半導体装置及びその製造方法
【課題】強度を維持し且つバンプ同士の間の狭ピッチ化に耐え得るバンプ及びアンダーバリアメタル構造を得られるようにする。
【解決手段】半導体装置は、半導体チップ１と、半導体チップ１の上に形成された電極パッド２と、電極パッド２の上に形成されたアンダーバリアメタル１０と、アンダーバリアメタル１０の上に形成されたはんだバンプ６と、アンダーバリアメタル１０及びはんだバンプ６の周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材１８とを有している。はんだバンプ６は、アンダーバリアメタル１０との接合界面が該アンダーバリアメタル１０の上面であり、アンダーフィル材１８は、バンプ６の側面とアンダーバリアメタル１０の端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。
【解決手段】半導体装置は、半導体チップ１と、半導体チップ１の上に形成された電極パッド２と、電極パッド２の上に形成されたアンダーバリアメタル１０と、アンダーバリアメタル１０の上に形成されたはんだバンプ６と、アンダーバリアメタル１０及びはんだバンプ６の周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材１８とを有している。はんだバンプ６は、アンダーバリアメタル１０との接合界面が該アンダーバリアメタル１０の上面であり、アンダーフィル材１８は、バンプ６の側面とアンダーバリアメタル１０の端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、外部電極端子にアンダーバリアメタルが設けられ、回路配線基板にフリップチップ実装された半導体チップを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信機器及び事務用電子機器等の小型化と高性能化とが進められるに伴い、これらの電子機器に搭載される半導体装置に小型化と共に入出力用の外部端子の個数を増やすことが要求されている。
【０００３】
一方、半導体製造プロセスの著しい進展に伴って、半導体チップの構造も微細化及び高集積化が進み、層間絶縁膜には比誘電率が低い、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜が用いられる場合が多くなってきている。
【０００４】
Ｌｏｗ−ｋ膜は、その物理的強度が従来の絶縁膜と比べて大幅に低いことから、外部からの応力等によって半導体チップの能動領域がダメージを受けやすい。これを防止するために、微細化及び高集積化が進んだ半導体チップにおいては、特にフリップチップ方式を用いて外部回路と接続する場合には、はんだバンプを用いた溶融接続が注目されている。
【０００５】
近年開発されている半導体チップの特徴は、電極パッドを能動領域の上に形成して行うフリップチップ実装と、Ｌｏｗ−ｋ材料を用いる層間絶縁膜とにある。但し、これらの実装方式及び構成材料には、半導体チップの信頼性が低下するという課題がある。
【０００６】
半導体チップの構成材料と半導体チップを実装する回路配線基板の構成材料とが異なる場合には、熱膨張係数の相違による変位が半導体装置と回路配線基板とにしばしば発生する。発生した変位は、半導体装置と回路配線基板とを接続するバンプに応力歪みを発生させ、この応力歪みは、フリップチップ実装するためのバンプと電極パッドとの接合面を破壊してしまう。熱膨張から発生する応力歪みの対策は、アンダーフィル材又は封止樹脂材（以下、併せてアンダーフィル材と呼ぶ。）を電極パッドの周辺領域に充填することによって対処している。
【０００７】
しかしながら、アンダーフィル材は、熱膨張による応力歪みの影響を緩和するための強度を備えるフィラーと溶剤とから構成されている。従って、アンダーフィル材を充填する領域の形状が複雑な場合は、フィラーが均一に充填されず、溶剤のみが充填されるという現象が発生する。この場合、アンダーフィル材を加熱により硬化する際に、フィラーが充填された領域はフィラーとバンプとの接触面が密着して、歪み等にも耐え得る強度を備えた構造体を形成することができる。一方、溶剤のみが充填された領域は、加熱すると溶剤が揮発してしまうため、ボイド又は気泡（以下、併せてボイドと呼ぶ。）が発生してしまう。その結果、バンプと電極パッドとの接合面に発生したボイドが起点となってクラックが発生し、発生したクラックによって、半導体チップ、すなわち半導体装置の信頼性が低下する。
【０００８】
半導体チップへの負担を軽減する対策として、半導体チップと回路配線基板とを物理的に接続するはんだバンプとの熱膨張の差に伴う接続面への応力の集中を緩和するために、はんだバンプの形成領域の周囲に環状のレジスト膜を形成するという方法が提示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この環状のレジスト膜により、はんだバンプを形成した後、はんだバンプの周囲にアンダーフィル材を充填する際に、該アンダーフィル材がはんだバンプと電極パッドとの接合面に浸透することがないように、電極パッドの周囲が保護される。
【０００９】
以上説明したように、半導体チップは、電極パッドを能動領域の上に形成し、バンプと呼ばれる外部接続端子を介して外部回路と接続するフリップチップ方式が主流となってきている。また、半導体製造プロセスの著しい進展に伴って、半導体装置の構造も微細化及び高集積化が進み、層間絶縁膜として比誘電率が低いＬｏｗ−ｋ材料が用いられるようになってきている。これにより、外部接続端子の電極パッドへの熱応力の負担を軽減すべく、例えば特許文献１のように取り組まれてきている。
【００１０】
しかしながら、半導体装置のさらなる小型化、微細化及び高集積化に伴い、半導体チップの信頼性の維持に対応しきれない場合が現れ始めている。そこで、今後はバンプが形成される電極パッドへの負担の軽減、特にバンプ同士の間の狭ピッチ化、例えば５０μｍ〜２００μｍに対応できる技術の確立が急務となっている。
【００１１】
半導体装置は、シリコン（Ｓｉ）又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）等からなり、回路配線基板は、ガラス、アラミド繊維又はセラミック等の無機材料と、銅（Ｃｕ）等の金属材料とを用いており、前述したように、半導体装置の構成材料と半導体装置を実装する回路配線基板の構成材料とは異なっている。
【００１２】
半導体装置の製造プロセスには、半導体基板を２５０℃〜３００℃程度で加熱する工程があり、シリコンを主成分とする半導体チップは３ｐｐｍ／℃の熱膨張係数であり、ガラス繊維を主成分とする回路配線基板は１０ｐｐｍ／℃程度の熱膨張係数であるため、加熱する際に両者の膨張の程度に差が生じる。ここで、熱膨張係数の差に起因する半導体装置と回路配線基板との変位は、両者を接続するバンプに応力歪みを発生させる。発生した応力歪みによって、バンプが破壊してしまい、電気的な接続不良に至ってしまう。
【００１３】
特許文献１においては、図８に示すように、半導体チップ１０１は、該半導体チップ１０１の上に選択的に形成された電極パッド１０２と、該電極パッド１０２の上にそれを覆うように形成されたアンダーバリアメタル（ＵＢＭ）１１０と、該ＵＢＭ１１０の上に形成されたはんだバンプ１０６とを有している。ここで、ＵＢＭ１１０は、その周縁部が電極パッド１０２の周囲に形成された絶縁膜１０９の周縁部に跨るように形成されている。また、絶縁膜１０９の上には、環状のレジスト膜１２６が形成されており、該レジスト膜１２６の内側の端面とＵＢＭ１１０及びはんだバンプ１０６の端面は互いに接している。このように、環状のレジスト膜１２６は、フリップチップ実装後の加熱冷却サイクルにおいて、はんだバンプ１０６と電極パッド１０２との接合部の近傍に発生する応力によってＵＢＭ１０の剥離を防止するために、はんだバンプ１０６の外側に形成されている。すなわち、半導体チップ１０１における電極パッド１０２の外周領域に環状のレジスト膜１２６を形成することにより、はんだバンプ１０６を固定してＵＢＭ１１０との接続性を向上することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２６８４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記従来の半導体装置は、はんだバンプ１０６の周囲にアンダーフィル材１１８を注入する際に問題が生じる。
【００１６】
アンダーフィル材１１８は、はんだバンプ１０６の接合強度を向上するためにその周囲に充填され、熱膨張による応力歪みの影響を緩和するための強度を備える材料として、溶剤にフィラー１１９が添加されている。フィラー１１９は粒子状であり、アンダーフィル材１１８は充填されると、はんだバンプ１０６の外縁部に沿って毛細管現象によって浸透していく。
【００１７】
ここで、図８に示すように、アンダーフィル材１１８のレジスト膜１２６上の充填領域１２０の角度θ１が鋭角である場合には、フィラー１１９が均一に充填する空間を確保できず、フィラー１１９が未充填となって溶剤のみが充填されてしまう。このような状態で、アンダーフィル材１１８を加熱により硬化すると溶剤が揮発してしまい、溶剤が揮発した領域にボイド１２１が発生する。このはんだバンプ１０６とＵＢＭ１１０との接合面の近傍に発生したボイド１２１によって、はんだバンプ１０６とアンダーフィル材１１８とが密着しない部位が生じる。その結果、はんだバンプ１０６は、アンダーフィル材１１８との密着による剛性を確保できず、その後の加熱冷却ストレスによって、はんだバンプ１０６の外縁部のボイド１２１からクラック１２２が発生してしまう。
【００１８】
本発明は、前記の問題を解決し、強度を維持し且つバンプ同士の間の狭ピッチ化に耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、バンプとアンダーバリアメタルと接合部の近傍におけるアンダーフィル材の充填領域を広く確保できるようにする構成とする。
【００２０】
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体チップと、半導体チップの上に形成された電極パッドと、電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルと、アンダーバリアメタルの上に形成された金属からなるバンプと、アンダーバリアメタル及びバンプの周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材とを備え、バンプは、アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面に形成され、アンダーフィル材は、バンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。
【００２１】
本発明の半導体装置によると、金属からなるバンプは、アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面であり、且つ、アンダーフィル材は、バンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。このため、バンプとアンダーバリアメタルとの隙間にも、フィラーを含むアンダーフィル材が必要な量だけ且つ均一に充填できるので、バンプとフィラーとの界面が密着して、加熱冷却ストレス及び物理的なストレスにも耐え得る電極構造を得ることができる。
【００２２】
本発明の半導体装置において、アンダーバリアメタルの端面は、該アンダーバリアメタルの厚さ方向の中央部分が内側に湾曲した円弧状であってもよい。
【００２３】
本発明の半導体装置において、アンダーフィル材はフィラーを含み、該フィラーの粒径は、アンダーバリアメタルの厚さよりも小さくてよい。
【００２４】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成された半導体集積回路の上に、電極パッドを形成する工程と、半導体集積回路の上の電極パッドの周囲にマスク部材を選択的に形成する工程と、マスク部材から露出する電極パッドの上にアンダーバリアメタルを形成する工程と、マスク部材から露出するアンダーバリアメタルの上に、金属からなるバンプを形成する工程と、バンプが形成された半導体基板を分割して半導体チップを形成し、形成された半導体チップのバンプを配線基板と対向させることにより、半導体チップを配線基板上にフリップチップ実装する工程と、マスク部材を除去する工程と、マスク部材を除去する工程よりも後に、半導体チップと配線基板との間にアンダーフィル材を注入する工程とを備えている。
【００２５】
本発明の半導体装置の製造方法によると、フリップチップ実装する工程と、アンダーフィル材を注入する工程との間に、電極パッドの周囲に形成したマスク部材を除去する工程を備えているため、金属からなるバンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度を直角又はそれ以上に大きくすることができる。その結果、バンプとアンダーバリアメタルとの隙間にも、フィラーを含むアンダーフィル材が必要な量だけ且つ均一に充填できるので、バンプとフィラーとの界面が密着して、加熱冷却ストレス及び物理的なストレスにも耐え得る電極構造を得ることができる。
【００２６】
本発明の半導体装置の製造方法において、マスク部材の電極パッド側の端面は、マスク部材の厚さ方向の中央部分が電極パッド側に湾曲した円弧状であってもよい。
【００２７】
本発明の半導体装置の製造方法において、マスク部材は、レジスト材、フィルム状のレジスト材又はレジストからなるＯリングであってよい。
【００２８】
本発明の半導体装置の製造方法において、アンダーフィル材は複数のフィラーを含み、フィラーの粒径は、アンダーバリアメタルの厚さよりも小さくてよい。
【００２９】
本発明の半導体装置の製造方法において、バンプを形成する工程には、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法を用いることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、接合強度を維持してバンプ同士の間の狭ピッチ化にも耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置であって、バンプ及びＵＢＭを含む領域を示す部分的な概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）〜（ｉ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置であって、バンプ及びＵＢＭを含む領域を示す部分的な概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第１の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第２の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第３の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図８】従来例に係る電極パッド構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（一実施形態）
本発明の一実施形態について図１を参照しながら説明する。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、バンプの構造体として、半導体チップ１の上に選択的に形成された電極パッド２と、該電極パッド２の上にそれを覆うように形成されたアンダーバリアメタル（ＵＢＭ）１０と、該ＵＢＭ１０の上に形成されたはんだバンプ６とを有している。ここで、ＵＢＭ１０は、その周縁部が電極パッド２の周囲に形成された絶縁膜９の周縁部に跨るように形成されている。
【００３４】
絶縁膜９の上並びにはんだバンプ６及びＵＢＭ１０の側面には、フィラー１９が添加されたアンダーフィル材１８が充填されている。
【００３５】
ここで、本実施形態の特徴として、はんだバンプ６は、ＵＢＭ１０の上面との間でのみ接合界面を有している。さらに、アンダーフィル材１８は、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度が鈍角θ２である。
【００３６】
このように、はんだバンプ６をＵＢＭ１０の上面にのみ形成する構造とすると、ＵＢＭ１０の膜厚分だけ、はんだバンプ６の形成位置が高くなるため、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍及びＵＢＭ１０と絶縁膜９との接続部の近傍に形成されるアンダーフィル材１８の充填領域２０を十分に確保することができる。
【００３７】
このように、絶縁膜９の上で且つはんだバンプ６及びＵＢＭ１０の接合部の周囲の充填領域２０は、従来の半導体装置のように鋭角θ１ではなく、鈍角θ２となる。すなわち、アンダーフィル材１８の充填領域２０の形状を先細り形状でなくすることができ、その結果、充填領域２０の容積を拡大することが可能となる。充填領域２０の容積を拡大すると、毛細管現象で浸透していくアンダーフィル材１８は、より浸透性が向上する。該アンダーフィル材１８の浸透性が向上すると、該アンダーフィル材１８に含まれる粒子状のフィラー１９の浸透性も向上する。このため、充填領域２０に必要な量のフィラー１９を均一に充填することができる。すなわち、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の外側の充填領域２０にフィラー１９を十分に且つ均一に充填することができるため、フィラー１９と、はんだバンプ６、ＵＢＭ１０及び絶縁膜９との互いの密着性を向上することができる。なお、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度θ２は鋭角でなければよく、すなわち直角であってもよい。
【００３８】
（一実施形態の製造方法）
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図２の工程ＳＴ１及び図３（ａ）に示すように、公知の拡散製造プロセスに従って、あらかじめ形成された半導体集積回路と外部接続端子とを電気的に接続できるよう、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）等からなる複数の電極パッド２を半導体ウェハ１Ａの集積回路の上に形成する。その後、半導体ウェハ１Ａの上に、各電極パッド２を露出するように保護絶縁膜７を形成する。続いて、保護絶縁膜７の上に、電極パッド２及び保護絶縁膜７の電極パッド２側の周縁部を露出する絶縁膜９を形成する。このとき、一例として、絶縁膜９における電極パッド２側の端面は、上方に向かって拡がる順テーパ形状とする。
【００４０】
次に、図２の工程ＳＴ２及び図３（ｂ）に示すように、例えばスピン塗布法により、半導体ウェハ１Ａの上にレジスト膜３１を全面的に塗布して形成する。レジスト膜３１には、例えば、紫外（ＵＶ）光の照射により、不溶性となるネガティブ型と、逆に可溶性となるポジティブ型とがあり、開口形状及びマスクの設計仕様等に応じて適宜選択することができる。ここでは、レジスト膜３１にポジティブ型を用いている。続いて、レジスト膜３１の上にＵＢＭ形成領域に開口部を有するＵＢＭ形成用マスク３２を、半導体ウェハ１Ａと位置調整した後に、該半導体ウェハ１Ａと重ね合わせ、その後、ＵＢＭ形成用マスク３２の上方からＵＶ光を照射する。
【００４１】
次に、図３（ｃ）に示すように、露光したレジスト膜３１を現像すると、レジスト膜３１のＵＶ光を照射された部分が現像液に溶けるため、ＵＢＭ形成領域を開口する開口パターンを有するレジスト膜３１が形成される。従って、レジスト膜３１における開口パターンからは、電極パッド２が露出することになる。ここで、レジスト膜３１の開口パターンの端面は、半導体ウェハ１Ａの主面に対してほぼ垂直である。その後、図３（ｄ）に示すように、ＵＢＭ形成用マスク３２を除去する。
【００４２】
次に、図２の工程ＳＴ３及び図３（ｅ）に示すように、電気めっき法又は無電解めっき法により、電極パッド２の上に、後工程で形成されるはんだバンプと接合するＵＢＭ１０を形成する。ＵＢＭ１０に求められる機能には、めっき法等によって形成される最終金属であるバンプとの低抵抗性、高いはんだ拡散防止機能及び最上層の金属膜のはんだ濡れ性等がある。そこで、ＵＢＭ１０は、電極パッド２の上に、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）又は銅（Ｃｕ）等の異種の金属を積層して形成する。これにより、はんだバンプ形成時の物理的且つ電気的な接続の機能が果たされる。ここで、ＵＢＭ１０の厚さはレジスト膜３１の上面を上限として形成する。
【００４３】
次に、図２の工程ＳＴ４及び図３（ｆ）に示すように、形成したＵＢＭ１０の上に、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法等によって、複数のはんだバンプ６を一括に形成する。ここで、電気めっき法とは、各ＵＢＭ１０の上に、めっきレジストパターンをマスクとして形成し、はんだめっきを形成し、その後、めっきレジストパターンを除去する。その後、不要な金属層をエッチングにより除去し、最後に熱処理を行って、はんだバンプ６を形成する。また、ボール搭載法は、フラックス印刷用開口部を設けたマスクを用いて、フラックスをスクリーン印刷する。その後、ボール搭載用開口部を設けたマスクを用いてボールを搭載し、リフロー装置又はオーブン装置等により加熱して、はんだバンプ６を形成する。また、スクリーン印刷法は、はんだペースト印刷用開口部を設けたマスクを用いて、はんだペーストを印刷する。その後、ボール搭載法と同様に加熱して、はんだバンプ６を形成する。このとき、ＵＢＭ１０の端面は、レジスト膜３１の開口パターンの端面形状と一致するため、該レジスト膜３１の開口パターンの端面を半導体ウェハ１Ａの主面に垂直に形成した場合は、ＵＢＭ１０の端面も垂直となる。
【００４４】
次に、図２の工程ＳＴ５、ＳＴ６及び図３（ｇ）に示すように、公知の方法により、半導体ウェハ１Ａの裏面を研磨し、研磨により薄膜化された半導体ウェハ１Ａをチップ単位に個片に分割して複数の半導体チップ１を得る。その後、得られた半導体チップ１を回路配線基板（外部回路）４に対してフリップチップ実装する。このとき、はんだバンプ６が回路配線基板４の外部回路電極パッド５と接続されるように位置合わせを行う。続いて、熱硬化を行って、半導体チップ１と回路配線基板４とをはんだバンプ６によって物理的且つ電気的に接合する。
【００４５】
次に、図２の工程ＳＴ７及び図３（ｈ）に示すように、ＵＢＭ１０の形成に用いたレジスト膜３１を洗浄により除去する。レジスト膜３１の役割は、はんだバンプ６をＵＢＭ１０の端面と接合させないこと、ＵＢＭ１０の端面形状を決定すること、及び絶縁膜９とはんだバンプ６との空間を確保することである。従って、フリップ実装工程の後は、レジスト膜３１の役割がいずれも果たされているため、該レジスト膜３１は不要となる。レジスト膜３１の洗浄方法は、半導体チップ１及び回路配線基板４の全面を薬液に浸漬して洗浄することにより除去する方法が主流である。さらに必要に応じて、はんだバンプ６同士の間に残存する気泡を除去し、気泡の代わりに洗浄剤３４を浸透させるための減圧チャンバ機構、キャビテーション効果によって洗浄除去する超音波機構、又はバンプ６同士の間に洗浄剤３４を集中可能な噴射ノズル機構等のように、洗浄性を高める機能を用いてもよい。
【００４６】
次に、図２の工程ＳＴ８及び図３（ｉ）に示すように、半導体チップ１と回路配線基板４との間に、アンダーフィル材１８を充填する。本実施形態においては、はんだバンプ６同士の隙間だけでなく、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との隙間にも必要なアンダーフィル材１８と該アンダーフィル材１８に含まれるフィラー１９とを均一に充填できる。このため、アンダーフィル材１８にボイドが形成されず、アンダーフィル材１８とはんだバンプ６とが密着して固定されるので、加熱冷却ストレス及び物理的ストレスにも耐え得る構造体を形成することができる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る製造方法によると、図３（ｆ）に示すバンプ形成工程において、ＵＢＭ１０の周囲の端面をレジスト膜３１によって覆っているため、ＵＢＭ１０の上に形成されるはんだバンプ６は、ＵＢＭ１０の端面には形成されることはない。その上、図３（ｈ）に示すレジスト膜除去工程において、レジスト膜３１を除去するため、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度が鈍角となる。その結果、はんだバンプ６とＵＢＭ１０と絶縁膜９とで囲まれる領域に、均一で且つ十分な量のアンダーフィル材１１及びフィラー１９を充填することができる。
【００４８】
（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例について図４を参照しながら説明する。
【００４９】
図４に示すように、本変形例に係るＵＢＭ１０は、その端面が厚さ方向の中央部分において内側に湾曲した円弧状であることを特徴とする。
【００５０】
前述したように、アンダーフィル材１８に添加された粒子状のフィラー１９を有効とするには、フィラー１９のはんだバンプ６及びＵＢＭ１０との密着性を高めることが必要である。そこで、本変形例においては、ＵＢＭ１０の端面を内側に湾曲した円弧形状１０ａとする。この構成により、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の外側領域の先細り形状をなくすことができるため、フィラー１９の充填性を向上することができる。
【００５１】
なお、円弧形状１０ａの湾曲方向は、ＵＢＭ１０の内側（中心方向）であり、すなわちＵＢＭ１０の半導体チップ１の主面に平行な方向の断面積は、
（底面の断面積Ｓ１）＞（厚さ方向の中央部分の断面積Ｓ２）となる。
【００５２】
ここで、ＵＢＭ１０の底面の断面積Ｓ１とその厚さ方向の中央部分の断面積Ｓ２との差は、半導体装置の目的等に応じて、電気的接続及び接合強度に影響を及ぼさない範囲で調整が可能である。
【００５３】
なお、図４に示すように、アンダーフィル材１８がＵＢＭ１０の厚さよりも大きいフィラー１９Ａを含む場合、アンダーフィル材１８の充填領域２０にフィラー１９Ａを充填することができない。従って、この場合には、充填領域２０に溶剤のみが浸透してしまい、加熱時に溶剤が揮発して、ボイドが発生してしまう。
【００５４】
そこで、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍の領域にもフィラー１９が確実に充填されるように、フィラー１９の粒径は、ＵＢＭ１０の厚さよりも小さくする。また、フィラー１９の形状は、アンダーフィル材１８が毛細管現象を利用して隙間を浸透していくため、多面体でも可能ではあるものの、できれば球状が望ましい。なお、このフィラー１９の粒径及び形状は、図１及び図３に示した実施形態にも適用可能である。
【００５５】
以下、円弧形状１０ａの端面を持つＵＢＭ１０の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００５６】
（第１変形例の第１の製造方法）
第１変形例の第１の製造方法は、図５に示すように、レジスト膜形成工程とＵＢＭ形成工程とを交互に、例えば５回繰り返す。すなわち、５回繰り返した後にＵＢＭ１０の厚さが図４に示す所定の厚さとなるようにする。このとき、さらに１回目のレジスト膜形成工程から３回目のレジスト膜形成工程までは、レジスト膜３１の開口寸法を段階的に小さくする。一方、４回目のレジスト膜形成工程から５回目のレジスト膜形成工程までは、レジスト膜３１の開口寸法を段階的に大きくする。これにより、ほぼ円弧状の端面を持つＵＢＭ１０を形成することができる。
【００５７】
この後は、図３（ｆ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００５８】
（第１変形例の第２の製造方法）
次に、第１変形例の第２の製造方法について図６を参照しながら説明する。
【００５９】
第１変形例の第２の製造方法は、図６に示すように、積層型のレジスト膜３１に代えて、フィルム状のレジスト膜３１Ａを用いる。具体的には、開口端面の厚さ方向の中央部分が開口パターンの中心方向にあらかじめ湾曲した円弧状を有するフィルム状のレジスト膜３１Ａを、開口パターンから電極パッド２が露出するように、且つ気泡が混入しないように密着させる。
【００６０】
なお、フィルム状のレジスト膜３１Ａの開口形状は、ＵＢＭ１０の形成条件に応じて形成することができる。さらには、異なる開口形状を同一のレジスト膜３１Ａに形成することも可能である。
【００６１】
この後は、図３（ｅ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００６２】
（第１変形例の第３の製造方法）
次に、第１変形例の第３の製造方法について図７を参照しながら説明する。
【００６３】
第１変形例の第３の製造方法は、図７に示すように、開口端面の厚さ方向の中央部分が開口パターンの中心方向にあらかじめ湾曲した円弧状を有するレジストからなるＯリング３１Ｂを用いて、ＵＢＭ１０の端面形状を円弧状とする。
【００６４】
このような、端面が円弧状のＯリング３１Ｂは、フィルム状のレジスト膜３１Ａと同様に、ＵＢＭ１０の形成条件に応じて形成することができる。また、異なる開口寸法を持たせる場合には、異なる形状のＯリング３１Ｂ同士を密着して形成することも可能である。
【００６５】
なお、Ｏリング３１ＢをＵＢＭ１０の形成領域の周囲に貼り付ける際には、あらかじめ絶縁膜９の上のＵＢＭ形成領域の周囲又はＯリング３１Ｂの表面に接着面に接着剤を塗布する。
【００６６】
この後は、図３（ｅ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態及びその変形例に係る半導体装置は、アンダーフィル材１８を毛細管現象を利用してはんだバンプ６同士の間の隙間に注入し、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍領域にも、フィラー１９を含む必要なアンダーフィル材１８を均一に充填することができる。このため、はんだバンプ６とフィラー１９とが密着して固定されるので、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、加熱冷却ストレス及び物理的ストレスにも耐え得る接合強度を維持することができる。その結果、狭ピッチ化にも対応可能なはんだバンプ６及びＵＢＭ１０とからなる構造体を実現することができる。
【００６８】
なお、はんだバンプ６の構成材料は、はんだに限られず、はんだ以外の適当な金属材料を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、接合強度を維持してバンプ同士の間の狭ピッチ化にも耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得ることができ、特に、外部電極端子にＵＢＭが設けられ、回路配線基板にフリップチップ実装された半導体チップを有する半導体装置等に有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 半導体チップ
１Ａ 半導体ウェハ
２ 電極パッド
４ 回路配線基板（外部回路）
５ 外部回路電極パッド
６ はんだバンプ（金属バンプ）
７ 保護絶縁膜
９ 絶縁膜
１０ アンダーバリアメタル（ＵＢＭ）
１０ａ 円弧形状
１８ アンダーフィル材
１９ フィラー
１９Ａ 粒径が大きいフィラー
２０ 充填領域
３１ レジスト膜
３１Ａ フィルム状のレジスト膜
３１Ｂ Ｏリング
３２ ＵＢＭ形成用マスク
３４ 洗浄剤
Ｓ１ 底面の断面積
Ｓ２ 中央部分の断面積
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、外部電極端子にアンダーバリアメタルが設けられ、回路配線基板にフリップチップ実装された半導体チップを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信機器及び事務用電子機器等の小型化と高性能化とが進められるに伴い、これらの電子機器に搭載される半導体装置に小型化と共に入出力用の外部端子の個数を増やすことが要求されている。
【０００３】
一方、半導体製造プロセスの著しい進展に伴って、半導体チップの構造も微細化及び高集積化が進み、層間絶縁膜には比誘電率が低い、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜が用いられる場合が多くなってきている。
【０００４】
Ｌｏｗ−ｋ膜は、その物理的強度が従来の絶縁膜と比べて大幅に低いことから、外部からの応力等によって半導体チップの能動領域がダメージを受けやすい。これを防止するために、微細化及び高集積化が進んだ半導体チップにおいては、特にフリップチップ方式を用いて外部回路と接続する場合には、はんだバンプを用いた溶融接続が注目されている。
【０００５】
近年開発されている半導体チップの特徴は、電極パッドを能動領域の上に形成して行うフリップチップ実装と、Ｌｏｗ−ｋ材料を用いる層間絶縁膜とにある。但し、これらの実装方式及び構成材料には、半導体チップの信頼性が低下するという課題がある。
【０００６】
半導体チップの構成材料と半導体チップを実装する回路配線基板の構成材料とが異なる場合には、熱膨張係数の相違による変位が半導体装置と回路配線基板とにしばしば発生する。発生した変位は、半導体装置と回路配線基板とを接続するバンプに応力歪みを発生させ、この応力歪みは、フリップチップ実装するためのバンプと電極パッドとの接合面を破壊してしまう。熱膨張から発生する応力歪みの対策は、アンダーフィル材又は封止樹脂材（以下、併せてアンダーフィル材と呼ぶ。）を電極パッドの周辺領域に充填することによって対処している。
【０００７】
しかしながら、アンダーフィル材は、熱膨張による応力歪みの影響を緩和するための強度を備えるフィラーと溶剤とから構成されている。従って、アンダーフィル材を充填する領域の形状が複雑な場合は、フィラーが均一に充填されず、溶剤のみが充填されるという現象が発生する。この場合、アンダーフィル材を加熱により硬化する際に、フィラーが充填された領域はフィラーとバンプとの接触面が密着して、歪み等にも耐え得る強度を備えた構造体を形成することができる。一方、溶剤のみが充填された領域は、加熱すると溶剤が揮発してしまうため、ボイド又は気泡（以下、併せてボイドと呼ぶ。）が発生してしまう。その結果、バンプと電極パッドとの接合面に発生したボイドが起点となってクラックが発生し、発生したクラックによって、半導体チップ、すなわち半導体装置の信頼性が低下する。
【０００８】
半導体チップへの負担を軽減する対策として、半導体チップと回路配線基板とを物理的に接続するはんだバンプとの熱膨張の差に伴う接続面への応力の集中を緩和するために、はんだバンプの形成領域の周囲に環状のレジスト膜を形成するという方法が提示されている（例えば、特許文献１を参照。）。この環状のレジスト膜により、はんだバンプを形成した後、はんだバンプの周囲にアンダーフィル材を充填する際に、該アンダーフィル材がはんだバンプと電極パッドとの接合面に浸透することがないように、電極パッドの周囲が保護される。
【０００９】
以上説明したように、半導体チップは、電極パッドを能動領域の上に形成し、バンプと呼ばれる外部接続端子を介して外部回路と接続するフリップチップ方式が主流となってきている。また、半導体製造プロセスの著しい進展に伴って、半導体装置の構造も微細化及び高集積化が進み、層間絶縁膜として比誘電率が低いＬｏｗ−ｋ材料が用いられるようになってきている。これにより、外部接続端子の電極パッドへの熱応力の負担を軽減すべく、例えば特許文献１のように取り組まれてきている。
【００１０】
しかしながら、半導体装置のさらなる小型化、微細化及び高集積化に伴い、半導体チップの信頼性の維持に対応しきれない場合が現れ始めている。そこで、今後はバンプが形成される電極パッドへの負担の軽減、特にバンプ同士の間の狭ピッチ化、例えば５０μｍ〜２００μｍに対応できる技術の確立が急務となっている。
【００１１】
半導体装置は、シリコン（Ｓｉ）又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）等からなり、回路配線基板は、ガラス、アラミド繊維又はセラミック等の無機材料と、銅（Ｃｕ）等の金属材料とを用いており、前述したように、半導体装置の構成材料と半導体装置を実装する回路配線基板の構成材料とは異なっている。
【００１２】
半導体装置の製造プロセスには、半導体基板を２５０℃〜３００℃程度で加熱する工程があり、シリコンを主成分とする半導体チップは３ｐｐｍ／℃の熱膨張係数であり、ガラス繊維を主成分とする回路配線基板は１０ｐｐｍ／℃程度の熱膨張係数であるため、加熱する際に両者の膨張の程度に差が生じる。ここで、熱膨張係数の差に起因する半導体装置と回路配線基板との変位は、両者を接続するバンプに応力歪みを発生させる。発生した応力歪みによって、バンプが破壊してしまい、電気的な接続不良に至ってしまう。
【００１３】
特許文献１においては、図８に示すように、半導体チップ１０１は、該半導体チップ１０１の上に選択的に形成された電極パッド１０２と、該電極パッド１０２の上にそれを覆うように形成されたアンダーバリアメタル（ＵＢＭ）１１０と、該ＵＢＭ１１０の上に形成されたはんだバンプ１０６とを有している。ここで、ＵＢＭ１１０は、その周縁部が電極パッド１０２の周囲に形成された絶縁膜１０９の周縁部に跨るように形成されている。また、絶縁膜１０９の上には、環状のレジスト膜１２６が形成されており、該レジスト膜１２６の内側の端面とＵＢＭ１１０及びはんだバンプ１０６の端面は互いに接している。このように、環状のレジスト膜１２６は、フリップチップ実装後の加熱冷却サイクルにおいて、はんだバンプ１０６と電極パッド１０２との接合部の近傍に発生する応力によってＵＢＭ１０の剥離を防止するために、はんだバンプ１０６の外側に形成されている。すなわち、半導体チップ１０１における電極パッド１０２の外周領域に環状のレジスト膜１２６を形成することにより、はんだバンプ１０６を固定してＵＢＭ１１０との接続性を向上することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２６８４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記従来の半導体装置は、はんだバンプ１０６の周囲にアンダーフィル材１１８を注入する際に問題が生じる。
【００１６】
アンダーフィル材１１８は、はんだバンプ１０６の接合強度を向上するためにその周囲に充填され、熱膨張による応力歪みの影響を緩和するための強度を備える材料として、溶剤にフィラー１１９が添加されている。フィラー１１９は粒子状であり、アンダーフィル材１１８は充填されると、はんだバンプ１０６の外縁部に沿って毛細管現象によって浸透していく。
【００１７】
ここで、図８に示すように、アンダーフィル材１１８のレジスト膜１２６上の充填領域１２０の角度θ１が鋭角である場合には、フィラー１１９が均一に充填する空間を確保できず、フィラー１１９が未充填となって溶剤のみが充填されてしまう。このような状態で、アンダーフィル材１１８を加熱により硬化すると溶剤が揮発してしまい、溶剤が揮発した領域にボイド１２１が発生する。このはんだバンプ１０６とＵＢＭ１１０との接合面の近傍に発生したボイド１２１によって、はんだバンプ１０６とアンダーフィル材１１８とが密着しない部位が生じる。その結果、はんだバンプ１０６は、アンダーフィル材１１８との密着による剛性を確保できず、その後の加熱冷却ストレスによって、はんだバンプ１０６の外縁部のボイド１２１からクラック１２２が発生してしまう。
【００１８】
本発明は、前記の問題を解決し、強度を維持し且つバンプ同士の間の狭ピッチ化に耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、バンプとアンダーバリアメタルと接合部の近傍におけるアンダーフィル材の充填領域を広く確保できるようにする構成とする。
【００２０】
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体チップと、半導体チップの上に形成された電極パッドと、電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルと、アンダーバリアメタルの上に形成された金属からなるバンプと、アンダーバリアメタル及びバンプの周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材とを備え、バンプは、アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面に形成され、アンダーフィル材は、バンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。
【００２１】
本発明の半導体装置によると、金属からなるバンプは、アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面であり、且つ、アンダーフィル材は、バンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角である。このため、バンプとアンダーバリアメタルとの隙間にも、フィラーを含むアンダーフィル材が必要な量だけ且つ均一に充填できるので、バンプとフィラーとの界面が密着して、加熱冷却ストレス及び物理的なストレスにも耐え得る電極構造を得ることができる。
【００２２】
本発明の半導体装置において、アンダーバリアメタルの端面は、該アンダーバリアメタルの厚さ方向の中央部分が内側に湾曲した円弧状であってもよい。
【００２３】
本発明の半導体装置において、アンダーフィル材はフィラーを含み、該フィラーの粒径は、アンダーバリアメタルの厚さよりも小さくてよい。
【００２４】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成された半導体集積回路の上に、電極パッドを形成する工程と、半導体集積回路の上の電極パッドの周囲にマスク部材を選択的に形成する工程と、マスク部材から露出する電極パッドの上にアンダーバリアメタルを形成する工程と、マスク部材から露出するアンダーバリアメタルの上に、金属からなるバンプを形成する工程と、バンプが形成された半導体基板を分割して半導体チップを形成し、形成された半導体チップのバンプを配線基板と対向させることにより、半導体チップを配線基板上にフリップチップ実装する工程と、マスク部材を除去する工程と、マスク部材を除去する工程よりも後に、半導体チップと配線基板との間にアンダーフィル材を注入する工程とを備えている。
【００２５】
本発明の半導体装置の製造方法によると、フリップチップ実装する工程と、アンダーフィル材を注入する工程との間に、電極パッドの周囲に形成したマスク部材を除去する工程を備えているため、金属からなるバンプの側面とアンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度を直角又はそれ以上に大きくすることができる。その結果、バンプとアンダーバリアメタルとの隙間にも、フィラーを含むアンダーフィル材が必要な量だけ且つ均一に充填できるので、バンプとフィラーとの界面が密着して、加熱冷却ストレス及び物理的なストレスにも耐え得る電極構造を得ることができる。
【００２６】
本発明の半導体装置の製造方法において、マスク部材の電極パッド側の端面は、マスク部材の厚さ方向の中央部分が電極パッド側に湾曲した円弧状であってもよい。
【００２７】
本発明の半導体装置の製造方法において、マスク部材は、レジスト材、フィルム状のレジスト材又はレジストからなるＯリングであってよい。
【００２８】
本発明の半導体装置の製造方法において、アンダーフィル材は複数のフィラーを含み、フィラーの粒径は、アンダーバリアメタルの厚さよりも小さくてよい。
【００２９】
本発明の半導体装置の製造方法において、バンプを形成する工程には、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法を用いることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、接合強度を維持してバンプ同士の間の狭ピッチ化にも耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置であって、バンプ及びＵＢＭを含む領域を示す部分的な概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）〜（ｉ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置であって、バンプ及びＵＢＭを含む領域を示す部分的な概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第１の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第２の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体装置の第３の製造方法を示す一工程の部分的な断面図である。
【図８】従来例に係る電極パッド構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（一実施形態）
本発明の一実施形態について図１を参照しながら説明する。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、バンプの構造体として、半導体チップ１の上に選択的に形成された電極パッド２と、該電極パッド２の上にそれを覆うように形成されたアンダーバリアメタル（ＵＢＭ）１０と、該ＵＢＭ１０の上に形成されたはんだバンプ６とを有している。ここで、ＵＢＭ１０は、その周縁部が電極パッド２の周囲に形成された絶縁膜９の周縁部に跨るように形成されている。
【００３４】
絶縁膜９の上並びにはんだバンプ６及びＵＢＭ１０の側面には、フィラー１９が添加されたアンダーフィル材１８が充填されている。
【００３５】
ここで、本実施形態の特徴として、はんだバンプ６は、ＵＢＭ１０の上面との間でのみ接合界面を有している。さらに、アンダーフィル材１８は、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度が鈍角θ２である。
【００３６】
このように、はんだバンプ６をＵＢＭ１０の上面にのみ形成する構造とすると、ＵＢＭ１０の膜厚分だけ、はんだバンプ６の形成位置が高くなるため、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍及びＵＢＭ１０と絶縁膜９との接続部の近傍に形成されるアンダーフィル材１８の充填領域２０を十分に確保することができる。
【００３７】
このように、絶縁膜９の上で且つはんだバンプ６及びＵＢＭ１０の接合部の周囲の充填領域２０は、従来の半導体装置のように鋭角θ１ではなく、鈍角θ２となる。すなわち、アンダーフィル材１８の充填領域２０の形状を先細り形状でなくすることができ、その結果、充填領域２０の容積を拡大することが可能となる。充填領域２０の容積を拡大すると、毛細管現象で浸透していくアンダーフィル材１８は、より浸透性が向上する。該アンダーフィル材１８の浸透性が向上すると、該アンダーフィル材１８に含まれる粒子状のフィラー１９の浸透性も向上する。このため、充填領域２０に必要な量のフィラー１９を均一に充填することができる。すなわち、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の外側の充填領域２０にフィラー１９を十分に且つ均一に充填することができるため、フィラー１９と、はんだバンプ６、ＵＢＭ１０及び絶縁膜９との互いの密着性を向上することができる。なお、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度θ２は鋭角でなければよく、すなわち直角であってもよい。
【００３８】
（一実施形態の製造方法）
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図２の工程ＳＴ１及び図３（ａ）に示すように、公知の拡散製造プロセスに従って、あらかじめ形成された半導体集積回路と外部接続端子とを電気的に接続できるよう、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）等からなる複数の電極パッド２を半導体ウェハ１Ａの集積回路の上に形成する。その後、半導体ウェハ１Ａの上に、各電極パッド２を露出するように保護絶縁膜７を形成する。続いて、保護絶縁膜７の上に、電極パッド２及び保護絶縁膜７の電極パッド２側の周縁部を露出する絶縁膜９を形成する。このとき、一例として、絶縁膜９における電極パッド２側の端面は、上方に向かって拡がる順テーパ形状とする。
【００４０】
次に、図２の工程ＳＴ２及び図３（ｂ）に示すように、例えばスピン塗布法により、半導体ウェハ１Ａの上にレジスト膜３１を全面的に塗布して形成する。レジスト膜３１には、例えば、紫外（ＵＶ）光の照射により、不溶性となるネガティブ型と、逆に可溶性となるポジティブ型とがあり、開口形状及びマスクの設計仕様等に応じて適宜選択することができる。ここでは、レジスト膜３１にポジティブ型を用いている。続いて、レジスト膜３１の上にＵＢＭ形成領域に開口部を有するＵＢＭ形成用マスク３２を、半導体ウェハ１Ａと位置調整した後に、該半導体ウェハ１Ａと重ね合わせ、その後、ＵＢＭ形成用マスク３２の上方からＵＶ光を照射する。
【００４１】
次に、図３（ｃ）に示すように、露光したレジスト膜３１を現像すると、レジスト膜３１のＵＶ光を照射された部分が現像液に溶けるため、ＵＢＭ形成領域を開口する開口パターンを有するレジスト膜３１が形成される。従って、レジスト膜３１における開口パターンからは、電極パッド２が露出することになる。ここで、レジスト膜３１の開口パターンの端面は、半導体ウェハ１Ａの主面に対してほぼ垂直である。その後、図３（ｄ）に示すように、ＵＢＭ形成用マスク３２を除去する。
【００４２】
次に、図２の工程ＳＴ３及び図３（ｅ）に示すように、電気めっき法又は無電解めっき法により、電極パッド２の上に、後工程で形成されるはんだバンプと接合するＵＢＭ１０を形成する。ＵＢＭ１０に求められる機能には、めっき法等によって形成される最終金属であるバンプとの低抵抗性、高いはんだ拡散防止機能及び最上層の金属膜のはんだ濡れ性等がある。そこで、ＵＢＭ１０は、電極パッド２の上に、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）又は銅（Ｃｕ）等の異種の金属を積層して形成する。これにより、はんだバンプ形成時の物理的且つ電気的な接続の機能が果たされる。ここで、ＵＢＭ１０の厚さはレジスト膜３１の上面を上限として形成する。
【００４３】
次に、図２の工程ＳＴ４及び図３（ｆ）に示すように、形成したＵＢＭ１０の上に、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法等によって、複数のはんだバンプ６を一括に形成する。ここで、電気めっき法とは、各ＵＢＭ１０の上に、めっきレジストパターンをマスクとして形成し、はんだめっきを形成し、その後、めっきレジストパターンを除去する。その後、不要な金属層をエッチングにより除去し、最後に熱処理を行って、はんだバンプ６を形成する。また、ボール搭載法は、フラックス印刷用開口部を設けたマスクを用いて、フラックスをスクリーン印刷する。その後、ボール搭載用開口部を設けたマスクを用いてボールを搭載し、リフロー装置又はオーブン装置等により加熱して、はんだバンプ６を形成する。また、スクリーン印刷法は、はんだペースト印刷用開口部を設けたマスクを用いて、はんだペーストを印刷する。その後、ボール搭載法と同様に加熱して、はんだバンプ６を形成する。このとき、ＵＢＭ１０の端面は、レジスト膜３１の開口パターンの端面形状と一致するため、該レジスト膜３１の開口パターンの端面を半導体ウェハ１Ａの主面に垂直に形成した場合は、ＵＢＭ１０の端面も垂直となる。
【００４４】
次に、図２の工程ＳＴ５、ＳＴ６及び図３（ｇ）に示すように、公知の方法により、半導体ウェハ１Ａの裏面を研磨し、研磨により薄膜化された半導体ウェハ１Ａをチップ単位に個片に分割して複数の半導体チップ１を得る。その後、得られた半導体チップ１を回路配線基板（外部回路）４に対してフリップチップ実装する。このとき、はんだバンプ６が回路配線基板４の外部回路電極パッド５と接続されるように位置合わせを行う。続いて、熱硬化を行って、半導体チップ１と回路配線基板４とをはんだバンプ６によって物理的且つ電気的に接合する。
【００４５】
次に、図２の工程ＳＴ７及び図３（ｈ）に示すように、ＵＢＭ１０の形成に用いたレジスト膜３１を洗浄により除去する。レジスト膜３１の役割は、はんだバンプ６をＵＢＭ１０の端面と接合させないこと、ＵＢＭ１０の端面形状を決定すること、及び絶縁膜９とはんだバンプ６との空間を確保することである。従って、フリップ実装工程の後は、レジスト膜３１の役割がいずれも果たされているため、該レジスト膜３１は不要となる。レジスト膜３１の洗浄方法は、半導体チップ１及び回路配線基板４の全面を薬液に浸漬して洗浄することにより除去する方法が主流である。さらに必要に応じて、はんだバンプ６同士の間に残存する気泡を除去し、気泡の代わりに洗浄剤３４を浸透させるための減圧チャンバ機構、キャビテーション効果によって洗浄除去する超音波機構、又はバンプ６同士の間に洗浄剤３４を集中可能な噴射ノズル機構等のように、洗浄性を高める機能を用いてもよい。
【００４６】
次に、図２の工程ＳＴ８及び図３（ｉ）に示すように、半導体チップ１と回路配線基板４との間に、アンダーフィル材１８を充填する。本実施形態においては、はんだバンプ６同士の隙間だけでなく、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との隙間にも必要なアンダーフィル材１８と該アンダーフィル材１８に含まれるフィラー１９とを均一に充填できる。このため、アンダーフィル材１８にボイドが形成されず、アンダーフィル材１８とはんだバンプ６とが密着して固定されるので、加熱冷却ストレス及び物理的ストレスにも耐え得る構造体を形成することができる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る製造方法によると、図３（ｆ）に示すバンプ形成工程において、ＵＢＭ１０の周囲の端面をレジスト膜３１によって覆っているため、ＵＢＭ１０の上に形成されるはんだバンプ６は、ＵＢＭ１０の端面には形成されることはない。その上、図３（ｈ）に示すレジスト膜除去工程において、レジスト膜３１を除去するため、はんだバンプ６の側面とＵＢＭ１０の端面との接合部分における角度が鈍角となる。その結果、はんだバンプ６とＵＢＭ１０と絶縁膜９とで囲まれる領域に、均一で且つ十分な量のアンダーフィル材１１及びフィラー１９を充填することができる。
【００４８】
（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例について図４を参照しながら説明する。
【００４９】
図４に示すように、本変形例に係るＵＢＭ１０は、その端面が厚さ方向の中央部分において内側に湾曲した円弧状であることを特徴とする。
【００５０】
前述したように、アンダーフィル材１８に添加された粒子状のフィラー１９を有効とするには、フィラー１９のはんだバンプ６及びＵＢＭ１０との密着性を高めることが必要である。そこで、本変形例においては、ＵＢＭ１０の端面を内側に湾曲した円弧形状１０ａとする。この構成により、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の外側領域の先細り形状をなくすことができるため、フィラー１９の充填性を向上することができる。
【００５１】
なお、円弧形状１０ａの湾曲方向は、ＵＢＭ１０の内側（中心方向）であり、すなわちＵＢＭ１０の半導体チップ１の主面に平行な方向の断面積は、
（底面の断面積Ｓ１）＞（厚さ方向の中央部分の断面積Ｓ２）となる。
【００５２】
ここで、ＵＢＭ１０の底面の断面積Ｓ１とその厚さ方向の中央部分の断面積Ｓ２との差は、半導体装置の目的等に応じて、電気的接続及び接合強度に影響を及ぼさない範囲で調整が可能である。
【００５３】
なお、図４に示すように、アンダーフィル材１８がＵＢＭ１０の厚さよりも大きいフィラー１９Ａを含む場合、アンダーフィル材１８の充填領域２０にフィラー１９Ａを充填することができない。従って、この場合には、充填領域２０に溶剤のみが浸透してしまい、加熱時に溶剤が揮発して、ボイドが発生してしまう。
【００５４】
そこで、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍の領域にもフィラー１９が確実に充填されるように、フィラー１９の粒径は、ＵＢＭ１０の厚さよりも小さくする。また、フィラー１９の形状は、アンダーフィル材１８が毛細管現象を利用して隙間を浸透していくため、多面体でも可能ではあるものの、できれば球状が望ましい。なお、このフィラー１９の粒径及び形状は、図１及び図３に示した実施形態にも適用可能である。
【００５５】
以下、円弧形状１０ａの端面を持つＵＢＭ１０の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００５６】
（第１変形例の第１の製造方法）
第１変形例の第１の製造方法は、図５に示すように、レジスト膜形成工程とＵＢＭ形成工程とを交互に、例えば５回繰り返す。すなわち、５回繰り返した後にＵＢＭ１０の厚さが図４に示す所定の厚さとなるようにする。このとき、さらに１回目のレジスト膜形成工程から３回目のレジスト膜形成工程までは、レジスト膜３１の開口寸法を段階的に小さくする。一方、４回目のレジスト膜形成工程から５回目のレジスト膜形成工程までは、レジスト膜３１の開口寸法を段階的に大きくする。これにより、ほぼ円弧状の端面を持つＵＢＭ１０を形成することができる。
【００５７】
この後は、図３（ｆ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００５８】
（第１変形例の第２の製造方法）
次に、第１変形例の第２の製造方法について図６を参照しながら説明する。
【００５９】
第１変形例の第２の製造方法は、図６に示すように、積層型のレジスト膜３１に代えて、フィルム状のレジスト膜３１Ａを用いる。具体的には、開口端面の厚さ方向の中央部分が開口パターンの中心方向にあらかじめ湾曲した円弧状を有するフィルム状のレジスト膜３１Ａを、開口パターンから電極パッド２が露出するように、且つ気泡が混入しないように密着させる。
【００６０】
なお、フィルム状のレジスト膜３１Ａの開口形状は、ＵＢＭ１０の形成条件に応じて形成することができる。さらには、異なる開口形状を同一のレジスト膜３１Ａに形成することも可能である。
【００６１】
この後は、図３（ｅ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００６２】
（第１変形例の第３の製造方法）
次に、第１変形例の第３の製造方法について図７を参照しながら説明する。
【００６３】
第１変形例の第３の製造方法は、図７に示すように、開口端面の厚さ方向の中央部分が開口パターンの中心方向にあらかじめ湾曲した円弧状を有するレジストからなるＯリング３１Ｂを用いて、ＵＢＭ１０の端面形状を円弧状とする。
【００６４】
このような、端面が円弧状のＯリング３１Ｂは、フィルム状のレジスト膜３１Ａと同様に、ＵＢＭ１０の形成条件に応じて形成することができる。また、異なる開口寸法を持たせる場合には、異なる形状のＯリング３１Ｂ同士を密着して形成することも可能である。
【００６５】
なお、Ｏリング３１ＢをＵＢＭ１０の形成領域の周囲に貼り付ける際には、あらかじめ絶縁膜９の上のＵＢＭ形成領域の周囲又はＯリング３１Ｂの表面に接着面に接着剤を塗布する。
【００６６】
この後は、図３（ｅ）〜図３（ｉ）と同様の工程を経て、図４に示すはんだバンプ６及びＵＢＭ１０を有する半導体装置を得る。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態及びその変形例に係る半導体装置は、アンダーフィル材１８を毛細管現象を利用してはんだバンプ６同士の間の隙間に注入し、はんだバンプ６とＵＢＭ１０との接合部の近傍領域にも、フィラー１９を含む必要なアンダーフィル材１８を均一に充填することができる。このため、はんだバンプ６とフィラー１９とが密着して固定されるので、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、加熱冷却ストレス及び物理的ストレスにも耐え得る接合強度を維持することができる。その結果、狭ピッチ化にも対応可能なはんだバンプ６及びＵＢＭ１０とからなる構造体を実現することができる。
【００６８】
なお、はんだバンプ６の構成材料は、はんだに限られず、はんだ以外の適当な金属材料を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、バンプ接合部の応力歪みを緩和することができ、接合強度を維持してバンプ同士の間の狭ピッチ化にも耐え得るバンプ及びＵＢＭ構造を得ることができ、特に、外部電極端子にＵＢＭが設けられ、回路配線基板にフリップチップ実装された半導体チップを有する半導体装置等に有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 半導体チップ
１Ａ 半導体ウェハ
２ 電極パッド
４ 回路配線基板（外部回路）
５ 外部回路電極パッド
６ はんだバンプ（金属バンプ）
７ 保護絶縁膜
９ 絶縁膜
１０ アンダーバリアメタル（ＵＢＭ）
１０ａ 円弧形状
１８ アンダーフィル材
１９ フィラー
１９Ａ 粒径が大きいフィラー
２０ 充填領域
３１ レジスト膜
３１Ａ フィルム状のレジスト膜
３１Ｂ Ｏリング
３２ ＵＢＭ形成用マスク
３４ 洗浄剤
Ｓ１ 底面の断面積
Ｓ２ 中央部分の断面積
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップの上に形成された電極パッドと、
前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタルの上に形成された金属からなるバンプと、
前記アンダーバリアメタル及びバンプの周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材とを備え、
前記バンプは、前記アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面に形成され、
前記アンダーフィル材は、前記バンプの側面と前記アンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記アンダーバリアメタルの端面は、該アンダーバリアメタルの厚さ方向の中央部分が内側に湾曲した円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記アンダーフィル材はフィラーを含み、
前記フィラーの粒径は、前記アンダーバリアメタルの厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体基板に形成された半導体集積回路の上に、電極パッドを形成する工程と、
前記半導体集積回路の上の前記電極パッドの周囲に、マスク部材を選択的に形成する工程と、
前記マスク部材から露出する前記電極パッドの上に、アンダーバリアメタルを形成する工程と、
前記マスク部材から露出する前記アンダーバリアメタルの上に、金属からなるバンプを形成する工程と、
前記バンプが形成された半導体基板を分割して半導体チップを形成し、形成された前記半導体チップの前記バンプを配線基板と対向させることにより、前記半導体チップを前記配線基板上にフリップチップ実装する工程と、
前記マスク部材を除去する工程と、
前記マスク部材を除去する工程よりも後に、前記半導体チップと前記配線基板との間に、アンダーフィル材を注入する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記マスク部材の前記電極パッド側の端面は、前記マスク部材の厚さ方向の中央部分が前記電極パッド側に湾曲した円弧状であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記マスク部材は、レジスト材、フィルム状のレジスト材又はレジストからなるＯリングであることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記アンダーフィル材はフィラーを含み、
前記フィラーの粒径は、前記アンダーバリアメタルの厚さよりも小さいことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記バンプを形成する工程は、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法を用いることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体チップと、
前記半導体チップの上に形成された電極パッドと、
前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタルの上に形成された金属からなるバンプと、
前記アンダーバリアメタル及びバンプの周囲を覆うように形成されたアンダーフィル材とを備え、
前記バンプは、前記アンダーバリアメタルとの接合界面が該アンダーバリアメタルの上面に形成され、
前記アンダーフィル材は、前記バンプの側面と前記アンダーバリアメタルの端面との接合部分における角度が直角又は鈍角であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記アンダーバリアメタルの端面は、該アンダーバリアメタルの厚さ方向の中央部分が内側に湾曲した円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記アンダーフィル材はフィラーを含み、
前記フィラーの粒径は、前記アンダーバリアメタルの厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体基板に形成された半導体集積回路の上に、電極パッドを形成する工程と、
前記半導体集積回路の上の前記電極パッドの周囲に、マスク部材を選択的に形成する工程と、
前記マスク部材から露出する前記電極パッドの上に、アンダーバリアメタルを形成する工程と、
前記マスク部材から露出する前記アンダーバリアメタルの上に、金属からなるバンプを形成する工程と、
前記バンプが形成された半導体基板を分割して半導体チップを形成し、形成された前記半導体チップの前記バンプを配線基板と対向させることにより、前記半導体チップを前記配線基板上にフリップチップ実装する工程と、
前記マスク部材を除去する工程と、
前記マスク部材を除去する工程よりも後に、前記半導体チップと前記配線基板との間に、アンダーフィル材を注入する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記マスク部材の前記電極パッド側の端面は、前記マスク部材の厚さ方向の中央部分が前記電極パッド側に湾曲した円弧状であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記マスク部材は、レジスト材、フィルム状のレジスト材又はレジストからなるＯリングであることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記アンダーフィル材はフィラーを含み、
前記フィラーの粒径は、前記アンダーバリアメタルの厚さよりも小さいことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記バンプを形成する工程は、電気めっき法、ボール搭載法又はスクリーン印刷法を用いることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１４２１１９（Ｐ２０１１−１４２１１９Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０９（Ｐ２０１０−４０９）
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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