JP4215654B2 - Bumped semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明はバンプ付き半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a bumped semiconductor device and a method for manufacturing the same.
従来のバンプ付き半導体装置は、たとえば図3(a)に示すように、半導体チップ1に半導体素子2が形成され、その上に半導体電極3が形成され、半導体電極3の周縁部から半導体チップ1表面にわたって表面保護膜4が形成されるとともに、表面保護膜4で覆われていない半導体電極3の中央部上にバリアメタル5を介してバンプ6が形成されている。
In a conventional semiconductor device with bumps, for example, as shown in FIG. 3A, a
このバンプ付き半導体装置は、COG(Chip On Glass)実装の場合には、図3(b)に示すようにガラス電極7を形成したガラス基板8にスタックする形で接続され、またTCP(Tape Carrier Package)実装の場合には、図3(c)に示すようにテープリード9に対してバンプ6が熱圧着されることで接続されている。
In the case of COG (Chip On G glass) mounting, this bumped semiconductor device is connected in a stacked manner on a
しかしながら、上記したようにしてバンプ付き半導体装置をCOG実装する際には、ガラス基板8やガラス電極7によってバンプ6が加圧されるため、バンプ6に力学的ストレス10が発生し、バンプ6の下にある半導体電極3や半導体素子2にバリアメタル5や表面保護膜4を通じて力学的ストレス10がかかることになり、それによって、半導体素子2などに電気的な特性異常が発生する恐れがある。
However, when the bumped semiconductor device is COG-mounted as described above, the
TCP実装する際も同様に、テープリード9によって加圧されるバンプ9に力学的ストレス10が発生し、バンプ6の下にある半導体電極3や半導体素子2に力学的ストレス12がかかることになり、それによって、半導体素子2などに電気的な特性異常が発生する恐れがある。
Similarly, when TCP is mounted,
本発明は上記問題点に鑑み、後工程の組立時などに力学的ストレスがかかっても電気的な特性異常が発生しないバンプ付き半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device with bumps and a method for manufacturing the same, in which no electrical characteristic abnormality occurs even if mechanical stress is applied during assembly in a subsequent process. .
上記課題を解決するために、本発明のバンプ付き半導体装置は、半導体チップの外部接続用電極パッドたる電極と、前記電極と電気的に接続するバンプとの間に、前記半導体チップの表面を覆い前記電極上に開口部を有する保護膜と、前記開口部から露出した前記電極の部分も含めて前記保護膜を覆い前記バンプが加圧されることによって発生する力学的ストレスに対して緩衝材となる層間膜と、前記層間膜を貫通して前記電極と前記バンプとを電気的に接続する柱状の接続部と、前記層間膜における前記接続部の形成領域を覆い前記バンプの材料に応じたバリアメタルとを有したことを特徴とする。電極の下に半導体素子を有したバンプ付き半導体装置であってよい。 In order to solve the above problems, a semiconductor device with bumps of the present invention covers the surface of the semiconductor chip between an electrode which is an electrode pad for external connection of the semiconductor chip and a bump which is electrically connected to the electrode. A protective film having an opening on the electrode, and a buffer material against mechanical stress generated by pressurizing the bump covering the protective film including the part of the electrode exposed from the opening; an interlayer film made, a columnar connection portion for electrically connecting the said electrode to penetrate the interlayer film bump, depending on the material of the bump covering the formation region of the connecting portion in the interlayer film barrier It is characterized by having metal . It may be a semiconductor device with a bump having a semiconductor element under the electrode.
接続部は円柱状であるのが好ましい。また接続部はCuで形成されるのが好ましい。
層間膜はバンプの材料よりも硬度の小さい材料で形成することができる。また層間膜は非導電性材料で形成することができる。さらに層間膜は組立や加工の際にかかる力学的ストレス、つまりバンプを介して電極や半導体素子に伝えられるストレス、を吸収し分散させるのに十分な膜厚で形成することができる。層間膜の好ましい材料はポリイミドである。
The connecting portion is preferably cylindrical. Moreover, it is preferable that a connection part is formed with Cu.
Sokanmaku may be formed of a material having low hardness than the material of the bumps. The interlayer film can be formed of a non-conductive material. Further, the interlayer film can be formed with a film thickness sufficient to absorb and disperse mechanical stress applied during assembly and processing, that is , stress transmitted to the electrode and the semiconductor element via the bump. A preferred material for the interlayer film is polyimide.
本発明のバンプ付き半導体装置の製造方法は、チップ領域に電極を形成した半導体ウェハ上にバンプ材料よりも硬度の小さい非導電性材料からなる膜を所定の膜厚にて形成し、前記膜に前記電極に達する柱状の貫通穴を形成し、前記貫通穴内を導電性材料で埋めて柱状の接続部を形成し、その後に前記半導体ウェハを個々の半導体チップに分割し、各半導体チップの前記膜上に前記柱状の接続部を介して電極と接続するバンプを形成することを特徴とする。 According to the method for manufacturing a semiconductor device with bumps of the present invention, a film made of a non-conductive material having a hardness smaller than that of a bump material is formed on a semiconductor wafer having electrodes formed in a chip region with a predetermined film thickness. A columnar through hole reaching the electrode is formed, the inside of the through hole is filled with a conductive material to form a columnar connection portion, and then the semiconductor wafer is divided into individual semiconductor chips, and the film of each semiconductor chip Bumps connected to the electrodes via the columnar connection portions are formed on the top.
本発明のバンプ付き半導体装置およびその製造方法は、電極とバンプとの間に層間膜とそれを貫通する柱状の接続部とを設ける構成を有することにより、COG実装やTCP実装の際の力学的ストレスを層間膜で吸収、分散させて、電極下に存在する内部回路や半導体素子に力学的ストレスがかかるのを防止し、電気的な特性異常を回避することができ、かつ、電極とバンプとの電気的コンタクトは接続部によって確実にとることができる。 The semiconductor device with bumps and the method for manufacturing the same according to the present invention have a configuration in which an interlayer film and a columnar connection portion penetrating the electrodes are provided between the electrodes and the bumps. Stress can be absorbed and dispersed by the interlayer film to prevent mechanical stress from being applied to the internal circuits and semiconductor elements existing under the electrodes, and to avoid electrical characteristic abnormalities. This electrical contact can be reliably made by the connection.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態におけるバンプ付き半導体装置およびその実装状態を示す断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a bumped semiconductor device and its mounting state in an embodiment of the present invention.
図1(a)に示すバンプ付き半導体装置において、半導体チップ1に半導体素子2が形成され、その上に半導体電極3が形成され、半導体電極3の周縁部から半導体チップ1表面にわたって表面保護膜4が形成されるとともに、表面保護膜4で覆われていない半導体電極3の中央部上にバリアメタル5を介してバンプ6が形成されている。
In the semiconductor device with bumps shown in FIG. 1A, a
また半導体電極3およびその周囲の表面保護膜4の上にバンプ6との間の層間膜として緩衝材膜11が形成され、この緩衝材膜11を貫通して半導体電極3の中央部表面に達するCuよりなる柱状の接続部12が複数本、形成されている。上記したバンプ6(およびバリアメタル5)は接続部12形成領域の緩衝材膜11上に形成されていて、前記複数本の接続部12によって半導体電極3との電気的コンタクトが確保されている。
Also, a
このバンプ付き半導体装置をCOG(Chip On Glass)実装する場合には、図1(b)に示すように、ガラス電極7を形成したガラス基板8に半導体チップ1をスタックする形で接続を行う。その際に、ガラス8やガラス電極7によって加圧されるバンプ6に力学的ストレス10が発生するが、発生した力学的ストレス10はバンプ6の下にある緩衝材膜11によって吸収、分散されてしまい、緩衝材膜11の下にある半導体電極3や半導体素子2,内部回路に影響が及ぶことはない。よって、こうした力学的ストレス10による半導体素子2などの電気的な特性異常を回避できる。
When the semiconductor device with bumps is mounted by COG (Chip On G glass), as shown in FIG. 1B, the connection is performed by stacking the
バンプ付き半導体装置をTCP(Tape Carrier Package)実装する場合には、図1(c)に示すように、テープリード9とバンプ6とを熱圧着する形で接続を行う。その際に、テープリード13によって加圧されるバンプ9に力学的ストレス10が発生するが、発生した力学的ストレス10は上記と同様にバンプ6の下にある緩衝材膜11によって吸収、分散されてしまい、緩衝材膜11の下にある半導体電極3や半導体素子2,内部回路に影響が及ぶことはない。よって、こうした力学的ストレス10による半導体素子2などの電気的な特性異常を回避できる。
When the semiconductor device with bumps is mounted by TCP (Tape Carrier Package), the tape leads 9 and the
上記したバンプ付き半導体装置の製造方法を図2を参照しながら説明する。
まず、図2(a)に示すように、拡散工程で、半導体ウェハの半導体チップ1領域に内部回路(図示せず)や半導体素子2を形成するとともに、半導体素子2の上などの半導体チップ1領域の表面に外部接続用電極パッドたる半導体電極3を形成する。半導体素子2と半導体電極3とを互いに上下に形成する技術は周知であり、それにより半導体チップ1の集積率が向上し、加えてそれによる採れ数向上、コストダウンなどが可能となる。半導体電極3は通常はアルミニウムで形成するが、マイグレーション対策の為にCu等を混ぜる場合もある。
A method of manufacturing the above-described semiconductor device with bumps will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 2A, in a diffusion process, an internal circuit (not shown) and a
そして、半導体電極3の全体を覆うように半導体チップ1領域を含めた半導体ウェハ上(以下、単に半導体チップ1領域という)にPl−SiN等の表面保護膜4を形成し、エッチング等によって半導体電極3の中央部を露出させる開口4aを形成する。
Then, a surface
その後に、図2(b)に示すように、半導体チップ1領域上に層間膜としての緩衝材膜11を形成する。この緩衝材膜11は、バンプ6よりも硬度が小さい材料を用いて、後工程での組立や加工の際にバンプ6にかかるストレスをダイレクトに下に伝えないように吸収、分散させる緩衝機能を果たすのに十分な膜厚にて形成する。また隣り合う半導体電極3同士の電気的なセパレートを確実にするために非導電性材料を用いる。好適な緩衝材膜11材料としてはポリイミドが挙げられる。ポリイミドを液化させたうえで半導体チップ1領域上に塗布し、ホットプレートなどでベークして固化させればよい。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2(c)に示すように、暗室工程で緩衝材膜11にホール11aを貫通形成する。緩衝材膜11の材料として感光性のポリイミドを使用する場合は、マスクを用いてホール部分を感光した後に現像して開口させる。感光性のポリイミドでなくレジストを用いてホール11aを形成してもよい。なお、ホール11aは、次工程においてCuで埋めることが可能であればできるだけ小さく開口させるのが好ましく、かつ、最小の抵抗が得られるようにできるだけ多数本形成することが必要である。またホール11aは円柱状に形成することが望ましい。四角柱状等の角張った形状であれば、角部に応力が集中してホール11aが破壊され、その中のCu同士でショート等が発生する恐れがあるからである。
Next, as shown in FIG. 2C, a
次に、図2(d)に示すように、ホール11a内をCuで埋め込む。Cu形成方法としてはダマシン法を用いる。それにはまず、スパッタや蒸着等によってホール11a内や緩衝材膜11上にめっき電極となるCu配線用バリアメタルを形成する。スパッタを用いる場合は、ホール11a内までCu配線用バリアメタルが入るようにコリメート式のスパッタを用いる必要がある。そして、形成されたCu配線用バリアメタル上にCuめっき方式によってCu配線13を形成する。Cuめっき方式はCu(めっき液)を用いるため他の材料と比較してホール埋め込み性が良好であるが、ウェット工程であるため気泡などには十分注意する必要がある。
Next, as shown in FIG. 2D, the
次に、図2(e)に示すように、不要なCu配線13部分を除去する。その際には、CMP方式を用いて不要なCu配線13部分の削除および半導体ウェハの表面平坦化を行う。
Next, as shown in FIG. 2E, an
次に、図2(f)に示すように、半導体チップ1領域の全面にバリアメタル5をスパッタリング等で形成する。バリアメタル5は一般に上記バンプ6の材料に応じて選択され、バンプ6の材料がAuの場合はAuに近い金属であるPd、Cu、またはAuが使用される。
Next, as shown in FIG. 2F, a
次に、図2(g)に示すように、マスク工程において、半導体チップ1領域の全面にバンプレジスト14を塗布し、そのバンプ形成部分に開口14aを形成する。バンプレジスト14の膜厚は、たとえばバンプ高さを10μmとする場合はバンプ高さより厚い15μm程度とする。そのために、一般に使用するレジストよりも粘度の大きいレジスト材料を使用する。
Next, as shown in FIG. 2G, in the masking process, a bump resist 14 is applied to the entire surface of the
次に、図2(h)に示すように、金めっき工程においてバンプ6を形成する。この金めっき工程では通常、電解金めっきを行う。金めっき液にはシアン系金めっき液やノンシアン系の金めっき液などを使用できる。 Next, as shown in FIG. 2H, bumps 6 are formed in the gold plating process. In this gold plating step, electrolytic gold plating is usually performed. As the gold plating solution, a cyan gold plating solution or a non-cyan gold plating solution can be used.
そして、図2(i)に示すように、不要なバンプレジスト14を除去した後、図2(j)に示すように、バンプ6の周囲の不要なバリアメタル5をエッチングで除去し、アニール等を加えることで、バンプ付き半導体装置が完成する。
Then, after removing the unnecessary bump resist 14 as shown in FIG. 2 (i), the
本発明は、バンプを形成する電極の下にも半導体素子を設ける構造の半導体装置の製造に特に有用である。 The present invention is particularly useful for manufacturing a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is also provided under an electrode for forming a bump.
1 半導体チップ
2 半導体素子
3 半導体電極
4 表面保護膜
6 バンプ
11 緩衝材膜(層間膜)
12 接続部
DESCRIPTION OF
11 Buffer material film (interlayer film)
12 Connection
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