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JP4899548B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に微細な接続パッドを有する半導体素子が高密度且つ高精度にパッケージングされた半導体装置及びその製造方法に関する。
近時、半導体素子の高速化及び多機能化に伴い、半導体素子から引き出される電源・グランド線及び信号線等の配線の数は増加の一途をたどっている。一方、半導体素子そのものにおいては内部配線の微細化により素子サイズが減少する傾向にあり、これに伴い半導体素子とパッケージ基板とを接続するために半導体素子表面に設けられる接続パッドの面積の微細化及び狭ピッチ化が進んでいる。
これにより、半導体素子を実装するパッケージ基板の配線についても微細化及び狭ピッチ化が必要となっているが、プロセス及びコストの観点からこの微細化及び狭ピッチ化が追いついておらず、高価なビルドアップ基板を使用する必要が生じている。また、ビルドアップ基板を使用した場合は半導体素子とビルドアップ基板との接続にバンプを使用する方法が一般的であるが、電気特性及び接続信頼性の観点からバンプを使用しないで半導体素子とパッケージ基板とを接続する構造が望まれている。
このような背景のもと、半導体素子上に絶縁層を形成しビアホールを介して直接パッケージ配線を引き出すような半導体装置が考案されている(例えば特許文献1、2、3及び4)。
また複数個の半導体素子を1個のパッケージに収容するいわゆるシステム・イン・パッケージ(SiP)においても半導体素子から直接パッケージ配線を引き出す構造が考案されている(特許文献4、5及び6)。
特開平10−313074号公報 特開2001−339165号公報 特開2005−045277号公報 特開2004−071998号公報 特開2001−217381号公報 特開2002−359341号公報
しかしながら、これらの従来技術においては半導体素子の搭載位置に高い精度が必要であり、特に1個の大きなパッケージ基板上に複数個の半導体素子を搭載して多数個の半導体装置を同時に作製し、その後、個々の半導体装置に切断して半導体装置を作製する場合、搭載にずれが生じた半導体素子は、切断後廃棄され、各半導体素子の搭載精度が製造歩留まりを決め、搭載精度が低いと、パッケージ配線の微細化を制約し、パッケージ配線の層数を制限すると共にコストを上昇させる。また、複数個の半導体素子120を1個のパッケージ基板110に収容するSiPを作製する場合においては、複数個の半導体素子のうち、例えば1個でも半導体素子の搭載位置にずれが生じ、接続パッドとビアとの接続不良が発生した場合は、このSiPは全体が不良品になり、コストが著しく上昇する。
図4は従来技術の半導体装置200の断面構造を示す模式図である。表面に接続パッド221を有する半導体素子220がパッケージ基板210に搭載され、パッケージ基板210と半導体素子220の上に絶縁層234及びビア232からなる層間絶縁膜230が形成されている。層間絶縁膜230の上には配線243、ビア242及び絶縁層244からなる第1配線層240が形成され、半導体素子220の接続パッド221と第1配線層240の配線243とはビア232によって電気的に接続されている。第1配線層240の上には第2配線層250が形成され、第1配線層240の配線243と第2配線層253の配線253とはビア242によって接続されている。
半導体素子220の接続パッド221と第1配線層240の配線243とを接続するビア232及び第1配線層240の配線243と第2配線層250の配線253とを接続するビア242は、いずれもその中心線がパッケージ基板210の表面に対し、ほぼ垂直方向になるように形成されている。このため、図4に示すように、パッケージ基板210に対し、半導体素子220の水平方向における搭載位置のずれが生じた場合、半導体素子220の接続パッド221とビア232との接続不良が発生する虞がある。一般的に半導体素子220の接続パッド221に接続されるビア232が、これよりも上の層に形成されるビアよりも小径であることから、わずかな半導体素子220の水平方向における搭載位置のずれによっても不具合を生じる虞がある。
半導体素子220の搭載精度が悪ければ、半導体素子220の接続パッド221とビア232との接続不良が発生する虞があるため、この接続不良を回避するために、ビア232を接続するために配線243に設けられる接続用ランドのランド径を必要以上に大きくせざるを得ないという問題点がある。
また、レーザ加工によってビアホールを形成する方法では微細化に限界があるため、露光機を使用するフォトビア形成法によってビアホールを形成することが好ましいが、フォトビア形成法にはガラスマスク又はフィルムマスクを使用するため、レーザのように各ビアの位置を制御することができない。これにより、より高い半導体素子220の搭載精度が必要になり、また、配線243に大きなランド径を有する接続用ランドを設ける必要があり、配線収容率が低下するという問題点がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、パッケージ基板に対し半導体素子の搭載位置のずれが生じた場合においても半導体素子の接続パッドが接触不良を起こさず、ビアを接続するために配線に設けられる接続用ランドのランド径を大きくする必要がない半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板に半導体素子を搭載する工程と、前記基板及び前記半導体素子上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層にビアをその少なくとも1個が中心線が前記基板の表面に対して傾斜するように形成する工程と、前記絶縁層上に前記ビアに接続された配線を形成する工程と、を有し、前記傾斜したビアを形成すべき絶縁層は、光照射による硬化部位をずらしながら複数個の光反応樹脂層を積層し、前記光反応樹脂層のビアホール部分を除去する光造形法により形成されることを特徴とする。
前記絶縁層は基板に接した層間絶縁膜であり、この層間絶縁膜上に、配線、絶縁層及びビアからなる配線層を少なくとも1層以上形成する工程を有し、前記配線層に形成されるビアは中心線が前記基板の表面に対し垂直になるように形成されていることが好ましい。
本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、基板に半導体素子を搭載する工程と、前記基板及び前記半導体素子上に絶縁層とその上の配線とからなる複数個の配線層を形成する工程と、を有し、前記配線層のうち前記半導体素子に最も近い配線層を形成する工程は、前記絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層にビアを形成する工程と、前記ビアに接続される配線を前記絶縁層上に形成する工程と、を有し、前記ビアのうち少なくとも1個は中心線が前記基板の表面に対して傾斜するように形成し、前記傾斜したビアを形成すべき絶縁層は、光照射による硬化部位をずらしながら複数個の光反応樹脂層を積層し、前記光反応樹脂層のビアホール部分を除去する光造形法により形成されることを特徴とする。
上記の光造形法によれば、レーザ加工によってビアホールを傾斜させて形成する方法と比較して、半導体素子のトランジスタデバイスへの熱影響が小さくなり、トランジスタの劣化を抑制することができる。


本発明によれば、基板に対し半導体素子の搭載位置のずれが生じた場合においても、半導体素子の接続パッドが接触不良を起こさないため、半導体素子の搭載位置を厳密に制御する必要がなく、よって高精度を有する搭載機が不要になり、製造コストが低減し、また、半導体装置の製造歩留まりが向上する。更に、ビアを接続するために配線に設ける接続用ランドのランド径を大きくする必要がないため、配線収容率を増加させることができる。また、半導体素子の接続パッドを大きくする必要もないため、汎用品の半導体素子を使用することができ、SiPとしての多品種化が容易になる。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置100の断面構造を示す模式図である。本実施の形態に係る半導体装置は、基板として表面に凹部が形成されたパッケージ基板110を有し、このパッケージ基板110の凹部には、表面に接続パッド121を有する半導体素子120が搭載されている。通常、接続パッド121は、直径100μm以下のサイズで設けられている。
パッケージ基板110及び半導体素子120上に、絶縁層134が形成されている。この絶縁層134上には配線143が形成され、絶縁層134に、半導体素子120の接続パッド121と配線143とを接続するための第1のビアホール131が、底面131aは半導体素子120の接続パッド121上に、上面131bは配線143の設計位置に位置するよう形成され、この第1のビアホール131に導電体が埋め込まれることによって第1のビア132が形成されている。この第1のビア132によって半導体素子120の接続パッド121と配線143とが電気的に接続されている。ここで、第1のビア132及び絶縁層134からなる層を層間絶縁膜130とする。層間絶縁膜130は、パッケージ基板110に接している。
パッケージ基板110に搭載された半導体素子120の搭載位置に、図1のAで示すように、水平方向における搭載位置のずれがあるとき、第1のビア132は、その中心線がパッケージ基板110の表面に対して垂直ではなく傾斜角を有して形成される。即ち、底面131aと上面131bとは平面視で完全には重ならない。
層間絶縁膜130上に形成された配線143の上に、他の絶縁層として絶縁層144が形成され、この絶縁層144上に配線153が形成され、絶縁層144に配線143と配線153とを接続するためのビアホール141が形成されている。前述のように、第1のビア132が傾斜して形成されることによって、半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれが補正されているため、ビアホール141には半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれの影響が無い。よって、ビアホール141は、その中心線がパッケージ基板110の表面に対してほぼ垂直に形成されている。このビアホール141に導電体が埋め込まれることによってビア142が形成されている。このビア142によって配線143と配線153とが電気的に接続される。ここで、ビア142、配線143及び絶縁層144からなる層を第1配線層140とする。
以下、同様の手順によって、任意の数の配線層が形成される。これにより、パッケージ基板110上に層間絶縁膜130及び1層以上の配線層(図示例では2層)が形成されている。第1のビア132より上の層に形成されるビア、即ち配線層に形成されるビアは、前述のように、層間絶縁膜130の第1のビア132が傾斜して形成されることによって半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれが補正されているため、その中心線がパッケージ基板110の表面に対してほぼ垂直に形成されている。
最上面に形成された絶縁層(図示例では絶縁層154)には、絶縁層内部の配線(図示例では配線153)に到達する開口部151が形成される。この開口部151にパッド下地金属層161とパッド上層金属層162とによってパッド160が形成され、このパッド160に外部端子170が接続されている。以上により半導体装置100が構成されている。上述の如く構成された半導体装置100は、この外部端子170を介して基板等に実装される。
次に、上述の如く構成された本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の動作について説明する。パッケージ基板110の表面に設けられた凹部に、表面に接続パッド121を有する半導体素子120を搭載し、パッケージ基板110及び半導体素子120上に絶縁層134を形成する。
次に、絶縁層134に第1のビアホール131を、底面131aが半導体素子120の接続パッド121に、上面131bが絶縁層134上に形成される配線143の設計位置に位置するよう形成する。パッケージ基板110に搭載された半導体素子120の搭載位置に、図1のAで示すように、水平方向における搭載位置のずれがあるとき、第1のビアホール131は、その中心線が接続パッド121の表面及び絶縁層134の表面に対して垂直ではなく傾斜角を有して形成される。即ち、第1のビアホール131の底面131aと上面131bとは平面視で完全には重ならない。
傾斜角を有するビアホールを形成する方法は、例えば、斜め方向からのレーザ照射又は斜め方向からの凸部押し込み等によって形成する方法等が使用できるが、高精度なビアホールを形成するためには光造形法を使用することが好ましい。
光造形法は3次元の任意の形状をCAD(Computer Aided Design)データとして作成し、このCADデータを鉛直方向(Z軸方向)に平行に一定間隔で切り取ったスライスデータを作成し、CAM(Computer Aided manufacturing)によりこのスライスデータに従って光反応樹脂の必要な部分に光を照射して硬化させ、これを繰り返し、積層することによってCADデータで作成した形状を立体的に形成する技術である。
従来は、このZ軸方向のスライス間隔が最小でも100μmであったが、近時、数μm程度の薄膜を積層することができ、XY平面内においても数μmの精度でパターンを形成することができる光造形法が開発された。この技術によれば、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置における直径100μm以下の接続パッド121に接続するための第1のビアホール131を形成することができる。
半導体素子120の表面に形成された接続パッド121の実際の位置と配線143の設計位置とを結ぶ第1のビアホール131のCADデータを作成し、これをZ軸方向に平行に一定間隔で切り取ったスライスデータを作成し、CAMによりこのスライスデータに従って絶縁性を有する光反応樹脂の硬化させたい部分に光を照射し、光照射による硬化部位をずらしながら複数個の光反応樹脂層を積層する。その後、エッチング等でビアホール部分の光反応樹脂を除去することによって、第1のビアホール131を有する絶縁層134を形成する。光造形法によって絶縁層134及び第1のビアホール131を形成する場合、レーザ加工によって絶縁層134に第1のビアホール131を形成する方法と比較して半導体素子のトランジスタデバイスへの熱影響が小さくなり、トランジスタの劣化を抑制することができる。
次に、第1のビアホール131に導電体を埋め込む等の方法によって第1のビア132を形成する。これにより、第1のビア132及び絶縁層134からなる層間絶縁膜130が形成される。第1のビア132によって半導体素子120の接続パッド121と配線143とが電気的に接続される。
図2は、上述の光造形法によって傾斜して形成された第1のビア132の断面拡大図である。図2において、図1と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。光造形法によって傾斜して形成された第1のビア132の側面は、ミクロに見れば、第1のビア132の長手方向に複数の段差を有している。このとき、第1のビア132の中心線は一方向である必要はなく、底面131aが半導体素子120の接続パッド121上にあり、他の配線に接触せずに上面131bが配線143の設計位置に到達していれば、任意の方向を向いていてもよい。
次に、層間絶縁膜130上にめっき法等で導電膜をパターン形成することよって配線143を形成する。第1のビア132は、配線143を形成するときに、配線用導電材料をこの第1のビアホール131に埋め込むことによって形成することもできる。
次に、配線143の上に絶縁層144を形成し、絶縁層144にビアホール141を形成する。前述のように、第1のビア132を傾斜して形成することによって半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれを補正しているため、このビアホール141を形成する際に、半導体素子120の搭載位置のずれを考慮する必要がない。よってビアホール141を、その中心線がパッケージ基板110の表面に対してほぼ垂直になるよう形成する。
ビアホール141を形成する方法は、例えばレーザ加工又はフォトビア形成法等が使用できる。前述のように第1のビア132を傾斜して形成することによって半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれを補正しているため、例えばレーザ加工によってビアホールを形成する場合においても、配線に設けられる接続用ランドのランド径を通常より大きくする必要がないため、配線収容率を増加させることができる。また、露光機を使用するフォトビア形成法によってビアホールを形成する場合においても、設計通りに作製したガラスマスク又はフィルムマスクを使用することができ、微細化と低コスト化とを両立させることができる。
次に、ビアホール141に導電体を埋め込む等の方法によってビア142を形成する。これにより、配線143、ビア142及び絶縁層144からなる第1配線層140が形成される。ビア142によって配線143と配線153とが電気的に接続される。
次に、第1配線層140上にめっき法等で導電膜をパターン形成することよって配線153を形成する。ビア142は、配線153を形成するときに、配線用導電材料をビアホール141に埋め込むことによって形成することもできる。
以下、同様の手順によって、任意の数の配線層を形成する。これにより、パッケージ基板110上に層間絶縁膜130及び1層以上の配線層(図示例では2層)を形成する。第1のビア132より上の層に形成されるビア、即ち配線層に形成されるビアは、前述のように層間絶縁膜130の第1のビア132を傾斜して形成することによって半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれを補正しているため、その中心線がパッケージ基板110の表面に対してほぼ垂直になるよう形成する。
最上面に形成された絶縁層(図示例では絶縁層154)に、絶縁層内部の配線(図示例では配線153)に到達する開口部151を形成する。この開口部151にめっき法等でパッド下地金属層161とパッド上層金属層162とを形成することによってパッド160を形成し、このパッド160に外部端子171を接続する。以上により半導体装置100が構成される。上述の如く構成された半導体装置100は、この外部端子170を介して基板等に実装される。
本実施の形態においては半導体素子120がパッケージ基板110の凹部に設置され、パッケージ基板110の表面に埋め込まれている例を示したが、半導体素子120は必ずしもパッケージ基板110の凹部に設置されている必要は無く、平坦なパッケージ基板上に搭載されていても良いし、半導体素子120上に直接パッケージ配線が形成されていても良い。また本実施の形態においては、パッケージ配線が外部端子170に接続されるパッド160も含めて3層、絶縁層が層間絶縁膜130を含めて3層で構成された例を示したが、必ずしも多層である必要はなく、配線が1層であっても構わない。
また、本実施の形態においては、パッケージ基板110に搭載された半導体素子120の搭載位置に、水平方向における搭載位置のずれが生じた場合においても、接続パッド121と第1配線層130の配線144とを接続する第1のビア132を、そのずれた半導体素子120の接続パッド121から基板に対して傾斜して形成することにより、第1のビア132の上面131bが配線144の設計位置に位置するように第1のビア132を形成することができる。これにより、半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれが補正されるため、半導体素子の接続パッドの接触不良が起こらず、ビア132を接続するために配線143に設けられる接続用ランドのランド径を大きくする必要がなく、配線収容率を増加させることができる。また、半導体素子120の接続パッド121を大きくする必要もないため、汎用品の半導体素子を使用することができ、SiPとしての多品種化が容易になる。
また、第1のビアホール131及び絶縁層134を光造形法によって形成すれば、レーザ加工によって絶縁層134にビアホールを傾斜させて形成する方法と比較して、半導体素子のトランジスタデバイスへの熱影響が小さくなり、トランジスタの劣化を抑制することができる。
また、パッケージ配線が多層化されても、配線層に形成されるビアは半導体素子120の水平方向における搭載位置のずれの影響が無いため、通常のリソグラフィー工程等のプロセスによって形成することができる。これにより、製造ラインの大幅な変更が不要になる。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図3(a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体装置を上面から見た様子を示す模式図である。図3において、図1乃至2と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、図3においては、パッケージ基板110、2個の半導体素子120とその接続パッド121、第1のビア132、底面131a及び上面131bのみを図示し、その他の構成物は図示を省略している。
本実施形態においては、図3(a)に示すように、1個のパッケージ基板110に、2個の半導体素子120a及び120bが並べて搭載されている。パッケージ基板110に対し、1個の半導体素子120aは、搭載位置のずれを生じておらず、もう一方の半導体素子120bは、図3(a)のBで示すように、搭載位置の大きなずれを生じている。
パッケージ基板110に半導体素子を例えば2個搭載する場合、パッケージ基板110に対し、1個の半導体素子を高精度に搭載したとしても、他の1個の半導体素子の搭載位置に図3(a)のBで示すように、搭載位置の大きなずれが生じることがある。
従来技術においては、図4に示すように、半導体素子220の接続パッド221と第1配線層240の配線243とを接続するビア232は、その中心線がパッケージ基板210の表面に対し、ほぼ垂直方向になるように形成されているため、パッケージ基板210に対し、半導体素子220の搭載位置に図3(a)のBで示すように、搭載位置の大きなずれが生じた場合、接続パッド221とビア232との接続不良が発生する。即ち、図3(a)において、半導体素子120bは、接続パッド121とビア132との接続不良が発生する。
1個の大きなパッケージ基板110上に複数個の半導体素子120a、120bを搭載して多数個の半導体装置100を同時に作製し、その後、個々の半導体装置100に切断して半導体装置100を作製する場合、搭載にずれが生じた半導体素子120bは、切断後廃棄され、各半導体素子120a、120bの搭載精度が製造歩留まりを決め、搭載精度が低いと、パッケージ配線の微細化を制約し、パッケージ配線の層数を制限すると共にコストを上昇させる。
また、複数個の半導体素子120を1個のパッケージ基板110に収容するSiPを作製する場合においては、複数個の半導体素子120のうち、例えば1個でも半導体素子120の搭載位置にずれが生じ、接続パッド121とビア132との接続不良が発生した場合は、このSiPは全体が不良品になり、コストが著しく上昇する。
しかしながら、本発明によれば、図3(b)に示すように、パッケージ基板110に半導体素子120を複数個搭載する場合においても、搭載位置のずれが生じた半導体素子120の接続パッド121から第1のビア132をパッケージ基板110に対して傾斜して形成することにより、第1のビア132の上面131bが配線143の設計位置に到達するよう修正できる。従って、この後の工程においては、通常のパッケージ基板作製プロセスを適用することができる。
また、前述の光造形法を使用すれば、絶縁層134を3次元的に任意の形状で作製できるため、パッケージ基板110に搭載した複数個の半導体素子120の高さが異なっていても、光造形時に樹脂を硬化させて積層するときに平坦化することが可能である。これにより、例えばSiPにおいて、複数個の半導体素子の高さをそろえる必要がないため、特に機械的強度の乏しい半導体素子の厚さを厚くすることができ、この結果、SiP全体の信頼性が向上する。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置100の断面構造を示す模式図である。 光造形法によって形成された第1のビア132の断面拡大図である。 (a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体装置を上面から見た様子を示す模式図である。 従来技術の半導体装置200の断面構造を示す模式図である。
符号の説明
100 ;半導体装置
110 ;パッケージ基板
120、120a、120b ;半導体素子
121 ;接続パッド
130 ;層間絶縁膜
131 ;第1のビアホール
131a;底面
131b;上面
132 ;第1のビア
134 ;絶縁層
140 ;第1配線層
141 ;ビアホール
142 ;ビア
143 ;配線
144 ;絶縁層
150 ;第2配線層
151 ;開口部
153 ;配線
154 ;絶縁層
160 ;パッド
161 ;パッド下地金属層
162 ;パッド上層金属層
170 ;外部端子
A、B ;水平方向における半導体素子120の搭載位置のずれ
200 ;半導体装置
210 ;パッケージ基板
220 ;半導体素子
221 ;接続パッド
230 ;層間絶縁膜
232 ;第1のビア
234 ;絶縁層
240 ;第1配線層
242 ;ビア
243 ;配線
244 ;絶縁層
250 ;第2配線層
253 ;配線

Claims (3)

  1. 基板に半導体素子を搭載する工程と、前記基板及び前記半導体素子上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層にビアをその少なくとも1個が中心線が前記基板の表面に対して傾斜するように形成する工程と、前記絶縁層上に前記ビアに接続された配線を形成する工程と、を有し、前記傾斜したビアを形成すべき絶縁層は、光照射による硬化部位をずらしながら複数個の光反応樹脂層を積層し、前記光反応樹脂層のビアホール部分を除去する光造形法により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記絶縁層は基板に接した層間絶縁膜であり、この層間絶縁膜上に、配線、絶縁層及びビアからなる配線層を少なくとも1層以上形成する工程を有し、前記配線層に形成されるビアは中心線が前記基板の表面に対し垂直になるように形成されていることを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 基板に半導体素子を搭載する工程と、前記基板及び前記半導体素子上に絶縁層とその上の配線とからなる複数個の配線層を形成する工程と、を有し、前記配線層のうち前記半導体素子に最も近い配線層を形成する工程は、前記絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層にビアを形成する工程と、前記ビアに接続される配線を前記絶縁層上に形成する工程と、を有し、前記ビアのうち少なくとも1個は中心線が前記基板の表面に対して傾斜するように形成し、前記傾斜したビアを形成すべき絶縁層は、光照射による硬化部位をずらしながら複数個の光反応樹脂層を積層し、前記光反応樹脂層のビアホール部分を除去する光造形法により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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