JP2008028109A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バンプ直下の下地層のサイドエッチング現象を抑制して接合信頼性の高いバンプ形成を行うことができる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】基板表面に、バンプ形成用パッド部３２と、表層配線部３３及び／又はワイヤボンディング用パッド部３４とからなる複数の凸部を形成する工程と、バンプ下地層３９を形成する工程と、バンプ形成用バッド部３２の上にバンプ下地層３９を介してバンプ電極４０，４１を形成する工程と、電極４０をマスクとしてバンプ下地層３９を溶解除去する工程とを有する半導体装置の製造方法において、上記凸部３２，３３，３４の形成工程では、基板表面に対して、バンプ形成用パッド部３２を他の凸部３３，３４よりも高く形成し、バンプ下地層３９の溶解除去工程では、基板表面Ｓに対して、溶解液Ｌの液面高さをバンプ形成用パッド部３２の高さよりも低くして行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面に、バンプ形成用パッド部、表層配線、ワイヤボンディング用パッド部などの複数の凸部が形成された半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

近年、電子機器の高機能化や軽薄短小化の要求に伴って、電子部品の高密度集積化や高密度実装化が進み、フリップチップ実装を用いたＭＣＭ（マルチチップモジュール）又はＳＩＰ（システムインパッケージ）タイプの半導体部品が主流になりつつある。この種の半導体部品の中には、第１の半導体チップの上に第２の半導体チップをフリップチップ実装した構成（チップオンチップ構造）を採用したものがある。

図６はチップオンチップ構造の半導体部品の概略構成を示す断面図である。図示した半導体部品は、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とによって構成されている。第２の半導体チップ２は第１の半導体チップ１の主面のほぼ中央部に複数のバンプ３を用いてフリップチップ実装されている。第１の半導体チップ１の周縁部には、第２の半導体チップ２が実装される領域を取り囲む状態でワイヤボンディング用の複数の電極パッド４が形成されている。また、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との間には、アンダーフィル材６が充填されている。図６に示す半導体部品は、実装基板７上に接着材料層８を介して接着された後、第１の半導体チップ１上の電極パッド４と実装基板７上のランド９との間にボンディングワイヤ１０を介して電気的接続が行われている。

図７は、上述の半導体部品における第１の半導体チップ１の要部断面図である。基板１１の表面には、バンプ形成用パッド部１２、表層配線部１３、ワイヤボンディング用パッド部１４からなる複数の凸部が形成されている。これらの凸部は、基板１１の表面にパターン形成された配線層１５，１６，１７と、これらの配線層１５〜１７を含む基板１１の表面を被覆する保護層１８とで構成されている。

配線層１５はバンプ形成用の電極パッドを構成し、配線層１６は表層配線パターンの一部を構成している。また、配線層１７はワイヤボンディング用の電極パッド（図６における電極パッド４）に対応している。バンプ形成用パッド部１２及びワイヤボンディング用パッド部１４は、保護層１８の一部が開口して配線層１５，１７の一部が露出されている。バンプ形成用パッド部１２、表層配線部１３及びワイヤボンディング用パッド部１４の各凸部は、基板表面Ｓに対してそれぞれ同一の高さ（Ｈ１）で形成されている。

バンプ形成用パッド部１２には、バンプ下地層１９と、電極２０及びはんだバンプ２１からなるバンプ電極とが順に積層形成されている。バンプ下地層１９は、Ｔｉ（チタン）層とＣｕ（銅）層の積層構造からなる。電極２０は、Ｎｉ（ニッケル）めっきで形成されている。はんだバンプ２１は、電極２０上に供給されたはんだペーストをリフローさせることで、図示する曲面形状に形成される。はんだバンプ２１は、第２の半導体チップ２との接合用バンプとして機能し、図６に示したバンプ３を構成する。なお、はんだバンプ２１単層のみでバンプ電極が構成されるものもある。

電極２０は、シード層として基板表面Ｓにバンプ下地層１９を形成した後、バンプ形成用パッド部１２が開口するレジストパターンを形成し、めっき処理することで、バンプ形成用パッド部１２上に選択的に形成される。電極２０の形成後、バンプ下地層１９は、電極２０をマスクとして、溶解液（薬液）を用いたウェットエッチング法により除去される（例えば下記特許文献１参照）。

具体的には、図８Ａに示すように、基板表面Ｓに対して、表層配線部１３及びワイヤボンディング用パッド部１４よりも高い液面レベルで溶解液Ｌを液盛りして、電極２０の直下領域以外の領域に形成されているバンプ下地層１９を溶解除去する。バンプ下地層１９が上述のようにＴｉ層とＣｕ層の積層構造である場合には、Ｃｕ層の溶解除去工程とＴｉ層の溶解除去工程が順に行われる。

特開平１０−１８９６３５号公報

しかしながら、上述した従来の半導体装置の製造方法においては、バンプ形成用パッド部１２、表層配線部１３及びワイヤボンディング用パッド部１４の各凸部が、基板表面Ｓに対してそれぞれ同一の高さ（Ｈ１）で形成されているため、バンプ下地層１９の溶解除去の際、これらの凸部の高さ以上に溶解液Ｌが基板表面Ｓに供給されると、図８Ｂに示すように、電極２０直下のバンプ下地層１９が、サイドエッチング作用によって溶解されてしまうという問題がある。図８Ｂは、バンプ下地層１９を構成するＮｉ層１９Ａ及びＣｕ層１９Ｂのうち、上層側のＣｕ層１９Ｂのサイドエッチングの様子を示している。

一般に、金属層のサイド方向のエッチング速度は、層厚方向のエッチング速度よりも速い。図９は、Ｔｉ膜のサイド方向のエッチング速度（実線）と層厚方向のエッチング速度（一点鎖線）とを比較して示している。エッチング開始時は層厚方向にエッチングが進行するが、ある時間からサイドエッチングが同時に進行し始める。サイドエッチングの開始時間は、バンプ電極直下に位置するバンプ下地層のサイド部に溶解液が到達する時間であり、下地層の膜厚でほぼ決定される。サイド方向のエッチング速度は層厚方向のエッチング速度よりも速く、およそ４倍である。

図８Ｂに示したように、バンプ下地層１９のサイドエッチング現象は、電極２０直下のバンプ下地層１９のアンダーカットをもたらし、バンプ下地層１９に対する電極２０の接合面積の減少を招く。この結果、電極２０と基板１１との間の接合強度、接合信頼性が低下する。この問題は、特に、バンプの狭ピッチ化、小径化を進める上で、バンプの剥離などの大きな問題に発展する。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、バンプ直下の下地層のサイドエッチング現象を抑制して接合信頼性の高いバンプ形成を行うことができる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課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の半導体装置は、基板表面に、バンプ形成用パッド部と、表層配線部及び／又はワイヤボンディング用パッド部とからなる複数の凸部が形成された半導体装置において、バンプ形成用パッド部は、基板表面に対して、他の凸部よりも高く形成されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、基板表面に、バンプ形成用パッド部と、表層配線部及び／又はワイヤボンディング用パッド部とからなる複数の凸部を形成する工程と、バンプ下地層を形成する工程と、バンプ形成用バッド部の上にバンプ下地層を介してバンプ電極を形成する工程と、バンプ電極をマスクとしてバンプ下地層を溶解除去する工程とを有する半導体装置の製造方法において、上記凸部の形成工程では、基板表面に対して、バンプ形成用パッド部を他の凸部よりも高く形成し、バンプ下地層の溶解除去工程では、基板表面に対して、溶解液の液面高さをバンプ形成用パッド部の高さよりも低くして行うことを特徴とする。

以上のように構成することにより、バンプ下地層の除去工程において、バンプ電極直下の下地層が溶解液に接触することを回避できるので、バンプ下地層のサイドエッチングを効果的に抑制して、バンプ接合部の信頼性向上を図ることができる。これにより、バンプの狭ピッチ化、小径化にも十分に対応することが可能となる。

また、バンプ形成用パッド部を他の凸部よりも高く形成することにより、チップサイズの小型化に伴ってバンプサイズが小径化しても、チップオンチップ構造の半導体部品における上下チップ間の狭ギャップ化が緩和されるので、アンダーフィル材の注入作業性の低下を抑えることができる。

バンプ形成用パッド部と、表層配線部及び／又はワイヤボンディング用パッド部とからなる複数の凸部の各々は、基板表面にパターン形成された配線層と、この配線層を含む基板表面を被覆する保護層とで構成される。バンプ形成用パッド部及びワイヤボンディング用パッド部は、保護層の一部が開口して配線層の一部が露出されている。バンプ形成用パッド部を他の凸部よりも高く形成するための具体的な構成としては、バンプ形成用パッド部の配線層を他の凸部の配線層よりも厚くする、バンプ形成用パッド部の配線層を絶縁材料からなる下地層の上に形成する、あるいは、バンプ形成用パッド部の形成領域の方が他の凸部の形成領域よりも厚くなるように保護層を形成する。

本発明によれば、バンプ下地層の除去工程において、バンプ下地層のサイドエッチングを効果的に抑制して、バンプ接合部の信頼性向上を図ることができる。これにより、バンプの狭ピッチ化、小径化にも十分に対応することが可能となる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による半導体装置３０の要部の概略断面図である。図示する本実施形態の半導体装置３０は、チップオンチップ構造の半導体部品（図６）の下チップである第１の半導体チップとして構成されている。

基板３１の表面には、バンプ形成用パッド部３２、表層配線部３３、ワイヤボンディング用パッド部３４からなる複数の凸部が形成されている。これらの凸部は、基板１１の表面にパターン形成された配線層３５，３６，３７と、これらの配線層３５〜３７を含む基板３１の表面を被覆する保護層（パッシベーション膜）３８とで構成されている。バンプ形成用パッド部３２は、上チップである第２の半導体チップとのバンプ接合部を構成し、ワイヤボンディング用パッド部３４は、当該半導体装置３０が実装される実装基板と電気的に接続されるボンディングワイヤの接続部として構成されている。

配線層３５〜３７は、Ａｌ（アルミニウム）やＡｌ−Ｃｕ（銅）合金、Ａｌ−Ｓｉ（シリコン）合金、Ａｕ（金）等の金属層で構成される。保護層３８は、ＳｉＯ₂ （シリコン酸化膜）やＳｉＮ（シリコン窒化膜）、絶縁性樹脂（ポリイミドなど）等で構成される。配線層３５はバンプ形成用の電極パッドに対応し、配線層３６は表層配線パターンの一部を構成している。また、配線層３７はワイヤボンディング用の電極パッドに対応している。バンプ形成用パッド部３２及びワイヤボンディング用パッド部３４は、保護層３８の一部を開口して配線層３５，３７の一部が露出されている。

本実施形態において、バンプ形成用パッド部３２の配線層３５は、他の凸部（表層配線部３３、ワイヤボンディング用パッド部３４）の配線層３６，３７よりも厚く形成されている。これにより、バンプ形成用パッド部３２は、基板表面Ｓに対して、他の凸部３３，３４よりも高く形成されている。なお、基板表面Ｓは、保護層３８の表面であって、凸部３２〜３４の非形成面を示している。

バンプ形成用パッド部３２の基板表面Ｓからの高さＨ２は、表層配線部３２及びワイヤボンディング用パッド部３４の基板表面Ｓからの高さＨ１よりも大きいほど好ましく、本実施形態では、Ｈ１の２倍の高さに形成されている。具体的に、Ｈ１の大きさが１μｍの場合、Ｈ２の大きさは２μｍとされる。これにより、電極４０直下のバンプ下地層３９は、基板表面Ｓに対して、表層配線部３２及びワイヤボンディング用パッド部３４よりも高い位置に形成されることになる。

バンプ形成用パッド部３２には、バンプ下地層３９と、電極４０及びはんだバンプ４１からなるバンプ電極とが順に積層形成されている。バンプ下地層３９は、Ｔｉ（チタン）層とＣｕ（銅）層の積層構造からなる。電極４０は、Ｎｉ（ニッケル）めっきで形成されており、バンプ下地層３９を介して電極パッド（配線層）３５と電気的に接続されている。はんだバンプ４１は、Ｓｎ（スズ）−Ａｇ（銀）系等のはんだ材料からなり、電極４０上に供給されたはんだペーストをリフローさせることで、図示する曲面形状に形成される。なお、はんだバンプ４１は、上チップである第２の半導体チップとの接合用バンプとして機能する。また、バンプ電極は、電極４０とはんだバンプ４１の二層構造に限られず、はんだバンプ４１単層のみで構成されていてもよい。

電極４０は、シード層として基板表面Ｓにバンプ下地層３９をスパッタ法等で形成した後、バンプ形成用パッド部３２が開口するレジストパターンを形成し、めっき処理することで、バンプ形成用パッド部３２上に選択的に形成される。電極４０の形成後、バンプ下地層３９は、電極４０をマスクとして、溶解液（薬液）を用いたウェットエッチング法により除去される。

具体的には、基板表面Ｓに対して、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４よりも高い液面レベルで溶解液Ｌを液盛りして、電極４０の直下領域以外の領域に形成されているバンプ下地層３９を溶解除去する。バンプ下地層３９が上述のようにＴｉ層とＣｕ層の積層構造である場合には、Ｃｕ層の溶解除去工程とＴｉ層の溶解除去工程が順に行われる。Ｃｕ層の溶解液には例えば過硫酸塩系が、Ｔｉ層の溶解液には例えば過酸化水素水がそれぞれ用いられる。

上述したように、本実施形態においては、バンプ形成用パッド部３２が他の凸部（表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４）よりも基板表面Ｓに対して高く形成されているので、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４の高さＨ１以上であり、かつ、バンプ形成用パッド部３２の高さＨ２よりも低い溶解液Ｌの液面高さを設定することができる。

従って、このような液面高さに設定された溶解液Ｌでバンプ下地層１９の溶解除去を行うことにより、電極４０直下のバンプ下地層３９が溶解液Ｌに接触することを回避できる。これにより、バンプ下地層３９のサイドエッチングを効果的に抑制して、バンプ接合強度の低下を阻止し、バンプ接合部の信頼性向上を図ることができる。また、バンプの狭ピッチ化、小径化にも十分に対応することが可能となる。

更に、バンプ形成用パッド部３２を他の凸部よりも高く形成することにより、チップサイズの小型化に伴ってバンプサイズが小径化しても、チップオンチップ構造の半導体部品における上下チップ間の狭ギャップ化が緩和されるので、アンダーフィル材の注入作業性の低下を抑えることができる。

図２は、図１に示したバンプ形成用凸部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用凸部３４の製造方法を説明する工程断面図である。まず、基板３１の表面に、配線層３５を構成する金属層４２を形成する（図２Ａ）。そして、バンプ形成用パッド部３２に対応する領域のみ残して金属層４２をパターンエッチングして配線予備層３５Ａを形成する（図２Ｂ）。次に、金属層４２と同種（同種に限られない。）の金属層４３を基板３１の表面に再度形成した後（図２Ｃ）、バンプ形成用パッド部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４に対応する領域のみ残して金属層４３をパターンエッチングすることで、基板３１の表面に配線層３５，３６，３７を形成する（図２Ｄ）。これにより、配線層３６，３７に比べて、配線層３５が大きな層厚で形成される。最後に、保護層３８を成膜し、配線層３５，３７を露出させる開口を形成することで、バンプ形成用パッド部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４からなる複数の凸部が基板３１の表面に形成される（図２Ｅ）。

その後、バンプ下地層３９を形成する工程と、バンプ形成用バッド部３２の上にバンプ下地層３９を介して電極４０を形成する工程と、電極４０をマスクとしてバンプ下地層３９を溶解除去する工程とを経て、図１に示した構成の半導体装置３０が製造される。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態による半導体装置５０の要部の概略断面図である。なお図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の半導体装置５０は、バンプ形成用パッド部３２の配線層（電極パッド）３７の下地として絶縁材料からなる下地層５１を形成することによって、バンプ形成用パッド部３２を他の凸部（表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４）よりも基板表面Ｓに対して高く形成している。

バンプ形成用パッド部３２の形成高さＨ２は、下地層５１の層厚で任意に調整することができる。下地層５１は、ＳｉＯ₂ （シリコン酸化膜）やＳｉＮ（シリコン窒化膜）、絶縁性樹脂（ポリイミドなど）等で構成される。本実施形態によっても上述の第１の実施形態と同様な作用及び効果を得ることができる。

図４は、図３に示したバンプ形成用凸部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用凸部３４の製造方法を説明する工程断面図である。まず、基板３１の表面に、下地層５１を構成する絶縁層５２を形成する（図４Ａ）。そして、バンプ形成用パッド部３２に対応する領域のみ残して絶縁層５２をパターンエッチングして下地層５１を形成する（図４Ｂ）。次に、配線層３５〜３７を形成する金属層４２を基板３１の表面に形成した後（図４Ｃ）、バンプ形成用パッド部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４に対応する領域のみ残して金属層４２をパターンエッチングすることで、基板３１の表面に配線層３５，３６，３７を形成する（図４Ｄ）。最後に、保護層３８を成膜し、配線層３５，３７を露出させる開口を形成することで、バンプ形成用パッド部３２、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４からなる複数の凸部が基板３１の表面に形成される（図４Ｅ）。

その後、バンプ下地層３９を形成する工程と、バンプ形成用バッド部３２の上にバンプ下地層３９を介して電極４０を形成する工程と、電極４０をマスクとしてバンプ下地層３９を溶解除去する工程とを経て、図３に示した構成の半導体装置５０が製造される。

（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態による半導体装置６０の要部の概略断面図である。なお図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の半導体装置６０は、バンプ形成用パッド部３２の形成領域を他の凸部（表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４）の形成領域よりも保護層３８を厚く形成することによって、バンプ形成用パッド部３２を他の凸部（表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４）よりも基板表面Ｓに対して高く形成している。本実施形態によっても上述の第１の実施形態と同様な作用及び効果を得ることができる。

図５に示した構成のバンプ形成用凸部３２の形成方法としては、配線層３５〜３７を形成した後、保護層３８を形成する工程の前に、バンプ形成用凸部３２の形成領域のみ開口するレジストパターンを基板３１の表面に形成して、保護層３８と同種（同種に限られない）の絶縁材料を所定の厚さで形成する。その後、上記レジストパターンを除去してから保護層３８を形成することによって、バンプ形成用パッド部３２を表層配線部３２及びワイヤボンディング用パッド部３４よりも高く形成することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の各実施形態では、チップオンチップ構造の半導体部品における下チップ側の半導体チップのバンプ形成を例に挙げて説明したが、勿論これに限られず、基板表面にバンプ下地層を含むバンプ構造を有するすべての半導体装置の構成及び製造について、本発明は適用可能である。

また、以上の各実施形態では、基板表面に形成される凸部として、バンプ形成用パッド部３２以外に、表層配線部３３及びワイヤボンディング用パッド部３４が同時に形成された半導体装置を例に挙げて説明したが、表層配線部３３とワイヤボンディング用パッド部３４のうち少なくとも一方が形成されている半導体装置について、本発明は適用可能である。

本発明の第１の実施形態による半導体装置の要部の概略断面図である。 図１に示した半導体装置におけるバンプ形成用パッド部、表層配線部及びワイヤボンディング用パッド部の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第２の実施形態による半導体装置の要部の概略断面図である。 図３に示した半導体装置におけるバンプ形成用パッド部、表層配線部及びワイヤボンディング用パッド部の製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第３の実施形態による半導体装置の要部の概略断面図である。 チップオンチップ構造の半導体部品の概略断面図である。 従来の半導体装置の要部の概略断面図である。 従来の半導体装置の一製造工程における問題点を説明するバンプ構造の概略断面図である。 金属層の層厚方向のエッチング速度とサイド方向のエッチング速度を比較して示す図である。

符号の説明

３０，５０，６０…半導体装置、３１…基板、３２…バンプ形成用パッド部、３３…表層配線部、３４…ワイヤボンディング用パッド部、３５〜３７…配線層、３８…保護層、３９…バンプ下地層、４０…電極、４１…はんだバンプ、５１…下地層、Ｌ…溶解液、Ｓ…基板表面

Claims (8)

1. 基板表面に、バンプ形成用パッド部と、表層配線部及び／又はワイヤボンディング用パッド部とからなる複数の凸部が形成された半導体装置において、
   前記バンプ形成用パッド部は、前記基板表面に対して、他の凸部よりも高く形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記バンプ形成用パッド部には、バンプ下地層とバンプ電極とが順に積層されており、前記バンプ下地層は、前記基板表面に対して、前記他の凸部の表面よりも高い位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バンプ形成用パッド部は、前記基板表面に対して、前記他の凸部の２倍の高さに形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記各凸部は、前記基板表面にパターン形成された配線層と、前記配線層を含む前記基板表面を被覆する保護層とからなり、
   前記バンプ形成用パッド部及び前記ワイヤボンディング用パッド部は、前記保護層の一部が開口して前記配線層の一部が露出されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記バンプ形成用パッド部の配線層は、他の前記凸部の配線層よりも厚く形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記バンプ形成用パッド部の配線層は、絶縁材料からなる下地層の上に形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
7. 前記保護層は、前記バンプ形成用パッド部の形成領域の方が他の前記凸部の形成領域よりも厚く形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
8. 基板表面に、バンプ形成用パッド部と、表層配線部及び／又はワイヤボンディング用パッド部とからなる複数の凸部を形成する工程と、
   バンプ下地層を形成する工程と、
   前記バンプ形成用バッド部の上に前記バンプ下地層を介してバンプ電極を形成する工程と、
   前記バンプ電極をマスクとして前記バンプ下地層を溶解除去する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
   前記凸部の形成工程では、前記基板表面に対して、前記バンプ形成用パッド部を他の凸部よりも高く形成し、
   前記バンプ下地層の溶解除去工程では、前記基板表面に対して、溶解液の液面高さを前記バンプ形成用パッド部の高さよりも低くして行う
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   
   
   

Images