JP2005175319A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板10に下層配線(16、18、20)が形成され、また、能動素子を含み、半導体チップ21がパッド20bを上面にしてマウントされている。ここで、下層配線の近傍に樹脂ポストPRが形成され、その上層にポスト部配線20’が形成されている。半導体チップ、ポスト部配線および下層配線を被覆して絶縁樹脂層23が形成され、絶縁樹脂層には、半導体チップのパッドに達するように第1開口部Haが開口され、一方、ポスト部配線に達するように第2開口部Hbが開口され、第1開口部および第2開口部の内部および絶縁樹脂層上に上層配線24に形成されている構成とする。
【選択図】図1
Description
図10は上述のSiP形態の半導体装置の一例の断面図である。
シリコン基板100上に酸化シリコンからなる下地絶縁膜101が形成され、その上層に、アルミニウムからなる下部電極102、Ta2O5からなる誘電体膜103、酸化シリコンがらなる保護層104、および、アルミニウムからなる下部電極の取り出し電極105aおよび上部電極105bが積層されている。誘電体膜103を介して下部電極102と上部電極105bが対向して、静電容量素子(C1,C2)が構成されている。
上記の開口部内に埋め込まれて下部電極接続電極105aおよび上部電極105bに接続するプラグ部分と一体になって、第1絶縁層106上に銅からなる第1配線107が形成されている。ここで、開口部の内壁面に通常形成されるバリアメタルの図示は省略している。
第1配線107の一部はらせん状に形成され、インダクタンスLが構成されている。
上記の開口部(H1,H2)内に埋め込まれてパッド108bおよび第1配線107に接続するプラグ部分と一体になって、第2絶縁層110上に銅からなる第2配線111が形成されている。ここで、開口部の内壁面に通常形成されるバリアメタルの図示は省略している。
さらに、バッファ層113の表面においてポスト112に接続するようにバンプ(突起電極)114が形成されている。
まず、図11(a)に示すように、シリコン基板100の表面に下地絶縁膜101を形成し、その上層にスパッタリング法によりアルミニウムを堆積させ、パターン加工して下部電極102を形成し、次にCVD法によりTa2O5を堆積させ、パターン加工して誘電体層103を形成し、さらに酸化シリコンを堆積して誘電体層の保護層104を形成し、RIE(反応性イオンエッチング)により電極取り出し用の窓開けを行い、スパッタリング法によりアルミニウムを堆積させ、パターン加工して下部電極の取り出し電極105aおよび上部電極105bを形成する。以上で、静電容量素子(C1,C2)が構成される。
次に、スピンコート法により感光性ポリイミド樹脂を供給して塗布し、第1絶縁層106を形成する。
次に、第2絶縁膜110にパターン露光および現像をして、半導体チップ108のパッド108bに達する開口部H2および第1配線107に達する開口部H3を第2絶縁膜110に形成する。
次に、第1配線107と同様にして、開口部(H2,H3)内のプラグと一体に第2配線111をパターン形成する。
このとき、次工程でのポスト形成のために、第2配線111のバリアメタル膜はエッチングしないで残しておく。
さらに、スピンコート法によりエポキシ樹脂を供給して塗布し、バッファ層113を形成し、樹脂硬化後に、研削により銅のポスト112の頭出しを行い、さらにポスト112に接続するようにバンプ114を形成する。
以上で、図10に示す構成のSiP形態の半導体装置が形成される。
このため、開口の精度はマスクからのギャップ、即ち、露光される感光性ポリイミド膜の膜厚によって決まる。従って、半導体チップのZ方向の傾きや半導体チップの薄さのバラツキにより半導体チップ108のパッド108bに達する開口部H2に対する開口不良が発生する問題があった。
これを避けるために、ギャップの小さい半導体チップ108のパッド108bに達する開口部H2に露光条件を合わせると、同時に行う第1配線107に達する開口部H3の開口が困難となってしまう。
特に、半導体装置の小型化や微細化に伴い、配線や電極の大きさも微細化されてきている。半導体チップのパッドも微細化され、これに対応するためにはパッド108bに達する開口部H2の開口サイズも小さくすることが重要となってくる。このため、半導体チップ108のパッド108bに達する開口部H2と第1配線107に達する開口部H3の開口の両立はますます困難となる傾向にある。これを解決するために第1配線107に達する開口部H3の開口サイズを大きく設定すると、SiP形態の半導体装置全体の小型化が困難となる弊害がある。
半導体チップ、ポスト部配線および下層配線を被覆して絶縁樹脂層が形成され、絶縁樹脂層には、半導体チップのパッドに達するように第1開口部が開口され、一方、ポスト部配線に達するように第2開口部が開口され、第1開口部および第2開口部の内部および絶縁樹脂層上に上層配線に形成されている。
次に、能動素子を含み、表面にパッドが形成された半導体チップをパッド形成面の反対側の面からマウントする。
次に、半導体チップ、ポスト部配線および下層配線を被覆して絶縁樹脂層を形成し、半導体チップのパッドに達する第1開口部とポスト部配線に達する第2開口部とを絶縁樹脂層に開口し、第1開口部および第2開口部の内部および絶縁樹脂層上に上層配線を形成する。
例えば、シリコン基板10上に酸化シリコンからなる下地絶縁膜11が形成され、その上層に、例えばアルミニウムあるいは銅からなる下部電極12、Ta2O5、BST、PZT、BaTiO3、窒化シリコン、ポリイミド樹脂あるいは酸化シリコンなどからなる誘電体膜13、アルミニウムあるいは銅からなる下部電極の取り出し電極14aおよび上部電極14bが積層されており、誘電体膜13を介して下部電極12と上部電極14bが対向している部分が静電容量素子(Ca,Cb)となっている。
第1絶縁層15には、下部電極取り出し電極14aおよび上部電極14bに達する開口部が形成されており、この開口部内に埋め込まれて下部電極取り出し電極14aおよび上部電極14bに接続するプラグ部分と一体になって、第1絶縁層15上にバリアメタル層16aおよび銅層16bからなる第1配線16が形成されている。
第1配線16の一部はらせん状に形成され、インダクタンス(La,Lb)が構成されている。
第2配線18の一部はらせん状に形成され、インダクタンスLcが構成されている。
第3配線20の一部はらせん状に形成され、インダクタンス(Ld,Le)が構成されている。
一方、第3配線20の近傍に、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂あるいはポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール樹脂などの絶縁性樹脂材料から構成される柱状の樹脂ポストPRが形成されている。
さらに、第3配線20に接続して樹脂ポストPR上に、バリアメタル層20cおよび銅層20dからなるポスト部配線20’が形成されている。
第4絶縁層23には、半導体チップ21のパッド21bに達する第1開口部Haおよびポスト部配線20’に達する第2開口部Hbが形成されている。
上記の第1および第2開口部(Ha,Hb)内に埋め込まれてパッド21bおよびポスト部配線20’に接続するプラグ部分と一体になって、第4絶縁層23上にバリアメタル層24aおよび銅層24bからなる第4配線24が形成されている。
第4配線24の一部はらせん状に形成され、インダクタンスLfが構成されている。
さらに、バッファ層26の表面において導電性ポスト25に接続するようにバンプ(突起電極)27が形成されている。
上記の本実施形態の半導体装置は、シリコン基板10に上記のような下層配線(第1配線16、第2配線18および第3配線20)が形成され、また、半導体チップ21がフェースアップでマウントされており、また、下層配線の近傍に樹脂ポストPRが形成され、その上層に下層配線に接続してポスト部配線20’が形成されている。半導体チップ、ポスト部配線および下層配線を被覆して絶縁樹脂層(第4絶縁層23)が形成され、絶縁樹脂層には、半導体チップ21のパッド21bに達するように第1開口部Haが開口され、一方、樹脂ポストPR上のポスト部配線20’に達するように第2開口部Hbが開口され、第1開口部および第2開口部の内部および絶縁樹脂層上に上層配線(第4配線24)に形成されている構成となっている。
上記のような樹脂ポストとポスト部配線を用いた接続方法では、配線容量を小さく保って厚膜の絶縁層(第4絶縁層)を貫通する配線を設けることができ、例えば信号の入出力(I/O)に用いる配線に好ましく適用できる。
略同じ高さであることにより、ポスト部配線部分におけるギャップと半導体チップのパッド部分におけるギャップが略等しくなり、両部分に対する開口は良好になされる。
樹脂ポストPRの高さは、後述のように、例えば半導体チップの高さ+10μm程度の高さとする。
また、樹脂ポストPRは、基板と平行な面での断面における径が上方程小さくなるように側面にテーパ形状が設けられており、テーパ形状の側面の幅は5μm程度である。従って、樹脂ポストPRの底面の径と上面の径は10μm程度の差が設けられている。ここで、樹脂ポストPRの底面の径は、ポスト部配線20’に達するように開口された第2開口部Hbの開口径より20μm以上大きく形成されていることが好ましい。これにより、上記のテーパ形状の側面の幅を考慮しても、第2開口部Hbの開口工程において、半径あたり5μmづつの合わせずれ余裕を確保することができる。
また、樹脂ポストPRは、応力緩和機能を有する樹脂で形成されていることが好ましい。これにより、応力緩和させるために形成されるバッファ層26を薄膜化できる。
ここで、本実施形態にように、例えばシリコン基板10と絶縁樹脂層(第4絶縁層23)の間に、例えば複数の樹脂層(第1絶縁層15、第2絶縁層17、第3絶縁層19)の積層体からなる下層絶縁樹脂層が形成されており、下層配線の一部が下層絶縁樹脂層に埋め込まれて形成されている構成として、下層絶縁樹脂層に埋め込まれた受動素子を下層配線の一部から構成することができる。
まず、図2(a)に示すように、例えば、CVD(化学気相成長)法あるいは熱拡散法により、シリコン基板10上に酸化シリコンを形成し、下地絶縁膜11とする。
次に、例えばCVD法などによりTa2O5、BST、PZT、BaTiO3、窒化シリコンあるいは酸化シリコンを堆積させて、あるいはスピンコート法などによりポリイミド樹脂を塗布して、誘電体膜13を形成し、得られた誘電体膜13に下部電極取り出し口を開口する。
次に、例えばスパッタリング法などによりアルミニウムあるいは銅などを堆積させ、パターン加工して下部電極の取り出し電極14aおよび上部電極14bとする。
誘電体膜13を介して下部電極12と上部電極14bが対向する静電容量素子(Ca,Cb)が構成される。
感光性ポリイミド樹脂の場合、例えば以下の条件で成膜する。
スピンコート:50rpm(1秒)+50rpm(20秒)+300rpm(5秒)+1000rpm(10秒)
プリベーク:90℃(120秒)+100℃(120秒)+室温(30秒)
現像後、例えば以下の条件で第1絶縁層15を硬化(キュア)させる。
ポストキュア:150℃(20分)+150℃(30分)+300℃(20分)+300℃(120分)
以上で、下部電極取り出し電極14aおよび上部電極14bに接続するプラグ部分と一体にして、第1絶縁層15上にバリアメタル層16aおよび銅層16bからなる第1配線16を形成する。このとき、受動素子の1つであるインダクタンス(La,Lb)も第1配線16の一部として同時にパターン形成する。
第2配線18の形成時には、受動素子の1つであるインダクタンスLcも第2配線18の一部として同時にパターン形成し、また、第3配線20の形成時にはインダクタンス(Ld,Le)も第3配線20の一部として同時にパターン形成する。
ここで、樹脂ポストPRの側面Sはテーパ形状に傾いて形成され、その幅Wが5μm程度となる。これにより、上面の径と底面の径の差は10μm程度となる。
半導体チップ21は、半導体本体部分21aにパッド21bが形成され、パッド21bを除く領域は酸化シリコンの保護層21cで覆われた構成であり、フェースアップで、即ち、パッド21b形成面の反対側の面側から、ダイアタッチフィルム22を介して積層させ、60〜70℃の温度で1.0〜1.3Nの荷重を0.7〜1秒間かけて接着する。半導体チップ21の搭載面に設けられたアライメントマークと半導体チップ21の電極とをツールからオフセットさせることで1台のカメラで認識させることができ、例えば搭載精度±1μmを満たして搭載できる。
感光性ポリイミド樹脂の場合、例えば以下の条件で成膜する。
未硬化の感光性ポリイミド樹脂の粘度:31.5Pa・s
スピンコート:50rpm(1秒)+50rpm(30秒)+300rpm(30秒)+1200rpm(20秒)
プリベーク:60℃(240秒)+90℃(240秒)+110℃(240秒)+室温(30秒)
現像後、例えば以下の条件で第4絶縁層23を硬化(キュア)させる。
ポストキュア:150℃(20分)+150℃(30分)+300℃(20分)+300℃(120分)
従って、樹脂ポストPR上に形成される膜厚が5μm程度のポスト部配線20’の表面と半導体チップ21のパッド21bの表面の高さを合わせるためには、樹脂ポストのPRの高さを半導体チップ21の厚さ+10μm程度に合わせることが好ましい。
例えば、半導体チップ21の厚さが25μm程度の場合には、樹脂ポストPRの高さを35μm程度とし、半導体チップ21の厚さが50μm程度の場合には、樹脂ポストPRの高さを60μm程度とする。樹脂ポストPRの高さのウェハ面内のバラツキは±2.5%程度である。樹脂ポストPRの高さに対する目標値は、配線やダイアタッチフィルムの厚さなどに応じて変えることは言うまでもない。
上記のように樹脂ポストPR上のポスト部配線20’の表面と半導体チップ21のパッド21bの表面の高さを略合わせた場合、半導体チップ21のパッド21b部分とポスト部配線20’部分におけるギャップ(両部分における第4絶縁層23の膜厚)は略同じ値となり、本実施気形態においては、例えば、半導体チップ21のパッド21b部分におけるギャップが7〜13μm(平均で10μm程度)、ポスト部配線20’部分におけるギャップが7〜13μm(平均で10μm程度)と、どちらも10μm程度の同じ値となる。
このとき、半導体チップ21のパッド21bに達する第1開口部Haおよびポスト部配線20’に達する第2開口部Hbとしては、どちらも例えば30μmの径で良好に開口することができる。
また、樹脂ポストPRを形成する工程において、樹脂ポストPRの底面の径がポスト部配線20’に達するように開口された第2開口部Hbの開口径より20μm以上大きく形成することが好ましい。樹脂ポストPRの側面Sはテーパ形状に傾いて形成され、その幅Wが5μm程度となるので、第2開口部Hbの開口工程において、半径あたり5μmづつの合わせずれ余裕を確保することができる。
また、樹脂ポストPRを形成する工程において、応力緩和機能を有する樹脂で形成することが好ましい。これにより、応力緩和させるために形成されるバッファ層26を薄膜化できる。
次に、レジスト塗布および現像処理を行い、半導体チップ21のパッド21bに達する第1開口部Haおよびポスト部配線20’に達する第2開口部Hbと第4配線の形成領域を開口するパターンのレジスト膜(不図示)を成膜し、これをマスクとし、バリアメタル層24aをシードとする1.5A、90分の電解メッキにより、第4絶縁層23上での膜厚が5μm程度となるように銅をメッキして、半導体チップ21のパッド21bに達する第1開口部Haおよびポスト部配線20’に達する第2開口部Hbと第4配線の形成領域に銅層24bを形成する。この後、上記のレジスト膜を除去する。
例えばポリアミドイミド樹脂を印刷する場合は、樹脂の粘度を138Pa・sとし、スキージ速度10mm/sで印刷する。
ハンダバンプの印刷の場合には、例えば無鉛ハンダを0.2mmの径で印刷し、260℃以下の温度でリフローしてバンプに成形する。
この後、例えばシリコン基板10をハーフカットし、薄型化を行うことでダイシングすることで、二次接続信頼性を有し、応力緩和可能なバッファ層を有するためにアンダーフィル不要でリペア可能な、図1に示す構成のウェハレベルのSiP形態の半導体装置とすることができる。
(1)絶縁樹脂層中に内蔵する半導体チップの薄さにバラツキがあっても、そのパッドに対する安定した開口か可能となる。
(2)絶縁樹脂層中に内蔵する半導体チップのマウント時にZ方向の傾きなどがあっても、そのパッドに対する安定した開口か可能となる。
(3)コンタクト、プロキシミティ、ステッパなどの露光性を限定しないで、絶縁樹脂層中に内蔵する半導体チップのパッドに対する安定した開口か可能となる。
(4)半導体チップのパッドを40μmまで縮小化し、ピッチ60μmまで対応可能となり、半導体チップの小型化、縮小化が可能となり、理論収率向上によるコストダウンが図れる。
例えば、樹脂ポストの高さとしては、その上層に形成するポスト部配線の表面の高さが半導体チップのパッドの表面に合うようにすることが好ましいが、必ずしもこれに限らない。樹脂ポスト上のポスト部配線部分のギャップと半導体チップのパッド部分とのギャップとの差を低減できれば、本発明の効果を得ることができる。
また、下層配線として3層の配線(第1配線、第2配線および第3配線)を形成しているが、これに限らず、少なくとも1層の下層配線が設けられていればよい。
バッファ層や第1〜第4絶縁層に用いる樹脂は上記に限らず、その他の樹脂を用いることもできる。
実施形態においては、樹脂ポストをポスト部配線を形成する領域にのみ形成しているが、これに限らず、ポスト部配線を形成しない領域にまで広く形成し、その上層にポスト部配線をパターン形成することも可能であり、樹脂ポストのパターンは自由度を広く形成することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
Claims (13)
- 基板と、
前記基板に形成された下層配線と、
能動素子を含み、表面にパッドが形成され、パッド形成面の反対側の面から前記基板にマウントされた半導体チップと、
前記基板上において前記下層配線の近傍に形成された樹脂ポストと、
前記下層配線に接続して前記樹脂ポスト上に形成されたポスト部配線と、
前記半導体チップ、前記ポスト部配線および前記下層配線を被覆して形成された絶縁樹脂層と、
前記半導体チップの前記パッドに達するように前記絶縁樹脂層に開口された第1開口部と、
前記ポスト部配線に達するように前記絶縁樹脂層に開口された第2開口部と、
前記第1開口部および前記第2開口部の内部および前記絶縁樹脂層上に形成された上層配線と
を有する半導体装置。 - 前記ポスト部配線の表面と前記パッドの表面とが略同じ高さとなるように、前記樹脂ポストの高さおよび前記ポスト部配線の厚さが設定されている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記樹脂ポストのアスペクト比が1以下である
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記樹脂ポストの底面の径は前記第2開口部の開口径より20μm以上大きく形成されている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記樹脂ポストが応力緩和機能を有する樹脂で形成されている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記下層配線および前記上層配線を含む配線の一部が受動素子を構成している
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記基板と前記絶縁樹脂層の間に下層絶縁樹脂層が形成されており、前記下層配線の一部が前記下層絶縁樹脂層に埋め込まれて形成されている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記下層絶縁樹脂層が複数の樹脂層の積層体からなる
請求項7に記載の半導体装置。 - 基板に下層配線を形成する工程と、
前記基板上において前記下層配線の近傍に樹脂ポストを形成する工程と、
前記下層配線に接続して前記樹脂ポスト上にポスト部配線を形成する工程と、
能動素子を含み、表面にパッドが形成された半導体チップをパッド形成面の反対側の面から前記基板にマウントする工程と、
前記半導体チップ、前記ポスト部配線および前記下層配線を被覆して絶縁樹脂層を形成する工程と、
前記半導体チップの前記パッドに達する第1開口部と前記ポスト部配線に達する第2開口部とを、前記絶縁樹脂層に開口する工程と、
前記第1開口部および前記第2開口部の内部および前記絶縁樹脂層上に上層配線を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記樹脂ポストを形成する工程および前記ポスト部配線を形成する工程において、前記ポスト部配線の表面と前記パッドの表面とが略同じ高さとなるように、前記樹脂ポストの高さおよび前記ポスト部配線の厚さを設定して形成する
請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記樹脂ポストを形成する工程において、アスペクト比が1以下となるように前記樹脂ポストを形成する
請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記樹脂ポストを形成する工程において、前記樹脂ポストの底面の径が前記第2開口部の開口径より20μm以上大きくなるように前記樹脂ポストを形成する
請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記樹脂ポストを形成する工程において、応力緩和機能を有する樹脂で前記樹脂ポストを形成する
請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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