JP6098412B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、半導体素子が形成された半導体基板の上部側に電極パッド層が設けられ、この電極パッド層上にバンプが電気的に接続されて構成された半導体装置が知られている。そして、このような半導体装置では、当該半導体装置が、はんだリフローなどによりセラミック基板等の実装基板に実装される際や、繰り返し温度変化の激しい場所で使用される際に、半導体基板、電極パッド層、バンプ、セラミック基板、絶縁膜等の熱膨張係数差によって熱応力が発生し、バンプ付近からクラックが発生しやすいといった問題がある。そして、このクラックが半導体素子にまで伸展すると素子特性に影響が生じる場合がある。そこで、このようなクラックの発生を抑制する技術として、例えば、下記特許文献1に示すものが知られている。
特許文献1には、半導体基板(1)の一面に備えられたパッド電極(3)と、半導体基板(1)の一面に備えられると共に、パッド電極(3)を露出させる開口部(5a)を備えた表面保護膜(5)と、パッド電極(3)に電気的に接続されるバンプ電極(6)を有した半導体装置が開示されている。そして、パッド電極(3)上に配置されている表面保護膜(5)には、パッド電極(3)上に位置し、バンプ電極(6)の周囲を囲む枠状であって、表面保護膜(5)のうち半導体基板(1)側と反対側の表面から前記パッド電極(3)に達するスリット(5b)が形成されている。そして、特許文献1では、表面保護膜(5)のうちバンプ電極(6)と接触する部分からクラックが発生したときに、このクラックの伸展をスリット(5b)で停止させるようにしている。
特開2011−165938号公報
ところで、上記特許文献1のように、表面保護膜の表面から電極パッド層(バンプ電極)に達するスリットを形成し、電極パッド層を外部に露出させる構成では、このスリットから、水分が侵入することによって、電極パッド層が腐食するといった問題があった。また、このように、電極パッド層まで貫通(到達)するように表面保護膜にスリットが設けられた構成では、上述した熱応力がバンプ付近に加わると、表面保護膜でバンプを支持できず、バンプが表面保護膜に比べ柔らかい電極パッド上で位置ずれするとともに、バンプ電極パッドとバンプ間の電気抵抗が高くなることにより、素子特性に影響が生じるといった問題もあった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電極パッド層の腐食を抑えるとともに、電極パッド層下でのクラックの発生を効果的に抑制することが可能な半導体装置を提供することを課題とする。
本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面側に形成された半導体素子と、前記半導体素子の上方側に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された電極パッド層と、前記半導体基板の所定の上面部と前記電極パッド層を覆う構成で配置されると共に、酸化シリコンを主体として構成される第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を覆う構成で配置され、窒化シリコンを主体として構成される第2絶縁膜と、前記電極パッド層の上方において、前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜を開口して形成される第1開口部と、少なくとも一部が前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜の上方に配置され、前記第1開口部を介して前記電極パッド層と電気的に接続されるバンプと、前記第1開口部の一部として又は前記第1開口部とは別の開口部として形成され、前記第2絶縁膜において該第2絶縁膜の厚さ方向に貫通すると共に前記バンプの周囲を取り囲む構成で環状に設けられ外周縁部が前記バンプから離れた位置に配置される第2開口部と、を備え、前記第2開口部(42、242、342)は、前記電極パッド層(10)の上方であって、該電極パッド層(10)と重なる領域に形成されていることを特徴とする。
請求項1の発明では、半導体基板の一方の主面側に半導体素子が形成されている。この半導体素子の上方側には電極パッド層が設けられており、この電極パッド層は半導体素子と電気的に接続されている。また、酸化シリコンを主体として構成される第1絶縁膜が、半導体基板の所定の上面部と電極パッド層を覆う構成で配置されている。さらに、窒化シリコンを主体として構成される第2絶縁膜が、第1絶縁膜を覆う構成で配置されている。そして、電極パッド層の上方において、第1絶縁膜及び第2絶縁膜を開口して形成される第1開口部と、少なくとも一部が第1絶縁膜及び第2絶縁膜の上方に配置され第1開口部を介して電極パッド層と電気的に接続されるバンプと、第1開口部の一部として又は第1開口部とは別の開口部として形成され、第2絶縁膜において該第2絶縁膜の厚さ方向に貫通すると共にバンプの周囲を取り囲む構成で環状に設けられ外周縁部がバンプから離れた位置に配置される第2開口部とを備えている。
このように、第1絶縁膜が、比較的硬く脆い酸化シリコンを主体として構成されており、また、第2絶縁膜が第1絶縁膜よりも比較的緻密な窒化シリコンを主体として構成されている。これにより、第2開口部内において、バンプから応力が加わった際に、第1絶縁膜に応力が伝搬されると、環状の第2開口部は電極パッド層まで貫通する構成ではないため、バンプが第1絶縁層により支持され電極パッド層上で位置ずれし難くなる。また、比較的易損性のある第1絶縁膜自身がバンプ端で割れることで、そこが緩衝材となり、応力を効率よく吸収することができる。そのため、第2開口部外側の第2絶縁膜への応力伝達を抑制できクラックの伸展を防止することができる。また、電極パッド層は、第1絶縁膜で覆われているため、この電極パッド層の腐食を抑えることができる。
そして、第2開口部の形成方法として、窒化シリコンを主体とする第2絶縁膜と酸化シリコンを主体とする第1絶縁膜とを2層成膜した後、第2絶縁膜のみを除去する方法を用いることができる。この第2開口部を形成するための第2絶縁膜の除去を、例えばCF4+O2のガスでドライエッチングする場合、第1絶縁膜と第2絶縁膜の材料の違いからエッチングの選択比が得られやすく、加工しやすい構成となっている。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面説明図である。 図2は、第1実施形態に係る半導体装置を平面視したときのバンプ付近の様子を説明する説明図である。 図3は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面説明図である。 図4は、半導体基板とセラミック基板の接続の様子を説明する説明図である。 図5は、図4のαで示した領域を拡大した図である。 図6は、第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置を説明する断面説明図である。 図7は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置を説明する断面説明図である。 図8は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置を平面視したときのバンプ付近の様子を説明する説明図である。 図9は、第1実施形態の第3変形例に係る半導体装置の平面図である。 図10は、第1実施形態の第3変形例に係る半導体装置のバンプ付近の様子を拡大した図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、詳細に説明する。
本実施形態の半導体装置1は、図1に示すように、半導体基板3の一方の主面側に、半導体素子50が形成されている。半導体基板3は、N型の導電型を有しており、この半導体基板3内にN層52が設けられている。また、N層52の表層に、Pウェル領域54が形成されている。Pウェル領域54内には、N領域56が形成されている。そして、これらによって半導体素子50が構成されており、npnバイポーラトランジスタとして機能するようになっている。
図1では、紙面の都合上、1つの半導体素子50のみ示しているが、半導体素子50は複数形成されていてもよい。また、半導体素子50は、npnバイポーラトランジスタに限定されず、pnp型バイポーラトランジスタ、NチャンネルMOSトランジスタ、PチャンネルMOSトランジスタやダイオード、センサなどで構成されていてもよい。なお、本実施形態では、半導体基板3の厚さ方向を上下方向とし、半導体素子50が形成されている側を上方側とし、他方側を下方側とする。また、本実施形態では、半導体基板3及びその上に形成される半導体素子50や第1絶縁膜20、第2絶縁膜30等を含めて、半導体チップ58と呼ぶ。
そして、半導体基板3上には、例えば、酸化シリコン等から構成される層間絶縁膜5が形成されている。また、この層間絶縁膜5には、半導体素子50の近傍に、ビアホール7a、7b、7cが形成されている。なお、層間絶縁膜5の表面には、ナトリウムなどの不純物のゲッタリングのためにリンが堆積されていてもよい。
層間絶縁膜5上には、例えば、アルミなどから構成される電極パッド層10が形成されている。この電極パッド層10は、ビアホール7c内にも埋め込まれており、半導体素子50のエミッタ側(N領域56)と電気的に導通するように接続されている。電極パッド層10を平面視したときの当該電極パッド層10の形状は特に限定されず、例えば、図2に示すように、略正方形状となっていてもよく、図10(後述)に示すように、略円形状となっていてもよい。また、電極パッド層10の大きさ(平面視したときの面積)は、バンプ14よりも大きく形成されている。
また、層間絶縁膜5上には、アルミなどから構成される配線層9a、9bが形成されている。そして、これら配線層9a、9bは、ビアホール7a、7bにも埋め込まれている。配線層9aは、半導体素子50のコレクタ側(N層52)と電気的に導通するように接続されている。また、配線層9bは、半導体素子50のベース側(Pウェル領域54)と電気的に導通するように接続されている。なお、配線層やビアホールの数は、これにとくに限定されない。
そして、半導体基板3の上面部3aと電極パッド層10を覆う構成で、酸化シリコンを主体として構成される第1絶縁膜20が形成されている。例えば、第1絶縁膜20は、TEOS(テトラエトキシシラン)を原料ガスとして用い、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって形成することができる。また、第1絶縁膜20は、SiOターゲットなどを用い、スパッタリング法などによって形成されていてもよい。
なお、第1絶縁膜20は、図1に示すように、電極パッド層10の一端部10a側を覆わないように形成されていてもよく、図3に示すように、電極パッド層10全体を覆うように(すなわち、電極パッド層10の一端部10aと他端部10bを覆うように)、形成されていてもよい。
この第1絶縁膜20上には、当該第1絶縁膜20を覆うように、窒化シリコンを主体として構成される第2絶縁膜30が形成されている。例えば、第2絶縁膜30は、CVD法やスパッタリング法などを用いて形成されている。
そして、電極パッド層10の上方において、第1開口部40が、第1絶縁膜20及び第2絶縁膜30を開口して形成されている。すなわち、第1開口部40が、第2絶縁膜30から電極パッド層10まで連続して貫通形成されている。この第1開口部40は、電極パッド層10の略中央部分に配置されるように形成されている。また、第1開口部40を平面視したときの形状は略円形状となっている。第1開口部40の径の大きさは、特に限定されないが、半田60(後述)の径よりも小さくなるように形成されている。
さらに、この第1開口部40の底面及び側面を含めた内壁面には、チタン合金などにより構成されるバリアメタル膜12が形成されている。このバリアメタル膜12は、例えば、スパッタリング法などによって形成されている。そして、このバリアメタル膜12の外縁部12aは第2絶縁膜30上に配置されている。
第1開口部40内には、バリアメタル膜12よりも内側に、銅などから構成されるバンプ14が設けられている。バンプ14は、例えば、スパッタリング法などによって形成されている。このバンプ14は、第1開口部40及びバリアメタル膜12を介して、電極パッド層10と電気的に導通するように接続されている。そして、このバンプ14の外縁部14aは、バリアメタル膜12を介して、このバリアメタル膜12と同様に、第2絶縁膜30上に配置されている。すなわち、このバンプ14は、図1等に示すように、逆凸形状に構成されている。
このバンプ14の上には、半田60が設けられている。そして、この半田60をリフロー処理して溶融させることで、半導体チップ58とセラミック基板70とが接合されるようになっている。また、図1、図2等に示すように、第1開口部40の中心位置C1を中心としてバンプ14と半田60が配置されている。なお、図2及び図8〜図10(後述)では、半田60を省略して示している。
第2絶縁膜30には、さらに、当該第2絶縁膜30の厚さ方向に貫通するように第2開口部42が設けられている。この第2開口部42は、第1開口部40とは別の開口部として形成されており、平面視したときに(厚さ方向から見たとき)、バンプ14の周囲を取り囲む構成で環状に設けられている。
第2開口部42は、具体的に、図2に示すように、環状溝から構成されている。具体的に、第1開口部40の中心位置C1を中心として中央部にバンプ14と半田60が配置されており、第2開口部42は、その外側(バンプ14の外縁より外側、且つ、半田60の外縁より外側)に配置されており、周方向に所定幅で円形状に連続して設けられている。また、第2開口部42の幅W1は、第2絶縁膜30の内側の領域30aの幅W2よりも狭くなるように構成されている。
第2絶縁膜30は、この第2開口部42によって、2つの領域(バンプ14を取り囲む内側領域30aと、第2開口部42の外側に配置される外側領域30b)に分離されている。そして、当該半導体装置1を平面視したときに、第2開口部42を介して第1絶縁膜20が露出するようになっている。また、第2絶縁膜30の内側領域30aは、全領域が第1絶縁膜20上に配置されている。
また、第2開口部42は、外周縁部42aがバンプ14から離れた位置に配置されている。そして、第2開口部42は、電極パッド層10の上方であって、該電極パッド層10と重なる領域に形成されている。すなわち、第2開口部42の外周縁部42aは、電極パッド層10の各端部(一端部10a及び他端部10b)よりも内側に配置されている。
そして、半導体チップ58は、図4に示すように、バンプ14を介して、セラミック基板70に接合されている。セラミック基板70は、例えば平面視したときに、略直方形状もしくは略正方形状に形成されており、半導体チップ58よりも大きく構成されている。
具体的に、半導体チップ58は、図4、5に示すように、バンプ14側を下向きにした状態(裏返した状態)で、半田60をリフロー処理して溶融させて、セラミック基板70に接合されている。なお、通常、このようにリフロー処理を行うと、半導体基板3よりも熱膨張係数の大きなセラミック基板70が収縮することで、バンプに応力が加わるが、本実施形態では、上記構成を採用することで、クラックの伸展を防止することができる。
以上説明したように、本第1実施形態に係る半導体装置1によれば、半導体基板3の一方の主面側に半導体素子50が形成されている。この半導体素子50の上方側には電極パッド層10が設けられており、この電極パッド層10は半導体素子50と電気的に接続されている。また、酸化シリコンを主体として構成される第1絶縁膜20が、半導体基板3の所定の上面部と電極パッド層10を覆う構成で配置されている。さらに、窒化シリコンを主体として構成される第2絶縁膜30が、第1絶縁膜20を覆う構成で配置されている。そして、電極パッド層10の上方において、第1絶縁膜20及び第2絶縁膜30を開口して形成される第1開口部40と、少なくとも一部が第1絶縁膜20及び第2絶縁膜30の上方に配置され第1開口部40を介して電極パッド層10と電気的に接続されるバンプ14と、第1開口部40とは別の開口部として形成され、第2絶縁膜30において該第2絶縁膜30の厚さ方向に貫通すると共にバンプ14の周囲を取り囲む構成で環状に設けられ外周縁部42aがバンプ14から離れた位置に配置される第2開口部42とを備えている。
このように、第1絶縁膜20が、比較的硬く脆い酸化シリコンを主体として構成されており、また、第2絶縁膜30が第1絶縁膜20よりも比較的緻密な窒化シリコンを主体として構成されている。これにより、第2開口部42においてバンプ14から応力が加わった際に、第1絶縁膜20に応力が伝搬されると、環状の第2開口部42は電極パッド層10まで貫通する構成ではないため、バンプ14が第1絶縁層20により支持され電極パッド層10上で位置ずれし難くなる。また、比較的易損性のある第1絶縁膜20自身がバンプ端で割れることで、そこが緩衝材となり、応力を効率よく吸収することができる。そのため、第2開口部42外側の第2絶縁膜30への応力伝達を抑制できクラックの伸展を防止することができる。また、電極パッド層10は、第1絶縁膜20で覆われているため、この電極パッド層10の腐食を抑えることができる。
[第1実施形態の第1変形例]
次に、本発明の第1実施形態における第1変形例について、図6を参照して説明する。第1変形例では、上述の第1実施形態における半導体装置1において、さらに保護膜を設けている点が主に異なる。したがって、第1実施形態の構成と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本第1変形例の半導体装置101では、図6に示すように、第2絶縁膜30を覆うように、ポリイミドなどから構成される保護膜44が設けられている。この保護膜44は、バンプ14の周囲において、隙間が設けられている。すなわち、バンプ14から離れた外側の領域に設けられている。また、保護膜44は、少なくとも第2開口部42と第2絶縁膜30の外側領域30bを覆うように設けられている。また、保護膜44は、第2開口部42内を埋めるように設けられている。さらに、保護膜44は、第2絶縁膜30の内側領域30aの外周を覆うように設けられている。このように、保護膜44をさらに設けることで、電極パッド層10などの腐食をより抑制することができる。
[第1実施形態の第2変形例]
次に、本発明の第1実施形態における第1変形例について、図7、図8を参照して説明する。第2変形例では、上述の第1実施形態における半導体装置1において、第2開口部の形状が主に異なる。したがって、第1実施形態の構成と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
上記第1実施形態では、第2開口部42は、第1開口部40とは別の開口部として形成されていたが、本第2変形例の半導体装置201では、第2開口部242は、第1開口部40の一部として形成されている。すなわち、図7、図8に示すように、バンプ14と第1絶縁膜20との間に第2絶縁膜30が設けられておらず、バンプ14の外縁部14aは、バリアメタル膜12を介して、第1絶縁膜20上に配置されている。そして、第2開口部242は、平面視したときに、バンプ14及びバリアメタル膜12を除いた状態で、略円形状となっている。また、図7に示すように、厚さ方向に沿って切断した断面において、第1開口部40と第2開口部242は、連続的に形成されており、逆凸形状に構成されている。このような構成においても、上記第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
[第1実施形態の第3変形例]
次に、本発明の第1実施形態における第3変形例について、図9及び図10を用いて説明する。本第3変形例では、上述の第1実施形態における半導体装置1において、第2開口部の形状が主に異なる。したがって、第1実施形態の構成と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
上記第1実施形態では、第2開口部42は、環状溝から構成されており、第2絶縁膜30は、この第2開口部42によって、2つの領域に分離されていたが、本第3変形例の半導体装置301では、図9、図10に示すように、第2開口部342は、半導体素子50の中央部寄りの位置を残して(すなわち、中央部側とは反対側の位置に)、環状のスリット形状に形成されている。図9において、説明の便宜上、半導体素子50を一点鎖線で示している。
バンプ14は、半導体素子50の中央部の周囲を環状に囲んで複数配置されている。なお、図9の例では、バンプ14は、半導体基板3の四隅に4つ配置された構成を示している。このように、バンプ14を半導体基板3の四隅(外縁部寄り)に配置することで、デットスペースとなりやすい領域を効率的に利用することができる。なお、バンプ14は、半導体基板3の四隅に配置する構成に限定されない。例えば、バンプ14同士の距離が短くなるように、各バンプ14を配置するようにすれば、バンプ14間で発生する応力をより小さく抑えることができる。
そして、図9に示すように、半導体素子50は、バンプ14よりも半導体基板3の中央部寄りに形成されている。ここで、半導体基板3の中央部とは、図9に示すように、略正方形状に構成される半導体チップ58の任意の一辺に沿った第1の方向を前後方向γとし、この前後方向γと直交する第2の方向を左右方向δとしたとき、これら前後方向γ及び左右方向δの中心P1のことをいう。また、図9中、二点鎖線は、セラミック基板70を示している。すなわち、半導体素子50は、図10に示すように、半導体基板3の中央部寄りの位置に形成されており、また、バンプ14は、半導体基板3の外縁部3b寄りの位置に形成されている。なお、図10では、電極パッド層10の形状を略円形状で表しているが、電極パッド層10の形状は、図9のように略正方形状となっていてもよく、特に限定されない。なお、本実施形態では、半導体素子50の中央部の位置は、半導体基板3の中央部の位置と一致するように配置されている(即ち、半導体素子50の中心もP1となる。)。
そして、第2絶縁膜30は、この半導体基板3の中央部寄りの位置で分離されておらず、バンプ14を取り囲む領域と、第2開口部42の外側の領域が連続して設けられている(図9、図10中、βで示す部位が繋がっている)。すなわち、図9に示すように、半導体チップ58の四隅に配置される各バンプ14の中心位置をそれぞれ、P2、P3、P4、P5としたとき、P2と半導体チップ58の中心P1を結ぶ仮想線をL2とし、また、P3と半導体チップ58の中心P1を結ぶ仮想線をL3とし、P4と半導体チップ58の中心P1を結ぶ仮想線をL4とし、P5と半導体チップ58の中心P1を結ぶ仮想線をL5としたときに、少なくともL2、L3、L4、L5の位置には、第2開口部42が設けられておらず、第2絶縁膜30が配置されている構成となっている。そして、第2開口部42は、これらL2〜L5の領域を除いて、少なくともバンプ14の周方向に、少なくとも半周以上に渡って環状に設けられている。
このように第2開口部342が形成されているので、第2絶縁膜30の連続して設けられる部位(半導体基板3の中央部よりの部位)によって、バンプ14の位置ずれをより効果的に抑制することができる。とくに、セラミック基板70の収縮などによってバンプ14が半導体基板3の中心方向へ引っ張られようとするときに、この第2絶縁膜30がつっかえ棒のような作用を果たし、バンプ14の位置ずれをより効果的に抑えることができる。
[他の実施形態]
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では、半導体基板3上に、層間絶縁膜5を設けた構成を例示したが、層間絶縁膜5を設けない構成としてもよい。
1、101、201、301…半導体装置
3…半導体基板
3a…上面部
10…電極パッド層
14…バンプ
20…第1絶縁膜
30…第2絶縁膜
40…第1開口部
42、242、342…第2開口部
42a…外周縁部
50…半導体素子

Claims (5)

  1. 半導体基板(3)と、
    前記半導体基板(3)の一方の主面側に形成された半導体素子(50)と、
    前記半導体素子(50)の上方側に設けられ、前記半導体素子(50)と電気的に接続された電極パッド層(10)と、
    前記半導体基板(3)の所定の上面部(3a)と前記電極パッド層(10)を覆う構成で配置されると共に、酸化シリコンを主体として構成される第1絶縁膜(20)と、
    前記第1絶縁膜(20)を覆う構成で配置され、窒化シリコンを主体として構成される第2絶縁膜(30)と、
    前記電極パッド層(10)の上方において、前記第1絶縁膜(20)及び前記第2絶縁膜(30)を開口して形成される第1開口部(40)と、
    少なくとも一部が前記第1絶縁膜(20)及び前記第2絶縁膜(30)の上方に配置され、前記第1開口部(40)を介して前記電極パッド層(10)と電気的に接続されるバンプ(14)と、
    前記第1開口部(40)の一部として又は前記第1開口部(40)とは別の開口部として形成され、前記第2絶縁膜(30)において該第2絶縁膜(30)の厚さ方向に貫通すると共に前記バンプ(14)の周囲を取り囲む構成で環状に設けられ外周縁部(42a)が前記バンプ(14)から離れた位置に配置される第2開口部(42、242、342)と、
    を備え
    前記第2開口部(42、242、342)は、前記電極パッド層(10)の上方であって、該電極パッド層(10)と重なる領域に形成されていることを特徴とする半導体装置(1、101、201、301)。
  2. 前記第2絶縁膜(30)を覆うと共に、前記第2開口部(42、242、342)を埋めるように配置される保護膜(44)を備えることを特徴とする請求項に記載の半導体装置(1、101、201、301)。
  3. 第2開口部(342)は、前記バンプ(14)よりも前記半導体素子(50)の中央部寄りの位置を残して、当該バンプ(14)を取り囲む環状のスリット形状に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置(301)。
  4. 前記バンプ(14)は、前記半導体基板(3)の外縁部(3b)寄りの位置に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の半導体装置(1、101、201、301)。
  5. 前記半導体素子(50)は、少なくとも一部が前記バンプ(14)よりも前記半導体基板(3)の中央部寄りに形成されていることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の半導体装置(1、101、201、301)。
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