JP2011061183A - 回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い回路基板を低コストで供給する。
【解決手段】開口部１０１を介してチップ取り出し電極２を含む基板１の一部表面が露出するようメタルマスク１００を基板１に被せ、イオンプレーティング法により金属導体を形成した後、メタルマスク１００を剥離することによって、基板１の一部表面に形成された金属導体からなる配線層２１を形成する。これにより、フォトリソグラフィー法を用いることなく、基板上に配線層２１を直接形成することができるため、生産性が高く低コストな回路基板を提供することが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は回路基板及びその製造方法に関し、特に、他の基板と接続するための外部端子電極が形成された回路基板及びその製造方法に関する。さらには、ウエハレベルパッケージ構造およびその製造方法に関するものである。

近年、コンピュータや移動体通信機器など半導体チップを用いた回路システムに対しては、小型化の要求が非常に高まっている。このような要求を満たすため、半導体チップはそのチップサイズに近いチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）に実装されることがある。

ＣＳＰを実現する方法の一つとして、ウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）と呼ばれるパッケージング方法が知られている（特許文献１，２参照）。ＷＬＰは、ダイシングにより個片化する前のシリコンウエハに対して外部端子電極などを形成する方法であり、ダイシングによる個片化は、ＷＬＰの後に行われる。ＷＬＰを用いれば、多数の半導体チップに対して外部端子電極などの形成を同時に行うことができるため、生産性を高めることができると期待されている。

特開２００４−３１９７９２号公報 特開２００７−１５７８７９号公報

しかしながら、ＷＬＰは、内部端子電極を有する基板を製造する前工程以後の工程であり、ボンディングワイヤを用いた一般的なパッケージング方法とは異なり、基板を含む最終製品に仕上げる後工程において一般的にフォトリソグラフィー工程（レジスト塗布、露光、現像、レジスト剥離）が含まれるため、製造コストが高いという問題があった。例えば、特許文献１の図９には、フォトリソグラフィー法によって配線層（１２）をパターニングし、さらに、フォトリソグラフィー法によって絶縁層（２１）をパターニングした後、外部端子電極（３１）を形成する方法が記載されている。また、特許文献２の図３〜図４にも、フォトリソグラフィー法によって配線層（１３）をパターニングし、さらに、フォトリソグラフィー法によって絶縁層（１５）をパターニングした後、外部端子電極（１６）を形成する方法が記載されている。

このような問題は半導体チップのＷＬＰに限らず、微細な内部回路が形成された各種回路基板に外部端子電極を形成する他のケースにおいても生じる問題である。

このため、微細な内部回路が形成された回路基板、特にシリコンウエハにウエハレベルで外部端子電極を形成するより安価な方法が求められている。

本発明者らは、回路基板に外部端子電極を形成する安価な方法について鋭意研究を重ねた結果、メタルマスクを介して回路基板上に金属材料をイオンプレーティングし、その後メタルマスクを剥離（リフトオフ）する方法を用いれば、フォトリソグラフィー工程を用いることなく、外部端子電極と接続するための配線層を形成できることを見いだした。イオンプレーティング法自体は広く知られた金属成膜方法であるが、イオンプレーティング法とリフトオフ法を組み合わせることによって、フォトリソグラフィー法を用いることなく配線層を直接形成する方法（イオンプリンティング）は、少なくとも半導体チップのＷＬＰにおいては提案された例がない。その理由として、ＷＬＰにおいて膜厚の薄い配線層を形成する方法としては、フォトリソグラフィー法と蒸着やスパッタリングなどの非イオンスピーシーズによる物理被着を用いた方法が確立しており、ＷＬＰにおいて膜厚の厚い配線層を形成する方法としては、フォトリソグラフィー法とメッキ法を用いた方法が確立しているためであると考えられる。しかしながら、本発明者らの研究によれば、上記の方法、すなわちイオンプリンティングで回路基板上に配線層を形成する方が、フォトリソグラフィー法を用いた現在のプロセスよりも製造コストが低くなるばかりでなく、形成された配線層の特性も良好となることを見いだした。

本発明は、このような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明による回路基板の製造方法は、内部端子電極を有する基板に、前記内部端子電極と外部とを電気的に接続する外部端子電極を形成する回路基板の製造方法であって、前記内部端子電極を含む前記基板の表面の一部が露出するような開口部を有する金属性のメタルマスクを前記基板に被せるマスク工程と、前記基板の前記表面の一部及び前記メタルマスク上に、イオンプレーティング法により金属性の導体を形成する成膜工程と、前記メタルマスクを剥離することによって、前記基板の表面の一部に形成された金属性の導体からなる配線層を残存させるリフトオフ工程と、前記配線層に電気的に接続された前記外部端子電極を形成する電極形成工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一側面による回路基板は、内部端子電極を有する基板と、前記基板の表面の一部に形成され、前記内部端子電極に電気的に接続する配線層と、前記配線層の表面の第１の部分を覆うことなく、前記配線層の表面の第２の部分を覆う絶縁膜と、前記配線層の第１の部分を覆い、前記配線層に電気的に接続することによって外部と前記内部端子電極とを電気的に接続する外部端子電極と、を備え、前記配線層の第２の部分は、前記基板の表面に垂直な方向から見たエッジ部を含み、前記エッジ部における前記配線層の前記基板の表面と垂直な断面の角度が５５°以下である、ことを特徴とする。

さらに、本発明の他の側面による回路基板は、内部端子電極を有する基板と、前記基板の表面の一部に形成され、一端が前記内部端子電極に接続する導電性の配線層と、前記配線層の他端に接続され、外部との接続に用いられる外部端子電極と、を備え、前記配線層は、前記基板の表面方向とは異なる方向に対して垂直に伸びる柱状の塊の集合体によって構成されていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態においては、複数の半導体回路を形成した前工程完成ウエハ（基板）１の取り出し電極部（内部端子電極）２上とそれに繋がる面にバリア金属４を、メタルマスクを通してパターン被着し、そのパターン上に銅配線５をメタルマスクを通してパターン被着し（リフトオフプロセス）再配線パターンとなし、さらに接続のための電極を形成するため、再配線パターン上にバリア金属６を、メタルマスクを通してパターン被着し、そのパターン上に銅配線７を、メタルマスクを通してパターン被着し（リフトオフプロセス）、ポスト電極となし、ポスト電極部を除いて液状有機保護膜８を印刷で形成する構造を有し、露出ポスト部にはんだボール（外部端子電極）９などを形成した後、ダイシングにより基本回路チップとなす構造を特徴とするウエハレベルパッケージ半導体回路であり、バリア金属および銅配線のパターン被着をイオンプレーティング法により形成したその金属膜の結晶状態が柱状結晶あるいは多結晶であることを特徴とする。

金属のパターン被着は、イオンプレーティングのイオン化に高周波高電界によるプラズマ（被着対象イオンエネルギ０．１から１０００ｅＶ）又は熱電子を利用し、イオン化した被着金属の被着エネルギの主要部分を平均２５±１０ｅＶ、分布を０．０１ｅＶから２５０ｅＶ（５％以下切捨て）の範囲に実質的に押さえることが好ましい。このエネルギ範囲に設定すれば、バリア金属４又は６を省略することもできる。

本発明によれば、メタルマスクを用いたイオンプレーティング法とリフトオフ法の組み合わせ（イオンプリンティング）によって基板上に配線層を直接形成していることから、フォトリソグラフィー工程を用いる必要がなくなる。これにより、特にＷＬＰにおける製造コストを大幅に低減することが可能となる。

しかも、イオンプリンティングによって形成される配線層のエッジ部は、角度が５５°以下となることから、エッジ部における応力が緩和され、配線層と保護絶縁膜との密着性も向上することから、パッケージの信頼性が高められる。さらに、配線層が柱状結晶の集合体によって構成されることから、被着歪みが少なくなり、基板と配線層との密着性が高められる。

これにより、信頼性の高い回路基板を低コストで供給することが可能となる。

本発明の好ましい実施形態による回路基板（シリコンウエハ）の構造を示す模式的な断面図である。 シリコンウエハ１０の主要部を拡大して示す断面図である。 （ａ）は配線層２１の平面形状の一例を示す平面図であり、（ｂ）は配線層２２の平面形状の一例を示す平面図である。 図３（ｂ）に示す直線Ｂに沿った拡大断面図である。 縁部２２ａの幅を説明するための模式図である。 図３（ａ）に示す直線Ｃに沿った拡大断面図である。 シリコンウエハ１０の製造方法を説明するための工程図である。 シリコンウエハ１０の製造方法を説明するための工程図である。 側面２１ｓが基板に対して斜めとなる原理を説明するための模式図である。 アディティブ法を用いて形成された配線層２１の形状を説明するための関連図である。 サブトラクティブ法を用いて形成された配線層２１の形状を説明するための関連図である。 アディティブ法を用いて形成された配線層２２の形状を説明するための関連図である。 サブトラクティブ法を用いて形成された配線層２２の形状を説明するための関連図である。 イオンプレーティング法によって形成されたＣｕの断面を示す図である。 柱状の塊３０の集合体が成長するメカニズムを説明するための図である。 イオンプレーティング法によって形成されたＣｕ膜のＸ線回折測定の結果を示すグラフである。 本発明の変形例を示す図である。 本発明の変形例を示す別の図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による回路基板（シリコンウエハを含む）の構造を示す模式的な断面図（第３の方向（Ｚ））である。

図１に示すように、本実施形態によるシリコンウエハ１０は、ウエハ本体である基板１と、基板１の表面に形成されたチップ取り出し電極（内部端子電極）２と、チップ取り出し電極２に電気的に接続された半田ボール（外部端子電極）９とを備えている。基板１は、その後個片化される複数の半導体チップからなる集合基板である。これら半導体チップに形成されている回路は互いに同一である。

基板１の表面は、チップ取り出し電極２が設けられた領域以外のほぼ全面が絶縁性のパッシベーション膜３（第２の絶縁膜）で覆われている。特に限定されるものではないが、チップ取り出し電極２は一般的にＡｌからなり、パッシベーション膜３は一般的に厚さ５μｍ程度のポリイミドからなる。チップ取り出し電極２には、後述する配線層と接する表面にメッキ（例えばＮｉ＋Ａｕ）があらかじめ施されていても構わない。尚、本明細書においては、「基板１」と言うときには、チップ取り出し電極２及びパッシベーション膜３を含むことがある。したがって、「基板１の表面」とは、チップ取り出し電極２の表面や、パッシベーション膜３の表面も指すことがある。

これら基板１、チップ取り出し電極２及びパッシベーション膜３からなる部分は、いわゆる前工程（拡散工程）にて作製される部分である。前工程においては、ステッパーなどを用いた極めて高精度なフォトリソグラフィー法によって、極微細な内部配線などが基板上に形成される。これら内部配線の端子となる部分がチップ取り出し電極２である。本実施形態によるシリコンウエハ１０は、その表面にウエハレベルで加工を施すことにより、図１に示す配線層２１，２２及び半田ボール９などを形成するものである。図１に示す破線Ａはスクライブラインであり、シリコンウエハ１０に対するウエハレベルでの加工（ＷＬＰ工程）が完了した後、スクライブラインに沿ってシリコンウエハ１０をダイシングすることにより、個々の半導体チップに個片化される。

図２は、シリコンウエハ１０の主要部を拡大して示す断面図である。図２においては、半田ボール９が形成された面を下側にして示している。

図２に示すように、基板１の表面には、チップ取り出し電極２とパッシベーション膜３が設けられている。上述の通り、パッシベーション膜３は、基板１の表面のうちチップ取り出し電極２が設けられた領域以外のほぼ全面を覆っている。取り出し電極２は、バリア金属配線４及び銅配線５が積層されてなる第１の配線層２１に接続されている。特に限定されるものではないが、バリア金属配線４の厚みとしては０．３μｍ程度、銅配線５の厚みとしては５μｍ程度とすればよい。

第１の配線層２１は、チップ取り出し電極２を覆う第１の端部２１ａと、第２の端部２１ｂと、基板１の表面に沿って延在し端部２１ａと端部２１ｂとを接続する再配線部２１ｃとを有している。配線層２１の平面形状（それは第１の方向（Ｘ）及び第２の方向（Ｙ）で示される）の一例は図３（ａ）に示されており、特に限定されるものではないが、端部２１ａ，２１ｂの径よりも再配線部２１ｃの幅が細く設計される。また、端部２１ａは、チップ取り出し電極２の全面を覆うよう、チップ取り出し電極２の径よりもやや大きく設計される。配線層２１の上面のうち、配線層２２によって覆われる部分以外は、全て保護絶縁膜８によって覆われる。本明細書においては、配線層２１，２２の上面のうち、保護絶縁膜８によって覆われていない部分を「第１の部分」と呼び、保護絶縁膜８によって覆われた部分を「第２の部分」と呼ぶことがある。したがって、配線層２１は第１の部分を有していない。

さらに、図２に示すように、配線層２１の端部２１ｂには、バリア金属配線６及び銅配線７が積層されてなる第２の配線層２２に接続されている。特に限定されるものではないが、バリア金属配線６の厚みとしては０．３μｍ程度、銅配線７の厚みとしては１０μｍ程度とすればよい。第２の配線層２２は、半田ボール９の下地となるポスト電極として機能する配線層であり、基板１の表面に対して垂直に設けられている。換言すれば、再配線部２１ｃのように基板１の表面に沿って延在する部分を有していない。配線層２２の平面形状の一例は図３（ｂ）に示されており、配線層２１の端部２１ｂよりも僅かに小さい径を有している。一方、図３（ｂ）に示すように、配線層２２は、半田ボール９の底面９ａを全て覆うよう、半田ボール９の底面９ａよりもやや大きく設計される。これらは、後述する図５を用いた説明にて詳細に理解できる。特に限定されるものではないが、半田ボール９の径が５００μｍ程度であれば、配線層２２の径は４００μｍ程度とすればよい。

バリア金属配線４，６としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ又はＰｄからなる単層膜、或いは、ＴｉとＮｉの積層膜などを用いることができる。本発明においてバリア金属配線４，６を設けることは必須でないが、一般に、パッシベーション膜３の表面に銅配線５を直接形成すると両者の密着性が不足し、一旦大気中に曝された銅配線５の表面に銅配線７を直接形成すると両者の密着性が不足するため、これらを設けることが好ましい。但し、本発明においては銅配線５，７をイオンプレーティング法によって形成するため、被着エネルギを制御することによって密着性や被着応力を調整することが可能である。したがって、本発明においては、従来のＷＬＰに比べると、バリア金属配線４，６を設ける必然性は低い。

図２に示すように、基板１の表面のうち半田ボール９が形成される領域を除く全面は、保護絶縁膜８で覆われている。保護絶縁膜８の材料については特に限定されないが、液状の有機絶縁材料をキュアなどで固化した材料を用いることが好ましい。

かかる構造により、配線層２１の表面のうち、配線層２２によって覆われる部分以外は全て保護絶縁膜８によって覆われることになる。同様に、配線層２２の表面のうち、半田ボール９の底面９ａによって覆われる部分（第１の部分）以外は全て保護絶縁膜８によって覆われることになる（第２の部分）。図３（ｂ）に示すように、配線層２２の表面のうち、半田ボール９の底面９ａによって覆われる部分は配線層２２の中央部であることから、配線層２２の表面のうち外周に沿った縁部２２ａは保護絶縁膜８によって覆われることになる。この様子は、図３（ｂ）に示す直線Ｂに沿った拡大断面図である図４にも示されており、配線層２２の縁部２２ａの表面が保護絶縁膜８で覆われていることが分かる。

かかる構造により、保護絶縁膜８によって配線層２２のエッジを含む縁部２２ａが保護されるため、剥離の発生などを防止することができる。エッジとは、基板１の表面に垂直な方向から見た端部を指す。また、配線層２２の縁部２２ａが保護絶縁膜８によって覆われることにより、配線層２２の脱落などが生じなくなる。これらにより、パッケージの信頼性を高めることが可能となる。

ここで、配線層２２の縁部２２ａの幅Ｌ（図３（ｂ）参照）、つまり、保護絶縁膜８で覆われる幅については、特に限定されるものではないが、１μｍ以上に設定することが好ましい。これは、縁部２２ａの幅Ｌが１μｍ未満であると上記の効果が十分に得られないおそれがあるからである。縁部２２ａの幅Ｌの上限については特に限定されないが、３０μｍ以下とすることが好ましい。これは、縁部２２ａの幅Ｌを３０μｍ超としても、上記の効果はそれ以上向上しない反面、半田ボール９との接触面積が必要以上に小さくなるからである。半田ボール９との接触面積を十分に確保しつつ、上記の効果を十分に得るためには、縁部２２ａの幅Ｌを１５μｍ程度とすることが好ましい。尚、縁部２２ａの幅Ｌとは、図５に示すように、配線層２２の側面２２ｓの平均的接線Ｄ１と配線層２２の上面２２ｕに沿った仮想線Ｄ２との交点Ｐから、保護絶縁膜８の端部８ａまでの距離によって定義される。また、図５に示すように、保護絶縁膜８の基板１からの高さは、配線層２２の上面２２ｕの基板１からの高さよりも高い。図５に示すように、配線層２２の側面２２ｓは垂直ではなく斜めである。この点は配線層２１についても同様であり、以下、配線層２１を例にその断面構造について説明する。

図６は、図３（ａ）に示す直線Ｃに沿った拡大断面図である。

図６に示すように、配線層２１の断面形状は、上面２１ｕが基板１の表面に対してほぼ平行であるのに対し、側面２１ｓは基板１の表面に対して斜めの角度を有している。つまり、配線層２１のエッジ部２１ｅが鋭角とされている。その角度θは５５°以下であり、好ましくは２０°以上４０°以下であり、特に好ましくは２５°以上３５°以下である。本実施形態では配線層２１のエッジ部２１ｅがこのような角度を有しているため、エッジ部２１ｅにおける応力が緩和される。しかも、配線層２１と保護絶縁膜８との接触面積が増大することから、両者の密着性も向上する。さらに、エッジ部２１ｅが保護絶縁膜８によって上方から覆われるため、配線層２１とパッシベーション膜３との密着性も向上する。これらにより、パッケージの信頼性を高めることが可能となる。図５に示したように、上記の角度θを有するエッジ部２１ｅは保護絶縁膜８によって覆われていることから、第１の部分（保護絶縁膜８によって覆われていない部分）とは、配線層２１，２２の表面のパターン形状から、角度θを有するエッジ部を構成する部分を除く内包領域となる。尚、図５に示したように、配線層２１の側面２１ｓは、その断面が必ずしも直線的ではなく、角度が徐々に変化する曲線である場合がある。このような場合における角度θとは、図５に示すエッジ部２１ｅ，２２ｅにおける角度によって定義される。エッジ部２１ｅは配線層２１がパッシベーション膜３と接する起点であり、エッジ部２２ｅは配線層２２が配線層２１と接する起点である。

次に、本実施形態によるシリコンウエハ１０の製造方法について説明する。

図７〜図８は、本実施形態によるシリコンウエハ１０の製造方法を説明するための工程図である。

まず、前工程（拡散工程）が完了した基板１を用意し、図７（ａ）に示すように、その表面をメタルマスク１００で覆う（マスク工程）。メタルマスク１００（第１のメタルマスク）には配線層２１の平面形状に対応する複数の開口部１０１が設けられており、基板１の表面のうち、配線層２１を形成すべき領域が開口部１０１を介して露出するよう、メタルマスク１００を被せる。配線層２１を形成すべき領域とは、図７（ａ）に示すようにチップ取り出し電極２を含む領域である。メタルマスク１００は、フィックスチャーを用いて位置合わせした後、基板１に密着させ、イオンプレーティング装置の陰極側に接続される。メタルマスク１００は、温度や被着金属によるひずみによるそりが出ないよう、フィックスチャーの固定部で周辺に多少の張力がかかるように固定される。

メタルマスク１００の材料については特に限定されないが、金属性であり、好ましくはステンレスなどを用いることが好ましい。メタルマスク１００は、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたフォトレジストなどとは異なるリジッドなマスクであり、１枚のメタルマスク１００をそのままの状態で基板１に被せることが可能であり、且つ、そのままの状態で基板１から剥離することが可能である。この点において、フォトレジストなどの有機マスクとは明確に区別される。

次に、図７（ｂ）に示すように、メタルマスク１００を被せた状態で、イオンプレーティング法によってバリア金属材料４ａ及びＣｕ５ａをこの順に被着させる（成膜工程）。イオンプレーティング法とは、被着すべき金属材料を真空中で蒸発又は昇華させ、金属蒸気に正の電荷、被着基板に負の電荷を印加することによって、被着基板に金属材料を蒸着する方法である。したがって、図７（ｂ）に示す工程は、基板１を真空チャンバーに収容し、気体状のバリア金属材料及びＣｕに正の電荷、基板１に負の電荷を印加することによって行う。

これにより、メタルマスク１００の開口部１０１を介して露出している基板の表面、並びに、メタルマスク１００の上面に、バリア金属材料４ａ及びＣｕ５ａが堆積した状態となる。この時、開口部１０１を介して露出している部分に形成されるバリア金属材料４ａ及びＣｕ５ａは、図９に示すように、上面２１ｕが基板１の表面に対してほぼ平行となるのに対し、側面２１ｓは基板１の表面に対して斜めとなる。これは、ある程度厚みのあるメタルマスクを介してイオンプレーティングを行った場合の特徴であり、開口部１０１を介して露出した領域のうち、メタルマスク１００の側面１００ｓに近い部分は単位時間当たりの被着量が少なくなるからである。

その理由は、基板１に引き寄せられる金属蒸気のうち進行方向がやや斜めである成分は、開口部１０１の中央においてはメタルマスク１００に阻害されることなく基板１に被着する一方（矢印３１参照）、開口部１０１の端部においてはメタルマスク１００に阻害されて基板１に到達しないからである（矢印３２参照）。また、図９に示すように、メタルマスク１００の側面１００ｓにも金属材料がオーバーハング状に被着するため、これがマスクとなって開口部１０１の端部における被着量が減少する。このような原理により、上面２１ｕについては基板１に対してほぼ平行となるのに対し、側面２１ｓについては基板１に対して斜めとなる。かかる構造によって得られる効果については既に説明したとおりである。

これに対し、ＷＬＰにおける配線層の一般的な形成方法であるメッキ法（アディティブ法）を用いた場合、図１０に示すように、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたフォトレジスト４１の開口部内に、配線層４２が選択的に形成される。この場合、フォトレジスト４１の開口部の内壁４１ｓは、フォトリソグラフィー法によってパターニングされた結果、実質的に基板１の表面に対して垂直であることから、開口部内に形成される配線層４２の側面も実質的に垂直となる。

また、ＷＬＰにおける配線層の一般的な形成方法ではないが、サブトラクティブ法を用いた場合、図１１（ａ）に示すように、基板の全面に形成された金属導体５１の表面にフォトリソグラフィー法によってパターニングされたフォトレジスト５２が形成される。そして、図１１（ｂ）に示すように、フォトレジスト５２をマスクとして金属導体５１をパターニングすると、形成される配線層５３の側面は基板１の表面に対して実質的に垂直となる。

このように、フォトリソグラフィー法を用いた場合には、形成される配線層の側面は実質的に垂直となることから、上述した効果を得ることはできない。

本願の特徴の説明に戻り、このようにしてバリア金属材料４ａ及びＣｕ５ａをこの順に被着させた後、図７（ｃ）に示すように、メタルマスク１００を基板１から剥離する（リフトオフ工程）。これにより、開口部１０１内のバリア金属材料４ａ及びＣｕ５ａが残存することから、フォトリソグラフィー法を用いることなく、リフトオフ法によってバリア金属配線４及び銅配線５からなる第１の配線層２１がパターニングされることになる。このように、本発明では、イオンプレーティングとリフトオフプロセスによって、フォトリソグラフィー法を用いることなく配線層２１を直接形成することができる。本明細書においては、このような手法をイオンプリンティングと呼ぶことがある。

第１の配線層２１を形成した後は、引き続き第２の配線層２２を形成する。第２の配線層２２の形成方法は第１の配線層２１の形成方法と同じであり、図８（ａ）に示すように、配線層２２の平面形状に対応する開口部２０１が設けられたメタルマスク２００（第２のメタルマスク）を用意し、基板１の表面のうち、配線層２２を形成すべき領域が開口部２０１を介して露出するよう、メタルマスク２００を被せる（マスク工程）。配線層２２を形成すべき領域とは、図３（ｂ）に示すように第１の配線層２１の端部２１ｂを含む領域である。メタルマスク２００の材料については、メタルマスク１００と同じ材料を用いればよい。

次に、メタルマスク２００を被せた状態で、イオンプレーティング法によってバリア金属材料６ａ及びＣｕ７ａをこの順に被着させる（成膜工程）。これにより、メタルマスク２００の開口部２０１を介して露出している基板１の表面（正確には銅配線５の表面）、並びに、メタルマスク２００の上面に、バリア金属材料６ａ及びＣｕ７ａが堆積した状態となる。この場合も、開口部２０１を介して露出している部分に形成されるバリア金属材料６ａ及びＣｕ７ａは、図９に示すように、上面２２ｕが基板に対してほぼ平行となるのに対し、側面２２ｓが基板に対して斜めとなる。

そして、図８（ｂ）に示すように、メタルマスク２００を基板１から剥離すれば（リフトオフ工程）、フォトリソグラフィー法を用いることなく、バリア金属配線６及び銅配線７からなる第２の配線層２２が形成される。

次に、図８（ｃ）に示すように、半田ボール９を形成すべき部分を除く基板１の表面に、流動性を有する絶縁材料を選択的に供給し、キュアを行うことにより固化する（保護絶縁膜形成工程）。絶縁材料の選択的な供給は、スクリーン印刷法を用いることが好ましい。絶縁材料を選択的に供給すると、配線層２１の全面と配線層２２の側面２２ｓが保護絶縁膜８によって覆われることになる。絶縁材料を供給する前の段階では、配線層２２が基板から最も突出していることから、配線層２２を避けるように絶縁材料を選択的に供給すれば、配線層２２の側面によって絶縁材料が堰き止められるため、配線層２２の上面の全体が絶縁材料によって覆われることはない。但し、配線層２２の上面が絶縁材料によって全く覆われないわけではなく、拡大図である図５に示したように、表面張力によって配線層２２の縁部２２ａが覆われる。かかる構造によって得られる効果については既に説明したとおりである。

これに対し、ＷＬＰにおける配線層の一般的な形成方法であるメッキ法（アディティブ法）を用いた場合、図１２に示すように、フォトリソグラフィー法によってパターニングされた保護絶縁膜６０の開口部６１内に、ポスト電極となる配線層６２が選択的に形成される。この場合、配線層６２が保護絶縁膜６０よりも後に形成されることから、配線層６２の縁部６２ａが保護絶縁膜６０によって覆われることはない。

また、サブトラクティブ法を用いた場合も、図１３に示すように、保護絶縁膜７０の全面に形成された金属導体がパターニングされることになる。この場合も、配線層７１が保護絶縁膜７０よりも後に形成されることから、配線層７１の縁部７１ａが保護絶縁膜７０によって覆われることはない。

このように、フォトリソグラフィー法を用いた場合には、配線層６２，７１の縁部６２ａ，７１ａが保護絶縁膜６０，７０で覆われることがないため、上述した効果を得ることはできない。

本願の特徴の説明に戻り、その後は、配線層２２の露出部分に半田を供給しこれを溶融させれば、図１に示すように半田ボール９が形成される（電極形成工程）。以上により、一連のＷＬＰ工程が完了する。その後は、スクライブラインに沿って基板１をダイシングすれば、個々の半導体チップに個片化することができる（切断工程）。尚、基板１のダイシングは、保護絶縁膜８を形成した後、半田ボール９を形成する前に行っても構わない。

以上説明したように、本実施形態によるシリコンウエハ１０の製造方法によれば、２回のイオンプリンティングによって、フォトリソグラフィー工程（レジストの塗布、露光、現像、及びレジストの剥離を含む一連の工程）を経ることなく配線層２１，２２が直接形成される。このため、従来の一般的な方法を用いた場合と比べて、工程数が１／３〜１／４に減少する。しかも、メタルマスク１００は安価に大量生産可能であるとともに、被着した金属をエッチングにより除去すればそのエッチングされた金属材料を繰り返し使用することが可能である。本発明者らの実験によれば、５回程度繰り返して使用しても、形成される配線層２１，２２に品質の低下は見られなかった。これらにより、生産性が高く低コストなシリコンウエハ１０を提供することが可能となる。

尚、配線層２１，２２に含まれる銅配線５，７は、膜厚が比較厚いため（上記の例ではそれぞれ５μｍ及び１０μｍ）、応力の発生原因となる。しかしながら、上述の通り配線層２１，２２のエッジが鋭角であり、その角度θが５５°以下であることから、エッジ部における応力が緩和される。応力をより緩和するためには、イオンプレーティング時における基板１の温度を低温化するとともに、被着原子エネルギを低い状態とすることによって、ひずみの少ない成膜条件に制御することが好ましい。

より具体的には、イオンプレーティング時における被着原子エネルギを５〜１００ｅＶの範囲に設定することが好ましい。これは、被着原子エネルギが高すぎると、界面破壊が生じるからである。これに対し、被着原子エネルギを上記の範囲に設定すれば、セカンダリマイグレーションが活発となる結果、被着金属は成長方向に伸びる柱状結晶の集合体となる。

図１４は、イオンプレーティング法によって形成されたＣｕの断面を示す図である。

図１４に示すように、Ｃｕをイオンプレーティング法によって形成すると、Ｃｕは成長方向に伸びる柱状の塊３０の集合体となる。柱状の塊３０とは、典型的には配線層を構成する金属材料（Ｃｕ）の結晶体であり、この場合、隣接する２つの塊３０の境界部分は結晶界面となる。また、これら柱状の塊３０の少なくとも一部は、互いに結晶方位が異なることがある。柱状の塊３０の成長方向は、基板１の表面方向とは異なる方向であり、典型的には基板の表面に対してほぼ垂直な方向である。したがって、イオンプレーティング法によって形成される配線層２１，２２は、典型的には、基板１の表面に対してほぼ垂直に伸びる柱状結晶の集合体によって構成されることになる。このため、面方向に対しては細分化されたグレインとなることから、被着ひずみが少なく且つ界面においては強固な接着力を得ることが可能となる。

図１５は、柱状の塊３０の集合体が成長するメカニズムを説明するための図である。

まず、真空中でイオン化されたスピーシーズ３２がクーロン力により基板３１に向かって運動し、基板３１に付着する（図１５（ａ））。基板３１に付着したスピーシーズ３２ａは、セカンダリマイグレーションによって基板３１の表面を移動し、これによって移動したスピーシーズ３２ｂ同士が合体する（図１５（ｂ））。これを繰り返すことにより、基板３１の表面には、スピーシーズの核３２ｃが形成される（図１５（ｃ））。図１５（ｄ）はスピーシーズの核３２ｃを平面方向から見た図である。イオンプレーティングが進むにつれて、核３２ｃは平面方向及び高さ方向に成長し、島状の塊３２ｄとなる（図１５（ｅ））。島状の塊３２ｄは、イオンプレーティングが進むにつれてさらに成長し、基板３１の表面が隙間なく島状の塊３２ｄで覆い尽くされた後は、高さ方向に成長を進め、柱状の塊３０となる（図１５（ｆ））。このようなメカニズムにより柱状の塊３０の集合体が成長することから、早期に島状の塊３２ｄが形成された箇所においては柱状の塊３０の高さが高くなり、他の箇所においては柱状の塊３０の高さがやや低くなる。このため、柱状の塊３０の基板３１からの高さは互いに僅かに異なることになり、その結果、配線層２１，２２の表面には、細かな凹凸が現れることになる。

使用するイオンプレーティング装置としては、市販のイオンプレーティング装置を用いることができるが、被着金属イオンのエネルギを制御することによって、密着力を確保しつつひずみの発生しにくい成膜条件とすることができる。イオン源は電子ビーム法で蒸発させ、蒸発した金属原子を高周波コイルの中で発生しているＡｒプラズマに浸入させ、イオン化させる。イオン化された金属原子はマイナス電極に設置されたウエハにクーロン力で引き付けられ、被着する。

その被着エネルギはイオンの平均自由工程と電圧に関与する。イオンの有効面積をσ２とすると、平均自由工程λ[ｍ]はＡｒガス温度Ｔ[Ｋ]およびガス圧Ｐ[Ｐａ]で決まり、次式で表すことができる。

また、イオン質量をｍ[ｇ]とすると、加速される速度ｖは、次式で表すことができる。

したがって、イオン加速エネルギＵは、次式で表すことができる。

当然、λはボルツマン分布をしているため、０から１０００倍以上という広がりを持つが、平均自由行程で被着層の性質が異なることになる。

ボルツマン分布からＣｕ^２＋イオンの粒子エネルギの平均値１５．５ｅＶとすると、分布はおおむね２００ｅＶ（０．０１％以下を切捨て）で収まる。この値は原子結合エネルギの約５から１０倍であり、被着後再配列するエネルギを持っているが、被着された状態を乱す値ではないことから、被着膜の応力が発生しない条件である。この条件で被着したＣｕ膜のＸ線回折によるピークを圧延銅箔と比較した測定結果を図１６に示す。図１６は、上記の件で被着したＣｕ膜８０と、標準Ｃｕ板８１とを比較した図である。最大ピーク（２θ＝６９°）と２θ＝３３°のピークはＳＵＳ板に貼り付けたための、ＳＵＳを表すピークであり、これを除外してみる必要があるが、全体として強度が強い方が標準Ｃｕ板８１であり、それと同じ場所にピーク値が一致していることから、ひずみのないＣｕ結晶となっていることが分かる。

以上の説明で明らかなように、ひずみの少ない厚いＣｕ配線をフォトリソグラフィー法を用いることなく形成することができ。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、本発明において基板上に２層の配線層２１，２２を設けることは必須でなく、模式図である図１７に示すように、チップ取り出し電極２の上部に配線層２２を直接形成しても構わない。つまり、再配線部を有する配線層２１を省略することも可能である。このような構造は、チップ取り出し電極２の電極ピッチが十分に広く、再配線を行う必要がないケースにおいて好適である。この場合、図１８に示すように、配線層２２の側面２２ｓは斜め（５５°以下）であり、配線層２２の上面２２ｕのうち外周に沿った縁部２２ａは保護絶縁膜８によって覆われる。

また、上記実施形態においては、配線層２１，２２をバリア金属配線と銅配線の２層構造としたが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、バリア金属配線を省略しても構わないし、銅配線の代わりに他の金属材料からなる配線を用いても構わない。Ｃｕ以外の好ましい他の金属材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＮｉを挙げることができる。特に、Ａｌは一般的なＷＬＰにて用いられるメッキ法では形成することができない金属材料であるが、イオンプレーティング法によれば、金属の種類にかかわらず成膜可能である。また、銅配線の代わりにＡｌ配線を用いた場合、バリア金属配線は不要である。さらに、銅配線の代わりに、複数の金属材料からなる多元合金を含む配線を用いても構わない。多元合金は、その種類によってはメッキ法で形成することが困難であるが、イオンプレーティング法によれば、任意の種類の金属を任意の比率で混合させることが可能となる。多元合金を使用したイオンプレーティング法によって、さらに製造コストが低減できる。

また、上記実施形態においては、おなじメタルマスクを用いてバリア金属配線（第１の金属性の導体）と銅配線（第２の金属性の導体）の複数の配線層を連続的に形成している（一回の前記マスク工程、連続する複数回の前記成膜工程、及び前記一回のマスク工程に対応する一回の前記リフトオフ工程からなる一連の工程群）が、本発明がこれに限定されるものではなく、メタルマスクを用いてバリア金属配線を形成した後このメタルマスクを剥離し、別のメタルマスクを用いて銅配線を形成しても構わない。

さらに、本発明の対象がシリコンウエハに限定されるものではなく、種々の回路基板に適用することが可能である。

さらに、本願の権利対象である回路基板が、シリコンウエハ及び半導体チップに限定されるものではなく、シリコンウエハ、半導体チップを封止した最終製品としての電子デバイス（単一の半導体チップまたは複数の半導体チップがモールディング等で封止された半導体装置、単一または複数の前記半導体装置を含むカード、単一または複数の半導体チップを含むカード、コンピュータや移動体通信機器などの電子機器に含まれるシステムとしてのマザーボード等）とすることが可能である。この場合、回路基板の外部端子電極は、最終製品が有する外部端子電極となる。本願の一つの技術思想（フォトリソグラフィー工程を経て作成された基板に、フォトリソグラフィー工程を使用せずにメタルマスクを基板に被せるマスク工程、イオンプレーティング法により金属性の導体を形成する成膜工程、及びメタルマスクを剥離するリフトオフ工程、並びに外部端子電極を形成する電極形成工程）と何ら矛盾するものではない。

尚、本願の技術思想及び請求項においては、後工程においてワイヤボンディングを行うことを排除するものではないし、回路基板又は最終製品がボンディングワイヤを含むことを何ら制約するものでもない。よって、実施形態における半田ボール９に替えてボンディングワイヤまたはＴＡＢ（tape automated bonding）を外部端子電極に含めてもよい。

１ 基板
２ チップ取り出し電極（内部端子電極）
３ パッシベーション膜
４，６ バリア金属配線
４ａ，６ａ バリア金属材料
５，７ 銅配線
８ 保護絶縁膜
８ａ 保護絶縁膜の端部
９ 半田ボール
９ａ 半田ボールの底面
１０ シリコンウエハ
２１ 配線層（第１の配線層）
２２ 配線層（第２の配線層）
２１ａ 第１の端部
２１ｂ 第２の端部
２１ｃ 再配線部
２１ｅ，２２ｅ エッジ部
２１ｓ，２２ｓ 側面
２１ｕ，２２ｕ 上面
２２ａ 縁部
３０ 柱状の塊
３１ 基板
３２，３２ａ，３２ｂ スピーシーズ
３２ｃ スピーシーズの核
３２ｄ 島状の塊
３２ｅ 柱状の塊
１００，２００ メタルマスク
１０１，２０１ 開口部

Claims (31)

1. 内部端子電極を有する基板に、前記内部端子電極と外部とを電気的に接続する外部端子電極を形成する回路基板の製造方法であって、
   前記内部端子電極を含む前記基板の表面の一部が露出するような開口部を有する金属性のメタルマスクを前記基板に被せるマスク工程と、
   前記基板の表面の一部及び前記メタルマスク上に、イオンプレーティング法により金属性の導体を形成する成膜工程と、
   前記メタルマスクを剥離することによって、前記基板の表面の一部に形成された金属性の導体からなる配線層を残存させるリフトオフ工程と、
   前記配線層に電気的に接続された前記外部端子電極を形成する電極形成工程と、
   を備えることを特徴とする回路基板の製造方法。
2. 前記基板は、フォトリソグラフィー法により形成され前記内部端子電極に電気的に接続された内部配線を有することを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法。
3. 前記基板は、同一の回路が繰り返し形成された集合基板であり、
   少なくとも前記リフトオフ工程を行った後、前記集合基板を切断することによって個々の単位基板を取り出す切断工程をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の回路基板の製造方法。
4. 前記切断工程を前記電極形成工程の後に行うことを特徴とする請求項３に記載の回路基板の製造方法。
5. 前記集合基板は半導体ウエハであり、前記単位基板は半導体チップであることを特徴とする請求項３又は４に記載の回路基板の製造方法。
6. 前記リフトオフ工程を行った後、前記電極形成工程を行う前に、前記外部端子電極を形成すべき部分を除く前記基板の表面に流動性を有する絶縁材料を選択的に供給する絶縁膜形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
7. 前記絶縁膜形成工程においては、前記配線層の上面の周縁部を前記絶縁材料で覆うことを特徴とする請求項６に記載の回路基板の製造方法。
8. 一回の前記マスク工程、連続する複数回の前記成膜工程、及び前記一回のマスク工程に対応する一回の前記リフトオフ工程からなる一連の工程群によって、複数の前記配線層を形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
9. 前記連続する複数回の成膜工程は、第１の金属性の導体を形成する第１の前記成膜工程と、第２の金属性の導体を形成する第２の前記成膜工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の回路基板の製造方法。
10. 第１の前記メタルマスクを使用した前記マスク工程、少なくとも一回の前記成膜工程、及び前記マスク工程に対応する前記リフトオフ工程からなる第１の工程群と、
    更に、前記外部端子電極を形成すべき第１の領域が露出するような開口部を有する金属性の第２のメタルマスクを前記基板に被せる第２のマスク工程、
    前記第１の領域及び前記第２のメタルマスク上に、イオンプレーティング法により金属性の導体を形成する少なくとも一回の第２の成膜工程、及び
    前記第２のメタルマスクを剥離することによって、前記第１の領域に形成された金属性の導体からなる第２の配線層を残存させる第２のリフトオフ工程からなる第２の工程群を備え、
    前記第１と第２の工程群により、複数の配線層を形成する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
11. 前記複数の配線層は、
    前記内部端子電極を覆う第１の端部と、前記外部端子電極を形成すべき領域である第２の端部と、前記基板の表面に沿って延在し前記第１の端部と前記第２の端部とを接続する再配線部とを有する第１の配線層と、
    前記第１の配線層の前記第２の端部を覆い、前記第１の配線層と接する第２の配線層と、を含み、
    前記電極形成工程においては、前記第２の配線層と接するように前記外部端子電極を形成することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
12. 前記配線層の形成に関連して、レジストの塗布、露光、現像、及び前記レジストの剥離の各工程を含まない、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
13. 前記成膜工程は、前記基板に所定の電位を与え、前記所定の電位と異なる電位にイオン化された被着金属に、０．０１ｅＶから２５０ｅＶの被着エネルギを与えることを特徴とする請求項1乃至１２のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
14. 前記イオン化された被着金属に、５〜１００ｅＶの被着エネルギを与えることを特徴とする請求項１３に記載の回路基板の製造方法。
15. 内部端子電極を有する基板と、
    前記基板の表面の一部に形成され、前記内部端子電極に電気的に接続する配線層と、
    前記配線層の表面の第１の部分を覆うことなく、前記配線層の表面の第２の部分を覆う絶縁膜と、
    前記配線層の第１の部分を覆い、前記配線層に電気的に接続することによって外部と前記内部端子電極とを電気的に接続する外部端子電極と、を備え、
    前記配線層の第２の部分は、前記基板の表面に垂直な方向から見たエッジ部を含み、
    前記基板と接する前記エッジ部における前記配線層の前記基板の表面と垂直な断面の角度が５５°以下である、ことを特徴とする回路基板。
16. 前記第１の部分は、前記配線層の表面のパターン形状から、前記角度を有するエッジ部を構成する部分を除く内包領域であることを特徴とする請求項１５に記載の回路基板。
17. 前記絶縁膜の前記基板からの高さは、前記外部端子電極側における前記配線層の表面の前記基板からの高さよりも高いことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の回路基板。
18. 前記配線層は、前記基板から前記外部端子電極の方向に積層され、前記内部端子電極に接続された第１の配線層と、前記第１の配線層に接続され且つ前記外部端子電極に接続された第２の前記エッジ部を含む第２の配線層を有し、
    前記第２のエッジ部における前記第２の配線層の前記基板の表面と垂直な断面の角度が５５°以下である、ことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の回路基板。
19. 前記エッジ部は、前記第１の部分を取り囲む部分を含んでいることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか一項に記載の回路基板。
20. 前記配線層は、
    前記内部端子電極を覆う第１の端部と、第２の端部と、前記基板の表面に沿って延在し前記第１の端部と前記第２の端部とを接続する再配線部とを有する第１の配線層と、
    前記第１の配線層の前記第２の端部を覆い、前記第１の配線層と電気的に導通する第２の配線層と、を含み、
    前記配線層の第１の部分は前記第１の配線層に設けられることなく前記第２の配線層に設けられ、前記配線層の第２の部分は前記第１及び第２の配線層にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１９に記載の回路基板。
21. 前記配線層は、前記基板の表面方向とは異なる方向に伸びる柱状の塊の集合体によって構成されていることを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか一項に記載の回路基板。
22. 前記集合体に含まれる複数の柱状の塊の少なくとも一部は、前記基板の表面からの高さが互いに異なることを特徴とする請求項２１に記載の回路基板。
23. 前記集合体に含まれる複数の柱状の塊は、前記配線層を構成する金属材料の結晶体であることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の回路基板。
24. 前記集合体に含まれる複数の柱状の塊の少なくとも一部は、互いに結晶方位が異なることを特徴とする請求項２３に記載の回路基板。
25. 前記配線層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＮｉからなる群より選ばれた金属を主成分として含むことを特徴とする請求項１５乃至２４のいずれか一項に記載の回路基板。
26. 前記配線層は、複数の金属材料からなる多元合金を含むことを特徴とする請求項１５乃至２５のいずれか一項に記載の回路基板。
27. 前記内部端子電極は、前記配線層と接する表面にメッキが施されている層を含むことを特徴とする請求項１５乃至２６のいずれか一項に記載の回路基板。
28. 前記基板は、第１の基板と、前記第１の基板の表面に接し且つ前記内部端子電極の領域を除く前記第１の基板を覆う第２の絶縁膜とを含むことを特徴とする請求項１５乃至２７のいずれか一項に記載の回路基板。
29. 前記配線層は前記第２の絶縁膜の表面に接し且つ前記第２の絶縁膜の一部を覆うことを特徴とする請求項２８に記載の回路基板。
30. 前記基板は、同一の回路が繰り返し形成された半導体ウエハであることを特徴とする請求項１５乃至２９のいずれか一項に記載の回路基板。
31. 内部端子電極を有する基板と、
    前記基板の表面の一部に形成され、一端が前記内部端子電極に接続する導電性の配線層と、
    前記配線層の他端に接続され、外部との接続に用いられる外部端子電極と、を備え、
    前記配線層は、前記基板の表面方向とは異なる方向へ垂直に伸びる柱状の塊の集合体によって構成されていることを特徴とする回路基板。

Images