JP5173160B2 - 多層配線基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビルドアップ法を用いて製作される多層配線基板に関する。この多層配線基板は、半導体デバイス等を搭載したパッケージの製作に適用することができ、あるいは半導体デバイス等を回路基板等に搭載するのに用いられるインターポーザとして適用することができる。

ビルドアップ多層配線基板は、コア基板上の絶縁層にビア開口部を形成してからセミアディティブ法で配線層を形成し、続いて絶縁層と配線層の形成を繰り返すことにより、必要な数の配線層を備えた多層配線基板として製作される。絶縁層は、エポキシ樹脂に代表されるビルドアップ樹脂で形成され、ビルドアップ樹脂はフィラーを含有するため、ビア開口部はレーザ加工で形成するのが一般的である。

図６に、そのような方法で製作した従来のビルドアップ多層配線基板を模式的に示す。この図のビルドアップ多層配線基板は、例えばガラスクロスエポキシ樹脂製の、コア基板１０１の上に形成した５つの配線層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅを有し、隣り合う配線層の間に層間絶縁膜１０５ａｂ、１０５ｂｃ、１０５ｃｄ、１０５ｄｅが位置している。隣接配線層どうしを接続するビア１０７が各層間絶縁膜に形成される一方、２以上の絶縁層を介して上下の配線層（図６の配線基板では一番上の配線層１０３ｅと一番下の配線層１０３ａ）を接続するビア１０７’も形成されている。後者のタイプのビア１０７’は、「スタックビア」として知られており、配線経路を短くする目的で用いられる。スタックビア１０７’は、各絶縁層１０５ａｂ、１０５ｂｃ、１０５ｃｄ、１０５ｄｅに個別に形成したビア１０７’ａ、１０７’ｂ、１０７’ｃ、１０７’ｄがランド１０９を介して接続された構造を持つ。一般に、ビア１０７も、スタックビア１０７’を構成する各絶縁層のビア１０７’ａ、１０７’ｂ、１０７’ｃ、１０７’ｄも、樹脂製の各絶縁層にレーザ加工で形成した開口部に配線材料を充填して形成される。最上層の配線層１０３ｅの上には、ソルダレジストにより保護層１１１が形成されていて、その開口部に半導体デバイス（図示せず）などを搭載するのに用いるパッド１１３が設けられている。図６に示したコア基板１０１の反対側には、コア基板１０１のスルーホール１１５に接続するはんだバンプが設けられることもあり、あるいは図示したのと同様のビルドアップ構造が形成されることもある。

ビルドアップ多層配線基板の絶縁層を樹脂でなくＳｉＯ₂等の無機材料で形成することも知られている。例えば特許文献１には、アルミニウム板の上に真空蒸着でＳｉＯ₂絶縁膜を形成した絶縁基板上に、配線層と、真空蒸着した膜厚１０μｍのＳｉＯ₂により形成され、エッチングで形成したバイアホールを有する絶縁層を交互に形成した多層配線構造の基板が記載されている。バイアホールは、各絶縁層を形成するたびに形成することが記載されている。

特開平１−２５７３９７号公報

図６に示したような従来のビルドアップ多層配線基板では、熱膨張率の異なる異種材料を用いることに起因する熱応力がスタックビア１０７’を構成する各絶縁層のビア１０７’ａ、１０７’ｂ、１０７’ｃ、１０７’ｄの根元部分に集中しやすく、その部分で断線を引き起こす危険性がある。この熱応力は、ビアの直径が大きいほど、またビアが深くなる（絶縁層が厚くなる）ほど、大きくなる。現状のビルドアップ樹脂による絶縁層は、絶縁性と作業性の観点から、最小限３０μｍの厚さが必要である。また、樹脂の絶縁層にレーザ加工であける開口部の直径の下限は３０〜４０μｍ程度である。これらが、スタックビアの断線の回避を妨げ、現状のビルドアップ多層配線基板における配線とビアの高密度化を妨げる要因となっている。

更に、これまでのビルドアップ多層配線基板のスタックビア１０７’は、複数の絶縁層の個別のビア１０７’ａ、１０７’ｂ、１０７’ｃ、１０７’ｄを連結して形成されているため、これらの個別ビアの形成精度によっては、接続不良を招きかねないという問題を抱えている。

本発明は、かような問題の解決を目指すものであり、２以上の絶縁層にまたがりながら信頼性の高いビアを有し、且つ、配線とビアの高密度化を可能にする多層配線基板を提供しようとするものである。

本発明の多層配線基板は、複数の配線層と層間絶縁膜を有し、且つ、隣接配線層を接続するタイプのビアと、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアとを有する多層配線基板であって、層間絶縁膜の少なくとも一部が無機絶縁膜で形成されており、且つ、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアが、無機絶縁膜でいずれも形成された層間絶縁膜を貫通する単一のビアとして形成されていることを特徴とする。

好ましくは、層間絶縁膜の全てが無機絶縁膜で作製される。
好ましくは、無機絶縁膜は低温ＣＶＤ法で形成されている。
好ましくは、無機絶縁膜の厚みは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍ、最も好ましくは０．５〜１．０μｍである。

本発明の多層配線基板は、２以上の無機絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアの形成を、当該２以上の無機絶縁膜を形成してからそれらをホトリソグラフ法により同時に処理して形成した開口部を用いて行うことを特徴とする方法で製造することができる。

本発明によれば、耐圧性に優れた無機絶縁膜を用いることにより薄い層間絶縁膜を利用できるため、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアを含めて、異なる層の配線を接続するビアの深さを、極めて小さくすることが可能である。これにより、ビアにかかる熱応力を小さくすることができ、特に２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアの断線に帰因する接続不良のリスクを最小限にして、高信頼性の多層配線基板を提供することができる。同時に、従来のビルドアップ樹脂を用いて製造された多層配線基板では実現できなかった配線とビアの高密度化を実現することもできる。

本発明はまた、無機絶縁膜の形成を低温ＣＶＤにより行うことにより、耐熱性の低い材料を使用した基板への適用が可能であり、汎用性に優れている。

図１に、本発明による多層配線基板の部分模式図を示す。この図の多層配線基板は、コア基板１１の上に形成した５つの配線層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅを有し、隣り合う配線層の間に層間絶縁膜１５ａｂ、１５ｂｃ、１５ｃｄ、１５ｄｅが位置している。各層間絶縁膜に隣接配線層どうしを接続するタイプのビア１７が形成される一方、２以上の絶縁層を介して上下の配線層（図１の配線基板では一番上の配線層１３ｅと一番下の配線層１３ａ）を接続するタイプのビア１７’が形成されている。このビア１７’は、後に説明するように、接続しようとする上下の配線の間に介在する２以上の層間絶縁膜を貫通する開口部に配線材料を充填して一度に形成される。そのため、ビア１７’は、図６を参照して先に説明した従来技術によるビア１０７’と異なり、層間絶縁膜の数と等しい個別ビア１０７’ａ、１０７’ｂ、１０７’ｃ、１０７’ｄ（図６）を連結する必要がなく、そのために必要とされるランド１０９（図６）も必要としない。最上層の配線層１３ｅの上には、ソルダレジストにより保護層１９が形成されていて、その開口部に半導体デバイス（図示せず）などを搭載するのに用いるパッド２１が設けられている。図１に示したコア基板１１の反対側には、コア基板１１のスルーホール２３に接続するはんだバンプ（図示せず）があってもよく、あるいは図示したのと同様のビルドアップ多層配線構造を備えてもよい。

本発明の多層配線基板のコア基板１１としては、例えばガラスクロスエポキシ樹脂製などの樹脂基板、あるいはシリコン基板などを用いることができる。シリコン基板のような導電性を示す基板を用いる場合には、その表面に絶縁処理を施したものを使用する。

配線層１３ａ〜１３ｅと、２つのタイプのビア１７、１７’は、Ｃｕなどの一般的な配線材料から、多層配線の形成に一般的に用いられる方法により形成することができる。配線層の厚みは、スパッタや蒸着で配線層を形成する場合は、例えば０．５〜１μｍ程度でよく、その上に更にめっき法で厚膜を形成する場合は、例えば５〜１０μｍとすることができる。

本発明では、層間絶縁膜１５ａｂ、１５ｂｃ、１５ｃｄ、１５ｄｅの材料として無機材料を用いる。好ましくは、無機材料の層間絶縁膜は低温ＣＶＤ法により、２００℃以下の温度で形成される。従来の多層配線基板で用いられるビルドアップ樹脂から形成される層間絶縁膜では、絶縁性と作業性の必要から、３０μｍ以上の厚さが必要である。それに対し、例えばＳｉＯ₂の層間絶縁膜は１μｍの厚さで１００ボルトの耐圧があり、従って本発明におけるＳｉＯ₂層間絶縁膜は、例えば０．５〜２μｍの厚みで十分機能を発揮する。このように、従来の多層配線基板においてビルドアップ樹脂により形成する層間絶縁膜に比べて、本発明の多層配線基板では層間絶縁膜ははるかに薄くてよい。例えば、配線層より薄い厚さの層間絶縁膜を設けてもよい。その場合、本発明の多層配線基板では、層間絶縁膜は下層の表面形状を強く反映した表面形状を有することになり、断面が図１に示したように階段状となる。

層間絶縁膜としては、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄等の無機絶縁膜を用いることができるが、耐圧性や生産性の点から、ＳｉＯ₂が好適である。

隣接配線層を接続するタイプのビア１７も、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビア１７’も、各層間絶縁膜１５ａｂ、１５ｂｃ、１５ｃｄ、１５ｄｅに形成した開口部に配線材料を充填して形成される。層間絶縁膜がビルドアップ樹脂で形成される従来の多層配線基板の場合、ビア用の開口部は層間絶縁膜にレーザ加工で形成される。それに対し、本発明の多層配線基板では、層間絶縁膜にフィラーなどの異種材料が含まれないので、層間絶縁膜のビア形成用の開口部はエッチングを利用するホトリソグラフ法で形成することができる。レーザ加工による場合、開口部の直径は３０μｍ以上になるのに対し、リソグラフ法による場合直径１０μｍ以下の開口部の形成が可能である。

層間絶縁膜をビルドアップ樹脂で形成する従来の多層配線基板では、１つの層間絶縁膜が厚いため、積層した複数の絶縁膜を同時にレーザ加工してビア用の開口部を形成するのは困難である。そのため、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアは、各層間絶縁膜の開口部に個別に形成したビア１０７’ａ〜１０７’ｄ（図６）を連結して作られ、各個別ビアの連結部にはランド１０９（図６）が存在する。本発明の多層配線基板では、１つの層間絶縁膜が薄いため、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアも、各層間絶縁膜の開口部をリソグラフ法により一括して形成することにより作ることができる。従って、本発明の多層配線基板では、どちらのタイプのビアも単一のビアとして形成されていて、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアには、２以上の単一ビアの連結により形成したビアに特有の中間部のランド（図６の１０９で示された部材）が存在しない。１つの層間絶縁膜の厚みが増してビア用開口部を形成しようとする積層した層間絶縁膜の全体の厚みが大きくなると、厚いレジスト膜が必要となり、ドライエッチングでのビア用開口部の一括形成は実際上困難になる。ＳｉＯ₂絶縁膜の開口部の形成にドライエッチングを利用する場合、現在のエッチング剤（ＣＦ₄ガス）に対するＳｉＯ₂絶縁膜とレジスト膜の選択比は４程度である。本発明の場合、１つのＳｉＯ₂層間絶縁膜は１μｍ程度でよいので、例えば４層の層間絶縁膜に一括してビア用開口部を形成する場合、１６μｍより厚いレジスト膜を使用すればよい。

次に、実施例により本発明を更に説明するが、本発明がこの実施例に限定されるものでないことを理解すべきである。

図２（ａ）に示したように、スルーホール電極３３を形成したガラスクロスエポキシ樹脂製のコア基板３１の表面に１層目の配線層３５を形成する。スルーホール電極３３は、コア基板３１にあけた貫通孔の内壁に金属層３３ａを形成し、孔内の空隙に絶縁樹脂材料３３ｂを充填して形成される。配線層３５は、コア基板３１の表面に形成したシード層（図示せず）の上にレジストパターン（図示せず）を形成し、露出したシード層上に電解ＣｕめっきでＣｕ層を４μｍ成長させることにより形成される。この際、配線層３５の形成と同様な方法により、ランド７５をコア基板３１の裏面側のスルーホール電極３３上に形成する。その後、レジストパターンとシード層を順に除去する。

続いて、低温のプラズマＣＶＤにより、例えば１８０℃で、図２（ｂ）に示したように厚さ１μｍのＳｉＯ₂層間絶縁膜３７を全面に形成する。この層間絶縁膜３７に、既に形成した１層目の配線層３５と、次に形成する２層目の配線層とを接続するビアのための開口部３９（直径１０μｍ）（図２（ｃ））を形成する。開口部３９の形成は、層間絶縁膜３７の上にレジストパターン（図示せず）を形成し、その開口部に露出した絶縁膜３７をＣＦ₄でドライエッチングすることにより行う。その後、レジストパターンを除去する。

続いて、開口部３９に配線材料を充填して、図２（ｄ）に示したようにビア４１を形成し、同時に層間絶縁膜３７の上に２層目の配線層４３（厚みは４μｍ）を形成する。ビア４１と配線層４３の形成は、層間絶縁膜３７を形成したコア基板の表面にシード層（図示せず）を形成後、その上にレジストパターン（図示せず）を形成し、露出したシード層上に電解ＣｕめっきでＣｕ層を成長させることにより行う。その後、レジストパターンとシード層を順に除去する。

図２（ｂ）〜２（ｄ）を参照して説明した工程を繰り返して、図３（ａ）に示したように４つの配線層３５、４３、４９、５５、配線層間の絶縁膜３７、４５、５１と一番上の配線層５５を覆う絶縁膜５７、及び隣接配線層を相互接続するビア４１、４７、５３を有する中間製品を得る。次に、図３（ｂ）に示したように、中間製品の一番上の絶縁膜５７に、その下の４層目の配線層５５と、次に形成する５層目の配線層とを接続するビア用の開口部５８（直径２０μｍ）と、４つの絶縁膜３７、４５、５１、５７を介して１層目の配線層３５と５層目の配線層とを接続するビア用の開口部５９（直径３０μｍ）を、同時に形成する。開口部５８と５９の形成は、先に説明した開口部３９の形成と同様に、ＣＦ₄でのドライエッチングを利用するホトリソグラフ法で行う。ＣＦ₄に対するＳｉＯ₂絶縁膜とレジスト膜の選択比が４程度であることを考慮して、この場合のレジスト膜の厚みは２０μｍ程度とする。

次に、開口部５８、５９に配線材料を充填して、図３（ｃ）に示したようにビア６１、６３を形成するとともに、層間絶縁膜５７の上に５層目の配線層６５（厚み４μｍ）を形成する。ビア６１、６３と配線層６５の形成は、これ以前のビア及び配線層の形成と同様に、シード層（図示せず）とその上のレジストパターン（図示せず）の形成、露出したシード層上への電解Ｃｕめっき層の形成により行う。その後、レジストパターンとシード層を順に除去する。

続いて、図４に示したように、５層目の配線層６５を形成したコア基板３１の全面にソルダレジストにより保護層６７、６７’を形成し、保護層６７の開口部６９に、ニッケルめっきと金めっきを順次施し、半導体デバイス（図示せず）などを搭載するのに用いるパッド７１を形成する。こうして多層配線構造を形成したコア基板３１の反対側には、ソルダレジストで形成した保護層６７’の開口部のランド７５を介してスルーホール電極３３に接続する金属バンプ７３を、例えば半田ボールを利用して、形成することができる。図４に示した本発明の一つの態様の多層配線基板は、金属バンプ７３により別の基板（一例として、回路基板、例えばマザーボード等）に接続することができる。

図４の多層配線構造を形成したコア基板３１の反対側には、同様の多層配線構造を形成することも可能であり、そのような態様の例を図５に示す。図５においては、コア基板３１の上下の多層配線構造は同様であり、上下の多層配線構造中の同一の部材は同じ参照番号で示されている。

本発明の上記の態様では層間絶縁膜の全てをＳｉＯ₂で形成しているが、その一部を別の材料で形成する態様も可能である。例えば図４の態様において一番上の配線層６５をその直ぐ下の配線層５５に接続するだけでよい場合には、配線層５５と６５の間の絶縁膜５７はエポキシ樹脂のような通常のビルドアップ樹脂で形成してもよい。

本発明の多層配線基板を説明する模式図である。 本発明の多層配線基板の製造工程の前半を模式的に説明する図である。 本発明の多層配線基板の製造工程の後半を模式的に説明する図である。 本発明による多層配線基板の一態様を説明する模式図である。 本発明による多層配線基板のもう一つの態様を説明する模式図である。 従来技術の多層配線基板を説明する図である。

符号の説明

１１ コア基板
１３ａ〜１３ｅ 配線層
１５ａｂ、１５ｂｃ、１５ｃｄ、１５ｄｅ 層間絶縁膜
１７、１７’ ビア
１９ 保護層
２１ パッド
２３ スルーホール
３１ コア基板
３３ スルーホール電極
３５、４３、４９、５５、６５ 配線層
３７、４５、５１、５７ 層間絶縁膜
４１、４７、５３、６１、６３ ビア
６７、６７’ 保護層
７１ パッド
７３ 金属バンプ

Claims (5)

1. 複数の配線層と層間絶縁膜を有し、且つ、隣接配線層を接続するタイプのビアと、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアとを有する多層配線基板であって、層間絶縁膜の少なくとも一部が無機絶縁膜で形成されており、且つ、２以上の層間絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアが、無機絶縁膜でいずれも形成された層間絶縁膜を貫通する単一のビアとして形成されており、無機絶縁膜で形成された層間絶縁膜が配線層より薄く、且つそれにより下層配線層の表面形状を反映した階段状に形成されていることを特徴とする多層配線基板。
2. 層間絶縁膜の全てが無機絶縁膜で作製されている、請求項１記載の多層配線基板。
3. 無機絶縁膜が低温ＣＶＤ法で形成されている、請求項１又は２記載の多層配線基板。
4. 無機絶縁膜の厚みが０．５〜２．０μｍである、請求項１から３までのいずれか一つに記載の多層配線基板。
5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の多層配線基板の製造方法であって、２以上の無機絶縁膜を介して上下の配線層を接続するタイプのビアの形成を、当該２以上の無機絶縁膜を形成してからそれらをホトリソグラフ法により同時に処理して形成した開口部を用いて行うことを特徴とする多層配線基板製造方法。

Images