JP2001144119A

JP2001144119A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2001144119A
Application number: JP32037199A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Yamamori; 義之山森
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンウエハーと線膨張係数の近い低熱膨
張ポリイミドを封止樹脂として、加工が容易で信頼性の
高いＣＳＰを、生産性良く製造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
金属電極が形成された、ウエハー状の半導体素子表面
に、封止材層として、イミド化後の線膨張係数が３０pp
m／℃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・圧着した後、熱処理を施してイミド化を完結さ
せる方法により、１０〜３００μmの膜厚でポリイミド
樹脂層を形成する工程、レーザー光により穴加工を施す
工程、メッキにより電極用メタルポストおよび金属バン
プを形成させる工程、並びに、該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。

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
接続安定性の優れた、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）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、シ
リカ等の無機フィラーを添加したエポキシ樹脂系封止材
層を形成した後、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、このような製造方法では先にメタ
ルポストを製造するため、フォトレジスト等を利用して
パターンを形成し、そのパターンを利用してメッキによ
りメタルポストを形成した後、再びレジストを剥離する
工程が必要である。さらに、このような方法で製造され
たパッケージでは、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。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、半導体装置
の従来の製造方法のこのような問題点を解決すべく、鋭
意検討を進めた結果なされたもので、容易に加工できて
信頼性が高く、かつシリコンウエハーと線膨張係数の近
い低熱膨張ポリイミドで樹脂封止した後、レーザー光に
より穴加工を施し、その穴を利用してメタルポストおよ
び金属バンプを形成させることにより、反りが少なく生
産性・信頼性に優れた、ウエハーレベルＣＳＰの製造方
法を提供す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、パッシベ
ーション膜および半導体素子の金属電極が形成された、
ウエハー状の半導体素子表面に、封止材層として１０〜
３００μmの膜厚で、線膨張係数が３０ppm／℃以下であ
るポリイミド樹脂層を形成する工程、レーザー光により
穴加工を施す工程、メッキにより電極用メタルポストお
よび金属バンプを形成させる工程、並びに、該金属バン
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
工程とからなり、さらには、封止材層としてなるポリイ
ミド樹脂層を形成する工程が、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・圧着した後、熱処理を施してイミド化
を完結させる方法により行なわれることを特徴とする導
体装置の製造方法である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、半硬化状態のポリアミ
ック酸フィルムを加熱・圧着した後、熱処理を施してイ
ミド化を完結させる方法により樹脂封止した後、レーザ
ー光により穴加工を施し、その穴を利用して、メッキに
より電極用メタルポストおよび金属バンプを形成させる
ことを特徴とする。

【０００７】一般に線膨張係数の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なため、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。これに対
して本発明は、前駆体であるポリアミック酸のフィルム
を利用することにより、ポリイミドフィルムに加工性を
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
したものである。

【０００８】本発明におけ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、離型フィルムに流延塗布し
た後、加熱乾燥することにより、半硬化状態のポリアミ
ック酸フィルムとして得ることが出来る。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。

【０００９】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
と加熱圧着する際に、流動性が大きすぎて、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
着する際に、流動性が小さすぎて、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。ポリアミック酸フィルムの状態におけ
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％以上イミド化を進めると、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。

【００１０】封止材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。

【００１１】ポリアミック酸フィルム同士、あるいはポ
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、プレス方式の場合は、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。

【００１２】離型フィルム付きのポリアミック酸フィル
ムは、離型フィルムごとパッシベーション膜および半導
体素子の金属電極用メタルポストが形成されたウエハー
表面に、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
ィルムを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、複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。

【００１３】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、また、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物ではない。

【００１４】酸無水物とジアミンとの反応は、非プロト
ン性極性溶媒中で、公知の方法で行なわれる。非プロト
ン性極性溶媒としては、Ｎ,Ｎ−ジメチルホルムアミド
（ＤＭＦ）、Ｎ,Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ
Ｃ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、テトラ
ヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジグライム、シクロヘキサノ
ン、１,４−ジオキサン（１,４−ＤＯ）などである。非
プロトン性極性溶媒は、１種類のみ用いてもよいし、２
種類以上を混合して用いてもよい。この時、上記の非プ
ロトン性極性溶媒と相溶性のある非極性溶媒を混合して
使用しても良い。トルエン、キシレン、ソルベントナフ
サなどの芳香族炭化水素が良く使用される。混合溶媒に
おける非極性溶媒の割合は、３０重量％以下であること
が好ましい。これは非極性溶媒が３０重量％以上では、
溶媒の溶解力が低下し、ポリアミック酸が析出する恐れ
があるためである。

【００１５】酸無水物とジアミンとの反応は、良く乾燥
したジアミン成分を、脱水精製した前記の反応溶媒に溶
解し、これに閉環率９８％、より好ましくは９９％以上
の良く乾燥したテトラカルボン酸二無水物を添加して反
応を進める。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を用いる場合は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との差が大きくなって、イミド化後
の冷却時に発生するカールが顕著になり、後工程におけ
る位置合わせ等が困難となる。

【００１６】ポリアミック酸フィルムを形成するため
の、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。

【００１７】イミド化のための加熱条件は、樹脂の組成
や厚みにより異なるが、一般に樹脂のガラス転移温度
（Ｔｇ）以上の温度で、発泡が起こらないように必要に
応じて低温から徐々に熱処理することが好ましい。この
とき樹脂中の溶剤の揮発と、イミド化に伴う縮合水の揮
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。

【００１８】更に、ポリイミド封止樹脂層に、所定の形
状にレーザーにより穴加工を施すが、このとき用いるレ
ーザーとしては、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、
炭酸ガスレーザーなどを挙げることができる。これらの
樹脂に対して必要な精度・生産性で加工出来るレーザー
であれば、レーザーの方式は特に限定されない。一般に
無機フィラーが入っているとレーザー加工性を損なうの
で、本発明においては無機フィラーは利用しないことが
好ましい。

【００１９】次に、レーザーにより開口され形成された
金属電極上に、メッキによりメタルポストを形成する
が、レーザー加工部分をメッキレジストとして利用する
ことにより、通常のメッキ工程によりこれらを形成する
ことができる。このときメタルポストの代わりに、半田
や導電性ペースト等を利用して導通を図っても構わな
い。この後、露出している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。

【００２０】

【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。尚、本発明において引張り弾性率は、銅箔光沢面上
に樹脂フィルムを形成した後、銅箔をエッチング除去し
て得られるフィルムについて、ＡＳＴＭ−Ｄ８８２の方
法に従って測定した。

【００２１】（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、全工程にわたって流して
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℃に保ちながら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。

【００２２】このポリアミック酸溶液Ａを、銅箔光沢面
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、３００℃
で３０分、３５０℃で３０分加熱乾燥して、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（熱機械分析装置）を用いて５０〜１５
０℃の範囲で測定したところ１０ppm／℃であった。

【００２３】（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４１０ｇ
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、全工程にわたって流しておいた。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℃に保ちながら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。

【００２４】このポリアミック酸溶液Ｂを、銅箔光沢面
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、３００℃
で３０分、３５０℃で３０分加熱乾燥して、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。

【００２５】（実施例１）ポリアミック酸溶液Ａを、市
販の離型フィルム（ポリエステルフィルム）上に、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
ム付きのポリアミック酸フィルム１を得た。パッシベー
ション膜および半導体素子の金属電極が形成された、８
インチシリコンウエハー表面に、ポリアミック酸フィル
ム１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、２０
０℃で３０分、３８０℃で１時間加熱を行ない、イミド
化を完結した。

【００２６】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４
０μm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、エキシマレーザーで封止樹脂に所定の穴加工
を施した後、プラズマでデスミアし、銅メッキにより金
属電極上にメタルポストを形成し、露出したメタルポス
ト表面に半田ボールを形成後、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】（実施例２）ポリアミック酸溶液Ａを、市
販の離型フィルム（ポリエステルフィルム）上に、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
ム付きの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２枚を、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／ｃｍ²、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２を得た。次
に、パッシベーション膜および半導体素子の金属電極が
形成された、８インチシリコンウエハー表面に、ポリア
ミック酸フィルム２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、１００℃で１時間、２００℃で１時間、３０
０℃で１時間、３８０℃で１時間と段階的に加熱を行な
い、イミド化を完結した。

【００２８】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１００μm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、
エキシマレーザーで封止樹脂に所定の穴加工を施した
後、プラズマでデスミアし、銅メッキにより金属電極上
にメタルポストを形成し、露出したメタルポスト表面に
半田ボールを形成後、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。

【００２９】（比較例１）実施例２と同様にして調製し
た、離型フィルム付きのポリアミック酸フィルムから、
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金属電極が形成された、
８インチシリコンウエハー表面に張り合わせるため、真
空プレスを用いて減圧下で、９０℃、４０ｋｇ／ｃ
ｍ²、３０分加熱・圧着を行なった。

【００３０】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時間と段階的に加
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。

【００３１】（比較例２）ポリアミック酸溶液Ｂを、市
販の離型フィルム（ポリエステルフィルム）上に、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
ム付きのポリアミック酸フィルム３を得た。パッシベー
ション膜および半導体素子の金属電極が形成された、８
インチシリコンウエハー表面に、ポリアミック酸フィル
ム３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、３８
０℃で１時間加熱を行ないイミド化を完結した。このウ
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４８０μmと、カールが大きな封止材
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。

【００３２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、加工が容易で、
生産性良くＣＳＰが製造でき、かつ、線膨張係数の低い
ポリイミド樹脂を封止樹脂とすることができるため、信
頼性・耐熱性に優れたパッケージとなり、工業的に優れ
た半導体装置の製造方法を提供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パッシベーション膜および半導体素子の
金属電極が形成された、ウエハー状の半導体素子表面
に、封止材層として１０〜３００μmの膜厚で、線膨張
係数が３０ppm／℃以下であるポリイミド樹脂層を形成
する工程、レーザー光により穴加工を施す工程、メッキ
により電極用メタルポストおよび金属バンプを形成させ
る工程、並びに、該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。
【請求項２】封止材層としてなるポリイミド樹脂層を
形成する工程が、パッシベーション膜および半導体素子
の金属電極上に、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・圧着した後、熱処理を施してイミド化を完結させる
方法により行なわれることを特徴とする、半請求項１記
載の導体装置の製造方法。