JP3996045B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板や半導体素子等の外部電極間を電気的に接続するための半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置は、半導体素子と異方性導電フィルムとを一体的に接合した構造で、素子の外部電極である各パッドに、フィルムの導通路の端部を接合させ、フィルムを介して外部と接続していた。なお、この異方性導電フィルムは、絶縁性樹脂からなるフィルム基板中に金属導線が互いに絶縁された状態で、かつ該フィルム基板を厚み方向に貫通した状態で、導通路として複数設けられた構造であった(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000‐286293号公報(第1頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置は、絶縁性フィルム基板の厚み方向に設けられた金属性の導通路により半導体装置のパッドと外部との電気的接続を行っていたため、異方性導電フィルムの導通路とパッドやこの導通路と外部との電気的な接合面積が小さく、半導体装置のパッドと外部とが導電不良になる問題があった。また、導電不良にならないまでも、半導体装置のパッドと導通路、あるいは導通路と外部の接触抵抗が大きくなり、伝送信号劣化等の問題が生じる場合もあった。一方、半導体装置と外部間に荷重をかけて半導体装置のパッドと導通路、および導通路と外部との接触圧力をあげることによりこれらの間の導通性を高めることはできるが、この場合、この荷重により半導体装置の外部電極下地層である層間絶縁膜が割れるという問題があった。
【0005】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、外部電極間の接続による外部電極下地層の割れが起こりにくく、導電性の良い半導体装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された第一の金属層と、この第一の金属層上に形成されるとともにこの第一の金属層と電気的に接続され、かつ導電体と弾性体とが交互に配列された第一の緩衝層と、この第一の緩衝層上に形成され、かつこの第一の緩衝層と電気的に接続された第二の金属層を備え、前記弾性体のヤング率が、前記第一の金属層、および前記導電体、および前記第二の金属層のヤング率より小さく、前記第二の金属層上に形成され、この第二の金属層と電気的に接続されるとともに導電体と弾性体とが交互に配列された第二の緩衝層と、この第二の緩衝層上に形成され、かつこの第二の緩衝層と電気的に接続された第三の金属層を備え、前記第二の緩衝層の主面に垂直な方向において前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体とが互いに重ならない位置に、前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体が配置されることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による外部電極接続子を示す断面図(a)、およびそのI-I断面図(b)である。この図に示すように、外部電極接続子1は、金等の第一の金属層2aと、金等の導電体3aとポリイミドやゴム等の弾性体4aを交互に配列した第一の緩衝層5aと、金等の第二の金属層2bをこの順に重ね合わせた構造である。なお、第一の金属層2aと導電体3a、および導電体3aと第二の金属層2bは導電状態になっている。また、弾性体4aのヤング率は、第一の金属層2a、および導電体3a、および第二の金属層2bのヤング率より小さい。
【0008】
図2は半導体素子の平面図(a)、そのII-II断面図(b)、およびパッド周辺部断面の拡大図(c)である。半導体素子6主面には半導体素子6の外部電極であるアルミニウム等からなるパッド7が碁盤目状に配列されており、パッド開口部8を除いて表面保護膜9で覆われている。また、半導体素子6の断面は、(b)または(c)に示すように半導体基板10上に外部電極下地層である層間絶縁膜11が形成され、この層間絶縁膜11上にパッド7が形成された構造になっている。なお、図示していないが、パッド7は層間絶縁膜11上またはその内部に形成された内部金属配線、およびそれにつながる内部回路と電気的に接続されている。
【0009】
図3はこの外部電極接続子を半導体素子のパッドに接続した状態を示す図(a)、この外部電極接続子が接続された半導体素子を実装基板に実装した状態示す図(b)、および実装時のパッド周辺部の拡大図(c)で、接続面に導電性接着材(図示せず)を塗布した外部電極接続子1は、パッド7の表面に形成された外部電極接続子1の第一の金属層2aの金等がパッド7のアルミニウム等に拡散することを防ぐチタン等からなるバリアメタル13上にボンダ−で取りつけられている。この外部電極接続子1が取りつけられた半導体素子6と実装基板12は、接続面に導電性接着材(図示せず)を塗布した外部電極接続子1と実装基板12上に形成された実装基板12の外部電極である基板電極14の位置合わせを行った後、図上下方向から荷重を加えることにより接続される。
【0010】
また、図4はこの外部電極接続子を使って半導体素子同士を接続した状態示す図(a)、および接続時のパッド周辺部の拡大図(b)で、半導体素子6同士も、接続面に導電性接着材(図示せず)を塗布した外部電極接続子1と、接続する2つの半導体素子6のパッド7の位置合わせを行い、図上下方向から荷重を加えることにより接続される。なお、両方の半導体素子6のパッド7表面には、実装基板への実装の場合と同じ理由でバリアメタル13が形成されている。
【0011】
次に外部電極接続子1の製造方法を図5および図6により説明する。図5(a)は外部電極接続子1を形成する前のパッド周辺部の図で、パッド7、表面保護膜9、層間絶縁膜11だけを示してある。パッド7表面にスパッタリングによりバリアメタル13を形成し(図5(b))、次にバリアメタル13の表面にスパッタリングにより第一の金属層2aである金の層を形成し(図5(c))、次に、第一の金属層2aの表面にスピンコートにより弾性体4aであるポリイミドの層を形成し(図5(d))、次に、写真製版により弾性体4aに導電体3aを形成するための開口部15を形成し(図6(a))、次にメッキにより開口部15に導電体3aである金を充填し(図6(b))、次にスパッタリングにより第二の金属層2bである金の層を形成し(図6(c))、次に写真製版の後エッチングにより不要な第二の金属層2b、弾性体4a、第一の金属層2a、バリアメタル13を取り除く(図6(d))。ここで、図5(d)〜図6(b)の工程で形成された層が、第一の緩衝層5aである。
【0012】
なお、本実施の形態では外部電極接続子1を半導体素子6上に一体形成する方法を示しているが、外部電極接続子1を半導体素子6のパッド周辺部の代わりに凹部が角柱状の金型を土台にして上記と同様な工程で個別部品として製造し、半導体素子6のバリアメタル13上に導電性接着材(図示せず)を用いて接合させても構わない。また、本実施の形態では第一の金属層2aの材料がパッド7へ拡散するのを防ぐためにバリアメタル13を形成しているが、第一の金属層2aの材料とパッド7の材料が同じ場合や、材料拡散による問題を考慮する必要が無い場合にはバリアメタル13は無くても構わない。
【0013】
次にこの外部電極接続子1の効果を図3により説明する。外部電極接続子1を取りつけた半導体素子6を実装基板12に取りつける際、図3(c)の上下方向に大きな荷重がかかるが、この荷重によって弾性体4aが図3(c)の左右方向に変形して受けた荷重の一部を図3(c)の左右方向に分散する。このため、パッド7および層間絶縁膜11にかかる荷重が軽減され、層間絶縁膜11は割れにくくなる。また、外部電極接続子1がパッド7や基板電極14と接合する面全体が金属であるため、パッド7と基板電極14を安定して導通させることができる。また、図4に示す半導体素子6同士の接続においても同じ原理で同様の効果が得られる。なお、本実施の形態では、外部電極として接続部の面積が小さいために導電性がとりにくく外部電極下地層である層間絶縁膜が壊れやすい半導体素子のパッドや、実装基板の基板電極を用いて外部電極接続子の効果を説明したが、発明の外部電極接続子の適用範囲はこれらに限られるものでは無く、液晶、フレキシブル基板等外部電極を有するもの全般に対する電気的接続部品として使用可能である。
【0014】
また、実施の形態1の第1の緩衝層5aは、導電体3aと弾性体4aを交互に配列しているが、図7に示すように円柱状の導電体3aを弾性体4a主面内部に碁盤目状に配列しても構わない。
【0015】
さらに、第一の金属層2a、導電体3a、弾性体4aはそれぞれ単一の材料からなるものであっても、合金や、ポリイミドとゴムの混合体のような複数の材料からなるものでも構わない。また、第一の金属層2a、導電体3a、および第二の金属層2bは、同一の材料からなるものであっても、別の材料からなるものであっても構わない。
【0016】
実施の形態2.
図8は、この発明の実施の形態2による外部電極接続子とパッド周辺部を示す断面図(a)、および外部電極接続子1のIV-IV断面図とV-V断面図(b)である。なお、図1ないし図7に示した実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付したのでその説明を省略する。この図に示すように、この実施の形態2の外部電極接続子1は、第二の金属層2b上に第二の緩衝層5b、第二の緩衝層5b上に第三の金属層2cを備え、この第二の緩衝層5bの主面に垂直な方向において、第二の緩衝層5bの導電体3bと第一の緩衝層5aの導電体3aとが互いに重ならない位置に、導電体3bと導電体3aとを配置する構造となっている。半導体素子同士を接続する際や、半導体素子を実装基板に実装する際の荷重が第二の緩衝層5bの導電体3bにかかるとその荷重は主として導電体3b直下にかかるが、本実施の形態の場合、導電体3bの直下には必ず第一の緩衝層5aの弾性体4aが位置するため荷重をより分散し易い。
【0017】
なお、実施の形態2の第一の緩衝層5aと第二の緩衝層5bは、導電体3a、3bと弾性体4a、4bを交互に配列しているが、図9に示すように導電体3a、3bを弾性体4a、4b主面内部に碁盤目状に配列しても構わない。また、実施の形態2の外部電極接続子1は、図5、図6に示す実施の形態1の外部電極接続子1と同じ工程で第二の金属層2bまでを形成した後、さらに導電体3bを形成する位置を第二の緩衝層5bの主面に垂直な方向において導電体3aと重ならない位置に変えて図5(d)〜図6(d)の工程を繰り返すことにより製造することができる。
【0018】
実施の形態3.
図10は、この発明の実施の形態3による半導体素子のパッド周辺部を示す断面図(a)、このパッドの拡大図(b)、およびそのVIII-VIII断面図(c)である。なお、図1ないし図7に示した実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付したのでその説明を省略する。実施の形態3の外部電極接続子はパッド107を成すものであり、第一の金属層2aが、半導体素子6の外部電極下地層である層間絶縁膜11およびアルミニウム等からなる内部金属配線16上に形成されたチタン等のバリアメタル13と接続され、第二の金属層2bの表面がパッド面17となっている。
【0019】
図11はこの実施の形態3のパッド107を備えた半導体素子を実装基板に実装した状態示す図(a)、およびこの半導体素子同士を接続した状態を示す図(b)である。図11(a)に示すように、このパッド107を備えた半導体素子6は、パッド107と基板電極14の間に導電性接着材(図示せず)を接続面に塗布した半田18をはさみ、図上下方向から荷重を加え圧着することにより実装基板12に実装される。また、図11(b)に示すように、半導体素子6のパッド107同士は、パッド107間に導電性接着材(図示せず)を接続面に塗布した半田18をはさみ図上下方向から荷重を加えることにより接合される。
【0020】
この実施の形態3の半導体素子6のパッド107は、パッド107自体が弾性体4aを含めて構成されているため、半導体素子6のパッド107同士の接続や半導体素子6の実装基板12への実装によってパッド107が受ける荷重を弾性体4aが変形することによりパッド面17と水平な方向に分散するので、層間絶縁膜11が受けるダメージを軽減できる。また、層間絶縁膜11のダメージは、ウエハテストにおける深針であるプローブ針(図示せず)のパッド面17へのコンタクトによっても生じるが、この実施の形態3の半導体素子6のパッド107は、パッド107自体が荷重を分散する構造なのでウエハテストにおける層間絶縁膜11ダメージも軽減できる。さらに、この実施の形態3のパッド107は、内部金属配線16と接する面と、半田18やプローブ針と接する面の両方が金属であるため、内部金属配線16と半田18間、および内部金属配線16とプローブ針間を安定して導通状態にすることができる。なお、上記パッド構造は、既存の半導体素子製造設備を使い、図5および図6に記載した外部電極接続子の製造工程と同様の工程で製造することができる。
【0021】
なお、この実施の形態3の半導体素子6は内部金属配線16と第一の金属層2a間にバリアメタル13を形成しているが、内部金属配線16と第一の金属層2が同材料の場合や、それらの間の材料拡散が問題とならない場合はバリアメタル13は無くても構わない。一方、第一の金属層2aと導電体3a間の材料の拡散が問題になる場合や、導電体3aと第二の金属層2b間の材料の拡散が問題になる場合は、それぞれ第一の金属層2aと第一の緩衝層5aの間、第一の緩衝層5aと第二の金属層2bの間にバリアメタル13を形成すれば、それらの間の材料拡散が防止できる。
【0022】
また、実施の形態3の半導体素子6は内部金属配線16が層間絶縁膜11内部形成されているため、パッド107が層間絶縁膜11と内部金属配線16の両方の上部に位置する構造になっているが、図12に示すように内部金属配線16を層間絶縁膜11上に形成した場合、パッド107は層間絶縁膜11上に形成され、内部金属配線16は第一の金属層2aの側面に接続された構造となる。
【0023】
さらに、図8、図9に示す実施の形態2の外部電極接続子同様、第二の金属層2b上に第二の緩衝層5b、第二の緩衝層5b上に第三の金属層2cを形成し、この第二の緩衝層5bの主面に垂直な方向において、第二の緩衝層5bの導電体3bと第一の緩衝層5aの導電体3aとが互いに重ならない位置に、導電体3bと導電体3aとを配置する構造とすれば、実装時の層間絶縁膜11へのダメージが一層軽減される。また、実施の形態3のパッド107は、導電体3aと弾性体4aを交互に配列しているが、図7に示す実施の形態1の外部電極接続子同様、円柱状の導電体3aを弾性体4aの主面内部に碁盤目状に配列しても構わない。さらに、第一の金属層2a、導電体3a、弾性体4aはそれぞれ単一の材料からなるものであっても、合金や、ポリイミドとゴムの混合体のような複数の材料からなるものでも構わない。また、第一の金属層2a、導電体3a、および第二の金属層2bは、同一の材料からなるものであっても、別の材料からなるものであっても構わない。また、本実施の形態では、外部電極接続子を接続部の面積が小さいため導電性がとりにくく、外部電極下地層である層間絶縁膜11が壊れやすい半導体素子のパッドに適用したが、この外部電極接続子を実装基板の基板電極や液晶のパッドに適用しても構わない。
【0024】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る外部電極接続子は、第一の金属層と、導電体と弾性体とが交互にまたは導電体が弾性体主面内部に配列された第一の緩衝層と、第二の金属層を備え、弾性体のヤング率が、第一の金属層、および導電体、および第二の金属層のヤング率より小さいものであるため、外部電極間の接続よる外部電極下地層の割れが起こりにくい。また、外部電極間を安定して導通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1における外部電極接続子を示す断面図(a)、およびそのI-I断面図(b)である。
【図2】半導体素子の平面図(a)、そのII-II断面図(b)、およびパッド周辺部断面の拡大図である。
【図3】この発明の実施の形態1における外部電極接続子を半導体素子に接続した状態を示す図(a)、この外部電極接続子が接続された半導体素子を実装基板に実装した状態示す図(b)、および実装時のパッド周辺部の拡大図(c)である。
【図4】この発明の実施の形態1における外部電極接続子により半導体素子同士を接続した状態を示す図(a)、および実装時のパッド周辺部の拡大図(b)である。
【図5】この発明の実施の形態1における外部電極接続子の製造工程を示す図である。
【図6】この発明の実施の形態1における外部電極接続子の製造工程を示す図である
【図7】この発明の実施の形態1における別の外部電極接続子を示す断面図(a)、およびそのIII-III断面図(b)である。
【図8】この発明の実施の形態2における外部電極接続子とパッド周辺部を示す断面図(a)、およびこの外部電極接続子のIV-IV断面図とV-V断面図(b)である。
【図9】この発明の実施の形態2における別の外部電極接続子とパッド周辺部を示す断面図(a)、およびこの外部電極接続子のVI-VI断面図とVII-VII断面図(b)である。
【図10】この発明の実施の形態3における半導体素子のパッド周辺部を示す断面図(a)、このパッドの拡大図(b)、およびそのVIII-VIII断面図(c)である。
【図11】この発明の実施の形態3におけるパッドを備えた半導体素子を実装基板に実装した状態示す図(a)、およびこの半導体素子同士を接続した状態を示す図(b)である。
【図12】この発明の実施の形態3における別の半導体素子のパッド周辺部を示す断面図である。
【符号の説明】
1 外部電極接続子
2a 第一の金属層
2b 第二の金属層
2c 第三の金属層
3a,3b 導電体
4a、4b 弾性体
5a 第一の緩衝層
5b 第二の緩衝層
6 半導体素子
11 層間絶縁膜
13 バリアメタル
16 内部金属配線
17 パッド面
107 パッド
Claims (2)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第一の金属層と、
この第一の金属層上に形成されるとともにこの第一の金属層と電気的に接続され、かつ導電体と弾性体とが交互に配列された第一の緩衝層と、
この第一の緩衝層上に形成され、かつこの第一の緩衝層と電気的に接続された第二の金属層を備え、
前記弾性体のヤング率が、前記第一の金属層、および前記導電体、および前記第二の金属層のヤング率より小さく、
前記第二の金属層上に形成され、この第二の金属層と電気的に接続されるとともに導電体と弾性体とが交互に配列された第二の緩衝層と、
この第二の緩衝層上に形成され、かつこの第二の緩衝層と電気的に接続された第三の金属層を備え、
前記第二の緩衝層の主面に垂直な方向において前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体とが互いに重ならない位置に、前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体が配置されることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された第一の金属層と、
前記第一の金属層上に形成された弾性体と、
前記弾性体の内部に複数に分割したパターンで形成され、それぞれが前記第一の金属層と電気的に接続された複数の導電体とを有する第一の緩衝層と、
この第一の緩衝層上に形成され、かつこの第一の緩衝層と電気的に接続された第二の金属層を備え、
前記弾性体のヤング率が、前記第一の金属層、および前記導電体、および前記第二の金属層のヤング率より小さく、
前記第二の金属層上に形成された弾性体と、
前記弾性体の内部に複数に分割したパターンで形成され、それぞれが前記第二の金属層と電気的に接続された複数の導電体とを有する第二の緩衝層と、
この第二の緩衝層上に形成され、かつこの第二の緩衝層と電気的に接続された第三の金属層を備え、
前記第二の緩衝層の主面に垂直な方向において前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体とが互いに重ならない位置に、前記第一の緩衝層の前記導電体と前記第二の緩衝層の前記導電体が配置されることを特徴とする半導体装置。
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