JP2007096195A - 半導体パッケージ及び半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

半導体パッケージ及び半導体パッケージの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来の密着層のような高抵抗の層を設けることなく半導体パッケージを構成可能とすること。また、半導体パッケージを製造する際の製造工程をより簡略化すること。
【解決手段】半導体パッケージ1は、開口部12から露出された接続電極13、パッシベーション層14及び絶縁層15(絶縁層等)の上に、Cuを主成分とし、望ましくはMoを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%、より望ましくはMoを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有したCu合金でなるCu合金層5が形成され、このCu合金層5の上に、配線層18が形成された構造を有している。Cu合金層5は、密着層兼シード層としての役割を果たす。
【選択図】図1

Description

本発明は、Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージ及びその製造方法に関する。
昨今、半導体パッケージの新技術としてWLCSP(Wafer Level Chip Size Package)が注目を集めている(例えば、特許文献1)。WLCSPは、フォトリソグラフィを用いて、ウェハ(半導体基板)ごと樹脂封止を行うパッケージ技術である。ここで、一般的なWLCSPによる半導体パッケージの一例である、半導体パッケージ10の構造について、図12を参照しながら説明する。
半導体パッケージ10は、半導体基板(Si基板)11上に形成されたAl、Al−Nd系合金、Al−Ti系合金等のAl系金属からなる接続電極13の一部が開口部12から露出されるように、SiO、SiN、テオス等からなるパッシベーション層14及びポリイミド、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリベンゾオキサイド(PBO)等からなる絶縁層15が、半導体基板11及び接続電極13上に積層された構造を有している。
また、接続電極13の開口部12からの露出部分、パッシベーション層14の一部露出部分及び絶縁層15の上には、Ti、Cr等の金属からなる密着層16が形成されており、密着層16の上には、それぞれCuからなる電解めっき用のシード層17と、シード層17を介して接続電極13と接続される配線層18と、配線層18と接続されるポスト19とが順に形成されている。
そして、ポスト19を囲うように、エポキシ、フェノール系樹脂でなる封止樹脂20による樹脂封止がなされ、樹脂封止されたポスト19の上に、半田端子21が搭載されている。
特開2005−150452号公報
ところで半導体パッケージ10の構造において、本来は、接続電極13の開口部12からの露出部分、パッシベーション層14の一部露出部分及び絶縁層15(以下、包括的に「絶縁層等」と呼ぶ。)の上には、密着層16を介さずにシード層17を形成することが望ましい。なぜなら、密着層16に用いられるTi、Cr等の金属は、接続電極13に用いられるAl系金属や、シード層17に用いられるCuといった金属に比べて、電気抵抗が格段に大きいからである。実際、Ti、Crの電気抵抗率がそれぞれ55.0、12.9[μΩ・cm]であるのに対して、Al、Cuの電気抵抗率はそれぞれ2.7、1.7[μΩ・cm]である。
しかし、シード層17は、絶縁層等に対して密着力が弱いという問題がある。実際、シェア試験の結果から、絶縁層15とTiからなる密着層16との界面密着力を「1」とした場合、絶縁層15とCuからなるシード層17との界面密着力は「0.34」に過ぎないというデータが得られている。
また、密着層16を介在させることは、半導体パッケージの製造工程を複雑化させることにもなる。具体的には、密着層16を形成するためのスパッタリング等の成膜工程が余分に必要となる上に、半導体パッケージ10では、密着層16及びシード層17を配線層18の幅に合わせてエッチングする必要があるため、エッチング工程もまた余分に必要となる。
本発明はこのような課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、従来の密着層のような高抵抗の層を設けることなく半導体パッケージを構成可能とすることにある。また、他の目的としては、半導体パッケージを製造する際の製造工程をより簡略化することにある。
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、
Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージにおいて、
Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層が前記絶縁層上に形成され、前記Cu合金層上に前記配線層が形成されてなる半導体パッケージである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体パッケージであって、
前記Cu合金は、さらに、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を含有してなる半導体パッケージである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の半導体パッケージであって、
前記Cu合金は、Moを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%含有してなる半導体パッケージである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の半導体パッケージであって、
前記Cu合金は、Moを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有してなる半導体パッケージである。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の半導体パッケージであって、
前記接続電極は、Al、Al−Nd系合金、Al−Ti系合金のいずれかからなることを特徴とする半導体パッケージである。
また、請求項6に記載の発明は、
Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージの製造方法において、
前記接続電極を露出する開口部を有する前記絶縁層を形成する絶縁膜形成工程と、
Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層を、前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁層上および前記開口部から露出された前記接続電極上に成膜するCu合金成膜工程と、
前記配線層を、前記Cu合金成膜工程で形成されたCu合金層上に形成する配線層形成工程と、
前記Cu合金成膜工程で成膜されたCu合金層を、エッチングして所定の形状にするパターン形成工程と、
を含む半導体パッケージの製造方法である。
また、請求項7に記載の発明は、
Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層、配線層及び密着層を少なくとも含んでなる半導体パッケージにおいて、
Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層が前記絶縁層上に形成され、前記Cu合金層上に前記密着層が形成され、前記密着層上に前記配線層が形成されてなる半導体パッケージである。
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の半導体パッケージであって、
前記接続電極は、Al、Al−Nd系合金またはAl−Ti系合金等のいずれかからなることを特徴とする半導体パッケージである。
また、請求項9に記載の発明は、
Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージの製造方法において、
前記接続電極を露出する開口部を有する前記絶縁層を形成する絶縁膜形成工程と、
Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層を、前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁層上および前記開口部から露出された前記接続電極上に成膜するCu合金成膜工程と、
前記Cu合金層上に、密着層を成膜する密着層成膜工程と、
前記密着層上に、配線層を形成する配線層形成工程と、
前記Cu合金層および前記密着層を同時にエッチングするパターン形成工程と、
を含む半導体パッケージの製造方法である。
本発明の半導体パッケージでは、Cuを主成分とし、Moを含有するCu合金からなるCu合金層が絶縁層上に形成され、Cu合金層上に配線層が形成される。Cu合金層を構成するCu合金は電気抵抗が小さく、また絶縁層との密着性が高い合金であるため、従来の密着層のような高抵抗の層を設けることなく半導体パッケージを構成可能となる。また、Cu合金層が密着層兼シード層としての役割を果たしているため、成膜工程とエッチング工程とがそれぞれ1工程で済み、製造工程が簡略化されることになる。
1.第1実施形態
先ず、本発明を適用したWLCSPによる半導体パッケージの構造及びその製造方法の第1実施形態について説明する。
尚、背景技術で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
1−1.構造
図1は、第1実施形態における半導体パッケージ1の構造を示す概略断面図である。
半導体パッケージ1は、接続電極13の開口部12からの露出部分、パッシベーション層14の一部露出部分及び絶縁層15(絶縁層等)の上に、Cuを主成分としたCu合金でなるCu合金層5が形成され、このCu合金層5の上に、配線層18が形成された構造を有している。半導体パッケージ1では、このCu合金からなるCu合金層5が、密着層兼シード層としての役割を果たしている。
Cu合金は、Cuを主成分とし、望ましくはMoを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%、より望ましくはMoを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有した合金である。
基板上にCu−Mo合金をスパッタ法で成膜して、カッターナイフで1mm角の碁盤目を形成した後、碁盤目の切り目が入ったCu−Mo合金薄膜サンプルにテープ(ニチバン製CT405A−18)を密着させ、テープを一気に剥離して、碁盤目の切り目の入ったCu−Mo合金薄膜サンプルの各升目に剥離が無いかどうかを確認する碁盤目評価により、Cu−Mo合金と、絶縁膜との密着力は、従来の密着層であるTiやCrと、絶縁膜との密着力と同等またはそれ以上であることが分かっている。
また、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を含んだCu−Mo合金と、絶縁膜との密着力も、従来の密着層であるTiやCrと、絶縁膜との密着力と、同等またはそれ以上であることが、碁盤目評価により分かっている。
このようにCu合金は、ガラス基板、Si酸化膜といった絶縁物との密着性が非常に高い上に、電気抵抗が小さい合金であることが知られている。実際、上記のCu合金の電気抵抗率は、最小で2.5[μΩ・cm]、最大でも7.0[μΩ・cm]程度であり、接続電極3に用いられるAlの電気抵抗率2.7[μΩ・cm]や、配線層18に用いられるCuの電気抵抗率1.7[μΩ・cm]に近似した値となる。
また、上記のCu合金は、他の電気抵抗が小さい金属と比較して耐熱性や耐環境性が高く、更には加工性にも優れていることが知られている。具体的には、上記のCu合金は、スパッタリング法、蒸着法等の従来公知の成膜工程により簡便且つ確実に成膜を行うことを可能とし、また、ウェットエッチングにおいてしばしば用いられる燐酸系のエッチング液によるエッチングを可能とするといった利点がある。特に、AlやAgが添加されたCu合金は、耐熱性や耐環境性が極めて優れていることが実証されている。
1−2.製造方法
次に、図2〜図10を参照して、半導体パッケージ1の製造方法について説明する。各図は、製造工程における半導体パッケージ1の概略断面図を示したものである。
先ず、半導体基板(Si基板)11の上面所定位置に、Al−Nd系合金、Al−Ti系合金等のAl系金属からなる接続電極13を形成する(図2参照。)。
次いで、接続電極13の上面の一部が開口部12から露出されるように、半導体基板11及び接続電極13上にパッシベーション層14を形成し(図3参照。)、接続電極13上に形成されたパッシベーション層14の一部が露出されるように、パッシベーション層14上に絶縁層15を形成する(図4参照。)。このパッシベーション層14や絶縁層15の形成には、スパッタリング法や蒸着法等が用いられる。
その後、接続電極13の開口部12からの露出部分、パッシベーション層14の一部露出部分及び絶縁層15の上に、Cu合金でなるCu合金層5をスパッタリング法等により形成する(図5参照。)。
次いで、Cu合金層5上の所定位置に、配線層18を形成し(図6参照。)、形成した配線層18上の所定位置に、ポスト19を形成する(図7参照。)。この配線層18やポスト19の形成には、めっき法等が用いられる。
そして、配線層18の直下以外の位置に形成されているCu合金層5をウェットエッチング等により除去し(図8参照。)、ポスト19を囲うように、印刷装置を用いて封止樹脂20による樹脂封止を行う(図9参照。)。尚、印刷装置を用いる代わりに、トランスファーモールド装置を用いて樹脂封止を行うことにしても良い。
最後に、グラインダー等で表裏の研磨を行い、ポスト19の上に半田端子21を搭載することにより(図10参照。)、半導体パッケージ1が生成される。
1−3.作用効果
半導体パッケージ1では、絶縁層等の上にCuを主成分とし、望ましくはMoを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%、より望ましくはMoを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有したCu合金でなるCu合金層5が形成され、このCu合金層5の上に配線層18が形成される。
Cu合金層5を構成するCu合金は電気抵抗が小さく、また特に絶縁層との密着性が高い合金であるため、従来の密着層のような高抵抗の層を設けることなく半導体パッケージを構成することができるようになる。また、Cu合金層5が密着層兼シード層の役割を果たしているため、成膜工程とエッチング工程とがそれぞれ1工程で済み、製造工程が簡略化されることになる。エッチング溶液としては、硫酸水素カリウム20〜30wt%+無機酸塩70〜80wt%を用いる。
2.第2実施形態
次に、第2実施形態について説明する。
尚、背景技術及び第1実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
2−1.構造
図11は、第2実施形態における半導体パッケージ2の概略断面図である。
半導体パッケージ2は、半導体パッケージ1と同様に、接続電極13の開口部12からの露出部分、パッシベーション層14の一部露出部分及び絶縁層15(絶縁層等)の上に、Cu合金層5が形成されているが、Cu合金層5の上に密着層16が形成され、密着層16の上に配線層18が形成されている。すなわち、Cu合金層5と配線層18との間に、密着層16が介在した構造を有している。
2−2.製造方法
次に、半導体パッケージ2の製造方法について説明する。
半導体パッケージ2の製造方法は、1−2.製造方法で説明した半導体パッケージ1の製造方法とほぼ同一であるが、Cu合金層5の上に密着層16を形成する工程と、密着層16の上に配線層18を形成する工程と、Cu合金層5及び密着層16を配線層18の幅に合わせてエッチングする工程との3つの工程が異なる。
具体的には、絶縁層等の上にCu合金層5を形成した後、スパッタリング法や蒸着法等を用いてCu合金層5上に密着層16を形成する。次いで、密着層16上の所定位置に配線層18を形成し、形成した配線層18上の所定位置にポスト19を形成する。配線層18やポスト19の形成には、めっき法等が用いられる。
そして、配線層18の直下以外の位置に形成されているCu合金層5及び密着層16をウェットエッチングにより同時に除去した後、ポスト19を囲うように封止樹脂20による樹脂封止を行う。最後に、グラインダー等で表裏の研磨を行い、ポスト19の上に半田端子21を搭載することにより、半導体パッケージ2が生成される。
2−3.作用効果
半導体パッケージ2では、絶縁層等の上に、Cuを主成分とし、望ましくはMoを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%、より望ましくはMoを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有したCu合金でなるCu合金層5が形成される。そして、Cu合金層5の上に密着層16が形成され、密着層16の上に配線層18が形成される。
Cu合金層5を構成するCu合金は高価であるため、例えばCu合金層5を100〜300nm程度の薄い膜厚とし、密着層16を100〜1000nm程度の厚い膜厚とした2層構造とすることで、半導体パッケージ2の製造にかかるコストを低下させることができる。また、Cu合金層5と密着層16とを形成するため、成膜工程は2工程になるが、Cu合金層5と密着層16とはウェットエッチングにより同時にエッチング可能であるため、エッチング工程は1工程で済む。すなわち、同じエッチング溶液を用いて連続的にエッチングを行う。
3.変形例
上述した各実施形態では、Cu合金層5に用いられるCu合金は、Cuを主成分とし、
望ましくはMoを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%、
より望ましくはMoを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有したCu合金であるものとして説明した。しかし、Cu合金の種類は何もこれに限られるわけではなく、Cuを主成分とし、Moのみを含有したCu―Mo合金としても良く、例えばMoが1.8wt%含有されたCu−1.8wt%Mo合金を用いることにしても良い。
また、前述した通り、AlやAgが添加されたCu合金は、耐熱性や耐環境性が特に優れていることが実証されているため、例えばCuを主成分とし、Moが1.8wt%含有され、Alが1.5wt%含有されたCu−1.8wt%Mo−1.5wt%Al合金や、Cuを主成分とし、Moが1.8wt%含有され、Agが1.2wt%含有されたCu−1.8wt%Mo−1.2wt%Ag合金を用いることにすればより好適である。
第1実施形態における半導体パッケージの構造の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第1実施形態における半導体パッケージの製造方法の説明図。 第2実施形態における半導体パッケージの構造の説明図。 従来の半導体パッケージの構造の説明図。
符号の説明
1、2、10 半導体パッケージ
5 Cu合金層
11 半導体基板
12 開口部
13 接続電極
14 パッシベーション層
15 絶縁層
16 密着層
17 シード層
18 配線層
19 ポスト
20 封止樹脂
21 半田端子

Claims (9)

  1. Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージにおいて、
    Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層が前記絶縁層上に形成され、前記Cu合金層上に前記配線層が形成されてなる半導体パッケージ。
  2. 前記Cu合金は、さらに、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を含有してなる請求項1に記載の半導体パッケージ。
  3. 前記Cu合金は、Moを0.05〜5.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.05〜5.0wt%含有してなる請求項1または2に記載の半導体パッケージ。
  4. 前記Cu合金は、Moを0.1〜3.0wt%含有し、Al、Au、Ag、Ti、Ni、Co及びSiからなる群から選ばれた1または複数の元素を合計で0.1〜3.0wt%含有してなる請求項3に記載の半導体パッケージ。
  5. 前記接続電極は、Al、Al−Nd系合金Al−Ti系合金のいずれかからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージ。
  6. Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージの製造方法において、
    前記接続電極を露出する開口部を有する前記絶縁層を形成する絶縁膜形成工程と、
    Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層を、前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁層上および前記開口部から露出された前記接続電極上に成膜するCu合金成膜工程と、
    前記配線層を、前記Cu合金成膜工程で形成されたCu合金層上に形成する配線層形成工程と、
    前記Cu合金成膜工程で成膜されたCu合金層を、エッチングして所定の形状にするパターン形成工程と、
    を含む半導体パッケージの製造方法。
  7. Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層、配線層及び密着層を少なくとも含んでなる半導体パッケージにおいて、
    Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層が前記絶縁層上に形成され、前記Cu合金層上に前記密着層が形成され、前記密着層上に前記配線層が形成されてなる半導体パッケージ。
  8. 前記接続電極は、Al、Al−Nd系合金またはAl−Ti系合金等のいずれかからなることを特徴とする請求項7に記載の半導体パッケージ。
  9. Al系金属からなる接続電極を有する半導体基板上に、絶縁層及び配線層を少なくとも含んでなる半導体パッケージの製造方法において、
    前記接続電極を露出する開口部を有する前記絶縁層を形成する絶縁膜形成工程と、
    Cuを主成分とし、少なくともMoを含有するCu合金からなるCu合金層を、前記絶縁膜形成工程で形成された絶縁層上および前記開口部から露出された前記接続電極上に成膜するCu合金成膜工程と、
    前記Cu合金層上に、密着層を成膜する密着層成膜工程と、
    前記密着層上に、配線層を形成する配線層形成工程と、
    前記Cu合金層および前記密着層を同時にエッチングするパターン形成工程と、
    を含む半導体パッケージの製造方法。
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