分に、前記樹脂層とは他の樹脂が充填されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記半導体チップの前記樹脂層の上に、前記第１のパッドを被覆しないように開口部を設けた他の樹脂層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記傾斜又は変形した第１のパッドの側面に前記第１のパッドと前記半導体チップとを接続する配線が接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
樹脂層の上にフリップチップ接続用の複数の第１のパッドが設けられている半導体チップと半導体チップ搭載側にフリップチップ接続用の複数の第２のパッドが設けられている基板とを加熱下でフリップチップ接続する工程を有し、その後の冷却工程により前記第１のパッドと前記半導体チップの表面との間の距離が前記半導体チップの周辺側端部の方が前記半導体チップの中心側端部よりも大きくなるように前記第１のパッドの少なくとも１個を傾斜又は変形させることを特徴とする半導体装置の製造方法。