JP2003045908A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジストを必要とせず、エッチング損傷等の
問題が生じない半田バンプを提供できる半導体装置の製
造方法を提供することである。 【解決手段】 半導体基板上に半田バンプを有する半導
体装置の製造方法において、半導体基板上の半田バンプ
を形成すべき領域に、バリアメタル材を主成分とするメ
タルパターンをスクリーン印刷法を用いて形成した後、
このメタルパターン上に、半田バンプを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の接続
端子形成方法に関し、特に半導体チップ上に形成される
半田バンプに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の高集積化に伴い、一つ
の半導体チップから取り出す電極端子数も大幅に増加し
ている。以前は、半導体チップ周縁部に電極パッド列を
設け、各電極パッドと外部基板上の各電極とをワイヤボ
ンディングを介して接続する実装方法がとられていた
が、ワイヤボンディングを行う場合は、電極パッド数に
限界があり、端子数が不足する場合が生じている。そこ
で、最近の半導体チップでは、バンプを用いた実装方法
が使用されるようになってきた。
【0003】即ち、半導体チップ表面上に複数のバンプ
を形成し、各電極パッドと各バンプとをいわゆる「再配
線」と呼ばれる配線で接続し、バンプを介して半導体チ
ップと外部基板との必要な電気的接続を行う。バンプ
は、半導体チップ上に二次元的に配置できるので、入出
力端子数を増やすことができる。また、二次元状に配置
された各バンプ端子間の距離を広くとることができるの
で、外部基板との接続も容易になる。
【0004】半導体チップ上にバンプを形成する方法と
しては、メッキ法や印刷法等が知られている。メッキ法
を用いる場合は、図5(a)に示すように、半導体基板
110上の半導体チップ端に絶縁層120を介して必要
な電極パッド130を形成した後、電極パッド130と
各バンプとを接続する「再配線」である配線140を形
成し、さらに保護膜150およびポリイミド膜からなる
緩衝膜160を形成した後、バンプを形成すべき領域
(以下、「バンプ形成領域」という。)の配線140を
露出させる。
【0005】次に、図5(b)に示すように、半導体チ
ップ表面上に複数層、例えばTi/Ni/Pdからなる三
層構造のバリアメタル層170を形成し、さらに、レジ
スト180を塗布し、フォトリソグラフィ工程により、
バンプ形成領域上のレジスト180を開口し、バリアメ
タル層170を開口底部に露出させる。このバリアメタ
ル層170は、半田バンプ中のSnの拡散を防止し、半
田バンプの剥がれを防止するために必要であるととも
に、メッキを行う際には、メッキ給電層として機能す
る。
【0006】図5(c)に示すように、メッキ操作によ
り、露出したバリアメタル層170上に選択的に半田メ
ッキ層192を形成し、その後、図5(d)に示すよう
に、不要なレジスト180を剥離除去し、さらに、不要
なバリアメタル層170を半田メッキ層192のパター
ンをマスクにしてエッチング除去する。
【0007】この後、半田をリフローすることにより図
5(e)に示すように、バリアメタル層170のパター
ン上に表面張力によって半田メッキを半球状の半田バン
プ190に加工する。
【0008】図6(a)〜図6(e)は、従来の印刷法
を用いた半田バンプ形成方法を示す。
【0009】印刷法を用いた場合も、図6(a)に示す
ように、メッキ法を用いる場合と同様に、半導体基板1
10上の半導体チップ端に絶縁層120を介して必要な
電極パッド130を形成した後、電極パッド130と各
バンプとを接続する配線140を形成し、さらに保護膜
150および緩衝膜160を形成した後、バンプ形成領
域に配線140を露出させる。
【0010】その後、図6(b)に示すように、チップ
表面にバリアメタル層170を形成し、さらに基板表面
にレジスト180を塗布し、フォトリソグラフィ工程を
経て半田バンプを形成すべき領域に、レジスト180の
パターンを形成する。このレジスト180のパターンを
マスクとして、バリアメタル層170をエッチングし、
図6(c)に示すようなバリアメタル層170のパター
ンを得る。
【0011】この後、図6(d)に示すように、スクリ
ーン印刷法を用いて、バリアメタル層170のパターン
上に半田ペースト195のパターンを印刷する。この後
必要な焼成を行う。なお、図6(d)には、スクリーン
印刷に用いるスクリーン500とスキージ510を示し
ている。
【0012】さらに半田リフローを行うことにより、バ
リアメタル層170のパターン上に表面張力により半球
状の半田バンプ190に加工する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】図5(a)〜図5
(e)、図6(a)〜図6(e)に示すような従来の半
田バンプ製造方法においては、いずれもレジストを用い
たフォトリソグラフィ工程を必要とする。メッキ法を用
いる場合は、メッキする領域を画定するためレジストの
パターニングが必要であり、印刷法を用いる場合にも、
バリアメタルのパターニングのためにレジストのマスク
パターンを形成する工程が必要であり、それぞれのパタ
ーニングでフォトリソグラフィ工程が必要とされる。フ
ォトリソグラフィ工程には、レジストや現像液、レジス
ト剥離液などの材料とともに、コーターや露光機などの
装置も必要となり材料や装置コストの負担が大きい他、
プロセス上の手間も無視できない。
【0014】また、バリアメタルのパターニングのため
にバリアメタル層をエッチングするが、半田パターンを
エッチングマスクとして使用する場合には、半田表面の
エッチング損傷や酸化が問題となる場合もある。
【0015】本発明の目的は、上述する課題を考慮し、
プロセス工程をより簡略化でき、しかも歩留まりの高い
半田バンプの形成が可能な半導体装置の製造方法および
この製造方法によって得られる半導体装置を提供するこ
とである。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法の特徴は、集積回路が形成された半導体基板上に
半田バンプを有する半導体装置の製造方法において、半
導体基板上に、バリアメタル材を主成分とするメタルパ
ターンをスクリーン印刷法を用いて形成する工程と、メ
タルパターン上に、半田バンプを形成する工程とを有す
ることである。
【0017】なお、ここでバリアメタルとは、半田バン
プ中の半田成分の拡散を防止しうる金属をいう。
【0018】上記本発明の半導体装置の製造方法の特徴
によれば、バリアメタル材を主成分とするメタルパター
ンをスクリーン印刷法で形成し、その上に半田バンプを
形成しているので、バリアメタル材のパターニングに際
しレジストを用いたフォトリソグラフィ工程が不要とな
る。従って、半田バンプの製造工程においてレジストや
現像液などの材料コストを削減し、プロセスの簡略化を
図ることができる他、バリアメタルのパターニングに伴
うエッチング工程を省略できるので、エッチングによる
半田バンプ等へのダメージをも防止することができる。
【0019】例えば、上記バリアメタル材としては、N
iを挙げることができる。Niは、半田中のSnの拡散
防止効果が大きい。
【0020】また、スクリーン印刷法を用いてメタルパ
ターンを形成する前に、他のバリアメタル材を主成分と
するメタル薄膜層を予め形成する工程と、メタルパター
ン形成後、メタルパターンをマスクとしてメタル薄膜層
をエッチングする工程とを有してもよい。
【0021】このメタル薄膜層は、単層でも複数層でも
よく、又、Tiを主成分とする層を含んでいてもよい。
【0022】Ti薄膜層は、メタルパターンの下層にあ
って、メタルパターンの密着性を改善させる。また、メ
タルパターンをマスクとしてTi薄膜層のエッチングを
行うので、エッチング工程においてもレジストを用いた
フォトリソグラフィ工程が不要となる。
【0023】なお、スクリーン印刷法で形成するメタル
パターンの上記バリアメタル材として、Cuを用いるこ
ともできる。また、この場合において、スクリーン印刷
法を用いてメタルパターンを形成する工程前に、少なく
ともCuを含有する配線を形成する工程を有し、配線上
に直接Cuを主成分とするメタルパターンを形成しても
よい。この場合は、メタルパターンと配線層がともにC
u組成を有しているので、メタル薄膜層の介在なしでも
配線層とメタルパターン間で十分な密着性を得ることが
できる。
【0024】上記半田バンプの形成方法としては、メタ
ルパターン上に半田パターンをスクリーン印刷法を用い
て形成し、この半田パターンをリフローし、半田バンプ
に加工する方法であってもよい。あるいは、メタルパタ
ーン上に半田ボールを配置し、この半田ボールをリフロ
ーし、半田バンプに加工する方法であってもよい。
【0025】また、本発明の半導体装置は、上述する半
導体装置の製造方法によって作製されたものである。こ
のため、レジストを用いない簡易な工程で製造できると
ともに、エッチングに伴う半田バンプの損傷もなく、半
田チップ上に良好な特性を有する半田バンプ構造を提供
できる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について説明する。
【0027】(第1の実施の形態)図1は、本発明の実
施の形態に係る半導体装置の一例を示す装置平面図であ
る。半導体チップ100上の外周囲には複数の電極パッ
ド30からなる電極パッド列310が形成されており、
電極パッド列310の内側の半導体チップ100表面上
に二次元状に半田バンプ95が配置されている。各電極
パッド30と対応する半田バンプ95とは、「再配線」
と呼ばれる配線40で接続されている。
【0028】第1の実施の形態の半導体装置の製造方法
は、この半田バンプ95の製造工程において、レジスト
のフォトリソグラフィ工程を不要にできることを特徴と
する半導体装置の製造方法である。
【0029】以下、図2(a)〜図2(f)を参照しな
がら、本発明の半導体装置の製造方法について説明す
る。尚、以下の工程は、チップ分離を行う前の半導体ウ
エハ工程で行うことが望ましい。
【0030】まず、図2(a)に示すように、半導体基
板10上に、論理回路やメモリ等の集積回路(図示省
略)を形成し、さらにこれらの回路に必要な配線を絶縁
層20中に形成するとともに、半導体チップの外部への
電気的接続のための入出力端子、あるいは電源端子の引
き出しのため、半導体チップ周縁部に、電極パッド30
を形成する。さらに、各電極パッド30に接続される再
配線である配線40を形成した後、配線40形成面上
に、絶縁膜による保護膜50およびポリイミド膜等によ
る緩衝膜60を形成する。この後、保護膜50と緩衝膜
60の半田バンプ形成領域を開口し、その開口部底部に
配線40を露出させる。なお、配線40は、Al配線、
もしくはAlCu配線等を使用することができる。ここ
までの工程は、従来と同様な方法に従って作製すること
が可能である。
【0031】次に、図2(b)に示すように、スパッタ
リング等の方法を用いて基板表面にバリアメタル薄膜層
としてTi層70を形成する。Ti層70は、後の工程
で上層に形成するNi層と下地の配線40との密着性を
上げ、剥離を防止する効果がある。従って、密着性改善
に必要な厚みを有していればよく、約50nm以上、好
ましくは約100nmとすればよい。
【0032】続けて、図2(c)に示すように、半田バ
ンプ形成領域のTi層70上に、スクリーン印刷法を用
いてバリアメタル層であるNiペースト層80のパター
ンを形成する。Niペースト層80の形成には、Niを
主成分とする市販の印刷ペーストを使用することができ
る。この印刷ペーストには、Ni粒子と樹脂、ガラスお
よび適量の溶剤が含有されており、印刷に適した粘度に
調整して使用する。
【0033】具体的には、印刷スクリーン200と半導
体基板10との位置を合わせ、適量のペーストをスクリ
ーン200上に載せたのち、スキージ250を印刷スク
リーン200に押し当て、適度な圧力をかけて移動させ
ることで、同図に示すように、半田バンプ形成領域に、
例えば100μm角パターンのNiペースト層80を形
成する。Niペースト層80の厚みは約5μm〜10μ
mが好ましい。この後、窒素もしくは水素中雰囲気で、
還元しながら約400℃で約30分焼成を行い、Ni層
85を形成する。なお、スクリーン印刷により形成した
このNi層85中にはNiペーストの含有物である微量
の樹脂やガラス成分が含まれることになるが、実用上問
題はない。
【0034】このように、第1の実施の形態では、バリ
アメタル層であるNi層85を印刷でパターン形成する
ので、従来のように、Ni層85のエッチングを要しな
い。従って、Ni層85のエッチングに伴う半田バンプ
の損傷等の問題も生じない。
【0035】次に、図2(d)に示すように、このNi
層85をマスクにしてTi層70をフッ酸系溶液等を用
いてエッチングする。こうして、半田バンプ形成領域の
バリアメタル薄膜層をパターニングした後、図2(e)
に示すように、再び、印刷スクリーン300とスキージ
350を用いてスクリーン印刷法で半田ペースト90の
パターンを、Ni層85上に形成する。
【0036】半田ペースト90の印刷条件は、従来の印
刷方法とほぼ同様な条件を使用することができる。半田
ペースト90としては、SnとPbを主成分とする半田
ペーストのほか、SnとAgを主成分とする半田ペース
ト等を用いることができる。半田ペースト90の厚み
は、最終的に得られる半田バンプの高さが外部基板との
接続に十分な余裕を得られるように、60μm〜70μ
mの高さとすることが好ましい。
【0037】この後、図2(f)に示すように、半田ペ
ースト90を窒素雰囲気中で約30秒焼成し、半田リフ
ローを行う。尚、半田ペースト90として、SnとPb
を主成分とする場合は、リフロー温度を220℃、Sn
とAgを主成分とする場合は、リフロー温度を260℃
とする。半田はバリアメタル70のパターン上で液化
し、表面張力によって半球状になり、最終的に約100
μm程度の高さの半田バンプ95に加工される。
【0038】以上に説明するように、本発明の第1の実
施の形態の製造方法によれば、バリアメタルであるNi
層85を印刷法で形成するため、Ni層85のエッチン
グに伴う半田バンプの損傷等の問題も生じないほか、こ
のNi層85のパターンをエッチングマスクとして下層
のTi層70のエッチングが可能であるのでバリアメタ
ルのエッチングのためにレジストを用いたフォトリソグ
ラフィ工程が不要になる。即ち、バリアメタル薄膜層の
形成から半田リフロー工程にいたる半田バンプ製造工程
において、レジストを用いたフォトリソグラフィ工程が
不要であるため、プロセスを簡略化できるとともに、レ
ジストや現像液等の材料コストを削減できる。しかも、
バリアメタルのエッチングに伴う半田バンプの損傷の問
題も抑制できる。
【0039】(第2の実施の形態)図3(a)〜図3
(f)を参照しながら、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。
【0040】第2の実施の形態の半導体装置の製造方法
も、上述した第1の実施の形態と同様に、この半田バン
プの製造工程において、レジストを用いないレジストフ
リー工程であることを特徴とする。ここでは、半田ペー
ストを用いたスクリーン印刷法を用いずに、予めボール
状に加工された半田ボールを使用する。
【0041】即ち、図3(a)、図3(b)に示すよう
に、第1の実施の形態における製造方法と同様に、保護
膜50および緩衝膜60の半田バンプ形成領域を開口
し、開口底部に配線40を露出させた後、Niペースト
層80をスクリーン印刷法を用いてパターニングする。
その後、窒素又は水素中で焼成し、Ni層85のパター
ンを形成する。さらに、このNi層85をマスクにして
Ti層70をエッチングする。
【0042】続けて、図3(c)に示すように、吸引に
より所定の位置に半田ボールを固定した半田ボール吸引
用マスク400を半導体チップ上に被せ、吸引状態を解
除することでNi層85の各パターン上に各半田ボール
93を載せる。
【0043】この後、図3(d)に示すように、半田リ
フローを行い、半田ボール93を溶融し、半球状の半田
バンプ95に加工する。
【0044】以上に説明するように、本発明の第2の実
施の形態の場合に、上述した第1の実施の形態の場合と
同様に、バリアメタル薄膜層の形成から半田リフロー工
程にいたる半田バンプ製造工程において、レジストを用
いたフォトリソグラフィ工程が不要であるため、プロセ
スを簡略化できるとともに、レジスト液や現像液等の材
料コストを削減できる。しかも、バリアメタルのエッチ
ングに伴う半田バンプの損傷の問題も生じない。
【0045】(第3の実施の形態)第3の実施の形態の
半導体装置の製造方法も、上述した第1、第2の実施の
形態と同様に、半田バンプの製造工程において、レジス
トを用いないレジストフリー工程であることを特徴とす
る。
【0046】第1の実施の形態との主な違いは、スクリ
ーン印刷法で形成するバリアメタル層としてNi層のか
わりにCu層を形成している点である。
【0047】以下、図4(a)〜図4(e)を参照しな
がら、本発明の第3の実施の形態について説明する。
【0048】まず、図4(a)に示すように、第1の実
施の形態と同様に、電極パッド30や再配線層である配
線40を形成した後、保護膜50および緩衝膜60を基
板表面に形成する。この後、半田バンプ形成領域の保護
膜50と緩衝膜60を開口し、開口底部に配線40を露
出させる。なお、第3の実施の形態では、配線40とし
てAlCu配線もしくはCu配線等のCu含有配線を使
用する。
【0049】次に、図4(b)に示すように、半田バン
プ形成領域の配線40上に、スクリーン印刷法を用いて
直接、Cuを主成分とするCuペースト層82のパター
ンを形成する。Cuペースト層82のパターンの厚み
は、約5μm〜10μmとする。続けて還元雰囲気、約
380℃で焼成し、Cuペースト82をCu層86にす
る。
【0050】第1、及び第2の実施の形態のようにバリ
アメタル層としてNi層を使用する場合には、Ni層と
配線40との十分な密着性を確保するため、間にバリア
メタル薄膜層であるTi層を介在させたが、ここではバ
リアメタル層であるCu層と配線40とが同一組成のC
uを有しているので、良好な密着性を得ることができ
る。従って密着性改善のために別のバリアメタル薄膜層
等を介在させる必要がなくなる。また、これに伴いバリ
アメタル薄膜層のエッチング工程も不要となる。
【0051】この後は、図4(c)に示すように、スク
リーン印刷法を用いて半田ペースト90をCu層86の
パターン上に形成し、焼成した後、図3(d)に示すよ
うに、リフロー処理を行い、Cu層86のパターン上に
表面張力により半球状の半田バンプ95を形成する。
【0052】なお、半田ペースト層90のスクリーン印
刷工程の代わりに、第2の実施の形態で説明したよう
な、半田ボールをCu層86のパターン上に搭載させる
方法を用いてもよい。
【0053】このように、本発明の第3の実施の形態の
製造方法によれば、バリアメタルであるCu層86を印
刷法で形成するため、Cu層86のエッチングに伴う半
田バンプの損傷等の問題も生じないほか、配線層40と
の間にTi層の介在も不要となるので、レジストを用い
たフォトリソグラフィ工程が不要なばかりでなく、Ti
層の成膜工程及びエッチング工程を省略できる。従っ
て、大幅なプロセスの簡略化を図ることができる。
【0054】以上、実施の形態に沿って、本発明の半導
体装置の製造方法および半導体装置について説明した
が、本発明は、これらの実施の形態の記載に限定される
ものではない。種々の変形や改良が可能なことは当業者
には自明である。
【0055】例えば、本発明に係る半導体装置は、電極
パッドを必ずしも有する必要はない。電極を介さず半導
体チップ上の論理回路等から直接半田バンプに配線層が
接続されるものであってもよい。
【0056】また、スクリーン印刷法で作製するバリア
メタル層としてはNi層、Cu層の場合について説明し
たが、これらの材料に限定されるものではなく、半田中
の組成、特にSnの拡散を防止できるメタル材料であっ
て、印刷ペーストにできるものであったら、使用可能で
ある。また、そのメタル組成は単一のみならず複数のバ
リアメタル成分を含んでいてもよい。
【0057】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、バリアメタル材を主成分とする
メタルパターンをスクリーン印刷法で形成し、その上に
半田バンプを形成しているので、バリアメタル材のパタ
ーニングに際しレジストを用いたフォトリソグラフィ工
程が不要となる。従って、レジストや現像液などの材料
コストを削減し、プロセスの簡略化を図ることができる
他、エッチングによる半田バンプ等へのダメージをも防
止し、歩留まりの高い半田バンプ形成を行うことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る半田バンプを有する
半導体チップの平面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半田バンプの
製造方法を示す工程図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る半田バンプの
製造方法を示す工程図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態に係る半田バンプの
製造方法を示す工程図である。
【図5】従来のメッキ法を用いた半田バンプの製造方法
を示す工程図である。
【図6】従来のスクリーン印刷法を用いた半田バンプの
製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
10 半導体基板 20 絶縁層 30 電極パッド 40 配線 50 保護膜 60 緩衝層 70 Ti層 80 Niペースト層 82 Cuペースト層 85 Ni層 86 Cu層 90 半田ペースト層 93 半田ボール 95 半田バンプ 200、300 印刷スクリーン 250、350 スキージ 400 半田ボール吸引用マスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江澤 弘和 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路が形成された半導体基板上に半
    田バンプを有する半導体装置の製造方法において、 該半導体基板上の該半田バンプを形成すべき領域に、バ
    リアメタル材を主成分とするメタルパターンをスクリー
    ン印刷法を用いて形成する工程と、 前記メタルパターン上に、半田バンプを形成する工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記バリアメタル材が、Niであること
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 さらに、前記メタルパターンを形成する
    工程前に、他のバリアメタル材を主成分とするメタル薄
    膜層を前記半導体基板上に形成する工程を有するととも
    に、 前記メタルパターンを形成する工程後に、前記メタルパ
    ターンをマスクとして前記メタル薄膜層をパターニング
    する工程を有する請求項1又は請求項2に記載の半導体
    装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記メタル薄膜層は、少くともTiを主
    成分とする層を含むことを特徴とする請求項3に記載の
    半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記バリアメタル材が、Cuであること
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 さらに、前記メタルパターンを形成する
    工程前に、少なくともCuを含有する配線を形成する工
    程を有し、 前記配線上に直接前記メタルパターンを形成することを
    特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記半田バンプを形成する工程が、 前記メタルパターン上に、半田パターンをスクリーン印
    刷法を用いて形成する工程と、 前記半田パターンをリフローし、半田バンプに加工する
    工程とを有する請求項1から6のいずれか1項に記載の
    半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記半田バンプを形成する工程が、 前記メタルパターン上に半田ボールを配置する工程と、 前記半田ボールをリフローし、半田バンプに加工する工
    程とを有する請求項1から6のいずれか1項に記載の半
    導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導
    体装置の製造方法によって製造された半導体装置。
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Cited By (3)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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