JP2011091452A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの素子形成領域上におけるパッシベーション膜の剥がれやひび割れを防止することができる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ１の最表層部には、環状の溝１２が、半導体チップ１の表面を見下ろす平面視で素子形成領域Ａの周囲を取り囲むように形成されており、パッシベーション膜１１は、その溝１２を挟んで内側の中央側部分１１１と外側の周縁側部分１１２とに分断されている。そして、封止樹脂層４は、その中央側部分１１１と周縁側部分１１２との間の溝１２に入り込んでいる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、とくに、ＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップスケールパッケージ：Wafer Level-Chip Size Package）の半導体装置およびその製造方法に関する。

最近、半導体装置の小型化、高機能化および高性能化を可能にするＷＬ−ＣＳＰの実用化が進んでいる。ＷＬ−ＣＳＰは、ウエハ状態でパッケージング工程が完了され、ダイシングによって切り出された個々のチップサイズがパッケージサイズとなる。
ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置は、図７に示すように、半導体チップ１０１の表面全域が薄い膜状のパッシベーション膜１０２で覆われている。このパッシベーション膜１０２には、半導体チップ１０１の表面に形成された内部配線の一部を電極パッド１０３として露出させるためのパッド開口１０４が形成されている。また、パッシベーション膜１０２上には、ポリイミド層１０５が積層されている。さらに、ポリイミド層１０５上には、再配線１０６が形成されており、この再配線１０６は、ポリイミド層１０５に貫通して形成された貫通孔１０７を介して電極パッド１０３に接続されている。そして、ポリイミド層１０５および再配線１０６上には、エポキシ樹脂からなる封止樹脂層１０８が積層され、再配線１０６は、その封止樹脂層１０８を貫通するポスト１０９を介して、封止樹脂層１０８の表面に配設された半田ボール１１０に接続されている。

この半導体装置は、次のようにして製造される。まず、複数の半導体チップが作り込まれたウエハが用意される。ウエハの表面は、その全域がパッシベーション膜１０２によって被覆されている。次いで、パッシベーション膜１０２上にポリイミド層１０５および再配線１０６が形成された後、それらの上に封止樹脂層１０８が積層され、さらにポスト１０９および半田ボール１１０が形成される。その後、ウエハ内の各半導体チップ間に設定されたダイシングラインに沿って、パッシベーション膜１０２および封止樹脂層１０８とともにウエハが切断（ダイシング）されることにより、図７に示すＷＬ−ＣＳＰの半導体装置が得られる。

特開２００１−２９８１２０号公報

ところが、このようにして製造される半導体装置では、半導体チップ１０１、パッシベーション膜１０２および封止樹脂層１０８の各側面が面一となって露出している。そのため、半導体装置の側面に大きな応力が加わると、その側面で薄い膜状のパッシベーション膜１０２の剥がれやひび割れが発生する。このパッシベーション膜１０２の剥がれやひび割れが半導体チップ１０１の素子形成領域上まで進行すると、その素子形成領域に形成されている機能素子の動作不良を生じるおそれがある。

そこで、この発明の目的は、半導体チップの素子形成領域上におけるパッシベーション膜の剥がれやひび割れを防止することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体チップ（１）と、上記半導体チップの最表層部に形成され、上記半導体チップ（その基体をなす半導体基板）における素子形成領域（Ａ）上を覆い尽くす中央側部分（１１１）と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、上記中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分（１１２）とを含むパッシベーション膜（１１）と、上記パッシベーション膜上に形成され、外部から加わる応力を吸収して緩和するための応力緩和層（２）とを含み、上記中央側部分と上記周縁側部分との間に上記応力緩和層が入り込んでおり、上記パッシベーション膜の上記中央側部分の側面が上記応力緩和層で覆われていることを特徴とする半導体装置である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この構成によれば、パッシベーション膜が、素子形成領域上を覆い尽くす中央側部分と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分とを有している。言い換えれば、半導体チップの最表層部には、パッシベーション膜の存在していないパッシベーション非存在部（１２）が、半導体チップの表面を見下ろす平面視で素子形成領域の周囲を取り囲む環状に形成されており、パッシベーション膜は、そのパッシベーション非存在部を挟んで内側の中央側部分と外側の周縁側部分とに分断されている。そのため、半導体装置の側面でパッシベーション膜の剥がれやひび割れが発生しても、その剥がれやひび割れをパッシベーション膜の周縁側部分のみに止めることができる。その結果、パッシベーション膜の中央側部分の剥がれやひび割れを防止することができ、その剥がれやひび割れに起因する機能素子の動作不良の発生を防止することができる。

また、パッシベーション膜の中央側部分の側面は、その中央側部分と周縁側部分との間に入り込んでいる応力緩和層によって覆われる。そのため、パッシベーション膜の中央側部分の側面を応力緩和層によって保護することができる。また、パッシベーション膜の中央側部分と周縁側部分との間においても、その間に入り込んでいる応力緩和層によって、この半導体装置に加わる応力を吸収することができる。その結果、パッシベーション膜の中央側部分の剥がれやひび割れをより確実に防止することができる。

請求項２記載の発明は、上記応力緩和層上に形成され、上記半導体チップの表面側を封止するための封止樹脂層（４）をさらに含み、上記封止樹脂層は、上記応力緩和層の側面に回り込んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。
この構成によれば、封止樹脂層が応力緩和層の側面に回り込むことによって、応力緩和層の側面が封止樹脂層によって覆われる。そのため、応力緩和層を外気から遮断することができ、外気に含まれる水分などによる応力緩和層の劣化を防止することができる。

請求項３記載の発明は、複数の半導体チップ（１）が作り込まれ、その最表層部にパッシベーション膜（１１）を有する半導体ウエハ（Ｗ）を用意する工程と、上記半導体ウエハに設定されたダイシングライン（Ｌ）と所定間隔を空けて、そのダイシングラインに沿って延びる帯状の領域から、少なくとも上記パッシベーション膜（１１）の一部を除去して、上記パッシベーション膜を、上記半導体チップにおける素子形成領域上を覆い尽くす中央側部分（１１１）と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、上記中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分（１１２）とに分断するパッシベーション膜除去工程と、このパッシベーション膜除去工程後、上記半導体ウエハ上に応力緩和層（２）を形成する応力緩和層形成工程と、この応力緩和層形成工程後に、上記半導体ウエハをダイシングラインに沿って切断するダイシング工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

この方法によれば、半導体チップにおける素子形成領域上を覆い尽くす中央側部分と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分とを含むパッシベーション膜を半導体チップの最表層部に有し、その中央側部分と周縁側部分との間（パッシベーション非存在部）に応力緩和層が入り込んでいる構成の半導体装置を製造することができる。

請求項４記載の発明は、上記応力緩和層工程後、上記半導体ウエハ上に封止樹脂層（４）を形成する封止樹脂層形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図３に示す半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 パッシベーション膜の膜厚と同じ深さを有する溝が形成された構成を示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る半導体装置（多層配線構造の半導体装置）の構成を示す断面図である。 従来のＷＬ−ＣＳＰの半導体装置の構成を示す断面図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置であり、最表層部にパッシベーション膜（表面保護膜）１１を有する半導体チップ１と、パッシベーション膜１１上に積層された応力緩和層２と、この応力緩和層２上に形成された再配線３と、この再配線３上に積層された封止樹脂層４と、この封止樹脂層４上に配置された金属ボール５とを備えている。

半導体チップ１は、平面視略矩形状に形成されている。この半導体チップ１の表面の周縁部には、環状の溝１２（パッシベーション非存在部）が、その表面を見下ろす平面視で素子形成領域（半導体チップ１の基体をなす半導体基板において機能素子が形成されている領域）Ａの周囲を取り囲むように形成されている。この溝１２は、パッシベーション膜１１の表面から凹状に窪み、パッシベーション膜１１よりも半導体チップ１の基体をなす半導体基板側に掘り下げられている。これにより、パッシベーション膜１１は、溝１２を挟んで、素子形成領域（機能素子が形成されている領域）Ａ上を覆い尽くす中央側部分１１１と、この中央側部分１１１の周縁と所定間隔を空けて、中央側部分１１１の周囲を取り囲む周縁側部分１１２とに分断されている。

また、パッシベーション膜１１は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる。このパッシベーション膜１１には、半導体チップ１の表面に形成されたアルミニウムなどの金属からなる内部配線の一部を、電極パッド６として露出させるためのパッド開口１１３が形成されている。
応力緩和層２は、この半導体装置に応力が加わったときに、その応力を吸収して緩和するために設けられている。この応力緩和層２は、たとえば、ポリイミドからなり、その表面を見下ろしたときに、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１よりも少し小さい矩形状に形成されている。この応力緩和層２には、電極パッド６と対向する位置に貫通孔２１が貫通して形成されている。

再配線３は、たとえば、銅などの金属材料を用いて形成されている。この再配線３は、貫通孔２１を介して電極パッド６に接続されている。また、再配線３は、応力緩和層２の表面に沿って、封止樹脂層４を挟んで金属ボール５と対向する位置まで延びている。
封止樹脂層４は、たとえば、エポキシ樹脂からなり、半導体チップ１の表面側を封止している。この封止樹脂層４は、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１、応力緩和層２および再配線３の表面を覆い、さらに、これらの表面から側面に回り込み、半導体チップ１の溝１２を埋め尽くしている。また、封止樹脂層４は、表面が平坦面に形成されるとともに、その側面が半導体チップ１の側面と面一に形成されている。これによって、この半導体装置は、平面視におけるサイズが半導体チップ１のサイズと等しい略直方体形状を有している。

また、封止樹脂層４には、再配線３と金属ボール５との間に、たとえば、銅などの金属からなる扁平な円柱状のポスト７が貫通して設けられており、このポスト７によって、再配線３と金属ボール５とが接続されている。
金属ボール５は、図示しない配線基板などとの接続（外部接続）のための外部接続端子であり、たとえば、半田などの金属材料を用いてボール状に形成されている。

以上のような構成によれば、パッシベーション膜１１が、素子形成領域Ａ上を覆い尽くす中央側部分１１１と、この中央側部分１１１の周縁と所定間隔を空けて、中央側部分１１１の周囲を取り囲む周縁側部分１１２とを有している。言い換えれば、半導体チップ１の最表層部には、環状の溝１２が、半導体チップ１の表面を見下ろす平面視で素子形成領域Ａの周囲を取り囲むように形成されており、パッシベーション膜１１は、その溝１２を挟んで内側の中央側部分１１１と外側の周縁側部分１１２とに分断されている。そのため、半導体装置の側面でパッシベーション膜１１の剥がれやひび割れが発生しても、その剥がれやひび割れをパッシベーション膜１１の周縁側部分１１２のみに止めることができる。その結果、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の剥がれやひび割れを防止することができ、その剥がれやひび割れに起因する機能素子の動作不良の発生を防止することができる。

また、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の側面は、その中央側部分１１１と周縁側部分１１２との間の溝１２に入り込んでいる封止樹脂層４によって覆われる。そのため、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の側面を封止樹脂層４によって保護することができ、中央側部分１１１の剥がれやひび割れをより確実に防止することができる。

図２は、図１に示す半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。まず、複数の半導体チップ１が作り込まれ、その最表層部にパッシベーション膜１１を有するウエハＷが用意される。そして、図２（ａ）に示すように、パッシベーション膜１１に電極パッド６を露出させるためのパッド開口１１３が形成された後、そのパッシベーション膜１１上に、応力緩和層２および再配線３が順に形成される。

なお、応力緩和層２は、各半導体チップ１の間に設定されたダイシングラインＬ上には形成されない。そのため、ダイシングラインＬを挟んで隣接する各半導体チップ１上の応力緩和層２の間には所定幅の間隔が生じ、ダイシングラインＬ上には、この応力緩和層２の間においてパッシベーション膜１１が露出している。
次いで、図２（ｂ）に示すように、ダイシングラインＬの両側において、溝１２が形成されることによって、ダイシングラインＬと所定間隔を空けて、ダイシングラインＬに沿って延びる帯状の領域からパッシベーション膜１１が除去される。溝１２は、たとえば、ブレード（図示せず）を用いて、パッシベーション膜１１の表面側からハーフカットの手法によって形成してもよいし、レーザ加工によって形成してもよい。ブレードを用いる場合、そのブレードの厚みおよびカット量（切り込み量）によって、溝１２の幅および深さを制御することができる。

その後、図２（ｃ）に示すように、ウエハＷの表面全域上に封止樹脂層４が形成される。この封止樹脂層４は、ウエハＷの表面全域に液状（未硬化）のエポキシ樹脂を塗布し、これを硬化させることによって形成することができる。このとき、液状のエポキシ樹脂が溝１２内に流れ込み、そのエポキシ樹脂が硬化すると、半導体チップ１の溝１２に封止樹脂層４が入り込んだ構成が得られる。そして、封止樹脂層４の所定位置にポスト７が形成された後、そのポスト７上に金属ボール５が形成される。ポスト７は、封止樹脂層４に孔を貫通形成した後、電解めっきによって、その孔内を埋めるように金属材料を供給することにより形成することができる。

そして、図２（ｄ）に示すように、ダイシングブレード（図示せず）を用いて、ダイシングラインＬに沿って、封止樹脂層４とともにウエハＷを切断（ダイシング）すると、図１に示すＷＬ−ＣＳＰの半導体装置が得られる。
図３は、この発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための断面図である。この図３において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。

図３に示す半導体装置では、パッシベーション膜１１上に積層された応力緩和層２が、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１と周縁側部分１１２との間の溝１２に入り込んでいる。そして、封止樹脂層４は、応力緩和層２の側面に回り込んで、この応力緩和層２の側面を覆っている。
このような構成によれば、図１に示す半導体装置と同様、パッシベーション膜１１が溝１２を挟んで内側の中央側部分１１１と外側の周縁側部分１１２とに分断されているので、半導体装置の側面でパッシベーション膜１１の剥がれやひび割れが発生しても、その剥がれやひび割れをパッシベーション膜１１の周縁側部分１１２のみに止めることができる。その結果、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の剥がれやひび割れを防止することができ、その剥がれやひび割れに起因する機能素子の動作不良の発生を防止することができる。

また、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１と周縁側部分１１２との間の溝１２には、応力緩和層２が入り込んでおり、この応力緩和層２によって、中央側部分１１１の側面が覆われている。そのため、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の側面を応力緩和層２によって保護することができる。そのうえ、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１と周縁側部分１１２との間においても、その間に入り込んでいる応力緩和層２によって、この半導体装置に加わる応力を吸収することができる。その結果、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１の剥がれやひび割れをより確実に防止することができる。

さらに、封止樹脂層４が応力緩和層２の側面に回り込むことによって、応力緩和層２の側面が封止樹脂層４によって覆われているので、応力緩和層２を外気から遮断することができ、外気に含まれる水分などによる応力緩和層２の劣化を防止することができる。
図４は、図３に示す半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。図４に示す半導体装置の製造工程では、まず、複数の半導体チップ１が作り込まれ、その最表層部にパッシベーション膜１１を有するウエハＷが用意される。そして、図４（ａ）に示すように、パッシベーション膜１１に電極パッド６を露出させるためのパッド開口１１３が形成された後、ダイシングラインＬの両側において、溝１２が形成されることによって、ダイシングラインＬと所定間隔を空けて、ダイシングラインＬに沿って延びる帯状の領域からパッシベーション膜１１が除去される。

溝１２の形成後、図４（ｂ）に示すように、パッシベーション膜１１上に、貫通孔２１を有する応力緩和層２が形成される。この応力緩和層２は、ダイシングラインＬ上の所定幅の領域を除いて、ウエハＷの表面全域に液状（未硬化）のポリイミドを塗布し、これを硬化させることによって形成することができる。このとき、液状のポリイミドが溝１２内に流れ込み、そのエポキシ樹脂が硬化すると、半導体チップ１の溝１２に応力緩和層２が入り込んだ構成が得られる。

つづいて、図４（ｃ）に示すように、再配線３および封止樹脂層４が形成された後、その封止樹脂層４の所定位置にポスト７が形成される。さらに、そのポスト７上に金属ボール５が形成される。
そして、図４（ｄ）に示すように、ダイシングブレード（図示せず）を用いて、ダイシングラインＬに沿って、封止樹脂層４とともにウエハＷを切断（ダイシング）すると、図３に示すＷＬ−ＣＳＰの半導体装置が得られる。

以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、溝１２は、パッシベーション膜１１よりも半導体基板側に掘り下げられて形成され、これによって、ダイシングラインＬに沿って延びる帯状の領域からパッシベーション膜１１が除去される場合を取り上げた。しかしながら、溝１２は、その帯状の領域からパッシベーション膜１１を少なくとも除去することができる深さに形成されればよく、図５に示すように、パッシベーション膜１１の膜厚と同じ深さに形成されてもよい。このような深さの溝１２は、ブレードを用いたハーフカットのカット量またはレーザビームの照射強度および照射時間を調節することによって形成することができ、パッシベーション膜１１のみをエッチング（ウエットエッチングまたはドライエッチング）することにより確実に形成することができる。

ただし、パッシベーション膜１１の下（半導体基板側）に層間絶縁膜を有している場合には、溝１２は、ダイシングラインＬに沿って延びる帯状の領域から、その層間絶縁膜を除去することができる深さに形成されていることが好ましい。たとえば、図６に示すように、半導体チップ１の基体をなす半導体基板上に、第１配線層８１、第１層間絶縁膜９１、第２配線層８２、第２層間絶縁膜９２およびパッシベーション膜１１が半導体基板側からこの順に積層されて、第１層間絶縁膜９１に形成されたビアホール８３を介して、第１配線層８１と第２配線層８２とが電気的に接続され、第２層間絶縁膜９２に形成されたビアホール８４を介して、第２配線層８２と電極パッド６とが電気的に接続された多層配線構造の半導体装置の場合、溝１２は、パッシベーション膜１１の表面から第１層間絶縁膜の下面までの厚み以上の深さに形成されていることが好ましい。この場合、溝１２により、パッシベーション膜１１だけでなく、第１層間絶縁膜９１が中央側部分９１１とその外側の周縁側部分９１２とに分断され、また、第２層間絶縁膜９２が中央側部分９２１とその外側の周縁側部分９２２とに分断される。そのため、半導体装置の側面でパッシベーション膜１１、第１層間絶縁膜９１および／または第２層間絶縁膜９２の剥がれやひび割れが発生しても、その剥がれやひび割れを、パッシベーション膜１１の周縁側部分１１２、第１層間絶縁膜９１の周縁側部分９１２および／または第２層間絶縁膜９２の周縁側部分９２１のみに止めることができる。その結果、パッシベーション膜１１の中央側部分１１１、第１層間絶縁膜９１の中央側部分９１１および第２層間絶縁膜９２の中央側部分９２１の剥がれやひび割れを防止することができ、その剥がれやひび割れに起因する機能素子の動作不良の発生を防止することができる。

また、上記の実施形態では、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置を例に取り上げたが、この発明は、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置以外にも、実装基板に対して、半導体チップの表面を対向させて、半導体チップの裏面が露出した状態で実装（ベアチップ実装）される、半導体装置に適用することもできる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 半導体チップ
２ 応力緩和層
４ 封止樹脂層
１１ パッシベーション膜
１２ 溝
９１ 第１層間絶縁膜
９２ 第２層間絶縁膜
１１１ 中央側部分
１１２ 周縁側部分
９１１ 中央側部分
９１２ 周縁側部分
９２１ 中央側部分
９２２ 周縁側部分
Ａ 素子形成領域
Ｌ ダイシングライン
Ｗ ウエハ

Claims (4)

1. 半導体チップと、
   上記半導体チップの最表層部に形成され、上記半導体チップにおける素子形成領域上を覆い尽くす中央側部分と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、上記中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分とを含むパッシベーション膜と、
   上記パッシベーション膜上に形成され、外部から加わる応力を吸収して緩和するための応力緩和層とを含み、
   上記中央側部分と上記周縁側部分との間に上記応力緩和層が入り込んでおり、
   上記パッシベーション膜の上記中央側部分の側面が上記応力緩和層で覆われていることを特徴とする半導体装置。
2. 上記応力緩和層上に形成され、上記半導体チップの表面側を封止するための封止樹脂層をさらに含み、
   上記封止樹脂層は、上記応力緩和層の側面に回り込んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 複数の半導体チップが作り込まれ、その最表層部にパッシベーション膜を有する半導体ウエハを用意する工程と、
   上記半導体ウエハに設定されたダイシングラインと所定間隔を空けて、そのダイシングラインに沿って延びる帯状の領域から、少なくとも上記パッシベーション膜の一部を除去して、上記パッシベーション膜を、上記半導体チップにおける素子形成領域上を覆い尽くす中央側部分と、この中央側部分の周縁と所定間隔を空けて、上記中央側部分の周囲を取り囲む周縁側部分とに分断するパッシベーション膜除去工程と、
   このパッシベーション膜除去工程後、上記半導体ウエハ上に応力緩和層を形成する応力緩和層形成工程と、
   この応力緩和層工程後に、上記半導体ウエハをダイシングラインに沿って切断するダイシング工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 上記応力緩和層工程後、上記半導体ウエハ上に封止樹脂層を形成する封止樹脂層形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。

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