JP4434809B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ビアが形成された半導体装置およびその製造方法に関する。
携帯電話、PDA、DVC、DSCといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっており、その実現のために高集積のシステムLSIが求められている。一方、これらのエレクトロニクス機器に対しては、より使い易く便利なものが求められており、機器に使用されるLSIに対し、高機能化、高性能化が要求されている。このため、LSIチップの高集積化にともないそのI/O数が増大する一方でパッケージ自体の小型化要求も強く、これらを両立させるために、半導体部品の高密度な基板実装に適合した半導体パッケージの開発が強く求められている。こうした要求に対応するため、CSP(Chip Size Package)と呼ばれるパッケージ技術が種々開発されている。たとえば、特許文献1には、このようなCSPが記載されている。
このような半導体パッケージにおいて、半導体チップからの信号を電極パッドを介して外部に取り出すため、電極パッド上にビアが形成される。このような電極パッドの下方には半導体チップが配置されているため、高熱をかけることなくビアを形成する必要がある。
また、電子機器の高速化に伴い、配線材料として銅が用いられるようになってきている。このように銅により形成されたパッド電極において、熱が加わると、パッド電極表面が酸化してしまうという問題があった。特許文献1には、このような問題を解決すべく、パッド電極上部に酸化防止用のAlパッド電極をキャップした形態が記載されている。
特開2003−249498号公報 特開2002−110717号公報
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、回路素子の電極パッドと接続するビアを有する半導体装置の安定性を良好にする技術を提供することにある。
本発明によれば、電極パッドを備えた回路素子上に形成された絶縁樹脂膜に、電極パッドが露出するようにビアホールを形成する工程と、ビアホール内に導電性材料を導入し、電極パッドに接続するビアを形成する工程と、を含み、ビアホールを形成する工程は、レーザを照射して絶縁樹脂膜に開口を形成する第一の工程と、ドライエッチングにより絶縁樹脂膜に開口を形成する第二の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。ここで、回路素子とは、半導体素子や受動素子等である。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、レーザ照射により迅速に開口を形成した後、ドライエッチングにより微細な開口を形成することができる。これにより、ビアホールの形成時間を短縮することができるとともに、微細な加工を行うことができる。また、回路素子を露出させるビアホールを形成する場合、レーザ照射のみで開口を行うと、レーザの熱により回路素子がダメージを受けるおそれがある。具体的には、回路素子に含まれるCuやAlが溶融したり、トランジスタ部へ熱が加わることによりデバイス特定が劣化するおそれがある。しかし、本発明によれば、段階的に開口を行うので、回路素子がダメージを受けない程度の深さまでレーザで開口を行い、その後にドライエッチングにより開口を行うことができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体装置は、絶縁樹脂膜上に形成された導電性膜をさらに含むことができ、ビアホールを形成する工程は、導電性膜を部分的に除去する工程をさらに含み、導電性膜をマスクとして第一の工程および第二の工程を行うことができる。これにより、ビアホールを簡易に形成することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、第一の工程は、絶縁樹脂膜に対する加工速度が速い第一のレーザにより絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、第一のレーザよりも、絶縁樹脂膜に対する加工速度が遅い第二のレーザにより絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、を含むことができる。本発明の半導体装置の製造方法において、このように絶縁樹脂膜に対する加工速度が異なる2種のレーザを用いて、絶縁樹脂膜に開口を形成することにより、まず加工速度の速いレーザで迅速に開口を形成することができるとともに、加工速度の遅いレーザで微細加工を行うことができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、第一の工程は、炭酸ガスレーザにより絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、YAGレーザにより絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、を含むことができる。これにより、レーザ照射により開口を形成する段階でも、まず炭酸ガスレーザにより迅速に開口を形成した後、YAGレーザにより微細な開口を形成することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、ビアホールを形成する工程は、プラズマ雰囲気下で、逆スパッタリングを行う第三の工程をさらに含むことができる。これにより、レーザ照射やドライエッチングにより電極パッド表面が酸化された場合でも、酸化膜を除去することができ、ビアホールと電極パッドを低抵抗化することができる。また、ビアホールと電極パッド間の密着性を良好にすることもできる。
本発明によれば、電極パッドを備えた回路素子と、回路素子上に形成された絶縁樹脂膜と、絶縁樹脂膜内に設けられ、電極パッドと接続されたビアと、を含み、ビアは、側壁の一部が電極パッドに囲まれて形成されたことを特徴とする半導体装置が提供される。
このような構成とすることにより、ビアと電極パッドとの接触面積を増やすことができ、ビアホールと電極パッドを低抵抗化することができる。
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。
本発明によれば、回路素子の電極パッドと接続するビアを有する半導体装置の安定性を良好にすることができる。
図1は、本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。
まず、図1(a)に示すように、基材140上に複数の半導体素子142および受動素子144を配置する。半導体素子142は、たとえば、トランジスタ、ダイオード、ICチップ等である。また、受動素子144は、たとえば、チップコンデンサ、チップ抵抗等である。ここで、半導体素子142の表面には電極パッド146が設けられている。ここで、図1では、電極パッド146が半導体素子142上に突出して設けられた形態を示しているが、半導体素子142の構成はこれに限定されるものではない。たとえば、電極パッド146が半導体素子142に設けられた凹部内に埋め込まれた構成とすることもできる。ここで、半導体素子142は、複数の半導体素子142が積層された形態とすることもできる。この場合、複数の半導体素子142の組み合わせとしては、たとえばSRAMとFlashメモリ、SRAMとDRAMとすることができる。
つぎに、複数の半導体素子142および受動素子144上に、導電性膜120および絶縁樹脂膜122により構成された導電性膜付き絶縁樹脂膜123を配置し、導電性膜付き絶縁樹脂膜123を基材140に押し当て、絶縁樹脂膜122内に半導体素子142および受動素子144を押し込む。つづいて、絶縁樹脂膜122を真空下または減圧下で加熱して基材140に圧着する。これにより、図1(b)に示すように、半導体素子142および受動素子144が絶縁樹脂膜122内に埋め込まれ、半導体素子142および受動素子144が絶縁樹脂膜122内に圧着される。
導電性膜120は、たとえば圧延銅箔等の圧延金属である。絶縁樹脂膜122としては、加熱することにより軟化する材料であればどのようなものを用いることもできるが、たとえばエポキシ樹脂、BTレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、PPE樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等を用いることができる。このような材料を用いることにより、半導体モジュールの剛性を高めることができ、半導体モジュールの安定性を向上することができる。絶縁樹脂膜122として、エポキシ樹脂、またはBTレジン、PPE樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂を用いることにより、さらに半導体モジュールの剛性を高めることができる。
エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型樹脂、ビスフェノールF型樹脂、ビスフェノールS型樹脂、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が挙げられる。
メラミン誘導体としては、メラミン、メラミンシアヌレート、メチロール化メラミン、(イソ)シアヌール酸、メラム、メレム、メロン、サクシノグアミン、硫酸メラミン、硫酸アセトグアナミン、硫酸メラム、硫酸グアニルメラミン、メラミン樹脂、BTレジン、シアヌール酸、イソシアネール酸、イソシアヌール酸誘導体、メラミンイソシアヌレート、ベンゾグアナミン、アセトグアナミン等のメラミン誘導体、グアニジン系化合物等が例示される。
液晶ポリマーとしては、芳香族系液晶ポリエステル、ポリイミド、ポリエステルアミドや、それらを含有する樹脂組成物が例示される。このうち、耐熱性、加工性および吸湿性のバランスに優れる液晶ポリエステルまたは液晶ポリエステルを含有する組成物が好ましい。
液晶ポリエステルとしては、たとえば、(1)芳香族ジカルボン酸と芳香族ジオールと芳香族ヒドロキシカルボン酸とを反応させて得られるもの、(2)異種の芳香族ヒドロキシカルボン酸の組み合わせを反応させて得られるもの、(3)芳香族ジカルボン酸と芳香族ジオールとを反応させて得られるもの、(4)ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルに芳香族ヒドロキシカルボン酸を反応させて得られるもの、等が挙げられる。なお、これらの芳香族ジカルボン酸、芳香族ジオール及び芳香族ヒドロキシカルボン酸の代わりに、それらのエステル誘導体が使用されることもある。さらに、これらの芳香族ジカルボン酸、芳香族ジオール及び芳香族ヒドロキシカルボン酸は、芳香族部分がハロゲン原子、アルキル基、アリール基等で置換されたものが使用されることもある。
液晶ポリエステルの繰返し構造単位としては、芳香族ジカルボン酸に由来する繰返し構造単位(下記式(i))、芳香族ジオールに由来する繰返し構造単位(下記式(ii))、芳香族ヒドロキシカルボン酸に由来する繰返し構造単位(下記式(iii))を例示することができる。
(i)−CO−A−CO−
(但しAは、芳香環を含有する2価の結合基を示す。)
(ii)−O−A−O−
(但しAは、芳香環を含有する2価の結合基を示す。)
(iii)−CO−A−O−
(但しAは、芳香環を含有する2価の結合基を示す。)
また、絶縁樹脂膜122には、フィラーまたは繊維等の充填材を含めることができる。フィラーとしては、たとえば粒子状または繊維状のSiOやSiNを用いることができる。絶縁樹脂膜122にフィラーや繊維を含めることにより、絶縁樹脂膜122を加熱して半導体素子142および受動素子144を熱圧着した後、絶縁樹脂膜122をたとえば室温に冷却する際に、絶縁樹脂膜122の反りを低減することができる。これにより、半導体素子142および受動素子144と絶縁樹脂膜122との密着性を高めることができる。また、絶縁樹脂膜122に繊維を含めた場合、絶縁樹脂膜122の流動性を高めることができるため、絶縁樹脂膜122と半導体素子142および受動素子144との密着性を高めることができる。このような観点からは、絶縁樹脂膜122を構成する材料としてアラミド不織布が好ましく用いられる。これにより、加工性を良好にすることができる。
アラミド繊維としては、パラアラミド繊維またはメタアラミド繊維を用いることができる。パラアラミド繊維としては、たとえば、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)(PPD−T)、メタアラミドとしては、たとえば、ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)(MPD−I)を用いることができる。
導電性膜付き絶縁樹脂膜123としては、フィルム状の絶縁樹脂膜122上に導電性膜120が付着したものを用いることができる。また、導電性膜付き絶縁樹脂膜123は、導電性膜120上に絶縁樹脂膜122を構成する樹脂組成物を塗布・乾燥することにより形成することもできる。本実施の形態において、樹脂組成物は、本発明の目的に反しない範囲において、硬化剤、硬化促進剤、その他の成分を含むことができる。導電性膜付き絶縁樹脂膜123は、絶縁樹脂膜122がBステージ化した状態で基材140上に配置される。このようにすれば、絶縁樹脂膜122と半導体素子142および受動素子144との密着性を高めることができる。この後、絶縁樹脂膜122を構成する樹脂の種類に応じて絶縁樹脂膜122を加熱し、真空下または減圧下で導電性膜付き絶縁樹脂膜123と半導体素子142および受動素子144を圧着する。また、他の例において、フィルム状の絶縁樹脂膜122をBステージ化した状態で基材140上に配置し、さらにその上に導電性膜120を配置して絶縁樹脂膜122を半導体素子142および受動素子144と熱圧着する際に、導電性膜120を絶縁樹脂膜122に熱圧着することによっても導電性膜付き絶縁樹脂膜123を形成することができる。
つづいて、絶縁樹脂膜122にビア121を形成する。ビア121は、以下のようにして形成する。まず、ビア121を形成する箇所に対応する導電性膜120を、レーザ直描法(トレパニングアライメント)またはウェット銅エッチングにより部分的に除去する(図1(c))。つづいて、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、ドライエッチング、および逆スパッタリング法を組み合わせて絶縁性樹脂膜122にビアホール121aを形成する(図1(d))。この処理の詳細は後述する。
その後、ビアホール121a内をウェット処理により粗化および洗浄する。つづいて、高アスペクト比対応の無電解めっき、次いで電解めっきにより、ビアホール121a内を導電性材料で埋め込み、ビア121を形成する(図1(e))。ビア121は、たとえば以下のようにして形成することができる。まず、無電解銅めっきにより全面に0.5〜1μm程度の薄膜を形成した後、電解めっきにより約20μm程度の膜を形成する。無電解めっき用触媒は、通常パラジウムを用いることが多く、可とう性の絶縁基材に無電解用めっき用触媒を付着させるには、パラジウムを錯体の状態で水溶液に含ませ、可とう性の絶縁基材を浸漬して表面にパラジウム錯体を付着させ、そのまま、還元剤を用いて、金属パラジウムに還元することによって可とう性の絶縁基材表面にめっきを開始するための核を形成することができる。
その後、パターニングを行い、配線を形成する(図1(f))。配線は、フォトレジストをマスクとして、たとえば、レジストから露出した箇所に、化学エッチング液をスプレー噴霧して不要な導電性膜をエッチング除去することにより形成することができる。これにより、半導体装置100が形成される。この後、導電性膜付き絶縁樹脂膜123を積層して同様の処理を繰り返すことにより、多層配線構造を得ることができる。
図2は、図1(d)に示したビアホール121aを形成する工程を詳細に示す図である。
図2(a)に示すように、半導体素子142には、プラグ14が設けられ、その上に電極パッド146が設けられる。電極パッド146の上には、SiN膜18およびポリイミド膜20により構成されたパッシベーション層16が設けられる。パッシベーション層16の上に絶縁樹脂膜122および導電性膜120が配置される。
このような状態で、導電性膜120上にエッチングレジスト(不図示)を形成し、ビアホール形成箇所に開口するようエッチングレジストを露光・現像する。つづいて、このようにして形成したエッチングレジストをマスクとして導電性膜120を第二塩化鉄液(塩鉄)を用いたウェットエッチングにより除去する(図2(b))。その後、苛性ソーダ等のアルカリ水溶液を用いてエッチングレジストを除去する。
つづいて、導電性膜120をマスクとして、絶縁樹脂膜122およびパッシベーション層16にビアホール121aを形成する(図2(c)および図2(d))。ビアホール121aは、まず炭酸ガスレーザにより開口を形成した後、YAGレーザおよびドライエッチングにより微細加工を行うことにより形成される。
炭酸ガスレーザは、第一条件およびパルス幅を変更させた第二条件の2段階で照射する。0.25msのパルス周期で、1.0Wの出力のレーザを用い、第一条件としては、たとえばパルス幅が8〜10μs、ショット数が1とすることができる。また、第二条件としては、たとえばパルス幅が3〜5μs、パルス間隔が25ms以上、ショット数が3とすることができる。これにより、導電性膜120から半導体素子142の方向に行くにつれて径が縮小するテーパ形状の側壁を有するビアホール121aが形成される。
YAGレーザの条件は、パワーが5W、パルス幅が10〜50μs、パルス間隔が10〜50μs、ショット数が5〜15とすることができる。これにより、微細加工を行うことができる。
つづいて、塩素やフッ素等のハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより、さらに微細加工を行い、ビアホール121aを形成する(図2(e))。これにより、電極パッド146の表面も一部除去され、電極パッド146表面に凹部が形成される。
その後、Arプラズマ雰囲気下で逆スパッタリングを行う。逆スパッタリングの条件は、たとえば、Arガスの流量が5sccm、圧力3mtorr、第一のRFパワー150W、第二のRFパワー280W、室温とすることができる。これにより、電極パッド146表面の酸化物を除去することができる。
炭酸ガスレーザやYAGレーザによりビアホール121aを形成した場合、電極パッド146に熱が加わり、電極パッド146表面が酸化してしまうおそれがある。しかし、本実施の形態において、ビアホール121a形成の最終段階をドライエッチングにより行うので、酸化物を除去することができる。また、さらに、ドライエッチングの後に逆スパッタリングを行うので、酸化物をさらに良好に除去することができる。
図3は、以上のようにして形成したビアホール121aに導電性材料を埋め込んだ状態を示す図である。ここで、ドライエッチングにより電極パッド146表面に凹部が形成されているので、ビアホール121aに導電性材料を埋め込んでビア121を形成した際に、ビア121と電極パッド146との接触面積が増加するため、これらの導電性材料を低抵抗化することができる。また、ドライエッチングおよび逆スパッタリングを行うことによって、酸化物を除去することができるので、これらの導電性材料をより低抵抗化することができる。
ここで、電極パッド146は、たとえば銅やAlにより構成することができる。電極パッド146は、半導体装置100の積層方向に長軸を有する結晶粒子を含む金属により構成される。
以上のように、本実施の形態における半導体装置100の製造方法によれば、ビアホール121aを段階的に形成するので、迅速な処理が行えるとともに、微細加工を行うことができる。また、電極パッド146表面の酸化膜を除去した後にビア121を形成するので、ビア121および電極パッド146を低抵抗化することができる。さらに、ビア121と電極パッド146の接触面積を増やすことができ、さらにこれらを低抵抗化することができる。これにより、半導体装置100の安定性を良好にすることができる。
以上で説明した半導体装置100は、以下で説明するISB(Integrated System in Board;登録商標)に適用することができる。ISBとは、半導体ベアチップを中心とする電子回路のパッケージングにおいて、銅による配線パターンを持ちながら回路部品を支持するためのコア(基材)を使用しない独自のコアレスシステム・イン・パッケージである。特開2002−110717号公報には、こうしたシステム・イン・パッケージが記載されている。
従来、ISBパッケージは、支持基板としても機能する導電箔上に複数層の導電パターンを形成して多層配線構造を作り、さらに回路素子を実装し、絶縁樹脂でモールドし、導電箔を除去することにより得られる。この場合、導電箔は裏面が露出した構成とすることができる。
このパッケージによれば、以下の利点が得られる。
(i)コアレスで実装できるため、トランジスタ、IC、LSIの小型・薄型化を実現できる。
(ii)トランジスタからシステムLSI、さらにチップタイプのコンデンサや抵抗を回路形成し、パッケージングすることができるため、高度なSIP(System in Package)を実現できる。
(iii)現有の半導体チップを組み合わせできるため、システムLSIを短期間に開発できる。
(iv)半導体ベアチップの下にコア材がないため、良好な放熱性を得ることができる。
(v)回路配線が銅材でありコア材がないため、低誘電率の回路配線となり、高速データ転送や高周波回路で優れた特性を発揮する。
(vi)電極がパッケージの内部に埋め込まれる構造のため、電極材料のパーティクルコンタミの発生を抑制できる。
(vii)パッケージサイズはフリーであり、1個あたりの廃材を64ピンのSQFPパッケージと比較すると、約1/10の量となるため、環境負荷を低減できる。
(viii)部品を載せるプリント回路基板から、機能の入った回路基板へと、新しい概念のシステム構成を実現できる。
(ix)ISBのパターン設計は、プリント回路基板のパターン設計と同じように容易であり、セットメーカーのエンジニアが自ら設計できる。
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明した。この実施の形態および実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の
範囲にあることは当業者に理解されるところである。
本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。 図1に示したビアホールを形成する工程を詳細に示す図である。 図2に示した手順で形成されたビアホールに導電性材料を埋め込んだ状態を示す図である。
符号の説明
14 プラグ、 16 パッシベーション層、 18 SiN膜、 20 ポリイミド膜、 100 半導体装置、 120 導電性膜、 121 ビア、 121a ビアホール、 122 絶縁樹脂膜、 123 導電性膜付き絶縁樹脂膜、 140 基材、 142 半導体素子、 144 受動素子、 146 電極パッド。

Claims (4)

  1. 電極パッドを備えた回路素子上に形成された絶縁樹脂膜に、前記電極パッドが露出するようにビアホールを形成する工程と、
    前記ビアホール内に導電性材料を導入し、前記電極パッドに接続するビアを形成する工程と、
    を含み、
    前記ビアホールを形成する工程は、レーザを照射して前記絶縁樹脂膜に開口を形成する第一の工程と、ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより前記絶縁樹脂膜に開口を形成する第二の工程と、を有し、前記第一の工程は、前記絶縁樹脂膜に対する加工速度が速い第一のレーザにより前記絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、前記第一のレーザよりも、前記絶縁樹脂膜に対する加工速度が遅い第二のレーザにより前記絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置は、前記絶縁樹脂膜上に形成された導電性膜をさらに含み、
    前記ビアホールを形成する工程は、前記導電性膜を部分的に除去する工程をさらに含み、前記導電性膜をマスクとして前記第一の工程および前記第二の工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第一の工程は、炭酸ガスレーザにより前記絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、YAGレーザにより前記絶縁樹脂膜に開口を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記ビアホールを形成する工程は、プラズマ雰囲気下で、逆スパッタリングを行う第三の工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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