JP3649165B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの半導体素子の電極どうしをバンプにより接続した半導体装置に関するものであり、特に、バンプによる接続部の接合信頼性の向上を狙いとした半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の低コスト化及び小型化を図るために、互いに異なる機能を有する半導体チップどうしがフェースダウン方式で接合されてなる半導体装置が提案されている。
【0003】
以下、従来の半導体装置について説明する。
【0004】
図4は、従来の半導体装置を示す断面図である。
【0005】
図4に示すように、第1の半導体チップ1の内部電極2上にバリヤメタル3と半田よりなる第1のバンプ4が、また第2の半導体チップ5の内部電極6および外部電極7が、内部電極6上にNiよりなる第2のバンプ8が形成され、第1のバンプ4が第2のバンプ8を覆った状態で接合され、半田よりなる第1のバンプ4は第2の半導体チップ5の保護膜9にほとんど接していない状態で電気的に接合されている。また第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ5との間には絶縁性樹脂10が充填されており、第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ5とは第1のバンプ4、第2のバンプ8および絶縁性樹脂10によって一体化されている。
【0006】
第2の半導体チップ5はリードフレームのダイパッド11にダイボンド樹脂12により固定され、第2の半導体チップ5の外部電極7とリードフレームの外部リード13とは金属細線14を介して電気的に接続されている。第1の半導体チップ1、第2の半導体チップ5、金属細線14、ダイパッド11および外部リード13の一部は封止用樹脂15によって封止されている。
【0007】
次に、前記の半導体装置の製造方法について説明する。
【0008】
図5は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を示した断面図である。
【0009】
まず、図5(a)に示すように、第1の半導体チップ1の内部電極2に電解めっき法により半田よりなる第1のバンプ4を形成する。半田よりなる第1のバンプ4の形成については、第1の半導体チップ1のウエハ上に蒸着によりバリヤメタル3を形成した後、レジストによりバンプパターンを形成し電解半田めっきにより第1のバンプ4を形成する。そして、半田よりなる第1のバンプ4をマスクにしてバリヤメタルをウエットエッチングにより溶解除去した後、半田よりなる第1のバンプ4をリフローして半球状にする。
【0010】
また、図5(b)に示すように、第2の半導体チップ5の内部電極6に無電解めっき法によりNiよりなる第2のバンプ8を形成する。
【0011】
次に、図5(c)に示すように、第2の半導体チップ5上に絶縁性樹脂10を塗布し、接続用ツール16に真空吸着した第1の半導体チップ1の半田よりなる第1のバンプ4と第2の半導体チップ5の内部電極6上のNiよりなる第2のバンプ8を一致させる。
【0012】
次に、図6(a)に示すように、第1の半導体チップ1を第2の半導体チップ5に設置する。その後、加熱により半田よりなる第1のバンプ4を溶融させNiよりなる第2のバンプ8と接合する。
【0013】
次に、図6(b)に示すように、第2の半導体チップ5をリードフレームのダイパッド11にダイボンドし、第2の半導体チップ5の外部電極7とリードフレームの外部リード13とを金属細線14により接続し、封止用樹脂15によって封止したものである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の半導体装置は、第1の半導体チップと第2の半導体チップの接続を半田バンプを用いているため、次に示す課題があった。
【0015】
すなわち、2つの半導体チップの間に絶縁性樹脂が充填され、また、2つの半導体チップそれぞれのバンプを互いに接続する時に、熱圧着や半田バンプの溶融のために加熱することから、半導体チップと絶縁性樹脂との間で熱膨張率の差に起因した内部応力が発生し、バンプどうしの接合部に内部応力が集中して接合部が破断してしまう。
【0016】
本発明は、前記の従来の課題を解消する半導体装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、第1の半導体チップの第1の電極に形成された第1のバンプと第2の半導体チップの第2の電極に形成された第2のバンプとが接続された半導体装置であって、前記第1のバンプのサイズが前記第2のバンプのサイズより大きく、前記第2のバンプが前記第1のバンプに埋没し、前記第1のバンプが前記第2の電極の周囲に形成された保護膜の段差部を覆い、前記第2の半導体チップの表面に形成された前記保護膜に接触している。
【0018】
これにより、第1のバンプと第2の半導体チップとの間に、絶縁性樹脂が介在することがないので、バンプの溶融や絶縁性樹脂の硬化のための加熱時に発生する内部応力を低減することができ、バンプどうしの接続信頼性を向上させることができる。
【0019】
また、第1のバンプは半田からなる。
【0020】
したがって、比較的柔らかい半田からなる第1のバンプに第2のバンプが食い込んで埋没しやすくなる。
【0021】
また、半田はSnおよびAgを含む。
【0022】
これにより、Niからなる第2のバンプとの接合性を向上させることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本実施形態の半導体装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0024】
図1は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。
【0025】
図1に示すように、17は第1の半導体チップ、18は第1の半導体チップ17の保護膜、19は第1の半導体チップの内部電極、20はバリヤメタル、21は第1のバンプ、22は第2の半導体チップ、23は第2の半導体チップ22の内部電極、24は第2のバンプ、25は第2の半導体チップ22の外部電極、26は絶縁樹脂、27はダイボンド樹脂、28はリードフレームの外部リード、29はリードフレームのダイパッド、30は金属細線、31は封止樹脂を示している。
【0026】
以上のような構成の半導体装置では、第1の半導体チップ17と第2の半導体チップ22とは間隙を有した状態で、1辺が70[μm]の正方形の第1の半導体チップ17の内部電極19に膜厚がTi/Cu/Niの順で0.2/0.5/3[μm]の厚みで形成されたバリヤメタル20上に電解めっきSn−3.5Ag半田からなり、直径が50[μm]で高さが40[μm]の第1のバンプ21が形成されている。また、1辺が20[μm]の正方形の第2の半導体チップ22の内部電極23に無電解Niめっきからなり、直径が30[μm]で高さが10[μm]の第2のバンプ24が形成されている。そして、第1のバンプ21と第2のバンプ24とが電気的に接合されている。Sn−3.5Ag半田で形成された第1のバンプ21のサイズは、無電解Niめっきにより形成した第2のバンプ24のサイズよりも大きく、硬度も低いため第2のバンプ24が第1のバンプ21に食い込んでいる。また、第1のバンプ21は第2の半導体チップ22の保護膜32に接触し、内部電極23の段差部まで取囲んだ状態まで変形している。そして、第2の半導体チップ22はリードフレームのダイパッド29にダイボンド樹脂27により接着され、第2の半導体チップ22の外部電極25とリードフレームの外部リード28とが金属細線30にて接続された状態で、封止樹脂31にて封止されている。
【0027】
本実施形態の特徴的構成は、前記したように、第2の半導体チップの内部電極に形成された第2のバンプが、第1の半導体チップの内部電極にバリヤメタルを介して形成された第1のバンプに食い込んで埋没し、第1のバンプが第2の半導体チップの表面であって、内部電極の周囲に形成された保護膜にまで達して接触し、第2のバンプが形成された内部電極の周囲に形成された保護膜は、その内部電極の厚み分だけ段差を有しており、保護膜の段差部が半田からなる第1のバンプにより覆われている。
【0028】
したがって、第1のバンプと第2の半導体チップとの間に、絶縁性樹脂が介在することがないので、バンプの溶融や絶縁性樹脂の硬化のための加熱時に発生する内部応力を低減することができ、バンプどうしの接続信頼性を向上させることができる。
【0029】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【0030】
図2および図3は、本実施形態の半導体装置の製造方法の各工程について示した断面図である。
【0031】
まず、図2(a)に示すように、第1の半導体チップ17の内部電極19にSn−3.5Ag半田で形成された第1のバンプ21の形成については、第1の半導体チップ17のウエハ上に蒸着によりバリヤメタル20を膜厚0.2/0.5[μm]でTi/Cuを形成した後、30[μm]厚程度のレジストにより直径が50[μm]のバンプパターンを形成し、電解NiめっきによりNiを3[μm]めっきし、さらに電解Sn−3.5Agめっきにより25[μm]程度の厚みでめっきして第1のバンプ21を形成する。そして、NiとSn−3.5Agで形成した第1のバンプ21をマスクにしてTi/Cuで形成されたバリヤメタル20をTiは過酸化水素水、Cuは硫酸でウエットエッチングにより溶解除去し、Sn−3.5Agのめっき層をリフローして半球状にする。
【0032】
また、図2(b)に示すように、第2の半導体チップ22の内部電極23には、無電解Niめっき法によって直径が30[μm]で高さが10[μm]の第2のバンプ24を形成する。
【0033】
次に、図2(c)に示すように、第2の半導体チップ22上に第1の半導体チップ17を搭載する位置に第2の半導体チップ22の外部電極25を塞がないようにエポキシ、ポリイミド、アクリル等からなる絶縁性樹脂26を塗布し、接合用ツール33に真空吸着した第1の半導体チップ17の第1のバンプ21と第2の半導体チップ22の第2のバンプ24を一致させる。
【0034】
次に、図3(a)に示すように、接合用ツール33で加熱することにより、第1のバンプ21と第2のバンプ24により第1の半導体チップ17を第2の半導体チップ22に搭載する。この時、第1のバンプ21が内部電極23の周囲に形成された保護膜32の段差部を覆い、第2のバンプ24が第1のバンプ21に埋没するようになるまで、第1のバンプ21を変形させる。そして、200〜270[℃]の温度で、Sn−3.5Ag半田からなる第1のバンプ21を溶融させてNiからなる第2のバンプ24と接合させる。その後、絶縁性樹脂26を硬化させる。この時、第1の半導体チップ17と第2の半導体チップ22の表面間の間隙は、2[μm]から30[μm]である。
【0035】
次に、図3(b)に示すように、第1の半導体チップ17が搭載された第2の半導体チップ22をリードフレームのダイパッド29にダイボンド樹脂27で接着し、第2の半導体チップ22の外部電極25とリードフレームの外部リード28を金属細線30にて接続し、第1の半導体チップ17、第2の半導体チップ22、金属細線30およびダイパッド29を封止樹脂31で封止する。
【0036】
以上、本実施形態の半導体装置の製造方法は、第2のバンプを半田からなる第1のバンプに食い込ませ、第1のバンプが対向する第2のバンプの周囲に形成された保護膜の段差部を覆うようになるまで、半田からなる第1のバンプを変形させる。
【0037】
したがって、第1のバンプと第2の半導体チップとの間に、絶縁性樹脂が介在することがないので、バンプの溶融や絶縁性樹脂の硬化のための加熱時に発生する内部応力を低減することができ、バンプどうしの接続信頼性を向上させることができる。
【0038】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、第1のバンプと第2の半導体チップとの間に、絶縁性樹脂が介在することがないので、バンプの溶融や絶縁性樹脂の硬化のための加熱時に発生する内部応力を低減することができ、バンプどうしの接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の半導体装置を示す断面図
【図2】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図3】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図4】従来の半導体装置の断面図
【図5】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図6】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【符号の説明】
1 第1の半導体チップ
2 内部電極
3 バリヤメタル
4 第1のバンプ
5 第2の半導体チップ
6 内部電極
7 外部電極
8 第2のバンプ
9 保護膜
10 絶縁性樹脂
11 ダイパッド
12 ダイボンド樹脂
13 外部リード
14 金属細線
15 封止用樹脂
16 接続用ツール
17 第1の半導体チップ
18 保護膜
19 内部電極
20 バリヤメタル
21 第1のバンプ
22 第2の半導体チップ
23 内部電極
24 第2のバンプ
25 外部電極
26 絶縁性樹脂
27 ダイボンド樹脂
28 外部リード
29 ダイパッド
30 金属細線
31 封止樹脂
32 保護膜
33 接合用ツール
Claims (3)
- 第1の半導体チップの第1の電極に形成された第1のバンプと第2の半導体チップの第2の電極に形成された第2のバンプとが接続された半導体装置であって、前記第1のバンプのサイズが前記第2のバンプのサイズより大きく、前記第2のバンプが前記第1のバンプに埋没し、前記第1のバンプが前記第2の電極の周囲に形成された保護膜の段差部を覆い、前記第2の半導体チップの表面に形成された前記保護膜に接触していることを特徴とする半導体装置。
- 第1のバンプは半田からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半田はSnおよびAgを含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
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