JP7140314B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

いわゆるはんだバンプは、実装基板と半導体チップとの電気的な接続に用いることがある。特許文献１～３は、はんだバンプに関する技術を開示する。

特許文献１は、半導体装置およびその製造方法に関する。半導体装置は、半田バンプを有する半導体チップと、基板の表面上の接続電極を有するインターポーザとを備えている。基板には凹凸が形成され、かつ界面低活性剤が塗布されている。その結果、接続電極は基板の表面からはがれ易い構造となる。半導体チップとインターポーザとの間に熱膨張係数の違いに基づく熱応力が発生したときに、この熱応力によって接続電極は半田バンプとの接続箇所において基板の表面から剥離されてフローティング状態となる。そして、接続電極の弾性変形によって熱応力を緩和する。

特許文献２は、半導体装置及びその製造方法に関する。半導体チップと配線基板とを加熱して半導体チップのバンプ電極と配線基板の接続パッドを電気的に接続し、半導体チップと配線基板との空隙を充填する樹脂封止体を形成する。樹脂はバンプ電極が溶融状態である時に固体となる熱硬化樹脂を用いる。チップと基板に熱膨張係数差があっても、樹脂がバンプ電極の動きを抑えるので、バンプ電極の剥離が著しく少なくなる。

特許文献３は、半導体装置及びその製造方法に関する。半導体装置は、一面に電極に形成された半導体基板と、当該半導体基板と電気的に接続し半導体基板の一面側に配された第一導電層と、当該第一導電層上で当該第一導電層の一部を露出する開口部を有する第二導電層と、開口部から露出した第一導電層上に配されたバンプと、を少なくとも備える。

特開２００３－０８６７３９号公報 特開２００４－２８１４９１号公報 特開２０１０－０９２９７４号公報

集積回路を含む半導体チップは、はんだバンプによって実装基板に対して物理的及び電気的に接続される。このような接続構成は、いわゆるリフローはんだ付けによって形成される。リフローはんだ付け作業では、半導体チップと、はんだバンプと、実装基板とが一体となって、加熱及び冷却といった熱履歴を受ける。この熱履歴を受けたのちに、集積回路チップを構成する積層構造の一部にはがれが生じることがあり得る。

そこで、本発明は、はがれの発生を抑制し得る半導体装置を提供する。

本発明の一形態は、基板主面が第１の絶縁層（基板絶縁層）である基板と、基板の主面に形成された第１の金属層と、第１の金属層を覆い、第１の金属層の一部を露出させる複数の開口を有する第２の絶縁層と、開口を介して第１の金属層に接触し、開口の周囲に延在する複数の第２の金属層と、複数の第２の金属層に形成された複数のはんだバンプと、を備え、第１の金属層は、開口ごとに設けられ、開口に沿って伸びると共に基板の主面を露出させる切れ込みを有し、切れ込みは、複数のはんだバンプの位置関係によって決定される１個の第１の幾何学的中心と、複数のはんだバンプのそれぞれが有する複数の第２の幾何学的中心と、を結ぶ仮想線に直交する方向に伸びる第１の部分と、第１の部分の両端を始点とし、第１の部分が延びる方向と交差する方向に延びる一対の第２の部分と、を含む。

本発明の一形態によれば、はがれの発生を抑制し得る半導体装置が開示される。

図１は、実施形態に係る半導体装置を実装基板に取り付けた様子を示す斜視図である。 図２は、半導体装置の構造を模式的に示す図である。 図３は、第１の幾何学的中心及び第２の幾何学的中心を説明する平面図である。 図４は、切れ込みを示す平面図である。 図５は、はんだリフローにおいて生じる現象を説明する図である。 図６の（ａ）部及び図６の（ｂ）部は、はんだバンプが集積回路チップに及ぼす力を説明する図である。 図７は、変形例１に係る半導体装置が有するバンプ用パッドと切れ込みとを示す平面図である。 図８の（ａ）部は、変形例２に係る半導体装置が有するバンプ用パッドと切れ込みとを示す平面図であり、図８の（ｂ）部及び図８の（ｃ）部ははんだバンプが集積回路チップに及ぼす引張応力の分布を示すグラフである。図８の（ｄ）部は、変形例３に係る半導体装置が有するバンプ用パッドと切れ込みとを示す平面図であり、図８の（ｅ）部及び図８の（ｆ）部ははんだバンプが集積回路チップに及ぼす引張応力の分布を示すグラフである。 図９の（ａ）部及び図９の（ｂ）部は、はんだバンプと集積回路チップとの接合幅と変形量との関係を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の一形態は、基板主面が第１の絶縁層（基板絶縁層）である基板と、基板の主面に形成された第１の金属層と、第１の金属層を覆い、第１の金属層の一部を露出させる複数の開口を有する第２の絶縁層と、開口を介して第１の金属層に接触し、開口の周囲に延在する複数の第２の金属層と、複数の第２の金属層に形成された複数のはんだバンプと、を備え、第１の金属層は、開口ごとに設けられ、開口に沿って伸びると共に基板の主面を露出させる切れ込みを有し、切れ込みは、複数のはんだバンプの位置関係によって決定される１個の第１の幾何学的中心と、複数のはんだバンプのそれぞれが有する複数の第２の幾何学的中心と、を結ぶ仮想線に直交する方向に伸びる第１の部分と、第１の部分の両端を始点とし、第１の部分が延びる方向と交差する方向に延びる一対の第２の部分と、を含む。

半導体装置は、切れ込みが設けられた第１の金属層を有する。切れ込みによれば、第１の金属層において、切れ込みに囲まれた領域は、いわゆる片持ち梁とみなすことができ、外力に応じてたわみを許す。切れ込みに囲まれた領域に対して押圧力が作用すると、切れ込みに囲まれた領域は、下方にたわむ。換言すると、切れ込みによって、基板に沈み込み易くなる。つまり、上述したはんだバンプから提供される力に対して、切れ込みに囲まれた領域がたわむ。このたわみによれば、はんだバンプから作用する力が緩和され、基板の変形が低減される。その結果、基板の内部において、層間はがれの発生が抑制される。

一形態において、基板は、開口の下方に配置されて、第１の導電層と絶縁層と第２の導電層とが積層された複数の金属－絶縁体－金属キャパシタと金属－絶縁体－金属キャパシタを覆う基板絶縁層を有してもよい。この構成によれば、第１の導電層と絶縁層との間の剥離を抑制すると共に、絶縁層と第２の導電層との間の剥離を抑制することができる。

一形態において、基板絶縁層は、ポリイミドにより形成されてもよい。この構成によれば、第１の金属層がたわみ易くなるので、基板の内部において、層間はがれの発生がいっそう抑制される。

一形態において、開口及びはんだバンプの形状は、仮想線に直交する方向に長軸を有する長円であってもよい。この構成によっても、基板の内部において、層間はがれの発生を好適に抑制できる。

一形態の開口及びはんだバンプにおいて、長円の仮想線と交差する箇所の幅は、他の箇所に比較して狭くてもよい。この構成によれば、幅が狭くされた箇所の下方において生じえる応力が低下する。その結果、基板の深部において、平均化された応力の最大値を低下させることができる。つまり、基板の内部において、層間はがれの発生がさらに好適に抑制される。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

＜半導体装置＞
図１に示すように、半導体装置１は、実装基板２に取り付けられる電子部品である。半導体装置１は、集積回路チップ３と、複数のはんだバンプ４と、を有する。集積回路チップ３は、複数のはんだバンプ４によって、実装基板２に固定されている。つまり、集積回路チップ３と実装基板２との間には、複数の機械的な拘束点が形成されている。

図２は、集積回路チップ３においてはんだバンプ４が設けられた領域の構造を示す。集積回路チップ３は、基板積層体６と、第１の導電体７（第１の金属層）と、第２の導電体８（第２の金属層）と、第２の絶縁層９と、を含む。

基板積層体６は、チップ基板１１と、第１の導電層１２と、絶縁層１３と、第２の導電層１４と、第１の絶縁層１６と、を含む。チップ基板１１は、半導体材料により形成されており、集積回路チップ３の基体を成す。チップ基板１１として、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などを採用してよい。

チップ基板１１の主面の一部領域には、第１の導電層１２が形成されている。第１の導電層１２として、例えば、金属材料である金（Ａｕ）又はチタンと金とを含む多層膜（Ｔｉ／Ａｕ）などを採用してよい。また、チップ基板１１の主面のそのほかの領域には、絶縁層１３が形成されている。絶縁層１３として、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などを採用してよい。この絶縁層１３は、第１の導電層１２の主面にも形成されている。つまり、絶縁層１３は、チップ基板１１の主面と第１の導電層１２の主面とを覆う。絶縁層１３の主面の一部領域には、第２の導電層１４が形成されている。より詳細には、第２の導電層１４は、絶縁層１３を挟んで、第１の導電層１２上に形成されている。第２の導電層１４として、例えば、金属材料である金（Ａｕ）又は金を含む多層膜（Ｔｉ／Ａｕ）などを採用してよい。つまり、第１の導電層１２と、絶縁層１３と、第２の導電層１４とは、この順に積層されている。そして、この積層構造は、いわゆるＭＩＭ構造（ＭＩＭ：Metal Insulator Metal）のキャパシタ１７を構成する。

第１の絶縁層１６は、絶縁層１３の主面において第２の導電層１４が形成されていない領域と、第２の導電層１４の主面に形成されている。換言すると、第１の絶縁層１６は、絶縁層１３と第２の導電層１４とを覆っている。第１の絶縁層１６の主面は、すなわち、基板積層体６の主面である。例えば、第１の絶縁層１６は、厚みが２マイクロメートル以上６マイクロメートル以下のポリイミドなどを採用してよい。

第１の導電体７は、基板積層体６の主面に形成されている。第１の導電体７は、集積回路の一部を構成する。例えば、第１の導電体７は、金（Ａｕ）又は金を含む多層膜（Ｔｉ／Ａｕ）といったベタパターンであってもよい。第１の導電体７の厚みは、１マイクロメートル以上３マイクロメートル以下としてよい。第１の導電体７は、裂開孔である切れ込み１８を含む。切れ込み１８は、第１の導電体７の主面から裏面まで貫通する。従って、切れ込み１８からは、基板積層体６の主面が露出する。換言すると、切れ込み１８からは、第１の絶縁層１６の主面が露出する。この切れ込み１８は、後に詳細に説明する。

第１の導電体７の主面には、第２の絶縁層９が形成されている。つまり、第２の絶縁層９は、第１の導電体７を覆っている。例えば、第２の絶縁層９は、厚みが１マイクロメートル以上３マイクロメートル以下のポリイミドなどを採用してよい。第１の導電体７は、切れ込み１８を有するので、第２の絶縁層９は、この切れ込み１８に形成された部分も含む。つまり、第１の絶縁層１６において、切れ込み１８から露出した領域には、第２の絶縁層９の一部が形成されている。

第２の絶縁層９は、貫通穴１９（開口）を有する。この貫通穴１９は、第２の絶縁層９の主面から裏面まで貫通する。従って、貫通穴１９からは、第１の導電体７の主面が露出する。この貫通穴１９は、例えば、直径が１００マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の円形であってもよい。貫通穴１９から露出する第１の導電体７の主面には、第２の導電体８が形成されている。第２の導電体８は、厚みが２マイクロメートル以上６マイクロメートル以下のニッケル（Ｎｉ）を採用してよい。第２の導電体８は、第１の導電体７の主面に形成された部分８ａと、貫通穴１９の壁面に形成された部分８ｂと、第２の絶縁層９の開口の周辺部に形成された部分８ｃと、を含む。例えば、部分８ｃは、貫通穴１９の外側における５マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下の領域に設けられてよい。

第２の導電体８には、はんだバンプ４が形成されている。この構成によれば、第２の導電体８は、第２の導電体８とはんだバンプ４とを介して、実装基板２に対して電気的に接続されている。

半導体装置１は、チップ基板１１上で、第１の絶縁層１６上に、第１の導電体７が積層され、その上に第２の絶縁層９が積層され、その第２の絶縁層９に貫通穴１９が設けられ、その貫通穴１９を通して第２の導電体８が第１の導電体７に接続されている。

半導体装置１は、図２に示される断面構造を複数有している。本実施形態で規定する断面構造とは、キャパシタ１７と、はんだバンプ４と、が基板積層体６の厚み方向に重なっている構造である。また、第１の導電体７の一部と第２の導電体８と、第１の絶縁層１６の一部と、第２の絶縁層９の一部と、は、バンプ用パッド２１を構成する。

以下、切れ込み１８の詳細について説明する。

＜第１の幾何学的中心、第２の幾何学的中心＞
図３に示すように、半導体装置１は、複数のバンプ用パッド２１を有している。ここで、複数のバンプ用パッド２１によって、第１の幾何学的中心２２が定義できる。この第１の幾何学的中心２２とは、複数のバンプ用パッド２１の幾何中心である。例えば、バンプ用パッド２１のそれぞれが互いに等しい質量を有する質点であると仮定したとき、第１の幾何学的中心２２は、それらの重心である。ここでいう質点は、バンプ用パッド２１のそれぞれが有する代表点としての第２の幾何学的中心２４であるとしてよい。バンプ用パッド２１を質点としてモデル化するにあっては、各バンプ用パッド２１に対応する質点の位置は、任意に設定してよく、例えば、バンプ用パッド２１の質量中心としてもよい。いま、重心の位置ベクトル（ｇ）と、各質点（ｉ：ｉ＝１～ｎ）と、各質点の位置ベクトル（ｒ_ｉ）と、を定義すると、第１の幾何学的中心２２は、下記式（１）及び（２）により示される。

なお、第１の幾何学的中心２２は、実装基板２と集積回路チップ３とが熱膨張及び熱収縮する際に、変形（移動）が生じない点であるともいえる。このような点は、数値シミュレーションによって得てもよい。また、上記式（１）、（２）を用いて簡便に近似解を得てもよい。近似解を得る場合には、重心から各はんだバンプ４までの距離に比例した力が各はんだバンプ４に作用するという１次元モデルとして扱う。このような仮定のもとでは、重心は移動しない。はんだバンプ４がほぼ等間隔であるとすれば、動かない点（重心）から所定距離を隔てたはんだバンプ４の数は、その距離に比例するといえる。また、距離の全幅は、円周であるので、距離に比例する。従って、はんだバンプ４が受け持つ幅は、距離によらず一定となる。一方、単位幅あたりの力は、動かない点（重心）からの距離に比例する。その結果、はんだバンプ４が受け持つ力は、動かない点（重心）からの距離に比例する。従って、動かない点は、近似的に重心として扱ってよい。

また、切れ込み１８の説明の便宜上、基準線Ｌを定義する。基準線Ｌは、第１の幾何学的中心２２と、それぞれの第２の幾何学的中心２４と、を通る仮想的な直線である。基準線Ｌは、バンプ用パッド２１ごとに設定されている。

＜切れ込み＞
図４に示すように、切れ込み１８は、バンプ用パッド２１の周囲に形成されている。切れ込み１８は、バンプ用パッド２１の周囲における一部に形成されている。第２の導電体８（図２参照）を基準としたとき、切れ込み１８と第２の導電体８との間の距離は、例えば５マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下としてよい。切れ込み１８は、第１の導電体７において、部分的に縁が切られている箇所を形成するものである。換言すると、図２に示されるように、切れ込み１８を挟む第１の導電体７における一方の部分７ａと、他方の部分７ｂとの間では、応力の伝達は生じない。切れ込み１８は、応力の伝達を生じさせなければよいので、その開口幅には特に制限はない。例えば、開口幅は、１０マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下としてよい。

切れ込み１８は、第１の部分２６と、一対の第２の部分２７と、を含む。第１の部分２６は、基準線Ｌと交差する方向に延びる。そして、第１の部分２６は、バンプ用パッド２１と、第１の幾何学的中心２２との間に形成されている。例えば、第１の部分２６が伸びる方向は、基準線Ｌに対して直交であってもよいし、直交ではない所定の角度を有していてもよい。基準線Ｌの方向に沿って、はんだバンプ４を見たとき、第１の部分２６の長さは、はんだバンプ４の長さよりも長い。

第２の部分２７は、第１の部分２６の両端２６ａから基準線Ｌに沿った方向に延びる。第２の部分２７の延びる方向は、第１の部分２６に対して直交していてもよいし、直交ではない所定の角度を有していてもよい。第２の部分２７は、第１の部分２６に接続された基端２７ａと、当該基端２７ａとは逆側の先端２７ｂと、を含む。例えば、第１の幾何学的中心２２を基準としたとき、先端２７ｂの位置は、基端２７ａの位置よりも遠い。換言すると、第２の部分２７の先端２７ｂは、第１の部分２６よりも遠い。さらに、基準線Ｌと直交する方向から見たとき、先端２７ｂは、はんだバンプ４の第２の幾何学的中心２４よりも遠い位置に設定されてもよい。

図４に示す例示では、切れ込み１８を平面視すると、コ字状を呈する。なお、切れ込み１８の平面形状は、コ字状に限定されない。切れ込み１８は、貫通穴１９の形状に対して平行なものとしてよい。例えば、貫通穴１９の平面形状が円形であるとき、切れ込み１８は、半円形状としてよい。この場合、基準線Ｌの方向から見て、貫通穴１９と重複する部分を第１の部分とし、貫通穴１９と重複せず貫通穴１９からはみ出す部分を第２の部分として区別してよい。

＜作用効果＞
以下、半導体装置１の作用効果について説明する。まず、切れ込みを有しない場合にはがれが生じるメカニズムを説明する。その後、実施形態に係る半導体装置１がはがれを抑制し得る理由を述べる。

＜はがれが生じるメカニズム＞
ここでいう「はがれ」とは、例えば、はんだバンプ４の直下に形成されたキャパシタ１７を構成する層に生じるものと理解してよい。具体的には、はがれが生じる箇所は、図２に示されるように、チップ基板１１と第１の導電層１２との界面、第１の導電層１２と絶縁層１３との界面、絶縁層１３と第２の導電層１４との界面及び第２の導電層１４と第１の絶縁層１６との界面である。

本実施形態では、実装基板２の線膨張率が、集積回路チップ３の線膨張係数よりも大きいことを前提とする。例えば、実装基板２として、ガラスエポキシを採用したとすると、その線膨張係数は、１５ｐｐｍ／Ｋである。そして、集積回路チップ３のチップ基板１１としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を採用したとすると、線膨張係数は６ｐｐｍ／Ｋである。また、チップ基板１１としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を採用したとすると、線膨張係数は４ｐｐｍ／Ｋである。

いま、はんだリフローによって、半導体装置１を実装基板２に接続する。まず、実装基板２上の所定位置に半導体装置１を配置する。実装基板２と半導体装置１との間には、固化状態のはんだバンプ４が存在する。次に、実装基板２及び半導体装置１を加熱する。この加熱によって、はんだバンプ４が溶融する。例えば、はんだバンプ４として、はんだ（Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ）を採用した場合には、加熱温度は、２１７℃以上（２５０℃程度）である。この加熱時には、はんだバンプ４の溶融と共に、それぞれの線膨張係数に応じて、集積回路チップ３及び実装基板２の膨張が生じる。

はんだバンプ４を溶融させた後に、温度を下げる。冷却によって、はんだバンプ４が固化する。その結果、実装基板２に対して集積回路チップ３が固定される。つまり、集積回路チップ３と実装基板２とは、はんだバンプ４が固化したときの温度に応じて膨張した状態で、互いに固定される。

さらに冷却が進み、半導体装置１及び実装基板２の温度が室温に近づく。そうすると、図５に示すように、集積回路チップ３及び実装基板２は、温度に応じて収縮しようとする（矢印Ａ２、Ａ３参照）。上述したように、集積回路チップ３及び実装基板２の線膨張係数は、互いに異なっている。そうすると、線膨張係数の大きい実装基板２は、線膨張係数の小さい集積回路チップ３よりもより収縮しようとする。しかし、集積回路チップ３及び実装基板２は、固化したはんだバンプ４によって互いに固定されている。従って、集積回路チップ３及び実装基板２は、それぞれの線膨張係数に応じて自由に収縮することができない。

その結果、図６の（ａ）部に示すように、はんだバンプ４の実装基板２側では、第１の幾何学的中心２２へ向かう方向に力（矢印Ａ２）が作用する。その一方で、はんだバンプ４の集積回路チップ３側では、第１の幾何学的中心２２から遠ざかる方向に力（矢印Ａ３）が作用する。その結果、はんだバンプ４には、第１の幾何学的中心２２へ向かう方向に回転させようとするトルクＴ１が作用する。このトルクＴ１によって、はんだバンプ４の第１の幾何学的中心２２に近い側において、集積回路チップ３には、はんだバンプ４に押圧される力（矢印Ａ５）が作用する。その一方、はんだバンプ４の第１の幾何学的中心２２から遠い側において、集積回路チップ３には、はんだバンプ４により引っ張られる方向の力（矢印Ａ６）が作用する。この力の方向は、キャパシタ１７を構成する各層を剥離させる方向である。

トルクＴ１は、はんだバンプ４が実装基板２と集積回路チップ３とを繋ぎとめているために生じる。はんだバンプ４が存在しない場合には、実装基板２及び集積回路チップ３は、互いに自由に変形可能であるためである。この場合には、変形は生じるが、応力は生じない。第１の導電体７に切れ込み１８を設ける理由は、実装基板２と集積回路チップ３との拘束を弱めるためであるともいえる。切れ込み１８の不連続箇所により、実装基板２は集積回路チップ３に対して変形（熱収縮）が許される。従って、発生する応力（トルクＴ１）は、低下する。

このトルクＴ１に対抗する力は、集積回路チップ３における第１の絶縁層１６又は第１の導電体７であると仮定できる。なぜならば、はんだバンプ４は、第１の導電体７又は第１の絶縁層１６を介して、集積回路チップ３のチップ基板１１又は実装基板２（例えば、ガラスエポキシ：ＦＲ－４）と力を及ぼしあうためである。例えば、チップ基板１１にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を採用した場合には、ガリウムヒ素の弾性率（ヤング率）が比較的大きい（１２０ＧＰａ）。一方、第１の絶縁層１６に採用されるポリイミドの弾性率は、４ＧＰａであり、第１の導電体７に採用される金は、８０ＧＰａである。これらの弾性率の関係によれば、ガリウムヒ素を採用したチップ基板１１は、剛体であるとみなしてよい。従って、トルクＴ１に対抗する力は、集積回路チップ３における第１の絶縁層１６又は第１の導電体７であると仮定できる。

図６の（ｂ）部に示されるように、このはんだバンプ４が集積回路チップ３に及ぼす力（矢印Ａ５、Ａ６）によって、集積回路チップ３に変形が生じる。また、はんだバンプ４が集積回路チップ３を引っ張る力によって、はんだバンプ４の直下に設けられたキャパシタ１７を構成する各層の界面においてはがれを引き起こす。例えば、絶縁層１３と第２の導電層１４との界面においてはがれを引き起こす。

そこで、実施形態に係る半導体装置１は、切れ込み１８が設けられた第１の導電体７を有する。切れ込み１８によれば、第１の導電体７において、切れ込み１８に囲まれた領域は、いわゆる片持ち梁とみなすことができ、外力に応じてたわみを許す。以下の説明では、この領域をたわみ許可領域７Ｓ（図４参照）と呼ぶ。例えば、たわみ許可領域７Ｓの先端に対して押圧力が作用すると、たわみ許可領域７Ｓは、下方にたわむ。換言すると、切れ込み１８によって、はんだバンプ４において第１の幾何学的中心２２に近い側が、集積回路チップ３に沈み込み易くなる。つまり、上述したはんだバンプ４から提供される力に対して、たわみ許可領域７Ｓがたわむ。このたわみによれば、はんだバンプ４により引っ張られる方向の応力が低減され、引っ張り側における集積回路チップ３の変形が低減される。換言すると、第１の導電体７の下部に存在する第１の絶縁層１６が第１の導電体７よりも大きく変形することにより、集積回路チップ３の厚み方向における引張応力が低減される。その結果、集積回路チップ３の内部において、層間はがれの発生が抑制される。

換言すると、実装基板２に許された変形量が大きくなると、はんだバンプ４の回転量（傾き）も大きくなる。この回転量（傾き）の増加は、主としてはんだバンプ４の片側（切り込み１８側）の沈み込み量の増加をもたらす。なぜならば、弾性率の大きい第１の導電体７が切れ込み１８により不連続となっているので、第１の導電体７の下方に位置する第１の絶縁層１６が変形するためである。第１の導電体７において、切れ込み１８が設けられていない箇所（例えば、はんだバンプ４の直下）では、集積回路チップ３に引っ張り力が作用する。しかし、上述のとおり発生する応力が全体的に低減されているので、この垂直方向に沿う引っ張り力も低減し、ひいては変形も低減する。

要するに、集積回路チップ３内で生じる層間はがれは、垂直方向に作用する引っ張り力に起因するとみなしている。従って、第１の導電体７に切れ込み１８を設けることにより引っ張り力が低減された結果、集積回路チップ３の変形量も低減する。そして、集積回路チップ３内で生じる層間はがれの発生が抑制される。

つまり、実装基板２の線膨張率が、集積回路チップ３の線膨張係数よりも大きい場合には、切れ込み１８は、はんだバンプ４と第１の幾何学的中心２２との間に設けられていればよい。

なお、この押圧力とたわみとの関係は、例えば、第１の導電体７の厚み、第１の導電体７の材料（弾性率）、切れ込み１８における第２の部分２７の長さなどによって制御できる。また、たわみ許可領域７Ｓの下方には、第１の絶縁層１６が存在する。従って、第１の絶縁層１６の厚み及びその材料（弾性率）によっても、押圧力とたわみとの関係を制御できる。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

＜変形例１＞
例えば、バンプ用パッド２１Ａは、円形とは異なる形状であってもよい。図７に示すように、バンプ用パッド２１Ａは、扁平形状としてよい。このような形状は、所定のパターニングにより実現できる。換言すると、バンプ用パッド２１Ａの形状は、基準線Ｌに直交する方向に長軸２５を有する長円であってもよい。バンプ用パッド２１Ａは、例えば、幅を４５マイクロメートル以上９０マイクロメートル以下とし、長軸２５に沿った長さを１８０マイクロメートル以上３６０マイクロメートル以下としてよい。そして、切れ込み１８Ａは、バンプ用パッド２１Ａを部分的に囲むコ字状であってもよい。このような形状であっても、集積回路チップ３の内部において、層間はがれの発生が抑制される。

＜変形例２＞
また、図８の（ａ）部に示すように、扁平形状のバンプ用パッド２１Ａと、切れ込み１８Ｂを有してもよい。切れ込み１８Ｂは、バンプ用パッド２１Ａの外形形状に沿うような扁平形状を呈する。切れ込み１８Ｂは、基準線Ｌの方向から見たとき、バンプ用パッド２１と重複する部分を第１の部分２６Ｂとし、バンプ用パッド２１と重複しない部分を第２の部分２７Ｂと定義してよい。このような構成によれば、はんだバンプ４の直下において、図８の（ｂ）部に示されるような応力分布Ｇ８ｂが現れる。また、集積回路チップ３の深部において、図８の（ｃ）部に示されるような応力分布Ｇ８ｃが現れる。はんだバンプ４の直下とは、はんだバンプ４と第２の導電体８との接触部としてよい。集積回路チップ３の深部とは、第１の絶縁層１６であるとしてよい。なお、図８の（ｂ）部、（ｃ）部は、縦軸は長軸２５に沿った位置であり、横軸ははんだバンプ４が集積回路チップ３を引っ張る応力を示す。このような形状であっても、集積回路チップ３の内部において、層間はがれの発生が抑制される。

＜変形例３＞
さらに、図８の（ｄ）部に示すように、バンプ用パッド２１Ｃは、平面視して、くびれ部２１ｓを有するひょうたん型であってもよい。さらに、切り込み１８Ｃもひょうたん型であってもよい。バンプ用パッド２１Ｃは、長軸２５において、基準線Ｌと交差するくびれ部２１ｓの幅が、端部２１ｔに比較して狭い。くびれ部２１ｓの最小幅は、例えば５０マイクロメートルとしてよい。また、端部２１ｔの直径は、例えば１００マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下としてよい。くびれ部２１ｓは、バンプ用パッド２１の長軸２５の方向における略中央に設けられている。

そして、バンプ用パッド２１Ｃによれば、はんだバンプ４の直下において、図８の（ｅ）部に示されるような応力分布Ｇ８ｅが現れる。この応力分布Ｇ８ｅもひょうたん形状であるともみなせる。つまり、ひょうたん形状のバンプ用パッド２１Ｃは、直下の応力分布の形状を近似的に示しているともいえる。また、集積回路チップ３の深部において、図８の（ｆ）部に示されるような応力分布Ｇ８ｆが現れる。応力分布Ｇ８ｅに示されるように、はんだバンプ４の直下において、集積回路チップ３には、引張応力が両端に分割される。これは、上述した、はんだバンプ４と集積回路チップ３との接合幅の相違に起因する。

図９の（ａ）部及び図９の（ｂ）部に示すように、はんだバンプ４が傾いたとき、はんだバンプ４と集積回路チップ３との接合幅Ｈ１、Ｈ２は、集積回路チップ３の変形量Ｄ１、Ｄ２に影響を及ぼす。具体的には、接合幅Ｈ１、Ｈ２が小さいほど、集積回路チップ３の変形量Ｄ１、Ｄ２が小さい。つまり、接合幅Ｈ２が小さいくびれ部２１ｓに作用する応力が、両端部に作用する応力よりも低下する（図８の（ｅ）部参照）。その結果、図８の（ｆ）部に示すように、集積回路チップ３における深部（例えば、キャパシタ１７が形成された深さ）では、応力が均一化されるので、応力の最大値を低下させることができる。

なお、はんだバンプ４は、機械的な特性だけでなく、電気抵抗及び電流容量も要件として課せられる。つまり、はんだバンプ４は、所定の電気抵抗及び電流容量を有する必要がある。これらの条件は、はんだバンプ４の面積に起因する。つまり、はんだバンプ４の面積を一定としながら、幅の狭い領域を確保するものである。

＜変形例４＞
実施形態では、実装基板２の線膨張率が集積回路チップ３の線膨張係数よりも大きい場合について例示した。例えば、実装基板２の線膨張率が集積回路チップ３の線膨張係数よりも小さい場合には、第１の幾何学的中心２２を基準として、切れ込み１８は、バンプ用パッド２１よりも外側に設けられる。つまり、切れ込み１８は、第１の幾何学的中心２２を基準として、バンプ用パッド２１から遠ざかる側に形成されてもよい。換言すると、基準線Ｌ上において、第１の幾何学的中心２２、バンプ用パッド２１、切れ込み１８の順に形成されてよい。

１…半導体装置、２…実装基板、３…集積回路チップ、４…はんだバンプ、６…基板積層体、７…第１の導電体（第１の金属層）、８…第２の導電体（第２の金属層）、９…第２の絶縁層、１１…チップ基板、１２…第１の導電層、１３…絶縁層、１４…第２の導電層、１６…第１の絶縁層（基板絶縁層）、１７…キャパシタ、１８…切れ込み、１９…貫通穴（開口）、２１，２１Ａ…バンプ用パッド、２２…第１の幾何学的中心、２４…第２の幾何学的中心、２６…第１の部分、２７…第２の部分、Ｌ…基準線（仮想線）。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の主面に形成された第１の金属層と、
   前記第１の金属層を覆い、前記第１の金属層の一部を露出させる複数の開口を有する層間絶縁層と、
   前記開口を介して前記第１の金属層に接触し、前記開口の周囲に延在する複数の第２の金属層と、
   前記複数の第２の金属層に形成された複数のはんだバンプと、を備え、
   前記第１の金属層は、前記開口ごとに設けられ、前記開口に沿って伸びると共に前記基板の主面を露出させる切れ込みを有し、
   前記切れ込みは、
   前記複数のはんだバンプの位置関係によって決定される１個の第１の幾何学的中心と、前記複数のはんだバンプのそれぞれが有する複数の第２の幾何学的中心と、を結ぶ仮想線に直交する方向に伸びる第１の部分と、
   前記第１の部分の両端を始点とし、前記第１の部分が延びる方向と交差する方向に延びる一対の第２の部分と、を含み、
   前記開口及び前記はんだバンプの形状は、前記仮想線に直交する方向に長軸を有する長円であり、
   前記開口及び前記はんだバンプにおいて、前記長円の前記仮想線と交差する箇所の幅は、他の箇所に比較して狭い、半導体装置。
2. 前記基板は、前記開口の下方に配置されて、第１の導電層と絶縁層と第２の導電層とが積層された複数の金属－絶縁体－金属キャパシタと前記金属－絶縁体－金属キャパシタを覆う基板絶縁層を有する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板絶縁層は、ポリイミドにより形成されている、請求項２に記載の半導体装置。
   

Images