JP2008010778A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部接続電極における熱応力の集中を緩和することができる半導体装置を実現する。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、半導体チップ１１の全面を覆うように形成されたパッシベーション膜１２と、外部との電気的接続を行うためにパッシベーション膜１２中に形成された電極パッド１３と、電極パッド１３上のパッシベーション膜１２を除去して形成された開口部と、開口部および開口部周辺のパッシベーション膜１２を覆うように形成され、半導体チップ１１の中心と開口部の中心とを結ぶ直線上において、半導体チップ１１の中心側とその反対側とでパッシベーション膜１２との接着面の距離が異なるバリアメタル１４と、外部電極としてバリアメタル１４上に形成された金属バンプ１５を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置における外部接続電極の構造にかかわるもので、特にフリップチップのバンプ下電極構造に関する。

電子製品の小型化、高性能化により、半導体装置は高速化、多端子化している。高速多端子の半導体装置は、通常フリップチップ接続パッケージ構造が必要であるが、基板の熱膨張係数とチップの熱膨張係数との差により、外部接続電極に大きな熱応力が発生することは周知（例えば、「特許文献１」を参照。）である。また、フリップチップの外部接続端子には通常なまり入りの半田材が用いられているが、近年、環境面の配慮から、鉛フリー化が必要になっている。半田材の鉛は、融点を下げるとともに、応力を緩和する効果を有している。このため、鉛フリー化によって、基板とチップの熱膨張係数差による応力が、接続部とくに電極部に集中する。さらに、（１）半導体チップ内配線の電気特性向上の目的で、絶縁層の誘電率を下げる結果、絶縁層の脆弱化につながっていること、（２）外部接続端子の微細化により、電極端子の面積が小さくなり応力が集中しやすくなっていること、（３）微細化により電極端子間の距離が近接するため、接続高さが低くなり、これによっても応力の集中がおきやすくなっていることから、外部接続電極における応力集中を緩和する方法が必要になっている。

図７は、従来の半導体装置における外部接続電極の構造を示す断面図である。図７には、一例として、半田バンプ１０１を介してフリップチップ１０２を基板１０３上に接着した場合を示した。フリップチップ１０２の外部接続電極は、図７に示したように、フリップチップ１０２の表面を覆うように形成されたパッシベーション膜１０４中に設けられたアルミ（Ａｌ）の電極パッド１０５上にバリアメタル１０６（以下、「ＵＢＭ層１０６」という。）が形成され、そのＵＢＭ層１０６に半田バンプ１０１が接着されている。ＵＢＭ層１０６は、電極パッド１０５と接続するためにパッシベーション膜１０４を除去した開口部とその周辺を覆うように形成されている。

ここで、フリップチップ１０２および基板１０３の温度が高温から低温に変化する場合（基板１０３とフリップチップ１０２の熱膨張係数差による熱応力はこの場合に最大となる。）を考える。この時、図７に示したように、フリップチップ１０２は温度差による熱収縮が小さく、一方、基板１０３は温度差による熱収縮が大きい。したがって、基板１０３とフリップチップ１０２の熱膨張係数差による熱応力は、チップ中心（図７では左方。）から見て反対側のＵＢＭ層１０６のコーナー（図７で、太枠で囲んだ部分。）に引張応力が集中する。このため、従来の半導体装置における外部電極構造では、チップ中心から見て反対側のＵＢＭ層１０６がパッシベーション膜１０４から剥離しやすいという問題があった。
特開平６−１７７１３４号公報

本発明は、外部接続電極における熱応力の集中を緩和することができる半導体装置を提供する。

本発明の一態様によれば、半導体チップの全面を覆うように形成されたパッシベーション膜と、外部との電気的接続を行うために前記パッシベーション膜中に形成された電極パッドと、前記電極パッド上の前記パッシベーション膜を除去して形成された開口部と、前記開口部および前記開口部周辺の前記パッシベーション膜を覆うように形成され、半導体チップの中心と前記開口部の中心とを結ぶ直線上において、前記半導体チップの中心側とその反対側とで前記パッシベーション膜との接着部の距離が異なるバリアメタルと、外部電極として前記バリアメタル上に形成された金属バンプを有することを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明によれば、外部接続電極における熱応力の集中を緩和することができるので、微細で信頼性の高い外部接続電極を有する半導体装置を実現することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例に係わる半導体装置における外部接続電極の構造を示す断面図である。
本発明の実施例に係わる半導体装置における外部接続電極の構造は、チップ１１の表面を覆うように形成されたパッシベーション膜１２、パッシベーション膜１２中に形成されたアルミパッド１３、アルミパッド１３上の開口部とその周辺を覆うように形成されたバリアメタル１４（以下、「ＵＢＭ層１４」という。）、およびＵＢＭ層１４に接着された金属バンプ１５を備えている。

パッシベーション膜１２は、半導体の無機物からなるパッシベーション膜とその上に形成された有機物からなるパッシベーション膜とで構成されている。

アルミパッド１３は、パッシベーション膜１２中に形成され、アルミパッド１３上の一部のパッシベーション膜１２は外部との接続のために除去され、開口部を形成している。

ＵＢＭ層１４は、開口部およびその周辺を覆うように形成された円形の導電性膜であり、開口部の底面でアルミパッド１３と接着され、開口部の周辺ではパッシベーション膜１２に接着されている。ＵＢＭ層１４の上部にはほぼ全面にわたって金属バンプ１５が接着されている。

図２は、本発明の実施例に係わる半導体装置におけるＵＢＭ層１４の接着面を示す模式図である。
ＵＢＭ層１４とアルミパッド１３とのパッド接着面２１は、図２に示したように、チップ１１の中心（図２では、紙面右方。））とＵＢＭ層１４の中心を結んだ直線である中心線に沿ってチップ１１の中心側にずれて形成されている。すなわち、パッシベーション接着面２２のチップ１１中心側の距離をａ、その反対側の距離をｂとして、ａ＜ｂとなるようパッド接着面２１、つまり、アルミパッド１３上の開口部が形成されている。また、ａは少なくとも１０μｍ以上となるようＵＢＭ層１４が形成されている。

パッド接着面２１は、さらに、ＥＭ（エレクトロマイグレーション）限界を考慮して、その面積Ｓｍｉｎが確保されている。

図３は、本発明の実施例に係わる半導体装置のＵＢＭ層１４における接着面積と電流密度の関係を示すグラフである。
グラフの縦軸は、パッド接着面２１における電流密度を任意のスケールで示し、横軸はパッド接着面２１の面積を任意のスケールで示している。ＥＭ限界は、その外部接続電極に流れる最大電流で決まるため、図３に示したように、パッド接着面２１の面積には仕様上要求される最小の面積Ｓｍｉｎが存在する。

図４は、本発明の実施例に係わる半導体装置におけるＵＢＭ層１４の応力を示す分布図である。ここでは、一例として、図１の電極構造を持つフリップチップ１１を基板４１上に実装した場合のＵＢＭ層１４近傍断面の応力分布を示した。

ＵＢＭ層１４における応力分布は、図４に示したように、チップ１１の中心側（図４では、紙面左方。）からみてその反対側のコーナーに引っ張り応力が集中している。

図５は、本発明の実施例に係わる半導体装置における応力の変化を示すグラフである。ここでは、ＵＢＭ層１４とパッシベーション膜１２との接着距離ｂが異なる３種類の構造についてそれぞれシミュレーションし、結果を中心線に沿った応力（図４の（ａ）〜（ｃ））として示した。

図５の縦軸は応力を示し、横軸はパッシベーション接着面２２のコーナーからの距離を任意のスケールで示している。

図５から分かるように、パッシベーション膜１２上に形成されたＵＢＭ層１４の距離ｂが長いほど、ＵＢＭ層１４の接続応力は小さくなる。逆に、距離ｂを小さくすると、チップ１１上の脆弱な絶縁層に高い応力が生じてしまい、剥離、破壊に至ってしまう。

上記実施例によれば、チップ１１中心からみて反対側におけるＵＢＭ層１４とパッシベーション膜１２との接着面の距離をチップ１１中心側より大きくすることにより外部接続電極における熱応力の集中を緩和することができるので、微細で信頼性の高い外部接続電極を有する半導体装置を実現することができる。

上述の実施例では、パッド接着面２１およびパッシベーション接着面２２は共に円形であるとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図６に示したように、種々の変形例が考えられる。図６（ａ）はパッシベーション接着面２２を中心線に沿って長円形としており、図６（ｂ）はパッド接着面２１を中心線に垂直な方向に沿って長円形としており、図６（ｃ）はパッド接着面２１を同様に長方形としている。これらはいずれも、パッド接着面２１の面積をＳｍｉｎ以上に保持してパッシベーション接着面２２の距離ｂを大きくしている。

また、上述の実施例では、チップ１１を基板上に実装するとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、複数のチップ１１を積み重ねて積層チップ１１を構成する場合などにも適用することができる。そのような場合には、積み重ねるチップ１１の大きさや厚さなどにより熱応力の分布が変化するので、必ずしもａ＜ｂとは限らない。場合によっては、ａ＞ｂとする方がＵＢＭ層１４にかかる応力を緩和することができる。

本発明の実施例に係わる半導体装置における外部接続電極の構造を示す断面図。 本発明の実施例に係わる半導体装置におけるＵＢＭ層１４の接着面を示す模式図。 本発明の実施例に係わる半導体装置のＵＢＭ層１４における接着面積と電流密度の関係を示すグラフ。 本発明の実施例に係わる半導体装置におけるＵＢＭ層１４の応力を示す分布図。 本発明の実施例に係わる半導体装置における応力の変化を示すグラフ。 本発明の実施例に係わる半導体装置におけるＵＢＭ層１４の他の接着面を示す模式図。 従来の半導体装置における外部接続電極の構造を示す断面図。

符号の説明

１１ チップ
１２ パッシベーション膜
１３ アルミパッド
１４ バリアメタル（ＵＢＭ層）
１５ 金属バンプ

Claims (3)

1. 半導体チップの全面を覆うように形成されたパッシベーション膜と、
   外部との電気的接続を行うために前記パッシベーション膜中に形成された電極パッドと、
   前記電極パッド上の前記パッシベーション膜を除去して形成された開口部と、
   前記開口部および前記開口部周辺の前記パッシベーション膜を覆うように形成され、半導体チップの中心と前記開口部の中心とを結ぶ直線上において、前記半導体チップの中心側とその反対側とで前記パッシベーション膜との接着部の距離が異なるバリアメタルと、
   外部電極として前記バリアメタル上に形成された金属バンプを有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記バリアメタルにおける前記パッシベーション膜との接着部の距離は、半導体チップの前記中心側よりも前記反対側の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バリアメタルにおける前記パッシベーション膜との接着部の距離は少なくとも１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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