JP5432543B2

JP5432543B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5432543B2
Application number: JP2009038716A
Authority: JP
Inventors: 博之倉田
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-02-21
Filing date: 2009-02-21
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-02-21
Also published as: JP2010199103A

Description

本発明は、小形化、薄型化、軽量化に適した半導体装置を信頼性良く、かつ、安価に製造することができる半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しくは、微細な電極端子を有しながら、リードフレームやインターポーザを用いないで、直接マザーボードにマウントすることができる構造の半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体チップに直接電極端子を設ける半導体装置として、ＢＧＡ（Ball-Grid-Array）構造にした半導体装置が知られている。この構造は、チップの一面にマトリクス状に設けられる電極端子にハンダボールなどを形成し、そのハンダボールを直接回路基板の配線膜などに接合するもので、チップの大きさの占有面積で実装することができ、電子回路の小形化が可能であると共に、回路基板への接続が非常に容易であることから、重用されている。しかし、このようなＢＧＡ構造では、半導体チップの電極端子にハンダボールなどを形成し、そのハンダボールを回路基板などにハンダ付けするため、半導体チップ側と回路基板との間で熱膨張係数の差が大きく、相互間に応力が発生し、半導体チップなどに割れが発生するという問題がある。そのため、このような応力を緩和する構造も考えられている。

たとえば、図４に示されるように、電子回路が形成された半導体基板１１に、その電子回路の端子と接続される電極端子１２を、第１絶縁膜１３の第１開口部１３ａから露出させる。そして、その上に第２絶縁膜１４を設けて第１開口部１３ａと同じ大きさで第２開口部１４ａを形成し、その第１および第２の開口部１３ａ、１４ａの近傍にバリアメタル層１５を形成する。そして、そのバリアメタル層１５上にハンダバンプ１６を形成することにより製造されている。この構造にすることにより、第２絶縁膜１４とバリアメタル層１５が、その柔軟性により変形して半導体基板１１に加わる応力は緩和される。

また、図５に示されるように、前述の例と同様に、電子回路が形成された半導体基板１１に、その電子回路の端子と接続される電極端子１２を、第１絶縁膜１３の第１開口部１３ａから露出させる。そして、その上に第２絶縁膜１４を設けて第１開口部１３ａと同じ大きさで第２開口部１４ａを形成し、その第１および第２の開口部１３ａ、１４ａ内の電極端子１２上のみにバリアメタル層１７を形成し、そのバリアメタル層１７上にハンダバンプ１６を形成する。この場合、バリアメタル層１７の直径ｄとハンダバンプ１６の直径ｄおよび高さｈは、隣接するハンダバンプ１６のピッチｐの１／２以上になるようにして製造することも行われている。このような構造で製造することにより、バリアメタル層１７とハンダバンプ１６との接触面積を充分に大きくしているため、剛性を有しており、回路基板に実装後にハンダバンプ１６の部分で応力が発生しても、半導体基板１１に加わる応力を緩和することができる。

さらに異なる例として、図６に示されるように、前述の例と同様に、電子回路が形成された半導体基板１１上の電極パッド１２ａと接続して配線層１８を形成し、その表面に設けられる第３絶縁膜１９の開口部１９ａから露出する配線層１８の端部である電極端子１２上に、たとえばＣｕからなる金属柱２０を形成する。そして、その周囲を樹脂層２１で覆い、金属柱２０の表面を露出させてバリアメタル層１５を形成し、その上にハンダバンプ１６を形成することにより製造することも行われている（たとえば特許文献１、２参照）。このような構造で製造することにより、金属柱２０を樹脂層２１により取り囲んでいるため、金属柱２０に伝わる応力を樹脂層２１により分散させることができる。そのため、半導体基板１１に加わる応力を緩和させることができる。

米国特許第６４４１４８７号明細書特許第３３８９５１７号

以上のように、半導体基板に加わる応力が緩和される構造にすることにより、ＢＧＡタイプの半導体装置を回路基板などに実装した後に、半導体基板とバンプとの間の熱膨張係数が異なることに伴い発生する応力により半導体チップが損傷するのを防止することができる。しかし、前述の図４および図５に示される構成では、小形化、薄型化、軽量化、および低価格化に関しては達成することができるものの、応力によりバリアメタル層（ＵＢＭ：バンプ下のメタル層）とハンダバンプ間の合金層に、図７に示されるようなクラック２３が発生し、信頼性を確保することができないという問題がある。このクラック２３は、合金層に沿って進み、最終的にはバリアメタル層１５とハンダバンプ１６との間で断線が生じる。また、第２絶縁膜１４は、１０μｍ以下であるため、更なる応力を緩和するためには厚くする必要があるが、スパッタ法によりバリアメタル層１５を形成するため、第２絶縁膜１４を余り厚くすると、膜応力が発生してバリアメタル層１５の剥がれが発生する。そのため、第２絶縁膜１４の厚さを充分に厚くすることはできず、完全に応力を緩和させることができない。さらに、バリアメタル層１５は、スパッタ法で形成されることから薄いため、複数回のハンダリフローの工程で合金層の形成が進み、高い信頼性が得られないという問題がある。

さらに、図６に示される方法によれば、前述のようなクラックは入り難く、信頼性を高くすることはできるが、金属柱２０の形成に電気メッキ法を用い、さらに、樹脂層２１で覆う工程が必要になるため、工程数が増加し、非常にコストアップになるという問題がある。また、金属柱２０と樹脂層２１とを有する構造であるため、半導体装置の厚さが厚くなり、小形化、薄型化の妨げになる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ＢＧＡタイプの半導体層のように、半導体チップに直接バンプを形成する場合に、その半導体装置を回路基板などに実装した後でも、電気的接続の信頼性が高く、しかも小形化、薄型化を達成することができる半導体装置を安価に製造する方法を提供することを目的とする。

本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板に電子回路を形成し、該電子回路の端子を外部と電気的接続するために形成された電極端子が露出するように、前記半導体基板の表面に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記開口部から露出する前記電極端子の表面全面に、および前記開口部周囲の前記絶縁膜上にバリアメタル層を形成する工程と、該バリアメタル層上に、印刷、ボールドロップまたは吐出の方法によりバンプを形成する工程とを有し、前記電極端子上の前記バリアメタル層と前記絶縁膜上の前記バリアメタル層とが、該絶縁膜による段差部において不連続となるように前記絶縁膜および前記バリアメタル層を形成することを特徴とする。

ここに電極端子とは、たとえば電子回路の端子を外部回路と接続のために半導体基板表面に直接形成される電極パッドの他、その電極パッドから絶縁膜上に設けられる配線により別の場所に設けられた接続部のように、外部回路との接続部を意味する。また、バリアメタル層が不連続になるとは、段差部分などでバリアメタル層が途切れたり、厚さが他の部分に比べて極端に薄くなったりすることにより、バリアメタル層とバンプとの合金層が不均一になり、合金層に入り得るクラックを阻止するように作用することを意味する。

本発明によれば、電極端子上と絶縁膜上に設けられるバリアメタル層が不連続になるように絶縁膜およびバリアメタル層が形成されているため、バリアメタル層とバンプとの間の合金層に、たとえクラックが発生しても、そのクラックの進行は、バリアメタル層の不連続部分で遮断される。すなわち、バリアメタル層の不連続部分では、合金層が均一には連続せず、その不連続部でハンダの柱がアンカーのように作用して、合金層に発生するクラックの進行が阻止される。その結果、従来の金属柱と樹脂層のような構成をとらなくても、バリアメタル層とバンプとの間のクラックが延びることが無く、電気的切断が生じることはない。

その結果、小形、薄型、軽量で、しかも簡単に製造することができて低価格化を達成でき、さらには、バンプと電極端子との間の電気的接続の信頼性を大幅に向上させることができる半導体装置が得られる。

本発明による半導体装置の製造方法の一実施形態を示す製造工程図である。本発明による半導体装置の製造方法の他の実施形態を示す工程図である。図１に示される半導体装置のバリアメタル層とバンプとの間の合金層にクラックが入った場合に、そのクラックがバリアメタル層の不連続部で止まることを示す説明図である。従来のＢＧＡタイプの半導体装置の一例を示す断面説明図である。従来のＢＧＡタイプの半導体装置の他の例を示す断面説明図である。従来のＢＧＡタイプの半導体装置の他の例を示す断面説明図である。図４に示される半導体装置のバリアメタル層とハンダバンプとの間の合金層にクラックが入った場合の説明図である

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置の製造方法について説明する。本発明による半導体装置の製造方法は、図１にその一実施形態の製造工程を示す断面説明図が示されるように、半導体基板１に電子回路を形成し、その電子回路の端子を外部と電気的接続するために形成された電極端子２が露出するように、半導体基板１の表面に第１開口部３ａを有する第１絶縁膜３を形成する（図１（ａ））。そして、第１開口部３ａより内側（開口部内）に第２開口部４ａが形成されるように第２絶縁膜４を形成する（図１（ｂ））。つぎに、第２開口部４ａから露出する電極端子２の表面および第２開口部４ａの周囲の第２絶縁膜４上にバリアメタル層５を形成する（図１（ｃ））。その後、バリアメタル層５上に、たとえばハンダなどからなるバンプ６を形成する（図１（ｄ））。本発明では、電極端子２上と第２絶縁膜４上とで、バリアメタル層５が不連続になるように第２絶縁膜４およびバリアメタル層５を形成することを特徴としている。このような不連続にするには、たとえば第２絶縁膜４の第２開口部における厚さをバリアメタル層の厚さより充分に厚くして段差を大きくしたり、バリアメタル層の金属が第２開口部の側壁に余り付着しないようにバリアメタル層を形成したりすることにより得られる。なお、第１絶縁膜３の第１開口部３ａと第２絶縁膜４の第２開口部４ａとを同じにして、両者を一層にすることもできる。つぎに、具体例で詳細に説明をする。

まず、図１（ａ）に示されるように、半導体基板１に、トランジスタやダイオードなどの回路素子（図示せず）を形成して電子回路を形成する。この電子回路で外部と電気的接続する必要のある端子を、半導体基板１の表面に電極端子２として形成すると共に、半導体基板１の表面に、ＳｉＯ₂またはＳｉ₃Ｎ₄などからなる第１絶縁膜３をＣＶＤ法などにより電極端子２の表面が露出するように形成して回路素子を保護している。この状態は、通常の半導体チップにする前のウェハの状態である。なお、図１に示される例では、１個の電極端子２にバンプ６を１個形成するだけの例が示されているが、実際には、多数の電極端子２を形成し、それぞれの電極端子２にバンプ６を同時に同様の方法で形成する。なお、電極端子２を露出させるための第１絶縁膜３の第１開口部３ａは、たとえば７０μｍ×７０μｍ程度の大きさに形成する。

つぎに、図１（ｂ）に示されるように、たとえばポリイミドなどからなる第２絶縁膜４を表面の全面に、たとえば５μｍ程度の厚さに形成し、第１絶縁膜３の第１開口部３ａより内側に第２開口部４ａが形成されるように第２絶縁膜４をパターニングする。この第２開口部４ａは、たとえば直径がφ２０μｍ程度の平面形状が円形に形成され、また、第２絶縁膜４の厚さは、たとえば５μｍと程度の厚さに成することができる。しかし、この第２絶縁膜４の厚さを厚くすると、熱膨張係数の差に基づく応力をより一層緩和させることができるため、たとえば１０μｍ以上の厚さに形成することが好ましい。

つぎに、図１（ｃ）に示されるように、第２開口部４ａから露出する電極端子２の表面および第２開口部４ａの周囲の第２絶縁膜４上にバリアメタル層５を形成する。このバリアメタル層５は、たとえば図示しないレジスト膜を全面に形成し、バリアメタル層５を形成する部分のみのレジスト膜を除去して金属膜を真空蒸着などにより全面に形成してレジスト膜を除去するリフトオフ法により形成することができる。しかし、リフトオフ法によらなくても、金属膜を成膜した後にホトエッチングによりパターニングしてもよい。この金属膜は、たとえばＴｉＷ／ＮｉＶ／Ｃｕをそれぞれ３０００Å／４０００Å／５０００Åの３層構造に形成することができる。このＴｉＷ層が接着性の向上、ＮｉＶ層がバリア層、Ｃｕ層はバンプのハンダなどとの濡れ性向上などの目的で形成されている。このバリアメタル層５は、第２開口部４ａの周囲の第２絶縁膜４上にも形成されており、たとえばその外径がφ５５μｍ程度に形成されている。

この例のように、第２絶縁膜４の厚さが５μｍ程度の厚さで、バリアメタル層５の厚さが合計でも１μｍ程度であり、電極端子２上のバリアメタル層５と第２絶縁膜４上のバリアメタル層５との間に段間切れが生じるか、繋がっても非常に薄くなり、不連続となる。なお、このような第２絶縁膜４の厚さをバリアメタル層５の厚さより厚くしなくても、バリアメタル層５を前述の意味での不連続にすることができる。

その後、図１（ｄ）に示されるように、バリアメタル層５上に、バンプ６を形成する。このバンプ６は、たとえばハンダ材により形成され、工法としては、印刷、ボールドロップ、吐出などの方法を用いることができる。図１に示される例では、ハンダ材を開口が直径φ１３０μｍ、厚さが５０μｍのメタルマスクを設け、ハンダペースト（Ａｇ（３ｗｔ％）-Ｃｕ（０.５ｗｔ％）-Ｓｎ（９６.５ｗｔ％））を印刷した後に、溶解、洗浄することにより、高さ７０μｍ、直径８０μｍのハンダバンプ６を形成することができた。

このような構造にすることにより、バリアメタル層とバンプとの合金層に、実装後のハンダチップと回路基板との間の熱膨張係数の差に基づく応力により、クラックが入っても、そのクラックは図３にＡで示されるように、バリアメタル層の不連続部分でそのクラックの進行は止まる。これは、バリアメタル層の不連続部分では、合金層もできていないため、あるいは非常に薄いため、バンプ材料（たとえばハンダ）の柱がアンカーのように作用するためと考えられる。その結果、バリアメタル層とバンプとの境界にクラックが連続的に形成されることは無く、両者間で電気的に分離されたり、電気抵抗が増大したりするというような事故をなくすることができる。その結果、従来の図６に示されるような金属柱を形成しなくても、半導体チップの電極端子とバンプとの接続の信頼性を向上させることができ、非常に薄型の半導体装置とすることができる。

図２は、本発明の他の実施形態を示す、図１と同様の製造工程図である。すなわち、図２に示される例は、第２絶縁層４を厚くすると共に、バリアメタル層７を２層構造としたものである。

図２（ａ）〜（ｂ）の工程は、前述の図１（ａ）〜（ｂ）に示される例と同じであるが、図２（ｂ）の第２絶縁膜４が１０μｍ程度と厚く形成され、第２の開口部４ａがφ４０μｍ程度と大きく形成されている。その後、図２（ｃ）に示されるように、第２開口部４ａから露出する電極端子２の表面および第２開口部４ａの周囲の第２絶縁膜４上に第１バリアメタル層７ａを形成する。この第１バリアメタル層７ａは、前述と同様にリフトオフ法により形成することができるし、リフトオフ法によらなくても、金属膜を成膜した後にホトエッチングによりパターニングしてもよい。この金属膜は、たとえばＴｉ／Ａｌをそれぞれ５０００Å／２５０００Åの２層構造に形成することができる。あるいは更に、この金属膜は、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕなどの無電解メッキ法で形成できる金属とすることもできる。この第１バリアメタル層７ａは、第２開口部４ａの周囲の第２絶縁膜４上にも形成されており、たとえばその外径がφ７５μｍ程度に形成されている。

この後、無電解メッキ法により、第２バリアメタル層７ｂを形成する。この無電解メッキ法は、たとえばＺｎを触媒に用いたダブルＺｎ法、またはＰｄを触媒として、Ｎｉを６μｍ程度形成した。もちろん、Ｃｕなどのハンダに対してバリアメタルとして適切な金属をメッキすることもできる。しかし、Ｐｂフリーハンダをバンプ６として用いる場合には、ハンダのウイスカー成長を防止するために、Ｎｉは３μｍ程度以上必要である。しかし、無電解メッキは還元反応を利用しているため、メッキ厚のバラツキが大きく、バラツキを考慮して最低のメッキ厚を３μｍ以上とするために、前述の６μｍ程度を形成することが好ましい。この第１および第２のバリアメタル層７ａ、７ｂによりバリアメタル層７を形成している。この例でも、第２絶縁膜４が１０μｍ程度で、バリアメタル層７が９μｍ程度であるため、電極端子２上のバリアメタル層７と第２絶縁膜４上のバリアメタル層７との間に段間切れが生じるか、繋がっても非常に薄くなり、不連続となる。

その後、図２（ｄ）に示されるように、バリアメタル層７上に、バンプ６を形成する。このバンプ６は、図１に示される例と同様の開口がφ１３０μｍ、厚さが５０μｍ程度のメタルマスクで、同様のハンダ材により、また、同様の方法で形成することができる。図２に示される例では、最終的に形成されたハンダバンプは、高さが５５μｍ、直径８５μｍであった。

このような構成の半導体装置にすることによりバリアメタル層を厚くすることができるため、ハンダリフローを何回も行って、バンプ材料がハンダでハンダとバリアメタル層の金属との間で合金化が進んでも、バリアメタル層の消失を抑制することができる。しかも、この場合でも第２絶縁膜を厚くすることにより、バリアメタル層が不連続になるように形成されているため、前述の例と同様に、ハンダとバリアメタル層との合金層にクラックが入っても、バリアメタル層の不連続部分でそのクラックが止まり、ハンダバンプによる接続の信頼性が大幅に向上する。しかも、第２絶縁膜４を厚くするといっても、１０μｍ程度で従来よりも５μｍ程度厚くなっているだけで、従来の図６に示されるような５０μｍ程度もある金属柱を立てて、樹脂で埋め込む必要が無く、非常に薄型、小形、軽量にすることができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができると共に、製造工程が非常に簡単で低価格の半導体装置を得ることができる。

本発明は、とくにＢＧＡタイプの半導体装置のように、微細な電極端子を有しながら、リードフレームやインターポーザを用いないで、直接マザーボードにマウントすることができる構造の半導体装置の製造に利用することができる。

１半導体基板
２電極端子
３第１絶縁膜
３ａ第１開口部
４第２絶縁膜
４ａ第２開口部
５バリアメタル層
６バンプ
７バリアメタル層
７ａ第１バリアメタル層
７ｂ第２バリアメタル層

Claims

半導体基板に電子回路を形成し、該電子回路の端子を外部回路と電気的接続するために形成された電極端子が露出するように、前記半導体基板の表面に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記開口部から露出する前記電極端子の表面全面に、および前記開口部周囲の前記絶縁膜上にバリアメタル層を形成する工程と、
該バリアメタル層上に、印刷、ボールドロップまたは吐出の方法によりバンプを形成する工程とを有し、
前記電極端子上の前記バリアメタル層と前記絶縁膜上の前記バリアメタル層とが、該絶縁膜による段差部において不連続になるように前記絶縁膜および前記バリアメタル層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。