JP7581715B2 - 半導体パッケージを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージを製造する方法に関する。

小型化及び高性能化を実現する半導体パッケージとして、ファンアウト型のウエハレベルパッケージ（Ｆａｎ－ｏｕｔ Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ、ＦＯＷＬＰ）が採用されることがある。ＦＯＷＬＰは、ＩＣチップの面積よりも大きい面積を有する再配線層を有する。再配線層を形成する方法は、フォトレジストを使用するセミアディティブ法が一般的である。

特許文献１は、非感光性絶縁樹脂層に、インプリント工法により層間接続用のビアホールとなる凹部を形成することを含む方法によって、多層半導体パッケージ基板を製造する方法を開示する。

特開２０１９－２２０５４７号公報

５μｍ以下のような微小な幅を有する導電性ビアを有する配線構造体をインプリント法によって形成する場合、導電性ビアが適切に形成されないために配線の短絡又は導通不良が発生し易い。

そこで、本発明の一側面は、５μｍ以下の微小な幅を有する導電性ビアを有する配線構造体を非感光性の絶縁樹脂を用いたインプリント法によって形成することを含む方法によって半導体パッケージを製造する場合に、導電性ビアの不良の発生を抑制することにある。

本発明の一側面は、５μｍ以下の最小幅を有する導電性ビアを含む配線構造体を備える半導体パッケージを製造する方法を提供する。本発明の一側面に係る方法は、対向する２つの主面を有する絶縁性基材と該絶縁性基材の一方の主面側に設けられランド電極を含むパターンを有する導体層とを有する配線基材を準備し、前記配線基材上に、前記導体層を覆う非感光性の絶縁樹脂層を形成する工程と、前記絶縁性基材及びモールドをそれぞれ所定の成形温度に加熱しながら、前記絶縁樹脂層に対してモールドを前記基材とは反対側から押し込むことを含むインプリント法によって、前記絶縁樹脂層を貫通するビア孔を含むパターンを前記絶縁樹脂層に形成させる工程と、前記ビア孔を充填する前記導電性ビアを含む金属層を形成する工程とを含む。前記モールドは、前記ビア孔の反転形状を有し、先端面を有するビア部を含む凸部を有する。前記モールドは、前記絶縁樹脂層に押し込まれる間、前記絶縁樹脂層の厚さ方向からみたときに前記ビア部の先端面と前記ランド電極とが重なるように設定された目標位置に位置合わせされる。前記ビア部の先端面の幅がＷ［μｍ］であり、前記絶縁性基材の線膨張係数がαで前記絶縁性基材の成形温度と３０℃との差がΔＴであり、前記モールドの線膨張係数がβで前記モールドの成形温度と３０℃との差がΔｔであるとき、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値がＷ×２．５の値よりも小さい。

５μｍ以下のような微小な幅を有する導電性ビアを有する配線構造体をインプリント法によって形成する場合、モールドと絶縁性基材との線膨張係数の差に起因する位置ずれが、導電性ビアの形成の状態に影響を及ぼし得る。導電性ビアが微小化され、それにともなってランド電極も微小化されると、位置ずれの影響が無視できなくなり、その結果、導電性ビアが適切に形成され難くなると考えられる。そこで、絶縁性基材及びモールドそれぞれの線膨張係数α、βと、絶縁性基材及びモールドの加熱温度（成形温度）と室温（ここでは３０℃）との差ΔＴ、Δｔに着目し、これらから計算される（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値と、モールドを構成する凸部の先端面の幅Ｗとの関係を適切に設定することによって、導電性ビアの不良の発生を抑制できることを本発明者は見出した。

本発明の一側面によれば、５μｍ以下の微小な幅を有する導電性ビアを有する配線構造体を非感光性の絶縁樹脂を用いたインプリント法によって形成することを含む方法によって半導体パッケージを製造する場合に、導電性ビアの不良の発生を抑制することができる。

本発明の一側面に係る方法によって形成された配線構造体は、非感光性の絶縁樹脂によって形成された絶縁樹脂層を含むことから、一般に親水性の高い感光性樹脂を用いて形成された絶縁樹脂層を含む配線構造体と比較して、誘電正接及び誘電率を制御し易く、高周波数特性の点で有利である。また、非感光性の絶縁樹脂は、感光性樹脂と比較して高い信頼性を達成し易い傾向がある。

フォトレジストを用いて形成された導電性ビアは、上方に向けて幅が増大する形状を有するため、配線の微細化に限界がある。インプリント法によれば一定の幅を有する貫通孔を容易に形成できるため、配線の微細化の点でも有利である。

半導体パッケージを製造する方法の一実施形態を示す工程図である。 半導体パッケージを製造する方法の一実施形態を示す工程図である。 半導体パッケージを製造する方法の一実施形態を示す工程図である。 導電性ビアの状態の一例を示す顕微鏡写真である。 導電性ビアの状態の一例を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１、図２及び図３は、半導体パッケージを製造する方法の一実施形態を示す工程図である。図１～３に示される方法は、対向する２つの主面Ｓ１，Ｓ２を有する絶縁性基材１と絶縁性基材１の一方の主面Ｓ１上に設けられた導体層２とを有する配線基材１０を準備し、配線基材１０上に導体層２を覆う非感光性の絶縁樹脂層３を形成する工程と、絶縁性基材１及びモールド５を所定の成形温度に加熱しながら、絶縁樹脂層３に対してモールド５を押し込むことを含むインプリント法によって、絶縁樹脂層３を貫通するビア孔３１、及び配線層を形成するための溝３２を含むパターンを絶縁樹脂層３に形成させる工程と、ビア孔３１の底部に残存する絶縁樹脂層３Ａを除去し、それによりランド電極２１を露出させる工程と、ビア孔３１を充填する導電性ビア４１及び溝３２を充填する配線層４２を含む金属層４を絶縁樹脂層３上に形成する工程と、金属層４及び絶縁樹脂層３の一部を配線基材１０とは反対側から除去することによって、金属層４及び絶縁樹脂層３が露出した平坦面Ｓ３を形成する工程とを含む。

これら工程を含む方法によって形成される配線構造体７は、例えば、ファンアウト型のウエハレベルパッケージ（ＦＯＷＬＰ）において、ＩＣチップに接続される再配線層として用いられる。

絶縁性基材１は、ＩＣチップを封止する封止樹脂層であってもよい。その場合、本実施形態に係る方法をダイファースト法によるＦＯＷＬＰの製造方法として適用することができる。あるいは、絶縁性基材１と導体層２との間に仮固定材層が設けられてもよい。その場合、本実施形態に係る方法をダイラスト法によるＦＯＷＬＰの製造方法として適用することができる。絶縁性基材１は、後述されるようにモールド５との線膨張係数の差等を考慮して選択される。

導体層２は、ランド電極２１及び配線層２２を含むパターンを有する。導体層２は、例えばセミアディティブ法によって形成される。図１の（ａ）に例示される形態の場合、絶縁性基材１の平坦な主面Ｓ１上に導体層２が設けられているが、導体層２と絶縁性基材１とで連続的な平坦面が形成されていてもよい。

図１の（ｂ）に示されるように、配線基材１０上に非感光性の絶縁樹脂層３が形成される。絶縁樹脂層３の最大厚さは、例えば２０μｍ以下、又は６μｍ以下であってもよく、３μｍ以上であってもよい。絶縁樹脂層３は、例えば、液状の非感光性絶縁樹脂組成物を配線基材１０にスピンコート若しくはスリットコートのような方法によって塗布する方法、又は、ドライフィルム状の非感光性絶縁樹脂組成物を配線基材１０にラミネートする方法によって形成することができる。絶縁樹脂層３は、良好な高周波特性が得られるように誘電正接及び誘電率が調節された絶縁樹脂であることができる。

続いて、図１の（ｃ）に示されるように、絶縁性基材１及びモールド５を所定の成形温度に加熱しながら、絶縁樹脂層３に対してモールド５が押し込まれる。モールド５は、ビア孔３１の反転形状を有し、先端面５１Ｓを有するビア部５１と、配線層４２を形成するための溝３２の反転形状を有する部分５２とを含む凸部を有する。モールド５において、溝３２の反転形状を有する部分５２の高さは、ビア部５１の高さよりも低い。溝３２の反転形状を有する部分５２とビア部５１とが連続的にモールド５の凸部を形成している。

モールド５は、絶縁樹脂層３に押し込まれる間、絶縁樹脂層３の厚さ方向からみたときにビア部５１の先端面５１Ｓとランド電極２１とが重なるように設定された目標位置に、アラインメント機能及び加熱機能を有するプレス装置によって位置合わせされる。絶縁樹脂層３に押し込まれるモールド５の実際の位置は、装置の精度等の制約により、目標位置とある程度異なり得る。モールド５の実際の位置は、例えば、目標位置から主面Ｓ１内の方向において１．５μｍ以下から２．０μｍ以下の範囲内にある。

モールド５の目標位置からのずれ等を考慮して、ランド電極２１の幅がビア部５１の先端面５１Ｓの幅Ｗよりも大きくてもよい。具体的には、ランド電極２１の幅はＷμｍ～Ｗ＋３μｍであってもよい。

モールド５及び絶縁性基材１は、それぞれ、絶縁樹脂層３が軟化する温度以上の成形温度に加熱される。絶縁樹脂層３が熱硬化性を有する場合、成形温度は絶縁樹脂層３の熱硬化反応が開始する温度以下の温度であってもよい。成形温度は、例えば、１５０～３００℃であってもよい。モールド５の成形温度と絶縁性基材１の成形温度とが、同じでも異なっていてもよい。

モールド５を押し込む力は、ビア部５１及びランド電極２１が破壊されない範囲で設定される。モールド５の表面が離型処理されていてもよい。離型処理の方法は、例えば離型剤をスプレー等で散布する方法、又はモールド５の表面をシランカップリング剤等でコートする方法であってもよい。

モールド５及び絶縁性基材１の温度が成形温度から室温（例えば２０～３０℃）まで低下した後、モールド５が絶縁樹脂層３から引き抜かれ、ビア孔３１及び溝３２を含むパターンが形成される。モールド５及び絶縁性基材１の温度が成形温度から室温まで冷却される間に、モールド５及び絶縁性基材１の成形温度及び線膨張係数の差に起因して、ランド電極２１とビア孔３１との相対的な位置が変化し得る。

ビア部５１の先端面５１Ｓの幅はＷ［μｍ］で、絶縁性基材１及びモールド５の線膨張係数はそれぞれα及びβで、絶縁性基材の成形温度と３０℃との差、及びモールドの成形温度と３０℃との差がそれぞれΔＴ及びΔｔであるとき、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値がＷ×２．５の値よりも小さくなるように、モールド５、絶縁性基材１、及び成形温度等が選択される。これにより、形成される導電性ビア４１の不良の発生を抑制することができる。同様の観点から、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値が、Ｗ×２．４、Ｗ×２．Ｗ×２．３、Ｗ×２．２、Ｗ×２．１、Ｗ×２．１又はＷ×２．０の値以下であってもよく、Ｗ×０．１以上であってもよい。（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は、１ｍｍ×１ｍｍの領域における、絶縁性基材１の熱膨張係数と温度差との積、及びモールド５の熱膨張係数と温度差との積の差に起因する位置ずれ量に相当する。上記と同様の観点から、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値が０．００７以下、０．００６以下、０．００５以下、０．００４以下、０．００３以下、又は０．００２以下であってもよく、０．０００５以上であってもよい。本明細書において、線膨張係数は、３０℃（室温）～３００℃の範囲における線膨張係数を意味する。

絶縁性基材１は、石英ガラス基板、ステンレス鋼基板、又は、エポキシ樹脂組成物の硬化体であってもよい。表１にそれぞれの基材の典型的な線膨張係数を示す。絶縁性基材１が石英ガラス基板又はステンレス鋼基板で、絶縁性基材１と導体層２との間に仮固定材層が設けられてもよい。

モールド５は、例えば、石英ガラス、シリコン又はニッケルによって一体的に形成された成形体であってもよい。これら材料（金型材）によって形成されたモールドの典型的な熱膨張係数を表２に示す。

例えば、絶縁性基材１がエポキシ樹脂組成物の硬化体からなる封止樹脂層で、モールド５が石英ガラスの成形体であり、絶縁性基材１及びモールド５の成形温度が３００℃である場合、ΔＴとΔｔは２７０℃であり、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．０１７４で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は１７．４μｍである。

絶縁性基材１がエポキシ樹脂組成物の硬化体からなる封止樹脂層で、モールド５がシリコンの成形体であり、絶縁性基材１及びモールド５の成形温度が３００℃である場合、ΔＴとΔｔは２７０℃であり、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．０１６５で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は１６．４μｍである。

絶縁性基材１が石英ガラス基板で、モールド５がシリコンの成形体であり、絶縁性基材１及びモールド５の成形温度が３００℃である場合、ΔＴとΔｔは２７０℃であり、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．０００９２で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は０．９２μｍである。

絶縁性基材１がステンレス鋼基板で、モールド５がシリコンの成形体であり、絶縁性基材１及びモールド５の成形温度が３００℃である場合、ΔＴとΔｔは２７０℃であり、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．００３８で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は３．７μｍである。

絶縁性基材１がステンレス鋼基板で、モールド５がニッケルの成形体であり、例えば、絶縁性基材１及びモールド５の成形温度が３００℃である場合、ΔＴとΔｔは２７０℃であり、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．００１２で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は１．２μｍである。

モールド５が引き抜かれた後、図２の（ａ）に示されるように、ビア孔３１の底部に絶縁樹脂層３Ａが残存することがある。残存する絶縁樹脂層３Ａの厚さが１μｍ以下となるように、インプリント法の条件を最適化してもよい。残存する絶縁樹脂層３Ａが除去されると、図２の（ｂ）に示されるようにビア孔３１の底部にランド電極２１が露出する。残存する絶縁樹脂層３Ａを除去する方法は、例えばプラズマ処理又はレーザー加工であってもよい。プラズマ処理の場合、使用するガス及び出力等を調整することにより、ビア孔３１及び溝３２の損傷を抑制しながら、残存する絶縁樹脂層３Ａを除去することができる。例えば、酸素ガス及びフルオロホルムガスを用いたプラズマ処理を採用することができる。

ビア孔３１の内壁と絶縁性基材１の主面Ｓ１との間の角度が０～５°であってもよい。この角度が小さいと、微細な配線を容易に形成することができる。

インプリント法によってビア孔３１及び溝３２が形成された後、導電性ビア４１及び配線層４２を含む金属層４が形成される。形成される導電性ビア４１の最小幅は、５μｍ以下、又は３μｍ以下であってもよく、１．０μｍ以上であってもよい。

金属層４は、例えば、ランド電極２１及び絶縁樹脂層３を覆い、めっきの給電層として用いられるシード層を形成することと、シード層上に金属めっき層を形成することにより、ビア孔３１を充填する導電性ビア４１と溝３２を充填する配線層４２とを含む金属層４を形成することと、金属層４及び絶縁樹脂層３の一部を配線基材１０とは反対側から除去することにより、金属層４及び絶縁樹脂層３が露出した平坦面Ｓ３を形成することとを含む方法によって形成される。シード層は、例えばスパッタ法により形成される層である。シード層上に金属めっき層が形成される。金属めっき層は銅を含むめっき層であってもよい。

金属層４及び絶縁樹脂層３を平面研磨することにより、平坦面Ｓ３が形成される。平面研磨のために、化学機械研磨装置又は機械研磨装置を用いてもよい。金属層４の除去方法は、エッチング液への浸漬であってもよい。

平坦面Ｓ３上に追加の非感光性の絶縁樹脂層を形成し、インプリント法によって追加の絶縁樹脂層を貫通するビア孔と追加の配線層を形成するための溝の反転形状を有する部分とを含むパターンを追加の絶縁樹脂層に形成させることと、ビア孔を充填する追加の導電性ビア及び溝を充填する追加の配線層を形成することとを繰り返すことにより、１層以上の追加の絶縁樹脂層、それぞれの追加の絶縁樹脂層を貫通する追加の導電性ビア、及び追加の導電性ビアに接続された追加の配線層を形成する工程により、多層の配線構造体を形成することができる。

以下、絶縁性基材とモールドとの線膨張係数の差と導電性ビアの形成状態との関係を検証した結果を示す。

絶縁性基材として石英ガラス基板、及びエポキシ樹脂組成物の硬化体からなる基板を準備した。これら絶縁性基材上に、モールドを用いたインプリント法によって、導電性ビアを形成した。モールドとして、直径２．０μｍの円柱状のビア部を含む凸部を有するシリコンの成形体を用いた。絶縁性基材及びモールドの成形温度は３００℃であった。上述のとおり、エポキシ樹脂組成物の基板とシリコン製のモールドとの組み合わせの場合、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．０１６で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は１６．４μｍである。石英ガラス基板とシリコン製のモールドとの組み合わせの場合、（α×ΔＴ－β×Δｔ）の値は０．０００９２で、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値は０．９２μｍである。

図４は石英ガラス基板を用いた場合の導電性ビアの顕微鏡写真であり、図５はエポキシ樹脂組成物の硬化体からなる基板を用いた場合の導電性ビアの顕微鏡写真である。図５のエポキシ樹脂組成物の基板とシリコン製のモールドとの組み合わせの場合、多数の導電性ビアが折れていた。図４の石英ガラス基板とシリコン製のモールドとの組み合わせの場合、導電性ビアの損傷は確認されなかった。

１…絶縁性基材、１…絶縁性基材、１０…配線基材、２…導体層、２２，４２…配線層、３，３Ａ…絶縁樹脂層、５…モールド、４…金属層、７…配線構造体、１０…配線基材、２１…ランド電極、３１…ビア孔、３２…溝、４１…導電性ビア、５１…ビア部、５１Ｓ…ビア部の先端面、５２…溝３２の反転形状を有する部分、Ｓ１，Ｓ２…主面、Ｓ３…平坦面、Ｗ…先端面５１Ｓの幅。

Claims (10)

1. ５μｍ以下の最小幅を有する導電性ビアを含む配線構造体を備える半導体パッケージを製造する方法であって、
   当該方法が、
   対向する２つの主面を有する絶縁性基材と該絶縁性基材の一方の主面側に設けられランド電極を含むパターンを有する導体層とを有する配線基材を準備し、前記配線基材上に、前記導体層を覆う非感光性の絶縁樹脂層を形成する工程と、
   前記絶縁性基材及びモールドをそれぞれ所定の成形温度に加熱しながら、前記絶縁樹脂層に対して前記モールドを前記配線基材とは反対側から押し込むことを含むインプリント法によって、前記絶縁樹脂層を貫通するビア孔を含むパターンを前記絶縁樹脂層に形成させる工程と、
   前記ビア孔を充填する導電性ビアを含む金属層を前記絶縁樹脂層上に形成する工程と、
   を含み、
   前記モールドが、前記ビア孔の反転形状を有し先端面を有するビア部を含む凸部を有し、
   前記モールドが、前記絶縁樹脂層に押し込まれる間、前記絶縁樹脂層の厚さ方向からみたときに前記ビア部の先端面と前記ランド電極とが重なるように設定された目標位置に位置合わせされ、
   前記ビア部の先端面の幅がＷ［μｍ］であり、前記絶縁性基材の線膨張係数がαで前記絶縁性基材の成形温度と３０℃との差がΔＴであり、前記モールドの線膨張係数がβで前記モールドの成形温度と３０℃との差がΔｔであるとき、（α×ΔＴ－β×Δｔ）×１０００の値が、Ｗ×０．１の値以上であってＷ×２．５の値よりも小さい、方法。
2. α×ΔＴ－β×Δｔの値が０．００７以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記導電性ビアの最小幅が３μｍ以下である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ビア孔の内壁と前記絶縁性基材の主面に垂直な面との間の角度が０～５°である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記絶縁樹脂層の厚さが６μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 当該方法が、前記モールドが前記絶縁樹脂層から引き抜かれた後、前記ビア孔の底部に残存する前記絶縁樹脂層を除去し、それにより前記ランド電極を露出させる工程を更に含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記金属層が、
   前記ランド電極及び前記絶縁樹脂層を覆うシード層を形成することと、
   前記シード層上に金属めっき層を形成することにより、前記シード層及び前記金属めっき層を含み、前記ビア孔を充填する前記導電性ビアを含む前記金属層を形成することと、
   を含む方法によって形成される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記モールドの前記凸部が、前記ビア部よりも低く、配線層を形成するための溝の反転形状を有する部分を更に含み、前記溝の反転形状を有する部分と前記ビア部とが連続的に前記凸部を形成しており、
   前記インプリント法によって、前記ビア孔及び前記溝を含むパターンが前記絶縁樹脂層によって形成され、
   前記ビア孔を充填する前記導電性ビアと前記溝を充填する前記配線層とを含む前記金属層が形成される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 当該方法が、
   前記金属層及び前記絶縁樹脂層の一部を前記配線基材とは反対側から除去することにより、前記金属層及び前記絶縁樹脂層が露出した平坦面を形成することと、
   前記平坦面上に追加の非感光性の絶縁樹脂層を形成し、前記インプリント法によって追加の前記絶縁樹脂層を貫通するビア孔を含むパターンを追加の前記絶縁樹脂層に形成させることと、前記ビア孔を充填する追加の導電性ビアを形成することとを繰り返すことにより、１層以上の追加の前記絶縁樹脂層及びそれぞれの追加の前記絶縁樹脂層を貫通する追加の導電性ビアを形成する工程を更に含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記半導体パッケージが、ＩＣチップを備えるファンアウト型のウエハレベルパッケージであり、前記配線構造体が前記ＩＣチップに接続された再配線層である、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

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