インターポーザーの再配線層　再配線層とは何か？どのような絶縁層が使用されるのか？

この記事で分かること

インターポーザーの再配線層

　チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。

　複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。

　前回は有機インターポーザーに関する記事でしたが、今回はインターポーザーの再配線層に関する記事となります。

インターポーザの再配線層とは何か

　インターポーザの再配線層（RDL: Redistribution Layer）とは、インターポーザと呼ばれる中間基板上に形成される、複数のチップレット（半導体チップ）間およびチップレットと外部基板との間で信号と電力をやり取りするための高密度な配線層のことです。

これは、チップレットを高密度に集積する2.5次元実装において、非常に重要な役割を果たします。

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再配線層（RDL）の主な役割

RDLの主な目的は、電気的な接続を最適化し、高性能で小型なシステムを構築することです。

1. チップレット間の相互接続（横方向の通信）:
   • インターポーザ上に水平に配置された複数のチップレット（例：CPUとメモリ）は、このRDLを介して高速かつ効率的に電気信号をやり取りします。
   • RDLは、チップの端子（I/Oパッド）の配置を、隣接するチップの端子や、インターポーザの接続ポイントに合わせて再配置・拡張（ファンアウト）する役割を担います。
2. 配線密度の向上と信号伝送の最適化:
   • RDLは、非常に微細な銅（Cu）配線と絶縁層（ポリマーや酸化膜など）を多層構造として形成することで、従来のパッケージ基板よりもはるかに高密度な配線を実現します。
   • これにより、配線長が短縮され、信号遅延（ディレイ）やノイズ（クロストーク）を最小限に抑え、システムの電気的性能（高速性と効率）が向上します。
3. 接続端子のピッチ変換:
   • チップレットの接続端子（マイクロバンプ）は非常に微細なピッチ（間隔）ですが、RDLはこれを外部のメイン基板へ接続するための、より大きなピッチの端子へと変換する中継役も果たします。

RDLインターポーザの材料

　インターポーザの基材として、RDLは主に以下の2種類に形成されます。

インターポーザの種類	基材	RDLの特徴	コスト
シリコンインターポーザ	シリコン（Si）	半導体前工程の技術を利用し、非常に微細な配線（1 $\mu m$ 以下）が可能。高性能・高集積向け。	高価
RDLインターポーザ	有機（樹脂）基板	シリコンに比べて配線は太くなるが、大面積化が容易。コスト効率が高い。	比較的低コスト

　RDLは、チップレット技術と2.5次元実装の鍵となる技術であり、AIやHPC（高性能コンピューティング）など、高性能が求められる先端デバイスの発展を支えています。

使用される絶縁層の種類は何か

　インターポーザの再配線層（RDL）に使用される絶縁層の材料は、主にそのインターポーザの基材や、求められる性能（配線の微細度、電気特性、コストなど）によって異なり、大きく有機系材料と無機系材料に分けられます。

1. 有機系材料（ポリマー）

　RDLの絶縁層として最も一般的に、特に低コストや大面積化が求められるパッケージング技術で広く使用されます。

• ポリイミド (PI: Polyimide)
  • 特徴: 高い耐熱性、優れた機械的強度、高い電気絶縁性を持ち、信頼性が高い。感光性のものもあり、微細加工にも使われます。
• ベンゾシクロブテン (BCB: Benzocyclobutene)
  • 特徴: 非常に低い比誘電率（Low-k）を持つため、信号の伝送速度が向上し、電気損失（クロストーク）を低減できるため、高周波デバイスや高性能な用途に適しています。吸湿性も低いです。
• ポリベンゾオキサゾール (PBO: Polybenzoxazole)
  • 特徴: ポリイミドと同様に高い耐熱性と機械的強度を持ち、感光性タイプも利用されます。
• エポキシ樹脂
  • 特徴: 一般的なパッケージ基板にも使われ、比較的低コストで高い電気絶縁性を持ちますが、微細配線には不向きな場合があります。

2. 無機系材料

　主にシリコンインターポーザのように、極めて高い配線密度と微細加工が求められる場合に採用されます。

• シリコン酸化膜
  • 特徴: 半導体前工程の技術で形成されるため、非常に微細な配線が可能です。ただし、有機材料と比較して比誘電率が高いため、高周波での電気損失が大きくなる傾向があります。
• シリコン窒化膜
  • 特徴: パッシベーション層（最表面の保護膜）としても使用されます。

重要な特性：比誘電率 (Dk)

　RDLの絶縁材料を選ぶ上で最も重要な特性の一つが比誘電率 (Dk)です。

　Dk値が低い材料（例：BCB、特定のポリイミド）を使用すると、配線間の静電容量（キャパシタンス）が低下し、信号の遅延や電力損失を抑えられるため、高速通信や高性能化に有利になります。

微細な銅配線の形成方法は

　微細な銅（Cu）配線、特に再配線層（RDL）のような高密度な配線を形成する主要な方法は、半導体前工程の技術であるダマシン・プロセス、あるいは後工程のパッケージング技術であるセミアディティブ・プロセス（SAP）が用いられます。

　インターポーザの基材（シリコンか有機基板か）によって、どちらのプロセスが適しているかが異なります。

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1. ダマシン・プロセス (Damascene Process)

　シリコンインターポーザのように極めて微細な配線（サブ μm ）が求められる場合に採用される手法です。

プロセスの特徴

• 配線の埋め込み: 絶縁膜に溝（配線）と穴（ビア/コンタクト）を掘り、そこに金属（銅）を埋め込んで配線を形成します。
• ドライエッチングの回避: 銅はドライエッチング（気体による加工）が難しいため、先に絶縁膜をエッチングし、後から銅を埋め込むこの手法が適しています。

主な手順 (デュアルダマシン法の場合)

1. 絶縁膜形成: 絶縁膜（SiO2やLow-k材料など）を基板全面に成膜します。
2. 溝・穴形成: リソグラフィとエッチングにより、配線となる溝と、上下の層を接続するビアの穴を同時に形成します。
3. バリア・シード層形成: 銅の拡散を防ぐためのバリア層と、銅めっきの種となるシード層を形成します。
4. 銅めっき: 溝と穴を銅で完全に埋め尽くします。
5. CMP（化学機械研磨）: 不要な余分な銅とバリア層を、表面が平坦になるまで研磨して除去し、配線だけを残します。

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2. セミアディティブ・プロセス (SAP: Semi-Additive Process)

　RDLインターポーザや高性能な有機パッケージ基板など、主に後工程で数μm程度の配線幅を形成する場合に広く使われる手法です。

プロセスの特徴

• めっきの利用: フォトレジストで配線パターンを形成した後、電気めっきを利用して銅を成長させます。

主な手順

1. シード層形成: 基板全面に導電性の薄いシード層（銅など）をスパッタリングなどで形成します。
2. レジスト塗布・露光: 配線層の絶縁材の上に感光性のレジストを塗布し、配線パターンの溝が残るように露光・現像します。
3. 銅めっき（配線形成）: 露出したシード層上の溝部分に、電気めっきによって銅を厚く成長させ、配線を形成します。
4. レジスト除去: 役割を終えたレジストを除去します。
5. シード層エッチング: 配線として残したい銅の下の、不要なシード層のみをエッチングで除去します。
6. 絶縁層形成: 配線の上に再び絶縁層（ポリイミドなど）を形成し、上記のプロセスを繰り返して多層構造を作ります。