JP3672297B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明はＩＣチップと同じ大きさの、いわゆるチップサイズパッケージの構造とその製造方法に関する。
【従来の技術】
これまでに作成されているチップサイズパッケージと呼ばれるものは、ＩＣチップを一個に分離してからＩＣパッケージを作成していた。
【発明が解決しようとする課題】
ＩＣパッケージの中にＩＣを入れるためには、かなりの余裕度を取らねばならず、チップサイズパッケージといいながら、実際のサイズはＩＣチップよりかなり大きくなっていた。
また、ＩＣパッケージ製造の工程が複雑で長いため費用がかかり、かつ作成期間が長かった。
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明はウエハ状態でＩＣパッケージを作成し、ＩＣチップと同じ大きさのＩＣパッケージを提供する。すなわち、ウエハ状態で電極パッドにバンプを接着した後で、保護材料を塗布しマスク方法にてバンプ部分を露出させる。その後、スクライブラインでウエハを切断しＩＣパッケージを完成させる。
【実施例】
本発明は、集積回路（ＩＣ）チップと同じ大きさのＩＣパッケージを提供する技術に関するものである。以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、ウエハサイズで形成された本発明の構造を示すＩＣパッケージの断面図を示す。半導体基板１の表面に電極パッド２が形成されている。また、半導体基板１の表面は保護膜３でおおわれている。半導体基板内には集積回路が形成されている。図１では半導体基板内の集積回路は省略する。以上のようにしてＩＣチップが構成される。
本発明は、このＩＣチップの電極パッド２にバンプ４が接着している。バンプ４の形状は図１に示すように凸形をしている。ＩＣチップの表面は保護材料５で覆われている。バンプ４の凸形部分の柱状部分４ａは露出しており、外部電極との接点となる。保護材料５はバンプ４の凸形部分の水平部分４ｂで切れている。以上のようなＩＣパッケージは次のような特徴がある。
（１）ＩＣチップと同じ大きさである。
（２）ＩＣチップは完全に保護材料５でおおわれている。この事により、ＩＣチップへの外部環境からの異物の浸入は阻止されている。たとえば、外部の水分の浸入はないため、ＩＣチップの水分による問題、たとえば電極パッドの腐食は発生しない。
（３）バンプ４の柱部分４ａは保護材料５より突出しているため、外部電極との接続が容易である。この事を図２により説明する。図２(ａ)は、図１のウエハサイズで形成されたＩＣパッケージの集合体を個片にした状態の１個のＩＣパッケージの断面構造図である。図２(ｂ)は、図２(ａ)のＩＣパッケージを実装基板に取付けた状態を示す。実装基板１６の表面に配線１７が形成されている。配線１７とバンプ１４の柱部分１４ａが接着している。バンプ１４の柱部分１４ａが保護材料１５より突出しているため、外部配線１７との接続が容易となる。
（４）保護材料５はＩＣチップを強固に保持しているため、ＩＣパッケージの強度はＩＣチップ単体の強度に比較し格段に向上している。
（５）構造が簡単なため、材料費を含めた製造コストが非常に安い。
以上のように、本発明によるＩＣパッケージはチップサイズパッケージとして使用できる。
次に、本発明のＩＣパッケージの製造方法について詳細に述べる。
図３(ａ)は、ＩＣチップがまだ切断されていない段階のウエハ状態を示す図である。ウエハ内には多数のＩＣが存在する。半導体基板２１内には半導体素子が多数形成されている。図中、半導体基板２１は、シリコン(Ｓｉ)半導体やガリウムひ素などの化合物半導体、あるいは他の半導体である。電極パッド２２の材料は、アルミニウム(Ａｌ)やアルミニウムの合金や不純物元素の入ったアルミニウム、あるいは銅(Ｃｕ)が銅の合金や不純物の入った銅、あるいは他の金属などである。 保護膜２３の材料は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）やポリイミド膜、あるいは他の絶縁膜などである。
次に図３(ｂ)に示すように、図１で示されたＩＣが多数形成されたウエハ状態のままで、電極パッド２２にバンプ２４を接着する。図３(ｃ)は、図３(ｂ)の電極パッド２２の周辺を拡大した図である。バンプ２４の形状は図３(ｃ)に示すように凸形の形状をなるように形成する。
バンプ２４の形成方法の１つとして、ワイヤボンダー装置を用いる方法がある。その方法を図７、図８を用いて説明する。図７(ａ)において、金属線３４の先にワイヤボンディング装置で丸い金属ボール３５を形成する。次に図７(ｂ)に示すように、金属ボール３５をＩＣの電極パッド ３２に押し付け、熱圧着か超音波圧着などの方法により、金属ボール３５とＩＣの電極パッド３２を接着する。次に図８に示すように、金属線３４を適当な長さの所３４ａで切断して、バンプ３６とバンプ柱部分３６ａを形成する。以上の事をウエハレベルで行うのであるが、ウエハサイズで見れば、バンプ３６の高さはばらつきがあるので全体の高さをそろえるために、図８の工程の後でベベリングという工程を加える事もある。
金属線３４、金属ボール３５、バンプ３６の材料として、金(Ａｕ)、パラジウム(Ｐｄ)、アルミニウム(Ａｌ)、銀(Ａｇ)、 鉛(Ｐｂ)と錫(Ｓｎ)の半田合金、銀(Ag)と錫(Ｓｎ)の合金、その他の金属などがある。
次に図４(ａ)に示すように、保護材料２５を付着する。図４(ｂ)は、図４(ａ)のバンプ２４の周辺を拡大した図である。保護材料２５は、液体状の材料でウエハ全体に塗布する事ができる。塗布する時の液体状の保護材料２５の厚みは、最終的な厚みを考慮して決定しなければならない。すなわちバンプ２４の柱２４ａの先より、保護材料２５の上面が最終的に上にならないように、塗布する時の液体状の保護材料２５の厚みを調整する。そして、塗布した後で適当な温度でベークして液体状の保護材料２５を固形化する。
次に図５(ａ)に示すように、感光性材料のフォトレジストなどの材料を塗布し、写真食刻法を用いマスク２６を作成する。
次に図５(ｂ)に示すように、マスク２６に沿って保護材料２５を除去する。図５(ｃ)は、図５(ｂ)のバンプ２４の周辺部分を拡大した図である。マスク２６は、バンプ２４の柱部分２４ａを露出させ、かつバンプ２４の水平部分２４ｂの所で切れるようにする。保護材料２５を除去する方法として、マスク２６をエッチングしにくく、保護材料２５をエッチングしやすいエッチング方法を用いればよい。あるいは、乾式エッチング方法を用いて、マスク２６のパターンがあいている所から保護材料２５をエッチング除去しても良い。さらにまた、ウエハをICパッケージ毎に切断する時のためにウエハ内のスクライブラインの保護材料２５も除去しておく事が望ましい。この時、スクライブライン部分のマスク２６は前もって開いている。
次に図６(ａ)に示すように、マスク２６を取り除く。図６(ｂ)は、図６(ａ)のバンプ２４の周辺部分を拡大した図である。バンプ２４の柱部分２４ａと水平部分２４ｂの一部は露出した状態にある。この状態のウエハを高温でアニールする事により、保護材料２５はより安定した保護材料となり、ＩＣを機械的・化学的に強化する。
これでウエハの中に多数のＩＣパッケージが完成したわけであるが、次にこれらをひとつひとつ分離する工程について述べる。すなわち、図６(ａ)において、ウエハ内のスクライブライン２７に沿って、ダイシング装置を用いて切断し、ＩＣパッケージを分離する。このＩＣパッケージの切断の時に、切断すべきウエハ内の場所、すなわちスクライブライン２７の所の保護材料２５を前もって除去しておけば、比較的簡単にスクライブライン２７に沿って切断できる。
次に、バンプの高さ、保護材料の厚さについて述べる。これらは、ＩＣパッケージの使用環境によって異なる。図９において、電極パッド５２の開口部の大きさをａ、電極パッド５２の部分の保護膜５３の厚みをｂ、バンプ５４の平坦部分５４ｂの高さをｃ、バンプ５４の平坦部分５４ｂの大きさをｄ、バンプ５４の柱部分５４ａの高さをｅ、柱部分５４ａの大きさをｆ、保護材料５５の厚みをｇとする。
バンプ５４の平坦部分５４ｂの大きさｄは、一般的には電極パッド５２の開口部の大きさａより小さい。ただし、バンプ５４が電極パッド５２を完全に被うことができれば、ｄはａより大きくても良い。バンプ５４の柱部分５４ａの大きさｆは、バンプの５４の平坦部分５４ｂの大きさｄより小さい。
保護材料５５の開口部とバンプ柱部分との距離ｈは限りなくゼロで良いが、バンプ５４の柱部分５４ａにかぶると外部配線との接続不良を起こす恐れがあるので、マスクの合わせ余裕度とバンプ５４の位置の精度と保護材料のエッチング精度とサイドエッチ量などを考えて値を決める必要がある。
バンプ５４の平坦部分５４ｂの端と保護材料55の開口部との距離ｉも原理的にはゼロで良いが、この部分からの水分など外部環境の異物が浸入する可能性が最も大きいので、保護材料５５はバンプ５４の平坦部分５４ｂに確実にかかっている必要がある。たとえばバンプ５４の位置精度がｘミクロンｍ、マスクの合わせ誤差ｙミクロンｍ、保護材料５５のエッチングの精度ｚミクロンｍ、サイドエッチ量ｗミクロンｍとするとｉはｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗより大きくなければならない。
バンプ５４の柱部分５４ａの大きさｆは、ワイヤボンディングで形成する場合は、金属線の太さで決まる。このｆは、外部配線と接続するので、その点からの設計も必要となる。
次にバンプ５４の平坦部分５４ｂの高さｃは、ＩＣパッケージをどの程度の強度を持たせるか、どの程度の信頼性を要求するかで決定される。一般的には１０ミクロンｍ〜５０ミクロンｍあれば良い。
また、バンプ５４の柱部分５４ａの高さｅは、保護材料５５の厚みｇからｃを引いた値より大きくし、保護材料５５より上にバンプの頭を出す必要がある。どのくらい頭を出すかは、このＩＣパッケージを実装する技術によるが、１０ミクロンｍ以上出しておけば実装側からは安全であろう。
保護材料の厚みｇは、バンプ５４の平坦部分５４ｂをおおうのでｃよりは大きくなければならない。一般的には、ｇは１２ミクロンｍ〜７０ミクロンｍとする。
尚、図５、図６では、水平部分に保護材料の端が来るようにしたが、マスクおよびエッチング条件を選ぶことにより、バンプの柱部分だけを露出するようにできることはいうまでもない。
【発明の効果】
以上、説明したようにウエハ状態でＩＣパッケージを作成するので、工程がかなり少なくなり大幅な費用削減と大幅な納期短縮ができる。また、凸形バンプを使用し保護材料がバンプの水平部分をおおっているので、信頼性と品質が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置であるウエハサイズのＩＣパッケージの構造を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置を実装状態を示す図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法を示す図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の半導体装置に用いるバンプを作成する方法を示す図である。
【図８】本発明の半導体装置に用いるバンプを作成する方法を示す図である。
【図９】本発明の半導体装置の寸法を説明する図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１、５１ 半導体基板
２、１２、２２、３２、５２ 電極パッド
３、１３、２３、３３、５３ 保護膜
４、１４、２４、３６、５４ バンプ
５、１５、２５、５５ 保護材料
４ａ、１４ａ、２４ａ、５４ａ バンプの柱部分

Claims (2)

1. 半導体基板の中に半導体素子を形成した後に、半導体素子の電極パッドにバンプの柱部分となる金属線の先に形成した金属ボールを圧着することにより凸型バンプを接着する工程と、
   半導体素子を保護するための材料を、前記柱部分を露出し、かつ前記柱部分の周囲のバンプの水平部分より高く塗布し、固化する工程と、
   写真食刻法を用いて、前記凸型バンプの前記柱部分の全てと、その周囲の前記水平部分の一部を露出する工程を
   含む半導体装置の製造方法。
2. 前記凸型バンプはワイヤボンディング装置を用いて形成する請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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