JP6951219B2 - 配線基板、半導体装置、及び配線基板の製造方法 - Google Patents

配線基板、半導体装置、及び配線基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、配線基板、半導体装置、及び配線基板の製造方法に関する。
LSI(Large Scale Integration)等の半導体素子と配線基板とを接続する端子には様々なタイプのものがある。はんだバンプもその端子の一例であるが、リフローした際に隣接するはんだバンプ同士がブリッジするおそれがあり、端子の狭ピッチ化には不利である。
一方、配線基板に端子として金属ポストを立設し、その金属ポストを介して配線基板と半導体素子とを接続する方法もある。この場合は、金属ポストの上面と半導体素子とを少量のはんだを介して接続できるため、隣接する金属ポスト間にはんだのブリッジが形成され難く、端子の狭ピッチ化に有利となる。
しかしながら、金属ポストには、配線基板と半導体素子との接続信頼性を高めるという点で改善の余地がある。
特開2012−54295号公報
一側面によれば、本発明は、半導体素子と配線基板との間の接続信頼性を高めることを目的とする。
一側面によれば、配線と、前記配線の上に形成され、前記配線に重なる開口部を備えたソルダレジスト層と、前記開口部内に形成された銅のシード層と、前記シード層の上に形成され、前記開口部の途中の深さまでを埋める銅層と、前記銅層の上に立設され、前記ソルダレジスト層の上面よりも高い位置に上面を備えたニッケル、銀、及び錫のいずれかを含む金属ポストと、を有し、前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、前記金属ポストの周囲において、前記開口部の開口端側の内壁面が露出している配線基板が提供される。
一側面によれば、金属ポストがニッケル、銀、及び錫のいずれかを含むため、金属ポストのエッチング速度がシード層のエッチング速度よりも遅くなる。その結果、シード層をウエットエッチングするときに金属ポストが消失する危険性を低減できると共に、ウエットエッチングの終了後でも金属ポストの強度を維持することができ、金属ポストと半導体素子との接続信頼性を高めることが可能となる。
図1(a)、(b)は、調査に使用した配線基板の製造途中の断面図(その1)である。 図2(a)、(b)は、調査に使用した配線基板の製造途中の断面図(その2)である。 図3(a)、(b)は、調査に使用した配線基板の製造途中の断面図(その3)である。 図4(a)、(b)は、調査に使用した配線基板の製造途中の断面図(その4)である。 図5は、調査に使用した配線基板の製造途中の断面図(その5)である。 図6(a)、(b)は、本実施形態に係る配線基板の製造途中の断面図(その1)である。 図7(a)、(b)は、本実施形態に係る配線基板の製造途中の断面図(その2)である。 図8(a)、(b)は、本実施形態に係る配線基板の製造途中の断面図(その3)である。 図9は、本実施形態に係る配線基板の全体断面図である。 図10は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の全体断面図(その1)である。 図11は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の全体断面図(その2)である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
前述のように金属ポストは端子の狭ピッチ化に有利である。本願発明者は、金属ポストとして銅ポストを形成した場合にどのような不都合が生じるのかを以下のように調査した。
図1〜図5は、その検討に使用した配線基板の製造途中の拡大断面図である。
最初に、図1(a)に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、相対する第1の主面1aと第2の主面1bとを有するコア基材1を用意し、ドリル加工等によりコア基材1に貫通孔1cを形成する。コア基材1として、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板を使用する。
次いで、貫通孔1cの内部と各主面1a、1bとに銅めっき膜を形成することにより、貫通孔1c内に貫通電極2を設けると共に、貫通電極2の周囲の各主面1a、1b上に第1の配線3を形成する。
更に、第1の配線3の上にフェノール樹脂やポリイミド樹脂等の絶縁層6を形成した後、例えばレーザ加工によって第1の配線3に至るビアホール6aを形成する。
そして、絶縁層6の上とビアホール6a内とに銅めっき層を形成し、その銅めっき層をパターニングして第2の配線7を形成する。
その後、絶縁層6と第2の配線7とを交互に複数積層することにより、図1(a)に示すように、絶縁層6と第2の配線7とが積層された多層配線構造を得る。
なお、第2の主面1b側の最下層の第2の配線7には、後ではんだバンプが接合されるランド7aが形成される。そのランド7aは、複数の第2の配線7と貫通電極2とを介して、第1の主面1a側の最上層の第2の配線7と電気的に接続される。
次いで、図1(b)に示すように、第1の主面1a側の絶縁層6と第2の配線7の上に第1のソルダレジスト層11を形成し、レーザ加工により第2の配線7に重なる第1の開口部11aを形成する。
同様に、第2の主面1b側の最下層の絶縁層6とランド7aの上に第2のソルダレジスト層12を形成した後、レーザ加工によりランド7aに重なる第2の開口部12aを形成する。
なお、各ソルダレジスト層11、12として感光性樹脂層を形成し、その感光性樹脂層を露光、現像することによりビアホール11a、12aを形成してもよい。
次に、図2(a)に示すように、各ビアホール11a、12aから露出している第2の配線7とランド7aの各々の表面に無電解めっき法でニッケル層13a、パラジウム層13b、及び金層13cをこの順に形成し、これらの積層膜を第1の拡散防止層13とする。
ランド7aに形成された第1の拡散防止層13は、その上に後で接合されるはんだバンプとの接合強度を高めると共に、はんだがランド7aに拡散するのを防止するのを防ぐための金属層であり、UBM(Under Barrier Metal)とも呼ばれる。
第1の拡散防止層13のめっき条件は特に限定されない。例えば、ニッケル層13aは、硫酸ニッケル、カルボン酸塩、次亜リン酸ナトリウム、及び硫黄化合物の水溶液をめっき液として使用しながら、液温を75℃〜85℃、めっき時間を40分程度とする条件で5μm〜10μm程度の厚さに形成し得る。
また、パラジウム層13bのめっき液としては、例えばジクロロテトラアンミンパラジウム、アミノカルボン酸、アミン化合物、次亜リン酸ナトリウム、及び無機塩化物の水溶液がある。そして、このめっき液の液温を45℃〜55℃、めっき時間を5分程度とする条件で20nm〜100nm程度の厚さにパラジウム13bを形成し得る。
更に、金層13cのめっき液としては、例えばシアン化金カリウム、シアン化カリウム、アミノカルボン酸塩、アミン化合物、リン酸塩、スルホン酸塩、及びホルムアルデヒドの水溶液がある。そして、液温を80℃〜85℃、めっき時間を15分程度とする条件により、金層13cを20nm〜100nm程度の厚さに形成する。
次いで、図2(b)に示すように、各ビアホール11a、12a内と各ソルダレジスト層11、12のそれぞれの上にシード層15として無電解銅めっき層を形成する。
シード層の成膜条件は特に限定されない。例えば、めっき液として硫酸銅、水酸化ナトリウム、カルボン酸塩、硫酸ニッケル、及びホルムアルデヒドの水溶液を使用し、その液温を30℃〜40℃、めっき時間を15分とする条件で厚さが0.5μm〜1μm程度のシード層15を形成する。
続いて、図3(a)に示すように、シード層15の上にめっきレジスト層17としてドライフィルムレジストを貼付する。そして、めっきレジスト層17を露光、現像することにより、第1の開口部11aに重なる開口17aを第1の主面1a側のめっきレジスト層17に形成する。
なお、第2の主面1b側においてはシード層15の全面がめっきレジスト層17で覆われる。
更に、図3(b)に示すように、シード層15に給電を行いながら、開口17aから露出しているシード層15の上に電解めっき法により銅層を成長させ、その銅層を銅ポスト18とする。
その後に、銅ポスト18の上面に無電解めっき法により第2の拡散防止層19を形成する。第1の拡散防止層13と同様に、その第2の拡散防止層19としてニッケル層、パラジウム層、及び金層をこの順に積層した積層膜を採用する。
次に、図4(a)に示すように、めっきレジスト層17を剥離する。
続いて、図4(b)に示すように、硫酸過水をエッチング液として使用しながら、各ソルダレジスト層11、12の上と第2の開口部12a内の余分なシード層15をウエットエッチングして除去し、銅ポスト18の下のみにシード層15を残す。このようなシード層15のパターニング方法はセミアディティブ法と呼ばれる。
そのウエットエッチングが終了した時点ではランド7aの上からシード層15が除去されるため、第2の拡散防止層13の最上層の金層13cがエッチング液に曝されるのと同時に、そのエッチング液に銅ポスト18も曝される。このとき、銅ポスト18と金層13cの各々のイオン化傾向が異なることに起因して、銅ポスト18とこれに電気的に接続されている金層13cとの間にガルバニック現象が生じる。
ガルバニック現象は、イオン化傾向の異なる二つの金属を電解液中に入れたときに両金属によって局部電池が形成され、イオン化傾向が大きい方の金属が腐食する現象である。この例では、金層13cよりも銅ポスト18の方がイオン化傾向が大きいため、エッチング液中において銅ポスト18が過剰にエッチングされ、銅ポスト18の側面が大きく後退する。
ここまでの工程により、この調査に使用した配線基板20の基本構造が完成する。
この後は、図5に示すように、配線基板20に半導体素子21を押圧しながら、はんだ22を介して第2の拡散防止層19と銅ポスト18とを半導体素子21に接続する。そして、必要に応じて第2の開口部12a内の第1の拡散防止層13にはんだバンプ23を搭載し、そのはんだバンプ23をリフローしてランド7aに接合させる。
このとき、はんだと容易に合金化する金層13c(図4(b)参照)を第1の拡散防止層13の最上層に形成したことでランド7aに対するはんだバンプ23の接合強度が高められる。また、溶融したはんだがランド7aに拡散するのをニッケル層13aによって防止することもできる。
以上説明した配線基板20の製造方法によれば、図4(b)の工程でシード層15をウエットエッチングする際に、ガルバニック現象によって銅ポスト18の側面が過剰にエッチングされてしまう。これにより銅ポスト18の強度が弱くなり、図5の工程で半導体素子20を搭載するときの圧力で銅ポスト18が折れ曲がったり、最悪の場合には図4(b)の工程で銅ポスト18が消失してしまい、配線基板20と半導体素子21との接続信頼性が低下する。
以下に、配線基板と半導体素子との接続信頼性を高めることが可能な本実施形態について説明する。
(本実施形態)
本実施形態に係る配線基板についてその製造工程を追いながら説明する。
図6〜図8は、本実施形態に係る配線基板の製造途中の断面図である。
なお、図6〜図8において、図1〜図5におけるのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、前述の図1(a)〜図2(b)の工程を行うことにより、図6(a)に示すように、各ソルダレジスト層11、12の上と各ビアホール11a、12a内とに厚さが0.5μm〜1μm程度の銅のシード層15が形成された構造を作製する。
この例では、後で第1の開口部11aを銅層で埋め込むのを容易にするために、第1の開口部11aを上方に向かって直径が広くなるテーパ状とする。その第1の開口部11aの大きさは特に限定されないが、本実施形態では第1の開口部11aの開口端の直径D1を20μm〜50μm程度にすると共に、第1の開口部11aの深さLを10μm〜25μm程度にする。
また、各ソルダレジスト層11、12の厚さは、第2の配線7やランド7aの上で10μm〜25μm程度であり、絶縁層6の上で20μm〜40μm程度である。
更に、ランド7aは、複数の第2の配線7と貫通電極2とを介して、第1の主面1a側の最上層の第2の配線7と電気的に接続される。
次いで、図6(b)に示すように、シード層15の上にめっきレジスト層17としてドライフィルムレジストを貼付する。そして、そのめっきレジスト層17を露光、現像することにより、第1の主面1a側のめっきレジスト層17に開口17aを形成する。
開口17aは、第1の開口部11aと重なる位置に設けられ、かつその直径D2は、第1の開口部11aの開口端の直径D1よりも小さい15μm〜45μm程度とされる。
なお、第2の主面1b側においてはシード層15の全面がめっきレジスト層17で覆われる。
次に、図7(a)に示すように、シード層15に直流電流を給電しながら、開口17aから露出している部分のシード層15の上に電解めっきにより銅層30を形成し、銅層30で第1の開口部11aをその途中の深さまで埋める。
銅層30のめっき条件は特に限定されないが、この例ではめっき液として硫酸に硫酸銅を溶解してなる溶液を使用する。銅層30の上面30aの形状は、めっき液に適量の電析促進成分と電析抑制成分とを添加することで制御できる。例えば、有機硫黄系化合物の電析促進成分とアミン化合物の電析抑制成分とをめっき液に添加することで銅層30の成長の促進と抑制とが制御され、上面30aを平坦にすることができる。
また、めっき液の液温は例えば20℃〜25℃とし、めっき時間は80分程度とする。
続いて、図7(b)に示すように、塩化ニッケルと硼酸との混合溶液をめっき液として用いつつ、シード層15に直流電流を給電することにより、開口17aから露出している部分の銅層30の上に金属ポスト31としてニッケル層を成長させる。そのめっき条件として、例えばめっき液の液温を45℃〜55℃とし、めっき時間を30分程度とする条件を採用する。
このとき、上記のように第1の開口部11aの途中の深さまでを銅層30で予め埋め込んであるため、第1の開口部11aの全てを金属ポスト31で埋め込む必要がない。特に、金属ポスト31の材料のニッケルは、銅よりも第1の開口部11aを埋め込むのが難しい材料であり、銅層30を省いたときに金属ポスト31の上面31aが平坦になり難いため、このように予め第1の開口部11aを銅層30で埋め込む実益が高い。
しかも、前述のように銅層30を形成するためのめっき液に電析促進成分と電析抑制成分とを適宜添加したことで銅層30の上面30aが平坦になり、金属ポスト31の上面31aも上面30aの形状を引き継いで平坦になる。
金属ポスト31の高さは、その上面31aが第1のソルダレジスト層11の上面11bよりも高ければ特に限定されない。例えば、上面11bから測って5μm〜30μm程度の高さに上面31aが位置するように金属ポスト31を形成する。
また、金属ポスト31の直径は、開口17aと同じ15μm〜45μm程度であって、第1の開口部11aの開口端の直径D1(図6(b)参照)よりも小さい。
なお、金属ポスト31の材料はニッケルに限定されず、ニッケル、銀、及び錫のいずれかの単体で金属ポスト31を形成してもよいし、これらの金属のいずれかを含む合金で金属ポスト31を形成してもよい。
その後に、シード層15に直流電流を給電することにより、金属ポスト31の上にパラジウム層32aと金層32bとをこの順に電解めっき法で形成し、これらの積層膜を第2の拡散防止層32とする。
このうち、パラジウム層32aは、ジクロロテトラアンミンパラジウムとリン酸二水素アンモニウムとを含む水溶液をめっき液として使用し、めっき液の液温を45℃〜55℃、めっき時間を1分程度とする条件で20nm〜200nm程度の厚さに形成される。
また、金層32bは、シアン化カリウムと酢酸タリウムとを含む水溶液をめっき液として使用し、めっき液の液温を50℃〜60℃、めっき時間を2分程度とする条件で20nm〜200nm程度の厚さに形成される。
その後に、図8(a)に示すように、めっきレジスト層17を除去する。
次いで、図8(b)に示すように、硫酸過水をエッチング液として使用しながら、各ソルダレジスト層11、12の上と第2の開口部12a内の余分なシード層15をウエットエッチングして除去する。
このとき、本実施形態では硫酸過水に対するエッチング速度が銅よりも遅いニッケルで金属ポスト31を形成したため、このエッチングによって金属ポスト31の側面31bがエッチングされるのを抑制できる。なお、ニッケルに代えて銀や錫で金属ポスト31を形成したり、ニッケル、銀、及び錫のいずれかを含む合金で金属ポスト31を形成したりしても、同様の理由により金属ポスト31がエッチングされるのを抑制できる。
また、そのウエットエッチングでは、互いに電気的に接続された銅層30とランド7a上の金層13cとが同時に硫酸過水に曝されることでガルバニック現象が発生する。この例ではそのガルバニック現象を利用することで銅層30を意図的にウエットエッチングし、金属ポスト31の周囲において銅層30の上面30aを第1のソルダレジスト層11の上面11bよりも低下させ、金属ポスト31の周囲に凹部35を形成する。
ここまでの工程により、本実施形態に係る配線基板40の基本構造が完成する。
図9は、この配線基板40の全体断面図である。
図9に示すように、コア基材1の上方には前述の金属ポスト31が複数立設される。
これ以降の工程について、図10及び図11を参照して説明する。
図10及び図11は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の全体断面図である。
まず、図10に示すように、複数の電極41を備えた半導体素子42を用意し、各電極41と金属ポスト31との位置合わせを行う。そして、電極41と金属ポスト31との間にはんだ43を設け、金属ポスト31の融点よりも低い温度ではんだ43をリフローして溶融することにより、金属ポスト31を介して配線基板40と半導体素子42とを電気的かつ機械的に接続する。
そのリフローの際に金属ポスト31は溶融しないため、金属ポスト31に代えてはんだバンプを使用する場合のように隣接する電極41が溶融したはんだによって電気的に短絡するおそれは少ない。
しかも、リフローにより溶融したはんだ43は金属ポスト31の側面を伝って凹部35に溜まるため、金属ポスト31の周囲にはんだ43が濡れ広がるのを抑制でき、隣接する金属ポスト31同士がはんだ43によって電気的に短絡する危険性を更に低減できる。
なお、点線円内に示すように、第2の拡散防止層32の金層32bがはんだ43と容易に合金化するため、金属ポスト31と半導体素子42との接続強度を高めることができる。更に、金属ポスト31に含まれるニッケルが金層32bに拡散するのをパラジウム層32aで抑制することもできる。
次に、図11に示すように、第1のソルダレジスト層11と半導体素子42との間にアンダーフィル樹脂45を充填し、配線基板40と半導体素子42との接続強度をアンダーフィル樹脂45で補強する。
その後に、第2の開口部12aから露出する第1の拡散防止層13の上にはんだバンプ46を搭載し、そのはんだバンプ46をリフローしてランド7aに接合させる。そのリフローの際、はんだバンプ46が金層13cの表面に濡れ広がって金と容易に合金化するため、ランド7aに対するはんだバンプ46の接合強度が高められる。
また、溶融したはんだがランド7aに拡散するのをニッケル層13aやパラジウム層13bによって防止することもできる。なお、リフローが終了した時点では、パラジウム層13bと金層13cははんだバンプ46中に溶出する。
以上により、本実施形態に係る半導体装置50の基本構造が完成する。
以上説明した本実施形態によれば、金属ポスト31の材料としてニッケル、銀、及び錫のいずれかを採用することにより、図8(b)の工程でシード層15をウエットエッチングする際に金属ポスト31がエッチングされるのを抑制する。そのため、このウエットエッチングにより金属ポスト31が消失する危険性を低減できると共に、ウエットエッチングの終了後でも金属ポスト31の強度を維持することができ、配線基板40と半導体素子42との接続信頼性を高めることが可能となる。
更に、予め銅層30で第1の開口部11aをその途中の深さまで埋めておくため、銅よりも第1の開口部11aを埋め込み難いニッケルの金属ポスト31で第1の開口部11aの全てを埋め込む必要がなく、金属ポスト31の形成が容易となる。
1…コア基材、1a…第1の主面、1b…第2の主面、1c…貫通孔、2…貫通電極、3…第1の配線、6…絶縁層、6a…ビアホール、7…第2の配線、11…第1のソルダレジスト層、11a…第1の開口部、12…第2のソルダレジスト層、12a…第2の開口部、13…第1の拡散防止層、13a…ニッケル層、13b…パラジウム層、13c…金層、15…シード層、17…めっきレジスト層、17a…開口、18…銅ポスト、19…第2の拡散防止層、20…配線基板、21…半導体素子、22…はんだ、23…はんだバンプ、31…金属ポスト、32…第2の拡散防止層、32a…パラジウム層、32b…金層、40…配線基板、41…電極、42…半導体素子、43…はんだ、45…アンダーフィル樹脂、46…はんだバンプ。

Claims (7)

  1. 配線と、
    前記配線の上に形成され、前記配線に重なる開口部を備えたソルダレジスト層と、
    前記開口部内に形成された銅のシード層と、
    前記シード層の上に形成され、前記開口部の途中の深さまでを埋める銅層と、
    前記銅層の上に立設され、前記ソルダレジスト層の上面よりも高い位置に上面を備えたニッケル、銀、及び錫のいずれかを含む金属ポストと、
    を有し、
    前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、前記金属ポストの周囲において、前記開口部の開口端側の内壁面が露出していることを特徴とする配線基板。
  2. 基材と、
    前記基材の上方に形成された前記配線と、を有し、
    前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、前記金属ポストの周囲において前記銅層の上面が前記ソルダレジスト層の前記上面よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の配線基板。
  3. 前記基材は、前記配線が形成された側の第1の主面と、前記第1の主面に相対する第2の主面とを備え、
    前記第2の主面側に形成され、前記配線に電気的に接続されたランドと、
    前記ランドの表面に形成され、銅よりもイオン化傾向が小さな金属層とを更に有することを特徴とする請求項に記載の配線基板。
  4. 配線の上にソルダレジスト層を形成する工程と、
    前記ソルダレジスト層に、前記配線に重なる開口部を形成する工程と、
    前記ソルダレジスト層の上と前記開口部内とに銅のシード層を形成する工程と、
    前記シード層の上に、前記開口部に重なる開口を備えためっきレジスト層を形成する工程と、
    前記シード層に給電を行いながら、前記開口から露出する部分の前記シード層の上に電解めっきにより銅層を形成することにより、前記銅層で前記開口部の途中の深さまでを埋める工程と、
    前記シード層に給電を行いながら、前記開口から露出する部分の前記銅層の上に、前記ソルダレジスト層の上面よりも高い位置に上面を備えたニッケル、銀、及び錫のいずれかを含む金属ポストを電解めっきにより形成する工程と、
    前記めっきレジスト層を除去する工程と、
    前記めっきレジスト層を除去した後に、前記金属ポストのエッチング速度が銅のエッチング速度よりも遅いエッチング液を使用して、前記ソルダレジスト層の上の前記シード層をウエットエッチングして除去する工程と、
    を有し、
    前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、
    前記シード層をウエットエッチングして除去する工程において、前記金属ポストの周囲の前記シード層及び前記銅層をウエットエッチングすることにより、前記金属ポストの周囲において、前記開口部の開口端側の内壁面が露出することを特徴とする配線基板の製造方法。
  5. 前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、
    前記シード層をウエットエッチングして除去する工程において、前記金属ポストの周囲の前記銅層をウエットエッチングすることにより、前記金属ポストの周囲の前記銅層の上面を前記ソルダレジスト層の前記上面よりも低くすることを特徴とする請求項4に記載の配線基板の製造方法。
  6. 基材の上方に前記配線を形成する工程を有し、
    前記基材は、前記配線が形成された側の第1の主面と、前記第1の主面に相対する第2の主面とを備え、
    前記第2の主面側に、前記配線に電気的に接続されたランドを形成する工程と、
    前記ランドの表面に、銅よりもイオン化傾向が小さな金属層を形成する工程とを更に有し、
    前記シード層をウエットエッチングして除去する工程において、前記金属層が前記エッチング液に曝された状態で、前記エッチング液で前記シード層をウエットエッチングすることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の配線基板の製造方法。
  7. 配線と、
    前記配線の上に形成され、前記配線に重なる開口部を備えたソルダレジスト層と、
    前記開口部内に形成された銅のシード層と、
    前記シード層の上に形成され、前記開口部の途中の深さまでを埋める銅層と、
    前記銅層の上に立設され、前記ソルダレジスト層の上面よりも高い位置に上面を備えたニッケル、銀、及び錫のいずれかを含む金属ポストと、
    前記金属ポストの前記上面に接続された半導体素子と、
    を有し、
    前記金属ポストの直径は前記開口部の開口端の直径よりも小さく、前記金属ポストの周囲において、前記開口部の開口端側の内壁面が露出していることを特徴とする半導体装置。
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