JP2008016508A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のウエハレベル・チップサイズパッケージ(W-CSP)よりも製造コストを低く抑えた半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置1は、シリコンウエハ103と、シリコンウエハ103上に設けられ、半田バンプ108が接続されるパッド112が上面に露出した再配線層106と、シリコンウエハ103に形成され、当該シリコンウエハ103を貫通する開口部107と、開口部107内に配置され、再配線層106の裏面に露出した再配線に接続された半導体チップ100と、を備えている。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置1は、シリコンウエハ103と、シリコンウエハ103上に設けられ、半田バンプ108が接続されるパッド112が上面に露出した再配線層106と、シリコンウエハ103に形成され、当該シリコンウエハ103を貫通する開口部107と、開口部107内に配置され、再配線層106の裏面に露出した再配線に接続された半導体チップ100と、を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
中間基材を使ってチップ上の微細パッドをより粗い面配列パッドに再分配し、フリップチップ実装を可能としたことを特徴とするチップサイズパッケージ(CSP)は、他のパッケージに比べ、小型、薄型という特長を有している。中でも、所謂ウエハレベルCSP(以下W-CSPと略す)は、半導体ウエハ上に直に再配線層を形成した後、チップに個片化することを特徴として製造される。ワイヤーボンディングを用いないため、他のCSPに比べても最も小さく薄く、また、寄生インダクタンスが抑制できる、熱伝導性が良いと言った優れた特長を有する。
特許文献1には、フリップチップ実装を行うための再配線層の形成についての技術が開示されている。これによれば高剛性を有し、かつ平坦性の高い支持基板を用意し、この基板表面にエッチバック層を形成した上で、その上に再配線層を形成した後、ステンレス鋼などで出来た補強枠を接着し、しかる後にエッチバック層をウェットエッチにより除去して再配線層と支持基板を分離し、補強枠の中に半導体チップを実装して完成する。
図5は、特許文献1とは別の従来技術に係るW-CSPを示す断面図である。第1領域301および第2領域302を有するシリコン基板に集積回路を形成した後、微細パッドをより粗いピッチの面配列パッドに再分配し、フリップチップ実装を可能とするための半田バンプを含む再配線層303を形成して完成する。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献1の他に、特許文献2,3が挙げられる。
特開2003−309215号公報
特開2003−31724号公報
特開2006−19433号公報
図5のW-CSPにおける問題点は、実際の能動領域の面積が小さいにも拘らず、ピン数が多いときに顕在化する。すなわち、ピン数に応じたチップ面積が必要になることにある。
セットメーカーにおける実装基板へのLSI実装におけるピンピッチは、ウエハ製造プロセスのデザインルールの微細化に比較するとほとんど狭まっていないと言って過言ではなく、現状では、0.4〜0.65mmピッチと言ったところである。仮に0.5mmピッチでフルグリッドでピンを配置したとしても、36pin品で3mm□、49pin品で3.5mm□、64pin品で4mm□程度のチップ面積が必要となる。もし、トランジスタ等を含む能動領域およびボンディングパッド等を含む周辺領域からなる領域(第1領域301)の面積が上記面積より小さい場合には、ピン数を押し込むためだけに何も作り込まれていない無駄な領域(第2領域302)がチップ上に存在することになる。
これによりW-CSPでは、ピン数の増加がそのままチップ面積の増大につながり、ウエハ1枚あたりの収量が減少してしまうということになる。したがって、ウエハ1枚あたりの製造コストを収量で割って算出されるチップ当たりの製造コストは、ピン数が増えれば増えるほど増大してしまうことになる。
通常のパッケージに封入する場合には、チップ面積は能動領域と周辺領域との面積からなり、ピン数や回路機能の増加は、微細化によって吸収される。ところが、多ピンのW-CSPを形成しようとすると、上述したとおり素子が作り込まれていない無駄な領域ができてしまうことになり、この領域も各製造工程を通過するため、結果的にコストアップにつながることとなる。
以上述べた傾向は、ウエハ製造プロセスの微細化が進めば進むほど能動領域の面積は小さくなるため、顕著に現れることとなり、最先端プロセスで製造した半導体チップで多ピンのW-CSPを形成することはコストに適わないこととなりかねない。
一方、BGA(ボールグリッドアレイ)やLGA(ランドグリッドアレイ)などのパッケージでは、封入されるチップ自体は能動領域と周辺領域だけで形成されるため、チップ当たりの製造コストは必要最低限に抑えることが可能である。しかし、パッケージに仕上げるための製造工程はチップの拡散工程とは別工程となるため、パッケージ専用のラインを持つか、外部のサブコンに委託して製造する必要が生じる。また、基板などの資材も必要になってくる。これらは全て製品単価に乗ってくるためやはり結果的に高コストとなる。
この観点から見て、特許文献1に開示された技術は、能動領域および周辺領域を有する半導体チップと、フリップチップ実装するための半田バンプを含む再配線層とを別々に形成した後に接続しており、上記の課題解決の一手法として捉えることができる。しかしながら、この方法では、高剛性を有し、かつ平坦性の高い支持基板を用意せねばならず、また、ステンレス鋼などからなる補強枠が必要となる。更に言えば、再配線層と補強枠を絶縁性接着剤で接着する工程や支持基板と再配線層を分離するためのエッチバック工程なども必要で、これらは半導体ウエハ製造工程の中に組み込むことが出来るものではなく、したがって別の製造ラインが必要となってしまい、やはり結果的にコスト増加につながる。
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体チップを備える半導体装置を製造する方法であって、当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドが一方の面に露出した再配線層を、シリコンウエハ上に形成する工程と、上記再配線層の他方の面が露出するように、上記シリコンウエハの一部を除去する工程と、上記シリコンウエハの上記一部が除去されることにより生じた空間に上記半導体チップを配置し、上記再配線層の上記他方の面に露出した再配線に上記半導体チップを接続する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体チップを備える半導体装置を製造する方法であって、シリコンウエハ上に、当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドを形成し、前記パッド上に再配線層を形成する工程と、前記再配線層に前記半導体チップを接続する工程と、前記パッドが露出するように、前記シリコンウエハを除去する工程と、を含むことを特徴としてもよい。
また、本発明による半導体装置は、半導体チップを備える半導体装置であって、シリコンウエハと、上記シリコンウエハ上に設けられ、当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドが上面に露出した再配線層と、上記シリコンウエハに形成され、当該シリコンウエハを貫通する開口部と、上記開口部内に配置され、上記再配線層の裏面に露出した再配線に接続された半導体チップと、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、シリコンウエハを支持基板として形成される再配線層が能動領域形成のための拡散工程を経ないため、従来のW-CSPに比し安価に製造することが可能である。また、通常のシリコンウエハ製造ラインのみで製造することが可能であるため、特殊な支持基板や補強枠等を用意する必要は無く、これらの点からも安価に製造することが可能になる。
本発明によれば、製造コストを低く抑えることが可能な半導体装置およびその製造方法が実現される。
以下、図面を参照しつつ、本発明による半導体装置およびその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
(第1実施形態)
図1は、本発明による半導体装置の第1実施形態を示す断面図である。半導体装置1は、シリコンウエハ103と、シリコンウエハ103上に設けられ、半田バンプ108が接続されるパッド112が上面に露出した再配線層106と、シリコンウエハ103に形成され、当該シリコンウエハ103を貫通する開口部107と、開口部107内に配置され、再配線層106の裏面に露出した再配線に接続された半導体チップ100と、を備えている。
シリコンウエハ103上には、酸化膜104を介して再配線層106が形成されている。再配線層106の上面には、パッド112が形成されている。パッド112は、フルグリッドで配置されている、すなわち再配線層106の上面の略全体に渡って配置されていることが好ましい。パッド112は絶縁膜113で覆われている。絶縁膜113に形成された開口を通じて、パッド112に半田バンプ108が接続されている。半田バンプ108は、半導体装置1の外部電極端子として機能する。
図2(a)および図2(b)を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第1実施形態として、半導体装置1の製造方法の一例を説明する。まず、図2(a)に示す半導体チップ100と、図2(b)に示す、再配線層106が形成されたシリコンウエハ103とを準備する。
半導体チップ100は、トランジスタ、抵抗素子または容量素子等を含む能動領域と、ボンディングパッドまたは静電保護素子等を含む周辺領域とを有している。シリコンウエハ101上に能動領域が形成され、その上にさらに周辺領域が形成されている。周辺領域にはボンディングパッド111が形成され、そのボンディングパッド111上に半田バンプ102が形成されている。ボンディングパッド111のサイズは、例えば数十〜100μm□程度である。ボンディングパッド111の配列ピッチも、例えば数十〜100μm程度である。半導体チップ100は、微細バンプ(半田バンプ102)を形成する工程まではウエハ状態にあり、その後にダイシングにより個片化される。
一方、図2(b)に示した、再配線層106が形成されたシリコンウエハ103は、以下のようにして製造される。まず、シリコンウエハ103を準備する。このシリコンウエハ103には能動素子が形成されていない。シリコンウエハ103の上面に酸化膜104を成長させた後、能動領域および周辺領域を作りこむための工程を経ることなく、通常の配線形成工程のみを経て再配線層106を形成する。この時点では、半田バンプ108は形成されていない。
次に、再配線層106の裏面(シリコンウエハ103側の面)が露出するように、シリコンウエハ103の一部を除去する。具体的には、再配線層106の形成が完了した状態で、シリコンウエハ103をその裏面から選択的にエッチングし、半導体チップ100を埋め込むための開口部107を形成する。この開口部107は、シリコンウエハ103を貫通し、再配線層106の最下層配線に達している。このとき半導体チップ100の半田バンプ102が接続されるランド105が開口部107に露出するように、予め再配線層106を設計しておく。
次に、シリコンウエハ103の一部が除去されることにより生じた空間(開口部107)に半導体チップ100を配置する。この際、半導体チップ100の半田バンプ102がシリコンウエハ103のランド105に接触するように目合わせが必要になるが、予め再配線層106の最下層に目合わせパターン(図示せず)を形成しておくことで、半田バンプ102とランド105とを互いにずれることなく、容易に接触させることができる。この後、熱処理を施し、半田バンプ102とランド105とを合金化する。これにより、半田バンプ102を介してランド105に半導体チップ100が接続され、半導体チップ100と再配線層106とが互いに電気的に接続される。なお、半導体チップ100とシリコンウエハ103との間の隙間は、通常の半導体製造工程で用いられるポリイミド等の絶縁性樹脂封止材(図示せず)により封止されることが好ましい。
続いて、シリコンウエハ103の裏面を研削し、平坦化する。その後、再配線層106のパッド112に半田バンプ108を接続する。半田バンプ108は、半田ボールとして形成してもよいし、半田ペーストを用いた印刷法により形成してもよい。半田バンプ108を形成した後、必要に応じてダイシングを行う。以上により、図1の半導体装置1が得られる。
本実施形態の効果を説明する。本実施形態によれば、シリコンウエハ103を支持基板として形成される再配線層106が能動領域形成のための拡散工程を経ないため、従来のW-CSPに比し安価に製造することが可能である。また、通常のシリコンウエハ製造ラインのみで製造することが可能であるため、特殊な支持基板や補強枠等を用意する必要は無く、これらの点からも安価に製造することが可能になる。よって、製造コストを低く抑えることが可能な半導体装置1およびその製造方法が実現されている。
ところで、LSIのデザインルールは年々微細化の一途をたどっているが、セットメーカー側の実装技術は必ずしもこれに追随しているとは言えない。これにより今後は、従来に比べ機能は増加しチップも小さくなっているが、機能が増加した分ピン数が増えパッケージとしては大きくなってしまうというケースが出てくるものと思われる。この課題に対し、実装面に機能ピンをフルグリッドで配置することの出来るW-CSPは有効な対策となり得るが、既に述べたようにピン数が増加するとコストが増加してしまうという問題がある。この点、本実施形態は、コストアップを抑えることができ、LSIの微細化と実装ピッチとの乖離が進むであろう今後、益々その重要性が高まるものと思われる。
(第2実施形態)
(第2実施形態)
図3は、本発明による半導体装置の第2実施形態を示す断面図である。半導体装置2は、再配線層206と、再配線層206のランド205に接続された半導体チップ200と、を備えている。半導体チップ200の構成は、図2(a)に示した半導体チップ100と同様である。第1実施形態では半導体チップ100がシリコンウエハ103に形成された開口部107内に配置されている(図1参照)のに対し、本実施形態では半導体チップ200が再配線層206の上面にフリップチップ実装されている。半導体チップ200は、絶縁性樹脂封止材214で覆われている。絶縁性樹脂封止材214は、高い剛性を持っており、かつ半導体チップ200と比べて充分に厚いことが好ましい。
再配線層206の裏面(図3において上側の面)には、パッド212が露出している。再配線層206の裏面上には、酸化膜204および絶縁膜213が順に積層されている。これらの酸化膜204および絶縁膜213に形成された開口を通じて、パッド212に半田バンプ208が接続されている。半田バンプ208は、半導体装置2の外部電極端子として機能する。
図4(a)および図4(b)を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第2実施形態として、半導体装置2の製造方法の一例を説明する。まず、シリコンウエハ203上に酸化膜204を介して再配線層206を形成する。その後、再配線層206の上面に露出した再配線(ランド205)に半導体チップ200をフリップチップ接続する。続いて、半導体チップ200を覆うように、絶縁性樹脂封止材214を再配線層206の上面の全面に形成した後、その表面を研磨して平坦化する(図4(a))。
次に、再配線層206の裏面が露出するように、シリコンウエハ203の全部を除去する。すなわち、シリコンウエハ203を研削により除去し、再配線層206の裏面を露出させる。このとき、絶縁性樹脂封止材214が支持基板となっている(図4(b))。その後、パッド212上に半田バンプ208を形成する。したがって、半導体チップ200の半田バンプ202が接続されるランド205は再配線層206の最上層に、半田バンプ208が接続されるパッド212は再配線層206の最下層に、それぞれ形成されるように設計されなければならない。その後、絶縁性樹脂封止材214および再配線層206をダイシングし、個々の半導体装置2に分離する。
本実施形態の効果を説明する。第1実施形態においては、シリコンウエハに半導体チップを埋め込むための溝(開口部)を形成する必要がある。この溝の位置を決めるためには、シリコンウエハ上に形成された再配線層の位置が認識できていなければならず、そのためにはフォトレジストの露光装置に赤外線のパターン認識機能を付属させる等の必要がある。これには、設備コストがかかることとなる。この点、本実施形態では、半導体チップ200と再配線層206との接続を通常のフリップチップ実装で行えるため、特別な設備の追加を必要としない。したがって、製造コストを一層低く抑えることができる。本実施形態のその他の効果は、第1実施形態と同様である。
本発明による半導体装置およびその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
1 半導体装置
2 半導体装置
100 半導体チップ
101 シリコンウエハ
102 半田バンプ
103 シリコンウエハ
104 酸化膜
105 ランド
106 再配線層
107 開口部
108 半田バンプ
111 ボンディングパッド
112 パッド
113 絶縁膜
200 半導体チップ
202 半田バンプ
203 シリコンウエハ
204 酸化膜
205 ランド
206 再配線層
208 半田バンプ
212 パッド
213 絶縁膜
214 絶縁性樹脂封止材
2 半導体装置
100 半導体チップ
101 シリコンウエハ
102 半田バンプ
103 シリコンウエハ
104 酸化膜
105 ランド
106 再配線層
107 開口部
108 半田バンプ
111 ボンディングパッド
112 パッド
113 絶縁膜
200 半導体チップ
202 半田バンプ
203 シリコンウエハ
204 酸化膜
205 ランド
206 再配線層
208 半田バンプ
212 パッド
213 絶縁膜
214 絶縁性樹脂封止材
Claims (9)
- 半導体チップを備える半導体装置を製造する方法であって、
当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドが一方の面に露出した再配線層を、シリコンウエハ上に形成する工程と、
前記再配線層の他方の面が露出するように、前記シリコンウエハの一部を除去する工程と、
前記シリコンウエハの前記一部が除去されることにより生じた空間に前記半導体チップを配置し、前記再配線層の前記他方の面に露出した再配線に前記半導体チップを接続する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体チップを備える半導体装置を製造する方法であって、
シリコンウエハ上に、当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドを形成し、前記パッド上に再配線層を形成する工程と、
前記再配線層に前記半導体チップを接続する工程と、
前記パッドが露出するように、前記シリコンウエハを除去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコンウエハを除去する工程よりも前に、前記半導体チップを覆うように樹脂封止材を前記再配線層の上面に形成する工程を含む半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記パッドは、前記再配線層の前記一方の面の略全体に渡って配置されている半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至4いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップを接続する工程よりも後に、前記パッドに前記外部電極端子を接続する工程を含む半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至5いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコンウエハには、能動素子が形成されていない半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップを接続する工程においては、半田バンプを介して、前記再配線層の再配線に前記半導体チップを接続する半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至7いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップは、トランジスタ、抵抗素子または容量素子を含む能動領域と、ボンディングパッドまたは静電保護素子を含む周辺領域とを有する半導体装置の製造方法。 - 半導体チップを備える半導体装置であって、
シリコンウエハと、
前記シリコンウエハ上に設けられ、当該半導体装置の外部電極端子が接続されるパッドが上面に露出した再配線層と、
前記シリコンウエハに形成され、当該シリコンウエハを貫通する開口部と、
前記開口部内に配置され、前記再配線層の裏面に露出した再配線に接続された半導体チップと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
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