JP3533284B2 - 半導体装置用基板及びその製造方法並びに半導体装置 - Google Patents

半導体装置用基板及びその製造方法並びに半導体装置

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JP3533284B2 JP10225096A JP10225096A JP3533284B2 JP 3533284 B2 JP3533284 B2 JP 3533284B2 JP 10225096 A JP10225096 A JP 10225096A JP 10225096 A JP10225096 A JP 10225096A JP 3533284 B2 JP3533284 B2 JP 3533284B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はフリップチップ接続
によって半導体チップを搭載する半導体装置用基板及び
その製造方法並びに半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】フリップチップ接続によって半導体チッ
プを実装する際は、半導体チップの回路形成面を実装基
板に対向させ、半導体チップに形成したバンプを一括し
て実装基板に接合して実装する。半導体チップにフリッ
プチップ接続用のバンプを形成する方法には、回路形成
面のアルミニウム電極にはんだめっきによりはんだを盛
り上げ、はんだを加熱して半球状にバンプを形成する方
法、あるいは金ワイヤをアルミニウム電極にボンディン
グして電極上に小球部を形成し、そのまま引き上げ引き
ちぎるようにして形成する方法等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】フリップチップ接続に
使用する半導体チップでは回路形成面全体をバンプ形成
範囲にできるから、容易に多ピン化に対応できるという
利点がある。しかしながら、従来のフリップチップ接続
用の半導体チップの場合、バンプの径および高さは10
0μm程度であり、さらに多ピン化を図るといった場合
にはバンプを一層微細に形成しなければならない。この
ような微細接続を可能にする方法としては、バンプの形
状を半球形からストレート形に変えて高密度化を図る方
法や、ポリイミドフィルム等の電気的絶縁性フィルムに
きわめて微細なパターンでバンプを支持したマイクロコ
ネクタフィルムを使用して半導体チップと実装基板とを
接続する方法などがある。
【0004】しかしながら、これらの方法よりもさらに
高密度にバンプを形成する場合には従来方法がそのまま
適用できず、より微細な形状でバンプが形成できて確実
に接続できる方法が求められる。本発明は、このように
フリップチップ接続によって半導体チップを実装する際
に、きわめて高密度にバンプを配置することができ、よ
り微細なパターンで接続することを可能にし、半導体チ
ップの多ピン化とともに小型化に大きく寄与することが
できる半導体装置用基板およびその製造方法並びに半導
体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。すなわち、フリップチップ
接続により半導体チップを搭載する半導体装置用基板に
おいて、シリコン基板に、前記半導体チップの電極位置
に対応して、基板面から見た立ち上がり角度が鋭角に、
頂部の開き角度が鈍角に形成されて、基板面から多段形
に突出する突出部が設けられ、該突出部を含む前記シ
リコン基板の表面にSiO2 被膜が形成され、前記突出
部の該SiO2 被膜上に導体層が被覆されたバンプと、
他の部位の前記SiO2 被膜上に被覆された導体層から
なり、該バンプと電気的に接続された配線パターンが設
けられたことを特徴とする。また、シリコン基板のバン
プが形成された面と同一側の面に、外部接続端子を接合
する接続パッドが前記配線パターンと電気的に接続され
て設けられたことを特徴とする。また、シリコン基板の
バンプが形成された面と反対側の面に、外部接続端子を
接合する接続パッドがシリコン基板を貫通するビアを介
して前記配線パターンと電気的に接続して設けられたこ
とを特徴とする。また、配線パターンが、電気的絶縁層
を介して多層に形成されたことを特徴とする。
【0006】また、フリップチップ接続により半導体チ
ップを搭載する半導体装置用基板の製造方法において、
シリコン基板のバンプ形成面に感光性レジストを塗布
し、露光・現像して、半導体チップの電極配置に対応す
る位置にレジストを残したレジストパターンを形成する
第1工程と、レジストパターンをマスクとして前記シ
リコン基板を等方性エッチングすることにより、前記レ
ジストパターンの下側までエッチングして、レジストパ
ターンの下側部分に円錐状の突出部を形成する第2工程
と、該突出部の前記レジストパターンを除去した後、熱
酸化処理によりシリコン基板の表面SiO被膜を形
する第3工程と、SiO被膜の表面に導体層を形
成する第4工程と、導体層をエッチングして、前記突
出部の表面のSiO 被膜上に導体層が被覆されたバン
プを形成するとともに、該バンプと電気的に接続された
線パターンを形成する第5工程とを有することを特徴
とする。また、配線パターンを形成した後、配線パター
ンを含む前記シリコン基板の表面を電気的絶縁層により
被覆し、該電気的絶縁層をエッチングして、層間で配線
パターンを電気的に接続する部位に接続孔を設け、その
後、該接続孔を含む前記電気的絶縁層の表面に導体層を
被着形成し、前記接続孔を介して層間配線パターン
を電気的に接続し、前記導体層をエッチングすることに
より前記電気的絶縁層の表面に多層に配線パターンを形
成することを特徴とする。
【0007】また、半導体装置において、前記半導体装
置用基板に、半導体チップの電極と半導体装置用基板の
バンプとが位置合わせして当接され、前記半導体チップ
と前記半導体装置用基板との間に充填されたアンダーフ
ィル剤により、前記半導体チップの電極と前記バンプと
が電気的に接続されて半導体チップが搭載されたことを
特徴とする。また、前記半導体装置用基板に、半導体チ
ップの電極と半導体装置用基板のバンプとが位置合わせ
され、前記電極とバンプとが、該電極とバンプとに形成
された金皮膜により金−金接合により接続され、前記半
導体チップと前記半導体装置用基板との間にアンダーフ
ィル剤が充填されて半導体チップが搭載されたことを特
徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて説明する。図1は本発明に係る半導体装置用基板
の製造方法を示す説明図である。本発明に係る半導体装
置用基板はフリップチップ接続によって半導体チップを
搭載する基板として使用するもので、半導体チップと電
気的に接続するバンプをきわめて微細に形成して成るこ
とを特徴とする。
【0009】本実施形態の半導体装置用基板は、基材と
してシリコン基板10を使用して、所定のバンプおよび
配線パターンを形成して成る。以下、工程順に説明す
る。第1工程(図1(a))は、シリコン基板10のバンプ
形成面に感光性レジストを塗布し、露光・現像してレジ
ストパターン12を形成する工程である。レジストパタ
ーン12はシリコン基板10上でバンプを形成する配置
に合わせて円形の島状に残すように形成する。レジスト
パターン12は感光性レジストを露光・現像して形成す
るものであり、半導体チップの接続用の電極配置に合わ
せて配置することができる。
【0010】第2工程(図1(b))はレジストパターン1
2をマスクとしてシリコン基板10を等方性エッチング
によりエッチングし、レジストパターン12の下側部分
までアンダーエッチングして、レジストパターン12の
下側部分に円錐状の突出部14を形成する工程である。
等方性エッチングはたとえば、CF4 +O2 ガスあるい
はC2 6 +O2 ガスを用いるリアクティブエッチング
(RIE)法によってすることができる。
【0011】第3工程(図1(c))は突出部14上に形成
されているレジストパターン12をエッチングにより除
去した後、酸化性雰囲気中で加熱してシリコン基板10
の表面をSi O2被膜16によって被覆する工程である。
この熱酸化処理によってシリコン基板10は突出部14
を含む表面全体がSi O2被膜16によって被覆される。
【0012】第4工程(図1(d))は第3工程で形成した
Si O2被膜16の表面に導体層18を形成する工程であ
る。導体層18はバンプ20および配線パターン22を
形成するために設けるもので、たとえばアルミニウム、
銅を蒸着またはスパッタリングにより形成することがで
きる。導体層18は図のように突出部14を含むSiO2
被膜16の表面全体に被着形成される。
【0013】第5工程は導体層18の表面に感光性レジ
ストを塗布し、露光・現像してバンプ20および配線パ
ターン22を形成するレジストパターン24を形成し
(図1(e))、レジストパターン24をマスクとして、導
体層18をエッチングし、バンプ20と配線パターン2
2とを形成する工程である。バンプ20は突出部14を
導体層18によって被覆して形成され、配線パターン2
2は各々のバンプ20と電気的に接続してパターン形成
される。
【0014】こうして得られた半導体装置用基板は、半
導体チップをフリップチップ接続するバンプ20が基板
の片面に基板面から突出して形成されたものとなる( 図
1(f))。本実施形態の半導体装置用基板はシリコン基板
10を等方性エッチングする方法でバンプ20を形成す
るから、バンプ20は高さが1〜5μm程度、直径1〜
10μm程度といったきわめて微細なパターンで形成す
ることが可能になる。これによって、半導体チップと電
気的に接続する接続端子の高密度化を図ることができ接
続端子数を大幅に増大させることができて、多ピン化に
対応することが可能になる。バンプ20の先端を尖鋭に
形成した場合は半導体チップを実装する際の位置決めが
容易にでき、バンプ20の先端に丸みをもたせると半導
体チップを実装した際に半導体チップの電極との接続抵
抗を小さくできるという利点がある。
【0015】図2〜4に上記方法によって得られた半導
体装置用基板28に半導体チップ30を搭載した半導体
装置の断面図を示す。図2はバンプ20を形成した面と
同じ面に外部接続端子26としてのはんだボールを接合
した例、図3はバンプ20を形成した面とは反対側の面
に外部接続端子26としてのはんだボールを接合した
例、図4は半導体装置用基板28に複数個の半導体チッ
プ30を搭載したマルチチップモジュールを示す。
【0016】図2に示す実施形態では半導体装置用基板
28のバンプ形成面にはんだボールを接合するための接
続パッド32を形成してはんだボールを接合し、図3、
4に示す実施形態では、配線パターン22と電気的に接
続して半導体装置用基板28を貫通するビア34を設
け、バンプ形成面とは反対側の面にビア34と電気的に
接続する接続パッド32を設けてはんだボールを接合し
ている。
【0017】バンプ20と外部接続端子26とは配線パ
ターン22を介して電気的に接続されているから、半導
体チップ30の電極とバンプ20とを位置合わせして接
続することにより半導体チップ30と外部接続端子26
とが電気的に接続される。半導体チップ30とバンプ2
0との接続は、バンプ20に半導体チップ30の電極を
位置合わせして電極をバンプ20に押圧した状態で、半
導体チップ30と半導体装置用基板28の基板面との間
に熱収縮性の樹脂からなるアンダーフィル剤33を充填
し、加熱してアンダーフィル剤33を硬化させることに
より、半導体チップ30とバンプ20とを確実に機械
的、電気的に接続して一体化することができる。
【0018】図2〜4に示す実施形態は、このように半
導体チップ30と半導体装置用基板28との間にアンダ
ーフィル剤33を充填し、アンダーフィル剤33の収縮
を利用して半導体チップ30を半導体装置用基板28に
搭載したものである。なお、半導体装置用基板28に半
導体チップ30を搭載する場合、半導体チップ30の電
極と半導体装置用基板28のバンプ20の双方にめっき
またはスパッタにより金皮膜を形成し、熱圧着による金
−金接合によって半導体チップ30をバンプ20に接続
することもできる。この接続方法は上記のアンダーフィ
ル剤28の収縮を利用して接続する方法にくらべて良好
な電気的接続ができる点で有効である。
【0019】半導体チップ30を金−金接合によって半
導体装置用基板28に接続する場合も半導体チップ30
を接続した後、半導体チップ30と半導体装置用基板2
8との間にアンダーフィル剤33を充填するようにす
る。半導体装置用基板28に設けた配線パターン22が
銅材の場合は、バンプ20に下地めっきとしてニッケル
めっきを施した後、金めっきを施すようにする。
【0020】上記のようにして半導体装置用基板28に
半導体チップ30を搭載した半導体装置は、半導体装置
用基板28の基材がシリコン基板10であり、半導体チ
ップ30の基材もシリコンであることから、半導体装置
用基板28と半導体チップ30との熱膨張係数がマッチ
ングし、半導体装置用基板28と半導体チップ30との
間で熱応力が生じたり、反りが発生したりするといった
ことを防止することが可能になる。これにより、きわめ
て信頼性の高い半導体装置として提供することが可能に
なる。
【0021】本実施形態の半導体装置用基板28はバン
プ20がきわめて微細に形成できるから、半導体チップ
の小型化を効果的に図ることができ、半導体装置用基板
28に複数個の半導体チップ30を搭載することが容易
に可能になる。また、半導体装置用基板28に半導体チ
ップ30を搭載した際における熱応力が問題にならない
ことから、大型の半導体装置用基板28を使用して、複
数個の半導体チップ30を搭載する際でも高い信頼性が
得られ、マルチチップモジュール用の基板として好適に
使用することが可能になる。半導体チップを封止する方
法としては片面樹脂封止による方法やキャップシールに
よる方法が可能である。
【0022】上記実施形態に係る半導体装置用基板28
は基板表面に単層の配線パターン22を形成したもので
あるが、本発明に係る半導体装置用基板は基板表面に複
数層で配線パターン22を形成することも可能である。
図5は半導体装置用基板28の基板表面に複数層で配線
パターン22を形成する方法を示す説明図である。図5
(a) はシリコン基板10を被覆するSi O2被膜16の表
面に形成した導体層を所定パターンでエッチングして、
バンプ20および配線パターン22を形成した半導体装
置用基板28を示す。
【0023】配線パターン22を多層形成するには、ま
ず、この半導体装置用基板28の表面に電気的絶縁性を
有する被膜としてSi O2被膜36を被着形成する(図5
(b))。このSi O2被膜36はバンプ20および配線パタ
ーン22を設けた基板の表面全体を被覆するように設け
るもので、たとえば化学気相成長法(CVD)等によっ
て形成することができる。
【0024】次に、Si O2被膜36をエッチングして、
導体層を層間で電気的に接続する部位に接続孔38を設
ける(図5(c))。接続孔38はSi O2被膜36を緩衝弗
酸(BHF)を用いてエッチングすることによって形成
できる。これにより、接続孔38の内底面で配線パター
ン22が露出する。
【0025】次に、Si O2被膜36の表面に導体層40
を被着形成する。導体層40はアルミニウムあるいは銅
等の金属を蒸着法、スパッタリング法等によって形成す
ることができる。接続孔38内に金属が充填され配線パ
ターン22と導体層40とが電気的に接続する。最後
に、導体層40を所定パターンにしたがってエッチング
することにより上層の配線パターン42を形成する(図
5(e))。こうして、複数の配線パターン22、42が積
層して形成された半導体装置用基板28が得られる。実
施形態の半導体装置用基板28は2層の配線パターン2
2、42を形成した例であるが、上記操作を繰り返すこ
とによって、さらに多層に配線パターンを形成すること
が可能である。
【0026】このように、本発明に係る半導体装置用基
板28は基板表面で突起状にバンプ20を形成し、かつ
バンプ20に電気的に接続する配線パターンを多層形成
した基板として得ることができる。配線パターンを多層
形成することにより、種々の機能を付与することが可能
になり半導体装置用基板28の用途をひろげることが可
能になる。
【0027】なお、上記実施形態の半導体装置用基板2
8では突出部14を円錐状に形成したが、突出部14を
図6、7に示すような多段形状とすることも可能であ
る。図6は突出部14を2段形状とした例、図7は突出
部14を3段形状とした例である。図6に示す2段形状
に突出部14を形成するには、図1(a) に示すようにシ
リコン基板10にレジストパターン12を形成した状態
で、まず異方性エッチングを行い、続いて等方性エッチ
ングを行って形成することができる。異方性エッチング
によると深さ方向にエッチングが進むから、突出部14
の基部が急激な立ち上がり形状に形成され、頂部付近は
等方性エッチングによってなだらかにエッチングされ
る。
【0028】図7に示す3段形状に突出部14を形成す
る場合は、等方性エッチング、異方性エッチング、等方
性エッチングの順にエッチングを行う。はじめの等方性
エッチングで突出部14の最下部14aがなだらかに形
成され、中間の異方性エッチングによって鋭角な立ち上
がり部14bが形成され、最後の等方性エッチングによ
ってなだらかな頂部14cが形成される。
【0029】図6、7に示すように突出部14の基部を
鋭角に頂部を鈍角に形成すると、バンプ20に半導体チ
ップ30を接合した際に半導体チップ30の電極にバン
プ20が不必要にめり込むことを防止できるという利点
がある。また、図6、7に示すように突出部14の基部
を鋭角に形成すると、突出部14の裾野がひろがらず、
突出部14を高密度に形成できるという利点がある。こ
のように突出部14を鋭角な基部と鈍角な頂部に形成す
る場合も、前述した方法と同様にしてバンプ20を形成
することができ、バンプ20を多段形状とした半導体装
置用基板を得ることができる。
【0030】
【発明の効果】本発明に係る半導体装置用基板は、上述
したように、従来のフリップチップ接続における場合よ
りもはるかに微細なパターンでバンプ形成されるから、
これによってより高密度に接続端子が形成でき、多ピン
化に好適に対応することが可能になる。また、基板の基
材がシリコンであることから、半導体装置として高度の
信頼性を有し、マルチチップモジュール等のように複数
個の半導体チップを搭載すること、半導体装置の大型化
にも好適に対応することが可能になる。また、本発明方
法に係る半導体装置用基板の製造方法によれば、きわめ
て高密度にバンプを形成することを容易に可能にする。
また、本発明に係る半導体装置は、信頼性の高い製品と
して提供することができ、小型化を図ることができると
ともに、多ピン製品として提供することが可能になる等
の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置用基板の製造方法を示
す説明図である。
【図2】本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す断
面図である。
【図3】本発明に係る半導体装置の他の実施形態を示す
断面図である。
【図4】本発明に係る半導体装置のさらに他の実施形態
を示す断面図である。
【図5】配線パターンを多層形成する場合の半導体装置
用基板の製造方法を示す説明図である。
【図6】半導体装置用基板に突出部を多段に形成した状
態を示す断面図である。
【図7】半導体装置用基板に突出部を多段に形成した状
態を示す断面図である。
【符号の説明】
10 シリコン基板 12 レジストパターン 14 突出部 16 Si O2被膜 18 導体層 20 バンプ 22 配線パターン 24 レジストパターン 26 外部接続端子 28 半導体装置用基板 30 半導体チップ 32 接続パッド 33 アンダーフィル剤 34 ビア 36 Si O2被膜 38 接続孔 40 導体層 42 配線パターン

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フリップチップ接続により半導体チップ
    を搭載する半導体装置用基板において、 シリコン基板に、前記半導体チップの電極位置に対応し
    、基板面から見た立ち上がり角度が鋭角に、頂部の開
    き角度が鈍角に形成されて、基板面から多段形状に突出
    する突出部が設けられ、 該突出部を含む前記シリコン基板の表面にSiO2 被膜
    が形成され、 前記突出部の該SiO2 被膜上に導体層が被覆されたバ
    ンプと、他の部位の前記SiO2 被膜上に被覆された導
    体層からなり、該バンプと電気的に接続された配線パタ
    ーンが設けられたことを特徴とする半導体装置用基板。
  2. 【請求項2】 シリコン基板のバンプが形成された面と
    同一側の面に、外部接続端子を接合する接続パッドが前
    記配線パターンと電気的に接続されて設けられたことを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置用基板。
  3. 【請求項3】 シリコン基板のバンプが形成された面と
    反対側の面に、外部接続端子を接合する接続パッドが
    リコン基板を貫通するビアを介して前記配線パターンと
    電気的に接続して設けられたことを特徴とする請求項
    記載の半導体装置用基板。
  4. 【請求項4】 配線パターンが、電気的絶縁層を介して
    多層に形成されたことを特徴とする請求項1、2または
    記載の半導体装置用基板。
  5. 【請求項5】 フリップチップ接続により半導体チップ
    を搭載する半導体装置用基板の製造方法において、 シリコン基板のバンプ形成面に感光性レジストを塗布
    し、露光・現像して、半導体チップの電極配置に対応す
    る位置にレジストを残したレジストパターンを形成する
    第1工程と、 前記レジストパターンをマスクとして前記シリコン基板
    を等方性エッチングすることにより、前記レジストパタ
    ーンの下側までエッチングして、レジストパターンの下
    側部分に円錐状の突出部を形成する第2工程と、 該突出部の前記レジストパターンを除去した後、熱酸化
    処理によりシリコン基板の表面をにSiO 2 被膜を形成
    する第3工程と、 該SiO 2 被膜の表面に導体層を形成する第4工程と、 該導体層をエッチングして、前記突出部の表面のSiO
    2 被膜上に導体層が被覆されたバンプを形成するととも
    に、該バンプと電気的に接続された配線パターンを形成
    する第5工程とを有する ことを特徴とする半導体装置用
    基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 配線パターンを形成した後、配線パター
    ンを含む前記シリコン基板の表面を電気的絶縁層により
    被覆し、 該電気的絶縁層をエッチングして、層間で配線パターン
    を電気的に接続する部位に接続孔を設け、その後、該接
    続孔を含む前記電気的絶縁層の表面に導体層を被着形成
    して、前記接続孔を介して層間で配線パターンを電気的
    に接続し、 前記導体層をエッチングすることにより前記電気的絶縁
    層の表面に多層に配線パターンを形成する ことを特徴と
    する請求項5記載の半導体装置用基板の製造方法。
  7. 【請求項7】 請求項1、2、3または4記載の半導体
    装置用基板に、半導体チップの電極と半導体装置用基板
    のバンプとが位置合わせして当接され、 前記半導体チップと前記半導体装置用基板との間に充填
    されたアンダーフィル剤により、前記半導体チップの電
    極と前記バンプとが電気的に接続されて半導体チップが
    搭載されたことを特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項8】 請求項1、2、3または4記載の半導体
    装置用基板に、半導体チップの電極と半導体装置用基板
    のバンプとが位置合わせされ、前記電極とバンプとが、
    該電極とバンプとに形成された金皮膜により金−金接合
    により接続され、 前記半導体チップと前記半導体装置用基板との間にア
    ダーフィル剤が充填されて半導体チップが搭載されたこ
    とを特徴とする半導体装置。
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