JP2006278417A

JP2006278417A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006278417A
Application number: JP2005091217A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nasu; 嘉夫奈須
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポストにおいて効果的に吸収・緩和させることができるとともに、高密度な配線設計が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】電極９を有する半導体基板１上の所定位置に形成された突起状の樹脂ポスト３と、前記樹脂ポスト３上に形成され一端部が前記電極９に電気的に接続された金属配線層４と、前記金属配線層４上に形成され前記樹脂ポスト３の頂部に整合する領域に前記金属配線層４を露出する開口部５ｂを備えた絶縁性の封止層６と、前記開口部の金属配線層上に形成された金属パッド７と、前記金属パッド７上に載置されたはんだバンプ８とを備えてなる半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、金属配線層を従来よりも薄くすることができ、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポストにおいて効果的に吸収・緩和させることができるとともに、高密度な配線設計が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、電子機器の小型化、軽量化のために、例えば、プリント回路、多層基板、チップサイズ・パッケージ（ＣＳＰ）を構成する上で、電極が形成された半導体基板上に絶縁層と金属配線層からなる金属パッドとを順次形成し、金属パッド上にボール状のはんだバンプを形成した配線基板が用いられている。この種の配線基板において、絶縁層上に形成された樹脂製突部と、再配線層とはんだバンプとに接続され樹脂製突部の頂部を含む領域を被覆する導電層とを有するポストを有する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、従来の半導体装置の一例を説明するための断面図である。
図１０に示すように、電極１０９が形成されている基板１０１（あるいはウエハ）の表面には、電極１０９を露出する開口部を有する絶縁層１０２が設けられ、絶縁層１０２上には樹脂ポスト１０３が設けられている。また、絶縁層１０２上および樹脂ポスト１０３上には金属配線層１０４が設けられ、金属配線層１０４上には配線コンタクト領域に対応する金属パッド１０５を露出した状態で封止樹脂層１０６が形成されている。そして、金属パッド１０５の上にボール状のはんだバンプ１０７が形成されている。

図１０に示す半導体装置に接続されるデバイスの基板は、殆どの場合、半導体装置と材質的に相違するので、温度変化のある環境に曝されると、熱膨張差に起因する応力が両者を結ぶはんだバンプ１０７に加わり、同時に金属パッド１０５を介して樹脂ポスト１０３へと伝わる。樹脂ポスト１０３へ伝わった応力は、樹脂ポスト１０３が変形することで、吸収・緩和される。

しかしながら、従来の半導体装置では、金属配線層１０４の厚さが１０μｍ程度と厚いため、デバイス側からの熱膨張差に起因する応力が、金属配線層１０４に集中して樹脂ポスト１０３まで伝わりにくく、樹脂ポスト１０３による応力緩和機能が十分に発揮されなかった。また、半導体装置側からの熱膨張差に起因する応力は、樹脂ポスト１０３を介して金属配線層１０４に伝わるが、金属配線層１０４によって樹脂ポスト１０３の自由な変形が妨げられるため、樹脂ポスト１０３による応力緩和機能が十分に発揮されなかった。
このため、従来の半導体装置では、半導体チップ側あるいはデバイス側からの熱応力歪みにより、金属配線層１０４や金属パッド１０５、はんだバンプ１０７での応力歪みが大きくなり、剥離・破損の畏れがあった。

また、従来の半導体装置では、金属配線層１０４が厚いため、エッチングによる高精度な加工が困難であり、配線幅や配線間隔を狭くすることができず、高密度な配線設計が難しいことが問題となっていた。
この問題を解決するために、金属配線層１０４を薄くすることが考えられるが、金属配線層１０４を薄くすると、はんだ成分が浸入してしまうため薄くできなかった。
特開２００３−１２４３８９号公報

本発明は、上記事情に基づいてなされたものであって、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポストにおいて効果的に吸収・緩和させることができるとともに、高密度な配線設計が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、電極を有する半導体基板上の所定位置に設けられた平坦な頂部を備える突起状の樹脂ポストと、前記樹脂ポスト上に設けられ、一端部が前記電極に電気的に接続された金属配線層と、前記金属配線層上に設けられ、前記樹脂ポストの頂部に前記金属配線層を露出する開口部を備えた絶縁性の封止層と、前記開口部内に設けられた金属パッドと、前記金属パッド上に載置されたはんだバンプとを備えてなることを特徴とする。

また、上記の半導体装置においては、金属配線層が、７０〜６００ｎｍの範囲の厚さであるものとすることができる。

また、上記の半導体装置においては、金属パッドが、３〜２０μｍの範囲の厚さであるものとすることができる。

上記の目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体基板上に絶縁性の樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、前記樹脂層を選択除去して平坦な頂部を備える突起状の樹脂ポストを形成する樹脂ポスト形成工程と、前記樹脂ポスト上に一端部が前記電極に電気的に接続された金属配線層を形成する金属配線層形成工程と、前記金属配線層上に絶縁層を形成し、前記絶縁層を選択除去して前記樹脂ポストの頂部に前記金属配線層を露出する開口部を形成することにより絶縁性の封止層を形成する封止層形成工程と、前記開口部内に金属パッドを形成する金属パッド形成工程と、前記金属パッド上にはんだバンプを形成するはんだバンプ形成工程とを備えてなることを特徴とする。

また、上記の半導体装置の製造方法においては、金属配線層を、７０〜６００ｎｍの範囲の厚さに形成することができる。

また、上記の半導体装置の製造方法においては、金属パッドを、３〜２０μｍの範囲の厚さに形成することができる。

本発明の半導体装置は、金属配線層を露出する開口部内に設けられた金属パッドを備えたものであるので、金属パッドによりはんだ成分の浸入を防ぐことができ、金属配線層を薄くすることができる。よって、樹脂ポストの応力緩和機能が金属配線層に妨げられることを防ぐことができ、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポストにおいて十分に吸収・緩和させることができる。さらに、金属配線層を薄くすることができるため、金属配線層をエッチングによって容易に高精度に加工できるものとなり、配線幅や配線間隔の狭い高密度な配線を有する半導体装置を実現できる。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、本発明の半導体装置を提供することができる。

以下、図１ないし図１０を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
図１に示すように、半導体基板１上には電極９が設けられ、半導体基板１の電極９を除く表面全面には絶縁樹脂層２が設けられている。絶縁樹脂層２上の所定位置には、平坦な頂部を備える略円錐台状とされた突起状の樹脂ポスト３が設けられている。樹脂ポスト３上には、一端部が電極９に電気的に接続された金属配線層４が設けられている。金属配線層４上には絶縁性の封止層６が設けられ、封止層６の樹脂ポスト３の頂部に整合する領域には、金属配線層４を露出する開口部５が備えられている。開口部５内には、金属パッド７が設けられ、金属パッド７上には、はんだバンプ８が載置されている。

電極９は、半導体基板１上に形成されたＩＣ等の集積回路に電気的に接続される電極であり、例えば、アルミニウム、銅、クロム、チタン、金等の導電性を有する金属により構成されている。
絶縁樹脂層２は、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂（シリコーン）等により構成され、その厚みは、５〜５０μｍ程度である。

樹脂ポスト３は、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂（シリコーン）等、感光性を有する絶縁性樹脂により構成されている。樹脂ポスト３の高さは２５μｍ〜１００μｍ程度、その上面の直径は２９０μｍ〜３１０μｍ程度、その底面の直径は３００μｍ〜３２０μｍ程度である。

金属配線層４は、下地の絶縁樹脂層２や樹脂ポスト３との密着性を確保するための密着層１０と、メッキ工程により金属パッド７を形成する際に給電に使用する給電層１１とからなるものとされている。密着層１０には、例えば、クロム、チタン、チタン・タングステン合金、ニッケルなどの金属が用いられ、給電層１１には、例えば、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、チタン−タングステン合金、金などの金属が用いられる。

密着層１０は、下層の絶縁樹脂層２と上層の金属配線層４との密着性を確保するとともに、金属配線層４が絶縁樹脂層２に侵入拡散するのを防ぐものである。金属配線層４が絶縁樹脂層２に侵入拡散すると、密着性が著しく損なわれる。
密着層１０の厚みは、２０〜４００ｎｍとするのが望ましく、密着層１０の厚みが、２０ｎｍ未満であると、金属配線層４が絶縁樹脂層２に侵入拡散する虞が生じる。また、密着層１０の厚みが、４００ｎｍを越えると、密着層１０のパターニングをする手間がかかるため好ましくない。
また、給電層１１は、メッキ法により金属パッド７を形成する場合の成長元となる。給電層１１の厚みは、５０〜２００ｎｍとするのが望ましい。給電層１１の厚みが、５０ｎｍ未満であると、金属パッド７を形成する際に、空隙のない緻密なめっき金属が成長されない虞が生じる。また、給電層１１の厚みが、２００ｎｍを越えると、給電層１１のパターニングをする手間がかかるため好ましくない。

密着層１０と給電層１１とを合わせた金属配線層４の厚みは、７０〜６００ｎｍの範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは２００〜３５０ｎｍの範囲とされる。金属配線層４の厚みを１０ｎｍ未満とすると、電気信号伝達に支障を来たす虞が生じるため望ましくない。また、金属配線層４の厚みが５００ｎｍを超えると、樹脂ポスト３の応力緩和機能が金属配線層４に妨げられ、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポスト３において十分に吸収・緩和させることができなくなる虞が生じる。

また、金属パッド７は、給電層１１と同じ材質とすることが望ましく、例えば、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、金などの金属が用いられる。金属パッド７を給電層１１と同じ材質とすることで、金属パッド７と給電層１１との間に界面のない原子レベルでの連続体となる金属メッキを成長させることができ、剥がれにくく強固な金属パッドを形成することができる。

また、金属パッド７の厚みは、３〜２０μｍとすることが望ましい。金属パッド７には、リフロー工程によって溶解したはんだボールが固着してなるはんだバンプ８が接続されている。金属パッド７とはんだバンプ８との接続界面には、はんだ成分と金属パッド７を構成する金属とからなる合金層が形成されている。合金層は、リフロー工程中に、はんだ成分が金属パッド７中に浸入して形成される。金属パッド７の厚みが３μｍ未満であると、金属パッド７の全てがはんだ成分に侵食されて合金層とされ、金属配線層４中にもはんだ成分が浸入し、金属配線層４と絶縁樹脂層２との密着性が低下する虞が生じるため好ましくない。また、金属パッド７の厚みが２０μｍを超えると、封止層６の厚みが厚くなり、小型化、軽量化する上で好ましくない。

はんだバンプ８は、ボイドの数が極めて少ない高密度のハンダボールにより構成され、単位体積当たりのボイドの数は１×１０^−７〜２×１０^−７個／μｍ^３程度であり、これは、１個のはんだバンプ８が１〜２個のボイドを有することを意味する。はんだバンプ８は、共晶はんだ、鉛を含まない高温はんだ等を用いることができる。

封止層６は、電極９、絶縁樹脂層２、金属配線層４を保護するためのものであり、例えば、絶縁樹脂層２と同様の材質により構成され、その厚みは、５μｍ〜５０μｍ程度である。

図１に示す半導体装置は、例えば、以下に示す製造方法で製造することができる。
まず、半導体基板１上に、真空蒸着法やスパッタ法等により導電性を有する金属膜を成膜し、この金属膜をパターニングすることにより、半導体基板１上の所定位置に電極９を形成する。

次いで、スピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により、電極９を除く半導体基板１の全面にポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂（シリコーン）等の絶縁性の液状樹脂を塗布し、その後、この塗布樹脂層を露光して硬化させ、図２に示すように、電極９部分に開口２ａを有する絶縁樹脂層２を形成する。この絶縁樹脂層２は、スクリーン印刷法によっても形成することができる。また、ポリイミド系樹脂シート等の樹脂シートを貼り付けることによっても形成することができる。

次いで、スピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により、電極９及び絶縁樹脂層２の全面に感光性の液状樹脂を塗布・乾燥して樹脂層を形成（樹脂層形成工程）し、この樹脂層をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、図３に示すように、平坦な頂部を備える円錐台状の樹脂ポスト３を形成（樹脂ポスト形成工程）する。

次いで、図４に示すように、電極９、絶縁樹脂層２及び樹脂ポスト３が形成された半導体基板１上に、真空蒸着法やスパッタ法等により密着層１０と給電層１１とを形成する。次いで、給電層１１上にスピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により感光性の液状樹脂を塗布・乾燥してレジスト１２を形成し、図５に示すように、レジスト１２を選択除去する。レジスト層１２は、０．５〜１μｍ程度の厚さとされ、エッチング液に対する耐性を持つ必要がある。続いて、レジスト層１２をマスクとしてスプレー方式や浸漬方式によるエッチング加工により密着層１０と給電層１１とを除去し、図６に示すように、密着層１０と給電層１１とからなり、樹脂ポスト３上に一端部が電極９に電気的に接続された金属配線層４を形成（金属配線層形成工程）する。

なお、本発明において、給電層１１と密着層１０とを除去するには、エッチング液を用いるエッチングによる外に、プラズマを用いる乾式エッチング法も利用できる。

次いで、図７に示すように、レジスト材に適した除去方法を用いてレジスト層１２を除去する。その後、金属配線層４上にスピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により感光性の液状樹脂を塗布・乾燥して絶縁層を形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて絶縁層を選択除去し、図８に示すように、樹脂ポスト３の頂部に整合する領域に金属配線層４を露出する開口部５を形成することにより絶縁性の封止層６を形成（封止層形成工程）する。

次いで、図９に示すように、電解メッキ法、無電解メッキ法のいずれかの方法により、開口部５内に露出されている金属配線層４上に金属パッド７を形成（金属パッド形成工程）する。
次いで、金属パッド７上に、はんだボール搭載法、電解はんだめっき法、はんだペースト印刷法、はんだペーストディスペンス法、はんだ蒸着法等によりはんだボールを形成する。その後、リフロー炉を用いてはんだボールを溶融させ、金属パッド７上に、はんだバンプ８を形成（はんだバンプ搭載工程）する。

本実施形態の半導体装置によれば、金属配線層４を露出する開口部５内に設けられた金属パッド７を備えたものであるので、樹脂ポスト３の周辺における金属配線層４は、従来に比べて薄くできる。
例えば、金属パッド７を設けずに金属配線層４を薄くすると、金属配線層４がリフロー工程によってはんだ成分に侵食されて、はんだ成分と金属配線層４を構成する金属とからなる合金層とされ、金属配線層４と絶縁樹脂層２との密着性が低下する不都合が生じる。
これに対し、本実施形態の半導体装置では、金属パッド７によって金属配線層４がはんだ成分に侵食されることを防止できるので、金属配線層４と絶縁樹脂層２との密着性に支障をきたすことはない。

このように本実施形態の半導体装置によれば、金属配線層４を薄くすることができ、樹脂ポスト３の応力緩和機能が金属配線層４に妨げられることを防ぐことができる。このため、熱膨張差に起因する応力歪みがはんだバンプ８に加わった場合、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポスト３において効果的に吸収・緩和させることができる。
さらに、金属配線層４を薄くすることができるため、金属配線層４をエッチングによって容易に高精度に加工できるものとなり、配線幅や配線間隔の狭い高密度な配線を有する半導体装置を実現できる。

また、本実施形態の半導体装置においては、金属配線層４を７０〜６００ｎｍの範囲の厚さとすることで、電気信号伝達に支障を来たすことなく、なおかつ、熱膨張差に起因する応力歪みを樹脂ポスト３において十分に吸収・緩和させることができるより一層優れたものとなる。

さらに、本実施形態の半導体装置において、金属パッド７を３〜２０μｍの範囲の厚さとすることで、金属配線層４中にはんだ成分が浸入し、金属配線層４と絶縁樹脂層２との密着性が低下する不都合をより効果的に防止できるとともに、小型化、軽量化する上で好ましいものとなる。

また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、本実施形態の半導体装置を容易に製造することができる。

本発明の半導体装置とその製造方法は、半導体基板上に表示デバイスやセンサデバイスが搭載されるプリント配線基板などの回路基板や半導体基板およびその製造に適用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。図２は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。前図に続く製造工程を示す断面図である。図１０は、従来の半導体装置の一例を説明するための断面図である。

符号の説明

１・・・半導体基板
２・・・絶縁樹脂層
２ａ・・・開口部
３・・・樹脂ポスト
４・・・金属配線層
５・・・開口部
６・・・封止層
７・・・金属パッド
８・・・はんだバンプ
９・・・電極
１０・・・密着層
１１・・・給電層
１２・・・レジスト層

Claims

電極を有する半導体基板上の所定位置に設けられた平坦な頂部を備える突起状の樹脂ポストと、
前記樹脂ポスト上に設けられ、一端部が前記電極に電気的に接続された金属配線層と、
前記金属配線層上に設けられ、前記樹脂ポストの頂部に前記金属配線層を露出する開口部を備えた絶縁性の封止層と、
前記開口部内に設けられた金属パッドと、
前記金属パッド上に載置されたはんだバンプとを備えてなることを特徴とする半導体装置。
前記金属配線層が、７０〜６００ｎｍの範囲の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記金属パッドが、３〜２０μｍの範囲の厚さであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
電極を有する半導体基板上に絶縁性の樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、
前記樹脂層を選択除去して平坦な頂部を備える突起状の樹脂ポストを形成する樹脂ポスト形成工程と、
前記樹脂ポスト上に一端部が前記電極に電気的に接続された金属配線層を形成する金属配線層形成工程と、
前記金属配線層上に絶縁層を形成し、前記絶縁層を選択除去して前記樹脂ポストの頂部に前記金属配線層を露出する開口部を形成することにより絶縁性の封止層を形成する封止層形成工程と、
前記開口部内に金属パッドを形成する金属パッド形成工程と、
前記金属パッド上にはんだバンプを形成するはんだバンプ形成工程とを備えてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記金属配線層を、７０〜６００ｎｍの範囲の厚さに形成す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。
前記金属パッドを、３〜２０μｍの範囲の厚さに形成することを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法。