JP3916850B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板および半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、導体の上に直接はんだを接続した際に、はんだが拡散することを防止するため、拡散防止層を別途形成することが一般的である。例えば、(株)技術情報協会刊 「ベアチップ実装」ページ125には、金バンプをめっきで形成する際に、アルミ電極への金の拡散を防止し、金属間化合物の形成を防止するバリア層として、UBM(Under Bump Metal)を形成する方法が掲載されている。その方法は、図10に示すように、まず、(1)半導体素子が形成されたシリコンウェハ19上に、アルミパッド2を開口するようにパッシベーション膜4を形成する。次に、(2)UBM材料1をスパッタ成膜し、(3)はんだバンプを形成するための逆パターン(レジスト7)を形成し、(4)金めっき10を行う。(5)最後にレジスト7とUBM材料1の不要な部分をエッチング除去する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では、UBMの形成を金バンプ形成工程、アルミ電極形成工程と全く独立して行うため配線基板または半導体装置の製造工程が増え、さらにUBMの形成にはスパッタ、露光・現像工程、エッチング工程と煩雑な工程が必要であったため、コストを上昇させる原因となっていた。本発明の目的は、はんだの拡散を防止する膜を低コストで形成し、信頼性の高い配線基板または半導体装置を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、特許請求の範囲の通りに構成するものである。すなわち、銅のように良好な導電性を有する配線層の上にニッケル層を形成し、配線を形成するために用いたレジストパターンをそのままニッケル層のパターン形成に用いることで達成される。
【0005】
また、ニッケル層の厚さの上限値および下限値を設けることにより、高信頼性の配線基板及び半導体装置を提供することができる。具体的には、ニッケル層の下限値を約0.8マイクロメートル以上にすることではんだが拡散し配線層に達するのを防止することができ、上限値を約5.0マイクロメートル以下にすることでニッケル層の応力によりウエハまたは、有機材料、無機材料から成る基板が反ることにより発生する配線層及びニッケル層の露光・現像工程で問題を通常の露光装置により解決することができる。なお、より好ましくは、ニッケル層の厚さは約0.8マイクロメートル以上約3.0マイクロメートルであり、もっとも好ましくは約0.8マイクロメートル以上約1.6マイクロメートルである。また、ニッケル層はニッケル100%で形成される必要はなく、不純物、例えば銅等を含んだニッケル合金層であってもよい。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図を併用しつつ説明する。なお、全ての図において、同一符号は同一部位を示しているため、重複する説明を省いている場合があり、また説明を容易にするため各部の寸法比を実際とは変えてある。
【0007】
本発明に係る実装基板、例えば配線用実装基板の製造方法を第一の実施例として、図1から図2を用いて説明する。図1により第一工程から第三工程までを、図2により第四工程から第六工程を説明する。
【0008】
第一工程では、基板18として、半導体工程が完了したシリコンウェハ、配線が形成されたプリント基板、配線が形成されたガラスセラミクス基板など、外部の回路と接続するための端子を有する基板を用いることができる。また、基板18として、前記に示した半導体工程が完了したシリコンウェハ、配線が形成されたプリント配線基板、ガラスセラミクス配線基板が有している内層配線や半導体素子などの、外部の回路と接続するための端子を有していない、有機材料基板や無機材料基板を用いることが出来る。
【0009】
第二工程では、必要に応じて、基板18の上に保護膜16を形成する。保護膜16は無機材料または有機材料を用いて形成される。また、無機材料の上に有機材料を用いて重ねて形成してもよい。ここで、有機材料を塗布することは、基板の表面凹凸が大きいセラミクス基板の場合に有用である。また、ここに塗布した有機樹脂を厚くすることで、後に形成するはんだボールと実装したときの応力を低減することが可能となる。
【0010】
第三工程では、電気めっきを実施するための給電膜9を半導体ウェーハ全面に形成する。ここでは、蒸着や、無電解銅めっき、CVDなども用いることが可能であるが、ポリイミドとの接着強度が強いためスパッタを用いることとした。スパッタの前処理として、導体の導通を確保するためにスパッタエッチングを行った。
【0011】
本実施例におけるスパッタ膜としては、クロム(75ナノメートル)/銅(0.5マイクロメートル)の多層膜を形成した。ここでのクロムの機能は、その上下に位置する銅と応力緩和層等との接着を確保することにあり、その膜厚はそれらの接着を維持する最低限でかまわない。所要膜厚は、スパッタエッチングおよびスパッタの条件、クロムの膜質などによっても変動する。なお、本実施例で使用したクロム膜に代えてチタン膜やチタン/白金膜、タングステンなどでも代替できる。
【0012】
一方、銅の膜厚は、後の工程で行う電気銅めっき及び電気ニッケルめっきを行ったときに、膜厚分布が生じない最小限度の膜厚が好ましく、めっき前処理として行なう酸洗などでの膜減り量も考慮に入れたうえで膜厚分布を誘発しない膜厚を決定する。銅の膜厚を必要以上に厚くした場合、例えば1マイクロメートルを越える銅厚の場合には、スパッタ時間が長くなって生産効率が低下するという問題に加えて、後の工程で実施する給電膜9のエッチング除去の際に長時間エッチングが避けられず、その結果として再配線用配線11のサイドエッチングが大きくなる。次に、ホトリソグラフィー技術を用い、再配線用配線11を形成する部分のみが開口した配線の逆パターン14をレジストを用いて形成する。なお、再配線用配線11は配線13とその上に形成されるはんだ拡散防止膜12からなる。
【0013】
第四工程では、給電膜9および配線の逆パターン14を利用して電気めっきを行い、再配線用配線11およびバンプパッド6の形成を行う。なお、再配線用配線11の一端をバンプパッド6と兼用してもよい。
【0014】
また、必要に応じて電気銅めっきを繰り返すことで図9に示すように、配線13を多層構造とすることも可能である。多層配線とする場合は最表層、つまりはんだバンプ5と接する配線のみに電気ニッケルめっきを行うようにしてもよい。なお、本実施例では、再配線用配線11は1層として図示している。
【0015】
配線13は、硫酸・硫酸銅めっき液を用い、界面活性剤による洗浄、水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行った後、給電膜9を陰極に接続し、リンを含有する銅板を陽極に接続して電気銅めっき膜を形成した。はんだ拡散防止膜12は、給電膜9を陰極に接続し、ニッケル板を陽極に接続して電気ニッケル膜を形成した。電気ニッケルめっき前に、界面活性剤による洗浄、水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行うと良好な膜質の電気ニッケルめっき膜が得られる場合がある。なお、銅、ニッケルとも電気めっきを用いて導体を形成する方法を示したが、無電解めっきを用いることも可能である。また、配線13は銅以外に、金または銀を包含するものであってもよく、はんだ拡散防止膜12はニッケル合金であってもよい。
【0016】
次に、はんだ拡散防止膜12であるニッケル層の厚さについて説明する。まず、ニッケル層の下限値をはんだのリフロー回数とはんだが拡散するニッケル層の厚さの関係より規定する。図11ははんだのリフロー回数とはんだが拡散するニッケル層の厚さの関係を調べた実験結果、図7はそれを表にまとめたものである。図7より、一度のはんだリフローでニッケル層の表面から約0.8マイクロメートルまではんだが拡散していることが分かる。したがって、はんだが配線に拡散しないために、ニッケル層は少なくとも0.8マイクロメートル以上でなければならないことが分かる。
【0017】
また、本実施例で記述する配線基板、または第二の実施例の半導体パッケージの製造工程において、はんだリフローが行われるのは、はんだボール搭載、基板表面への実装、基板裏面への実装、表面リペア時のチップ取り外し、裏面リペア時のチップ取り外し、表面リペア時の実装、裏面リペア時の実装などであり、7回のはんだリフローが考えられる。図7より、はんだのリフローを7回行った場合にはニッケル層表面から約1.5マイクロメータのところまではんだが拡散していることがわかる。したがって、7回リフローした場合に配線基板においてはんだが銅配線に拡散しないために、ニッケル層の厚さは約1.5マイクロメートル以上有していることが望ましい。
【0018】
次に、ニッケル層の上限値をニッケル層の厚さとニッケル層の応力との関係より規定する。ニッケル層はその膜応力が銅に比べて大きので、膜厚を厚くするとウエハの反りが大きくなり、ニッケル層の上にカバーコート層を形成する際に露光・現像工程で問題が生じるおそれがある。そこで、シリコンウエハの上にニッケル層を形成した場合に、ニッケル膜の応力を調べ、続いてニッケルの膜応力とウエハの反りの関係のシミュレーションを行った。その結果を図8に示す。
【0019】
例えば、2.0マイクロメータのニッケル層をシリコンウエハの上に形成した場合、ニッケル層の膜応力の実測値は約20MPaであった。このときのニッケルの膜応力とウエハの反りの関係をシミュレーションすると、直径200mm、厚さが0.725mmのシリコンウエハの上にニッケル層を形成した場合のシリコンウエハの反りは1mmであり、直径300mm、厚さが1.000mmのシリコンウエハの上にニッケル層を形成した場合のシリコンウエハの反りは1.7mmであった。
【0020】
また、5.0マイクロメートルのニッケル層を直径200mm、厚さが0.725mmのシリコンウエハの上に形成した場合、その応力の実測値は約50MPaであった。上記と同じシミュレーションを行うと、直径200mm、厚さが0.725mmのシリコンウエハの上にニッケル層を形成した場合のシリコンウエハの反りは2.5mmであり、直径300mm、厚さが1.000mmのシリコンウエハの上にニッケル層を形成した場合のシリコンウエハの反りは4.25mmであった。
【0021】
本実施例を実現するために、通常、基板を真空吸着している露光機では約4mm程度の反りが矯正できるため、ウエハが約4mm反るニッケル層の厚さ5.0マイクロメートルを最大値とした。但し、矯正値については露光機の装置の依存性が大きく、ニッケル層の厚さの最大値は露光機が矯正できるウエハの反りに大きく依存する。
【0022】
また、ニッケルの抵抗率は6.9×10−8Ωmであり、銅の抵抗率1.69×10−8Ωmより高いため、あまりニッケル層を厚くすることは好ましくない。
【0023】
よって、上記はんだリフローとニッケル層へのはんだ拡散の関係、およびニッケル層の厚さとウエハの反りの関係を考慮すると、配線層の上に形成されるニッケル層の厚さは約0.8〜約5.0マイクロメートルであることが望ましい。なお、より好ましくは、ニッケル層の厚さは約0.8〜約3.0マイクロメートル、もっとも好ましくは、約0.8〜約1.6マイクロメートルである。約0.8〜約1.6マイクロメートルであれば、ウエハの反りを気にせず、8回以内のリフローに対応できる。
【0024】
第五工程ではフォトレジストからなる配線の逆パターン14および電気めっきの給電膜9をエッチング処理により除去する。電気銅めっきおよび電気ニッケルめっきを行ったのちにレジストを使用した配線の逆パターン14を除去し、エッチング処理をすることで予め成膜した給電膜9を除去する。銅のエッチングには、塩化鉄、アルカリ系エッチング液等の種類があるが、本実施例では硫酸/過酸化水素水を主成分とするエッチング液を用いた。10秒以上のエッチング時間がないと制御が困難となって実用的観点では不利であるが、あまりに長い時間エッチングを行なうと、例えば5分を越えてエッチングするような場合には、サイドエッチングが大きくなったりタクトが長くなるという問題も生じるため、エッチング液およびエッチング条件は、適宜実験により求めるのがよい。引き続いて実施する給電膜9のクロム部分のエッチングには、本願発明では過マンガン酸カリウムとメタケイ酸を主成分とするエッチング液を用いた。
【0025】
第六工程では有機材料または無機材料を用い表面保護膜15を形成する。そして、このパターンを利用してバンプパッド6の最表面に無電解金めっき17を行う。この無電解金めっきは、はんだと電気ニッケルめっきの濡れ性が良好な場合は、不要である。
【0026】
第七工程では、バンプパッド6上にフラックスと共にはんだボールを搭載し、加熱することでバンプパッド6にはんだボールを接続し、はんだバンプ5を形成する。はんだバンプは半導体装置側に形成することが一般的であるが、実装基板側に形成することも可能である。例えば、はんだボール搭載装置とリフロー炉を使用しバンプを形成する。つまり、はんだボール搭載装置を利用することで、バンプパッド6上に所定量のフラックスとはんだボールを搭載する。この際、はんだボールはフラックスの粘着力によりバンプパッド上に仮固定される。はんだボールが搭載された実装基板または半導体ウェーハをリフロー炉に投入することではんだボールは一旦溶融し、その後再び固体化することで、図3に示したバンプパッド6に接続したはんだバンプ5となる。このほかにも印刷機を用いてはんだペーストをバンプパッド6上に印刷塗布し、これをリフローすることではんだバンプ5を形成する方法もある。何れの方法においてもはんだ材料は様々なものを選択することが可能となり、現時点において市場に供給されているはんだ材料の多くが使用できる。この他、はんだ材料は限定されるものの、めっき技術を用いることで、はんだバンプ5を形成する方法もある。また、金や銅を核としたボールを使用したバンプや導電材料を配合した樹脂を使用して形成したバンプを使用しても良い。先に、第五工程の項で記述したが、本実施例では、はんだ拡散による拡散層の厚さによって、電気ニッケルの必要膜厚を決定し、その条件として、はんだの種類やリフロー条件によって異なってくることを記述した。はんだボール搭載時のリフロー条件は、ベルト式のリフロー炉を用い、最大温度245℃、230℃以上で30秒保持される時間でリフローを行った。また、用いたはんだボールは、Snを主成分とし、他の成分として、Cu、Bi、Agを添加したもの、例えばSn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cuが考えられる。具体的には、Sn-0.5〜3.5Ag-0.5〜1.0Cuであり、実施例ではその一例として、Sn-1.0Ag-0.5Cuを用いた。
【0027】
なお、はんだバンプとニッケル層により形成される合金層の厚さは、はんだバンプとニッケル層との結合を考慮すると、約0.5マイクロメートルから約5.0マイクロメートル、より好ましくは約2.5マイクロメートルから約3.5マイクロメートルである。また合金層の主成分はNi-Snである。
【0028】
第一工程から第七工程までの工程を経ることではんだ拡散防止層を有する実装基板を形成することが出来る。
【0029】
次に、第二の実施例として、本発明に係るはんだ拡散防止膜を半導体装置に適用した例を示す。本実施例において、前記第一の実施例に示した部分と共通する事項については、その旨を本文中に記す。
【0030】
まず、本実施例にかかる半導体装置の構造について説明する。半導体装置は、ウェーハ単位で多数個が一括して製造されるが、以下では説明を容易にするために、その一部を取り出して説明する。図6に本実施例の半導体装置の部分断面図を示し、その半導体装置の製造工程の一例を説明する。図4により第一工程から第三工程までを、図5により第四工程から第七工程を、図6により第八工程を説明する。なお、いずれの図においても、本実施例における半導体装置の断面構造がわかりやすいように、一部分を取り出した断面図としてある。
【0031】
第一工程において、半導体素子が形成されたウェーハ19とは、半導体製造工程でいうところの前工程を終了したウェーハであり、多数個の半導体装置に分割切断前のものである。各半導体装置には外部用接続端子、例えばアルミパッド2が形成されている。このアルミパッド2は従来型の半導体装置において、QFP(Quad Flat Package)などの半導体パッケージにおさめる場合に、金ワイヤ等を接続し、半導体パッケージの外部端子との導通を実現するために使用されている。
【0032】
第二工程では、半導体回路が形成された半導体装置の表面をアルミパッド2上および多数個の半導体が形成されたウェーハをチップ状の半導体装置に切断する際の切断部3およびその周辺を除き、保護膜16で覆う。この保護膜16には厚さ1乃至10マイクロメートル程度の無機材料からなる絶縁樹脂単独あるいは有機材料からなる絶縁樹脂を併用している。保護膜16は、無機材料を用いて半導体製造工程におけるいわゆる前工程において既に形成される場合もあり、また、更に無機材料の上に有機材料を用いて重ねて形成する場合もある。
【0033】
第三工程では、ペースト状ポリイミド材料を応力緩和層8の形成予定箇所に印刷塗布し、その後これを加熱することで硬化させる。これにより保護膜16上に応力緩和層8が形成される。なお、本実施例では、アンダーフィルを実施せず半導体装置をフリップチップ接続した場合について記述しているが、応力緩和層8を形成せずアンダーフィルを充填することを前提とした構造であってもよいことはいうまでもない。
【0034】
本実施例では、保護膜16の上には厚さ35乃至150マイクロメートルの応力緩和層8が選択的に形成されている。応力緩和層の膜厚は、半導体素子のサイズ、応力緩和層の弾性率、半導体素子厚などにも依存していて一概には断定できないが、一般的に使用される半導体素子厚はおよそ150乃至750マイクロメートルであり、半導体素子とその表面に形成される応力緩和層とからなるバイメタルモデルで応力シミュレーション実験をおこなったところ、所要の応力緩和層膜厚は10乃至200マイクロメートルが望ましく、更に好ましくは35乃至150マイクロメートルであることがわかったため本実施例はこの膜厚範囲で形成した。
【0035】
第四工程では、電気めっきに用いるための給電膜9をスパッタ等の方法で形成し、給電膜9の上に配線の逆パターン14を形成しする。本実施例の給電膜9の形成方法は、前記第一の実施例の第三工程と同様である。
【0036】
第五工程では、給電膜9の上に、配線13とはんだ拡散防止膜12を形成し、再配線用配線11およびバンプパッド6の形成を行う。また、図9に示すように、必要に応じて電気銅めっきを繰り返すことで配線13を多層構造とすることも可能である。多層配線とする場合には、最表層層の配線のみに電気ニッケルめっきを行ってもよいことは前記第一の実施例と同様である。本実施例の配線13およびはんだ拡散防止膜12の形成方法は、前記第一の実施例の第四工程と同様である。
【0037】
第六工程では、フォトレジストからなる配線の逆パターン14および電気めっきの給電膜9をエッチング処理により除去する。本実施例の第六工程の内容は、前記第一の実施例の第五工程と同様である。
【0038】
第七工程では、ソルダーレジストを用い表面保護膜15を形成する。そして、このパターンを利用してバンプパッド6の最表面に無電解金めっき17を行う。ここでは表面保護膜15としてソルダーレジストを使用し、これを半導体装置の全面に塗布した後に露光、現像することでパターンを形成する。なお、ソルダーレジストの他にも感光性ポリイミドや印刷用ポリイミドなどの材料を用いて表面保護膜15を形成することも可能であるが、半導体素子の特性変動やバンプパッド部金属の組織・表面状態の変化を回避するという観点から、その最終硬化温度が400℃以下の材料が望ましく、さらに好ましくは250℃以下、最も好ましくは200℃以下である。ここで、最終硬化温度が350℃を下回った処理を行った場合には、無電解金めっきを行うことなく、はんだと電気ニッケルめっきを接合することが可能であった。以上のような工程を経ることで、表面保護膜15は、再配線用配線11、応力緩和層8、保護膜16などを完全に覆うこととなる。このため、表面保護膜15は、再配線用配線11、応力緩和層8、保護膜16が刺激性物質により変質、剥離、腐蝕することを抑止できる。表面保護膜15に使用する材料は、このような保護膜としての特性と上述の最終硬化温度という特性とを勘案して決定する。
【0039】
第八工程ではバンプパッド6上にフラックスと共にはんだボールを搭載し、加熱することでバンプパッド6にはんだボールを接続し、はんだバンプ5を形成する。本実施例の第八工程におけるはんだバンプ5の形成方法は、前記第一の実施例の第七工程と同様である。
【0040】
第九工程では、本工程は、特に図示しないが、上記工程までを半導体が形成されたウェーハ上で複数個一括して形成してきたものを、ウェーハダイシング技術により半導体装置に切断する。
【0041】
本実施例の第一工程から第九工程までの工程を経ることではんだの拡散を防止するニッケル層が形成された再配線用配線11を有する半導体装置が少ない工程数で形成される。また、応力緩和層8を有し、再配線用配線11の途中に応力が集中する屈曲部が存在しない半導体装置が実現できる。また、印刷技術を使用することで、露光や現像技術を用いることなく厚膜の絶縁層である応力緩和層8をパターン形成することができ、その応力緩和層8は再配線用配線11を形成するための斜面を有することができる。本実施例によれば、アンダーフィルを実施せず半導体装置をフリップチップ接続した場合でも半導体装置の接続信頼性が大幅に向上する。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだの拡散を防止し、信頼性の高い配線基板または半導体装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線基板の製造工程を示す図(1)
【図2】本発明の配線基板の製造工程を示す図(2)
【図3】本発明の配線基板の製造工程を示す図(3)
【図4】はんだ拡散防止層を有する半導体パッケージの製造工程を示す図(1)
【図5】はんだ拡散防止層を有する半導体パッケージの製造工程を示す図(2)
【図6】はんだ拡散防止層を有する半導体パッケージの製造工程を示す図(3)
【図7】はんだリフロー回数とはんだ拡散厚さの関係を示す図
【図8】界面膜応力と、ウェハの反りの関係を示す図
【図9】本発明の配線基板において、配線層を多層化した図
【図10】従来のはんだ拡散防止層形成方法を示す図
【図11】はんだリフロ回数によるニッケル層へのはんだ拡散深度の変化を示す写真
【符号の説明】
1…UBM材料、2…アルミパッド、3…チップ状の半導体装置に切断する際の切断部、4…パッシベーション膜、5…はんだバンプ、6…バンプパッド、7…レジスト、8…応力緩和層、9…給電膜、10…金めっき、11…再配線用配線、12…はんだ拡散防止膜、13…配線、14…配線の逆パターン、15…表面保護膜、16…保護膜、17…無電解金めっき、18…基板、19…半導体素子が形成されたシリコンウェハ
Claims (5)
- 電極が形成された主面を有する半導体素子と、
該半導体素子の該主面上に形成され且つ該電極を露出する開口を有する保護膜と、
該保護膜の上に形成され且つその一端は該開口で露出された該電極に接し且つその他端は該保護膜上にて外部接続端子に接して該電極と該外部接続端子と電気的に接続する配線と、
該配線上に形成され且つ該配線の該他端を露出する開口を有する表面保護膜とを備え、
前記配線は、前記電極及び前記保護膜の上に形成されたスパッタ膜のパターンからなる給電膜に電気めっきで順次形成された銅めっき膜及びニッケルめっき膜からなり、
前記外部接続端子は、前記表面保護膜から露出された前記配線の前記他端の前記ニッケルめっき膜上でSnを主成分としCu、Bi、Agのいずれかが添加されたはんだのリフローにより形成されたはんだバンプであり、
前記ニッケルめっき膜は、0.8マイクロメートル以上且つ5.0マイクロメートル以下の厚さを有して前記はんだの前記銅めっき膜への到達を阻み、且つ前記配線の前記他端において前記はんだのリフローで生じたNi及びSnを主成分として含み且つ0.5マイクロメートル以上且つ5.0マイクロメートル以下の厚さの合金層を含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記合金層の厚さは、2.5乃至3.5マイクロメートルの範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層と前記配線との間には、35乃至150マイクロメートルの厚さを有するポリイミド膜が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記給電膜は、クロム膜、チタン膜、又はタングステン膜と、銅膜とを積層してなる多層膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記はんだの組成は、Sn−0.5〜3.5Ag−0.5〜1.0Cuであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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