JP2007019074A - 半導体装置およびそれを備えた電子装置、並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置およびそれを備えた電子装置、並びに半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 配線層との接続部近傍において導電性のバンプ内にクラックが発生しても、クラックの進行を阻害することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、少なくとも一面に電極を備えた基板と、該基板上の所定位置に配され、面状をなす頂部を備えた突起状の樹脂ポストと、該樹脂ポスト上に配され、一部が前記電極に電気的に接続された配線層と、前記配線層上に配され、前記樹脂ポストの頂部とその側部とを覆う位置に前記配線層を少なくとも露出してなる開口部を備えた絶縁性の封止層と、前記配線層の露出された頂部と側部とを覆うように載置された導電性のバンプとを備えてなることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置およびそれを備えた電子装置、並びに半導体装置の製造方法に係るものであり、特に、配線基板(インタポーザ)を使用しないウエハレベルのCSP(Chip Size/Scale Package)等の半導体装置において、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能な技術に関するものである。
従来、半導体パッケージ、例えば、シリコンチップを樹脂により封止した、いわゆるデュアル・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、樹脂パッケージの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った。
これに対して、近年では、CSP(チップスケールパッケージ)、特にウエハレベルCSP(以下、WLCSPという場合がある)と呼ばれる半導体パッケージが利用されるようになってきている。
このWLCSPは、ウエハ上に電極、絶縁樹脂層、配線層、封止層などが形成され、さらに、配線層上に半田バンプが形成されたものである。各層および半田バンプが形成された後、ダイシングによって複数のチップに分割され、半田バンプを用いて外部の回路基板に実装される。
このWLCSPは、ダイシングされたサイズでパッケージの施された半導体チップとなるため、回路基板上における占有面積を小さくすることができ、高密度実装が可能である。
このようなWLCSPの一例として、以下の特許文献1には、電極2を有するウエハ上1に形成された絶縁層3と、この絶縁層3の前記電極2に整合する領域に形成された開口部と、この開口部を介して前記電極2に接続された再配線層7と、前記ウエハ1と前記絶縁層3および前記再配線層7を封止する封止樹脂層8と、この封止樹脂層8を貫通し上面に半田バンプ11が形成された樹脂製突部4と、この樹脂製突部4の少なくとも上面を被覆し前記再配線層7および前記半田バンプ11に接続された導電層5と、を有する半導体パッケージ30が開示されている(図7参照)。
この半導体パッケージ30は、上述のように形成された後、半田バンプ11によって図示略の回路基板に実装される。
ところで、特許文献1の半導体パッケージにおいては、回路基板に半導体パッケージが実装された後に半導体パッケージや回路基板に外力が作用すると、それらの接続部である半田バンプにクラックが発生する可能性がある。
例えば、半導体パッケージ側においては再配線層と半田バンプとの接続面の端部からクラックが発生することが考えられ、このクラックの大きさや進行方向によっては再配線層と半田バンプとの接続に影響を及ぼすことがあり、それによって半導体パッケージと回路基板との接続状態が不良になる虞があった。
国際公開第00/077844号明細書
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、配線層との接続部近傍において導電性のバンプ内にクラックが発生した際に、クラックの進行を阻害することが可能な構成を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の請求項1に係る半導体装置は、少なくとも一面に電極を備えた基板と、該基板上の所定位置に配され、面状をなす頂部を備えた突起状の樹脂ポストと、該樹脂ポスト上に配され、一部が前記電極に電気的に接続された配線層と、前記配線層上に配され、前記樹脂ポストの頂部とその側部とを覆う位置に前記配線層を少なくとも露出してなる開口部を備えた絶縁性の封止層と、前記配線層の露出された頂部と側部とを覆うように載置された導電性のバンプとを備えてな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、前記封止層と前記導電性のバンプとの接点が、前記封止層に設けた開口部をなす側断面にあることを特徴とする。
本発明の請求項3に係る半導体装置は、請求項2において、前記接点が前記側断面をなす上縁部にあることを特徴とする。
本発明の請求項4に係る半導体装置は、請求項2において、前記接点が前記側断面をなす上縁部より下方域にあることを特徴とする。
本発明の請求項5に係る電子装置は、請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項6に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも一面に電極を備えた基板上の所定位置に、面状をなす頂部を備えた突起状の樹脂ポストを形成する工程と、一端が前記樹脂ポストの頂部を覆い、他端が前記電極に電気的に接続されるように配線層を形成する工程と、前記配線層上に封止層を形成する工程と、前記樹脂ポストの頂部と側部とを覆う位置に前記配線層を少なくとも露出してなる開口部を前記封止層に形成する工程と、前記配線層の露出された頂部と側部とを覆うように導電性のバンプを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、半導体パッケージや回路基板に外力が作用することによって、バンプと封止層との接点からバンプ内へこの外力が伝わり、この接点付近が起点となってバンプ内にクラックが発生する虞があるが、封止層に開口部を設けるとともに、バンプと封止層との接点を基準面から樹脂ポストの頂部までの高さよりも低く設定することで、クラックの進行を阻害することができる。
すなわち、接点付近で発生したクラックは起点から基準面と平行に進む傾向があるが、バンプと封止層との接点より高い位置まで樹脂ポストが形成されているので、バンプ内のクラックの進行は、樹脂ポストによって阻害される。
そのため、バンプ内の縦方向の導通状態、つまり、本発明の半導体装置と他の回路基板との電気的な導通状態は維持されるので、接続状態が良好で、長期信頼性に優れた半導体装置が得られる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
[第1実施形態]
図1(a)は、本発明の第1実施形態の半導体装置を示す断面図であり、図1(b)は、図1(a)の要部拡大図である。
この半導体装置21の基板1上の一部には電極2が配され、半導体基板1上の電極2を除く表面全面にはパッシベーション膜9が配されている。また、パッシベーション膜9を覆うように、絶縁層3が設けられている。絶縁層3上の所定位置には、面状をなす頂部4aを備えた略円錐台状の突起状の樹脂ポスト4が設けられている。樹脂ポスト4上には、一端が樹脂ポスト4の頂部4aおよび側部4bを覆い、他端が電極2に電気的に接続されたシード層5が設けられている。シード層5上には配線層6が設けられ、さらに配線層6上には樹脂ポスト4の頂部4aおよび側部4bに整合する領域に配線層6を露出する開口部10が備えられた絶縁性の封止層8が設けられている。樹脂ポスト4を覆う配線層6の頂部6aおよび側部6bには、半田バンプ11が配されている。
基板1は平板状に形成されている。基板1としては、半導体基板や絶縁基板が好適に利用できるが、絶縁体、半導体、あるいは導体などを積層してなる各種の複合基板を用いてもよい。半導体としてはSi、Ge、GaAsなどが、絶縁体としてはガラス、セラミック、プラスチックなどが、導体としては一般的な金属が好適に利用できる。
電極2は、基板1上に形成された図示略のIC等の集積回路に電気的に接続されている。電極2は、例えば、アルミニウム、銅、クロム、チタン、金等の導電性を有する金属により構成されている。
パッシベーション膜9は、例えば、窒化珪素などを用いて形成するとよい。
絶縁層3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(シリコーン)等により形成され、その厚みは、5〜50μm程度である。
樹脂ポスト4は、絶縁層3上の所定位置に、面状をなす頂部4aを備えた略円錐台状とされた突起状に形成されている。樹脂ポスト4を形成する材料としては、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(シリコーン)等、感光性を有する絶縁性樹脂が好適に用いられる。樹脂ポスト4の膜厚は25〜100μm程度、その頂部4aの直径は50〜500μm程度、その底部4cの直径は55〜550μm程度にすることが好ましい。
シード層5は、電極2、絶縁層3および樹脂ポスト4上に形成されており、絶縁層3および樹脂ポスト4との密着性を確保するための密着層となる下層と、配線層6の形成時の給電に使用される給電層となる上層とから構成される。また、シード層5は、配線層6が絶縁層3に侵入拡散するのを防止するものである。配線層6が絶縁層3に侵入拡散すると、密着性が著しく損なわれる。
密着層には、例えば、クロム、チタン、チタン・タングステン合金、ニッケルなどの金属が用いられ、その厚みは10〜100nmであることが好ましい。
給電層には、銅、クロム、アルミ、チタン、チタン・タングステン合金、金などが用いられ、その厚みは100〜500nmであることが好ましい。
密着層と給電層からなるシード層5の厚みは、110〜600nmの範囲にすることが望ましい。特に、密着層の厚みが10nm未満であると、配線層6が絶縁層3に侵入拡散する虞がある。また、密着層の厚みが100nmを越えると、密着層のパターニングをする手間がかかるため好ましくない。
配線層6は、電極2と図示略の回路基板とを電気的に接続するためのものである。配線層6には、例えば、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、チタン−タングステン合金、金などの金属が好適に用いられる。また、配線層6の頂部6aに、例えばNiおよびAuからなるめっき層を形成することによって、半田バンプとの濡れ性を向上させることもできる。
配線層6の厚みは、5〜50μmとすることが望ましい。配線層6の厚みが5μm未満であると、電気信号伝達に支障を来たす虞が生じるため好ましくない。また、配線層6の厚みが50μmを越えると、配線層6のパターニングをする手間がかかるため、好ましくない。
封止層8は、電極2、絶縁層3、シード層5、配線層6を保護するためのものであり、例えば、絶縁層3と同様の材質により構成され、その厚みは5〜150μm程度である。封止層8には、樹脂ポスト4の頂部4aおよび側部4bに整合する領域に配線層6を露出する円形状の開口部10が設けられている。
半田バンプ11は、半導体装置21の配線層6と図示略の回路基板とを電気的に接続するためのものである。半田バンプ11は、露出された配線層6の頂部6aと側部6bの全てを覆うように形成されている。半田バンプ11と封止層8は、封止層8に設けた開口部10を構成する側断面をなす上縁部において接触している。
半田バンプ11は、ボイドの数が極めて少ない高密度の半田ボールにより構成され、単位体積当たりのボイドの数は1×10−7〜2×10−7個/μm程度である。これは、1個の半田バンプ11が1〜2個のボイドを有することを意味する。半田バンプ11には、共晶半田、鉛を含まない高温半田等を用いることができる。このような半田バンプ11としては、共晶タイプ、鉛フリータイプの半田が好適に利用できる。
尚、配線層6上に配される半田バンプ11の中心と樹脂ポスト4の中心が略同軸をなしていることが、応力の均一分散という点で好ましい。
本実施形態の半導体装置21においては、樹脂ポスト4と、樹脂ポスト4を覆うように形成されたシード層5と、シード層5を覆うように形成された配線層6と、封止層8の開口部10と、半田バンプ11との中心が略同軸をなしていることが好ましい。これらの中心が略同軸をなしていることによって、半導体装置21と図示略の回路基板との間に作用した応力がより均一に分散され、半田バンプ11にクラックが発生することを予防できる。
尚、樹脂ポスト4の頂部4aの直径を4w、配線層6の頂部6aの直径を6w、封止層8の開口部10の直径を10w、半田バンプ11の直径を11wとすると、それらの直径の大小関係は、
4w<6w<10w<11wのように設定されている。
また、本実施形態の半導体装置においては、図1(b)に示すように、封止層8の上面8aの高さ8hが樹脂ポスト4の頂部4aの高さ4hより、基準面pに対して低くなるように設定されている。具体的には、封止層8の上面8aが樹脂ポスト4の厚さ方向の中間部より底部4c側になるように形成されている。そのため、封止層8と半田バンプ11の接点8b付近において発生したクラック12は、樹脂ポスト4の方向に平行に進行するが、樹脂ポスト4上に配置された配線層6の側部6bによってその進行が阻害されるので、配線層6の頂部6aと半田バンプ11との接続が破壊されることはなく、電気的な導通状態が維持される。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図2〜図4を用いて説明する。
初めに、半導体基板1上に真空蒸着法やスパッタ法等により導電性を有する金属膜を成膜し、この金属膜をパターニングすることにより半導体基板1上の所定位置に電極2を形成する。また、半導体基板1上の電極2を除く位置には、窒化珪素からなるパッシベーション膜9を形成する(図2(a))。
次いで、スピンコート法、ラミネート法、キャスティング法、ディスペンス法等により、パッシベーション膜9の上面にポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂(シリコーン)等の絶縁性の液状樹脂を塗布し、その後、塗布樹脂層を露光して硬化させ、絶縁層3を形成する(図2(b))。尚、絶縁層3の電極2上には開口3aを形成しておく。
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、電極2及び絶縁層3の全面に感光性の液状樹脂を塗布・乾燥して樹脂層を形成し、この樹脂層をフォトリソグラフィー技術によってパターニングし、面状をなす頂部4aを備える円錐台状の樹脂ポスト4を形成する(図2(c))。なお、フォトリソグラフィーの過程においてポジ型レジストを用いことによって、樹脂ポスト4を円錐台状に形成することができる。
次いで、電極2、絶縁層3及び樹脂ポスト4上に、蒸着法、塗付法、化学気相成長法、無電解めっき法などによりシード層5を形成する(図3(a))。さらに、シード層5上にレジスト開口部を有するレジストを形成し、レジスト開口部にめっき成長することによって配線層6を形成した後、レジストを除去する(図3(b))。この際、レジストの膜厚は、成長させるめっきからなる配線層6より厚くすることが好ましい。めっき処理の方法としては、電解めっきおよび無電解めっきの両方式を利用することができる。
次いで、シード層5上であって、めっきが形成されていない領域をエッチング除去し、絶縁層3を露出させる(図3(c))。
尚、不要な領域のシード層5を除去するためには、エッチング液を用いるエッチング法以外に、プラズマを用いる乾式エッチング法も利用できる。
その後、スピンコート法やラミネート法を用いて、絶縁層3および配線層6上に封止層8を形成する(図4(a))。その際、樹脂ポスト4の頂部4aとその側部4bとを覆う位置に配線層6を少なくとも露出するような開口部10を封止層8に設ける。なお、封止層8の開口部10の直径は、露光時に用いるフォトマスクの開口径によって調整することができる。
次いで、封止層8の開口部10により露出された配線層6上に、半田ボール搭載法、電解半田めっき法、半田ペースト印刷法、半田ペーストディスペンス法、半田蒸着法等により半田ボールを形成する。その後、リフロー炉を用いて半田ボールを溶融させ、配線層6上に、半田バンプ11を形成する(図4(b))。このようにして、本実施形態の半導体装置は製造される。
尚、半田バンプ11を用いて半導体装置21に図示略の回路基板を取り付けることによって、電子装置を構成することができる。
[第2実施形態]
図5(a)は、本発明の第2実施形態の半導体装置を示す断面図であり、図5(b)は、図5(a)の要部拡大図であり、図5(c)は、半導体装置の製造工程を示す図である。
第2実施形態の半導体装置22は、第1実施形態の半導体装置と同様の構成を有しているが、封止層8の開口部10の大きさ及び膜厚が異なる。
すなわち、封止層8の開口部10の直径は、第1実施形態の半導体装置の開口部10の直径より若干大きくなるように形成されている。
また、樹脂ポスト4と、樹脂ポスト4を覆うように形成されたシード層5と、シード層5を覆うように形成された配線層6と、封止層8の開口部10と、半田バンプ11との中心が略同軸をなしていることが好ましい。これらの中心が略同軸をなしていることによって、半導体装置と図示略の回路基板との間に作用した応力がより均一に分散され、半田バンプ11にクラックが発生することを予防できる。
尚、樹脂ポスト4の頂部4aの直径を4w、配線層6の頂部6aの直径を6w、封止層8の開口部10の直径を10w、半田バンプ11の直径を11wとすると、それらの直径の大小関係は、
4w<6w<10w<11wのように設定されている。
また、図5(b)に示すように、封止層8の膜厚を調整することによって、封止層8の上面8aの高さ8hが樹脂ポスト4の頂部4aの高さ4hより、基準面pに対して低くなるように設定されている(図5(c)参照)。具体的には、封止層8の上面8aが、樹脂ポスト4の頂部4aと底部4cの略中間位置になるように形成されている。そのため、封止層8と半田バンプ11の接点8b付近において発生したクラック12は、樹脂ポスト4の方向に平行に進行するが、樹脂ポスト4上に配置された配線層6の側部6bによってその進行が阻害されるので、配線層6の頂部6aと半田バンプ11との接続が破壊されることはなく、電気的な接続が維持される。
[第3実施形態]
図6(a)は、本発明の第3実施形態の半導体装置を示す断面図、図6(b)は図6(a)の要部拡大図であり、図6(c)は半導体装置の製造工程を示す図である。
第3実施形態の半導体装置23は、第1、第2実施形態の半導体装置と同様の構成を有しているが、封止層8の開口部10の大きさ及び膜厚が異なる。
すなわち、封止層8の開口部10の直径は、第2実施形態の半導体装置の開口部10の直径より若干大きくなるように形成されている。
また、樹脂ポスト4と、樹脂ポスト4を覆うように形成されたシード層5と、シード層5を覆うように形成された配線層6と、封止層8の開口部10と、半田バンプ11との中心が略同軸をなしていることが好ましい。これらの中心が略同軸をなしていることによって、半導体装置と図示略の回路基板との間に作用した応力がより均一に分散され、半田バンプ11にクラックが発生することを予防できる。
尚、樹脂ポスト4の頂部4aの直径を4w、配線層6の頂部6aの直径を6w、封止層8の開口部10の直径を10w、半田バンプ11の直径を11wとすると、それらの直径の大小関係は、
4w<6w<10w=11wのように設定されている。
また、図6(b)に示すように、封止層8の膜厚を調整することによって、封止層8の上面8aの高さ8hが樹脂ポスト4の頂部4aの高さ4hより、基準面pに対して高くなるように設定されている(図6(c)参照)。半田バンプ11は、このように形成された樹脂ポスト4の頂部4aおよび側部4bの全てを覆うように配線層6に配置される。半田バンプ11と封止層8は、封止層8に設けた開口部10を構成する側断面をなす上縁部の下方域において接触している。封止層8と半田バンプ11との接点8bは、樹脂ポスト4の頂部4aの高さ4hより、基準面pに対して低くなるように設定されている。そのため、封止層8と半田バンプ11の接点8b付近において発生したクラック12は、樹脂ポスト4の方向に平行に進行するが、樹脂ポスト4上に配置された配線層6の側部6bによってその進行が阻害されるので、配線層6の頂部6aと半田バンプ11との接続が破壊されることはなく、電気的な接続が維持される。
(実施例)
本発明の実施例として、第3実施形態に基づいて半導体装置を作製した。この際、樹脂ポスト4は、膜厚25μm、頂部4aの直径280μm、底部4cの直径300μm、シード層5は、膜厚200nm、配線層6は膜厚10μm、頂部6aの直径290μm、封止層8の開口部10は直径340μm、半田バンプ11は直径340μmとした。
このようにして作製した半導体装置を用いて、外部の回路基板に実装した後、BLR試験に供した。このBLR試験は、回路基板に実装した半導体装置を、−40℃の低温中に30分間放置した後、125℃の高温中に30分間放置するという温度サイクルを1サイクルとする処理を繰り返して行い、電気抵抗の増加等の異常が発生した時点における処理回数(サイクル数)を測定した。
このBLR試験の結果、本実施例においては、処理回数が1500回を超えても電気抵抗等の異常は発生せず、信頼性が高いことが分かった。
一方、本実施例の構成を有しない一般のウエハレベルチップスケールパッケージを用いて同様の試験を行った結果、処理回数の平均値が1200回で電気抵抗の増加等の異常が認められた。
本発明の半導体装置の第1実施形態を示す図であり、(a)は断面図、(b)は(a)の要部拡大図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第2実施形態を示す図であり、(a)は断面図、(b)は要部拡大図、(c)は製造工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第2実施形態を示す図であり、(a)は断面図、(b)は要部拡大図、(c)は製造工程を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。
符号の説明
1・・・基板、2・・・電極、3・・・絶縁層、4・・・樹脂ポスト、4a・・・頂部、4b・・・側部、5・・・シード層、6・・・配線層、6a・・・頂部、6b・・・側部、8・・・封止層、10・・・開口部、11・・・半田バンプ、12・・・クラック、21,22,23・・・半導体装置

Claims (6)

  1. 少なくとも一面に電極を備えた基板と、
    該基板上の所定位置に配され、面状をなす頂部を備えた突起状の樹脂ポストと、
    該樹脂ポスト上に配され、一部が前記電極に電気的に接続された配線層と、
    前記配線層上に配され、前記樹脂ポストの頂部とその側部とを覆う位置に前記配線層を少なくとも露出してなる開口部を備えた絶縁性の封止層と、
    前記配線層の露出された頂部と側部の全てを覆うように載置された導電性のバンプとを備えてなることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記封止層と前記導電性のバンプとの接点が、前記封止層に設けた開口部をなす側断面にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記接点が前記側断面をなす上縁部にあることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記接点が前記側断面をなす上縁部より下方域にあることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  5. 請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電子装置。
  6. 少なくとも一面に電極を備えた基板上の所定位置に、面状をなす頂部を備えた突起状の樹脂ポストを形成する工程と、
    一端が前記樹脂ポストの頂部を覆い、他端が前記電極に電気的に接続されるように配線層を形成する工程と、
    前記配線層上に封止層を形成する工程と、
    前記樹脂ポストの頂部と側部とを覆う位置に前記配線層を少なくとも露出してなる開口部を前記封止層に形成する工程と、
    前記配線層の露出された頂部と側部とを覆うように導電性のバンプを形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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