JP5024142B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、補強構造を有するバンプが形成された半導体装置、及びその製造方法に関する。

近年、半導体素子のチップサイズが大きくなり、かつ半導体素子と実装基板とを接続するバンプのサイズは小さくなる傾向にある。現在、ＣＰＵ等の高密度実装において、フリップチップ接合が主流になっている。フリップチップ接合では、半導体素子に形成されたバンプが、実装基板上の電極パッドに圧着またはリフロー処理によって接合される。半導体素子と実装基板との間に、アンダーフィル樹脂が注入される。

また、環境問題への対応により、錫（Ｓｎ）系の鉛（Ｐｂ）フリーはんだの実用化が進んでいる。Ｓｎ系の鉛フリーはんだを用いると、従来の鉛を含むはんだを用いた場合に比べて応力緩和（クリープ）が少なくなり、かつ、はんだの融点が上昇することから実装温度を高くしなければならない。このため、微細化された接合部へ応力が集中しやすくなる。

Ｓｎ系の鉛フリーはんだを用いて、チップサイズの大きな半導体素子を樹脂基板に実装すると、半導体素子と樹脂基板との熱膨張係数の違いに起因して、はんだ接合部にクラックが発生しやすい。はんだバンプの周囲に樹脂の補強部材を配置することにより、バンプの機械的強度を高めることができる。バンプが形成された基板表面に感光性樹脂を塗布し、バンプをマスクとして露光、現像を行うことにより、バンプの陰になった部分に樹脂を残すことができる（特許文献１）。

特許第３３０１４１３号公報

はんだバンプが小さくなると、露光時にバンプの陰になる領域も小さくなる。このため、バンプ周囲に残る補強用の樹脂が小さくなり、十分な補強効果が得られなくなる。感光性樹脂の塗布量を多くしても、現像後に残るのはバンプの陰になった部分のみであるため、残留する補強部材を十分大きくすることは困難である。

露光量を少なくすると、バンプ周囲により多くの樹脂を残すことができるが、バンプ間の基板表面にも樹脂が残ってしまう。基板表面に樹脂が残ると、アンダーフィル樹脂の注入時に樹脂の流動が妨げられ、ボイドが発生しやすくなる。このように、感光性樹脂の塗布量や、露光量を制御するのみでは、樹脂からなる補強部材を適当な形状及び大きさに制御することが困難である。

上記課題を解決する半導体装置は、
第１の基板の上に配置されたバンプと、
前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記第１の基板の表面の一部を覆い、下地表面の光の反射率よりも高い反射率を持つ反射膜と、
前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域、及び前記バンプの側面の少なくとも一部を覆う樹脂からなる補強部材と
を有する。

上記課題を解決する半導体装置の製造方法は、基板の上に、バンプを形成する工程と、前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記基板の表面の一部を覆う反射膜を形成する工程と、前記基板、前記反射膜、及び前記バンプを覆うように、ポジ型感光性樹脂からなる樹脂膜を形成する工程と、前記樹脂膜に露光光を照射する工程と、前記樹脂膜を現像する工程とを有し、前記露光光を照射する工程では、前記反射膜の上に堆積している前記樹脂膜、及び前記バンプの上方の前記樹脂膜が現像によって除去され、前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域上には、現像後も前記樹脂膜が残る条件で露光する。

露光光が反射膜で反射するため、反射膜上の感光性樹脂膜の感光量が多くなる。このため、この部分への樹脂の残留を防止することができる。バンプの底面の縁から反射膜の縁までの領域に、感光性樹脂からなる補強部材を制御性高く配置することができる。

図１Ａ〜図１Ｉを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。

図１Ａに示すように、半導体基板１０の上に、多層配線層１１を形成する。半導体基板１０の表面には、ＭＯＳトランジスタ等が形成されている。多層配線層１１の上に、複数の電極パッド１５が形成されている。電極パッド１５は、多層配線層１１内の配線やプラグ等を介して、半導体基板１０の表面に形成されているＭＯＳトランジスタ等に接続されている。

多層配線層１１及び電極パッド１５の上に、ポリイミド等の絶縁性樹脂からなる保護膜１６が形成されている。保護膜１６に、電極パッド１５の上面を露出させる開口が形成されている。本明細書において、半導体基板１から保護膜１６までの積層体を単に「基板」と呼ぶこととする。

露出した電極パッド１５及び保護膜１６の上（基板の上）に、シード膜１７をスパッタリングにより形成する。シード膜１７には、例えばＴｉが用いられ、その厚さは５０ｎｍである。シード膜１６の上に、Ｃｕ膜１８をスパッタリングにより形成する。Ｃｕ膜１８の厚さは、例えば１００ｎｍである。

図１Ｂに示すように、Ｃｕ膜２０の上に、感光性レジスト膜２０を形成する。図１Ｂ〜図１Ｉにおいては、半導体基板１０の記載が省略されている。レジスト膜２０の厚さは、例えば２０μｍである。このレジスト膜２０に、フォトリソグラフィ技術を用いて、開口２０Ａを形成する。開口２０Ａは、電極パッド１５の上方に配置され、その平面形状は円形である。開口２０Ａ内には、Ｃｕ膜１８が露出する。

図１Ｃに示すように、開口２０Ａ内のＣｕ膜１８の上に、Ｃｕ及びＮｉを電解めっきすることにより、Ｃｕ膜２５及びＮｉ膜２６を形成する。Ｃｕ膜２５及びＮｉ膜２６の各々の厚さは、例えば３μｍである。さらに、Ｎｉ膜２６の上にＳｎＡｇはんだを電解めっきすることにより、バンプ２７を形成する。Ａｇの含有量は、例えば３重量％である。バンプ２７は、開口２０Ａの開口面まで達した後、レジスト膜２０の上面に沿って横方向に広がる。バンプ２７を形成した後、レジスト膜２０を除去する。

図１Ｄに示すように、リフロー処理を行うことにより、バンプ２７をほぼ球状にする。その後、露出しているＣｕ膜１８を、除去する。Ｃｕ膜１８の除去には、例えばエッチャントとしてドデシル硫酸ナトリウム０．１ｇ／Ｌと、ペルオキソ二硫酸アンモニウム５０ｇ／Ｌとの混合液を用いたウェットエッチングを採用することができる。

図１Ｅに示すように、バンプ２７が形成されていない領域に、Ｔｉからなるシード膜１７が露出する。

図１Ｆに示すように、シード膜１７をパターニングすることにより、バンプ２７が配置されていない領域に、Ｔｉからなる反射膜１７ａを残す。シード膜１７のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて行うことができる。シード膜１７のエッチングには、メルストリップＴＩ−３９９１（メルテックス株式会社製）を用いたウェットエッチングを採用することができる。

図２に、基板の平面図の一例を示す。図２の一点鎖線１Ｆ−１Ｆにおける断面図が図１Ｆに相当する。バンプ２７が正方格子の格子点に配置されている。反射膜１７ａの平面形状は正方格子状であり、格子を構成する縦線及び横線の幅は５０μｍである。

なお、バンプ２７の直下にも、シード膜１７ｂが残る。バンプ２７は、Ｎｉ膜２６、Ｃｕ膜２５、Ｃｕ膜１８、及びシード膜１７ｂを介して、基板に接合される。反射膜１７ａは、バンプ２７の底面の縁、すなわちシード膜１７ｂの縁から離れて配置される。また、平面視において、バンプ２７は、バンプ２７の底面よりも大きい。可視光、紫外光に対する反射膜１７ａの反射率は、反射膜１７ａの下地表面、すなわち保護膜１６の表面の反射率よりも高い。

図１Ｇに示すように、基板上にポジ型感光性樹脂をスピンコートすることにより、レジスト膜３０を形成する。レジスト膜３０は、バンプ２７の表面、及び基板表面を覆う。レジスト膜３０の厚さは、例えばバンプ２７上において２０μｍ程度とする。なお、スクリーン印刷法でレジスト膜３０を形成してもよい。

図１Ｈに示すように、レジスト膜３０に露光光３５、例えば紫外線を照射する。露光量は、例えば３００ｍＪ／ｃｍ^２とする。バンプ２７の陰になる部分は感光しない。また、反射膜１７ａの上に堆積している部分は、反射膜１７ａからの反射光によっても感光する。バンプ２７の上方に堆積しているレジスト膜３０は、バンプ３０からの反射光によっても感光する。このため、反射膜１７ａの上に、及びバンプ２７の上方に堆積しているレジスト膜３０の感光量が相対的に多くなり、反射膜１７ａが形成されていない領域の上に堆積しているレジスト膜３０の感光量が相対的に少なくなる。

図１Ｉに示すように、露光されたレジスト膜３０を、アルカリ現像液で現像する。露光時にバンプ２７の陰になっていた部分、及び紫外線は照射されたが感光量が相対的に低く、現像閾値以下であった部分に、レジスト膜が残る。現像後、２００℃で１〜２時間程度、キュアを行う。これにより、樹脂からなる補強部材３０ａが得られる。補強部材３０ａは、バンプ２７の底面の外周から、反射膜１７ａの縁までの基板表面、及びバンプ２７の側面の下方の一部を覆う。

反射膜１７ａの上に堆積しているレジスト膜３０の感光量を相対的に高めることができるため、余分な領域にレジスト膜３０が残留してしまうことを防止できる。また、反射膜１７ａの平面形状を調節することにより、補強部材３０ａの形状を制御することができる。

図２に示した平面図において、バンプ２７と反射膜１７ａとの間の領域に、補強部材３０ａが配置される。

基板をダイシングして１５ｍｍ四方のチップに分離した後、バンプ２７のシェア強度試験を行った。上記実施例による方法で製造した半導体装置のバンプ１個あたりのシェア強度は、６５ｇ重であった。比較のために、補強部材３０ａを有しない構造の半導体装置を作製した。この比較例の半導体装置のバンプ１個当たりのシェア強度は４２ｇ重であった。この評価結果から、補強部材３０ａにより、バンプ２７の機械的強度が向上していることがわかる。

バンプ２７が微細化されたときに、第１の実施例による効果が顕著に顕れる。特に、バンプ２７の平面形状が円形であり、その直径が１００μｍ以下まで微細化された場合に、顕著な効果が期待できる。

補強部材３０ａが小さすぎると、十分な補強効果が得られない。十分な補強効果を得るために、平面視において、補強部材３０ａの外周で囲まれた領域、すなわち、図２に示した格子状の反射膜１７ａで画定された１つの正方形の領域を、バンプ２７よりも広くすることが好ましい。言い換えると、平面視において、反射膜１７ａで画定される正方形の開口の外周を、バンプ２７の外周よりも外側に配置することが好ましい。

図３に、上記実施例による方法で作製した半導体素子を、インターポーザ等の樹脂基板に実装した状態の断面図を示す。半導体素子の平面形状は、例えば一辺の長さが４２ｍｍの正方形である。樹脂基板４０の表面に電極パッド４１が形成されている。バンプ２７のリフロー処理により、バンプ２７の上端を、対応する電極パッド４１に固着させる。なお、熱圧着によりバンプ２７を電極パッド４１に固着させてもよい。半導体素子と樹脂基板４０との間に、アンダーフィル樹脂４５を充填する。

超音波映像装置によりアンダーフィル樹脂４５内のボイド観察を行ったところ、ボイドは観測されず、充填状態は良好であった。

バンプ２７が補強部材３０ａで補強されているため、半導体素子と樹脂基板４０との熱膨張率の相違に起因してバンプ２７へ応力が集中しても、クラックの発生等が抑制される。このように、接合部の信頼性を高めることができる。

バンプ２７の強度の点では、補強部材３０ａを高くした方が好ましいが、高くし過ぎると、バンプ２７の表面のうち露出した領域が狭くなる。また、接合時にバンプ２７が溶融しても、その変形が制約される。このため、半導体素子のバンプの位置と、樹脂基板４０上の電極パッド４１の位置との位置ずれを吸収できなくなり、接合不良が発生し易くなる。接合不良の発生を防止するために、図１Ｉに示したバンプ２７の底面から補強部材３０ａの最も高い位置までの高さＨ２を、バンプ２７の底面からバンプ２７の頂上までの高さＨ１の１／２以下にすることが好ましい。

上記第１の実施例では、シード膜１７、すなわち反射膜１７ａにＴｉを用いたが、Ｔｉに代えて、下地表面よりも反射率の高い導電材料を用いてもよい。例えば、Ｃｒ等を用いることが可能である。

図４に、第２の実施例による半導体装置の平面図を示す。バンプ２７が正方格子の格子点に相当する位置に配置されている。第１の実施例では、反射膜１７ａの平面形状が正方格子状であった。すなわち、バンプ２７に対応する位置に正方形の開口が配置されていた。第２の実施例では、バンプ２７に対応する位置に円形の開口１７ｃが配置されている。平面視において、開口１７ｃは、バンプ２７よりもやや大きい。開口１７ｃ内に、補強部材３０ａが配置される。

第２の実施例においても、第１の実施例の場合と同様に、バンプ２７を補強することができる。

第１及び第２の実施例において、反射膜１７ａが占める面積を小さくしすぎると、補強部材３０ａが広い範囲に亘って配置されることになる。このため、アンダーフィル樹脂の充填が困難になる。また、反射膜１７ａの占める面積を大きくしすぎると、補強部材３０ａの平面形状が小さくなり、十分な補強効果が得られなくなる。

これらの観点から、図２に示す平面図において、相互に隣り合うバンプ２７同士を最短で結ぶ仮想直線Ｌ１上で反射膜１７ａが占める部分Ｌ２の長さが、仮想直線Ｌ１の長さの１／６以上になるようにすることが好ましい。また、バンプ２７の外周と反射膜１７ａの縁との最短距離Ｌ３を、バンプ２７の直径Ｄの１／１０以上にすることが好ましい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以上の第１〜第２の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
第１の基板の上に配置されたバンプと、
前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記第１の基板の表面の一部を覆い、下地表面の光の反射率よりも高い反射率を持つ反射膜と、
前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域、及び前記バンプの側面の少なくとも一部を覆う樹脂からなる補強部材と
を有する半導体装置。

（付記２）
平面視において前記補強部材の外周が、前記バンプの外周よりも外側に配置されている付記１に記載の半導体装置。

（付記３）
前記バンプの底面から前記補強部材の最も高い部分までの高さが、該バンプの底面から該バンプの頂上までの高さの１／２以下である付記１または２に記載の半導体装置。

（付記４）
平面視において、前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの最短距離が、前記バンプの直径の１／１０以上である付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。

（付記５）
平面視において、相互に隣り合うバンプ同士を最短距離で結ぶ仮想直線状で前記反射膜の占める部分の長さが、該仮想直線の長さの１／５以上である付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。

（付記６）
前記第１の基板が半導体基板を含み、
さらに、
樹脂を含む材料で形成された第２の基板と、
前記第２の基板の表面に形成された電極パッドと
を有し、
前記第１の基板と第２の基板とが対向して配置され、前記バンプが、前記電極パッドに固着されている付記１または２に記載の半導体装置。

（付記７）
基板の上に、バンプを形成する工程と、
前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記基板の表面の一部を覆う反射膜を形成する工程と、
前記基板、前記反射膜、及び前記バンプを覆うように、ポジ型感光性樹脂からなる樹脂膜を形成する工程と、
前記樹脂膜に露光光を照射する工程と、
前記樹脂膜を現像する工程と
を有し、前記露光光を照射する工程では、記反射膜の上に堆積している前記樹脂膜、及び前記バンプの上方の前記樹脂膜が現像によって除去され、前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域上には、現像後も前記樹脂膜が残る条件で露光する半導体装置の製造方法。

（付記８）
前記バンプを形成する前に、前記基板の上に、導電材料からなるシード膜を形成する工程を有し、
前記バンプを形成する工程が、
前記シード膜の上に、前記バンプに対応する開口を持つレジスト膜を形成する工程と、
前記開口内に、バンプ材料を充填する工程と、
前記バンプ材料の充填後、前記レジスト膜を除去する工程と、
前記バンプ材料を加熱して、球状のバンプを形成する工程と
を含み、
前記反射膜を形成する工程において、前記シード膜をパターニングすることにより、該シード膜の一部を前記反射膜とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。

第１の実施例による半導体素子の製造途中段階における断面図である。 第１の実施例による半導体素子の製造途中段階における断面図である。 第１の実施例による半導体素子の製造途中段階における断面図である。 第１の実施例による半導体素子の製造途中段階における断面図である。 第１の実施例による半導体素子の断面図である。 第１の実施例による半導体素子の製造途中段階における平面図である。 第１の実施例による半導体素子を樹脂基板に実装した状態の断面図である。 第２の実施例による半導体素子の製造途中段階における平面図である。

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ 多層配線層
１５ 電極パッド
１６ 保護膜
１７、１７ｂ シード膜
１７ａ 反射膜
１７ｃ 開口
１８ Ｃｕ膜
２０ レジスト膜
２０Ａ 開口
２５ Ｃｕ膜
２６ Ｎｉ膜
２７ バンプ
３０ ポジ型感光性樹脂膜
３０ａ 補強部材
３５ 露光光

Claims (5)

1. 第１の基板の上に配置されたバンプと、
   前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記第１の基板の表面の一部を覆い、下地表面の光の反射率よりも高い反射率を持つ反射膜と、
   前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域、及び前記バンプの側面の少なくとも一部を覆う樹脂からなる補強部材と
   を有する半導体装置。
2. 平面視において前記補強部材の外周が、前記バンプの外周よりも外側に配置されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バンプの底面から前記補強部材の最も高い部分までの高さが、該バンプの底面から該バンプの頂上までの高さの１／２以下である請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 基板の上に、バンプを形成する工程と、
   前記バンプの底面の縁から離れて配置され、前記基板の表面の一部を覆う反射膜を形成する工程と、
   前記基板、前記反射膜、及び前記バンプを覆うように、ポジ型感光性樹脂からなる樹脂膜を形成する工程と、
   前記樹脂膜に露光光を照射する工程と、
   前記樹脂膜を現像する工程と
   を有し、前記露光光を照射する工程では、前記反射膜の上に堆積している前記樹脂膜、及び前記バンプの上方の前記樹脂膜が現像によって除去され、前記バンプの底面の縁から前記反射膜の縁までの領域上には、現像後も前記樹脂膜が残る条件で露光する半導体装置の製造方法。
5. 前記バンプを形成する前に、前記基板の上に、導電材料からなるシード膜を形成する工程を有し、
   前記バンプを形成する工程が、
   前記シード膜の上に、前記バンプに対応する開口を持つレジスト膜を形成する工程と、
   前記開口内に、バンプ材料を充填する工程と、
   前記バンプ材料の充填後、前記レジスト膜を除去する工程と、
   前記バンプ材料を加熱して、球状のバンプを形成する工程と
   を含み、
   前記反射膜を形成する工程において、前記シード膜をパターニングすることにより、該シード膜の一部を前記反射膜とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

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