(57)【要約】【課題】  銅からなる配線上に半田ボールが設けられた半導体装置において、半田ボール中の錫が配線に拡散するのをより一層抑制することができるようにする。【解決手段】  配線７のランド上面には錫拡散抑制層１２が設けられ、この錫拡散抑制層１２上に半田ボール１３が設けられている。この場合、錫拡散抑制層１２は、銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田によって形成され、リフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で溶融して固化した後同じ加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融しないものからなっている。そして、この半導体装置が大きな電流を扱う電源ＩＣ等であっても、錫拡散抑制層１２の存在により、半田ボール１３中の錫が配線７に拡散するのをより一層抑制することができる。【選択図】図１
2011204894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた配線と、
前記配線上に設けられ、導電性ペーストを所定の温度で加熱して形成され、且つ前記所定の温度で再溶融しない錫拡散抑制層と、
前記錫拡散抑制層上に設けられた半田ボールと、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、前記配線を含む前記絶縁膜上に設けられ、前記配線のランドに対応する部分に開口部を有するオーバーコート膜を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発明において、前記所定の温度は、１８０℃以上２８０℃以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発明において、前記錫拡散抑制層は、融点上昇タイプの半田ペーストからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の発明において、前記融点上昇タイプの半田は、銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の発明において、前記錫拡散抑制層は、銅ペーストからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発明において、前記銅ペーストは、熱硬化性樹脂中に銅粒子が分散されたものからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１に記載の発明において、前記半田ボールは、融点非上昇タイプの半田からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の発明において、前記融点非上昇タイプの半田は、共晶組成の錫銀系鉛フリー半田からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
配線が形成された絶縁膜を有する半導体基板上の前記配線上に、
所定の温度で導電性ペースト加熱して、前記所定の温度で再溶融しない錫拡散抑制層を形成し、
前記錫拡散抑制層上に半田ボールを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発明において、前記配線を含む前記絶縁膜上に、前記配線のランドに対応する部分に開口部を有するオーバーコート膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の発明において、前記所定の温度は、１８０℃以上２８０℃以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の発明において、前記錫拡散抑制層は、金属ペーストを印刷して金属ペースト層を形成し、加熱することにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の発明において、前記金属ペーストは、融点上昇タイプの半田ペーストからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の発明において、前記融点上昇タイプの半田ペーストは、銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田ペーストからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の発明において、前記金属ペーストは、銅ペーストからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の発明において、前記銅ペーストは、熱硬化性樹脂中に銅粒子が分散されたものからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１０に記載の発明において、前記半田ボールは、融点非上昇タイプの半田ペーストによって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の発明において、前記融点非上昇タイプの半田ペーストは、共晶組成の錫銀系鉛フリー半田ペーストからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置には、半導体基板上に設けられた最上層配線のランド上に半田ボールが設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、銅からなる最上層配線のランド上面に、接触抵抗低減、半田の反応性促進のために、ニッケル等からなるメッキ膜が設けられ、このメッキ膜の上面に半田ボールが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００３/０１２８６３号公報
【０００４】
ところで、上記特許文献１には、メッキ膜の形成方法についての記載はないが、最上層配線のランド以外をオーバーコート膜で覆い、最上層配線のランドに対応する部分におけるオーバーコート膜に形成された開口部内における最上層配線のランド上面に、厚さがオーバーコート膜の厚さよりも薄いメッキ膜を形成しているので（特許文献１の図７参照）、メッキ膜の形成は無電解メッキによるものと思われる。
【０００５】
ところで、半田ボール中の錫が銅からなる最上層配線の内部にまで拡散すると、最上層配線に錫と銅とからなる脆い合金層が形成されたりボイドが発生したりして、断線等の原因となってしまう。そこで、最上層配線のランド上面にニッケル等からなるメッキ膜を形成すると、メッキ膜が錫拡散抑制層として機能することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、大きな電流を扱う電源ＩＣ等の半導体装置では、エレクトロマイグレーション現象により、半田ボール中の錫の最上層配線の内部への拡散速度が非常に大きくなってしまう。一方、メッキ膜の形成を無電解メッキで行うと、無電解メッキの特性から、メッキ膜の厚さが比較的薄く、厚くても５μｍ未満である。したがって、大きな電流を扱う電源ＩＣ等の半導体装置では、最上層配線のランド上面に無電解メッキによるメッキ膜を形成しても、錫拡散抑制機能が十分であるとは言えないという問題がある。
【０００７】
また、上記従来の半導体装置では、上面が平坦な最上層配線のランド上面に平坦で比較的薄いメッキ膜を形成し、このメッキ膜の上面に半田ボールを形成しているので、メッキ膜が平坦で比較的薄いことにより、半田ボールに掛かる応力がそのメッキ膜との接合部の周辺部に集中し、半田ボールに掛かる応力をメッキ膜で十分に緩和することができるとは言えないという問題がある。
【０００８】
そこで、この発明は、半田ボール中の錫がその下の銅配線に拡散するのをより一層抑制することができ、また半田ボールに掛かる応力をより一層緩和することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁膜を介して設けられた配線と、前記配線上に設けられ、導電性ペーストを所定の温度で加熱して形成され、且つ前記所定の温度で再溶融しない錫拡散抑制層と、前記錫拡散抑制層上に設けられた半田ボールと、を具備することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明に係る半導体装置は、請求項１に記載の発明において、前記配線を含む前記絶縁膜上に設けられ、前記配線のランドに対応する部分に開口部を有するオーバーコート膜を具備することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明に係る半導体装置は、請求項１に記載の発明において、前記所定の温度は、１８０℃以上２８０℃以下であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明に係る半導体装置は、請求項１に記発明において、前記錫拡散抑制層は、融点上昇タイプの半田ペーストからなることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明に係る半導体装置は、請求項４に記載の発明において、前記融点上昇タイプの半田は、銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田からなることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明に係る半導体装置は、請求項１に記発明において、前記錫拡散抑制層は、銅ペーストからなることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明に係る半導体装置は、請求項６に記発明において、前記銅ペーストは、熱硬化性樹脂中に銅粒子が分散されたものからなることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明に係る半導体装置は、請求項１に記発明において、前記半田ボールは、融点非上昇タイプの半田からなることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明に係る半導体装置は、請求項８に記載の発明において、前記融点非上昇タイプの半田は、共晶組成の錫銀系鉛フリー半田からなることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、配線が形成された絶縁膜を有する半導体基板上の前記配線上に、所定の温度で導電性ペースト加熱して、前記所定の温度で再溶融しない錫拡散抑制層を形成し、前記錫拡散抑制層上に半田ボールを形成することを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１０に記載の発明において、前記配線を含む前記絶縁膜上に、前記配線のランドに対応する部分に開口部を有するオーバーコート膜を形成することを特徴とするものである半導体装置の製造方法。
請求項１２に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１０に記載の発明において、前記所定の温度は、１８０℃以上２８０℃以下であることを特徴とするものである。
請求項１３に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１０に記載の発明において、前記錫拡散抑制層は、金属ペーストを印刷して金属ペースト層を形成し、加熱することにより形成することを特徴とするものである。
請求項１４に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１３に記載の発明において、前記金属ペーストは、融点上昇タイプの半田ペーストからなることを特徴とするものである。
請求項１５に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１４に記載の発明において、前記融点上昇タイプの半田ペーストは、銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田ペーストからなることを特徴とするものである。
請求項１６に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１０に記発明において、前記金属ペーストは、銅ペーストからなることを特徴とするものである。
請求項１７に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１６に記発明において、前記銅ペーストは、熱硬化性樹脂中に銅粒子が分散されたものからなることを特徴とするものである。
請求項１８に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１０に記発明において、前記半田ボールは、融点非上昇タイプの半田ペーストによって形成することを特徴とするものである。
請求項１９に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１８に記載の発明において、前記融点非上昇タイプの半田ペーストは、共晶組成の錫銀系鉛フリー半田ペーストからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、配線上に、形成時の加熱温度で再溶融しない導電性ペーストからなる錫拡散抑制層を設け、この錫拡散抑制層上に半田ボールを設けているので、半田ボール中の錫がその下の配線に拡散するのをより一層抑制することができ、また半田ボールに掛かる応力をより一層緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施形態としての半導体装置の平面図。
【図２】図１のII−II線にほぼ沿う部分の断面図。
【図３】図１および図２に示す半導体装置の製造方法の一例において、当初準備したものの断面図。
【図４】図３に続く工程の断面図。
【図５】図４に続く工程の断面図。
【図６】図５に続く工程の断面図。
【図７】図６に続く工程の断面図。
【図８】図７に続く工程の断面図。
【図９】図８に続く工程の断面図。
【図１０】図９に続く工程の断面図。
【図１１】図１０に続く工程の断面図。
【図１２】図１１に続く工程の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１はこの発明の一実施形態としての半導体装置の平面図を示し、図２は図１のII−II線にほぼ沿う部分の断面図を示す。この半導体装置は、一般的にはＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるものであり、平面方形状のシリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には、図示していないが、所定の機能の集積回路を構成する素子、例えば、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ等の素子が形成されている。シリコン基板１の上面周辺部には、上記集積回路の各素子に接続されたアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２が設けられている。
【００１３】
シリコン基板１の周辺部および接続パッド２の中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコン等からなるパッシベーション膜（絶縁膜）３が設けられ、接続パッド２の中央部はパッシベーション膜３に設けられた開口部４を介して露出されている。パッシベーション膜３の上面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜（絶縁膜）５が設けられている。パッシベーション膜３の開口部４に対応する部分における保護膜５には開口部６が設けられている。
【００１４】
保護膜５の上面には複数の配線７が設けられている。配線７は、保護膜５の上面に設けられた銅等からなる下地金属層８と、下地金属層８の上面に設けられた銅からなる上部金属層９との２層構造となっている。配線７の一端部は、パッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して接続パッド２に接続されている。ここで、図１に示すように、配線７は、接続パッド２に接続された端部７ａと、平面円形状のランド７ｂと、その間の引き回し線部７ｃとからなっている。そして、配線７のランド７ｂは保護膜５の上面にマトリクス状に配置されている。
【００１５】
シリコン基板１の周辺部上面および配線７を含む保護膜５の上面において配線７のランド以外の部分にはポリイミド系樹脂、ソルダーレジスト等からなるオーバーコート膜１０が設けられている。この状態では、配線７のランドに対応する部分におけるオーバーコート膜１０には平面円形状の開口部１１が設けられている。
【００１６】
オーバーコート膜１０の開口部１１内における配線７のランド７ｂ上面には平面円形状でドーム形状の錫拡散抑制層１２が設けられている。錫拡散抑制層１２は、後述するリフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で溶融して固化した後同じ加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融しない融点上昇タイプの半田によって形成され、具体的には銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田によって形成されている。
【００１７】
錫拡散抑制層１２の上面には半田ボール１３が設けられている。半田ボール１３は、後述するリフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で溶融して固化した後同じ加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融する融点非上昇タイプの半田によって形成され、具体的には共晶組成の錫銀系鉛フリー半田によって形成されている。
【００１８】
次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図３に示すように、ウエハ状態のシリコン基板（以下、半導体ウエハ２１という）の上面にアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２、酸化シリコン等からなるパッシベーション膜３およびボリイミド系樹脂等からなる保護膜５が形成され、接続パッド２の中央部がパッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して露出されたものを準備する。
【００１９】
この場合、半導体ウエハ２１の厚さは、図２に示すシリコン基板１の厚さよりも厚くなっている。なお、図３において、符号２２で示す領域はダイシングストリートである。そして、ダイシングストリート２２およびその両側に対応する部分におけるパッシベーション膜３および保護膜５は除去されている。
【００２０】
次に、図４に示すように、パッシベーション膜３および保護膜５の開口部４、６を介して露出された接続パッド２の上面を含む保護膜５の上面並びにダイシングストリート２２およびその両側に対応する部分における半導体ウエハ２１の上面に下地金属層８を形成する。この場合、下地金属層８は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタにより形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタにより形成されたチタン等の薄膜層上にスパッタにより銅層を形成したものであってもよい。
【００２１】
次に、下地金属層８の上面にポジ型の液状レジストからなるメッキレジスト膜２３をパターン形成する。この場合、上部金属層９形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２３には開口部２４が形成されている。次に、下地金属層８をメッキ電流路とした銅の電解メッキを行なうと、メッキレジスト膜２３の開口部２４内の下地金属層８の上面に上部金属層９が形成される。
【００２２】
次に、メッキレジスト膜２３を剥離し、次いで、上部金属層９をマスクとして該上部金属層９下以外の領域における下地金属層８をエッチングして除去すると、図５に示すように、上部金属層９下にのみ下地金属層８が残存される。この状態では、上部金属層９とその下に残存された下地金属層８とにより、２層構造の配線７が形成されている。
【００２３】
次に、図６に示すように、ダイシングストリート２２およびその両側における半導体ウエハ２１の上面並びに配線７を含む保護膜５の上面に、スピンコート法、印刷法等により、ポリイミド系樹脂、ソルダーレジスト等からなるオーバーコート膜１０を形成する。次に、配線７のランドに対応する部分におけるオーバーコート膜１０に、レーザビームを照射するレーザ加工あるいはフォトリソグラフィ法により、平面円形状の開口部１１を形成する。
【００２４】
次に、図７に示すように、オーバーコート膜１０上に半田ペースト印刷マスク２５を配置する。この場合、オーバーコート膜１０の開口部１１に対応する部分における半田ペースト印刷マスク２５には開口部２６が形成されている。次に、半田ペースト印刷マスク２５上においてスキージ２７を移動させるスクリーン印刷法により、半田ペースト印刷マスク２５およびオーバーコート膜１０の開口部２６、１１内における配線７のランド上面に半田ペースト１２ａを印刷し、半田ペースト層１２ｂを形成する。
【００２５】
この場合、半田ペースト１２ａは、後述するリフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で溶融して固化した後、同じ加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融しない融点上昇タイプの半田によって形成され、具体的には銅含有率が高い非共晶組成の錫銅系鉛フリー半田からなり、さらに具体的には粒径１５μｍ程度の錫粒子および銅粒子をフラックス中に分散させてペースト状とした半田ペーストからなっている。
【００２６】
次に、図８に示すように、加熱温度１８０℃以上２８０℃以下でリフローを行うと、オーバーコート膜１０の開口部１１内における配線７のランド上面に平面円形状でドーム形状の錫拡散抑制層１２が形成される。この場合、半田ペースト層１２ｂ中のフラックスが蒸発し、且つ、半田ペースト層１２ｂ中の錫粒子のみが溶融し、融点の高い銅粒子は溶融しない。そして、銅粒子は溶融した錫と反応し、銅錫合金（Ｃｕ６Ｓｎ５）が生成される。この結果、錫拡散抑制層１２は銅錫合金、錫および銅が混在したものとなり、以後、加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で加熱されても再溶融することはない。
【００２７】
ここで、一例として、配線７の厚さは５μｍ程度である。配線７上におけるオーバーコート膜１０の厚さは５〜１０μｍである。錫拡散抑制層１２の最大高さは、無電解メッキにより形成されるメッキ膜の厚さ５μｍ未満よりもかなり高くすることが可能であり、５０μｍ程度である。
【００２８】
次に、図９に示すように、錫拡散抑制層１２上およびその周囲におけるオーバーコート膜１０上にフラックス２８をスクリーン印刷法により印刷し、その上に半田ボール１３ａを搭載する。この場合、半田ボール１３ａは、後述するリフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で溶融して固化した後、同じ加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融する融点非上昇タイプの半田によって形成され、具体的には共晶組成の錫銀系鉛フリー半田によって形成されている。次に、加熱温度１８０℃以上２８０℃以下でリフローを行うと、フラックス２８が蒸発し、且つ、半田ボール１３ａが溶融した後固化することにより、図１０に示すように、錫拡散抑制層１２上に半田ボール１３が形成される。
【００２９】
この場合、錫拡散抑制層１２は、半田ボール１３形成のためのリフロー時の加熱温度１８０℃以上２８０℃以下で再溶融せず、ドーム形状の状態をそのまま維持している。なお、半田ボール１３は、まず錫拡散抑制層１２上にスクリーン印刷法により半田ペーストを印刷し、次いで加熱温度１８０℃以上２８０℃以下でリフローすることにより、形成するようにしてもよい。
【００３０】
次に、図１１に示すように、半導体ウエハ２１の下面側を適宜に研削し、半導体ウエハ２１の厚さを薄くする。次に、図１２に示すように、オーバーコート膜１０および半導体ウエハ２１をダイシングストリート２２に沿って切断すると、図１および図２に示す半導体装置が複数個得られる。
【００３１】
このようにして得られた半導体装置では、配線７のランド上に錫拡散抑制層１２を形成し、この錫拡散抑制層１２上に半田ボール１３を形成しているので、この半導体装置が大きな電流を扱う電源ＩＣ等であっても、錫拡散抑制層１２の存在により、半田ボール１３中の錫がその下の配線７に拡散するのをより一層抑制することができる。
【００３２】
また、この半導体装置では、ドーム形状の錫拡散抑制層１２の最大高さを、無電解メッキにより形成されるメッキ膜の厚さ５μｍ未満よりもかなり高く、例えば５０μｍ程度とすることができる。この結果、錫拡散抑制層１２がドーム形状であることと相俟ってその最大高さを比較的高くすることができるので、半田ボール１３に掛かる応力が錫拡散抑制層１２の高さ方向に分散され、半田ボールに掛かる応力をより一層緩和することができる。
【００３３】
また、上記半導体装置の製造方法では、ドーム形状の錫拡散抑制層１２の形成に際し、配線７のランド上に半田ペースト１２ａをスクリーン印刷法により印刷してリフローを行っているので、メッキレジスト膜を用いた電解メッキにより形成する場合と比較して、プロセスコストを低減することができる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、錫拡散抑制層１２を融点上昇タイプの半田ペーストによって形成する場合について説明したが、これに限定されるものではない。錫拡散抑制層１２の材料としては、形成時の加熱温度で再溶融しない金属ペーストであればよく、例えば、熱硬化性樹脂等からなるペースト中に銅粒子を分散してなる銅ペーストをスクリーン印刷法により印刷し、加熱温度１５０℃程度で焼成することにより、錫拡散抑制層を形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  シリコン基板（半導体基板）
２  接続パッド
３  パッシベーション膜（絶縁膜）
５  保護膜（絶縁膜）
７  配線
１０  オーバーコート膜
１２  錫拡散抑制層
１３  半田ボール
２１  半導体ウエハ
２２  ダイシングストリート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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