JP2008108849A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで製造可能な信頼性の高い半導体装置と、当該半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】電極パッドが形成された半導体チップと、前記電極パッド上に形成された、突起部を有するバンプと、前記半導体チップ上に形成された絶縁層と、前記バンプに接続される導電パターンと、を有する半導体装置であって、前記突起部の先端が前記導電パターンに挿入されているとともに、挿入された前記先端が扁平した構造となっていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、バンプを用いたチップサイズパッケージングを適用した半導体装置と、当該半導体装置の製造方法に関する。
半導体チップのパッケージング構造は様々なタイプのものが提案されているが、例えばパッケージングの小型化に伴い、半導体チップのデバイス形成面のパッシベーション層(保護層)上に再配線(パッケージングのための配線)を形成する、いわゆるチップサイズパッケージングと呼ばれる構造が提案されていた。
上記のチップサイズパッケージングでは、例えば半導体チップの電極パッド上にボンディングワイヤよってバンプを形成し、当該バンプに接続される再配線を形成してパッケージング(半導体装置)を形成する方法が提案されていた。(例えば特許文献1参照)。
特開平9−64049号公報
しかし、上記の特許文献1(特開平9−64049号公報)にかかる方法では、ボンディングによって形成されたバンプに接続される再配線を形成する場合に、当該バンプの高さ調整(レベリング)を行う必要が生じてしまう問題があった。
例えば、上記のボンディングワイヤによって形成されるバンプは、例えばボンディング装置を用いて形成され、ボンディングワイヤの電極パッドへの接合と、当該接合後のボンディングワイヤの切断を連続的に行うことにより形成される。
このため、上記のボンディングワイヤにより形成されるバンプは、形成される面(電極パッド)からの高さにばらつきが生じてしまい、そのままではバンプに接続される再配線を形成することが困難となってしまう。このため、バンプに所定の加重を加えてバンプを平坦化する工程が必要となる。
このようなバンプの平坦化は、通常はウェハレベルで(ダイシングによるチップの個片化前に)行われる。しかし、例えば近年主流となってきている直径が300mmのウェハでは、ウェハ面内に多数形成される上記のバンプの平坦化を行った場合に、平坦化後の高さのばらつきが大きくなってしまう問題が発生してしまう。
例えば、バンプの高さのばらつきが大きくなると、バンプに接続される再配線とバンプとの接続状態にばらつきが生じ、半導体装置(パッケージング)の信頼性が低下してしまう問題が生じてしまう。
また、上記の特許文献1(特開平9−64049号公報)にかかる方法では、バンプを覆うように絶縁層を形成しているため、バンプを露出するために絶縁層を研磨する研磨工程が必要となってしまう。また、当該研磨工程の後に再配線を形成するためには、例えば無電解メッキ法を用いる場合には絶縁層の表面を荒らす処理(いわゆるデスミア処理)が必要になり、メッキ層を形成するための処理が複雑になってしまう。このため、半導体装置(パッケージ)製造のコストアップの原因となってしまう。
また、スパッタリング法やCVD法などにより導電層を形成することも可能であるが、これらの方法は真空処理容器を有する高価な成膜装置が必要となるため、製造コストのアップにつながり、現実的ではない。
そこで、本発明では、上記の問題を解決した新規で有用な半導体装置と、当該半導体装置の製造方法を提供することを統括的課題としている。
本発明の具体的な課題は、低コストで製造可能な信頼性の高い半導体装置と、当該半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の第1の観点では、上記の課題を、基板の半導体チップに相当する領域に形成された電極パッド上に、突起部を有するバンプを形成する第1の工程と、前記基板上に絶縁層と導電層を形成する第2の工程と、前記導電層を押圧し、該導電層から露出した前記突起部の先端を圧延する第3の工程と、前記導電層を給電層とした電解メッキにより、前記バンプに接続される導電パターンを形成する第4の工程と、前記基板を個片化する第5の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。
また、本発明の第2の観点では、上記の課題を、電極パッドが形成された半導体チップと、前記電極パッド上に形成された、突起部を有するバンプと、前記半導体チップ上に形成された絶縁層と、前記バンプに接続される導電パターンと、を有する半導体装置であって、前記突起部の先端が前記導電パターンに挿入されているとともに、挿入された前記先端が扁平した構造となっていることを特徴とする半導体装置により、解決する。
本発明によれば、低コストで製造可能な信頼性の高い半導体装置と、当該半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。
本発明による半導体装置の製造方法は、基板の半導体チップに相当する領域に形成された電極パッド上に、突起部を有するバンプを形成する第1の工程と、前記基板上に絶縁層と導電層を形成する第2の工程と、前記導電層を押圧し、該導電層から露出した前記突起部の先端を圧延する第3の工程と、前記導電層を給電層とした電解メッキにより、前記バンプに接続される導電パターンを形成する第4の工程と、前記基板を個片化する第5の工程と、を有することを特徴としている。
上記の半導体装置の製造方法では、前記導電層を押圧し、該導電層から露出した該バンプの先端を圧延しているため、該先端は前記導電層上で圧延され、前記バンプと該導電層の接触面積が増大するとともに前記バンプと該誘電層の接続の信頼性が確保される。
また、上記の方法によれば、前記突起部の先端を前記導電層上で圧延しているため、前記バンプと前記導電層の電気的な接続の信頼性が、前記バンプ(前記突起部)の高さのばらつきの影響を受けにくくなる。このため、例えばボンディング(ボンディングワイヤ)を用いて形成される、比較的高さのばらつきの大きいバンプを用いて、容易な方法で接続の信頼性が良好な再配線を形成することが可能となる。また、上記の方法では、前記絶縁層から前記バンプの突起部を露出させるための研削工程が不要となっている。
また、上記の第4の工程においては、上記の導電層を給電層とすることで、該導電層上に電解メッキによって導電パターンを形成することが容易となっていることも特徴である。例えば、電解メッキ法では、メッキする表面に給電を行うための給電層(シード層)が必要となるが、このような給電層を形成する方法としては、例えば従来は無電解メッキ法や、スパッタリング法などが用いられてきた。
しかし、無電解メッキにあたっては、絶縁層の表面を荒らす処理(いわゆるデスミア処理)が必要になり、メッキ層を形成するための処理が複雑になってしまう。また、スパッタリング法では真空処理容器を有する高価な成膜装置が必要となるため、製造コストのアップにつながってしまう。
一方、本発明による製造方法では、デスミア処理や真空室でのスパッタリング処理が不要となり、単純な方法で容易にシード層を形成することが可能となっていることが特徴である。このため、上記の方法によれば半導体装置を製造する方法が単純となり、製造コストが抑制される。
例えば、上記の製造方法により形成される半導体装置においては、前記突起部の先端が前記導電パターンに挿入されているとともに、挿入された前記先端が圧延されて扁平した構造となり、前記バンプと前記導電パターンの接続の信頼性が良好となる。
次に、上記の半導体装置の構造と、その製造方法の一例について、図面に基づき以下に説明する。
図1は、本発明の実施例1による半導体装置を模式的に示した断面図である。図1を参照するに、本実施例による半導体装置100の概略は、電極パッド103が形成された半導体チップ101の保護層(パッシベーション層)102上に、絶縁層105と導電パターン106が積層されて形成された構造となっている。この場合、上記の導電パターン106はいわゆる再配線と呼ばれる場合があり、半導体チップ101のパッケージングに用いられるものである。絶縁層105は、例えばエポキシ系の樹脂より構成される。導電パターン106は、例えば、ともにCuよりなる第1の導電パターン107と第2の導電パターン108が積層されて構成されている。
絶縁層105上に形成された導電パターン106は、電極パッド103上に形成された、例えばAuよりなるバンプ104の突起部(後述)に接続されている。すなわち、導電パターン106は、バンプ104を介して半導体チップ101のデバイスに接続される。バンプ104は、例えばワイヤボンディング装置を用いて、ボンディングワイヤにより形成される。
また、導電パターン106上には、はんだバンプ110が形成されている。また、はんだバンプ110の周囲には、絶縁層105と導電パターン106の一部を覆うようにソルダーレジスト層(絶縁層)109が形成されている。
図2は、上記の半導体装置100のA部(バンプ104付近)を拡大して示した模式断面図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付している。図2を参照するに、バンプ104は、電極パッド103と接続(接合)される、略円板状のバンプ本体104Aと、バンプ本体104Aから突出する突起部104Bとより構成されている。
例えば、上記のバンプ104は、ワイヤボンディング装置を用いて、Auよりなるボンディングワイヤにより形成される。前記ワイヤボンディング装置は、ボンディングワイヤの電極パッド103への接合と、当該接合後のボンディングワイヤの切断を連続的に行うことで、バンプ103に接合されるバンプ本体104Aと、バンプ本体104Aから突出する突起部104Bを形成する。
本実施例による半導体装置100においては、上記の突起部104Bは、突起部104Bの先端に形成される扁平した先端部104Dと、先端部104Dとバンプ本体104Aとの間の接続部104Cよりなるように形成されている。本実施例による半導体装置100では、上記の突起部104Bが導電パターン106に挿入されているとともに、挿入された先端部104Dが圧延されて扁平した構造となっていることが特徴である。
例えば、上記の先端部104Dは、導電パターン106を構成する、積層された第1の導電パターン107と第2の導電パターン108の間で、圧延されて扁平された形状となっている。このためにバンプ104と導電パターン106の接触面積が増大するとともに、バンプ104と導電パターン106の電気的な接続性が良好となり、半導体装置100の信頼性が良好となっている。また、上記のバンプ104と導電層106の接続構造は、従来のろう付けなどによる接続方法に比べて容易に形成され、かつ、接続の信頼性が高い特徴を有している。
上記の第1の導電パターン107と第2の導電パターン108は、例えばともにCuよりなるが、Cu以外の材料により構成してもよい。また、第1の導電パターン107と第2の導電パターン108とを異なる金属材料(合金材料)よりなるようにし、導電パターン106を異なる材料の積層構造としてもよい。
例えば、上記の導電パターン106を形成する場合には、第1の導電パターン107と第2の導電パターン108のうち、まず、薄いCu箔を絶縁層105に貼り付けることで第1の導電パターン107に相当する薄い導電層を形成する。その後、上記の薄いCu箔を押圧し、該Cu箔から露出した突起部104の先端を圧延する。ここで、扁平された先端部104Dが形成され、先端部104Dと該Cu箔との電気的な接続性が良好となるようにされる。次に、当該Cu箔を給電層とした電解メッキにより、第2の導電パターン108に相当する導電層を形成すればよい。
次に、上記の半導体装置の製造方法について、図3A〜図3M、および図4A〜図4Dに基づき、説明する。ただし、以下の図中では先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
まず、図3Aに示す工程において、公知の方法により、デバイスが形成された領域101aを複数(例えば格子状に)有する基板101Aを製造する。上記の領域101aは、半導体チップ101に相当する領域である。領域101a上には、以下に説明する工程において再配線(導電パターン)が形成された後、基板101Aがダイシングによって切断されて半導体装置(半導体チップ101)が個片化される。
上記の領域101aの、デバイスが形成されたデバイス形成面101bには電極パッド103が形成されている。また、デバイス形成面101Aの、電極パッド103以外の部分は、例えばSiN(Si)よりなる保護層(パッシベーション層)102により保護されている。
図3Bは、図3Aに示す基板101Aの1つの領域101aを拡大して示した図である。図4B以下の図については領域101aが複数形成された基板101のうち、1つの領域101aを例にとって、半導体装置の製造方法について説明する。
次に、図3Cに示す工程において、電極パッド103上に、例えばワイヤボンディング装置を用いて、Auよりなるボンディングワイヤにより形成されるバンプ104を形成する。また、図4Aには、図3CのC部(バンプ104)を拡大して示した模式図を示す。上記のワイヤボンディング装置は、ボンディングワイヤの電極パッド103への接合と、当該接合後のボンディングワイヤの切断を連続的に行うことで、電極パッド103に接合されるバンプ本体104Aと、バンプ本体104Aから突出する突起部104Bを形成する。
次に、図3Dに示す工程において、基板101A上(保護層102上)に、例えばエポキシ系の樹脂材料よりなる絶縁層105を形成する。絶縁層105は、例えばラミネート(貼り付け)により、または、塗布により形成される。また、絶縁層102からは、バンプ104の突起部104Bが露出するようにされることが好ましい。このため、上記の絶縁層105は、例えばNCFと呼ばれる、フィラーなどの硬度調整材料が殆ど添加されていない柔らかい樹脂材料が用いられることが好ましい。上記の柔らかい樹脂材料を用いることで、絶縁層105から突起部104Bを露出させることが容易となる。
また、絶縁層105は上記の材料に限定されず、様々な絶縁材料(樹脂材料)を用いて形成することが可能である。例えば、絶縁層105として、いわゆる通常用いられるビルドアップ樹脂(フィラー入りのエポキシ樹脂)や、ACFと呼ばれる樹脂材料を用いてもよい。
次に、図3Eに示す工程において、絶縁層105上に、例えば薄い銅箔よりなる導電層107Aを貼り付ける。例えば、導電層107Aは、Cuよりなる支持層111と積層された状態で(導電層107Aが支持層111で支持された状態で)絶縁層105に貼り付けられる。
図4Bには、図3EのE部(バンプ104付近)を拡大して示した模式図を示す。本工程において、導電層107Aはバンプ104によって押しのけられるように支持層111側に盛り上がっている。
次に、図3Fに示す工程において、導電層107Aを支持していた支持層111を除去する。図4Cには、図3FのF部(バンプ104付近)を拡大して示した模式図を示す。
次に、図3Gに示す工程において、積層された導電層107Aと絶縁層105を押圧(プレス)し、加熱する。図4Dには、図3GのG部(バンプ104付近)を拡大して示した模式図を示す。本工程において、まず導電層107Aが押圧されることで、導電層107Aをバンプ104の突起部104Bが貫通し、突起部104Bの先端が露出される。さらに、露出した突起部104Bの先端は、押圧(プレス)されることで圧延され、扁平した状態となる。このため、上記の突起部104Bは、突起部104Bの先端に形成される扁平した先端部104Dと、先端部104Dとバンプ本体104Aとの間の接続部104Cよりなるように形成される。
本工程においては、バンプ104と導電層107Aの接触面積が大きくされるとともに、バンプ104と導電層107Aの電気的な接続の信頼性が担保される。また、本工程では、突起部104Bの先端を導電層107A上で圧延しているため、バンプ104と導電層107Aの電気的な接続の信頼性が、バンプ104(突起部104B)の高さのばらつきの影響を受けにくくなる。
このため、例えばボンディング(ボンディングワイヤ)を用いて形成される、比較的高さのばらつきの大きいバンプ104を用いて、容易な方法で接続の信頼性が良好な再配線を形成することが可能となる。また、上記の方法では、絶縁層105からバンプ104の突起部104Bを露出させるための研削工程が不要となっている。
また、上記のバンプ104と導電層106の接続方法は、従来のろう付けなどによる接続方法に比べて容易であり、かつ、接続の信頼性が高い特徴を有している。また、導電層106は、後述する電解メッキの工程において、給電層(シード層)として用いられる。
また、本工程においては、絶縁層105が導電層107Aとともに押圧されて加熱されることで硬化(熱硬化)される。このため、絶縁層105と導電層107Aの密着性が良好となる。
次に、図3H〜図3Jに示す工程において、導電層107Aを給電層(シード層)とした電解メッキにより、バンプ104に接続される導電パターン106を形成する。また、導電パターン106を形成する方法としては、例えば、いわゆるサブトラ法と、セミアディティブ法とがあるが、本実施例ではサブトラ法について説明する。なお、サブトラ法とは、メッキで形成した導電層をパターンエッチングして導電パターンを形成する方法であり、セミアディティブ法とは、マスクパターンを用いたパターンメッキによって導電パターンを形成する方法である。
まず、図3Hに示す工程において、導電層107Aを給電層とした電解メッキにより、導電層107A上に、例えばCuよりなる導電層108Aを積層する。図4Eには、図3HのH部(バンプ104付近)を拡大して示した模式図を示す。
本工程において、導電層107Aと、導電層107Aから露出した扁平状の先端部104Dは、電解メッキにより形成される導電層108Aに覆われる。すなわち、先端部104Dは、導電層107Aと導電層108Aの間に挟まれる構造となる。
次に、図3Iに示す工程において、導電層108A上に開口部Raを有するマスクパターンR1を形成する。マスパターンR1は、塗布またはフィルムの貼り付けによるレジスト層の形成と、該レジスト層のフォトリソグラフィ法を用いたパターニングにより、形成することができる。
次に、図3Jに示す工程において、マスクパターンR1をマスクにした、導電層107A,108Aのパターンエッチングを行うことにより、第1の導電層107と第2の導電層108が積層されてなる、バンプ104に接続された導電パターン106が形成される。
例えば、上記の第1の導電パターン107は厚さが2〜3μm、第2の導電パターン108は厚さが30〜40μm程度に形成されるが、上記の数値は一例であり、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。
上記の導電パターン106を形成するにあたっては、上記の導電層107Aを給電層とすることで、電解メッキを用いることが容易となっている。
例えば、給電層(シード層)を無電解メッキにより形成する場合には、絶縁層の表面を荒らす処理(いわゆるデスミア処理)が必要になり、メッキ層を形成するための処理が複雑になってしまう。また、スパッタリング法で給電層を形成する場合には、真空処理容器を有する高価な成膜装置が必要となるため、製造コストのアップにつながってしまう。
一方、本実施例による方法では、デスミア処理や真空室でのスパッタリング処理が不要となり、単純な方法で容易に給電層(導電層107A)を形成することが可能となっていることが特徴である。このため、上記の方法によれば半導体装置を製造する方法が単純となり、製造コストが抑制される。
次に、図3Kに示す工程において、必要に応じて、導電パターン106(Cu)の表面の粗化処理を施した後、絶縁層105上に、開口部109Aを有するソルダーレジスト層(絶縁層)109を形成する。開口部109Aからは、導電パターン106の一部が露出するようにする。
次に、図3Lに示す工程において、必要に応じて基板101Aの裏面研削を行い、基板101Aを所定の厚さとする。
次に、図3Mに示す工程において、必要に応じて開口部109Aから露出する導電パターン106上にはんだバンプ110を形成する。さらに、基板101Aのダイシングを行って半導体チップを個片化し、図1、図2で先に説明した半導体装置100を形成することができる。
また、上記の製造方法では、導電パターン106をサブトラ法により形成しているが、導電パターン106をセミアディティブ法を用いて形成してもよい。この場合、例えば、上記の製造方法において図3A〜図3Gに示した工程を実施した後、図3H〜図3Jの工程に換えて、以下に説明する工程を実施すればよい。例えば、図5に示すように、導電層107A上に、開口部Rbを有するマスクパターンR2を形成する。マスパターンR2は、塗布またはフィルムの貼り付けによるレジスト層の形成と、該レジスト層のフォトリソグラフィ法を用いたパターニングにより、形成することができる。
次に、開口部Rbから露出する導電層107A上に、導電層107Aを給電層(シード層)とする電解メッキにより、第2の導電パターンを形成する。上記のパターンメッキ後、マスクパターンR2を剥離し、さらにマスクパターンR2を剥離することで露出する余剰な給電層107Aをエッチングにより除去することで、図3Jに示す導電パターン106を形成することができる。
また、上記の製造方法では、図3D〜図3Eの工程において、基板101A上に絶縁層105を形成した後、絶縁層105上に導電層107Aを貼り付けているが、予め絶縁層105と導電層107Aを積層したものを基板101Aに貼り付けてもよい。
この場合、例えば、上記の製造方法において図3A〜図3Cに示した工程を実施した後、図3D〜図3Eの工程に換えて、以下に説明する工程を実施すればよい。例えば、図6に示すように、支持層111に積層された絶縁層105と導電層107Aを基板101Aに貼り付けてもよい。この後、先に説明した図3F以下の工程を実施することで、半導体装置100を形成することができる。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
本発明によれば、低コストで製造可能な信頼性の高い半導体装置と、当該半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。
実施例1による半導体装置を示す図である。 図1の一部拡大図である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その7)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その8)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その9)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その10)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その11)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その12)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その13)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その14)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その15)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その16)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その17)である。 実施例1による半導体装置の製造方法を示す図(その18)である。 実施例1による半導体装置の製造方法の変形例を示す図(その1)である。 実施例1による半導体装置の製造方法の変形例を示す図(その2)である。
符号の説明
100 半導体装置
101 半導体チップ
101A 基板
101a 領域
101b デバイス面
102 保護層
103 電極パッド
104 バンプ
104A バンプ本体
104B 突起部
104C 接続部
104D 先端部
105 絶縁層
106 導電パターン
107 第1の導電パターン
107A 導電層
108 第2の導電パターン
108A 導電層
109 ソルダーレジスト層
110 はんだバンプ

Claims (7)

  1. 基板の半導体チップに相当する領域に形成された電極パッド上に、突起部を有するバンプを形成する第1の工程と、
    前記基板上に絶縁層と導電層を形成する第2の工程と、
    前記導電層を押圧し、該導電層から露出した前記突起部の先端を圧延する第3の工程と、
    前記導電層を給電層とした電解メッキにより、前記バンプに接続される導電パターンを形成する第4の工程と、
    前記基板を個片化する第5の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第2の工程は、
    前記基板上に前記絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層上に、支持層と積層された前記導電層を貼り付ける工程と、
    前記支持層を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2の工程は、支持層上に積層された前記絶縁層と前記導電層を前記基板に貼り付ける工程と、
    前記支持層を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第3の工程では、前記導電層とともに前記絶縁層が押圧されて加熱されることで当該絶縁層が硬化されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1の工程では、ボンディングワイヤによって前記バンプが形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
  6. 電極パッドが形成された半導体チップと、
    前記電極パッド上に形成された、突起部を有するバンプと、
    前記半導体チップ上に形成された絶縁層と、
    前記バンプに接続される導電パターンと、を有する半導体装置であって、
    前記突起部の先端が前記導電パターンに挿入されているとともに、挿入された前記先端が扁平した構造となっていることを特徴とする半導体装置。
  7. 前記先端は、前記導電パターンを構成する、積層された第1の導電パターンと第2の導電パターンの間で扁平した構造であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
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