JP2012069761A - 半導体素子、半導体素子実装体及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

半導体素子、半導体素子実装体及び半導体素子の製造方法 Download PDF

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和貴 小林
Sunao Arai
直 荒井
Takashi Kurihara
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Abstract

【課題】狭ピッチに対してショート不良等を生じることなく、配線基板等に実装できるようにすること。
【解決手段】半導体素子10は柱状の接続端子15を備える。この接続端子15は、その先端15aの近傍部分において当該接続端子の横断面積が先端15aに向かって減小するよう形成されている。特定的には、接続端子15の形状は、先端15aの近傍部分を除いて円柱状であり、その近傍部分において当該接続端子の側面15bはテーパ状に形成されている。さらに接続端子15の、少なくともテーパ状に形成された側面15bに、はんだ濡れ性を向上させるための金属層が形成されていてもよい。
【選択図】図1

Description

本発明は、実装基板と接続するための柱状の接続端子を備えた半導体素子、半導体素子実装体及び半導体素子の製造方法に関する。
柱状の接続端子(以下、便宜上「ポスト」ともいう。)を備えた半導体素子を作製する代表的なプロセスは、以下の一連の工程を含んでいる。先ず、半導体基板のパッド(例えば、アルミニウムのパッド)上にバリヤメタル層を形成し、パッド(バリヤメタル層)を露出させてめっきレジストをパターニング後、バリヤメタル層上にめっき(例えば、電解銅めっき)により柱状の接続端子(ポスト)を形成する。そして、めっきレジストを除去し、さらにバリヤメタル層の露出している部分をエッチングする。かかるプロセスで得られるポストの形状は、多くの場合、円柱状である。
かかる従来技術に関連する技術として、例えば、半導体素子(チップ)の一面に形成されたパッド上に、チップ側から回路基板側に向かって、径大なる円柱と径小なる円柱とが一体に形成された段状の突起電極を形成するようにしたものが知られている。
特開平5−218138号公報
図1(b)に一例として示すように、柱状の接続端子(ポスト)16を有する半導体素子(チップ)10aを配線基板20に実装する場合、基板の接続端子(パッド22上)にはんだ26を被着させ、このはんだ26の部分にチップのポスト16の先端16aを当接させ、加熱によりはんだ26を溶融後、凝固させて、フリップチップ接続を行っている。その際、ポスト16の形状が特に円柱状であると、以下の不都合が生じる。
まず、被着させるはんだ26の量にも依るが、加熱の際に溶融したはんだ26は、表面張力によってポスト16の先端16aから側面16bへ這い上がる場合が多い。その際、ポスト間の配置間隔(パッドピッチ)にも依るが、這い上がったはんだ26が隣り合うポスト16間でブリッジしてショート不良となる可能性が高い。図1(b)の例では、右側の2つのポスト16間で「ショート」が発生している。
また、ポスト16への這い上がりがわずかな場合でも、被着させるはんだ26の量が多い場合にはポスト16がはんだ26を押し出すようになるため、隣り合うはんだ26間でショートが発生する。
一方、はんだがポストの側面へ這い上がらない場合(例えば、パッド上に被着させるはんだの量が少ない場合)、別の問題が生じる。すなわち、ポスト上ではんだが接触する部分の表面積(図1(b)の例では、ポスト16の先端16aの表面積もしくはそれ以下に相当)はポスト側面へ這い上がる場合と比べて少なくなるため、チップと基板の接続信頼性が低下し、オープン不良となる可能性が高い。
また、フリップチップ接続の際はポスト16の先端16aをはんだ26に当接させ加熱によりはんだ26を溶融させて、適切にポスト16をはんだ26中に押し込むことで、ポスト16にはんだ26を接続させる必要がある。しかし、押し込み量が足らないと、基板20の各パッド22上のはんだ26の高さにばらつきがあることから、それぞれ対応するポスト16のすべてがはんだ26に接触しない。一方、押し込み量が大きすぎると、はんだ26がパッド22の周囲に広がり、隣り合うはんだ同士でブリッジを起こしてしまう。このため、適切な押し込み量の設定が難しいという問題もあった。
このような問題は、特にパッド(端子)の狭ピッチ化が進んでいる現状の半導体素子において一層顕著に表れる。
以上から、狭ピッチに対してショート不良等を生じることなく配線基板等に実装することができる半導体素子、半導体素子実装体及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
一観点によれば、柱状の接続端子を備えた半導体素子であって、前記接続端子は、その先端の近傍部分において当該接続端子の横断面積が前記先端に向かって減小する形状であることを特徴とする半導体素子が提供される。
別の観点によれば、上記一観点に係る半導体素子が、前記接続端子を介して配線基板上に実装されていることを特徴とする半導体素子実装体が提供される。
さらに別の観点によれば、柱状の接続端子を有する半導体素子の製造方法であって、半導体基板のパッド上に柱状の導体層を形成する工程と、前記導体層上に、該導体層の上面の周囲部分及び上面近傍の側面部分の少なくとも一方を露出させたマスクを形成する工程と、前記導体層の前記マスクからの露出部分を選択的に除去して、その横断面積が前記導体層の上面に向かって減小する柱状の接続端子を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
上記一観点に係る半導体素子によれば、柱状の接続端子(ポスト)の先端の近傍部分において当該ポストの側面がテーパ状に形成されているので、配線基板等に実装する際に用いられる接続材料(例えば、はんだ)が側面へ這い上がっても、その多くはテーパ状の側面部分に保持され、その先の側面部分(ポストの基部の近傍部分)には実質上及ばない。仮に及んだとしても少量である。これにより、現状技術で見られたような不都合(隣り合うポスト間でのショート不良)を解消することができる。
また、被着させる接続材料(はんだ等)の量が少ない場合でも、その接続材料(はんだ等)はポスト先端からテーパ状の側面部分に十分に這い上がることができる。このため、ポスト上で接続材料(はんだ等)が接触する部分の表面積は、ポストの先端及びその這い上がった側面部分の表面積となり、現状技術の円柱状のポストの場合(ポストの先端の表面積もしくはそれ以下)と比べて増加する。これにより、実装時の接続信頼性が向上し、オープン不良を解消することができる。
このように一観点に係る半導体素子によれば、該半導体素子のパッド(接続端子の位置に対応)が狭ピッチ化された場合でも、ショート不良等を生じることなく配線基板等に実装することが可能となる。
図1(a)は実施形態に係る半導体素子(チップ)を配線基板にフリップチップ実装したときの状態を示す断面図、図1(b)は比較例としての実装状態を示す断面図である。 図2(a)〜(e)は第1の実施形態に係る半導体素子(チップ)の製造方法を工程順に示す断面図(その1)である。 図3(a)〜(d)は第1の実施形態に係る半導体素子(チップ)の製造方法を工程順に示す断面図(その2)である。 図4(a)〜(e)は第2の実施形態に係る半導体素子(チップ)の製造方法(その一部)を工程順に示す断面図である。 図5(a)〜(e)は第3の実施形態に係る半導体素子(チップ)の製造方法(その一部)を工程順に示す断面図である。 図6(a)〜(d)は第4の実施形態に係る半導体素子(チップ)の製造方法(その一部)を工程順に示す断面図である。 図7(a)〜(c)はCuポストに表面処理を施す場合の一実施形態に係る工程を示す断面図である。 図8(a)〜(c)はCuポストに表面処理を施す場合の他の実施形態に係る工程を示す断面図である。 図9(a)〜(c)はCuポストに表面処理を施す場合の更に他の実施形態に係る工程を示す断面図である。
以下、実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態…図1〜図3参照)
図1(a)は実施形態に係る半導体素子(チップ)を配線基板にフリップチップ実装したときの状態を断面図の形態で示したものであり、図1(b)は比較例としての実装状態を断面図の形態で示したものである。
本実施形態の半導体素子10(図1(a))は、半導体基板11の一方の面に複数の柱状もしくはポスト状の接続端子15が立設された構造を有している。半導体基板11の一方の面には、後述するようにデバイスが作り込まれており、このデバイス上に形成された配線パターンの一部にパッド12が画定されている。半導体基板11の一方の面は、このパッド12の部分を露出させて保護膜13により覆われている。さらに、各パッド12上には、それぞれシード層14(バリヤメタル層としての役割も果たす)を介して、配線基板20と接続するための柱状の接続端子(ポスト)15が形成されている。
この柱状の接続端子(ポスト)15の形状は、その先端部分(配線基板20と対向する側の部分)を除いて円柱状である。この先端部分では、ポスト15の先端15aは平坦面となっており、その先端15aの近傍部分の側面15bはテーパ状に形成されている。より具体的には、ポスト15の先端15aの近傍部分においてポスト15の横断面積が先端15aに向かって減小するよう形成されている。つまり、テーパ状に形成された側面15bは、断面視したときに接続端子(ポスト)15の軸方向に曲線状に凹んだ形状となっている。また、ポスト15の横断面形状は、高さ方向の全ての部分において円形である。
一方、比較例として示す半導体素子10a(図1(b))においては、接続端子(ポスト)16の形状は円柱状である。従って、ポスト16の横断面形状は、高さ方向の全ての部分において円形であり、かつ、同じ断面積を有している。
本実施形態に係る半導体素子10を構成する各部材11〜15の具体的な材料やその大きさ(厚さ等)については、後で詳述する。
半導体素子(チップ)10が実装される配線基板20は、その形態については特に限定されないが、少なくともチップ実装面側に最外層の配線層を備えた基板であれば十分である。図1(a)の例では、配線基板20のチップ実装面側の配線層の所要の箇所(実装されるチップ10のポスト15の位置に対応する箇所)にパッド22の部分が画定され、このパッド22を露出させてその表面を覆うように保護膜としてのソルダレジスト層23が形成されている。
図1(a)に示すように、半導体素子(チップ)10は、パッド12(シード層14)上に形成された柱状の接続端子(ポスト)15がはんだ25を介して基板20のパッド22に電気的に接続されている(フリップチップ実装)。はんだ25は、実装に先立ち、基板20のパッド22にあらかじめ適量被着されている。このフリップチップ実装により半導体素子実装体50が構成される。同様に、比較例(図1(b))においても、半導体素子(チップ)10aは、パッド12(シード層14)上に形成されたポスト16がはんだ26を介して配線基板20上のパッド22にフリップチップ接続されている。なお、はんだ25,26の形状は、基板20のパッド22に被着させるはんだの量及びポスト15,16への濡れ具合で異なってくる。
フリップチップ実装の際に使用されるはんだ25,26の組成としては、例えば、Sn−37Pb、Sn−36Pb−2Ag、Sn−3.5Ag、Sn−3Ag−0.5Cu、Sn−9Zn、Sn−8Zn−3Bi、Sn−58Biなどがある。
なお、配線基板20をインターポーザとして使用し、さらに別の実装基板(マザーボード等)に実装する場合には、配線基板20のチップ実装面側と反対側の面にも上記と同様のパッド及びソルダレジスト層が設けられる。この場合、そのソルダレジスト層から露出するパッドにはんだボール等の外部接続端子が接合され、この外部接続端子を介してマザーボード等に実装される。この場合の配線基板20の形態としては、例えば、ビルドアップ法を用いて作製される配線基板(コア基板の両面に、エポキシ系樹脂等からなる絶縁層とCu配線等を含む導体層とを交互に積層したものなど)を利用することができる。
次に、第1の実施形態に係る半導体素子(チップ)10を製造する方法について、その一例を示す図2及び図3を参照しながら説明する。
先ず最初の工程では(図2(a)参照)、柱状の接続端子(ポスト)を形成する対象となる半導体基板(半導体ウエハ)11Aを用意する。その作製方法の一例を説明すると、以下の通りである。
先ず、所定の大きさ(8インチ、12インチ等)のシリコンウエハに対し、その一方の面側に所要のデバイスプロセスを施して複数のデバイス(それぞれ1つの半導体素子に相当する)をアレイ状に作り込む。次に、そのデバイスが形成されている側の面に、各デバイス上に所要のパターンでアルミニウム(Al)の配線を形成し、さらに、その配線の一部に画定されるパッド12の部分のみを露出させて、窒化シリコン(SiN)等からなる保護膜(パッシベーション膜)13を形成する。配線材料としては、Al以外に、Al−1%Si−0.5%Cu、Al−2%Siなどを用いてもよい。
次の工程では(図2(b)参照)、半導体基板11Aのパッド12及び保護膜13が形成されている側の面に、後の工程で電解めっきを行う際の給電層として用いられるシード層14を形成する。例えば、スパッタリングによりチタン(Ti)の導体層(厚さ0.05μm程度)を形成し、さらにこのTi層上に、スパッタリングにより銅(Cu)の導体層(厚さ0.3μm程度)を形成して、2層構造(Ti/Cu)のシード層14を形成する。
次の工程では(図2(c)参照)、シード層14上にパターニング材料を使用してめっきレジストを形成し、その所要の箇所を開口する(開口部OPを備えたレジスト層31の形成)。この開口部OPは、パッド12(シード層14)上に形成すべきポスト15の横断面形状(本実施形態では「円形」)に従ってパターニングされる。
形成すべきポスト15は、後述するように電解銅(Cu)めっきにより形成され、その一部分に選択エッチングが施されるため、めっきレジスト31を構成する材料には、銅のエッチング液に耐性を有する材料が用いられる。例えば、感光性のドライフィルム(レジスト材料をポリエステルのカバーシートとポリエチレンのセパレータシートの間に挟んだ構造のもの)を好適に使用することができる。具体的な一例を説明すると、以下の通りである。
先ず、シード層14の表面を洗浄した後、その表面に感光性ドライフィルムを熱圧着によりラミネートする。次に、このドライフィルムレジストに対し、所要の形状にパターニングされたマスク(図示せず)を用いて紫外線(UV)照射による露光を施して硬化させる。さらに、所定の現像液(例えば、アルカリ系の現像液)を用いて当該部分をエッチングし、所要の箇所に開口部OPを備えたレジスト層31を形成する。
例えば、厚さ50μm程度のドライフィルムレジストを使用し、300mJ/cm2 の条件でUV露光を行い、硬化されたドライフィルムレジストに対し、1%炭酸ナトリウム水溶液をスプレー法により100秒間処理する。現像後、110℃のホットプレート上で10分間、ベーク処理を行う。これにより、直径40μm程度の開口部OPを備えたレジスト層31が形成される。
パターニング材料として感光性ドライフィルムの代わりに、液状のフォトレジスト(ノボラック系樹脂、エポキシ系樹脂等の液状レジスト)を使用してもよい。この場合にも、上記と同様の工程(表面洗浄→表面にレジスト塗布→乾燥→露光→現像)を経て、所要の箇所に開口部OPを備えたレジスト層31を形成することができる。
次の工程では(図2(d)参照)、先ず、めっき前処理として、酸素プラズマ処理を2分程度施してレジスト層31の開口部OP(図2(c))内を清浄にする。
次いで、この開口部OPから露出しているシード層14上に、このシード層14を給電層として利用した電解めっきにより、ポスト15を構成する円柱状の導体層15Aを形成する。本実施形態では、硫酸銅溶液中でシード層14上に電解めっきを施して、各開口部OPをそれぞれ充填する銅(Cu)の導体層15A(直径40μm程度)を形成する。
この段階では、各開口部OPに充填された各導体層15Aの厚さは必ずしも均等ではなく、図2(d)に示すように各導体層15Aの高さにばらつきがある。
次の工程では(図2(e)参照)、それぞれの高さにばらつきがある各導体層15A及びレジスト層31の表面を、物理的な研削処理(研磨紙や研磨材を含むバフやブラシ等を用いた機械研磨、切削工具など)により研削して平坦化する。
これにより、図2(e)に示すように基板(ウエハ)11A上の各パッド12(シード層14)上にそれぞれ同じ厚さを有した円柱状の導体層15Aが形成された構造体が出来上がる。
次の工程では(図3(a)参照)、その構造体の導体層15Aが形成されている側の面全体に、パターニング材料を使用してエッチング用のレジスト層32を形成する。上記のめっきレジスト(レジスト層31)の場合と同様に、このレジスト層32を構成する材料にも、銅のエッチング液に耐性を有する材料が用いられる。上記と同様に、感光性のドライフィルムを好適に使用することができる。例えば、厚さ7μm程度の感光性ドライフィルムを熱圧着によりラミネートし、レジスト層32を形成する。
次の工程では(図3(b)参照)、そのエッチング用のレジスト層32を所要の形状にパターニングして、エッチングレジスト(レジスト層32A)とする。このパターニングは、そのレジスト層32の、導体層15Aの位置に対応する箇所において当該導体層15Aの横断面形状(円形)よりも小さい円形のレジスト部分のみが残存するように行う。つまり、導体層15Aの上面の周囲部分のみが露出するようにパターニングを行う。
具体的には、図2(c)の工程で行った処理と同様にして、そのラミネートされた感光性ドライフィルムレジスト(レジスト層32)に対し、所要の形状にパターニングされたマスク(図示せず)を用いてUV照射による露光を施して硬化させる。さらに、所定の現像液を用いて当該部分をエッチングし、所要の形状にパターニングされたエッチングレジスト(レジスト層32A)を形成する。
例えば、70mJ/cm2 の条件でUV露光を行い、硬化されたドライフィルムレジストに対し、1%炭酸ナトリウム水溶液をスプレー法により20秒間処理する。これによって、直径40μm程度の導体層15A上に直径30μm程度のレジスト部分のみが残存したレジスト層32Aが形成される。その際、レジスト層32Aは、その円形のレジスト部分の中心が導体層15Aの中心軸と概ね一致するように形成される。
上記のめっきレジスト(レジスト層31)の場合と同様に、感光性ドライフィルムの代わりに、液状のフォトレジストを使用してもよい。この場合にも、上記と同様の工程(表面洗浄→表面にレジスト塗布→乾燥→露光→現像)を経て、所定の箇所に円形のレジスト部分のみが残存したレジスト層32Aを形成することができる。
次の工程では(図3(c)参照)、そのエッチングレジスト(レジスト層32A)をマスクにして、円柱状の導体層15A(図3(b))の露出している部分(導体層15Aの上面の周囲部分)を選択的に除去する。具体的には、塩化第二銅水溶液、塩化第二鉄水溶液、過硫酸アンモニウム水溶液等を用いたウエットエッチングにより、導体層15Aの露出している部分を選択的にエッチングする。例えば、塩化第二銅水溶液を用いて60秒間スプレー処理する。
これにより、エッチング液が導体層15Aの上面の周囲部分から内側に浸透し、この周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、図3(c)に示すようにCuポスト15が形成される。つまり、このCuポスト15は、その高さ方向で途中の位置から先端15aに向かって、ポスト15の横断面積が徐々に小さくなる(減小する)ように形成されている。
さらに、必要に応じて、このCuポスト15のテーパ状に形成された側面15bに表面処理(電解めっき)を施してもよい。この側面15bには、フリップチップ実装の際に使用されるはんだが付着するため、そのはんだの濡れ性(はんだ付け性)を良くするためである。この表面処理(電解めっき)を施す場合の実施形態については、後で詳述する。
最後の工程では(図3(d)参照)、先ず、めっきレジスト/エッチングレジスト(図3(c)のレジスト層31,32A)を除去する。各レジスト層31,32Aの材料としてドライフィルムを使用した場合には、水酸化ナトリウムやモノエタノールアミン系等のアルカリ性の薬液を用いて除去することができ、ノボラック系樹脂等の液状レジストを使用した場合には、例えば、Nメチルピロリドン溶液中に10分間浸漬する。
これにより、Cuポスト15及びシード層14の一部が露出する(図3(c)参照)。このままでは、図3(c)に示すように各パッド12(Cuポスト15)がシード層14を介して電気的に相互接続された状態にある。
次に、シード層(Ti/Cu)14のポスト基部から露出している部分を除去する。具体的には、先ずCuに対して可溶性の薬液を用いたウエットエッチングを施し、次にTiに対して可溶性の薬液を用いたウエットエッチングを施すことで、ポスト15の基部から露出しているシード層14の部分をエッチングすることができる。例えば、硫酸・過酸化水素をベースとした溶液中に30℃で30秒間浸漬し(Cu層の除去)、次いで、過酸化水素をベースとした溶液中に40℃で1分間浸漬する(Ti層の除去)。
これにより、除去されたシード層14直下の保護膜13が露出し(図3(d)参照)、各パッド12(Cuポスト15)は相互に絶縁された状態となる。
なお、シード層14のCu層部分をエッチングしたときに、同時にCuポスト15の表面も同量だけエッチングされるが、ポスト15の膜厚(高さ)の方がはるかに厚いため、その表面が僅かに除去された程度ではCuポスト15の特徴的な形状が損なわれることはない。すなわち、Cuポスト15の高さ方向で途中の位置から先端15aに向かって横断面積(円形状)が減小する形状は確実に保持されるので、何ら問題は生じない。
さらに、必要に応じて基板(ウエハ)11Aの裏面研削を行い、所要の厚さに薄くした後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図3(d)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15が立設されたチップ(半導体素子10)を得ることができる。
この半導体素子(チップ)10において、Cuポスト15の各部A〜Dのサイズの一例は以下の通りである。先ず、Cuポスト15の基部(パッド12に接続されている側の部分)の直径Aは、20μm〜100μm(好適には40μm)に選定され、これと反対側の先端部分(実装時に配線基板20と対向する側の部分)の最小径の直径Bは、10μm〜(A−10μm)(好適には10μm)に選定されている。また、Cuポスト15の高さCは、20μm〜100μm(好適には40μm)に選定され、円柱状の部分(テーパ状に形成された側面15bの部分を除いた部分)の高さDは、5μm〜(C−5μm)(好適には15μm)に選定されている。
以上説明したように、第1の実施形態に係る半導体素子10及びその製造方法(図2、図3)によれば、Cuポスト15の先端15aの近傍部分において側面15bがテーパ状に形成されているので、配線基板20に実装する際に用いられるはんだ25が側面へ這い上がっても、その多くはテーパ状の側面15bに保持され(図1(a)参照)、その先の側面部分(Cuポスト15の基部の近傍部分)には実質上及ばない。仮に及んだとしても少量である。これにより、現状技術で見られたような、隣り合うポスト間でのショート不良(図1(b)参照)を解消することができる。
また、配線基板20上のパッド22に被着させるはんだ25,26の量が少ない場合、現状技術の円柱状のポスト16(図1(b)参照)では、はんだ26がポスト16の側面16bへ這い上がらないことが想定される。これに対し、本実施形態の柱状端子(Cuポスト)15の形状によれば、はんだ25がCuポスト15の先端15aからテーパ状の側面15bに十分に這い上がることができる。このため、Cuポスト15上ではんだ25が接触する部分の表面積は、当該ポストの先端15a及びその這い上がった側面15bの表面積となり、現状技術の円柱状のポスト16の場合(その先端16aの表面積もしくはそれ以下)と比べて増加する。これにより、実装時の接続信頼性が向上し、オープン不良を解消することができる。
このように第1の実施形態に係る半導体素子10によれば、パッド12(ポスト15の位置に対応)が狭ピッチ化された場合でも(例えば、40μm以下のピッチ)、ショート不良やオープン不良を生じることなく、配線基板20に実装することが可能となる。
また、第1の実施形態に係る半導体素子(チップ)10の製造方法によれば、半導体基板11のパッド12上(シード層14上)に形成されるCuポスト15を、リソグラフィ技術を用いて一括的に形成している。このため、例えば、チップあたり300ピン以上の多ピン化を図る場合に特に有利である。
(第2の実施形態…図4参照)
上述した第1の実施形態では、Cuポスト15の形成に際し(図3(c)参照)、導体層15Aの上面の周囲部分を選択エッチングするのに用いるレジスト層32Aを構成する耐エッチング材料として有機材料(感光性ドライフィルム等)を使用した場合を例にとって説明したが、エッチングレジストの材料がこれに限定されないことはもちろんである。この第2の実施形態では、耐エッチング材料として金属材料を使用している。
以下、第2の実施形態に係るプロセス(半導体素子の製造方法)について、その製造工程の一部を示す図4を参照しながら説明する。
先ず、図2(a)〜(e)の各工程で行った処理と同様の処理を経て、基板(ウエハ)11A上の各パッド12(シード層14)上にそれぞれ同じ厚さを有した円柱状の導体層15Aが形成された構造体を作製する。
次に(図4(a)参照)、その構造体の導体層15Aが形成されている側の面に、パターニング材料を使用してリフトオフ用のレジスト層33を形成する。このレジスト層33は、導体層15Aの位置に対応する箇所において当該導体層15Aの横断面形状(円形)よりも小さい円形の開口部OP1を有するようにパターニングされる。その際、開口部OP1の縦断面形状が「台形状」(開口面積が上側から下側に向かって徐々に広くなっている形状)となるようにパターニングを行う。
このような台形状の開口部OP1を有するレジスト層33を形成するためには、パターニング材料として、液状のフォトレジスト(ノボラック系樹脂等の液状レジスト)を使用するのが望ましい。基本的には、表面洗浄→レジスト塗布→乾燥→露光→現像の各工程を経て、所要のレジスト層33を形成することができる。
例えば、スピンコーティングにより液状レジストを厚さ5μm程度に塗布し、180mJ/cm2 の条件でUV露光を行った後、硬化されたフォトレジストに対し、2.38%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液中に120秒間浸漬する。現像後、110℃のホットプレート上で90秒間、ベーク処理を行う。これにより、図4(a)に示すように縦断面形状が台形状の開口部OP1を所定の箇所に備えたリフトオフ用のレジスト層33が形成される。
次の工程では(図4(b)参照)、その構造体のレジスト層33が形成されている側の面に、銅のエッチング液に耐性を有する金属層34を形成する。例えば、スパッタリングによりチタン(Ti)の金属層を厚さ0.3μm程度に形成する。これにより、レジスト層33上及び導体層15A上にそれぞれ金属(Ti)層34が形成される。
次の工程では(図4(c)参照)、リフトオフ用のレジスト層33(図4(b))を、その表面に形成された金属(Ti)層34と共に除去する。例えば、Nメチルピロリドン溶液中に50℃で3分間浸漬し、除去する。
これにより、図4(c)に示すように基板11A上のパッド12(シード層14)上に形成された円柱状の導体層15A上に、該導体層15Aの上面の周囲部分のみを露出させて円形の金属(Ti)層34が形成された構造体が出来上がる。
次の工程では(図4(d)参照)、その金属(Ti)層34をマスクにして、導体層15A(図4(c))の露出している部分(導体層15Aの上面の周囲部分)を選択的に除去する。図3(c)の工程で行った処理と同様にして、例えば、塩化第二銅水溶液を用いて60秒間スプレー処理し、選択的にエッチングする。
これにより、導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、図4(d)に示すようにCuポスト15が形成される。
最後の工程では(図4(e)参照)、先ず、エッチングレジストとして用いた金属層34(Ti)を除去する。例えば、過酸化水素をベースとした溶液中に50℃で2分間浸漬し、除去する。これにより、Cuポスト15の先端15aは、テーパ状に形成された側面15bと共に露出する。
この段階で、必要に応じて、Cuポスト15の露出している側面15b及び先端15aの表面に表面処理(電解めっき)を施してもよい。この先端15a及び側面15bには、フリップチップ実装の際に使用されるはんだが付着するため、そのはんだの濡れ性を良くするためである。この表面処理(電解めっき)を施す場合の実施形態については、後で詳述する。
次に、図3(d)の工程で行った処理と同様にして、めっきレジスト(図4(d)のレジスト層31)を除去する。例えば、モノエタノールアミン溶液中に10分間浸漬する。次いで、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去する。例えば、硫酸・過酸化水素をベースとした溶液中に30℃で30秒間浸漬し(Cu層の除去)、次いで、過酸化水素をベースとした溶液中に40℃で1分間浸漬する(Ti層の除去)。
さらに、必要に応じて半導体基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図4(e)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15が立設されたチップ(半導体素子10)を得ることができる。
この第2の実施形態においても、上述した第1の実施形態の場合と同様に、Cuポスト15の特定の形状に基づいて同様の効果(狭ピッチに対してショート不良等を生じることなく配線基板等に実装できること)を奏することができる。
(第3の実施形態…図5参照)
上述した第1、第2の実施形態では、Cuポスト15の先端部分をテーパ状に形成するために(図3(c)、図4(d)参照)、導体層15Aの上面の周囲部分のみが露出するようにパターニングされたエッチングレジスト(レジスト層32A、金属層34)を使用した場合を例にとって説明したが、Cuポスト15の先端部分をテーパ状に形成するための手段がこれに限定されないことはもちろんである。この第3の実施形態では、Cuポスト15の先端部分をテーパ状に形成するために、導体層15Aの周囲のレジスト層31の厚さを減じて導体層15Aの上面近傍の側面部分を露出させ、この露出した部分に選択エッチングを施している。
以下、第3の実施形態に係るプロセス(半導体素子の製造方法)について、その製造工程の一部を示す図5を参照しながら説明する。
先ず、図2(a)〜(e)の各工程で行った処理と同様の処理を経て、基板(ウエハ)11A上の各パッド12(シード層14)上にそれぞれ同じ厚さを有した円柱状の導体層15Aが形成された構造体を作製する。
次に(図5(a)参照)、その構造体の導体層15Aが形成されている側の面に、銅のエッチング液に耐性を有する金属層35を形成する。例えば、スパッタリングによりチタン(Ti)の金属層を厚さ0.3μm程度に形成する。これにより、全面(導体層15A上及びレジスト層31上)に金属層35が形成される。このうち、導体層15A上に形成された金属(Ti)層35の部分については、導体層15Aを構成するCuとの密着性が良好であるため、この部分の接合強度は高くなっている。
次の工程では(図5(b)参照)、全面に形成された金属(Ti)層35に対し、サンドブラスト等のブラスト処理により、レジスト層31上の金属(Ti)層35のみを選択的に除去する。その除去の際、導体層15A上の金属(Ti)層35の部分については、導体(Cu)層15Aとの接合強度が高いため、ブラスト処理によって除去されることはない。その結果、導体層15A上にのみ金属(Ti)層35Aが形成された構造体が出来上がる。
次の工程では(図5(c)参照)、その構造体の露出しているレジスト層31に対し、レジスト層31の厚さを僅かに減じる処理を行う(レジスト層31Aの形成)。例えば、プラズマ処理(反応ガス:酸素ガス、供給電力:500W、処理時間:5分間)により、レジスト層31の上層部分を10μm程度エッチングする。このエッチングにより、導体層15Aの上面近傍の側面部分が露出する。
次の工程では(図5(d)参照)、導体層15A上の金属(Ti)層35Aをマスクにして、導体層15Aの露出している部分(導体層15Aの上面近傍の側面部分)を選択的に除去する。図4(d)の工程で行った処理と同様にして、例えば、塩化第二銅水溶液を用いて40秒間スプレー処理し、選択的にエッチングする。
これにより、導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、図5(d)に示すようにCuポスト15が形成される。
なお、本工程で必要とするエッチング時間(例えば、40秒間)は、図4(d)の工程で必要とするエッチング時間(例えば、60秒間)と比べて短くて済む。これは、上記の例ではエッチング液が導体層15Aの上面の周囲部分から下方向に浸透するのに対し、この例ではエッチング液が導体層15Aの上面近傍の側面部分から内側方向に浸透するためである。従って、第1、第2の実施形態の場合と比べて、エッチング処理時間を短縮することができる。また、テーパ状に形成される側面15bの部分の高さ(図3(d)において(C−D)の寸法に相当する)を、より容易に大きくすることができる。
最後の工程では(図5(e)参照)、図4(e)の工程で行った処理と同様にして、先ず、エッチングレジストとして用いた金属層35A(Ti)を除去し、次に、めっきレジスト(図5(d)のレジスト層31A)を除去し、さらに、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去し、必要に応じて基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図5(e)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15が立設されたチップ(半導体素子10)を得ることができる。
なお、本工程においてめっきレジスト(レジスト層31A)を除去するのに必要とする処理時間は、図4(e)の工程においてめっきレジスト(レジスト層31)を除去するのに必要とする処理時間(例えば、10分間)と比べて短くて済む(例えば、5分間)。これは、上記のレジスト層31と比べて本実施形態ではレジスト層31Aの厚さが減じられており、除去すべきレジスト層31Aの量(体積)が少ないからである。従って、第1、第2の実施形態の場合と比べて、めっきレジストの除去に要する処理時間を短縮することができる。
この第3の実施形態によれば、上述した第1、第2の各実施形態で得られた効果に加えて、さらに、エッチング処理時間(図5(d)参照)とめっきレジストの除去に要する処理時間(図5(e)参照)を短縮できるというメリットがある。さらに、テーパ状に形成される側面15bの部分の高さ(図3(d)において(C−D)の寸法に相当する)を、より容易に大きくできるというメリットもある。このことは、歩留りや生産効率の向上に寄与する。
(第4の実施形態…図6参照)
以下、第4の実施形態に係るプロセス(半導体素子の製造方法)について、その製造工程の一部を示す図6を参照しながら説明する。
先ず、図2(a)〜(e)の各工程で行った処理と同様の処理を経て、基板(ウエハ)11A上の各パッド12(シード層14)上にそれぞれ同じ厚さを有した円柱状の導体層15Aが形成された構造体を作製する。
次に(図6(a)参照)、その構造体の導体層15A上に、この導体層15Aを給電層として利用した電解めっきにより、銅のエッチング液に耐性を有する金属層36を形成する。例えば、スルファミン酸ニッケル溶液中で導体層15A(Cu)上に電解めっきを施して、ニッケル(Ni)の金属層36を厚さ1μm程度に形成する。これにより、金属層36からレジスト層31が露出した構造体が出来上がる。
次の工程では(図6(b)参照)、図5(c)の工程で行った処理と同様にして、その露出しているレジスト層31に対し、プラズマ処理(反応ガス:酸素ガス、供給電力:500W、処理時間:5分間)を施し、レジスト層31の上層部分を10μm程度エッチングする(レジスト層31Aの形成)。このエッチングにより、導体層15Aの上面近傍の側面部分が露出する。
次の工程では(図6(c)参照)、図5(d)の工程で行った処理と同様にして、導体層15A上の金属(Ni)層36をマスクにして、導体層15Aの露出している部分(導体層15Aの上面近傍の側面部分)をウエットエッチングにより選択的に除去する。
これにより、導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、図6(c)に示すようにCuポスト15が形成される。
最後の工程では(図6(d)参照)、先ず、エッチングレジストとして用いた金属層36(Ni)を除去する。次いで、図5(e)の工程で行った処理と同様にして、めっきレジスト(図6(c)のレジスト層31A)を除去し、さらに、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去し、必要に応じて基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図6(d)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15が立設されたチップ(半導体素子10)を得ることができる。
この第4の実施形態によれば、上述した第3の実施形態における図5(a)及び(b)の工程が図6(a)の工程に置き替わっているだけである。従って、基本的には第3の実施形態の場合と同等の効果を奏することができる。
ただし、この第4の実施形態では、工程数が1つ少ないため、全体として製造工程の簡素化を図ることができるというメリットがある。このことは、歩留りや生産効率の更なる向上に寄与する。
(他の実施形態…図7〜図9参照)
図7は、Cuポスト15に表面処理を施す場合の一実施形態に係る工程を断面図の形態で示したものである。この実施形態で行う表面処理は、第1の実施形態(図3)に適用することができる。
先ず最初の工程では(図7(a)参照)、図3(c)の工程で作製した構造体(導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、Cuポスト15が形成された構造体)を用意する。
次の工程では(図7(b)参照)、このCuポスト15の露出している部分(テーパ状に形成された側面15b)に、シード層14を給電層として利用した電解めっきにより、金属層(めっき層)17を形成する。
形成されるめっき層17の構成例としては、例えば、Snめっき(厚さ1μm〜10μm)、Auめっき(厚さ0.05μm〜0.5μm)又はAgめっき(厚さ0.05μm〜0.5μm)を施した単層構造としてもよいし、Niめっき(厚さ1μm〜10μm)及びAuめっき(厚さ0.05μm〜0.5μm)をこの順に施した2層構造、Pdめっき(厚さ0.01μm〜0.1μm)及びAuめっき(厚さ0.01μm〜0.1μm)をこの順に施した2層構造としてもよい。また、Niめっき(厚さ1μm〜10μm)、Pdめっき(厚さ0.05μm〜0.5μm)及びAuめっき(厚さ0.05μm〜0.5μm)をこの順に施した3層構造としてもよい。
最後の工程では(図7(c)参照)、図3(d)の工程で行った処理と同様にして、先ず、めっきレジスト/エッチングレジスト(レジスト層31,32A)を除去し、次に、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去し、必要に応じて基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図7(c)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15(その先端15aは露出し、テーパ状に形成された側面15bにめっき層17が形成されたもの)が立設されたチップ(半導体素子10A)を得ることができる。
図7に示す実施形態に係る半導体素子10Aによれば、上述した第1の実施形態で得られた効果に加えて、さらに、テーパ状の側面15bに形成されためっき層17の存在により、フリップチップ実装の際に使用されるはんだの濡れ性を高めることができるというメリットが得られる。これは、フリップチップ実装時の歩留りの向上に寄与する。
また、ポスト15の基部側の側面(横断面積が変化しない部分の側面)は、ポスト15の基材(銅)が露出した構造となっている。このため、フリップチップ実装の際に、テーパ状の側面15bに形成されためっき層17と基部側の側面(ポスト基材)のはんだ濡れ性の違いから、はんだ25(図1(a)参照)がポスト15の基部側の側面まで這い上がり難くなる。その結果、過剰なはんだの這い上がりを抑制でき、隣り合うポスト間のはんだブリッジによるショートを防止することができる。
図8は、Cuポスト15に表面処理を施す場合の他の実施形態に係る工程を断面図の形態で示したものである。この実施形態で行う表面処理は、基本的には第1、第2のいずれの実施形態(図3、図4)にも適用することができる。ここでは、第2の実施形態に適用した場合を例にとって説明する。
先ず最初の工程では(図8(a)参照)、図4(d)の工程で作製した構造体(導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、Cuポスト15が形成された構造体)を用意する。
次の工程では(図8(b)参照)、このCuポスト15の先端15aを覆っているマスクの部分(金属(Ti)層34)を除去する。例えば、ウエットエッチング処理等により除去することができる。これにより、Cuポスト15の先端15aは、テーパ状に形成された側面15bと共に露出する。
次の工程では(図8(c)参照)、このCuポスト15の露出している部分(テーパ状に形成された側面15b及び先端15aの表面)に、シード層14を給電層として利用した電解めっきにより、金属層(めっき層)18を形成する。形成されるめっき層18の構成例は、図7(b)の工程で形成しためっき層17の場合と同様である。
最後の工程では(図8(d)参照)、図4(e)の工程で行った処理と同様にして、先ず、めっきレジスト(レジスト層31)を除去し、次に、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去し、必要に応じて基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図8(d)に示すように基板11の保護膜13が形成されている側の面に複数のCuポスト15(そのテーパ状に形成された側面15b及び先端15aの表面にめっき層18が形成されたもの)が立設されたチップ(半導体素子10B)を得ることができる。
図8に示す実施形態に係る半導体素子10Bによれば、図7に示した半導体素子10Aと比べて、Cuポスト15上でテーパ状に形成された側面15bに加えて先端15aの表面にもめっき層18(はんだ濡れ性を向上させるための金属層)が形成されているので、フリップチップ実装時の歩留りの更なる向上に寄与することができる。
また、図7に示した半導体素子10Aと同様に、ポスト15の基部側の側面(横断面積が変化しない部分の側面)はポスト15の基材(銅)が露出した構造となっているため、フリップチップ実装の際に、はんだがポスト15の基部側の側面まで這い上がるのを抑制することができる。これにより、隣り合うポスト間のはんだブリッジによるショートを防止することができる。
なお、図8に示す表面処理工程は第1の実施形態(図3)にも適用することができる。この場合の処理は、以下の通りである。
先ず、図3(c)の工程で作製した構造体(導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、Cuポスト15が形成された構造体)を用意する。次に、このCuポスト15の先端15aを覆っているマスクの部分(レジスト層32A)を除去する。
その際、Cuポスト15の側面を被覆しているレジスト層31(めっきレジスト)は後のめっき時に残しておく必要があるため、レジスト層32Aのみを選択的に除去する。例えば、機械研磨等の物理的な研削処理、プラズマ処理、ブラスト処理等により除去することができる。このレジスト層32Aの除去により、Cuポスト15の先端15aは、テーパ状に形成された側面15bと共に露出する。この後の処理は、図8(c)の工程以降の処理と同じである。
なお、プラズマ処理又はブラスト処理によりレジスト層32Aを除去する場合、ポスト側面を被覆しているレジスト層31の上面も除去されるため、このレジスト層31の高さは低くなる。つまり、レジスト層31の上面の高さはCuポスト15の先端15aよりも低くなる。
図9は、Cuポスト15に表面処理を施す場合の更に他の実施形態に係る工程を断面図の形態で示したものである。この実施形態で行う表面処理は、第3、第4の実施形態(図5、図6)に適用することができる。
先ず(図9(a)参照)、図5(d)又は図6(c)の工程で作製した構造体(導体層15Aの上面の周囲部分及びその近傍の側面がテーパ状に削り取られ、Cuポスト15が形成された構造体)を用意し、次に(図9(b)参照)、Cuポスト15の先端15aを覆っているマスクの部分(金属(Ti)層35A又は金属(Ni)層36)を、ウエットエッチング処理等により除去する。
次に(図9(c)参照)、図8(c)の工程で行った処理と同様にして、Cuポスト15の露出している部分(テーパ状に形成された側面15b及び先端15aの表面)に、シード層14を給電層として利用した電解めっきにより、金属層(めっき層)18を形成する。
最後に(図9(d)参照)、図8(d)の工程で行った処理と同様にして、先ず、めっきレジスト(レジスト層31A)を除去し、次に、シード層(Ti/Cu)14のポスト15の基部から露出している部分を除去し、必要に応じて基板11Aの裏面研削を行った後、各デバイス単位に基板11Aをダイシングして個片化する。これにより、図8(d)に示したものと同様のチップ(半導体素子10B)を得ることができる。
上述した各実施形態では、半導体素子10(10A,10B)のパッド12上に柱状の接続端子(ポスト)15を設けた場合を例にとって説明したが、ポスト15は必ずしもパッド12上に直接設ける必要はない。例えば、半導体素子(半導体ウエハ)上にポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等からなる絶縁層を形成し、この絶縁層上にセミアディティブ法等により、半導体素子のパッド12に接続される配線層を形成し、この配線層の所要の箇所に設けたパッドに柱状の接続端子(ポスト)15を設けるようにしてもよい。
10,10A,10B…半導体素子、
11(11A)…半導体基板(シリコンウエハ)、
12,22…パッド、
13,23…保護膜(パッシベーション膜、ソルダレジスト層)、
14…シード層(バリヤメタル層)、
15…Cuポスト(柱状の接続端子)、
15a…(Cuポストの)先端、
15b…(Cuポストの)テーパ状に形成された側面、
17,18…めっき層(金属層)、
20…配線基板、
25…はんだ、
31,31A,32A…レジスト層(マスク)、
33…リフトオフ用のレジスト層、
34,35A,36…金属層(マスク)、
50…半導体素子実装体。

Claims (13)

  1. 柱状の接続端子を備えた半導体素子であって、
    前記接続端子は、その先端の近傍部分において当該接続端子の横断面積が前記先端に向かって減小する形状であることを特徴とする半導体素子。
  2. 前記接続端子の形状は、前記先端の近傍部分を除いて円柱状であり、当該近傍部分において当該接続端子の側面がテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  3. 前記接続端子の前記テーパ状に形成された側面に、金属層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。
  4. さらに前記接続端子の先端の表面に、金属層が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体素子が、前記接続端子を介して配線基板上に実装されていることを特徴とする半導体素子実装体。
  6. 柱状の接続端子を有する半導体素子の製造方法であって、
    半導体基板のパッド上に柱状の導体層を形成する工程と、
    前記導体層上に、該導体層の上面の周囲部分及び上面近傍の側面部分の少なくとも一方を露出させたマスクを形成する工程と、
    前記導体層の前記マスクからの露出部分を選択的に除去して、その横断面積が前記導体層の上面に向かって減小する柱状の接続端子を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. 前記導体層を形成する工程の前に、前記半導体基板上に開口部を有する第1のレジスト層を形成する工程を含み、
    めっきにより前記開口部内を充填して前記柱状の導体層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記マスクを形成する工程は、前記導体層の上面に第2のレジスト層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  9. 前記マスクを形成する工程は、
    前記第1のレジスト層上及び前記導体層上に、該導体層の上面において当該導体層の横断面形状よりも小さい形状の開口部を有するリフトオフ用のレジスト層を形成する工程と、
    前記導体層上及び前記リフトオフ用のレジスト層上に、マスク用の金属層を形成する工程と、
    前記リフトオフ用のレジスト層をその表面に形成された金属層と共に除去する工程とを含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  10. 前記マスクを形成する工程は、
    前記導体層上にマスク用の金属層を形成する工程と、
    前記金属層から露出している前記第1のレジスト層の上層部分を除去する工程とを含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  11. 前記開口部内を充填して前記柱状の導体層を形成後、当該導体層の表面を研削する工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  12. 前記柱状の接続端子を形成後、前記マスクを除去する前に、前記接続端子の前記マスクから露出している側面に、金属層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項8から11のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
  13. 前記柱状の接続端子を形成後、さらに該接続端子の先端を覆っているマスクの部分を除去し、前記接続端子の前記マスクから露出している側面及び先端の表面に、金属層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項8から11のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
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