JP4865913B2 - 半導体基板構造及び半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バンプを有する半導体基板構造及び半導体装置に関する。
半導体装置の実装技術分野においては、チップサイズパッケージ、チップスケールパッケージ及びフリップチップ等のためにバンプ電極の形成が行われている。バンプ電極は、電極パッド及び金属ボール等のバンプを有している。また、バンプ電極の周囲には、一般にパッシベーション膜及び最表面を保護する保護膜等が形成されている。バンプ電極の形成には、印刷方式、めっき方式及びバンプ材料搭載法等が用いられる。
印刷方式では印刷マスクを位置決めした後、印刷マスクからバンプ材料ペーストとフラックスから構成される印刷ペーストをウェハ上に供給する。この後、リフローを行うことによりバンプを形成する。印刷方式は、微細パターンになると印刷マスクから印刷ペーストが抜け難くなり、リフロー後に形成されるバンプの径がばらつくという問題を有している。
めっき方式では、電解めっき又は無電解めっきにより、電極パッド上にバンプを形成する。めっき方式の場合、めっきに用いる電流を電極数に応じて制御する必要があり、電流制御が複雑となる。このため、バンプの形状精度の点で問題がある。
バンプ材料搭載法はボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等に用いられており、吸着ヘッドにバンプ材料を吸着させた後、吸着させたバンプ材料を電極パッド上に一括して載置（転写）する方式である。バンプ材料搭載法ではバンプ材料が微小になると、ヘッドに一括して吸着させることが困難となる。このため、数千個レベルの一括転写が上限とされている。一括転写のレベルを向上させる方法として、搭載マスクを利用する方法が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。これは、バンプを形成する元となるバンプ材料を、その径以上の開口部を有する搭載マスクを通じて電極パッド上に一括搭載する方式である。本方式は、バンプ材料とほぼ同じ厚さを有し且つバンプ材料を落とし込むための開口部を有するマスクを用いて、バンプ形成の元となるバンプ材料を供給配置する。このため、必要箇所に的確に効率よくバンプ材料を供給配置することが可能である。
特開２０００−３３２１５１号公報
しかしながら、搭載マスクを利用するバンプ材料搭載法の場合、バンプ材料とほぼ同じ厚さの搭載マスクの形成及び除去という工程が必要となる。また、バンプ材料を供給する前に、印刷マスクを用いて電極パッド上にフラックス印刷を施す必要がある。フラックス印刷工程においては、印刷装置及び印刷条件等の要因又はフラックス自身の材料特性により、フラックスが過度に拡がった状態に印刷されるおそれがある。フラックスが過度に拡がった状態においてバンプ材料の搭載及びリフロー工程を行うと、近接するバンプ材料が移動して接触し不良が発生する。従来は、フラックス印刷の際に生じる問題については何ら認識されておらず、対策も講じられていない。
本発明は、フラックス印刷の際に生じる問題を解決し、不良なバンプ電極の発生を抑えた半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は半導体基板構造を、電極パッドを囲む障壁部が形成された保護膜を有する構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体基板構造は、半導体基板本体の上に形成された電極パッドと、半導体基板本体の上に形成され電極パッドを露出する開口部を有する保護膜と、電極パッドの上に形成されたバンプとを備え、電極パッドと保護膜とは互いに間隔をおいて形成され、保護膜は電極パッドを囲む障壁部を有し、障壁部は保護膜における障壁部を除く部分と高さが異なっていることを特徴とする。
本発明の半導体基板構造は、電極パッドを囲む障壁部を有する保護膜を備えている。このため、電極パッドの上にフラックスを印刷する際に、フラックスが保護膜上に大きく拡がり、隣接する電極パッド上のフラックスと接触することを抑えることができる。従って、バンプを形成する際にバンプ材料がフラックスに沿って移動し、電極パッドからずれた位置にバンプが形成されたり、隣接するバンプが一体となってサイズが大きいバンプが形成されたり、隣接するバンプ同士が接触してショートしたりするバンプ形成不良の発生を抑えることができる。
本発明の半導体基板構造において、障壁部は凹部とすればよい。この場合において、凹部の少なくとも一部は、フラックスに対する親和性が保護膜の他の部分よりも高くてもよい。また、電極パッドは電極パッド本体と、電極パッド本体の上に形成されたアンダーバリアメタル層とを有し、凹部の底面の位置は、電極パッド本体の上面と同一又は上面よりも高い位置としてもよい。
本発明の半導体基板構造において、障壁部は凸部としてもよい。この場合において、凸部の少なくとも一部は、フラックスに対する親和性が保護膜の他の部分よりも低くてもよい。
本発明の半導体基板構造において、障壁部は電極パッドを連続して囲んでいる構成としてもよい。
本発明の半導体基板構造において、保護膜はポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂又はシリコーン系の樹脂とすればよい。
本発明に係る半導体装置は、本発明の半導体基板構造を備えていることを特徴とする。
本発明に係る半導体基板構造によれば、フラックス印刷の際に生じる問題を解決し、不良なバンプ電極の発生を抑えた半導体装置を実現できる。
（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体基板構造を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体基板構造における凹部の形状を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体基板構造の変形例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体基板構造の変形例における凸部の形状を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体基板構造の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体基板構造の変形例を示す平面図である。
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る半導体基板構造であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は断面構成を示している。（ａ）においてバンプ１１１の記載は省略している。本実施形態の半導体基板構造は、半導体素子（図示せず）等を有する半導体基板本体１００の上に形成されたバンプ電極１０１を有している。バンプ電極１０１は、電極パッド１０３とバンプ１１１とを有している。電極パッド１０３は、アルミニウム（Ａｌ）等からなる電極パッド本体１０５と、電極パッド本体１０５の上に形成されたアンダーバリアメタル（ＵＢＭ）層１０７とを有している。ＵＢＭ層１０７の上には、フラックス層１１３が形成されていると共に、バンプ１１１が固定されている。半導体基板本体１００の上には、電極パッド１０３の上面を露出するように、窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）からなるパッシベーション膜１２１が形成されている。パッシベーション膜１２１の上には、電極パッド１０３を露出する開口部を有する保護膜１２３が形成されている。保護膜１２３と電極パッド１０３とは、互いに間隔をおいて形成されている。また、保護膜１２３は電極パッド１０３を囲む障壁部１２３ａを有している。図１において、障壁部１２３ａは保護膜１２３の他の部分よりも高さが低くなった凹部である。
半導体基板構造を形成する場合には、例えば以下のようにすればよい。まず、半導体素子等が形成された半導体基板本体１００を準備し、基板の上に半導体素子等と接続されたＡｌ等からなる電極パッド本体１０５を形成する。続いて、半導体基板本体１００の上に、Ｓｉ3Ｎ4等からなるパッシベーション膜１２１を形成する。この後、パッシベーション膜１２１をエッチング除去することにより、電極パッド本体１０５を露出する開口部を形成する。次に、電極パッド本体１０５における開口部から露出した部分の上に、ＵＢＭ層１０７を形成する。続いて、電極パッド１０５本体と間隔をおいて障壁部１２３ａを有する保護膜１２３を形成する。
ＵＢＭ層１０７は例えば次のようにして形成すればよい。まず、電極パッド本体１０５の表面をソフトエッチングして酸化膜除去した後、ジンケート処理液に浸漬し亜鉛粒子を析出させる。続いて、無電解ニッケル（Ｎｉ）めっき液に浸漬して電極パッド本体１０５の上に厚さが５×１０-3ｍｍ程度のＮｉ膜を形成する。場合によっては、さらに無電解Ａｕめっき液に浸漬し、Ｎｉ膜の上に厚さが５×１０-5ｍｍ程度のフラッシュＡｕめっきを施してもよい。一方、保護膜１２３は次のようにして形成すればよい。半導体基板本体１００の上に、スピンナーを用いてポリイミド等を均一に塗布する。続いて、プリベーク（７０℃×５０秒、９０℃×５０秒、１０５℃×１１０秒）を行った後、電極パッド１０３と同程度の開口部ができるようなパターンに露光する。次に、現像前ベーク（８０℃×５０秒）を行った後、現像とキュア（１４０℃×１７０秒、３５０℃×３６００秒）とを順次行う。なお、保護膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール及びシリコーン系の樹脂材料等を用いて形成すればよい。
本実施形態の半導体基板構造は、保護膜１２３が電極パッド１０３と間隔をおいて形成されている。また、保護膜１２３が電極パッド１０３を囲む障壁部１２３ａを有している。このため、電極パッド１０３の上にフラックスを印刷してフラックス層１１３を形成する際に、フラックスの横方向のはみ出しが制限され、フラックスが大きく拡がることを抑えることができる。
フラックス層１１３は一般的に以下のような方法により形成する。まず、半導体基板本体１００の全面を十分覆うことのできる厚さが０．０２ｍｍ〜０．０４ｍｍ程度の金属製薄板に、電極パッド１０３の座標と合致するように開口部を形成した印刷マスクを準備する。続いて、ゴム製スキージ又は金属製スキージを用いて、電極パッド１０３の上にフラックスを印刷する。通常、バンプ材料搭載法においては、１００Ｐａ・ｓ〜２００Ｐａ・ｓの粘度を持つフラックスが用いられる。しかし、場合によっては１０Ｐａ・ｓ〜５０Ｐａ・ｓの粘性を持つ低粘度フラックスが用いられることがある。この場合は、印刷後のフラックスの形状が変形しやすく、横方向に拡がりやすい。また、印刷時のスキージ速度によってもフラックスの拡がり方が異なる。例えば、径が１２０μｍの電極パッドが１８０μｍピッチで並ぶ場合には、粘度が１８０Ｐａ・ｓの比較的高粘度のロジン系フラックスであればスキージ速度を１００ｍｍ／ｓとすると各ＵＢＭ層１０７の上に適正に印刷することが可能である。しかし、スキージ速度が１ｍｍ／ｓの場合には、フラックスの拡がりが激しくなる。このため、障壁部１２３ａを形成しない場合には、隣接する電極パッド１０３の間の領域にフラックスが拡がり隣接するフラックス層１１３同士が接触してしまう。
隣接する電極パッド１０３の間においてフラックス層１１３が接触すると、バンプ１１１の形成不良が発生する。バンプ１１１の形成不良が発生する原因は以下の通りである。まず、バンプ１１１形成について説明する。電極パッド座標位置に開口部が設けられた搭載マスクを用い、バンプ１１１の元となる球状又はそれに近い形状のバンプ材料をフラックス層１１３が印刷されたＵＢＭ層１０７の上に配列する。バンプ材料には例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ組成のはんだ材料を用いればよい。また、バンプ材料は径が０．０７ｍｍ〜０.１２５ｍｍ（バンプ材料が球状でない場合は、長手方向と短手方向の幅の平均値）とすればよい。バンプ材料を供給した後、半導体基板本体１００を熱処理すると、バンプ材料は溶融してＵＢＭ層１０７と接合する。
この場合において、フラックス層１１３が電極パッド１０３以外の部分にも印刷されていると、リフロー中にバンプ材料が電極パッド１０３以外の位置へ移動しやすくなる。例えば、バンプ材料が電極パッド１０３の上から移動してしまうと、電極パッド１０３の直上からずれた位置にバンプ１１１が形成されてしまう。また、移動したバンプ材料が隣接するバンプ材料と接触すると、肥大化したバンプが形成されたり、２つの電極パッド１０３を接続するブリッジと呼ばれる不良が発生したりする。また、移動したバンプ材料が隣接するバンプ材料と接触して不良バンプとなるおそれが高くなる。バンプ材料の移動は、リフロー炉内のコンベアーの振動、リフロー炉内の循環風、あらかじめ塗布されているフラックスの軟化時の応力等により生じる。
以上の様なバンプ１１１の形成不良を低減するために、本実施形態においては保護膜１２３が電極パッド１０３と間隔をおいて形成されている。電極パッド１０３と保護膜１２３とを物理的に離すことにより、保護膜１２３の上に拡がるおそれがある過剰なフラックスを、電極パッド１０３と保護膜１２３との間の凹みにおいて捕捉することができる。さらに、保護膜１２３が電極パッド１０３を囲む凹部である障壁部１２３ａを有しているため、保護膜１２３の上に拡がったフラックスは、障壁部１２３ａにより吸収される。従って、制限範囲以上の範囲にフラックスが拡がらず、バンプ材料搭載後のリフロー工程において、バンプ材料が移動して近隣のバンプ材料と接触することを防ぐことができる。
障壁部１２３ａは、底面の高さが電極パッド本体１０５の上面の高さと同一かそれよりも高いことが好ましい。このようにすれば、電極パッド１０３側にフラックスを誘導することができる。凹部である障壁部１２３ａは、図２（ａ）に示すような平坦な底面を有している形状としても、（ｂ）に示すように断面Ｕ字状としても、（ｃ）に示すように断面Ｖ字状としてもよい。また、これに限らずどのような形状であってもよい。
障壁部１２３ａを凹部とする場合には、凹部の少なくとも一部において保護膜１２３の他の部分よりもフラックスに対する親和性を高くすることが好ましい。このようにすれば、凹部におけるフラックスの吸着性が増加するため、フラックスの過剰な拡がりをより効果的に防ぐことが可能となる。
障壁部１２３ａは凹部に代えて図３に示すように凸部としてもよい。障壁部１２３ａが凸部の場合には、過剰なフラックスをせき止めることができるため、フラックスの過剰な拡がりを抑えることができる。また、凸部によりバンプ材料の移動域が物理的に制限されるため、近隣のバンプ材料との接触をより確実に防ぐことができる。障壁部１２３ａを凸部とする場合には、図４（ａ）に示すように上面が平坦な凸部としても、（ｂ）に示すように断面逆Ｕ字状の凸部としても、（ｃ）に示すように断面逆Ｖ字状の凸部としてもよい。また、これに限らずどのような形状であってもよい。
障壁部１２３ａを凸部とする場合には、凸部の少なくとも一部において保護膜１２３の他の部分よりもフラックスに対する親和性を低くすることが好ましい。このようにすれば、凸部におけるフラックスのぬれ性が低下するため、フラックスの過剰な拡がりをより効果的に防ぐことが可能となる。
また、障壁部１２３ａは、図５に示すようにそれぞれ独立していてもよい。また、平面形状も方形状、六角形状又は円形状等どのような形状であってもよい。さらに、電極パッド１０３を連続的に囲んでいる必要はなく、図６に示すように複数の独立した部分に分かれていてもよい。
バンプ材料搭載方式においては、ロジン系フラックス及び水溶性フラックス等の種々のフラックスが用いられる。特にハロゲンフリータイプのロジン系フラックスの場合、樹脂、溶剤、チキソ剤、有機酸系活性剤及びアミン系補助剤を含んでおり、有機酸の主成分としてカルボキシル基を官能基とする薬剤を含んでいる。このため、障壁部１２３ａが凹部である場合には、凹部の少なくとも一部に、カルボキシル基との親和性が高い材料をコーティングすることが好ましい。このようにすれば、凹部の少なくとも一部においてフラックスの吸着性が増大するため、フラックスの過剰な拡がりをさらに効率よく防ぐことが可能となる。カルボキシル基との親和性が高い材料には、例えばポリエチレンイミン又はポリビニルフェノール等の高極性系の高分子材料等を用いればよい。また、コーティングに代えて凹部の少なくとも一部を高極性高分子等のフラックスとの親和性が高い材料により形成してもよい。
一方、障壁部１２３ａが凸部である場合には、凸部の少なくとも一部にカルボキシル基との親和性が低い材料をコーティングすることが好ましい。このようにすれば凸部の少なくとも一部においてフラックスのぬれ性が低下するため、フラックスの過剰な拡がりをさらに効率よく防ぐことが可能となる。カルボキシル基との親和性が低い材料には、例えば四フッ化エチレン等のフッ素系の材料に代表される無極性材料を用いればよい。また、コーティングに代えて凸部の少なくとも一部を無極性材料により形成してもよい。
ハロゲンフリータイプのロジン系フラックスの場合には、障壁部１２３ａのカルボキシル基に対する親和性を操作すればよいが、他のフラックスを用いる場合には、含まれる成分に応じて親和性を操作すればよい。この場合において、障壁部１２３ａが凹部の場合には親和性を高くし、凸部である場合には親和性を低くすればよい。
本発明に係る半導体基板構造は、フラックス印刷の際に生じる問題を解決し、不良なバンプ電極の発生を抑えた半導体装置を実現でき、バンプを有する半導体基板構造及び半導体装置等として有用である。
１００ 半導体基板本体
１０１ バンプ電極
１０３ 電極パッド
１０５ 電極パッド本体
１０７ アンダーバリアメタル層
１１１ バンプ
１１３ フラックス層
１２１ パッシベーション膜
１２３ 保護膜
１２３ａ 障壁部

Claims (8)

  1. 半導体基板本体の上に形成された電極パッドと、
    前記半導体基板本体の上に形成され且つ前記電極パッドを露出する開口部を有する保護膜と、
    前記電極パッドの上に形成されたバンプとを備え、
    前記電極パッドと前記保護膜とは、互いに間隔をおいて形成され、
    前記保護膜は、前記電極パッドを囲む障壁部を有し
    前記障壁部は、前記保護膜における前記障壁部を除く部分と高さが異なっており、
    前記障壁部は、凹部であることを特徴とする半導体基板構造。
  2. 前記凹部の少なくとも一部は、フラックスに対する親和性が前記保護膜の他の部分よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板構造。
  3. 前記電極パッドは、電極パッド本体と、該電極パッド本体の上に形成されたアンダーバリアメタル層とを有し、
    前記凹部の底面の位置は、前記電極パッド本体の上面と同一又は上面よりも高い位置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体基板構造。
  4. 半導体基板本体の上に形成された電極パッドと、
    前記半導体基板本体の上に形成され且つ前記電極パッドを露出する開口部を有する保護膜と、
    前記電極パッドの上に形成されたバンプとを備え、
    前記電極パッドと前記保護膜とは、互いに間隔をおいて形成され、
    前記保護膜は、前記電極パッドを囲む障壁部を有し
    前記障壁部は、前記保護膜における前記障壁部を除く部分と高さが異なっており、
    前記障壁部は、凸部であることを特徴とする半導体基板構造。
  5. 前記凸部の少なくとも一部は、フラックスに対する親和性が前記保護膜の他の部分よりも低いことを特徴とする請求項４に記載の半導体基板構造。
  6. 前記障壁部は、前記電極パッドを連続して囲んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体基板構造。
  7. 前記保護膜はポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂又はシリコーン系の樹脂からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体基板構造。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体基板構造を備えていることを特徴とする半導体装置。
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