JP2002368024A - 半導体用層間絶縁材料及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】再配線加工半導体装置の信頼性を大幅に向上で
きる低応力絶縁材料を提供する。 【解決手段】熱膨張係数が１×１０Ｅ−６から１×１０
Ｅ−５（１／℃）の薄膜を形成する無機化合物と有機化
合物より成る半導体用層間絶縁材料。無機化合物は金属
元素の酸化物、窒化物、炭化物及びその誘導体、有機化
合物は複数の官能基及び置換基を持つ柔軟性を有する共
有結合分子が好ましい。両化合物とも水酸基、アルコキ
シ基、カルビノール基、カルボキシル基、シリル基、メ
ルカプト基、アミノ基、エポキシ基、アクリル基を有す
ることが好ましい。最大粒径１０μｍ以下の球状無機化
合物を有機化合物によって物理的又は化学的に結合した
構造が好ましい。製法としては球状無機化合物前駆体を
生成し有機化合物で連結する方法が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、超高密度半導体の
再配線用絶縁材料に関するものである。ここでいう再配
線とは、半導体素子の表面に電気回路を形成し独立した
装置にするものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、情報通信技術の急速な進歩に呼応
して、電子機器の性能向上、小型化、軽量化及び低コス
ト化が強く求められている。これらの要望を満たすた
め、電子機器の心臓部である半導体装置の高密度化が必
須のものとなっている。半導体装置の高密度化は、ＣＳ
Ｐ（チップ・スケール・パッケージ）等の装置自体を小
さくする方法や装置を積層する３Ｄ技術等によりその実
現が図られている。

【０００３】半導体装置は電気回路基板（母基板と称す
る）に搭載し他の電子機器と電気的に接続することによ
りその機能を発揮する。通常、半導体素子（素子と称す
る）の接続箇所は外周部に設置されており半導体装置も
外周部で接続する構造（ＤＩＰ、ＱＦＰ等）が一般的で
ある。又、任意の箇所で接続する場合には中継基板（子
基板と称する）を介して接続する構造（ＰＧＡ、ＢＧＡ
等）が採用されている。即ち、従来の再配線は金属バン
プ（金、半田、銅等）を介して素子と子基板を電気接続
するものであった。

【０００４】最近、更なる高密度化のため子基板を使用
せず素子の表面に電気回路を配線し母基板や他の電子部
品と接続する技術が検討され始めた。現在は、素子表面
をポリイミド樹脂及び銅で被覆し、その後電気回路を形
成する方法が主流である。しかしながら、大きな素子の
場合には有機化合物であるポリイミド樹脂と無機化合物
である素子や銅との熱膨張率の違いにより重大な応力問
題が発生し実用化には至っていない。従来の子基板で
は、素子と子基板の間隙やバンプ自体が応力緩衝の働き
をし問題とはならなかった。

【０００５】一般的な薄膜形成技術としては物理的方法
や化学的方法があるが、一長一短があり平滑な絶縁層を
形成することは難しい。又、成膜条件より使用できない
方法も多い。物理的方法としては、ＰＶＤ法（スパッタ
リング、真空蒸着、イオンプレーティング）、スプレー
法、熔射法、電気泳動法、超急冷法等が知られている。
又、化学的方法としては、ＣＶＤ、不均等化反応法、ゾ
ルゲル法、陽極酸化法、焼成法等が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体装置
の再配線化に対応できる絶縁材料を提供するものであ
る。この材料は、素子及び電気配線材料との熱歪みが小
さく、接着性や耐熱性に優れるものであり、再配線半導
体装置の高信頼性をできるものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は素子の表面に塗
布し絶縁性薄膜を形成する材料を提供するものであり、
該薄膜の熱膨張係数が１×１０Ｅ−６から１×１０Ｅ−
５（１／℃）の範囲にある無機化合物と有機化合物の複
合組成物である。

【０００８】請求項２及び請求項３は化合物を限定する
ものであり、無機化合物としては金属元素の酸化物、窒
化物、炭化物及びその誘導体、有機化合物は複数の官能
基及び置換基を持つ柔軟性を有する共有結合分子を挙げ
るものである。

【０００９】請求項４は、無機及び有機化合物の官能基
を限定するものあり、水酸基、アルコキシ基、カルビノ
ール基、カルボキシル基、シリル基、メルカプト基、ア
ミノ基、エポキシ基、アクリル基を挙げるものである。

【００１０】請求項５は複合組成物の構造に関するもの
であり、最大粒径１０μｍ以下の球状無機化合物を有機
化合物によって物理的又は化学的に結合した。

【００１１】請求項６は製法に関するものであり、有機
金属塩を加水分解重合し球状無機化合物前駆体を生成す
る工程、無機化合物前駆体の分散液を水から有機溶媒に
置換する工程、無機化合物前駆体と反応する有機化合物
を添加し混合する工程、加熱等の操作により無機化合物
と有機化合物を結合させる工程、必要に応じて他成分
（触媒、接着成分等）を添加する工程より製造される。

【００１２】本発明は、無機化合物を主成分とする有機
化合物との複合材料（ハイブリッド材料）である。高密
度半導体装置の主要部材である素子や金属箔と冷熱時寸
法伸縮を整合させるため無機化合物を主成分とし、これ
を有機化合物で柔軟に結合することにより変形時の脆さ
にも対応できる材料である。

【００１３】素子の主たる構成素材は二酸化珪素、ポリ
シリコン等（熱膨張係数２〜３０×Ｅ−７／℃）、金属
箔の素材は銅、アルミニウム等（熱膨張係数１〜３×Ｅ
−５／℃）である。これら素材を絶縁する材料の熱膨張
はこれら素材の中間にあることが好ましい。ある一方に
著しく偏ると強度の弱い片方が反ったり破壊され半導体
装置として。

【００１４】従来の絶縁材料はポリイミド樹脂やシリコ
ーン樹脂（熱膨張係数＞５×Ｅ−５／℃）であり、これ
らの熱膨張は素子の構成素材に比べてはるかに大きく金
属箔に比べても大きい。又、無機系の絶縁材料は加工条
件が厳しい（例えば、加工温度が高い＞２００℃）もの
が多く現実性がなかった。

【００１５】無機化合物としては金属元素の酸化物、窒
化物、炭化物及びこれらの誘導体であることが好まし
い。例えば、酸化硅素、窒化硅素、炭化硅素、窒化アル
ミニウム、酸化アルミニウム等を挙げることができる。
又、表面には反応性及び又は接着性の官能基を有するこ
とが好ましい。

【００１６】有機化合物としては、主鎖が共有結合で構
成され、複数種の官能基（反応性、接着性）及び置換基
を複数個有することが好ましい。環境変化に対して安定
な基本骨格を持ち適度の柔軟性及び結合性を発揮するた
めである。

【００１７】官能基の種類としては、水酸基、アルコキ
シ基、カルビノール基、カルボキシル基、シリル基、メ
ルカプト基、アミノ基、エポキシ基、アクリル基が好ま
しい。本発明では、これら官能基で無機化合物の表面を
変性したり、これら官能基を有する有機化合物（炭化水
素系樹脂、シリコーン系樹脂等）を使用する。

【００１８】絶縁材料としては、最大粒径１０μｍ以下
の球状無機化合物を主成分とすることが好ましい。半導
体用途、特に再配線用途では粗大性、異方性は悪影響を
与えることが公知である（電子通信学会要旨集、２−２
４４、１９８５年）。又、これら球状無機化合物を適度
な柔軟性を有する有機化合物で結合することがこのまし
い。

【００１９】適切な大きさの球状剛直骨格（無機化合
物）を有し適切な柔軟物質で連結することにより、小さ
な熱伸縮特性と柔軟性の両立が可能となるものである。
小さな無機化合物及び有機化合物を結合し成膜してもひ
び割れや多孔質の状態となり再配線の下地として使用で
きない。

【００２０】即ち、まず球状無機化合物の前駆体を生成
し、これに適切な有機化合物を添加し結合させることに
より、球状無機化合物骨格を有するハイブリッド絶縁材
料を製造することが好ましい。

【００２１】本発明の絶縁材料は、素子の表面に塗布し
成膜させるものである。塗布方法としてはスピンコー
ト、ブレードコート、スプレーコート等が一般的であ
る。成膜時には絶縁材料の種類や絶縁する領域により必
要な加工を施す。例えば、乾燥による分散剤除去、加熱
硬化や紫外線硬化、導電部のレジスト加工等である。

【００２２】又、本発明の絶縁材料には、必要に応じて
他の成分（接着剤、希釈剤、柔軟剤等）を添加しても良
い。

【００２３】図１は本発明の絶縁材料が使用された半導
体装置を模式的に示す断面図である。半導体素子１に絶
縁材料２が成膜されている。３は再配線、４は保護材
料、７は半田バンプ、８はリードバンプである。尚、本
発明の絶縁材料は表面保護材料としても使用できる。

【００２４】以下、本発明を実施例及び比較例にて具体
的に説明する。

【００２５】絶縁材料の製法は以下の通りである。特開
平１０−２６５１１に準じて正硅酸メチルを加水分解し
平均粒径２μｍの球状シリカ前駆体（表面に水酸基）を
含有するスラリーを生成した。このスラリーの分散液を
芳香族系溶媒に置換し、アルコキシ基を有するシラン系
オリゴマー（信越化学工業）を加え、次に加熱しその後
濃縮し更に他の補助成分を添加し絶縁材料を試作した。
本材料は剛直な球状シリカを柔軟なシロキサン結合で連
結された構造を有している。本材料（硬化物）の熱膨張
係数は４×Ｅ−６／℃であった。

【００２６】熱膨張係数は熱機械的分析装置（セイコー
電子）を用いて測定した。

【００２７】

【実施例】金バンプ付き模擬素子の表面に上記絶縁材料
をスピンコートし乾燥後５μｍ厚の薄膜を形成した。バ
ンプ表面を露出した後銅箔をラミネートし通常の方法で
電気回路を描いた。この模擬半導体装置の信頼性試験を
実施したところ１０００時間まで不良は発生しなかっ
た。

【００２８】模擬半導体装置の信頼性試験方法は、以下
の通りである。 素子 ：櫛形アルミ電気回路、パッシベーションなし 前処理：１２５℃・１００％・２４時間＋２６０℃・１
０秒３回加熱 条件 ：１２５℃・１００％環境下にて放置

【００２９】

【比較例１】本発明の絶縁材料と同じ比率で正珪酸メチ
ル、シラン系オリゴマー芳香族系溶媒及びその他添加物
を配合し別の絶縁材料を試作した。この材料を用いて実
施例同様に素子表面への成膜化を検討した。しかしなが
ら、多くのひび割れが生じ目的とする薄膜は形成できな
かった。これは、原料類が体積収縮を伴う縮合反応によ
り架橋するため連続的な被膜ができなかったものと考え
られる。

【００３０】

【比較例２】本発明の絶縁材料の代わりにポリイミド樹
脂（東レ）を用いて実施例同様に再配線半導体装置を試
作した。この装置の信頼性試験を実施しようとしたとこ
ろ前処理段階で再配線が部分剥離した。これは、吸湿半
田処理時に絶縁材料と素子及び銅箔との間で大きな寸法
歪みが生じたためと考えられる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、高密度半導体装置の再配線用
絶縁材料を提供するものである。低熱膨張と高強度及び
柔軟性を両立する強靱な材料であり、本発明の絶縁材料
を使用し製造した再配線半導体装置は信頼性の高いもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 絶縁材料 ３ 再配線 ４ 保護材料 ７ 半田バンプ ８ リードバンプ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子の表面に塗布し絶縁性の薄膜を
   形成する材料であり、無機化合物と有機化合物の複合組
   成物であり、該薄膜の熱膨張係数が１×１０Ｅ−６から
   １×１０Ｅ−５（１／℃）の範囲にある半導体用層間絶
   縁材料。
2. 【請求項２】無機化合物が金属元素の酸化物、窒化物、
   炭化物及びその誘導体より選ばれた少なくとも１種であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体用層間絶縁
   材料。
3. 【請求項３】有機化合物が２個以上の反応性及び又は接
   着性の官能基、及び複数の炭化水素系置換基を有してお
   り、該骨格が２個以上の共有結合元素（炭素、窒素、酸
   素、硅素、リン、硫黄等）より成る分子鎖より構成され
   ていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
   半導体用層間絶縁材料。
4. 【請求項４】無機化合物及び又は有機化合物が水酸基、
   アルコキシ基、カルビノール基、カルボキシル基、シリ
   ル基、メルカプト基、アミノ基、エポキシ基、アクリル
   基より選ばれた１種以上の反応性及び又は接着性の官能
   基を有していることを特徴とする請求項１から請求項３
   のいずれか１項に記載の半導体用層間絶縁材料。
5. 【請求項５】複合組成物の主成分が最大粒径１０μｍ以
   下の球状無機化合物であり、該無機化合物同士が有機化
   合物によって物理的又は化学的に結合された構造を有す
   ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１
   項に記載の半導体用絶縁材料。
6. 【請求項６】次の工程により製造された半導体用層間絶
   縁材料。 １）有機金属塩を加水分解重合し球状無機化合物前駆体
   を生成する。 ２）無機化合物前駆体の分散液を水から有機溶媒に置換
   する。 ３）無機化合物前駆体と反応する有機化合物を添加し混
   合する。 ４）加熱等の操作により無機化合物と有機化合物を結合
   させる。 ５）必要に応じて他成分（触媒、接着成分等）を添加す
   る。