JP2011044496A - 半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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- H01L2224/13005—Structure
- H01L2224/13007—Bump connector smaller than the underlying bonding area, e.g. than the under bump metallisation [UBM]
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Abstract
【課題】バンプ及びアンダーバリアメタル等の界面全体において、接合強度を向上させることにより、信頼性が高い半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置を得られるようにする。
【解決手段】半導体デバイスは、基板5の上に形成された電極パッド4と、基板5及び電極パッド4の上に形成され、電極パッド4を露出する第1の開口部を有する第1の保護膜3と、電極パッド4の上に、第1の保護膜3における第1の開口部の周縁部を覆うように形成されたアンダーバリアメタル2と、アンダーバリアメタル2の上に形成されたバンプ6とを備えている。アンダーバリアメタル2の周縁部におけるアンダーバリアメタル2と第1の保護膜3との接触角は90°以下とし、バンプ6の周縁部におけるバンプ6とアンダーバリアメタル2との接触角は90°以下とする。
【選択図】図1
【解決手段】半導体デバイスは、基板5の上に形成された電極パッド4と、基板5及び電極パッド4の上に形成され、電極パッド4を露出する第1の開口部を有する第1の保護膜3と、電極パッド4の上に、第1の保護膜3における第1の開口部の周縁部を覆うように形成されたアンダーバリアメタル2と、アンダーバリアメタル2の上に形成されたバンプ6とを備えている。アンダーバリアメタル2の周縁部におけるアンダーバリアメタル2と第1の保護膜3との接触角は90°以下とし、バンプ6の周縁部におけるバンプ6とアンダーバリアメタル2との接触角は90°以下とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置に関し、特に、アンダーバリアメタル及びバンプを備える半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置に関する。
半導体装置の実装技術の分野では、チップサイズパッケージ(Chip Size Package:CSP)及びフリップチップ等のように、基板にバンプ電極を形成することが行われている。一般に、バンプ電極は、パッシベーション膜、バンプが接合されるアンダーバリアメタル(Under Barrier Metal:UBM)及び基板の最表面を保護する保護膜等を備えている。バンプをUBMの上に形成する代表的な方法は、印刷方式、めっき方式及びバンプ材料搭載法等がある。UBM及びバンプとそれぞれの下地膜との接合強度を向上させることは、半導体装置の信頼性の向上のために重要である。
UBMの剥がれ及びこれに付随するバンプの信頼性の低下を避けるバンプ電極の構造が、例えば特許文献1等に提示されている。
従来のバンプ電極の構造において、基板の上には、第1の開口部を有し且つ無機材料からなる第1の絶縁膜及び第1の開口部と対応する位置に第2の開口部を有し且つ有機材料からなる第2の絶縁膜が順次形成されている。基板の上における第1の開口部及び第2の開口部にUBMが形成され、UBMは第1の絶縁膜の上に達し、UBMの周縁部は第2の絶縁膜の上に位置する。UBMの上にはバンプが形成されている。ここで、第1の開口部を決定する第1の絶縁膜の周縁部及び第2の開口部を決定する第2の絶縁膜の周縁部はスロープを有し、第1の開口部を決定する第1の絶縁膜の周縁部のスロープは、45°以下の角度をもって傾斜するように形成されている。このようにすると、UBMが部分的に薄くなったり、段差部分においてUBMが割れたりするといった問題を回避できて、バンプを備える半導体装置の信頼性を確保することができる。
前記従来技術において、UBMの内周部からの破壊を防ぐことによりバンプの接合信頼性を向上させる手段が提案されているものの、UBM及びバンプの周縁部からの破壊を防ぐ手段については提案されていない。このため、その効果は極めて限定的な範囲であり、従来技術により信頼性が高い半導体デバイスを得ることは困難である。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、その目的は、バンプ及びUBM等の界面全体において、接合強度を向上させることにより、信頼性が高い半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、半導体デバイスを、アンダーバリアメタルの周縁部におけるアンダーバリアメタルと保護膜との接触角は90°以下である構成とする。
具体的に、本発明に係る第1の半導体デバイスは、基板の上に形成された電極パッドと、基板及び電極パッドの上に形成され、電極パッドを露出する第1の開口部を有する第1の保護膜と、電極パッドの上に、第1の保護膜における第1の開口部の周縁部を覆うように形成されたアンダーバリアメタルと、アンダーバリアメタルの上に形成されたバンプとを備え、アンダーバリアメタルの周縁部におけるアンダーバリアメタルと第1の保護膜との接触角は90°以下であり、バンプの周縁部におけるバンプとアンダーバリアメタルとの接触角は90°以下であることを特徴とする。
本発明に係る第1の半導体デバイスによると、アンダーバリアメタルの周縁部におけるアンダーバリアメタルと第1の保護膜との接触角は90°以下であり、バンプの周縁部におけるバンプとアンダーバリアメタルとの接触角は90°以下である。このため、アンダーバリアメタル及びバンプとそれぞれの下地膜との間にかかる応力集中を緩和することができるため、アンダーバリアメタル及びバンプとそれぞれの下地膜との剥離を防ぐことができるので、信頼性が高い半導体デバイスを得ることができる。
本発明に係る第1の半導体デバイスにおいて、第1の保護膜における第1の開口部の外径は、電極パッドの外径以下であることが好ましい。
このようにすると、電極パッド及び保護膜等の膜が半導体デバイスから剥離することを防ぐことができる。
本発明に係る第1の半導体デバイスは、第1の保護膜の上に形成され、第1の保護膜の第1の開口部を含む位置に第2の開口部を有する第2の保護膜をさらに備えていてもよい。
本発明に係る第2の半導体デバイスは、基板の上に形成された電極パッドと、基板及び電極パッドの上に形成され、電極パッドを露出する第1の開口部を有する第1の保護膜と、第1の保護膜の上に形成され、第1の保護膜の第1の開口部を含む位置に第2の開口部を有する第2の保護膜と、電極パッドの上に、第1の保護膜の第1の開口部及び第2の保護膜の第2の開口部の各周縁部をそれぞれ覆うように形成されたアンダーバリアメタルと、アンダーバリアメタルの上に形成されたバンプとを備え、アンダーバリアメタルの周縁部におけるアンダーバリアメタルと第2の保護膜との接触角は90°以下であり、バンプの周縁部におけるバンプとアンダーバリアメタルとの接触角は90°以下であることを特徴とする。
本発明に係る第2の半導体デバイスによると、アンダーバリアメタルの周縁部におけるアンダーバリアメタルと第2の保護膜との接触角は90°以下であり、バンプの周縁部におけるバンプとアンダーバリアメタルとの接触角は90°以下である。このため、アンダーバリアメタル及びバンプとそれぞれの下地膜との間にかかる応力集中を緩和することができるため、アンダーバリアメタル及びバンプ等の剥離を防ぐことができるので、信頼性が高い半導体デバイスを得ることができる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスにおいて、第2の保護膜における第2の開口部の外径は、電極パッドの外径以下であることが好ましい。
このようにすると、電極パッド及び保護膜等の膜が半導体デバイスから剥離することを防ぐことができる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスにおいて、第2の保護膜は、ポリイミドからなることが好ましい。
このようにすると、電極パッド、アンダーバリアメタル及びバンプ等の各層が半導体デバイスから剥離することを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスにおいて、第1の保護膜は、窒化ケイ素からなることが好ましい。
このようにすると、電極パッド、アンダーバリアメタル及びバンプ等の各層が半導体デバイスから剥離することを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスは、バンプの平面形状は、円形であることが好ましい。
このようにすると、平面形状が四角形等の角部を有するバンプと比較し、一点に応力が集中することを避けることができるため、バンプ等が半導体デバイスから剥離することを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスは、アンダーバリアメタルの平面形状は、円形であることが好ましい。
このようにすると、平面形状が四角形等の角部を有するアンダーバリアメタルと比較し、一点に応力が集中することを避けることができるため、アンダーバリアメタル等が半導体デバイスから剥離することを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る第1の半導体デバイス及び第2の半導体デバイスにおいて、電極パッドは、格子状に配列されていることが好ましい。
このようにすると、バンプを狭ピッチで且つ多数配列することができる。
本発明に係る半導体装置は、上記の半導体デバイスのうちのいずれかと、その半導体デバイスがフリップチップ実装された実装基板とを備えていることを特徴とする。
本発明に係る半導体装置によると、上記の半導体デバイスのうちのいずれかをフリップチップ実装しているため、バンプを実装形態の高密度化に対応させることができるので、信頼性が高い半導体装置を得ることができる。
本発明に係る半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置によると、アンダーバリアメタル及びバンプとそれぞれの下地膜との接合強度を向上できるため、信頼性が高い半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体デバイスについて、図1〜図4を参照しながら説明する。
図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る半導体デバイスにおいて、半導体基板5の上に電極パッド4が形成されている。また、半導体基板5及び電極パッド4の周縁部を覆うように、例えば窒化ケイ素(Si3N4)からなる第1の保護膜3が形成され、第1の保護膜3は、電極パッド4を露出する開口部を有している。第1の保護膜3の上には、例えばポリイミドからなる第2の保護膜1が形成され、第2の保護膜1は、電極パッド4を露出する開口部を有している。電極パッド4の上には、第1の保護膜3における開口部の周縁部を覆うようにアンダーバリアメタル(UBM)2が形成されている。UBM2の上には、バンプ6が形成されている。
UBM2の周縁部におけるUBM2と第1の保護膜3との接触角は90°以下であり、バンプ6の周縁部におけるバンプ6とUBM2との接触角も90°以下である。
バンプ6の周縁部におけるバンプ6とUBM2との接触角において、図2(a)に示すように、バンプ6の周縁部がUBM2の基板面と平行な上面の上に位置する場合は、図中のθ1が90°以下であればよい。一方、図2(b)に示すように、バンプ6の周縁部がUBM2の側面の上に位置する場合は、図中のθ2が90°以下であればよい。この際、第1の保護膜3とUBM2との接触角と、θ2との和が90°以下となるようにθ2を決定すればなおよい。
一般に、材料の断面形状が大きく変化する部分において、破断強さ及び疲れ強さが著しく減少するノッチ効果という現象が起こることが知られている。本実施形態に係る半導体デバイスによると、UBM2及びバンプ6を上記のように接触角が90°以下となるように形成することにより、UBM2及びバンプ6とそれぞれの下地膜との間にかかる応力集中を緩和することが可能となるため、UBM2及びバンプ6がそれぞれの下地膜から剥離することを防ぐことができる。また、Si3N4からなる第1の保護膜3の上にポリイミドからなる第2の保護膜1が形成されることにより、物理的な押さえ込み効果が高まり、電極パッド4及びUBM2等の各層が半導体デバイスから剥離することをさらに抑制することができる。
本実施形態においては、第2の保護膜1が形成されているが、第2の保護膜1が形成されていなくても本発明の目的を達成することができる。
最表膜である第2の保護膜1の開口部の外径は、電極パッド4の外径以下であることが好ましい。このようにすると、バンプ6の周辺構造の強度が増大する。例えば、バンプ6、UBM2及び電極パッド4の接合強度が比較的に強固であっても、それらのさらに下に超低誘電率(extreme low-k:ELK)膜等の脆弱膜が設けられていると、横方向又は縦方向からの応力の印加時にバンプ6、UBM2及び電極パッド4が一体となって半導体デバイスから剥離するおそれがある。このような破壊を防止するために、最表膜である第2の保護膜1の開口部の外径が電極パッド4の外径内に収まる形状に形成することが望ましい。ここで、第2の保護膜1が形成されていない場合は、第1の保護膜3の開口部の外径が電極パッド4の外径以下であることが好ましい。
バンプ6は、図1(a)に示すように、平面形状を円形とすることが好ましい。このようにすると、平面形状が四角形等の角部を有するバンプ6と比較して、一点に応力が集中することを避けることができるため、バンプ6がUBM2から剥離することを防ぐことが可能となる。
同様に、UBM2は平面形状を円形とすることが好ましい。このようにすると、平面形状が四角形等の角部を有するUBM2と比較し、一点に応力が集中することを避けることができるため、UBM2が電極パッド4及び第1の保護膜3から剥離することを防ぐことが可能となる。
図3に示すように、UBM2は、第1の保護膜3のみでなく第2の保護膜1における開口部の周縁部を覆うように形成されていてもよい。このようにすると、UBM2の下地膜(第2の保護膜1)との密着性が向上するため、UBM2が電極パッド4及び第1の保護膜3から剥離することを防ぐ効果が増大する。
図4に示すように、半導体基板5の上に複数の電極パッド4を格子状に配列し、それぞれの電極パッド4に上記のように、第1の保護膜3、第2の保護膜1、UBM2及びバンプ6を形成してもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図5を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、実装基板に、図4に示す半導体デバイスをフリップチップ実装することにより形成されている。
具体的には、図5に示すように、実装基板7の上面に、本実施形態の半導体デバイスがバンプ形成面側を下に向けて設けられている。ここで、実装基板7は、バンプ6と接合している。
本発明の一実施形態に係る半導体装置によると、半導体デバイスを実装形態の高密度化に対応しながら応用できる半導体装置を得ることができる。
本実施形態に係る半導体デバイスは、例えば、以下のように形成することができる。
半導体基板5のバンプ形成面側の上にアルミニウム等からなる電極パッド4を形成し、半導体基板5のバンプ形成面及び電極パッド4を覆うようにSi3N4等からなる第1の保護膜3を形成する。続いて、第1の保護膜3を選択的に除去して電極パッド4の一部を露出する開口部を形成する。
次に、スピンナを用いて、電極パッド4及び第1の保護膜3の上に、例えばポリイミドを均一に塗布する。続いて、プリベーク(70℃で50秒、90℃で50秒及び105℃で110秒)を行い、その後に、電極パッド4と同程度の径の開口部を形成できるパターンに露光する。次に、現像前ベーク(80℃で50秒)を行い、その後に、現像及びキュア(140℃で170秒及び350℃で3600秒)を順次行うことにより、開口部を有する第2の保護膜1を形成する。なお、第2の保護膜1は、ポリイミドに代えてベンゾオキサゾール又はシリコーン系の樹脂材料等を用いてもよい。
次に、開口部に厚さが1×10−3mm〜7×10−3mm程度のUBM2を、例えば以下のように形成する。電極パッド4の表面をソフトエッチングして酸化膜を除去した後、ジンケート処理液に浸漬して亜鉛粒子を析出させ、続いて、無電解ニッケル(Ni)めっき液に浸漬して電極パッド4の上に厚さが5×10−3mm程度のNi膜を形成する。さらに、無電解金(Au)めっき液に浸漬して、Ni膜の上に厚さが5×10−5mm程度のフラッシュAuめっきを形成してもよい。
次に、UBM2の上にバンプ6を形成する。バンプ6は、ボールマウント法、めっき法又はディスペンス法等の方法により形成できる。例えば、ボールマウント法を用いる場合、UBM2と対応する位置に開口部を有する厚さが0.02mm〜0.04mm程度の金属板からなる印刷マスクを準備する。半導体基板5のバンプ形成面の全体を印刷マスクによって覆った後、ゴム製又は金属製のスキージを用いて、UBM2の表面にフラックスを印刷する。次に、UBM2と対応する位置に開口部を有する搭載マスクを用いて、フラックスが印刷されたUBM2の上にバンプ材料を設ける。次に、バンプ材料が設けられた半導体基板5を熱処理して、バンプ材料を溶融することによりバンプ材料をUBM2と接合する。上記プロセスにおいて、UBM2の上に印刷したフラックスは、バンプ材料の保持及び再溶解(リフロー)時における酸化膜の除去の2つの機能を主に有する。このため、フラックスは、ロジン系又は水溶性フラックス等を用いることができ、特にハロゲンフリータイプのロジン系フラックスを用いることが好ましい。バンプ材料は、錫、銀及び銅等のはんだ材料からなるはんだボール等が好ましいが、他の組成の材料を用いてもよい。バンプ材料の大きさは、径が0.07mm〜0.125mm程度であることが好ましく、バンプ材料が球形でない場合には、長手方向の幅と短手方向の幅との平均値が0.07mm〜0.125mm程度であることが好ましい。しかしながら、これに限定する必要は無く、リフローの後、UBM2の上に形成されるバンプ6の周縁部におけるバンプ6とUBM2との接触角が90°以下となるために必要な量の材料を準備すればよい。
本発明に係る半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置は、アンダーバリアメタル及びバンプとそれぞれの下地膜との接合強度を向上できるため、信頼性が高い半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置を得ることができ、特に、アンダーバリアメタル及びバンプを備える半導体デバイス及びそれを用いた半導体装置等に有用である。
1 第2の保護膜
2 アンダーバリアメタル(UBM)
3 第1の保護膜
4 電極パッド
5 半導体基板
6 バンプ
7 実装基板
2 アンダーバリアメタル(UBM)
3 第1の保護膜
4 電極パッド
5 半導体基板
6 バンプ
7 実装基板
Claims (11)
- 基板の上に形成された電極パッドと、
前記基板及び電極パッドの上に形成され、前記電極パッドを露出する第1の開口部を有する第1の保護膜と、
前記電極パッドの上に、前記第1の保護膜における第1の開口部の周縁部を覆うように形成されたアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタルの上に形成されたバンプとを備え、
前記アンダーバリアメタルの周縁部における前記アンダーバリアメタルと前記第1の保護膜との接触角は90°以下であり、
前記バンプの周縁部における前記バンプと前記アンダーバリアメタルとの接触角は90°以下であることを特徴とする半導体デバイス。 - 前記第1の保護膜における第1の開口部の外径は、前記電極パッドの外径以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記第1の保護膜の上に形成され、前記第1の保護膜の第1の開口部を含む位置に第2の開口部を有する第2の保護膜をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体デバイス。
- 基板の上に形成された電極パッドと、
前記基板及び電極パッドの上に形成され、前記電極パッドを露出する第1の開口部を有する第1の保護膜と、
前記第1の保護膜の上に形成され、前記第1の保護膜の第1の開口部を含む位置に第2の開口部を有する第2の保護膜と、
前記電極パッドの上に、前記第1の保護膜の第1の開口部及び第2の保護膜の第2の開口部の各周縁部をそれぞれ覆うように形成されたアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタルの上に形成されたバンプとを備え、
前記アンダーバリアメタルの周縁部における前記アンダーバリアメタルと前記第2の保護膜との接触角は90°以下であり、
前記バンプの周縁部における前記バンプと前記アンダーバリアメタルとの接触角は90°以下であることを特徴とする半導体デバイス。 - 前記第2の保護膜における第2の開口部の外径は、前記電極パッドの外径以下であることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体デバイス。
- 前記第2の保護膜は、ポリイミドからなることを特徴とする請求項3〜5のうちのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記第1の保護膜は、窒化ケイ素からなることを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記バンプの平面形状は、円形であることを特徴とする請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記アンダーバリアメタルの平面形状は、円形であることを特徴とする請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記電極パッドは、格子状に配列されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体デバイスと、
前記半導体デバイスがフリップチップ実装された実装基板とを備えていることを特徴とする半導体装置。
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