JP2007149751A

JP2007149751A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2007149751A
Application number: JP2005338686A
Authority: JP
Inventors: Takanao Suzuki; 孝直鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: JP5014619B2

Abstract

【課題】樹脂内部や素子内部の検査を容易にし、また、ウエハレベルＣＳＰの光学デバイスへの適応を可能とした半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０は、少なくとも一面に電極２および光学素子４を備えた基板１と、該基板の一面を覆うように設けられた絶縁樹脂層１１と、該絶縁樹脂層上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導電層１２と、該絶縁樹脂層および該導電層を被覆する封止樹脂層１３とを備え、前記絶縁樹脂層および封止樹脂層において、少なくとも前記光学素子と重なる部分は、前記光学素子にとって透過性を有する材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板（インタポーザ）を使用しないウエハレベルＣＳＰ（Chip size/scale Package）等の半導体装置に関する。

従来、半導体パッケージでは、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）など、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が主流であった。
これに対し、高密度実装可能なチップ・サイズ／スケール・パッケージ（ＣＳＰ）が提案され、実用に供されている。
ＣＳＰは、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）技術を応用したもので、パッケージの表面に複数の電極をロ字状あるいは格子状に配置した構造（ＢＧＡ構造）のリードレス半導体パッケージである。かかる構造のＣＳＰでは、電極格子数が同じでも、パッケージの占有面積を狭くすることができる。

近年、さらなる高密度実装化を目指して、上記ＣＳＰをさらに発展させた半導体パッケージとして、ウエハレベル（ＷＬ）ＣＳＰが提案されている。（例えば、特許文献１）。
図８に基づいて、従来のウエハレベルＣＳＰの概略について簡単に説明する。図８は厚み方向の断面図である。
この半導体装置１００は、電極１０２およびパッシベーション膜１０３が形成された半導体基板１０１と、該半導体基板１０１の上に設けられた絶縁樹脂層１１１と、この絶縁樹脂層１１１の前記電極１０２に整合する領域に形成された開口部１１１ａと、この開口部１１１ａを介して前記電極２に接続された配線層１１５と、前記半導体基板１０１、前記絶縁樹脂層１１１および前記配線層１１５を封止する封止樹脂層１１６と、この封止樹脂層１１６を貫通し上面に半田バンプ１１７が形成されたポスト１１８とを有する。
特開２００２−２７０７２０号公報

このような従来の半導体装置では、絶縁性樹脂（絶縁樹脂層および／または封止樹脂層）に不透明な樹脂を用いているので、封止後はＸ線装置や超音波装置などを用いなければ樹脂内部や素子内部の検査を行うことができず、また、撮像素子や赤外線センサーなどを備えた光学デバイスへの適応が困難であった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、樹脂内部や素子内部の検査を容易にし、また、ウエハレベルＣＳＰの光学デバイスへの適応を可能とした半導体装置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、少なくとも一面に電極および光学素子を備えた基板と、該基板の一面を覆うように設けられた絶縁樹脂層と、該絶縁樹脂層上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導電層と、該絶縁樹脂層および該導電層を被覆する封止樹脂層とを備えた半導体装置であって、前記絶縁樹脂層および封止樹脂層において、少なくとも前記光学素子と重なる部分は、前記光学素子にとって透過性を有する材料から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、前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層において、前記光学素子と重なる部分は、他の部分に比べて薄いことを特徴とする。
本発明の請求項３に係る半導体装置は、請求項１において、前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層は、前記光学素子に対応する部分に開口部を有してい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３において、前記開口部の側面は、前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層の表面に対して傾斜していることを特徴とする。
本発明の請求項５に係る半導体装置は、請求項４において、前記傾斜は、断面方向から見てテーパ状をなすことを特徴とする。
本発明の請求項６に係る半導体装置は、請求項４において、前記傾斜は、断面方向から見て円弧状をなすことを特徴とする。
本発明の請求項７に係る半導体装置は、請求項４において、前記傾斜は、断面方向から見て凹凸状をなすことを特徴とする。

本発明では、絶縁樹脂層および／または封止樹脂層において、少なくとも光学素子と重なる部分を、前記光学素子にとって透過性を有する材料から構成しているので、Ｘ線装置や超音波装置を用いることなく、樹脂内部や素子内部の検査を行うことができる。また、本発明により、光学デバイスへのウエハレベルＣＳＰの適応が可能となる。

以下、本発明に係る半導体装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。
この半導体装置１０においては、集積回路（ＩＣ、図示略）および光学素子が形成された半導体基板１の表面に集積回路の電極２およびパッシベーション膜３が形成されている。
光学素子は、受光素子でも発光素子でも構わない。この半導体装置１０は、光学素子としてフォトセンサ４を備える。

さらにこの半導体装置１０は、半導体基板１のパッシベーション膜３上に設けられた絶縁樹脂層１１と、この絶縁樹脂層１１の前記電極２に整合する領域に形成された開口部１１ａと、この開口部１１ａを介して前記電極２に接続された導電層１２と、前記半導体基板１、前記絶縁樹脂層１１および前記導電層１２を封止する封止樹脂層１３と、この封止樹脂層１３を貫通し上面に形成された半田バンプ１４とを有する。

半導体基板１は、少なくとも表層が絶縁部（図示略）をなす基材１ａの一面上に、例えば電極２としてＡｌパッドを設け、さらにその上にＳｉＮまたはＳｉＯ_２等のパッシベーション膜３（不動態化による絶縁膜）を形成してなるものである。このパッシベーション膜３には、電極２と整合する位置に開口部３ａ、フォトセンサ４と整合する位置に開口部３ｂが設けられており、この開口部３ａ，３ｂを通して電極２およびフォトセンサ４が露出されている。パッシベーション膜３は、例えばＬＰ−ＣＶＤ法等により形成することができ、その膜厚は例えば０．１〜０．５μｍである。

導電層１２は、電極２と半田バンプ１４とを電気的に接続する再配線層（アンダーパス）である。導電層１２の一端部は、開口部１１ａを介して絶縁樹脂層１１を貫通し、電極２と電気的に接続されている。また、導電層１２の他端部は半田バンプ１４と整合する位置まで延びている。

そして本発明の半導体装置では、前記絶縁樹脂層１１および封止樹脂層１３において、少なくとも前記フォトセンサ４と重なる部分は、該フォトセンサ４にとって透過性を有する材料から構成されている。
ここで、透過性を有するとは、フォトセンサ４が使用される波長域にとって透過性を有することを意味する。
具体的には、例えば７００〜１１００ｎｍの波長領域において、５０％以上の透過率を有することが好ましい。
このような透過性を有する樹脂としては、ポリイミド、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポリベンザオキサゾール等が挙げられる。

半導体装置１０では、絶縁樹脂層１１および封止樹脂層１３に透過性を有する材料を用いているので、Ｘ線装置や超音波装置を用いることなく、樹脂内部や素子内部の検査を行うことができる。これにより検査を簡略化することができる。また、フォトセンサ４の感度が向上し、半導体装置１０の光学特性を優れたものとすることができる。
また、光学素子を備えた半導体装置において、該光学素子と重なる部分に透過性を有する材料を用いることにより、ウエハレベルＣＳＰの光学デバイスへの適応が可能となる。これにより、従来に比べて工程を簡略化でき、設計の自由度が向上する。

半導体基板１は、シリコンウエハ等の半導体ウエハでもよく、半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップであってもよい。半導体基板１が半導体チップである場合は、まず、半導体ウエハの上に、各種半導体素子やＩＣ、誘導素子等を複数組、形成した後、チップ寸法に切断することで複数の半導体チップを得ることができる。

絶縁樹脂層１１は、電極２と整合する位置に形成された開口部１１ａを有する。絶縁樹脂層１１は、少なくとも前記フォトセンサ４と重なる部分が、上述したような、フォトセンサ４にとって透過性を有する材料から構成され、その厚さは例えば５〜５０μｍである。
絶縁樹脂層１１は、例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などにより形成することができる。また開口部１１ａは、例えばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより形成することができる。

導電層１２は、シード膜（図示略）とその上に配された導電膜（図示略）とからなる積層体から構成される。
導電層１２の材料としては、例えば銅等が用いられ、その厚さは例えば１〜２０μｍである。これにより十分な導電性が得られる。導電層１２は、例えば、電解銅めっき法等のめっき法、スパッタリング法、蒸着法、または２つ以上の方法の組み合わせにより形成することができる。

封止樹脂層１３は、少なくとも前記フォトセンサ４と重なる部分が、上述したような、フォトセンサ４にとって透過性を有する材料から構成され、その厚さは例えば５〜１５０μｍである。封止樹脂層１３には、半田バンプ１４を搭載するための開口部１３ａが設けられる。

半田バンプ１４は、例えば封止樹脂層１３に形成された開口部１３ａ上に半田材料を載せ、半田溶融温度以上に加熱するリフロー工程を経て形成することができる。
図１では、半導体基板上の素子１つに対応する部分のみを図示したが、本発明は、複数の素子を備えた半導体装置に適用することもできる。

次に、図１に示す半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、集積回路（図示略）、フォトセンサ４、電極２およびパッシベーション膜３を有する半導体基板１を用意する。この半導体基板１は、上述したように、基材１ａの一面上に電極２とフォトセンサ４とパッシベーション膜３とが形成されており、パッシベーション膜３には、電極２と整合する位置に開口部３ａ、フォトセンサ４と整合する位置に開口部３ｂが設けられた半導体ウエハである。

次いで、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１のパッシベーション膜３の上に、開口部１１ａを有する絶縁樹脂層１１を形成する。
このような絶縁樹脂層１１は、例えば上記樹脂からなる膜を例えば回転塗布法、印刷法、ラミネート法などによってパッシベーション膜３の全面に成膜した後、例えばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより、電極２と整合する位置に開口部１１ａを形成することによって形成することができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、絶縁樹脂層１１上に、導電層１２を形成する。
ここで、導電層１２を形成する好適な方法の一例について説明する。
まず、スパッタリング法等により、電解めっき用の薄いシード膜（図示略）を絶縁樹脂層１１上の全面または必要な領域に形成する。シード膜は、例えばスパッタリング法により形成されたＣｕ層およびＣｒ層からなる積層体、またはＣｕ層およびＴｉ層からなる積層体である。また、無電解Ｃｕめっき層でもよいし、蒸着法、塗布法または化学気相成長法（ＣＶＤ）等により形成された金属薄膜層であってもよいし、上記の金属層形成方法を組み合わせてもよい。

次に、シード膜の上に、電解めっき用のレジスト膜（図示略）を形成する。このレジスト膜には導電層１２の形成すべき領域に開口部を設け、該開口部において、前記シード膜を露出させておく。レジスト膜は、例えば、フォトリソグラフィ技術によるパターニング、フィルムレジストをラミネートする方法、液体レジストを回転塗布する方法等により形成することができる。
そして、前記レジスト膜をマスクとして露出したシード膜上に、電解めっき法等により、Ｃｕ等から構成された導電膜を形成する。このようにして、所望の領域に導電層１２が形成される。その後、不要なレジスト膜およびシード膜はエッチングにより除去し、導電層１２が形成された領域以外の部分では絶縁樹脂層１１が露出されるようにする

その後、図２（ｄ）に示すように、導電層１２を覆い、半田バンプ１４を載せる部分に開口部１３ａを有するように封止樹脂層１３を形成する。その厚さは５〜１５０μｍ程度である。
このような封止樹脂層１３は、例えば、感光性ポリイミド樹脂等の感光性樹脂をフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることによって、所望の位置に開口部１３ａを有する封止樹脂層１３を形成することができる。なお、封止樹脂層１３の形成方法は、この方法に限定されるものではなく、例えば印刷法によるパターン塗布でもよい。

次いで、図２（ｅ）に示すように、封止樹脂層１３に形成された開口部１３ａ上に半田バンプ１４を形成する。半田バンプ１４には共晶タイプ、鉛フリータイプの半田を使用することができる。
半田バンプ１４の形成方法としては、半田ボール搭載法、半田ペースト印刷法、メタルジェット法、半田ペーストディスペンス法により半田ペーストを載せた後リフローを実施、または電解半田めっき法、半田蒸着法等が挙げられる。
半田バンプ１４の形成後、前記導電層１２などの各種構造物が形成された半導体ウエハを所定の寸法にダイシングすることにより、前記導電層１２がパッケージ化された半導体チップを得ることができる。

この半導体装置１０では、絶縁樹脂層１１および封止樹脂層１３に透過性を有する材料を用いているので、Ｘ線装置や超音波装置を用いることなく、樹脂内部や素子内部の検査を行うことができる。さらに、絶縁樹脂層１１および／または封止樹脂層１３の全面を透過性を有する材料から構成することで検査を簡略化することができる。また、フォトセンサ４の感度が向上し、半導体装置１０の光学特性を優れたものとすることができる。
また、光学素子を備えた半導体装置において、光に感度を持つ部分、すなわち前記光学素子と重なる部分に透過性を有する材料を用いることにより、ウエハレベルＣＳＰの光学デバイスへの適応が可能となる。これにより、従来に比べて工程を簡略化でき、設計の自由度が向上する。
＜第二の実施形態＞

以下、本発明の第二の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図３は、本実施形態の半導体装置の一例を示す断面図である。
なお、図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を付し、共通部分の詳細な説明を省略する。
半導体装置２０は、半導体基板１上に設けられた絶縁樹脂層２１と、この絶縁樹脂層２１の前記電極２に整合する領域に形成された開口部２１ａと、この開口部２１ａを介して前記電極２に接続された導電層２２と、前記半導体基板１、前記絶縁樹脂層２１および前記導電層２２を封止する封止樹脂層２３と、この封止樹脂層２３を貫通し上面に形成された半田バンプ２４とを有する。

そしてこの半導体装置２０では、前記絶縁樹脂層２１および／または封止樹脂層２３において、フォトセンサ４と重なる部分が、他の部分に比べて薄くなされている。図３では、封止樹脂層２３においてフォトセンサ４と重なる部分２３ａが薄い場合を例に挙げて示している。
フォトセンサ４と重なる部分を薄くすることにより、絶縁樹脂層２１および／または封止樹脂層２３のフォトセンサと重なる部分における透過性が向上する。これによりＸ線装置や超音波装置を用いることなく、素子内部の検査を行うことができる。また、フォトセンサ４の感度が向上し、半導体装置２０の光学特性を優れたものとすることができる。

なお、上述した説明では、封止樹脂層２３においてフォトセンサ４と重なる部分を薄くした場合を例に挙げて示説明したが、絶縁樹脂層２１においてフォトセンサ４と重なる部分を薄くした場合でも、同様の効果を得ることができる。
＜第三の実施形態＞

以下、本発明の第三の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図４は、本実施形態の半導体装置の一例を示す断面図である。
なお、図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を付し、共通部分の詳細な説明を省略する。
半導体装置３０は、半導体基板１上に設けられた絶縁樹脂層３１と、この絶縁樹脂層３１の前記電極２に整合する領域に形成された開口部３１ａと、この開口部３１ａを介して前記電極２に接続された導電層３２と、前記半導体基板１、前記絶縁樹脂層３１および前記導電層３２を封止する封止樹脂層３３と、この封止樹脂層３３を貫通し上面に形成された半田バンプ３４とを有する。

そしてこの半導体装置３０では、前記絶縁樹脂層３１および／または封止樹脂層３３の前記フォトセンサ４に対応する部分に開口部を有している。図４では、封止樹脂層３３に開口部３３ａを形成した場合を例に挙げて示している。
絶縁樹脂層３１および／または封止樹脂層３３において、前記フォトセンサ４に対応する部分に開口部を形成することにより、該部分の透過性を向上することができる。これによりＸ線装置や超音波装置を用いることなく、素子内部の検査を行うことができる。また、フォトセンサ４の感度が向上し、半導体装置３０の光学特性を優れたものとすることができる。

前記開口部３３ａは、その側面が絶縁樹脂層３１および／または封止樹脂層３３の表面に対して傾斜していることが好ましい。開口部の側面が傾斜していることにより、フォトセンサ４の受発光の光軸を垂直以外の方向に可変することが可能となる。これにより、光路の幅を広げることができ、用途に応じた半導体装置を提供することができる。
前記傾斜の形状を変えることにより、半導体装置３０に様々な光学機能を付与することができる。

例えば図４に示すように、前記傾斜３３ｂを、断面方向から見てテーパ状（台形状）とすることができる。
傾斜をテーパ状とし、その傾斜角度を調整することで、フォトセンサ４に入射／出射する光の光路を制御することができる。これにより、用途に応じた半導体装置を提供することができる。

また、図５に示すように、傾斜３３ｂを、断面方向から見て円弧状をなすように形成することができる。前記円弧状は凸状でも凹状でも構わない。
傾斜を円弧状とすることで、該傾斜にレンズ機能を付与することが可能となる。これにより、フォトセンサ４に入射／出射する光の光路を制御することができ、用途に応じた半導体装置を提供することができる。

また、図６に示すように、傾斜３３ｂを、断面方向から見て凹凸状をなすように形成することができる。前記凹凸は、例えば、階段状または鋸歯状である。前記凹凸は、ランダムに形成されていても、ストライプ状に形成されていても構わない。
傾斜を凹凸状とすることで、該傾斜に特殊なレンズ機能を付与することが可能となる。これにより、フォトセンサ４に入射／出射する光の光路を制御することができ、用途に応じた半導体装置を提供することができる。

なお、上述した説明では、封止樹脂層３３に開口部を形成した場合を例に挙げて示説明したが、絶縁樹脂層３１に開口部を形成した場合でも、同様の効果を得ることができる。

このような開口部の形成は、例えばプログラム制御によりレーザビームを移動させて絶縁樹脂層および／または封止樹脂層に照射することにより行うことができる。これにより、エッチングの結果残存する樹脂層の側面をその表面に対して傾斜したものとすることができる。また、メタルマスクを使用して一括加工を行ってもよい。
レーザとしては、例えばエキシマレーザおよびＣＯ_２レーザ又はＵＶ−ＹＡＧレーザ等が使用可能である。また、このエッチングは、レーザによるものに限定されるものではなく、例えばＣＦ_４プラズマを使用した異方性プラズマエッチングとしてもよい。
さらに、絶縁樹脂層および／または封止樹脂層を感光性樹脂から形成しておき、フォトリソグラフィにより絶縁樹脂層および／または封止樹脂層に開口部を形成してもよい。なお、開口部の形成方法は、これらの方法に限定されるものではない。

以上、本発明の半導体装置およびその製造方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

絶縁樹脂層および封止樹脂層に、透過性を有する樹脂を用いて、図１に示すような半導体装置を作製した。
図７は、使用した樹脂の可視〜近紫外領域の透過率を示すものである。光の波長が４００ｎｍ以上の領域に透過率１％以上の領域を持っていることがわかる。
この半導体装置は、比較的安価な可視光領域を用いる外観検査装置を使うことにより、樹脂内の異物や配線形状の検査を全数行うことができた。
また、この半導体装置は、波長９００ｎｍの近赤外線に対して感度を持つことが確認された。

本発明は、例えばフォトセンサのような各種光学素子を内蔵した各種半導体装置に適用可能である。

本発明の半導体装置の一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の一例を工程順に示す断面図である。本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。実施例において使用した樹脂の透過率を示す図である。従来の半導体装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１半導体基板（基板）、２電極、３パッシベーション膜、４フォトセンサ（光学素子）、１０、２０、３０半導体装置、１１絶縁樹脂層、１２導電層、１３封止樹脂層、１４半田バンプ。

Claims

少なくとも一面に電極および光学素子を備えた基板と、
該基板の一面を覆うように設けられた絶縁樹脂層と、
該絶縁樹脂層上に設けられ、前記電極と電気的に接続された導電層と、
該絶縁樹脂層および該導電層を被覆する封止樹脂層とを備えた半導体装置であって、
前記絶縁樹脂層および封止樹脂層において、少なくとも前記光学素子と重なる部分は、前記光学素子にとって透過性を有する材料からなることを特徴とする半導体装置。
前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層において、前記光学素子と重なる部分は、他の部分に比べて薄いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層は、前記光学素子に対応する部分に開口部を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記開口部の側面は、前記絶縁樹脂層および／または封止樹脂層の表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記傾斜は、断面方向から見てテーパ状をなすことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記傾斜は、断面方向から見て円弧状をなすことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記傾斜は、断面方向から見て凹凸状をなすことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。