JP2008218759A - Electrode structure for semiconductor chip, semiconductor device to which semiconductor chip is flip-chip bonded, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線基板にフリップチップ実装される半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップがフリップチップ実装された半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode structure of a semiconductor chip flip-chip mounted on a wiring board, a semiconductor device in which the semiconductor chip is flip-chip mounted, and a method for manufacturing the same.
近年、情報通信機器や事務用電子機器の小型化および高機能化が進むのに伴って、これらの電子機器に搭載される半導体集積回路装置等の半導体装置に対して小型化と共に、入出力のための外部端子の数を増加することが要求されている。しかし、半導体チップの周辺部に電極パッドを形成してワイヤボンディング方式で外部回路と接続する方式では外部端子数の増加と小型化の両立が困難になってきている。 In recent years, as information communication devices and office electronic devices have become smaller and more sophisticated, semiconductor devices such as semiconductor integrated circuit devices mounted on these electronic devices have been reduced in size and input / output. Therefore, it is required to increase the number of external terminals. However, in the method in which electrode pads are formed in the peripheral portion of the semiconductor chip and connected to an external circuit by a wire bonding method, it is difficult to achieve both an increase in the number of external terminals and a reduction in size.
これらの要求を実現させる技術として、電極パッドを能動領域上に形成して、ワイヤボンディングやインナーリードボンディングを行うパッドオンエレメントと呼ばれる技術や、能動領域上に形成された電極パッド上にバンプと呼ばれる外部接続端子を形成して、バンプを介して外部回路と接続するフリップチップ技術が採用されるようになってきた。 As a technique for realizing these requirements, a technique called a pad-on element in which an electrode pad is formed on an active region and wire bonding or inner lead bonding is performed, or a bump is called on an electrode pad formed on the active area. Flip chip technology has been adopted in which external connection terminals are formed and connected to external circuits via bumps.
図11は、フリップチップ実装方法により形成されたBGA(Ball Grid Array)型の従来の半導体装置の構造を示す概略断面図であり、半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、半導体チップと配線基板との間隙を充填するアンダーフィル樹脂を注入した状態を示す。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device of BGA (Ball Grid Array) type formed by a flip chip mounting method. The semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board, and the semiconductor chip and the wiring board are shown. The state which injected the underfill resin which fills the gap | interval with is shown.
図11に示すように、この従来の半導体装置は、主面上に複数の電極パッド103が形成され、その電極パッド103の上方に金属バンプ106が形成されている半導体チップ101が、金属バンプ106に対応する位置に金属電極113が形成されている配線基板111上にフェイスダウンで搭載されている。また、配線基板111の半導体チップ搭載面とは反対側の面には、半田ボール114が形成されている。
As shown in FIG. 11, the conventional semiconductor device includes a
また、半導体チップ101と配線基板111とは熱膨張係数に差があるため、熱履歴等を受けた場合には接合部とりわけ半田からなる金属バンプ106のチップ側根元部分に応力がかかる。そこで、この応力集中を緩和するため、半導体チップ101と配線基板111との間の金属バンプ106以外の部分に、アンダーフィル樹脂112を注入・硬化して、補強する構造をとるのが一般的である。
In addition, since there is a difference in thermal expansion coefficient between the
アンダーフィル樹脂112には、図11に示すように、エポキシ系樹脂などのベースとなる樹脂112aの他に、半導体チップ101の熱膨張係数と似た熱膨張係数にするために、適当な大きさのフィラー成分112bが添加される。また、アンダーフィル樹脂112は、外部からの水分の浸入を抑制し、耐湿性を高める役割も果たしている。
As shown in FIG. 11, the
続いて、この従来の半導体装置の製造方法について、図面を用いて説明する。図12(a)〜(d)は、従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。まず、図12(a)に示すように、金属バンプ106に対応する位置に金属電極113が形成されている配線基板111上に半導体チップ101をフェイスダウンで搭載する(フリップチップ実装)。
Next, a method for manufacturing this conventional semiconductor device will be described with reference to the drawings. 12A to 12D are cross-sectional views showing a conventional method for manufacturing a semiconductor device in the order of steps. First, as shown in FIG. 12A, the
次に、図12(b)に示すように、半導体チップ101が搭載された配線基板111をリフロー(熱処理)することにより金属バンプ106を溶融させ、半導体チップ101と配線基板111とを接合することで、半導体チップ101と配線基板111とを金属バンプ106を介して電気的に接続する。
Next, as shown in FIG. 12B, the
次に、図12(c)に示すように、半導体チップ101と配線基板111との隙間を清浄化し、ディスペンサ装置32を用いて、その間隙にアンダーフィル樹脂112を注入する。このとき、アンダーフィル樹脂112の注入はチップの周辺部から行うが、毛細管現象によりアンダーフィル樹脂112がチップ全面に浸入して、半導体チップ101と配線基板111との間隙に充填される。その後、熱処理することによりアンダーフィル樹脂112を硬化して封止する。
Next, as shown in FIG. 12C, the gap between the
次に、図12(d)に示すように、配線基板111の半導体チップ搭載面とは反対側の面に、半田ボール114を載置し、リフローすることにより外部機器との接続に使用する端子を形成して、BGA型の半導体装置を実現していた。
Next, as shown in FIG. 12D, a
ところが、近年、半導体装置の小型化、高機能化の進展に伴って、金属バンプのピッチが小さくなったり、半導体チップと配線基板との間隙が狭くなったりすることが多くなってきた。また、金属バンプの配置が、チップ周辺部のみの配置(ペリフェラル配置)からチップ全面への配置(エリア配置)へと変化してきており、チップ周辺部に複数列の金属バンプを配置し、且つチップ中央部に数個の金属バンプを配置した半導体装置が登場してきている。この場合、金属バンプの配置に粗密が生じることになる。 However, in recent years, with the progress of miniaturization and higher functionality of semiconductor devices, the pitch of metal bumps has become smaller and the gap between a semiconductor chip and a wiring board has become increasingly smaller. In addition, the arrangement of metal bumps has changed from the arrangement of only the periphery of the chip (peripheral arrangement) to the arrangement of the entire surface of the chip (area arrangement), and a plurality of rows of metal bumps are arranged on the chip periphery. Semiconductor devices with several metal bumps arranged at the center have appeared. In this case, the arrangement of the metal bumps becomes rough.
このように、金属バンプのピッチが小さくなったり、半導体チップと配線基板との間隙が小さくなったり、金属バンプの配置に粗密が生じたりすると、前述したようなチップ周辺部からのアンダーフィル樹脂の注入が困難になる。すなわち、半導体チップと配線基板との間隙に浸入したアンダーフィル樹脂内に気泡が発生しやすくなる。このように気泡が発生する原因は必ずしも明確ではないが、半導体チップと配線基板との間隙(ギャップ)が小さくなるために、アンダーフィル樹脂の浸入が困難になることや、半導体チップ表面、金属バンプ表面、あるいは配線基板の表面とアンダーフィル樹脂との濡れ性に違いがあること、金属バンプの配置に粗密が生じることによりアンダーフィル樹脂の浸入速度に差が生じ、気泡を巻き込んでしまう場合があることなどが原因として考えられる。 As described above, when the pitch of the metal bumps is reduced, the gap between the semiconductor chip and the wiring board is reduced, or the arrangement of the metal bumps is rough, the underfill resin from the periphery of the chip as described above can be obtained. Injection becomes difficult. That is, bubbles are likely to be generated in the underfill resin that has entered the gap between the semiconductor chip and the wiring board. The reason why bubbles are generated in this way is not always clear, but since the gap between the semiconductor chip and the wiring board is small, it is difficult to penetrate the underfill resin, and the surface of the semiconductor chip, metal bumps There may be a difference in the wettability between the surface or the surface of the wiring board and the underfill resin, and the density of the metal bumps may cause a difference in the penetration rate of the underfill resin, which may entrap bubbles. This may be the cause.
アンダーフィル樹脂内に気泡が発生してしまうと、半導体チップと配線基板との接合強度が低下するばかりでなく、隣接する2つの金属バンプ間に亘って気泡が形成されると、その後の熱履歴によって半田からなる金属バンプが溶融し、気泡を伝って隣接端子がショートしてしまう場合がある。 If bubbles are generated in the underfill resin, not only the bonding strength between the semiconductor chip and the wiring board is lowered, but also when the bubbles are formed between two adjacent metal bumps, the subsequent heat history As a result, the metal bump made of solder melts, and the adjacent terminals may be short-circuited through the bubbles.
このようにアンダーフィル樹脂内に発生する気泡を抑制する方法として、アンダーフィル樹脂そのものの物性を調整したり、フィラー成分の粒径を小さくしたりすることによって狭いギャップであっても浸入を容易にする方法(例えば、特許文献1参照)や、半導体チップが実装された配線基板を酸素プラズマなどの活性物質の雰囲気にさらすことによって、アンダーフィル樹脂との濡れ性を改善して注入性を向上させ気泡の発生を抑制する方法(例えば、特許文献2)、また、アンダーフィル樹脂浸入の際にガイドとして作用する突起パターンを基板側に形成し、浸入速度差を少なくすることによって気泡の発生を抑制する方法(例えば、特許文献3)などがある。 As a method for suppressing bubbles generated in the underfill resin in this way, it is easy to enter even in a narrow gap by adjusting the physical properties of the underfill resin itself or by reducing the particle size of the filler component. By improving the wettability with the underfill resin by exposing the wiring substrate on which the semiconductor chip is mounted to an atmosphere of an active material such as oxygen plasma (see, for example, Patent Document 1). A method for suppressing the generation of bubbles (for example, Patent Document 2), and a protrusion pattern that acts as a guide at the time of infiltration of the underfill resin is formed on the substrate side, thereby suppressing the generation of bubbles by reducing the difference in the intrusion speed. There is a method (for example, Patent Document 3).
これらの方法によって、比較的大きなボイドは抑制することができるが、金属バンプとして、バンプ形成の際に熱処理を行って球形状にする半田バンプを使用する場合には、別の問題が起こる。以下、この問題について図13を用いて説明する。 Although these methods can suppress relatively large voids, another problem arises when using solder bumps that are heat treated during bump formation to form spherical shapes as metal bumps. Hereinafter, this problem will be described with reference to FIG.
図13(a)は、従来の半導体チップにおける金属バンプの根元部分の拡大断面図である。従来の半導体チップの電極構造は、図13(a)に示すように、半導体チップ101の主面102上に電極パッド103と、電極パッド103の上方に開口部を有する絶縁膜104とが形成され、その電極パッド103の上方に下地金属層105が形成され、その下地金属層105上に半田からなる金属バンプ106が形成された構成となっているため、半導体チップ表面と金属バンプの根元部分とのなす角度θが鋭角になっている。そのため、図13(b)に示すように、アンダーフィル樹脂112を注入した際に、金属バンプ106の根元部分にまで樹脂112aが入らず、気泡となったり、図13(c)に示すように、樹脂112aは浸入できても、フィラー成分112bが浸入できなかったりして、結果的に金属バンプの根元部分の強度補強が充分でなくなってしまう場合があった。
FIG. 13A is an enlarged cross-sectional view of a base portion of a metal bump in a conventional semiconductor chip. In the conventional semiconductor chip electrode structure, as shown in FIG. 13A, an
また、半導体製造プロセスの著しい進化に伴って、半導体チップの構造も微細化、高集積化が進み、配線材料として比較的抵抗の小さい銅配線が用いられたり、層間絶縁膜として比誘電率の低い、いわゆるLow−k材料が用いられたりするケースが多くなってきている。しかし、low−k材料は機械的強度が弱いため、実装後にlow−k膜にクラックや剥離が生じてしまうことが多くなってきた。
本発明は、上記問題に鑑み、半導体チップと配線基板とを半田からなる金属バンプを介して電気的に接続し、前記半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂を充填してなる半導体装置において、アンダーフィル樹脂の注入に際して気泡の発生を抑制できるとともに、アンダーフィル樹脂の樹脂やフィラー成分の充填性を向上できる半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップがフリップチップ実装された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a semiconductor in which a semiconductor chip and a wiring board are electrically connected via metal bumps made of solder, and a gap between the semiconductor chip and the wiring board is filled with an underfill resin. In the apparatus, the generation of bubbles during the injection of the underfill resin can be suppressed, and the filling structure of the resin and filler component of the underfill resin can be improved, and the semiconductor device in which the semiconductor chip is flip-chip mounted and It aims at providing the manufacturing method.
本発明の請求項1記載の半導体チップの電極構造は、主面上に形成された電極パッドと、前記電極パッドの上面の一部から前記主面にかけて形成された第1絶縁膜と、前記電極パッドの上方に形成され、前記電極パッドと電気的に接続する半田からなる金属バンプと、を備えた半導体チップの電極構造であって、該半導体チップ表面の前記電極パッドの近傍部分と前記金属バンプの根元部分とがなす角度は、鈍角であることを特徴とする。 The electrode structure of a semiconductor chip according to claim 1 of the present invention includes an electrode pad formed on a main surface, a first insulating film formed from a part of an upper surface of the electrode pad to the main surface, and the electrode An electrode structure of a semiconductor chip comprising a metal bump made of solder that is formed above the pad and electrically connected to the electrode pad, wherein the vicinity of the electrode pad on the surface of the semiconductor chip and the metal bump The angle formed by the root portion of is an obtuse angle.
この構成により、半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂を注入する際に、半田からなる金属バンプの根元部分に狭い領域がなくなるため、樹脂やフィラー成分が浸入しやすくなり、アンダーフィル樹脂内の気泡の発生が抑制される。 With this configuration, when a semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board and an underfill resin is injected, there is no narrow area at the base of the metal bumps made of solder, so that the resin and filler components can easily enter and Generation of bubbles in the fill resin is suppressed.
また、本発明の請求項2記載の半導体チップの電極構造は、請求項1記載の半導体チップの電極構造であって、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第2絶縁膜の表面の一部にかけて形成された下地金属層と、を備え、前記金属バンプは、前記下地金属層の表面に形成されており、前記第2絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角であることを特徴とする。
The electrode structure of a semiconductor chip according to
この構成により、一般的なウェハープロセスにおける設備及び材料を利用して第1絶縁膜および第2絶縁膜を形成することができるため、製造コストを増加することなく本発明の電極構造を実現できる。 With this configuration, since the first insulating film and the second insulating film can be formed using equipment and materials in a general wafer process, the electrode structure of the present invention can be realized without increasing the manufacturing cost.
また、本発明の請求項3記載の半導体チップの電極構造は、請求項1記載の半導体チップの電極構造であって、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から、前記第2絶縁膜の表面および前記第1絶縁膜の上面にかけて形成された第3絶縁膜と、前記第3絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第3絶縁膜の表面の一部にかけて形成された下地金属層と、を備え、前記金属バンプは、前記下地金属層の表面に形成されており、前記第3絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an electrode structure of a semiconductor chip according to the first aspect, wherein the first structure is formed from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film. A second insulating film formed over a part of the surface of the first insulating film, and a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film, the surface of the second insulating film and the first insulating film; A third insulating film formed over the upper surface; and a base metal layer formed from the upper surface of the electrode pad exposed from the third insulating film to a part of the surface of the third insulating film; Is formed on the surface of the base metal layer, and the angle formed by the surface of the third insulating film and the base portion of the metal bump is an obtuse angle.
この構成により、第3絶縁膜から露出する電極パッドの上面を除く半導体チップの主面の上方が第3絶縁膜により覆われるので、半導体チップの主面上に形成されている電極パッドや内部配線、第1絶縁膜、第2絶縁膜による凹凸が緩和され、更にアンダーフィル樹脂の充填性が良好となる。 With this configuration, the upper part of the main surface of the semiconductor chip excluding the upper surface of the electrode pad exposed from the third insulating film is covered with the third insulating film, so that the electrode pads and internal wirings formed on the main surface of the semiconductor chip are covered. The unevenness due to the first insulating film and the second insulating film is alleviated, and the filling property of the underfill resin is improved.
また、本発明の請求項4記載の半導体チップの電極構造は、請求項1記載の半導体チップの電極構造であって、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第1金属層と、前記第1金属層の上面の一部から前記第1絶縁膜の上面にかけて形成された第4絶縁膜と、前記第4絶縁膜から露出する前記第1金属層の上面から前記第4絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2金属層と、を備え、前記金属バンプは、前記第2金属層の表面に形成されており、前記第4絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角であることを特徴とする。 The electrode structure of a semiconductor chip according to claim 4 of the present invention is the electrode structure of the semiconductor chip according to claim 1, wherein the first insulating film extends from the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film. A first metal layer formed over a portion of the surface of the first metal layer, a fourth insulating film formed over a portion of the upper surface of the first metal layer and an upper surface of the first insulating film, and exposed from the fourth insulating film. A second metal layer formed from the upper surface of the first metal layer to a part of the surface of the fourth insulating film, and the metal bumps are formed on the surface of the second metal layer, The angle formed by the surface of the fourth insulating film and the base portion of the metal bump is an obtuse angle.
この構成により、low−k材料などの脆弱膜を用いる場合においても第1金属層および第4絶縁膜によってlow−k材料のクラックや剥離現象を抑制することができる。 With this configuration, even when a fragile film such as a low-k material is used, cracks and peeling phenomenon of the low-k material can be suppressed by the first metal layer and the fourth insulating film.
また、本発明の請求項5記載の半導体チップの電極構造は、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体チップの電極構造であって、前記下地金属層は、その上面の投影面積が前記電極パッドの上面の投影面積よりも小さいことを特徴とする。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 5 of the present invention is the electrode structure of the semiconductor chip according to any one of claims 1 to 3, wherein the projected area of the upper surface of the base metal layer is the above-described surface area. It is smaller than the projected area of the upper surface of the electrode pad.
この構成により、半田からなる金属バンプの下地となる金属層の上面の投影面積が、その直下の金属層の上面の投影面積よりも小さいため、金属バンプにかかる応力に対する耐力が強くなり、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 With this configuration, the projected area of the upper surface of the metal layer, which is the base of the metal bump made of solder, is smaller than the projected area of the upper surface of the metal layer immediately below it. A high semiconductor device can be realized.
また、本発明の請求項6記載の半導体チップの電極構造は、請求項4記載の半導体チップの電極構造であって、前記第1金属層は、その上面の投影面積が前記電極パッドの上面の投影面積よりも大きいことを特徴とする。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 6 of the present invention is the electrode structure of the semiconductor chip according to claim 4, wherein the projected area of the upper surface of the first metal layer is the upper surface of the electrode pad. It is characterized by being larger than the projected area.
この構成により、接合部とりわけ電極パッド部分にかかる応力が第1金属層によって緩和されるため、電極パッドの面積を小さくすることが可能となる。したがって、半導体チップの内部配線の引き回しが容易になるため、設計自由度が高くなる。 With this configuration, since the stress applied to the joint portion, particularly the electrode pad portion, is alleviated by the first metal layer, the area of the electrode pad can be reduced. Therefore, the internal wiring of the semiconductor chip can be easily routed, and the degree of design freedom is increased.
また、本発明の請求項7記載の半導体チップの電極構造は、請求項4もしくは6のいずれかに記載の半導体チップの電極構造であって、前記第2金属層は、その上面の投影面積が前記第1金属層の上面の投影面積よりも小さいことを特徴とする。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 7 of the present invention is the electrode structure of the semiconductor chip according to claim 4 or 6, wherein the projected area of the upper surface of the second metal layer is It is smaller than the projected area of the upper surface of the first metal layer.
この構成により、半田からなる金属バンプの下地となる金属層の上面の投影面積が、その直下の金属層の上面の投影面積よりも小さいため、金属バンプにかかる応力に対する耐力が強くなり、信頼性の高い半導体装置を実現できる。 With this configuration, the projected area of the upper surface of the metal layer, which is the base of the metal bump made of solder, is smaller than the projected area of the upper surface of the metal layer immediately below it. A high semiconductor device can be realized.
また、本発明の請求項8記載の半導体装置は、請求項1ないし7のいずれかに記載の電極構造を有する半導体チップと、前記半導体チップがフリップチップ実装される配線基板と、前記半導体チップと前記配線基板との間隙を充填するアンダーフィル樹脂と、を備えることを特徴とする。 A semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is a semiconductor chip having the electrode structure according to any one of the first to seventh aspects, a wiring board on which the semiconductor chip is flip-chip mounted, and the semiconductor chip. And an underfill resin that fills a gap with the wiring board.
この構成により、アンダーフィル樹脂内の気泡の発生が抑制されるので、高信頼性の半導体装置を得ることができる。 With this configuration, generation of bubbles in the underfill resin is suppressed, so that a highly reliable semiconductor device can be obtained.
また、本発明の請求項9記載の半導体装置の製造方法は、半導体ウェハの主面上に、半導体素子と電極パッドを有する半導体チップを複数個形成する工程と、前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第2絶縁膜の表面の一部にかけて下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、を含むことを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on a main surface of a semiconductor wafer; and forming the semiconductor chip. Forming a first insulating film on the main surface of the semiconductor wafer such that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed; and a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film. Forming a second insulating film over a part of the surface of the first insulating film; and forming a base metal layer from the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film to a part of the surface of the second insulating film. The method includes a step, a step of forming metal bumps made of solder on the base metal layer, and a step of dividing the semiconductor wafer into the individual semiconductor chips.
また、本発明の請求項10記載の半導体装置の製造方法は、半導体ウェハの主面上に、半導体素子と電極パッドを有する半導体チップを複数個形成する工程と、前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から、前記第2絶縁膜の表面および前記第1絶縁膜の上面にかけて第3絶縁膜を形成する工程と、前記第3絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第3絶縁膜の表面の一部にかけて下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、を含むことを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on a main surface of a semiconductor wafer; and forming the semiconductor chip. Forming a first insulating film on the main surface of the semiconductor wafer such that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed; and a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film. A step of forming a second insulating film over a portion of the surface of the first insulating film; and a portion of the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film, and the surface of the second insulating film and the first insulating film Forming a third insulating film over the upper surface of the substrate, forming a base metal layer from the upper surface of the electrode pad exposed from the third insulating film to a part of the surface of the third insulating film, and the base metal From solder on layer Forming a metal bump that is characterized by and a step of dividing the semiconductor wafer into individual semiconductor chip.
また、本発明の請求項11記載の半導体装置の製造方法は、半導体ウェハの主面上に、半導体素子と電極パッドを有する半導体チップを複数個形成する工程と、前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第1金属層を形成する工程と、前記第1金属層の上面の一部から前記第1絶縁膜の上面にかけて第4絶縁膜を形成する工程と、前記第4絶縁膜から露出する前記第1金属層の上面から前記第4絶縁膜の表面の一部にかけて第2金属層を形成する工程と、前記第2金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、を含むことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on a main surface of a semiconductor wafer; and forming the semiconductor chip. Forming a first insulating film on the main surface of the semiconductor wafer so that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed; and the first insulating film from the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film. Forming a first metal layer over a portion of the surface of the first metal layer; forming a fourth insulating film over a portion of the top surface of the first metal layer from the top surface of the first insulating film; and the fourth insulating film. Forming a second metal layer from an upper surface of the first metal layer exposed from a part of the surface of the fourth insulating film; forming a metal bump made of solder on the second metal layer; The semiconductor wafer is individually Characterized in that it comprises a step of dividing the conductor chip, the.
また、本発明の請求項12記載の半導体装置の製造方法は、請求項9ないし11のいずれかに記載の製造方法によって製造した半導体チップを、配線基板上にフェイスダウンで搭載する工程と、前記半導体チップが搭載された前記配線基板を熱処理して前記半導体チップと前記配線基板とを前記金属バンプを介して電気的に接続する工程と、前記半導体チップが電気的に接続された前記配線基板と前記半導体チップとの間隙に封止用のアンダーフィル樹脂を注入する工程と、前記アンダーフィル樹脂を熱処理により硬化して封止する工程と、を含むことを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising a step of mounting a semiconductor chip manufactured by the manufacturing method according to any one of the ninth to eleventh aspects face down on a wiring board, Heat treating the wiring board on which the semiconductor chip is mounted to electrically connect the semiconductor chip and the wiring board via the metal bumps; and the wiring board to which the semiconductor chip is electrically connected; The method includes a step of injecting a sealing underfill resin into a gap between the semiconductor chip and a step of curing and sealing the underfill resin by heat treatment.
これらの方法によれば、従来の半導体チップの製造方法および半導体装置の製造方法に大きな変更を加えることなく、半田からなる金属バンプの根元部分と半導体チップ表面とがなす角度を鈍角にすることができ、アンダーフィル樹脂の気泡を抑制して、信頼性の高い半導体チップならびに半導体装置を製造することができる。 According to these methods, the angle formed between the base portion of the metal bump made of solder and the surface of the semiconductor chip can be made obtuse without greatly changing the conventional semiconductor chip manufacturing method and semiconductor device manufacturing method. In addition, it is possible to manufacture highly reliable semiconductor chips and semiconductor devices by suppressing bubbles in the underfill resin.
本発明によれば、半導体素子が形成された半導体チップ上に電極パッドを形成し、前記電極パッドの上方に半田からなる金属バンプを形成した半導体チップの電極構造において、半導体チップ表面の電極パッド近傍部分と金属バンプの根元部分とがなす角度を鈍角にすることができ、この電極構造を有する半導体チップを配線基板上に搭載し、半導体チップと配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂を充填する際に気泡の発生を抑制したり、フィラー成分の充填性を高めたりすることができるので、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。 According to the present invention, in an electrode structure of a semiconductor chip in which an electrode pad is formed on a semiconductor chip on which a semiconductor element is formed and a metal bump made of solder is formed above the electrode pad, in the vicinity of the electrode pad on the surface of the semiconductor chip When the semiconductor chip having this electrode structure is mounted on the wiring board and the gap between the semiconductor chip and the wiring board is filled with the underfill resin, the angle formed by the portion and the base part of the metal bump can be made obtuse. In addition, since the generation of bubbles can be suppressed and the filling property of the filler component can be improved, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.
以下、本発明の各実施の形態に係る半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップを実装した半導体装置について図面を参照しながら説明する。図1〜3は本発明の第1〜3の実施の形態に係る半導体チップにおける金属バンプの根元部分の拡大断面図であり、金属バンプの中心を通る断面を示している。また、図4は本発明の各実施の形態に係る半導体装置の概略断面図であり、本発明の各実施の形態に係る半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、半導体チップと配線基板との間隙を充填するアンダーフィル樹脂を注入した状態を示す。なお、同一の部材には同じ符号を付して、適宜、説明を省略する。 Hereinafter, an electrode structure of a semiconductor chip and a semiconductor device mounting the semiconductor chip according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 3 are enlarged cross-sectional views of the base portion of the metal bump in the semiconductor chip according to the first to third embodiments of the present invention, showing a cross section passing through the center of the metal bump. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to each embodiment of the present invention. The semiconductor chip according to each embodiment of the present invention is flip-chip mounted on a wiring board, and the semiconductor chip and the wiring board are separated. The state which injected the underfill resin which fills a gap | interval is shown. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member and description is abbreviate | omitted suitably.
本発明の各実施の形態に係る半導体チップの主面上には、図示しないが、少なくとも1個の半導体素子と、その半導体素子に電気的に接続する少なくとも1個の電極パッドが形成されている。図1〜3には、任意の電極パッドと、その電極パッドに電気的に接続する金属バンプを拡大して示している。 Although not shown, at least one semiconductor element and at least one electrode pad electrically connected to the semiconductor element are formed on the main surface of the semiconductor chip according to each embodiment of the present invention. . 1-3, an arbitrary electrode pad and a metal bump electrically connected to the electrode pad are shown in an enlarged manner.
まず、本発明の第1の実施の形態に係る半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップを実装した半導体装置について、図1および図4を用いて説明する。図1に示すように、Alからなる電極パッド13が形成された半導体チップ11の主面12上には、電極パッド13の上面の一部から主面12にかけて、チッ化シリコンからなる第1絶縁膜14が形成されており、第1絶縁膜14の開口部から電極パッド13の上面の一部が露出する。
First, an electrode structure of a semiconductor chip and a semiconductor device mounted with the semiconductor chip according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the first insulation made of silicon nitride is formed on the
また、電極パッド13の周縁部の上方には、第1絶縁膜14から露出する電極パッド13の上面の一部から、電極パッド13の周縁部上方の第1絶縁膜14の上面の少なくとも一部にかけて、ポリイミドからなる第2絶縁膜15が形成されており、第2絶縁膜15の開口部から電極パッド13の上面の一部が露出する。
Further, above the peripheral portion of the
また、電極パッド13の上方には、第2絶縁膜15の上面の少なくとも一部と、第2絶縁膜15の開口部の内周面と、第2絶縁膜15から露出する電極パッド13の上面とを覆うように、第2絶縁膜15から露出する電極パッド13の上面から第2絶縁膜15の上面の少なくとも一部にかけて下地金属層16が形成されている。ここでは、下地金属層16は、その上面の投影面積が電極パッド13の上面の投影面積よりも小さくなるように形成する。
Further, above the
下地金属層16は、下部金属層と上部金属膜によって構成される。下部金属層は、例えばスパッタリング法によって形成されたTiからなるバリアメタルおよびCuからなる下部金属膜によって構成される。上部金属膜は、下部金属層の上方に電解めっき法によって形成されたNiからなる。
The
また、下地金属層16の表面には、半田からなる金属バンプ17が形成されている。この電極パッド13の上方に形成された金属バンプ17は、下地金属層16を介して電極パッド13と電気的に接続する。
Further, metal bumps 17 made of solder are formed on the surface of the
この第1の実施の形態に係る半導体チップの電極構造によれば、金属バンプ17の根元部分が第2絶縁膜15の上方に形成されるので、金属バンプの根元部分と半導体チップ表面の電極パッドの近傍部分(ここでは第2絶縁膜15の側面となる)とのなす角度θは鈍角になっている。このため、図4に示すように、半導体チップ11を配線基板21にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂22を注入する際に、金属バンプ17の根元部分に狭い領域がなくなるため、樹脂やフィラー成分が浸入しやすくなり、アンダーフィル樹脂22内の気泡の発生が抑制される。また、半田からなる金属バンプ17の下地となる金属層(下地金属層16)の上面の投影面積を、その直下の金属層である電極パッド13の上面の投影面積よりも小さくすることで、金属バンプ17にかかる応力に対する耐力が強くなり、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
According to the electrode structure of the semiconductor chip according to the first embodiment, since the base portion of the
なお、第1絶縁膜14を構成する材料は、チッ化シリコンに限られず、酸化シリコンやポリイミドなどでもよい。また、第2絶縁膜15を構成する材料についても、ポリイミドに限られず、BCB膜などでもよい。また、下地金属層16の下部金属層のバリアメタルを構成する材料は、Tiに限られず、第2絶縁膜15との強い密着性を有する材料であればよく、例えばTiWやCr等を用いてもよい。また、下部金属層の下部金属膜を構成する材料は、Cuに限られず、導電性を有する材料であればよい。また、ここではスパッタリング法および電解めっき法によって下地金属層16を形成したが、これに限られず、例えば無電解めっき法によって、Alからなる電極パッド13上に直接Niを形成してもよい。
The material constituting the first insulating
続いて、本発明の第2の実施の形態に係る半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップを実装した半導体装置について、図2および図4を用いて説明する。この第2の実施の形態は、第1絶縁膜14および第2絶縁膜15上に、さらに第3絶縁膜18が形成されている点が、前述した第1の実施の形態と異なる。
Subsequently, an electrode structure of a semiconductor chip according to a second embodiment of the present invention and a semiconductor device mounted with the semiconductor chip will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment described above in that a third insulating
すなわち、図2に示すように、半導体チップ11の主面12の上方に、ポリイミドからなる第3絶縁膜18が、第2絶縁膜15から露出する電極パッド13の上面の一部から、第2絶縁膜15の表面および第1絶縁膜14の上面にかけて形成されており、第3絶縁膜18の開口部から電極パッド13の上面の一部が露出する。なお、第3絶縁膜18を構成する材料はポリイミドに限られず、BCB膜などでもよい。
That is, as shown in FIG. 2, the third insulating
また、電極パッド13の上方には、下地金属層16が、電極パッド13の周縁部上方の第3絶縁膜18の上面の少なくとも一部と、第3絶縁膜18の開口部の内周面と、第3絶縁膜18から露出する電極パッド13の上面とを覆うように、第3絶縁膜18から露出する電極パッド13の上面から、電極パッド13の周縁部上方の第3絶縁膜18の上面の少なくとも一部にかけて形成されている。
In addition, above the
この第2の実施の形態に係る半導体チップの電極構造によれば、金属バンプ17の根元部分が、電極パッド13の周縁部上方の第3絶縁膜18の上方に形成されるので、前述した第1の実施の形態と同様に、金属バンプの根元部分と半導体チップ表面の電極パッドの近傍部分(ここでは第2絶縁膜15の膜厚によって形成された第3絶縁膜18の段部の外側面となる)とのなす角度θは鈍角になっている。このため、図4に示すように、半導体チップ11を配線基板21にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂22を注入する際に、金属バンプ17の根元部分に狭い領域がなくなるため、樹脂やフィラー成分が浸入しやすくなり、アンダーフィル樹脂22内の気泡の発生が抑制される。
According to the electrode structure of the semiconductor chip according to the second embodiment, the base portion of the
また、第3絶縁膜18から露出する電極パッド13の上面を除く半導体チップ11の主面の上方が第3絶縁膜18により覆われているため、半導体チップ11の主面上に形成されている電極パッド13や内部配線(図示せず)、第1絶縁膜14、第2絶縁膜15による凹凸が緩和され、更にアンダーフィル樹脂22の充填性が良好となる。
Further, since the upper surface of the main surface of the
また、半田からなる金属バンプ17の下地となる金属層(下地金属層16)の上面の投影面積を、その直下の金属層である電極パッド13の上面の投影面積よりも小さくすることで、金属バンプ17にかかる応力に対する耐力が強くなり、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
Further, the projected area of the upper surface of the metal layer (underlying metal layer 16) which is the base of the
なお、下地金属層16の下部金属層のバリアメタルを構成する材料は、Tiに限られず、第3絶縁膜18との強い密着性を有する材料であればよく、例えばTiWやCr等を用いてもよい。
The material constituting the barrier metal of the lower metal layer of the
続いて、本発明の第3の実施の形態に係る半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップを実装した半導体装置について、図3および図4を用いて説明する。この第3の実施の形態に係る半導体チップは、図3に示すように、電極パッド13の上方に、第1絶縁膜14から露出する電極パッド13の上面と、第1絶縁膜14の開口部の内周面と、電極パッド13の露出面の周囲の第1絶縁膜14の上面とを覆うように、第1絶縁膜14から露出する電極パッド13の上面から第1絶縁膜14の上面の一部にかけて第1金属層19が形成されている。ここでは、第1金属層19は、その上面の投影面積が電極パッド13の上面の投影面積よりも大きくなるように形成する。
Subsequently, an electrode structure of a semiconductor chip according to a third embodiment of the present invention and a semiconductor device on which the semiconductor chip is mounted will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3, the semiconductor chip according to the third embodiment has an upper surface of the
第1金属層19は、下部金属層と上部金属膜によって構成される。下部金属層は、例えばスパッタリング法によって形成されたTiからなるバリアメタルおよびCuからなる下部金属膜によって構成される。上部金属膜は、下部金属層の上方に電解めっき法によって形成されたCuからなる。
The
また、半導体チップ11の主面12の上方に、第1金属層19の上面の一部から第1絶縁膜14の上面にかけて、ポリイミドからなる第4絶縁膜20が形成されており、第4絶縁膜20の開口部から第1金属層19の上面の一部が露出する。なお、第4絶縁膜20を構成する材料はポリイミドに限られず、BCB膜などでもよい。
Further, a fourth insulating
また、第1金属層19の上方には、下地金属層(第2金属層)16が、第1金属層19の周縁部上方の第4絶縁膜20の上面の少なくとも一部と、第4絶縁膜20の開口部の内周面と、第4絶縁膜20から露出する第1金属層19の上面とを覆うように、第4絶縁膜20から露出する第1金属層19の上面から、第1金属層19の周縁部上方の第4絶縁膜20の上面の少なくとも一部にかけて形成されている。ここでは、下地金属層(第2金属層)16は、その上面の投影面積が第1金属層19の上面の投影面積よりも小さくなるように形成する。
In addition, above the
この第3の実施の形態に係る半導体チップの電極構造によれば、金属バンプ17の根元部分が、第1金属層19の周縁部上方の第4絶縁膜20の上方に形成されるので、前述した第1、2の実施の形態と同様に、金属バンプの根元部分と半導体チップ表面の電極パッド近傍部分(ここでは第1金属層19の膜厚によって形成された第4絶縁膜20の段部の外側面となる)とのなす角度θは鈍角となっている。このため、図4に示すように、半導体チップ11を配線基板21にフリップチップ実装し、アンダーフィル樹脂22を注入する際に、金属バンプ17の根元部分に狭い領域がなくなるため、樹脂やフィラー成分が浸入しやすくなり、アンダーフィル樹脂22内の気泡の発生が抑制される。
According to the electrode structure of the semiconductor chip according to the third embodiment, the base portion of the
また、low−k材料などの脆弱膜を用いる場合においても、第1金属層19および第4絶縁膜20によってlow−k材料のクラックや剥離現象を抑制することができる。また、第1金属層19の上面の投影面積を電極パッド13の投影面積よりも大きくすることで、接合部とりわけ電極パッド部分にかかる応力が第1金属層19によって緩和されるので、電極パッド13の面積を小さくすることが可能となり、半導体チップ11の内部配線(図示せず)の引き回しが容易となり、設計自由度が高くなる。また、半田からなる金属バンプ17の下地となる金属層(下地金属層16)の上面の投影面積を、その直下の金属層である第1金属層19の上面の投影面積よりも小さくすることで、金属バンプ17にかかる応力に対する耐力が強くなり、信頼性の高い半導体装置を実現できる。また、第4絶縁膜20から露出する第1金属層19の上面を除く半導体チップ11の主面の上方が第4絶縁膜20で覆われているため、半導体チップ11の主面上に形成されている電極パッド13や内部配線(図示せず)、第1絶縁膜14、第1金属層19による凹凸が緩和され、更にアンダーフィル樹脂22の充填性が良好となる。
Further, even when a fragile film such as a low-k material is used, the
なお、第1金属層19の下部金属層のバリアメタルを構成する材料は、Tiに限られず、第1絶縁膜14との強い密着性を有する材料であればよく、例えばTiWやCr等を用いてもよい。また、下部金属層の下部金属膜を構成する材料は、Cuに限られず、導電性を有する材料であればよい。また、ここではスパッタリング法および電解めっき法によって第1金属層19を形成したが、これに限られず、例えば無電解めっき法によって、Alからなる電極パッド13上に直接Niを形成してもよい。
The material constituting the barrier metal of the lower metal layer of the
続いて、上記のように構成された各半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。但し、前述の図1〜4に基づいて説明した部材と同一の部材には同一符号を付して、説明を省略する。 Next, a method for manufacturing each semiconductor device configured as described above will be described with reference to the drawings. However, the same members as those described with reference to FIGS. 1 to 4 described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図5(a)〜(d)、図6(a)〜(d)、および図7(a)〜(d)は、上記した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図であり、半田からなる金属バンプの中心を通る断面構成を工程順に示している。 FIGS. 5A to 5D, FIGS. 6A to 6D, and FIGS. 7A to 7D illustrate the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention described above. FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a cross-sectional configuration passing through the center of a metal bump made of solder in order of processes.
まず、図5(a)に示すように、半導体ウェハ10の主面12上に、少なくとも1つの半導体素子(図示せず)と、その半導体素子に電気的に接続する電極パッド13とを有する半導体チップを複数個形成した後、半導体チップが形成された半導体ウェハ10の主面12上に、電極パッド13の上方に開口部を有する第1絶縁膜14を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a semiconductor having at least one semiconductor element (not shown) and an
次に、図5(b)に示すように、電極パッド13の周縁部の上方に、電極パッド13の上面の一部が露出するように、第1絶縁膜14から露出する電極パッド13の上面の一部から、電極パッド13の周縁部上方の第1絶縁膜14の上面の少なくとも一部にかけて第2絶縁膜15を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the upper surface of the
次に、図5(c)に示すように、電極パッド13の露出面、第2絶縁膜15の表面、および第1絶縁膜14の上面に、スパッタリング法により、TiからなるバリアメタルおよびCuからなる下部金属膜から構成される下部金属層16aを形成する。なお、下部金属層16aの形成は、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法、CVD法、または無電解めっき法等を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 5C, a barrier metal made of Ti and Cu are formed on the exposed surface of the
次に、図5(d)に示すように、めっきレジスト膜31をマスクとして用いた電解めっき法により、電極パッド13の上方に、下部金属層16aをシードとしてNiからなる上部金属膜16bを形成する。
Next, as shown in FIG. 5D, an
次に、図6(a)に示すように、上部金属膜16b上に電解めっき法により半田めっきを行う。次に、図6(b)に示すように、まず、めっきレジスト膜31を除去した後、ウェットエッチングにより余分な下部金属層16aを除去する。その結果、電極パッド13の上方に、第2絶縁膜15の上面の少なくとも一部と、第2絶縁膜15の開口部の内周面と、第2絶縁膜15から露出する電極パッド13の上面とを覆う下地金属層16が形成される。
Next, as shown in FIG. 6A, solder plating is performed on the
次に、図6(c)に示すように、リフロー(熱処理)することにより、半田からなる金属バンプ17を略球形状にする。その結果、下地金属層16上に半田からなる金属バンプ17が形成される。
Next, as shown in FIG. 6C, reflow (heat treatment) is performed to make the metal bumps 17 made of solder into a substantially spherical shape. As a result, metal bumps 17 made of solder are formed on the
次に、図6(d)に示すように、裏面研磨およびダイシングを行い、半導体ウェハを個々の半導体チップ11に分割して、複数個の半導体チップ11を得る。次に、図7(a)に示すように、金属バンプ17に対応する位置に金属電極23が形成されている配線基板21上に半導体チップ11をフェイスダウンで搭載する(フリップチップ実装)。
Next, as shown in FIG. 6D, backside polishing and dicing are performed to divide the semiconductor wafer into
次に、図7(b)に示すように、半導体チップ11が搭載された配線基板21をリフロー(熱処理)することにより金属バンプ17を溶融させ、半導体チップ11と配線基板21とを接合することで、半導体チップ11と配線基板21とを金属バンプ17を介して電気的に接続する。
Next, as shown in FIG. 7B, the metal bumps 17 are melted by reflowing (heat treating) the
次に、図7(c)に示すように、半導体チップ11と配線基板21との隙間を清浄化し、ディスペンサ装置32を用いて封止用のアンダーフィル樹脂22をチップ周辺部から注入し、半導体チップ11と配線基板21との隙間をアンダーフィル樹脂22で充填した後、熱処理することによりアンダーフィル樹脂22を硬化して封止する。
Next, as shown in FIG. 7C, the gap between the
次に、図7(d)に示すように、配線基板21の半導体チップ搭載面とは反対側の面に、半田ボール24を載置し、リフローすることにより外部機器との接続に使用する端子を形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (d), a
以上の工程により、上記した第1の実施の形態に係る半導体装置を得ることができる。 Through the above steps, the semiconductor device according to the first embodiment described above can be obtained.
続いて、上記した本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図5から図7に示す工程において、図5に示す工程を図8に示す工程に置き換えればよい。図8(a)〜(e)は、上記した本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法のうち、前述した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と異なる部分について示す工程断面図であり、半田からなる金属バンプの中心を通る断面構成を工程順に示している。 Then, the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the above-mentioned 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the process shown in FIG. 5 may be replaced with the process shown in FIG. 8A to 8E show the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention described above, among the semiconductor device manufacturing methods according to the second embodiment of the present invention described above. FIG. 6 is a process cross-sectional view showing a different part from FIG. 1 and shows a cross-sectional configuration passing through the center of a metal bump made of solder in the order of processes.
まず、図8(a)、(b)に示すように、図5(a)、(b)に示す工程と同様に、半導体ウェハ10の主面12上に半導体チップを複数個形成した後、第1絶縁膜14と第2絶縁膜15を形成する。
First, as shown in FIGS. 8A and 8B, after forming a plurality of semiconductor chips on the
次に、図8(c)に示すように、半導体ウェハ10の主面12の上方に、電極パッド13の上面の一部が露出するように、第2絶縁膜15から露出する電極パッド13の上面の一部から、第2絶縁膜15の表面および第1絶縁膜14の上面にかけて第3絶縁膜18を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, the
次に、図8(d)に示すように、電極パッド13の露出面、第3絶縁膜18の開口部の内周面、および第3絶縁膜18の上面に、スパッタリング法により下部金属層16aを形成する。なお、上述したように、下部金属層16aの形成は、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法、CVD法、または無電解めっき法等を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 8D, the
次に、図8(e)に示すように、図5(d)に示す工程と同様に、めっきレジスト膜31をマスクとして用いた電解めっき法により、電極パッド13の上方に、下部金属層16aをシードとしてNiからなる上部金属膜16bを形成する。
Next, as shown in FIG. 8E, similarly to the step shown in FIG. 5D, the
この後、図6(a)〜(d)、図7(a)〜(d)に示す工程と同様の工程を行うことによって、上記した第2の実施の形態に係る半導体装置を得ることができる。すなわち、まず、図6(a)に示す工程と同様に、上部金属膜16b上に電解めっき法により半田めっきを行う。次に、図6(b)に示す工程と同様に、めっきレジスト膜31を除去した後、ウェットエッチングにより余分な下部金属層16aを除去する。次に、図6(c)に示す工程と同様に、リフロー(熱処理)することにより、半田からなる金属バンプ17を略球形状にする。次に、図6(d)に示す工程と同様に、半導体ウェハを個々の半導体チップ11に分割する。
Thereafter, by performing the same steps as those shown in FIGS. 6A to 6D and FIGS. 7A to 7D, the semiconductor device according to the second embodiment described above can be obtained. it can. That is, first, similarly to the process shown in FIG. 6A, solder plating is performed on the
次に、図7(a)に示す工程と同様に、配線基板21上に半導体チップ11をフェイスダウンで搭載する。次に、図7(b)に示す工程と同様に、配線基板21をリフロー(熱処理)することにより金属バンプ17を溶融させ、半導体チップ11と配線基板21とを接合する。次に、図7(c)に示す工程と同様に、半導体チップ11と配線基板21との隙間をアンダーフィル樹脂22で充填した後、熱処理することによりアンダーフィル樹脂22を硬化して封止する。次に、図7(d)に示すように、配線基板21の半導体チップ搭載面とは反対側の面に、半田ボール24を載置し、リフローすることにより外部機器との接続に使用する端子を形成する。
Next, as in the process shown in FIG. 7A, the
続いて、上記した本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図5から図7に示す工程において、図5に示す工程を図9、10に示す工程に置き換えればよい。図9(a)〜(d)、および図10(a)〜(c)は、上記した本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法のうち、前述した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と異なる部分について示した工程断面図であり、半田からなる金属バンプの中心を通る断面構成を工程順に示している。 Then, the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the above-mentioned 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. In the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment, in the steps shown in FIGS. 5 to 7, the steps shown in FIG. 5 may be replaced with the steps shown in FIGS. 9 (a) to 9 (d) and FIGS. 10 (a) to 10 (c) show the above-described first method of the present invention in the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention. It is process sectional drawing shown about the part different from the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this embodiment, and has shown the cross-sectional structure which passes along the center of the metal bump consisting of solder in order of a process.
まず、図9(a)に示すように、図5(a)に示す工程と同様に、半導体ウェハ10の主面12上に半導体チップ11を複数個形成した後、第1絶縁膜14を形成する。次に、図9(b)に示すように、電極パッド13の露出面、第1絶縁膜14の開口部の内周面、および第1絶縁膜14の上面に、スパッタリング法により、TiからなるバリアメタルおよびCuからなる下部金属膜から構成される下部金属層19aを形成する。なお、下部金属層19aの形成は、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法、CVD法、または無電解めっき法等を用いてもよい。
First, as shown in FIG. 9A, as in the step shown in FIG. 5A, after a plurality of
次に、図9(c)に示すように、めっきレジスト膜33を用いた電解めっき法により、電極パッド12の上方に、Cuからなる上部金属膜19bを形成する。ここでは、上部金属膜19bの上面の投影面積が、電極パッド13の上面の投影面積よりも大きくなるように形成する。また、上部金属膜19bの厚みは5μmとした。
Next, as shown in FIG. 9C, an
次に、図9(d)に示すように、まず、めっきレジスト膜33を除去した後、次にウェットエッチングにより余分な下部金属層19aを除去する。このとき、下部金属層19aよりも上部金属膜19bが充分に厚いので、エッチングによって上部金属膜19bが消失することなく、第1金属層19が形成される。その結果、電極パッド13の上方に、第1絶縁膜14から露出する電極パッド13の上面と、第1絶縁膜14の開口部の内周面と、電極パッド13の露出面の周囲の第1絶縁膜14の上面とを覆う第1金属層19が形成される。
Next, as shown in FIG. 9D, first, the plating resist film 33 is removed, and then the excess
次に、図10(a)に示すように、半導体ウェハ10の主面12の上方に、第1金属層19の上面の一部が露出するように、第1金属層19の上面の一部から第1絶縁膜14の上面にかけて第4絶縁膜20を形成する。
Next, as shown in FIG. 10A, a part of the upper surface of the
次に、図10(b)に示すように、第1金属層19の露出面、第4絶縁膜20の開口部内周面、および第4絶縁膜20の上面に、スパッタリング法により下部金属層16aを形成する。なお、下部金属層16aの形成は、スパッタリング法に限らず、真空蒸着法、CVD法、または無電解めっき法等を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 10B, the
次に、図10(c)に示すように、図5(d)に示す工程と同様に、めっきレジスト膜31をマスクとして用いた電解めっき法により、第1金属層19の上方に、下部金属層16aをシードとしてNiからなる上部金属膜16bを形成する。
Next, as shown in FIG. 10C, as in the step shown in FIG. 5D, the lower metal is formed above the
この後、図6(a)〜(d)、図7(a)〜(d)に示す工程と同様の工程を行うことによって、上記した第3の実施の形態に係る半導体装置を得ることができる。すなわち、まず、図6(a)に示す工程と同様に、上部金属膜16b上に電解めっき法により半田めっきを行う。次に、図6(b)に示す工程と同様に、めっきレジスト膜31を除去した後、ウェットエッチングにより余分な下部金属層16aを除去する。次に、図6(c)に示す工程と同様に、リフロー(熱処理)することにより、半田からなる金属バンプ17を略球形状にする。次に、図6(d)に示す工程と同様に、半導体ウェハを個々の半導体チップ11に分割する。
Thereafter, by performing the same steps as those shown in FIGS. 6A to 6D and FIGS. 7A to 7D, the semiconductor device according to the third embodiment described above can be obtained. it can. That is, first, similarly to the process shown in FIG. 6A, solder plating is performed on the
次に、図7(a)に示す工程と同様に、配線基板21上に半導体チップ11をフェイスダウンで搭載する。次に、図7(b)に示す工程と同様に、配線基板21をリフロー(熱処理)することにより金属バンプ17を溶融させ、半導体チップ11と配線基板21とを接合する。次に、図7(c)に示す工程と同様に、半導体チップ11と配線基板21との隙間をアンダーフィル樹脂22で充填した後、熱処理することによりアンダーフィル樹脂22を硬化して封止する。次に、図7(d)に示すように、配線基板21の半導体チップ搭載面とは反対側の面に、半田ボール24を載置し、リフローすることにより外部機器との接続に使用する端子を形成する。
Next, as in the process shown in FIG. 7A, the
本発明に係る半導体チップの電極構造、並びにその半導体チップがフリップチップ実装された半導体装置及びその製造方法は、半田からなる金属バンプを有する半導体チップを配線基板にフリップチップ実装し、前記半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂を充填する際に、アンダーフィル樹脂内に発生する気泡を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を歩留まりよく製造するための手法として有用である。 An electrode structure of a semiconductor chip according to the present invention, a semiconductor device in which the semiconductor chip is flip-chip mounted, and a manufacturing method thereof include flip-chip mounting a semiconductor chip having metal bumps made of solder on a wiring board, and the semiconductor chip When the underfill resin is filled in the gap with the wiring board, bubbles generated in the underfill resin can be suppressed, which is useful as a technique for manufacturing a highly reliable semiconductor device with a high yield.
10 半導体ウェハ
11 半導体チップ
12 主面
13 電極パッド
14 第1絶縁膜
15 第2絶縁膜
16 下地金属層
16a 下部金属層
16b 上部金属膜
17 金属バンプ
18 第3絶縁膜
19 第1金属層
19a 下部金属層
19b 上部金属膜
20 第4絶縁膜
21 配線基板
22 アンダーフィル樹脂
23 金属電極
24 半田ボール(BGAボール)
31、33 めっきレジスト膜
32 ディスペンサ装置
101 半導体チップ
102 主面
103 電極パッド
104 絶縁膜
105 下地金属層
106 金属バンプ
111 配線基板
112 アンダーフィル樹脂
112a アンダーフィル樹脂の樹脂成分
112b アンダーフィル樹脂のフィラー成分
113 金属電極
114 半田ボール(BGAボール)
DESCRIPTION OF
31, 33 Plating resist
Claims (12)
該半導体チップ表面の前記電極パッドの近傍部分と前記金属バンプの根元部分とがなす角度は、鈍角である
ことを特徴とする半導体チップの電極構造。 An electrode pad formed on the main surface, a first insulating film formed from a part of the upper surface of the electrode pad to the main surface, and formed above the electrode pad and electrically connected to the electrode pad A semiconductor bump electrode structure comprising metal bumps made of solder,
An electrode structure of a semiconductor chip, wherein an angle formed between a portion near the electrode pad on the surface of the semiconductor chip and a base portion of the metal bump is an obtuse angle.
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第2絶縁膜の表面の一部にかけて形成された下地金属層と、
を備え、
前記金属バンプは、前記下地金属層の表面に形成されており、
前記第2絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角である
ことを特徴とする半導体チップの電極構造。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 1,
A second insulating film formed from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
A base metal layer formed from the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film to a part of the surface of the second insulating film;
With
The metal bump is formed on the surface of the base metal layer,
An electrode structure of a semiconductor chip, wherein an angle formed between a surface of the second insulating film and a base portion of the metal bump is an obtuse angle.
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から、前記第2絶縁膜の表面および前記第1絶縁膜の上面にかけて形成された第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第3絶縁膜の表面の一部にかけて形成された下地金属層と、
を備え、
前記金属バンプは、前記下地金属層の表面に形成されており、
前記第3絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角である
ことを特徴とする半導体チップの電極構造。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 1,
A second insulating film formed from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
A third insulating film formed from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film to the surface of the second insulating film and the upper surface of the first insulating film;
A base metal layer formed from the upper surface of the electrode pad exposed from the third insulating film to a part of the surface of the third insulating film;
With
The metal bump is formed on the surface of the base metal layer,
An electrode structure of a semiconductor chip, wherein an angle formed between a surface of the third insulating film and a base portion of the metal bump is an obtuse angle.
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第1金属層と、
前記第1金属層の上面の一部から前記第1絶縁膜の上面にかけて形成された第4絶縁膜と、
前記第4絶縁膜から露出する前記第1金属層の上面から前記第4絶縁膜の表面の一部にかけて形成された第2金属層と、
を備え、
前記金属バンプは、前記第2金属層の表面に形成されており、
前記第4絶縁膜の表面と前記金属バンプの根元部分とがなす角度が鈍角である
ことを特徴とする半導体チップの電極構造。 The electrode structure of the semiconductor chip according to claim 1,
A first metal layer formed from the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
A fourth insulating film formed from a part of the upper surface of the first metal layer to the upper surface of the first insulating film;
A second metal layer formed from an upper surface of the first metal layer exposed from the fourth insulating film to a part of a surface of the fourth insulating film;
With
The metal bump is formed on the surface of the second metal layer,
An electrode structure of a semiconductor chip, wherein an angle formed between a surface of the fourth insulating film and a base portion of the metal bump is an obtuse angle.
前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第2絶縁膜の表面の一部にかけて下地金属層を形成する工程と、
前記下地金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、
前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on the main surface of the semiconductor wafer;
Forming a first insulating film on a main surface of the semiconductor wafer on which the semiconductor chip is formed so that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed;
Forming a second insulating film from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
Forming a base metal layer from the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film to a part of the surface of the second insulating film;
Forming a metal bump made of solder on the base metal layer;
Dividing the semiconductor wafer into individual semiconductor chips;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面の一部から、前記第2絶縁膜の表面および前記第1絶縁膜の上面にかけて第3絶縁膜を形成する工程と、
前記第3絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第3絶縁膜の表面の一部にかけて下地金属層を形成する工程と、
前記下地金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、
前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on the main surface of the semiconductor wafer;
Forming a first insulating film on a main surface of the semiconductor wafer on which the semiconductor chip is formed so that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed;
Forming a second insulating film from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
Forming a third insulating film from a part of the upper surface of the electrode pad exposed from the second insulating film to the surface of the second insulating film and the upper surface of the first insulating film;
Forming a base metal layer from the upper surface of the electrode pad exposed from the third insulating film to a part of the surface of the third insulating film;
Forming a metal bump made of solder on the base metal layer;
Dividing the semiconductor wafer into individual semiconductor chips;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体チップが形成された前記半導体ウェハの主面上に、前記電極パッドの上面の一部が露出するように第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜から露出する前記電極パッドの上面から前記第1絶縁膜の表面の一部にかけて第1金属層を形成する工程と、
前記第1金属層の上面の一部から前記第1絶縁膜の上面にかけて第4絶縁膜を形成する工程と、
前記第4絶縁膜から露出する前記第1金属層の上面から前記第4絶縁膜の表面の一部にかけて第2金属層を形成する工程と、
前記第2金属層上に半田からなる金属バンプを形成する工程と、
前記半導体ウェハを個々の前記半導体チップに分割する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a plurality of semiconductor chips having semiconductor elements and electrode pads on the main surface of the semiconductor wafer;
Forming a first insulating film on a main surface of the semiconductor wafer on which the semiconductor chip is formed so that a part of the upper surface of the electrode pad is exposed;
Forming a first metal layer from the upper surface of the electrode pad exposed from the first insulating film to a part of the surface of the first insulating film;
Forming a fourth insulating film from a part of the upper surface of the first metal layer to the upper surface of the first insulating film;
Forming a second metal layer from an upper surface of the first metal layer exposed from the fourth insulating film to a part of a surface of the fourth insulating film;
Forming a metal bump made of solder on the second metal layer;
Dividing the semiconductor wafer into individual semiconductor chips;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体チップが搭載された前記配線基板を熱処理して前記半導体チップと前記配線基板とを前記金属バンプを介して電気的に接続する工程と、
前記半導体チップが電気的に接続された前記配線基板と前記半導体チップとの間隙に封止用のアンダーフィル樹脂を注入する工程と、
前記アンダーフィル樹脂を熱処理により硬化して封止する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Mounting the semiconductor chip manufactured by the manufacturing method according to claim 9 on a wiring board face down;
Heat treating the wiring board on which the semiconductor chip is mounted to electrically connect the semiconductor chip and the wiring board via the metal bumps;
Injecting a sealing underfill resin into a gap between the wiring substrate to which the semiconductor chip is electrically connected and the semiconductor chip;
Curing and sealing the underfill resin by heat treatment;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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