JP4726221B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に半導体基板上に形成されたパッド電極を露出させるビアホールを当該半導体基板の裏面から形成する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for forming a via hole from a back surface of a semiconductor substrate to expose a pad electrode formed on the semiconductor substrate.
近年、三次元実装技術として、また新たなパッケージ技術として、CSP(Chip Size Package)が注目されている。CSPとは、半導体チップの外形寸法と略同サイズの外形寸法を有する小型パッケージをいう。 In recent years, CSP (Chip Size Package) has attracted attention as a three-dimensional mounting technique and a new packaging technique. The CSP refers to a small package having an outer dimension substantially the same as the outer dimension of a semiconductor chip.
従来より、CSPの一種として、BGA(Ball Grid Array)型の半導体装置が知られている。このBGA型の半導体装置は、はんだ等の金属部材からなるボール状の導電端子をパッケージの一主面上に格子状に複数配列し、パッケージの他の面上に搭載される半導体チップと電気的に接続したものである。 Conventionally, a BGA (Ball Grid Array) type semiconductor device is known as a kind of CSP. In this BGA type semiconductor device, a plurality of ball-shaped conductive terminals made of a metal member such as solder are arranged in a lattice pattern on one main surface of a package, and electrically connected to a semiconductor chip mounted on the other surface of the package. Is connected to.
そして、このBGA型の半導体装置を電子機器に組み込む際には、各導電端子をプリント基板上の配線パターンに実装することで、半導体チップとプリント基板上に搭載される外部回路とを電気的に接続している。 When this BGA type semiconductor device is incorporated into an electronic device, each conductive terminal is mounted on a wiring pattern on the printed circuit board to electrically connect the semiconductor chip and an external circuit mounted on the printed circuit board. Connected.
このようなBGA型の半導体装置は、側部に突出したリードピンを有するSOP(Small Outline Package)やQFP(Quad Flat Package)等の他のCSP型の半導体装置に比べて、多数の導電端子を設けることが出来、しかも小型化できるという長所を有する。このBGA型の半導体装置は、例えば携帯電話機に搭載されるデジタルカメラのイメージセンサチップとしての用途がある。 Such a BGA type semiconductor device is provided with a larger number of conductive terminals than other CSP type semiconductor devices such as SOP (Small Outline Package) and QFP (Quad Flat Package) having lead pins protruding from the side. It has the advantage that it can be reduced in size. This BGA type semiconductor device has an application as an image sensor chip of a digital camera mounted on a mobile phone, for example.
図14は、従来のBGA型の半導体装置の概略構成を成すものであり、図14(A)は、このBGA型の半導体装置の表面側の斜視図である。また、図14(B)はこのBGA型の半導体装置の裏面側の斜視図である。 FIG. 14 shows a schematic configuration of a conventional BGA type semiconductor device, and FIG. 14A is a perspective view of the surface side of the BGA type semiconductor device. FIG. 14B is a perspective view of the back side of this BGA type semiconductor device.
このBGA型の半導体装置101は、第1及び第2のガラス基板102、103の間に半導体チップ104がエポキシ樹脂層105a、105bを介して封止されている。第2のガラス基板103の一主面上、即ちBGA型の半導体装置101の裏面上には、導電端子106が格子状に複数配置されている。この導電端子106は、第2の配線110を介して半導体チップ104へと接続される。複数の第2の配線110には、それぞれ半導体チップ104の内部から引き出されたアルミニウム配線が接続されており、各導電端子106と半導体チップ104との電気的接続がなされている。
In this BGA type semiconductor device 101, a semiconductor chip 104 is sealed between first and second glass substrates 102 and 103 via epoxy resin layers 105a and 105b. A plurality of
このBGA型の半導体装置101の断面構造について図15を参照して更に詳しく説明する。図15はダイシングラインに沿って、個々のチップに分割されたBGA型の半導体装置101の断面図を示している。 A cross-sectional structure of the BGA type semiconductor device 101 will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view of the BGA type semiconductor device 101 divided into individual chips along the dicing line.
半導体チップ104の表面に配置された絶縁層108上に第1の配線107が設けられている。この半導体チップ104は樹脂層105aによって第1のガラス基板102と接着されている。また、この半導体チップ104の裏面は、樹脂層105bによって第2のガラス基板103と接着されている。
A
また、第1の配線107の一端は第2の配線110と接続されている。この第2の配線110は、第1の配線107の一端から第2のガラス基板103の表面に延在している。そして、第2のガラス基板103上に延在した第2の配線110上には、ボール状の導電端子106が形成されている。
One end of the
上述した技術は、以下の特許文献1に記載されている。
しかしながら、上述した半導体装置101において、第1の配線107と第2の配線110との接触面積が非常に小さいので、この接触部分で断線するおそれがあった。また第2の配線110のステップカバレージにも問題があった。そこで、本発明は半導体装置及びその製造方法における信頼性の向上を図る。
However, in the semiconductor device 101 described above, since the contact area between the
そこで、本発明の半導体装置は、その裏面から表面にかけて貫通し、ビアホールの一部となる第1の開口部を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板の第1の開口部と連続し、前記ビアホールの一部となる第2の開口部を有する第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に前記第2の開口部を被覆するように配置されたパッド電極と、前記ビアホールの底部における前記パッド電極と電気的に接続され、かつ前記ビアホールを介して前記半導体基板の裏面に延在する配線層と、を備え、前記第1の開口部は、前記半導体基板の裏面に近い部分よりも前記パッド電極に近い部分の開口径が広くなるように、前記パッド電極に近い部分が樽状に横に広がって形成され、前記第2の開口部は、前記半導体基板の表面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が狭くなるようにテーパー状に形成されており、かつ前記第1の開口部の前記パッド電極に近い部分の開口径よりも、前記第2の開口部の前記半導体基板の表面に近い部分の開口径の方が狭いことを特徴とする。 Therefore, the semiconductor device of the present invention is formed on the surface of the semiconductor substrate, the semiconductor substrate having a first opening that penetrates from the back surface to the surface and becomes a part of the via hole, and the first of the semiconductor substrate. A first insulating layer having a second opening that is continuous with the opening and becomes a part of the via hole, and a pad disposed on the first insulating layer so as to cover the second opening An electrode , and a wiring layer electrically connected to the pad electrode at the bottom of the via hole and extending to the back surface of the semiconductor substrate through the via hole , wherein the first opening is the semiconductor A portion close to the pad electrode is formed to spread laterally in a barrel shape so that an opening diameter of the portion close to the pad electrode is wider than a portion close to the back surface of the substrate, and the second opening is formed of the semiconductor Close to the surface of the board Than the portion, the opening diameter of the portion close to the pad electrode is formed to the tapered shape becomes narrower, and than the opening diameter of the portion close to the pad electrode of the first opening, the second The opening diameter of the portion of the opening close to the surface of the semiconductor substrate is narrower .
また、前記第1の開口部の底部における前記半導体基板の表面の開口径は、前記パッド電極の平面的な幅よりも広いことを特徴とする。また、前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層が形成され、この第2の絶縁層上に前記配線層が形成されていることを特徴とする。 The opening diameter of the surface of the semiconductor substrate at the bottom of the first opening is wider than the planar width of the pad electrode. Further, a second insulating layer is formed on a sidewall of the via hole, and the wiring layer is formed on the second insulating layer .
さらにまた、前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層が形成され、前記第2の開口部の側壁上における前記第2の絶縁層の端部は、前記ビアホールの中心方向に向かうに従ってその膜厚が薄く形成されていることを特徴とする。また、前記半導体基板の表面側に支持体が形成されていることを特徴とする。 Furthermore, a second insulating layer is formed on the side wall of the via hole, and the thickness of the end of the second insulating layer on the side wall of the second opening increases toward the center of the via hole. It is characterized by being formed thin. In addition, a support is formed on the surface side of the semiconductor substrate.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、表面に第1の絶縁層を介してパッド電極が形成された半導体基板を準備し、前記半導体基板の裏面から表面の方向に前記半導体基板を除去することで、前記第1の絶縁層を一部露出させ、ビアホールの一部となる第1の開口部を形成する工程と、前記露出された前記第1の絶縁層を除去することで、前記第1の絶縁層に前記第1の開口部に連続し、前記ビアホールの一部となる第2の開口部を形成する工程と、前記第1及び第2の開口部を形成した後に、前記ビアホール底部における前記パッド電極と電気的に接続され、かつ前記ビアホールを介して前記半導体基板の裏面に延在する配線層を形成する工程と、を有し、前記第1の開口部を形成する工程の前記半導体基板の除去は、前記第1の開口部が前記半導体基板の裏面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が広くなり、第1の開口部の前記パッド電極に近い部分が樽状に横に広がるように行い、前記第2の開口部を形成する工程の前記第1の絶縁層の除去は、前記第2の開口部が前記半導体基板の表面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が狭くなるようにテーパー状に形成され、かつ前記第1の開口部の前記パッド電極に近い部分の開口径よりも、前記第2の開口部の前記半導体基板の表面に近い部分の開口径の方が狭くなるように行うことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising preparing a semiconductor substrate having a pad electrode formed on a surface via a first insulating layer, and removing the semiconductor substrate from the back surface of the semiconductor substrate toward the surface. The first insulating layer is partially exposed to form a first opening that becomes a part of a via hole, and the exposed first insulating layer is removed, thereby removing the first insulating layer. Forming a second opening which is continuous with the first opening in one insulating layer and becomes a part of the via hole; and after forming the first and second openings, the bottom of the via hole Forming a wiring layer electrically connected to the pad electrode and extending to the back surface of the semiconductor substrate through the via hole, and forming the first opening removal of the semiconductor substrate, said first opening Than said portion close to the back surface of the semiconductor substrate, performs the opening diameter of the portion close to the pad electrode Ri is wide, so a portion close to the pad electrode of the first opening extending transverse to the barrel, the first The removal of the first insulating layer in the step of forming the second opening is such that the opening diameter of the portion close to the pad electrode is narrower than the portion of the second opening close to the surface of the semiconductor substrate. The opening diameter of the portion of the second opening close to the surface of the semiconductor substrate is narrower than the opening diameter of the portion of the first opening close to the pad electrode. It is characterized by performing as follows.
また、前記第1の開口部を形成する工程の前記半導体基板の除去は、前記第1の開口部の底部における前記半導体基板の表面の開口径が前記パッド電極の平面的な幅よりも大きくなるように行われることを特徴とする。 Further, in the removal of the semiconductor substrate in the step of forming the first opening, the opening diameter of the surface of the semiconductor substrate at the bottom of the first opening is larger than the planar width of the pad electrode. It is performed as follows.
また、前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層を形成する工程を具備し、前記配線層はこの第2の絶縁層上に形成されることを特徴とする。 The method further includes the step of forming a second insulating layer on the sidewall of the via hole, wherein the wiring layer is formed on the second insulating layer .
また、前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層を形成する工程は、前記第2の開口部の側壁上における前記第2の絶縁層の端部を、前記ビアホールの中心方向に向かうに従ってその膜厚を薄く形成するように行うことを特徴とする。 Further, the step of forming the second insulating layer on the side wall of the via hole has a film thickness at the end of the second insulating layer on the side wall of the second opening as it goes toward the center of the via hole. It is characterized by performing so that it may form thinly.
また、前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層を形成する工程は、前記ビアホールを含む半導体基板上に第2の絶縁層を形成した後に、前記半導体基板上に形成したレジスト層をマスクにして前記パッド電極上の第2の絶縁層を除去する工程を有することを特徴とする。 The step of forming the second insulating layer on the sidewall of the via hole may include forming a second insulating layer on the semiconductor substrate including the via hole and then using the resist layer formed on the semiconductor substrate as a mask. It has the process of removing the 2nd insulating layer on a pad electrode, It is characterized by the above-mentioned.
前記ビアホールの側壁に第2の絶縁層を形成する工程は、前記ビアホールを含む半導体基板の裏面に、前記半導体基板の裏面における膜厚が前記ビアホールの底部の前記パッド電極上における膜厚より大きくなるように第2の絶縁層を形成した後に、前記第2の絶縁層をレジスト層を用いることなくエッチングすることにより、前記半導体基板の裏面の前記第2の絶縁層が完全に除去される前に、前記パッド電極上の第2の絶縁層を完全に除去する工程を有することを特徴とする。 In the step of forming the second insulating layer on the sidewall of the via hole, the film thickness on the back surface of the semiconductor substrate including the via hole is larger than the film thickness on the pad electrode at the bottom of the via hole. After the second insulating layer is formed as described above, the second insulating layer is etched without using a resist layer, so that the second insulating layer on the back surface of the semiconductor substrate is completely removed. And a step of completely removing the second insulating layer on the pad electrode.
また、前記配線層に接続される導電端子を形成する工程を具備することを特徴とする。また、前記半導体基板を複数の半導体チップに分割する工程を具備することを特徴とする。また、前記半導体基板の表面側に支持体を形成する工程を具備することを特徴とする。 The method further includes a step of forming a conductive terminal connected to the wiring layer . Further, the method includes a step of dividing the semiconductor substrate into a plurality of semiconductor chips. The method further includes a step of forming a support on the surface side of the semiconductor substrate.
本発明によれば、半導体チップのパッド電極から、その導電端子に至るまでの配線が、ビアホールを介して形成されるため、上記配線の断線やステップカバレージの劣化を防止することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, since the wiring from the pad electrode of the semiconductor chip to the conductive terminal is formed through the via hole, disconnection of the wiring and deterioration of the step coverage can be prevented. Thereby, a highly reliable semiconductor device can be obtained.
また、本発明によれば、半導体基板の裏面からパッド電極の表面に到達するように形成されたビアホールとを有するものにおいて、前記半導体基板の裏面に近い部分の開口径よりも前記パッド電極に近い部分の開口径が広い第1の開口部を形成し、更に、前記第1の開口部に連なり、第1の絶縁層に対して前記半導体基板の表面に近い部分よりも前記パッド電極に近い部分の開口径が狭くなるように第2の開口部を形成することで、例えば、第1の絶縁層の開口径が当該第1の絶縁層の膜厚全体に渡って同等である半導体装置に比べて、前記ビアホールの側壁に形成された第2の絶縁層もしくは導電層が、この開口径が広くなった部分で引っかかり、半導体基板から剥がれにくい構造となり、パッド電極と導電層との電気的及び機械的な接合性が向上する。 According to the present invention, in addition to the via hole formed so as to reach the surface of the pad electrode from the back surface of the semiconductor substrate, the opening diameter of the portion near the back surface of the semiconductor substrate is closer to the pad electrode. Forming a first opening having a wide opening diameter; further, a portion connected to the first opening and closer to the pad electrode than a portion closer to the surface of the semiconductor substrate than the first insulating layer; By forming the second opening so that the opening diameter of the first insulating layer becomes narrower, for example, compared with a semiconductor device in which the opening diameter of the first insulating layer is the same over the entire thickness of the first insulating layer. Thus, the second insulating layer or conductive layer formed on the side wall of the via hole is caught in the portion where the opening diameter is widened, so that the second insulating layer or the conductive layer is not easily peeled off from the semiconductor substrate. Joint There is improved.
更に、パッド電極表面上に形成されるビアホールの開口径が広くなることで、その後に導電層が充填されても応力緩和が図れる。 Furthermore, since the opening diameter of the via hole formed on the surface of the pad electrode is increased, the stress can be relieved even if the conductive layer is subsequently filled.
また、パッド電極上の第1の絶縁層にテーパー形状(パッド電極側に行くほどその開口径が狭くなる形状)の第2の開口部を設けた後に、その第2の開口部を含む半導体基板上に第2の絶縁層を被覆し、更に当該第2の絶縁層に第3の開口部を形成してパッド電極を露出させる工程を有する場合には、前記第1の絶縁層に形成したテーパー形状が反映されて、第2の絶縁層の端部はビアホールの中心方向に向かうに従ってその膜厚が薄くなるように形成される。そのため、ビアホールの内壁を滑らかに形成することができ、その後に形成される各層の被覆性を向上させることができる。 Also, after providing a second opening having a tapered shape (a shape in which the opening diameter becomes narrower toward the pad electrode side) in the first insulating layer on the pad electrode, the semiconductor substrate including the second opening The taper formed in the first insulating layer when the second insulating layer is covered and the third opening is formed in the second insulating layer to expose the pad electrode. Reflecting the shape, the end portion of the second insulating layer is formed such that its film thickness becomes thinner toward the center of the via hole. Therefore, the inner wall of the via hole can be formed smoothly, and the coverage of each layer formed thereafter can be improved.
また、第1の開口部の底部における前記半導体基板の表面の開口径をパッド電極の平面的な幅よりも広くした場合には、パッド電極が蓄積する応力(当該パッド電極の成膜時に蓄積された応力)を効率よく開放することができる。そのため、第1の絶縁層に到達する第1の開口部を形成する際、あるいは第1の絶縁層を除去してパッド電極を露出させる際のパッド電極の変形を防止することができる。そして、当該パッド電極上に形成される各層を膜質良く形成でき、配線の接続不良等が抑止され、半導体装置の信頼性が向上する。 In addition, when the opening diameter of the surface of the semiconductor substrate at the bottom of the first opening is made wider than the planar width of the pad electrode, the stress accumulated in the pad electrode (accumulated during deposition of the pad electrode). (Stress) can be released efficiently. Therefore, it is possible to prevent deformation of the pad electrode when the first opening reaching the first insulating layer is formed or when the first insulating layer is removed to expose the pad electrode. Then, each layer formed on the pad electrode can be formed with good film quality, wiring connection failure and the like are suppressed, and the reliability of the semiconductor device is improved.
次に、本発明による半導体装置及びその製造方法の第1の実施形態を、図1から図7を参照しながら説明する。図1から図7は、イメージセンサチップに適用可能な半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 Next, a first embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7 are cross-sectional views showing a semiconductor device applicable to an image sensor chip and a manufacturing method thereof.
最初に、図1に示すように半導体基板1の表面に、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等から成る第1の絶縁層2を介してアルミニウム層、アルミニウム合金層、もしくは銅等から成るパッド電極3を形成する。なお、パッド電極3は半導体チップ内の回路素子に接続されている。そして、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等から成るパッシベーション膜で被覆されたパッド電極3を含む半導体基板1上にエポキシ樹脂等から成る接着剤4を介して、例えばガラス基板、シリコン基板、プラスチック基板等の支持体5を接着する。なお、前記ガラス基板、シリコン基板、プラスチック基板等の代わりにテープ状の保護材料を半導体基板1に接着させてもよく、両面接着テープ等を支持材料として用いても構わない。
First, as shown in FIG. 1, a pad electrode made of an aluminum layer, an aluminum alloy layer, copper, or the like is provided on the surface of a
次に、図2に示すようにパッド電極3に対応する半導体基板1の裏面に開口部を有したレジスト層6を形成し、これをマスクにしてドライエッチングを半導体基板1に対して行い、半導体基板1の裏面からパッド電極3上の第1の絶縁層2に到達する第1の開口部7Aを形成する。このエッチング工程では、少なくともSF6及びO2、またはC2F4、C4F8、CHF3等のようなCF(フッ化炭素)系ガスを含むエッチングガスを用いて、Siから成る半導体基板1をエッチングする。このとき、第1の絶縁層2上で半導体基板1のオーバーエッチングを行うと、半導体基板1の裏面に近い部分の開口径よりもパッド電極3に近い部分の開口径が広くなり、樽状に横に広がった第1の開口部7Aが形成される(K1<K2)。
Next, as shown in FIG. 2, a resist
続いて、図3に示すように、前記レジスト層6をマスクとして前記パッド電極3上の第1の絶縁層2をCF4、CHF3等のようなCF(フッ化炭素)系のエッチングガスを用いたエッチングにより除去してパッド電極3を露出させる第2の開口部7Bを形成する。尚、当該第2の開口部7Bは、前記第1の開口部7Aに連なって前記第1の絶縁層2に形成され、前記半導体基板1の表面に近い部分よりも前記パッド電極3に近い部分の開口径が狭くなるように形成される。即ち、第2の開口部7Bは半導体基板1の表面に向かうに従って、開口径が広くなるテーパー状に構成されている(K3>K4)。このとき、前記第1の絶縁層2のエッチング工程において、第1の開口部7Aは半導体基板1の裏面の近い部分の開口径よりもパッド電極3に近い部分の開口径が広くなり、樽状に横に広がった形状のため、第1の開口部7Aの上部の狭い開口部から侵入してくるエッチングガスの大部分はパッド電極3の上部の第1の絶縁層2に垂直方向から当たり、エッチングガスの一部は第1の開口部7Aの側壁形状に沿って、第1の絶縁層2に斜め方向から当たることになる。そのため、図3に示すように第1の絶縁層2の側壁形状が開口部の上方が広くなったテーパー形状をなした状態で、パッド電極3が露出する。ここで、第1の開口部7Aと第2の開口部7Bとでビアホール8が構成されている。
Subsequently, as shown in FIG. 3, a CF (fluorinated carbon) -based etching gas such as CF 4 or CHF 3 is applied to the first insulating
また、前記第1の開口部7Aの底部が広くなっていても、前記レジスト層6や開口部7Aの上部側壁がマスクとなり、第1の絶縁層2用のエッチングガスが横方向に広がりにくいため、前記パッド電極3上の第1の絶縁層2の上部の開口径K3は、第1の開口部7Aの上部の開口径K1とほぼ同等の開口径となる。なお、エッチング条件によってはK3>K4の関係を維持しつつ、開口径K4が開口径K1とほぼ同等の開口径となる場合もある。
Further, even if the bottom of the first opening 7A is wide, the upper side walls of the resist
尚、本工程では、前記レジスト層6をマスクとしないエッチング工程であっても良く、この場合には、レジスト層6を除去した後に、半導体基板1をマスクとしてパッド電極3上の第1の絶縁層2を除去する。
This step may be an etching step that does not use the resist
以下、図4に示すようにビアホール8内を含む半導体基板1の裏面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等から成る第2の絶縁層9を形成し、図5に示すようにパッド電極3上の第2の絶縁層9を除去して、ビアホール8の側壁部と半導体基板1の裏面上に第2の絶縁層9Aを形成する。このとき、パッド電極3上の第1の絶縁層2にテーパー形状の第2の開口部7Bを設けた後に、その第2の開口部7Bを含む半導体基板上に第2の絶縁層9を被覆し、更に当該第2の絶縁層9を一部エッチングして再びパッド電極3を露出させている。ビアホール8のうち、第1の絶縁層2上であって第2の絶縁層9Aの端部Xが形成されている領域を便宜上第3の開口部と称する。なお、図5では第2の絶縁層9Aの端部Xが第1の絶縁層2のうちテーパー形状部分の一部を被覆し、他の部位は露出されているが、エッチング条件を変えることで第1の絶縁層2の全てが被覆されるように第2の絶縁層9Aを形成することもできる。
Thereafter, a second
このようなプロセスを採用することで、第1の絶縁層2に形成した第2の開口部7Bの側壁のテーパー形状が第2の絶縁層9Aの端部Xの形状に反映されるため、第2の絶縁層9Aの端部Xはビアホール8の中心方向に向かうに従ってその膜厚が薄くなるように形成される。そして、第2の絶縁層9Aの端部Xは第1の絶縁層2をその傾斜に沿って被覆するため、図5に示すように第3の開口部8A付近は角張らず、湾曲した滑らかなテーパー形状になる。従って、ビアホール8の内壁全体を滑らかに形成することができ、その後に形成されるバリア層10,シード層11,配線層12の各層の被覆性を向上させることができる。逆に、図12に示した参考図のように、第1の絶縁層20の側壁がテーパー形状でない角部が存在した場合には、前記角部において、第2の絶縁層21,バリア層22,シード層23,配線層24等の各層に被覆性の悪い領域Zが生じる。また、このような角部に電界が集中して耐圧が劣化したり、リークが発生するなどの問題が生じるおそれがあった。
By adopting such a process, the tapered shape of the side wall of the second opening 7B formed in the first insulating
なお本実施形態のプロセスは、半導体基板1に第1の開口部7Aを形成した後に、その第1の開口部7A内を含む第1の絶縁層2上及び半導体基板1上に第2の絶縁層9を形成し、第1の絶縁層2と第2の絶縁層9とを1度のエッチングで除去してパッド電極3を露出させるプロセスに比して、ビアホール8の側壁のうち、第3の開口部8A付近の形状をより滑らかなテーパー形状にすることができる。本実施形態のプロセスでは第1の絶縁層2の側壁のテーパー形状が第2の絶縁層9Aの端部Xの形状に反映されているからである。このように、本実施形態ではその後に形成されるバリア層10,シード層11,配線層12等の各層の被覆性を向上させ、信頼性の高い半導体装置を製造する上で好ましいプロセスを採用している。
In the process of this embodiment, after the first opening 7A is formed in the
続いて、図6に示すようにビアホール8内を含む半導体基板1の裏面にバリア層10を形成する。このバリア層10は、例えばチタンナイトライド(TiN)層であることが好ましく、チタン(Ti)やタンタル(Ta)等の高融点金属やその化合物であるチタンタングステン(TiW)層、タンタルナイトライド(TaN)層等であればチタンナイトライド層以外の金属から成るものであってもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 6, a
また、前記第2の絶縁層9Aを形成する工程は、前記ビアホール8内を含む半導体基板1上に第2の絶縁層9を形成した後に、前記半導体基板1上にレジスト層(図示省略)を形成し、このレジスト層をマスクにして前記パッド電極3上の第2の絶縁層9を除去するものであってもよく、更には、前記レジスト層をマスクとしないエッチング工程であっても良い。
The step of forming the second insulating layer 9A includes forming a resist layer (not shown) on the
尚、このレジスト層をマスクとしないエッチングの場合には、ビアホール8上への第2の絶縁層9の被覆性を利用するものである。即ち、図4では便宜的にビアホール8上に形成された第2の絶縁層9の膜厚が均一となっているように図示しているが、実際に形成される第2の絶縁層9の膜厚はビアホール8の底部の第2の絶縁層9よりも半導体基板1上に形成された第2の絶縁層9の膜厚が厚くなる被覆性を有し、一例をあげると半導体基板1上の第2の絶縁層9の膜厚は、ビアホール8の底部の第2の絶縁層9の膜厚の2倍になることもある。従って、この特性を利用することで、半導体基板1上にレジスト層を形成しないでも、半導体基板1上の第2の絶縁層9が完全に除去される前に、パッド電極3上の第2の絶縁層9を完全に除去することができる。
In the case of etching without using the resist layer as a mask, the coverage of the second insulating
また、このとき、ビアホール8上に形成された第2の絶縁層9のエッチング特性を利用することが好ましい。即ち、前記半導体基板1上に形成された第2の絶縁層9のエッチングレートに比べてビアホール8の底部に形成された第2の絶縁層9のエッチングレートが低いという特性を有し、一例をあげると半導体基板1上の第2の絶縁層9のエッチングレートの方が、ビアホール8の底部の第2の絶縁層9のエッチングレートよりも1.5倍ほど高くなることもある。従って、上述した第2の絶縁層9の被覆性と第2の絶縁層9のエッチング特性の両方を利用することで、製造工程の信頼性が向上する。
At this time, it is preferable to use the etching characteristics of the second insulating
更に、図7に示すようにバリア層10上にメッキ用のシード層11(例えば、Cu層)を形成し、そのシード層11上でメッキ処理を行って、例えば銅(Cu)から成る配線層12を形成する。この結果、配線層12はパッド電極3と電気的に接続され、かつビアホール8を介して半導体基板1の裏面に延在することとなる。尚、この配線層12はパターニングしても良いし、パターニングしないものでも良い。更に、配線層12上に保護層(図示せず)を形成し、保護層の所定位置に開口を設ける。そして、当該開口で露出する配線層12上に例えばニッケル及び金から成る金属層(不図示)を形成した後にハンダをスクリーン印刷し、このハンダを熱処理でリフローさせることで導電端子(電極接続部)としてのボール状端子13を形成する。なお、実装形態に応じてボール状端子13を導電端子として形成させない場合もある。その場合には配線層12あるいはニッケル及び金等の金属層(不図示)が露出された状態となり、これらの層が実装される際の導電端子となる。
Further, as shown in FIG. 7, a seed layer 11 (for example, Cu layer) for plating is formed on the
尚、ここで、前記バリア層10やシード層11の形成法として、MOCVD法で形成することができるが、この場合、コスト高になるという問題があった。そこで、それよりも低コストであるロングスロースパッタ法等の指向性スパッタ法を用いることで、通常のスパッタ法に比べて被覆性を向上させることができる。この指向性スパッタ法を用いることで、例えば傾斜角度が90度未満であるとか、アスペクト比が3以上のビアホールに対しても被覆性良く、前記バリア層10やシード層11を形成することができる。
Here, the
その後、図示しないが、半導体基板及びそれに積層された上記各層を所定のダイシングラインに沿って分断して、個々の半導体チップに分離する。なお、個々の半導体チップに分離する方法としては、ダイシング法、エッチング法、レーザーカット法等がある。こうして、パッド電極3とボール状端子13とが電気的に接続されたBGA型の半導体装置が形成される。
Thereafter, although not shown, the semiconductor substrate and each of the layers stacked thereon are divided along a predetermined dicing line to be separated into individual semiconductor chips. In addition, as a method of separating into individual semiconductor chips, there are a dicing method, an etching method, a laser cut method and the like. Thus, a BGA type semiconductor device in which the
このように本発明では、開口底部での横方向へのエッチングによりできたノッチ形状により、前記ビアホール8の側壁に形成された第2の絶縁層9Aやバリア層10、シード層11、配線層12が、この開口径が広くなった部分で引っかかり、半導体基板1から剥がれにくい構造となる。更に言えば、パッド電極3とシード層11、配線層12等との接合性が向上する。
Thus, in the present invention, the second insulating layer 9A, the
更に、パッド電極3を露出させるビアホール8の開口径が広くなることで、その後にシード層11、配線層12等が充填されても応力緩和が図れ、信頼性が向上する。
Furthermore, since the opening diameter of the via
また同様に、前記第1の開口部7Aに連なり、前記第1の絶縁層2に対して前記半導体基板1の表面に近い部分よりも前記パッド電極3に近い部分の開口径が狭くなるように第2の開口部7Bが形成されることで、例えば、第1の絶縁層2Aに形成された開口部の開口径が当該第1の絶縁層2Aの膜厚全体に渡って同等である半導体装置に比べて、角部への応力集中が抑止されるため、更なる応力緩和が図れる。
Similarly, the opening diameter of the portion close to the
また、図13に示すようにビアホールの側壁がストレートであったり、順テーパ形状又は底部がすそ引き形状に形成されていると、ビアホール58Aの側壁に絶縁層59Aを形成し、ビアホール底部の絶縁層をエッチング除去した際に、ビアホール底部の傾斜となった部分に被覆された絶縁層59Aがエッチング除去されてしまい(図13のA部分)、この部分での絶縁性が低下してしまうことがあったが、本発明のビアホール形状ではそのようなエッチング削れが無く、ショート不良が抑止できる。 Further, as shown in FIG. 13, when the via hole has a straight side wall or has a forward tapered shape or a bottom-side shape, an insulating layer 59A is formed on the side wall of the via hole 58A, and the insulating layer at the bottom of the via hole is formed. When etching is removed, the insulating layer 59A covered with the inclined portion of the bottom of the via hole is etched away (A portion in FIG. 13), and the insulating property at this portion may be lowered. However, the via hole shape of the present invention does not cause such etching scraping, and short circuit defects can be suppressed.
また、本発明によれば、半導体チップのパッド電極から、その導電端子に至るまでの配線が、ビアホールを介して形成されるため、上記配線の断線やステップカバレージの劣化を防止することができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, since the wiring from the pad electrode of the semiconductor chip to the conductive terminal is formed through the via hole, disconnection of the wiring and deterioration of the step coverage can be prevented. Thereby, a highly reliable semiconductor device can be obtained.
次に、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。上記第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法では、ビアホールを形成する際、つまり第1及び第2の開口部を形成する際に、本来水平の状態に保たれるべきパッド電極がビアホール8側の空間に押し出され湾曲状に変形してしまうことがあった。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment, when the via hole is formed, that is, when the first and second openings are formed, the pad electrode that should be originally kept in the horizontal state is the via hole. In some cases, it was pushed into the space on the 8th side and deformed into a curved shape.
このパッド電極の変形は、前工程でパッド電極成膜時に当該パッド電極に蓄積された熱応力(残留応力または真性応力とも言う)が熱サイクルテスト等の熱的負荷によってそれまでの均衡を失い、パッド電極から集中的に開放されようとして起こると考えられる。このようなパッド電極の変形は、第1の絶縁層2に到達する第1の開口部7Aを形成した際や第1の絶縁層2をエッチングしてパッド電極3を露出させた際に生じる傾向がある。
In the deformation of the pad electrode, the thermal stress (also referred to as residual stress or intrinsic stress) accumulated in the pad electrode at the time of forming the pad electrode in the previous process loses the previous balance due to a thermal load such as a thermal cycle test, It is thought that this happens to be released from the pad electrode in a concentrated manner. Such deformation of the pad electrode tends to occur when the first opening 7A reaching the first insulating
また、ビアホール8内にバリア層10やシード層11あるいは配線層12を形成する際にパッド電極3がビアホール8側に引っ張られ、その形状が変形する場合がある。このときの変形は、各層を形成する際に当該バリア層10,シード層11,配線層12に蓄積された残留応力と、パッド電極3を形成する際に当該パッド電極3に蓄積された応力との関係によって引き起こされると考えられる。
Further, when the
さらに、このようなパッド電極の変形によって、当該パッド電極に損傷や断線が生じたり、バリア層10,シード層11や配線層12の被覆が悪く、接続不良が生じる場合があり、結果として半導体装置の信頼性及び歩留まりが低下することがあった。
Furthermore, such deformation of the pad electrode may cause damage or disconnection of the pad electrode, or the
そこで、本発明の第2の実施形態では、さらにパッド電極3の変形を防止した半導体装置の構造及びその製造工程を採用している。以下説明するが、第1の実施形態で既に説明した構成と同様の構成については同一符号を用いており、その説明を省略する。
Therefore, in the second embodiment of the present invention, the structure of the semiconductor device in which the deformation of the
まず、図1に示したのと同様に、不図示の電子デバイスを含む半導体基板1の表面上に第1の絶縁層2を介してパッド電極3を形成する。このとき、パッド電極3は水平状態に保って成膜されるが、ある大きさの応力が蓄積されていると考える。次に、接着層4を介して半導体基板1の表面に支持体5を貼りつける。
First, as shown in FIG. 1, a
次に、図8に示すように、パッド電極3に対応する半導体基板1の裏面に開口部を有したレジスト層6を形成し、これをマスクとして半導体基板1をエッチングし第1の絶縁層2に到達する第1の開口部14を形成する。ここで、当該半導体基板1のエッチングは、第1の開口部14の底部の開口径Yがパッド電極3の平面的な幅K5よりも広くなるように行う。第1の開口部14の底部の開口径Yとは、半導体基板1と第1の絶縁層2との境界における半導体基板1の表面側の開口径である。なお、図においてK6は第1の開口部14の半導体基板1の裏面に近い部分の開口径であり、K7は半導体基板1の表面に近い、樽状に横に広がった部分の開口径である。以後の工程は既に説明したものと同様であるため説明を省略する。こうして、図9に示すように第2の実施形態に係る半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 8, a resist
図10はパッド電極3と第1の開口部14の底部とパッド電極の位置関係を示す平面図であり、図10(a)はパッド電極3の幅K5よりも第1の開口部14の底部の開口径Yのほうが広い例を示している。
10 is a plan view showing the positional relationship between the
このように第1の開口部14の底部の開口径Yをパッド電極3の幅K5よりも広くすることで、パッド電極3の成膜時に蓄積される応力を、第1の絶縁層2に到達する第1の開口部7Aを形成する際や、第1の絶縁層2をエッチングしてパッド電極3を露出させる際に効率よく開放することができ、パッド電極3がビアホール8側に押し出されるように湾曲することを防止できる。従って、パッド電極3の損傷や断線、パッド電極3上に形成される各層(バリア層10,シード層11,配線層12等)の被覆性が向上し、パッド電極3との接続不良が抑止され、結果として半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させることができる。
In this way, by making the opening diameter Y at the bottom of the
また、図10(b)は第1の開口部14の底部がパッド電極3aよりも広い領域と狭い領域を有する例であり、図10(c)は1つのパッド電極3bに複数の第1の開口部14が形成された例を示している。このように、パッド電極の一部が第1の開口部14と一部重畳していたとしても、開口径Yがパッド電極よりも広くなっている領域でパッド電極に蓄積される応力を開放することができるため、上記湾曲の発生を防止でき、半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させることができる。
FIG. 10B shows an example in which the bottom of the
尚、以上の実施形態では、配線層12はメッキ処理により形成されるものとしたが、本発明はこれに制限されるものではなく、例えばメッキ用のシード層11を形成しないで、メッキ処理以外の方法により配線層12が形成されるものであってもよい。例えば、アルミニウムやその合金から成る層をスパッタ形成するものでもよい。 In the above embodiment, the wiring layer 12 is formed by plating. However, the present invention is not limited to this. For example, without forming the seed layer 11 for plating, other than plating. The wiring layer 12 may be formed by this method. For example, a layer made of aluminum or an alloy thereof may be formed by sputtering.
また、本実施形態はボール状端子13が形成された半導体装置に適用されるものとして説明しているが、本発明はこれに制限されるものではなく、半導体基板を貫通するビアホールが形成される半導体装置であれば適用できるもので、例えばLGA(Land Grid Array)型の半導体装置にも適用される。 Although the present embodiment is described as being applied to a semiconductor device in which the ball-shaped terminals 13 are formed, the present invention is not limited to this, and a via hole penetrating the semiconductor substrate is formed. The present invention can be applied to any semiconductor device, for example, an LGA (Land Grid Array) type semiconductor device.
また、以上の実施形態では半導体基板1の表面に支持体5を貼り付けた実施形態について説明したが、図11(a)、(b)に示すように支持体5を用いない半導体装置及びその製造方法にも適用できる。また、半導体装置が完成した後に支持体5を取り外すこともできる。なお、図11(a)の他の構成は既述した第1の実施形態とほぼ同様であり、図11(b)の他の構成は既述した第2の実施形態とほぼ同様であるためそれらの説明は省略する。
Moreover, although the above embodiment demonstrated embodiment which bonded the
また、図11(a)、(b)ではパッド電極3を含む半導体基板1上は、絶縁体から成る保護膜15(例えば、パッシベーション膜またはパッシベーション膜とポリイミド膜等の樹脂が積層された膜)により被覆されている。なお、図11(a)、(b)では保護膜15がパッド電極3を完全に被覆しているが、パッド電極3の一部上を被覆し、パッド電極3が一部露出されてもよい。そして、この露出されたパッド電極3にワイヤボンディングしたり、バンプ電極等の導電端子を形成することができる。あるいは、当該半導体装置を他の半導体装置と積層させる用途で用いる場合には、パッド電極3と他の半導体装置の導電端子を接続させることもできる。
Further, in FIGS. 11A and 11B, a
また、以上の実施形態では、ビアホール8の断面(開口)が円形である場合について説明したが、ビアホール8の断面を楕円や四角などの任意の形状にすることもできる。
Moreover, although the above embodiment demonstrated the case where the cross section (opening) of the via
1 半導体基板 2 第1の絶縁層 3、3a,3b パッド電極
4 接着層 5 支持体 6 レジスト層
7A 第1の開口部 7B 第2の開口部 8 ビアホール
9,9A 第2の絶縁層 10 バリア層 11 シード層 12 配線層
13 ボール状端子 14 第1の開口部
20 第1の絶縁層 21 第2の絶縁層 22 バリア層 23 シード層 24 配線層
DESCRIPTION OF
4
9, 9A
20
Claims (14)
前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板の第1の開口部と連続し、前記ビアホールの一部となる第2の開口部を有する第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に前記第2の開口部を被覆するように配置されたパッド電極と、
前記ビアホールの底部における前記パッド電極と電気的に接続され、かつ前記ビアホールを介して前記半導体基板の裏面に延在する配線層と、を備え、前記第1の開口部は、前記半導体基板の裏面に近い部分よりも前記パッド電極に近い部分の開口径が広くなるように、前記パッド電極に近い部分が樽状に横に広がって形成され、
前記第2の開口部は、前記半導体基板の表面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が狭くなるようにテーパー状に形成されており、かつ前記第1の開口部の前記パッド電極に近い部分の開口径よりも、前記第2の開口部の前記半導体基板の表面に近い部分の開口径の方が狭いことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first opening that penetrates from the back surface to the front surface and becomes a part of the via hole;
A first insulating layer formed on a surface of the semiconductor substrate, having a second opening continuous with the first opening of the semiconductor substrate and serving as a part of the via hole;
A pad electrode disposed on the first insulating layer so as to cover the second opening;
A wiring layer electrically connected to the pad electrode at the bottom of the via hole and extending to the back surface of the semiconductor substrate through the via hole, and the first opening is a back surface of the semiconductor substrate The portion close to the pad electrode is formed to spread laterally in a barrel shape so that the opening diameter of the portion close to the pad electrode is wider than the portion close to
The second opening is formed in a tapered shape so that the opening diameter of the portion close to the pad electrode is narrower than the portion close to the surface of the semiconductor substrate, and the first opening A semiconductor device , wherein an opening diameter of a portion of the second opening close to the surface of the semiconductor substrate is narrower than an opening diameter of a portion close to the pad electrode .
前記第2の開口部の側壁上における前記第2の絶縁層の端部は、前記ビアホールの中心方向に向かうに従ってその膜厚が薄く形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 A second insulating layer is formed on a sidewall of the via hole;
3. The end portion of the second insulating layer on the side wall of the second opening is formed such that the film thickness thereof becomes thinner toward the center of the via hole. A semiconductor device according to 1.
前記半導体基板の裏面から表面の方向に前記半導体基板を除去することで、前記第1の絶縁層を一部露出させ、ビアホールの一部となる第1の開口部を形成する工程と、
前記露出された前記第1の絶縁層を除去することで、前記第1の絶縁層に前記第1の開口部に連続し、前記ビアホールの一部となる第2の開口部を形成する工程と、
前記第1及び第2の開口部を形成した後に、前記ビアホールの底部における前記パッド電極と電気的に接続され、かつ前記ビアホールを介して前記半導体基板の裏面に延在する配線層を形成する工程と、を有し、
前記第1の開口部を形成する工程の前記半導体基板の除去は、前記第1の開口部が前記半導体基板の裏面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が広くなり、第1の開口部の前記パッド電極に近い部分が樽状に横に広がるように行い、
前記第2の開口部を形成する工程の前記第1の絶縁層の除去は、前記第2の開口部が前記半導体基板の表面に近い部分よりも、前記パッド電極に近い部分の開口径が狭くなるようにテーパー状に形成され、かつ前記第1の開口部の前記パッド電極に近い部分の開口径よりも、前記第2の開口部の前記半導体基板の表面に近い部分の開口径の方が狭くなるように行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate having a pad electrode formed on the surface via a first insulating layer;
Removing the semiconductor substrate in the direction from the back surface to the front surface of the semiconductor substrate to partially expose the first insulating layer and forming a first opening to be a part of a via hole;
Removing the exposed first insulating layer to form a second opening in the first insulating layer that is continuous with the first opening and becomes a part of the via hole; ,
Forming a wiring layer electrically connected to the pad electrode at the bottom of the via hole and extending to the back surface of the semiconductor substrate through the via hole after forming the first and second openings; And having
The removal of the semiconductor substrate of the first opening step of forming, the than the first partial opening is closer to the back surface of the semiconductor substrate, Ri a wide opening diameter of a portion close to the pad electrode, A portion close to the pad electrode of the first opening is performed so as to spread sideways in a barrel shape,
The removal of the first insulating layer in the step of forming the second opening is such that the opening diameter of the portion close to the pad electrode is narrower than the portion of the second opening close to the surface of the semiconductor substrate. The opening diameter of the portion of the second opening close to the surface of the semiconductor substrate is larger than the opening diameter of the portion of the first opening close to the pad electrode. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being performed so as to be narrow .
前記第2の開口部の側壁上における前記第2の絶縁層の端部を、前記ビアホールの中心方向に向かうに従ってその膜厚を薄く形成するように行うことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 Forming the second insulating layer on the sidewall of the via hole;
The end portion of the second insulating layer on the side wall of the second opening is formed so as to decrease in thickness toward the center of the via hole. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第2の絶縁層をレジスト層を用いることなくエッチングすることにより、前記半導体基板の裏面の前記第2の絶縁層が完全に除去される前に、前記パッド電極上の第2の絶縁層を完全に除去する工程を有することを特徴とする請求項8または請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 In the step of forming the second insulating layer on the sidewall of the via hole, the film thickness on the back surface of the semiconductor substrate including the via hole is larger than the film thickness on the pad electrode at the bottom of the via hole. as after forming the second insulating layer,
By etching the second insulating layer without using a resist layer, the second insulating layer on the pad electrode is removed before the second insulating layer on the back surface of the semiconductor substrate is completely removed. 10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, further comprising a step of completely removing the semiconductor device.
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