JP2007035842A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バンプ電極の高さを確保する、或いは形成されるバンプ電極の高さを均一化する。
【解決手段】 半導体基板のパッドに、バンプ電極を形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板とは異なるバンプ電極形成用基板にバンプ電極を形成する工程と、前記半導体基板とバンプ電極を形成した前記バンプ電極形成用基板とを対向させ、前記半導体基板と前記バンプ電極との間に接続層を形成して、この接続層によって前記半導体基板と前記バンプ電極とを一体化させる工程と、前記バンプ電極を形成用基板から剥離させて、前記半導体基板のパッドにバンプ電極と接続層とからなるバンプ電極を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法に関し、特に、微細な接続用バンプ電極を形成とする半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。

半導体装置では、微細化の進展に伴い、半導体チップ面積に対して搭載する回路の規模を拡大する高集積化が行なわれており、こうした高集積化によって搭載されるより多くの回路のために、より多くの接続端子が求められている。例えば、半導体記憶装置では、微細化の進展により大容量化が進み、大容量のデータを高速で処理するためにバス幅が拡大され、より多くの外部端子が必要となっている。また、液晶表示装置では、諧調の多ビット化或いは表示解像度を高めるために画素数の増加が求められており、このため液晶表示装置を駆動するドライバＬＳＩについても、より多くの接続端子が求められている。

このような半導体装置では、組み込まれる電子装置を小型化するために、半導体装置の小型化・薄型化が求められており、こうした接続端子の増加に対応するために、半導体装置を配線等に接続するための接続端子となるバンプ電極も微細化による小型化・狭ピッチ化が進められている。

例えば、下記特許文献には、こうしたバンプ電極を用いた半導体装置の実装に関する技術が記載されている。

特開平７−２８２８７８号公報 特開平１０−２２９２７１号公報 特開平１１−４０６２０号公報 特開２００２−１１８１３２号公報

前述したバンプ電極には、金等を用いてメッキ処理により形成したものがある。バンプ電極をメッキ形成する場合には、ホトレジストをパターニングしたレジストマスクによって不要部分を覆った状態で、レジストから露出する金属配線のパッドにバンプ電極となる金属を電解メッキによって形成している。

しかし、接続端子となる平面形状が微細なバンプ電極をメッキにより形成する場合には、パターン精度を保つためレジストマスクを薄くしなければならない。バンプ電極の高さはレジストマスクの膜厚に制限されるため、形成できるバンプ電極の高さも減少してしまう。そのため、許容できる変形量が小さくなり、吸収できる応力が減少してしまう。

半導体装置を基板に実装した状態では、半導体装置と基板との熱膨張係数の違いから、温度変化によって応力が生じる。バンプ電極の変形によって吸収できる応力が減少すると、バンプ電極の破損或いはバンプ電極の剥離等が生じて、接続寿命が短くなる。加えて、バンプ電極の高さが減少すると、半導体装置の底面と基板との間の隙間が狭くなるため、この隙間に充填するアンダーフィルの充填性が低下する。

また、例えば、接着剤に微小導電体を混入させた異方導電性の接着テープＡＣＦ(Anisotropic Conductive Film)を用いたバンプ電極とリードとの接続では、接着剤に混入させた微小導電体を加圧によって接触導通させて、電気的な接続を行なっている。このため、各バンプ電極に加わる力を均等化する必要があり、各バンプ電極の高さについて偏差を少なくすることが求められている。

本発明の課題は、これらの問題点を解決し、半導体装置の接続端子となるバンプ電極の高さを確保する、或いは形成されるバンプ電極の高さを均一化することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
半導体基板のパッドに、半導体装置の外部端子となるバンプ電極を形成する半導体装置において、前記半導体基板に形成された第１のバンプ電極と第２のバンプ電極との間に接続層を形成して、この接続層によって前記第１のバンプ電極と前記第２のバンプ電極とを一体化させ、前記半導体基板のパッドに第１のバンプ電極と接続層と第２のバンプ電極を積層したバンプ電極を形成する。

また、その製造方法において、前記半導体基板とは異なるバンプ電極形成用基板にバンプ電極を形成する工程と、前記半導体基板とバンプ電極を形成した前記バンプ電極形成用基板とを対向させ、前記半導体基板と前記バンプ電極との間に接続層を形成して、この接続層によって前記半導体基板と前記バンプ電極とを一体化させる工程と、前記バンプ電極を形成用基板から剥離させて、前記半導体基板のパッドにバンプ電極と接続層とからなるバンプ電極を形成する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）本発明によれば、微細なバンプ電極についても、充分な高さを得ることができるという効果がある。
（２）本発明によれば、上記効果（１）により、フリップチップ接続時の押しつぶし量を確保することができるという効果がある。
（３）本発明によれば、上記効果（１）により、アンダーフィルの充填性が向上するという効果がある。
（４）本発明によれば、上記効果（１）により、熱応力等による変形を吸収することができるという効果がある。
（５）本発明によれば、バンプ電極の接続面を平坦にすることができるという効果がある。
（６）本発明によれば、バンプ電極間の高さの均一性を確保することができるという効果がある。
（７）本発明によれば、上記効果（４）（５）（６）により、バンプ電極の接続寿命が向上するという効果がある。
（８）本発明によれば、上記効果（５）（６）により、搭載時にバンプ電極の接続性が向上するという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

図１及び図２は、バンプ電極を形成する半導体装置を示す部分縦断面図である。半導体装置の製造では、単結晶シリコン等の半導体基板に、半導体素子或いは配線パターンを一括して形成して所定の回路を構成し、アルミニュウム等を用いた最上層の金属配線の端部を接続のためのパッド２としている。

バンプ電極の形成では、先ず、アルミニュウム等を用いた金属配線を被覆する保護絶縁膜３を部分的に開口してパッド２のバンプ電極形成領域を露出させ、半導体基板１全面にＴｉＷ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｄ等の積層膜からなるＵＢＭ（Under Bump Metal）膜４を、バンプ電極の密着強度を向上させるために形成する。

続いて、ＵＢＭ膜４のバンプ電極５形成領域を露出させて不要部分を覆ったレジストマスク６を形成し、このレジストマスク６から露出したＵＢＭ膜４部分に、電解メッキによって金等の金属膜を付着させて、第１のバンプ電極５を形成すると、図１に示す状態となる。

次に、第１のバンプ電極５を形成した後に、レジスト剥離剤を用いてレジストマスク６を除去し、第１のバンプ電極５をマスクとしたエッチングを行ない、不用部分のＵＢＭ膜４を除去して、図２に示す状態となる。

図３及び図４は、本実施の形態のバンプ電極の形成に用いるバンプ電極形成用基板を示す部分縦断面図である。バンプ電極形成用基板７としては、セラミック或いはシリコン等を用い、形成用基板７主面に銅等を用いた金属配線によって、半導体装置のバンプ電極の配置に合わせて、形成端子８が設けられている。

バンプ電極の形成では、先ず、形成端子８のバンプ電極９形成領域を露出させて不要部分を覆ったレジストマスク１０を形成し、このレジストマスク１０から露出した形成端子８部分に、電解メッキによって金等の金属膜を付着させて、第２のバンプ電極９を形成すると、図３に示す状態となる。

次に、第２のバンプ電極９を形成した後に、レジスト剥離剤を用いてレジストマスク１０を除去し、第２のバンプ電極９をマスクとしたエッチングを行ない、不用部分の形成端子８を除去して、図４に示す状態となる。

夫々バンプ電極５，９を形成した半導体基板１と形成用基板７とは、図５に示すように、１μｍ〜２μｍ程度の間隔で第１のバンプ電極と第２のバンプ電極とを対向させ、メッキ液１１に浸漬し、無電解メッキ処理を施す。なお、前記間隔については、第１のバンプ電極と第２のバンプ電極とが、接触していてもかまわない。

この無電解メッキによって、図６に示すように第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９との間に接続層１２を形成して、第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９とを接続層１２によって一体化する。

この後に、図７に示すように第２のバンプ電極９を形成用基板７から剥離させて、半導体基板１のパッド２に、ＵＢＭ膜４を介して、第１のバンプ電極５と接続層１２と第２のバンプ電極９とを積層したバンプ電極を形成する。

第２のバンプ電極９は、バンプ電極９の密着強度を向上させるためのＵＢＭ膜４を介さずに、銅を用いた形成端子８に直接形成されているため、密着強度が低いので、第２のバンプ電極９は、第１のバンプ電極５と一体化した状態で、形成用基板７から分離する。

なお、必要があれば形成基板７と形成端子８との接着強度を低下させておくことにより、形成端子８を残した状態で第２のバンプ電極９を形成用基板７から分離することも可能である。

通常、金を用いてメッキ形成されるバンプ電極は、バンプ電極のピッチが２５μｍの場合には、バンプ電極の幅は１６μｍ、高さは２０μｍ程度、となっている。本実施の形態による、バンプ電極は第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９と接続層１２とを積層した構成となっているため、ピッチが２５μｍ等の微細な場合にも、バンプ電極の高さが４０μｍ以上とすることが容易である。

このため、フリップチップ接続時の押しつぶし量を確保することができ、アンダーフィルの充填性が向上し、加えて、熱応力等による変形を充分に吸収することができるので、バンプ電極の接続寿命が向上する。

また、本実施の形態のバンプ電極では、メッキ成長のむらによる形状や高さの違いが、中間の接続層１２に吸収され、バンプ電極の接続面が第２のバンプ電極９の形成端子８接着面となるため、バンプ電極の接続面が平坦となる。

従来のバンプ電極では、例えばＵＢＭ膜４の凹凸によって、バンプ電極の表面に凹凸が生じる、或いは、メッキ成長のむらにより高さに偏差が生じるのを抑制するのが、困難であったが、本実施の形態では、形成用基板７の強度を確保して、形成用基板７の変形量を抑制することにより、バンプ電極間の高さの均一性を確保することが容易である。

なお、図１乃至図７に示す例では、無電解メッキで接続層１２を形成したが、電解メッキによって接続層１２を形成することも可能である。この場合には、図８に示すように形成用基板７については、形成端子８の金属配線を残した状態として、通電用の配線を確保しておく。

夫々バンプ電極５，９を形成した半導体基板１と形成用基板７とは、図８に示すように、１μｍ〜２μｍ程度の間隔で第１のバンプ電極と第２のバンプ電極とを対向させ、メッキ液１１に浸漬し、電解メッキ処理を施す。なお、前記間隔については、第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９とが、接触していてもかまわない。

この電解メッキによって、第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９との間に接続層１２を形成して、第１のバンプ電極と第２のバンプ電極とを接続層１２によって一体化させた後に、図９に示すように第２のバンプ電極９を形成用基板７から剥離させて、半導体基板１のパッド２に、ＵＢＭ膜４を介して、第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９と接続層１２とからなるバンプ電極を形成する。

第２のバンプ電極９は、バンプ電極９の密着強度を向上させるためのＵＢＭ膜４を介さずに、銅を用いた形成端子８に直接形成されているため、密着強度が低いので、第２のバンプ電極９は、第１のバンプ電極５と一体化した状態で、形成用基板７から分離する。

接続層１２の形成後は、図９に示すように形成端子８とともに、金属配線も剥離されるので、支障はない。また、通電用の配線としては、図１に示す状態のＵＢＭ膜４を用いることも可能であり、形成端子８の金属配線とエッチング前のＵＢＭ膜４の双方を利用してもよい。

電解メッキによって接続層１２を形成することで、無電解メッキの場合と比較して、接続反応の速度が向上し、緻密な接続層１２を形成することができる。また、無電解メッキによって接続層１２を形成する場合には、電解メッキの場合と比較して、通電用の配線が不要となるので、微細パターンのバンプ電極形成に適している。

前述した例では、メッキ形成したバンプ電極を例としているが、バンプ電極にはメッキにより形成する以外に、ワイヤボンディングの技術を利用してバンプ電極を簡易に形成するスタッドバンプが用いられることがある。このスタッドバンプを用いても、本発明は実施が可能であり、図１０及び図１１に示すのは、第１のバンプ電極５にスタッドバンプを用いた例である。

スタッドバンプでは、ワイヤボンディングに用いられるキャピラリから露出させた金の細線を放電トーチ等によって溶融させて、表面張力により球状になった金ボールをＵＢＭ膜４に圧着させた状態で、ワイヤを繰り出さずにキャピラリを離隔させると、溶融部分が分離されてバンプ電極５が形成される。このため、パッド２に融着する球状部分５ａと、この球状部分５ａから連続して前記分離の際に金線が引き伸ばされてワイヤの径が徐々に縮小するため形成される円錐状の突起部分５ｂとが形成されている。

このスタッドバンプを用いた場合でも、図１１に示すように第１のバンプ電極５と第２のバンプ電極９との間に接続層１２を形成して、第１のバンプ電極と第２のバンプ電極とを接続層１２によって一体化させることができる。

なお、図１０及び図１１に示す例では第１のバンプ電極５をスタッドバンプとしたが、第２のバンプ電極９をスタッドバンプとする、或いは双方をスタッドバンプとすることも可能である。

更には、バンプ電極の高さに対する要求は低いが、接続面の平坦性或いはバンプ電極間の高さの均一性を確保することが求められる場合には、図１２及び図１３に示すように、第１のバンプ電極５を形成せずに第２のバンプ電極９とＵＢＭ膜４とを接続層１２によって一体化してバンプ電極を形成することも可能である。

半導体基板１とバンプ電極９を形成した形成用基板７とは、図１２に示すように、１μｍ〜２μｍ程度の間隔でＵＢＭ膜４とバンプ電極とを対向させ、メッキ液１１に浸漬し、無電解メッキ処理を施す。なお、前記間隔については、ＵＢＭ膜４とバンプ電極９とが、接触していてもかまわない。

この無電解メッキによって、ＵＢＭ膜４とバンプ電極９との間に接続層１２を形成して、ＵＢＭ膜４とバンプ電極９とを接続層１２によって一体化させた後に、図１３に示すようにバンプ電極９を形成用基板７から剥離させて、半導体基板１のパッド２に、ＵＢＭ膜４を介して、バンプ電極９と接続層１２とからなるバンプ電極を形成する。

バンプ電極９は、バンプ電極９の密着強度を向上させるためのＵＢＭ膜４を介さずに、銅を用いた形成端子８に直接形成されているため、密着強度が低いので、バンプ電極９は、ＵＢＭ膜４と一体化した状態で、形成用基板７から分離する。

この例では、メッキ成長のむらによる形状や高さの違いが、中間の接続層１２に吸収され、バンプ電極の接続面がバンプ電極９の形成端子８接着面となるため、バンプ電極の接続面が平坦となり、また、形成用基板７の強度を確保して、変形量を抑制することにより、とが容易である。

以上、本発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

例えば、前述の説明では、半導体装置として半導体チップにバンプ電極を形成する場合を例にして説明したが、半導体チップをパッケージングした半導体装置或いは基板等にバンプ電極を形成する場合ついても同様に適用することが可能であり、

本発明の一実施の形態である半導体装置の製造に用いる半導体基板を示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造に用いる半導体基板を示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造に用いるバンプ電極形成用基板を示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造に用いるバンプ電極形成用基板を示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の変形例を工程ごとに示す部分縦断面図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…パッド、３…保護絶縁膜、４…ＵＢＭ膜、５…バンプ電極、６，１０…レジストマスク、７…バンプ電極形成用基板、８…形成端子、９…バンプ電極、１１…メッキ液、１２…接続層。

Claims (5)

1. 半導体基板のパッドに、半導体装置の外部端子となるバンプ電極を形成する半導体装置において、
   前記半導体基板に形成された第１のバンプ電極と第２のバンプ電極との間に接続層を形成して、この接続層によって前記第１のバンプ電極と前記第２のバンプ電極とを一体化させ、前記半導体基板のパッドに第１のバンプ電極と接続層と第２のバンプ電極を積層したバンプ電極を形成することを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板のパッドに、半導体装置の外部端子となるバンプ電極を形成する半導体装置の製造方法において、
   前記半導体基板とは異なるバンプ電極形成用基板にバンプ電極を形成する工程と、
   前記半導体基板とバンプ電極を形成した前記バンプ電極形成用基板とを対向させ、前記半導体基板と前記バンプ電極との間に接続層を形成して、この接続層によって前記半導体基板と前記バンプ電極とを一体化させる工程と、
   前記バンプ電極を形成用基板から剥離させて、前記半導体基板のパッドにバンプ電極と接続層とからなるバンプ電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記パッドにも予めバンプ電極が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記接続層を電解メッキ或いは無電解メッキによって形成することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記バンプ電極が、金を用いてメッキ形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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