(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を基体上に形成する工程と、
砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程とを有し、
前記無機粒子として、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子を使用し、
前記樹脂層を下側層と上側層の二層構造にし、
前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくすることを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
前記樹脂材料に、ゴム成分を有する複数の樹脂粒子を含有させることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記樹脂層を形成する前に、前記基体の上に金属層を形成する工程を有し、
前記樹脂層を研磨する工程において、該樹脂層の研磨面に前記金属層を表出させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の研磨方法。
【請求項４】
半導体チップに、凸状導電層を形成する工程と、
複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を前記半導体チップ上に形成し、前記凸状導電層を前記樹脂層で埋め込む工程と、
前記凸状導電層が表出するまで、砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程とを有し、
前記無機粒子は、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子であり、
前記樹脂層を下側層と上側層との二層構造にし、
前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
回路基板に、凸状導電層を形成する工程と、
複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を前記回路上に形成し、前記凸状導電層を前記樹脂層で埋め込む工程と、
前記凸状導電層が表出するまで、砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程と、
前記表出した前記凸状導電層と半導体チップとを電気的に接続する工程とを有し、
前記無機粒子は、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子であり、
前記樹脂層を下側層と上側層との二層構造にし、
前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくす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】
本発明は研磨方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、SiP(System in Package)等に代表される半導体パッケージの小型化と高集積化とを実現するため、半導体パッケージが備える回路基板やインターポーザに多層配線構造が採用されている。その多層配線構造は配線層と絶縁層とを交互に複数積層してなるが、積層数を増やすには絶縁層に高い平坦性が求められる。
【０００３】
絶縁層に対する平坦化技術としては、化学機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing: CMP)が知られている。CMP法では、被研磨面となる絶縁層や配線層を予め比較的平坦に形成しておき、その被研磨面に研磨パッドを押し当てながら、スラリ（化学的研磨剤）を用いて被研磨面を精緻に平坦化する。また、周囲よりも硬い絶縁材や金属を研磨ストッパとして予め形成しておくと、その研磨ストッパにおいて研磨を自動的に終了させることもできる。
【０００４】
そのようなCMP法を用いると、精緻な平坦面を得ることは可能であるが、CMP装置が高価であるのに加え、CMP装置のスループットが低いので、半導体パッケージの製造コストが高くなってしまう。
【０００５】
CMP法に代わる平坦化法としては、ダイヤモンド、cBN(cubic Boron Nitride)、或いは超硬材料等よりなるバイトを絶縁層や配線層に一定の厚さで切り込ませ、これらの層を機械的に除去する切削加工がある。
【０００６】
切削加工では、通常は１本乃至数本のバイトが用いられるが、加工面に樹脂や金属等の硬度が異なる材料が表出する複合材料に対しては、バイトの摩滅磨耗が大きく、バイトの交換頻度が高くなるという問題が発生する。
【０００７】
一方、CMP法や切削加工に代わる平坦化方法として、ダイヤモンド、cBN、或いは超硬材料よりなる数〜十数μmの粒径の砥粒をボンド（結合材）で固着してなる砥石や研磨紙を用い、これらに一定の付加を与えて研磨面を切削研磨する方法がある。
【０００８】
この方法では、砥石や研磨紙に含まれる砥粒が摩滅磨耗によって研磨途中で脱落し、新しい砥粒が露出する。そのため、研磨の進行状況によらず被研磨面が常に新しい砥粒で研磨されるので、表面粗さの小さな平坦面を安定して得ることができ、配線層等の平坦化にこの方法が適用されつつある。
【０００９】
但し、研磨する材料によっては、砥石等が目詰まりを起こし、研磨の進行が不安定になることがある。よって、砥石や研磨紙を用いた研磨では、目詰まりを効果的に防止して、研磨を安定させるのが望まれる。
【００１０】
なお、本発明に関連する技術が次の特許文献１〜４に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１９０２３２号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８１１２号公報
【特許文献３】特開平１０−２２４２２号公報
【特許文献３】特開２００２−１１８２０９号公報
【特許文献４】特開２００３−４６０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、目詰まりを低減することが可能な研磨方法及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を基体上に形成する工程と、砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程とを有し、前記無機粒子として、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子を使用し、前記樹脂層を下側層と上側層の二層構造にし、前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくする研磨方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の別の観点によれば、半導体チップに、凸状導電層を形成する工程と、複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を前記半導体チップ上に形成し、前記凸状導電層を前記樹脂層で埋め込む工程と、前記凸状導電層が表出するまで、砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程とを有し、前記無機粒子は、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子であり、前記樹脂層を下側層と上側層との二層構造にし、前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
そして、本発明の他の観点によれば、回路基板に、凸状導電層を形成する工程と、複数の無機粒子を含む樹脂材料で構成された樹脂層を前記回路上に形成し、前記凸状導電層を前記樹脂層で埋め込む工程と、前記凸状導電層が表出するまで、砥粒と結合材との混練体により、前記樹脂層を研磨する工程と、前記表出した前記凸状導電層と半導体チップとを電気的に接続する工程とを有し、前記無機粒子は、前記樹脂材料よりも硬度が高く、かつ前記砥粒よりも硬度が低い粒子であり、前記樹脂層を下側層と上側層との二層構造にし、前記下側層における前記無機粒子の含有量を、前記上側層における前記無機粒子の含有量よりも少なくする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１５】
本発明によれば、樹脂層に添加された無機粒子が、研磨中に砥粒の間に詰まった樹脂材料等の研磨材料を掻き出し、砥粒を目立てするように機能するので、混練体の目詰まりが防止され、研磨を安定的に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、樹脂層に無機粒子を添加するので、砥粒と結合材よりなる混練体の目詰まりを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（１）調査結果について
本発明の実施の形態の説明に先立ち、本願発明者が行った調査結果について説明する。
【００１９】
図１は、砥石４による研磨材料１の研磨について模式的に示す拡大断面図である。
【００２０】
砥石４は結合材２と砥粒３との混練体よりなり、砥粒３としては例えばダイヤモンド、cBN、及び超硬合金等が使用される。一方、結合材２としては、樹脂、セラミック、及び金属等が使用される。
【００２１】
研磨に際しては、研磨面に水を供給しながら研磨材料１に砥石４を押し当てる。
【００２２】
図１の例では、シリコンやセラミック等のように弾性率が１０GPa程度と比較的硬い脆性材料を研磨材料１として用いている。この場合は、砥石４が研磨材料１に微小に切り込んで平坦な研磨面を得ることができると共に、研磨中に砥石４が目詰まりを起こすこともなく、安定的に研磨を行うことができる。
【００２３】
図２は、弾性率が１GPa程度と軟らかい樹脂等の塑性材料で研磨材料１を構成した場合の拡大断面図である。
【００２４】
この場合は、砥粒３の間のスペースに研磨中に研磨材料１が入り込み、砥石４に目詰まりが発生する。目詰まりした砥石４は、研磨能力が著しく低下すると共に、研磨負荷を増大させてしまう。このように、塑性材料の研磨を砥石４で安定的に行うのは困難である。
【００２５】
同様に、延性材料である金属を研磨材料１として用いた場合でも砥石４に目詰まりが発生し易い。
【００２６】
半導体パッケージの製造工程では樹脂層と金属層の研磨が不可欠であるため、これらの層の研磨時に砥石に目詰まりが発生したのでは、砥石を用いた研磨を実用化するのが困難となってしまう。
【００２７】
本願発明者は、このような調査結果に基づき、以下に説明するような本発明の実施の形態に相当した。
【００２８】
（２）第１実施形態
図３は、本実施形態に係る研磨方法について模式的に示す拡大断面図である。なお、図３において、図１及び図２で示したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００２９】
本実施形態では、半導体チップや回路基板等の基体６の上に、複数の無機粒子８を含む樹脂材料７で構成された樹脂層９を形成する。
【００３０】
樹脂材料７は特に限定されないが、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を使用することができる。また、研磨に際しては、研磨面に水を供給しながら、樹脂層９に砥石４を押し当てる。
【００３１】
このような樹脂層９を砥石４で研磨すると、研磨中に砥石４の表面が無機粒子８によって常に擦られるので、砥粒３の間のスペースに樹脂材料７が入り込んでも、その樹脂材料７は無機粒子８によって掻き落とされる。このように、無機粒子８は、砥粒３を目立てして砥石４をクリーニングするように機能するので、砥石４の目詰まりを抑制することができ、樹脂層９の研磨を複数の基体６にわたって安定的に行うことができる。
【００３２】
但し、その無機粒子８が柔らかすぎると、砥石４の表面に付着した樹脂材料７を無機粒子８で掻き落とすのが難しくなる。従って、無機粒子８としては、樹脂材料７よりも硬度が高い粒子を使用するのが好ましい。
【００３３】
一方、無機粒子８が硬すぎると、無機粒子８によって砥粒３が切削されてしまい、砥石４による研磨自体が難しくなる。この点に鑑み、砥粒３よりも硬度が低い無機粒子８を使用するのが好ましい。
【００３４】
一般的に使用される樹脂７や砥粒３のモース硬度に鑑みると、モース硬度が５以上９以下の無機粒子であれば、これらの条件を満たすことができる。
【００３５】
モース硬度が５〜６の材料としては、チタン石（TiO2)、緑マンガン鉱（MnO）、赤鉄鉱（Fe2O3）、灰チタン鉱（CaTiO3）、チタン鉄鉱（FeTiO3）、クロム鉱鉄（FeCr2O4）、針鉄鋼（FeO(OH)）、輝コバルト鉱（CoAsS）、硫ヒ鉄鋼（FeAsS）、モナズ石（CePO4）、トルコ石（CuAl6(PO4)(HO)8・4H2O）、灰重石（CaWO4）、チタン石（CaTiO(SiO4)）、ゲーレン石（Ca2Al(SiAlO7)）、頑化輝石（Mg2Si2O6）、普通輝石（(Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(Si,Al)2O6）、カスミ石（(Na,K)AlSiO4）、方沸石（Na(AlSi2)O6・H2O）等がある。
【００３６】
また、モース硬度が６〜７の材料としては、ルチル（TiO2）、錫石（SnO2）、ダイアスポア（AlO(OH)）、黄鉄鉱・白鉄鉱（FeS2）、小藤石（Mg3(BO3)）、鉄カンラン石（Fe2SiO4）、ローソン石（CaAl2(Si2O7)(OH)2・H2O）、単斜灰レン石（Ca2Al3(SiO4) (Si2O7)O(OH)）、緑レン石（Ca2Fe3+Al3(SiO4) (Si2O7)O(OH)）、紅レン石（Ca2Mn3+Al3(SiO4) (Si2O7)O(OH)）、灰レン石（Ca2Al3(SiO4) (Si2O7)O(OH)）、ベスブ石（Ca19(Al,Fe,Mg)13(SiO4)10 (Si2O7)4(OH,F,O)10）、透輝石（CaMgSi2O6）、エジリン輝石（NaFeSi2O6）、カミントン閃石（(Mg,Fe)7Si8O22(OH)2）、直閃石（(Mg,Fe)7Si8O22(OH)2）、緑閃石（Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2）、普通角閃石（Ca2(Mg,Fe)4Al(AlSi7O22)(OH)2）、ラン閃石（Na2Mg3Al2Si8O22(OH)2）、ブドウ石（Ca2Al(AlSi3O10)(OH)2）、オパル（SiO2・nH2O）、正長石（KAlSi3O8）、微斜長石（KAlSi3O8）、サニディン（(K,Na)AlSi3O8）、曹長石（NaAlSi3O8）、及び灰長石（CaAl2Si2O8）等がある。
【００３７】
一方、モース硬度が７〜８の材料としては、シリカ（SiO2）、BeO、鉄斧石（Ca2FeAl2 (BSi4O15) (OH)）、緑柱石（NaAlSi2O6）、ヒスイ輝石（NaAlSi2O6）、苦バンザクロ石（Mg3Al2(SiO4)3）、鉄バンザクロ石（Be3Al2Si6O18）、キン青石（Mg2Al3(AlSi5O16)、鉄電気石（NaFe3Al6(BO3)6Si6O18 (OH,F)4）、満バンザクロ石（Mn3Al2(SiO4)3）、灰鉄バンザクロ石（Ca3Fe2(SiO4)3）、灰バンザクロ石（Ca3Al2(SiO4)3）、ジルコン（ZrSiO4）、苦土カンラン石（Mg2SiO4）、ケイ線石（Al2O(SiO4)）、紅柱石（Al2O(SiO4)）、及びラン晶石（Al2O(SiO4)）等がある。
【００３８】
そして、モース硬度8〜9の材料としては、ジルコニア（ZrO2）、トパーズ（Al2(F,OH)2(SiO4))、炭化タンタル（TaC）、アルミナ（Al2O3）、スピネル（MgAl2O4）、及び金緑石（BeAl2O4）等がある。
【００３９】
本実施形態では、これらの材料のいずれかよりなる無機粒子８を使用することができる。
【００４０】
更に、硬度の異なる複数の無機粒子８を混合して使用し、樹脂層９における無機粒子８の平均の硬度を調節するようにしてもよい。
【００４１】
また、無機粒子８が大きすぎると、砥粒３の間のスペースに無機粒子８が入り込むのが難しくなり、そのスペースに付着する樹脂材料７を掻き出すのが困難となる。そのため、無機粒子８としては、直径が５μm以下のものを用いるのが好ましい。
【００４２】
なお、樹脂層９を絶縁層として形成する場合には、無機粒子８として絶縁性の粒子を用いるのが好ましい。
【００４３】
ところで、砥石４による研削性は、樹脂材料に７に添加する無機粒子８の量を多くするほど向上する。しかし、その添加量が多すぎると、樹脂層９の弾性率が高くなるので、基体６の反りが大きくなってしまう。このような傾向は、基体６として数１００μm程度の厚さに薄厚化されたシリコン基板を用いるときに特に顕著となる。
【００４４】
このような基体６の反りを抑えるために、ゴム成分を有する複数の樹脂粒子を樹脂材料７に添加してもよい。ゴム成分を含む樹脂粒子は元々弾性率が小さいので、それを樹脂材料７に添加することで樹脂層９の全体の弾性率を低減することができ、基体６の反りを抑制することができる。
【００４５】
ゴム成分を含む樹脂粒子としては、例えば、ニトルゴム粒子やスチレンブタジエンゴム粒子があり、これらを単独又は組み合わせて樹脂材料７に添加するのが好ましい。そのような樹脂粒子の大きさは特に限定されないが、直径が５μm以下の樹脂粒子を使用するのが好ましい。
【００４６】
以下に、樹脂材料７、無機粒子８、及びゴム成分を含む樹脂粒子の組み合わせの例について説明する。
【００４７】
・第１例
エポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に弾性率が０．３GPaで直径が１μmのスチレンブタジエンゴム粒子を３０wt％添加したところ、樹脂層９の弾性率は１．３GPaとなった。このような樹脂材料７を直径が６インチで厚さが６２０μmのシリコン基板に塗布した後、基板温度１８０℃で処理時間を１時間とする条件でその樹脂７を熱硬化し、厚さが４０μmの樹脂層９を形成した。この状態でシリコン基板の反りを測定したところ、５０μmと非常に小さな反りであった。
【００４８】
次に、これと同じ樹脂層９を高さが３０μmの銅ポスト上に４０μmの厚さに形成した。その銅ポストは、上記とは別シリコン基板の上に形成されたものである。
【００４９】
そして、銅ポストが露出するまでダイヤモンド砥粒を用いた＃１０００の砥石で樹脂層９を研磨したところ、１枚のシリコン基板に対してだけ研磨を行っただけで砥石に目詰まりが発生し、そのまま２枚目のシリコン基板に対して研磨を行ったところ目詰まりが更に進行して銅ポストの露出面にダレが生じてしまった。
【００５０】
そこで、上記の樹脂層９に直径が１μmのシリカ粒子を無機粒子８として添加し、添加量と樹脂層９の弾性率、及び添加量とシリコン基板の反りtとの関係を調査したところ、図４に示されるようなグラフが得られた。
【００５１】
なお、本調査における反りtとは、図示のようなシリコン基板の中央部と周縁部との高低差のことを言う。
【００５２】
また、無機粒子８の添加量を様々に変えて研磨を行ったところ、シリカよりなる無機粒子８をエポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に２０wt％以上添加することにより目詰まりが抑えられること、そしてその添加量が多いほどその目詰まり防止の効果が高いことが明らかとなった。
【００５３】
半導体装置の製造プロセスでは、反りを１００μ以下に抑えるのが好ましい。そこで、シリカよりなる無機粒子の添加量を２５wt％とすると、エポキシ樹脂の弾性率が２．６GPaとなって、６２０μmで直径が６インチのシリコン基板にそのエポキシ樹脂を４０μmの厚さに形成したところ、シリコン基板の反りは８０μmとなった（図４参照）。
【００５４】
・第２例
第１例では、エポキシ樹脂にスチレンブタジエンゴム粒子を添加した。既述のように、ゴム成分を有する粒子は樹脂層９全体の弾性率を低くするのに有効である。しかし、樹脂層９を構成する樹脂材料７自体の弾性率が低い場合には、そのような粒子は以下のように不要となる。
【００５５】
本例では、弾性率が２GPaのフェノール樹脂を樹脂材料７としてシリコン基板の上に塗布した後、１９０℃の基板温度で処理時間を１時間とする条件でその樹脂材料７を熱硬化し、厚さが２０μmの樹脂層９を得た。なお、用いたシリコン基板の直径は６インチで厚さは６２０μmである。樹脂層９を形成後のシリコン基板の反りは４０μmと小さかった。
【００５６】
次に、これと同じ樹脂層９を高さが１５μmの銅ポスト上に２０μmの厚さに形成した。その銅ポストは、上記とは別シリコン基板の上に形成されたものである。
【００５７】
そして、銅ポストが露出するまでダイヤモンド砥粒３を用いた＃２０００の砥石４で樹脂層９を研磨したところ、５枚のシリコン基板に対して研磨を行った後に砥石に目詰まりが発生し、その後１枚研磨するごとに銅ポストの露出面に生じたダレの大きさが増していった。
【００５８】
そこで、フェノール樹脂よりなる樹脂材料７に、無機粒子８として平均直径が２μmのアルミナ粒子を添加し、その添加量と研削性とを調べたところ、１０wt％以上の添加量で目詰まりが抑えられてダレの発生も抑制され、また添加量が３０wt％を超えると砥石４の磨耗量が急激に増大することが判明した。そのため、ダレの発生を抑制しつつ、砥石４の磨耗を低減するには、アルミナ粒子の添加量を１５wt％程度とすればよいことが明らかとなった。
【００５９】
・第３例
本例では、エポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に、直径が１μmのニトルゴム粒子を２５wt％の添加量で添加した。その樹脂材料７をシリコン基板上に形成し、更に熱硬化して樹脂層９を形成したところ、樹脂層９の弾性率は１．６GPaとなった。
【００６０】
次に、これと同じ樹脂層９を高さが３０μmの銅ポスト上に４０μmの厚さに形成した。その銅ポストは、上記とは別の直径が８インチのシリコン基板の上に形成されたものである。
【００６１】
そして、ダイヤモンド砥粒８を用いた＃２０００の砥石４でその樹脂層９を研磨したところ、研磨後まもなく砥石４の表面に激しい目詰まりが発生し、研磨抵抗も上昇して研磨面に多数の傷が残った。
【００６２】
そこで、上記の樹脂材料７に、無機粒子８として直径がいずれも１μmのシリカ粒子とアルミナ粒子とをそれぞれ２０wt％と１０wt％の添加量で添加した。その樹脂材料７を熱硬化して得られた樹脂層９の弾性率は２．６GPaであった。
【００６３】
また、銅ポストの上にこの樹脂層９を形成し、砥石４で研磨を行ったところ、研磨中の研磨抵抗が一定となって、目詰まりが発生することなしに研磨を終了することができた。このときの研磨面の表面粗さは面内で一様であり、その１０点平均粗さRzは２μmよりも小さくなった。なお、本実施形態における粗さとは表面の凹凸の高低差を言い、１０点平均粗さは面内の１０点における高低差の平均値である。更に、研磨面に表出した銅ポストにダレが発生することもなく、綺麗な研磨面を実現することができた。
【００６４】
・第４例
本例では、エポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に、直径が１μmのニトルゴム粒子を２０wt％の添加量で添加した。その樹脂材料７をシリコン基板上に形成し、更に熱硬化して樹脂層９を形成したところ、樹脂層９の弾性率は１．８GPaとなった。
【００６５】
一方、この樹脂材料７に、更にシリカ粒子と炭化タンタル粒子とを無機粒子８として添加した。なお、シリカ粒子と炭化タンタル粒子の添加量はいずれも１５wt％である。また、これらの粒子の直径は１μmである。その樹脂材料７を熱硬化して得られた樹脂層９の弾性率は２．６GPaであった。
【００６６】
その後、高さが約４０μmの銅ポストが形成された直径が８インチのシリコン基板の上にこれと同じ樹脂層９を４０μmの厚さに形成した。そして、ダイヤモンド砥粒３を備えた＃１５００の砥石４を用い、銅ポストが露出するまで樹脂層９を研磨したところ、研磨中の研磨抵抗が一定となって、目詰まりが発生することなしに研磨を終了することができた。
【００６７】
（３）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００６８】
本実施形態では、半導体チップに再配線層を形成する工程に、第１実施形態で説明した研磨方法を適用する。
【００６９】
図５〜図８は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明した要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００７０】
最初に、図５（ａ）の断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００７１】
まず、シリコン基板２０の表面に不図示の回路を形成した後、その回路を保護するパッシベーション層２１としてポリイミド膜を形成する。
【００７２】
次いで、パッシベーション層２１の上に、スパッタ法により下地導電層２２としてクロム層を約８０nmの厚さに形成する。更に、その下地導電層２２の上に、スパッタ法で銅層を厚さ約３００nmに形成し、その銅層をシード層２３とする。
【００７３】
下地導電層２２は、シード層２３とパッシベーション層２１との密着性を向上させる密着層としての機能の他に、シード層２３中の銅が下方に拡散するのを防止するバリア層としての機能も有する。
【００７４】
その後に、シード層２３の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第１レジストパターン２４を形成する。
【００７５】
次に、図５（ｂ）に示すように、シード層２３を給電層とする電解めっきにより、第１レジストパターン２４の窓２４ａ内に金属めっき層２５として銅めっき層を厚さ約１０μmに形成する。
【００７６】
この電解めっきを終了後、図５（ｃ）に示すように、第１レジストパターン２４を剥離する。
【００７７】
続いて、図５（ｄ）に示すように、シリコン基板１の上側全面に再びフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第２レジストパターン２６を形成する。
【００７８】
次いで、図６（ａ）に示すように、第２レジストパターン２６の孔２６ａ内に電解めっきにより銅めっき層を厚さ約１0μmに形成し、その銅めっき層を金属ポスト（凸状導電層）３０とする。
【００７９】
その後に、図６（ｂ）に示すように、第２レジストパターン２６を剥離する。
【００８０】
次に、図６（ｃ）に示すように、下地導電層２２とシード層２３とをウエットエッチングによりエッチバックし、第１レジストパターン２４（図５（ａ）参照）で覆われていた部分のパッシベーション層２１を露出させる。
【００８１】
このエッチバックの結果、パッシベーション層２１の上には、下地導電層２２、シード層２３、及び金属めっき層２５で構成される金属配線３１が形成されると共に、その金属配線３１の上に金属ポスト３０が立設された構造が得られる。
【００８２】
このうち、金属配線３１は、パッシベーション膜２１に形成された窓（不図示）を介してシリコン基板２０の回路と電気的に接続されており、いわゆる再配線層として機能する。一方、金属ポスト３０は、ダイシングによりシリコン基板２０を複数の半導体チップに個片化した後に、各半導体チップの外部接続端子として機能する。
【００８３】
次に、図７（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００８４】
まず、モース硬度が５〜９で直径が５μm以下の無機粒子８を樹脂材料７に添加する。無機粒子８としては、第１実施形態で説明したようなシリカ粒子、アルミナ粒子、及び炭化タンタル粒子等がある。また、樹脂材料７としては、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂がある。無機粒子８の添加量は、第１実施形態で説明したような研削性やシリコン基板２０の反りを考慮して決定すればよい。
【００８５】
そして、このような樹脂材料７をシリコン基板２０の上側全面に塗布し、それを熱硬化して絶縁性の樹脂層９を厚さ約２０μmに形成して、その樹脂層９で金属ポスト３０を埋め込む。
【００８６】
なお、第１実施形態で説明したように、樹脂層９の弾性率を低下させて基板の反りを抑える目的で、ゴム成分を含む樹脂粒子を樹脂材料７に添加してもよい。
【００８７】
次に、図７（ｂ）に示すように、ホイール１００に固定された砥石４を樹脂層９に押し当て、研磨面に水を供給しながらホイール１００を回転させることにより、樹脂層９の研磨を開始する。
【００８８】
この研磨においては、樹脂層９中の無機粒子８が砥石４の目詰まりを防止する役割を果たすので、目詰まりの発生を抑えながら、一定の研磨抵抗で樹脂層９を研磨することができ、綺麗な研磨面を得ることができる。
【００８９】
そして、このような研磨を所定の時間だけ行うことにより、図８に示すように、樹脂層９の研磨面に金属ポスト３０を表出させる。このとき、無機粒子８が添加されていない樹脂層９では、延性材料よりなる金属ポスト３０を研磨する際に砥石４が目詰まりを起こすが、本実施形態では無機粒子８によりそのような目詰まりを防止できる。
【００９０】
以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成する。
【００９１】
上記した本実施形態によれば、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、樹脂層９を構成する樹脂材料７に無機粒子８を添加したので、樹脂層９の研磨の際に砥石４に目詰まりが発生するのを防止できる。特に、本実施形態のように樹脂層９の研磨面に金属ポスト３０のような金属層を表出させる場合であっても、金属層の構成材料で砥石４に目詰まりが発生し難くなる。その結果、砥石４による研磨を安定して連続的に行うことができ、綺麗な研磨面を備えた半導体装置を安定して量産することができる。
【００９２】
（４）第３実施形態
第１、第２実施形態では、樹脂層９に無機粒子８を添加することにより砥石４の目詰まりが防止される一方、無機粒子８によって樹脂層９の弾性率が高まり、基板２０の反りが大きくなり易い。つまり、砥石の目詰まり防止と基板の反り防止とはトレードオフの関係にあり、どちらかを満足させようとするには他方を犠牲にしなければならない。
【００９３】
本実施形態では、以下のようにして、砥石の目詰まり防止と基板の反り防止とを両立しうる研磨方法を用い、半導体装置を作製する。
【００９４】
図９〜図１１は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第２実施形態で説明した要素には第２実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９５】
この半導体装置を作成するには、まず、第２実施形態で説明した図５（ａ）〜図６（ｃ）の工程を行う。
【００９６】
これにより、図９（ａ）に示されるように、シリコン基板２０の上方に金属ポスト３０と金属配線３１が形成された構造を得る。
【００９７】
なお、これら金属ポスト３０と金属配線３１の下のクロム層よりなる下地導電層２２の厚さは約１００nmであり、銅層よりなるシード層２３の厚さは約３００nmである。また、金属ポスト３０の高さは約１０μmである。
【００９８】
次に、図９（ｂ）に示すように、厚さ約１０μmの下側層９ａと厚さ約２０μmの上側層９ｂよりなる二層構造のラミネートフィルムを樹脂層９として用意する。
【００９９】
このうち、下側層９ａは、無機粒子８を含有しないエポキシ樹脂で構成される。一方、上側層９ｂは、平均粒径が１μmのシリカよりなる無機粒子８をエポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に４０wt%の濃度で含有させてなる。
【０１００】
なお、上側層９ｂに添加する無機粒子８はシリカに限定されず、第１実施形態で列挙した材料から選択してよい。
【０１０１】
また、このようなラミネートフィルム状の樹脂層９は、アクリルフィルムのような支持層（不図示）の上に各層９ａ、９ｂを塗布し、これらの層に含まれる溶媒成分を蒸発させて生乾きの状態とすることで作製され得る。
【０１０２】
なお、各層９ａ、９ｂの膜厚は特に限定されないが、下側層９ａの厚さについては金属ポスト３０の高さよりも薄くするのが好ましい。
【０１０３】
この後に、金属ポスト３０が形成されている側のシリコン基板２０にこの樹脂層９を貼り付けることにより、図１０（ａ）に示す断面構造を得る。
【０１０４】
ここで、下側層９ａの厚さを金属ポスト３０の高さよりも薄くしたことで、金属ポスト３０の上端が下側層９ａを突き抜けることになる。
【０１０５】
そして、この状態で、生乾きの状態となっている樹脂層９に対して基板温度１８０℃、処理時間１時間の条件で熱処理を行うことにより、樹脂層９を硬化させる。
【０１０６】
次に、図１０（ｂ）に示すように、ホイール１００に固定された砥石４を樹脂層９に押し当て、研磨面に水を供給しながらホイール１００を回転させることにより、樹脂層９の研磨を開始する。
【０１０７】
この研磨においては、上側層９ｂに含まれる無機粒子８によって砥石４の目詰まりを防止できるので、研磨面に表出する金属ポスト３０の上面が綺麗な切削面となると供に、研磨がスムーズに進行する。
【０１０８】
本願発明者が行った調査では、上側層９ｂを省いて下側層９ａのみを＃１０００の砥石４で研磨したところ、まもなく目詰まりが発生して加工不能となったが、本実施形態のように上側層９ｂを形成することで＃１０００の砥石４に目詰まりは発生しなかった。
【０１０９】
また、研磨厚さについては上側層９ｂの厚さ以下とし、砥石４に目詰まりを発生させるおそれのある下側層９ａが現れる前に研磨を停止するのが好ましい。本実施形態では、その研磨厚さを約２０μmとする。このとき、上側層９ｂが約１μmの厚さで残存するが、これにより特に問題が発生することはない。
【０１１０】
なお、第１実施形態で説明したように、無機粒子８による砥粒３の切削を防止するため、砥粒３よりも硬度が低い無機粒子８を使用するのが好ましい。但し、無機粒子８が柔らかすぎると、砥石４の表面に付着した樹脂材料７を無機粒子８で掻き落とすのが難しくなるので、樹脂材料７よりも硬度が高い粒子を無機粒子８として使用するのが好ましい。
【０１１１】
第１実施形態で説明したように、一般的にはモース硬度が５以上９以下の無機粒子であれば、これらの条件を満たすことができる。
【０１１２】
このような研磨を終了すると、図１１（ａ）に示すような断面構造が得られる。
【０１１３】
この後は、上記した図９（ａ）〜図１１（ａ）の工程を繰り返すことにより、図１１（ｂ）に示すような５層の多層配線構造を得る。
【０１１４】
以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。
【０１１５】
上記した本実施形態によれば、図１０（ａ）に示したように、下側層９ａと上側層９ｂで樹脂層９を構成するようにした。このうち、下側層９ｂは、無機粒子８を含有していないので、無機粒子８を含有する上側層９ａよりも弾性率が低い。従って、樹脂層９の全体としては、その全てに無機粒子８を添加する場合よりも弾性率が低下するので、樹脂層９に起因したシリコン基板２０の反りを第２実施形態よりも低減でき、基板の反りの低減と砥石４の目詰まり防止とを両立させることが可能となる。
【０１１６】
このような利点は、下側層９ａにおける無機粒子８の含有量を上側層９ｂのそれよりも少なくすることによっても得られ、上記のように下側層９ａにおける無機粒子８の含有量をゼロにする必要は必ずしもない。
【０１１７】
また、第１実施形態で説明したようなゴム成分を有する複数の樹脂粒子を各層９ａ、９ｂに添加し、樹脂層９の全体の弾性率を更に低減するようにしてもよい。
【０１１８】
（５）第４実施形態
本実施形態では、第３実施形態で説明した二層構造の樹脂層９を、半導体チップの再配線層下の絶縁膜に適用する。
【０１１９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、図１２（ａ）〜（ｃ）において、第３実施形態において説明したのと同じ要素には第３実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１２０】
最初に、図１２（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【０１２１】
まず、不図示の回路等が形成されたシリコン基板２０の回路形成面に、ニッケル層と金層とをこの順に積層してなる電極パッド７３を形成し、更にその上に金よりなるスタッドバンプ７２を形成する。そのスタッドバンプ７２は、電極パッド７３に接合されているボール部分で約１５μmの高さを有し、スタッド部分を含めた全体としては約３０μmの高さを有する。
【０１２２】
次いで、下側層９ａと上側層９ｂよりなる二層構造のラミネートフィルムを作製し、そのラミネートフィルムをシリコン基板２０の回路形成面に樹脂層９として貼り付ける。
【０１２３】
その下側層９ａはエポキシ樹脂よりなり、上側層９ｂは平均粒径が３μmのシリカよりなる無機粒子８をエポキシ樹脂よりなる樹脂材料７に４０wt%の濃度で含有させてなる。
【０１２４】
なお、ラミネートフィルム状の樹脂層９は、第３実施形態と同様の方法で作製され、シリコン基板２０に貼り付ける際には硬化しておらず生乾きの状態である。
【０１２５】
各層９ａ、９ｂの厚さは特に限定されないが、スタッドバンプ７２の高さよりも薄く下側層９ａを形成するのが好ましい。本実施形態では、各層９ａ、９ｂの厚さをいずれも約２０μmとする。
【０１２６】
この後に、基板温度１８０℃、処理時間１時間の条件で樹脂層９に対して熱処理を行い、樹脂層９を熱硬化させる。
【０１２７】
次いで、図１２（ｂ）に示すように、例えば＃１０００の砥石により樹脂層９を研磨することにより、上側層９ｂ中の無機粒子８により砥石の目詰まりを防止しつつ、スタッドバンプ７２をその研磨面に表出させる。
【０１２８】
このとき、スタッドバンプ７２の高さよりも下側層９ａを薄くしたので、スタッドバンプ７２が研磨面に表出した時点でも上側層９ｂが残存するようになり、無機粒子８を含まない下側層９ａが砥石で研磨されず、下側層９ａによって砥石に目詰まりが発生するのを抑制できる。
【０１２９】
そして、樹脂層９の表面から約２０μmの深さまで研削されたところでこの研磨を終了する。
【０１３０】
研磨終了時点では、上側層９ｂは略完全に除去され、下側層９ａが約１〜２μmの深さまで僅かに研磨される。下側層９ａの研磨量がこのように僅かなため、下側層９ａと砥石との間に発生する研磨抵抗は特に問題はない。
【０１３１】
続いて、図１２（ｃ）に示すように、樹脂層９の上に銅層等の金属層を形成し、それをパターニングして再配線層７５とする。
【０１３２】
その後に、外部接続端子として機能するはんだボール７６を再配線層７５の上に搭載し、本実施形態に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
【０１３３】
以上説明した本実施形態では、図１２（ａ）に示したように、下側層９ａが無機粒子８を含まないためその弾性率が上側層９ｂのそれよりも低くなり、これらの層９ａ、９ｂで構成される樹脂層９全体の弾性率を低くすることができ、樹脂層９によって発生するシリコン基板２０の反りを防止することができる。
【０１３４】
なお、第３実施形態で説明したように、このような利点を得るには下側層９ａにおける無機粒子８の含有量をゼロにする必要はない。下側層９ａにおける無機粒子８の含有量を上側層９ｂのそれよりも少なくすることによっても、シリコン基板２０の反りを防止できる。
【０１３５】
更に、図１２（ｂ）における研磨工程の際、上側層９ｂに含まれる無機粒子８によって砥石の目詰まりが防止される。
【０１３６】
本願発明者が行った調査によると、上側層９ｂを省いて下側層９ａのみを＃１０００の砥石で研磨した場合では、まもなく目詰まりが発生して加工不能となったが、本実施形態のように上側層９ｂを形成することで＃１０００の砥石に目詰まりは発生しなかった。
【０１３７】
これにより、本実施形態では、基板の反りと砥石の目詰まりの両方を抑制することが可能となる。
【０１３８】
更に、このように砥石の目詰まりを防止できることから、研磨がスムーズに行われ、研磨に要する時間を短縮でき、研磨工程のスループットを高めることができる。
【０１３９】
（６）第５実施形態
本実施形態では、第１〜第４実施形態で説明した研磨方法を半導体パッケージに適用する。
【０１４０】
図１３は、本実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【０１４１】
その半導体パッケージは、回路基板４０、インターポーザ５０、及び半導体チップ６０を図示のように実装してなる。
【０１４２】
このうち、回路基板４０は、セラミック等よりなるコア基材４１の上に金属ビア４２、第１樹脂層４３、金属配線４７、及び第２樹脂層４８をこの順に形成してなる。コア基材４１にはスルーホール４１ａが形成されており、その内面にスルーホール内金属層４４とスルーホール穴埋め樹脂４５が形成される。
【０１４３】
インターポーザ５０はポリイミドフィルム等の基材５２を有し、その基材５２の一方の面がダイアタッチ材５１によって回路基板４０に固着される。基材５２の他方の面には、金属ビア５５、第３樹脂層５６、金属配線５７、第４樹脂層５８、及び金属パッド５９が積層される。
【０１４４】
そして、基材５２の周縁に配置された金属パッド５９には、金線等のボンディングワイヤ５３の一端が接合される。そのボンディングワイヤ５３の他端は、回路基板４０の最上層に形成された金属パッド４９に接合される。
【０１４５】
また、半導体チップ６０は、はんだボール６３により金属パッド５９に電気的かつ機械的に接続される。そして、半導体チップ６０とインターポーザ５０の間の空間にはアンダーフィル樹脂６４が充填され、これにより半導体チップ６０とインターポーザ５０との接続強度が向上する。
【０１４６】
このような半導体パッケージでは、第２実施形態で説明した金属ポストの形成方法と同じ方法により、銅よりなる金属ビア４２、５５と金属配線５７等の凸状導電層が形成される。そして、第１〜第４樹脂層４３、４８、５６、５８は、第１、第２実施形態で説明したような樹脂材料に無機粒子を添加してなる樹脂層が採用される。或いは、第３、第４実施形態で説明したような、無機粒子の含有濃度が低い下側層と含有濃度が高い上側層よりなる二層構造の樹脂層を採用してもよい。
【０１４７】
各樹脂層４３、４８、５６、５８は成膜後に砥石によって研磨され、それらの上面が平坦化される。このとき、第１〜第４実施形態で説明したように、これらの樹脂層中の無機粒子によって砥石の目詰まりが防止されると共に、金属ポスト４２、５５のダレも抑制することができる。これにより、砥石を用いた安価な研磨法により、各樹脂層４３、４８、５６、５８の平坦化を安定的に行うことができるので、半導体パッケージの多層配線構造を安いコストで量産することが可能となる。
【０１４８】
更に、第３、第４実施形態で説明したような二層構造の樹脂層を採用すると、弾性率の低い下側層によって各樹脂層４３、４８、５６、５８の全体の弾性率が低くなり、パッケージ全体の反りを抑制できる。
【０１４９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
【０１５０】
例えば、第１〜第３実施形態では樹脂層を研磨するために砥石を用いたが、これに代えて図１４に示すような研磨紙を用いてもよい。
【０１５１】
その研磨紙７０は、ダイヤモンド等の砥粒３と結合材２との混練体を紙７１の上に形成してなる。
【０１５２】
このような研磨紙７０を用いて樹脂層を形成する場合でも、第１〜第４実施形態のように樹脂層に無機粒子を添加することで、研磨紙７０の研磨面に目詰まりが発生するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】図１は、砥石を用いた研磨材料の研磨について模式的に示す拡大断面図である。
【図２】図２は、塑性材料で研磨材料を構成した場合における、砥石を用いた研磨材料の研磨について模式的に示す拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る研磨方法について模式的に示す拡大断面図である。
【図４】図４は、無機粒子の添加量と樹脂層の弾性率、及び添加量とシリコン基板の反りとの関係を調査して得られたグラフである。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第５実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。
【図１４】図１４は、本発明で使用可能な研磨紙の断面図である。
【符号の説明】
【０１５４】
１…研磨材料、２…結合材、３…砥粒、４…砥石、６…基体、７…樹脂材料、８…無機粒子、９…樹脂層、９ａ…下側層、９ｂ…上側層、２０…シリコン基板、２１…パッシベーション膜、２２…下地導電層、２３…シード層、２４…第１レジストパターン、２４ａ…窓、２５…金属めっき層、２６…第２レジストパターン、２６ａ…孔、３０…金属ポスト、３１…金属配線、４０…回路基板、４１…コア基材、４１ａ…スルーホール、４２…金属ビア、４３…第１樹脂層、４４…スルーホール内金属層、４５…スルーホール穴埋め樹脂、４７…金属配線、４８…第２樹脂層、４９…金属パッド、５０…インターポーザ、５１…ダイアタッチ材、５２…基材、５３…ボンディングワイヤ、５５…金属ビア、５６…第３樹脂層、５７…金属配線、５８…第４樹脂層、５９…金属パッド、６０…半導体チップ、６３…はんだボール、６４…アンダーフィル樹脂、７０…研磨紙、７１…紙、７２…スタッドバンプ、７３…電極パッド、７５…再配線層、７６…はんだボール。
【図１】
0005092670.tif 000002
【図２】
0005092670.tif 000003
【図３】
0005092670.tif 000004
【図４】
0005092670.tif 000005
【図５】
0005092670.tif 000006
【図６】
0005092670.tif 000007
【図７】
0005092670.tif 000008
【図８】
0005092670.tif 000009
【図９】
0005092670.tif 000010
【図１０】
0005092670.tif 000011
【図１１】
0005092670.tif 000012
【図１２】
0005092670.tif 000013
【図１３】
0005092670.tif 000014
【図１４】
0005092670.tif 000015