JP2007134635A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度を高めて、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できるハンダバンプを有する半導体装置と、その製造方法を提供する。
【解決手段】電子回路が形成された半導体基板に、電子回路に電気的に接続され、半導体基板の表面から突出して下地層が形成されており、下地層の基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合してハンダからなるバンプが形成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ハンダバンプを有する半導体装置およびその製造方法に関する。

デジタルビデオカメラ、デジタル携帯電話、あるいはノートパソコンなど、携帯用電子機器の小型化、薄型化、軽量化に対する要求は強くなる一方であり、これに応えるために近年のＶＬＳＩなどの半導体装置においては３年で７割の縮小化を実現してきた一方で、このような半導体装置をプリント配線基板上に実装した電子回路装置としても、実装基板（プリント配線基板）上の部品実装密度をいかに向上させるかが重要な課題として研究および開発がなされてきた。

例えば、半導体装置のパッケージ形態としては、ＤＩＰ（Dual Inline Package ）などのリード挿入型から表面実装型へと移行し、さらには半導体チップのパッド電極にハンダや金などからなるバンプ（突起電極）を設け、フェースダウンでバンプを介して配線基板に接続するフリップチップ実装法が開発された。

上記のようにフリップチップで実装するような半導体装置の小型のパッケージング方法としてＣＳＰ（チップサイズパッケージ）が開発されている。
さらにリアルチップサイズのパッケージング方法として、ウェーハレベルのＣＳＰ（ＷＬ−ＣＳＰ）が提案されている。ここでは、インターポーザ基板を用いたＣＳＰの代わりに、ＬＳＩの外部端子がアクティブエリア上でエリアアレイ状に再配線され、各配線にハンダなどのバンプが形成されている。
上記のようなハンダバンプが形成されてフリップチップで実装するタイプの半導体装置として、例えば、特許文献１に上記のＳｉＰ形態の半導体装置が開示されている。

従来技術においては、上記のハンダバンプは、例えば以下のようにして形成される。
まず、図６（ａ）に示すように、電子回路などの素子が形成された半導体基板１００の表面にＡｌなどからなるパッド電極１０１が形成されており、化学気相成長（ＣＶＤ）法などにより全面に窒化シリコンを堆積して保護膜１０２を形成し、パッド電極１０１部分を開口する開口部１０２ａをパターン形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、逆スッパタリング法により、開口部１０２ａにおいて露出しているパッド電極１０１を被覆して全面にシード層となるＴｉ層１０３を形成し、さらにその上層に同じくシード層となるＣｕ層１０４ａを形成する。

次に、図７（ａ）に示すように、Ｃｕ層１０４ａを被覆して全面に感光性ドライフィルムを貼付け、フォトリソグラフィ工程によりバンプ形成領域を開口するパターンで露光及び現像処理を行い、マスク層１０５をパターン形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、マスク層１０５の開口部内において、Ｔｉ層１０３及びＣｕ層１０４ａを一方の電極とする電解メッキ処理により、Ｃｕ層１０４ａの上層にＣｕを堆積させ、厚膜化したＣｕ層１０４とする。
さらに、電解メッキ処理により、Ｃｕ層１０４の上層にＮｉ層１０６を形成し、さらにＡｕ層１０７を形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、溶剤またはアッシング処理により、マスク層１０５を剥離除去する。

次に、図８（ｂ）に示すように、Ａｕ層１０７をマスクとするエッチング処理により、下層のＣｕ層１０４及びＴｉ層１０３を順にＡｕ層１０７と同じパターンに加工し、洗浄処理を行う。

次に、図９（ａ）に示すように、スピンコート法によりＡｕ層１０７の表面を被覆するような膜厚で、ポリイミド（ＰＩ）やベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの感光性の絶縁樹脂を全面に塗布し、プリベーク処理を行い、バンプ形成領域を開口するパターンで露光及び現像処理を行ってＡｕ層１０７を露出させ、さらにポストベーク処理及びアッシング処理を行う。これにより、バンプ形成領域において開口するパターンの絶縁樹脂層１０８を形成する。絶縁樹脂層１０８の開口部はＡｕ層１０７の上面よりも狭くなるようなレイアウトとする。

次に、図９（ｂ）に示すように、絶縁樹脂層１０８に開口した開口部内にフラックスを印刷し、さらにハンダボールを供給する。次に、リフロー処理を行うことで、ハンダボールを一度溶融させ、Ａｕ層１０７の表面とハンダボール表面を接合させて、ハンダバンプ１０９を形成する。この後、フラックスを除去するための洗浄処理を行う。
以上の方法により、ハンダバンプを形成できる。

しかしながら、上記の従来のハンダバンプは、絶縁樹脂層１０８の開口部はＡｕ層１０７の上面よりも狭くなるようなレイアウトであり、ハンダバンプを形成するランドが絶縁層で絞り込まれるような構造となっているため、図９（ｂ）に示すように、絶縁樹脂層との境界部分１０９ｒでハンダが括れた状態になり、このバンプが形成されたデバイスを実装基板に実装したとき、この括れた境界部分１０９ｒの強度が不十分となり、熱ストレスの影響でクラックが入ってしまう不具合が生じやすくなっていた。
特開２００５−１７５３１７号公報

本発明の目的は、強度を高めて、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できるハンダバンプを有する半導体装置と、その製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置は、電子回路が形成された半導体基板と、前記電子回路に電気的に接続され、前記半導体基板の表面から突出して形成された下地層と、前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合して形成されたハンダからなるバンプとを有する。

上記の本発明の半導体装置は、電子回路が形成された半導体基板に、電子回路に電気的に接続され、半導体基板の表面から突出して下地層が形成されており、下地層の基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合してハンダからなるバンプが形成されている。

また、上記の課題を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、電子回路が形成された半導体基板に、前記電子回路に電気的に接続して、前記半導体基板の表面から突出するように下地層を形成する工程と、前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合して、ハンダからなるバンプを形成する工程とを有する。

上記の本発明の半導体装置の製造方法は、電子回路が形成された半導体基板に、電子回路に電気的に接続して、半導体基板の表面から突出するように下地層を形成する。
次に、下地層の基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合して、ハンダからなるバンプを形成する。

本発明の半導体装置は、ハンダバンプの強度が高められており、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる。

本発明の半導体装置の製造方法は、ハンダバンプの強度が高められ、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる半導体装置を製造することができる。

以下に、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は本実施形態に係る半導体装置のバンプ部分の模式断面図である。
例えば、電子回路が形成された半導体基板１０に、電子回路に電気的に接続されたＡｌなどからなるパッド電極１１が形成されており、半導体基板１０上にパッド電極１１の一部を開口するパターンで開口部１２ａが形成された窒化シリコンなどからなる保護膜１２が形成されている。

上記の開口部１２ａの中央部において、パッド電極１１の上層にＡｇナノペーストを固化してなる凸状層１３が形成されており、凸状層１３の上層において開口部１２ａの縁を外周とするパターンで、Ｎｉなどからなる下地層１４が保護膜１２の表面から突出して形成されている。
さらに、下地層１４の保護膜１２の表面から突出して形成された部分の表面に接合してハンダからなるバンプ１５が形成されている。

本実施形態においては、凸状層１３の表面形状が頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有しており、この凸状層１３の表面形状を反映して、下地層１４の保護膜１２の表面から突出して形成された部分の表面形状が、頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有している。

上記の構造を有するハンダバンプにおいて、バンプ１５が下地層１４の頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面の全体において接合することにより、下地層１４とバンプ１５との界面とのせん断応力を大きくできるので、これにより下地層１４とバンプ１５の接合強度を高めることができる。
また、図９（ｂ）に示す従来例のような、絶縁樹脂層でハンダバンプの下地の層との接合面積を規定してハンダバンプのネックが括れた構造とはならず、球状になることから、ヒートサイクルなどの熱ストレスに対して強い構造となっている。
上記のように、本実施形態に係る半導体装置のハンダバンプは、強度を高めて、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる。

次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、電子回路が形成された半導体基板１０に、電子回路に電気的に接続されたＡｌなどからなるパッド電極１１を形成し、さらに例えばＣＶＤ法により窒化シリコンなどを堆積して、半導体基板１０上にパッド電極１１の一部を開口するパターンで開口部１２ａを形成し、保護膜１２を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、開口部１２ａの中央部の開口部１２ａより狭い領域において、パッド電極１１の上層に、Ａｇナノペーストを印刷し、さらに加熱して固化し、凸状層１３を形成する。
本実施形態においては、凸状層１３の表面形状が、頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有するように形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、例えば、ジンケート処理を行った後、さらにＮｉの無電解メッキ処理を行い、凸状層１３の上層において開口部１２ａの縁を外周とするパターンで、Ｎｉなどからなる下地層１４を保護膜１２の表面から突出するようにして形成する。
ここでは、凸状層１３の表面形状を反映して、下地層１４の保護膜１２の表面から突出して形成された部分の表面形状が、頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有して形成される。

次に、図３（ｂ）に示すように、下地層１４の保護膜１２の表面から突出して形成された部分の表面に接合して、ハンダからなるバンプ１５を形成する。
以上で図１に示す構成のハンダバンプを有する半導体装置を形成することができる。

上記のようにして形成された半導体装置の下地層は、逆スパッタリング法により形成される従来のシードメタル層を介した構造と比較して、デバイスの端子電極との金属同士の接着が強く、且つ、下地層とハンダバンプとの界面のせん断応力が大きいことから、絶縁樹脂層で周辺部分を抑えるように補強する必要がなく、側面部分も露出した構造が取れる。

また、絶縁樹脂層でハンダバンプと下地層が接合する面積を規定した場合のように、ハンダボールのネックが括れたような形状になることもなく、実装基板に実装した際に、ヒートサイクル等の熱ストレスにも、非常に強い構造となっている。
また、絶縁層の必要もなく、材料費、加工費のコストダウンも可能になる。

上記のように、本実施形態の半導体装置の製造方法は、ハンダバンプの強度が高められ、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる半導体装置を製造することができる。

図４は、本実施形態のハンダバンプが形成された半導体装置を実装基板に実装したときのバンプ部分の模式断面図である。
実装基板は、実装基板本体２０の表面に、配線２１及び電極２２などがパターン形成されている。
上記の電極とハンダバンプ１５が接合するようにして、本実施形態の半導体装置がフリップチップで実装されている。

上記のように、本実施形態の半導体装置は、ハンダバンプの強度が高められ、上記のようにして実装基板に実装されても、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる。

（実施例）
ここで、従来例と本実施形態に係る半導体装置として、□３．０ｍｍの大きさであって０．５ｍｍピッチのハンダバンプが３６ピン形成された構成の半導体装置を、それぞれＷＬ−ＣＳＰで形成した。
得られた半導体装置を実装基盤（ＦＲ−４）に実装し、実装信頼性を調べた。

（ヒートサイクル試験）
−２５℃〜１２５℃の温度でのヒートサイクル試験、上記の従来例と本実施形態に係る半導体装置を実装した装置の、累積故障率１％となるまでのサイクル数を調べた。
従来例では３００サイクルで達してしまったが、本実施形態では７００サイクルまでかかり、２倍以上寿命が延びていることが分かった。

第２実施形態
図５は本実施形態に係る半導体装置のバンプ部分の模式断面図である。
実質的に第１実施形態の半導体装置と同様であるが、下地層１４ａの基板（保護膜１２）の表面から突出して形成された部分は、半導体基板１０の表面に略平行な平坦な部分を有する上面と半導体基板１０の表面に略垂直な外周面とを有している形状であることが異なる。
これは、凸状層１３ａの形状が半導体基板１０の表面に略平行な平坦な部分を有する上面と半導体基板１０の表面に略垂直な外周面とを有している形状となっており、この表面形状を反映するように、下地層１４ａが形成されていることによる。

本実施形態の半導体装置も、第１実施形態と同様に、ハンダバンプの強度が高められており、熱ストレスなどによりクラックが入るのを抑制できる。

上記の本実施形態に係る半導体装置のハンダバンプは、以下の効果を享受できる。
（１）基板から突出した下地層を有することにより、下地層とハンダバンプの界面とのせん断応力を大きくでき、接合強度を上げることができる。
（２）下地層の頂部や側面などでハンダバンプと接合することにより、接着強度を上げることができる。
（３）ハンダバンプのネックが括れた形状になることがなく、高い接合信頼性を得ることができる。
（４）実装基板との高い接続信頼性を得ることができる。
（５）逆スパッタリング法によるシードメタル形成工程及び絶縁層形成工程を削除することができ、工程の短縮とコストダウンが実現できる。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、バンプの下地層は、上記の層構成に限らず、Ｎｉ層以外の層などが積層した構成としてもよい。また下地層の表面形状に反映される凸状層は、所望の形状に形成できる限り、Ａｇナノペースト以外の材料を用いてもよい。
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。

本発明の半導体装置は、フリップチップ実装ができるようにバンプを有する半導体装置に適用できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、フリップチップ実装ができるようにバンプを有する半導体装置を製造するのに適用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係る半導体装置のバンプ部分の模式断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。 図４は本発明の第１実施形態の半導体装置を実装基板に実装したときのバンプ部分の模式断面図である。 図５は本発明の第２実施形態に係る半導体装置のバンプ部分の模式断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は従来例に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は従来例に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は従来例に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は従来例に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す模式断面図である。

符号の説明

１０…半導体基板、１１…パッド電極、１２…保護膜、１２ａ…開口部、１３，１３ａ…凸状層、１４，１４ａ…下地層、１５…バンプ、２０…実装基板本体、２１…配線、２２…電極、１００…半導体基板、１０１…パッド電極、１０２…保護膜、１０２ａ…開口部、１０３…Ｔｉ層、１０４，１０４ａ…Ｃｕ層、１０５…マスク層、１０６…Ｎｉ層、１０７…Ａｕ層、１０８…絶縁樹脂層、１０９…バンプ

Claims (10)

1. 電子回路が形成された半導体基板と、
   前記電子回路に電気的に接続され、前記半導体基板の表面から突出して形成された下地層と、
   前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合して形成されたハンダからなるバンプと
   を有する半導体装置。
2. 前記下地層の下層に、前記下地層の表面形状の型となる凸状層が形成されている
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分は、頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有する
   請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分は、前記半導体基板の表面に略平行な平坦な部分を有する上面と前記半導体基板の表面に略垂直な外周面とを有する
   請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記半導体基板に前記電子回路に電気的に接続されたパッド電極が形成されており、
   前記半導体基板上に前記パッド電極の一部を開口するパターンの保護膜が形成されており、
   前記下地層は前記保護膜の表面から突出して形成されている
   請求項１に記載の半導体装置。
6. 電子回路が形成された半導体基板に、前記電子回路に電気的に接続して、前記半導体基板の表面から突出するように下地層を形成する工程と、
   前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分の表面に接合して、ハンダからなるバンプを形成する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
7. 前記下地層を形成する工程の前に、前記基板に、前記下地層の表面形状の型となる凸状層を形成する工程をさらに有し、
   前記下地層を形成する工程において、前記凸状層の上層に前記凸状層の表面形状が前記下地層の表面形状に反映されるようにして、前記下地層を形成する
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記下地層を形成する工程において、前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分が、頂部から外周部までなめらかに繋がる曲面を有する形状となるように、形成する
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記下地層を形成する工程において、前記下地層の前記基板の表面から突出して形成された部分が、前記半導体基板の表面に略平行な平坦な部分を有する上面と前記半導体基板の表面に略垂直な外周面とを有する形状となるように、形成する
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記下地層を形成する工程の前に、前記半導体基板に前記電子回路に電気的に接続してパッド電極を形成する工程と、前記半導体基板上に前記パッド電極の一部を開口するパターンの保護膜を形成する工程とをさらに有し、
    前記下地層を形成する工程において、前記保護膜の表面から突出して前記下地層を形成する
    請求項６記載の半導体装置の製造方法。

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