JP4993848B2 - 配線基材 - Google Patents

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Description

本発明は、配線基材およびその製造方法に関する。
携帯電話、ＰＤＡ、ＤＶＣ、ＤＳＣといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっており、その実現のために高集積のシステムＬＳＩが求められている。一方、これらのエレクトロニクス機器に対しては、より使い易く便利なものが求められており、機器に使用されるＬＳＩに対し、高機能化、高性能化が要求されている。このため、ＬＳＩチップの高集積化にともないそのＩ／Ｏ数が増大する一方でパッケージ自体の小型化要求も強く、これらを両立させるために、半導体部品の高密度な基板実装に適合した半導体パッケージの開発が強く求められている。こうした要求に対応するため、ＣＳＰ（Chip Size Package）と呼ばれるパッケージ技術が種々開発されている。たとえば、特許文献１には、このようなＣＳＰが記載されている。
このような半導体パッケージにおいて、回路素子との電気的接続をとるために、絶縁樹脂膜にビアが設けられる。従来、このようなビアは、まず絶縁樹脂膜にビアホールを形成し、ビアホール内に無電解めっき法等で薄膜を形成し、つづいて電解めっき法でビアホールを埋め込むことにより形成されていた。
特開２００３−２４９４９８号公報 特開２００２−１１０７１７号公報
ところで、近年、電子機器の高速化に伴い、ビアや配線を形成する材料として銅が用いられるようになってきている。このように銅により形成されたビアや配線において、上述したように２段階でビアを形成すると、無電解めっき法で形成した薄膜とその上に形成された電解めっき膜の密着性が悪いという問題があった。また、これらの膜間の界面において、ストレスマイグレーションやエレクトロマイグレーションが生じるという問題もあった。これにより、配線の信頼性が低いという課題があった。
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、基材中に金属材料が形成された配線基材の安定性を良好にする技術を提供することにある。
本発明によれば、基材と、基材に設けられた凹部を埋め込んで形成された配線を構成する金属膜と、を含み、金属膜は、凹部の側壁を覆うように形成された第一の金属膜と、第一の金属膜を覆うように形成された酸化金属膜と、酸化金属膜上に設けられた第二の金属膜と、を含むことを特徴とする配線基材が提供される。
ここで、「配線」とは、基板表面に略平行な平面に延びる配線、およびビアホールやコンタクトホールに受け込まれた接続孔配線（接続孔プラグ）を含む。ここで、酸化金属膜の厚みは、１０ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下とすることができる。これにより、金属膜の電気的接続を良好に保つことができる。また、酸化金属膜の厚みは、０．１ｎｍ以上とすることができる。第一の金属膜と第二の金属膜との間に、このような酸化金属膜を設けることにより、これらの膜間の密着性を良好にすることができる。また、このような金属酸化膜を設けることにより、金属膜のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を高めることもできる。
本発明の配線基材において、第一の金属膜と、第二の金属膜は、銅により構成することができる。
本発明の配線基材において、金属酸化膜は、第一の金属膜を酸化させた膜とすることができる。
本発明の配線基材において、基材は、絶縁樹脂膜とすることができる。また、基材は、素子搭載用のインターポーザとすることができる。
本発明によれば、基材に凹部を形成する工程と、凹部の側壁を覆うように第一の金属膜を形成する工程と、第一の金属膜表面を酸化させて第一の金属膜上に酸化金属膜を形成する工程と、酸化金属膜上に第二の金属膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする配線基材の製造方法が提供される。第一の金属膜と、酸化金属膜と、および第二の金属膜とにより、配線を構成することができる。
本発明の配線基材の製造方法において、第一の金属膜および第二の金属膜は、銅により構成することができる。
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
本発明によれば、基材中に金属材料が形成された配線基材の安定性を良好にすることができる。
図１は、本発明の実施の形態における配線基材の製造手順を示す工程断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、絶縁樹脂膜１０６の両面に第一の導電性膜１０２および第二の導電性膜１０４が形成されたシート状の基材を準備する。つづいて、第二の導電性膜１０４が形成された面にレジストを配置し、ビアホールを形成するための開口を形成する。このレジストをマスクとして、ウェットエッチングにより第二の導電性膜１０４を選択的に除去する。これにより、ビアホールが形成される領域において、第二の導電性膜１０４を除去することができる。また、第二の導電性膜１０４は、レーザ直描法（トレパニングアライメント）により選択的に除去することもできる。
つづいて、第二の導電性膜１０４をマスクとして、絶縁樹脂膜１０６にビアホール１０８を形成する（図１（ｂ））。ビアホール１０８は、たとえば、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ドライエッチング、および逆スパッタリング法を適宜組み合わせて形成することができる。レーザでビアホール１０８を形成する場合、第一の導電性膜１０２は、ストッパ層として機能する。
炭酸ガスレーザは、第一条件およびパルス幅を変更させた第二条件の２段階で照射する。０．２５ｍｓのパルス周期で、１．０Ｗの出力のレーザを用い、第一条件としては、たとえばパルス幅が８〜１０μｓ、ショット数が１とすることができる。また、第二条件としては、たとえばパルス幅が３〜５μｓ、パルス間隔が２５ｍｓ以上、ショット数が３とすることができる。これにより、第二の導電性膜１０４から第一の導電性膜１０２の方向に行くにつれて径が縮小するテーパ形状の側壁を有するビアホール１０８が形成される。
さらにこの後、ＹＡＧレーザおよび塩素やフッ素等のハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより微細加工を行うこともできる。このとき、下層の第一の導電性膜１０２の表面も一部除去され、第一の導電性膜１０２に凹部が形成される（図２）。
この後、ビアホール１０８内をウェット処理により粗化および洗浄する。つづいて、まず、無電解めっき法により第一の金属膜１１０（約０．５〜１μｍ）を形成する（図１（ｃ））。無電解めっき用触媒としては、パラジウムを用いることができ、可とう性の絶縁樹脂膜に無電解用めっき用触媒を付着させるには、パラジウムを錯体の状態で水溶液に含ませ、可とう性の絶縁樹脂膜を浸漬して表面にパラジウム錯体を付着させ、そのまま、還元剤を用いて、金属パラジウムに還元することによってめっきを開始するための核を形成することができる。なお、第一の金属膜１１０は、スパッタリング法やＣＶＤ法により形成することもできる。第一の金属膜１１０をスパッタリングで形成する場合、条件は、たとえば、Ａｒの流量５０ｓｃｃｍ、圧力５ｍｔｏｒｒ、ＡＣ１５０Ｗ、ＤＣ２４ｋＷ、温度−４０℃とすることができる。
つづいて、第一の金属膜１１０表面にエア（空気や酸素ガス）を高圧（約５００ｋＰａ）で吹きつけ、金属酸化膜１１２（約０．１〜１ｎｍ）を形成する（図１（ｄ））。
その後、金属酸化膜１１２上に電解めっき法により第二の金属膜１１４（約２０μｍ）を形成し、ビアホール１０８内を埋め込む（図１（ｅ））。本実施の形態において、第一の金属膜１１０および第二の金属膜１１４は、銅により構成することができる。金属酸化膜１１２は、銅を酸化させた第一酸化銅とすることができる。第二の金属膜１１４を銅により構成する場合、第二の導電性膜１０４を室温で硫酸銅水溶液に浸漬して電解めっき法により形成することができる。
この後、第二の導電性膜１０４および第一の導電性膜１０２を所定形状にパターニングして配線を形成する。これにより、配線基材１０１が得られる。配線は、フォトレジストをマスクとして、たとえば、レジストから露出した箇所に、化学エッチング液をスプレー噴霧して不要な導電性膜をエッチング除去することにより形成することができる。エッチングレジストは、通常のプリント配線板に用いることのできるエッチングレジスト材料を用いることができる。この場合、配線は、レジストインクをシルクスクリーン印刷して形成したり、エッチングレジスト用感光性ドライフィルムを導電性膜の上にラミネートして、その上に配線導体の形状に光を透過するフォトマスクを重ね、紫外線を露光し、露光しなかった箇所を現像液で除去して形成することができる。第一の導電性膜１０２または第二の導電性膜１０４として銅箔を用いる場合、化学エッチング液には、塩化第二銅と塩酸の溶液、塩化第二鉄溶液、硫酸と過酸化水素の溶液、過硫酸アンモニウム溶液など、通常のプリント配線板に用いる化学エッチング液を用いることができる。
この後、第一の導電性膜１０２および第二の導電性膜１０４が両面に設けられた絶縁樹脂膜１０６を積層して同様の処理を繰り返すことにより、多層配線構造を得ることができる。
図２は、このようにして形成されたビア（接続孔配線）１１６の構造を詳細に示す断面図である。このように、第一の金属膜１１０と第二の金属膜１１４との間に金属酸化膜１１２が設けられているので、第一の金属膜１１０と第二の金属膜１１４との密着性を良好にすることができる。また、このようなビア１１６を銅により構成した場合、ビア１１６中に金属酸化膜１１２を設けることにより、ビア１１６のストレスマイグレーション耐性やエレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。
さらに、図１（ｂ）を参照して説明したように、ビアホール１０８形成時に第一の導電性膜１０２に凹部が形成されると、ビア１１６の底部が第一の導電性膜１０２に囲まれた構成となり、ビア１１６と第一の導電性膜１０２との接触面積が増加するため、これらの導電性材料を低抵抗化することもできる。
以上で説明した配線基材は、図３に示すような半導体装置に用いることができる。
半導体装置１００は、配線基材１０１と、その上に載置された回路素子１２０と、回路素子１２０を封止する封止樹脂１３４と、回路素子１２０と第一の導電性膜１０２とを電気的に接続するボンディングワイヤ１３２と、ビア１１６に電気的に接続されたバンプ１２６とを含む。回路素子１２０は、たとえば銀ペースト等の導電性ペースト１２８により第一の導電性膜１０２上に固定される。また、第一の導電性膜１０２および第二の導電性膜１０４のパターニングされた配線の間にはフォトソルダレジスト１２４が埋め込まれている。回路素子１２０は、たとえば、トランジスタ、ダイオード、ＩＣチップ等の半導体素子、または、たとえば、チップコンデンサ、チップ抵抗等の受動素子である。また、回路素子１２０は、複数の素子が積層された形態とすることもできる。この場合、複数の素子の組み合わせとしては、たとえばＳＲＡＭとＦｌａｓｈメモリ、ＳＲＡＭとＰＲＡＭとすることができる。
半導体基材をこのような半導体装置１００に適用する場合、各種材料は、以下のようにすることができる。第一の導電性膜１０２および第二の導電性膜１０４は、たとえば圧延銅箔等の圧延金属である。
絶縁樹脂膜１０６としては、加熱することにより軟化する材料であればどのようなものを用いることもできるが、たとえばエポキシ樹脂、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等を用いることができる。このような材料を用いることにより、配線基材の剛性を高めることができる。絶縁樹脂膜１０６として、エポキシ樹脂、またはＢＴレジン、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂を用いることにより、さらに配線基材の剛性を高めることができる。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型樹脂、ビスフェノールＦ型樹脂、ビスフェノールＳ型樹脂、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が挙げられる。
メラミン誘導体としては、メラミン、メラミンシアヌレート、メチロール化メラミン、（イソ）シアヌール酸、メラム、メレム、メロン、サクシノグアミン、硫酸メラミン、硫酸アセトグアナミン、硫酸メラム、硫酸グアニルメラミン、メラミン樹脂、ＢＴレジン、シアヌール酸、イソシアネール酸、イソシアヌール酸誘導体、メラミンイソシアヌレート、ベンゾグアナミン、アセトグアナミン等のメラミン誘導体、グアニジン系化合物等が例示される。
液晶ポリマーとしては、芳香族系液晶ポリエステル、ポリイミド、ポリエステルアミドや、それらを含有する樹脂組成物が例示される。このうち、耐熱性、加工性および吸湿性のバランスに優れる液晶ポリエステルまたは液晶ポリエステルを含有する組成物が好ましい。
また、絶縁樹脂膜１０６には、フィラーまたは繊維等の充填材を含めることができる。フィラーとしては、たとえば粒子状または繊維状のＳｉＯ２やＳｉＮを用いることができる。絶縁樹脂膜１０６にフィラーや繊維を含めることにより、絶縁樹脂膜１０６の反りを低減することができる。また、絶縁樹脂膜１０６に繊維を含めた場合、絶縁樹脂膜１０６の流動性を高めることができる。このような観点からは、絶縁樹脂膜１０６を構成する材料としてアラミド不織布が好ましく用いられる。これにより、加工性を良好にすることができる。
アラミド繊維としては、パラアラミド繊維またはメタアラミド繊維を用いることができる。パラアラミド繊維としては、たとえば、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（ＰＰＤ−Ｔ）、メタアラミドとしては、たとえば、ポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）（ＭＰＤ−Ｉ）を用いることができる。
（例１）
以上の実施の形態で説明したのと同様に、ビアホールを形成し、ビアホール内に、無電解めっき法により第一の金属膜１１０（約１μｍ）を形成した後、第一の金属膜１１０表面に酸素ガスを高圧（約５００ｋＰａ）で吹きつけ、金属酸化膜１１２（約１ｎｍ）を形成した。さらに、金属酸化膜１１２上に電解めっき法により第二の金属膜１１４（約２０μｍ）を形成した。これによりビア１１６を形成した。図４は、このようにして形成されたビアの構成を示す断面図である。
図５は、図４の破線で囲んだ部分を拡大したＴＥＭ写真である。ここで、図中、粒状の低コントラスト部が見られる。この低コントラスト部は、非晶質の酸化膜であると考察される。このように、酸化ガスを吹きつけることにより、第一の金属膜１１０と第二の金属膜１１４との間に、金属酸化膜１１２が形成されることが示された。
（例２）
基板上に、無電解めっき法により第一の金属膜（約１μｍ）を形成した後、第一の金属膜表面に酸素ガスを高圧（約５００ｋＰａ）で吹きつけ、金属酸化膜（約１ｎｍ）を形成した。さらに、金属酸化膜上に電解めっき法により第二の金属膜（約２０μｍ）を形成して試料を準備した。また、酸素ガスの吹きつけを行わず、第一の金属膜表面に直接第二の金属膜を形成した試料を比較例として準備した。
図６に、以上の試料を用いて複数箇所（測定点１〜５）におけるピール強度を測定した結果を示す。図６に示すように、酸素ガスの吹きつけを行った試料（図中「酸化膜あり」と記載）において、酸素ガスの吹きつけを行っていない試料（図中「酸化膜なし」と記載）に比べてピール強度が向上したことが示された。
以上で説明した配線基材１０１を含む半導体装置１００は、以下で説明するＩＳＢ（Integrated System in Board；登録商標）に適用することができる。ＩＳＢとは、半導体ベアチップを中心とする電子回路のパッケージングにおいて、銅による配線パターンを持ちながら回路部品を支持するためのコア(基材)を使用しない独自のコアレスシステム・イン・パッケージである（本出願による特開２００２−１１０７１７号公報）。
ＩＳＢパッケージは、支持基板としても機能する導電箔上に複数層の導電パターンを形成して多層配線構造を作り、さらに回路素子を実装し、絶縁樹脂でモールドし、導電箔を除去することにより得られる。この場合、導電箔は裏面が露出した構成とすることができる。
このパッケージによれば、以下の利点が得られる。
（ｉ）コアレスで実装できるため、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩの小型・薄型化を実現できる。
（ｉｉ）トランジスタからシステムＬＳＩ、さらにチップタイプのコンデンサや抵抗を回路形成し、パッケージングすることができるため、高度なＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）を実現できる。
（ｉｉｉ）現有の半導体チップを組み合わせできるため、システムＬＳＩを短期間に開発できる。
（ｉｖ）半導体ベアチップの下にコア材がないため、良好な放熱性を得ることができる。
（ｖ）回路配線が銅材でありコア材がないため、低誘電率の回路配線となり、高速データ転送や高周波回路で優れた特性を発揮する。
（ｖｉ）電極がパッケージの内部に埋め込まれる構造のため、電極材料のパーティクルコンタミの発生を抑制できる。
（ｖｉｉ）パッケージサイズはフリーであり、１個あたりの廃材を６４ピンのＳＱＦＰパッケージと比較すると、約１／１０の量となるため、環境負荷を低減できる。
（ｖｉｉｉ）部品を載せるプリント回路基板から、機能の入った回路基板へと、新しい概念のシステム構成を実現できる。
（ｉｘ）ＩＳＢのパターン設計は、プリント回路基板のパターン設計と同じように容易であり、セットメーカーのエンジニアが自ら設計できる。
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明した。この実施の形態および実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の
範囲にあることは当業者に理解されるところである。
以上の実施の形態において、図１（ｅ）では、ビアホール１０８を第二の金属膜１１４で完全に埋め込んだ形態を示したが、ビアホール１０８は第二の金属膜１１４により埋め込まれない形態とすることもできる。
また、以上の実施の形態において、レーザ等を用いてビアホール１０８を形成する形態を説明したが、たとえば絶縁樹脂膜１０６として感光性の材料を用いた場合、第二の導電性膜１０４をマスクとして絶縁樹脂膜１０６に光を照射し、光が照射された部分を除去することにより、ビアホール１０８を形成することもできる。感光性の材料としては、たとえば感光性ポリイミド樹脂、感光性エポキシ樹脂、フォトソルダレジスト、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）等を用いることができる。フォトソルダレジストとしては、たとえば、ＰＤＦ３００（新日鐵化学株式会社製）やＡＵＳ４０２（太陽インキ製造株式会社製）を用いることができる。
なお、以上の実施の形態では、絶縁樹脂膜１０６形成したビアホール１０８にビア１１６を形成する形態を例として説明したが、本発明は、たとえば半導体基板上に形成した層間絶縁膜に配線やビアを形成する場合に適用することもできる。
本発明の実施の形態における配線基材の製造手順を示す工程断面図である。 図１に示した手順で製造したビアの構造を詳細に示す断面図である。 図１に示した手順で製造した配線基材を含む半導体装置を示す断面図である。 実施例におけるビアの断面図を示す図である。 図４の破線で囲んだ部分を拡大したＴＥＭ写真を示す図である。 実施例におけるピール強度の測定結果を示す図である。
符号の説明
１００ 半導体装置、 １０１ 配線基材、 １０２ 第一の導電性膜、 １０４ 第二の導電性膜、 １０６ 絶縁樹脂膜、 １０８ ビアホール、 １１０ 第一の金属膜、 １１２ 金属酸化膜、 １１４ 第二の金属膜、 ビア１１６。

Claims (3)

  1. 実装予定の回路素子とボンディングワイヤで接続される領域で、且つ銅箔からなる第一の導電性膜と前記第一の導電性膜が上面に設けられた絶縁性樹脂膜との積層構造を含む基材と、
    前記基材の前記絶縁性樹脂膜に設けられるとともにその底部に前記第一の導電性膜が露出し、前記第一の導電性膜の方向に行くに連れて縮小するテーパー形状の側壁を有する凹部と、
    前記凹部を埋め込んで形成された配線を構成する金属膜と、を含み、
    前記金属膜は、前記凹部の底部及び側壁を覆うように形成された銅から成る第一の金属膜と、前記第一の金属膜を覆うように形成された前記銅を酸化させた金属酸化膜と、前記金属酸化膜上に設けられ、前記凹部を埋め込んだ電解メッキにより形成された銅から成る第二の金属膜と、を含むことを特徴とする配線基材。
  2. 前記基材は、前記絶縁性樹脂膜において前記第一の導電性膜とは反対側の面に第二の導電性膜を更に備え、
    前記凹部は、前記基材の前記絶縁性樹脂膜および前記第二の導電性膜に設けられるとともにその底部に前記第一の導電性膜が露出し、
    前記第二の導電性膜は前記凹部の側壁において前記金属膜と接していることを特徴とする請求項１に記載の配線基材。
  3. 前記金属酸化膜は、前記第一の金属膜を酸化させた膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の配線基材。
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