JPH01185925A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に係り、特に樹脂封止型半導体装置
に関する。

〔従来の技術〕

従来の樹脂封止型半導体装置の断面概略図を第４図に示
す。同図（ａ）はパッケージ内全体を表わす断面図、同
図（ｂ）は半導体素子や配線等が形成されている半導体
回路基板表面の部分断面図を示す。第４図（ａ）、（ｂ
）において封止樹脂４００はエポキシまたはシリコーン
等の樹脂から成る。２００はリードフレーム、１００は
半導体素子が形成されている回路基板、１１０はアルミ
ニウム等から成る金属配線、１１１はアルミニウム等か
ら成る外部端子取り出し電極（以下ポンディングパッド
と記す）、１５０はシリコン酸化膜（Ｓ　１０２　）等
の表面保護膜、３００はボンディングワイヤ（接続用の
金線）を表わす。また、１０１は半導体素子の不純物拡
散層、１０２はシリコン酸化膜等の第１の層間絶縁層、
１０３は該第１の層間絶縁層の一部に設けた開孔部を表
わす。

このように半導体回路基板１００を樹脂封止した場合、
特にこの樹脂封止半導体装置を低温と高温の雰囲気に繰
り返しさらした場合には、封止樹脂４００の硬化収縮及
び封止樹脂４００と回路基板１００を構成する材料との
熱膨張係数の不整合により、回路基板１００に応力が加
わる。この応力によって半導体回路基板内の金属配線１
１０が変形、断線もしくは短絡したりする故障が問題と
なっている。ここで発生する応力は、回路基板１００の
周辺部から中心点に向けて作用する。したがって、金属
配線１１０は通常回路基板１００の中心方向に移動（変
形）する。また、移動（変形）の大きさは中心部ではほ
ぼ零であり、周辺方向に離れるほど大きくなる。

本現象に関しては、電子通信学会技術研究報告、（信頼
性）、Ｒ７９−２３，ｐｐ、５７〜６４．１９７９年１
０月「樹脂封止半導体素子の熱衝撃における蒸着Ａｌｌ
配線のスライド現象」に詳しく記載されている。

このような封止樹脂４００の応力による金属配線１１０
の変形の対策としては、従来からいくつかの方法がある
。これらには、封止樹脂４００を改良して低応力化する
ことや、半導体回路基板１００上の表面保護膜１５０を
改良して配線に加わる応力を緩和することなどがある。

このうち、表面保護膜１５０の改良方法には、特公昭６
１−３４２５６号に記載の方法がある。本方法は表面保
護として用いているシリコン酸化膜１５０の厚みを金属
配線１１０の厚み以上にするというものである。また特
開昭６０−１４０７３９に記載の方法は、表面保護膜と
してシリコン酸化物等の硬質無機絶縁膜の上にさらにポ
リイミド樹脂等の比較的弾性率の小さな材料によるコー
ティング層を設けた２層構造とし、その軟かいコーティ
ング層の変形によって応力を吸収するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、半導体装置の集積化が進み、回路基板
１００（チップ）の大型化や素子、配線の微細化が進ん
だ場合について配慮されてぃなかった。−例として回路
基板１００の大きさが１０ｍ＋ｍ角を超えたり、配線１
１０の幅や間隔がサブミクロン領域にまで縮小された集
積回路が近年実現されている。これらの回路基板１００
を樹脂封止した場合、前記従来技術では回路基板１００
に加わる応力の軽減が不十分となり、従来技術のように
表面保護膜１５０を厚くしても膜にクラックが入り配線
１１０が変形し、またポリイミド樹脂のコーティング層
を上層に形成してもポリイミド樹脂の変形が著しく、配
線の保護効果が損われ、半導体装置の信頼性を維持する
ことに問題があった。また、近年では回路の大規模化に
対応して配線を積み重ねて構成するいわゆる多層配線構
造の集積回路も多く実現されている。この場合には、樹
脂応力により配線層間の絶縁性及び配線層間の接続配線
特性の信頼性低下が特に問題になる。

また、チップの大型化、素子の微細化がそれ程進んでい
ない半導体装置においてもより一層低温高温の雰囲気に
さらされても信頼性が維持される半導体装置が要望され
ている。

本発明の目的は、封止樹脂の収縮応力によって引き起こ
される配線の変形等を低減させた信頼性の高い半導体装
置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、少なくとも回路基板、該回路基板の少なく
とも一部を覆う保護膜及び配線を樹脂封止した半導体装
置において、上記保護膜は高分子樹脂よりなる保護樹脂
膜と、その上に配置され、上記高分子樹脂より弾性率の
大なる材料よりなる第２の保護膜を含むことを特徴とす
る半導体装置によって達成される。

上記の第２の保護膜の材料は、上述のように保護樹脂膜
の高分子樹脂より弾性率が大なる材料であればどのよう
なものでもよいが、弾性率が１０００ｋｇ／ｆｆＩｍ”
以上のものが好ましい。このようなものは、例えばシリ
コン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化
物等のシリコン化合物、遷移金属の硅化物、遷移金属の
炭化物等がある。

なお、通常の半導体装置においては、封止用樹脂、すな
わち半導体装置の最も外側の樹脂と半導体素子の間には
種々の目的で種々の保護膜が設けられているが、本発明
においても上記二層の保護膜の他に他の目的のために種
々の保護膜を併用することができる。

例えば、α線によるエラー防止のため、２０〜３０−程
度の厚いポリイミド樹脂膜を半導体素子上に設けること
が知られており、本発明においても、上記二層の保護膜
の上にさらに厚いポリイミド樹脂膜を設けることができ
る。また樹脂中の不純物が素子中に拡散するのを防止す
るため、ＳｉＮ等の層を半導体素子上に設けることが行
なわれており、本発明においてもこのような不純物拡散
防止膜を半導体素子上に形成してから、この上に上記二
層の保護膜を設けることができる。

〔作用〕

本発明においては、保護膜のうち、保護樹脂膜は従来と
同様に内部の素子・配線に加わる封止樹脂の収縮応力を
緩和する働きがある。一方、保護樹脂膜上に設けた第２
の保護膜は、封止樹脂の収縮応力を受けても殆ど収縮し
ないために下層の保護樹脂膜の変形を緩和する効果を生
ずる。これによって配線や素子に加わる応力は著しく低
減され、表面保護の効果が大幅に向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１ 第１図は本発明の樹脂封止型半導体装置の一例を表わす
図であり、同図（ａ）は回路基板表面部の部分断面図を
示し、同図（ｂ）はパッケージ内の全体断面概略図を示
す。同図（ａ）において示すように、トランジスタや抵
抗などの素子となる不純物拡散層１０１等が作り込まれ
ている回路基板１００を、電極引き出し用の開孔部１０
３以外をシリコン酸化物から成る第１の層間絶縁膜１０
２によって被覆し、ついでアルミニウム合金などから成
る金属配線１１０を被着する。これらの工程は周知の半
導体装置製造技術によるものである。次に表面保護膜と
してポリイミド樹脂から成る保護樹脂膜１５１とシリコ
ン酸化物からなる第２の保護膜１５２とから成る二層膜
を形成した。保護樹脂膜１５１としては、日立化成■製
のポリイミドイソインドロキナゾリン樹脂を適用し、回
転塗布法により塗布し、Ｎ２ガス中で２５０℃に３０分
、３５０℃に３０分熱処理し、約２−の厚さに形成した
。その上に形成した第２の保護膜１５２は周知のスパッ
タ法により約１−の厚さに形成した１次に保護膜１５１
．１５２にはポンディングパッド部に所定の開孔を設け
た。すなわち、第２の保護膜１５２上にホトレジストの
パターンを通常の方法で形成し、フレオン（登録商標）
系ガスを用いて反応性イオンエツチングにより第２の保
護膜１５２を加工し、次に第２の保護膜１５２をマスク
にして酸素を用いた反応性イオンエツチングにより保護
樹脂膜１５１を加工した。続いて、同図（ｂ）に示すよ
うにボンディングワイヤを接続してから回路基板１００
を樹脂封止した。組立て方法は周知の半導体封止技術を
用いている。なお、２００はリードフレーム、３００は
金のボンディングワイヤ、４００はエポキシ系の封止樹
脂を示す。

なお、本実施例で用いた保護膜のうち保護樹脂膜１５１
のポリイミド樹脂の弾性率は約８００ｋｇ　／　ｓｕｍ
”、シリコン酸化物から成る第２の保護膜１５２の弾性
率は約７０００ｋｇ／　＋＋＋＋＋＋”、また、封止樹
脂４００の弾性率は約１５００ｋｇ／膳ａｔである。

本実施例によれば、封止樹脂４００の収縮応力は第２の
保護膜１５２によって大部分阻止されるため、半導体回
路基板１００の表面の保護樹脂膜１５１の変形は極めて
少なくなり、回路基板内の金属配線１１０等に加わる応
力を著しく緩和する効果がある。従って、本樹脂封止型
半導体装置を高温と低温の雰囲気に繰り返しさらした場
合においても、金属配線１１０の変形や素子の特性変動
等による故障は従来法に比べ極めて少なかった。

本実施例では保護膜のうち、保護樹脂膜としてポリイミ
ド樹脂、第２の保護膜としてシリコン酸化物とを組み合
わせた二層膜を用いたが、ポリイミド樹脂膜上に積層す
る第２の保護膜は弾性率が′上記ポリイミド樹脂より大
なるものであれば、本実施例と同様の効果が得られる。

従って、ポリイミド樹脂上に積層する膜はポリイミド樹
脂であっても良い。−例として、弾性率が３００ｋｇ／
ｍｗ＋２のポリイミド樹脂から成る保護樹脂膜１５１上
に第２の保護膜１５２として弾性率が８００ｋｇ　／　
ｍ＋ｎ２のポリイミド樹脂を積層した二層膜を保護膜と
して適用した場合においても効果が得られた。しかし、
第２の保護膜１５２の弾性率が対土用樹脂４００のそれ
に対しても大きい方がより良好な結果が得られる。また
、ポリイミド樹脂から成る保護樹脂膜１５１上の第２の
保護膜１５２は絶縁物でなく導電物であっても本効果が
同様に得られることは言うまでもない。

更にまた、本実施例の場合保護膜としては、ポリイミド
樹脂から成る保護樹脂膜１５１とシリコン酸化物から成
る第２の保護膜１５２との二層膜のみの場合を取り上げ
たが、該二層膜が少なくとも含まれる多層膜であれば良
く、他の目的のために該二層膜の上層もしくは下層に他
の材料から成る膜が存在していても本効果は同様に得ら
れる。

なお、保護樹脂膜１５１の例としてはポリイミド樹脂の
他、エポキシ樹脂、シリコーン等の他の樹脂であっても
良い。また、第２の保護膜１５２としてはシリコン酸化
物の他、シリコン窒化物、シリコン炭化物、タングステ
ンやチタン等遷移金属の硅化物や炭化物が適している。

また、シリコン等の含有により弾性率を向上させた高分
子樹脂であっても良い。

実施例２ 第２図は本発明の樹脂封止型半導体装置の他の実施例を
表わす図であり、半導体回路基板表面部の部分断面概略
図を示す。本実施例は金属配線１１０、第２の配線層１
２０の構造が第２の層間絶縁膜１１４を介して二層構造
化していることが先の実施例１と大きく異なる点である
。実施例１と同様に回路基板１００上に第１の眉間絶縁
膜１０２としてシリコン酸化膜を形成し、アルミニウム
合金から成る金属配線１１０を形成した後、第２の層間
絶縁Ｎ１１４としてポリイミド樹脂（日立化成曲製、ポ
リイミドイソインドロキナゾリン樹脂）を約２．３虜形
成し、配線層間接続孔１１５を設けた後、アルミニウム
合金から成る第２の配線層１２０を形成した。その後、
実施例１と同様にポリイミド樹脂から成る保護樹脂膜１
５１とシリコン酸化物から成る第２の保護膜１５２とで
構成される二層膜構造の保護膜を設け、封止樹脂４００
で封入した。

本実施例の二層の金属配線層を含む構造は、特に封止樹
脂の応力に耐える能力が低いとされてきたが、本実施例
によれば、多層配線構造に対しても封止樹脂の収縮応力
の影響を緩和することができる。つまり、本半導体装置
を高温と低温の雰囲気に繰り返しさらした場合において
も金属配線の変形や第２の層間絶縁膜１１４の絶縁性の
劣化や配線層間接続孔１１５の断線不良等による故障は
極めて少なく、従来の１／４以下となり信頼性の向上に
効果があった。

なお、本実施例では回路基板上に形成した配線は二層構
造のものであるが、配線が三層以上の構造の場合でも本
発明の効果は得られる。

実施例３ 第３図は本発明の樹脂封止型半導体装置の他の実施例の
パッケージ内の全体断面概略図を示す。

集積回路を形成した回路基板１００をリードフレーム２
００に接着し、所定のボンディングワイヤ３００を配線
した後に、ポリイミド樹脂から成る保護樹脂膜１５１を
ポツティング方式により塗布し、２００℃で３０分熱硬
化して形成した。膜厚は最も厚い所で約１００、である
。次に該ポリイミド樹脂より弾性率が大なる他のポリイ
ミド樹脂を同様の方法で膜厚５０−に形成し、第２の保
護膜１５２とし、その後封止樹脂４００で封入した。

本実施例では、保護膜が回路基板１００の表面だけでな
く側面をも被覆する構造となる。本実施例によっても、
実施例１と同様の効果が得られた。

さらに、実施例１の場合に比べ、保護膜の加工（ポンデ
ィングパッド部の開孔）が不要となり、製造工程が簡略
化する効果もある。

なお、本実施例の変形として、保護膜を半導体基板の表
面のみに限ってコーティングしても同様面や側面に被着
した場合を示したが、金属配線１１０の変形がより顕著
にあられれる回路基板１００の周辺領域にのみ保護膜を
設けても本発明の効果があることは言うまでもない。

さらにまた、保護樹脂膜と下地基板との間にアルミ等の
接着層を介在させた構造においては、本発明の効果がよ
りあられれた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、高分子樹脂から成る保護
樹脂膜と該保護樹脂膜上に設けた弾性率が大なる第２の
保護膜により、封止樹脂の収縮応力によって引き起こさ
れる配線の変形、断線、短絡を大幅に低減し、そのため
樹脂封止型半導体装置の信頼性向上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体基板表面部の部分断
面概略図及びパッケージ内の全体断面概略図、第２図は
他の実施例を示す部分断面概略図、第３図はさらに他の
実施例を示すパッケージ内の全体断面概略図、第４図は
従来の樹脂封止型半導体装置のパッケージ内の全体断面
概略図及び部分断面概略図である。 符号の説明 １００・・・回路基板　　　　　２００・・・リードフ
レーム３００・・・ボンディングワイヤ ４００・・・封止樹脂　　　　１０１・・・不純物拡散
層１０２・・・第１の眉間絶縁膜 １０３・・・開孔部　　　　　１１０・・・金属配線１
１１・・・ポンディングパッド １１４・・・第２の層間絶縁膜 １１５・・・配線層間接続孔　１２０・・・第２の配線
層１５０・・・保護膜　　　　　１５１・・・保護樹脂
膜１５２・・・第２の保護膜 代理人弁理士　　中　村　純之助 第１図 （ａ） ＜ｂ） 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも回路基板、該回路基板の少なくとも一部
   を覆う保護膜及び配線を樹脂封止した半導体装置におい
   て、上記保護膜は高分子樹脂よりなる保護樹脂膜と、そ
   の上に配置され、上記高分子樹脂より弾性率の大なる材
   料よりなる第２の保護膜を含むことを特徴とする半導体
   装置。 ２、上記高分子樹脂は、ポリイミド系高分子樹脂である
   特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ３、上記第２の保護膜は、シリコン、シリコン酸化物、
   シリコン窒化物、シリコン炭化物、遷移金属の硅化物、
   遷移金属の炭化物からなる群から選ばれた少なくとも一
   種の材質である特許請求の範囲第１項記載の半導体装置
   。