JP2001102499A

JP2001102499A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001102499A
Application number: JP28063599A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Yamamori; 義之山森
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】樹脂封止後の反りが小さく、信頼性と耐熱性
に優れたウエハーレベルパッケージ方式によるＣＳＰ
を、容易に生産性良く製造することのできる、半導体装
置の製造方法を提供する。【解決手段】パッシベーション膜および半導体素子の
素子電極用メタルポストが形成された、ウエハー状の半
導体素子表面に、イミド化後の線膨張係数が３０ppm／
℃以下である、半硬化状態のポリアミック酸フィルムを
加熱・圧着する工程、このポリアミック酸フィルムの形
成されたウエハー状の半導体素子に熱処理を施して、イ
ミド化を完結した後に、必要に応じてポリイミド封止材
表面を研磨して、メタルポスト表面を露出させる工程、
露出したメタルポスト表面に金属バンプを形成させる工
程、金属バンプを形成したウエハーを裏面研磨およびダ
イシングする工程、を経て半導体装置を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の集積
回路部を保護し、かつ半導体素子と外部装置との電気的
接続安定性に優れ、高密度実装を可能とした半導体装
置、特にチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）、および
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＳＰの製造方式としては、ウエ
ハー上に作製された半導体集積回路装置（ＩＣ）を個々
のチップに切断してから、バンプ電極の取り付けやＩＣ
表面保護の樹脂封止を行なっていた。これに対して近
年、ウエハーレベルで一括して封止成形する、ウエハー
レベルパッケージ方式が注目され始めているが、このウ
エハーレベルパッケージ方式によるＣＳＰは通常、パッ
シベーション膜および半導体素子の素子電極用メタルポ
ストが形成された、ウエハー状の半導体素子表面に、コ
ンプレッション成形やトランスファー成形によって、エ
ポキシ樹脂系封止材を形成した後、必要に応じてポリイ
ミド封止材表面を研磨して、メタルポスト表面を露出さ
せる工程、露出したメタルポスト表面に金属バンプを形
成させる工程、前記金属バンプを形成したウエハーを裏
面研磨およびダイシングする工程、をとることにより製
造されている。

【０００３】しかし、このような方法で製造されたパッ
ケージは、封止樹脂とシリコンウエハーとの線膨張係数
の差に起因して、樹脂封止後に反りが発生するが、特に
８インチ以上の大きな径のウエハーでは、反りが顕著に
なり、後工程が困難となり製造上大きな問題となってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、線膨張係数
がシリコンウエハーのそれに近い低熱膨張ポリイミド樹
脂を形成し、しかも加工性に優れたポリアミック酸フィ
ルムを利用して、樹脂封止後の反りが小さく、しかも信
頼性に優れるウエハーレベルパッケージ方式による、Ｃ
ＳＰおよびその製造方法を得ることを目的としたもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、金属電極
の形成された半導体素子パッシベーション膜上に、封止
材層として、線膨張係数が３０ppm／℃以下であるポリ
イミド樹脂が、１０〜３００μmの膜厚で形成されてい
ることを特徴とする半導体装置、および、パッシベーシ
ョン膜および半導体素子の素子電極用メタルポストが形
成された、ウエハー状の半導体素子表面に、イミド化後
の線膨張係数が３０ppm／℃以下である、半硬化状態の
ポリアミック酸フィルムを加熱・圧着する工程、このポ
リアミック酸フィルムの形成されたウエハー状の半導体
素子に熱処理を施して、イミド化を完結した後に、必要
に応じてポリイミド封止材表面を研磨して、メタルポス
ト表面を露出させる工程、露出したメタルポスト表面に
金属バンプを形成させる工程、金属バンプを形成したウ
エハーを裏面研磨およびダイシングする工程、とからな
ることを特徴とする半導体装置の製造方法である。

【０００６】

【発明の実施の形態】一般に線膨張係数が低いポリイミ
ドフィルムは、分子骨格として剛直な構造を持つため軟
化点を持たず、成形加工することが困難であるために、
信頼性に優れるにもかかわらず、利用することが難しか
った。一方、本発明は前駆体であるポリアミック酸のフ
ィルムを利用することで加工性を付与でき、しかもイミ
ド化後は、線膨張係数の低い信頼性・耐熱性の優れた剛
直なポリイミドとなることに着目し、本発明を完成する
に至ったものである。

【０００７】本発明において、イミド化後の線膨張係数
が、シリコンウエハーに近い３０ppm／℃以下となり得
るポリアミック酸フィルムは、一般に離型フィルム上に
形成された形態で利用されるが、必要に応じて離型フィ
ルムを剥離して用いても構わない。離型フィルム付きの
ポリアミック酸フィルムは、離型フィルム上にロールコ
ーター、ロータリーコーター、ナイフコーター、ドクタ
ーブレード、フローコーター等の公知の塗布手段で、ポ
リアミック酸溶液を流延塗布した後、加熱乾燥して、離
型フィルム上に半硬化状態のフィルム状ポリアミック酸
を形成させることにより得ることが出来る。また、必要
に応じてポリアミック酸フィルム面同士を熱圧着するこ
とにより、張り合わせて厚みの厚いポリアミック酸フィ
ルムとすることも可能である。

【０００８】本発明において、ポリアミック酸溶液を乾
燥させ、半硬化状態のポリアミック酸フィルムを形成さ
せる条件としては、８０〜２００℃、５〜３０分が適当
である。これより温度が低く時間が短い場合、ウエハー
と加熱圧着する際、流動性が大きく、しみ出しが大き
く、フィルム厚のバラツキも大きくなる。また、これよ
り温度が高く時間が長い場合は、導体箔と加熱・圧着す
る際、流動性が小さすぎ、ウエハーとの密着性やメタル
ポストへの樹脂埋め込み性が低下し、ボイドの発生が多
くなる。

【０００９】ポリアミック酸フィルム状態におけるイミ
ド化率は、１０〜５０％、望むべくは２０〜４０％が望
ましい。イミド化率が１０％未満では、タック性が残り
作業性が悪いばかりか、巻取った後に離型フィルム背面
に接着して、フィルムを一枚ずつ単離することが難しく
なる。また、５０％以上イミド化を施すと、溶融特性が
悪くなり、ポリアミック酸面を合わせて熱圧着しても充
分に一体化しなくなる。封止層として用いるポリイミド
樹脂の厚みは、半導体素子を保護しパッケージとしての
信頼性を確保する目的から、１０μmを超えることが望
ましい。一方、３００μm以上の厚みだと、信頼性には
優れるものの反りが顕著となったり、イミド化時に気泡
が発生するばかりか、生産性も損ないコストアップにも
つながり好ましくない。

【００１０】ポリアミック酸フィルム同士、およびポリ
アミック酸フィルムとウエハーとを加熱・圧着する条件
としては、プレス形式の場合は、７０〜２００℃、５〜
１００ｋｇ／ｃｍ²、５〜３０分、ロ−ル式ラミネ−タ
の場合は、７０〜２００℃、１〜５００ｋｇ／ｃｍ、
０.１〜５０ｍ／分の条件が適当であり、特に温度とし
ては、ポリアミック酸フィルムの乾燥温度よりあまり高
くない温度で実施するのが、揮発物の発生もなく望まし
い。このとき張り合わせる雰囲気が真空になっている
と、ボイドの発生が軽減できるのでより好ましい。

【００１１】離型フィルムのついたポリアミック酸フィ
ルムは、離型フィルムごとパッシベーション膜および半
導体素子の素子電極用メタルポストが形成されたウエハ
ーに、ポリアミック酸フィルム面を加熱・圧着した後、
離型フィルムを剥離し、加熱により充分にイミド化を行
なうが、クッションを工夫することにより、離型フィル
ムと剥離した状態で利用しても構わない。また、このと
き同時に数枚のポリアミック酸フィルムを重ね合わせ
て、厚みの厚い封止樹脂層を一度に形成することも可能
である。

【００１２】本発明におけるポリアミック酸は、通常ジ
アミンと酸無水物とを反応させることにより得られる。
ジアミンとしては、ジアミノベンゾフェノン、フェニレ
ンジアミン、ベンジジン、ジアミノジフェニルエ−テ
ル、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルス
ルホンなどを、酸無水物としては、トリメリット酸無水
物、ピロメリット酸二無水物、ビフェニルテトラカルボ
ン酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水
物などを使用することができ、それぞれ１種又は２種以
上を適宜組み合わせて用いることができる。但し、イミ
ド化後の線膨張係数が３０ppm／℃以下となり、フィル
ム物性を損なわない組み合わせで有れば、これらのモノ
マーの組み合わせに限定されるものではない。

【００１３】更に、性能を損なわない範囲で、フィラー
や他の樹脂等各種添加剤を同時に添加することも可能で
ある。このとき、イミド化後の線膨張係数が３０ppm／
℃以下となる組み合わせを選択する必要があるが、８イ
ンチ以上の大径ウエハーに用いる場合は、２０ppm／℃
以下がより好ましい。樹脂の弾性率やウエハーの厚みに
もよるが、一般に線膨張係数が３０ppm／℃を超える
と、ウエハーとの膨張係数の差が大きく、イミド化後の
冷却時に発生するカールが顕著となり、後工程における
位置合わせ等が困難となる。

【００１４】ポリアミック酸フィルムを形成する、離型
フィルムとして用いることのできる材料としては、ポリ
プロピレン、ポリエステル、ポリエ−テルサルフォン、
ポリイミド、ポリエチレン等のプラスチックフィルムが
挙げられる。

【００１５】加熱イミド化の条件は、樹脂の組成、厚み
により異なるが、一般に樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）
以上の温度に加熱する。発泡が起こらないようにするた
め、必要に応じて低温から徐々に熱処理することが好ま
しい。このとき樹脂溶液中の溶剤揮発とイミド化に伴う
縮合水揮発が同時に起こり、体積収縮するために、ウエ
ハーが変形もしくは破損することがあるため、必要に応
じて何らかの方法で固定することが好ましい。また、メ
タルポストやウエハーの酸化を防ぐために、不活性な雰
囲気で熱処理することが好ましい。

【００１６】イミド化後に、樹脂皮膜の残留によりメタ
ルポスト表面が覆われている場合は、必要に応じてポリ
イミド封止樹脂表面を研磨して、メタルポスト表面を露
出させるが、研磨の方法は機械的な研磨の他、プラズ
マ、レーザー等のドライプロセスを用いることも可能で
ある。次に、露出したメタルポスト表面に、半田ボール
等の金属バンプを形成した後、ウエハーの裏面研磨を施
し、チップ状にダイシングする。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれによって何ら限定されるものではな
い。

【００１８】（合成例１）温度計、撹拌装置、還流コン
デンサ−及び乾燥窒素ガス吹込み口を備えた、４つ口セ
パラブルフラスコに、精製した無水のパラフェニレンジ
アミン１０８ｇをとり、これに無水のＮ−メチル−２−
ピロリドン９０重量％と、トルエン１０重量％の混合溶
剤を、全仕込原料中の固形分割合が２０重量％になるだ
けの量を加えて溶解した。乾燥窒素ガスは、反応の準備
段階より生成物取り出しまでの、全工程にわたり流して
おいた。次いで、精製した無水の３,３',４,４'−ビフ
ェニルテトラカルボン酸二無水物２９４ｇを、撹拌しな
がら少量ずつ添加するが、発熱反応であるため、外部水
槽に約１５℃の冷水を循環させてこれを冷却した。添加
後、内部温度を２０℃に設定し、５時間撹拌し、反応を
終了してポリアミック酸溶液Ａを得た。

【００１９】このポリアミック酸溶液を用いて、銅箔の
光沢面上に、イミド化後の厚みが２５μｍとなるように
直接塗布し、１００℃で３０分、２００℃で３０分、３
００℃で３０分、３５０℃で３０分加熱乾燥し、イミド
化した後、銅箔を全面エッチングして除去することによ
り、ポリイミドフィルムを得た。得られたフィルムの線
膨張係数を、熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて５０〜
１５０℃の範囲で測定したところ、１０ppm／℃であっ
た。

【００２０】（合成例２）温度計、撹拌装置、還流コン
デンサ−及び乾燥窒素ガス吹込み口を備えた、４つ口セ
パラブルフラスコに、精製した無水の２,２−ビス（４
−（３−アミノフェノキシ）フェニル）プロパン４１０
ｇをとり、これに無水のＮ−メチル−２−ピロリドン９
０重量％と、トルエン１０重量％の混合溶剤を、全仕込
原料中の固形分割合が２０重量％になるだけの量を加え
て溶解した。乾燥窒素ガスは、反応の準備段階より生成
物取り出しまでの、全工程にわたり流しておいた。次い
で、精製した無水の３,３',４,４'−ベンゾフェノンテ
トラカルボン酸二無水物の粉末３２２ｇを、撹拌しなが
ら少量ずつ添加するが、発熱反応であるため、外部水槽
に約１５℃の冷水を循環させてこれを冷却した。添加
後、内部温度を２０℃に設定し、５時間撹拌し、反応を
終了してポリアミック酸溶液Ｂを得た。

【００２１】このポリアミック酸溶液を用いて、銅箔の
光沢面上に、イミド化後の厚みが２５μｍとなるように
直接塗布し、１００℃で３０分、２００℃で３０分、３
００℃で３０分、３５０℃で３０分加熱乾燥し、イミド
化した後、銅箔を全面エッチングして除去することによ
り、ポリイミドフィルムを得た。得られたフィルムの線
膨張係数を、ＴＭＡを用いて５０〜１５０℃の範囲で測
定したところ、５４ppm／℃であった。

【００２２】（実施例１）市販の離型フィルム（ポリエ
ステルフィルム）上に、このポリアミック酸溶液Ａをロ
ールコーターで、イミド化後の厚みが２５μｍになるよ
うに塗布し、１１０℃、１５分乾燥を行ない、離型フィ
ルムの付いたポリアミック酸フィルムを得た。パッシベ
ーション膜および半導体素子の素子電極用メタルポスト
が形成された８インチシリコンウエハーに、このポリア
ミック酸フィルムの面を重ね合わせ、真空プレスを用い
て減圧下で、９０℃、４０ｋｇ／ｃｍ²、１５分加熱・
圧着を行なった。その後、離型フィルムを剥し、窒素オ
ーブンを用いて不活性雰囲気下でウエハー端面を固定し
ながら、２００℃で３０分、３８０℃で１時間加熱を行
ないイミド化を完結した。

【００２３】室温に冷却した後、ウエハーを平滑面に置
いて、最高地点と最低地点の高さの差を測ったところ、
３０μmとカールの少ない封止材付きウエハーとなって
おり、以下に述べる後作業を滞りなく行なうことができ
た。即ち、ポリイミド封止樹脂表面を機械的に研磨して
メタルポスト表面を露出させ、露出したメタルポスト表
面に半田ボールを形成した後、ウエハーの裏面研磨を施
し、チップ状にダイシングすることにより、ＣＳＰタイ
プの半導体装置を得た。

【００２４】（実施例２）市販の離型フィルム（ポリエ
ステルフィルム）上に、ポリアミック酸溶液Ａをロール
コーターで、イミド化後の厚みが４０μｍになるように
塗布し、１１０℃、１５分乾燥を行ない、離型フィルム
のついたポリアミック酸フィルムを得た。得られた離型
フィルムの付いたポリアミック酸フィルムを２枚用い
て、ポリアミック酸フィルム面同士が向かい合うように
重ね合わせ、ロール式のラミネータを用いて、９０℃、
１００ｋｇ／ｃｍ、０.５ｍ／分で加熱・圧着を行な
い、ポリアミック酸積層フィルムとした後、片側の離型
フィルムを剥離し、片側に離型フィルムの付いたポリア
ミック酸フィルムを得た。

【００２５】次に、パッシベーション膜および半導体素
子の素子電極用メタルポストが形成された８インチシリ
コンウエハーに、このポリアミック酸フィルムの面を重
ね合わせ、真空プレスを用いて減圧下で、９０℃、４０
ｋｇ／ｃｍ²、１５分加熱・圧着を行なった。その後、
離型フィルムを剥し、窒素オーブンを用いて不活性雰囲
気下でウエハー端面を固定しながら、１００℃で１時
間、２００℃で１時間、３００℃で１時間、３８０℃で
１時間と、ステップ状に加熱を行ないイミド化を完結し
た。

【００２６】冷却後、ウエハーを平滑面に置いて、最高
地点と最低地点の高さの差を測ったところ、８０μmと
カールの少ない封止材付きウエハーとなっており、以下
に述べる後作業を滞りなく行なうことができた。即ち、
ポリイミド封止樹脂表面を機械的に研磨してメタルポス
ト表面を露出させ、露出したメタルポスト表面に半田ボ
ールを形成した後、ウエハーの裏面研磨を施し、チップ
状にダイシングすることにより、ＣＳＰタイプの半導体
装置を得た。

【００２７】（比較例１）実施例２と同様に、市販の離
型フィルム（ポリエステルフィルム）上に、ポリアミッ
ク酸溶液Ａをロールコーターで、イミド化後の厚みが４
０μｍになるように塗布し、１１０℃、１５分乾燥を行
ない、離型フィルムのついたポリアミック酸フィルムを
得た。得られた離型フィルム付きポリアミック酸フィル
ムの、離型フィルムを剥離したものを２０枚重ねて、イ
ミド化後の厚み合計が８００μmとなるようにして、パ
ッシベーション膜および半導体素子の素子電極用メタル
ポストが形成された８インチシリコンウエハーと張り合
わせるために、真空プレスを用いて減圧下で、９０℃、
４０ｋｇ／ｃｍ²、３０分加熱・圧着を行なった。

【００２８】プレス後の外観に問題はなかったが、その
後窒素オーブンを用いて不活性雰囲気下で、ウエハー端
面を固定しながら、１００℃で１時間、２００℃で１時
間、３００℃で１時間、３８０℃で１時間とステップ状
に加熱を行なったところ、ウエハーが体積収縮に耐えら
れずに破損してしまった。また、封止樹脂の付いている
部分を観察すると、厚みが厚いせいかところどころに気
泡も発生していた。

【００２９】（比較例２）市販の離型フィルム（ポリエ
ステルフィルム）上に、ポリアミック酸溶液Ｂをロール
コーターで、イミド化後の厚みが２５μｍになるように
塗布し、１１０℃、１５分乾燥を行ない、離型フィルム
のついたポリアミック酸フィルムを得た。パッシベーシ
ョン膜および半導体素子の素子電極用メタルポストが形
成された８インチシリコンウエハーに、ポリアミック酸
フィルムの面を重ね合わせ、真空プレスを用いて減圧下
で、９０℃、４０ｋｇ／ｃｍ²、１５分加熱・圧着を行
なった。その後、離型フィルムを剥し、窒素オーブンを
用いて不活性雰囲気下でウエハー端面を固定しながら、
３８０℃で１時間加熱を行ないイミド化を完結した。こ
の後ウエハーを平滑面に置いて、最高地点と最低地点の
高さの差を測ったところ、４３０μmとカールの大きな
封止材付きウエハーとなっており、後作業を行なう際に
位置合わせ等に支障をきたし、作業を進めることができ
なかった。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、線膨張係数がシリコンウエハ
ーのそれに近い低熱膨張ポリイミド樹脂を形成し、かつ
加工性に優れたポリアミック酸フィルムを利用すること
により、樹脂封止後の反りが小さく、しかも信頼性と耐
熱性に優れたウエハーレベルパッケージ方式によるＣＳ
Ｐを、容易に生産性良く製造することができ、工業的に
優れた半導体装置の製造方法である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属電極の形成された半導体素子パッシ
ベーション膜上に、封止材層として、線膨張係数が３０
ppm／℃以下であるポリイミド樹脂が、１０〜３００μm
の膜厚で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】パッシベーション膜および半導体素子の
素子電極用メタルポストが形成された、ウエハー状の半
導体素子表面に、イミド化後の線膨張係数が３０ppm／
℃以下である、半硬化状態のポリアミック酸フィルムを
加熱・圧着する工程、このポリアミック酸フィルムの形
成されたウエハー状の半導体素子に熱処理を施して、イ
ミド化を完結した後に、メタルポスト表面を露出させる
工程、露出したメタルポスト表面に金属バンプを形成さ
せる工程、金属バンプを形成したウエハーを裏面研磨お
よびダイシングする工程、とからなることを特徴とする
半導体装置の製造方法。