JP2010171253A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップとパッケージ基板との接合部におけるアンダーバンプメタル層と絶縁膜との界面端の特異性に起因した応力集中を低減することで、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板２１上の多層配線層２２の表面に形成された複数の半導体チップ用電極パッド２３と、電極パッド２３を露出する開口を有する絶縁膜２４と、電極パッド２３上から、パッド２３に対応した開口近傍の絶縁膜２４上に至る領域まで形成された複数のアンダーバンプメタル層２５と、を具備する半導体チップ２０と、アンダーバンプメタル層２５上に形成された半田バンプ２６と、電極パッド２３に形成された複数の基板用電極パッド３２を有し、半田バンプ２６が、基板用電極パッド３２と接合している基板３１と、を備えた半導体装置であって、アンダーバンプメタル層２５の端部直下に潜り込むように絶縁膜２４に、内部が空洞の溝２７を形成する。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、電子機器等に用いられる半導体装置に関し、特に、基板上に半導体チップが表面実装された半導体装置に関する。

近年の電子機器の小型化、高性能化に伴い、半導体チップの入出力用信号ピン数は増加している。しかし一方で、半導体チップの更なる小型化が求められるようになっている。このような要求に対応した高密度実装を実現するため、半導体チップのパッケージ基板への実装方法は、従来のリードを用いたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）に代表される実装方法から、より多数の信号ピンを高密度に実装可能なフリップチップ接続などの表面実装方法へと変化している。

このようにパッケージ基板上に半導体チップが表面実装された半導体装置において、半導体チップの表面は多層配線層からなり、この多層配線層上には、格子状に複数の電極パッドが形成されている。これらの電極パッドが形成された多層配線層上には、各電極パッドが露出する開口を有する絶縁膜が形成されている。絶縁膜から露出した電極パッド上及び、開口近傍の絶縁膜上には、アンダーバンプメタル層が形成されている。一方でパッケージ基板表面には、半導体チップに格子状に形成された電極パッドの位置に対応して、格子状に電極パッドが形成されている。そして、このパッケージ基板表面に形成されたそれぞれの電極パッドと、半導体チップに形成されたアンダーバンプメタル層とを、半田バンプによって電気的に接合することで、パッケージ基板上に半導体チップが実装されている。
ところで、このような半導体装置の高密度実装化により、半導体チップ及びパッケージ基板の表面にそれぞれ形成された電極パッド及び、これらを接続する半田バンプは、微細化が進んでおり、個々の半田バンプの径は１００μｍ以下となるものまでが実現されている。しかし、このような微細化は、半田バンプの剥離や破壊による電気的接続不良をいっそう招きやすくするため、半導体装置の信頼性が低下するという問題がある。

上述した半導体装置において、このような半田バンプの剥離や破壊は、主に、半導体装置の製造プロセスや実際の動作時等の温度変化により発生する応力によるものである。すなわち、パッケージ基板と半導体チップとの熱膨張率差により、温度変化に伴い半田バンプに応力が生じるため、半田バンプの剥離や破壊が起こっている。

例えばＳｉ半導体チップの線膨張係数は３〜４ｐｐｍ／Ｋであり、一般によく用いられるＦＲ−４のようなパッケージ基板の線膨張係数はおよそ１０〜２０ｐｐｍ／Ｋである。従って、例えばパッケージ基板と半導体チップとを接合する際には２００℃以上まで加熱して、接合後に冷却するが、接合後の冷却による収縮はパッケージ基板の方が半導体チップよりも大きい。このとき、パッケージ基板と半導体チップとの熱膨張率差に起因して、半田バンプには接合面方向にせん断負荷が生じると同時にパッケージ基板には反りが発生する。さらに、半田バンプには、この反りによって接合面に直交する方向に引張り圧縮負荷が生じる。

このような熱膨張率差に起因して発生する応力は、半導体装置の動作時の発熱によっても同様に発生し、一度の負荷による応力によって不良が発生しない場合であっても、繰り返し発生する負荷による応力によって不良発生に至るケースも多い。

このような問題に対し、パッケージ基板と半導体チップとの間に樹脂を注入することにより、半田バンプの剥離や破壊を防止することができる。しかし、このような樹脂注入により、半田バンプに発生する応力は、半田バンプを介して絶縁膜にかかるため、絶縁膜の剥離や破壊が生じるという問題がある。

この絶縁膜の剥離や破壊に対し、アンダーバンプメタル層の端部から離間した周囲の絶縁膜に溝または孔を設けることで、この溝または孔が応力を吸収し、絶縁膜全体にかかる応力を緩和させる構造（特許文献１参照）が知られている。

特開２０００−１８３１０８号公報

ところで、上述したような特許文献１に係る半導体装置において、接合部は、複数の材料によって構成されている。接合部は上述のように、半導体チップ表面の電極パッドと、この電極パッドが露出する開口を有する絶縁膜と、この絶縁膜の開口近傍と電極パッド上とに形成されたアンダーバンプメタル層と、このアンダーバンプメタル層上の半田バンプと、この半田バンプを介してアンダーバンプメタル層に電気的に接続されるパッケージ基板表面の電極パッドと、からなる。このような接合部には、複数の異材界面が存在する。

このような異材界面の端部は負荷を受けた際に応力集中が生じる特異点となる。従って、上述したような温度変化によって大きな負荷が生じた際には、界面端の特異応力場による剥離や破壊が不良の一つの形態となる。以下、この界面端の特異応力場による剥離や破壊による不良について、説明する。

パッケージ基板上に半導体チップが表面実装された半導体装置において、界面端の特異性により高い応力集中を生じる場所は、アンダーバンプメタル層と絶縁膜層との界面端である。実際に生じた不良を分析した結果、アンダーバンプメタル層と絶縁膜層との界面端から絶縁膜の剥離が発生し、これにより接合部不良が発生しているケースが確認されている。また、後に説明するように、接合部の応力分布を有限要素法による解析で求めた場合にも、アンダーバンプメタル層と絶縁膜層との界面端に高い応力集中が生じることがわかっている。以上のことから従来構造において、アンダーバンプメタル層と絶縁膜層との界面端の特異応力場が接合部不良の一因であると言える。

このように、半導体装置を構成する材料の熱膨張率の差異に起因して、パッケージ基板と半導体チップとの接合部に負荷がかかり、この負荷によって接合部近傍の異材界面端に特異応力場が形成され、剥離、破壊等の不良の原因となる問題がある。

しかし、絶縁膜に設けられた溝によって絶縁膜全体にかかる応力を緩和する従来構造においても、絶縁膜に溝が形成されていない構造と変わらず、絶縁膜とアンダーバンプメタル層との界面端に高い応力集中が生じる。従って、絶縁膜に強い応力がかかる際には、この界面端から絶縁膜が剥離するという問題がある。

そこで本発明の課題は、半導体チップがパッケージ基板上に実装された半導体装置において、半導体チップとパッケージ基板との接合部におけるアンダーバンプメタル層と絶縁膜との界面端の特異性に起因した応力集中を低減することで、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

本発明の半導体装置は、半導体基板上の多層配線層の表面に格子状に形成された複数の第１の電極パッドと、前記多層配線層表面に形成され、前記複数の第１の電極パッドをそれぞれ露出する開口を有する絶縁膜と、それぞれの前記第１の電極パッド上から、これらの第１の電極パッドに対応したそれぞれの前記開口近傍の前記絶縁膜上に至る領域まで形成された複数のアンダーバンプメタル層と、を具備する半導体チップと、前記アンダーバンプメタル層上に形成された半田バンプと、前記第１の電極パッドのそれぞれに対応する箇所にそれぞれ形成された複数の第２の電極パッドを有し、前記半田バンプが、前記第２の電極パッドと接合している基板と、を備えた半導体装置であって、前記アンダーバンプメタル層の端部直下に潜り込むように前記絶縁膜に、内部が空洞の溝を形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成された多層配線層の表面に、格子状に複数の第１の電極パッドを形成する工程と、前記多層配線層表面に、前記複数の第１の電極パッドをそれぞれ露出する開口を有する絶縁膜を形成する工程と、それぞれの前記第１の電極パッド上から、これらの第１の電極パッドに対応したそれぞれの前記開口近傍の前記絶縁膜上に至る領域に、それぞれアンダーバンプメタル層を形成する工程と、これらのアンダーバンプメタル層上に、それぞれ半田バンプを形成する工程と、前記アンダーバンプメタル層の端部と離間する開口を有するレジスト層を前記絶縁膜上に形成する工程と、このレジスト層を介して、前記絶縁膜に対してウェットエッチングすることにより、前記アンダーバンプメタル層の端部直下に潜り込むような溝を形成する工程と、前記レジスト層を前記絶縁膜上から除去する工程と、によって半導体チップを形成する工程と、この前記半導体チップと、前記第１の電極パッドにそれぞれ対応する箇所にそれぞれ形成された複数の第２の電極パッドを有する基板とを、前記それぞれの半田バンプが、前記それぞれの第２の電極パッド上に配置されるように前記半導体チップの位置を調節した後、全体をリフロー処理することによって前記半田バンプと前記第２の電極パッドとを接合する工程と、を具備することを特徴とする方法である。

本発明によれば、半導体チップがパッケージ基板上に実装された半導体装置において、半導体チップとパッケージ基板との接合部におけるアンダーバンプメタル層と絶縁膜との界面端の特異性に起因した応力集中を低減することにより、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の原理を説明するための説明図である。 図１に示す構造に対応した従来構造における異材界面の端部に発生する応力の分布を示すシミュレーション結果である。 図１に示す構造に対応した本発明の構造における異材界面の端部に発生する応力の分布を示すシミュレーション結果である。 図１に示す構造に対応した本発明の構造における異材界面の端部に発生する応力の分布を示すシミュレーション結果である。 図１に示す構造に対応した従来構造における異材界面の端部に発生する応力の分布を示すシミュレーション結果である。 図１に示す構造に対応した本発明の構造における異材界面の端部に発生する応力の分布を示すシミュレーション結果である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップを示す上面図である。 図４Ａに示す破線Ａ−Ａ´に沿った部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの製造工程を説明するための部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置における半導体チップの変形例を示す図４Ｂに対応した断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置における接合部を示す部分断面図である。 第３の実施形態に係る半導体装置における半導体チップを示す上面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の変形例を示す上面図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の変形例を示す上面図である。

初めに、本発明の原理について、図面を参照して説明する。

図１に示すような２種の異なる材料Ａ１１と材料Ｂ１２とによって界面１３を形成している場合、その界面端１３−１は特異点となり、この特異点の近傍に特異応力場を生じさせる。線形破壊力学の理論によれば、このときの界面端１３−１近傍の特異性の強さλは、界面端１３−１からの距離ｒと、この箇所に働く応力σの関係から式（１）のように表される。

σ∝１／ｒ^λ （１）
式（１）によれば、応力σは、界面端１３−１からの距離ｒの−λ乗に比例する。λは複素数となることがあるが、その場合には虚部は特異点近傍での振動的な振る舞いを意味し、実部がその包絡線という形で特異性を記述する。このとき、振動的な振る舞いをする領域は極めて小さいため、ここでは特異性の強さとしてλの実部のみを考え、以後、λはこの実部を指すものとする。λが０以下の場合には特異性が存在しないが、λが正の場合には特異性が存在し、λが大きいほど特異性が強いことになる。すなわち、λを小さくすることで、応力集中を低減する効果が得られる。

特異性の強さλは、２つの材料のヤング率及びポアソン比のみから計算されるＤｕｎｄｅｒｓパラメータα、βと、材料Ａ１１と材料Ｂ１２との界面１３におけるそれぞれの材料の角度θ１、θ２とによって決定され、負荷の形態にはよらない。

ここで材料Ａ１１の角度θ１とは、図１に示すように、材料Ａ１１における界面端１３−１のまわりの角度をいう。同様に、材料Ｂ１２の角度θ２とは、材料Ｂ１２における界面端１３−１のまわりの角度をいう。

従って、界面１３を構成する２つの材料Ａ１１及び材料Ｂ１２のそれぞれの材料を変更しない場合、α、βは共に一定となるので、特異性の強さλは、界面端１３−１における材料Ａ１１の角度θ１と材料Ｂ１２の角度θ２によって決定される。これらのパラメータθ１、θ２と特異性の強さλは、Ｂｏｇｙの式と呼ばれる非線形方程式で関係づけられている。

上述した従来の半導体装置において、図２Ａに示すように、材料Ａ１１をアンダーバンプメタル層１１ａ、材料Ｂ１２を絶縁膜層１２ａとすると、界面端１３−１は、絶縁膜層１２ａの上のアンダーバンプメタル層１１ａの端部である。この場合、絶縁膜層１２ａとアンダーバンプ層１１ａの表面の起伏は無視すると、アンダーバンプメタル層１１ａの角度θ１はθ１≒９０度、絶縁膜層１２ａの角度θ２は、θ２≒１８０度である。ここで、アンダーバンプメタル層１１ａの材料Ａ１１として例えばＮｉ、絶縁膜層１２ａの材料Ｂ１２として例えばポリイミド、を考えた場合、Ｂｏｇｙの式から導かれる特異性の強さλは、λ≒０．５である。

なお、図２Ａは、上述した構造において、温度変化により界面１３にせん断負荷を受けた際の応力分布を示す、有限要素法による解析結果である。この図において界面端１３−１を中心とする複数の曲線は、それぞれ応力が等しい位置を結んでできた曲線であり、色が濃い箇所ほど強い応力が働いていることを示す。

以上の構造に対して、図２Ｂに示すように、アンダーバンプメタル層１１ａの端部の直下の絶縁膜層１２ａに、断面形状が矩形となるような溝１４を形成する。このとき、界面端１３−１は、アンダーバンプメタル層１１ａ下の絶縁膜層１２ａの端部である。この場合、アンダーバンプメタル層１１ａの角度θ１はθ１≒１８０度、絶縁膜層１２ａの角度θ２はθ２≒９０度である。このとき、特異性の強さλは、λ≒０．３となる。すなわち、アンダーバンプメタル層１１ａの端部直下に溝１４を形成することにより、界面端１３−１における特異性を弱くすることができる。従って、界面端１３−１での応力集中の低減が可能である。

なお、図２Ｂは、上述の絶縁膜層１２ａに溝１４を有する構造において、上述した有限要素法による解析結果である。この図２Ｂと図２Ａとを比較すると、図２Ｂに示す構造の方が、界面端１３−１近傍において、応力が強く働いていることを示す色の濃い範囲が狭くなり、かつ、その色が薄くなっていることがわかる。従って、応力集中が低減していることがわかる。これにより、絶縁膜層１２ａにおいて、アンダーバンプメタル層１１ａの端部直下に、この端部に潜り込むような溝１４を形成することによって、界面端１３−１の応力集中が実際に低減することが確認できる。

また、図２Ｃは、図２Ｂに示す矩形溝１４を形成することができない場合を想定し、界面端１３−１におけるアンダーバンプ層１１ａの角度θ１がθ１≒１８０度、絶縁膜層１２ａの角度θ２がθ２≒１３５度の場合において、上述と同様の解析を行った解析結果である。図２Ｂに示す矩形溝１４の場合と比べると、界面端１３−１近傍における色の濃い範囲が広がり、かつ、その色が濃くなっているため、応力低減効果は小さくなっているが、図２Ａに示すような溝１４がない場合と比べると、界面端１３−１の応力集中が低減する効果が現れている。

さらに、半導体チップとパッケージ基板との間にアンダーフィル樹脂が充填された場合を想定した。この場合、アンダーバンプメタル層１１ａと絶縁膜層１２ａとの界面端１３−１は、アンダーフィル樹脂１５を含めた３材料の異材界面端となるため、２材料の異材界面端に対する上述の理論をそのまま適用することはできない。しかし、図３Ａに示すように、従来構造においてアンダーフィル樹脂１５が充填された構造と、図３Ｂに示すように、絶縁膜層１２ａに溝１４が形成された構造において溝１４がアンダーフィル樹脂１５で充填された構造とにおいて、上述と同様の有限要素法により解析を行った。なお、図３Ａ、図３Ｂは、接合部がアンダーフィル樹脂１５で充填され熱負荷を受けた際のアンダーバンプメタル層１１ａと絶縁膜層１２ａとの界面端１３−１の応力分布を解析した結果であるが、溝１４の内部がアンダーフィル樹脂１５で充填された場合、溝１４の内部のアンダーフィル樹脂１５の熱膨張によって、界面端１３−１の接合面の面外方向への引張り応力が強くなることが懸念されるため、解析は、接合面の面外方向への引張り応力で行っている。

図３Ａ、図３Ｂより、アンダーバンプメタル層１１ａとアンダーフィル樹脂１５との線膨張係数差により、アンダーバンプメタル層１１ａの側面に応力集中が生じている。しかし、着目すべきアンダーバンプメタル層１１ａと絶縁膜層１２ａとの界面端１３−１の応力集中は、界面端１３−１近傍の色の濃い範囲及び、その色の濃さを比較することにより、溝１４が形成されている場合の方が小さいことが確認される。すなわち、溝１４がアンダーフィル樹脂１５で充填された場合であっても、界面端１３−１の応力集中を低減する効果を得られることがわかる。

ここで、絶縁膜層１２ａに形成される溝１４は、アンダーフィル樹脂１５中に含まれるフィラーの粒が侵入可能な寸法形状であることが望ましい。これは、フィラーが溝１４の内部に侵入することによって、温度変化の際にアンダーフィル樹脂１５が膨張収縮し、接合部に負荷を与えることを軽減することが可能になるためである。

また、絶縁膜層１２ａに形成される溝１４は、ウェットエッチングによって形成することが望ましい。これは、絶縁膜層１２ａがアモルファス構造である場合、ウェットエッチングではエッチングが等方的に進行するため、横方向へのエッチングが進行する。従って、アンダーバンプメタル層１１ａの端部の下部に潜り込むような溝１４を形成することが可能である。このとき、ウェットエッチングにより、溝１４の断面形状が円弧状になる。しかし、界面端１３−１のまわりのアンダーバンプメタル層１１ａと絶縁膜層１２ａとにおけるそれぞれの角度は、矩形溝１４の場合とほぼ変わらない。従って、界面端１３−１における大きな応力集中の低減効果を得ることができる。

以上の原理に基づき、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明の半導体装置は、後述する半導体チップが、後述するパッケージ基板上に表面実装されたものである。

（第１の実施形態）
図４Ａは、本実施形態による半導体装置を示す上面図である。また、図４Ｂは、図４Ａの破線Ａ−Ａ´に沿った構造断面図である。ただし、図４Ａにおいては、パッケージ基板及び半田バンプは省略して示している。

まずは、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、第１の実施形態に係る半導体装置が有する半導体チップについて説明する。

図４Ｂに示すように、半導体チップ２０は、半導体製造プロセスによりロジック回路やメモリ等の素子（図示せず）が形成されたＳｉ等の半導体基板２１上に、金属配線層と層間絶縁膜が積層された多層配線層２２が形成されている。多層配線層２２の表面には、複数の半導体チップ用電極パッド２３が格子状に形成されており、多層配線層２２の最上層に形成された配線は、いずれかの半導体チップ用電極パッド２３に接続されている。このような多層配線層２２の表面には、半導体チップ用電極パッド２３が露出するような開口を有する絶縁膜２４が形成されている。この絶縁膜２４は、例えばポリイミド等の耐熱性を有する材料で形成される。また、それぞれの半導体チップ用電極パッド２３上には、アンダーバンプメタル層２５が形成されている。これらのアンダーバンプメタル層２５は、その端部が絶縁膜２４を介して多層配線層２２上に形成されている。このように形成されたそれぞれのアンダーバンプメタル層２５上には、半田バンプ２６が形成されている。

このような半導体チップ２０において、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、絶縁膜２４には、それぞれのアンダーバンプメタル層２５の端部下に潜り込むように、断面が円弧状の溝２７が形成されている。すなわち、アンダーバンプメタル層２５の端部は、その全周にわたって、溝２７上に存在する。このような溝２７は、図４Ａに示すように、半導体チップ２０上に格子状に形成された全てのアンダーバンプメタル層２５の端部の全周に沿ってそれぞれ形成される。

ここで、上述の半導体チップ２０の形成方法について、図５Ａ乃至図５Ｆを参照して説明する。なお、図５Ａ乃至図５Ｆは、図４Ｂに示す断面図に対応した断面図である。

まず、図５Ａに示すように、半導体基板２１の表面に多層配線層２２が形成され、この多層配線層２２の表面に、半導体チップ用電極パッド２３が形成され、さらに多層配線層２２の表面に一様に絶縁膜２４が形成された後、フォトリソグラフィープロセスによって、この絶縁膜２４に格子状に複数の第１の開口部２４−１を形成する。続いて、スパッタリングによって、第１の開口部２４−１を有する絶縁膜２４上と半導体チップ用電極パッド２３上とに、アンダーバンプメタル層２５を形成する。

次に、図５Ｂに示すように、アンダーバンプメタル層２５上に、絶縁膜２４に形成された第１の開口部２４−１より広い開口面積を有する第２の開口部２８ａ−１を有する半田めっきのためのマスクパターン２８ａを、厚膜レジストの露光・現像によって形成する。

次に、図５Ｃに示すように、アンダーバンプメタル層２５の表面に、半田めっきのためのマスクパターン２８ａ上から電解めっきすることによって、半田めっき２９を形成する。

次に、図５Ｄに示すように、半田めっきのためのマスクパターン２８ａを除去する。続いて、半田めっき２９をマスクとして、アンダーバンプメタル層２５に対してウェットエッチングを行うことにより、絶縁膜２４上に露出したアンダーバンプメタル層２５を、絶縁膜２４上から除去する。

次に、図５Ｅに示すように、図５Ｂと同様にして、溝２７を形成するためのマスクパターン２８ｂを、半田めっき２９の側面と離間するように形成する。

次に、図５Ｆに示すように、溝２７を形成するためのマスクパターン２８ｂを用いて絶縁膜層２４に対してウェットエッチングを行うことにより、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に、アンダーバンプメタル層２５の端部下に潜り込むような断面が円弧状の溝２７を形成する。ウェットエッチングでは横方向に対してもエッチングが進む（サイドエッチ）ため、これを利用することによってアンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に、図５Ｆに示すような溝２７を形成することが可能である。

このように絶縁膜２４に溝２７を形成した後、溝２７を形成するためのマスクパターン２８ｂを除去し、アンダーバンプメタル層２５上の半田めっき２９を球状化リフローすることで、はんだバンプ２６を形成する。

以上のようにして、図４Ａ及び図４Ｂに示す半導体チップを形成することができる。

なお、上述の半導体チップの製造プロセスにおいては、電解めっき法によって半田バンプ２６を形成した。しかし、半田バンプ２６の形成方法は、蒸着法やペースト印刷法のような他のバンプ形成方法であってもよい。これらの方法により半田バンプ２６を形成した場合であっても、アンダーバンプメタル層２５を形成した後に、このアンダーバンプメタル層２５の端部と離間するように、溝２７を形成するためのマスクパターン２８ｂを形成して絶縁膜２４をエッチングすることにより、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に溝２７を形成することができる。この場合において、アンダーバンプメタル層２５上に半田バンプ２６が形成されている場合は、上述と同様に、マスクパターン２８ｂと半田バンプ２６とをマスクとして、絶縁膜２４をエッチングすればよい。また、アンダーバンプメタル層２５上に半田バンプ２６が形成されていない場合は、マスクパターン２８ｂとアンダーバンプメタル層２５とをマスクとして、絶縁膜２４をエッチングすればよい。

以上に、本実施形態の半導体装置におけるパッケージ基板３１上に実装される半導体チップ２０について説明した。次に、半導体チップ２０が実装されるパッケージ基板について、図４Ｂを参照して説明する。

図４Ｂに示すように、例えば樹脂からなるパッケージ基板３１の表面には、半導体チップ２０に格子状に形成されたそれぞれの半導体チップ用電極パッド２３に対応する箇所に、基板用電極パッド３２が、格子状に形成されている。

以上に、本実施形態の半導体装置におけるパッケージ基板３１について説明した。

次に、上述した半導体チップ２０とパッケージ基板３１とによって形成される第１の実施形態に係る半導体装置について説明する。

図４Ｂに示すように、第１の実施形態に係る半導体装置は、半導体チップ２０に形成された半田バンプ２６が、パッケージ基板３１に形成された基板用電極パッド３２上に配置されるように半導体チップ２０の位置を調節した後、全体をリフロー処理することによって半田バンプ２６と基板用電極パッド３２とを接合する。このように半導体チップ２０はパッケージ基板３１上に実装されることにより、第１の実施形態に係る半導体装置が形成される。

以上に説明した第１の実施形態に係る半導体装置は、それぞれのアンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に、断面が円弧状の溝２７が形成されている。従って、本発明の原理で述べたように、半導体チップ２０とパッケージ基板３１との接合部におけるアンダーバンプメタル層２５と絶縁膜２４との界面端において、応力が集中することを効果的に抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

なお、第１の実施形態に係る半導体装置において、半導体チップ用電極パッド２３上のアンダーバンプメタル層２５を加工する際、電解めっき法などによって、先に半田バンプ２６が形成されている場合の電池効果等の要因により、アンダーバンプメタル層２５の端部に、図６に示すように、他より膜厚が薄いアンダーカット３３が形成される場合がある。

このようにアンダーバンプメタル層２５の端部にアンダーカット３３が形成された場合であっても、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４にウェットエッチングによって溝２７を形成する場合、エッチング液はアンダーカット部にも侵入して絶縁膜２４をエッチングしていくため、溝２７の形状は図６に示すような形状となる。

このように、アンダーバンプメタル層２５の端部にアンダーカット３３が形成された場合であっても、アンダーバンプメタル層２５の端部下の絶縁膜２４に溝２７を形成することにより、上述と同様の効果を得ることが可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。

図７は、第２の実施形態に係る半導体装置において、第１の実施形態に係る半導体装置の部分断面図を示した図４Ｂに対応した断面図である。

図７に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態と比較して、パッケージ基板３１と半導体チップ２０との間に、フィラーが添加されたアンダーフィル樹脂３４が充填されていることを特徴とするものである。これに伴い、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に形成された溝２７の内部にも、アンダーフィル樹脂３４が充填されている。このとき、溝２７は、フィラーが進入可能な形状に形成されている。

この溝２７に充填されるアンダーフィル樹脂３４としては、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いることができる。エポキシ樹脂は単体で高い線膨張係数を持つため、このようなアンダーフィル樹脂３４を充填することは、温度変化時に接合部に対して接合面に直交する方向に圧縮引張り負荷を生じるという弊害を生じる。従って、アンダーフィル樹脂３４に例えばシリカ等のフィラーを添加することで、圧縮引張り負荷を緩和している。

このように、第２の実施形態に係る半導体装置は、アンダーバンプメタル層２３の端部直下の絶縁膜２４に溝２７が形成されており、さらにこの溝２７を含めたパッケージ基板３１と半導体チップ２０との間には、フィラーが添加されたアンダーフィル樹脂３４が充填されている。このとき、溝２７は、フィラーが侵入可能な形状であるため、溝２７の内部にも、アンダーフィル樹脂３４が充填される。従って、本発明の原理で述べたように、半導体チップ２０とパッケージ基板３１との接合部におけるアンダーバンプメタル層２５と絶縁膜２４との界面端に応力が集中することを効果的に抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、溝２７をフィラー粒が侵入可能な形状としているため、溝２７を充填するアンダーフィル樹脂３４による膨張収縮の影響も軽減することが可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。

図８は、パッケージ基板３１上に実装される半導体チップ２０を示す上面図である。ただし、半田バンプ２６は省略している。

図８に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態と比較して、絶縁膜２４に形成される溝２７が、アンダーバンプメタル層２５の端部に沿った一部のみに形成されることを特徴とするものである。

具体的には、図８に示すように、絶縁膜２４上において、半導体チップ２０の中心とそれぞれのアンダーバンプメタル層２５の中心とを結ぶ直線Ｘ上に位置するアンダーバンプメタル層２５の端部直下に、潜り込むような溝２７が形成されている。

これは、半導体チップ２０とパッケージ基板３１との熱膨張率差に起因して接合部に発生する応力は、直線Ｘに沿って半導体チップ２０の中心から外部に向かう方向に働くためである。したがって、このように応力が働く向きに対応して、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の一部の絶縁膜２４に溝２７を形成することにより、上述と同様の効果を得ることができる。

以上に、本発明の実施形態について説明した。しかし、実施形態は、上述した半導体装置に限定されるものではない。

例えば、図９Ａに示すように、第１の実施形態に係る半導体装置において、アンダーバンプメタル層２５の端部直下の絶縁膜２４に形成される溝２７は、半導体チップ２０の四隅及びその周辺の接合部のみに形成されていてもよい。また、このように溝２７を半導体チップ２０の四隅及びその周辺の接合部のみに形成することは、図９Ｂに示すように、第３の実施形態に係る半導体装置に対して適用してもよい。

これらは、複数の接合部の中で、半導体チップ２０とパッケージ基板３１との線膨張係数差による負荷が大きく生じる半導体チップ２０の四隅及びその周辺の接合部のみに、上述したような溝２７を形成したものである。

なお、上述した各実施形態においては、半導体チップ２０の四隅及び、それぞれの隅に形成された接合部に隣接する２箇所の接合部のみに溝２７を形成したが、実施の形態はこれに限定されるものではなく、少なくとも半導体チップ２０の四隅の接合部に溝２７が形成されればよい。

さらに、上述の各実施形態において、半導体チップ２０とパッケージ基板３１との接合部の数は、各実施形態においては説明の便宜上少数だけを図示しているが、実際には１チップで数千以上の接合部を有するものであり、本発明の適用対象を限定するものではない。

また、上述の各実施形態においては、アンダーバンプメタル層２５は一層であったが、多層であってもよい。

１１・・・材料Ａ、１１ａ・・・アンダーバンプメタル層、１２・・・材料Ｂ、１２ａ・・・絶縁膜層、１３・・・界面、１３−１・・・界面端、１４・・・溝、１５・・・アンダーフィル樹脂、２１・・・半導体基板、２２・・・多層配線層、２３・・・半導体チップ用電極パッド、２４・・・絶縁膜、２４−１・・・第１の開口部、２５・・・アンダーバンプメタル層、２６・・・半田バンプ、２７・・・溝、２８ａ・・・半田めっきのためのマスクパターン、２８ａ−１・・・第２の開口部、２８ｂ・・・溝を形成するためのマスクパターン、２９・・・半田めっき、３１・・・パッケージ基板、３２・・・基板用電極パッド、３３・・・アンダーカット、３４・・・アンダーフィル樹脂。

Claims (5)

1. 半導体基板上の多層配線層の表面に格子状に形成された複数の第１の電極パッドと、
   前記多層配線層表面に形成され、前記複数の第１の電極パッドをそれぞれ露出する開口を有する絶縁膜と、
   それぞれの前記第１の電極パッド上から、これらの第１の電極パッドに対応したそれぞれの前記開口近傍の前記絶縁膜上に至る領域まで形成された複数のアンダーバンプメタル層と、
   を具備する半導体チップと、
   前記アンダーバンプメタル層上に形成された半田バンプと、
   前記第１の電極パッドのそれぞれに対応する箇所にそれぞれ形成された複数の第２の電極パッドを有し、前記半田バンプが、前記第２の電極パッドと接合している基板と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記アンダーバンプメタル層の端部直下に潜り込むように前記絶縁膜に、内部が空洞の溝を形成したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体チップと前記基板の間及び前記溝の内部は、フィラーが添加されたエポキシ系の樹脂で充填さ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。
3. 前記溝は、前記半導体チップの中心と、それぞれの前記アンダーバンプメタル層の中心とを結ぶ直線上に位置する前記アンダーバンプメタル層の端部直下の前記絶縁膜に潜り込むように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記溝は、少なくとも前記半導体チップの４隅の前記半田バンプに対応する前記絶縁膜に形成されることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体装置。
5. 半導体基板に形成された多層配線層の表面に、格子状に複数の第１の電極パッドを形成する工程と、
   前記多層配線層表面に、前記複数の第１の電極パッドをそれぞれ露出する開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
   それぞれの前記第１の電極パッド上から、これらの第１の電極パッドに対応したそれぞれの前記開口近傍の前記絶縁膜上に至る領域に、それぞれアンダーバンプメタル層を形成する工程と、
   これらのアンダーバンプメタル層上に、それぞれ半田バンプを形成する工程と、
   前記アンダーバンプメタル層の端部と離間する開口を有するレジスト層を前記絶縁膜上に形成する工程と、
   このレジスト層を介して、前記絶縁膜に対してウェットエッチングすることにより、前記アンダーバンプメタル層の端部直下に潜り込むような溝を形成する工程と、
   前記レジスト層を前記絶縁膜上から除去する工程と、
   によって半導体チップを形成する工程と、
   この前記半導体チップと、前記第１の電極パッドにそれぞれ対応する箇所にそれぞれ形成された複数の第２の電極パッドを有する基板とを、前記それぞれの半田バンプが、前記それぞれの第２の電極パッド上に配置されるように前記半導体チップの位置を調節した後、全体をリフロー処理することによって前記半田バンプと前記第２の電極パッドとを接合する工程と、
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。