JP2006202882A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだバンプにおけるボイド形成を抑制することができる半導体装置およびこの半導体装置を容易に製造できる製造方法を提供する。
【解決手段】 電極２１が形成された半導体基板１と、半導体基板１上に形成された樹脂製突起２３と、樹脂製突起２３の上面２４ａに形成された再配線層２５と、再配線層２５上に搭載されたはんだバンプ２６とを備え、樹脂製突起２３の上面２４ａが半導体基板１の表面に対して一定の角度θ１で傾斜している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウエハレベル（ＷＬ）のＣＳＰ（Chip Size/Scale Package）等の半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、半導体装置、例えばデュアル・インライン・パッケージ（Dual Inline Package）やクァド・フラット・パッケージ（Quad Flat Package）では、側面部や周辺部に金属リードを配置した周辺端子配置型が主流である。この半導体装置では、端子数が増加するとサイズが大きくなるという問題がある。
これに対し、チップ・サイズ／スケール・パッケージ（ＣＳＰ：Chip Size/Scale Package）、特に、「ウエハレベル（ＷＬ）ＣＳＰ」と称される半導体装置では、その占有面積を狭くすることができ、高密度実装が可能である（例えば特許文献１、２を参照）。
ＷＬＣＳＰは、半導体基板上に、絶縁層、再配線層、封止樹脂層等を形成し、再配線層上にはんだバンプを形成し、これを所定の寸法に切断することにより、パッケージ構造の半導体チップとしたものである。ＷＬＣＳＰは、はんだバンプを介して他の回路基板に実装される。

図１０は、従来のＷＬＣＳＰの一例の要部を示す断面図である。
このＷＬＣＳＰは、半導体ウエハ６１上に絶縁樹脂層６２が設けられ、その上に再配線層６３が設けられ、再配線層６３の一部である電極６４上に、はんだバンプ６５が設けられている。符号６７は封止樹脂層である。
はんだバンプ６５を形成するには、はんだ材料を電極６４上に配置した後、リフロー工程において、はんだ材料を加熱し溶融させる。
はんだ材料を電極６４上に配置する方法としては、電解はんだめっき法、はんだボール搭載法、はんだペースト印刷法、はんだペーストディスペンス法、はんだ蒸着法がある。溶融したはんだ材料（以下、溶融はんだという）は、表面張力により略球状となり、はんだバンプ６５が形成される。
特開２００３−１２４２４４号公報 国際公開第００／７７８４３号パンフレット

上記半導体装置では、はんだバンプ６５の内部にボイド６６（空隙）が形成されることがあった。ボイド６６は、例えばはんだペーストのはんだ粒子間の空隙に存在する空気や、フラックス成分の加熱によって発生した気体などからなる気泡がはんだバンプ６５内に残留することによって形成される。
ボイド６６は、はんだバンプ６５と電極６４との界面に形成されやすい。特に、ＣＳＰのように、比較的大きなはんだバンプ６５を有する半導体装置では、リフロー工程において溶融はんだ内の気泡が外部に放出されにくくなるため、ボイド６６が形成されやすい。なかでも、ＷＬＣＳＰでは、電子機器の回路基板に実装されて再度リフロー工程が施された場合でも、ボイド６６が除去されにくく、問題となっていた。

ボイドは、次に示す問題の原因となるおそれがある。
（１）ボイドの有無や大きさによって、はんだバンプの高さにばらつきが生じる。
（２）ボイドが形成されるとその部分ではんだバンプの強度が低くなる。
このため、半導体チップを他の回路基板に実装した状態において、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の差異に起因する力によってはんだバンプが破損しやすくなる。
これらの問題は、電子機器の製造工程における工程不良の発生頻度の増大、電子機器の使用時の信頼性の低下等を招くおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、はんだバンプでのボイド形成を抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る半導体装置は、電極が形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁性の樹脂製突起と、この樹脂製突起の上面に形成され、前記電極に電気的に接続された再配線層と、この再配線層上に搭載されたはんだバンプとを備え、前記樹脂製突起の上面が、前記半導体基板の表面に対して一定の角度で傾斜していることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体装置は、請求項１において、前記樹脂製突起の上面の傾斜角度が２〜４５度であることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る半導体装置の製造方法は、電極が形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁性の樹脂製突起と、この樹脂製突起の上面に形成され、前記電極に電気的に接続された再配線層と、この再配線層上に搭載されたはんだバンプとを備えた半導体装置の製造方法であって、ポジ型感光性樹脂からなる樹脂層を形成し、この樹脂層の一部を、半導体基板の表面に対し傾斜する方向の光で露光させることによって、上面が半導体基板の表面に対し一定の角度で傾斜した樹脂製突起を形成することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る電子機器は、請求項１または２に記載の半導体装置を備えていることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、次に示す効果が得られる。
（１）樹脂製突起の上面が一定の角度で傾斜しているので、はんだ材料は、リフロー工程において溶融すると、対流などにより前記上面に沿って一方向に流動しやすくなる。
溶融はんだと再配線層との界面にある気泡は、溶融はんだの流動によって、界面から離れて浮上し、速やかに溶融はんだから放出される。
よって、はんだバンプ内にボイドが形成されるのを防ぐことができる。
従って、実装した状態における接続信頼性を高めるとともに、この半導体装置を実装した電子機器の製造における歩留まり向上を図ることができる。
（２）樹脂製突起の上面が一定の角度で傾斜しているので、樹脂製突起の上面を半導体基板に平行とした場合と比較して、再配線層とはんだバンプとの間の接触面積が大きくなる。このため、再配線層とはんだバンプとの間の接合強度を高めることができる。
従って、上記半導体装置を実装した状態において、はんだバンプに力が加えられた場合でも、はんだバンプが再配線層から剥離するのを防ぐことができる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、上記樹脂製突起を有する半導体装置を容易に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の半導体装置の第１の例を詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体装置の第１の例であるウエハレベル・チップ・サイズ／スケール・パッケージ（ＷＬＣＳＰ）を示す断面図である。
符号１はシリコンウエハ等の半導体ウエハ（半導体基板）である。符号２１は半導体ウエハ１の一方の面に形成された電極、符号２２は絶縁層、符号２３は樹脂ポスト（樹脂製突起）、符号２５は再配線層（導電部）、符号２６は再配線層２５上に形成されたはんだバンプ、符号２７は封止樹脂層である。

電極２１は、半導体ウエハ１上に形成されたＩＣ等の集積回路（図示略）に電気的に接続される電極であり、例えば、アルミニウム、銅、クロム、チタン、金等の金属からなる。
絶縁層２２は、電極２１を除く半導体ウエハ１の表面に全面にわたって形成されており、例えば、酸化物（酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）など）、窒化物（窒化ケイ素（ＳｉＮ）など）、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂等により構成され、その厚みは、例えば５〜５０μｍとすることができる。

樹脂ポスト２３は、絶縁層２２上の所定位置に形成された突起であり、例えば平面視円形に形成することができる。樹脂ポスト２３は、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ノボラック樹脂等の絶縁性樹脂により構成され、特に、ポジ型感光性樹脂からなるのが好ましい。

樹脂ポスト２３の上面２４ａは、半導体ウエハ１の表面に対して一定の角度θ１で傾斜している。上面２４ａは、その全面が角度θ１で傾斜している。
この傾斜角度θ１は、小さすぎれば、ボイド形成を抑制する効果が低くなり、大きすぎれば、はんだバンプ２６の形状が乱れやすい。
このため、傾斜角度θ１は、２〜４５度（好ましくは５〜２０度）とするのが好適である。

樹脂ポスト２３の側面２４ｂは、半導体ウエハ１の表面に対して、ほぼ垂直に形成することができる。
樹脂ポスト２３の高さｈ（頂部２４ｃまでの高さ）は、例えば１０〜１００μｍとすることができる。
なお、側面２４ｂは半導体ウエハ１の表面に対して傾斜していてもよい。

再配線層２５は、樹脂ポスト２３を覆うように形成され、一端部が電極２１に電気的に接続されている。
再配線層２５は、例えば、銅、クロム、アルミニウム、チタン、チタン−タングステン合金、金等の導電性金属が用いられ、その厚みは３〜５０μｍが好ましい。

はんだバンプ２６は、樹脂ポスト２３上に相当する位置の再配線層２５上に形成されている。はんだバンプ２６には、共晶はんだ、鉛フリータイプのはんだ等を用いることができる。
封止樹脂層２７は、電極２１、絶縁層２２および再配線層２５を保護するためのもので、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂等により構成され、その厚みは５〜５０μｍとすることができる。

次に、上記ＷＬＣＳＰの製造方法の一例について説明する。
図２に示すように、一方の面に電極２１を形成した半導体ウエハ１を用意する。
次いで、スピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により、半導体ウエハ１全面にポリイミド系樹脂等の液状樹脂を塗布し、この樹脂層を、電極２１に相当する部分に開口２２ａが形成されるように露光、現像し硬化させることなどにより、絶縁層２２を形成する。
絶縁層２２は、スクリーン印刷法によって形成することもできる。また、ポリイミド系樹脂などからなる樹脂シートによって形成してもよい。

図３に示すように、スピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により、電極２１及び絶縁層２２の全面に、ポリイミド系樹脂等のポジ型感光性樹脂を塗布することなどによって樹脂層４１を形成する。
次いで、半導体ウエハ１にほぼ垂直な方向の照射光を、パターニング用フォトマスク３１を介して樹脂層４１に照射する。樹脂層４１は、フォトマスク３１の下に位置する柱状部４２を除いて露光される。

図４に矢印で示すように、半導体ウエハ１の表面に対し傾斜した方向の照射光を、フォトマスク３３を介して柱状部４２の上面４２ａに照射することによって柱状部４２を露光、現像する。
照射光の照射角θ２は、樹脂ポスト２３の上面２４ａの傾斜角度θ１に応じて定めることができる。露光方法としては、等倍投影露光を採用してもよいし、縮小投影露光を採用してもよい。

図５に示すように、照射光によって露光した柱状部４２上部、および柱状部４２以外の部分は可溶化し除去される。
一方、照射光がフォトマスク３３で遮られるため露光しなかった柱状部４２下部は、加熱により硬化され、傾斜角度θ１で傾斜した上面２４ａを有する樹脂ポスト２３となる。
このように、樹脂層４１を露光することによって樹脂ポスト２３を形成する工程を樹脂製突起形成工程という。

図６に示すように、電極２１、絶縁層２２及び樹脂ポスト２３上に、シード層５３を形成する。シード層５３は、厚み１０ｎｍ〜１００ｎｍの密着層５３ａと、厚み１００ｎｍ〜５００ｎｍの給電層５３ｂとの２層構造とすることができる。
密着層５３ａに用いられる金属としては、クロム、ニッケル、チタン、チタン−タングステン合金等が用いられる。給電層５３ｂには、銅、クロム、アルミニウム、チタン、チタン−タングステン合金、金等が用いられる。
次いで、シード層５３上にレジスト５４を形成する。レジスト５４は、再配線層２５となる領域が露出するようにシード層５３上に形成される。

図７に示すように、電解めっき法、無電解めっき法などのめっき法により、露出した部分のシード層５３上に再配線層２５を形成する。再配線層２５はレジスト５４より薄く形成することができる。
図８に示すように、レジスト５４を除去し、不要なシード層５３をエッチングで除去した後、絶縁層２２上および再配線層２５上に、例えば厚み５〜５０μｍの封止樹脂層２７を形成する。
封止樹脂層２７は、スピンコート法、キャスティング法、ディスペンス法等により形成することができる。例えば、再配線層２５全体を覆う様に封止樹脂層を形成した後、マスクを用いて封止樹脂層を露光、現像することにより、はんだバンプ２６を搭載する部分の再配線層２５を露出させる方法をとることができる。
封止樹脂層２７は、スクリーン印刷法によって所定領域にのみ形成することもできる。
なお、図１および図８ではシード層５３の図示を省略した。

次いで、露出した再配線層２５上に、はんだ材料を配置する。
はんだ材料を再配線層２５上に配置するには、はんだボール搭載法、電解はんだめっき法、はんだボール搭載法、はんだペースト印刷法、はんだペーストディスペンス法、はんだ蒸着法等が採用できる。
次いで、リフロー工程において、はんだ材料を加熱し溶融させる。
溶融したはんだ材料（溶融はんだ）は、表面張力により略球状となり、はんだバンプ２６が形成され、図１に示すＷＬＣＳＰが得られる。

上記ＷＬＣＳＰによれば、次に示す効果が得られる。
（１）樹脂ポスト２３の上面２４ａが一定の角度θ１で傾斜しているので、上面２４ａに相当する位置の再配線層２５に配置されたはんだ材料は、リフロー工程において溶融すると、対流などにより上面２４ａに沿って一方向に流動しやすくなる。
溶融はんだと再配線層２５との界面にある気泡は、溶融はんだの流動によって、界面から離れて浮上し、速やかに溶融はんだから放出される。
よって、はんだバンプ２６内にボイドが形成されるのを防ぐことができる。
従って、実装した状態における接続信頼性を高めるとともに、このＷＬＣＳＰを実装した電子機器の製造における歩留まり向上を図ることができる。

（２）樹脂ポスト２３の上面２４ａが一定の角度θ１で傾斜しているので、樹脂ポスト２３の上面２４ａを半導体ウエハ１に対して平行とした場合と比較して、再配線層２５とはんだバンプ２６との間の接触面積が大きくなる。このため、再配線層２５とはんだバンプ２６との間の接合強度を高めることができる。
従って、上記ＷＬＣＳＰを実装した状態において、はんだバンプ２６に力が加えられた場合でも、はんだバンプ２６が再配線層２５から剥離するのを防ぐことができる。

上記製造方法によれば、ポジ型感光性樹脂からなる樹脂層４１を形成し、その一部である柱状部４２の上面４２ａを、半導体ウエハ１に対し傾斜する方向の光で露光させることによって樹脂ポスト２３を形成するので、上面２４ａが傾斜した樹脂ポスト２３を容易に形成することができる。従って、ＷＬＣＳＰを容易に製造することができる。

（実施例）
図１に示すＷＬＣＳＰを次のようにして製造した。
図２に示すように、半導体ウエハ１上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層２２を形成した。
図３に示すように、電極２１及び絶縁層２２上に、ポジ型感光性樹脂であるポリイミド系樹脂からなる樹脂層４１を形成し、半導体ウエハ１に垂直な方向の照射光を、フォトマスク３１を介して樹脂層４１に照射した。
図４および図５に示すように、照射角θ２が１０度である照射光を、フォトマスク３３を介して照射し、柱状部４２を露光、現像した。
これによって、上面２４ａの傾斜角度θ１が１０度である樹脂ポスト２３を得た。樹脂ポスト２３の高さｈは５０μｍ、上面２４ａの直径は２５０μｍ、底部の直径は２３０μｍとした。
図６および図７に示すように、シード層５３を形成した後、所定位置に再配線層２５を形成した。
図８に示すように、絶縁層２２上および再配線層２５上にポリイミド系樹脂からなる封止樹脂層２７を形成した。
次いで、はんだボール搭載法により配線層２５上にはんだボールを配置し、はんだボールを加熱し溶融させることによってはんだバンプ２６を形成し、図１に示すＷＬＣＳＰを得た。

（比較例）
図９に示すように、円錐台状の樹脂ポスト１３（高さ５０μｍ、上面１３ａの直径２３０μｍ、底部の直径２５０μｍ）を有し、上面１３ａ上にはんだバンプ２６を設けたＷＬＣＳＰを形成した。その他の構造は実施例と同様とした。

（１）はんだバンプ内部構造の観察
実施例および比較例のＷＬＣＳＰのはんだバンプの内部構造をＸ線顕微鏡により観察した。
比較例のＷＬＣＳＰでは、はんだバンプ２６内に、直径比（はんだバンプの直径に対するボイドの直径の比）が１５％以上のボイドが観察された。
これに対し、実施例のＷＬＣＳＰでは、はんだバンプ２６内に、直径比５％以上のボイドは形成されていなかった。

（２）ヒートサイクル試験
実施例および比較例のＷＬＣＳＰを、他の回路基板にはんだバンプ２６を介して実装した後、ＢＬＲ試験に供した。
ＢＬＲ試験では、３０分間の低温条件（−４０℃）と、３０分間の高温条件（１２５℃）とを１サイクルとする処理を繰り返し、電気抵抗増大などの異常が発生した時点での前記処理の回数を記録した。
この試験の結果、比較例のＷＬＣＳＰでは、平均１２００回の処理で異常が見られたのに対し、実施例のＷＬＣＳＰでは、処理回数が１４００回を越えても異常が見られなかった。

本発明の半導体装置では、はんだバンプ内部のボイドを減少させ、このボイドに起因するはんだバンプの破壊等の不具合を防止することができる。
このため、ＷＬＣＳＰ等のチップサイズの半導体装置に対して適用可能である。
本発明の半導体装置は、フレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circuit）などの回路基板に実装でき、例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、携帯電話機、パーソナルコンピュータ、光送受信機器などのように、半導体装置が実装された回路基板を備えた各種電子機器に適用できる。

本発明の半導体装置の第１の例を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図１に示す半導体装置の製造方法を示す工程図である。 比較例のＷＬＣＳＰのバンプ部を示す断面図である。 従来の半導体装置の一例の要部を示す断面図である。

符号の説明

１…半導体ウエハ（半導体基板）、２１…電極、２２…絶縁層、２３…樹脂ポスト（樹脂製突起）、２４ａ…上面、２５…再配線層、２６…はんだバンプ、θ１…樹脂ポスト（樹脂製突起）上面の傾斜角度

Claims (4)

1. 電極が形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁性の樹脂製突起と、この樹脂製突起の上面に形成され、前記電極に電気的に接続された再配線層と、この再配線層上に搭載されたはんだバンプとを備え、
   前記樹脂製突起の上面が、半導体基板の表面に対して一定の角度で傾斜していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記樹脂製突起の上面の傾斜角度が２〜４５度であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 電極が形成された半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁性の樹脂製突起と、この樹脂製突起の上面に形成され、前記電極に電気的に接続された再配線層と、この再配線層上に搭載されたはんだバンプとを備えた半導体装置の製造方法であって、
   ポジ型感光性樹脂からなる樹脂層を形成し、この樹脂層の一部を、半導体基板の表面に対し傾斜する方向の光で露光させることによって、上面が半導体基板の表面に対し一定の角度で傾斜した樹脂製突起を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の半導体装置を備えていることを特徴とする電子機器。

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