JP7088638B2 - 半導体装置、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態の半導体装置の断面模式図である。図1に示すように、半導体装置(半導体IC)1は、半導体チップ2と、半導体チップ2を覆う封止材(モールド樹脂)3と、半導体チップ2及び封止材3と密着する再配線層4と、を有して構成される。
再配線層4は、主に、配線5と配線5の周りを覆う層間絶縁膜6から構成される。層間絶縁膜6は、配線5との意図しない導通を防止するとの観点から、絶縁性が高い部材であることが好ましい。
い。
封止材3の材料には特に限定は無いが、エポキシ樹脂が、耐熱性、層間絶縁膜との密着性の観点から好ましい。
本実施形態では、層間絶縁膜6の面内屈折率と面外屈折率の差が0.0150以上であることを特徴としている。ここで面内屈折率とは、厚みz、幅x、長さyの層間絶縁膜6のx方向とy方向の波長1310nmにおける屈折率の平均値である。面外屈折率とはz方向の波長1310nmにおける屈折率である。以下、波長1310nmにおける面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値を屈折率差とする。
線層4を断面視した際に、第1の層間絶縁膜層と、第2の層間絶縁膜層と、第1の層間絶
縁膜層及び前記第2の層間絶縁膜層とは異なる層で第1の層間絶縁膜層と第2の層間絶縁
膜層の間に設けられた中間層を含んでいてもよい。中間層とは例えば配線5である。
層間絶縁膜6の組成には特に限定はないが、例えば、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、又は、フェノール性水酸基を有するポリマーから選択される少なくとも1つの化合物を含む膜であることが好ましい。
層間絶縁膜6の形成に用いる樹脂組成物は、感光性の樹脂組成物であれば特に限定はないが、ポリイミド前駆体、ポリベンゾオキサゾール前駆体、又は、フェノール性水酸基を有するポリマーから選択される少なくとも1つの化合物を含む感光性樹脂組成物であることが好ましい。層間絶縁膜6の形成に用いる樹脂組成物は、液体状でもフィルム状でもよい。また、層間絶縁膜6の形成に用いる樹脂組成物は、ネガ型の感光性樹脂組成物でも、ポジ型の感光性樹脂組成物でもよい。
(A)感光性樹脂
ポリイミド前駆体組成物に用いる感光性樹脂としては、ポリアミド、ポリアミド酸エステル等を挙げることができる。例えば、ポリアミド酸エステルとしては、下記一般式(11)で表される繰り返し単位を含むポリアミド酸エステルを用いることができる。
層間絶縁膜6の形成に用いる樹脂組成物がネガ型の感光性樹脂の場合、光開始剤を添加する。光開始剤としては、例えば、ベンゾフェノン、o-ベンゾイル安息香酸メチル、4-ベンゾイル-4’-メチルジフェニルケトン、ジベンジルケトン、及びフルオレノン等のベンゾフェノン誘導体、2,2’-ジエトキシアセトフェノン、及び2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン等のアセトフェノン誘導体、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、チオキサントン、2-メチルチオキサントン、2-イソプロピルチオキサントン、及びジエチルチオキサントン等のチオキサントン誘導体、ベンジル、ベンジルジメチルケタール及び、ベンジル-β-メトキシエチルアセタール等のベンジル誘導体、ベンゾインメチルエーテル等のベンゾイン誘導体、2,6-ジ(4’-ジアジドベンザル)-4-メチルシクロヘキサノン、及び2,6’-ジ(4’-ジアジドベンザル)シクロヘキサノン等のアジド類、1-フェニル-1,2-ブタンジオン-2-(O-メトキシカルボニル)オキシム、1-フェニルプロパンジオン-2-(O-メトキシカルボニル)オキシム、1-フェニルプロパンジオン-2-(O-エトキシカルボニル)オキシム、1-フェニルプロパンジオン-2-(O-ベンゾイル)オキシム、1,3-ジフェニルプロパントリオン-2-(O-エトキシカルボニル)オキシム、1-フェニル-3-エトキシプロパントリオン-2-(O-ベンゾイル)オキシム等のオキシム類、N-フェニルグリシンなどのN-アリールグリシン類、ベンゾイルパーオキシドなどの過酸化物類、芳香族ビイミダゾール類、並びにチタノセン類などが用いられる。これらのうち、光感度の点で上記オキシム類が好ましい。
層間絶縁膜6の形成に用いる樹脂組成物がポジ型の感光性樹脂の場合、光酸発生剤を添加する。光酸発生剤を含有することにより、紫外線露光部に酸が発生し、露光部のアルカリ水溶液に対する溶解性が増大する。これにより、ポジ型感光性樹脂組成物として用いることができる。
層間絶縁膜6の面内屈折率と面外屈折率の差は、添加剤の種類や量で調節することができる。ポリマー分子鎖と相互作用を有し、且つ、平面性の高い構造を有する添加剤を用いると、面内方向に分子鎖が並びやすくなり、面内屈折率と面外屈折率の差を大きくすることができる。屈折率差を大きくする添加剤としては、例えば、N-(4-ブロモフェニル)フタルイミド、N-(4-クロロフェニル)フタルイミド、ビフェニルなどが使用できる。添加剤の量については目標とする面内屈折率と面外屈折率の差に応じて適宜調整すればよい。
各成分が溶解又は分散可能な溶媒であれば特に限定されない。例えば、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。これらの溶媒は、塗布膜厚、粘度に応じて、(A)感光性樹脂100質量部に対し、30~1500質量部の範囲で用いることができる。
ポリイミド前駆体組成物には架橋剤を含有させてもよい。架橋剤としては、ポリイミド前駆体組成物を露光、現像した後、加熱硬化する際に、(A)感光性樹脂を架橋し得るか、又は架橋剤自身が架橋ネットワークを形成し得る架橋剤を用いることができる。架橋剤を用いることで、硬化膜(層間絶縁膜)の耐熱性及び耐薬品性を更に強化することができる。
ポリイミド前駆体組成物を露光した後、不要部分を現像液で洗い流す。使用する現像液としては、特に制限はないが、溶剤で現像を行うポリイミド前駆体組成物の場合には、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、シクロペンタノン、γ-ブチロラクトン、酢酸エステル類等の良溶媒、これら良溶媒と低級アルコール、水、芳香族炭化水素等の貧溶媒との混合溶媒等が用いられる。現像後は必要に応じて貧溶媒等でリンス洗浄を行う。
現像後、露光後のポリイミド前駆体組成物を加熱することにより、ポリイミド前駆体を閉環し、ポリイミドを形成する。このポリイミドが硬化レリーフパターン、即ち、層間絶縁膜6となる。
上記ポリイミド前駆体組成物から形成される硬化レリーフパターンの構造は、下記一般式(1)となる。
(A)感光性樹脂
ポリベンゾオキサゾール前駆体組成物に用いる感光性樹脂としては、下記一般式(14)で表される繰り返し単位を含むポリ(o-ヒドロキシアミド)を用いることができる。
ン酸、ヘキサデカフルオロセバシン酸、1,9-ノナン二酸、ドデカン二酸、トリデカン二酸、テトラデカン二酸、ペンタデカン二酸、ヘキサデカン二酸、ヘプタデカン二酸、オクタデカン二酸、ノナデカン二酸、エイコサン二酸、ヘンエイコサン二酸、ドコサン二酸、トリコサン二酸、テトラコサン二酸、ペンタコサン二酸、ヘキサコサン二酸、ヘプタコサン二酸、オクタコサン二酸、ノナコサン二酸、トリアコンタン二酸、ヘントリアコンタン二酸、ドトリアコンタン二酸、ジグリコール酸等が挙げられる。これらを混合して使用してもよい。
光酸発生剤は、光照射部のアルカリ水溶液可溶性を増大させる機能を有するものである。光酸発生剤としては、ジアゾナフトキノン化合物、アリールジアゾニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、トリアリールスルホニウム塩等が挙げられる。このうち、ジアゾナフトキノン化合物は、感度が高く好ましい。
好ましい添加剤の種類や量は、ポリイミド前駆体組成物の項目で記載した内容と同じである。
各成分を溶解又は分散可能な溶媒であれば特に限定されない。
ポリベンゾオキサゾール前駆体組成物は、架橋剤、増感剤、接着助剤、熱酸発生剤等を含むことができる。
ポリベンゾオキサゾール前駆体組成物を露光した後、不要部分を現像液で洗い流す。使用する現像液としては特に制限はないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ケイ酸ナトリウム、アンモニア、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドなどのアルカリ水溶液が好ましいものとして挙げられる。
現像後、ポリベンゾオキサゾール前駆体組成物を加熱することにより、ポリベンゾオキサゾール前駆体を閉環し、ポリベンゾオキサゾールを形成する。このポリベンゾオキサゾールが硬化レリーフパターン、即ち、層間絶縁膜6となる。
上記ポリベンゾオキサゾール前駆体組成物から形成される硬化レリーフパターンの構造は、下記一般式(10)となる。
(A)感光性樹脂
分子中にフェノール性水酸基を有する樹脂であり、アルカリに対して可溶である。その具体例としては、ポリ(ヒドロキシスチレン)等のフェノール性水酸基を有するモノマー単位を含むビニル重合体、フェノール樹脂、ポリ(ヒドロキシアミド)、ポリ(ヒドロキシフェニレン)エーテル、ポリナフトールが挙げられる。
光酸発生剤としては、ジアゾナフトキノン化合物、アリールジアゾニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、トリアリールスルホニウム塩等が挙げられる。このうち、ジアゾナフトキノン化合物は、感度が高く好ましい。
好ましい添加剤の種類や量は、ポリイミド前駆体組成物の項目で記載した内容と同じである。
各成分を溶解又は分散可能な溶媒であれば特に限定されない。
熱架橋剤、増感剤、接着助剤、染料、界面活性剤、溶解促進剤、架橋促進剤等を含むことができる。このうち、熱架橋剤を含有することにより、パターン形成後の感光性樹脂膜を加熱して硬化する際に、熱架橋剤成分が(A)成分と反応して橋架け構造が形成される。これにより、低温での硬化が可能となり、膜の脆さや膜の溶融を防ぐことができる。熱架橋剤成分として、具体的には、フェノール性水酸基を有する化合物、ヒドロキシメチルアミノ基を有する化合物、エポキシ基を有する化合物を好ましいものとして用いることができる。
フェノール性水酸基を有するポリマーを露光した後、不要部分を現像液で洗い流す。使用する現像液としては特に制限はないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ケイ酸ナトリウム、アンモニア、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)等のアルカリ水溶液が好適に用いられる。
現像後、フェノール性水酸基を有するポリマーを加熱することにより、フェノール性水酸基を有するポリマーどうしを熱架橋する。この架橋後のポリマーが硬化レリーフパターン、即ち、層間絶縁膜6となる。
本実施形態における半導体装置の製造方法について図3を用いて説明する。図3は、本実施形態の半導体装置の製造工程の一例である。図3Aでは、前工程済みウェハ10を用意する。そして、図3Bにて、前工程済みウェハ10をダイシングして複数の半導体チップ2を形成する。半導体チップ2は購入品であってもよい。このようにして準備された半導体チップ2を、図3Cに示すように、支持体11上に所定間隔にて貼り付ける。
テトラカルボン酸二無水物として4,4’-オキシジフタル酸二無水物(ODPA)を2リットル容量のセパラブルフラスコに入れた。更に、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)とγ-ブチロラクトンを入れて室温下で攪拌し、攪拌しながらピリジンを加えて反応混合物を得た。反応による発熱の終了後に室温まで放冷し、16時間放置した。
テトラカルボン酸二無水物とジアミンを下記表1のように変更した以外は前述のポリマーA-1に記載の方法と同様にして反応を行い、ポリイミド前駆体(ポリマーA-2~A-4)を得た。
攪拌機、温度計を備えた0.5リットルのフラスコ中に、ジカルボン酸として4,4’-ジフェニルエーテルジカルボン酸15.48g、N-メチルピロリドンを仕込んだ。フラスコを、5℃に冷却した後、塩化チオニルを滴下し、30分間反応させて、ジカルボン酸クロリドの溶液を得た。次いで、攪拌機、温度計を備えた0.5リットルのフラスコ中に、N-メチルピロリドンを仕込んだ。ビスアミノフェノールとしてビス(3-アミノ-4-ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン18.30gと、m-アミノフェノール2.18gを攪拌溶解した後、ピリジンを添加した。そして、温度を0~5℃に保ちながら、ジカルボン酸クロリドの溶液を30分間で滴下した後、30分間攪拌を続けた。溶液を3リットルの水に投入し、析出物を回収、純水で3回洗浄した後、減圧乾燥してポリマー(ポリベンゾオキサゾール前駆体(ポリマーB-1))を得た。ポリマーB-1で使用した化合物の質量については下記の表1の通りである。
ジカルボン酸とビスアミノフェノールを下記に示す表1のように変更した以外は前述のポリマーB-1に記載の方法と同様にして反応を行い、ポリベンゾオキサゾール前駆体(ポリマーB-2~B-3)を得た。
下記に示す表2の通りに配合し、感光性樹脂組成物の溶液を得た。なお、表2の単位は質量部である。
実施例、及び比較例で作成した感光性樹脂組成物を用いてファンナウト型のウェハレベルチップサイズパッケージ型の半導体装置を作製した。作製した半導体装置から厚み10μmの層間絶縁膜を可能な限りきれいに取り出した。取り出した層間絶縁膜をMETRICON社製のプリズムカプラー装置(PC-2010)を用いて、測定波長1310nmの面内屈折率と面外屈折率の差を測定した。
エポキシ系封止材として長瀬ケムテックス社製のR4000シリーズを用意した。次いで、アルミスパッタしたシリコーンウェハ上に封止材を厚みが約150μmになるようにスピンコートし、130℃で熱硬化させてエポキシ系封止材を硬化させた。上記エポキシ系硬化膜上に実施例、及び比較例で作成した感光性樹脂組成物を最終膜厚が10μmになるように塗布した。塗布した感光性樹脂組成物を実施例1~4、8、比較例1は200mJ/cm2、実施例5~7、9、比較例2は500mJ/cm2の露光条件で全面を露光した後、200℃、2時間熱硬化させて、厚み10μmの1層目の硬化膜を作成した。
(2)の試験で作成したサンプルの感光性樹脂硬化膜上にピンを立て、引取試験機(クワッドグループ社製、セバスチャン5型)を用いて密着性試験を行った。
評価:接着強度70MPa以上・・・・・・・・・・・密着力◎
50MPa以上-70MPa未満・・・密着力○
30MPa以上-50MPa未満・・・密着力△
30MPa未満・・・・・・・・・・・密着力×
2 半導体チップ
3 封止材
4 再配線層
5 配線
6 層間絶縁膜
7 外部接続端子
10 ウェハ
11 支持体
12 モールド樹脂
13 感光性樹脂組成物
Claims (36)
- 半導体チップと、
前記半導体チップを覆う封止材と、
平面視で前記半導体チップよりも面積が大きい再配線層と、を備え、
前記再配線層の層間絶縁膜は、感光性樹脂組成物由来の樹脂組成物を含み、
前記再配線層の層間絶縁膜の波長1310nmにおける面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0150以上であること
を特徴とする半導体装置。 - 前記封止材は、前記層間絶縁膜と直接接することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記封止材は、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、及び、フェノール性水酸基を有するポリマーから選択される少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記一般式(1)中のX1が、芳香族環を含む4価の有機基であり、前記一般式(1)中のY1が、芳香族環を含む2価の有機基であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記一般式(10)のUは、炭素数1~30の2価の有機基であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
- 前記一般式(10)のUは、炭素数1~8で且つ水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換された鎖状アルキレン基であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 前記一般式(10)のVは、芳香族基を含む2価の有機基であることを特徴とする請求項11から請求項13のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記一般式(10)のVは、炭素数1~40の2価の有機基であることを特徴とする請求項11から請求項13のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記一般式(10)のVは、炭素数1~20の2価の鎖状脂肪族基であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
- 前記フェノール性水酸基を有するポリマーが、ノボラック型フェノール樹脂を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記フェノール性水酸基を有するポリマーが、不飽和炭化水素基を有しないフェノール樹脂と不飽和炭化水素基を有する変性フェノール樹脂を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記再配線層は、前記再配線層を断面視したときに、第1の層間絶縁膜層と、第2の層間絶縁膜層と、前記第1の層間絶縁膜層及び前記第2の層間絶縁膜層とは異なる層で前記第1の層間絶縁膜層と前記第2の層間絶縁膜層の間に設けられた中間層と、を含むことを特徴とする請求項1から請求項20のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第1の層間絶縁膜層は、前記封止材と接しており、前記第1の層間絶縁膜層の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0150以上であることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
- 前記第2の層間絶縁膜層は、前記第1の層間絶縁膜層とは異なる組成であることを特徴とする請求項21又は請求項22に記載の半導体装置。
- 前記第2の層間絶縁膜層の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値は、前記第1の層間絶縁膜層の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値と異なることを特徴とする請求項21から請求項23のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記半導体装置が、ファンアウト型のウェハレベルチップサイズパッケージ型の半導体装置であることを特徴とする請求項1から請求項24のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0155以上であることを特徴とする請求項1から請求項25のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0160以上であることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0165以上であることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0170以上であることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0200以上であることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.50以下であることを特徴とする請求項1から請求項30のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.40以下であることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。
- 前記再配線層の層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.30以下であることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。
- 半導体チップを封止材で覆う工程と、
平面視で前記半導体チップよりも面積が大きく、且つ、層間絶縁膜を含む再配線層を形成する工程を含み、
前記再配線層の層間絶縁膜は、感光性樹脂組成物由来の樹脂組成物を含み、
前記層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0150以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記層間絶縁膜を、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、フェノール性水酸基を有するポリマーの少なくとも1つの化合物を形成可能な前記感光性樹脂組成物で形成する層間絶縁膜形成工程を含むことを特徴とする請求項34に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記層間絶縁膜形成工程は、前記層間絶縁膜の面内屈折率と面外屈折率の差の絶対値が0.0150以上となるように添加剤で調整された前記感光性樹脂組成物で前記層間絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項35に記載の半導体装置の製造方法。
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