JP2010004079A

JP2010004079A - 半導体チップ

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Publication number: JP2010004079A
Application number: JP2009231085A
Authority: JP
Inventors: Sunao Sugiyama; 直杉山
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: JP5003741B2

Abstract

【課題】外部基板との熱膨張差により発生する応力を吸収し得る半導体チップを提供する。
【解決手段】第２絶縁層２３６は、熱膨張率の相対的に低い絶縁膜２３６Ａと、熱膨張率の相対的に高い絶縁膜２３６Ｂとの２層構造からなる。半導体チップ３０と基板９０との熱膨張率は異なり、半導体チップ３０の動作時に発生する熱によって半導体チップ３０と基板９０との間に応力が発生するが、熱膨張率の異なる絶縁膜２３６Ａ、２３６Ｂによりそれぞれ応力を吸収できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体チップに関し、特に、基板への実装が可能な半導体チップに関するものである。

図１２に従来技術に係る半導体チップ３３０及びその実装形態を示す。半導体チップ３３０のアルミニウム電極パッド３３２には、ニッケルめっき層３３４及び金めっき層３３８を介して、バンプ３１０を形成するハンダ３４４が設けられている。ここで、半導体チップ３３０は、該バンプ３１０を介して、パッケージ３５０側の電極パッド３５２に電気的に接続されている。

ところで、半導体チップ３３０とパッケージ３５０とは、熱膨張率が異なるため、両者の間に発生する応力を緩和することが必要であり、上記図１２に示した実装形態においては、半導体チップ３３０とパッケージ３５０との間にアンダーフィル３３６を配設し、両者を固着させることにより、電気的接続部に応力を集中させないようにすることで、電気的接続部に破断が発生しないように構成されている。

特開２０００−０２２０５２号公報

しかしながら、近年の半導体チップの高集積化に伴い、半導体チップのバンプが小型化され、上述した実装形態によっても、半導体チップ３３０とパッケージ３５０との間の応力により、小型化された電気的接続部が破断することがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、外部基板との熱膨張差により発生する応力を吸収し得る半導体チップを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１は、電極パッド側の表面に形成された絶縁層と、該絶縁層に形成され該電極パッドを外部基板へ接続するためのビアと、が形成された半導体チップであって、
前記絶縁層が、２以上の絶縁膜からなり、半導体チップ側の絶縁膜が熱膨張率が相対的に低く、外部基板側の絶縁膜の熱膨張率が相対的に高いことを技術的特徴とする。

請求項２は、請求項１において、前記半導体チップ側の絶縁膜の熱膨張率を、半導体チップの熱膨張率と外部基板の熱膨張率との中間値よりも半導体チップの熱膨張率に近い値にし、
前記外部基板側の絶縁膜の熱膨張率を、該中間値よりも外部基板の熱膨張率に近い値にしたことを技術的特徴とする。

請求項３は、電極パッド側の表面に形成された絶縁層と、該絶縁層に形成され該電極パッドを外部基板へ接続するためのビアと、が形成された半導体チップであって、
前記絶縁層の熱膨張率が、半導体チップ側は相対的に低く、外部基板側は相対的に高いことを技術的特徴とする。

請求項１の半導体チップでは、半導体チップ側に熱膨張率の相対的に低い絶縁膜が、外部基板側に熱膨張率の相対的に高い絶縁膜が配設されている。熱膨張率の異なる２層の絶縁膜が、半導体チップと外部基板との熱膨張差により発生する応力をそれぞれ吸収するため、半導体チップを基板に強固に接続することができ、半導体チップの接続信頼性を高めることができる。

請求項２の半導体チップでは、半導体チップ側の絶縁膜の熱膨張率を、半導体チップの熱膨張率と外部基板の熱膨張率との中間値よりも半導体チップの熱膨張率に近い値にし、外部基板側の絶縁膜の熱膨張率を、半導体チップの熱膨張率と外部基板の熱膨張率との中間値よりも外部基板の熱膨張率に近い値にしてある。このため、半導体チップと外部基板との熱膨張差により発生する応力をそれぞれの絶縁膜が吸収でき、半導体チップの接続信頼性を高めることができる。

請求項３の半導体チップでは、絶縁層の熱膨張率が、半導体チップ側は相対的に低く、外部基板側は相対的に高く設定してあるため、半導体チップと外部基板との熱膨張差により発生する応力を吸収し、半導体チップの接続信頼性を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体チップの断面図である。第１実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第１実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第１実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第１実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。本発明の第２実施形態に係る半導体チップの断面図である。第２実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第３実施形態に係る半導体チップの断面図である。第３実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第３実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。第３実施形態に係る半導体チップの製造工程図である。従来技術に係る半導体チップの断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る半導体チップ及び半導体チップの製造方法について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体チップを示している。
半導体チップ３０の下面には、パッシベーション膜３４の開口にジンケート処理されたアルミニウム電極パッド３２が形成されている。本実施形態では、パッシベーション膜３４の下面に第１絶縁層１３６が配設され、該第１絶縁層１３６には、該アルミニウム電極パッド３２に至るテーパ状に広がった非貫通孔１３６ａが形成されている。そして、該非貫通孔１３６ａの底部のアルミニウム電極パッド３２には、ニッケルめっき層３８，ニッケルと銅との複合めっき層４０を介在させて、銅めっきを充填してなるビア４２が形成されている。

該第１絶縁層１３６の上には、絶縁膜２３６Ａと絶縁膜２３６Ｂとの２層構造の第２絶縁層２３６が形成されている。第２絶縁層２３６は、半導体チップ側の絶縁膜２３６Ａの熱膨張率が相対的に低く、外部基板側の絶縁膜２３６Ｂの熱膨張率が相対的に高く設定されている。具体的には、半導体チップ側の絶縁膜２３６Ａの熱膨張率を、半導体チップ（シリコンウエハ）３０の熱膨張率（３〜４ｐｐｍ）と外部基板（エポキシ基板）の熱膨張率（１５ｐｐｍ）との中間値（９ｐｐｍ）よりも半導体チップの熱膨張率に近い値（７ｐｐｍ）にし、外部基板側の絶縁膜２３６Ｂの熱膨張率を、該中間値よりも外部基板の熱膨張率に近い値（１１ｐｐｍ）にしてある。当該第２絶縁層２３６には、銅めっきからなる銅めっきポスト（ビア）４６が形成され、当該銅めっきポスト４６には、半田等の低融点金属からなる突起状導体（バンプ）５４が配設されている。該半導体チップ３０は、突起状導体（バンプ）５４を介して基板９０側のパッド９２への接続されている。

ここで、第２絶縁層２３６の厚さ、及び、銅めっきポスト４６の高さは５〜２５０μｍに形成されている。一方、銅めっきポスト４６の直径は２０μｍ〜３００μｍに形成されている。ここで、半導体チップ３０と基板９０の熱膨張率は異なり、半導体チップ３０の動作時に発生する熱により、半導体チップ３０と基板９０との間に応力が発生するが、熱膨張率の異なる絶縁膜２３６Ａ、２３６Ｂによりそれぞれ応力を吸収できるため、電気的接続部にクラックを発生させることがなくなり、半導体チップ３０と基板９０との間に高い接続信頼性を与えている。

なお、第２絶縁層２３６の厚さは５μｍ以上が良い。これは、５μｍ以下では、十分に応力を吸収することができないからである。他方、厚さは２５０μｍ以下であることが望ましい。これは、２５０μｍよりも厚いと、半導体チップ３０と基板９０との接続信頼性が低下するからである。

引き続き、図２〜図５を参照して本実施形態に係る半導体チップ３０の製造方法について説明する。
ここでは、図２の工程（Ａ）に示すパッシベーション膜３４の開口にアルミニウム電極パッド３２が形成された半導体チップ３０に対して、以下の工程で銅めっきポストおよびバンプを形成する。先ず、図２の工程（Ｂ）に示すように半導体チップ３０を常温で１０〜３０秒間、金属塩である酸化亜鉛と還元剤として水酸化ナトリウムを混合した液中に浸漬することで、アルミニウム電極パッド３２にジンケート処理を施す。これにより、ニッケルめっき層或いは複合めっき層の析出を容易ならしめる。

引き続き、図２の工程（Ｃ）に示すように、半導体チップ３０をニッケル無電解めっき液中に浸けて、アルミニウム電極パッド３２の表面にニッケルめっき層３８を析出させる。なお、このニッケルめっき層を形成する工程は省略しても後述する複合めっき層をアルミニウム電極パッド３２に直接形成することも可能である。

そして、図２の工程（Ｄ）に示すように、該半導体チップ３０を、ニッケル−銅の複合めっき液に浸漬し、ニッケルめっき層３８の上に０．０１〜５μｍのニッケル−銅の複合めっき層４０を形成する。この複合めっき層をニッケルが１〜６０重量％、残部を主として銅とすることで、アルミニウム電極パッドに複合めっき層を形成できるようにするのに加えて、表面に銅めっきを容易に形成できるようにする。また、複合めっき層の厚さを０．０１μｍ以上にすることで、表面に銅めっきを形成することが可能になる。他方、５μｍ以下にすることで、短時間で析出することができる。

次に、図３の工程（Ｅ）に示すように絶縁樹脂を塗布する。
この絶縁樹脂としては、本実施形態では、レーザー加工により非貫通孔を形成するため、熱硬化性のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を用いる。化学的な処理により非貫通孔を形成する場合には、感光性のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を使用することができる。次に、図３の工程（Ｆ）に示すように乾燥処理を行った後、レーザにより第１非貫通孔１３６ａを形成する。そしてさらに、加熱処理してアルミニウム電極パッド３２に至る非貫通孔１３６ａを有する第１絶縁層１３６を形成する。

次に、図３の工程（Ｇ）に示すように、第１非貫通孔１３６ａ内に銅めっきを充填してビア４２を形成すると共に、第１絶縁層１３６上に再配線層４６を形成する。これらは、無電解めっきにより形成する。

次に、図３の工程（Ｈ）に示すようにシリカフィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、乾燥処理を行い絶縁膜２３６Ａを形成する。ここで、シリカフィラを７５vol％程度混合するとで、上述したように絶縁膜２３６Ａの熱膨張率を７ｐｐｍにしている。そして、図４の工程（Ｉ）に示すように、シリカフィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、乾燥処理を行い絶縁膜２３６Ｂを形成する。ここで、シリカフィラを６７vol％程度混合するとで、上述したように絶縁膜２３６Ａの熱膨張率を１１ｐｐｍにしている。

引き続き、図４の工程（Ｊ）に示すようにレーザにより再配線層４６へ至る非貫通孔を穿設し、図４の工程（Ｋ）に示すように表面の粗化処理を行った後に、加熱することで第２の非貫通孔２３６ａを有する第２絶縁層２３６を形成する。本実施形態では、レーザで非貫通孔を形成するため、絶縁層として感光性以外でも種々の材質の樹脂を用いることができる。

次に、図４の工程（Ｍ）に示すように、半導体チップ３０を無電解めっき液に浸漬し、第２絶縁層２３６の第２の非貫通孔２３６ａ内を銅で充填して、銅めっきポスト４６を形成する。

次に、図５の工程（Ｎ）に示すように、第２絶縁層２３６の表面に均一に無電解めっきを施した後、銅めっきポスト４６の周囲を除きパターンエッチングすることで、当該銅めっきポストに金属膜４８を付加する。

引き続き、工程（Ｏ）に示すようにソルダーレジストとなる樹脂を塗布した後、金属膜４６の上にエッチングにより開口を設け、加熱して開口部５２ａを有するソルダーレジスト層５２を形成する。

その後、工程（Ｐ）に示すように開口部５２ａ内に半田を印刷した後、リフローを行い半田バンプ５４を形成する。なお、バンプの高さとしては、３〜６０μｍが望ましい。この理由は、３μｍ未満では、バンプの変形により、バンプの高さのばらつきを許容することができず、また、６０μｍを越えると、バンプが溶融した際に横方向に拡がってショートの原因となる。

半導体チップ３０のバンプ５４と基板９０のパッド９２が対応するように、半導体チップ３０を載置させて、リフローすることにより、図１に示すように半導体チップ３０を基板９０に取り付ける。なお、この実施形態では、絶縁層１３６が２枚の絶縁膜からなったが、３層以上の絶縁膜を熱膨張率に傾斜を付けて配置することも可能である。また、図１に示す構造で、第１絶縁層１３６と、第２絶縁層２３６の絶縁膜２３６Ａと絶縁膜２３６Ｂとで、熱膨張率に傾斜を付けるように設定することも可能である。

引き続き、本発明の第２実施形態に係る半導体チップ及び半導体チップの製造方法について図を参照して説明する。
図６は本発明の第２実施形態に係る半導体チップを示している。上述した第１実施形態では、第２絶縁層２３６を２層構造とし、半導体チップ側の絶縁膜と基板側の絶縁膜とで熱膨張率を異ならしめた。これに対して、第２実施形態では、第２絶縁層２３６は一層であるが、当該第２絶縁層２３６の熱膨張率が、半導体チップ側を相対的に低く、外部基板側を相対的に高くなるように傾斜を付けてある。これにより、半導体チップと外部基板との熱膨張差により発生する応力を吸収させる。また、第１実施形態では、第２絶縁層２３６に形成されるビア（銅めっきポスト）４６は、銅を充填してなるが、第２実施形態のビア１４６は、内部に弾性を有する樹脂１４７を充填してなる。

引き続き、図７を参照して第２実施形態に係る半導体チップ３０の製造方法について説明する。
先ず、半導体チップ３０に第１絶縁層１３６、ビア４２及び再配線層４４を形成する工程については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。この半導体チップの第１絶縁層１３６の上に、工程（Ａ）に示すようにシリカフィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、２４時間放置し、シリカフィラを沈降させる。これにより、上述したように第２絶縁層２３６の熱膨張率が、半導体チップ側は相対的に低く、外部基板側は相対的に高くなるように傾斜を付ける。

次に、工程（Ｂ）に示すようにレーザにより再配線層４４へ至る非貫通孔を穿設し、表面の粗化処理を行った後に、加熱することで第２の非貫通孔２３６ａを有する第２絶縁層２３６を形成する。

工程（Ｃ）に示すように非貫通孔２３６ａ内に無電解銅めっきによりビア１４６を形成し、該ビア１４６の内部に、銅フィラの添加された熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂のフィラを充填する。その後、加熱して、該ビア１４６内に弾性樹脂１４７を形成する。半導体チップ３０を無電解銅めっき液に浸漬し、ビア１４６の開口に蓋めっき１４８を形成する。ここで、該ビア１４６に充填された弾性樹脂１４７は、上述したように銅フィラを含むため、容易に蓋めっき１４８を形成することができる。

工程（Ｄ）にて、第１実施形態と同様に蓋めっき１４８の表面にバンプ（突起状導体）５４を形成する。このバンプの高さとしては、３〜６０μｍが望ましい。この理由は、３μｍ未満では、バンプの変形により、バンプの高さのばらつきを許容することができず、また、６０μｍを越えると、バンプが溶融した際に横方向に拡がってショートの原因となる。

引き続き、本発明の第３実施形態に係る半導体チップ及び半導体チップの製造方法について図を参照して説明する。
図８は本発明の第３実施形態に係る半導体チップを示している。上述した第１実施形態、第２実施形態では、第１絶縁層３６と第２絶縁層１３６との２層からなったが、この第３実施形態では、１層の絶縁層３６のみからなる。但し、該絶縁層３６は、熱膨張率の異なる３層の絶縁膜３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃから成る。また、第１、第２実施形態では、再配線層４４により配線を取り回したが、第３実施形態では、電極パッド３２に直接銅めっきポスト２４６を形成してある。

この第３実施形態では、３層からなる絶縁膜３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃにおいて、半導体チップ側の絶縁膜３６Ａの熱膨張率を相対的に低く、中間の絶縁膜３６Ｂを中程度に、外部基板側の絶縁膜３６Ｂを相対的に高く設定してある。また、半導体チップ側の絶縁膜３６Ａの弾性率を相対的に高く、中間の絶縁膜３６Ｂを低く、外部基板側の絶縁膜３６Ｂを相対的に高く設定してある。これにより、半導体チップ３０の動作時に生じる熱によって半導体チップ３０と基板９０との間に発生する応力を、熱膨張率及び弾性率の異なる絶縁膜３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃによりそれぞれ吸収させ、半導体チップ３０と基板９０との間に高い接続信頼性を与えている。

引き続き、図９〜図１１を参照して第３実施形態に係る半導体チップ３０の製造方法について説明する。
図９に示す工程（Ａ）のように、半導体チップにシリカフィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、乾燥処理を行い絶縁膜３６Ａを形成する。ここで、シリカフィラの量を多くするとで、上述したように絶縁膜３６Ａの熱膨張率を相対的に低くしている。

工程（Ｂ）のように、半導体チップにシリカフィラ及びＳｉゴム系フィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、乾燥処理を行い絶縁膜３６Ｂを形成する。ここで、シリカフィラにＳｉゴム系フィラを加えることで、上述したように絶縁膜３６Ｂの熱膨張率を中程度に調整すると共に弾性率を高めている。

工程（Ｃ）に示すように、シリカフィラを添加した熱硬化性のエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を塗布してから、乾燥処理を行い絶縁膜３６Ｃを形成する。ここで、シリカフィラの量を減らすことで、上述したように絶縁膜３６Ｃの熱膨張率を相対的に高くしている。

引き続き、図９の工程（Ｄ）に示すようにレーザにより再配線層４６へ至る非貫通孔を穿設し、表面の粗化処理を行った後に、加熱することで非貫通孔３６ａを有する絶縁層３６を形成する。

次に、アルミニウム電極パッド３２の表面にニッケルめっき層或いはニッケルと銅との複合めっき層の析出を容易ならしめるジンケート処理を施す。このジンケート処理としては、例えば、半導体チップ３０を常温で１０〜３０秒間、金属塩である酸化亜鉛と還元剤としての水酸化ナトリウムの混合液中に浸漬することにより行うことができる。

引き続き、図１０の工程（Ｅ）に示すように、半導体チップ３０をニッケル無電解めっき液中に浸けて、アルミニウム電極パッド３２の表面にニッケルめっき層３８を析出させる。なお、このニッケルめっき層を形成する工程は省略しても後述する複合めっき層をアルミニウム電極パッド３２に直接形成することも可能である。

そして、図１０の工程（Ｆ）に示すように、該半導体チップ３０を、ニッケル−銅の複合めっき液に浸漬し、ニッケルめっき層３８の上に０．０１〜５μｍのニッケル−銅の複合めっき層４０を形成する。

次に、図３の工程（Ｇ）に示すように、非貫通孔３６ａ内に銅めっきポスト２４６を形成する。このめっきは、無電解めっきにより行う。

引き続き、図１１の工程（Ｈ）にて、銅めっきポスト２４６の表面にバンプ（突起状導体）を形成する。バンプ１５４は、例えば、導電性ペーストを所定位置に開口の設けられたメタルマスクを用いてスクリーン印刷する方法、低融点金属である半田ペーストを印刷する方法、半田めっきを行う方法、あるいは半田溶融液に浸漬する方法により形成することができる。低融点金属としては、Ｐｂ−Ｓｎ系半田、Ａｇ−Ｓｎ系半田、インジウム半田等を使用することができる。

最後に、工程（Ｉ）に示すように、該絶縁層３６のバンプ１５４側の表面全面に樹脂を塗布して、乾燥し、未硬化樹脂からなる接着剤層５６を形成する。

接着剤層５６は、有機系接着剤からなることが望ましく、有機系接着剤としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、熱硬化型ポリフェノレンエーテル（ＰＰＥ： Polyphenylen ether）、エポキシ樹脂と熱可塑性樹脂との複合樹脂、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂との複合樹脂、ＢＴレジンから選ばれる少なくとも１種の樹脂であることが望ましい。

有機系接着剤である未硬化樹脂の塗布方法は、カーテンコータ、スピンコータ、ロールコータ、スプレーコート、スクリーン印刷などを使用できる。また、接着剤層の形成は、接着剤シートをラミネートすることによってもできる。接着剤層の厚さは、５〜５０μm が望ましい。接着剤層は、取扱が容易になるため、予備硬化（プレキュア）しておくことが好ましい。

工程（Ｊ）に示すように、半導体チップ３０と基板９０とを、熱プレスを用いて加熱し加圧プレスすることにより、半導体チップ３０と基板９０とを接着する。ここでは、先ず、加圧されることで、該半導体チップ３０のバンプ１５４が、該バンプ１５４と基板９０のパッド９２との間に介在している未硬化の接着剤（絶縁性樹脂）を周囲に押し出し、該バンプ１５４がパッド９２と当接し両者の接続を取る。更に、加圧と同時に加熱されることで、接着剤層５６が硬化し、半導体チップ３０と基板９０との間で強固な接着が行われる。なお、熱プレスとしては、真空熱プレスを用いることが好適である。これにより図８を参照して上述した半導体チップ３０の基板９０への取り付けが完成する。

３０半導体チップ
３２アルミニウム電極パッド
３４パッシベーション膜
３６絶縁層
３６ａ非貫通孔
３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ絶縁膜
３８ニッケルめっき層
４０複合めっき層
４２ビア
４４再配線層
９０基板
９２パッド
２３６絶縁層
２３６Ａ、２３６Ｂ絶縁膜

Claims

電極パッド側の表面に形成された絶縁層と、該絶縁層に形成され該電極パッドを外部基板へ接続するためのビアと、が形成された半導体チップであって、
前記絶縁層が、２以上の絶縁膜からなり、半導体チップ側の絶縁膜が熱膨張率が相対的に低く、外部基板側の絶縁膜の熱膨張率が相対的に高いことを特徴とする半導体チップ。
前記半導体チップ側の絶縁膜の熱膨張率を、半導体チップの熱膨張率と外部基板の熱膨張率との中間値よりも半導体チップの熱膨張率に近い値にし、
前記外部基板側の絶縁膜の熱膨張率を、前記中間値よりも外部基板の熱膨張率に近い値にしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
電極パッド側の表面に形成された絶縁層と、該絶縁層に形成され該電極パッドを外部基板へ接続するためのビアと、が形成された半導体チップであって、
前記絶縁層の熱膨張率が、半導体チップ側は相対的に低く、外部基板側は相対的に高いことを特徴とする半導体チップ。