JP2010263137A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バンプ電極と絶縁膜との間に隙間が発生することを防止し、バンプ電極を備える半導体装置の信頼性を向上させること。
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された配線電極１と、配線電極１上に形成され、配線電極１を露出する開口部を備える絶縁膜２と、絶縁膜２の開口部において露出する配線電極１上に形成されたバンプ電極３と、絶縁膜２とバンプ電極３との間に設けられた充填材５とを備える。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にＣＳＰ（Chip Scale Package）、フリップチップ等のバンプ電極を備える半導体装置及びその製造方法に関する。

ＣＳＰ（Chip Scale Package）、フリップチップ等のバンプ電極の形成方法として、ウェハレベルで比較的安価にバンプ電極を形成できる無電解めっき法が多く用いられるようになっている。無電解めっき法によるバンプ電極の形成方法は、ウェハ拡散工程で形成されたアルミニウム配線電極又は銅配線電極に、化学反応によってニッケル等の金属を析出、成長させる方法で、一般的に数μｍ〜数十μｍの厚さの金属めっきをバンプ電極として成長させる。

ウェハに形成された配線電極と配線電極上に形成されたバンプ電極とは金属結合によって強固に接合される。しかし、無電解めっき法により形成されたバンプ電極は、配線電極以外の配線や回路を絶縁する為のパッシベーション膜と接合状態になく、単に密着接触している状態となる。バンプ電極とこれらの間に生じる隙間に無電解めっき工程で使用される薬液が残留することにより、信頼性が低下する問題がある。

そこで、特許文献１、２では、無電解めっき工程で発生する薬液の侵入の問題を解決する技術が提案されている。図３に特許文献１に記載の半導体装置の製造工程を説明する図を示し、図４に製造中の半導体装置の構成を説明する図を示す。

図３に示す工程図に従い、アルミニウム配線電極１０上に無電解ニッケルめっき膜１１が形成される。その後、酸化防止、はんだ接合性確保のために、無電解金めっき膜１２が形成される。

無電解ニッケルめっき膜１１を形成した後無電解金めっき膜１２を形成するまでの間に、温度が低下すると、有機絶縁膜１３と無電解ニッケル膜との熱膨張係数の差から、有機絶縁膜１３と無電解ニッケル膜１１との間に隙間が発生する場合ある。

この場合、次の工程の無電解金めっき膜１１を形成するときに、ウェハを浸漬するめっき液がこの隙間から侵入し、めっき液に含まれる酸成分がアルミニウム配線電極１０を腐食させる問題がある。

特許文献１では、この問題を解決するために、図２で示される工程５（無電解ニッケルめっき）〜工程７（無電解金めっき）の温度差を１５℃（好ましくは１０℃以下）にすることによって、有機絶縁膜１３と無電解ニッケル膜１１との間に隙間が発生することを防止している。

特許文献２には、バンプ電極とパッシベーション膜との間に残留しためっき液を除去する方法が記載されている。特許文献２では、バンプ電極を形成した後に、洗浄液中で超音波をかけることにより、隙間のめっき液を除去している。

ところで、バンプ電極が形成されたウェハは、ダイシング等により個片チップに分離され、トレーやキャリアテープに梱包されて、ＣＳＰやフリップチップとして製品化される。ＣＳＰと呼ばれるパッケージは、更に基板実装性、基板実装後の信頼性を向上させるため、バンプ電極の上にはんだボール等を形成している場合もある。

ＣＳＰやフリップチップは、実装基板やモジュール基板等に、無電解めっきで形成されたバンプ電極、又は、更にその上に形成されたはんだボールを介して、はんだ等の導電性接合材料で接合される。

無電解めっき工程においてバンプ電極が形成された後のＣＳＰ、フリップチップの製造工程や、実際にこれらの製品が使用される実装工程、また、実装後の最終製品の組立工程等では、加熱、冷却、外部からの応力等によって、バンプ電極とパッシベーション膜との境界に隙間が発生する。

この隙間に、これらの工程で使用されるフラックスや薬品、雰囲気中の活性な気体等が侵入することにより、配線電極のアルミニウムや銅が腐食し、信頼性が著しく低下するという問題がある。

従来技術では、バンプ形成のための無電解めっき工程以降に発生する温度差や外的応力によって、バンプ電極とパッシベーション膜との隙間が発生する問題に関しては、解決することができない。

特開２００３−３３８５１６号公報 特開２００２−８３８３５号公報

このように、バンプ電極形成のための無電解めっき工程以降においても、バンプ電極とパッシベーション膜との隙間が発生し、信頼性が低下するという問題がある。

本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された電極上に、当該電極を露出する開口部を備える絶縁膜を形成し、前記開口部において露出する前記電極上に無電解めっき法によりバンプ電極を形成し、前記バンプ電極と前記絶縁膜との間の隙間に充填材を充填する。これにより、無電解めっき工程以降の工程や最終製品完成後に、無電解めっきで形成されたバンプ電極と絶縁膜との隙間が発生することを防止し、無電解めっきで形成されたバンプ電極の信頼性を向上させることができる。

本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された電極と、前記電極上に形成され、前記電極を露出する開口部を備える絶縁膜と、前記開口部において露出する前記電極上に形成されたバンプ電極と、前記絶縁膜と前記バンプ電極との間に設けられた充填材とを備えるものである。

これにより、バンプ電極形成工程以降の工程や最終製品完成後に、バンプ電極と絶縁膜との隙間が発生することを防止し、バンプ電極を備える半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、バンプ電極と絶縁膜との隙間が発生することを防止し、バンプ電極を備える半導体装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 特許文献１に記載の半導体装置の製造工程を説明する図である。 特許文献１に記載の半導体装置の構成を説明する図である。

実施の形態．
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程について図１Ａ−１Ｃ、図２を参照して説明する。図１Ａ−１Ｃ、図２は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。なお、図１Ａ−１Ｃにおいては、半導体ウェハの図示を省略している。

図１Ａに示すように、半導体ウェハ上に形成された配線電極１上に、特許文献１、２等で詳細に示される方法でバンプ電極３が形成される。具体的には、配線電極１上に、配線電極１を露出させる開口部を有する絶縁膜２を形成する。配線電極１は、例えば、アルミニウムや銅により形成することができる。パッシベーション膜である絶縁膜２としては、例えば、ポリイミド等の有機材料からなる有機絶縁膜を用いることができる。

次に、無電解めっき処理を行って、絶縁膜２の開口部から露出している配線電極１の上にバンプ電極３を形成する。なお、バンプ電極３を形成する前に、配線電極１の表面に形成されている酸化膜を除去し表面を活性化させる処理や、亜鉛イオンを含むアルカリ溶液を用いてジンケート処理を行ってもよい。

バンプ電極３を形成する無電解めっき処理としては、例えば、無電解ニッケル液中に半導体ウェハを浸漬して無電解めっき処理を行って無電解ニッケルめっき膜を形成し、その後、無電解金めっき液中に半導体ウェハを浸漬して無電解金めっき処理を行うことにより、無電解金めっき膜を形成することができる。

本実施の形態では、図１Ａに示すように、バンプ電極３と絶縁膜２との間に隙間４が発生する。本実施の形態では、図１Ｂに示すように、ウェハ状態で隙間４を充填材５で埋める。充填材５としては、バンプ電極３と絶縁膜２と接着強度が高い材料を用いることが好ましい。充填材５としては、例えば、絶縁体である液状の有機シリカを用いることができる。

ここで、図２を参照して、充填材５の形成工程について説明する。本実施の形態では、充填材５の材料である有機シリカを絶縁膜２、バンプ電極３が形成された半導体ウェハ８に塗布することにより、隙間４を充填材５で埋める。

図２に示すように、充填材５の形成工程では、減圧チャンバ６内にウェハステージ７が設けられた塗布装置が用いられる。減圧チャンバ６を用い、減圧された状態で充填材５の形成処理を行うことで、隙間４に十分に充填材５の材料を充填することができる。

ウェハステージ７上に配線電極１、絶縁膜２、バンプ電極３等が形成された半導体基板である半導体ウェハ８が載置される。半導体ウェハ８の塗布面に対向する位置には、塗布ノズル９が配置される。塗布ノズル９から液状の充填材５の材料を吹き付けるとともに、ウェハステージ７を矢印の方向に回転させ、充填材５の材料を半導体ウェハ８の全面に広げる。すなわち、本実施の形態では、スピンコート法により充填材５の材料を半導体ウェハ８の略全面に塗布する。これにより、隙間４が充填材５の材料により埋められる。

半導体ウェハ８上に充填材５の材料を塗布する際に、半導体ウェハ８を冷却又は加熱した状態で、塗布することが好ましい。絶縁膜２とバンプ電極３との熱膨張係数の差で強制的に隙間４を大きくすることができ、隙間４にさらに十分に充填材５の材料を充填することが可能となる。本実施の形態のように充填材５として樹脂材料である有機シリカを用いる場合には、樹脂材料のほうが金属材料に比べて収縮率が大きいため、半導体ウェハ８を冷却したほうが隙間４を広げることができる。

なお、ここでは図示していないが、半導体ウェハ８を冷却する方法としては、例えば、チラーなどのように、冷媒により冷却された水を、半導体ウェハ８を設置するウェハステージ７に循環させる方法を用いることができる。また、半導体ウェハ８を加熱する方法としては、例えば、ウェハステージ７をヒータで加熱する方法を用いることができる。

そして、液状の有機シリカを塗布した後に、半導体ウェハ８全体を必要な温度、時間でベークすることで硬化させ、バンプ電極３と絶縁膜２との間に充填材５を形成する。これにより、隙間４を充填材５により塞ぐと共に、バンプ電極３と絶縁膜２との接着効果も得られる。

次に、半導体ウェハ８の表面全体に形成された余剰な充填材５をドライエッチング等により除去する。これにより、図１Ｃに示すように、絶縁膜２とバンプ電極３との間の隙間４を埋めるために必要な充填材５のみを残すことができる。充填材５として、絶縁体を用いることにより、本工程を経てもめっき電極であるバンプ電極３への影響を少なくすることができる。

このように、本発明では、無電解めっき法によってバンプ電極３を形成した後に、加熱、冷却、外部からの応力等によって生じる、バンプ電極３と絶縁膜２との境界に発生する隙間４を充填材５で埋めることができる。これにより、充填材５の形成工程以降の半導体装置の製造工程や、最終製品での使用環境での隙間４からの液体、気体等の侵入を防止することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることが可能である。

バンプ電極３と絶縁膜２が接着していない場合、実装基板に半導体装置をフリップ実装した後の温度変動による機械的ストレスに対して、バンプ電極３と配線電極１の接合端部にストレスが集中し、配線電極１にクラックが入ることがある。

しかし、本発明では、バンプ電極３と絶縁膜２との境界に発生する隙間を埋める材料として、金属と絶縁膜との接着強度のある材料を用いている。これにより、外部からの液体や気体の侵入を防止する効果だけでなく、配線電極１のクラックが発生する問題をも解決することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。充填材５として液状の材料を用いる場合には、塗布法に限らず、ディッピング法を用いることも可能である。また、充填材５としては、絶縁体に限定されるものではなく、金属材料を用いることもできる。充填材５として金属材料を用いる場合には、スパッタ法やＣＶＤ法等の堆積法を用いることができる。

１ 配線電極
２ 絶縁膜
３ バンプ電極
４ 隙間
５ 充填材
６ 減圧チャンバ
７ ウェハステージ
８ 半導体ウェハ
９ 塗布ノズル

Claims (10)

1. 半導体基板上に形成された電極上に、当該電極を露出する開口部を備える絶縁膜を形成し、
   前記開口部において露出する前記電極上に無電解めっき法によりバンプ電極を形成し、
   前記バンプ電極と前記絶縁膜との間の隙間に充填材を充填する、
   半導体装置の製造方法。
2. 前記充填材を充填する前に、前記半導体基板を冷却又は加熱して、前記隙間を大きくし、
   前記隙間を大きくした状態で、前記隙間に充填材を充填することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記充填材の充填は、減圧下で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記充填材の材料を、スピンコート法により前記半導体基板の略全面に塗布することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体基板の略全面に前記充填材を形成した後、前記バンプ電極と前記絶縁膜との間の隙間以外の部分に形成された前記充填材を除去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。
6. 前記充填材は、絶縁体又は金属材料を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 半導体基板上に形成された電極と、
   前記電極上に形成され、前記電極を露出する開口部を備える絶縁膜と、
   前記開口部において露出する前記電極上に形成されたバンプ電極と、
   前記絶縁膜と前記バンプ電極との間に設けられた充填材と、
   を備える半導体装置。
8. 前記バンプ電極は、無電解めっき法により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記充填材は、前記絶縁膜及び前記バンプ電極と接着することを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置。
10. 前記充填材は、絶縁体又は金属材料であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。

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