JP2008091774A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置及びこれが実装された基板に熱が加わったときの実装信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】一方の面に電極１２を有する半導体素子１１と、前記半導体素子１１の上に設けられ、かつ前記電極１２と整合する位置に開口部１３ａを有する絶縁樹脂層１３と、前記絶縁樹脂層１３の上に配され、かつ前記絶縁樹脂層１３の開口部１３ａを通して前記電極１２と電気的に接続される配線層１４を備える半導体装置１０において、絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５が少なくとも１つ設けられ、前記配線層１４の少なくとも一部が、前記微小凸部１５に沿って配されているものとする。または、微小凸部１５の代わりに微小凹部を設けても良い。
【選択図】図４

Description

本発明は、ウエハレベルＣＳＰ（ＣＳＰ：Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ／Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体装置に関する。

従来、半導体パッケージとしては、例えば半導体チップを絶縁性樹脂により封止したパッケージ（デュアルインラインパッケージ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ ｐａｃｋａｇｅ）やクアッドフラットパッケージ（Ｑｕａｄ・Ｆｌａｔ・ｐａｃｋａｇｅ）など）、パッケージの側面に金属リード電極を配置する周辺端子配置型が主流であった。
これに対して、近年急速に普及している半導体パッケージ構造として、パッケージの平坦な表面に複数の電極を平面状に配置した、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）技術を採用した半導体パッケージ構造がある。このようなＢＧＡタイプの半導体パッケージによれば、同一電極端子数を持つ同一投影面積の半導体チップを、従来よりも小さい面積で電子回路基板に高密度実装することが可能である。さらにＢＧＡタイプの半導体パッケージにおいては、パッケージの面積が半導体チップの面積にほぼ等しい、いわゆるチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれるパッケージ構造が開発され、電子機器の小型軽量化に大きく貢献している。チップスケールパッケージは、回路を形成したシリコンウエハを切断し、個々の半導体チップを個別にパッケージングして半導体パッケージを完成するものである。

これに対して、一般的に「ウエハレベルＣＳＰ」と呼ばれる製法がある。ウエハレベルＣＳＰの代表的な製造例を図８〜１１に示す。この製法では、回路を形成したシリコンウエハ２１の上に、電極２２の位置に開口部２３ａを有する絶縁樹脂層２３を形成する（図８参照）。シード層２４ａの形成後、その上にめっきレジスト２５を形成する（図９参照）。めっき層２４ｂを形成してめっきレジスト２５を剥離した後、めっき層２４ｂをマスクにしてシード層２４ａをエッチングすることにより、所定のパターンを有する再配線層２４を得る（図１０参照）。再配線層２４に設けられたパッド２６の位置に開口部２７ａを有する封止樹脂層２７を形成した後、パッド２６上に半田バンプ２８を形成する（図１１参照）。最終工程においてウエハ２１を所定のチップ寸法にダイシングすることで、パッケージ構造２０を有する半導体チップを得ることができる。ウエハレベルＣＳＰの特徴は、パッケージを構成する部材をすべてウエハの形状において加工することにある。すなわち、絶縁樹脂層２３、再配線層２４、封止樹脂層２７、半田バンプ２８等はすべてウエハの状態で形成され、ダイシング後の最終的なパッケージ面積は、半導体チップの面積と等しくなる。

上記の従来技術において、半導体パッケージを基板の上に実装した後で、半導体パッケージ及び基板に熱が加わると、両者の熱膨張係数の違いから両者の間に歪みが生じる（例えば特許文献１を参照）。この歪みにより生じる応力は、半導体パッケージと基板とを接続する半田バンプにクラックを発生させたり、半導体パッケージや基板の内部で剥離を発生させることがある。
特開２０００−３５３７１６号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体装置及びこれが実装された基板に熱が加わったときの実装信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、一方の面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の上に設けられ、かつ前記電極と整合する位置に開口部を有する絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の上に配され、かつ前記絶縁樹脂層の開口部を通して前記電極と電気的に接続される配線層を備える半導体装置であって、前記絶縁樹脂層の表面に微小凸部または微小凹部が少なくとも１つ設けられ、前記配線層の少なくとも一部が、前記微小凸部または微小凹部に沿って配されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
前記微小凸部または微小凹部は、配線層の長さ方向における両側に傾斜部を有することが好ましい。
前記微小凸部の高さまたは微小凹部の深さは、配線層の厚さの１／４から３／４の範囲内であることが好ましい。
前記微小凸部は、絶縁樹脂層を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂からなることが好ましい。

本発明の半導体装置によれば、配線層が少なくとも一部において、絶縁樹脂層の表面に設けられた微小凸部または微小凹部に沿って配されているため、配線層が半導体素子の表面に対して上下に波打った形状となる。例えば半導体装置を基板の上に実装した後で、両者の熱膨張係数の違いによる歪みにより応力が発生したとしても、配線層が変形することで応力を緩和することができる。これにより、例えば半導体装置及びこれが実装された基板に熱が加わったときにおける実装信頼性を向上させることが可能となる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１〜図４は、本発明の第１形態例に係る半導体装置およびその製造方法を説明する図面であって、図１は、表面に微小凸部を有する絶縁樹脂層が設けられた状態を示す平面図、図２は、図１のＳ−Ｓ線に沿う断面図、図３は、表面に微小凸部を有する絶縁樹脂層の上に配線層が設けられた状態を示す断面図、図４は、本発明の第１形態例に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。

図４に示すように、本発明の第１形態例に係る半導体装置１０は、一方の面に電極１２を有する半導体素子１１と、この半導体素子１１の上に設けられる絶縁樹脂層１３と、この絶縁樹脂層１３の上に配される配線層１４を備えている。絶縁樹脂層１３は、電極１２と整合する位置に開口部１３ａを有しており、配線層１４は、絶縁樹脂層１３の開口部１３ａを通して電極１２と電気的に接続されている。本形態例の半導体装置１０では、絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５が少なくとも１つ設けられ、配線層１４の一部が微小凸部１５に沿って配されている。

このため、配線層１４の厚さ方向（図４の上下方向）の中心位置は、微小凸部１５の上で局所的に変位し、上下に波打った形状となっている。配線層１４は微小凸部１５に沿って配された部分が変形しやすいため、配線層１４やその周囲の層に応力が発生したとしても、配線層１４が変形することで応力を緩和することができる。これにより、例えば半導体装置１０及びこれが実装された基板に熱が加わるなどして配線層１４またはその周囲の層に応力が発生したときに半田バンプのクラックや、半導体パッケージや基板の内部での剥離が起こりづらくなり、実装信頼性の向上を図ることができる。

微小凸部１５の高さＨ（図２参照）は、十分な応力緩和能力を得るため、配線層１４の厚さの１／４から３／４の範囲内が好ましい。配線層１４の全幅において微小凸部１５の上に沿う形状が得られるようにするため、図１に示す微小凸部１５の寸法Ａ（配線層１４の幅方向に該当する寸法）は、配線層１４の幅以上であることが好ましい。具体的には、微小凸部１５の寸法Ａは、配線層１４の幅と等しいか、ないしは数μｍ大きい程度が望ましい。また、図１に示す微小凸部１５の寸法Ｂ（配線層１４の長さ方向に該当する寸法）は、微小凸部１５の高さＨの１／３以上が適当である。微小凸部１５は、配線層１４の長さ方向の両側に傾斜部１５ａ，１５ａを有することで、微小凸部１５の上における配線層１４の波打ち形状がより滑らかとなるので、応力緩和能力をさらに向上させることが可能である。傾斜部１５ａの傾斜角度θ（図２参照）は、２０°〜８０°程度が望ましい。

本発明の第１形態例に係る半導体装置１０において、半導体素子１１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ダイシングした半導体チップであってもよい。ウエハレベルＣＳＰの製法を用いる場合には、ウエハの状態で絶縁樹脂層１３や配線層１４等を設けた後でチップ寸法にダイシングされる。

絶縁樹脂層１３を構成する樹脂としては、ポリイミド、エポキシ、ポリベンゾオキサゾール、ポリフェニレンスルフィド等の絶縁樹脂が挙げられ。絶縁樹脂層１３の形成方法としては、液状樹脂のスピンコートやスプレーコート、フィルム状樹脂のラミネート法等が挙げられる。絶縁樹脂層１３の開口部１３ａは、例えばフォトリソグラフィ技術やスクリーン印刷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。フォトリソグラフィ技術を利用する場合には、感光性を有する絶縁樹脂が用いられる。

絶縁樹脂層１３の表面に設けられる微小凸部１５は、絶縁樹脂層１３を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂から構成することもでき、または異なる絶縁樹脂から構成することもできる。微小凸部１５を構成する材料としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリベンゾオキサゾール、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。微小凸部１５の形成方法としては、例えばフォトリソグラフィ技術やスクリーン印刷を利用したパターニング等が挙げられる。フォトリソグラフィ技術を利用する場合には、感光性を有する絶縁樹脂が用いられる。微小凸部１５は、絶縁樹脂層１３と密着して一体化しやすいように、絶縁樹脂層１３を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂からなることが好ましい。

配線層１４は、各種金属や合金等の導電体などのうち１種あるいは２種以上を選択して用いることができる。配線層１４は、複数の導電体の層が積層されたものであっても良い。配線層１４の形成は、例えば、電解銅メッキ法等のメッキ法、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。

配線層１４の好ましい構成としては、シード層１４ａの上にめっき層１４ｂが積層された積層構造が挙げられる。絶縁樹脂層１３の上に薄くシード層１４ａを設け、シード層１４ａの上にめっき法でめっき層１４ｂを設けることにより、必要な厚さの配線層１４を効率よく形成することができる。シード層１４ａは、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法などで成膜することができる。

さらに好ましい構成としては、シード層１４ａは、絶縁樹脂層１３の表面に密着させる密着層と、電解めっき用の給電層とからなる積層体とすることが好ましい。密着層を構成する材料としては、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＷ（チタンタングステン）等が挙げられる。給電層を構成する材料としては、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ａｕ（金）等が挙げられる。

本形態例の半導体装置１０では、配線層１４に設けたパッド１６の上に半田バンプ１８を設けるとともに、配線層１４のパッド１６以外の部分は封止樹脂層１７で覆って封止した構造にしている。封止樹脂層１７には、パッド１６と整合する位置に開口部１７ａが設けられ、半田バンプ１８は、開口部１７ａに露呈されるパッド１６を介して配線層１４と電気的に接続される。

封止樹脂層１７は、絶縁樹脂層１３を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂から構成することもでき、または異なる絶縁樹脂から構成することもできる。封止樹脂層１７を構成する絶縁樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。封止樹脂層１７の形成方法としては、液状樹脂のスピンコートやスプレーコート、フィルム状樹脂のラミネート法等が挙げられる。封止樹脂層１７の開口部１７ａは、例えばフォトリソグラフィ技術やスクリーン印刷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。フォトリソグラフィ技術を利用する場合には、感光性を有する絶縁樹脂が用いられる。

半田バンプ１８の形成方法としては、半田ペーストを印刷法にてパッド１６上に転写したのちリフローしてバンプ状にする方法、半田ボールをボール搭載法にてパッド１６上に載せたのちリフローしてパッド１６と融着させる方法、めっき法にて形成する方法等が挙げられる。半田バンプ１８を構成する半田としては、例えばＳｎ−Ｐｂ共晶タイプ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ―Ｂ合金等の鉛フリータイプが挙げられるが、本発明において半田の組成には特に制限はない。

次に、本形態例の半導体装置１０の製造方法の一例を示す。まず、ウエハ１１の上に感光性樹脂を塗布し、フォトグラフィー技術を用いてパターニングすることで、半導体デバイス側の電極１２との電気的接続を確保するための開口部１３ａを有する絶縁樹脂層１３を形成し、さらにその上に感光性樹脂を塗布し、図１および図２に示すように、絶縁樹脂層１３上の配線層が形成される領域１３ｂに、フォトグラフィー技術によって、凸部１５を設ける。

さらに絶縁樹脂層１３および凸部１５の上に、密着層のＣｒ（クロム）と給電層のＣｕ（銅）からなるシード層１４ａを例えばスパッタ法にて形成する。シード層１４ａの上に感光性樹脂を塗布し、フォトグラフィー技術を用いてパターニングすることで、めっきレジスト（図示略）を形成する。次にＣｕの電解めっきを用いて、シード層１４ａの上にめっき層１４ｂを形成する。Ｃｕの電解めっき終了後、めっきレジストを剥離した後、めっき層１４ｂをマスクとしてシード層１４ａをエッチングし、図３に示すように、所定のパターンの配線層１４を形成する。

絶縁樹脂層１３および配線層１４の上に、感光性樹脂を塗布し、フォトグラフィー技術を用いてパターニングすることで、パッド１６の上に開口部１７ａを有する封止樹脂層１７を形成する。半田ペーストを印刷法にてパッド１６上に転写し、リフローすることで、図４に示すように、半田バンプ１８を形成する。ウエハ１１を所定のチップ寸法にダイシングすることで、パッケージ構造を有する半導体装置１０が完成する。
以上のような製造方法によれば、通常のウエハレベルＣＳＰの手法を用いて本形態例の半導体装置１０を製造することができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
本発明においては、微小凸部の代わりに微小凹部を有する形態とすることもできる。次に、絶縁樹脂層１３の表面に微小凹部１９を有する形態である本発明の第２形態例に係る半導体装置２０について説明する。
図５〜図７は、本発明の第２形態例に係る半導体装置およびその製造方法を説明する図面であって、図５は、表面に微小凹部を有する絶縁樹脂層が設けられた状態を示す断面図、図６は、表面に微小凹部を有する絶縁樹脂層の上に配線層が設けられた状態を示す断面図、図７は、本発明の第２形態例に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。

図７に示すように、本発明の第２形態例に係る半導体装置２０は、一方の面に電極１２を有する半導体素子１１と、この半導体素子１１の上に設けられる絶縁樹脂層１３と、この絶縁樹脂層１３の上に配される配線層１４を備えている。絶縁樹脂層１３は、電極１２と整合する位置に開口部１３ａを有しており、配線層１４は、絶縁樹脂層１３の開口部１３ａを通して電極１２と電気的に接続されている。本形態例の半導体装置１０Ａでは、絶縁樹脂層１３の表面に微小凹部１９が少なくとも１つ設けられ、配線層１４の一部が微小凹部１９に沿って配されている。

このため、配線層１４の厚さ方向（図７の上下方向）の中心位置は、微小凹部１９の上で局所的に変位し、上下に波打った形状となっている。配線層１４は微小凹部１９に沿って配された部分が変形しやすいため、配線層１４やその周囲の層に応力が発生したとしても、配線層１４が変形することで応力を緩和することができる。これにより、例えば半導体装置１０Ａ及びこれが実装された基板に熱が加わるなどして配線層１４またはその周囲の層に応力が発生したときに半田バンプのクラックや、半導体パッケージや基板の内部での剥離が起こりづらくなり、実装信頼性の向上を図ることができる。

微小凹部１９の深さＤ（図５参照）は、十分な応力緩和能力を得るため、配線層１４の厚さの１／４から３／４の範囲内が好ましい。配線層１４の全幅において微小凹部１９の上に沿う形状が得られるようにするため、図１に示す微小凸部１５の寸法Ａと同様に、微小凹部１９について配線層１４の幅方向に該当する寸法Ａは、配線層１４の幅以上であることが好ましい。具体的には、微小凹部１９の寸法Ａは、配線層１４の幅と等しいか、ないしは数μｍ大きい程度が望ましい。また、図１に示す微小凸部１５の寸法Ｂと同様に、微小凹部１９について配線層１４の長さ方向に該当する寸法Ｂは、微小凹部１９の深さＤの１／３以上が適当である。微小凹部１９は、配線層１４の長さ方向の両側に傾斜部１９ａ，１９ａを有することで、微小凹部１９の上における配線層１４の波打ち形状がより滑らかとなるので、応力緩和能力をさらに向上させることが可能である。傾斜部１９ａの傾斜角度θ（図５参照）は、２０°〜８０°程度が望ましい。

本発明の第２形態例に係る半導体装置１０Ａは、上述の第１形態例に係る半導体装置１０と同様の手法により製造することができる。表面に微小凹部１９を有する絶縁樹脂層１３を形成する方法としては、例えば、絶縁樹脂層１３のうち微小凹部１９より下側の部分を形成したのち、その上に絶縁樹脂層１３の上側の部分を積層する際に微小凹部１９をパターニングする方法が挙げられる。

また、本発明においては、次のような構成の改変例を採用することも可能である。
例えば、絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５および微小凹部１９がそれぞれ１つ以上設けられ、配線層１４の一部が微小凸部１５に沿って配され、かつ配線層１４の別の一部が微小凹部１９に沿って配されている形態とすることも可能である。
また、絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５および微小凹部１９を連続的に交互に設けて、配線層１４の一部または全部が微小凸部１５または微小凹部１９に沿って配されている形態とすることも可能である。

これら絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５および微小凹部１９が設けられている形態によれば、配線層１４の厚さ方向の中心位置は、微小凸部１５や微小凹部１９の上で局所的に変位し、上下に波打った形状となり、配線層１４は微小凸部１５や微小凹部１９に沿って配された部分が変形しやすいため、配線層１４やその周囲の層に応力が発生したとしても、配線層１４が変形することで応力を緩和することができる。これにより、例えば半導体装置及びこれが実装された基板に熱が加わるなどして配線層１４またはその周囲の層に応力が発生したときに半田バンプのクラックや、半導体パッケージや基板の内部での剥離が起こりづらくなり、実装信頼性の向上を図ることができる。また、配線層１４が変形する際、微小凸部１５に沿って配された部分の変形と、微小凹部１９に沿って配された部分の変形とが同時に起こるため、応力緩和効果および実装信頼性の一層の向上を図ることができる。

絶縁樹脂層１３の表面に微小凸部１５および微小凹部１９が設けられている形態においては、微小凸部１５は、絶縁樹脂層１３を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂から構成することもでき、または異なる絶縁樹脂から構成することもできる。微小凸部１５が絶縁樹脂層１３と密着して一体化しやすいように、絶縁樹脂層１３を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂からなることが好ましい。
微小凸部１５および微小凹部１９の寸法や形状等について好ましい形態は、上述の第１形態例および第２形態例と同様の設計とすることができ、また、場合によっては異なる設定としても良い。十分な応力緩和能力を得るため、微小凸部１５の高さＨと微小凹部１９の深さＤは、ともに配線層１４の厚さの１／４から３／４の範囲内であることが好ましい。微小凸部１５が配線層１４の長さ方向における両側に傾斜部１５ａ，１５ａを有するとともに、微小凹部１９が配線層１４の長さ方向における両側に傾斜部１９ａ，１９ａを有することで、微小凸部１５や微小凹部１９の上における配線層１４の波打ち形状がより滑らかとなるので、応力緩和能力をさらに向上させることが可能である。傾斜部１５ａ，１９ａの傾斜角度θは、いずれも２０°〜８０°程度が望ましい。

本発明の半導体装置は、ＣＳＰやウエハレベルＣＳＰ等に利用することができる。

本発明の第１形態例に係る半導体装置の製造方法において、表面に微小凸部を有する絶縁樹脂層が設けられた状態を示す平面図である。 図１のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。 本発明の第１形態例に係る半導体装置の製造方法において、表面に微小凸部を有する絶縁樹脂層の上に配線層が設けられた状態を示す断面図である。 本発明の第１形態例に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。 本発明の第２形態例に係る半導体装置の製造方法において、表面に微小凹部を有する絶縁樹脂層が設けられた状態を示す断面図である。 本発明の第２形態例に係る半導体装置の製造方法において、表面に微小凹部を有する絶縁樹脂層の上に配線層が設けられた状態を示す断面図である。 本発明の第２形態例に係る半導体装置を概略的に示す断面図である。 従来例の半導体装置の製造方法において、ウエハの上に絶縁樹脂層が設けられた状態を示す断面図である。 従来例の半導体装置の製造方法において、絶縁樹脂層の上にシード層とめっきレジストが設けられた状態を示す断面図である。 従来例の半導体装置の製造方法において、絶縁樹脂層の上に再配線層が設けられた状態を示す断面図である。 従来例の半導体装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ…半導体装置、１１…半導体素子、１２…電極、１３…絶縁樹脂層、１３ａ…開口部、１４…配線層、１５…凸部、１５ａ…傾斜部、１９…凹部、１９ａ…傾斜部。

Claims (4)

1. 一方の面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の上に設けられ、かつ前記電極と整合する位置に開口部を有する絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層の上に配され、かつ前記絶縁樹脂層の開口部を通して前記電極と電気的に接続される配線層を備える半導体装置であって、前記絶縁樹脂層の表面に微小凸部または微小凹部が少なくとも１つ設けられ、前記配線層の少なくとも一部が、前記微小凸部または微小凹部に沿って配されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記微小凸部または微小凹部は、配線層の長さ方向における両側に傾斜部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記微小凸部の高さまたは微小凹部の深さは、配線層の厚さの１／４から３／４の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記微小凸部は、絶縁樹脂層を構成する絶縁樹脂と同一の絶縁樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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