JP2015090891A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Hirobumi Nakamura
博文 中村
浩一 熊谷
Koichi Kumagai
浩一 熊谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To satisfy needs of an art to improve electric connection reliability because large distortion caused by a thermal expansion coefficient difference at an interface between an LSI and a PCB, which occurs when the semiconductor LSI having a through electrode is connected to the PCB and an operation temperature increases becomes prominent as the chip size of the semiconductor LSI is increased thereby to break electric connection between the semiconductor LSI and the PCB.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a through electrode arranged on a semiconductor substrate; a land-shaped first electrode which is formed on a first principal surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the through electrode; a wiring pattern connected to the first electrode; and a ball-shaped second electrode formed on the wiring pattern in which: (1) a region including the first electrode and the wiring pattern are arranged on a distortion absorption layer arranged on the first principal surface; and (2) the first electrode and the wiring pattern are formed by a seed metal layer and a conductive layer.

Description

本発明は、半導体LSIの3次元積層実装に関するデバイス構造、実装構造、及び、その製造方法に関するものである。 The present invention relates to a device structure, a mounting structure, and a manufacturing method thereof related to three-dimensional stacked mounting of a semiconductor LSI.

半導体工業技術の進歩を背景として、半導体LSIへの高集積化の要求は留まることがない。高集積化を推進するために、単位素子(トランジスタ)の寸法を微小化したり、チップサイズを大きくする手法がある。しかしながら、微小化に伴う製造技術の新規開発は膨大なリソースを必要とする。チップサイズ増大に伴う大規模回路の設計や検査も複雑化している。さらに、チップサイズが大きいと信号伝達線路の長さが長大となり、高速化の限界が発生する。 Against the background of advances in semiconductor industry technology, the demand for higher integration in semiconductor LSIs does not stop. In order to promote high integration, there are methods for reducing the size of a unit element (transistor) or increasing the chip size. However, new development of manufacturing technology associated with miniaturization requires enormous resources. As the chip size increases, the design and inspection of large-scale circuits has become complicated. Furthermore, if the chip size is large, the length of the signal transmission line becomes long, and the limit of speeding up occurs.

これらの欠点を排除するため、複数のチップを高さ方向に積み上げた構造、即ち、3次元化構造が提案されている。この構造ではチップの表裏面を電気接続する貫通電極(Through Via)(シリコン基板の場合はTSV、Through Silicon Viaと称される)が利用される。本段落ではチップサイズパッケージ(CSP)を例として貫通電極の構造を概説する。(1)半導体LSIの回路が配置されていない主面側から、前記回路を構成する電極(例えば、ボンディングパッド)に向けて「貫通孔」を形成し、(2)この孔の側壁領域に絶縁層を形成し、(3)この孔に導電体を充填、あるいは、孔の側壁に導電体を付着させ、貫通電極を形成し、(4)前記主面側に前記貫通電極と電気接続された電極パターンを形成し、(5)前記電極パターンと接続した導電性ボール(例えば、はんだボール)を形成する といったプロセスで構造が実現できる。この例では、完成したCSPをプリント基板(PCB)(「配線基板」である)などへ、前記導電性ボールを介して直接実装することができ、システムの小型化、低価格化も併せて達成することが可能である。   In order to eliminate these drawbacks, a structure in which a plurality of chips are stacked in the height direction, that is, a three-dimensional structure has been proposed. In this structure, a through electrode (Through Via) for electrically connecting the front and back surfaces of the chip (in the case of a silicon substrate, it is referred to as TSV or Through Silicon Via) is used. In this paragraph, the structure of the through electrode will be outlined using a chip size package (CSP) as an example. (1) A “through hole” is formed from the main surface side where the circuit of the semiconductor LSI is not arranged toward an electrode (for example, a bonding pad) constituting the circuit, and (2) insulation is provided in a side wall region of the hole. Forming a layer, (3) filling the hole with a conductor, or attaching a conductor to the side wall of the hole to form a through electrode, and (4) electrically connecting the through electrode to the main surface side. The structure can be realized by a process of forming an electrode pattern and (5) forming a conductive ball (for example, a solder ball) connected to the electrode pattern. In this example, the completed CSP can be directly mounted on a printed circuit board (PCB) (which is a “wiring board”) via the conductive balls, thereby achieving a reduction in size and cost of the system. Is possible.

前段落により半導体LSIを直接加工して3次元積層に適したデバイスが作製される。一方、半導体LSIに「インターポーザ」と呼ばれる「中間基板」を積層する手法もある。かかるインターポーザはシリコン基板などで構成され、一般的にはその両面に配線パターン(「再配線パターン」とも称される)が形成され、この基板の表裏面を電気接続する貫通電極が配置されている。インターポーザと半導体LSIとは積層化され、インターポーザ側をPCBへ実装する。   A device suitable for three-dimensional stacking is manufactured by directly processing a semiconductor LSI according to the previous paragraph. On the other hand, there is a method of stacking an “intermediate substrate” called an “interposer” on a semiconductor LSI. Such an interposer is composed of a silicon substrate or the like, and generally has a wiring pattern (also referred to as a “rewiring pattern”) formed on both sides thereof, and through electrodes that electrically connect the front and back surfaces of the substrate are arranged. . The interposer and the semiconductor LSI are stacked, and the interposer side is mounted on the PCB.

上記段落で概説した2つの構成例は実用化されつつあるが、熱履歴で接続信頼性が劣化することが知られている。これは、半導体LSI(あるいはインターポーザ)とPCBとでは熱膨張係数が異なり、熱履歴(例えば、高温雰囲気と低温雰囲気が繰返される)で横方向に発生した応力が接続部を破壊するためである。   Although the two configuration examples outlined in the above paragraph are being put into practical use, it is known that connection reliability deteriorates due to thermal history. This is because the semiconductor LSI (or interposer) and the PCB have different coefficients of thermal expansion, and the stress generated in the lateral direction due to the thermal history (for example, the high temperature atmosphere and the low temperature atmosphere are repeated) destroys the connection portion.

かかる接続信頼性劣化を防止するため、図11に示す構造が提案されている。同図は下記引用特許文献1の図4(C)に掲載されている図である。同図において、電極(12)から引き出された配線パターン(クローム層16)の一部と、銅層(20)と、台座(24)と、ハンダボール(26)は、樹脂層(14)の上部に配置されている。この樹脂層はポリイミドなどで構成され「応力緩和層」として機能し、前記した横方向の応力による接続部破壊を防止するとされている。図12は下記引用特許文献1の図5に掲載されている図である。同図において、電極(12)からの配線(3)は外部電極(5)(ハンダボール26に対応)へ接続されているが、配線(3)の途中から(同図では丸印で追加表示してある部分)応力緩和層(7)(樹脂層(14)と同一)の上部に配置されていることが示されている。かかる構成では接続部破壊を防止できる可能性はあるが、電極(12)の領域は前記応力に対して対策されていないため、極度に大きな前記応力に対しては、電極(12)の周辺で破壊が誘起される欠点がある。 In order to prevent such connection reliability deterioration, a structure shown in FIG. 11 has been proposed. FIG. 4 is a diagram published in FIG. In the figure, a part of the wiring pattern (chrome layer 16) drawn from the electrode (12), the copper layer (20), the pedestal (24), and the solder ball (26) are formed on the resin layer (14). Located at the top. This resin layer is made of polyimide or the like and functions as a “stress relaxation layer”, and is supposed to prevent the connection portion from being broken due to the lateral stress described above. FIG. 12 is a diagram published in FIG. 5 of Patent Document 1 cited below. In the figure, the wiring (3) from the electrode (12) is connected to the external electrode (5) (corresponding to the solder ball 26), but from the middle of the wiring (3) (additionally indicated by a circle in the figure) It is shown that it is arranged on the upper part of the stress relaxation layer (7) (same as the resin layer (14)). In such a configuration, there is a possibility that the connection portion can be prevented from being broken. However, since the region of the electrode (12) is not taken measures against the stress, the extremely large stress is prevented from being generated around the electrode (12). There is a disadvantage that destruction is induced.

配線パターンなどの領域に配置される感光性樹脂組成物については、例えば、下記引用特許文献2に開示されている。同文献2の請求項1では、「前記感光性樹脂組成物は、(1)環状イミド結合とダイマー酸に由来する2価の炭化水素基とを有するビスマレイミド化合物、(2)光重合開始剤、及び、(3)ケイ素原子に結合したアルコキシ基を4個以上有するケイ素化合物とを含有する」とされている。この樹脂組成物は硬化後のヤング率(引張弾性率)が2GPa以下と小さな値である。また、比較的低露光量で微細パターンの形成が可能で、熱硬化のための温度も比較的低いことが特徴とされている。かかる感光性樹脂組成物は本発明にとって好例である。   About the photosensitive resin composition arrange | positioned in area | regions, such as a wiring pattern, it is disclosed by the following cited patent document 2, for example. In claim 1 of the document 2, “the photosensitive resin composition is (1) a bismaleimide compound having a cyclic imide bond and a divalent hydrocarbon group derived from dimer acid, (2) a photopolymerization initiator”. And (3) a silicon compound having four or more alkoxy groups bonded to a silicon atom ”. This resin composition has a small Young's modulus (tensile modulus) after curing of 2 GPa or less. Further, it is characterized in that a fine pattern can be formed with a relatively low exposure amount and the temperature for thermosetting is relatively low. Such a photosensitive resin composition is a good example for the present invention.

日本国特許第4895054号明細書Japanese Patent No. 4895054 日本国特許出願公開第2013/083958号明細書Japanese Patent Application Publication No. 2013/083958 Specification

前記したように、貫通電極を有する半導体LSIをPCBへ接続する場合には、これらの熱膨張係数差を考慮し、高い接続信頼性を確保する技術の開発が必要になる。かかる熱膨張係数に差がある場合には、動作温度が上昇すると、半導体LSIとPCBの界面で横方向の応力が発生し、前記界面で大きな歪が発生する。かかる歪は半導体LSIのチップサイズが大きくなると顕著になり、半導体LSIとPCBとの電気接続が破壊される。なお、インターポーザを積層した構成においても同様な現象が発生する。一例として熱膨張係数を挙げるならば、
シリコン:2.6×10−6 PCB:14×10−6
である。半導体LSIのチップサイズを5mm□、100℃の温度上昇を仮定すると、昇温時には5.7μmもの歪(半導体LSIを伸長させる方向)が発生する。一方、ヤング率(弾性率)は
シリコン:130GPa
銅(配線の素材と仮定):129.8GPa ハンダボール:約30GPa
PCB:約28GPa
であるので、歪はハンダボールに集中して発生することになる。この結果、ハンダボールにクラックが発生し電気接続性が破壊される。さらに、前記配線パターンは数10μm幅程度と細いため、前記歪により配線パターンが断線する危険もある。特に、配線パターンが半導体LSI表面の凹凸領域を「乗り越える」ような形状である場合には、配線パターンの「肩」の部分(一般的には厚さが局部的に薄くなり機械的強度が低下することが知られている)で断線する。図12において丸印を付加した領域が「肩」の部分に対応している。
As described above, when a semiconductor LSI having a through electrode is connected to a PCB, it is necessary to develop a technique for ensuring high connection reliability in consideration of the difference in coefficient of thermal expansion. When there is a difference in the coefficient of thermal expansion, when the operating temperature rises, a lateral stress is generated at the interface between the semiconductor LSI and the PCB, and a large strain is generated at the interface. Such distortion becomes significant as the chip size of the semiconductor LSI increases, and the electrical connection between the semiconductor LSI and the PCB is broken. A similar phenomenon occurs even in a configuration in which interposers are stacked. As an example, the coefficient of thermal expansion is
Silicon: 2.6 × 10 −6 PCB: 14 × 10 −6
It is. Assuming that the chip size of the semiconductor LSI is 5 mm □ and a temperature rise of 100 ° C., a strain of 5.7 μm (in the direction in which the semiconductor LSI is stretched) occurs when the temperature rises. On the other hand, Young's modulus (elastic modulus) is silicon: 130 GPa
Copper (assuming wiring material): 129.8 GPa Solder ball: about 30 GPa
PCB: about 28GPa
Therefore, the distortion is concentrated on the solder ball. As a result, cracks occur in the solder balls and the electrical connectivity is destroyed. Further, since the wiring pattern is as thin as several tens of μm, there is a risk that the wiring pattern is disconnected due to the distortion. In particular, when the wiring pattern is shaped to “climb over” the uneven area on the surface of the semiconductor LSI, the “shoulder” portion of the wiring pattern (generally the thickness is locally reduced and the mechanical strength is reduced. Is known to do). In FIG. 12, a region to which a circle is added corresponds to the “shoulder” portion.

半導体LSIのチップサイズは微小化の一途を辿っているが、イメージセンサでは光感度と解像度のため微小化には限界がある。現在、スマートフォンなどの機器用として2mm□〜3mm□もの小さいイメージセンサは実用化されている。しかしながら、高感度と高解像度を得るためにはチップサイズを大きくせざるを得ず、高級一眼レフ型のデジタルカメラでは24×36mmもの大型チップが採用されている。チップサイズの大型化に伴い、前記した歪による影響が大きくなり、一辺の長さが約5mmを超えるチップサイズのイメージセンサについては歪吸収の構造が必須となっている。   Although the chip size of a semiconductor LSI is continually miniaturized, there is a limit to the miniaturization of an image sensor due to light sensitivity and resolution. Currently, image sensors as small as 2 mm □ to 3 mm □ for devices such as smartphones are in practical use. However, in order to obtain high sensitivity and high resolution, the chip size must be increased, and a large-sized chip of 24 × 36 mm is adopted in a high-quality single-lens reflex digital camera. As the chip size increases, the effect of the above-described strain increases, and a strain-absorbing structure is essential for a chip-size image sensor whose side length exceeds about 5 mm.

イメージセンサ以外の応用分野においても、半導体LSIを積層化することは多い。例えば、大面積の半導体LSIの上側表面に複数個のLSIを平面的に配置(2次元面内で配置)して積層化し、この積層構造体を「一つのシステム」にする場合である。かかる構造では、最下段の半導体LSIのチップサイズが大きいため、この構造体をPCBへ搭載する際に、上記したような歪吸収の構造が必須となる。さらに、歪吸収構造を導入したとしても、この構造の製造容易性や機械的強度(例えば半導体デバイスとの局部的な密着性を維持する)も重要な開発課題となっている。   Semiconductor LSIs are often stacked in application fields other than image sensors. For example, there is a case where a plurality of LSIs are arranged in a plane (arranged in a two-dimensional plane) and stacked on the upper surface of a large-area semiconductor LSI, and this stacked structure is made “one system”. In such a structure, since the chip size of the lowermost semiconductor LSI is large, when the structure is mounted on a PCB, the above-described strain absorption structure is essential. Furthermore, even if a strain absorbing structure is introduced, the ease of manufacturing of this structure and the mechanical strength (for example, maintaining local adhesion with a semiconductor device) are also important development issues.

前段落までに記載したように、半導体LSI(あるいはインターポーザ)とPCBとの熱膨張係数差に起因する歪を低減し、ハンダボールおよび配線パターンで電気接続性が破壊されることを回避する技術開発が強く要求されている。 Technology development to reduce the distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor LSI (or interposer) and PCB, and to avoid the destruction of electrical connectivity with solder balls and wiring patterns as described in the previous paragraph Is strongly demanded.

半導体基板の一方の面である第2の主面側に配置された導体に電気接続された貫通電極と、前記半導体基板の他の面である第1の主面に形成され、かつ、前記貫通電極に電気接続されたランド状の第1の電極と、前記第1の電極に接続された配線パターンと、前記第1の主面の前記第1の電極が配置されていない領域において前記配線パターンの上部に形成されたボール状の第2の電極とを備えた半導体デバイスにおいて、(1)前記第1の電極を含む領域、および、前記配線パターンを、前記第一の主面に配置された歪吸収層の上部に配置し、(2)前記第1の電極と前記配線パターンの両方を、シードメタル層と、該シードメタル層の表面に配置された導電層とから構成し、(3)前記歪吸収層を感光性樹脂組成物で構成し、(4)該感光性樹脂組成物の硬化後のヤング率が0.5GPaを超えない値であるようにする。 A through electrode electrically connected to a conductor disposed on a second main surface side which is one surface of the semiconductor substrate; a first main surface which is the other surface of the semiconductor substrate; and the through electrode A land-like first electrode electrically connected to the electrode; a wiring pattern connected to the first electrode; and the wiring pattern in a region where the first electrode on the first main surface is not disposed. In the semiconductor device including the ball-shaped second electrode formed on the upper portion of (1), (1) the region including the first electrode and the wiring pattern are disposed on the first main surface (2) Both the first electrode and the wiring pattern are composed of a seed metal layer and a conductive layer disposed on the surface of the seed metal layer, and (3) The strain absorbing layer is composed of a photosensitive resin composition, and (4) the sensitivity Young's modulus after curing of sexual resin composition to be a value that does not exceed 0.5 GPa.

なお、本明細書で用いる「半導体デバイス」は、前記したCSP構成(半導体LSIを直接加工してPCB上に搭載できる)と、インターポーザの構成の両者を含んでいる。また、前記CSP構成の場合、イメージセンサに限ることはなく、信号処理LSI、記憶装置、通信用LSIなどであっても良い。また、前記半導体デバイスのチップの一辺のサイズが約5mmを超える場合であっても構わない。   The “semiconductor device” used in this specification includes both the above-described CSP configuration (a semiconductor LSI can be directly processed and mounted on a PCB) and an interposer configuration. The CSP configuration is not limited to an image sensor, and may be a signal processing LSI, a storage device, a communication LSI, or the like. Further, the size of one side of the semiconductor device chip may exceed about 5 mm.

なお、前々段落に記載した「ランド状の第1の電極」と「配線パターン」との「接続」には、「機械的に両者が接続され、結果として電気的に両者が接続される」ような「接続」を含んでいる。例えば、前記ランド状の第1の電極と前記配線パターンが同一平面内でそれぞれの端部が接している状態、また、前者の上部に後者が配置されている状態などがある。さらに、両者が共通の構成要素を構成していて、単に領域で区分けされて、それぞれの名称が付与されていることもある。さらに、両者の製造工程では、異なる工程で製造されても良く、同一の工程で製造されても良い。   In addition, in the “connection” between the “land-shaped first electrode” and the “wiring pattern” described in the preceding paragraph, “both are mechanically connected and consequently both are electrically connected”. It includes such “connections”. For example, the land-like first electrode and the wiring pattern are in contact with each other in the same plane, or the latter is disposed above the former. Furthermore, both may constitute a common component, and may be simply divided into regions and given names. Furthermore, in both manufacturing processes, they may be manufactured in different processes or may be manufactured in the same process.

なお、上記した手段では、歪吸収層の上部に、前記第1の電極、前記配線パターン、前記第2の電極(厳密に記載するならば、前記配線パターンを挟んだ状態である)が全て配置されていることが特徴である。すなわち、前記配線パターンはほぼ平坦な面に沿って配置されており、凹凸形状の「肩」部を乗り越えることはない。   In the above-described means, the first electrode, the wiring pattern, and the second electrode (in a strict sense, the state in which the wiring pattern is sandwiched) are all disposed on the strain absorbing layer. It is characteristic that it is. That is, the wiring pattern is arranged along a substantially flat surface, and does not get over the uneven “shoulder” portion.

なお、本段落では前記した歪吸収層について記載する。本発明の発明者等は引用特許文献2に記載された感光性樹脂組成物を使って、熱履歴による電気接続信頼性を評価した。ここで使用した該組成物のヤング率は0.1〜0.5GPaのグレードである。その結果、この樹脂組成物を使用しない構成と比較して、高い電気接続信頼性を得ることができた。具体的には−30℃と+80℃の間で温度サイクル試験を行った結果、
樹脂組成物を使用しない場合:1500サイクルで断線が発生
樹脂組成物(厚さ10μm以上):4000サイクル以上でも電気接続性の劣化なし
であった。
In this paragraph, the strain absorbing layer described above is described. The inventors of the present invention evaluated the reliability of electrical connection due to thermal history using the photosensitive resin composition described in Patent Document 2. The Young's modulus of the composition used here is a grade of 0.1 to 0.5 GPa. As a result, it was possible to obtain high electrical connection reliability as compared with the configuration not using this resin composition. Specifically, as a result of performing a temperature cycle test between −30 ° C. and + 80 ° C.,
When the resin composition is not used: Disconnection occurs at 1500 cycles Resin composition (thickness: 10 μm or more): There was no deterioration in electrical connectivity even at 4000 cycles or more.

なお、本段落では前記した「シードメタル層と導電層」と「ボール形状の第2の電極」について記載する。シードメタル層は、前記導電層と下地との密着強度を増大させる機能を有しており、チタンなどをスパッタなどの周知の手法により成膜され、その厚さは数100nmを越えない値である。シードメタル層はチタン、白金、プラチナなどから構成された多層構成であっても構わない。また、導電層は該シードメタル層の表面に配置され、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、CVD、印刷などの周知の手法により形成され、その厚さは100μmを越えない値である。導電層は銅、アルミなどの金属、多結晶シリコンなどの導電性半導体、あるいはこれらから成る多層構成であっても構わない。「ボール形状の第2の電極」は、スクリーン印刷などの周知の手法により形成されたハンダペーストなどを熱処理することによりボール形状に加工される。 In this paragraph, the “seed metal layer and conductive layer” and “ball-shaped second electrode” are described. The seed metal layer has a function of increasing the adhesion strength between the conductive layer and the base, and is formed by a known technique such as sputtering using titanium or the like, and the thickness thereof does not exceed several hundred nm. . The seed metal layer may have a multilayer structure made of titanium, platinum, platinum, or the like. The conductive layer is disposed on the surface of the seed metal layer and is formed by a known method such as electrolytic plating, electroless plating, vapor deposition, CVD, printing, etc., and its thickness does not exceed 100 μm. The conductive layer may be a metal such as copper or aluminum, a conductive semiconductor such as polycrystalline silicon, or a multilayer structure made of these. The “ball-shaped second electrode” is processed into a ball shape by heat-treating a solder paste or the like formed by a known method such as screen printing.

前記した歪吸収層を、(1)環状イミド結合とダイマー酸に由来する2価の炭化水素基とを有するビスマレイミド化合物、(2)光重合開始剤、及び、(3)ケイ素原子に結合したアルコキシ基を4個以上有するケイ素化合物を含有する感光性樹脂組成物で構成し、該感光性樹脂組成物の硬化後のヤング率を0.5GPaを越えない値とする。   The strain absorbing layer described above was bonded to (1) a bismaleimide compound having a cyclic imide bond and a divalent hydrocarbon group derived from dimer acid, (2) a photopolymerization initiator, and (3) bonded to a silicon atom. A photosensitive resin composition containing a silicon compound having 4 or more alkoxy groups is used, and the Young's modulus after curing of the photosensitive resin composition is set to a value not exceeding 0.5 GPa.

なお、前段落に記載した感光性樹脂組成物は、前記した引用特許文献2の請求項1に記載されている組成物と同等である。同文献2においては、効果後のヤング率を「2GPa以下」としている。前記したように、発明者等による実験では「0.1〜0.5GPa」のグレード品を使用したので前段落では「0.5GPaを越えない値」としている。   In addition, the photosensitive resin composition described in the previous paragraph is equivalent to the composition described in claim 1 of the cited Patent Document 2 described above. In the document 2, the Young's modulus after the effect is set to “2 GPa or less”. As described above, since a grade product of “0.1 to 0.5 GPa” was used in the experiments by the inventors, the value in the previous paragraph is “a value not exceeding 0.5 GPa”.

(1)半導体デバイスを構成する半導体基板に貫通電極用の貫通孔を配置する工程と、(2)前記半導体基板の第1の主面に歪吸収層を配置する工程と、(3)前記貫通孔に導電体層を充填、あるいは、該貫通孔の内壁に導電体層を付着して貫通電極とする工程と、(4)前記貫通電極に接続され、かつ、前記歪吸収層の表面に配置されるランド状の第1の電極を形成する工程と、(5)該歪吸収層の表面に該第1の電極に接続された配線パターンを形成する工程と、(6)該配線パターンの表面であって前記第1の電極が配置されていない領域にボール状の第2の電極を配置する工程とを含む工程で半導体デバイスを製造する。 (1) a step of disposing a through hole for a through electrode in a semiconductor substrate constituting a semiconductor device, (2) a step of disposing a strain absorbing layer on a first main surface of the semiconductor substrate, and (3) the through hole A step of filling the hole with a conductor layer or attaching a conductor layer to the inner wall of the through hole to form a through electrode; and (4) being connected to the through electrode and disposed on the surface of the strain absorbing layer. Forming a land-like first electrode to be formed; (5) forming a wiring pattern connected to the first electrode on the surface of the strain absorbing layer; and (6) a surface of the wiring pattern. A semiconductor device is manufactured in a process including a step of disposing a ball-shaped second electrode in a region where the first electrode is not disposed.

なお、前段落に記載した製造方法において、前記(3)乃至前記(5)とが単一の工程であっても構わない。例えば、前記第1の主面側に導電体層を配置する工程で、(1)前記貫通孔に導電体層が配置され貫通電極となり、同時に、(2)該導電体層が前記ランド状の第1の電極と前記配線パターンを形成する例である。また、前記導電体層はシードメタル層と導電層から成っている。   In the manufacturing method described in the previous paragraph, (3) to (5) may be a single step. For example, in the step of disposing a conductor layer on the first main surface side, (1) a conductor layer is disposed in the through hole to form a through electrode, and at the same time, (2) the conductor layer has the land-like shape. It is an example which forms a 1st electrode and the said wiring pattern. The conductor layer includes a seed metal layer and a conductive layer.

なお、前々段落の(3)は、「貫通孔に導電性を付与して貫通電極とする」ことである。一般には貫通孔を導電体層で充填することが多いが、該貫通孔の内壁にのみ導電体層を付着させた「中空構造」であっても良い。 Note that (3) in the previous paragraph is “to provide conductivity to the through-hole to form a through-electrode”. In general, the through hole is often filled with a conductor layer, but a “hollow structure” in which the conductor layer is attached only to the inner wall of the through hole may be used.

本発明により、熱膨張係数差に起因する電気接続性の劣化がなく、チップサイズが大きい半導体LSIでも信頼性の高い実装が可能であり、配線パターンが半導体デバイス表面の凹凸領域を乗り越えることもなく、かつ、密着性の高い配線パターンを有する半導体デバイスが得られた。   According to the present invention, there is no deterioration in electrical connectivity due to a difference in thermal expansion coefficient, and a highly reliable mounting is possible even in a semiconductor LSI having a large chip size, and a wiring pattern does not go over an uneven area on the surface of a semiconductor device. And the semiconductor device which has a wiring pattern with high adhesiveness was obtained.

半導体デバイスの構成を示す図である。<実施例1>It is a figure which shows the structure of a semiconductor device. <Example 1> 半導体デバイス(半導体LSI)をPCBへ実装した構成を示す図である。<実施例2>It is a figure which shows the structure which mounted the semiconductor device (semiconductor LSI) in PCB. <Example 2> 電気接続信頼性の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of electrical connection reliability. 半導体デバイス(インターポーザ)をPCBへ実装した構成を示す図である。<実施例3>It is a figure which shows the structure which mounted the semiconductor device (interposer) in PCB. <Example 3> 半導体デバイスの製造法を示す図である。<実施例4>It is a figure which shows the manufacturing method of a semiconductor device. <Example 4> 半導体デバイスの改良された製造法を示す図である。<実施例5>It is a figure which shows the improved manufacturing method of a semiconductor device. <Example 5> 半導体デバイスの改良された製造法を示す図である。<実施例6>It is a figure which shows the improved manufacturing method of a semiconductor device. <Example 6> 半導体デバイスの改良された製造法を示す図である。<実施例7>It is a figure which shows the improved manufacturing method of a semiconductor device. <Example 7> 半導体デバイスを実装した時の他の構成を示す図である。<実施例8>It is a figure which shows the other structure when a semiconductor device is mounted. <Example 8> 半導体デバイスを実装した時の他の構成を示す図である。<実施例9>It is a figure which shows the other structure when a semiconductor device is mounted. <Example 9> 従来例を示す図である。It is a figure which shows a prior art example. 従来例を示す図である。It is a figure which shows a prior art example.

以下、図面を参照して本発明による半導体デバイスを詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の第1の実施例である半導体デバイスの構成例である。同図1(a)は断面図、同図1(b)は上面から見た平面図である。同図では、基本的な構成要素のみが表示されており、半導体デバイスを概念的に示している。図において、101はシリコンなどで構成される半導体の基板であり、一方の主面(図では下側の主面であり、これを「第2の主面」とする)は酸化膜などで構成される絶縁層102で被覆されている。基板101にはトランジスタ103などが配置されている。また、絶縁層102の内部にはポリシリコン、金属などの導電体で構成された導体104、105が配置されている。図では、当該104が前記トランジスタのゲート電極に対応している。また、当該105は「第2の主面側に配置された導体」であり、より具体的には信号を授受する導体(例えば、ボンディングパッド)に対応している。当該105は貫通電極106により、前記基板の他の主面である「第1の主面」(図では上側の主面である)へ引き出され、「ランド状の第1の電極」107に接続されている。貫通電極の周囲と第1の主面側に配置された108は電気絶縁のための絶縁層である。当該107は配線パターン109に接続されている。この「接続」は、107と109が一体化(同一の製造プロセスで同時に作製される)されており、領域毎にそれぞれの名称が付与されている。さらに、当該配線パターン109には、当該107が配置されていない領域において当該107の上部に形成された「ボール状の第2の電極」110が配置されている。かかる構成により、前記基板の第2の主面側に配置された導体105は、当該110と電気接続されることになる。 FIG. 1 shows a configuration example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a plan view seen from above. In the figure, only basic components are displayed, and a semiconductor device is conceptually shown. In the figure, reference numeral 101 denotes a semiconductor substrate made of silicon or the like, and one main surface (the lower main surface in the figure is referred to as a “second main surface”) is made of an oxide film or the like. The insulating layer 102 is covered. A transistor 103 and the like are disposed on the substrate 101. Conductors 104 and 105 made of a conductor such as polysilicon or metal are disposed inside the insulating layer 102. In the figure, the corresponding 104 corresponds to the gate electrode of the transistor. The reference numeral 105 denotes a “conductor disposed on the second main surface side”, and more specifically corresponds to a conductor (for example, a bonding pad) that transmits and receives signals. The 105 is led out to the “first main surface” (the upper main surface in the figure) which is the other main surface of the substrate by the through electrode 106 and connected to the “land-shaped first electrode” 107. Has been. Reference numeral 108 arranged around the through electrode and on the first main surface side is an insulating layer for electrical insulation. The 107 is connected to the wiring pattern 109. In this “connection”, 107 and 109 are integrated (made simultaneously in the same manufacturing process), and each area is given a name. Further, in the wiring pattern 109, a “ball-shaped second electrode” 110 formed on the upper portion of the 107 in a region where the 107 is not disposed. With this configuration, the conductor 105 arranged on the second main surface side of the substrate is electrically connected to the 110.

前段落に記載した貫通電極(106)、「第1の電極」(107)と「配線パターン」(109)は、チタンなどで構成されたシードメタル層と銅などから成る導電層とで構成された2層以上の多層構造である。シードメタル層はチタンなどをスパッタなどの周知の手法により成膜され、その厚さは数100nmを越えない値である。シードメタル層はチタン、白金、プラチナなどから構成された多層構成であっても構わない。また、導電層は当該シードメタル層の表面に配置され、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、CVD、印刷などの周知の手法により形成され、その厚さは100μmを越えない値である。導電層は銅、アルミなどの金属、多結晶シリコンなどの導電性半導体、あるいはこれらから成る多層構成であっても構わない。「第2の電極」(110)は錫・銀・銅の混合物などであるハンダで構成されている。当該110はスクリーン印刷などの周知の手法により形成されたハンダペーストなどを熱処理することによりボール形状に加工される。この熱処理工程で当該110が広がらずに「ボール状」に成形させるため、ソルダレジスト層111が配置されている。   The through electrode (106), “first electrode” (107), and “wiring pattern” (109) described in the previous paragraph are composed of a seed metal layer made of titanium or the like and a conductive layer made of copper or the like. Further, it has a multilayer structure of two or more layers. The seed metal layer is formed by a known method such as sputtering of titanium or the like, and the thickness thereof does not exceed several hundred nm. The seed metal layer may have a multilayer structure made of titanium, platinum, platinum, or the like. The conductive layer is disposed on the surface of the seed metal layer and is formed by a known method such as electrolytic plating, electroless plating, vapor deposition, CVD, printing, etc., and its thickness does not exceed 100 μm. The conductive layer may be a metal such as copper or aluminum, a conductive semiconductor such as polycrystalline silicon, or a multilayer structure made of these. The “second electrode” (110) is made of solder such as a mixture of tin, silver, and copper. The 110 is processed into a ball shape by heat-treating a solder paste or the like formed by a known method such as screen printing. The solder resist layer 111 is disposed so that the heat treatment process allows the 110 to be formed into a “ball shape” without spreading.

図1において、112は歪吸収層であり、例えば、引用特許文献2に記載された感光性樹脂組成物から構成されている。同図の構成では、当該107、109、110の全てが当該112の上部に配置されている。なお、当該110に関しては、配線パターン109を介して、112の上方に配置されている。 In FIG. 1, reference numeral 112 denotes a strain absorbing layer, which is made of, for example, a photosensitive resin composition described in Patent Document 2. In the configuration shown in the figure, all of the 107, 109, and 110 are arranged above the 112. Note that the 110 is arranged above the 112 via the wiring pattern 109.

図1では半導体デバイスが「半導体LSI」である場合が示されている。しかしながら、当該半導体デバイスが「インターポーザ」であっても構わない。かかる場合においては、基板101にトランジスタ103(104も含む)などが集積化されていない。一方、導体105は当該インターポーザの表裏面を電気接続するために配置されていることが多い。   FIG. 1 shows a case where the semiconductor device is a “semiconductor LSI”. However, the semiconductor device may be an “interposer”. In such a case, the transistor 103 (including 104) or the like is not integrated on the substrate 101. On the other hand, the conductor 105 is often arranged to electrically connect the front and back surfaces of the interposer.

図2は本発明の第2の実施例であり、前段落までに記載した半導体デバイスをPCBへ実装した構成を示す図である。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。また、同図では、前記「第2の電極」が2個の場合が例示されている。図において、120は前記した半導体デバイス(半導体LSI)であり、図1とは上下反転して表示されている。121はFR−4などのPCBであり、その表面には銅箔などで形成されたパターン122が配置されており、当該120に設けられた「ボール状の第2の電極」110と対抗した位置に配置されている。当該120は121との相対位置が調整された後、周知の熱処理工程で110を溶融させることにより、122と電気接続される。123は当該電気接続を強固にするために流し込まれたアンダーフィル層である。 FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention and shows a configuration in which the semiconductor device described up to the previous paragraph is mounted on a PCB. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. Further, in the figure, the case where there are two “second electrodes” is illustrated. In the figure, reference numeral 120 denotes the above-described semiconductor device (semiconductor LSI), which is displayed upside down from FIG. Reference numeral 121 denotes a PCB such as FR-4, on which a pattern 122 formed of copper foil or the like is arranged, and a position facing the “ball-shaped second electrode” 110 provided on the 120 Is arranged. After the relative position with respect to 121 is adjusted, 120 is electrically connected to 122 by melting 110 in a known heat treatment process. Reference numeral 123 denotes an underfill layer poured to strengthen the electrical connection.

図2の構成では、動作温度が上昇すると、120と121の熱膨張係数差により、横方向(図面上)に応力が発生する。温度上昇の場合には、PCBの横方向への伸長が大きいため、120が凹状に歪曲する。「ボール状の第2の電極」110がハンダなどの材料であり、そのヤング率が基板101(シリコンで構成)および配線パターン109(銅で構成)のヤング率よりも小さいことを考慮すると、歪は当該110に集中することになる。かかる歪は当該110にクラックを発生させ、電気接続が破壊されることになる。実装工程直後においては破壊の可能性は低いかもしれないが、熱履歴を経るに従い破壊の可能性が大きくなる。 In the configuration of FIG. 2, when the operating temperature rises, stress is generated in the lateral direction (on the drawing) due to the difference in thermal expansion coefficient between 120 and 121. In the case of a temperature rise, the PCB is greatly deformed in the lateral direction, and therefore 120 is distorted into a concave shape. Considering that the “ball-shaped second electrode” 110 is a material such as solder and the Young's modulus is smaller than the Young's modulus of the substrate 101 (made of silicon) and the wiring pattern 109 (made of copper), the strain Will concentrate on the 110. Such strain causes cracks in the 110, and the electrical connection is broken. Although the possibility of destruction may be low immediately after the mounting process, the possibility of destruction increases as the thermal history passes.

しかしながら、図2の構成では歪吸収層112が存在し、そのヤング率は0.5GPaを越えない小さな値であるため、上記した歪を軽減させることが可能となる。すなわち、前記した熱膨張係数差に起因する横方向の伸長/収縮は、当該112が厚さ方向に変形(恐らくは厚さが小さくなる)ことにより、歪が吸収される。この結果、110の歪は極度に軽減され、かつ、120が歪曲することもなくなり、熱履歴を繰り返しても電気接続が破壊されることがなくなる。 However, since the strain absorption layer 112 is present in the configuration of FIG. 2 and its Young's modulus is a small value not exceeding 0.5 GPa, the above-described strain can be reduced. That is, the expansion / contraction in the lateral direction caused by the difference in the thermal expansion coefficient described above is absorbed by the deformation of the 112 in the thickness direction (perhaps the thickness is reduced). As a result, the strain of 110 is extremely reduced, the 120 is not distorted, and the electrical connection is not broken even if the thermal history is repeated.

図3は発明者等が実測した電気接続信頼性の評価結果である。評価対象は、図2に例示した実装状態のサンプルで、半導体デバイス120には「ボール状の第2の電極」が0.5mmのピッチで2次元的に10×9個配置され、PCBとの間でデイジーチェーンを形成している。当該半導体デバイスのチップサイズは5.6mm×4.9mmである。評価に使用した歪吸収層の素材は引用特許文献2に記載された感光性樹脂組成物であり、該特許の出願人である新日鉄住金化学株式会社より入手した。使用した感光性樹脂組成物はヤング率0.1〜0.5GPaのグレード品である。図3(a)において、横軸は熱履歴(−30℃〜+80℃)のサイクル数、縦軸はデイジーチェーンの総抵抗値である。同図(a)において、パラメータ「t」は歪吸収層112の厚さであり、「t=0μm」は歪吸収層が無い場合である。同図から明らかなように、歪吸収層が無い場合には、1500回の熱履歴で総抵抗値が大きくなり、電気接続が破壊されている。かかる状態での、「ボール状の第2の電極」の断面図が同図(b)に示されている。同図(b)において、上側が半導体デバイス、下側がPCBであり、半導体デバイス側でクラックが発生していることが示されている。一方、同図(a)に示すように、歪吸収層の厚さが大きくなるほど、熱履歴サイクルが多くなっても接続信頼性が確保されている。4000回の熱履歴を目標とするならば、少なくとも10μm、より好ましくは15μmを超える厚さが必要であることが分かる。かかる評価結果により、本発明の効果が定量的に明らかにされた。 FIG. 3 shows evaluation results of electrical connection reliability actually measured by the inventors. The evaluation target is a sample in the mounting state illustrated in FIG. 2, and 10 × 9 “ball-shaped second electrodes” are two-dimensionally arranged on the semiconductor device 120 at a pitch of 0.5 mm, A daisy chain is formed between them. The chip size of the semiconductor device is 5.6 mm × 4.9 mm. The material of the strain absorbing layer used for the evaluation was the photosensitive resin composition described in the cited patent document 2, and was obtained from Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd., the applicant of the patent. The used photosensitive resin composition is a grade product having a Young's modulus of 0.1 to 0.5 GPa. In FIG. 3A, the horizontal axis represents the number of cycles of thermal history (-30 ° C. to + 80 ° C.), and the vertical axis represents the total resistance value of the daisy chain. In FIG. 6A, the parameter “t” is the thickness of the strain absorbing layer 112, and “t = 0 μm” is the case where there is no strain absorbing layer. As is clear from the figure, when there is no strain absorbing layer, the total resistance value increases after 1500 thermal histories, and the electrical connection is broken. A sectional view of the “ball-shaped second electrode” in this state is shown in FIG. In FIG. 2B, the upper side is a semiconductor device and the lower side is a PCB, and it is shown that a crack is generated on the semiconductor device side. On the other hand, as shown in FIG. 3A, the connection reliability is ensured as the thickness of the strain absorbing layer increases even if the thermal history cycle increases. If a thermal history of 4000 times is targeted, it can be seen that a thickness of at least 10 μm, more preferably more than 15 μm is required. From the evaluation results, the effects of the present invention were clarified quantitatively.

図4は本発明の実施例3であり、半導体デバイスが「インターポーザ」である場合のPCBへの実装構成を示す図である。図において、図1および図2と同一番号は同一構成要素を示している。図4では、前記「第2の電極」(110)が2個の場合が例示されている。図において、150はインターポーザであり、図2と同様に上下反転して表示されている。151は半導体LSIであり、接続端子152を介して150の「第2の主面」(図では150の上側の面である)に配置された配線群(図示せず)と電気接続されている。すなわち、半導体LSI(151)にインターポーザ150が積層された構成となっている。121はFR−4などのPCBであり、その表面には銅箔などで形成されたパターン122が配置されており、当該150に設けられた「ボール状の第2の電極」110と対抗した位置に配置されている。当該120は121との相対位置が調整された後、周知の熱処理工程で110を溶融させることにより、122と電気接続される。123は当該電気接続を強固にするために流し込まれたアンダーフィル層である。   FIG. 4 is a diagram showing a mounting configuration on a PCB when the semiconductor device is an “interposer” according to a third embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. FIG. 4 illustrates the case where there are two “second electrodes” (110). In the figure, reference numeral 150 denotes an interposer which is displayed upside down as in FIG. Reference numeral 151 denotes a semiconductor LSI, which is electrically connected via a connection terminal 152 to a wiring group (not shown) arranged on the “second main surface” of 150 (the upper surface of 150 in the figure). . That is, the interposer 150 is stacked on the semiconductor LSI (151). Reference numeral 121 denotes a PCB such as FR-4, on which a pattern 122 formed of copper foil or the like is arranged, and a position facing the “ball-shaped second electrode” 110 provided on the 150 Is arranged. After the relative position with respect to 121 is adjusted, 120 is electrically connected to 122 by melting 110 in a known heat treatment process. Reference numeral 123 denotes an underfill layer poured to strengthen the electrical connection.

図4に例示した実施例3においても、歪吸収層132が存在するため、PCB121とインターポーザ150の熱膨張係数差に起因する歪が影響を避けることが可能である。 Also in the third embodiment illustrated in FIG. 4, since the strain absorbing layer 132 exists, the strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the PCB 121 and the interposer 150 can be avoided.

図5は本発明の実施例4であり、半導体デバイス(半導体LSI)の製造法を示す図である。同図において、図1と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)に示す構造体を用いて製造法を詳細に記載する。同図(a)では、基板の第2の主面側の絶縁層102には導体105が埋め込まれて配置されている。同図(b)において、基板の第1の主面側にフォトレジスト(PR)を塗布し、貫通電極形成のためのパターニングを行う。130は貫通電極が形成される領域に開口を有するパターニングされたPR層である。同図(c)では、130をマスクとして反応性イオンエッチング(RIE)などの周知の手法により貫通孔131が形成される。RIEの雰囲気ガスを切り替えることにより、基板101と絶縁層102のエッチングを行い、導体105の前記第1の主面側を露出させる。同図(d)では、PR層130を除去してから、化学的気相成長(CVD)などの周知の手法により、絶縁層108(一般的には酸化シリコン層である)を堆積させる。当該108の堆積は貫通孔131の内壁と、前記第1の主面に電気的な絶縁性を付与することが目的である。CVD固有の特性により、前記第1の主面(図では上側の表面)での堆積厚さは、貫通孔の内壁での堆積厚さよりも大きくなる。また、この堆積工程では、導体105の表面(貫通孔の底になる)にも絶縁層が堆積されるので、前記したRIEなどの手法により、この部分の絶縁層のみを除去する。 FIG. 5 is a diagram showing a method of manufacturing a semiconductor device (semiconductor LSI), which is Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. A manufacturing method will be described in detail using the structure shown in FIG. In FIG. 2A, a conductor 105 is buried in the insulating layer 102 on the second main surface side of the substrate. In FIG. 4B, a photoresist (PR) is applied to the first main surface side of the substrate, and patterning for forming a through electrode is performed. Reference numeral 130 denotes a patterned PR layer having an opening in a region where the through electrode is formed. In FIG. 6C, through holes 131 are formed by a known method such as reactive ion etching (RIE) using 130 as a mask. By switching the RIE atmosphere gas, the substrate 101 and the insulating layer 102 are etched, and the first main surface side of the conductor 105 is exposed. In FIG. 6D, after the PR layer 130 is removed, an insulating layer 108 (generally a silicon oxide layer) is deposited by a known method such as chemical vapor deposition (CVD). The purpose of depositing 108 is to provide electrical insulation between the inner wall of the through hole 131 and the first main surface. Due to the characteristic of CVD, the deposition thickness on the first main surface (the upper surface in the figure) is larger than the deposition thickness on the inner wall of the through hole. Further, in this deposition step, an insulating layer is also deposited on the surface of the conductor 105 (which becomes the bottom of the through hole), so that only this portion of the insulating layer is removed by the technique such as RIE described above.

同図(e)では、前記基板の第1の主面側に歪吸収層を堆積させ、パターニングを行う。この堆積は、前記感光性樹脂組成物(液体)を塗布し、PR工程によりパターニングを行う。132はパターニングされた歪吸収層である。当該パターニングにより、前記した「ランド状の第1の電極」と「配線パターン」が配置される領域を含む領域に歪吸収層が形成される(詳細は後述)。同図(f)では、貫通孔の内壁を含む前記第1の主面側に導電体層133を形成する。一例と挙げるならば、第1段階としてチタンなどのシードメタル層を堆積させる(第1主面側の全面に堆積される)。この厚さについては格別な制限はないが、一般的には数100nmを越えない厚さであり、スパッタなどの周知の手法により堆積される。続いて、ドライフィルムなどの感光性フィルムを132の表面に貼りパターニングを行う。このパターニングは以後の工程で導電層を選択的に形成するためである。続いて、銅などの金属から成る導電層を無電解メッキ、電解メッキ、蒸着、印刷などで形成する。前記したドライフィルムなどの感光性フィルムを除去してから、露出しているシードメタル層をエッチングで除去して導電体層を形成する。本実施例では、「導電体層」は「シードメタル層」と「導電層」の2層構造(一般には多層構造)になっている。同図(f)には「貫通孔が導電体層で充填」されている事例が示されているが、これに限ることはない。貫通孔の底と側壁に導電体層が形成され「中空状態」であっても構わない。銅などの金属から成る導電層の厚さについても格段の制限はないが、一般的には100μmを越えない値である。この導電体層(シードメタル層+導電層)が形成された段階(同図(f))では、前記した「ランド状の第1の電極」(107)と「配線パターン」(109)が同一工程で同時に形成されていることになる。なお、同図(f)において導電体層133が形成された貫通孔131は前記した貫通電極106と同一構成要素になる。   In FIG. 5E, a strain absorbing layer is deposited on the first main surface side of the substrate, and patterning is performed. In this deposition, the photosensitive resin composition (liquid) is applied and patterned by a PR process. Reference numeral 132 denotes a patterned strain absorbing layer. By the patterning, a strain absorption layer is formed in a region including the region where the “land-shaped first electrode” and the “wiring pattern” are arranged (details will be described later). In FIG. 5F, a conductor layer 133 is formed on the first main surface side including the inner wall of the through hole. For example, as a first step, a seed metal layer such as titanium is deposited (deposited on the entire surface on the first main surface side). There is no particular limitation on the thickness, but generally the thickness does not exceed several hundred nm, and is deposited by a known method such as sputtering. Subsequently, a photosensitive film such as a dry film is applied to the surface of 132 to perform patterning. This patterning is for selectively forming a conductive layer in subsequent steps. Subsequently, a conductive layer made of a metal such as copper is formed by electroless plating, electrolytic plating, vapor deposition, printing, or the like. After removing the photosensitive film such as the dry film described above, the exposed seed metal layer is removed by etching to form a conductor layer. In this embodiment, the “conductor layer” has a two-layer structure (generally a multilayer structure) of a “seed metal layer” and a “conductive layer”. FIG. 5F shows an example in which “the through hole is filled with a conductor layer”, but the present invention is not limited to this. A conductor layer may be formed on the bottom and the side wall of the through-hole and may be in a “hollow state”. The thickness of the conductive layer made of a metal such as copper is not particularly limited, but generally does not exceed 100 μm. At the stage where the conductive layer (seed metal layer + conductive layer) is formed (figure (f)), the "land-shaped first electrode" (107) and the "wiring pattern" (109) are the same. It is formed at the same time in the process. In FIG. 8F, the through hole 131 in which the conductor layer 133 is formed is the same component as the through electrode 106 described above.

同図(g)では、配線パターン109の一部の領域(次の工程で「ボール状の第2の電極」が配置される領域である)を除いた領域を、パターニングされたソルダレジスト134で被覆する。同図(h)では、スクリーン印刷などの周知の手法により形成されたハンダペーストなどを熱処理することによりボール状の第2の電極110が形成される。   In FIG. 5G, a region excluding a partial region of the wiring pattern 109 (a region where the “ball-shaped second electrode” is arranged in the next step) is formed with a patterned solder resist 134. Cover. In FIG. 8H, the ball-shaped second electrode 110 is formed by heat-treating a solder paste or the like formed by a known method such as screen printing.

図5では半導体デバイスが半導体LSIである場合が例示されている。半導体デバイスがインターポーザである場合も同様に作製される。   FIG. 5 illustrates the case where the semiconductor device is a semiconductor LSI. When the semiconductor device is an interposer, it is manufactured similarly.

図5に示した製造法を要約すると、(1)半導体デバイスを構成する半導体基板に貫通電極用の貫通孔(131)を配置する工程と、(2)前記半導体基板の第1の主面に歪吸収層(132)を配置する工程と、(3)前記貫通孔に導電性を付与して貫通電極(106)とする工程と、(4)前記貫通電極に接続され、かつ、前記歪吸収層の表面に配置されるランド状の第1の電極(107)を形成する工程と、(5)該歪吸収層の表面に該第1の電極に接続された配線パターン(109)を形成する工程と、(6)該配線パターンの表面であって前記第1の電極が配置されていない領域にボール状の第2の電極(110)を配置する工程とを含む工程で半導体デバイスを製造することが可能となった。   The manufacturing method shown in FIG. 5 can be summarized as follows: (1) a step of arranging a through hole (131) for a through electrode in a semiconductor substrate constituting a semiconductor device; and (2) a first main surface of the semiconductor substrate. A step of disposing a strain absorbing layer (132), (3) a step of imparting conductivity to the through hole to form a through electrode (106), and (4) a connection to the through electrode and the absorption of the strain. Forming a land-like first electrode (107) disposed on the surface of the layer; and (5) forming a wiring pattern (109) connected to the first electrode on the surface of the strain absorbing layer. And (6) a step of disposing a ball-shaped second electrode (110) in a region on the surface of the wiring pattern where the first electrode is not disposed. It became possible.

なお、本実施例では、前段落に記載した(3)乃至(5)の工程は単一の同一工程である。これらの工程をそれぞれ異なる工程で半導体デバイスを作製しても構わない。   In this embodiment, the steps (3) to (5) described in the previous paragraph are a single identical step. You may manufacture a semiconductor device in a process different from these processes, respectively.

図5に示した実施例4では、貫通孔131の形成と歪吸収層132の形成は異なるパターニング工程(ここでは「2工程))が用いられている。これらのパターニングにはマスクを用いた露光工程が利用されるが、目合わせのマージンが必要となる。即ち、図5(e)の136の丸印で示すように、歪吸収層の開口サイズ(2回目のパターニング工程)は貫通孔のサイズ(1回目のパターニング工程)よりも大きくなる。この目合わせマージンは貫通孔のピッチを制限するため、複数の導体105が密接して配置されているような場合には、これらの複数の導体の全てに貫通孔を配置することができない欠点がある。なお、前記した目合わせマージンがあっても構わない場合には、本実施例は有効であり、後述する改良された製造法よりもプロセスが簡便である利点がある。   5, different patterning steps (here, “two steps”) are used to form the through holes 131 and the strain absorbing layer 132. Exposure using a mask for these patterning steps. Although the process is used, a margin for alignment is necessary, that is, as shown by the circle 136 in FIG.5 (e), the opening size of the strain absorbing layer (the second patterning process) is the size of the through hole. Since the alignment margin limits the pitch of the through holes, the plurality of conductors 105 may be arranged in close contact with each other in order to limit the pitch of the through holes. However, this embodiment is effective when the above-mentioned alignment margin may be provided, which is more effective than the improved manufacturing method described later. Seth is there is an advantage of being simple and easy.

図6は本発明の実施例5であり、半導体デバイスの改良された製造法を示す図である。本実施例では、前段落に記載した実施例4の欠点(目合わせマージン)を排除する製造法が示される。図において、図1乃至図5と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)において180は半導体デバイスである。同図(b)において、180の上面(第1の主面)に歪吸収層182が形成され、貫通孔部に開口ができるようパターニングを行う。この開口からRIEなどで貫通孔131を形成し、当該131の底部に導体105を露出させる。同図(d)では、貫通孔の側壁と前記歪吸収層182の表面に絶縁層108を形成する。この形成工程では、貫通孔の底部にも絶縁層が付着するので、周知の手法により除去する。 FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention and shows an improved manufacturing method of a semiconductor device. In the present embodiment, a manufacturing method that eliminates the drawback (alignment margin) of the fourth embodiment described in the previous paragraph is shown. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 denote the same components. In FIG. 1A, reference numeral 180 denotes a semiconductor device. In FIG. 6B, the strain absorbing layer 182 is formed on the upper surface (first main surface) 180, and patterning is performed so that an opening can be formed in the through hole. A through hole 131 is formed from this opening by RIE or the like, and the conductor 105 is exposed at the bottom of the 131. In FIG. 4D, an insulating layer 108 is formed on the side wall of the through hole and the surface of the strain absorbing layer 182. In this formation process, since the insulating layer is also attached to the bottom of the through hole, it is removed by a known method.

図6(e)では、絶縁層108の一部を残し、後述するボール状の第2の電極が配置される領域の当該108をエッチング除去する。同図(f)では、貫通孔内部に導電体層133を埋めこむ(貫通電極106となる)と同時に前記歪吸収層の表面にも当該導電体層を形成する。なお、該導電体層は前記したような「シードメタル層+導電層」の2層構造である。また、同図(f)はパターニングされた導電体層が示されている。この結果、前記歪吸収層の表面の導電体層133は、「ランド状の第1の電極107」と「配線パターン109」を構成していることになる。同図(g)ではパターニングされたソルダレジスト層134が形成され、同図(h)ではボール状の第2の電極110が形成される。   In FIG. 6E, a part of the insulating layer 108 is left and the region 108 where a ball-shaped second electrode to be described later is disposed is etched away. In FIG. 5F, the conductor layer 133 is embedded in the through hole (becomes the through electrode 106), and at the same time, the conductor layer is formed on the surface of the strain absorbing layer. The conductor layer has a two-layer structure of “seed metal layer + conductive layer” as described above. FIG. 5F shows a patterned conductor layer. As a result, the conductor layer 133 on the surface of the strain absorbing layer constitutes the “land-shaped first electrode 107” and the “wiring pattern 109”. In FIG. 5G, a patterned solder resist layer 134 is formed, and in FIG. 9H, a ball-shaped second electrode 110 is formed.

しかしながら、図6の実施例では、配線パターン109と基板101との間には、歪吸収層のみが存在しているため、当該歪吸収層の電気絶縁性が課題となる場合もある。例えば、基板が接地電位で、かつ、配線パターンに高電圧の信号が流れる場合である。かかる電気絶縁性は当該高電圧の値と歪吸収層の導電性に依存するが、図6の実施例が適用されない事例もあり得る。   However, in the embodiment of FIG. 6, since only the strain absorption layer exists between the wiring pattern 109 and the substrate 101, the electrical insulation of the strain absorption layer may be a problem. For example, the substrate is at the ground potential and a high voltage signal flows through the wiring pattern. Such electrical insulation depends on the value of the high voltage and the conductivity of the strain absorbing layer, but there may be cases where the embodiment of FIG. 6 is not applied.

図7は本発明の実施例6であり、前段落に記載した電気絶縁性を改良した構造とその製造法を示す図である。図において、図1乃至図6と同一番号は同一構成要素を示している。図7(a)から(d)は、図6の(a)から(d)と同一である。同図(e)では、歪吸収層の上面の全面に渡って配置された絶縁層108の上に導電体層133が形成され、「ランド状の第1の電極107」と「ボール状の第2の電極109」が形成される。同図(f)と(g)は、それぞれ、図6(g)と(h)と同様である。   FIG. 7 is a sixth embodiment of the present invention and shows a structure with improved electrical insulation described in the previous paragraph and a manufacturing method thereof. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 6 denote the same components. FIGS. 7A to 7D are the same as FIGS. 6A to 6D. In FIG. 5E, a conductor layer 133 is formed on the insulating layer 108 disposed over the entire upper surface of the strain absorbing layer, and the “land-shaped first electrode 107” and the “ball-shaped first electrode” are formed. Two electrodes 109 "are formed. FIGS. 6F and 6G are the same as FIGS. 6G and 6H, respectively.

本実施例では、導電体層と基板101との間には、歪吸収層182と絶縁層108とが存在するため、前記したような電気絶縁性に起因する課題は発生しない。   In this embodiment, since the strain absorbing layer 182 and the insulating layer 108 exist between the conductor layer and the substrate 101, the problem caused by the electrical insulation as described above does not occur.

本段落では、かかる構成の場合について考察する。図7に示した構成での各素材のヤング率は、
シリコン:130GPa SiO2(108の素材と仮定):73GPa
銅(配線の素材と仮定):129.8GPa ハンダボール:約30GPa
PCB:約28GPa
である。これらの数値を勘案すると、「配線パターン」と「ボール状の第2の電極の領域」では、当該配線パターンの直下に「少し柔らかい(=ヤング率が小さい)」SiO2(酸化シリコン)があり、さらにその下に「柔らかい」歪吸収層が配置されていることになる。このため、歪吸収のメカニズムはSiO2の存在に影響されにくいことになる。また、例え、歪によりSiO2層が破断(クラックの発生が多い)したとしても、配線パターンの導電性に影響を与えることはない。
In this paragraph, we consider the case of such a configuration. The Young's modulus of each material in the configuration shown in FIG.
Silicon: 130 GPa SiO2 (assuming 108 material): 73 GPa
Copper (assuming wiring material): 129.8 GPa Solder ball: about 30 GPa
PCB: about 28GPa
It is. Considering these numerical values, “wiring pattern” and “ball-shaped second electrode region” have “slightly soft (= small Young's modulus)” SiO 2 (silicon oxide) immediately below the wiring pattern. In addition, a “soft” strain absorbing layer is disposed below. For this reason, the strain absorption mechanism is hardly affected by the presence of SiO2. Further, even if the SiO2 layer is ruptured (a lot of cracks are generated) due to strain, the conductivity of the wiring pattern is not affected.

図8は本発明の実施例7であり、電気絶縁性を改善した半導体デバイスの他の製造法を示す図である。図において、図1乃至図6と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)において、半導体デバイス(180)の表面には「下地の絶縁層190」が配置されている。同図(b)は歪吸収層192が配置され、パターニングされた状態である。同図(c)において、歪吸収層に設けられた開口から、IREなどで貫通孔131が開けられる。同図(d)では、貫通孔131の側壁と歪吸収層192の表面に絶縁層194が形成される。同図(e)では、絶縁層194の一部を残し、後述するボール状の第2の電極が配置される領域の当該194をエッチング除去する。   FIG. 8 is a diagram showing another method for manufacturing a semiconductor device with improved electrical insulation, which is Embodiment 7 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 6 denote the same components. In FIG. 6A, the “underlying insulating layer 190” is disposed on the surface of the semiconductor device (180). FIG. 5B shows a state in which the strain absorption layer 192 is disposed and patterned. In FIG. 3C, a through hole 131 is opened from the opening provided in the strain absorbing layer by IRE or the like. In FIG. 4D, an insulating layer 194 is formed on the side wall of the through hole 131 and the surface of the strain absorbing layer 192. In FIG. 5E, a part of the insulating layer 194 is left, and the portion 194 in a region where a ball-shaped second electrode described later is disposed is etched away.

図8(f)では、貫通孔内部に導電体層133を埋めこむ(貫通電極106となる)と同時に前記歪吸収層の表面にも当該導電体層を形成する。なお、該導電体層は前記したような「シードメタル層+導電層」の2層構造である。また、同図(f)はパターニングされた導電体層が示されている。この結果、前記歪吸収層の表面の導電体層133は、「ランド状の第1の電極107」と「配線パターン109」を構成していることになる。同図(g)ではパターニングされたソルダレジスト層134が形成され、同図(h)ではボール状の第2の電極110が形成される。 In FIG. 8F, the conductor layer 133 is embedded in the through hole (becomes the through electrode 106), and at the same time, the conductor layer is formed on the surface of the strain absorbing layer. The conductor layer has a two-layer structure of “seed metal layer + conductive layer” as described above. FIG. 5F shows a patterned conductor layer. As a result, the conductor layer 133 on the surface of the strain absorbing layer constitutes the “land-shaped first electrode 107” and the “wiring pattern 109”. In FIG. 5G, a patterned solder resist layer 134 is formed, and in FIG. 9H, a ball-shaped second electrode 110 is formed.

図8に示した実施例では、配線パターン109の下部には「下地の絶縁層190」が配置されているので、前記したような電気絶縁性に起因する課題は発生しない。   In the embodiment shown in FIG. 8, since the “underlying insulating layer 190” is disposed below the wiring pattern 109, the above-described problem caused by the electrical insulation does not occur.

図5から図8に例示した実施例は、半導体デバイスの設計要因として考慮することになる。即ち、これらの実施例の中から、製造プロセスの容易性、配線パターンを流れる電圧の大きさ、貫通孔のピッチなどを考慮して、適宜選択されて良い。   The embodiment illustrated in FIGS. 5 to 8 is considered as a design factor of the semiconductor device. That is, it may be appropriately selected from these embodiments in consideration of the ease of the manufacturing process, the magnitude of the voltage flowing through the wiring pattern, the pitch of the through holes, and the like.

図9は本発明の実施例8であり、半導体デバイスを実装した時の他の構成を示す図である。図において、図1および図2と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)は歪吸収層112を有する半導体デバイス170(一部のみを表示)であり、図1(a)と同一構成であるが上下が反転表示されている。同図(b)はPCB171であり、上側の面にはパターン122が形成され、さらに、当該面に歪吸収層172が設けられている。同図(c)には半導体デバイス170とPCB171を積層した構造が示されている。同図(c)では、積層の結果、ソルダレジスト層111と歪吸収層172とが接触し、両者が一体化されている。この結果、半導体デバイスとPCBの熱膨張係数差に起因する歪が、2つの歪吸収層(112と172)で効率的に吸収されるので、熱履歴に対する耐性が増大する利点がある。 FIG. 9 shows an eighth embodiment of the present invention and shows another configuration when a semiconductor device is mounted. In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. FIG. 5A shows a semiconductor device 170 having a strain absorbing layer 112 (only a part is shown), which has the same configuration as FIG. FIG. 5B shows a PCB 171 having a pattern 122 formed on the upper surface, and a strain absorbing layer 172 provided on the surface. FIG. 2C shows a structure in which a semiconductor device 170 and a PCB 171 are stacked. In FIG. 6C, as a result of lamination, the solder resist layer 111 and the strain absorbing layer 172 are in contact with each other, and both are integrated. As a result, the strain caused by the difference between the thermal expansion coefficients of the semiconductor device and the PCB is efficiently absorbed by the two strain absorption layers (112 and 172), so that there is an advantage that resistance to thermal history is increased.

図10は本発明の実施例9であり、半導体デバイスを実装した時の他の構成を示す図である。図において、図9と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例と前段落に記載した実施例8との差異は図10(b)のPCBの構成にある。即ち、本実施例では、PCB(171)の上側表面には、歪吸収層172が配置され、当該172の上側表面にパターン122が形成されている。かかる構成によれば、半導体デバイス170とPCB171との熱膨張係数差により発生した歪を、170側と171側の両方で吸収することができるため、効果は大きい。 FIG. 10 shows a ninth embodiment of the present invention and shows another configuration when a semiconductor device is mounted. In the figure, the same numbers as those in FIG. 9 indicate the same components. The difference between the present embodiment and the eighth embodiment described in the previous paragraph is in the configuration of the PCB in FIG. That is, in this embodiment, the strain absorbing layer 172 is disposed on the upper surface of the PCB (171), and the pattern 122 is formed on the upper surface of the 172. According to such a configuration, since the strain generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor device 170 and the PCB 171 can be absorbed on both the 170 side and the 171 side, the effect is great.

本発明について図面を参照しながら説明した。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能である。例えば、貫通電極を有せず半導体基板の片面にのみ電子回路や配線パターンが形成されたボールグリッドアレイ構造の半導体LSIやチップサイズパッケージ構造の半導体LSIなどにも適用され得る。本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は記載内容に限定して解釈されるものではない。 The present invention has been described with reference to the drawings. The present invention can be implemented in many different ways. For example, the present invention can be applied to a semiconductor LSI having a ball grid array structure or a semiconductor LSI having a chip size package structure in which an electronic circuit or a wiring pattern is formed only on one surface of a semiconductor substrate without having a through electrode. It will be readily appreciated by those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description.

本発明により、半導体LSIやインターポーザといった半導体デバイスをPCBへ接続する時の熱膨張係数差に起因する電気接続の破壊を低減し、高い接続信頼性を確保する技術が開発された。本発明は、比較的大きなチップサイズ(例えば一辺の長さが5mmを超えるチップサイズ)のイメージセンサや各種のLSIに適用すると効果が顕著である。一例として挙げるならば、大面積の半導体LSIの上側表面に複数個のLSIを平面的に配置して積層化し、この積層構造体を「一つのシステム」にする場合にも顕著な効果が得られる。   According to the present invention, a technology has been developed that reduces electrical connection breakage due to a difference in thermal expansion coefficient when a semiconductor device such as a semiconductor LSI or an interposer is connected to a PCB, and ensures high connection reliability. The present invention is particularly effective when applied to image sensors and various LSIs having a relatively large chip size (for example, a chip size with a side length exceeding 5 mm). As an example, a remarkable effect can be obtained even when a plurality of LSIs are arranged in a plane on the upper surface of a large-area semiconductor LSI and stacked to form a single system. .

101 基板
102、108、190、194 絶縁層
103 トランジスタ
104、105 導体
106 貫通電極
107 ランド状の第1の電極
109 配線パターン
110 ボール状の第2の電極
111、134 ソルダレジスト
112、132、172、182、192 歪吸収層
120、170、180 半導体デバイス
121、171 プリント基板(PCB)
122 パターン
123 アンダーフィル層
130 フォトレジスト(PR)層
131 貫通孔
133 導電体層
136 目合わせマージンを示す丸印
150 インターポーザ
151 半導体LSI
152 接続端子
101 Substrate 102, 108, 190, 194 Insulating layer 103 Transistor 104, 105 Conductor 106 Through electrode 107 Land-shaped first electrode 109 Wiring pattern 110 Ball-shaped second electrode 111, 134 Solder resist 112, 132, 172, 182, 192 Strain absorbing layer 120, 170, 180 Semiconductor device 121, 171 Printed circuit board (PCB)
122 Pattern 123 Underfill layer 130 Photoresist (PR) layer 131 Through hole 133 Conductor layer 136 Circle 150 indicating alignment margin Interposer 151 Semiconductor LSI
152 Connection terminal

Claims (3)

半導体基板の一方の面である第2の主面側に配置された導体に電気接続された貫通電極と、前記半導体基板の他の面である第1の主面に形成され、かつ、前記貫通電極に電気接続されたランド状の第1の電極と、前記第1の電極に接続された配線パターンと、前記第1の主面の前記第1の電極が配置されていない領域において前記配線パターンの上部に形成されたボール状の第2の電極とを備えた半導体デバイスにおいて、
前記第1の電極を含む領域、および、前記配線パターンは、前記第一の主面に配置された歪吸収層の上部に配置され、
前記第1の電極と前記配線パターンの両方が、シードメタル層と、該シードメタル層の表面に配置された導電層とから構成され、
前記歪吸収層を感光性樹脂組成物で構成し、
該感光性樹脂組成物の硬化後のヤング率が0.5GPaを超えない値である
ことを特徴とする半導体デバイス。
A through electrode electrically connected to a conductor disposed on a second main surface side which is one surface of the semiconductor substrate; a first main surface which is the other surface of the semiconductor substrate; and the through electrode A land-like first electrode electrically connected to the electrode; a wiring pattern connected to the first electrode; and the wiring pattern in a region where the first electrode on the first main surface is not disposed. In a semiconductor device comprising a ball-like second electrode formed on the top of
The region including the first electrode and the wiring pattern are disposed on an upper portion of the strain absorbing layer disposed on the first main surface,
Both the first electrode and the wiring pattern are composed of a seed metal layer and a conductive layer disposed on the surface of the seed metal layer,
The strain absorbing layer is composed of a photosensitive resin composition,
A semiconductor device, wherein the Young's modulus after curing of the photosensitive resin composition is a value not exceeding 0.5 GPa.
前記歪吸収層を、環状イミド結合とダイマー酸に由来する2価の炭化水素基とを有するビスマレイミド化合物、光重合開始剤、及びケイ素原子に結合したアルコキシ基を4個以上有するケイ素化合物を含有する感光性樹脂組成物で構成し、
該感光性樹脂組成物の硬化後のヤング率が0.5GPaを越えない値である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。
The strain absorbing layer contains a bismaleimide compound having a cyclic imide bond and a divalent hydrocarbon group derived from dimer acid, a photopolymerization initiator, and a silicon compound having four or more alkoxy groups bonded to silicon atoms. Comprising a photosensitive resin composition,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the Young's modulus after curing of the photosensitive resin composition is a value not exceeding 0.5 GPa.
半導体デバイスを構成する半導体基板に貫通電極用の貫通孔を配置する工程と、
前記半導体基板の第1の主面に歪吸収層を配置する工程と、
前記貫通孔に導電体層を充填あるいは該貫通孔の内壁に導電体層を付着させて貫通電極とする工程と、
前記貫通電極に接続され、かつ、前記歪吸収層の表面に配置されるランド状の第1の電極を形成する工程と、
該歪吸収層の表面に該第1の電極に接続された配線パターンを形成する工程と、
該配線パターンの表面であって前記第1の電極が配置されていない領域にボール状の第2の電極を配置する工程とを含む
ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

Arranging a through hole for a through electrode in a semiconductor substrate constituting a semiconductor device;
Disposing a strain absorbing layer on the first main surface of the semiconductor substrate;
Filling the through hole with a conductor layer or attaching a conductor layer to the inner wall of the through hole to form a through electrode;
Forming a land-like first electrode connected to the through electrode and disposed on the surface of the strain absorbing layer;
Forming a wiring pattern connected to the first electrode on the surface of the strain absorbing layer;
And a step of disposing a ball-shaped second electrode on a surface of the wiring pattern where the first electrode is not disposed.

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