JP2010067711A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バンプ周辺部分の下方に形成されたトランジスタにおける特性の変動を防ぐ手段を提供する。
【解決手段】半導体装置２１は、半導体回路２を有する半導体基板１と、半導体基板上方に設けられ、半導体回路上方に位置する電極パッド３と、半導体基板１上を覆い且つ電極パッド上方に開口部４ａを有する表面保護膜４と、電極パッド３上方に設けられたバンプ５とを備える。バンプは、表面保護膜と重なることを避けて配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置、特に電極パッドの下部にトランジスタ等により構成される半導体回路等が形成された構造の半導体装置と、その製造方法とに関するものである。
半導体装置において、外部装置との電気的接合を取るためには、電極パッドを設けることが行なわれている。図４（ａ）に、従来の半導体装置１００における電極パッド周辺の断面構造の一例を示す。
図４（ａ）に示す通り、半導体装置１００において、Ｓｉ、ＧａＡｓ等からなる半導体ウェハ１０１中に半導体回路を構成するためのトランジスタ１０２が形成されている。このようなトランジスタ１０２を含む半導体装置１００と、外部装置との電気的接合を取るため、半導体装置１００には電極パッド１０３が設けられている。電極パッド１０３以外の部分について、半導体ウェハ１０１上を覆う表面保護膜１０４が設けられている。電極パッド１０３はＡｌ等、表面保護膜１０４はＳｉＮ等により形成されるのが通常である。
また、電極パッド１０３上部には、パッケージ基板を始めとする外部基板と電気的接合を取るためのバンプ１０５が形成される。通常、バンプ１０５は、Ａｕ、Ｃｕ等を材料として、めっき方式等により形成される。
図４（ｂ）は、図４（ａ）の半導体装置１００をパッケージ基板等の外部基板１０６と接合させた場合の構成について、断面の一例を示すものである。図４（ｂ）に示す通り、一般に、外部基板１０６上に形成した外部基板電極１０７とバンプ１０５とを圧着させることにより、電気的な接合を行なう。
特開２００３−２２９４５１号公報
しかしながら、図４（ａ）に示す半導体装置１００において、パッケージ基板等の外部基板１０６と接合させた場合に、特に電極パッド１０３の下方において、トランジスタ１０２の特性に変動が生じるという問題がある。トランジスタ１０２の特性の変動は半導体装置１００の性能に影響を及ぼすため、避ける必要がある。
このようなトランジスタ等の変動は、電極パッド下方を避けて半導体回路を配置することにより回避できる。しかし、半導体回路を配置できない領域が存在すると、チップの集積化に対して障害となり、チップのコストダウンを妨げることにもなる。
以上に鑑みて、本発明の目的は、半導体装置と外部基板とを接合させた際に、半導体装置に設けられたトランジスタ等が大きく変動するのを避けることができる半導体装置及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、本願発明者は、次のような検討を行なった。
図５は、従来の半導体装置１００をパッケージ基板等の外部基板１０６と接合させた場合に、各トランジスタ１０２における接合応力にる変動の分布を表すグラフである。より具体的には、Ｎチャネル型の複数のトランジスタ１０２が半導体ウェハ１０１内部にマトリクス状に形成され、その上方にＡｌからなる電極パッド１０３とハンダからなるバンプ１０５とが形成された半導体装置１００を考える。このような外部基板１０６と接合させた場合に、各Ｎチャネル型のトランジスタ１０２が接合応力によって示すＩｄｓの変動の分布を表している。
図５から、トランジスタ１０２における接合応力によるＩｄｓの変動は環状の分布を示すことが分かる。つまり、変動の大きい領域が環状に分布し、その内側では変動の小さくなった分布となる。この結果を半導体装置１００の構造及び寸法と合わせて考えると、トランジスタ１０２において変動の大きい領域は、バンプ１０５の周辺、つまり、電極パッド１０３と表面保護膜１０４とバンプ１０５とが重なる領域であることが分かる。
このことから、次のように推定される。つまり、半導体装置１００と外部基板１０６とを接合する際、バンプ１０５の中央部分下方については、硬度の低いバンプ１０５、電極パッド１０３のみが位置しているために、接合応力がトランジスタ１０２には伝わり難い（矢印１１０によりこの領域における弱い接合応力を示している）。このため、該領域についてはトランジスタ１０２の変動は小さい。しかし、バンプ１０５の周辺部分下方については、硬度の高い表面保護膜１０４が位置しているために、接合応力がトランジスタ１０２に伝わりやすい（矢印１１１によりこの領域における強い接合応力を示している）。このため、該領域においてトランジスタ１０２に変動が大きくなる。
このような知見に基づき、本発明に係る半導体装置は、半導体回路を有する半導体基板と、半導体基板上方に設けられ、半導体回路上方に位置する電極パッドと、半導体基板上を覆い且つ電極パッド上方に開口部を有する表面保護膜と、電極パッド上方に設けられたバンプとを備え、バンプは、表面保護膜と重なる位置を避けて配置されている。
本発明の半導体装置によると、半導体基板の主面に垂直な方向について、表面保護膜とバンプとが重なることが無いようになっている。表面保護膜は、バンプ及び電極パッドに比べて硬度が高いために、バンプ及び電極パッドよりも応力を伝えやすい。そこで、表面保護膜に設けられた開口部にバンプを配置し、半導体基板に設けられた半導体回路とバンプとの間には表面保護膜が配置されない構造とする。これにより、半導体装置を外部基板に接続した際に、電極パッド下方の部分の半導体回路に加わる応力は小さくなる。
以上の結果、半導体回路を構成するトランジスタ等について変動を小さくすることができる。更に、電極パッド下方に半導体回路を配置することが可能となるために、チップの集積化及びそれによるチップのコストダウンも実現することができる。
尚、電極パッド上に金属層を備え、バンプは、金属層上に設けられ、バンプの面積は、金属層の面積以下であることが好ましい。
金属層を設けることにより、半導体装置の組み立て時における鉛直下方向の応力を緩和することができる。また、金属層よりも面積の小さいバンプとすることにより、バンプと表面保護膜とが鉛直方向に重なるのをより確実に避けることができる。
また、金属層の膜厚は、表面保護膜の膜厚以下であることが好ましい。
金属層の膜厚を表面保護膜の膜厚よりも大きくした場合、金属層と表面保護膜とが鉛直方向に重なる可能性がある。これを避けるために、金属層の膜厚は表面保護膜の膜厚以下とするのが良い。
また、開口部上を除く表面保護膜上に、表面保護膜よりも厚い厚膜表面保護膜を備え、バンプは、厚膜表面保護膜と重なる位置も避けて設けられていることが好ましい。
厚膜表面保護膜を設けることにより、金属層の膜厚を大きくすることができ、組み立て時の鉛直下方向の応力を緩和する効果が大きくなる。また、厚膜表面保護膜についても、表面保護膜の開口部上に同様に開口させて、バンプとは重なることがないようにする。これにより、やはり半導体回路に加わる応力を小さくすることができ、トランジスタ等の変動を抑制することができる。
また、金属層の膜厚は、表面保護膜と厚膜表面保護膜とを合わせた膜厚以下であることが好ましい。
これにより、金属層と表面保護膜及び御厚膜表面保護膜とが重なるのを避けることができる。
また、金属層は、めっき層であることが好ましい。更に、めっき層は、無電解めっき層であることが好ましい。金属層の例として、このような層を挙げることができる。
また、本発明のいずれか一つの半導体装置をチップとし、該チップを外部基板にフリップ接合させることが望ましい。バンプ下方のトランジスタにおける変動を抑制する本発明の効果が実現する構造として、例えばこのようにしても良い。
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に半導体回路を形成する工程（ａ）と、半導体基板上方に、半導体基板上方に位置する電極パッドを形成する工程（ｂ）と、半導体基板上に、電極パッド上に開口部を有する表面保護膜を形成する工程（ｃ）と、電極パッド上方に、バンプを設ける工程（ｄ）とを備え、工程（ｄ）において、バンプは、表面保護膜と重なることを避けて開口部内に配置する。
このようにすると、表面保護膜とバンプとが重なるのを避けて半導体装置を製造することができる。つまり、半導体回路中のトランジスタ等の応力による変動を抑えた本発明の半導体装置を製造することができる。
尚、工程（ｃ）の後で且つ工程（ｄ）の前に、電極パッド上に金属層を形成する工程を更に備え、工程（ｄ）において、バンプは、金属層上に形成し、バンプの面積は、金属層の面積以下とすることが好ましい。
また、工程（ｃ）の後で且つ工程（ｄ）の前に、表面保護膜上に表面保護膜よりも厚い厚膜表面保護膜を形成する工程を更に備え、工程（ｄ）において、バンプは、厚膜表面保護膜と重なることも避けて形成することが好ましい。
このようにすると、それぞれ、金属層及び厚膜表面保護膜を更に備える本発明の半導体装置を製造することができる。
本発明の半導体装置及びその製造方法によると、バンプの下方には、硬度の高い表面保護膜が配置されていない構造となる。このため、半導体装置を外部基板に接合した場合にも、接合応力が電極パッド下方のトランジスタには伝わりにくくなり、トランジスタが大きく変動するのを避けることができる。更に、トランジスタ等の変動を避けるために電極パッド下方には半導体回路を配置できないという従来の制限が解消し、その結果チップの集積化及びそれによるコストダウンも実現する。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法、特に、電極パッド３の下方にトランジスタ等により構成された半導体回路を備える半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置２０、特に電極パッド周辺の構造とその製造方法について説明する模式的な断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、半導体ウェハ１を準備する。ここで、半導体ウェハ１は、Ｓｉ、ＧａＡｓ等からなるウェハ上に半導体回路を構成するトランジスタ２等を形成し、その上を覆う絶縁膜等（個別の図示はしていない）を形成した状態のものである。
次に、トランジスタ２等により構成された半導体回路と、外部装置（図示省略）との電気的接合を取るための電極パッド３を形成する。材料としては、例えばＡｌを用いる。
次に、半導体ウェハ１上を覆い且つ電極パッド３上に開口部４ａを有する表面保護膜４を形成する。これは、ＳｉＮ等の材料により、例えば１μｍ程度の膜厚に形成する。
更に、表面保護膜４上に、表面保護膜４よりも厚い２〜５μｍ程度の膜厚を有する厚膜表面保護膜８を形成する。ここで、厚膜表面保護膜８には、表面保護膜４の開口部４ａ上に合わせて開口部８ａを設ける。
次に、図１（ｂ）に示すように、電極パッド３上の開口部４ａ及び開口部８ａに、無電解めっき層９を形成する。これは、例えばＮｉ及びＡｕを用い、厚膜表面保護膜８と同等か又はそれより小さい膜厚に形成する。例えば、表面保護膜４が膜厚１μｍ程度、厚膜表面保護膜８が膜厚３μｍ程度であるとするとき、無電解めっき層９については膜厚３〜４μｍ程度に形成する。
次に、図１（ｃ）に示すように、無電解めっき層９上にバンプ５を形成する。該バンプ５は、例えば、めっき方式、印刷方式等により形成すれば良い。また、バンプ５の面積（半導体ウェハ１の主面に垂直な方向から見た際の面積）が、その下方に位置する無電解めっき層９の面積と同等であるか又はそれより小さいようにする。これにより、バンプ５が表面保護膜４と重なるのを防ぐことができる。
このようにして、トランジスタ２等により構成される半導体回路と外部装置とを接続するための電極パッド３を有する本実施形態の半導体装置２０が製造される。
更に、以上のようにして製造した半導体装置２０を、パッケージ基板等の外部基板６と接合した構造（断面）の一例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）のように、通常、外部基板６上に形成した外部基板電極７とバンプ５とを圧着させることにより電気的な接続を行なう。
従来の構造（図４（ｂ）を参照）の場合、半導体装置１００と外部基板１０６とを接合させると、バンプ１０５周辺部分の下方には硬度の高い表面保護膜１０４が位置している。このため、接合応力がトランジスタ１０２に伝わりやすく、トランジスタ１０２が大きく変動するおそれがあった。
これに対し、図３（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置２０の場合、バンプ５の下方には硬度の高い表面保護膜４が位置しないようになっているため、外部基板電極７とバンプ５との接合による接合応力１０は分散され、トランジスタ２には伝わりにくい。このため、トランジスタ２における大きな変動が防止されている。
このことから、トランジスタ２等からなる半導体回路の機能が安定する。また、従来、変動を避けるために、バンプ１０５下方にはトランジスタ１０２を配置しないという方法が取られていたが、そのようなことも不要となる。つまり、本実施形態の半導体装置２０の場合、接合応力に起因して変動するおそれ無しにバンプ５の下方にトランジスタ２を配置することができ、半導体装置（チップ）の集積化の向上及びそれによるコストダウンを実現することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法、特に、電極パッドの下方にトランジスタ等により構成された半導体回路を備える半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置２１、特に電極パッド３周辺の構造とその製造方法について説明する模式的な断面図である。
まず、図２（ａ）に示す構造を形成する。これは、第１の実施形態における図１（ａ）に示す構造から、厚膜表面保護膜８を除いた構造である。つまり、Ｓｉ、ＧａＡｓ等からなる半導体ウェハ１中にトランジスタ２が設けられ、半導体回路が構成されている。該半導体回路と外部装置との電気的接合のために、半導体ウェハ１上にはＡｌ等からなる電極パッド３が設けられている。更に、半導体ウェハ１上を覆い且つ電極パッド３上に開口部４ａを有する表面保護膜４が、ＳｉＮ等の材料により、例えば１μｍ程度の膜厚に形成されている。
次に、図２（ｂ）に示すように、電極パッド３上において表面保護膜４の開口部４ａに無電解めっき層９を形成する。これは、通常Ｎｉ及びＡｕにより形成される。また、無電解めっき層９の膜厚は、表面保護膜４の膜厚と同等か又はそれより小さいものとする。例えば、表面保護膜４が膜厚１μｍ程度であれば、無電解めっき層９は膜厚０．５〜１μｍ程度とする。
次に、図２（ｃ）に示すように、無電解めっき層９上にバンプ５を形成する。該バンプ５は、めっき方式、印刷方式等により形成すればよい。また、バンプ５の面積は、無電解めっき層９の面積と同等か又はそれより小さいものとする。図２（ｃ）の場合は、無電解めっき層９よりも面積の小さいバンプ５を形成している。
このようにして、本実施形態の半導体装置２１が製造される。更に、該半導体装置２１を、パッケージ基板等の外部基板６と接合した構造の例を図３（ｂ）に示す。この場合も、第１の実施形態の場合（図３（ａ））と同様に、外部基板電極７とバンプ５とを圧着させることにより電気的な接続を行なっている。
図３（ｂ）に示す通り、本実施形態の半導体装置２１の場合も、バンプ５の下方には硬度の高い表面保護膜４が位置しない構造になっている。このため、外部基板電極７とバンプ５との接合応力１０は分散され、トランジスタ２には伝わりにくい。
以上のようなことから、電極パッド３の下方にトランジスタ２を形成したとしても接合応力による変動は防がれており、半導体装置２１の機能向上、集積化の向上及びコストダウンを実現することができる。
尚、第１の実施形態及び第２の実施形態において、無電解めっき層９を形成しているが、無電解めっきには限らず、他のめっき方法を用いためっき層としても良い。更には、めっき以外の方法によって金属層を形成しても良い。
本発明によると、電極パッド下方にトランジスタを形成した場合にもその変動を防ぐことができるため、特に電極パッドの下方にトランジスタを含む半導体回路を備える半導体装置及びその製造方法として有用である。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法を説明する模式的な断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法を説明する模式的な断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１及び第２の実施形態の半導体装置を外部基板と接合した構造を示す図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体装置及び該従来の半導体装置を外部基板と接合した構造を示す図である。 図５は、従来の半導体装置を外部基板と接合した場合に、各トランジスタに生じる変動の分布を示すグラフである。
符号の説明
１ 半導体ウェハ
２ トランジスタ
３ 電極パッド
３ 膜厚
４ 表面保護膜
４ａ 開口部
５ バンプ
６ 外部基板
７ 外部基板電極
８ 厚膜表面保護膜
８ａ 開口部
９ 層
１０ 接合応力
２０ 半導体装置
２１ 半導体装置

Claims (11)

  1. 半導体回路を有する半導体基板と、
    前記半導体基板上方に設けられ、前記半導体回路上方に位置する電極パッドと、
    前記半導体基板上を覆い且つ前記電極パッド上方に開口部を有する表面保護膜と、
    前記電極パッド上方に設けられたバンプとを備え、
    前記バンプは、前記表面保護膜と重なる位置を避けて配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記電極パッド上に金属層を備え、
    前記バンプは、前記金属層上に設けられ、
    前記バンプの面積は、前記金属層の面積以下であることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２において、
    前記金属層の膜厚は、前記表面保護膜の膜厚以下であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１又は２において、
    前記開口部上を除く前記表面保護膜上に、前記表面保護膜よりも厚い厚膜表面保護膜を備え、
    前記バンプは、前記厚膜表面保護膜と重なる位置も避けて設けられていることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４において、
    前記金属層の膜厚は、前記表面保護膜と前記厚膜表面保護膜とを合わせた膜厚以下であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
    前記金属層は、めっき層であることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項６において、前記めっき層は、無電解めっき層であることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか一つの半導体装置をチップとし、
    前記チップを外部基板にフリップ接合させたことを特徴とする半導体装置。
  9. 半導体基板に半導体回路を形成する工程（ａ）と、
    前記半導体基板上方に、前記半導体基板上方に位置する電極パッドを形成する工程（ｂ）と、
    前記半導体基板上に、前記電極パッド上に開口部を有する表面保護膜を形成する工程（ｃ）と、
    前記電極パッド上方に、バンプを設ける工程（ｄ）とを備え、
    工程（ｄ）において、前記バンプは、前記表面保護膜と重なることを避けて前記開口部内に配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 請求項９において、
    前記工程（ｃ）の後で且つ前記工程（ｄ）の前に、前記電極パッド上に金属層を形成する工程を更に備え、
    前記工程（ｄ）において、前記バンプは、前記金属層上に形成し、
    前記バンプの面積は、前記金属層の面積以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 請求項９又は１０において、
    前記工程（ｃ）の後で且つ前記工程（ｄ）の前に、前記表面保護膜上に前記表面保護膜よりも厚い厚膜表面保護膜を形成する工程を更に備え、
    前記工程（ｄ）において、前記バンプは、前記厚膜表面保護膜と重なることも避けて形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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