JP2005216921A - 半導体装置製造用のメタルマスク及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止でき、多機能かつ信頼性の高い半導体装置を作製可能な応力緩和層形成用メタルマスク及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】応力緩和層５の形成に使用されるメタルマスク１１Ａとして、開口部１２の周囲の片面に、凹溝１３Ａが形成されたものを用いる。これにより、シリコンウエハＡとメタルマスク１１Ａとの間に形成される微小な隙間ｄ内に毛細管現象により応力緩和層材料Ｂが侵入したとしても、第１ボンディングパッド２の形成部への応力緩和層材料Ｂの侵入を防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、回路形成面上に再配線が施されたＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプの半導体装置の製造に適用されるメタルマスクと当該半導体装置の製造方法とに係り、特に、バンプ電極の下層に形成される応力緩和層の形成精度の改善手段に関する。

近年、電気機器の小型軽量化、高速化及び高機能化の要求に対処するため、電気機器に実装する半導体装置に対しても小型軽量化、高集積化及び実装の容易化の要求が益々高まっている。

従来より、これらの各要求に対応可能な半導体装置として、図１０に示すように、回路形成面１の外周部に沿って配列された第１ボンディングパッド（アルミパッド）２と、回路形成面１を保護するために第１ボンディングパッド２の形成部を除く回路形成面１上に形成されたパッシベーション膜３と、当該パッシベーション膜３上に形成された第１絶縁膜４と、当該第１絶縁膜４上のバンプ電極配列領域に形成された応力緩和層５と、第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に形成され一端が第１ボンディングパッド２に接続された再配線６と、当該再配線６を保護するために第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に形成された第２絶縁膜７と、再配線６の他端に形成された第２ボンディングパッド８に設定されたバンプ電極９とを備えたＣＳＰと呼ばれる半導体装置が提案されている（特許文献１参照。）。

このＣＳＰタイプの半導体装置は、バンプ電極９を回路形成面１のほぼ全面に配置することができるので、外周部に配列された第１ボンディングパッド２上に直接バンプ電極９を形成する場合に比べて各バンプ電極９間の距離を大きくすることができ、半導体装置の多端子化ひいては高機能化と電気機器に対する実装の容易化とを図ることができる。また、このＣＳＰタイプの半導体装置は、半導体素子を樹脂封止しないので、半導体装置の小型軽量化を図ることができる。さらに、このＣＳＰタイプの半導体装置は、バンプ電極９の下層に応力緩和層５を設けたので、バンプ電極９を介して半導体装置を配線基板上に実装した場合、半導体装置と配線基板との熱膨張係数差に起因するひずみがバンプ電極９と配線基板との間及びバンプ電極９と第２ボンディングパッド８との間に作用しにくく、各部の接続信頼性を高めることができて、半導体装置の耐久性の向上を図ることができる。

この種の半導体装置における応力緩和層５の形成は、ウエハプロセスにおいて、スクリーン印刷法、即ち、第１絶縁膜４上に応力緩和層形成用の開口部を有する平板状のメタルマスクを位置決めして配置する工程、メタルマスク上に応力緩和層材料をポッティングし、ポッティングされた当該応力緩和層材料をスキージで展伸してメタルマスクの開口部内に充填する工程、第１絶縁膜４上からメタルマスクを引き上げる工程及び第１絶縁膜４上に形成された応力緩和層５を乾燥する工程を経て行われる。
特開平１１−１９１５７１号公報

ところで、従来においては、応力緩和層形成用のメタルマスクとして、単に応力緩和層５の平面形状に対応する開口部を有する平板状のものが用いられているので、応力緩和層材料をスキージで展伸したときに、シリコンウエハとメタルマスクとの間に生じる微小な隙間に応力緩和層材料が毛細管現象によって侵入し、その結果、図１１に示すように、ウエハＡに形成された第１ボンディングパッド２が応力緩和層材料Ｂによって覆われ、その後の配線工程において良好な配線を行うことが困難になったり、或いは不可能になるという不都合が生じやすくなる。かかる不都合は、バンプ電極９の多端子化を図るために応力緩和層５の形成面積を拡大し、応力緩和層５の外周縁が第１ボンディングパッド２に接近するほど顕著になる。

本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであり、その目的は、第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止でき、多機能かつ信頼性の高い半導体装置を作製可能な応力緩和層形成用メタルマスクを提供すること、及び多機能かつ信頼性の高い半導体装置を容易に作成可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、半導体装置製造用のメタルマスクに関しては、回路形成面の外周部に沿って配列された複数個の第１ボンディングパッドと、当該第１ボンディングパッドの形成部を除く前記回路形成面上に形成された第１絶縁膜と、当該第１絶縁膜上のバンプ電極配列領域に形成された応力緩和層と、前記第１絶縁膜上及び前記応力緩和層上に形成され、一端が前記第１ボンディングパッドに接続された再配線と、当該再配線の他端に形成され、前記応力緩和層上に配置された複数個の第２ボンディングパッドとを有する半導体装置の製造に際し、前記応力緩和層の形成に適用されるメタルマスクであって、前記応力緩和層の平面形状に対応する開口部を有し、片面に前記開口部の周囲を取り囲む凹溝が連続又は不連続に形成されているという構成にした。

このように、メタルマスクに開設された開口部の周囲を凹溝にて取り囲むと、シリコンウエハとメタルマスクとの間に生じる微小な隙間に侵入した応力緩和層材料を凹溝内に溜めることができるので、第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止することができ、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッドに対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。そして、回路形成面の外周部に沿って第１ボンディングパッドがほぼ均等に配列された半導体装置については、開口部の周囲に連続した形状の凹溝が形成されたメタルマスクを適用することによって、第１ボンディングパッドの接続不良を防止することができる。また、回路形成面の外周部に第１ボンディングパッドの非形成領域を有する半導体装置については、前記非形成領域と対向する部分に凹溝を有しない不連続な形状の凹溝が形成されたメタルマスクを適用することもできる。凹溝が不連続な形状に形成すると、メタルマスクの強度低下を抑制することができるので、メタルマスクの耐久性を高めることができる。

また、本発明は、前記の課題を解決するため、半導体装置の製造方法に関しては、応力緩和層形成用の開口部を有するメタルマスクをシリコンウエハの回路形成面上に形成された第１絶縁膜上に重ね、当該第１絶縁膜上にスクリーン印刷法により応力緩和層を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記メタルマスクとして、片面に前記開口部の周囲を取り囲む凹溝が連続又は不連続に形成されたものを用いるという構成にした。

このように、応力緩和層の形成に際して開口部の周囲が凹溝にて取り囲まれたメタルマスクを用いると、ウエハとメタルマスクとの間に生じる微小な隙間に侵入した応力緩和層材料を凹溝内に溜めることができるので、第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止することができ、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッドに対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。そして、回路形成面の外周部に沿って第１ボンディングパッドがほぼ均等に配列された半導体装置については、開口部の周囲に連続した形状の凹溝が形成されたメタルマスクを適用することによって、第１ボンディングパッドの接続不良を防止することができる。また、回路形成面の外周部に第１ボンディングパッドの非形成領域を有する半導体装置については、前記非形成領域と対向する部分に凹溝を有しない不連続な形状の凹溝が形成されたメタルマスクを適用することもできる。凹溝が不連続な形状に形成すると、メタルマスクの強度低下を抑制することができるので、メタルマスクの耐久性を高めることができる。

本発明のメタルマスクは、応力緩和層形成用の開口部の周囲を凹溝にて取り囲むので、ウエハとメタルマスクとの間に生じる微小な隙間に侵入した応力緩和層材料を凹溝内に溜めることができ、第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止することができて、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッドに対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、応力緩和層の形成に際して開口部の周囲が凹溝にて取り囲まれたメタルマスクを用いるので、ウエハとメタルマスクとの間に生じる微小な隙間に侵入した応力緩和層材料を凹溝内に溜めることができ、第１ボンディングパッド形成部への応力緩和層材料の侵入を防止することができて、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッドに対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態を説明するに先立ち、本発明のメタルマスク及び半導体装置製造方法を適用することによって製造される半導体装置の構成を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は半導体装置のバンプ電極側から見た要部平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ部断面図である。

本例の半導体装置も、基本的な構成については図１０に示した従来例に係る半導体装置と同じであり、図１及び図２に示すように、回路形成面１の外周部に沿って配列された複数個の第１ボンディングパッド２と、回路形成面１を保護するために第１ボンディングパッド２の形成部を除く回路形成面１上に形成されたパッシベーション膜３と、当該パッシベーション膜３上に形成された第１絶縁膜４と、当該第１絶縁膜４上のバンプ電極配列領域に形成された応力緩和層５と、第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に形成され一端が第１ボンディングパッド２に接続された再配線６と、当該再配線６を保護するために第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に形成された第２絶縁膜７と、再配線６の他端に形成された第２ボンディングパッド８に設定されたバンプ電極９とから構成されている。なお、回路形成面１には、所要の半導体素子群よりなる図示しない半導体回路がウエハプロセスで形成される。

第１ボンディングパッド２及びパッシベーション膜３の形成は通常のウエハプロセスで行われ、第１絶縁膜４、応力緩和層５、第２ボンディングパッド８を含む再配線６、第２絶縁膜７及びバンプ電極９の形成は、ウエハプロセス終了後の再配線工程において行われる。

第１絶縁膜４は、感光性ポリイミド樹脂などの感光性樹脂材料をもって構成され、図２に示すように、第１ボンディングパッド２の中央部及びスクライブラインを除く回路形成面１上に形成される。この第１絶縁膜４は、再配線６と半導体回路の絶縁及び電気的干渉を防止するため、第１ボンディングパッド２の開口端を覆うように形成される。この第１絶縁膜４の形成は、半導体装置のもとになるシリコンウエハの回路形成面上に感光性樹脂材料よりなる樹脂層を均一な厚さに塗布した後、当該樹脂層を第１絶縁膜４の形状に露光して露光部を硬化し、次いで、未露光部を現像処理にて除去することによって行う。なお、パッシベーション膜３が十分な絶縁性を有する場合には、この第１絶縁膜４の形成を省略し、パッシベーション膜３の上に直接応力緩和層５を形成することもできる。

応力緩和層５は、第１絶縁膜４よりも軟質の樹脂をスクリーン印刷することによって、第１ボンディングパッド２の設定部を除く第１絶縁膜４の内周部分に形成される。応力緩和層材料としては、半導体装置と配線基板との熱膨張係数差に起因するひずみを吸収する必要があることから、膜物性として、弾性率が０．５〜１ＧＰａで、線熱膨張係数が２００ｐｐｍ／℃以下のものを用いることが特に望ましい。なお、この応力緩和層５の外周部分には、図２に示すように、メタルマスク引き上げ後の応力緩和層材料の粘性流動により傾斜部５ａが形成されている。

第２ボンディングパッド８を含む再配線６は、銅めっきなどの導体によって形成され、図２に示すように、第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に配列される。再配線６は、一端が第１ボンディングパッド２に接続され、他端の第２ボンディングパッド８が応力緩和層５上に所要の配列で形成される。

第２絶縁膜７は、応力緩和層５よりも硬質の感光性ポリイミド樹脂などの感光性樹脂材料をもって構成され、図２に示すように、第２ボンディングパッド８の中央部を除く第１絶縁膜４上及び応力緩和層５上に形成される。この第２絶縁膜７も、前記第１絶縁膜４と同様の方法で形成される。

バンプ電極９は、ハンダをボール状に成形してなるハンダボール、樹脂ボールの表面にハンダをコーティングしてなるコーティングハンダボール、その他のボール状導電材料をもって形成され、応力緩和層５上に配列された各第２ボンディングパッド８上に搭載される。

以下、本発明に係るメタルマスク及び半導体装置製造方法の最良の実施形態を、図３乃至図７に基づいて説明する。図３は図１及び図２に例示した半導体装置の製造方法を示すフロー図、図４は応力緩和層の形成工程を示すフロー図、図５は再配線の形成工程を示すフロー図、図６は実施形態に係る半導体装置の製造に使用されるメタルマスクの一部裏面図、図７は実施形態に係るメタルマスクの使用状態の断面図である。

図３に示すように、図１及び図２に例示した半導体装置は、ウエハプロセスにて所要の回路形成面１とパッシベーション膜３とが形成されたシリコンウエハのパッシベーション膜３上に第１絶縁膜４を形成する工程（手順Ｓ１）、第１絶縁膜４上に応力緩和層５を形成する工程（手順Ｓ２）、第１絶縁膜４及び応力緩和層５上に第２ボンディングパッド８を含む再配線６を形成する工程（手順Ｓ３）、再配線６、第１絶縁膜４及び応力緩和層５の外面に第２絶縁膜７を形成する工程（手順Ｓ４）、第２ボンディングパッド８上にバンプ電極９を設定する工程（手順Ｓ５）、及びシリコンウエハをダイシングして半導体装置の個片を取り出す工程（手順Ｓ６）を経て製造される。なお、パッシベーション膜３が十分な絶縁性を有する場合には、パッシベーション膜３上に第１絶縁膜４を形成する工程（手順Ｓ１）については省略することもできる。

前記第１絶縁膜４上に応力緩和層５を形成する工程（手順Ｓ２）は、図５に示すように、シリコンウエハの第１絶縁膜４上又はパッシベーション膜３上に位置決めして配置する工程（手順Ｓ１１）、メタルマスク上に応力緩和層材料をポッティングし、ポッティングされた当該応力緩和層材料をスキージで展伸して、メタルマスクに開設された開口部内に充填する工程（手順Ｓ１２）、第１絶縁膜４上又はパッシベーション膜３上からメタルマスクを引き上げる工程（手順Ｓ１３）、及び第１絶縁膜４上又はパッシベーション膜３上に形成された応力緩和層５を乾燥する工程（手順Ｓ１４）を含んで構成される。

図６に示すように、本実施形態に係るメタルマスク１１Ａは、正方形の開口部１２を有し、片面の前記開口部１２の周囲に断面形状が略半円形の凹溝１３Ａを連続に形成してなる。本例のメタルマスク１１Ａは、応力緩和層５の形成に際し、図７に示すように、凹溝１３Ａの形成面をシリコンウエハの第１絶縁膜４又はパッシベーション膜３側に向けてシリコンウエハ上に載置される。

本実施形態に係るメタルマスク１１Ａは、開口部１２の周囲を連続する凹溝１３Ａにて取り囲んだので、図７に示すように、シリコンウエハＡとメタルマスク１１Ａとの間に生じる微小な隙間ｄに毛細管現象により応力緩和層材料Ｂが侵入したとしても、侵入した応力緩和層材料Ｂを凹溝１３Ａ内に溜めることができ、第１ボンディングパッド２形成部への応力緩和層材料Ｂの侵入を防止することができて、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極９の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッド２に対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。また、本実施形態に係るメタルマスク１１Ａは、開口部１２の周囲を連続する凹溝１３Ａにて取り囲み、開口部１２の全周にわたって第１ボンディングパッド２形成部への応力緩和層材料Ｂの侵入を防止できるようにしたので、図１に示すように回路形成面１の外周部に沿って第１ボンディングパッド２がほぼ均等に配列された半導体装置の製造に特に効果がある。

また、第１絶縁膜４及び応力緩和層５上に第２ボンディングパッド８を含む再配線６を形成する工程（手順Ｓ３）は、図６に示すように、フォトリソグラフィ法、即ち、第１絶縁膜４及び応力緩和層５上にクロム及び銅などを一様にスパッタリングして給電膜を形成する工程（手順Ｓ２１）、当該給電膜上にフォトレジスト層を均一な厚さに形成する工程（手順Ｓ２２）、フォトレジスト層を第２ボンディングパッド８を含む再配線６の形状に露光する工程（手順Ｓ２３）、現像処理によって再配線６の形状に対応する給電膜を露出させる工程（手順Ｓ２４）、露出させた給電膜に銅めっき及びニッケルめっきを施して第２ボンディングパッド８を含む再配線６を形成する工程（手順Ｓ２５）、残存したフォトレジスト層を除去し、再配線６の形状以外に対応する給電層を露出させる工程（手順Ｓ２６）、及び露出された給電層を化学エッチングによって除去する工程（手順Ｓ２７）を含んで構成される。

本例の半導体装置製造方法は、応力緩和層５の形成に際し、開口部１２の周囲が凹溝１３Ａにて取り囲まれたメタルマスク１１Ａを用いるので、シリコンウエハＡとメタルマスク１１Ａとの間に生じる微小な隙間ｄに侵入した応力緩和層材料Ｂを凹溝１３Ａ内に溜めることができ、第１ボンディングパッド２形成部への応力緩和層材料Ｂの侵入を防止することができて、その後の配線工程における配線不良を防止することができる。よって、バンプ電極の多端子化が可能で半導体装置の多機能化を図ることができると共に、第１ボンディングパッドに対する再配線の接続信頼性を高めることができて高機能ＣＳＰタイプ半導体装置の信頼性を高めることができる。

次に、本発明に係るメタルマスクの他の実施形態を、図８及び図９に基づいて説明する。図８は他の実施形態に係るメタルマスクの一部裏面図、図９は図８のメタルマスクを用いて製造可能な半導体装置のバンプ電極側から見た要部平面図である。

本実施形態のメタルマスク１１Ｂは、図８に示すように正方形の開口部１２の四隅部を除く周囲に、断面形状が略半円形の凹溝１３Ｂを形成してなる。本例のメタルマスク１１Ｂも、応力緩和層５の形成に際しては、図７に示すように、凹溝１３Ｂの形成面をシリコンウエハの第１絶縁膜４又はパッシベーション膜３側に向けてシリコンウエハ上に載置される。

本例のメタルマスク１１Ｂは、図７に示すメタルマスク１１Ａと同様の効果を有するほか、開口部１２の四隅部と対応する部分に凹溝１３Ｂの非形成部１４を有するので、メタルマスク１１Ｂの強度低下を抑制することができ、メタルマスク１１Ｂの耐久性を高めることができるという効果があり、図９に示すように四隅部に第１ボンディングパッド２が配置されない半導体装置の製造に適用することができる。

なお、前記実施形態においては、開口部１２の四隅部と対応する部分に凹溝１３Ｂの非形成部１４を設けたが、凹溝１３Ｂの非形成部は、半導体装置に形成される第１ボンディングパッド２の配列に応じて適宜変更することができる。

半導体装置のバンプ電極側から見た要部平面図である。 図１のＡ−Ａ部断面図である。 図１及び図２に例示した半導体装置の製造方法を示すフロー図である。 応力緩和層の形成工程を示すフロー図である。 再配線の形成工程を示すフロー図である。 実施形態に係る半導体装置の製造に使用されるメタルマスクの一部裏面図である。 実施形態に係るメタルマスクの使用状態の断面図である。 他の実施形態に係るメタルマスクの一部裏面図である。 図８のメタルマスクを用いて製造可能な半導体装置のバンプ電極側から見た要部平面図である。 半導体装置の斜視断面図である。 従来例に係るメタルマスクの構成とその不都合とを示す断面図である。

符号の説明

１ 回路形成面
２ 第１ボンディングパッド
３ パッシベーション膜
４ 第１絶縁膜
５ 応力緩和層
５ａ 傾斜部
６ 再配線
７ 第２絶縁膜
８ 第２ボンディングパッド
９ バンプ電極
１１Ａ，１１Ｂ メタルマスク
１２ 開口部
１３Ａ，１３Ｂ 凹溝
１４ 凹溝の非形成部
Ａ シリコンウエハ
Ｂ 応力緩和層材料

Claims (2)

1. 回路形成面の外周部に沿って配列された複数個の第１ボンディングパッドと、当該第１ボンディングパッドの形成部を除く前記回路形成面上に形成された第１絶縁膜と、当該第１絶縁膜上のバンプ電極配列領域に形成された応力緩和層と、前記第１絶縁膜上及び前記応力緩和層上に形成され、一端が前記第１ボンディングパッドに接続された再配線と、当該再配線の他端に形成され、前記応力緩和層上に配置された複数個の第２ボンディングパッドとを有する半導体装置の製造に際し、前記応力緩和層の形成に適用されるメタルマスクであって、
   前記応力緩和層の平面形状に対応する開口部を有し、片面に前記開口部の周囲を取り囲む凹溝が連続又は不連続に形成されていることを特徴とする半導体装置製造用のメタルマスク。
2. 応力緩和層形成用の開口部を有するメタルマスクをシリコンウエハの回路形成面上に形成された第１絶縁膜上に重ね、当該第１絶縁膜上にスクリーン印刷法により応力緩和層を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
   前記メタルマスクとして、片面に前記開口部の周囲を取り囲む凹溝が連続又は不連続に形成されたものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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