JP4980709B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置、詳しくは、ＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ：Wafer Level-Chip Size Package）技術が適用された半導体装置に関する。
最近、半導体装置の高機能化・多機能化に伴って、ＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ：Wafer Level-Chip Size Package 以下、「ＷＬ−ＣＳＰ」と表記する。）技術の実用化が進んでいる。ＷＬ−ＣＳＰ技術では、ウエハ状態でパッケージング工程が完了され、ダイシングによって切り出された個々のチップサイズがパッケージサイズとなる。
ＷＬ−ＣＳＰ技術が適用された半導体装置は、図９に示すように、表面保護膜８１により表面が覆われた半導体チップ８２と、表面保護膜８１上に積層された応力緩和層８３（たとえば、ポリイミドなど）と、応力緩和層８３上に配置された半田ボール８４とを備えている。表面保護膜８１には、半導体チップ８２の内部配線の一部を電極パッド８５として露出させるためのパッド開口８６が形成されている。応力緩和層８３には、パッド開口８６から露出する電極パッド８５を露出させるための貫通孔８７が形成されている。
電極パッド８５の表面、貫通孔８７の内面および応力緩和層８３の表面における貫通孔８７の周縁を覆うように、バンプ下地層９２が形成されている。バンプ下地層９２は、バリア層８８（たとえば、チタン、タングステンチタンなど）と、このバリア層８８の上に形成される金属めっき層８９（たとえば、銅、金など）とからなる。そして、半田ボール８４は、金属めっき層８９の表面上に設けられ、金属めっき層８９およびバリア層８８を介して電極パッド８５と電気的に接続されている。この半導体装置は、半田ボール８４が実装基板９０上のパッド９１に接続されることによって、実装基板９０への実装（実装基板に対する電気的および機械的な接続）が達成される。
特開平８−３４０００２号公報
ところが、半田ボール８４は、金属めっき層８９との関係において、金属めっき層８９の表面にしか固着していないため、半田ボール８４と応力緩和層８３との間から、バリア層８８の側面８８Ｃおよび金属めっき層８９の側面８９Ｃが露出した状態となる。これらの露出した側面８８Ｃおよび側面８９Ｃが湿気などの水気に晒され、バリア層８８や金属めっき層８９が腐食すると、バリア層８８が応力緩和層８３から剥離するおそれがある。
そこで、この発明の目的は、バンプ下地層の応力緩和層からの剥離を防止することができる半導体装置を提供することにある。
上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体チップと、前記半導体チップの表面に形成された電気接続用の内部パッドと、前記半導体チップ上に形成され、前記内部パッドを露出させる開口部を有する応力緩和層と、前記内部パッドにおける前記開口部に露出する面、前記開口部の内面および前記応力緩和層上における前記開口部の周縁部を覆うように形成されるバンプ下地層と、前記バンプ下地層上に形成され、外部との電気接続のための半田端子と、前記応力緩和層上に形成され、前記バンプ下地層の周囲を取り囲み、前記バンプ下地層の側面を覆う有機保護膜と、を含み、前記応力緩和層は、前記有機保護膜に対して選択的に露出していることを特徴とする、半導体装置である。
この構成によれば、内部パッドにおける開口部に露出する面、開口部の内面および応力緩和層上における開口部の周縁部には、これらを覆うように、バンプ下地層が形成されている。バンプ下地層上には、外部との電気接続のための半田端子が形成されている。そして、バンプ下地層の側面は、その全周が有機保護膜に覆われている。
バンプ下地層の側面全周が有機保護膜により覆われているので、バンプ下地層が水分に晒されて腐食し、バンプ下地層が応力緩和層から剥離することを防止することができる。その結果、バンプ下地層の剥離に伴う半田端子の半導体チップに対する剥離を防止することができるので、接続信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
また、請求項２記載の発明は、前記応力緩和層は、ポリイミドからなり、前記バンプ下地層は、チタンまたはニッケルを含む金属からなるバリア層と、このバリア層上に積層され、半田濡れ性を有する金属からなる接続パッドと、を含み、前記有機保護膜は、前記バリア層の側面を覆うように形成されていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置である。
この構成によれば、ポリイミドからなる応力緩和層と、チタンまたはニッケルを含む金属からなるバンプ下地層のバリア層とは密着性が低いので、そのバリア層上の接続パッドが酸化（腐食）すると、応力緩和層とバリア層との間で剥離が生じやすい。バリア層の側面が有機保護膜で覆われる構成では、たとえば、バリア層と接続パッドとの積層界面からの接続パッドの酸化を防止することができるので、バリア層の応力緩和層からの剥がれを防止することができる。
さらに、請求項３記載の発明は、前記半田端子は、前記接続パッドの側面を覆っていることを特徴とする、請求項２記載の半導体装置である。
この構成によれば、接続パッドの側面が露出されないので、接続パッドの酸化（腐食）を防止することができる。そのため、バリア層の応力緩和層からの剥がれを一層防止することができる。
また、請求項４記載の発明は、前記有機保護膜と前記バリア層の前記側面との間に空間が形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体装置である。
また、請求項５記載の発明は、前記接続パッドは、平面視円形状に形成されていることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体装置である。
また、請求項６記載の発明は、前記バリア層は、チタンまたはニッケルを含む金属からなることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれかに記載の半導体装置である。
また、請求項７記載の発明は、前記有機保護膜は、前記半田端子の中央円周に沿って前記半田端子との境界を有しており、前記境界が、前記半田端子の前記中央円周と同じ長さであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置である。
また、請求項８記載の発明は、前記半田端子の中央円周と前記応力緩和層との間には、前記応力緩和層、前記バンプ下地層および前記半田端子に区画された隙間が形成されており、前記有機保護膜は、前記隙間にのみ形成されていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体装置である。
また、請求項９記載の発明は、前記内部パッドは、前記半導体チップの前記表面にマトリックス状に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の半導体装置である。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の図解的な底面図（実装基板への接合面を示す図）である。図２は、図１における半田ボール６の周辺を拡大して示す図解的な底面図である。図３は、図１に示すＡ−Ａの切断面で切断したときの断面図である。なお、図２および図３では、半導体装置を破断線で破断することにより、その一部を省略して示している。
この半導体装置は、ＷＬ−ＣＳＰ技術により作製される半導体装置であって、半導体チップ１と、半導体チップ１の機能面１Ａ（半導体チップ１において機能素子が作り込まれた面）を被覆する表面保護膜３と、表面保護膜３の上に形成された応力緩和層４と、応力緩和層４上に形成された接続パッド５と、接続パッド５に接着され、外部との電気接続のための半田ボール６（半田端子）とを備えている。そして、この半導体装置は、各半田ボール６が実装基板７上のパッド８に接続されることによって、実装基板７への実装（実装基板７に対する電気的および機械的な接続）が達成される。
半導体チップ１は、たとえば、平面視略矩形状のシリコンチップであり、その機能面１Ａには、複数の電極パッド２（内部パッド）が形成されている。
電極パッド２は、たとえば、平面視略矩形状のアルミニウムパッドであり、半導体チップ１の機能面１Ａに作り込まれた機能素子と電気的に接続されている。また、電極パッド２は、半導体チップ１の外周縁に沿って、平面視矩形環状に２列に並べて配置されており、互いに隣り合う電極パッド２の間には、それぞれ適当な間隔が空けられている（図１参照）。
表面保護膜３は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる。表面保護膜３には、各電極パッド２を露出させるためのパッド開口９が形成されている。
応力緩和層４は、たとえば、ポリイミドからなる。応力緩和層４は、表面保護膜３の表面全域を被覆するように形成されて、この半導体装置に加わる応力を吸収して緩和する機能を有している。また、応力緩和層４には、各電極パッド２と対向する位置に貫通孔１０（開口部）が貫通して形成されており、パッド開口９から露出する電極パッド２は、貫通孔１０を通して外部に臨んでいる。そして、電極パッド２における貫通孔１０に露出する面、貫通孔１０の内面および応力緩和層４上における貫通孔１０の周縁部１１を覆うように、バリア層１２が形成されている。
バリア層１２は、たとえば、チタンまたはニッケルを含む金属（たとえば、チタン、ニッケル、チタンタングステンなど）からなり、電極パッド２の腐食を防止する機能を有している。バリア層１２は、平面視略円形状に形成され、たとえば、厚さ１０００〜２０００Åで形成されている。
そして、バリア層１２の上に、接続パッド５が形成されている。より具体的には、貫通孔１０内におけるバリア層１２の内面１２Ａおよび応力緩和層４上におけるバリア層１２の外端面１２Ｂに接触するように接続パッド５が形成されている。これにより、バリア層１２と接続パッド５とからなるバンプ下地金属（バンプ下地層）が形成され、応力緩和層４上におけるバリア層１２の側面１２Ｃは、接続パッド５から露出する露出面とされている。
接続パッド５は、半田濡れ性を有する金属、たとえば、銅を用いて形成されている。この接続パッド５は、貫通孔１０に埋設された埋設部１３と、この埋設部１３と一体的に形成され、応力緩和層４上に突出した突出部１４とを備えている。
埋設部１３は、たとえば、円柱状に形成されており、バリア層１２を介して電極パッド２と電気的に接続されている。
突出部１４は、たとえば、高さ１０〜５０μｍの円柱状に形成されている。また、突出部１４は、半導体チップ１と応力緩和層４との積層方向（以下、単に「積層方向」という。）と直交する幅方向（以下、単に「幅方向」という。）における幅（径）が、貫通孔１０の同方向における開口幅（径）よりも大きく（幅広に）形成されている。これにより、突出部１４の周縁部１５は、幅方向に張り出してバリア層１２の外端面１２Ｂと接触している。
半田ボール６は、半田を用いて、たとえば略球状に形成されており、接続パッド５の突出部１４の全表面（先端面１４Ａおよび側面１４Ｂ）を覆っている。略球状の半田ボール６が形成されることにより、半田ボール６の幅方向における中央円周６Ｌと応力緩和層４との間には、応力緩和層４の表面４Ａ、バリア層１２の側面１２Ｃおよび半田ボール６の球面６Ａが臨む隙間２１が形成されている。
隙間２１には、有機保護膜２０（保護層）が形成されている。この有機保護膜２０は、たとえば、低吸水性の有機材料であるポリイミドからなる。有機保護膜２０は、隙間２１において、バリア層１２の周囲を取り囲む平面視略円環形状に形成されて、バリア層１２の側面１２Ｃを接触して覆っている（図２参照）。
図４Ａ〜図４Ｈは、図１に示す半導体装置の製造方法を示す図解的な断面図である。
この半導体装置を製造するに際しては、図４Ａに示すように、まず、複数の半導体チップ１が作り込まれ、その表面全域が表面保護膜３で覆われた半導体ウエハＷが用意される。なお、表面保護膜３には、電極パッド２を露出させるパッド開口９が形成されている。この半導体ウエハＷの状態で、表面保護膜３上に、応力緩和層４が形成される。
次いで、図４Ｂに示すように、応力緩和層４に貫通孔１０が形成される。
貫通孔１０が形成された後は、図４Ｃに示すように、半導体ウエハＷ上に、バリア層１２、フォトレジスト１６および金属層１７が、この順に形成される。より具体的には、まず、半導体ウエハＷ上の全領域にバリア層１２が、スパッタリング法などにより形成される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術により、このバリア層１２の上に、接続パッド５の突出部１４（図３参照）を形成すべき領域に開口部１８を有するフォトレジスト１６が形成される。フォトレジスト１６が形成された後は、半導体ウエハＷ上の全領域に、接続パッド５の材料として用いられる銅からなる金属層１７が、スパッタリング法などにより形成される。その後は、フォトレジスト１６が除去されることにより、金属層１７の不要部分（接続パッド５以外の部分）がフォトレジスト１６とともにリフトオフされる。これにより、接続パッド５が形成される。そして、バリア層１２の不要部分（接続パッド５が形成されている部分以外の部分）がエッチングにより除去される。
次に、図４Ｄに示すように、接続パッド５の突出部１４の全表面（先端面１４Ａおよび側面１４Ｂ）に半田を接着させることにより、突出部１４の全表面（先端面１４Ａおよび側面１４Ｂ）を覆う略球状の半田ボール６が形成される。突出部１４の全表面（先端面１４Ａおよび側面１４Ｂ）を覆うように半田ボール６が形成されることにより、バリア層１２の側面１２Ｃが露出する。これにより、応力緩和層４上には、応力緩和層４の表面４Ａ、バリア層１２の側面１２Ｃおよび半田ボール６の球面６Ａに囲まれる隙間２１が形成される。
続いて、図４Ｅに示すように、半導体ウエハＷ上の全領域に有機保護膜２０（図３参照）の材料として用いられるポリイミドからなる有機保護層１９が塗布される。有機保護層１９としては、たとえば感光性ポリイミド（たとえば、ポジ型感光性ポリイミド、ネガ型感光性ポリイミド）を用いることができ、この実施形態においては、ポジ型感光性ポリイミドが用いられる。
有機保護層１９が塗布された後は、有機保護膜２０を形成すべき領域以外の領域に開口部を有するフォトマスク（図示せず）が半導体ウエハＷ上に配置される。そして、図４Ｆに示すように、そのフォトマスクの上から有機保護層１９に向けて紫外線が当てられる（紫外線露光）。
その後、図４Ｇに示すように、有機保護層１９の紫外線露光された部分（有機保護膜２０以外の部分）が除去される。これにより、隙間２１において、バリア層１２の側面１２Ｃを接触して覆う有機保護膜２０が形成される。そして、図４Ｈに示すように、半導体ウエハＷ内の各半導体チップ１間に設定されたダイシングラインＬに沿って、半導体ウエハＷが切断されて（ダイシング）される。これにより、図１に示す構成の半導体装置が得られる。
以上のように、この半導体装置においては、電極パッド２における貫通孔１０に露出する面、貫通孔１０の内面および応力緩和層４上における貫通孔１０の周縁部１１には、これらを覆うように、バリア層１２が形成されている。バリア層１２の、貫通孔１０内における内面１２Ａおよび応力緩和層４上における外端面１２Ｂには、突出部１４を備える接続パッド５が接触して形成されており、その突出部１４の全表面（先端面１４Ａおよび側面１４Ｂ）は、外部との電気接続のための半田ボール６に覆われている。そして、バリア層１２の側面１２Ｃは、その全周が有機保護膜２０に覆われている。
ポリイミドからなる応力緩和層４と、チタン、ニッケル、チタンタングステンからなるバリア層１２とは密着性が低いので、そのバリア層１２上の接続パッド５が酸化（腐食）すると、応力緩和層４とバリア層１２との間で剥離が生じやすい。
この半導体装置のように、バリア層１２の側面１２Ｃ全周が有機保護膜２０で覆われる構成では、バリア層１２と接続パッド５との接触界面が水分に晒されて接続パッド５が酸化（腐食）することを防止することができるので、バリア層１２の応力緩和層４からの剥がれを防止することができる。さらに、接続パッド５の突出部１４の側面１４Ｂが半田ボール６により覆われており、突出部１４の側面１４Ｂが露出されないので、これによっても接続パッド５の酸化（腐食）を防止することができる。そのため、バリア層１２の応力緩和層４からの剥がれを一層防止することができる。
その結果、バリア層１２の剥離に伴う半田ボール６の半導体チップ１に対する剥離を防止することができるので、接続信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
また、この半導体装置は、半田ボール６が外部の実装基板７上のパッド８に接続されることにより、その実装基板７に実装される。この実装状態で、半導体チップ１や実装基板７の熱膨張／熱収縮に起因する応力が半田ボール６に生じても、接続パッド５の突出部１４に半田ボール６が接着された状態では、突出部１４が半田ボール６の内部に突出することになるので、その応力の一部を半田ボール６の内部に突出する突出部１４により緩和することができる。そのため、半田ボール６におけるクラックの発生を防止することもできる。
また、突出部１４の周縁部１５は、応力緩和層４の貫通孔１０の周縁部１１に張り出している。これにより、突出部１４で応力を緩和する際に、その突出部１４が受ける応力を応力緩和層４へ逃がすことができる。そのため、半田ボール６に大きな応力が生じても、その応力を接続パッド５および応力緩和層４によって良好に緩和することができ、半導体チップ１におけるクラックの発生を防止することができる。
さらに、接続パッド５の突出部１４が円柱状に形成されているので、その側面１４Ｂに角がない。そのため、半田ボール６に生じる応力を、突出部１４（円柱）の側面１４Ｂで分散して吸収することができる。
なお、この実施形態では、有機保護膜２０は、隙間２１において、バリア層１２の側面１２Ｃを接触して覆うように形成されているとしたが、バリア層１２の露出部分（この実施形態においては、側面１２Ｃ）と外部との接触を防止することができれば、有機保護膜２０を他の構成にすることができる。有機保護膜２０は、たとえば、図５に示すように、有機保護膜２０とバリア層１２の側面１２Ｃとの間に空間２３が形成されるように形成されてもよい。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、上述の実施形態では、接続パッド５が銅を用いて形成されるとしたが、半田濡れ性を有する金属であれば、銅に限られない。たとえば、接続パッド５は、金を用いて形成されてもよい。その場合には、たとえば、図６に示すように、接続パッド５の突出部１４と半田ボール６との界面に、金の拡散を防止するためのニッケルからなる拡散防止層２２を形成することが好ましい。
また、たとえば、上述の実施形態では、接続パッド５の突出部１４が円柱状に形成されるとしたが、たとえば、図７に示すように、接続パッド５に代えて、積層方向において応力緩和層４の側に配置される上側突出部２７と、上側突出部２７の下側に一体的に形成される下側突出部２８とからなる突出部２６を備える金属パッド２９を形成してもよい。また、たとえば、図８に示すように、接続パッド５は、半楕円球状に形成されてもよい。
また、上述の実施形態では、半導体チップ１における電極パッド２の配置形態について、電極パッド２は、半導体チップ１の外周縁に沿って、平面視矩形環状に２列に並べて配置されているとしたが、半導体チップ１の機能面１Ａに規則的に配置される形態であれば矩形環状に限られず、たとえば、マトリックス状などで配置されていてもよい。
さらに、上述の実施形態では、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置を例に取り上げたが、この発明は、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置以外にも、実装基板に対して、半導体チップの表面を対向させて、半導体チップの裏面が露出した状態で実装（ベアチップ実装）される、半導体装置に適用することもできる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明の一実施形態に係る半導体装置の図解的な底面図である。 図１における半田ボールの周辺を拡大して示す図解的な底面図である。 図１に示すＡ−Ａの切断面で切断したときの断面図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ａの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｂの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｃの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｄの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｅの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｆの次の工程を示す図である。 図１の半導体装置の製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図４Ｇの次の工程を示す図である。 図１に示す半導体装置の変形例を示す図解的な断面図であって、有機保護膜を他の構成としたものである。 図１に示す半導体装置の変形例を示す図解的な断面図であって、接続パッドを他の構成としたものである。 図１に示す半導体装置の変形例を示す図解的な断面図であって、接続パッドの突出部を他の構成としたものである。 図１に示す半導体装置の変形例を示す図解的な断面図であって、接続パッドの突出部を他の構成としたものである。 従来の半導体装置の構成を示す図解的な断面図であって、半導体装置を実装基板に実装した状態を示す図である。
符号の説明
１ 半導体チップ
２ 電極パッド
４ 応力緩和層
５ 接続パッド
６ 半田ボール
１０ 貫通孔
１１ 周縁部
１２ バリア層
１２Ｃ 側面
１４ 突出部
１４Ｂ 側面
２０ 有機保護膜
２６ 突出部
２７ 上側突出部
２８ 下側突出部
２９ 金属パッド

Claims (9)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップの表面に形成された電気接続用の内部パッドと、
    前記半導体チップ上に形成され、前記内部パッドを露出させる開口部を有する応力緩和層と、
    前記内部パッドにおける前記開口部に露出する面、前記開口部の内面および前記応力緩和層上における前記開口部の周縁部を覆うように形成されるバンプ下地層と、
    前記バンプ下地層上に形成され、外部との電気接続のための半田端子と、
    前記応力緩和層上に形成され、前記バンプ下地層の周囲を取り囲み、前記バンプ下地層の側面を覆う有機保護膜と、を含み、
    前記応力緩和層は、前記有機保護膜に対して選択的に露出していることを特徴とする、半導体装置。
  2. 前記応力緩和層は、ポリイミドからなり、
    前記バンプ下地層は、チタンまたはニッケルを含む金属からなるバリア層と、このバリア層上に積層され、半田濡れ性を有する金属からなる接続パッドと、を含み、
    前記有機保護膜は、前記バリア層の側面を覆うように形成されていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記半田端子は、前記接続パッドの側面を覆っていることを特徴とする、請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記有機保護膜と前記バリア層の前記側面との間に空間が形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体装置。
  5. 前記接続パッドは、平面視円形状に形成されていることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記バリア層は、チタンまたはニッケルを含む金属からなることを特徴とする、請求項２ないし５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記有機保護膜は、前記半田端子の中央円周に沿って前記半田端子との境界を有しており、
    前記境界が、前記半田端子の前記中央円周と同じ長さであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記半田端子の中央円周と前記応力緩和層との間には、前記応力緩和層、前記バンプ下地層および前記半田端子に区画された隙間が形成されており、
    前記有機保護膜は、前記隙間にのみ形成されていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記内部パッドは、前記半導体チップの前記表面にマトリックス状に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の半導体装置。
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