JP2009200067A - Semiconductor chip and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップをフリップチップ実装してなる半導体装置および実装される半導体チップに関する。 The present invention relates to a semiconductor device formed by flip-chip mounting a semiconductor chip and a semiconductor chip to be mounted.
近年、情報通信機器や事務用電子機器の小型化および高機能化が進展するのに伴って、これらの機器に搭載される半導体集積回路装置等の半導体装置について、小型化とともに、入出力のための外部端子の数を増加することが要求されている。しかし、半導体装置に搭載される半導体チップの周辺に電極パッドを形成してワイヤボンディング方式で外部回路と接続する方式では、外部端子数の増加と半導体チップの小型化の両立が困難になってきている。 In recent years, as information communication equipment and office electronic equipment have been reduced in size and functionality, semiconductor devices such as semiconductor integrated circuit devices mounted on these equipment have been reduced in size and input / output. There is a demand to increase the number of external terminals. However, in the method in which electrode pads are formed around a semiconductor chip mounted on a semiconductor device and connected to an external circuit by a wire bonding method, it is difficult to simultaneously increase the number of external terminals and downsize the semiconductor chip. Yes.
これらの要求を実現させる技術として、電極パッドを能動領域上に形成し、ワイヤボンディングやインナーリードボンディングを行うパッドオンエレメントと呼ばれる技術がある。さらに、能動領域上に形成された電極パッド上にバンプと呼ばれる外部接続端子を形成し、バンプを介して外部回路と接続するフリップチップ技術が採用されるようになってきた。 As a technique for realizing these requirements, there is a technique called a pad-on element in which an electrode pad is formed on an active region and wire bonding or inner lead bonding is performed. Furthermore, flip-chip technology has been adopted in which external connection terminals called bumps are formed on electrode pads formed on the active region and are connected to external circuits via the bumps.
以下、図6〜図12を用いて従来の半導体装置について説明する。
図6は従来の半導体チップの電極構造におけるクラック発生状況を説明する断面図、図7は従来の半導体チップの電極構造におけるショート発生状況を説明する断面図である。図8,図9は従来の半導体チップにおける金属バンプの形成工程を示す工程断面図である。図10は従来の半導体装置の製造工程を説明する工程断面図である。図11は従来のBGA(Ball Grid Array)型の半導体チップの電極構造を示す断面図である。図12は従来のBGA型半導体装置の構造を示す断面図であり、図11に示す電極を備えた半導体チップ1を配線基板12にフリップチップ実装し、アンダーフィル(under fill)樹脂13を注入した状態を示す断面図である。
A conventional semiconductor device will be described below with reference to FIGS.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the occurrence of cracks in the electrode structure of a conventional semiconductor chip, and FIG. 8 and 9 are process cross-sectional views showing a process of forming metal bumps in a conventional semiconductor chip. FIG. 10 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a conventional semiconductor device. FIG. 11 is a cross-sectional view showing an electrode structure of a conventional BGA (Ball Grid Array) type semiconductor chip. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional BGA type semiconductor device. The
図11に示すように、半導体チップ1には、半導体チップ1上に形成される半導体素子に電気的に接続された電極パッド2と、この電極パッド2の上側に開口部を有する第1絶縁膜3と第2絶縁膜4が形成されている。第2絶縁膜4の上部および開口部を含む電極パッド2上に下地金属層5が形成されている。下地金属層5上には、半田からなる金属バンプ14が形成されている。半導体チップ1は、図12に示すように、配線基板12にフェイスダウン搭載され、半導体チップ1の電極パッド2と配線基板12の電極ランド12aとが金属バンプ14を介して機械的および電気的に接続されている。そして、半導体チップ1と配線基板12との隙間で金属バンプ14間にアンダーフィル樹脂13が充填されている。また、配線基板12の半導体チップ搭載面に対する反対側の面には半田ボール10が形成されている。
As shown in FIG. 11, the
アンダーフィル樹脂13を充填するのは、次の理由による。半導体チップ1と配線基板12とでは熱膨張係数に差があることから、熱履歴等を受けた場合には、接合部とりわけ金属バンプ14のチップ側根元部分に応力がかかることになる。この応力集中を緩和するため、半導体チップ1と配線基板12との間の金属バンプ14以外の部分に封止樹脂としてアンダーフィル樹脂13を注入し、硬化することによって補強している。このアンダーフィル樹脂13には、エポキシ系樹脂などのベースとなる樹脂13aの他に、半導体チップ1の熱膨張係数と似た熱膨張係数とするための適当な大きさのフィラー成分13bが添加されている(filler:詰め物)。そして、フィラー成分13bの添加量や粒径を調整することによって熱膨張係数を調整している。アンダーフィル樹脂13には、外部からの水分の浸入を抑制し、耐湿性を高める役割もある。
The
ここで、ボール搭載方式による半導体チップの金属バンプ形成方法について、図8,図9を用いて説明する。
まず、図8(a)に示すように、上述の電極パッド2,第1絶縁膜3,第2絶縁膜4および下地金属層5を形成した後、電極パッド2上が開口したフラックス印刷マスク8を設置する。
Here, a method for forming metal bumps on a semiconductor chip by a ball mounting method will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 8A, after the
次に、図8(b)に示すように、スキージ7にてフラックス6をフラックス印刷マスク8開口部に入れ込み印刷する。
次に、図8(c)に示すように、フラックス印刷マスク8を取り除く。
Next, as shown in FIG. 8 (b), the
Next, as shown in FIG. 8C, the
次に、図8(d)に示すように、フラックス6が印刷された電極パッド2上が開口したボール搭載マスク9を搭載する。
次に、図9(a)に示すように、金属バンプ14をボール搭載マスク9開口部に入れ込み仮接合する。
Next, as shown in FIG. 8D, a
Next, as shown in FIG. 9A, the
次に、図9(b)に示すように、フラックス6で仮接着された金属バンプ14を、図9(c)に示すように、リフローにより電極パッド2に接合する。
最後に、図9(d)に示すように、洗浄により余分なフラックス6を除去する。
Next, as shown in FIG. 9B, the
Finally, as shown in FIG. 9D,
以上により、電極へのバンプ形成が完成する。
また、前述したようなフリップチップ実装方式による半導体装置の製造方法について、図10を用いて説明する。
Thus, bump formation on the electrode is completed.
Further, a method for manufacturing a semiconductor device by the flip chip mounting method as described above will be described with reference to FIG.
まず、図10(a)に示すように、電極パッド2上に電気めっき法や印刷法やボール搭載法などの方法で金属バンプ14を形成したバンプ付の半導体チップ1と、金属バンプ14に対応する位置に金属パッド12aが形成された配線基板12とを用意する。そして、半導体チップ1を配線基板12に対してフリップチップで搭載する。
First, as shown in FIG. 10A, the bumped
次に、図10(b)に示すように、半導体チップ1の金属バンプ14をリフローすることにより、半田を溶融し、金属バンプ14により半導体チップ1と配線基板12とを接続する。
Next, as shown in FIG. 10B, the solder bumps are melted by reflowing the
その後、図10(c)に示すように、半導体チップ1と配線基板12との隙間を清浄化し、ディスペンサ11を用いてその隙間にアンダーフィル樹脂13を注入する。注入はチップの周辺部から行うが、毛細管現象により全面に浸入し、半導体チップ1と配線基板12との隙間にアンダーフィル樹脂13が充填される。
Thereafter, as shown in FIG. 10C, the gap between the
その後、熱処理を行い、アンダーフィル樹脂13を硬化することによって封止する。
最後に、図10(d)に示すように、チップ搭載面と反対側の面に引き出された金属パッドに半田ボール10を形成し、リフローする。
Thereafter, heat treatment is performed, and the
Finally, as shown in FIG. 10 (d),
以上により、BGA型の半導体装置が完成する。
前述したような半田ボール搭載方式では、図6(a)のように下地金属層5が第2保護膜4より高い場合、図6(b)に示すようにフラックス6を供給する際にフラックス印刷マスク8の開口径を下地金属層5の全径より小さくし、フラックス印刷マスク8と下地金属層5が接触するようにしている。これは、フラックス6の供給量が過多になり、周辺の電極にフラックス6がブリッジしてリフロー時に金属バンプ14同士がショートすることを防ぐために供給量を制御するためである。一方、半導体製造プロセスの著しい進化に伴って、半導体チップの構造も微細化、高集積化が進み、配線材料として比較的抵抗の小さい銅配線が用いられたり、層間絶縁膜として比誘電率の低い、いわゆる低誘電率(low−k)材料が用いられたりするケースが多くなってきている。しかし、低誘電率材料は機械的強度が弱いため、実装後に低誘電率膜にクラックや剥離が生じてしまうことが多くなってきた。そのため、フラックス印刷マスク8と下地金属層5が局所的に接触するようにしていると、図6(c)のように下部に応力が集中し、結果として図6(d)のようにクラック15が発生する可能性がある。
In the solder ball mounting method as described above, when the
クラック15の発生を抑制する方法として、図7(a),図7(b)に示すように、下地金属層5より第2絶縁膜4を高く調整する方法がある(例えば、特許文献1参照)。フラックス印刷マスク8と下地金属層5が局所的に接触せず、第2絶縁膜4と接触していることから応力が分散しクラックは低減できる。しかし、図7(c)に示すようにフラックス6を印刷すると、下地金属層5の径より外側にフラックス6が供給されるために必要量以上のフラックス6が多量に供給されることになり、図7(d)に示すようにフラックス印刷マスク8を取り除いた際にフラックス6が電極周辺に濡れ広がり、周辺電極に供給されたフラックス6とブリッジすることでリフロー時に金属バンプ14同士がショートする可能性がある。
As a method of suppressing the generation of the
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、パッド部のクラックや剥離の発生を確実に抑制し、かつ金属バンプ間のショートを防止することを目的としている。 The present invention has been created in view of such circumstances, and an object thereof is to reliably suppress the occurrence of cracks and peeling of the pad portion and to prevent a short circuit between metal bumps.
上記目的を達成するために、請求項1記載の半導体チップは、配線基板に金属バンプを介して接続されることにより半導体装置が形成される半導体チップであって、前記金属バンプと接続する電極部が、前記半導体チップの外部端子となる電極パッドと、前記電極パッド上の少なくとも一部を開口するように形成される第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に少なくとも前記電極パッド上を開口するように形成される第2絶縁膜と、前記電極パッド上および前記第1絶縁膜の一部の上に形成される下地金属層とを有し、前記下地金属層の前記電極パッド表面からの表面高さが前記第2絶縁膜の前記電極パッド表面からの表面高さより0.0〜0.4μm低いことを特徴とする。
To achieve the above object, a semiconductor chip according to
請求項2記載の半導体チップは、請求項1記載の半導体チップにおいて、前記電極パッドの端部が前記下地金属層の端部より隣接する電極部方向に突出することを特徴とする。
請求項3記載の半導体チップは、請求項2記載の半導体チップにおいて、前記第2絶縁膜の端部が前記電極パッドの端部より内側に形成されることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor chip according to the first aspect, an end portion of the electrode pad protrudes in an adjacent electrode portion direction from an end portion of the base metal layer.
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor chip according to the second aspect, the end of the second insulating film is formed inside the end of the electrode pad.
請求項4記載の半導体チップは、請求項3記載の半導体チップにおいて、前記第2絶縁膜の端部が前記第1絶縁膜の端部より前記下地金属層の膜厚の2倍の長さだけ内側に形成されることを特徴とする。
The semiconductor chip according to
請求項5記載の半導体装置は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体チップを前記配線基板に前記金属バンプを介して機械的および電気的に接続して搭載することを特徴とする。 A semiconductor device according to a fifth aspect is characterized in that the semiconductor chip according to any one of the first to fourth aspects is mounted on the wiring board through mechanical and electrical connection via the metal bumps. To do.
以上により、パッド部のクラックや剥離の発生を確実に抑制し、かつ金属バンプ間のショートを防止することができる。 By the above, the generation | occurrence | production of the crack of a pad part and peeling can be suppressed reliably, and the short circuit between metal bumps can be prevented.
以上のように、半導体チップの電極構造において、下地金属層の表面高さを第2絶縁膜の表面高さより0.0〜0.4μm低く構成し、マスク設置時にはマスクが下地金属層と第2絶縁膜との両方に接触するようにすることにより、フラックス印刷マスクによる応力が分散され、電極パッド部の周辺の回路部でのクラックや剥離を確実に抑制することができ、かつ、フラックスが下地金属層の径より外側に供給されることがないため、余分なフラックスの供給が抑制され、金属バンプ間のショートを防止することができる。 As described above, in the electrode structure of the semiconductor chip, the surface height of the base metal layer is configured to be 0.0 to 0.4 μm lower than the surface height of the second insulating film. By making contact with both of the insulating films, the stress due to the flux printing mask is dispersed, and cracks and peeling in the circuit portion around the electrode pad portion can be reliably suppressed, and the flux is the base. Since it is not supplied outside the diameter of the metal layer, supply of excess flux is suppressed, and a short circuit between metal bumps can be prevented.
以下、本発明にかかわる半導体チップの電極構造と半導体装置の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1における半導体チップの電極構造を示す断面図である。図2は実施の形態1における半導体装置の構造を示す断面図であり、図1に示す半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を注入した状態を示す断面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a semiconductor chip electrode structure and a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view showing an electrode structure of a semiconductor chip in the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment, and is a cross-sectional view showing a state where the semiconductor chip shown in FIG. 1 is flip-chip mounted on a wiring board and underfill resin is injected.
半導体チップ1には複数の半導体素子が形成されており、図1に示すように、各半導体素子とそれに電気的に接続されて外部端子となり、アルミニウム(Al)からなる端子部分の表面形状が円形の電極パッド2と、この電極パッド2の上側に円形の開口部を有し、チッ化シリコンからなる第1絶縁膜3とが形成されている。また、第1絶縁膜3の上側にはさらに第1絶縁膜3上に円形の開口部を有し、ポリイミドからなる第2絶縁膜4が形成されている。この第2絶縁膜4は、電極パッド2の上部領域にかぶらないように、電極パッド2の外側で電極パッド2の近傍に形成されている。また、第1絶縁膜3の上部の一部および開口部を含む電極パッド2上に電極パッド2に接する面の裏面の平面形状が円形の下地金属層5が形成されている。下地金属層5は、第2絶縁膜4に接しないように形成され、例えばスパッタ法によって形成されたチタン(Ti)からなるバリアメタルと胴(Cu)からなる下部金属膜と、その上方に電気めっき法によって形成されたニッケル(Ni)からなる上部金属膜によって構成されている。または、無電解めっき法によって形成されたニッケル(Ni/Au)からなる金属膜によって構成されている。さらに、下地金属層5上には、半田からなる金属バンプが形成される(図示せず)。
The
なお、第1絶縁膜3を構成する材料はチッ化シリコンに限られず、酸化シリコンやポリイミドなどでもよい。第2絶縁膜4を構成する材料についてもポリイミドに限られず、BCB(ベンゾシクロブテン)膜などでもよい。下部金属層5aのバリアメタルを構成する材料はTiに限られず、第1絶縁膜3との強い密着性を有する材料であればよく、例えばTiWやCr等を用いてもよい。また、下地金属層5の構成要素のCuについてもこれに限られず、導電性を有する材料であればよい。
The material constituting the first insulating
以上の本実施の形態において、下地金属層5の表面高さを第2絶縁膜4の表面高さより0.0〜0.4μm低くすることにより、フラックス印刷時に、フラックス印刷マスク上よりスキージ圧力が加わったときに、フラックス印刷マスクを下地金属層5だけでなく第2絶縁膜4にも接触させることができるため、応力を分散することができる。その結果として、半導体チップ1の内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生が抑制される。
In the present embodiment described above, the squeegee pressure is higher than that on the flux printing mask during flux printing by making the surface height of the
さらに、フラックスが下地金属層5の径より外側に供給されることがないことから、下地金属層が絶縁膜より大幅に低い場合のフラックス供給量過多とリフロー時のフラックスの粘性低下による周辺電極のフラックスまでのはい上がりとブリッジすることが無くなるため、リフロー時に金属バンプ同士がショートすることを抑制することができる。
Furthermore, since the flux is not supplied to the outside of the diameter of the
以上の説明では、電極パッド2,下地金属層5,第1絶縁膜3の開口部ならびに第2絶縁膜4の開口部が円形の場合を例に説明したが、必ずしも円形にする必要はなく、半導体素子から金属バンプ14の接続が十分確保できれば平面形状は任意である。
In the above description, the case where the
(実施の形態2)
図3は実施の形態2における半導体チップの電極構造を示す断面図である。図3において、実施の形態1の図1におけるのと同じ符号は同一構成要素を指している。本実施の形態に特有の構成は、次のとおりである。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the semiconductor chip in the second embodiment. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 of the first embodiment indicate the same components. The configuration specific to the present embodiment is as follows.
実施の形態1の構成において、さらに、下地金属層5の径を、電極パッド2の径より小さくし、電極パッド2の端部が下地金属層5の端部より隣接する電極方向に突出する構成とする。その他の構成については、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
In the configuration of the first embodiment, the diameter of the
本実施の形態においては、フラックス印刷マスクが電極パッド2上の下地金属層5および第2絶縁膜4上に形成されるため、フラックス印刷マスクの開口端直下に電極パッド2が存在して応力を支え、半導体チップ内部に応力が伝わりにくくなり、半導体チップ内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生がより抑制される。その他の効果については、実施の形態1の場合と同様である。
In the present embodiment, since the flux printing mask is formed on the
(実施の形態3)
図4は実施の形態3における半導体チップの電極構造を示す断面図である。図4において、実施の形態1の図1におけるのと同じ符号は同一構成要素を指している。本実施の形態に特有の構成は、次のとおりである。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the semiconductor chip in the third embodiment. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 of the first embodiment indicate the same components. The configuration specific to the present embodiment is as follows.
実施の形態1の構成において、さらに、下地金属層5の径が電極パッド2の径より小さく、かつ第2絶縁膜4の開口径を電極パッド2の径より小さくして第2絶縁膜4の端部が電極パッド2の端部より内側となる構成とする。その他の構成については、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
In the configuration of the first embodiment, the diameter of the
本実施の形態においては、実施の形態2と同様に、第2絶縁膜の開口端直下に電極パッドが存在して応力を支え、半導体チップ内部に応力が伝わりにくくなるため、半導体チップ内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生がより抑制される。その他の効果については、実施の形態1の場合と同様である。 In the present embodiment, as in the second embodiment, the electrode pad exists immediately below the opening end of the second insulating film to support the stress, and it is difficult for the stress to be transmitted to the inside of the semiconductor chip. Occurrence of cracks and peeling of the low dielectric constant film are further suppressed. Other effects are the same as those in the first embodiment.
(実施の形態4)
図5は実施の形態4における半導体チップの電極構造を示す断面図である。図5において、実施の形態1の図1におけるのと同じ符号は同一構成要素を指している。本実施の形態に特有の構成は、次のとおりである。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a sectional view showing an electrode structure of a semiconductor chip in the fourth embodiment. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 of the first embodiment indicate the same components. The configuration specific to the present embodiment is as follows.
実施の形態1の構成において、さらに、下地金属層5の径が電極パッド2の径より小さく、かつ第2絶縁膜4の開口径が電極パッド2の径より小さく、かつ第2絶縁膜4の開口径=第1絶縁膜の開口径3+下地金属層5の膜厚×2となり、第2絶縁膜4の端部が第1絶縁膜3の端部より下地金属層5の膜厚の2倍の長さだけ内側に形成される構成とする。その他の構成については、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
In the configuration of the first embodiment, the diameter of the
本実施の形態においては、無電解めっき方法の場合に膜厚方向と平面方向の金属成長が等距離であることから、第2絶縁膜の開口径の内部に隙間無く下地金属層が形成され、かつ表面高さが同様であることから、より半導体チップ内部に応力が伝わりにくくなるため、半導体チップ内部に進展するようなクラックや低誘電率膜の剥離の発生が抑制される。さらに、フラックスが下地金属層の径より外側に供給されることがないため、余分なフラックスの供給が抑制され、金属バンプ間のショートを防止することができる。その他の効果については、実施の形態1の場合と同様である。 In the present embodiment, in the case of the electroless plating method, since the metal growth in the film thickness direction and the planar direction is equidistant, the base metal layer is formed without a gap inside the opening diameter of the second insulating film, Moreover, since the surface height is the same, stress is less likely to be transmitted to the inside of the semiconductor chip, so that the occurrence of cracks that progress inside the semiconductor chip and the peeling of the low dielectric constant film are suppressed. Furthermore, since the flux is not supplied to the outside of the diameter of the base metal layer, the supply of excess flux is suppressed and a short circuit between the metal bumps can be prevented. Other effects are the same as those in the first embodiment.
本発明は、パッド部のクラックや剥離の発生を確実に抑制し、かつ金属バンプ間のショートを防止することができ、半導体チップをフリップチップ実装してなる半導体装置および実装される半導体チップ等に有用である。の半導体装置の電極構造は、電極パッド部近傍および周辺の回路部でのクラックや剥離を抑制することが可能になるので、信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く製造するための技術として有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can reliably suppress the occurrence of cracks and peeling of the pad portion and prevent shorts between metal bumps. Useful. The electrode structure of this semiconductor device is useful as a technique for manufacturing a highly reliable semiconductor device with high yield because cracks and separation in the vicinity of the electrode pad portion and in the peripheral circuit portion can be suppressed. .
1 半導体チップ
2 電極パッド
3 第1絶縁膜
4 第2絶縁膜
5 下地金属層
6 フラックス
7 スキージ
8 フラックス印刷マスク
9 ボール搭載マスク
10 半田ボール
11 ディスペンサ
12 配線基板
12a 電極ランド
13 アンダーフィル樹脂
13a 樹脂
13b フィラー成分
14 金属バンプ
15 クラック
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体チップの外部端子となる電極パッドと、
前記電極パッド上の少なくとも一部を開口するように形成される第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に少なくとも前記電極パッド上を開口するように形成される第2絶縁膜と、
前記電極パッド上および前記第1絶縁膜の一部の上に形成される下地金属層と
を有し、前記下地金属層の前記電極パッド表面からの表面高さが前記第2絶縁膜の前記電極パッド表面からの表面高さより0.0〜0.4μm低いことを特徴とする半導体チップ。 A semiconductor chip in which a semiconductor device is formed by being connected to a wiring board via a metal bump, and an electrode portion connected to the metal bump is
An electrode pad serving as an external terminal of the semiconductor chip;
A first insulating film formed so as to open at least part of the electrode pad;
A second insulating film formed on the first insulating film so as to open at least the electrode pad;
A base metal layer formed on the electrode pad and on a part of the first insulating film, and a surface height of the base metal layer from the surface of the electrode pad is the electrode of the second insulating film A semiconductor chip characterized by being 0.0 to 0.4 μm lower than the surface height from the pad surface.
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