JP3681571B2

JP3681571B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3681571B2
Application number: JP10842799A
Authority: JP
Inventors: 英生三浦; 朝雄西村; 俊夫宮本; 英樹田中
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000299343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだバンプを素子表面に直接搭載してプリント基板と接続する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップをプリント基板に高密度実装する方法として、はんだバンプを使用する方法が広く採用されている。このような例としてＣＳＰ構造がある。このＣＳＰ構造では、はんだ実装が２００度程度の高温で行われることから、主として高分子からなるプリント基板と、主としてシリコンからなる半導体チップとの熱膨張係数差に起因して、はんだ中に発生する熱ひずみが増大し、はんだの接続寿命が低下するという問題があった。
【０００３】
このため、例えば、特開平９−２６０５３３号公報に記載されているように、半導体素子面側に応力緩和層を形成し、はんだのひずみを低減してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、環境問題に対応するため、はんだ材料から鉛を除去する傾向にあり、はんだ材料は従来の鉛系はんだから、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料に変更されようとしている。
【０００５】
しかし、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料は、従来の鉛ベースはんだと比較すると、硬くて脆いという性質を有している。半導体素子表面の金属配線材料として使用されるアルミニウムあるいは銅系合金材料は、はんだ中の錫等と反応するため、はんだと金属配線と間の反応を防止するため、はんだボールと金属配線との間には拡散防止層と呼ばれる導電層が形成される場合が多い。
【０００６】
この拡散防止層材料としてはニッケル、タングステン、銅、金等の金属材料あるいはこれらの合金あるいは複数材料からなる多層構造が使用されることが多い。しかし、ニッケル、タングステン等の材料は金属材料の中では硬くて脆いという性質があることから、高い応力が発生すると割れやすい。一旦、拡散防止層に割れが入ると、はんだと金属配線との間の反応が生じて接触抵抗が高抵抗化したり、大気中の水分を吸湿して金属配線が腐食してしまうという不良の発生原因となる。
【０００７】
はんだ材料が、従来の低応力で塑性変形してしまう鉛系はんだから剛性の高い鉛フリー系はんだに変更されると、はんだと直接接する拡散防止層や金属配線層の歪み（応力）は増加する傾向にあり、膜の割れや剥離という不良が発生する場合が生じるという問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる半導体装置を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
（１）半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置において、最大開口寸法が１００ミクロン以下であり、内部端面の傾斜角度が７０°以下である開口を有し、上記半導体チップの半導体素子形成面に形成される絶縁膜と、上記絶縁膜上及び上記絶縁膜の開口内部に形成され、上記鉛フリーはんだに接し、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と、を備え、上記鉛フリーはんだは、上記拡散防止層を介して、半導体素子形成面に形成された金属配線と接する。
【００１１】
（２）半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置において、上記半導体素子形成面に形成された金属配線上に形成され、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と、最大開口寸法が１００ミクロン以下であり、内部端面の傾斜角度が７０°以下である開口を有し、上記拡散防止層上に形成される絶縁膜と、を備え、上記鉛フリーはんだは、上記絶縁膜の開口を介して拡散防止層に接し、この拡散防止層を介して上記金属配線と接する。
【００１２】
（３）好ましくは、上記（１）又は（２）において、上記絶縁膜の開口寸法は、５０ミクロン以下である。
【００１４】
上述した構成において、具体的には金属配線上に形成した絶縁膜を局所的に除去し、金属配線が露出した部分と絶縁膜端を覆うように拡散防止層を形成する。
【００１５】
この場合、露出した金属配線開口部が矩形の場合には１辺の長さが少なくとも１００ミクロン以下とし、円形の場合は直径が１００ミクロン以下となるようにする。拡散防止膜の上に鉛フリーはんだを搭載し、プリント基板に実装する。拡散防止層と金属配線間の接合面積を大きくしたい場合には上記構造を複数近接させて配列する。
【００１６】
この場合、上記拡散防止層は連続的につながっていることが好ましいが、分割されていてもかまわない。この複合構造の上に各はんだを搭載する。なお、絶縁膜端部の形状は垂直（９０度）よりも７０度以下のテーパが形成されていることが好ましい。これにより、開口部内部端面を覆う拡散防止層に発生する応力集中が緩和され、端面における拡散防止層の割れを防止することができる。
【００１７】
さらに、拡散防止層は必ずしも絶縁膜上に形成する必要はない。すなわち、金属配線上に拡散防止層を直接形成した後、表面を絶縁膜で覆い、はんだ搭載領域のみ絶縁膜を除去する。この場合、開口部形状は既に述べた形状とする。ただし、はんだと拡散防止層の接触面積を大きくしたい場合は、開口部を複数隣接させ、１個のはんだの下に複数の開口部があってもかまわない。
【００１８】
また、開口部における絶縁膜端部形状はやはり垂直よりも７０度以下のテーパ形状となっていることが好ましい。これにより、絶縁膜端部近傍におけるはんだ内の応力集中を緩和することができ、はんだの接続寿命向上を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付図面を参照して以下に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態である半導体装置の全体概略断面構造図であり、図２は図１の半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。なお、はんだ材料には、地球環境の保護を目的として、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系はんだ材料を使用している。
【００２０】
本発明の第１の実施形態においては、半導体素子（半導体チップ）１を形成した半導体チップの素子形成表面側に、金属配線（Ｃｕ配線）７と絶縁膜６、８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的に除去され、露出した金属７表面および絶縁膜８端部近傍の表面がはんだの金属配線への拡散を防止する拡散防止層（ＵｎｄｅｒＢｕｍｐＭｅｔａｌ）９で覆われている。２は表面配線と絶縁膜、３ははんだボール、４は実装基板、５はチップ配線（Ａｌパッド）である。
【００２１】
なお、この拡散防止層９は、はんだボール３と金属配線７と間の電気的接続を確保するため、導電姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の場合はニッケル、クロム、タングステン、金等材料からなる合金あるいは積層構造であることが好ましい。
【００２２】
なお、拡散防止層９は、金属材料である必然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が確保できる材料であれば高分子系材料でもかまわない。また、絶縁膜６と絶縁膜８は同一材料であっても構わないし、異なる材料であっても構わない。
【００２３】
図３は、図２の部分拡大図であり、金属配線７、絶縁膜８、拡散防止層９、はんだボール３の配置部分を示す図である。図３において、局所的に除去された絶縁膜８の形状は、複数の開口部からなり、各開口部寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下の数十ミクロン（好ましくは５０ミクロン以下）となるように加工してある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μｍ、好ましくは、１０〜２０μｍ程度である。
【００２４】
この絶縁膜８の分割された開口部は、はんだ３と接合される拡散防止層９あるいはその下部に存在する金属配線７あるいは絶縁膜８、６の割れを防止するために形成されている。
【００２５】
すなわち、はんだ材料と上記各材料との間に熱膨張係数差が存在すると、温度環境の変化により各材料内に熱応力（歪み）が発生する。その材質が、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系はんだは、従来の鉛系はんだと比較すると、硬いため、上記材質内に発生する応力が増加する。この場合、応力は熱膨張あるいは熱収縮に起因して発生するので、異種材質間の接合面積あるいは長さが大きくなるほど増加する。
【００２６】
応力が異種材質間の接合面積あるいは長さが大きくなるほど増加する状況を、図４を参照して説明する。
図４は、はんだと拡散防止層との接合部分を矩形平面と仮定し、その矩形の一辺の長さを横軸とし、縦軸は半導体装置の信頼性試験温度範囲、例えば、−５５℃から１５０℃において発生する最大応力を示し、拡散防止層の強度で規格化している。この図４から明らかなように、拡散防止層内に発生する応力は、開口寸法（接触寸法）が大きくなるほど単調に増加し、１００ミクロンを超えると膜の破壊限界（Ｃｒｉｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓ）を超える。
【００２７】
したがって、拡散防止層９の破壊を防止するためには、拡散防止層９とはんだとが同一平面上で連続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると、好ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
【００２８】
ただし、開口面積をあまり小さくすると、はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加するため、接触抵抗の低減を図るためには、図３に示したように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよい。
【００２９】
さらに、開口部が複数あることで、はんだボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成されるため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
【００３０】
以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる半導体装置を実現することができる。
【００３１】
つまり、本発明の第１の実施形態によれば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下のはんだ拡散防止層９あるいは金属配線７あるいは絶縁膜６、８の割れを防止でき、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという効果がある。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態９を図５、図６を参照して説明する。
この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態と、はんだバンプ３の下の絶縁膜８の端面形状のみが異なるだけなので、図５、図６を使用して相違点のみを述べる。図５に示すように、この第２の実施形態では、絶縁膜８の開口部の内部端面に、配線パッド７の面からみて７０度のテーパを形成している。
【００３３】
なお、この開口部内部端面の傾斜角度は７０度以下であればかまわない。この傾斜角度の大きさの差異による効果を図６を使用して説明する。
ここで、拡散防止層９は絶縁膜８の開口部端を覆うように形成するため、開口部端では端面に沿った形状となる。
【００３４】
このため、はんだボール３と拡散防止層９の材料間で発生する熱応力は、拡散防止層９の段差の角部に集中し、拡散防止層９が割れる場合がある。この応力集中と端面形状（テーパ角度）との関係をまとめたものが図６で、テーパ角度を７０度以下とすることで応力集中が緩和されることがわかる。これにより、拡散防止層９の割れを防止できる効果がある。
【００３５】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を図１、図４、図７及び図８を参照して説明する。
図７は第３の実施形態である半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図であり、図８は、図７の部分拡大図である。
【００３７】
本発明の第３の実施形態においては、第１、第２の実施形態と同様に、はんだ材料には、地球環境の保護を目的として、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ等からなる鉛フリー系はんだ材料を使用している。また、この第３の実施形態において、半導体素子を形成した半導体チップ１の素子形成表面側に、金属配線７と絶縁膜８が形成され、はんだ搭載部では絶縁膜８が局所的に除去され、露出した金属７表面がはんだボール３の金属配線７への拡散を防止する拡散防止層９で覆われている。
【００３８】
なお、この拡散防止層９は、はんだボール３と金属配線７との間の電気的接続を確保するため、導電姓材料である必要がある。拡散防止層９が金属材料の場合は、ニッケル、クロム、タングステン、金等の材料からなる合金あるいは積層構造であることが好ましい。
【００３９】
なお、拡散防止層９の材質は、金属材料である必然性はなく、はんだ材料の拡散の防止と導電性が確保できる材質であれば、高分子系材料でも構わない。さらに、図中にも示したように、拡散防止層９は、金属配線７の最表面層として金属配線７と一体に形成しても構わない。また、絶縁膜６と絶縁膜８とは同一材料であっても構わないし、異なる材質でも構わない。
【００４０】
局所的に除去された絶縁膜８の開口形状は、図８に示したように、複数の開口部からなり、各開口部寸法ｗが最大でも１００ミクロン以下となるように加工してある。また、絶縁膜８の厚みｔは、１〜２０μｍ程度、好ましくは、１０〜２０μｍ程度である。
【００４１】
この絶縁膜８の分割された開口部は、はんだボール３と接合される拡散防止層９あるいはその下部に存在する金属配線７あるいは絶縁膜６、８の割れを防止するために行っている。
【００４２】
この第３の実施形態においても、図４に示した関係から、拡散防止層９の破壊を防止するためには、拡散防止層９とはんだボール３とが同一平面上で連続的に接する領域の寸法を１００ミクロン以下とする必要があるが、量産における加工ばらつきを考慮すると好ましくは５０ミクロン以下としなければならない。
【００４３】
ただし、開口面積をあまり小さくすると、はんだボール３と金属配線７との間の接触抵抗が増加するため、接触抵抗の低減を図るためには、図８に示したように複数の開口部を互いに隣接させて形成すればよい。
【００４４】
さらに、開口部が複数あることで、はんだボール３と拡散防止層９との接合界面に段差が形成されるため、この界面近傍ではんだボール３の層内に亀裂が進展する場合、この段差が亀裂進展の妨げとなり、接続寿命の向上を図ることができるという効果も得られる。
【００４５】
以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を、図９を参照して説明する。
この第４の実施形態では、上記第３の実施形態とはんだバンプ３下の絶縁膜８の端面形状のみが異なるだけなので、図９を使用して相違点のみを述べる。
【００４７】
この第４の実施形態では、絶縁膜８の開口部の内部端面に７０度のテーパを形成している。なお、この角度は７０度以下であればかまわない。この形状制御の効果を第６図を使用して説明する。
【００４８】
はんだ材料は絶縁膜８の開口部内部端面を覆うように形成するため、開口部内部端面では端面の段差に沿った形状となる。このため、はんだバンプ（はんだボール）３と絶縁膜８との間で発生する熱応力は、この段差の角部に集中し、はんだバンプ３内にクラックが発生しやすくなる。
【００４９】
この場合、上述した第２の実施形態と同様に、テーパ角度を７０度以下とすることで応力集中が緩和される。これにより、はんだバンプ３内のクラック発生を抑制して、はんだバンプ３の寿命を向上することができるという効果がある。
【００５０】
以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる半導体装置を実現することができる。
【００５１】
すなわち、本発明の第４の実施形態によれば、鉛フリーはんだを使用して半導体チップをプリント基板に実装した半導体装置において、はんだバンプ３下のはんだ拡散防止９層あるいは金属配線７あるいは絶縁膜６、８の割れを防止でき、さらにはんだバンプ３内のクラック発生を抑制してはんだバンプ３の寿命を向上でき、半導体装置の信頼性向上を図ることができるという効果がある。
【００５２】
なお、上述した例においては、鉛フリーはんだの例として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系材料を用いるものとしたが、これに限らず、鉛を用いていなければ、その他の材料を使用するものでもよい。例えば、Ｓｎ−Ａｇを主体とする鉛フリーはんだも使用可能である。
【００５３】
また、上述した例においては、絶縁膜８の開口部の形状を矩形としたが、矩形に限らず、円形等のその他の形状とすることができる。この場合、開口部寸法ｗは、その開口部の最大寸法となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、鉛フリーはんだを搭載して半導体チップとプリント基板間を電気的に接続する半導体装置において、はんだ直下の拡散防止層、金属配線又は絶縁膜の割れや剥離の発生を抑制することができる半導体装置を実現することができる。
これにより、半導体装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である半導体装置の全体概略断面構造図である。
【図２】図１の半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】本発明のはんだ接続部の開口寸法と応力との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態である半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図６】本発明の絶縁膜端部角度と応力との関係を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態である半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態である半導体装置のはんだ接続部近傍の拡大断面図である。
【符号の説明】
１半導体素子
２表面配線と絶縁膜
３はんだバンプ
４実装基板
５チップ配線
６絶縁膜
７金属配線
８絶縁膜
９拡散防止層

Claims

半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置において、
最大開口寸法が１００ミクロン以下であり、内部端面の傾斜角度が７０°以下である開口を有し、上記半導体チップの半導体素子形成面に形成される絶縁膜と、
上記絶縁膜上及び上記絶縁膜の開口内部に形成され、上記鉛フリーはんだに接し、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と、
を備え、上記鉛フリーはんだは、上記拡散防止層を介して、半導体素子形成面に形成された金属配線と接することを特徴とする半導体装置。
半導体素子を形成した半導体チップが鉛フリーはんだでプリント基板に電気的に接続される半導体装置において、
上記半導体素子形成面に形成された金属配線上に形成され、はんだ材料の拡散を防止する拡散防止層と、
最大開口寸法が１００ミクロン以下であり、内部端面の傾斜角度が７０°以下である開口を有し、上記拡散防止層上に形成される絶縁膜と、
を備え、上記鉛フリーはんだは、上記絶縁膜の開口を介して拡散防止層に接し、この拡散防止層を介して上記金属配線と接することを特徴とする半導体装置。
請求項１又は２記載の半導体装置において、上記絶縁膜の開口寸法は、５０ミクロン以下であることを特徴とする半導体装置。