JP3813482B2

JP3813482B2 - 半導体パッケージの製造方法

Info

Publication number: JP3813482B2
Application number: JP2001314046A
Authority: JP
Inventors: 伸行定方; 正俊稲葉
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP2003124391A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージの製造方法に関するものであって、さらに詳細には半導体パッケージの再配線層と封止樹脂との密着性を改善した半導体パッケージの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体パッケージ構造として、たとえば半導体チップを樹脂により封止したパッケージ（いわゆるDual Inline PackageやQuad Flat Package）では、樹脂パッケージ周辺の側面に金属リード電極を配置する周辺端子配置型が主流であった。
【０００３】
これに対し、近年急速に普及している半導体パッケージ構造として、たとえばＣＳＰ（チップスケールパッケージ）と呼ばれる、パッケージの平坦な表面に電極を平面上に配置した、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）技術の採用により、同一電極端子数を持つ同一投影面積の半導体チップを、従来よりも小さい面積で電子回路基板に高密度実装することを可能とするパッケージ構造がある。
【０００４】
ＢＧＡタイプの半導体パッケージにおいては、パッケージの面積が半導体チップの面積にほぼ等しい、いわゆるチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれる構造が、前述のＢＧＡ電極配置構造とともに開発され、電子機器の小型軽量化に大きく貢献している。
チップスケールパッケージは、回路を形成したシリコンウェハを切断し、個々の半導体チップについて個別にパッケージ化工程を施し、パッケージを完成するものである。
【０００５】
これに対し、一般的に「ウェハレベルＣＳＰ」と呼ばれる製法においては、このシリコンウェハ上に、絶縁層、再配線層、封止層等を形成し、はんだバンプを形成する。そして最終工程においてウェハを所定のチップ寸法に切断することでパッケージ構造を具備した半導体チップを得ることができる。この製法ではウェハ全面にこれらの回路を積層し、最終工程においてウェハをダイジングすることから、切断したチップそのものの大きさが、パッケージの施された半導体チップとなり、実装基板に対して最小投影面積を有する半導体チップを得ることが可能となる。
【０００６】
ウェハレベルＣＳＰの製造方法における特徴は、パッケージを構成する部材を、すべてウェハの形状において加工することにある。すなわち、絶縁層、再配線層、封止樹脂層、はんだバンプ等は、すべてウェハをハンドリングすることで形成される。
ウェハレベルＣＳＰのうち、半導体チップ上の電極からはんだバンプ配置位置まで、再配線と呼ばれる導電金属による配線を形成する形態がある。図３に再配線を有するウェハレベルＣＳＰをチップに切断した状態の概略図を示す。図３において符号１１は再配線層、１２は封止樹脂層、１３はそれぞれの層の界面となる再配線層表面である。
【０００７】
この再配線層１１は、電気伝導度の高い金属を、ウェハ上に形成したレジスト膜を所定形状にパターニングした開口部に形成する。この高電気伝導度を持つ金属としては、銅が一般的に用いられる。また、銅からなる再配線層１１の形成方法としては、電解メッキ工程が主として用いられている。
再配線層１１を形成したウェハは、保護層となる樹脂層を、その後の工程でウェハ全面に形成する。以後、この保護のための樹脂層を封止樹脂層１２と呼ぶ。この際、はんだバンプを配置する部位は、再配線層表面１３に達する開口部を形成し、開口部には、例えば導電性のポストを形成し、その上にはんだバンプを形成する。
ウェハ状態で加工を終了した後、ウェハは所定のチップサイズに切断され、半導体パッケージを得る。この半導体パッケージは、必要に応じて検査を行った後、回路基板に装着して電子回路を構成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして製造された半導体パッケージは、銅などの金属からなる再配線層１１と封止樹脂層１２との線膨張係数の差異や、封止樹脂層１２を形成している樹脂の吸湿等の原因により、実使用環境における温度上昇と下降の熱サイクルや樹脂中の水分の気化により、再配線金属層と封止樹脂層の界面において剥離が発生する場合がある。
特に、はんだバンプを溶融（リフロー）する際に、溶融はんだと再配線金属表面との所謂濡れ性を改善するために再配線金属表面に薄い金（Ａｕ）層を形成した場合、樹脂と金界面の密着状態が悪くなり、図４に示すように、再配線層１１と封止樹脂層１２の界面での剥離現象が顕著に現れ、半導体パッケージの不良の原因となっていた。
【０００９】
再配線金属表面と封止樹脂層の密着性は、その界面が平滑である場合に顕著に低下することがある。これは、異種材料が隣接する界面の密着力が、共有結合や金属結合により原子レベルで結合している場合には問題となりにくいが、ファン・デル・ワールス力のレベルである場合に、特に接合部分の表面状態、例えば金属の表面酸化、異種材料・成分の存在、などにより著しく密着力が低下する。
この剥離現象は、実使用環境である湿度および高温環境条件において、顕著に発生する。したがって、このような剥離発生の可能性を未然に防止しない限り、半導体パッケージとしての歩留まりは一定水準を超えることはできない。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、半導体パッケージの再配線金属表面と、封止樹脂層の密着性の改善を図り、半導体パッケージの不良の低減を実現することができる方法の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、電極が設けられたウェハ上に形成された絶縁層と、この絶縁層上の前記電極に整合する領域に形成された開口部を介して前記電極に接続された再配線層と、前記ウェハ、前記絶縁層及び前記再配線層を封止する封止樹脂層とを有する半導体パッケージの製造方法において、再配線層が、電着めっき層表面の凹凸が±２μｍの範囲内の平坦性を有するように、０．２〜４Ａ／ｄｍ^２の範囲の最適電流密度において再配線層の一部を形成する第１めっき工程と、該工程に続いて、最適電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度において前記第１めっき工程よりも短い時間めっきを施し、凹凸表面を有する再配線層を形成する第２めっき工程とによって形成されることを特徴とする半導体パッケージの製造方法を提供する。
本発明の半導体パッケージの製造方法において、再配線層表面の凹凸形状に沿って、表面に凹凸が形成されるように金属層を配する工程を備えることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１と図２は、本発明の半導体パッケージの製造方法の一実施形態を説明するための図であり、図１は半導体パッケージの断面図、図２は再配線層と封止樹脂層の界面部分の拡大断面図である。
この半導体パッケージは、図１に示すように、電極２が形成されたウェハ１上に形成された絶縁層３と、この絶縁層３上の電極２に整合する領域に形成された開口部３ａを介して電極に接続された再配線層４と、ウェハ１、絶縁層３及び再配線層４を封止する封止樹脂層５とを有し、且つはんだバンプ形成位置には、再配線層表面４に達するポスト６が形成され、このポスト上にはんだバンプ７が設けられている。
【００１３】
この半導体パッケージの再配線層４の表面８は、図２に示すように、微細な凹凸が全面に形成されており、この凹凸になった再配線層表面８に封止樹脂層５が強固に固着している。再配線層４は銅からなり、電解めっき工程によって形成される。なお、この再配線層表面８には、薄い金（Ａｕ）層を形成しても良い。この金層の表面は、再配線層表面８の凹凸形状に沿って表面に凹凸が形成される。再配線層４上は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなる封止樹脂層５によって封止されている。封止樹脂層５の下面は、再配線層表面８の凹凸に強固に接合されている。
【００１４】
この半導体パッケージの製造方法の一実施形態を具体的に説明する。まず、集積回路及びその電極、例えば、電極２が設けられたＳｉウェハ１の全面（上面）に、電極に整合する位置に開口部３ａを有する樹脂製の絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等からなり、その厚さは、例えば５〜５０μｍ程度である。また、絶縁層３は、例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法等により形成することができる。開口部３ａは、例えば、絶縁層３を構成するポリイミド等の膜をウェハ全面に成膜した後に、フォトリソグラフィ技術を利用してパターニングすることにより形成できる。なお、ウェハ１の全面にＳｉＮなどのパッシベーション膜を形成し、その上に絶縁層３を形成しても良い。
【００１５】
次に、電解めっき用の薄いシード層（図示せず）を絶縁層３の全面又は必要領域（後述の再配線層４を形成する領域）に形成する。このシード層は、例えばスパッタ法により形成された銅（Ｃｕ）層、あるいは銅（Ｃｕ）層及びクロム（Ｃｕ）層の積層体又はＣｕ層及びＴｉ層の積層体などである。また無電解Ｃｕめっき層であっても良く、蒸着法、塗布法又は化学気相成長（ＣＶＤ）法等により形成された金属薄膜層であっても良く、またこれらを組み合わせても良い。
【００１６】
次に、前記シード層上に図示しないレジスト膜を形成し、このレジスト膜をマスクとして露出したシード層上に、電解めっきにより銅からなる再配線層４を形成する。
一般に電解めっきにおいては、その電着層の表面平坦性を実用的なレベルで確保するため、所定の電流密度以下で電着を行うことが重要である。このことにより、表面凹凸の小さい、平滑表面を有する電着層を得ている。しかし、このような平滑表面を有する銅再配線層の表面に、はんだバンプ形成を容易とする目的で金めっき層を設けた場合、その上に封止樹脂層を形成すると、金層と樹脂層の界面における密着性が著しく低下し、実使用環境において容易に剥離を発生する。一方、最適電解めっき電流密度を著しく超えると、電着めっき層の表面が荒れ、微細な凹凸が発生する。
また、微細な凹凸が形成される電流密度をさらに超えると、もはや電着層は形成されず、微細粒子が電解液中に形成されてしまい、本発明の目的達成のために利用することはできない。
【００１７】
本発明の特徴はこの再配線層４の形成にあり、電着めっき層の表面が荒れ、微細な凹凸が発生する条件を利用し、封止樹脂層５との接合を改善するために、電流密度、電解時間及び電気量を変えた２つのめっき工程（第１めっき工程と第２めっき工程）を行う。
【００１８】
（第１めっき工程）
前記シード層上に図示しないレジスト膜を形成し、このレジスト膜をマスクとして露出したシード層上に、電解めっきにより銅からなる再配線層４の一部を形成する。この第１めっき工程におけるめっき条件は、従来より実施されている表面凹凸の小さい、平滑表面を有する電着銅層が得られるような電流密度とする。この第１めっき工程の最適電解めっき電流密度は、電解液組成、液温などによって適宜選択され、また電解時間は、使用する電流密度によって所望の銅層厚さが得られる時間とされ、通常は０．２〜４Ａ／ｄｍ²程度、好ましくは２Ａ／ｄｍ²程度に設定される。電流密度を前記範囲とする場合、めっき時間は３０分〜３時間程度とされる。
【００１９】
（第２めっき工程）
前記第１めっき工程に続いて、第１めっき工程で用いた最適電解めっき電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度によって、第１めっき工程で形成した平滑表面を有する銅層上に、凹凸な表面８を有する再配線層４を形成する第２めっき工程を行う。この第２めっき工程は、材料を同じ電解浴に浸漬したまま、電流密度を変更することによって実行可能である。
【００２０】
この第２めっき工程の電流密度は、５Ａ／ｄｍ²〜６０Ａ／ｄｍ²、好ましくは１０〜４０Ａ／ｄｍ²程度とし、めっき時間は１〜３０分、好ましくは２〜１０分程度とする。また、この第２めっき工程で加える電気量は、前記第１めっき工程で加える電気量よりも少なくすることが好ましい。
通常の銅めっきによる再配線層形成に要する時間は１時間程度であり、この第２めっき工程のめっき時間を２〜１０分程度とすれば、全工程に要する時間に対する該第２めっき工程で必要とする新たな時間的デメリットは無視できる。
【００２１】
この第２めっき工程によって、図２に示すように、表面に微細な凹凸が多数形成された再配線層４が形成される。再配線層４の厚さは、例えば５〜５０μｍ程度とすることができる。その後、再配線層４上に、例えばＮｉめっき層及び金（Ａｕ）めっき層（いずれも図示略）を形成して、後の工程で形成するはんだバンプの濡れ性の向上を図ること等も可能である。この場合、銅の再配線層４の厚さに比べ、ニッケル層および金（Ａｕ）層は充分薄いため、表面形状は、ほぼ再配線層表面８と同一となる。
再配線層４の形成後、レジスト膜を除去し、ウェハ１面上に露出している不要なシード層をエッチング等により除去して再配線層４以外の部分に絶縁層３を露出させる。
【００２２】
次に、絶縁層３および再配線層４を形成したウエハ１上に複数個の銅（Ｃｕ）ポスト等のメタルポスト６をめっきにより形成する。次いで、全てのメタルポスト８を覆うように、樹脂封止を行い、封止樹脂層５を形成する。その後、封止樹脂層５の表面を研磨することにより、各メタルポスト６を露出させる。そして、これらのメタルポスト６上にはんだバンプ７を形成し、図１に示す半導体パッケージを作製する。
【００２３】
この半導体パッケージの製造方法によれば、銅からなる再配線層４を形成する際、電着めっき層表面の平坦性が確保され、かつウェハ全面の電着層の厚さばらつきが小さくなる最適電流密度において再配線層の一部を形成する第１めっき工程と、該工程に続いて、最適電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度において前記第１めっき工程よりも短い時間めっきを施す第２めっき工程とによって、表面８に凹凸を有する再配線層４を形成することによって、封止樹脂層５が該表面８に強固に接合し、該表面上に薄い金（Ａｕ）層を形成した場合であっても、再配線層４と封止樹脂層５の界面が強固に接合される。
特に、基板に実装した半導体パッケージが実使用環境の温度変化に対して経験する、基板と平行な方向に発生する変位において、界面が平滑な場合には剪断応力が界面に平行して作用するため、剥離が容易に発生するが、本発明方法を用いることにより、同剪断応力に対して垂直な界面が機械的性能を維持できるため、従来の製法により製造される半導体パッケージと比較して、再配線層４と封止樹脂層５との界面に剥離を生じることがなくなり、実使用環境での信頼性を飛躍的に向上させることができる。
この再配線層表面に凹凸を形成する方法は、従来と同様の電解めっき工程の最後に最適めっき電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度に設定するだけで可能である。また、めっき浴からワークを取り出すことなく、めっき工程の最後に所定時間めっき電流を増大するという極めて平易な工程変更により実施可能である。電流の増大は、最適電流密度でのめっき電源に通電したまま、別の電源をめっき回路に並列に設け、電流を通電することで容易に実現できるため、設備投資費用を最小化することが可能である。したがって、本発明方法は半導体チップの低コスト化の観点においても、有利である。
本発明方法で製造するウェハレベルでパッケージされた半導体チップは剥離を発生しにくいため、電子回路として使用した場合に信頼性が高く、電子装置としての耐久性を高めることが可能である。
以下、本発明の効果を実施例に基づいて説明する。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
Ｓｉウェハ上にポリイミドからなる厚さ１０μｍの絶縁膜を形成し、この絶縁膜上にスパッタ法により厚さ０．５μｍのリード層を形成した材料に、次の比較例と実施例の条件で銅めっきを行って再配線層を形成した。
【００２５】
・比較例
硫酸銅２００ｇ／Ｌ、硫酸８０ｇ／Ｌを含む銅めっき浴に前記材料を入れ、温度３０℃、電流密度１Ａ／ｄｍ²で銅めっきを約１時間行い、厚さ１５μｍの再配線層を形成した。この再配線層は、表面の凹凸が±２μｍの範囲内に入っており、またウェハ全体でのめっき層厚のばらつきは±５％であった。
【００２６】
・実施例１
比較例と同じ条件で銅めっき層を形成した（第１めっき工程）後、電流密度を１５Ａ／ｍ²に上げて１．３分間めっきを行った（第２めっき工程）。得られた銅めっき層の表面の凹凸は±４μｍ程度であった。
【００２７】
前記のようにして再配線層を形成した比較例と実施例１のそれぞれの再配線層上に、ニッケルめっき層（厚さ１μｍ）と金めっき層（厚さ０．１μｍ）を形成した。これらの層は薄いため、金めっき層の表面形状は再配線層表面と同じであった。次いで、金めっき層上に回転塗布法によってポリイミド樹脂からなる封止樹脂層を形成した。その後、それぞれのウェハを所定寸法のチップに切断し、比較例の半導体パッケージ試料と実施例１の半導体パッケージ試料を作製した。
【００２８】
前記の各半導体パッケージ試料を平山製作所社製のプレッシャークッカー試験装置を用い２４０時間までの時間で評価した（ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２−Ａ１０２−Ｂ）。
プレッシャークッカー試験の結果、従来製法により製造した比較例の半導体パッケージ試料は、試験開始から５０時間経過後、再配線層と封止樹脂層の界面に剥離を生じ始め、２４０時間の処理後は２０個の試料全てに剥離を生じた。
これに対し、本発明に従って作製した実施例１の半導体パッケージ試料は、２０個の試料全てに剥離を生ずることなく、不良の発生は認められなかった。
【００２９】
（実施例２）
本発明に従い再配線層を形成し、該再配線層上にニッケル層と金層を形成したウェハは、表面に凹凸を有するため、めっき終了時、めっき液が凹凸内部に残存することが分析により明らかになった。
そこで、めっき終了時のウェハ水洗時間を、前述の実施例１におけるウェハ洗浄時間の３倍にし、それ以外は前記実施例１と同様にして半導体パッケージ試料を作製した（実施例２）。
【００３０】
得られた実施例２の半導体パッケージ試料を、前記実施例１で用いたと同じプレッシャークッカー試験により１０００時間まで評価した。
比較例の半導体パッケージ試料は、５００時間において剥離が発生し、１０００時間の処理後は２０個の試料全てに剥離を生じた。
これに対し、実施例２の半導体パッケージ試料は、１０００時間の処理の後でも、２０個のサンプル全てにおいて剥離を生ずることなく、不良の発生が認められなかった。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体パッケージの製造方法は、銅からなる再配線層を形成する際、電着めっき層表面の平坦性が確保され、かつウェハ全面の電着層の厚さばらつきが小さくなる最適電流密度において再配線層の一部を形成する第１めっき工程と、該工程に続いて、最適電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度において前記第１めっき工程よりも短い時間めっきを施す第２めっき工程とによって、表面に凹凸を有する再配線層を形成することによって、封止樹脂層が該表面に強固に接合し、該表面上に薄い金層を形成した場合であっても、再配線層と封止樹脂の界面が強固に接合される。
特に、基板に実装した半導体パッケージが実使用環境の温度変化に対して経験する、基板と平行な方向に発生する変位において、界面が平滑な場合には剪断応力が界面に平行して作用するため剥離が容易に発生するが、本発明方法を用いることにより、同剪断応力に対して垂直な界面が機械的性能を維持できるため、従来の製法により製造される半導体パッケージと比較して、再配線層と封止樹脂層との界面に剥離を生じることがなくなり、実使用環境での信頼性を飛躍的に向上させることができる。
この再配線層表面に凹凸を形成する方法は、従来と同様の電解めっき工程の最後に最適めっき電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度に設定するだけで可能である。また、めっき浴からワークを取り出すことなく、めっき工程の最後に所定時間めっき電流を増大するという極めて平易な工程変更により実施可能である。電流の増大は、最適電流密度でのめっき電源に通電したまま、別の電源をめっき回路に並列に設け、電流を通電することで容易に実現できるため、設備投資費用を最小化することが可能である。したがって、本発明方法は半導体チップの低コスト化の観点においても、有利である。
本発明方法で製造するウェハレベルでパッケージされた半導体チップは剥離を発生しにくいため、電子回路として使用した場合に信頼性が高く、電子装置としての耐久性を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージの製造方法を説明するための半導体パッケージの要部断面図である。
【図２】本発明の半導体パッケージの製造方法に従い形成された再配線層と封止樹脂層の界面の状態を例示する拡大断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージにおける再配線層と封止樹脂層の界面の状態を例示する拡大断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージにおける再配線層と封止樹脂層の界面の剥離状態を例示する拡大断面図である。
【符号の説明】
１……ウェハ、２……電極、３……絶縁層、３ａ……開口部、４……再配線層、５……封止樹脂層、７……はんだバンプ、８……再配線層表面。

Claims

電極（２）が設けられたウェハ（１）上に形成された絶縁層（３）と、この絶縁層上の前記電極に整合する領域に形成された開口部（３ａ）を介して前記電極に接続された再配線層（４）と、前記ウェハ、前記絶縁層及び前記再配線層を封止する封止樹脂層とを有する半導体パッケージの製造方法において、再配線層が、電着めっき層表面の凹凸が±２μｍの範囲内の平坦性を有するように、０．２〜４Ａ／ｄｍ^２の範囲の最適電流密度において再配線層の一部を形成する第１めっき工程と、該工程に続いて、最適電流密度の５倍以上２０倍以下の電流密度において前記第１めっき工程よりも短い時間めっきを施し、凹凸表面を有する再配線層を形成する第２めっき工程とによって形成されることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
再配線層表面の凹凸形状に沿って、表面に凹凸が形成されるように金属層を配する工程を備える請求項１に記載の半導体パッケージの製造方法。