JP2011199130A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 銅からなる柱状電極上に半田ボールが設けられた半導体装置において、半田ボール中の錫が柱状電極への拡散をより一層抑制することができるようにする。
【解決手段】 下地金属層８をメッキ電流路とした銅、ニッケルおよび半田の電解メッキをこの順で連続して行なうことにより、メッキレジスト膜２５の開口部２６内の上部金属層９のランド上面に柱状電極１０、錫拡散抑制層１１および酸化抑制層１２をこの順で形成する。この結果、この半導体装置が大きな電流を扱う電源ＩＣ等であっても、酸化抑制層１２を含む半田ボール１４中の錫が柱状電極１０に拡散するのをより一層抑制することができる。
【選択図】図５

Description

この発明は半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の半導体装置には、半導体基板上に設けられた配線のランドに半田ボールが設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、銅からなる配線のランド上面に、接触抵抗低減、半田の反応性促進のために、ニッケル等からなるメッキ膜が設けられ、このメッキ膜の上面に半田ボールが設けられている。

ＷＯ２００３/０１２８６３号公報

ところで、上記特許文献１には、メッキ膜の形成方法についての記載はないが、配線のランド以外を絶縁膜で覆い、配線のランドに対応する部分における絶縁膜に形成された開口部内における配線のランド上面に、厚さが絶縁膜の厚さよりも薄いメッキ膜を形成しているので（特許文献１の図７参照）、メッキ膜の形成は無電解メッキによるものと思われる。

ところで、半田ボール中の錫が銅からなる配線の内部にまで拡散すると、配線に錫と銅とからなる脆い合金層が形成されたりボイドが発生したりして、断線等の原因となってしまう。そこで、配線のランド上面にニッケル等からなるメッキ膜を形成すると、メッキ膜が錫拡散抑制層として機能することになる。

ところで、大きな電流を扱う電源ＩＣ等の半導体装置では、エレクトロマイグレーション現象により、半田ボール中の錫の配線の内部への拡散速度が非常に大きくなってしまう。一方、メッキ膜の形成を無電解メッキで行うと、無電解メッキの特性から、メッキ膜の厚さが比較的薄く、厚くても５μｍ未満である。また、スパッタだと厚さは２０００〜５０００Å（０．２〜０．５μｍ）程度である。したがって、大きな電流を扱う電源ＩＣ等の半導体装置では、配線のランド上面に無電解メッキによるメッキ膜を形成しても、錫拡散抑制機能が十分であるとは言えないという問題がある。

そこで、この発明は、半田ボール中の錫がその下の銅層に拡散するのをより一層抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の絶縁膜を介して形成された配線用上部金属層のランド上に錫拡散抑制層を形成する工程と、前記錫拡散抑制層上に該錫拡散抑制層の酸化を抑制する酸化抑制層を形成する工程と、前記酸化抑制層上に半田ボールを形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の発明において、半導体基板上に形成された絶縁膜上に下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層上に電解メッキにより配線用上部金属層を形成する工程と、前記配線用上部金属層のランド上に電解メッキにより錫拡散抑制層および酸化抑制層を順に連続して形成する工程と、前記酸化抑制層上に半田ボールを形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記配線用上部金属層のランド上における錫拡散抑制層下に、銅層を形成することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記錫拡散抑制層および前記酸化抑制層の周囲における前記配線を含む前記半導体基板上に封止膜を形成する工程を有することを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１乃至４に記載の発明において、前記錫拡散抑制層はニッケルからなり、前記酸化抑制層は半田からなることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項４に記載の発明において、前記封止膜を形成する工程は、前記封止膜を前記酸化抑制層の上面を覆うように形成し、前記封止膜および前記酸化抑制層の上面側を研削して前記酸化抑制層の上面を露出させる工程であることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた配線と、前記配線上に設けられた錫拡散抑制層と、前記錫拡散抑制層上に設けられた酸化抑制層と、前記酸化抑制層上に搭載された半田ボールと、を具備し、前記酸化抑制層は、前記半田ボール搭載前に被膜されていることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明に係る半導体装置は、請求項７に記載の発明において、前記配線のランド上における前記錫拡散抑制層下に、銅層が設けられていることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明に係る半導体装置は、請求項７に記載の発明において、前記錫拡散抑制層および前記酸化抑制層の周囲における前記絶縁膜上に封止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明に係る半導体装置は、請求項７に記載の発明において、前記錫拡散抑制層の厚さは５〜１０μｍであることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明に係る半導体装置は、請求項７乃至１０に記載の発明において、前記錫拡散抑制層はニッケルからなり、前記酸化抑制層は半田からなることを特徴とするものである。

この発明によれば、ニッケル層を電解メッキにより形成することにより、無電解メッキにより形成する場合と比較して、ニッケル層の厚さを厚くすることができるので、半田ボール中の錫がその下の銅層に拡散するのをより一層抑制することができる。

この発明の第１実施形態としての半導体装置の平面図。 図１のII−II線にほぼ沿う部分の断面図。 図１および図２に示す半導体装置の製造方法の一例において、当初準備したものの断面図。 図３に続く工程の断面図。 図４に続く工程の断面図。 図５に続く工程の断面図。 図６に続く工程の断面図。 図７に続く工程の断面図。 図８に続く工程の断面図。 図９に続く工程の断面図。 図１０に続く工程の断面図。 この発明の第２実施形態としての半導体装置の断面図。 この発明の第３実施形態としての半導体装置の断面図。

（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての半導体装置の平面図を示し、図２は図１II−II線にほぼ沿う部分の断面図を示す。この半導体装置は、一般的にはＣＳＰ(chip
size package)と呼ばれるものであり、平面方形状のシリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には、図示していないが、所定の機能の集積回路を構成する素子、例えば、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ等の素子が形成されている。シリコン基板１の上面周辺部には、上記集積回路の各素子に接続されたアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２が設けられている。

シリコン基板１の周辺部および接続パッド２の中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコン等からなるパッシベーション膜（絶縁膜）３が設けられ、接続パッド２の中央部はパッシベーション膜３に設けられた開口部４を介して露出されている。パッシベーション膜３の上面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜（絶縁膜）５が設けられている。パッシベーション膜３の開口部４に対応する部分における保護膜５には開口部６が設けられている。

保護膜５の上面には複数の配線７が設けられている。配線７は、保護膜５の上面に設けられた銅等からなる下地金属層８と、下地金属層８の上面に設けられた銅からなる上部金属層９との２層構造となっている。配線７の一端部は、パッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して接続パッド２に接続されている。

ここで、図１に示すように、配線７は、接続パッド２に接続された端部７ａと、後述する柱状電極１０の台座となる平面円形状のランド７ｃと、その間の引き回し線部７ｂとからなっている。そして、配線７のランド７ｂは保護膜５の上面にマトリクス状に配置されている。

配線７のランド７ｃ上面には平面円形状の銅からなる柱状電極（銅層）１０、ニッケルからなる錫拡散抑制層１１および半田からなる酸化抑制層１２がこの順で設けられている。シリコン基板１の周辺部上面並びに配線７を含む保護膜５の上面において柱状電極１０、錫拡散抑制層１１および酸化抑制層１２の周囲にはシリカフィラーを含むエポキシ系樹脂からなる封止膜１３が設けられている。ここで、酸化抑制層１２は、その上面が封止膜１３の上面と面一乃至１〜２μｍ低くなるように設けられている。酸化抑制層１２の上面には半田ボール１４が設けられている。

次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図３に示すように、ウエハ状態のシリコン基板（以下、半導体ウエハ２１という）の上面にアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２、酸化シリコン等からなるパッシベーション膜３およびボリイミド系樹脂等からなる保護膜５が形成され、接続パッド２の中央部がパッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して露出されたものを準備する。

この場合、半導体ウエハ２１の厚さは、図２に示すシリコン基板１の厚さよりも厚くなっている。なお、図３において、符号２２で示す領域はダイシングストリートである。そして、ダイシングストリート２２およびその両側に対応する部分におけるパッシベーション膜３および保護膜５は除去されている。

次に、図４に示すように、パッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して露出された接続パッド２の上面を含む保護膜５の上面並びにダイシングストリート２２およびその両側に対応する部分における半導体ウエハ２１の上面に下地金属層８を形成する。この場合、下地金属層８は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタにより形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタにより形成されたチタン等の薄膜層上にスパッタにより銅層を形成したものであってもよい。

次に、下地金属層８の上面にポジ型の液状レジストからなるメッキレジスト膜２３をパターン形成する。この場合、上部金属層９形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２３には開口部２４が形成されている。次に、下地金属層８をメッキ電流路とした銅の電解メッキを行なうと、メッキレジスト膜２３の開口部２４内の下地金属層８の上面に上部金属層９が形成される。次に、メッキレジスト膜２３を剥離する。

次に、図５に示すように、上部金属層９を含む下地金属層８の上面にネガ型のドライフィルムレジストからなるメッキレジスト膜２５をパターン形成する。この場合、上部金属層９のランド（柱状電極１０等形成領域）に対応する部分におけるメッキレジスト膜２５には開口部２６が形成されている。次に、下地金属層８をメッキ電流路とした銅、ニッケルおよび半田の電解メッキをこの順で連続して行なうと、メッキレジスト膜２５の開口部２６内の上部金属層９のランド上面に柱状電極（銅層）１０、錫拡散抑制層１１および酸化抑制層１２がこの順で形成される。

柱状電極１０は、図１に示す半導体装置をプリント配線板（図示せず）上に実装した状態において、応力を緩和するためのものであり、その高さは例えば１００μｍである。錫拡散抑制層１１は、ニッケルからなり、銅からなる柱状電極１０への錫の拡散を抑制するためのものであり、その厚さは、無電解メッキにより形成する場合よりも厚く、例えば５〜１０μｍである。酸化抑制層１２は、半田からなり、錫拡散抑制層１１が酸化するのを防止するためのものであり、その厚さは例えば１０μｍ以上である。この場合、酸化抑制層１２の厚さは、酸化抑制層１２の上面側を後工程で研削するので、図２に示す酸化抑制層１２の厚さよりもある程度厚くなっている。ここで、酸化抑制層１２の代わりに金層を形成すると、比較的高価な金を用い、しかも後工程でその上面側を研削するので、コスト高となるが、この発明のように、比較的安価な半田からなる酸化抑制層１２を形成すると、コストを低減することができる。

次に、メッキレジスト膜２５を剥離し、次いで、上部金属層９をマスクとして該上部金属層９下以外の領域における下地金属層８をエッチングして除去すると、図６に示すように、上部金属層９下にのみ下地金属層８が残存される。この状態では、上部金属層９とその下に残存された下地金属層８とにより、２層構造の配線７が形成されている。

次に、図７に示すように、ダイシングストリート２２およびその両側における半導体ウエハ２１の上面並びに配線７および酸化抑制層１２を含む保護膜５の上面にコンプレッションモールド法、印刷法等によりシリカフィラーを含むエポキシ系樹脂からなる封止膜１３をその厚さが酸化抑制層１２の高さよりもやや厚くなるように形成する。したがって、この状態では、酸化抑制層１２の上面は封止膜１３によって覆われている。

次に、封止膜１３および酸化抑制層１２の上面側を適宜に研削し、図８に示すように、酸化抑制層１２の上面を露出させ、且つ、この露出された酸化抑制層１２の上面を含む封止膜１３の上面を平坦化する。ここで、上部金属層９のランド上面に銅からなる柱状電極１０のみを形成した場合には、柱状電極１０の上面側を研削することになるので、柱状電極１０の周囲における封止膜１３の上面に銅の研削屑が付着したりすると、この付着した研削屑をライトエッチング等により除去する工程が必要となる。これに対し、酸化抑制層１２の上面側を研削することにより、酸化抑制層１２の周囲における封止膜１３の上面に半田の研削屑が付着したとしても、後述する如く、この付着した研削屑を除去する必要はない。

次に、図９に示すように、酸化抑制層１２の上面に半田ボール１４を形成する。半田ボール１４の形成方法としては、まず、酸化抑制層１２の上面に半田ペーストを塗布し、あるいは半田ボールを搭載する。次に、リフローを行うことにより、酸化抑制層１２の上面に半田ボール１４を形成する。この場合、酸化抑制層１２の周囲における封止膜１３の上面に半田の研削屑が付着していても、この付着した研削屑がリフロー時に溶融して半田ボール１４あるいは酸化抑制層１２と一体化するので、上述の如く、付着した研削屑を除去する必要はない。

次に、図１０に示すように、半導体ウエハ２１の下面側を適宜に研削し、半導体ウエハ２１の厚さを薄くする。次に、図１１に示すように、封止膜１３および半導体ウエハ２１をダイシングストリート２２に沿って切断すると、図１および図２に示す半導体装置が複数個得られる。

このようにして得られた半導体装置では、酸化抑制層１２を含む半田ボール１４中の錫が柱状電極１０への拡散を抑制するための錫拡散抑制層１１を電解メッキにより形成しているので、無電解メッキにより形成する場合と比較して、錫拡散抑制層１１の厚さを厚くすることができる。この結果、この半導体装置が大きな電流を扱う電源ＩＣ等であっても、酸化抑制層１２を含む半田ボール１４中の錫が柱状電極１０に拡散するのをより一層抑制することができる。

（第２実施形態）
図１２はこの発明の第２実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置において、図２に示す半導体装置と異なる点は、柱状電極（銅層）１０の高さを例えば数μｍ程度と低くした点である。この場合、封止膜（オーバーコート膜）１３は、当初、スピンコート法等によりポリイミド系樹脂等によって酸化抑制層１２の上面を覆うように形成するようにしてもよい。したがって、この場合も、封止膜１３および酸化抑制層１２の上面側を適宜に研削して、酸化抑制層１２の上面を露出させることになる。

（第３実施形態）
図１３はこの発明の第３実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置において、図２に示す半導体装置と異なる点は、柱状電極１０を省略した点である。この場合、錫拡散抑制層１１は、酸化抑制層１２を含む半田ボール１４中の錫が銅からなる配線７への拡散を抑制するためのものである。また、この場合も、封止膜（オーバーコート膜）１３は、当初、スピンコート法等によりポリイミド系樹脂等によって酸化抑制層１２の上面を覆うように形成するようにしてもよい。したがって、この場合も、封止膜１３および酸化抑制層１２の上面側を適宜に研削して、酸化抑制層１２の上面を露出させることになる。

１ シリコン基板
２ 接続パッド
３ パッシベーション膜
５ 保護膜
７ 配線
１０ 柱状電極
１１ 錫拡散抑制層
１２ 酸化抑制層
１３ 封止膜
１４ 半田ボール
２１ 半導体ウエハ
２２ ダイシングストリート

Claims (11)

1. 半導体基板上の絶縁膜を介して形成された配線用上部金属層のランド上に錫拡散抑制層を形成する工程と、
   前記錫拡散抑制層上に該錫拡散抑制層の酸化を抑制する酸化抑制層を形成する工程と、
   前記酸化抑制層上に半田ボールを形成する工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の発明において、半導体基板上に形成された絶縁膜上に下地金属層を形成する工程と、
   前記下地金属層上に電解メッキにより配線用上部金属層を形成する工程と、
   前記配線用上部金属層のランド上に電解メッキにより錫拡散抑制層および酸化抑制層を順に連続して形成する工程と、
   前記酸化抑制層上に半田ボールを形成する工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の発明において、前記配線用上部金属層のランド上における錫拡散抑制層下に、銅層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１に記載の発明において、前記錫拡散抑制層および前記酸化抑制層の周囲における前記配線を含む前記半導体基板上に封止膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４に記載の発明において、前記錫拡散抑制層はニッケルからなり、前記酸化抑制層は半田からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項４に記載の発明において、前記封止膜を形成する工程は、前記封止膜を前記酸化抑制層の上面を覆うように形成し、前記封止膜および前記酸化抑制層の上面側を研削して前記酸化抑制層の上面を露出させる工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた配線と、
   前記配線上に設けられた錫拡散抑制層と、
   前記錫拡散抑制層上に設けられた酸化抑制層と、
   前記酸化抑制層上に搭載された半田ボールと、
   を具備し、
   前記酸化抑制層は、前記半田ボール搭載前に被膜されていることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項７に記載の発明において、前記配線のランド上における前記錫拡散抑制層下に、銅層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項７に記載の発明において、前記錫拡散抑制層および前記酸化抑制層の周囲における前記絶縁膜上に封止膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項７に記載の発明において、前記錫拡散抑制層の厚さは５〜１０μｍであることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項７乃至１０に記載の発明において、前記錫拡散抑制層はニッケルからなり、前記酸化抑制層は半田からなることを特徴とする半導体装置。

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